KR102101488B1

KR102101488B1 - 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈

Info

Publication number: KR102101488B1
Application number: KR1020180096173A
Authority: KR
Inventors: 진헌섭
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-04-16
Also published as: US20200056545A1; US11280269B2; KR20200020446A

Abstract

본 발명은 연료 페그를 안정적으로 지지하고 공기의 유동을 안내할 수 있는 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐, 상기 노즐로 유입되는 공기의 흐름을 유도하는 유동 통로, 상기 유동 통로 내부로 돌출되며 연료가 배출되는 분사구가 형성된 복수의 연료 페그, 및 상기 연료 페그들에 연결되어 지지하는 페그 서포터을 포함한다.

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.

압축기에서 압축된 공기는 연소기로 공급되며 연소기 내부로 진입한 공기는 노즐 케이싱 내부를 따라 이동하면서 노즐로 유입된다. 이 때, 공기는 노즐 엔드 플레이트 방향으로 공급된 후 진행 방향이 반대방향으로 꺾여 연소가 일어나는 노즐의 단부로 공급된다.

이처럼 연료를 연소시키기 위한 공기의 흐름은 노즐 엔드 플레이트에서 급격히 바뀌기 때문에 이런 과정에서 강한 스월(swirl)이 발생하게 된다. 강한 스월에는 실제로 진행해야 하는 흐름 방향과는 어긋나거나 반대 방향을 향하는 속도성분이 다량으로 존재하기 때문에, 이는 결국 압력 손실을 야기하여 공기의 유동 효율을 떨어뜨리게 된다.

또한, 노즐 케이스 내부로 돌출된 연료 페그(Fuel Peg)는 노즐로 유입되는 공기를 향하여 연료를 분사하여 예혼합 공기를 형성하는데 연료 페그는 진동에 취약한 문제가 있다.

미국 공개특허 제2004-0050057호

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료 페그를 안정적으로 지지하고 공기의 유동을 안내할 수 있는 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐, 상기 노즐로 유입되는 공기의 흐름을 유도하는 유동 통로, 상기 유동 통로 내부로 돌출되며 연료가 배출되는 분사구가 형성된 복수의 연료 페그, 및 상기 연료 페그들에 연결되어 지지하는 페그 서포터을 포함한다.

여기서 상기 노즐들을 감싸는 노즐 케이싱을 더 포함하고, 상기 연료 페그는 상기 노즐 케이싱의 둘레 방향으로 이격 배열되며, 상기 페그 서포터는 고리 형상으로 이어져 형성될 수 있다.

또한, 상기 페그 서포터는 상기 노즐 케이싱의 중심을 향하되 만곡된 호형으로 이루어진 가이드 면을 포함할 수 있다.

또한, 상기 페그 서포터는 복수로 형성되고, 상기 복수의 페그 서포터는 상기 연료 페그의 높이 방향으로 이격 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 가이드 면과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 가이드 면은 서로 다른 곡률 반경을 갖도록 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제1 페그 서포터의 가이드 면은 제1 곡률 반경을 갖고, 상기 제2 페그 서포터의 가이드 면은 제2 곡률 반경을 갖고, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경보다 더 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 페그 서포터의 단면은 유선형으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 페그 서포터는 볼록하게 돌출된 제1 곡면과 상기 제1 곡면과 연결되며 볼록하게 돌출된 제2 곡면을 포함하고, 상기 제1 곡면과 상기 제2 곡면은 공기 유동을 기준으로 하류를 향하는 제1 모서리부와 상류는 향하는 제2 모서리부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 페그 서포터는 복수로 형성되고, 상기 복수의 페그 서포터는 상기 연료 페그의 높이 방향으로 이격 배치되며, 상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 제1 중심축과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 제2 중심축은 서로 경사지게 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 중심축이 상기 연료 페그의 중심을 지나는 가상선과 이루는 각을 제1 경사각이라 하고, 상기 제2 중심축이 상기 연료 페그의 중심을 지나는 가상선과 이루는 각을 제2 경사각이라 할 때, 상기 제1 경사각은 상기 제2 경사각보다 더 작게 형성될 수 있다.

또한, 상기 분사구는 상기 페그 서포터가 이어진 방향으로 개방될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 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, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐, 상기 노즐로 유입되는 공기의 흐름을 유도하는 유동 통로, 상기 유동 통로 내부로 돌출되며 연료 분사구가 형성된 복수의 연료 페그, 및 상기 연료 페그들을 연결하여 지지하는 페그 서포터를 포함한다.

여기서 상기 페그 서포터는 고리 형상으로 이어져 형성될 수 있다.

또한, 상기 연소기는 상기 노즐들을 감싸는 노즐 케이싱과 복수의 페그 서포터를 포함하고, 상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 가이드 면과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 가이드 면은 서로 다른 곡률 반경을 갖도록 이루어질 수 있다.

또한, 상기 페그 서포터는 복수로 형성되고, 상기 복수의 페그 서포터들은 상기 연료 페그의 높이 방향으로 이격 배치되며, 상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 제1 중심축과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 제2 중심축은 서로 경사지게 배치될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 연료 페그를 안정적으로 지지할 수 있을 뿐만 아니라 공기를 안내하여 균일화된 공기를 노즐로 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기의 일부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐 케이싱과 연료 페그를 도시한 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.

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.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.

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 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 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 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 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. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 버너(1220), 덕트 조립체(1250)를 포함할 수 있다.

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.

예혼합 연소의 경우에는 압축 공기가 노즐(1230)에서 미리 분사되는 연료와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.

도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체(1250)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1230) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1250)가 적절히 냉각된다.

덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252), 유동 슬리브(1253)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)의 바깥을 유동 슬리브(1253)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1253) 안쪽에 형성된 냉각 통로(1257) 내부로 침투하여 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 냉각시킨다.

라이너(1251)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1251) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1251)의 길이방향 일측 단부는 버너(1220)에 결합되고 라이너(1251)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1252)에 결합된다.

그리고, 트랜지션피스(1252)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1252)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1251)와 결합되고, 트랜지션피스(1252)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1253)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.

덕트 조립체(1250)의 단부에는 노즐 케이싱(1260)이 결합 설치되고, 노즐 케이싱(1260)에는 노즐들(1230)을 지지하는 헤드 엔드 플레이트(1270)가 결합 설치된다.

연소기 케이싱(1210)은 복수의 버너(1220)를 감싸며 대략 원통 형상으로 이루어질 수 있다. 버너(1220)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 각 버너(1220)에는 수 개의 노즐(1230)이 구비되며, 이 노즐(1230)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기의 일부를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐 케이싱과 연료 페그를 도시한 절개 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 버너(1220)는 노즐(1230), 연료 페그(1265), 노즐 케이싱(1260), 페그 서포터(1400)를 포함할 수 있다.

노즐 케이싱(1260)은 대략 원형의 관으로 이루어지며, 복수의 노즐(1230)을 감싸도록 설치된다. 노즐 케이싱(1260)의 일측 단부는 덕트 조립체(1250)와 결합되고, 노즐 케이싱(1260)의 타측 단부는 헤드 엔드 플레이트(1270)와 결합된다.

헤드 엔드 플레이트(1270)는 원판 형상으로 이루어지며, 노즐 케이싱(1260)과 결합되어 노즐들(1230)을 지지한다. 헤드 엔드 플레이트(1270)에는 복수의 노즐들(1230)과 노즐들(1230)에 연료를 공급하는 연료 주입기(1290)가 설치될 수 있다.

노즐(1230)은 노즐 관(1231)과 노즐 관(1231)을 감싸는 노즐 슈라우드(nozzle shroud, 1232), 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232) 사이에 설치되어 연료를 분사하는 스월러(1234)을 포함할 수 있다. 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232)는 동축 구조로 이루어지며, 노즐 관(1231) 내부에는 연료 및 공기가 공급된다. 노즐 슈라우드(1232)의 내부에는 공기가 이동하는 통로가 형성되며, 연료가 분사될 수 있다.

노즐 슈라우드(1232)와 노즐 관(1231) 사이에 형성된 갭으로 공기가 유입되며, 갭에는 공기의 유동을 균일하기 하기 위한 다공판(1235)이 설치될 수 있다. 스월러(1234)은 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232) 사이에 형성된 통로에서 스월을 유도하며, 스월러(1234)에는 연료가 분사될 수 있도록 복수의 홀이 형성될 수 있다.

냉각 통로(1257)를 따라 이동하는 공기는 노즐 케이싱(1260) 내부로 유입되어 헤드 엔드 플레이트(1270)까지 이르게 된다. 또한, 공기는 노즐 관(1231)과 노즐 슈라우드(1232) 사이로 유입될 뿐만 아니라 공급 통로(1236)를 통해서 노즐 관(1231) 내부로 유입되어 연료와 혼합된 후, 연소실(1240)로 배출된다.

유동 가이드부재(1280)는 공기의 유동 방향이 전환되는 코너부에 배치되어 공기가 노즐(1230) 내부로 용이하게 진입할 수 있도록 안내한다. 유동 가이드부재(1280)는 노즐 케이싱(1260)과 헤드 엔드 플레이트(1270)가 만나는 코너부에 설치되어 공기의 유동을 안내한다. 유동 가이드부재(1280)는 노즐 케이싱(1260)의 둘레 방향으로 이어져 환형으로 이루어질 수 있으며, 더욱 상세하게는 원형의 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

노즐 케이싱(1260)과 노즐(1230) 사이에는 공기가 이동하는 유동 통로(1262)가 형성되며, 노즐 케이싱(1260)에는 유동 통로(1262)로 돌출되어 연료를 분사하는 연료 페그(1265)가 설치될 수 있다. 연료 페그들(1265)은 노즐 케이싱(1260)의 둘레 방향을 따라 이격 배열되며 연료 페그들(1265)에는 연료 페그들(1265)을 지지하는 페그 서포터(1400)가 설치된다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 페그(1265)는 노즐 케이싱(1260)의 내측으로 돌출되도록 고정 설치되며 노즐 케이싱(1260)의 내부 또는 외측에 형성된 매니폴드(1263)와 연결되어 연료를 공급 받는다. 또한 매니폴드(1263)에는 연료 주입관(1267)이 연결 설치되어 매니폴드(1263)로 연료가 공급될 수 있다.

연료 페그(1265)는 대략 막대 형상으로 이루어지며, 내부에는 연료가 이동할 수 있도록 통로가 형성된다. 연료 페그(1265)의 측면에는 적어도 하나 이상의 분사구(1266)가 형성되며 복수의 분사구(1266)는 연료 페그(1265)의 길이 방향으로 이격 배열된다. 한편, 분사구(1266)는 공기의 유동 방향에 대하여 교차하는 방향으로 연료를 분사하는데, 바람직하게는 공기의 유동 방향과 직교하는 방향으로 연료를 분사하도록 형성될 수 있다. 더욱 상세하게 분사구(1266)는 페그 서포터(1400)가 이어진 방향으로 개방될 수 있다. 이에 따라 분사구(1266)에서 배출되는 연료는 페그 서포터(1400)의 안내를 받아 공기와 용이하게 혼합될 수 있다.

페그 서포터(1400)는 연료 페그(1265)가 구조적으로 안정성을 갖도록 지지하며, 고리 형상으로 이어져 형성된다. 페그 서포터(1400)는 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

페그 서포터(1400)는 곡면으로 이루어진 가이드면(1411, 1421)과 가이드면(1411, 1421)과 연결된 제1 지지면(1413, 1423)과 제2 지지면(1415, 1425)을 포함한다. 제1 지지면(1413, 1423)과 제2 지지면(1415, 1425)은 서로 수직으로 연결될 수 있으며, 제1 지지면(1413, 1423)은 노즐 케이싱(1260)의 내면과 대향하도록 배치되고, 제2 지지면(1415, 1425)은 공기의 이동 방향을 기준으로 페그 서포터(1400)의 후단에 배치된다. 가이드면(1411, 1421)은 노즐 케이싱(1260)의 중앙을 향하되 만곡된 호형으로 이루어진다. 실질적으로 가이드면(1411, 1421)은 노즐 케이싱(1260)의 중앙 및 전방을 향하도록 형성될 수 있다.

이와 같이 페그 서포터(1400)가 형성되면 연료 페그(1265)가 진동하거나 흔들리는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 가이드면(1411, 1421)이 공기의 흐름을 안내하여 공기의 흐름을 균일화할 수 있을 뿐만 아니라 유동 가이드부재(1280)로 입사되는 공기들이 유동 가이드부재(1280)에 의하여 보다 안정적으로 방향 전환이 될 수 있도록 돕는다. 이에 따라 스월의 발생을 감소시키고 공기의 이동을 안정적으로 안내할 수 있다.

연료 페그(1265)에는 2개의 페그 서포터(1400)가 설치될 수 있는데, 페그 서포터(1400)는 연료 페그(1265)의 높이 방향으로 이격 배치된다. 페그 서포터(1400)는 내측에 배치된 제1 페그 서포터(1410)와 제1 페그 서포터(1410)보다 상기 노즐 케이싱(1260)의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터(1420)를 포함할 수 있다.

여기서, 제1 페그 서포터(1410)의 가이드면(1411)과 제2 페그 서포터(1420)의 가이드면(1421)은 서로 다른 곡률 반경을 갖도록 형성될 수 있다. 제1 페그 서포터(1410)의 가이드면(1411)은 제1 곡률 반경(R1)을 갖고, 제2 페그 서포터(1420)의 가이드면(1421)은 제2 곡률 반경(R2)을 가지되, 여기서 제1 곡률 반경(R1)은 제2 곡률 반경(R2)보다 더 크게 형성될 수 있다. 제1 곡률 반경(R1)은 제2 곡률 반경(R2)의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.

이와 같이 제1 곡률 반경(R1)이 제2 곡률 반경(R2)보다 더 크게 형성되면 외측의 공기의 흐름이 미리 큰 각도로 휘어지도록 안내되고, 외측의 공기가 내측의 공기를 가압하여 스월의 발생을 최소화하고 예혼합된 공기가 보다 균일화되어 안정적으로 노즐로 유입될 수 있다. 또한, 연료와 공기가 페그 서포터(1400)에 의하여 안내되어 이동하므로 연료와 공기가 보다 균일하게 혼합될 수 있다.

연료 페그(1265)에서 분사된 연료와 혼합된 공기는 유동 가이드부재(1280)에 의하여 방향이 전환되어 노즐(1230)로 유입되는데, 페그 서포터(1400)가 설치되면 예혼합 공기들이 스월의 발생 없이 보다 용이하게 노즐(1230)로 유입될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 페그 서포터에 대해서 설명한다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.

도 6을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 페그 서포터(2400)는 연료 페그(1265)가 구조적으로 안정성을 갖도록 지지하며, 고리 형상으로 이어져 형성된다. 페그 서포터(2400)는 호형으로 이어져 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

페그 서포터(2400)는 볼록하게 돌출된 제1 곡면(2411, 2421)과 제1 곡면(2411, 2421)과 연결되며 볼록하게 돌출된 제2 곡면(2413, 2423)을 포함하고, 제1 곡면(2411, 2421)과 제2 곡면(2413, 2423)은 공기 유동을 기준으로 하류를 향하는 제1 모서리부(2415, 2425)와 상류는 향하는 제2 모서리부(2417, 2427)를 형성한다.

페그 서포터(2400)의 중심을 지나는 중심축(X21, X22)은 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선(X1)에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 여기서 중심축은 제1 모서리부(2415, 2425)와 제2 모서리부(2417, 2427)를 연결하는 선으로 이루어질 수 있다.

연료 페그(1265)에는 복수의 페그 서포터(2400)가 설치될 수 있는데, 페그 서포터(2400)는 연료 페그(1265)의 높이 방향으로 이격 배치된다.

또한, 페그 서포터(2400)는 내측에 배치된 제1 페그 서포터(2410)와 제1 페그 서포터(2410)보다 노즐 케이싱(1260)의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터(2420)를 포함할 수 있다. 제1 페그 서포터(2410)는 제2 페그 서포터(2420)보다 더 작은 두께를 갖도록 이루어질 수 있다.

또한, 제1 페그 서포터(2410)의 중심을 지나는 제1 중심축(X21)과 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선(X1)과 이루는 각을 제1 경사각(A21)이라 하고, 제2 페그 서포터(2420)의 중심을 지나는 제2 중심축(X22)이 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선과 이루는 각을 제2 경사각(A22)이라 할 때, 제1 경사각(A21)은 상기 제2 경사각(A22)보다 더 크게 형성될 수 있다. 제1 경사각(A21)은 제2 경사각의 1.05배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 이에 따라 제1 중심축(X21)과 제2 중심축(X22)은 서로 경사지게 배치된다.

이와 같이 페그 서포터(2400)가 형성되면 연료 페그(1265)가 진동하거나 흔들리는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 호형으로 만곡되어 돌출된 측면들이 공기의 흐름을 균일화하여 노즐로 공급할 수 있으며, 서로 다른 각도로 경사지게 배치된 페그 서포터(2400)가 공기의 흐름을 안내하는데, 외측의 공기가 더 큰 각도로 가압되어 내측의 공기를 가압하므로 스월의 발생을 최소화하고 예혼합된 공기가 보다 균일화되어 안정적으로 노즐로 유입될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 페그 서포터에 대해서 설명한다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 페그 서포터(3400)는 연료 페그(1265)가 구조적으로 안정성을 갖도록 지지하며, 고리 형상으로 이어져 형성된다. 페그 서포터(3400)는 호형으로 이어져 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 페그 서포터(3400)의 단면은 삼각형으로 이루어질 수 있으며, 삼각형의 장변이 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선(X1)에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.

연료 페그(1265)에는 복수의 페그 서포터(3400)가 설치될 수 있는데, 페그 서포터(3400)는 연료 페그(1265)의 높이 방향으로 이격 배치된다. 또한, 페그 서포터(3400)는 내측에 배치된 제1 페그 서포터(3410)와 제1 페그 서포터(3410)보다 노즐 케이싱(1260)의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터(3420), 및 제2 페그 서포터(3420)보다 노즐 케이싱(1260)의 중심에서 더 멀게 배치된 제3 페그 서포터(3430)를 포함할 수 있다.

여기서 분사구(1266)은 제1 페그 서포터(3410)와 제2 페그 서포터(3420) 사이 및 제2 페그 서포터(3420)와 제3 페그 서포터(3430) 사이에 형성될 수 있다. 제1 페그 서포터(3410)는 제2 페그 서포터(3420)보다 더 작은 두께를 갖고, 제3 페그 서포터(3430)는 제2 페그 서포터(3420)보다 더 작은 두께를 갖도록 이루어질 수 있다.

또한, 제1 페그 서포터(3410)의 중심을 지나는 제1 중심축(X31)과 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선(X1)과 이루는 각을 제1 경사각(A31)이라 하고, 제2 페그 서포터(3420)의 중심을 지나는 제2 중심축(X32)이 가상선(X1)과 이루는 각을 제2 경사각(A32)이라 하며, 제3 페그 서포터(3430)의 중심을 지나는 제3 중심축(X33)이 가상선(X1)과 이루는 각을 제3 경사각(A33)이라 할 때, 제1 경사각(A31)은 제2 경사각(A32)보다 더 크게 형성되고, 제2 경사각(A32)은 제3 경사각(A33)보다 더 크게 형성될 수 있다. 제1 경사각(A31)은 제2 경사각(A32)의 1.05배 내지 1.5배로 이루어질 수 있으며, 제2 경사각은 제3 경사각의 1.05배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 이에 따라 제1 중심축(X31), 제2 중심축(X32), 제3 중심축(X33)은 서로에 대하여 경사지게 배치된다.

이와 같이 페그 서포터(3400)가 연료 페그(1265)에 연결 설치되면 연료 페그(1265)가 진동하거나 흔들리는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 분사된 연료가 페그 서포터(3400)에 의하여 가압된 공기와 보다 용이하게 혼합될 수 있다.

또한, 서로 다른 각도로 경사지게 배치된 페그 서포터(3400)가 공기의 흐름을 안내하는데, 외측의 공기가 더 큰 각도로 가압되어 내측의 공기를 가압하므로 스월의 발생을 최소화하고 예혼합된 공기가 보다 균일화되어 안정적으로 노즐로 유입될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 페그 서포터에 대해서 설명한다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 페그와 페그 서포터를 도시한 단면도이다.

도 8을 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 페그 서포터(4400)는 연료 페그(1265)가 구조적으로 안정성을 갖도록 지지하며, 고리 형상으로 이어져 형성된다. 페그 서포터(4400)는 호형으로 이어져 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

페그 서포터(4400)는 대략 유선형의 단면을 갖는데, 공기 유동을 기준으로 상류를 향하며 라운드지게 형성된 선단부(4411, 4421)와 하류는 향하며 뾰족하게 형성된 모서리부(4413, 4423)를 포함한다.

페그 서포터(4400)의 중심을 지나는 중심축(X41, X42)은 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선(X1)에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 연료 페그(1265)에는 복수의 페그 서포터(4400)가 설치될 수 있는데, 페그 서포터(4400)는 연료 페그(1265)의 높이 방향으로 이격 배치된다. 또한, 페그 서포터(4400)는 내측에 배치된 제1 페그 서포터(4410)와 제1 페그 서포터(4410)보다 노즐 케이싱(1260)의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터(4420)를 포함할 수 있다.

여기서 분사구(1266)는 제1 페그 서포터(4410)와 제2 페그 서포터(4420) 사이 및 제2 페그 서포터(4420) 보다 노즐 케이싱(1260)의 중심에 더 가깝게 형성될 수 있다.

또한, 제1 페그 서포터(4410)의 중심을 지나는 제1 중심축(X41)과 연료 페그(1265)의 중심을 지나는 가상선과 이루는 각을 제1 경사각(A41)이라 하고, 제2 페그 서포터(4420)의 중심을 지나는 제2 중심축(X42)이 가상선(X1)과 이루는 각을 제2 경사각(A42)이라 할 때, 제1 경사각(A41)은 상기 제2 경사각(A42)보다 더 크게 형성될 수 있다. 제1 경사각(A41)은 제2 경사각(A42)의 1.05배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 이에 따라 제1 중심축(X41)과 제2 중심축(X42)은 서로 경사지게 배치된다.

이와 같이 페그 서포터(4400)가 연료 페그(1265)에 연결 설치되면 연료 페그(1265)가 진동하거나 흔들리는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 분사된 연료가 페그 스포터에 의하여 가압된 공기와 보다 용이하게 혼합될 수 있다.

또한, 서로 다른 각도로 경사지게 배치된 페그 서포터(4400)가 공기의 흐름을 안내하는데, 외측의 공기가 더 큰 각도로 가압되어 내측의 공기를 가압하므로 스월의 발생을 최소화하고 예혼합된 공기가 보다 균일화되어 안정적으로 노즐로 유입될 수 있다.

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.

1000: 가스 터빈
1100: 압축기
1130: 압축기 블레이드
1140: 베인
1150: 하우징
1200: 연소기
1210: 연소기 케이싱
1220: 버너
1230: 노즐
1231: 노즐 관
1232: 노즐 슈라우드
1234: 스월러
1236: 공급 통로
1240: 연소실
1250: 덕트 조립체
1251: 라이너
1252: 트랜지션피스
1253: 유동 슬리브
1257: 냉각 통로
1260: 노즐 케이싱
1262: 유동 통로
1263: 매니폴드
1265: 연료 페그
1266: 분사구
1270: 헤드 엔드 플레이트
1280: 유동 가이드부재
1400, 2400, 3400, 4400: 페그 서포터
1410, 2410, 3410, 4410: 제1 페그 서포터
1420, 2420, 3420, 4420: 제2 페그 서포터
1411, 1421: 가이드면
1413, 1423: 제1 지지면
1415, 1425: 제2 지지면
2411, 2421: 제1 곡면
2413, 2423: 제2 곡면
2415, 2425: 제1 모서리부
2417, 2427: 제2 모서리부
3430: 제3 페그 서포터
4411, 4421: 선단부
4413, 4423: 모서리부

Claims

연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐;
상기 노즐로 유입되는 공기의 흐름을 유도하는 유동 통로;
상기 유동 통로 내부로 돌출되며 연료가 배출되는 분사구가 형성된 복수의 연료 페그;
상기 연료 페그들에 연결되어 지지하는 페그 서포터;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 노즐들을 감싸는 노즐 케이싱을 더 포함하고,
상기 연료 페그는 상기 노즐 케이싱의 둘레 방향으로 이격 배열되며,
상기 페그 서포터는 고리 형상으로 이어져 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제2 항에 있어서,
상기 페그 서포터는 상기 노즐 케이싱의 중심을 향하되 만곡된 호형으로 이루어진 가이드 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제2 항에 있어서,
상기 페그 서포터는 복수로 형성되고,
상기 복수의 페그 서포터는 상기 연료 페그의 높이 방향으로 이격 배치된 것을 특징으로 하는 연소기.
제4 항에 있어서,
상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 가이드 면과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 가이드 면은 서로 다른 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
제5 항에 있어서,
상기 제1 페그 서포터의 가이드 면은 제1 곡률 반경을 갖고, 상기 제2 페그 서포터의 가이드 면은 제2 곡률 반경을 갖고, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 페그 서포터의 단면은 유선형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 페그 서포터는 볼록하게 돌출된 제1 곡면과 상기 제1 곡면과 연결되며 볼록하게 돌출된 제2 곡면을 포함하고, 상기 제1 곡면과 상기 제2 곡면은 공기 유동을 기준으로 하류를 향하는 제1 모서리부와 상류는 향하는 제2 모서리부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제7 항 또는 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연소기는 상기 노즐들을 감싸는 노즐 케이싱을 더 포함하며,
상기 페그 서포터는 복수로 형성되고,
상기 복수의 페그 서포터는 상기 연료 페그의 높이 방향으로 이격 배치되며,
상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 제1 중심축과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 제2 중심축은 서로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 연소기.
제9 항에 있어서,
상기 제1 중심축이 상기 연료 페그의 중심을 지나는 가상선과 이루는 각을 제1 경사각이라 하고,
상기 제2 중심축이 상기 연료 페그의 중심을 지나는 가상선과 이루는 각을 제2 경사각이라 할 때,
상기 제1 경사각은 상기 제2 경사각보다 더 작은 것을 특징으로 하는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 분사구는 상기 페그 서포터가 이어진 방향으로 개방된 것을 특징으로 하는 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 터빈으로서,
상기 연소기는,
연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐,
상기 노즐로 유입되는 공기의 흐름을 유도하는 유동 통로,
상기 유동 통로 내부로 돌출되며 연료 분사구가 형성된 복수의 연료 페그, 및
상기 연료 페그들을 연결하여 지지하는 페그 서포터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 페그 서포터는 고리 형상으로 이어져 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 연소기는 상기 노즐들을 감싸는 노즐 케이싱과 복수의 페그 서포터를 더 포함하고,
상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 가이드 면과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 가이드 면은 서로 다른 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 연소기는 상기 노즐들을 감싸는 노즐 케이싱을 더 포함하며,
상기 페그 서포터는 복수로 형성되고,
상기 복수의 페그 서포터는 상기 연료 페그의 높이 방향으로 이격 배치되며,
상기 복수의 페그 서포터 중 내측에 배치된 제1 페그 서포터의 제1 중심축과, 상기 제1 페그 서포터보다 상기 노즐 케이싱의 중심에서 더 멀게 배치된 제2 페그 서포터의 제2 중심축은 서로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.