KR20230114994A - 클러스터가 구비된 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 클러스터가 구비된 연소기는, 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터를 포함하며, 상기 클러스터는, 중앙부에 위치하는 메인 튜브 및 상기 중앙부의 외곽에 위치하는 서브 튜브를 포함하며, 상기 메인 튜브는, 내부에 상기 공기 및 상기 연료가 이동하는 외곽 튜브, 상기 외곽 튜브 내부로 상기 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 공급부에 연결되어 상기 공급된 연료를 분배하는 연료 분배부 및 상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 분배부에 연결되어 상기 분배된 연료를 분사하는 분사 튜브를 포함하며, 상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 중앙에 고정 결합될 수 있다.
Description
본 발명은 클러스터가 구비된 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.
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.
가스 터빈의 연소기에서 단순 튜브를 이용하여 연료 공급 시 중심을 맞추기 어려워 연료의 혼합에 문제가 생길 수 있으며, 연료가 일방으로 편측되어 연료 공급 시 역화(Backfire)로 인한 연소기의 손상의 문제가 있다.
또한, 튜브 벽을 이용하여 연료공급을 하게 되면 연료공급 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료 분배부가 외곽 튜브의 중앙에 고정 결합되어 튜브 중앙에 연료를 공급하고 튜브 내에 연료 공급을 위한 구성을 삽입하여 연료공급 구조가 간단한 클러스터가 구비된 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 연소기는, 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터를 포함하며, 상기 클러스터는, 중앙부에 위치하는 메인 튜브 및 상기 중앙부의 외곽에 위치하는 서브 튜브를 포함하며, 상기 메인 튜브는, 내부에 상기 공기 및 상기 연료가 이동하는 외곽 튜브, 상기 외곽 튜브 내부로 상기 연료를 공급하는 연료 공급부,
상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 공급부에 연결되어 상기 공급된 연료를 분배하는 연료 분배부 및 상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 분배부에 연결되어 상기 분배된 연료를 분사하는 분사 튜브를 포함하며, 상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 중앙에 고정 결합될 수 있다.
상기 서브 튜브는 상기 메인 튜브를 둘러싸며 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 연료 분배부는, 상기 분사 튜브마다 형성된 동일한 직경의 분배홀을 포함할 수 있다.
상기 분사 튜브의 입구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 좁아질 수 있다.
상기 분사 튜브의 출구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 넓어질 수 있다.
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 선단 보다 후단에 가까운 위치에 고정될 수 있다.
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 후단 보다 선단에 가까운 위치에 고정될 수 있다.
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부를 둘러싸며 배치되며 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부의 중심으로부터의 거리가 동일할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 터빈은 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 포함하고, 상기 연소기는 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터를 포함하며, 상기 클러스터는, 중앙부에 위치하는 메인 튜브 및 상기 중앙부의 외곽에 위치하는 서브 튜브를 포함하며, 상기 메인 튜브는, 내부에 상기 공기 및 상기 연료가 이동하는 외곽 튜브, 상기 외곽 튜브 내부로 상기 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 공급부에 연결되어 상기 공급된 연료를 분배하는 연료 분배부 및 상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 분배부에 연결되어 상기 분배된 연료를 분사하는 분사 튜브를 포함하며, 상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 중앙에 고정 결합될 수 있다.
상기 서브 튜브는 상기 메인 튜브를 둘러싸며 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 연료 분배부는, 상기 분사 튜브마다 형성된 동일한 직경의 분배홀을 포함할 수 있다.
상기 분사 튜브의 입구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 좁아질 수 있다.
상기 분사 튜브의 출구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 넓어질 수 있다.
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 선단 보다 후단에 가까운 위치에 고정될 수 있다.
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 후단 보다 선단에 가까운 위치에 고정될 수 있다.
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부를 둘러싸며 배치되며 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부의 중심으로부터의 거리가 동일할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 클러스터가 구비된 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈은 튜브 중앙에 연료를 공급하고 연료공급 구조를 간단하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 버너 및 연소 노즐의 단면도이다.
도 4는 도 3의 연소 노즐의 확대도이다.
도 5는 도 4의 메인 튜브의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 메인 튜브를 도 5의 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 6의 메인 튜브의 변형예이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메인 튜브를 도 5의 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 9는 도 8의 메인 튜브의 변형예이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 메인 튜브의 단면도이다.
도 2는 도 1의 연소기를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 버너 및 연소 노즐의 단면도이다.
도 4는 도 3의 연소 노즐의 확대도이다.
도 5는 도 4의 메인 튜브의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 메인 튜브를 도 5의 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 6의 메인 튜브의 변형예이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메인 튜브를 도 5의 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 9는 도 8의 메인 튜브의 변형예이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 메인 튜브의 단면도이다.
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 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈(1000)에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 연소기를 잘라 본 종단면도이다.
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 1 및 도 2를 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 유입된 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드에 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 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 것과 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다. 대형 가스 터빈 엔진(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모된다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈 엔진(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적이고도 지대한 영향을 미치게 된다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 복수 개의 버너(1220)가 배치된다. 각 버너(1220)에는 수 개의 연소 노즐(1230)이 구비되며, 이 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다. 연료 노즐(1230)에서 분사된 연료는 압축공기와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다.
연소기(1200)는 가스 터빈 엔진(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체, 즉 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270)로 이루어진 덕트 조립체의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 연소 노즐(1230) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체가 적절히 냉각된다.
연소기(1200)는 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터(1500)를 포함할 수 있다.
연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 덕트 조립체를 통해 터빈(1300)에 공급된다.
터빈(1300)은 연소기(1200)에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함할 수 있다. 터빈(1300)에서는 연소가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 클러스터(1500)에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 버너 및 연소 노즐의 단면도이고, 도 4는 도 3의 연소 노즐의 확대도이고, 도 5는 도 4의 메인 튜브의 확대도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 메인 튜브를 도 5의 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 클러스터(1500)는 메인 튜브(1510) 및 서브 튜브(1520)를 포함할 수 있다. 클러스터(1500)는 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성될 수 있다. 클러스터(1500)는 연소 노즐(1230) 내부 중앙부에 클러스터(1500)가 위치하고 다른 클러스터(1500)가 중앙에 있는 클러스터(1500)를 둘러싸며 배치될 수 있다(도 4 참조).
메인 튜브(1510)는 외곽 튜브(1511), 연료 공급부(1512), 연료 분배부(1513), 분배홀(1514) 및 분사 튜브(1515)를 포함할 수 있다. 본 발명의 메인 튜브(1510)는 내부에 연료 공급부(1512), 연료 분배부(1513) 및 분사 튜브(1515) 등 연료 공급 장치가 삽입되어 있는 바, 메인 튜브(1510) 이외에 별도의 연료 공급을 위한 구조가 필요하지 않을 수 있다. 이에 따라, 연료공급을 위한 구조가 간단해질 수 있다. 특히, 메인 튜브(1510) 및 서브 튜브(1520)의 벽체는 단지 인접한 튜브와의 구분을 위한 벽체로 구조가 간단해질 수 있다.
메인 튜브(1510)는 클러스터(1500)의 중앙부에 위치할 수 있다. 메인 튜브(1510)는 공기와 연료가 이동하는 통로일 수 있다. 메인 튜브(1510)는 연료 및 공기의 분사 및 혼합 정도에 따라 직경이 변경될 수 있다.
메인 튜브(1510)의 경우 서브 튜브(1520)와 독립적으로 연료 공급부(1512)에 의해 연료가 공급되는 바, 메인 튜브(1510)와 서브 튜브(1520)에서 분사되는 혼합 연료의 당량비가 다를 수 있다.
미리 연료와 공기를 혼합하여 버너(1220)로 공급하는 예혼합 연소 방식의 연료를 메인 튜브(1510)와 서브 튜브(1520)에 공급하는 경우, 메인 튜브(1510)에 공급된 예혼합 연료에 추가적으로 연료 공급부(1512)에 의해 연료가 공급되어 높은 당량비의 연료가 메인 튜브(1510)에서 분사될 수 있다.
서브 튜브(1520)에서 분사되는 낮은 당량비의 예혼합 연료의 연소로 연소기(1200)가 가동될 때, 낮은 당량비로 인해 형성된 화염온도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 미연연료인 UHC(Unburned Hydro-Carbon)나 일산화탄소가 발생하며 화염의 불안정성에 따라 연소 진동이 발생할 수 있다. 이때, 메인 튜브(1510)에서 높은 당량비의 연료를 추가적으로 공급하여 화염 온도나 연소 진동을 조절할 수 있다.
또한, 메인 튜브(1510)는 연소기(1200)의 초기 시동을 위해 높은 당량비의 연료를 공급하는 파일럿 버너(Pilot burner)의 역할을 할 수 있다.
외곽 튜브(1511)는 내부에 공기 및 연료가 이동할 수 있다. 외곽 튜브(1511)는 내부에 공기 및 연료가 이동할 수 있는 내부공간이 형성된 관 형상일 수 있다. 외곽 튜브(1511)는 내부에 연료 공급부(1512), 연료 분배부(1513) 및 분사 튜브(1515)가 형성될 수 있을 정도의 충분한 직경을 가지는 관 형상일 수 있다. 외곽 튜브(1511)는 연료의 역화(Back fire)에 의한 손상을 방지하기 위해 고온에도 견딜 수 있을 정도의 내열성을 지닌 재질로 제작될 수 있다.
연료 공급부(1512)는 외곽 튜브(1511) 내부로 연료를 공급할 수 있다. 연료 공급부(1512)는 내부에 연료가 이동할 수 있는 내부공간이 형성된 관 형상일 수 있다. 연료 공급부(1512)는 후술하는 연료 분배부(1513)의 중앙에 연결되어 연료를 공급할 수 있다.
연료 분배부(1513)는 외곽 튜브(1511) 내부에 위치하며, 연료 공급부(1512)에 연결되어 공급된 연료를 분배할 수 있다(도 6 참조). 연료 분배부(1513)는 외곽 튜브(1511)의 중앙에 고정 결합될 수 있다. 연료 분배부(1513)는 외곽 튜브(1511)의 중앙에 고정 결합되어 있는 바, 메인 튜브(1510) 내부의 연료가 일방으로 편측되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 역화(Back fire)로 인한 연소기의 손상을 방지할 수 있다.
연료 분배부(1513)는 내부에 연료가 이동할 수 있는 공간이 형성되며 분사 튜브(1515)에 연결되는 분배홀(1514)이 형성된 박스 형상일 수 있다. 다만, 연료 분배부(1513)의 형상은 이에 한정되지 않고 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 채용될 수 있는 범위내에서 변경될 수 있다.
연료 분배부(1513)는 외곽 튜브(1511)의 선단 보다 후단에 가까운 위치에 고정될 수 있다. 연료 분배부(1513)로부터 외곽 튜브(1511)의 선단 까지의 거리가 멀수록 연료가 분사된 후 연소되기 전까지 공기와 혼합될 수 있는 경로가 길어지기 때문에 충분히 혼합될 수 있다(도 6 참조).
연료 분배부(1513)는 분사 튜브(1515)마다 형성된 동일한 직경의 분배홀(1514)을 포함할 수 있다.
분배홀(1514)은 연료 분배부(1513)와 분사 튜브(1515)를 연결하는 홀(Hole)로 연료 분배부(1513)에서 분사 튜브(1515)로 연료를 전달하는 통로 역할을 할 수 있다. 분배홀(1514)은 각각의 분사 튜브(1515)에 동일한 직경으로 형성된 바, 복수의 분사 튜브(1515)에 동일한 양의 연료를 분배할 수 있다. 다만, 이러한 분배홀(1514)의 직경은 공기 및 연료의 분사 및 혼합 정도에 따라 변경될 수 있다.
분배홀(1514)은 분사 튜브(1515)의 길이 방향의 중간위치에 형성될 수 있다. 다만, 분배홀(1514)의 위치는 공기와 분배된 연료의 혼합경로의 길이에 관계되어 있는 바, 필요한 혼합경로의 길이에 맞춰 변경될 수 있다.
분사 튜브(1515)는 외곽 튜브(1511) 내부에 위치하며, 연료 분배부(1513)에 연결되어 분배된 연료를 분사할 수 있다. 분사 튜브(1515)는 내부에 공기 및 연료가 이동할 수 있는 내부공간이 형성된 관 형상일 수 있다. 분사 튜브(1515)는 연료의 역화에 의한 손상을 방지하기 위해 고온에도 견딜 수 있을 정도의 충분한 내열성을 지닌 재질로 제작될 수 있다.
분사 튜브(1515)는 연료 분배부(1513)를 둘러싸며 배치되며 적어도 하나 이상일 수 있다. 분사 튜브(1515)는 연료 분배부(1513)의 중심으로부터 동일한 중심각을 이루며 배치될 수 있다. 분사 튜브(1515)는 4개의 분사 튜브(1515)가 연료 분배부(1513)를 둘러싸며 연료 분배부(1513)를 중심으로 90ㅀ의 중심각을 이루며 배치될 수 있다. 분사 튜브(1515)는 연료 분배부(1513)의 중심으로부터의 거리가 동일하게 배치될 수 있다.
분사 튜브(1515)가 위와 같이 연료 분배부(1513)로부터 동일한 거리로 동일한 중심각을 이루며 배치된 바, 특별한 장치 없이도 연료 분배부(1513)에 의해 각 분사 튜브(1515)에 동일한 양의 연료가 분배될 수 있다. 다만, 분사 튜브(1515)의 배치는 이에 한정되지 않고 필요에 따라 변경될 수 있다.
분사 튜브(1515)는 직경이 동일하도록 연장된 원통 형상일 수 있다. 다만, 후술하는 바와 같이 분사 튜브(1515)의 입구 및 출구의 직경은 필요에 따라 변경될 수 있다.
서브 튜브(1520)는 클러스터(1500)의 중앙부의 외곽에 위치할 수 있다(도 4 참조). 서브 튜브(1520)는 메인 튜브(1510)를 둘러싸며 적어도 하나 이상일 수 있다. 서브 튜브(1520)는 메인 튜브(1510)의 중심으로부터 동일한 중심각을 이루며 배치될 수 있다. 즉, 도 4와 같이 8개의 서브 튜브(1520)가 연료 분배부(1513)를 중심으로 동일한 중심각을 이루며 배치될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 메인 튜브(1510)에 대해서 설명한다.
도 7은 도 6의 메인 튜브의 변형예이다.
도 7의 변형예에 따르면, 분사 튜브(1515)의 입구(1515a)는 유체의 진행방향을 따라 직경이 좁아질 수 있다. 분사 튜브(1515)의 입구(1515a)는 분사 튜브(1515)의 상부로 공급되는 유체가 원활하게 유입될 수 있도록 상부의 직경은 넓고 하부의 직경은 갈수록 좁아지는 깔때기 형상일 수 있다.
분사 튜브(1515)의 출구(1515b)는 유체의 진행방향을 따라 직경이 넓어질 수 있다(도 7 참조). 분사 튜브(1515)의 출구(1515b)의 직경이 도 6과 같이 동일하다면 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체의 경로가 제한되어 분사된 이후 분사된 연료 간의 충돌로 인한 재순환(Recirculation)이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
따라서, 도 7과 같이 분사 튜브(1515)의 출구(1515b)의 직경이 넓어지도록 하여 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체의 경로를 제한하지 않을 수 있다. 이에 따라, 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체는 근방의 다른 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체와 충돌하여 재순환이 일어나 연료 및 공기의 혼합이 충분히 일어날 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 메인 튜브(1510)에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메인 튜브를 도 5의 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 메인 튜브(1510)는 연료 분배부(1513)의 위치를 제외하고는 상기 제1 실시예에 따른 메인 튜브(1510)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 연료 분배부(1513)는 외곽 튜브(1511)의 후단 보다 선단에 가까운 위치에 고정될 수 있다. 연료 분배부(1513)가 외곽 튜브(1511)의 후단 보다 선단에 가까운 위치에 고정된 바, 연료 분배부(1513)로부터 분배되어 분사된 연료가 연소되기 전까지 공기와 혼합될 수 있는 경로가 짧아질 수 있다.
이에 따라, 분사 튜브(1515)에서 분사되는 연료는 연료 분배부(1513)가 외곽 튜브(1511)의 후단에 가까운 경우 보다 선단에 가까운 경우가 혼합경로가 짧아 혼합이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 이에 따라 분사 튜브(1515)에서 분사된 연료는 공기와 충분히 혼합되지 않은 높은 당량비의 상태로 메인 튜브(1510) 외부로 분사될 수 있다. 높은 당량비의 연료를 연소실(1240)에 공급하는 경우, 균일하게 혼합되고 낮은 당량비의 연료의 연소에 따른 낮은 화염온도를 높이고 화염 안정성 또한 높일 수 있다.
낮은 당량비의 연료가 연소되는 경우 화염온도가 낮아 미연연료가 발생할 수 있으며, 불완전한 연소에 따른 일산화탄소가 발생할 수 있다. 또한, 연료의 함량이 낮아 화염의 불안정성에 따라 연소진동이 발생할 수 있으며 이는 연소기(1200)의 전체 구조 안정성에 문제를 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 분사 튜브(1515)에서 분사되는 연료는 당량비가 높은 바, 연료의 연소 상태에 따라 연소진동이 발생하거나 미연연료가 발생하는 경우 메인 튜브(1510)에 공급되는 연료의 양을 증가시켜 이를 조절할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 메인 튜브(1510)에 대해서 설명한다.
도 9는 도 8의 메인 튜브의 변형예이다.
도 9의 변형예에 따르면, 분사 튜브(1515)의 입구(1515a)는 유체의 진행방향을 따라 직경이 좁아질 수 있다. 분사 튜브(1515)의 입구(1515a)는 분사 튜브(1515)의 상부로 공급되는 유체가 원활하게 유입될 수 있도록 상부의 직경은 넓고 하부의 직경은 갈수록 좁아지는 깔때기 형상일 수 있다.
분사 튜브(1515)의 출구(1515b)는 유체의 진행방향을 따라 직경이 넓어질 수 있다. 분사 튜브(1515)의 출구(1515b)의 직경이 도 8과 같이 동일하다면 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체의 경로가 제한되어 분사된 이후 분사된 연료 간의 충돌로 인한 재순환(Recirculation)이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
따라서, 도 9와 같이 분사 튜브(1515)의 출구(1515b)의 직경이 넓어지도록 하여 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체의 경로를 제한하지 않을 수 있다. 이에 따라, 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체는 근방의 다른 분사 튜브(1515)로부터 분사되는 유체와 충돌하여 재순환이 일어나 연료 및 공기의 혼합이 충분히 일어날 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 메인 튜브(1510)에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 메인 튜브의 단면도이다.
도 10을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 메인 튜브(1510)는 분사 튜브(1515)의 배치를 제외하고는 상기 제1 실시예에 따른 메인 튜브(1510)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
분사 튜브(1515)는 연료 분배부(1513)를 둘러싸며 배치되며 적어도 하나 이상일 수 있다. 분사 튜브(1515)는 연료 분배부(1513)의 중심으로부터 동일한 중심각을 이루며 배치될 수 있다. 즉, 도 10과 같이 5개의 분사 튜브(1515)가 연료 분배부(1513)를 둘러싸며 연료 분배부(1513)를 중심으로 72ㅀ의 중심각을 이루며 배치될 수 있다. 분사 튜브(1515)는 연료 분배부(1513)의 중심으로부터 거리가 동일하게 배치될 수 있다.
분사 튜브(1515)의 개수가 증가함에 따라, 인접한 분사 튜브(1515)간의 거리가 감소할 수 있다. 이에 따라 분사 튜브(1515)로부터 분사된 유체가 인접한 분사 튜브(1515)로부터 분사된 유체와 충돌가능성이 증가하고 충돌에 따른 재순환으로 연료 및 공기의 혼합이 잘 이루어질 수 있다.
또한, 분사 튜브(1515)의 개수가 증가하면 동일한 직경의 분사 튜브(1515)의 개수가 적은 경우보다, 연료가 분사되는 면적이 증가할 수 있다. 이에 메인 튜브(1510) 내부에 연료가 집중되거나 희박한 영역을 줄여 메인 튜브(1510) 내부에 연료가 비교적 균등하게 분포되도록 할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000 가스 터빈
1100 압축기
1200 연소기
1300 터빈
1500 클러스터
1510 메인 튜브
1520 서브 튜브
1100 압축기
1200 연소기
1300 터빈
1500 클러스터
1510 메인 튜브
1520 서브 튜브
Claims (18)
- 공기와 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터를 포함하는 연소기에 있어서,
상기 클러스터는,
중앙부에 위치하는 메인 튜브 및 상기 중앙부의 외곽에 위치하는 서브 튜브를 포함하며,
상기 메인 튜브는,
내부에 상기 공기 및 상기 연료가 이동하는 외곽 튜브;
상기 외곽 튜브 내부로 상기 연료를 공급하는 연료 공급부;
상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 공급부에 연결되어 상기 공급된 연료를 분배하는 연료 분배부; 및
상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 분배부에 연결되어 상기 분배된 연료를 분사하는 분사 튜브를 포함하며,
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 중앙에 고정 결합된, 클러스터가 구비된 연소기 - 제1 항에 있어서,
상기 서브 튜브는 상기 메인 튜브를 둘러싸며 적어도 하나 이상인, 클러스터가 구비된 연소기 - 제1 항에 있어서,
상기 연료 분배부는,
상기 분사 튜브마다 형성된 동일한 직경의 분배홀을 포함하는, 클러스터가 구비된 연소기. - 제1 항에 있어서,
상기 분사 튜브의 입구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 좁아지는, 클러스터가 구비된 연소기. - 제1 항에 있어서,
상기 분사 튜브의 출구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 넓어지는, 클러스터가 구비된 연소기. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 선단 보다 후단에 가까운 위치에 고정된, 클러스터가 구비된 연소기. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 후단 보다 선단에 가까운 위치에 고정된, 클러스터가 구비된 연소기. - 제1 항에 있어서,
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부를 둘러싸며 배치되며 적어도 하나 이상인, 클러스터가 구비된 연소기. - 제8 항에 있어서,
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부의 중심으로부터의 거리가 동일한, 클러스터가 구비된 연소기. - 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 포함하고,
상기 연소기는 상기 공기와 상기 연료가 이동하는 복수의 튜브로 구성된 클러스터를 포함하며,
상기 클러스터는,
중앙부에 위치하는 메인 튜브 및 상기 중앙부의 외곽에 위치하는 서브 튜브를 포함하며,
상기 메인 튜브는,
내부에 상기 공기 및 상기 연료가 이동하는 외곽 튜브;
상기 외곽 튜브 내부로 상기 연료를 공급하는 연료 공급부;
상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 공급부에 연결되어 상기 공급된 연료를 분배하는 연료 분배부; 및
상기 외곽 튜브 내부에 위치하며, 상기 연료 분배부에 연결되어 상기 분배된 연료를 분사하는 분사 튜브를 포함하며,
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 중앙에 고정 결합된, 가스 터빈. - 제10 항에 있어서,
상기 서브 튜브는 상기 메인 튜브를 둘러싸며 적어도 하나 이상인, 가스 터빈 - 제10 항에 있어서,
상기 연료 분배부는,
상기 분사 튜브마다 형성된 동일한 직경의 분배홀을 포함하는, 가스 터빈. - 제10 항에 있어서,
상기 분사 튜브의 입구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 좁아지는, 가스 터빈 - 제10 항에 있어서,
상기 분사 튜브의 출구는 유체의 진행방향을 따라 직경이 넓어지는, 가스 터빈 - 제10 항에 있어서,
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 선단 보다 후단에 가까운 위치에 고정된, 가스 터빈. - 제10 항에 있어서,
상기 연료 분배부는 상기 외곽 튜브의 후단 보다 선단에 가까운 위치에 고정된, 가스 터빈. - 제10 항에 있어서,
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부를 둘러싸며 배치되며 적어도 하나 이상인, 가스 터빈. - 제17 항에 있어서,
상기 분사 튜브는 상기 연료 분배부의 중심으로부터의 거리가 동일한, 가스 터빈.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |