KR102667812B1 - 연소기용 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 적어도 하나 이상의 클러스터를 포함하며, 상기 클러스터는, 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 메인 튜브, 상기 메인 튜브를 둘러싸며 배치된 서브 튜브, 상기 메인 튜브 내부에 위치하여, 상기 연료를 공급하는 연료 공급부 및 상기 연료 공급부로부터 방사상으로 돌출되며, 일측 단부는 상기 연료 공급부에 결합되고 타측 단부는 상기 메인 튜브의 내주면에 접촉하는 복수의 날개부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 연소기용 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.
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.
가스 터빈의 연소기에서 단순 튜브를 이용하여 연료 공급 시 동심원을 맞추기 어렵기 때문에 연료 혼합이 어려운 문제가 있다. 또한, 수소를 연소하는 경우 연소 속도가 빠르고 고온인데 연료가 일방으로 편측되어 연료 공급되면, 역화(Flashback)가 생겨 연소기의 손상 문제가 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료 공급부로부터 방사상으로 돌출된 복수의 날개부를 포함하여 튜브 중앙에 연료를 공급할 수 있는 연소기용 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 적어도 하나 이상의 클러스터를 포함하는 연소기용 노즐로서, 상기 클러스터는, 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 메인 튜브, 상기 메인 튜브를 둘러싸며 배치된 서브 튜브, 상기 메인 튜브 내부에 위치하여, 상기 연료를 공급하는 연료 공급부 및 상기 연료 공급부로부터 방사상으로 돌출되며, 일측 단부는 상기 연료 공급부에 결합되고 타측 단부는 상기 메인 튜브의 내주면에 접촉하는 복수의 날개부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 날개부는 상기 연료 공급부의 둘레를 따라 동일한 각도로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 복수의 날개부는 4개 또는 5개일 수 있다.
상기 복수의 날개부는 길이가 모두 동일할 수 있다.
상기 복수의 날개부는 길이가 상기 연료 공급부의 외주면에서부터 상기 메인 튜브의 내주면까지의 최소 길이와 동일하거나 더 클 수 있다.
상기 복수의 날개부는 높이가 상기 메인 튜브의 높이보다 작을 수 있다.
상기 연료 공급부가 상기 메인 튜브의 중앙에 위치할 수 있다.
상기 연료 공급부의 연장 방향을 따른 상기 날개부의 두께는, 상기 연료 공급부의 입구측에 가까운 제1 위치에서보다 상기 연료 공급부의 단부에 가까운 제2 위치에서 더 클 수 있다.
상기 날개부는 상기 메인 튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유입되는 입구측보다 출구측에 인접할 수 있다.
상기 날개부는 상기 메인 튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유출되는 출구측보다 입구측에 인접할 수 있다.
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 포함하고, 상기 연소기는 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 적어도 하나 이상의 클러스터를 포함하는 연소기용 노즐을 포함하며, 상기 클러스터는, 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 메인 튜브, 상기 메인 튜브를 둘러싸며 배치된 서브 튜브, 상기 메인 튜브 내부에 위치하여, 상기 연료를 공급하는 연료 공급부 및 상기 연료 공급부로부터 방사상으로 돌출되며, 일측 단부는 상기 연료 공급부에 결합되고 타측 단부는 상기 메인 튜브의 내주면에 접촉하는 복수의 날개부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 날개부는 상기 연료 공급부의 둘레를 따라 동일한 각도로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 복수의 날개부는 4개 또는 5개일 수 있다.
상기 복수의 날개부는 길이가 모두 동일할 수 있다.
상기 복수의 날개부는, 길이가 상기 연료 공급부의 외주면에서부터 상기 메인 튜브의 내주면까지의 최소 길이와 동일하거나 더 클 수 있다.
상기 복수의 날개부는 높이가 상기 메인 튜브의 높이보다 작을 수 있다.
상기 연료 공급부가 상기 메인 튜브의 중앙에 위치할 수 있다.
상기 연료 공급부의 연장 방향을 따른 상기 날개부의 두께는, 상기 연료 공급부의 입구측에 가까운 제1 위치에서보다 상기 연료 공급부의 단부에 가까운 제2 위치에서 더 클 수 있다.
상기 날개부는 상기 메인 튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유입되는 입구측 보다 출구측에 인접할 수 있다.
상기 날개부는 상기 메인튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유출되는 출구측 보다 입구측에 인접할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈은 튜브 중앙에 연료를 공급하여 연료 혼합이 용이하게 하고 공급되는 연료가 일방으로 편측되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 도 2의 연소기용 노즐의 단면도이다.
도 4는 도 3의 메인 튜브의 확대도이다.
도 5는 도 4의 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 5의 날개부의 형상 및 이에 따른 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 공급부 및 날개부의 사시도이다.
도 8은 도 7의 날개부 형상 및 이에 따른 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급부 및 날개부를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메인 튜브의 단면도이다.
도 2는 도 1의 연소기를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 도 2의 연소기용 노즐의 단면도이다.
도 4는 도 3의 메인 튜브의 확대도이다.
도 5는 도 4의 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 5의 날개부의 형상 및 이에 따른 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 공급부 및 날개부의 사시도이다.
도 8은 도 7의 날개부 형상 및 이에 따른 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급부 및 날개부를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메인 튜브의 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.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 연소기를 잘라 본 종단면도이다.
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 1 및 도 2를 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 유입된 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드에 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 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 것과 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다. 대형 가스 터빈 엔진(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모된다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈 엔진(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적이고도 지대한 영향을 미치게 된다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 복수 개의 버너(1220)가 배치된다. 각 버너(1220)에는 수 개의 연소 노즐(1230)이 구비되며, 이 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다. 연료 노즐(1230)에서 분사된 연료는 압축공기와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다.
연소기(1200)는 가스 터빈 엔진(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체, 즉 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270)로 이루어진 덕트 조립체의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 연소 노즐(1230) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체가 적절히 냉각된다.
연소기(1200)는 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터(1500)를 포함할 수 있다.
연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 덕트 조립체를 통해 터빈(1300)에 공급된다.
터빈(1300)은 연소기(1200)에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함할 수 있다. 터빈(1300)에서는 연소가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)에 대해서 설명한다.
도 3은 도 2의 연소기용 노즐의 단면도이고, 도 4는 도 3의 메인 튜브의 확대도이고, 도 5는 도 4의 B-B'를 따라 자른 단면도이고, 도 6은 도 5의 날개부의 형상 및 이에 따른 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)은 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 적어도 하나 이상의 클러스터(1500)를 포함할 수 있다. 연소기용 노즐(1230)의 클러스터(1500)는 연소기용 노즐(1230) 내부 중앙에 클러스터(1500)가 위치하고 다른 클러스터(1500)가 중앙에 있는 클러스터(1500)를 둘러싸며 배치될 수 있다(도 3 참조).
클러스터(1500)는 메인 튜브(1510), 서브 튜브(1520), 연료 공급부(1512) 및 날개부(1513)를 포함할 수 있다. 여기에서, 도 3 내지 도 6에 도시되어 있는 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 클러스터(1500)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
메인 튜브(1510)는 외벽(1511)을 포함할 수 있다. 메인 튜브(1510)는 공기와 연료가 이동할 수 있는 통로 역할을 할 수 있다. 메인 튜브(1510)는 클러스터(1500)의 중앙부에 위치할 수 있다. 메인 튜브(1510)는 클러스터(1500)의 중심에서 일방향으로 편측되어 위치될 수 있다. 메인 튜브(1510)가 일방향으로 편측되어 위치된다면 위상차에 의해 연료의 연소에 의한 진폭의 크기가 서로 상쇄되어 연소로 인한 진동발생을 줄일 수 있다.
외벽(1511)은 내부에 공기와 연료가 이동할 수 있는 내부공간이 형성된 관 형상일 수 있다. 외벽(1511)은 내부에 연료 공급부(1512) 및 날개부(1513)가 형성될 수 있을 정도의 충분한 직경을 가지는 관 형상일 수 있다. 외벽(1511)은 연료의 역화(Flashback)에 의한 손상을 방지하기 위해 고온에도 견딜 수 있을 정도의 내열성을 지닌 재질로 제작될 수 있다.
서브 튜브(1520)는 메인 튜브(1510)를 둘러싸며 적어도 하나 이상 배치될 수 있다. 서브 튜브(1520)는 메인 튜브(1510)와 마찬가지로 공기와 연료가 이동할 수 있는 통로 역할을 할 수 있다. 서브 튜브(1520)는 클러스터(1500)의 중앙부의 외곽에 위치할 수 있다(도 3 참조). 서브 튜브(1520)는 메인 튜브(1510)의 중심으로부터 동일한 중심각을 이루며 배치될 수 있다.
연료 공급부(1512)는 메인 튜브(1510) 내부에 위치하여 연료를 공급할 수 있다. 연료 공급부(1512)는 내부에 연료가 이동할 수 있는 내부공간이 형성된 관 형상일 수 있다. 연료 공급부(1512)는 메인 튜브(1510)의 중앙에 위치할 수 있다. 연료 공급부(1512)는 메인 튜브(1510)의 중앙에 위치하는 바, 메인 튜브(1510) 내부의 연료가 일방으로 편측되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 역화(Flashback)로 인한 연소기(1200)의 손상을 방지할 수 있다.
연료 공급부(1512)는 메인 튜브(1510)에 서브 튜브(1520)와 독립적으로 연료를 공급하는 바, 메인 튜브(1510)와 서브 튜브(1520)에서 분사되는 혼합 연료의 당량비가 다를 수 있다.
미리 연료와 공기를 혼합하여 버너(1220)로 공급하는 예혼합 연소 방식의 연료를 메인 튜브(1510)와 서브 튜브(1520)에 공급하는 경우, 메인 튜브(1510)에 공급된 예혼합 연료에 추가적으로 연료 공급부(1512)에 의해 연료가 공급되어 높은 당량비의 연료가 메인 튜브(1510)에서 분사될 수 있다.
서브 튜브(1520)에서 분사되는 낮은 당량비의 예혼합 연료의 연소로 연소기(1200)가 가동될 때, 낮은 당량비로 인해 형성된 화염온도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 미연연료인 UHC(Unburned Hydro-Carbon)나 일산화탄소가 발생하며 화염의 불안정성에 따라 연소 진동이 발생할 수 있다. 이때, 메인 튜브(1510)에서 높은 당량비의 연료를 추가적으로 공급하여 화염 온도나 연소 진동을 조절할 수 있다.
또한, 메인 튜브(1510)는 연소기(1200)의 초기 시동을 위해 높은 당량비의 연료를 공급하는 파일럿 버너(Pilot burner)의 역할을 할 수 있다.
날개부(1513)는 연료 공급부(1512)로부터 방사상으로 돌출되며, 일측 단부는 연료 공급부(1512)에 결합되고 타측 단부는 메인 튜브(1510)의 내주면에 접촉할 수 있다(도 4 참조). 날개부(1513)는 복수 개 형성되어 연료 공급부(1512)가 메인 튜브(1510) 상의 일정한 위치에 고정되도록 할 수 있다.
즉, 복수의 날개부(1513)가 연료 공급부(1512)에 결합되며 메인 튜브(1510)의 내주면에 접촉하는 바, 날개부(1513)는 연료 공급부(1512)가 움직이지 않도록 고정하는 고정대 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 연소 진동에도 불구하고 연료 공급부(1512)가 메인 튜브(1510)의 일정위치에서 연료를 공급하도록 하여 연료의 혼합비율을 일정하게 하여 연소 안정성을 도모할 수 있다.
날개부(1513)는 이와 같이 연소진동에도 불구하고 연료 공급부(1512)가 일정한 위치를 유지하도록 하여 연료가 메인 튜브(1510)의 일정 위치에 공급되게 할 수 있다.
날개부(1513)는 복수 개 형성되고 연료 공급부(1512)의 둘레를 따라 동일한 각도로 이격되어 배치될 수 있다. 날개부(1513)가 동일하지 않은 각도로 이격되어 배치되어 있다면, 연료 공급부(1512)에 상대적으로 날개부(1513)가 위치하지 않는 구역으로의 변위가 발생할 수 있다. 따라서 날개부(1513)는 동일한 각도로 이격 배치되어 효율적으로 연료 공급부(1512)를 메인 튜브(1510)의 일정 위치에 고정할 수 있다.
날개부(1513)는 4개가 각각 90°의 각도를 이루며 이격 배치될 수 있다(도 4 참조). 날개부(1513)의 개수가 많으면 연료 공급부(1512)를 안정적으로 고정할 수 있으나, 메인 튜브(1510)의 내부 면적(A1) 중 날개부(1513)가 차지하는 면적(A2)의 비율이 지나치게 커질 수 있다. 이에 따라, 메인 튜브(1510) 내부의 유체의 흐름에 방해가 될 수 있는 바, 날개부(1513)의 개수 및 배치는 이를 고려하여 결정될 수 있다.
날개부(1513)는 메인 튜브(1510) 내부를 유동하는 유체의 흐름을 방해하지 않기 위해 두께(T)가 얇게 형성될 수 있다. 이에 따라, 메인 튜브(1510)의 면적(A1) 중에 날개부(1513)의 면적(A2)이 차지하는 비율이 메인 튜브(1510) 내부의 유체가 원할히 유동할 수 있을 정도로 낮을 수 있다.
날개부(1513)는 복수의 날개부(1513) 모두 길이가 동일할 수 있다. 여기에서 날개부 길이(W)는 메인 튜브(1510)의 반경방향으로 연장된 길이일 수 있다. 날개부(1513)의 길이(W)가 모두 동일한 바, 연료 공급부(1512)는 메인 튜브(1510)의 중앙 위치에 고정될 수 있다. 다만, 날개부(1513)의 길이는 이에 한정되지 않고 연료 공급부(1512)가 메인 튜브(1510)의 중앙이 아닌 일방에 편측된 위치에 고정될 필요가 있는 경우, 이에 따라 복수의 날개부(1513)의 길이가 달라질 수 있다.
위와 같이 날개부(1513)의 길이가 모두 동일하여 연료 공급부(1512)가 메인 튜브(1510)의 중앙 위치에 고정되는 경우, 메인 튜브(1510) 내부의 연료가 일방으로 편측되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 역화로 인한 연소기(1200)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 메인 튜브(1510)의 중앙에 연료가 공급되어 연료와 공기의 혼합이 원활하게 이루어질 수 있다.
날개부(1513)의 길이(W)는 연료 공급부(1512)의 외주면에서부터 메인 튜브(1510)의 내주면까지의 최소 길이(L3)와 동일하거나 더 클 수 있다. 날개부 길이(W)가 연료 공급부(1512)의 외주면에서부터 메인 튜브(1510)의 내주면까지의 최소 길이(L3)보다 작다면, 날개부(1513)의 말단과 메인 튜브(1510)의 내주면 간에 이격 거리가 발생할 수 있다. 이 경우, 가스 터빈(1000)의 구동에 따른 연소진동이 발생한다면 날개부(1513)에 결합된 연료 공급부(1512)는 상기 이격 거리만큼의 변위가 발생할 수 있다.
날개부(1513)의 길이(W)는 연료 공급부(1512)가 메인 튜브(1510)의 중앙에 위치하는 경우 연료 공급부(1512)의 외주면에서부터 메인 튜브(1510)의 내주면까지의 최소 길이(L3)와 동일할 수 있다. 다만, 날개부(1513)의 길이(W)는 연료 공급부(1512)가 메인 튜브(1510)의 중앙이 아닌 일방에 편측되어 위치하는 경우, 연료 공급부(1512)의 외주면에서부터 메인 튜브(1510)의 내주면까지의 최소 길이(L3)보다 클 수 있다.
날개부(1513)의 높이(H2)는 메인 튜브(1510)의 높이(H1)보다 작을 수 있다(도 5 참조). 날개부(1513)의 높이(H2)가 메인 튜브(1510)의 높이(H1)보다 크다면 메인 튜브(1510)의 입구측이나 출구측의 메인 튜브(1510) 외부로 날개부(1513)의 일부가 돌출될 수 있다.
날개부(1513)의 일부가 메인 튜브(1510)의 입구측 외부로 돌출되는 경우 메인 튜브(1510) 내부로 유체가 유입되는 것을 방해할 수 있다. 날개부(1513)의 일부가 메인 튜브(1510)의 출구측 외부로 돌출되는 경우 실제 연료의 연소가 이루어지는 연소실(1240)에 인접하여 날개부(1513)가 위치하는 바, 고온으로 인한 날개부(1513)의 손상염려가 있을 수 있다.
또한, 날개부(1513)의 높이(H2)가 지나치게 클 경우, 복수의 날개부(1513) 사이에서 유동하는 유체의 경로방향을 제한할 수 있다. 또한, 날개부(1513)는 메인 튜브(1510) 내에서 유동하는 유체간의 충돌을 막을 수 있다. 따라서, 날개부(1513)의 높이(H2)가 지나치게 클 경우, 메인 튜브(1510)내의 유체간의 충돌로 인한 재순환(Recirculation)이 이루어지지 않고 이로 인한 공기 및 연료의 혼합이 미흡할 수 있다.
날개부(1513)는 메인 튜브(1510)의 공기 및 연료가 유출되는 출구측(O)보다 입구측(I)에 인접할 수 있다(도 5 참조). 날개부(1513)는 입구측(I)에 더 인접한 위치에 형성된 바, 날개부(1513)를 통과한 유체가 출구측(O)까지 이동하는 거리가 멀어질 수 있다. 이는 유동하는 유체의 충돌 및 혼합이 일어날 수 있는 경로가 길어짐을 의미하고 이에 따라, 공기 및 연료가 충분히 혼합될 수 있다.
날개부(1513)는 메인 튜브(1510) 내부를 유동하는 유체의 흐름을 방해하지 않도록 모서리가 완만하게 만곡된 날개형상일 수 있다(도 6 참조). 즉, 날개부(1513)의 모서리 부분을 완만하게 하여 날개부(1513)와 유체 간의 마찰을 최소화할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 공급부 및 날개부의 사시도이고, 도 8은 도 7의 날개부 형상 및 이에 따른 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)은 날개부(1513)의 형상을 제외하고는 제1 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)과 동일한 구조로 이루어지므로, 동일한 구성에 대한 중복설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 날개부(1513)는 연료 공급부(1512)의 연장 방향을 따른 날개부(1513)의 두께(T1, T2)가 연료 공급부(1512)의 입구측에 가까운 제1 위치(P1)에서보다 연료 공급부(1512)의 단부에 가까운 제2 위치(P2)에서 더 클 수 있다. 즉, 도 7과 같이 날개부(1513)의 형상은 모서리가 완만하게 만곡되며 연료 공급부(1512)의 단부에 가까운 제2 위치(P2)의 제2 두께(T2)가 제1 위치(P1)의 제1 두께(T1)보다 클 수 있다. 날개부(1513)는 유체의 흐름방향을 따라 두께(T1, T2)가 두꺼워지므로, 날개부(1513)에 인접하여 유동하는 유체의 진행방향은 날개부(1513)의 외측 방향으로 퍼질 수 있다(도 8 참조). 이에 따라, 날개부(1513) 사이를 유동하는 유체의 진행방향이 연료 공급부(1512)의 연장방향과 나란한 방향으로 제한되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 날개부(1513)에 인접하여 유동하는 유체의 진행방향이 날개부(1513)의 외측 방향으로 퍼지므로, 날개부(1513) 사이를 유동하는 유체는 상호간의 충돌이 일어날 수 있다. 날개부(1513) 사이를 유동하는 유체는 상호간 충돌로 재순환이 일어나는 바, 혼합이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 위와 같은 날개부(1513)의 형상에 따라 날개부(1513) 사이를 유동하는 유체는 경로가 제한되지 않으므로 연료 공급부(1512)의 말단에서 분사되는 연료와의 혼합이 원활하게 이루어질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급부 및 날개부를 나타낸 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)은 날개부(1513)의 위치를 제외하고는 제1 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)과 동일한 구조로 이루어지므로, 동일한 구성에 대한 중복설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 날개부(1513)는 메인 튜브(1510)의 공기 및 연료가 유입되는 입구측(I)보다 출구측(O)에 인접할 수 있다. 날개부(1513)는 출구측(O)에 더 인접한 위치에 형성된 바, 날개부(1513)를 통과한 유체가 출구측(O)까지 이동하는 거리가 가까울 수 있다. 이는 유동하는 유체의 충돌 및 혼합이 일어날 수 있는 경로가 짧아짐을 의미하고 이에 따라, 공기 및 연료가 충분히 혼합되지 않을 수 있다.
이와 같이, 메인 튜브(1510)를 통해 분사되는 공기 및 연료가 충분히 혼합되지 않은 경우, 높은 당량비의 상태로 메인 튜브(1510) 외부로 분사될 수 있다. 높은 당량비의 연료를 연소실(1240)에 공급하는 경우, 균일하게 혼합되고 낮은 당량비의 연료의 연소에 따른 낮은 화염온도를 높이고 화염 안정성 또한 높일 수 있다.
낮은 당량비의 연료가 연소되는 경우 화염온도가 낮아 미연연료가 발생할 수 있으며, 불완전한 연소에 따른 일산화탄소가 발생할 수 있다. 또한, 연료의 함량이 낮아 화염의 불안정성에 따라 연소진동이 발생할 수 있으며 이는 연소기(1200)의 전체 구조 안정성에 문제를 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 메인 튜브(1510)에서 분사되는 연료는 당량비가 높은 바, 연료의 연소 상태에 따라 연소진동이 발생하거나 미연연료가 발생하는 경우 메인 튜브(1510)에 공급되는 연료의 양을 증가시켜 이를 조절할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메인 튜브의 단면도이다.
도 10을 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)은 날개부(1513)의 개수 및 배치를 제외하고는 제1 실시예에 따른 연소기용 노즐(1230)과 동일한 구조로 이루어지므로, 동일한 구성에 대한 중복설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 날개부(1513)는 5개가 동일한 각도인 72°를 이루며 이격 배치될 수 있다. 날개부(1513)의 개수가 4개인 경우에 비해 다방향으로 연료 공급부(1512)를 고정하여, 모든 방향에 대해 보다 안정적으로 연료 공급부(1512)를 메인 튜브(1510)내 일정한 위치에 고정할 수 있다.
다만, 날개부(1513)의 개수가 많아짐에 따라 메인 튜브(1510) 내부를 유동하는 유체의 흐름에 방해가 될 수 있다. 따라서, 메인 튜브(1510)의 내부 면적 중 날개부(1513)가 차지하는 면적의 비율이 지나치게 커지지 않도록 날개부(1513)의 형상을 조절할 수 있다. 날개부(1513)의 두께(T)는 메인 튜브(1510)의 내부 면적 중 날개부(1513)가 차지하는 면적의 비율이 날개부(1513)가 4개인 경우와 동일하게 유지되도록 조절될 수 있다.
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.
1000 가스 터빈
1100 압축기
1200 연소기
1230 연소기용 노즐
1300 터빈
1500 클러스터
1510 메인 튜브
1512 연료 공급부
1513 날개부
1520 서브 튜브
1100 압축기
1200 연소기
1230 연소기용 노즐
1300 터빈
1500 클러스터
1510 메인 튜브
1512 연료 공급부
1513 날개부
1520 서브 튜브
Claims (20)
- 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 적어도 하나 이상의 클러스터를 포함하는 연소기용 노즐로서,
상기 클러스터는,
상기 공기와 상기 연료가 이동하는 메인 튜브;
상기 메인 튜브를 둘러싸도록 배치된 복수의 서브 튜브;
상기 메인 튜브 내부에 위치하여, 상기 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
상기 연료 공급부로부터 방사상으로 돌출되며, 일측 단부는 상기 연료 공급부에 결합되고 타측 단부는 상기 메인 튜브의 내주면에 접촉하는 복수의 날개부를 포함하고,
상기 복수의 날개부는 상기 연료 공급부의 둘레를 따라 동일한 각도로 이격되어 배치된 4개 또는 5개의 날개부로 구성되며,
상기 연료 공급부의 연장 방향을 따른 상기 날개부의 두께는, 상기 연료 공급부의 입구측에 가까운 제1 위치에서 일정하게 유지되고, 상기 제1 위치에서의 두께로부터 상기 연료 공급부의 단부에 가까운 제2 위치에서의 두께가 부드럽게 점점 더 커지고,
상기 날개부의 상류측 단부 모서리와 하류측 단부 모서리는 라운드지게 형성되며,
상기 날개부의 상기 연료 공급부에 결합되는 일측 단부는 하류 단부에서 인접하는 날개부의 일측 단부와 접하도록 형성되는, 연소기용 노즐. - 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 복수의 날개부는 길이가 모두 동일한, 연소기용 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 날개부는 길이가 상기 연료 공급부의 외주면에서부터 상기 메인 튜브의 내주면까지의 최소 길이와 동일하거나 더 큰, 연소기용 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 날개부는 높이가 상기 메인 튜브의 높이보다 작은, 연소기용 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 공급부가 상기 메인 튜브의 중앙에 위치하는, 연소기용 노즐. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 날개부는 상기 메인 튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유입되는 입구측보다 출구측에 인접한, 연소기용 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 날개부는 상기 메인 튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유출되는 출구측보다 입구측에 인접한, 연소기용 노즐. - 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 포함하고,
상기 연소기는 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 적어도 하나 이상의 클러스터를 포함하는 연소기용 노즐을 포함하며,
상기 클러스터는,
상기 공기와 상기 연료가 이동하는 메인 튜브;
상기 메인 튜브를 둘러싸도록 배치된 복수의 서브 튜브;
상기 메인 튜브 내부에 위치하여, 상기 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
상기 연료 공급부로부터 방사상으로 돌출되며, 일측 단부는 상기 연료 공급부에 결합되고 타측 단부는 상기 메인 튜브의 내주면에 접촉하는 복수의 날개부를 포함하고,
상기 복수의 날개부는 상기 연료 공급부의 둘레를 따라 동일한 각도로 이격되어 배치된 4개의 날개부로 구성되며,
상기 연료 공급부의 연장 방향을 따른 상기 날개부의 두께는, 상기 연료 공급부의 입구측에 가까운 제1 위치에서 일정하게 유지되고, 상기 제1 위치에서의 두께로부터 상기 연료 공급부의 단부에 가까운 제2 위치에서의 두께가 부드럽게 점점 더 커지고,
상기 날개부의 상류측 단부 모서리와 하류측 단부 모서리는 라운드지게 형성되며,
상기 날개부의 상기 연료 공급부에 결합되는 일측 단부는 하류 단부에서 인접하는 날개부의 일측 단부와 접하도록 형성되는, 가스 터빈. - 삭제
- 삭제
- 제11 항에 있어서,
상기 복수의 날개부는 길이가 모두 동일한, 가스 터빈. - 제11 항에 있어서,
상기 복수의 날개부는,
길이가 상기 연료 공급부의 외주면에서부터 상기 메인 튜브의 내주면까지의 최소 길이와 동일하거나 더 큰, 가스 터빈. - 제11 항에 있어서,
상기 복수의 날개부는 높이가 상기 메인 튜브의 높이보다 작은, 가스 터빈. - 제11 항에 있어서,
상기 연료 공급부가 상기 메인 튜브의 중앙에 위치하는, 가스 터빈. - 삭제
- 제11 항에 있어서,
상기 날개부는 상기 메인 튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유입되는 입구측 보다 출구측에 인접한, 가스 터빈. - 제11 항에 있어서,
상기 날개부는 상기 메인튜브의 상기 공기 및 상기 연료가 유출되는 출구측보다 입구측에 인접한, 가스 터빈.
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| KR1020220015720A KR102667812B1 (ko) | 2022-02-07 | 연소기용 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈 | |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220015720A KR102667812B1 (ko) | 2022-02-07 | 연소기용 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈 |
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| KR20230119505A KR20230119505A (ko) | 2023-08-16 |
| KR102667812B1 true KR102667812B1 (ko) | 2024-05-20 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101625865B1 (ko) * | 2014-01-16 | 2016-05-31 | 두산중공업 주식회사 | 멀티 노즐 가스터빈 연소기 |
| JP2019533800A (ja) * | 2016-11-01 | 2019-11-21 | ベイジン・ホアチン・ガス・タービン・アンド・アイジーシーシー・テクノロジー・カンパニー・リミテッドＢｅｉｊｉｎｇ Ｈｕａｔｓｉｎｇ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ ＆ Ｉｇｃｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ | ガスタービン用の予混合燃料ノズルの最適化方法 |
| KR102138015B1 (ko) * | 2019-05-09 | 2020-07-27 | 두산중공업 주식회사 | 버너와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 |
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR101625865B1 (ko) * | 2014-01-16 | 2016-05-31 | 두산중공업 주식회사 | 멀티 노즐 가스터빈 연소기 |
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| KR102138015B1 (ko) * | 2019-05-09 | 2020-07-27 | 두산중공업 주식회사 | 버너와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 |
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