KR102142140B1 - 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 유로로부터 스월러 베인으로 유동하는 연료를 분배가이드하는 연료노즐, 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은, 일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더; 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더; 보조 실린더와 이격 형성되며, 보조 실린더를 감싸는 슈라우드; 보조 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 연료 유로와 연통하는 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인; 연료 캐비티에 형성되며, 가이드홀을 통해 연료 유로로부터 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하는 유동 가이드부를 포함한다.

Description

연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈{FUEL NOZZLE, COMBUSTOR AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 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.
대한민국 공개특허 10-2006-0096319호 (명칭 : 캔형 연소기)
본 발명의 일측면은 연료 유로로부터 스월러 베인으로 유동하는 연료를 분배가이드하는 연료노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐은, 일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더; 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더; 보조 실린더와 이격 형성되며, 보조 실린더를 감싸는 슈라우드; 보조 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 연료 유로와 연통하는 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인; 연료 캐비티에 형성되며, 가이드홀을 통해 연료 유로로부터 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하는 유동 가이드부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 유동 가이드부는, 판형으로 형성된 복수개의 가이드 부재와, 연료 캐비티 내부에서 가이드 부재를 지지하는 가이드 서포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 연료 캐비티에는 복수개의 연료홀이 형성되며, 복수개의 가이드 부재는, 복수개의 연료홀과 대응하는 개수로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 각각 다른 각도로 기울어져 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 연료를 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 연료를 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S1)과 상이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 가이드홀의 저면을 기준으로 상이한 높이로 형성되되, 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이가 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이 보다 크도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 노즐에 있어서, 유동 가이드부는, 연료 유로의 일측 내벽에 돌출 형성되는 보조 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함한다. 그리고, 복수의 연료 노즐 각각은, 일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더; 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더; 보조 실린더와 이격 형성되며, 보조 실린더를 감싸는 슈라우드; 보조 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 연료 유로와 연통하는 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인; 연료 캐비티에 형성되며, 가이드홀을 통해 연료 유로로부터 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하는 유동 가이드부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 유동 가이드부는, 판형으로 형성된 복수개의 가이드 부재와, 연료 캐비티 내부에서 가이드 부재를 지지하는 가이드 서포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 연료 캐비티에는 복수개의 연료홀이 형성되며, 복수개의 가이드 부재는, 복수개의 연료홀과 대응하는 개수로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 각각 다른 각도로 기울어져 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 연료를 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 연료를 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S1)과 상이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 가이드홀의 저면을 기준으로 상이한 높이로 형성되되, 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이가 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이 보다 크도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 유동 가이드부는, 연료 유로의 일측 내벽에 돌출 형성되는 보조 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈을 포함한다. 그리고, 연소기는 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체와, 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함한다. 그리고, 복수의 연료 노즐 각각은, 일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더; 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더; 보조 실린더와 이격 형성되며, 보조 실린더를 감싸는 슈라우드; 보조 실린더와 슈라우드 사이에 형성되며, 연료 유로와 연통하는 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인; 연료 캐비티에 형성되며, 가이드홀을 통해 연료 유로로부터 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하는 유동 가이드부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 유동 가이드부는, 판형으로 형성된 복수개의 가이드 부재와, 연료 캐비티 내부에서 가이드 부재를 지지하는 가이드 서포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 연료 캐비티에는 복수개의 연료홀이 형성되며, 복수개의 가이드 부재는, 복수개의 연료홀과 대응하는 개수로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 각각 다른 각도로 기울어져 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 연료를 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 연료를 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S1)과 상이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 복수개의 가이드 부재는, 가이드홀의 저면을 기준으로 상이한 높이로 형성되되, 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이가 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이 보다 크도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 유동 가이드부는, 연료 유로의 일측 내벽에 돌출 형성되는 보조 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연료 유로로부터 스월러 베인으로 유동하는 연료를 분배가이드할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐이 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 A 부분이 확대 도시된 도면으로, 유동 가이드부가 도시된 도면이다.
도 5는 종래의 스월러 베인 내부에서 연료가 외부로 배출되는 것이 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 유동 가이드부에 의해 연료가 분배 가이드되는 것이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐의 일부가 도시된 도면으로, 유동 가이드부가 확대 도시된 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐의 유동 가이드부에 의해 연료가 분배 가이드되는 것이 도시된 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 연료 노즐의 변형예가 도시된 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(1100), 압축기로부터 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(1200) 및 연소기에서 발생한 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(1300)을 포함한다. 본 명세서에서는 연료 또는 공기 흐름의 선후를 기준으로 상류 및 하류를 규정하도록 한다.
가스 터빈의 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 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다. 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
가스 터빈의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분으로서, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 역할을 한다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
가스 터빈을 구성하는 압축기(1100)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계될 수 있는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 대형 가스 터빈은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 다단 축류형 압축기가 적용되는 것이 일반적이다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다.
연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다.
연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 회전축을 중심으로 환형으로 배치되는 복수개의 버너 모듈(1210)을 포함한다. 버너 모듈(1210)은 연료 유체가 연소하는 연소실(1240)을 포함하는 연소실 조립체(1220)와, 연소실(1240)로 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체(1230)를 포함할 수 있다.
가스 터빈에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있는데, 본 발명에서의 연료 유체는 이들을 의미한다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.
예혼합 연소의 경우에는 연료 노즐 조립체(1230)에서, 압축기(1100)로부터 유입된 압축 공기는 연료와 혼합된 후, 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.
연료 노즐 조립체(1230)는 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐(2000)을 포함하는데, 연료 노즐(2000)은 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 되도록 한다.
복수개의 연료 노즐(2000)은 하나의 내부 연료 노즐을 중심으로 복수개의 외부 연료 노즐이 방사상으로 배치될 수 있다. 연료 노즐(2000)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
연소실 조립체(1220)는 연소가 이루어지는 공간인 연소실(1240)을 구비하는데, 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 포함한다.
라이너(liner, 1250)는 연료 노즐 조립체(1230)의 하류측에 배치되며, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 라이너(1251)를 아우터 라이너(1252)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 라이너(1251)는 내부가 빈 관형 부재이고, 이너 라이너(1251)는 내부는 연소실(1240)을 이룬다. 압축 공기는 아우터 라이너(1252) 안쪽의 환형 공간 내부로 침투하여 이너 라이너(1251)를 냉각시킬 수 있다.
한편, 라이너(1250)의 하류 측에는 트랜지션 피스(transition piece, 1260)가 위치하는데, 트랜지션 피스(1260)는 연소실(1240)에서 발생한 연소 가스를 터빈(1300)으로 고속으로 내보낼 수 있다. 트랜지션 피스(1260)는 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 트랜지션 피스(1262)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이너 트랜지션 피스(1261)도 이너 라이너(1251)와 마찬가지로 내부가 빈 관형 부재로 형성되며, 라이너(1250)에서 터빈(1300) 측으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다. 이 때, 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)는 플레이트 스프링 씰(미도시)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)의 각 단부는 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 플레이트 스프링 씰은 열팽창에 의한 길이 및 직경의 신장을 수용할 수 있는 구조로 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 지지할 수 있다.
이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 라이너(1252)와 아우터 트랜지션 피스(1262)가 감싸는 구조로 되어 있고, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252) 사이의 환형 공간과 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262) 사이의 환형 공간 안으로 압축 공기가 침투할 수 있다. 이와 같은 환형 공간을 침투한 압축 공기는 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 냉각시킬 수 있다.
한편, 연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소 가스는 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 통해 터빈(1300)으로 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소 가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌하여 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.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐에 대해 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐(2000)은 메인 실린더(2100), 보조 실린더(2200), 스월러 베인(2300), 슈라우드(2400)를 포함한다.
헤드 엔드 플레이트(1231)는 연료 노즐 조립체(1230)의 외벽을 이루는 노즐 케이싱(1232)의 단부에서 노즐 케이싱(1232)과 결합하여 노즐 케이싱(1232)을 밀봉하고, 노즐 케이싱(1232) 내에 배열되는 연료 노즐(2000)을 지지한다. 메인 실린더(2100)는 그 일단에 배치된 노즐 플랜지(2010)에 의해 헤드 엔드 플레이트(1231)에 고정된다. (도 2 참조)
메인 실린더(2100)는, 연소실(1240) 방향으로 연장되어 형성되며, 그 내부에는 연료와 공기가 혼합하는 공간이 형성될 수 있다. 또는 메인 실린더(2100) 내부는 연료와 공기의 혼합 공간이 아니라, 연료 노즐을 이루는 다른 부품이 형성될 수도 있다. 메인 실린더(2100)는 연료를 공급하는 매니 폴드, 관련 밸브 등과 결합될 수 있다. 메인 실린더(2100)는 원통형으로 형성될 수 있으며, 메인 실린더(2100)의 외벽과 내벽 사이에는 연료를 공급하는 매니 폴드로부터 공급된 연료가 유동하는 제1 유로(2110)가 형성된다.
보조 실린더(2200)는 메인 실린더(2100) 주위에 이격되어, 메인 실린더(2100)를 둘러싸도록 형성된다. 보조 실린더(2200)의 외벽과 내벽 사이에는 제1 유로(2110)로부터 공급된 연료가 유동하는 제2 유로(2210)가 형성된다. 메인 실린더(2100)와 보조 실린더(2200) 사이에는 방사형으로 배열된 보조 스월러(2120)가 연결 형성되며, 메인 실린더(2100)에 형성된 제1 유로(2110)를 유동하는 연료를 보조 실린더에 형성된 제2 유로(2210)로 유동시키고, 유동되는 연료의 일부는 보조 실린더(2200)와 슈라우드(2400) 사이의 공간으로 배출시켜서 압축 공기와 혼합시킨다.
이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252) 사이의 환형 공간으로 유입된 압축 공기의 일부는 보조 실린더(2200)와 슈라우드(2400) 사이의 공간으로 유동하여 스월러 베인(2300)를 통해 공급된 연료와 혼합되고, 나머지 일부는 메인 실린더(2100)와 보조 실린더(2200) 사이의 공간으로 유동하여 보조 스월러(2120)를 통해 공급된 연료와 혼합된다.
슈라우드(shroud, 2400)는 보조 실린더(2200)와 이격되어 보조 실린더(2200)를 길이 방향으로 둘러싸도록 형성되어, 연료 및 공기가 지날 수 있도록 유로를 구성한다. 슈라우드(2400)는 메인 실린더(2100) 및 보조 실린더(2200)의 연장 방향을 따라 연장 형성되는데, 바람직하게는 메인 실린더(2100) 및 보조 실린더(2200)와 동심축을 갖고 보조 실린더(2200)와 일정 간격 이격되어 보조 실린더(2200)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 원통형의 슈라우드(2400)를 예시로 한다. 이 경우, 보조 실린더(2200)와 슈라우드(2400)에 의해 형성되는 유로의 단면은 환상(環狀)으로 형성될 수 있다.
스월러 베인(swirler vane, 2300)은 보조 실린더(2200) 중간의 외주면에 방사형으로 배열되어, 슈라우드(2400)와 보조 실린더(2200) 사이의 공간으로 유입된 연료 유체에 회전 유동이 발생하도록 한다. 스월러 베인(2300)은 그 내부에 보조 실린더(2200)의 제2 유로(2210)와 연통되는 연료 캐비티(2310)가 형성된다. 제2 유로(2210)를 유동하는 연료는 연료 캐비티(2310)를 거쳐서 스월러 베인(2300) 내외부를 관통하는 연료홀(2330)를 통해 스월러 베인(2300) 외부로 배출될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 유로(2210)를 유동하는 연료는 가이드홀(2320)을 통해 연료 캐비티(2310)로 유입된다. 가이드홀(2320) 하류에는 유입된 연료를 분배 가이드하는 유동 가이드부(2500)가 형성된다. 유동 가이드부(2500)는 기설정된 각도로 형성된 판형으로 형성된 복수개의 가이드 부재(2510)를 포함한다. 유동 가이드부(2500)는 연료 캐비티(2310) 내부에서 가이드 부재(2510)를 지지하는 가이드 서포트(2520)를 포함할 수 있다.
복수개의 가이드 부재(2510)는 복수개의 연료홀(2330)과 대응하는 개수로 형성될 수 있다. 복수개의 가이드 부재(2510)는 모두 동일한 각도로 기울어져 형성되거나, 각각 다른 각도로 기울어져 형성될 수도 있다. 각각 다른 각도로 기울어지는 경우, 연료를 가이드홀(2320)과 가까운 위치에 형성된 연료홀(2330a)로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 가이드홀(2320)과 먼 위치에 형성된 연료홀(2330b)로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성할 수 있다.
복수개의 가이드 부재(2510)는 가이드홀(2320)의 면적비를 제어하도록 형성된다. 가이드홀(2320)을 통해 연료 캐비티(2310)로 유입되는 연료는 복수개의 가이드 부재(2510)가 이루는 면적비에 따라 연료 유량이 제어될 수 있다. 이때, 먼 위치에 형성된 연료홀(2330b)로 가이드되는 연료의 유량은, 가까운 위치에 형성된 연료홀(2330a)로 가이드되는 연료의 유량 보다 상대적으로 크므로, 많은 유량에 의해 발생하는 난류에 의해 연료홀(2330b)을 통해 배출되는 연료가 감소될 수 있다. 따라서, 먼 위치에 형성된 연료홀(2330b)로 가이드되는 연료의 속도를 늦춰서 난류 현상을 완화시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 먼 위치에 형성된 연료홀(2330b)로 가이드하는 가이드 부재(2510b)에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀(2330a)로 가이드하는 가이드 부재(2510a)에 의해 형성된 면적(S1) 보다 점진직으로 커지도록 면적비를 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 면적비 제어는 연료 노즐 설계시에 요구되는 성능, 출력, 형상 등을 고려하여 결정된다.
도 5는 종래의 스월러 베인 내부에서 연료가 외부로 배출되는 것이 도시된 도면이고, 도 6은 본 발명의 유동 가이드부에 의해 연료가 분배 가이드되는 것이 도시된 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 경우, 연료 캐비티 내부로 유입된 연료는 가장 가까운 연료홀(2330a)로 집중될 수 있으며, 많은 유량이 집중됨에 따라 연료홀 주변에 난류가 형성되어 연료 배출이 원활하지 못하게 될 수 있다. 또는, 경우에 따라, 연료의 많은 양이 유로의 단부에서 터닝되어 가장 먼 곳의 연료홀(2330b)로 집중될 수 있으며, 많은 유량이 집중됨에 따라 연료홀 주변에 난류가 형성되어 연료 배출이 원활하지 못하게 될 수 있다. 뿐만 아니라, 연료 캐비티 내에서 연료 흐름이 뒤섞어서 연료홀 위치와 상관없이 난류가 형성되어 연료 배출이 원활하지 못하게 될 수 있다.
반면에, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 경우, 연료 캐비티(2310) 내부로 유입되는 연료는 유동 가이드부(2500)에 의해 상대적으로 균일하게 배분 및 가이드되어, 연료홀 주변 또는 연료 캐비티 내부에서 발생하는 난류를 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 연료홀(2330)을 통한 연료의 배출을 원활하게 할 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐을 설명한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐의 일부가 도시된 도면으로, 유동 가이드부가 확대 도시된 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐의 유동 가이드부에 의해 연료가 분배 가이드되는 것이 도시된 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 노즐은, 전술한 일 실시예와 비교하여 유동 가이드부의 일부 구조가 차이가 있으며, 나머지는 실질적으로 동일하므로, 반복 설명은 생략한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제2 유로(2210)를 유동하는 연료는 가이드홀(2320)을 통해 연료 캐비티(2310)로 유입된다. 가이드홀(2320) 하류에는 유입된 연료를 분배 가이드하는 유동 가이드부(2500)가 형성된다. 유동 가이드부(2500)는 가이드 부재(2510)와 가이드 서포트(2520)을 포함할 수 있으며, 가이드 부재(2510)의 형상은 전술한 일 실시예와 달리 형성된다.
전술한 일 실시예에서 가이드 부재(2510)는 가이드홀(2320)의 저면을 기준으로 동일한 높이(도 4의 H1 참조)로 형성되나, 본 실시예의 가이드 부재(2510)는 가이드홀(2320)의 저면을 기준으로 상이한 높이(H1 ~ H3)로 형성된다.
보다 구체적으로, 먼 위치에 형성된 연료홀(2330b)로 가이드하는 가이드 부재(2510b)의 높이가 가까운 위치에 형성된 연료홀(2330a)로 가이드하는 가이드 부재(2510a)의 높이 보다 순차적으로 크도록 형성된다. 즉, 복수의 가이드 부재의 높이가 H1 < H2 < H3가 되도록 형성된다.
복수의 가이드 부재가 상기와 같이 형성됨으로써, 도 8에 도시된 바와 같이,가까운 위치의 가이드 부재(2510a)에 가이드되는 연료의 유량을 줄이고, 먼 위치의 가이드 부재(2510b)에 의해 가이드되는 연료의 유량을 늘일 수 있게 된다. 그 결과, 전술한 일 실시예에서의 면적비 제어와 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다.
물론, 전술한 일 실시예와 동일하게, 본 실시예에서도 복수개의 가이드 부재(2510)는 복수개의 연료홀(2330)과 대응하는 개수로 형성될 수 있으며, 복수개의 가이드 부재(2510)는 모두 동일한 각도 또는 상이한 각도 또는 점진적으로 각도가 증가/감소하도록 형성될 수 있으며, 또한, 복수개의 가이드 부재(2510)는 가이드홀(2320)의 면적비를 제어하도록 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 연료 노즐의 변형예가 도시된 도면이다.
도 9에서 유동 가이드부(2500)는 전술한 일 실시예 또는 다른 실시예의 형태로 형성되고, 선택적으로 제2 유로(2210)에 보조 가이드 부재(2530)를 더 포함할 수 있다.
보조 가이드 부재(2530)는 제2 유로(2210)의 일측 내벽에 소정 높이로 돌출 형성되는 부재일 수 있다. 보조 가이드 부재(2530)는 가이드홀(2320)과 대응되는 위치의 제2 유로(2210)의 일측 내벽에 형성되거나, 가이드홀(2320) 보다 상류 위치에 있는 제2 유로(2210)의 일측 내벽에 형성될 수 있다.
보조 가이드 부재(2530)는 제2 유로(2210)를 유동하는 연료가 가이드홀(2320)로 유입되기 전에 연료의 유동을 가이드홀(2320) 방향으로 가이드하여 가이드홀(2320)로 유입되지 않고 통과하는 연료의 유량을 줄일 수 있도록 한다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
1100 : 압축기 1200 : 연소기
1210 : 버너 모듈 1220 : 연소실 조립체
1230 : 연료 노즐 조립체 1300 : 터빈
2000 : 연료 노즐 2100 : 메인 실린더
2200 : 보조 실린더 2300 : 스월러 베인
2310 : 연료 캐비티 2320 : 가이드홀
2330 : 연료홀 2400 : 슈라우드
2500 : 유동 가이드부 2510 : 가이드 부재
2520 : 가이드 서포트 2530 : 보조 가이드 부재

Claims (24)

  1. 일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더;
    상기 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더;
    상기 보조 실린더와 이격 형성되며, 상기 보조 실린더를 감싸는 슈라우드;
    상기 보조 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 연료 유로와 연통하고, 복수개의 연료홀이 형성된 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인;
    상기 연료 캐비티에 형성되며, 연료를 상기 연료 캐비티로 유입하는 가이드홀을 통해 상기 연료 유로로부터 상기 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하고, 상기 복수개의 연료홀과 대응하는 개수로 형성되는 복수개의 가이드 부재와 상기 연료 캐비티 내부에서 상기 가이드 부재를 지지하는 가이드 서포트를 포함하는 유동 가이드부;
    를 포함하는 연료 노즐.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    각각 다른 각도로 기울어져 형성되는 연료 노즐.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    연료를 상기 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성되는 연료 노즐.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    연료를 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S1)과 상이하게 형성되는 연료 노즐.
  7. 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 가이드 부재는, 상기 가이드홀의 저면을 기준으로 상이한 높이로 형성되되, 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이가 상기 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이 보다 크도록 형성되는 연료 노즐.
  8. 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부는, 상기 연료 유로의 일측 내벽에 돌출 형성되는 보조 가이드 부재를 더 포함하는 연료 노즐.
  9. 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
    상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하며,
    상기 연료노즐은,
    일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더;
    상기 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더;
    상기 보조 실린더와 이격 형성되며, 상기 보조 실린더를 감싸는 슈라우드;
    상기 보조 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 연료 유로와 연통하고, 복수개의 연료홀이 형성된 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인;
    상기 연료 캐비티에 형성되며, 연료를 상기 연료 캐비티로 유입하는 가이드홀을 통해 상기 연료 유로로부터 상기 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하고, 상기 복수개의 연료홀과 대응하는 개수로 형성되는 복수개의 가이드 부재와 상기 연료 캐비티 내부에서 상기 가이드 부재를 지지하는 가이드 서포트를 포함하는 유동 가이드부;
    를 포함하는 연소기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    각각 다른 각도로 기울어져 형성되는 연소기.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    연료를 상기 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성되는 연소기.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    연료를 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S1)과 상이하게 형성되는 연소기.
  15. 청구항 9, 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 가이드 부재는, 상기 가이드홀의 저면을 기준으로 상이한 높이로 형성되되, 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이가 상기 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이 보다 크도록 형성되는 연소기.
  16. 청구항 9, 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부는, 상기 연료 유로의 일측 내벽에 돌출 형성되는 보조 가이드 부재를 더 포함하는 연소기.
  17. 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈;을 포함하며,
    상기 연소기는,
    연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
    상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 연료 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체를 포함하고,
    상기 연료노즐은,
    일 방향으로 연장 형성된 메인 실린더;
    상기 메인 실린더 주위에 이격 형성되며, 내부에 연료가 유동하는 연료 유로가 형성된 보조 실린더;
    상기 보조 실린더와 이격 형성되며, 상기 보조 실린더를 감싸는 슈라우드;
    상기 보조 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 연료 유로와 연통하고, 복수개의 연료홀이 형성된 연료 캐비티를 구비한 스월러 베인;
    상기 연료 캐비티에 형성되며, 연료를 상기 연료 캐비티로 유입하는 가이드홀을 통해 상기 연료 유로로부터 상기 연료 캐비티로 유동하는 연료를 분배 가이드하고, 상기 복수개의 연료홀과 대응하는 개수로 형성되는 복수개의 가이드 부재와 상기 연료 캐비티 내부에서 상기 가이드 부재를 지지하는 가이드 서포트를 포함하는 유동 가이드부;
    를 포함하는 가스 터빈.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    각각 다른 각도로 기울어져 형성되는 가스 터빈.
  21. 청구항 17에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    연료를 상기 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ1)이, 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 경사각(θ2) 보다 작도록 형성되는 가스 터빈.
  22. 청구항 17에 있어서, 상기 복수개의 가이드 부재는,
    연료를 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S2)이, 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재에 의해 형성된 면적(S1)과 상이하게 형성되는 가스 터빈.
  23. 청구항 17, 청구항 20 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 가이드 부재는, 상기 가이드홀의 저면을 기준으로 상이한 높이로 형성되되, 상기 가이드홀과 먼 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이가 상기 가이드홀과 가까운 위치에 형성된 연료홀로 가이드하는 가이드 부재의 높이 보다 크도록 형성되는 가스 터빈.
  24. 청구항 17, 청구항 20 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부는, 상기 연료 유로의 일측 내벽에 돌출 형성되는 보조 가이드 부재를 더 포함하는 가스 터빈.
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