KR20220104492A

KR20220104492A - 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR20220104492A
Application number: KR1020210006860A
Authority: KR
Inventors: 정한진
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-07-26
Also published as: KR102437977B1; US11543131B2; US20220228741A1

Abstract

본 발명은 가스터빈 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서, 상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체; 상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및 상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각공기를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

Description

노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{Nozzle assembly, Combustor and Gas turbine comprising the same}

본 발명은 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스터빈의 연소기에 구비되며 연소기의 연소챔버로 연료 및 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리 및 이를 이용한 연소기 및 가스터빈에 관한 것이다.

터보머신이란, 터보머신을 통과하는 유체(특히, 기체)를 통해 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 장치를 의미한다. 따라서 터보머신은 통상 발전기와 함께 설치되어 사용된다. 이러한 터보머신으로는 가스터빈(Gas turbine), 스팀터빈(Steam turbine), 풍력터빈(Wind power turbine) 등이 해당될 수 있다. 가스터빈은 압축공기와 천연가스를 혼합하여 연소시켜 연소가스를 생성하고, 이와 같이 생성된 연소가스를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 스팀터빈은 물을 가열하여 생성되는 증기를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 풍력터빈은 풍력을 발전용 동력으로 전환하는 장치이다.

터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 압추기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과 압축기 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 압축기는 압축기 입구 스크롤 스트럿(Compressor inlet scroll strut)을 통해 외부의 공기를 흡입한다. 이렇게 흡입된 공기는 압축기의 내부를 통과하면서 상기 압축기 베인과 압축기 블레이드에 의해 압축된다. 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합시킨다.

또한, 연소기는 압축공기와 혼합된 연료를 점화기로 점화하여 고온고압의 연소가스를 생성한다. 이와 같이 생성된 연소가스는 터빈으로 공급된다. 터빈은 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 터빈은 연소기에서 생성된 연소가스를 공급받아 내부로 통과시킨다. 터빈의 내부를 통과하는 연소가스는 터빈 블레이드를 회전시키게 되고, 터빈의 내부를 완전히 통과하게 된 연소가스는 터빈 디퓨저를 통해 외부로 토출되게 된다.

터보머신 중 증기터빈에 대해 살펴보면, 증기터빈은 증발기와 터빈을 포함한다. 상기 증발기는 외부로부터 공급받은 물을 가열하여 증기를 생성한다. 상기 터빈은 가스터빈에서의 터빈과 마찬가지로 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 다만, 증기터빈에서의 터빈은 연소가스가 아닌 상기 증발기에서 생성된 증기를 내부로 통과시켜, 터빈 블레이드를 회전시킨다.

한편, 터보머신 중 가스터빈의 경우, 수소를 연료로 사용할 수 있다. 이와 같은 수소 가스터빈은, 수소 연소의 특성 상, 연소기의 연소챔버에서 수소와 압축공기의 혼합물이 연소될 때 발생되는 화염이 분사노즐로 달라붙는 화염홀딩(Flame holding) 현상과, 화염이 터빈 측으로 진행하지 않고 역행하는 역화(Backfire / Flash back)현상이 발생되며, 화염홀딩에 의해 분사노즐의 팁부가 가열되는 문제가 있다.

KR

10-1882107

B

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 노즐본체를 통해 연소챔버로 냉각유체를 공급함으로써 분사노즐의 단부를 냉각시킬 수 있으며, 연소챔버로 연소공기와 연료를 공급하는 제1노즐튜브에 형성되는 제1유로의 출구측으로 단면적이 점진적으로 감소되도록 하여 연소공기와 연료의 분사속도를 증가시켜 연소기의 연소챔버에서 발생되는 화염이 분사노즐에 달라붙거나 역행하는 역화현상을 방지할 수 있는 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가스터빈 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서, 상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체; 상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및 상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각공기를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 노즐 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 가스터빈의 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서, 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너; 상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 및 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며, 상기 노즐 어셈블리는 상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체; 상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및 상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각공기를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 연소기를 제공한다.

또한, 본 발명은 외부로부터 유입된 공기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하고, 상기 연소기는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너; 상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 및 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며, 상기 노즐 어셈블리는 상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체; 상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및 상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각공기를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 가스터빈을 제공한다.

본 발명의 상기 노즐본체는 일단이 밀폐된 원통형상을 가지고, 밀폐된 일측단에 형성되는 상기 냉각유체배출홀부는 복수개의 냉각유체배출홀이 링형상으로 배치되고, 상기 냉각유체배출홀부는, 상기 노즐본체의 일단측 내주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제1냉각유체배출홀부와, 상기 노즐본체의 일단측 외주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제2냉각유체배출홀부를 포함하며, 상기 제2냉각유체배출홀부의 냉각유체배출홀은 내측에서 외측으로 사선방향으로 경사지게 상기 노즐본체의 일단측을 관통되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 제1노즐튜브의 내부에는 상기 제1노즐튜브로 공급된 연소공기와 연료를 믹싱하는 스윌러가 구비되고, 상기 스윌러는 상기 제1유로로 이동되는 연소공기의 유동방향을 기준으로 상기 연료공급홀의 하류 측에 구비되며, 상기 제1유로는 출구측의 단면적이 점진적으로 감소되도록 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 노즐 어셈블리, 연소 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 노즐본체를 통해 연소챔버로 냉각유체가 공급됨에 따라 연소챔버로 공급되는 압축공기를 이용하여 분사노즐을 냉각시킬 수 있고, 분사노즐의 제1노즐튜브의 내부에 스윌러가 구비되어 제1분사노즐의 제1유로로 공급되는 연료와 연소공기의 믹싱효율을 증대시킬 수 있으며, 제1유로가 출구측으로 단면적이 점진적으로 감소됨으로써연소공기와 연료의 분사속도를 증가시켜 연료와 연소공기의 혼합물이 종래에 비해 하류 측으로 좀 더 이격된 곳에서 연소되도록 할 수 있으며, 화염이 분사노즐의 외부벽으로 달라붙지 않도록 하여 분사노즐에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예로, 도 1에 도시된 연소기에 구비되는 노즐 어셈블리의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예로, 도 1에 도시된 연소기에 구비되는 노즐 어셈블리의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예로, 도 1에 도시된 연소기에 구비되는 노즐 어셈블리의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 노즐본체의 내부에 구비되는 격판의 정면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 노즐본체의 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 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(100)은 압축기(110)와, 연소기(1000)와, 터빈(120)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(100)의 상류 측에는 압축기(110)가 배치되고, 하류 측에는 터빈(120)이 배치되며, 압축기(110)와 터빈(120) 사이에는 연소기(1000)가 배치된다.

상기 압축기(110)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 상기 터빈(120)은 터빈 케이싱 내부에 터빈 베인과 터빈 로터를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인과 터빈 로터 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다.

이때, 압축기(110)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(120)은 연소기(1000)로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계되는 것이 바람직하다.

한편, 압축기(110)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(120)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈(120)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(110)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크는 중심부가 상기 타이로드에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타 측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도 1에 도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Deswirler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기(100)에서는 유입된 압축공기를 연료주입기(미도시)에서 공급되는 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.

가스터빈(100)의 연소시스템을 구성하는 연소기(1000)는 셀(Cell) 형태를 가지는 연소기 케이싱(미도시)에 내에 복수개가 배열될 수 있으며, 노즐케이싱(1100)과, 라이너(1200)와, 트랜지션피스(1300)와, 노즐 어셈블리(1400,2400,3400)를 포함한다.

상기 노즐 어셈블리(1400,2400,3400)는 상기 노즐케이싱(1100)의 내부에 배치되며 연료 및 압축공기를 분사하고, 상기 라이너(1200)는 상기 노즐케이싱(1100)의 상기 터빈(120) 측 단부에 연결되며, 상기 라이너(1200)의 내부에는 외부에서 공급되는 연료와 상기 압축기(110)에서 공급되는 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버(1210)가 형성된다.

상기 트랜지션피스(1300)는 상기 라이너(1200)의 상기 터빈(120) 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버(1210)에서 발생된 연소가스를 상기 터빈(120)으로 공급한다.

구체적으로, 상기 라이너(1200)는 노즐 어셈블리(1400,2400,3400,4400)에 의해 분사되는 연료와 압축공기가 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너(1200)는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버(1210)와, 상기 연소챔버(1210)를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너(1200)의 전단에는 연료를 분사하는 노즐 어셈블리(1400,2400,3400,4400)가 결합되며, 측벽에는 점화기(미도시)가 결합되는 것이 바람직하다.

상기 라이너 환형유로에는, 라이너(1200)의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스(1300)를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너(1200)의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너(1200)가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

상기 라이너(1200)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(1300)가 연결된다. 상기 라이너(1200)와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스(1300)는, 상기 트랜지션피스(1300)의 내부 공간을 감싸는 트랜지션피스 환형유로가 형성되며, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 상기 트랜지션피스 환형유로를 따라 흐르는 압축공기에 의해 외벽부가 냉각된다.

한편, 상기 연소기(1000)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(120)으로 공급된다. 상기 터빈(120)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(120)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(120)은 기본적으로는 압축기(110)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(120)에도 압축기(110)의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터 역시, 터빈 디스크와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드를 포함한다. 상기 터빈 블레이드의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인이 구비되며, 상기 터빈 베인은 터빈 블레이드를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱과 터빈 베인 역시, 상기 터빈 로터와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 노즐 어셈블리(1400,2400,3400)는 노즐본체(1410)와, 분사노즐(1420)와, 격판(1430)을 포함한다. 상기 노즐본체(1410)는 일단이 밀폐된 원통형상을 가지며, 상기노즐본체(1410)는 연소가스의 유동방향을 기준으로 상기 라이너(1200)의 연소챔버(1210) 보다 상류(Upstream) 측에 배치된다. 따라서 상기 노즐본체(1410)는, 상기 연소챔버(1210)와 상기 노즐 케이싱(1100)의 내부공간을 서로 분리시킨다.

상기 노즐본체(1410)의 밀폐된 일측단에는 상기 노즐본체(1410)의 내부와 상기 연소챔버(1210)를 연통하는 냉각유체배출홀부(1411)가 형성되고, 상기 냉각유체배출홀부(1411)를 형성하는 복수개의 냉각유체배출홀(1412a,1414a)은 링형상을 가지도록 배치되며, 상기 노즐본체(1410)의 일측단에는 후술되는 분사노즐(1420)의 제1노즐튜브(1421)가 삽입되는 복수개의 삽입공(1415)이 형성되는 것이 바람직하다.

도 6을 참조하면, 상기 냉각유체배출홀부(1411)는 제1냉각유체배출홀부(1412)와, 제2냉각유체배출홀부(1414)를 포함한다. 상기 제1냉각유체배출홀부(1412)는 복수개의 냉각유체배출홀(1412a)이 상기 노즐본체(1410)의 일측단 내주면에 링형상을 가지도록 배치되고, 상기 제2냉각공기배출부(1414)는 복수개의 냉각유체배출홀(1414a)이 상기 노즐본체(1410)의 일측단 외주면에 링형상을 가지도록 배치되며, 상기 제2냉각유체배출홀부(1414)를 구성하는 복수개의 냉각유체배출홀(1414a)은 내측에서 외측으로 사선방향으로 경사지게 상기 노즐본체(1410)의 일측단을 관통되게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 노즐본체(1410)의 내부로는 노즐을 냉각시키기 위한 냉각유체로서 냉각공기가 공급된다. 상기 냉각공기는 격판(1430)의 냉각유체통과공(1431)을 통하여, 노즐본체 단부의 내측으로 공급되어 상기 노즐본체를 냉각시킨다. 상기 노즐본체를 냉각시킨 냉각공기는 상기 제2냉각유체배출홀부(1414)를 통해 상기 노즐본체(1410)의 외측으로 분사됨으로써 분사노즐(1420)에서 분사되는 연료와 연소가스에 의해 발생된 화염이 분사노즐(1420)의 외부벽으로 달라붙지 않도록 하여 분사노즐에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 상기 냉각공기는 상기 냉각공기로는 압축기(110)에서 공급되는 압축공기가 사용된다. 압축기에서 공급되는 압축공기의 일부는 냉각공기로서 공급되고, 나머지 일부는 연소공기로서 공급된다. 본 실시예에서는 노즐을 냉각시키기 위하여 냉각유체를 압축기에서 공급되는 압축공기를 이용하는 것으로 설명하였으나, 압축기에서 공급되는 압축공기 이외에도 외부 공기 또는 냉각수가 공급될 수 있다.

이하부터는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에 대해 설명하도록 한다.

도 2를 참조하면, 상기 분사노즐(1420)은 상기 노즐본체(1410)에 설치되고, 상기 연소챔버(1210)로 연료와 연소공기를 분사하며, 분사되는 연료는 수소일 수 있다. 상기 분사노즐(1420)은 복수개의 제1노즐튜브(1421)와, 제2노즐튜브(1422)를 포함하며, 상기 복수개의 제1노즐튜브(1421)는 내부에는 상기 연소챔버(1210)로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로(1421a)가 형성되고, 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀(1421b)이 형성된다. 상기 제2노즐튜브(1422)는 상기 제1노즐튜브(1421)와 인근하여 배치되고, 상기 복수개의 제1노즐튜브(1421)가 관통하는 복수개의 관통홀(1422b)이 형성된다. 상기 제2노즐튜브(1422)는 일측단이 밀폐된 원통형상을 가지며, 상기 복수개의 관통홀(1422b)은 밀폐된 일측단에 형성되는 것이 바람직하고, 내부에는 외부에서 공급되는 연료가 이송되는 제2유로(1422a)가 형성된다.

상기 제2노즐튜브(1422)의 상류 측으로 공급된 연료는 제2유로(1422a)를 통해 상기 제2노즐튜브(1422)의 하류 측으로 이송되며, 이송되는 연료는 상기 제1노즐튜브(1421)의 둘레면에 형성된 연료공급홀(1421b)을 통해 상기 제1노즐튜브(1421)의 내부로 공급된 후 상기 제1유로(1421a)로 이동되면서 상기 제1유로(1421a)로 이동되는 연소공기와 혼합된 후 연소챔버(1210) 측으로 분사된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐 어셈블리(2400)는 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐 어셈블리(1400)와 동일하며, 상기 제1노즐튜브(2421)의 내부에 스윌러(2423)가 구비되며, 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐 어셈블리(1400)와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 스윌러(2423)가 상기 제1노즐튜브(2421)의 내부에 구비됨으로써 상기 제1유로(2421a)로 공급된 후 상기 제1유로(2421a)의 상류 측에서 하류 측으로 이동되면서 혼합되는 연소가스와 연료의 믹싱효율이 증대된다. 상기 스윌러(2423)은 일반적인 것인 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 상기 스윌러(2423)은 상기 제1유로(2421a)로 이동되는 연소공기의 유동방향을 기준으로 상기 제1유로(2421a)로 연료를 공급하는 상기 연료공급홀(2421b)의 하류 측에 구비되는 것이 바람직하다. 상기 제1유로(2421a)로 이동되는 연소공기와 연료가 상기 스윌러(2423)를 거치게 되면서 제1유로(2421a)의 둘레면으로 이동되는 연소공기 및 연료가 제1유로(2421a)의 중앙부로 이동하게 되면서 연소공기와 연료의 믹싱효율이 증대된다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐 어셈블리(3400)는 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐 어셈블리(2400)와 동일하며, 상기 제1노즐튜브(3421)는 출구측의 단면적(d)이 입구측의 단면적(D)에 비해 점진적으로 감소되고, 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐 어셈블리(2400)와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 제1노즐튜브(3421)가 입구측의 단면적(D)에 비해 출구측의 단면적(d)이 점진적으로 작아짐으로써 상기 제1노즐튜브(3421)의 출구를 통해 상기 연소챔버(1210)로 분사되는 연소공기 및 연료의 분사속도가 증가되고, 그로 인해 종래보다 하류 측으로 좀 더 이격된 위치에서 연소되도록 할 수 있으며, 따라서 상기 분사노즐(1420)에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 어셈블리(1400,2400,3400)는 노즐본체(1410)를 통해 연소챔버(1210)로 압축공기가 공급됨에 따라 연소챔버(1210)로 공급되는 압축공기를 이용하여 분사노즐(1420)을 냉각시킬 수 있고, 분사노즐(1420)의 제1노즐튜브(1421)의 내부에 스윌러가 구비되어 제1분사노즐(1420)의 제1유로(1421a)로 공급되는 연료와 연소공기의 믹싱효율을 증대시킬 수 있으며, 제1유로(1421a)가 출구측으로 단면적이 점진적으로 감소됨으로써연소공기와 연료의 분사속도를 증가시켜 연료와 연소공기의 혼합물이 종래에 비해 하류 측으로 좀 더 이격된 곳에서 연소되도록 할 수 있다.

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

100 : 가스터빈 110 : 압축기
120 : 터빈 1000 : 연소기
1100 : 노즐케이싱 1200 : 라이너
1210 : 연소챔버 1300 : 트랜지션피스
1400, 2400, 3400 : 노즐 어셈블리
1410 : 노즐본체 1411 : 냉각유체배출홀부
1412 : 제1냉각유체배출홀부 1414 : 제2냉각유체배출홀부
1420 : 분사노즐 1421 : 제1노즐튜브
1422 : 제2노즐튜브 1423 : 스윌러
1430 : 격판

Claims

가스터빈 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서,
상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체;
상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및
상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각유체를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 노즐 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐본체는 일단이 밀폐된 원통형상을 가지고, 밀폐된 일측단에 형성되는 상기 냉각유체배출홀부는 복수개의 냉각유체배출홀이 링형상으로 배치되는 노즐 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각유체배출홀부는,
상기 노즐본체의 일단측 내주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제1냉각유체배출홀부와,,
상기 노즐본체의 일단측 외주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제2냉각유체배출홀부를 포함하는 노즐 어셈블리.
청구항 3에 있어서,
상기 제2냉각유체배출홀부의 냉각유체배출홀은 내측에서 외측으로 사선방향으로 경사지게 상기 노즐본체의 일단측을 관통되게 형성되는 노즐 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 제1노즐튜브의 내부에는 상기 제1노즐튜브로 공급된 연소공기와 연료를 믹싱하는 스윌러가 구비되는 노즐 어셈블리.
청구항 5에 있어서,
상기 스윌러는 상기 제1유로로 이동되는 연소공기의 유동방향을 기준으로 상기 연료공급홀의 하류 측에 구비되는 노즐 어셈블리.
청구항 6에 있어서,
상기 제1유로는 출구측의 단면적이 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 노즐 어셈블리.
가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 가스터빈의 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서,
노즐케이싱;
상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너;
상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 및
상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며,
상기 노즐 어셈블리는,
상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체;
상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및
상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각공기를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 연소기.
청구항 8에 있어서,
상기 노즐본체는 일단이 밀폐된 원통형상을 가지고, 밀폐된 일측단에 형성되는 상기 냉각유체배출홀부는 복수개의 냉각유체배출홀이 링형상으로 배치되는 연소기.
청구항 9에 있어서,
상기 냉각유체배출홀부는,
상기 노즐본체의 일단측 내주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제1냉각유체배출홀부와,
상기 노즐본체의 일단측 외주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제2냉각유체배출홀부를 포함하는 연소기.
청구항 10에 있어서,
상기 제2냉각유체배출홀부의 냉각유체배출홀은 내측에서 외측으로 사선방향으로 경사지게 상기 노즐본체의 일단측을 관통되게 형성되는 연소기.
청구항 8에 있어서,
상기 제1노즐튜브의 내부에는 상기 제1노즐튜브로 공급된 연소공기와 연료를 믹싱하는 스윌러가 구비되는 연소기.
청구항 12에 있어서,
상기 스윌러는 상기 제1유로로 이동되는 연소공기의 유동방향을 기준으로 상기 연료공급홀의 하류 측에 구비되는 연소기.
청구항 13에 있어서,
상기 제1유로는 출구측의 단면적이 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 연소기.
외부로부터 유입된 공기를 압축시키는 압축기;
상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하고,
상기 연소기는,
노즐케이싱;
상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너;
상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 및
상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며,
상기 노즐 어셈블리는,
상기 연소기에 설치되며, 일측단에 내부와 상기 연소챔버를 연통하는 냉각유체배출홀부가 형성되는 노즐본체;
상기 노즐본체에 설치되며, 내부에는 상기 연소챔버로 공급되는 연소공기가 이동되는 제1유로가 형성되며 둘레면에는 연료가 공급되는 연료공급홀이 형성된 복수개의 제1노즐튜브와, 상기 제1노즐튜브와 인근하여 배치되고, 상기 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 관통홀이 형성되며, 내부에 연료가 이송되는 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하는 분사노즐; 및
상기 노즐본체의 내부에 구비되며, 상기 노즐본체로 공급된 냉각공기를 상기 노즐본체의 일단부로 공급하는 복수개의 냉각유체통과공과 상기 복수개의 제1노즐튜브가 관통하는 복수개의 튜브관통공을 구비하는 격판을 포함하는 가스터빈.
청구항 15에 있어서,
상기 노즐본체는 일단이 밀폐된 원통형상을 가지고, 밀폐된 일측단에 형성되는 상기 냉각유체배출홀부는 복수개의 냉각유체배출홀이 링형상으로 배치되는 가스터빈.
청구항 16에 있어서,
상기 냉각유체배출홀부는,
상기 노즐본체의 일단측 내주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제1냉각유체배출홀부와,
상기 노즐본체의 일단측 외주면에 링형상을 가지도록 구비되는 제2냉각유체배출홀부를 포함하는 가스터빈.
청구항 17에 있어서,
상기 제2냉각유체배출홀부의 냉각유체배출홀은 내측에서 외측으로 사선방향으로 경사지게 상기 노즐본체의 일단측을 관통되게 형성되는 가스터빈.
청구항 15에 있어서,
상기 제1노즐튜브의 내부에는 상기 제1노즐튜브로 공급된 연소공기와 연료를 믹싱하는 스윌러가 구비되는 가스터빈.
청구항 19에 있어서,
상기 스윌러는 상기 제1유로로 이동되는 연소공기의 유동방향을 기준으로 상기 연료공급홀의 하류 측에 구비되는 가스터빈.
청구항 20에 있어서,
상기 제1유로는 출구측의 단면적이 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.