KR20230050224A - 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로서, 인젝터는 인젝터 바디부 및 상기 인젝터 바디부를 기준 방향을 따라 관통하여 형성되는 슬릿부를 포함하고, 상기 슬릿부는, 상기 기준 방향을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분 및 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함할 수 있다.

Description

인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{INJECTOR, COMBUSTOR INCLUDING THE SAME AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
최근에는 지구온난화를 막기 위한 국제기구 UNFCCC의 보고서 및 파리기후협약을 필두로, 이산화탄소(CO2) 감축을 위한 탄소중립화(Carbon-neutrality)에 관한 논의가 전 세계적으로 이루어지고 있다. 특히 발전 영역은 전체 이산화탄소 배출량의 25%가량을 차지하고, 일반적으로 수개월 단위의 긴 시간 동안 구동되기 때문에, 탄소 중립화를 위한 대책이 강력하게 요구되는 상황이다.
이에 가스 터빈 제조사들은 탄소를 포함하지 않아 연소 시에 이산화탄소가 발생하지 않는 수소(H2)를 새로운 대안으로 판단하여 2000년대 초반부터 개발을 진행 중이다.
하지만 수소는 높은 반응성을 보이며, 메탄, 프로판(C3H8), 에틸렌(C2H4) 등의 기존 연료에 비해 약 6배 빠른 화염속도를 나타낸다. 그로 인해 수소는 선회기 없이도 넓은 운전범위를 가질 수 있는 장점을 부여하지만, 그와 동시에 역화(flashback)가 일어나기 쉬운 단점을 함께 가진다.
역화는 연료의 높은 반응성 또는 강한 연소 진동으로 인해, 공급되는 유속보다 화염의 전파속도가 빨라지게 되어 화염이 역류하는 것을 의미한다. 상류로 역류한 화염은 냉각설계가 취약한 곳에 부착되어 시스템을 용융시키게 되므로, 천연가스를 주 연료로 활용해 온 기존의 연소기 노즐 구조에서는 안정적인 수소 전소 가스 터빈 구동이 불가능했다.
산업계에서는 인젝터 형상을 극단적으로 바꾸는 것으로 수소 화염의 불안정성을 해결하고자 하였다. 선회기를 포함한 다중 노즐 인젝터는, 큰 노즐 직경에 의해 수소 화염이 쉽게 역화하였으므로, 대부분의 가스 터빈 제조사에서는 수 밀리미터 단위의 직경을 갖는 다중 튜브 또는 마이크로믹서 타입 노즐 형태를 채택하여 인젝터 형상의 최적화를 진행 중이다. 도 1은 종래의 다중 튜브 인젝터의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
그러나, 높은 수소 분율 연료의 경우에는 다중 튜브 형태를 활용하더라도 화염 역화를 제어하는 것에 여전히 어려움이 있는 상황이다. 즉, 수소 화염의 역화를 줄일 수 있는 새로운 인젝터 형상이 요구되는 상황이다.
본 발명의 과제는 수소 화염의 역화를 감소시킬 수 있는 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 과제는 연소 진동을 감소시킬 수 있는 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
일 예에서 인젝터는 인젝터 바디부 및 상기 인젝터 바디부를 기준 방향을 따라 관통하여 형성되는 슬릿부를 포함하고, 상기 슬릿부는, 상기 기준 방향을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분 및 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함할 수 있다.
다른 예에서 상기 제1 슬릿부분은, 상기 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-1 슬릿 및 상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제1 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-2 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1 기준 원과 상기 제2 기준 원 사이의 영역을 제1 영역이라고 할 때, 상기 제2 슬릿부분은, 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-1 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 기준 방향을 따라 바라 볼 때, 상기 제1-1 슬릿과 상기 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 반경 방향을 따라 서로 이격될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제1 기준 원의 일부인 제1 기준 호의 형상을 가질 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제1-2 슬릿은, 상기 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제2 기준 원의 일부인 제2 기준 호의 형상을 가지며, 상기 제1 기준 호를 정의하는 제1 부채꼴의 중심각의 크기는, 상기 제2 기준 호를 정의하는 제2 부채꼴의 중심각의 크기보다 클 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되며, 서로 인접한 한 쌍의 제1-1 슬릿 사이의 공간을 제1-1 이격 공간이라 할 때, 상기 제2-1 슬릿은, 상기 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 상기 제1-1 이격 공간과 중첩되는 이격 공간 중첩 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-1 슬릿 및 상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 제1-1 슬릿의 개수는 상기 제1-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다.
또 다른 예에서 상기 인젝터는, 상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제2 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-3 슬릿을 더 포함하고, 상기 제2 기준 원과 상기 제3 기준 원 사이의 영역을 제2 영역이라고 할 때, 상기 제2 슬릿부분은, 상기 제2 영역에 배치되고, 상기 제2 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-2 슬릿을 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 제2-2 슬릿은, 상기 반경 방향을 따라 바라볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿과 중첩되는 중첩 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 기준 방향에 직교하는 일 방향을 제1 방향이라 하고, 상기 기준 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 일 방향을 제2 방향이라 할 때, 상기 기준 방향을 따라 바라볼 때, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제2 직선의 사이로 정의되는 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수와 동일하고, 상기 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제3 직선의 사이로 정의되는 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제4 직선 및 상기 제3 직선의 사이로 정의되는 제3 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일하고, 상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 제2 직선 및 상기 제4 직선의 사이로 정의되는 제4 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2 슬릿부분은 복수 개로 형성되고, 상기 기준 축을 포함하는 가상의 평면인 기준 평면으로 상기 인젝터 바디부를 구획 할 때, 상기 기준 평면의 양측에 배치된 제2 슬릿부분의 개수는 서로 상이할 수 있다.
일 예로 연소기는 연료 및 공기를 공급하는 공급관, 상기 공급관에 결합되어 유입된 상기 연료 및 상기 공기를 분사하게 마련되는 인젝터 및 상기 인젝터가 분사한 상기 연료 및 상기 공기가 유입되게 마련되는 연소실을 포함하고, 상기 인젝터는, 기준 방향을 따라 연장되는 슬릿부를 포함하고, 상기 슬릿부는, 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분 및 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함할 수 있다.
일 예로 가스 터빈은 공기를 압축시켜 배출하게 마련되는 압축기, 연료와 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 혼합한 후 연소시켜 연소 가스를 생성하게 마련되는 연소기 및 상기 연소기로부터 전달된 상기 연소 가스에 의해 회전하게 마련되는 터빈 블레이드를 포함하고, 상기 연소기는, 혼합된 상기 연료 및 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 분사하게 마련되는 인젝터를 포함하고, 상기 인젝터는, 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분과, 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는 슬릿부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 다중튜브 인젝터에 비해 좁은 폭을 갖는 슬릿부를 포함하므로 역화 현상이 감소될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 종래의 다중튜브 원형 인젝터에 비해, 화염 두께와 유사한 폭을 갖는 슬릿부를 포함하여 화염면의 변화 억제를 유도하므로 연소불안정이 완화되어 연소 진동이 감소될 수 있다.
도 1은 종래의 다중 튜브 인젝터를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 가스 터빈을 개념적으로도시한 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 연소기의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 슬릿부 중 어느 하나의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 7은 역화 현상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8은 수소 연소 시험을 위한 장비를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 1의 다중튜브 인젝터와 도 4의 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 슬릿부를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 50 m/s일 때의 수소 연소 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해선 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있다. 또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되면 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 인젝터는 가스 터빈의 연소기에 적용되는 인젝터일 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 가스 터빈을 개념적으로도시한 절개 사시도이다. 도 3은 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 연소기의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 B 영역을 개념적으로 도시한 것으로 이해할 수 있다.
이하에서는 인젝터들의 각 실시예에 관하여 상술한다.
실시예 1
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 5은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 슬릿부 중 어느 하나의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
인젝터는 인젝터 바디부(10) 및 슬릿부(20)를 포함할 수 있다. 슬릿부(20)는 인젝터 바디부(10)를 기준 방향(D)을 따라 관통하여 형성될 수 있다. 인젝터 바디부(10)는 금속 소재일 수 있다. 인젝터 바디부(10)는 기준 방향(D)을 따라 연장될 수 있다.
슬릿부(20)는 제1 슬릿부분(21) 및 제2 슬릿부분(22)을 포함할 수 있다. 제1 슬릿부분(21)은 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 기준 원은 기준 방향(D)을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 원일 수 있다.
제1 슬릿부분(21)의 제1 폭은 0.37mm 내지 2mm일 수 있다. 바람직하게는 제1 폭은 1.5mm 일 수 있다. 제1 폭은 제1 슬릿부분(21)이 연장되는 방향에 직교하는 방향을 따라 제1 슬릿부분(21)이 갖는 길이일 수 있다. 제1 폭은 수소 화염이 이론적으로 가질 수 있는 두께와 유사할 수 있다.
제2 슬릿부분(22)은 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 잇다. 제2 슬릿부분(22)의 제2 폭은 0.37mm 내지 2mm일 수 있다. 바람직하게는 제2 폭은 1.5mm 일 수 있다. 제2 폭은 제2 슬릿부분(22)이 연장되는 방향에 직교하는 방향을 따라 제2 슬릿부분(22)이 갖는 길이일 수 있다. 제2 폭은 수소 화염이 이론적으로 가질 수 있는 두께와 유사할 수 있다.
제1 슬릿부분(21)은 제1-1 슬릿(21a) 및 제1-2 슬릿(21b)을 포함할 수 있다. 제1-1 슬릿(21a)은 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 또한 제1-2 슬릿(21b)은 상기 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 제2 기준 원의 직경은 제1 기준 원의 직경보다 클 수 있다.
제1-1 슬릿(21a)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1-1 슬릿(21a)은 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 제1 기준 원의 일부인 제1 기준 호의 형상을 가질 수 있다. 서로 인접한 한 쌍의 제1-1 슬릿(21a) 사이에는 제1-1 이격 공간(S1)이 형성될 수 있다.
제1-2 슬릿(21b)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1-2 슬릿(21b)은, 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 제2 기준 원의 일부인 제2 기준 호의 형상을 가질 수 있다.
제1 기준 호를 정의하는 제1 부채꼴의 중심각의 크기는, 제2 기준 호를 정의하는 제2 부채꼴의 중심각의 크기보다 클 수 있다. 이는 제1-1 슬릿(21a)의 개수가 제1-2 슬릿(21b)의 개수보다 적음을 의미할 수 있다.
제2 슬릿부분(22)은 제2-1 슬릿(22a)을 포함할 수 있다. 제2-1 슬릿(22a)은 제1 영역(AR1)에 배치되고, 제1 기준 원의 반경 방향으로 연장될 수 있다. 제1 영역(AR1)은 제1 기준 원과 제2 기준 원 사이의 영역을 의미할 수 있다.
제2-1 슬릿(22a)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제2-1 슬릿(22a)은 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격될 수 있다.
제2-1 슬릿(22a)은 이격 공간 중첩 슬릿(22a')을 포함할 수 있다. 이격 공간 중첩 슬릿(22a')은 복수 개의 제2-1 슬릿(22a) 중 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 제1-1 이격 공간(S1)과 중첩되는 제2-1 슬릿을 의미할 수 있다. 이는 복수 개의 제2-1 슬릿(22a)은 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 제1-1 이격 공간(S1)과 중첩되는 제2-1 슬릿과, 중첩되지 않는 제2-1 슬릿을 포함할 수 있음을 의미할 수 있다.
제1 슬릿부분(21)은, 제1-3 슬릿(21c)을 더 포함할 수 있다. 제1-3 슬릿(21c)은 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 제3 기준원은 기준 축을 중심으로 하고, 제2 기준 원보다 직경이 큰 가상의 원일 수 있다.
제1-3 슬릿(21c)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1-3 슬릿(21c)은 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 제3 기준 원의 일부인 제3 기준 호의 형상을 가질 수 있다.
제2 슬릿부분(22)은 제2-2 슬릿(22b)을 더 포함할 수 있다. 제2-2 슬릿(22b)은 제2 영역(AR2)에 배치되고, 제2 기준 원의 반경 방향으로 연장될 수 있다. 제2 영역(AR2)은 제2 기준 원과 제3 기준 원 사이의 영역을 의미할 수 있다.
제2-2 슬릿(22b)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제2-2 슬릿(22b)은 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격될 수 있다.
제2-2 슬릿(22b)은, 중첩 슬릿(22b')을 포함할 수 있다. 중첩 슬릿(22b')은 제2-2 슬릿(22b) 중 반경 방향을 따라 바라볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿(22a)과 중첩되는 제2-2 슬릿을 의미할 수 있다.
이는 복수 개의 제2-2 슬릿(22b)은 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿(22a)과 중첩되는 제2-2 슬릿과, 중첩되지 않는 제2-2 슬릿을 포함할 수 있음을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 역화 현상이 줄어들 수 있는 인젝터일 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 슬릿부 중 어느 하나의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다. 예혼합 된 연료/공기 혼합물은 기준 방향(D)을 따라 슬릿부(20)로 공급될 수 있다.
도 7은 역화 현상을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 7(a) 내지 도 7(d)에 도시되어 있듯이 역화하는 화염(30)은 기준 방향(D)의 반대 방향(D')으로 이동할 수 있다. 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 종래의 다중튜브 노즐에 비해 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)를 포함한다. 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)는 아래와 같은 두 가지 이유로 인해 종래의 다중튜브 노즐보다 역화 현상을 감소시킬 수 있다.
첫 번째로, 역화하는 화염(32)이 슬릿부(20)를 통과하는 동안 금속 소재의 인젝터 바디부(10)를 통해 열 손실이 발생될 수 있다. 이러한 열 손실이 연소 반응에 의한 열 생성보다 많아지는 경우 연소 반응이 억제될 수 있다. 본 발명은 종래의 다중튜브 노즐에 비해 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)를 포함하므로, 역류하는 화염이 인젝터 바디부(10)의 내면과 접촉할 수 있는 면적을 늘릴 수 있다. 따라서, 종래의 다중튜브 노즐에 비해 열 손실을 증가시킬 수 있고 이는 역화 현상을 감소시킬 수 있다.
두 번째로, 연소 과정에서는 라디칼 이온들이 생성 및 재결합을 반복한다. 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 경우 금속 소재의 인젝터 바디부(10)에서 수소 라디칼의 벽면 확산이 일어 나게 되고, 이러한 수소 라디칼의 벽면 확산은 연소 반응을 억제시킬 수 있다. 수소 라디칼은 연소 반응 매커니즘에 필요한 중간 생성물로써 수소 라디칼이 벽면 확산을 통해 사라지게 되면 연소 반응이 중단될 수 있다. 본 발명은 종래의 다중튜브 노즐에 비해 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)를 포함하므로, 수소 라디칼이 벽면 확산을 통해 사라질 수 있는 넓은 면적을 제공할 수 있으므로, 역화 현상을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 연소 진동이 줄어들 수 있는 인젝터일 수 있다. 연소 진동은 연소 불안정성에 관계된다. 연소 불안정은 화염의 형상의 변화에 지배적인 영향을 받기 때문에 이를 제어하기 위해서는 화염 형상의 변화를 최소화해야 한다. 화염 형상의 변화를 최소화하기 위해서는 화염 형상이 상대적으로 표면적이 넓은 형상을 가져야 한다.
종래의 다중튜브 노즐의 경우, 튜브형 형상으로 인해 원추형(conical) 화염 형상을 보이기 때문에 외부의 섭동에 의해 원추형 화염이 수축 및 신장하게 될 수 있다. 따라서, 화염 형상이 변화할 가능성이 클 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부를 포함하므로, 얇은 화염면은 그 변화 가능성이 상대적으로 낮아지기 때문에 화염의 열 방출률이 낮아지고 연소 불안정을 감소시켜 연소 진동이 억제될 수 있다.
도 8은 수소 연소 시험을 위한 장비를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 9는 도 1의 다중튜브 인젝터와 도 4의 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
수소 연소 시험을 위한 장비는 연료-공기 혼합부(100), 석영 튜브(200), 및 금속 튜브(300) 및 동압 센서(400)를 포함할 수 있다. 금속 튜브(300)는 냉각 공기 유입관(310)과 피스톤(320)을 포함할 수 있다. 인젝터 바디부(10)가 연료-공기 혼합부(100)와 석영 튜브(200)의 사이에 배치될 수 있다. 동압 센서(400)는 연소 진동에 의한 음향 진동의 크기를 측정하게 마련될 수 있다.
수소 연소 시험을 위해서는 연료-공기 혼합부(100)를 통과한 수소-공기 혼합물이 인젝터 바디부(10)에서 점화되고, 계획한 유속 및 당량비 조건에 도달한 뒤에는 동압 센서(400)로 연소 진동에 의한 음향 진동의 크기를 측정하였다.
도 9는 슬릿부(20)를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 25 m/s이고, 당량비(
Figure pat00001
)가 각각 0.325, 0.413, 0.508 일 때의 조건으로, 다중튜브 인젝터와 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 비교한 것이다. 이때, 실험의 당량비 조건은 단열화염온도가 각각 1400 K, 1600 K, 1800 K 일 때의 조건으로, 실제 가스 터빈 운용에 활용되는 온도와 유사하거나 높은 수준에 해당한다.
X축은 진동수를 의미할 수 있다. Y축의 PSD는 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density)로, 연소 진동에 의한 음향 진동의 크기를 보여주는 수치이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 모든 당량비 조건에서, 본 발명의 실시예에 따른 인젝터(점선)의 음향 진동이 종래의 다중튜브 인젝터(실선)에 비해 상대적으로 완화된 것을 확인할 수 있다.
도 10은 슬릿부를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 50 m/s일 때의 수소 연소 시험 결과를 나타낸 도면이다. 더욱 자세하게는 도 10은 슬릿부를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 50m/s이고, 당량비(
Figure pat00002
)가 각각 0.325, 0.413, 0.508 일 때의 조건으로, 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 측정한 것이다. 도 10은 실제 가스 터빈의 운용조건과 비슷한 상황에서의 실험 결과를 확보한 것으로 볼 수 있다. 도 10을 살펴보면, 도 9의 실험 결과와 유사하게 음향 진동이 전체적으로 안정화된 양상을 나타냄을 확인할 수 있다.
연소기
이하에서는, 전술한 내용을 참고하여 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 포함하는 연소기에 관하여 상술한다. 인젝터에 관한 내용은 전술하였으므로, 자세한 내용은 생략한다. 이해를 위해 도 3을 참조할 수 있다.
도 3에 도시되어 있듯이, 연소기(B)는 공급관(2), 인젝터 및 연소실(3)을 포함할 수 있다. 공급관(2)은 연료 및 공기를 공급하게 마련될 수 있다. 인젝터는 공급관(2)에 결합되어 유입된 연료 및 공기를 분사하게 마련될 수 있다. 연소실(3)은 인젝터가 분사한 연료 및 공기가 유입되게 마련될 수 있다. 또한, 연소실(3)에서는 인젝터가 분사한 연료 및 공기가 혼합될 수 있다. 연소실(3)에서는 연소 반응이 일어날 수 있다.
가스 터빈
이하에서는, 전술한 내용을 참고하여 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 포함하는 가스 터빈에 관하여 상술한다. 인젝터에 관한 내용은 전술하였으므로, 자세한 내용은 생략한다.
가스 터빈은 압축기, 연소기(B) 및 터빈 블레이드를 포함할 수 있다. 압축기는 공기를 압축시켜 배출하게 마련될 수 있다. 연소기(B)는 연료와 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 혼합한 후 연소시켜 연소 가스를 생성하게 마련될 수 있다. 터빈 블레이드는 연소기(B)로부터 전달된 연소 가스에 의해 회전하게 마련될 수 있다.
연소기(B)는 혼합된 연료 및 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 분사하게 마련되는 인젝터를 포함할 수 있다.
실시예 2
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다. 이하에선 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예 2에 따른 인젝터를 설명한다. 실시예 2에 따른 인젝터는 제2 슬릿부분의 배치에 있어 실시예 1에 따른 인젝터와 차이가 있다. 실시예 1에 따른 인젝터와 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하고, 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는, 기준 방향(D)에 직교하는 일 방향을 제1 방향(D1)이라 하고, 기준 방향(D) 및 제1 방향(D1)에 직교하는 일 방향을 제2 방향(D2)이라 한다.
또한, 설명의 편의를 위해 제1 내지 제4 직선(L1, L2, L3, L4) 및 제1 내지 제4 기준 영역(RA1, RA2, RA3, RA4)을 정의한다. 제1 직선(L1)은 기준 축(A)으로부터 제1 방향(D1)을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다. 제2 직선(L2)은 기준 축(A)으로부터 제2 방향(D2)을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다. 제3 직선(L3)은 기준 축(A)으로부터 제2 방향(D2)의 반대 방향을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다. 제4 직선(L4)은 기준 축(A)으로부터 제1 방향(D1)의 반대 방향을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다.
제1 기준 영역(RA1)은 기준 방향(D)을 따라 바라볼 때 제1 직선(L1) 및 제2 직선(L2)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제2 기준 영역(RA2)은 제1 직선(L1) 및 제3 직선(L3)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제3 기준 영역(RA3)은 제3 직선(L3) 및 제4 직선(L4)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제4 기준 영역(RA4)은 제2 직선(L2) 및 제4 직선(L4)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제1 내지 제4 기준 영역(RA1, RA2, RA3, RA4)은 시계 반대 방향을 따라 순서대로 배치될 수 있다.
제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수와 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수는 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수와 동일할 수 있다. 일 예로 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-1 슬릿, 제2-2 슬릿 및 제2-3 슬릿의 개수는 각각 2개일 수 있다.
제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다. 마찬가지로, 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수는 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수보다 적을 수 있다. 일 예로, 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 1개, 제2-2 슬릿의 개수는 3개, 제2-3 슬릿의 개수는 5개일 수 있다.
한편, 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 제3 기준 영역(RA3) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수는, 제3 기준 영역(RA3) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다.즉, 제1 기준 영역(RA1)과 제3 기준 영역(RA3)은 대칭으로 형성될 수 있다.
제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 제4 기준 영역(RA4) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수는, 제4 기준 영역(RA4) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다.즉, 제2 기준 영역(RA2)과 제4 기준 영역(RA4)은 대칭으로 형성될 수 있다.
제1 슬릿부분(21)은 반경 방향으로의 화염 분포를 분산시키고, 노즐 면적을 확장시키기 위한 구성일 수 있다. 제2 슬릿부분(22)은 그 배치 또는 배열에 의해 원주 방향 화염 분포의 대칭성을 붕괴시키기 위한 구성일 수 있다. 더욱 자세하게는 제2 슬릿부분(22)의 배치를 비대칭적으로 변경하게 되는 경우, 화염 분포의 대칭성이 붕괴될 수 있다. 화염 분포의 대칭성이 크다는 것은 보강 간섭이 크게 발생할 수 있음을 의미할 수 있으므로 연소 불안정이 높은 것으로 볼 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이 연소 불안정은 화염의 형상의 변화에 지배적인 영향을 받기 때문에 제2 슬릿부분(22)의 배치가 대칭적일 수록 연소의 불안정이 커질수 있다. 이는, 제2 슬릿부분(22)의 배치가 상대적으로 비대칭적일수록 연소의 불안정이 감소될 수 있음을 의미할 수 있다.
실시예 2에 따른 인젝터의 경우, 제2 슬릿부분(22)의 비대칭성이 실시예 1에 따른 인젝터에 비해 크므로, 실시예 1에 따른 인젝터에 비해 연소 불안정이 감소할 수 있는 효과가 있다.
실시예 3
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다. 이하에선 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예 3에 따른 인젝터를 설명한다. 실시예 3에 따른 인젝터는 제2 슬릿부분의 배치에 있어 실시예 1에 따른 인젝터와 차이가 있다. 실시예 1에 따른 인젝터와 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하고, 구체적인 설명은 생략한다.
실시예 3에 따른 인젝터는, 기준 축(A)을 포함하는 가상의 평면인 기준 평면(RS)으로 인젝터 바디부(10)를 구획할 때 기준 평면(RS)의 양측에 배치된 제2 슬릿부분(22)의 개수는 서로 상이할 수 있다. 즉, 실시예 3에 따른 인젝터는 제2 슬릿부분(22)의 배치의 대칭성이 붕괴된 형태로 이해할 수 있다.
실시예 3에 따른 인젝터의 경우, 제2 슬릿부분(22)의 비대칭성이 실시예 1 및 실시예 2에 따른 인젝터에 비해 크므로, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 인젝터에 비해 연소 불안정이 더욱 감소할 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 종래의 다중 튜브 인젝터
2: 공급관
3: 연소실
10: 인젝터 바디부
20: 슬릿부
21: 제1 슬릿부분
21a: 제1-1 슬릿
21b: 제1-2 슬릿
21c: 제1-3 슬릿
22: 제2 슬릿부분
22a: 제2-1 슬릿
22a': 이격 공간 중첩 슬릿
22b: 제2-2 슬릿
22b': 중첩 슬릿
30: 역화하는 화염
100: 연료 공급관
200: 석영 튜브
300: 금속 튜브
310: 냉각 공기 유입관
320: 피스톤
400: 동압 센서
A: 기준 축
AR1: 제1 영역
AR2: 제2 영역
B: 연소기
D: 기준 방향
D': 기준 방향의 반대 방향
D1: 제1 방향
D2: 제1 방향
L1: 제1 직선
L2: 제2 직선
L3: 제3 직선
L4: 제4 직선
RA1: 제1 기준 영역
RA2: 제2 기준 영역
RA3: 제3 기준 영역
RA4: 제4 기준 영역
RS: 기준 평면
S1: 제1-1 이격 공간

Claims (17)

  1. 인젝터 바디부; 및
    상기 인젝터 바디부를 기준 방향을 따라 관통하여 형성되는 슬릿부를 포함하고,
    상기 슬릿부는,
    상기 기준 방향을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분; 및
    상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는, 인젝터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 슬릿부분은,
    상기 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-1 슬릿; 및
    상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제1 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-2 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 기준 원과 상기 제2 기준 원 사이의 영역을 제1 영역이라고 할 때,
    상기 제2 슬릿부분은,
    상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-1 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기준 방향을 따라 바라 볼 때,
    상기 제1-1 슬릿과 상기 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 반경 방향을 따라 서로 이격되는, 인젝터.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제1 기준 원의 일부인 제1 기준 호의 형상을 갖는, 인젝터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제1-2 슬릿은, 상기 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제2 기준 원의 일부인 제2 기준 호의 형상을 가지며,
    상기 제1 기준 호를 정의하는 제1 부채꼴의 중심각의 크기는, 상기 제2 기준 호를 정의하는 제2 부채꼴의 중심각의 크기보다 큰, 인젝터.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2-1 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되는, 인젝터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되며,
    서로 인접한 한 쌍의 제1-1 슬릿 사이의 공간을 제1-1 이격 공간이라 할 때,
    상기 제2-1 슬릿은,
    상기 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 상기 제1-1 이격 공간과 중첩되는 이격 공간 중첩 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1-1 슬릿 및 상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 제1-1 슬릿의 개수는 상기 제1-2 슬릿의 개수보다 적은, 인젝터.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 슬릿부분은,
    상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제2 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-3 슬릿을 더 포함하고,
    상기 제2 기준 원과 상기 제3 기준 원 사이의 영역을 제2 영역이라고 할 때,
    상기 제2 슬릿부분은,
    상기 제2 영역에 배치되고, 상기 제2 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-2 슬릿을 더 포함하는, 인젝터.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2-2 슬릿의 개수보다 적은, 인젝터.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 제2-2 슬릿은,
    상기 반경 방향을 따라 바라볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿과 중첩되는 중첩 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  13. 청구항 10에 있어서
    상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 기준 방향에 직교하는 일 방향을 제1 방향이라 하고, 상기 기준 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 일 방향을 제2 방향이라 할 때,
    상기 기준 방향을 따라 바라볼 때, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제2 직선의 사이로 정의되는 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수와 동일하고,
    상기 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제3 직선의 사이로 정의되는 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수보다 적은, 인젝터.
  14. 청구항 13에 있어서
    상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제4 직선 및 상기 제3 직선의 사이로 정의되는 제3 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일하고,
    상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 제2 직선 및 상기 제4 직선의 사이로 정의되는 제4 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일한, 인젝터.
  15. 청구항 1에 있어서
    상기 제2 슬릿부분은 복수 개로 형성되고,
    상기 기준 축을 포함하는 가상의 평면인 기준 평면으로 상기 인젝터 바디부를 구획 할 때, 상기 기준 평면의 양측에 배치된 제2 슬릿부분의 개수는 서로 상이한, 인젝터.
  16. 연료 및 공기를 공급하는 공급관;
    상기 공급관에 결합되어 유입된 상기 연료 및 상기 공기를 분사하게 마련되는 인젝터; 및
    상기 인젝터가 분사한 상기 연료 및 상기 공기가 유입되게 마련되는 연소실을 포함하고,
    상기 인젝터는,
    기준 방향을 따라 연장되는 슬릿부를 포함하고,
    상기 슬릿부는,
    가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분; 및
    상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는, 연소기
  17. 공기를 압축시켜 배출하게 마련되는 압축기;
    연료와 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 혼합한 후 연소시켜 연소 가스를 생성하게 마련되는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 전달된 상기 연소 가스에 의해 회전하게 마련되는 터빈 블레이드를 포함하고,
    상기 연소기는,
    혼합된 상기 연료 및 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 분사하게 마련되는 인젝터를 포함하고,
    상기 인젝터는,
    가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분과, 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는 슬릿부를 포함하는, 가스 터빈.
KR1020220089863A 2021-10-07 2022-07-20 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 KR20230050224A (ko)

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