KR102460672B1 - 연료 노즐, 연료 노즐 모듈 및 이를 포함하는 연소기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제조 비용을 절감하면서도 수소를 주원료로 사용하는 수소 터빈에도 적용될 수 있는 연료 노즐, 연료 노즐 모듈 및 이를 포함하는 연소기에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐은, 내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더; 노즐 실린더와 이격되며, 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드; 노즐 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함한다.

Description

연료 노즐, 연료 노즐 모듈 및 이를 포함하는 연소기 {FUEL NOZZLE, FUEL NOZZLE MODULE AND COMBUSTOR HAVING THE SAME}
본 발명은 연료 노즐, 연료 노즐 모듈 및 이를 포함하는 연소기에 관한 것이다. 본 발명은 연소기를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. 연소기에서 사용되는 연료는 수소, 천연가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
대한민국 공개특허 10-2006-0096319호 (명칭 : 캔형 연소기)
본 발명의 일측면은 제조 비용을 절감하면서도 수소를 주원료로 사용하는 수소 터빈에도 적용될 수 있는 연료 노즐, 연료 노즐 모듈 및 이를 포함하는 연소기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐은, 내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더; 노즐 실린더와 이격되며, 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드; 노즐 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 연료홀은, 각각 동일한 크기로 형성되고, 연료홀 간의 간격은 동일한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 연료홀은, 각각 동일한 크기로 형성되나, 연료홀 간의 간격은 상이한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 연료홀은, 각각 상이한 크기로 형성되나, 연료홀 간의 간격은 동일한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 연료홀은, 각각 상이한 크기로 형성되고, 연료홀 간의 간격은 상이한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 모듈은, 내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더; 노즐 실린더와 이격되어 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드; 노즐 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함하는 복수개의 연료 노즐로 형성된다. 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐에 포함된 연료홀의 위치가 나머지 연료 노즐에 포함된 연료홀의 위치와 다른 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 모듈에 있어서, 복수개의 연료홀은, 각각 동일한 크기로 형성되고 연료홀 간의 간격은 동일한 간격으로 형성되거나, 각각 동일한 크기로 형성되나 연료홀 간의 간격은 상이한 간격으로 형성되거나, 각각 상이한 크기로 형성되나 연료홀 간의 간격은 동일한 간격으로 형성되거나, 각각 상이한 크기로 형성되고 연료홀 간의 간격은 상이한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 모듈에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은 혼합 유로의 폭이 다른 연료 노즐의 혼합 유로의 폭과 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 모듈에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은, 슈라우드의 가상의 중심축과 노즐 실린더의 가상의 중심축이 일치하지 않도록 하여 혼합 유로의 폭이 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 모듈에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은, 다른 연료 노즐의 혼합 유로와 단면적이 상이한 혼합 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수개의 연료 노즐로 형성되는 연료 노즐 모듈을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함한다. 또한, 연료 노즐은, 내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더; 노즐 실린더와 이격되며, 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드; 노즐 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 연료홀은, 각각 동일한 크기로 형성되고 연료홀 간의 간격은 동일한 간격으로 형성되거나, 각각 동일한 크기로 형성되나 연료홀 간의 간격은 상이한 간격으로 형성되거나, 각각 상이한 크기로 형성되나 연료홀 간의 간격은 동일한 간격으로 형성되거나, 각각 상이한 크기로 형성되고 연료홀 간의 간격은 상이한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐에 포함된 연료홀의 위치가 나머지 연료 노즐에 포함된 연료홀의 위치와 다른 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은, 혼합 유로의 폭이 다른 연료 노즐의 혼합 유로의 폭과 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은, 슈라우드의 가상의 중심축과 노즐 실린더의 가상의 중심축이 일치하지 않도록 하여 혼합 유로의 폭이 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은, 다른 연료 노즐의 혼합 유로와 단면적이 상이한 혼합 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제조 비용을 절감하면서도 수소를 주원료로 사용하는 수소 터빈에도 적용될 수 있는 연료 노즐, 연료 노즐 모듈 및 이를 포함하는 연소기를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 모듈이 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 사시도이다.
도 5는 도 3의 I-I' 라인에서 바라본 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 여러 변형예가 도시된 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 단면도이다.
도 10a는 본 실시예에 따른 연료 노즐 모듈이 도시된 사시도이다.
도 10b 및 도 10c는 본 실시예에 따른 연료 노즐 모듈을 이루는 각각의 연료 노즐을 하류에서 바라본 도면이다.
도 11은 종래 기술에 따른 수소 터빈에 사용되는 마이크로 믹서가 도시된 평면도이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(1100), 압축기로부터 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(1200) 및 연소기에서 발생한 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(1300)을 포함한다. 본 명세서에서는 연료 또는 공기 흐름의 선후를 기준으로 상류 및 하류를 규정하도록 한다.
가스 터빈의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다. 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
가스 터빈의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분으로서, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 역할을 한다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
가스 터빈을 구성하는 압축기(1100)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계될 수 있는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 대형 가스 터빈은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 다단 축류형 압축기가 적용되는 것이 일반적이다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다.
연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다.
연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 회전축을 중심으로 환형으로 배치되는 복수개의 버너 모듈(1210)을 포함한다. 버너 모듈(1210)은 연료 유체가 연소하는 연소실(1240)을 포함하는 연소실 조립체(1220)와, 연소실(1240)로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체(1230)를 포함할 수 있다.
가스 터빈에는 수소, 천연가스를 포함하는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있는데, 본 발명에서의 연료 유체는 이들을 의미한다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.
예혼합 연소의 경우에는 연료 노즐 조립체(1230)에서, 압축기(1100)로부터 유입된 압축 공기는 연료와 혼합된 후, 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.
연료 노즐 조립체(1230)는 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐(2000)을 포함하는데, 연료 노즐(2000)은 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 되도록 한다.
복수개의 연료 노즐(2000)은 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 내부 연료 노즐을 중심으로 복수개의 외부 연료 노즐이 방사상으로 배치될 수 있다. 연료 노즐(2000)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
연소실 조립체(1220)는 연소가 이루어지는 공간인 연소실(1240)을 구비하는데, 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 포함한다.
라이너(liner, 1250)는 연료 노즐 조립체(1230)의 하류측에 배치되며, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 라이너(1251)를 아우터 라이너(1252)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 라이너(1251)는 내부가 빈 관형 부재이고, 이너 라이너(1251)의 내부는 연소실(1240)을 이룬다. 압축 공기는 아우터 라이너(1252) 안쪽의 환형 공간 내부로 침투하여 이너 라이너(1251)를 냉각시킬 수 있다.
한편, 라이너(1250)의 하류 측에는 트랜지션 피스(transition piece, 1260)가 위치하는데, 트랜지션 피스(1260)는 연소실(1240)에서 발생한 연소 가스를 터빈(1300)으로 고속으로 내보낼 수 있다. 트랜지션 피스(1260)는 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 트랜지션 피스(1262)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이너 트랜지션 피스(1261)도 이너 라이너(1251)와 마찬가지로 내부가 빈 관형 부재로 형성되며, 라이너(1250)에서 터빈(1300) 측으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다. 이 때, 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)는 플레이트 스프링 씰(미도시)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)의 각 단부는 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 플레이트 스프링 씰은 열팽창에 의한 길이 및 직경의 신장을 수용할 수 있는 구조로 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 지지할 수 있다.
이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 라이너(1252)와 아우터 트랜지션 피스(1262)가 감싸는 구조로 되어 있고, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252) 사이의 환형 공간과 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262) 사이의 환경 공간 안으로 압축 공기가 침투할 수 있다. 이와 같은 환형 공간을 침투한 압축 공기는 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 냉각시킬 수 있다.
연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소 가스는 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 통해 터빈(1300)으로 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소 가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌하여 반동력을 줌으로써 연소 가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
한편, 최근에는 천연가스의 비율을 낮추고, 수소의 비율을 높인 연료 노즐이 연구되고 있다. 수소 비율을 높인 연료를 사용하는 가스 터빈을, 소위 '수소 터빈'으로 칭하기도 한다. 이러한 수소 터빈에 사용되는 연료 노즐로서, 도 11에 도시된 바와 같은 마이크로 믹서(micro-mixer)를 사용한다. 그러나, 마이크로 믹서는 플래시백의 위험성을 제거하는 등의 이유로, 크기가 수mm 이하로 매우 작으며, 그 형상은 매우 복잡하여 제조 비용이 상승하는 단점이 있다. 본 발명은 이러한 마이크로 믹서의 단점을 해소하면서 수소를 주원료로 사용하는 수소 터빈에도 적용될 수 있는 연료 노즐을 제공한다. 물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 천연가스를 주원료로 사용하는 가스 터빈에도 적용될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐(2000)에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 모듈이 도시된 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 사시도이며, 도 5는 도 3의 I-I' 라인에서 바라본 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐(2000)은 노즐 실린더(2100), 노즐 플랜지(2200), 슈라우드(2300)를 포함한다.
노즐 실린더(2100)는 연료를 공급하는 수단으로, 일 방향으로 연장 형성된다. 노즐 실린더(2100)는 일반적으로 원통형으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에서는 원통형의 노즐 실린더(2100)를 예시로 한다. 연료(F)는 수소로만 이루어지거나, 또는 천연가스로만 이루어지거나, 또는 수소와 천연가스가 혼합된 혼소일 수 있다.
노즐 실린더(2100) 내부에는 연료(F)가 유동하는 공간이 형성되며, 노즐 실린더(2100)의 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀(2110)이 형성된다. 복수개의 연료홀(2110)은 슈라우드(2300)에 의해 둘러 쌓이는 부분부터 형성될 수 있다. (도 5 참조)
도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 동일한 크기로 형성되고 연료홀(2110) 간의 간격도 동일한 간격으로 형성될 수 있으나, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 다른 크기 또는 다른 간격으로 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 후술한다.
연료는 노즐 실린더(2100)의 길이 방향을 따라 유동하면서, 복수개의 연료홀(2110)을 통해 노즐 실린더(2100)와 슈라우드(2300) 사이에 형성된 혼합 유로(S)로 공급될 수 있다.
헤드 엔드 플레이트(1231)는 연료 노즐 조립체(1230)의 외벽을 이루는 노즐 케이싱(1232)의 단부에서 노즐 케이싱(1232)과 결합하여 노즐 케이싱(1232)을 밀봉하는데, 노즐 실린더(2100)에 연료를 공급하는 매니 폴드, 관련 밸브 등과 결합될 수 있다. 또한 헤드 엔드 플레이트(1231)는 노즐 케이싱(1232) 내에 배열되는 연료 노즐(2000)을 지지한다. 연료 노즐(2000)은 노즐 실린더(2100) 일단에 배치된 노즐 플랜지(2200)에 의해 헤드 엔드 플레이트(1231)에 고정된다.
연료(F)는 연료 인젝터(fuel injector, 미도시)를 통해 헤드 엔드 플레이트(1231)를 거쳐 유입되어, 노즐 실린더(2100)의 길이 방향을 따라 이동하다가 복수개의 연료홀(2110)을 통해 혼합 유로(S)로 흘러서 압축공기(A)와 혼합된 후, 연소실(1240)로 분사된다.
슈라우드(shroud, 2300)는 노즐 실린더(2100)와 이격되어 노즐 실린더(2100)를 길이방향으로 둘러싸도록 형성되어, 연료 및 공기가 흐르면서 혼합될 수 있는 혼합 유로(S)를 형성한다. 슈라우드(2300)는 노즐 실린더(2100)의 연장 방향을 따라 연장 형성되는데, 노즐 실린더(2100)와 일정 간격 이격되어 노즐 실린더(2100)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 원통형의 슈라우드(2300)를 예시로 한다. 이 경우, 노즐 실린더(2100)와 슈라우드(2300)에 의해 형성되는 혼합 유로(S)의 단면은 환상(環狀)으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐(2000)은, 간단한 구조로 수소를 주원료로 하는 수소 터빈에 적용될 수 있으므로, 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
다음, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 여러 변형예를 설명한다. 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 여러 변형예가 도시된 단면도이다.
도 6을 참조하면, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 동일한 크기로 형성되고 연료홀(2110) 간의 간격도 동일한 간격으로 형성되나, 연료 노즐 별로 연료홀(2110)의 위치가 다르게 형성될 수 있다. 즉, 제1 연료 노즐(2001)에서의 첫번째 연료홀의 위치(P1)와 제2 연료 노즐(2002)에서의 첫번째 연료홀의 위치(P2)가 다르게 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 연료 노즐(2002)에서의 첫번째 연료홀의 위치(P1)와 제3 연료 노즐(2003)에서의 첫번째 연료홀의 위치(P3)가 다르게 형성될 수 있다. 일반화하여, 제n 번째 연료 노즐에서의 첫번째 연료홀의 위치와 제n+1 번째 연료 노즐에서의 첫번째 연료홀의 위치가 다르게 형성될 수 있다.
각 연료 노즐(2001, 2002, 2003,??)에서 연료홀(2111, 2112, 2113,??)의 위치가 다르게 형성됨으로써, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 각 연료 노즐(2001, 2002, 2003,??)에서의 고주파 진동수가 각각 다르게 할 수 있다. 이에 따라, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 고주파 공진에 의한 연소 불안정 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 7을 참조하면, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 동일한 크기로 형성되나, 연료홀(2110) 간의 간격은 상이한 간격으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 연료홀(2110) 간의 간격은 연료 노즐(2000) 후단에 위치하는 연소실(1240) 방향으로 갈수록 점점 커지도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 연료홀(2110)을 형성함에 따라 혼합 유로(S) 상류에서 연료(F)와 압축공기(A)를 많이 혼합시키고, 혼합 유로(S) 하류에서는 적게 혼합시켜서 혼합 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 동일한 양의 연료가 공급될 때, 혼합 유로(S) 상류에서 다량 혼합된 후, 혼합 유로(S) 하류로 유동하면서 계속해서 혼합되므로, 혼합 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 동일한 크기로 형성되나, 연료홀(2110) 간의 간격은 상이한 간격으로 형성되도록 하면서, 도 6과 같이, 제n 번째 연료 노즐에서의 첫번째 연료홀의 위치와 제n+1 번째 연료 노즐에서의 첫번째 연료홀의 위치가 다르게 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 상이한 크기로 형성되나, 연료홀(2110) 간의 간격은 동일한 간격으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 연료홀(2110)의 크기(직경)는 연료 노즐(2000) 후단에 위치하는 연소실(1240) 방향으로 갈수록 점점 작아지도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 연료홀(2110)을 형성함에 따라 혼합 유로(S) 상류에서 연료(F)와 압축공기(A)를 많이 혼합시키고, 혼합 유로(S) 하류에서는 적게 혼합시켜서 혼합 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 동일한 양의 연료가 공급될 때, 혼합 유로(S) 상류에서 다량 혼합된 후, 혼합 유로(S) 하류로 유동하면서 계속해서 혼합되므로, 혼합 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 상이한 크기로 형성되나, 연료홀(2110) 간의 간격은 동일한 간격으로 형성되도록 하면서, 도 6과 같이, 제n 번째 연료 노즐에서의 첫번째 연료홀의 위치와 제n+1 번째 연료 노즐에서의 첫번째 연료홀의 위치가 다르게 형성될 수 있다.
도시하지는 않았으나, 복수개의 연료홀(2110)은 각각 상이한 크기로 형성되나, 연료홀(2110) 간의 간격도 상이한 간격으로 형성될 수 있다. 이 경우에도, 전술한 도 7 및 도 8과 같이, 혼합 유로(S) 상류에서 연료(F)와 압축공기(A)를 많이 혼합시키고, 혼합 유로(S) 하류에서는 적게 혼합시켜서 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐을 설명한다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐은, 각 연료 노즐(2001, 2002, 2003,??) 중 적어도 하나 이상의 연료 노즐에 대해 혼합 유로(S)의 폭(L1, L2)이 다르게 형성될 수 있다. 즉, 슈라우드(2300) 내에서의 노즐 실린더(2100)의 위치를 다르게 형성하여, 노즐 실린더(2100)와 슈라우드(2300) 사이의 혼합 유로(S)의 폭(L1, L2)이 다르도록 할 수 있다. 여기서, "혼합 유로(S)의 폭"은 노즐 실린더(2100)의 외주면과 슈라우드(2300)의 내주면 사이의 거리를 의미할 수 있다. 구체적으로, 슈라우드(2300)의 가상의 중심축과 노즐 실린더(2100)의 가상의 중심축이 일치하지 않도록 하여 혼합 유로(S)의 폭(L1, L2)이 다르게 할 수 있다.
이와 같이, 복수의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐에 대해, 노즐 실린더(2100)와 슈라우드(2300) 사이의 혼합 유로(S)의 폭(L1 ~ L6)을 다르게 함으로써, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 각 연료 노즐(2001, 2002, 2003,??)에서의 고주파 진동수가 각각 다르게 할 수 있다. 이에 따라, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 고주파 공진에 의한 연소 불안정 문제를 해결할 수 있게 된다.
다음, 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 모듈을 설명한다. 도 10a는 본 실시예에 따른 연료 노즐 모듈이 도시된 사시도이고, 도 10b 및 도 10c는 본 실시예에 따른 연료 노즐 모듈을 이루는 각각의 연료 노즐을 하류에서 바라본 도면이다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 노즐 모듈은, 복수개의 연료 노즐을 포함하며, 적어도 어느 하나의 연료 노즐은 다른 연료 노즐과 단면적이 상이한 혼합 유로(S1 ~ S8)를 포함할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 슈라우드(2300)가 동일한 형상으로 형성되되, 슈라우드(2300) 내부의 위치한 노즐 실린더(2100)가 각각 다른 형상으로 형성된 것을 예시한다. 도 10a 및 도 10b에 예시된 바와 같이, 노즐 실린더(2100)는 원형 또는 사각형, 삼각형, 육각형 등의 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 노즐 실린더(2100)의 형상이 동일한 경우라도, 그 크기가 다른 경우도 포함한다.
도 10c는 노즐 실린더(2100)는 동일한 형상으로 형성되나, 슈라우드(2300)가 각각 다른 형상으로 형성된 것을 예시한다. 도 10c에 예시된 바와 같이, 슈라우드(2300)는 원형 또는 사각형, 삼각형, 육각형 등의 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 슈라우드(2300)의 형상이 동일한 경우라도, 그 크기가 다른 경우도 포함한다.
노즐 실린더(2100) 및 슈라우드(2300) 형상은, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 한정되는 것은 아니다.
도 10a 내지 도 10c와 같이, 노즐 실린더(2100) 또는 슈라우드(2300)의 형상을 조합하여 노즐 실린더(2100)와 슈라우드(2300) 사이에 형성되는 혼합 유로(S1 ~ S8)의 단면적을 각각 다르게 함으로써, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 각 연료 노즐에서의 고주파 진동수가 각각 다르게 할 수 있다. 이에 따라, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 고주파 공진에 의한 연소 불안정 문제를 해결할 수 있게 된다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
1100 : 압축기 1200 : 연소기
1210 : 버너 모듈 1220 : 연소실 조립체
1230 : 연료 노즐 조립체 1300 : 터빈
2000 : 연료 노즐 2100 : 노즐 실린더
2110 : 연료홀
2200 : 노즐 플랜지 2300 : 슈라우드

Claims (16)

  1. 내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더;
    상기 노즐 실린더와 이격되며, 상기 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드;
    상기 노즐 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함하며,
    상기 복수개의 연료홀 간의 간격은 연소실 방향으로 갈수록 점점 커지도록 형성되고, 상기 복수개의 연료홀의 크기는 연소실 방향으로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는,
    연료 노즐.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더;
    상기 노즐 실린더와 이격되어 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드;
    상기 노즐 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함하되,
    상기 복수개의 연료홀 간의 간격은 연소실 방향으로 갈수록 점점 커지도록 형성되고, 상기 복수개의 연료홀의 크기는 연소실 방향으로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는 연료 노즐이 복수개로 형성되며,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐에 포함된 첫번째 연료홀의 위치가 나머지 연료 노즐에 포함된 첫번째 연료홀의 위치와 다른 위치에 형성되는 연료 노즐 모듈.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은,
    상기 혼합 유로의 폭이 다른 연료 노즐의 혼합 유로의 폭과 다르게 형성되는 연료 노즐 모듈.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은,
    상기 슈라우드의 가상의 중심축과 상기 노즐 실린더의 가상의 중심축이 일치하지 않도록 하여 상기 혼합 유로의 폭이 다르게 형성되도록 하는 연료 노즐 모듈.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은,
    다른 연료 노즐의 혼합 유로와 단면적이 상이한 혼합 유로를 포함하는 연료 노즐 모듈.
  11. 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
    상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수개의 연료 노즐로 형성되는 연료 노즐 모듈을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하며,
    상기 복수개의 연료 노즐 각각은,
    내부에 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더;
    상기 노즐 실린더와 이격되며, 상기 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드;
    상기 노즐 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함하되,
    상기 복수개의 연료홀 간의 간격은 상기 연소실 방향으로 갈수록 점점 커지도록 형성되고, 상기 복수개의 연료홀의 크기는 상기 연소실 방향으로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는,
    연소기.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐에 포함된 첫번째 연료홀의 위치가 나머지 연료 노즐에 포함된 첫번째 연료홀의 위치와 다른 위치에 형성되는 연소기.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은,
    상기 혼합 유로의 폭이 다른 연료 노즐의 혼합 유로의 폭과 다르게 형성되는 연소기.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은,
    상기 슈라우드의 가상의 중심축과 상기 노즐 실린더의 가상의 중심축이 일치하지 않도록 하여 상기 혼합 유로의 폭이 다르게 형성되도록 하는 연소기.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수개의 연료 노즐 중 적어도 어느 하나의 연료 노즐은, 다른 연료 노즐의 혼합 유로와 단면적이 상이한 혼합 유로를 포함하는 연소기.
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