KR20240003228A - 제트 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

제트 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 Download PDF

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두산에너빌리티 주식회사
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Abstract

본 발명은 연소기의 내측면에 형성되어, 연소기의 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐에 있어서, 일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및 상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 제트 노즐 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈을 제공한다.

Description

제트 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{Jet nozzle, combustor and gas turbine including same}
본 발명은 제트 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소기의 내측면에 형성되어 연소기의 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 2차 연소 시 이용되는 유체를 라이너의 내부로 공급하는 제트 노즐과 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료주입기로부터 공급되는 연료와 혼합하여 연소시키며 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.
터보머신이란, 터보머신을 통과하는 유체(특히, 기체)를 통해 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 장치를 의미하낟. 따라서 터보머신은 통상 발전기와 함께 설치되어 사용된다. 이러한 터보머신으로는 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 전환하는 장치이다.
터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 압추기 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.
상기 연소기에서 연료와 압축공기가 1차 연소 시 생성된 후 터빈 측으로 이동되는 연소가스를 이용하여 2차 연소를 진행하기 위한 유체를 라이너의 내부로 분사하여 연소가스와 믹싱을 하는 경우 연소가스와 유체의 혼합을 높이기 위한 방안이 필요하며, 이에 대한 연구가 진행되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-1882107호(2019.07.19. 등록)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정에 부합하기 위해 창출된 것으로서, 연소기의 라이너 내부에 형성되는 연소챔버에서 1차 연소된 후 터빈 측으로 이동되는 연소가스의 2차 연소를 위한 유체의 노즐 구조를 개선하여 연소가스와 유체의 혼합을 증대시킬 수 있는 제트 노즐과 이를 포함하는 연소기 및 가스터빈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연소기의 내측면에 형성되어, 연소기의 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐에 있어서, 일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및 상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 제트 노즐을 제공한다.
본 발명에 따른 제트 노즐에 있어서, 상기 본체부의 유체배출구는 상기 라이너의 둘레면에 형성된 연통포트에 연결될 수 있으며, 상기 본체부는 내부가 중공인 원통형상을 가질 수 있고, 일단에서 타단으로 갈수록 그 직경은 감소될 수 있으며, 상기 배플부는 상기 본체부 타단의 일측면과 타측면에 대응되게 상기 본체부의 중앙부위로 돌출되게 설치될 수 있다.
상기 배플부는 상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1일체형 배플과, 상기 제1일체형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2일체형 배플을 포함할 수 있으며, 상기 제1일체형 배플과 상기 제2일체형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치될 수 있다.
상기 배플부는 상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1투스형 배플과, 상기 제1투스형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2투스형 배플을 포함할 수 있으며, 상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치될 수 있고, 상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 각각 이격되게 배치되는 복수개의 제1투스배플과 제2투스배플을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료주입기로부터 공급되는 연료를 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 가스터빈의 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서, 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너; 상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리; 및 상기 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐을 포함하고, 상기 제트 노즐은 일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및 상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 연소기를 제공한다.
또한, 본 발명은 외부로부터 유입된 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료주입기로부터 공급되는 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되, 상기 연소기는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너; 상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리; 및 상기 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐을 포함하고, 상기 제트 노즐은 일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및 상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 제트 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 연소기의 라이너 둘레면에 형성되는 연통포트를 통해 라이너의 내부로 유체를 라이너의 내부에서 1차 연소 후 터빈 측으로 이동되는 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 공급하여 라이너의 내부에서 2차 연소를 진행할 수 있어 연소효율을 증대시킬 수 있고, 유체를 라이너의 내부로 배플부에 의해 역회전방향의 전단층 소용돌이를 발생시키면서 공급하여 연소가스와 연료의 혼합을 증대시킬 수 있다.
도 1 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스터빈에 구비되는 연소기를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3의 (a)는 본체부에 일체형 배플이 설치된 제트 노즐을 도시한 사시도이고, (b)는 일체형 배플에 의해 역회전방향 전단층 소용돌이의 생성을 강화시키는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4의 (a)는 본체부에 투스형 배플이 설치된 제트 노즐을 도시한 사시도이고, (b)는 투스형 배플에 의해 역회전방향 전단층 소용돌이의 생성을 강화시키는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 연소챔버 내로 배플부에 의해 전단층 소용돌이의 생성이 강화된 유체가 배출되어 연소가스와 혼합되는 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 연소기에 구비되는 노즐 어셈블리의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
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.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(100)은 압축기(110), 연소기(1000), 터빈(120)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(100)의 상류 측에는 압축기(110)가 배치되고 하류 측에는 터빈(120)이 배치되며, 상기 압축기(110)와 상기 터빈(120) 사이에는 연소기(1000)가 배치된다.
상기 압축기(110)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 상기 터빈(120)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, 압축기(110)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(120)은 연소기(1000)로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계되는 것이 바람직하다.
한편, 압축기(110)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(120)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈(120)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(110)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시 예 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 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.
상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 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.
도 1에 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(1000)에서는 유입된 압축공기를 연료주입기(미도시)에서 공급되는 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 연소기(1000)는 노즐케이싱(1100)와, 라이너(1200)와, 트랜지션피스(1300)와, 노즐 어셈블리(1400)와, 제트 노즐(1500)을 포함한다.
상기 노즐 어셈블리(1400)는 상기 노즐케이싱(1100)의 내부에 배치되어 연료 및 압축공기를 분사하고, 상기 라이너(1200)는 상기 노즐케이싱(1100)의 상기 터빈(120) 측 단부에 연결되며, 상기 라이너(1200)의 내부에는 연료주입기(미도시)로부터 공급되는 연료와 상기 압축기(110)에서 공급되는 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버(1210)가 형성된다.
상기 트랜지션피스(1300)는 상기 라이너(1200)의 상기 터빈(120) 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버(1210)에서 발생된 연소가스를 상기 터빈(120)으로 공급한다.
구체적으로, 상기 라이너(1200)는 상기 노즐 어셈블리(1400)에 의해 분사되는 연료와 압축공기가 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너(1200)는 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버(1210)와, 상기 연소챔버(1210)을 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너(1200)의 전단에는 연료를 분사하는 노즐 어셈블리(1400)가 결합되며, 측벽에는 점화기(미도시)가 결합되는 것이 바람직하다.
상기 라이너 환형유로에는, 라이너(1200)의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스(1300)를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너(1200)의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너(1200)가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.
상기 라이너(1200)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(1300)가 연결된다. 상기 라이너(1200)와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스(1300)는, 상기 트랜지션피스(1300)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(1000)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(120)으로 공급된다. 상기 터빈(120)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(120)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(120)은 기본적으로는 압축기(110)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(120)에도 압축기(110)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 2 및 도 6을 참조하면, 상기 노즐 어셈블리(1400)는 노즐본체(1410)와, 분사노즐(1420)을 포함한다. 상기 노즐본체(1410)는 원판 형상으로 형성된 것으로, 도 5에서는 그 일부만 도시하고 있다. 상기 노즐본체(1410)는 연소가스의 유동방향을 기준으로 상기 라이너(1200)의 연소챔버(1210) 보다 상류(Upstream) 측에 배치된다. 따라서 상기 노즐본체(1410)는, 상기 연소챔버(1210)와 상기 노즐 케이싱(1100)의 내부공간을 서로 분리시킨다.
상기 분사노즐(1420)은 상기 노즐본체(1410)에 설치되고, 상기 연소챔버(1210)로 연료와 압축공기를 분사한다. 상기 분사노즐(1420)은, 복수개로 구비되어 각각 상기 노즐본체(1410)에 삽입될 수 있다. 상기 분사노즐(1420)은, 제1노즐튜브(1421), 제2노즐튜브(1422)를 포함한다. 상기 제1노즐튜브(1421)는 내부에 제1유로(1421a)가 형성된 원통 형상의 부재이다. 상기 제2노즐튜브(1422)는 상기 제1노즐튜브(1421)의 반경방향 외측에서 상기 제1노즐튜브(1421)를 감싸도록 배치되는 원통 형상의 부재로서 상기 제1노즐튜브(1421)와의 사이에 제2유로(1422a)가 형성된다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 연소기(1000)의 내측면에는 제트 노즐(1500)이 구비되며, 상기 제트 노즐(1500)은 상기 라이너(1200) 내부의 연소챔버(1210)에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너(1200)의 내부로 유체를 공급하는 역할을 한다.
상기 라이너(1200)의 둘레면에는 상기 제트 노즐(1500)과 연통되며 상기 제트 노즐(1500)을 통해 공급되는 유체가 유입되는 연통포트(미도시)가 형성되며, 상기 연통포트(미도시)는 상기 트랜지션피스(1300)와 연결되는 상기 라이너(1200)의 일측에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제트 노즐(1500)은 본체부(1510)와, 배플부(1520)를 포함하며, 상기 본체부(1510)의 일단에는 유체가 유입되는 유체유입구(1511)가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구(1511)를 통해 유입된 유체가 배출되는 유체배출구(1512)가 형성되며, 상기 유체유입구(1511)로 유입된 유체는 상기 배플부(1520)를 지나면서 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex) 생성이 강화된 후 상기 유체배출구(1512)로 배출되어 상기 라이너(1200)의 내부로 공급된다.
상기 유체배출구(1512)는 상기 라이너(1200)의 둘레면에 형성되는 연통포트(미도시)와 연결되며, 상기 본체부(1510)는 내부가 중공인 원통형상을 가지고 일단에서 타단으로 갈수록 직경이 감소되는 것이 바람직하다.
상기 본체부(1510)의 일단에 형성되는 상기 유체유입구(1511)의 직경이 상기 본체부(1510)의 타단에 형성되는 상기 유체배출구(1512)의 직경보다 더 크며, 그로 인해 상기 유체유입구(1511)로 유입되는 유체의 압력보다 강한 압력으로 상기 유체배출구(1512)로 배출되게 된다.
상기 유체배출구(1512)가 형성되는 상기 본체부(1510)의 타단 내측면에는 상기 배플부(1520)가 설치되며, 상기 배플부(1520)는 상기 유체유입구(1511)를 통해 유입된 유체에 역회전방향의 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 역할을 한다. 상기 배플부(1520)를 거치면서 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성이 강화된 유체는 상기 유체배출구(1512)를 통해 상기 라이너(1200)의 공급되며, 상기 배츨부(1520)는 상기 본체부(1510)의 타단 일측면과 타측면에 대응되게 상기 본체부(1510)의 중앙부위로 돌출되게 설치된다.
도 3을 참조하면, 상기 배플부(1520)는 제1일체형 배플(1521)과, 제2일체형 배플(1522)을 포함하며, 상기 제1일체형 배플(1521)은 상기 본체부(1510)의 타단 일측면에 설치되고, 상기 제2일체형 배플(1522)는 상기 본체부(1510)의 타단 내측면에 설치된다.
상기 유체유입구(1511)를 통해 유입된 후 상기 본체부(1510)의 내부로 이동되는 유체 중 일부는 상기 제1일체형 배플(1521)에 의해 이동방향이 절곡되어 일측방향으로 소용돌이를 발생시키면서 상기 유체배출구(1512)로 배출되고, 상기 유체유입구(1511)를 통해 유입된 후 상기 본체부(1510)의 내부로 이동되는 유체 중 나머지 일부는 상기 제2일체형 배플(1522)에 의해 이동방향이 절곡되어 타측방향으로 소용돌이를 발생시키면서 상기 유체배출구(1512)를 통해 상기 라이너(1200)의 내부로 배출된다.
상기 제1일체형 배플(1521)과 상기 제2일체형 배플(1522)은 상기 본체부(1510)의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경(r)을 가지도록 대응되게 설치되는 것이 바람직하며, 상기 제1일체형 배플(1521)과 상기 제2일체형 배플(1522)이 상기 본체부(1510)의 내측 둘레면에서 중앙부위로 돌출되는 돌출길이(L)는 상기 유체배출구(1512)의 반지름(R) 길이의 1/3 이하인 것이 바람직하다.
상기 제1일체형 배플(1521)과 상기 제2일체형 배플(1522)이 90°이하 또는 110°이상의 반경(r)을 가지게 되면 반대방향으로 소용돌이가 원활하게 발생하지 못하게 되고, 돌출길이(L)가 1/3 이상일 경우에는 상기 유체배출구(1512)로 유체가 원활하게 배출되지 않게 된다.
도 4를 참조하면, 상기 배플부(1520)는 제1투스형 배플(1523)과, 제2투스형 배플(1524)를 포함하며, 상기 제1투스형 배플(1523)은 상기 본체부(1510)의 타단 일측면에 설치되고, 상기 제2투스형 배플(1524)는 상기 본체부(1510)의 타단 내측면에 설치된다.
상기 제1투스형 배플(1523)은 이격되게 배치되는 복수개의 제1투스배플(1523a)을 포함하고, 상기 제2투스형 배플(1524)는 역시 이격되게 배치되는 복수개의 제2투스배플(1524a)을 포함하며, 상기 제1투스형 배플(1523)과 상기 제2투스형 배플(1524) 역시 상기 본체부(1510)의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경(r)을 가지도록 대응되게 설치되는 것이 바람직하다. 상기 본체부(1510)의 내측 둘레면에서 중앙부위로 돌출되는 돌출길이(L) 역시 상기 유체배출구(1512)의 반지름(R) 길이의 1/3 이하인 것이 바람직하며, 상기 제1투스형 배플(1523)과 상기 제2투스형 배플(1524)이 설치됨으로써 차압손실을 최소화시킬 수 있다.
상기 제트 노즐(1500)이 상기 연소기(1000)의 라이너(1200) 둘레면에 형성되는 연통포트(미도시)를 통해 라이너(1200)의 내부로 유체를 라이너(1200)의 내부에서 1차 연소 후 터빈(120) 측으로 이동되는 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 공급하여 라이너(1200)의 내부에서 2차 연소를 진행할 수 있어 연소효율을 증대시킬 수 있고, 상기 배플부(1520)를 통해 유체를 라이너(1200)의 내부로 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시킨 후 공급하여 연소가스와 연료의 혼합을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 가스터빈 110 : 압축기
120 : 터빈 1000 : 연소기
1100 : 노즐케이싱 1200 : 라이너
1300 : 트랜지션피스 1400 : 노즐 어셈블리
1500 : 제트 노즐 1510 : 본체부
1520 : 배플부 1521 : 제1일체형 배플
1522 : 제2일체형 배플 1523 : 제1투스형 배플
1524 : 제2투스형 배플

Claims (18)

  1. 연소기의 내측면에 형성되어, 연소기의 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐에 있어서,
    일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및
    상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 제트 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체부의 유체배출구는 상기 라이너의 둘레면에 형성된 연통포트에 연결되며,
    상기 본체부는 내부가 중공인 원통형상을 가지고 일단에서 타단으로 갈수록 그 직경은 감소되며,
    상기 배플부는 상기 본체부 타단의 일측면과 타측면에 대응되게 상기 본체부의 중앙부위로 돌출되게 설치되는 제트 노즐.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배플부는,
    상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1일체형 배플과,
    상기 제1일체형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2일체형 배플을 포함하는 제트 노즐.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1일체형 배플과 상기 제2일체형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치되는 것을 특징으로 하는 제트 노즐.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 배플부는,
    상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1투스형 배플과,
    상기 제1투스형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2투스형 배플을 포함하는 제트 노즐.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치되며,
    상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 각각 이격되게 배치되는 복수개의 제1투스배플과 제2투스배플을 포함하는 제트 노즐.
  7. 가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료주입기로부터 공급되는 연료를 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 가스터빈의 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서,
    노즐케이싱;
    상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너;
    상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스;
    상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리; 및
    상기 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐을 포함하고,
    상기 제트 노즐은,
    일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및
    상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 연소기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 본체부의 유체배출구는 상기 라이너의 둘레면에 형성된 연통포트에 연결되며,
    상기 본체부는 내부가 중공인 원통형상을 가지고 일단에서 타단으로 갈수록 그 직경은 감소되며,
    상기 배플부는 상기 본체부 타단의 일측면과 타측면에 대응되게 상기 본체부의 중앙부위로 돌출되게 설치되는 연소기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 배플부는,
    상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1일체형 배플과,
    상기 제1일체형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2일체형 배플을 포함하는 연소기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1일체형 배플과 상기 제2일체형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 배플부는,
    상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1투스형 배플과,
    상기 제1투스형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2투스형 배플을 포함하는 연소기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치되며,
    상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 각각 이격되게 배치되는 복수개의 제1투스배플과 제2투스배플을 포함하는 연소기.
  13. 외부로부터 유입된 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료주입기로부터 공급되는 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되,
    상기 연소기는,
    노즐케이싱;
    상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너;
    상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스;
    상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리; 및
    상기 라이너 내부의 연소챔버에서 1차 연소된 연소가스의 진행방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 라이너의 내부로 유체를 공급하는 제트 노즐을 포함하고,
    상기 제트 노즐은,
    일단에는 상기 유체가 유입되는 유체유입구가 형성되고, 타단에는 상기 유체유입구를 통해 유입된 유체가 소용돌이를 발생시키면서 배출되는 유체배출구가 형성되는 본체부; 및
    상기 본체부의 타단 내측면에 설치되어 상기 본체부를 이동 후 상기 유체배출구로 배출되는 유체에 역회전방향 전단층 소용돌이(Shear Layer Vortex)의 생성을 강화시키는 배플부를 포함하는 가스터빈.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 본체부의 유체배출구는 상기 라이너의 둘레면에 형성된 연통포트에 연결되며,
    상기 본체부는 내부가 중공인 원통형상을 가지고 일단에서 타단으로 갈수록 그 직경은 감소되며,
    상기 배플부는 상기 본체부 타단의 일측면과 타측면에 대응되게 상기 본체부의 중앙부위로 돌출되게 설치되는 가스터빈.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 배플부는,
    상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1일체형 배플과,
    상기 제1일체형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2일체형 배플을 포함하는 가스터빈.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1일체형 배플과 상기 제2일체형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 배플부는,
    상기 본체부의 일측면에 설치되는 제1투스형 배플과,
    상기 제1투스형 배플과 대응되게 상기 본체부의 타측면에 설치되는 제2투스형 배플을 포함하는 가스터빈.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 상기 본체부의 일측면과 타측면에 각각 90°~ 110°내의 반경을 가지도록 대응되게 설치되며,
    상기 제1투스형 배플과 상기 제2투스형 배플은 각각 이격되게 배치되는 복수개의 제1투스배플과 제2투스배플을 포함하는 가스터빈.
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