KR102490477B1

KR102490477B1 - 분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR102490477B1
Application number: KR1020210015389A
Authority: KR
Inventors: 고영건; 안현수
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2023-01-19
Also published as: KR20220111958A; KR20230002150A; US11846424B2; KR102522476B1; US20220243918A1

Abstract

본 발명은, 가스터빈의 연소기에 설치되어 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐에 있어서, 연료와 압축공기가 유입되는 유입부; 유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부; 및 상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하는 분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

Description

분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{Discharge-nozzle, Combustor and Gas turbine comprising the same}

본 발명은 분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가스터빈의 연소기에 구비되며 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐, 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 연소기는, 노즐케이싱과, 노즐케이싱의 하류 측에 설치되며 연료와 압축공기가 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너와, 라이너의 하류 측에 설치되며 연소가스를 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와, 노즐케이싱의 내부에 설치되며 연소챔버로 연료와 압축공기의 혼합물을 분사하는 분사노즐을 구비한다.

종래의 가스터빈 연소기의 경우, 분사노즐이 직관(Straight Tube) 형태로 설계되어 다수개로 구비되는데, 연소챔버에서 발생되는 화염이나 연소챔버의 내벽면에서 발생되는 복사열이 차단되지 않고 상당 부분 분사노즐 내부의 연료 및 압축공기가 혼합되는 부분까지 전달되는 문제가 있다. 그리고 이에 따라 종래의 가스터빈은, 분사노즐 내부로 전달되는 복사열에 의해 연료와 압축공기가 자발화(Autoignition)되거나 연소챔버에서 발생된 화염이 터빈 측으로 진행하지 않고 역행하는 역화(Flash-Back) 현상이 발생되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 분사노즐의 설계를 변경하여 연소챔버에서 연료와 압축공기의 혼합물이 연소함에 따라 발생되는 화염이나 복사열이 분사노즐의 내부의 연료와 압축공기가 혼합되는 영역까지 유입되지 않도록 하는 분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은, 가스터빈의 연소기에 설치되어 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐에 있어서, 연료와 압축공기가 유입되는 유입부; 유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부; 및 상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하는 분사노즐을 제공한다.

또한, 본 발명은, 가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서, 노즐케이싱; 유체의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱의 하류 측에 설치되며, 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너; 상기 라이너의 하류에 설치되며, 상기 터빈으로 연소가스를 공급하는 트랜지션피스; 및 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐을 포함하되, 상기 분사노즐은, 연료와 압축공기가 유입되는 유입부와, 유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부와, 상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하는 연소기를 제공한다.

또한, 본 발명은, 외부로부터 공급받은 공기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되, 상기 연소기는, 노즐케이싱과, 유체의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱의 하류 측에 설치되며, 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너와, 상기 라이너의 하류에 설치되며, 상기 터빈으로 연소가스를 공급하는 트랜지션피스와, 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐을 포함하며, 상기 분사노즐은, 연료와 압축공기가 유입되는 유입부와, 유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부와, 상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

상기 연결부는, 하류 측으로 갈수록 내부 폭이 증가하는 형상으로 형성될 수 있다.

상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하며, 상기 분사부에서의 유체의 유동방향에 대해 수직을 이루면서 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 방향을 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)이라 하였을 때, 상기 연결부는, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 내부 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 내부 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하는 형상으로 형성될 수 있다.

상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며, 상기 분사부의 내부 공간을 형성하는 상기 분사부의 벽체 중 상기 제1연결벽체와 연결되는 것을 제1분사벽체라 하고 상기 제2연결벽체와 연결되는 것을 제2분사벽체라 하였을 때, 상기 제1분사벽체의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체 사이의 각도(

)는, 상기 제2분사벽체의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체 사이의 각도(

)보다 클 수 있다.

상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때, 상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며, 상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체일 수 있다.

상기 유입부, 분사부 및 연결부는, 각각 각기둥의 형상으로 형성될 수 있다.

상기 분사노즐은, 상기 유입부의 내부에 설치되며, 내부로 유입된 공기가 상기 연결부의 내부로 공급되는 보조공급부와, 상기 연결부의 내부에 설치되며, 상기 보조공급부에 연결되고, 상기 보조공급부를 하류 측에서 밀폐시키는 밀폐부를 더 포함할 수 있다.

상기 밀폐부는, 상기 연결부의 내부를 따라 하류 측으로 연장된 형상으로 형성될 수 있다.

상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며, 상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하고, 상기 분사부에서의 유체의 유동방향에 대해 수직을 이루면서 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 방향을 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)이라 하였을 때, 상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며, 상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체이고, 상기 밀폐부와 상기 제1연결벽체 사이의 폭은, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하며, 상기 밀폐부와 상기 제2연결벽체 사이의 폭은, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 폭의 변화가 없거나 폭이 감소할 수 있다.

상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며, 상기 분사부의 내부 공간을 형성하는 상기 분사부의 벽체 중 상기 제1연결벽체와 연결되는 것을 제1분사벽체라 하고 상기 제2연결벽체와 연결되는 것을 제2분사벽체라 하며, 상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때, 상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며, 상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체이고, 상기 제1분사벽체의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체 사이의 각도(

)는, 상기 제1연결벽체와 대향하는 상기 밀폐부의 제1밀폐벽면의 연장선(L3)과 상기 제1분사벽체가 이루는 각도(

)보다 크며, 상기 제2분사벽체와 상기 제2연결벽체 사이의 각도(

)는, 상기 제2분사벽체의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체와 대향하는 상기 밀폐부의 제2밀폐벽면이 이루는 각도(

)보다 클 수 있다.

상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때, 상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며, 상기 보조공급부와 밀폐부는, 각각 상기 제1,2방향으로 서로 이격 배치되는 복수개로 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 유입부와 분사부 사이에 구비되는 연결부가 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치됨으로써, 연소챔버에서 발생되어 분사노즐로 유입되는 화염이나 복사열이 연료와 압축공기가 혼합되는 유입부까지 진입하지 않고 연결부에서 다시 연소챔버 측으로 반사되도록 할 수 있으며, 따라서 종래에 연소기에서 발생되던 자발화(Autoignition)나 역화(Flash-back) 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 유입부와 연결부의 내부에 각각 보조공급부와 밀폐부를 구비함으로써, 분사부에서 연소챔버로 분사되는 연료와 압축공기의 혼합물의 유속을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈의 단면도이다.
도 2는 도 1에 구비된 연소기의 사시도이다.
도 3은 도 2에 구비된 분사노즐의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예를 나타낸 것으로, 도 3에 개시된 분사노즐의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예를 나타낸 도면이다.

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 분사노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(11), 연소기(13) 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(13)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(13)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.

도 2를 참조하면, 가스터빈(10)의 연소시스템을 구성하는 연소기 분사노즐은 캔(Can) 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 노즐 케이싱(14)과, 상기 노즐케이싱(14)의 내부에 배치되며, 연료를 분사하는 분사노즐(100,200,300)과, 연소챔버(16)를 형성하는 라이너(15; Liner), 그리고 연소기(13)와 터빈(12)의 연결부가 되는 트랜지션피스(17; Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너(15)는 외부로부터 공급된 연료와 압축기(11)에서 공급되는 압축공기가 상기 분사노즐(100,200,300)에서 혼합된 후 분사되는 연료/공기 혼합기(Mixed Fuel/Air Gas)가 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너(15)는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너(15)의 전단에는 연료를 분사하는 분사노즐(100,200,300)이 설치되며, 측벽에는 점화기가 결합된다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 노즐케이싱(14)과 라이너(15)의 사이에는 노즐플레이트가 설치될 수 있다. 상기 노즐플레이트는 연소챔버(16)를 노즐케이싱(14)의 내부 공간과 분리시키며, 유체의 유동방향을 기준으로 하였을 때의 상기 분사노즐(100,200,300)의 하류(Downstream) 측 단부가 설치된다.

상기 라이너 환형유로에는, 라이너(15)의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스(17)를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너(15)의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너(15)가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

라이너(15)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(17)가 연결된다. 상기 라이너(15)와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스(17)는 , 상기 트랜지션피스(17)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(13)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 6을 참조하면, 상기 분사노즐(100,200,300)은, 상기 노즐케이싱(14)의 내부에 복수개로 구비되는 것으로, 외부로부터 공급받은 연료와 상기 압축기(11)로부터 공급받은 압축공기를 서로 혼합한 후 상기 연소챔버(16)로 분사한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 분사노즐(100)은, 유입부(110), 분사부(120) 및 연결부(130)를 포함한다. 도 3에서는 상기 유입부(110), 분사부(120) 및 연결부(130)가 각각 사각기둥의 형상으로 형성된 것으로 도시하고 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 상기 유입부(110), 분사부(120) 및 연결부(130)는 다른 각기둥의 형상으로 형성될 수 있음은 물론이라 할 것이다.

상기 유입부(110)는, 연료와 압축공기가 유입되어 혼합된다. 연료는 상기 유입부(110)의 입구 측으로 유입될 수 있으며, 압축공기는 상기 유입부(110)의 벽체를 관통하여 내부로 유입될 수 있다. 상기 분사부(120)는, 상기 유입부(110)의 내부에서 유동하는 연료와 압축공기의 혼합물의 유동방향을 기준으로 하류(Downstream) 측에 설치되며, 상기 연소챔버(16)로 연료와 압축공기의 혼합물을 분사한다. 상기 연결부(130)는, 상기 유입부(110)와 분사부(120)의 사이에서 상기 유입부(110)와 분사부(120)에 연결되며, 상기 유입부(110)와 분사부(120)에 대해 경사지게 배치된다.

이하부터는, 상기 분사부(120)에서의 유체의 유동방향에 대해 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고, 상기 제1방향(D1)의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 한다. 그리고 상기 연결부(130)의 내부 폭을 정의하는 방향 중, 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 것을 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)이라 한다. 즉, 상기 제3,4방향(D3,D4)은, 상기 분사부(120)에서의 유체의 유동방향에 대해 수직이면서, 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 것이다. 상기 제3방향(D3)과 제4방향(D4)은, 서로 반대를 향한다. 예를 들어, 도 4 내지 도 6을 기준으로 하면, 도면에서 나오는 방향이 상기 제3방향(D3)이 되고, 도면으로 들어가는 방향이 제4방향(D4)이 된다.

상기 연결부(130)는, 하류 측으로 갈수록 내부 폭이 증가하는 형상으로 형성된다. 더욱 상세하게는, 도 3을 참조하면, 상기 연결부(130)는, 하류 측으로 갈수록, 상기 제1,2방향(D1,D2)의 내부 폭은 증가하되, 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 내부 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하는 형상으로 형성된다.

상기 연결부(130)는, 상기 분사부(120)를 기준으로 상기 제2방향(D2) 측으로 경사지게 배치된다. 그리고 상기 연결부(130)의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부(130)의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체(131)라 하고 상기 제1연결벽체(131)와 대향하는 것을 제2연결벽체(132)라 하며, 상기 분사부(120)의 내부 공간을 형성하는 상기 분사부(120)의 벽체 중 상기 제1연결벽체(131)와 연결되는 것을 제1분사벽체(121)라 하고 상기 제2연결벽체(132)와 연결되는 것을 제2분사벽체(122)라 하였을 때, 상기 제1연결벽체(131)는 상기 연결부(130)의 상기 제1방향(D1) 측 벽체이며, 상기 제2연결벽체(132)는 상기 연결부(130)의 상기 제2방향(D2) 측 벽체가 된다.

도 4를 참조하면, 상기 제1분사벽체(121)의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체(131) 사이의 각도(

)는, 상기 제2분사벽체(121)의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체(132) 사이의 각도(

)보다 크게 형성된다.

상술한 형상으로 상기 연결부(130)가 설계되는 경우, 상기 연소챔버(16)에서 발생되어 상기 분사노즐(100) 측으로 전파되는 복사열이, 상기 연결부(130)를 통과하면서 연속된 반사를 통해 상기 연소챔버(16)로 되돌아 나가게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 연료와 압축공기가 혼합되는 영역인 상기 유입부(110)로 복사열이 전달되는 것을 방지할 수 있으며, 연소기(13)에서 자발화(Autoignition)나 역화(Flash-back) 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 분사노즐(200)은, 보조공급부(140)와 밀폐부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 보조공급부(140)는, 상기 유입부(110)의 내부에 설치되며, 내부로 유입된 압축공기가 상기 연결부(130)의 내부로 공급된다. 상기 밀폐부(150)는, 상기 연결부(130)의 내부에 설치되며, 상기 보조공급부(140)에 연결되고, 상기 보조공급부(140)를 하류 측에서 밀폐시킨다.

상기 밀폐부(150)는, 상기 연결부(130)의 내부를 따라 하류 측으로 연장된 형상으로 형성된다. 이때, 상기 밀폐부(150)와 상기 제1연결벽체(131) 사이의 폭은, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 폭의 변화가 없거나 폭이 감소할 수 있다. 마찬가지로, 상기 밀폐부(150)와 상기 제2연결벽체(132) 사이의 폭은, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 폭의 변화가 없거나 폭이 감소할 수 있다.

또한, 상기 제1분사벽체(121)의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체(131) 사이의 각도(

)는, 상기 제1연결벽체(131)와 대향하는 상기 밀폐부(150)의 제1밀폐벽면(151)의 연장선(L3)과 상기 제1분사벽체(122)가 이루는 각도(

)보다 크다. 그리고 상기 제2분사벽체(122)와 상기 제2연결벽체(131) 사이의 각도(

)는, 상기 제2분사벽체(122)의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체(132)와 대향하는 상기 밀폐부(150)의 제2밀폐벽면(152)이 이루는 각도(

)보다 크다.

이와 같은 구조로 분사노즐(200)이 설계되는 경우, 본 발명의 제1실시예와 마찬가지로 상기 연소챔버(16)에서 발생되어 상기 밀폐부(150)와 연결부(130)의 사이로 유입되는 복사열이 반복적인 반사를 통해 다시 상기 연소챔버(16)로 리턴되도록 할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 분사노즐(300)에서, 상기 보조공급부(140)와 밀폐부(150)는, 각각 상기 제1,2방향(D1,D2)으로 서로 이격 배치되는 복수개로 구비될 수 있다. 상기 보조공급부(140)와 밀폐부(150)가 더 구비될수록, 상기 분사노즐(300) 내부의 유체 유동면적은 감소하게 되며, 그와 반대로 상기 분사노즐(300)의 출구 유속은 증가하게 된다. 따라서 설계 목적에 따라 상기 분사노즐(200)의 출구 유속을 중간으로 유지하고 싶으면 도 5와 같이 보조공급부(140)와 밀폐부(150)를 1개씩만 구비할 수도 있고, 상기 분사노즐(300)의 출구 유속을 높게 유지하고 싶으면 도 6과 같이 보조공급부(140)와 밀폐부(150)를 2개 이상의 복수개로 구비할 수도 있다. 즉, 본 발명의 제2 및 제3실시예에 따르면, 보조공급부(140)와 밀폐부(150)를 구비하여 실시자의 목적에 맞게 분사노즐(200,300)의 출구 유속을 조절할 수 있다.

10 : 가스터빈 11 : 압축기
12 : 터빈 13 : 연소기
100,200,300 : 분사노즐 110 : 유입부
120 : 분사부 130 : 연결부
140 : 보조공급부 150 : 밀폐부

Claims

가스터빈의 연소기에 설치되어 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐에 있어서,
연료와 압축공기가 유입되는 유입부;
유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부; 및
상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하고,
상기 연결부에 의하여 연결되는 유입부 및 분사부는, 상기 연결부의 양 단부에 각각 연결됨에 따라 상기 연결부의 높이 방향의 길이에 대응되도록 상하 방향으로 이격되어 배치되는 분사노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 연결부는, 하류 측으로 갈수록 내부 폭이 증가하는 형상으로 형성된 분사노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하며,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향에 대해 수직을 이루면서 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 방향을 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 내부 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 내부 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하는 형상으로 형성된 분사노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며,
상기 분사부의 내부 공간을 형성하는 상기 분사부의 벽체 중 상기 제1연결벽체와 연결되는 것을 제1분사벽체라 하고 상기 제2연결벽체와 연결되는 것을 제2분사벽체라 하였을 때,
상기 제1분사벽체의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체 사이의 각도(
)는, 상기 제2분사벽체의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체 사이의 각도(
)보다 큰 분사노즐.
청구항 4에 있어서,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며,
상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체인 분사노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 유입부, 분사부 및 연결부는, 각각 각기둥의 형상으로 형성된 분사노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 유입부의 내부에 설치되며, 내부로 유입된 공기가 상기 연결부의 내부로 공급되는 보조공급부와,
상기 연결부의 내부에 설치되며, 상기 보조공급부에 연결되고, 상기 보조공급부를 하류 측에서 밀폐시키는 밀폐부를 더 포함하는 분사노즐.
청구항 7에 있어서,
상기 밀폐부는, 상기 연결부의 내부를 따라 하류 측으로 연장된 형상으로 형성된 분사노즐.
청구항 7에 있어서,
상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하고,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향에 대해 수직을 이루면서 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 방향을 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며,
상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체이고,
상기 밀폐부와 상기 제1연결벽체 사이의 폭은, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하며,
상기 밀폐부와 상기 제2연결벽체 사이의 폭은, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하는 분사노즐.
청구항 7에 있어서,
상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며,
상기 분사부의 내부 공간을 형성하는 상기 분사부의 벽체 중 상기 제1연결벽체와 연결되는 것을 제1분사벽체라 하고 상기 제2연결벽체와 연결되는 것을 제2분사벽체라 하며,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하며,
상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며,
상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체이고,
상기 제1분사벽체의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체 사이의 각도(
)는, 상기 제1연결벽체와 대향하는 상기 밀폐부의 제1밀폐벽면의 연장선(L3)과 상기 제1분사벽체가 이루는 각도(
)보다 크며,
상기 제2분사벽체와 상기 제2연결벽체 사이의 각도(
)는, 상기 제2분사벽체의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체와 대향하는 상기 밀폐부의 제2밀폐벽면이 이루는 각도(
)보다 큰 분사노즐.
청구항 7에 있어서,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며,
상기 보조공급부와 밀폐부는, 각각 상기 제1,2방향으로 서로 이격 배치되는 복수개로 구비되는 분사노즐.
가스터빈의 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서,
노즐케이싱;
유체의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱의 하류 측에 설치되며, 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너;
상기 라이너의 하류에 설치되며, 상기 터빈으로 연소가스를 공급하는 트랜지션피스; 및
상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐을 포함하되,
상기 분사노즐은,
연료와 압축공기가 유입되는 유입부와,
유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부와,
상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하고,
상기 연결부에 의하여 연결되는 유입부 및 분사부는, 상기 연결부의 양 단부에 각각 연결됨에 따라 상기 연결부의 높이 방향의 길이에 대응되도록 상하 방향으로 이격되어 배치되는 연소기.
청구항 12에 있어서,
상기 연결부는, 하류 측으로 갈수록 내부 폭이 증가하는 형상으로 형성된 연소기.
청구항 12에 있어서,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하며,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향에 대해 수직을 이루면서 상기 제1,2방향(D1,D2)과 수직을 이루는 방향을 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 하류 측으로 갈수록 상기 제1,2방향(D1,D2)의 내부 폭은 증가하되 상기 제3,4방향(D3,D4)으로는 내부 폭의 변화가 없거나 폭이 감소하는 형상으로 형성된 연소기.
청구항 12에 있어서,
상기 연결부의 내부 공간을 형성하는 상기 연결부의 벽체(Wall) 중 어느 하나를 제1연결벽체라 하고 상기 제1연결벽체와 대향하는 것을 제2연결벽체라 하며,
상기 분사부의 내부 공간을 형성하는 상기 분사부의 벽체 중 상기 제1연결벽체와 연결되는 것을 제1분사벽체라 하고 상기 제2연결벽체와 연결되는 것을 제2분사벽체라 하였을 때,
상기 제1분사벽체의 연장선(L1)과 상기 제1연결벽체 사이의 각도(
)는, 상기 제2분사벽체의 연장선(L2)과 상기 제2연결벽체 사이의 각도(
)보다 큰 연소기.
청구항 15에 있어서,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며,
상기 제1연결벽체와 제2연결벽체는, 각각 상기 연결부의 제1방향 측 벽체와 제2방향 측 벽체인 연소기.
청구항 12에 있어서,
상기 유입부, 분사부 및 연결부는, 각각 각기둥의 형상으로 형성된 연소기.
청구항 12에 있어서,
상기 분사노즐은,
상기 유입부의 내부에 설치되며, 내부로 유입된 공기가 상기 연결부의 내부로 공급되는 보조공급부와,
상기 연결부의 내부에 설치되며, 상기 보조공급부에 연결되고, 상기 보조공급부를 하류 측에서 밀폐시키는 밀폐부를 더 포함하는 연소기.
청구항 18에 있어서,
상기 분사부에서의 유체의 유동방향과 수직을 이루는 방향 중 어느 하나를 제1방향(D1)이라 하고 상기 제1방향의 반대를 향하는 것을 제2방향(D2)이라 하였을 때,
상기 연결부는, 상기 분사부를 기준으로 제2방향 측으로 경사지게 배치되며,
상기 보조공급부와 밀폐부는, 각각 상기 제1,2방향으로 서로 이격 배치되는 복수개로 구비되는 연소기.
외부로부터 공급받은 공기를 압축시키는 압축기;
상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되,
상기 연소기는,
노즐케이싱과,
유체의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱의 하류 측에 설치되며, 연료와 압축공기의 혼합물이 연소되는 연소챔버가 형성된 라이너와,
상기 라이너의 하류에 설치되며, 상기 터빈으로 연소가스를 공급하는 트랜지션피스와,
상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사노즐을 포함하며,
상기 분사노즐은,
연료와 압축공기가 유입되는 유입부와,
유체의 유동방향 기준 상기 유입부의 하류(Downstream) 측에 배치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 분사부와,
상기 유입부와 분사부 사이에서 상기 유입부와 분사부에 연결되며, 상기 유입부와 분사부에 대해 경사지게 배치되는 연결부를 포함하고,
상기 연결부에 의하여 연결되는 유입부 및 분사부는, 상기 연결부의 양 단부에 각각 연결됨에 따라 상기 연결부의 높이 방향의 길이에 대응되도록 상하 방향으로 이격되어 배치되는 가스터빈.