KR20230111531A - 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각채널을 포함하는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 냉각채널이 중심관을 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 중심관에 화염이 부착되거나 및 화염이 역화되는 것을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

Description

연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{Nozzle for combustor, combustor, and gas turbine including the same}
본 발명은 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각채널을 포함하는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
연료는 각 연소기 내에 설치된 노즐을 통해서 분사되며 노즐은 기체 연료 및 액체 연료를 분사할 수 있다. 근래에는 이산화탄소의 배출을 억제하기 위해서 수소 연료 또는 수소를 포함하는 연료의 사용이 권장되고 있다.
그러나 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 가스 터빈 연소기로 이들의 연료를 연소시켰을 경우에, 가스 터빈 연소기내에서 형성되는 화염이 가스 터빈 연소기의 구조물로 접근해 가열하고, 가스 터빈 연소기의 신뢰성으로 문제를 일으킬 가능성이 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 중심관을 효과적으로 냉각시키고 중심관에 화염이 부착되거나 및 화염이 역화되는 것을 최소화할 수 있는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기용 노즐은 중심관, 쉬라우드, 복수 개의 냉각채널을 포함한다. 중심관은 전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로가 내부에 형성되고, 후단부에 개구홀이 형성된다. 쉬라우드는 중심관의 적어도 일부가 내부에 삽입되고, 중심관과 사이에 공기및 분사된 연료가 이동하는 혼합유로가 형성되며, 전단에 공기유입구가 형성된다. 냉각채널은 공기유로와 연통하는 입구에서부터 혼합유로와 연통하는 출구까지 후방으로 연장되고, 중심관의 측벽부 내부를 관통하여 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 냉각채널은 출구가 중심관의 후단부에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐은 중심관의 측벽부 내부에는 복수 개의 냉각채널들을 모두 연통시키는 제1환형유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 제1환형유로는 냉각채널의 입구 및 출구의 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 공기유로에는 공기의 유동을 선회시키는 에어스월러가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 에어스월러는 중심관의 후단부와 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 에어스월러는 냉각채널의 입구보다 후방에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 공기유로에는 공기의 유동에 난류를 형성시키는 난류형성부재가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 난류형성부재는 중심관의 후단부와 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 난류형성부재는 냉각채널의 입구보다 후방에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐 복수 개의 냉각채널은 중심관의 측벽부 내부에서 서로 나란하게 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 복수 개의 냉각채널은 중심관의 측벽부 내부에서 나선형으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 중심관의 개구홀에는, 후방으로 갈수록 유동 단면적이 증가하는 확장부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 냉각채널의 출구는 중심관의 후단부에 형성되고, 확장부의 주변에서 축방향 및 반경방향을 향해 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 중심관의 후단부 및 확장부의 주변에는 일단이 냉각채널의 복수 개의 출구들과 모두 연통하고 타단이 혼합유로와 연통하는 제2환형유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기는 연소기용 노즐과 턱트조립체를 포함한다. 덕트조립체는 노즐의 일측에 결합되고 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달한다. 노즐은 중심관, 쉬라우드, 복수 개의 냉각채널을 포함한다. 중심관은 전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로가 내부에 형성되고, 후단부에 개구홀이 형성된다. 쉬라우드는 중심관의 적어도 일부가 내부에 삽입되고, 중심관과 사이에 공기 및 분사된 연료가 이동하는 혼합유로가 형성되며, 전단에 공기유입구가 형성된다. 냉각채널은 공기유로와 연통하는 입구에서부터 혼합유로와 연통하는 출구까지 후방으로 연장되고, 중심관의 측벽부 내부를 관통하여 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는 공기유로에 연료의 유동에 난류를 형성시키는 난류형성부재가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는 복수 개의 냉각채널이 중심관의 측벽부 내부에서 나선형으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는 중심관의 개구홀에는, 후방으로 갈수록 유동 단면적이 증가하는 확장부가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 외부에서 유입된 공기를 압축한다. 연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소한다. 터빈은 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 연소기는 연소기용 노즐과 덕트조립체를 포함한다. 덕트조립체는 노즐의 일측에 결합되며 압축 공기와 연료가 내부에서 연소되며 연소된 연소 가스를 터빈으로 전달한다. 노즐은 중심관, 쉬라우드, 복수 개의 냉각채널을 포함한다. 중심관은 전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로가 내부에 형성되고, 후단부에 개구홀이 형성된다. 쉬라우드는 중심관의 적어도 일부가 내부에 삽입되고, 중심관과 사이에 공기 및 분사된 연료가 이동하는 혼합유로가 형성되며, 전단에 공기유입구가 형성된다. 공기유로와 연통하는 입구에서부터 혼합유로와 연통하는 출구까지 후방으로 연장되고, 중심관의 측벽부 내부를 관통하여 형성된다.
본 발명에 따른 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈은 중심관에 냉각채널이 형성되어, 중심관을 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 중심관에 화염이 부착되거나 및 화염이 역화되는 것을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐모듈의 전체적인 모습을 나타낸 종단면도이다.
도 4는 도 3에서 냉각채널 부분을 따로 확대하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐모듈의 중심관 후단부에서의 유속과 온도분포를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐모듈의 냉각채널을 확대하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐모듈의 냉각채널을 확대하여 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 노즐모듈의 냉각채널을 확대하여 나타낸 것이다.
도 9는 도 8의 변형례를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명에 따른 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈에 대하여 설명한다. 본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기에서, 압축기(1100)의 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동하는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 영향을 미치게 된다.
터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드와 터빈 베인을 포함한다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 삽입된다. 터빈 베인은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 블레이드는 연소가스에 의하여 회전하면서 회전력을 생성한다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 적용되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 노즐(1220), 덕트 조립체(1240)를 포함할 수 있다.
연소기 케이싱(1210)은 노즐(1220)을 감싸며 대략 원형 실린더 형상으로 이루어질 수 있다. 노즐(1220)은 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 노즐(1220)에는 적어도 하나 이상의 노즐모듈(1400)이 구비되며, 이 노즐모듈(1400)에서는 연료와 공기가 적절한 비율로 혼합된 뒤 분사되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.
가스 터빈(1000)에는 가스 연료가 사용될 수 있으며, 특히 수소를 포함하는 연료가 사용될 수 있다. 연료는 수소 연료 단독 또는 수소와 천연가스를 포함하는 연료로 이루어질 수 있다.
덕트 조립체(1240)는 노즐(1220)과 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하고, 덕트 조립체(1240)의 외면에서는 압축공기가 흘러 노즐(1220) 측으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1240)가 적절히 냉각된다.
덕트 조립체(1240)는 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242), 유동 슬리브(1243)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1240)는 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242)의 바깥을 유동 슬리브(1243)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1243) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242)를 냉각시킨다.
라이너(1241)는 연소기(1200)의 노즐(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1241) 내부의 공간이 연소실(1230)을 형성하게 된다. 라이너(1241)의 길이방향 일측 단부는 노즐(1220)에 결합되고 라이너(1241)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1242)에 결합된다.
그리고, 트랜지션피스(1242)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1242)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1241)와 결합되고, 트랜지션피스(1242)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1243)는 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐모듈의 전체적인 모습을 나타낸 종단면도이고, 도 4는 도 3에서 냉각채널 부분을 따로 확대하여 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐모듈의 중심관 후단부에서의 유속과 온도분포를 나타낸 것이다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 적어도 하나의 노즐모듈(1400)을 포함하고, 노즐모듈(1400)은 중심관(1420), 쉬라우드(1430), 냉각채널(1450)을 포함한다.
중심관(1420)은 관형부재이다. 중심관(1420)은 소정의 두께를 갖는 측벽부(1421)를 포함할 수 있다. 중심관(1420)의 전단부에는 플랜지(1410)가 배치될 수 있다. 플랜지(1410)에는 연료가 공급될 수 있다. 중심관(1420)의 내부 또는 측벽부(1421)의 내부에는 전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로(1423)가 형성된다. 그리고 중심관(1420)의 후단부(1422)에는 개구된 개구홀(1424)이 형성된다. 따라서, 공기유로(1423)의 공기는 개구홀(1424)을 통해 외부로 토출될 수 있다. 중심관(1420)에는 공기유입포트(1425)가 형성될 수 있다. 공기유입포트(1425)는 중심관(1420)을 관통하여 중심관(1420)의 내외부를 연통시킬 수 있다. 공기유입포트(1425)는 중심관(1420)에서 플랜지(1410)의 바로 뒤 또는 플랜지(1410)와 약간 이격된 위치에 형성될 수 있다. 공기유입포트(1425)를 통해 유입된 공기는 중심관(1420)의 공기유로(1423)에서 유동하게 된다.
쉬라우드(1430)의 내부에는 중심관(1420)의 적어도 일부가 삽입된다. 중심관(1420)은 플랜지(1410)를 제외한 부분이 쉬라우드(1430)에 삽입될 수 있다. 이 때, 공기유입포트(1425)가 형성된 부분은 쉬라우드(1430)에 삽입되지 않고, 공기유입포트(1425)가 쉬라우드(1430)의 전방에 배치될 수 있다.
쉬라우드(1430)의 전단에는 공기유입구(1451)(1432)가 형성된다. 공기유입구(1451)(1432)에서는 공기가 유입된다. 쉬라우드(1430)의 전단에는 공기 유입을 안내하고, 유동 저항을 줄일 수 있도록 벨마우스(1431)가 형성될 수 있다. 쉬라우드(1430)는 중심관(1420)을 둘러싸되, 중심관(1420)과 이격되어 배치된다. 이에 따라, 쉬라우드(1430)와 중심관(1420)의 사이에는 공간이 형성된다. 상기 공간에서는 공기유입구(1451)(1432)에서 유입된 공기와, 별도로 분사된 연료가 함께 유동한다. 따라서, 상기 공간을 혼합유로(1433)라 지칭한다.
중심관(1420)에는 연료포트(1428)가 형성될 수 있다. 연료포트(1428)는 혼합유로(1433)에 연료를 분사하는 구성이다. 플랜지(1410) 측에서는 연료가 유입되고, 연료포트(1428)는 플랜지(1410) 측과 연통할 수 있다. 중심관(1420)의 측벽부(1421)에는 연료가 채워지는 연료플리넘(1427)이 형성될 수 있다. 연료플리넘(1427)은 측벽부(1421)에서 원주방향으로 연장되어 환형의 공간을 형성할 수 있다. 연료플리넘(1427)은 플랜지(1410) 측과 연통하고, 연료플리넘(1427)은 연료포트(1428)와 연통될 수 있다. 이에 따라, 플랜지(1410) 측으로부터 유입된 연료가 연료플리넘(1427)을 거쳐 연료포트(1428)에서 외부로 분사될 수 있다.
중심관(1420)과 쉬라우드(1430)의 사이에는 스월러(1440)가 배치될 수 있다. 스월러(1440)는 쉬라우드(1430)의 내주면에 형성되거나, 중심관(1420)의 외주면에 형성될 수 있고, 별도로 구비되어 쉬라우드(1430)와 중심관(1420) 사이에 각각 결합되어 배치될 수도 있다. 스월러(1440)는 공기 또는, 공기 및 연료를 선회시키기 위한 구성이다. 스월러(1440)는 바람직하게는 쉬라우드(1430)의 전단부 근처 또는 벨마우스(1431)의 바로 후방에 배치될 수 있다. 그리고, 연료포트(1428)는 스월러(1440)에 배치될 수 있다. 만약 스월러(1440)가 중심관(1420)과 일체로 형성되는 경우, 연료포트(1428)는 중심관(1420) 및 스월러(1440)를 모두 관통하여 형성될 수 있다. 연료포트(1428)가 스월러(1440)에 배치되는 경우, 선회되기 시작하는 공기에 바로 연료를 분사할 수 있어 공기 및 연료의 혼합도가 개선될 수 있고, 연료포트(1428)가 연소실과 멀어져 역화를 최소화할 수 있다.
중심관(1420)에는 냉각채널(1450)이 형성된다. 냉각채널(1450)은 복수 개가 구비될 수 있다. 냉각채널(1450)은 입구(1451) 및 출구(1452)를 포함한다. 냉각채널(1450)의 입구(1451)는 공기유로(1423)와 연통하고, 출구(1452)는 혼합유로(1433)와 연통한다. 냉각채널(1450)은 측벽주의 내부를 관통하여 형성되고, 후방으로 연장되어 형성된다. 즉, 종단면으로 볼 때, 냉각채널(1450)은 좌우로 연장되어 형성되되, 상하가 측벽부(1421)로 둘러 쌓이도록 형성될 수 있다. 복수 개의 냉각채널(1450)은 측벽부(1421)의 일부를 사이에 두고 공기유로(1423)를 감싸도록 배치될 수 있다. 이 때, 복수 개의 냉각채널(1450)들은 측벽부(1421)에서 서로 나란하게 배치될 수 있다. 냉각채널(1450)에서는 공기가 유동한다. 공기유로(1423)의 공기가 냉각채널(1450)로 유입되어 혼합유로(1433)로 토출되게 된다. 이 과정에서 중심관(1420)이 냉각되게 된다.
냉각채널(1450)은 중심관(1420)의 후단부(1422)에 형성될 수 있다. 중심관(1420)의 후단부(1422)는 연소실과 가깝기 때문에 고열에 노출될 수 있다. 중심관(1420)의 후단부(1422)에서는 연소실의 화염이 역화하여 화염이 부착될 수 있고, 그렇지 않더라도 연소실과 가깝기 때문에 비교적 높은 열에 노출되게 된다. 따라서, 냉각채널(1450)은 중심관(1420)의 후단부(1422)에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
측벽부(1421)에는 제1환형유로(1453)가 형성될 수 있다. 제1환형유로(1453)는 측벽부(1421)의 내부에서 중심관(1420)의 원주방향을 따라 연장되어 환형으로 형성될 수 있다. 즉, 제1환형유로(1453)에서 측벽부(1421)는 이중벽의 구조일 수 있고, 제1환형유로(1453)와 공기유로(1423) 사이에 측벽부(1421)가 배치되고, 제1환형유로(1453)와 혼합유로(1433) 사이에 측벽부(1421)가 배치될 수 있다. 제1환형유로(1453)는 복수 개의 냉각채널(1450)들과 모두 연통된다. 복수 개의 냉각채널(1450)에서 유동하던 공기는 제1환형유로(1453)로 유입되어 유동하게 된다. 제1환형유로(1453)는 냉각채널(1450)의 입구(1451) 및 출구(1452)의 사이에 형성될 수 있다. 이 경우, 입구(1451)로 유입된 공기가 제1환형유로(1453)로 유입된 다음, 측벽부(1421)에서 원주방향으로 순환한 뒤, 다시 각각의 출구(1452)로 토출되게 된다. 제1환형유로(1453)가 측벽부(1421)에 형성됨에 따라, 복수 개의 냉각채널(1450)에서 공기의 유동이 균일하게 형성될 수 있다.
공기유로(1423)에는 에어스월러(1460)가 배치될 수 있다. 에어스월러(1460)는 중심관(1420)의 공기유로(1423)에서 공기의 유동을 선회시키기 위한 구성이다. 에어스월러(1460)는 복수 개의 선회날개(미도시)를 구비할 수 있다. 에어스월러(1460)를 거친 공기의 유동은 선회하게 되고, 선회된 공기의 유동은 원심력에 의해 중심관(1420)의 측벽부(1421) 내주면에 밀착될 수 있다. 이에 따라, 중심관(1420)의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
에어스월러(1460)는 중심관(1420)의 후단부(1422)와 이격되어 배치될 수 있다. 에어스월러(1460)가 중심관(1420)의 후단부(1422) 끝에 위치하게 되면, 중심관(1420)의 내부에 선회된 공기의 유동이 거의 없기 때문에 냉각성능이 저하될 수 있고, 이에 따라, 에어스월러(1460)의 위치는 중심관(1420)의 후단부(1422)와는 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
그러나, 에어스월러(1460)가 중심관(1420)의 후단부(1422)와 지나치게 이격될 경우, 에어스월러(1460)에 의한 냉각성능이 떨어질 수 있다. 선회된 공기는 유동이 진행됨에 따라 서서히 직진성이 높아질 수 있으며, 이에 따라 에어스월러(1460)가 지나치게 이격되면, 중심관(1420)의 후단부(1422)에서는 공기의 선회 유동이 거의 닿지 않아, 냉각성능이 떨어질 수 있게 되는 것이다. 따라서, 에어스월러(1460)는 중심관(1420)의 후단부(1422) 근처에 배치되는 것이 바람직하다.
그러나, 이 경우에도, 에어스월러(1460)가 냉각채널(1450)의 입구(1451)보다 전방에 배치되는 경우, 냉각채널(1450)로 공기가 원할하게 유입되지 않을 수 있으므로, 에어스월러(1460)는 냉각채널(1450)의 입구(1451)보다는 후방에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐모듈의 냉각채널을 확대하여 나타낸 것이다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 에어스월러(1460) 및 난류형성부재(1470)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 에어스월러(1460)가 난류형성부재(1470)로 대체될 수 있다. 난류형성부재(1470)는 중심관(1420)의 공기유로에서 공기 유동에 난류를 형성하기 위한 구성이다. 난류형성부재(1470)는 측벽부(1421)의 내주면에서 돌기의 형태로 형성될 수 있고, 복수 개의 돌기로 구성될 수도 있다. 공기가 난류형성부재(1470)를 지나면 공기의 유동에 난류가 형성되게 되고, 이로 인해, 측벽부(1421)의 내주면으로 공급되는 공기의 유량이 증가할 수 있다. 이에 따라, 중심관(1420)의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
난류형성부재(1470)는 중심관(1420)의 후단부(1422)와 이격되어 배치될 수 있다. 난류형성부재(1470)가 중심관(1420)의 후단부(1422) 끝에 위치하게 되면, 중심관(1420) 내부에서 공기의 난류 유동이 거의 형성되지 않기 때문에, 냉각성능이 저하될 수 있고, 이에 따라, 난류형성부재(1470)의 위치는 중심관(1420)의 후단부(1422)와는 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
그러나, 난류형성부재(1470)가 중심관(1420)의 후단부(1422)와 지나치게 이격될 경우, 난류형성부재(1470)에 의한 냉각성능이 오히려 감소할 수 있다. 난류로 형성된 공기의 유동은 유동이 진행됨에 따라 서서히 층류로 변할 수 있다. 따라서, 난류형성부재(1470)가 중심관(1420)의 후단부(1422)와 지나치게 이격된 경우, 중심관(1420)의 후단부(1422)에서는 층류의 공기 유동이 흐르게 되므로, 냉각성능이 떨어질 수 있다. 따라서, 난류형성부재(1470)는 중심관(1420)의 후단부(1422) 근처에 배치되는 것이 바람직하다.
그러나, 이 경우에도, 난류형성부재(1470)가 냉각채널(1450)의 입구(1451)보다 전방에 배치되는 경우, 냉각채널(1450)로 공기가 원할하게 유입되지 않을 수 있기 때문에 난류형성부재(1470)는 냉각채널(1450)의 입구(1451)보다는 후방에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐모듈의 냉각채널을 확대하여 나타낸 것이다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 냉각채널(1450)을 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 복수 개의 냉각채널(1450)들이 나선형으로 형성될 수 있다. 복수 개의 냉각채널(1450)들은 중심관(1420)의 측벽부(1421)의 내부에서, 입구(1451)로부터 출구(1452)를 향해서 나선형으로 형성될 수 있다. 즉, 복수 개의 냉각채널(1450)들은 다중 나선형의 형태로 형성될 수 있다.
이 경우, 냉각채널(1450)은 측벽부(1421)에서 측벽부(1421)의 원주방향 및 축방향을 따라서 연장되어 형성될 수 있다. 나선형 구조의 냉각채널(1450)에서는, 냉각에 이용되는 공기가 측벽부(1421)에서 보다 골고루 유동하기 때문에 중심관(1420)의 냉각성능이 더욱 증가할 수 있다는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 노즐모듈의 냉각채널을 확대하여 나타낸 것이고, 도 9는 도 8의 변형례를 나타낸 것이다.
이하, 도 도 8 및 9를 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 확장부(1426)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 확장부(1426)를 더 포함한다. 확장부(1426)는 중심관(1420)의 후단부(1422)에 형성되며, 확장부(1426)는 중심관(1420)의 개구홀(1424)에 형성된다. 확장부(1426)는 후방으로 갈수록, 또는 상류에서 하류로 갈수록 유동 단면적이 증가하는 부분이다. 중심관(1420)의 후단에 위치한 개구홀(1424)에 확장부(1426)가 형성되는 경우, 중심관(1420)에서 공기가 토출되면서, 공기가 반경방향으로 퍼져 나갈 수 있어, 중심관(1420)의 냉각 성능이 더욱 개선될 수 있다.
중심관(1420)에 확장부(1426)가 형성되는 경우, 냉각채널(1450)의 출구(1452)는 확장부(1426)의 주변에서 중심관(1420)의 축방향 및 반경방향을 따라 경사지게 형성될 수 있다. 구체적으로, 냉각채널(1450)의 출구(1452)는 확장부(1426)의 확장된 유로의 형상에 대응하여, 확장부(1426)의 단면과 나란하게 연장되어 형성될 수 있다. 이 경우, 냉각채널(1450)에서 토출되는 공기가 축방향 뿐만 아니라 반경방향으로도 뻗어 나가게 되므로, 냉각 성능이 더욱 개선될 수 있다.
중심관(1420)에 확장부(1426)가 형성되는 경우, 확장부(1426)의 주변에는 제2환형유로(1454)가 형성될 수 있다. 제2환형유로(1454)는 중심관(1420)의 측벽부(1421)에서 원주방향을 따라 환형으로 이어진 유로이다. 제2환형유로(1454)는 단면이 확장부(1426)의 단면과 대응하여 형성될 수 있다. 이에 따라 제2환형유로(1454)가 형성된 측벽부(1421)의 부분은 이중벽의 구조로 형성될 수 있다. 제2환형유로(1454)에는 복수 개의 냉각채널(1450)들의 출구(1452)들이 모두 연통된다. 이로 인해, 냉각채널(1450)의 출구(1452)에서 토출된 공기는 모두 제2환형유로(1454)로 유입되어, 순환한 뒤, 중심관(1420)의 후단부(1422)에서 외부로 토출될 수 있다. 제2환형유로(1454)가 형성됨에 따라, 냉각채널(1450)에서 토출되는 공기의 유동이 더욱 균일하게 형성될 수 있고, 중심관(1420)에서의 보다 높은 냉각성능을 기대할 수 있다는 장점이 있다.
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 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000 : 가스 터빈
1100 : 압축기
1200 : 연소기 1210 : 연소기 케이싱
1220 : 노즐 1230 : 연소실
1240 : 덕트 조립체
1300 : 터빈 1310 : 로터 디스크
1400 : 노즐모듈 1410 : 플랜지
1420 : 중심관 1421 : 측벽부
1422 : 후단부 1423 : 공기유로
1424 : 개구홀 1425 : 공기유입포트
1426 : 확장부 1427 : 연료플리넘
1428 : 연료포트 1430 : 쉬라우드
1431 : 벨마우스 1432 : 공기유입구
1433 : 혼합유로 1440 : 스월러
1450 : 냉각채널 1451 : 냉각채널 입구
1452 : 냉각채널 출구 1453 : 제1환형유로
1454 : 제2환형유로 1460 : 에어스월러
1470 : 난류형성부재

Claims (20)

  1. 전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로가 내부에 형성되고, 후단부에 개구홀이 형성된 중심관;
    상기 중심관의 적어도 일부가 내부에 삽입되고, 상기 중심관과 사이에 공기및 분사된 연료가 이동하는 혼합유로가 형성되며, 전단에 공기유입구가 형성된 쉬라우드; 및
    상기 공기유로와 연통하는 입구에서부터 상기 혼합유로와 연통하는 출구까지 후방으로 연장되고, 상기 중심관의 측벽부 내부를 관통하여 형성되는 복수 개의 냉각채널 포함하는 노즐모듈을 갖는 연소기용 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각채널은
    상기 출구가 상기 중심관의 상기 후단부에 형성되는 연소기용 노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중심관의 상기 측벽부 내부에는
    상기 복수 개의 냉각채널들을 모두 연통시키는 제1환형유로가 형성되는 연소기용 노즐.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1환형유로는
    상기 냉각채널의 상기 입구 및 상기 출구의 사이에 배치되는 연소기용 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기유로에는
    상기 공기의 유동을 선회시키는 에어스월러가 배치되는 연소기용 노즐.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에어스월러는
    상기 중심관의 후단부와 이격되어 배치되는 연소기용 노즐.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 에어스월러는
    상기 냉각채널의 상기 입구보다 후방에 배치되는 연소기용 노즐.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기유로에는
    상기 공기의 유동에 난류를 형성시키는 난류형성부재가 배치되는 연소기용 노즐.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 난류형성부재는
    상기 중심관의 후단부와 이격되어 배치되는 연소기용 노즐.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 난류형성부재는
    상기 냉각채널의 상기 입구보다 후방에 배치되는 연소기용 노즐.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉각채널은
    상기 중심관의 상기 측벽부 내부에서 서로 나란하게 배치되는 연소기용 노즐.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉각채널은
    상기 중심관의 상기 측벽부 내부에서 나선형으로 배치되는 연소기용 노즐.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 중심관의 상기 개구홀에는,
    후방으로 갈수록 유동 단면적이 증가하는 확장부가 형성되는 연소기용 노즐.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각채널의 상기 출구는
    상기 중심관의 상기 후단부에 형성되고, 상기 확장부의 주변에서 축방향 및 반경방향을 향해 경사지게 형성되는 연소기용 노즐.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 중심관의 상기 후단부 및 상기 확장부의 주변에는
    일단이 상기 냉각채널의 상기 복수 개의 출구들과 모두 연통하고 타단이 상기 혼합유로와 연통하는 제2환형유로가 형성되는 연소기용 노즐.
  16. 연소기용 노즐; 상기 노즐의 일측에 결합되고 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
    상기 노즐은
    전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로가 내부에 형성되고, 후단부에 개구홀이 형성된 중심관;
    상기 중심관의 적어도 일부가 내부에 삽입되고, 상기 중심관과 사이에 공기 및 분사된 연료가 이동하는 혼합유로가 형성되며, 전단에 공기유입구가 형성된 쉬라우드; 및
    상기 공기유로와 연통하는 입구에서부터 상기 혼합유로와 연통하는 출구까지 후방으로 연장되고, 상기 중심관의 측벽부 내부를 관통하여 형성되는 복수 개의 냉각채널 포함하는 노즐모듈을 갖는 연소기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 공기유로에는
    상기 연료의 유동에 난류를 형성시키는 난류형성부재가 배치되는 연소기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉각채널은
    상기 중심관의 상기 측벽부 내부에서 나선형으로 배치되는 연소기.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 중심관의 상기 개구홀에는,
    후방으로 갈수록 유동 단면적이 증가하는 확장부가 형성되는 연소기.
  20. 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기; 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈에 있어서,
    상기 연소기는 연소기용 노즐; 상기 노즐의 일측에 결합되며 상기 압축 공기와 연료가 내부에서 연소되며 연소된 상기 연소 가스를 상기 터빈으로 전달하는 덕트조립체를 포함하고,
    상기 노즐은
    전방에서 후방으로 공기가 이동하는 공기유로가 내부에 형성되고, 후단부에 개구홀이 형성된 중심관;
    상기 중심관의 적어도 일부가 내부에 삽입되고, 상기 중심관과 사이에 공기 및 분사된 연료가 이동하는 혼합유로가 형성되며, 전단에 공기유입구가 형성된 쉬라우드; 및
    상기 공기유로와 연통하는 입구에서부터 상기 혼합유로와 연통하는 출구까지 후방으로 연장되고, 상기 중심관의 측벽부 내부를 관통하여 형성되는 복수 개의 냉각채널 포함하는 노즐모듈을 갖는 가스터빈.
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