KR20230063011A - 가스터빈용 슬링거 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 가스터빈용 슬링거 연소기는 중공의 메인샤프트를 통하여 공급된 연료를 연소실로 분사하는 회전연료노즐과, 외부 라이너와, 내부 라이너를 포함하며, 상기 회전연료노즐의 상, 하류에 위치하고, 상기 회전연료노즐의 연료분사구의 전방에서 공기의 충돌을 유도하는 공기충돌유도수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈용 슬링거 연소기{Gas Turbine Slinger Combustor}

본 발명은 가스터빈용 슬링거 연소기에 관한 것으로, 상세하게는 가스터빈의 메인샤프트의 낮은 회전속도(rpm)에서 충분한 무화(atomization)를 달성할 수 있고, 낮은 점화 조건 및 고고도에서의 저온 점화 조건에서도 양호한 점화 특성을 달성할 수 있는 가스터빈용 슬링거 연소기에 관한 것이다.

가스 터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 압축기를 이용해서 공기를 압축시킨 후 연소기에서 연료를 분산해서 연소하고, 고온 고압의 공기가 터빈에서 팽창하면서 동력을 생산한다.

한편, 슬링거 연소기(slinger combustor)는 가스 터빈의 압축기와 터빈을 연결하는 주축(main shaft)을 중공 처리하여 회전에 의한 원심력으로 연료 드럼에 위치한 노즐로 연료가 분출되어 미립화 되는 방식으로 운용된다. 이와 같이, 슬링거 연소기는 연료를 반경 방향으로 분사하여 연소실 내부로 유입되는 압축 공기와 반경 방향으로 분사된 연료를 혼합하고, 점화를 하여 고온 고압의 유동을 생성한다. 이러한 유동을 터빈으로 이동하여 터빈의 블레이드를 회전시키고, 동력을 생성할 수 있다.

도 1에는 슬링거 연소기의 한 예가 도시되어 있다.

슬링거 연소기는 외부 라이너(outer liner)(100), 내부 라이너(inner liner)(200), 할로우 가이드 베인(hollow guide vane)(300), 연료량을 조절하는 미터링 오리피스(metering orifice)(400), 회전연료노즐에서 연료를 직접 분사하는 연료분사오리피스(fuel orifice)(500)로 구성된다.

이러한 슬링거 연소기는 비교적 저렴하고 설계점에서의 액적이 작아서 성능이 우수한 장점을 지니고 있으나, 회전속도가 낮은 점화 조건에서 점화 특성이 좋지 않고, 특히 엔진이 고고도에서 운용되는 경우 저온에서 점화특성이 나쁜 문제점이 있었다.

한국특허등록 제10-1122062호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 회전속도가 낮은 점화 조건에서 연료 드럼 내 충분한 원심력이 발생하지 않아 연료의 무화가 잘 일어나지 않는 종래의 슬링거 연소기의 문제점을 개선한 가스터빈용 슬링거 연소기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 가스터빈용 슬링거 연소기는 중공의 메인샤프트를 통하여 공급된 연료를 연소실로 분사하는 회전연료노즐과, 외부 라이너와, 내부 라이너를 포함하며, 상기 회전연료노즐의 상, 하류에 위치하고, 상기 회전연료노즐의 연료분사구의 전방에서 공기의 충돌을 유도하는 공기충돌유도수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기충돌유도수단은, 상기 회전연료노즐의 상류에 위치하고, 상기 메인샤프트에 연동하여 회전하며, 공기를 상기 연료분사구의 전방으로 유동시키는 제1 블레이드와, 상기 회전연료노즐의 하류에 위치하고, 상기 메인샤프트에 연동하여 회전하며, 공기를 상기 연료분사구의 전방으로 유동시키는 제2 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 블레이드와 상기 제2 블레이드는 상기 연료분사구를 사이에 두고 서로 대향하는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 가스터빈용 슬링거 연소기에 따르면, 회전연료노즐에 근접한 상, 하류 위치에 가스터빈의 메인샤프트(회전축)에 소형의 블레이드를 설치함으로써 연료분사구의 전방에서 공기의 충돌을 유도할 수 있다.

또한, 가스터빈의 메인샤프트의 낮은 회전속도(rpm)에서 충분한 원심력이 발생하지 않아도 충분한 무화(atomization)를 달성할 수 있다.

또한, 낮은 점화 조건 및 고고도에서의 저온 점화 조건에서도 양호한 점화 특성을 달성할 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 기존의 가스터빈용 슬링거 연소기의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 가스터빈용 슬링거 연소기의 모식도이다.
도 3은 도 2의 B 부분의 확대도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

참고로 본 실시예에서는 종래 기술과 차별화 되는 본 발명의 구성에 대하여 중점적으로 설명하고, 논지를 흐리지 않기 위하여 가스터빈용 슬링거 연소기의 공지의 구성들에 대해서는 부가적인 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 가스터빈용 슬링거 연소기의 모식도이고, 도 3은 도 2의 B 부분의 확대도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 가스터빈용 슬링거 연소기(이하, 간단히 '본 가스터빈용 슬링거 연소기'라 한다)는 중공(hollow)의 메인샤프트(main shaft)(5)를 통하여 공급된 연료(F)를 연소실로 분사하는 회전연료노즐(7)과, 외부 라이너(2)와, 내부 라이너(3)를 포함한다. 그리고 예시적으로, 메인샤프트(5) 내에는 연료드럼(51)이 구비될 수 있다.

특히, 본 슬링거 연소기는, 회전연료노즐(7)의 상, 하류에 위치하고, 회전연료노즐(7)의 연료분사구(71)의 전방에서 공기의 충돌을 유도하는 공기충돌유도수단(8)을 포함한다. 여기서, 회전연료노즐(7)의 '상류'라 함은, 도 2를 기준으로 하여, 회전연료노즐(7)의 좌측을 가리키고, 회전연료노즐(7)의 '하류'라 함은, 도 2를 기준으로 하여, 회전연료노즐(7)의 우측을 가리킨다. 그리고 연료분사구(71)의 '전방'이라 함은, 연료분사구(71)로부터 연료가 분사되는 방향을 가리킨다.

공기충돌유도수단(8)은, 예시적으로 제1 블레이드(81)와 제2 블레이드(82)를 포함할 수 있다.

제1 블레이드(81)는 회전연료노즐(7)의 상류에 위치하고, 메인샤프트(5)에 연동하여 회전하며, 도 2 기준, 좌측에서 우측으로 연료분사구(71)의 전방으로 공기를 유동시킨다.

또한, 제2 블레이드(82)는 회전연료노즐(7)의 하류에 위치하고, 메인샤프트(5)에 연동하여 회전하며, 도 2 기준, 우측에서 좌측으로 연료분사구(71)의 전방으로 공기를 유동시킨다.

여기서, 제1 블레이드(81)와 제2 블레이드(82)는 연료분사구(71)를 사이에 두고 어긋나지 않고 서로 대향한다. 이를 통하여, 제1 블레이드(81)를 통과하는 공기와, 제2 블레이드(82)를 통과하는 공기가 연료분사구(71)의 전방에서 직접 충돌하도록 할 수 있다.

도 2 및 도 3에는 예시적으로 각각 1개의 제1 블레이드(81)와 제2 블레이드(82)가 도시되어 있으나, 필요시 이들 블레이드(날개)(81,82)의 개수는 적절하게 조절할 수 있다. 또한, 원하는 공기 충돌의 정도를 달성하기 위하여, 블레이드(81,82)의 두께, 시위길이, 방향 각도분포 등은 변동될 수 있다.

이와 같이, 회전연료노즐(7)에 근접한 상, 하류 위치에 가스터빈의 메인샤프트(회전축)(5)에 소형의 블레이드(81,82)를 설치함으로써 연료분사구(71)의 전방에서 공기의 충돌을 유도할 수 있으며, 이를 통하여, 가스터빈의 메인샤프트(5)의 낮은 회전속도(rpm)에서 충분한 원심력이 발생하지 않아도 충분한 무화(atomization)를 달성할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

2...외부 라이너
3...내부 라이너
5...중공의 메인샤프트
7...회전연료노즐
71...연료분사구
8...공기충돌유도수단
81...제1 블레이드
82...제2 블레이드

Claims (3)

1. 중공의 메인샤프트를 통하여 공급된 연료를 연소실로 분사하는 회전연료노즐과, 외부 라이너와, 내부 라이너를 포함하는 가스터빈용 슬링거 연소기로서,
   상기 회전연료노즐의 상, 하류에 위치하고, 상기 회전연료노즐의 연료분사구의 전방에서 공기의 충돌을 유도하는 공기충돌유도수단
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 슬링거 연소기.
2. 제1항에서,
   상기 공기충돌유도수단은,
   상기 회전연료노즐의 상류에 위치하고, 상기 메인샤프트에 연동하여 회전하며, 공기를 상기 연료분사구의 전방으로 유동시키는 제1 블레이드와,
   상기 회전연료노즐의 하류에 위치하고, 상기 메인샤프트에 연동하여 회전하며, 공기를 상기 연료분사구의 전방으로 유동시키는 제2 블레이드
   를 포함하는 것을 특징으로 하는
   가스터빈용 슬링거 연소기.
3. 제2항에서,
   상기 제1 블레이드와 상기 제2 블레이드는 상기 연료분사구를 사이에 두고 서로 대향하는 것을 특징으로 하는
   가스터빈용 슬링거 연소기.

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