WO2017007068A1 - 연소기 - Google Patents

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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00015—Trapped vortex combustion chambers

Definitions

  • Embodiments relate to a combustor, and more particularly, to a combustor in which a gas recirculation flow is increased to improve combustion performance and low pollution combustion occurs.
  • MILD combustion is also referred to as flameless oxidation (FLOX) or high-temperature air combustion (HiTAC).
  • a combustor is a part that performs the function of generating power for an engine or a gas turbine by burning fuel.
  • MILD combustion which combines high-temperature exhaust gas that is discarded in the combustor with the air stream to reduce the oxygen concentration and supply a high-temperature air stream to enable stable combustion due to the global flow of tighter regulation of nitrogen oxide and carbon monoxide emissions. The technique is applied.
  • Publication No. 2010-0061538 describes a technique for supplying fuel and diluent in a secondary combustion zone downstream of the primary combustion zone of a combustion engine.
  • This technique involves secondary combustion, which assists in combustion in the primary combustion zone by installing a manifold on the wall surrounding the secondary combustion zone and placing an injector nozzle in the manifold to inject fuel in the secondary combustion zone. Generates.
  • this technique can only reduce the amount of fuel injected in the primary combustion zone, and the combustion action in the primary combustion zone and the combustion action in the secondary combustion zone do not interact. That is, the combustion performance in the primary combustion region is not improved by the fuel injection in the secondary combustion region.
  • US Patent No. 4,389,848 discloses a fuel injector having a primary nozzle disposed upstream of the burner and a secondary nozzle disposed downstream, and injecting fuel from the secondary nozzle to inject the fuel. And the recirculation structure of the air is described. However, in the recycle structure of this structure, since the secondary nozzle is disposed on the extension line of the central axis of the primary nozzle of the burner, the fuel and air recycling effect is not sufficient.
  • Patent Document 1 Published Patent Publication No. 2010-0061538 (2010.06.07.)
  • Patent Document 2 US Patent No. 4,389,848 (1983.06.28)
  • Another object of the embodiments is to provide a combustor capable of achieving low pollution combustion since mild combustion is achieved.
  • a combustor has a cylindrical shape having a combustion space in which fuel is combusted, and an inlet port through which fuel is introduced and an outlet port through which fuel generated gas is discharged and a wall surface between the inlet port and the outlet port protrude inwardly.
  • a combustion cylinder having a projection, an injection unit for injecting fuel into the combustion cylinder through the inlet of the combustion cylinder, and an additional injection unit disposed in the protrusion of the combustion cylinder and injecting fuel toward the interior of the combustion cylinder.
  • the protrusion and the additional injection unit may be spaced apart along the circumferential direction of the cross section of the combustion cylinder and may be arranged in plurality.
  • the protrusion and the additional injection unit may be arranged symmetrically about the cross section of the combustion cylinder.
  • the protrusion may have an outer support wall projecting toward the center of the combustion cylinder than the wall of the combustion cylinder and an inner support wall projecting toward the center of the combustion cylinder rather than the outer support wall, and the additional injection unit may be disposed on the outer support wall.
  • the inner support wall may include a fuel hole which is formed at a position corresponding to the additional injection unit to pass fuel injected from the additional injection unit to the combustion cylinder, and inner air holes formed around the fuel hole, and the external support wall May have outer air holes formed around the additional injection unit.
  • the diameter of the outer air holes may be formed larger than the diameter of the inner air holes.
  • the combustion space of the combustion cylinder is an upstream first region which first recirculates toward the inlet by colliding with the fuel injected by the injection unit and the air injected through the protrusion after the fuel injected by the injection unit is combusted;
  • the fuel injected by the further injection unit may be partitioned into a second zone which proceeds downstream of the first zone and is subsequently recirculated in the direction towards the inlet after burning.
  • the second region is formed about the central axis in the longitudinal direction of the combustion cylinder to deliver the combustion products made in the second region to the first region, the first region toward the outside of the second region relative to the central axis of the combustion cylinder It may be formed in the protruding region.
  • the protrusion extends in parallel with the wall surface with a first inclined portion inclined toward the inlet of the combustion cylinder with respect to the wall surface of the combustion cylinder, and a second inclined portion inclined toward the inlet of the combustion cylinder with respect to the wall surface of the combustion cylinder. It may be provided with a connecting portion connecting the first inclined portion and the second inclined portion and the additional injection unit is disposed.
  • the first inclined portion may form an inclination angle of 20 to 60 degrees with respect to the wall surface.
  • the second inclined portion may form an inclination angle of 10 to 90 degrees with respect to the wall surface.
  • a plurality of air holes may be formed in the first inclined portion and the second inclined portion to transfer external air into the combustion cylinder.
  • the combustor may further include a premixing chamber coupled to the injection unit and disposed in the inlet, and a swirler installed in the premixing chamber to supply a flow of air to the premixing chamber.
  • the exhaust gas recirculation flow action of the combustor can be improved. This allows flame-free combustion (mild combustion) action in the combustor, which can significantly reduce the emission of combustion emissions.
  • the additional injection unit is disposed at the protrusion of the combustion cylinder, a passage is formed in which the gas flow in the first region in which the main combustion action is performed flows to the second region on the downstream side, and also the flow of the diluted fuel injected from the additional injection unit.
  • the diluted fuel injected from the further injection unit may cause a combustion reaction in the second region on the downstream side and then form a recycle flow back to the first region on the upstream side. The combustion and recycle flow in the first region and the combustion and recycle flow in the second region are thus improved.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view schematically showing the structure of a combustor according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a front sectional view showing a section of the line II-II of the combustor of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion of the combustor of FIG. 2 in an enlarged manner.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a side of a portion of the combustor of FIG. 3.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing a flow of a fluid due to a combustion action occurring in the combustor of FIG. 1.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing the flow of fluid due to the combustion action of the combustor in the section VI-VI of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a side view schematically showing the structure of a combustor according to another embodiment.
  • Fig. 8 is a distribution diagram showing the distribution of the flow of the combustion gas of Comparative Example 1 in which a dilution fuel injector is provided on the downstream side wall of a standard can type combustor.
  • Fig. 9 is a distribution diagram showing the distribution of the flow of combustion gas of Comparative Example 2 in which a dilution fuel injector is provided on an upstream side wall of a standard can type combustor.
  • FIG. 10 is a distribution diagram illustrating a distribution of a flow of combustion gas of the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a flow of combustion gas of Comparative Example 2 of FIG. 9 as an arrow.
  • FIG. 12 is a flow chart showing the flow of combustion gas in the area including the further injection unit of the combustor of FIG.
  • FIG. 13 is a flow chart showing the flow of combustion gas in an area where no additional injection unit of the combustor of FIG. 7 is installed;
  • FIG. 14 illustrates a distribution of a mixture ratio of fuel and air injected in the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8.
  • FIG. 15 illustrates a distribution of a mixing ratio of fuel and air injected in the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 16 illustrates a distribution of a mixing ratio of fuel and air injected in the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 17 is a distribution diagram illustrating a temperature distribution of the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8.
  • FIG. 18 is a distribution diagram illustrating a temperature distribution of the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • 19 is a distribution diagram illustrating a temperature distribution of the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 20 is a distribution diagram illustrating the distribution of nitrogen oxides in the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8.
  • FIG. 21 is a distribution diagram illustrating the distribution of nitrogen oxides in the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 22 is a distribution diagram illustrating the distribution of nitrogen oxides in the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 23 is a distribution diagram illustrating the distribution of carbon monoxide in the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8.
  • FIG. 24 is a distribution diagram illustrating the distribution of carbon monoxide in the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 25 is a distribution diagram illustrating the distribution of carbon monoxide in the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 26 is a graph comparing flow rates of combustion gases of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 27 is a graph comparing pressure changes of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 29 is a graph comparing temperature distributions of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 30 is a graph comparing distributions of carbon monoxide between the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 31 is a graph comparing distributions of nitrogen oxides of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view schematically showing the structure of a combustor according to one embodiment
  • FIG. 2 is a front cross-sectional view showing a section of a line II-II of the combustor of FIG. 1
  • FIG. 3 is a part of the combustor of FIG. 2. Is an enlarged view showing an enlarged view
  • FIG. 4 is an enlarged view showing a side of a part of the combustor of FIG.
  • the combustor according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 4 is formed in a tubular shape and connected through a combustion cylinder 10 having a combustion space therein, and an inlet 11 of the combustion cylinder 10.
  • the injection unit 30 for injecting fuel into the communication 10 and the projection 20 of the combustion cylinder 10 in a region downstream from the inlet 11 of the combustion cylinder 10 are disposed in the combustion cylinder ( 10 is provided with an additional injection unit 40 for injecting fuel into the interior.
  • the combustion cylinder 10 is manufactured in the shape of a hollow cylinder having a wall surface 13 and has a combustion space in which fuel is combusted.
  • the combustion cylinder 10 has an inlet 11 through which fuel is introduced into one side, and an outlet 12 on the other side through which the gas generated by burning the fuel in the combustion space therein is discharged.
  • the combustion cylinder 10 has a protrusion 20 in which a part of the wall surface 13 between the inlet 11 and the outlet 12 is projected inward.
  • the protrusion 20 is formed downstream from the inlet 11 when viewed from the flow of fuel flowing into the combustion cylinder 10 through the inlet 11.
  • An inlet 11 of one side of the combustion cylinder 10 is provided with an injection unit 30 for injecting fuel into the interior of the combustion cylinder 10.
  • a premix chamber 50 is installed at the inlet 11 of the combustion cylinder 10, and an injection unit 30 is installed at the premix chamber 50.
  • the premixing chamber 50 is provided with a swirler 60 for transmitting a flow of air to the inlet 11 of the combustion cylinder 10.
  • the swirler 60 has an air passage 61 through which air is introduced.
  • the preliminary mixing chamber 50, the swirler 60, and the arrangement position and structure of the injection unit 30 are not limited by the illustrated embodiment, and for fuel injection and efficient mixing of air and fuel, It can be modified in various forms.
  • the protrusion 20 of the combustion cylinder 10 is provided with an additional injection unit 40 for injecting fuel toward the interior of the combustion cylinder 10.
  • the additional injection unit 40 performs a function of supplying additional fuel and air to the interior of the combustion cylinder 10 on the downstream side as viewed from the flow of fuel flowing in from the inlet 11 of the combustion cylinder 10.
  • the protrusion 20 and the additional injection unit 40 are spaced apart along the circumferential direction in the cross section of the combustion cylinder 10 and are arranged in plural.
  • the projection 20 and the additional injection unit 40 are arranged symmetrically about the cross section of the combustion cylinder 10, ie about the center C in the longitudinal direction of the combustion cylinder 10 in FIG. 2.
  • the area of the circle connecting the end of the projection 20 toward the center C of the combustion cylinder 10 is in the range of about 85% of the area of the circle connecting the inner circumferential surface of the wall surface 13 of the combustion cylinder 10.
  • Protruding portion 20 may be formed to be.
  • protrusions 20 and four additional injection units 40 are disposed, but the embodiment is not limited by the number of such protrusions 20 and additional injection units 40. That is, the protrusions 20 and the additional injection unit 40 may be arranged in an even number, such as four, six, eight, or an odd number, such as three, five, seven, may be arranged symmetrically.
  • the protruding portion 20 is an outer support wall 21 protruding toward the center C of the combustion cylinder 10 from the inner surface of the wall surface 13 of the combustion cylinder 10 and a combustion cylinder than the outer support wall 21. It has an inner support wall 22 which protrudes further toward the center C of 10. Since the outer support wall 21 and the inner support wall 22 are spaced apart from each other, a space is formed between the outer support wall 21 and the inner support wall 22 to form a passage of air introduced from the outside. . Due to the dual structure of the outer support wall 21 and the inner support wall 22, the protrusion 20 can be smoothly introduced into the combustion cylinder 10 of the outside air.
  • the additional injection unit 40 is arranged on the outer support wall 21.
  • the outer support wall 21 has outer air holes 21b formed around the additional injection unit 40.
  • the outer air holes 21b allow the outside air of the combustion cylinder 10 to flow into the space between the outer support wall 21 and the inner support wall 22.
  • the inner support wall 22 has a fuel hole 22a through which fuel injected from the fuel nozzle 41 of the additional injection unit 40 passes, and inner air holes 22b formed around the fuel hole 22a. It is provided.
  • the inner air holes 22b pass through a portion of the air introduced into the space between the inner support wall 22 and the outer support wall 21 through the outer air holes 21b of the outer support wall 21. It performs the function of discharging to the inside of (10).
  • the diameters of the outer air holes 21b of the outer support wall 21 are larger than the diameters of the inner air holes 22b of the inner support wall 22.
  • the fuel hole 22a of the inner support wall 22 may be supplied into the combustion cylinder 10 after the fuel injected from the fuel nozzle 41 of the additional injection unit 40 and the air introduced from the outside are mixed. Function as a passageway.
  • the outer support wall 21 may include a first inclined portion 21f that is inclined with respect to the wall surface 13 of the combustion cylinder 10 in a direction toward the inlet 11 of the combustion cylinder 10. And a second inclined portion 21r which is inclined with respect to the wall surface 13 of the combustion cylinder 10 in the direction toward the outlet 12 of the combustion cylinder 10.
  • the inclination angle ?? f between the first inclined portion 21f and the wall surface 13 is formed in a range of about 20 to 60 degrees.
  • the inclination angle ?? r between the second inclined portion 21r and the wall surface 13 is formed in a range of about 10 to 90 degrees.
  • first inclined portion 21f and the second inclined portion 21r of the outer support wall 21 are connected by a connecting portion 21m extending in parallel with the wall surface 13.
  • the additional injection unit 40 is disposed at the connecting portion 21m.
  • the outer support wall 21 also has a first inclined portion 22f and a second inclined portion extending parallel to each of the first inclined portion 21f and the second inclined portion 21r of the outer support wall 21 ( 22r).
  • the combustion space of the combustion cylinder 10 includes the fuel and the protrusion 20 in which the exhaust gas generated after the fuel injected by the injection unit 30 is burned is injected by the additional injection unit 40.
  • the first region C1 on the upstream side and the second region C2 on the downstream side of the first region C1 are first partitioned in the direction toward the inlet 11 by colliding with the air injected therethrough.
  • the fuel injected by the additional injection unit 40 travels downstream from the first region C1, and the secondary gas is secondarily recycled in the direction toward the inlet 11 after combustion.
  • FIG. 5 is an explanatory view schematically showing the flow of fluid due to the combustion action occurring in the combustor of FIG. 1
  • FIG. 6 schematically shows the flow of fluid due to the combustion action of the combustor in the section VI-VI of FIG. 5. It is explanatory drawing shown.
  • combustion of fuel injected from the injection unit 30 is performed.
  • the exhaust gas generated by the combustion of the fuel injected from the injection unit 30 collides with the fuel injected from the additional injection unit 40 and the air introduced from the protrusion 20, thereby inducing the inlet 11. Recirculation is effected towards recycling.
  • the fuel injected from the injection unit 30 burns in the first region C1, and the first recycle stream f1 of the generated exhaust gas, and the fuel and the protrusion injected from the additional injection unit 40.
  • the dilution fuel stream f2 through which the air introduced at 20 flows is shown.
  • a second recycle stream f3 in which exhaust gas generated after the fuel injected from the additional injection unit 40 is burned in the second region C2 is recycled, and the second region C2 from the first region C1.
  • a third recycle stream f4 is shown in which a portion of the exhaust gas introduced into it is recycled back in the direction towards the first region C1.
  • region A in the cross section of the combustion cylinder 10 in the longitudinal direction, the region A is marked as 'A', and the protrusion 20 and the additional injection unit 40 are not installed in the combustion cylinder 10. Areas not shown. Region A provides a passage in a direction from the first region C1 shown in FIG. 5 to the downstream second region C2 so as to form an improved recirculation flow inside the combustion vessel 10.
  • the area (B area) indicated by 'B' is a dilution in which fuel injected by the additional injection unit 40 and air introduced through the protrusion 20 are mixed.
  • the fuel collides with the flow of the exhaust gas of the first region C1 and at the same time serves as a passage for delivering the combustion dispersion generated by the additional injection unit 40 to the first region C1. Therefore, region A serves as the outlet of the recycle stream, while region B serves as the inlet to allow combustion byproducts to enter the first region C1.
  • FIG. 7 is a side view schematically showing the structure of a combustor according to another embodiment.
  • the combustor according to the embodiment shown in FIG. 7 is designed for comparison with the structure of a conventional combustor, and the structure of the protrusion 20 is modified from the structure of the protrusion of the combustor according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 6.
  • the structure of the protrusion of the combustor according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 6 is designed as a double layer structure
  • the protrusion is designed as a single layer structure.
  • the combustor according to the embodiment shown in FIG. 7 is formed in a tubular shape and has a combustion chamber 10 having a combustion space therein for combustion of fuel, and a combustion cylinder 10 through an inlet 11 of the combustion cylinder 10.
  • An additional injection unit 40 for injecting fuel into the furnace is provided.
  • a premix chamber 50 is installed at the inlet 11 of the combustion cylinder 10.
  • the injection unit 30 installed in the preliminary mixing chamber 50 the fuel is introduced into the combustion cylinder 10 through the inlet 11 of the combustion cylinder 10, and combustion occurs.
  • the combustion cylinder 10 has a protrusion 20 in which a part of the wall surface 13 between the inlet 11 and the outlet 12 is projected inward.
  • the protrusion 20 is formed downstream from the inlet 11 when viewed from the flow of fuel flowing into the combustion cylinder 10 through the inlet 11.
  • the protruding portion 20 is a first inclined portion 21f which is inclined toward the inlet 11 of the combustion cylinder 10 with respect to the wall surface 13 of the combustion cylinder 10, and the wall surface 13 of the combustion cylinder 10.
  • the second inclined portion 21r and the first inclined portion 21f and the second inclined portion 21r, which are inclined toward the outlet 12 of the combustion cylinder 10, are connected to the additional injection unit 40.
  • positioned is provided.
  • the inclination angle ?? f between the first inclined portion 21f and the wall surface 13 is formed in a range of about 20 to 60 degrees.
  • the inclination angle ?? r between the second inclined portion 21r and the wall surface 13 is formed in a range of about 10 to 90 degrees.
  • the protrusion 20 has a plurality of air holes 20b for allowing outside air of the combustion cylinder 10 to flow into the interior of the combustion cylinder 10.
  • Fig. 8 is a distribution diagram showing the distribution of the flow of the combustion gas of Comparative Example 1 in which a dilution fuel injector is provided on the downstream side wall of a standard can type combustor.
  • the standard canned combustor of Comparative Example 1 shown in FIG. 8 was designed in the same manner as the overall structure of the combustion tank 10 of FIG. 7, and the dilution fuel injector 140a was installed on the downstream wall of the standard canned combustor.
  • Fig. 9 is a distribution diagram showing the distribution of the flow of combustion gas of Comparative Example 2 in which a dilution fuel injector is provided on an upstream side wall of a standard can type combustor.
  • the canned combustor of Comparative Example 2 shown in FIG. 9 is designed to be generally identical to the structure of the combustion cylinder 10 of FIG. 7, and the dilution fuel injector 140a of the canned combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8 is installed.
  • the dilution fuel injector 140b was installed in the wall surface of the upstream standard can combustor.
  • FIG. 10 is a distribution diagram illustrating a distribution of a flow of combustion gas of the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 10 shows the results of experiments in which the same conditions are set in the combustor of FIG. 7 and Comparative Example 1 of FIG. 8 and Comparative Example 2 of FIG. 9. 8, 9, and 10 the same swirler structure is applied.
  • FIG. 8 shows the result that only a primary re-circulation zone is formed in the internal space of the combustor.
  • 9 shows that the fuel injected from the diluted fuel injector 140b collides with the primary re-circulation flow due to the installation of the diluted fuel injector 140b on the upstream side as compared with Comparative Example 1 of FIG. 8. Very weak secondary re-circulation flow is shown.
  • FIG. 10 shows that the fuel injected from the additional injection unit 40 disposed in the projection 20 of FIG. 7 collides with the primary re-circulation flow, thereby forming a strong secondary re-circulation zone. It is formed, showing the state that the fuel injected from the additional injection unit 40 is introduced into the secondary recycle flow region.
  • improved combustion gas recirculation action is achieved by the combustor according to the embodiment shown in FIG. 7.
  • FIG. 11 is a flow chart showing the flow of the combustion gas of Comparative Example 2 of FIG. 9 as an arrow
  • FIG. 12 is a flow chart showing the flow of the combustion gas in the area including the additional injection unit of the combustor of FIG. 13 is a flowchart showing the flow of the combustion gas in the region where the additional injection unit of the combustor of FIG. 7 is not installed.
  • the exhaust gas generated by the combustion of fuel injected at the inlet of the combustor is mostly discharged in the direction of the outlet along the central axis in the longitudinal direction of the combustor.
  • the fuel injection action of the diluted fuel injector installed on the wall of the combustor generates a weak recycle flow, but most of the exhaust gas is discharged along the wall of the combustor toward the outlet. Therefore, in Comparative Example 1, it can be confirmed that the recycle flow of the exhaust gas is not greatly improved by the dilution fuel injector installed on the wall of the combustor.
  • FIG. 12 the flow of the combustion gas in the cross section in which the additional injection units are installed is illustrated, and in FIG. 13, the flow of the combustion gas in the area where the additional injection units are not installed, that is, the space between the additional injection units, is illustrated. Shown.
  • the fuel injected from the additional injection unit collides with the primary re-circulation flow to form a strong secondary re-circulation zone, so that the additional injection unit ( A strong flow is formed where the fuel injected at 40 enters the secondary recycle flow zone.
  • a portion of the exhaust gas flows toward the outlet along the wall surface of the combustor in the region where the additional injection unit is not installed, that is, the space between the additional injection units.
  • FIG. 14 illustrates a distribution of a mixture ratio of fuel and air injected by the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8
  • FIG. 15 illustrates a distribution of a mixture ratio of fuel and air injected by the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • FIG. 16 illustrates a distribution of a mixing ratio of fuel and air injected in the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 17 is a distribution diagram illustrating a temperature distribution of the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and FIG. 18 is a distribution diagram illustrating a temperature distribution of the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9.
  • 19 is a distribution diagram illustrating a temperature distribution of the combustor of FIG. 7.
  • the comparative example 1 is 0.234
  • the comparative example 2 is 0.162
  • the combustor of FIG. 7 has a value of 0.027.
  • the pattern factor is defined as (Tmax-Tmean) / (Tmean-Tinlet).
  • Tmax is the highest temperature
  • Tmean is the average temperature
  • Tinlet is the inlet temperature
  • FIG. 20 is a distribution diagram illustrating the nitrogen oxide distribution of the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8
  • FIG. 21 is a distribution diagram illustrating the nitrogen oxide distribution of the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9, and
  • FIG. 22 is a diagram of the combustor of FIG. 7. A distribution chart showing the distribution of nitrogen oxides.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 the distribution of similar nitrogen oxides was confirmed. Referring to FIG. 21, it can be found that in Comparative Example 2, the distribution of nitrogen oxides is slightly improved downstream of the dilution fuel injector.
  • FIG. 23 is a distribution diagram illustrating the distribution of carbon monoxide in the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8
  • FIG. 24 is a distribution diagram illustrating the distribution of carbon monoxide in the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9,
  • FIG. 25 is a diagram illustrating carbon monoxide in the combustor of FIG. It is distribution map showing distribution.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 a similar distribution of carbon monoxide was confirmed. Referring to the distribution of carbon monoxide in the combustor of FIG. 7 illustrated in FIG. 25, it can be seen that a secondary reaction zone is formed in the secondary recirculation zone inside the combustor.
  • FIG. 26 is a graph comparing flow rates of combustion gases of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9, and FIG. 27 is a comparison between the combustor of FIG. 7 and FIG. 8.
  • 9 is a graph comparing pressure changes between the combustor of Example 1 and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9, and FIG. 28 is a combustion gas of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9. This is a graph comparing the recycle flow rate.
  • Case A corresponds to Comparative Example 1
  • Case B corresponds to Comparative Example 2
  • Case C corresponds to the combustor of FIG. 7.
  • the axial velocity becomes faster after dilution fuel injection by the additional injection unit in the result by the combustor of FIG. 7.
  • FIG. 29 is a graph comparing temperature distributions of the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9, and FIG. 30 is a combustor of FIG. 9 is a graph comparing the distribution of carbon monoxide in the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9, and FIG. 31 illustrates the distribution of nitrogen oxides in the combustor of FIG. 7, the combustor of Comparative Example 1 of FIG. 8, and the combustor of Comparative Example 2 of FIG. 9. It is a graph comparing.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 show similar graph profiles. Referring to FIG. 31, Comparative Example 2 shows a lower level of nitrogen oxide distribution than Comparative Example 1. FIG. However, referring to FIG. 30, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 show similar levels of carbon dioxide distribution.
  • the nitrogen oxide distribution is greatly improved in the result of the combustor of FIG. 7, and it shows that the carbon monoxide distribution is low, but more time is required for exhaustion of carbon monoxide.
  • the flameless combustion (mild combustion) action can be implemented in the combustor due to the improved exhaust gas recycle flow action of the combustor. This can significantly reduce emissions of combustion emissions.
  • a passage may be formed in which the gas flow in the first region in which the main combustion action takes place can flow to the second region on the downstream side.
  • the additional injection unit is disposed in the projection of the combustion cylinder to inject the diluted fuel, the flow of the diluted fuel can flow to the second region on the downstream side at the same time as the collision of the gas of the main recycle flow region and the flow of the diluted fuel.
  • the diluted fuel injected from the further injection unit may cause a combustion reaction in the second region on the downstream side and then form a recycle flow back to the first region on the upstream side.
  • Embodiments relate to a combustor with increased gas recirculation flow to improve combustion performance and low pollution combustion.

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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
실시예들은 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 재순환 흐름이 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.
(특허문헌 1) 공개특허공보 제2010-0061538호 (2010.06.07.)
(특허문헌 2) 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(??f)은 약 20 내지 60도의 사이의 범위에서 형성된다. 제2 경사부(21r)와 벽면(13)의 사이의 경사각(??r)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(??f)은 약 20 내지 60도의 사이의 범위에서 형성된다. 제2 경사부(21r)와 벽면(13)의 사이의 경사각(??r)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.
실시예들은 가스 재순환 흐름이 증가되어 연소 성능이 향상되며 저공해 연소가 이루어지는 연소기에 관한 것이다.

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 구비하는, 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 추가 분사유닛은 상기 연소통의 단면의 원주 방향을 따라 이격되며 복수 개가 배치되는, 연소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 추가 분사유닛은 상기 연소통의 상기 단면을 중심으로 대칭이 되게 배치되는, 연소기.
  4. 제1항에 있어서,
    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.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외측 공기구멍들의 직경이 상기 내측 공기구멍들의 직경보다 크게 형성된, 연소기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연소통의 상기 연소공간은 상기 분사유닛에 의해 분사된 연료가 연소된 후 상기 추가 분사유닛에 의해 분사된 연료 및 상기 돌출부를 통해 주입된 공기와 충돌하여 상기 유입구를 향하여 일차적으로 재순환하는 상류측의 제1 영역과, 상기 추가 분사유닛에 의해 분사된 연료가 상기 제1 영역의 하류측으로 진행하며 연소된 후 상기 유입구를 향하는 방향으로 이차적으로 재순환하는 제2 영역으로 구획되는, 연소기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 영역은 상기 연소통의 길이방향의 중심축을 중심으로 형성되어 상기 제2 영역에서 이루어지는 연소 생성물을 상기 제1 영역으로 전달하고, 상기 제1 영역은 상기 연소통의 상기 중심축에 대해 상기 제2 영역보다 외측을 향해 돌출된 영역에서 형성되는, 연소기.
  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. 제1항에 있어서,
    상기 분사유닛이 결합되며 상기 유입구에 배치되는 예비 혼합챔버와, 상기 예비 혼합챔버에 설치되어 상기 예비 혼합챔버에 공기의 유동을 공급하는 스월러를 더 구비하는, 연소기.
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