KR20190101554A

KR20190101554A - 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈

Info

Publication number: KR20190101554A
Application number: KR1020180021659A
Authority: KR
Inventors: 도윤영; 천무환; 보리스 세르쉬뇨프
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2019-09-02
Also published as: KR102070908B1; US20190264921A1; US10982857B2

Abstract

본 발명은 연료와 공기를 균일하게 예혼합할 수 있는 노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인을 포함하는 통합 스월러, 및 상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 내부에 연료가 이동하는 내측 연료 통로가 형성된 연료 인젝터를 포함하고, 상기 연료 인젝터는 상기 내측 연료 통로와 연결되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 분사 홀이 형성된 페그를 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 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 기체 연료는 노즐 내부에서 미리 혼합되어 분사할 수 있다. NOx를 저감하기 위해서는 연료와 가스가 균일하게 혼합되어야 되어야 한다. 그러나 종래의 연소기 노즐은 연료와 공기가 균일하게 혼합되지 못하고 연소 과정의 안정성이 낮은 문제가 있었다.

미국 공개특허 제2009-0056336호(2009.03.05)

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료와 공기를 균일하게 예혼합할 수 있는 노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인을 포함하는 통합 스월러, 및 상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 내부에 연료가 이동하는 내측 연료 통로가 형성된 연료 인젝터를 포함하고, 상기 연료 인젝터는 상기 내측 연료 통로와 연결되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 분사 홀이 형성된 페그를 포함한다.

여기서, 상기 통합 스월러는 상기 베인들의 외측단에 고정된 지지관을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 노즐은 상기 통합 스월러를 감싸며 상기 통합 스월러와의 사이에서 제2 예혼합 통로를 형성하는 노즐 슈라우드를 더 포함하고, 상기 지지관은 상기 노즐 슈라우드 사이에 끼움 설치될 수 있다.

또한, 상기 통합 스월러는 후방으로 돌출된 복수의 연료 유도관을 더 포함하고, 상기 연료 유도관은 이격 배치되어 유입 공간을 형성하고, 상기 유입 공간은 상기 제1 예혼합 통로와 연결될 수 있다.

또한, 상기 연료 유도관의 후단에는 상기 연료 유도관들에 고정된 서포팅 플레이트가 설치되고, 상기 서포팅 플레이트에는 상기 연료 유도관과 연결된 복수의 외측 연료 홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료 인젝터에는 돌출된 내측 플랜지가 형성되고, 상기 서포팅 플레이트에는 상기 내측 플랜지를 지지하는 지지 링이 설치될 수 있다.

또한, 상기 연료 인젝터는 상기 페그의 후방에 설치되되 복수의 개구가 형성된 다공판을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 개구는 상기 다공판의 중심에서 외측으로 갈수록 단면적이 증가하도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 페그에는 상기 다공판을 향하여 돌출된 유동 가이드판이 형성될 수 있다.

또한, 상기 유동 가이드판은 상기 다공판을 향하여 갈수록 높이가 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 페그의 외측에 위치하는 상기 분사 홀 사이의 간격은 상기 페그의 내측에 위치하는 상기 분사 홀 사이의 간격보다 더 작게 형성될 수 있다.

또한, 상기 분사 홀은 전방을 향하여 경사지게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기에 있어서, 상기 노즐은 예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와, 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인과, 상기 베인들의 외측단에 고정된 지지관을 포함하는 통합 스월러, 및 상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 연료 인젝터를 포함한다.

여기서, 상기 노즐은 상기 통합 스월러를 감싸며 상기 통합 스월러와의 사이에서 제2 예혼합 통로를 형성하는 노즐 슈라우드를 더 포함하고, 상기 지지관은 상기 노즐 슈라우드 사이에 끼움 설치될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 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 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 상기 노즐은, 예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인을 포함하는 통합 스월러, 및 상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 연료 인젝터를 포함하며, 상기 통합 스월러는 후방으로 돌출되되 상기 외측 연료 통로와 연결된 복수의 연료 유도관을 더 포함하고, 상기 연료 유도관은 이격 배치되어 유입 공간을 형성하고, 상기 유입 공간은 상기 제1 예혼합 통로와 연결된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 노즐, 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 통합 스월러와 연료 인젝터를 구비하여 공기와 연료를 균일하게 예혼합할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통합 스월러를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 인젝터를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터의 페그를 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터의 페그를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 인젝터의 다공판을 도시한 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.

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 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 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 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 구동시키는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 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. 도 2는 가스 터빈(1000)에 적용되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 버너(1220), 노즐(1400), 덕트 조립체(1280)를 포함할 수 있다.

연소기 케이싱(1210)은 복수의 버너(1220)를 감싸며 대략 원형 형상으로 이루어질 수 있다. 버너(1220)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 각 버너(1220)에는 수 개의 노즐(1400)이 구비되며, 이 노즐(1400)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.

가스 터빈(1000)에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵기는 하지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.

예혼합 연소의 경우에는 압축 공기가 노즐(1400)에서 미리 분사되는 연료와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.

도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체(1280)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1400) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1280)가 적절히 냉각된다.

덕트 조립체(1280)는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260), 유동 슬리브(1270)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1280)는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)의 바깥을 유동 슬리브(1270)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1270) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)를 냉각시킨다.

라이너(1250)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1250) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1250)의 길이방향 일측 단부는 버너(1220)에 결합되고 라이너(1250)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1260)에 결합된다.

그리고, 트랜지션피스(1260)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1260)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1250)와 결합되고, 트랜지션피스(1260)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1270)는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통합 스월러를 도시한 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 노즐(1400)은 관 형상의 노즐 슈라우드(nozzle shroud, 1410), 노즐 슈라우드(1410) 내에 삽입 설치된 통합 스월러(1420), 통합 스월러(1420)에 끼움 결합된 연료 인젝터(1430), 통합 스월러(1420)를 지지하는 노즐 플랜지(1470)를 포함한다.

노즐 플랜지(1470)는 판상으로 이루어지며, 노즐 플랜지(1470)에는 통합 스월러(1420)가 끼워지는 홀이 형성되어 있다. 노즐 플랜지(1470)는 헤드 엔드 플레이트(미도시)에 고정 설치될 수 있다. 노즐 슈라우드(1410)는 원통 형상의 관으로 이루어지며 후단에는 공기가 유입될 수 있도록 외측으로 확장된 나팔관부(1412)가 형성되어 있다. 노즐 슈라우드(1410)는 외측 튜브(1422)와의 사이에서 공기와 연료가 이동하는 제2 예혼합 통로(1442)를 형성한다.

통합 스월러(1420)는 노즐 슈라우드(1410) 및 노즐 플랜지(1470)에 끼워져 고정되며, 내측 튜브(1421), 외측 튜브(1422), 베인(1425), 지지관(1428), 연료 유도관(1424), 서포팅 플레이트(1453), 지지 링(1451), 외측 플랜지(1452)를 포함한다.

지지 링(1451)은 대략 원형을 고리 형상으로 이루어지며, 서포팅 플레이트(1453)와 연결 설치된다. 서포팅 플레이트(1453)는 지지 링(1451)과 외측 플랜지(1452)를 연결하며 연료가 연료 유도관(1424)으로 유입될 수 있도록 안내한다. 서포팅 플레이트(1453)에는 지지 링(1451)과 외측 플랜지(1452)를 연결하는 복수의 지지 리브(1453a)가 형성되며, 지지 리브(1453a) 사이에는 그루브(1453b)가 형성될 수 있다. 지지 리브(1453a)는 서포팅 플레이트(1453)의 반경 방향으로 이어져 형성되어 서포팅 플레이트(1453)의 구조적인 강도를 향상시킨다. 한편, 서포팅 플레이트(1453)에는 연료 유도관(1424)과 연결된 복수의 외측 연료 홀(1456)이 형성된다.

외측 플랜지(1452)는 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 서포팅 플레이트(1453)의 외측단에 고정 설치된다. 외측 플랜지(1452)는 노즐 플랜지(1470)에 고정 설치될 수 있다. 외측 플랜지(1452), 서포팅 플레이트(1453), 지지 링(1451)이 통합 스월러(1420)의 후단에 배치되어 통합 스월러(1420)가 노즐 플랜지(1470)에 안정적으로 고정될 수 있도록 지지한다. 본 기재에서는 연료가 이동하는 방향을 기준으로 상류측을 후방, 하류측을 전방으로 정의한다.

내측 튜브(1421)는 대략 원통형 관으로 이루어지며, 내부 공간을 갖는다. 내측 튜브(1421)는 내측에 공기와 연료가 이동하는 제1 예혼합 통로(1441)를 제공한다. 외측 튜브(1422)는 내측 튜브(1421)를 부분적으로 감싸며 내부 공간을 갖는다. 외측 튜브(1422)는 내측 튜브와의 사이에서 연료가 이동하는 외측 연료 통로(1443)를 형성한다.

외측 튜브(1422)에는 복수의 베인(1425)이 연결 형성되는데, 베인(1425)은 스월을 유도할 수 있도록 굽어진 곡면판으로 이루어질 수 있다. 외측 튜브(1422)에는 복수의 베인(1425)이 설치될 수 있으며, 베인(1425)은 외측 튜브(1422)의 둘레 방향을 따라 이격 배치된다.

또한, 베인(1425)의 내측에는 외측 연료 통로(1443)와 연결된 배출 공간(ES1)이 형성되며, 베인(1425)의 표면에는 배출 공간(ES1)과 연결된 복수의 배출 홀(1426)이 형성될 수 있다. 배출 홀(1426)은 베인(1425)의 내측에서 외측을 향하는 방향으로 이격 배열될 수 있다. 배출 홀(1426)은 제2 예혼합 통로(1442)로 연료를 분사한다.

지지관(1428)은 베인(1425)의 외측단에 고정 설치되며 대략 원형의 관으로 이루어진다. 지지관(1428)은 노즐 슈라우드(1410)에 끼움 설치될 수 있다. 이에 따라 지지관(1428)이 일체로 형성된 통합 스월러(1420)를 노즐 슈라우드(1410) 사이에 용이하게 삽입 설치할 수 있다.

연료 유도관(1424)은 외측 튜브(1422) 및 내측 튜브(1421)와 연결되되 후방으로 돌출 형성된다. 연료 유도관(1424)은 외측 연료 통로(1443)와 연결되어 외측 연료 통로(1443)로 연료를 전달한다. 또한, 연료 유도관(1424)은 외측 연료 홀(1456)과 연결되어 연료를 공급받을 수 있다.

통합 스월러(1420)는 복수의 연료 유도관(1424)을 더 포함하데, 연료 유도관(1424)은 이격 배치되어 연료 유도관(1424) 사이에 유입 공간(1427)을 형성한다. 유입 공간(1427)은 제1 예혼합 통로(1441)와 연결되어 유입 공간(1427)을 통해서 제1 예혼합 통로(1441)로 공기가 유입될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 인젝터를 도시한 사시도이다.

도 3 및 도 5를 참조하여 설명하면, 연료 인젝터(1430)는 중심관(1431), 내측 플랜지(1434), 다공판(1435), 페그(1437), 파일럿 팁(1439)을 포함할 수 있다. 연료 인젝터(1430)는 통합 스월러(1420) 내에 삽입 설치되어 제1 예혼합 통로(1441)로 연료를 분사한다.

중심관(1431)은 대략 관형상으로 이루어지며 내부에 연료가 이동하는 내측 연료 통로(1432)가 형성된다. 중심관(1431)의 선단에는 단부로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 파일럿 팁(1439)이 형성되어 있다. 파일럿 팁(1439)은 중심관(1431)의 후단에서 발생하는 유동 박리 현상을 감소시키고 예혼합 연료의 이동을 안내한다.

중심관(1431)의 후단에는 외측을 향하여 돌출된 내측 플랜지(1434)가 형성되며, 내측 플랜지(1434)는 대략 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 내측 플랜지(1434)는 지지 링(1451)의 내면에 걸려져 통합 스월러(1420)에 고정될 수 있다. 내측 플랜지(1434)의 중앙에는 내측 연료 홀(1433)이 형성되고, 내측 연료 홀(1433)은 내측 연료 통로(1432)와 연결되어 내측 연료 통로(1432)로 연료를 공급한다.

중심관(1431)의 외측에는 복수의 페그(1437)가 형성되며, 페그(1437)는 방사상으로 배치될 수 있다. 복수의 페그(1437)는 중심관(1431)의 둘레 방향으로 이격 배열되며 페그(1437)의 내부에는 분사 공간(ES2)이 형성될 수 있다. 또한, 페그(1437)의 외면에는 분사 공간(ES2)과 연결된 복수의 분사 홀(1438)이 형성되어 있다. 분사 공간(ES2)은 내측 연료 통로(1432)와 연결 형성되는바, 이에 따라 내측 연료 통로(1432)로 유입된 연료는 분사 홀(1438)을 통해서 제1 예혼합 통로(1441)로 분사되어 공기와 혼합될 수 있다.

연료 인젝터(1430)에는 복수의 개구가 형성된 다공판(1435)이 설치되는데, 다공판(1435)은 중심관(1431)의 외주면에 고정 설치될 수 있다. 다공판(1435)에는 복수의 개구(1436)가 형성되며, 개구(1436)는 사각형, 오각형, 삼각형, 원형 등으로 이루어질 수 있다. 다공판(1435)은 페그(1437)의 후방에 설치되어 페그(1437)로 유입되는 공기가 층류 유동으로 변환될 수 있도록 공기의 유동을 안내한다.

연료 인젝터(1430)는 다공판(1435)을 향하여 돌출된 유동 가이드판(1437a)을 더 포함하는데, 유동 가이드판(1437a)은 상기 다공판(1435)을 향하여 갈수록 높이가 점진적으로 감소하도록 형성된다. 유동 가이드판(1437a)은 페그(1437)에서 후방으로 돌출 형성되며 대략 삼각형의 종단면을 갖도록 형성될 수 있다. 유동 가이드판(1437a)은 페그(1437)로 유입되는 공기가 균일한 층류 유동을 유지할 수 있도록 안내한다.

상기한 바와 같이 본 제1 실시예에 따르면 통합 스월러(1420) 내에 연료 인젝터(1430)가 삽입 설치되고, 연료 인젝터(1430)에 연료를 분사하는 페그(1437)가 형성되므로 연료와 공기를 균일하게 예혼합할 수 있다. 또한, 통합 스월러(1420)의 베인(1425)에 지지관(1428)이 고정 설치되고, 통합 스월러(1420)의 후단에 서포팅 플레이트(1453)가 고정 설치되므로 노즐(1400)의 구조적인 강도가 향상될 수 있다. 또한, 본 제1 실시예에 따르면 연료 인젝터(1430)가 다공판(1435)과 유동 가이드판(1437a)을 포함하므로 페그(1437)로 유입되는 공기의 유동을 안정화시켜서 공기와 연료를 균일하게 혼합할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터의 페그를 도시한 측면도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터의 페그를 도시한 평면도이다.

본 제2 실시예에 따른 노즐은 연료 인젝터(2430)의 페그(2437) 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

중심관(2431)의 외측에는 복수의 페그(2437)가 형성되며, 페그(2437)는 방사상으로 배치될 수 있다. 복수의 페그(2437)는 중심관(2431)의 둘레 방향으로 이격 배열되며 페그(2437)의 내부에는 내측 연료 통로와 연결된 분사 공간(ES3)이 형성될 수 있다. 또한, 페그(2437)의 외면에는 분사 공간(ES3)과 연결된 복수의 분사 홀(2438)이 형성되어 있다. 페그(2437)에는 페그(2437)의 후방으로 돌출된 유동 가이드 판(2435)이 돌출 형성될 수 있다.

분사 홀(2438)은 페그(2437)의 내측에서 외측을 향하는 방향으로 이격 배열된다. 페그(2437)의 외측에 위치하는 분사 홀(2438)은 내측에 위치하는 분사 홀(2438)보다 더 후방에 위치하도록 형성될 수 있다. 또한 분사 홀(2438)은 분사 공간(ES3)에서 페그(2437)의 외면으로 이어져 형성되되 전방을 향하여 경사지게 형성될 수 있다. 이와 같이 분사 홀(2438)이 경사지게 형성되면 연료의 유동이 공기의 유동을 방해하지 않으면서 연료와 공기를 균일하게 혼합할 수 있다.

페그(2437)의 외측에 위치하는 분사 홀(2438) 사이의 간격은 페그(2437)의 내측에 위치하는 분사 홀(2438) 사이의 간격보다 더 작게 형성된다. 제일 내측에 위치하는 분사 홀들(2438)은 제1 간격(D1)으로 이격되고, 제일 외측에 위치하는 분사 홀들(2438)은 제3 간격(D3)으로 이격되며, 중간에 위치하는 분사 홀들(2438)은 제2 간격(D2)으로 이격될 수 있다. 여기서 제1 간격(D1)은 제2 간격(D2)보다 더 크고, 제2 간격(D2)은 제1 간격(D1)보다 더 크게 형성될 수 있다.

이와 같이 외측에 위치하는 분사 홀(2438) 사이의 간격이 더 작게 형성되면 상대적은 넓은 공간으로 더 많은 연료를 분사하여 공기와 연료를 균일하게 혼합할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 인젝터의 다공판을 도시한 도면이다.

본 제3 실시예에 따른 노즐은 연료 인젝터의 다공판(3435) 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

연료 인젝터에는 복수의 개구(3436)가 형성된 다공판(3435)이 설치되는데, 다공판(3435)은 중심관의 외주면에 고정 설치될 수 있다. 다공판(3435)에 형성된 개구(3436)는 원형 등으로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 개구(3436)는 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.

다공판(3435)의 중앙에는 중심관이 삽입되는 홀(3437)이 형성되어 있다. 다공판(3435)의 외측에 형성된 개구(3436)는 다공판(3435)의 내측에 형성된 개구(3436)보다 더 큰 단면적을 가지며, 개구(3436)는 다공판(3435)의 중심에서 외측으로 갈수록 단면적이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다. 다공판(3435)은 페그로 유입되는 공기가 층류 유동으로 변환될 수 있도록 공기의 유동을 안내하는데, 개구(3436)의 크기를 조절하여 외측과 내측의 유동을 정밀하게 제어할 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
1130: 압축기 블레이드
1140: 베인
1150: 하우징
1200: 연소기
1210: 연소기 케이싱
1220: 버너
1240: 연소실
1400: 노즐
1410: 노즐 슈라우드
1412: 나팔관부
1420: 통합 스월러
1470: 노즐 플랜지
1421: 내측 튜브
1422: 외측 튜브
1424: 연료 유도관
1425: 베인
1426: 배출 홀
1428: 지지관
1430: 연료 인젝터
1431, 2431: 중심관
1432: 내측 연료 통로
1434: 내측 플랜지
1435, 3435: 다공판
1436, 3436: 개구
1437, 2437: 페그
1437a, 2435: 유동 가이드판
1438, 2438: 분사 홀
1439: 파일럿 팁
1441: 제1 예혼합 통로
1442: 제2 예혼합 통로
1443: 외측 연료 통로
1453: 서포팅 플레이트
1451: 지지 링
1452: 외측 플랜지

Claims

연소기용 노즐에 있어서,
예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인을 포함하는 통합 스월러; 및
상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 내부에 연료가 이동하는 내측 연료 통로가 형성된 연료 인젝터;를 포함하고,
상기 연료 인젝터는 상기 내측 연료 통로와 연결되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 분사 홀이 형성된 페그를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 통합 스월러는 상기 베인들의 외측단에 고정된 지지관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제2 항에 있어서,
상기 노즐은 상기 통합 스월러를 감싸며 상기 통합 스월러와의 사이에서 제2 예혼합 통로를 형성하는 노즐 슈라우드를 더 포함하고, 상기 지지관은 상기 노즐 슈라우드 사이에 끼움 설치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 통합 스월러는 후방으로 돌출된 복수의 연료 유도관을 더 포함하고, 상기 연료 유도관은 이격 배치되어 유입 공간을 형성하고, 상기 유입 공간은 상기 제1 예혼합 통로와 연결된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 연료 유도관의 후단에는 상기 연료 유도관들에 고정된 서포팅 플레이트가 설치되고, 상기 서포팅 플레이트에는 상기 연료 유도관과 연결된 복수의 외측 연료 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제5 항에 있어서,
상기 연료 인젝터에는 돌출된 내측 플랜지가 형성되고, 상기 서포팅 플레이트에는 상기 내측 플랜지를 지지하는 지지 링이 설치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제5 항에 있어서,
상기 연료 인젝터는 상기 페그의 후방에 설치되되 복수의 개구가 형성된 다공판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제7 항에 있어서,
상기 개구는 상기 다공판의 중심에서 외측으로 갈수록 단면적이 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제7 항에 있어서,
상기 페그에는 상기 다공판을 향하여 돌출된 유동 가이드판이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제9 항에 있어서,
상기 유동 가이드판은 상기 다공판을 향하여 갈수록 높이가 점진적으로 감소하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 페그의 외측에 위치하는 상기 분사 홀 사이의 간격은 상기 페그의 내측에 위치하는 상기 분사 홀 사이의 간격보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 분사 홀은 전방을 향하여 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
상기 노즐은, 예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와, 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인과, 상기 베인들의 외측단에 고정된 지지관을 포함하는 통합 스월러, 및 상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 연료 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제13 항에 있어서,
상기 노즐은 상기 통합 스월러를 감싸며 상기 통합 스월러와의 사이에서 제2 예혼합 통로를 형성하는 노즐 슈라우드를 더 포함하고, 상기 지지관은 상기 노즐 슈라우드 사이에 끼움 설치된 것을 특징으로 하는 연소기.
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 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고,
상기 노즐은, 예혼합 공기가 이동하는 제1 예혼합 통로를 제공하는 내측 튜브와 상기 내측 튜브를 부분적으로 감싸도록 형성되며 연료가 이동하는 외측 연료 통로를 형성하는 외측 튜브와 상기 외측 튜브와 연결 형성되며 연료를 배출하는 배출 홀이 형성된 복수의 베인을 포함하는 통합 스월러, 및 상기 내측 튜브에 삽입 설치되며 상기 제1 예혼합 통로로 연료를 분사하는 연료 인젝터를 포함하고,
상기 통합 스월러는 후방으로 돌출되되 상기 외측 연료 통로와 연결된 복수의 연료 유도관을 더 포함하고, 상기 연료 유도관은 이격 배치되어 유입 공간을 형성하고, 상기 유입 공간은 상기 제1 예혼합 통로와 연결된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.