KR102011903B1 - Fuel nozzle, combustor and gas turbine having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐은, 일 방향으로 연장 형성되어 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 주입 실린더와 이격 형성되며, 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드; 주입 실린더와 슈라우드 사이에 형성된 스월러; 주입 실린더에 삽입되는 인젝터 모듈을 포함한다. 여기서, 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 인젝터 모듈은 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용시에는 연소시의 고온 환경에서 인젝터 모듈과 주입 실린더 간의 기밀한 씰링을 유지할 수 있으며, 운전 정지시에는 인젝터 모듈과 주입 실린더의 체결 상태가 느슨하게 되어 용이하게 탈부착 가능한 효과가 있다.The present invention relates to a fuel nozzle, a combustor and a gas turbine including the same,
A fuel nozzle according to an embodiment of the present invention includes an injection cylinder extending in one direction and supplying a fuel fluid to a combustion chamber; A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder; A swirler formed between the injection cylinder and the shroud; An injector module inserted into the injection cylinder. Here, the injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
According to the embodiments of the present invention, in use, it is possible to maintain a tight sealing between the injector module and the injection cylinder in a high temperature environment during combustion, and when the operation stops, the fastening state of the injector module and the injection cylinder is loosened and easily detachable. It works.
Description
본 발명은 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel nozzle, a combustor and a gas turbine comprising the same.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다. The gas turbine is a power engine that mixes and burns compressed air and fuel compressed in a compressor, and rotates the turbine with hot gas generated by combustion. Gas turbines are used to drive generators, aircraft, ships and trains.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.Gas turbines generally include compressors, combustors, and turbines. The compressor sucks and compresses the outside air and delivers it to the combustor. The compressed air in the compressor is at high pressure and high temperature. The combustor mixes and combusts compressed air and fuel introduced from the compressor. The combustion gases generated by the combustion are discharged to the turbine. The combustion gas causes the turbine blades inside the turbine to rotate, thereby generating power. The generated power is used in various fields such as power generation and driving of mechanical devices.
본 발명은 사용시에는 연소시의 고온 환경에서 기밀한 씰링을 유지할 수 있으며, 운전 정지시에는 용이하게 탈부착 가능한 연료노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a hermetic sealing in a high temperature environment at the time of use, and to easily detachable fuel nozzles at the time of shutdown, a combustor and a gas turbine including the same.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐은, 일 방향으로 연장 형성되어 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 주입 실린더와 이격 형성되며, 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드; 주입 실린더와 슈라우드 사이에 형성된 스월러; 주입 실린더에 삽입되는 인젝터 모듈을 포함한다. 여기서, 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 인젝터 모듈은 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진다.Fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, the injection cylinder is formed extending in one direction for supplying a fuel fluid to the combustion chamber; A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder; A swirler formed between the injection cylinder and the shroud; An injector module inserted into the injection cylinder. Here, the injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 인젝터 모듈은, 인젝터와, 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부를 포함할 수 있다.In the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, the injector module may include an injector and a coupling part formed of a material corresponding to the outer shape of the injector and having a second thermal expansion coefficient.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 결합부의 외주면은 나사산 형상으로 형성되고, 결합부의 내주면은 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.In the fuel nozzle according to the exemplary embodiment of the present invention, the outer circumferential surface of the coupling portion may be formed in a thread shape, and the inner circumferential surface of the coupling portion may be formed in a shape corresponding to the outer shape of the injector.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 결합부는 인젝터와 일체로 형성될 수 있다. In the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, the coupling portion may be integrally formed with the injector.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 제2 열팽창율은 제1 열팽창율 보다 클 수 있다.In the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, the second thermal expansion rate may be greater than the first thermal expansion rate.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 주입 실린더 내부에는 액체 연료가 유동하는 액체 유로가 형성되고, 액체 유로는 인젝터 모듈과 연통한다.In the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, a liquid flow path through which liquid fuel flows is formed inside the injection cylinder, and the liquid flow path communicates with the injector module.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함한다. 연료노즐은, 일 방향으로 연장 형성되어 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 주입 실린더와 이격 형성되며, 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드; 주입 실린더와 슈라우드 사이에 형성된 스월러; 주입 실린더에 삽입되는 인젝터 모듈을 포함하며, 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 인젝터 모듈은 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진다.A combustor according to an embodiment of the present invention includes a combustion chamber assembly including a combustion chamber in which fuel fluid is combusted; And a fuel nozzle assembly comprising a plurality of fuel nozzles for injecting fuel fluid into the combustion chamber. The fuel nozzle includes an injection cylinder extending in one direction and supplying a fuel fluid to the combustion chamber; A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder; A swirler formed between the injection cylinder and the shroud; An injector module is inserted into the injection cylinder, wherein the injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 인젝터 모듈은, 인젝터와, 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부를 포함할 수 있다.In the combustor according to an embodiment of the present invention, the injector module may include an injector and a coupling part formed of a material corresponding to the outer shape of the injector and having a second coefficient of thermal expansion.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 결합부의 외주면은 나사산 형상으로 형성되고, 결합부의 내주면은 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. In the combustor according to an embodiment of the present invention, the outer circumferential surface of the coupling portion may be formed in a thread shape, and the inner circumferential surface of the coupling portion may be formed in a shape corresponding to the outer shape of the injector.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 결합부는 인젝터와 일체로 형성될 수 있다.In the combustor according to an embodiment of the present invention, the coupling part may be integrally formed with the injector.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 제2 열팽창율은 제1 열팽창율 보다 클 수 있다.In the combustor according to an embodiment of the present invention, the second thermal expansion rate may be greater than the first thermal expansion rate.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에 있어서, 주입 실린더 내부에는 액체 연료가 유동하는 액체 유로가 형성되고, 액체 유로는 인젝터 모듈과 연통한다. In the combustor according to an embodiment of the present invention, a liquid flow path through which liquid fuel flows is formed inside the injection cylinder, and the liquid flow path communicates with the injector module.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기; 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈;을 포함한다. 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함한다. 연료노즐은, 일 방향으로 연장 형성되어 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더; 주입 실린더와 이격 형성되며, 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드; 주입 실린더와 슈라우드 사이에 형성된 스월러; 주입 실린더에 삽입되는 인젝터 모듈을 포함하며, 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 인젝터 모듈은 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진다.Gas turbine according to an embodiment of the present invention, a compressor for compressing the incoming air; A combustor for mixing and combusting compressed air and fuel in a compressor; And a turbine for generating power from the gas combusted in the combustor. The combustor may include a combustion chamber assembly including a combustion chamber in which fuel fluid combusts; And a fuel nozzle assembly comprising a plurality of fuel nozzles for injecting fuel fluid into the combustion chamber. The fuel nozzle includes an injection cylinder extending in one direction and supplying a fuel fluid to the combustion chamber; A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder; A swirler formed between the injection cylinder and the shroud; An injector module is inserted into the injection cylinder, wherein the injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 인젝터 모듈은, 인젝터와, 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부를 포함할 수 있다.In the gas turbine according to an embodiment of the present invention, the injector module may include an injector and a coupling part formed of a material corresponding to the outer shape of the injector and having a second coefficient of thermal expansion.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 결합부의 외주면은 나사산 형상으로 형성되고, 결합부의 내주면은 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. In the gas turbine according to an embodiment of the present invention, the outer circumferential surface of the coupling portion may be formed in a thread shape, and the inner circumferential surface of the coupling portion may be formed in a shape corresponding to the outer shape of the injector.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 결합부는 인젝터와 일체로 형성될 수 있다.In the gas turbine according to an embodiment of the present invention, the coupling part may be integrally formed with the injector.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 제2 열팽창율은 제1 열팽창율 보다 클 수 있다.In the gas turbine according to an embodiment of the present invention, the second thermal expansion rate may be greater than the first thermal expansion rate.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용시에는 연소시의 고온 환경에서 인젝터 모듈과 주입 실린더 간의 기밀한 씰링을 유지할 수 있으며, 운전 정지시에는 인젝터 모듈과 주입 실린더의 체결 상태가 느슨하게 되어 용이하게 탈부착 가능한 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, in use, it is possible to maintain a hermetic sealing between the injector module and the injection cylinder in a high temperature environment during combustion, and when the operation stops, the fastening state of the injector module and the injection cylinder is loosened and easily detachable. It works.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 단부가 확대 도시된 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 인젝터 모듈이 도시된 단면도이다. 1 is a view showing the inside of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a combustor according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view showing a fuel nozzle according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing a fuel nozzle according to an embodiment of the present invention.
5 is an enlarged cross-sectional view of an end portion of a fuel nozzle according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 and 7 are cross-sectional views showing the injector module in the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, a fuel nozzle, a combustor and a gas turbine including the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like numbers refer to like elements in the figures.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. In addition, throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, except to exclude other components unless specifically stated otherwise. In addition, throughout the specification, "on" means to be located above or below the target portion, and does not necessarily mean to be located above the gravity direction.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기가 도시된 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 사시도이다.1 is a view showing the inside of a gas turbine according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing a combustor according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is according to an embodiment of the present invention A fuel nozzle is shown in perspective view.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(1100), 압축기로부터 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(1200) 및 연소기에서 발생한 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(1300)을 포함한다. 본 명세서에서는 연료 또는 공기 흐름의 선후를 기준으로 상류 및 하류를 규정하도록 한다.1 to 3, the gas turbine according to an embodiment of the present invention is a
가스 터빈의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다. 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.The thermodynamic cycle of the gas turbine can ideally follow the Brayton cycle. The Brayton cycle consists of four processes: isotropic compression (thermal insulation compression), static pressure quenching, isotropic expansion (thermal insulation expansion), and constant pressure heat dissipation. That is, the air is inhaled and compressed to high pressure, and the fuel is combusted in a constant pressure environment to release thermal energy. The high-temperature combustion gas is expanded and converted into kinetic energy, and the exhaust gas containing residual energy is released into the atmosphere. . That is, the cycle consists of four processes: compression, heating, expansion, and heat dissipation. The description of the present invention can be widely applied to a turbine engine having a configuration equivalent to that of the gas turbine 1000 illustrated by way of example in FIG. 1.
가스 터빈의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분으로서, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 역할을 한다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.The
가스 터빈을 구성하는 압축기(1100)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계될 수 있는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 대형 가스 터빈은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 다단 축류형 압축기가 적용되는 것이 일반적이다.The
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다.The
연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다. The
연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 회전축을 중심으로 환형으로 배치되는 복수개의 버너 모듈(1210)을 포함한다. 버너 모듈(1210)은 연료 유체가 연소하는 연소실(1240)을 포함하는 연소실 조립체(1220)와, 연소실(1240)로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체(1230)를 포함할 수 있다.The
가스 터빈에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있는데, 본 발명에서의 연료 유체는 이들을 의미한다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다. Gas turbines and liquid fuels, or combination fuels in combination thereof may be used in the gas turbine, and the fuel fluid in the present invention means them. It is important to create a combustion environment to reduce the amount of emission gas such as carbon monoxide and nitrogen oxide, which are legally regulated. Although combustion control is relatively difficult, it is possible to reduce the emission gas by lowering combustion temperature and making uniform combustion. Many premixed combustion is applied.
예혼합 연소의 경우에는 연료 노즐 조립체(1230)에서, 압축기(1100)로부터 유입된 압축 공기는 연료와 혼합된 후, 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다. In the case of premixed combustion, in the
연료 노즐 조립체(1230)는 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐(2000)을 포함하는데, 연료 노즐(2000)은 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 되도록 한다. 복수개의 연료 노즐(2000)은 하나의 내부 연료 노즐을 중심으로 복수개의 외부 연료 노즐이 방사상으로 배치될 수 있다. 연료 노즐(2000)에 대한 자세한 설명은 후술한다. The
연소실 조립체(1220)는 연소가 이루어지는 공간인 연소실(1240)을 구비하는데, 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 포함한다.
라이너(liner, 1250)는 연료 노즐 조립체(1230)의 하류측에 배치되며, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 라이너(1251)를 아우터 라이너(1252)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 라이너(1251)는 내부가 빈 관형 부재이고, 이너 라이너(1251)는 내부는 연소실(1240)을 이룬다. 압축 공기는 아우터 라이너(1252) 안쪽의 환형 공간 내부로 침투하여 이너 라이너(1251)를 냉각시킬 수 있다.The
한편, 라이너(1250)의 하류 측에는 트랜지션 피스(transition piece, 1260)가 위치하는데, 트랜지션 피스(1260)는 연소실(1240)에서 발생한 연소 가스를 터빈(1300)으로 고속으로 내보낼 수 있다. 트랜지션 피스(1260)는 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 트랜지션 피스(1262)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이너 트랜지션 피스(1261)도 이너 라이너(1251)와 마찬가지로 내부가 빈 관형 부재로 형성되며, 라이너(1250)에서 터빈(1300) 측으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다. 이 때, 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)는 플레이트 스프링 씰(미도시)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)의 각 단부는 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 플레이트 스프링 씰은 열팽창에 의한 길이 및 직경의 신장을 수용할 수 있는 구조로 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 지지할 수 있다. On the other hand, the transition piece (1260) is located downstream of the
이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 라이너(1252)와 아우터 트랜지션 피스(1262)가 감싸는 구조로 되어 있고, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252) 사이의 환형 공간과 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262) 사이의 환경 공간 안으로 압축 공기가 침투할 수 있다. 이와 같은 환형 공간을 침투한 압축 공기는 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 냉각시킬 수 있다.The
한편, 연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소 가스는 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 통해 터빈(1300)으로 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소 가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌하여 반동력을 줌으로써 연소 가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.Meanwhile, the hot and high pressure combustion gas produced by the
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 대해 설명한다.Hereinafter, a fuel nozzle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐(2000)은 주입 실린더(2100), 스월러(2200), 인젝터 모듈(2300), 노즐 플랜지(2400), 슈라우드(2500)를 포함한다.The
주입 실린더(2100)는 연료를 공급하며 연료와 공기를 예혼합하는 수단으로서, 일 방향으로 연장 형성된다. 주입 실린더(2100)는 일반적으로 원통형으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에서는 원통형의 주입 실린더(2100)를 예시로 한다.The
주입 실린더(2100) 내부에는 연료 가스가 유동하는 가스 유로(2110)가 형성될 수 있다. 가스 유로(2110)는 스월러(2200) 내부와 연통하며, 연료 가스는 스월러(2200) 내부의 연통된 유로를 거쳐 스월러(2200) 내외부를 관통하는 유출구(2210)를 통해 배출될 수 있다. 배출된 연료 가스는 압축기(1100)로부터 공급되는 압축 공기와 혼합된다. A
또한, 주입 실린더(2100) 내부에는 액체 연료가 유동하는 액체 유로(2120)가 형성될 수 있다. 액체 유로(2120)는 노즐 플랜지(2400)로부터 인젝터 모듈(2300)과 연통하도록 형성될 수 있다. 액체 유로(2120)를 통해 증류수, 바이오 디젤(bio-diesel), 에탄올 등과 같은 2차 연료가 유동될 수 있다.In addition, a
또한, 주입 실린더(2100)에는 그 내부로 공기가 유입되는 공기 유입구(2130) 및 공기와 연료가 혼합되어 배출되는 배출구(2120)가 형성될 수 있다. 배출구(2120)는 주입 실린더(2100)의 하류 일단에 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 원통형의 주입 실린더(2100)의 바닥면에 형성된 것을 예시로 한다.In addition, the
슈라우드(shroud, 2500)는 주입 실린더(2100)와 이격되어 주입 실린더(2100)를 길이방향으로 둘러싸도록 형성되어, 연료 및 공기가 지날 수 있도록 유로를 구성한다. 슈라우드(2500)는 주입 실린더(2100)의 연장 방향을 따라 연장 형성되는데, 바람직하게는 주입 실린더(2100)와 동심축을 갖고 주입 실린더(2100)와 일정 간격 이격되어 주입 실린더(2100)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 원통형의 슈라우드(2500)를 예시로 한다. 이 경우, 주입 실린더(2100)와 슈라우드(2500)에 의해 형성되는 유로의 단면은 환상(環狀)으로 형성될 수 있다.The
스월러(swirler, 2200)는 주입 실린더(2100) 중간의 외주면에 방사형으로 배열되어, 슈라우드(2500)와 주입 실린더(2100) 사이의 공간으로 유입된 연료 유체에 회전 유동이 발생하도록 한다. 스월러(2200)는 그 내부에 주입 실린더(2100)의 가스 유로(2110)와 연통되는 유로가 형성될 수 있다. A
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 단부가 확대 도시된 단면도이며, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에서 인젝터 모듈이 도시된 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is an enlarged cross-sectional view of the end of the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention, Figures 6 and 7 of the present invention A cross-sectional view of an injector module in a fuel nozzle according to an embodiment.
일반적으로, 가스 터빈은 가스를 예혼합하여 연소실로 공급한다. 또한, 가스 터빈은 액체 연료를 2차 연료 또는 예비 연료로서 분사하는 리퀴드 인젝터(liquid injector, 이하 '인젝터'라 함)를 구비하는 경우가 많다. 인젝터는 적절한 성능을 확보하기 위해 가스 예혼합이 이루어지는 유로 내에서 기밀한 씰링을 유지하는 것이 바람직하다.Generally, a gas turbine premixes gas and supplies it to a combustion chamber. In addition, gas turbines are often provided with a liquid injector (hereinafter referred to as an 'injector') for injecting liquid fuel as secondary fuel or preliminary fuel. The injector preferably maintains hermetic sealing in the flow path where gas premixing is performed to ensure proper performance.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은, 사용시에는 연소시의 고온 환경에서 기밀한 씰링을 유지할 수 있으며, 운전 정지시에는 용이하게 탈부착 가능한 인젝터 모듈(2300)을 포함한다.The fuel nozzle according to the embodiment of the present invention may maintain an airtight sealing in a high temperature environment at the time of use when in use, and includes an
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에서, 인젝터 모듈(2300)은 주입 실린더(2100)에 형성된 삽입 부위에 삽입 배치되고, 주입 실린더(2100)의 열팽창율과 상이한 열팽창율을 가진 물질로 이루어질 수 있다. 주입 실린더(2100)를 이루는 물질의 열팽창율을 제1 열팽창율이라 할 때, 인젝터 모듈(2300)은 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어질 수 있다. 인젝터 모듈(2300)의 열팽창율이 주입 실린더(2100)의 열팽창율 보다 크도록 인젝터 모듈(2300)을 구성하는 것이 바람직하다. 물론, 그 반대로, 주입 실린더(2100)의 열팽창율이 인젝터 모듈(2300)의 열팽창율 보다 크도록 인젝터 모듈(2300)을 구성할 수도 있다. In the fuel nozzle according to the embodiment of the present invention, the
구체적으로 인젝터 모듈(2300)은 인젝터(2310)와 인젝터 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 주입 실린더(2100)를 이루는 물질의 열팽창율(제1 열팽창율)과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부(2320)를 포함한다. 여기서, 인젝터(2310)는 액체 연료를 분사하는 장치로서, 분무액체 연료 분사장치, 제트 분사장치, 오리피스형 분사장치 등 여러 타입의 분사장치가 될 수 있으며, 본 명세서에서는 그 구조나 작동 원리에 제한을 두지 않는다.In detail, the
도 6에 도시된 바와 같이, 결합부(2320)는 주입 실린더(2100)의 내벽을 관통하여 주입 실린더(2100)에 삽입되며, 결합부(2320)의 외주면은 나사산 형상으로 형성된다. 이때, 주입 실린더(2100)에는 결합부(2320)의 나사산과 체결될 수 있도록 대응되는 나사산 형상이 관통 형성된다. 결합부(2320)의 내주면은 인젝터(2310)의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되어, 인젝터(2310)가 결합부(2320)에 끼워질 수 있다. As shown in FIG. 6, the
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 결합부(2320)는 인젝터(2310)와 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 결합부(2320)가 인젝터의 외관을 형성하는 하우징 기능을 수행할 수 있다. 이때, 인젝터 내부(2311)는 액체 연료 분사를 위한 구성을 구비하며, 인젝터의 하우징은 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어지며 나사산 형상을 구비한 결합부(2320)로 형성될 수 있다. 이때, 제2 열팽창율이 제1 열팽창율 보다 작게 형성되어도 무방하지만, 제2 열팽창율이 제1 열팽창율 보다 큰 것이 바람직하다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 7, the
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 동작 과정을 설명한다.It describes the operation of the fuel nozzle according to an embodiment of the present invention configured as described above.
먼저, 연료 노즐(2000) 설계시에, 주입 실린더(2100)에 관통 형성된 나사산 형상의 삽입 부위를 인젝터 모듈(2300)의 폭 크기 보다 조금 크도록 하여, 다소 느슨한 상태로 인젝터 모듈(2300)이 주입 실린더(2100)에 삽입되도록 한다. 이때, 인젝터 모듈(2300)의 열팽창율이 주입 실린더(2100)의 열팽창율 보다 크도록 한다.First, when designing the
가스 터빈 사용시에는, 연소기(1200)의 온도가 상승함에 따라 인젝터 모듈(2300)(구체적으로는, 결합부(2320))은 주입 실린더(2100)의 보다 많이 팽창하게 되고, 지속적으로 열을 받음에 따라 인젝터 모듈(2300)이 팽창하여 주입 실린더(2100)에 관통 형성된 삽입 부위를 기밀하게 씰링하게 된다.When using a gas turbine, as the temperature of the
가스 터빈 운전 정지시에는, 연소기(1200)의 온도가 하강함에 따라 인젝터 모듈(2300)은 주입 실린더(2100) 보다 수축 속도가 빨라지게 된다. 이에 따라, 인젝터 모듈(2300)과 주입 실린더(2100)의 체결 상태는 느슨한 상태가 되고, 이 상태에서 인젝터 모듈(2300)을 회전시키면 용이하게 탈착할 수 있게 된다.When the gas turbine stops operating, the
인젝터 모듈(2300)의 열팽창율이 주입 실린더(2100)의 열팽창율 보다 작은 경우에는, 주입 실린더(2100)가 빨리 팽창하고 수축하는 차이가 있을 뿐, 가스 터빈 사용시에는 인젝터 모듈(2300)이 기밀하게 씰링하고, 가스 터빈 운전 정지시에는 느슨한 상태가 되어 용이하게 탈부착 가능한 점은 동일하다. 다만, 주입 실린더(2100)의 크기보다 인젝터 모듈(2300)의 크기가 상대적으로 작으므로, 인젝터 모듈(2300)의 열팽창율이 주입 실린더(2100)의 열팽창율 보다 크도록 하는 것이 제조 비용이나 설비 유지의 측면에서 유리하다.When the thermal expansion rate of the
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다. The embodiments and drawings attached to this specification are merely to clearly show some of the technical ideas included in the present invention, and those skilled in the art can easily infer within the scope of the technical ideas included in the specification and drawings of the present invention. Various modifications and specific embodiments that can be made will be apparent to be included in the scope of the invention.
1100 : 압축기 1200 : 연소기
1210 : 버너 모듈 1220 : 연소실 조립체
1230 : 연료 노즐 조립체 1300 : 터빈
2000 : 연료 노즐 2100 : 주입 실린더
2200 : 스월러 2300 : 인젝터 모듈
2310 : 인젝터 2320 : 결합부
2400 : 노즐 플랜지 2500 : 슈라우드1100: compressor 1200: combustor
1210: burner module 1220: combustion chamber assembly
1230
2000: fuel nozzle 2100: injection cylinder
2200: swirler 2300: injector module
2310: injector 2320: coupling
2400: nozzle flange 2500: shroud
Claims (17)
상기 주입 실린더와 이격 형성되며, 상기 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드;
상기 주입 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성된 스월러; 및
상기 주입 실린더에 형성된 삽입부위에 삽입되며 액체 연료를 분사하는 인젝터 모듈을 포함하며,
상기 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 상기 인젝터 모듈은 상기 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어지는 연료 노즐.
An injection cylinder extending in one direction to supply fuel fluid to the combustion chamber;
A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder;
A swirler formed between the injection cylinder and the shroud; And
It is inserted into the insertion portion formed in the injection cylinder and comprises an injector module for injecting liquid fuel,
And the injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
인젝터와, 상기 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 상기 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부를 포함하는 연료 노즐.
The method of claim 1, wherein the injector module,
A fuel nozzle comprising an injector and a coupling portion formed of a material having a shape corresponding to an outer shape of the injector and having a second coefficient of thermal expansion.
상기 결합부의 외주면은 나사산 형상으로 형성되고, 상기 결합부의 내주면은 상기 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되는 연료 노즐.
The method of claim 2,
The outer circumferential surface of the coupling portion is formed in a thread shape, the inner circumferential surface of the coupling portion is formed in a shape corresponding to the external shape of the injector.
상기 결합부는 상기 인젝터와 일체로 형성되는 연료 노즐.
The method of claim 2,
The coupling part is a fuel nozzle formed integrally with the injector.
상기 제2 열팽창율은 상기 제1 열팽창율 보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 노즐.
The method according to any one of claims 1 to 4,
And said second thermal expansion rate is greater than said first thermal expansion rate.
상기 주입 실린더 내부에는 액체 연료가 유동하는 액체 유로가 형성되고, 상기 액체 유로는 상기 인젝터 모듈과 연통하는 연료 노즐.
The method according to any one of claims 1 to 4,
A liquid passage through which liquid fuel flows is formed in the injection cylinder, and the liquid passage communicates with the injector module.
상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하며,
상기 연료노즐은,
일 방향으로 연장 형성되어 상기 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더;
상기 주입 실린더와 이격 형성되며, 상기 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드;
상기 주입 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성된 스월러;
상기 주입 실린더에 형성된 삽입부위에 삽입되며 액체 연료를 분사하는 인젝터 모듈을 포함하며,
상기 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 상기 인젝터 모듈은 상기 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어지는 연소기.
A combustion chamber assembly comprising a combustion chamber in which fuel fluid combusts;
A fuel nozzle assembly comprising a plurality of fuel nozzles for injecting the fuel fluid into the combustion chamber,
The fuel nozzle,
An injection cylinder extending in one direction to supply fuel fluid to the combustion chamber;
A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder;
A swirler formed between the injection cylinder and the shroud;
It is inserted into the insertion portion formed in the injection cylinder and comprises an injector module for injecting liquid fuel,
And the injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
인젝터와, 상기 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 상기 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부를 포함하는 연소기.
The method of claim 7, wherein the injector module,
A combustor comprising an injector and a coupling portion formed of a material having a shape corresponding to an outer shape of the injector and having a second coefficient of thermal expansion.
상기 결합부의 외주면은 나사산 형상으로 형성되고, 상기 결합부의 내주면은 상기 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되는 연소기.
The method of claim 8,
The outer circumferential surface of the coupling portion is formed in a thread shape, the inner circumferential surface of the coupling portion is formed in a shape corresponding to the external shape of the injector.
상기 결합부는 상기 인젝터와 일체로 형성되는 연소기.
The method of claim 8,
Combustor is formed integrally with the injector.
상기 제2 열팽창율은 상기 제1 열팽창율 보다 큰 것을 특징으로 하는 연소기.
The method according to any one of claims 7 to 10,
And said second coefficient of thermal expansion is greater than said first coefficient of thermal expansion.
상기 주입 실린더 내부에는 액체 연료가 유동하는 액체 유로가 형성되고, 상기 액체 유로는 상기 인젝터 모듈과 연통하는 연소기.
The method according to any one of claims 7 to 10,
And a liquid passage through which liquid fuel flows is formed in the injection cylinder, and the liquid passage communicates with the injector module.
상기 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈;을 포함하며,
상기 연소기는,
연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하며,
상기 연료노즐은,
일 방향으로 연장 형성되어 상기 연소실에 연료 유체를 공급하는 주입 실린더;
상기 주입 실린더와 이격 형성되며, 상기 주입 실린더를 둘러싸는 슈라우드;
상기 주입 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성된 스월러;
상기 주입 실린더에 형성된 삽입부위에 삽입되며 액체 연료를 분사하는 인젝터 모듈을 포함하며,
상기 주입 실린더는 제1 열팽창율을 가진 물질로 이루어지고, 상기 인젝터 모듈은 상기 제1 열팽창율과 상이한 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어지는 가스 터빈.
A compressor for compressing incoming air;
A combustor for mixing and combusting the compressed air and fuel in the compressor; And
And a turbine generating power from the gas burned in the combustor.
The combustor,
A combustion chamber assembly comprising a combustion chamber in which fuel fluid combusts;
A fuel nozzle assembly comprising a plurality of fuel nozzles for injecting the fuel fluid into the combustion chamber,
The fuel nozzle,
An injection cylinder extending in one direction to supply fuel fluid to the combustion chamber;
A shroud formed spaced apart from the injection cylinder and surrounding the injection cylinder;
A swirler formed between the injection cylinder and the shroud;
It is inserted into the insertion portion formed in the injection cylinder and comprises an injector module for injecting liquid fuel,
The injection cylinder is made of a material having a first coefficient of thermal expansion, and the injector module is made of a material having a second coefficient of thermal expansion different from the first coefficient of thermal expansion.
인젝터와, 상기 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되며 상기 제2 열팽창율을 가진 물질로 이루어진 결합부를 포함하는 가스 터빈.
The method of claim 13, wherein the injector module,
A gas turbine comprising an injector and a coupling portion formed of a material having a shape corresponding to an outer shape of the injector and having a second coefficient of thermal expansion.
상기 결합부의 외주면은 나사산 형상으로 형성되고, 상기 결합부의 내주면은 상기 인젝터의 외관 형상과 대응되는 형상으로 형성되는 가스 터빈.
The method of claim 14,
The outer circumferential surface of the coupling portion is formed in a thread shape, the inner circumferential surface of the coupling portion is formed in a shape corresponding to the external shape of the injector.
상기 결합부는 상기 인젝터와 일체로 형성되는 가스 터빈.
The method of claim 14,
The coupling portion is a gas turbine formed integrally with the injector.
상기 제2 열팽창율은 상기 제1 열팽창율 보다 큰 것을 특징으로 하는 가스 터빈.The method according to any one of claims 13 to 16,
And said second coefficient of thermal expansion is greater than said first coefficient of thermal expansion.
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