KR102522144B1 - 연소기용 연료공급 시스템 - Google Patents

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 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템은, 연소기용 노즐 어셈블리로 연료를 공급하는 매니폴드부; 매니폴드부와 연료탱크부 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 제1 연료 분사부; 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 구비되는 제2 연료 분사부;를 포함한다. 또한, 연료탱크부는 제1 연료가 저장된 제1 연료탱크와 제2 연료가 저장된 제2 연료탱크를 포함하고, 매니폴드부와 제어밸브부는 제1 연료 분사부로 제1 연료를 공급하는 제1 매니폴드와 제1 매니폴드로 공급되는 제1 연료의 농도를 조절하는 제1 제어밸브와 제2 연료 분사부로 제2 연료를 공급하는 제2 매니폴드와 제2 매니폴드로 공급되는 제2 연료의 농도를 조절하는 제2 제어밸브를 포함한다.

Description

연소기용 연료공급 시스템 {Fuel supply system for combustor}

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이때, 연소기의 예혼합 구역에서 나와서 연소기의 반응구역으로 들어가는 연료-공기 혼합물은 원하는 배출기준을 달성하기 위해 매우 균일해야한다.

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.

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.

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.

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.

미국 특허출원 제5,165,241호 미국 특허출원 제6,438,961호

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.

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.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템은, 연소기용 노즐 어셈블리로 연료를 공급하는 매니폴드부; 매니폴드부와 연료탱크부 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 제1 연료 분사부; 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 구비되는 제2 연료 분사부;를 포함한다. 또한, 연료탱크부는 제1 연료가 저장된 제1 연료탱크와 제2 연료가 저장된 제2 연료탱크를 포함하고, 매니폴드부와 제어밸브부는 제1 연료 분사부로 제1 연료를 공급하는 제1 매니폴드와 제1 매니폴드로 공급되는 제1 연료의 농도를 조절하는 제1 제어밸브와 제2 연료 분사부로 제2 연료를 공급하는 제2 매니폴드와 제2 매니폴드로 공급되는 제2 연료의 농도를 조절하는 제2 제어밸브를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 콘트롤러부는, 제1 매니폴드로 공급되는 제1 연료의 농도와 제2 매니폴드로 공급되는 제2 연료의 농도가 상이하도록 제1 제어밸브와 제2 제어밸브의 동작을 제어한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 콘트롤러부는, 제1 매니폴드를 거쳐서 제1 연료 분사부로 공급되는 제1 연료의 농도가, 제2 매니폴드를 거쳐서 제2 연료 분사부로 공급되는 제2 연료의 농도 보다 크도록 제1 제어밸브와 제2 제어밸브의 동작을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 연소기용 노즐 어셈블리는 복수개로 구비되며, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 제1 연료 분사부는 복수개의 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급 받고, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 제2 연료 분사부는 복수개의 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급 받을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드와, 다른 제1 매니폴드로부터 공급되는 제1 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드와, 다른 제2 매니폴드로부터 공급되는 제2 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급받는 제1 연료 분사부의 수와, 다른 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급받는 제1 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급받는 제2 연료 분사부의 수와, 다른 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급받는 제2 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 제1 연료 분사부는, 중심 노즐관과 내측 노즐관 사이에 배치되는 제1 환형 고리; 중심 노즐관으로부터 제1 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 제1 스트럿;을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제1 스트럿은 중심 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고, 제1 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제1 연료분사홀이 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제1 연료분사홀은 제1 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제1 스트럿 각각은, 중심 노즐관으로부터 제1 환형 고리까지 연장되는 제1 서브 스트럿과, 제1 환형 고리로부터 내측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 서브 스트럿을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 제2 연료 분사부는, 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 배치되는 1개 이상의 제2 환형 고리; 내측 노즐관으로부터 제2 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 제2 스트럿;을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제2 스트럿은 내측 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고, 제2 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제3 연료분사홀이 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제3 연료분사홀은 제2 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 복수의 제2 스트럿 각각은, 내측 노즐관으로부터 제2 환형 고리까지 연장되는 제3 서브 스트럿과, 제2 환형 고리로부터 외측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제4 서브 스트럿을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 연료공급 시스템에 있어서, 제1 연료와 제2 연료 중 어느 하나는 수소를 포함하고, 나머지 하나는 천연가스를 포함할 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 제1 환형 고리와 제2 환형 고리에 의해 동축 삼중관 사이의 분리된 2개의 유로에 각각 종류가 다른 연료가 분사됨에 따라 연료-공기의 혼합도가 개선될 수 있다.

또한, 연소조건을 달리한 다단 성층 연소가 가능해짐에 따라 화염 안정성이 향상될 수 있으며, 연소진동을 억제하여 안정된 연소가 가능하다.

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.

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.

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 제1 환형 고리의 단면도이다.
도 13은 도 12의 제1 환형 고리를 후방에서 바라본 측면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리의 일부를 도시한 사시도이다.

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.

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.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 구성을 도 2 및 3을 참조하여 설명한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

연소기(30)는 복수로 형성되되, 복수의 연소기(30)는 연소기 케이싱에 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.

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.

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.

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.

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.

이후, 연소된 가스는 트랜지션 피스(34)를 통해 터빈(40)으로 배출되어 회전력을 발생시킨다. 노즐 어셈블리(1000)의 구조는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 적용될 수 있는 연소기용 연료공급 시스템을 설명한다.

도 4를 참조하면, 연소기용 연료공급 시스템은, 연료탱크부(T1, T2), 제어밸브부(V1, V2), 매니폴드부(M1, M2), 콘트롤러부(C), 연소기용 노즐 어셈블리(1000)를 포함한다.

연료탱크부(T1, T2)에는 연료 유체가 저장된다. 연료 유체는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료일 수 있다. 한편, 제1 연료탱크(T1)와 제2 연료탱크(T2)에 저장되는 연료는 상이한 종류의 연료일 수 있다. 예를 들어, 제1 연료탱크(T1)에는 수소를 포함하는 제1 연료가 저장되고, 제2 연료탱크(T2)에는 천연가스를 포함하는 제2 연료가 저장될 수 있다. 물론, 제1 연료가 천연가스를 포함하고, 제2 연료가 수소를 포함할 수도 있다.

제어밸브부(V1, V2)는 연료탱크부(T1, T2)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.

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 제1 연료 분사부(400)와 제2 연료 분사부(500)를 포함하는데, 이에 대해서는 후술한다.

콘트롤러부(C)는 제어밸브부(V1, V2)의 동작을 제어한다. 구체적으로, 콘트롤러부(C)는 제1 제어밸브(V1)의 동작을 제어하여, 제1 매니폴드(M1)에 저장되는 제1 연료의 농도를 조절하고, 제1 매니폴드(M1)에 저장된 연료가 제1 연료 분사부(400)를 통해 분사되도록 한다. 또한, 콘트롤러부(C)는 제2 제어밸브(V2)의 동작을 제어하여, 제2 매니폴드(M2)에 저장되는 제2 연료의 농도를 조절하고, 제2 매니폴드(M2)에 저장된 제2 연료가 제2 연료 분사부(500)를 통해 분사되도록 한다.

콘트롤러부(C)는 제1 매니폴드(M1)와 제2 매니폴드(M2)로 각각 공급되는 제1 연료 및 제2 연료의 농도가 상이하도록 제1 제어밸브(V1)와 제2 제어밸브(V2)의 동작을 제어한다. 바람직하게는, 콘트롤러부(C)는 제1 매니폴드(M1)를 거쳐서 제1 연료 분사부(400)로 공급되는 제1 연료의 농도가, 제2 매니폴드(M2)를 거쳐서 제2 연료 분사부(500)로 공급되는 제2 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.

이와 같은, 연소기용 연료공급 시스템은 후술하는 제1 유로(220) 내에서의 제1 연료-공기 농도와 제2 유로(320) 내에서의 제2 연료-공기 농도를 서로 다르게 조절하여, 서로 다른 연소조건에 의한 다단 성층 연소가 가능하도록 한다. 그 결과, 화염 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 제1 유로(220) 내의 제1 연료의 농도가 제2 유로(320) 내의 제2 연료의 농도보다 높도록 조절하여, 노즐 어셈블리(1000) 중심부의 화염 안정성을 강화시킬 수 있다.

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.

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.

복수개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e) 각각은 제1 연료 분사부(400a ~ 400e)와 제2 연료 분사부(500a ~ 500e)를 포함한다.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 매니폴드가 하나의 제1 연료 분사부 또는 제2 연료 분사부에 연료를 공급하는 것이 아니라, 하나의 매니폴드가 복수의 제1 연료 분사부 또는 제2 연료 분사부에 연료를 공급할 수 있다.

즉, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)에 각각 구비된 제1 연료 분사부(400a ~ 400e)는 복수개의 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급 받고, 복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 제2 연료 분사부(500a ~ 500e)는 복수개의 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급 받을 수 있다.

이때, 콘트롤러부(C)의 제1 제어밸브 제어에 의해, 제1 매니폴드(M1)와 다른 제1 매니폴드로부터 공급되는 제1 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.

또한, 콘트롤러부(C)의 제2 제어밸브(M2a, M2b) 제어에 의해, 어느 하나의 제2 매니폴드(M2a)와, 다른 제2 매니폴드(M2b)로부터 공급되는 제2 연료의 농도는 서로 상이할 수 있다.

또한, 어느 하나의 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 제1 연료 분사부의 수와, 다른 제1 매니폴드로부터 연료를 공급받는 제1 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.

또한, 어느 하나의 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 제2 연료 분사부의 수와, 다른 제2 매니폴드로부터 연료를 공급받는 제2 연료 분사부의 수는 서로 상이할 수 있다.

도 6에서는 하나의 제1 매니폴드(M1)가 5개의 연소기용 노즐 어셈블리(1000a ~ 1000e)에 포함된 5개의 제1 연료 분사부(400a ~ 400e)에 연료를 공급하고, 어느 하나의 제2 매니폴드(M2a)가 2개의 제2 연료 분사부(500a ~ 500b)에, 다른 제2 매니폴드(M2b)가 3개의 제2 연료 분사부(500c ~ 500e)에 연료를 공급하는 것이 예시되어 있다. 물론, 제1 매니폴드(M1)가 복수개로 구비될 수도 있다.

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.

다음, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐 어셈블리(1000)에 대하여 설명한다.

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.

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 제1 유로(220)가 형성되고, 내측 노즐관(200)과 외측 노즐관(300) 사이에는 제2 유로(320)가 형성된다. 즉, 노즐 어셈블리(1000)의 동축 삼중관 구조로 인해 2개의 분리된 유로가 형성되는 것이다.

중심 노즐관(100)과 내측 노즐관(200) 사이에는, 즉 제1 유로(220)에는 연료를 분사하기 위한 제1 연료 분사부(400)가 구비된다. 제1 연료 분사부(400)는 제1 환형 고리(420)와, 중심 노즐관(100)으로부터 제1 환형 고리(420)를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 제1 스트럿(440)을 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 제1 스트럿(440)은 원주방향을 따라 균일한 간격으로 구비되는 것이 바람직하다.

복수의 제1 스트럿(440)은 중심 노즐관(100)으로부터 제1 환형 고리(420)까지 연장되며, 추가로 제1 환형 고리(420)로부터 내측 노즐관(200)을 향해 반경방향으로 연장될 수도 있다. 본 실시예에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 스트럿(440) 각각은, 중심 노즐관(100)으로부터 제1 환형 고리(420)까지 연장되는 제1 서브 스트럿(440a)과, 제1 환형 고리(420)로부터 내측 노즐관(200)을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 서브 스트럿(440b)으로 이루어지고 있다. 이때, 제2 서브 스트럿(440b)의 반경방향 외측단부는 내측 노즐관(200)과 이격되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제2 서브 스트럿(440b)이 내측 노즐관(200)까지 연장될 수도 있음은 물론이다.

제1 환형 고리(420)에는 도 9에 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라 복수의 제1 연료분사홀(422)이 구비된다. 복수의 제1 연료분사홀(422)은 제1 환형 고리(420)의 반경방향 내측을 향하는 내측면과 반경방향 외측을 향하는 외측면에 모두 구비되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 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 제1 환형 고리(420)의 원주방향을 따라 균일하게 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 인접하는 제1 스트럿(440) 사이마다 2개의 제1 연료분사홀(422)이 서로 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 환형 고리(420)의 원주방향을 따라 연료-공기의 혼합이 균일하게 이루어지며 혼합도가 향상될 수 있다.

추가로, 실시예에 따라 각각의 제1 스트럿(440)에도 제2 연료분사홀(442)이 구비될 수 있다. 제2 연료분사홀(442)은 제1 스트럿(440)마다 복수 개로 구비되어, 제1 스트럿(440)의 원주방향으로 서로 마주보는 측면에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 환형 고리(420)의 제1 연료분사홀(422)에 의해 연료가 반경방향으로 분사될 수 있을 뿐만 아니라, 제1 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.

또한, 내측 노즐관(200)과 외측 노즐관(300) 사이에는, 즉 제2 유로(320)에는 연료를 분사하기 위한 제2 연료 분사부(500)가 구비된다.

제2 연료 분사부(500)는 제2 환형 고리(520)와, 내측 노즐관(200)으로부터 제2 환형 고리(520)를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 제2 스트럿(540)을 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 제2 스트럿(540)은 원주방향을 따라 균일한 간격으로 구비되는 것이 바람직하다.

복수의 제2 스트럿(540)은 내측 노즐관(200)으로부터 제2 환형 고리(520)까지 연장되며, 추가로 제2 환형 고리(520)로부터 외측 노즐관(300)을 향해 반경방향으로 연장될 수도 있다. 본 실시예에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 스트럿(540) 각각은, 내측 노즐관(200)으로부터 제2 환형 고리(520)까지 연장되는 제3 서브 스트럿(540a)과, 제2 환형 고리(520)로부터 외측 노즐관(300)을 향해 반경방향으로 연장되는 제4 서브 스트럿(540b)으로 이루어지고 있다. 이때, 제4 서브 스트럿(540b)은 외측 노즐관(300)까지 연장되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제4 서브 스트럿(540b)의 반경방향 외측단부가 외측 노즐관(300)과 이격될 수도 있음은 물론이다. 또한, 제3 서브 스트럿(540a)과 제4 서브 스트럿(540b)은 제2 환형 고리(520)의 원주 방향으로 서로 엇갈리게 배치될 수도 있음은 물론이다.

제2 환형 고리(520)에는 원주방향을 따라 복수의 제3 연료분사홀(522)이 구비된다. 복수의 제3 연료분사홀(522)은 제2 환형 고리(520)의 반경방향 내측을 향하는 내측면과 반경방향 외측을 향하는 외측면에 모두 구비되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제2 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 제2 환형 고리(520)의 원주방향을 따라 균일하게 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 인접하는 제2 스트럿(540) 사이마다 3개의 제3 연료분사홀(522)이 서로 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 환형 고리(520)의 원주방향을 따라 연료-공기의 혼합이 균일하게 이루어지며 혼합도가 향상될 수 있다.

추가로, 실시예에 따라 각각의 제2 스트럿(540)에도 제4 연료분사홀(542)이 구비될 수 있다. 제4 연료분사홀(542)은 제2 스트럿(540)마다 복수 개로 구비되어, 제2 스트럿(540)의 원주방향으로 서로 마주보는 측면에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제2 환형 고리(520)의 제3 연료분사홀(522)에 의해 연료가 반경방향으로 분사될 수 있을 뿐만 아니라, 제2 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.

이때, 제1 유로(220) 내에서의 연료-공기 농도와 제2 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, 제1 유로(220) 내의 연료의 농도가 제2 유로(320) 내의 연료의 농도보다 높도록 조절하여, 노즐 어셈블리(1000) 중심부의 화염 안정성을 강화시킬 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 운전 목적에 따라 제1 유로(220) 내의 연료-공기 농도와 제2 유로(320) 내의 연료-공기 농도가 서로 동일하게 조절될 수도 있음은 물론이다. 또한, 제1 유로(220)내의 연료의 농도가 운전 목적에 따라 제2 유로(320) 내의 연료의 농도보다 낮도록 조절될 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 도 10 및 8을 참고하여, 제1 환형 고리(420)와 복수의 제1 스트럿(440)에 연료를 공급하기 위한 구조를 살펴보도록 한다.

제1 환형 고리(420)와 복수의 제1 스트럿(440)은 각각 중공을 갖는다. 이에 따라, 제1 환형 고리(420)의 내부에는 환형 고리 형상의 중공에 해당하는 제1 연료채널(421)이 구비되며, 각각의 제1 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.

노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 제1 스트럿(440)의 제2 연료채널(441)로 연료를 공급하기 위해, 중심 노즐관(100)의 내부에는 이의 길이방향을 따라 연장되는 제1 연료공급관(102)이 구비된다. 제1 연료공급관(102)은 중심 노즐관(100)의 길이방향을 따라 연장되어 제1 스트럿(440)의 제2 연료채널(441)과 연통된다. 이때, 복수의 제1 스트럿(440)에 형성되는 복수의 제2 연료채널(441) 각각으로 연료를 공급하기 위해, 각각의 제1 스트럿(440)마다 제1 연료공급관(102)이 하나씩 구비될 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 중심 노즐관(100)의 내부에 복수의 제1 연료공급관(102)이 서로 이격되어 형성될 수 있는 것이다.

이에 따라, 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 제1 연료공급관(102)으로 유입된 연료가 제1 스트럿(440)의 제2 연료채널(441)로 각각 공급되고, 복수의 제2 연료채널(441)로부터 제1 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 제1 유로(220) 내로 분사될 수 있다. 또한, 제1 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 제1 유로(220) 내로 분사될 수 있다.

상기와 같이 연료는 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 제1 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 제1 연료공급관(102)까지 연결되는 복수의 제1 연료주입관(122)이 구비될 수 있다. 즉, 플랜지(120)의 단부면으로부터 복수의 제1 연료주입관(122)을 통해 복수의 제1 연료공급관(102)으로 각각 연료가 유입될 수 있는 것이다.

다음으로는, 제2 환형 고리(520)와 복수의 제2 스트럿(540)에 연료를 공급하기 위한 구조를 살펴보도록 한다. 제2 환형 고리(520)와 복수의 제2 스트럿(540)은 각각 중공을 갖는다. 이에 따라, 제2 환형 고리(520)의 내부에는 환형 고리 형상의 중공에 해당하는 제3 연료채널(521)이 구비되며, 각각의 제2 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.

노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 제2 스트럿(540)의 제4 연료채널(541)로 연료를 공급하기 위해, 중심 노즐관(100)의 내부에는 이의 길이방향을 따라 연장되는 제2 연료공급관(104)이 구비된다. 또한, 제1 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 제1 스트럿(440)의 위치에 대응하여, 각각의 제1 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, 제2 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 제2 연료공급관(104)이 하나씩 구비될 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 중심 노즐관(100)의 내부에 복수의 제2 연료공급관(104)이 서로 이격되어 형성될 수 있는 것이다. 이에 한정되는 것은 아니나, 복수의 제1 연료공급관(102)과 복수의 제2 연료공급관(104)은 중심 노즐관(100)의 내부에서 원주방향을 따라 교대로 배치되고 있다.

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.

이에 따라, 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 제2 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 제2 스트럿(540)의 제4 연료채널(541)로 각각 공급되고, 복수의 제4 연료채널(541)로부터 제2 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 제2 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 제2 유로(320)내로 분사될 수 있다.

마찬가지로, 연료는 노즐 어셈블리(1000)의 외부로부터 복수의 제2 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 제2 연료공급관(104)까지 연결되는 복수의 제2 연료주입관(124)이 구비될 수 있다.

즉, 플랜지(120)의 단부면으로부터 복수의 제2 연료주입관(124)을 통해 복수의 제2 연료공급관(104)으로 각각 연료가 유입될 수 있는 것이다.

제2 유로(320) 내에는 제2 연료 분사부(500)의 하류에 제2 스월러(700)가 더 구비될 수 있다. 제2 스월러(700)는 선회류를 발생시켜 연료-공기 혼합물의 혼합 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 제2 스월러(700)는 익형 모양의 단면을 가져 공력학적 특성을 높이는 구조를 가질 수 있으며, 판형 구조로 단순화되어 적용될 수도 있다. 한편, 도시되지는 않았으나, 제1 유로(220) 내에도 제1 연료 분사부(400)의 하류에 스월러가 더 구비될 수 있음은 물론이다.

제2 유로(320)는 제1 유로(220)보다 반경방향 외측에 위치하여 직경이 더 크기 때문에, 인접하는 제2 스트럿(540) 사이의 거리가 인접하는 제1 스트럿(440) 사이의 거리보다 상대적으로 더 멀다. 이로 인해, 제2 유로(320)의 반경방향 외측, 즉 외측 노즐관(300) 근처에는, 제2 환형 고리(520) 및 제2 스트럿(540)에 의해 분사되는 연료가 도달하지 못하는 영역(zero-fuel 영역)이 존재할 수 있다.

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.

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 제2 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 제2 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.

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 제2 유로(320) 내로 분사될 수 있다.

실시예에 따라, 제1 환형 고리(420)의 공기흐름 상 후단부인 꼬리 부분에는 반경 방향으로 아래 위로 주름을 가지는 구조가 적용될 수 있다.

도 12에는 주름진 꼬리가 적용된 제1 환형 고리(420)의 단면이 도시되고 있으며, 도 13에는 주름진 꼬리가 적용된 제1 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.

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 제1 환형 고리(420)의 후단부에, 복수의 제2 연료분사홀(442)은 제1 스트럿(440)의 후단부에, 복수의 제3 연료분사홀(522)은 제2 환형 고리(520)의 후단부에, 그리고 복수의 제4 연료분사홀(542)은 제2 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.

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.

10: 케이싱 20: 압축기
30: 연소기 40: 터빈
100: 중심 노즐관 102: 제1 연료공급관
104: 제2 연료공급관 120: 플랜지
122: 제1 연료주입관 124: 제2 연료주입관
200: 내측 노즐관 220: 제1 유로
300: 외측 노즐관 320: 제2 유로
400: 제1 연료분사부 500: 제2 연료분사부
1000: 노즐 어셈블리
T1, T2: 연료탱크 V1, V2: 제어밸브
M1, M2: 매니폴드 C: 콘트롤러부

Claims (17)

1. 연소기용 노즐 어셈블리로 연료를 공급하는 매니폴드부;
   상기 매니폴드부와 연료탱크부 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 제1 연료 분사부;
   상기 내측 노즐관과 외측 노즐관 사이에 구비되는 제2 연료 분사부;를 포함하며,
   상기 연료탱크부는, 제1 연료가 저장된 제1 연료탱크와 제2 연료가 저장된 제2 연료탱크를 포함하고,
   상기 매니폴드부와 상기 제어밸브부는,
   상기 제1 연료 분사부로 제1 연료를 공급하는 제1 매니폴드와 상기 제1 매니폴드로 공급되는 제1 연료의 농도를 조절하는 제1 제어밸브;
   상기 제2 연료 분사부로 제2 연료를 공급하는 제2 매니폴드와 상기 제2 매니폴드로 공급되는 제2 연료의 농도를 조절하는 제2 제어밸브;
   를 포함하는 연소기용 연료공급 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 콘트롤러부는,
   상기 제1 매니폴드로 공급되는 제1 연료의 농도와 상기 제2 매니폴드로 공급되는 제2 연료의 농도가 상이하도록 상기 제1 제어밸브와 상기 제2 제어밸브의 동작을 제어하는,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 콘트롤러부는,
   상기 제1 매니폴드를 거쳐서 상기 제1 연료 분사부로 공급되는 제1 연료의 농도가, 상기 제2 매니폴드를 거쳐서 상기 제2 연료 분사부로 공급되는 제2 연료의 농도 보다 크도록 상기 제1 제어밸브와 상기 제2 제어밸브의 동작을 제어하는,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소기용 노즐 어셈블리는 복수개로 구비되며,
   복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 제1 연료 분사부는 복수개의 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급 받고,
   복수개의 연소기용 노즐 어셈블리에 각각 구비된 제2 연료 분사부는 복수개의 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급 받는,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드와, 다른 제1 매니폴드로부터 공급되는 제1 연료의 농도는 서로 상이한,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드와, 다른 제2 매니폴드로부터 공급되는 제2 연료의 농도는 서로 상이한,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 복수개의 제1 매니폴드 중 어느 하나의 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급받는 제1 연료 분사부의 수와, 다른 제1 매니폴드로부터 제1 연료를 공급받는 제1 연료 분사부의 수는 서로 상이한,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 복수개의 제2 매니폴드 중 어느 하나의 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급받는 제2 연료 분사부의 수와, 다른 제2 매니폴드로부터 제2 연료를 공급받는 제2 연료 분사부의 수는 서로 상이한,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 연료 분사부는,
   상기 중심 노즐관과 상기 내측 노즐관 사이에 배치되는 제1 환형 고리;
   상기 중심 노즐관으로부터 상기 제1 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 제1 스트럿;을 포함하는,
   연소기용 연료공급 시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 제1 스트럿은 상기 중심 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고,
    상기 제1 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제1 연료분사홀이 구비되는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 제1 연료분사홀은 상기 제1 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비되는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
12. 청구항 9에 있어서, 상기 복수의 제1 스트럿 각각은,
    상기 중심 노즐관으로부터 상기 제1 환형 고리까지 연장되는 제1 서브 스트럿과,
    상기 제1 환형 고리로부터 상기 내측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제2 서브 스트럿을 포함하는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
13. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 연료 분사부는,
    상기 내측 노즐관과 상기 외측 노즐관 사이에 배치되는 1개 이상의 제2 환형 고리;
    상기 내측 노즐관으로부터 상기 제2 환형 고리를 향해 반경방향으로 연장되는 복수의 제2 스트럿;을 포함하는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수의 제2 스트럿은 상기 내측 노즐관의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치되고,
    상기 제2 환형 고리에는 원주방향을 따라 복수의 제3 연료분사홀이 구비되는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 제3 연료분사홀은 상기 제2 환형 고리의 반경방향 내측면과 반경방향 외측면에 각각 구비되는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
16. 청구항 13에 있어서, 상기 복수의 제2 스트럿 각각은,
    상기 내측 노즐관으로부터 상기 제2 환형 고리까지 연장되는 제3 서브 스트럿과,
    상기 제2 환형 고리로부터 상기 외측 노즐관을 향해 반경방향으로 연장되는 제4 서브 스트럿을 포함하는,
    연소기용 연료공급 시스템.
    
17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연료와 제2 연료 중 어느 하나는 수소를 포함하고, 나머지 하나는 천연가스를 포함하는,
    연소기용 연료공급 시스템.

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