WO2016186423A1 - 버닝 손상을 저감하기 위한 연료공급노즐 - Google Patents

버닝 손상을 저감하기 위한 연료공급노즐 Download PDF

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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36—Supply of different fuels

Definitions

  • the present invention relates to a fuel supply nozzle capable of economical replacement of a damaged nozzle by using a detachable nozzle, and more particularly, when a burning phenomenon occurs at the end of the nozzle, the burning phenomenon is minimized by minimizing the range of the nozzle where the burning phenomenon occurs. It relates to a fuel supply nozzle allowing only the nozzle to be replaced.
  • Turbine generators which are commonly used in gas turbine power generation, operate on the principle of burning fuel through compressed air to generate powerful energy and rotating the turbine using them.
  • the flame is transferred to the end portion of the nozzle, which causes the nozzle to melt or become damaged, thereby preventing its functioning. This is commonly referred to as burning damage.
  • the present invention was devised to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a structure of a nozzle capable of minimizing burning damage by maximally protecting the nozzle from burning in the combustion chamber, and a partial burn only of the nozzle having burning damage. It is to provide a new nozzle structure that can be replaced.
  • the present invention relates to a fuel supply nozzle for injecting fuel into a combustor, wherein the fuel supply nozzle has a tubular shape having an outer wall surface and an inner wall surface extending from a root to a tip, and from the root to the tip inside the inner wall surface. And a first fuel discharge flow path extending, wherein the fuel supply nozzle includes at least one vane provided on the outer wall surface spaced apart from the tip by a predetermined distance, and the vane has vane fuel communicating with the first fuel discharge flow path. It has an outlet, characterized in that it comprises a burning section formed between the outer wall surface and the inner wall surface of the predetermined section adjacent to the tip thinner than the other section.
  • the fuel supply nozzle includes a nozzle body extending from the root, a nozzle cover coupled to an end of the nozzle body and provided with a burning section, wherein the nozzle body includes the nozzle cover and A thread is processed at the end to be joined, and the nozzle cover is characterized in that a screw groove corresponding to the thread is processed at the end to be joined to the nozzle body.
  • the fuel supply nozzle includes a nozzle body extending from the root and a nozzle cover coupled to an end of the nozzle body and provided with a burning section, wherein the nozzle body includes the nozzle.
  • a plurality of stators are provided along the outer circumferential surface of the end engaging with the cover, and the nozzle cover is provided with a fixing groove to which the stator is coupled at an end engaging with the nozzle body.
  • the burning section may include a plurality of spaced apart processing parts that are processed such that the thickness between the outer wall surface and the inner wall surface surrounding the first fuel discharge passage is thinner than the other sections.
  • the processing unit may be formed so that the thickness between the outer wall surface and the inner wall surface is in the range of 1 ⁇ 1.5mm.
  • the fuel supply nozzle may be provided with a processing groove of a predetermined depth on the surface of the nozzle cover.
  • the processing groove may be provided at a position not overlapping with the processing unit with a boundary line at the point where the processing of the processing unit is finished. Can be.
  • the fuel supply nozzle capable of economical replacement of a damaged nozzle by using a detachable nozzle has a structure of a nozzle capable of minimizing burning and replacing only a nozzle part where burning damage occurs. There is an advantage of shortening the repair and maintenance work time of the nozzle.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel supply nozzle including a first fuel discharge channel and a second fuel discharge channel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 is a cross-sectional view of a fuel supply nozzle including a first fuel discharge flow path according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a fuel supply nozzle machined with a thread and a screw groove according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel supply nozzle in which a stator and a fixing groove are processed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a nozzle rear end in which a plurality of processing parts and processing grooves are processed in a nozzle cover and a boundary according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a nozzle cover processed in a thin thickness and a processing groove processed in a boundary according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that the intervening may be “connected”, “coupled” or “connected” indirectly.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel supply nozzle according to an embodiment of the present invention.
  • the rightmost side of the fuel supply nozzle 100 is referred to as a tip 10, and a left side opposite thereto is referred to as a route.
  • the direction of the fuel supply nozzle will be kept the same in the accompanying drawings other than FIG. 1.
  • the fuel supply nozzle 100 may be provided with a second fuel discharge flow path 20 therein to eject the fuel at high pressure, and the liquid fuel is supplied through the second fuel discharge flow path 20.
  • the first fuel discharge channel 30 is provided between the second fuel discharge channel 20 and the wall, and a mixed gas of fuel and air is injected therein. A portion of the tip 10, which is in contact with the end of the first fuel discharge flow path 30, is blocked from flowing the mixed gas so that the mixed gas flows into the vane 31, and ultimately, the vane fuel provided in the vane 31. It is ejected to the outlet 32.
  • the first fuel discharge passage 30 is blocked by the structure of the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 is blocked by the wall with respect to the second fuel discharge flow path 20 inward. It is formed into a space.
  • the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 may have a hollow structure, and a space may be provided therebetween, or a metal material may be filled in the space.
  • the thickness between the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 of the fuel supply nozzle 100 is not constant, and a portion is formed to be thin, so that when the burning phenomenon occurs during operation, the thin portion is melted first. This is to prevent the entire fuel supply nozzle 100 from being damaged.
  • a section in which the thickness between the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 is thinner than the other section will be referred to as a burning section.
  • the fuel supply nozzle 100 without the second fuel discharge flow path 20 for injecting liquid fuel.
  • the first fuel discharge passage 30 is manufactured in a single form without the second fuel discharge passage 20 provided in the embodiment of FIG. 1.
  • the fuel supply nozzle 100 is filled with a mixed gas of fuel and air.
  • the role of the first fuel discharge passage 30 is basically to supply fuel to the vane fuel outlet 32 of the vane.
  • the outer wall surface 140 positioned at the end of the fuel supply nozzle 100 is damaged.
  • the inner wall surface 130 is melted, and the fuel is discharged from the tip 10 of the fuel supply nozzle 100 through the flow path of the first fuel discharge flow path 30 that is opened. It also serves to prevent further burning damage on the upstream side of the nozzle body 110 side.
  • the vane 31 is located upstream of the mixed gas flow ejected with respect to the tip 10 as shown in FIG. 1, the vane 31 is backfired with the mixed gas injected from the vane fuel outlet 32.
  • the flame is retracted to the upstream side adjacent to the side portion of the tip 10. Due to the retreat of the flame, the flame directly heats the side portion of the tip 10, and as a result, the first fuel discharge passage 30, which has been sealed to the outer wall 140 and the inner wall 130, is opened.
  • the mixed gas is injected at the downstream side (right side in the drawing) of the vane 31.
  • the first fuel discharge flow path 30 ejects the mixed gas which is fuel only to the vane fuel outlet 32 during normal operation, and only when the front end of the fuel supply nozzle 100 melts or breaks due to burning damage.
  • the molten fuel is discharged through the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140.
  • the melted open fracture site is located on the downstream side of the vane 31 and ejects a higher flow rate of the mixed gas than the vane fuel outlet 32, thereby advancing the flame downstream of the fracture site.
  • the backfire phenomenon occurring in the fuel supply nozzle 100 can be blocked.
  • This partially thin part is a part which is broken when backfire occurs, and it is possible to intentionally control the broken part by adjusting the position of the thin part.
  • the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 make the thickness of the portion adjacent to the tip 10 thin so as to effectively eliminate backfire. This is because the closer to the tip 10 side, the stronger the effect of advancing the flame downstream.
  • FIG. 2 illustrates a fuel supply nozzle 100 according to an embodiment of the present invention, and illustrates a fuel supply nozzle 100 including only the first fuel discharge channel 30 without the second fuel discharge channel 20. have.
  • the mixed gas and the liquid fuel which are fuels, are discharged through respective discharge flow paths
  • the embodiment of FIG. 2 uses only the mixed gas as fuel and the mixed gas is the first fuel discharge flow path ( 30 is ejected to the vane fuel outlet (32). 2 also forms a thin thickness of a portion between the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 forming the first fuel discharge flow path 30 so that the portion melts or breaks when the flashback occurs. Is the same.
  • FIG 3 is a view showing another embodiment of the present invention, showing a cross-sectional view of a fuel supply nozzle machined with a thread and a screw groove.
  • FIG. 3 illustrates the embodiment of the present invention, which combines each element of the fuel supply nozzle using a screw fastening structure And can be separated.
  • the nozzle body 110 and the nozzle cover 120 may be coupled and separated using a screw structure.
  • the nozzle cover 120 is much more likely to melt or be damaged than the nozzle body 110 in position of the flame.
  • the thinner portion of the inner wall surface 130 and outer wall surface 140 forming the first fuel discharge flow path 30 is formed in the nozzle cover 120, and thus broken due to backfire.
  • the part is present only at the nozzle cover 120 side. Therefore, the repair and maintenance work of the fuel supply nozzle 100 after the burning damage occurs by simply removing the melted or broken nozzle cover 120 using a screw structure and then quickly replacing it with a new nozzle cover 120. can do.
  • Figure 4 shows an embodiment of a fuel supply nozzle which can be partially replaced by having a stator and a fixing groove.
  • FIG. 4 is a means for easily replacing the damaged or damaged nozzle cover 120, has a structure having a stator 112 and a fixing groove 122, instead of the screw fastening structure of FIG. have.
  • the coupling structure of the stator 112 and the fixing groove 122 is a claw of the end of the stator 112 plural circumferentially arranged at regular intervals in the circumferential direction on the outer surface of the nozzle body 110 nozzle cover 120 It is a structure that is fixed to each other by being bitten by the jaw of the fixing groove 122 provided in the).
  • the stator 112 and the fixing groove 122 have a structure in which the nozzle cover 120 is coupled to the nozzle body 110 by applying a slight force to the nozzle cover 120 in the direction of the nozzle body 110.
  • the jaw portion (claw) of the stator 112 may be elastically bitten and fixed to the fixing groove 122 by being inserted.
  • FIG. 5 illustrates a cross-sectional view of a nozzle rear end in which a plurality of processing units 123 and processing grooves 125 are processed at an inner side of the nozzle cover 120 and a boundary of the nozzle cover 120. have.
  • the thickness between the inner wall surface 130 and the outer wall surface 140 surrounding the outer side of the end portion of the first fuel discharge passage 30 is thinly processed, and thus the entire nozzle is formed. A structure is needed to prevent damage.
  • FIG. 5 instead of making the thickness thinner over the entire inner circumferential surface of the end portion 124 of the nozzle cover, only a portion of the inside is made thinner.
  • a plurality of grooves are formed in the inner surface of the end portion 124 of the nozzle cover in the longitudinal direction to partially thin the thickness of the end portion 124 of the nozzle cover.
  • Such groove processing may be made in various forms, such as along the circumferential direction or made diagonally, in the present embodiment, it should be understood that the configuration in which such processing is made, collectively referred to as processing unit 123.
  • the thickness of the processing portion 123 of the end portion 124 of the nozzle cover thinly processed at a predetermined portion is about 1 to 1.5 mm.
  • FIG. 6 shows another structure in which another embodiment of the present invention can prevent the nozzle from being completely damaged by forming the processing groove 125 of a predetermined depth along the outer circumferential surface of the nozzle cover 120.
  • the burning shape generated at the end of the fuel supply nozzle 100 gradually progresses in the direction of the nozzle body 110, and the backfire contacts the processing groove 125 during this process.
  • the thickness between the outer wall surface 140 and the inner wall surface 130 by the processing groove 125 is made quite thin (about 1 to 1.5mm)
  • the fuel supply nozzle 100 at the boundary of the processing groove 125 The end of the melt) is melted away, so that no additional burning damage occurs throughout the fuel supply nozzle (100).
  • FIG. 5 and 6 show that the processing of the processing unit 123 and the processing groove 125 is performed on the inner side and the outer side of the end portion 124 of the nozzle cover, respectively, but such processing is opposite to the surface shown. It may be made on the surface, it is also possible to be processed simultaneously on the inner surface and the outer surface.
  • the above-described processing unit 123 and the processing groove 125 may be provided at the same time in one fuel supply nozzle (100).
  • the processing groove 125 is preferably formed along the outer circumferential surface of the nozzle cover 120 so as not to overlap with the processing unit 123 by using a boundary line at the point where the processing of the processing unit 123 is finished. This is because, in consideration of durability, the processing groove 125 and the processing unit 123 overlap, so that there is a need to prevent a part that is too thin locally.
  • the difference between the metal material constituting the end portion 124 and the other configuration of the nozzle cover 120, and more precisely, the difference in melting point more precisely the effect of the present invention You can also get
  • the metal constituting the end portion 124 of the nozzle cover is set to a metal whose melting point is slightly lower than the temperature at which the burning phenomenon occurs, and the metal of the portion constituting the nozzle cover 120 is different. If the melting point is set to a metal that is considerably higher than the temperature at which the burning occurs, the burner can no longer proceed as the end 124 of the nozzle cover melts first, and also the partial portion of the nozzle cover 120 can be removed. Maintenance can be completed just by replacing it.
  • the present invention can be used as a fuel supply nozzle installed in the combustor of the gas turbine generator.

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Abstract

개시되는 발명은 연소기 내부로 연료를 분사하는 연료공급노즐에 관한 것으로서, 상기 연료공급노즐은 루트로부터 팁까지 연장되는 외벽면 및 내벽면을 가지는 관 형태를 이루며, 상기 내벽면 안쪽에는 상기 루트로부터 팁까지 연장되는 제1 연료 배출 유로를 포함하고, 상기 연료공급노즐은 상기 팁으로부터 일정거리 이격된 상기 외벽면에 마련된 적어도 하나 이상의 베인을 포함하고, 상기 베인에는 상기 제1 연료 배출 유로와 연통하는 베인 연료 출구를 구비하며, 상기 팁에 인접한 일정 구간의 외벽면 및 내벽면 사이의 두께가 타 구간보다 얇게 형성된 버닝 구간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

버닝 손상을 저감하기 위한 연료공급노즐
본 발명은 분리 가능한 노즐을 사용하여 손상 노즐의 경제적인 교체가 가능한 연료공급노즐로서, 더욱 상세하게는 노즐의 단부에서 버닝 현상이 발생할 경우 상기 버닝 현상이 발생한 노즐의 범위를 최소화시켜 버닝 피해를 입은 노즐만 교체할 수 있게끔 하는 연료공급노즐에 관한 것이다.
가스터빈 발전에서 일반적으로 사용되는 터빈 발전기는 연료를 압축공기를 통해 연소시켜 강력한 에너지를 생성하고, 이를 이용하여 터빈을 회전시키는 원리로 작동하게 된다.
여기서, 터빈 발전기의 연소가 일어나는 부분인 연소기 내부의 노즐 단부에는 상당한 고온이 발생하게 된다.
따라서, 경우에 따라서는 상기 노즐의 단부로 화염이 옮겨 붙게 되고, 이에 따라 노즐이 녹거나 손상을 입어 제 기능을 발휘할 수 없게 되는 경우가 발생한다. 이를 흔히 버닝 손상(burning damage)이라 한다.
종래에는 노즐의 단부에 고온에 의한 손상이 발생한 경우에는 고온 손상을 입은 노즐의 단부만이 아니라 노즐 전체를 교체했어야 하므로, 이로 인한 비용적, 시간적, 그리고 인력적인 손실이 상당했다. 또한, 상기 버닝 현상에 의한 피해의 확산을 줄일 수 없어 노즐의 상당부분이 피해를 입는 문제점이 존재한다.
따라서, 노즐의 단부에 고온의 화염에 의한 버닝 손상이 발생하여 피해를 입었을 경우에, 버닝 손상에 따른 피해를 입은 노즐의 단부만을 교체할 수 있는 방법 및 상기의 버닝 손상이 발생되는 범위를 최소화시킬 수 있는 노즐의 설계기술이 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 연소실 내부의 버닝 현상으로부터 노즐을 최대한 보호하여 버닝 손상을 최소화시킬 수 있는 노즐의 구조 및 버닝 손상이 발생한 노즐만의 부분적인 교체가 가능한 새로운 노즐 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 연소기 내부로 연료를 분사하는 연료공급노즐에 관한 것으로서, 상기 연료공급노즐은 루트로부터 팁까지 연장되는 외벽면 및 내벽면을 가지는 관 형태를 이루며, 상기 내벽면 안쪽에는 상기 루트로부터 팁까지 연장되는 제1 연료 배출 유로를 포함하고, 상기 연료공급노즐은 상기 팁으로부터 일정거리 이격된 상기 외벽면에 마련된 적어도 하나 이상의 베인을 포함하고, 상기 베인에는 상기 제1 연료 배출 유로와 연통하는 베인 연료 출구를 구비하며, 상기 팁에 인접한 일정 구간의 외벽면 및 내벽면 사이의 두께가 타 구간보다 얇게 형성된 버닝 구간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 상기 연료공급노즐은, 상기 루트로부터 연장되는 노즐 본체와, 상기 노즐 본체의 단부와 결합하고 상기 버닝 구간이 마련된 노즐 커버를 포함하며, 상기 노즐 본체는 상기 노즐 커버와 결합하는 단부에 나사산이 가공되고, 상기 노즐 커버는 상기 노즐 본체와 결합하는 단부에 상기 나사산에 대응되는 나사홈이 가공된 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 상기 연료공급노즐은, 상기 루트로부터 연장되는 노즐 본체와, 상기 노즐 본체의 단부와 결합하고 상기 버닝 구간이 마련된 노즐 커버를 포함하며, 상기 노즐 본체는 상기 노즐 커버와 결합하는 단부의 외주면을 따라 복수 개의 고정자가 구비되고, 상기 노즐 커버는 상기 노즐 본체와 결합하는 단부에 상기 고정자가 결속되는 고정홈이 구비된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 버닝 구간은 상기 제1 연료 배출 유로를 둘러싸는 외벽면 및 내벽면 사이의 두께가 타 구간보다 얇도록 가공된 복수 개의 이격된 가공부를 포함하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 가공부는 상기 외벽면과 내벽면 사이의 두께가 1~1.5mm 범위에 있도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 연료공급노즐은 일정 깊이의 가공홈이 노즐 커버의 표면에 구비될 수도 있다.
그리고, 상기 가공부와 상기 가공홈이 노즐 커버의 표면에 함께 형성될 경우에 상기 가공홈은 상기 가공부의 가공이 종료된 지점을 경계선으로 하여 상기 가공부와 겹쳐지지 않는 위치에 구비되는 것이 바람직할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 '분리 가능한 노즐을 사용하여 손상 노즐의 경제적인 교체가 가능한 연료공급노즐'은 버닝 현상을 최소화시키고 버닝 손상이 발생한 노즐 부분만의 교체가 가능한 노즐의 구조를 갖춤으로써, 노즐의 수리 및 보수 작업시간을 단축할 수 있는 장점이 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따라 제1 연료 배출 유로 및 제2 연료 배출 유로를 포함하는 연료공급노즐의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 연료 배출 유로를 포함하는 연료공급노즐의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 나사산 및 나사홈이 가공된 연료공급노즐의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 고정자 및 고정홈이 가공된 연료공급노즐의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수 개의 가공부 및 가공홈이 노즐커버 및 경계에 가공된 노즐 후단부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따 두께가 얇게 가공된 노즐 커버 및 경계에 가공된 가공홈을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되어 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급노즐의 단면도를 나타낸다.
이하에서는 도 1에 도시된 방향을 기준으로 하여, 상기 연료공급노즐(100)의 최우측을 팁(10)이라 하고, 이에 반대되는 좌측을 루트라 한다. 그리고, 도 1 이외의 다른 첨부된 도면에 대해서도 연료공급노즐의 방향을 동일하게 유지하기로 한다.
상기의 연료공급노즐(100)은 연료를 고압으로 분출하도록 내부에 제2 연료 배출 유로(20)가 구비될 수 있는데, 상기 제2 연료 배출 유로(20)를 통해 액체연료가 공급된다.
그리고, 상기 제2 연료 배출 유로(20)와 벽을 사이에 두고 제1 연료 배출 유로(30)가 마련되어 있으며, 여기에는 연료와 공기의 혼합가스가 주입되게 된다. 제1 연료 배출 유로(30)의 말단에 접하는 팁(10) 부분은 혼합가스가 흐르지 못하도록 막혀 있어 상기 혼합가스는 베인(31)으로 흘러가게 되며, 종국적으로는 베인(31)에 마련되어 있는 베인 연료 출구(32)로 분출된다.
상기 제1 연료 배출 유로(30)는 안쪽으로는 제2 연료 배출 유로(20)에 대해 벽으로 막혀 있는 한편 바깥쪽으로는 내벽면(130)과 외벽면(140)으로 이루어진 구조에 의해 막혀 있는 환형 공간으로 형성되어 있다.
도시되어 있지는 않지만, 내벽면(130)과 외벽면(140)이 중공구조를 이루어 그 사이에 공간이 마련될 수도 있으며, 혹은 그 공간에 금속물질이 채워질 수도 있다.
이러한 연료공급노즐(100)의 내벽면(130)과 외벽면(140) 사이의 두께는 일정하지 않고 일부분이 얇게 형성되어 있는데, 이는 운전 중 버닝 현상이 발생하였을 경우 두께가 얇은 부분이 먼저 용융되도록 함으로써 연료공급노즐(100) 전체가 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이와 같이, 내벽면(130)과 외벽면(140) 사이의 두께가 타 구간보다 얇게 형성된 구간을 버닝 구간이라 부르기로 한다.
한편, 도 2는 액체연료를 분사하는 제2 연료 배출 유로(20)가 없는 연료공급노즐(100)의 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 제1 연료 배출 유로(30)는 도 1의 실시예에 구비된 제2 연료 배출 유로(20) 없이 단일한 형태로 제작된다. 이 경우, 연료공급노즐(100) 내부는 연료와 공기의 혼합가스로 가득 차게 된다.
제1 연료 배출 유로(30)의 역할은 기본적으로 상기 베인의 베인연료출구(32)로 연료를 공급하는 것이다. 그리고, 추가적으로 상기 베인(31)의 베인연료출구(32)에서 발생한 화염 역화에 의해 연료공급노즐(100)의 단부가 손상될 경우, 연료공급노즐(100)의 단부에 위치하는 외벽면(140) 및 내벽면(130)이 녹게 되고, 이로 인해 개방된 제1 연료 배출 유로(30)의 유로를 통하여 연료가 연료공급노즐(100)의 팁(10)에서 배출됨으로써 제1 연료 배출 유로(30)의 상류측, 즉 노즐 본체(110)측의 추가적인 버닝 손상을 방지하는 역할도 한다.
보다 구체적으로 상기 베인(31)은 도 1에서 도시된 바와 같이 팁(10)을 기준으로 분출된 혼합가스 흐름의 상류 측에 위치하게 되므로, 상기 베인연료출구(32)에서 분사된 혼합가스에 역화가 발생될 경우 화염은 상기 팁(10)의 측면부에 인접하여 상류 측으로 후퇴된다. 이러한 화염의 후퇴로 인하여 화염은 팁(10)의 측면부에 직접적으로 열을 가하게 되고, 결과적으로 상기 외벽면(140)과 내벽면(130)으로 밀폐되었던 제1 연료 배출 유로(30)가 개방되어 혼합가스를 베인(31)의 하류 측(도면상 우측)에서 분사하게 된다. 이와 같이 외벽면(140)과 내벽면(130)이 녹아 제1 연료 배출 유로(30)가 개방되면 혼합가스는 베인(31)의 베인연료출구(32)와 녹아서 개방된 제1 연료 배출 유로(30)에서 분출되고, 이는 버닝 구간의 파단을 가져온다.
즉, 상기 제1 연료 배출 유로(30)는 정상적인 운전시에는 베인연료출구(32)로만 연료인 혼합가스를 분출하다가, 버닝 손상에 의해 연료공급노즐(100)의 전단이 녹거나 파단된 경우에만, 녹은 내벽면(130) 및 외벽면(140)을 통해 연료가 배출되는 것이다.
여기서 녹아서 개방된 파단 부위는 베인(31)에 비하여 하류 측에 위치하면서 베인연료출구(32)에 비하여 더 많은 유량의 혼합가스를 분출하게 되므로, 화염을 파단 부위의 하류로 전진시키게 되고, 이를 통해 연료공급노즐(100)에 발생한 역화 현상을 차단할 수 있게 된다.
특히, 외벽면(140)과 내벽면(130)이 역화 발생시 쉽게 녹아 제1 연료 배출 유로(30)가 개방될 수 있도록 하기 위해 내벽면(130)과 외벽면(140) 사이의 일부분의 두께를 얇게 형성하고 있다. 이 부분적으로 얇게 만들어진 부분이 역화 발생시 파단되는 부분이며, 두께가 얇은 부분의 위치를 조절함으로써 파단 부위를 의도적으로 제어하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예에서, 역화를 효과적으로 제거하기 위해 내벽면(130)과 외벽면(140)은 팁(10)에 인접한 부분의 두께를 얇게 만들고 있다. 이는 팁(10) 쪽에 가깝게 파단될수록 화염을 하류 측으로 전진시키는 효과가 강하게 나타나기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급노즐(100)을 도시한 것인데, 제2 연료 배출 유로(20) 없이 제 1 연료 배출 유로(30)로만 구성된 연료공급노즐(100)을 도시하고 있다.
도 1의 실시예에 따르면 연료인 혼합가스와 액체연료가 각각의 배출 유로를 통해 배출되고 있는 반면, 도 2의 실시예는 연료로는 혼합가스만을 사용하며 이 혼합가스가 제1 연료 배출 유로(30)를 통해 베인연료출구(32)로 분출된다. 도 2의 실시예 역시 제1 연료 배출 유로(30)를 형성하는 내벽면(130)과 외벽면(140) 사이의 일부분의 두께를 얇게 형성하여 그 부분이 역화 발생시 녹거나 파단이 일어나도록 구성한 점은 동일하다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 도면인데, 나사산과 나사홈이 가공된 연료공급노즐의 단면도를 도시하고 있다.
전술한 본 발명의 특징 중의 하나인 ‘부분교체가 가능한 노즐의 구성’을 위한 일 실시예를 도시한 것이 도 3인데, 도시된 실시예는 나사 체결구조를 이용하여 연료공급노즐의 각 요소를 결합하고 분리할 수 있게 되어 있다. 구체적으로는 노즐 본체(110)과 노즐 커버(120)가 나사 구조를 이용하여 결합 및 분리될 수 있다.
예를 들어, 연료공급노즐(100)의 단부에 버닝 현상이 발생할 경우, 화염의 위치상 노즐 본체(110) 보다는 노즐 커버(120)가 녹거나 손상이 될 가능성이 훨씬 높다.
이러한 실시예에서, 제1 연료 배출 유로(30)를 형성하는 내벽면(130) 및 외벽면(140) 중 두께가 얇은 부분은 노즐 커버(120)에 형성되어 있고, 이에 따라 역화로 인해 파단되는 부분은 노즐 커버(120) 쪽에만 존재한다. 따라서, 버닝 손상이 일어난 이후의 연료공급노즐(100)의 수리 및 보수 작업은 녹거나 파단된 노즐 커버(120)만을 나사 구조를 이용하여 간단하게 분리한 다음 새로운 노즐 커버(120)로 신속하게 교체할 수 있다.
도 4는 고정자 및 고정홈을 구비함으로써 부분교체가 가능한 연료공급노즐의 실시예를 도시한 것이다.
도 4의 실시예는 녹거나 손상을 입은 노즐 커버(120)를 손쉽게 교체하기 위한 수단으로써, 전술한 도 3의 나사 체결구조 대신, 고정자(112)와 고정홈(122)을 구비한 구조를 가지고 있다.
상기 고정자(112) 및 고정홈(122)의 결합구조는 노즐 본체(110)의 외측면에 원주방향으로 복수 개가 일정한 간격으로 배열된 고정자(112) 단부의 꺾인 발톱(claw)이 노즐 커버(120)에 구비된 고정홈(122)의 턱에 물려서 상호 고정되는 구조이다.
이러한 고정자(112)와 고정홈(122)의 구조는 노즐 커버(120)를 노즐 본체(110)에 결합하고자 할 경우에는, 약간의 힘을 가하여 노즐 본체(110) 방향으로 노즐 커버(120)를 끼워 넣음으로써 고정자(112)의 턱 부분(발톱)이 고정홈(122)에 탄력적으로 물려 고정시키면 된다.
반대로, 노즐 커버(120)를 분리하고자 할 경우에는, 상기 고정자(112)의 턱 부분을 들어올려 고정홈(122)에서 이탈시킨 후 노즐 커버(120)를 잡아 빼내면 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 복수 개의 가공부(123) 및 가공홈(125)이 노즐 커버(120)의 내측 및 노즐 커버(120)의 경계에 가공된 노즐 후단부의 단면도를 도시하고 있다.
노즐 커버의 단부(124)에는 전술한 바와 같이 제1 연료 배출 유로(30) 단부의 외측을 둘러싸고 있는 내벽면(130) 및 외벽면(140) 사이의 두께를 얇게 가공하여, 이를 통한 노즐 전체의 손상을 방지하기 위한 구조가 필요하다.
다만, 도 5에서는 이러한 구조로서 노즐 커버의 단부(124)의 전체 내주면에 걸쳐 두께가 얇게 만드는 대신, 내측 중에서도 일정 부분만 두께가 얇게 만든 구조라는 것에 특징이 있는 것이다. 예를 들면, 도 5와 같이, 노즐 커버의 단부(124)의 내면에 길이방향으로 파여진 홈을 복수 개 만들어 부분적으로 노즐 커버의 단부(124) 두께를 얇게 만드는 것이다. 이러한 홈 가공은 원주방향을 따르거나 사선으로 만들어지는 등 다양한 형태로 만들어질 수 있으며, 본 실시예에서는 이러한 가공이 이루어진 구성을 통칭하여 가공부(123)라 부르는 것으로 이해되어야 한다.
상기 일정부분 얇게 가공된 노즐 커버의 단부(124)의 가공부(123)의 두께는 1∼1.5㎜ 정도가 되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서, 노즐 커버(120)의 외측 원주면을 따라 일정 깊이의 가공홈(125)을 형성함으로써 노즐이 완전히 손상되는 것을 방지할 수 있는 또 하나의 구조를 보여준다.
연료공급노즐(100)의 단부에서 발생한 버닝 형상은 점차 노즐 본체(110)방향으로 진행하게 되는데, 이러한 진행 과정 중에 역화가 가공홈(125)에 접촉하게 된다. 여기서, 가공홈(125)에 의해 외벽면(140)과 내벽면(130) 사이의 두께는 상당히 얇게(1∼1.5㎜ 정도) 만들어짐에 따라 가공홈(125)을 경계로 연료공급노즐(100)의 단부가 녹아 떨어져 나가며, 이에 따라 추가적인 버닝 손상이 연료공급노즐(100) 전체에 일어나지 않게 된다.
여기서, 도 5 및 도 6에는 가공부(123) 및 가공홈(125)의 가공이 노즐 커버의 단부(124) 내측면과 외측면에 각각 이루어지는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 가공은 도시된 면의 반대면에 이루어질 수도 있으며, 또한 내측면과 외측면에 동시에 가공되는 것도 가능하다.
또한, 전술한 가공부(123) 및 가공홈(125)은 하나의 연료공급노즐(100)에 동시에 구비될 수도 있다. 이때, 가공홈(125)은 가공부(123)의 가공이 종료된 지점을 경계선으로 하여 가공부(123)와 겹쳐지지 않도록 노즐 커버(120)의 외측 원주면을 따라 형성되는 것이 바람직하다. 이는 내구성을 고려하여, 가공홈(125)과 가공부(123)가 겹쳐져 국부적으로 너무 두께가 얇은 부분이 생기지 않도록 할 필요성이 있기 때문이다.
한편, 상기 노즐 커버(120)를 이루는 구성 중에서, 노즐 커버(120)의 단부(124)와 그 외의 구성을 이루는 금속재질에 차이, 보다 정확하게는 녹는점에 차이를 두어 더욱 확실하게 본 발명의 효과를 얻을 수도 있다.
구체적으로, 노즐 커버의 단부(124)를 이루는 금속은 그 녹는점이 버닝 현상이 일어났을 때의 온도보다 약간 낮은 금속으로 설정하고, 그 이외의 노즐 커버(120)의 구성을 이루는 부분의 금속은 그 녹는점이 버닝 현상이 일어났을 때의 온도보다 상당히 높은 금속으로 설정하면, 노즐 커버의 단부(124)가 먼저 녹아 내림에 따라 버닝 현상이 더 이상 진행할 수 없게 되고, 또한 노즐 커버(120)의 부분적인 교체만으로도 정비를 완료할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 가스터빈 발전기의 연소기에 설치되는 연료공급노즐로 이용 가능하다.

Claims (11)

  1. 연소기 내부로 연료를 분사하는 연료공급노즐에 있어서,
    상기 연료공급노즐은 루트로부터 팁까지 연장되는 외벽면 및 내벽면을 가지는 관 형태를 이루며, 상기 내벽면 안쪽에는 상기 루트로부터 팁까지 연장되는 제1 연료 배출 유로를 포함하고,
    상기 연료공급노즐은 상기 팁으로부터 일정거리 이격된 상기 외벽면에 마련된 적어도 하나 이상의 베인을 포함하고, 상기 베인에는 상기 제1 연료 배출 유로와 연통하는 베인 연료 출구를 구비하며,
    상기 팁에 인접한 일정 구간의 외벽면 및 내벽면 사이의 두께가 타 구간보다 얇게 형성된 버닝 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급노즐은, 상기 루트로부터 연장되는 노즐 본체와, 상기 노즐 본체의 단부와 결합하고 상기 버닝 구간이 마련된 노즐 커버를 포함하며,
    상기 노즐 본체는 상기 노즐 커버와 결합하는 단부에 나사산이 가공되고, 상기 노즐 커버는 상기 노즐 본체와 결합하는 단부에 상기 나사산에 대응되는 나사홈이 가공된 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급노즐은, 상기 루트로부터 연장되는 노즐 본체와, 상기 노즐 본체의 단부와 결합하고 상기 버닝 구간이 마련된 노즐 커버를 포함하며,
    상기 노즐 본체는 상기 노즐 커버와 결합하는 단부의 외주면을 따라 복수 개의 고정자가 구비되고, 상기 노즐 커버는 상기 노즐 본체와 결합하는 단부에 상기 고정자가 결속되는 고정홈이 구비된 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 버닝 구간은 상기 제1 연료 배출 유로를 둘러싸는 외벽면 및 내벽면 사이의 두께가 타 구간보다 얇도록 가공된 복수 개의 이격된 가공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 버닝 구간은 상기 제1 연료 배출 유로를 둘러싸는 외벽면 및 내벽면 사이의 두께가 타 구간보다 얇도록 가공된 복수 개의 이격된 가공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 가공부는 상기 외벽면과 내벽면 사이의 두께가 1∼1.5㎜ 범위에 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가공부는 상기 외벽면과 내벽면 사이의 두께가 1∼1.5㎜ 범위에 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 연료공급노즐은 일정 깊이의 가공홈이 노즐 커버의 표면에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 연료공급노즐은 일정 깊이의 가공홈이 노즐 커버의 표면에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 연료공급노즐은 일정 깊이의 가공홈이 노즐 커버의 표면에 더 형성되고, 상기 가공홈은 상기 가공부의 가공이 종료된 지점을 경계선으로 하여 상기 가공부와 겹쳐지지 않는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 연료공급노즐은 일정 깊이의 가공홈이 노즐 커버의 표면에 더 형성되고, 상기 가공홈은 상기 가공부의 가공이 종료된 지점을 경계선으로 하여 상기 가공부와 겹쳐지지 않는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료공급노즐.
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