KR20230122348A - 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기로부터 압축공기를 공급받아, 그 압축공기를 선회시키는 선회영역을 내부에 구비하는 노즐케이싱과, 상기 노즐케이싱에 연결되고, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너와, 상기 라이너에 연결되고, 상기 라이너에서 연소의 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와, 상기 노즐케이싱의 내부 중심에 구비되고, 외부에서 인입된 연료를 내부로 유도하는 연료공급관과, 상기 연료공급관과 연결되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입된 압축공기와 상기 연료공급관을 통해 유입된 연료를 복수 개의 혼합튜브에서 혼합하여 생성된 혼합유체를 라이너로 방출하는 멀티튜브노즐, 및 상기 노즐케이싱의 선회영역에 구비되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입되어 선회하는 압축공기를 상기 멀티튜브노즐의 입구부로 안내하는 플로우가이드를 포함하여, 상기 멀티튜브노즐의 각 혼합튜브로 유입되는 압축공기의 유량을 균일화할 수 있어, 압축공기 유량의 유량 편차를 줄일 수 있는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈을 제공한다.

Description

가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈{Gas turbine combustor and gas turbine having same}

본 발명은 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 터보머신이란, 터보머신을 통과하는 유체(특히, 기체)를 통해, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 장치를 의미한다. 따라서 터보머신은 통상 발전기와 함께 설치되어 사용된다. 이러한 터보머신에는, 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 전환시키는 장치이다.

터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈을 포함한다. 압축기는 압축기 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, 연소기의 내부에서 고온의 화염이 발생되므로, 연소기의 연소실로 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 연료노즐을 이와 같은 고온의 화염으로부터 보호할 필요가 있다.

하지만, 카운터 플로우 타입(counter flow type)의 연소기는 압축공기와 연료의 혼합 전, 180°의 공기 선회가 발생하였는데, 각 마이크로 믹스 타입의 노즐에 균일한 유량으로 압축공기를 공급하는 것에 상당한 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2164622호(2020.10.05.)를 참조할 수 있다.

본 발명은 연소기 중 압축공기가 선회하는 선회영역에 복수 개의 플로우가이드를 구비하여, 연소기로 유입된 압축공기가 복수 개의 통로를 통해 혼합튜브들 각각의 입구부로 안내됨에 따라, 연소기 중 압축공기와 연료가 혼합되는 복수 개의 혼합튜브 각각에 유입되는 압축공기의 유량이 균일화를 이루고, 또한 상기 혼합튜브 각각의 압축공기 유동 편차를 줄일 수 있는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 가스터빈 연소기는 압축기로부터 압축공기를 공급받아, 그 압축공기를 선회시키는 선회영역을 내부에 구비하는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱에 연결되고, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너; 상기 라이너에 연결되고, 상기 라이너에서 연소의 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부 중심에 구비되고, 외부에서 인입된 연료를 내부로 유도하는 연료공급관; 상기 연료공급관과 연결되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입된 압축공기와 상기 연료공급관을 통해 유입된 연료를 복수 개의 혼합튜브에서 혼합하여 생성된 혼합유체를 라이너로 방출하는 멀티튜브노즐; 및 상기 노즐케이싱의 선회영역에 구비되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입되어 선회하는 압축공기를 상기 멀티튜브노즐의 입구부로 안내하는 플로우가이드를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 플로우가이드는 환상으로, 수직 단면이 'ㄷ'형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하거나, 또는 환상으로, 수직 단면이 '('형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하거나, 또는 상기 플로우가이드는 환상으로, 수직 단면이 '<'형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내한다.

그리고 본 발명에 따른 상기 플로우가이드는 복수 개가 서로 이격되게 배치되어, 상기 압축공기가 유동하는 통로를 복수 개로 형성한다.

여기서 본 발명에 따른 상기 복수 개로 형성되는 상기 압축공기가 유동하는 통로는, 인접하는 통로와 서로 상이한 단면적을 가지거나, 상기 복수 개로 형성되는 압축공기가 유동하는 통로는, 외측 또는 내측으로 갈수록 단면적이 넓게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 복수 개의 플로우가이드는 상기 압축공기가 유동하는 통로를 관통하는 가이드서포트에 의해 연결되는 것이 바람직하다.

이때 본 발명에 따른 상기 가이드서포트는 상기 통로를 따라 유동하는 압축공기가 선회하도록 스월베인으로 구비할 수 있다.

더불어 본 발명에 따른 상기 노즐케이싱 중 선회영역의 내측 모서리에 압축공기의 선회를 안내하는 보조가이드를 더 포함한다.

본 발명에 따른 가스터빈은 외부로부터 공급받은 공기를 압축하는 압축기; 연소가스가 내부로 통과됨에 따라 전력 생성을 위한 동력을 생성하는 터빈; 및 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 연소기를 포함하되, 상기 연소기는 상기 압축기로부터 압축공기를 공급받아, 그 압축공기를 선회시키는 선회영역을 내부에 구비하는 노즐케이싱과; 상기 노즐케이싱에 연결되고, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너와; 상기 라이너에 연결되고, 상기 라이너에서 연소의 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와; 상기 노즐케이싱의 내부 중심에 구비되고, 외부에서 인입된 연료를 내부로 유도하는 연료공급관과; 상기 연료공급관과 연결되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입된 압축공기와 상기 연료공급관을 통해 유입된 연료를 복수 개의 혼합튜브에서 혼합하여 생성된 혼합유체를 라이너로 방출하는 멀티튜브노즐과; 상기 노즐케이싱의 선회영역에 구비되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입되어 선회하는 압축공기를 상기 멀티튜브노즐의 입구부로 안내하는 플로우가이드;를 포함한다.

본 발명에 따른 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

연소기 중 압축공기가 선회하는 선회영역에 복수 개의 플로우가이드를 구비하여, 연소기로 유입된 압축공기가 복수 개의 통로를 통해 혼합튜브들 각각의 입구부로 안내됨에 따라, 연소기 중 압축공기와 연료가 혼합되는 복수 개의 혼합튜브 각각에 유입되는 압축공기의 유량이 균일화를 이루고, 또한 상기 혼합튜브 각각의 압축공기 유동 편차를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연소기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 가스터빈 연소기에 공급되는 압축공기 및 연료의 유동 상태를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 가스터빈 연소기를 간략하게 보인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 가스터빈 연소기 중 연료분출공에 연료분사노즐을 구비한 상태를 보인 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 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.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 연소기 중 압축공기와 연료가 혼합되는 복수 개의 혼합튜브 각각에 유입되는 공기의 유량이 균일화를 이루고, 또한 상기 혼합튜브 각각의 공기 유동 편차를 줄일 수 있는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(11), 연소기(100) 및 터빈(12)을 포함한다.

기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(10)의 상류 측에는 압축기(11)가 배치되고 하류 측에는 터빈(12)이 배치되고, 압축기(11)와 터빈(12) 사이에는 연소기(100)가 배치된다.

상기 압축기(11)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(12)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 상기 압축기(11)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(12)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기(11)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(12)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈(12)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(11)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다.

상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수 개의 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 정렬되고, 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다.

또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수 개의 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.

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 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.

가스터빈(10)의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀(Cell) 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 연료노즐(160)과, 연소실을 형성하는 라이너(120; Liner), 그리고 연소기(100)와 터빈(12)의 연결부가 되는 트랜지션피스(130; Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너(120)는 연료노즐(160)에 의해 분사되는 연료가 압축기(11)의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너(120)는 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다.

또한, 상기 라이너(120)의 전단에는 연료를 분사하는 연료노즐(160)이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

상기 라이너 환형유로에는 라이너(120)의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스(130)를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다.

이렇듯 압축공기가 라이너(120)의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너(120)가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

상기 라이너(120)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(130)가 연결된다.

상기 라이너(120)와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스(130)는 상기 트랜지션피스(130)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(100)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(12)으로 공급된다. 터빈(12)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(12)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(12)은 기본적으로는 압축기(11)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(12)에도 압축기(11)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 3 내지 도 5를 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 연소기(100)는 노즐케이싱(110), 라이너(120), 트랜지션피스(130), 연료공급관(140), 멀티튜브노즐(150), 플로우가이드(160)를 포함한다.

먼저, 상기 노즐케이싱(110)은 상기 압축기(11)로부터 압축공기를 공급받으며, 상기 압축공기를 상기 노즐케이싱(110)의 내부에 형성된 선회영역(111)에서 선회시켜, 멀티튜브노즐(150)로 제공한다.

상기 라이너(120)는 압축공기 또는 연소가스의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱(110)의 하류 측에 연결되며, 내부에는 연소실(120a)을 형성하는데, 상기 연소실(120a)은 상기 멀티튜브노즐(150)로부터 분사된 혼합유체(압축공기와 연료의 혼합을 생성됨.)를 연소시킨다.

상기 트랜지션피스(130)는 상기 라이너(120)의 하류 측에 연결되며, 상기 라이너(120)의 연소실(120a)에서 발생된 연소가스를 상기 터빈(12)으로 공급한다.

그리고 상기 연료공급관(140)은 상기 노즐케이싱(110)의 내부 중심에 구비되고, 외부에서 공급된 연료를 내부로 유도한다.

이때 공급받은 연료는 수소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 연료공급관(140)의 끝단에는 멀티튜브노즐(150)이 연결되는데, 상기 멀티튜브노즐(150)은 상기 노즐케이싱(110)을 통해 유입된 압축공기와 상기 연료공급관(140)을 통해 유입된 연료를 복수 개의 혼합튜브(151)에서 혼합하여 혼합유체로 방출한다.

여기서 상기 멀티튜브노즐(150)을 보다 상세하게 살펴보면, 상기 멀티튜브노즐(150)은 해당 직경을 갖는 메인관체(151)를 구비하고, 상기 메인관체(151)의 중심에는 상기 연료공급관(140)이 배치된다.

그리고 상기 메인관체(151)의 내부 중 상기 연료공급관(140)의 주변에는 내부가 중공인 혼합튜브(152) 복수 개가 일정한 간격을 두고 서로 집합되어, 하나의 몸체를 이룬다.

이때 상기 혼합튜브(152)는 상기 연료공급관(140)의 중심을 기준으로 하여 방사상으로 배열되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 메인관체(151) 중 상기 혼합튜브(152)로 압축공기가 유입되는 입구부를 제외한 측에는 전면벽체(153)가 결합되고, 상기 전면벽체(153)와 일정 거리를 두고 상기 전면벽체(153)의 후방에는 후면벽체(154)가 결합되어, 상기 메인관체(151)의 내부에는 딜리버리챔버(155)를 형성한다.

상기 딜리버리챔버(155)는 상기 연료공급관(140)과 서로 연통하게 연결되어, 상기 연료공급관(140)에 의해 유도된 연료를 수용한다.

또한, 상기 혼합튜브들(152)에는 상기 딜리버리챔버(155)과 연통하는 연료분출공(156)이 각각 형성되어, 상기 연료분출공(156)을 통해 상기 딜리버리챔버(155)에 수용된 연료가 상기 혼합튜브들(152)의 중공으로 유출된다.

따라서 상기한 구성으로 상기 노즐케이싱(110)의 선회영역(111)을 따라 상기 멀티튜브노즐(150)의 입구부로 선회하는 압축공기는 각 혼합튜브들(152)의 중공을 따라 연소실(120a)로 제공되는데, 상기 혼합튜브(152)의 중공을 유동할 시, 상기 연료분출공(156)을 통해 분출되는 연료와 서로 혼합되어 혼합유체로 제공하게 된다.

더불어 상기 연료분출공(156)에는 연료분사노즐(157)을 구비할 수 있는데, 상기 연료분사노즐(157)은 제어부(도시하지 않음)에서 인가하는 제어신호로 개폐하여, 상기 혼합튜브들(152)로 분출되는 연료의 유출량을 조절할 수도 있다.

또한, 상기 멀티튜브노즐(150)의 전방 측인 상기 노즐케이싱(110)의 선회영역(111)에는 플로우가이드(160)를 구비하는데, 상기 플로우가이드(160)는 상기 노즐케이싱(110)을 통해 유입되어 내측면을 따라 선회하는 압축공기를 상기 멀티튜브노즐(150) 각각의 혼합튜브(152) 입구로 안내한다.

이때 상기 플로우가이드(160)는 환상으로, 상기 압축공기가 멀티튜브노즐(150)의 입구부로 선회하도록 수직 단면이 'ㄷ'형을 이루거나, 또는 수직 단면이 '('형을 이루거나, 또는 수직 단면이 '<'형을 이룰 수 있다.

상기와 같이 상기 플로우가이드(160)의 수직 단면을 'ㄷ'형, 또는 '('형, 또는 '<'형을 이루는 것은 상기 노즐케이싱(110)의 내측면을 따라 유입된 압축공기를 선회시켜, 상기 멀티튜브노즐(150)의 각 혼합튜브(152) 입구로 유도하기 위함으로, 본 발명에서 기재한 형상 외에 다양한 형상으로 형성할 수도 있다.

여기서 상기 플로우가이드(160)는 너비가 상이한 복수 개가 일정한 간격을 두고 겹쳐져, 상기 압축공기가 유동하는 통로(160a)를 복수 개로 형성할 수 있다.

이때 상기 압축공기가 유동하는 통로들(d₁,d₂,d₃)은 외측 방향으로 갈수록, 상기 통로의 폭이 넓게 형성되는 것이 바람직하다.

일례로, 복수 개의 통로 중 선회영역(111)의 최내측에 위치하는 통로는 최내측 통로(d₁), 상기 최내측 통로(d₁) 보다 외측에 외치하는 통로를 중간측 통로(d₂), 및 상기 중간측 통로(d₂) 보다 외측에 위치하는 통로를 최외측 통로(d₃)로 구분하면, 상기 통로들(d₁, d₂, d₃)의 폭 상관관계를 나타내면, 최내측 통로(d₁) < 중간측 통로(d₂) < 최외측 통로(d₃)와 같다.

따라서 상기와 같이 상기 압축공기가 유동하는 통로들(d₁, d₂, d₃)은 외측 방향으로 갈수록, 상기 통로의 폭이 넓게 형성되어, 상기 멀티튜브노즐(150)의 각 혼합튜브(152)로 유입되는 압축공기의 유량의 균일화를 이룰 수 있다.

그리고 상기 복수 개의 플로우가이드(160)는 가이드서포트(170)에 의해 연결되어 고정되는데, 상기 가이드서포트(170)는 스월베인으로 형성하여, 상기 통로(d₁, d₂, d₃)를 따라 유동하는 압축공기가 선회되도록 할 수 있다.

또한, 상기 노즐케이싱(110) 중 선회영역(111)의 내측 모서리에 보조가이드(180)를 형성하여, 상기 보조가이드(180)가 상기 노즐케이싱(110) 중 선회영역(111)의 내측 모서리에서 압축공기의 저속유동 및 와류발생을 방지하면서 압축공기의 선회가 용이하도록 돕는다.

그러므로 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 연소기는 상기 노즐케이싱(110)의 내부 중 압축공기가 선회하는 선회영역(111)에 복수 개의 플로우가이드(160)를 구비하면서, 상기 압축공기가 유동하는 통로들(d₁, d₂, d₃)은 외측 방향으로 갈수록, 상기 통로의 폭이 넓게 형성되도록, 상기 플로우가이드(160)들을 서로 이격 배치하여, 상기 멀티튜브노즐(150)의 각 혼합튜브(152)로 유입되는 압축공기의 유량을 균일화할 수 있어, 압축공기 유량의 유량 편차를 줄일 수 있다.

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

100: 가스터빈 연소기
110: 노즐케이싱
111: 선회영역
120: 라이너
130: 트랜지션피스
140: 연료공급관
150: 멀티튜브노즐
151: 메인관체
152: 혼합튜브
153: 전면벽체
154: 후면벽체
155: 딜리버리챔버
156: 연료분출공
157: 연료분사노즐
160: 플로우가이드
160a: 통로
170: 가이드서포트
180: 보조가이드

Claims (20)

1. 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서,
   상기 압축기로부터 압축공기를 공급받아, 그 압축공기를 선회시키는 선회영역을 내부에 구비하는 노즐케이싱;
   상기 노즐케이싱에 연결되고, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너;
   상기 라이너에 연결되고, 상기 라이너에서 연소의 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스;
   상기 노즐케이싱의 내부 중심에 구비되고, 외부에서 인입된 연료를 내부로 유도하는 연료공급관;
   상기 연료공급관과 연결되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입된 압축공기와 상기 연료공급관을 통해 유입된 연료를 복수 개의 혼합튜브에서 혼합하여 생성된 혼합유체를 라이너로 방출하는 멀티튜브노즐; 및
   상기 노즐케이싱의 선회영역에 구비되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입되어 선회하는 압축공기를 상기 멀티튜브노즐의 입구부로 안내하는 플로우가이드를 포함하는 가스터빈 연소기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 플로우가이드는
   환상으로, 수직 단면이 'ㄷ'형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 플로우가이드는
   환상으로, 수직 단면이 '('형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 플로우가이드는
   환상으로, 수직 단면이 '<'형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
   
5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플로우가이드는
   복수 개가 서로 이격되게 배치되어, 상기 압축공기가 유동하는 통로를 복수 개로 형성하는 가스터빈 연소기.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 복수 개로 형성되는 상기 압축공기가 유동하는 통로는, 인접하는 통로와 서로 상이한 단면적을 가지는 가스터빈 연소기.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 복수 개로 형성되는 압축공기가 유동하는 통로는, 외측 또는 내측으로 갈수록 단면적이 넓게 형성되는 가스터빈 연소기.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 복수 개의 플로우가이드는
   상기 압축공기가 유동하는 통로를 관통하는 가이드서포트에 의해 연결되는 가스터빈 연소기.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 가이드서포트는
   상기 통로를 따라 유동하는 압축공기가 선회하도록 스월베인(swirl vane)으로 구비하는 가스터빈 연소기.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐케이싱 중 선회영역의 내측 모서리에 압축공기의 선회를 안내하는 보조가이드를 더 포함하는 가스터빈 연소기.
    
11. 외부로부터 공급받은 공기를 압축하는 압축기;
    연소가스가 내부로 통과됨에 따라 전력 생성을 위한 동력을 생성하는 터빈; 및
    상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 연소기를 포함하되,
    상기 연소기는
    상기 압축기로부터 압축공기를 공급받아, 그 압축공기를 선회시키는 선회영역을 내부에 구비하는 노즐케이싱과;
    상기 노즐케이싱에 연결되고, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너와;
    상기 라이너에 연결되고, 상기 라이너에서 연소의 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와;
    상기 노즐케이싱의 내부 중심에 구비되고, 외부에서 인입된 연료를 내부로 유도하는 연료공급관과;
    상기 연료공급관과 연결되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입된 압축공기와 상기 연료공급관을 통해 유입된 연료를 복수 개의 혼합튜브에서 혼합하여 생성된 혼합유체를 라이너로 방출하는 멀티튜브노즐과;
    상기 노즐케이싱의 선회영역에 구비되고, 상기 노즐케이싱을 통해 유입되어 선회하는 압축공기를 상기 멀티튜브노즐의 입구부로 안내하는 플로우가이드;를 포함하는 가스터빈.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 플로우가이드는
    환상으로, 수직 단면이 'ㄷ'형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 플로우가이드는
    환상으로, 수직 단면이 '('형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 플로우가이드는
    환상으로, 수직 단면이 '<'형을 이루어 상기 멀티튜브노즐의 혼합튜브 입구로 압축공기를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
15. 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플로우가이드는
    복수 개가 서로 이격되게 배치되어, 상기 압축공기가 유동하는 통로를 복수 개로 형성하는 가스터빈.
    
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수 개로 형성되는 상기 압축공기가 유동하는 통로는, 인접하는 통로와 서로 상이한 단면적을 가지는 가스터빈.
    
17. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수 개로 형성되는 압축공기가 유동하는 통로는, 외측 또는 내측으로 갈수록 단면적이 넓게 형성되는 가스터빈.
    
18. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수 개의 플로우가이드는
    상기 압축공기가 유동하는 통로를 관통하는 가이드서포트에 의해 연결되는 가스터빈.
    
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 가이드서포트는
    상기 통로를 따라 유동하는 압축공기가 선회하도록 스월베인(swirl vane)으로 구비하는 가스터빈.
    
20. 청구항 11에 있어서,
    상기 노즐케이싱 중 선회영역의 내측 모서리에 압축공기의 선회를 안내하는 보조가이드를 더 포함하는 가스터빈.

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