KR20160071792A - 스월러 어셈블리 - Google Patents

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KR20160071792A
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Abstract

본 발명은 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 중심을 가로지르는 방향으로 연장하는 상기 베이스 플레이트의 일면에 상기 베이스 플레이트의 원주방향을 따라 이격하여 배치되는 복수 개의 베인들과, 상기 베이스 플레이트와 대향하여 복수 개의 상기 베인들을 덮도록 배치되는 커버 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트 중의 적어도 하나의 외면을 관통하고, 인접하는 상기 베인들 사이의 공간을 향하여 개방되도록 상기 베이스 플레이트와 상기 커버 플레이트에 대하여 경사를 이루며 형성되는 복수 개의 공기 분사홀들을 구비하고, 상기 베인들의 각각은, 상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 형성된 기체연료 주입구로부터 유입된 기체연료를 저장하는 기체연료 수용부와, 상기 기체연료가 외부로 분사되도록 상기 기체연료 수용부로부터 방사상으로 상기 베인의 벽면을 향하여 연장되는 기체연료 분사구를 구비하고, 상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 형성된 액체연료 주입구로부터 유입된 액체연료를 저장하는 액체연료 수용부와, 상기 액체연료가 외부로 분사되도록 상기 액체연료 수용부로부터 방사상으로 상기 베인의 상기 벽면을 향하여 연장되는 액체연료 분사구를 구비하며, 상기 베이스 플레이트의 외주에 인접한 상기 베인의 단부는 만곡된 형상을 갖는 스월러 어셈블리를 개시한다.

Description

스월러 어셈블리{Swirler assembly}
본 발명의 실시예들은 스월러 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료와 공기를 혼합하는 가스 터빈 연소기의 스월러 어셈블리에 관한 것이다.
가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 맨 먼저 압축기로 공기를 압축한 후, 이 압축된 고압의 공기와 연료 시스템으로부터 공급된 연료를 예연소기(pre-chamber)에서 미리 혼합하여 화염 온도를 낮추고 주연소기(main chamber) 내부에서 이 연료-공기 혼합물을 연소시킨다. 이렇게 만들어진 고온 ·고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈이 회전하게 된다. 이때 연료를 효율적으로 신속하게 연소시키기 위하여, 균일한 연료-공기 혼합물을 연소실 내에 고르게 분배하는 데에 스월러(swirler)가 이용된다.
즉, 스월러는 압축된 공기와 연료가 신속하고 균일하게 혼합되도록 하여 연료-공기 혼합물의 연소반응을 촉진시키는 것으로, 이때 화염에 공급되는 연료-공기 혼합물의 혼합 정도가 균일하지 못하게 되면 국소적으로 화염 온도가 높은 부분이 발생하여 질소산화물(NOx)의 배출량이 높게 된다. 이러한 질소산화물은 대기오염의 주원인 중 하나이므로, 전세계적으로 이에 대한 엄격한 배출 규격이 적용되고 있다.
본 발명의 실시예들은 공기와 연료 간의 혼합성능이 향상된 스월러 어셈블리를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 실시예는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 중심을 가로지르는 방향으로 연장하는 상기 베이스 플레이트의 일면에 상기 베이스 플레이트의 원주방향을 따라 이격하여 배치되는 복수 개의 베인들; 상기 베이스 플레이트와 대향하여 복수 개의 상기 베인들을 덮도록 배치되는 커버 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트 중의 적어도 하나의 외면을 관통하고, 인접하는 상기 베인들 사이의 공간을 향하여 개방되도록 상기 베이스 플레이트와 상기 커버 플레이트에 대하여 경사를 이루며 형성되는 복수 개의 공기 분사홀들;을 구비하고, 상기 베인들의 각각은, 상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 형성된 기체연료 주입구로부터 유입된 기체연료를 저장하는 기체연료 수용부와, 상기 기체연료가 외부로 분사되도록 상기 기체연료 수용부로부터 방사상으로 상기 베인의 벽면을 향하여 연장되는 기체연료 분사구를 구비하고, 상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 형성된 액체연료 주입구로부터 유입된 액체연료를 저장하는 액체연료 수용부와, 상기 액체연료가 외부로 분사되도록 상기 액체연료 수용부로부터 방사상으로 상기 베인의 상기 벽면을 향하여 연장되는 액체연료 분사구를 구비하며, 상기 베이스 플레이트의 외주에 인접한 상기 베인의 단부는 만곡된 형상을 갖는 스월러 어셈블리를 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 공기 분사홀들의 각각이 상기 베이스 플레이트 또는 상기 커버 플레이트의 상기 일면과 이루는 각도는 90°이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 베인들은 상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 나선상으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 상기 외주로부터 인접하는 상기 베인들 사이의 공간으로 공기가 유입될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 베인은 상기 만곡된 형상을 갖는 전단부와, 상기 전단부와 연결되어 상기 베인의 길이방향으로 갈수록 폭이 감소하는 후단부를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 분사구로부터 상기 인접하는 상기 베인들 사이의 공간으로 상기 기체연료가 분사되고, 상기 액체연료 분사구로부터 상기 인접하는 상기 베인들 사이의 공간으로 상기 액체연료가 분사될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 수용부는 상기 전단부에 형성되고, 상기 액체연료 수용부는 상기 후단부에 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 수용부와 상기 액체연료 수용부는 상기 베인의 전체 높이보다 낮은 높이로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 수용부의 부피가 상기 액체연료 수용부의 부피보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 분사구가 상기 기체연료 수용부를 중심으로 방사상으로 형성된 각도는 270°이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 분사구는 상기 베인의 길이방향의 중심선을 따라 연장되도록 상기 전단부에 적어도 하나 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 분사구는 상기 기체연료 수용부와 연결되도록 상기 전단부의 벽면에 복수 개 형성되고, 상기 액체연료 분사구는 상기 액체연료 수용부와 연결되도록 상기 후단부의 벽면에 복수 개 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 분사구는 상기 베인의 높이를 따라 상기 전단부의 상기 벽면에 복수의 층을 형성하도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 액체연료 분사구가 상기 액체연료 수용부를 중심으로 방사상으로 형성된 각도는 90°이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 상기 중심을 향하는 상기 후단부의 단부에 상기 베인의 높이방향으로 홈부가 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 액체연료 분사구는 상기 홈부에 적어도 하나 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 기체연료 분사구 및 상기 액체연료 분사구는 상기 베인의 길이방향의 중심선에 대하여 대칭을 이루도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 베이스 플레이트와 대향하여 상기 베인들을 덮도록 배치되는 커버 플레이트;를 더 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 커버 플레이트의 중심부에 상기 커버 플레이트의 두께방향으로 상기 커버 플레이트를 관통하는 관통부가 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 커버 플레이트의 상기 관통부로 상기 기체연료, 상기 액체연료 및 공기의 혼합물이 통과할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 공기 유로 상에 균일하게 연료를 공급할 수 있다.
또한, 연료공급시점이 빨라져 공기와 연료 간의 혼합에 필요한 시간을 확보할 수 있다.
또한, 연료-공기 혼합물이 예연소기에 체류하는 시간을 증가시킴으로써 공기와 연료 간의 혼합성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스월러 어셈블리를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 스월러 어셈블리를 구비하는 가스 터빈의 일부분을 개략적으로 도시한 분해도이다.
도 3은 도 1의 스월러 어셈블리에 공기 및 연료가 공급되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5는 도 1의 스월러 어셈블리의 베인을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 1의 스월러 어셈블리의 베인을 Z축 방향에서 본 단면도이다.
도 7은 비교예에 따른 스월러 어셈블리의 연료 유동의 모습을 Z축 방향에서 본 단면도이다.
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 구비한다. 명세서에서 사용되는 "구비한다(comprises)" 및/또는 "구비하는(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 어셈블리를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 스월러 어셈블리를 구비하는 가스 터빈의 일부분을 개략적으로 도시한 분해도이다.
도 1을 참조하면, 스월러 어셈블리(200)는 베이스 플레이트(210), 베이스 플레이트(210)의 일면에 이격되어 배치되는 복수 개의 베인들(230) 및 베이스 플레이트(210)와 대향하도록 배치되는 커버 플레이트(290)를 구비한다.
도 2를 참조하면, 스월러 어셈블리(200)는 버너(204)와 연소기(205, 206) 사이에 배치될 수 있다.
베이스 플레이트(210)는 버너(204)에 결합될 수 있다. 이때, 연료가 버너(204)로부터 베이스 플레이트(210)를 통과하여 후술할 복수의 베인들(230)에 공급될 수 있다. 베이스 플레이트(210)는 원판의 형상을 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 베이스 플레이트(210)의 재질은 특정 재료에 한정되지 않으나, 열과 압력에 강한 재료가 사용될 수 있다.
베이스 플레이트(210)는 복수 개의 베인들(230)을 지지하는 역할을 한다.
복수 개의 베인들(230)은 베이스 플레이트(210)의 중심(O)을 가로지르는 방향으로 연장하는 베이스 플레이트(210)의 일면에 배치될 수 있는데, 도 2에서 보는 바와 같이 베인들(230)이 배치된 일면의 반대쪽 면에는 버너(204)가 결합될 수 있다.
복수 개의 베인들(230)은 베이스 플레이트(210)의 원주방향을 따라 이격하여 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 베인들(230) 각각은 베이스 플레이트(210)의 일면에 나선상으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(210)가 원판의 형상을 갖는 경우, 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간이 형성된 방향은 베이스 플레이트(210)의 반경방향에 대하여 소정의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 복수 개의 베인들(230)이 각각 나선상으로 배치됨으로써 후술할 공기 및 연료의 혼합물이 베이스 플레이트(210)의 중심(O)으로 선회하는 강도가 증가하게 되고, 이로써 상기의 혼합물이 예연소기(205)에 체류하는 시간도 길어져 혼합물의 혼합성능이 향상될 수 있다.
도면에는 복수 개의 베인들(230) 각각이 베이스 플레이트(210)의 중심(O)을 향하여 나선상으로 배치되도록 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 복수 개의 베인들(230) 각각이 베이스 플레이트(210)의 중심(O)을 향하여 반경방향으로 배치되는 것도 가능하다.
커버 플레이트(290)는 베이스 플레이트(210)와 대향하여 베인들(230)을 덮도록 배치될 수 있다. 커버 플레이트(290)의 형상 및 재질은 전술한 베이스 플레이트(210)의 형상 및 재질과 같을 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
커버 플레이트(290)의 중심부에 커버 플레이트(290)를 관통하는 관통부(291)가 형성될 수 있다. 관통부(291)는 커버 플레이트(290)의 두께방향으로 커버 플레이트(290)를 관통한다. 이때, 관통부(291)는 원형, 다각형 등으로 다양한 형상을 가질 수 있다.
한편, 베이스 플레이트(210)의 외주로부터 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 압축기(미도시)로부터 압축된 공기가 유입될 수 있다. 여기서의 공기는 버너(204)로부터 공급된 연료와 혼합되고, 이 혼합물이 예연소기(205) 및 주연소기(206)를 연속적으로 통과하면서 터빈(미도시)으로 보내질 고온, 고압의 가스가 생성된다. 이하에서는 압축된 공기 및 연료가 스월러 어셈블리(200)에 공급되는 방식에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 도 1의 스월러 어셈블리에 공기 및 연료가 공급되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 X부분은 인접하는 베인들(231, 232) 및 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간을 나타낸 것이다. 도 3의 X부분을 참조하면, 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 공기가 유입되고, 상기의 공간으로 기체연료(G) 및 액체연료(L)가 공급된다.
특히, 액체연료(L)는 기체연료(G)와 마찬가지로 베인(231)의 벽면에 형성된 홀(hole)로부터 공급된다. 나아가 베인들(230) 각각은 후술하는 바와 같이 일부가 만곡된 형상을 갖는다.
한편, 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간을 향하여 개방되도록 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290) 중 적어도 하나에 복수 개의 공기 분사홀들(220)이 형성될 수 있다. 이하에서는 공기 분사홀들(220)의 형상 및 배치에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 취한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 공기 분사홀들(220)은 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290) 중 적어도 하나의 외면을 관통하면서 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간을 향하여 개방되도록 형성될 수 있다. 이때, 공기 분사홀들(220)이 상기의 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290)를 관통함으로써 형성된 통로는 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290)에 대하여 경사를 이루도록 형성될 수 있다.
공기 분사홀들(220)이 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290)에 대하여 이루는 경사각(β)은 90°이하일 수 있다. 경사각(β)은 공기 분사홀들(220)을 통해 공기가 상기의 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간을 향하여 분사되는 각도에 해당한다.
공기 분사홀들(220)은 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간에 적어도 1열 이상이 배치되도록 형성될 수 있다.
상기와 같이 공기 분사홀들(220)을 형성함으로써 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 유입되는 공기의 난류 특성을 강화할 수 있다. 즉, 공기 분사홀들(220)을 통해 분사되는 공기가 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 유입되는 공기와 만나게 되면서 난류가 발생할 수 있다. 이때, 공기 분사홀들(220)로부터 공기가 분사되는 방향과 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 공기가 유입되는 방향을 서로 반대가 되도록 함으로써 난류강도의 세기를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 인접하는 베인들(231, 232) 사이를 통과하는 공기의 난류 특성이 강화되면, 공기 및 공기에 공급되는 연료 간의 혼합이 훨씬 더 원활하게 이루어진다.
공기 분사홀들(220)은 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290)에 모두 형성될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 베이스 플레이트(210)나 커버 플레이트(290) 중 어느 하나에만 형성될 수도 있다. 공기 분사홀들(220)이 베이스 플레이트(210)와 커버 플레이트(290) 모두에 형성되는 경우, 공기 분사홀들(220)이 양쪽의 플레이트를 관통하는 방향은 도 4의 A-A선을 따라 취한 단면의 중심선에 대하여 서로 대칭을 이룰 수 있다. 이때, 양 플레이트에 대하여 이루는 각각의 경사각(β)은 서로 다르게 형성될 수 있다.
이하에서는 베인(231)의 형상 및 베인(231) 내부에 형성된 연료 공급부의 배치에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 도 1의 스월러 어셈블리의 베인을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 1의 스월러 어셈블리의 베인을 Z축 방향에서 본 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 베인(231)의 단부들(231a, 231b) 중 베이스 플레이트(210)의 외주에 인접한 단부(231a)는 만곡된 형상을 가질 수 있다. 즉, 베인(231)은 만곡된 형상을 갖는 전단부(231a)와, 이 전단부(231a)와 연결되어 베인(231)의 길이방향으로 갈수록 폭이 감소하는 후단부(231b)를 가질 수 있다. 상기의 전단부(231a) 및 후단부(231b) 각각의 형상은 베인(231)의 길이방향의 중심선에 대하여 대칭을 이룰 수 있다.
도 3, 도 5 및 도 6를 참조하면, 베인들(230)의 각각은 기체연료 수용부(240) 및 기체연료 분사구(260), 액체연료 수용부(250) 및 액체연료 분사구(270)를 구비할 수 있다.
도 3을 참조하면, 기체연료(G) 및 액체연료(L)는 각각 기체연료 분사구(260) 및 액체연료 분사구(270)로부터 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간, 즉 공기가 통과하는 유로로 분사될 수 있다. 이때, 액체연료(L)가 기체연료(G)보다 공기 유로의 하류 쪽에서 분사되도록 함으로써, 공기 유로의 상류로 유입되는 공기의 유동이 액체연료(L)에 의해 방해되지 않도록 한다.
또한, 전술한 바와 같이 공기 분사홀들(220)을 베인(231)이 아닌 베이스 플레이트(210) 및 커버 플레이트(290) 중 적어도 어느 하나에 별도로 형성함으로써 공기 분사홀들(220)로부터의 유동과 상기의 연료 분사구(260, 270)로부터의 유동이 엉키지 않도록 스월러의 구조를 단순화할 수 있다.
기체연료 수용부(240)는 베인(231)의 전단부(231a)에 형성될 수 있고, 액체연료 수용부(250)는 베인의 후단부(231b)에 형성될 수 있다. 이때, 기체연료 수용부(240)와 액체연료 수용부(250)는 베인(231)의 전체 높이보다 낮은 높이로 형성된다. 이로써 각각의 연료 수용부(240, 250)에 일시적으로 저장되는 연료가 외부로 유출되는 것을 방지하게 된다.
또한, 기체연료 수용부(240)의 부피는 액체연료 수용부(250)의 부피보다 클 수 있다. 액체연료(L)의 유입이 많아지면 공기 및 기체연료(G)의 유량 감소를 유발하게 되므로, 기체연료 수용부(240)의 부피보다 액체연료 수용부(250)의 부피를 작게 하여 액체연료 수용부(240)의 공급량을 조절할 필요가 있다. 이때, 기체연료 수용부(240)와 액체연료 수용부(250)는 베인(231) 내부에 서로 평행하게 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 기체연료 수용부(240)는 베이스 플레이트(210)의 일면에 형성된 기체연료 주입구(241)로부터 유입된 기체연료(G)를 저장할 수 있다. 즉, 기체연료(G)는 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 분사되기 전에 기체연료 수용부(240)에 일시적으로 저장될 수 있다. 이때, 기체연료 주입구(241)는 도 2에 도시된 버너(204)에 연결되어 버너(204)로부터 기체연료 수용부(240)로 기체연료(G)를 공급하게 된다.
기체연료 분사구(260)는 기체연료 수용부(240)와 연결되도록 베인(231)의 전단부(231a)의 벽면에 복수 개 형성될 수 있다.
기체연료 분사구(260)는 기체연료 수용부(240)로부터 방사상으로 베인(231) 양측 벽면을 향하여 연장되도록 형성될 수 있다. 이로써 기체연료 수용부(240)에 일시적으로 저장되어 있던 기체연료(G)가 기체연료 분사구(260)를 통하여 베인(231)의 외부로 분사될 수 있다.
도 6을 참조하면, 기체연료 분사구(260)가 상기 기체연료 수용부(240)를 중심으로 방사상으로 형성된 각도(θ)는 270°이하일 수 있다. 즉, 기체연료(G)는 비교적 넓은 범위로 분사될 수 있다.
특히, 기체연료 분사구(260)는 베인(231)의 길이방향의 중심선을 따라 연장되도록 전단부(231a)에 적어도 하나 배치될 수 있다. 여기서 기체연료 분사구(260)가 중심선에 대응하도록 배치된다는 것은 기체연료 분사구(260)가 베인(231)의 전단부(231a) 중 가장 만곡된 부분에 배치된다는 것을 의미한다. 이와 같이 전단부(231a) 중 가장 만곡된 부분에 기체연료 분사구(260)를 배치함으로써, 외부에서 공기가 유입되는 시점부터 기체연료(G)를 공급할 수 있다. 따라서, 공기 및 연료 간의 혼합시간이 더욱 증가하게 된다.
기체연료 분사구(260)는 베인(231)의 높이를 따라 전단부(231a)의 벽면에 복수의 층을 형성하도록 배치될 수 있다. 기체연료 분사구(260)의 수가 증가할수록 연료 공급의 균일도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 기체연료 분사구(260)의 수가 증가할수록 후술할 재순환영역의 발생을 활발히 유도함으로써 공기와 연료 간의 혼합 시간이 충분히 확보될 수 있다.
한편, 액체연료 분사구(270)는 액체연료 수용부(250)와 연결되도록 베인(231)의 후단부(231b)의 벽면에 복수 개 형성될 수 있다.
액체연료 수용부(250)는 베이스 플레이트(210)의 일면에 형성된 액체연료 주입구(251)로부터 유입된 액체연료(L)를 저장할 수 있다. 즉, 액체연료(L)는 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간으로 분사되기 전에 액체연료 수용부(250)에 일시적으로 저장될 수 있다. 이때, 액체연료 주입구(251)는 기체연료 주입구(241)와 마찬가지로 도 2에 도시된 버너(204)에 연결될 수 있다.
액체연료 분사구(270)는 액체연료 수용부(250)로부터 방사상으로 베인(231)의 양측 벽면을 향하여 연장되도록 형성될 수 있다. 이로써 액체연료(L) 는 액체연료 수용부(250)에 일시적으로 저장되어 있다가 액체연료 분사구(270)를 통하여 베인(231)의 외부로 분사될 수 있다.
도 6을 참조하면, 액체연료 분사구(270)가 상기 액체연료 수용부(250)를 중심으로 방사상으로 형성된 각도(α)는 90°이하일 수 있다. 즉, 액체연료(L)는 기체연료(G)에 비해 상대적으로 좁은 범위로 분사될 수 있다.
특히, 도 5에서 보는 바와 같이, 베인(231)의 후단부(231b)의 단부에 홈부(280)가 형성될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(210)의 중심(O)을 향하는 쪽의 단부에 홈부(280)가 형성될 수 있다.
홈부(280)는 후단부(231b)의 단부에 베인(231)의 높이방향으로 형성될 수 있는데, 후단부(231b)의 단부의 예리한 모서리 중 일부에 형성될 수 있다.
이러한 홈부(280)에는 액체연료 분사구(270) 중 적어도 하나가 배치될 수 있다. 즉, 홈부(280)는 액체연료 분사구(270)를 후단부(231b)에 배치하기 용이하도록 후단부(231b)의 예리한 모서리에 형성된 평평한 부분으로, 홈부(280)에 배치된 액체연료 분사구(270)는 베인(231)의 길이방향의 중심선을 따라 연장되도록 후단부(231b)에 배치될 수 있다. 따라서, 후단부(231b)에 홈부(280)를 형성하고 이 홈부(280)에 적어도 하나의 액체연료 분사구(270)를 배치함으로써, 공기 유동을 방해하지 않으면서 안정적으로 액체연료(L)를 공급할 수 있다.
한편, 베인(231)의 벽면에 형성된 기체연료 분사구(260) 및 액체연료 분사구(270)는 베인(231)의 길이방향의 중심선에 대하여 대칭을 이루도록 배치될 수 있다. 따라서, 각각의 연료 분사구(260, 270)로부터 연료가 분사되는 각도 및 위치가 일정해짐으로써 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간을 지나는 공기 유동으로의 연료 공급이 균일하게 이루어질 수 있다.
이하에서는 공기 및 연료 혼합물의 유동의 양상에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
기체연료(G), 액체연료(L) 및 공기는 상기의 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간에서 혼합되어 베이스 플레이트(210)의 중심(O) 부근에서 연료-공기 혼합물을 생성하게 된다. 이로써 스월러 어셈블리(200)로 유입되는 공기의 상류에서부터 연료를 공급할 수 있게 되어 공기와 연료를 혼합하는 데 필요한 시간이 충분히 확보될 수 있다.
커버 플레이트(290)의 관통부(291)로는 전술한 기체연료(G), 액체연료(L), 및 공기의 혼합물이 통과할 수 있다. 즉, 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간을 거치면서 생성된 연료-공기 혼합물이 상기의 관통부(291)를 통과함으로써 스월러 어셈블리(200)를 빠져나가게 된다.
특히, 전술한 바와 같이 인접하는 베인들(231, 232) 사이의 공간이 베이스 플레이트(210)의 일면에 나선상으로 형성됨으로써 상기의 공간으로부터 유입되는 기체연료(G), 액체연료(L), 및 공기의 혼합물은 도 1에 도시된 Z축 방향을 중심으로 회전하는 선회유동(F)을 생성할 수 있다. 이와 같이 스월러 어셈블리(200) 내에 직선적으로 유입된 공기가 선회유동(F)을 형성함으로써 공기의 유속은 늦어지고 공기와 연료 사이의 반응 표면적은 증가하게 된다. 이로써 연소기에서의 연소 반응이 촉진될 수 있다.
이하에서는 앞서 언급한 재순환영역과 베인(231)의 형상과의 관계에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 비교예에 따른 스월러 어셈블리(100)의 연료 유동의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 베인(131)의 외측 단부, 즉 베이스 플레이트(110)의 외주에 인접한 단부로부터 기체연료 유동(I)이 분사된다.
베인(131)으로부터 분사되는 기체연료 유동(I)의 상당 부분은 인접하는 베인들(131, 132) 사이의 공간으로 향하게 된다. 그러나 상기의 기체연료 유동(I) 중 일부는 베인(131)의 외측 단부 부근에서 와류(R)로 변하면서 재순환영역을 형성하게 된다. 이러한 재순환영역은 공기와 연료 간의 혼합시간을 증가시킬 뿐만 아니라 연속적이고 안정적인 점화가 형성될 수 있도록 돕는다.
여기서, 설명의 편의를 위해 비교예에 따른 스월러 어셈블리(100)가 단순한 삼각기둥 형상의 베인(131)을 갖는다고 가정하자.
만일 스월러 어셈블리(100)의 구동 중 역화(flash back)가 발생하게 되면, 베인(131)의 외측 단부의 평평한 벽면에 화염이 부착되어 스월러 베인(131)이 녹아내리게 된다. 이러한 스월러 베인(131)의 녹아내림은 가스터빈의 효율 및 성능을 현저히 떨어뜨리는 심각한 불량으로 남는다.
따라서, 공기와 연료 간의 혼합성능을 향상시키는 재순환영역을 늘리는 한편, 역화 발생 시 문제될 수 있는 베인(131) 단부에서의 화염 부착의 가능성을 최소화하는 것이 중요하다.
본 발명에서는 도 3에서 보는 바와 같이 재순환영역이 형성되는 베인(231)의 전단부(231a)가 만곡된 형상을 갖도록 한다. 이와 같이 베인(231)의 전단부(231a)가 만곡된 형상을 가짐에 따라 재순환영역의 와류(R)와 전단부(231a)의 벽면 간의 접촉면적이 감소하게 되어 화염이 베인(231) 벽면에 부착될 위험은 현저히 줄어들 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 공기 유로 상에 균일하게 연료를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료공급시점을 앞당김으로써 공기와 연료 간의 혼합에 필요한 시간을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료-공기 혼합물이 예연소기에 체류하는 시간을 증가시킴으로써 공기와 연료 간의 혼합성능을 향상시킬 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 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 구비할 것이다.
200: 스월러 어셈블리 210: 베이스 플레이트
230: 베인들 240: 기체연료 수용부
250: 액체연료 수용부 260: 기체연료 분사구
270: 액체연료 분사구 280: 공기 분사홀들
290: 커버 플레이트

Claims (20)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트의 중심을 가로지르는 방향으로 연장하는 상기 베이스 플레이트의 일면에 상기 베이스 플레이트의 원주방향을 따라 이격하여 배치되는 복수 개의 베인들;
    상기 베이스 플레이트와 대향하여 복수 개의 상기 베인들을 덮도록 배치되는 커버 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트 중의 적어도 하나의 외면을 관통하고, 인접하는 상기 베인들 사이의 공간을 향하여 개방되도록 상기 베이스 플레이트와 상기 커버 플레이트에 대하여 경사를 이루며 형성되는 복수 개의 공기 분사홀들;을 구비하고,
    상기 베인들의 각각은,
    상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 형성된 기체연료 주입구로부터 유입된 기체연료를 저장하는 기체연료 수용부와, 상기 기체연료가 외부로 분사되도록 상기 기체연료 수용부로부터 방사상으로 상기 베인의 벽면을 향하여 연장되는 기체연료 분사구를 구비하고,
    상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 형성된 액체연료 주입구로부터 유입된 액체연료를 저장하는 액체연료 수용부와, 상기 액체연료가 외부로 분사되도록 상기 액체연료 수용부로부터 방사상으로 상기 베인의 상기 벽면을 향하여 연장되는 액체연료 분사구를 구비하며,
    상기 베이스 플레이트의 외주에 인접한 상기 베인의 단부는 만곡된 형상을 갖는 스월러 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 분사홀들의 각각이 상기 베이스 플레이트 또는 상기 커버 플레이트의 상기 일면과 이루는 각도는 90°이하인 스월러 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베인들은 상기 베이스 플레이트의 상기 일면에 나선상으로 배치되는 스월러 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 상기 외주로부터 인접하는 상기 베인들 사이의 공간으로 공기가 유입되는 스월러 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베인은 상기 만곡된 형상을 갖는 전단부와, 상기 전단부와 연결되어 상기 베인의 길이방향으로 갈수록 폭이 감소하는 후단부를 갖는 스월러 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체연료 분사구로부터 상기 인접하는 상기 베인들 사이의 공간으로 상기 기체연료가 분사되고,
    상기 액체연료 분사구로부터 상기 인접하는 상기 베인들 사이의 공간으로 상기 액체연료가 분사되는 스월러 어셈블리.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 기체연료 수용부는 상기 전단부에 형성되고, 상기 액체연료 수용부는 상기 후단부에 형성된 스월러 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체연료 수용부와 상기 액체연료 수용부는 상기 베인의 전체 높이보다 낮은 높이로 형성된 스월러 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체연료 수용부의 부피가 상기 액체연료 수용부의 부피보다 큰 스월러 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체연료 분사구가 상기 기체연료 수용부를 중심으로 방사상으로 형성된 각도는 270°이하인 스월러 어셈블리.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 기체연료 분사구는 상기 베인의 길이방향의 중심선을 따라 연장되도록 상기 전단부에 적어도 하나 배치되는 스월러 어셈블리.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 기체연료 분사구는 상기 기체연료 수용부와 연결되도록 상기 전단부의 벽면에 복수 개 형성되고, 상기 액체연료 분사구는 상기 액체연료 수용부와 연결되도록 상기 후단부의 벽면에 복수 개 형성된 스월러 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기체연료 분사구는 상기 베인의 높이를 따라 상기 전단부의 상기 벽면에 복수의 층을 형성하도록 배치되는 스월러 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체연료 분사구가 상기 액체연료 수용부를 중심으로 방사상으로 형성된 각도는 90°이하인 스월러 어셈블리.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 상기 중심을 향하는 상기 후단부의 단부에 상기 베인의 높이방향으로 홈부가 형성된 스월러 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 액체연료 분사구는 홈부에 적어도 하나 배치되는 스월러 어셈블리.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체연료 분사구 및 상기 액체연료 분사구는 상기 베인의 길이방향의 중심선에 대하여 대칭을 이루도록 배치되는 스월러 어셈블리.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트와 대향하여 상기 베인들을 덮도록 배치되는 커버 플레이트;를 더 구비하는 스월러 어셈블리.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 중심부에 상기 커버 플레이트의 두께방향으로 상기 커버 플레이트를 관통하는 관통부가 형성된 스월러 어셈블리.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 상기 관통부로 상기 기체연료, 상기 액체연료 및 공기의 혼합물이 통과하는 스월러 어셈블리.
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