KR101792822B1 - 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 등에 적용되는 연소기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 연료가 분사되는 연소기 버너의 노즐 팁(nozzle tip) 부분이 화염에 의해 과열되어 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 노즐 팁 부분에서 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 팁 부분을 속이 빈 형태로 형성하고, 버너 내부에 연료분사 로드를 설치하여 노즐 팁 부분에서 연료가 분사된 후 버너의 몸통 부분에 형성된 연료주입구를 통해 연소실 내부로 공급되는 것에 의해 노즐 팁 내부에 냉각 유로를 형성하여 연료공급과 팁 부분의 냉각이 동시에 수행되도록 구성됨으로써, 노즐 팁의 과열을 효과적으로 방지하는 동시에, 화염이 노즐 팁에 인접하여 형성되도록 하여 안정적인 연소를 유도할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기가 제공된다.

Description

팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기{Combustor nozzle having tip cooling structure and combustor using thereof}

본 발명은 가스터빈 등에 적용되는 연소기에 관한 것으로, 더 상세하게는, 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 연료가 분사되는 연소기 버너의 노즐 팁(nozzle tip) 부분이 화염에 의해 가열됨으로 인해 연소기 노즐이 과열되어 연소기 노즐의 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 노즐 팁 부분에서 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지게 되는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 내부에서 연료의 대류 냉각에 의해 노즐 팁 부분을 냉각시키도록 구성됨으로써, 노즐 팁 부분의 과열을 방지하여 내구성 및 수명을 개선하는 동시에, 화염을 노즐 팁에 근접한 위치에 안정되게 유지할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 연소기 노즐이 과열됨으로 인해 연소기 노즐의 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 연소기 팁 부분에서 떨어지게 되어 전체적인 연소과정이 불안정해지는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 팁 부분을 종래와 달리 속이 빈 형태로 형성하고, 버너 내부에 연료분사 로드를 설치하여 노즐 팁 부분에서 연료가 분사된 후 버너의 몸통 부분에 형성된 연료주입구를 통해 연소실 내부로 공급되는 것에 의해 노즐 팁 내부에 냉각 유로를 형성하여 연료공급과 내부 대류 냉각에 의한 팁 부분의 냉각이 동시에 수행되도록 구성됨으로써, 공급되는 연료량이 증가되어 열 부하가 증가되면 냉각성능도 함께 증가되어 노즐 팁의 과열을 효과적으로 방지하는 동시에, 화염이 노즐 팁에 인접하여 형성되도록 함으로써 안정적인 연소를 유도할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기에 관한 것이다.

일반적으로, 연소기(Combustor)는, 연료가 분사되는 노즐과, 공기나 산화제가 공급되는 급기부 및 버너를 구비하여, 연소실 내부에 연료가 분사되면서 점화되어 화염이 형성되고, 연료와 산화제의 급격한 반응을 통해 지속적으로 고온의 열에너지를 발생하도록 구성되며, 연료를 연소시켜 동력을 얻는 구조적인 특징상 연비나 열효율과 같은 연소효율의 개선과 함께, 최근에는, 질소산화물(NOx)과 같은 공해물질의 배출을 저감할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.

여기서, 연소기의 연소로 인해 발생하는 공해물질의 저감을 위하여는, 연소 화염을 안정시켜 불안정 연소가 발생하지 않고 안정된 연소가 이루어지도록 제어하는 것이 요구되며, 이를 위하여는 화염온도를 적정 범위 내로 유지하기 위해 연소실 및 연소기 노즐의 적절한 냉각이 필요하다.

또한, 연소기 노즐에 있어서는, 화염에 직접 또는 인접하여 위치되는 특성상 화염에 의한 열로 인해 해당 부분의 내구성 및 수명에 악영향을 미치게 되므로, 이에, 특히, 화염에 직접 또는 인접하는 노즐 팁 부분에 대한 효율적인 냉각이 요구된다.

더 상세하게는, 상기한 바와 같이 화염온도를 낮추어 안정적인 연소를 유도하기 위한 연소기 및 연소기 노즐에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 국제공개특허공보 WO 2015/080131호에 따르면, 화염온도를 낮춤으로써 NOx의 배출량을 억제하기 위해 화염에 물을 분사하는 연소기에 있어서, 선단의 중앙에 연료를 분사하는 연료 분사구가 형성되는 동시에, 선단의 연료 분사구의 주위에 둘레 방향으로 간격을 두고 불균등하게 복수의 물 분사구가 형성됨으로써 연소진동을 유효하게 억제할 수 있도록 구성되는 노즐, 연소기 및 가스터빈에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

또한, 상기한 바와 같이 화염온도를 낮추어 안정적인 연소를 유도하기 위한 연소기 및 연소기 노즐에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2015-0046468호에 따르면, 냉각유체에 의해 냉각되는 냉각홀부가 형성되고 고온 연소가스와 접하는 노즐 베인부와, 노즐 베인부의 내부에 형성되며 냉각유체를 냉각홀부 주변으로 안내하는 안내깃과, 노즐베인부에 냉각유체를 공급하는 냉각유체 공급부를 포함하여, 안내깃에 의해 열부하가 높은 중앙영역에 냉각효율을 높이으로써 열부하에 의한 부품파손을 방지할 수 있도록 구성되는 안내깃을 구비한 노즐 냉각장치 및 노즐에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

아울러, 상기한 바와 같이 화염온도를 낮추어 안정적인 연소를 유도하기 위한 연소기 및 연소기 노즐에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 국제공개특허공보 WO 2009/041435호에 따르면, 2중벽 구조의 내부에 냉각 공기가 흐르는 냉각통로를 가지는 연소통 벽면을 구비하고, 냉각통로는 연소영역 측에 형성된 주냉각 공기공급구에서 개구되며, 주냉각 공기공급구로부터 공급되는 냉각공기는 가이드부재에 의해 내벽면을 따르는 방향으로 유도되도록 구성됨으로써, 벽면 내부의 냉각통로를 흐른 냉각공기가 내벽면을 따른 필름냉각에 재이용되므로 냉각공기를 절약할 수 있으며, 그것에 의해, 압축기로부터 공급되는 공기를 보다 많이 연소용 공기로서 이용할 수 있어 저 NOx 화가 가능하도록 구성되는 가스터빈 연소기의 냉각구조에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

더욱이, 상기한 바와 같은 화염온도를 낮추어 안정적인 연소를 유도하기 위한 연소기 및 연소기 노즐에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1127037호에 따르면, 외부로부터 공기를 공급받아 고압으로 압축시키는 압축기와, 압축기로부터 공급되는 고압의 공기와 연료탱크로부터 공급되는 연료가스를 혼합하여 혼합가스를 발생시키는 연소기와, 연소기의 출구측에 배치되어 상기 연소기로부터 공급되는 혼합가스를 연소시켜 고온고압의 배출가스를 발생시키는 연소기 라이너를 포함하는 가스터빈 엔진에 있어서, 연소기에 제공되는 것으로서 연소기의 상부측부에 형성된 적어도 하나의 흡입구와, 흡입구와 연통되고 연소기의 최하단 중앙부에 형성되는 복수의 배출공을 포함하는 제1 공기냉각채널을 포함하여 구성됨으로써, 연소기의 적어도 일부분이 과열되는 것을 방지함과 함께 연소기의 연소효율을 최대한 유지시킬 수 있도록 구성되는 가스터빈 엔진용 연소기의 냉각구조에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

상기한 바와 같이, 종래, 연소기 및 연소기 노즐에 관한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.

즉, 일반적으로, 기존의 연소기 노즐들은, 화염과 직접 접촉하는 노즐 팁 부분의 내부가 막힌 형태로 형성되고, 팁 부분의 냉각을 위한 별도의 구성이 구비되지 않은 것이 대부분이었으며, 그로 인해, 연료가 팁 부분에서 분사되어 연소되면서 화염에 의해 팁 부분의 가열이 계속되어 과열현상이 나타나게 되고, 이와 같이 노즐 팁이 과열됨으로 인해 노즐 팁 부분의 내구성이 저하되어 수명이 단축되는 문제가 있었다.

아울러, 기존의 연소기 노즐들은, 상기한 바와 같이 노즐 팁이 과열됨으로 인해 노즐 팁 부분의 내구성이 저하되어 수명이 단축되는 문제뿐만 아니라, 노즐 팁의 높은 온도로 인해 연소시 화염이 노즐 팁 부분에 밀착되지 못하고 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지는 문제도 있었다.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 연소기 노즐들의 문제점을 해결하기 위하여는, 노즐 팁 부분의 냉각이 가능하도록 구성되어 간단한 구성으로 효과적으로 노즐 팁 부분의 과열을 방지할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 연소기 노즐 및 그러한 연소기 노즐을 이용하여 노즐 팁의 과열이 방지되는 연소기를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

[선행기술문헌]

1. 국제공개특허공보 WO 2015/080131호 (2015.06.04.)

2. 한국 공개특허공보 제10-2015-0046468호 (2015.04.30.)

3. 국제공개특허공보 WO 2009/041435호 (2009.04.02.)

4. 한국 등록특허공보 제10-1127037호 (2012.03.08.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 연료가 분사되는 연소기 버너의 노즐 팁(nozzle tip) 부분이 화염에 의해 가열됨으로 인해 연소기 노즐이 과열되어 연소기 노즐의 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 노즐 팁 부분에서 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지게 되는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 내부에서 연료의 대류 냉각에 의해 노즐 팁 부분을 냉각시키도록 구성됨으로써, 노즐 팁 부분의 과열을 방지하여 내구성 및 수명을 개선하는 동시에, 화염을 노즐 팁에 근접한 위치에 안정되게 유지할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 연소기 노즐이 과열됨으로 인해 연소기 노즐의 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 연소기 팁 부분에서 떨어지게 되어 전체적인 연소과정이 불안정해지는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 팁 부분을 종래와 달리 속이 빈 형태로 형성하고, 버너 내부에 연료분사 로드를 설치하여 노즐 팁 부분에서 연료가 분사된 후 버너의 몸통 부분에 형성된 연료주입구를 통해 연소실 내부로 공급되는 것에 의해 노즐 팁 내부에 냉각 유로를 형성하여 연료공급과 내부 대류 냉각에 의한 팁 부분의 냉각이 동시에 수행되도록 구성됨으로써, 공급되는 연료량이 증가되어 열 부하가 증가되면 냉각성능도 함께 증가되어 노즐 팁의 과열을 효과적으로 방지하는 동시에, 화염이 노즐 팁에 인접하여 형성되도록 함으로써 안정적인 연소를 유도할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐에 있어서, 속이 빈 중공형으로 형성되는 몸체; 속이 빈 형태로 상기 몸체의 일측에 형성되는 노즐 팁; 몸체의 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 형성되는 연료홀; 상기 몸체의 측면에 설치되는 스월러; 및 상기 몸체와 상기 노즐 팁의 빈 공간을 통하여 상기 노즐 팁 내측의 끝 부분까지 근접하도록 설치되는 연료분사 로드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 제공된다.

여기서, 상기 연소기 노즐은, 콘형(cone) 노즐의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 연소기 노즐은, 블러프(bluff) 노즐의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료분사 로드는, 상기 노즐 팁 내측의 끝 부분과 상기 연료분사 로드의 끝 부분 사이의 간격이 5mm 이내가 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 연소기 노즐은, 상기 연료분사 로드를 통해 상기 노즐 팁 내측의 끝 부분에서 연료가 분사되고, 분사된 상기 연료가 상기 노즐 팁의 내벽면을 따라 이동하여 상기 몸통의 측면에 형성된 각각의 상기 연료홀을 통해 연소실로 공급되도록 구성됨으로써, 상기 연료의 공급과 동시에 상기 연료의 흐름에 따른 대류냉각 효과에 의해 상기 노즐 팁의 냉각이 이루어지는 것에 의해 상기 노즐 팁의 과열을 방지하는 동시에, 화염이 상기 노즐 팁에 인접하여 형성되어 안정 연소를 유도할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 연소기 노즐은, 상기 연료의 흐름에 따른 대류냉각 효과에 의해 상기 노즐 팁 부분의 냉각이 이루어지도록 구성됨으로써, 상기 연료의 주입량이 증가하여 열 부하가 증가하게 되더라도 증가된 상기 연료의 흐름에 따라 냉각성능도 함께 증대될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연소기 노즐은, 중앙에 설치되는 중앙노즐과, 상기 중앙노즐의 주위에 설치되는 복수의 외측노즐을 포함하여 구성되고, 각각의 상기 중앙노즐 및 상기 외측노즐의 노즐 팁 부분은 각각 속이 빈 형태로 형성되며, 상기 중앙노즐의 노즐 팁 부분에 근접하도록 상기 연료분사 로드가 설치되고, 각각의 상기 외측노즐에는 상기 연료분사 로드를 통해 분사된 연료가 각각의 상기 외측노즐의 일측면을 따라 각각의 상기 외측노즐의 노즐 팁 부분까지 도달한 후 각각의 상기 외측노즐의 타측면에 형성된 연료홀을 통해 분사되도록 유로가 각각 형성됨으로써, 상기 연료분사 로드를 통해 분사된 상기 연료의 흐름에 의해 각각의 상기 중앙노즐 및 상기 외측노즐의 노즐 팁의 냉각이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 연소기 노즐은, 상기 연료분사 로드가 선회유동제트(swirl jet) 분사 또는 다중홀 제트(multi-jet) 분사 구조로 구성됨으로써, 노즐 내부의 열전달을 향상시켜 노즐 팁 냉각성능을 더욱 증진할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기가 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연소기 노즐 팁 부분을 종래와 달리 속이 빈 형태로 형성하고, 버너 내부에 연료분사 로드를 설치하여 노즐 팁 부분에서 연료가 분사된 후 버너의 몸통 부분에 형성된 연료주입구를 통해 연소실 내부로 공급되는 것에 의해 노즐 팁 내부에 냉각 유로를 형성하여 연료공급과 내부 대류 냉각에 의한 팁 부분의 냉각이 동시에 수행되도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기가 제공됨으로써, 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 노즐 팁 부분이 화염에 의해 과열되어 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 노즐 팁 부분에서 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지게 되는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연소기 노즐 내부에서 연료의 대류 냉각에 의해 노즐 팁 부분을 냉각시키도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기가 제공됨으로써, 공급되는 연료량이 증가되어 열 부하가 증가되면 냉각성능도 함께 증가되므로 노즐 팁 부분의 과열을 효과적으로 방지하여 내구성 및 수명을 개선할 수 있는 동시에, 화염을 노즐 팁에 근접한 위치에 안정되게 유지할 수 있으므로 보다 안정적인 연소를 유도할 수 있다.

도 1은 종래기술의 연소기 노즐의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 기존의 연소기 노즐과 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 연소기 노즐의 냉각성능을 실험을 통해 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4는 종래기술의 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 종래기술의 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 연소기의 구체적인 구성을 나타내는 확대도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에 나타낸 연소기의 구체적인 구성을 나타내는 확대도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 연료가 분사되는 연소기 버너의 노즐 팁(nozzle tip) 부분이 화염에 의해 가열됨으로 인해 연소기 노즐이 과열되어 연소기 노즐의 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 노즐 팁 부분에서 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지게 되는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 내부에서 연료의 대류 냉각에 의해 노즐 팁 부분을 냉각시키도록 구성됨으로써, 노즐 팁 부분의 과열을 방지하여 내구성 및 수명을 개선하는 동시에, 화염을 노즐 팁에 근접한 위치에 안정되게 유지할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연소기 노즐이 과열됨으로 인해 연소기 노즐의 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 연소기 팁 부분에서 떨어지게 되어 전체적인 연소과정이 불안정해지는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결하기 위해, 연소기 노즐 팁 부분을 종래와 달리 속이 빈 형태로 형성하고, 버너 내부에 연료분사 로드를 설치하여 노즐 팁 부분에서 연료가 분사된 후 버너의 몸통 부분에 형성된 연료주입구를 통해 연소실 내부로 공급되는 것에 의해 노즐 팁 내부에 냉각 유로를 형성하여 연료공급과 내부 대류 냉각에 의한 팁 부분의 냉각이 동시에 수행되도록 구성됨으로써, 공급되는 연료량이 증가되어 열 부하가 증가되면 냉각성능도 함께 증가되어 노즐 팁의 과열을 효과적으로 방지하는 동시에, 화염이 노즐 팁에 인접하여 형성되도록 함으로써 안정적인 연소를 유도할 수 있도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기에 관한 것이다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래기술의 연소기 노즐의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로, 기존의 콘형(cone) 노즐의 단면도를 각각 나타내고 있다.

더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로, 연소기 노즐(10)은 속이 빈 중공형으로 형성되는 몸체(11), 몸체(11)의 일측에 형성되는 노즐 팁(12), 몸체(11)의 측면에 일정 간격으로 다수개 형성되는 연료홀(13) 및 몸체(11)의 측면에 설치되는 스월러(14)를 포함하여 구성되고, 이때, 노즐 팁(11) 부분은 내부가 막힌(solid) 형태로 형성되며, 화염과 직접 접촉 내지 인접하는 팁 부분의 냉각을 위한 별도의 구성 또한 구비되지 않은 것이 대부분이었다.

그로 인해, 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 연소기 노즐들은, 연료가 팁 부분에서 분사되어 연소되면서 화염에 의해 팁 부분이 가열되고, 연소가 지속될 수록 이러한 팁 부분의 가열이 계속되어 과열현상이 나타나게 된다.

따라서 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 연소기 노즐들은, 이와 같이 노즐 팁이 과열됨으로 인해 노즐 팁 부분의 내구성이 저하되어 수명이 단축될 뿐만 아니라, 노즐 팁의 높은 온도로 인해 연소시 화염이 노즐 팁 부분에 밀착되지 못하고 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지는 문제도 있었다.

이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 기존의 연소기 노즐들의 문제점을 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이 노즐 팁 부분의 냉각이 가능한 새로운 구성의 연소기 노즐 구조를 제안하였다.

즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐(20)은, 크게 나누어, 몸체(21), 노즐 팁(22), 연료홀(23) 및 스월러(24)를 포함하여 구성되는 점은 도 1에 나타낸 기존의 연소기 노즐(10)과 같으나, 몸체(21)뿐만 아니라 노즐 팁(22) 부분의 내부도 속이 빈 형태로 형성되고, 이러한 빈 공간을 이용하여 연료분사 로드(25)가 노즐 팁(22)의 내측 끝 부분까지 근접하도록 연장하여 설치되어 있는 점이 다르다.

여기서, 상기한 연료분사 로드(25)는, 노즐 팁(22) 내측의 끝 부분과 연료분사 로드(25)의 끝 부분 사이의 간격이, 예를 들면, 5mm 이내가 되도록 구성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 노즐 팁(22)과 연료분사 로드(25) 사이의 간격은 필요에 따라 적절하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

따라서 상기한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐(20)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료분사 로드(25)가 노즐 팁(22) 내측의 끝 부분까지 연장되어 노즐 팁(22) 끝부분의 내측에서 연료가 분사되고, 분사된 연료가 노즐 팁(22)의 내벽면을 따라 이동하여 몸통(21)의 측면에 형성된 각각의 연료홀(23)을 통해 연소실로 공급됨으로써, 연료의 공급과 동시에 연료의 흐름에 따른 대류냉각 효과에 의해 노즐 팁(21) 부분의 냉각이 이루어지게 된다.

또한, 상기한 바와 같이 연료의 흐름에 따른 대류냉각 효과에 의해 노즐 팁(22) 부분의 냉각이 이루어지도록 구성됨으로써, 연료의 주입량이 증가하여 열 부하가 증가하게 되더라도 증가된 연료 흐름에 따라 냉각성능도 함께 증대될 수 있으므로, 항상 효율적이고 효과적인 노즐 팁 냉각효과를 얻을 수 있다.

더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 1에 나타낸 기존의 연소기 노즐과 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 연소기 노즐의 냉각성능을 실험을 통해 비교하여 나타낸 도면이다.

즉, 본 발명자들은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 공기공급량 45kg/hr, 연료공급량 1.4 ~ 2.0kg/hr(φ0.57 ~ 0.82)의 조건으로, 2.0kg/hr에서 점화하여 1.4kg/hr로 변경하면서 기존의 콘형 팁의 경우와, 속이 빈 콘형 팁에 연료분사 로드가 없는 경우 및 본 발명의 실시예에 따라 속이 빈 콘형 팁에 연료분사 로드가 설치된 경우에 대하여 노즐 팁의 온도를 각각 열화상 카메라로 촬영하여 냉각성능을 비교하였다.

그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 기존의 노즐 팁과 연료분사 로드가 설치되지 않은 노즐 팁은 노즐 팁의 온도가 붉은색으로 높게 나타났으나, 본 발명의 실시예에 따라 속이 빈 콘형 팁에 연료분사 로드가 설치된 경우는 노즐 팁의 온도가 푸른 색으로 상대적으로 낮게 나타났음을 확인할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 내용들로부터, 도 2에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시예에 따라 속이 빈 콘형 팁에 연료분사 로드가 설치된 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐은 기존에 비해 우수한 노즐 팁 냉각효과를 가지는 것임을 알 수 있으며, 아울러, 이와 같이 노즐 팁의 온도를 낮춤으로써 화염이 노즐에 근접하여 위치되므로 안정적인 연소를 유도하여 연소기의 효율을 높이는 동시에, 불완전연소시 발생하는 NOx와 같은 공해물질의 발생도 저감할 수 있는 장점을 가지는 것이다.

여기서, 도 2 및 도 3을 참조하여 상기한 본 발명의 실시예에서는, 노즐의 중심부에 연료분사 로드(25)가 설치된 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 예를 들면, 연소기의 특성에 따라 연료분사 로드(25)의 위치나 각도를 변경하여 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

또한, 상기한 본 발명의 실시예에서는, 노즐 팁의 형태가 콘(cone)형인 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 콘형 노즐에만 적용 가능한 것은 아니며, 예를 들면, 블러프(bluff)형 노즐이나, 또는, 파일럿 노즐(pilot nozzle) 및 메인 노즐과 같은 복수의 노즐을 포함하는 항공기 엔진의 연소기 등과 같이, 다양한 형태의 노즐 및 연소기에도 동일하게 적용 가능한 것임에 유념해야 한다.

계속해서, 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 그러한 연소기 노즐을 구비하여 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

여기서, 도 4 내지 도 9를 참조하여 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 설명을 간략히 하기 위해 동일 내지 유사한 구조 및 기능을 가지는 구성요소에 대하여는 동일한 부호로 나타내고 그 상세한 설명은 생략하였음에 유념해야 한다.

더 상세하게는, 먼저, 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4는 종래기술의 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로, 각각 블러프형 노즐이 구비된 연소기의 구조를 나타내고 있다.

즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기존의 연소기(40)는, 일반적으로, 연료주입구(41)를 통해 주입된 연료가 연소기 노즐(42)에 형성된 연료홀(43)을 통해 분사되고, 노즐 가이드(44)와 스월러(45)를 거쳐 예혼합실(46)에서 공기유입구(47)를 통해 유입된 공기와 혼합된 후 연소실(48)로 이동되어 연소가 이루어지고, 배기가스는 배출구(49)를 통해 배출되도록 구성되어 있다.

그러나 기존의 연소기(40)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 연소기 노즐(42)의 노즐 팁 부분을 냉각하기 위한 구성이 구비되지 않음으로 인해, 노즐 팁이 화염과 인접 내지 직접 접촉하면서 과열되어 노즐 팁의 내구성 및 수명이 감소하고, 노즐 팁의 온도가 높아지게 되면 노즐 팁에서 화염이 멀어지게 되어 연소가 불안정해지는 문제가 발생하게 된다.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기(50)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 연소기 노즐(51)이 노즐 팁 부분까지 속이 빈 형태로 형성되고, 연료분사 로드(52)가 연료유입구(41)로부터 노즐 팁 부분까지 연장하여 노즐 팁에 근접한 위치에서 연료가 분사된 후 연료홀(43)을 통해 분사됨으로써, 연료분사 로드(52)를 통해 분사된 연료의 흐름에 의해 노즐 팁이 냉각되어 노즐 팁의 과열이 방지될 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 본 도 5에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기(50)는, 연료분사 로드(52)를 통해 분사된 연료의 흐름에 의해 노즐 팁의 과열이 방지되므로 노즐 팁의 내구성 및 수명을 증가시키는 동시에, 노즐 팁의 온도가 낮아지는 것에 의해 화염이 근접하게 위치하도록 유지시킬 수 있으므로 안정적인 연소를 유도하여 연소기의 효율을 높이고, 불완전연소시 발생하는 NOx와 같은 공해물질의 발생도 저감할 수 있다.

다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6은 종래기술의 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 7은 도 6에 점선 원으로 나타낸 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

또한, 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8에 점선 원으로 나타낸 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

즉, 도 6 내지 도 9는, 중앙에 배치되는 중앙노즐(메인 노즐)과 그 주위에 배치되는 외측노즐(파일럿 노즐)을 포함하여 복수의 노즐이 설치되는 2단분사 구조의 연소기를 각각 나타내고 있다.

더 상세하게는, 먼저, 복수의 노즐이 설치된 기존의 연소기(60)는, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 연료유입구(61)를 통해 주입된 연료가 중앙노즐(메인 노즐)(62)과 외측노즐(파일럿 노즐)(63)에 각각 형성된 연료홀(64)을 통해 분사되고, 노즐가이드(65)를 따라 중앙 예혼합실(66) 및 외측 예혼합실(67)에서 공기유입구(68)를 통해 유입된 공기와 각각 혼합된 후, 연소실(69)에서 연소가 이루어지고 배기가스는 배출구(70)로 배출되도록 구성되며, 도 4에 나타낸 기존의 연소기(40)와 마찬가지로, 각각의 노즐(62, 63)의 노즐 팁 부분이 막혀 있고 이러한 노즐 팁 부분을 냉각하기 위한 구성이 구비되지 않음으로 인해, 노즐 팁의 과열로 인한 내구성 및 수명 감소와, 노즐 팁의 온도 상승으로 인한 연소 불안정의 문제가 발생하게 된다.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기(80)는, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 중앙노즐(81) 및 외측노즐(82)이 각각 노즐 팁 부분까지 속이 빈 형태로 형성되고 연료분사 로드(83)가 연료유입구(61)로부터 중앙노즐(81)의 노즐 팁 부분까지 연장하여 연료분사 로드(83)를 통해 분사된 연료에 의해 노즐 팁이 냉각되도록 형성되는 동시에, 외측노즐(82)에는 연료분사 로드(83)를 통해 분사된 연료가 일측면을 따라 노즐 팁 부분까지 도달한 후 타측면에 형성된 연료홀(84)을 통해 분사되도록 유로가 형성됨으로써, 연료분사 로드(83)를 통해 분사된 연료의 흐름에 의해 각각의 중앙노즐(81) 및 외측노즐(82)의 노즐 팁이 냉각되어 노즐 팁의 과열이 방지될 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐이 구비된 연소기(80)는, 연료분사 로드(83)를 통해 분사된 연료의 흐름에 의해 중앙노즐(81) 및 외측노즐(82)의 노즐 팁의 과열이 각각 방지될 수 있으므로 중앙노즐(81) 및 외측노즐(82)의 노즐 팁의 내구성 및 수명을 모두 증가시킬 수 있는 동시에, 각각의 노즐 팁의 온도가 낮아지는 것에 의해 화염이 근접하게 위치하도록 유지시킬 수 있으므로 안정적인 연소를 유도하여 연소기의 효율을 높이고, 불완전연소시 발생하는 NOx와 같은 공해물질의 발생도 저감할 수 있다.

즉, 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐은, 기존의 콘형뿐만 아니라 블러프형 노즐에도 용이하게 적용 가능한 것이며, 더욱이, 본 발명은, 단일의 노즐을 가지는 연소기뿐만 아니라, 예를 들면, 항공기 엔진에 적용되는 파일럿 노즐(pilot nozzle)과 메인 노즐의 경우와 같이, 복수의 노즐이 구비된 연소기 및 2단분사 구조를 가지는 연소기의 경우에도 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 적용 가능한 장점을 가지는 것이다.

더욱이, 상기한 실시예들에 나타낸 구성은 연료분사 로드가 단순 단일 연료 분사 형태를 가지고 있으나, 본 발명은 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명의 실시예에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐은, 연료분사 로드가, 도시되지는 않았으나, 예를 들면, 선회유동 제트(swirl jet) 분사 또는 다중홀 제트(multi-jet) 분사를 통해 노즐 내부의 열전달을 향상시켜 노즐 팁 냉각성능을 더욱 증진할 수 있는 구조로 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양한 형태 및 구조로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기를 구현할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 연소기 노즐 팁 부분을 종래와 달리 속이 빈 형태로 형성하고, 버너 내부에 연료분사 로드를 설치하여 노즐 팁 부분에서 연료가 분사된 후 버너의 몸통 부분에 형성된 연료주입구를 통해 연소실 내부로 공급되는 것에 의해 노즐 팁 내부에 냉각 유로를 형성하여 연료공급과 내부 대류 냉각에 의한 팁 부분의 냉각이 동시에 수행되도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기가 제공됨으로써, 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 노즐 팁 부분이 화염에 의해 과열되어 내구성이 저하되고 수명이 단축되며, 화염이 노즐 팁 부분에서 멀리 형성되어 전체적인 연소과정이 불안정해지게 되는 문제가 있었던 종래기술의 연소기 및 연소기 노즐의 문제점을 해결할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연소기 노즐 내부에서 연료의 대류 냉각에 의해 노즐 팁 부분을 냉각시키도록 구성되는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기가 제공됨으로써, 공급되는 연료량이 증가되어 열 부하가 증가되면 냉각성능도 함께 증가되므로 노즐 팁 부분의 과열을 효과적으로 방지하여 내구성 및 수명을 개선할 수 있는 동시에, 화염을 노즐 팁에 근접한 위치에 안정되게 유지할 수 있으므로 보다 안정적인 연소를 유도할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐 및 이를 이용한 연소기의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

10. 연소기 노즐 11. 몸체
12. 노즐 팁 13. 연료홀
14. 스월러
20. 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐
21. 몸체 21. 노즐 팁
23. 연료홀 24. 스월러
25. 연료분사 로드 40. 연소기
41. 연료주입구 42. 연소기 노즐
43. 연료홀 44. 노즐 가이드
45. 스월러 46. 예혼합실
47. 공기유입구 49. 배출구
50. 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기
51. 연소기 노즐 52. 연료분사 로드
60. 연소기 61. 연료유입구
62. 중앙노즐(메인 노즐) 63. 외측노즐(파일럿 노즐)
64. 연료홀 65. 노즐가이드
66. 중앙 예혼합실 67. 외측 예혼합실
68. 공기유입구 69. 연소실
70. 배출구
80. 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기
81. 중앙노즐(메인 노즐) 82. 외측노즐(파일럿 노즐)
83. 연료분사 로드 84. 연료홀

Claims (9)

1. 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐에 있어서,
   속이 빈 중공형으로 형성되는 몸체;
   속이 빈 형태로 상기 몸체의 일측에 형성되는 노즐 팁;
   몸체의 측면에 미리 정해진 일정 간격으로 형성되는 연료홀;
   상기 몸체의 측면에 설치되는 스월러; 및
   상기 몸체와 상기 노즐 팁의 빈 공간을 통하여 상기 노즐 팁 내측의 끝 부분까지 근접하도록 설치되는 연료분사 로드를 포함하여 구성되고,
   상기 연소기 노즐은,
   중앙에 설치되는 중앙노즐과, 상기 중앙노즐의 주위에 설치되는 복수의 외측노즐을 포함하여 구성되고, 각각의 상기 중앙노즐 및 상기 외측노즐의 노즐 팁 부분은 각각 속이 빈 형태로 형성되며, 상기 중앙노즐의 노즐 팁 부분에 근접하도록 상기 연료분사 로드가 설치되고, 각각의 상기 외측노즐에는 상기 연료분사 로드를 통해 분사된 연료가 각각의 상기 외측노즐의 일측면을 따라 각각의 상기 외측노즐의 노즐 팁 부분까지 도달한 후 각각의 상기 외측노즐의 타측면에 형성된 연료홀을 통해 분사되도록 유로가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연소기 노즐은,
   콘형(cone) 노즐의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 연소기 노즐은,
   블러프(bluff) 노즐의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 연료분사 로드는,
   상기 노즐 팁 내측의 끝 부분과 상기 연료분사 로드의 끝 부분 사이의 간격이 5mm 이내가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 연소기 노즐은,
   상기 연료분사 로드를 통해 상기 노즐 팁 내측의 끝 부분에서 연료가 분사되고, 분사된 상기 연료가 상기 노즐 팁의 내벽면을 따라 이동하여 상기 몸체의 측면에 형성된 각각의 상기 연료홀을 통해 연소실로 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 연소기 노즐은,
   상기 연료의 흐름에 따른 대류냉각 효과에 의해 상기 노즐 팁 부분의 냉각이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,
   상기 연소기 노즐은,
   상기 연료분사 로드가 선회유동제트(swirl jet) 분사 또는 다중홀 제트(multi-jet) 분사 구조로 구성됨으로써, 노즐 내부의 열전달을 향상시켜 노즐 팁 냉각성능을 더욱 증진할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐.
   
9. 청구항 1항 내지 청구항 6항 및 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 팁 과열방지 구조를 가지는 연소기 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기.
   

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