KR102028782B1 - 중질 및 입자 적재 연료의 분사 - Google Patents

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KR102028782B1
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레미 폴 다이어
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코몬웰스 싸이언티픽 엔드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션
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Abstract

분무기 인젝터는 중심축(11)을 따라서 미립자 슬러리 연료의 제트를 방출하기 위해 제1 출구(16)에서 종료하는 중앙 튜브(12), 및 제1 출구 주위에서 블라스트 가스를 위한 하나 이상의 제2 출구와 통하는 덕트(22)을 튜브로 한정하도록 중앙 튜브에 인접한 구조(20)를 포함한다. 이러한 덕트는 블라스트 가스가 초음속의 블라스트 스트림으로서 제2 출구(들)로부터 블라스트 가스를 가속하도록 구성된다(26). 제2 출구에 인접하여, 상기 구조의 내부 페이스 또는 페이스(30)들은 제1 출구의 하류측에서 미립자 슬러리 연료의 제트 내로 신생 초음속 블라스트 스트림을 안내하도록 축방향으로 수렴한다.

Description

중질 및 입자 적재 연료의 분사{INJECTION OF HEAVY AND PARTICULATE LADEN FUELS}
본 발명은 디젤 엔진 및 다른 고압축 반응기 또는 연소기 내로 석탄수 연료(coal water fuels)와 같은 미립자 슬러리 연료, 및 분무하기(automise) 어려운 다른 연료 및/또는 연마재 연료(abrasive fuels)의 분사에 관한 것다.
본 발명은 추가로 C02 포획의 목적을 위하여 산소 풍부 블라스트 가스를 사용한 디젤 엔진 또는 직접 연소 터빈 내로 석탄수 연료 및 분무하기 어려운 다른 연료 및 연마재 연료의 분무에 관한 것이다.
디젤 엔진에서 종래의 디젤 및 중질 연료유를 위한 현재의 분사 기술은 연료의 가압 분무를 채택한다. 이러한 것은 고압(50-200 ㎫)에서 작은 오리피스(0.2-1㎜)를 통해 엔진 내로 연료를 펌핑하는 것을 포함한다. 이러한 것은 급격한 제트 해체(jet breakup) 및 분무를 유발하는 고속(전형적으로 200-400 m/s)을 발생시킨다. 해체 및 분무는, 인젝터 노즐 오리피스를 떠나는 액체 스트림에서의 난류, 및 실린더의 상부에서 비교적 치밀한 압축 공기 장전과 고속 액체의 상호작용을 포함하는 다수의 효과로 인하여 일어난다.
일정 시간 동안, 디젤 엔진에서 석탄수 슬러리 연료를 채택하는 것에 대한 관심이 있었다. 석탄수 슬러리 연료의 특성은, 고농도의 입자(50-60 wt%의 석탄, 1-2% wt%의 석탄 미네랄)을 포함하여 훨씬 높은 속도와 높은 표면장력을 줌으로써 디젤 및 연료유와 상당히 다르다. 부가하여, 석탄 입자와 미네랄 입자는 고연마재이다. 디젤 엔진 내로 이러한 연료의 분사는 다수의 기술적 저항을 일으켰다:
1. 각 연소 사이클 동안 정확한 시간 및 속도에서 인젝터 노즐(들)에 대한 연료를 압축하고 계량하는 것.
2. 요구되는 속도의 연소를 제공하도록 혼합을 유발하고 연소를 완료하며 연마재 연소 잔류물 및 미연소 연료의 형성을 감소시키도록, 연소실 내로 미세하게 분할된 상태로 연료를 추진하는 것.
3. 슬라이딩 여유를 급속하게 채우고 연마재 마모를 유발할 수 있는 입자 오염물로부터 연료 시스템(예를 들어, 비복귀/통기 밸브, 컷-오프 밸브 슬라이드, 노즐 슬라이드 밸브)에서 슬라이딩 및 밀봉 표면을 보호하는 것.
4. 연마 및 캐비테이션 모두로부터 마모 및 손상을 최소화하도록, 표면, 특히 밸브 시트 및 노즐 전체에 걸쳐 연료의 속도를 최소화하는 것.
5. 정지 동안 슬러지의 형성 및 폐색을 방지하도록 인젝터로부터 연료를 쏟아내는 능력을 제공하는 것.
6. 분사 설비를 작동시키도록 엔진 상의 기생 부화(parasitic load)의 최소화.
종래의 연료유에 대한 석탄수 슬러리 연료의 이러한 문제와 매우 다른 특성에도 불구하고, 석탄수 슬러리 연료의 분사는 다수의 전시 프로그램, 특히 1978-1993에 걸쳐서 U.S. Department of Energy (USDOE)에 의해 적립된 것들에서 성공적으로 입증되었다. 이러한 것 중 가장 성공적인 것은 종래의 디젤 엔진 연료유를 위해 사용된 시스템에 대해 상대적으로 적은 변경으로 분사 시스템의 합리적인 성능을 입증하였다. 입증된 변형은 증가된 분사 압력의 사용, 밀봉 표면, 탄화물 또는 세라믹 밸브 시트, 및 세라믹 또는 다이아몬드 콤팩트 노즐의 밀봉 오일 보호를 포함하였다.
그러나, 변형된 종래의 압력 분무 설비 접근이 성공적으로 입증되었지만, 밸브 시트 마모 및 노즐 오리피스 부식은 여전히 문제로 남아있으며, 인젝터 수명을 약 2,000시간으로 제한하기 쉽다. 이러한 것은 인젝터 노즐의 교체와 인젝터 정비 사이의 시간이 16,000 시간 이상인 현재 연료유를 사용하는 대형 엔진에 대한 것보다 상당히 적다.
전체적으로, 변형된 종래의 압력 분무기를 위한 2,000 시간의 인젝터 수명은 만족스럽지 않은 것으로 고려되며, 그러므로 R&D 스테이지를 넘어서 디젤 엔진에서 석탄 사용의 개발을 아주 막았다.
분사 설비의 이러한 기술적 문제, 및 가속된 마모는 분무의 품질을 저하시키고, 분무된 연료의 건조 단계 동안 석탄 입자의 보다 큰 덩어리를 초래한다. 석탄의 유효 입자 크기에서 증가는 입자 가열 속도를 감소시키고, 연소를 늦추고, 배기 중에서 미연소된 매연(char)의 양을 증가시킨다. 석탄 덩어리는 또한 석탄 덩어리에 함유된 개별적인 재 입자의 융합으로 인하여 연소로부터 형성된 비산 재(fly ash)의 입자 크기를 증가시키는 경향이 있다. 감소된 분무 품질의 최종 결과는 연소 가스 중의 매연의 양 및 비산 재 입자의 크기에서의 증가이며, 이 모두는 실린더 및 피스톤 링의 증가된 마모, 및 링 점착, 배기 밸브 마모 및 과급기 터빈 마모로부터의 다른 문제를 유발한다.
미국 특허 제4,569,484호는 디젤 엔진 내로 분무된 석탄수 슬러리를 분사하기 위한 인젝터를 개시한다. 압축 가스는 천공된 디스크 또는 원뿔 형상의 흡인기를 이용하여 인젝터 내에서 연료를 분무한다. 이러한 디바이스가 분무기 내부에서 고속 공기와 슬러리를 혼합하기 때문에, 분무기 노즐은 아주 고속의 슬러리에 시달리고, 이러한 것은 심한 부식 마모를 유발할 것이다.
본 발명의 목적은 하나 이상의 상기된 문제를 다루고 적어도 부분적으로 완화시켜, 디젤 엔진에서 석탄수 슬러리 연료의 사용을 촉진하는 것이다.
본 발명은 초기 디젤 엔진에서 이용되고 오래전에 폐기된 기술, 즉 블라스트 분사를 채택하고 변경하는 개념을 수반한다. 비록 블라스트 분사가 본래 디젤 엔진을 위해 사용되었을지라도, 블라스트 공기를 제공하도록 압축기를 구동하는데 동력이 손실되는 것으로 인하여(전형적으로, 디젤 및 연료유에 대해 엔진 동력의 7-8%), 거의 1930년대 초기부터 고체 제트(즉, 균질의 액체 제트) 분사로 완전히 대체되었다. 이것은 블라스트 분무의 이점(예를 들어, 양호한 분무 및 혼합)보다 더 중대하였으며, 스프레이 기간을 중단 또는 연장시키도록 분사 동안 유체 압력파를 감소시켰다.
초기 블라스트 분사 시스템은 다음과 같을 것을 포함하였다:
ㆍ 5-8 ㎫까지 멀티 스테이지 압축기를 통하여 엔진 압축 압력보다 높은 수 ㎫의 압력으로 공기의 적절한 공급을 제공하기 위한 공기 압축기. 감소된 엔진 속도에서, 스프레이 밸브는 시간적으로 보다 긴 기간 동안 개방되어 있어서, 분사 공기 압력은 통상적으로 아이들 동안 4 ㎫만큼 낮게 감압된다. 이것은 연료의 너무 급속한 분사로부터 초래되는 연소 노크를 방지하였으며, 이것은 과잉의 분사 공기의 팽창 연소에서 위축효과(chilling effect)를 감소시켰다.
ㆍ 분사 뿐만 아니라 엔진 시동을 위한 고압 공기의 정상류(steady flow)를 제공하도록 충분한 용량의 고압 에어 보틀(air bottle).
ㆍ 적절하게 분무되고 분배된 상태에서 연소실 내로의 고압 공기의 블라스트에 의해 계량된 연료를 분사하기 위하여 각 엔진 실린더에 있는 분무기(atomiser). 액체 및 석탄 분진 연료 모두를 위한 분무기는 일정 범위의 내부 혼합 배열을 사용하였으며, 블라스트 공기 및 연료는 노즐을 통해 외부로 강제되기 전에 혼합된다. 이러한 노즐들은 그 동시 발생 전개에도 불구하고, 막힌 압축성 유동(choked compressible flow)의 지식을 사용하여 설계되지 않았었다. 그 용도는 등엔트로픽 유동(isentropic flow)이 완전히 이해되기 전에 포기되었다.
ㆍ 연료의 유동 및 분무 공기 모두를 제어하는 것에 의해 분사 공정을 제어하도록 분무기 밸브의 타이밍 및 리프팅을 위한 캠 메커니즘.
ㆍ 속도 및 부하의 엔진 필요조건에 따른 연료의 적절한 양을 계량하고 각 분무기에 전달하는 연료 펌프. 블라스트 분무로, 연료 압력은, (연료 시스템으로의 압력 역류에 대하여) 실린더에서 피크 연소 압력보다 상당히 크도록 설정된 개방 압력을 갖는 스프링 적재 컷-오프 밸브에 의해 주로 측정되었다.
본 명세서에 있는 임의의 종래 기술에 대한 참조는, 이러한 종래 기술이 오스트레일리아 또는 임의의 다른 관할권에서의 통상의 일반적인 지식의 부분을 형성하거나, 또는 이러한 종래 기술이 당업자에 의한 등가물로서 확인, 이해 및 간주되도록 합리적으로 예상될 수 있는 지식 또는 임의의 형태의 제안이 아니며, 제안으로서 취해지지 않아야 한다.
본 발명은, 적소에서, 미립자 슬러리 연료로 엔진의 작동을 촉진하는 방식으로 가스의 블라스트가 (인젝터 조립체 내 대신에) 연소실에 있는 연료에 충돌하여 연소실에서 연료를 분무하도록 분무기 인젝터를 구성하는 것을 수반한다.
제1 양태에서, 본 발명은, 중심축을 따라서 미립자 슬러리 연료의 제트를 방출하기 위하여 제1 출구에서 종료하는 중앙 튜브; 및
상기 제1 출구 주위에서 블라스트 가스를 위한 하나 이상의 제2 출구와 통하는 덕트 수단을 상기 튜브로 한정하도록 상기 중앙 튜브에 인접한 구조로서, 상기 덕트 수단은 블라스트 가스가 초음속의 블라스트 스트림으로서 상기 제2 출구(들)로부터 나오도록 블라스트 가스를 가속하기 위해 구성되는, 상기 구조를 포함하며;
상기 제2 출구에 인접하여, 상기 구조의 내부 페이스 또는 페이스들은 상기 제1 출구의 하류측에서 미립자 슬러리 연료의 제트 내료 신생 초음속 블라스트 스트림(emergent supersonic blast stream)을 안내하도록 축방향으로 수렴하여, 연료를 분무하는, 분무기 인젝터를 제공한다.
한 실시예에서, 상기 구조는 상기 중앙 튜브를 둘러싸고, 이에 의해, 상기 하나 이상의 제2 출구는 상기 제1 출구 주위의 환형 출구를 포함하고, 상기 제2 출구에 인접한 상기 구조의 상기 내부 페이스 또는 페이스들은 상기 제2 출구에 인접한 연속적인 주변 페이스 부분(continuous marginal face portion)을 포함한다. 바람직하게, 상기 중앙 튜브의 원뿔 또는 피라미드 단부면은 상기 제1 출구의 하류측의 미립자 슬러리 연료의 제트 내로의 상기 신생 초음속 블라스트 스트림의 안내를 더욱 촉진하기 위하여 상기 연속적인 주변 페이스 부분의 반대편에 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 중앙 튜브의 하나 이상의 비스듬한 단부면은 상기 제1 출구의 하류측의 미립자 슬러리 연료의 제트 내로의 상기 신생 초음속 블라스트 스트림의 안내를 더욱 촉진하기 위하여 상기 내부 페이스 또는 페이스들의 반대편에 있다.
유익하게, 상기 내부 페이스(들)과 상기 단부면(들)은, 작동시에, 상기 중심축에 대하여 상기 블라스트 스트림의 수렴 각도가 5-90°, 바람직하게 30-85°, 더욱 바람직하게 40-80°의 범위에 있도록 한다.
상기 제2 출구에 인접한 상기 내부 페이스 또는 페이스들은 적어도 부분적으로 곡선으로 이루어질 수 있으며, 블라스트 가스의 유동 방향으로 오목하다.
상기 제2 출구에 인접한 상기 내부 페이스 또는 페이스들은 대안적으로 또는 부가적으로 블라스트 가스의 유동 방향으로 대체로 직선일 수 있다.
상기 덕트 수단은 바람직하게 블라스트 가스의 유동 방향으로 매끈하게 수렴-분기하는 제한물 배열(restriction arrangment)의 수단에 의해 블라스트 가스를 가속하도록 구성될 수 있다.
한 실시예에서, 상기 제1 출구는 대체로 원형이며, 초음속 블라스트 스트림은 환형 단면의 것이다.
대안적으로, 상기 제1 출구는 단면에서 타원형 또는 세장형일 수 있으며, 이에 의해, 미립자 슬러리 연료의 제트는 팬 제트(fan jet)이다.
상기 제1 출구는 세장형 슬롯일 수 있으며, 그런 다음, 상기 하나 이상의 제2 출구는 상기 제1 출구의 양측부에, 또는 제1 출구에 대체로 평행한 한 쌍의 슬롯을 포함한다.
제2 양태에서, 본 발명은,
중심축을 따라서 미립자 슬러리 연료의 제트를 방출하기 위한 제1 출구에서 종료하는 중앙 튜브; 및
상기 제1 출구 주위에서 블라스트 가스를 위한 제2 출구와 통하는 덕트를 상기 튜브로 한정하도록 상기 중앙 튜브를 둘러싸는 구조로서, 상기 덕트는 블라스트 가스가 초음속의 블라스트 스트림으로서 상기 제2 출구로부터 나오도록 블라스트 가스를 가속하기 위해 구성되는, 상기 구조를 포함하며;
상기 제2 출구는, 상기 신생 초음속 블라스트 스트림이 상기 제1 출구의 하류측의 블라스트 스트림의 가상 오리피스(virtual orifice) 내에서 제트를 한정하기 위하여 미립자 슬러리 연료의 제트 상으로 축방향으로 수렴하고, 이에 의해 미립자 슬러리 연료의 하류측 분무를 촉진하고 미립자 슬러리 연료에 의해 상기 제1 출구의 마모를 감소시키도록 구성되는, 분무기 인젝터를 제공한다.
상기 신생 초음속 블라스트 스트림은 상기 제1 출구에 대하여 연료의 방출의 미립자 슬러리 연료의 제트로부터 측면으로 이격될 수 있으며, 이에 의해, 축방향 수렴 블라스트 스트림은 슬러리 연료의 분무를 더욱 촉진하도록 상기 가상 오리피스의 바로 상류측에서 고난류성(highly turbulent)일 수 있다.
바람직하게, 미립자 슬러리 연료의 제트를 한정하는 상기 가상 오리피스는 제트의 하류측 분기를 유도하여, 미립자 슬러리 연료의 분무를 촉진한다.
유익하게, 상기 제2 출구는, 신생 초음속 블라스트 스트림이 상기 제2 출구에 인접한 상기 구조의 내부 연속적인 주변 페이스 부분(internal continuous marginal face portion)에 의해 부분적으로 미립자 슬러리 연료의 제트 상으로 축방향으로 수렴하도록 구성된다.
제2 양태의 실시예에서, 상기 제2 출구는 상기 제1 출구 주위의 환형 출구를 포함한다.
상기 중앙 튜브의 원뿔 또는 피라미드 단부면은 미립자 슬러리 연료의 제트 상으로 신생 초음속 블라스트 스트림의 상기 축방향 수렴을 더욱 촉진하기 위하여 상기 연속적인 주변 페이스 부분의 반대편에 있을 수 있다.
본 발명의 제2 양태에서, 상기 덕트는 바람직하게 블라스트 가스의 유동 방향으로 매끈하게 수렴-분기하는 제한물의 수단에 의해 블라스트 가스를 가속하도록 구성될 수 있다.
본 발명은, 연소실을 한정하는 구조; 및
상기 연소실 내로 미립자 슬러리 연료를 분사하고 동반(accompanying) 블라스트 스트림으로 연료를 분무하도록 위치되고 구성되는, 본 발명의 제1 또는 제2 양태에 따른 분무기 인젝터를 포함하는 연소 장치를 추가로 제공한다.
실시예에서, 상기 연소 장치는 압축 점화 또는 디젤 엔진으로서 작동하도록 구성된다.
제3 양태에서, 본 발명은,
연소실을 한정하는 구조; 및
연료를 분무하는 가스의 동반 블라스트 스트림으로 상기 연소실 내로 미립자 슬러리 연료의 제트를 분사하도록 구성되는 분무기 인젝터를 포함하며;
상기 분무기 연료 인젝터는, 상기 연소실에 있는 연료에 충돌하여 상기 연소실에서 연료를 분무하고, 이에 의해 미립자 슬러리 연료로 상기 장치의 작동을 촉진하도록 추가로 구성되는, 연소 장치를 제공한다.
제3 양태의 실시예에서, 상기 연소 장치는 압축 점화 또는 디젤 엔진으로서 작동하도록 구성된다.
제3 양태에서, 상기 분무기 인젝터는, 블라스트 스트림이 미립자 슬러리 연료의 제트 주위로 안내되고 상기 제1 출구의 하류측에서 블라스트 스트림의 가상 오리피스 내에서 제트를 한정하기 위하여 제트 상으로 수렴하도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 블라스트 스트림은 연료 방출의 미립자 슬러리 연료의 제트로부터 측면으로 이격되고, 이에 의해, 축방향 수렴 블라스트 스트림은 슬러리 연료의 분무를 더욱 촉진하도록 상기 가상 오리피스의 바로 상류측에서 고난류성이다. 미립자 슬러리 연료의 제트를 한정하는 상기 가상 오리피스는 바람직하게 제트의 하류측 분기를 유도하여, 미립자 슬러리 연료의 분무를 촉진한다.
가스의 블라스트가 연료 출구의 하류측에서 연료에 충돌하여 연료를 분무하는 본 발명의 구성은, 연소실의 적소에 있을 때, 주로 슬러리 제트와 고속 블라스트의 혼합이 특별히 독점적인 것이 아닐지라도, 혼합이 노즐 내에서 일어난 상기된 초기의 블라스트 인젝터의 "내부 혼합"과 대조적으로 노즐 조립체 외부에서 일어나기 때문에, 이후에 "외부 혼합"으로서 지칭된다. 외부 혼합의 사용은 노즐 마모를 크게 감소시키고, 심지어 노즐 마모를 실질적으로 제거할 수 있으며, 분무 성능을 향상시킨다.
적어도 하나 이상의 바람직한 실시예에서, 본 발명은 압축된 블라스트 가스(공기 또는 다른 가스)를 제공하기 위한 에너지 불이익을 상당히 감소시키고, 이에 의해 현대적인 엔진을 위한 블라스트 분무의 이점을 가능하게 하고, 또한 미립자 슬러리 연료의 사용을 촉진하는 다른 이점을 얻는다.
슬러리와 액체 연료 연소 보일러는 초음속 분무 디바이스를 이미 사용하며, 그러나, 보일러 적용은 대기압 부근에서, 그리고 상대적으로 낮은 연료 유량에서 연속하여 노 내로 연소를 수반하는 것을 유념하여야 한다. 높은 피크 유량에서 및 고압으로의 간헐적인 작동은 요구되는 구조적 설계를 실질적으로 변화시키고, 기존의 초음속 디바이스를 엔진에서 작동하는데 부적절하게 만든다.
본 발명의 장치는 석탄수 슬러리, 참숫물 슬러리, 조류 슬러리 연료, 목분 슬러리 및 갈탄 슬러리와 같은 중질 연료(heavy fuel) 및/또는 연마재 연료를 분무하기 어려운 것에 매우 적합하다.
장치는 또한 C02 포획이 요구될 때 석탄 연소 디젤 엔진 또는 석탄 터빈의 산소 연소를 위해 요구되는 것으로서 산소 풍부 블라스트 가스로 석탄수 연료를 분무하는데 매우 적합하다. 이러한 적용으로, 연료가 노즐에서 예비 연소를 피하도록 연소실 내부까지 산소 스트림과 접촉하지 않는 것이 바람직하다.
장치가 또한 통상적으로 1 ㎫ 이상의 압력에서 작동하는 가스 발생 장치(gasifier) 또는 고압 연소실과 같은 다른 고압 챔버 내로 분무하는데 매우 적합하다는 것이 구상된다.
한 실시예에서, 분무기 인젝터는 노즐을 포함하며, 노즐은,
a. 노즐 출구에서 중앙 튜브로부터 나오도록 인젝터로부터 노즐을 통해 실질적으로 액체인 유체를 운반하기 위한 중앙 튜브를 포함하는 공축 튜브들,
b. 상기 중앙 튜브와 공통을 축을 갖고 상기 중앙 튜브 주위에 배치되는 환형 슬리브를 포함하며, 상기 환형 슬리브는, 초음속 아래의 속도로 유체를 운반하고 블라스트 유체를 환형 통로를 통해 유동시키기 위한 수단으로서 블라스트 유체의 유동을 위한 상기 환형 통로, 및 수렴 섹션을 한정하고, 상기 수렴 섹션은, 스로트, 그런 다음 환형 통로의 출구 가까이의 분기 섹션이 이어지고, 분사의 말기에 초음속 및 엔진에서 본질적으로 가장 높은 연소실 압력에서 감압된 압력으로 상기 블라스트 유체가 나오도록 한다. 수렴 및 분기 섹션들의 외형은 가스 속도에서의 균일한 변화를 제공한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 연료를 분무하는 가스의 동반 블라스트로 연료를 엔진의 연소실 내로 분사하도록 구성된 연료 인젝터가 설치된 디젤 엔진을 작동시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은 연소실에 있는 연료에 충돌하도록 블라스트를 수렴하는 것에 의해 미립자 슬러리 연료, 예를 들어 석탄수 슬러리 연료를 분사하여, 압축 점화를 위하여 상기 연소실에서 연료를 분무하는 단계를 포함하며, 가스의 블라스트는 제한물을 통해 공급되고, 상기 제한물의 상류측 가스 압력은 적어도 2:1의 상기 연소실에서의 압력을 허용하며, 이에 의해, 가스의 블라스트는 초음속 이동(supersonic relocating)이다. 상기 제한물의 상류측의 가스 압력은 적어도 약 30 ㎫이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 그 맥락이 달리 요구하는 것 외에, 용어 '포함하다' 및 '포함하는', '포함한다' 및 '포함된'과 같은 용어의 면화는 다른 첨가제, 부품, 정수 또는 단계를 배제하도록 의도되지 않는다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예의 방식에 의해 추가로 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 분무기 인젝터의 개략적인 축방향 단면도;
도 2는 도 1에 도시된 분무기 인젝터의 단부도(end view);
도 3은 도 1의 방사상 영역 A의 최적화를 위한 기하학적 형태 도면;
도 4는 분무기 인젝터가 작동중일 때 슬러리 연료 및 블라스트 가스 유동 및 그 하류측의 상호 작용을 도시하는 도 3에 대응하는 흐름도;
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 및 제3 양태의 제2 실시예의 도 1 및 도 2에 유사한 도면;
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 및 제3 양태의 제3 실시예의 도 1 및 도 2에 유사한 도면;
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 및 제3 양태의 제4 실시예의 도 1 및 도 2에 유사한 도면;
도 11 및 도 12는 초음속 블라스트 스트림과 상호 작용하기 전에 슬러리 제트의 불안정성을 증가시키도록 설계된 분무기 인젝터의 변형을 도시한 도면;
도 13 및 도 14는 분무를 증가시키도록 예비 분무를 제공하고, 주 초음속 블라스트 스트림과 결합하기 위한 분무기 인젝터의 변형된 구성을 도시한 도면;
도 15 및 도 16은 본 발명의 제3 양태의 포핏형(poppet-type) 실시예를 도시한 도면; 및
도 17 및 도 18은 블라스트 가스 소비를 최소화하면서 전체 분사 이벤트를 위하여 균일한 분무를 보장하는 전자 제어된 블라스트 가스 및 연료 분사를 각각 도시하는 개략적인 레이아웃.
본 발명의 바람직한 형태는 엔진 연소실 내에서 슬러리 연료 상으로 초음속 블라스트 가스의 강렬한 전단 및 동요 운동(oscillatory kinetic) 작용을 통해 디젤 엔진 내로 석탄수 슬러리 연료를 분사하기 위한 초음속 분무기이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 이러한 분무기 인젝터(10)의 실시예는 중심축(11)을 따라서 입자 석탄수 슬러리 연료의 제트(100)(도 4)를 방출하기 위하여, 노즐(15)의 제1 또는 연료 출구(16)에서 종료하는 중앙 통로(14)를 한정하는 중앙 튜브(12)를 포함한다.
슬리브(20)의 형태를 하는 구조는 연료 노즐(15) 주위의 환형 출구(25)와 통하는, 블라스트 가스를 위한 환형 덕트(22)를 튜브로 한정하도록 중앙 튜브(12)를 둘러싼다. 덕트(22)는 블라스트 가스를 가속하도록 제한물 또는 스로트(26), 예를 들어 도시된 바와 같은 수렴-분기 섹션을 포함하여서, 블라스트 가스는 초음속의 블라스트 스트림(110)으로서 환형 출구(25)로부터 나온다(도 4).
블라스트 가스 출구(25)에 인접하여, 슬리브(20)의 내부 연속적인 주변 페이스 부분(30)은 연료의 최적의 분무를 위하여 연료 노즐(15)의 하류측에서 미립자 슬러리 연료의 제트(100) 내로 신생 초음속 블라스트 스트림(110)을 안내하도록 축방향으로 수렴하는 언더컷을 형성한다. 이러한 블라스트 가스 스트림(110)의 안내는 언더컷 페이스 부분(30)의 반대편에 있는, 연료 출구(16) 주위의 중앙 튜브(12)의 단부에서 노즐(15) 상에 원뿔 또는 피라미드 표면(40)에 의해 더욱 향상된다. 이 마주한 표면(30, 40)들은 바람직하게 축(11)을 향해 내향하여 분기한다.
환형 덕트(22)로 블라스트 가스를 도입하기 위한 수단은 압축기 또는 증기 보일러일 수 있다. 펌프는 전형적으로 중앙 튜브(12)로 액체 연료를 전달하기 위해 제공된다. 이러한 펌프는 약 10 내지 약 100 m/s의 속도로 중앙 튜브를 통해 액체 연료를 유동시킬 수 있다. 블라스트 가스 출구에서 블라스트 유체 가스의 속도는 약 330 내지 약 600 100 m/s의 범위에 있을 수 있다.
분무 가스는 압축 공기, 압축 엔진 배기 가스, 천연가스와 같은 압축 연료 가스, 또는 유익하게 엔진 냉각 시스템 및 엔진 배기 가스, 또는 C02 포획의 목적을 위하여 산소 연소에 관계된 것으로서 산소-배기 가스 혼합물로부터 얻어진 열을 사용하여 보일러로부터 발생된 증기일 수 있다.
요구되는 블라스트 분무로 가스를 압축하도록 요구되는 잡업이 달성된 압력비에 거의 비례하다는 것을 유념하여야 하고, 그러므로 초기 엔진 블라스트 분무기에 사용되는 것(약 5-6 ㎫) 이상의 추가 압력(예를 들어, 디젤 엔진 적용을 위하여 30 ㎫)을 제공하는 작업은 상대적으로 작다. 이러한 것은 분무를 달성하는데 있어서 초음속 블라스트 가스의 더욱 효과적인 사용에 의해 보상된 것 이상이고, 이는 보다 작은 질량의 블라스트 가스가 사용되는 것을 가능하게 한다. 대체로, 제한물(26)의 상류측 가스의 압력은 달성될 전체적인 초음속 유동을 위해 블라스트 스트림(110)이 분사되는 챔버에서의 압력의 적어도 약 2:1이어야 한다. 2:1의 실제 비에서, 1.85 대 2.15의 범위 이상의 동요(oscillation)는 수용 가능한 것으로 믿어진다.
수렴-분기 섹션(26)은 블라스트 가스가 인젝터를 떠나 연료 제트를 가로채기 전에 초음속으로 가속되도록 구성된다. 유동은 그 단면 어디에서도 초음속이 아니지만, 방사상으로 및 국부적으로 변하며 그 국부 속도에서 동요한다. 분기 섹션과 스로트는 약 1.3 내지 약 3의 범위에 있는, 예를 들어 약 1.8의 면적비를 가질 수 있다. 높은 정도의 분무를 달성하기 위하여, 석탄수 슬러리 제트의 모멘텀 플럭스(momentum flux)에 관계하여 블라스트 가스에 대해 높은 모멘텀 플럭스를 제공하는 것이 요구된다. 모멘텀 플럭스는 블라스트 가스 밀도 및 그 속도 제곱의 산물로서 정의된다. 분사 시에 디젤 엔진에서의 압력이 적어도 5 ㎫이고 블라스트 가스의 압력이 15 ㎫보다 큼으로써, 가스 밀도는 보일러 적용을 위한 것보다 훨씬 높고, 이러한 것은, 초기 디젤 엔진을 위해 사용된 초음속 블라스트 분무기에 대해 요구되는 것을 포함하는, 요구되는 블라스트 가스의 양을 상당히 감소시킨다.
분무기의 설계는 압축성 유동을 위한 물리 및 열역학 방정식을 사용하여 달성될 수 있으며, 충분한 절대 압력비가 가장 높이 예측된 챔버 압력에서 블라스트 가스 분기 섹션에서 설계 조건을 달성하도록 이용될 수 있는 한, 특정 연료를 위한 분사 이벤트의 기간 동안 엔진 실린더에서 변화하는 압력을 고려하여 피할 수 있다.
도 3은 도 1의 방사상 영역(A)의 하나의 최적화를 도시하는 기하학적 형태 도면인 한편, 도 4는 분무기 인젝터가 작동중일 때 슬러리 연료 및 블라스트 가스 유동 및 그 하류측의 상호 작용을 도시하는 도 3에 대응하는 흐름도이다.
블라스트 가스의 외부 수렴성(convergent) 유동은 혼합 및 분무를 돕는 급격히 동요하는 형상을 갖는 연속적으로 재개된 "가상 오리피스" 또는 "가스 오리피스"(120)로서 작용한다. 외부 수렴은 방사상 내향 부품이 초음속 유동에 대해 존재하는 것을 의미하고, 이러한 것은 블라스트 가스(또는 "2차 유동")의 또는 연료 제트("1차 유동")에 대한 관통을 증가시키며, 훨씬 적은 2차 유체 질량율(fluid mass rate)이 유사한 효과를 달성하도록 사용될 수 있도록 한다. 이러한 것은 심지어 단일 유체 분무기 에너지 효율을 능가하는 범위까지 대체로 직접-분사 불라스트 분무기에 의해 시달리는 저조한 에너지 효율을 극복한다. 본 명세서서에서 "수렴성"은 대칭축 위에서 수렴하는 유동 및 유동에서의 슬러리 유체 제트의 전체적인 방향을 지칭한다.
블라스트 가스의 수렴 각도, 즉 도 4에서의 각도, 스트림에서의 중간 코어(median core)와 축(11) 사이의 각도는 바람직하게 5-90°, 더욱 바람직하게 30-85°, 가장 바람직하게 40-80°의 범위이다. 적절한 각도는 약 75°인 것으로 고려된다. 대체로, 페이스 부분(30)과 표면(40)의 각도, 그러므로 질량 흐름율(mass flow rate)과 함께 블라스트 스트림의 수렴 각도는 연료의 특성 및 스프레이의 목적을 위하여 최적화되어야 한다. 그러나, 첨도(steepness)로 인한 분무 효율과 관통력(spray penetration) 사이에는 균형(trade-off)이 있다. 상이한 엔진 연소실 기하학적 형태는 상이한 정도의 관통력을 요구할 것이어서, 최적의 접근 각도는 변할 것이다. 또한, 노즐(15)의 페이스 전체에 걸쳐 연료의 과잉 역세(backwash)를 피하는 것이 바람직하다.
초음속 유동 영역과 축 사이의 삼각형 영역은 와류를 포함하며, 와류는 초음속 유동으로 일부 연료를 내던지는 경향이 있다. 이러한 와류 효과는 "가상 노즐"을 생성하도록 핀치 효과(pinch effect)와 결합한다. 연료의 점탄성(viscoelastic property)은 평면 오리피스 노즐과 같은 유동 영역에서의 단계적 변화 전후에 이러한 와류를 유발한다.
블라스트 스트림 유동의 전체적인 특성은 유동이 대칭축과 수렴시에 천음속(transonic)으로 됨으로써 극히 높은 난류 에너지를 가진다. 천음속 유동으로 특성에서의 변화 전에 전달된 초음속 유동의 동적 압력은 슬러리 연료에 대한 충격 압력뿐만 아니라 음속 난류 에너지를 모두 최대화한다. 이러한 것은 외부적으로 일어나고, 초음속 유동으로부터의 2차 유동을 1차 유체를 만날시에 천음속 유동으로 변환한다.
이러한 것은, 상호 작용의 하류측에서 초음속 유동을 보유하고, 대신에 주로 전단 스트립핑(shear stripping)/가속에 의해 분무를 유발하도록 유도하는 미국 특허 제5,044,552호에 개시된 것과 같은 분무기와 대조된다. 후자의 취지에 대한 단점은 2차 유체의 훨씬 높은 소비이다(미국 특허 제5,044,552호에서 언급된 바와 같이, 1.5x의 최소 대 3x의 2차 질량 유동 대 1차 질량 유동). 본 발명의 분무기는 1:1 미만의 질량 유동비로 유체의 완전한 해체를 달성할 수 있으며, 이에 의해 2차 유체를 만드는데 요구되는 에너지, 수용할 수 없는 정도로 엔진의 전체적인 효율을 감소시키는 것으로 알려진 미국 특허 제5,044,552호와 같은 설계에 대한 요구를 최소화한다. 이러한 내부 혼합 설계는 이러한 이유 때문에, 그리고 수반되는 블라스트 가스 시스템의 극한 복잡성을 피하도록 디젤 엔진에 의해 1920년대에 폐기되었다.
국부적 "음속"이 순수 물질에서 그 측정에 대해 극히 지연된다는 것을 가스, 액적(droplets of liquid) 및 입자의 혼합물이 의미하기 때문에, 예시된 분무기는 1차 유체와의 축방향 수렴/충돌 전에만 "초음속" 유동을 유지한다. 이러한 것은 난류 에너지를 스프레이로 한정하는 경향이 있으며, 스프레이는 3개의 물질을 서로 혼합하는 것에 의해 엔트로피 제품을 최대화하는 경향이 있다. 이러한 조건하에서, 유동은 보다 낮은 음속에 대하여 매우 급격하게 천음속/아음속으로 된다. 그 에너지는 명백하게 부등엔트로피 방식으로 혼합 및 가열로 급격히 소멸된다.
더욱 하류측에서, (과소팽창된- 여전히 주위 가스보다 높은 밀도의) 2차 유체가 새롭고 느린 음속으로 제한된 속도로 그 팽창을 완료하여, 스프레이 내에 있는 입자/액적의 추가 분리를 유발함으로써, 혼합물은 제한된 팽창을 겪고, 특이한 와인잔형 프로파일을 갖는 스프레이 패턴을 만든다.
이러한 거동으로부터 추정하여, 스프레이 내에서 국부적 음속이 대략 70..100 m/s이고, 결코 스프레이의 본류가 -50 m/s보다 훨씬 빨리 관통하지 않음으로써, 스프레이의 측면들의 최대 팽창 각도는 팽창이 가능한 빨랐으면 훨씬 넓어졌을 것라는 것은 명백하다.
요약하여, 도 1 내지 도 4의 분무 인젝터는 수렴성 공기-블레이드/가스 오리피스/외부 혼합 분무기로서 이러한 에너지를 사용하기 전에 동적 압력을 최대화하는 목적을 위해서만 초음속이다. 이러한 방식으로, 슬러리 연료, 또는 2차 유체에서 에너지를 보다 효율적으로 이용하며, 대규모 양(mass quantity), 그러므로 생산 에너지가 보존되는 것을 가능하게 한다. 등엔트로피 유동 이론이 유효한 영역은 단지 혼합에 의해 순수성을 상실할 때까지 2차 유체의 유동을 따르는 영역이다. 이것의 하류측에, 유동은 단지 스프레이 물기둥(spray plume) 내에서 지연된 음속에 대해서만 "초음속"이며, 유동은 혼합 공정으로 인하여 등엔트로피가 아니다.
1차 유체의 부재시에, 유동은 노즐 외부의 수렴 영역에 이르기까지 초음속이며, 그런 다음 천음속 유동의 특징으로 되고, 극히 큰 압력 및 속도 변동을 보이며, 유동 주위에서 와류 길(vortex street)을 만든다. 미국 특허 제5,044,552호의 노즐과 대조하여, 축방향으로 정렬된 고속 유동을 생성하는데 있어서 적은 효율은 아니며, 더군다나 스프레이 물기둥을 가속하는데 그렇게 적은 효율은 아니다. 이러한 균형은 전형적인 1차원 로켓 노즐 설계와 달리 분무기로서 보다 양호한 작동을 가능하게 하고, 1차원 로켓 노즐 설계는 그 목적이 축 평행 속도(axis parallel velocity)를 최대화하고, 항상 하류측에서 초음속의 손실을 초래하기 때문에 당업자가 통상적으로 항상 수렴성 초음속 유동을 피한다.
연료 제트와 교차 바로 전에 유동 단면적에 대한 제한물(26)의 단면적의 비는 등엔트로피 유동 관계에 의해 명시된다. 이러한 등식은 단지 가장 나쁜 경우(요구된 분사 이벤트 동안 가장 높은 연소실 압력)에 대해서만 해결되어서, 이러한 설계 조건에서, 유동은 초음속이며, 블라스트 가스의 유량은 연료의 유량의 비에 고정되고, 이 자체는 엔진 연료 분사율 요구조건에 의해 좌우된다.
이러한 가장 나쁜 경우의 설계 조건에서, 정상적인 충격은 연료 제트에서 또는 가까이에서 형성되도록 예상되고, 엔트로피 및 열에서의 급격한 증가를 유발할 뿐만 아니라, 연료 유체 표면과 상호작용함으로써 충격의 불안정성에 의한 추가적인 분무 에너지를 제공한다. 연료 붕괴의 메커니즘은 연료 제트 표면에 충돌하는 블라스트 가스의 동적 압력에 기인하고, 시스템의 불안정성은 격렬한 동요가 유체를 분해하는 에너지를 추가로 제공하도록 한다.
노즐 설계 압력보다 낮은 연소실 압력의 조건에서, 수렴-분기 기하학적 형태는 한층 높은 마하수 조건 및 분무에 이용할 수 있는 에너지에서의 추가적인 증가를 제공한다.
대기압에서 작동하는 보일러 적용과 비교하여, 높은 연소실 압력은 블라스트 가스의 팽창된(초음속, 예비 충격( pre shock)) 밀도가 두자릿수의 크기만큼 대기압에서의 공기의 밀도를 초과하도록 한다. 그러므로, 보일러 분무기는 이러한 운동 에너지 밀도 이점을 얻지 못한다.
연료 제트의 단면적은 연료 유체 속도가 원하는 피크 유량에서 상대적으로 낮아서 이러한 오리피스를 통한 마모를 상당히 감소시키도록 선택된다.
이러한 배열은, 블라스트 가스의 감소된 질량 흐름율로, 노즐 오리피스(들)을 통한 높은 슬러리 속도에 대한 필요성이 없는 증가된 분무를 제공한다.
상기된 등엔트로피 노즐 유동 설계 등식이, 최종 압력이 대기압이고 비행동안 진공을 향해 감소하도록 예상되는 로켓 노즐의 설계를 향한 관점으로부터 통상적으로 설명되는 것에 유념하여야 한다. 최종 압력이 엔진의 압축 압력에서 시작하고, 완전 연소 압력을 향하여 진행할 수 있고, 그러므로 충분한 분무 성능을 유지하도록 비례하여 보다 큰 블라스트 가스 공급 압력을 요구함으로써, 본 발명을 고려할 때 주의하여야 한다. 또한, 로켓 설계에서, "연소실"은 수렴-분기 노즐의 상류측에 있는데 반하여, 본 발명에서, 연소실은 하류측에 있다.
설계 등식은, 단지 이러한 유동이 연료 제트 경계를 형성하는 표면과 교차하는 것만큼 완전히 팽창되는 것으로서 블라스트 유동의 단면을 고려하기 위하여 풀려진다. 환형 덕트 경우에, 완전히 팽창된 유동 단면 표면은 연료 오리피스 내로 뒤를 향한 정점을 갖는, 노즐과 공축으로 정렬된 원뿔의 환형 부분인 것을 유념하여야 한다. 연료 제트의 표면은 원통형이다. 그러므로, 완전히 팽창된 초음속 유동 단면 표면은 선에서 연료 제트 표면을 교차하고, 혼합은 질량 유량이 교차함으로써 하류측에서 진행한다.
또한, 로켓 노즐의 설계에 대한 표준 절차와 같이, 이상적으로, 초음속 블라스트 가스의 유동 영역은 스로트(최소 영역)로부터 연료 유동과의 제1 교차점에 있는 완전히 팽창된 영역으로 유동을 따라서 선형으로 증가한다는 것을 유념하여야 한다. 이러한 조건은 초음속 덕트의 벽들이 단지 슬롯팅된(slotted) 제트 배열을 위한 평면 섹션이고; 환형 실시예에서, 덕트 프로파일이 대신 포물선 섹션일 것을 요구한다.
그 가장 간단한 형태에서, 본 발명이 분무의 전체적인 효율을 최대화하도록 완전한 분사 이벤트에 대하여 초음속 모드로 작동하도록 배열될 것이지만, 많은 연료 및 엔진 결합을 위하여, 유효 블라스트 압력은 초음속 및 아음속 유동 조건 사이의 자동 천이(automatic transitioning)가 최대의 바람직한 실린더 압력을 초과하는 것을 피하도록 연소율 및 열 방출율의 고유 제어를 제공하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 연료 분사의 시작시에 실린더 압력이 14 ㎫이고 최대 바람직한 실린더 압력이 15 ㎫이면, 노즐에서의 블라스트 가스 압력은 대략 30 ㎫로 설정될 것이다. 이러한 것은 분사의 시작시에 초음속 유동 조건을 제공하여, 미세 분무, 짧은 점화 지연 및 급격한 압력 상승을 유발한다. 실린더 압력이 15 ㎫를 초과하자 마자, 블라스트 가스에 대한 분무 압력비는 초음속 조건을 위한 공칭의 2:1 비율 아래로 감소할 것이며, 천음속 또는 아음속으로 되어, 거친 분무, 낮은 열방출율, 실린더 압력에서의 강하, 또는 실린더 압력의 상승율에서의 저하를 유발한다. 역으로, 실린더 압력이 분사 이벤트 동안 15 ㎫ 아래로 강하하면, 초음속 유동 조건은 자동으로 재개하여, 분무 미세도에서의 증가하고 점화 지연에서의 감소하며 실린더 압력을 복원하도록 연소율에서의 증가하는 단계를 제공한다. 본 발명의 이러한 자체 조정 특징은 이에 의해 연소 이벤트 동안 더욱 긴 기간 동안 최대 허용 가능한 실린더 압력을 유지하는데 있어서 유익하고, 저조하게 분무되고 혼합된 연료로부터의 점화 지연으로 인한 실린더 압력 급등(cylinder pressure spike)으로부터의 기계적인 과부하의 감소된 위험을 갖는다. 이러한 긍정적인 피드백은 저조하게 분무된 연료로부터 늦은 연소의 위험을 또한 감소시킬 것이다. 이러한 효과는 증가된 엔진 출력 및 효율을 제공할 것이다.
블라스트 분무는 1977-94의 초기에 기술된 USDOE 프로그램 동안 조사되고, DOE/MC/21100-2078에 따라서 수행된 작업에 대하여 Nelson 및 Zimperman(1986)에 의해 보고되었다. 이러한 작업은 1982년에 the South West Research Institute(SWRI)에 의해 얻어진 공기 블라스트 분무에 의한 유망한 결과에 기초하였다. 이러한 작업은 엔진에서의 압력 분무가 실현 가능하지 않다는 SWRF 주장에 기초하였다. 그러나, SWRI는 단지 75 bar의 블라스트 공기 압력을 사용하였으며, 이러한 것은 이것이 추후 테스트를 위해 사용된 엔진 내로 분사를 위해 사용될 때(약 55 bar의 피크 압축 압력), 엔진 점화는 초음속 조건에 불충분한 단지 1.3:1의 압력비를 가졌었다. SWRI 작업은 the Energy and Environmental Research Corporation에 의해 추가로 조사되었다. 1600 psi(107 bar)(공기 노즐 스로트 상류측의 2:1보다 다소 작은 압력비를 만드는)에서 공기 공급의 사용을 포함하는 EERC에 의한 광범위한 노력에도 불구하고, 그들은 또한 블라스트 분무 및 압력 분무에 초점을 맞춘 작업을 포기하였다. 모든 경우에 있어서, 초음속 유동을 달성하는 혜택의 지식이 없었다. 전반적으로, 종래의 석탄 엔진 작업에서의 노력의 90% 이상은 효과적인 분무를 달성하는데 헌신하였으며, 그런데도 공기 블라스트 분무는 거부되었으며 초음속 조건의 필요에 대한 자각이 없었다.
도 5 및 도 6은 외부 슬리브의 언더컷 수렴성 특징이 생략된 도 1 내지 도 4의 실시예의 단순한 형태(110)를 도시하며, 슬리브(120)는 직선 실린더이다. 블라스트 가스 스트림의 축방향 수렴은 여전히 중앙 튜브(112)의 원뿔 또는 피라미드 단부면(140)에 의해 촉진된다.
일정 범위의 변형된 실시예는, 바람직한 정도의 분무, 분무된 연료 제트 형상 및 속도를 달성하고, 석탄수 슬러리 연료의 주어진 유동을 위한 블라스트 가스 소비를 최소화하고, 대체로 분무량을 개선하고, 각 분사 공정의 초기 및 말기에 저조한 분무 품질을 최소화하고, 전체적인 인젝터 연장성(longativity) 및 신뢰성을 개선하도록 부품(특히 석탄수 슬러리 연료와 접촉하는 부품) 마모를 최소화하는 것에 의해 분무기의 분사 성능을 최적화하도록 사용될 수 있다. 예시적으로 도시된 실시예는 다음과 같은 것을 포함한다:
ㆍ 도 7 및 도 8에 도시된 평면 팬 내로 액체 슬러리 제트를 형상화하도록 슬러리 튜브(12)의 출구(16)에 있는 팬-제트 오리피스(151). 이러한 것은 분무 공정을 돕도록 보다 얇은 액체 막을 제공한다.
ㆍ 초음속파와 가스 사이의 증가된 상호 작용, 그러므로 증가된 분무를 주도록 슬러리 유체 및 블라스트 가스 출구들 모두를 위한 실질적으로 평면 슬롯(216, 225)을 포함하는 슬롯팅된 분무기 인젝터(210)(도 9 및 도 10). 중앙 튜브(212)는 슬러리 슬롯(216)의 각 측부에 대해 한 쌍의 블라스트 가스 출구(225)처럼 지금 세장형 단면의 것이다.
ㆍ 연료 제트(들)과의 블라스트 가스 상호작용을 더욱 개선하고 제트 형상을 제어하고 노즐 캐비티를 증가시키는 멀티플 오리피스의 사용; 예를 들어 멀티플 공축 오리피스 또는 적층 슬롯팅된 오리피스.
ㆍ 가동 밸브 시트의 회전을 개선하도록 컷-오프 밸브력(스프링 대신에)을 제공하기 위하여 공압 또는 유압 피스톤의 사용, 이는 보다 균일한 밸브 시트 마모 및 보다 긴 밸브 수명을 제공한다.
석탄 슬러리 노즐의 다양한 실시예는 석탄 슬러리 스트림에 부분적인 예비 분무를 제공하거나 또는 다른 불안정성을 발생시키는 것에 의한 분무를 돕도록 또한 사용될 수 있다. 예는 도 11에 도시된 바와 같은 작은 중앙 가스 제트(80), 난류 디바이스(82)(도 12), 노즐 마모를 피하도록, 초기의 저레벨의 블라스트 가스가 주 슬러리 배출 노즐(16) 앞에서 환형 덕트(84)를 통한 예비 분무 단계를 위해 도입되는 도 13에 도시된 바와 같은 내부 혼합 예비 분무기, 및 도 14에 도시된 바와 같은 외부 예비 분무기를 포함한다.
본 발명의 적어도 제3 양태의 추가 실시예에서, 슬러리 튜브의 출구 및 블라스트 가스 환형 오리피스는 포핏 형상의 노즐에 의해 생성된다. 이러한 배열은 액체 슬러리 제트를 형상화하도록 구성되고, 밸브의 축 주위에서 방사상으로 배치된 팬 내로의 초음속 블라스트 가스는 도 15에 도시된다. 포핏 시트는 오리피스 갭을 한정하도록 그루브 또는 상승 리브로 유익하게 구성되고 제트 와류의 제어를 제공할 수 있다. 초음속 블라스트 분무기의 이러한 배열은 360°분무 팬을 제공한다. 상기 배열은 분무 공정을 돕도록 얇은 액체 슬러리 막을 또한 제공한다. 이러한 배열은 연료 분사가 실린더 중심선의 중심에 더욱 가까이에 위치된 엔진에서 특별한 이점을 갖는다.
그러나, 공축 포핏이 블라스트 가스 및/또는 석탄수 슬러리 연료의 방출을 제어하도록 텐덤 밸브(tandem valve)로서 작동되는 상기된 바와 같은 포핏형 구성이 도 16에 도시된다. 이러한 배열은 분무기와 블라스트 가스 및/또는 슬러리 연료를 위한 컷-오프 밸브/니들 밸브의 기능을 결합하는 추가의 이점을 가진다.
분사 속도의 전자적으로 제어된 타이밍과 블라스트 가스 속도와 함께 슬러리 유체의 기간 및 슬러리 유체 유량에 대한 블라스트 가스의 최적의 질량 유동을 제공하고 블라스트 가스 소비를 최소화하는 기간을 위한 대비가 있을 수 있다. 이러한 배열은 또한 장전 공기(charge air)의 냉각(chilling)을 피하도록 분사의 초기 기간 동안 연료 유량을 또한 최적화할 수 있다. 이러한 실시예는 도 17에 개략적으로 도시되어 있다.
인젝터 마모를 더욱 감소시키도록, 외향 개방 연료 컷-오프 밸브를 포함하는 실시예가 도 18에 도시되어 잇다. 이러한 실시예에 의해, 스프링 또는 유압 또는 압축 가스 피스톤에 의해 제공되는 밸브 닫힘력(seating force)은 내향 개방 밸브에 의해 요구되는 닫힘력과 비교하여 상당히 감소될 수 있으며, 이에 의해 밸브 시트 전체에 걸쳐 슬러리 트로틀링(slurry throttling)을 감소시킨다. 이러한 것은 시트 마모를 상당히 감소시키고, 인젝터 부품의 수명을 초음속 분무 노즐의 수명과 일치시킬 수 있다.

Claims (34)

  1. 분무기 인젝터로서,
    중심축을 따라서 미립자 슬러리 연료의 제트를 방출하기 위하여 제1 출구에서 종료하는 중앙 튜브; 및
    상기 제1 출구 주위에서 블라스트 가스를 위한 하나 이상의 제2 출구와 통하는 덕트 수단을 상기 중앙 튜브로 한정하도록 상기 중앙 튜브에 인접한 구조로서, 상기 덕트 수단은 블라스트 가스가 초음속의 블라스트 스트림으로서 상기 제2 출구(들)로부터 나오도록 블라스트 가스를 가속하기 위해 구성되는, 상기 구조를 포함하며;
    상기 제2 출구(들)에 인접하여, 상기 중앙 튜브의 표면에 대향하는 상기 구조의 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들은 상기 제1 출구의 하류측에서 미립자 슬러리 연료의 제트 내로 신생 초음속 블라스트 스트림을 안내하도록 축방향으로 수렴하여, 연료를 분무하는, 분무기 인젝터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조는 상기 중앙 튜브를 둘러싸고, 이에 의해, 하나 이상의 상기 제2 출구는 상기 제1 출구 주위의 환형 출구를 포함하고, 상기 제2 출구에 인접한 상기 구조의 상기 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들은 상기 제2 출구에 인접한 연속적인 주변 페이스 부분을 포함하는, 분무기 인젝터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중앙 튜브의 대향 표면은, 상기 제1 출구의 하류측의 미립자 슬러리 연료의 제트 내로의 상기 신생 초음속 블라스트 스트림의 안내를 더욱 촉진하기 위하여 상기 연속적인 주변 페이스 부분에 대향하는 상기 중앙 튜브의 원뿔 또는 피라미드 단부면을 포함하는, 분무기 인젝터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중앙 튜브의 대향 표면은, 상기 제1 출구의 하류측의 미립자 슬러리 연료의 제트 내로의 상기 신생 초음속 블라스트 스트림의 안내를 더욱 촉진하기 위하여 상기 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들에 대향하는 상기 중앙 튜브의 하나 이상의 비스듬한 단부면을 포함하는, 분무기 인젝터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 언더컷 내부 페이스(들)과 상기 단부면(들)은, 작동시에, 상기 중심축에 대하여 상기 블라스트 스트림의 수렴 각도가 5-90°의 범위에 있도록 하는, 분무기 인젝터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 출구에 인접한 상기 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들은 적어도 부분적으로 곡선으로 이루어질 수 있으며, 블라스트 가스의 유동 방향으로 오목한, 분무기 인젝터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 출구에 인접한 상기 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들은 블라스트 가스의 유동 방향으로 대체로 직선인, 분무기 인젝터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 덕트 수단은 블라스트 가스의 유동 방향으로 수렴-분기하는 제한물 배열에 의해 블라스트 가스를 가속하도록 구성되는, 분무기 인젝터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 출구는 대체로 원형이며, 초음속 블라스트 스트림은 환형 단면의 것인, 분무기 인젝터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 출구는 단면에서 타원형 또는 세장형이며, 이에 의해, 미립자 슬러리 연료의 제트는 팬 제트인, 분무기 인젝터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 출구는 세장형 슬롯이며, 그런 다음, 하나 이상의 상기 제2 출구는 제1 출구의 대향 측면에 상기 제1 출구에 대체로 평행한 한 쌍의 슬롯을 포함하는, 분무기 인젝터.
  12. 연소실을 한정하는 구조; 및
    상기 연소실 내로 미립자 슬러리 연료를 분사하고 동반 블라스트 스트림으로 연료를 분무하도록 위치되고 구성되는 본 발명의 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 분무기 인젝터를 포함하는 연소 장치.
  13. 제12항에 있어서, 압축 점화 또는 디젤 엔진으로서 작동하도록 구성되는 연소 장치.
  14. 분무기 인젝터로서,
    중심축을 따라서 미립자 슬러리 연료의 제트를 방출하기 위한 제1 출구에서 종료하는 중앙 튜브; 및
    상기 제1 출구 주위에서 블라스트 가스를 위한 제2 출구와 통하는 덕트를 상기 중앙 튜브로 한정하도록 상기 중앙 튜브를 둘러싸는 구조로서, 상기 덕트는 블라스트 가스가 초음속의 블라스트 스트림으로서 상기 제2 출구로부터 나오도록 블라스트 가스를 가속하기 위해 구성되는, 상기 구조를 포함하며;
    상기 제2 출구는, 신생 초음속 블라스트 스트림이 상기 제1 출구의 하류측의 블라스트 스트림의 가상 오리피스 내에서 제트를 한정하기 위하여 미립자 슬러리 연료의 제트 상으로 축방향으로 수렴하고, 이에 의해 미립자 슬러리 연료의 하류측 분무를 촉진하고 미립자 슬러리 연료에 의한 상기 제1 출구의 마모를 감소시키도록, 상기 중앙 튜브의 표면에 대향하는 상기 구조의 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들로 구성되는, 분무기 인젝터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 신생 초음속 블라스트 스트림은 상기 제1 출구에 대하여 연료의 방출의 미립자 슬러리 연료의 제트로부터 측면으로 이격되며, 이에 의해, 축방향 수렴 블라스트 스트림은 슬러리 연료의 분무를 더욱 촉진하도록 상기 가상 오리피스의 바로 상류측에서 고난류성인, 분무기 인젝터.
  16. 제14항에 있어서, 미립자 슬러리 연료의 제트를 한정하는 상기 가상 오리피스는 제트의 하류측 분기를 유도하여, 미립자 슬러리 연료의 분무를 촉진하는, 분무기 인젝터.
  17. 제14항에 있어서, 상기 구조의 상기 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들은 상기 제2 출구에 인접한 상기 구조의 연속적인 주변 페이스 부분을 포함하는, 분무기 인젝터.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제2 출구는 상기 제1 출구 주위의 환형 출구를 포함하는, 분무기 인젝터.
  19. 제17항에 있어서, 상기 중앙 튜브의 대향 표면은, 미립자 슬러리 연료의 제트 상으로 상기 신생 초음속 블라스트 스트림의 상기 축방향 수렴을 더욱 촉진하기 위하여 상기 연속적인 주변 페이스 부분에 대향하는 상기 중앙 튜브의 원뿔 또는 피라미드 단부면을 포함하는, 분무기 인젝터.
  20. 제19항에 있어서, 상기 언더컷 내부 페이스(들)과 상기 단부면(들)은, 작동시에, 상기 중심축에 대하여 상기 블라스트 스트림의 수렴 각도가 5-90°의 범위에 있도록 하는, 분무기 인젝터.
  21. 제17항에 있어서, 상기 제2 출구에 인접한 상기 연속적인 주변 페이스 부분은 적어도 부분적으로 곡선으로 이루어질 수 있으며, 블라스트 가스의 유동 방향으로 오목한, 분무기 인젝터.
  22. 제17항에 있어서, 상기 제2 출구에 인접한 상기 연속적인 주변 페이스 부분은 블라스트 가스의 유동 방향으로 대체로 직선인, 분무기 인젝터.
  23. 제14항에 있어서, 상기 제2 출구는 상기 제1 출구 주위의 환형 출구를 포함하는, 분무기 인젝터.
  24. 제14항에 있어서, 상기 덕트는 블라스트 가스의 유동 방향으로 수렴-분기하는 제한물에 의해 블라스트 가스를 가속하도록 구성되는, 분무기 인젝터.
  25. 제14항에 있어서, 상기 제1 출구는 대체로 원형이며, 초음속 블라스트 스트림은 환형 단면의 것인, 분무기 인젝터.
  26. 제14항에 있어서, 상기 제1 출구는 단면에서 타원형 또는 세장형이며, 이에 의해, 미립자 슬러리 연료의 제트는 팬 제트인, 분무기 인젝터.
  27. 연소실을 한정하는 구조; 및
    상기 연소실 내로 미립자 슬러리 연료를 분사하고 동반 블라스트 스트림으로 연료를 분무하도록 위치되고 구성되는 제14항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 분무기 인젝터를 포함하는, 연소 장치.
  28. 제27항에 있어서, 압축 점화 또는 디젤 엔진으로서 작동하도록 구성되는, 연소 장치.
  29. 제1 출구 주위의 하나 이상의 제2 출구로부터 나오고 연료를 분무하는 가스의 동반 블라스트에 의해, 중앙 튜브를 종료시키는 제1 출구로부터 엔진의 연소실 내로 연료를 분사하도록 구성된 연료 인젝터가 설치된 디젤 엔진을 작동시키는 방법으로서,
    상기 방법은 미립자 슬러리 연료로서 연료를 분사하고 상기 연소실에 있는 연료에 충돌하도록 상기 중앙 튜브의 표면에 대향하는 상기 제2 출구(들)에 인접한 언더컷 내부 페이스 또는 페이스들로 블라스트를 수렴하여, 압축 점화를 위해 상기 연소실에서 연료를 분무하는 단계를 포함하며, 가스의 블라스트는 제한물을 통해 공급되고, 상기 제한물의 상류측 가스 압력은 적어도 2:1의 상기 연소실에서의 압력을 허용하며, 이에 의해, 가스의 블라스트는 초음속 이동인, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 제한물의 상류측의 가스 압력은 적어도 30㎫인, 방법.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 슬러리 연료는 석탄수 슬러리 연료인, 방법.
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
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