KR102162053B1 - 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스월베인이 회전 가능하도록 구비됨에 따라 연료와 공기간의 혼합효율이 향상될 수 있는 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하며, 일 실시예로 노즐바디와, 상기 노즐바디를 둘러싸는 슈라우드와, 상기 노즐바디의 측면에 원주방향으로 이격되도록 구비되는 복수의 스월베인과, 상기 복수의 스월베인 각각의 측면에 구비되어 연료가 분사되는 복수의 연료분사홀 및 상기 노즐바디의 내부로부터 상기 복수의 연료분사홀로 연료를 공급하는 연료공급부를 포함하며, 상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비되는, 노즐 어셈블리를 제공한다.

Description

노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈{NOZZLE ASSEMBLY AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스월베인이 회전 가능하도록 구비됨에 따라 연료와 공기간의 혼합효율이 향상될 수 있는 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.

이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력 터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기 터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기 터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다.

이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스 터빈은 기본적인 요소로서 공기를 압축시키는 압축기, 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 연소시켜 연소가스를 생성시키는 연소기 및 연소기로부터 뿜어져 나온 고온 고압의 가스를 통해 날개를 회전시켜 전력을 발생시키는 터빈을 포함한다.

상기 연소기와 관련된 것으로서, 미국등록특허 US8220270호에서는 연료와 압축공기를 혼합시키는 스워즐(Swozzle)에 관해 개시하고 있다.

상기와 같은 종래의 스월러를 구비한 연소기용 노즐은, 연료가 분출되는 노즐의 상측으로 압축공기가 유동하도록 하여, 분출된 연료와 압축공기가 섞이도록 한다.

이때, 상기 종래의 스월러를 구비한 연소기용 노즐에 포함된 가이딩부는, 스월러 베인의 측면에 형성되어 스월러 베인의 측면을 따라 유동하는 압축공기를 가이드할 뿐, 압축공기와 연료를 균일하게 섞는 기능은 효과적으로 수행하지 못한다는 한계를 갖는다.

연료와 압축공기가 균일하게 섞일수록, 질소산화물이나 입자상물질 등이 발생하지 않게 되고, 연료의 연소효율이 증가하게 되어 가스터빈의 작동 효율이 향상하게 된다. 따라서, 가스터빈 내부에서 연료와 압축공기가 효율적으로 혼합될 수 있도록 하는 연소기용 노즐에 대한 필요성이 대두되는 바이다.

미국 등록특허 제8220270호(2012.07.17.등록)

본 발명은 스월베인이 회전 가능하도록 구비됨에 따라 연료와 공기간의 혼합효율이 향상될 수 있는 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 노즐바디와, 상기 노즐바디를 둘러싸는 슈라우드와, 상기 노즐바디의 측면에 원주방향으로 이격되도록 구비되는 복수의 스월베인과, 상기 복수의 스월베인 각각의 측면에 구비되어 연료가 분사되는 복수의 연료분사홀 및 상기 노즐바디의 내부로부터 상기 복수의 연료분사홀로 연료를 공급하는 연료공급부를 포함하며, 상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비되는, 노즐 어셈블리를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 베어링으로 회전 가능하게 결합되는 베인설치부 상에 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 노즐바디의 측면에는 원주방향을 따라 홈이 형성되며, 상기 베인설치부는 상기 홈에 베어링으로 회전 가능하게 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 연료공급부는, 상기 베인설치부의 내부에 형성되는 연료챔버와, 상기 노즐바디의 내부를 따라 연장되어 상기 연료챔버와 연통되는 제1 연료공급유로 및 상기 연료챔버로부터 상기 복수의 연료분사홀까지 연통되어 상기 복수의 연료분사홀에 연료를 공급하기 위한 제2 연료공급유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이에는 격자부재가 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 격자부재는 상기 복수의 스월베인 전단에 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 스월베인 각각은 에어포일(airfoil) 형상으로 이루어지되, 상기 노즐바디의 측면에 상기 노즐바디의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어진 상태로 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 연료분사홀은 상기 복수의 스월베인 각각에서 압력면에 구비되며, 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향을 따라 후단을 이루는 트레일링 엣지보다 전단을 이루는 리딩 엣지에 더 가깝게 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 스월베인 각각은 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향과 나란하게 형성되는 플랫부와, 상기 플랫부의 후단으로부터 일 방향으로 휘어지도록 형성되는 휨부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 연료분사홀은 상기 복수의 스월베인 각각에서 상기 플랫부의 측면에 구비되며, 상기 휨부와 인접한 후단보다 전단에 더 가깝게 구비될 수 있다.

또한, 상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 공기를 흡입하여 고압으로 압축시키는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 혼합시키는 연소기용 노즐 어셈블리를 구비하여, 연소가스를 발생시키는 연소기 및 상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈을 포함하는 가스터빈을 제공한다. 여기서, 연소기는 상기의 실시 예에 따른 노즐 어셈블리를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 스월베인이 노즐바디의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비됨에 따라 연료와 공기간의 혼합효율이 향상될 수 있다.

궁극적으로, 연료와 공기가 균일하게 섞일 수 있어 질소산화물이나 입자상물질 등이 발생하지 않게 되고, 연료의 연소효율이 증가하게 되어 가스터빈의 작동 효율이 향상하게 된다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 가스터빈에 포함된 연소기를 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 연소기에 포함된 연소기용 노즐 어셈블리를 분리하여 도시한 단면도.
도 4는 도 3에서 슈라우드를 제외한 노즐 어셈블리를 도시한 사시도.
도 5는 도 4에서 하나의 스월베인을 분리하여 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 어셈블리의 하나의 스월베인을 분리하여 도시한 사시도.

이하, 본 발명의 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

우선, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 구성을 도 1 및 2를 참조하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은, 크게 케이싱(10)과, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(30)와, 상기 연소기(30)로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈(40)을 포함할 수 있다.

상기 케이싱(10)은, 상기 압축기(20)가 수용되는 압축기 케이싱(12), 상기 연소기(30)가 수용되는 연소기 케이싱(13) 및 상기 터빈(40)이 수용되는 터빈 케이싱(14)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압축기 케이싱(12), 상기 연소기 케이싱(13) 및 상기 터빈 케이싱(14)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.

상기 케이싱(10)의 내부에는 로터(중심축; 50)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 상기 로터(50)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 상기 케이싱(10)의 하류 측에는 상기 터빈(40)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다.

상기 로터(50)는, 상기 압축기 케이싱(12)에 수용되는 압축기 로터 디스크(52), 상기 터빈 케이싱(14)에 수용되는 터빈 로터 디스크(54) 및 상기 연소기 케이싱(13)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 터빈 로터 디스크(54)를 연결하는 토크 튜브(53), 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 상기 터빈 로터 디스크(54)를 체결하는 타이 로드(55)와 고정 너트(56)를 포함할 수 있다.

상기 압축기 로터 디스크(52)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(52)는 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 각 압축기 로터 디스크(52)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(22)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

상기 터빈 로터 디스크(54)는 상기 압축기 로터 디스크(52)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(54)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(54)는 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 각 터빈 로터 디스크(54)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(42)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

상기 토크 튜브(53)는 상기 터빈 로터 디스크(54)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(52)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(53)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 터빈 로터 디스크(54) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(53)가 상기 압축기 로터 디스크(52) 및 상기 터빈 로터 디스크(54)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.

또한, 상기 토크 튜브(53)는, 상기 압축기(20)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(53)를 통과하여 상기 터빈(40)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 토크 튜브(53)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.

상기 타이 로드(55)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 상기 압축기(20)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(56)와 체결될 수 있다.

여기서, 상기 고정 너트(56)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)를 상기 압축기(20) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)가 상기 로터(50)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.

한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드가 복수의 상기 압축기 로터 디스크, 상기 토크 튜브 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

이러한 구성에 따른 상기 로터(50)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.

상기 압축기(20)는, 상기 로터(50)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(22) 및 상기 압축기 블레이드(22)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 압축기 케이싱(12)에 설치되는 압축기 베인(24)을 포함할 수 있다.

상기 압축기 블레이드(22)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(22)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(22)는 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 압축기 블레이드(22)의 루트부(22a)는 상기 압축기 로터 디스크(52)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(22a)는 상기 압축기 블레이드(22)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 압축기 블레이드의 루트부(22a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.

본 실시 예의 경우, 상기 압축기 블레이드 루트부(22a)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드를 상기 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.

여기서, 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 압축기 블레이드(22)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 압축기 블레이드 루트부(22a)가 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크(52)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.

상기 압축기 베인(24)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(24)은 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(24)과 상기 압축기 블레이드(22)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 상기 압축기 베인(24)은 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

상기 연소기(30)는 상기 압축기(20)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기 및 상기 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 연소기(30)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(30)는 상기 연소기 케이싱에 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.

상기 각 연소기(30)는 상기 압축기(20)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너(32)와, 상기 라이너(32)의 후방에 위치하여 연소가스를 상기 터빈(40)으로 안내하는 트랜지션 피스(34)를 포함한다. 상기 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)는 내부에 연소 챔버를 형성하고, 슬리브(36)가 상기 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)를 둘러싸도록 배치되어 그 사이에 환형의 유동공간을 형성한다.

또한, 상기 각 연소기(30)는 상기 압축기(20)로부터 공급받은 압축공기와 연료를 혼합시키는 연소기용 노즐 어셈블리(1000)를 구비하며, 상기 노즐 어셈블리(1000)는 상기 라이너(32)의 전방에 결합될 수 있다. 상기 노즐 어셈블리(1000)에 관하여는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.

이와 같이, 상기 압축기(20)로부터 유입되는 압축공기는 상기 노즐 어셈블리(1000)를 통해 연료와 혼합되면서 상기 연소 챔버 내로 이동하며, 상기 연소 챔버에서는 점화 플러그(미도시)에 의해 점화가 되어 연소가 일어나게 된다. 이후, 연소된 가스는 상기 터빈(40)으로 배출되어 회전을 발생시킨다.

이때, 고온 및 고압의 연소가스에 노출된 상기 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)를 냉각시키는 것은 연소기 내구성 증가를 위해 중요한 부분이다. 이를 위해, 상기 슬리브(36)에는 냉각홀이 형성되어 냉각홀을 통해 유입되는 압축공기가 수직으로 상기 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)의 외벽부와 충돌함에 따라 상기 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)를 냉각시키도록 한다.

구체적으로, 상기 압축기(20)로부터 유입되는 압축공기는 상기 슬리브(36)에 형성된 냉각홀을 통해 환형공간으로 유입되어 상기 라이너(32)와 트랜지션 피스(34)를 냉각시키고 환형공간을 따라 상기 라이너(32)의 전방으로 유동하며, 엔드 플레이트 측에 도달하여 방향을 전환한 후 상기 노즐 어셈블리(100)의 입구로 유입될 수 있다.

다음으로, 상기 터빈(40)은 상기 압축기(20)와 유사하게 형성될 수 있다. 상기 터빈(40)은, 상기 로터(50)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(42) 및 상기 터빈 블레이드(42)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 터빈 케이싱(14)에 고정 설치되는 터빈 베인(44)을 포함할 수 있다.

상기 터빈 블레이드(42)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(42)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(42)는 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 터빈 블레이드(42)의 루트부(42a)는 상기 터빈 로터 디스크(54)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(42a)는 상기 터빈 블레이드(42)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 터빈 블레이드의 루트부(42a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.

상기 터빈 베인(44)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(44)은 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(44)과 상기 터빈 블레이드(42)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 상기 터빈 베인(44)은 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 터빈(40)은 상기 압축기(20)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다. 이를 위해, 상기 압축기(20)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(40)으로 공급하기 위한 냉각 유로를 포함할 수 있다.

상기 냉각 유로는 실시 예에 따라, 상기 케이싱(10)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터(50)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다.

이때, 상기 냉각 유로는 상기 터빈 블레이드(42)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 상기 터빈 블레이드(42)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 상기 터빈 블레이드 쿨링 유로는 상기 터빈 블레이드(42)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(42)의 표면에 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드(42)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다. 상기 터빈 베인(44) 역시 상기 터빈 블레이드(42)와 유사하게 상기 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 노즐 어셈블리는 일반적인 가스터빈은 물론, 공기와 연료의 연소가 이루어지는 제트 엔진까지 넓게 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도 3 내지 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 노즐 어셈블리(1000)를 살펴보도록 한다. 상기에서 살펴본 바와 같이 연소기(30)에 구비된 연소기용 노즐 어셈블리(1000)는 연료가 저장된 외부의 연료탱크(미도시)로부터 공급받은 연료를 상기 압축기(20)로부터 공급받은 압축공기와 혼합시킨 후 이를 연소챔버의 내부로 전달한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 노즐 어셈블리(1000)는 크게 노즐바디(100)와, 슈라우드(200)와, 복수의 스월베인(300)과, 복수의 연료분사홀(320) 및 연료공급부(400)를 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 복수의 스월베인(300)은 상기 노즐바디(100)의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비되며, 이는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.

상기 노즐 바디(100)는 소정의 직경을 갖는 실린더 형상으로서, 노즐 바디(100)의 내부로 유동되도록 외부로부터 연료를 공급받기 위한 연료공급홀(112)과, 노즐 바디(100)의 축 방향을 향해 고압의 압축 공기를 공급하기 위한 다수개의 공기공급홀(114)이 형성될 수 있다.

상기 다수개의 공기공급홀(114)은 복수의 스월베인(300)을 향해 개구되어 있으며, 원주 방향을 따라 다수개가 배치되어 다량의 압축 공기를 상기 압축기(20)로부터 공급받아 복수의 스월베인(300)으로 공급할 수 있다.

상기 슈라우드(200)는 원통 형태로 이루어져 상기 노즐바디(100)를 둘러싸도록 구비되며, 이로써 상기 노즐 바디(100)가 상기 슈라우드(200)의 내부 중앙에 위치하게 된다.

상기 복수의 스월베인(300)은 상기 노즐바디(100)의 측면에 원주방향을 따라 이격되어 방사 형태로 배치되고, 상기 복수의 스월베인(300) 각각의 측면에는 연료가 분사되는 복수의 연료분사홀(320)이 형성된다.

이때, 상기 복수의 스월베인(300)이 상기 노즐바디(100)의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비되도록 하기 위해, 상기 복수의 스월베인(300)은 상기 노즐바디(100)의 측면에 베어링으로 회전 가능하게 결합되는 베인설치부(120) 상에 구비된다. 즉, 상기 복수의 스월베인(300)은 상기 베인설치부(120) 상에 원주 방향을 따라 방사 형태로 배치된다.

상기 베인설치부(120)는 원통 형태로 형성되어 상기 노즐바디(100)의 외주면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 설치된다. 본 실시 예에서, 상기 노즐바디(100)의 측면에는 원주방향을 따라 홈(102)이 형성되며, 상기 베인설치부(120)는 상기 홈(102)에 베어링(104)으로 회전 가능하게 결합된다.

이때, 상기 복수의 스월베인(300)은 스월베인으로 공급되는 압축공기에 의해 회전될 수 있도록 상기 노즐바디(100)의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어진 상태로 구비된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 스월베인(300)이 상기 노즐바디(100)의 축방향과 나란하게 배치되지 않고 일정 각도만큼 틀어져서 배치됨에 따라, 복수의 스월베인(300)을 지나가는 압축공기의 힘에 의해 화살표 방향으로 회전될 수 있다.

본 실시 예에서, 상기 복수의 스월베인(300) 각각은 에어포일(airfoil) 형상으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 복수의 스월베인(300) 각각은 압력면(301), 흡입면(302), 리딩엣지(Leading Edge)(303) 및 트레일링 엣지(Trailing Edge)(304)로 이루어지며, 도 5를 기준으로 상기 압력면(301)은 외측을 향해 라운드지게 형성된 상부면에 해당하고, 상기 흡입면(302)은 평평한 하부면에 해당한다. 또한, 공급되는 압축공기와 마주보는 앞부분이 리딩엣지(303)에 해당하고, 두께가 가장 얇아지는 뒷부분이 트레일링 엣지(304)에 해당한다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 스월베인의 형상은 다양하게 변형 가능하다.

이때, 상기 복수의 연료분사홀(320)은 상기 복수의 스월베인(300) 각각에서 압력면(301)에 구비되며, 상기 노즐바디(100)와 상기 슈라우드(200) 사이의 통로로 유입되는 압축공기의 방향을 따라 후단을 이루는 트레일링 엣지(304)보다 전단을 이루는 리딩 엣지(303)에 더 가깝게 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 압력면(301)에는 복수의 연료분사홀(320)이 스월베인(300)의 폭 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치된다.

이에 따라, 상기 스월베인(300)으로 공급되는 압축공기는 상기 리딩엣지(303)에서 스월베인(300)의 압력면(301)과 흡입면(302)을 따라 트레일링 엣지(304)로 이동하는 동안 상기 연료분사홀(320)에서 배출된 연료와 혼합된 후 혼합 가스 형태로 상기 노즐바디(100)의 축방향 하측으로 이동된다.

이와 같이, 상기 복수의 스월베인(300)은 상기 노즐바디(100)의 외주면에 상기 노즐바디(100)의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어진 상태로 구비되므로 스월베인(300)으로 압축공기가 공급될 경우 상기 노즐바디(100)의 축 방향을 따라 나선 형태로 이동되는 유체의 흐름을 유발할 뿐만 아니라, 상기 복수의 스월베인(300)이 회전되므로 더 큰 스월흐름(난류)을 유발하여 연료와 공기간의 혼합효율을 향상시킬 수 있다.

다음으로는, 상기 복수의 스월베인(300) 각각에 구비된 연료분사홀(320)에서 압축공기와 혼합되기 위한 연료가 배출될 수 있도록, 외부로부터 연료를 공급받아 상기 노즐바디(100)의 내부를 통해 상기 복수의 연료분사홀(320)로 연료를 공급하기 위한 연료공급부(400)에 관해 살펴보도록 한다.

도 3을 참고하면, 상기 연료공급부(400)는, 상기 베인설치부(120)의 내부에 형성되는 연료챔버(430)와, 상기 노즐바디(100)의 내부를 따라 연장되어 상기 연료챔버(430)와 연통되는 제1 연료공급유로(410) 및 상기 연료챔버(430)로부터 상기 복수의 연료분사홀(320)까지 연통되어 상기 복수의 연료분사홀(320)에 연료를 공급하기 위한 제2 연료공급유로(420)를 포함할 수 있다.

상기 제1 연료공급유로(410)는 외부로부터 연료를 공급받기 위한 상기 연료공급홀(112)로부터 상기 노즐바디(100)의 내부로 길이방향을 따라 연장되어 상기 연료챔버(430)와 연통된다. 상기 연료챔버(430)는 상기 베인설치부(120)의 내부에 원주방향을 따라 공간부를 갖도록 형성되어, 상기 베인설치부(120)가 회전하더라도 상기 제1 연료공급유로(410)로부터 연속적으로 연료를 공급받도록 할 수 있다. 또한, 상기 제2 연료공급유로(420)는 상기 연료챔버(430)로부터 상기 복수의 연료분사홀(320)과 모두 연통되도록 복수의 연료분사홀(320)을 따라 스월베인(300)의 내부에서 연장 형성된다. 이때, 상기 제2 연료공급유로(420)는 상기 연료챔버(430)에서 멀어질수록 연료의 공급압력이 낮아지는 것을 고려하여 연료챔버(430)에서 멀어질수록 유로가 좁아지게 설계될 수도 있다.

더욱이, 상기 노즐바디(100)와 상기 슈라우드(200) 사이에는 격자부재(500)가 구비될 수 있다. 특히, 상기 격자부재(500)는 상기 복수의 스월베인(300) 전단에 구비될 수 있다.

상기 격자부재(500)는 양단부가 상기 노즐바디(100)와 슈라우드(200)에 각각 고정되어, 상기 슈라우드(200)를 상기 노즐바디(100)로부터 이격되도록 지지함과 동시에 상기 복수의 스월베인(300)으로 공급되는 압축공기가 균일해질 수 있도록 분배하는 역할을 한다.

다음으로는, 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 노즐 어셈블리를 살펴보도록 한다. 여기서는, 상기에서 살펴본 노즐 어셈블리(1000)와 스월베인의 형상만 상이하고 나머지 구성은 동일하므로, 상이한 부분에 대해서만 설명하도록 한다.

본 실시 예에서, 상기 복수의 스월베인(1300) 각각은 상기 노즐바디(100)와 상기 슈라우드(200) 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향과 나란하게 형성되는 플랫부(1301)와, 상기 플랫부(1301)의 후단으로부터 일 방향으로 휘어지도록 형성되는 휨부(1302)를 포함할 수 있다.

본 실시 예에서, 상기 복수의 스월베인(1300) 각각에 형성되는 복수의 연료분사홀(1320)은 상기 플랫부(1301)의 양측면에 형성될 수 있으며, 상기 휨부(1302)와 인접한 후단보다 전단에 더 가깝게 구비되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 스월베인(1300)으로 공급되는 압축공기는 상기 플랫부(1301)의 양측면을 따라 상기 휨부(1302)로 이동하는 동안 상기 연료분사홀(1320)에서 배출된 연료와 혼합된 후 혼합 가스 형태로 상기 노즐바디(100)의 축방향 하측으로 이동된다.

이때, 상기 플랫부(1301)는 상기 노즐바디(100)의 축방향과 나란하게 배치되나, 후단에서 상기 휨부(1302)에 의해 상기 노즐바디(100)의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어지게 됨에 따라, 마찬가지로 복수의 스월베인(1300)을 지나가는 압축공기의 힘에 의해 화살표 방향으로 회전될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 플랫부도 상기 노즐바디(100)의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어지게 배치될 수도 있다.

이와 같이, 스월베인(1300)으로 압축공기가 공급될 경우 상기 휨부(1302)에 의해 상기 노즐바디(100)의 축 방향을 따라 나선 형태로 이동되는 유체의 흐름을 유발할 뿐만 아니라, 상기 복수의 스월베인(1300)이 회전되므로 더 큰 스월흐름(난류)을 유발하여 연료와 공기간의 혼합효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 스월베인(300)이 노즐바디(100)의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비됨에 따라 연료와 공기간의 혼합효율이 향상될 수 있다.

궁극적으로, 연료와 공기가 균일하게 섞일 수 있어 질소산화물이나 입자상물질 등이 발생하지 않게 되고, 연료의 연소효율이 증가하게 되어 가스터빈의 작동 효율이 향상하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1: 가스터빈 10: 케이싱
12: 압축기 케이싱 13: 연소기 케이싱
14: 터빈 케이싱 20: 압축기
22: 압축기 블레이드 22a: 압축기 블레이드 루트부
24: 압축기 베인 30: 연소기
32: 라이너 34: 트랜지션 피스
36: 슬리브 40: 터빈
42: 터빈 블레이드 42a: 터빈 블레이드 루트부
44: 터빈 베인 50: 로터
52: 압축기 로터 디스크 53: 토크 튜브
54: 터빈 로터 디스크 55: 타이로드
56: 고정너트
100: 노즐바디 102: 홈
104: 베어링 112: 연료공급홀
114: 공기공급홀 120: 베인설치부
200: 슈라우드 300: 스월베인
301: 압력면 302: 흡입면
303: 리딩 엣지 304: 트레일링 엣지
320: 연료분사홀 400: 연료공급부
410: 제1 연료공급유로 420: 제2 연료공급유로
430: 연료챔버 500: 격자부재
1000: 노즐 어셈블리
1300: 스월베인 1301: 플랫부
1302: 휨부 1320: 연료분사홀

Claims (20)

1. 노즐바디;
   상기 노즐바디를 둘러싸는 슈라우드;
   상기 노즐바디의 측면에 원주방향으로 이격되도록 구비되는 복수의 스월베인;
   상기 복수의 스월베인 각각의 측면에 구비되어 연료가 분사되는 복수의 연료분사홀; 및
   상기 노즐바디의 내부로부터 상기 복수의 연료분사홀로 연료를 공급하는 연료공급부;를 포함하며,
   상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비되고,
   상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이에는 격자부재가 구비되되, 상기 격자부재는 상기 복수의 스월베인 전단에 구비되며 상기 복수의 스월베인으로 공급되는 공기를 균일하게 분배하고,
   상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 베어링으로 회전 가능하게 결합되는 베인설치부 상에 구비되며,
   상기 연료공급부는,
   상기 베인설치부의 내부에 형성되는 연료챔버;
   상기 노즐바디의 내부를 따라 연장되어 상기 연료챔버와 연통되는 제1 연료공급유로; 및
   상기 연료챔버로부터 상기 복수의 연료분사홀까지 연통되어 상기 복수의 연료분사홀에 연료를 공급하기 위한 제2 연료공급유로;를 포함하고,
   상기 제2 연료공급유로는 상기 연료챔버에서 멀어질수록 유로가 좁아지는 것을 특징으로 하는, 노즐 어셈블리.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 노즐바디의 측면에는 원주방향을 따라 홈이 형성되며, 상기 베인설치부는 상기 홈에 베어링으로 회전 가능하게 결합되는, 노즐 어셈블리.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 스월베인 각각은 에어포일(airfoil) 형상으로 이루어지되, 상기 노즐바디의 측면에 상기 노즐바디의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어진 상태로 구비되는, 노즐 어셈블리.
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 연료분사홀은 상기 복수의 스월베인 각각에서 압력면에 구비되며, 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향을 따라 후단을 이루는 트레일링 엣지보다 전단을 이루는 리딩 엣지에 더 가깝게 구비되는, 노즐 어셈블리.
9. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 스월베인 각각은 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향과 나란하게 형성되는 플랫부와, 상기 플랫부의 후단으로부터 일 방향으로 휘어지도록 형성되는 휨부를 포함하는, 노즐 어셈블리.
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 연료분사홀은 상기 복수의 스월베인 각각에서 상기 플랫부의 측면에 구비되며, 상기 휨부와 인접한 후단보다 전단에 더 가깝게 구비되는, 노즐 어셈블리.
11. 공기를 흡입하여 고압으로 압축시키는 압축기;
    상기 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 혼합시키는 연소기용 노즐 어셈블리를 구비하여, 연소가스를 발생시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈;을 포함하며,
    상기 연소기용 노즐 어셈블리는,
    노즐바디;
    상기 노즐바디를 둘러싸는 슈라우드;
    상기 노즐바디의 측면에 원주방향으로 이격되도록 구비되는 복수의 스월베인;
    상기 복수의 스월베인 각각의 측면에 구비되어 연료가 분사되는 복수의 연료분사홀; 및
    상기 노즐바디의 내부로부터 상기 복수의 연료분사홀로 연료를 공급하는 연료공급부;를 포함하고,
    상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 대해 원주방향으로 회전 가능하게 구비되며,
    상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이에는 격자부재가 구비되되, 상기 격자부재는 상기 복수의 스월베인 전단에 구비되며 상기 복수의 스월베인으로 공급되는 상기 압축공기를 균일하게 분배하고,
    상기 복수의 스월베인은 상기 노즐바디의 측면에 베어링으로 회전 가능하게 결합되는 베인설치부 상에 구비되며,
    상기 연료공급부는,
    상기 베인설치부의 내부에 형성되는 연료챔버;
    상기 노즐바디의 내부를 따라 연장되어 상기 연료챔버와 연통되는 제1 연료공급유로; 및
    상기 연료챔버로부터 상기 복수의 연료분사홀까지 연통되어 상기 복수의 연료분사홀에 연료를 공급하기 위한 제2 연료공급유로;를 포함하고,
    상기 제2 연료공급유로는 상기 연료챔버에서 멀어질수록 유로가 좁아지는 것을 특징으로 하는, 가스터빈.
12. 삭제
13. 제11항에 있어서,
    상기 노즐바디의 측면에는 원주방향을 따라 홈이 형성되며, 상기 베인설치부는 상기 홈에 베어링으로 회전 가능하게 결합되는, 가스터빈.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 스월베인 각각은 에어포일(airfoil) 형상으로 이루어지되, 상기 노즐바디의 측면에 상기 노즐바디의 축방향을 기준으로 일정 각도 틀어진 상태로 구비되는, 가스터빈.
18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 연료분사홀은 상기 복수의 스월베인 각각에서 압력면에 구비되며, 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향을 따라 후단을 이루는 트레일링 엣지보다 전단을 이루는 리딩 엣지에 더 가깝게 구비되는, 가스터빈.
19. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 스월베인 각각은 상기 노즐바디와 상기 슈라우드 사이의 통로로 유입되는 공기의 방향과 나란하게 형성되는 플랫부와, 상기 플랫부의 후단으로부터 일 방향으로 휘어지도록 형성되는 휨부를 포함하는, 가스터빈.
20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 연료분사홀은 상기 복수의 스월베인 각각에서 상기 플랫부의 측면에 구비되며, 상기 휨부와 인접한 후단보다 전단에 더 가깝게 구비되는, 가스터빈.

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