KR102096434B1 - 연소기 - Google Patents

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Abstract

연소기는 연료가 연소되는 연소공간을 구비하는 통 형상을 가지며 연료가 유입되는 유입구와 연료가 연소되어 생성된 가스가 배출되는 유출구와 유입구와 유출구의 사이의 벽면이 내측으로 돌출된 돌출부를 구비하는 연소통과, 연소통의 유입구를 통해 연소통의 내부로 연료를 분사하는 분사유닛과, 연소통의 돌출부에 배치되어 연소통의 내부를 향하여 연료를 분사하는 추가 분사유닛을 구비한다.

Description

연소기{Combustor}
실시예들은 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 재순환 흐름을 증가되어 연소 성능이 향상되며 저공해 연소가 이루어지는 연소기에 관한 것이다.
화석 연료의 연소에 의해 발생하는 환경오염을 최소화하기 위한 기술은 연소기의 설계와 운용에서 중요하다. 최근 연소기의 효율을 향상시키고 저공해 연소를 달성하기 위해 마일드 연소(MILD; moderate or intense low-oxygen dilution combustion) 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. MILD 연소는 무화염 연소(FLOX; flameless oxidation)나 고온공기연소(HiTAC; high-temperature air combustion)로 불리기도 한다.
연소기는 연료를 연소시킴으로써 엔진이나 가스 터빈을 위한 동력을 발생하는 기능을 수행하는 부분이다. 질소산화물 및 일산화탄소 배기가스의 규제가 더욱 강화되는 세계적인 흐름으로 인해 연소기에서도 버려지는 고온의 배기가스를 공기 흐름과 혼합하여 산소의 농도는 낮추고 고온의 공기 흐름을 공급함으로써 안정된 연소가 가능하게 하는 MILD 연소 기술이 적용된다.
공개특허공보 제2010-0061538호는 연소 엔진의 1차 연소 영역의 하류의 2차 연소 영역에서 연료 및 희석액을 공급하는 기술을 설명한다. 이러한 기술은 2차 연소 영역을 둘러싸는 벽에 매니폴드를 설치하고 매니폴드에 인젝터 노즐을 배치하여 2차 연소 영역에서 연료를 분사함으로써, 1차 연소 영역에서 이루어지는 연소에 보조적으로 기능하는 2차 연소를 발생시킨다. 그러나 이러한 기술에 의하면 차 연소 영역에서 분사되는 연료의 양을 줄일 수 있을 뿐이고 1차 연소 영역에서의 연소 작용과 2차 연소 영역에서의 연소 작용이 상호 작용이 발생하지는 않는다. 즉 2차 연소 영역에서의 연료 분사에 의해 1차 연소 영역에서의 연소 성능이 향상되지 않는다.
미국 등록특허공보 제4,389,848호에는 연료 분사기가 버너의 상류 측에 배치된 주노즐(primary nozzle)과 하류 측에 배치된 2차 노즐(secondary nozzle)을 구비하고, 2차 노즐에서 연료를 분사시킴으로써 연료와 공기의 재순환 구조가 설명된다. 그러나 이러한 구성의 재순환 구조에서는 2차 노즐이 버너의 1차 노즐의 중심축의 연장선 위에 배치되므로, 연료와 공기의 재순환 효과가 충분하지 않다.
공개특허공보 제2010-0061538호 (2010.06.07.) 미국 등록특허공보 제4,389,848호 (1983.06.28)
실시예들의 목적은 가스 재순환 흐름을 증가시켜 화염 온도를 낮춤으로써 연소 성능이 향상된 연소기를 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 마일드 연소가 이루어지므로 저공해 연소를 달성할 수 있는 연소기를 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 연소기는 연료가 연소되는 연소공간을 구비하는 통 형상을 가지며 연료가 유입되는 유입구와 연료가 연소되어 생성된 가스가 배출되는 유출구와 유입구와 유출구의 사이의 벽면이 내측으로 돌출된 돌출부를 구비하는 연소통과, 연소통의 유입구를 통해 연소통의 내부로 연료를 분사하는 분사유닛과, 연소통의 돌출부에 배치되어 연소통의 내부를 향하여 연료를 분사하는 추가 분사유닛을 구비한다.
돌출부와 추가 분사유닛은 연소통의 단면의 원주 방향을 따라 이격되며 복수 개가 배치될 수 있다.
돌출부와 추가 분사유닛은 연소통의 단면을 중심으로 대칭이 되게 배치될 수 있다.
돌출부는 연소통의 벽면보다 연소통의 중심을 향하여 돌출된 외부 지지벽과 외부 지지벽보다 연소통의 중심을 향하여 돌출된 내부 지지벽을 구비할 수 있고, 추가 분사유닛은 외부 지지벽에 배치될 수 있으며, 내부 지지벽은 추가 분사유닛에 대응하는 위치에 형성되어 추가 분사유닛에서 분사된 연료를 연소통으로 통과시키는 연료 구멍과 연료 구멍의 주변에 형성된 내측 공기구멍들을 구비할 수 있고, 외부 지지벽은 추가 분사유닛의 주변에 형성된 외측 공기구멍들을 구비할 수 있다.
외측 공기구멍들의 직경이 내측 공기구멍들의 직경보다 크게 형성될 수 있다.
연소통의 연소공간은 분사유닛에 의해 분사된 연료가 연소된 후 추가 분사유닛에 의해 분사된 연료 및 돌출부를 통해 주입된 공기와 충돌하여 유입구를 향하여 일차적으로 재순환하는 상류측의 제1 영역과, 추가 분사유닛에 의해 분사된 연료가 제1 영역의 하류측으로 진행하며 연소된 후 유입구를 향하는 방향으로 이차적으로 재순환하는 제2 영역으로 구획될 수 있다.
제2 영역은 연소통의 길이방향의 중심축을 중심으로 형성되어 제2 영역에서 이루어지는 연소 생성물을 제1 영역으로 전달할 수 있고, 제1 영역은 연소통의 중심축에 대해 제2 영역보다 외측을 향해 돌출된 영역에서 형성될 수 있다.
돌출부는 연소통의 벽면에 대해 연소통의 유입구를 향하여 경사를 이루는 제1 경사부와, 연소통의 벽면에 대해 연소통의 유입구를 향하여 경사를 이루는 제2 경사부와, 벽면에 평행하게 연장하며 제1 경사부와 제2 경사부를 연결하고 추가 분사유닛이 배치되는 연결부를 구비할 수 있다.
제1 경사부는 벽면에 대해 20 내지 60도의 경사각을 형성할 수 있다.
제2 경사부는 벽면에 대해 10 내지 90도의 경사각을 형성할 수 있다.
제1 경사부와 제2 경사부에는 외부의 공기를 연소통의 내부로 전달하는 복수 개의 공기 구멍들이 형성될 수 있다.
연소기는 분사유닛이 결합되며 유입구에 배치되는 예비 혼합챔버와, 예비 혼합챔버에 설치되어 예비 혼합챔버에 공기의 유동을 공급하는 스월러를 더 구비할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 연소기에서는 연소통의 벽면에서 내측으로 돌출된 돌출부에 배치된 추가 분사유닛을 통해 희석 연료가 배출되므로 연소기의 배기가스 재순환 흐름 작용이 향상될 수 있다. 이로 인해 연소기에서 무화염 연소(마일드 연소) 작용이 구현되어, 연소 배출물질(emission)의 배출을 크게 감소시킬 수 있다.
또한 추가 분사유닛이 연소통의 돌출부에 배치되므로 주된 연소 작용이 이루어지는 제1 영역의 가스 흐름이 하류 측의 제2 영역으로 흐를 수 있는 통로가 형성되고, 또한 추가 분사유닛에서 분사된 희석 연료의 흐름이 주된 재순환 흐름 영역의 가스와 희석 연료의 흐름의 충돌함과 동시에 하류 측의 제2 영역으로 흐를 수 있다. 추가 분사유닛에서 분사된 희석 연료는 하류 측의 제2 영역에서 연소 반응을 일으킨 후 다시 상류 측의 제1 영역을 향하는 재순환 흐름을 형성할 수 있다. 따라서 연소통의 내부의 제1 영역에서의 연소 및 재순환 흐름과 제2 영역에서의 연소 및 재순환 흐름이 향상된다.
도 1은 일 실시예에 관한 연소기의 구조를 개략적으로 도시한 측면 단면도이다.
도 2는 도 1의 연소기의 Ⅱ-Ⅱ의 선의 단면을 도시한 정면 단면도이다.
도 3은 도 2의 연소기의 일부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 도 3의 연소기의 일부분의 측면을 도시한 확대도이다.
도 5는 도 1의 연소기에서 발생하는 연소 작용에 의한 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선의 단면에서의 연소기의 연소 작용에 의한 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 7은 다른 실시예에 관한 연소기의 구조를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 8은 표준 캔형 연소기의 하류측 벽면에 희석 연료 분사기를 설치한 비교예 1의 연소 가스의 흐름의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 9는 표준 캔형 연소기의 상류측 벽면에 희석 연료 분사기를 설치한 비교예 2의 연소 가스의 흐름의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 10은 도 7의 연소기의 연소 가스의 흐름의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 11은 도 9의 비교예 2의 연소 가스의 흐름을 화살표로 나타낸 흐름도이다.
도 12는 도 7의 연소기의 추가 분사유닛을 포함하는 영역에서의 연소 가스의 흐름을 화살표로 나타낸 흐름도이다.
도 13은 도 7의 연소기의 추가 분사유닛이 설치되지 않은 영역에서의 연소 가스의 흐름을 화살표로 나타낸 흐름도이다.
도 14는 도 8의 비교예 1의 연소기에서 분사되는 연료와 공기의 혼합 비율의 분포를 나타낸다.
도 15는 도 9의 비교예 2의 연소기에서 분사되는 연료와 공기의 혼합 비율의 분포를 나타낸다.
도 16은 도 7의 연소기에서 분사되는 연료와 공기의 혼합 비율의 분포를 나타낸다.
도 17은 도 8의 비교예 1의 연소기의 온도 분포를 나타낸 분포도이다.
도 18은 도 9의 비교예 2의 연소기의 온도 분포를 나타낸 분포도이다.
도 19는 도 7의 연소기의 온도 분포를 나타낸 분포도이다.
도 20은 도 8의 비교예 1의 연소기의 질소 산화물의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 21은 도 9의 비교예 2의 연소기의 질소 산화물의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 22는 도 7의 연소기의 질소 산화물의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 23은 도 8의 비교예 1의 연소기의 일산화탄소의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 24는 도 9의 비교예 2의 연소기의 일산화탄소의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 25는 도 7의 연소기의 일산화탄소의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 26은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 연소 가스의 흐름의 속도를 비교한 그래프이다.
도 27은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 압력 변화를 비교한 그래프이다.
도 28은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 연소 가스의 재순환 유량을 비교한 그래프이다.
도 29는 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 온도 분포를 비교한 그래프이다.
도 30은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 일산화탄소의 분포를 비교한 그래프이다.
도 31은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 질소 산화물의 분포를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 연소기의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 관한 연소기의 구조를 개략적으로 도시한 측면 단면도이고, 도 2는 도 1의 연소기의 Ⅱ-Ⅱ의 선의 단면을 도시한 정면 단면도이며, 도 3은 도 2의 연소기의 일부분을 확대하여 도시한 확대도이고, 도 4는 도 3의 연소기의 일부분의 측면을 도시한 확대도이다.
도 1 내지 도 4에 나타난 실시예에 관한 연소기는, 통 형상으로 제작되며 연료가 연소되는 연소공간을 내부에 구비하는 연소통(10)과, 연소통(10)의 유입구(11)를 통하여 연소통(10)의 내부로 연료를 분사하는 분사유닛(30)과, 연소통(10)의 유입구(11)보다 하류측의 영역에서 연소통(10)의 돌출부(20)에 배치되어 연소통(10)의 내부로 연료를 분사하는 추가 분사유닛(40)을 구비한다.
연소통(10)은 벽면(13)을 갖는 중공의 통 형상으로 제작되며 내부에 연료가 연소되는 연소공간을 구비한다. 또한 연소통(10)은 일측에 연료가 유입되는 유입구(11)과, 내부의 연소공간에서 연료가 연소되어 생성된 가스가 배출되는 타측의 유출구(12)를 구비한다.
연소통(10)은 유입구(11)와 유출구(12)의 사이의 벽면(13)의 일부분이 내측으로 돌출된 돌출부(20)를 구비한다. 돌출부(20)는 유입구(11)를 통해 연소통(10)의 내부로 유입되는 연료의 흐름에서 볼 때 유입구(11)보다 하류측에 형성된다.
연소통(10)의 일측의 유입구(11)에는 연소통(10)의 내부로 연료를 분사하는 분사유닛(30)이 설치된다. 연소통(10)의 유입구(11)에는 예비 혼합챔버(50)가 설치되며 예비 혼합챔버(50)에 분사유닛(30)이 설치된다. 또한 예비 혼합챔버(50)에는 공기의 유동(flow)을 연소통(10)의 유입구(11)로 전달하기 위한 스월러(60; swirler)가 설치된다. 스월러(60)는 공기가 유입되는 공기 통로(61)를 구비한다. 예비 혼합챔버(50)와, 스월러(60)와, 분사유닛(30)의 배치 위치 및 구조는 도시된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 연료의 분사 및 공기와 연료의 효율적인 혼합 작용을 위해 다양한 형태로 변형될 수 있다.
연소통(10)의 돌출부(20)에는 연소통(10)의 내부를 향하여 연료를 분사하는 추가 분사유닛(40)이 설치된다. 추가 분사유닛(40)은 연소통(10)의 유입구(11)에서 유입되는 연료의 흐름에서 볼 때 하류측에서 연소통(10)의 내부에 추가적인 연료 및 공기를 공급하는 기능을 수행한다.
도 2를 참조하면, 돌출부(20)와 추가 분사유닛(40)은 연소통(10)의 단면에서의 원주 방향을 따라 이격되며 복수 개가 배치된다. 돌출부(20)와 추가 분사유닛(40)은 연소통(10)의 단면을 중심으로, 즉 도 2에서 연소통(10)의 길이 방향에서의 중심(C)을 중심으로 대칭이 되게 배치된다.
도 2에서 연소통(10)의 중심(C)을 향하는 돌출부(20)의 단부를 잇는 원의 면적이 연소통(10)의 벽면(13)의 내주면을 잇는 원의 면적의 약 85%의 범위가 되도록 돌출부(20)가 형성될 수 있다.
도 2에서는 돌출부(20)와 추가 분사유닛(40)이 총 4개가 배치되지만, 실시예는 이러한 돌출부(20)와 추가 분사유닛(40)의 개수에 의해 한정되는 것은 아니다. 즉 돌출부(20)와 추가 분사유닛(40)은 4개, 6개, 8개와 같이 짝수로 배치되거나 3개, 5개, 7개와 같이 홀수로 배치되면서 대칭적으로 배치될 수 있다.
돌출부(20)는 연소통(10)의 벽면(13)의 내측면보다 연소통(10)의 중심(C)을 향하여 돌출된 외부 지지벽(21)과, 외부 지지벽(21)보다 연소통(10)의 중심(C)을 향하여 더 돌출된 내부 지지벽(22)을 구비한다. 외부 지지벽(21)과 내부 지지벽(22)은 서로 이격되게 배치되므로, 외부 지지벽(21)과 내부 지지벽(22)의 사이에는 외부에서 유입되는 공기의 통로를 형성하는 공간이 형성된다. 이와 같은 외부 지지벽(21)과 내부 지지벽(22)의 이중 구조로 인해 돌출부(20)는 외부의 공기가 연소통(10)의 내부로 원활하게 유입될 수 있다.
추가 분사유닛(40)은 외부 지지벽(21)에 배치된다. 외부 지지벽(21)은 추가 분사유닛(40)의 주변에 형성된 외측 공기구멍들(21b)을 구비한다. 외측 공기구멍들(21b)은 연소통(10)의 외부 공기가 외부 지지벽(21)과 내부 지지벽(22)의 사이의 공간으로 유입되게 한다.
내부 지지벽(22)은 추가 분사유닛(40)의 연료 노즐(41)에서 분사되는 연료를 통과시키는 연료 구멍(22a)과, 연료 구멍(22a)의 주변에 형성되는 내측 공기구멍들(22b)을 구비한다. 내측 공기구멍들(22b)은 외부 지지벽(21)의 외측 공기구멍들(21b)을 통해 내부 지지벽(22)과 외부 지지벽(21)의 사이의 공간으로 유입된 공기의 일부를 연소통(10)의 내부로 배출하는 기능을 수행한다.
외부 지지벽(21)의 외측 공기구멍들(21b)의 직경은 내부 지지벽(22)의 내측 공기구멍들(22b)의 직경보다 크게 형성된다.
내부 지지벽(22)의 연료 구멍(22a)은 추가 분사유닛(40)의 연료 노즐(41)에서 분사된 연료와 외부에서 유입된 공기가 혼합된 후 연소통(10)의 내부로 공급될 수 있게 하는 통로의 기능을 수행한다.
도 4를 참조하면, 외부 지지벽(21)은 연소통(10)의 유입구(11)를 향하는 방향으로 연소통(10)의 벽면(13)에 대해 경사를 이루는 제1 경사부(21f)와, 연소통(10)의 유출구(12)를 향하는 방향으로 연소통(10)의 벽면(13)에 대해 경사를 이루는 제2 경사부(21r)를 구비한다. 제1 경사부(21f)와 벽면(13)의 사이의 경사각(θf)은 약 20 내지 60도의 사이의 범위에서 형성된다. 제2 경사부(21r)와 벽면(13)의 사이의 경사각(θr)은 약 10 내지 90도의 사이의 범위에서 형성된다.
또한 외부 지지벽(21)의 제1 경사부(21f)와 제2 경사부(21r)는 벽면(13)에 대해 평행하게 연장하는 연결부(21m)에 의해 연결된다. 연결부(21m)에는 추가 분사유닛(40)이 배치된다.
외부 지지벽(21)도 외부 지지벽(21)의 제1 경사부(21f)와 제2 경사부(21r)의 각각에 대해 평행하게 연장하는 제1 경사부(22f) 및 제2 경사부(22r)를 구비한다.
도 1을 참조하면, 연소통(10)의 연소공간은 분사유닛(30)에 의해 분사된 연료가 연소된 후 발생한 배기가스가 추가 분사유닛(40)에 의해 분사된 연료 및 돌출부(20)를 통해 주입된 공기와 충돌함으로써 유입구(11)를 향하는 방향으로 일차적으로 재순환하는 상류측의 제1 영역(C1)과, 제1 영역(C1)의 하류측의 제2 영역(C2)으로 구획된다.
제2 영역(C2)에서는 추가 분사유닛(40)에 의해 분사된 연료가 제1 영역(C1)보다 하류측으로 진행하며 연소된 후 발생한 배기가스가 유입구(11)를 향하는 방향으로 이차적으로 재순환하는 영역에 해당한다.
도 5는 도 1의 연소기에서 발생하는 연소 작용에 의한 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 설명도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선의 단면에서의 연소기의 연소 작용에 의한 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
제1 영역(C1)에서는 분사유닛(30)에서 분사된 연료의 연소가 이루어진다. 또한 제1 영역(C1)에서는 분사유닛(30)에서 분사된 연료가 연소되어 발생한 배기가스가 추가 분사유닛(40)에서 분사된 연료와 돌출부(20)에서 유입된 공기와 충돌함으로써 유입구(11)를 향하여 재순환하는 재순환 작용이 이루어진다.
도 5를 참조하면 제1 영역(C1)에 분사유닛(30)에서 분사된 연료가 연소되며 생성된 배기가스의 제1 재순환 흐름(f1)과, 추가 분사유닛(40)에서 분사된 연료와 돌출부(20)에서 유입된 공기가 흐르는 희석연료 흐름(f2)이 도시된다. 또한 제2 영역(C2)에 추가 분사유닛(40)에서 분사된 연료가 연소된 후 발생한 배기가스가 재순환하는 제2 재순환 흐름(f3)과, 제1 영역(C1)으로부터 제2 영역(C2)으로 유입된 배기가스의 일부분이 다시 제1 영역(C1)을 향하는 방향으로 재순환하는 제3 재순환 흐름(f4)이 도시된다.
도 6을 참조하면 연소통(10)의 길이 방향으로 가로지르는 단면 영역에서 'A'로 표시된 영역(A 영역)은 연소통(10)에서 돌출부(20)와 추가 분사유닛(40)이 설치되지 않은 영역들을 나타낸다. A 영역은 연소통(10)의 내부에서의 향상된 재순환 흐름을 형성될 수 있도록 도 5에 도시된 제1 영역(C1)으로부터 하류측의 제2 영역(C2)을 향하는 방향의 통로를 제공한다.
연소통(10)의 길이 방향으로 가로지르는 단면 영역에서 'B'로 표시된 영역(B 영역)은 추가 분사유닛(40)에 의해 분사된 연료와 돌출부(20)를 통해 유입된 공기가 혼합된 희석 연료가 제1 영역(C1)의 배기가스의 흐름과 충돌함과 동시에 추가 분사유닛(40)에 의해 발생한 연소 분산물을 제1 영역(C1)으로 전달하는 통로의 기능을 수행한다. 그러므로 A 영역은 재순환 흐름의 출구의 기능을 수행하고, B 영역은 연소 부산물이 제1 영역(C1)으로 유입되게 하는 입구의 기능을 수행한다.
도 7은 다른 실시예에 관한 연소기의 구조를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 7에 나타난 실시예에 관한 연소기는 통상적인 연소기의 구조와 비교실험을 위해 설계된 것이며, 돌출부(20)의 구조가 도 1 내지 도 6에 나타나는 실시예에 관한 연소기의 돌출부의 구조로부터 변형되었다. 도 1 내지 도 6에 나타나는 실시예에 관한 연소기의 돌출부의 구조가 두 겹의 구조로 설계되었으나, 도 7에서는 돌출부가 한 겹의 구조로 설계되었다.
도 7에 나타난 실시예에 관한 연소기는 통 형상으로 제작되며 연료가 연소되는 연소공간을 내부에 구비하는 연소통(10)과, 연소통(10)의 유입구(11)를 통하여 연소통(10)의 내부로 연료를 분사하는 분사유닛(30)과, 연소통(10)의 유입구(11)보다 하류측의 영역에서 연소통(10)의 돌출부(20)에 배치되어 연소통(10)의 내부로 연료를 분사하는 추가 분사유닛(40)을 구비한다.
연소통(10)의 유입구(11)에는 예비 혼합챔버(50)가 설치된다. 예비 혼합챔버(50)에 설치된 분사유닛(30)에 의해 연료가 분사되면 연소통(10)의 유입구(11)를 통해 연소통(10)의 내부로 연료가 유입되며 연소가 이루어진다.
연소통(10)은 유입구(11)와 유출구(12)의 사이의 벽면(13)의 일부분이 내측으로 돌출된 돌출부(20)를 구비한다. 돌출부(20)는 유입구(11)를 통해 연소통(10)의 내부로 유입되는 연료의 흐름에서 볼 때 유입구(11)보다 하류측에 형성된다.
돌출부(20)는 연소통(10)의 벽면(13)에 대하여 연소통(10)의 유입구(11)를 향하여 경사를 이루는 제1 경사부(21f)와, 연소통(10)의 벽면(13)에 대해 연소통(10)의 유출구(12)를 향하여 경사를 이루는 제2 경사부(21r)와 제1 경사부(21f)와 제2 경사부(21r)를 연결하며 추가 분사유닛(40)이 배치되는 연결부(21m)를 구비한다.
제1 경사부(21f)와 벽면(13)의 사이의 경사각(θf)은 약 20 내지 60도의 사이의 범위에서 형성된다. 제2 경사부(21r)와 벽면(13)의 사이의 경사각(θr)은 약 10 내지 90도의 사이의 범위에서 형성된다.
돌출부(20)는 연소통(10)의 외부 공기가 연소통(10)의 내부로 유입되게 하는 복수 개의 공기 구멍들(20b)을 구비한다.
도 8은 표준 캔형 연소기의 하류측 벽면에 희석 연료 분사기를 설치한 비교예 1의 연소 가스의 흐름의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 8에 나타난 비교예 1의 표준 캔형 연소기는 도 7의 연소통(10)의 구조와 전체적으로 동일하게 설계되었으며, 표준 캔형 연소기의 하류측 벽면에 희석 연료 분사기(140a)를 설치하였다.
도 9는 표준 캔형 연소기의 상류측 벽면에 희석 연료 분사기를 설치한 비교예 2의 연소 가스의 흐름의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 9에 나타난 비교예 2의 표준 캔형 연소기는 도 7의 연소통(10)의 구조와 전체적으로 동일하게 설계되었으며, 도 8의 비교예 1의 표준 캔형 연소기의 희석 연료 분사기(140a)가 설치된 위치보다 상류측의 표준 캔형 연소기의 벽면에 희석 연료 분사기(140b)를 설치하였다.
도 10은 도 7의 연소기의 연소 가스의 흐름의 분포를 나타낸 분포도이다. 도 10은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1 및 도 9의 비교예 2에 동일한 조건을 설정하여 실험한 결과를 나타낸다. 도 8, 도 9, 및 도 10에서는 동일한 스월러 구조를 적용하였다.
도 8은 연소기의 내부 공간에 주된 재순환 흐름 영역(primary re-circulation zone)만이 형성된 결과를 나타낸다. 도 9는 도 8의 비교예 1과 비교할 때 상류측에 희석 연료 분사기(140b)를 설치함으로 인하여, 희석 연료 분사기(140b)에서 분사된 연료가 주된 재순환 흐름(primary re-circulation flow)과 충돌하여 매우 약한 이차 재순환 흐름(secondary re-circulation flow)이 형성된 결과를 나타낸다.
도 10은 도 7의 돌출부(20)에 배치된 추가 분사유닛(40)에서 분사된 연료가 주된 재순환 흐름(primary re-circulation flow)과 충돌하여 강력한 이차 재순환 흐름 영역(secondary re-circulation zone)이 형성되어, 추가 분사유닛(40)에서 분사된 연료가 이차 재순환 흐름 영역으로 유입되는 모습을 나타낸다. 이와 같이 도 7에 나타난 실시예에 관한 연소기에 의해 향상된 연소가스 재순환 작용이 이루어진다.
도 11은 도 9의 비교예 2의 연소 가스의 흐름을 화살표로 나타낸 흐름도이고, 도 12는 도 7의 연소기의 추가 분사유닛을 포함하는 영역에서의 연소 가스의 흐름을 화살표로 나타낸 흐름도이며, 도 13은 도 7의 연소기의 추가 분사유닛이 설치되지 않은 영역에서의 연소 가스의 흐름을 화살표로 나타낸 흐름도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 도 9의 비교예 2와 도 7의 연소기에서의 연소 가스의 흐름이 화살표로 표현되므로 재순환 흐름이 이루어지는 전체적인 작용을 자세히 분석할 수 있다.
도 11을 참조하면, 연소기의 입구에서 분사된 연료의 연소에 의해 발생한 배기가스는 대부분 연소기의 길이 방향의 중심축을 따라 유출구 방향으로 배출된다. 또한 연소기의 벽면에 설치된 희석 연료 분사기의 연료 분사 작용으로 인해 약한 재순환 흐름이 발생하지만 대부분의 배기가스는 연소기의 벽면을 따라 유출구 방향으로 배출된다. 따라서 비교예 1에서는 연소기의 벽면에 설치된 희석 연료 분사기에 의해 배기가스의 재순환 흐름이 크게 향상되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면 추가 분사유닛이 설치된 단면에서의 연소 가스의 흐름이 도시되고, 도 13을 참조하면 추가 분사유닛이 설치되지 않은 영역, 즉 추가 분사유닛들의 사이의 공간에서의 연소 가스의 흐름이 도시된다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 추가 분사유닛에서 분사된 연료는 주된 재순환 흐름(primary re-circulation flow)과 충돌하여 강력한 이차 재순환 흐름 영역(secondary re-circulation zone)을 형성하므로, 추가 분사유닛(40)에서 분사된 연료가 이차 재순환 흐름 영역으로 유입되는 강한 흐름이 형성된다. 도 13을 참조하면, 추가 분사유닛이 설치되지 않은 영역, 즉 추가 분사유닛들의 사이의 공간에서 연소기의 벽면을 따라 배기가스의 일부가 유출구를 향하여 흐르는 흐름이 나타난다.
도 14는 도 8의 비교예 1의 연소기에서 분사되는 연료와 공기의 혼합 비율의 분포를 나타내고, 도 15는 도 9의 비교예 2의 연소기에서 분사되는 연료와 공기의 혼합 비율의 분포를 나타내며, 도 16은 도 7의 연소기에서 분사되는 연료와 공기의 혼합 비율의 분포를 나타낸다.
비교예 1 및 비교예 2의 각각에서는 희석 연료가 분사되기 이전에 연료와 공기의 혼합 비율이 양호한 수준을 나타낸다.
도 16을 참조하면, 도 7의 연소기의 내부 공간의 일부 영역에서 희석연료의 농도가 국소적으로 집중된 부분이 존재한다. 이와 같이 희석연료의 농도를 국소적으로 집중시킨 것은, 국소적인 고온 지점(localised hot-spot)을 발생시켜 연소 작용을 지속시킴으로써 대량의 배기가스 재순환 작용을 발생시키거나 무화염 연소(FLOX; flameless oxidation)를 구현하기 위한 것이다.
도 17은 도 8의 비교예 1의 연소기의 온도 분포를 나타낸 분포도이고, 도 18은 도 9의 비교예 2의 연소기의 온도 분포를 나타낸 분포도이다.
도 17의 비교예 1과 도 18의 비교예 2의 연소기에서는 주연소 영역(primary zone)에서 유사한 온도 분포가 관측된다. 희석 연료 분사기를 상류측으로 이동시킴으로써 하류측에서의 혼합 효과가 발생하므로 더 양호한 출구 온도 분포를 얻을 수 있다. 비교예 1에서는 연소기의 중간 영역과 출구측의 중심부분(core)에서 더 높은 온도 분포가 관측된다. 비교예 2에서는 연소기의 중간 영역이나 출구측의 중심부분(core)에서 더 낮은 온도 분포가 관측된다. 따라서 희석 연료 분사기의 위치를 이동시킴으로써 온도 분포가 크게 달라짐을 확인할 수 있다.
도 19는 도 7의 연소기의 온도 분포를 나타낸 분포도이다.
도 7의 연소기에 의하면 주연소 영역(primary zone)에서 국소적인 고온 지점(localized hot spot)이 발견되고, 전체적인 온도가 더 낮아진 것을 확인할 수 있다.
전산유체역학 해석(CFD analysis; computational fluid dynamics analysis)에 의하여 온도 분포의 패턴 인자(pattern factor)를 분석한 결과, 비교예 1은 0.234, 비교예 2은 0.162, 도 7의 연소기는 0.027의 값을 얻을 수 있었다. 여기에서 패턴 인자는 (Tmax-Tmean)/(Tmean-Tinlet)로 정의된다.
여기에서, Tmax 는 최고 온도, Tmean 는 평균 온도, Tinlet 은 입구 온도이다.
도 20은 도 8의 비교예 1의 연소기의 질소 산화물의 분포를 나타낸 분포도이고, 도 21은 도 9의 비교예 2의 연소기의 질소 산화물의 분포를 나타낸 분포도이며, 도 22는 도 7의 연소기의 질소 산화물의 분포를 나타낸 분포도이다.
비교예 1 및 비교예 2에서는 유사한 질소 산화물의 분포가 확인되었다. 도 21을 참조하면 비교예 2에서 희석 연료 분사기의 하류측에서 질소 산화물의 분포가 미약하게 향상되는 것을 발견할 수 있다.
도 22에 도시된 도 7의 연소기에서의 질소 산화물의 분포를 참조하면, 연소기 내부에서 질소 산화물이 매우 낮은 수준으로 분포가 되는 것을 알 수 있다.
도 23은 도 8의 비교예 1의 연소기의 일산화탄소의 분포를 나타낸 분포도이고, 도 24는 도 9의 비교예 2의 연소기의 일산화탄소의 분포를 나타낸 분포도이며, 도 25는 도 7의 연소기의 일산화탄소의 분포를 나타낸 분포도이다.
비교예 1 및 비교예 2에서는 유사한 일산화탄소의 분포가 확인되었다. 도 25에 도시된 도 7의 연소기에서의 일산화탄소의 분포를 참조하면, 연소기 내부의 이차 재순환 영역(secondary recirculation zone)에서 이차 연소 영역(secondary reaction zone)이 형성됨을 확인할 수 있다.
도 26은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 연소 가스의 흐름의 속도를 비교한 그래프이고, 도 27은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 압력 변화를 비교한 그래프이며, 도 28은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 연소 가스의 재순환 유량을 비교한 그래프이다.
도 26 내지 도 28의 그래프에서 Case A는 비교예 1에 해당하고, Case B는 비교예 2에 해당하며, Case C는 도 7의 연소기에 해당한다.
도 26 내지 도 28을 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2는 유사한 그래프 윤곽(profile)을 나타낸다.
도 26을 참조하면, 도 7의 연소기에 의한 결과에서 추가 분사유닛에 의한 희석연료 주입 이후에 축방향 속도(axial velocity)가 빨라진다.
도 26 및 도 28을 참조하면, 도 7의 연소기에 의한 결과에서 추가 분사유닛에 의한 희석연료 주입 이후에 재순환 흐름의 질량 유량이 높아지며, 희석연료 주입 이후에 축방향 속도가 빠르게 유지된다. 이로 인해, 도 27을 참조하면 도 7의 연소기에서는 하류측에서의 압력 강하가 다소 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 29는 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 온도 분포를 비교한 그래프이고, 도 30은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 일산화탄소의 분포를 비교한 그래프이며, 도 31은 도 7의 연소기와 도 8의 비교예 1의 연소기와 도 9의 비교예 2의 연소기의 질소 산화물의 분포를 비교한 그래프이다.
도 29 내지 도 31을 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2는 유사한 그래프 윤곽(profile)을 나타낸다. 도 31을 참조하면 비교예 2는 비교예 1보다 낮은 수준의 질소 산화물 분포를 나타낸다. 그러나 도 30을 참조하면 비교예 1과 비교예 2는 유사한 수준의 이산화탄소 분포를 나타낸다.
도 30 및 도 31을 참조하면, 도 7의 연소기에 의한 결과에서 질소 산화물의 분포가 크게 개선되었으며, 낮은 수준의 일산화탄소 분포를 나타내지만 일산화탄소의 소진을 위해 시간이 더 필요함을 알 수 있다.
상술한 실시예들에 관한 연소기에 의하면, 연소기의 배기가스 재순환 흐름 작용이 향상됨으로 인해 연소기에서 무화염 연소(마일드 연소) 작용이 구현될 수 있다. 이로 인해 연소 배출물질(emission)의 배출을 크게 감소시킬 수 있다.
또한 추가 분사유닛이 연소통의 돌출부에 배치되므로 주된 연소 작용이 이루어지는 제1 영역의 가스 흐름이 하류 측의 제2 영역으로 흐를 수 있는 통로가 형성될 수 있다.
또한 추가 분사유닛이 연소통의 돌출부에 배치되어 희석 연료를 분사하므로, 희석 연료의 흐름이 주된 재순환 흐름 영역의 가스와 희석 연료의 흐름의 충돌함과 동시에 하류 측의 제2 영역으로 흐를 수 있다.
추가 분사유닛에서 분사된 희석 연료는 하류 측의 제2 영역에서 연소 반응을 일으킨 후 다시 상류 측의 제1 영역을 향하는 재순환 흐름을 형성할 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 연소통 22f: 제1 경사부
11: 유입구 22: 내부 지지벽
12: 유출구 22b: 내측 공기구멍들
13: 벽면 22r: 제2 경사부
20b: 공기 구멍들 22a: 연료 구멍
20: 돌출부 30: 분사유닛
21m: 연결부 40: 추가 분사유닛
21: 외부 지지벽 41: 연료 노즐
21b: 외측 공기구멍들 50: 예비 혼합챔버
21f: 제1 경사부 60: 스월러
21r: 제2 경사부 61: 공기 통로

Claims (12)

  1. 연료가 연소되는 연소공간을 구비하는 통 형상을 가지며, 연료가 유입되는 유입구와, 연료가 연소되어 생성된 가스가 배출되는 유출구와, 상기 유입구와 상기 유출구의 사이의 벽면이 내측으로 돌출된 돌출부를 구비하는, 연소통;
    상기 연소통의 상기 유입구를 통해 상기 연소통의 내부로 연료를 분사하는 분사유닛; 및
    상기 연소통의 상기 돌출부에 배치되어 상기 연소통의 상기 내부를 향하여 연료를 분사하는 추가 분사유닛;을 구비하고,
    상기 돌출부는 상기 연소통의 상기 벽면보다 상기 연소통의 중심을 향하여 돌출된 외부 지지벽과, 상기 외부 지지벽보다 상기 연소통의 상기 중심을 향하여 돌출된 내부 지지벽을 구비하고, 상기 추가 분사유닛은 상기 외부 지지벽에 배치되고, 상기 내부 지지벽은 상기 추가 분사유닛에 대응하는 위치에 형성되어 상기 추가 분사유닛에서 분사된 연료를 상기 연소통으로 통과시키는 연료 구멍과 상기 연료 구멍의 주변에 형성된 내측 공기구멍들을 구비하며, 상기 외부 지지벽은 상기 추가 분사유닛의 주변에 형성된 외측 공기구멍들을 구비하는, 연소기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외측 공기구멍들의 직경이 상기 내측 공기구멍들의 직경보다 크게 형성된, 연소기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 연소통의 상기 벽면에 대해 상기 연소통의 상기 유입구를 향하여 경사를 이루는 제1 경사부와, 상기 연소통의 상기 벽면에 대해 상기 연소통의 상기 유입구를 향하여 경사를 이루는 제2 경사부와, 상기 벽면에 평행하게 연장하며 상기 제1 경사부와 상기 제2 경사부를 연결하고 상기 추가 분사유닛이 배치되는 연결부를 구비하는, 연소기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 경사부는 상기 벽면에 대해 20 내지 60도의 경사각을 형성하는, 연소기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 경사부는 상기 벽면에 대해 10 내지 90도의 경사각을 형성하는, 연소기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 경사부와 상기 제2 경사부에는 외부의 공기를 상기 연소통의 상기 내부로 전달하는 복수 개의 공기 구멍들이 형성되는, 연소기.
  12. 삭제
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