KR102481970B1

KR102481970B1 - 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기

Info

Publication number: KR102481970B1
Application number: KR1020220155445A
Authority: KR
Inventors: 김경국; 이동훈
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2022-12-26
Also published as: KR102485437B1; KR20220159334A; KR20220114937A

Abstract

본 발명은 화염이 달라 붙는 현상과 화염이 역류하는 플래시백 현상을 방지할 수 있는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서는, 제1 유입구 및 제1 유출구를 구비한 외부 유로; 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 제2 유출구를 구비한 내부 유로; 외부 유로에서 내부 유로로 연장 형성되며, 내부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급 유로; 및, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;를 포함한다.

Description

마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기{MICROMIXER AND COMBUSTOR HAVING THE SAME}

본 발명은 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

미국 공개특허 2013-0269351호 (명칭 : Micromixer assembly of a turbine system and method of assembly)

본 발명의 일 측면은, 화염이 달라 붙는 현상(flame holding)과 화염이 역류하는 플래시백 현상(flashback)을 방지할 수 있는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서는, 제1 유입구 및 제1 유출구를 구비한 외부 유로; 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 제2 유출구를 구비한 내부 유로; 외부 유로에서 내부 유로로 연장 형성되며, 내부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급 유로; 및, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 연료 공급 유로는, 외부 유로에 형성된 연료 공급구를 통해 유입된 연료가 내부 유로로 공급되도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 연료 공급 유로는, 내부 유로를 중심으로 복수개가 방사형으로 형성되고, 연료 공급구는 연료 공급 유로의 개수와 대응하는 개수로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 스월러는, 외부 유로와 내부 유로에 각각 형성되되, 외부 유로와 내부 유로의 상이한 위치에 각각 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서는, 제1 유입구 및 제1 유출구를 구비한 외부 유로; 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 제2 유출구를 구비한 내부 유로; 외부 유로에 형성되며, 외부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급구; 및, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 외부 유로와 내부 유로는 상이한 길이를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나는 연료 노즐 모듈의 상부 표면에서 상부 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서를 포함하는 마이크로 믹서 조립체를 포함한다. 여기서, 마이크로 믹서는, 제1 유입구 및 제1 유출구를 구비한 외부 유로; 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 제2 유출구를 구비한 내부 유로; 외부 유로에서 내부 유로로 연장 형성되며, 내부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급 유로; 및, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 연료 공급 유로는, 외부 유로에 형성된 연료 공급구를 통해 유입된 연료가 내부 유로로 공급되도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 연료 공급 유로는, 내부 유로를 중심으로 복수개가 방사형으로 형성되고, 연료 공급구는 연료 공급 유로의 개수와 대응하는 개수로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 스월러는, 외부 유로와 내부 유로에 각각 형성되되, 외부 유로와 내부 유로의 상이한 위치에 각각 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서를 포함하는 마이크로 믹서 조립체를 포함한다. 여기서, 마이크로 믹서는, 제1 유입구 및 제1 유출구를 구비한 외부 유로; 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 제2 유출구를 구비한 내부 유로; 외부 유로에 형성되며, 외부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급구; 및, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 외부 유로와 내부 유로는 상이한 길이를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 외부 유로와 내부 유로 중 적어도 어느 하나는 연료 노즐 모듈의 상부 표면에서 상부 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 화염이 달라 붙는 현상과 화염이 역류하는 플래시백 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연소기를 이루는 어느 하나의 버너 모듈이 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버너 모듈의 일부인 연료 노즐 모듈의 하부 표면이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연소기를 이루는 어느 하나의 버너 모듈이 도시된 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버너 모듈의 일부인 연료 노즐 모듈의 하부 표면이 도시된 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(1100), 압축기로부터 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(1200) 및 연소기에서 발생한 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(1300)을 포함한다. 본 명세서에서는 연료 또는 공기 흐름의 선후를 기준으로 상류 및 하류를 규정하도록 한다.

가스 터빈의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다. 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

가스 터빈의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분으로서, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 역할을 한다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

가스 터빈을 구성하는 압축기(1100)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계될 수 있는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 대형 가스 터빈은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 다단 축류형 압축기가 적용되는 것이 일반적이다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다.

연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다. 연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 회전축을 중심으로 환형으로 배치되는 복수개의 버너 모듈(1210)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 버너 모듈(1210)은 연료 유체가 연소하는 연소실(1240)을 포함하는 연소실 조립체(1220)와, 연소실(1240)로 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서를 포함하는 마이크로 믹서 조립체(1230)를 포함할 수 있다.

가스 터빈에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있는데, 본 발명에서의 연료 유체는 이들을 의미한다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.

예혼합 연소의 경우에는 마이크로 믹서 조립체(1230)에서, 압축기(1100)로부터 유입된 압축 공기는 연료와 혼합된 후, 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.

마이크로 믹서 조립체(1230)는 혼합된 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서(100)가 배치된 복수개의 마이크로 믹서 번들(MB, 도 3 참조)을 포함한다. 마이크로 믹서(100)는 연료를 공기와 적절한 비율로 혼합하여 연소에 적합한 상태가 되도록 한다.

복수개의 마이크로 믹서 번들(MB)은 하나의 내부 마이크로 믹서 번들을 중심으로 복수개의 외부 마이크로 믹서 번들이 방사상으로 배치될 수 있다. 마이크로 믹서(100)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

연소실 조립체(1220)는 연소가 이루어지는 공간인 연소실(1240)을 구비하는데, 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 포함한다.

라이너(liner, 1250)는 마이크로 믹서 조립체(1230)의 하류측에 배치되며, 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 라이너(1251)를 아우터 라이너(1252)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 이너 라이너(1251)는 내부가 빈 관형 부재이고, 이너 라이너(1251)의 내부는 연소실(1240)을 이룬다. 압축 공기는 압축공기 유입홀(H)을 통해 아우터 라이너(1252) 안쪽의 환형 공간 내부로 침투하여 이너 라이너(1251)를 냉각시킬 수 있다.

한편, 라이너(1250)의 하류 측에는 트랜지션 피스(transition piece, 1260)가 위치하는데, 트랜지션 피스(1260)는 연소실(1240)에서 발생한 연소 가스를 터빈(1300)으로 고속으로 내보낼 수 있다. 트랜지션 피스(1260)는 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262)의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 트랜지션 피스(1262)가 둘러싸는 이중 구조로 이루어질 수 있다. 이너 트랜지션 피스(1261)도 이너 라이너(1251)와 마찬가지로 내부가 빈 관형 부재로 형성되며, 라이너(1250)에서 터빈(1300) 측으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다. 이 때, 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)는 플레이트 스프링 씰(미도시)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)의 각 단부는 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 플레이트 스프링 씰은 열팽창에 의한 길이 및 직경의 신장을 수용할 수 있는 구조로 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 지지할 수 있다.

이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 아우터 라이너(1252)와 아우터 트랜지션 피스(1262)가 감싸는 구조로 되어 있고, 압축공기 유입홀(H)을 통해 이너 라이너(1251)와 아우터 라이너(1252) 사이의 환형 공간과 이너 트랜지션 피스(1261)와 아우터 트랜지션 피스(1262) 사이의 환형 공간 안으로 압축 공기가 침투할 수 있다. 이와 같은 환형 공간을 침투한 압축 공기는 이너 라이너(1251)와 이너 트랜지션 피스(1261)를 냉각시킬 수 있다.

한편, 연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소 가스는 라이너(1250) 및 트랜지션 피스(1260)를 통해 터빈(1300)으로 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소 가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌하여 반동력을 줌으로써 연소 가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.

다시 도 2를 참조하면, 케이싱(1270)과 엔드 커버(1231)는 버너 모듈(1210)로 흐르는 압축 공기(A)를 수용하도록 결합된다. 압축 공기(A)는 압축공기 유입홀(H)을 통해 라이너(1250) 또는 트랜지션 피스(1260) 내부의 환형 공간으로 유입되어 흐른 뒤, 엔드 커버(1231)에 의해 유동 방향이 전환되어 마이크로 믹서(100)로 유입될 수 있다. 연료는 연료 유로(1232)를 통해 연료 플레넘(1235, fuel plenum, 도 4 참조)으로 공급된 후, 마이크로 믹서(100)로 유입되어 압축 공기와 혼합될 수 있다.

마이크로 믹서(100)는 연소실(1240)의 상류에 있는 연료 노즐 모듈(1233)에 방사형으로 배열된다. 연료 노즐 모듈(1233)은 상부 표면(1233a, 도 4 참조)과 하부 표면(1233b, 도 4 참조)을 구비한다. 슈라우드(1234)는 마이크로 믹서 번들(MB)을 둘러싸도록 형성된다. 마이크로 믹서(100)는 연료 노즐 모듈(1233)의 상부 표면(1233a)으로부터 하부 표면(1233b) 방향으로 연장 형성된다. 압축 공기(A)는 연료 노즐 모듈(1233)에 형성된 마이크로 믹서(100)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들(MB)이 도시된 측단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 믹서 번들(MB)은 연료 유로(1232)를 중심으로 방사 방향으로 연장되어 형성되고, 마이크로 믹서(100)는 연료 노즐 모듈(1233)의 상부 표면(1233a)으로부터 하부 표면(1233b) 방향으로 연장 형성된다. 마이크로 믹서(100)는 상부 표면(1233a)에 형성된 유입구(101)와 하부 표면(1233b)에 형성된 유출구(102)를 포함한다. 한편, 본 발명의 마이크로 믹서(100)는 외부 유로(110)와 내부 유로(120)를 구비한 이중관 구조이므로, 유입구(101) 및 유출구(102)는 외부 유로(110)에 형성된 제1 유입구(101a) 및 제1 유출구(102a)와, 내부 유로(120)에 형성된 제2 유입구(101b) 및 제2 유출구(102b)를 구비한다.

연료 노즐 모듈(1233)의 상부 표면(1233a)과 하부 표면(1233b), 그리고 슈라우드(1234)는 연료 플레넘(1235)을 형성한다. 연료 플레넘(1235)에는 연료(F)가 마이크로 믹서(100)로 유입되도록 연료의 유동 경로를 정의하는 배플(1236)이 형성된다. 배플(1236)은 배플홀(1237)을 구비하며, 배플홀(1237)을 통해 연료는 마이크로 믹서(100)로 유입된다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 믹서를 설명한다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 도면이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 믹서(100)는, 외부 유로(110), 내부 유로(120), 스월러(130, Swiriler)를 포함한다.

외부 유로(110)는 연료 노즐 모듈(1233)의 상부 표면(1233a)으로부터 하부 표면(1233b) 방향으로 연장 형성된 유로이며, 상부 표면(1233a)에 형성된 제1 유입구(101a)와 하부 표면(1233b)에 형성된 제1 유출구(102a)를 포함한다.

내부 유로(120)는 외부 유로(110) 내부에 형성되고 연료 노즐 모듈(1233)의 상부 표면(1233a)으로부터 하부 표면(1233b) 방향으로 연장 형성된 유로이며, 상부 표면(1233a)에 형성된 제2 유입구(101b)와 하부 표면(1233b)에 형성된 제2 유출구(102b)를 포함한다.

유체 유동 상류에는 외부 유로(110)와 내부 유로(120) 사이에 형성된 연료 공급 유로(112)를 구비한다. 연료 공급 유로(112)는 외부 유로(110)에 형성된 연료 공급구(111)을 통해 유입된 연료(F)가 내부 유로(120)로 공급되도록 한다. 내부 유로(120)로 공급된 연료(F)는 제2 유입구(101b)로 유입된 공기(A)와 혼합되어 혼합 유체(FA)를 형성하고, 혼합 유체(FA)는 제2 유출구(102b)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다. 연료 공급 유로(112)는 내부 유로(120)를 중심으로 복수개가 방사형으로 형성될 수 있다. 연료 공급구(111)은 연료 공급 유로(112)의 개수와 대응하는 개수로 형성될 수 있다.

제1 유입구(101a)로 유입된 공기(A)는 연료(F)와 혼합되지 않고, 유동하다가 유체 유동 하류에 형성된 스월러(130)를 지나면서 와류를 형성한다. 스월러(130)는 와류(vortex)를 형성할 수 있는 구조이면 충분하며, 복수개가 방사형으로 형성될 수 있다. 스월러(130)는 내부 유로(120)의 외주면 또는 외부 유로(110)의 내주면 중 적어도 어느 하나에 고정될 수 있다. 또한, 도면에서 스월러(130)는 유체 유동 하류에 형성된 것을 예시하나, 이에 한정되지 않고, 유체 유동 상류, 유체 유동 중류 등 어느 위치에 형성하여도 무방하며, 하나의 외부 유로(110) 내에 복수개로 형성될 수도 있다.

한편, 도 5에서 스월러(130)는 외부 유로(110) 내에 형성되어 있는 것을 예시하나, 이에 한정되지 않고, 도 6에 도시된 바와 같이, 스월러(130)는 내부 유로(120) 내에 형성될 수 있다.

도 6의 경우, 내부 유로(120)로 공급된 연료(F)는 제2 유입구(101b)로 유입된 공기(A)와 혼합되어 혼합 유체(FA)를 형성한 후, 내부 유로(120)를 유동하다가 유체 유동 하류에 형성된 스월러(130)를 지나면서 와류를 형성하면서, 제2 유출구(102b)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다. 제1 유입구(101a)로 유입된 공기(A)는 연료(F)와 혼합되지 않고, 곧 바로 제1 유출구(102a)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 믹서를 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 도면이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 도면이다.

전술한 제1 실시예는 연료(F)가 내부 유로(120)로 공급되는 것이나, 제2 실시예는 연료(F)가 외부 유로(110)로 공급되는 점에서 상이하며, 다른 구성은 실질적으로 동일하므로, 반복 설명은 생략한다.

전술한 제1 실시예에서 연료 공급구(111)로 유입된 연료(F)는 연료 공급 유로(112)를 통해 내부 유로(120)로 공급되나, 제2 실시예에서는 연료(F)는 연료 공급구(111)을 통해 외부 유로(110)로 공급된다. 외부 유로(110)로 공급된 연료(F)는 제1 유입구(101a)로 유입된 공기(A)와 혼합되어 혼합 유체(FA)를 형성한 후, 외부 유로(110)를 유동하다가 유체 유동 하류에 형성된 스월러(130)를 지나면서 와류를 형성하면서, 제1 유출구(101b)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다.

스월러(130)는 와류(vortex)를 형성할 수 있는 구조이면 충분하며, 복수개가 방사형으로 형성될 수 있다. 스월러(130)는 내부 유로(120)의 외주면 또는 외부 유로(110)의 내주면 중 적어도 어느 하나에 고정될 수 있다. 또한, 도면에서 스월러(130)는 유체 유동 하류에 형성된 것을 예시하나, 이에 한정되지 않고, 유체 유동 상류, 유체 유동 중류 등 어느 위치에 형성하여도 무방하며, 하나의 외부 유로(110) 내에 복수개로 형성될 수도 있다.

제2 유입구(101b)로 유입된 공기(A)는 연료(F)와 혼합되지 않고, 곧 바로 제2 유출구(102b)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다.

한편, 도 7에서 스월러(130)는 외부 유로(110) 내에 형성되어 있는 것을 예시하나, 이에 한정되지 않고, 도 8에 도시된 바와 같이, 스월러(130)는 내부 유로(120) 내에 형성될 수 있다.

도 8의 경우, 연료 공급구(111)을 통해 외부 유로(110)로 공급된 연료(F)는 제1 유입구(101a)로 유입된 공기(A)와 혼합된 후, 곧 바로 제1 유출구(102a)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다. 내부 유로(120)로 유입된 공기(A)는 내부 유로(120)를 유동하다가 스월러(130)를 지나면서 와류를 형성하면서, 제2 유출구(102b)를 통해 연소실(1240) 내로 유동한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 마이크로 믹서(100)의 유출구(102a, 102b)를 통해 혼합 유체(FA)와 공기(A)가 함께 연소실(1240)로 공급되는데, 이들 중 어느 하나는 와류를 형성하면서 공급되므로, 연소실(1240) 내에서 발생하는 화염이 마이크로 믹서(100)의 유출구(102a, 102b)에 붙는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 와류에 의해 화염이 마이크로 믹서(100) 내부로 역류하는 플래시백 현상을 방지할 수 있다. 와류와 같은 유동 흐름 뿐만 아니라, 유로 상에 형성된 스월러(130)에 의해서도 플래시백 현상을 방지할 수 있다.

한편, 전술한 실시예들에서 스월러(130)가 외부 유로(110)에만, 또는 내부 유로(120)에만, 형성되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 스월러(130)는 외부 유로(110)와 내부 유로(120)에 각각 형성될 수도 있다.

스월러(130)가 외부 유로(110)와 내부 유로(120)에 각각 형성되는 경우, 서로 상이한 위치에 형성될 수 있다. 이 경우, 외부 유로(110)와 내부 유로(120)를 각각 유동하는 유체에 의해 발생하는 고주파 진동수가 다르게 될 수 있다. 이에 따라, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 고주파 공진에 의한 연소 불안정 문제를 해결할 수 있게 된다.

이하, 이하, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 믹서를 설명한다. 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 도면이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에서는 전술한 제1 및 제2 실시예에서 설명된 외부 유로(110), 내부 유로(120), 스월러(130) 등은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략하고, 차이점만 설명한다.

제3 실시예에서, 외부 유로(110)와 내부 유로(120)는 상이한 길이를 갖도록 형성될 수 있다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 외부 유로(110)와 내부 유로(120) 중 적어도 어느 하나는 연료 노즐 모듈(1233)의 상부 표면(1233a)에서 상부 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 이때, 연장되는 길이가 각각 상이하도록 할 수 있다. 즉, 도 9와 같이, 내부 유로(120)의 연장 부분(120a)이 외부 유로(110)의 연장 부분(110a) 보다 크도록 할 수 있다. 또는, 도 10과 같이, 외부 유로(110)의 연장 부분(110a)이 내부 유로(120)의 연장 부분(120a) 보다 크도록 할 수 있다.

이와 같이, 외부 유로(110)와 내부 유로(120)가 상이한 길이를 갖도록 형성하면, 외부 유로(110)와 내부 유로(120)를 각각 유동하는 유체에 의해 발생하는 고주파 진동수가 다르게 될 수 있다. 이에 따라, 수소를 함유하는 연료에 의해 발생하는 고주파 공진에 의한 연소 불안정 문제를 해결할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1100 : 압축기 1200 : 연소기
1210 : 버너 모듈 1220 : 연소실 조립체
1230 : 마이크로 믹서 조립체 1300 : 터빈
100 : 마이크로 믹서 110 : 외부 유로
111 : 연료 공급구 112 : 연료 공급 유로
120 : 내부 유로 130 : 스월러

Claims

연소실의 상류에 있는 연료 노즐 모듈에 방사형으로 배열되며,
제1 유입구 및 상기 연료 노즐 모듈의 하부 표면에 형성된 제1 유출구를 구비한 외부 유로;
상기 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 상기 연료 노즐 모듈의 하부 표면에 형성된 제2 유출구를 구비한 내부 유로;
상기 외부 유로에 형성되며, 상기 외부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급구; 및,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;
를 포함하는 마이크로 믹서.
청구항 1에 있어서, 상기 스월러는,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로에 각각 형성되되, 상기 외부 유로와 상기 내부 유로의 상이한 위치에 각각 형성되는 마이크로 믹서.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로는 상이한 길이를 갖도록 형성되는 마이크로 믹서.
청구항 3에 있어서,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로 중 적어도 어느 하나는 연료 노즐 모듈의 상부 표면에서 상부 방향으로 연장되어 형성되는 마이크로 믹서.
연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서를 포함하는 마이크로 믹서 조립체를 포함하며,
상기 마이크로 믹서는 상기 연소실의 상류에 있는 연료 노즐 모듈에 방사형으로 배열되며,
제1 유입구 및 상기 연료 노즐 모듈의 하부 표면에 형성된 제1 유출구를 구비한 외부 유로;
상기 외부 유로 내부에 형성되며, 제2 유입구 및 상기 연료 노즐 모듈의 하부 표면에 형성된 제2 유출구를 구비한 내부 유로;
상기 외부 유로에 형성되며, 상기 외부 유로로 연료를 공급하는 연료 공급구; 및,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로 중 적어도 어느 하나에 형성된 스월러;
를 포함하는 연소기.
청구항 5에 있어서, 상기 스월러는,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로에 각각 형성되되, 상기 외부 유로와 상기 내부 유로의 상이한 위치에 각각 형성되는 연소기.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로는 상이한 길이를 갖도록 형성되는 연소기.
청구항 7에 있어서,
상기 외부 유로와 상기 내부 유로 중 적어도 어느 하나는 연료 노즐 모듈의 상부 표면에서 상부 방향으로 연장되어 형성되는 연소기.