KR20190004613A - 터닝 가이드, 연료 노즐, 연료 노즐 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

터닝 가이드, 연료 노즐, 연료 노즐 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터닝 가이드, 연료 노즐, 연료 노즐 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 연료 노즐에 있어 공기 유입구에 터닝 가이드를 장착하여 유입되는 압축 공기의 흐름을 분배하여 공기의 흐름을 균일하게 하고 에어 포켓의 형성을 억제한다.
본 발명에 따르면 연소실로 향하는 압축 공기를 균일하게 공급하고, 에어 포켓이 형성되는 것을 최소화할 수 있다.

Description

터닝 가이드, 연료 노즐, 연료 노즐 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈 {Turning guide, fuel nozzle, fuel nozzle assembly and gas turbine having the same}
본 발명은 터닝 가이드, 터닝 가이드를 구비한 연료 노즐, 연료 노즐 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 압축기에서 나온 압축공기와 연료가 연소되어 고온가스가 발생하고 그 고온가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관으로서, 복합화력발전과 열병합발전 등에 이용된다.
가스 터빈 엔진은 크게 압축기, 연소기 및 터빈으로 구분할 수 있다. 압축기는 터빈의 회전으로부터 생성된 동력의 일부를 전달받아서 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 역할을 하게 되며, 압축된 공기는 연소기 측으로 전달된다.
연소기는 압축 공기와 연료를 혼합 및 연소시켜 고온의 연소가스 흐름을 생성시키고 이를 터빈 측으로 분사하며, 분사된 연소가스는 터빈을 회전시켜 회전력을 얻을 수 있도록 한다.
압축기로부터 압축된 공기가 연소기로 유입되고, 연료는 각 연료 노즐에 배열되어 있는 선회 베인을 통해 주입되어 공기와 혼합된다. 연료와 공기의 혼합물은 각 연료 노즐 조립체의 하류 방향에 위치한 연소 챔버에서 연소하고, 연소 가스는 터빈으로 이어지는 유로로 배출된다.
압축 공기가 연료 노즐 조립체에 유입될 때 방향 전환을 하게 되는데, 이 때 공기가 저속으로 흐르는 영역인 에어 포켓(air pocket)이 생성되어 불균일한 공기 흐름이 발생할 수 있다.
공기의 유속이 일정하게 유지되어야 연료 노즐 내에 공기가 균일하게 공급되고, 공기와 연료가 균일하게 혼합되어 균일하게 연소 가스를 제공하고 안정적으로 연소할 수 있다. 공기의 유속이 낮은 영역은 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.
한국공개특허 제2014-0082659호(2014. 07. 02.)
본 발명의 목적은 압축 공기가 연료 노즐에 공급될 때 공기의 흐름을 균일하게 하여 에어 포켓이 발생하는 것을 방지하는 것이다.
본 발명의 목적은 연료 노즐 내에 공기가 균일하게 공급되게 하여, 연소 가스를 안정적으로 연소시키고 질산화물을 저감시키는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은 연료 노즐 센터 바디, 슈라우드, 림, 터닝 가이드를 포함한다. 연료 노즐 센터 바디는 연료 노즐의 중심에 위치한다. 슈라우드는 연료 노즐 센터 바디와 동심축이며, 연료 노즐 센터 바디 외측으로 연료 노즐 센터 바디와 이격되어 위치한다. 림은 슈라우드의 끝단과 결합하며, 공기 유입구를 형성한다. 터닝 가이드는 공기 유입구의 일부 영역에 원주 방향으로 형성되며, 터닝 세퍼레이터를 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은 적어도 하나의 이너 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 이너 세퍼레이터는 일단이 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 터닝 세퍼레이터의 내측 반경 방향으로 연장된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은 적어도 하나의 아우터 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다. 아우터 세퍼레이터는 일단이 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 터닝 세퍼레이터의 외측 반경 방향으로 연장된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 세퍼레이터의 중심각은 40~240°일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 이너 세퍼레이터의 하단 길이와 아우터 세퍼레이터의 하단의 길이비는 4:1 내지 1:1일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은 터닝 세퍼레이터에 개구가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은 터닝 세퍼레이터, 이너 세퍼레이터, 아우터 세퍼레이터 중 적어도 하나에 개구가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 세퍼레이터, 이너 세퍼레이터, 아우터 세퍼레이터 중 적어도 하나에 형성된 복수의 개구는 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 이너 세퍼레이터는 유선형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 아우터 세퍼레이터는 유선형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 아우터 세퍼레이터는 원주 방향 기준으로 -10~10° 범위에서 꺾여 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 세퍼레이터는 하부 영역이 연료 노즐 센터 바디 방향 또는 슈라우드 방향으로 기울어져 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은 복수의 선회 베인을 더 포함할 수 있다. 터닝 가이드의 하단은 복수의 선회 베인의 상단과 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터닝 가이드는 연료 노즐 센터 바디, 연료 노즐 센터 바디를 이격하여 감싸는 슈라우드, 슈라우드의 끝단과 결합하며 공기 유입구를 형성하는 림을 포함하는 연료 노즐 조립체에 장착될 수 있다. 터닝 가이드는 터닝 세퍼레이터를 포함한다. 터닝 세퍼레이터는 공기 유입구의 원주 방향을 따라 형성되며, 하부 영역은 슈라우드의 내면벽과 대향하고, 상부 영역은 림의 외면과 대향한다.
본 발명의 실시예에 따른 터닝 가이드는 적어도 하나의 이너 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다. 이너 세퍼레이터는 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며 터닝 세퍼레이터의 내측 반경 방향으로 연장된다.
본 발명의 실시예에 따른 터닝 가이드는 적어도 하나의 아우터 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다. 아우터 세퍼레이터는 일단이 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 터닝 세퍼레이터의 외측 반경 방향으로 연장된다.
본 발명의 실시예에 따른 터닝 가이드에서 터닝 세퍼레이터의 중심각은 40~240°일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터닝 가이드에서 이너 세퍼레이터의 하단 길이와 아우터 세퍼레이터의 하단의 길이비는 4:1 내지 1:1 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터닝 가이드에서 터닝 세퍼레이터, 이너 세퍼레이터, 아우터 세퍼레이터 중 적어도 하나에 개구가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐 조립체는 적어도 하나의 연료 노즐을 포함한다. 연료 노즐은 연료 노즐 센터 바디, 슈라우드, 림, 터닝 가이드를 포함한다. 연료 노즐 센터 바디는 연료 노즐의 중심에 위치한다. 슈라우드는 연료 노즐 센터 바디와 동심축이며, 연료 노즐 센터 바디 외측으로 연료 노즐 센터 바디와 이격되어 위치한다. 림은 슈라우드의 끝단과 결합하며, 공기 유입구를 형성한다. 터닝 가이드는 공기 유입구의 일부 영역에 형성되는 터닝 세퍼레이터를 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 공기를 압축시킨다. 연소기는 압축기로부터 압축된 공기를 유입받아 연료와 혼합하여 연소시킨다. 터빈은 연소기로부터 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시킨다. 연소기는 연소 챔버와 연소 챔버 내부에 장착된 연료 노즐 조립체를 포함한다. 연료 노즐 조립체는 복수 개의 연료 노즐을 구비한다. 연료 노즐은 연료 노즐 센터 바디, 연료 노즐 센터 바디와 동축이며 연료 노즐 센터 바디 외측으로 연료 노즐 센터 바디와 이격되어 위치하는 슈라우드, 슈라우드의 끝단과 결합하며 공기 유입구를 형성하는 림, 공기 유입구의 일부 영역에 형성되는 터닝 가이드를 포함한다.
본 발명에 따르면 압축 공기가 연료 노즐 조립체에 유입될 때 공기의 흐름을 균일하게 할 수 있어 에어 포켓이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면 연료 노즐에 압축 공기가 균일하게 공급되기 때문에 가스를 안정적으로 연소시킬 수 있고 이에 따라 질산화물의 생성이 저감될 수 있다. 또한 연소 온도의 국부적인 증가에 의해 연료 노즐 내부에 화염의 발생, 연료 노즐의 부품의 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체를 포함하는 가스 터빈 엔진을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체를 개략적으로 나타내는 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 공기 유입구를 통해 유입되는 공기의 흐름이 분배되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드를 나타내는 사시도이고, 도 6의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 절단선 CL - CL 을 따른 단면을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 세퍼레이터를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 이너 세퍼레이터를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 아우터 세퍼레이터를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드에 개구가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 이너 세퍼레이터 및 아우터 세퍼레이터가 곡면으로 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 터닝 가이드에서 개구가 사선으로 형성된 것을 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 연료 노즐 조립체를 포함하는 가스 터빈 엔진을 개략적으로 나타내는 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 조립체를 개략적으로 나타내는 횡단면도이다.
가스 터빈 엔진(1)은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(10), 압축 공기와 연료를 혼합 및 연소하는 연소기(20) 및 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(30)으로 구분할 수 있다.
연소기(20)는 연료 노즐 조립체(100')를 포함하는데, 연료 노즐 조립체(100')는 케이싱(210), 캡 슬리브(220), 엔드 플레이트(230), 복수 개의 연료 노즐(100)을 포함할 수 있다.
케이싱(210)은 연료 노즐 조립체(100')의 외벽을 이루며, 내부 공간을 구비하여 일 방향으로 연장 형성된다. 케이싱(210)은 일반적으로는 원통형으로 형성되며, 본 발명의 실시예에서도 원통형의 케이싱(210)을 예시로 한다.
캡 슬리브(220)는 케이싱(210) 내부에 배치되며 케이싱(210)의 연장 방향을 따라 형성되는데, 케이싱(210) 내벽면과 소정 간격으로 이격되어 배치되어 케이싱 내벽 사이에 환형으로 환형 덕트(240)를 형성한다. 캡 슬리브(220) 역시 일반적으로 원통형 혹은 테이퍼 원통형으로 형성되며, 본 발명의 실시예에서도 원통형 혹은 테이퍼 원통형의 캡 슬리브(220)를 예시로 한다.
엔드 플레이트(230)는 케이싱(210)의 단부에서 케이싱(210)과 결합하여 케이싱(210)을 밀봉하는데, 연료 노즐 센터 바디(110)에 연료를 공급하는 매니 폴드, 관련 밸브 등과 결합될 수 있다. 또한 엔드 플레이트(230)는 케이싱(210) 내에 배열되는 연료 노즐(100)을 지지한다.
공기는 압축기(10)에서 압축되어 케이싱(210)과 캡 슬리브(220) 사이의 유로(240)를 통해 유입된다. 압축 공기는 환형 덕트(240)를 따라 이동하여 케이싱(210) 단부에 배치된 엔드 플레이트(230)에 도달한다. 이 때 압축 공기는 ????반대 방향으로 U턴하여 각 연료 노즐(100)에 유입된다. 압축 공기가 각 연료 노즐(100)에 들어가기 위해 방향 전환을 할 때, 공기 흐름이 느려지면서 에어 포켓이 생성될 수 있기 때문에 이를 방지하는 것이 필요하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 나타내는 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료 노즐 조립체(100')는 복수개의 연료 노즐(100)의 배열로 구성되며, 일반적으로 하나의 연료 노즐을 중심으로 복수개의 연료 노즐이 방사상으로 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료 노즐(100)은 연료 노즐 센터 바디(110), 슈라우드(120), 림(130), 터닝 가이드(140)를 포함한다. 연료 노즐 센터 바디(110)를 통하여 연료가 유입된다. 연료(FF)는 연료 공급부에서 공급되어 연료 노즐 센터 바디(110) 및 선회 베인(swirl vane, 124)을 통해 연소 챔버(250)로 분사된 후 연소 라이너(260) 안에 형성된 연소 챔버(250) 안에서 연소된다. 고온의 연소 가스에 노출된 연소 라이너(26)는 유로(240)를 통해 유입된 상대적으로 차가운 압축공기에 의해 냉각된다. 연료 노즐 센터 바디(110)는 일반적으로 원통형으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에서는 원통형의 연료 노즐 센터 바디(110)를 예시로 한다.
슈라우드(120)는 연료 노즐 센터 바디(110)와 동심축을 갖는다. 슈라우드(120)는 연료 노즐 센터 바디(110)와 이격되어, 연료 노즐 센터 바디(110)를 둘러싸도록 형성된다. 슈라우드(120)는 연료 노즐 센터 바디(110)의 연장 방향을 따라 연장된다. 연료 노즐 센터 바디(110)와 슈라우드(120)가 형성하는 공간으로 공기가 유동하게 된다. 슈라우드(120)의 형상은 어떠한 형상이어도 무방하나, 본 실시예에서 슈라우드(120)는 연료 노즐 센터 바디(110)와 동심축을 갖는 원통형을 갖는다. 이 경우, 연료 노즐 센터 바디(110)와 슈라우드(120)에 의해 형성되는 유로(122)의 단면은 환상(環狀)으로 형성될 수 있다.
림(130)은 슈라우드(120)의 입구와 연결되며 그 입구의 외주연을 따라 형성되어 유로(122)로 공기를 안내하는 역할을 수행한다. 림(130)은 압축 공기가 방향 전환을 하면서 원활하게 연료 노즐(100)에 들어가게 하기 위해 원주 방향으로 볼록한 곡면을 가질 수 있다. 연료 노즐 센터 바디(110)와 슈라우드(120)가 원통형으로 형성되는 경우, 림(130) 역시 환상으로 형성된다. 림(130)에 의해 공기 유입구(131)가 형성되며, 공기 유입구(131)를 통해 압축 공기가 유입된다.
공기 유입구(131)의 일부 영역에 터닝 가이드(140)가 배치된다. 터닝 가이드(140)는 공기 유입구(131)로 유입되는 공기의 흐름을 분배하는 역할을 한다. 터닝 가이드(140)는 슈라우드(120) 및 림(130)과 이격되어 배치된다. 터닝 가이드(140)는 별도의 리브(미도시)를 통해 연료 노즐 센터 바디(110), 림(130) 또는 슈라우드(120)에 고정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 공기 유입구를 통해 유입되는 공기의 흐름이 분배되는 것을 나타내는 도면이고, 도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드를 나타내는 사시도이고, 도 6의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 절단선 CL - CL 을 따른 단면을 나타내는 단면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 세퍼레이터를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 이너 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 아우터 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, 도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드를 나타내는 도면이다.
터닝 가이드(140)에 의해 공기 유입구(131)에 도달한 압축 공기가 분배 유입된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 압축 공기가 연료 노즐 조립체(100)의 유로(122)로 유입될 때, 터닝 가이드(140)에 의해 림(130)과 터닝 가이드(140) 사이의 이격 공간(AF2)과, 터닝 가이드(140)와 연료 노즐 센터 바디(110) 사이의 이격 공간(AF3)으로 나누어서 유입될 수 있다.
AF2 및 AF3로 각각 유입되는 공기의 유동은 터닝 가이드(140)가 유입되는 공기의 흐름을 분배하면서, 림(130)과 터닝 가이드(140) 사이의 이격 공간 AF2에 큰 공기 유동 모멘텀으로 인해 슈라우드(120) 내부에 형성되기 쉬운 에어 포켓이 억제된다.
연료 노즐 센터 바디(110)의 외주면에는 복수의 선회 베인(124)이 소정 간격 이격되어 배치되어 있다. 터닝 가이드(140)는 복수의 선회 베인(124)과 간섭하지 않도록 이격되어 위치된다. 구체적으로, 터닝 가이드(140)의 하단과 선회 베인(124)의 상단은 소정 간격 이격된다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 터닝 가이드(140)는 터닝 세퍼레이터(142)를 포함한다. 터닝 세퍼레이터(142)는 슈라우드(120) 및 림(130)과 소정 간격으로 이격되어 배치되며, 곡면을 갖는 판상으로 형성된다.
구체적으로 터닝 세퍼레이터(142)는 슈라우드(120) 내벽면과 대향하는 하부 영역(1421)과 림(130)의 외면과 대향하는 상부 영역(1422)으로 구분할 수 있다. 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)은 연료 노즐 센터 바디(110) 및 슈라우드(120)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되고, 공기 유동 방향 하류에 위치한 선회 베인(124)과는 이격되며, 슈라우드(120) 내벽면과 평행하게 배치될 수 있다.
터닝 세퍼레이터(142)의 상부 영역(1422)은 하부 영역(1421)으로부터 림(130)의 외면을 따라 곡면으로 연장된다. 터닝 세퍼레이터(142)의 상부 영역(1422)은 하부 영역(1421)과 연결된 지점부터 만곡되어 볼록한 곡면을 가지며, 림(130)의 일부분을 이격하여 감쌀 수 있다. 이 때, 터닝 세퍼레이터(142)의 상부 영역(1422)은 림(130)과 대향하는 면이 림(130)의 외면과 일정한 간격을 형성하도록 림(130)을 감쌀 수 있다. 본 실시예에서 터닝 세퍼레이터(142)의 상단부는 원호형이나, 이에 한정하지는 않으며 다양한 형상으로 변형이 가능하다.
한편, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)의 길이(l1)는 상부 영역(1422)의 수직 성분 길이(l2)와 같거나 더 길게 형성될 수 있다. 압축 공기는 유로를 따라 이동하다 엔드 플레이트(230)에 도달하면, 유동하던 반대 방향으로 U턴하여 연료 노즐(100)에 유입된다. 터닝 세퍼레이터(142)와 림(130) 사이의 공간으로 압축 공기가 유입되고, 터닝 세퍼레이터(142)를 통과한 압축 공기는 다시 슈라우드(120) 및 연료 노즐 센터 바디(110)가 형성하는 유로(122)로 흐르게 되는데, 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)의 길이(l1)가 짧으면 터닝 세퍼레이터의 공기 흐름 분배 효과가 약해질 수 있다. 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)의 길이(l1)를 최소한 터닝 세퍼레이터(142)의 상부 영역(1421)의 길이(l2)보다 길게 하여 터닝 세퍼레이터(142)와 림(130) 사이로 유입되는 공기의 흐름 분배 효과를 극대화시킬 수 있다.
한편, 공기 유입구(131)에서 터닝 세퍼레이터(142)가 형성되는 범위는 도 7에 도시된 바와 같이, 연료 노즐 센터 바디(110)의 축(x)을 중심으로 40~240°이며, 바람직하게는 60~140°의 범위일 수 있다. 터닝 세퍼레이터(142)에 의해 압축 공기의 흐름이 분할되는데, 터닝 세퍼레이터(142)가 형성되는 영역이 40° 미만이면 터닝 세퍼레이터(142)에 의해 분할 유입되는 공기의 양이 적어, 공기 흐름 분할 효과가 약해진다. 한편, 터닝 세퍼레이터(142)의 형성 각도가 240°가 넘으면, 복수의 연료 노즐(100)이 환형으로 배치되어 있는 연료 노즐 조립체(100')에 있어 이웃하는 연료 노즐(100)에 부착된 터닝 가이드(140) 간에 공기 유동에 간섭이 생겨 바람직하지 않다.
연료 노즐 조립체(100')에 있어 복수의 연료 노즐(100)은 하나의 연료 노즐을 중심으로 방사상으로 배치되는데, 각각의 터닝 가이드(140)는 이웃하는 연료 노즐(100)에 대한 간섭을 최소화하기 위해, 연료 노즐(100)에 있어 최외곽에 각각 장착될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 터닝 가이드(140)는 이너 세퍼레이터(144)를 더 포함할 수 있다. 이너 세퍼레이터(144)는 터닝 세퍼레이터(142)의 원주 방향의 측 단부에 하나 또는 한 쌍이 배치되는데, 터닝 세퍼레이터(142)의 내측 반경 방향으로 연장될 수 있다. 이너 세퍼레이터(144)는 터닝 세퍼레이터(142)의 원주 방향의 한쪽 또는 양단부와 연료 노즐 센터 바디(110)의 외면을 연결하는 판상으로 형성될 수 있다. 이너 세퍼레이터(144)는 터닝 세터레이터(142)와 연료 노즐 사이의 공간으로 유입된 공기가 터닝 가이드(140) 원주방향의 내측 및 외측으로 유동하는 것을 차단하여 공기 흐름을 보다 균일하게 유지할 수 있다.
이너 세퍼레이터(144)는 연료 노즐 센터 바디(110)의 외면에 밀착되거나, 약간의 틈이 형성되도록 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 이너 세퍼레이터(144)가 터닝 세퍼레이터(142)의 양 측단부에 연결되나, 이에 한정하지 않으며 이너 세퍼레이터(144)가 터닝 세퍼레이터(142)의 한쪽 단부에만 연결되거나, 터닝 세퍼레이터(142)의 측단부가 아닌 원주 방향의 일 영역에 연결될 수도 있다.
압축 공기가 연료 노즐 조립체(100)의 유로(122)로 유입될 때, 터닝 세퍼레이터(142) 외에도 이너 세퍼레이터(144)에 의해서도 공기가 분할되어 유로(122)로 유입될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 이너 세퍼레이터(144) 대신 아우터 세퍼레이터(146)와 터닝 세퍼레이터(142)만 형성될 수 있다. 아우터 세퍼레이터(146)는 터닝 세퍼레이터(142)의 원주 방향으로의 한쪽 단부 또는 양단부에 연결되며, 터닝 세퍼레이터(142)의 외측 반경 방향으로 연장된다. 아우터 세퍼레이터(146) 역시 판상으로 형성된다. 아우터 세퍼레이터(146)는 터닝 세퍼레이터(142)와 슈라우드(130) 사이의 공간으로 유입된 공기가 터닝 가이드(140) 원주 방향의 내측 및 외측으로 유동하는 것을 차단할 수 있다.
아우터 세퍼레이터(146)는 터닝 세퍼레이터(142)의 외측 반경으로 연장되는 측의 단부가 슈라우드(120)의 내면에 밀착되거나, 약간의 틈이 형성되도록 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 아우터 세퍼레이터(146)가 터닝 세퍼레이터(142)의 양 측단부에 연결되나, 이에 한정하지 않으며 터닝 세퍼레이터(142)의 한쪽 단부에 연결되거나, 터닝 세퍼레이터(142)의 측단부가 아닌 원주 방향의 일 영역에 연결될 수도 있다.
한편, 아우터 세퍼레이터(146)는 터닝 세퍼레이터(142)와 원주 방향 기준으로 터닝 세퍼레이터(142)에 대하여 일정 각도 더 크게 형성할 수 있다. 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 아우터 세퍼레이터(146)는 원주 방향 기준으로 터닝 세퍼레이터(142) 각도 θ 대비 α만큼 큰 각도로 꺾여(bending) 형성될 수 있다. α는 0~10°이다. 아우터 세퍼레이터(146)가 터닝 세퍼레이터(142)에 대하여 외측으로 기울어져 형성됨으로써 공기의 유동 방향에 변화를 줄 수 있다.
아우터 세퍼레이터(146)가 터닝 세퍼레이터(142)에 대하여 10° 넘게 기울어져 형성되는 경우 아우터 세퍼레이터(146)가 유입되는 압축 공기의 흐름을 방해하게 되어 바람직하지 않다.
아우터 세퍼레이터(146)는 원주 방향 기준으로 터닝 세퍼레이터(142)에 대하여 더 작은 각도로 더 작게 형성할 수 있다. 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 아우터 세퍼레이터(146)는 원주 방향 기준으로 터닝 세퍼레이터(142) 각도 θ 대비 β 만큼 작은 각도로 형성될 수 있다. β는 0~10°일 수 있다. 아우터 세퍼레이터(146)가 터닝 세퍼레이터(142) 내측으로 기울어져 형성됨으로써, 압축 공기가 연료 노즐 센터 바디(110)와 터닝 가이드(140)가 형성하는 공간으로 더 유입될 수 있다. 아우터 세퍼레이터(146)가 터닝 세퍼레이터(142)에 대하여 내측으로 10° 넘게 기울어지는 경우, 아우터 세퍼레이터(146)에 의해 공기가 유동되는 유로가 좁아지게 되어 공기의 흐름이 원활하지 못하게 되어 바람직하지 않다.
아우터 세퍼레이터(146)의 기울어진 각도를 터닝 세퍼레이터(142)의 내측 또는 외측으로 조절함으로써 공기의 흐름을 미세하게 조절할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)은 연료 노즐 센터 바디(110) 쪽으로, 또는 슈라우드(120) 쪽으로 기울어져 형성될 수도 있다. 구체적으로, 이너 세퍼레이터(144)는 가상으로 연장된 판상이 연료 노즐 센터 바디(110)의 중심축 x와 일치한다. 중심축 x을 기준으로 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)을 연료 노즐 센터 바디(110)에 가까운 방향 혹은 먼 방향, 즉 슈라우드(120) 방향으로 조정하므로서 공기의 흐름을 조정할 수 있다.
터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역(1421)의 하단은 연료 노즐 센터 바디(110)의 중심축 x에 대해 α 또는 β 각도만큼 연료 노즐 센터 바디(110) 또는 슈라우드(120) 방향으로 기울어져 형성될 수 있다. α 및 β는 0~10°일 수 있다.
터닝 가이드(1400)는 이너 세퍼레이터(1420)와 아우터 세퍼레이터(1430)를 모두 포함할 수 있다. 이너 세퍼레이터(1420)는 터닝 세퍼레이터(1410)의 측단부에 연결되어 내측 반경 방향으로 연장되고, 아우터 세퍼레이터(1430)는 터닝 세퍼레이터(1410)의 측단부에 연결되어 외측 반경 방향으로 연장된다.
이너 세퍼레이터(144)와 아우터 세퍼레이터(146)는 일정한 길이비를 갖는다. 구체적으로, 이너 세퍼레이터(144)의 하단의 길이(a)와 아우터 세퍼레이터(146)의 하단의 길이(c)는 4:1 내지 1:1의 길이비를 가질 수 있다. 아우터 세퍼레이터(146)의 하단의 길이 c는 최대 이너 세퍼레이터(144)의 길이와 같을 수 있다. 즉, 터닝 세퍼레이터(142)의 하부 영역은 연료 노즐 센터 바디(110)의 외면과 슈라우드(120)의 내면이 형성하는 유로 내에서 연료 노즐 센터 바디(110)와 슈라우드(120)의 중간에 위치하거나, 슈라우드(120)에 가깝게 위치하게 된다.
아우터 세퍼레이터(146)의 하단의 길이(c)가 짧은 경우, 터닝 가이드(140)와 연료 노즐 센터 바디(110) 사이의 공간으로 공기가 많이 유입되고, 아우터 세퍼레이터(146)의 하단의 길이(c)가 길어질수록 터닝 가이드(140)와 슈라우드(120) 사이의 공간으로 유입되는 공기의 양이 많아진다. 이너 세퍼레이터(144)의 하단의 길이(a)와 아우터 세퍼레이터(146)의 하단의 길이(c)의 비율이 1:1이 넘는 경우, 즉, 아우터 세퍼레이터(146)의 하단의 길이(c)가 이너 세퍼레이터(144)의 하단의 길이(a)보다 긴 경우 연료 노즐 센터 바디(110)와 터닝 가이드(140) 사이의 공간으로 유입되는 공기의 양이 적어 공기의 흐름이 원활하지 않게 되어 바람직하지 않다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드에 개구가 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 이너 세퍼레이터 및 아우터 세퍼레이터가 곡면으로 형성된 것을 나타내는 도면이며, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 터닝 가이드에서 개구가 경사진 각도로 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 터닝 세퍼레이터(142), 이너 세퍼레이터(144), 아우터 세퍼레이터(146)에 개구(1422, 1442, 1462)가 형성될 수 있다. 터닝 가이드(1400)에 의해 분할되어 유입되는 공기가 개구(1422, 1442, 1462)를 통해 안팎으로 이동하면서 압축 공기가 더욱 균일하게 분배될 수 있다. 압축 공기는 공기의 밀도가 높은 곳에서 공기의 밀도가 낮은 곳으로 유동하며, 공기 간의 이동에 따라 에어 포켓을 상쇄시킬 수 있다.
개구(1422, 1442, 1462)는 터닝 세퍼레이터(142), 이너 세퍼레이터(144), 아우터 세퍼레이터(146) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 필요에 따라 세 개의 세퍼레이터에 모두 형성될 수도 있고, 하나의 세퍼레이터 또는 두 개의 세퍼레이터에만 형성될 수도 있다. 개구는 터닝 가이드(140) 전 표면에 걸쳐 형성될 수 있으며, 위치를 한정하지는 않는다.
터닝 가이드(140)에 형성된 개구(1422, 1442, 1462)는 복수 개가 패턴을 형성할 수도 있다. 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이, 개구(1422, 1442, 1462)는 가로 또는 세로 방향으로 일정한 간격을 이루며 형성되거나, 특정 형상으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서는 가로 또는 세로 방향으로 개구(1422, 1442, 1462)의 크기를 달리하여 형성될 수도 있다. 도 13의 (b)에는 아래 방향으로 갈수록 개구(1422, 1442, 1462)의 크기가 커지는 패턴이 도시되어 있으며, 유입된 압축 공기가 터닝 가이드의 하부로 유동하면서 개구(1422, 1442, 1462)를 통하여 공기가 더 많이 이동하도록 할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 이너 세퍼레이터(144), 아우터 세퍼레이터(146)의 면이 곡면을 형성할 수 있다. 이너 세퍼레이터(144) 또는 아우터 세퍼레이터(146)는 편평한 면으로 형성될 수도 있으나, 가운데 부분이 볼록한 곡면을 형성하여, 이너 세퍼레이터(144) 및 아우터 세퍼레이터(146) 부근을 유동하는 공기 흐름의 박리를 제어하여 불필요한 압력 강하를 방지할 수 있다. 곡면으로 형성된 이너 세퍼레이터(142) 및 아우터 세퍼레이터(146)에 개구(1422, 1442, 1462)가 형성될 수도 있다.
개구(1422, 1442, 1462)는 세퍼레이터 면에 대하여 수직으로 형성되나 다른 실시예에서는 경사진 각도로 기울어져 형성될 수도 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 개구(1422, 1442, 1462)가 경사진 각도로 형성되는 경우 이너 또는 아우터 세퍼레이터 면의 두께에 의하여 개구(1422, 1442, 1462)를 통과하는 공기가 방향성을 갖게 된다. 즉, 개구(1422, 1442, 1462)가 이너 또는 아우터 세퍼레이터 안쪽 면을 향하여 아래 방향을 향하도록 형성된 경우, 터닝 가이드 외부에서 유입된 공기가 터닝 가이드 내부로 유입될 때 하방으로 유입되도록 할 수 있다. 공기 흐름에 방향성을 줌으로써 일부 영역에서 에어 포켓이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
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.
1 : 가스 터빈 엔진 10: 압축기
20 : 연소기 30 : 터빈
100 : 연료 노즐 조립체 110 : 연료 노즐 센터 바디
120 : 슈라우드 122 : 유로
130 : 림 131 : 공기 유입구
140 : 터닝 가이드 142 : 터닝 세퍼레이터
144 : 이너 세퍼레이터 146 : 아우터 세퍼레이터
230 : 엔드 플레이트 240 : 환형 덕트
250 : 연소 챔버 260 : 연소 라이너
1422, 1442, 1462 : 개구

Claims (22)

  1. 연료 노즐로서,
    상기 연료 노즐의 중심에 위치한 연료 노즐 센터 바디;
    상기 연료 노즐 센터 바디와 동심축이며, 상기 연료 노즐 센터 바디 외측으로 상기 연료 노즐 센터 바디와 이격되어 위치하는 슈라우드;
    상기 슈라우드의 끝단과 결합하며, 공기 유입구를 형성하는 림; 및
    상기 공기 유입구의 일부 영역에 형성되는 터닝 세퍼레이터를 구비하는 터닝 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터닝 가이드는 일단이 상기 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 상기 터닝 세퍼레이터의 내측 반경 방향으로 연장되는, 적어도 하나의 이너 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    일단이 상기 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 상기 터닝 세퍼레이터의 외측 반경 방향으로 연장되는, 적어도 하나의 아우터 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  4. 제2항에 있어서,
    일단이 상기 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 상기 터닝 세퍼레이터의 외측 반경 방향으로 연장되는, 적어도 하나의 아우터 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터의 중심각은 40~240°인 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이너 세퍼레이터의 하단 길이와 상기 아우터 세퍼레이터의 하단의 길이비는 4:1 내지 1:1인 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터, 상기 이너 세퍼레이터, 상기 아우터 세퍼레이터 중 적어도 하나에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터, 상기 이너 세퍼레이터, 상기 아우터 세퍼레이터 중 적어도 하나에 형성된 복수의 개구가 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 이너 세퍼레이터는 유선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 아우터 세퍼레이터는 유선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 아우터 세퍼레이터는 원주 방향 기준으로 -10~10° 범위에서 꺾여 있는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터는 하부 영역이 상기 연료 노즐 센터 바디 방향 또는 상기 슈라우드 방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연료 노즐 센터 바디의 외주면에 소정 간격 이격되어 배열된 복수의 선회 베인을 더 포함하고,
    상기 터닝 가이드의 하단은 상기 복수의 선회 베인의 상단과 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
  15. 연료 노즐 센터 바디, 상기 연료 노즐 센터 바디를 이격하여 감싸는 슈라우드, 상기 슈라우드의 끝단과 결합하며 공기 유입구를 형성하는 림을 포함하는 연료 노즐에 장착되는 터닝 가이드로서,
    상기 공기 유입구의 원주 방향을 따라 형성되며, 하부 영역은 상기 슈라우드의 내면벽과 대향하고, 상부 영역은 상기 림의 외면과 대향하는 터닝 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터닝 가이드.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 상기 터닝 세퍼레이터의 내측 반경 방향으로 연장되는, 적어도 하나의 이너 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터닝 가이드.
  17. 제16항에 있어서,
    일단이 상기 터닝 세퍼레이터의 측단부와 연결되며, 상기 터닝 세퍼레이터의 외측 반경 방향으로 연장되는, 적어도 하나의 아우터 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터닝 가이드.
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터의 중심각은 40~240°인 것을 특징으로 하는 터닝 가이드.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 이너 세퍼레이터의 하단 길이와 상기 아우터 세퍼레이터의 하단의 길이비는 4:1 내지 1:1인 것을 특징으로 하는 터닝 가이드.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 터닝 세퍼레이터, 상기 이너 세퍼레이터, 상기 아우터 세퍼레이터 중 적어도 하나에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 터닝 가이드.
  21. 적어도 하나의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체로서,
    상기 연료 노즐은
    상기 연료 노즐의 중심에 위치한 연료 노즐 센터 바디;
    상기 연료 노즐 센터 바디와 동심축이며, 상기 연료 노즐 센터 바디 외측으로 상기 연료 노즐 센터 바디와 이격되어 위치하는 슈라우드;
    상기 슈라우드의 끝단과 결합하며, 공기 유입구를 형성하는 림; 및
    상기 공기 유입구의 일부 영역에 형성되는 터닝 세퍼레이터를 구비하는 터닝 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 조립체.
  22. 유입되는 공기를 압축하는 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 포함하며,
    상기 연료 노즐 조립체는 복수 개의 연료 노즐을 구비하되,
    각각의 연료 노즐은
    연료 노즐 센터 바디,
    상기 연료 노즐 센터 바디와 동축이며, 상기 연료 노즐 센터 바디 외측으로 상기 연료 노즐 센터 바디와 이격되어 위치하는 슈라우드,
    상기 슈라우드의 끝단과 결합하며, 공기 유입구를 형성하는 림, 및
    상기 공기 유입구의 일부 영역에 형성되는 터닝 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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