KR0129752B1 - 액체 및/또는 기체 연료의 예비혼합식 연소방법과 고온가스 발생용 연소기 - Google Patents

액체 및/또는 기체 연료의 예비혼합식 연소방법과 고온가스 발생용 연소기

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Abstract

본 발명은 단순하게 구성된 연소기를 제공하고, 동시에 안정한 와류 역류대를 갖는 연소기내의 유동 영역을 변화시키지 않으면서 액체 연료의 예비 혼합식 연소로부터 NOx 배출치를 최소화하기 위해, 예비 혼합부가 없는 연소기내에서의 액체 및/또는 기체 연료의 예비혼합식 연소 방법에 있어서, 흐름 방향으로 확장되며, 연소기 공동 (14) 의 벽을 적시지 않으며, 연소기내로 접선방향으로 유입되는 연소공기 (15) 의 회전류에 의해 포위되는 액체 연료의 원추형 기둥 (5)을 연소기의 공동 (14) 에 형성하는 단계, 연소기 출구에서 개시되는 혼합물의 점화단계, 그리고 역류대 (6) 에 의하여 달성되는 연소기 출구 영역에서의 화염 안정화단계로 이루어지는 예비혼합식 연소방법을 제공하고, 또한, 접선방향 공기 도입 슬롯과 기체 연료와 액체 연료용 공급 채널을 구비하며, 완전체를 이루는 중공 부분 원추체로 이루어지는 고온가스 발생용 연소기에 있어서, 연소기가 상호 중첩되며, 흐름 방향으로 증가하는 원추각을 가지며, 그 중심축선 (1b, 2b) 이 상호 편심되어 부분 원추체 (1, 2) 의 길이방향으로 연장되는 2 개 이상의 중공 부분 원추체 (1, 2) 그리고 부분 원추체 (1, 2) 에 의해 형성된 중공 원추형 공동 (14) 내측의 연소기 헤드에 위치되어 그의 노즐의 연료분사부 (4) 가 부분 원추체 (1, 2) 의 상호 편심된 중심축선 (1b, 2b) 사이의 중간에 위치되는 연료 노즐 (3) 로 이루어지는 고온가스 발생용 연소기를 제공한다.

Description

액체 및/또는 기체 연료의 예비혼합식 연소방법과 고온가스 발생용 연소기
제1도는 본 발명의 연소기를 적절히 절개한 사시도.
제2, 3 및 4도는 Ⅱ-Ⅱ면, Ⅲ-Ⅲ면 및Ⅳ-Ⅳ 면을 통해취한 개략 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1,2 : 부분 원추체 3 : 노즐
4 : 연료분사부 6 : 역류대
8,9 : 연료라인 10 : 말단판
12 : 액체연료 13 : 기체연료
14 : 원추형 공동 15 : 연소공기
17 : 오리피스 19, 20 : 공기도입 슬롯
21a,21b : 배플 22 : 연소실
본 발명은 예비 혼합부가 없는 연소기에서의 액체 및/또는 기체 연료의 예비 혼합식 연소방법, 그리고 완전체를 형성하는 중공 부분 원추체들로 이루어지며, 접선방향 공기 도입 슬롯과 기체 및 액체 연료의 공급 채널을 구비한 고온가스 발생용 연소기에 관한 것이다.
유럽특허 A1-0,210,462호에는 접선방향 공기 도입구가 구비된 최소한 2개의 이중 곡면 중공 부분 원추체로 이루어진 연소기가 개시되어 있다. 이 중공 부분 원추체에는 바깥으로 원추선 방식으로 벌어지는 사선을 따라 유동 방향으로 흠이 형성되어 있다. 상기 곡면홈이 형성된 면들중 하나가 하류 방향으로 원추각이 증가하는 내측 원추를 형성하고, 상기 곡면홈이 형성된 면들중 다른 하나는 하류 방향으로 원추각이 감소하는 외측 원추를 형성한다.
각각의 내측 원추형 중공체는, 전체 축방향 범위에 걸쳐, 말단측상에 수 개의 연료 노즐을 통하여 연소기의 내부로 유동하고 그곳에서 접선방향으로 유동하는 연소공기와 혼합되는 기체연료 공급용 연료 라인을 구비한다. 또한, 상기 연소기는 액체연료용의 별도의 공급부를 가지며, 이는 이중 연소기를 의미한다. 액체 연료의 분사는, 분사력에 따라, 길이가 변화하는 연료막이 형성되는 방식으로 상기 외측원추에 축방향으로 분사된다.
복사열 작용으로 인한 액체 연료의 자연 기화에 무관하게, 접선방향으로 도입된 연소 공기에 의해 꽤 많은 혼합이 수행되며,이 연소 공기는 그의 회전 운동에 의하여 축방향으로 연료막층을 풀어내며, 따라서 강력하게 혼합시키는 것이 불필요하게 된다. 액체 연료 분사의 모멘텀이 기계의 부하에 적합하게 된다는 사실 때문에, 혼합물이 결코 너무 희박하거나 농후하지 않다.
이런방법으로 두가지 목적이 직접 성취될 수 있다.
-예비 혼합 연소기의 장점, 즉 NOx 및 CO의 발생이 적은 장점이 성취된다.
-상당히 넓은 작동 범위에서 양호한 화염안정성이 보장된다.
또한, 이러한 연소기의 구조적 구성은 중심에서는 저회전이지만 초과된 축방향 속도로 와류유동을 초래한다.
회전 계수가 축방향으로 급격히 증가하고, 연소기의 말단에서 항복치나 임계치에 도달하기 때문에 결과는 위치가 안정된 와류 역류로 나타난다.
전술한 연소기의 장점은 분명할지라도, 상기 연소기를 사용한 결과로 NOx 및 CO배출치가 이미 법정한계보다 낮다고 해도, 장래에는 실질적으로 감소되어야 한다는 사실이 인식되었다. 또한, 기름의 연소로부터 야기되는 외측 원추체의 코킹(coking)문제가 배제될 수 없으며, 연료 분사도 취급이 용이하지 않다는 사실을 인식했다.
또한, 오일 분사용 장치는 비교적 구조가 복잡하다. 그러나, 홈이 형성되어 있는 원추 부분들을 제공하는 것과 이들을 상호 조합하는 작업이 용이하지 못하다.
따라서, 특허청구의 범위에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일목적은 전술한 형태의 방법 및 연소기에 있어서, 단순하게 구성된 연소기를 제공하고, 동시에 안정한 와류 역류대를 갖는 연소기내의 유동 영역을 변화시키지 않으면서 액체 연료의 예비 혼합식 연소로부터 NOx 배출치를 최소화하는 것이다.
상기 구성에 대한 본 발명의 중요한 장점은 통상의 예비 혼합대가 없을지 라도 연호기에 어떠한 화염 역류의 위험성도 야기되지 않는다는 것이다. 또한 혼합물류 내에 회전 발생기를 사용함으로써 야기되는 공지의 문제점, 예를들면 회전 블레이드의 파괴와 더불어 코팅의 연소에 야기되는 단점이 소멸된다.
NOx의 배출치에 있어서, 본 발명의 중요한 장점은 상기 배출치가 지금까지 달성할 수 있었던 것의 일부분으로 비약적으로 감소된다는 것이다. 따라서, 개선책은 단지 수 퍼센트가 아닌 법정한계의 10 -15%정도로 적게 하여 완전히 새로운 품질 수준에 도달하도록 하는 것이다. 본 발명의 다른 장점은 본 발명의 연소기가 가스 터어빈 용도에 적합하다는 것이며, 가스 터어빈에서의 압력비는 약 12 이상으로 너무 높아서 연료의 자체 점화가 선행되기 때문에 액체 연료를 예비 기화시키는 것이 근본적으로 불가능하다. 마지막으로, 본 발명에 따른 연소기는 가능한 공기의 예비 가열이 증발을 위해 불충분하거나 불가능한 경우에 사용할 수 있다.
본 발명의 중요한 다른 장점은 본 발명의 연소기가 제조 및 조립이 간단한 소수의 요소로 이루어진다는 것이다. 본 발명의 목적을 성취하기 위한 또 다른 개선책 및 장점이 특허청구 범위의 종속항에 설명된다.
본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 이하에 설명한다. 본 발명을 이해하는데 직접적으로 요구되지 않는 요소는 생략하였다. 각종의 매체의 유동방향은 화살표로 나타내었다.
도면을 참고하면, 동일 도면 부호로 제1 내지 4도의 동일한 부분 또는 대응 부분을 지시했으며, 이는 제2도 내지 5도에 따른 개개의 부분을 제1도와 동시에 고려하여 연소기의 구조를 이해하는데 유리하다. 또한 , 제1도의 불필요한 복잡성을 피하기 위하여 제2도 내지 제4도에 도시된 배플(21a,21b) 은 제1도에는 단지 표시에 의한 방식으로 포함된다. 또한 제1도의 설명에서 필요할 경우, 나머지 제2∼4도를 선택적으로 참조한다.
제1도에 따른 연소기는 상호 편심되어 서로 겹쳐지는 2개의 반중공 부분원추체(1,2)로 이루어져 있다. 상기 부분원추체 (1,2)의 개개의 중심축선(1b, 2b) 의 서로에 대한 편심은 양측에 대칭으로 자유 접선방향 공기 도입슬롯(19, 20) (제2 내지 4도)을 제공하며, 이 슬롯을 통하여 연소기의 내부로, 즉 원추형 공동(14) 내로 연소 공기 (15)가 유동한다. 두 개의 부분 원추체(1,2) 각각은 이 부분 원추체(1, 2)와 유사하게 상호 편심되어 신장하는 원통형 초기부(1a, 2a)를 가짐으로써 접선방향 공기 도입 슬롯(19, 20)이 출발지점으로부터 우측에 위치하도록 한다. 이 원통형 초기부(1a, 2a)에 노즐 (3)이 수용되고 이 노즐의 연료분사부(4)는 2 개의 부분 원추체(1,2)에 의해 형성된 원추형 공동 (14)의 가장 좁은 단면과 일치한다. 물론, 연소기를 원통형 초기부 (1a, 2a) 가 없는 순수한 원추 모양으로 할 수 있다. 상기 2 개의 부분 원추체 (1, 2) 각각은 오리피스 (17) 가 구비된 하나의 연료 라인(8, 9)을 가지며, 이를 통하여 기체 연료가 접선방향 공기 도입 슬롯(19, 20)을 통하여 유동하는 연소 공기 (15)에 혼합된다. 이 연료 라인들 (8, 9) 의 위치는 제2 내지 4 도에서 개략적으로 알 수 있으며, 연료 라인들 (8, 9)이 접선방향 공기 도입 슬롯 (19,20)의 말단에 끼워져 그 지점에서 기체 연료 (13)와 유입하는 연소 공기 (15)의 혼합 기체 연료 (16)가 발생한다.
연소실(22)측에서 연소기는 부분 원추체 (1, 2)의 고정체로서 작용하는 칼라(collar)형상 말단판 (10)을 가지며, 이 말단판에는 다수개의 구멍 (11) 이 제공되며, 필요하다면 이 구멍을 통하여 희석 공기나 냉각 공기 (18)를 연소실(22)의 정면 또는 그의 벽으로 공급할 수 있다. 노즐 (3)을 통하여 유동하는 액체 연료 (12)는 가능한한 균일한 원추형 연료 분무가 연소기 출구면에서 설정되는 방식으로 원추형 공동 (14)내로 예리한 각으로 분사되며, 부분 원추체 (1, 2)의 내벽이 분사된 액체 연료 (12)에 의하여 젖지 않도록 보장하는 것이 엄격히 요구된다. 연료 분사부 (4)는 공기보조 노즐이나 압력 분무기일 수 있다. 원추형 액체 연료의 원추형 기둥(5)은 접선방향으로 유동하는 회전 연소 공기(15) 유동에 의하여 둘러싸인다.
축방향에서, 액체 연료 (12)의 농도는 혼합 연소공기 (15)에 의하여 연속적으로 감소된다.
기체 연료 (13, 16)가 연소되는 경우, 연소 공기 (15)와의 혼합물의 형성은 공기 도입슬롯(19, 20)의 말단에서 직접적으로 발생한다. 액체연료(12)가 분사되는 경우, 단면에 걸쳐 균일한 최적 연료 농도는 와류 항복영역, 즉, 역류대(6)의 영역에서 얻어진다.
점화는 역류대 (6)의 정점에서 발생한다. 단지 이 지점에서만 안정한 화염 전방부(7)가 형성된다. 예비혼합부에 잠재하는 것처럼, 복잡한 화염저지 배플에 의해 해소되어야 할 연소기의 내부로의 화염의 역류의 위험성이 존재하지 않는다. 연소 공기 (15)가 예비 가열되는 경우, 혼합물의 점화가 발생할 수 있는 연소기 배출구의 지점에 도달하기 전에 액체 연료(12)의 자연 기화가 달성된다. 물론, 기화의 정도는 연소기의 크기, 액적(droplet)크기 분포 및 연소 공기 (15)의 온도에 따라 결정된다. 그러나, 저온의 연소 공기 (15)에 의한 균질한 액적 예비 혼합과 별도로, 또는 부가적으로, 예비 가열된 연소 공기(15)에 의해 단지 부분적인 또는 완전한 액적의 기화가 성취되는지에 무관하게, 과잉 공기가 최소한 60%일 경우 산화질소 및 일산화탄소의 배출은 적다.
연소대로 도입되기 전에 완전히 기화되는 경우에 오염물질 배출치는 최저이다.
또한, 잉여 공기가 재순환 오프가스로 대체되는 경우, 화학양론적 작용이 상기와 동일하게 적용된다. 부분 원추체(1, 2)의 구성에 있어서, 원추각 및 접선방향 공기 도입 슬롯(19, 20)의 폭에 협소한 한계를 부여하여, 소망의 공기 유동영역이 그의 역류대 (6)와 함께 연소기 배출구의 영역에서 화염의 안정성을 위해 설정되는 것을 보장하도록 하는 것이 필요하다. 일반적으로, 공기 도입 슬롯(19, 20)을 축소시키면 역류대(6)를 더욱 상류측으로 이동시키나, 그에 의해서, 혼합물이 보다 빠른 시점에서 점화하게 된다고 말할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 회전계수가 연소기의 원추형상의 영역에서 유동 방향으로 증가하기 때문에, 역류대(6)가 기하학적으로 고정되면, 그 자체로 위치 안정적이라고 말할 수 있다. 이러한 연소기의 구성은 부분 원추체 (1, 2)가 해체 가능한 연결부재로 말단판 (10)에 고정되기 때문에, 소정 전체 길이의 연소기로 접선방향 공기 도입 슬롯(19, 20)의 크기를 변화 시키는데 매우 적합하다. 2개의 부분 원추체 (1, 2)를 서로 마주 향하거나 반대 방향으로 반경방향 이동시킴으로써 2 개의 중심축선 (1b, 2b)간의 거리는 각기 감소되거나 증가되며, 접선방향 공기 도입 슬롯(19, 20)의 간극 크기는 제2 내지 4 도에 도시된 바와 같이, 그에 대응하여 변한다. 물론, 부분 원추체(1, 2)는 다른 평면에서 서로에 대하여 또한 변위 가능하고, 따라서 겹침도 상기 방식으로 다룰 수 있다.
실제로, 양방향으로의 회전 운동에 의하여 부분 원추체들(1, 2)을 서로내에서 나선형으로 이동시키는 것도 가능하다. 따라서, 필요에 따라, 접선방향 공기도입 슬롯(19, 20)의 형상과 크기를 변화시킬 수 있고, 따라서 연소기의 전체길이를 변화시키지 않고서도 연소기는 광범위한 용도에 적합하다.
또한, 제2내지 4도는 배플 (21a, 21b)의 위치를 나타낸다. 이 배플은 유동 유도기능을 갖고, 길이가 서로 다르며, 이들은 연소 공기(15)의 유입 방향으로 부분 원추체(1, 2)의 특정단을 확장한다. 선회점(23) 부근의 배플(21a, 21b)을 개폐함으로써 원추형 공동(14)안으로의 연소 공기의 도입을 최적화 할 수 있으며, 이것은 특히 접선방향 공기 도입 슬롯(19, 20)의 원래의 간극 크기가 변화되는 경우, 반드시 필요하다.
상기 교시에 비추어 본 발명을 다양하게 개조하고 변화시킬 수 있음이 분명하다. 따라서 첨부한 특허청구의 범위의 영역내에서 본 발명을 전술한 설명에 한정받지 않고 실시할 수 있다.

Claims (7)

  1. 예비 혼합부가 없는 연소기내에서의 액체, 기체, 또는 액체 및 기체 연료의 예비혼합식 연소방법에 있어서, 흐름 방향으로 확장되며, 연소기 공동 (14)의 벽을 적시지 않으며, 상기 연소기내로 접선방향으로 유입되는 연소공기 (15)의 회전류에 의해 포위되는 액체 연료의 원추형 기둥(5)을 연소기의 공동 (14)에 형성하는 단계, 연소기 출구에서 개시되는 혼합물의 점화단계, 그리고 역류대 (6)에 의하여 달성되는 연소기 출구 영역에서의 화염 안정화단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 예비혼합식 연소방법.
  2. 접선방향 공기 도입 슬롯과 기체 연료와 액체 연료용 공급 채널을 구비하며, 완전체를 이루는 중공 부분 원추체로 이루어지는 고온가스 발생용 연소기에 있어서, 상기 연소기가 상호 중첩되며, 흐름 방향으로 증가하는 원추각을 가지며, 그 중심축선 (1b, 2b)이 상호 편심되어 부분 원추체(1, 2), 의 길이방향으로 연장되는 2개 이상의 중공 부분 원추체(1, 2), 그리고 상기 부분 원추체(1, 2)에 의해 형성된 중공 원추형 공동(14)내측의 연수기 헤드에 위치되어 그의 노즐의 연료 분사부(4)가 상기 부분 원추체 (1, 2)의 상호 편심된 중심축선(1b, 2b)사이의 중간에 위치되는 연료 노즐(3)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온가스 발생용 연소기.
  3. 제1항에 있어서, 연소 공기(15) 유동이 상기 연소기의 공동(14)안으로 유입되기 전에 기체 연료(13, 16)가 연소 공기 (15)유동에 공급되는 것을 특징으로 하는 예비 혼합식 연소 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 부분 원추체 (1, 2)가 서로에 대하여 가깝게 또는 멀리 이동 가능함을 특징으로 하는 고온가스 발생용 연소기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 연료 분사부 (4)가 공기 보조식 노즐인 것을 특징으로 하는 고온 가스 발생용 연소기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 노즐(3)이 압력 분무기인 것을 특징으로 하는 고온가스 발생용 연소기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 부분 원추체(1, 2)의 유입측에 가동 배플(21a, 21b)이 제공되는 것을 특징으로 하는 고온가스 발생용 연소기
KR1019880017141A 1987-12-21 1988-12-21 액체 및/또는 기체 연료의 예비혼합식 연소방법과 고온가스 발생용 연소기 KR0129752B1 (ko)

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