KR20010015527A - 보호 내화성 인서트를 가지는 연료 분사 노즐 - Google Patents

Abstract

기화기를 위한 연료 분사 노즐(10)은 보호 내화성 외장(70)을 포함하는데 이 외장은 노즐 배출 부분(40)과 인접한 하측 단부에서 같은 높이로 장착된다. 내화성 인서트(72)는 노즐 배출구를 둘러싸도록 환상 모양으로 이루어진다. 상기 환상 내화성 부재는 일체형 구조물일 수도 있고 또는 여러 부분으로 이루어진 구조물일 수도 있다. 환상 내화성 부재가 일체형 구조물이던지 또는 여러 부분으로 이루어진 구조물이던 지간에, 이것은 연료 분사 노즐의 하류 단부면에서 오목한 곳에 있고 내화성 부재와 리세스의 상호 결합면에 구비된 그루브(172)와 돌출부(144) 사이에서 나사 형태의 맞물림 또는 로케이팅 핀(110)에 의해 리세스에서 유지된다. 환상 내화성 부재의 영속성은 기화기 안쪽의 고온, 부식 반응 영역과 인접한 연료 분사 노즐의 하류 단부에서 공격받기 쉬운 표면을 보호함으로써 연료 분사기의 유효 수명을 연장시킨다.

Description

보호 내화성 인서트를 가지는 연료 분사 노즐{FUEL INJECTOR NOZZLE WITH PROTECTIVE REFRACTORY INSERT}

석탄 기체, 합성 기체, 환원 기체 또는 연료 기체와 같은, 수소 및 일산화탄소의 기체 혼합물을 발생시키도록 석탄, 기체 및 기름과 같은 탄소 연료의 처리 과정은 미국 특허 2,809,104에 나타낸 것처럼 고온의 부분 산화 기화기에서 실시된다. 부분 산화 기화기는 일반적으로 Stellaccio의 미국 특허 4,443,230과 Schlinger의 미국 특허 4,491,456에 나타낸 것과 같은 환상 형태의 연료 분사 노즐을 포함한다. 이런 고리 모양의 연료 분사 노즐은 부분 산화를 위해 산소를 포함한 기체와 함께, 기화기의 반응 챔버 안으로 탄소 연료의 슬러리를 펌프 작용에 의해 유입하는데 사용된다.

일반적으로, 황 함유 물질을 포함한, 물-석탄 슬러리는 연료 분사 노즐의 하나 또는 그 이상의 고리를 통하여 기화기의 반응 챔버로 공급된다. 다른 연료 분사 고리를 통하여 흐르는, 산소-함유 가스는 연료 분사 노즐의 배출구에서 물-석탄 슬러리와 합쳐지고 약 2400F 내지 3000F의 전형적인 기화기 작동 온도에서 자체 발화한다. 기화기 안의 보통 압력은 1 내지 300 대기압의 범위에 있다.

기화기 내에서, 기체 황화수소, 연료 분사 노즐의 금속 구조물에 대해 잘 알려진 부식제는 연료 공급의 물-석탄 슬러리 성분을 처리하는 동안 형성된다. 액체 슬래그는 물-석탄 슬러리와 산소-함유 기체 사이의 반응에 의한 부산물로서 형성되고, 이 슬래그는 금속 구조의 연료 분사 노즐을 부식시킬 수도 있다. 또, 이 영역에서 연료 공급 성분은 자체 발화하기 때문에 연료 분사 노즐의 배출구 둘레의 반응 영역에서 고온 상태는 배출구를 고온 부식시키고 열에 의해 갈라지게 할 수 있다. 연료 분사 노즐의 배출구는 일반적으로 기화기에서 가장 높은 열 구배 영역의 부분을 한정한다.

연료 분사 노즐, 특히 배출구에서 황화수소와 액체 슬래그의 부식 작용뿐만 아니라 배출구의 고온 부식 및 열에 의해 금이 가는 현상 때문에, 열 손상 및 열적-화학적 저하로 인해 배출구에서 연료 분사 노즐은 종종 파손되기 쉽다.

연료 분사 노즐 구조의 열적 손상 및 열적-화학적 저하는 후에 교체되어야 하는, 연료 분사 노즐의 유효 수명을 제한한다. 그러나 교체하기 위해 연료 분사기를 제거하기 전에 냉각 기간 동안 기화기 작동은 일시적으로 멈추어야 하므로 연료 분사 노즐을 교체하는데 많은 비용이 들고 불편하다.

가열 및 부식제에 의한 연료 분사 노즐의 손상을 제한하려는 시도에 따라 Schlinger의 미국 특허 4,491,456에 나타난 것처럼, 연료 분사 노즐의 하류 단부에 부착된 텅스텐과 실리콘 카바이드와 같은, 열과 마모에 견딜 수 있는 재료로 이루어진 원뿔 시일드를 제공한다. 그러나, Schlinger에 의해 발명된 원뿔 시일드는 수직 배향으로 유지되고 쉽게 노즐에서 멀리 미끄러질 수 있다. 그리고, Schlinger 원뿔 시일드를 연료 분사 노즐의 배출 단부에 고정하기 위한 모든 결합 재료는 부식되어 결합이 파괴될 수 있다. 이런 결합 재료의 파괴는 원뿔 시일드를 연료 분사 노즐로부터 멀리 떨어지게 할 수 있다. 따라서, 연료 분사 노즐의 배출 단부에서 Schlinger 원뿔 시일드의 유효 수명은 원뿔 시일드를 연료 분사 노즐에 고정하는 결합제의 파괴로 인해 아주 빠르게 감소될 수 있다. 이 연료 분사 노즐의 유효 수명은 원뿔 시일드에 의해 제공된 보호 시일딩의 너무 이른 상실 때문에 감소된다.

Gehardus 등의 공개된 캐나다 출원 2,084,035는 합성 가스를 생산하기 위한 버너를 나타내는데 여기에서 단면은 열장이음에 의해 제자리에 유지되는 세라믹 판으로 클래딩한다. 열장이음 조인트는 열장이음 조인트에서 오리피스 벽의 두께를 불균일하게 하고 벽 두께가 감소한 바람직하지 못한 영역을 가진다. 열장이음 조인트에서 불균일한 벽 두께는 마모와 부식을 가속화시킨다. 또 열장이음 조인트는 세라믹 판을 위한 좁은 지지 넥(neck)을 형성한다. 좁은 지지넥은 버너로부터 분리되거나 손상되는 판의 약한 부분이다.

따라서 연료 분사 노즐의 배출구에 단단히 유지된 보호 내화성 인서트를 연료 분사 노즐에 제공하는 것이 바람직한데 이 내화성 인서트는 연료 분사 노즐의 최고 열 구배 영역에서 금속을 대신한다. 또 열 피로 부식 손상을 일으키는 열과 황화수소를 증진시키는 조건하에서 제자리에 유지되는 보호 내화성 인서트를 연료 분사 노즐에 제공하는 것이 바람직한데, 보호 내화성 인서트의 영속성은 연료 분사 노즐의 유효 수명을 연장한다.

본 발명은 부분 산화 기화기를 위한 연료 분사 노즐에 관한 것이고, 특히 배출구에서 연료 분사 노즐의 열적, 열-화학적 손상을 억제하도록 배출구에 보호 내화성 인서트를 가지는 새로운 연료 분사 노즐에 관련된다.

첨부 도면에서,

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 환상 내화성 인서트를 가지는 다환 연료 분사 노즐의 단면도;

도 2 는 연료 분사 노즐의 배출구에 설치하기 전에 환상 내화성 인서트를 나타낸 분해도인데, 이 연료 분사 노즐의 내부 고리는 명확하게 나타내기 위해 도면에서 생략되었다;

도 3과 4 는 핀 고정을 위해 배출구에 배치된 환상 내화성 인서트의 확대된 단면도;

도 5 는 하류 단부에서 하측면도인데 환상 내화성 인서트를 설치한 후에 배출구를 나타낸다.

도 6 은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 분해된 사시도인데, 여러 세그먼트로 이루어진 환상 내화성 인서트는 다환 연료 분사 노즐의 배출구에 설치하기 위해 배치된다;

도 7 은 배출구에서 다수의 세그먼트로 이루어진 환상 내화성 인서트를 설치하기 전에 하측면도;

도 8 은 연료 분사 노즐의 배출구에서 환상 내화성 인서트 세그먼트의 중간 설치 위치를 나타낸 도 7과 유사한 도면;

도 9 는 환상 내화성 인서트의 최종 설치 위치를 나타낸 도 8과 유사한 도면;

도 10 은 도 8의 10-10선을 따라서 본 확대된 단면도;

도 11 은 도 8의 11-11선을 따라서 본 확대된 단면도;

도 12 는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸 분해 사시도인데 여기에서 여러 세그먼트로 이루어진 리테이닝 링은 연료 분사 노즐의 배출구에서 여러 세그먼트로 이루어진 환상 내화성 인서트를 잠그는데 사용된다;

도 13 은 연료 분사 노즐의 배출구에서 다수의 세그먼트로 이루어진 환상 내화성 인서트의 중간 설치 위치를 나타낸 개략적인 하측면도;

도 14 는 연료 분사 노즐의 배출구에 여러 세그먼트로 이루어진 리테이닝 고리와 여러 세그먼트로 이루어진 환상 내화성 인서트의 완성된 설치 배열을 나타낸 도 13과 유사한 도면;

도 15 는 다수의 세그먼트로 이루어진 리테이닝 고리를 설치하기 전에 도 12의 15-15선을 따라서 본 확대된 단면도;

도 16 은 도 13의 16-16선을 따라서 본 확대된 단면도; 및

도 17 은 도 14의 17-17선을 따라서 본 확대된 단면도.

동일한 부호 번호는 여러 도면에 대해 동일한 부호 번호를 나타낸다.

본 발명의 여러 가지 목적에 따르면 배출구에 열적, 열-화학적 보호부를 가지는 새로운 연료 분사 노즐을 제공하고, 배출구 둘레에 보호 인서트를 기계적으로 잠그는 리테이닝 장치를 사용해 배출구에 고정된 보호용 열적, 열-화학적 인서트를 가지는 새로운 연료 분사 노즐을 제공하는데, 상기 리테이닝 장치는 부식제 또는 열 현상에 의해 너무 빠르게 손상되지 않고 인서트와 리테이닝 장치는 기화기의 작동을 개시하는 동안 발생하는 열에 의해 유도된 변형 과정을 허용한다.

본 발명의 다른 목적은 연료 분사 노즐과 맞물린 내화성 형태를 이용함으로써 비교적 낮은 가격으로 연료 분사 노즐의 배출구 둘레에 열적, 열-화학적 보호부를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 공정 반응에 의해 손상되기 쉬운 금속을 대체하는 내화성 인서트를 연료 분사 노즐에 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 연료 분사 노즐의 수명을 연장하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 연료 분사 노즐의 배출구 둘레에 같은 높이로 장착된 새로운 보호 내화성 인서트를 연료 분사 노즐에 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적과 특징은 아래에서 기술될 것이다.

본 발명에 따르면, 환상 내화성 인서트는 노즐 배출 단부와 가까운 하류 단부에서 연료 분사 노즐과 맞물린다.

연료 분사 노즐의 하류 단부에 형성된 리세스는 환상 내화 인서트를 수용한다. 이 리세스는 사다리꼴 형태의 횡단면으로 형성될 수 있는데, "사다리꼴"이라는 용어는 사다리꼴과 비슷한 모양으로 이해할 수 있다. 그 밖의 적합한 리세스 횡단면 모양은 본 발명의 범위 내에 포함된다.

리세스에 환상 내화성 인서트를 배치하는 것은 접합제나 결합 재료를 필요로 하지 않는 로킹 또는 래치 장치에 의해 연료 분사 노즐에 내화성 인서트를 맞물리게 하는 것을 포함한다. 상기 인서트는 연료 분사 노즐의 배출 단부 면 너머로 연장되지 않으므로 배출구 단부면에서 같은 높이로 장착된다.

본 발명의 제 1 실시예에서, 환상 내화성 인서트는 환상 인서트의 원주 둘레에 형성된 그루브와 맞물리는 로킹 핀을 수단으로 리세스에서 제자리에 고정된 일체형 부재이다.

본 발명의 제 2 실시예에서, 환상 인서트는 여러 세그먼트로 이루어진 구조물로 형성된다. 이 세그먼트는 환상 인서트 세그먼트의 대응하는 측벽에 형성된 둘레 그루브와 맞물리는 리세스의 측벽에 형성된 보스 모양의 돌출부에 의해 사다리꼴 리세스에서 제자리에 유지된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 환상 인서트 세그먼트가 설치 리세스에 설치된 후에 연료 분사 노즐의 배출 단부에 고정된다. 이런 금속 리테이닝 링은 사다리꼴 리세스의 구조물을 완성하고, 리세스 내에서 환상 내화성 세그먼트를 유지하는 역할을 하는 로킹 구조물을 완성한다.

환상 내화성 인서트의 여러 세그먼트는 리세스에 배치될 때 상호 연결되는 계단식 단부를 포함한다. 이런 인서트 세그먼트의 계단식 맞물림은 인서트 세그먼트를 통과하여 아래에 놓인 연료 분사 노즐의 금속 구조물로 부식 기체 및 슬래그가 통과하는 것을 제한한다.

본 발명의 모든 실시예에서, 환상 내화성 인서트는 기화기의 반응 영역에서 고온 조건 및 부식성 화학 조건 때문에 노즐 배출 단부에서 연료 분사 노즐의 하류 단부가 열적, 열-화학적 손상을 입는 것을 방지한다. 따라서 환상 내화성 인서트는 연료 분사 노즐의 유효 수명을 연장시켜서 기화기의 작동 주기를 연장시킨다.

본 발명은 이하 설명되는 구조 및 방법을 포함하고, 본 발명의 영역은 청구항에 나타나 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 분사 노즐은 도 1에서 부호 번호 10을 나타내었다. 이 연료 분사 노즐(10)은 Stellacio의 미국 특허 4,443,230에서 자세히 설명한 연료 분사 노즐과 비슷하다.

이런 연료 분사 노즐(10)은 부분 산화 기화기에 사용되는 형태이고, 상류 단부(12)와 하류 단부(14)를 가진다. 중심축(16) 둘레에서 대칭 실린더형을 이루는 연료 분사 노즐(10)은 하류 단부(14)에서 노즐 배출 단부(40)를 형성하도록 수렴되는 동심 환상 이송 흐름 관(22,24,26)과 중심 이송 흐름 관(20)을 포함한다. 도관(26)과 결합된 환상 마운팅 플랜지(28)는 기화기 반응 챔버의 열린 유입 단부에서 지지되도록 배치되어서 노즐 배출 단부(40)가 반응 챔버에 매달려 있도록 허용한다.

도관(20,22,24,26)은 각각의 유입 파이프(30,32,34,36)를 포함한다. 이 유입 파이프(30)는 예를 들어 유리된 산소-함유 가스, 증기, 재순환된 생성물 기체 및 탄화수소 기체의 그룹에서 기체 연료 물질(42)의 공급류를 제공한다. 유입 파이프(32)는 석탄-물 슬러리와 같은 고체 탄소 연료의 펌프 작용을 받는 액체 상태의 슬러리(44)를 제공한다. 상기 유입 파이프(34,36)는 온도 조절기로 혼합물에서 유리 산소-함유 기체와 같은 두 개의 연료 흐름(46,48)을 제공한다.

도관(20,22,24,26)으로부터 산소-함유 기체(42), 탄소질 슬러리 흐름(44) 및, 유리 산소-함유 기체 흐름(46,48)은 반응 영역(도시되지 않음)을 형성하도록 기화기 반응 챔버(도시되지 않음)의 기설정된 위치에서 노즐 배출 단부(40) 너머로 기설정된 거리에서 결합된다. 도관(20,24,26)으로부터 산소-함유 흐름(42,46,48)을 가지는 도관(22)에서 배출된 탄소 슬러리(44)가 결합되면 탄소 슬러리(44)를 세분화시키는데, 이것은 생산물의 반응 및 열-유도 기화 과정을 촉진시킨다. 결과적으로, 연료 분사 노즐(10)의 하류 단부(14)에서 반응 영역은 강한 열을 특징으로 하는데, 이 온도는 2400F 내지 3000F의 범위 내에 있다.

환상 동축 수냉각 재킷(50)은 배출구(40)를 둘러싸도록 연료 분사 노즐(10)의 하류 단부에 제공된다. 상기 환상 냉각 재킷(50)은 유입관(54)을 통하여 유입되는 냉각수(52)를 받아들인다. 이 냉각수(52)는 환상 냉각 재킷(50)으로부터 냉각 코일(58)로 56에서 배출되고 공지된 모든 적합한 재순환 또는 배수 장치(도시되지 않음)에서 냉각 코일(58)로부터 배출된다.

상기 배출구(40)는 기화기의 고온 반응 영역으로 노출되고 높은 열 구배 부분인 하류 단부(14)에서 환상 수평면 또는 하류 단부면(62)을 포함한다. 상기 배출구(14)는 화학적, 열적 부식이 일어나기 쉽고 열에 의해 금이 가기 쉬운데 이것은 연료 분사 노즐(10)의 조작상의 문제점을 일으킬 수 있다.

배출구(40)에서 연료 분사 노즐(10)의 열적, 열-화학적 부식의 문제점을 처리하기 위해서, 배출구(40)와 인접한 환상 표면(62)에 보호용 내화성 부재(70)가 제공된다. 이 보호용 내화성 부재(70)는 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물 또는 그 밖의 공지된 세라믹 합성물로 이루어진, 알맞은 내화재로 이루어진 일체형 환상 인서트(72)를 포함한다. 상기 환상 인서트(72)는 몰딩되거나, 가공되고 또는 그 밖의 공지된 적합한 방법으로 형성된다.

도 2와 3에서, 인서트(72)는 비교적 좁은 상부 베이스(74)와 비교적 넓은 하부 베이스(76)를 가지는 사다리꼴의 횡단면을 가진다. 이하 사용되는 "사다리꼴"이라는 용어는 사다리꼴과 비슷한 형태를 언급한다. 방사상 내부(78)는 사다리꼴 모양의 한 면에서 상부 및 하부 베이스(74,76)와 결합한다. 방사상 내부(78)에 형성된 원주 방향의 그루브(80)는 방사상 내부(78)와 직각을 이루며 기울어져 있다. 상기 인서트(72)는 사다리꼴 모양의 상부, 하부 베이스(74,76)를 결합하는 교차하는 측부(84,86)로 구성된 방사상 외부(82)를 포함한다. 필요하다면, 방사상 외부(82)는 연속적으로 기울어지게 형성될 수 있다.

도 2와 4에서, 사다리꼴 횡단면을 가지는 환상 채널(90)은 금속 환상 표면(62)에 형성되고 인서트(72)를 수용하도록 사다리꼴 모양의 인서트(72)와 상보적인 모양 및 크기를 가진다. 상기 채널(90)은 배출구(40)와 인접해 있다. 이 채널(90)은 인서트(72)의 상부 베이스(74)와 대응하는 상부 베이스 부분(92), 인서트(72)의 방사상 내면(78)과 방사상 내면(94), 인서트(72)의 방사상 외부(82)와 대응하는 방사상 외부(96) 및, 인서트(72)의 하부 베이스(76)와 대응하는 채널 오우프닝(100)을 포함한다. 채널(90)의 방사상 외부(96)는 인서트(72)의 교차하는 측부(84,86)와 일치하는 교차하는 측부(102,104)로 이루어진다.

다수의 등간격의 핀 오우프닝(106)이 배출구(40)에서 경사진 하류 오리피스 벽면(108)에 구비된다. 이 핀 오우프닝(106)은 채널(90)의 방사상 내면(94)을 통과하고 내화성 인서트(72)의 환상 그루브(80)로 레지스터한다. 상기 핀 오우프닝(106)은 벽면(78)에 대해 그루브(80)와 동일한 각을 이룬다. 배출구 벽면(108)은 연료 분사 노즐(10)의 배출구(40)에서 움직이는 유체 또는 질량 부분에 대한 흐름 경로를 한정한다.

채널(90)에 인서트(72)를 배치함으로써 연료 분사 노즐(10)에 내화성 인서트(72)가 조립되므로, 인서트 표면(74,78,84,86)은 대응하는 채널 표면(92,94,102,104)과 표면끼리 접촉한다. 필요하다면, 내화성 인서트(72)를 설치하기 전에, 채널 표면(92,94,102,104)은 실리콘 카바이드 모르타르, Teflon^ⓡ또는 그 밖의 적합한 공지된 고온 접착제와 같은 알맞은 결합재로 코팅될 수 있다. 또 환상 인서트(72)의 열적, 열-화학적 내성을 증진시키도록 인서트(72)의 표면(76)에 실리콘 이산화물을 코팅할 수 있다.

International Nickel Co.에 의해 만들어진 ALLOY 800과 같은 알맞은 철 합금으로 형성된 로킹 핀(110)은 도 3과 4에 나타낸 것처럼, 내화성 인서트(72)의 그루브(80)와 맞물리도록 각각의 핀 오우프닝(106)으로 눌러진다. 따라서, 채널(90)에 내화성 인서트(72)를 배치할 때, 로킹 핀(110)은 도 5에 나타낸 것처럼 채널(90)로 내화성 인서트(72)를 고정하도록 그루브(80) 안으로 구동된다.

이 장치에서 인서트(72)의 베이스 면(76)은 노출된 단부면이고 연료 분사 노즐(10)의 환상 하류 단부 면(62)과 같은 높이의 공면이다. 이렇게 동일한 높이로 장착하면 내화성 인서트(72)를 가지는 연료 분사 노즐(10)은 열적, 열-화학적 크래킹과 부식에 내성을 가질 뿐만 아니라 기화기 내의 아주 높은 온도와 부식되는 조건하에서 제자리에 유지한다. 그리고 비록 연료 분사 노즐이 크래킹에 의해 손상될지라도 같은 높이로 장착하는 것은 공정 흐름에 영향을 끼치지 않는다.

비록 채널(90)과 환상 내화성 인서트(72)의 크기는 선택적일지라도, 인서트(72)의 크기를 결정하는 채널(90)의 크기는 오우프닝(100)으로부터 베이스(92)까지 약 1/4에서 3/4인치의 깊이이고, 표면(76)에서 3/8 내지 3/4 인치의 너비이며, 표면(92)에서 1/8 내지 5/8인치의 너비이고, 방사상 내면(94)에서 4 내지 6인치의 직경을 가진다. 채널(90)에서 벽(108)(도 2)의 두께는 약 1/64 내지 1/8인치이다. 환상 그루브(80)의 너비는 약 1/64 내지 1/8인치이고 로킹 핀(100)의 직경은 약 1/64 내지 1/8인치이다.

환상 내화성 인서트(72)는 배출구(40)와 인접해 연료 분사 노즐(10)의 하류 단부에 기계적으로 상호 결합된다. 하류 단부(14)에서 환상 수평면(62)은 연료 분사 노즐의 반응 영역으로 직접 노출되므로 환상 수평면(62)에서 보호용 내화성 부재(70)의 위치 설정 및 고정하는데 실제적인 보호를 할 수 있다. 보호용 부재(70)의 환상 내화성 인서트(72)는 로킹 핀(110)을 통하여 연료 분사 노즐에 기계적으로 결합되고, 이 로킹 핀은 모르타르보다 큰 강도 및 내구성을 가지므로, 로킹 핀은 연료 분사 노즐(10)의 배출 단부(40)를 위한 보호제로서 내화성 부재(70)의 수명을 연장시킨다.

배출 노즐 단부(40)에서 연료 분사 노즐의 금속 구조물 안에 환상 내화성 인서트(72)의 오목한 부분은, 환상 내화성 인서트(72)가 기화기의 반응 영역에서 불리한 상태에 표면이 노출되지 않게 하면서 보호할 수 있도록 보장한다. 연료 분사 노즐의 유효 수명은 연료 분사 노즐의 노즐 배출 단부(40)의 열적 손상 및 열-화학적 손상에 대한 내성을 증가시킴으로써 길어진다.

연료 분사 노즐의 다른 실시예는 도 6에서 부호 번호 120으로 나타내었다. 이 연료 분사 노즐(120)은 표시한 부분을 제외하고는, 연료 분사 노즐(10)과 구조적으로 비슷하다. 상기 연료 분사 노즐(120)은 배출구(124)의 하류 단부에 수평 환상 표면(126)과 배출구(124)를 가지는 하류 단부(122)를 포함한다. 연료 분사 노즐(10)(도 2)의 채널(90)과 일치하는 사다리꼴 채널(130)(도 6)은 환상 표면(126)에 형성된다.

도 10에 잘 나타난 것처럼, 채널(130)은 상부 베이스 표면(132), 방사상 내면(134), 방사상 외면(136) 및 채널 오우프닝(138)을 포함한다. 나사 모양의 보스(144)는 방사상 내면(134)에 형성되고 채널(130) 둘레에서 약 240°로 뻗어있다. 대응하는 나사 모양의 보스(146)는 바깥쪽 방사상 표면(136)에 형성되고, 보스(144)와 아치형으로 정렬되어 채널(130) 둘레에서 약 240°로 뻗어있다. 따라서, 채널(130)의 120° 호 부분(148)(도 7)은 나사 모양의 보스(144,146)를 가지지 않는다.

나사 모양의 보스(144,146)는 채널 오우프닝(138)과 상부 베이스(132) 사이 거리의 1/3 지점에 배치된다. 상기 보스(144,146)는 다른 적합한 형태로 만들 수 있지만 일반적으로 반타원형 또는 반원형의 횡단면으로 형성된다.

도 6에서, 연료 분사 노즐(120)은 환상 인서트(72)와 동일한 물질로 형성된, 여러 세그먼트로 이루어진 환상 인서트(150)를 포함한다. 이 인서트(150)는 채널(130)에 대해 사다리꼴 형태로 만들어지고, 세 개의 세그먼트(152,154,156)를 포함하며, 각각은 약 120°의 아치형 영역을 가진다.

도 10에 가장 잘 나타난 것처럼, 각각의 세그먼트(152,154,156)는 채널 오우프닝(130) 및 채널 표면(132,134,136)과 대응하는 비교적 좁은 상부면(162), 비교적 넓은 하부면(164), 방사상 내면(166) 및, 방사상 외면(168)을 포함한다.

내주 그루브(172)는 보스(144)를 수용하도록 세그먼트(152,154,156)의 방사상 내면(166)에 형성되고, 외주 그루브(174)는 보스(146)를 수용하도록 세그먼트(152,154,156)의 외부 방사상 측면(168)에 형성된다.

각 세그먼트(152,154,156)의 단부는 부호 번호 180,182로 나타낸 것처럼, 계단식으로 이루어져서 도 11과 12에 잘 나타난 것처럼, 세그먼트의 계단식 맞물림을 허용한다. 따라서, 세그먼트(152)의 한쪽 단부는 세그먼트(154)의 인접한 단부에서 상보적 형태의 상승 스텝(180)과 맞물릴 수 있는 하강 스텝(182)을 포함한다.

세그먼트(152,154,156)는 채널(130)의 보스가 없는 부분(148)으로 하나씩 세그먼트를 배치하고, 보스(144,146)를 포함하는 채널(130)의 부분으로 세그먼트를 미끄럼 운동시킴으로써 채널(130)에 배치된다.

채널(130)의 보스가 없는 영역(148)은 여러 세그먼트로 이루어진 인서트의 가장 큰 세그먼트의 아치형 영역보다 조금 더 큰 아치형 영역을 가진다는 것을 주목해야 한다. 비록 인서트(150)가 거의 동일한 호의 세 개의 세그먼트를 포함할지라도, 각각의 세그먼트는 동일한 크기로 이루어질 필요는 없다. 유리하게도 상기 인서트는 4개의 세그먼트를 초과하지 않는다.

따라서, 이 세그먼트(152)는 채널(130)의 보스가 없는 영역(148)(도 7)에 배치되고, 도 8에 나타낸 위치로 반시계 방향으로 죄어진다. 다음 세그먼트(154)는 채널(130)의 보스가 없는 부분(148)에 배치되고, 도 8에 나타낸 위치로 시계 방향으로 나사로 고정되는데, 여기에서 계단 모양의 단부(180,182)는 도 11에 나타낸 것처럼 맞물린다.

나머지 세그먼트(156)는 보스가 없는 부분(148)에 배치되어서, 세그먼트(156)의 각 단부에서 상승 스텝(180)은 세그먼트(152,154)의 대응하는 단부에서 각각의 하강 스텝(182)과 맞물린다. 모두 세 개의 세그먼트(152,154,156)가 채널(130)에 배치될 때, 이것은 예를 들어 도 9에서 화살표(188,190)로 나타낸 것처럼, 시계 방향으로 약 60도로 회전한다. 따라서, 세그먼트(152,156) 부분은 보스 모양의 나사(144,146)에 의해 연결되는 반면에, 세그먼트(154)의 완전한 아치형 영역은 보스 모양의 나사(144,146)에 의해 연결된다. 이런 배치에서, 각각의 세그먼트(152,154,156)는 보스 모양의 내부 및 외부 나사(144,146)와 약 60도를 이루며 연결된다.

세그먼트(152,154,156)는 보스 모양의 채널 나사(144,146)와 세그먼트 그루브(172,174) 사이에서 상호 연결됨으로써 채널(130) 안으로 고정된다. 이런 상호 연결은 채널(130) 안에 세그먼트(152,154,156)를 고정하여 유지하는 역할을 한다. 또, 각 세그먼트(152,154,156)의 반대쪽 단부의 계단식 연결은 채널(130)의 표면(92)에서 부식재의 발생 가능성을 최소화한다.

원한다면, 각 세그먼트(152,154,156)의 계단식으로 맞물린 단부(180,182)는 세라믹 모르타르 또는 그 밖의 다른 알맞은 결합재로 결합될 것이다. 결합재는 세그먼트(152,154,156)를 설치하는 동안 채널(140)의 표면에 적용될 수 있다. 각각의 세그먼트(152,154,156)의 단부에서 계단식 조인트(180,182)는 세라믹 세그먼트를 지나 부식성 액체 슬래그와 황화수소가 통과하지 못하게 돕는다.

여러 세그먼트로 이루어진 환상 고리는 세그먼트의 팽창과 수축을 허용하고, 비록 각 세그먼트(152,154,156)의 계단식으로 맞물린 단부(180,182) 사이에 어떠한 결합재도 구비되지 않을지라도, 계단식으로 맞물린 단부는 세라믹 세그먼트를 통과하는 부식재의 이동을 최소화한다.

연료 분사 노즐의 또다른 실시예는 도 12에서 부호 번호 200으로 나타내었다. 이 연료 분사 노즐(200)은 표시된 부분을 제외하고는, 연료 분사 노즐(10)과 구조적으로 비슷하다. 상기 연료 분사 노즐(200)은 배출구(204)의 하류 단부에서 수평 환상 표면(206)과 배출구(204)를 가지는 하류 단부(202)를 포함한다.

도 12와 15에 부분적으로 나타내고 도 17에 완전히 도시한 사다리꼴 채널(210)은, 연료 분사 노즐(10)의 채널(90)과 일치하고 수평 환상 표면(206)에 구비된다. 상기 사다리꼴 채널(210)은 상부 베이스 부분(212), 내부 방사상 표면(214)(도 17), 외부 방사상 표면(216)과 베이스 오우프닝(218)(도 17)을 포함한다.

나사 모양의 보스(222)는 바깥쪽 방사상 표면(216)에 형성되고 표면(216) 둘레에서 약 240°의 아치형 영역을 가진다. 따라서, 도 12에서 부호 번호 224로 표시한 표면(216)의 120도 호는 나사 모양의 보스(222)를 가지지 않는다. 이 나사 모양의 보스(226)(도 17)는 채널(210)의 안쪽 방사상 표면(214)에 형성되고 채널 둘레에 완전히 펼쳐져 있다.

도 12에서, 연료 분사 노즐(200)은 연료 분사 노즐(120)의 여러 세그먼트로 이루어진 내화성 환상 인서트(150)와 동일한, 여러 세그먼트로 이루어진 내화성 환상 인서트(230)를 포함한다.

이 연료 분사 노즐(200)은 4개의 세그먼트(242,244,246,248)를 포함하는, 여러 세그먼트로 이루어진 금속 리테이닝 링(240)을 포함한다. 이 금속 링 세그먼트(242)는 약 180도의 아치형 영역을 가진다. 금속 링 세그먼트(244)는 약 120도의 아치형 영역을 가진다. 링 세그먼트(246)는 약 50도의 아치형 영역을 가지고 링 세그먼트(248)는 약 10도의 아치형 영역을 가진다. 각각의 링 세그먼트(242,244,246,248)는 나사 모양의 보스(226)를 가지는 바깥쪽 방사상 표면(214)을 가진다.

도 12에 나타낸 것처럼, 리테이닝 링(240)의 바깥쪽 방사상 표면(214)은 도 17에 나타낸 것과 같은, 채널(210)의 안쪽 방사상 표면(214)으로 구성된다. 상기 링 세그먼트(242,244,246,248)는 사다리꼴 리세스(210)의 상부 베이스(212)와 이웃해 인접한 표면(254)(도 16)과 맞물리는 상부 가장자리(252)를 포함한다. 상기링 세그먼트(242,244,246,248)는 환상 인서트(230)의 하부면(164)과 일치하는 하부 가장자리(256)(도 17)와 방사상 안쪽 면(258)을 포함한다.

리테이닝 링(240)이 설치되기 전에 환상 내화성 인서트(230)의 인서트 세그먼트(152,154,156)가 연료 분사 노즐(200)의 하류 단부(202)에 조립된다. 예를 들어, 인서트 세그먼트(152)는 리세스(210)의 보스가 없는 부분(224)에 배치되고, 환상 인서트(150)를 설치하기 위해 전술한 바와 유사한 방법으로 리세스(210) 둘레에 옮겨져서, 나사 모양의 보스(222)와 나사 모양의 그루(174) 사이의 상호 결합을 허용한다. 상기 인서트 세그먼트(152)는 보스가 없는 부분(224)의 방해 없이 완전히 옮겨진다. 다음 인서트 세그먼트(154)는 보스가 없는 부분(224)에 배치되고 전술한 것과 유사한 방법으로 옮겨져서, 보스(222)는 인서트 세그먼트(154)의 그루브(174)와 맞물린다. 상기 인서트 세그먼트(154)는 보스(222)와 완전히 맞물리도록 보스가 없는 부분(224) 밖으로 이동한다. 나머지 인서트 세그먼트(156)는 보스가 없는 부분(224)에 배치되고, 전술한 바와 유사한 방법으로 약 60도로, 도 13에 나타낸 위치로 옮겨져서, 보스(222)는 인서트 세그먼트(152,156)의 그루브(174)와 약 60도 이루며 맞물리는 반면에, 전체 인서트 세그먼트(154)는 도 13에 나타낸 것처럼, 보스(222)와 상호 연결된다.

각 인서트 세그먼트(152,154,156)의 계단식 단부(180,182)는 전술한 바와 비슷하게 결합한다.

인서트 세그먼트(152,154,156)가 설치된 후에, 이것은 리테이닝 링(240)에 의해 제자리에 단단히 고정된다. 상기 리테이닝 링 세그먼트(242,244,246)는 도 14와 17에 나타낸 것처럼 연속적으로 배치되어서, 링 세그먼트의 보스(226)는 인서트 세그먼트(152,154,156) 의 그루브(172)와 맞물린다. 상기 링 세그먼트(248)는 리테이닝 링 원주를 완전히 채우고 환상 인서트(230)를 수용하는 사다리꼴 리세스(210)의 방사상 안쪽 벽면(214)을 구성하는 위치로 눌러진다.

리테이닝 링 세그먼트(242,244,246,248)의 상부 가장자리(252)는 인접한 표면(254)(도 16과 17)에 대해 용접되거나 고정된다. 상기 링 세그먼트 단부(262,264,266,268,270,272,274)(도 12와 14)는 배출구에서 연료 분사 노즐(200)의 하류 단부(202)에 인서트 세그먼트(152.154.156)를 고정하기 위한 완전한 리테이닝 링을 형성하도록 함께 용접된다.

선호적으로 리테이닝 링 세그먼트(242-248)의 단부(262-274)는 인서트 세그먼트(152-156)의 계단식 단부(180,182)에 대해 엇갈려 있다. 필요하다면, 공지된 적합한 고온 접착제가 리테이닝 링 세그먼트(242-248)의 바깥쪽 방사상 표면(214)과 인서트 세그먼트(152-156)의 안쪽 방사상 표면(166)에 제공될 수 있다.

리테이닝 링 세그먼트(242,244,246)의 아치형 영역은 약 360도이므로, 상기 리테이닝 링 세그먼트(248)는 용접 구조물에 의해 대체될 수 있다는 것을 알아야 한다. 다른 크기의 리테이닝 링 세그먼트도 선택적으로 사용될 수 있다. 비록 최소 두 개의 리테이닝 링 세그먼트가 선호되지만, 리테이닝 링 세그먼트의 수도 선택 사항이다.

이 장치를 사용할 때, 연료 분사 노즐(200)은 배출 노즐(204)에 보호용 내화성 인서트를 구비하는데, 이것은 장착하기에 비교적 용이하다. 상기 내화성 링(230)은 본 발명의 모든 실시예에서처럼, 선택적인 결합재 없이, 채널(210) 내에 단단히 고정된다.

위의 상세한 설명에 기술한 본 발명의 몇 가지 장점은 노즐 배출부와 인접한 하류 단부에 같은 높이로 장착된 보호용 환상 내화성 인서트를 가지는 연료 분사 노즐을 포함한다. 이 보호용 내화성 인서트는 쉽게 설치되고, 수리되고 교체될 수 있으며, 연료 분사 노즐 구조물과 결합하도록 기계적으로 고정된다. 상기 보호용 내화성 인서트는 인서트와 배출구 사이의 벽 두께를 균일하게 하여서 대체용 금속보다 우수하게, 열 손상 및 열-화학적 저하를 막을 수 있다. 그리하여 이 보호용 내화성 인서트는 연료 분사 노즐의 유효 수명을 연장시킨다.

위에서, 본 발명의 여러 가지 목적이 달성되고 다른 유리한 결과도 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 전술한 구조 및 방법을 다양하게 바꿀 수 있으므로, 위의 상세한 설명에 기술되고 첨부 도면에 나타낸 모든 실시예는 단지 예시로서 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 안 된다.

Claims (21)

1. a) 상류 단부와 하류 단부를 가지는 연료 분사 몸체,

   b) 하류 단부로부터 탄소질 연료의 흐름 및 산소-함유 기체 흐름의 분리된 이동을 허용하도록 상류 단부에서 하류 단부로 뻗어있는 동심 내외 도관,

   c) 리세스를 가지도록 형성된 하류 단부면과 배출구를 가지는 연료 분사 노즐의 하류 단부 및,

   d) 하류 단부에서 연료 분사 노즐의 열적, 열-화학적 보호부를 제공하기 위해 리세스 내에 고정되고, 연료 분사 노즐의 하류 단부면과 공면인 노출된 단부 면을 가지는 환상 보호성 인서트로 구성된 기화기를 위한 연료 분사 노즐.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스는 환상 경로를 한정하는 채널 형태인 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
3. 제 2 항에 있어서, 환상 보호성 인서트는 일체형 부재이고, 이 연료 분사 노즐은 채널 안쪽에 환상 내화성 인서트를 유지하는 리테이닝 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 채널은 측벽을 가지고 상기 리테이닝 수단은 측벽을 통하여 환상 내화성 인서트로 뻗어있는 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 배출구는 연료 분사 노즐로부터 배출 흐름 방향을 정하는 하류 오리피스 벽 표면을 가지고, 상기 채널은 대향한 측벽 표면과 밑면을 포함하며, 상기 측벽 표면 중 하나는 하류 오리피스 벽 표면과 평행을 이루어서 하류 오리피스 벽 표면과 한쪽 측벽 표면 사이의 두께는 밑면으로부터 하류 단부면까지 일정한 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 환상 내화성 인서트는 세 개의 인서트 세그먼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 채널은 대향한 벽면을 포함하고 리테이닝 수단은 채널의 한쪽 벽면에 구비된 돌출부를 포함하며 상기 인서트 세그먼트가 채널 안에 있을 때 돌출부와 그루브 사이의 상호 결합을 위해 인서트 세그먼트에 하나 이상의 그루브가 제공되고, 이런 상호 결합은 채널에 인서트 세그먼트를 유지하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 돌출부는 한쪽 벽의 원주 둘레에 일부 뻗어있어서, 한쪽 벽의 기설정된 아치형 영역은 돌출부를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
9. 제 8 항에 있어서, 기설정된 아치형 영역은 가장 큰 인서트 세그먼트의 아치형 영역보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 리테이닝 수단은 채널의 각 대향한 벽면에 돌출부 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
11. 제 10 항에 있어서, 각각의 인서트 세그먼트는 대향한 측면을 가지고 리테이닝 수단은 인서트 세그먼트의 각 대향한 측면에 그루브 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 인서트 세그먼트는 아치형 영역에서 각각 12도이고 채널의 대향한 벽면은 120도 이상의 아치형 영역을 위한 돌출부를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
13. 제 6 항에 있어서, 상기 인서트 세그먼트는 채널에 인서트 세그먼트가 계단식으로 맞물리도록 상보적으로 계단식의 대향한 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
14. 제 2 항에 있어서, 환상 내화성 인서트가 리세스에 배치된 후에 리세스는 배출구의 하류 단부와 결합된 조립된 측벽을 가지므로, 이 조립된 측벽은 리세스의 채널 형태를 완성하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 조립된 측벽은 세 개 이상의 세그먼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 조립된 측벽은 4개의 측벽 세그먼트로 형성되는데, 각각의 측벽 세그먼트는 조립된 측벽의 일부를 구성하고, 각각의 측벽 세그먼트는 바깥쪽 방사상 표면, 안쪽 방사상 표면, 상부 가장자리와 하부 가장자리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 채널은 조립된 측벽과 대향해 제 2 측벽을 가지고, 돌출부는 각 측벽 세그먼트의 바깥쪽 방사상 표면 및 제 2 측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 환상 내화성 인서트는 둘 이상의 인서트 세그먼트로 구성되고, 이 인서트 세그먼트는 채널 안에 인서트 세그먼트를 유지하는 리테이닝 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 환상 내화성 인서트는 대향한 벽면을 가지는 세 개의 인서트 세그먼트로 구성되고 그루브는 각 세그먼트의 대향한 벽면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
20. 제 19 항에 있어서, 인서트 세그먼트가 채널에 있을 때 대응하는 그루브와 대응하는 돌출부가 서로 맞물려서, 이런 상호 결합은 채널에 인서트 세그먼트를 유지하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.
21. 제 16 항에 있어서, 상기 조립된 측벽은 상부 가장자리에서 연료 분사 노즐의 하류 단부에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 노즐.