KR20150039763A

KR20150039763A - 외부 영역에서 교차되는 블레이드 단부를 갖는 와류 발생기를 구비한 버너 내 공기와 연료 혼합물의 국부적 개선

Info

Publication number: KR20150039763A
Application number: KR20157002878A
Authority: KR
Inventors: 베른트 프라데
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2015-04-13
Also published as: EP2864706A1; CN104471317A; RU2015107562A; RU2633475C2; US20150285499A1; US10012386B2; WO2014023462A1; EP2864706B1; CN104471317B

Abstract

본 발명은 실질적으로 횡단면이 환형인, 작동 중 공기와 연료에 의해 관류되는 공기 공급 및 사전 혼합 채널(4)을 구비한 버너에 관한 것으로서, 상기 채널은 외부 쉘(5)과 허브(6)에 의해 형성되고, 상기 채널 내에는 허브(6)로부터 외부 쉘(5)까지 반경 방향으로 연장되고 편향면(11)을 가지는 복수의 와류 블레이드들(7)이 배치되며, 이때 와류 블레이드(7)의 반경 방향 외부 영역에는 주 흐름 방향(13)에 대한 유출각(α)이 편향면(11)의 배출 단부(12)에서 반경 방향으로 1회 이상 증가하고 1회 이상 감소한다.

Description

외부 영역에서 교차되는 블레이드 단부를 갖는 와류 발생기를 구비한 버너 내 공기와 연료 혼합물의 국부적 개선{LOCAL IMPROVEMENT OF THE MIXTURE OF AIR AND FUEL IN BURNERS COMPRISING SWIRL GENERATORS HAVING BLADE ENDS THAT ARE CROSSED IN THE OUTER REGION}

본 발명은 연료를 혼합하는 와류 발생기를 구비한 버너와, 특히 공기와 연료의 혼합의 국부적 개선에 관한 것이다.

연소 공기 내로 연료를 균일하게 혼합하는 것은 이른바 희박한 사전 혼합 연소의 영역에서 작동되는 버너의 개발 시에 중심이 되는 설계 과제이다. 상기의 희박한 사전 혼합 연소의 온도 영역은, 물질에 따른 연소 챔버 배출 온도 규제 때문에 질소 산화물 이미션을 제어하기 위해 특히 가스 터빈에서 제공된다. 특히 압력 하에서의 사전 혼합 연소의 어려움은 일반적으로 사전 혼합 구간의 파괴와 결부되는, 사전 혼합 구간 내에서 제어될 수 없는 연소 현상/자체 점화를 방지하는 데에 있다.

대체적으로, 가능한 한 균일한 사전 혼합이 최소 NO_x 이미션으로도 귀결되는 것으로 추정될 수 있다.

일반적으로, 기술적 버너는 거의 회전 대칭형으로 설계되고, 빈번하게 동심으로 서로의 둘레에 배치되는 하나 또는 복수의 와류 발생기를 구비한다. 그러는 동안에, 종래 기술에서 와류 발생기 블레이드가 중공 블레이드로서 형성되는 동시에 연료 분사 부재로서 이용되는 것이, 예컨대 공보 WO 2011/023669에 공지되어 있다. 상기 유형의 배치는 대부분 외부 섹션에 비해 허브 상에서 2개의 근접한 블레이드들의 간격에 현저한 차이가 존재하는 결과, 다시 말해 일반적으로 블레이드들이 허브 측에서 외부에서보다 서로 훨씬 더 가까이 함께 위치하는 결과를 가져온다. 이로 인해, 허브측 상에서는 훨씬 더 쉽게 도달될 수 있는 반면에, 가능한 한 양호한 혼합을 달성하기 위해, 무엇보다 반경 방향 외부에서, 2개의 블레이드들 사이의 중간 공간 내에 이르기까지 충분히 연료를 분사하는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위한 제안들이 제공된다. 그러나, 일반적으로 이러한 개선은 아주 큰 결과로 나타나지는 않는다.

예시들은 다음과 같다:

- 내부에서 외부로 연료 보어 직경의 확대. 이로 인해, 연료 분출의 침투 깊이가 완전히 충분하지는 않을지라도 부분적으로 개선되는 동시에, 필요한 혼합 구간이 (대략 연료 보어의 직경에 비례하여) 늘어난다.

- 블레이드 수의 증가. 이는 허브 상에 제공될 수 있는 공간에 의해 그리고 허브 측에 공기 흐름의 차단이 증가되는 것에 의해 구조적이고 공기 역학적으로 한정된다.

- 허브로부터 간격이 증가됨에 따라 블레이드 두께가 증가되는 매우 3차원적인 블레이드 프로파일의 이용.

여기서도, 블레이드의 공기 역학적 콘투어와 관련하여, 이번에는 외부 섹션에서, 연료 보어의 평면에서의 두꺼운 블레이드 두께로부터 다시 매우 얇은 블레이드 단부까지 오기 위해 문제가 발생하는데, 다시 말해 그리고 나서 블레이드는 외부로 매우 길어질 문제이다.

본 발명의 과제는, 특히 사전 혼합 구간의 반경 방향 외부에 위치하는 영역들에서 공기와 연료의 개선된 혼합을 가능하게 하는, 도입부에 언급된 유형의 버너를 제공하는 것이다.

이러한 과제는 본 발명에 의해, 상기 유형의 버너가, 실질적으로 횡단면이 환형인, 작동 중 공기와 연료에 의해 관류되는 공기 공급 및 사전 혼합 채널을 구비한 버너이고, 상기 채널은 외부 쉘과 허브에 의해 형성되며, 상기 채널 내에는 허브로부터 외부 쉘까지 반경 방향으로 연장되고 편향면을 갖는 복수의 와류 블레이드가 배치되고, 상기 버너에서 와류 블레이드의 반경 방향 외부 영역에는 주 흐름 방향에 대한 유출각이 편향면의 배출 단부에서 반경 방향으로 1회 이상 증가하고 1회 이상 감소하는 것이 제공됨으로써 해결된다.

본 발명은, 국부적으로 존재하는 난류 강도가, 공기 내로의 연료 혼합에 대해 추가로 영향을 주는 파라미터를 나타낸다는 지식에 기초한다. 난류 강도의 증가는 혼합을 촉진시키는 데에 영향을 준다.

그러므로, 특히 외부 섹션에서 난류 강도를 증가시키거나 혼합을 촉진시키는 와류 경로를 생성하는 것이 제공된다.

바람직한 일 실시예에서, 편향면의 반경 방향 내부에 위치하는 배출 단부에는, 배출 단부의 반경 방향 외부에 위치하는 유출각(α₃)과 배출 단부의 중간에 위치하는 유출각(α₂) 사이에서 유출각(α₁)이 존재한다. 그리고 나서, 상이한 유출각들을 갖는 영역들의 전단 구역(shear zone) 내에서, 전단으로 인해 난류는 와류 경로의 형태로 국부적으로 증가된다.

이때, 인접한 와류 블레이드들의 유출각(α)이 상이한 반경 방향의 프로파일을 나타낼 경우에 바람직할 수 있다.

바람직하게, 상기 와류 블레이드들은 적어도 부분적으로 연료를 위한 배출 개구를 갖는 중공 블레이드로서 형성된다.

공기 공급 및 사전 혼합 채널은 중앙 파일럿 버너 시스템을 동심으로 둘러싸는 경우에 목적에 부합된다.

서로에 대해 "교차되는" 블레이드 단부들에 의해 혼합을 촉진시키는 난류의 국부적 이용은, 내부에 위치하는 영역들에 영향을 강하게 끼치지 않으면서, 외부 섹션에서의 혼합의 질을 개선한다. 더욱이, 혼합의 질은 작동 요건들에 덜 좌우된다.

본 발명은 예시로서 도면에 의해 더 상세히 설명된다.

도 1은 매우 개략적인 버너의 계통도이다.
도 2는 주 버너 시스템의 전개된 부분에 대한 평면도이다.
도 3은 와류 블레이드의 평면도이다.
도 4는 와류 블레이드에 걸친, 반경 방향으로 허브로부터 외부 쉘까지 오프셋된 섹션들의 평면도이다.

도 1에 도시된 버너(1)는 내부 파일럿 버너 시스템(2)과, 이 파일럿 버너 시스템(2)을 동심으로 둘러싸는 주 버너 시스템(3)을 포함하고, 상기 버너는 경우에 따라 동일한 유형의 복수의 버너들과 연결되어서, 예컨대 가스 터빈 설비의 연소 챔버 내에서 이용될 수 있다. 파일럿 버너 시스템(2) 뿐만 아니라 주 버너 시스템(3)도 선택적으로 예컨대 천연가스 또는 연료유와 같은 가스 연료 및/또는 액체 연료로 작동될 수 있다.

주 버너 시스템(3)은 환형 공기 채널로도 지칭되는 반경 방향의 외부의 공기 공급 및 사전 혼합 채널(4)을 포함하고, 상기 채널은 외부 쉘(5)과 허브(6)에 의해 형성되며, 이러한 채널을 통해 와류 블레이드 장치 와류 블레이드(7)는 연장된다. 이러한 와류 블레이드(7)는 연료를 위한 배출 개구(8)를 가지고, 상기 배출 개구를 통해 연소 가스는 반경 방향 공기 공급 및 사전 혼합 채널(4)을 통해 유입하는 공기 내로 분사될 수 있다.

도 2에는, 와류 블레이드(7)를 구비한 주 버너 시스템(3)의 전개된 부분이 평면도로 도시되고, 공기 내 연료의 양호하고(9) 불량인(10) 혼합 영역들이 도시된다. 반경 방향 내부에, 다시 말해 허브(6)의 근방에 블레이드들(7)은 비교적 서로 가까이 위치하여서, 가능한 한 양호한 혼합을 달성하기 위해 연료는 2개의 블레이드들(7) 사이의 중간 공간 내로 충분히 멀리 분사될 수 있다. 반경 방향 외부로, 외부 쉘(5)의 근방에, 블레이드들(7)이 상응하게 서로에 대해 더 멀리 떨어져서, 연료가 공기 내로 연료의 충분히 멀리 분사되는 것이 더 어렵다.

도 3에는, 본 발명에 따라 버너(1)의 와류 블레이드(7)의 편향면(11)이 도시된다. 와류 블레이드(7)는 버너(1) 내에서 (우측에, 도시되지 않은) 반경 방향 내부에 위치하는 허브(6)로부터 (좌측에, 도시되지 않은) 반경 방향 외부에 위치하는 외부 쉘(5)까지 연장된다. 게다가, 도 3의 실시예에서, 와류 블레이드(7)는 연료를 위한 배출 개구(8)를 갖는 중공 블레이드로서 형성된다. 본 발명의 더 나은 이해를 위해, 편향면(11)의 배출 단부(12)의 영역에는 3개의 영역들(101, 102, 103)이 표시되고, 이때 영역들(102 및 103)은 블레이드(7)의 반경 방향 외부 영역에 귀속될 수 있다.

도 4에는, 허브(6)로부터 외부 쉘(5)을 보는 방향으로, 도 3의 와류 블레이드들(7)의 영역들(101, 102 및 103)에 걸쳐 연달아 위치하는 3개의 섹션들이 도시된다. 편향면(11)의 반경 방향 내부에 위치하는 배출 단부(12)에, 다시 말해 영역(101)에 걸친 섹션 내에, 배출 단부(12)의 반경 방향 외부에 위치하는 다시 말해 영역(103)에 걸친 섹션 내 유출각(α₃)과, 배출 단부의 중간에 위치하는 다시 말해 영역(102)에 걸친 섹션 내 유출각(α₂) 사이에 주 흐름 방향(13)에 대한 유출각(α₁)이 존재하는 것을 볼 수 있다. 반경 방향 외부 영역에는 주 흐름 방향(13)에 대한 유출각(α)이 편향면(11)의 배출 단부(12)에 반경 방향으로 1회 이상 증가하고 1회 이상 감소하는 와류 블레이드(7)의 다른 실시예들은, 와류 블레이드(7)의 외부 영역에서, 다시 말해 외부 쉘(5)의 근방에서 블레이드 단부에 일종의 교차가 이루어지므로, 거기에서 작동 중 발생하는 전단 구역 내에 혼합 와류 경로가 생성되는 한 마찬가지로 가능하다.

Claims

실질적으로 횡단면이 환형인, 작동 중 공기와 연료에 의해 관류되는 공기 공급 및 사전 혼합 채널(4)을 구비한 버너(1)이며, 상기 채널은 외부 쉘(5)과 허브(6)에 의해 형성되고, 상기 채널 내에는, 허브(6)로부터 외부 쉘(5)까지 반경 방향으로 연장되고 편향면(11)을 갖는 복수의 와류 블레이드들(7)이 배치되는 버너에 있어서,
와류 블레이드(7)의 반경 방향 외부 영역에는 주 흐름 방향(13)에 대한 유출각(α)이 편향면(11)의 배출 단부(12)에서 반경 방향으로 1회 이상 증가하고 1회 이상 감소하는 것을 특징으로 하는, 버너(1).
제1항에 있어서, 편향면(11)의 반경 방향 내부에 위치하는 배출 단부(12)에는 배출 단부(12)의 반경 방향 외부에 위치하는 유출각(α₃)과 배출 단부(12)의 중간에 위치하는 유출각(α₂) 사이의 유출각(α₁)이 위치하는, 버너(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 인접한 와류 블레이드들(7)의 유출각(α)은 상이한 반경 방향의 프로파일들을 갖는, 버너(1).
제1 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 와류 블레이드들(7)은 적어도 부분적으로 연료를 위한 배출 개구(8)를 갖는 중공 블레이드로서 형성되는, 버너(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 공급 및 사전 혼합 채널(4)은 중앙 파일럿 버너 시스템(2)을 동심으로 둘러싸는, 버너(1).