KR20230126372A - 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기로부터 압축공기를 공급받는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체가 연소되는 연소실을 형성한 라이너; 상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 연소에 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부에 구비되고, 혼합영역에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 입구부를 통해 출구부로 유도하는 다공블록; 상기 다공블록을 중심에 두고, 상기 다공블록의 입구부 측 둘레를 감싸는 내측 관체; 상기 내측 관체의 중심을 기준으로, 상기 내측 관체의 둘레와 일정한 거리를 두고 일격 구비되어, 상기 내측 관체와의 사이에 압축공기와 연료가 유동하는 통로를 형성하는 외측 관체; 및 상기 내측 관체의 중심을 기준으로, 상기 내측 관체와 외측 관체 사이에 방사상으로 배열되어, 상기 내측 관체와 외측 관체 사이 통로를 따라 유동하는 압축공기 및 연료에 스월러(swirler) 효과를 부여하는 복수 개의 혼합베인;을 포함하여, 혼합베인을 통해 선회(swirler: 스월러)효과로 압축공기와 연료의 혼합을 향상시켜, 최종적으로 균일한 유량의 혼합유체를 다공블록에 공급할 수 있고, 또한 압축공기 중 일부를 다공블록으로 바로 바이패스 시켜, 압축공기와 연료가 혼합되어 생성 혼합유체의 공급 부족이 해소되는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈을 제공한다.

Description

가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈{Gas turbine combustor and gas turbine having same}

본 발명은 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 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.

상기 연소기에서는 연소실의 일측에 형성된 복수 개의 마이크로튜브에 압축기공기와 연료가 공급되며, 상기 마이크로튜브는 압축공기와 연료를 연소실에 공급하고 이를 연소시켜 고온고압의 가스를 생성한다.

그러나 복수 개의 상기 마이크로튜브에 공급되는 압축공기와 연료는 균일하게 공급되는 것이 바람직하나, 복수 개의 마이크로튜브에 압축공기와 연료가 균일하게 공급되지 않게 되는 경우가 발생하였으며, 이 경우 화염이 균일하게 유도되지 못하였고, 불균일한 압축공기 및 연료의 공급으로 연소과정 중 소음 및 진동이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2164622호(2020.10.05. 등록)을 참조할 수 있다.

본 발명은 압축공기와 연료가 만나는 위치에 혼합베인을 구비하여, 혼합베인을 통해 선회(swirler: 스월러)효과로 압축공기와 연료의 혼합을 향상시켜, 최종적으로 균일한 유량의 혼합유체를 다공블록에 공급할 수 있고, 또한 압축공기 중 일부를 다공블록으로 바로 바이패스 시켜, 압축공기와 연료가 혼합되어 생성 혼합유체의 공급 부족이 해소되는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 가스터빈 연소기는 상기 압축기로부터 압축공기를 공급받는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료가 혼합되어 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너; 상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 연소에 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스; 상기 노즐케이싱의 내부에 구비되고, 상기 혼합유체를 상기 연소실로 공급하는 다공블록; 상기 다공블록의 입구부에 배치되어, 상기 다공블록의 입구부 측 둘레를 감싸는 내측 관체; 상기 내측 관체의 외측에 이격 배치되어, 상기 내측 관체와의 사이에 압축공기와 연료가 유동하는 통로를 형성하는 외측 관체; 및 상기 내측 관체와 외측 관체 사이에 방사상으로 배열되어, 상기 내측 관체와 외측 관체 사이 통로를 따라 유동하는 압축공기 및 연료에 스월러(swirler) 효과를 부여하는 복수 개의 혼합베인;을 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 내측 관체는 상기 혼합베인을 통과한 혼합유체의 일부를 상기 다공블록의 입구측으로 유도하는 바이패스홀이 형성된다.

여기서 본 발명에 따른 상기 바이패스홀은 복수 개로 상기 내측 관체의 둘레를 따라 일정한 간격으로 배열되어 형성한다.

그리고 본 발명에 따른 상기 바이패스홀은 내측 관체의 입구에서 출구로 갈수록 내경이 점점 작아지는 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 바이패스홀은 내측 관체의 길이방향으로 장축을 갖는 타원형으로 형성될 수 있다.

더불어 본 발명에 따른 상기 외측 관체는 그 둘레 중 혼합베인에 대응하는 위치 선상을 따라 복수 개의 연료유입공이 일정한 간격으로 형성될 수 있다.

이때 본 발명에 따른 상기 연료유입공에 형성되어, 상기 연료유입공을 통하여 분출되는 연료의 분출량을 조절하는 연료노즐을 구비한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 다공블록은 그 내부에 길이를 따라 압축공기 및 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 입구부에서 출구부로 유도하는 멀티튜브를 구비한다.

이때 본 발명에 따른 상기 다공블록은 그 입구부가 혼합영역을 향해 돌출 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 가스터빈은 외부로부터 공급받은 공기를 압축하는 압축기; 연소가스가 내부로 통과됨에 따라 전력 생성을 위한 동력을 생성하는 터빈; 및 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 연소기를 포함하되, 상기 연소기는 상기 압축기로부터 압축공기를 공급받는 노즐케이싱과, 상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료가 혼합되어 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너와, 상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 연소에 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스와, 상기 노즐케이싱의 내부에 구비되고, 상기 혼합유체를 상기 연소실로 공급하는 다공블록과, 상기 다공블록의 입구부에 배치되어, 상기 다공블록의 입구부 측 둘레를 감싸는 내측 관체와, 상기 내측 관체의 외측에 이격 배치되어, 상기 내측 관체와의 사이에 압축공기와 연료가 유동하는 통로를 형성하는 외측 관체, 및 상기 내측 관체와 외측 관체 사이에 방사상으로 배열되어, 상기 내측 관체와 외측 관체 사이 통로를 따라 유동하는 압축공기 및 연료에 스월러(swirler) 효과를 부여하는 복수 개의 혼합베인을 포함한다.

본 발명에 따른 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 나타나는 효과는 다음과 같다.

압축공기와 연료가 만나는 위치에 혼합베인을 구비하여, 혼합베인을 통해 선회(swirler: 스월러)효과로 압축공기와 연료의 혼합을 향상시켜, 최종적으로 균일한 유량의 혼합유체를 다공블록에 공급할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 압축공기 중 일부를 다공블록으로 바로 바이패스 시켜, 압축공기와 연료가 혼합되어 생성 혼합유체의 공급 부족이 해소되는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 2는 도 1에 도시된 연소기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 가스터빈 연소기를 간략하게 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 가스터빈 연소기 중 내측 관체, 외측 관체, 및 혼합베인의 구성을 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 가스터빈 연소기의 내측 관체에 형성된 바이패스홀의 일 예를 보인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내측 관체의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 예에 따른 경사플랜지를 구비한 가스터빈 연소기를 보인 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 압축공기와 연료가 만나는 위치에 혼합베인을 구비하여, 혼합베인을 통해 선회(swirler: 스월러)효과로 압축공기와 연료의 혼합을 향상시키면서, 최종적으로 균일한 유량의 혼합유체를 다공블록에 공급할 수 있는 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(11), 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 배치되고, 압축기(11)와 터빈(12) 사이에는 연소기(100)가 배치된다.

상기 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 상기 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 복수 개의 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 정렬되고, 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다.

또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수 개의 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, 복수 개의 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, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.

가스터빈(10)의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀(Cell) 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 연료노즐(160)과, 연소실을 형성하는 라이너(120; Liner), 그리고 연소기(100)와 터빈(12)의 연결부가 되는 트랜지션피스(130; Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너(120)는 연료노즐(160)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, 상기 라이너(120)의 전단에는 연료를 분사하는 연료노즐(160)이 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.

상기 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 3 내지 도 7을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 연소기(100)는 노즐케이싱(110), 라이너(120), 트랜지션피스(130), 다공블록(140), 내측 관체(150), 외측 관체(160), 및 혼합베인(170)을 포함한다.

먼저, 상기 노즐케이싱(110)은 상기 압축기(11)으로부터 압축공기를 공급받으며, 상기 압축공기를 상기 노즐케이싱(110)의 내부에 형성된 선회영역(111)에서 선회시킨다.

상기 라이너(120)는 압축공기 또는 연소가스의 유동방향을 기준으로 상기 노즐케이싱(110)의 하류 측에 연결되며, 내부에는 연소실(120a)을 형성하는데, 상기 연소실은 상기 노즐케이싱(110)으로부터 분사된 혼합유체(압축공기와 연료의 혼합을 생성됨.)를 연소시킨다.

상기 트랜지션피스(130)는 상기 라이너(120)의 하류 측에 연결되며, 상기 라이너(120)의 연소실에서 발생된 연소가스를 상기 터빈(12)으로 공급한다.

그리고 상기 다공블록(140)은 상기 노즐케이싱(110)의 내부에 구비되고, 혼합영역(M)에서 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 입구부를 통해 출구부로 유도한다.

이때 상기 다공블록(140)은 압축공기와 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체가 연소실로 유입되도록 하는 것으로, 그 내부에 길이를 따라 혼합영역에서 혼합된 혼합유체를 입구부에서 출구부로 유도하는 멀티튜브(141)를 형성한다.

상기 멀티튜브(141)는 복수 개로, 그 내경이 마이크로 사이즈를 이루는 것이 바람직하다.

따라서 상기 다공블록(140)은 마이크로 사이즈의 내경을 갖는 복수 개의 멀티튜브(141)를 통해 균일한 유량으로 혼합기체를 연소실(120a)로 공급할 수 있다.

또한, 상기 다공블록(140)은 그 입구부가 혼합영역을 향해 돌출 형성되어, 혼합유체의 균일성이 향상될 수 있다.

더불어 상기 다공블록(140)을 중심에 두고, 상기 다공블록(140)의 입구부측 둘레를 감싸는 내측 관체(150)를 구비한다.

이때 상기 내측 관체(150) 중 상기 혼합영역(M)에 위치하는 일측에는 경사플랜지(151)를 외주방향으로 경사지게 형성하는데, 상기 경사플랜지(151)는 압축공기 및 연료가 유동하는 통로의 폭을 점진적으로 축소시켜, 상기 통로를 따라 유동하는 압축공기 및 연료의 유동속도를 증가시키면서, 혼합영역으로 선회하는 압축공기 및 연료의 유동 속도를 증가시킬 수 있다.

그러므로 상기 혼합영역으로 선회하여 유입된 압축공기 및 연료는 상기 혼합영역을 난류로 유동하면서 서로 혼합되어 혼합유체를 생성한다.

또한, 상기 내측 관체(150) 중 바이패스홀(152)이 형성된 외주방향으로 경사지게 형성하여, 상기 경사플랜지(151)를 이룰 수 있다.

그리고 상기 연소기(100)는 상기 내측 관체(150)의 중심을 기준으로, 상기 내측 관체(150)의 둘레와 일정한 거리를 두고 이격 구비되는 외측 관체(160)를 포함하고, 상기 내측 관체(150)의 중심을 기준으로, 상기 내측 관체(150)와 외측 관체(160) 사이에 방사상으로 복수 개의 혼합베인(170)이 배열된다.

상기 복수 개의 혼합베인(170)은 상기 내측 관체(150)와 외측 관체(160) 사이를 통해 혼합영역으로 유입되는 압축공기에 스월러(swirler) 효과를 부여한다.

따라서 상기 내측 관체(150)와 외측 관체(160) 사이로 유동하는 압축공기는 혼합베인(170)에 의해 스월러(swirler) 효과가 발생하여, 압축공기가 통로를 따라 선회하면서 난류로 유동하게 된다.

여기서 상기 내측 관체(150)는 그 둘레 중 상기 다공블록(140)의 입구부에 대응하는 위치 선상에 바이패스홀(152)을 형성하는데, 상기 바이패스홀(152)은 상기 내측 관체(150)의 둘레를 따라 유동하는 압축공기 및 연료, 혼합유체 중 일부를 상기 다공블록(140)의 입구부 측으로 바이패스 시킨다.

상기 바이패스홀(152)은 복수 개로, 상기 내측 관체(150)의 둘레를 따라 일정한 간격으로 배열 형성되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 바이패스홀(152)은 그 입구에서 출구로 갈수록 내경이 점점 작아지게 형성하거나, 또는 상기 바이패스홀(152)의 입구에서 출구로 갈수록 내경이 점점 커지게 형성하여, 상기 바이패스홀(152)을 통과하는 압축공기 및 연료, 혼합유체 중 일부는 베르누이 법칙에 의해 그 유동속도를 증가 또는 감소되어, 압축공기 및 연료, 혼합유체의 유동량을 더 균일하게 조절할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내측 관체의 사시도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 내측 관체(250)는, 상기 바이패스홀(252)이 상기 내측 관체(250)의 출구로 갈수록 크기가 작아지도록 형성되어, 다공블록의 멀티튜브로 공급되는 유동량이 균일하게 조절될 수 있다.

도 3 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 외측 관체(160)는 그 둘레 중 혼합베인(170)에 대응하는 위치 선상을 따라 복수 개의 연료유입공(161)을 일정한 간격으로 형성한다.

이때 상기 연료유입공(161)의 끝단에는 연료노즐(162)을 구비하여, 상기 연료유입공(161)을 통해 유입된 연료를 분사하여, 상기 내측 관체(150)와 외측 관체(160) 사이 통로로 유입되는 압축공기에 연료를 분사한다.

따라서 상기 내측 관체(150)와 외측 관체(160) 사이 통로로 분사된 연료는 상기 내측 관체(150)와 외측 관체(160) 사이 통로로 유동하는 압축공기와 혼합되면서 혼합유체를 생성하고, 상기 혼합유체는 혼합영역을 통해 상기 다공블록(140)의 입구부로 제공된다.

이때 상기 압축공기는 혼합베인(170)에 따른 스월러(swirler) 효과가 발생되어, 상기 연료와 균일하게 혼합이 이루어진다.

그러므로 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 연소기 및 이를 구비한 가스터빈은 압축공기와 연료가 만나는 위치에 혼합베인을 구비하여, 혼합베인을 통해 선회(swirler: 스월러)효과로 압축공기와 연료의 혼합을 향상시켜, 최종적으로 균일한 유량의 혼합유체를 다공블록에 공급할 수 있고, 또한 압축공기 중 일부를 다공블록으로 바로 바이패스 시켜, 압축공기와 연료가 혼합되어 생성 혼합유체의 공급 부족이 해소될 수 있다.

또한, 상기 연료의 공급은 베인(170) 내부로 공급되어, 상기 베인(170) 벽에 형성된 홀을 통해 공급될 수도 있다.

도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 보인 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 상기 내측 관체(350)의 출구측 단부에는 경사플랜지(351)가 형성된다.

상기 경사플랜지(351)는 내측 관체의 출구부에서 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 내측 관체(350)와 일정각도 경사지게 형성된다. 상기 경사플랜지(351)는, 상기 내측 관체(350)와의 경사를 조절하여 상기 내측 관체(350)의 둘레를 따라 유동하는 압축공기 및 연료, 혼합유체 중 일부의 유동을 외측으로 적절하게 유도함으로써 다공블록의 멀티튜브로 공급되는 유동량을 균일하게 조절할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 가스터빈 연소기
110: 노즐케이싱
111: 선회영역
120: 라이너
130: 트랜지션피스
140: 다공블록
141: 멀티튜브
150: 내측 관체
151: 경사플랜지
152: 바이패스홀
160: 외측 관체
161: 연료유입공
162: 연료노즐
170: 혼합베인
M: 혼합영역

Claims (18)

1. 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 터빈으로 공급하는 연소기에 있어서,
   상기 압축기로부터 압축공기를 공급받는 노즐케이싱;
   상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료가 혼합되어 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너;
   상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 연소에 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스;
   상기 노즐케이싱의 내부에 구비되고, 상기 혼합유체를 상기 연소실로 공급하는 다공블록;
   상기 다공블록의 입구부에 배치되어, 상기 다공블록의 입구부 측 둘레를 감싸는 내측 관체;
   상기 내측 관체의 외측에 이격 배치되어, 상기 내측 관체와의 사이에 압축공기와 연료가 유동하는 통로를 형성하는 외측 관체; 및
   상기 내측 관체와 외측 관체 사이에 방사상으로 배열되어, 상기 내측 관체와 외측 관체 사이 통로를 따라 유동하는 압축공기 및 연료에 스월러(swirler) 효과를 부여하는 복수 개의 혼합베인;을 포함하는 가스터빈 연소기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내측 관체는
   상기 혼합베인을 통과한 혼합유체의 일부를 상기 다공블록의 입구측으로 유도하는 바이패스홀이 형성되는 가스터빈 연소기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 바이패스홀은
   복수 개로 상기 내측 관체의 둘레를 따라 일정한 간격으로 배열되어 형성하는 가스터빈 연소기.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 바이패스홀은
   내측 관체의 입구에서 출구로 갈수록 내경이 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 내측 관체의 일측이 경사지게 형성되는 경사플랜지를 포함하는 가스터빈 연소기.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 외측 관체는
   그 둘레 중 혼합베인에 대응하는 위치 선상을 따라 복수 개의 연료유입공이 일정한 간격으로 형성되는 가스터빈 연소기.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 연료유입공에 형성되어, 상기 연료유입공을 통하여 분출되는 연료의 분출량을 조절하는 연료노즐을 구비하는 가스터빈 연소기.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 다공블록은
   그 내부에 길이를 따라 압축공기 및 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 입구부에서 출구부로 유도하는 멀티튜브를 구비하는 가스터빈 연소기.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 다공블록은
   그 입구부가 혼합영역을 향해 돌출 형성된 가스터빈 연소기.
   
10. 외부로부터 공급받은 공기를 압축하는 압축기;
    연소가스가 내부로 통과됨에 따라 전력 생성을 위한 동력을 생성하는 터빈; 및
    상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키며, 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 연소기를 포함하되,
    상기 연소기는
    상기 압축기로부터 압축공기를 공급받는 노즐케이싱;
    상기 노즐케이싱에 연결되며, 상기 노즐케이싱 내부에서 압축공기와 연료가 혼합되어 생성된 혼합유체를 연소시키는 연소실을 형성하는 라이너;
    상기 라이너에 연결되며, 상기 라이너에서 연소에 의해 생성된 연소가스를 상기 터빈으로 공급하는 트랜지션피스;
    상기 노즐케이싱의 내부에 구비되고, 상기 혼합유체를 상기 연소실로 공급하는 다공블록;
    상기 다공블록의 입구부에 배치되어, 상기 다공블록의 입구부 측 둘레를 감싸는 내측 관체;
    상기 내측 관체의 외측에 이격 배치되어, 상기 내측 관체와의 사이에 압축공기와 연료가 유동하는 통로를 형성하는 외측 관체; 및
    상기 내측 관체와 외측 관체 사이에 방사상으로 배열되어, 상기 내측 관체와 외측 관체 사이 통로를 따라 유동하는 압축공기 및 연료에 스월러(swirler) 효과를 부여하는 복수 개의 혼합베인;을 포함하는 가스터빈.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 내측 관체는
    상기 혼합베인을 통과한 혼합유체의 일부를 상기 다공블록의 입구측으로 유도하는 바이패스홀이 형성되는 가스터빈.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 바이패스홀은
    복수 개로 상기 내측 관체의 둘레를 따라 일정한 간격으로 배열되어 형성하는 가스터빈.
    
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 바이패스홀은
    내측 관체의 입구에서 출구로 갈수록 내경이 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
    
14. 청구항 10에 있어서,
    상기 내측 관체의 일측이 경사지게 형성되는 경사플랜지를 포함하는 가스터빈.
    
15. 청구항 10에 있어서,
    상기 외측 관체는
    그 둘레 중 혼합베인에 대응하는 위치 선상을 따라 복수 개의 연료유입공이 일정한 간격으로 형성되는 가스터빈.
    
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 연료유입공에 형성되어, 상기 연료유입공을 통하여 분출되는 연료의 분출량을 조절하는 연료노즐을 구비하는 가스터빈.
    
17. 청구항 10에 있어서,
    상기 다공블록은
    그 내부에 길이를 따라 압축공기 및 연료의 혼합으로 생성된 혼합유체를 입구부에서 출구부로 유도하는 멀티튜브를 구비하는 가스터빈.
    
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 다공블록은
    그 입구부가 혼합영역을 향해 돌출 형성된 가스터빈.

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