KR20190004612A - 연료 노즐 조립체와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 연료 노즐을 구비한 연료 노즐 조립체와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체는 외부 연료 노즐의 슈라우드의 입구 상에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전체 또는 일부분에 림을 형성할 수 있다.

Description

연료 노즐 조립체와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 {Fuel nozzle assembly and combustor and gas turbine having the same}
본 발명은 복수의 연료 노즐을 구비한 연료 노즐 조립체와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관으로서, 복합화력발전과 열병합발전가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관으로서, 복합화력발전과 열병합발전 등에 이용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달하고, 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 각 연료 노즐를 구성하는 연료 노즐 조립체에 배열되어 있는 선회 베인을 통해 주입되어 연료를 혼합해서 연소시키고, 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출되면서 터빈은 회전을 하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다.
압축 공기가 연료 노즐 조립체에 유입될 때 방향 전환을 하게 되는데, 이 때 공기가 저속으로 흐르는 영역인 에어 포켓(air pocket)이 생성되어 연료 노즐내에 불균일한 공기 흐름이 발생할 수 있다. 이로 인해 공기의 유속이 낮은 영역은 진한 연료로 인해 연료 노즐 내부에 화염이 발생할 우려가 있어, 연료 노즐의 부품들의 파손을 야기할 수 있다. 또한 저속의 공기 흐름은 공기와 연료 혼합물에 국부적인 변화를 일으켜, 연소 온도를 증가시키거나 녹스(NOx)를 과도한 생성시킬 수 있다.
한국등록특허 제10-0013120호 (명칭: 가스터빈 엔진용 연소장치)
본 발명은 연료 노즐 조립체로 유입되는 공기 흐름의 균일화 하여 각각의 연료 노즐에 유입되는 공기를 균일하게 공급하는 연료 노즐 및 연료 노즐 조립체를 포함하는 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐 조립체는 내부 연료 노즐, 외부 연료 노즐을 포함한다. 내부 연료 노즐은 센터 바디와 슈라우드(shroud)를 구비한다. 센터 바디를 통해 연료가 주입된다. 슈라우드는 센터 바디와 이격되어 센터 바디를 감싼다. 외부 연료 노즐은 센터 바디 및 센터 바디와 이격되어 센터 바디를 감싸는 슈라우드를 구비한다. 외부 연료 노즐은 복수이며, 내부 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치된다. 외부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전체 또는 일부분에 림(rim)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 외부 연료 노즐 중 적어도 하나는 슈라우드 입구 전부에 림이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 내부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에 림이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림은 외부 연료 노즐의 중심에서 90 ~ 240°의 범위에서 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 림은 외측을 향해 라운드된 형상으로 일정한 곡면 반경을 갖는 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 각각의 림은 적어도 2개가 곡면 반경이 서로 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 복수의 외부 연료 노즐 중 적어도 2개는 슈라우드의 입구 반경이 서로 다를 수 있으며, 슈라우드의 입구 반경에 따라 림의 곡면 반경이 서로 다를 수 있다. 복수의 외부 연료 노즐은 입구 반경이 작은 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경이 입구 반경이 큰 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림과 내부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림은 외측을 향해 라운드된 형상으로 일정한 곡면 반경을 갖는 형상일 수 있다. 내부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경이 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경보다 더 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경은 내부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경의 1.05배 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기는 연소 챔버와 연료 노즐 조립체를 포함한다. 연소 챔버는 연소 라이너, 케이싱, 엔드 플레이트를 구비한다. 연소 라이너는 연소 챔버의 외벽을 형성한다. 케이싱은 연소 라이너와 이격되어 위치한다. 엔드 플레이트는 케이싱의 단부에서 케이싱과 결합하며, 연료 노즐 조립체 상부에 연결된다. 연료 노즐 조립체는 내부 연료 노즐은 연소 챔버에 장착되며, 내부 연료 노즐과 외부 연료 노즐을 구비한다. 내부 연료 노즐은 센터 바디와 슈라우드를 구비한다. 센터 바디를 통해 연료가 주입된다. 슈라우드는 센터 바디와 이격되어 센터 바디를 감싼다. 외부 연료 노즐은 센터 바디 및 센터 바디와 이격되어 센터 바디를 감싸는 슈라우드를 구비한다. 외부 연료 노즐은 복수이며, 내부 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치된다. 외부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전체 또는 일부분에 림(rim)이 형성된다. 내부 연료 노즐과 복수의 외부 연료 노즐의 위치에 따라 슈라우드와 엔드 플레이트의 거리가 다르게 설정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 내부 연료 노즐의 슈라우드가 외부 연료 노즐의 슈라우드보다 입구가 엔드 플레이트에 더 가깝게 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 복수의 외부 연료 노즐 중 적어도 2개는 슈라우드의 입구 반경이 서로 다르며, 복수의 외부 연료 노즐은 슈라우드의 입구 반경이 작을수록 엔드 플레이트와 상기 슈라우드의 입구 사이의 거리가 짧을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 복수의 외부 연료 노즐은 제1 외부 연료 노즐군과 제2 외부 연료 노즐군을 구비할 수 있다. 제1 외부 연료 노즐군은 슈라우드의 입구 반경이 R1이다. 제2 외부 연료 노즐군은 슈라우드의 입구 반경이 R1보다 큰 R2이다. 엔드 플레이트와 내부 연료 노즐의 슈라우드의 입구 사이의 거리가 L1, 엔드 플레이트와 제1 외부 연료 노즐군의 슈라우드의 입구 사이의 거리가 L2, 엔드 플레이트와 제2 외부 연료 노즐군의 슈라우드의 입구 사이의 거리가 L3일 때, L1 < L2 < L3일 수 있다. 다른 실시예에서 L1≤0.8L3일 수 있으며, L2≤0.9L3일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기, 가스 터빈을 포함한다. 압축기는 공기를 압축시킨다. 연소기는 압축기로부터 압축된 공기를 유입받아 연료와 혼합하여 연소시킨다. 가스 터빈은 연소기로부터 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시킨다. 연소기는 연소 챔버와 연료 노즐 조립체를 포함한다. 연료 노즐 조립체는 연소 챔버에 장착되며, 내부 연료 노즐과 외부 연료 노즐을 구비한다. 내부 연료 노즐은 센터 바디와 슈라우드를 구비한다. 센터 바디를 통해 연료가 주입된다. 슈라우드는 센터 바디와 이격되어 센터 바디를 감싼다. 외부 연료 노즐은 센터 바디 및 센터 바디와 이격되어 센터 바디를 감싸는 슈라우드를 구비한다. 외부 연료 노즐은 복수이며, 내부 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치된다. 외부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에서 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전체 또는 일부분에 림(rim)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서 연소 챔버는 연소 라이너, 케이싱, 엔드 플레이트를 구비할 수 있다. 연소 라이너는 연소 챔버의 외벽을 형성한다. 케이싱은 연소 라이너와 이격되어 위치한다. 엔드 플레이트는 케이싱의 단부에서 케이싱과 결합하며 연료 노즐 조립체 상부에 연결된다. 연료 노즐과 복수의 외부 연료 노즐의 위치 또는 슈라우드의 입구 반경에 따라 슈라우드와 엔드 플레이트의 거리가 다르게 설정될 수 있다.
본 발명은 연료 노즐 조립체로 유입되는 공기의 흐름을 균일하게 할 수 있어, 각각의 연료 노즐에 유입되는 공기를 균일하게 공급하여, 연소 챔버 내에 국부적으로 높은 연소 온도을 방지하여 NOx 저감의 효과를 증대시키고, 연료 노즐 내부에 화염이 안착되는 것을 방지하여 연소기 구성품의 손상을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전부 또는 일부분에 림이 형성된 연료 노즐 조립체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 림의 곡면 반경을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 연료 노즐의 슈라우드에 림이 형성된 연료 노즐 조립체을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 연료 노즐 조립체가 슈라우드의 입구 반경에 따라 구분되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 엔드 플레이트와 연료 노즐 조립체의 슈라우드 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 블레이드(1110)를 회전시키며, 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.
압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 연료 노즐 조립체(1220), 연소 챔버(1210), 케이싱(1211), 엔드 플레이트(1213)를 포함한다.
연소 챔버(1210)는 연소 라이너(1212), 트랜지션 피스(1217)에 형성된 공간이다. 케이싱(1211)은 연소 라이너(1212)를 둘러싸며, 일 방향으로 연장되어 형성된다. 연소 라이너(1212)는 케이싱(1211) 내부에 케이싱(1211)의 연장 방향을 따라 형성된다. 연소 라이너(1212)가 케이싱(1211)과 소정 간격으로 이격되어 배치되며, 케이싱(1211)과 연소 라이너(1212) 사이에는 환형의 유동공간(1215)이 형성된다. 엔드 플레이트(1213)는 케이싱(1211)의 단부에서 케이싱(1211)과 결합하여 케이싱(1211)을 밀봉한다. 엔드 플레이트(1213)는 연료 노즐(1221)에 연료를 공급하는 매니 폴드, 관련 밸브 등과 결합될 수 있다.
연료 노즐 조립체(1220)는 연소 라이너(1212)에 연결된다. 연료 노즐 조립체(1220)는 복수의 연료 노즐(1220a, 1220b)을 구비한다.
각 연료 노즐에서는 압축공기와 연료가 혼합된다. 연료 노즐(1220a, 1220b)은 일단이 엔드 플레이트(1213)에 의해 지지된다.
연료 노즐 조립체(1220)는 연소 챔버(1210) 내부에 장착된다. 연료 노즐 조립체(1220)는 복수의 연료 노즐(1220a, 1220b)을 구비한다. 연료 노즐(1220a, 1220b)의 수는 가스 터빈(1000)의 용량에 따라 달라질 수 있다.
각 연료 노즐(1220a, 1220b)은 센터 바디(1221)와 슈라우드(shroud, 1222), 선회 베인(1223)을 구비한다. 하나의 연소 챔버(1210)에 연료 노즐 조립체(1220)가 장착될 수 있다. 센터 바디(1221)를 통해 연소를 위한 연료가 주입된다. 연료 노즐(1221)은 일단이 엔드 플레이트(1213)에 의해 지지된다. 슈라우드(1222)는 센터 바디(1221)와 이격되어 센터 바디(1221)를 감싸는 형태이다. 슈라우드(1222)는 파이프 형태가 될 수 있으며, 바람직하게는 원형의 파이프 형태가 될 수 있다. 슈라우드(1222)의 입구로부터 슈라우드(1222)의 내부로 일정 거리 이격된 위치에서 센터 바디(1221)에 선회 베인(swirl vane, 1223)이 설치될 수 있다.
압축기(1100)에서 압축된 공기는 케이싱(1211)과 연소 라이너(1212) 사이의 유동공간(1215)을 통해 유입된다. 유동공간(1215)을 따라 이동한 압축된 공기는 케이싱(1211)의 단부에 위치한 엔드 플레이트(1213)에 도달한다. 압축된 공기는 엔드 플레이트(1213)에서 방향을 전환하여 연료 노즐 조립체(1220)의 슈라우드(1222)의 입구로 유입된다. 슈라우드(1222)로 유입된 압축된 공기는 연료 노즐(1221)을 통해 주입된 연료와 혼합되면서 연소 챔버(1210)로 이동한다. 연소 챔버(1210)에서는 점화 플러그(1216)에 의해 점화가 되어 연소가 일어난다. 이후 연소된 가스는 터빈(1300)으로 배출되어 터빈(1300)을 회전시킨다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전부 또는 일부분에 림이 형성된 연료 노즐 조립체을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 5은 본 발명의 실시예에 따른 림의 곡면 반경을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐 조립체(2000)는 내부 연료 노즐(2100)과 외부 연료 노즐(2200)을 포함한다. 본 실시예에서 외부 연료 노즐(2200)는 복수개이다.
내부 연료 노즐(2100)는 센터 바디(2110)와 슈라우드(2120)를 구비한다. 외부 연료 노즐(2200)는 센터 바디(2210)와 슈라우드(2220)를 구비한다. 외부 연료 노즐(2200)의 슈라우드(2220)는 센터 바디(2210)와 이격되어 위치하며, 센터 바디(2210)을 감싸고 있다. 내부 연료 노즐(2100)과 외부 연료 노즐(2200)에 대해서 도 1 및 도 2에서 연료 노즐로 설명한 것과 동일한 내용은 설명을 생략한다.
복수의 외부 연료 노즐(2200)에 구비된 슈라우드(2220)의 입구 반경은 동일할 수도 있고, 각각 서로 다를 수도 있다. 외부 연료 노즐(2200)은 내부 연료 노즐(2100)을 중심으로 방사상으로 배치된다.
외부 연료 노즐(2200)의 슈라우드(2220)는 입구에 림(2230)이 형성될 수 있다. 림(2230)이 형성됨으로써 외부 연료 노즐(2200)로 유입되는 공기 유동의 균일성이 개선된다.
본 실시예에서 림(2230)은, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 외부 연료 노즐(2200)의 슈라우드(2220)의 입구 일부에 형성되거나, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 외부 연료 노즐(2200)의 슈라우드(2220)의 입구 전체에 형성될 수 있다. 또는 외부 연료 노즐(2200)의 슈라우드(2220)에 의해 형성되는 외주연(OC)의 전부 또는 일부분에 형성된다. 여기서 외부 연료 노즐(22200)의 슈라우드(2220)에 의해 형성되는 외주연(OC)이란, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 외부 연료 노즐(2200)의 슈라우드(2220)가 모여서 형성하는 부분 중 외부로 노출되는 부분이다.
외주연(OC)의 전부 또는 일부분에 림(2230)이 형성되는 경우, 림(2230)이 형성되는 각도(θ)는 하나의 외부 연료 노즐(2200)를 기준으로 외부 연료 노즐(2200)의 중심에서 90 ~ 240°의 범위에서 형성될 수 있다. 림(2230)이 형성되는 각도(θ)는 외부 연료 노즐(2200)의 개수에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이, 림(2230)이 슈라우드(2220)의 입구 전체가 아닌 외주연(OC)의 전부 또는 일부분에 형성되면, 슈라우드(2220)의 입구 전체에 형성된 것과 같이 공기 유동의 균일성을 좋게 하면서도 연료 노즐 조립체의 조립과 해체를 용이하게 할 수 있다. 따라서 연료 노즐 조립체를 수리하거나 부품을 교체하는 경우 작업을 편리하게 할 수 있다.
본 실시예에서 림(2230)은, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 외측을 향해 라운드된 형상으로 일정한 곡면 반경(Ra)을 갖는 형상일 수 있다. 다른 실시예에서 림(2230)은, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 외측을 향해 라운드된 형상으로 단면이 일정한 곡면 반경(Rb)을 갖는 원형인 고리 형상이 될 수 있다. 복수의 외부 연료 노즐(2200) 중 적어도 2개는 각각 림(2230)의 곡면 반경이 서로 다르게 형성될 수 있다.
복수의 외부 연료 노즐(2200) 중 적어도 2개는 슈라우드(2230)의 입구 반경(IR)이 서로 다를 수 있다. 이는 센터 바디(2210)의 크기나 각 외부 연료 노즐(2200)에서 제어하는 공기의 양이 달라질 수 있기 때문이다. 이 경우 각 외부 연료 노즐(2200)는 슈라우드(2230)의 입구 반경(IR)에 따라 림(2230)의 곡면 반경이 달라질 수 있다. 이는 슈라우드(2230)의 입구 반경(IR)에 따라 유입되는 공기의 양이 달라지므로, 공기의 유동의 균일성을 개선하기 위해서는 림(2230)의 곡면 반경이 달라질 필요가 있기 때문이다. 바람직하게는 입구 반경(IR)이 작은 슈라우드(2220)에 형성된 림(2230)의 곡면 반경이 입구 반경(IR)이 큰 슈라우드(2220)에 형성된 림(2230)의 곡면 반경보다 크다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 연료 노즐의 슈라우드에 림이 형성된 연료 노즐 조립체를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐 조립체(3000)는 내부 연료 노즐(3100)과 외부 연료 노즐(3200)를 포함한다. 내부 연료 노즐(3100)과 외부 연료 노즐(3200)와 관련해서, 도 3 내지 도 5에서 설명한 것과 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
내부 연료 노즐(3100)의 슈라우드(3120)는 입구에 림(3130)이 형성될 수 있다. 내부 연료 노즐(3100)는 복수의 외부 연료 노즐(3200)의 중심에 위치하므로, 외부 연료 노즐(3200)와 비교할 때 공기의 유동이 비교적 균일한 편이다. 따라서 슈라우드(3120)의 입구에 림(3130)이 형성될 필요성이 외부 연료 노즐(2200)보다 적기는 하지만, 림(3130)이 형성되는 경우 공기 유동의 균일성을 개선할 수 있다.
내부 연료 노즐(3100)의 슈라우드(3120)에 형성된 림(3130)도 외측을 향해 라운드된 형상으로 일정한 곡면 반경을 갖는 형상일 수 있다. 다른 실시예에서 림(3130)은 단면이 일정한 곡면 반경을 갖는 원형인 고리 형상일 수 있다.
본 실시예에서 내부 연료 노즐(3100)에 형성된 림(3130)의 곡면 반경이 외부 연료 노즐(3200)에 형성된 림(3230)의 곡면 반경보다 더 작다. 이는 내부 연료 노즐(3100)의 위치가 외부 연료 노즐(3200)의 위치보다 공기의 유동이 비교적 균일한 편이므로, 림(3130)의 곡면 반경이 작아도 공기 유동을 균일하게 하는데 문제가 없기 때문이다. 바람직하게는 외부 연료 노즐(3200)에 형성된 림(3230)의 곡면 반경은 내부 연료 노즐(3100)에 형성된 림(3130)의 곡면 반경의 1.05배 이상으로 한다. 내부 연료 노즐(3100)의 림(2130)의 반경을 작게 하면, 공간 효율성이 개선되며 연료 노즐 조립체(3000)의 조립과 해체를 용이하게 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 연료 노즐 조립체가 슈라우드의 입구 반경에 따라 구분되는 것을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 엔드 플레이트와 연료 노즐 조립체의 슈라우드 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기(4000)는 연료 노즐 조립체(4200), 연소 라이너(4112), 그리고 이 두 구성품에 둘러 싸인 연소 챔버(4100)를 포함한다. 연소기(4000)와 관련해서 도 1 및 2에서 설명한 것과 중복되는 내용은 설명을 생략한다.
연료 노즐 조립체(4200)는 내부 연료 노즐(4210)와 복수의 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)를 구비한다. 엔드 플레이트(4130)는 내부 연료 노즐(4210)의 센터 바디(4211)와 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)의 센터 바디(4221a, 4221b)를 지지한다.
본 실시예에서는 내부 연료 노즐(4210)와 복수의 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)의 위치에 따라 슈라우드(4212, 4222a, 4222b)와 엔드 플레이트(4130)의 거리가 다르게 설정될 수 있다. 일 실시예에서는 내부 연료 노즐(4210)의 슈라우드(4212)가 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)의 슈라우드(4222a, 4222b)보다 입구가 엔드 플레이트(4130)에 더 가깝게 위치한다. 이와 같이, 내부 연료 노즐(4210)와 복수의 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)의 위치에 따라서 엔드 플레이트(4130) 사이의 거리를 다르게 설정하면, 공기 흐름의 균일성을 향상시킬 수 있으며 내부 및 외주 연료 노즐(4210, 4220a, 4220b) 내부에서 에어 포켓이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예에서는 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)의 슈라우드(4222a, 4222b)의 입구 반경이 서로 다를 수 있다. 이 경우 슈라우드(4222a, 4222b)의 입구 반경이 작을수록 엔드 플레이트(4130)와 슈라우드(4222a, 4222b)의 입구 사이의 거리가 짧다.
또 다른 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 외부 연료 노즐(4220a, 4220b)는 슈라우드(4222a, 4222b)의 입구 반경이 R1인 제1 외부 연료 노즐군(4222a-1)과 입구 반경이 R2인 제2 외부 연료 노즐군(4222b-1)을 구비할 수 있다. R2가 R1보다 더 크다. 제1 외부 연료 노즐군(4222a-1)은 제2 외부 연료 노즐군(4222b-1)보다 엔드 플레이트(4130)와의 거리가 짧다. 본 실시예에서 입구 반경이 R1, R2 두가지이지만, 이에 한정되지 않고 셋 이상의 입구 반경으로 구분될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(4130)와 내부 연료 노즐(4210)의 슈라우드(4212)의 입구 사이의 거리를 L1이라 하고, 엔드 플레이트(4130)와 제1 외부 연료 노즐군(4220a-1)의 슈라우드의 입구 사이의 거리를 L2라 하고, 엔드 플레이트(4130)와 제2 외부 연료 노즐군(4220b-1)의 슈라우드의 입구 사이의 거리를 L3라 하면, L1 < L2 < L3 이 된다. 다른 실시예에서 L1≤0.8L3 일 수 있다. 또 다른 실시예에서 L2≤0.9L3 일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 슈라우드의 입구에 형성된 림의 위치 및/또는 곡면 반경을 조절하고, 내부 연료 노즐과 복수의 외부 연료 노즐의 위치 및/또는 슈라우드의 입구 반경에 따라 슈라우드와 엔드 플레이트의 거리를 다르게 설정함으로써, 연료 노즐 조립체로 유입되는 공기의 흐름을 균일하며 연료 노즐 조립체의 조립과 해체를 용이하게 할 수 있다. 또한 본 실시예에서는 가스 터빈에 적용되는 것을 예시로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 연료를 연소시키는 다른 장치에도 적용이 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000 : 가스터빈 1100: 압축기
1100 : 블레이드 1200, 4000 : 연소기
1210, 4100 : 연소 챔버 1211 : 케이싱
1212, 4112 : 연소 라이너 1213, 4130 : 엔드 플레이트
1215 : 유동공간 1216 : 점화 플러그
1220, 2000, 3000, 4200 : 연료 노즐 조립체
1220a, 1220b : 연료 노즐 1221, 2110, 2210 : 센터 바디
1222, 2120, 2220, 4212, 4222a, 4222b : 슈라우드
1223 : 선회 베인 1300 : 터빈
2100, 3100, 4210 : 내부 연료 노즐
2200, 3200, 4220a, 4220b : 외부 연료 노즐
2230, 3130 : 림

Claims (19)

  1. 연료 주입을 위한 센터 바디와 상기 센터 바디와 이격되어 상기 센터 바디를 감싸는 슈라우드(shroud)를 구비하는 내부 연료 노즐; 및
    연료 주입을 위한 센터 바디와 상기 센터 바디와 이격되어 상기 센터 바디를 감싸는 슈라우드(shroud)를 구비하며, 상기 내부 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 외부 연료 노즐을 포함하며,
    상기 외부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에서 상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전부 또는 일부분에 림(rim)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 연료 노즐 중 적어도 하나는 슈라우드 입구 전부에 림이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에 림이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림은 상기 외부 연료 노즐의 중심에서 90 ~ 240°의 범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 림은 외측을 향해 라운드된 형상으로 일정한 곡면 반경을 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 림은 적어도 2개가 곡면 반경이 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 외부 연료 노즐 중 적어도 2개는 상기 슈라우드의 입구 반경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 외부 연료 노즐은 슈라우드의 입구 반경에 따라 상기 림의 곡면 반경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 외부 연료 노즐은 입구 반경이 작은 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경이 입구 반경이 큰 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림과 상기 내부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림은 외측을 향해 라운드된 형상으로 일정한 곡면 반경을 갖는 형상이고,
    상기 내부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경이 상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경보다 더 작은 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경은 상기 내부 연료 노즐의 슈라우드에 형성된 림의 곡면 반경의 1.05배 이상인 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  12. 연소 챔버 및 상기 연소 챔버에 장착된 연료 노즐 조립체를 포함하는 연소기로서,
    상기 연소 챔버는
    외벽을 형성하는 연소 라이너와,
    상기 연소 라이너와 이격되어 위치하는 케이싱과,
    상기 케이싱의 단부에서 상기 케이싱과 결합하며 상기 연료 노즐 조립체 상부에 연결된 엔드 플레이트를 구비하며,
    상기 연료 노즐 조립체는,
    연료 주입을 위한 센터 바디와 상기 센터 바디와 이격되어 상기 연료 노즐을 감싸는 슈라우드(shroud)를 구비하는 내부 연료 노즐과,
    연료 주입을 위한 센터 바디와 상기 센터 바디와 이격되어 상기 센터 바디를을 감싸는 슈라우드(shroud)를 구비하며, 상기 내부 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 외부 연료 노즐을 구비하며,
    상기 외부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에서 상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전체 또는 일부분에 림(rim)이 형성되며,
    상기 내부 연료 노즐과 상기 복수의 외부 연료 노즐의 위치 또는 슈라우드의 입구 반경에 따라 상기 슈라우드와 상기 엔드 플레이트의 거리가 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내부 연료 노즐의 슈라우드가 상기 외부 연료 노즐의 슈라우드보다 입구가 상기 엔드 플레이트에 더 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 외부 연료 노즐 중 적어도 2개는 슈라우드의 입구 반경이 서로 다르며,
    상기 복수의 외부 연료 노즐은 상기 슈라우드의 입구 반경이 작을수록 상기 엔드 플레이트와 상기 슈라우드의 입구 사이의 거리가 짧은 것을 특징으로 하는 연소기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 외부 연료 노즐은 슈라우드의 입구 반경이 R1인 제1 외부 연료 노즐군과 슈라우드의 입구 반경이 R1보다 큰 R2인 제2 외부 연료 노즐군을 구비하며,
    상기 엔드 플레이트와 상기 내부 연료 노즐의 슈라우드의 입구 사이의 거리가 L1, 상기 엔드 플레이트와 상기 제1 외부 연료 노즐군의 슈라우드의 입구 사이의 거리가 L2, 상기 엔드 플레이트와 상기 제2 외부 연료 노즐군의 슈라우드의 입구 사이의 거리가 L3일 때,
    L1 < L2 < L3 인 것을 특징으로 하는 연소기.
  16. 제15항에 있어서,
    L1≤0.8L3 인 것을 특징으로 하는 연소기.
  17. 제15항에 있어서,
    L2≤0.9L3 인 것을 특징으로 하는 연소기.
  18. 공기를 압축시키기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기를 유입받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 터빈을 포함하는 가스 터빈으로,
    상기 연소기는 연소 챔버와 상기 연소 챔버 내부에 장착된 연료 노즐 조립체를 구비하며,
    상기 연료 노즐 조립체는
    상기 연료를 주입하기 위한 센터 바디와 상기 센터 바디와 이격되어 상기 연료 노즐을 감싸는 슈라우드(shroud)를 구비하는 내부 연료 노즐과,
    상기 연료를 주입하기 위한 센터 바디와 상기 센터 바디와 이격되어 상기 센터 바디를 감싸는 슈라우드(shroud)를 구비하며 상기 내부 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 외부 연료 노즐을 구비하고,
    상기 외부 연료 노즐의 슈라우드는 입구에서 상기 외부 연료 노즐의 슈라우드에 의해 형성되는 외주연의 전부 또는 일부분에 림(rim)이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연소 챔버는
    외벽을 형성하는 연소 라이너와,
    상기 연소 라이너와 이격되어 위치하는 케이싱과,
    상기 케이싱의 단부에서 상기 케이싱과 결합하며, 상기 연료 노즐 조립체 상부에 연결된 엔드 플레이트를 구비하며,
    상기 내부 연료 노즐과 상기 복수의 외부 연료 노즐의 위치 또는 슈라우드의 입구 반경에 따라 슈라우드와 상기 엔드 플레이트의 거리가 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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