KR20210032753A

KR20210032753A - 연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈의 연소기

Info

Publication number: KR20210032753A
Application number: KR1020190114163A
Authority: KR
Inventors: 노우진; 천무환
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-25
Also published as: US11668464B2; KR102245798B1; US11060729B2; US20210278086A1; US20210080108A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리는, 환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트, 상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고, 상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며, 상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고, 상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며, 상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고, 상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 한다.

Description

연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈의 연소기{FUEL NOZZLE ASSEMBLY AND COMBUSTOR FOR GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈의 연소기에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 노즐을 거친 공기의 유량을 균일하게 하기 위한 연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈의 연소기에 관한 것이다.

일반적으로 연소가 이루어지면서 배기물로부터 나오는 질소 산화물(NOx) 및 일산화탄소(CO)의 허용 배출양은 환경문제를 고려하여 꾸준히 감소되어 왔다.

연소시 높은 효율을 유지하면서 매우 낮은 배기 방출량을 얻는 방법은 희박 예비혼합 개념에 기초한 연소 시스템을 사용하는 것이다. 이런 형태의 시스템에서, 연료와 압축 공기는 연소 전에 완전히 혼합(pre-mixed)된다.

혼합은 여러 방법으로 달성될 수 있고, 그 결과 생기는 연료/압축 공기 혼합물의 농도는 충분히 희박하게 되어, 실제 연소가 이루어질 때 화염 온도는 질소 산화물(NOx) 발생을 최소화시킬 만큼 충분히 낮아지게 된다.

하지만, 이러한 연소 시스템들은 반응 희박 한계 바로 근처에서 작동하기 때문에, 이론 연료/압축 공기 혼합비에서 작동하는 확산 화염(diffusion flame)을 이용하는 종래의 가스 터빈에서는 통상 일어나지 않는 연소 안정성과 관련된 중대한 문제가 있을 수 있다.

이러한 불안전성은 전체적인 연소 시스템의 설계와 관련된 다양한 물리적 기구를 통해 흔히 증폭되는 연소기 내의 변동 압력장에 의해 발생될 수 있다. 만약 동압이 허용치를 초과한다면, 가스 터빈의 작동 및/또는 연소 시스템의 기계적 수명은 심각하게 영향을 받는다.

전형적인 희박 예비 혼합 연소 시스템에는 예비혼합 영역(premixing zone), 화염 홀더와 반응 영역, 제1단 가스 터빈 노즐들, 그리고 연료 및 압축 공기 공급 시스템이 구비되어 있다. 희박 예비혼합 연소 방식에서는, 연료와 압축 공기는 예비혼합 영역에 대해 상이한 동적특성을 가진 공급원들로부터 별도로 공급된다. 반응 영역으로 들어갈 때, 예비혼합 연료/압축 공기 혼합물은 화염 홀더의 분리 영역 내에 유지되는 고온 가스에 의해 점화된다. 연소 후, 생성된 고온 가스는 제1단 터빈 노즐을 통과하여 유동하고, 이 노즐들은 제1단 터빈 블레이드를 통과하는 유동을 가속시킨다.

이때, 공급되는 압축 공기/연료의 압력비가 높으면, 연료와 압축 공기가 섞이면서 소용돌이(Swirl)가 발생하게 되어 연소가 불안정해지며, 이로 인해 국부적으로 열방출량(Heat release)이 다르게 나타남에 따라 연료와 압축 공기의 혼합비의 변동(Fluctuation) 및 소음 등이 발생하게 된다.

또한, 가스 유동 온도는 반응 영역으로 들어가는 연료/압축 공기 혼합비에 의존한다. 혼합비가 반응을 유지시키는 혼합비 이상인 경우에는, 혼합비 변화에 따른 연소 온도의 변화는 거의 선형적이다. 그러나 혼합비가 희박 한계에 가까워지고 상기 희박 한계를 통과함에 따라, 혼합비의 변화에 따른 가스 온도의 변화는 최종적으로 화염이 소멸할 때까지 훨씬 더 커진다.

이와 함께 복수 개의 터빈 블레이드를 회전시키는 작동 유체로 작용하는 연소 가스는 복수 개의 연료 노즐이 집합된 연료 노즐 어셈블리를 통해 분사되는 연료를 압축 공기와 예혼합하여 연소시키거나 압축 공기 중으로 연료를 직접 분사시켜 연소시키는 방식을 통해 만들어진다. 이 경우 연료 노즐 쪽으로 압축 공기를 충분하고 적절하게 공급하는 것은 가스 터빈의 연소에서 매우 중요하다.

예혼합 연소를 위해 연료 노즐로 공급되는 압축 공기는 연료 노즐 어셈블리의 후단에 위치한 노즐 엔드 플레이트 방향으로 공급된 후에 진행 방향이 반대방향으로 전환되어 연소가 발생되는 연료 노즐의 단부로 유동한다.

이때, 복수개의 연료 노즐에서 가장자리에 위치한 사이드 연료 노즐에서는, 연료 노즐 어셈블리의 중심 방향으로 유동하는 공기의 유량이 연료 노즐 어셈블리의 가장자리 방향으로 유동하는 공기의 유량보다 크다. 한편 종래 연료 노즐에 구비되는 스월러는 복수개가 등간격으로 배치되므로, 각 부위에서 유량의 차이에 의해, 스월러를 거친 공기의 유량이 차이나는 결과가 발생하였다.

이처럼 사이드 연료 노즐의 스월러를 거친 공기의 유량이 위치에 따라 차이가 발생하면, 공기와 연료의 균일한 혼합을 기대하기 어려움은 물론, 연소실에서의 불완전 연소의 요인이 발생하게 된다.

따라서, 가스 터빈의 사이드 연료 노즐에서 스월러를 통과한 영역(스월러의 트레일링 엣지 부근)에서의 유량을 균일하게 유지시켜 연소 효율은 물론 가스 터빈 전체의 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하게 되었다.

본 발명은, 사이드 연료 노즐의 스월러를 통과한 영역에서 공기의 유량을 균일하게 할 수 있는 연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈의 연소기를 제공하고자 한다.

본 발명은, 환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트, 상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고, 상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며, 상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고, 상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며, 상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고, 상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리를 제공한다.

이때, 상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 내측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격은, 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 외측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격보다 클 수 있다.

또한, 임의의 인접한 상기 스월러에서, 상기 트레일링 엣지 사이의 간격은 동일할 수 있다.

또한, 복수의 상기 사이드 연료 노즐은, 서로 같은 간격으로 이격되어 위치할 수 있다.

또한, 상기 스월러는 상기 리딩 엣지부터 상기 트레일링 엣지에 이르기까지 적어도 한 번 절곡되도록 형성될 수 있다.

또한, 임의의 상기 사이드 연료 노즐에서, 복수의 상기 스월러에서 절곡된 부위는 서로 다른 곡률을 가질 수 있다.

또한, 상기 스월러의 내부에는 공동이 형성되고, 상기 스월러의 표면에는 상기 공동으로부터 개구된 연료 분사구가 형성될 수 있다.

또한, 상기 스월러는 상기 노즐 바디와 연통 가능하도록 결합되어, 상기 노즐 바디 내부를 유동하는 연료의 일부가 상기 스월러의 상기 공동으로 공급된 후, 상기 연료 분사구를 통해 분사될 수 있다.

또한, 상기 사이드 연료 노즐은, 상기 센터 연료 노즐보다 큰 직경을 가질 수 있다.

또한, 상기 리딩 엣지 사이의 간격이 가장 큰 부위에서 인접한 상기 리딩 엣지가 이루는 각도는, 상기 리딩 엣지 사이의 간격이 가장 작은 부위에서 인접한 상기 리딩 엣지가 이루는 각도보다 클 수 있다.

또한, 복수의 상기 스월러 중 적어도 하나의 스월러는, 상기 리딩 엣지가 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향과 일치하게 위치할 수 있다.

또한, 복수의 상기 스월러 중 적어도 하나의 스월러는, 상기 트레일링 엣지가 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향과 일치하게 위치할 수 있다.

또한, 상기 스월러는 짝수개로 구비되며, 상기 사이드 연료 노즐을 상기 리딩 엣지측에서 바라볼 때, 상기 리딩 엣지는 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향을 기준으로 대칭되도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 사이드 연료 노즐을 상기 트레일링 엣지측에서 바라볼 때, 상기 트레일링 엣지는 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향을 기준으로 대칭되도록 배치될 수 있다.

본 발명은, 연소 챔버 및 상기 연소 챔버에 장착된 연료 노즐 어셈블리를 포함하는 가스 터빈의 연소기로, 상기 연료 노즐 어셈블리는, 환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트, 상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고, 상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며, 상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고, 상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며, 상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고, 상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기를 제공한다.

본 발명은, 공기를 흡입하여 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 복수의 연소기; 및 상기 연소기에서 배출되는 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈을 포함하고, 상기 연소기는, 환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트, 상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고, 상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며, 상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고, 상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며, 상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고, 상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리를 포함하는 가스 터빈을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈의 연소기는, 사이드 연료 노즐의 스월러를 통과한 영역에서 공기의 유량을 균일하게 할 수 있다. 이에 의하여, 연소기에서의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리를 도시한 종 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리의 평면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 연료 노즐에서 노즐 바디 및 스월러를 도시한 사시도,
도 5는 종래 사이드 연료 노즐을 리딩 엣지측에서 바라본 평면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 연료 노즐을 리딩 엣지측에서 바라본 평면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 연료 노즐을 트레일링 엣지측에서 바라본 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈의 연소기에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

첨부된 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈(1)은 크게 압축 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에 의해 압축된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(10) 및 상기 연소기(10)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(30)을 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 가스터빈(1)은 외형을 이루는 하우징(2)이 구비되고, 압축 공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(2)의 상류 측에는 압축기(20)가 위치하고, 하류 측에는 터빈(30)이 배치된다. 그리고 상기 압축기(20)와 상기 터빈(30)의 사이에는 터빈(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(20)로 전달하기 위한 토크 전달 부재로서의 회전력 전달부(40)가 구비된다.

또한, 상기 하우징(2)은 후측에 상기 터빈(30)을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(50)가 구비되어 있으며, 상기 디퓨저(50)의 전방으로는 압축된 압축 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(10)가 구비된다.

상기 압축기(20)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(22)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)들은 타이로드(60)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

상기 타이로드(60)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(22)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 상기 압축기 로터 디스크(22) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 회전력 전달부(40) 내에서 고정된다.

상기 타이로드(60)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 대략 중앙을 상기 타이로드(60)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 대향하는 면이 상기 타이로드(60)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 로터 디스크(22)의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드(24)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 압축기 블레이드(24)는 루트부(26)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(22)에 체결된다.

상기 루트부(26)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

또한, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)의 사이에는 상기 하우징(2)에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 압축기 로터 디스크(22)와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 상기 압축기 로터 디스크(22)의 압축기 블레이드(24)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 압축기 블레이드로 압축 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

이와 같이, 상기 압축기(20)를 통해 외기가 내부로 흡입되어 다수개의 상기 압축기 블레이드(24)와 베인을 통과하며 다단으로 압축이 이루어진 후에, 상기 연소기(10)를 경유하여 터빈(30)으로 공급될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기(20)에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기(10) 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

다음으로, 상기 연소기(10)에 관하여 살펴보면, 상기 연소기(10)에서는 상기 압축기(20)로부터 유입된 압축압축 공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소장치 시스템을 구성하는 상기 연소기(10)는 캔(can) 타입으로 이루어져 다수개의 연소기(10)가 상기 가스터빈(1)의 둘레방향을 따라 설치된다. 상기 연소기(10)는 연료분사노즐을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner)와, 상기 연소기(10)와 터빈(30)의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료분사노즐에 의해 분사되는 연료가 상기 압축기(20)의 압축압축 공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 압축 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함한다.

또한, 상기 라이너의 전단에는 연료분사노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.

한편, 상기 라이너의 후단에는 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈(30) 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 상기 압축기(20)로부터 공급되는 압축 공기에 의해 냉각된다.

한편, 상기 다수의 연소기(10)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상기 터빈(30)으로 공급되며, 공급된 연소가스는 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 회전 토크를 야기하게 된다. 이렇게 얻어진 회전 토크는 상기의 회전력 전달부(40)를 거쳐 상기 압축기(20)로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈(30)은 기본적으로는 상기 압축기(20)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(30)에도 상기 압축기의 압축기 로터 디스크(22)와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(32)가 구비된다. 또한, 상기 터빈 로터 디스크(32)의 외주면에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(34)를 포함한다. 이때, 상기 터빈 블레이드(34)는 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(32)에 결합될 수 있다.

아울러, 상기 터빈 로터 디스크(32)의 터빈 블레이드(34)의 사이에도 복수의 베인(미도시)이 구비되어, 상기 터빈 블레이드(34)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 압축 공기는 상기 압축기(20)에서 압축되고, 상기 연소기(10)에서 연소된 후, 상기 터빈(30)으로 보내져 터빈을 구동하고, 상기 디퓨저(50)를 통해 대기중으로 배출된다.

여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 연소장치는 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이 구성된 가스 터빈은, 상기 연소기(10)에서 연료를 공급 및 분사하기 위한 목적으로 연료 노즐(200)이 설치되고, 상기 연료 노즐(200)은 복수로 구비되어, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐(210)과 상기 센터 연료 노즐(210)을 둘러싸는 사이드 연료 노즐(220)이 구비된다.

이를 위해 본 실시예에 의한 연료 노즐 어셈블리는 환형으로 이루어진 케이싱(50)의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트(100)와, 상기 엔드 플레이트(100)에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱(50)의 내측에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐(200) 및 상기 엔드 플레이트(100)와 상기 연료 노즐(200) 사이에 설치되고, 상기 케이싱(50)의 내측을 따라 상기 엔드 플레이트(100)를 향해 이동된 압축 공기가 상기 연료 노즐(200)의 내측을 향해 유동한다.

엔드 플레이트(100)는 원판 형태로 형성되고, 연료 노즐(200)의 일측 단부가 안정적으로 지지되기 위해 구비된다.

상기 연료 노즐(200)은 상기 엔드 플레이트(100)의 중앙에 위치된 센터 연료 노즐(210)과, 상기 센터 연료 노즐(210)을 기준으로 반경 방향 외측으로 이격되어 위치되고, 상기 엔드 플레이트(100)의 가장 자리를 따라 복수개가 배치된 사이드 연료 노즐(220)을 포함한다.

상기 사이드 연료 노즐(220)은 관 형태로 형성되는 노즐 바디(222)와, 상기 노즐 바디(222)의 반경 방향 외측으로 이격되고, 상기 노즐 바디(222)를 외측에서 감싸는 관 형태의 슈라우드(224)와, 상기 노즐 바디(222) 및 상기 슈라우드(224)의 사이에 위치하는 스월러(226)를 포함한다.

상기 노즐 바디(222)는 원통 형태의 실린더로 이루어지고, 외측에 상기 노즐 바디(222)와 동심원을 이루는 슈라우드(224)가 구비된다. 상기 슈라우드(224)는 노즐 바디(222)의 외측으로 압축 공기가 이동되도록 소정의 간격으로 이격되어 위치된다. 상기 스월러(226)는 상기 노즐 바디(222)와 상기 슈라우드(224)에 고정되도록 결합된다. 상기 스월러(226)는 상기 노즐 바디(222)와 상기 슈라유드(224) 사이를 유동하는 공기에 스월을 발생시키기 위해 구비되는 것이다. 이때, 도시하지는 않았으나 상기 스월러(226)에는 연료 분사구가 형성될 수 있다.

상기 스월러(226)는 적어도 한 번 절곡 형성되어 곡면을 갖도록 이루어지고, 하나의 연료 노즐에는 복수개의 상기 스월러(226)가 구비되어 상기 노즐 바디(222)를 환형으로 둘러싸도록 배치된다.

상기 스월러(226)는, 공기가 유입되는 방향을 바라보는 리딩 엣지(226a)와, 상기 리딩 엣지(226a)의 반대편, 즉 공기가 유출되는 방향을 바라보는 트레일링 엣지(226b)를 포함한다.

전술한 바와 같이 상기 스월러(226)는 곡면을 갖도록 형성되므로, 상기 리딩 엣지(226a)와 상기 트레일링 엣지(226b)는 상기 노즐 바디(222)의 축방향으로 바라볼 때 서로 겹쳐지지 않도록 위치한다.

그런데, 상기 사이드 연료 노즐(220)에 있어서, 공기가 유입되는 유량 및 유동 속도는 모든 부위에서 균일한 것이 아니다. 구체적으로, 상기 센터 연료 노즐(210)에서와는 달리 상기 사이드 연료 노즐(220)은 상기 연료 노즐 어셈블리의 중심에 위치하는 것이 아니므로, 상기 사이드 연료 노즐(220)로 유입되는 공기의 유량은 상기 케이싱에 가까운 쪽(이하, 반경 방향 외측)이 상기 센터 연료 노즐(210)에 가까운 쪽(이하, 반경 방향 내측)보다 크다.

압축기로부터 공급되는 압축 공기는 상기 케이싱의 근처에서 유입되어 상기 사이드 연료 노즐(220)로 공급되는 것이므로, 상기 사이드 연료 노즐(220)의 반경 방향 외측으로 유입되는 유량이 더 큰 것이다.

이처럼, 상기 사이드 연료 노즐(220) 내에서 위치에 따른 공기 유량의 불균일이 발생하게 되면, 상기 스월러(226)를 거친 공기의 유동이 불균일해지고 결과적으로 연소 효율이 저하된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 실시예에서는 상기 스월러(226)의 리딩 엣지(226a) 사이의 간격을 조정함으로써 상기 스월러(226)를 거친 공기의 유량을 균일하게 하였다.

도 3을 참조하여 구체적인 상기 리딩 엣지(226a)의 배치 형상에 관하여 설명한다.

상기 사이드 연료 노즐(220)은 상기 센터 연료 노즐(210)로부터 반경 방향 외측으로 이격되어 위치한다. 따라서, 임의의 상기 사이드 연료 노즐(220)에서는 반경 방향 외측에 위치하는 스월러(226)와, 반경 방향 내측에 위치하는 스월러(226)가 적어도 하나씩 있다. 복수의 상기 스월러(226) 중 하나는, 리딩 엣지(226a)가 상기 노즐 바디(222)로부터 반경 방향 외측으로 연장되어 상기 슈라우드(224)에 이르고, 복수의 상기 스월러(226) 중 다른 하나는, 리딩 엣지(226a)가 상기 노즐 바디(222)로부터 반경 방향 내측으로 연자오디어 상기 슈라우드(224)에 이른다.

도 6을 참조하면, 상기 노즐 바디(222)로부터 반경 방향 외측으로 연장된 상기 리딩 엣지(226a)는, 인접한 리딩 엣지(226a)와 A만큼의 간격으로 이격된다. 이때 A는 상기 리딩 엣지(226a)의 중앙을 서로 잇는 호의 길이이다.

힌편, 상기 노즐 바디(222)로부터 반경 방향 내측으로 연장된 상기 리딩 엣지(226a)는, 인접한 리딩 엣지(226a)와 B만큼의 간격으로 이격된다. 이때 B는 상기 리딩 엣지(226a)의 중앙을 서로 잇는 호의 길이이다.

이때, 도 6에 도시된 것처럼 본 실시예에서는 인접한 리딩 엣지(226a)간에 이루는 각도가 모두 동일하다. 즉, 상기 리딩 엣지(226a) 사이의 간격을 달리함은 상기 리딩 엣지(226a) 자체의 각도를 조정하는 것이 아니라, 상기 리딩 엣지(226a)가 상기 노즐 바디(222)에 결합되는 위치만을 조정함으로써 달성한 것이다.

그러나, 본 실시예와 달리 인접한 리딩 엣지(226a) 사이의 각도 자체를 달리함으로써 인접한 리딩 엣지(226a) 사이의 간격을 달라지게 할 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 이 경우에는 반경 방향 내측에 위치하는 상기 리딩 엣지(226a) 사이의 각도가 반경 방향 외측에 위치하는 상기 리딩 엣지(226a)사이의 각도보다 크다.

상기 리딩 엣지(226a) 사이의 간격이 동일하지 않음으로 인해서, 복수의 상기 스월러(226) 사이의 공간에 유입되는 공기의 유량이 조절된다. 전술한 바와 같이 공기는 상기 반경 방향 외측에 위치하는 상기 스월러(226) 사이의 공간에 더 많이 유입되므로, 상기 리딩 엣지(226a)의 간격을 조절하여 반경 방향 내측에 위치하는 상기 스월러(226) 사이의 공간을 더 크게 하면, 상기 스월러(226)로 인해 구획된 공간 각각을 유동하는 공기의 유량은 서로 같아질 수 있다. 따라서, 방향에 관계없이 모든 영역에서 일정한 공기의 유동이 달성된다.

다만, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 트레일링 엣지(226b) 사이의 간격(C)은 모두 동일하다. 상기 리딩 엣지(226a)와는 다르게 상기 트레일링 엣지(226b)는 공기가 유출되는 영역이므로 상기 리딩 엣지(226a) 사이의 공간을 통해 유입되며 각 공간을 유동하는 공기의 유량은 이미 일정하게 조절되었다. 따라서 상기 트레일링 엣지(226b) 사이의 간격은 동일해야 연소 챔버로 유동하는 공기의 유량이 균일하게 유지될 수 있다.

결국, 상기 스월러(226)는 복수개가 모두 동일한 형상으로 형성되지 않고, 상기 리딩 엣지(226a) 사이의 간격은 다르나 상기 트레일링 엣지(226b) 사이의 간격은 동일하도록 서로 다른 형상(곡률)을 갖도록 형성된다.

본 실시예에서 상기 스월러(226)는 하나의 상기 사이드 연료 노즐(220)당 8개가 구비되므로, 상기 트레일링 엣지(226b) 사이의 각도는 45도를 이룬다.

한편, 상기 리딩 엣지(226a)의 구체적인 간격은 본 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리가 적용되는 연소기의 크기, 상기 사이드 연료 노즐(220)의 개수나 크기 등에 따라서 적절하게 결정될 수 있다. 필요한 경우에는 상기 사이드 연료 노즐(220)을 유동하는 공기의 유량 및 유속 등에 관한 데이터를 활용하여 상기 리딩 엣지(226a) 사이의 적절한 간격을 결정할 수 있다. 덧붙여, 상기 스월러(226)에서 상기 리딩 엣지(226a)와 상기 트레일링 엣지(226b) 사이의 간격을 제외한 구체적인 형상 등도 공기의 유동을 균일하게 하기 위한 목적으로 적절하게 변형될 수 있을 것이다.

한편, 상기 사이드 연료 노즐(220)과 달리 상기 센터 연료 노즐(210)에서는 스월러의 리딩 엣지 사이의 간격이 모두 동일하다. 또한, 상기 센터 연료 노즐(210)에 구비되는 스월러의 트레일링 엣지 사이의 간격도 모두 동일하다. 전술한 바와 같이 상기 사이드 연료 노즐(220)에서는 반경 방향 내측과 외측에서 유량의 차이가 발생하나, 상기 센터 연료 노즐(210)에서는 방향에 따른 유량의 차이가 발생하지 않기 때문이다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 어셈블리에 따른 작용효과는 다음과 같다.

상기 사이드 연료 노즐(220)에 구비되는 상기 스월러(226)의 리딩 엣지(226a) 사이의 간격이 서로 다르게 배치되므로, 상기 리딩 엣지(226a) 사이의 공간 역시 달라지게 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해, 공기의 유량이 상대적으로 많은 반경 방향 외측의 공간을 작게 하고, 공기의 유량이 상대적으로 적은 반경 방향 내측의 공간을 크게 하였으므로, 상기 리딩 엣지(226a) 사이로 유입되는 공기의 유량은 균일하게 유지된다. 그리고, 상기 트레일링 엣지(226b) 사이의 간격은 모두 동일하므로 결국 상기 스월러(226)를 거친 공기의 유량은 모든 영역에서 균일하게 유지된다. 이는 곧 연료와 공기의 균일한 혼합을 야기하고, 연소 효율을 높이는 효과를 발생시킨다. 연소 효율의 향상은 나아가서 가스 터빈 전체의 효율 향상으로 이어짐은 물론이다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 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.

10: 연소기
50: 케이싱
100: 엔드 플레이트
200: 연료 노즐
210: 센터 연료 노즐
220: 사이드 연료 노즐
222: 노즐 바디
224: 슈라우드
226: 스월러
226a: 리딩 엣지
226b: 트레일링 엣지

Claims

환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트,
상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고,
상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며,
상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고,
상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며,
상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고,
상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 사이드 연료 노즐에서,
상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 내측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격은, 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 외측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제2항에 있어서,
임의의 인접한 상기 스월러에서, 상기 트레일링 엣지 사이의 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제1항에 있어서,
복수의 상기 사이드 연료 노즐은, 서로 같은 간격으로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 스월러는 상기 리딩 엣지부터 상기 트레일링 엣지에 이르기까지 적어도 한 번 절곡되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제5항에 있어서,
임의의 상기 사이드 연료 노즐에서,
복수의 상기 스월러에서 절곡된 부위는 서로 다른 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 스월러의 내부에는 공동이 형성되고, 상기 스월러의 표면에는 상기 공동으로부터 개구된 연료 분사구가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제7항에 있어서,
상기 스월러는 상기 노즐 바디와 연통 가능하도록 결합되어, 상기 노즐 바디 내부를 유동하는 연료의 일부가 상기 스월러의 상기 공동으로 공급된 후,
상기 연료 분사구를 통해 분사되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 사이드 연료 노즐은, 상기 센터 연료 노즐보다 큰 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제2항에 있어서,
상기 리딩 엣지 사이의 간격이 가장 큰 부위에서 인접한 상기 리딩 엣지가 이루는 각도는, 상기 리딩 엣지 사이의 간격이 가장 작은 부위에서 인접한 상기 리딩 엣지가 이루는 각도보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제2항에 있어서,
복수의 상기 스월러 중 적어도 하나의 스월러는, 상기 리딩 엣지가 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향과 일치하게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제11항에 있어서,
복수의 상기 스월러 중 적어도 하나의 스월러는, 상기 트레일링 엣지가 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향과 일치하게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제11항에 있어서,
상기 스월러는 짝수개로 구비되며,
상기 사이드 연료 노즐을 상기 리딩 엣지측에서 바라볼 때, 상기 리딩 엣지는 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향을 기준으로 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
제13항에 있어서,
상기 사이드 연료 노즐을 상기 트레일링 엣지측에서 바라볼 때, 상기 트레일링 엣지는 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향을 기준으로 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리.
연소 챔버 및 상기 연소 챔버에 장착된 연료 노즐 어셈블리를 포함하는 가스 터빈의 연소기로,
상기 연료 노즐 어셈블리는,
환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트,
상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고,
상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며,
상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고,
상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며,
상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고,
상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
제15항에 있어서,
상기 사이드 연료 노즐에서,
상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 내측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격은, 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 외측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
제16항에 있어서,
임의의 인접한 상기 스월러에서, 상기 트레일링 엣지 사이의 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 복수의 연소기; 및
상기 연소기에서 배출되는 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈을 포함하고,
상기 연소기는,
환형으로 이루어진 케이싱의 일측 단부에 결합된 엔드 플레이트,
상기 엔드 플레이트에 일단이 지지되고 타단이 외측으로 연장되며 상기 케이싱의 내측 축 방향에 형성된 유입 통로를 통해 이동된 압축 공기가 공급되는 연료 노즐을 포함하고,
상기 연료 노즐은, 중심부에 위치하는 센터 연료 노즐 및 상기 센터 연료 노즐을 환형으로 둘러싸는 복수의 사이드 연료 노즐을 포함하며,
상기 연료 노즐은, 상기 연료 노즐의 중심에 위치한 노즐 바디와, 상기 노즐 바디 외측으로 이격되어 위치함으로써 압축 공기의 이동 경로를 형성하는 슈라우드를 포함하고,
상기 노즐 바디와 상기 슈라우드 사이에는 복수의 스월러가 구비되며,
상기 스월러는 상기 엔드 플레이트 방향으로의 단부인 리딩 엣지와 상기 리딩 엣지의 반대 방향 단부인 트레일링 엣지를 포함하고,
상기 사이드 연료 노즐에서, 상기 리딩 엣지 사이의 간격은 서로 다른 것을 특징으로 하는 연료 노즐 어셈블리를 포함하는 가스 터빈.
제18항에 있어서,
상기 사이드 연료 노즐에서,
상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 내측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격은, 상기 연료 노즐 어셈블리의 반경 방향 외측에 위치하는 상기 리딩 엣지 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제19항에 있어서,
임의의 인접한 상기 스월러에서, 상기 트레일링 엣지 사이의 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.