KR102138765B1 - 가스터빈용 연료 분사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 관한 가스터빈용 연료 분사 장치는, 연료 공급관과, 일측이 연료 공급관과 연통되어 내부에 연료 공급관으로부터 유입되는 연료가 유동하는 연료유로를 구비하는 매니폴드와, 매니폴드의 연료유로에 설치되어 매니폴드의 연료유로를 제1 서브유로 및 제2 서브유로로 구획하며, 제1 서브유로 및 제2 서브유로를 연통시키는 관통공을 구비하는 격벽과, 매니폴드의 방사 방향으로 연료를 분사하는 노즐을 구비하고, 연료 공급관은 매니폴드의 중심으로부터 방사 방향으로 편향되어 매니폴드에 연결된다.

Description

가스터빈용 연료 분사 장치{fuel injection apparatus for gas turbine}
본 발명의 실시예들은 가스터빈용 연료 분사 장치에 관한 것이다.
가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로, 일반적으로 압축기와 연소기, 그리고 터빈으로 구성된다. 압축기에서는 공기를 압축시키고, 압축기에서 압축된 공기는 연소기로 전달되어 연료의 연소를 촉진시키고, 연소기에서 생성된 고온고압의 연소가스는 터빈으로 전달되어 팽창하면서 동력을 생산한다.
가스터빈의 연소기에서 연료를 공급하는 연료 공급관은 연료가 유동하는 매니폴드에 연결되어 연료를 연소기 내부로 공급할 수 있다. 일본 공개특허 제2016-125807호에는 연소기 내부로 연료를 공급하는 연료 통로가 연소기의 가운데에 형성되는 구조를 개시한다.
일본 공개특허 제2016-125807호 (2016.07.11.)
본 발명의 실시예들은 연료 공급관의 위치와 상관없이 연료를 균일하게 분사할 수 있는 가스터빈 연료 분사 장치를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 관한 가스터빈용 연료 분사 장치는, 연료 공급관과, 일측이 연료 공급관과 연통되어 내부에 연료 공급관으로부터 유입되는 연료가 유동하는 연료유로를 구비하는 매니폴드와, 매니폴드의 연료유로에 설치되어 매니폴드의 연료유로를 제1 서브유로 및 제2 서브유로로 구획하며, 제1 서브유로 및 제2 서브유로를 연통시키는 관통공을 구비하는 격벽과, 매니폴드의 방사 방향으로 연료를 분사하는 노즐을 구비하고, 연료 공급관은 매니폴드의 중심으로부터 방사 방향으로 편향되어 매니폴드에 연결된다.
본 실시예에 있어서, 매니폴드를 둘러싸되 매니폴드의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 노즐에 의해 분사된 연료에 공기를 충돌시키는 스월러를 더 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 연료 공급관은 제1 서브유로의 일측과 연통될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 매니폴드를 방사 방향을 따라 절개한 경우, 연료 공급관에 인접하는 제1 서브유로의 제1 절단면은 연료 공급관으로부터 먼 상기 제1 서브유로의 제2 절단면보다 넓을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 서브유로는 제2 서브유로의 내측에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 노즐은 제2 서브유로와 연통될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 관통공은 매니폴드의 일측의 반대측인 타측에 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 관통공은 격벽의 길이 방향을 따라 복수개가 형성될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 관한 가스터빈용 연료 분사 장치에 의하면, 연료 공급관에서 매니폴드로 유입되는 연료의 압력을 미리 균일화한 이후 연료를 분사할 수 있으므로, 연료 공급관의 위치와 상관없이 연료를 균일하게 분사할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 연료 분사 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 가스터빈용 연료 분사 장치의 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2의 연료공급관과 매니폴드를 정면에서 바라본 모습을 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 1의 가스터빈용 연료 분사 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.
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 가스터빈용 연료 분사 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 가스터빈용 연료 분사 장치(100)는 연료 공급관(110)과, 매니폴드(120)와, 격벽(130)과, 노즐(140) 및 스월러(150)를 포함할 수 있다.
연료 공급관(110)은 하우징(H)을 관통하도록 설치되어, 하우징(H)의 내부로 연료(F)를 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 연료 공급관(110)으로 유입된 연료(F)는 후술할 매니폴드(120)의 내부에 형성되는 연료유로(121)로 인도될 수 있다.
매니폴드(120)는 일측이 연료 공급관(110)과 연통되어 내부에 연료 공급관(110)으로부터 유입되는 연료(F)가 유동하는 연료유로(121)를 포함할 수 있다.
격벽(130)은 매니폴드(120)의 연료유로(121)에 설치되어, 매니폴드(120)의 연료유로(121)를 제1 서브유로(121a)와 제2 서브유로(121b)로 구획하며, 제1 서브유로(121a) 및 제2 서브유로(121b)를 연통시키는 관통공(131)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 서브유로(121a)는 제2 서브유로(121b)의 내측에 배치될 수 있다. 또한, 관통공(131)은 매니폴드(120)의 타측, 즉 연료 공급관(110)과 연결되는 매니폴드(120)의 일측과는 반대측에 형성될 수 있다.
한편, 매니폴드(120)의 연료유로(121)는 도면에 나타난 바와 같이 제1 서브유로(121a) 및 제2 서브유로(121b)로 구획될 수 있을 뿐만 아니라, 3개 이상의 제n 서브유로(n은 자연수)로 구획될 수 있다. 즉, 연료유로(121)가 구획될 수 있는 제n 서브유로(n은 자연수)의 개수는 2개로 한정되는 것이 아니며, 후술할 본 발명의 실시예들에 따른 가스터빈용 연료 공급 장치에 의한 효과를 달성하기 위한 목적에서 복수개가 형성될 수 있음을 밝혀둔다.
구체적으로, 연료 공급관(110)은 제1 서브유로(121a)의 일측과 연통될 수 있다. 따라서, 연료 공급관(110)에서 공급되는 연료(F)는 매니폴드(120)의 제1 서브유로(121a)의 일측으로 유입되며, 연료(F)는 제1 서브유로(121a)에서 제1 방향을 따라 유동하여 제1 서브유로(121a)의 타측에서 관통공(131)을 통해 제2 서브유로(121b)으로 유동할 수 있다.
노즐(140)은 매니폴드(120)의 제2 서브유로(121b)와 연통되어 매니폴드(120)의 방사 방향으로 연료(F)를 분사할 수 있는데, 이를 위해 노즐(140)은 매니폴드(120)를 관통하도록 형성될 수 있다. 그리고, 노즐(140)은 연료(F)의 분사를 용이하게 하기 위해 매니폴드(120)의 방사 방향으로 돌출된 돌출부(미표시)를 포함할 수도 있다.
스월러(150)는 매니폴드(120)를 둘러싸되, 매니폴드(120)의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 노즐(140)에서 분사되는 연료(F)에 공기(A)를 충돌시킬 수 있다. 구체적으로, 스월러(150)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 기준으로, 연료(F)가 유입되는 제1 서브유로(121a)의 일측에 대응하는 위치에 설치될 수 있으며 하우징(H)에 의해 고정될 수 있다.
하우징(H)과 매니폴드(120) 사이에는 혼합공간(MS)이 형성되며, 스월러(150)를 통해 유입되는 공기(A)는 혼합공간(MS)을 따라 유동할 수 있다. 공기(A)는 혼합공간(MS)을 따라 유동하여 노즐(140)에 인접하는 위치에서는 실질적으로 제1 방향과 평행한 방향으로 유동할 수 있다. 따라서, 제1 방향을 따라 유동하는 공기(A)는, 노즐(140)에서 제2 방향으로 분사되는 연료(F)와 교차하는 방향으로 충돌함으로써 연료(F)의 미립화(atomization)를 촉진시킬 수 있다.
한편, 도면에 나타난 바와 같이, 연료 공급관(110)은 매니폴드(120)의 중심축(CL)으로부터 방사 방향으로 편향되어 매니폴드(120)에 연결될 수 있다. 즉, 연료 공급관(110)은 제1 방향을 따라 절개한 가스터빈용 연료 분사 장치(100)의 절개도를 기준으로, 상측의 매니폴드(120)에 연결될 수 있다. 이와 같이 연료 공급관(110)이 매니폴드(120)의 중심축(CL)으로부터 방사 방향으로 편향되어 매니폴드(120)에 설치될 경우, 매니폴드(120)의 내부에서 연료(F)의 압력이 불균일하게 형성될 수 있으며, 특히 상측에 위치한 매니폴드(120)에 형성된 노즐(140)에서는 하측의 노즐(미표시)보다 더 많은 연료가 분사될 수 있다.
이렇게 노즐(140)에서 분사되는 연료(F)량이 공간적으로 균일하지 못할 경우, 당량비가 균일하지 못하여 화염 형상이 왜곡되거나 연소기(미도시)의 출구에서의 온도 프로파일(profile)에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 터빈(미도시)의 열응력을 고려하면 매니폴드(120)의 원주 방향으로 균일한 양의 연료(F)를 분사하여 원주 방향으로의 연소기의 온도를 균일하게 유지하는 것이 터빈의 수명 측면에서 유리할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 연료 공급 장치(100)는 매니폴드(120)의 연료유로(121)를 제1 서브유로(121a)와 제2 서브유로(121b)로 구획한다. 상세히, 연료 공급관(110)에서 매니폴드(120)로 유입되는 연료(F)의 압력은 제1 서브유로(121a)를 통과하며 미리 균일화될 수 있으며, 제1 서브유로(121a)에서 균일화된 연료(F)는 다시 관통공(131)을 통해 제2 서브유로(121b)로 전달되고, 마침내 제2 서브유로(121b)로부터 노즐(140)을 통해 혼합공간(MS)으로 분사될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈용 연료 공급 장치(100)에 의하면, 연료 공급관(110)의 위치와 상관없이 원주 방향으로 균일한 양의 연료(F)를 공급할 수 있으며, 이에 따라 연소기의 온도를 균일하게 유지하여 터빈의 수명을 연장할 수 있다.
도 2는 도 1의 가스터빈용 연료 분사 장치의 다른 실시예를 나타내는 개념도이고, 도 3은 도 2의 연료공급관과 매니폴드를 정면에서 바라본 모습을 나타내는 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 가스터빈용 연료 분사 장치(200)는 연료 공급관(210)과, 매니폴드(220)와, 격벽(230)과, 노즐(240) 및 스월러(250)를 포함할 수 있다.
이하, 연료 공급관(210)과, 매니폴드(220)와, 격벽(230)과, 노즐(240) 및 스월러(250)의 기본적인 구성은 상기 도 1을 참조하여 설명한 구성요소들과 실질적으로 동일하므로, 각 구성요소들의 배치관계와 기능 및 그 효과에 대해서는 도 1을 참조하여 상술한 내용들을 원용하기로 한다.
다만, 도 2 및 도 3에 도시된 매니폴드(220)는 도 1의 매니폴드(120)와 비교하여 부가적인 특징이 있으므로, 이에 대해서만 자세하게 설명하기로 한다.
도 2와 도 3에 나타난 바와 같이, 연료 공급관(210)에 인접하는 매니폴드(220)의 제1 서브유로(221a)는 제2 방향을 기준으로 L1의 폭을 갖고, 연료 공급관(210)으로부터 멀리 떨어져 있는 매니폴드(220)의 제1 서브유로(221a)는 제2 방향을 기준으로 L1보다 짧은 L2의 폭을 갖는다. 즉, 매니폴드(220)의 방사 방향, 즉 제2 방향을 따라 매니폴드(220)를 절개할 경우, 연료 공급관(210)에 인접하는 제1 서브유로(221a)의 제1 절단면은 연료 공급관(210)으로부터 먼 제1 서브 유로(221a)의 제2 절단면보다 넓게 형성될 수 있다.
일반적으로, 상기 제1 절단면은 상기 제2 절단면보다 연료 공급관(210)에 인접하므로, 상기 제1 절단면을 지나는 연료(F)의 압력은 상기 제2 절단면에서의 연료(F)의 압력보다 높게 형성된다. 따라서, 제1 절단면을 제2 절단면보다 넓게 형성함으로써, 제1 절단면, 즉 연료 공급관(210)에 인접하는 제1 서브유로(221a)를 유동하는 연료(F)의 압력을 낮추어 제2 절단면 측으로 유동하는 연료(F)의 압력과 유사하도록 만들어줄 수 있다.
결과적으로, 상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈용 연료 공급 장치(200)에 의하면, 연료 공급관(210)의 위치와 상관없이 원주 방향으로 균일한 양의 연료(F)를 공급할 수 있으며, 이에 따라 연소기의 온도를 균일하게 유지하여 가스터빈의 수명을 연장할 수 있다.
도 4는 도 1의 가스터빈용 연료 분사 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 가스터빈용 연료 분사 장치(300)는 연료 공급관(310)과, 매니폴드(320)와, 격벽(330)과, 노즐(340) 및 스월러(350)를 포함할 수 있다.
이하, 연료 공급관(310)과, 매니폴드(320)와, 노즐(340) 및 스월러(350)의 구성은 상기 도 1을 참조하여 설명한 구성요소들과 동일하므로, 여기서는 자세한 설명은 생략하기로 하고, 다만 격벽(330)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 격벽(330)은, 도 1에 도시된 관통공(131)과 동일한 위치에 형성되는 관통공(331) 뿐만 아니라, 격벽(330)의 길이 방향(제1 방향)을 따라 복수개가 형성될 수 있다. 이러한 복수개의 관통공(331a 내지 331f)은 제1 서브유로(321a)와 제2 서브유로(321b)를 연통하는 기능을 수행하여, 연료(F)를 제1 서브유로(321a)에서 제2 서브유로(321b)로 전달할 수 있다.
이러한 구조에 따라서도, 연료 공급관(310)에서 제1 서브공간(321a)으로 유입되는 연료(F)의 압력은 균일하게 유지될 수 있으며, 균일화된 연료(F)는 다시 복수개의 관통공(331a 내지 331f)을 통해 제2 서브유로(321b)로 전달되고, 마침내 제2 서브유로(321b)로부터 노즐(340)을 통해 혼합공간(MS)으로 분사될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈용 연료 공급 장치(300)에 의하면, 연료 공급관(310)의 위치와 상관없이 원주 방향으로 균일한 양의 연료(F)를 공급할 수 있으며, 이에 따라 연소기의 온도를 균일하게 유지하여 가스터빈의 수명을 연장할 수 있다.
본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 가스터빈용 연료 분사 장치 121b: 제2 서브유로
110: 연료 공급관 130: 격벽
120: 매니폴드 131: 관통공
121: 연료유로 140: 노즐
121a: 제1 서브유로 150: 스월러

Claims (8)

  1. 연료 공급관;
    일측이 상기 연료 공급관과 연통되어 내부에 상기 연료 공급관으로부터 유입되는 연료가 유동하는 연료유로를 구비하는 매니폴드;
    상기 매니폴드의 상기 연료유로에 설치되어 상기 매니폴드의 상기 연료유로를 제1 서브유로 및 제2 서브유로로 구획하며, 상기 제1 서브유로 및 상기 제2 서브유로를 연통시키는 관통공을 구비하는 격벽; 및
    상기 매니폴드의 방사 방향으로 연료를 분사하는 노즐;을 구비하고,
    상기 연료 공급관은 상기 매니폴드의 중심으로부터 방사 방향으로 편향되어 상기 매니폴드에 연결되는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 매니폴드를 둘러싸되 상기 매니폴드의 방사 방향으로 소정 간격 이격되도록 설치되어, 상기 노즐에 의해 분사된 상기 연료에 공기를 충돌시키는 스월러를 더 구비하는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 공급관은 상기 제1 서브유로의 일측과 연통되는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 매니폴드를 상기 방사 방향을 따라 절개한 경우,
    상기 연료 공급관에 인접하는 상기 제1 서브유로의 제1 절단면은 상기 연료 공급관으로부터 먼 상기 제1 서브유로의 제2 절단면보다 넓은, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 서브유로는 상기 제2 서브유로의 내측에 배치되는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 제2 서브유로와 연통되는, 가스터빈용 연료 분사 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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JP2002206743A (ja) 2000-12-28 2002-07-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 予混合燃焼器
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