KR102066042B1

KR102066042B1 - 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈

Info

Publication number: KR102066042B1
Application number: KR1020170144200A
Authority: KR
Inventors: 한동식
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: US20190128525A1; US11143405B2; KR20190048908A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는, 노즐 케이싱 및 상기 노즐 케이싱 내부에서 서로 이격되어 배치되며 압축 공기와 연료를 혼합하여 분사하는 복수의 연소 노즐을 포함하는 연소기로서, 상기 복수의 연소 노즐 각각은, 상기 압축 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로부터 유입된 상기 압축 공기가 유출되는 출구를 포함하는 노즐 슈라우드, 상기 노즐 슈라우드 내부에 배치되어 일방향을 따라 연장되며, 내부로 연료가 주입되는 주입 실린더 및 상기 주입 실린더의 원주 방향을 따라 서로 이격되어 상기 주입 실린더의 외주면에 배치되며, 상기 주입 실린더로부터 공급된 상기 연료를 분사하는 복수의 스월러를 포함하며, 상기 노즐 슈라우드는, 상기 노즐 슈라우드의 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 미리 정해진 거리까지의 직경이 동일한 영역을 가질 수 있다.

Description

연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{COMBUSTOR AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 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.

미국 공개특허 제2017-0130962호 (명칭: NOZZLE, BURNER, COMBUSTOR, GAS TURBINE, AND GAS TURBINE SYSTEM)

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연소 노즐 내에서 연료와 압축 공기의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있는 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.

상기 노즐 슈라우드는, 상기 노즐 슈라우드의 상기 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 상기 출구까지의 직경이 동일할 수 있다.

상기 노즐 슈라우드의 상기 영역에는, 상기 노즐 슈라우드를 관통하는 복수의 관통홀이 형성될 수 있다.

상기 복수의 관통홀은 상기 노즐 슈라우드의 원주 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.

상기 복수의 관통홀의 직경은 서로 동일할 수 있다.

상기 복수의 관통홀의 직경은, 상기 입구에서 상기 출구 측으로 갈수록 커질 수 있다.

상기 복수의 관통홀의 직경은, 상기 입구에서 상기 출구 측으로 갈수록 커지다가 다시 작아질 수 있다.

상기 입구에서 상기 출구를 향해 바라볼 때, 상기 복수의 관통홀은 상기 노즐 슈라우드의 원주 방향을 따라 상기 노즐 슈라우드의 일부 구간에만 형성될 수 있다.

상기 노즐 슈라우드의 상기 구간은, 상기 노즐 케이싱의 내주면과 서로 마주볼 수 있다.

상기 노즐 슈라우드의 상기 입구측 단부는 테이퍼 형상을 가질 수 있다.

상기 노즐 슈라우드의 상기 입구측 단부는 라운드 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 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 터빈으로서, 상기 연소기는, 노즐 케이싱 및 상기 노즐 케이싱 내부에서 서로 이격되어 배치되며 압축 공기와 연료를 혼합하여 분사하는 복수의 연소 노즐을 포함하며, 상기 복수의 연소 노즐 각각은, 상기 압축 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로부터 유입된 상기 압축 공기가 유출되는 출구를 포함하는 노즐 슈라우드, 상기 노즐 슈라우드 내부에 배치되어 일방향을 따라 연장되며, 내부로 연료가 주입되는 주입 실린더 및 상기 주입 실린더의 원주 방향을 따라 서로 이격되어 상기 주입 실린더의 외주면에 배치되며, 상기 주입 실린더로부터 공급된 상기 연료를 분사하는 복수의 스월러를 포함하며, 상기 노즐 슈라우드는, 상기 노즐 슈라우드의 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 미리 정해진 거리까지의 직경이 동일한 영역을 가질 수 있다.

상기한 바와 같은 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 연소 노즐 내에서 연료와 압축 공기의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있다.

또한, 인접한 노즐 슈라우드 사이의 간격을 줄일 수 있어, 연소기의 크기를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 연소 노즐과 라이너 내부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 연소 노즐을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 연소기 내부에 배치된 복수의 연소 노즐의 배열 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 연소 노즐과 라이너 내부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 4의 VII-VII′을 따라 자른 다양한 단면도이다.
도 8 내지 도 10은 노즐 슈라우드에 형성된 복수의 관통홀의 다양한 변형예이다.

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, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3은 연소 노즐과 라이너 내부를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 4는 도 3의 연소 노즐을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 5는 연소기 내부에 배치된 복수의 연소 노즐의 배열 상태를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(1200)에서, 노즐 케이싱(1210) 내에 배치된 복수의 연소 노즐(CN, ON1∼ON6) 각각에는 주입 실린더(IC0∼IC6)를 둘러싸는 노즐 슈라우드(NS0∼NS6)가 위치하는데, 이러한 노즐 슈라우드(NS0∼NS6)는 직경이 일정한 관형 부재로 이루어질 수 있다. 이때, 노즐 슈라우드(NS0∼NS6)가 직경이 일정한 관형 부재로 이루어짐으로써, 유입되는 압축 공기에 대한 유동 박리 현상이 억제되고, 연료와 압축 공기의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있다

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, 압축기와 연소기, 터빈을 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 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다. 본 실시예에서 복수의 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 구동시키는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 영향을 미치게 된다.

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.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 복수의 버너(1220), 복수의 라이너(1250) 및 복수의 트랜지션피스(1260)를 포함할 수 있다. 이때, 일렬로 연결된 하나의 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)는 연소기(1200) 내에서 하나의 연소 챔버(combustor chamber)를 구성할 수도 있다. 한편, 서로 결합된 하나의 버너(1220)와 하나의 연소 챔버는 연소기(1200) 내에서 하나의 연소 캔을 구성할 수 있다. 즉, 연소기(1200)는 복수의 연소 캔으로 이루어질 수 있다.

복수의 버너(1220)는 환형을 이루는 노즐 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 구체적으로, 복수의 버너(1220)는 환형의 가상의 선을 따라 서로 이격되어 배치되는 복수의 노즐 케이싱(1210)에 각각 배치될 수 있다. 각 버너(1220)에는 수 개의 연소 노즐(1230)이 구비되며, 이 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.

가스 터빈(1000)에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵기는 하지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.

본 실시예에 따른 가스 터빈(1000)에서는 예혼합 연소가 적용되어, 압축 공기가 연소 노즐(1230)에서 미리 분사되는 연료와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 하나의 노즐 케이싱(1210)에는 복수의 연소 노즐(1230, 도 2 참조)이 배치되는데, 복수의 연소 노즐(1230, 도 2 참조)은 중앙 노즐(CN) 및 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)을 포함할 수 있다.

복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)은 노즐 케이싱(1210) 내부에서 중앙 노즐(CN)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이때, 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)은 서로 이격되어 배치되며, 노즐 케이싱(1210) 내주면에 인접하여 배치될 수 있다. 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6) 내부에서 연료와 압축 공기가 서로 혼합되고, 혼합된 연료와 압축 공기가 연소실(1240) 내부로 분사될 수 있다. 도 5를 참조하면, 중앙 노즐(CN) 주위에 6개의 메인 노즐(ON1∼ON6)이 배열되는 것으로 도시되나, 메인 노즐(ON1∼ON6)의 개수는 반드시 이에 한정되지 않고, 더 많거나 더 적게 배치될 수도 있다.

복수의 메인 노즐(ON1∼ON6) 각각은 노즐 슈라우드(NS1∼NS6), 주입 실린더(IC1∼IC6) 및 복수의 스월러(SR1∼SR6)를 포함할 수 있다.

노즐 슈라우드(NS1∼NS6)는 주입 실린더(IC1∼IC6) 및 복수의 스월러(SR1∼SR6)를 둘러싸는 부재로서, 압축 공기 및 연료가 분사되는 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 라이너(1250)를 통해 유입된 압축 공기가 노즐 슈라우드(NS1) 내부로 유입될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)는 직경이 일정한 관형 부재로 이루어질 수 있다. 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)는 압축 공기가 유입되는 입구와 압축 공기가 유출되는 출구를 포함할 수 있다. 도 3에서, 노즐 슈라우드(NS1)의 윗 부분이 입구이고 아래 부분이 출구에 해당될 수 있다.

본 실시예에서는, 적어도 노즐 슈라우드(NS1)의 상측 영역의 직경이 일정하다. 즉, 노즐 슈라우드(NS1)의 입구에서부터 미리 정해진 위치까지의 직경이 동일하다. 도 3에서는, 노즐 슈라우드(NS1) 전체가 직경이 동일한 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 노즐 슈라우드(NS1)의 입구에서부터 일부 구간(상측 영역)까지만 직경이 동일할 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)는 입구에서부터 일부 구간(상측 영역)까지의 직경이 동일하여, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 입구 근방에서 압축 공기에 대한 유동 박리(flow separation)가 발생하는 것을 차단할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 노즐 슈라우드(NS1)는 입구로 갈수록 직경이 증가하는 형상(벨 마우스 형상(bell mouth))으로 이루어져, 노즐 슈라우드(NS1)의 입구 근방(P)에서 압축 공기에 대한 유동 박리가 발생한다. 이에 의해, 종래의 노즐 슈라우드(NS1)의 입구에서 후류(또는 와류)가 발생하여, 노즐 슈라우드(NS1) 내부에서 압축 공기와 연료의 혼합이 원활히 이루어지지 않는다.

본 실시예에서는, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 형상에 의해, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 입구 측에서 발생할 수 있는 압축 공기의 유동 박리가 해소됨에 따라, 압축 공기가 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부로 원활히 유입되고, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부에서 압축 공기와 연료의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있다.

한편, 다시 도 3 내지 도 5를 참조하면, 직경이 일정한 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 상기 상측 영역에는 복수의 관통홀(TH)이 형성될 수 있다. 복수의 관통홀(TH)은 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)를 관통하는 구멍으로서, 노즐 케이싱(1210)으로 유입된 압축 공기가 복수의 관통홀(TH)을 통과해 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부로 유입될 수 있다. 이에 의해, 압축 공기는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 입구뿐만 아니라 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 측면 방향으로도 유입될 수 있다.

본 실시예에서는, 복수의 관통홀(TH)이 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 원주 방향을 따라 전체 구간에 형성된다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(TH)은 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 원주 방향을 따라 일부 구간(화살표 표시 구간)에만 형성될 수도 있다. 즉, 복수의 관통홀(TH)은 노즐 케이싱(1210)의 내주면과 마주보는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 외주면에 형성될 수 있다.

도 7을 참조하면, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 입구측 단부는 사각 형상의 단면(도 7(A) 참조)을 가질 수 있다. 또한, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 입구측 단부는 테이퍼 형상(도 7(B) 참조) 또는 라운드 형상(도 7(C) 참조)을 가질 수 있다.

이때, 테이퍼 형상 또는 라운드 형상을 갖는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 단부는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부를 향한다. 즉, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 단부의 테이퍼 면 또는 라운드 면이 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부를 향하도록 배치될 수 있다.

노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 단부의 일측, 즉 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 내부를 향하는 측면이 테이퍼 형상 또는 라운드 형상을 갖는 것으로 도시되나, 반드시 이에 한정되지 않고, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)의 단부의 양측, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부와 외부 양측이 테이퍼 형상 또는 라운드 형상을 가질 수도 있다.

한편, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)에 형성된 복수의 관통홀(TH)은 원형 형상으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는, 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 상의 복수의 관통홀(TH)의 배치는 다양한 형태로 배열될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(TH)의 직경이 모두 동일하게 배치될 수도 있다. 한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(TH)의 직경이 입구에서 출구 측으로 갈수록 점진적으로 증가할 수도 있다. 또는, 도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(TH)의 직경이 입구에서 출구 측으로 갈수록 커지다가 다시 작아질 수 있다.

다시 도 3 내지 도 5를 참조하면, 주입 실린더(IC1∼IC6)는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부 중앙에 배치되는 것으로, 연료 주입기(미도시)에 연결되어 연소에 필요한 연료를 공급받을 수 있다. 주입 실린더(IC1∼IC6)는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)와 나란하게 연장 형성될 수 있다.

한편, 주입 실린더(IC1∼IC6)의 외주면에는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부로 연료를 분사하는 복수의 스월러(SR1∼SR6)가 배치될 수 있다. 복수의 스월러(SR1∼SR6)에 의해 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내부로 분사된 연료는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)로 유입된 압축 공기와 혼합될 수 있다. 이때, 압축 공기와 연료는 복수의 스월러(SR1∼SR6)에 의해 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내에서 선회할 수 있다. 이와 같이, 복수의 스월러(SR1∼SR6)는 노즐 슈라우드(NS1∼NS6) 내에서 압축 공기와 연료를 균일하게 혼합시킬 수 있다.

한편, 중앙 노즐(CN)은 노즐 케이싱(1210) 내부의 중앙에 배치되며, 환형의 가상의 선을 따라 배치된 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)에 둘러싸일 수 있다. 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)과 마찬가지로, 중앙 노즐(CN) 내부에서 연료와 압축 공기가 혼합되고, 혼합된 연료와 압축 공기가 연소실(1240) 내부로 분사될 수 있다. 그러나, 연소기(1200)의 종류에 따라, 노즐 케이싱(1210) 내부에 중앙 노즐(CN)이 생략될 수도 있다.

중앙 노즐(CN)은 노즐 슈라우드(NS0), 주입 실린더(IC0) 및 복수의 스월러(SR0)를 포함할 수 있다.

노즐 슈라우드(NS0)는 주입 실린더(IC0) 및 복수의 스월러(SR0)를 둘러싸는 부재로서, 압축 공기 및 연료가 분사되는 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 라이너(1250)를 통해 유입된 압축 공기가 노즐 슈라우드(NS0) 내부로 유입될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 노즐 슈라우드(NS0)는 직경이 일정한 관형 부재로 이루어질 수 있다. 적어도 노즐 슈라우드(NS0)의 상측 영역의 직경이 일정하다. 즉, 노즐 슈라우드(NS0)의 입구에서부터 미리 정해진 위치까지의 직경이 동일하다. 도 3에서는, 노즐 슈라우드(NS0) 전체가 직경이 동일한 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 노즐 슈라우드(NS0)의 입구에서부터 일부 구간(상측 영역)까지만 직경이 동일할 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 노즐 슈라우드(NS0)에서 입구에서부터 일부 구간(상측 영역)의 직경이 동일하여, 노즐 슈라우드(NS0)의 입구 근방에서 압축 공기에 대한 유동 박리(flow separation)가 발생하는 것을 차단할 수 있다. 본 실시예에서는, 노즐 슈라우드(NS0)의 형상에 의해, 노즐 슈라우드(NS0)의 입구 측에서 발생할 수 있는 압축 공기의 유동 박리가 해소됨에 따라, 압축 공기가 노즐 슈라우드(NS0) 내부로 원활히 유입되고, 노즐 슈라우드(NS0) 내부에서 압축 공기와 연료의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있다.

본 실시예에서는, 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)의 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)와 중앙 노즐(CN)의 노즐 슈라우드(NS0)가 직경이 일정한 관형 부재로 이루어짐에 따라, 인접한 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)와 노즐 슈라우드(NS0)의 간격을 좁힐 수 있다. 도 6에 도시된, 벨 마우스 형상의 노즐 슈라우드(NS1, NS0)는 입구의 직경이 다른 곳의 직경보다 상대적으로 크기 때문에, 서로 인접한 노즐 슈라우드(NS1)와 노즐 슈라우드(NS0)의 간격이 상대적으로 크게 배치될 수 밖에 없다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 인접한 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)와 노즐 슈라우드(NS0)의 간격을 줄일 수 있어, 연소기의 크기를 줄일 수 있다.

복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)의 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)와 마찬가지로, 중앙 노즐(CN)의 노즐 슈라우드(NS0)의 입구 영역에는 복수의 관통홀(TH)이 형성될 수 있다. 복수의 관통홀(TH)은 노즐 슈라우드(NS0)를 관통하는 구멍으로서, 노즐 케이싱(1210)으로 유입된 압축 공기가 복수의 관통홀(TH)을 통과해 노즐 슈라우드(NS0) 내부로 유입될 수 있다. 이에 의해, 압축 공기는 노즐 슈라우드(NS0)의 입구뿐만 아니라 노즐 슈라우드(NS0)의 측면 방향으로도 유입될 수 있다.

본 실시예에서는, 복수의 관통홀(TH)이 노즐 슈라우드(NS0)의 원주 방향을 따라 전체 구간에 형성된다. 복수의 메인 노즐(ON1∼ON6)의 노즐 슈라우드(NS1∼NS6)에서는 일부 구간에만 복수의 관통홀(TH)이 형성될 수 있으나, 중앙 노즐(CN)의 노즐 슈라우드(NS0)에서는 원주 방향을 따라 전체 구간에 형성된다.

한편, 주입 실린더(IC0)의 외주면에는 노즐 슈라우드(NS0) 내부로 연료를 분사하는 복수의 스월러(SR0)가 배치될 수 있다. 복수의 스월러(SR0)에 의해 노즐 슈라우드(NS0) 내부로 분사된 연료는 노즐 슈라우드(NS0)로 유입된 압축 공기와 혼합될 수 있다. 이때, 압축 공기와 연료는 복수의 스월러(SR0)에 의해 노즐 슈라우드(NS0) 내에서 선회할 수 있다. 이와 같이, 복수의 스월러(SR0)는 노즐 슈라우드(NS0) 내에서 압축 공기와 연료를 균일하게 혼합시킬 수 있다.

다시, 도 2를 참조하면, 복수의 라이너(1250)는 복수의 버너(1220) 각각의 하류에 각각 배치되며, 복수의 라이너(1250) 내부에 형성된 연소실(1240) 내부에서 버너(1220)의 연소 노즐(1230)에서 분사된 연료와 압축 공기가 연소될 수 있다. 이때, 복수의 라이너(1250)는 환형의 가상의 선을 따라 배치된 복수의 버너(1220) 마다 결합되기 때문에, 복수의 라이너(1250) 또한 환형의 가상의 선을 따라 배치될 수 있다.

복수의 라이너(1250) 각각은 이너 라이너(1253)와 아우터 라이너(1251)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 라이너(1253)를 아우터 라이너(1251)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 라이너(1253)는 내부가 빈 관형 부재로서, 이너 라이너(1253)의 내부 공간, 즉 연소실(1240)에서 연료와 압축 공기가 연소된다.

한편, 트랜지션피스(1260)는 라이너(1250)의 하류에 위치하는데, 트랜지션피스(1260)는 라이너(1250) 내부에서 발생한 고압 가스를 터빈(1300)으로 고속으로 내보낼 수 있다. 트랜지션피스(1260)는 이너 트랜지션피스(1263)와 아우터 트랜지션피스(1261)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 트랜지션피스(1263)를 아우터 트랜지션피스(1261)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 트랜지션피스(1263)도 이너 라이너(1253)와 마찬가지로, 내부가 빈 관형 부재이나 라이너(1250)에서 터빈(1300) 측으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다.

이때, 이너 라이너(1253)와 이너 트랜지션피스(1263)는 플레이트 스프링 씰(미도시)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이너 라이너(1253)와 이너 트랜지션피스(1263)의 각 단부는 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 플레이트 스프링 씰(미도시)은 열팽창에 의한 길이 및 직경의 신장을 수용할 수 있는 구조로 이너 라이너(1253)와 이너 트랜지션피스(1263)를 지지할 수 있어야 한다.

그리고, 연소기(1200)는 가스 터빈(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 고온의 연소 가스가 유동하는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)의 외면을 따라 압축 공기가 흘러서 연소 노즐(1230) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소 가스에 의해 가열된 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)가 적절히 냉각된다.

본 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은, 이너 라이너(1253)와 이너 트랜지션피스(1263)를 아우터 라이너(1251)와 아우터 트랜지션피스(1261)가 감싸는 구조로 되어 있고, 이너 라이너(1253)와 아우터 라이너(1251) 사이의 환형 공간과 이너 트랜지션피스(1263)와 아우터 트랜지션피스(1261) 사이의 환경 공간 안으로 압축 공기가 침투할 수 있다. 이와 같은 환형 공간을 침투한 압축 공기는 이너 라이너(1253)와 이너 트랜지션피스(1263)를 냉각시킬 수 있다.

한편, 이너 트랜지션피스(1263)를 둘러싸는 아우터 트랜지션피스(1261)에는 복수의 제1 냉각홀(1265)이 형성될 수 있다. 복수의 제1 냉각홀(1265)은 아우터 트랜지션피스(1261)를 관통하는 구멍으로, 복수의 제1 냉각홀(1265)을 관통한 공기(이하, 제트 플로우(jet flow))가 이너 트랜지션피스(1263)의 외주면에 수직으로 충돌하여 이너 트랜지션피스(1263)를 냉각시킬 수 있다.

이너 라이너(1253)를 둘러싸는 아우터 라이너(1251)에는 복수의 제2 냉각홀(1255)이 형성될 수 있다. 복수의 제2 냉각홀(1255)은 아우터 라이너(1251)를 관통하는 구멍으로, 전술한 제1 냉각홀(1265)과 마찬가지로 복수의 제2 냉각홀(1255)을 관통한 제트 플로우가 이너 라이너(1253)의 외주면에 수직으로 충돌하여 이너 라이너(1253)를 냉각시킬 수 있다.

한편, 연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소 가스는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)를 통해 터빈(1300)에 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소 가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 터빈 블레이드(1310)에 충돌, 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.

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

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1000 가스 터빈
1100 압축기
1130 압축기 블레이드
1140 베인
1150 하우징
1200 연소기
1210 노즐 케이싱
1220 버너
1230 연소 노즐
1240 연소실
1250 라이너
1251 아우터 라이너
1253 이너 라이너
1255 제2 냉각홀
1260 트랜지션피스
1261 아우터 트랜지션피스
1263 이너 트랜지션피스
1265 제1 냉각홀
CN 중앙 노즐
ON1∼ON6 메인 노즐
TH 관통홀

Claims

노즐 케이싱 및 상기 노즐 케이싱 내부에서 서로 이격되어 배치되며 압축 공기와 연료를 혼합하여 분사하는 복수의 연소 노즐을 포함하는 연소기로서,
상기 복수의 연소 노즐 각각은,
상기 압축 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로부터 유입된 상기 압축 공기가 유출되는 출구를 포함하는 노즐 슈라우드;
상기 노즐 슈라우드 내부에 배치되어 일방향을 따라 연장되며, 내부로 연료가 주입되는 주입 실린더; 및
상기 주입 실린더의 원주 방향을 따라 서로 이격되어 상기 주입 실린더의 외주면에 배치되며, 상기 주입 실린더로부터 공급된 상기 연료를 분사하는 복수의 스월러를 포함하며,
상기 노즐 슈라우드는, 상기 주입 실린더와 마주보며 상기 주입 실린더를 둘러싸며 상기 노즐 슈라우드의 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 미리 정해진 거리까지의 직경이 동일한 영역을 가지며,
상기 주입 실린더와 마주보며 상기 노즐 슈라우드의 상기 직경이 동일한 영역에는, 상기 노즐 슈라우드를 관통하는 복수의 관통홀이 형성되며,
상기 입구에서 상기 출구를 향해 바라볼 때, 상기 복수의 관통홀은 상기 노즐 슈라우드의 원주 방향을 따라 상기 노즐 케이싱의 내주면과 서로 마주보는 상기 노즐 슈라우드의 일부 구간에만 형성되며,
상기 노즐 슈라우드의 상기 입구측 단부는 라운드 형상을 갖는, 연소기.
제 1 항에 있어서,
상기 노즐 슈라우드는, 상기 노즐 슈라우드의 상기 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 상기 출구까지의 직경이 동일한, 연소기.
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제 1 항에 있어서,
상기 복수의 관통홀은 상기 노즐 슈라우드의 원주 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는, 연소기.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 관통홀의 직경은 서로 동일한, 연소기.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 관통홀의 직경은, 상기 입구에서 상기 출구 측으로 갈수록 커지는, 연소기.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 관통홀의 직경은, 상기 입구에서 상기 출구 측으로 갈수록 커지다가 다시 작아지는, 연소기.
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제 1 항에 있어서,
상기 노즐 슈라우드의 상기 구간은, 상기 노즐 케이싱의 내주면과 서로 마주보는, 연소기.
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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 터빈으로서,
상기 연소기는, 노즐 케이싱 및 상기 노즐 케이싱 내부에서 서로 이격되어 배치되며 압축 공기와 연료를 혼합하여 분사하는 복수의 연소 노즐을 포함하며,
상기 복수의 연소 노즐 각각은,
상기 압축 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로부터 유입된 상기 압축 공기가 유출되는 출구를 포함하는 노즐 슈라우드;
상기 노즐 슈라우드 내부에 배치되어 일방향을 따라 연장되며, 내부로 연료가 주입되는 주입 실린더; 및
상기 주입 실린더의 원주 방향을 따라 서로 이격되어 상기 주입 실린더의 외주면에 배치되며, 상기 주입 실린더로부터 공급된 상기 연료를 분사하는 복수의 스월러를 포함하며,
상기 노즐 슈라우드는, 상기 주입 실린더와 마주보며 상기 주입 실린더를 둘러싸며 상기 노즐 슈라우드의 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 미리 정해진 거리까지의 직경이 동일한 영역을 가지며,
상기 주입 실린더와 마주보며 상기 노즐 슈라우드의 상기 직경이 동일한 영역에는, 상기 노즐 슈라우드를 관통하는 복수의 관통홀이 형성되며,
상기 입구에서 상기 출구를 향해 바라볼 때, 상기 복수의 관통홀은 상기 노즐 슈라우드의 원주 방향을 따라 상기 노즐 케이싱의 내주면과 서로 마주보는 상기 노즐 슈라우드의 일부 구간에만 형성되며,
상기 노즐 슈라우드의 상기 입구측 단부는 라운드 형상을 갖는, 가스 터빈.
제 12 항에 있어서,
상기 노즐 슈라우드는, 상기 노즐 슈라우드의 상기 길이 방향을 따라 상기 입구에서부터 상기 출구까지의 직경이 동일한, 가스 터빈.
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