KR100715027B1 - 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료와 공기가 유입되는 입구부와, 그 입구부에 연결되며 상기 입구부의 유동단면적보다 더 넓은 유동단면적을 갖는 연소실을 가지며, 상기 연료가 연소되는 연소기(combustor)에 있어서, 상기 입구부와 상기 연소실의 경계에는, 그 경계선을 따라 복수의 돌출부가 마련되어 있는 점에 특징이 있다.

Description

연소기{combustor}

도 1은 종래의 연소기의 단면도이다.

도 2는 유동방향으로 낮아지는 계단이 있는 곳에서의 재부착위치와 재순환영역을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 연소기의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 연소기의 효과를 확인하기 위한 실험의 개략도이다.

도 6은 도 5에 도시한 실험의 결과를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소기의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200.....연소기 10.......입구부

20, 40.......연소실 30.......돌출부

41...........경사부 42.......연장부

본 발명은 연소기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소기의 내부에서 연 료와 공기가 잘 혼합되어 연소됨으로써, 연소기의 연소효율을 향상시키고 유해 배기가스의 방출을 감소시키도록 구조가 개선된 연소기에 관한 것이다.

가스터빈이나 제트엔진 등의 동력발생기관은 천연가스 등의 탄화수소 연료와 공기의 혼합물을 연소기 내부에서 연소시켜 동력을 발생시킨다.

이러한 연소기의 내부에서 연소되는 연료는 공기와 균일하게 혼합된 상태로 연소되어야 그 열효율이 높아진다. 따라서, 연소기에 공급되는 연료와 공기가 얼마나 균일하게 잘 혼합되느냐는 연소기의 열효율 측면에서 매우 중요하다.

연료와 공기가 잘 혼합되지 않는 경우, 불완전 연소가 일어나게 되고 그로 인해 연소기의 열효율은 낮아질 뿐만 아니라 불완전 연소로 인해 유해한 배기가스가 배출되어 대기 환경을 오염시키는 문제를 발생시키게 된다.

한편, 일반적인 연소기는, 도 1에 도시한 바와 같이, 연료와 공기가 유입되는 입구부(2)를 가지고 있으며, 상기 입구의 유동단면적보다 더 큰 유동단면적을 갖는 연소실(3; combustion chamber)을 갖는 것이 일반적이다. 상기 입구부(2)로 유입되는 연료와 공기는 상기 입구부(2)와 연소실(3)을 거치면서 서로 혼합되어 연소된다.

도 1에 도시된 연소기(1)와 같이, 유동단면적이 확장되는 연소기(1) 내부의 유동은, 도 2에 도시한 바와 같이 후향계단형으로 형성된 지면 위의 유동으로 근사화할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 계단(6)을 만나기 전까지 지면에 접하여 흐르던 유체는 계단(6)에 도달하면 그 계단(6)으로부터 박리되어 흐르게 되고, 그 계단(6)으로부터 유동방향으로 어느 정도 거리가 떨어진 위치에서 다시 지면에 접 하여 흐르게 된다. 이와 같이 계단위치에서 지면으로부터 박리된 유동이 지면에 대해 다시 접하게 되는 위치를 재부착위치(5; reattachment region)라고 하며, 박리가 시작된 위치와 재부착위치(5) 사이의 거리를 재부착길이(L; reattachment length)라고 한다. 한편, 상기 계단에서 박리되어 흐르는 유동의 아래쪽에는 제자리를 맴도는 와류가 발생하는데, 이와 같은 와류가 발생하는 영역을 재순환영역(4; recirculation region)이라고 한다. 재순환영역(4) 내의 유동은 제자리를 맴돌기 때문에 주위의 유동과 섞이지 않게 된다.

도 1에 도시된 바와 같은 연소기(1)에 있어서도, 입구부(2)로 유입된 연료와 공기가 연소실(3)로 흐르면서 입구부(2)의 내벽으로부터 박리되는 현상이 일어난다. 앞에서 설명한 바와 같이, 입구부(2)와 연소실(3)을 가진 연소기(1)에서도 재순환영역이 발생하는데, 이러한 재순환영역 내의 유동은 주위의 유동과 섞이지 않기 때문에, 상기 연소기(1) 내부에서 연료와 공기의 전체적인 혼합효율은 감소하게 된다. 즉 이러한 재순환영역의 발생으로 연소기 내부에서 공기와 혼합된 연료의 분포는 불균일하게 되어 연소효율도 떨어지고, 불완전연소가 발생하여 유해한 배기가스의 배출도 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 공기와 혼합된 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 연소기에 있어서, 연소기의 내부로 유입되는 연료와 공기가 서로 잘 혼합되도록 함으로써, 연소기의 연소 효율을 향상시키고 유해배기가스의 배출을 감소시킬 수 있도록 구조가 개선된 연소기를 제공함에 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연소기는, 연료와 공기가 유입되는 입구부와, 그 입구부에 연결되며 상기 입구부의 유동단면적보다 더 넓은 유동단면적을 갖는 연소실을 가지며, 상기 연료가 연소되는 연소기에 있어서, 상기 입구부와 상기 연소실의 경계에는, 그 경계선을 따라 복수의 돌출부가 마련되어 있는 점에 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 연소기의 단면도이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 본 실시예의 연소기(100)는 입구부(10)와 연소실(20)과 복수의 돌출부(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 입구부(10)는 연료와 공기가 유입되는 곳으로 그 유동단면이 원형으로 되어 있으며 연료와 공기가 함께 유입되는 곳이다. 일반적으로 기체상태의 연료가 상기 입구부(10)를 통하여 유입되나 액체상태의 연료도 유입될 수 있으며, 이 경우 액체상태의 연료는 노즐 등을 통하여 분무되어 유입된다.

상기 연소실(20)은 상기 입구부(10)에 연결되며, 상기 입구부(10)의 유동단면적보다 더 큰 유동단면적을 갖도록 형성되어 있다. 또한, 상기 연소실(20)의 유동단면적은 원형으로 되어 있다. 상기 입구부(10)로 공기와 함께 유입된 연료는 그 입구부(10)와 상기 연소실(20)을 따라 이동하면서 공기와 혼합된다.

상기 돌출부(30)들은 상기 입구부(10)와 상기 연소실(20)의 경계선상에 서로 동일한 간격을 갖도록 배치되어 있다. 상기 돌출부(30)는, 상기 입구부(10)로 유입되는 연료와 공기의 유동이 상기 입구부(10)와 연소실(20)의 경계선상에서 상기 입구부(10)의 내벽으로부터 박리되어 상기 연소실(20)의 내벽에 재부착되는 위치까지의 거리를, 즉 재부착길이를, 감소시켜 상기 연료와 공기의 혼합효율을 높이기 위한 것이다.

본 실시예에 따른 상기 돌출부(30)는 사각판형상으로 되어 있으며, 상기 돌출부(30)의 돌출높이(a)는 상기 입구부(10)의 유동단면의 반지름과 상기 연소실(20)의 유동단면의 반지름의 차이의, 즉 반경차(d)의 0.1배 내지 0.3배인 것이 바람직하다. 상기 돌출부(30)의 돌출높이(a)가 반경차(d)의 0.1배보다 작으면 본 발명에 따른 효과를 갖기 어렵고 0.3배보다 큰 경우에는 0.3배인 경우에 비해 연료와 공기의 혼합 효과가 크게 증가 되지 않기 때문이다.

또한, 상기 돌출부(30)의 폭(b)은 상기 반경차(d)의 0.2배 내지 0.5배인 것이 바람직하다. 상기 돌출부(30)의 폭(b)이 상기 반경차(d)의 0.2배보다 작은 경우에는 본 발명에 따른 효과를 거두기 어렵고, 0.5배보다 큰 경우에는 0.5배인 경우에 비해 연료와 공기의 혼합 효과가 크게 증가 되지 않기 때문이다.

또한, 상기 돌출부(30)들 사이의 간격은 상기 반경차(d)의 1.5배 내지 3배인 것이 좋다. 상기 돌출부(30)들 사이의 간격이 상기 반경차(d)의 1.5배보다 작은 경우에는 오히려 공기혼합의 효과가 더 떨어지게 되며, 3배보다 큰 경우에도 본 발명에 따른 연료와 공기의 혼합효과가 크지 않기 때문이다.

한편, 상기 입구부(10)와 연소실(20)의 경계선상에서 상기 돌출부(30)의 돌출방향과 상기 연료와 공기의 유동방향 사이의 각도(θ)는 45° 내지 90°인 것이 바람직하다. 상기 돌출부(30)의 돌출방향과 상기 연료와 공기의 유동방향 사이의 각도(θ)가 45°보다 작으면 상기 돌출부(30)에 의해 발생하는 유동방향의 와류의 세기가 줄어들어 혼합효과가 떨어지게 되고 90°보다 큰 경우에도 혼합효과가 떨어지게 된다.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 연소기(100)의 기능에 대해 설명하기로 한다.

입구부(10)로 유입되는 연료와 공기의 유동은 그 유동단면이 원형으로 되어 있는 입구부(10)의 형상으로 인해 유동방향과 반경방향으로만 유동속도에 변화가 있고 원주방향으로는 유동의 변화가 거의 없기 때문에 2차원적 유동으로, 즉 축대칭 유동으로, 근사화할 수 있다. 이와 같은 2차원적 유동의 특성이 갖는 연료와 공기의 유동이 상기 돌출부(30)의 위치에 도달하면, 상기 돌출부(30)로 인해 상기 돌출부(30)의 테두리에서 상기 공기와 연료의 유동방향을 따라 와류가 발행하게 된다. 이와 같은 상기 돌출부(30)의 영향으로 인해, 상기 연료와 공기의 유동에는 유동단면의 원주방향을 따라 속도차가 발생하면서 3차원적 특성을 가지는 유동으로 변화하게 된다.

상술한 이유로 인해, 상기 연료와 공기의 유동은 상기 돌출부(30)를 거치면서 2차원적 유동이 3차원적 유동으로 변화하면 위치에 따른 유동의 특성 변화가 더욱 격렬해지므로, 상기 연료와 공기는 더욱 잘 섞이게 되고 상기 입구부(10)와 상 기 연소실(20)의 유동단면적 차에 의해 발생하는 유동의 재순환영역도 감소하게 된다. 즉, 유동의 재부착길이가 감소하게 되는 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 연소기(100)에 의해 연료와 공기의 혼합효율이 향상되는 효과는 다음 실험을 통해서도 확인할 수 있다.

본 실시예의 연소기(100) 내에서의 연료와 공기의 유동은, 도 5에 도시한 바와 같은 후향계단형으로 형성되고, 계단의 선단부에 돌출부(30)가 형성되어 있는 형태의 구조물 위로 흐르는 유동으로 근사화할 수 있다.

일반적으로 연소기 내부 유동의 레이놀즈 수는 10,000에서 1,000,000사이의 값을 가지게 되며, 완전 발달된 난류경계층 유동에 대하여는 레이놀즈 수의 변화에 따른 후향계단 유동 특성의 변화가 거의 없으므로 다음과 같은 실험으로 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 실시예의 효과를 확인해 볼 수 있다.

본 실험을 위한 구조물의 계단의 높이(h)는 본 실시예의 상기 반경차(d)에 대응되는 것이며, 그 계단의 높이(h)는 30mm이고, 돌출부(30)들은 2.33h의 간격으로 배치되어 있다. 돌출부(30)는 돌출높이(a)가 0.3h, 폭(b)이 0.3h인 사각판 형상이다. 유입되는 유동의 자유유동속도는 12m/s이며 완전 발달된 난류경계층 유동으로 계단의 높이(h)에 대한 레이놀즈수는 24,000이다.

위와 같은 조건에서 실험한 결과는 도 6에 도시되어 있다. 도 6은 돌출부(30)가 없을 때의 재부착길이(x_R)와 돌출부(30)가 추가된 경우의 재부착길이(x_R)를 도시한 것이다. 도 6에 실선으로 도시된 선은 돌출부(30)가 없는 경우의 재부착길 이(x_R)를 계단의 높이(h)로 나눈 값이며, 점선으로 도시된 것은 돌출부(30)가 있는 경우의 재부착길이(x_R)를 계단의 높이(h)로 나눈 값이다. 인접하는 돌출부(30)들의 중심과 중심 사이의 거리를 λ라고 하면, 돌출부(30)의 중심의 변위(z_c)에 대해 재부착길이(x_R)를 측정한 위치의 변위(z)를 계단의 높이(h)로 나눈 값(z/h)이 가로축이고, 재부착길이(x_R)를 계단의 높이(h)로 나눈 값(x_R/h)이 세로축에 해당한다. 도 6을 참조하면, 돌출부(30)가 없는 경우의 재부착길이(x_R)에 비해 돌출부(30)가 추가된 경우의 재부착길이(x_R)는 최대 80% 정도까지 감소되며, 평균적으로는 약 40% 정도 감소되는 것을 알 수 있다.

이와 같이 유동의 재부착길이(x_R)가 감소하면 연료와 공기의 혼합효율이 더욱 향상되어, 연료의 연소효율이 증가하고 결과적으로 연소기(100)의 연소성능이 좋아진다. 또한, 공기와의 혼합이 잘 이루어진 연료가 연소하는 경우에는 연료의 불완전연소로 발생하는 배기가스의 양도 대폭 감소하여 환경오염을 방지하는데 기여하게 된다.

이상, 본 발명에 대해 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 연소기(100)가 앞에서 설명되고 도면에 도시된 형태의 구조로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 앞에서 상기 입구부(10)와 연소실(20)은 그 유동단면이 원형인 것으로 설명하였으나, 타원형이 될 수도 있고, 다각형 형상이 될 수도 있다.

또한, 앞에서 상기 돌출부(30)의 돌출높이(a)는 상기 반경차(d)의 0.1배 내 지 0.3배이고, 상기 돌출부(30)의 폭(b)은 상기 반경차(d)의 0.2배 내지 0.5배이며, 상기 돌출부(30)들 사이의 간격은 상기 반경차(d)의 1.5배 내지 3배인 것으로 설명하였으나, 이러한 범위를 벗어나는 돌출부를 가진 연소기도 구성할 수 있다.

또한, 상기 돌출부(30)는 사각판형상인 것으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 돌출부는 상기 입구부(10)와 연소실(20)의 경계선에서 돌출된 형상이면 어느 형상이나 가능하다. 예컨대, 삼각판 형상의 돌출부를 구성하는 것도 가능하다.

또한, 상기 연소실(20)은 유동단면적이 일정한 것으로 설명하였으나, 유동방향을 따라 유동단면적이 증가하거나 감소하는 연소실(20)도 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연소기는 도 7에 도시한 것과 같은 형상으로 구성할 수도 있다. 도 7에 도시된 연소기(200)는 도 3에 도시된 연소기(100)와 동일한 입구부(10)와 돌출부(30)를 가지며, 연소실(40)은 경사부(41)와 연장부(42)를 포함하여 구성된다. 상기 경사부(41)는 상기 입구부(10)의 유동방향 단부에 연결되며 상기 연료와 공기의 유동방향으로 진행할수록 그 유동단면적이 증가하도록 형성되어 있다. 상기 연장부(42)는 상기 경사부(41)의 유동방향 단부에 연결되어 유동방향을 따라 유동단면적이 일정하도록 형성되어 있다. 이와 같은 형상의 연소기(200)에서도, 상기 입구부(10)로 유입된 연료와 공기는 상기 돌출부(30)에 의해 3차원적 유동으로 발전하여 짧은 재부착길이를 갖게 되고, 연료와 공기의 혼합효율도 좋아지게 된다.

본 발명은 상기 실시예를 통하여 설명한 바와 같이 연소기의 구조를 개선하 여, 연소기 내부로 유입되는 연료와 공기의 혼합이 매우 잘 이루어지도록 함으로써, 연소기의 연소효율을 향상시키고 유해한 배기가스의 배출을 감소시키는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 연료와 공기가 유입되는 입구부와, 그 입구부에 연결되며 상기 입구부의 유동단면적보다 더 넓은 유동단면적을 갖는 연소실을 가지며, 상기 연료가 연소되는 연소기에 있어서,

   상기 입구부와 상기 연소실의 경계에는, 그 경계선을 따라 복수의 돌출부가 마련되어 있으며,

   상기 각 돌출부는 상기 입구부에서의 상기 연료의 유동방향과 45°내지 90°의 각을 이루도록 돌출되고,

   상기 입구부 및 연소실은 각각 그 유동단면이 원형이고,

   상기 돌출부들은 서로 동일한 간격으로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 연소기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소실은, 상기 입구부에 연결되며 상기 입구부로부터 상기 연료와 기체의 유동방향으로 진행할수록 그 유동단면적이 증가하는 경사부와, 그 경사부에 연결되며 일정한 유동단면적을 가지는 연장부를 포함하며,

   상기 돌출부의 높이는 상기 입구부의 유동단면의 반지름과 상기 연장부의 유동단면의 반지름 차이의 0.1배 내지 0.3배이고,

   상기 돌출부의 폭은 상기 입구부의 유동단면의 반지름과 상기 연장부의 유동단면의 반지름 차이의 0.2배 내지 0.5배이고,

   상기 돌출부들 사이의 간격은 상기 입구부의 유동단면의 반지름과 상기 연장부의 유동단면의 반지름 차이의 1.5배 내지 3배인 것을 특징으로 하는 연소기.
5. 제 1 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌출부는 사각판형상인 것을 특징으로 하는 연소기.
6. 제 1 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌출부는 삼각판형상인 것을 특징으로 하는 연소기.

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