KR20200004455A - 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 연료 노즐은, 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더, 및 상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러를 포함하고, 상기 주입 실린더는, 일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체, 연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하는 복수의 분사구를 포함하며, 일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 상기 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하도록 이루어질 수 있다.

Description

연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈{FUEL NOZZLE, COMBUSTOR AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 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.
대한민국 공개특허 10-2006-0096319호 (명칭 : 캔형 연소기)
본 발명의 일측면은 연소기 내에 연료 유체의 흐름을 빠르게 하여 화염 유지 현상을 방지하는 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 노즐은, 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더, 및 상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러를 포함하고, 상기 주입 실린더는, 일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체, 연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하는 복수의 분사구를 포함하며, 일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 상기 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 동축 분사구와 상기 편심 분사구는 교대로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구는 상기 실린더 몸체 내부에 형성된 내측 개구부와 상기 실린더 몸체 외부에 형성된 외측 개구부를 관통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 내측 개구부는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고, 상기 외측 개구부는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료 노즐은 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더, 및 상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러를 포함하고, 상기 주입 실린더는, 일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체, 연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하는 복수의 분사구를 포함하며, 상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함하며, 상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기는 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체, 및 상기 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하며, 상기 연료 노즐은, 상기 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더, 및 상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러를 포함하고, 상기 주입 실린더는, 일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체, 연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하고, 상기 주입 실린더의 바닥면에 환형으로 배열되는 복수의 분사구를 포함하며, 일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함하며, 상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 동축 분사구와 상기 편심 분사구는 교대로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구는 상기 실린더 몸체 내부에 형성된 내측 개구부와 상기 실린더 몸체 외부에 형성된 외측 개구부를 관통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 내측 개구부는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고, 상기 외측 개구부는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기, 및 상기 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈을 포함하며, 상기 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체, 상기 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하고, 상기 연료 노즐은, 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더, 및 상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러를 포함하고, 상기 주입 실린더는, 일 방향으로 내부에 연장 형성되어 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체, 연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하고, 상기 주입 실린더의 바닥면에 환형으로 배열되는 복수의 분사구를 포함하며, 일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 동축 분사구와 상기 편심 분사구는 교대로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구는 상기 실린더 몸체 내부에 형성된 내측 개구부와 상기 실린더 몸체 외부에 형성된 외측 개구부를 관통하여 형성되며, 상기 내측 개구부는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고, 상기 외측 개구부는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 분사구 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 연소기 내에 연료 유체의 흐름을 빠르게 하여 화염 유지 현상을 방지할 수 있고, 안정적으로 연소할 수 있으며, 질소산화물(NOx)과 같은 배출물의 생성을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 다양한 분사구의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 분사구의 배열을 나타내는 개념도이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(10), 압축기로부터 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(20) 및 연소기에서 발생한 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(30)을 포함한다. 본 명세서에서는 연료 또는 공기 흐름의 선후를 기준으로 상류 및 하류를 규정하도록 한다.
가스 터빈의 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 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다. 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
가스 터빈의 압축기(10)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분으로서, 연소기(20)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 역할을 한다. 흡입된 공기는 압축기(10)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(10)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
가스 터빈을 구성하는 압축기(10)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계될 수 있는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 대형 가스 터빈은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 다단 축류형 압축기가 적용되는 것이 일반적이다.
압축기(10)는 터빈(30)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(10)의 회전축과 터빈(30)의 회전축은 직결된다.
연소기(20)는 압축기(10)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다.
연소기(20)는 압축기(10)의 하류에 배치되며, 회전축을 중심으로 환형으로 배치되는 복수개의 버너 모듈(21)을 포함한다. 버너 모듈(21)은 연료 유체가 연소하는 연소실(240)을 포함하는 연소실 조립체(22); 및 연소실(240)로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체(23);를 포함할 수 있다.
가스 터빈에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있는데, 본 발명에서의 연료 유체는 이들을 의미한다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.
예혼합 연소의 경우에는 연료 노즐 조립체(23)에서 압축기(10)로부터 유입된 압축 공기와 연료가 혼합된 후, 연소실(240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.
연료 노즐 조립체(23)는 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐(100)을 포함하는데, 연료 노즐(100)은 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이룰 수 있도록 한다.
복수개의 연료 노즐(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 내부 연료 노즐을 중심으로 복수개의 외부 연료 노즐이 방사상으로 배치될 수 있다. 연료 노즐(100)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
연소실 조립체(22)는 연소가 이루어지는 공간인 연소실(240)을 구비하는데, 라이너(250) 및 트랜지션 피스(260)를 포함한다.
라이너(liner, 250)는 연료 노즐 조립체(23)의 하류측에 배치되며, 이너 라이너와 아우터 라이너의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 라이너를 아우터 라이너가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 라이너는 내부가 빈 관형 부재로서, 연소실(240)을 이룬다. 압축 공기는 아우터 라이너 안쪽의 환형 공간 내부로 침투하여 이너 라이너를 냉각시킬 수 있다.
한편, 라이너(250)의 하류 측에는 트랜지션 피스(transition piece, 260)가 위치하는데, 트랜지션 피스(260)는 연소실(240)에서 발생한 연소 가스를 터빈(30)으로 고속으로 내보낼 수 있다. 트랜지션 피스(260)는 이너 트랜지션 피스와 아우터 트랜지션 피스의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 트랜지션 피스를 아우터 트랜지션 피스가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이 때, 이너 트랜지션 피스도 이너 라이너와 마찬가지로 내부가 빈 관형 부재로 형성되며, 라이너(250)에서 터빈(30) 측으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다.
이 때, 이너 라이너와 이너 트랜지션 피스는 플레이트 스프링 씰(미도시)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이너 라이너와 이너 트랜지션 피스의 각 단부는 연소기(20)와 터빈(30) 측에 각각 고정되기 때문에, 플레이트 스프링 씰은 열팽창에 의한 길이 및 직경의 신장을 수용할 수 있는 구조로 이너 라이너와 이너 트랜지션 피스를 지지할 수 있다.
본 실시예에 따른 가스 터빈은, 이너 라이너와 이너 트랜지션 피스를 아우터 라이너와 아우터 트랜지션 피스가 감싸는 구조로 되어 있고, 이너 라이너와 아우터 라이너 사이의 환형 공간과 이너 트랜지션 피스와 아우터 트랜지션 피스 사이의 환경 공간 안으로 압축 공기가 침투할 수 있다. 이와 같은 환형 공간을 침투한 압축 공기는 이너 라이너와 이너 트랜지션 피스를 냉각시킬 수 있다.
한편, 연소기(20)에서 생산된 고온, 고압의 연소 가스는 라이너(250) 및 트랜지션 피스(260)를 통해 터빈(30)으로 공급된다. 터빈(30)에서는 연소 가스가 단열 팽창하면서 터빈(30)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(30)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐을 나타내는 사시도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 다양한 분사구의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐(100)은 주입 실린더(110) 및 스월러(120)를 포함한다.
주입 실린더(110)는 연료를 공급하며 연료와 공기를 예혼합하는 수단으로서, 일 방향으로 연장 형성된다. 주입 실린더(110)는 일반적으로 원통형으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에서는 원통형의 주입 실린더(110)를 예시로 한다.
주입 실린더(110) 내부에는 연료와 공기가 혼합하는 공간이 형성되며, 주입 실린더(110)의 길이 방향을 따라 연료와 공기가 지나면서 혼합될 수 있다. 주입 실린더(110)는 실린더 몸체(111) 및 복수의 분사구(112)를 포함한다.
실린더 몸체(111)는 일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하며, 내부에 형성된 유로에 공기가 유입되는 공기 유입구(113) 및 공기와 연료가 혼합되어 외부로 분사되는 분사구(112)가 형성되어 있다. 분사구(112)는 주입 실린더(110)의 하류 방향 일단에 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 원통형의 주입 실린더(110)의 바닥면에 형성될 수 있다. .
분사구(112) 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성된다. 분사구(112)는 실린더 몸체(111)를 이루는 외벽(111a)을 관통하여 형성되는데, 실린더 몸체(111) 내부에 형성된 내측 개구부(112-1)와 실린더 몸체(111) 외부에 형성된 외측 개구부(112-2)가 형성될 수 있다. 내측 개구부(112-1)의 직경(Rin)이 외측 개구부(112-2)의 직경(Rout)보다 크게 형성될 수 있다. 이와 같이 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하거나, 내측 개구부(112-1)의 직경(Rin)이 외측 개구부(112-2)의 직경(Rout)보다 크게 형성된 경우에는 분사구(112)를 지나는 연료 유체가 빠른 속도로 통과할 수 있다.
이와 같이, 연료 및 공기가 혼합된 연료 유체가 빠르게 연료 노즐을 통과하면, 연소 중에 화염 유지(flame holding)를 유발할 수 있는 재순환 포켓을 방지할 수 있다. 화염 유지는 설계 예상보다 장시간 동안 연소실 내에 남아 있는 화염 또는 불꽃을 의미한다. 화염이 연소실 내에 존재하는 시간이 증가하면, 질소산화물과 같은 배출물이 보다 많이 생성될 수도 있기 때문에, 화염 유지를 방지하는 것이 바람직하다.
동축 분사구(112a)는 도 5에 도시된 바와 같이, 내측 개구부(112-1)와 외측 개구부(112-2)가 동심축을 갖도록 형성될 수 있다. 또한 내측 개구부(112-1)의 중심과 외측 개구부(112-2)의 중심을 잇는 가상선(CL)은 실린더 몸체(111)의 길이방향과 나란하게 배치될 수 있다. 이와 같이, 가상선(CL)이 실린더 몸체(111)의 길이방향과 나란한 경우, 보다 빠르게 연료 유체가 연료 노즐(100)을 통과할 수 있다.
또는 편심 분사구(112b)는 도 6에 도시된 바와 같이, 내측 개구부(112-1)의 중심과 외측 개구부(112-2)의 중심을 잇는 가상선(CL)이 실린더 몸체(111)의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 나선형으로 기울어진 경우, 즉, 내측 개구부(112-1)는 외측 개구부(112-2)와 연료 유체 분사 방향(실린더 몸체 길이 방향)을 기준으로 편심되도록 형성된 경우에는 연료 노즐(100)을 통과하는 연료 유체에 선회성을 부여하여 빠른 속도로 통과하면서도 연료와 공기가 잘 혼합될 수 있도록 할 수 있다.
편심되도록 형성된 편심 분사구(112b)는 동심축을 갖도록 형성된 동축 분사구(112a)와 교대로 배열되면서 환형을 이룰 수 있다. 이 경우 연료 유체의 직진성과 선회성을 적절하게 배분하여 연료 유체가 연료 노즐(100)를 통과할 수 있도록 한다. 여기서 내측 개구부(112-1)는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고 외측 개구부(112-2)는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어질 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 분사구의 배열을 나타내는 개념도이다.
각 분사구(112 : 1121, 1122, 1123, 1124 ?)에서 내측 개구부 중심과 외측 개구부의 중심을 잇는 가상선(CL1, CL2, CL3, CL4 ?)들이 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 나선형을 이루도록, 분사구(1121, 1122, 1123, 1124 ?)들이 배열될 수 있다. 이와 같이 배열되는 경우 연료 유체가 빠르게 통과하면서도 선회성이 향상되어 연료와 공기가 잘 혼합될 수 있다.
각 분사구(1121, 1122, 1123, 1124 ?)에 대응하는 가상선(CL1, CL2, CL3, CL4 ?)이 도 8에 도시된 바와 같이, 실린더 몸체(111)의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 실린더 몸체(110)의 외측을 향하도록, 분사구(1121, 1122, 1123, 1124 ?)들이 배열될 수도 있다. 이와 같이 배열되는 경우 연료 유체가 빠르게 통과하면서도 넓게 퍼지게 분사될 수 있다.
헤드 엔드 플레이트(220)는 연료 노즐 조립체(23)의 외벽을 이루는 노즐 케이싱(230)의 단부에서 노즐 케이싱(230)과 결합하여 케이싱(230)을 밀봉하는데, 주입 실린더(110)에 연료를 공급하는 매니 폴드, 관련 밸브 등과 결합될 수 있다. 또한 헤드 엔드 플레이트(220)는 노즐 케이싱(230) 내에 배열되는 연료 노즐(100)을 지지한다. 연료 노즐(100)은 주입 실린더(110) 일단에 배치된 노즐 플랜지(140)에 의해 헤드 엔드 플레이트(220)에 고정된다.
연료는 연료 인젝터(fuel injector, 미도시)를 통해 헤드 엔드 플레이트(220)를 거쳐 유입되어, 연료 노즐(100)의 주입 실린더(110)의 길이 방향을 따라 이동하여 연소실(240)로 분사된다.
슈라우드(shroud, 150)는 주입 실린더(110)와 이격되어 주입 실린더(110)를 길이방향으로 둘러싸도록 형성되어, 연료 및 공기가 지날 수 있도록 유로를 구성한다. 슈라우드(150)는 주입 실린더(110)의 연장 방향을 따라 연장 형성되는데, 바람직하게는 주입 실린더(110)와 동심축을 갖고 주입 실린더(110)와 일정 간격 이격되어 주입 실린더(110)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 원통형의 슈라우드(150)를 예시로 한다. 이 경우, 주입 실린더(110) 와 슈라우드(150)에 의해 형성되는 유로의 단면은 환상(環狀)으로 형성될 수 있다.
스월러(120)는 주입 실린더(110) 중간의 외주면에 방사형으로 배열되어, 슈라우드(150)와 주입 실린더(110) 사이의 공간으로 유입된 연료 유체에 회전 유동이 발생하도록 한다. 스월러(120)는 그 내부에 주입 실린더(110)의 내부 공간과 연통되어 유로가 형성될 수 있다. 주입 실린더(110) 내부로 유입된 연료가 연통된 스월러(120) 내부의 유로를 거쳐 스월러(120) 내외부를 관통하는 분사구(122)를 통해 분사될 수 있다.
상술한 설명에서 서로 다른 요소들 간의 결합 또는 접합(접속)시에는 이들 간을 결합시키기 위한 별도의 결합 부재를 구비한다. 또한, 필요에 따라 접합면에서의 누설을 방지하기 위한 별도의 밀봉 수단이 더 추가될 수도 있다. 또한, 결합 공정의 편의와 누설 방지를 위해 끼워맞춤 형태의 소정의 돌기 또는 홈 등이 형성될 수도 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 : 압축기 20 : 연소기
21: 버너 모듈 22 : 연소실 조립체
23 : 연료 노즐 조립체 30 : 터빈
100 : 연료 노즐 110 : 주입 실린더
111 : 실린더 몸체 111a : 실린더 외벽
112 : 분사구 113 : 공기 유입구
120 : 스월러 140 : 노즐 플랜지
150 : 슈라우드

Claims (20)

  1. 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 및
    상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러;를 포함하고,
    상기 주입 실린더는,
    일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체;
    연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하는 복수의 분사구;를 포함하며,
    일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 상기 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하는 연료 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함하는 연료 노즐.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이루는 연료 노즐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동축 분사구와 상기 편심 분사구는 교대로 배열된 연료 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체 내부에 형성된 내측 개구부와 상기 실린더 몸체 외부에 형성된 외측 개구부를 관통하여 형성된 연료 노즐.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 내측 개구부는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고, 상기 외측 개구부는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어진 연료 노즐.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 분사구 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성된 연료 노즐.
  8. 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 및
    상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러;를 포함하고,
    상기 주입 실린더는,
    일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체;
    연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하는 복수의 분사구;를 포함하며,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함하며,
    상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이루는 연료 노즐.
  9. 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 및
    상기 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체;를 포함하며,
    상기 연료 노즐은,
    상기 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 및
    상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러;를 포함하고,
    상기 주입 실린더는,
    일 방향으로 연장 형성되어 내부에 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체;
    연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하고, 상기 주입 실린더의 바닥면에 환형으로 배열되는 복수의 분사구;를 포함하며,
    일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하는 연소기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함하며,
    상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이루는 연소기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 동축 분사구와 상기 편심 분사구는 교대로 배열된 연소기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체 내부에 형성된 내측 개구부와 상기 실린더 몸체 외부에 형성된 외측 개구부를 관통하여 형성된 연소기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내측 개구부는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고, 상기 외측 개구부는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어진 연소기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 분사구 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성된 연소기.
  15. 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈;을 포함하며,
    상기 연소기는,
    연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
    상기 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체;를 포함하고,
    상기 연료 노즐은,
    연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 및
    상기 주입 실린더 중간의 외주면에 방사형으로 배열되는 복수개의 스월러;를 포함하고,
    상기 주입 실린더는,
    일 방향으로 내부에 연장 형성되어 연료 유체가 통과하는 유로를 구비하는 실린더 몸체;
    연료 유체 흐름 방향의 하류 측에 배치되어 유로로 유입된 연료 유체를 외부로 분사하고, 상기 주입 실린더의 바닥면에 환형으로 배열되는 복수의 분사구;를 포함하며,
    일부의 상기 분사구는 직진성을 갖도록 유체를 가속하고, 일부의 분사구는 선회성을 갖도록 유체를 가속하는 가스 터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체의 길이방향과 나란하게 배치된 동축 분사구와 상기 실린더 몸체의 길이방향에 대해 경사각을 갖고 기울어진 편심 분사구를 포함하는 가스 터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 편심 분사구의 중심을 지나는 가상선은 서로 나선형을 이루는 가스 터빈.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 동축 분사구와 상기 편심 분사구는 교대로 배열된 가스 터빈.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 실린더 몸체 내부에 형성된 내측 개구부와 상기 실린더 몸체 외부에 형성된 외측 개구부를 관통하여 형성되며,
    상기 내측 개구부는 제1 직경을 갖는 원으로 이루어지고, 상기 외측 개구부는 제1 직경보다 더 작은 제2 직경을 갖는 원으로 이루어진 가스 터빈.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 분사구 중 적어도 하나는 내부에서 외부로 갈수록 직경이 감소하도록 형성된 가스 터빈.
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