KR20140028805A - 연소불안정 제어용 연소기 및 이를 이용한 연소불안정 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소기의 동축 가장자리에 가진(加振, vibrating)을 할 수 있는 시스템을 일체형으로 설치할 수 있는 연소불안정 제어용 연소기 및 이를 이용한 연소불안정 제어 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 연료 주입부, 상기 연료 주입부의 타단에 형성된 스월러, 상기 연료 주입부를 둘러싸며 형성된 공기 주입부, 상기 공기 주입부의 외주면에 일체형으로 형성된 가진부 및 상기 공기 주입부와 상기 가진부 사이를 연결하는 적어도 하나의 공기 관로를 포함하고, 상기 가진부는 상기 공기 주입부를 둘러싸며 형성된 하우징, 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 공기 관로에 인접하게 형성된 개폐기, 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 개폐기 뒤에 형성된 회전 날개를 포함하는 연소불안정 제어용 연소기를 개시한다.

Description

연소불안정 제어용 연소기 및 이를 이용한 연소불안정 제어 방법{Combustor for controlling combustion instability and control method using the same}

본 발명은 연소불안정 제어용 연소기 및 이를 이용한 연소불안정 제어 방법에 관한 것이다.

발전용 및 추진체용 가스터빈 연소기관은 화석연료의 열에너지를 이용하여 유용한 동력을 얻는 장치로 연소불안정(combustion instability) 현상에 의한 출력손실 및 장치 파손이 발생하지 않도록 설계되어야 한다.

이러한 연소기관에서의 연소불안정 메커니즘은 여러 가지 가설로 설명되고 있으나 그 중 가장 설득력이 있는 것은 열 발생률 변화에 기인한 설명이다. 즉, 주기적인 연소에 의한 열 발생률 변화에 따른 압력변동이 연소기 상류로 전파되고, 이로 인해 연료 혼합 위치에서 당량비가 변하고, 이 당량비 변화가 다시 하류의 열발생율 변화를 일으키는 순환구조를 갖는다. 이러한 순환구조에서 비정상 열방출현상과 연소기 고유의 음향모드 중 하나가 동조되어 자발적으로 연소불안정은 발생하며, 압력과 열방출 사이의 위상에 따라 화염은 음향장에 에너지를 공급하거나 제거시키기도 한다.

이러한 연소실 내의 연소현상에 기인한 압력변동의 불안정성에 대한 연구는 Rayleigh에 의해 시작되었으며, 연소 화염에 의한 음향장으로의 에너지 가감 여부를 판단하는 기준으로 흔히 Rayleigh의 기준이 사용된다. 압력과 열방출 진동 사이의 위상이 90도보다 작은 경우 음향장에 에너지를 가하게 되고, 두 진동의 위상이 90도보다 큰 경우 음향장을 완화시킨다.

연소불안정의 경우, 연소방식에 따라 그 크기와 특성이 달라지는데, 연료와 산화제(공기)를 따로 공급하는 확산화염 연소시스템의 경우에는 연소불안정 현상이 적은 것으로 알려져 있다. 이에 반해 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소하는 예혼합연소방식의 경우 유해 배기가스 배출량을 줄이기 위해 연료공기 혼합기의 공기량을 늘려 희박 예혼합연소방식을 채택하는데 이 경우에 연소불안정이 문제가 된다. 이러한 연소불안정은 전기 및 추진력생산을 위한 동력생산을 방해하고, 불완전 연소를 야기하며, 연소기까지도 파괴시킬 수 있는 문제가 있다.

많은 문헌에서 언급하고 있는 연소불안정 해결하는 방법으로는 크게 두 가지 능동제어 방법과 수동제어 방법으로 나뉜다. 연소불안정의 원인으로 제시되는 것인 연소에 의한 열방출 섭동과 압력섭동의 간섭과 중첩 현상이다.

첫째, 연소불안정 수동제어는 연소시스템을 변경하는 불안정의 원인이 되는 두 가지의 섭동 중 한 가지를 변경하여 중첩에 의한 불안정을 해결하는 방식이다. 즉 연소실 내에 공명기라는 특정 부피를 갖는 공간을 추가함으로 압력섭동의 특성을 변화시키는 것이 일례이다. 수동제어방식의 경우 연소 제어 장치의 구조가 단순하다는 장점이 있으나, 좁은 주파수 대역에서만 효과가 있고, 작동영역의 변화가 생기면 연소 제어의 효과가 약해진다. 이러한 수동제어의 경우 제어범위가 좁은 단점이 있어 능동제어에 대한 기술개발이 진행되고 있다.

둘째, 연소불안정 능동제어는 발생된 압력섭동의 특성을 파악하여 이에 대응하는 그러나 위상(phase)이 다른 동압신호를 스피커와 같은 장치를 통해 발생시킴으로 감쇄시키는 방식으로 상대적으로 넓은 주파수대역에서 연소 제어의 효과가 있다. 하지만, 부적절한 제어 상태(위상이 같은 상태)가 되면 시스템을 더욱 불안정하게 할 수 있고, 위상이 다른 동압신호 발생기의 응답성능이 빠를수록 좋다.

다만, 능동제어를 위한 동압신호 발생기의 경우 위상변경이 용이한 가진부(스피커)를 사용한다. 하지만, 스피커와 같은 가진 장치의 경우 실제 가스터빈 내 고온 환경에 설치하여 제어하기가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 연소기의 동축 가장자리에 가진(加振, vibrating)을 할 수 있는 시스템을 일체형으로 설치할 수 있는 연소불안정 제어용 연소기 및 이를 이용한 연소불안정 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 연소불안정 제어용 연소기는 연료 주입부, 상기 연료 주입부의 타단에 형성된 스월러, 상기 연료 주입부를 둘러 싸며 형성된 공기 주입부, 상기 공기 주입부의 외주면에 일체형으로 형성된 가진부 및 상기 공기 주입부와 상기 가진부 사이를 연결하는 적어도 하나의 공기 관로를 포함하고, 상기 가진부는 상기 공기 주입부를 둘러싸며 형성된 하우징, 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 공기 관로에 인접하게 형성된 개폐기, 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 개폐기 뒤에 형성된 회전 날개를 포함한다.

상기 연료 주입부는 외주면의 일부에 고정된 제 1자석을 구비하고, 상기 회전 날개는 내주면에 고정된 제 2자석을 구비하며, 상기 제 2자석은 상기 제 1자석에 대향 되는 위치에 배치될 수 있다. 상기 연료 주입부는 길이 방향으로 이동 가능하며, 상기 회전 날개는 상기 연료 주입부의 이동 방향과 동일한 방향으로, 동시에 이동할 수 있다. 상기 회전 날개는 익형 형상을 가질 수 있다. 상기 개폐기는 적어도 하나의 제 1홈을 구비하고, 상기 하우징의 내부에 고정된 스테이터 및 상기 제 1홈에 대응되는 크기 및 개수로 형성되는 제 2홈을 구비하고, 상기 스테이터에 맞닿아 회전하는 로터를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 홈은 상기 적어도 하나의 공기 관로에 대응되는 개수로 형성될 수 있다. 상기 적어도 하나의 홈은 상기 적어도 하나의 공기 관로에 대응되는 위치에 각각 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연소불안정 제어 방법은 연소기의 메인 주파수를 찾는 (A)단계, 상기 (A)단계 이후, 상기 연소기의 메인 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 가진부의 회전을 제어하는 (B)단계, 상기 (B)단계에서, 상기 연소기의 메인 주파수와 상기 가진부의 주파수가 동일하면, 상기 연소기와 상기 가진부의 위상차이를 계산하는 (C)단계 및 상기 (C)단계 이후, 상기 가진부를 이동 시켜, 상기 위상차이를 제거하는 (E)단계를 포함한다.

본 발명은 연소기의 동축 가장자리에 가진(加振, vibrating)을 할 수 있는 시스템을 일체형으로 설치 할 수 있다.

또한, 가진부의 회전속도를 제어해 주파수를 조정하고, 가진 신호의 발생위치를 길이방향으로 이동시킬 수 있어 지연시간을 고려한 위상변경이 가능하도록 구성할 수 있다.

가진부의 회전속도는 연소용 압축공기의 유로 개도량으로 조절할 수 있고, 가진부의 회전력은 마그네틱 드라이브로 작동하도록 하여 기계적 진동 및 마찰을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연소기 헤드(H)를 도시한 정면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소불안정 제어용 연소기의 일부를 절단한 사시도이며, 도 2b는 도 2a를 2a방향에서 바라본 측면도이다.
도 3a는 도 2b의 3a를 확대한 확대도이고, 도 3b는 연료 주입부 및 가진부의 이동을 도시하는 확대도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연소기 헤드(H)를 도시한 정면도이다.

본 발명에 따른 연소기 헤드(H)에는 도 1을 참조하면, 복수의 연소기(1000, 1000')를 일정간격을 두고 배치하여 가스터빈 연소기를 구성한다.

상기 복수의 연소기(1000, 1000') 모두 본 발명의 일 실시예에 따른 연소불안정 제어용 연소기(1000)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 복수의 연소기(1000, 1000') 중 본 발명에 따른 연소불안정 제어용 연소기(1000)는 상기 연소기 헤드(H)의 중심에 구성되는 것이 바람직하다. 이는 가스터빈 연소기에서 발생하는 불안정한 연소를 간편하게 제어하기 위함이다.

여기서, 미 설명부 (350)은 연소용 공기/연료 토출부이고, (450)은 가진부의 공기 토출부이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소불안정 제어용 연소기의 일부를 절단한 사시도이며, 도 2b는 도2a를 2b방향에서 바라본 측면도이고, 도 3a는 도 2b의 3a를 확대한 확대도이고, 도 3b는 연료 주입부 및 가진부의 이동을 도시하는 확대도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소불안정 제어용 연소기(1000)는 도 2A 및 도 3B를 참조하면, 연료 주입부(100), 스월러(200), 공기 주입부(300), 가진부(400) 및 공기 관로(500)를 포함한다.

상기 연료 주입부(100)는 대략 길쭉한 원통형으로 형성된다. 상기 연료 주입부(100)의 외주면 일부에는 제 1자석(101)이 고정되어 형성된다. 상기 제 1자석(101)은 상기 공기 주입부(300)의 내주면에 거의 밀착되도록 일정 높이를 갖는 고정부재(102)를 통해 상기 연료 주입부(100)의 외주면에 고정되어 있다.

상기 연료 주입부(100)는 상기 연소불안정 제어용 연소기(1000)에서의 길이방향(X축 방향)으로 이동이 가능하다. 이는 후술할 상기 가진부(400)의 위상을 제어하기 위함이다.

상기 스월러(200)는 상기 연료 주입부(100)의 끝단에 결합되어 있어, 상기 연소불안정 제어용 연소기(1000)로 투입되는 연료와 공기를 혼합하여 터빈 내부로 보낸다.

상기 스월러(200)에는 다수의 날개가 외주면을 따라 일정간격으로 형성된다.

상기 공기 주입부(300)는 상기 연료 주입부(100)를 전체적으로 둘러싸며 형성된다. 여기서, 상기 공기 주입부(300)는 상기 스월러(200)도 함께 감싸며 형성된다. 따라서, 상기 공기 주입부(300)를 통해 유입되는 공기와 상기 연료 주입부(100)를 통해 유입되는 연료는 상기 스월러(200)에서 적절히 혼합된다.

상기 가진부(400)는 상기 공기 주입부(300)의 일부를 둘러싸며 상기 가진부에 일체형으로 형성된다.

상기 공기 관로(500)는 상기 공기 주입부(300)를 통해 흐르는 공기의 일부를 상기 가진부(400)에 공급하는 경로를 제공한다. 상기 공기 관로(500)는 일단과 타단이 뚫린 원통형으로 형성되며, 일단은 상기 공기 주입부(300)의 내부에 배치되고, 타단은 상기 가진부(400)의 내부에 배치된다.

상기 공기 관로(500)는 하나 혹은 다수의 개수로 형성되어, 상기 가진부(400)로 흐르는 공기의 유량을 제어할 수 있다.

상기 가진부(400)는 하우징(410), 개폐기(420) 및 회전 날개(430)를 포함한다.

상기 하우징(410)은 상기 공기 주입부(300)의 외주면과 소정 간격 이격되어 형성된다. 따라서, 상기 공기 주입부(300)의 외주면과 상기 하우징(410)의 사이에는 소정 공간이 존재한다.

상기 개폐기(420)는 스테이터(421) 및 로터(422)를 포함한다.

상기 스테이터(421)는 상기 공기 관로(500)의 타단에 인접하게 형성된다. 상기 스테이터(421)는 적어도 하나의 제 1홈(421a)을 구비한다. 상기 적어도 하나의 제 1홈(421a)은 상기 공기 관로(500)의 개수 및 위치에 대응되어 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 공기 관로(500)를 통해 상기 하우징(410) 내부로 유입되는 공기의 양을 적절하게 제어하기 위함이다. 도 2a에 따른 상기 스테이터(421)는 단차부(421a)를 갖는 톱니 형태로 도시되어 있으나, 이는 바람직한 실시예일뿐, 일면에 다수의 홈이 형성되는 형태도 가능하므로, 이를 통해 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

상기 로터(422)는 상기 스테이터(421)에 맞닿아 형성되며, 회전 가능한 형태로 형성된다.

상기 로터(422)는 상기 스테이터(421)와 마찬가지로 적어도 하나의 제 2홈(422a)를 구비한다. 상기 적어도 하나의 제 2홈(422a)은 상기 적어도 하나의 제 1홈(421a)의 크기, 개수 및 위치에 대응되어 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 로터(422)의 회전각을 제어하면, 상기 하우징(410)으로 유입되는 공기의 양을 제어하는 것이 가능하다.

즉, 상기 로터(422)의 적어도 하나의 제 2홈(422a)이 상기 스테이터(421)의 적어도 하나의 제 1홈(421a)에 정확히 일치하는 경우, 상기 하우징(410)으로 유입되는 공기의 양이 최대가 된다. 이와 반대로, 상기 로터(422)의 적어도 하나의 제 2홈(422a)이 상기 스테이터(421)의 적어도 하나의 제 1홈(421a)에 어느 한 부분도 일치하지 않은 경우, 상기 하우징(410)에 유입되는 공기는 존재하지 않는다.

상기 회전 날개(430)는 상기 하우징(410)의 내부에 형성되며, 다수의 날개가 외주면을 따라 일정간격으로 형성된다. 따라서, 상기 하우징(410)의 내부로 유입되는 공기에 의해 일정한 방향으로 회전하며, 특정 주파수의 파동을 발생하는 것이 가능하다.

여기서, 상기 회전 날개(430)의 내주면에는 제 2자석(431)이 고정되어 형성된다. 상기 제 2자석(431)은 상기 연료 주입부(100)의 제 1자석(101)과 동일한 자석으로 형성된다. 따라서, 상기 회전 날개(430)는 하우징(410) 내부에서 회전하는데 있어서, 상기 제 1자석(101)과 상기 제 2자석(431)사이의 마그네틱 드라이브로 작동하도록 하여 기계적 진동 및 마찰을 최소화할 수 있다.

다음은 본 발명에 따른 연소불안정 제어 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 연소불안정 제어 방법은 연소기의 메인 주파수를 찾는 (A)단계, 상기 연소기의 메인 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 가진부의 회전을 제어하는 (B)단계, 상기 연소기의 메인 주파수와 상기 가진부의 주파수가 동일하면, 상기 연소기와 상기 가진부의 위상차이를 계산하는 (C)단계, 및 상기 가진부를 이동 시켜, 상기 위상차이를 제거하는 (E)단계를 포함한다.

상기 연소불안정 제어용 연소기(1000)의 끝단 혹은 터빈(미도시)의 내부에는 동압센서(미도시)가 설치되어 있으며, 상기 동압센서(미도시)는 가스터빈 내의 연소불안정을 감지한다.

여기서, 상기 동압센서(미도시)가 가스터빈 내의 연소불안정을 감지하면, 상기 (A)단계에서, 연소불안정 제어용 연소기(1000)에서 발생하는 메인 주파수를 검출한다.

상기 (B)단계는 연소불안정이 압력신호가 계측되는 경우, 상기 로터(422)를 회전 시켜 상기 하우징(410)의 내로 유입되는 공기의 유량을 증가시켜, 연소불안정 신호의 주파수와 같도록 연소불안정 제어용 연소기(1000) 내에 설치된 가진 주파수 측정부(미도시)의 신호를 확인하며 가진부(400)의 회전 수를 상기 연소불안정 신호의 주파수와 일치시킨다.

상기 (C)단계는 상기 연소불안정 제어용 연소기(1000)의 메인 주파수와 상기 가진부(400)의 주파수를 일치 시킨 상태에서, 상기 연소불안정 제어용 연소기(1000)와 상기 가진부(400)의 위상차이를 계산한다.

상기 (E)단계는, 상기 (C)단계에서 계산한 위상차이를 극복하기 위해, 상기 연료 공급부(100)를 길이방향(X축)으로 이동시킨다. 상기 연료 공급부(100)의 이동에 따라 상기 가진부(400)는 동일하게 이동하게 되고, 기존의 위치와 재설정된 위치 사이의 위치 차이(D1)가 발생한다. 이에 따라 상기 가진부(400)에서 발생하는 파동의 위상이 변하게 된다. 따라서, 연료 공급부(100)의 위치를 제어하여, 가진부(400)에서 발생하는 파동의 위상을 제어할 수 있다.

상기 가진부(400)에서 발생하는 파동의 위상이 상기 연소불안정 제어용 연소기(1000)에서 발생하는 위상과 반대로 발생하면, 상기 두 파동은 서로 상쇄된다. 따라서, 연소불안정 현상을 안정화시킬 수 있다.

여기서, 상기 가진부(400)의 위치를 제어하여 발생하는 위상은 아래의 식(1)을 통해 구할 수 있다.

식 (1)

단, L은 연료공급위치에서 노즐 팁까지의 거리, L'은 노즐 팁에서 화염전면(flame front)까지의 거리, U_avg는 혼합가스의 평균유속,

는 당량비 변동(분사된 연료 유동)이 연소장까지 도달하는데 걸린 시간,

는 연소장에서 연료분사구까지 압력정보를 전달하는 시간,

는 화학지연시간, T는 음향 주기를 나타낸다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

1000: 연소불안정 제어용 연소기
100: 연료 주입구 200: 스월러
300: 공기 주입부 400: 가진부
500: 공기 관로

Claims (8)

1. 연료 주입부;
   상기 연료 주입부의 타단에 형성된 스월러;
   상기 연료 주입부를 둘러싸며 형성된 공기 주입부;
   상기 공기 주입부의 외주면에 일체형으로 형성된 가진부; 및
   상기 공기 주입부와 상기 가진부 사이를 연결하는 적어도 하나의 공기 관로; 를 포함하고,
   상기 가진부는
   상기 공기 주입부를 둘러싸며 형성된 하우징,
   상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 공기 관로에 인접하게 형성된 개폐기,
   상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 개폐기 뒤에 형성된 회전 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연료 주입부는 외주면의 일부에 고정된 제 1자석을 구비하고,
   상기 회전 날개는 내주면에 고정된 제 2자석을 구비하며,
   상기 제 2자석은 상기 제 1자석에 대향 되는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 연료 주입부는 길이 방향으로 이동 가능하며,
   상기 회전 날개는 상기 연료 주입부의 이동 방향과 동일한 방향으로, 동시에 이동하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 회전 날개는 익형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 개폐기는
   적어도 하나의 제 1홈을 구비하고, 상기 하우징의 내부에 고정된 스테이터 및
   상기 제 1홈에 대응되는 크기 및 개수로 형성되는 제 2홈을 구비하고, 상기 스테이터에 맞닿아 회전하는 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 홈은 상기 적어도 하나의 공기 관로에 대응되는 개수로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 홈은 상기 적어도 하나의 공기 관로에 대응되는 위치에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어용 연소기.
8. 가스터빈 내의 연소불안정이 동압센서를 통해 감지가 되는 경우 이를 제어하는 연소불안정 제어 방법에 있어서,
   연소기의 메인 주파수를 찾는 (A)단계;
   상기 (A)단계 이후, 상기 연소기의 메인 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 가진부의 회전을 제어하는 (B)단계;
   상기 (B)단계에서, 상기 연소기의 메인 주파수와 상기 가진부의 주파수가 동일하면, 상기 연소기와 상기 가진부의 위상차이를 계산하는 (C)단계; 및
   상기 (C)단계 이후, 상기 가진부를 이동 시켜, 상기 위상차이를 제거하는 (E)단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 제어 방법.

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