KR102522143B1 - Fuel supply system for combustor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동축 다단 성층 연소가 가능하며 환형 고리를 통해 연료가 공급됨에 따라, 우수한 연료-공기 혼합 특성을 가지면서도 화염 안정성을 높일 수 있는 연소기용 노즐 어셈블리를 포함하는 연소기용 연료공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템은, 연소기용 노즐 어셈블리로 연료를 공급하는 매니폴드부; 매니폴드부와 연료 탱크 사이에 형성되며 매니폴드부로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제어밸브부; 제어밸브부의 동작을 제어하는 콘트롤러부;를 포함한다. 또한, 연소기용 노즐 어셈블리는, 중심 노즐관; 중심 노즐관을 이격된 상태로 감싸는 내측 노즐관; 내측 노즐관을 이격된 상태로 감싸는 외측 노즐관; 중심 노즐관과 내측 노즐관 사이에 구비되는 파일럿 연료 분사부; 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 구비되는 메인 연료 분사부;를 포함한다. 또한, 매니폴드부와 제어밸브부는, 파일럿 연료 분사부로 연료를 공급하는 제1 매니폴드와 제1 매니폴드로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제1 제어밸브; 메인 연료 분사부로 연료를 공급하는 제2 매니폴드와 제2 매니폴드로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제2 제어밸브;를 포함한다.The present invention relates to a fuel supply system for a combustor including a nozzle assembly for a combustor capable of coaxial multi-stage stratified combustion and capable of increasing flame stability while having excellent fuel-air mixing characteristics as fuel is supplied through an annular ring. .
A fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention includes a manifold unit supplying fuel to a nozzle assembly for a combustor; a control valve unit formed between the manifold unit and the fuel tank and adjusting the concentration of fuel supplied to the manifold unit; It includes; a controller unit for controlling the operation of the control valve unit. In addition, the combustor nozzle assembly includes a central nozzle tube; An inner nozzle tube that surrounds the central nozzle tube in a spaced apart state; An outer nozzle tube surrounding the inner nozzle tube in a spaced apart state; a pilot fuel injection unit provided between the central nozzle tube and the inner nozzle tube; Includes; main fuel injection unit provided between the inner nozzle pipe and the outer nozzle pipe. In addition, the manifold unit and the control valve unit may include a first manifold for supplying fuel to the pilot fuel injection unit and a first control valve for adjusting the concentration of the fuel supplied to the first manifold; It includes; a second manifold for supplying fuel to the main fuel injection unit and a second control valve for adjusting the concentration of the fuel supplied to the second manifold.
Description
본 발명은 연소기용 연료공급 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동축 다단 성층 연소가 가능하며 환형 고리를 통해 연료가 공급됨에 따라, 우수한 연료-공기 혼합 특성을 가지면서도 화염 안정성을 높일 수 있는 연소기용 노즐 어셈블리를 포함하는 연소기용 연료공급 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel supply system for a combustor, and more particularly, to a combustor capable of coaxial multi-stage stratified combustion and capable of improving flame stability while having excellent fuel-air mixing characteristics as fuel is supplied through an annular ring. It relates to a fuel supply system for a combustor including a nozzle assembly.
일반적으로 가스 터빈은 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 외연기관의 일종이다. 이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.In general, a gas turbine is a type of external combustion engine that converts thermal energy into mechanical energy by injecting high-temperature, high-pressure combustion gas generated by mixing fuel with air compressed by a compressor and then combusting the turbine to rotate it. Since these gas turbines do not have a reciprocating mechanism such as a piston of a 4-stroke engine, there is no mutual friction part such as a piston-cylinder, so the consumption of lubricating oil is extremely low, the amplitude characteristic of reciprocating machines is greatly reduced, and high-speed movement is possible. There are advantages.
가스 터빈은 기본적인 요소로서 공기를 압축시키는 압축기, 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 연소시켜 연소가스를 생성시키는 연소기 및 연소기로부터 뿜어져 나온 고온 고압의 가스를 통해 날개를 회전시켜 전력을 발생시키는 터빈을 포함한다.A gas turbine is a basic element. It consists of a compressor that compresses air, a combustor that generates combustion gas by burning the compressed air supplied from the compressor and fuel, and a turbine that generates electric power by rotating blades through high-temperature, high-pressure gas ejected from the combustor. includes
연소기에서 발생되는 연소 상태는 등압가열 과정으로서 연소가 스 온도를 터빈 메탈이 견딜 수 있는 온도까지 상승시키는데, 연소기는 압축기로부터 나온 고온, 고압의 공기를 연료와 반응시켜 높은 에너지를 갖게 하고 이를 터빈에 전달하여 터빈을 구동하는 역할을 수행하는 부분에 해당된다.The combustion state generated in the combustor is a constant pressure heating process that raises the temperature of the combustion gas to a temperature that the turbine metal can withstand. It corresponds to the part that plays the role of transmitting and driving the turbine.
첨부된 도 1을 참조하면, 연소용 공기(combustion air)는 슬리브(1)와 연소기 라이너(2) 사이를 따라 연소기를 냉각시키며 이동되다가 이동 방향이 전환된 후에 노즐(3)을 통해 라이너(2) 내로 공급되고, 노즐(3)에서 연료가 공급됨으로써, 라이너(2) 내에서 연료와 공기의 점화가 이루어진다.1, combustion air cools the combustor along a path between the
연소기에서는 연소를 통해 배출되는 대기오염물질, 특히 질소산화물(NOx)이 기준치 미만으로 형성되도록 하기 위해, 연소기의 반응구역의 온도를 낮은 수준으로 제어하는 것이 필요하다. 이를 위해, 노즐(3)에서 연소 전에 연료 및 공기를 희박 혼합물로 예혼합하여 연소기의 반응구역으로 공급할 수 있다.In the combustor, it is necessary to control the temperature of the reaction zone of the combustor to a low level in order to form air pollutants, particularly nitrogen oxides (NOx), discharged through combustion below a standard value. To this end, fuel and air may be pre-mixed into a lean mixture before combustion in the
이때, 연소기의 예혼합 구역에서 나와서 연소기의 반응구역으로 들어가는 연료-공기 혼합물은 원하는 배출기준을 달성하기 위해 매우 균일해야한다.At this time, the fuel-air mixture coming out of the premixing zone of the combustor and entering the reaction zone of the combustor must be very uniform in order to achieve the desired emission standard.
이는, 연료-공기 혼합물이 평균보다 훨씬 연료 과잉인 영역이 존재하게 되면, 이들 영역에서의 연소 생성물은 평균보다 높은 온도에 도달하여 열적 질소산화물(NOx)을 형성할 수 있기 때문이다. 반대로 연료-공기 혼합물이 평균보다 현저히 낮은 연료 부족인 영역이 존재하게 되면, 탄화수소 및/또는 일산화탄소를 평형 수준으로 산화시키지 못하여 퀀칭(quenching)이 발생할 수 있으며, 이로 인해 미연소 탄화수소(UHC) 및/또는 일산화탄소(CO)의 배출기준을 만족시키지 못할 수 있다. 따라서, 원하는 배출기준을 충족시키기 위해서는 충분히 균일한 연료-공기 혼합물 분포를 생성해야 한다.This is because, if there are regions where the fuel-air mixture is much more fuel-rich than average, the products of combustion in these regions can reach higher-than-average temperatures and form thermal nitrogen oxides (NOx). Conversely, if there is an area where the fuel-air mixture is significantly below average fuel deficit, the inability to oxidize hydrocarbons and/or carbon monoxide to equilibrium levels may result in quenching, which may result in unburned hydrocarbons (UHC) and/or carbon monoxide. Alternatively, carbon monoxide (CO) emission standards may not be satisfied. Thus, a sufficiently uniform fuel-air mixture distribution must be created to meet the desired emission standards.
또한, 배출성능 목표를 달성하기 위해, 대부분의 탄화수소 연료를 위한 희박한 가연성 한계에 가까운 수준으로 연료-공기 혼합강도를 줄여야하며, 그 결과 화염 전파 속도 및 배출이 감소하게 된다. 이에 따라, 희박한 예혼합 연소기는 일반적인 확산 화염 연소기보다 불안정한 경향이 있으며, 높은 수준의 연소 구동 동적 압력 변동(dynamic pressure fluctuation)이 발생한다. 이와 같은 동적 압력 변동은 연소기 손상과 같은 부정적인 결과를 초래할 수 있으므로, 연소 동압(combustion dynamics)을 허용 가능한 낮은 레벨로 제어하는 것이 중요하다.Additionally, to achieve emission performance targets, the fuel-air mixture strength must be reduced to a level close to the lean flammability limit for most hydrocarbon fuels, resulting in reduced flame propagation rates and emissions. As such, lean premixed combustors tend to be more unstable than conventional diffusion flame combustors, resulting in higher levels of combustion drive dynamic pressure fluctuations. It is important to control combustion dynamics to an acceptably low level, as these dynamic pressure fluctuations can have negative consequences such as combustor damage.
이를 위해, 종래에는 미국 특허출원 제6,438,961호에 개시된 바와 같이 버너의 중심선 아래로 연장되는 원통형 센터바디를 갖는 스워즐(Swozzle) 타입의 버너가 제공된다. 센터바디의 단부는 블러프(bluff) 바디를 제공하여 화염이 고정되는 강력한 재순환 영역을 형성하며, 이에 따라 우수한 화염 안정성을 가질 수 있다. 하지만, 상기와 같은 스워즐(Swozzle) 타입의 버너는 일반적으로 연료 및 공기의 균일한 혼합을 달성하지 못한다는 문제점이 있다.To this end, conventionally, as disclosed in US Patent Application No. 6,438,961, a Swozzle type burner having a cylindrical center body extending below the center line of the burner is provided. The end of the center body provides a bluff body to form a strong recirculation area in which the flame is fixed, thus enabling excellent flame stability. However, the above-mentioned Swozzle type burner generally has a problem in that it does not achieve uniform mixing of fuel and air.
이 밖에도, 종래에는 미국 특허출원 제5,165,241호에 개시된 바와 같이 DACRS(Dual Annular Counter Rotating Swirler) 타입의 공기-연료 혼합기가 제공된다. 이와 같은 DACRS 타입의 공기-연료 혼합기는 높은 유체 전단 및 난류로 인해 연료-공기의 혼합 특성이 우수하다. 하지만, 이러한 스월러는 중심선에서 강한 재순환 흐름을 생성하지 않으며, 경계층에서 생기는 급격한 선회각도 변경에 의해 연소실에서의 유동 구조가 크게 바뀌므로 양호한 화염 안정성을 제공하지 못한다. 이에 따라, 화염을 안정화시키기 위해 비예혼합(non-premixed) 연료를 추가로 분사해야하는 경우가 종종 있으며, 비예혼합 연료에 의해 질소산화물(NOx)의 배출이 증가된다는 문제점이 있다.In addition, conventionally, as disclosed in US Patent Application No. 5,165,241, an air-fuel mixer of the DACRS (Dual Annular Counter Rotating Swirler) type is provided. Such a DACRS type air-fuel mixer has excellent fuel-air mixing characteristics due to high fluid shear and turbulence. However, these swirlers do not generate a strong recirculation flow at the center line, and do not provide good flame stability because the flow structure in the combustion chamber is greatly changed by the rapid change in the turning angle occurring in the boundary layer. Accordingly, it is often necessary to additionally inject non-premixed fuel to stabilize the flame, and there is a problem in that emission of nitrogen oxides (NOx) is increased by the non-premixed fuel.
본 발명은 동축 다단 성층 연소가 가능하며 환형 고리를 통해 연료가 공급됨에 따라, 우수한 연료-공기 혼합 특성을 가지면서도 화염 안정성을 높일 수 있는 연소기용 노즐 어셈블리를 포함하는 연소기용 연료공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a combustor fuel supply system including a combustor nozzle assembly capable of coaxial multi-stage stratified combustion and having excellent fuel-air mixing characteristics and improving flame stability as fuel is supplied through an annular ring. aims to
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템은, 연소기용 노즐 어셈블리로 연료를 공급하는 매니폴드부; 매니폴드부와 연료 탱크 사이에 형성되며 매니폴드부로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제어밸브부; 제어밸브부의 동작을 제어하는 콘트롤러부;를 포함한다. 또한, 연소기용 노즐 어셈블리는, 중심 노즐관; 중심 노즐관을 이격된 상태로 감싸는 내측 노즐관; 내측 노즐관을 이격된 상태로 감싸는 외측 노즐관; 중심 노즐관과 내측 노즐관 사이에 구비되는 파일럿 연료 분사부; 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 구비되는 메인 연료 분사부;를 포함한다. 또한, 매니폴드부와 제어밸브부는, 파일럿 연료 분사부로 연료를 공급하는 제1 매니폴드와 제1 매니폴드로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제1 제어밸브; 메인 연료 분사부로 연료를 공급하는 제2 매니폴드와 제2 매니폴드로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제2 제어밸브;를 포함한다.A fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention includes a manifold unit supplying fuel to a nozzle assembly for a combustor; a control valve unit formed between the manifold unit and the fuel tank and adjusting the concentration of fuel supplied to the manifold unit; It includes; a controller unit for controlling the operation of the control valve unit. In addition, the combustor nozzle assembly includes a central nozzle tube; An inner nozzle tube that surrounds the central nozzle tube in a spaced apart state; An outer nozzle tube surrounding the inner nozzle tube in a spaced apart state; a pilot fuel injection unit provided between the central nozzle tube and the inner nozzle tube; Includes; main fuel injection unit provided between the inner nozzle pipe and the outer nozzle pipe. In addition, the manifold unit and the control valve unit may include a first manifold for supplying fuel to the pilot fuel injection unit and a first control valve for adjusting the concentration of the fuel supplied to the first manifold; It includes; a second manifold for supplying fuel to the main fuel injection unit and a second control valve for adjusting the concentration of the fuel supplied to the second manifold.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 콘트롤러부는, 제1 매니폴드와 제2 매니폴드로 각각 공급되는 연료의 농도가 상이하도록 제1 제어밸브와 제2 제어밸브의 동작을 제어한다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the controller controls the operation of the first control valve and the second control valve so that the concentrations of the fuel supplied to the first manifold and the second manifold are different. do.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 콘트롤러부는, 제1 매니폴드를 거쳐서 파일럿 연료 분사부로 공급되는 연료의 농도가, 제2 매니폴드를 거쳐서 메인 연료 분사부로 공급되는 연료의 농도 보다 크도록 제1 제어밸브와 제2 제어밸브의 동작을 제어한다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the controller unit determines the concentration of fuel supplied to the pilot fuel injection unit via the first manifold and the concentration of fuel supplied to the main fuel injection unit via the second manifold. Controls the operation of the first control valve and the second control valve so as to be greater than
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 연소기용 노즐 어셈블리는 복수개로 구비되며, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 파일럿 연료 분사부는 복수개의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급 받고, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 메인 연료 분사부는 복수개의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급 받을 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, a plurality of combustor nozzle assemblies are provided, and pilot fuel injection units respectively provided in the plurality of combustor nozzle assemblies receive fuel from a plurality of first manifolds and , The main fuel injection units respectively provided in the plurality of combustor nozzle assemblies may receive fuel from the plurality of second manifolds.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드와, 다른 제1 매니폴드로부터 공급되는 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the concentration of fuel supplied from one of the plurality of first manifolds and the other first manifold may be different from each other.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드와, 다른 제2 매니폴드로부터 공급되는 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the concentration of fuel supplied from one second manifold among a plurality of second manifolds and the other second manifold may be different from each other.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 파일럿 연료 분사부의 수와, 다른 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 파일럿 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the number of pilot fuel injection units receiving fuel from one of a plurality of first manifolds and supplying fuel from another first manifold The number of received pilot fuel injection units may be different from each other.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 메인 연료 분사부의 수와, 다른 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 메인 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the number of main fuel injection units receiving fuel from one of a plurality of second manifolds and supplying fuel from another second manifold The number of receiving main fuel injection units may be different from each other.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 파일럿 연료 분사부는, 중심 노즐관과 내측 노즐관 사이에 배치되는 파일럿 환형 고리; 중심 노즐관으로부터 파일럿 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 파일럿 스트럿;을 포함한다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the pilot fuel injection unit includes: a pilot annular ring disposed between a central nozzle tube and an inner nozzle tube; a plurality of pilot struts extending radially from the central nozzle tube toward the pilot annular ring.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 파일럿 스트럿은 중심 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고, 파일럿 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제1 연료분사홀이 구비될 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, a plurality of pilot struts are arranged at regular intervals along the circumferential direction of the central nozzle pipe, and a plurality of first fuel injection holes are provided in the annular pilot ring along the circumferential direction may be provided.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제1 연료분사홀은 파일럿 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비될 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, a plurality of first fuel injection holes may be provided on radially inner and radially outer surfaces of the annular pilot ring, respectively.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 파일럿 스트럿 각각은, 중심 노즐관으로부터 파일럿 환형 고리까지 연장되는 제1 파일럿 스트럿과, 파일럿 환형 고리로부터 내측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 파일럿 스트럿을 포함할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, each of the plurality of pilot struts includes a first pilot strut extending from the central nozzle tube to the pilot annular ring and a radial direction from the pilot annular ring toward the inner nozzle tube. A second pilot strut extending may be included.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 메인 연료 분사부는, 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 배치되는 1개 이상의 메인 환형 고리; 내측 노즐관으로부터 메인 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 메인 스트럿;을 포함할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, the main fuel injection unit includes at least one main annular ring disposed between an inner nozzle pipe and an outer nozzle pipe; A plurality of main struts radially extending from the inner nozzle tube toward the main annular ring.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 메인 스트럿은 내측 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고, 메인 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제3 연료분사홀이 구비될 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, a plurality of main struts are arranged at regular intervals along the circumferential direction of the inner nozzle pipe, and a plurality of third fuel injection holes are provided in the main annular ring along the circumferential direction may be provided.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제3 연료분사홀은 메인 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비될 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, a plurality of third fuel injection holes may be provided on radially inner and radially outer surfaces of the main annular ring, respectively.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 메인 스트럿 각각은, 내측 노즐관으로부터 메인 환형 고리까지 연장되는 제1 메인 스트럿과, 메인 환형 고리로부터 외측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 메인 스트럿을 포함할 수 있다.In the fuel supply system for a combustor according to an embodiment of the present invention, each of the plurality of main struts includes a first main strut extending from the inner nozzle tube to the main annular ring and a radial direction from the main annular ring toward the outer nozzle tube. It may include a second main strut that extends.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of implementations according to various aspects of the present invention are included in the detailed description below.
본 발명에 따르면, 파일럿 환형 고리와 메인 환형 고리에 의해 동축 삼중관 사이의 분리된 2개의 유로에 각각 연료가 분사됨에 따라 연료-공기의 혼합도가 개선될 수 있으며, 궁극적으로 가스터빈 연소기의 질소산화물(NOx) 발생이 최소화될 수 있다.According to the present invention, as the fuel is injected into the two flow passages separated between the coaxial triple tube by the pilot annular ring and the main annular ring, respectively, the fuel-air mixing degree can be improved, and ultimately nitrogen of the gas turbine combustor Generation of oxides (NOx) can be minimized.
또한, 파일럿과 메인의 연소조건을 달리한 다단 성층 연소가 가능해짐에 따라 화염 안정성이 향상될 수 있으며, 연소진동을 억제하여 안정된 연소가 가능하다.In addition, flame stability can be improved as multi-stage stratified combustion with different combustion conditions of pilot and main is possible, and stable combustion is possible by suppressing combustion vibration.
또한, 외측 노즐관에 부가적으로 연료 분사홀이 구비되어 연료가 분사됨에 따라, 인접하는 스트럿 사이의 거리가 상대적으로 먼 외측 노즐관 근처에서도 연료-공기의 혼합이 강화될 수 있다.In addition, as the fuel injection hole is additionally provided in the outer nozzle pipe to inject fuel, fuel-air mixing can be enhanced even near the outer nozzle pipe where the distance between adjacent struts is relatively long.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.
도 1은 종래의 가스터빈 연소기를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 가스터빈에 포함된 연소기를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 연소기에 적용될 수 있는 연소기용 연료공급 시스템이 도시된 블록도이다.
도 5는 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리가 하나의 연소기를 구성하는 것을 예시하는 도면이다.
도 6은 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리와 복수개의 매니폴드 간의 연결 관계를 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7을 A에서 바라본 바라본 측면도이다.
도 9는 도 7의 일부를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 7의 노즐 어셈블리의 연료공급구조를 도시한 개념도이다.
도 11은 중심 노즐관의 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 파일럿 환형 고리의 단면도이다.
도 13은 도 12의 파일럿 환형 고리를 후방에서 바라본 측면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리의 일부를 도시한 사시도이다.1 is a cross-sectional view schematically illustrating a conventional gas turbine combustor.
2 is a cross-sectional view showing a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a combustor included in the gas turbine of FIG. 2 .
FIG. 4 is a block diagram illustrating a fuel supply system for a combustor applicable to the combustor of FIG. 3 .
5 is a view illustrating that a plurality of combustor nozzle assemblies constitute one combustor.
6 is a diagram illustrating a connection relationship between a plurality of combustor nozzle assemblies and a plurality of manifolds.
7 is a cross-sectional view showing a nozzle assembly for a combustor according to an embodiment of the present invention.
8 is a side view of FIG. 7 viewed from A;
9 is a perspective view showing a part of FIG. 7 .
FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a fuel supply structure of the nozzle assembly of FIG. 7 .
11 is a cross-sectional view of a central nozzle tube.
12 is a cross-sectional view of a pilot annular ring according to another embodiment.
13 is a side view of the pilot annular ring of FIG. 12 viewed from the rear;
14 is a perspective view showing a part of a nozzle assembly for a combustor according to another embodiment.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be exemplified and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'include' or 'having' are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 구성을 도 2 및 3을 참조하여 설명한다.First, a configuration of a gas turbine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3 .
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 크게 케이싱(10)과, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(30)와, 연소기(30)로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈(40)을 포함할 수 있다.A gas turbine according to an embodiment of the present invention includes a
케이싱(10)은, 압축기(20)가 수용되는 압축기 케이싱(12), 연소기(30)가 수용되는 연소기 케이싱(13) 및 터빈(40)이 수용되는 터빈 케이싱(14)을 포함할 수 있다. 여기서, 압축기 케이싱(12), 연소기 케이싱(13) 및 터빈 케이싱(14)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.The
케이싱(10)의 내부에는 로터(50)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 로터(50)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 케이싱(10)의 하류 측에는 터빈(40)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다.A
로터(50)는, 압축기 케이싱(12)에 수용되는 압축기 로터 디스크(52), 터빈 케이싱(14)에 수용되는 터빈 로터 디스크(54) 및 연소기 케이싱(13)에 수용되고 압축기 로터 디스크(52)와 터빈 로터 디스크(52)와 터빈 로터 디스크(54) 각각에는 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 토크 튜브(53)가 압축기 로터 디스크(52) 및 터빈 로터 디스크(54)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다. 또한, 토크 튜브(53)는 압축기(20)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(53)를 통과하여 터빈(40)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다.The
타이 로드(55)는 복수의 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 터빈 로터 디스크(54)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 압축기(20)의 반대측으로 돌출되어 고정 너트(56)와 체결될 수 있다.The
여기서, 고정 너트(56)는 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)를 압축기(20) 측으로 가압하고, 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52)와 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 터빈 로터 디스크(54)가 로터(50)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 터빈 로터 디스크(54)의 축방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.Here, the fixing
한편, 본 실시예의 경우 하나의 타이 로드가 복수의 압축기 로터 디스크, 토크 튜브 및 복수의 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.On the other hand, in the case of the present embodiment, one tie rod is formed to pass through the center of the plurality of compressor rotor disks, the torque tube, and the plurality of turbine rotor disks, but is not limited thereto. That is, separate tie rods may be provided on the compressor side and the turbine side, respectively, a plurality of tie rods may be radially arranged along the circumferential direction, and a combination thereof may be used.
압축기(20)는, 로터(50)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(22) 및 압축기 블레이드(22)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 압축기 케이싱(12)에 설치되는 압축기 베인(24)을 포함할 수 있다.The
압축기 블레이드(22)는 복수로 형성되되, 복수의 압축기 블레이드(22)는 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되며, 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. 압축기 블레이드(22)의 루트부(22a)는 압축기 로터 디스크(52)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 루트부(22a)는 압축기 블레이드(22)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 압축기 블레이드의 루트부(22a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 압축기 블레이드 루트부(22a)와 압축기 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 압축기 블레이드를 압축기 로터 디스크에 체결할 수도 있다.In this embodiment, the compressor
여기서, 압축기 로터 디스크(52)와 압축기 블레이드(22)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는 압축기 블레이드 루트부(22a)가 압축기 블레이드 결합 슬롯에 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드 결합 슬롯은 압축기 로터 디스크(52)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.Here, the
압축기 베인(24)은 복수로 형성되되, 복수의 압축기 베인(24)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 압축기 베인(24)과 압축기 블레이드(22)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 압축기 베인(24)은 각 단마다 로터(50의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
연소기(30)는 압축기(20)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합하고 이를 연소시켜 높은 에너지를 갖는 고온 고압의 연소 가스를 만들어낸다.The
연소기(30)는 복수로 형성되되, 복수의 연소기(30)는 연소기 케이싱에 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.The
도 3에 도시된 바와 같이, 각 연소기(30)는, 압축기(20)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너(32)와, 라이너(32)의 후방에 위치하여 연소가스를 터빈(40)으로 안내하는 트랜지션 피스(34)를 포함한다. 라이너(32)는 내부에 연소 챔버(31)를 형성하고, 유동 슬리브(36)가 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)를 둘러싸도록 배치되어 그 사이에 환형의 유동공간을 형성한다.As shown in FIG. 3, each combustor 30 has a
또한, 각 연소기(30)는 압축기(20)로부터 공급받은 공기와 연료를 혼합시키는 복수의 연소기용 노즐 어셈블리(1000)를 구비하며, 노즐 어셈블리(1000)는 라이너(32)의 전방에 결합된다. 연소기 케이싱(13) 또는 유동 슬리브(36)의 전방에는 엔드 플레이트(38)가 결합되며, 엔드 플레이트(38)에 의해 노즐 어셈블리(1000)가 지지되고, 연소기가 밀봉될 수 있다.In addition, each combustor 30 includes a plurality of
고온 고압의 연소가스에 노출되는 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)를 냉각시키는 것은 연소기 내구성 증가를 위해 중요한 부분이다. 이를 위해, 연소기 케이싱(13)에 의해 한정되어 압축기(20)로부터 배출되는 압축공기가 수용되는 수용공간으로부터 유동 슬리브(36)에 형성되는 복수의 충돌홀을 통해 라이너(32), 트랜지션 피스(34)와 유동 슬리브(36) 사이의 환형 유로로 압축공기(연소용 공기)가 유입될 수 있다.Cooling the
이와 같이, 라이너(32), 트랜지션 피스(34)와 유동 슬리브(36) 사이의 환형 유로로 유입된 압축공기는 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)의 외벽부를 냉각시키면서 연소기의 전방으로 유동된다. 압축공기는 엔드 플레이트(38)까지 도달한 후 반대 방향으로 전환되어 노즐 어셈블리(1000)로 공급된다. 이와 같이, 압축기(20)로부터 유입되는 압축공기는 노즐 어셈블리(1000)를 통해 연료와 혼합되면서 연소 챔버(31) 내로 분사되며, 연소 챔버(31)에서는 점화 플러그(미도시)에 의해 점화되어 연소가 일어나게 된다.In this way, the compressed air introduced into the annular flow path between the
이후, 연소된 가스는 트랜지션 피스(34)를 통해 터빈(40)으로 배출되어 회전력을 발생시킨다. 노즐 어셈블리(1000)의 구조는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.Thereafter, the burned gas is discharged to the
다음으로, 터빈(40)은 압축기(20)와 유사하게 형성될 수 있다. 터빈(40)은, 로터(50)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(42) 및 터빈 블레이드(42)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 터빈 케이싱(14)에 고정 설치되는 터빈 베인(44)을 포함할 수 있다.Next,
터빈 블레이드(42)는 복수로 형성되되, 복수의 터빈 블레이드(42)는 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.The
터빈 블레이드(42)의 루트부(42a)는 터빈 로터 디스크(54)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 루트부(42a)는 터빈 블레이드(42)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 터빈 블레이드의 루트부(42a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.The
터빈 베인(44)은 복수로 형성되되, 복수의 터빈 베인(44)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 터빈 베인(44)과 터빈 블레이드(42)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 터빈 베인(44)은 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.The turbine vanes 44 are formed in plurality, and the plurality of
여기서, 터빈(40)은 압축기(20)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다. 이를 위해, 압축기(20)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 터빈(40)으로 공급하기 위한 냉각 유로를 포함할 수 있다.Here, unlike the
냉각 유로는 실시예에 따라, 케이싱(10)의 외부에서 연장되거나(외부 유로) 로터(50)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 이때, 냉각 유로는 터빈 블레이드(42)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 터빈 블레이드(42)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 터빈 블레이드 쿨링 유로는 터빈 블레이드(42)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 터빈 블레이드(42)의 표면에 공급됨으로써, 터빈 블레이드(42)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다. 터빈 베인(44) 역시 터빈 블레이드(42)와 유사하게 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있다.Depending on the embodiment, the cooling passage may extend from the outside of the casing 10 (external passage) or may extend through the inside of the rotor 50 (internal passage), and both the external and internal passages may be used. At this time, the cooling passage communicates with the turbine blade cooling passage formed inside the
여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 연소기는 일반적인 가스터빈은 물론, 공기와 연료의 연소가 이루어지는 제트 엔진까지 넓게 적용될 수 있다.Here, the above gas turbine is only one embodiment of the present invention, and the combustor of the present invention, which will be described in detail below, can be widely applied to jet engines in which air and fuel are combusted as well as general gas turbines.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 연소기용 연료공급 시스템을 설명한다.Hereinafter, a fuel supply system for a combustor applicable to a combustor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6 .
도 4를 참조하면, 연소기용 연료공급 시스템은, 연료 탱크(T), 제어밸브부(V1, V2), 매니폴드부(M1, M2), 콘트롤러부(C), 연소기용 노즐 어셈블리(1000)를 포함한다. Referring to FIG. 4, the fuel supply system for the combustor includes a fuel tank T, control valve units V1 and V2, manifold units M1 and M2, a controller unit C, and a
연료 탱크(T)에는 연료 유체가 저장된다. 연료 유체는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료일 수 있다. Fuel fluid is stored in the fuel tank T. The fuel fluid may be a gaseous fuel, a liquid fuel, or a combination fuel of these fuels.
제어밸브부(V1, V2)는 연료 탱크(T)에 저장된 연료 유체가 매니폴드부(M1, M2)로 공급되도록 한다. 제어밸브부(V1, V2)는 콘트롤러부(C)의 제어 명령에 따라 연료 유체가 유동하는 공급관의 개도를 조절하여 매니폴드부(M1, M2)로 공급되는 연료 유체의 농도를 조절한다.The control valve units V1 and V2 supply the fuel fluid stored in the fuel tank T to the manifold units M1 and M2. The control valve units V1 and V2 adjust the concentration of the fuel fluid supplied to the manifold units M1 and M2 by adjusting the opening of the supply pipe through which the fuel fluid flows according to the control command of the controller unit C.
매니폴드부(M1, M2)에는 제어밸브부(V1, V2)에 의해 농도 조절된 연료 유체가 일시 저장되고, 일시 저장된 연료 유체는 연소기용 노즐 어셈블리(1000)로 공급된다. 연소기용 노즐 어셈블리(1000)는 파일럿 연료 분사부(400)와 메인 연료 분사부(500)를 포함하는데, 이에 대해서는 후술한다. In the manifold parts M1 and M2, the fuel fluid whose concentration is adjusted by the control valve parts V1 and V2 is temporarily stored, and the temporarily stored fuel fluid is supplied to the
콘트롤러부(C)는 제어밸브부(V1, V2)의 동작을 제어한다. 구체적으로, 콘트롤러부(C)는 제1 제어밸브(V1)의 동작을 제어하여, 제1 매니폴드(M1)에 저장되는 연료 유체(이하, 연료라고도 함)의 농도를 조절하고, 제1 매니폴드(M1)에 저장된 연료가 파일럿 연료 분사부(400)를 통해 분사되도록 한다. 또한, 콘트롤러부(C)는 제2 제어밸브(V2)의 동작을 제어하여, 제2 매니폴드(M2)에 저장되는 연료의 농도를 조절하고, 제2 매니폴드(M2)에 저장된 연료가 메인 연료 분사부(500)를 통해 분사되도록 한다. The controller unit (C) controls the operation of the control valve units (V1, V2). Specifically, the controller unit (C) controls the operation of the first control valve (V1) to adjust the concentration of the fuel fluid (hereinafter referred to as fuel) stored in the first manifold (M1), The fuel stored in the fold M1 is injected through the pilot
콘트롤러부(C)는 제1 매니폴드(M1)와 제2 매니폴드(M2)로 각각 공급되는 연료의 농도가 상이하도록 제1 제어밸브(V1)와 제2 제어밸브(V2)의 동작을 제어한다. 바람직하게는, 콘트롤러부(C)는 제1 매니폴드(M1)를 거쳐서 파일럿 연료 분사부(400)로 공급되는 연료의 농도가, 제2 매니폴드(M2)를 거쳐서 메인 연료 분사부(500)로 공급되는 연료의 농도 보다 크도록 제1 제어밸브(V1)와 제2 제어밸브(V2)의 동작을 제어할 수 있다. 콘트롤러부(C)에는 이러한 동작 제어를 위한 알고리즘이 구체화된 프로그램이 탑재될 수 있다.The controller unit (C) controls the operation of the first control valve (V1) and the second control valve (V2) so that the concentrations of fuel supplied to the first manifold (M1) and the second manifold (M2) are different. do. Preferably, the controller unit (C) controls the concentration of the fuel supplied to the pilot
이와 같은, 연소기용 연료공급 시스템은 후술하는 파일럿 유로(220) 내에서의 연료-공기 농도와 메인 유로(320) 내에서의 연료-공기 농도를 서로 다르게 조절하여, 서로 다른 연소조건에 의한 다단 성층 연소가 가능하도록 한다. 그 결과, 화염 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 파일럿 유로(220) 내의 연료의 농도가 메인 유로(320) 내의 연료의 농도보다 높도록 조절하여, 노즐 어셈블리(1000) 중심부의 화염 안정성을 강화시킬 수 있다.Such a fuel supply system for a combustor adjusts the fuel-air concentration in the
도 5는 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리가 하나의 연소기를 구성하는 것을 예시하는 도면이고, 도 6은 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리와 복수개의 매니폴드 간의 연결 관계를 예시하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating that a plurality of combustor nozzle assemblies constitute one combustor, and FIG. 6 is a diagram illustrating a connection relationship between a plurality of combustor nozzle assemblies and a plurality of manifolds.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)가 하나의 연소기를 구성할 수 있다. 도 5에서는 5개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)가 하나의 연소기를 구성하는 것을 예시하나, 연소기를 구성하는 노즐 어셈블리(1000)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니다.As shown in FIG. 5 , a plurality of
복수개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e) 각각은 파일럿 연료 분사부(400a ~ 400e)와 메인 연료 분사부(500a ~ 500e)를 포함한다. Each of the plurality of
이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 매니폴드가 하나의 파일럿 연료 분사부 또는 메인 연료 분사부에 연료를 공급하는 것이 아니라, 하나의 매니폴드가 복수의 파일럿 연료 분사부 또는 메인 연료 분사부에 연료를 공급할 수 있다.At this time, as shown in FIG. 6, one manifold does not supply fuel to one pilot fuel injection unit or main fuel injection unit, but one manifold supplies fuel to a plurality of pilot fuel injection units or main fuel injection units. can supply fuel.
즉, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)에 각각 구비된 파일럿 연료 분사부(400a ~ 400e)는 복수개의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급 받고, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 메인 연료 분사부(500a ~ 500e)는 복수개의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급 받을 수 있다. That is, the pilot
이때, 콘트롤러부(C)의 제1 제어밸브 제어에 의해, 제1 매니폴드(M1)와 다른 제1 매니폴드로부터 공급되는 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다. 도 6에서 제1 매니폴드가 하나인 경우를 예시하여 제1 제어밸브가 하나인 것으로 도시되어 있으나, 제1 매니폴드가 2개 있는 경우, 제1 제어밸브도 2개 설치된다. At this time, the concentration of the fuel supplied from the first manifold M1 and the other first manifold may be different from each other by controlling the first control valve of the controller unit C. In FIG. 6, one first manifold is illustrated as one first control valve, but when there are two first manifolds, two first control valves are also installed.
또한, 콘트롤러부(C)의 제2 제어밸브(M2a, M2b) 제어에 의해, 어느 하나의 제2 매니폴드와, 다른 제2 매니폴드로부터 공급되는 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다.In addition, the concentration of the fuel supplied from one second manifold and the other second manifold may be different from each other by controlling the second control valves M2a and M2b of the controller unit C.
또한, 어느 하나의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 파일럿 연료 분사부의 수와, 다른 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 파일럿 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.Also, the number of pilot fuel injection units receiving fuel from one first manifold may be different from the number of pilot fuel injection units receiving fuel from another first manifold.
또한, 어느 하나의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 메인 연료 분사부의 수와, 다른 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 메인 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.Also, the number of main fuel injection units receiving fuel from one second manifold may be different from the number of main fuel injection units receiving fuel from another second manifold.
도 6에서는 하나의 제1 매니폴드(M1)가 5개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)에 포함된 5개의 파일럿 연료 분사부(400a ~ 400e)에 연료를 공급하고, 어느 하나의 제2 매니폴드(M2a)가 2개의 메인 연료 분사부(500a ~ 500b)에, 다른 제2 매니폴드(M2b)가 3개의 메인 연료 분사부(500c ~ 500e)에 연료를 공급하는 것이 예시되어 있다. 물론, 제1 매니폴드(M1)가 복수개로 구비될 수도 있다.6, one first manifold M1 supplies fuel to five pilot
이로써, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)를 포함하는 연소기의 크기를 소형화하여 설치 공간을 확보할 수 있고, 서로 다른 연소조건에 의한 다단 성층 연소를 가능하게 함으로써, 연료에 의해 발생하는 고주파 공진에 의한 연소 불안정 문제를 해결하여 화염 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. As a result, it is possible to secure an installation space by miniaturizing the size of a combustor including a plurality of
다음, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리(1000)에 대하여 설명한다.Next, a
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리를 도시한 단면도이고, 도 8은 도 7을 A에서 바라본 바라본 측면도이며, 도 9는 도 7의 일부를 도시한 사시도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view of a nozzle assembly for a combustor according to an embodiment of the present invention, FIG. 8 is a side view of FIG. 7 viewed from A, and FIG. 9 is a perspective view of a portion of FIG. 7 .
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리(1000)는, 중심 노즐관(100), 중심 노즐관(100)을 이격된 상태로 감싸는 내측 노즐관(200) 및 내측 노즐관(200)을 이격된 상태로 감싸는 외측 노즐관(300)을 포함하며, 중심 노즐관(100), 내측 노즐관(200) 및 외측 노즐관(300)은 동축(coaxial)을 가진다. 이로 인해, 중심 노즐관(100)과 내측 노즐관(200) 사이에는 파일럿 유로(220)가 형성되고, 내측 노즐관(200)과 외측 노즐관(300) 사이에는 메인 유로(320)가 형성된다. 즉, 노즐 어셈블리(1000)의 동축 삼중관 구조로 인해 2개의 분리된 유로가 형성되는 것이다.7 to 9, a
중심 노즐관(100)과 내측 노즐관(200) 사이에는, 즉 파일럿 유로(220)에는 연료를 분사하기 위한 파일럿 연료 분사부(400)가 구비된다. 파일럿 연료 분사부(400)는 파일럿 환형 고리(420)와, 중심 노즐관(100)으로부터 파일럿 환형 고리(420)를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 파일럿 스트럿(440)을 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 파일럿 스트럿(440)은 원주방향을 따라 균일한 간격으로 구비되는 것이 바람직하다.A pilot
복수의 파일럿 스트럿(440)은 중심 노즐관(100)으로부터 파일럿 환형 고리(420)까지 연장되며, 추가로 파일럿 환형 고리(420)로부터 내측 노즐관(200)을 향해 반경방향으로 연장될 수도 있다. 본 실시예에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 파일럿 스트럿(440) 각각은, 중심 노즐관(100)으로부터 파일럿 환형 고리(420)까지 연장되는 제1 파일럿 스트럿(440a)과, 파일럿 환형 고리(420)로부터 내측 노즐관(200)을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 파일럿 스트럿(440b)으로 이루어지고 있다. 이때, 제2 파일럿 스트럿(440b)의 반경방향 외측단부는 내측 노즐관(200)과 이격되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제2 파일럿 스트럿(440b)이 내측 노즐관(200)까지 연장될 수도 있음은 물론이다.A plurality of pilot struts 440 extend from the
파일럿 환형 고리(420)에는 도 9에 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라 복수의 제1 연료분사홀(422)이 구비된다. 복수의 제1 연료분사홀(422)은 파일럿 환형 고리(420)의 반경방향 내측을 향하는 내측면과 반경방향 외측을 향하는 외측면에 모두 구비되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 파일럿 환형 고리(420)의 반경방향 내측과 외측으로 연료가 모두 분사될 수 있으며, 연료-공기의 혼합도가 향상될 수 있다. 또한, 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 제1 연료분사홀(422)은 파일럿 환형 고리(420)의 원주방향을 따라 균일하게 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 인접하는 파일럿 스트럿(440) 사이마다 2개의 제1 연료분사홀(422)이 서로 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 이에 따라, 파일럿 환형 고리(420)의 원주방향을 따라 연료-공기의 혼합이 균일하게 이루어지며 혼합도가 향상될 수 있다.As shown in FIG. 9 , the
추가로, 실시예에 따라 각각의 파일럿 스트럿(440)에도 제2 연료분사홀(442)이 구비될 수 있다. 제2 연료분사홀(442)은 파일럿 스트럿(440)마다 복수 개로 구비되어, 파일럿 스트럿(440)의 원주방향으로 서로 마주보는 측면에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 파일럿 환형 고리(420)의 제1 연료분사홀(422)에 의해 연료가 반경방향으로 분사될 수 있을 뿐만 아니라, 파일럿 스트럿(440)의 제2 연료분사홀(442)에 의해 연료가 원주방향으로도 분사될 수 있다. 따라서, 연료-공기의 혼합도가 향상될 수 있으며, 균일한 연료-공기 혼합물을 생성할 수 있다. 이와 같이, 원하는 당량비 분포가 되도록 연료분사홀의 갯수, 위치 등을 조절할 수 있다.Additionally, a second
또한, 내측 노즐관(200)과 외측 노즐관(300) 사이에는, 즉 메인 유로(320)에는 연료를 분사하기 위한 메인 연료 분사부(500)가 구비된다.In addition, a main
메인 연료 분사부(500)는 메인 환형 고리(520)와, 내측 노즐관(200)으로부터 메인 환형 고리(520)를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 메인 스트럿(540)을 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 메인 스트럿(540)은 원주방향을 따라 균일한 간격으로 구비되는 것이 바람직하다.The main
복수의 메인 스트럿(540)은 내측 노즐관(200)으로부터 메인 환형 고리(520)까지 연장되며, 추가로 메인 환형 고리(520)로부터 외측 노즐관(300)을 향해 반경방향으로 연장될 수도 있다. 본 실시예에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 메인 스트럿(540) 각각은, 내측 노즐관(200)으로부터 메인 환형 고리(520)까지 연장되는 제1 메인 스트럿(540a)과, 메인 환형 고리(520)로부터 외측 노즐관(300)을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 메인 스트럿(540b)으로 이루어지고 있다. 이때, 제2 메인 스트럿(540b)은 외측 노즐관(300)까지 연장되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제2 메인 스트럿(540b)의 반경방향 외측단부가 외측 노즐관(300)과 이격될 수도 있음은 물론이다. 또한, 제1 메인 스트럿(540a)과 제2 메인 스트럿(540b)은 메인 환형 고리(520)의 원주 방향으로 서로 엇갈리게 배치될 수도 있음은 물론이다.The plurality of
메인 환형 고리(520)에는 원주방향을 따라 복수의 제3 연료분사홀(522)이 구비된다. 복수의 제3 연료분사홀(522)은 메인 환형 고리(520)의 반경방향 내측을 향하는 내측면과 반경방향 외측을 향하는 외측면에 모두 구비되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 메인 환형 고리(520)의 반경방향 내측과 외측으로 연료가 모두 분사될 수 있으며, 연료-공기의 혼합도가 향상될 수 있다. 또한, 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 제3 연료분사홀(522)은 메인 환형 고리(520)의 원주방향을 따라 균일하게 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 인접하는 메인 스트럿(540) 사이마다 3개의 제3 연료분사홀(522)이 서로 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 이에 따라, 메인 환형 고리(520)의 원주방향을 따라 연료-공기의 혼합이 균일하게 이루어지며 혼합도가 향상될 수 있다.The main
추가로, 실시예에 따라 각각의 메인 스트럿(540)에도 제4 연료분사홀(542)이 구비될 수 있다. 제4 연료분사홀(542)은 메인 스트럿(540)마다 복수 개로 구비되어, 메인 스트럿(540)의 원주방향으로 서로 마주보는 측면에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 메인 환형 고리(520)의 제3 연료분사홀(522)에 의해 연료가 반경방향으로 분사될 수 있을 뿐만 아니라, 메인 스트럿(540)의 제4 연료분사홀(542)에 의해 연료가 원주방향으로도 분사될 수 있다. 따라서, 연료-공기의 혼합도가 향상될 수 있으며, 균일한 연료-공기 혼합물을 생성할 수 있다. 이와 같이, 원하는 당량비 분포가 되도록 연료분사홀의 갯수, 위치 등을 조절할 수 있다.Additionally, a fourth
이때, 파일럿 유로(220) 내에서의 연료-공기 농도와 메인 유로(320) 내에서의 연료-공기 농도를 서로 다르게 조절하여, 서로 다른 연소조건에 의한 다단 성층 연소가 가능하도록 함으로써, 화염 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 파일럿 유로(220) 내의 연료의 농도가 메인 유로(320) 내의 연료의 농도보다 높도록 조절하여, 노즐 어셈블리(1000) 중심부의 화염 안정성을 강화시킬 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 운전 목적에 따라 파일럿 유로(220) 내의 연료-공기 농도와 메인 유로(320) 내의 연료-공기 농도가 서로 동일하게 조절될 수도 있음은 물론이다. 또한, 파일럿 유로(220)내의 연료의 농도가 운전 목적에 따라 메인 유로(320) 내의 연료의 농도보다 낮도록 조절될 수도 있음은 물론이다.At this time, the fuel-air concentration in the
다음으로, 도 10 및 8을 참고하여, 파일럿 환형 고리(420)와 복수의 파일럿 스트럿(440)에 연료를 공급하기 위한 구조를 살펴보도록 한다.Next, with reference to FIGS. 10 and 8 , a structure for supplying fuel to the pilot
파일럿 환형 고리(420)와 복수의 파일럿 스트럿(440)은 각각 중공을 갖는다. 이에 따라, 파일럿 환형 고리(420)의 내부에는 환형 고리 형상의 중공에 해당하는 제1 연료채널(421)이 구비되며, 각각의 파일럿 스트럿(440)의 내부에는 막대 형상의 중공에 해당하는 제2 연료채널(441)이 구비된다. 이때 각각의 제2 연료채널(441)은 제1 연료채널(421)과 연통되며, 제2 연료채널(441)의 연료가 제1 연료채널(421) 내로 전달될 수 있다.Each pilot
노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 파일럿 스트럿(440)의 제2 연료채널(441)로 연료를 공급하기 위해, 중심 노즐관(100)의 내부에는 이의 길이방향을 따라 연장되는 파일럿 연료공급관(102)이 구비된다. 파일럿 연료공급관(102)은 중심 노즐관(100)의 길이방향을 따라 연장되어 파일럿 스트럿(440)의 제2 연료채널(441)과 연통된다. 이때, 복수의 파일럿 스트럿(440)에 형성되는 복수의 제2 연료채널(441) 각각으로 연료를 공급하기 위해, 각각의 파일럿 스트럿(440)마다 파일럿 연료공급관(102)이 하나씩 구비될 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 중심 노즐관(100)의 내부에 복수의 파일럿 연료공급관(102)이 서로 이격되어 형성될 수 있는 것이다.In order to supply fuel from the outside of the
이에 따라, 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 파일럿 연료공급관(102)으로 유입된 연료가 파일럿 스트럿(440)의 제2 연료채널(441)로 각각 공급되고, 복수의 제2 연료채널(441)로부터 파일럿 환형 고리(420)의 제1 연료채널(421)로 공급될 수 있는 것이다. 이때, 복수의 제1 연료분사홀(422)은 제1 연료채널(421)과 모두 연통되어 있으므로, 제1 연료채널(421)로 공급된 연료는 이와 연통되는 복수의 제1 연료분사홀(422)을 통해 파일럿 유로(220) 내로 분사될 수 있다. 또한, 파일럿 스트럿(440)에 복수의 제2 연료분사홀(442)이 형성되는 경우에도, 복수의 제2 연료분사홀(442)은 제2 연료채널(441)과 모두 연통되므로, 제2 연료채널(441)로 공급된 연료는 이와 연통되는 복수의 제2 연료분사홀(442)을 통해 파일럿 유로(220) 내로 분사될 수 있다.Accordingly, the fuel introduced into the plurality of pilot
상기와 같이 연료는 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 파일럿 연료공급관(102)으로 직접 유입될 수도 있으나, 실시예에 따라 중심 노즐관(100)의 전단부에 설치된 플랜지(120)를 거쳐 유입될 수도 있다. 이를 위해, 플랜지(120)의 내부에는 플랜지(120)의 단부면으로부터 복수의 파일럿 연료공급관(102)까지 연결되는 복수의 파일럿 연료주입관(122)이 구비될 수 있다. 즉, 플랜지(120)의 단부면으로부터 복수의 파일럿 연료주입관(122)을 통해 복수의 파일럿 연료공급관(102)으로 각각 연료가 유입될 수 있는 것이다.As described above, the fuel may directly flow into the plurality of pilot
다음으로는, 메인 환형 고리(520)와 복수의 메인 스트럿(540)에 연료를 공급하기 위한 구조를 살펴보도록 한다. 메인 환형 고리(520)와 복수의 메인 스트럿(540)은 각각 중공을 갖는다. 이에 따라, 메인 환형 고리(520)의 내부에는 환형 고리 형상의 중공에 해당하는 제3 연료채널(521)이 구비되며, 각각의 메인 스트럿(540)의 내부에는 막대 형상의 중공에 해당하는 제4 연료채널(541)이 구비된다. 이때 각각의 제4 연료채널(541)은 제3 연료채널(521)과 연통되며, 제4 연료채널(541)의 연료가 제3 연료채널(521) 내로 전달될 수 있다.Next, a structure for supplying fuel to the main
노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 메인 스트럿(540)의 제4 연료채널(541)로 연료를 공급하기 위해, 중심 노즐관(100)의 내부에는 이의 길이방향을 따라 연장되는 메인 연료공급관(104)이 구비된다. 또한, 파일럿 유로(220) 내에는 중심 노즐관(100)으로부터 내측 노즐관(200)까지 반경방향으로 연장되는 복수의 제1 연료공급 스트럿(240)이 구비된다. 복수의 제1 연료공급 스트럿(240)은 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 제1 연료공급 스트럿(240)은 복수의 파일럿 스트럿(440)의 위치에 대응하여, 각각의 파일럿 스트럿(440)의 후단부에 배치될 수 있다. 복수의 제1 연료공급 스트럿(240) 각각은 중공을 가지며, 이에 따라 각각의 제1 연료공급 스트럿(240)의 내부에는 막대 형상의 중공에 해당하는 제5 연료채널(241)이 구비된다. 이로 인해, 메인 연료공급관(104)은 중심 노즐관(100)의 길이방향을 따라 연장되어 제1 연료공급 스트럿(240)의 제5 연료채널(241)과 연통된다. 이때, 복수의 제1 연료공급 스트럿(240)에 형성되는 복수의 제5 연료채널(241) 각각으로 연료를 공급하기 위해, 각각의 제1 연료공급 스트럿(240)마다 메인 연료공급관(104)이 하나씩 구비될 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 중심 노즐관(100)의 내부에 복수의 메인 연료공급관(104)이 서로 이격되어 형성될 수 있는 것이다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 파일럿 연료공급관(102)과 복수의 메인 연료공급관(104)은 중심 노즐관(100)의 내부에서 원주방향을 따라 교대로 배치되고 있다.In order to supply fuel from the outside of the
내측 노즐관(200)은 마찬가지로 중공을 가지며, 이에 따라 내측 노즐관(200)의 내부에는 환형 고리 형상의 중공에 해당하는 제6 연료채널(201)이 구비된다. 내측 노즐관(200)의 제6 연료채널(201)은 반경방향 내측에 위치하는 복수의 제5 연료채널(241)과 연통됨과 동시에 반경방향 외측에 위치하는 복수의 제4 연료채널(541)과 연통된다.The
이에 따라, 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 메인 연료공급관(104)으로 유입된 연료가 제1 연료공급 스트럿(240)의 제5 연료 채널(241)로 각각 공급되고, 복수의 제5 연료채널(241)로부터 내측 노즐관(200)의 제6 연료채널(201)로 공급될 수 있는 것이다. 이어서, 연료는 제6 연료채널(201)로부터 메인 스트럿(540)의 제4 연료채널(541)로 각각 공급되고, 복수의 제4 연료채널(541)로부터 메인 환형 고리(520)의 제3 연료채널(521)로 공급될 수 있다. 이때, 복수의 제3 연료분사홀(522)은 제3 연료채널(521)과 모두 연통되어 있으므로, 제3 연료채널(521)로 공급된 연료는 이와 연통되는 복수의 제3 연료분사홀(522)을 통해 메인 유로(320) 내로 분사될 수 있다. 또한, 복수의 제4 연료분사홀(542)은 제4 연료채널(541)과 모두 연통되어 있으므로, 제4 연료채널(541)로 공급된 연료는 이와 연통되는 복수의 제4 연료분사홀(542)을 통해 메인 유로(320)내로 분사될 수 있다.Accordingly, the fuel introduced into the plurality of main
마찬가지로, 연료는 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 메인 연료공급관(104)으로 직접 유입될 수도 있으나, 실시예에 따라 중심 노즐관(100)의 전단부에 설치된 플랜지(120)를 거쳐 유입될 수도 있다. 이를 위해, 플랜지(120)의 내부에는 플랜지(120)의 단부면으로부터 복수의 메인 연료공급관(104)까지 연결되는 복수의 메인 연료주입관(124)이 구비될 수 있다.Similarly, fuel may directly flow into the plurality of main
즉, 플랜지(120)의 단부면으로부터 복수의 메인 연료주입관(124)을 통해 복수의 메인 연료공급관(104)으로 각각 연료가 유입될 수 있는 것이다.That is, fuel can be respectively introduced into the plurality of main
메인 유로(320) 내에는 메인 연료 분사부(500)의 하류에 메인 스월러(700)가 더 구비될 수 있다. 메인 스월러(700)는 선회류를 발생시켜 연료-공기 혼합물의 혼합 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 메인 스월러(700)는 익형 모양의 단면을 가져 공력학적 특성을 높이는 구조를 가질 수 있으며, 판형 구조로 단순화되어 적용될 수도 있다. 한편, 도시되지는 않았으나, 파일럿 유로(220) 내에도 파일럿 연료 분사부(400)의 하류에 스월러가 더 구비될 수 있음은 물론이다.A
메인 유로(320)는 파일럿 유로(220)보다 반경방향 외측에 위치하여 직경이 더 크기 때문에, 인접하는 메인 스트럿(540) 사이의 거리가 인접하는 파일럿 스트럿(440) 사이의 거리보다 상대적으로 더 멀다. 이로 인해, 메인 유로(320)의 반경방향 외측, 즉 외측 노즐관(300) 근처에는, 메인 환형 고리(520) 및 메인 스트럿(540)에 의해 분사되는 연료가 도달하지 못하는 영역(zero-fuel 영역)이 존재할 수 있다.Since the
이와 같이, 외측 노즐관(300) 근처에 연료가 도달하지 못하는 영역이 발생하여 연료-공기의 혼합이 제대로 이루어지지 않는 것을 방지하기 위해, 본 발명은 실시예에 따라 추가적으로 외측 노즐관(300)에 구비되는 복수의 제8 연료분사홀(302)을 포함할 수 있다.In this way, in order to prevent the fuel-air mixture from not being properly performed due to the occurrence of a region where fuel cannot reach near the
복수의 제8 연료분사홀(302)은 외측 노즐관(300)의 반경 방향 내측을 향하는 내측면에 구비되며, 이에 따라 외측 노즐관(300)의 반경 방향 내측으로 연료가 분사될 수 있다. 또한, 복수의 제8 연료분사홀(302)은 외측 노즐관(300)의 원주방향을 따라 구비되되, 균일하게 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 인접하는 메인 스트럿(540) 사이마다 3개의 제8 연료분사홀(302)이 서로 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 특히 제3 연료분사홀(522)과 제4 연료분사홀(542)에 의해 연료가 도달하지 못할 가능성이 높은 위치마다, 즉 인접하는 메인 스트럿(540)의 중심부마다 제8 연료분사홀(302)이 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 외측 노즐관(300) 근처에서도 원주방향을 따라 연료-공기의 혼합이 균일하게 이루어지며 우수한 연료-공기 혼합특성을 얻을 수 있다.A plurality of eighth fuel injection holes 302 are provided on an inner surface of the
이 경우, 도 10을 참고하여, 외측 노즐관(300)에 연료를 공급하기 위한 구조를 살펴보도록 한다. 외측 노즐관(300)은 중공을 가지며, 이에 따라 외측 노즐관(300)의 내부에는 환형 고리 형상의 중공에 해당하는 제8 연료채널(301)이 구비된다. 복수의 제8 연료분사홀(302)은 제8 연료채널(301)과 모두 연통되므로, 제8 연료채널(301)로 공급되는 연료는 이와 연통되는 복수의 제8 연료분사홀(302)을 통해 메인 유로(320) 내로 분사될 수 있다.In this case, referring to FIG. 10 , a structure for supplying fuel to the
실시예에 따라, 파일럿 환형 고리(420)의 공기흐름 상 후단부인 꼬리 부분에는 반경 방향으로 아래 위로 주름을 가지는 구조가 적용될 수 있다.Depending on the embodiment, a structure having wrinkles up and down in a radial direction may be applied to a tail portion, which is a rear end portion of the pilot
도 12에는 주름진 꼬리가 적용된 파일럿 환형 고리(420)의 단면이 도시되고 있으며, 도 13에는 주름진 꼬리가 적용된 파일럿 환형 고리(420)를 후단에서 바라본 측면이 도시되고 있다. 이와 같이 주름진 꼬리는 연료-공기 혼합기체의 흐름을 파일롯 유로(220) 내에서 반경 방향으로 아래 위로 섞어 줌으로써, 연료-공기의 혼합도가 더욱 향상될 수 있다.12 shows a cross section of the pilot
실시예에 따라, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 연료분사홀(422, 442, 522, 542)들은 노즐 어셈블리(1000)의 후단부를 향해 형성될 수 있다. 즉, 복수의 제1 연료분사홀(422)은 파일럿 환형 고리(420)의 후단부에, 복수의 제2 연료분사홀(442)은 파일럿 스트럿(440)의 후단부에, 복수의 제3 연료분사홀(522)은 메인 환형 고리(520)의 후단부에, 그리고 복수의 제4 연료분사홀(542)은 메인 스트럿(540)의 후단부에 형성되는 것이다. 이에 따라, 연료는 제1 내지 제4 연료분사홀(422, 442, 522, 542)들을 통해 노즐 어셈블리(1000)의 후단부를 향해 분사됨으로써, 고속 연료분사를 통해 환형 고리와 스트럿의 꼬리 부분에 정체 영역이 생기는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 연료분사홀들이 노즐 어셈블리(1000)의 후단부를 향해 형성됨에 따라, 정체 영역에 의해 노즐 어셈블리(1000) 내에서 연소가 일어나는 것이 방지될 수 있음과 동시에, 연료분사홀들의 가공과 검사가 용이하게 이루어질 수 있다. 외측 노즐관(300)의 제8 연료분사홀(302) 또한 외측 노즐관(300)의 반경방향 내측면에 구비되되, 노즐 어셈블리(1000)의 후단부에 가깝게 형성될 수 있음은 물론이다.Depending on the embodiment, as shown in FIG. 14 , the first to fourth fuel injection holes 422 , 442 , 522 , and 542 may be formed toward the rear end of the
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, those skilled in the art can add, change, delete, or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention can be variously modified and changed by the like, and this will also be said to be included within the scope of the present invention.
10: 케이싱 20: 압축기
30: 연소기 40: 터빈
100: 중심 노즐관 102: 파일럿 연료공급관
104: 메인 연료공급관 120: 플랜지
122: 파일럿 연료주입관 124: 메인 연료주입관
200: 내측 노즐관 220: 파일럿 유로
300: 외측 노즐관 320: 메인 유로
400: 파일럿 연료분사부 500: 메인 연료분사부
1000: 노즐 어셈블리
T: 연료 탱크 V1, V2: 제어밸브
M1, M2: 매니폴드 C: 콘트롤러부 10: casing 20: compressor
30: combustor 40: turbine
100: central nozzle pipe 102: pilot fuel supply pipe
104: main fuel supply pipe 120: flange
122: pilot fuel injection pipe 124: main fuel injection pipe
200: inner nozzle pipe 220: pilot passage
300: outer nozzle pipe 320: main flow path
400: pilot fuel injection unit 500: main fuel injection unit
1000: nozzle assembly
T: fuel tank V1, V2: control valve
M1, M2: Manifold C: Controller
Claims (16)
상기 매니폴드부와 연료 탱크 사이에 형성되며 상기 매니폴드부로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제어밸브부;,
상기 제어밸브부의 동작을 제어하는 콘트롤러부;를 포함하며,
상기 연소기용 노즐 어셈블리는,
중심 노즐관;
상기 중심 노즐관을 이격된 상태로 감싸는 내측 노즐관;
상기 내측 노즐관을 이격된 상태로 감싸는 외측 노즐관;
상기 중심 노즐관과 내측 노즐관 사이에 구비되는 파일럿 연료 분사부;
상기 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 구비되는 메인 연료 분사부;를 포함하며,
상기 매니폴드부와 상기 제어밸브부는,
상기 파일럿 연료 분사부로 연료를 공급하는 제1 매니폴드와 상기 제1 매니폴드로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제1 제어밸브;
상기 메인 연료 분사부로 연료를 공급하는 제2 매니폴드와 상기 제2 매니폴드로 공급되는 연료의 농도를 조절하는 제2 제어밸브;
를 포함하는 연소기용 연료공급 시스템.
A manifold unit supplying fuel to a combustor nozzle assembly;
A control valve unit formed between the manifold unit and the fuel tank and adjusting the concentration of the fuel supplied to the manifold unit;
Including; a controller unit for controlling the operation of the control valve unit,
The combustor nozzle assembly,
central nozzle tube;
an inner nozzle pipe surrounding the central nozzle pipe in a spaced apart state;
an outer nozzle tube surrounding the inner nozzle tube in a spaced apart state;
a pilot fuel injection unit provided between the central nozzle tube and the inner nozzle tube;
A main fuel injection unit provided between the inner nozzle pipe and the outer nozzle pipe; includes,
The manifold part and the control valve part,
a first manifold supplying fuel to the pilot fuel injection unit and a first control valve controlling a concentration of the fuel supplied to the first manifold;
a second manifold for supplying fuel to the main fuel injection unit and a second control valve for adjusting the concentration of the fuel supplied to the second manifold;
A fuel supply system for a combustor comprising a.
상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드로 각각 공급되는 연료의 농도가 상이하도록 상기 제1 제어밸브와 상기 제2 제어밸브의 동작을 제어하는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method according to claim 1, wherein the controller unit,
Controlling the operation of the first control valve and the second control valve so that the concentrations of fuel supplied to the first manifold and the second manifold are different,
Fuel supply system for combustor.
상기 제1 매니폴드를 거쳐서 상기 파일럿 연료 분사부로 공급되는 연료의 농도가, 상기 제2 매니폴드를 거쳐서 상기 메인 연료 분사부로 공급되는 연료의 농도 보다 크도록 상기 제1 제어밸브와 상기 제2 제어밸브의 동작을 제어하는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method according to claim 2, wherein the controller unit,
The first control valve and the second control valve such that the concentration of fuel supplied to the pilot fuel injection unit via the first manifold is greater than the concentration of fuel supplied to the main fuel injection unit via the second manifold. to control the operation of
Fuel supply system for combustor.
상기 연소기용 노즐 어셈블리는 복수개로 구비되며,
복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 파일럿 연료 분사부는 복수개의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급 받고,
복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 메인 연료 분사부는 복수개의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급 받는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 1,
The combustor nozzle assembly is provided in plurality,
Pilot fuel injection units provided in each of the plurality of combustor nozzle assemblies receive fuel from a plurality of first manifolds,
The main fuel injection unit provided in each of the plurality of combustor nozzle assemblies receives fuel from a plurality of second manifolds,
Fuel supply system for combustor.
상기 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드와, 다른 제1 매니폴드로부터 공급되는 연료의 농도는 서로 상이한,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 4,
The concentration of the fuel supplied from any one of the plurality of first manifolds and the other first manifold is different from each other,
Fuel supply system for combustor.
상기 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드와, 다른 제2 매니폴드로부터 공급되는 연료의 농도는 서로 상이한,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 4,
The concentration of the fuel supplied from any one of the plurality of second manifolds and the other second manifold is different from each other,
Fuel supply system for combustor.
상기 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 파일럿 연료 분사부의 수와, 다른 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 파일럿 연료 분사부의 수는 서로 상이한,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 4,
The number of pilot fuel injection units receiving fuel from any one of the plurality of first manifolds and the number of pilot fuel injection units receiving fuel from other first manifolds are different from each other,
Fuel supply system for combustor.
상기 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 메인 연료 분사부의 수와, 다른 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 메인 연료 분사부의 수는 서로 상이한,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 4,
The number of main fuel injection units receiving fuel from any one second manifold among the plurality of second manifolds and the number of main fuel injection units receiving fuel from another second manifold are different from each other,
Fuel supply system for combustor.
상기 중심 노즐관과 상기 내측 노즐관 사이에 배치되는 파일럿 환형 고리;
상기 중심 노즐관으로부터 상기 파일럿 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 파일럿 스트럿;을 포함하는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method according to claim 1, wherein the pilot fuel injection unit,
a pilot annular ring disposed between the central nozzle tube and the inner nozzle tube;
a plurality of pilot struts extending radially from the central nozzle tube toward the pilot annular ring;
Fuel supply system for combustor.
상기 복수의 파일럿 스트럿은 상기 중심 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고,
상기 파일럿 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제1 연료분사홀이 구비되는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 9,
The plurality of pilot struts are arranged at uniform intervals along the circumferential direction of the central nozzle pipe,
The pilot annular ring is provided with a plurality of first fuel injection holes along the circumferential direction,
Fuel supply system for combustor.
상기 복수의 제1 연료분사홀은 상기 파일럿 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비되는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 10,
The plurality of first fuel injection holes are provided on radially inner and radially outer surfaces of the annular pilot ring, respectively.
Fuel supply system for combustor.
상기 중심 노즐관으로부터 상기 파일럿 환형 고리까지 연장되는 제1 파일럿 스트럿과,
상기 파일럿 환형 고리로부터 상기 내측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 파일럿 스트럿을 포함하는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method according to claim 9, wherein each of the plurality of pilot struts,
a first pilot strut extending from the central nozzle tube to the pilot annular ring;
a second pilot strut extending radially from the pilot annular ring toward the inner nozzle tube;
Fuel supply system for combustor.
상기 내측 노즐관과 상기 외측 노즐관 사이에 배치되는 1개 이상의 메인 환형 고리;
상기 내측 노즐관으로부터 상기 메인 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 메인 스트럿;을 포함하는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method according to claim 1, wherein the main fuel injection unit,
at least one main annular ring disposed between the inner nozzle tube and the outer nozzle tube;
A plurality of main struts extending radially from the inner nozzle tube toward the main annular ring;
Fuel supply system for combustor.
상기 복수의 메인 스트럿은 상기 내측 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고,
상기 메인 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제3 연료분사홀이 구비되는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 13,
The plurality of main struts are arranged at uniform intervals along the circumferential direction of the inner nozzle tube,
The main annular ring is provided with a plurality of third fuel injection holes along the circumferential direction,
Fuel supply system for combustor.
상기 복수의 제3 연료분사홀은 상기 메인 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비되는,
연소기용 연료공급 시스템.
The method of claim 14,
The plurality of third fuel injection holes are provided on radially inner and radially outer surfaces of the main annular ring, respectively.
Fuel supply system for combustor.
상기 내측 노즐관으로부터 상기 메인 환형 고리까지 연장되는 제1 메인 스트럿과,
상기 메인 환형 고리로부터 상기 외측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 메인 스트럿을 포함하는,
연소기용 연료공급 시스템.The method according to claim 13, wherein each of the plurality of main struts,
a first main strut extending from the inner nozzle tube to the main annular ring;
And a second main strut extending radially from the main annular ring toward the outer nozzle tube.
Fuel supply system for combustor.
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JP2015096714A (en) | 2013-11-15 | 2015-05-21 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Control device, combustor, gas turbine, control method, and control program |
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2021
- 2021-09-16 KR KR1020210124088A patent/KR102522143B1/en active IP Right Grant
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