KR102663869B1

KR102663869B1 - 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈

Info

Publication number: KR102663869B1
Application number: KR1020220007492A
Authority: KR
Inventors: 보리스 세르쉬뇨프
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: EP4212777A1; US11815266B2; KR20240067858A; US20230228423A1; JP7524509B2; KR102721786B1; JP2023104876A; KR20230111530A; EP4212777B1

Abstract

본 발명은 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스월러가 배치된 복수 개의 튜브를 포함하는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 공기와 연료가 튜브 내에서 스월러를 통과하게 되면서, 공기와 연료의 혼합 특성이 향상되고, 질소산화물 발생을 최소화하며 화염안정성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

Description

연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{Nozzle for combustor, combustor, and gas turbine including the same}

본 발명은 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스월러가 배치된 복수 개의 튜브를 포함하는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

연료는 각 연소기 내에 설치된 노즐을 통해서 분사되며 노즐은 기체 연료 및 액체 연료를 분사할 수 있다. 근래에는 이산화탄소의 배출을 억제하기 위해서 수소 연료 또는 수소를 포함하는 연료의 사용이 권장되고 있다.

그러나 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 가스 터빈 연소기로 이들의 연료를 연소시켰을 경우에, 가스 터빈 연소기내에서 형성되는 화염이 가스 터빈 연소기의 구조물로 접근해 가열하고, 가스 터빈 연소기의 신뢰성으로 문제를 일으킬 가능성이 있다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료와 공기의 혼합 특성을 향상시켜 질소산화물 발생을 최소화하고 화염안정성을 높일 수 있는 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기용 노즐은 노즐모듈을 포함한다. 노즐모듈은 연료공급관, 연료플리넘, 공기유입구, 복수 개의 튜브, 스월러를 포함한다. 연료공급관은 전방에서 후방으로 연료를 공급한다. 연료플리넘은 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성되고, 연료공급관과 연통한다. 공기유입구는 연료플리넘의 전방에 형성된다. 튜브는 연료플리넘의 전후를 관통하여 배치되되 연료플리넘에 의해 지지되고, 전단이 공기유입구와 연통하며, 측부에 연료 유로와 연통하는 연료포트가 형성된다. 스월러는 튜브의 내주면에서 축방향 및 원주방향으로 경사지게 배치되어 유체를 선회시키는 복수 개의 선회가이드를 포함하고, 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 개구된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 스월러는 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 원형으로 개구될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 선회가이드는 튜브의 축방향에서 바라볼 때 연속적인 환형으로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 선회가이드는 튜브의 축방향을 따라 연장된 직선부 및 직선부의 후단으로부터 튜브의 축방향 및 원주방향으로 연장된 선회부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 선회부는 튜브에서 곡선의 형태로 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 튜브의 축방향을 기준으로, 선회부의 길이는 직선부의 길이보다 길게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 직선부의 전단부에는, 튜브의 내측으로 갈수록 후방으로 경사진 경사부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브 및 선회가이드를 관통하고, 선회가이드에 배치되는 제1연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브 및 선회가이드를 관통하고, 직선부에 배치되는 제1연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브를 관통하고, 복수 개의 선회가이드 사이에 배치되는 제2연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브를 관통하고, 복수 개의 직선부 사이에 배치되는 제2연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브를 관통하고, 복수 개의 선회부 사이에 배치되는 제2연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 스월러는 튜브의 전단부에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브를 관통하고, 스월러의 전방에 배치되는 제3연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기용 노즐에서 연료포트는 튜브를 관통하고, 스월러의 후방에 배치되는 제4연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기는 연소기용 노즐, 덕트조립체를 포함한다. 연소기용 노즐은 노즐모듈을 포함한다. 덕트조립체는 노즐의 일측에 결합되며 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달한다. 노즐모듈은 연료공급관, 연료플리넘, 공기유입구, 복수 개의 튜브, 스월러를 포함한다. 연료공급관은 전방에서 후방으로 연료를 공급한다. 연료플리넘은 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성되고, 연료공급관과 연통한다. 공기유입구는 연료플리넘의 전방에 형성된다. 튜브는 연료플리넘의 전후를 관통하여 배치되되 연료플리넘에 의해 지지되고, 전단이 공기유입구와 연통하며, 측부에 연료 유로와 연통하는 연료포트가 형성된다. 스월러는 튜브의 내주면에서 축방향 및 원주방향으로 경사지게 배치되어 유체를 선회시키는 복수 개의 선회가이드를 포함하고, 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 개구된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 스월러는 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 원형으로 개구된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 선회가이드는 튜브의 축방향을 따라 연장된 직선부 및 직선부의 후단으로부터 튜브의 축방향 및 원주방향으로 연장된 선회부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기에서 연료포트는 튜브 및 선회가이드를 관통하고, 선회가이드에 배치되는 제1연료포트를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 외부에서 유입된 공기를 압축한다. 연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소한다. 터빈은 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 연소기는 노즐, 덕트조립체를 포함한다. 노즐은 노즐모듈을 포함한다. 덕트조립체는 노즐의 일측에 결합되며 압축 공기와 연료가 내부에서 연소되며 연소된 연소 가스를 터빈으로 전달한다. 노즐모듈은 연료공급관, 연료플리넘, 공기유입구, 복수 개의 튜브, 스월러를 포함한다. 연료공급관은 전방에서 후방으로 연료를 공급한다. 연료플리넘은 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성되고, 연료공급관과 연통한다. 공기유입구는 연료플리넘의 전방에 형성된다. 튜브는 연료플리넘의 전후를 관통하여 배치되되 연료플리넘에 의해 지지되고, 전단이 공기유입구와 연통하며, 측부에 연료 유로와 연통하는 연료포트가 형성된다. 스월러는 튜브의 내주면에서 축방향 및 원주방향으로 경사지게 배치되어 유체를 선회시키는 복수 개의 선회가이드를 포함하고, 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 개구된다.

본 발명에 따른 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈은 스월러가 배치된 복수 개의 튜브를 포함하여, 공기와 연료의 혼합 특성을 향상시키고 질소산화물 발생을 최소화하며 화염안정성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐에서 노즐모듈이 튜브조립체에 결합된 모습을 나타낸 종단면도이다.
도 4는 도 3에서 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3에서 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 스월러의 주변에 형성된 유속 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐의 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐의 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 노즐의 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 종단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

이하, 본 발명에 따른 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈에 대하여 설명한다. 본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기에서, 압축기(1100)의 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동하는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 영향을 미치게 된다.

터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드와 터빈 베인을 포함한다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 삽입된다. 터빈 베인은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 블레이드는 연소가스에 의하여 회전하면서 회전력을 생성한다.

한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 적용되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 노즐(1220), 덕트 조립체(1240)를 포함할 수 있다.

연소기 케이싱(1210)은 노즐(1220)을 감싸며 대략 원형 실린더 형상으로 이루어질 수 있다. 노즐(1220)은 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 노즐(1220)에는 적어도 하나 이상의 노즐모듈(1400)이 구비되며, 이 노즐모듈(1400)에서는 연료와 공기가 적절한 비율로 혼합된 뒤 분사되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.

가스 터빈(1000)에는 가스 연료가 사용될 수 있으며, 특히 수소를 포함하는 연료가 사용될 수 있다. 연료는 수소 연료 단독 또는 수소와 천연가스를 포함하는 연료로 이루어질 수 있다.

덕트 조립체(1240)는 노즐(1220)과 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하고, 덕트 조립체(1240)의 외면에서는 압축공기가 흘러 노즐(1220) 측으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1240)가 적절히 냉각된다.

덕트 조립체(1240)는 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242), 유동 슬리브(1243)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1240)는 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242)의 바깥을 유동 슬리브(1243)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1243) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242)를 냉각시킨다.

라이너(1241)는 연소기(1200)의 노즐(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1241) 내부의 공간이 연소실(1230)을 형성하게 된다. 라이너(1241)의 길이방향 일측 단부는 노즐(1220)에 결합되고 라이너(1241)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1242)에 결합된다.

그리고, 트랜지션피스(1242)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1242)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1241)와 결합되고, 트랜지션피스(1242)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1243)는 라이너(1241)와 트랜지션피스(1242)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐에서 노즐모듈이 튜브조립체에 결합된 모습을 나타낸 종단면도이고, 도 4는 도 3에서 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 3에서 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 정면도이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 스월러의 주변에 형성된 유속 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 적어도 한 개 이상의 노즐모듈(1400)을 포함한다. 노즐모듈(1400)은 연료공급관(1420)과 튜브조립체(1500)를 포함하고, 튜브조립체(1500)는 스월러(1530)를 포함한다.

연료공급관(1420)은 전방에서 후방으로 연료를 공급하는 관형 부재이다. 연료공급관(1420)의 내부에는 연료가 이동하는 유로가 형성된다. 연료공급관(1420)의 전단부에는 플랜지(1410)가 배치될 수 있고, 연료는 플랜지(1410)로 공급되어 연료공급관(1420)의 내부에서 유동할 수 있다.

튜브조립체(1500)는 연료플리넘(1510), 튜브(1520), 스월러(1530)를 포함한다. 연료플리넘(1510)은 대략 원통형으로 형성되고, 연료공급관(1420)의 후단 측 적어도 일부를 감싸도록 배치될 수 있다. 연료플리넘(1510)의 전단부에는 공기가 유입될 수 있도록 개구된 공기유입구(1511)가 형성된다.

연료플리넘(1510)의 후단에는 지지판(1512)이 배치되고, 연료플리넘(1510)의 후단과 공기유입구(1511) 사이에도 지지판(1512)이 배치될 수 있다. 연료공급관(1420)은 연료플리넘(1510)의 후단과 공기유입구(1511) 사이에 배치된 지지판(1512)을 관통하고, 후단에 배치된 지지판(1512)까지 삽입되어 배치될 수 있다. 한편, 연료플리넘(1510)에 배치된 두 개의 지지판(1512) 사이에는 공간이 형성되고, 상기 공간은 연료공급관(1420)과 연통하게 된다. 이에 따라, 상기 공간에서는 연료가 이동하는 연료 유로(1513)가 형성된다.

연료플리넘(1510)에는 튜브(1520)가 배치된다. 튜브(1520)는 복수 개가 구비될 수 있고, 복수 개의 튜브(1520)는 다발의 형태로 연료플리넘(1510)에 배치될 수 있다. 튜브(1520)는 연료플리넘(1510)의 후단 측에 배치된 지지판(1512)으로 삽입되어, 두 개의 지지판(1512)을 모두 관통하여 배치된다. 이에 따라, 각각의 튜브(1520)는 연료 유로(1513)에 삽입되어 배치되게 된다. 그리고, 튜브(1520)는 두 개의 지지판(1512)에 의해 지지될 수 있다. 한편, 튜브(1520)와 지지판(1512) 사이의 틈은 밀봉 처리되어, 연로 유로에서 연료가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.

튜브(1520)의 전단부에서는 공기가 유입될 수 있다. 연료플리넘(1510)의 공기유입구(1511)를 통해 유입된 공기는 복수 개의 튜브(1520)의 전단부에 각각 유입될 수 있다. 유입된 공기는 튜브(1520)를 통과하여 튜브(1520)의 후단부에서 토출될 수 있다. 튜브(1520)의 후단부는 연소실(1230)과 연통된다. 따라서, 튜브(1520)에서 공기와 연료가 혼합되고, 혼합된 유체는 튜브(1520)의 후단부에서 토출되어 연소실(1230)로 분사되게 된다.

튜브(1520)에는 연료포트가 형성된다. 연료포트는 튜브(1520)의 측부에 형성된다. 연료포트는 연료플리넘(1510)의 연료 유로(1513)와 연통하고, 튜브(1520)의 내측 유로와도 연통한다. 이에 따라, 연료포트를 통해서 연료 유로(1513)에서 유동하는 연료가 튜브(1520)의 내부로 유입될 수 있다. 튜브(1520)의 내부에서는 공기와 연료가 함께 유동하게 되므로, 공기와 연료가 서로 혼합되게 된다.

튜브(1520)의 내부에는 스월러(1530)가 배치된다. 스월러(1530)는 튜브(1520)에서 유동하는 유체, 즉, 공기 및 연료의 유동을 선회시키는 구성이다. 스월러(1530)는 유체를 선회시키는 선회가이드(1531)를 포함한다. 선회가이드(1531)는 복수 개가 구비될 수 있다. 선회가이드(1531)는 튜브(1520)의 내주면에 배치된다.

튜브(1520) 및 스월러(1530)를 튜브(1520)의 축방향에서 바라볼 때, 스월러(1530)의 중앙부분은 개구되어 있다. 이에 따라, 튜브(1520)에서 유체가 스월러(1530)를 통과한 경우, 유체의 유동은 직선방향으로 유동하는 직선유동과 선회하여 유동하는 선회유동으로 나뉘게 된다. 스월러(1530)의 중앙에 개구된 부분을 통과하는 유체는 직선유동하게 된다. 그리고, 스월러(1530)의 선회가이드(1531)를 통과하는 유체는 선회유동하게 된다. 이 때, 유체가 스월러(1530)를 통과한 이후에는 중앙에 직선유동이 형성되고, 직선유동의 주위에 선회유동이 둘러싸게 된다.

직선유동은 유동 저항을 감소시켜 압력손실을 최소화하고, 유체를 빠른 속도로 직진시킬 수 있다. 또한, 직선유동은 유체를 빠른 속도로 밀어내기 때문에 화염이 부착되거나 화염이 역화하는 것을 최소화할 수 있다. 선회유동은 유체를 선회시켜 공기와 연료의 혼합도를 개선할 수 있다. 직선유동과 선회유동은 서로 완전히 분리되는 것이 아니고, 직선유동에 선회유동이 끌려가도록 형성될 수 있다. 따라서, 직선유동과 선회유동이 함께 형성됨에 따라, 공기와 연료 혼합 유체의 압력손실을 최소화하면서도 혼합도를 개선시킬 수 있다는 장점이 있다.

튜브(1520) 및 스월러(1530)를 튜브(1520)의 축방향에서 바라볼 때, 스월러(1530)의 중앙부분은 원형의 형상으로 개구될 수 있다. 이 경우, 직선 유동은 횡단면이 원형으로 형성될 수 있다.

또한, 튜브(1520) 및 스월러(1530)를 튜브(1520)의 축방향에서 바라볼 때, 선회가이드(1531)는 환형으로 배치될 수 있다. 이 때, 선회가이드(1531)는 연속적인 환형으로 배치될 수 있다. 축방향에서 바라볼 때, 서로 인접한 선회가이드(1531)는 서로 겹쳐지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 스월러(1530)의 중앙부분을 제외한 부분은 모두 선회가이드(1531)가 차지하게 되고, 이에 따라, 직선유동의 외둘레를 선회유동이 모두 감쌀 수 있게 된다.

선회가이드(1531)는 직선부(1532)와 선회부(1533)를 포함할 수 있다. 직선부(1532)는 튜브(1520)의 축방향을 따라 길게 연장된다. 직선부(1532)는 튜브(1520)의 내주면에서 튜브(1520) 내측으로 돌출되고 길이방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 직선부(1532)는 선회가이드(1531)의 전방측에 배치될 수 있다. 직선부(1532)는 스월러(1530)로 유입되는 유체를 튜브(1520)의 축방향으로 안내하는 구성이다. 직선부(1532)는 유체가 선회부(1533)를 통과하기전에 유체를 축방향으로 안내하기 때문에 선회가이드(1531)에서의 압력손실을 최소화한다.

직선부(1532)의 후측에는 선회부(1533)가 배치될 수 있다. 선회부(1533)는 직선부(1532)의 후단으로부터 연장되어 형성될 수 있다. 선회부(1533)는 튜브(1520)의 내주면에서 튜브(1520)의 내측으로 돌출될 수 있다. 선회부(1533)는 튜브(1520)의 축방향 및 원주방향으로 연장된다. 즉, 선회부(1533)는 축방향과 원주방향의 사이방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 선회부(1533)는 직선부(1532)를 통과한 유체를 선회시키는 구성이다.

선회부(1533)는 곡선의 형태로 경사지게 형성될 수 있다. 선회부(1533)는 튜브(1520)의 축방향 및 원주방향으로 경사지게 형성되되, 튜브(1520)의 전단 또는 후단을 향해서 볼록하게 또는 오목하게 형성될 수 있다. 이 경우, 선회부(1533)를 지나는 유체의 유동저항을 줄이면서도 유체를 효과적으로 선회시킬 수 있다. 그리고, 선회부(1533)와 직선부(1532)가 만나는 부분은 서로 완만하게 연속적으로 이어지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 선회부(1533)에 유입되는 유체의 유동저항을 감소시킬 수 있다.

튜브(1520)의 축방향을 기준으로 선회부(1533)의 길이(L2)는 직선부(1532)의 길이(L1)보다 길게 형성될 수 있다. 선회가이드(1531)의 주된 목적은 유체를 선회시키는 것이다. 따라서, 직선부(1532)의 길이(L1)를 선회부(1533)의 길이(L2)보다 짧게 형성하면, 유체를 효과적으로 선회시키면서도 스월러(1530) 전체의 크기를 컴팩트하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.

선회가이드(1531)의 직선부(1532)에는 경사부(1534)가 형성될 수 있다. 경사부(1534)는 직선부(1532)의 전단부에 형성될 수 있다. 경사부(1534)는 튜브(1520)의 내측으로 갈수록 후방으로 경사지게 형성될 수 있다. 직선부(1532)는 튜브(1520)의 내주면에서 튜브(1520)의 내측을 향해 돌출되어 형성되기 때문에 유체가 직선부(1532)로 유입될 때, 직선부(1532)의 전단부에서는 유동저항이 크게 형성된다. 이때, 직선부(1532)에 경사부(1534)가 배치되면, 직선부(1532)로 유입되는 유체의 유동저항을 감소시킬 수 있게 된다.

연료포트는 제1연료포트(1521)를 포함할 수 있다. 제1연료포트(1521)는 선회가이드(1531)에 배치되는 연료포트이다. 도면에서는 제1연료포트(1521)가 선회가이드(1531)의 튜브(1520) 내측단에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제1연료포트(1521)는 선회가이드(1531)의 측부에 형성될 수도 있다. 제1연료포트(1521)는 튜브(1520)의 내외부와 선회가이드(1531)를 모두 관통하여 형성된다. 이에 따라, 연료플리넘(1510)의 연료 유로(1513)의 연료가 제1연료포트(1521)를 통과하여, 선회가이드(1531)에서 연료가 분사될 수 있다. 제1연료포트(1521)가 선회가이드(1531)에 배치됨에 따라, 직선유동 또는 선회유동하는 유체에 연료를 직접 분사할 수 있다. 제1연료포트(1521)는 선회가이드(1531)의 직선부(1532) 또는 선회부(1533)에 형성될 수 있다.

제1연료포트(1521)가 직선부(1532)에 형성될 경우, 유체가 스월러(1530)에 유입되자마자 곧바로 연료가 분사될 수 있다. 이 때, 제1연료포트(1521)는 직선부(1532)의 경사부(1534)에 배치될 수 있다. 이 경우, 제1연료포트(1521)에서 분사된 연료는 유동이 직선유동과 선회유동으로 분리될 수 있다.

스월러(1530)는 튜브(1520)의 전단부에 배치될 수 있다. 이 때, 튜브(1520)의 전단부라 함은, 반드시 튜브(1520)의 전방 끝부분만을 지칭하는 것이 아니라, 튜브(1520)의 전방 끝부분과 그 주변을 지칭하는 것이다. 따라서, 스월러(1530)의 선회가이드(1531)는 튜브(1520)의 전방 끝부분과 맞닿을수도 있고, 약간 이격되어 배치될 수도 있다. 스월러(1530)가 튜브(1520)의 전단부에 배치되는 경우, 유체의 선회가 튜브(1520)의 전단부부터 시작되므로, 튜브(1520)의 전체적인 길이를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 6에서는 스월러(1530) 주변의 유체의 유속이 개략적으로 나타나 있다. 스월러(1530)를 통과하기 전의 유속이 제1속도(V1)이고, 스월러(1530)를 통과한 후의 직선유동의 유속이 제2속도(V2)이며, 스월러(1530)를 통과한 후의 선회유동의 유속이 제3속도(V3)이다.

제1속도(V1) 내지 제3속도(V3)중 제2속도(V2)가 가장 빠르게 형성된다. 스월러(1530)의 중앙 개구된 부분을 통과하면서 유동단면적이 줄어들게 되고 이에 따라, 유동이 직선유동으로 전환되면서 유속이 제1속도(V1)에서 제2속도(V2)로 증가하게 된다. 그리고, 선회유동의 제3속도(V3)는 크기가 제1속도(V1)보다는 크지만 제2속도(V2)보다는 작게 형성된다. 선회가이드(1531)에 의해서 유체가 선회되기 때문에 유속이 감소하지만, 제2속도(V2)인 직선유동과의 상호작용에 의해, 선회유동의 유속은 제1속도(V1)보다는 크게 형성된다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐의 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 사시도이다.

이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 제2연료포트(1522)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 연료포트가 제2연료포트(1522)를 포함한다. 제2연료포트(1522)는 튜브(1520)를 관통하여 형성되고, 복수 개의 선회가이드(1531) 사이에 배치된다. 제2연료포트(1522)는 연료플리넘(1510)의 연료 유로(1513)와 연통하고, 튜브(1520)의 내부와 연통한다. 제2연료포트(1522)는 선회가이드(1531) 사이사이에 연료를 분사할 수 있다. 이에 따라, 제2연료포트(1522)에서 분사된 연료는 스월러(1530)에서 선회유동이 형성되는 부분에 직접적으로 분사되어, 공기와 연료의 혼합도가 개선될 수 있다.

제2연료포트(1522)는 복수 개의 직선부(1532) 사이에 배치될 수 있고, 복수 개의 선회부(1533) 사이에 배치될 수도 있다. 제2연료포트(1522)가 복수 개가 구비되어 복수 개의 직선부(1532) 사이 및 복수 개의 선회부(1533) 사이에 모두 배치될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐의 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 종단면도이다.

이하, 도 8을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 제3연료포트(1523)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 연료포트가 제3연료포트(1523)를 포함한다. 제3연료포트(1523)는 제1연료포트(1521) 및 제2연료포트(1522)와 달리, 스월러(1530)의 전방에 배치되는 연료포트이다. 제3연료포트(1523)가 배치되기 위해서는 튜브(1520)의 전단부와 스월러(1530) 사이에 제3연료포트(1523)가 배치될 영역이 필요하므로, 본 발명의 제3실시예는 스월러(1530)가 튜브(1520)의 전단부와 이격되어 배치된 경우에 적용될 수 있다.

그러나, 제3연료포트(1523)가 배치된다고 하더라도, 스월러(1530)는 튜브(1520)의 전방측에 더 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 스월러(1530)는 튜브(1520)의 전단부와 약간의 틈으로 이격되고, 그 틈에 제3연료가 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 틈의 간격은 스월러(1530)의 축방향 길이보다 작게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제3연료포트(1523)가 배치되더라도, 튜브(1520)의 길이를 최소화할 수 있다.

제3연료포트(1523)는 튜브(1520)를 관통하여 형성되고, 연료플리넘(1510)의 연료 유로(1513)와 연통하며, 튜브(1520)의 내부와 연통하게 된다. 따라서, 제3연료포트(1523)는 연료 유로(1513)의 연료를 스월러(1530)의 전방에 분사할 수 있다. 이 경우, 공기가 스월러(1530)를 통과하기 전에, 공기에 연료가 분사될 수 있어, 스월러(1530)의 전방에서 이미 공기와 연료가 혼합될 수 있다. 이에 따라, 공기와 연료가 이미 혼합된 이후에, 다시 스월러(1530)를 거치면서 한번 더 혼합되어, 공기 및 연료의 혼합도가 개선될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 노즐의 튜브 및 스월러를 따로 확대하여 나타낸 종단면도이다.

이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)에 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 제4연료포트(1524)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(1220)은 연료포트가 제4연료포트(1524)를 포함한다. 제4연료포트(1524)는 제1연료포트(1521) 및 제2연료포트(1522)와 달리, 스월러(1530)의 후방에 배치되는 연료포트이다. 제4연료포트(1524)는 스월러(1530)의 후방에 배치되기 때문에, 본 발명의 제3실시예와 달리, 스월러(1530)가 튜브(1520)의 전단부에 배치될 수 있다.

제4연료포트(1524)는 스월러(1530)와 가까운 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 그렇지 않고 스월러(1524)와 멀어질 경우, 공기 및 연료의 혼합도가 떨어질 수 있다. 예를 들어, 제4연료포트(1524)와 스월러(1530) 사이의 간격은 스월러(1530)의 축방향 길이보다 작게 형성될 수 있다.

제4연료포트(1524)는 튜브(1520)를 관통하여 형성되고, 연료플리넘(1510)의 연료 유로(1513)와 연통하며, 튜브(1520)의 내부와 연통하게 된다. 따라서, 제4연료포트(1524)는 연료 유로(1513)의 연료를 스월러(1530)의 후방에 분사할 수 있다. 이 경우, 스월러(1530)의 후방에서 연료를 추가적으로 더 분사할 수 있기 때문에, 공기 및 연료의 혼합에서 연료의 비율을 추가적으로 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000 : 가스 터빈
1100 : 압축기
1200 : 연소기 1210 : 연소기 케이싱
1220 : 노즐 1230 : 연소실
1240 : 덕트 조립체
1300 : 터빈 1310 : 로터 디스크
1400 : 노즐모듈 1410 : 플랜지
1420 : 연료공급관
1500 : 튜브조립체 1510 : 연료플리넘
1511 : 공기유입구 1512 : 지지판
1513 : 연료 유로 1520 : 튜브
1521 : 제1연료포트 1522 : 제2연료포트
1523 : 제3연료포트 1524 : 제4연료포트
1530 : 스월러 1531 : 선회가이드
1532 : 직선부 1533 : 선회부
1534 : 경사부

Claims

노즐모듈을 포함하는 연소기용 노즐에 있어서,
상기 노즐모듈은
전방에서 후방으로 연료를 공급하는 연료공급관;
내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성되고, 상기 연료공급관과 연통하는 연료플리넘;
상기 연료플리넘의 전방에 형성된 공기유입구;
상기 연료플리넘의 전후를 관통하여 배치되되 상기 연료플리넘에 의해 지지되고, 전단이 상기 공기유입구와 연통하며, 측부에 상기 연료 유로와 연통하는 연료포트가 형성된 복수 개의 튜브; 및
상기 튜브의 내주면에서 축방향 및 원주방향으로 경사지게 배치되어 유체를 선회시키는 복수 개의 선회가이드를 포함하고, 상기 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 개구된 스월러를 포함하고,
상기 선회가이드는 상기 튜브의 내주면에서 축방향을 따라 연장형성된 직선부; 및 상기 튜브의 내주면에서 상기 직선부의 후단으로부터 일정한 곡률반경을 가진 나선 리브 형태로 연장형성된 선회부를 포함하며,
축방향에서 바라볼 때, 인접한 선회가이드는 서로 겹치도록 배치되고,
상기 연료포트는 상기 튜브 및 상기 선회가이드를 동시에 관통하고 상기 선회가이드에 배치되는 제1연료포트를 포함하는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 스월러는
상기 튜브의 축방향에서 바라볼 때 상기 중앙부분이 원형으로 개구된 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 선회가이드는
상기 튜브의 축방향에서 바라볼 때 연속적인 환형으로 배치된 연소기용 노즐.
삭제
제1항에 있어서,
상기 선회부는
상기 튜브에서 곡선의 형태로 경사지게 형성된 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 튜브의 축방향을 기준으로,
상기 선회부의 길이는 상기 직선부의 길이보다 길게 형성되는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 직선부의 전단부에는,
상기 튜브의 내측으로 갈수록 후방으로 경사진 경사부가 형성되는 연소기용 노즐.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1연료포트는 상기 직선부에 배치되는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 연료포트는
상기 튜브를 관통하고, 상기 복수 개의 선회가이드 사이에 배치되는 제2연료포트를 더 포함하는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 연료포트는
상기 튜브를 관통하고, 복수 개의 상기 직선부 사이에 배치되는 제2연료포트를 더 포함하는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 연료포트는
상기 튜브를 관통하고, 복수 개의 상기 선회부 사이에 배치되는 제2연료포트를 더 포함하는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 스월러는
상기 튜브의 전단부에 배치되는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 연료포트는
상기 튜브를 관통하고, 상기 스월러의 전방에 배치되는 제3연료포트를 더 포함하는 연소기용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 연료포트는
상기 튜브를 관통하고, 상기 스월러의 후방에 배치되는 제4연료포트를 더 포함하는 연소기용 노즐.
노즐모듈을 포함하는 연소기용 노즐; 상기 노즐의 일측에 결합되며 연료와 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
상기 노즐모듈은
전방에서 후방으로 연료를 공급하는 연료공급관;
내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성되고, 상기 연료공급관과 연통하는 연료플리넘;
상기 연료플리넘의 전방에 형성된 공기유입구;
상기 연료플리넘의 전후를 관통하여 배치되되 상기 연료플리넘에 의해 지지되고, 전단이 상기 공기유입구와 연통하며, 측부에 상기 연료 유로와 연통하는 연료포트가 형성된 복수 개의 튜브; 및
상기 튜브의 내주면에서 축방향 및 원주방향으로 경사지게 배치되어 유체를 선회시키는 복수 개의 선회가이드를 포함하고, 상기 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 개구된 스월러를 포함하며,
상기 선회가이드는 상기 튜브의 내주면에서 축방향을 따라 연장형성된 직선부; 및 상기 튜브의 내주면에서 상기 직선부의 후단으로부터 일정한 곡률반경을 가진 나선 리브 형태로 연장형성된 선회부를 포함하고,
축방향에서 바라볼 때, 인접한 선회가이드는 서로 겹치도록 배치되며,
상기 연료포트는 상기 튜브 및 상기 선회가이드를 동시에 관통하고 상기 선회가이드에 배치되는 제1연료포트를 포함하는 연소기.
제16항에 있어서,
상기 스월러는
상기 튜브의 축방향에서 바라볼 때 상기 중앙부분이 원형으로 개구된 연소기.
삭제
제16항에 있어서,
상기 연료포트는
상기 튜브를 관통하고, 상기 복수 개의 선회가이드 사이에 배치되는 제2연료포트를 더 포함하는 연소기.
외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기; 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈에 있어서,
상기 연소기는 노즐모듈을 포함하는 연소기용 노즐; 상기 노즐의 일측에 결합되며 상기 압축 공기와 연료가 내부에서 연소되며 연소된 상기 연소 가스를 상기 터빈으로 전달하는 덕트조립체를 포함하고,
상기 노즐모듈은
전방에서 후방으로 연료를 공급하는 연료공급관;
내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성되고, 상기 연료공급관과 연통하는 연료플리넘;
상기 연료플리넘의 전방에 형성된 공기유입구;
상기 연료플리넘의 전후를 관통하여 배치되되 상기 연료플리넘에 의해 지지되고, 전단이 상기 공기유입구와 연통하며, 측부에 상기 연료 유로와 연통하는 연료포트가 형성된 복수 개의 튜브; 및
상기 튜브의 내주면에서 축방향 및 원주방향으로 경사지게 배치되어 유체를 선회시키는 복수 개의 선회가이드를 포함하고, 상기 튜브의 축방향에서 바라볼 때 중앙부분이 개구된 스월러를 포함하며,
상기 선회가이드는 상기 튜브의 내주면에서 축방향을 따라 연장형성된 직선부; 및 상기 튜브의 내주면에서 상기 직선부의 후단으로부터 일정한 곡률반경을 가진 나선 리브 형태로 연장형성된 선회부를 포함하고,
축방향에서 바라볼 때, 인접한 선회가이드는 서로 겹치도록 배치되며,
상기 연료포트는 상기 튜브 및 상기 선회가이드를 동시에 관통하고 상기 선회가이드에 배치되는 제1연료포트를 포함하는 가스터빈.