KR102473612B1 - 연료 노즐을 구비하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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그레고리 알렌 보드만
엘-나비 바쌈 사브리 모하마드 압드
제라르도 안토니오 살라자르-로이스
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Abstract

본 발명에 따른 가스 터빈 시스템은 제1 본체를 포함하고, 제1 본체는, 혼합 영역으로부터 제1 본체의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구에까지 연장되는 중앙 통로와, 혼합 영역에 있는 연료 출구와, 혼합 영역에 있는 산화제 출구, 그리고, 상기 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 연장되는 제1 통로 및 상기 제1 하류측 단부로부터 상기 혼합 영역을 향하는 상류 방향으로 연장되는 제2 통로를 구비하는 외측 통로를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템을 제공한다.

Description

연료 노즐을 구비하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD HAVING FUEL NOZZLE}
본원에 개시된 대상은 가스 터빈 엔진에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 어셈블리에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 연료 및 공기 혼합물을 연소시켜 고온의 연소 가스를 발생시키고, 결과적으로는 이 연소 가스가 하나 이상의 터빈 단을 구동시킨다. 특히, 고온의 연소 가스는 터빈 블레이드를 회전시키고, 그에 따라 샤프트를 구동시켜 하나 이상의 부하, 예컨대 발전기를 회전시킨다. 가스 터빈 엔진은 연료 및 공기를 연소기에 분사하는 하나 이상의 연료 노즐 어셈블리를 포함한다. 이 연료 노즐 어셈블리의 구조 및 구성은 배기 배출물(예컨대, 산화질소, 일산화탄소 등) 뿐만 아니라 연료 노즐 어셈블리의 구성요소의 수명에도 상당한 영향을 미칠 수 있다. 또한, 연료 노즐 어셈블리의 구조 및 구성은 설치, 제거, 유지보수 및 일반 정비의 시간, 비용 및 복잡도에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 연료 노즐 어셈블리의 구조 및 구성을 개선하는 것이 바람직할 것이다.
최초로 청구된 발명과 상응하는 범위의 특정 실시형태들을 이하에 요약한다. 이들 실시형태는 청구된 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라, 단지 발명의 가능한 형태에 대한 간략한 설명을 제공하려는 것이다. 실제로, 본 발명은 이하에 기술된 실시형태들과 유사하거나 혹은 다를 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
제1 실시형태에서, 가스 터빈 시스템은 제1 본체를 포함하고, 제1 본체는, 혼합 영역으로부터 제1 본체의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구에까지 연장되는 중앙 통로와, 혼합 영역에 있는 연료 출구와, 혼합 영역에 있는 산화제 출구, 그리고, 상기 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 연장되는 제1 통로 및 상기 제1 하류측 단부로부터 상기 혼합 영역을 향하는 상류 방향으로 연장되는 제2 통로를 구비하는 외측 통로를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템이다.
제2 실시형태에서, 가스 터빈 시스템은 제1 본체 및 제2 본체를 구비하는 연료 노즐을 포함하고, 제1 본체는, 혼합 영역으로부터 제1 본체의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구에까지 연장되는 중앙 통로와, 상기 혼합 영역에 배치된 복수의 선회 베인, 그리고, 상기 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 연장되는 제1 통로 및 상기 제1 하류측 단부로부터 상기 혼합 영역을 향하는 상류 방향으로 연장되는 제2 통로를 구비하는 외측 통로를 포함하는 것이며; 제2 본체는 상기 제1 본체의 둘레에 배치되는 것인 가스 터빈 시스템이다. 상기 제2 본체는, 이 제2 본체의 제2 하류측 단부에까지 연장되는 유체 통로를 포함한다.
제3 실시형태에서, 방법은, 연료 노즐의 제1 본체의 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 제1 유체를 유동시키는 단계, 상기 제1 하류측 단부로부터 혼합 영역을 향하는 상류 방향으로 제1 유체를 유동시키는 단계, 혼합된 유체를 생성하기 위해 상기 혼합 영역에서 상기 제1 유체를 제2 유체와 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 혼합 영역은 복수의 선회 베인, 연료 출구, 산화제 출구, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상기 방법은 또한, 상기 혼합된 유체를 상기 혼합 영역으로부터 중앙 통로를 거쳐 상기 연료 노즐의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구로 유동시키는 단계를 포함한다.
전술한 본 발명의 특징, 양태 및 이점과 그 밖의 특징, 양태 및 이점은, 도면 전반에 걸쳐 유사한 부품들에 유사한 부호들이 표시된, 첨부 도면을 참조로 하여 이하의 상세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 센터 바디를 포함하는 연료 노즐 어셈블리를 구비하는 터빈 시스템의 실시형태의 블록 선도이고;
도 2는 도 1의 터빈 시스템의 연소기로서, 상기 센터 바디를 포함하는 복수의 연료 노즐 어셈블리를 포함하는 연소기의 실시형태의 단면도이며;
도 3은 센터 바디가 팁 냉각 통로와, 상기 연료 노즐 어셈블리의 혼합 영역에 있는 베인에 유체 연통되는 냉각 유체 회수 통로를 포함하는 것인, 도 1의 연료 노즐 어셈블리 및 센터 바디의 실시형태의 단면도이고;
도 4는 센터 파일럿과, 상기 센터 파일럿의 둘레에 원주방향으로 연장되는 복수의 연료 개구와, 상기 연료 개구의 둘레에 원주방향으로 연장되는 선회 베인, 그리고 상기 선회 베인 둘레에 원주방향으로 연장되는 산화제 출구를 포함하는 것인 센터 바디의 실시형태의 투시 상면도이며;
도 5는 냉각 유체 회수 통로의 적어도 일부분을 획정하는 도관들을 포함하는 센터 바디로서, 센터 파일럿과 냉각 유체 회수 통로가 구 형상을 갖도록, 센터 파일럿 통로가 연료 노즐 어셈블리의 중심선 축으로부터 멀어지게 반경방향 외측으로 비선형적으로 증대되는 것인 센터 바디의 실시형태의 단면도이고;
도 6은 냉각 유체 회수 통로의 적어도 일부분을 획정하는 도관들을 포함하는 센터 바디로서, 센터 파일럿과 냉각 유체 회수 통로가 플루트 형상을 갖도록, 센터 파일럿 통로가 연료 노즐 어셈블리의 중심선 축으로부터 멀어지게 반경방향 외측으로 비선형적으로 증대되는 것인 센터 바디의 실시형태의 단면도이며;
도 7은 센터 바디의 다공 냉각판으로서 복수의 충돌 개구를 포함하는 다공 냉각판의 실시형태의 상면도이고;
도 8은 팁 냉각 통로와 냉각 유체 회수 통로를 유체 연통시키는 냉각 챔버의 상류측에 다공 냉각판을 포함하는 센터 바디로서, 상기 팁 냉각 통로는 냉각 유체를 하류 방향으로 유동시키며, 상기 냉각 유체 회수 통로는 냉각 유체를 상류 방향으로 유동시키는 것인 센터 바디의 하류측 단부의 실시형태의 단면도이며;
도 9는 팁 냉각 통로와 냉각 유체 회수 통로 양자 모두를 획정하는 벽이 다공 냉각판의 상류측에 복수의 개구를 포함하는 것인, 센터 바디의 하류측 단부의 실시형태의 단면도이고;
도 10은 도 1의 터빈 시스템의 연소기로서, 로브를 포함하는 복수의 연료 노즐 어셈블리를 포함하는 연소기의 실시형태의 단면도이다.
하나 이상의 본원의 구체적인 실시형태를 이하에 설명한다. 이들 실시형태를 간결하게 기술하려고 노력하다 보면, 실제 구현예의 모든 특징부들을 본 명세서에 기술할 수는 없다. 임의의 공학 프로젝트 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 상기한 임의의 실제 구현예를 개발하고자 할 때, 구현예마다 서로 다를 수 있는, 개발자의 구체적인 목표를 달성하기 위해서는, 예컨대 시스템-관련 및 사업-관련 제약 등을 준수하여, 여러 구현-구체적인 결정이 이루어져야 하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이와 같은 개발 노력은 복잡하고 많은 시간이 걸릴 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본원을 유용하는 당업자에게 설계, 제작 및 생산을 담당하게 하는 일반적인 절차인 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 여러 실시형태의 구성요소를 소개할 때, 관사 "a", "an", "the" 및 "said"는 하나 이상의 구성요소가 존재함을 의미하려는 의도가 있다. 용어 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"은 포괄적인 것임을 의미하면서 열거된 구성요소 이외의 추가적인 구성요소가 존재할 수 있음을 의미하려는 의도가 있다.
본원은 가스 터빈 엔진에서 사용하는 연료 노즐 어셈블리에 관한 것이다. 연료 노즐 어셈블리는, 가스 터빈 엔진의 연소기의 연소 영역(예컨대, 화염 영역)에 연료와 산화제(예컨대, 공기)의 혼합물을 제공하여 화염을 발생시키며, 결국에는 고온의 연소 가스를 발생시키는 것이다. 터빈은 화염(예컨대, 고온의 연소 가스)으로부터의 열에너지를, 예컨대 발전기, 펌프 등의 기계에 파워를 제공하는 데 사용되는 기계적 에너지로 변환한다. 연료 노즐 어셈블리는 일반적으로, 연소 영역에 있어서 연료 노즐 어셈블리의 하류측에 있는 화염의 특성(예컨대, 길이, 형상 등) 뿐만 아니라 배출물의 생성을 제어한다. 예를 들어, 연료 노즐 어셈블리는, 연료 및 공기의 흐름을 받아들여 상기 혼합물을 생성하는 내부 용적을 획정하는 지지 구조체(예컨대, 본체)를 포함한다. 상기 지지 구초체는, 연료 및 공기의 혼합물의 적어도 일부분을 연소 영역에 공급하고, 연소 영역 내에 발생된 화염을 안정화시키는 센터 바디를 포함한다. 연료 노즐 어셈블리는 또한, 연료 노즐 어셈블리의 하류측 단부에서 상기 지지 구조체에 연결된 노즐 슈라우드를 포함한다. 특정 실시형태에서, 상기 노즐 슈라우드는 연료 및 공기 혼합물의 흐름을 서로 이격되어 있는 복수의 흐름으로 나눌 수 있다. 예를 들어, 노즐 슈라우드는, 연료 노즐 어셈블리의 하류측 단부까지 연장되어 흐름이 연료 노즐 어셈블리로부터 빠져나갈 때 흐름을 나누는 데 도움을 주는 로브(lobes)를 포함할 수 있다. 연료 노즐 어셈블리에서 연료 및 공기 혼합물을 복수의 흐름으로 나눔으로써, 연소 영역에 발생된 주 화염이, 나뉘지 않은 연료 및 공기 혼합물로부터 발생된 주 화염에 비해 짧은 화염 길이를 갖는 복수의 화염으로 나뉠 수 있다.
연료 및 공기 혼합물의 연소 중에, 연료 노즐 어셈블리의 하류측 단부는 약 1000℃에서부터 약 2100℃ 이상까지의 범위의 온도에 노출될 수 있다. 이러한 높은 온도는 연료 노즐 표면에 대해 열 응력, 마모 및 열화를 야기할 수 있고, 그 결과 유지 보수 및 교체 비용이 증대된다. 냉각 방법은, 연료 노즐 어셈블리의 (예컨대, 연소 영역에 인접한) 하류측 단부를 냉각함으로써, 연료 노즐 어셈블리의 수명을 늘리는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 연료 노즐 어셈블리의 하류측 단부는, 막 냉각, 충돌 냉각, 또는 임의의 다른 적절한 냉각 기술을 통해 냉각 유체(예컨대, 공기 등의 산화제, 불활성 가스, 증기, 연료, 또는 비연료)로 냉각될 수 있다. 일반적으로, 냉각 유체는 냉각 후에 연소 영역에 토출된다. 토출된 냉각 유체(예컨대, 공기 등의 비연료)는 연소 영역에서 화염을 발생시키는 데 사용된 연료 및 공기 혼합물을 희석하여, 연료-공기 혼합물의 연료/공기 비를 변경할 수 있다. 추가적으로, 토출된 냉각 유체는 연료-공기 혼합물을 급냉시킬 수 있고 연료 노즐 어셈블리의 하류측 단부 전후의 압력을 다르게 할 수 있다. 그 결과, 개시된 실시형태를 사용하지 않으면, 화염이 불안정해져, 시스템(10)의 효율이 감소되고 연소 배출물이 증대될 수 있다. 따라서, 하류측 단부를 냉각한 후에 연료 노즐 어셈블리의 예혼합 영역에서 연료-공기 혼합물을 발생시키기 위해, 냉각 유체를 회수하고 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식에서, 냉각 유체를 연소 영역에 직접 토출하는 것과 관련되어 있는 연료/공기 비, 온도 및 압력의 요동은 재순환 및 예혼합을 통해 완화될 수 있다. 이러한 식으로, 시스템 효율이 증대될 수 있고, 가동 및 유지 보수 비용이 감소될 수 있다.
도 1은 터빈 시스템(10)의 일 실시형태의 블록 선도를 보여준다. 이하에 상세히 기술되는 바와 같이, 개시된 터빈 시스템(10)(예컨대, 가스 터빈 엔진)은, 시스템의 내구성, 운용성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 후술하는 연료 노즐 어셈블리를 채용할 수 있다. 도시된 바와 같이, 터빈 시스템(10)은 (예컨대, 하나 이상의 압축 단을 갖는) 압축기(12), 하나 이상의 터빈 연소기(14) 및 (예컨대, 하나 이상의 터빈 단을 갖는) 터빈(16)을 포함한다. 터빈 연소기(14)는 터빈 시스템(10)의 회전축 둘레에 원주방향으로 연장되어 있는 환형 연소기일 수 있고, 또는 터빈 시스템(10)은 상기 회전축 둘레에 원주방향으로 이격 배치된 복수의 연소기(14)를 포함할 수 있다. 터빈 연소기(14)는 공기, 산소, 산소-부화(富化) 공기, 산소-빈화(貧化) 공기, 또는 이들의 임의의 조합 등과 같은 가압 산화제(24)와 연료(22)를 모두 받아들이도록 구성되어 있는 하나 이상의 연료 노즐 어셈블리(20)를 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는 산화제를 공기(24)라고 하고 있지만, 개시된 실시형태에는 임의의 적절한 산화제가 사용될 수 있다. 또한, 특정 실시형태에서, 하나 이상의 유체[예컨대, 연료, 증기, 질소 등과 같은 불활성 가스, 배기가스 재순환(EGR) 가스, 또는 이들의 임의의 조합]는 연료 노즐 어셈블리(20)의 상류에서 산화제에 첨가될 수 있다. 연료 노즐 어셈블리(20)는 연료(22)(예컨대, 천연가스, 합성가스, 또는 이들의 조합 등과 같은 액체 연료 및/또는 가스 연료)를 터빈 연소기(14)에 보낸다. 각 연료 노즐 어셈블리(20)는, 냉각 유체[예컨대, 연료(22) 및/또는 공기(24)]를 회수하고 이 냉각 유체를 도 3 내지 도 9를 참조하여 이하에 더 상세히 기술되는 연료 노즐 어셈블리(20)의 혼합 영역으로 가게 하는 흐름 통로를 갖는 센터 바디(26)를 포함한다. 예를 들어, 연료 노즐 어셈블리(20)는 공기(24)의 흐름을 두 흐름으로 나누는데, 한 흐름은 본체 베인에 흘러 들어가고(예컨대, 본체 공기), 다른 흐름은 센터 바디(26)에 흘러 들어간다(예컨대, 센터 바디 공기). 본체 공기 흐름은, 연료 노즐 어셈블리(20)를 통과하는 전체 공기(24)[예컨대, 본체 베인과 센터 바디(26)를 통과하는 공기(24)]의 약 90% 내지 약 98%일 수 있다. 센터 바디(26)는 또한 센터 바디 공기(24)를 중앙 퍼지 제트와 내부 팁 냉각 회수 회로 사이에서 나눌 수 있다. 센터 바디(26)는 연료 노즐 어셈블리(20) 내에 배치되어 있고, 노즐 슈라우드 및 연료 노즐 지지 구조체의 적어도 일부분에 의해 둘러싸여 있다. 센터 바디(26)는 공기(24)를 두 흐름으로 나누도록 구성되어 있다. 예를 들어, 센터 바디(26)는, 공기(24)의 제1 흐름을 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)에서 냉각 챔버에 유체 연통되어 있는 냉각 통로로 가게 할 수 있고, 공기(24)의 제2 흐름을 센터 바디(26) 내의 중앙 퍼지 제트로 가게 할 수 있다. 추가적으로, 센터 바디(26)는 하류측 단부(27)를 냉각한 이후의 냉각 유체[예컨대, 공기(24)의 제1 흐름]를 회수할 수 있고, 회수된 냉각 유체를 중앙 파일럿에 유체 연통되어 있는 예혼합 영역으로 가게 할 수 있다. 공기(24)의 제2 흐름으로부터 회수된 유체는 연료(22) 및 공기(24)의 제1 흐름과 혼합되어, 연료-공기 혼합물을 생성한다. 냉각 유체를 회수하고 연료 노즐 어셈블리(20)의 예혼합 영역으로 가게 하여 연료-공기 혼합물을 발생시킴으로써, 연소기(14)에 있어서의 연료-공기 혼합물의 희석이 완화될 수 있다. 이러한 식으로, 적절한 연료/공기 비가 유지될 수 있어, 냉각 유체를 연소기(14)에 직접 토출하는 연료 노즐 어셈블리에 비해 연소 효율이 증대된다. 또한, 냉각 유체를 연소기(14)에 직접 토출하는 것과 관련이 있는 하류측 단부(27) 전후에서의 압력 및 온도의 요동이 감소될 수 있다. 따라서, 연소기(14)에서 연료-공기 혼합물로부터 발생된 화염은 안정화될 수 있고, 연소 배출물은 상류에서의 예혼합에 의해 감소될 수 있다.
압축기 블레이드는 압축기(12)의 구성요소로서 포함된다. 압축기(12) 내의 블레이드는 샤프트(28)에 연결되어 있고, 후술하는 바와 같이 샤프트(28)가 터빈(16)에 의해 회전하도록 구동될 때 회전할 것이다. 압축기(12) 내의 블레이드가 회전함으로써, 공기 흡입부(32)로부터의 공기(30)가 가압 공기(24)로 압축된다. 그 후에, 가압 공기(24)는 터빈 연소기(14)의 연료 노즐 어셈블리(20)에 급송된다. 가압 공기(24)의 제1 부분(예컨대, 전체 연료 노즐 공기의 약 2% 내지 약 10%)은 연료 노즐 센터 바디 팁 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)를 (예컨대, 충돌 냉각을 통해) 냉각하는 데 사용될 수 있고, 센터 바디(26)의 예혼합 영역으로 재순환될 수 있다. 이러한 식으로, 냉각 유체[예컨대, 가압 공기(24)]는 연소기(14)에 직접 배출되지 않는다. 또한, 하류측 단부(27)로부터의 열 흡수로 인하여, 회수되는 유체[예컨대, 고온 공기(24)]는 연료(22)를 예혼합 영역에서 예열할 수 있다. 이로써, 연소기(14)에서의 연료 및 공기 혼합물의 전체 연소 효율이 증대될 수 있다. 가압 공기(24)의 소규모의 제2 부분[예컨대, 연료 노즐 어셈블리(20)를 통과하는 전체 공기(24)의 약 0.1% 내지 약 1%]은, 퍼지 제트를 통해 중앙 혼합 영역으로 가게 될 수 있고, 연료(22)의 일부분 및 회수된 냉각 유체와 예혼합되어 연료-공기 혼합물의 적어도 일부분을 생성한다.
터빈 연소기(14)는 연료-공기 혼합물을 점화 및 연소시킨 후, 고온의 가압 연소 가스(34)(예컨대, 배기가스)를 터빈(16)쪽으로 나아가게 한다. 터빈 블레이드들은 샤프트(28)에 연결되어 있고, 샤프트는 또한 터빈 시스템(10)의 도처에 있는 여러 다른 구성요소들에 연결되어 있다. 연소 가스(34)가 터빈(16)의 터빈 블레이드들에 격돌하면서 그리고 터빈 블레이드들 사이로 흐를 때, 터빈(16)은 회전 구동되고, 이로 인해 샤프트(28)가 회전하게 된다. 결국에는, 연소 가스(34)가 배출 출구(36)(예컨대, 배출 도관)를 통해 터빈 시스템(10)에서 빠져나간다. 또한, 샤프트(28)의 회전을 통해 파워를 공급받게 되는 부하(38)에 샤프트(28)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 부하(38)는, 터빈 시스템(10)의 회전 출력을 통해 파워를 발생시킬 수 있는 임의의 적절한 장치, 예컨대 발전기, 비행기의 프로펠러 등일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 센터 바디(26)는 가압 공기(24)의 흐름을 두 유동 또는 흐름(예컨대, 팁 냉각 흐름과 중앙 파일럿 흐름)으로 나누고(예컨대, 분할하고), 회수되는 냉각 유체[예컨대, 고온의 가압 공기(24)]를 예혼합 영역으로 재순환시킨다. 예혼합 영역은 센터 바디(26)의 중앙 허브 내에 배치되어 있다. 이하의 설명에서는, 터빈 시스템(10)의 축방향의 축선 또는 방향(40), 반경방향의 축선 또는 방향(42), 및/또는 원주방향의 축선 또는 방향(44)과 관련하여 언급이 이루어질 수 있다. 도 2는 터빈 연소기(14)에 연료(22)와 공기(24)의 혼합물을 공급하기 위해 하나 이상의 연료 노즐 어셈블리(20)와 관련 센터 바디(26)를 구비하는, 터빈 시스템(10)의 터빈 연소기(14)(예컨대, 환형 연소기)의 사시도이다. 이하의 설명에서는 터빈 연소기(14)를 환형 연소기라고 하고 있지만, 임의의 다른 적절한 연소기 형태가 연료 노즐 어셈블리(20)와 함께 사용될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 터빈 연소기(14)는 제1 연소기 경계(48)(예컨대, 외측 환형 벽)와 제2 연소기 경계(50)(예컨대, 내측 환형 벽)에 의해 획정되는 환형 영역(46)을 포함한다. 벽(50)(예컨대, 제2 연소기 경계)은 회전축(51) 둘레에 원주방향으로 배치되어 있고, 환형 영역(46)은 벽(50) 둘레에 원주방향으로 배치되어 있으며, 벽(48)(예컨대, 제1 연소기 경계)은 환형 영역(46)과 벽(50) 둘레에 원주방향으로 배치되어 있다. 터빈 연소기(14)는 환형 영역(46) 내에 복수의 노즐 스템(52)(예컨대, 반경방향 돌출부, 아암, 스포크, 또는 캔틸레버 부재)을 포함한다. 예를 들어, 터빈 연소기(14)는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15개 또는 그 이상의 노즐 스템(52)을 포함할 수 있다. 각 노즐 스템(52)은 원주방향으로 [예컨대, 원주방향의 축선(44)을 따라] 인접 노즐 스템(52)으로부터 거리(53)를 두고 이격되어 있다. 노즐 스템(52)은, 터빈 연소기(14)에 노즐 스템(52)을 연결 및 고정할 수 있게 하는 장착 구조체(예컨대, 장착 플랜지)를 포함할 수 있다.
도시된 노즐 스템(52)은 각각 2개의 연료 노즐 어셈블리(20)를 포함한다. 예를 들어, 노즐 스템(52)은 외측 연료 노즐 어셈블리(54)와 내측 연료 노즐 어셈블리(56)를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 노즐 스템(52)은 각각, 하나의 연료 노즐 어셈블리(20) 또는 임의의 개수의 연료 노즐 어셈블리(20)(예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 그 이상)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 연료 노즐 어셈블리(20)는 연료(22)와 공기(24)의 혼합물을 터빈 연소기(14)의 연소 영역으로 보내도록 구성되어 있다. 예를 들어, 연료 노즐 어셈블리(20)는 연료-공기 혼합물을 터빈 연소기(14)의 환형 영역(46)으로 가게 하며, 이 환형 영역에서 연료-공기 혼합물은 연소되어 터빈(16)에 파워를 제공하는 데 사용되는 열에너지를 발생시키고 하나 이상의 기계(예컨대, 발전기, 비행기의 프로펠러 등)를 구동시킨다. 각 노즐 스템(52)에 있는 외측 및 내측의 연료 노즐 어셈블리(54, 56)는, 제1 노즐 개구(58)(예컨대, 환형 개구) 및/또는 제1 중앙 파일럿 개구(60)를 통해, 서로 동일하거나 상이한 타입, 조성 및/또는 양의 연료(22) 및/또는 산화제(24)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 외측 연료 노즐 어셈블리(54)는 액체 연료(22)를 출력할 수 있고, 내측 연료 노즐 어셈블리(56)는 가스 연료(22)를 출력할 수 있으며, 또는 반대의 경우도 성립 가능하다. 마찬가지로, 외측 연료 노즐 어셈블리(54)는 공기(24)를 출력할 수 있고, 내측 연료 노즐 어셈블리(56)는 천연가스 및/또는 합성가스(24)[예컨대, 산화제(24)]를 출력할 수 있으며, 또는 반대의 경우도 성립 가능하다.
도 3은 터빈 연소기(14)에 연료(22)와 공기(24)를 공급하는 데 사용될 수 있는 연료 노즐 어셈블리(20)의 일 실시형태의 단면도이다. 연료 노즐 어셈블리(20)는, 센터 바디(26) 이외에도, 본체(70)(예컨대, 지지 구조체)와 노즐 슈라우드(72)를 포함한다. 센터 바디(26)는 도 4 내지 도 8에 상세히 도시되어 있는데, 도 4 내지 도 8은 도 3의 설명 전반을 참조로 하고 있다. 일 실시형태에서, 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)는, 예컨대 볼트, 클램프, 억지 끼워맞춤부, 자웅 연결부, 또는 이들의 임의의 조합 등과 같은 분리 가능한 패스너를 통하여, 분리 가능하게 함께 연결되는 개별 구조체들이다. 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)는 각각 연료 노즐 어셈블리(20)의 축방향의 축선(76) 둘레에 원주방향(44)으로 연장되어 있고, 대략 고리 형상을 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 연료 노즐 어셈블리(20)의 각 구성요소[예컨대, 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)]는 커플링 피처를 통해 분리 가능하다. 다른 실시형태에서, 본체(70)와 센터 바디(26)는 단일 구조체(예컨대, 단일체로서 일체로 형성됨)이고, 노즐 슈라우드(72)는 상기 단일 구조체[예컨대, 본체 및 센터 바디(26, 70)]에 분리 가능하게 연결되는 개별 구조체이다. 즉, 본체 및 센터 바디(26, 70)는 분리할 수 없고, 노즐 슈라우드(72)는 분리 가능하다(예컨대, 떼어낼 수 있다). 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)는 단일 구조체(예컨대, 분리 불가능함)일 수 있음을, 주목해야 할 필요가 있다. 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)는 3-D 인쇄/적층 제조 기술을 통해 제조될 수 있고, 그 결과 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)는 (예컨대, 분리 불가능하게 연결된) 하나의 구조체이거나 (예컨대, 분리 가능하게 연결된) 개별 구조체이다. 본체(70)에 분리 가능하게 연결된 노즐 슈라우드(72)를 구비하는 실시형태들에서, 본체(70)와 노즐 슈라우드(72)는 커플링 피처, 예컨대 볼트, 나사, 나사형 패스너, 나사형 계면, 억지 끼워맞춤부, 클램프, 자웅 연결부, 또는 임의의 다른 적절한 연결 기구를 포함할 수 있는데, 이 커플링 피처는 본체(70)와 노즐 슈라우드(72)의 연결 및 연결 해제를 가능하게 하는 것이다. 특정 실시형태들에서, 센터 바디(26)는 억지 끼워맞춤부를 통해 본체(70), 노즐 슈라우드(72), 또는 이들의 조합에 연결될 수 있다.
연료 노즐 어셈블리(20)는, 연료(22) 및 공기(24)의 흐름이, 본체(70), 노즐 슈라우드(72) 및 센터 바디(26)에 의해 획정되는 연료 노즐 어셈블리(20)의 내부 용적을 통과할 수 있게 하는 여러 피처를 포함한다. 예를 들어, 센터 바디(26)는, 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)에 제1 중앙 파일럿 개구(60)(예컨대, 축방향 개구)를 갖고 하류측 단부(27)의 축방향(40)의 상류측에 제2 중앙 파일럿 개구(82)를 갖는 중앙 파일럿(80)을 획정하는 중앙 파일럿 도관(78)(예컨대, 중앙 환형벽)을 포함한다. 중앙 파일럿 도관(78)(또는 벽)은 축방향의 축선(76) 둘레에 원주방향(44)으로 연장되어, 두 중앙 파일럿 개구(60, 82) 사이에서 축방향(40)으로 연장되는 축방향 통로(86)를 획정한다. 제1 노즐 개구(58)는 두 중앙 파일럿 개구(60, 82) 둘레에 원주방향(44)으로 연장되는 것임을 주목해야 할 필요가 있다.
제2 중앙 파일럿 개구(82)는, 제1 중앙 파일럿 통로(92)(예컨대, 도관) 및 하나 이상의 제2 중앙 파일럿 통로(94)(예컨대, 도관)를 갖는 연료 인젝터(90)에 유체 연통되어 있다. 제1 중앙 파일럿 통로(92)는 축방향의 축선(76)을 따라 연장되는 반면, 하나 이상의 제2 중앙 파일럿 통로(94)는 축방향의 축선(76)으로부터 반경방향(42)으로 오프셋되어 있다(또한 도 4의 상세도를 참조). 특정 실시형태에서, 중앙 파일럿 통로(92, 94)는 서로 동축 또는 동심 관계에 있거나 및/또는 연료 노즐 어셈블리(20)의 축방향의 축선(76)과 동축 또는 동심 관계에 있다. 예를 들어, 제2 중앙 파일럿 통로(94)는 제1 중앙 파일럿 통로(92)의 둘레에 원주방향(44)으로 배치될 수 있고, 그 결과 제2 중앙 파일럿 통로(94)는 제1 중앙 파일럿 통로(92)의 둘레에 환형부를 형성한다(또한 도 4 참조). 이들 중앙 파일럿 통로(92, 94)는 [예컨대, 압축기(12)로부터] 가압 공기(24) 및/또는 연료(22)의 적어도 일부분을 받아들이고, 연료 흐름을 축방향(40)으로 지향시키는 하나 이상의 제1 및 제2 파일럿 개구(100, 102)(예컨대, 축방향 개구) 각각을 통해, 중앙 파일럿(80)과 연관되어 있는 (예컨대, 점선 박스로 나타내어진 바와 같은) 혼합 영역(96)에 연료(22) 및/또는 공기(24)를 공급한다. 예를 들어, 연료 파일럿 통로(104)는 중앙 파일럿 통로(94)에 유체 연통되어 있고, 연료(22)의 적어도 일부분을 [예컨대, 중앙 파일럿 통로(94)를 경유하여] 혼합 영역(96)으로 가게 한다. 마찬가지로, 일부분[예컨대, 연료 노즐 어셈블리(20)를 통과하는 전체 연료 노즐 공기(24)의 약 0.1% 내지 약 1%]이 중앙 파일럿 통로(92)를 거쳐 혼합 영역(96)에 흘러 들어가고, 이 혼합 영역에서는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 연료(22) 및 회수되는 냉각 유체와 혼합된다. 특정 실시형태들에서, 노즐 연료(22)의 일부분(예컨대, 약 0.5% 내지 약 20%)이, 혼합 영역(96)의 상류측에서 중앙 파일럿 통로(92) 내의 공기(24)와 혼합(예컨대, 난류 혼합)된다. 특정 실시형태들에서, 연료(22)는 중앙 파일럿 통로(92)를 통과할 수 있고, 공기(24)는 연료 파일럿 통로(104)를 통과할 수 있는 것임을, 주목해야 한다.
제1 혼합 영역(96)은 연료(22) 및 공기(24)의 혼합을 가능하게 하도록 하나 이상의 베인(106)(예컨대, 선회 베인 또는 래디얼 선회기)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 혼합 영역(96)은, 적어도 중앙 파일럿 통로(92, 94)의 하류측 단부에서 축방향의 축선(76) 둘레로 원주방향(44)으로 연장되는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 그 이상의 선회 베인(106)을 포함할 수 있다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 혼합 영역(96)은 또한 하나 이상의 선회 베인(106)에 유체 연통되어 있는 산화제 출구(108)(예컨대, 반경방향 출구)로부터 추가 공기(24)(예컨대, 회수되는 냉각 유체)를 받아들인다. 산화제 출구(108)는 혼합 영역(96)으로의 추가 공기(24)의 흐름을 반경방향(42)으로 지향시키며, 이 추가 공기의 흐름은 파일럿 개구(100, 102)를 각각 통과하는 연료(22) 및 공기(24)의 흐름에 대해 십자형으로(예컨대, 수직으로) 배향된다. 특정 실시형태에서, 혼합 영역(96)에 흘러 들어가는 연료(22)는 공기(24)의 두 흐름[예컨대, 회수되는 냉각 유체와 중앙 파일럿 통로(92)의 공기(24)] 사이로 흐른다. 즉, 연료(22)는 회수되는 냉각 유체[예컨대, 공기(24)]와 중앙 파일럿 통로(92)로부터의 공기(24) 사이에 "샌드위치"된다. 이러한 흐름 패턴은, 연료(22) 및 공기(24)를 혼합하여 균질한 연료-공기 혼합물을 생성하는 것을 가능하게 한다.
연료 노즐 어셈블리(20)는, 연료 인젝터(90) 이외에도, 센터 바디(26) 및/또는 하나 이상의 본체 베인(112)(예컨대, 1개 내지 50개의 베인)을 [예컨대, 축방향 축선(76)을 중심으로] 둘러싸는 본체 플레넘 챔버(110)(예컨대, 환형 챔버)를 포함한다. 특정 실시형태들에서, 각 본체 베인(112)은, 흐름을 선회시켜 연료 및 공기의 혼합을 강화시키도록 구성된 선회 베인, 예컨대 축류 및/또는 반경류 선회 베인 등일 수 있다. 본체 플레넘 챔버(110)와 하나 이상의(예컨대, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 그 이상의) 본체 베인(112)은, 연료 노즐 어셈블리(20)의 제2 혼합 영역(120)에 배치된 혼합 챔버(118)의 상류측에 있다. 하나 이상의 본체 베인(112)은, 공기(24)가 혼합 챔버(118)에 흘러 들어갈 수 있게 하는 복수의 주 베인 개구(124)(예컨대, 베인당 1개 내지 50개)를 포함한다. 주 베인 개구(124)는 축방향(40)으로 각 본체 배인(112)의 리딩 에지(126)와 트레일링 에지(127) 사이에, 바로 트레일링 에지(127)에, 또는 트레일링 에지(127)의 부근에, 또는 임의의 다른 적절한 위치에 배치될 수 있다. 본체(70)는 공기(24)의 [예컨대, 반경방향 축선(42)을 따르는] 반경방향 흐름을 하나 이상의 본체 베인(112)에 공급하는 본체 개구(128)(예컨대, 반경방향 개구)를 본체 외벽(130)에 포함할 수 있다. 본체 플레넘 챔버(110)로부터의 연료(22)의 축방향(40) 흐름이, 하나 이상의 본체 베인(112)으로부터의 공기(24)와 혼합된다. 본체 베인(112)(예컨대, 선회 베인)은 연료(22)와 공기(24)를 혼합 챔버(118)에서 혼합하는 것을 가능하게 한다.
연료 파일럿 통로(104)와 본체 플레넘 챔버(110) 내의 연료(22)는 서로 동일한 것이거나 서로 다른 것일 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 연료 파일럿 통로(104) 내의 연료(22)는 제1 타입의 연료(22)일 수 있고, 본체 플레넘 챔버(110) 내의 연료(22)는 연료 파일럿 통로(104) 내의 제1 타입의 연료(22)와는 다른 제2 타입의 연료일 수 있다. 예를 들어, 이들 연료는 서로 다른 가스 연료, 서로 다른 액체 연료, 또는 서로 다른 가스 및 액체 연료의 조합일 수 있다. 다른 실시형태에서, 연료 파일럿 통로(104)와 본체 플레넘 챔버(110) 양자 모두 안의 연료(22)의 타입은 서로 동일한 것일 수 있다. 또한, 연료 파일럿 통로(104)와 본체 플레넘 챔버(110) 내의 연료(22)는 서로 동일하거나 서로 다른 조성일 수 있다. 복수의 연료 분사 통로[예컨대, 연료 파일럿 통로(104) 및 본체 플레넘 챔버(110)]는, 연료 노즐 어셈블리(20)가 적어도 두 개의 별개의 연료를 사용할 수 있게 한다. 또, 연료는 서로 다른 가스 연료 및/또는 액체 연료일 수 있다.
특정 실시형태에서, 연료 노즐 어셈블리(20)는 혼합 챔버(118)에 유체 연통된 추가적인 연료 통로와 연료 분사 포트를 포함할 수 있다. 추가적인 연료 통로(예컨대, 연료 도관)와 포트(예컨대, 연료 출구)는 추가 연료(22)를 혼합 챔버(118)에 제공할 수 있다. 혼합 챔버(118)에서는, 본체 플레넘 챔버(110)로부터의 연료(22)와, 하나 이상의 본체 베인(112)으로부터의 공기(24)가, 상기 추가적인 연료 통로로부터의 추가 연료(22)와 혼합될 수 있다. (예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 50개 또는 그 이상보다 크거나 같은) 연료 포트들은 서로 다른 축방향, 반경방향 및 원주방향 위치들에서 축방향의 축선(76)의 둘레에 원주방향(44)으로 이격 배치될 수 있고, 연료 포트들은 축방향의 축선(76)에 대해 서로 다른 각도로(예컨대, 평행하게, 직각을 이루도록, 또는 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 또는 80도의 예각을 이루도록) 배향될 수 있다.
혼합 챔버(118)는 제1 센터 바디 도관(134)(예컨대, 벽)의 일부분과 노즐 슈라우드 벽(136)(예컨대, 환형 벽)의 적어도 일부분에 의해 획정된다. 제1 센터 바디 도관(134)은 축방향의 축선(76)의 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장된다[예컨대, 환형 벽(134)]. 특정 실시형태에서, 제1 센터 바디 도관(134)은, 상류측 단부(138)를 향하는 상류 방향에서, 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)의 외측으로 점점 (예컨대, 선형으로, 비선형으로, 곡선형으로) 발산될 수 있다. 특정 실시형태에서, 제1 센터 바디 도관(134)은, 제1 노즐 개구(58)를 향하는 하류 방향에서, 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)의 외측으로 점점 발산될 수 있다. 노즐 슈라우드 벽(136)은 축방향의 축선(76)의 둘레에서 그리고 제1 센터 바디 도관(134)의 적어도 일부분의 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장된다[예컨대, 환형 벽(136)]. 혼합 챔버(118)는 하류측 단부(27)에서 제1 노즐 개구(58)의 상류측에 있다. 특정 실시형태들에서, 제1 노즐 개구(58)는, 혼합 챔버(118)에서 발생된 연료-공기 혼합물을 연소 영역(46)에 흘러 들어가기 전에 개별 흐름 경로로 나누는[예컨대, 원주방향(44)으로 분할하는], 원주방향(44)으로 이격 배치된 복수의 로브(140)를 포함할 수 있다(예컨대, 도 10 참조). 예를 들어, 로브(140)는 연료-공기 혼합물을 연소 영역(46)으로 가게 하는 로브 통로(142)를 획정한다. 예시된 실시형태에서, 혼합 챔버(118)의 반경방향 [예컨대, 제1 센터 바디 도관(134)의 일부분과 노즐 슈라우드 벽(136) 사이의] 치수(146)는, 하류측 방향에서 본체 베인(112)의 트레일링 에지(127)로부터 환형 벽(136)의 돌출부(142)[예컨대, 감소된 흐름 단면적을 갖는 영역을 획정하는 환형 돌출부]에 이르기까지 감소된다. 상기 감소된 흐름 단면적은, 본체 베인(112)의 하류측에서 연료(22) 및 공기(24)의 혼합을 가능하게 한다. 예를 들어, 연료-공기 흐름은 흐름 단면적의 수렴과 이와 관련된 압력의 강하 및 유체 속도의 상승을 경험할 수 있고, 그에 따라 제2 혼합 영역(120)을 통과하는 흐름에서의 연료-공기 혼합이 향상된다. 또한, 돌출부(142)의 하류측에서 반경방향 치수(146)가 증대[예컨대, 돌출부(142)와 제1 노즐 개구(58) 사이에서 흐름 단면적이 발산]됨으로써, 혼합 챔버(118)에서의 연료-공기 혼합물의 체류 시간이 증대될 수 있고, 그 결과 제2 혼합 영역(120)에서의 연료(22) 및 공기(24)의 혼합이 향상된다. 특정 실시형태들에서, 혼합 챔버(118)는, 연료 및 공기 혼합물을 연소 영역(46)에 흘러 들어가기 전에 개별 흐름 경로로 나누는, 로브를 제1 노즐 개구(58)와 트레일링 에지(27) 또는 돌출부(142)의 사이에 구비한다. 연료-공기 혼합물을 개별 흐름 경로로 나눔으로써, 나뉘지 않은 연료 및 공기 혼합물의 흐름으로부터 발생되는 주 화염에 비해 짧은 길이를 갖는 복수의 주 화염을 발생시키는 것을 통해, 주 화염의 길이를 감소시킬 수 있다. 이러한 식으로, 연료 및 공기 혼합물의 연소로부터 발생되는 배출물은, 높은 화염 온도(예컨대, 1500℃를 상회하는 온도)에서 줄어들 수 있고, 및/또는 소규모의 반응 구역을 갖는 소규모의 연소기가 사용될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 연소 영역(46)에서의 연료 및 공기 혼합물의 연소는 1000℃를 초과하는 온도를 초래할 수 있다. 이러한 높은 온도에 의해 야기되는 연료 노즐 어셈블리(20)의 열화를 완화시키기 위해, 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)가 냉각 유체(148)로 냉각된다. 개시된 실시형태를 사용하지 않으면, 냉각 유체[예컨대, 공기(24)]는, 연료 노즐 어셈블리의 하류측 단부를 냉각한 이후에, 연소 영역에 및/또는 중앙 파일럿(80)에 있어서 제1 중앙 파일럿 개구(60)에 인접한 영역에 토출될 수 있다. 냉각 유체를 연소 영역(46)에 및/또는 제1 중앙 파일럿 개구(60)에 인접한 영역에 토출하는 것은, 연소 영역(46)에서의 연료/공기 비와 화염 안정성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 토출된 냉각 유체는 하류측 단부(27)의 전후에서의 압력 및 온도의 요동을 야기할 수 있고, 그 결과 연소 영역(46)에 연료-공기 혼합물이 불균일하게 흘러 들어가 고르지 않은 연소가 초래된다. 연소 영역(46)에 직접 토출되는 냉각 유체에 있어서의 연료/공기 비, 압력 및 온도의 요동은 주 화염을 불안정하게 만들 수 있고, 그 결과 배출물(예컨대, NOx 및 CO)의 증가 및 시스템(10)의 효율 저하가 초래된다. 따라서, 개시된 실시형태는 [예컨대, 혼합 영역(96)에서] 연료-공기 혼합물을 발생시키기 위해 냉각 유체를 회수하고 사용한다. 추가적으로, 냉각 유체를 혼합 영역(96)에 공급하는 것을 통해 연료(22)가 예열될 수 있고, 이에 따라 시스템(10)의 연소 효율이 높아진다.
앞서 설명한 바와 같이, 센터 바디(26)는 연소 영역(46)에서 화염을 발생시키는 데 사용된 연료(22) 및 공기(24)의 일부분을 받아들인다. 센터 바디(26)는 공기(24)의 축방향(40) 흐름을 두 개별 흐름으로 나눈다. 예를 들어, 공기(24)의 제1 부분[예컨대, 연료 노즐 어셈블리(20)를, 예를 들어 본체(70)의 센터 바디(26)를, 통과하는 전체 공기(24)의 흐름의 약 0.1% 내지 약 1%]이 중앙 파일럿 통로(92)를 거쳐 혼합 영역(96)에 공급될 수 있고, 공기(24)의 제2 부분[예컨대, 연료 노즐 어셈블리(20)를 통과하는 전체 공기(24)의 흐름의 약 2% 내지 약 10%]이 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)를 냉각하고 추가 공기(24)를 혼합 영역(96)에 공급하여 연료-공기 혼합물을 생성하는 데 사용될 수 있다. 추가적으로, 센터 바디(26)는, 축방향의 축선(76) 및 중앙 파일럿(80)으로부터 반경방향(42)으로 오프셋되어 있는 팁 냉각 통로(150)(예컨대, 외측 통로)로서, 제1 센터 바디 도관(134)의 적어도 일부분, 제1 센터 바디 도관(134)으로부터 축방향(40)으로 연장되는 제2 센터 바디 도관(152)(예컨대, 환형 벽) 및 제3 센터 바디 도관(154)(예컨대, 환형 벽)으로 획정되는 팁 냉각 통로(150)를 포함한다. 팁 냉각 통로(150)는, 축방향의 축선(76) 둘레에 원주방향(44)으로 이격 배치된 복수의 개별 통로 및/또는 축방향의 축선(76) 둘레에 원주방향(44)으로 연장되는 공통 환형 통로를 포함할 수 있다. 특정 실시형태들에서, 팁 냉각 통로(150)는 중앙 파일럿(80)과 [예컨대, 축방향의 축선(76)을 따라서] 동축 또는 동심 관계일 수 있다. 팁 냉각 통로(150)[예컨대, 센터 바디 도관(134, 152, 154)]는 하류측 단부(27)에서 중앙 파일럿(80)의 적어도 일부분[예컨대, 중앙 파일럿 도관(78)]을 원주방향(44)으로 둘러싼다.
도시된 실시형태에서, 제1 센터 바디 도관(134)은 제3 센터 바디 도관(154)의 제1 부분과 축방향의 축선(76) 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장된다. 제2 센터 바디 도관(152)은 제3 센터 바디 도관(154)의 제2 부분[예컨대, 제3 센터 바디 도관(154)의 상류측 단부]과 축방향의 축선(76)의 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장된다. 제3 센터 바디 도관(154)은 축방향의 축선(76)과 중앙 파일럿 도관(78)[예컨대, 환형 벽(78)]의 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장된다. 센터 바디(26)는 또한 냉각 유체 회수 통로(160)(예컨대, 내측 환형 통로)를 포함한다. 냉각 유체 회수 통로(160)는 제3 센터 바디 도관(154)과 중앙 파일럿 도관(78)에 의해 획정된다. 따라서, 냉각 유체 회수 통로(160)는 제3 센터 바디 도관(154)의 대향 측에 팁 냉각 통로(150)에 인접하게 배치된다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 냉각 유체 회수 통로(160)는 냉각 유체[예컨대, 연료(22), 산화제(24), 또는 이들의 조합]를 출구(108)를 경유하여 혼합 영역(96)으로 가게 한다.
팁 냉각 통로(150)는 하류측 단부(27)를 향하는 하류 방향으로 연장되고, 냉각 유체 회수 통로(160)는 하류측 단부(27)로부터 혼합 영역(96)을 향하는 상류 방향으로 연장된다. 두 통로(150, 160)는 축방향의 축선(76) 및 중앙 파일럿(80)의 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장되고[예컨대, 환형 통로(150, 160)], 팁 냉각 통로(150)는 냉각 유체 회수 통로(160)의 둘레에서 대략 원주방향(44)으로 연장된다. 중앙 파일럿(80)의 반경방향 치수(170)는 화살표 170으로 도시되어 있고, 팁 냉각 통로(150)의 반경방향 치수(172)는 [예컨대, 센터 바디 도관들(134/152, 154)의 사이에] 화살표 172로 도시되어 있으며, 냉각 유체 회수 통로(160)의 반경방향 치수(174)는 [예컨대, 중앙 파일럿 도관(78)과 제3 센터 바디 도관(154)의 사이에] 화살표 174로 도시되어 있다.
특정 실시형태들에서, 중앙 파일럿(80) 및/또는 두 통로(150, 160)는 절두 원뿔형일 수 있다. 따라서, 중앙 파일럿(80) 및 두 통로(150, 160)와 관련된 반경방향 치수(170, 172, 및/또는 174)는 축방향(40)으로 가변적이거나 및/또는 일정할 수 있다. 예를 들어, 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 중앙 파일럿(80)과 관련된 중앙 파일럿 도관(78)은, 혼합 영역(96)으로부터 하류측 단부(27)를 향하는 하류 방향에서, 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)의 외측으로 대략 (예컨대, 선형으로, 비선형으로, 곡선형으로) 발산되고, 이에 따라 중앙 파일럿(80)의 반경방향 치수(170)는 상기 하류 방향에서 점점 (예컨대, 선형으로, 비선형으로, 곡선형으로) 증대된다. 중앙 파일럿 도관(78)은 원통형, 원뿔형, 오목형 및/또는 볼록형의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 도 5와 도 6은 중앙 파일럿(80)의 반경방향 치수(170)가 비선형으로(예컨대, 곡선형으로) 증대되는 것을 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙 파일럿 도관(78)은, 중앙 파일럿(80)이 구 형상을 갖도록 오목할 수 있다. 그러나, 중앙 파일럿 도관(78)과 중앙 파일럿(80)은 원통형, 원뿔형, 오목형 및/또는 볼록형의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 중앙 파일럿 도관(78)은 볼록할 수 있고, 중앙 파일럿(80)은 플루트(샴페인 잔) 형상을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 중앙 파일럿의 반경방향 치수(170)는 하류 방향으로 증가하기 전에 축방향의 약간의 거리에서 감소되거나 및/또는 일정하게 유지될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 중앙 파일럿 도관(78)은 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향 외측으로 발산되지 않을 수 있음을, 주목해야 한다. 오히려, 중앙 파일럿 도관(78)은, 중앙 파일럿의 반경방향 치수(170)가 혼합 영역(96)과 제1 중앙 파일럿 개구(60)의 사이에서 일정하도록, 축방향의 축선(76)과 동축 관계일 수 있다.
센터 바디 도관들(134/152, 154)은 중앙 파일럿(80)의 형상에 따르거나 따르지 않을 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 두 통로(150, 160)와 관련된 반경방향 치수(172, 174) 중 적어도 하나는, 하류 방향에서 중앙 파일럿의 반경방향 치수(170)와는 반대로 변화(예컨대, 감소 또는 증가)될 수 있다. 이러한 식으로, 벽들(134/152, 154) 중 적어도 하나는, 상류측 단부(138)를 향하는 상류 방향에서, 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)의 외측으로 점점 (예컨대, 선형으로, 비선형으로, 곡선형으로) 발산될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 벽(154)은, 상류 방향에서 축방향의 축선(76)으로부터 반경방향 외측으로 점점 발산되어, 냉각 유체 회수 통로(160)는 상류측 단부(138)를 향해 갈수록 [즉, 증가하는 중앙 파일럿의 반경방향 치수(170)와는 반대 방향으로] 점점 증가되는 반경방향 치수(174)를 갖게 된다. 팁 냉각 통로(150)의 반경방향 치수(172)는 냉각 유체 회수 통로의 반경방향 치수(174)와 동일한 방향 또는 반대의 방향으로 증가될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 팁 냉각 통로(150)를 획정하는 벽(134, 152)의 적어도 일부분이, [예컨대, 하류측 단부(27)를 향하는] 하류 방향에서 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)으로 점점 발산될 수 있다. 이러한 식으로, 팁 냉각 통로(150)의 반경방향 치수(172)는, 하류측 단부(27)를 향하는 하류 방향에서, 냉각 유체 회수 통로(160)의 반경방향 치수(174)와는 반대로 증가된다. 특정 실시형태에서, 센터 바디 도관들(134, 152)은 상류 방향에서, 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)의 외측으로 점점 발산된다. 이러한 식으로, 팁 냉각 통로(150)의 반경방향 치수(172)는, 상류측 단부(138)를 향해 갈수록, 냉각 유체 회수 통로의 반경방향 치수(174)와 동일한 방향으로 점점 증가된다.
다른 실시형태에서, 벽들(134/152, 154)의 적어도 일부분이 중앙 파일럿(80)의 형상에 따른다. 예로서, 도 5와 도 6은 하류 방향에서 축방향의 축선(76)으로부터 멀어지게 반경방향(42)의 외측으로 발산되는 두 도관(78, 154)을 도시한다. 따라서, 냉각 유체 회수 통로(160)와 관련된 반경방향 치수(174)는, [예컨대, 하류측 단부(27)를 향해 갈수록] 중앙 파일럿의 반경방향 치수(170)와 동일한 방향으로 증가된다. 특정 실시형태에서, 두 통로(150, 160)와 관련된 반경방향 치수(172, 174)는, 각 도관들(134/152, 154) 사이에서 일정할 수 있다. 다른 실시형태에서, 통로(80, 150, 160)는 가변적인 (예컨대, 하류 방향에서 점점 증가 및/또는 감소되는) 반경방향 치수(170, 172, 174)를 가질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 두 통로(150, 160)는 냉각 유체(148)를 하류측 단부(27)를 향하는 하류 방향과 혼합 영역(96)을 향하는 상류 방향으로 [예컨대, 가압 공기(24)를 하류 방향으로] 유동시킨다. 이하의 설명에서는 냉각 유체(148)를 공기(24)라고 하고 있다. 그러나, 특정 실시형태에서, 냉각 유체(148)는 또한 연료(22), 증기, 불활성 가스, 또는 임의의 다른 적절한 유체 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 팁 냉각 통로(150)는 냉각 유체(148)를 축방향(40)으로 하류측 단부(27)를 향해 유동시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 센터 바디(26)는 공기(24)의 축방향(40) 흐름을 [예컨대, 팁 냉각 통로(150)를 통과하는] 팁 냉각 흐름과 [예컨대, 중앙 파일럿 통로(92)를 통과하는] 중앙 파일럿 흐름으로 나눈다. 예를 들어, 연료 노즐 어셈블리(20)를 [예컨대, 본체(70)의 센터 바디(26)를] 통과하는 전체 공기(24)의 흐름의 약 2% 내지 약 10%가 팁 냉각 통로(150)를 통해 유동할 수 있고, 전체 연료 노즐 공기(24)의 약 0.1% 내지 약 1%가 중앙 파일럿 통로(92)를 통해 유동할 수 있다. 냉각 유체(148)는 화살표 148로 나타내어진 바와 같이 하류측 단부(27)를 향하는 하류 방향으로 팁 냉각 통로(150)를 통과해 [예컨대, 센터 바디 도관들(134/152, 154) 사이로] 유동하고, 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)를 (예컨대, 막 냉각, 충돌 냉각, 또는 임의의 다른 적절한 냉각 기술을 통해) 냉각한다. 예를 들어, 도시된 실시형태에서, 냉각 유체(148)는 하류측 단부(27) 부근의 다공 냉각판(186)(예컨대, 충돌 및/또는 막 냉각판)에 있는 하나 이상의 (예컨대, 1개 내지 100개) 축방향 충돌 개구(182)를 통과해 유동하고, 연료 노즐 어셈블리(20)의 냉각 챔버(188)(예컨대, 반경방향 통로)의 내면(190)(예컨대, 축방향 단부판)에 충돌하여, 상기 내면(190)을 냉각한다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 냉각 챔버(188)는 두 통로(150, 160)를 유체 연통시켜, 내면(190)을 냉각한 이후의 냉각 유체(148)를 상류 방향으로 혼합 영역(96)에까지 가게 한다.
각 충돌 개구(182)는 [예컨대, 충돌 개구(182)의 상류측에 있는] 팁 냉각 통로(150)의 반경방향 치수(172)에 비해 작은 직경을 갖는다. 이러한 식으로, 충돌 개구(182)를 통과해 유동하는 냉각 유체(148)의 속도가 증가되고, 이에 따라 냉각 유체(148)의 충돌 및 내면(190)의 냉각이 가능하게 된다. 일반적으로, 냉각 유체(148)는 충돌 개구(182)를 통과하여 축방향(40)으로 내면(190)을 향해 유동한다. 그러나, 냉각 유체(40)의 축방향(40) 흐름은 내면(190)의 어떤 영역에는 도달하지 못할 수 있다. 예를 들어, 충돌 개구(182)의 위치에 근거하여, 냉각 유체(148)가 내면(190)의 에지(192)[예컨대, 제1 센터 바디 도관(134)에 인접한 에지]에는 에지(192) 부근의 영역을 유효하게 냉각시키기에 적절한 속도로 충돌하지 못할 수 있다. 따라서, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 충돌 개구(182)의 일부분(196)을 축방향의 축선(76)에 대해 소정 각도로 [예컨대, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 또는 80도의 예각을 이루도록] 배향하는 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 다공 냉각판(186)을 따라서 서로 다른 반경방향 및 원주방향의 위치들에서 축방향의 축선(76) 둘레에 원주방향(44)으로 이격 배치된 복수의 (예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 50개 또는 그 이상보다 크거나 같은) 충돌 개구(182)를 구비하는 다공 냉각판(186)의 일부분의 상면도를 보여준다. 에지(192)를 냉각할 수 있게 하기 위해, 충돌 개구(182)는 벽(154)으로부터 반경방향 거리(198)를 두고 배치될 수 있다. 충돌 개구(182)는 제1 센터 바디 도관(134)을 향하는 방향으로 [예컨대, 축방향의 축선(76)에 대해 바깥쪽을 향하여 예각을 이루도록] 배향되어 있다. 이러한 식으로, 충돌 개구(182)는 냉각 유체(148)를 에지(192)를 향해 가게 할 수 있고, 그에 따라 냉각 유체는 에지(192) 부근의 영역에 있는 내면(190)에 유효하게 충돌 냉각하기에 적절한 속도로 도달하게 된다. 특정 실시형태들에서, 충돌 개구(182, 196)의 직경(200)은, 반경방향(42)에서 축방향의 축선(76)으로부터 멀어질수록, 인접한 충돌 개구(182, 196)의 직경(200)에 대해 줄어들 수 있다. 예를 들어, 제3 센터 바디 도관(154)에 인접한 충돌 개구(182)는, 제1 센터 바디 도관(134)에 인접한 충돌 개구(182, 196)의 직경(200)에 비해 큰 직경(200)을 가질 수 있다. 특정 실시형태들에서, 제3 센터 바디 도관(154)에 인접한 충돌 개구(182)의 직경(200)은, 제1 센터 바디 도관(134)에 인접한 충돌 개구(182, 196)의 직경(200)보다 1.1 내지 5배, 1.2 내지 4배, 1.2 내지 3배, 1.4 내지 2배 더 클 수 있다. 이는, 부분적으로는 연소 영역(46)에서 연료-공기 혼합물을 연소하는 동안에 내면(190)을 가로질러 형성되는 온도 구배에 기인한 것일 수 있다. 예를 들어, 내면(190)의 온도는 주 화염의 위치로 인하여 축방향의 축선(76)으로부터 반경방향(42)의 외측으로 갈수록 높아질 수 있다. 따라서, 충돌 냉각 효율은 냉각 유체(148)의 충돌 속도와 관련이 있기 때문에, 제1 센터 바디 도관(134)에 가까운 내면(190)의 영역[예컨대, 반경방향(42)으로 축방향의 축선(76)으로부터 가장 멀리 있는 내면(190)의 영역]을 냉각하는 냉각 유체(148)의 충돌 속도가, 제3 센터 바디 도관(154)에 가까운 내면(190)의 영역[예컨대, 반경방향(42)으로 축방향의 축선(76)으로부터 가장 가까이 있는 내면(190)의 영역]을 냉각하는 냉각 유체(148)의 충돌 속도에 비해 더 높을 수 있다.
도 8은 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)에 있는 센터 바디(26)의 일부분을 보여준다. 앞서 설명한 바와 같이, 냉각 유체(148)는 충돌 개구(182, 196)를 통하여 냉각 챔버(188)(예컨대, 반경방향 통로)에 흘러 들어가고 내면(190)에 충돌하며, 이에 의해 연료 노즐 어셈블리(20)의 하류측 단부(27)에 있는 센터 바디(26)를 냉각한다. 내면(190)에 충돌한 이후에, 냉각 챔버(188) 내에서 유동하는 냉각 유체(148)[이제는 가열된 유체(206)]가 유동 방향을 바꾼다. 예를 들어, 가열된 유체(206)는 반경방향(42)으로 축방향의 축선(76)을 향해 유동하여 [예컨대, 중앙 파일럿 도관(78)과 제3 센터 바디 도관(154) 사이의] 냉각 유체 회수 통로(160)에 흘러 들어갈 수 있다. 냉각 유체 회수 통로(160)에 있는 동안에, 상기 가열된 유체(206)는 중앙 파일럿 도관(78)과 제3 센터 바디 도관(154) 사이에서 축방향(40)으로 상류를 향하는 방향으로 유동한다. 즉, 가열된 유체(206)는 [예컨대, 제1 센터 바디(134)와 제3 센터 바디 도관(154) 사이의] 팁 냉각 통로(150)에서의 냉각 유체(148)의 유동 방향과는 반대 방향으로 유동한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 유체 회수 통로(160)는 상기 가열된 유체(206)를 제1 혼합 영역(96)을 향해 상류측으로 가게 하는데, 제1 혼합 영역에서 상기 가열된 유체(206)는 하나 이상의 (예컨대, 1 내지 100개의) 반경방향 개구(108)를 경유하여 제1 혼합 영역(96) 내의 중앙 파일럿 도관(78)[예컨대, 중앙 파일럿(80)의 환형 벽]을 통과해 빠져 나간다. 반경방향 개구(108)는 혼합 영역(96) 내에 있고, 본체 베인(112)에 유체 연통되어 있다[예컨대, 본체 베인들(112) 사이에 간격을 두고 배치되어 있다]. 이러한 식으로, 상기 가열된 유체(206)는 혼합 영역(96)에 흘러 들어갈 수 있고, 중앙 파일럿 통로들(92, 94)로부터의 연료(22) 및 공기(24)와 혼합될 수 있다. 복수의 (예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 50개 또는 그 이상보다 크거나 같은) 반경방향 개구(108)는, 서로 다른 축방향 및 반경방향 위치들에서 축방향의 축선(76)의 둘레에 원주방향(44)으로 이격 배치될 수 있고, 반경방향 개구(108)는 축방향의 축선(76)에 대해 서로 다른 각도로(예컨대, 직각을 이루도록, 또는 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 또는 80도의 예각을 이루도록) 배향될 수 있다. 가열된 유체(206)는 선회 베인(106) 사이로 유동하고, 연료 인젝터(90)에서 나온 연료(22) 및 공기(24)와 제1 혼합 영역(96)에서 혼합된다. 이러한 방식으로, 가열된 유체(206)[예컨대, 가압 공기(24)]는 회수되어 혼합 영역(96)에 연료 및 공기 혼합물을 생성하는 데 사용될 수 있고, 그에 따라 냉각 유체를 연소 영역(46)에 직접 토출하는 연료 노즐 어셈블리와 일반적으로 관련이 있는 하류측 단부(27)의 전후에서의 압력 요동과 연료/공기 비의 변동에 기인한 화염 불안정을 완화시킬 수 있다. 추가적으로, 유체(148, 206)를 회수하여 혼합 영역(96)에서 연료-공기 혼합물을 생성하는 데 사용함으로써, 불안정한 화염과 관련이 있는 배출물이 감소될 수 있다.
특정 실시형태에서, 제3 센터 바디 도관(154)은 제3 센터 바디 도관(154)의 일부분을 따라 배치된 개구들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9는 제3 센터 바디 도관(154)의 길이의 적어도 일부분을 따라 축방향(40)으로 이격 배치된 개구(210)들을 보여준다. 이들 개구(210)는 또한, 제3 센터 바디 도관(154)을 따라서의 서로 다른 축방향 위치들에서 축방향의 축선(76)의 둘레로 원주방향(44)으로 연장될 수 있고, 반경방향(42)의 축선에 대해 소정 각도로(예컨대, 직각을 이루도록, 또는 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 또는 80도의 예각을 이루도록) 배향될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태들에서, 개구(210)는 반경방향의 축선(42)으로부터 멀어지게 하류측 단부(27)를 향해 배향될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 개구(210)는 반경방향의 축선(42)으로부터 멀어지게 상류측 단부(138)를 향해 배향될 수 있다. 개구(210)는 냉각 유체(148)의 적어도 일부분을 다공 냉각판(186)의 상류측에 있는 냉각 유체 회수 통로(160)로 가게 할 수 있다. 냉각 유체(148)는 냉각 유체 회수 통로(160) 내의 가열된 유체(206)와 혼합될 수 있고, 그에 따라 혼합 영역(96)에서 연료(22)와 혼합되기 전에 상기 가열된 유체(206)의 온도를 하락시킬 수 있게 된다. 또한, 충돌 개구(182, 196)와 마찬가지로, 개구(210)는 중앙 파일럿 도관(78)을 충돌 냉각시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 연료 노즐 어셈블리(20)의 특정 실시형태들은, 냉각 이후의 냉각 유체를 혼합 영역으로 가게 하는, 냉각 유체 회수 통로를 포함한다. 회수된 냉각 유체는, 중앙 파일럿을 경유하여 연소 영역에 공급되는 연료-공기 혼합물의 적어도 일부분을 생성하는 데 사용되고, 그에 따라 연소기(14)의 반응 영역(예컨대, 연소 영역)에서 화염을 안정시킬 수 있게 된다. 연료 노즐 어셈블리(20)는, 냉각 유체 회수 통로(160)에 유체 연통되어 있는 팁 냉각 통로(150)를 구비하는 센터 바디(26)를 포함한다. 팁 냉각 통로(150)는 냉각 유체(148)[예컨대, 공기(24)]를 다공 냉각판(186)에 배치된 충돌 개구(182, 196)를 통하여 냉각 챔버(188)로 가게 한다. 충돌 개구(182, 196)는, 하류측 단부(27)에 있는 내면(190)에서의 충돌 냉각을 가능하게 하도록 냉각 유체(148)의 유속을 증가시킨다. 충돌 개구(196)는, 냉각 유체(148)의 축방향 흐름에게는 접근이 쉽지 않을 수 있는 내면(190)의 특정 영역에서의 충돌 냉각을 가능하게 하도록, 연료 노즐 어셈블리(20)의 중심선 축(76)에 대해 소정의 각도로 배향될 수 있다. 냉각 챔버(188)는 두 통로(150, 160)에 유체 연통되어 있고, 가열된 냉각 유체[예컨대, 가열된 유체(206)]의 회수를 가능하게 한다. 냉각 유체 회수 통로(160)는 상기 가열된 유체(206)를 베인(106)(예컨대, 선회기)으로 가게 하며, 이 베인은 연료(22), 상기 가열된 유체(206), 및 중앙 파일럿 통로(92, 94)로부터의 공기(24)의 혼합을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 일반적으로 연소 영역에 직접 토출되는 냉각 유체와 관련이 있는, 하류측 단부(27)의 전후에서의 연료/공기 비, 압력 및 온도의 요동이 완화될 수 있다. 이에 따라, 연료-공기 혼합물을 발생시키는 데 냉각 유체를 회수 및 사용하지 않는 연료 노즐 어셈블리에 비해, 시스템(10)의 화염 안정화 및 연소 효율이 증대될 수 있고, 연소 배출물 및 작동/유지 보수 비용이 감소될 수 있다.
본 명세서는, 본 발명을 가장 바람직한 유형을 포함해 개시하고, 임의의 당업자가 개시된 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해, 실시예를 사용하고 있는데, 상기 실시예에는 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 임의의 수반되는 방법을 행하는 것 등이 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 실시예들도 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예들은, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 다르지 않은 구조 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 갖는다면, 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 되어 있다.

Claims (15)

  1. 가스 터빈 시스템으로서,
    제1 본체를 구비하는 연료 노즐을 포함하고,
    제1 본체는,
    혼합 영역으로부터 상기 제1 본체의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구에까지 연장되는 중앙 통로로서, 상기 중앙 통로는 제1 환형 벽에 의해 획정되고, 상기 제1 환형 벽은 상기 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 상기 중앙 통로의 중앙 축에 대하여 반경방향으로 발산되는 것인, 중앙 통로;
    상기 제1 본체의 상류측 단부로부터 상기 혼합 영역 내로 축방향으로 연장되는 환형 파일럿 연료 출구로서, 상기 중앙 축과 평행하게 배향되고, 상기 혼합 영역 내로 공기 및 연료를 이송시키도록 구성되는 중앙 파일럿 연료 통로를 둘러싸는 환형 파일럿 연료 출구;
    상기 혼합 영역 내의 산화제 출구; 및
    상기 제1 하류측 단부를 향하는 상기 하류 방향으로 연장되는 제1 통로 및 상기 제1 하류측 단부로부터 상기 혼합 영역 내로의 상류 방향으로 연장되는 제2 통로를 구비하는 외측 통로로서, 상기 제2 통로는 상기 상류 방향으로 상기 중앙 축에 대하여 반경방향으로 발산되어 상기 제1 하류측 단부에 인접하는 상기 제2 통로의 제1 반경 치수가 상기 혼합 영역에 인접하는 상기 제2 통로의 제2 반경 치수보다 작고, 상기 연료 노즐은 상기 제1 통로, 상기 제2 통로, 상기 산화제 출구를 통하여 상기 혼합 영역 내로 유체를 유동시키도록 구성되는 것인, 외측 통로
    를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 영역은 복수의 베인을 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 베인은, 복수의 선회 베인 및/또는 상기 중앙 통로를 향해 내측으로 연장되는 복수의 반경방향 통로 중의 적어도 하나를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 복수의 베인은, 상기 중앙 통로 내의 중앙 허브의 둘레에 배치되는 것인 가스 터빈 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 통로와 제2 통로는 동심 환형 통로인 것인 가스 터빈 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 본체는 상기 제1 통로와 제2 통로 사이에서 연장되는 복수의 반경방향 통로를 포함하거나, 또는 상기 제1 본체는 상기 중앙 통로의 둘레에 배치된 제1 벽과 상기 제1 벽의 둘레에 배치된 제2 벽을 포함하며, 상기 제1 통로와 제2 통로는 상기 제2 벽의 양측에 배치되고, 상기 제2 벽은 복수의 충돌 포트를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 외측 통로는 상기 제1 하류측 단부에 인접하게 배치된 냉각 챔버 또는 반경방향 입구, 축방향 입구, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 복수의 충돌 포트를 구비하는 충돌판을 포함하고, 상기 냉각 챔버는 상기 충돌판과 상기 제1 하류측 단부의 사이에 배치되는 것인 가스 터빈 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 본체의 둘레에 배치되는 제2 본체를 포함하고, 상기 제2 본체는 상기 제2 본체의 제2 하류측 단부까지 연장되는 유체 통로를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 연료 노즐을 구비하는 가스 터빈 연소기, 가스 터빈 엔진, 또는 이들의 조합을 포함하는 가스 터빈 시스템.
  13. 가스 터빈 시스템으로서,
    제1 본체 및 상기 제1 본체의 둘레에 배치되는 제2 본체를 구비하는 연료 노즐을 포함하고,
    제1 본체는,
    상기 제1 본체의 상류측 단부로부터 혼합 영역 내로 연장되는 연료 출구로서, 상기 혼합 영역은 상기 연료 출구의 경계를 한정하는 것인, 연료 출구;
    상기 혼합 영역으로부터 상기 제1 본체의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구까지 연장되는 중앙 통로로서, 상기 중앙 통로는 제1 환형 벽에 의해 획정되고, 상기 제1 환형 벽은, 상기 혼합 영역의 출구에 있는 상기 중앙 통로의 중앙 축에 대하여 반경 방향으로 수렴하며, 목부(throat)를 형성하고, 상기 목부로부터 상기 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 상기 중앙 축에 대하여 반경 방향으로 발산하는 것인, 중앙 통로;
    상기 혼합 영역에 배치된 복수의 선회 베인; 및
    상기 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 연장되는 제1 통로 및 상기 제1 하류측 단부로부터 상기 혼합 영역 내로의 상류 방향으로 연장되는 제2 통로를 구비하는 외측 통로로서, 상기 연료 노즐은 상기 제1 통로, 상기 제2 통로, 산화제 출구를 통하여 상기 혼합 영역 내로 유체를 유동시키도록 구성되고, 상기 제2 통로는 상기 제1 하류측 단부로부터 상기 혼합 영역으로의 상기 상류 방향으로 상기 중앙 축에 대하여 반경방향으로 발산되어 상기 제1 하류측 단부에 인접하는 상기 제2 통로의 제1 반경 치수가 상기 혼합 영역에 인접하는 상기 제2 통로의 제2 반경 치수보다 작은 것인, 외측 통로
    를 포함하며,
    제2 본체는, 상기 제2 본체의 제2 하류측 단부까지 연장되는 유체 통로를 포함하는 것인 가스 터빈 시스템.
  14. 제1항 내지 제4항 및 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 가스 터빈 시스템을 작동시키는 방법에 있어서,
    연료 노즐의 제1 본체의 제1 하류측 단부를 향하는 하류 방향으로 제1 유체를 유동시키는 단계;
    상기 제1 하류측 단부로부터 혼합 영역 내로의 상류 방향으로 제1 유체를 유동시키는 단계;
    혼합된 유체를 생성하기 위해 상기 혼합 영역에서 상기 제1 유체를 제2 유체와 혼합하는 단계로서, 상기 혼합 영역은 복수의 선회 베인, 연료 출구, 산화제 출구, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 단계; 및
    상기 혼합된 유체를 상기 혼합 영역으로부터 중앙 통로를 거쳐 상기 연료 노즐의 제1 하류측 단부에 있는 중앙 출구로 유동시키는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연료 노즐의 제1 하류측 단부를 상기 제1 유체로 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
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