KR20240084316A

KR20240084316A - 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR20240084316A
Application number: KR1020220169036A
Authority: KR
Inventors: 김호근
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2022-12-06
Filing date: 2022-12-06
Publication date: 2024-06-13
Also published as: EP4382805A1; US20240183538A1

Abstract

본 발명은 내측에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너, 상기 라이너의 단부에 연결되는 트랜지션피스, 상기 라이너와 상기 트랜지션피스의 외측에 배치되는 유동슬리브 및 상기 라이너 또는 상기 트랜지션피스에 배치되어, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나의 인젝터를 포함하며, 상기 인젝터는 상기 라이너 또는 트랜지션피스와 연결되는 분사관, 상기 분사관의 후단 중심부에서 연료를 공급하는 연료공급부 및 상기 분사관의 후단의 외각부에서 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고, 상기 공기공급부의 출구 영역은 공기의 방향을 상기 분사관의 중심을 향하도록 가이드하는 가이드부를 포함하는 연소기를 제공한다.

Description

연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{Combustor and gas turbine comprising the same}

실시예는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 인젝터를 구비하는 연소기 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.

가스터빈의 구성 중 연소기는 압축기 섹션에서 압축된 공기에 연료를 분사, 혼합시켜 연소실에 연소가 이뤄지도록 한다. 연소실로 공기와 혼합된 연료를 공급할 때, 공기-연료 혼합도를 높이는 것이 중요하다. 공기-연료 혼합도가 개선되면 연소실에서 연소시 연소 진동이 감소하게 되어 전체적으로 가스터빈의 발전효율이 향상되게 된다.

또한 공기-연료 혼합도 향상 못지 않게 연소효율을 높이는 것이 중요하다. 연소효율을 높인다는 의미는 궁극적으로는 연료와 공기가 혼합되어 최대한 연소되어 에너지로 사용될 수 있는 것을 의미한다. 다만 연료와 공기의비율이 적정하지 않으며 완전 연소가 되지 않아 연소효율이 떨어지게 된다.

실시예는 가스터빈 연소기의 저부한 운전영역을 확대하고, 이를 통해 NOx의 생성을 최소화하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예는, 내측에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너; 상기 라이너의 단부에 연결되는 트랜지션피스; 상기 라이너와 상기 트랜지션피스의 외측에 배치되는 유동슬리브; 및 상기 라이너 또는 상기 트랜지션피스에 배치되어, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나의 인젝터;를 포함하며, 상기 인젝터는 상기 라이너 또는 트랜지션피스와 연결되는 분사관, 상기 분사관의 후단 중심부에서 연료를 공급하는 연료공급부 및 상기 분사관의 후단의 외각부에서 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고, 상기 공기공급부의 출구 영역은 공기의 방향을 상기 분사관의 중심을 향하도록 가이드하는 가이드부를 포함할 수 있다.

상기 공기공급부의 출구 영역은 경사면을 가질 수 있다.

상기 분사관은 경사를 가질 수 있다.

상기 분사관의 경사각은 상기 공기공급부의 경사면의 경사각보다 작게 형성될 수 있다.

상기 공기공급부는 상기 분사관의 후단과 연결되며, 상기 분사관의 내벽을 따라 공기가 이동하도록 공기를 분사할 수 있다.

상기 공기공급부는 환형으로 형성될 수 있다.

상기 분사관은 상기 라이너 및 상기 유동슬리브 또는 상기 트랜지션피스 및 상기 유동슬리브를 관통하도록 배치될 수 있다.

상기 공기공급부의 길이는 상기 연료공급부의 길이보다 길게 형성될 수 있다.

상기 연료공급부는 일측이 폐쇄된 관 구조를 구비하며, 폐쇄된 영역에는 공급되는 연료를 상기 공기공급부에서 공급되는 공기의 방향으로 연료가 분사되도록 하는 적어도 하나의 연료공급홀이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 외부로부터 유입된 공기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되, 상기 연소기는 내측에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너, 상기 라이너의 단부에 연결되는 트랜지션피스, 상기 라이너와 상기 트랜지션피스의 외측에 배치되는 유동슬리브 및 상기 라이너 또는 상기 트랜지션피스에 배치되어, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나의 인젝터를 포함하며, 상기 인젝터는 상기 라이너 또는 트랜지션피스와 연결되는 분사관, 상기 분사관의 후단 중심부에서 연료를 공급하는 연료공급부 및 상기 분사관의 후단의 외각부에서 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고, 상기 공기공급부의 출구 영역은 공기의 방향을 상기 분사관의 중심을 향하도록 가이드하는 가이드부를 포함하는 가스터빈으로 구현될 수 있다.

실시예에 따르면, 가스터빈 연소기의 저부하 영역을 확대하고, 이를 통해 NOx의 생성을 최소화하는 효과가 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 연소기의 단면도이다.
도 3은 도 2의 구성요소인 인젝터를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 인젝터의 배치구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2의 구성요소인 인젝터의 실시예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 연소기의 단면도이고, 도 3은 도 2의 구성요소인 인젝터를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 인젝터의 배치구조를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 4는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1)은 압축기(2), 연소기(10) 및 터빈(3)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(1)의 상류 측에는 압축기(2)가 배치되고 하류 측에는 터빈(3)이 배치된다. 그리고 압축기(2)와 터빈(3) 사이에는 연소기(10)가 배치된다.

압축기(2)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(3)은 터빈 케이싱 내부에 터빈 베인과 터빈 로터를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인과 터빈 로터 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(2)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(3)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기(2)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(3)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈(3)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(2)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크는 중심부가 상기 타이로드에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타 측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.

도 2를 참조하면, 연소기(10)는 내측에 연료와 압축기(2)에서 압축된 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 구비되는 라이너(11)와, 라이너(11)의 단부에 연결되어 연소가스를 터빈(3)으로 안내하는 트랜지션피스(12)를 포함한다. 라이너(11)는 내부에 연소 챔버를 형성하고, 유동슬리브(13)는 라이너(11)와 트랜지션피스(12) 외측에서 라이너(11)와 트랜지션피스(12)를 둘러싸도록 배치되어 그 사이에 환형의 유동공간을 형성한다.

또한, 연소기(10)는 상기 압축기(2)로부터 공급받은 압축공기와 연료를 혼합시키는 복수의 연소기(10)용 노즐 어셈블리(100)를 구비하며, 노즐 어셈블리(100)는 라이너(11)의 전방에 결합된다.

유동슬리브(13)의 전방에는 엔드 플레이트가 결합되며, 엔드 플레이트에 의해 노즐 어셈블리(100)가 지지되고, 연소기(10)가 밀봉될 수 있다.

이에 따라, 연소기(10) 케이싱에 의해 한정되어 압축기(2)로부터 배출되는 압축공기가 수용되는 수용공간으로부터 유동슬리브(13)에 형성되는 다수의 유동홀을 통해 라이너(11)와 유동슬리브(13) 사이의 환형 유로로 압축공기(연소용 공기)가 유입될 수 있다.

이와 같이, 라이너(11)와 유동슬리브(13) 사이의 환형 유로로 유입된 압축공기는 연소기(10)의 전방으로 유동되어 엔드 플레이트까지 도달한 후 반대 방향으로 전환되어 노즐 어셈블리(100)로 공급된다. 즉, 압축기(2)로부터 유입되는 압축공기는 노즐 어셈블리(100)를 통해 연료와 혼합되면서 연소 챔버 내로 분사되며, 연소 챔버에서는 점화 플러그(미도시)에 의해 점화되어 연소가 일어나게 된다.

이때, 라이너(11)는 적어도 부분적으로, 노즐 어셈블리(100)에 의해 분사되는 제1 연료/공기 혼합물을 연소시키기 위한 1차적 연소 구역을 한정할 수 있으며, 연소기(10)의 축 방향으로 1차적 연소 구역으로부터 하류에 형성되는 2차적 연소 구역을 한정할 수 있을 것이다.

연소기(10)는 축 방향으로 후속 단계에 해당하는, 2차적 연소 구역에 제2 연료/공기 혼합물을 분사하기 위한 인젝터(200)를 더 포함할 수 있다.

인젝터(200)는 연소기(10)의 축 방향으로 노즐 어셈블리(100)의 하류에, 그리고 터빈(3)의 상류에 배치되며, 다수 개의 인젝터(200)가 단일 연소기(10) 내에서 사용될 수 있다. 본 실시 예에서, 인젝터(200)는 라이너(11)의 후단부에 배치되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 트랜지션피스(12)의 전단부 또는 후단부에 배치될 수도 있음은 물론이다.

복수의 인젝터(200)는 라이너(11)의 둘레 방향을 따라 이격 배치되며, 본 실시 예에서 복수의 인젝터(200)는 단일 평면 내에 구비되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 2개 이상의 축 방향으로 이격된 복수의 평면 내에 형성될 수도 있다. 인젝터(200)는 라이너(11)와 유동슬리브(13)를 통해 반경방향으로 연장되어 수용공간과 연소 챔버의 유체 연통을 제공한다. 즉, 인젝터(200)는 환형 유로 내 압축공기의 유동을 가로지르는 방향으로 연장 형성될 수 있다.

압축기(2)에서 배출되어 수용공간에 수용되는 압축공기의 일부는 인젝터(200)로 유입되어 연료와 혼합된 후 연소 챔버 내로, 즉 2차적 연소 구역 내로 분사된다. 인젝터(200)에 의해 분사된 제2 연료/공기 혼합물은 1차적 연소 구역에서 연소된 고온의 연소 가스와 혼합된다. 인젝터(200)에 관해서는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.

한편, 다시 도 1을 참조하면, 연소기(10)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(3)으로 공급된다. 터빈(3)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(3)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈(3) 블레이드에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기(2)로 전달되고, 압축기(2) 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(3)은 기본적으로는 압축기(2)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈에도 압축기(2)의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터 역시, 터빈 디스크와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드를 포함한다. 상기 터빈 블레이드의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인이 구비되며, 상기 터빈 베인은 터빈 블레이드를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱과 터빈 베인 역시, 상기 터빈 로터와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 인젝터(200)는 라이너(11) 또는 트랜지션피스(12)에 배치되어, 연료와 압축공기의 혼합물을 분사할 수 있다. 인젝터(200)는 분사관(210), 연료공급부(220) 및 공기공급부(230)를 포함할 수 있다.

분사관(210)은 라이너(11) 또는 트랜지션피스(12)와 연결되며, 연료와 압축공기가 혼합되는 공간을 형성할 수 있다. 분사관(210)은 원형의 관 구조를 구비할 수 있으며, 경사를 가지도록 구비될 수 있다. 분사관(210)의 일측은 연료공급부(220)와 공기공급부(230)가 연결될 수 있으며, 타측은 연소공간과 연결될 수 있다.

일실시예로, 분사관(210)은 출구를 향할수록 측벽 단면의 직경이 작아지는 구조를 구비할 수 있다. 이러한 분사관(210)의 구조는 공기와 연료가 분사관(210)의 내부공간에서 혼합되어 분사되는 경우, 직경이 작아지는 테이퍼 형상을 구비하여 1차 연소 생성물과 잘 혼합되도록 침투거리(Penetration distance)를 증대할 수 있다. 이를 통해 인젝터(200)를 통해 연소구역으로 분사되는 연료 및 공기 혼합물의 속도를 증가하여 1차 연소 구역으로부터 연소 생성물에 의해 역화(flashback)이 일어나는 것을 방지할 수 있다.

분사관(210)은 라이너(11) 및 유동슬리브(13) 또는 트랜지션피스(12) 및 유동슬리브(13)를 관통하도록 배치될 수 있다. 상기 언급한 것과 같이 분사관(210)은 라이너(11) 또는 트랜지션피스(12) 중 어느 일측에 배치될 수 있으며, 분사관(210)의 측벽은 압축공기의 이동통로에 배치될 수 있다. 이러한 배치구조로 압축공기는 분사관(210)의 측벽을 냉각하는 효과를 구비할 수 있다.

연료공급부(220)는 분사관(210)의 후단 중심부에서 분사관(210)을 향해 연료를 공급할 수 잇다. 연료공급부(220)에서 공급되는 연료는 제한이 없으며, 터빈(3)을 가동하는 공지의 연료(수소 등)가 사용될 수 있다.

일실시예로, 연료공급부(220)는 원통형의 구조로 분사관(210)의 중심축을 공유하도록 배치될 수 있다.

공기공급부(230)는 분사관(210)의 후단의 외각부에 배치되어 압축공기를 분사관(210)을 향해 공급할 수 있다. 이때, 공기공급부(230)의 출구 영역(231)은 토출되는 공기의 방향을 향하도록 가이드할 수 있다.

일실시예로, 공기공급부(230)는 분사관(210)의 후단에 일정한 폭을 가지는 환형의 구조를 구비하여 분사관(210)을 향하여 압축공기를 토출할 수 있다. 다만 이러한 환형 구조에 한정되는 것은 아니며, 복수의 관이 분사관(210)의 후단에 연결되는 구조를 구비할수도 있다.

공기공급부(230)는 연료공급부(220)와 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 환형의 띠형상의 구조로 구비되는 공기공급부(230)는 연료공급부(220)의 중심과 동일한 간격으로 이격배치될 수 있다. 연료공급부(220)에서 공급되는 연료는 공기공급부(230)와 이격 거리를 통한 확산효과로 공기공급부(230)에서 공급되는 공기와 혼합률이 증대된다.

중앙에 배치되는 연료공급부(220)에서 연료가 분사되며, 연료공급부(220)의 반경방향으로 일정거리를 두고 배치되는 공기공급부(230)에서 배출되는 공기는 분사관(210)의 중심부를 향도록 토출되어 빠른 속도로 토출되는 연료와 혼합되게 된다.

공기공급부(230)의 출구 영역(231)은 경사면을 구비할 수 있으며, 분사관(210)의 후단과 연결될 수 있다. 이때, 분사관(210)이 형성하는 경사각은 출구 영역(231)의 경사면의 경사각보다 작게 형성될 수 있다.

공기공급부(230)에서 토출되는 공기는 출구 영역(231)의 경사면을 따라 토출되어 연료공급부(220)에서 토출되는 연료와 혼합된다. 이와 동시에 공기공급부(230)에서 토출되는 일부의 공기는 분사관(210)의 내벽을 타고 이동하면서 분사관(210)의 내벽을 냉각하는 효과가 있다. 이러한 분사관(210)은 내측 벽면과 외측 벽면이 공기에 의한 냉각이 일어나게 된다.

이때, 공기공급부(230)의 관길이는 연료공급부(220)의 관길이보다 길게 형성될 수 있다. 이는 공기공급부(230)를 통해 공급되는 공기의 속도를 증가하고, 유입되는 공기가 출구 영역(231)을 따라 분사관(210)의 내벽을 타고 이동하기 용이하게 하기 위함이다.

이러한 본 발명에 따르면, 연소기(10)의 1차적 연소 구역에서 연소가 이뤄짐과 동시에, 1차적 연소구역 하류에 위치하는 연소기(10)의 2차적 연소 구역으로 인젝터(200)를 통해 연료와 공기 혼합물을 직접 주입함에 따라 가스터빈(1)의 질소산화물(NOx)의 배출을 감소시킬 수 있다.

도 5를 참조하면, 연료공급부(220)는 일측이 폐쇄된 관 구조를 구비하며, 폐쇄된 영역에는 공급되는 연료를 공기공급부(230)에서 공급되는 공기의 방향으로 연료가 분사되도록 하는 적어도 하나의 연료공급홀(221)이 형성될 수 있다.

연료공급홀(221)의 형상은 제한이 없으나, 공기공급부(230)에서 토출되는 공기와의 고른 혼합을 위해 복수로 마련될 수 있으며, 원주방향으로 일정간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

연료공급홀(221)에서 공급되는 연료는 공기공급부(230)에서 토출되는 공기를 향하도록 분사되어 혼합률을 증대할 수 있다.

일실시예로, 연료공급홀(221)은 경사를 가지도록 배치되어 분사되는 연료의 이동을 가이드할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 가스터빈
2 : 압축기
3 : 터빈
10 : 연소기
11 : 라이너
12 : 트랜지션피스
13 : 유동슬리브
100 : 노즐 어셈블리
200 : 인젝터
210 : 분사관
220 : 연료공급부
221 : 연료공급홀
230 : 공기공급부
231 : 출구영역

Claims

내측에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너;
상기 라이너의 단부에 연결되는 트랜지션피스;
상기 라이너와 상기 트랜지션피스의 외측에 배치되는 유동슬리브; 및
상기 라이너 또는 상기 트랜지션피스에 배치되어, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나의 인젝터;
를 포함하며,
상기 인젝터는
상기 라이너 또는 트랜지션피스와 연결되는 분사관,
상기 분사관의 후단 중심부에서 연료를 공급하는 연료공급부 및
상기 분사관의 후단의 외각부에서 공기를 공급하는 공기공급부
를 포함하고,
상기 공기공급부의 출구 영역은 공기의 방향을 상기 분사관의 중심을 향하도록 가이드하는 가이드부를 포함하는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 공기공급부의 출구 영역은 경사면을 가지는 연소기.
제2 항에 있어서,
상기 분사관은 경사를 가지는 연소기.
제3 항에 있어서,
상기 분사관의 경사각은 상기 공기공급부의 경사면의 경사각보다 작게 형성되는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 공기공급부는 상기 분사관의 후단과 연결되며, 상기 분사관의 내벽을 따라 공기가 이동하도록 공기를 분사하는 연소기.
제5 항에 있어서,
상기 공기공급부는 환형으로 형성되는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 분사관은 상기 라이너 및 상기 유동슬리브 또는 상기 트랜지션피스 및 상기 유동슬리브를 관통하도록 배치되는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 공기공급부의 길이는 상기 연료공급부의 길이보다 길게 형성되는 연소기.
제1 항에 있어서,
상기 연료공급부는 일측이 폐쇄된 관 구조를 구비하며,
폐쇄된 영역에는 공급되는 연료를 상기 공기공급부에서 공급되는 공기의 방향으로 연료가 분사되도록 하는 적어도 하나의 연료공급홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기.
외부로부터 유입된 공기를 압축시키는 압축기;
상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되,
상기 연소기는
내측에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성되는 라이너, 상기 라이너의 단부에 연결되는 트랜지션피스, 상기 라이너와 상기 트랜지션피스의 외측에 배치되는 유동슬리브 및 상기 라이너 또는 상기 트랜지션피스에 배치되어, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나의 인젝터를 포함하며,
상기 인젝터는 상기 라이너 또는 트랜지션피스와 연결되는 분사관, 상기 분사관의 후단 중심부에서 연료를 공급하는 연료공급부 및 상기 분사관의 후단의 외각부에서 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고,
상기 공기공급부의 출구 영역은 공기의 방향을 상기 분사관의 중심을 향하도록 가이드하는 가이드부를 포함하는 가스터빈.
제10 항에 있어서,
상기 공기공급부의 출구 영역은 경사면을 가지는 가스터빈.
제10 항에 있어서,
상기 분사관은 경사를 가지는 가스터빈.
제12 항에 있어서,
상기 분사관의 경사각은 상기 공기공급부의 경사면의 경사각보다 작게 형성되는 가스터빈.
제10 항에 있어서,
상기 공기공급부는 상기 분사관의 후단과 연결되며, 상기 분사관의 내벽을 따라 공기가 이동하도록 공기를 분사하는 연소기.
제14 항에 있어서,
상기 공기공급부는 환형으로 형성되는 연소기.
제10 항에 있어서,
상기 분사관은 상기 라이너 및 상기 유동슬리브 또는 상기 트랜지션피스 및 상기 유동슬리브를 관통하도록 배치되는 연소기.
제10 항에 있어서,
상기 공기공급부의 길이는 상기 연료공급부의 길이보다 길게 형성되는 연소기.
제10 항에 있어서,
상기 연료공급부는 일측이 폐쇄된 관 구조를 구비하며,
폐쇄된 영역에는 공급되는 연료를 상기 공기공급부에서 공급되는 공기의 방향으로 연료가 분사되도록 하는 적어도 하나의 연료공급홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기