KR20240108696A - 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소와 공기의 혼합구조를 개선하여 혼합효율을 향상시킴으로써 전체적인 튜브의 길이를 단축시켜 전체적인 연소기의 크기를 감소시키고 또한 질소산화물의 발생을 감소시키는 노즐어셈블리, 이를 이용한 연소기 및 가스터빈을 제공하기 위하여, 가스터빈 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서, 중공 형태의 노즐프레임; 상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관; 상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 튜브 내부에 형성되어, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되어 상기 분사부재를 통과한 공기 및 연료를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 노즐어셈블리, 이를 이용한 연소기 및 가스터빈를 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 연료 및 압축공기를 혼합하여 분사하는 노즐 어셈블리 및 이를 이용한 연소기 및 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 터보머신으로는 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 전환하는 장치이다.

터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 압추기 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. 수소와 같이 빠른 화염속도를 갖는 물질을 효율적으로 분사하기 위하여 복수개의 튜브를 이용하여 연료 및 공기를 연소실로 공급하는 구조가 제안된다. 이와 같이 복수개의 튜브를 사용하는 연료분사구조는 공기흐름과 연료흐름이 복수개의 튜브로 분산되므로 연료와 가스의 혼합효율이 좋고, 또한 질소산화물 발생이 저감되는 장점을 가진다.

그러나, 축방향 유동을 가지는 구조의 종래의 튜브는, 높은 혼합효율을 가지기 위하여는 상대적으로 긴 길이를 가져야 한다는 문제점이 있다.

KR 10-2474179 B

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 연소와 공기의 혼합구조를 개선하여 혼합효율을 향상시킴으로써 전체적인 튜브의 길이를 단축시켜 전체적인 연소기의 크기를 감소시키고 또한 질소산화물의 발생을 감소시키는 노즐어셈블리, 이를 이용한 연소기 및 가스터빈을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가스터빈 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서, 중공 형태의 노즐프레임; 상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관; 상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 튜브 내부에 형성되며, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하고, 상기 연료 및 공기가 유동하는 중앙유로가 내부에 형성되는 중공관을 포함하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되며, 상기 중공관의 중앙유로와 연통하는 유로가 중앙에 형성되고, 외측에 날개가 형성되어 상기 중공관의 외측으로 유동되어 공급되는 연료 및 공기를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 노즐어셈블리를 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; 및 상기 노즐케이싱의 내부에 설치되며, 상기 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리를 포함하며, 상기 노즐 어셈블리는, 중공 형태의 노즐프레임; 상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관; 상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 튜브 내부에 형성되며, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하고, 상기 연료 및 공기가 유동하는 중앙유로가 내부에 형성되는 중공관을 포함하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되며, 상기 중공관의 중앙유로와 연통하는 유로가 중앙에 형성되고, 외측에 날개가 형성되어 상기 중공관의 외측으로 유동되어 공급되는 연료 및 공기를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 연소기를 제공한다.

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 포함하고, 상기 연소기는, 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, 중공 형태의 노즐프레임; 상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관; 상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 튜브 내부에 형성되며, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하고, 상기 연료 및 공기가 유동하는 중앙유로가 내부에 형성되는 중공관을 포함하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되며, 상기 중공관의 중앙유로와 연통하는 유로가 중앙에 형성되고, 외측에 날개가 형성되어 상기 중공관의 외측으로 유동되어 공급되는 연료 및 공기를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 가스터빈.을 제공한다.

본 발명의 상기 연료공급부는, 상기 노즐프레임의 중앙에 배치되며 상기 노즐프레임의 길이방향을 따라 형성된 연료공급관 및 상기 연료공급관을 통하여 공급된 연료를 상기 노즐프레임의 후측으로 이동시키는 리턴부재를 포함하고, 상기 리턴부재를 통하여 공급된 연료를 상기 튜브내로 유동하도록 상기 리턴부재와 상기 튜브내를 관통하는 연료공급홀이 상기 분사부재에 형성될 수 있다.

본 발명의 상기 분사부재는, 상기 튜브의 중앙에 배치되는 중공형태의 제1중공관과, 상기 중공관으로부터 외측으로 방사형상으로 형성되는 복수개의 지지대를 포함하되, 상기 지지대는 5개가 형성되며, 서로 균등한 각도로 배치되며, 상기 지지대의 상류측부에 상기 리턴부재로부터 공급되는 연료를 분사하는 연료공급홀이 형성될 수 있다.

본 발명의 상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사될 수 있다.

본 발명의 상기 스월베인은, 상기 제1중공관과 연통되는 중공형태의 제2중공관과, 상기 제2중공관의 외주에 나선형으로 형성되는 복수개의 날개를 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 연료공급부와 상기 튜브를 연통시켜 상기 연료공급부의 연료를 상기 튜브로 연료공급홀이 상기 튜브에 형성되고, 상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사될 수 있다.

본 발명에 따른 노즐어셈블리, 이를 이용한 연소기 및 가스터빈은, 연소와 공기의 혼합구조를 개선하여 혼합효율을 향상시킴으로써 전체적인 튜브의 길이를 단축시켜 연소기의 전체 크기를 감소시키고 또한 질소산화물의 발생을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 노즐어셈블리는 혼합효율을 향상시켜 화염안정성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 연소기의 절개사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐어셈블리의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐어셈블리의 혼합부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐어셈블리의 혼합부의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐어셈블리의 혼합부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 혼합부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 혼합부의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 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.

도 1을 참조하면, 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 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, 압축기는 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 압축기 스테이터는, 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인 이외에 압축기 입구 스크롤 스트럿을 더 포함한다. 상기 압축기 입구 스크롤 스트럿은, 상기 압축기 케이싱의 전단에 연결되며, 외부 공기를 상기 압축기 케이싱의 입구로 가이드한다. 한편, 상기 압축기 베인 중, 가장 전단에 위치한 것을 인렛 가이드 베인이라고 한다. 상기 인렛 가이드 베인은, 상기 압축기 케이싱으로 유입되는 공기를 후단에 배치된 압축기 블레이드와 압축기 베인으로 가이드하는 역할을 한다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기(11)의 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)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 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연소기(100)는, 아우터캔(110), 아우터헤드(111), 이너캔(120), 이너헤드(121)를 포함한다. 상기 아우터캔(110)은, 속이 빈 원통 형상으로 형성되며, 외부로부터 연료가 유입된다. 상기 아우터헤드(111)는, 상기 아우터캔(110)의 전방에서 상기 아우터캔(110)을 덮는다. 상기 이너캔(120)은, 상기 아우터캔(110)의 내부에 배치되며, 속이 빈 원통 형상으로 형성된다. 그리고 상기 이너캔(120)과 아우터캔(110)의 사이로는 압축공기가 후방에서 전방으로 이동하며, 전방을 통해 연료와 압축공기가 내부로 주입된다. 그리고 상기 이너캔(120)의 내부로 주입된 연료와 압축공기의 혼합물이 연소됨에 따라 고온 고압의 화염 및 연소가스가 발생된다. 여기서, 상기 이너캔(120) 내부에서 연소가 이루어지는 공간을 연소챔버(112)라 한다. 상기 이너헤드(121)는, 상기 이너캔(120)의 전방에 설치되며, 공급받은 연료와 압축공기를 혼합하여 상기 이너캔(120)의 내부로 공급한다.

상기 이너헤드(121)는, 헤드플레이트(122) 및 복수개의 노즐어셈블리(123)를 포함한다. 상기 헤드플레이트(122)는, 상기 이너캔(120)의 전방을 덮는다. 상기 복수개의 노즐어셈블리(123)는, 상기 헤드플레이트(122)의 전방에 설치되며, 연료와 압축공기를 혼합시켜 후방으로 공급한다.

상기 노즐어셈블리(123)는, 상기 헤드플레이트(122)의 중심 부위에 1개의 노즐군이 배치되고, 상기 중심 부위의 노즐군을 반경방향 외측에서 나머지 복수개의 노즐군이 감싸는 구조로 설치된다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐 어셈블리(1400)는, 노즐프레임(1410), 혼합기 공급관(1420), 연료공급부(1430), 공기공급부(1440) 및 혼합부(1450)를 포함한다.

상기 노즐프레임(1410)은, 중공형태의 관 형태로 형성되며, 내측에 혼합기공급관(1420), 연료공급부(1430), 공기공급부(1440), 리턴부재(1432), 혼합부(1450)가 배치된다.

상기 혼합기 공급관(1420)은, 복수개의 튜브(1421)로 이루어진다. 상기 튜브(1421)의 일단은 상기 공기공급부(1440)와 연결되고, 타단은 상기 연소챔버(1210)와 연통된다.

상기 튜브(1421)는, 상기 튜브(1421)로 공급된 연료와 상기 공기공급부(1440)에서 공급된 공기가 혼합되어 생성되는 혼합기를 상기 연소챔버(1210)로 공급한다.

또한, 상기 튜브(1421)는 길이방향을 따라 이격되어 배치되는 한 쌍의 튜브시트(1411)에 의하여 지지된다.

상기 연료공급부(1430)는 상기 노즐프레임(1410)의 중앙에 길이방향을 따라 형성되는 연료공급관 및 상기 연료공급관의 외측에 배치되는 리턴부재(1450)로 이루어진다.

상기 연료공급관은, 상기 노즐프레임(1410)의 상류측(도 3의 좌측)에서 상기 노즐프레임의 하류측(도 3의 우측)으로 연료를 공급한다.

상기 연료는 수소일 수 있다. 본 실시예에서는 연료로서 수소를 사용하였으나, 수소 이외의 LNG 등의 다른 연료도 적용이 가능하다.

상기 리턴부재(1432)는, 상기 연료공급관에서 상기 노즐프레임의 하류측(도 3에서 우측)으로 이동된 연료를, 노즐프레임(1410)의 상류측으로 이동시킨 후, 상기 혼합기공급관의 튜브(1421)로 공급한다. 상기 리턴부재(1432)는 상기 튜브 사이의 공간을 형성하는 부재로 이루어질 수 있다.

상기 튜브(1421)의 상류 측에는 공기공급부(1440)가 형성된다. 상기 공기공급부(1440)는, 노즐어셈블리 외부에서 공급된 공기를 상기 튜브(1421)로 공급한다. 상기 공기는 압축기로부터 공급된 압축공기일 수 있다.

상기 혼합부(1450)는, 분사부재(1451) 및 스월베인(1452)으로 이루어진다.

상기 분사부재(1451)는, 상기 튜브(1421) 내부에 형성되어 상기 연료공급부(1430)에서 공급되는 연료를 상기 튜브(1421)를 통과하는 공기 측으로 분사한다.

상기 분사부재(1451)는 제1중공관(1451a)과 지지대(1451b)로 이루어지며, 튜브(1421)의 중앙에 중앙유로를 형성하여 연료와 공기의 혼합기가 튜브(1421)의 중앙으로 축방향을 따라 유동할 수 있도록 한다.

상기 제1중공관(1451a)은 상기 튜브(1421)의 중앙에 튜브(1421)의 축을 따라 배치되며, 속이 빈 관 형태로 형성되어 연료와 공기의 혼합기의 유동통로를 형성한다.

상기 지지대(1451b)는, 일단이 상기 제1중공관(1451a)과 연결되고, 타단이 상기 튜브(1421)와 연결되어, 상기 제1중공관(1451a)을 지지한다.

상기 지지대(1451b)는 복수개가 구비되며, 상기 제1중공관(1451)으로부터 외측으로 방사형상으로 형성된다. 상기 지지대(1451b)는 5개가 형성되며, 상기 튜브의 중심을 기준으로 서로 균등한 각도 72° 간격으로 배치된다.

상기 분사부재(1451)의 지지대(1451a)의 상류측 면에는, 상기 리턴부재(1432)와 상기 튜브(1421)내를 연통시키는 연료분사홀(1433)이 형성되어, 상기 리턴부재(1432)를 통하여 이동된 연료가 상기 튜브(1421) 내로 공급된다.

상기 지지대(1451a)는, 상기 튜브(1421)의 중심에 대하여 균등한 각도(72°)로 배치되어 상기 튜브(1421)의 전면적에 균일하게 연료를 공급할 수 있도록 한다. 본 실시예에서 지지대는 5개가 형성되는 것으로 설명되었으나, 지지대의 개수는 설계 조건에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.

상기 스월베인(1452)은 제2중공관(1452a)과 복수개의 날개(1452b)로 이루어진다.

상기 제2중공관(1452a)은 상기 제1중공관(1451a)과 연통되는 연통로가 중앙에 형성된 중공의 관으로 형성된다. 상기 제2중공관(1452a)은 상기 분사부재의 하류측에 형성되며, 상기 튜브의 중앙에 배치된다.

상기 복수개의 날개는 상기 제2중공관(1452a)의 외주면에 나선형태로 이루어진다. 상기 날개(1452b)는, 상기 제1중공관의 외측을 통과하여 공급되는 연료 및 공기가 서로 나선류(SF)를 이루도록 하여 서로 혼합될 수 있도록 한다.

상기 날개에 의하여 발생하는 나선류(SF)는, 상기 제1,2중공관의 중앙에 형성된 중앙유동로에 발생하는 중앙 유동류(CF)보다 속도가 느리게 형성된다. 즉, 본 실시예의 혼합기는, 중앙유동류(CF)와 외측의 나선류(SF)의 속도를 서로 상이하게 형성함으로써 연료와 공기의 혼합효율을 더욱 더 향상시킬 수 있다.

이와 같은 혼합효율의 향상으로 인하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐 어셈블리(1400)는 튜브의 전체 길이를 감소시키게 하여 전체 연소기의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 질소산화물의 발생도 감소시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐어셈블리의 혼합부의 사시도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐어셈블리(2400)는, 노즐프레임(2410), 혼합기 공급관(2420), 연료공급부(2430), 공기공급부(2440) 및 혼합부(2450)를 포함한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료공급홀(2433)은 튜브(2421)의 내벽에 형성된다. 본 발명이 제2실시예에 따른 노즐어셈블리(2400)는 연료공급홀(2433)과 관련된 구성 이외의 다른 구성은 상술한 제1실시예에 따른 노즐어셈블리와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 연료공급홀(2433)은, 상기 연료공급부와 상기 튜브(2421)을 연통시켜 상기 연료공급부의 연료를 튜브(2421)의 내부로 분사한다. 상기 튜브(2421)의 내벽에는 일단이 상기 연료공급부와 연통되고, 타단이 상기 연료공급홀(2433)과 연통되어 상기 연료공급부(2430)의 연료를 상기 연료공급홀(2433)로 공급하는 이동공간이 형성될 수 있다.

또한 상기 연료공급홀(2433)은 공기가 유입되는 측으로 연료가 공급될 수 있도록, 상기 연료공급홀의 중심축은 튜브(2421)의 중심축에 대하여 경사지게 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 연료공급홀(2433)로 공급되는 연료와 공기를 서로 부딪혀서 와류를 형성함으로써 혼합이 더욱 향상될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐어셈블리의 단면도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 노즐어셈블리(3400)는, 노즐프레임, 혼합기 공급관, 연료공급부, 공기공급부 및 혼합부를 포함한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 분사부재(3451)는, 상기 튜브(3421) 내측에 형성되는 제1중공관(3451a) 및 복수개의 지지대(3451b)으로 이루어지고, 상기 분사부재(3451)의 지지대(3451b)의 상류측 면에는, 상기 리턴부재(3432)와 상기 튜브(3421) 내를 연통시키는 연료분사홀(3433)이 형성되어, 상기 리턴부재(3432)를 통하여 이동된 연료가 상기 튜브(3421) 내로 공급된다.

본 발명이 제3실시예에 따른 노즐어셈블리(3400)는 연료공급홀(3433)과 관련된 구성 이외의 다른 구성은 상술한 제1실시예에 따른 노즐어셈블리와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 연료분사홀(3433)의 중심축은 상기 튜브(3421)의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어, 상기 연료분사홀(3433)을 통하여 분사되는 연료가 상기 튜브(3421)의 중심을 향하여 분사되도록 한다.

또한, 상기 연료분사홀(3433)을 통하여 분사되는 연료는, 상기 튜브의 상류측에서 공급되는 공기와 맞부딪치게 형성되어 1차로 혼합되어 혼합효율을 더욱 더 향상시킬 수 있다.

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

100 : 가스터빈 110 : 압축기
120 : 터빈 1000 : 연소기
1100 : 노즐케이싱 1200 : 라이너
1210 : 연소챔버 1300 : 트랜지션피스
1400 : 노즐 어셈블리 1410 : 노즐프레임
1420 : 혼합기공급관 1421 : 튜브
1430 : 연료공급부 1431 : 연료공급관
1432 : 리턴부재 1433 : 연료공급홀
1440 : 공기공급부 1450: 혼합부
1451 : 분사부재 1451a : 날개편
1452 : 스월베인

Claims (20)

1. 가스터빈 연소기의 연소챔버로 연료와 압축공기를 분사하는 노즐 어셈블리에 있어서,
   중공 형태의 노즐프레임;
   상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관;
   상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부;
   상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
   상기 튜브 내부에 형성되며, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하고, 상기 연료 및 공기가 유동하는 중앙유로가 내부에 형성되는 중공관을 포함하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되며, 상기 중공관의 중앙유로와 연통하는 유로가 중앙에 형성되고, 외측에 날개가 형성되어 상기 중공관의 외측으로부터 유동되어 공급되는 연료 및 공기를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 노즐어셈블리.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료공급부는, 상기 노즐프레임의 중앙에 배치되며 상기 노즐프레임의 길이방향을 따라 형성된 연료공급관 및
   상기 연료공급관을 통하여 공급된 연료를 상기 노즐프레임의 후측으로 이동시키는 리턴부재를 포함하는 노즐어셈블리.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 리턴부재를 통하여 공급된 연료를 상기 튜브내로 유동하도록 상기 리턴부재와 상기 튜브내를 관통하는 연료공급홀이 상기 분사부재에 형성되는 노즐어셈블리.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 분사부재는, 상기 튜브의 중앙에 배치되는 중공형태의 제1중공관과, 상기 제1중공관으로부터 외측으로 방사형상으로 형성되는 복수개의 지지대를 포함하는 노즐어셈블리.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 지지대는 5개가 형성되며, 서로 균등한 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 노즐어셈블리.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 지지대의 상류측부에 상기 리턴부재로부터 공급되는 연료를 분사하는 연료공급홀이 형성되는 노즐어셈블리.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사되는 노즐어셈블리.
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 스월베인은, 상기 제1중공관과 연통되는 중공형태의 제2중공관과,
   상기 제2중공관의 외주에 나선형으로 형성되는 복수개의 날개를 포함하는 노즐어셈블리.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료공급부와 상기 튜브를 연통시켜 상기 연료공급부의 연료를 상기 튜브로 연료공급홀이 상기 튜브에 형성되는 노즐어셈블리.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사되는 노즐어셈블리.
11. 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, 중공 형태의 노즐프레임;
    상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관;
    상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
    상기 튜브 내부에 형성되며, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하고, 상기 연료 및 공기가 유동하는 중앙유로가 내부에 형성되는 중공관을 포함하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되며, 상기 중공관의 중앙유로와 연통하는 유로가 중앙에 형성되고, 외측에 날개가 형성되어 상기 중공관의 외측으로 유동되어 공급되는 연료 및 공기를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 연소기.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 분사부재는, 상기 튜브의 중앙에 배치되는 중공형태의 제1중공관과, 상기 중공관으로부터 외측으로 방사형상으로 형성되는 복수개의 지지대를 포함하는 연소기.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지대의 공기가 공급되는 측부에 상기 연료매니폴드에서 공급되는 연료를 분사하는 연료공급홀이 형성되고, 상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사되는 연소기.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 스월베인은, 상기 제1중공관과 연통되는 중공형태의 제2중공관과,
    상기 제2중공관의 외주에 나선형으로 형성되는 복수개의 날개를 포함하는 연소기.
15. 청구항 11에 있어서,
    상기 연료공급부와 상기 튜브를 연통시켜 상기 연료공급부의 연료를 상기 튜브로 연료공급홀이 상기 튜브에 형성되고, 상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사되는 연소기.
16. 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 포함하고,
    상기 연소기는,
    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,
    중공 형태의 노즐프레임;
    상기 연소챔버로 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 공급하는 복수개의 튜브를 포함하는 혼합기 공급관;
    상기 혼합기 공급관으로 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 혼합기 공급관으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
    상기 튜브 내부에 형성되며, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 상기 튜브를 통과하는 공기 측으로 분사하고, 상기 연료 및 공기가 유동하는 중앙유로가 내부에 형성되는 중공관을 포함하는 분사부재와, 상기 분사부재의 일측에 형성되며, 상기 중공관의 중앙유로와 연통하는 유로가 중앙에 형성되고, 외측에 날개가 형성되어 상기 중공관의 외측으로 유동되어 공급되는 연료 및 공기를 혼합시키는 스월베인을 포함하는 혼합부;를 포함하는 가스터빈.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 분사부재는, 상기 튜브의 중앙에 배치되는 중공형태의 제1중공관과, 상기 중공관으로부터 외측으로 방사형상으로 형성되는 복수개의 지지대를 포함하는 가스터빈.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 지지대의 공기가 공급되는 측부에 상기 연료매니폴드에서 공급되는 연료를 분사하는 연료공급홀이 형성되고, 상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사되는가스터빈.
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 스월베인은, 상기 제1중공관과 연통되는 중공형태의 제2중공관과,
    상기 제2중공관의 외주에 나선형으로 형성되는 복수개의 날개를 포함하는 가스터빈.
20. 청구항 16에 있어서,
    상기 연료공급부와 상기 튜브를 연통시켜 상기 연료공급부의 연료를 상기 튜브로 연료공급홀이 상기 튜브에 형성되고, 상기 연료공급홀의 중심축은 상기 튜브의 중심축에 대하여 경사지게 형성되어 연료가 상기 튜브의 중심측으로 분사되는 가스터빈.

Images