KR102498300B1 - 가스터빈용 연료 분사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 관한 가스터빈용 연료 분사 장치는, 연료 공급관과, 연료 공급관에 연결되고, 연료를 분사하는 노즐을 구비하는 제1 매니폴드와, 제1 매니폴드를 둘러싸되 제1 매니폴드의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되며, 공기가 유입되는 공기 유입구와, 노즐에서 분사되는 연료에 공기를 충돌시키는 연료 배출구를 구비하는 제2 매니폴드와, 제2 매니폴드를 둘러싸되 제2 매니폴드로부터 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 연료에 공기를 충돌시키는 제1 스월러를 구비한다.

Description

가스터빈용 연료 분사 장치{fuel injection apparatus for gas turbine}
본 발명의 실시예들은 가스터빈용 연료 분사 장치에 관한 것이다.
가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로, 일반적으로 압축기와 연소기, 그리고 터빈으로 구성된다. 압축기에서는 공기를 압축시키고, 압축기에서 압축된 공기는 연소기로 전달되어 연료의 연소를 촉진시키고, 연소기에서 생성된 고온고압의 연소가스는 터빈으로 전달되어 팽창하면서 동력을 생산한다.
연소기에서 연료의 연소 효율을 높이기 위한 여러가지 방법 중 한가지는, 액체 상태의 연료를 미립화(atomization)하여 연소 표면적을 넓히는 방법이다. 이를 위해, 미국 공개특허 제2002-0162333호에는 연료노즐 몸체의 외곽 벽면에서 연료를 분사하고, 연료의 분사 방향과 직교하는 방향으로 공기를 분사하여 연료를 미립화하는 방법을 개시한다. 그러나, 이러한 1회성 연료-공기의 충돌로는 연료의 미립화를 촉진하는 데 부족하다는 문제를 해결하기는 어렵다.
미국 공개특허 제2002-0162333호 (2002.11.07.)
본 발명의 실시예들은 연료의 미립화를 촉진시킬 수 있는 가스터빈 연료 분사 장치를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 관한 가스터빈용 연료 분사 장치는, 연료 공급관과, 연료 공급관에 연결되고, 연료를 분사하는 노즐을 구비하는 제1 매니폴드와, 제1 매니폴드를 둘러싸되 제1 매니폴드의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되며, 공기가 유입되는 공기 유입구와, 노즐에서 분사되는 연료에 공기를 충돌시키는 연료 배출구를 구비하는 제2 매니폴드와, 제2 매니폴드를 둘러싸되 제2 매니폴드로부터 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 연료에 공기를 충돌시키는 제1 스월러를 구비한다.
본 실시예에 있어서, 노즐과 연료 배출구는 방사 방향을 기준으로 서로 중첩될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 노즐에 의해 분사되는 연료의 분사 방향은 연료 배출구에서 분사되는 공기의 분사 방향과 평행할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 스월러에 의해 분사되는 공기의 분사 방향은 제2 매니폴드에서 분사되는 연료의 분사 방향과 서로 교차할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 스월러에 의해 분사되는 공기의 일부는 공기 유입구로 분기될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 매니폴드와 제2 매니폴드의 사이에 형성된 공간에 개재되도록 설치되어, 공기 유입로로 유입되는 공기를 연료 배출구 측으로 인도하는 제2 스월러를 더 구비할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 관한 가스터빈용 연료 분사 장치에 의하면, 연료와 공기를 평행한 방향 및 교차하는 방향으로 각각 충돌시킬 수 있으므로, 연료의 미립화를 촉진시킬 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 연료 분사 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 B를 확대하여 나타낸 확대 단면도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 연료 분사 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 B를 확대하여 나타낸 확대 단면도이다.
도 1을 참조하면, 가스터빈용 연료 분사 장치(100)는 연료 공급관(110)과, 제1 매니폴드(120)와, 제2 매니폴드(130)와, 제1 스월러(140) 및 제2 스월러(150)를 포함할 수 있다.
연료 공급관(110)은 하우징(H)을 관통하도록 설치되어, 하우징(H)의 내부로 연료(F)를 공급하는 역할을 수행한다. 연료 공급관(110)으로 유입된 연료(F)는 후술할 제1 매니폴드(120)의 내부에 형성되는 제1 유로(P1)로 인도될 수 있다.
제1 매니폴드(120)는 연료 공급관(110)에 연결되고, 연료(F)를 분사하는 노즐(121)을 구비할 수 있다. 즉, 제1 매니폴드(120)는 연료 공급관(110)으로부터 유입되는 연료(F)를 노즐(121)을 통해 분사하는 역할을 수행할 수 있다.
제2 매니폴드(130)는 제1 매니폴드(120)를 둘러싸되, 제1 매니폴드(120)의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치될 수 있다. 제2 매니폴드(130)는 공기가 유입되는 공기 유입구(131)와, 제1 매니폴드(120)의 노즐(121)에서 분사되는 연료(F)에 공기(A)를 충돌시켜 연료(F)의 미립화(atomization)를 촉진하는 연료 배출구(132)를 구비할 수 있다.
제1 스월러(140)는 제2 매니폴드(130)를 둘러싸되, 제2 매니폴드(130)로부터 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 연료 배출구(132)를 통해 분사되는 연료(F)에 공기(A)를 충돌시킬 수 있다. 제1 스월러(140)에서 분사된 공기(A)는 제1 매니폴드(120)와 제2 매니폴드(130) 및 하우징(H)이 형성하는 내부 유로를 따라 유동하며, 구체적으로 제1 스월러(140)에서 분사된 공기(A) 중 일부는 하우징(H)과 제2 매니폴드(130)의 사이에 형성된 제3 유로(P3)를 따라 유동(A1 참조)하고, 다른 일부는 공기 유입구(131)로 분기되어 제1 매니폴드(120)와 제2 매니폴드(130)의 사이에 형성되는 제2 유로(P2)를 따라 유동(A2 참조)할 수 있다.
제2 스월러(150)는 제1 매니폴드(120)와 제2 매니폴드(130)의 사이에 형성되는 제2 유로(P2)에 개재되도록 설치되어, 공기 유입구(131)로 유입되는 공기(A2)를 연료 배출구(132) 측으로 인도할 수 있다.
상세히, 제1 매니폴드(120)의 노즐(121)과, 제2 매니폴드(130)의 연료 배출구(132)는 방사 방향(제2 방향)을 따라 서로 중첩되도록 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의해 노즐(121)에서 분사되는 연료(F)와, 제1 매니폴드(120)와 제2 매니폴드(130) 사이에 형성된 개구(미표시)를 따라 인도되어 연료 배출구(132) 측으로 배출되는 공기(A)는 서로 혼합되어 방사 방향(제2 방향)으로 분사될 수 있다. 이러한 연료(F)와 공기(A)의 혼합 과정에 대해서는 이하 도 2를 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 연료 공급관(110)을 통해 제1 매니폴드(120)의 제1 유로(P1)로 유입된 연료(F)는 제1 방향과 평행한 방향으로 유동할 수 있다. 물론, 제1 매니폴드(120)의 제1 유로(P1)에서 유동하는 연료(F)는 제1 방향과는 소정 각도 기울어진 경로를 따라 유동할 수도 있으나, 여기서는 설명의 편의를 위해 제1 방향과 평행한 방향으로 유동하는 것으로 가정하기로 한다.
제1 매니폴드(120)의 제1 유로(P1)에서 제1 방향을 따라 유동하는 연료(F)는, 노즐(121) 주위에서 급격히 유동 방향을 변경하여 제1 방향과 교차하는 제2 방향과 평행한 방향을 따라 노즐(121)로부터 분사될 수 있다. 물론, 노즐(121)에서 제1 매니폴드(120)의 외측으로 분사되는 연료(F)의 유동 방향은 제2 방향과는 소정 각도 기울어진 경로를 따라 분사될 수도 있으나, 여기서는 설명의 편의를 위해 제2 방향과 평행한 방향으로 분사되는 것으로 가정하기로 한다.
한편, 제1 매니폴드(120)와 제2 매니폴드(130)의 사이에 형성되는 제2 유로(P2) 내에서 제1 방향을 따라 유동하는 공기(A2)는 노즐(121)과 제2 매니폴드(130)의 사이에 형성된 개구(미표시)를 거쳐 연료 배출구(132)로 배출된다. 이러한 과정에서, 노즐(121)에서 분사되는 연료(F)와, 연료 배출구(132)에서 분사되는 공기(A2) 는 서로 충돌하게 되고, 결과적으로 연료(F)는 공기(A2)에 의해 미립화(atomization)가 촉진될 수 있다. 이때, 노즐(121)에 의해 분사되는 연료(F)의 분사 방향은 연료 배출구(132)에서 분사되는 공기(A2)의 분사 방향과 평행할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 연료 배출구(132)에서는 공기(A2)에 의해 미립화된 연료(AF)가 제2 방향으로 분사될 수 있다. 이와 같이 연료 배출구(132)에서 분사되는 미립화된 연료(AF)는, 제1 스월러(140)를 통해 하우징(H)과 제2 매니폴드(130) 사이에 형성되는 제3 유로(P3)로 유입되어 유동하는 공기(A1)와 다시 충돌할 수 있다. 다만, 제3 유로(P3)를 따라 유동하는 공기(A1)의 유동 방향은 제1 방향이고, 연료 배출구(132)에서 분사되는 미립화된 연료(AF)는 제2 방향으로 분사되므로, 공기(A1)와 미립화된 연료(AF)의 분사 방향은 서로 교차할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 가스터빈용 연료 분사 장치(100)에 의하면, 연료 공급관(110)으로 유입된 연료(F)는 총 두 번 공기(A)와 충돌하여 미립화가 촉진될 수 있다. 상세히, 제1 매니폴드(120) 내의 제1 유로(P1)를 따라 유동하는 연료(F)는 노즐(121)을 통해 분사되고, 노즐(121)을 통해 분사되는 연료(F)는 연료 배출구(132)에서 연료(F)의 분사 방향에 대해 평행한 방향(제2 방향)으로 분사되는 공기(A2)와 충돌함으로써 1차적으로 미립화가 촉진되며, 이어서 연료 배출구(132)에서 분사되는 미립화된 연료(AF)는 제3 유로(P3)를 따라 제1 방향으로 유동하는 공기(A1)에 충돌하여 2차적으로 미립화가 촉진될 수 있다.
본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 가스터빈용 연료 분사 장치 131: 공기 유입구
110: 연료 공급관 132: 공기 배출구
120: 제1 매니폴드 140: 제1 스월러
121: 노즐 150: 제2 스월러
130: 제2 매니폴드

Claims (6)

  1. 연료 공급관;
    상기 연료 공급관에 연결되고, 연료를 분사하는 노즐을 구비하는 제1 매니폴드;
    상기 제1 매니폴드를 둘러싸되 상기 제1 매니폴드의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되며, 공기가 유입되는 공기 유입구와, 상기 노즐에서 분사되는 연료에 공기를 충돌시키는 연료 배출구를 구비하는 제2 매니폴드; 및
    상기 제2 매니폴드를 둘러싸되 상기 제2 매니폴드로부터 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 상기 연료에 공기를 충돌시키는 제1 스월러;를 구비하는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐과 상기 연료 배출구는 상기 방사 방향을 기준으로 서로 중첩되는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐에 의해 분사되는 연료의 분사 방향은 상기 연료 배출구에서 분사되는 공기의 분사 방향과 평행한, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스월러에 의해 분사되는 공기의 분사 방향은 상기 제2 매니폴드에서 분사되는 상기 연료의 분사 방향과 서로 교차하는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스월러에 의해 분사되는 공기의 일부는 상기 공기 유입구로 분기되는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드의 사이에 형성된 공간에 개재되도록 설치되어, 상기 공기 유입구로 유입되는 공기를 상기 연료 배출구 측으로 인도하는 제2 스월러를 더 구비하는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
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