KR20230127743A - 연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 및 상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바를 포함하고, 상기 믹싱 바는 비틀려질 수 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, 보다 상세하게는 수소를 포함하는 연료를 사용하는 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.
이러한 문제를 해결하기 위해서 대한민국 공개특허 제10-2020-0027894호 등에는 멀티 튜브를 갖는 연소기 노즐이 제안되고 있으나, 멀티 튜브를 갖는 노즐은 스월러가 설치되지 않아 연료와 공기의 균일한 혼합이 어려운 문제가 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료와 공기를 균일하게 혼합할 수 있는 연소기용 노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 및 상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바를 포함하고, 상기 믹싱 바는 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 바는 상기 믹싱 바의 중심축을 기준으로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 바는 상기 멀티 튜브의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바와 제1 믹싱 바와 제2 믹싱 바 사이에 배치된 제3 믹싱 바를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 믹싱 바, 상기 제2 믹싱 바, 상기 제3 믹싱 바는 서로 다른 각도로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 큰 각도로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제3 믹싱 바는 상기 제1 믹싱 바 보다 더 작은 각도로 비틀리고, 상기 제2 믹싱 바보다 더 큰 각도로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제3 믹싱 바는 상기 제1 믹싱 바 보다 더 짧고, 상기 제2 믹싱 바 보다 더 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 튜브에는 연료가 유입되는 연료 유입홀이 형성되고, 상기 믹싱 바는 상기 연료 유입홀의 하류측에 배치되며, 상기 제1 믹싱 바의 선단은 상기 제2 믹싱 바의 선단보다 더 하류측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제3 믹싱 바의 선단은 상기 제1 믹싱 바의 선단의 선단보다 더 상류측에 배치되고, 상기 제2 믹싱 바의 선단보다 더 하류측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 튜브는 길이방향 단부로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는, 벨마우스부를 포함하고, 상기 벨마우스부의 단부에 공기가 유입되는 유입구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기는 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하며, 상기 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 및 상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바를 포함하고, 상기 믹싱 바는 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 바는 상기 믹싱 바의 중심축을 기준으로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 바는 상기 멀티 튜브의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바와 제1 믹싱 바와 제2 믹싱 바 사이에 배치된 제3 믹싱 바를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 믹싱 바, 상기 제2 믹싱 바, 상기 제3 믹싱 바는 서로 다른 각도로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 튜브에는 연료가 유입되는 연료 유입홀이 형성되고, 상기 믹싱 바는 상기 연료 유입홀의 하류측에 배치되며, 상기 제1 믹싱 바의 선단은 상기 제2 믹싱 바의 선단보다 더 하류측에 배치될 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, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 상기 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 및 상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바를 포함하고, 상기 믹싱 바는 상기 믹싱 바의 중심축을 기준으로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 바는 상기 멀티 튜브의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바와 제1 믹싱 바와 제2 믹싱 바 사이에 배치된 제3 믹싱 바를 포함하고, 상기 제1 믹싱 바, 상기 제2 믹싱 바, 상기 제3 믹싱 바는 서로 다른 각도로 비틀려질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 길게 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐, 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 믹싱 튜브 내에 믹싱 바가 설치되어 연료와 공기가 균일하게 혼합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제3 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐의 일부를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제3 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐의 일부를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 믹싱 튜브와 믹싱 바를 도시한 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.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
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 압축기에서는, 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 구동시키는데 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), 버너(1220), 노즐(1400), 덕트 조립체(1250)를 포함할 수 있다.
연소기 케이싱(1210)은 복수의 버너(1220)를 감싸며 대략 원형 형상으로 이루어질 수 있다. 버너(1220)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 각 버너(1220)에는 복수 개의 노즐(1400)이 구비되며, 이 노즐(1400)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 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.
버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체(1250)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1400) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1250)가 적절히 냉각된다.
덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252), 유동 슬리브(1253)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)의 바깥을 유동 슬리브(1253)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1253) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 냉각시킨다.
라이너(1251)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1251) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1251)의 길이방향 일측 단부는 버너(1220)에 결합되고 라이너(1251)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1252)에 결합된다.
그리고, 트랜지션피스(1252)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1252)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1251)와 결합되고, 트랜지션피스(1252)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1253)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 버너를 정면에서 본 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 길이방향으로 잘라 본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 믹싱 튜브를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 노즐(1400)은 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브(1420)와 연료가 이동하는 연료 통로(1412)를 포함하는 멀티 튜브(1410), 및 믹싱 튜브(1410) 내에 삽입되어 연료와 공기를 혼합하는 믹싱 바(1510, 1520, 1530)를 포함할 수 있다.
멀티 튜브(1410)는 원통 형상으로 이루어지며, 내측에 연료가 공급되는 연료 통로(1412)가 형성된다. 또한, 노즐(1400)은 멀티 튜브(1410)에 연료를 공급하는 연료 공급관(1430)을 더 포함할 수 있다. 여기서 연료는 수소를 포함하는 가스로 이루어질 수 있다. 멀티 튜브(1410)는 수소와 공기를 미세하게 분사할 수 있다.
멀티 튜브(1410) 내부에는 수소 가스를 이용하여 여러 개의 작은 화염을 형성할 수 있도록 복수의 믹싱 튜브(1420)가 설치된다. 복수의 믹싱 튜브(1420)들은 멀티 튜브(1410) 내에서 간격을 두고 이격 배치되며 서로 평행하게 형성될 수 있다. 믹싱 튜브(1420)는 원통 형상으로 이루어질 수 있다.
연료 공급관(1430)을 통해서 멀티 튜브(1410) 내부로 유입된 연료는 연료 통로(1412)를 따라 이동하며, 믹싱 튜브(1420)는 연료 통로(1412)를 관통하도록 설치되므로 연료 통로(1412)가 믹싱 튜브(1420)를 감싸고 있다.
믹싱 튜브(1420)에는 연료가 유입되는 복수의 연료 유입홀(1421)이 형성되고, 연료 유입홀(1421)은 믹싱 튜브(1420)의 둘레 방향으로 이격 배치될 수 있다. 또한, 믹싱 튜브(1420)의 전방에는 연료와 혼합된 공기가 분사되는 분사구(1423)가 형성되며, 믹싱 튜브(1420)의 후방에는 공기가 유입되는 유입구(1422)가 형성될 수 있다.
믹싱 바(1510, 1520, 1530)는 믹싱 튜브(1420) 내부에 설치되어 연료와 공기를 혼합하며, 연료 유입홀(1421)의 하류측에 설치될 수 있다. 이에 따라 연료 유입홀(1421)을 통해서 유입된 연료는 공기와 균일하게 혼합될 수 있다.
믹싱 바(1510, 1520, 1530)는 길게 이어진 직사각형의 판 형상으로 이루어지며, 믹싱 바(1510, 1520, 1530)의 중심축(X12)을 기준으로 꼬여진 구조로 이루어진다. 믹싱 바(1510, 1520, 1530)는 90도 내지 720도로 비틀려질 수 있다. 이에 따라 믹싱 바(1510, 1520, 1530)의 양쪽 측단은 나선방향으로 이어진다.
믹싱 바(1510, 1520, 1530)의 중심축(X12)은 믹싱 튜브의 길이방향으로 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 믹싱 바(1510, 1520, 1530)의 폭방향 양쪽 단부는 믹싱 튜브(1420)의 내벽에 맞닿으며 믹싱 바(1510, 1520, 1530)의 양쪽 측단이 믹싱 튜브(1420)에 고정될 수 있다.
믹싱 바(1510, 1520, 1530)는 멀티 튜브(1410)의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바(1510)와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바(1520)와 제1 믹싱 바(1510)와 제2 믹싱 바(1520) 사이에 배치된 제3 믹싱 바(1530)를 포함할 수 있다.
제1 믹싱 바(1510)는 멀티 튜브(1410)의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 믹싱 튜브(1420)에 삽입되며, 제2 믹싱 바(1520)는 멀티 튜브(1410)의 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 믹싱 튜브(1420)에 삽입될 수 있다. 또한, 제3 믹싱 바(1530) 반경 방향으로 중간에 배치된 믹싱 튜브(1420)에 삽입될 수 있다.
제1 믹싱 바(1510), 제2 믹싱 바(1520), 제3 믹싱 바(1530)는 서로 다른 각도로 비틀려질 수 있는데, 제1 믹싱 바(1510)는 제2 믹싱 바(1520)보다 더 큰 각도로 비틀려질 수 있다. 또한, 제3 믹싱 바(1530)는 제1 믹싱 바(1510) 보다 더 작은 각도로 비틀리고, 제2 믹싱 바(1520)보다 더 큰 각도로 비틀려질 수 있다. 예를 들면, 제2 믹싱 바(1520)는 360도 비틀리며, 제1 믹싱 바(1510)는 720도 비틀리고, 제3 믹싱 바(1530)는 540도 비틀릴 수 있다. 또한, 제1 믹싱 바(1510), 제2 믹싱 바(1520), 제3 믹싱 바(1530)는 동일한 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
본 제1 실시예와 같이, 이와 같이 믹싱 튜브(1420) 내부에 비틀려진 믹싱 바(1510, 1520, 1530)가 설치되면 연료와 공기가 균일하게 혼합될 수 있을 뿐만 아니라, 연료와 공기의 균일한 혼합으로 인하여 질소산화물의 발생이 감소될 수 있다.
또한, 반경 반향 외측에 위치하는 제1 믹싱 바(1510)의 비틀림 각도가 반경방향 내측에 위치하는 제2 믹싱 바(1520)의 비틀림 각도보다 더 크게 형성되면, 외측에서 분사되는 연료와 공기가 더 균일하게 혼합되고, 반경 방향 외측에서 분사되는 예혼합 연료의 회전벡터가 중앙에서 분사되는 예혼합 연료의 회전벡터보다 더 크게 형성되므로 연소 진동을 현저히 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 믹싱 튜브와 믹싱 바에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐의 일부를 길이방향으로 잘라 본 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 믹싱 바를 도시한 사시도이며, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 믹싱 바를 도시한 사시도이고, 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제3 믹싱 바를 도시한 사시도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 노즐(2400)은 믹싱 바(2510, 2520, 2530)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
각각의 믹싱 튜브(1420)의 내부에는 연료와 공기를 혼합하는 믹싱 바가 설치되며, 믹싱 바(2510, 2520, 2530)는 연료 유입홀(1421)의 하류측에 설치될 수 있다. 믹싱 바(2510, 2520, 2530)는 길게 이어진 직사각형의 판 형상으로 이루어지며, 믹싱 바(2510, 2520, 2530)의 중심축(X12)을 기준으로 꼬여진 구조로 이루어진다. 믹싱 바(2510, 2520, 2530)는 90도 내지 720도로 비틀려질 수 있다. 이에 따라 믹싱 바(2510, 2520, 2530)의 측단은 나선방향으로 이어진다.
믹싱 바(2510, 2520, 2530)는 비틀려진 트위스트부(2511, 2521, 2531)와 트위스트부(2511, 2521, 2531)의 전방에 고정된 전방 가이드판(2512, 2522, 2532)과 트위스트부(2511, 2521, 2531)의 후방에 고정된 후방 가이드판(2513, 2523, 2533)을 포함할 수 있다. 전방 가이드판(2512, 2522, 2532)과 후방 가이드판(2513, 2523, 2533)은 평편한 판 형상으로 이루어지며, 트위스트부(2511, 2521, 2531)를 사이에 두고 이격된다. 트위스트부(2511, 2521, 2531)는 납작한 막대가 꼬여진 구조로 이루어진다. 트위스트부(2511, 2521, 2531)의 양쪽 측단은 믹싱 튜브(1420)의 내벽에 맞닿아 고정될 수 있다.
믹싱 바(2510, 2520, 2530)는 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바(2510)와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바(2520)와 제1 믹싱 바(2510)와 제2 믹싱 바(2520) 사이에 배치된 제3 믹싱 바(2530)를 포함할 수 있다.
제1 믹싱 바(2510)는 제2 믹싱 바(2520)보다 더 길게 형성되며, 제3 믹싱 바(2530)는 제1 믹싱 바(2510) 보다 더 짧고, 제2 믹싱 바(2520) 보다 더 길게 형성될 수 있다.
제1 믹싱 바(2510)는 제1 길이(S11)를 갖고, 제2 믹싱 바(2520)는 제2 길이(S12)를 가지며, 제1 길이(S11)는 제2 길이(S12)보다 더 길게 형성될 수 있다. 또한, 제3 믹싱 바(2530)는 제3 길이(S13)를 갖고, 제3 길이(S13)는 제1 길이(S11)보다 더 짧고, 제2 길이(S12)보다 더 길게 형성될 수 있다.
또한, 제1 믹싱 바(2510)는 제2 믹싱 바(2520) 보다 더 큰 각도로 비틀려질 수 있으며, 제3 믹싱 바(2530)는 제1 믹싱 바(2510) 보다 더 작은 각도로 비틀리고, 제2 믹싱 바(2520)보다 더 큰 각도로 비틀려질 수 있다. 예를 들면, 제2 믹싱 바(2520)는 360도 비틀리며, 제1 믹싱 바(2510)는 720도 비틀리고, 제3 믹싱 바(2530)는 540도 비틀릴 수 있다.
본 제2 실시예에 따르면, 반경 반향 외측에 위치하는 제1 믹싱 바(2510)의 길이가 길고, 비틀림 각 크게 형성되므로, 외측에서 분사되는 연료와 공기가 더 균일하게 혼합되고, 반경 방향 외측에서 분사되는 예혼합 연료의 회전벡터가 중앙에서 분사되는 예혼합 연료의 회전벡터보다 더 크게 형성되므로 연소 진동을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 믹싱 튜브와 믹싱 바에 대해서 설명한다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐의 일부를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 12를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 노즐(3400)은 믹싱 바(3510, 3520, 3530)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
각각의 믹싱 튜브(1420)의 내부에는 연료와 공기를 혼합하는 믹싱 바(3510, 3520, 3530)가 설치되며, 믹싱 바(3510, 3520, 3530)는 믹싱 튜브(1420)에 형성된 연료 유입홀(1421)의 하류측에 설치될 수 있다. 믹싱 바(3510, 3520, 3530)는 길게 이어진 직사각형의 판 형상으로 이루어지며, 트위스팅된 구조로 이루어진다. 믹싱 바(3510, 3520, 3530)는 90도 내지 720도로 비틀려질 수 있다. 이에 따라 믹싱 바(3510, 3520, 3530)의 측단은 나선방향으로 이어진다.
믹싱 바(3510, 3520, 3530)는 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바(3510)와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바(3520)와 제1 믹싱 바(3510)와 제2 믹싱 바(3520) 사이에 배치된 제3 믹싱 바(3530)를 포함할 수 있다.
제1 믹싱 바(3510)의 선단은 제2 믹싱 바(3520)의 선단보다 더 하류측에 배치되며, 제3 믹싱 바(3530)의 선단은 제1 믹싱 바(3510)의 선단의 선단보다 더 상류측에 배치되고, 제2 믹싱 바(3520)의 선단보다 더 하류측에 배치될 수 있다.
이에 따라 제1 믹싱 바(3510)의 선단과 연료 유입홀(1421) 사이의 제1 거리(L11)는 제2 믹싱 바(3520)의 선단과 연료 유입홀(1421) 사이의 제2 거리(L12) 보다 더 길게 형성되며, 제3 믹싱 바(3530)의 선단과 연료 유입홀(1421) 사이의 제3 거리(L13)는 제1 거리(L11)보다 더 짧게 형성되고, 제2 거리(L12) 보다 더 길게 형성된다.
본 제3 실시예에 따르면, 제1 믹싱 바(3510)가 하류측에 배치되므로 공기와 연료가 1차적으로 충분히 혼합된 후에 제1 믹싱 바(3510)에 의하여 2차적으로 혼합되므로 외측에서 분사되는 공기와 연료가 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 반경 방향 외측에서 분사되는 예혼합 연료의 회전벡터가 중앙에서 분사되는 예혼합 연료의 회전벡터보다 더 크게 형성되므로 연소 진동을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 믹싱 튜브에 대해서 설명한다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 믹싱 튜브와 믹싱 바를 도시한 단면도이다.
도 13을 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 노즐(4400)은 믹싱 튜브를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
믹싱 튜브(4420)는 원통 형상으로 이루어지며, 믹싱 튜브(4420)에는 연료가 유입되는 복수의 연료 유입홀(4421)과 연료와 혼합된 공기가 분사되는 분사구(4422)가 형성될 수 있다. 또한, 믹싱 튜브(4420)의 후방에는 공기가 유입되는 유입구(4421)가 형성될 수 있다. 믹싱 튜브(4420)의 내부에는 연료와 공기의 혼합을 위한 믹싱 바(4510)가 설치될 수 있다.
믹싱 튜브(4420)는 길이방향 단부로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는 벨마우스부(4425)를 포함하고, 벨마우스부(4425) 유입구(4422)와 인접한 부분에는 위치하되, 유입구(4422)는 벨마우스부(4425)의 단부에 위치할 수 있다. 벨마우스부(4425)는 연료 유입홀(4421)보다 더 상류측에 위치할 수 있다.
본 제4 실시예와 같이 믹싱 튜브(4420)에 벨마우스부(4425)가 형성되면 공기가 유입되는 과정에서 압력 손실이 감소할 뿐만 아니라 내경이 감소하는 구간에서 공기의 유속이 증가하며, 유속의 증가로 인하여 플래쉬백 위험이 감소할 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
1130: 압축기 블레이드 1140: 베인
1150: 하우징 1200: 연소기
1210: 연소기 케이싱 1220: 버너
1240: 연소실 1400, 2400, 3400: 노즐
1410: 멀티 튜브 1412: 연료 통로
1420: 믹싱 튜브 1430: 연료 공급관
1510, 2510, 3510: 제1 믹싱 바 1520, 2520, 3520: 제2 믹싱 바
1530, 2530, 3530: 제3 믹싱 바 4425: 벨마우스부

Claims (20)

  1. 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐에 있어서,
    공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브;
    상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브;
    상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바;
    를 포함하고,
    상기 믹싱 바는 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 믹싱 바는 상기 믹싱 바의 중심축을 기준으로 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 믹싱 바는 상기 멀티 튜브의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바와 제1 믹싱 바와 제2 믹싱 바 사이에 배치된 제3 믹싱 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 믹싱 바, 상기 제2 믹싱 바, 상기 제3 믹싱 바는 서로 다른 각도로 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 큰 각도로 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제3 믹싱 바는 상기 제1 믹싱 바 보다 더 작은 각도로 비틀리고, 상기 제2 믹싱 바보다 더 큰 각도로 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 믹싱 바는 상기 제1 믹싱 바 보다 더 짧고, 상기 제2 믹싱 바 보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 믹싱 튜브에는 연료가 유입되는 연료 유입홀이 형성되고, 상기 믹싱 바는 상기 연료 유입홀의 하류측에 배치되며,
    상기 제1 믹싱 바의 선단은 상기 제2 믹싱 바의 선단보다 더 하류측에 배치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제3 믹싱 바의 선단은 상기 제1 믹싱 바의 선단의 선단보다 더 상류측에 배치되고, 상기 제2 믹싱 바의 선단보다 더 하류측에 배치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 믹싱 튜브는 길이방향 단부로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는, 벨마우스부를 포함하고, 상기 벨마우스부의 단부에 공기가 유입되는 유입구가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  12. 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
    상기 노즐은,
    공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브;
    상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브;
    상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바;
    를 포함하고,
    상기 믹싱 바는 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 믹싱 바는 상기 믹싱 바의 중심축을 기준으로 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 믹싱 바는 상기 멀티 튜브의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바와 제1 믹싱 바와 제2 믹싱 바 사이에 배치된 제3 믹싱 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 믹싱 바, 상기 제2 믹싱 바, 상기 제3 믹싱 바는 서로 다른 각도로 비틀려진 것을 특징으로 하는 연소기.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 믹싱 튜브에는 연료가 유입되는 연료 유입홀이 형성되고, 상기 믹싱 바는 상기 연료 유입홀의 하류측에 배치되며,
    상기 제1 믹싱 바의 선단은 상기 제2 믹싱 바의 선단보다 더 하류측에 배치된 것을 특징으로 하는 연소기.
  18. 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 터빈으로서,
    상기 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고,
    상기 노즐은,
    공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브;
    상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브;
    상기 믹싱 튜브 내에 삽입되어 공기와 연료를 혼합하는 믹싱 바;
    를 포함하고,
    상기 믹싱 바는 상기 믹싱 바의 중심축을 기준으로 비틀려진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 믹싱 바는 상기 멀티 튜브의 반경 방향으로 제일 외측에 배치된 제1 믹싱 바와 반경 방향으로 제일 내측에 배치된 제2 믹싱 바와 제1 믹싱 바와 제2 믹싱 바 사이에 배치된 제3 믹싱 바를 포함하고, 상기 제1 믹싱 바, 상기 제2 믹싱 바, 상기 제3 믹싱 바는 서로 다른 각도로 비틀려진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 믹싱 바는 상기 제2 믹싱 바보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
KR1020220025409A 2022-02-25 2022-02-25 연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈 KR102632603B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011058792A (ja) * 2009-09-08 2011-03-24 General Electric Co <Ge> モノリス型燃料噴射器及び関連製造方法
US20150176841A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 General Electric Company Apparatus for mixing fuel in a gas turbine nozzle
KR102343001B1 (ko) * 2020-07-06 2021-12-23 두산중공업 주식회사 연소기용 노즐, 이를 포함하는 연소기, 및 가스 터빈

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