KR102583222B1 - 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브와 분사 튜브 사이에 형성되며 연료가 이동하는 연료 통로를 포함하는 연료 공급덕트, 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러, 및 분사 튜브의 측면에 연료 통로와 연통되며 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함한다.

Description

연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{NOZZLE FOR COMBUSTOR, COMBUSTOR, AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소를 포함하는 연료를 사용하는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
연료는 각 연소기 내에 설치된 노즐을 통해서 분사되며 노즐은 기체 연료 및 액체 연료를 분사할 수 있다. 근래에는 이산화탄소의 배출을 억제하기 위해서 수소 연료 또는 수소를 포함하는 연료의 사용이 권장되고 있다.
그러나 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 가스 터빈 연소기로 이들의 연료를 연소시켰을 경우에, 가스 터빈 연소기내에서 형성되는 화염이 가스 터빈 연소기의 구조물로 접근해 가열하고, 가스 터빈 연소기의 신뢰성으로 문제를 일으킬 가능성이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 대한민국 공개특허 제10-2020-0027894호 등에는 연료 공급덕트를 갖는 연소기 노즐이 제안되고 있으나, 연료 공급덕트를 갖는 노즐은 스월러가 설치되지 않아 연료와 공기의 균일한 혼합이 어려운 문제가 있다.
공개특허공보 제10-2020-0027894호
본 발명은 분사 튜브에 스월러와 연료 유입홀을 형성하여 역화를 최소화하고 연료 공기 혼합 특성을 향상시켜 NOX 배출을 저감하며 화염안정성을 높일 수 있는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐은, 디스크 형태로 형성되고 내부에 연료 통로가 형성되며, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브가 통과하도록 장착되는 연료 공급덕트, 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러, 및 분사 튜브의 측면에 연료 통로와 연통되며 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함한다.
스월러는 분사 튜브의 측면에 형성되어 공기가 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 튜브 스월러일 수 있다.
튜브 스월러는 분사 튜브의 측면에 80~180도의 각도로 관통형성된 스월 가이드홀과, 스월 가이드홀의 일측에 결합되고 원주방향 타측으로 갈수록 반경방향으로 점점 멀어지도록 스월 가이드홀에 연결되는 스월 가이드를 포함할 수 있다.
튜브 스월러는 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 연료 유입홀 사이에 배치될 수 있다.
복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 튜브 스월러 사이에 배치될 수 있다.
연료 공급덕트에는 복수의 분사 튜브 사이에 배치되고 단부에 복수의 확산 분사구가 형성된 엔드 캡을 구비하는 복수의 확산 노즐 튜브가 통과하도록 장착될 수 있다.
확산 노즐 튜브의 복수의 확산 분사구는 엔드 캡의 가장자리에 외측으로 경사지게 관통형성될 수 있다.
스월러는 분사 튜브의 측면에 그 내주면에 접하도록 관통형성되어 공기가 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 홀 스월러일 수 있다.
복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 홀 스월러 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 노즐조립체, 노즐조립체의 일측에 결합되며 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하며, 노즐은, 디스크 형태로 형성되고 내부에 연료 통로가 형성되며, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브가 통과하도록 장착되는 연료 공급덕트, 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러, 및 분사 튜브의 측면에 연료 통로와 연통되며 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함한다.
스월러는 분사 튜브의 측면에 형성되어 공기가 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 튜브 스월러일 수 있다.
튜브 스월러는 분사 튜브의 측면에 80~180도의 각도로 관통형성된 스월 가이드홀과, 스월 가이드홀의 일측에 결합되고 원주방향 타측으로 갈수록 반경방향으로 점점 멀어지도록 스월 가이드홀에 연결되는 스월 가이드를 포함할 수 있다.
튜브 스월러는 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 연료 유입홀 사이에 배치될 수 있다.
복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 튜브 스월러 사이에 배치될 수 있다.
연료 공급덕트에는 복수의 분사 튜브 사이에 배치되고 단부에 복수의 확산 분사구가 형성된 엔드 캡을 구비하는 복수의 확산 노즐 튜브가 통과하도록 장착될 수 있다.
확산 노즐 튜브의 복수의 확산 분사구는 엔드 캡의 가장자리에 외측으로 경사지게 관통형성될 수 있다.
스월러는 분사 튜브의 측면에 그 내주면에 접하도록 관통형성되어 공기가 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 홀 스월러일 수 있다.
복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 홀 스월러 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 가스 터빈은, 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하며, 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 노즐조립체와 노즐조립체의 일측에 결합되며 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 노즐은, 디스크 형태로 형성되고 내부에 연료 통로가 형성되며, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브가 통과하도록 장착되는 연료 공급덕트, 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러, 및 분사 튜브의 측면에 연료 통로와 연통되며 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함한다.
상기한 본 발명의 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 분사 튜브에 스월러와 연료 유입홀을 형성하여 역화를 최소화하고 연료 공기 혼합 특성을 향상시켜 NOX 배출을 저감하며 화염안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐조립체를 정면에서 본 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐을 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 분사 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에서 튜브 스월러를 지나는 평면으로 자른 단면도이다.
도 8은 도 6에서 분사 튜브를 길이방향으로 자른 단면도이다.
도 9는 확산 노즐 튜브를 나타내는 일부 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 분사 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 분사 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 11에서 홀 스월러를 지나는 평면으로 자른 단면도이다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기에서, 압축기(1100)의 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동하는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 영향을 미치게 된다.
터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드와 터빈 베인을 포함한다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 삽입된다. 터빈 베인은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 블레이드는 연소가스에 의하여 회전하면서 회전력을 생성한다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 적용되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 노즐조립체(1220), 노즐(1400), 덕트 조립체(1250)를 포함할 수 있다.
연소기 케이싱(1210)은 복수의 노즐조립체(1220)를 감싸며 대략 원형 실린더 형상으로 이루어질 수 있다. 노즐조립체(1220)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 각 노즐조립체(1220)에는 복수의 노즐(1400)이 구비되며, 이 노즐(1400)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.
가스 터빈(1000)에는 가스 연료가 사용될 수 있으며, 특히 수소를 포함하는 연료가 사용될 수 있다. 연료는 수소 연료 단독 또는 수소와 천연가스를 포함하는 연료로 이루어질 수 있다.
노즐조립체(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체(1250)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1400) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1250)가 적절히 냉각된다.
덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252), 유동 슬리브(1253)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)의 바깥을 유동 슬리브(1253)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1253) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 냉각시킨다.
라이너(1251)는 연소기(1200)의 노즐조립체(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1251) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1251)의 길이방향 일측 단부는 노즐조립체(1220)에 결합되고 라이너(1251)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1252)에 결합된다.
그리고, 트랜지션피스(1252)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1252)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1251)와 결합되고, 트랜지션피스(1252)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1253)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐조립체를 정면에서 본 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐을 길이방향으로 잘라 본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 노즐(1400)은 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브(1420)와 연료가 이동하는 연료 통로(1431)를 포함하는 연료 공급덕트(1410) 및 분사 튜브(1420)의 측면에 연료 통로(1431)와 연통되며 분사 튜브(1420)로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀(1421)을 포함할 수 있다.
또한, 노즐(1400)은 연료 공급덕트(1410)에 연료를 공급하는 연료 공급관(1430)을 더 포함할 수 있다. 여기서 연료는 수소를 포함하는 가스로 이루어질 수 있다. 도면에서 연료 공급덕트(1410)는 6개로 구획되어 장착되고, 연료 공급관(1430)은 연료 공급덕트(1410)의 일측에 하나씩 연결된 것이 도시되어 있으나, 복수개의 연료 공급덕트(1410)가 연결될 수도 있다.
연료 공급덕트(1410)에는 수소 가스를 이용하여 여러 개의 작은 화염을 형성할 수 있도록 복수의 분사 튜브(1420)가 통과하도록 장착될 수 있다. 복수의 분사 튜브(1420)는 연료 공급덕트(1410) 내에서 간격을 두고 이격되며 서로 평행하게 배치될 수 있다.
복수의 분사 튜브(1420)의 선단에는 차단판(1415)이 설치되어 연료가 이동하는 연료 통로를 형성한다. 차단판(1415)은 분사 튜브(1420) 사이의 공간을 막아서 연료가 누출되는 것을 방지할 수 있다.
복수의 분사 튜브(1420)의 전반부는 브라켓(1413)에 장착되어 지지될 수 있다. 브라켓(1413)은 복수의 분사 튜브(1420)의 전반부를 감싸며, 복수의 분사 튜브(1420)와 후술하는 복수의 확산 노즐 튜브(1450)가 브라켓(1413)을 통과하여 장착될 수 있다.
연료 공급관(1430)을 통해서 연료 공급덕트(1410) 내부로 유입된 연료는 연료 통로(1431)를 따라 이동하며, 분사 튜브(1420)는 연료 통로(1431)를 관통하도록 설치되므로 연료 통로(1431)가 분사 튜브(1420)를 감싸고 있다.
분사 튜브(1420)에는 그 측면을 따라 연료가 유입되는 복수의 연료 유입홀(1421)이 형성되고, 복수의 연료 유입홀(1421)은 분사 튜브(1420)의 둘레 방향으로 이격 배치될 수 있다. 복수의 연료 유입홀(1421)은 분사 튜브(1420)의 길이방향으로 이격 배치될 수도 있다. 또한, 분사 튜브(1420)에는 연료와 혼합된 공기가 분사되는 분사구(1425)가 형성될 수 있다.
연료 공급덕트(1410)는 다수의 분사 튜브(1420)에 형성된 복수의 연료 유입홀(1421)을 둘러싸도록 장착될 수 있다. 다시 말해서, 다수의 분사 튜브(1420)가 연료 공급덕트(1410)를 통과하도록 장착되고, 연료 공급덕트(1410)는 분사 튜브(1420)의 길이방향으로 복수의 연료 유입홀(1421)을 둘러싸는 작은 두께를 가질 수 있다. 연료 공급덕트(1410)는 모든 분사 튜브(1420)를 감싸며 내부에 연료 통로(1431)가 형성된 하나의 원형 디스크 형태로 형성될 수도 있으나, 연료 공급덕트(1410)는 부채꼴 형태로 형성되어 소정 갯수의 분사 튜브(1420)가 장착될 수도 있다. 예를 들어, 6개의 부채꼴 형태의 연료 공급덕트(1410)가 장착되어 그 전체 윤곽이 원형 디스크 형태를 이룰 수 있다.
이에 따라 연료 공급관(1430)을 통해서 유입된 연료는 연료 공급덕트(1410) 내부의 연료 통로(1431)로 이동하다가 연료 유입홀(1421)을 통해서 분사 튜브(1420)로 유입되며 공기와 함께 연소실로 분사된다. 분사 튜브(1420)로 유입된 공기와 연료는 혼합된 후에 분사구(1425)를 통해서 분사되어 연소될 수 있다. 이에 따라 공기와 연료가 더욱 균일하게 혼합되어 안정적으로 화염을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 분사 튜브를 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6에서 튜브 스월러를 지나는 평면으로 자른 단면도이며, 도 8은 도 6에서 분사 튜브를 길이방향으로 자른 단면도이고, 도 9는 확산 노즐 튜브를 나타내는 일부 사시도이다.
각 분사 튜브(1420)는 그 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러(Swirler)를 포함할 수 있다.
제1실시예에서 스월러는 분사 튜브(1420)의 측면에 형성되어 공기가 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 튜브 스월러(1440)일 수 있다. 하나의 분사 튜브(1420)에 2개의 튜브 스월러(1440)가 형성된 것이 도시되어 있는데, 2~4개의 튜브 스월러(1440)가 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 스월러(1440)는 분사 튜브(1420)의 측면에 80~180도의 각도로 관통형성된 스월 가이드홀(1443)과, 스월 가이드홀의 일측에 결합되고 원주방향 타측으로 갈수록 반경방향으로 점점 멀어지도록 스월 가이드홀에 연결되는 스월 가이드(1441)를 포함할 수 있다.
스월 가이드홀(1443)은 분사 튜브(1420)의 측면에 180도에 가까운 각도의 직사각형 형태로 2개가 관통형성될 수 있다. 스월 가이드(1441)는 분사 튜브(1420) 측면보다 조금 큰 곡률반경을 가진 곡면 형태로 형성될 수 있다. 스월 가이드(1441)의 일단부는 스월 가이드홀(1443)의 일단에 일체로 연결되고, 스월 가이드(1441)의 타단부는 스월 가이드홀(1443)의 타단에서 반경방향으로 소정 거리 이격되도록 배치될 수 있다. 스월 가이드(1441)의 양측면 모서리는 스월 가이드홀(1443)의 양측단에 일체로 연결될 수 있다. 그래서, 도 7에 도시된 바와 같이, 분사 튜브(1420) 외부의 공기가 한 쌍의 스월 가이드(1441) 입구로 유입되고 스월 가이드홀(1443)을 통해 분사 튜브(1420) 내부로 선회되면서 유동될 수 있다.
만약, 하나의 분사 튜브(1420)에 4개의 튜브 스월러(1440)가 형성되는 경우, 스월 가이드홀(1443)과 스월 가이드(1441)는 90도 미만의 각도로 4개씩 형성될 수 있다.
또한, 분사 튜브(1420)의 측면에는 연료 통로와 연통되며 분사 튜브로 연료가 유입되는 복수의 연료 유입홀(1421)이 반경방향으로 관통형성될 수 있다. 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 연료 유입홀(1421)은 분사 튜브(1420)의 측면에 8개의 원형 구멍으로 관통형성될 수 있다. 복수의 연료 유입홀(1421)은 서로 소정 간격 이격되도록 배열되고, 각각 분사 튜브(1420)의 중심을 향하도록 형성될 수 있다.
제1실시예의 분사 튜브(1420)에서 튜브 스월러(1440)는 공기가 유입되는 분사 튜브의 일단부와 복수의 연료 유입홀(1421) 사이에 배치되어 있다. 그래서, 분사 튜브(1420)의 일단부로 유입되는 1차공기와 복수의 튜브 스월러(1440)를 통해 유입되어 선회되는 2차공기는, 복수의 연료 유입홀(1421)을 통해 유입되는 가스 연료와 분사 튜브(1420) 내에서 적절하게 혼합될 수 있다.
한편, 도 4, 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이, 연료 공급덕트(1410)에는 복수의 분사 튜브(1420) 사이에 배치되고 단부에 복수의 확산 분사구(1457)가 형성된 엔드 캡(1455)을 구비하는 복수의 확산 노즐 튜브(1450)가 통과하도록 장착될 수 있다.
도 5에서는 다수(예를 들어 84개)의 분사 튜브(1420)와 다수(예를 들어 6개)의 확산 노즐 튜브(1450)가 배치된 실시예가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 엔드 캡(1455)은 소정 두께를 가진 원형 디스크 형태로 형성되어 확산 노즐 튜브(1450)의 일단부를 막도록 일체로 연결될 수 있다. 엔드 캡(1455)의 가장자리는 모따기가 형성되어 경사지게 형성될 수 있다. 복수의 확산 분사구(1457)는 엔드 캡(1455)의 가장자리 모따기부에 수직으로 형성될 수 있다.
확산 노즐 튜브(1450)에 의하면, 확산 노즐 튜브(1450)의 중심에 대해 소정각도 경사지게 다수의 확산 분사구(1457)가 관통형성될 수 있다. 다시 말해서, 확산 노즐 튜브(1450)의 복수의 확산 분사구(1457)는 엔드 캡(1455)의 가장자리에 탄젠셜 방향으로 일정 각도 경사지게 관통형성될 수 있다.
이에 따라, 확산 노즐 튜브(1450)는 길이방향에 대해 경사지게 형성된 다수의 확산 분사구(1457)를 구비하여 확산 노즐 튜브(1450) 내부로 유입되는 공기의 스월 유동을 발생시키고, 분사 튜브(1420)로 공급되는 공기와 잘 혼합되어 연소될 수 있다. 특히, 점화 및 시동 구간에서는 공기 대 연료의 당량비가 높아서 역화가 발생할 가능성이 높아지는데, 다수의 분사 튜브(1420) 사이에 다수의 확산 노즐 튜브(1450)를 배열함으로써 역화를 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 분사 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 분사 튜브(1420)에서 복수의 연료 유입홀(1421)은 공기가 유입되는 분사 튜브(1420)의 일단부와 복수의 튜브 스월러(1440) 사이에 배치된다.
제1실시예의 분사 튜브(1420)에서는 공기 유동 방향을 기준으로 2차공기가 유입되는 튜브 스월러(1440)의 하류에 복수의 연료 유입홀(1421)이 배치되는 반면에, 제2실시예의 분사 튜브(1420)에서는 복수의 연료 유입홀(1421)의 하류에 튜브 스월러(1440)가 배치되어 있다. 그래서, 분사 튜브(1420)의 일단에서 유입되는 1차공기와 연료 유입홀(1421)을 통해 유입되는 가스 연료가 1차 혼합되고, 튜브 스월러(1440)를 통해 유입되는 2차공기가 다시 혼합될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 분사 튜브를 나타내는 사시도이고, 도 12는 도 11에서 홀 스월러를 지나는 평면으로 자른 단면도이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 분사 튜브(1420)에서, 스월러는 분사 튜브(1420)의 측면에 그 내주면에 접하도록 관통형성되어 공기가 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 홀 스월러(1445)일 수 있다.
도면에서 홀 스월러(1445)는 2개가 형성되어 있고, 이와 달리 3개 또는 4개가 형성될 수도 있다. 홀 스월러(1445)는 분사 튜브(1420)의 외측에서 볼 때 길이방향으로 길쭉한 직사각형 모양으로 형성될 수 있다. 홀 스월러(1445)는 이를 통한 공기 유동이 분사 튜브(1420)의 내주면을 따라 선회하도록, 내주면에 접하도록 관통형성될 수 있다. 복수의 홀 스월러(1445)를 통해 분사 튜브(1420) 내부로 유입된 2차공기는 분사 튜브(1420) 내부에서 일방향으로 선회하면서 1차공기 및 연료와 혼합될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 분사 튜브(1420)의 측면에는 연료 통로와 연통되며 분사 튜브(1420)로 연료가 유입되는 복수의 연료 유입홀(1421)이 반경방향으로 관통형성되고, 복수의 연료 유입홀(1421)은 공기가 유입되는 분사 튜브(1420)의 일단부와 복수의 홀 스월러(1445) 사이에 배치될 수 있다.
제3실시예에 따른 분사 튜브(1420)에서, 복수의 연료 유입홀(1421)과 복수의 홀 스월러(1445)의 배치 자체는 홀 스월러(1445)의 형태를 제외하고는 제2실시예의 분사 튜브(1420)와 동일하다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스 터빈
1100: 압축기 1130: 압축기 블레이드
1140: 압축기 베인 1150: 하우징
1200: 연소기 1210: 연소기 케이싱
1220: 노즐조립체 1240: 연소실
1250: 덕트 조립체
1300: 터빈 1310: 로터 디스크
1400: 노즐
1410: 연료 공급덕트 1413: 브라켓
1415: 차단판
1420: 분사 튜브 1421: 연료 유입홀
1425: 분사구 1430: 연료 공급관
1440: 튜브 스월러 1441: 스월 가이드
1443: 스월 가이드홀 1445: 홀 스월러
1450: 확산 노즐 튜브 1455: 엔드 캡
1457: 확산 분사구

Claims (19)

  1. 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐에 있어서,
    디스크 형태로 형성되고 내부에 연료 통로가 형성되며, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브가 통과하도록 장착되는 연료 공급덕트;
    상기 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러; 및
    상기 분사 튜브의 측면에 상기 연료 통로와 연통되며 상기 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스월러는 상기 분사 튜브의 측면에 형성되어 공기가 상기 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 튜브 스월러인 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 튜브 스월러는 상기 분사 튜브의 측면에 80~180도의 각도로 관통형성된 스월 가이드홀과, 상기 스월 가이드홀의 일측에 결합되고 원주방향 타측으로 갈수록 반경방향으로 점점 멀어지도록 상기 스월 가이드홀에 연결되는 스월 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 튜브 스월러는 공기가 유입되는 상기 분사 튜브의 일단부와 상기 복수의 연료 유입홀 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 상기 분사 튜브의 일단부와 상기 복수의 튜브 스월러 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 연료 공급덕트에는 복수의 분사 튜브 사이에 배치되고 단부에 복수의 확산 분사구가 형성된 엔드 캡을 구비하는 복수의 확산 노즐 튜브가 통과하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 확산 노즐 튜브의 복수의 확산 분사구는 상기 엔드 캡의 가장자리에 외측으로 경사지게 관통형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스월러는 상기 분사 튜브의 측면에 그 내주면에 접하도록 관통형성되어 공기가 상기 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 홀 스월러인 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 상기 분사 튜브의 일단부와 상기 복수의 홀 스월러 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  10. 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 노즐조립체, 상기 노즐조립체의 일측에 결합되며 상기 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
    상기 노즐은,
    디스크 형태로 형성되고 내부에 연료 통로가 형성되며, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브가 통과하도록 장착되는 연료 공급덕트;
    상기 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러; 및
    상기 분사 튜브의 측면에 상기 연료 통로와 연통되며 상기 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스월러는 상기 분사 튜브의 측면에 형성되어 공기가 상기 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 튜브 스월러인 것을 특징으로 하는 연소기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 튜브 스월러는 상기 분사 튜브의 측면에 80~180도의 각도로 관통형성된 스월 가이드홀과, 상기 스월 가이드홀의 일측에 결합되고 원주방향 타측으로 갈수록 반경방향으로 점점 멀어지도록 상기 스월 가이드홀에 연결되는 스월 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 튜브 스월러는 공기가 유입되는 상기 분사 튜브의 일단부와 상기 복수의 연료 유입홀 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 상기 분사 튜브의 일단부와 상기 복수의 튜브 스월러 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 연료 공급덕트에는 복수의 분사 튜브 사이에 배치되고 단부에 복수의 확산 분사구가 형성된 엔드 캡을 구비하는 복수의 확산 노즐 튜브가 통과하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 확산 노즐 튜브의 복수의 확산 분사구는 상기 엔드 캡의 가장자리에 외측으로 경사지게 관통형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 스월러는 상기 분사 튜브의 측면에 그 내주면에 접하도록 관통형성되어 공기가 상기 스월러를 통해 원주방향으로 유입되도록 안내하는 홀 스월러인 것을 특징으로 하는 연소기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 연료 유입홀은 공기가 유입되는 상기 분사 튜브의 일단부와 상기 복수의 홀 스월러 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  19. 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈으로서,
    상기 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 노즐조립체와 상기 노즐조립체의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고,
    상기 노즐은, 디스크 형태로 형성되고 내부에 연료 통로가 형성되며, 공기와 연료가 이동하는 복수의 분사 튜브가 통과하도록 장착되는 연료 공급덕트, 상기 분사 튜브의 측면에 형성되어 분사 튜브 외부의 공기를 분사 튜브 내부로 유입시켜 선회되도록 안내하는 복수의 스월러, 및 상기 분사 튜브의 측면에 상기 연료 통로와 연통되며 상기 분사 튜브로 연료가 유입되도록 반경방향으로 관통형성된 복수의 연료 유입홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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