KR20220103486A - 멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기 섹션으로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈 섹션으로 공급하는 연소기에 있어서, 상기 압축기 섹션으로부터 압축공기를 공급받으며 외부로부터 연료를 공급받는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱으로부터 분사된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소실이 형성된 라이너; 상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 형성된 연소가스를 상기 터빈 섹션으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부에 구비되는 노즐튜브에 배치되고, 중공부가 형성된 복수개의 연료노즐; 상기 복수개의 연료노즐에 연결되며 복수개의 연료노즐의 내부로 압축공기를 공급하는 복수개의 압축공기공급관; 일단부는 노즐케이싱의 노즐베이스에 연결되고 상기 연료노즐의 중공부 내부로 연장되어 배치되며, 타단부는 분사가 분사되는 연료분사구가 형성된 센터바디; 및 상기 복수개의 압축공기공급관에 구비되어 상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하되, 상기 복수개의 연료노즐의 내부에서 연료와 압축공기가 혼합되고, 상기 복수개의 연료노즐은 복수개의 분할그룹으로 분할되며, 초기연소 및 부하조건에 대응하여 분할된 분할그룹에서 연료와 압축공기가 혼합된 혼합물이 분사되는 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

Description

멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{Combustor with multi-tube and gas turbine including same}

본 발명은 멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 터빈(turbine)은 가스(gas), 스팀(steam) 등 유체의 열에너지를 기계에너지인 회전력으로 변환하는 동력발생 장치로, 유체에 의해 축회전되도록 복수 개의 회전익(bucket)을 포함하는 로터(rotor)와, 로터의 둘레를 감싸며 설치되고 복수 개의 고정익(diaphram)이 구비된 케이싱(casing)을 포함하고 있다.

여기서, 가스터빈은 압축기 섹션와 연소기 및 터빈 섹션을 포함하여 구성되고, 압축기 섹션의 회전에 의해 외부 공기가 흡입, 압축된 후 연소기로 보내지고, 연소기에서 압축공기와 연료의 혼합에 의해 연소가 이루어진다. 연소기에서 발생된 고온, 고압의 가스는 터빈 섹션을 통과하면서 터빈의 로터를 회전시켜 발전기를 구동시킨다.

가스터빈의 구성 중 연소기는 압축기 섹션에서 압축된 공기에 연료를 분사, 혼합시켜 연소실에 연소가 이뤄지도록 한다. 연소실로 공기와 혼합된 연료를 공급할 때, 공기-연료 혼합도를 높이는 것이 중요하다. 공기-연료 혼합도가 개선되면 연소실에서 연소시 연소 진동이 감소하게 되어 전체적으로 가스터빈의 발전효율이 향상되게 된다.

그러나, 연소실로 분사되는 공기와 혼합된 연료가 연소 시 화염이 균일하게 유도되게 개선하면 점화 후 구동되는 램프업 과정에서 진동이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2164622호(2020.10,.05. 등록)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 노즐튜브에 배치되는 복수개의 연료노즐을 노즐튜브의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지는 복수개의 분할그룹으로 분할하고 분할된 분할그룹에서 분사되는 연료와 압축공기의 혼합비와 연료노즐의 직경을 달리하여 연소진동 발생 시 및 요구되는 부하조건에 맞추어 각 노즐 분할그룹의 연료 공급량을 조절하여 주어진 부하조건에서 발생하는 질소산화물(NOx)와 연소진동을 조절할 수 있어 능동적인 운전이 가능하며 노즐 분할그룹이 원주방향 직경을 달리한 링 형태로 구성되어 있어 점화 후 목표 운전조건까지 공기 및 연료 유량을 증가시키는 램프업 과정에서 화염의 원주방향 온도 균일도를 확보하여 연소진동발생을 최소화시킬 수 있는 멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기 섹션으로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈 섹션으로 공급하는 연소기에 있어서, 상기 압축기 섹션으로부터 압축공기를 공급받으며 외부로부터 연료를 공급받는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱으로부터 분사된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소실이 형성된 라이너; 상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 형성된 연소가스를 상기 터빈 섹션으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부에 구비되는 노즐튜브에 배치되고, 중공부가 형성된 복수개의 연료노즐; 상기 복수개의 연료노즐에 연결되며 복수개의 연료노즐의 내부로 압축공기를 공급하는 복수개의 압축공기공급관; 일단부는 노즐케이싱의 노즐베이스에 연결되고 상기 연료노즐의 중공부 내부로 연장되어 배치되며, 타단부는 분사가 분사되는 연료분사구가 형성된 센터바디; 및 상기 복수개의 압축공기공급관에 구비되어 상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하되, 상기 복수개의 연료노즐의 내부에서 연료와 압축공기가 혼합되고, 상기 복수개의 연료노즐은 복수개의 분할그룹으로 분할되며, 초기연소 및 부하조건에 대응하여 분할된 분할그룹에서 연료와 압축공기가 혼합된 혼합물이 분사되는 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기를 제공한다.

본 발명에 따른 멀티튜브를 갖는 연소기에 있어서, 상기 분할그룹은 상기 노즐튜브의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지도록 복수개로 분할될 수 있으며, 상기 분할그룹은 상기 노즐튜브의 중앙부에 원형형상을 가지도록 배치되는 제1그룹과, 상기 노즐튜브의 원주방향 끝단에 배치되는 제2그룹과, 상기 제1그룹과 상기 제2그룹 사이에 배치되는 제3그룹을 포함할 수 있고, 상기 제3그룹은 내주부는 상기 제1그룹과 인접하게 배치되고 복수개가 서로 이격되게 배치되는 제3-1그룹과, 외주부는 상기 제2그룹과 인접하게 배치되고 상기 제3-1그룹과 교차되게 배치되는 제3-2그룹을 포함할 수 있다.

상기 제1그룹 내지 상기 제3그룹은 연료노즐의 길이가 서로 상이할 수 있으며, 상기 제3-1그룹과 상기 제3-2그룹은 상기 연료노즐이 길이가 서로 상이할 수 있고, 상기 제1그룹 내지 상기 제3그룹과 상기 제3-1그룹 및 상기 제3-2그룹은 연료노즐의 직경이 서로 상이할 수 있다.

상기 압축공기공급관은 상기 제1그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제1압축공기공급관과, 상기 제2그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제2압축공기공급관과, 상기 제3그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제3압축공기공급관을 포함할 수 있으며, 상기 제2그룹을 형성하는 연료노즐과 상기 제3그룹을 형성하는 연료노즐에는 제1압축공기공급관과 상기 제2압축공기공급관이 관통하는 관통공이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 멀티튜브를 갖는 연소기는 상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션; 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되게 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기; 상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되게 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및 상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되게 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져를 포함하되, 상기 연소기는 상기 압축기 섹션으로부터 압축공기를 공급받으며 외부로부터 연료를 공급받는 노즐케이싱과, 상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱으로부터 분사된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소실이 형성된 라이너와, 상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 형성된 연소가스를 상기 터빈 섹션으로 공급하는 트랜지션피스와, 상기 노즐케이싱의 내부에 구비되는 노즐튜브에 배치되고, 중공부가 형성된 복수개의 연료노즐과, 상기 복수개의 연료노즐에 연결되며 복수개의 연료노즐의 내부로 압축공기를 공급하는 복수개의 압축공기공급관과, 일단부는 노즐케이싱의 노즐베이스에 연결되고 상기 연료노즐의 중공부 내부로 연장되어 배치되며, 타단부는 분사가 분사되는 연료분사구가 형성된 센터바디와, 상기 복수개의 압축공기공급관에 구비되어 상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하되, 상기 복수개의 연료노즐의 내부에서 연료와 압축공기가 혼합되고, 상기 복수개의 연료노즐은 복수개의 분할그룹으로 분할되며, 초기연소 및 부하조건에 대응하여 분할된 분할그룹에서 연료와 압축공기가 혼합된 혼합물이 분사되는 것을 특징으로 하는 가스터빈을 제공한다.

본 발명에 따른 멀티튜브를 갖는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈은 노즐튜브에 배치되는 복수개의 연료노즐을 노즐튜브의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지는 복수개의 분할그룹으로 분할하고 분할된 분할그룹에서 분사되는 연료와 압축공기의 혼합비와 연료노즐의 직경을 달리함으로써 연소진동 발생 시 및 요구되는 부하조건에 맞도록 선정된 분할그룹에서 압축공기와 혼합된 연료를 분사하여 연소진동 발생에 보다 능동적으로 대처하는 운전이 가능하며, 연소실내 원주방향 균일성을 확보, 점화 후 특정 운전조건까지 공기와 연료 유량을 증가시키며 구동하는 램프업 과정에서 발생되는 연소진동을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연소기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명인 멀티튜브가 장착된 연소기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 멀티튜브 상에 배치된 복수개의 연료노즐의 배치구조를 도시한 도면이다.
도 5는 제2그룹을 형성되는 연료노즐에 압축공기공급관이 연결된 상태를 확대하여 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1)은 기본적으로 외관을 형성하는 케이싱(10), 공기를 압축하는 압축기 섹션(compressor section;20), 공기를 연소하는 연소기(100), 연소된 가스를 이용하여 발전하는 터빈 섹션(turbine section;30), 배기가스를 배출하는 디퓨져(40), 및 압축기 섹션(20)과 터빈 섹션(30)을 연결하는 회전동력을 전달하는 로터(rotor;50)를 포함하여 구성될 수 있다.

열역학적으로 가스터빈(1)의 상류측에 해당하는 압축기 섹션(compressor section;20)으로는 외부의 공기가 유입되어 단열압축 과정을 거치게 된다. 압축된 공기는 연소기(100)로 유입되어 연료와 혼합되어 등압연소 과정을 거치고, 연소가스는 가스터빈(1)의 하류측에 해당하는 터빈 섹션(turbine section;30)으로 유입되어 단열팽창 과정을 거치게 된다.

공기의 흐름을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(10)의 전방에 압축기 섹션(20)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(30)이 구비된다. 상기 압축기 섹션(20)과 상기 터빈 섹션(30) 사이에는 상기 터빈 섹션(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기섹셕(20)으로 전달하는 토크튜브(50a)가 구비된다.

상기 압축기 섹션(20)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(20a)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(20a)들은 타이로드(50b)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크(20a) 중앙을 상기 타이로드(50b)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크(20a)의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지(미도시)가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크(20a)의 외주면에는 복수개의 블레이드(blade;20b)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(20b)는 도브 테일부(미도시)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(20a)에 체결된다.

상기 도브 테일부(미도시)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 도브 테일부 외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 압축기 블레이드(20b)을 압축기 로터 디스크(10a)에 체결할 수 있다.

이때 케이싱(10) 중 압축기 섹션(20)의 내주면에는 상기 압축기 블레이드(20b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또흔 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시) 상에 장착되어 배치될 수 있다.

상기 타이로드(50b)는 복수개의 압축기 로터 디스크(20a)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크(20a) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(50a)에 고정된다.

상기 타이로드(50b)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이루어질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정되는 것은 아니다. 하나의 타이로드(50b)는 압축기 로터 디스크(20a)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드(50b)가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들이 혼용되어 사용될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨져의 다음 위치에 가이드깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(100)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합 후 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어내며, 등압 연소과정으로 연소기(100) 및 터빈 섹션(20)의 부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기(100)는 셀 형태로 형성되는 케이싱(10) 내에 다수가 배열될 수 있으며, 상기 연소기(100)의 구조는 도 2를 참조하여 이하 자세히 설명하기로 한다.

한편, 일반적으로 상기 터빈 섹션(30)에서는 연소기(100)에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 섹션(30)의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.

상기 터빈 섹션(30)에서 얻은 기계적 에너지는 상기 압축기 섹션(20)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈 섹션(30)에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치되며, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키게 된다.

이를 위해, 상기 터빈 섹션(30)에는 복수의 터빈 로터 디스크(30a)가 구비된다. 각각의 터빈 로터 디스크(30a)는 기본적으로 상기 압축기 로터 디스크(20a)와 유사한 형태를 갖는다.

상기 터빈 로터 디스크(30a) 역시 이웃한 터빈 로드 디스크(30a)와 결합되기 위한 플랜지(미도시)를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(30b)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(30b) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(30a)에 결합될 수 있다.

이때, 케이싱(10) 중 터빈 섹션(30)의 내주면에는 상기 터빈 블레이드(30b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)이 다이아프램(미도시) 상에 장착되어 배치될 수 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(20)에서 압축되고 연소기(100)에서 연소된 후, 터빈 섹션(30)으로 이동되어 발전 구동하고, 디퓨져(40)를 통해 대기중으로 배출된다.

여기서, 상기 토브튜브(50a), 압축기 로터 디스크(20a), 압축기 블레이드(20b), 터빈 로터 디스크(30a), 타이로드(50b) 등은 회전 구성요소로서 일체로 로터(50) 또는 회전체라고 지칭될 수 있다. 그리고 케이싱(10), 베인(미도시), 다이아프램(미도시) 등은 비회전 구성요소로서 일체로 스테이터(stator) 또는 고정체라고 지칭될 수 있다.

가스터빈에 대한 일반적인 한 형태의 구조는 상기와 같으며, 이하에서는 이러한 가스터빈에 적용되는 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 연소기(100)는 노즐케이싱(110), 라이너(120), 트랜지션피스(130), 복수개의 연료노즐(140), 복수개의 압축공기공급관(150), 센터바디(160), 및 개폐밸브(170)를 포함한다.

상기 노즐케이싱(110)은 상기 압축기 섹션(20)으로부터 압축공기를 공급받으며, 외부로부터 연료를 공급받는다. 공급받은 연료는 수소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 라이너(120)는, 압축공기 또는 연소가스의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱(110)의 하류 측에 연결되며, 상기 노즐케이싱(110)으로부터 분사된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소된다. 상기 트랜지션피스(130)는 상기 라이너(120)의 하류 측에 연결되며, 상기 라이너(120)의 연소실에서 발생된 연소가스를 상기 터빈 섹션(30)으로 공급한다.

상기 노즐케이싱(110)의 내부에 구비되는 노즐튜브(180)에는 중공부(140a)가 형성된 복수개의 연료노즐(140)이 구비된다. 상기 노즐튜브(180)에 형성된 복수의 개구로는 복수개의 연료노즐(140)이 삽입되며, 상기 연료노즐(140)은 원통형상을 가지고, 연소기 전후 방향으로 연장되는 센터바디(160)를 둘러싸도록 구성된다.

상기 라이너(120)는 복수개의 연료노즐(140)에 의해 분사되는 연료 및 상기 연료노즐(140)로 공급되는 압축공기가 혼합된 혼합물이 연소되는 연소실(120a)을 제공하며, 상기 라이너(120)의 전단에는 복수개의 연료노즐(140)이 결합된다.

상기 센터바디(160)의 일단은 노즐케이싱(110)의 노즐베이스(110a)에 연결되어 그로부터 연료를 공급받고, 이러한 연료는 스윌러(S) 또는 상기 센터바디(160)의 둘레에 형성되는 연료 분사 개구(미도시)를 통해 분사되어 압축공기와 혼합될 수 있다. 연료가 공급되는 연료노즐의 위치 및 형태는 도 2에 도시된 형태에 한정되지 않으며, 다른 형태를 가질 수 있다.

상기 노즐베이스(110a)는 엔드커버(C)에 연결되어 있고, 상기 엔드커버(C)는 적어도 부분적으로 연료를 공급받기 위한 구성을 포함할 수 있다. 상기된 연소기는 일반적인 연소기 구조에 대한 것이며, 이하 본 발명에서 적용되는 멀티튜브를 갖는 연소기와는 구조적인 차이는 있으나, 기본 구조에 있어서는 동일하게 적용될 수 있다. 이하 본 발명의 주요특징에 대해 설명하도록 한다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 노즐케이싱(110)은 가스터빈의 케이싱에 장착될 수 있으며, 노즐베이스(110a)는 상기 노즐케이싱(110)에 복수개가 배치되고, 연료공급부와 연결될 수 있다.

상기 센터바디(160)의 일단부는 상기 노즐베이스(110a)에 연결되고, 상기 센터바디(160)의 타단부에는 연료가 분사되는 연료분사구(160a)가 형성될 수 있다. 상기 센터바디(160)는 상기 연료노즐(140)의 중공부(140a) 내부로 연장되어 배치되고, 상기 연료노즐(140)의 내부로 연료를 분사하며, 상기 센터바디(160)는 복수개가 배치될 수 있다.

상기 노즐튜브(180)는 상기 노즐케이싱(110)에 연결되고, 원통형상으로 구성될 수 있으며, 외측 둘레에는 압축기 섹션(120)으로부터 공급되는 압축공기를 상기 연료노즐(140)로 공급하는 복수개의 압축공기공급관(150)이 통과하는 통과홀(180a)이 형성될 수 있다.

상기 연료노즐(140)는 상기 노즐튜브(180)에 복수개가 배치되고, 중공부(140a)가 형성된 원통 형상으로 구성될 수 있다. 상기 연료노즐(140)의 중공부(140a) 내에서 연료와 압축공기가 혼합되고, 상기 노즐튜브(180) 내에 복수개가 구비되는 연료노즐(140)은 복수개의 분할그룹(G)으로 분할된다.

도 4를 참조하면, 상기 복수개의 분할그룹(G)은 상기 노즐튜브(180)의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지도록 복수개로 분할되며, 상기 노즐튜브(180)의 중앙부에 배치되는 제1그룹(A)과, 상기 노즐튜브(180)의 원주방향 끝단에 배치되는 제2그룹(B)과, 상기 제1그룹(A)과 상기 제2그룹(B) 사이에 배치되는 제3그룹(C)를 포함한다.

상기 제1그룹(A)과 상기 제2그룹(B) 사이에 배치되는 제3그룹(C)은 제3-1그룹(C1)과, 제3-2그룹(C2)를 포함하며, 상기 제3-1그룹(C1)의 내주부는 상기 제1그룹(A)과 인접하게 배치되고 복수개가 서로 이격되게 배치되고, 상기 제3-2그룹(C2)의 외주부는 상기 제2그룹(B)과 인접하게 배치되고 상기 제3-1그룹(C1)과 교차되게 배치되는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1그룹(A)과, 상기 제2그룹(B), 상기 제3그룹(C)과 상기 제3-1그룹(C1) 및 상기 제3-2그룹(C2)에서 상기 연소실(120a)로 분사되는 연료와 압축공기가 혼합된 혼합물의 혼합비는 서로 상이하고, 상기 제1그룹(A)과, 상기 제2그룹(B), 상기 제3그룹(C)과 상기 제3-1그룹(C1) 및 상기 제3-2그룹(C2)을 구성하는 각 연료노즐(140)의 길이와 직경은 서로 상이한 것이 바람직하다.

상기 제1그룹(A)과, 상기 제2그룹(B), 상기 제3그룹(C)과 상기 제3-1그룹(C1) 및 상기 제3-2그룹(C2)을 구성하는 각 연료노즐(140)의 길이와 직경이 서로 다름으로 인해 각각의 연료노즐에서 분사되는 연료-공기 혼합유체에서 발생하는 화염 사이의 고유주파수가 일치되는 것을 방지할 수 있게 되며, 이로 인해 진동 및 소음이 발생되는 것을 방지하게 된다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 압축공기공급관(150)은 제1압축공기공급관(151)과, 제2압축공기공급관(152)와, 제3압축공기공급관(153)을 포함한다. 상기 제1압축공기공급관(151)은 상기 제1그룹(A)을 형성하는 연료노즐(140)과 연결되어 압축기 섹션(20)에서 공급되는 압축공기를 제1그룹(A)을 형성하는 연료노즐(140)의 내부로 공급한다.

상기 제2압축공기공급관(152)은 상기 제2그룹(B)을 형성하는 연료노즐(140)과 연결되어 압축기 섹션(20)에서 공급되는 압축공기를 제2그룹(B)을 형성하는 연료노즐(140)의 내부로 공급하고, 상기 제3압축공기공급관(153)은 상기 제3그룹(C)을 형성하는 연료노즐(140)과 연결된다.

상기 제2그룹(B)을 형성하는 연료노즐(140)과 상기 제3그룹(C)을 형성하는 연료노즐(140)에는 제1압축공기공급관(151)과 상기 제2압축공기공급관(152)이 관통하는 관통공(140a)이 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가스터빈(1)을 구동 시에는 상기 제1그룹(A)에서 분사되는 연료와 압축가스가 혼합된 혼합물을 연소시키는 것이 바람직하고, 시동 후에는 제3그룹(C) 및 제2그룹(B)에서 분사되는 혼합물을 이용하여 안정적으로 운전하는 것이 바람직하다.

상기 가스터빈(1)을 구동시킨 후 운전 시에는 상기 제1그룹(A)과, 상기 제2그룹(B) 및 상기 제3-1그룹(C1)과 상기 제3-2그룹(C2)을 다양하게 조합하여 요구되는 운전조건 하에서 질소산화물(NOx) 및 연소진동 발생에 맞추어 보다 능동적으로 연소기(100)를 운전시키는 것이 바람직하다.

상기 노즐튜브(180)에 배치되는 복수개의 연료노즐(140)을 노즐튜브(180)의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지는 복수개의 분할그룹(G)으로 분할하고 분할된 분할그룹에서 분사되는 연료와 압축공기의 혼합비와 연료노즐의 직경을 달리함으로써 연소진동 발생 시 및 요구되는 부하조건에 맞도록 분할그룹(G)에서 압축공기와 혼합된 연료를 분사하여 질소산화물(NOx) 및 연소진동 발생에 보다 능동적인 운전이 가능하면서 안정적인 화염을 발생시킬 수 있으며, 점화 후 구동시키는 램프업 과정에서 발생되는 진동을 저감시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1 : 가스터빈 10 : 케이싱
20 : 압축기 섹션 30 : 터빈 섹션
40 : 디퓨져 50 : 로터
100 : 연소기 110 : 노즐케이싱
120 : 라이너 130 : 트랜지션피스
140 : 연료노즐 150 : 압축공기공급관
160 : 센터바디 170 : 개폐밸브
180 : 노즐튜브

Claims (16)

1. 압축기 섹션로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈 섹션으로 공급하는 연소기에 있어서,
   상기 압축기 섹션으로부터 압축공기를 공급받으며 외부로부터 연료를 공급받는 노즐케이싱;
   상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱으로부터 분사된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소실이 형성된 라이너;
   상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 형성된 연소가스를 상기 터빈 섹션으로 공급하는 트랜지션피스;
   상기 노즐케이싱의 내부에 구비되는 노즐튜브에 배치되고, 중공부가 형성된 복수개의 연료노즐;
   상기 복수개의 연료노즐에 연결되며 복수개의 연료노즐의 내부로 압축공기를 공급하는 복수개의 압축공기공급관;
   일단부는 노즐케이싱의 노즐베이스에 연결되고 상기 연료노즐의 중공부 내부로 연장되어 배치되며, 타단부는 분사가 분사되는 연료분사구가 형성된 센터바디; 및
   상기 복수개의 압축공기공급관에 구비되어 상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하되,
   상기 복수개의 연료노즐의 내부에서 연료와 압축공기가 혼합되고, 상기 복수개의 연료노즐은 복수개의 분할그룹으로 분할되며,
   초기연소 및 부하조건에 대응하여 분할된 분할그룹에서 연료와 압축공기가 혼합된 혼합물이 분사되는 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 분할그룹은 상기 노즐튜브의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지도록 복수개로 분할되는 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 분할그룹은,
   상기 노즐튜브의 중앙부에 원형형상을 가지도록 배치되는 제1그룹과,
   상기 노즐튜브의 원주방향 끝단에 배치되는 제2그룹과,
   상기 제1그룹과 상기 제2그룹 사이에 배치되는 제3그룹을 포함하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제3그룹은,
   내주부는 상기 제1그룹과 인접하게 배치되고 복수개가 서로 이격되게 배치되는 제3-1그룹과,
   외주부는 상기 제2그룹과 인접하게 배치되고 상기 제3-1그룹과 교차되게 배치되는 제3-2그룹을 포함하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1그룹 내지 상기 제3그룹은 연료노즐의 길이가 서로 상이하며,
   상기 제3-1그룹과 상기 제3-2그룹은 상기 연료노즐이 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1그룹 내지 상기 제3그룹과 상기 제3-1그룹 및 상기 제3-2그룹은 연료노즐의 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 압축공기공급관은,
   상기 제1그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제1압축공기공급관과,
   상기 제2그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제2압축공기공급관과,
   상기 제3그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제3압축공기공급관을 포함하며,
   상기 제2그룹을 형성하는 연료노즐과 상기 제3그룹을 형성하는 연료노즐에는 제1압축공기공급관과 상기 제2압축공기공급관이 관통하는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 멀티튜브를 갖는 연소기.
   
9. 케이싱;
   상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;
   상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되게 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기;
   상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되게 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및
   상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되게 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져를 포함하되,
   상기 연소기는,
   상기 압축기 섹션으로부터 압축공기를 공급받으며 외부로부터 연료를 공급받는 노즐케이싱과,
   상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱으로부터 분사된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소실이 형성된 라이너와,
   상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 형성된 연소가스를 상기 터빈 섹션으로 공급하는 트랜지션피스와,
   상기 노즐케이싱의 내부에 구비되는 노즐튜브에 배치되고, 중공부가 형성된 복수개의 연료노즐과,
   상기 복수개의 연료노즐에 연결되며 복수개의 연료노즐의 내부로 압축공기를 공급하는 복수개의 압축공기공급관과,
   일단부는 노즐케이싱의 노즐베이스에 연결되고 상기 연료노즐의 중공부 내부로 연장되어 배치되며, 타단부는 분사가 분사되는 연료분사구가 형성된 센터바디와,
   상기 복수개의 압축공기공급관에 구비되어 상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하되,
   상기 복수개의 연료노즐의 내부에서 연료와 압축공기가 혼합되고, 상기 복수개의 연료노즐은 복수개의 분할그룹으로 분할되며,
   초기연소 및 부하조건에 대응하여 분할된 분할그룹에서 연료와 압축공기가 혼합된 혼합물이 분사되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 분할그룹은 상기 노즐튜브의 중앙부를 중심으로 원주방향으로 링형상을 가지도록 복수개로 분할되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 분할그룹은,
    상기 노즐튜브의 중앙부에 원형형상을 가지도록 배치되는 제1그룹과,
    상기 노즐튜브의 원주방향 끝단에 배치되는 제2그룹과,
    상기 제1그룹과 상기 제2그룹 사이에 배치되는 제3그룹을 포함하는 가스터빈.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3그룹은,
    내주부는 상기 제1그룹과 인접하게 배치되고 복수개가 서로 이격되게 배치되는 제3-1그룹과,
    외주부는 상기 제2그룹과 인접하게 배치되고 상기 제3-1그룹과 교차되게 배치되는 제3-2그룹을 포함하는 가스터빈.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1그룹 내지 상기 제3그룹은 연료노즐의 길이가 서로 상이하며,
    상기 제3-1그룹과 상기 제3-2그룹은 상기 연료노즐이 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1그룹 내지 상기 제3그룹과 상기 제3-1그룹 및 상기 제3-2그룹은 연료노즐의 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
15. 청구항 9에 있어서,
    상기 압축공기공급관은,
    상기 제1그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제1압축공기공급관과,
    상기 제2그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제2압축공기공급관과,
    상기 제3그룹을 형성하는 연료노즐과 연결되어 압축공기를 공급하는 제3압축공기공급관을 포함하며,
    상기 제2그룹을 형성하는 연료노즐과 상기 제3그룹을 형성하는 연료노즐에는 제1압축공기공급관과 상기 제2압축공기공급관이 관통하는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
16. 청구항 9에 있어서,
    상기 압축공기공급관을 개폐하는 개폐밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 가스터빈.

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