KR102129052B1 - 스월러 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스월러 어셈블리를 개시한다. 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내부에 설치되는 지지축과, 상기 지지축의 외주면에 형성되어 유체가 상기 지지축의 축방향으로 유동시 상기 지지축을 선회하는 제 1 유동을 발생시키는 날개부;를 포함하고, 상기 케이싱은, 상기 케이싱 내부와 상기 케이싱 외부를 연결하도록 상기 케이싱의 외면에 관통 형성되어 상기 지지축의 축방향으로 상기 케이싱의 내면을 따라 상기 유체가 선회하는 접선 방향 유동 제 2 유동을 발생시키는 주입부를 구비한다.

Description

스월러 어셈블리{Swirler assembly}
본 발명은 어셈블리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스월러 어셈블리에 관한 것이다.
가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 압축기를 이용해서 공기를 압축시킨 후 연소기에서 연료를 분산해서 연소하고, 고온 고압의 공기가 터빈에서 팽창하면서 동력을 생산한다.
연소기에서 화염이 휩쓸려가지 않고 적절한 위치에 고정되는 영역을 재순환 영역(Central recirculation zone, CRZ)이라고 한다. 연소기에서 연소가 지속적으로 유지하고, 연료와 산화제의 혼합을 촉진하기 위해서는 유동에 따른 적절한 재순환영역(CRZ)를 유지하는 것이 중요하다.
재순환영역을 유지하기 위해서는 유동에 회전 성분(Swirl)을 부여하여야 한다. 일반적으로 회전 성분(Swirl)을 발생시키는 노즐을 스월러(선회기,　Swirler)라 하고, 설계된 형상에 따라 Axial swirler, Radial swirler, Tangential swirler, Cone swirler 등으로 나누어 진다.
각 스월러가 설계된 형상에 따라서 회전 강도가 결정되게 되므로, 엔진 작동 환경 및 운전조건에 따라 회전강도를 제어할 수 없다.
상기와 같이 일반적인 모터 어셈블리는 한국공개특허 제1999-0063275호(발명의 명칭 : 가스터빈 엔진의 연소실용 스월러 및 그 성형 방법)에 구체적으로 개시되어 있다
한국공개특허공보 제1999-0063275호
본 발명의 실시예들은 분기되는 유동의 유량을 조절하여 회전강도를 제어할 수 있는 스월러 어셈블리를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 케이싱과, 상기 케이싱 내부에 설치되는 지지축과 상기 지지축의 외주면에 형성되어 유체가 상기 지지축의 축방향으로 유동시 상기 지지축을 선회하는 제 1 유동을 발생시키는 날개부를 포함하고, 상기 케이싱은, 상기 케이싱 내부와 상기 케이싱 외부를 연결하도록 상기 케이싱의 외면에 관통 형성되어 상기 지지축의 축방향으로 상기 케이싱의 내면을 따라 상기 유체가 선회하는 접선 방향 유동 제 2 유동을 발생시키는 주입부를 구비 하는 스월러 어셈블리를 제공한다.
또한, 상기 케이싱은, 메인바디부와, 상기 메인바디부와 연결되는 제1 베인, 상기 제1 베인과 적어도 일부분 겹치도록 상기 메인바디부와 연결되어 형성되고, 상기 제1 베인과 겹치는 부분이 서로 이격되어 상기 주입부를 형성하는 제2 베인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 케이싱은, 상기 제 1 베인과 상기 제 2 베인이 서로 겹치는 부분에 형성되어 상기 주입부로 주입되는 유체의 유출를 방지하는 유출방지부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 주입부는 상기 케이싱에 복수개 구비되며, 상기 복수개의 주입부는 서로 상기 지지축을 중심으로 방사형태로 상기 케이싱에 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 주입부 중 적어도 2개는 서로 대향하도록 상기 케이싱에 형성될 수 있다.
또한, 상기 주입부로 주입되는 유체를 양을 조절하는 유량조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 스월러　어셈블리로　유입되는　유량을　제어하고， 선회하는 유체의 회전강도를 조절하여 연속적이고 안정적인 연소가 유지될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.　
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스월러 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
도 2은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다.
도 3는 도 1에 도시된 스월러 어셈블리를 결합한 연소기를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도3의 유량조절부의 작동을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스월러 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스월러 어셈블리(100)를 보여주는 사시도이다. 도 2은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다. 도 3는 도 1에 도시된 스월러 어셈블리(100)를 결합한 연소기(10)를 보여주는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 스월러 어셈블리(100)는 지지축(110), 날개부(130), 케이싱(160), 유출방지부(170) 및 유량조절부(190)를 포함할 수 있다.
지지축(110)은 단면이 다각형 또는 원형인 기둥으로 형성 될 수 있다. 재료는 특정 재료에 한정되지 않으나, 열과 압력에 강한 재료를 사용할 수 있다.
날개부(130)는 통과하는 유체를 지지축(110)을 중심으로 선회시켜 제1 유동을 생성할 수 있다. 이때, 상기 제1 유동은 지지축(110)의 축방향(이하 Z방향)으로 유동하는 유체를 선회할 수 있다. 날개부(130)는 지지축(110) 외면의 반경방향으로 돌출된 복수개의 날개를 구비할 수 있다. 상기 날개는 유체의 Z방향 유동에 경사지게 각각 배치될 수 있다.
케이싱(160)은 메인바디부(161), 제1 베인(151) 및 제2 베인(152)을 포함할 수 있다. 지지축(110)과 날개부(130)는 메인바디부(161)의 내부에 설치될 수 있다. 제1 베인(151)과 제2 베인(152)은 메인바디부(161)에 연결되며, 제1 베인(151)과 제2 베인(152)은 이격되게 배치되어 주입부(180)를 형성할 수 있다. 메인바디부(161)와 제1 베인(151) 및 제2 베인(152)은 일체로 형성될 수 있으며, 또한 각각 형성되어 결합될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 메인바디부(161)와 제1 베인(151) 및 제2 베인(152)이 각각 형성되어 결합되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
유출방지부(170)는 주입부(180)로 유입되는 유체가 메인바디부(161)의 접선방향으로 이동하게 유지할 수 있다. 유출방지부(170)는 주입부(180)로 유입되는 유체의 이동하는 방향과 직교하는 단면이 폐곡선을 형성할 수 있다. 구체적으로, 유출방지부(170)는 메인바디부(161)와 대향하여 제1 베인(151) 및 제2 베인(152)과 연결될 수 있다.
베인(150)은 케이싱(160) 외부의 유체가 케이싱(160) 내부로 유입되는 유로로 역할을 할 수 있으며, 특정 형상에 한정되지 않는다. 구체적으로 Z방향과 직교하는 단면이 폐곡선 형상을 지닌 원통의 일부로 형성될 수 있다. 또한, 베인(150)은 내부면과 외부면이 곡면으로 형성될 수 있다. 또한, 베인(150)은 베인(150)의 중심으로부터 양 끝으로 갈수록 내부면과 외부면의 거리가 줄어드는 형태로 형성될 수 있다. 또한 베인(150)은 베인(150)의 중심으로부터 대칭형태로 형성 될 수 있다.
주입부(180)는 적어도 1개 이상으로 구비되며 베인(150)의 일부분이 대향하는 형태로 형성될 수 있다.
구체적으로 주입부(180)가 1개일 경우에는 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151)의 일부분과 제1 베인(151)의 다른 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다.
주입부(180)가 2개일 경우에는 2개의 주입부는 서로 이격되어 형성되는 제1 주입부(180a) 및 제2 주입부(180b)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151a)과 제2 베인(152a)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다. 특히 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151a)의 끝단과 제2 베인(152a)의 끝단이 서로 이격됨으로써 형성될 수 있다. 또한 제2 주입부(180b)는 제1 베인(151a)과 제2 베인(152a)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다. 이때, 제2 주입부(180b)는 제1 주입부(180a)와 동일 또는 유사하게 형성되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. (도 2의 (a)참고)
주입부(180)가 3개인 경우, 3개의 주입부(180)는 서로 이격되어 형성되는 제1 주입부(180a), 제2 주입부(180b) 및 제3 주입부(180c)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151b)과 제2 베인(152b)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다. 특히 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151b)의 끝단과 제2 베인(152b)의 끝단이 서로 이격됨으로써 형성될 수 있다. 또한, 제2 주입부(180b)는 제2 베인(152b)과 제3 베인(153b)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있으며, 제3 주입부(180c)는 제3 베인(153b)과 제1 베인(151b)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다. 이때, 제2 주입부(180b)와 제3 주입부(180c)는 제1 주입부(180a)와 동일 또는 유사하게 형성되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.(도 2의 (b)참고)
주입부(180)가 4개인 경우, 4개의 주입부(180)는 서로 이격되어 형성되는 제1 주입부(180a), 제2 주입부(180b), 제3 주입부(180c) 및 제4 주입부(180d)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151c)과 제2 베인(152c)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다. 특히 제1 주입부(180a)는 제1 베인(151c)의 끝단과 제2 베인(152c)의 끝단이 서로 이격됨으로써 형성될 수 있다. 또한, 제2 주입부(180b)는 제2 베인(152c)과 제3 베인(153c)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있으며, 제3 주입부(180c)는 제3 베인(153c)과 제4 베인(154c)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있으며, 제4 주입부(180d)는 제4 베인(154c)과 제1 베인(151c)의 일부분이 서로 겹치도록 배치되어 형성될 수 있다. 이때, 제2 주입부(180b)와 제3 주입부(180c) 및 제4 주입부(180d)는 제1 주입부(180a)와 동일 또는 유사하게 형성되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. (도 2의 (c)참고)
상기와 같은 방법으로 복수의 베인(150)을 배치하여 복수의 주입부(180)를 형성할 수 있다. 또한 복수개의 주입부(180)는 Z방향을 중심으로 방사형으로 형성될 수 있다.
복수개의 주입부(180)가 형성되는 경우에는 지지축(110)을 기준으로 2 이상의 주입부(180)가 서로 대항하여 형성될 수 있다.(도 2의 (a) 또는 도 2(c)참고)
유량조절부(190)는 지지축(110)과 끼움결합으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 유량조절부(190)는 지지축(110)을 삽입할 수 있는 홀을 가지고 있어 Z방향으로 일정길이 이동할 수 있다. 또한, 유량조절부(190)는 환형으로 형성될 수 있어, 지지축(110)이 유량조절부(190)에 삽입되어 Z방향으로 일정길이 이동할 수 있다.
상기와 같은 스월러 어셈블리(100)의 작동방법을 설명하면 다음과 같다.
압축기(미도시)를 통해 압축된 유체의 일부(이하 제1유체)는 케이싱(160)의 메인바디부(161)로 유입될 수 있다. 케이싱(160)의 메인바디부(161)로 유입된 상기 제1 유체는 Z방향으로 이동하면서 날개부(130)의 각 날개를 통과할 수 있다. 이때, 상기 제1 유체는 Z방향과 경사진 날개의 외면을 따라서 이동할 수 있다. 따라서, 날개부(130)는 상기 제1 유체가 날개부(130)를 통과하면서 Z방향으로 이동하고 지지축(110)을 선회하는 제1 유동을 발생시킬 수 있다.
상기 압축기를 통해 압축된 유체에서 제1 유체를 제외한 나머지 유체(이하 제 2유체)는 주입부(180)로 유입될 수 있다. 주입부(180)는 Z방향으로 케이싱(160)의 내면을 따라 유체가 선회하는 접선방향유동인 제2 유동을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 유체는 제1 베인(151)과 제2 베인(152)으로 형성된 주입부(180)로 유입될 수 있다. 상기 제2 유체는 곡면으로 형성된 제1 베인(151) 과 제2 베인(152)을 따라 이동할 수 있다. 또한, 유출방지부(170)가 상기 제2 유체의 Z방향으로 이동을 방지하고 상기 제2 유체가 상기 제2 유동을 형성할 수 있도록 한다.
상기 제2 유동이 발생하면, 상기 제2 유체는 상기 제1 유체에 합류할 수 있다.
도 4는 유량조절부(190)의 작동을 보여주는 개념도이다.
도 4a를 참고하면, 유량조절부(190)가 상기 제1 유체의 유동방향과 같은 Z축으로 이동하면 케이싱(160)의 메인바디부(161)로 유입되는 상기 제1 유량의 단면적은 줄어든다. 이때, 메인바디부(161)의 입구에서 상기 제1 유체에 대한 저항은 유량조절부(190)의 이동전과 비교할 때 상대적으로 증가하게 되므로 상기 제1 유체의 압력손실은 증가할 수 있다.
도 4b를 참고하면, 유량조절부(190)가 상기 제1 유체의 유동방향과 반대의 Z축으로 이동하면 케이싱(160)의 메인바디부(161)로 유입되는 상기 제1 유량의 단면적은 늘어난다. 이때, 메인바디부(161) 입구에서 상기 제1 유체에 대한 저항은 유량조절부(190)의 이동 전과 비교할 때 상대적으로 감소하게 되므로 상기 제1 유체의 압력손실이 감소하게 된다.
유체는 압력손실이 적은 쪽으로 이동하므로, 상기 제1 유체의 유량은 유량조절부(190)가 상기 제1 유체의 이동방향과 같은 Z방향으로 이동할 때 감소한다.(도4a 참고) 반면, 메인바디부(161)로 유입되는 상기 제1 유체의 유량은 유량조절부(190)가 상기 제1 유체의 이동방향과 반대의 Z방향으로 이동할 때 증가할 수 있다.(도 4b 참고)
유량조절부(190)의 Z축방향 이동을 통해 상기 제1 유체의 유량 및 제2 유체의 유량을 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스월러 어셈블리(200)를 보여주는 사시도이다. 이하에서 상기와 동일한 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 5를 참고하면, 지지축(210), 날개부(230), 케이싱(260), 유출방지부(270) 및 유량조절부(290)를 포함할 수 있다.
또한 케이싱(260)은 메인바디부(261), 제1 베인(251) 및 제2 베인(252)을 포함할 수 있다. 이때, 지지축(210), 제1 베인(251), 제2 베인(252), 유출방지부(270), 유량조절부(290)는 상기에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 날개부(230)는 지지축(210)의 중심으로 복수개의 날개가 방사형으로 구비될 수 있다. 날개부(230)에서 상기 날개와 이웃하는 날개는 유체가 반경방향에서 유입되어 Z방향으로 이동하는 통로를 형성할 수 있다. 상기 날개는 유체가 반경방향에서 유입시에 상기 통로의 단면적이 줄어드는 형태로 배치할 수 있다. 날개부(230)는 메인바디부(261)의 내부에 설치될 수 있다. 지지축(210)의 외면은 메인바디부(261)에 포함하도록 배치될 수 있다.
케이싱(260)의 메인바디부(261)로 유입된 상기 제1 유체는 날개부(230)의 각 날개를 따라서 지지축(210)의 반경방향에서 Z방향으로 이동할 수 있다. 이때 상기 제1 유체는 지지축(210)의 반경방향으로부터 비스듬히 접하면서 지지축(210)으로 유입될 수 있다. 따라서, 날개부(230)는 상기 제1 유체가 날개부(230)를 통과하면서 Z방향으로 이동하고 지지축(210)을 선회하는 상기 제1 유동을 발생시킬 수 있다. 상기 제2 유체의 상기 제2 유동 발생원리는 상기 서술한 것과 동일 또는 유사하게 발생하므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
연소기(10)에서 연속적이고 안정적인 점화가 형성되기 위해서는 점화가 발생하는 부분에서 넓은 영역의 고정된 재순환 영역이 생성되어 화염을 고정시켜야 한다. 유체가 스월러 어셈블리(100,200)를 통과시 지지축(110,210)을 선회하는 유동이 약할 경우, 좁은 영역의 재순환영역이 형성되고 상기 재순환영역은 고정될 수 없어 연속적이고 안정적인 점화가 형성될 수 없다. 반면, 유체가 스월러 어셈블리(100,200)를 통과시 지지축(110,210)을 선회하는 유동이 강할 경우, 넓은 영역의 고정된 재순환영역이 형성되어 연속적이고 안정적인 점화가 형성될 수 있다.
유량조절부(190,290)를 통해서 연소기(10)의 메인바디부(161,261)를 통과하는 상기 제1 유체의 유량 및 주입부(180,280)를 통과하는 상기 제 2유체의 유량을 조절할 수 있다. 또한, 주입부(180,280)를 통해 유입된 상기 제2 유체의 상기 제2 유동에 의해 선회하는 유동의 강도가 증가됨으로써 넓은 영역의 고정된 재순환 영역이 형성되어 연소기(10)는 연속적이고 안정적인 점화를 할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 연소기
100, 200 : 스월러 어셈블리
110, 210 : 지지축
130, 230 : 날개부
150 : 베인
151, 251 : 제1 베인
152, 252 : 제2 베인
160, 260 : 케이싱
161, 261 : 메인바디부
170, 270 : 유출방지부
180, 280 : 주입부
190 : 유량조절부

Claims (6)

  1. 케이싱;
    상기 케이싱 내부에 설치되는 지지축; 및
    상기 지지축의 외주면에 형성되어 유체가 상기 지지축의 축방향으로 유동시 상기 지지축을 선회하는 제 1 유동을 발생시키는 날개부;를 포함하고,
    상기 케이싱은,
    상기 케이싱 내부와 상기 케이싱의 외부를 연결하도록 상기 케이싱의 외면에 관통 형성되어 상기 지지축의 축방향으로 상기 케이싱의 내면을 따라 상기 유체가 선회하는 접선 방향 유동 제 2 유동을 발생시키는 주입부;를 구비하고,
    상기 케이싱은
    내부 공간을 가지는 메인 바디부;
    상기 메인 바디부와 연결되는 제1 베인; 및
    상기 제1 베인과 적어도 일부분이 마주보도록 배치되어, 상기 주입부를 형성하는 제2 베인;을 구비하고,
    상기 제1 베인 및 상기 제2 베인은
    상기 메인 바디부의 두께보다 얇으며, 일단이 상기 메인 바디부의 외주면에 정렬되게 배치되며, 타단이 상기 메인 바디부의 내주면에 정렬되도록 배치되는, 스월러 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱은,
    상기 메인 바디부와 이격되되, 상기 제1 베인 및 상기 제2 베인과 연결되는 유출방지부;를 더 구비하는 스월러 어셈블리.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 주입부는 상기 케이싱에 복수개 구비되며,
    상기 복수개의 주입부는 서로 상기 지지축을 중심으로 방사형으로 상기 케이싱에 배치되는 스월러 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수개의 주입부 중 적어도 2개는 서로 대향하도록 상기 케이싱에 배치되는 스월러 어셈블리.
  6. 삭제
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