KR100905254B1 - 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법 - Google Patents

연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스터빈 연소기 또는 일반 연소기에서 연소실 내부로 주입되는 공기와 연료의 혼합비 변동에 따라 발생하는 불안정 연소 영역을 저감시킴으로써 불안정 연소 영역에 따르는 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있도록 할 뿐만 아니라 특히, 불안정 연소 영역에 따르는 과도한 진동으로 인한 장치의 손상을 최소화할 수 있도록 하는 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치(A)는,
연소기(10)의 연소실(11) 내부로 이어지는 공기 및 연료 주입라인(12)의 공기 주입구(12a) 또는 연료 주입구(12b) 또는 공기 및 연료 혼합 주입구(12c)의 어느 하나에 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 주파수 범위 특히, 저주파 범위에서 공진하는 공진기(20)가 마련되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이고,
본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감방법은,
연소기(10)의 연소실(11) 내부로 공기 및 연료가 주입되는 과정에서 공기 및 연료는 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 주파수 범위 특히, 저주파 범위에서 공진하는 공진기(20)를 거친 이후에 연소실(11) 내부로 주입될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.
연소기, 터빈, 불안정 연소, 진동, 소음, 공진기, 공기, 연료, 주파수, 고주파, 저주파, 손상

Description

연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법{apparatus and method for the decrease of the operating region of combustion instability in a combustor}
본 발명은 연소기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스터빈 연소기 또는 일반 연소기에서 연소실 내부로 주입되는 공기와 연료의 혼합비 변동에 따라 발생하는 불안정 연소 영역을 저감시킴으로써 불안정 연소 영역에 따르는 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있도록 할 뿐만 아니라 특히, 불안정 연소 영역에 따르는 과도한 진동으로 인한 장치의 손상을 최소화할 수 있도록 하는 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법에 관한 것이다.
가스터빈의 유무와 무관하게 연소기(10')는 도 7에 도시된 바와 같이 연소실(11') 내부로 이어지되 공기주입구와 연료주입구가 일체로 이루어지는 공기 및 연료 혼합주입구(12c')를 구비하는 공기 및 연료 주입라인(12')를 통해 주입되는 공기 및 연료의 산화과정 즉, 연소를 통해서 에너지를 얻게 된다.
상기와 같은 일반 구조의 연소기(10')는 연소 과정에서 도 8의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프(y축: 연료와 공기의 질량비 수치, x축: 혼합기체(연료와 공기)의 유량 수치, mode3 : 안정 연소 영역, mode2 : 불안정 연소 영역에서 20Hz 이하의 저주파 영역, mode1 : 불안정 연소 영역에서 100Hz 이상의 고주파 영역)에 도시된 바와 같이 안정 연소 영역과 더불어 불안정 연소 영역을 보이게 된다.
연소기(10')의 불안정 연소 영역에서는 상당한 진동과 소음이 발생하게 되는데, 불안정 연소 영역에서 발생하는 진동과 소음은 주변 환경을 산만하게 하며, 과도한 진동은 연소기 자체의 손상을 유발하게 된다.
한편, 불안정 연소 영역에서의 과도한 진동으로 인한 장치의 손상이 장기간 방치될 경우 연소기가 적용된 시스템 전체의 손상으로 이어져 시스템 전체의 가동 중단을 초래할 수 있었던 바, 이를 복구하는데 상당한 시간과 비용이 소요되는 문제가 있었다.
상기의 이유로 해당 업계에서는 연소기의 불안정 연소 영역에서 발생하는 진동 및 소음을 저감할 수 있도록 하는 연소기 불안정 연소 영역에서의 진동 및 소음 저감장치 및 저감방법의 개발이 시도되고 있다.
그 결과의 하나로 연소기 후방에 공진기를 설치함으로써 불안정 연소 영역에서의 고유 주파수 영역을 제거할 수 있도록 하는 방법이 제안된 바 있다.
연소기 후방에 공진기를 설치함으로써 불안정 연소 영역에서의 진동 및 소음을 저감하도록 하는 상기의 방법은 연소기로부터 진동 및 소음의 발생을 사전에 방지할 수 있도록 하는 것이 아니고 연소기에서 진동 및 소음이 발생된 이후에 이를 저감 시키는 것으로서, 공진기를 통해 불안정 연소 영역에서 발생하는 고유 주파수에서 특히, 고주파 영역에 해당하는 100Hz 이상의 주파수 영역을 저감시키는 것에 한정적으로 효과가 있는 것이었다.
물론 이론적으로는 상기와 같은 연소기 후방에 공진기를 설치하는 방법으로도 불안정 연소 영역의 고유 주파수에서 저주파 영역에 해당하는 20Hz 이하의 주파수 범위를 저감 시킬 수는 있으나, 이때에는 공진기의 설계 원리상 그 크기가 연소기보다도 더 커져야 했으므로 연소기 후방에 공진기를 설치하여 불안정 연소 영역에서 특히, 저주파 영역을 저감시킨다는 것은 실질적으로 적용이 곤란한 문제가 있었다.
한편, 연소기의 불안정 연소 영역은 특히, 연소기로 주입되는 공기와 연료의 혼합비 즉, 당량비가 변동에 의해 발생하는 것으로 알려져 있는데, 불안정 연소 영역에서 발생된 에너지가 연소기 외부로 발산되었을 때 100Hz 이상의 고주파 범위에서는 시간이 경과 함에 따라 에너지가 잘게 나누어지므로 주변에 미치는 영향이 미약한 반면 20Hz 이하의 저주파 범위에서는 시간이 경과 하더라도 에너지가 응집되어 전달되므로 주변에 미치는 영향이 커지게 되는바, 불안정 연소 영역에서 저주파 영역으로 인한 장치의 손상이 더 크게 발생하였으므로 해당 업계에서는 불안정 연소 영역에서 특히 저주파 영역을 저감할 수 있도록 하는 연소기의 불안정 연소 영역 저감장치 및 저감방법의 개발이 절실히 요구되고 있으나 결과는 기대치에 미치지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 안출한 것으로, 가스터빈 연소기 또는 일반 연소기에서 연소실 내부로 주입되는 공기와 연료의 혼합비 변동에 따라 발생하는 불안정 연소 영역을 저감시킴으로써 불안정 연소 영역에 따르는 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있도록 할 뿐만 아니라 특히 불안정 연소 영역에 따르는 과도한 진동으로 인한 장치의 손상을 최소화할 수 있도록 하는 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치는,
연소기의 연소실 내부로 이어지는 공기 및 연료 주입라인의 공기 주입구 또는 연료 주입구 또는 공기 및 연료 혼합 주입구의 어느 하나에 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 주파수 범위 특히, 저주파 범위에서 공진하는 공진기가 마련되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이고,
본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감방법은,
연소기의 연소실 내부로 공기 및 연료가 주입되는 과정에서 공기 및 연료는 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 주파수 범위 특히, 저주파 범위에서 공진하는 공진기를 거친 이후에 연소실 내부로 주입될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법은 연소기의 연소실로 주입되는 공기 및 연료가 공기 주입구 또는 연료 주입구 또는 공기 및 연료 혼합 주입구에 설치되는 공진기를 거치되 특히, 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 저주파 범위에서 공진하는 공진기를 거쳐 연소실 내부로 주입되는 것이어서 공진기가 공기와 연료의 혼합비 즉 당량비 변동에 의한 불안정 연소 영역에서 발생되는 고유 저주파를 상쇄하는바, 연소기의 불안정 연소 영역을 저감할 수 있게 되어 불안정 연소 현상에서의 진동 및 소음의 발생을 최소화할 수 있게 되는 것이고, 불안정 연소 현상에서의 과도한 진동으로 인한 장치의 손상을 최소화할 수 있게 되는 것이며, 이로써 연소기가 적용된 시스템 전체를 안정적으로 운용할 수 있게 되는 것이다.
이하, 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치에서 공진기가 공기 및 연료 주입구에 설치된 형태를 보인 단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치에서 공진기가 공기 주입구에 설치된 형태를 보인 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치에서 공진기가 연료 주입구에 설치된 형태를 보인 단면도이고, 도 4는 도 1 조건에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프이며, 도 5는 도 2 조건에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프이고, 도 6은 도 3 조건에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치(A)는 연소기(10)에 공진기(20)가 설치되어 이루어진 것이다.
상기 연소기(10)는 가스터빈 연소기 또는 일반 연소기의 어느 하나로, 그 형태에 관계없이 연소실(11) 전방에 연소실(11) 내부로 공기 및 연료를 주입하기 위한 공기 및 연료 주입라인(12)이 마련된 것이다.
이때, 공기 및 연료 주입라인(12)은 공기 주입구(12a)와 연료 주입구(12b) 또는 공기 및 연료 혼합 주입구(12c)로 이루어지는 것이다.
상기 공진기(20)는 해당 연소기(10) 불안정 연소 영역의 저주파 범위에서 공진할 수 있도록 설계된 것으로, 공기 및 연료 주입라인(12)에 설치되되 공기 주입구(12a) 또는 연료 주입구(12b) 또는 공기 및 연료 혼합 주입구(12c)의 어느 하나에 설치되는 것이다.
이때, 공진기(20)는 해당 연소기 불안정 연소 영역의 저주파 범위에서 공진이 이루어지는 것이되, 더욱 구체적으로는 200Hz 이하에서 공진이 이루어질 수 있도록 된 것이다.
한편, 공진기가 200Hz 이하에서 공진할 수 있도록 하는 것은 공진기를 설계할 때 아래의 공식을 따름으로써 달성할 수 있게 된다.
Figure 112007079706381-pat00001
<f: 주파수(Hz), C: 음속: 343(m/s), S: 공진기 입구 단면적(m2), L: 공진기 입구 목(neck)의 길이(m), V: 공진기 체적(m3)>
상기의 구성으로 이루어지는 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치(A)에서 연소기(10)의 연소실(11) 내부로 주입되는 공기 및 연료는 연소기 불안정 연소 영역에서의 고유 주파수 영역 특히, 200Hz 이하의 저주파에서 공진하는 공진기(20)를 거쳐야만 연소실(11)로 주입이 이루어질 수 있게 된다.
상기와 같이 연소실(11)로 주입되는 공기 및 연료가 공진기(20)를 거치게 됨으로써 공기 및 연료의 혼합비 변동 즉, 당량비에 변동에 따른 불안정 연소 영역이 형성된다 하더라도 공진기(20)의 공진에 의해 불안정 연소 영역에서 저주파 영역을 형성하는 상당부분이 상쇄되므로 불안정 연소 영역을 현저히 저감할 수 있게 되는 것이다.
한편, 공진기(20)는 공기 및 연료 주입라인(12)의 공기 주입구(12a) 또는 연료 주입구(12b) 또는 공기 및 연료 주입구(12a, 12b)에 설치되는데, 공기 및 연료 주입라인(12)에 공진기가 설치됨으로써 공기 및 연료 주입라인에 공진기가 설치되어 있지 않은 일반 연소기에 비해 월등한 불안정 연소 영역 저감 효과를 달성할 수 있게 된다.
여기서 공진기(20)는 도 4 내지 도 6의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프(y축: 연료와 공기의 질량비 수치, x축: 혼합기체(연료와 공기)의 유량 수치, mode3 : 안정 연소 영역, mode2 : 불안정 연소 영역에서 200Hz 이하의 저주파 영역, mode1 : 불안정 연소 영역에서 100Hz 이상의 고주파 영역)에 도시된 바와 같이 설치 위치에 따라 불안정 연소 영역 저감 효과에 차이를 갖게 되는데, 연료 주입구(12b)에 공진기(20)를 설치하는 경우 가장 큰 불안정 연소 영역 저감 효과를 얻을 수 있게 되고, 공기 및 연료 주입구(12c)에 공진기(20)를 설치하는 경우 연료 주입구(12b)에 공진기(20)를 설치하는 것에 비해서는 떨어지나 공기 주입구(12a)에 공진기(20)를 설치하는 것에 비해서는 비교적 우수한 불안정 연소 영역 저감 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기와 같이 공진기(20)의 설치 위치에 따라 불안정 연소 영역 저감 효과가 달라지는 것은 공기와 연료의 혼합비(연료가 프로판(C3H8)일 경우 대략 24 : 1의 비율임)가 일정하게 유지될 때 공진기에 의한 공진 효과는 성분비가 낮을수록 더 크게 영향을 미치기 때문이며, 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치 및 저감방법은 상기와 같이 공기 및 연료 주입라인(12)에 설치되는 공진기(20)를 통해 연소기의 불안정 연소 영역에서 특히, 저주파 영역을 현저히 저감할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 안에서 변경 가능한 것이며, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치에서 공진기가 공기 및 연료 주입구에 설치된 형태를 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치에서 공진기가 공기 주입구에 설치된 형태를 보인 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치에서 공진기가 연료 주입구에 설치된 형태를 보인 단면도.
도 4는 도 1 조건에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프.
도 5는 도 2 조건에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프.
도 6은 도 3 조건에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프.
도 7은 공진기가 설치되지 않은 일반 연소기의 구조를 보인 단면도.
도 8은 일반 연소기에서의 안정화 선도 실험 결과를 보인 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 10' : 연소기 11, 11' : 연소실
12, 12' : 공기 및 연료 주입라인 12a : 공기 주입구
12b : 연료 주입구 12c : 공기 및 연료 혼합 주입구
20 : 공진기 A, A' : 저감장치

Claims (3)

  1. 공진기를 이용하여 연소시의 소음 및 진동을 저감하는 것에 있어서,
    연소기의 연소실 내부로 이어지는 공기 및 연료 주입라인의 공기 주입구 또는 연료 주입구 또는 공기 및 연료 혼합 주입구의 어느 하나에 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 주파수 범위 특히, 저주파 범위에서 공진하는 공진기가 마련되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는 해당 연소기 불안정 연소 영역의 저주파 영역에서 공진하는 것이되, 특히 200Hz 이하에서 공진하는 것을 특징으로 하는 불안정 연소 영역에 대한 저감장치.
  3. 연소기의 연소실 내부로 공기 및 연료가 주입되는 과정에서 공기 및 연료는 해당 연소기 불안정 연소 영역에서의 주파수 범위 특히, 저주파 범위에서 공진하는 공진기를 거친 이후에 연소실 내부로 주입될 수 있도록 함으로써 연소실로 투입되는 연료와 공기의 혼합비 조절을 통해 불안정한 연소 영역을 감소시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연소기의 불안정 연소 영역에 대한 저감방법.
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