KR102537897B1 - 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 노즐의 센터바디에서 다수의 선회날개부와 센터바디의 말단까지 사이에 형성된 연료유동체류부의 딤플 형상부와 핀 형상부는 상기 다수의 상기 선회날개부를 통과하면서 와류를 형성하는 산화제와 연료가 혼합되기 전 산화제의 유동이 변화되도록 연소실의 혼합영역에서 연료의 유동 체류시간을 증가시켜 혼합도를 향상시킨 후 연소영역으로 진입하도록 혼합물의 흐름을 유도하기 때문에 기존 연소기와 동일한 성능을 유지하면서 연소기 내부 혼합영역에서 혼합도를 높여주게 되고, 이로 인하여 연소실의 국부적으로 온도상승을 방지하여 고온의 NOx(질소산화물) 배출량을 감소시킬 수 있는 것임.

Description

연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조{Nozzle Structure for Improved Mixing ratio of Combustor}

본 발명은 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 터빈 연소기 내부 혼합영역에서 혼합도를 높일 수 있도록 연소기의 노즐 형상을 변형한 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조에 관한 것이다.

연소기 개발 과정에서, 환경규제 강화와 효율적인 에너지 이용을 위한 여려 대책이 요구되어지고 있으며, 환경 규제 강화로 인하여 질소산화물 배출 저감에 많은 관심의 대상이 되었다.

특히 가스터빈 연소를 통해 발생되는 배기가스는 고온이며, 이러한 고온의 환경에서는 질소산화물 생성이 활발하게 이루어지는 것이 주요 문제점으로 작용한다. 즉 질소산화물 발생은 연소온도에 밀접하게 의존되므로 연소온도를 낮추는 것이 신 연소기술의 핵심으로 대두되고 있다.

또한, 연소실 내부 국부적인 온도상승은 질소산화물 배출을 증가시키기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위해 혼합도 향상을 통한 산업 요구 조건을 만족시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

기존의 연소기는 도 1 및 도 2와 같이 산화제와 연료의 혼합을 위한 혼합영역(110)과 연소를 위한 연소영역(120)으로 구획되는 연소실(100)과, 상기 혼합영역(110) 내부에 설치되어 압축기를 통해 유입되는 산화제와 수직으로 분사되는 연료를 제트 인 크로스(Jet in cross) 방식으로 공급받아 와류를 형성하여 상기 연소영역(120)으로 보내는 노즐(200)를 포함한다.

이때, 상기 노즐(200)은, 센터바디(210)의 일측에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 다수의 연료주입구(222)가 형성된 연료공급영역(220)과, 상기 연료공급영역(220)에서 공급되는 산화제와 연료를 공급받아 와류를 형성하도록 상기 센터바디(210)의 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 다수의 선회날개부(232)가 설치된 연료와류영역(230)과, 상기 센터바디(210)의 타측에 상기 연료와류영역(230)에서 와류 형성된 혼합물을 상기 혼합영역(110)과 연소영역(120)의 사이 열원지점(112)을 통해 상기 연소영역(120)으로 유출되어 연소되도록 흐름을 유도하는 연료혼합영역(240)으로 구성되어 있다.

그러나, 이와 같이 구성된 종래의 연소기 노즐(200)은 센터바디(210)에 대해 연료공급영역(220)과 연료혼합영역(240) 사이에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 다수의 선회날개부(232)가 설치된 연료와류영역(230)에 의존하여 산화제와 연료에 와류를 형성하여 혼합도를 높여주는 구조이기 때문에 국부적으로 온도상승이 초래되어 고온의 NOx(질소산화물) 배출량을 증가시킨다는 문제점이 대두되었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1578840호(2015.12.14.)

본 발명의 목적은 기존의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로서, 연소기 내부 노즐의 형상 변형을 통해, 기존 연소기와 동일한 성능을 유지하면서 연소기 내부 혼합영역에서 혼합도를 높임과 동시에 국부적으로 온도상승을 방지하여 고온의 NOx(질소산화물) 배출량을 감소시킬 수 있는 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조는, 혼합영역과 연소영역으로 구획된 연소실; 및 상기 혼합영역 내부 선단에 설치되어 산화제와 연료를 공급받아 와류를 형성하는 노즐을 구비한 연소기에 있어서, 상기 노즐은, 센터바디; 상기 센터바디의 일측에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 형성되어 연료를 공급하는 다수의 연료주입구; 상기 센터바디의 중앙에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 설치되어 상기 다수의 연료주입구에서 공급되는 연료와 상기 혼합영역 내부 선단으로 공급되는 산화제를 공급받아 혼합하도록 1차 와류를 형성하는 다수의 선회날개부; 및 상기 센터바디의 타측에 배치되어 다수의 상기 선회날개부를 통과한 와류를 공급받아 재차 와류를 형성할 때 연료의 유동 체류시간을 증가시켜 혼합도를 향상시키도록 유동변화를 유도하는 연료유동체류부를 포함하되, 상기 연료유동체류부는 딤플 형상부인 것을 특징으로 한다.

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다른 실시예로서, 본 발명의 상기 딤플 형상부는 상기 센터바디의 말단 외주에 대해 둘레측과 길이측으로 일정 간격을 두고 원형 음각으로 분포 형성되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 상기 딤플 형상부는 상기 센터바디의 말단에서 다수의 상기 선회날개부측으로 35㎜까지 표면적에 분포 형성되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 노즐의 센터바디에서 다수의 선회날개부와 센터바디의 말단까지 사이에 형성된 연료유동체류부의 딤플 형상부와 핀 형상부는 상기 다수의 상기 선회날개부를 통과하면서 와류를 형성하는 산화제와 연료가 혼합되기 전 산화제의 유동이 변화되도록 연소실의 혼합영역에서 연료의 유동 체류시간을 증가시켜 혼합도를 향상시킨 후 연소영역으로 진입하도록 혼합물의 흐름을 유도하기 때문에 기존 연소기와 동일한 성능을 유지하면서 연소기 내부 혼합영역에서 혼합도를 높여주게 되고, 이로 인하여 연소실의 국부적으로 온도상승을 방지하여 고온의 NOx(질소산화물) 배출량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 기존의 노즐이 설치된 연소실 구조도.
도 2는 기존의 노즐 외형도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 딤플 형상부를 구비한 노즐이 설치되는 연소실 구조도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 핀 형상부를 구비한 노즐이 설치되는 연소실 구조도.
도 7(a)(b)는 기존의 노즐과 본 발명의 딤플 형상부를 구비한 노즐이 설치된 연소실 유속장과 연료분포에 따른 유동변화를 나타낸 연소 분석도.
도 8(a)(b)(c)는 본 발명의 위치가 다른 핀 형상부를 구비한 노즐이 설치된 연소실 유속장과 연료분포에 따른 유동변화를 나타낸 연소 분석도.

이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면 도 3 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

참고로, 본 발명의 구성에 대하여 종래(기존)의 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일명칭 및 동일부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조는, 산화제와 연료의 혼합을 위한 혼합영역(110)과 연소를 위한 연소영역(120)으로 구획된 연소실(100); 및 상기 혼합영역(110) 내부에 설치되어 압축기를 통해 유입되는 산화제와 수직으로 분사되는 연료를 공급받아 와류를 형성하는 노즐(200)을 구비한 연소기를 포함한다.

이때, 상기 노즐(200)은, 센터바디(210); 상기 센터바디(210)의 일측에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 형성되어 연료를 공급하는 다수의 연료주입구(222); 상기 센터바디(210)의 중앙에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 설치되어 상기 다수의 연료주입구(222)에서 공급되는 연료와 상기 혼합영역(110) 내부 선단으로 공급되는 산화제를 공급받아 혼합하도록 1차 와류를 형성하는 다수의 선회날개부(232); 및 상기 센터바디(210)의 타측에 배치되어 다수의 상기 선회날개부(232)를 통과한 와류를 공급받아 재차 와류를 형성할 때 연료의 유동 체류시간을 증가시켜 혼합도를 향상시키도록 유동변화를 유도하는 연료유동체류부(242)를 포함하여 이루어져 있다.

즉, 상기 연료유동체류부(242)는 딤플 형상부(300) 또는 핀 형상부(400)로 구성할 수 있다.

이때, 상기 딤플 형상부(300)는 상기 센터바디(210)의 말단 외주에 대해 둘레측과 길이측으로 일정 간격을 두고 원형 음각으로 분포 형성되는 것이 바람직하다.

상기 딤플 형상부(300)는 상기 센터바디(210)의 말단에서 다수의 상기 선회날개부(232)측으로 35㎜까지 표면적에 분포 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 핀 형상부(400)는 상기 센터바디(210)의 외주에 일정 간격을 두고 다수개가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)는 상기 센터바디(210)의 외주에 90도 간격으로 설치되는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)의 둘레면은 상기 연소실(100)의 내주에 상접되도록 돌출되는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)는 선단에서 말단으로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)의 하부는 상기 센터바디(210)의 말단을 향해 상기 핀 형상부(400)의 선단에서 말단까지 직선면이고, 상기 핀 형상부(400)의 상부는 상기 센터바디(210)의 말단을 향해 상기 핀 형상부(400)의 선단에서 말단을 갈수록 높아지는 경사면으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)의 선단은 상기 선회날개부(232)의 말단 높이와 일치되도록 배치하는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)는 상기 센터바디(210)의 외주에 대해 다수의 상기 선회날개부(232)에서 상기 센터바디(210)의 말단까지 사이에 3등분된 영역 중 어느 한 곳에 설치된다.

이때, 상기 핀 형상부(400)는 상기 선회날개부(232)에서 상기 센터바디(210)의 말단까지 사이에 3등분된 영역 중 상기 센터바디(210)의 외주에 대해 다수의 상기 선회날개부(232)와 근접되는 영역에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)는 상기 선회날개부(232)에서 상기 센터바디(210)의 말단까지 사이에 3등분된 영역 중 상기 센터바디(210)의 외주에 대해 다수의 상기 선회날개부(232)와 상기 센터바디(210)의 말단 사이 중앙에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 핀 형상부(400)는 상기 선회날개부(232)에서 상기 센터바디(210)의 말단까지 사이에 3등분된 영역 중 상기 센터바디(210)의 외주 말단에 설치되는 것이 바람직하다.

이 처럼, 본 발명의 노즐(200)의 센터바디(210)에서 다수의 선회날개부(232)와 센터바디(210)의 말단까지 사이에 형성된 연료유동체류부(242)의 딤플 형상부(300)와 핀 형상부(400)는 상기 다수의 상기 선회날개부(232)를 통과하면서 와류를 형성하는 산화제와 연료가 혼합되기 전 산화제의 유동이 변화되도록 연소실(100)의 혼합영역(110)에서 연료의 유동 체류시간을 증가시켜 혼합도를 향상시킨 후 연소영역(120)으로 진입하도록 혼합물의 흐름을 유도하기 때문에 기존 연소기와 동일한 성능을 유지하면서 연소기 내부 혼합영역에서 혼합도를 높여주게 된다.

이와 같이 노즐(200)에 딤플 형상부(300)가 적용되지 않은 도 7(a)와 같은 기존의 연소기와 딤플 형상부(300)가 적용된 도 7(b)와 같은 연소기의 연소 분석도를 보면, 기존 연소기에 비해 본 발명의 연소기 노즐(200)의 말단에 딤플 형상부(300)가 형성된 영역에서 상대적으로 혼합물(산화제와 연료)의 유동 흐름이 지연되면서 저속의 와류(소용돌이)가 형성되는 것을 알 수 있으며, 이러한 저속의 와류 현상은 노즐(200) 말단에서 연료가 농후하게 분포되어 혼합도를 향상시켜 주는 역할을 하기 때문에 국부적으로 온도상승을 방지하여 고온의 NOx(질소산화물) 배출량을 감소시켜 대기 오염을 줄여주는 효과가 있다.

또한, 도 4 내지 도 6과 같이 노즐(200)의 선회날개부(232)에서 센터바디(210)의 말단까지 사이에 3등분된 영역(선단, 중앙, 말단)에 핀 형상부(400)를 적용할 경우, 도 8(a)(b)(c)의 연소 분석도와 같이 혼합물(산화제와 연료)의 유동 흐름이 지연되면서 혼합물이 저속의 와류(소용돌이)에 의해 고르게 분포되는 것을 알 수 있으며, 이러한 저속의 와류 현상 및 혼합물이 고르게 분포된 현상은 혼합도를 향상시켜 주는 역할을 하기 때문에 국부적으로 온도상승을 방지하여 고온의 NOx(질소산화물) 배출량을 감소시켜 대기 오염을 줄여주는 효과가 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

100 : 연소실 110 : 혼합영역
112 : 열원지점 120 : 연소영역
200 : 노즐 210 : 센터바디
220 : 연료공급영역 222 : 연료주입구
230 : 연료와류영역 232 : 선회날개부
240 : 연료혼합영역 242 : 연료유동체류부
300 : 딤플 형상부 400 : 핀 형상부

Claims (14)

1. 혼합영역과 연소영역으로 구획된 연소실; 및 상기 혼합영역 내부 선단에 설치되어 산화제와 연료를 공급받아 와류를 형성하는 노즐을 구비한 연소기에 있어서,
   상기 노즐은,
   센터바디;
   상기 센터바디의 일측에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 형성되어 연료를 공급하는 다수의 연료주입구;
   상기 센터바디의 중앙에 둘레 방향을 따라 일정 간격을 두고 설치되어 상기 다수의 연료주입구에서 공급되는 연료와 상기 혼합영역 내부 선단으로 공급되는 산화제를 공급받아 혼합하도록 1차 와류를 형성하는 다수의 선회날개부; 및
   상기 센터바디의 타측에 배치되어 다수의 상기 선회날개부를 통과한 와류를 공급받아 재차 와류를 형성할 때 연료의 유동 체류시간을 증가시켜 혼합도를 향상시키도록 유동변화를 유도하는 연료유동체류부를 포함하되,
   상기 연료유동체류부는 딤플 형상부인 것을 특징으로 하는 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조.
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3. 청구항 1에 있어서,
   상기 딤플 형상부는 상기 센터바디의 말단 외주에 대해 둘레측과 길이측으로 일정 간격을 두고 원형 음각으로 분포 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 딤플 형상부는 상기 센터바디의 말단에서 다수의 상기 선회날개부측으로 35㎜까지 표면적에 분포 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기의 혼합도 향상을 위한 노즐 구조.
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