WO2023058907A1 - 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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WO2023058907A1
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slit
slits
injector
reference circle
circle
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PCT/KR2022/012987
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김규태
이태송
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한국과학기술원
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to an injector, a combustor including the same, and a gas turbine including the same.
  • H 2 hydrogen
  • carbon dioxide carbon dioxide
  • hydrogen shows high reactivity and exhibits a flame speed about six times faster than conventional fuels such as methane, propane (C 3 H 8 ), and ethylene (C 2 H 4 ).
  • conventional fuels such as methane, propane (C 3 H 8 ), and ethylene (C 2 H 4 ).
  • hydrogen gives the advantage of having a wide operating range without a turning machine, but at the same time has a disadvantage that flashback is easy to occur.
  • Backfire means that the flame propagates faster than the supplied flow rate due to the high reactivity of the fuel or strong combustion vibration, and the flame reverses. Since flames that flow back upstream attach to weak points in the cooling design and melt the system, stable operation of the hydrogen-powered gas turbine was impossible in the existing combustor nozzle structure, which used natural gas as the main fuel.
  • An object of the present invention is to provide an injector capable of reducing backfire of a hydrogen flame, a combustor including the same, and a gas turbine including the same.
  • Another object of the present invention is to provide an injector capable of reducing combustion vibration, a combustor including the same, and a gas turbine including the same.
  • the injector includes an injector body and a slit formed by penetrating the injector body along a reference direction, wherein the slit includes a circumference of a virtual reference circle centered on a virtual reference axis extending along the reference direction.
  • a first slit portion extending along a direction and a second slit portion extending along a radial direction of the reference circle may be included.
  • the first slit portion is centered on the reference axis and a 1-1 slit having a shape extending along the circumferential direction of a virtual first reference circle centered on the reference axis, and the first reference circle
  • a first-second slit having a shape extending in a circumferential direction of an imaginary second reference circle having a larger diameter may be included.
  • the second slit portion is disposed in the first region and extends in a radial direction of the first reference circle.
  • An extended 2-1 slit may be included.
  • the 1-1 slit and the 2-1 slit when viewed along the reference direction, may be spaced apart from each other along a radial direction of the first reference circle.
  • a plurality of 1-1 slits are formed, the plurality of 1-1 slits are spaced apart from each other along a circumferential direction of the first reference circle, and a first reference that is part of the first reference circle. It may have the shape of an arc.
  • a plurality of 1-2 slits are formed, the plurality of 1-2 slits are spaced apart from each other along a circumferential direction of the second reference circle, and a second reference that is part of the second reference circle.
  • a central angle of a first sector having an arc shape and defining the first reference arc may be greater than a central angle of a second sector defining the second reference arc.
  • a plurality of 2-1 slits may be formed, and the plurality of 2-1 slits may be spaced apart from each other along a circumferential direction of the first reference circle.
  • a plurality of 1-1 slits are formed, the plurality of 1-1 slits are spaced apart from each other along a circumferential direction of the first reference circle, and a pair of 1-1 slits adjacent to each other.
  • the 2-1st slit may include a separation space overlapping slit overlapping the 1-1st separation space when viewed along the radial direction. .
  • a plurality of the 1-1 slits and the 1-2 slits may be formed, and the number of the 1-1 slits may be less than the number of the 1-2 slits.
  • the injector further includes first to third slits extending along a circumferential direction of an imaginary third reference circle centered on the reference axis and having a larger diameter than the second reference circle,
  • first to third slits extending along a circumferential direction of an imaginary third reference circle centered on the reference axis and having a larger diameter than the second reference circle,
  • the second slit portion is disposed in the second area and extends in a radial direction of the second reference circle.
  • 2-2 slits may be further included.
  • a plurality of the 2-1 slits and the 2-2 slits may be formed, and the number of the 2-1 slits may be less than the number of the 2-2 slits.
  • the 2-1 slit and the 2-2 slit are formed in plurality, and the 2-2 slit overlaps any one 2-1 slit when viewed along the radial direction. May include overlapping slits.
  • the 2-1 slit and the 2-2 slit are formed in plurality, and a direction orthogonal to the reference direction is referred to as a first direction, and a direction orthogonal to the reference direction and the first direction
  • a direction orthogonal to the reference direction and the first direction When the direction is referred to as the second direction, when viewed along the reference direction, a first straight line extending along the first direction from the reference axis and a second straight line extending along the second direction from the reference axis
  • the number of 2-1st slits located in the first reference region defined by is the same as the number of 2-2nd slits located in the first reference region, and is opposite in the second direction from the first straight line and the reference axis.
  • the number of 2-1st slits located in the second reference region defined between the third straight lines extending along the direction may be less than the number of 2-2nd slits located in the second reference region.
  • the number of slits 2-1 and 2-2 located in the first reference region is the number of the fourth straight line and the third straight line extending from the reference axis in a direction opposite to the first direction.
  • the number of 2-1 slits and 2-2 slits located in the third reference region defined by The number of slits 2-1 and 2-2 located in the fourth reference region defined between the second straight line and the fourth straight line may be the same as each other.
  • the number of second slit portions disposed on both sides of the reference plane is may differ from each other.
  • the combustor includes a supply pipe for supplying fuel and air, an injector coupled to the supply pipe and provided to inject the introduced fuel and air, and a combustion chamber into which the fuel and air injected by the injector are introduced, ,
  • the injector includes a slit portion extending along a reference direction, wherein the slit portion includes a first slit portion extending along a circumferential direction of an imaginary reference circle and a shape extending along a radial direction of the reference circle. It may include a second slit portion having.
  • a gas turbine is provided by a compressor provided to compress and discharge air, a combustor provided to mix fuel and air compressed and discharged from the compressor, and combust them to generate combustion gas, and the combustion gas delivered from the combustor.
  • a turbine blade provided to rotate, and the combustor includes an injector provided to inject the mixed fuel and air compressed and discharged from the compressor, and the injector includes a circumferential direction of a virtual reference circle. It may include a slit portion including a first slit portion having an extending shape and a second slit portion having a shape extending along a radial direction of the reference circle.
  • the backfire phenomenon can be reduced.
  • a slit portion having a width similar to the flame thickness is included to induce suppression of the change of the flame surface, combustion instability can be alleviated and combustion vibration can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a conventional multi-tube injector.
  • FIG. 2 is a perspective view conceptually showing a gas turbine to which an injector according to the present invention can be applied.
  • FIG. 3 is a view conceptually showing a cross section of a combustor to which an injector according to the present invention can be applied.
  • FIG. 4 is a view conceptually illustrating a view of an injector according to a first embodiment of the present invention viewed from a reference direction side.
  • FIG. 5 is a diagram conceptually illustrating an injector according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view conceptually showing a cross section of any one of the slit parts of the injector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram conceptually illustrating a backfire phenomenon.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing equipment for a hydrogen combustion test.
  • FIG. 9 is a view showing a comparison of hydrogen combustion test results of the multi-tube injector of FIG. 1 and the injector of FIG. 4 .
  • FIG. 10 is a view showing results of a hydrogen combustion test when the flow rate of the fuel-air mixture passing through the slit part is 50 m/s.
  • FIG. 11 is a view conceptually illustrating an injector according to a second embodiment of the present invention viewed from a reference direction side.
  • FIG. 12 is a view conceptually illustrating an injector according to a third embodiment of the present invention viewed from a reference direction side.
  • An injector according to the present invention may be an injector applied to a combustor of a gas turbine.
  • 2 is a perspective view conceptually showing a gas turbine to which an injector according to the present invention can be applied.
  • 3 is a view conceptually showing a cross section of a combustor to which an injector according to the present invention can be applied. It can be understood that FIG. 3 conceptually illustrates area B of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view conceptually illustrating a view of an injector according to a first embodiment of the present invention viewed from a reference direction side.
  • 5 is a diagram conceptually illustrating an injector according to a first embodiment of the present invention.
  • 6 is a view conceptually showing a cross section of any one of the slit parts of the injector according to the first embodiment of the present invention.
  • the injector may include an injector body part 10 and a slit part 20 .
  • the slit portion 20 may be formed to pass through the injector body portion 10 along the reference direction D.
  • the injector body 10 may be made of a metal material.
  • the injector body 10 may extend along the reference direction D.
  • the slit portion 20 may include a first slit portion 21 and a second slit portion 22 .
  • the first slit portion 21 may have a shape extending along the circumferential direction of an imaginary reference circle.
  • the reference circle may be a circle centered on a virtual reference axis extending along the reference direction D.
  • the first width of the first slit portion 21 may be 0.37 mm to 2 mm. Preferably, the first width may be 1.5 mm.
  • the first width may be a length of the first slit portion 21 along a direction orthogonal to the extending direction of the first slit portion 21 .
  • the first width may be similar to the thickness a hydrogen flame could theoretically have.
  • the second slit portion 22 may have a shape extending along the radial direction of the reference circle.
  • the second width of the second slit portion 22 may be 0.37 mm to 2 mm.
  • the second width may be 1.5 mm.
  • the second width may be a length of the second slit portion 22 along a direction orthogonal to the extending direction of the second slit portion 22 .
  • the second width may be similar to a thickness a hydrogen flame could theoretically have.
  • the first slit portion 21 may include a 1-1 slit 21a and a 1-2 slit 21b.
  • the 1-1st slit 21a may have a shape extending along the circumferential direction of an imaginary first reference circle centered on the reference axis.
  • the 1-2 slit 21b may have a shape extending along a circumferential direction of an imaginary second reference circle centered on the reference axis.
  • a diameter of the second reference circle may be greater than a diameter of the first reference circle.
  • a plurality of 1-1 slits 21a may be formed.
  • the plurality of 1-1 slits 21a may be spaced apart from each other along the circumferential direction of the first reference circle and may have a shape of a first reference arc that is a part of the first reference circle.
  • a 1-1 separation space S1 may be formed between the pair of adjacent 1-1 slits 21a.
  • the first-second slits 21b may be formed in plurality.
  • the plurality of first-second slits 21b may be spaced apart from each other along the circumferential direction of the second reference circle and may have a shape of a second reference arc that is a part of the second reference circle.
  • a central angle of the first sector defining the first reference arc may be greater than a central angle of the second sector defining the second reference arc. This may mean that the number of 1-1 slits 21a is smaller than the number of 1-2 slits 21b.
  • the second slit portion 22 may include a 2-1 slit 22a.
  • the 2-1 slit 22a may be disposed in the first area AR1 and may extend in a radial direction of the first reference circle.
  • the first area AR1 may refer to an area between the first reference circle and the second reference circle.
  • the 2-1st slits 22a may be formed in plurality.
  • the plurality of 2-1st slits 22a may be spaced apart from each other along the circumferential direction of the first reference circle.
  • the 2-1 slit 22a may include a spaced space overlapping slit 22a'.
  • the spaced-up space overlapping slit 22a' may refer to a 2-1st slit overlapping the 1-1st spaced space S1 when viewed along the radial direction among the plurality of 2-1st slits 22a.
  • the plurality of 2-1 slits 22a may include 2-1 slits overlapping with the 1-1 separation space S1 and 2-1 slits that do not overlap. can mean that it can be
  • the first slit portion 21 may further include first to third slits 21c.
  • the first to third slits 21c may have a shape extending in a circumferential direction of the third reference circle.
  • the third reference circle may be a virtual circle centered on the reference axis and having a larger diameter than the second reference circle.
  • the first to third slits 21c may be formed in plurality.
  • the plurality of 1-3 slits 21c may be spaced apart from each other along the circumferential direction of the third reference circle and may have a shape of a third reference arc that is a part of the third reference circle.
  • the second slit portion 22 may further include a 2-2 slit 22b.
  • the 2-2 slit 22b may be disposed in the second area AR2 and may extend in a radial direction of the second reference circle.
  • the second area AR2 may refer to an area between the second reference circle and the third reference circle.
  • a plurality of 2-2 slits 22b may be formed.
  • the plurality of second-second slits 22b may be spaced apart from each other along the circumferential direction of the second reference circle.
  • the 2-2 slit 22b may include an overlapping slit 22b'.
  • the overlapping slit 22b' may refer to a 2-2 slit overlapping with any one of the 2-1 slit 22a when viewed along the radial direction among the 2-2 slit 22b.
  • the plurality of 2-2 slits 22b When viewed along the radial direction, the plurality of 2-2 slits 22b include a 2-2 slit overlapping any one 2-1 slit 22a and a 2-2 slit that does not overlap. It can mean you can.
  • the injector according to the first embodiment of the present invention may be an injector capable of reducing backfire.
  • 6 is a view conceptually showing a cross section of any one of the slit parts of the injector according to the first embodiment of the present invention.
  • the pre-mixed fuel/air mixture may be supplied to the slit portion 20 along the reference direction D.
  • the injector according to the first embodiment of the present invention includes a slit portion 20 having a larger cross-sectional area compared to a conventional multi-tube nozzle.
  • the slit portion 20 having a large cross-sectional area compared to the volume can reduce the backfire phenomenon compared to the conventional multi-tube nozzle for the following two reasons.
  • heat loss may occur through the metal injector body 10 while the backfiring flame 32 passes through the slit 20 .
  • the combustion reaction can be suppressed if this heat loss exceeds the heat production by the combustion reaction.
  • the present invention includes the slit portion 20 having a larger cross-sectional area compared to the volume compared to the conventional multi-tube nozzle, it is possible to increase the area where the flame flowing backward can contact the inner surface of the injector body portion 10 . Therefore, heat loss can be increased compared to conventional multi-tube nozzles, which can reduce backfire.
  • radical ions are repeatedly generated and recombined.
  • hydrogen radicals are diffused on the wall of the metal injector body 10, and the hydrogen radicals are diffused on the wall, which can suppress the combustion reaction.
  • the hydrogen radical is an intermediate product required for the combustion reaction mechanism, and when the hydrogen radical disappears through wall diffusion, the combustion reaction can be stopped. Since the present invention includes the slit portion 20 having a larger cross-sectional area compared to the volume compared to the conventional multi-tube nozzle, it is possible to provide a large area for hydrogen radicals to disappear through wall diffusion, thereby reducing the backfire phenomenon.
  • the injector according to the first embodiment of the present invention may be an injector capable of reducing combustion vibration.
  • Combustion oscillation is related to combustion instability. Since combustion instability is predominantly affected by changes in the shape of the flame, it is necessary to minimize the change in the shape of the flame to control it. In order to minimize the change of the flame shape, the flame shape should have a relatively large surface area.
  • the injector according to Example 1 of the present invention includes a slit portion having a large cross-sectional area compared to the volume, since the changeability of the thin flame front is relatively low, the heat release rate of the flame is lowered and combustion instability is reduced, so that combustion vibration can be suppressed. there is.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing equipment for a hydrogen combustion test.
  • 9 is a view showing a comparison of hydrogen combustion test results of the multi-tube injector of FIG. 1 and the injector of FIG. 4 .
  • Equipment for the hydrogen combustion test may include a fuel-air mixture 100, a quartz tube 200, and a metal tube 300 and a dynamic pressure sensor 400.
  • the metal tube 300 may include a cooling air inlet pipe 310 and a piston 320 .
  • the injector body 10 may be disposed between the fuel-air mixture 100 and the quartz tube 200 .
  • the dynamic pressure sensor 400 may be provided to measure the magnitude of acoustic vibration caused by combustion vibration.
  • the hydrogen-air mixture that has passed through the fuel-air mixture unit 100 is ignited in the injector body unit 10, and after reaching the planned flow rate and equivalence ratio conditions, the dynamic pressure sensor 400 detects combustion vibration. The magnitude of the acoustic vibration was measured.
  • the flow rate of the fuel-air mixture passing through the slit portion 20 is 25 m/s, and the equivalent ratio ( ) is 0.325, 0.413, and 0.508, respectively, the hydrogen combustion test results of the multi-tube injector and the injector according to Example 1 of the present invention are compared.
  • the equivalence ratio conditions of the experiment are conditions when the adiabatic flame temperatures are 1400 K, 1600 K, and 1800 K, respectively, and correspond to temperatures similar to or higher than those used in actual gas turbine operation.
  • the X-axis may mean a frequency.
  • the PSD of the Y-axis is Power Spectral Density, which is a numerical value showing the magnitude of acoustic vibration caused by combustion vibration. As shown in FIG. 11, it can be seen that the acoustic vibration of the injector (dotted line) according to the embodiment of the present invention is relatively alleviated compared to the conventional multi-tube injector (solid line) under all equivalence ratio conditions.
  • FIG. 10 is a view showing results of a hydrogen combustion test when the flow rate of the fuel-air mixture passing through the slit part is 50 m/s.
  • FIG. 10 shows that the flow rate of the fuel-air mixture passing through the slit is 50 m/s, and the equivalent ratio ( ) is 0.325, 0.413, and 0.508, respectively, the hydrogen combustion test results of the injector according to Example 1 of the present invention are measured.
  • 10 can be seen as securing the experimental results in a situation similar to the actual operating conditions of the gas turbine. Referring to FIG. 10 , it can be seen that, similar to the experimental results of FIG. 9 , the acoustic vibrations are generally stabilized.
  • the combustor B may include a supply pipe 2 , an injector, and a combustion chamber 3 .
  • the supply pipe 2 may be provided to supply fuel and air.
  • the injector may be coupled to the supply pipe 2 to inject the introduced fuel and air.
  • the combustion chamber 3 may be provided to introduce fuel and air injected by the injector. Also, in the combustion chamber 3, fuel and air injected by the injector may be mixed. A combustion reaction may occur in the combustion chamber 3 .
  • a gas turbine may include a compressor, a combustor (B) and turbine blades.
  • a compressor may be provided to compress and discharge air.
  • the combustor B may be provided to generate combustion gas by mixing fuel and air compressed and discharged from the compressor and combusting them.
  • Turbine blades may be provided to rotate by combustion gas delivered from the combustor (B).
  • the combustor B may include an injector provided to inject the mixed fuel and compressed air from the compressor.
  • FIG. 11 is a view conceptually illustrating an injector according to a second embodiment of the present invention viewed from a reference direction side.
  • an injector according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11 .
  • the injector according to Example 2 is different from the injector according to Example 1 in the arrangement of the second slit portion.
  • Components identical or equivalent to those of the injector according to Example 1 are given the same or equivalent reference numerals, and detailed descriptions are omitted.
  • first direction D1 one direction orthogonal to the reference direction D
  • second direction D2 one direction orthogonal to the reference direction D and the first direction D1
  • first to fourth straight lines L1, L2, L3, and L4 and first to fourth reference regions RA1, RA2, RA3, and RA4 are defined.
  • the first straight line L1 may refer to a straight line extending from the reference axis A along the first direction D1.
  • the second straight line L2 may refer to a straight line extending from the reference axis A along the second direction D2.
  • the third straight line L3 may refer to a straight line extending from the reference axis A along a direction opposite to the second direction D2 .
  • the fourth straight line L4 may mean a straight line extending from the reference axis A along a direction opposite to the first direction D1.
  • the first reference area RA1 may refer to an area defined between the first straight line L1 and the second straight line L2 when viewed along the reference direction D.
  • the second reference area RA2 may mean an area defined between the first straight line L1 and the third straight line L3.
  • the third reference area RA3 may refer to an area defined between the third straight line L3 and the fourth straight line L4.
  • the fourth reference area RA4 may refer to an area defined between the second straight line L2 and the fourth straight line L4.
  • the first to fourth reference areas RA1 , RA2 , RA3 , and RA4 may be sequentially arranged in a counterclockwise direction.
  • the number of 2-1st slits located in the first reference area RA1 may be the same as the number of 2-2nd slits located in the first reference area RA1.
  • the number of 2-2 slits located in the first reference area RA1 may be the same as the number of 2-3 slits located in the first reference area RA1.
  • the number of the 2-1st slits, 2-2nd slits and 2-3rd slits located in the first reference area RA1 may be two.
  • the number of 2-1st slits located in the second reference area RA2 may be less than the number of 2-2nd slits located in the second reference area RA2.
  • the number of 2-2 slits located in the second reference area RA2 may be less than the number of 2-3 slits located in the second reference area RA2.
  • the number of 2-1 slits located in the second reference area RA2 may be 1, the number of 2-2 slits may be 3, and the number of 2-3 slits may be 5.
  • the number of slits 2-1 and 2-2 located in the first reference area RA1 is the same as the number of slits 2-1 and 2-2 located in the third reference area RA3.
  • the number of 2-3 slits located in the first reference area RA1 may be the same as the number of 2-3 slits located in the third reference area RA3. That is, the first reference area ( RA1) and the third reference area RA3 may be symmetrically formed.
  • the number of slits 2-1 and 2-2 located in the second reference area RA2 may be the same as the number of slits 2-1 and 2-2 located in the fourth reference area RA4.
  • the number of 2-3 slits located in the second reference area RA2 may be the same as the number of 2-3 slits located in the fourth reference area RA4. That is, the second reference area ( RA2) and the fourth reference area RA4 may be symmetrically formed.
  • the first slit portion 21 may have a configuration for distributing flame distribution in a radial direction and expanding a nozzle area.
  • the second slit portion 22 may be configured to break the symmetry of the circumferential direction flame distribution by its arrangement or arrangement. More specifically, if the arrangement of the second slit portion 22 is changed asymmetrically, the symmetry of the flame distribution may be broken.
  • the high symmetry of the flame distribution can mean that constructive interference can occur greatly, so it can be regarded as high combustion instability.
  • combustion instability is predominantly affected by a change in the shape of a flame
  • the more symmetrical the arrangement of the second slit portion 22 is the greater the instability of combustion may be. This may mean that combustion instability can be reduced as the arrangement of the second slit portion 22 is relatively asymmetrical.
  • FIG. 12 is a view conceptually illustrating an injector according to a third embodiment of the present invention viewed from a reference direction side.
  • an injector according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 .
  • the injector according to Example 3 is different from the injector according to Example 1 in the arrangement of the second slit portion. Components identical to or equivalent to those of the injector according to Example 1 are given the same or equivalent reference numerals, and detailed descriptions are omitted.
  • the injector according to Example 3 when the injector body 10 is partitioned by a reference plane RS, which is a virtual plane including the reference axis A, the second slit portions disposed on both sides of the reference plane RS.
  • the number of (22) may be different from each other. That is, the injector according to Example 3 can be understood as a form in which the symmetry of the arrangement of the second slit portion 22 is broken.

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Abstract

본 발명은 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로서, 인젝터는 인젝터 바디부 및 상기 인젝터 바디부를 기준 방향을 따라 관통하여 형성되는 슬릿부를 포함하고, 상기 슬릿부는, 상기 기준 방향을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분 및 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함할 수 있다.

Description

인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈
본 발명은 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
최근에는 지구온난화를 막기 위한 국제기구 UNFCCC의 보고서 및 파리기후협약을 필두로, 이산화탄소(CO2) 감축을 위한 탄소중립화(Carbon-neutrality)에 관한 논의가 전 세계적으로 이루어지고 있다. 특히 발전 영역은 전체 이산화탄소 배출량의 25%가량을 차지하고, 일반적으로 수개월 단위의 긴 시간 동안 구동되기 때문에, 탄소 중립화를 위한 대책이 강력하게 요구되는 상황이다.
이에 가스 터빈 제조사들은 탄소를 포함하지 않아 연소 시에 이산화탄소가 발생하지 않는 수소(H2)를 새로운 대안으로 판단하여 2000년대 초반부터 개발을 진행 중이다.
하지만 수소는 높은 반응성을 보이며, 메탄, 프로판(C3H8), 에틸렌(C2H4) 등의 기존 연료에 비해 약 6배 빠른 화염속도를 나타낸다. 그로 인해 수소는 선회기 없이도 넓은 운전범위를 가질 수 있는 장점을 부여하지만, 그와 동시에 역화(flashback)가 일어나기 쉬운 단점을 함께 가진다.
역화는 연료의 높은 반응성 또는 강한 연소 진동으로 인해, 공급되는 유속보다 화염의 전파속도가 빨라지게 되어 화염이 역류하는 것을 의미한다. 상류로 역류한 화염은 냉각설계가 취약한 곳에 부착되어 시스템을 용융시키게 되므로, 천연가스를 주 연료로 활용해 온 기존의 연소기 노즐 구조에서는 안정적인 수소 전소 가스 터빈 구동이 불가능했다.
산업계에서는 인젝터 형상을 극단적으로 바꾸는 것으로 수소 화염의 불안정성을 해결하고자 하였다. 선회기를 포함한 다중 노즐 인젝터는, 큰 노즐 직경에 의해 수소 화염이 쉽게 역화하였으므로, 대부분의 가스 터빈 제조사에서는 수 밀리미터 단위의 직경을 갖는 다중 튜브 또는 마이크로믹서 타입 노즐 형태를 채택하여 인젝터 형상의 최적화를 진행 중이다. 도 1은 종래의 다중 튜브 인젝터의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
그러나, 높은 수소 분율 연료의 경우에는 다중 튜브 형태를 활용하더라도 화염 역화를 제어하는 것에 여전히 어려움이 있는 상황이다. 즉, 수소 화염의 역화를 줄일 수 있는 새로운 인젝터 형상이 요구되는 상황이다.
본 발명의 과제는 수소 화염의 역화를 감소시킬 수 있는 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 과제는 연소 진동을 감소시킬 수 있는 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
일 예에서 인젝터는 인젝터 바디부 및 상기 인젝터 바디부를 기준 방향을 따라 관통하여 형성되는 슬릿부를 포함하고, 상기 슬릿부는, 상기 기준 방향을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분 및 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함할 수 있다.
다른 예에서 상기 제1 슬릿부분은, 상기 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-1 슬릿 및 상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제1 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-2 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1 기준 원과 상기 제2 기준 원 사이의 영역을 제1 영역이라고 할 때, 상기 제2 슬릿부분은, 상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-1 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 기준 방향을 따라 바라 볼 때, 상기 제1-1 슬릿과 상기 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 반경 방향을 따라 서로 이격될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제1 기준 원의 일부인 제1 기준 호의 형상을 가질 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제1-2 슬릿은, 상기 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제2 기준 원의 일부인 제2 기준 호의 형상을 가지며, 상기 제1 기준 호를 정의하는 제1 부채꼴의 중심각의 크기는, 상기 제2 기준 호를 정의하는 제2 부채꼴의 중심각의 크기보다 클 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되며, 서로 인접한 한 쌍의 제1-1 슬릿 사이의 공간을 제1-1 이격 공간이라 할 때, 상기 제2-1 슬릿은, 상기 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 상기 제1-1 이격 공간과 중첩되는 이격 공간 중첩 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1-1 슬릿 및 상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 제1-1 슬릿의 개수는 상기 제1-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다.
또 다른 예에서 상기 인젝터는, 상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제2 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-3 슬릿을 더 포함하고, 상기 제2 기준 원과 상기 제3 기준 원 사이의 영역을 제2 영역이라고 할 때, 상기 제2 슬릿부분은, 상기 제2 영역에 배치되고, 상기 제2 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-2 슬릿을 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 제2-2 슬릿은, 상기 반경 방향을 따라 바라볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿과 중첩되는 중첩 슬릿을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고, 상기 기준 방향에 직교하는 일 방향을 제1 방향이라 하고, 상기 기준 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 일 방향을 제2 방향이라 할 때, 상기 기준 방향을 따라 바라볼 때, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제2 직선의 사이로 정의되는 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수와 동일하고, 상기 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제3 직선의 사이로 정의되는 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제4 직선 및 상기 제3 직선의 사이로 정의되는 제3 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일하고, 상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 제2 직선 및 상기 제4 직선의 사이로 정의되는 제4 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2 슬릿부분은 복수 개로 형성되고, 상기 기준 축을 포함하는 가상의 평면인 기준 평면으로 상기 인젝터 바디부를 구획 할 때, 상기 기준 평면의 양측에 배치된 제2 슬릿부분의 개수는 서로 상이할 수 있다.
일 예로 연소기는 연료 및 공기를 공급하는 공급관, 상기 공급관에 결합되어 유입된 상기 연료 및 상기 공기를 분사하게 마련되는 인젝터 및 상기 인젝터가 분사한 상기 연료 및 상기 공기가 유입되게 마련되는 연소실을 포함하고, 상기 인젝터는, 기준 방향을 따라 연장되는 슬릿부를 포함하고, 상기 슬릿부는, 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분 및 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함할 수 있다.
일 예로 가스 터빈은 공기를 압축시켜 배출하게 마련되는 압축기, 연료와 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 혼합한 후 연소시켜 연소 가스를 생성하게 마련되는 연소기 및 상기 연소기로부터 전달된 상기 연소 가스에 의해 회전하게 마련되는 터빈 블레이드를 포함하고, 상기 연소기는, 혼합된 상기 연료 및 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 분사하게 마련되는 인젝터를 포함하고, 상기 인젝터는, 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분과, 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는 슬릿부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 다중튜브 인젝터에 비해 좁은 폭을 갖는 슬릿부를 포함하므로 역화 현상이 감소될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 종래의 다중튜브 원형 인젝터에 비해, 화염 두께와 유사한 폭을 갖는 슬릿부를 포함하여 화염면의 변화 억제를 유도하므로 연소불안정이 완화되어 연소 진동이 감소될 수 있다.
도 1은 종래의 다중 튜브 인젝터를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 가스 터빈을 개념적으로도시한 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 연소기의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 슬릿부 중 어느 하나의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 7은 역화 현상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8은 수소 연소 시험을 위한 장비를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 1의 다중튜브 인젝터와 도 4의 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 슬릿부를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 50 m/s일 때의 수소 연소 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
본 출원은 2021년 10월 7일에 출원된 한국특허출원 제10-2021-0133512호, 2021년 12월 27일에 출원된 한국특허출원 제10-2021-0188701호 및 2022년 7월 20일에 출원된 한국특허출원 제10-2022-0089863호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해선 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있다. 또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되면 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 인젝터는 가스 터빈의 연소기에 적용되는 인젝터일 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 가스 터빈을 개념적으로도시한 절개 사시도이다. 도 3은 본 발명에 따른 인젝터가 적용될 수 있는 연소기의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 B 영역을 개념적으로 도시한 것으로 이해할 수 있다.
이하에서는 인젝터들의 각 실시예에 관하여 상술한다.
실시예 1
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 5은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 슬릿부 중 어느 하나의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
인젝터는 인젝터 바디부(10) 및 슬릿부(20)를 포함할 수 있다. 슬릿부(20)는 인젝터 바디부(10)를 기준 방향(D)을 따라 관통하여 형성될 수 있다. 인젝터 바디부(10)는 금속 소재일 수 있다. 인젝터 바디부(10)는 기준 방향(D)을 따라 연장될 수 있다.
슬릿부(20)는 제1 슬릿부분(21) 및 제2 슬릿부분(22)을 포함할 수 있다. 제1 슬릿부분(21)은 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 기준 원은 기준 방향(D)을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 원일 수 있다.
제1 슬릿부분(21)의 제1 폭은 0.37mm 내지 2mm일 수 있다. 바람직하게는 제1 폭은 1.5mm 일 수 있다. 제1 폭은 제1 슬릿부분(21)이 연장되는 방향에 직교하는 방향을 따라 제1 슬릿부분(21)이 갖는 길이일 수 있다. 제1 폭은 수소 화염이 이론적으로 가질 수 있는 두께와 유사할 수 있다.
제2 슬릿부분(22)은 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 잇다. 제2 슬릿부분(22)의 제2 폭은 0.37mm 내지 2mm일 수 있다. 바람직하게는 제2 폭은 1.5mm 일 수 있다. 제2 폭은 제2 슬릿부분(22)이 연장되는 방향에 직교하는 방향을 따라 제2 슬릿부분(22)이 갖는 길이일 수 있다. 제2 폭은 수소 화염이 이론적으로 가질 수 있는 두께와 유사할 수 있다.
제1 슬릿부분(21)은 제1-1 슬릿(21a) 및 제1-2 슬릿(21b)을 포함할 수 있다. 제1-1 슬릿(21a)은 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 또한 제1-2 슬릿(21b)은 상기 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 제2 기준 원의 직경은 제1 기준 원의 직경보다 클 수 있다.
제1-1 슬릿(21a)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1-1 슬릿(21a)은 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 제1 기준 원의 일부인 제1 기준 호의 형상을 가질 수 있다. 서로 인접한 한 쌍의 제1-1 슬릿(21a) 사이에는 제1-1 이격 공간(S1)이 형성될 수 있다.
제1-2 슬릿(21b)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1-2 슬릿(21b)은, 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 제2 기준 원의 일부인 제2 기준 호의 형상을 가질 수 있다.
제1 기준 호를 정의하는 제1 부채꼴의 중심각의 크기는, 제2 기준 호를 정의하는 제2 부채꼴의 중심각의 크기보다 클 수 있다. 이는 제1-1 슬릿(21a)의 개수가 제1-2 슬릿(21b)의 개수보다 적음을 의미할 수 있다.
제2 슬릿부분(22)은 제2-1 슬릿(22a)을 포함할 수 있다. 제2-1 슬릿(22a)은 제1 영역(AR1)에 배치되고, 제1 기준 원의 반경 방향으로 연장될 수 있다. 제1 영역(AR1)은 제1 기준 원과 제2 기준 원 사이의 영역을 의미할 수 있다.
제2-1 슬릿(22a)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제2-1 슬릿(22a)은 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격될 수 있다.
제2-1 슬릿(22a)은 이격 공간 중첩 슬릿(22a')을 포함할 수 있다. 이격 공간 중첩 슬릿(22a')은 복수 개의 제2-1 슬릿(22a) 중 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 제1-1 이격 공간(S1)과 중첩되는 제2-1 슬릿을 의미할 수 있다. 이는 복수 개의 제2-1 슬릿(22a)은 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 제1-1 이격 공간(S1)과 중첩되는 제2-1 슬릿과, 중첩되지 않는 제2-1 슬릿을 포함할 수 있음을 의미할 수 있다.
제1 슬릿부분(21)은, 제1-3 슬릿(21c)을 더 포함할 수 있다. 제1-3 슬릿(21c)은 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다. 제3 기준원은 기준 축을 중심으로 하고, 제2 기준 원보다 직경이 큰 가상의 원일 수 있다.
제1-3 슬릿(21c)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1-3 슬릿(21c)은 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 제3 기준 원의 일부인 제3 기준 호의 형상을 가질 수 있다.
제2 슬릿부분(22)은 제2-2 슬릿(22b)을 더 포함할 수 있다. 제2-2 슬릿(22b)은 제2 영역(AR2)에 배치되고, 제2 기준 원의 반경 방향으로 연장될 수 있다. 제2 영역(AR2)은 제2 기준 원과 제3 기준 원 사이의 영역을 의미할 수 있다.
제2-2 슬릿(22b)은 복수 개로 형성될 수 있다. 복수 개의 제2-2 슬릿(22b)은 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격될 수 있다.
제2-2 슬릿(22b)은, 중첩 슬릿(22b')을 포함할 수 있다. 중첩 슬릿(22b')은 제2-2 슬릿(22b) 중 반경 방향을 따라 바라볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿(22a)과 중첩되는 제2-2 슬릿을 의미할 수 있다.
이는 복수 개의 제2-2 슬릿(22b)은 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿(22a)과 중첩되는 제2-2 슬릿과, 중첩되지 않는 제2-2 슬릿을 포함할 수 있음을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 역화 현상이 줄어들 수 있는 인젝터일 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 슬릿부 중 어느 하나의 단면을 개념적으로 도시한 도면이다. 예혼합 된 연료/공기 혼합물은 기준 방향(D)을 따라 슬릿부(20)로 공급될 수 있다.
도 7은 역화 현상을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 7(a) 내지 도 7(d)에 도시되어 있듯이 역화하는 화염(30)은 기준 방향(D)의 반대 방향(D')으로 이동할 수 있다. 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 종래의 다중튜브 노즐에 비해 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)를 포함한다. 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)는 아래와 같은 두 가지 이유로 인해 종래의 다중튜브 노즐보다 역화 현상을 감소시킬 수 있다.
첫 번째로, 역화하는 화염(32)이 슬릿부(20)를 통과하는 동안 금속 소재의 인젝터 바디부(10)를 통해 열 손실이 발생될 수 있다. 이러한 열 손실이 연소 반응에 의한 열 생성보다 많아지는 경우 연소 반응이 억제될 수 있다. 본 발명은 종래의 다중튜브 노즐에 비해 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)를 포함하므로, 역류하는 화염이 인젝터 바디부(10)의 내면과 접촉할 수 있는 면적을 늘릴 수 있다. 따라서, 종래의 다중튜브 노즐에 비해 열 손실을 증가시킬 수 있고 이는 역화 현상을 감소시킬 수 있다.
두 번째로, 연소 과정에서는 라디칼 이온들이 생성 및 재결합을 반복한다. 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 경우 금속 소재의 인젝터 바디부(10)에서 수소 라디칼의 벽면 확산이 일어 나게 되고, 이러한 수소 라디칼의 벽면 확산은 연소 반응을 억제시킬 수 있다. 수소 라디칼은 연소 반응 매커니즘에 필요한 중간 생성물로써 수소 라디칼이 벽면 확산을 통해 사라지게 되면 연소 반응이 중단될 수 있다. 본 발명은 종래의 다중튜브 노즐에 비해 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부(20)를 포함하므로, 수소 라디칼이 벽면 확산을 통해 사라질 수 있는 넓은 면적을 제공할 수 있으므로, 역화 현상을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 연소 진동이 줄어들 수 있는 인젝터일 수 있다. 연소 진동은 연소 불안정성에 관계된다. 연소 불안정은 화염의 형상의 변화에 지배적인 영향을 받기 때문에 이를 제어하기 위해서는 화염 형상의 변화를 최소화해야 한다. 화염 형상의 변화를 최소화하기 위해서는 화염 형상이 상대적으로 표면적이 넓은 형상을 가져야 한다.
종래의 다중튜브 노즐의 경우, 튜브형 형상으로 인해 원추형(conical) 화염 형상을 보이기 때문에 외부의 섭동에 의해 원추형 화염이 수축 및 신장하게 될 수 있다. 따라서, 화염 형상이 변화할 가능성이 클 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터는 부피 대비 단면적이 넓은 슬릿부를 포함하므로, 얇은 화염면은 그 변화 가능성이 상대적으로 낮아지기 때문에 화염의 열 방출률이 낮아지고 연소 불안정을 감소시켜 연소 진동이 억제될 수 있다.
도 8은 수소 연소 시험을 위한 장비를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 9는 도 1의 다중튜브 인젝터와 도 4의 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
수소 연소 시험을 위한 장비는 연료-공기 혼합부(100), 석영 튜브(200), 및 금속 튜브(300) 및 동압 센서(400)를 포함할 수 있다. 금속 튜브(300)는 냉각 공기 유입관(310)과 피스톤(320)을 포함할 수 있다. 인젝터 바디부(10)가 연료-공기 혼합부(100)와 석영 튜브(200)의 사이에 배치될 수 있다. 동압 센서(400)는 연소 진동에 의한 음향 진동의 크기를 측정하게 마련될 수 있다.
수소 연소 시험을 위해서는 연료-공기 혼합부(100)를 통과한 수소-공기 혼합물이 인젝터 바디부(10)에서 점화되고, 계획한 유속 및 당량비 조건에 도달한 뒤에는 동압 센서(400)로 연소 진동에 의한 음향 진동의 크기를 측정하였다.
도 9는 슬릿부(20)를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 25 m/s이고, 당량비(
Figure PCTKR2022012987-appb-img-000001
)가 각각 0.325, 0.413, 0.508 일 때의 조건으로, 다중튜브 인젝터와 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 비교한 것이다. 이때, 실험의 당량비 조건은 단열화염온도가 각각 1400 K, 1600 K, 1800 K 일 때의 조건으로, 실제 가스 터빈 운용에 활용되는 온도와 유사하거나 높은 수준에 해당한다.
X축은 진동수를 의미할 수 있다. Y축의 PSD는 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density)로, 연소 진동에 의한 음향 진동의 크기를 보여주는 수치이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 모든 당량비 조건에서, 본 발명의 실시예에 따른 인젝터(점선)의 음향 진동이 종래의 다중튜브 인젝터(실선)에 비해 상대적으로 완화된 것을 확인할 수 있다.
도 10은 슬릿부를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 50 m/s일 때의 수소 연소 시험 결과를 나타낸 도면이다. 더욱 자세하게는 도 10은 슬릿부를 통과하는 연료-공기 혼합물의 유속이 50m/s이고, 당량비(
Figure PCTKR2022012987-appb-img-000002
)가 각각 0.325, 0.413, 0.508 일 때의 조건으로, 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터의 수소 연소 시험 결과를 측정한 것이다. 도 10은 실제 가스 터빈의 운용조건과 비슷한 상황에서의 실험 결과를 확보한 것으로 볼 수 있다. 도 10을 살펴보면, 도 9의 실험 결과와 유사하게 음향 진동이 전체적으로 안정화된 양상을 나타냄을 확인할 수 있다.
연소기
이하에서는, 전술한 내용을 참고하여 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 포함하는 연소기에 관하여 상술한다. 인젝터에 관한 내용은 전술하였으므로, 자세한 내용은 생략한다. 이해를 위해 도 3을 참조할 수 있다.
도 3에 도시되어 있듯이, 연소기(B)는 공급관(2), 인젝터 및 연소실(3)을 포함할 수 있다. 공급관(2)은 연료 및 공기를 공급하게 마련될 수 있다. 인젝터는 공급관(2)에 결합되어 유입된 연료 및 공기를 분사하게 마련될 수 있다. 연소실(3)은 인젝터가 분사한 연료 및 공기가 유입되게 마련될 수 있다. 또한, 연소실(3)에서는 인젝터가 분사한 연료 및 공기가 혼합될 수 있다. 연소실(3)에서는 연소 반응이 일어날 수 있다.
가스 터빈
이하에서는, 전술한 내용을 참고하여 본 발명의 실시예 1에 따른 인젝터를 포함하는 가스 터빈에 관하여 상술한다. 인젝터에 관한 내용은 전술하였으므로, 자세한 내용은 생략한다.
가스 터빈은 압축기, 연소기(B) 및 터빈 블레이드를 포함할 수 있다. 압축기는 공기를 압축시켜 배출하게 마련될 수 있다. 연소기(B)는 연료와 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 혼합한 후 연소시켜 연소 가스를 생성하게 마련될 수 있다. 터빈 블레이드는 연소기(B)로부터 전달된 연소 가스에 의해 회전하게 마련될 수 있다.
연소기(B)는 혼합된 연료 및 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 분사하게 마련되는 인젝터를 포함할 수 있다.
실시예 2
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다. 이하에선 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예 2에 따른 인젝터를 설명한다. 실시예 2에 따른 인젝터는 제2 슬릿부분의 배치에 있어 실시예 1에 따른 인젝터와 차이가 있다. 실시예 1에 따른 인젝터와 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하고, 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는, 기준 방향(D)에 직교하는 일 방향을 제1 방향(D1)이라 하고, 기준 방향(D) 및 제1 방향(D1)에 직교하는 일 방향을 제2 방향(D2)이라 한다.
또한, 설명의 편의를 위해 제1 내지 제4 직선(L1, L2, L3, L4) 및 제1 내지 제4 기준 영역(RA1, RA2, RA3, RA4)을 정의한다. 제1 직선(L1)은 기준 축(A)으로부터 제1 방향(D1)을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다. 제2 직선(L2)은 기준 축(A)으로부터 제2 방향(D2)을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다. 제3 직선(L3)은 기준 축(A)으로부터 제2 방향(D2)의 반대 방향을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다. 제4 직선(L4)은 기준 축(A)으로부터 제1 방향(D1)의 반대 방향을 따라 연장되는 직선을 의미할 수 있다.
제1 기준 영역(RA1)은 기준 방향(D)을 따라 바라볼 때 제1 직선(L1) 및 제2 직선(L2)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제2 기준 영역(RA2)은 제1 직선(L1) 및 제3 직선(L3)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제3 기준 영역(RA3)은 제3 직선(L3) 및 제4 직선(L4)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제4 기준 영역(RA4)은 제2 직선(L2) 및 제4 직선(L4)의 사이로 정의되는 영역을 의미할 수 있다. 제1 내지 제4 기준 영역(RA1, RA2, RA3, RA4)은 시계 반대 방향을 따라 순서대로 배치될 수 있다.
제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수와 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수는 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수와 동일할 수 있다. 일 예로 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-1 슬릿, 제2-2 슬릿 및 제2-3 슬릿의 개수는 각각 2개일 수 있다.
제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수보다 적을 수 있다. 마찬가지로, 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수는 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수보다 적을 수 있다. 일 예로, 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 1개, 제2-2 슬릿의 개수는 3개, 제2-3 슬릿의 개수는 5개일 수 있다.
한편, 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 제3 기준 영역(RA3) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제1 기준 영역(RA1) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수는, 제3 기준 영역(RA3) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다.즉, 제1 기준 영역(RA1)과 제3 기준 영역(RA3)은 대칭으로 형성될 수 있다.
제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 제4 기준 영역(RA4) 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제2 기준 영역(RA2) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수는, 제4 기준 영역(RA4) 내에 위치한 제2-3 슬릿의 개수와 각각 동일할 수 있다.즉, 제2 기준 영역(RA2)과 제4 기준 영역(RA4)은 대칭으로 형성될 수 있다.
제1 슬릿부분(21)은 반경 방향으로의 화염 분포를 분산시키고, 노즐 면적을 확장시키기 위한 구성일 수 있다. 제2 슬릿부분(22)은 그 배치 또는 배열에 의해 원주 방향 화염 분포의 대칭성을 붕괴시키기 위한 구성일 수 있다. 더욱 자세하게는 제2 슬릿부분(22)의 배치를 비대칭적으로 변경하게 되는 경우, 화염 분포의 대칭성이 붕괴될 수 있다. 화염 분포의 대칭성이 크다는 것은 보강 간섭이 크게 발생할 수 있음을 의미할 수 있으므로 연소 불안정이 높은 것으로 볼 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이 연소 불안정은 화염의 형상의 변화에 지배적인 영향을 받기 때문에 제2 슬릿부분(22)의 배치가 대칭적일 수록 연소의 불안정이 커질수 있다. 이는, 제2 슬릿부분(22)의 배치가 상대적으로 비대칭적일수록 연소의 불안정이 감소될 수 있음을 의미할 수 있다.
실시예 2에 따른 인젝터의 경우, 제2 슬릿부분(22)의 비대칭성이 실시예 1에 따른 인젝터에 비해 크므로, 실시예 1에 따른 인젝터에 비해 연소 불안정이 감소할 수 있는 효과가 있다.
실시예 3
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 인젝터를 기준 방향 측에서 바라본 모습을 개념적으로 도시한 도면이다. 이하에선 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예 3에 따른 인젝터를 설명한다. 실시예 3에 따른 인젝터는 제2 슬릿부분의 배치에 있어 실시예 1에 따른 인젝터와 차이가 있다. 실시예 1에 따른 인젝터와 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하고, 구체적인 설명은 생략한다.
실시예 3에 따른 인젝터는, 기준 축(A)을 포함하는 가상의 평면인 기준 평면(RS)으로 인젝터 바디부(10)를 구획할 때 기준 평면(RS)의 양측에 배치된 제2 슬릿부분(22)의 개수는 서로 상이할 수 있다. 즉, 실시예 3에 따른 인젝터는 제2 슬릿부분(22)의 배치의 대칭성이 붕괴된 형태로 이해할 수 있다.
실시예 3에 따른 인젝터의 경우, 제2 슬릿부분(22)의 비대칭성이 실시예 1 및 실시예 2에 따른 인젝터에 비해 크므로, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 인젝터에 비해 연소 불안정이 더욱 감소할 수 있는 효과가 있다.
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 기술사상의 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.

Claims (17)

  1. 인젝터 바디부; 및
    상기 인젝터 바디부를 기준 방향을 따라 관통하여 형성되는 슬릿부를 포함하고,
    상기 슬릿부는,
    상기 기준 방향을 따라 연장되는 가상의 기준 축을 중심으로 하는 가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분; 및
    상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는, 인젝터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 슬릿부분은,
    상기 기준 축을 중심으로 하는 가상의 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-1 슬릿; 및
    상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제1 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-2 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 기준 원과 상기 제2 기준 원 사이의 영역을 제1 영역이라고 할 때,
    상기 제2 슬릿부분은,
    상기 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-1 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기준 방향을 따라 바라 볼 때,
    상기 제1-1 슬릿과 상기 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 반경 방향을 따라 서로 이격되는, 인젝터.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제1 기준 원의 일부인 제1 기준 호의 형상을 갖는, 인젝터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제1-2 슬릿은, 상기 제2 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되고, 상기 제2 기준 원의 일부인 제2 기준 호의 형상을 가지며,
    상기 제1 기준 호를 정의하는 제1 부채꼴의 중심각의 크기는, 상기 제2 기준 호를 정의하는 제2 부채꼴의 중심각의 크기보다 큰, 인젝터.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2-1 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제2-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되는, 인젝터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1-1 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 복수 개의 제1-1 슬릿은, 상기 제1 기준 원의 원주 방향을 따라 각각 이격되며,
    서로 인접한 한 쌍의 제1-1 슬릿 사이의 공간을 제1-1 이격 공간이라 할 때,
    상기 제2-1 슬릿은,
    상기 반경 방향을 따라 바라 볼 때, 상기 제1-1 이격 공간과 중첩되는 이격 공간 중첩 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1-1 슬릿 및 상기 제1-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 제1-1 슬릿의 개수는 상기 제1-2 슬릿의 개수보다 적은, 인젝터.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 슬릿부분은,
    상기 기준 축을 중심으로 하고, 상기 제2 기준 원보다 직경이 큰 가상의 제3 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1-3 슬릿을 더 포함하고,
    상기 제2 기준 원과 상기 제3 기준 원 사이의 영역을 제2 영역이라고 할 때,
    상기 제2 슬릿부분은,
    상기 제2 영역에 배치되고, 상기 제2 기준 원의 반경 방향으로 연장되는, 제2-2 슬릿을 더 포함하는, 인젝터.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2-2 슬릿의 개수보다 적은, 인젝터.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 제2-2 슬릿은,
    상기 반경 방향을 따라 바라볼 때, 어느 한 제2-1 슬릿과 중첩되는 중첩 슬릿을 포함하는, 인젝터.
  13. 청구항 10에 있어서
    상기 제2-1 슬릿 및 상기 제2-2 슬릿은 복수 개로 형성되고,
    상기 기준 방향에 직교하는 일 방향을 제1 방향이라 하고, 상기 기준 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 일 방향을 제2 방향이라 할 때,
    상기 기준 방향을 따라 바라볼 때, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제2 직선의 사이로 정의되는 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수와 동일하고,
    상기 제1 직선 및 상기 기준 축으로부터 상기 제2 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제3 직선의 사이로 정의되는 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿의 개수는 상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-2 슬릿의 개수보다 적은, 인젝터.
  14. 청구항 13에 있어서
    상기 제1 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 기준 축으로부터 상기 제1 방향의 반대 방향을 따라 연장되는 제4 직선 및 상기 제3 직선의 사이로 정의되는 제3 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일하고,
    상기 제2 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수는, 상기 제2 직선 및 상기 제4 직선의 사이로 정의되는 제4 기준 영역 내에 위치한 제2-1 슬릿 및 제2-2 슬릿의 개수와 각각 동일한, 인젝터.
  15. 청구항 1에 있어서
    상기 제2 슬릿부분은 복수 개로 형성되고,
    상기 기준 축을 포함하는 가상의 평면인 기준 평면으로 상기 인젝터 바디부를 구획 할 때, 상기 기준 평면의 양측에 배치된 제2 슬릿부분의 개수는 서로 상이한, 인젝터.
  16. 연료 및 공기를 공급하는 공급관;
    상기 공급관에 결합되어 유입된 상기 연료 및 상기 공기를 분사하게 마련되는 인젝터; 및
    상기 인젝터가 분사한 상기 연료 및 상기 공기가 유입되게 마련되는 연소실을 포함하고,
    상기 인젝터는,
    기준 방향을 따라 연장되는 슬릿부를 포함하고,
    상기 슬릿부는,
    가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분; 및
    상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는, 연소기
  17. 공기를 압축시켜 배출하게 마련되는 압축기;
    연료와 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 혼합한 후 연소시켜 연소 가스를 생성하게 마련되는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 전달된 상기 연소 가스에 의해 회전하게 마련되는 터빈 블레이드를 포함하고,
    상기 연소기는,
    혼합된 상기 연료 및 상기 압축기에서 압축되어 배출된 공기를 분사하게 마련되는 인젝터를 포함하고,
    상기 인젝터는,
    가상의 기준 원의 원주 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제1 슬릿부분과, 상기 기준 원의 반경 방향을 따라 연장되는 형상을 갖는 제2 슬릿부분을 포함하는 슬릿부를 포함하는, 가스 터빈.
PCT/KR2022/012987 2021-10-07 2022-08-30 인젝터, 이를 포함하는 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈 WO2023058907A1 (ko)

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