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KR20240126733A - Nozzle for combustor, combustor, and gas turbine including the same - Google Patents

Nozzle for combustor, combustor, and gas turbine including the same Download PDF

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Publication number
KR20240126733A
KR20240126733A KR1020230019591A KR20230019591A KR20240126733A KR 20240126733 A KR20240126733 A KR 20240126733A KR 1020230019591 A KR1020230019591 A KR 1020230019591A KR 20230019591 A KR20230019591 A KR 20230019591A KR 20240126733 A KR20240126733 A KR 20240126733A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
fuel injection
combustor
injection pipe
tubes
Prior art date
Application number
KR1020230019591A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
임중현
오경택
고영건
조상필
Original Assignee
두산에너빌리티 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to KR1020230019591A priority Critical patent/KR20240126733A/en
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브, 상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트, 및 상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고, 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a nozzle for a combustor that combusts fuel containing hydrogen comprises: a plurality of mixing tubes through which air and fuel move; a multi-tube for inserting and supporting the mixing tubes; a fuel tube formed inside the multi-tubes and through which fuel moves; a tip plate coupled to a tip end of the multi-tubes; and a plurality of fuel injection tubes that protrude into the mixing tubes and inject fuel, wherein the fuel injection tubes can be arranged to be inclined at a first angle with respect to a direction toward the center of the mixing tube.

Description

연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈{NOZZLE FOR COMBUSTOR, COMBUSTOR, AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}NOZZLE FOR COMBUSTOR, COMBUSTOR, AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME

본 발명은 연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소를 포함하는 연료를 사용하는 연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. The present invention relates to a nozzle for a combustor, a combustor, and a gas turbine including the same, and more particularly, to a nozzle for a combustor using a fuel containing hydrogen, a combustor, and a gas turbine including the same.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다. A gas turbine is a power engine that mixes compressed air and fuel from a compressor, combusts them, and rotates a turbine with the high-temperature gas generated by the combustion. Gas turbines are used to drive generators, aircraft, ships, trains, etc.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.Typically, a gas turbine includes a compressor, a combustor, and a turbine. The compressor takes in outside air, compresses it, and then delivers it to the combustor. The compressed air from the compressor becomes high-pressure and high-temperature. The combustor mixes the compressed air from the compressor with fuel and combusts it. The combustion gas generated by the combustion is discharged to the turbine. The turbine blades inside the turbine rotate due to the combustion gas, and power is generated through this. The generated power is used in various fields such as power generation and driving mechanical devices.

연료는 각 연소기 내에 설치된 노즐을 통해서 분사되며 노즐은 기체 연료 및 액체 연료를 분사할 수 있다. 근래에는 이산화탄소의 배출을 억제하기 위해서 수소 연료 또는 수소를 포함하는 연료의 사용이 권장되고 있다.Fuel is injected through nozzles installed in each combustor, and the nozzles can inject gaseous fuel and liquid fuel. Recently, the use of hydrogen fuel or fuel containing hydrogen has been recommended to suppress carbon dioxide emissions.

그러나 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 가스 터빈 연소기로 이들의 연료를 연소시켰을 경우에, 가스 터빈 연소기내에서 형성되는 화염이 가스 터빈 연소기의 구조물로 접근해 가열하고, 가스 터빈 연소기의 신뢰성에 대한 문제를 일으킬 가능성이 있다.However, since hydrogen has a fast combustion rate, when these fuels are burned in a gas turbine combustor, there is a possibility that the flame formed inside the gas turbine combustor may approach and heat the structure of the gas turbine combustor, causing problems with the reliability of the gas turbine combustor.

이러한 문제를 해결하기 위해서 대한민국 공개특허 제10-2020-0027894호 등에는 멀티 튜브를 갖는 연소기 노즐이 제안되고 있으나, 멀티 튜브를 갖는 노즐은 스월러가 설치되지 않아 연료와 공기의 균일한 혼합이 어려운 문제가 있다.To solve this problem, a combustor nozzle with multiple tubes is proposed in Korean Patent Publication No. 10-2020-0027894, etc., but the nozzle with multiple tubes has a problem in that it is difficult to uniformly mix fuel and air because a swirler is not installed.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료와 공기를 효율적으로 혼합할 수 있는 연소기용 노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공한다.Based on the technical background as described above, the present invention provides a nozzle for a combustor, a combustor, and a gas turbine capable of efficiently mixing fuel and air.

본 발명의 일 측면에 따른 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브, 상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트, 및 상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고, 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a nozzle for a combustor that combusts fuel containing hydrogen comprises: a plurality of mixing tubes through which air and fuel move; a multi-tube for inserting and supporting the mixing tubes; a fuel tube formed inside the multi-tubes and through which fuel moves; a tip plate coupled to a tip end of the multi-tubes; and a plurality of fuel injection tubes that protrude into the mixing tubes and inject fuel, wherein the fuel injection tubes can be arranged to be inclined at a first angle with respect to a direction toward the center of the mixing tube.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 내면에서 돌출되되 하류를 향하는 방향으로 돌출될 수 있다.According to one aspect of the present invention, the fuel injection pipe may protrude from the inner surface of the mixing tube in a direction facing downstream.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 길이방향에 대하여 제2 각도로 경사지게 배치될 수 있다.According to one aspect of the present invention, the fuel injection pipe may be arranged to be inclined at a second angle with respect to the longitudinal direction of the mixing tube.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관의 입구부는 타원형으로 이루어지고, 출구부는 원형으로 이루어질 수 있다.According to one aspect of the present invention, the inlet portion of the fuel injection pipe may be formed in an oval shape, and the outlet portion may be formed in a circular shape.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 믹싱 튜브에는 상기 연료 분사관과 연결된 분사홀이 형성되고, 상기 분사홀에는 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는 도입 안내부가 형성될 수 있다.According to one aspect of the present invention, the mixing tube may have an injection hole formed that is connected to the fuel injection pipe, and an introduction guide portion formed in the injection hole whose inner diameter gradually increases toward the outside.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관은 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁을 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, the fuel injection pipe may include an injection tip whose outer diameter gradually decreases toward the tip.

본 발명의 일 측면에 따른 연료 분사관에는 상기 믹싱 튜브와 연결되며 연료가 유입되는 입구부와 연료가 배출되는 출구부가 형성되고, 상기 출구부는 상기 믹싱 튜브의 반경 방향으로 외측에서 1/4~3/4 지점 사이에 위치할 수 있다.According to one aspect of the present invention, a fuel injection pipe is connected to the mixing tube and has an inlet portion through which fuel flows in and an outlet portion through which fuel flows out, and the outlet portion can be positioned between 1/4 and 3/4 of a point from the outer side in the radial direction of the mixing tube.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관의 외면에는 상기 연료 분사관의 길이방향으로 이어지며, 상기 연료 분사관의 둘레 방향으로 이격된 복수의 가이드 돌기가 형성될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a plurality of guide protrusions may be formed on the outer surface of the fuel injection pipe, extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe and spaced apart in the circumferential direction of the fuel injection pipe.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관이 상기 믹싱 튜브와 연결된 부분에는 상기 연료 분사관의 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 베이스부가 형성될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a base portion may be formed at a portion of the fuel injection pipe connected to the mixing tube, the outer diameter of which gradually decreases toward the tip of the fuel injection pipe.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 분사관의 외면에는 상기 연료 분사관의 길이방향으로 이어진 복수의 가이드 날개가 설치될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a plurality of guide vanes extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe may be installed on the outer surface of the fuel injection pipe.

본 발명의 다른 측면에 따른 연소기는 상기 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브, 상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트, 및 상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고, 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a combustor comprises: a nozzle including a plurality of mixing tubes through which air and fuel move; a multi-tube for supporting the mixing tubes by inserting them; a fuel tube formed inside the multi-tubes and through which fuel moves; a tip plate coupled to a tip end of the multi-tubes; and a plurality of fuel injection tubes protruding into the mixing tubes and injecting fuel, wherein the fuel injection tubes can be arranged to be inclined at a first angle with respect to a direction toward the center of the mixing tubes.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 내면에서 돌출되되 하류를 향하는 방향으로 돌출될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the fuel injection pipe may protrude from the inner surface of the mixing tube in a direction facing downstream.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 길이방향에 대하여 제2 각도로 경사지게 배치될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the fuel injection pipe may be arranged to be inclined at a second angle with respect to the longitudinal direction of the mixing tube.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 연료 분사관의 입구부는 타원형으로 이루어지고, 출구부는 원형으로 이루어질 수 있다.According to another aspect of the present invention, the inlet portion of the fuel injection pipe may be formed in an oval shape, and the outlet portion may be formed in a circular shape.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 믹싱 튜브에는 상기 연료 분사관과 연결된 분사홀이 형성되고, 상기 분사홀에는 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는 도입 안내부가 형성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the mixing tube may have an injection hole formed that is connected to the fuel injection pipe, and an introduction guide portion formed in the injection hole whose inner diameter gradually increases toward the outside.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 연료 분사관은 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the fuel injector may include an injection tip whose outer diameter gradually decreases toward the tip.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료 분사관에는 상기 믹싱 튜브와 연결되며 연료가 유입되는 입구부와 연료가 배출되는 출구부가 형성되고, 상기 출구부는 상기 믹싱 튜브의 반경 방향으로 외측에서 1/4~3/4 지점 사이에 위치할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a fuel injection pipe is connected to the mixing tube and has an inlet portion through which fuel flows in and an outlet portion through which fuel flows out, and the outlet portion can be located between 1/4 and 3/4 of a point from the outer side in the radial direction of the mixing tube.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 연료 분사관의 외면에는 상기 연료 분사관의 길이방향으로 이어지며, 상기 연료 분사관의 둘레 방향으로 이격된 복수의 가이드 돌기가 형성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a plurality of guide protrusions may be formed on the outer surface of the fuel injection pipe, extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe and spaced apart in the circumferential direction of the fuel injection pipe.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 연료 분사관이 상기 믹싱 튜브와 연결된 부분에는 상기 연료 분사관의 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 베이스부가 형성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a base portion may be formed at a portion of the fuel injection pipe connected to the mixing tube, the outer diameter of which gradually decreases toward the tip of the fuel injection pipe.

본 발명의 다른 측면에 따른 가스 터빈은 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하고, 상기 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 상기 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브, 상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트, 및 상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고, 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a gas turbine includes a compressor that compresses air taken in from the outside, a combustor that mixes compressed air and fuel compressed in the compressor and combusts them, and a plurality of turbine blades that rotate by the combustion gas combusted in the combustor, wherein the combustor includes a burner having a plurality of nozzles that inject fuel and air, and a duct assembly that is coupled to one side of the burner and combusts the fuel and the air therein and delivers the combusted gas to the turbine, wherein the nozzles include a plurality of mixing tubes through which air and fuel move, a multi-tube that inserts and supports the mixing tubes, a fuel tube formed inside the multi-tubes and through which fuel moves, a tip plate coupled to the tip end of the multi-tubes, and a plurality of fuel injection tubes that protrude into the mixing tubes and inject fuel, wherein the fuel injection tubes can be arranged to be inclined at a first angle with respect to a direction toward the center of the mixing tube.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐, 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 믹싱 튜브 내에 연료 분사관이 설치되고, 연료 분사관이 중심을 향하는 방향에 대하여 경사지게 배치되므로 분사된 연료가 스월을 형성하면서 공기와 균일하게 혼합될 수 있다.As described above, according to the nozzle for a combustor, the combustor and the gas turbine according to one aspect of the present invention, a fuel injection pipe is installed in a mixing tube, and the fuel injection pipe is arranged at an angle with respect to the direction toward the center, so that the injected fuel can be uniformly mixed with the air while forming a swirl.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 믹싱 튜브와 연료 분사관을 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 믹싱 튜브와 연료 분사관을 반경방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 분사관을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 분사관을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 분사관을 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 분사관을 선단에서 본 도면이다.
FIG. 1 is a drawing showing the interior of a gas turbine according to the first embodiment of the present invention.
Figure 2 is a drawing illustrating the combustor of Figure 1.
Figure 3 is a cross-sectional view taken longitudinally of a nozzle according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken longitudinally of a mixing tube and a fuel injection pipe according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken radially through a mixing tube and a fuel injection pipe according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view illustrating a fuel injection pipe according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view illustrating a fuel injection pipe according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view illustrating a fuel injection pipe according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a drawing of a fuel injection pipe according to a fourth embodiment of the present invention as viewed from the tip.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can be modified in various ways and has various embodiments, and thus specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, but should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, it should be understood that the terms "comprise" or "have" and the like are intended to specify that a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification is present, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. At this time, it should be noted that the same components in the attached drawings are indicated by the same symbols as much as possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components in the attached drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.Below, a gas turbine according to the first embodiment of the present invention is described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a drawing illustrating the interior of a gas turbine according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a drawing illustrating the combustor of FIG. 1.

본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다. The thermodynamic cycle of the gas turbine (1000) according to the present embodiment can ideally follow the Brayton cycle. The Brayton cycle can be composed of four processes: isentropic compression (adiabatic compression), constant pressure rapid heating, isentropic expansion (adiabatic expansion), and constant pressure heat dissipation. That is, atmospheric air is sucked in, compressed at high pressure, fuel is combusted in a constant pressure environment to release heat energy, the high-temperature combustion gas is expanded to convert it into kinetic energy, and then the exhaust gas containing the remaining energy can be released into the atmosphere. That is, the cycle can be composed of four processes: compression, heating, expansion, and heat dissipation.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.A gas turbine (1000) that realizes the Brayton cycle as described above may include a compressor (1100), a combustor (1200), and a turbine (1300), as illustrated in FIG. 1. The following description will refer to FIG. 1, but the description of the present invention may be broadly applied to a turbine engine having an equivalent configuration to the gas turbine (1000) exemplarily illustrated in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다. Referring to FIG. 1, the compressor (1100) of the gas turbine (1000) can intake air from the outside and compress it. The compressor (1100) can supply compressed air compressed by the compressor blade (1130) to the combustor (1200), and can also supply cooling air to a high temperature area requiring cooling in the gas turbine (1000). At this time, since the intake air undergoes an adiabatic compression process in the compressor (1100), the pressure and temperature of the air passing through the compressor (1100) increase.

압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기에서는, 압축기(1100)의 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다. The compressor (1100) is designed as a centrifugal compressor or an axial compressor. While a centrifugal compressor is applied to a small gas turbine, a multi-stage axial compressor is generally applied to a large gas turbine (1000) such as that illustrated in FIG. 1 because a large amount of air must be compressed. At this time, in the multi-stage axial compressor, the compressor blades (1130) of the compressor (1100) rotate according to the rotation of the rotor disk to compress the intake air and move the compressed air to the compressor vanes (1140) of the rear stage. The air is compressed to an increasingly high pressure as it passes through the compressor blades (1130) formed in multiple stages.

압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다. The compressor vane (1140) is mounted inside the housing (1150), and a plurality of compressor vanes (1140) can be mounted to form a unit. The compressor vane (1140) guides compressed air moved from the compressor blade (1130) of the front end to the compressor blade (1130) of the rear end. In one embodiment, at least some of the plurality of compressor vanes (1140) can be mounted to be rotatable within a set range, such as for controlling the amount of air introduced.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 영향을 미치게 된다.The compressor (1100) can be driven using a portion of the power output from the turbine (1300). For this purpose, as illustrated in FIG. 1, the rotational axis of the compressor (1100) and the rotational axis of the turbine (1300) can be directly connected. In the case of a large gas turbine (1000), approximately half of the power produced by the turbine (1300) can be consumed in driving the compressor (1100). Therefore, improving the efficiency of the compressor (1100) directly affects improving the overall efficiency of the gas turbine (1000).

터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드와 터빈 베인을 포함한다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 삽입된다. 터빈 베인은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 블레이드는 연소가스에 의하여 회전하면서 회전력을 생성한다.The turbine (1300) includes a rotor disk (1310) and a plurality of turbine blades and turbine vanes radially arranged on the rotor disk (1310). The rotor disk (1310) has an approximately circular shape, and a plurality of grooves are formed on its outer periphery. The grooves are formed to have curved surfaces, and turbine blades and turbine vanes are inserted into the grooves. The turbine vanes are fixed so as not to rotate and guide the flow direction of combustion gas passing through the turbine blades. The turbine blades generate rotational force by rotating due to the combustion gas.

한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 적용되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 버너(1220), 노즐(1400), 덕트 조립체(1250)를 포함할 수 있다. Meanwhile, the combustor (1200) can mix compressed air supplied from the outlet of the compressor (1100) with fuel and combust it under isobaric pressure to produce high energy combustion gas. Fig. 2 shows an example of a combustor (1200) applied to a gas turbine (1000). The combustor (1200) can include a combustor casing (1210), a burner (1220), a nozzle (1400), and a duct assembly (1250).

연소기 케이싱(1210)은 복수의 버너(1220)를 감싸며 대략 원형 형상으로 이루어질 수 있다. 버너(1220)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 각 버너(1220)에는 복수 개의 노즐(1400)이 구비되며, 이 노즐(1400)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.The combustor casing (1210) may be formed in an approximately circular shape, surrounding a plurality of burners (1220). The burners (1220) are arranged downstream of the compressor (1100) and may be arranged along the combustor casing (1210) forming an annular shape. Each burner (1220) is provided with a plurality of nozzles (1400), and fuel sprayed from the nozzles (1400) is mixed with air at an appropriate ratio to form a state suitable for combustion.

가스 터빈(1000)에는 가스 연료가 사용될 수 있으며, 특히 수소를 포함하는 연료가 사용될 수 있다. 연료는 수소 연료 단독 또는 수소와 천연가스를 포함하는 연료로 이루어질 수 있다.The gas turbine (1000) can use gaseous fuel, and in particular, a fuel containing hydrogen. The fuel can consist of hydrogen fuel alone or a fuel containing hydrogen and natural gas.

버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체(1250)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1400) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1250)가 적절히 냉각된다.Compressed air flows along the outer surface of a duct assembly (1250) connecting the burner (1220) and the turbine (1300) through which high-temperature combustion gas flows and is supplied toward the nozzle (1400), and in this process, the duct assembly (1250) heated by the high-temperature combustion gas is appropriately cooled.

덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252), 유동 슬리브(1253)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1250)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)의 바깥을 유동 슬리브(1253)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1253) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 냉각시킨다. The duct assembly (1250) may include a liner (1251), a transition piece (1252), and a flow sleeve (1253). The duct assembly (1250) has a double structure in which the flow sleeve (1253) surrounds the outside of the liner (1251) and the transition piece (1252), and compressed air penetrates into the annular space inside the flow sleeve (1253) to cool the liner (1251) and the transition piece (1252).

라이너(1251)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1251) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1251)의 길이방향 일측 단부는 버너(1220)에 결합되고 라이너(1251)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1252)에 결합된다.The liner (1251) is a tubular member connected to the burner (1220) of the combustor (1200), and the space inside the liner (1251) forms a combustion chamber (1240). One longitudinal end of the liner (1251) is connected to the burner (1220), and the other longitudinal end of the liner (1251) is connected to a transition piece (1252).

그리고, 트랜지션피스(1252)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1252)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1251)와 결합되고, 트랜지션피스(1252)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1253)는 라이너(1251)와 트랜지션피스(1252)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.And, the transition piece (1252) is connected to the inlet of the turbine (1300) and serves to guide high-temperature combustion gas to the turbine (1300). One longitudinal end of the transition piece (1252) is connected to the liner (1251), and the other longitudinal end of the transition piece (1252) is connected to the turbine (1300). The fluid sleeve (1253) protects the liner (1251) and the transition piece (1252) while preventing high-temperature heat from being directly released to the outside.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 길이방향으로 잘라 본 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 믹싱 튜브와 연료 분사관을 길이방향으로 잘라 본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 믹싱 튜브와 연료 분사관을 반경방향으로 잘라 본 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction of a nozzle according to the first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction of a mixing tube and a fuel injection pipe according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the radial direction of a mixing tube and a fuel injection pipe according to the first embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 5을 참조하여 설명하면, 노즐(1400)은 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브(1420)와 믹싱 튜브(1420)를 감싸는 멀티 튜브(1410)와 멀티 튜브(1410) 내부에 형성된 연료 튜브(1450)와 멀티 튜브(1410)의 선단에 결합된 팁 플레이트(1415)와 팁 플레이트(1415)에서 간격을 두고 이격된 전방 플레이트(1460)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 3 to 5, the nozzle (1400) may include a plurality of mixing tubes (1420) through which air and fuel move, a multi-tube (1410) surrounding the mixing tube (1420), a fuel tube (1450) formed inside the multi-tube (1410), a tip plate (1415) coupled to the tip end of the multi-tube (1410), and a front plate (1460) spaced apart from the tip plate (1415).

멀티 튜브(1410)는 원통 형상으로 이루어지며, 내측에 공간이 형성된다. 또한, 노즐(1400)은 멀티 튜브(1410)에 연료를 공급하는 연료 공급관(1430)을 더 포함할 수 있다. 여기서 연료는 수소를 포함하는 가스로 이루어질 수 있다. 멀티 튜브(1410)는 수소와 공기를 미세하게 분사할 수 있다.The multi-tube (1410) is formed in a cylindrical shape and has a space formed inside. In addition, the nozzle (1400) may further include a fuel supply pipe (1430) that supplies fuel to the multi-tube (1410). Here, the fuel may be formed of a gas containing hydrogen. The multi-tube (1410) may finely spray hydrogen and air.

연료 튜브(1450)는 멀티 튜브(1410)의 반경 방향 중앙에 배치되어 연료가 이동하는 공간을 제공한다. 연료 튜브(1450)의 길이방향 일측 단부는 연료 공급관(1430)과 연결되어 연료를 공급받으며, 연료 튜브(1450)의 길이방향 타측 단부는 전방 플레이트(1460)와 연결되어 냉각공간(CS1)으로 연료를 공급한다.A fuel tube (1450) is arranged at the radial center of the multi-tube (1410) to provide a space for fuel to move. One longitudinal end of the fuel tube (1450) is connected to a fuel supply pipe (1430) to receive fuel, and the other longitudinal end of the fuel tube (1450) is connected to a front plate (1460) to supply fuel to a cooling space (CS1).

팁 플레이트(1415)는 멀티 튜브(1410)의 선단에 결합되어 냉각 공간(CS1)을 형성한다. 팁 플레이트(1415)에는 복수의 믹싱 튜브(1420)의 선단이 삽입될 수 있다. 전방 플레이트(1460)는 팁 플레이트(1415)에서 간격을 두고 이격되어 냉각공간을 형성한다. 전방 플레이트(1460)는 멀티 튜브(1410)의 내벽에 고정될 수 있다. The tip plate (1415) is connected to the tip end of the multi-tube (1410) to form a cooling space (CS1). The tip end of a plurality of mixing tubes (1420) can be inserted into the tip plate (1415). The front plate (1460) is spaced apart from the tip plate (1415) to form a cooling space. The front plate (1460) can be fixed to the inner wall of the multi-tube (1410).

전방 플레이트(1460)는 연료 튜브(1450)가 결합되는 센터홀(1461)과 센터홀(1461)의 외측에 배치되며 냉각을 수행한 연료가 통과하여 후방(공기의 이동방향을 기준으로 상류측)으로 이동하도록 형성된 외측홀(1462)을 포함할 수 있다. 센터홀(1461)은 전방 플레이트(1460)의 반경 방향 중앙에 배치될 수 있으며, 외측홀(1462)은 전방 플레이트(1460)의 외측 단부에 형성될 수 있다. 외측홀(1462)은 전방 플레이트(1460)의 둘레를 따라 이어져 형성되거나 복수의 외측홀(1462)이 전방 플레이트(1460)의 둘레 방향으로 이격 배치될 수 있다.The front plate (1460) may include a center hole (1461) to which a fuel tube (1450) is coupled, and an outer hole (1462) formed on the outside of the center hole (1461) so that fuel that has undergone cooling passes through it and moves rearward (upstream with respect to the direction of movement of air). The center hole (1461) may be formed at the radial center of the front plate (1460), and the outer hole (1462) may be formed at an outer end of the front plate (1460). The outer hole (1462) may be formed along the circumference of the front plate (1460), or a plurality of outer holes (1462) may be spaced apart from each other in the circumference of the front plate (1460).

이에 따라 센터홀(1461)을 통해서 냉각 공간(CS1)으로 유입된 연료는 팁 플레이트(1415)를 충격하여 냉각한 후에 반경방향 외측으로 이동하면서 멀티 튜브(1410)를 냉각하고, 외측홀(1462)을 통해서 후방(공기의 이동방향을 기준으로 하류측)으로 이동할 수 있다. 냉각 공간(CS1)의 후방에는 전방 플레이트(1460)에 의하여 분리된 이동 공간(FS1)이 형성되며, 이동 공간(FS1)에서 연료는 믹싱 튜브(1420)의 유입구를 향하여 이동한다.Accordingly, the fuel introduced into the cooling space (CS1) through the center hole (1461) cools by impacting the tip plate (1415), and then moves radially outward to cool the multi-tube (1410) and can move rearward (downstream based on the direction of air movement) through the outer hole (1462). A movement space (FS1) separated by the front plate (1460) is formed at the rear of the cooling space (CS1), and in the movement space (FS1), the fuel moves toward the inlet of the mixing tube (1420).

한편, 믹싱 튜브(1420) 내에는 분배 공간(MS1)을 형성하는 매니폴드 플레이트(1470)가 설치된다. 멀티 튜브(1410)의 후단에는 리어 플레이트(1418)가 설치되는데, 매니폴드 플레이트(1470)는 리어 플레이트(1418)에서 간격을 두고 이격 배치된다. 매니폴드 플레이트(1470)에는 연료의 이동을 위한 복수의 홀이 형성될 수 있다.Meanwhile, a manifold plate (1470) forming a distribution space (MS1) is installed inside the mixing tube (1420). A rear plate (1418) is installed at the rear end of the multi-tube (1410), and the manifold plate (1470) is spaced apart from the rear plate (1418). A plurality of holes for the movement of fuel may be formed in the manifold plate (1470).

리어 플레이트(1418)는 매니폴드 플레이트(1470)와의 사이에서 분배 공간(MS1)을 형성한다. 연료는 이동 공간(FS1)에서 분배 공간(MS1)으로 이동한 후에 믹싱 튜브(1420) 내부로 분사될 수 있다.The rear plate (1418) forms a distribution space (MS1) between it and the manifold plate (1470). Fuel can be injected into the mixing tube (1420) after moving from the movement space (FS1) to the distribution space (MS1).

멀티 튜브(1410) 내부에는 수소 가스를 이용하여 여러 개의 작은 화염을 형성할 수 있도록 복수의 믹싱 튜브(1420)가 설치된다. 복수의 믹싱 튜브(1420)들은 멀티 튜브(1410) 내에서 간격을 두고 이격 배치되며 서로 평행하게 형성될 수 있다. 믹싱 튜브(1420)는 원통 형상으로 이루어질 수 있다.A plurality of mixing tubes (1420) are installed inside the multi-tube (1410) so as to form a plurality of small flames using hydrogen gas. The plurality of mixing tubes (1420) may be spaced apart from each other within the multi-tube (1410) and formed parallel to each other. The mixing tube (1420) may be formed in a cylindrical shape.

믹싱 튜브(1420)의 전방에는 연료와 혼합된 공기가 분사되는 분사구(1423)가 형성되며, 믹싱 튜브(1420)의 후방에는 공기가 유입되는 유입구(1422)가 형성될 수 있다.An injection port (1423) through which air mixed with fuel is injected may be formed at the front of the mixing tube (1420), and an inlet port (1422) through which air is introduced may be formed at the rear of the mixing tube (1420).

믹싱 튜브(1420)에는 복수의 연료 분사관(1500)이 설치되며, 연료 분사관(1500)은 믹싱 튜브(1420) 내부로 돌출되어 연료인 수소 가스를 분사한다. 믹싱 튜브(1420)에는 복수의 연료 분사관(1500)이 설치되며, 2개 내지 6개의 연료 분사관(1500)이 설치될 수 있다. 또한, 믹싱 튜브(1420)에는 4개의 연료 분사관(1500)이 설치될 수 있다. A plurality of fuel injection pipes (1500) are installed in the mixing tube (1420), and the fuel injection pipes (1500) protrude into the mixing tube (1420) to inject hydrogen gas, which is a fuel. A plurality of fuel injection pipes (1500) are installed in the mixing tube (1420), and two to six fuel injection pipes (1500) may be installed. In addition, four fuel injection pipes (1500) may be installed in the mixing tube (1420).

연료 분사관(1500)은 믹싱 튜브(1420)의 반경방향 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도(A11)로 경사지게 배치된다. 즉, 연료 분사관(1500)의 중심축(X1)은 믹싱 튜브(1420)의 반경방향 중심을 향하는 반경라인(R1)에 대하여 제1 각도(A11)로 경사지게 배치되며, 여기서 제1 각도(A11)는 5도 내지 45도로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 연료 분사관(1500)에서 분사된 연료는 센터방향에서 편심되게 스월을 형성하면서 이동하여 공기와 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 경사지게 배치된 연료 분사관(1500)에 의하여 공기의 유동에 스월이 형성되므로 공기와 연료가 보다 더 균일하게 혼합될 수 있다.The fuel injection pipe (1500) is arranged to be inclined at a first angle (A11) with respect to the direction toward the radial center of the mixing tube (1420). That is, the central axis (X1) of the fuel injection pipe (1500) is arranged to be inclined at a first angle (A11) with respect to the radial line (R1) toward the radial center of the mixing tube (1420), and the first angle (A11) may be 5 degrees to 45 degrees. Accordingly, the fuel injected from the fuel injection pipe (1500) may move while forming a swirl eccentrically from the center direction, so as to be uniformly mixed with the air. In addition, since a swirl is formed in the flow of air by the fuel injection pipe (1500) arranged to be inclined, the air and the fuel may be mixed more uniformly.

한편, 연료 분사관(1500)은 믹싱 튜브(1420)의 하류를 향하는 방향으로 돌출되는데, 연료 분사관(1500)은 믹싱 튜브(1420)의 내면에 대하여 제2 각도(A12)로 경사지게 형성될 수 있다. 여기서 제2 각도(A12)는 10도 내지 30도로 이루어질 수 있다. 이에 따라 연료의 유동 재순환을 최소화할 수 있다.Meanwhile, the fuel injection pipe (1500) protrudes in a direction toward the downstream of the mixing tube (1420), and the fuel injection pipe (1500) may be formed to be inclined at a second angle (A12) with respect to the inner surface of the mixing tube (1420). Here, the second angle (A12) may be 10 to 30 degrees. Accordingly, the flow recirculation of the fuel can be minimized.

믹싱 튜브(1420)에는 연료 분사관(1500)과 연결된 분사홀(1425)이 형성되며, 분사홀(1425)의 외측에는 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는 도입 안내부(1426)가 형성된다. 도입 안내부(1426)는 곡면으로 형성되는데, 도입 안내부(1426)가 형성되면 연료가 분사홀(1425)로 유입될 때 유동 저항이 감소될 수 있다.An injection hole (1425) connected to a fuel injection pipe (1500) is formed in the mixing tube (1420), and an introduction guide part (1426) is formed on the outside of the injection hole (1425) with an inner diameter that gradually increases toward the outside. The introduction guide part (1426) is formed as a curved surface, and when the introduction guide part (1426) is formed, the flow resistance can be reduced when fuel flows into the injection hole (1425).

연료 분사관(1500)에는 분사홀(1425)과 연결되며 연료가 유입되는 입구부(1521)와 연료가 배출되는 출구부(1523)가 형성된다. 입구부(1521)는 타원 형상의 단면으로 이루어질 수 있으며, 출구부(1523)는 원형의 단면으로 이루어질 수 있다. The fuel injection pipe (1500) is connected to the injection hole (1425) and has an inlet (1521) through which fuel is introduced and an outlet (1523) through which fuel is discharged. The inlet (1521) may have an oval cross-section, and the outlet (1523) may have a circular cross-section.

또한, 연료 분사관(1500)의 내부에는 연료가 이동하는 분사 통로(1550)가 형성되며, 연료 분사관의 출구부(1523) 측에는 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁(1510)이 형성된다.In addition, an injection passage (1550) through which fuel moves is formed inside the fuel injection pipe (1500), and an injection tip (1510) whose outer diameter gradually decreases toward the tip is formed on the outlet side (1523) of the fuel injection pipe.

믹싱 튜브(1420)를 반경방향으로 4등분하였을 때, 출구부(1523)는 믹싱 튜브(1420)의 반경 방향으로 외측에서 1/4~3/4지점 사이에 위치할 수 있다. 즉, 믹싱 튜브(1420)를 반경 방향으로 4등분하고, 제일 외측에서부터 영역을 P1, P2, P3, P4로 지정하면, 출구부(1523)는 P2 영역 또는 P3 영역에 위치할 수 있다.When the mixing tube (1420) is divided into four parts in the radial direction, the outlet (1523) can be located between 1/4 and 3/4 points from the outer side in the radial direction of the mixing tube (1420). That is, when the mixing tube (1420) is divided into four parts in the radial direction and regions are designated as P1, P2, P3, and P4 from the outermost side, the outlet (1523) can be located in the P2 region or the P3 region.

이와 같이 연료가 믹싱 튜브(1420)의 중심과 인접한 영역에서 분사되면 믹싱 튜브(1420)의 반경방향 중앙 부분의 연료 농도가 증가하여 플래쉬 백을 예방하고 화염을 잘 밀어낼 수 있다.In this way, when the fuel is injected in an area adjacent to the center of the mixing tube (1420), the fuel concentration in the radial central portion of the mixing tube (1420) increases, thereby preventing flashback and effectively pushing out the flame.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. Below, a nozzle according to a second embodiment of the present invention is described.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 분사관을 도시한 사시도이다.FIG. 6 is a perspective view illustrating a fuel injection pipe according to a second embodiment of the present invention.

도 6을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 노즐은 연료 분사관(1600)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.Referring to FIG. 6, the nozzle according to the second embodiment has the same structure as the nozzle according to the first embodiment except for the fuel injection pipe (1600), so a duplicate description of the same configuration is omitted.

연료 분사관(1600)은 믹싱 튜브의 내측으로 돌출되되 믹싱 튜브의 반경 중심을 향하는 방향에 대하여 경사지게 배치된다. 믹싱 튜브에는 복수의 연료 분사관(1600)이 믹싱 튜브의 둘레 방향으로 이격 배치될 수 있다. 연료 분사관(1600)의 내부에는 연료가 이동하는 분사 통로(1650)가 형성되며, 분사 통로(1650)는 연료 분사관(1600)의 길이방향으로 이어져 형성된다. 또한, 연료 분사관(1600)에는 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁(1610)이 형성된다.A fuel injection pipe (1600) protrudes into the inside of the mixing tube and is arranged at an angle with respect to the direction toward the center of the radius of the mixing tube. A plurality of fuel injection pipes (1600) may be arranged spaced apart from each other in the circumferential direction of the mixing tube in the mixing tube. An injection passage (1650) through which fuel moves is formed inside the fuel injection pipe (1600), and the injection passage (1650) is formed to extend in the longitudinal direction of the fuel injection pipe (1600). In addition, an injection tip (1610) is formed in the fuel injection pipe (1600) whose outer diameter gradually decreases toward the tip.

연료 분사관(1600)의 외면에는 가이드 돌기(1630)가 형성되는데, 가이드 돌기(1630)는 연료 분사관(1600)의 길이방향으로 이어진다. 연료 분사관(1600)에는 복수의 가이드 돌기(1630)가 형성되며, 가이드 돌기(1630)들은 연료 분사관(1600)의 둘레 방향으로 이격될 수 있다.A guide protrusion (1630) is formed on the outer surface of the fuel injection pipe (1600), and the guide protrusion (1630) extends in the longitudinal direction of the fuel injection pipe (1600). A plurality of guide protrusions (1630) are formed on the fuel injection pipe (1600), and the guide protrusions (1630) can be spaced apart in the circumferential direction of the fuel injection pipe (1600).

상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 연료 분사관(1600)에 가이드 돌기(1630)가 형성되므로 연료 분사관(1600)이 공기의 유동을 안내하고 스월을 형성하여 공기와 연료가 균일하게 혼합될 수 있다.As described above, according to the present embodiment, since a guide protrusion (1630) is formed in the fuel injection pipe (1600), the fuel injection pipe (1600) guides the flow of air and forms a swirl, so that air and fuel can be uniformly mixed.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. Below, a nozzle according to a third embodiment of the present invention is described.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 분사관을 도시한 사시도이다.FIG. 7 is a perspective view illustrating a fuel injection pipe according to a third embodiment of the present invention.

도 7을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 노즐은 연료 분사관(1700)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.Referring to FIG. 7, the nozzle according to the third embodiment has the same structure as the nozzle according to the first embodiment described above except for the fuel injection pipe (1700), so a duplicate description of the same configuration is omitted.

연료 분사관(1700)은 믹싱 튜브의 내측으로 돌출되되 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 경사지게 배치된다. 연료 분사관(1700)의 내부에는 연료가 이동하는 분사 통로(1750)가 형성되며, 연료 분사관(1700)이 믹싱 튜브와 연결된 부분에는 연료 분사관(1700)의 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 베이스부(1720)가 형성된다. 또한, 연료 분사관(1700)에는 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁(1710)이 형성되며, 분사팁(1710)과 베이스부(1720) 사이에는 균일한 외경을 갖는 연결부(1730)가 형성된다. 베이스부(1720)의 최소 외경은 연결부(1730)의 외경 및 분사팁(1710)의 최대 외경보다 더 크거나 같게 형성될 수 있다.The fuel injection pipe (1700) protrudes into the inside of the mixing tube but is arranged at an angle with respect to the direction toward the center of the mixing tube. An injection passage (1750) through which fuel moves is formed inside the fuel injection pipe (1700), and a base portion (1720) whose outer diameter gradually decreases toward the tip of the fuel injection pipe (1700) is formed at a portion where the fuel injection pipe (1700) is connected to the mixing tube. In addition, an injection tip (1710) whose outer diameter gradually decreases toward the tip is formed on the fuel injection pipe (1700), and a connecting portion (1730) having a uniform outer diameter is formed between the injection tip (1710) and the base portion (1720). The minimum outer diameter of the base portion (1720) may be formed to be greater than or equal to the outer diameter of the connecting portion (1730) and the maximum outer diameter of the injection tip (1710).

본 실시예와 같이 연료 분사관(1700)이 베이스부(1720)를 포함하면, 연료 분사관(1700)에서 분사된 연료의 유동 재순환을 방지하고, 연료를 안정적으로 배출시킬 수 있다.When the fuel injection pipe (1700) includes a base portion (1720) as in the present embodiment, the flow recirculation of the fuel injected from the fuel injection pipe (1700) can be prevented and the fuel can be stably discharged.

이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. Below, a nozzle according to the fourth embodiment of the present invention is described.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 분사관을 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 분사관을 선단에서 본 도면이다.FIG. 8 is a perspective view showing a fuel injection pipe according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a view of the fuel injection pipe according to the fourth embodiment of the present invention as seen from the front end.

도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 노즐은 연료 분사관(1800)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.Referring to FIGS. 8 and 9, the nozzle according to the fourth embodiment has the same structure as the nozzle according to the first embodiment described above except for the fuel injection pipe (1800), and therefore, a duplicate description of the same configuration is omitted.

연료 분사관(1800)은 믹싱 튜브의 내측으로 돌출되되 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 경사지게 배치된다. 연료 분사관(1800)의 내부에는 연료가 이동하는 분사 통로(1850)가 형성되며, 연료 분사관(1800)에는 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁(1810)이 형성될 수 있다.The fuel injection pipe (1800) protrudes into the inside of the mixing tube, but is arranged at an angle with respect to the direction toward the center of the mixing tube. An injection passage (1850) through which fuel moves is formed inside the fuel injection pipe (1800), and an injection tip (1810) whose outer diameter gradually decreases toward the tip may be formed on the fuel injection pipe (1800).

또한, 연료 분사관(1800)의 외면에는 연료 분사관의 길이방향으로 이어진 복수의 가이드 날개(1860)가 설치될 수 있다. 가이드 날개(1860)는 익형 또는 평판 형태로 이루어질 수 있으며, 공기의 유동을 안내한다. In addition, a plurality of guide vanes (1860) extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe (1800) may be installed on the outer surface of the fuel injection pipe. The guide vanes (1860) may be formed in the shape of an airfoil or a flat plate, and guide the flow of air.

상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 연료 분사관(1800)에 가이드 날개가 형성되므로 연료 분사관(1800)이 공기의 유동을 안내하고 스월을 형성하여 공기와 연료가 균일하게 혼합될 수 있다.As described above, according to the present embodiment, since a guide vane is formed in the fuel injection pipe (1800), the fuel injection pipe (1800) guides the flow of air and forms a swirl, so that air and fuel can be uniformly mixed.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Above, one embodiment of the present invention has been described, but those skilled in the art will be able to modify and change the present invention in various ways by adding, changing, deleting or adding components, etc., within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims, and this will also be considered to be included within the scope of the rights of the present invention.

1000: 가스 터빈 1100: 압축기
1130: 압축기 블레이드 1140: 베인
1150: 하우징 1200: 연소기
1210: 연소기 케이싱 1220: 버너
1240: 연소실 1400: 노즐
1410: 멀티 튜브 1415: 팁 플레이트
1418: 리어 플레이트 1420: 믹싱 튜브
1422: 유입구 1423: 분사구
1425: 분사홀 1426: 도입 안내부
1450: 연료 튜브 1460: 전방 플레이트
1461: 센터홀 1462: 외측홀
1500, 1600, 1700, 1800: 연료 분사관
1510, 1610, 1710, 1810: 분사팁 1521: 입구부
1523: 출구부 1550, 1650, 1750, 1850: 분사 통로
1630: 가이드 돌기 1720: 베이스부
1730: 연결부 1860: 가이드 날개
1000: Gas turbine 1100: Compressor
1130: Compressor Blade 1140: Vane
1150: Housing 1200: Combustor
1210: Combustor casing 1220: Burner
1240: Combustion chamber 1400: Nozzle
1410: Multi-tube 1415: Tip plate
1418: Rear plate 1420: Mixing tube
1422: Inlet 1423: Nozzle
1425: Injection hole 1426: Introduction guide
1450: Fuel tube 1460: Front plate
1461: Center Hall 1462: Outer Hall
1500, 1600, 1700, 1800: Fuel Injector
1510, 1610, 1710, 1810: Injection tip 1521: Inlet
1523: Exit 1550, 1650, 1750, 1850: Injection passage
1630: Guide lug 1720: Base
1730: Joint 1860: Guide Wing

Claims (20)

수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐에 있어서,
공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브;
상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브;
상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브;
상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트;
상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고,
상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In a nozzle for a combustor that burns fuel containing hydrogen,
A plurality of mixing tubes through which air and fuel move;
A multi-tube that supports by inserting the above mixing tubes;
A fuel tube formed inside the above multi-tube and through which fuel moves;
A tip plate coupled to the tip of the above multi-tube;
It comprises a plurality of fuel injectors that protrude into the mixing tube and inject fuel,
A nozzle for a combustor, characterized in that the fuel injection pipe is arranged to be inclined at a first angle with respect to the direction toward the center of the mixing tube.
제1 항에 있어서,
상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 내면에서 돌출되되 하류를 향하는 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
A nozzle for a combustor, characterized in that the fuel injection pipe protrudes from the inner surface of the mixing tube in a direction facing downstream.
제2 항에 있어서,
상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 길이방향에 대하여 제2 각도로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the second paragraph,
A nozzle for a combustor, characterized in that the fuel injection pipe is arranged to be inclined at a second angle with respect to the longitudinal direction of the mixing tube.
제2 항에 있어서,
상기 연료 분사관의 입구부는 타원형으로 이루어지고, 출구부는 원형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the second paragraph,
A nozzle for a combustor, characterized in that the inlet portion of the fuel injection pipe is formed in an oval shape and the outlet portion is formed in a circular shape.
제1 항에 있어서,
상기 믹싱 튜브에는 상기 연료 분사관과 연결된 분사홀이 형성되고,
상기 분사홀에는 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는 도입 안내부가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
An injection hole connected to the fuel injection pipe is formed in the above mixing tube,
A nozzle for a combustor, characterized in that an introduction guide part is formed in the injection hole, the inner diameter of which gradually increases toward the outside.
제1 항에 있어서,
상기 연료 분사관은 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
A nozzle for a combustor, characterized in that the fuel injector includes an injection tip whose outer diameter gradually decreases toward the tip.
제1 항에 있어서,
연료 분사관에는 상기 믹싱 튜브와 연결되며 연료가 유입되는 입구부와 연료가 배출되는 출구부가 형성되고,
상기 출구부는 상기 믹싱 튜브의 반경 방향으로 외측에서 1/4~3/4 지점 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
The fuel injection pipe is connected to the mixing tube and has an inlet port through which fuel flows in and an outlet port through which fuel flows out.
A nozzle for a combustor, characterized in that the outlet portion is located between 1/4 and 3/4 from the outer side in the radial direction of the mixing tube.
제1 항에 있어서,
상기 연료 분사관의 외면에는 상기 연료 분사관의 길이방향으로 이어지며, 상기 연료 분사관의 둘레 방향으로 이격된 복수의 가이드 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
A nozzle for a combustion chamber, characterized in that a plurality of guide protrusions are formed on the outer surface of the fuel injection pipe, extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe and spaced apart in the circumferential direction of the fuel injection pipe.
제1 항에 있어서,
상기 연료 분사관이 상기 믹싱 튜브와 연결된 부분에는 상기 연료 분사관의 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 베이스부가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
A nozzle for a combustion chamber, characterized in that a base portion is formed at a portion where the fuel injection pipe is connected to the mixing tube, the outer diameter of which gradually decreases toward the tip of the fuel injection pipe.
제1 항에 있어서,
상기 연료 분사관의 외면에는 상기 연료 분사관의 길이방향으로 이어진 복수의 가이드 날개가 설치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
In the first paragraph,
A nozzle for a combustion chamber, characterized in that a plurality of guide vanes extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe are installed on the outer surface of the fuel injection pipe.
연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
상기 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브, 상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트, 및 상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고, 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 연소기.
A combustor comprising a burner having a plurality of nozzles for injecting fuel and air, and a duct assembly coupled to one side of the burner, wherein the fuel and the air are combusted inside and the combusted gas is delivered to a turbine,
A combustor characterized in that the nozzle includes a plurality of mixing tubes through which air and fuel move, a multi-tube for inserting and supporting the mixing tubes, a fuel tube formed inside the multi-tubes and through which fuel moves, a tip plate coupled to the tip of the multi-tubes, and a plurality of fuel injection tubes protruding into the mixing tubes and injecting fuel, and the fuel injection tubes are arranged to be inclined at a first angle with respect to a direction toward the center of the mixing tubes.
제11 항에 있어서,
상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 내면에서 돌출되되 하류를 향하는 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 11,
A combustor characterized in that the fuel injection pipe protrudes from the inner surface of the mixing tube in a direction facing downstream.
제12 항에 있어서,
상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 길이방향에 대하여 제2 각도로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 12,
A combustor, characterized in that the fuel injection pipe is arranged to be inclined at a second angle with respect to the longitudinal direction of the mixing tube.
제12 항에 있어서,
상기 연료 분사관의 입구부는 타원형으로 이루어지고, 출구부는 원형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 12,
A combustor characterized in that the inlet portion of the fuel injection pipe is formed in an oval shape and the outlet portion is formed in a circular shape.
제11 항에 있어서,
상기 믹싱 튜브에는 상기 연료 분사관과 연결된 분사홀이 형성되고,
상기 분사홀에는 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 증가하는 도입 안내부가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 11,
An injection hole connected to the fuel injection pipe is formed in the above mixing tube,
A combustor characterized in that an introduction guide part is formed in the above injection hole, the inner diameter of which gradually increases toward the outside.
제11 항에 있어서,
상기 연료 분사관은 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 분사팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 11,
A combustor characterized in that the fuel injector includes an injection tip whose outer diameter gradually decreases toward the tip.
제11 항에 있어서,
연료 분사관에는 상기 믹싱 튜브와 연결되며 연료가 유입되는 입구부와 연료가 배출되는 출구부가 형성되고,
상기 출구부는 상기 믹싱 튜브의 반경 방향으로 외측에서 1/4~3/4 지점 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 11,
The fuel injection pipe is connected to the mixing tube and has an inlet port through which fuel flows in and an outlet port through which fuel flows out.
A combustor, characterized in that the outlet portion is located between 1/4 and 3/4 points from the radial outer side of the mixing tube.
제11 항에 있어서,
상기 연료 분사관의 외면에는 상기 연료 분사관의 길이방향으로 이어지며, 상기 연료 분사관의 둘레 방향으로 이격된 복수의 가이드 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 11,
A combustor characterized in that a plurality of guide protrusions are formed on the outer surface of the fuel injection pipe, extending in the longitudinal direction of the fuel injection pipe and spaced apart in the circumferential direction of the fuel injection pipe.
제11 항에 있어서,
상기 연료 분사관이 상기 믹싱 튜브와 연결된 부분에는 상기 연료 분사관의 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하는 베이스부가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기.
In Article 11,
A combustor characterized in that a base portion is formed at the portion where the fuel injection pipe is connected to the mixing tube, the outer diameter of which gradually decreases toward the tip of the fuel injection pipe.
외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈으로서,
상기 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고,
상기 노즐은, 공기와 연료가 이동하는 복수의 믹싱 튜브, 상기 믹싱 튜브들을 삽입하여 지지하는 멀티 튜브, 상기 멀티 튜브 내부에 형성되며 연료가 이동하는 연료 튜브, 상기 멀티 튜브의 선단에 결합된 팁 플레이트, 및 상기 믹싱 튜브 내부로 돌출되어 연료를 분사하는 복수의 연료 분사관을 포함하고, 상기 연료 분사관은 상기 믹싱 튜브의 중심을 향하는 방향에 대하여 제1 각도로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
A gas turbine comprising a compressor that compresses air taken in from the outside, a combustor that mixes compressed air compressed in the compressor with fuel and combusts it, and a turbine including a plurality of turbine blades that rotate by combustion gas combusted in the combustor.
The above combustor comprises a burner having a plurality of nozzles for injecting fuel and air, and a duct assembly coupled to one side of the burner, wherein the fuel and the air are combusted inside and the combusted gas is delivered to a turbine.
A gas turbine according to claim 1, wherein the nozzle comprises a plurality of mixing tubes through which air and fuel move, a multi-tube for supporting the mixing tubes by inserting them, a fuel tube formed inside the multi-tubes and through which fuel moves, a tip plate coupled to the tip of the multi-tubes, and a plurality of fuel injection tubes protruding into the mixing tubes and injecting fuel, wherein the fuel injection tubes are arranged to be inclined at a first angle with respect to a direction toward the center of the mixing tubes.
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