KR20190109954A

KR20190109954A - 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈

Info

Publication number: KR20190109954A
Application number: KR1020180031694A
Authority: KR
Inventors: 노우진; 박준형
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-27
Also published as: US11022309B2; KR102068305B1; US20200025381A1

Abstract

본 발명은 공기의 유동을 안내하고 진동을 흡수할 수 있는 유동 가이드부재를 포함하는 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기는 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 상기 버너는 상기 노즐로 유입되는 공기의 유동을 안내하는 유동 가이드부재를 포함하고, 상기 유동 가이드부재에는 복수의 홀이 형성된다.

Description

연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{COMBUSTOR, AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 연소기용 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.

압축기에서 압축된 공기는 연소기로 공급되며 연소기 내부로 진입한 공기는 노즐 케이싱 내부를 따라 이동하면서 노즐로 유입된다. 이 때, 공기는 노즐 엔드 플레이트 방향으로 공급된 후 진행 방향이 반대방향으로 꺾여 연소가 일어나는 노즐의 단부로 공급된다.

이처럼 연료를 연소시키기 위한 공기의 흐름은 노즐 엔드 플레이트에서 급격히 바뀌기 때문에 이런 과정에서 강한 스월(swirl)이 발생하게 된다. 강한 스월에는 실제로 진행해야 하는 흐름 방향과는 어긋나거나 반대 방향을 향하는 속도성분이 다량으로 존재하기 때문에, 이는 결국 압력 손실을 야기하여 공기의 유동 효율을 떨어뜨리게 된다.

따라서, 가스 터빈의 노즐 엔드 플레이트 영역에서의 강한 스월의 발생을 억제함으로써 공기의 유동 효율을 개 선하고, 이를 통해 연소 효율은 물론 가스 터빈 전체의 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 마련될 필요가 있다.

또한, 연소 영역에서 발생한 고주파 압력 진동이 노즐 어셈블리로 전달되어 노즐 어셈블리가 손상되는 문제가 발생할 수 있다.

한국 등록특허 제10-1770313호(2017.08.22)

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 공기의 유동을 안내하고 진동을 흡수할 수 있는 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 연소기는 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 상기 버너는 상기 노즐로 유입되는 공기의 유동을 안내하는 유동 가이드부재를 포함하고, 상기 유동 가이드부재에는 복수의 홀이 형성된다.

여기서, 상기 유동 가이드부재의 내부에는 공명 공간이 형성되고 상기 공명 공간은 상기 홀과 연통될 수 있다.

또한, 상기 유동 가이드부재는 가이드 판과 상기 가이드 판에 연결 형성되어 상기 공명 공간을 형성하는 프레임을 포함할 수 있다.

또한, 상기 프레임은 바닥판과 상기 바닥판에서 돌출 형성된 제1 측벽과 상기 제1 측벽의 내측에 배치되어 상기 제1 측벽과 마주하는 제2 측벽을 포함하고, 상기 제1 측벽은 상기 제2 측벽보다 더 큰 높이를 갖도록 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제2 측벽은 만곡 형성되어 상기 노즐의 외면을 감싸도록 설치될 수 있다.

또한, 상기 가이드 판은 상기 노즐들을 감싸는 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 가이드 판은 만곡된 복수의 곡면판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 가이드 판은 상기 곡면판의 상단에 연결 형성되며 평판으로 이루어진 지지판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 곡면판은 중앙에서 상단 또는 하단으로 갈수록 두께가 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 곡면판들은 측단이 서로 연결되며, 상기 가이드 판에는 둘레 방향을 따라 복수의 오목부와 볼록부가 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.

또한, 상기 곡면판은 상단부와 하단부가 호형으로 이어져 형성되되, 상단부의 곡률 반경은 하단부의 곡률 반경보다 더 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 공명 공간은 상기 유동 가이드 부재의 내부에서 둘레 방향으로 이어져 환형을 이루도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 프레임에는 상기 프레임 내부의 공간을 분리하여 복수의 공명 공간을 형성하는 복수의 격벽이 설치될 수 있다.

또한, 상기 가이드 판에는 상기 홀과 연결되되 상기 공명 공간 내부로 돌출된 돌출 관이 설치될 수 있다.

또한, 상기 버너는 상기 덕트 조립체와 결합되며 노즐을 감싸는 노즐 케이싱과 상기 노즐들을 지지하는 헤드 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 유동 가이드부재는 상기 노즐 케이싱과 상기 헤드 엔드 플레이트가 만나는 코너부에 설치될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 가스 터빈은 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 버너는 코너부에 설치되어 상기 노즐로 유입되는 공기의 유동을 안내하되 진동을 감쇠시키는 공명기로 이루어진 유동 가이드부재를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 압축된 공기를 안내하여 스월의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연소 시에 발생하는 진동을 감소시킬 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 연소기의 일부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기를 정면에서 본 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동 가이드부재를 폭 방향으로 잘라 본 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동 가이드부재를 원주 방향으로 잘라 본 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소기를 정면에서 본 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 절개 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재의 일부를 도시한 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재를 잘라 본 종단면도이다.

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(1230), 덕트 조립체(1250), 및 유동 가이드부재(1400)를 포함할 수 있다.

연소기 케이싱(1210)은 복수의 버너(1220)를 감싸며 대략 원통 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(1230)이 구비되며, 이 노즐(1230)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(1230)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(1250)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1230) 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) 안쪽에 형성된 냉각 통로(1257) 내부로 침투하여 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 냉각시킨다.

라이너(1251)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1251) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1251)의 길이방향 일측 단부는 버너(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.

덕트 조립체(1250)의 단부에는 노즐 케이싱(1260)이 결합 설치되고, 노즐 케이싱(1260)에는 노즐들(1230)을 지지하는 헤드 엔드 플레이트(1270)가 결합 설치된다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기의 일부를 도시한 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 노즐 케이싱(1260)은 대략 원형의 관으로 이루어지며, 복수의 노즐(1230)을 감싸도록 설치된다. 노즐 케이싱(1260)의 일측 단부는 덕트 조립체(1250)와 결합되고, 노즐 케이싱(1260)의 타측 단부는 헤드 엔드 플레이트(1270)와 결합된다. 노즐 케이싱(1260) 내부에는 복수의 보조 노즐(1230)이 설치될 수 있으며, 보조 노즐들(1230)은 노즐 케이싱(1260)의 둘레 방향을 따라 이격 배열될 수 있다.

노즐 케이싱(1260)과 노즐(1230) 사이에는 공기가 이동하는 유동 통로(1262)가 형성되며, 노즐 케이싱(1260)에는 유동 통로(1262)로 돌출되어 연료를 분사하는 보조 노즐(1230)이 설치될 수 있다.

헤드 엔드 플레이트(1270)는 원판 형상으로 이루어지며, 노즐 케이싱(1260)과 결합되어 노즐들(1230)을 지지한다. 헤드 엔드 플레이트(1270)에는 복수의 노즐들(1230)과 노즐들(1230)에 연료를 공급하는 연료 주입기(1290)가 설치될 수 있다.

노즐(1230)은 노즐 관(1231)과 노즐 관(1231)을 감싸는 노즐 슈라우드(nozzle shroud, 1432), 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232) 사이에 설치되어 연료를 분사하는 베인(1234)을 포함할 수 있다. 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232)는 동축 구조로 이루어지며, 노즐 관(1231) 내부에는 연료 및 공기가 공급된다. 노즐 슈라우드(1232)의 내부에는 공기가 이동하는 통로가 형성되며, 연료가 분사될 수 있다.

노즐 슈라우드(1232)와 노즐 관(1231) 사이에 형성된 갭으로 공기가 유입되며, 갭에는 공기의 유동을 균일하기 하기 위한 다공판(1235)이 설치될 수 있다. 베인(1234)은 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232) 사이에 형성된 통로에서 스월을 유도하며, 베인(1234)에는 연료가 분사될 수 있도록 복수의 홀이 형성될 수 있다.

냉각 통로(1257)를 따라 이동하는 공기는 노즐 케이싱(1260) 내부로 유입되어 헤드 엔드 플레이트(1270)까지 이르게 된다. 또한, 공기는 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232) 사이로 유입될 뿐만 아니라 공급 통로(1236)를 통해서 노즐 관(1231) 내부로 유입되어 연료와 혼합된 후, 연소실(1240)로 배출된다.

유동 가이드부재(1400)는 공기의 유동 방향이 전환되는 코너부에 배치되어 공기가 노즐(1230) 내부로 용이하게 진입할 수 있도록 안내한다. 유동 가이드부재(1400)는 노즐 케이싱(1260)과 헤드 엔드 플레이트(1270)가 만나는 코너부에 설치되어 공기의 유동을 안내한다. 유동 가이드부재(1400)가 코너부에 설치된다 함은 코너부에 맞닿도록 배치된 경우뿐만 아니라 코너부에서 기 설정된 간격으로 이격 배치된 경우를 포함하며, 코너부로 유입된 공기를 안내할 수 있도록 배치된 것을 의미한다.

유동 가이드부재(1400)는 노즐 케이싱(1260)의 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어질 수 있으며, 더욱 상사하게는 원형의 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기를 정면에서 본 도면이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동 가이드부재를 폭 방향으로 잘라 본 종단면도이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동 가이드부재를 원주 방향으로 잘라 본 종단면도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 유동 가이드부재(1400)는 가이드 판(1410)과 가이드 판(1410)에 결합된 프레임(1420)을 포함한다. 가이드 판(1410)은 노즐들(1230)을 감싸는 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어지며 오목하게 함몰된 복수의 곡면판(1411)과 곡면판(1411)의 상단에 연결 형성되며 평판으로 이루어진 지지판(1413)을 포함한다.

곡면판(1411)은 상단부(1411a)와 하단부(1411b)가 호형으로 이어져 형성되되, 상단부(1411a)의 곡률 반경은 하단부(1411b)의 곡률 반경보다 더 크게 형성된다. 또한, 곡면판(1411)은 양쪽 측단이 내측 중앙보다 더 높이 위치하도록 오목하게 함몰 형성될 수 있다. 곡면판(1411)은 상부에서 하부를 향하여 경사지게 배치되되 상하방향으로 오목하게 함몰 형성될 수 있다.

복수의 곡면판(1411)은 측단이 서로 연결되어 연결 형성되는데, 도 6에 도시된 바와 같이 가이드 판(1410)은 원주 방향을 따라 오목부(1431)와 볼록부(1432)가 교대로 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 이에 따라 공기가 오목부(1431)로 유도되면서 각각의 노즐(1230)로 균일한 양의 공기가 공급될 수 있다.

지지판(1413)은 이어진 곡면판들(1411)의 상단이 원형을 이룰 수 있도록 곡선 사이에 형성된 홈에 배치되어 공기가 누출되는 것을 차단한다. 이와 같이 만곡된 곡면판(1411)이 서로 연결 형성되면 각각의 노즐(1230)로 공기를 보다 균일하게 공급할 수 있다.

곡면판(1411)에는 복수의 홀(1412)이 형성되는데, 홀(1412)은 곡면판(1411)과 프레임(1420) 사이에 형성된 공명 공간(1430)과 연결된다. 곡면판(1411)은 상단과 하단의 두께가 중심의 두께보다 더 크게 형성되며, 곡면판(1411)은 중심에서 외측으로 갈수록 두께가 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.

프레임(1420)은 바닥판(1421)과 바닥판(1421)에서 돌출 형성된 제1 측벽(1423)과 제1 측벽(1423)의 내측에 배치되어 제1 측벽(1423)과 마주하는 제2 측벽(1424)을 포함한다. 프레임(1420)의 상단에 곡면판(1411)이 결합되며 프레임(1420)은 가이드 판(1410)과의 사이에서 공명 공간(1430)을 형성한다.

바닥판(1421)은 환형으로 이어져 형성되며 평판으로 이루어질 수 있다. 제1 측벽(1423)은 제2 측벽(1424)보다 더 큰 높이를 갖고, 노즐 케이싱(1260)의 내벽에 고정 설치될 수 있다. 제2 측벽(1424)은 바닥판(1421)의 내측 단부에서 돌출 형성되며, 만곡 형성되어 노즐(1230)의 외면을 감싸도록 설치될 수 있다.

공명 공간(1430)은 유동 가이드 부재의 내부에서 둘레 방향으로 이어져 환형을 이루도록 형성되며, 사다리꼴 형상의 종단면을 갖도록 이루어질 수 있다. 유동 가이드부재(1400)는 진동 및 소음을 감쇠시키는 헬름홀츠(Helmholtz) 공명기로서 역할을 하게 된다. 유동 가이드부재(1400)는 연소 시에 발생하는 진동을 감쇠시키며 감쇠 진동 주파수는 홀(1412)의 개구 면적에 비례하고, 공명 공간(1430)의 부피와 홀(1412)의 깊이에 반비례한다. 이에 따라 개구 면적과 공명 공간(1430)의 부피를 조절하여 진동 감쇠 주파수를 설정할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 제1 실시예에 따르면 압축 공기의 이동 경로가 전환되는 부분에 유동 가이드부재(1400)가 설치되어 스월의 발생을 방지하고, 공기의 이동을 안정적으로 안내할 수 있다. 또한 본 제1 실시예에 따르면 유동 가이드부재(1400)의 내부에 공명 공간(1430)이 형성되므로 연소 시에 발생하는 진동이 노즐(1230)로 전달되어 노즐(1230)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소기를 정면에서 본 도면이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 절개 사시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 가스 터빈은 유동 가이드부재(2400)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 가스 터빈과 동일한 구조로 이루어지는바, 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 제2 실시예에 따른 유동 가이드부재(2400)는 유동 방향이 전환되는 코너부에 배치되어 공기가 노즐(1230) 내부로 용이하게 진입할 수 있도록 안내한다. 유동 가이드부재(2400)는 노즐 케이싱의 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어질 수 있으며, 더욱 상사하게는 원형의 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

본 제2 실시예에 따른 유동 가이드부재(2400)는 가이드 판(2410)과 가이드 판(2410)에 결합된 프레임(2420)을 포함한다. 가이드 판(2410)은 노즐들(1230)을 감싸는 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어진다. 가이드 판(2410)은 곡면판(2411)과 곡면판(2411)의 하단에 연결 형성되며 평판으로 이루어진 지지판(2413)을 포함한다. 곡면판(2411)은 원형의 고리 형상으로 이루어질 수 있으며, 상부에서 하부를 향하여 경사지게 배치되되 상하방향으로 오목하게 함몰 형성될 수 있다.

지지판(2413)은 이어진 곡면판들(2411)의 하단에 연결 형성되며, 복수의 지지판(2413)이 곡면판(2411)과 노즐(1230)의 외면 사이에 배치될 수 있다. 지지판(2413)의 내면은 노즐(1230)을 감싸도록 배치될 수 있다.

곡면판(2411)에는 복수의 홀(2412)이 형성되는데, 홀(2412)은 가이드 판(2410)과 프레임(2420) 사이에 형성된 공명 공간(2430)과 연결된다. 곡면판(2411)은 균일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

프레임(2420)은 바닥판(2421)과 바닥판(2421)에서 돌출 형성된 제1 측벽(2422)과 제1 측벽(2422)의 내측에 배치되어 제1 측벽(2422)과 마주하는 제2 측벽(2423)을 포함한다. 프레임(2420)의 상단에 곡면판(2411)이 결합되며 프레임(2420)은 곡면판(2411)과의 사이에서 공명 공간(2430)을 형성한다. 공명 공간(2430)은 유동 가이드부재(2400)의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있다. 홀(2412)을 통해서 유입된 진동은 공명 공간(2430) 내부에서 감쇠될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 제2 실시예에 따르면 유동 가이드부재(2400)의 구조를 단순화하여 제작 및 설치가 용이하고 제작 원가를 감소시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재의 일부를 도시한 분해 사시도이다. 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재를 잘라 본 종단면도이다.

도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 가스 터빈은 유동 가이드부재(3400)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 가스 터빈과 동일한 구조로 이루어지는바, 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재(3400)는 유동 방향이 전환되는 코너부에 배치되어 공기가 노즐 내부로 용이하게 진입할 수 있도록 안내한다. 유동 가이드부재(3400)는 노즐 케이싱의 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어질 수 있으며, 더욱 상사하게는 원형의 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

본 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재(3400)는 가이드 판(3410)과 가이드 판(3410)에 결합된 프레임(3420)을 포함한다. 가이드 판(3410)은 노즐들을 감싸는 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어진다. 가이드 판(3410)은 오목하게 함몰된 복수의 곡면판(3411)과 곡면판(3411)의 상단에 연결 형성되며 평판으로 이루어진 지지판(3413)을 포함한다. 가이드 판(3410)에는 복수의 홀(3412)이 형성되는데, 홀(3412)은 가이드 판(3410)과 프레임(3420) 사이에 형성된 공명 공간(3430)과 연결된다.

가이드 판(3410)에는 홀(3412)과 연결되되 공명 공간(3430) 내부로 돌출된 돌출 관(3415)이 설치된다. 돌출 관(3415)은 가이드 판(3410)의 안쪽 면에서 기 설정된 길이만큼 돌출 형성될 수 있다. 헬름홀츠 공명기에 의한 감쇠 주파수는 홀(3412)의 길이에 반비례하는 바, 돌출 관(3415)을 형성하면 보다 용이하게 감쇠 가능한 주파수를 제어할 수 있다. 또한, 돌출 관(3415)이 공명 공간(3430) 내부로 돌출되므로 공기의 유동을 방해하지 않는다.

프레임(3420)은 바닥판(3421)과 바닥판(3421)에서 돌출 형성된 제1 측벽(3422)과 제1 측벽(3422)을 포함한다. 가이드 판(3410)은 바닥판(3421)과 제1 측벽(3422)에 결합되며 가이드 판(3410)과 바닥판(3421) 사이에 공명 공간(3430)이 형성된다.

프레임(3420)에는 복수의 격벽(3450)이 설치되는데, 격벽(3450)은 바닥판(3421) 및 제1 측벽(3422)에 고정 설치된다. 격벽(3450)은 프레임(3420) 내부의 공간을 분리하여 복수의 공명 공간(3430)을 형성한다. 공명 공간(3430)은 대략 삼각형의 종단면을 갖도록 이루어질 수 있다.

격벽(3450)의 설치 간격과 개수에 따라 공명 공간(3430)의 부피가 조절될 수 있다. 헬름홀츠 공명기에 의한 감쇠 주파수는 공명 공간(3430)의 부피에 반비례하는 바, 이와 같이 격벽(3450)이 설치되면 보다 용이하게 감쇠 가능한 주파수를 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
1230: 노즐
1231: 노즐 관
1232: 노즐 슈라우드
1234: 베인
1236: 공급 통로
1240: 연소실
1250: 덕트 조립체
1251: 라이너
1252: 트랜지션피스
1253: 유동 슬리브
1257: 냉각 통로
1260: 노즐 케이싱
1262: 유동 통로
1270: 헤드 엔드 플레이트
1400, 2400, 3400: 유동 가이드부재
1410, 2410, 3410: 가이드 판
1411, 2411: 곡면판
1411a: 상단부
1411b: 하단부
1412, 2412, 3412: 홀
1413, 2413, 3413: 지지판
1420, 2420: 프레임
1421, 2421, 3421: 바닥판
1423, 2422, 3422: 제1 측벽
1424, 2423: 제2 측벽
1430, 2430, 3430: 공명 공간
1431: 오목부
1432: 볼록부
3415: 돌출 관
3450: 격벽

Claims

연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너,
상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체;
를 포함하고,
상기 버너는 상기 노즐로 유입되는 공기의 유동을 안내하는 유동 가이드부재를 포함하고, 상기 유동 가이드부재에는 복수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 유동 가이드부재의 내부에는 공명 공간이 형성되고 상기 공명 공간은 상기 홀과 연통된 것을 특징으로 하는 연소기.
제2 항에 있어서,
상기 유동 가이드부재는 가이드 판과 상기 가이드 판에 연결 형성되어 상기 공명 공간을 형성하는 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 프레임은 바닥판과 상기 바닥판에서 돌출 형성된 제1 측벽과 상기 제1 측벽의 내측에 배치되어 상기 제1 측벽과 마주하는 제2 측벽을 포함하고, 상기 제1 측벽은 상기 제2 측벽보다 더 큰 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
제4 항에 있어서,
상기 제2 측벽은 만곡 형성되어 상기 노즐의 외면을 감싸도록 설치된 것을 특징으로 하는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 가이드 판은 상기 노즐들을 감싸는 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 가이드 판은 만곡된 복수의 곡면판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제7 항에 있어서,
상기 가이드 판은 상기 곡면판의 상단에 연결 형성되며 평판으로 이루어진 지지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제7 항에 있어서,
상기 곡면판은 중앙에서 상단 또는 하단으로 갈수록 두께가 점진적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제8 항에 있어서,
상기 곡면판들은 측단이 서로 연결되며, 상기 가이드 판에는 둘레 방향을 따라 복수의 오목부와 볼록부가 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제7 항에 있어서,
상기 곡면판은 상단부와 하단부가 호형으로 이어져 형성되되, 상단부의 곡률 반경은 하단부의 곡률 반경보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 공명 공간은 상기 유동 가이드 부재의 내부에서 둘레 방향으로 이어져 환형을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 프레임에는 상기 프레임 내부의 공간을 분리하여 복수의 공명 공간을 형성하는 복수의 격벽이 설치된 것을 특징으로 하는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 가이드 판에는 상기 홀과 연결되되 상기 공명 공간 내부로 돌출된 돌출 관이 설치된 것을 특징으로 하는 연소기.
제2 항에 있어서,
상기 버너는 상기 덕트 조립체와 결합되며 노즐을 감싸는 노즐 케이싱과 상기 노즐들을 지지하는 헤드 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 유동 가이드부재는 상기 노즐 케이싱과 상기 헤드 엔드 플레이트가 만나는 코너부에 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 버너는 코너부에 설치되어 상기 노즐로 유입되는 공기의 유동을 안내하되 진동을 감쇠시키는 공명기로 이루어진 유동 가이드부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.