KR101539007B1 - 예비혼합 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 발생기를 작동하기 위한 예비혼합 버너에 관한 것으로서, 상기 버너는 적어도 와류 발생기, 상기 와류 발생기의 하류에 있는 혼합 섹션 및 상기 와류 발생기로부터 상기 혼합 섹션 안으로 와류 유동을 전달하기 위한 전이 부재를 구비한다. 본 발명은 또한 이러한 예비혼합 버너를 위한 전이 부재에 관한 것이다. 상기 전이 부재(2)는 와류 발생기(1)에 연결된 입구, 상기 혼합 튜브에 연결된 출구 및 상기 입구와 상기 출구 사이의 연속적인 유동 제한 내부 윤곽부(12)를 포함하고, 적어도 입구 섹션에서, 상기 내부 윤곽부(12)는 상기 혼합 튜브의 내경을 향하여 반경방향의 내향으로 만곡되고, 상기 출구에서 상기 내부 윤곽부(12)는 상기 혼합 튜브의 내부 유동 제한 윤곽부와 동일 높이가 된다.

Description

예비혼합 버너{PREMIX BURNER}

본 발명은 열 발생기를 작동하기 위한 예비혼합 버너에 관한 것으로서, 적어도 와류 발생기, 상기 와류 발생기의 하류에 있는 혼합 섹션 및 상기 와류 발생기로부터 상기 혼합 섹션으로 와류 유동을 전달하기 위한 전이 부재(transition piece)를 갖는 버너에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 예비혼합 버너를 위한 전이 부재에 관한 것이다.

상술한 일반적 유형의 예비혼합 버너는 예로서 EP 704657, EP 780629와 같은 다수의 공보들로부터 공지되어 있다.

이러한 유형의 예비혼합 버너들은 연소 공기 및 가스 및/또는 액체 연료를 원추형 디자인의 와류 발생기 안으로 분사하고, 그 내부에서 혼합하며 연료/공기 혼합물의 와류 유동을 발생시키는 일반적인 작동 원리에 기초하며, 와류 발생기는 연료 및 공기를 위한 접선방향 입구 슬롯들을 형성하기 위하여 상호 중첩부와 조립된 적어도 2개의 원추형 절반 쉘들을 제공한다. 와류 발생기의 하류에는 점화가 이루어지기 전에 연료 및 공기를 균질하게 혼합하기 위한 혼합 섹션이 배열된다. 혼합물의 점화 및 연소는 연소실에서 예비혼합 화염으로 행해진다. 버너로부터 버너 출구에 있는 연소실 안으로 불연속 전이부로 인하여, 와류 유동은 불안정하게 되고 결국 예비혼합 화염이 형성되는 전방 영역에 있는, 중심 재순환 구역을 갖는 환형 유동으로 파괴된다. 예비혼합 화염의 공간 위치는 혼합 구역의 출구에 있는 와류 유동의 공기역학 거동에 의해서 결정된다.

와류 발생기로부터의 유동은 전이 부재를 통해서 혼합 구역 안으로 지향된다.

전이 부재들은 EP 1714081 또는 WO 2006094939에 개시되어 있다. 도 2는 EP 1714081의 도 7과 중복된다. 와류 발생기(1)의 원추 쉘 세그먼트(4)는 예비혼합 버너를 통해서 중심으로 연장되는 버너축(A)에 대해서 배치된다. 원추 쉘(4)은 유동 방향으로 원추형으로 확대되는 와류 공간을 제한한다. 각 경우에 서로 인접하게 배열된 2개의 쉘 세그먼트(4)는 공기 유동이 와류 공간 안으로 침투하는 공기 입구 슬롯(5)을 둘러싼다. 각각의 개별 원추 쉘 세그먼트(4)는 공기 입구 슬롯(5)을 통과하는 유입 공기 유동 안으로 연료를 인가하기 위한 연료 공급 라인(6)을 가진다. 개별 원추 쉘 세그먼트(4)는 전이 부재(2)의 내벽(7) 상의 하류 단부에서 개방된다. 교차부(8)의 라인을 따라, 개별 원추 쉘(4)은 전이 부재(2)의 내벽(7)에 연결된다. 이 벽(7)은 하류 방향으로 원추형으로 테이퍼지는 절두원추형 부분을 포함할 수 있다.

현재의 전이 부재들은 예리한 에지들이 각형 방출 단면으로부터 원형 단면으로 와류 유동을 안내하도록 포함되어야 하는 문제를 공유한다. 과거에는, 이들 전이 부재들은 국부적인 재순환 구역들의 생성에 의해서 저속의 또는 초기 자체 점화의 연속들로 인하여 플래시백(flashback)의 위험성에 대한 주요 인자(contributor)가 되는 것으로 확인되었다. 와류기의 단부 영역의 형상 및 특징들은 전체 버너 견고성에 대한 중요 변수가 된다.

본 발명은 공지된 전이 부재들의 상술한 단점들을 회피하기 위하여 와류 발생기 및 혼합 구역 사이에 있는 전이 부재의 최적화에 촛점이 맞추어진다. 본 발명의 목적은 와류 발생기로부터 혼합 구역 안으로 유동 제한 윤곽부들의 매끄러운 전이를 제공하는 것이다. 본 발명의 이 목적 및 기타 목적들은 독립 청구항들의 주요 요지에 의해서 얻어진다. 유리한 실시예들은 종속 청구항들에서 주어진다.

본 발명은 와류 발생기의 하류 단부를 대체하는 주요 개념에 기초하고, 상기 와류 발생기는 와류기 직경의 증가에 의해서 그리고 반경방향의 전이 섹션의 추가에 의해서, 예리한-에지들 전이 부재(참조, 예로서 EP 1714081, 도 5)를 사용함으로써, 돌출 쉘 후미 에지들을 혼합 구역 안으로 연장시키고, 상기 반경방향 전이 섹션은 상기 슬롯들의 하류 단부에서 유입되는 유동에 반경방향의 속도 성분을 제공하고 혼합 튜브 내벽에 매끄러운 전이를 제공하기 위하여 추가된다.

본 발명의 중요 형태는 열 발생기를 위한 예비혼합 버너에 관한 것으로서, 상기 예비혼합 버너는 필수적으로

● 축방향으로 원추형으로 확대되는 와류 공간을 형성하도록 서로에 대한 상보형이고 축방향의 원추형 길이방향으로 서로 한정하는, 적어도 2개의 버너 쉘들, 연소 공기가 상기 와류 공간 안으로 도입되는 접선방향 슬롯들, 상기 접선방향 슬롯들을 따라 적어도 섹션들에서 배열된 상기 연소 공기 유동 안으로 연료를 공급하기 위한 수단을 갖는, 와류 발생기,

● 점화가 일어나는 연소실 안으로 공기 연료 혼합물을 도입하기 전에 연료 및 연소 공기를 균질하게 혼합하기 위하여, 상기 와류 발생기의 하류에 있는 혼합 튜브,

● 상기 와류 발생기로부터 상기 혼합 튜브 안으로 연소 공기 및 연료의 유동을 전달하기 위하여 상기 와류 발생기 및 상기 혼합 튜브 사이의 전이 부재로서, 상기 와류 발생기에 연결된 입구, 상기 혼합 튜브에 연결된 출구, 및 상기 입구와 상기 출구 사이의 연속적인 유동 제한 내부 윤곽부를 포함하는 상기 전이 부재를 포함하고,

● 적어도 입구 섹션에서 상기 내부 윤곽부는 상기 혼합 튜브의 내경을 향하여 반경방향의 내향으로 만곡되고 상기 출구에서 상기 내부 윤곽부는 상기 혼합 튜브의 내부벽과 동일 높이가 된다.

본 발명의 다른 형태는 예비혼합 버너를 위한 전이 부재에 관한 것으로서, 상기 예비혼합 버너는

● 축방향으로 원추형으로 확대되는 와류 공간을 형성하도록 서로에 대한 상보형이고 축방향의 원추형 길이방향으로 서로 한정하는, 적어도 2개의 버너 쉘들, 연소 공기가 상기 와류 공간 안으로 도입되는 접선방향 슬롯들, 및 상기 접선방향 슬롯들을 따라 적어도 섹션들에서 배열된 상기 연소 공기 유동 안으로 연료를 공급하기 위한 수단을 구비하는, 와류 발생기를 필수적으로 포함하고,

● 그리고 상기 전이 부재는 상기 예비혼합 버너의 상기 와류 발생기의 출구에 연결되도록 구성되고,

● 상기 전이 부재는 내부 통로, 입구, 출구, 및 상기 입구와 상기 출구 사이의 연속적인 유동 제한 내부 윤곽부를 갖는 케이싱을 적어도 포함하고,

● 적어도 상기 입구 섹션에서 상기 내부 윤곽부는 반경방향의 내향으로 만곡된다.

상기 전이 부재의 반경방향의 내향 만곡 입구 섹션은 상기 와류 발생기의 하류 단부에 있는 슬롯들의 선단 에지로부터 개시된다.

상기 수단에 의해서 반경방향의 속도 성분이 연소 공기 및 연료의 유입 유동에 부여된다.

본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 상기 전이 부재의 입구에 있는 상기 내부 윤곽부는 오목형으로 이루어진다.

본 발명의 특정 양호한 실시예에 따라서, 상기 전이 부재의 입구에 있는 상기 내부 윤곽부는 원형 아크 프로파일로 이루어진다.

이러한 조치의 장점은 단순한 디자인이다.

본 발명의 일 형태에 따라서, 상기 유동 제한 내부 윤곽부의 반경방향의 내향 만곡 섹션은 상기 전이 부재의 출구까지 연장되고, 상기 혼합 튜브의 내경과 동일 높이가 된다.

본 발명의 다른 형태에 따라서, 상기 내부 윤곽부의 반경방향의 내향 만곡 섹션은 상기 출구의 상류에 있는 섹션에서 종결되고, 그리고 상기 상류 섹션에서 상기 내부 윤곽부는 일정한 직경으로 상기 출구로 연속된다.

본 발명은 유동 경로에서 국부적인 재순환 및 저속 영역을 방지하기 위하여 상기 버너의 개선사항들에 촛점이 맞추어지고, 그에 의해서 플래시백의 위험성을 감소시킨다. 상기 전이 부재의 내부 윤곽부의 이음부(run)는 갑작스런 굴곡 지점을 갖지 않으므로, 유동 분리의 위험성을 피할 수 있는 것이 핵심 사항이다. 이는 특히 중간 또는 큰 반응성 연료들로 버너를 작동시킬 때 중요한 장점이다.

개시된 전이부의 기하학적 형태는 조기 점화의 위험성이 최소화되도록 혼합 튜브의 중심을 향한 축방향 속도 프로파일의 증가를 발생시킨다.

본 발명은 원추 각도의 공칭 직경과는 무관한, 임의의 유형의 "원추형 버너"에 적용가능하다. 180mm 미만의 직경 및 20도 미만의 원추각을 갖는 버너는 통상적으로 본 발명에서 고려되지만, 본 발명은 버너의 치수에 국한되지 않는다.

당업자에게 "원추형 버너"는 일반적인 기술적 용어이다. 원추형 버너는 예로서 EP 321809, EP 704657 또는 EP 780629에 개시되어 있다.

예를 통해서, 본원의 일 실시예는 첨부되는 도면에 대해서 하기에 더욱 충분히 기술된다.

도 1은 일반적인 예비혼합 버너의 측단면도를 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 전이 부재의 사시도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전이 부재의 사시도를 도시한다.
도 4a, 도 4b는 본 발명에 따른 전이 부재의 예시적인 실시예들의 측단면도들을 도시한다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 유사 요소들에 대해서 유사 도면부호들을 사용하는 도면을 참조하여 하기에 기술된다. 하기 설명에서, 설명을 목적으로, 본 개시물의 철저한 이해를 제공하기 위하여 다수의 특정 상세구성을 설명한다. 그러나, 본 개시물은 상기 특정 상세 설명 없이 실행될 수 있으며, 본원에 개시된 예시적인 실시예들에 국한되지 않는다.

도 1 및 도 2는 열 발생기를 위한 일반적인 예비혼합 버너의 개략적인 원리 디자인을 도시한다. 이러한 버너들의 사용 분야는 고정식 가스 터빈들이다. 상기 버너는 적어도 2개의 중공 원추형 쉘들(4)을 갖는 원추형 와류 발생기(1)로 구성되고, 상기 적어도 2개의 중공 원추형 쉘들은 서로 포개져서 원추형으로 팽창하는 내부 와류 공간(9)을 형성하고 길이방향 슬롯들(5)을 제공하며, 상기 슬롯들을 통해서 연소 공기가 내부 와류 공간(9) 안으로 접선방향으로 분사된다. 와류 공간(9)의 초기 부분에서, 양호하게는 액체 연료를 분사하기 위한 중심 연료 랜스(10)가 수용된다. 상기 접선방향 공기 입구 슬롯들(5)을 따라 배열된 원추형 단면 쉘들(4)은 양호하게는 개방부를 통해서 유동하는 연소 공기 안으로 가스성 연료를 분사하기 위한 상기 개방부들을 갖는 연료 라인(6)을 각각 구비한다. 와류 공간(9)으로 접선방향으로 진입하는 연소 공기 및 연료는 내부에서 와류 유동을 발생시킨다. 와류 발생기(1)로부터의 와류 유동은 혼합 튜브(3) 안으로 지향된다. 이는 유동을 혼합 튜브(3)의 인접 단면 섹션 안으로 통과시키는 전이 부재(2)를 통해서 행해진다. 와류 발생기(1) 및 혼합 튜브(3) 사이에서 손실 없이 유동을 매끄럽게 도입하는 것은 역류 구역의 직접적인 형성을 방지한다.

와류 발생기(1)로부터 혼합 튜브(3) 안으로의 매끄러운 전이를 특징으로 하는, 전이 섹션 내의 유동 제한 내부 윤곽부의 상세 디자인은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 전이 부재(2)는 임의의 갑작스런 굴곡 없이 입구와 출구 사이의 내부 윤곽부(12)를 제한하는 연속적인 유동 제한 내부 윤곽부(12)를 제공한다. 전이 섹션(2)은 와류 발생기(1) 내의 슬롯들(5)의 하류에 있는 쉘들(4)의 선단 에지들에서 개시된다. 이 지점에서, 유동 제한 윤곽부(12)는 반경방향의 내향 만곡 섹션으로 진입한다. 원추형 쉘들(4)의 하류 단부들은 상기 반경방향의 내향 만곡 섹션에서 내부 윤곽부(12)에 인접한다. 만곡 섹션의 최대 구배(13)는 개시 지점에 있다. 하류 방향으로 구배(13)는 균일하게 기울어진다. 구배(13)가 제로에 근접할 때, 혼합 튜브(3)의 유효 직경(16)에 도달된다.

내부 윤곽부(12)의 반경방향 내향 만곡 이음부에 대한 하나의 변형은 원형의 아크 프로파일이다. 이러한 프로파일의 장점은 용이한 디자인이다.

양호한 실시예에서, 유동 제한 내부 윤곽부(12)의 상기 반경방향의 내향 만곡 섹션은 상기 전이 부재(2)의 출구(15)까지 연장된다.

다른 실시예에 따라서, 내부 윤곽부(12)의 반경방향의 내향 만곡 섹션은 출구의 상류에 있는 섹션에서 종결되고, 상기 상류 섹션으로부터, 내부 윤곽부(12)는 일정한 직경으로 출구(15)까지 연속된다.

모든 경우에, 그 출구에서 전이 부재(2)의 내부 윤곽부(12)는 혼합 튜브(3)의 내부 윤곽부(16)와 동일 높이가 된다. 즉, 예리한 에지 또는 단면 점프(jump)없이 변이된다.

1: 와류 발생기
2: 전이 부재
3: 혼합 튜브
4: 원추형 쉘 세그먼트
5: 슬롯
6: 연료 공급 라인
7: 2의 내벽
8: 교차부의 라인
9: 내부 공간
10: 연료 랜스
11: 연료
12: 2의 내부 윤곽부
13: 구배
14: 2의 입구
15: 2의 출구
16: 3의 내부 윤곽부/유효 직경

Claims (20)

1. 열 발생기를 위한 예비혼합 버너로서,
   축방향으로 원추형으로 확대되는 와류 공간(9)을 형성하도록 서로에 대해 상보적이며 축방향의 원추 길이방향으로 상호 간에 접선방향 슬롯들(5)을 한정하는 적어도 2개의 버너 쉘들(4)로서, 연소 공기가 상기 접선방향 슬롯들(5)을 통해 상기 와류 공간(9) 안으로 도입되는 상기 버너 쉘들(4), 및 상기 접선방향 슬롯들(5)을 따라 적어도 섹션들로 배열된, 연소 공기 유동 안으로 연료를 공급하기 위한 수단(6)을 구비하는, 와류 발생기(1);
   점화가 일어나는 연소실 안으로 공기-연료 혼합물을 도입하기 전에 연료 및 연소 공기를 균질하게 혼합하기 위하여 상기 와류 발생기(1)의 하류에 있는 혼합 튜브(3); 및
   상기 와류 발생기(1)로부터 상기 혼합 튜브(3) 안으로 연소 공기 및 연료의 유동을 전달하기 위하여 상기 와류 발생기(1)와 상기 혼합 튜브(3) 사이에 있는 전이 부재(2);를 필수적으로 포함하고,
   상기 전이 부재(2)는 상기 와류 발생기(1)에 연결된 입구(14), 상기 혼합 튜브(3)에 연결된 출구(15), 및 상기 입구(14)와 상기 출구(15) 사이의 연속적인 유동 제한 내부 윤곽부(12)를 포함하고, 적어도 입구 섹션에서 상기 내부 윤곽부(12)는 상기 혼합 튜브(3)의 내경을 향하여 반경방향의 내향으로 만곡되고, 상기 출구(15)에서 상기 내부 윤곽부(12)는 상기 혼합 튜브(3)의 내부 유동 제한 윤곽부와 동일 높이가 되고,
   상기 전이 부재(2)의 반경방향의 내향 만곡 내부 윤곽부(12)는 상기 슬롯들(5)의 선단 에지로부터 상기 와류 발생기(1)의 하류 단부에서 개시되는, 예비혼합 버너.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전이 부재(2)의 입구 섹션에서 상기 내부 윤곽부(12)는 오목형상을 갖는, 예비혼합 버너.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 반경방향의 내향 만곡 윤곽부(12)는 구배(13)를 갖고, 상기 구배(13)는 하류 방향으로 감소하는, 예비혼합 버너.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 전이 부재(2)의 입구 섹션에서 상기 내부 윤곽부(12)는 원형 아크 프로파일을 갖는, 예비혼합 버너.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 원형 아크 프로파일 섹션은 중심각(μ)을 포함하고, μ≤90⁰인, 예비혼합 버너.
7. 제 6 항에 있어서,
   μ≤45⁰인, 예비혼합 버너.
8. 제 1 항에 있어서,
   내부 윤곽부(12)의 상기 반경방향의 내향 만곡 섹션은 상기 전이 부재(2)의 입구(14)로부터 상기 전이 부재(2)의 출구(15)까지 연장하는, 예비혼합 버너.
9. 제 1 항에 있어서,
   내부 윤곽부(12)의 상기 반경방향의 내향 만곡 섹션은 상기 출구(15)의 상류에서 종결되는, 예비혼합 버너.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전이 부재(2)는 반경방향의 내향 만곡 입구 섹션 및 원통형 출구 섹션을 갖는 내부 유동 제한 윤곽부(12)를 포함하는, 예비혼합 버너.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 원통형 출구 섹션은 상기 혼합 튜브(3)의 내부 윤곽부와 동일 높이가 되는, 예비혼합 버너.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전이 부재(2)는 상기 와류 발생기(1)의 일체 부분인, 예비혼합 버너.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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