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KR102472389B1 - 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 Download PDF

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KR102472389B1
KR102472389B1 KR1020210041040A KR20210041040A KR102472389B1 KR 102472389 B1 KR102472389 B1 KR 102472389B1 KR 1020210041040 A KR1020210041040 A KR 1020210041040A KR 20210041040 A KR20210041040 A KR 20210041040A KR 102472389 B1 KR102472389 B1 KR 102472389B1
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compressed air
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tube
downstream end
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김근철
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두산에너빌리티 주식회사
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Abstract

본 발명은, 가스터빈의 연소기에 구비되며, 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서, 노즐본체, 노즐본체에 설치되며, 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐을 포함하며, 분사노즐은, 내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브, 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되, 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성된 노즐 어셈블리를 제공한다.

Description

노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{Nozzle assembly, combustor and gas turbine comprising the same}
본 발명은, 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가스터빈의 연소기에 구비되며 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리, 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.
터보머신이란, 터보머신을 통과하는 유체(특히, 기체)를 통해, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 장치를 의미한다. 따라서 터보머신은 통상 발전기와 함께 설치되어 사용된다. 이러한 터보머신에는, 가스터빈(Gas turbine), 스팀터빈(Steam turbine), 풍력터빈(Wind power turbine) 등이 해당될 수 있다. 가스터빈은 압축공기와 천연가스를 혼합하여 연소시켜 연소가스를 생성하고, 이와 같이 생성된 연소가스를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 스팀터빈은 물을 가열하여 생성되는 증기를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 풍력터빈은 풍력을 발전용 동력으로 전환시키는 장치이다.
터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈을 포함한다. 압축기는 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과 압축기 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 압축기는 압축기 입구 스크롤 스트럿(Compressor inlet scroll strut)을 통해 외부의 공기를 흡입한다. 이렇게 흡입된 공기는 압축기의 내부를 통과하면서 상기 압축기 베인과 압축기 블레이드에 의해 압축된다. 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합시킨다. 또한 연소기는 압축공기와 혼합된 연료를 점화기로 점화하여 고온고압의 연소가스를 생성한다. 이와 같이 생성된 연소가스는 터빈으로 공급된다. 터빈은 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 터빈은 연소기에서 생성된 연소가스를 공급받아 내부로 통과시킨다. 터빈의 내부를 통과하는 연소가스는 터빈 블레이드를 회전시키게 되고, 터빈의 내부를 완전히 통과하게 된 연소가스는 터빈 디퓨저를 통해 외부로 토출되게 된다.
터보머신 중 증기터빈에 대해 살펴보면, 증기터빈은 증발기와 터빈을 포함한다. 상기 증발기는 외부로부터 공급받은 물을 가열하여 증기를 생성한다. 상기 터빈은 가스터빈에서의 터빈과 마찬가지로 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 다만, 증기터빈에서의 터빈은 연소가스가 아닌 상기 증발기에서 생성된 증기를 내부로 통과시켜, 터빈 블레이드를 회전시킨다.
한편, 터보머신 중 가스터빈의 경우, 수소를 연료로 사용할 수 있다. 이와 같은 수소 가스터빈은, 수소 연소의 특성 상, 연소기의 연소챔버에서 수소와 압축공기의 혼합물이 연소될 때 발생되는 화염이 분사노즐로 달라붙는 화염홀딩(Flame holding) 현상과, 화염이 터빈 측으로 진행하지 않고 역행하는 역화(Backfire / Flash back) 현상이 발생되는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 연소기의 연소챔버에서 발생되는 화염이 분사노즐에 달라붙거나 역행하는 것을 방지하는 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은, 가스터빈의 연소기에 구비되며, 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서, 노즐본체, 상기 노즐본체에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐을 포함하며, 상기 분사노즐은, 내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브, 상기 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 상기 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되, 상기 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성된 노즐 어셈블리를 제공한다.
또한, 본 발명은, 가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 가스터빈의 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서, 노즐케이싱, 상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너, 상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스, 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며, 상기 노즐 어셈블리는, 노즐본체, 상기 노즐본체에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐을 포함하며, 상기 분사노즐은, 내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브, 상기 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 상기 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되, 상기 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성된 연소기를 제공한다.
또한, 본 발명은, 외부로부터 유입된 공기를 압축시키는 압축기, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기, 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되, 상기 연소기는, 노즐케이싱과, 상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너와, 상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와, 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며, 상기 노즐 어셈블리는, 노즐본체, 상기 노즐본체에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐을 포함하며, 상기 분사노즐은, 내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브, 상기 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 상기 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되, 상기 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성된 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 노즐 어셈블리에 구비되는 분사노즐의 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성되어, 제2노즐튜브의 제2유로를 통해 유동하는 혼합상태의 연료와 압축공기가 연소챔버로 분사시 난류의 발생을 억제시켜 하류 측으로 좀 더 이격된 위치에서 연소되도록 할 수 있으며, 따라서 분사노즐에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스터빈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예로, 도 1에 나타낸 연소기에 구비되는 노즐 어셈블리의 개략적인 구조를 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예로, 도 3에 나타낸 노즐 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예로, 도 3에 나타낸 노즐 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예로, 도 3에 나타낸 노즐 어셈블리의 부분 단면도이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(1), 연소기(100) 및 터빈(12)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(10)의 상류 측에는 압축기(11)가 배치되고 하류 측에는 터빈(12)이 배치된다. 그리고 압축기(11)와 터빈(12) 사이에는 연소기(100)가 배치된다.
압축기(11)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(12)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(11)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(12)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.
한편, 압축기(11)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(12)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈(12)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(11)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(Deswirler)가 설치될 수 있다.
상기 연소기(100)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.
가스터빈(10)의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀(Cell) 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 노즐 케이싱(110)과, 상기 노즐케이싱(110)의 내부에 배치되며, 연료를 분사하는 노즐 어셈블리(140,240,340,440)와, 연소챔버(121)를 형성하는 라이너(120; Liner), 그리고 연소기(100)와 터빈(12)의 연결부가 되는 트랜지션피스(130; Transition piece)를 포함한다.
구체적으로, 상기 라이너(120)는 노즐 어셈블리(140,240,340,440)에 의해 분사되는 연료가 압축기(11)의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너(120)는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너(120)의 전단에는 연료를 분사하는 노즐 어셈블리(140,240,340,440)가 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.
상기 라이너 환형유로에는, 라이너(120)의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스(130)를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너(120)의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너(120)가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.
라이너(120)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(130)가 연결된다. 상기 라이너(120)와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스(130)는 , 상기 트랜지션피스(130)의 내부 공간을 감싸는 트랜지션피스 환형유로가 형성되며, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 상기 트랜지션피스 환형유로를 따라 흐르는 압축공기에 의해 외벽부가 냉각된다.
한편, 상기 연소기(100)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(12)으로 공급된다. 터빈(12)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(12)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
상기 터빈(12)은 기본적으로는 압축기(11)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(12)에도 압축기(11)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 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 노즐 어셈블리(140,240,340,440)는, 노즐본체(141) 및 분사노즐(142)을 포함한다.
상기 노즐본체(141)는, 원판 형상으로 형성된다. 상기 노즐본체(141)는 연소가스의 유동방향을 기준으로 상기 라이너(120)의 연소챔버(121)보다 상류(Upstream) 측에 배치된다. 따라서 상기 노즐본체(141)는, 상기 연소챔버(121)와 상기 노즐 케이싱(110)의 내부공간을 서로 분리시킨다.
상기 분사노즐(142)은, 상기 노즐본체(141)에 설치되며, 상기 연소챔버(121)로 연료와 압축공기를 분사한다. 여기서, 연료는 수소일 수 있다. 그리고 상기 분사노즐(142)은, 복수개로 구비되어 각각 상기 노즐본체(141)에 삽입될 수 있다. 즉, 분사노즐(142)은, 노즐본체(141)의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부(142a)와, 중앙 분사노즐부(142a)를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부(142b)로 구성될 수 있다.
상기 분사노즐(142)은, 제1노즐튜브(143), 제2노즐튜브(144)를 포함한다. 상기 제1노즐튜브(143)는, 내부에 제1유로(143a)가 형성된 원통 형상의 부재이다. 상기 제2노즐튜브(144)는, 상기 제1노즐튜브(144)의 반경방향 외측에서 상기 제1노즐튜브(144)를 감싸도록 배치되는 원통 형상의 부재로서, 상기 제1노즐튜브(143)와의 사이에 제2유로(144a)가 형성된다. 여기서, 제1유로(143a)는 연료를 연소챔버(121)로 공급되게 가이드하며, 제2유로(144a)는 압축공기를 연소챔버(121)로 공급되게 가이드한다. 이때, 제1노즐튜브(143)에는 제1유로(143a)를 통해 유동하는 연료 중 일부의 연료를 제2유로(144a)로 공급되게 하는 스월러(도면미도시)가 형성될 수도 있다.
이하부터는, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 대해 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐 어셈블리(140)에서, 상기 제2노즐튜브(144)의 제2유로(144a)를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부(145)가 형성된다.
이때, 상기 돌기부(145)는 제2유로(144a)를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 유선형 형태로 형성된다. 이같이, 돌기부(145)가 유선형 형태로 형성될 경우, 제2유로(144a)를 통해 유동하는 혼합상태의 연료와 압축공기는 연소챔버(121)로 분사시 난류의 발생을 억제시켜 종래보다 하류 측으로 좀 더 이격된 위치에서 연소되도록 할 수 있으며, 따라서 상기 분사노즐(142)에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키도록 내측 라운드팁부(143b)가 형성될 수 있다. 이러한, 내측 라운드팁부(143b)는 제1노즐튜브(143)의 제1유로(143a)를 통해 이동하는 연료가 연소챔버(121)로 분사 배출시 난류의 발생을 억제시켜 하류 측으로 좀 더 이격된 위치에서 연소되도록 할 수 있으며, 따라서 상기 분사노즐(142)에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2노즐튜브(144)의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키도록 노즐 라운드팁부(144b)가 형성될 수 있다. 이러한, 노즐 라운드팁부(144b)는 제2노즐튜브(144)의 제2유로(144a)를 통해 이동하는 혼합상태의 연료와 압축공기가 연소챔버(121)로 분사 배출시 난류의 발생을 더욱 억제시켜 하류 측으로 좀 더 이격된 위치에서 연소되도록 할 수 있으며, 따라서 상기 분사노즐(142)에 화염홀딩 현상이나 역화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 및 제3실시예에 따른 노즐 어셈블리(240,340)에서, 상기 중앙 분사노즐부(142a)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 상기 복수의 주변 분사노즐부(142b)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부보다 노즐본체(141) 내 상류측으로 인입되게 배치한다. 그리고, 복수의 주변 분사노즐부(142b)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부 위치는 중앙 분사노즐부(142a)에 배치된 제1노즐튜브(143a)의 하류측 단부를 기준으로 서로 다르게 배치할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐 어셈블리(240)에서, 상기 중앙 분사노즐부(142a)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부(142b)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부는, 노즐본체(141)의 중심에서 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 순차적으로 대칭되게 길어지도록 배치할 수 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐 어셈블리(340)에서, 상기 중앙 분사노즐부(142a)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부(142b)에 배치된 제1노즐튜브(143)의 하류측 단부는, 노즐본체(141)의 중심에서 외주면 방향에 대해 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 비대칭상태로 서로 다른 길이로 배치할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 제2 및 제3실시예에 의하면, 혼합된 연료와 압축공기의 분사시, 혼합된 연료와 압축공기의 차등적 분사가 이루어지게 함으로써, 연소챔버(121)에서의 연료와 압축공기의 혼합효율 및 연소효율을 향상시키고, 상기 분사노즐(142)에 화염홀딩 현상이나 역화현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 노즐 어셈블리(440)에서, 제2노즐튜브(144)의 노즐 라운드팁부(144b)의 하류측 단부 내경크기를 서로 다르게 형성할 수 있다. 즉, 상기 노즐 라운드팁부(144b)의 하류측 단부 내경 크기는, 상기 중앙 분사노즐부(142a)의 제2노즐튜브(144)에 형성된 노즐 라운드팁부(144b) 하류측 단부 내경 크기 'C1'를 기준으로 노즐본체(141)의 중심에서 외주면 방향으로 갈수록 주변 분사노즐부(142b)의 제2노즐튜브(144a)에 형성된 노즐 라운드팁부(144b) 하류측 단부 내경 크기 'C2', 'C3'로 순차적으로 작아지게 형성시킨다.
이와 같이, 본 발명의 제4실시예에 의하면, 제2노즐튜브(144)를 통해 연료와 압축공기의 분사시, 혼합된 연료와 압축공기의 차등적 분사가 이루어지게 함으로써, 연소챔버(121)에서의 연료와 압축공기의 혼합효율 및 연소효율을 향상시키고, 상기 분사노즐(142)에 화염홀딩 현상이나 역화현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
10 : 가스터빈 11 : 압축기
12 : 터빈 100 : 연소기
110 : 노즐 케이싱 120 : 라이너
121 : 연소챔버 130 : 트랜지션피스
140,240,340,440 : 노즐 어셈블리
141 : 노즐본체 142 : 분사노즐
142a : 중앙 분사노즐부 142b : 주변 분사노즐부
143 : 제1노즐튜브 143a : 제1유로
143b: 내측 라운드팁부 144 : 제2노즐튜브
144a : 제2유로 144b: 노즐 라운드팁부
145: 돌기부

Claims (21)

  1. 가스터빈의 연소기에 구비되며, 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서,
    노즐본체; 및
    상기 노즐본체에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐;을 포함하며,
    상기 분사노즐은,
    내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브,
    상기 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 상기 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되,
    상기 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성되고,
    상기 제1노즐튜브의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키는 내측 라운드팁부가 돌출 형성되고, 상기 제2노즐튜브의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키는 노즐 라운드팁부가 돌출 형성되며,
    상기 노즐 라운드팁부의 하류측 단부 내경 크기는, 상기 중앙 분사노즐부의 제2노즐튜브에 형성된 노즐 라운드팁부 하류측 단부 내경 크기를 기준으로 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 주변 분사노즐부의 제2노즐튜브에 형성된 노즐 라운드팁부 하류측 단부 내경 크기가 작아지게 형성된 노즐 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌기부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 유선형 형태로 형성된 노즐 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 상기 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부보다 노즐본체 내 상류측으로 인입 배치된 노즐 어셈블리.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 순차적으로 길어지도록 대칭되게 배치하는 노즐 어셈블리.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 비대칭상태로 길어지게 배치하는 노즐 어셈블리.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 가스터빈의 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서,
    노즐케이싱;
    상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너;
    상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 및
    상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며,
    상기 노즐 어셈블리는,
    노즐본체,
    상기 노즐본체에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐을 포함하며,
    상기 분사노즐은,
    내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브,
    상기 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 상기 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되,
    상기 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성되고,
    상기 제1노즐튜브의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키는 내측 라운드팁부가 돌출 형성되고, 상기 제2노즐튜브의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키는 노즐 라운드팁부가 돌출 형성되며,
    상기 노즐 라운드팁부의 하류측 단부 내경 크기는, 상기 중앙 분사노즐부의 제2노즐튜브에 형성된 노즐 라운드팁부 하류측 단부 내경 크기를 기준으로 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 주변 분사노즐부의 제2노즐튜브에 형성된 노즐 라운드팁부 하류측 단부 내경 크기가 작아지게 형성된 연소기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 돌기부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 유선형 형태로 형성된 연소기.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 상기 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부보다 노즐본체 내 상류측으로 인입 배치된 연소기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 순차적으로 길어지도록 대칭되게 배치하는 연소기.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 비대칭상태로 길어지게 배치하는 연소기.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 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,
    노즐케이싱과,
    상기 노즐케이싱의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 내부에 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너와,
    상기 라이너의 상기 터빈 측 단부에 연결되며, 상기 연소챔버에서 발생된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와,
    상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며,
    상기 노즐 어셈블리는,
    노즐본체,
    상기 노즐본체에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하도록 노즐본체의 중앙부에 배치되는 중앙 분사노즐부 및, 중앙 분사노즐부를 둘러싸도록 복수의 주변 분사노즐부들로 구성된 분사노즐을 포함하며,
    상기 분사노즐은,
    내부에 제1유로가 형성된 제1노즐튜브,
    상기 제1노즐튜브를 반경방향 외측에서 감싸도록 배치하며, 상기 제1노즐튜브와의 사이에 제2유로가 형성된 제2노즐튜브를 포함하되,
    상기 제2노즐튜브를 통해 유동하는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 제1노즐튜브의 하류측 단부 외측면에 원주방향으로 돌출되게 돌기부가 형성되고,
    상기 제1노즐튜브의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키는 내측 라운드팁부가 돌출 형성되고, 상기 제2노즐튜브의 하류측 단부 내측면에는 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 내경을 감소시키는 노즐 라운드팁부가 돌출 형성되며,
    상기 노즐 라운드팁부의 하류측 단부 내경 크기는, 상기 중앙 분사노즐부의 제2노즐튜브에 형성된 노즐 라운드팁부 하류측 단부 내경 크기를 기준으로 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 주변 분사노즐부의 제2노즐튜브에 형성된 노즐 라운드팁부 하류측 단부 내경 크기가 작아지게 형성된 가스 터빈.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 돌기부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 유선형 형태로 형성된 가스 터빈.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 상기 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부보다 노즐본체 내 상류측으로 인입 배치된 가스 터빈.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 순차적으로 길어지도록 대칭되게 배치하는 가스 터빈.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 중앙 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부를 기준으로 복수의 주변 분사노즐부에 배치된 제1노즐튜브의 하류측 단부는, 노즐본체의 외주면 방향으로 갈수록 연료와 압축공기의 유동방향을 기준으로 하류 측으로 비대칭상태로 길어지게 배치하는 가스 터빈.

  20. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101625865B1 (ko) * 2014-01-16 2016-05-31 두산중공업 주식회사 멀티 노즐 가스터빈 연소기

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