KR20200102809A - 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체 - Google Patents

가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 노즐 본체부와, 적어도 일부가 상기 노즐 본체부의 둘레를 따라 선회하도록 배치되고 일단부는 막혀있는 내부 공급관부와, 상기 내부 공급관부의 타단부에 연결되어 연료를 공급하는 주 공급관부와, 상기 내부 공급관부에 연결되며 상기 내부 공급관부에 연결되는 부분에서의 상기 내부 공급관부에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향 또는 상기 접선 방향에 대해 예각의 각도로 연료가 배출되도록 설치되는 복수개의 분사부를 포함하는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체를 제공한다.

Description

가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체{Fuel nozzle structure for gas turbine engine}
본 발명은 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체에 대한 것이다.
가스 터빈 엔진은 압축기, 연소기, 터빈을 포함하고 있고, 그 중 연소기에서는 공기와 연료를 혼합한 혼합물을 연소시킨다.
공기와 연료를 혼합하기 위해서는, 외부에서 연료를 공급하여 공기와 균일하게 섞이도록 해야 한다. 이 때 연료를 분사시키는 노즐 장치가 사용되는데, 그러한 노즐 장치는 가스 터빈 엔진의 성능에 중요한 영향을 미치게 된다.
등록특허공보 10-1857787호에는, 나선 구조의 튜브 구조를 가지는 노즐팁이 설치된 노즐 장치가 개시되어 있다.
개선된 성능을 가지는 연료 노즐 구조체를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 노즐 본체부와, 적어도 일부가 상기 노즐 본체부의 둘레를 따라 선회하도록 배치되고 일단부는 막혀있는 내부 공급관부와, 상기 내부 공급관부의 타단부에 연결되어 연료를 공급하는 주 공급관부와, 상기 내부 공급관부에 연결되며 상기 내부 공급관부에 연결되는 부분에서의 상기 내부 공급관부에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향 또는 상기 접선 방향에 대해 예각의 각도로 연료가 배출되도록 설치되는 복수개의 분사부를 포함하는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체를 제공한다.
여기서, 상기 노즐 본체부는 원통의 형상을 가질 수 있다.
여기서, 상기 노즐 본체부를 둘러싸도록 배치되며, 복수의 가이드 베인을 구비한 스월러부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가이드 베인이 가이드하는 공기의 흐름 방향이, 상기 분사부에서 배출되는 연료의 배출 방향과 다르도록, 상기 가이드 베인이 배치될 수 있다.
여기서, 상기 내부 공급관부는 상기 일단부로 갈수록 유동 단면적이 작아질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체에 의하면, 연료의 압력 손실을 최소화하고 분사 성능을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 설명을 위해 도 1에서 스월러부를 제거하고 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 선 Ⅲ-Ⅲ'을 잘라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 부분을 확대하여 도시한 개략적인 도면이다.
도 5는 도 3의 A 부분의 일 변형예를 도시한 개략적인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체를 도시한 개략적인 도면이다. 도 2는 설명을 위해 도 1에서 스월러부를 제거하고 도시한 개략적인 도면이며, 도 3은 도 2의 선 Ⅲ-Ⅲ'을 잘라 도시한 개략적인 단면도이다. 또한, 도 4는 도 3의 A 부분을 확대하여 도시한 개략적인 도면이고, 도 5는 도 3의 A 부분의 일 변형예를 도시한 개략적인 도면이다.
도 1에 도시된 본 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체(100)는 연소기에 설치되며, 노즐 본체부(110), 내부 공급관부(120), 주 공급관부(130), 분사부(140), 스월러부(150)를 포함한다.
노즐 본체부(110)는 전체적으로 원통의 형상을 가지고 있으며, 노즐 본체부(110)의 외부에는 내부 공급관부(120), 주 공급관부(140)가 설치된다.
내부 공급관부(120)는 튜브의 형상을 가지고 있으며, 적어도 일부가 노즐 본체부(110)의 둘레를 따라 선회하도록 배치된다.
내부 공급관부(120)의 일단부(121)는 막혀있는 구조를 가지고 있으며, 타단부(122)에서 일단부(121)로 갈수록 유동 단면적이 작아진다.
즉 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 공급관부(120)의 타단부(122) 근처(a-a')에서의 유동 단면적은 일단부(121) 근처(b-b')의 유동 단면적보다 큰데, 타단부(122)에서 일단부(121)로 갈수록 유동 단면적이 점차적으로 작아지는 구조를 가지고 있다. 유동 단면적이 변하는 구조를 가지게 되면, 내부 공급관부(120)의 내부 부피를 최적화시켜 연료가 흘러 채워지는 과정에서의 소요되는 시간을 최소화할 수 있게 되고, 아울러 흐르는 연료의 압력 손실을 최소화하여 분사부(140)로 배출되는 연료의 분사 성능도 높일 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 내부 공급관부(120)는, 타단부(122)에서 일단부(121)로 갈수록 유동 단면적이 점차적으로 작아지는 구조를 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따른 내부 공급관부는, 타단부(122)에서 일단부(121)까지의 부분에서 유동 단면적이 동일한 부분이 존재할 수도 있다. 또한 본 발명에 따른 내부 공급관부는, 전체적으로는 타단부(122)에서 일단부(121)로 갈수록 유동 단면적이 점차적으로 작아지는 구조를 가지면서, 일부 부분은 타단부(122)에서 일단부(121)로 갈수록 유동 단면적이 커지는 구조를 가질 수도 있다.
내부 공급관부(120)의 타단부(122)는 주 공급관부(130)와 연결되어 연료를 공급받는다.
주 공급관부(130)는 튜브의 형상을 가지고 있으며, 내부 공급관부(120)의 타단부(122)와 연결되어 연료를 공급한다. 즉 소정의 압력을 가지는 연료는 주 공급관부(130)를 통해 내부 공급관부(120)로 이동하게 된다.
복수개의 분사부(140)는, 내부 공급관부(120)에 소정의 간격으로 배치되면서 내부 공급관부(120)와 연결됨으로써, 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료를 외부로 분사한다. 분사되는 연료는 스월러부(150)의 가이드 베인(151)을 따라 흐르는 공기와 혼합되게 된다.
분사부(140)의 유동 단면적은 내부 공급관부(120)의 유동 단면적보다 작게 구성되어 분사부(140)를 통과하는 연료는 분사 속도가 증가하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 분사부(140)를 통해 흐르는 연료는, 내부 공급관부(120)에 연결되는 부분에서의 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향(T)에 대해 예각의 각도(θ, 0˚<θ<90˚)로 배출되도록 분사부(140)가 설치된다.
본 실시예에 따르면, 분사부(140)를 통해 흐르는 연료는, 내부 공급관부(120)에 연결되는 부분에서의 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향(T)에 대해 예각의 각도로 배출되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 분사부(140')를 통해 흐르는 연료는, 내부 공급관부(120)에 연결되는 부분에서의 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향(T)으로 배출되도록, 분사부(140')가 설치될 수도 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 분사부(140)(140')를 통해 흐르는 연료는, 내부 공급관부(120)에 연결되는 부분에서의 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향(T) 또는 접선 방향(T)에 대해 예각의 각도로 배출될 수 있도록 분사부(140)(140')가 설치될 수 있다. 그러한 구성으로 인하여, 노즐 본체부(110)의 둘레를 따라 선회하도록 배치되는 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 압력 손실을 최소화하여 분사부(140)(140')로 배출되는 연료의 분사 성능을 높일 수 있다.
한편, 스월러부(150)는 노즐 본체부(110)를 둘러싸도록 배치되며, 복수의 가이드 베인(151)을 구비하고 있다.
가이드 베인(151)은 유입된 공기의 흐름을 가이드하게 되는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 가이드 베인(151)이 가이드하는 공기 흐름 방향이, 분사부(140)에서 배출되는 연료의 배출 방향과 다르도록 하여 공기-연료의 혼합 성능을 높이도록, 공기 가이드 베인(151)이 배치될 수 있다.
본 실시예에서는, 가이드 베인(151)이 가이드하는 공기 흐름 방향이, 분사부(140)에서 배출되는 연료의 배출 방향과 다르도록 공기 가이드 베인(151)이 배치될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따르면, 설계자의 설계에 따라 스월러부(150)의 가이드 베인은, 가이드하는 공기 흐름 방향이 분사부(140)에서 배출되는 연료의 배출 방향과 동일하도록 배치될 수도 있다.
이하, 도 1을 참조로 하여, 본 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체(100)가 작동되는 모습을 설명한다.
소정의 압력을 가지는 연료가 주 공급관부(130)로 공급이 되면, 주 공급관부(130)와 연결된 내부 공급관부(120)에 연료가 공급되게 된다. 내부 공급관부(120)에 공급된 연료는 내부 공급관부(120)를 따라 선회 유동하면서 그에 연결된 분사부(140)를 통해 순차적으로 외부로 분사되게 된다. 한편, 스월러부(150)로 공급된 공기는 가이드 베인(151)을 따라 흐르다가 분사된 연료와 혼합되게 되고, 혼합된 공기-연료 혼합물은 연소기에서 연소되게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 복수개의 분사부(140)(140')가 단일의 내부 공급관부(120)에 연결되어 배치되므로 유로 형성을 위한 부피 및 중량을 감소시킬 수 있게 된다. 이러한 구성은, 반경 방향으로 다수의 연료 분사구를 가지는 종래의 가스 터빈 엔진의 노즐 장치에 비하여, 부피 및 중량을 획기적으로 감소시킬 수 있게 되므로, 연료 노즐 구조체(100)의 배치 구성을 최적화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 연료 노즐 구조체(100)는, 노즐 본체부(110)의 둘레를 따라 선회하도록 내부 공급관부(120)가 배치되며, 분사부(140)(140')를 통해 분사되는 연료의 분사 방향은 내부 공급관부(120)에 연결되는 부분에서의 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향(T) 또는 접선 방향(T)에 대해 예각의 각도로 배출되도록 분사부(140)(140')가 설치되므로, 내부 공급관부(120)에 흐르는 연료 흐름의 압력 손실을 최소화하여 분사부(140)(140')로 배출되는 연료의 분사 성능을 높일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 실시예의 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체는, 가스 터빈 장치, 가스 터빈 장치의 연소기, 연료 노즐을 제조하거나 시험, 운용하는 산업에 사용될 수 있다.
100: 연료 노즐 구조체 110: 노즐 본체부
120: 내부 공급관부 130: 주 공급관부
140, 140': 분사부 150: 스월러부

Claims (5)

  1. 노즐 본체부;
    적어도 일부가 상기 노즐 본체부의 둘레를 따라 선회하도록 배치되고, 일단부는 막혀있는 내부 공급관부;
    상기 내부 공급관부의 타단부에 연결되어 연료를 공급하는 주 공급관부; 및
    상기 내부 공급관부에 연결되며, 상기 내부 공급관부에 연결되는 부분에서의 상기 내부 공급관부에 흐르는 연료 흐름의 접선 방향 또는 상기 접선 방향에 대해 예각의 각도로 연료가 배출되도록 설치되는 복수개의 분사부를 포함하는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 본체부는 원통의 형상을 가지는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노즐 본체부를 둘러싸도록 배치되며, 복수의 가이드 베인을 구비한 스월러부를 더 포함하는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가이드 베인이 가이드하는 공기의 흐름 방향이, 상기 분사부에서 배출되는 연료의 배출 방향과 다르도록, 상기 가이드 베인이 배치되는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 공급관부는 상기 일단부로 갈수록 유동 단면적이 작아지는 가스 터빈 엔진의 연료 노즐 구조체.












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