WO2016108477A1 - 고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법 - Google Patents

고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2016108477A1
WO2016108477A1 PCT/KR2015/013851 KR2015013851W WO2016108477A1 WO 2016108477 A1 WO2016108477 A1 WO 2016108477A1 KR 2015013851 W KR2015013851 W KR 2015013851W WO 2016108477 A1 WO2016108477 A1 WO 2016108477A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustor
swirler
hub
high voltage
electric field
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/013851
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김민국
이상민
김한석
안국영
조주형
이영덕
진정국
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020140195460A external-priority patent/KR101571984B1/ko
Priority claimed from KR1020140195457A external-priority patent/KR101597921B1/ko
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Publication of WO2016108477A1 publication Critical patent/WO2016108477A1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
    • F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants

Definitions

  • the present invention relates to a high voltage applied type combustor and an electric field applying method of the combustor, and more particularly, to a high voltage applied type combustor for applying an electric field to the combustion chamber in order to ensure flame stability and an electric field applying method of the combustor.
  • Combustors that convert the chemical energy of fuel into thermal energy through the combustion reaction of liquid or gaseous fuel and air have been used in various industries. In the steel and non-steel industries, combustors are used to generate the heat energy required to heat or melt the material for forging, rolling or heat treatment. Combustors are used to generate power or to obtain thrust, such as gas turbines. do.
  • a gas turbine is a system that drives a turbine by using high-temperature, high-pressure combustion gas generated through a compressor and a combustor.
  • the gas turbine has shorter start-up and stop times, and is lighter in weight and easier to install than a steam turbine system. have.
  • a combustor used in such a gas turbine is a device that generates a flame by using a combustion reaction, and is a device that generates a flame by igniting a fuel under conditions where air is supplied.
  • Existing combustors are mixed with fuel and air in the combustion chamber is not uniformly mixed to form a hot spot (hot spot) when the temperature rises rapidly during combustion, there was a problem that a large amount of thermal NOx is generated in this region.
  • a conventional lean premixed gas turbine combustor includes a casing 20, a combustion chamber 30, and a burner 40.
  • the casing 20 surrounds the combustion chamber 30 and the burner 40 and forms an outer surface of the gas turbine combustor.
  • the combustion chamber 30 is where a combustion reaction zone in which a combustion reaction occurs is formed.
  • the burner 40 includes a hub 44 for supplying fuel to the combustor, a swirler 45 for facilitating mixing of air and fuel, and a premixing chamber 41 premixed before the fuel and air are introduced into the combustion chamber. ).
  • the above-described lean premixed gas turbine combustor according to the related art has an advantage of reducing thermal NOx generated in a high temperature region because the flame temperature is lowered by lean combustion, but it has a problem in that stability is weakened by decreasing flame intensity.
  • flame off (blow off), the flame blow (blow out) phenomenon occurs, there is a problem of local incomplete combustion and CO generation.
  • the object of the present invention is to secure flame stability in a high voltage applied combustor to stably position the flame in the burner, the streamer corona induced by high voltage in space It is to provide a high voltage applied combustor that can be uniformly distributed.
  • another object of the present invention is to provide a method for applying an electric field of the high voltage application type combustor which can suppress the discharge by the high voltage application by increasing the swirler blade spacing d.
  • the high voltage application type combustor extends in the premixing chamber 410 and the premixing chamber 410 disposed at an upper end of the combustion chamber 300, and is downward.
  • a hub 440 having a radial protrusion formed at an outer edge of the end, and a voltage applying device 500 electrically connected to the hub 440 to form an electric field between the radial protrusion and the inner surface of the combustion chamber 300. .
  • the downward end of the hub 440 may be formed in the shape of a bluff body 452, and the radial protrusion may be formed on the outer edge of the bluff body 452.
  • the hub 440 may be formed to extend downward from the combustion chamber outlet 310 such that the bluff body 452 may be disposed in the combustion chamber 300.
  • the radial protrusion may be formed so that the frame edge of the flame is located at the end.
  • the radial protrusion may protrude in a direction perpendicular to the extending direction of the hub when the tip of the flame extends to the side of the hub.
  • the radial protrusion may protrude in a direction parallel to the extending direction of the hub when the tip of the flame is located above the hub.
  • the radial protrusion may be formed symmetrically with respect to the cross section of the hub 440.
  • the radial protrusion may be formed asymmetrically based on the cross section of the hub 440.
  • the voltage applying device 500 may supply a square wave voltage to the hub 440.
  • a method for applying an electric field of a high voltage application type combustor the premixing chamber 410 of which is disposed at an end of the combustion chamber 300, of the premixing chamber 410.
  • the swirler 450 formed on the outer circumferential surface of the hub 440 is included.
  • the swirler outer diameter D sw is adjusted so that the blade spacing d increases from the first gap to the second gap (step S10).
  • the turning strength replenishing step (step S20) may include increasing the swirler vane angle ⁇ (step S30).
  • the turning strength replenishing step (step S20) may include forming an additional swirler in the burner guide (step S40).
  • the additional swirler may be an upstream swirler formed to be spaced apart in an upstream direction of the air flow in the combustor based on the swirler.
  • the additional swirler may be a downstream swirler formed to be spaced in a downstream direction of the air flow in the combustor with respect to the swirler.
  • the swirler and the additional swirler may be connected by the guide member to prevent the flow of fluid through the spaced apart from each other.
  • a lean premixed gas turbine combustor capable of securing flame stability in a high voltage applied combustor may be implemented.
  • the ejection speed can be reduced at the exit of the combustion chamber where the mixture of fuel and air is ejected at high speed, so that the flame can be stably positioned in the burner.
  • the streamer corona induced by the high voltage can be uniformly distributed in the space, through which the flame stabilization effect can be further enhanced.
  • the turning strength S is decreased by increasing the swirler blade spacing d, the turning strength S is provided by providing a step of supplementing the turning strength S. ) Can be prevented from weakening.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a lean premixed gas turbine combustor according to the prior art.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a high voltage applied combustor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is an enlarged view of a symmetrical radial protrusion of part “A” shown in FIG. 2, and is a schematic diagram showing an example of 16 radial protrusions
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing an example of eight radial protrusions.
  • 3C is a schematic diagram illustrating another example of the symmetric radial projection of FIG. 2.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing that the high voltage applying combustor of FIG. 2 is applied to a commercial can type combustor
  • FIG. 4B is an enlarged view of the symmetric radial projection of FIG. 4A.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a streamer corona used in the high voltage applied combustor of FIG. 2.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing that the high voltage applied combustor of FIG. 2 is applied to a commercial multi can type combustor
  • FIG. 6B is an enlarged view of the asymmetric radial projection of FIG. 6A.
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing that the high voltage applied combustor of FIG. 2 is applied to a commercial annular combustor
  • FIG. 7B is an enlarged view of the asymmetric radial projection of FIG. 7A.
  • FIG. 8A is a schematic diagram illustrating a high voltage applied combustor in which a bluff body is parallel to a combustion chamber outlet according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8B is a schematic diagram illustrating a high voltage applied combustor in which the bluff body is spaced apart from a combustion chamber outlet. to be.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying type combustor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a schematic diagram illustrating a swirler applied to the high voltage applied combustor illustrated in FIG. 9, and FIG. 10B is a schematic diagram illustrating the swirler vane angle of FIG. 10A.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying type combustor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying type combustor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying combustor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a high voltage applied combustor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is an enlarged view of a symmetrical radial protrusion of part “A” shown in FIG. 2, and is a schematic diagram showing an example of 16 radial protrusions
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing an example of eight radial protrusions.
  • the high voltage application type combustor includes a casing 200, a combustion chamber 300, a burner 400, and a voltage applying device 500.
  • the high voltage applied combustor may be a lean premixed gas turbine combustor to which a lean premixing method is applied as shown in FIG. 2, and will be described below with reference to a high voltage applied combustor.
  • the casing 200 surrounds the combustion chamber 300 and the burner 400 and forms an outer surface of the gas turbine combustor.
  • the combustion chamber 300 is where a combustion reaction zone in which a combustion reaction occurs is formed, and an outer surface of the combustion chamber 300 is formed of a liner 320.
  • the burner 400 includes a premixing chamber 410, a swirler 450, and a hub 440, and a burner guide 420 is formed on an outer surface thereof.
  • the premixing chamber 410 is where fuel is mixed before the air is introduced into the combustion chamber to form a mixer.
  • Swiveler 450 is formed on the outer surface of the hub 440 to facilitate mixing of air and fuel to pivot the air flowing downward.
  • the hub 440 supplies a fuel to the combustor, and extends inside the premixing chamber 410 and includes a radial protrusion 451 at the outer edge of the downward end.
  • the radial protrusion 451 may be symmetrically formed with respect to the cross section of the hub 440.
  • 16 radial protrusions 451 may be formed along the outer edge of the hub 440 at equal intervals, or as 8 as shown in FIG. 3B.
  • the radial protrusion 451 may be formed to protrude in a direction perpendicular to the extending direction of the hub 440.
  • the voltage applying device 500 is for the flame generated in the combustion chamber 300 to be exposed under a high voltage electric field.
  • One terminal is electrically connected to the hub 440, and the other terminal is grounded. ground).
  • the voltage applying device 500 may form an electric field between the hub 440 and the metal part or the flame tip of the combustion chamber 300.
  • 3C is a schematic diagram illustrating another example of the symmetric radial projection of FIG. 2.
  • the radial protrusions 453 may be formed as shown in FIG. 3C in addition to those shown in FIG. 2.
  • the radial protrusion 453 may extend in a direction parallel to the extending direction of the hub 440, and may be formed to be symmetrical in a radial shape at the end of the hub 440.
  • the radial protrusion 453 is formed in the shape of a triangular pyramid, but if the extension direction of the radial protrusion 453 is formed in a direction parallel to the extension direction of the hub 440 the radial protrusion 453. ) Is not limited.
  • radial projections 453 are formed to be radially symmetrical with each other, the number of the radial projections 453 may be variously changed.
  • the radial protrusions 453 are formed as shown in FIG. 3C, when the flame edge of the flame is located above the hub 440, the radial protrusions 453 are relatively formed by the radial protrusions 453. This allows the generation of streamer corona with less energy.
  • the radial protrusions may form an extension direction in consideration of the position of the tip of the flame, and if the radial protrusion is formed such that the tip of the flame is positioned at the end of the radial protrusion, the streamer corona is relatively low in energy. May enable generation of
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing that the high voltage applying combustor of FIG. 2 is applied to a commercial can type combustor
  • FIG. 4B is an enlarged view of the symmetric radial projection of FIG. 4A
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a streamer corona used in the high voltage applied combustor of FIG. 2.
  • both the casing 200 and the liner 320 are formed in a can type in a can type combustor.
  • the flame 330 has a spatially uniform distribution, that is, a symmetrical structure inside the liner 320 of the combustion chamber.
  • the symmetric radial protrusion 451 is applied to the hub 440 inside the burner guide 420 of the gas turbine combustor of FIG. 4A.
  • the radial protrusions may be symmetrically configured.
  • the bottom surface of the flame 330 is charged, and thus may be treated as a virtual electrode.
  • the strength of the electric field between the hub 440 and the bottom of the floating flame 300 by the voltage applying device 500 is sufficiently large, the end of the hub 440 and the flame 330 may be separated. Corona discharge occurs between the bottoms.
  • the streamer corona 340 generated between the bottom of the hub 440 and the flame 330 has a characteristic of being a ignition source of the flame and at the same time holding or anchoring the flame, the flame stabilization characteristics are better You lose.
  • the radial projection 451 according to this embodiment forms a strong electric field in the periphery leads to the above-described streamer corona 340 is formed well, and the By adjusting the position and the number, you can control the position and the number of streamer generation. Therefore, by using the above characteristics, it is possible to design a custom projection for various types of combustor and flame shape.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing that the high voltage applied combustor of FIG. 2 is applied to a commercial multi can type combustor
  • FIG. 6B is an enlarged view of the asymmetric radial projection of FIG. 6A.
  • both the casing 200 and the liner 320 are formed in a can shape in the multi-can combustor, and a plurality of burner guides 420 including the hub 440 are provided. Since a multi-burner is used in a multi-can combustor, a flame nonuniformity arises by interaction.
  • the flame attached to the central burner is relatively stable because the heat loss is smaller than other burners to the periphery, compared to the heat loss in the central direction and the liner 320 wall direction in the case of the outer burners There is a difference in degree. Therefore, there is a fear that the flame intensity decreases toward the wall surface of the liner 320 having a relatively high heat loss.
  • the asymmetric radial protrusion 451 is applied to the hub 440 inside the burner guide 420 of the gas turbine combustor of FIG. 6A. Since heat transfer is caused by a temperature gradient, the temperature difference between the flames is much smaller than the temperature difference between the walls of the flame 330 and the liner 320. Therefore, in the case where the flame intensity is relatively weak in the multi-can combustor, the radial protrusion 451 may be configured asymmetrically.
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing that the high voltage applied combustor of FIG. 2 is applied to a commercial annular combustor
  • FIG. 7B is an enlarged view of the asymmetric radial projection of FIG. 7A.
  • both the casing 200 and the liner 320 are formed in an annular shape in the annular combustor, and a plurality of burner guides 420 including the hub 440 are provided.
  • the annular combustor uses a plurality of burners, and therefore, non-uniformity of flame occurs due to the interaction. In other words, the heat loss is large in the radial direction, but the heat loss is small in the circumferential direction.
  • the asymmetric radial protrusion 451 is applied to the hub 440 of the gas turbine combustor of FIG. 8A. That is, the radial protrusions 451 may be asymmetrically disposed radially biased.
  • FIG. 8A is a schematic diagram illustrating a high voltage applied combustor in which a bluff body is parallel to a combustion chamber outlet according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8B is a schematic diagram illustrating a high voltage applied combustor in which the bluff body is spaced apart from a combustion chamber outlet. to be.
  • the high voltage applied combustor according to the present embodiment is substantially the same as the high voltage applied combustor described with reference to FIGS. 2 to 7 b except for the shape of the bluff body, the same reference numerals are used and overlapping descriptions will be omitted. .
  • the high voltage applied combustor includes a bluff body 452.
  • the bluff body 452 may be formed at the downward end of the hub 440. At this time, the distance l between the bluff body 452 and the metal part of the combustion chamber 300 is formed at regular intervals to prevent discharge or breakdown.
  • the bluff body 452 is formed in parallel with the combustion chamber outlet 310 to partially close the area leading to the combustion chamber 300. That is, the bluff body 452 in the shape of a shielding plate may stabilize the flame by locally slowing the ejection speed of the mixer ejected at high speed through the combustion chamber outlet 310.
  • the bluff body 452 may be disposed downward from the combustion chamber outlet 310, that is, at a position spaced apart by a predetermined distance h toward the combustion chamber 300. At this time, the distance l between the bluff body 452 and the metal part of the combustion chamber 300 may be further extended as compared to the configuration shown in FIG. Therefore, it is more effective to prevent discharge or dielectric breakdown of the electric field formed in the combustion chamber 300.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying type combustor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a schematic diagram illustrating a swirler applied to the high voltage applied combustor illustrated in FIG. 9, and
  • FIG. 10B is a schematic diagram illustrating the swirler vane angle of FIG. 10A.
  • the high voltage applied combustor to which the electric field applying method according to the present embodiment is applied is substantially the same as the high voltage applied combustor described with reference to FIGS. 2 to 8B, the same reference numerals will be used and redundant description thereof will be omitted.
  • the electric field applying method in the present embodiment is applied to the combustor to which the lean premixing system is applied as the combustor for the gas turbine, as shown in FIG. 9, and although not shown, a combustor having an axial swirler is sufficient. It is not limited to lean premixed combustors.
  • the blade spacing d of the swirler 450 formed on the outer circumferential surface of the hub 440 is increased from the first gap to the second gap (step S10). This is possible by adjusting the swirler outer diameter Dsw and the combustor outlet diameter Do.
  • the swirler blade spacing d in the high voltage applied combustor is calculated as the distance between the combustor outlet diameter Do and the swirler outer diameter Dsw.
  • the factors that determine the breakdown voltage include the gap d, the pressure P of the medium, the strength E of the electric field, and the like.
  • the discharge start voltage increases as the gap d increases in the normal or high pressure pressure condition corresponding to the operating condition of the general industrial combustor.
  • step S20 the turning strength S of the swirler 450 is replenished. This can be done when the change in swirler outer diameter D sw determined in the adjustment step (step S10) reduces the turning strength.
  • step S20 the revolving strength S replenishing step (step S20) in the electric field application method of the high voltage application type combustor will be described in detail as follows.
  • the rotational motion is applied to the mixer or air or fuel supplied to the combustion chamber, the centrifugal force is applied to form a radial pressure gradient, and a recirculating flow is generated at the center of the swirling flow to stabilize the flame.
  • the indexing of the performance of such a turning machine is called the turning strength (S), or the turning number or swirl number.
  • the turning strength S of the axial swirler 450 can be obtained through Equation (2) below, and based on this, a step of supplementing the turning strength S (step S20) is devised. .
  • the swirler blade angle ⁇ may be an inclination angle of the swirler 450 formed on the outer circumferential surface of the hub 440.
  • the swirler vane angle ⁇ represents an angle inclined to the right with respect to the vertical direction, which is the flow direction of the fluid in the combustor.
  • the swirler outer diameter (D sw ) is 39 mm
  • the hub diameter is 20 mm
  • the swirler angle is 45 degrees
  • the wing spacing d1 is 0.5 mm
  • the effective turning strength S1 is about 0.731.
  • the second spacing d2 that is, when the swirler outer diameter D sw is reduced to 35 mm
  • the turning strength S2 is lowered to about 0.553. You lose.
  • the turning strength S may be restored to about 0.731.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying type combustor according to another embodiment of the present invention.
  • 12 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying type combustor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an electric field applying method for applying an electric field to a high voltage applying combustor according to another embodiment of the present invention.
  • the blade spacing d of the swirler 450 formed on the outer circumferential surface of the hub 440 is increased from the first gap to the second gap (step S10).
  • step S20 the turning strength S of the swirler 450 is replenished. This can be done when the swirler outer diameter D sw determined in the adjusting step (step S10) reduces the turning strength S.
  • the turning strength replenishing step (step S20) includes forming an additional swirler in the burner guide 420 (step S40).
  • the additional swirler may be formed as an upstream swirler 460 in the upstream direction of the air flow in the combustor relative to the swirler 450 as shown in FIG. 11. Further, the additional swirler may be provided as the downstream swirler 470 in the downstream direction as shown in FIG.
  • the electric field applying method of the high voltage applying type combustor may further include a guide member 480. That is, the guide member 480 may be disposed between the swirler 450 and the additional swirlers 460 and 470.
  • Guide member 480 is preferably formed of an insulator. As can be seen in FIG. 13, when a voltage is applied to the hub 440 by the voltage applying device 500, a potential may be formed up to the swirler 450. Since the discharge should be suppressed between the swirler 450 and the guide member 420, the guide member 480 connecting the swirler 450 and the additional swirler 460 may also be effective in suppressing the discharge when the non-conductor is formed. will be.
  • guide member 480 is arrange
  • the fluid flows A1 to A6 illustrated in FIG. 13 will be described below. That is, air enters the combustor (A1) and passes through the upstream swirler 460. Next, air is guided along the inclined surface of the guide member 480 (A2), and because there is no gap between the upstream swirler 460 and the swirler 450, the air flows out to the swirler 450. Inflow (A3). Air passing through the swirler 450 may be supplied to the combustion chamber 300 via the premixing chamber 410. Through the above-described configuration, it is possible to minimize the fluid that is not subjected to the turning flow.
  • combustion chamber 310 combustion chamber outlet

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법에서, 상기 고전압 인가형 연소기는 연소실(300)의 상향 끝단에 배치되는 예혼합실(410); 상기 예혼합실(410) 내부에서 연장되며, 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기가 형성되는 허브(440); 및 상기 방사상 돌기와 상기 연소실(300) 내면 사이에 전기장을 형성하기 위해 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함한다.

Description

고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법
본 발명은 고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화염 안정성을 확보하기 위하여 연소실에 전기장을 인가하는 고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법에 관한 것이다.
액체 또는 기체 연료와 공기의 연소 반응을 통해 연료가 가진 화학에너지를 열에너지로 변환하여 사용할 수 있도록 해주는 연소기는 다양한 산업분야에서 이용되고 있다. 철강 또는 비철강 산업 분야에서 단조나 압연 또는 열처리를 목적으로 소재를 가열하거나 용융할 때 필요한 열에너지를 발생시키기 위해 연소기가 사용되기도 하며, 가스터빈과 같이 발전을 하거나, 추력을 얻기 위하여 연소기가 사용되기도 한다.
특히, 가스 터빈의 경우, 압축기와 연소기를 거쳐 발생한 고온 고압의 연소 가스를 이용하여 터빈을 구동시키는 시스템이며, 증기 터빈 시스템에 비해 가동 시간 및 정지 시간이 짧고, 소형 경량이어서 설치가 용이하다는 장점이 있다.
이러한 가스 터빈에 사용되는 연소기는 연소반응을 이용하여 불꽃을 발생시키는 장치로서, 공기가 공급되는 조건에서 연료에 착화하여 화염을 발생시키는 장치이다. 기존의 연소기는 연료와 공기가 연소실에서 혼합되기 때문에 균일한 혼합이 이루어지지 않아서 연소시 온도가 급격하게 상승하는 영역(hot spot)이 형성되는데, 이러한 영역에서 Thermal NOx가 다량 생성되는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 제안되었다.
도 1은 종래 기술에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 희박 예혼합 가스 터빈 연소기는 케이싱(20), 연소실(30), 및 버너(40)를 포함한다.
케이싱(20)은 연소실(30)과 버너(40)를 둘러싸고 있으며, 가스 터빈 연소기의 외면을 형성한다. 연소실(30)은 연소 반응이 일어나는 연소 반응 영역(reaction zone)이 형성되는 곳이다. 버너(40)는 연소기에 연료를 공급하는 허브(44), 공기와 연료와의 혼합을 촉진하기 위한 스월러(45), 및 연료와 공기가 연소실에 투입되기 전에 미리 혼합되는 예혼합실(41)을 구비한다.
그러나, 상술한 종래 기술에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기는 희박 연소로 화염 온도가 내려가기 때문에 고온 영역에서 발생하는 Thermal NOx를 저감하는 장점이 있으나, 화염 강도 감소로 안정성이 약화되는 문제점을 갖는다. 또한, 화염 소염(blow off), 화염 날림(blow out) 현상이 발생하며, 국부적인 불완전 연소와 CO 발생되는 문제점이 있다.
한편, 전기장 인가 연소 (Electric field assisted combustion) 혹은 플라즈마 인가 연소 (Plasma assisted combustion)의 경우, 화염 안정성을 증진 시키고 유해 배출물을 저감시키는 것으로 알려져 있다. 이를 상용 연소기에 적용하기 위해서는 연소실 내부에 연소 반응 지역에 강한 전기장을 인가해주어야 한다.
그러나 일반적으로 금속 재질로 이루어진 복잡한 구조의 상용 연소기에 고전압을 인가하기 위해서는 적절한 절연 전략이 필요하며 이에 실패할 경우, 주변 계측 센서의 오작동, 연소기 몸체로의 방전등의 문제점이 발생하게 된다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 고전압 인가형 연소기에서 화염 안정성을 확보하여 화염을 버너에 안정적으로 위치시키고, 고전압에 의해 유도되는 스트리머 코로나를 공간상에 균일하게 분포시킬 수 있는 고전압 인가형 연소기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 스월러 날개 이격(d)을 증가시킴으로써 고전압 인가에 의한 방전을 억제할 수 있는 상기 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기는 연소실(300)의 상향 끝단에 배치되는 예혼합실(410), 상기 예혼합실(410) 내부에서 연장되며, 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기가 형성되는 허브(440), 및 상기 방사상 돌기와 상기 연소실(300) 내면 사이에 전기장을 형성하기 위해 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함한다.
또한, 상기 허브(440)의 상기 하향 끝단은 블러프 바디(bluff body, 452)의 형상으로 형성되고, 상기 방사상 돌기는 상기 블러프 바디(452)의 외연에 형성될 수 있다.
또한, 상기 허브(440)는 연소실 출구(310)에서 하향으로 연장되도록 형성되어 상기 블러프 바디(452)가 연소실(300) 내부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 방사상 돌기는 끝단에 화염의 선단(frame edge)이 위치하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 방사상 돌기는 상기 화염의 선단이 상기 허브의 측부까지 연장되는 경우 상기 허브의 연장방향에 대하여 수직인 방향으로 돌출될 수 있다.
또한, 상기 방사상 돌기는 상기 화염의 선단이 상기 허브의 상부에 위치하는 경우 상기 허브의 연장방향에 대하여 평행인 방향으로 돌출될 수 있다.
또한, 상기 방사상 돌기는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 방사상 돌기는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 비대칭적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전압 인가 장치(500)는 상기 허브(440)에 구형파(square wave)의 전압을 공급할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법은, 연소실(300)의 끝단에 배치되는 예혼합실(410), 상기 예혼합실(410)의 내부에 연장되는 허브(440), 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함하는 고전압 인가형 연소기에서, 상기 허브(440)의 외주면에 형성되는 스월러(450)의 날개 이격(d)이 제1 간극에서 제2 간극으로 증가되도록 스월러 바깥 지름(Dsw)을 조정한다(단계 S10). 상기 조정 단계(단계 S10)에서 결정된 스월러 바깥 지름(Dsw)이 선회강도(S)를 감소시킬 경우, 선회강도(S)를 보충하는 단계(단계 S20).
또한, 선회강도 보충 단계(단계 S20)는, 스월러 날개 각도(θ)를 증가시키는 단계(단계 S30)를 포함할 수 있다.
또한, 선회강도 보충 단계(단계 S20)는, 버너 가이드에 추가 스월러를 형성하는 단계(단계 S40)를 포함할 수 있다.
또한, 추가 스월러는 스월러를 기준으로 연소기 내 공기 흐름의 상류 방향으로 이격되도록 형성되는 상류 스월러일 수 있다.
또한, 추가 스월러는 스월러를 기준으로 연소기 내 공기 흐름의 하류 방향으로 이격되도록 형성되는 하류 스월러일 수 있다.
또한, 스월러와 추가 스월러는 상호 이격되는 간격을 통해 유체가 흐르는 것을 가로막도록 안내부재에 의해 연결될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 고전압 인가형 연소기에서 화염 안정성을 확보할 수 있는 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 구현할 수 있다.
구체적으로, 허브의 끝단에 블러프 바디를 형성시킴으로써, 연료와 공기의 혼합기가 고속으로 분출되는 연소실 출구에서 분출 속도를 감속시킬 수 있어 화염을 버너에 안정적으로 위치시킬 수 있다.
또한, 허브의 끝단의 외연에 형성되는 방사상 돌기에 의해, 고전압에 의해 유도되는 스트리머 코로나가 공간상에 균일하게 분포할 수 있으며, 이를 통해 화염 안정화 효과가 보다 증진될 수 있다.
또한, 상기 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법에서, 스월러 날개 이격(d)의 증가에 의해 선회강도(S)가 감소될 경우, 선회강도(S)를 보충하는 단계를 제공함으로써 선회강도(S)가 약화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 스월러 날개 각도(θ)를 증가시킴으로써, 스월러 날개 이격(d)의 증가에 따라 감소된 선회강도(S)를 보충할 수 있다.
또한, 추가 스월러를 버너 가이드에 설치함으로써, 스월러 날개 이격(d)의 증가에 따라 감소된 선회강도(S)를 보완할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 고전압 인가형 연소기를 도시하는 개략도이다.
도 3a은 도 2에 표시된 "A" 부분의 대칭형 방사상 돌기의 확대도로서, 방사상 돌기가 16개인 예를 나타낸 모식도이고, 도 3b는 방사상 돌기가 8개인 예를 나타낸 모식도이다.
도 3c는 도 2의 대칭형 방사상 돌기의 다른 예를 도시한 모식도이다.
도 4a는 도 2의 고전압 인가형 연소기가 상용 캔형(can type) 연소기에 적용되는 것을 도시한 개략도이고, 도 4b는 도 4a의 대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 5는 도 2의 고전압 인가형 연소기에서 이용되는 스트리머 코로나를 도시하는 개략도이다.
도 6a는 도 2의 고전압 인가형 연소기가 상용 멀티 캔형(multi can type) 연소기에 적용되는 것을 도시한 개략도이고, 도 6b는 도 6a의 비대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 7a는 도 2의 고전압 인가형 연소기가 상용 환형(annular type) 연소기에 적용되는 것을 도시한 개략도이고, 도 7b는 도 7a의 비대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 블러프 바디가 연소실 출구와 평행한 고전압 인가형 연소기를 도시한 개략이고, 도 8b는 블러프 바디가 연소실 출구로부터 이격된 고전압 인가형 연소기를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10a는 도 9에 도시된 고전압 인가형 연소기에 적용되는 스월러를 도시한 개략도이고, 도 10b는 도 10a의 스월러 날개 각도를 도시한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 고전압 인가형 연소기를 도시하는 개략도이다. 도 3a은 도 2에 표시된 "A" 부분의 대칭형 방사상 돌기의 확대도로서, 방사상 돌기가 16개인 예를 나타낸 모식도이고, 도 3b는 방사상 돌기가 8개인 예를 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 고전압 인가형 연소기는 케이싱(200), 연소실(300), 버너(400), 및 전압 인가 장치(500)를 포함한다.
본 실시예에서 상기 고전압 인가형 연소기는 도 2에 도시된 바와 같이 희박 예혼합 방식을 적용한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기일 수 있으며, 이하에서는 고전압 인가형 연소기로 지칭하여 상술한다.
케이싱(200)은 연소실(300)과 버너(400)를 둘러싸고 있으며, 가스 터빈 연소기의 외면을 형성한다.
연소실(300)은 연소 반응이 일어나는 연소 반응 영역(reaction zone)이 형성되는 곳이며, 연소실(300)의 외면은 라이너(320)로 형성된다.
버너(400)는 예혼합실(410), 스월러(450), 및 허브(440)를 구비하며 외면에 버너 가이드(420)가 형성된다. 예혼합실(410)은 연료가 공기가 연소실에 투입되기 전에 미리 혼합되어 혼합기가 형성되는 곳이다. 스월러(450)는 공기와 연료와의 혼합을 촉진하도록 허브(440)의 외면에 형성되어 하향으로 유동하는 공기를 선회시킨다. 허브(440)는 연소기에 연료를 공급하며, 예혼합실(410) 내부에서 연장되고 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기(451)를 구비한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 방사상 돌기(451)는 허브(440)의 단면을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 3a에서와 같이 방사상 돌기(451)가 허브(440)의 외연을 따라서 16개가 등간격으로 형성되거나, 도 3b에서와 같이 8개로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 방사상 돌기(451)는 상기 허브(440)의 연장방향에 대하여 수직인 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 방사상 돌기(451)가 상기 허브(440)의 연장방향에 대하여 수직인 방향으로 돌출되는 경우, 특히 화염의 선단(frame edge)(도 1의 42 참조)이 상기 허브(440)의 측부까지 연장되는 경우 상대적으로 적은 에너지로 스트리머 코로나의 발생이 가능하게 된다.
한편, 방사상 돌기(451)에 대한 보다 상세한 구조에 대해서는 도 4a 내지 도 7b를 참조하여 후술하기로 한다.
다시 도 2를 참조하면, 전압 인가 장치(500)는 연소실(300)에서 발생하는 화염이 고전압 전기장 하에 노출되도록 하기 위한 것으로, 일 단자는 허브(440)와 전기적으로 연결되고, 타 단자는 접지(ground)되도록 구성된다. 상술한 구성에 의해 전압 인가 장치(500)는 허브(440)와 연소실(300)의 금속부분 혹은 화염 선단 사이에 전기장을 형성할 수 있다.
도 3c는 도 2의 대칭형 방사상 돌기의 다른 예를 도시한 모식도이다.
도 3c를 참조하면, 상기 방사상 돌기(453)는 도 2에 도시된 것 외에 도 3c에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.
즉, 상기 방사상 돌기(453)는 상기 허브(440)의 연장방향에 평행인 방향으로 연장되며, 상기 허브(440)의 끝단에 방사상의 형상으로 대칭되도록 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 방사상 돌기(453)는 삼각뿔의 형상으로 형성되는 것을 예시하였으나, 상기 방사상 돌기(453)의 연장방향이 상기 허브(440)의 연장방향에 평행인 방향으로 형성된다면 상기 방사상 돌기(453)의 형상은 제한되지 않는다.
또한, 상기 방사상 돌기(453)가 8개가 방사상으로 서로 대칭되도록 형성된 것을 도시하였으나, 상기 방사상 돌기(453)의 개수는 다양하게 변경이 가능하다.
이와 같이, 상기 방사상 돌기(453)가 도 3c에 도시된 바와 같이 형성되는 경우, 상기 화염의 선단(frame edge)이 상기 허브(440)의 상부에 위치하는 경우 상기 방사상 돌기(453)에 의해 상대적으로 적은 에너지로 스트리머 코로나의 발생이 가능하게 된다.
즉, 상기 방사상 돌기들은 상기 화염의 선단의 위치를 고려하여 연장 방향을 형성할 수 있으며, 상기 방사상 돌기의 끝단에 화염의 선단이 위치하도록 상기 방사상 돌기를 형성한다면, 상대적으로 적은 에너지로 스트리머 코로나의 발생을 가능하게 할 수 있다.
도 4a는 도 2의 고전압 인가형 연소기가 상용 캔형(can type) 연소기에 적용되는 것을 도시한 개략도이고, 도 4b는 도 4a의 대칭형 방사상 돌기의 확대도이다. 도 5는 도 2의 고전압 인가형 연소기에서 이용되는 스트리머 코로나를 도시하는 개략도이다.
도 4a를 참조하면, 캔형 연소기에서 케이싱(200)과 라이너(320)가 모두 캔형으로 형성된다. 횡단면도에서 알 수 있듯이, 캔형 연소기에서는 단일 버너(single burner)가 이용되기 때문에, 화염(330)은 연소실의 라이너(320)의 안쪽에서 공간적으로 균일한 분포, 즉 대칭 구조를 가진다.
도 4b를 참조하면, 도 4a의 가스 터빈 연소기의 버너 가이드(420) 안쪽의 허브(440)에 대칭형 방사상 돌기(451)가 적용된 것을 알 수 있다. 이와 같이, 캔형 연소기에서 특정 방향으로 화염 강도가 약한 부분을 특정할 수 없는 경우에는 방사상 돌기를 대칭적으로 구성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 허브(440)로부터 화염이 떨어져 유동 중에 안정되는 부상 화염의 경우, 화염(330)의 밑면이 전하를 띄고 있어, 가상의 전극(virtual electrode)으로 취급될 수 있다. 이와 같은 경우, 전압 인가 장치(500, 도 4a 참조)에 의한 허브(440)와 부상 화염(300)의 밑면 사이의 전기장의 세기가 충분히 크다면, 허브(440)의 끝단과 화염(330)의 밑면 사이에 코로나 방전현상이 일어나게 된다.
허브(440)와 화염(330)의 밑면 사이에 발생되는 스트리머 코로나(340)는 지속적인 화염의 점화원이 되는 동시에 화염을 보염(holding or anchoring)하는 특성을 가지므로, 화염의 안정화 특성은 더욱 좋아지게 된다. 특히, 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 방사상 돌기(451)는 주변에 강한 전기장을 형성하기 때문에 상술한 스트리머 코로나(340)가 양호하게 형성되도록 유도해주며, 더불어 상기 돌기의 위치와 개수를 조정하면 스트리머 생성 위치와 개수를 제어할 수 있다. 따라서 위와 같은 특성을 이용하면 다양한 형상의 연소기와 화염 형상에 대하여 맞춤형 돌기 설계가 가능해진다.
도 6a는 도 2의 고전압 인가형 연소기가 상용 멀티 캔형(multi can type) 연소기에 적용되는 것을 도시한 개략도이고, 도 6b는 도 6a의 비대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 6a를 참조하면, 멀티 캔형 연소기에서 케이싱(200)과 라이너(320)가 모두 캔형으로 형성되고, 허브(440)를 포함하는 버너 가이드(420)가 복수 개가 구비된다. 멀티 캔형 연소기에서는 복수 개의 버너(multi burner)가 이용되기 때문에, 상호 작용에 의하여 화염의 불균일성이 발생한다.
구체적으로, 도 6b를 참조하면, 중앙 버너에 부착된 화염은 주변으로 열 손실이 다른 버너에 비해 작기 때문에 상대적으로 안정적임에 비해, 외곽 버너들의 경우 중심부 방향과 라이너(320) 벽면 방향의 열손실 정도에 차이가 생긴다. 따라서, 상대적으로 열손실이 큰 라이너(320) 벽면 쪽으로 화염 강도가 감소할 우려가 있다.
도 6b을 참조하면, 도 6a의 가스 터빈 연소기의 버너 가이드(420) 안쪽의 허브(440)에 비대칭형 방사상 돌기(451)가 적용된 것을 알 수 있다. 열 전달은 온도 구배에 의해 발생하므로 화염간의 온도차는 화염(330)과 라이너(320)의 벽면의 온도차보다 매우 작다. 따라서, 멀티 캔형 연소기에서 화염 강도가 상대적으로 약한 방향을 특정할 수 있는 경우에는 방사상 돌기(451)를 비대칭적으로 구성할 수 있다.
도 7a는 도 2의 고전압 인가형 연소기가 상용 환형(annular type) 연소기에 적용되는 것을 도시한 개략도이고, 도 7b는 도 7a의 비대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 7a를 참조하면, 환형 연소기에서 케이싱(200)과 라이너(320)가 모두 환형으로 형성되고, 허브(440)를 포함하는 버너 가이드(420)가 복수 개가 구비된다. 멀티 캔형 연소기에서와 마찬가지로, 환형 연소기는 복수 개의 버너(multi burner)가 이용되기 때문에, 상호 작용에 의하여 화염의 불균일성이 발생한다. 즉, 반경 방향으로는 열손실이 크지만, 원주 방향으로는 열손실이 작다.
도 7b를 참조하면, 도 8(a)의 가스 터빈 연소기의 허브(440)에 비대칭형 방사상 돌기(451)가 적용된 것을 알 수 있다. 즉, 방사상 돌기(451)를 반경 방향으로 치우치게 비대칭적으로 배치할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 블러프 바디가 연소실 출구와 평행한 고전압 인가형 연소기를 도시한 개략이고, 도 8b는 블러프 바디가 연소실 출구로부터 이격된 고전압 인가형 연소기를 도시한 개략도이다.
본 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기는 블러프 바디의 형상을 제외하고는 도 2 내지 도 7b를 참조하여 설명한 고전압 인가형 연소기와 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기는 블러프 바디(bluff body, 452)를 구비한다. 블러프 바디(452)는 허브(440)의 하향 끝단에서 형성될 수 있다. 이 때, 블러프 바디(452)와 연소실(300)의 금속부분 사이의 거리(l)는 방전(discharge) 또는 절연 파괴(breakdown)을 방지하기 위해 일정한 간격을 두도록 형성된다.
도 8a를 참조하면, 상기 블러프 바디(452)는 연소실 출구(310)와 평행하게 형성되어 연소실(300)로 통하는 면적을 일정부분 폐쇄한다. 즉, 가림판 형태의 블러프 바디(452)는 연소실 출구(310)를 통해 고속으로 분출되는 혼합기의 분출 속도를 국부적으로 감속시켜 화염을 안정화시킬 수 있다.
도 8b를 참조하면, 상기 블러프 바디(452)는 연소실 출구(310)에서 하향으로, 즉 연소실(300) 방향으로 일정한 거리(h)만큼 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이 때, 블러프 바디(452)와 연소실(300)의 금속부분 사이의 거리(l)는 도 4(a)에 도시된 구성에 비하여 더욱 연장될 수 있다. 따라서, 연소실(300) 내에 형성되는 전기장에 대한 방전 또는 절연 파괴를 방지하는데 더욱 효과적이다.
이하에서는, 상기 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법에 대한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 10a는 도 9에 도시된 고전압 인가형 연소기에 적용되는 스월러를 도시한 개략도이고, 도 10b는 도 10a의 스월러 날개 각도를 도시한 개략도이다.
본 실시예에 의한 전기장 인가방법이 적용되는 고전압 인가형 연소기는 도 2 내지 도 8b를 참조하여 설명한 고전압 인가형 연소기와 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 본 실시예에서의 전기장 인가방법은 도 9에 도시된 바와 같이 가스 터빈용 연소기로서 희박 예혼합 방식을 적용한 연소기에 적용되는 것은 물론, 도시하지는 않았으나 축방향 스월러가 구비된 연소기면 충분하며 희박 예혼합 방식의 연소기에 제한되지는 않는다.
도 9, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 우선, 허브(440)의 외주면에 형성된 스월러(450)의 날개 이격(d)을 제1 간극에서 제2 간극으로 증가시킨다(단계 S10). 이는 스월러 바깥 지름(Dsw)과 연소기 출구 지름(Do)을 조정함으로써 가능하다. 여기서, 상기 고전압 인가형 연소기에서 스월러 날개 이격(d)은 연소기 출구 지름(Do)과 스월러 바깥 지름(Dsw) 사이의 거리로서 산출된다.
도 9를 참조하면, 전기장 인가 장치(500)에 의해 고전압이 허브(440)에 인가될 때 고전압 전극과 주위의 도체(접지 전극 또는 저전압 전극) 사이에는 전기장이 발생한다. 한편, 매질을 매개하여 일정한 간극만큼 이격되어 있는 도체 사이에서 전압이 인가되어 전기장이 형성될 경우, 두 도체 사이에서 전기적 위치 에너지가 더 이상 유지되지 않고 방전에 의해 소산될 수 있는데, 이는 식 (1)에 의존한다.
Figure PCTKR2015013851-appb-I000001
식 (1)
식 (1)에서 알 수 있듯이, 방전 개시 전압(breakdown voltage)을 결정하는 인자는 간극(d), 매질의 압력(P), 전기장의 세기(E) 등이 있다. 아울러, 식 (1)을 통해 일반적인 산업용 연소기의 운전 조건에 해당하는 상압 혹은 고압의 압력조건에서는 간극(d)이 클수록 방전 개시 전압이 증가함을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 간극(d)에 대응하는 스월러 날개 이격(d)을 제1간극에서 제2간극으로 증가시킴으로써, 전기장 인가 장치(500)가 허브(440)에 고전압을 가해주면서도 방전을 억제할 수 있다.
다음, 스월러(450)의 선회강도(S)를 보충한다(단계 S20). 이는 조정 단계(단계 S10)에서 결정된 스월러 바깥 지름(Dsw)의 변화가 선회강도를 감소시킬 경우에 수행할 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여, 상기 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법에서 선회강도(S) 보충 단계(단계 S20)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
축류 선회기의 경우 연소실로 공급되는 혼합기 혹은 공기 또는 연료에 선회 운동을 부여하여, 원심력이 작용하게 하여 반경 방향으로의 압력 구배를 형성하여, 선회 유동의 중심부에 재순환 유동을 생성시킴으로써 화염의 안정화를 돕는다. 이러한 선회기의 성능을 지수화한 것을 선회강도(S)라고 부르며, 혹은 선회수 또는 스월넘버라고도 한다.
본 실시예에서 상기 축류형 스월러(450)의 선회강도(S)는 아래의 식 (2)를 통해 구할 수 있으며, 이에 기초하여 선회강도(S)를 보충하는 단계(단계 S20)를 고안하였다.
Figure PCTKR2015013851-appb-I000002
식 (2)
식 (2)에서 알 수 있듯이, 스월러의 날개 이격(d)을 제1 간극에서 제2 간극으로 증가시키기 위해, 스월러 바깥 지름(Dsw)이 감소되면 전체 유동중 스월러를 통과하는 유량이 감소하게 되어 그 결과 스월강도(S)가 줄어들게 된다. 따라서, 감소된 스월강도(S)에 대해서 식 (2)에 따라 스월러 날개 각도(θ)를 증가시킴으로써 스월강도(S)를 보충할 수 있다(단계 S30). 한편 상기 식 (2)에서 Dhub는 허브(440)의 직경을 의미한다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여 스월러 날개 각도(θ)의 정의를 설명하면 다음과 같다. 즉, 도 10a를 참조하면, 스월러 날개 각도(θ)는 허브(440)의 외주면에 형성된 스월러(450)의 경사 각도임을 알 수 있다. 구체적으로, 도 10b을 참조하면, 스월러 날개 각도(θ)는 연소기에서 유체의 흐름 방향인 수직 방향을 기준으로 우측으로 경사진 각도를 나타냄을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 예를 들어, 버너 가이드의 직경(D0)이 40mm, 스월러 바깥 직경(Dsw)이 39mm, 허브 직경이 20mm이고 스월러 각도가 45도 인경우, 제1간격인 스월러 날개 이격(d1)은 0.5mm가 되고, 유효 선회강도(S1)는 약 0.731이 된다. 스월러 날개 이격(d)을 제2간격(d2)인 2.5mm로 5배 증가시킬 경우, 즉 스월러 바깥 직경(Dsw)을 35mm로 감소시킬 경우, 선회강도(S2)는 약 0.553으로 낮아지게 된다.
이에 대해 본 발명에 의한 선회강도(S2) 보충 단계를 통해 스월러 날개 각도(θ)를 52.87도로 증가시키게 되면, 선회강도(S)를 약 0.731로 회복 시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고전압 인가형 연소기에 전기장을 인가하는 전기장 인가방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11 내지 도 13에 도시된 실시예들에 따른 전기장 인가방법들 각각은 도 9 내지 도 10b를 참조하여 설명한 실시예에 의한 전기장 인가방법과 스월러의 배치를 제외하고는 실질적으로 동일하므로 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예들에 의한 전기장 인가방법에서도, 우선, 허브(440)의 외주면에 형성된 스월러(450)의 날개 이격(d)을 제1간극에서 제2간극으로 증가시킨다(단계 S10).
다음, 스월러(450)의 선회강도(S)를 보충한다(단계 S20). 이는 조정 단계(단계 S10)에서 결정된 스월러 바깥 지름(Dsw)이 선회강도(S)를 감소시킬 경우에 수행할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 선회강도 보충 단계(단계 S20)는 버너 가이드(420)에 추가 스월러를 형성하는 단계(단계 S40)를 포함한다. 추가 스월러는 도 11에서와 같이 스월러(450)를 기준으로 연소기 내 공기 흐름의 상류 방향에 상류 스월러(460)로서 형성할 수 있다. 또한, 추가 스월러는 도 12에서와 같이 하류 방향에 하류 스월러(470)로서 설치하는 것도 가능하다. 여기서, 연료와 산화제가 급격히 반응하여 열을 방출하는 연소실(300)로부터 이격하여 추가 스월러를 설치하는 것이 바람직하다.
도 13을 참조하면, 상기 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법은 안내부재(480)를 추가적으로 구비할 수 있다. 즉, 스월러(450)와 추가 스월러(460, 470) 사이에 안내부재(480)를 배치할 수 있다.
안내부재(480)는 절연체로 형성되는 것이 바람직하다. 도 13에서 알 수 있듯이, 전압 인가 장치(500)에 의해 허브(440)에 전압이 인가될 경우 스월러(450)까지 전위가 형성될 수 있다. 스월러(450)와 가이드 부재(420) 사이에는 방전이 억제되어야 하므로, 스월러(450)와 추가 스월러(460)를 연결하는 안내부재(480) 역시 부도체로 형성될 경우 방전 억제에 효과적일 것이다.
도 13에는, 상류 스월러(460)와 스월러(450) 사이에 안내부재(480)를 배치하였으나, 하류 스월러에 대해서도 유사하게 적용 가능하다.
도 13에 도시된 유체 흐름(A1 내지 A6)를 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉, 공기가 연소기에 유입되고(A1), 상류 스월러(460)를 통과한다. 다음, 안내부재(480)의 경사면을 따라 공기가 안내되며(A2), 상류 스월러(460)와 스월러(450) 사이에는 공기가 빠져나갈 간극이 존재하지 않기 때문에 모두 스월러(450)로 유입된다(A3). 스월러(450)를 통과한 공기는 예혼합실(410)을 거쳐 연소실(300)로 공급될 수 있다. 상술한 구성을 통해, 선회 유동을 부여받지 못하는 유체를 최소화할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
<부호의 설명>
100: 연소기 200: 케이싱
300: 연소실 310: 연소실 출구
320: 라이너 330: 화염
340: 스트리머 코로나 400: 버너
410: 예혼합실 420: 버너 가이드
440: 허브 450: 스월러
451: 방사상 돌기 452: 블러프 바디
460: 상류 스월러 470: 하류 스월러
480: 안내부재 500: 전압 인가 장치

Claims (15)

  1. 연소실(300)의 상향 끝단에 배치되는 예혼합실(410);
    상기 예혼합실(410) 내부에서 연장되며, 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기가 형성되는 허브(440); 및
    상기 방사상 돌기와 상기 연소실(300) 내면 사이에 전기장을 형성하기 위해 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함하는 고전압 인가형 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 허브(440)의 상기 하향 끝단은 블러프 바디(bluff body, 452)의 형상으로 형성되고,
    상기 방사상 돌기는 상기 블러프 바디(452)의 외연에 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 허브(440)는 연소실 출구(310)에서 하향으로 연장되도록 형성되어 상기 블러프 바디(452)가 연소실(300) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방사상 돌기는 끝단에 화염의 선단(frame edge)이 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방사상 돌기는 상기 화염의 선단이 상기 허브의 측부까지 연장되는 경우 상기 허브의 연장방향에 대하여 수직인 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 방사상 돌기는 상기 화염의 선단이 상기 허브의 상부에 위치하는 경우 상기 허브의 연장방향에 대하여 평행인 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방사상 돌기는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방사상 돌기는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압 인가 장치(500)는 상기 허브(440)에 구형파(square wave)의 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기.
  10. 연소실(300)의 끝단에 배치되는 예혼합실(410), 상기 예혼합실(410)의 내부에 연장되는 허브(440), 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함하는 고전압 인가형 연소기에서,
    상기 허브(440)의 외주면에 형성되는 스월러(450)의 날개 이격(d)이 제1 간극에서 제2 간극으로 증가되도록 스월러 바깥 지름(Dsw)을 조정하는 단계(단계 S10); 및
    상기 조정 단계(단계 S10)에서 결정된 스월러 바깥 지름(Dsw)이 선회강도(S)를 감소시킬 경우, 선회강도(S)를 보충하는 단계(단계 S20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법.
  11. 제10항에 있어서,
    선회강도 보충 단계(단계 S20)는,
    스월러 날개 각도(θ)를 증가시키는 단계(단계 S30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법.
  12. 제10항에 있어서,
    선회강도 보충 단계(단계 S20)는,
    버너 가이드(420)에 추가 스월러를 형성하는 단계(단계 S40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 추가 스월러는 상기 스월러(450)를 기준으로 연소기 내 공기 흐름의 상류 방향으로 이격되도록 형성되는 상류 스월러(460)인 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 추가 스월러는 상기 스월러(450)를 기준으로연소기내공기흐름의하류방향으로이격되도록형성되는하류스월러(470)인 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 스월러(450)와 상기 추가 스월러(460, 470)는 상호 이격되는 간격을 통해 유체가 흐르는 것을 가로막도록 안내부재(480)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 연소기의 전기장 인가방법.
PCT/KR2015/013851 2014-12-31 2015-12-17 고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법 WO2016108477A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2014-0195460 2014-12-31
KR10-2014-0195457 2014-12-31
KR1020140195460A KR101571984B1 (ko) 2014-12-31 2014-12-31 축방향 스월러가 구비된 연소기의 전기장 인가방법
KR1020140195457A KR101597921B1 (ko) 2014-12-31 2014-12-31 고전압 인가형 가스 터빈 연소기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016108477A1 true WO2016108477A1 (ko) 2016-07-07

Family

ID=56284565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2015/013851 WO2016108477A1 (ko) 2014-12-31 2015-12-17 고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2016108477A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06280791A (ja) * 1992-01-30 1994-10-04 Ind Technol Res Inst 渦発生器用軸流羽根
JPH0926112A (ja) * 1995-07-14 1997-01-28 Kawasaki Heavy Ind Ltd 微粉炭バーナ
JP2003279042A (ja) * 2002-03-22 2003-10-02 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ガスタービンのガス混合機構
JP2006523297A (ja) * 2003-04-10 2006-10-12 ウッドワード・ガバナー・カンパニー 連続燃焼システムにおける不安定燃焼を検出するための方法および装置
KR20080092858A (ko) * 2007-04-12 2008-10-16 제너럴 일렉트릭 캄파니 전기역학적 선회기와 이를 사용하는 연소 장치 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06280791A (ja) * 1992-01-30 1994-10-04 Ind Technol Res Inst 渦発生器用軸流羽根
JPH0926112A (ja) * 1995-07-14 1997-01-28 Kawasaki Heavy Ind Ltd 微粉炭バーナ
JP2003279042A (ja) * 2002-03-22 2003-10-02 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ガスタービンのガス混合機構
JP2006523297A (ja) * 2003-04-10 2006-10-12 ウッドワード・ガバナー・カンパニー 連続燃焼システムにおける不安定燃焼を検出するための方法および装置
KR20080092858A (ko) * 2007-04-12 2008-10-16 제너럴 일렉트릭 캄파니 전기역학적 선회기와 이를 사용하는 연소 장치 및 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2813683B1 (en) Continuous ignition systems
WO2022124751A1 (ko) 역화현상을 방지할 수 있는 수소가스 연소장치
EP2093488B1 (en) Air-cooled swirler head
CN109196279B (zh) 具有面板式燃料喷射器的燃烧系统
US4843825A (en) Combustor dome heat shield
EP2813684B1 (en) Continuous ignition
US8209986B2 (en) Multi-tube thermal fuse for nozzle protection from a flame holding or flashback event
KR102345180B1 (ko) 세그먼트화 환형 연소 시스템을 위한 연료 분사 모듈
JP4641648B2 (ja) モジュール式燃焼器ドーム
KR960003680B1 (ko) 연소기의 연료노즐 구조
US20090165436A1 (en) Premixed, preswirled plasma-assisted pilot
US10563869B2 (en) Operation and turndown of a segmented annular combustion system
US20090178385A1 (en) Arrangement of a semiconductor-type igniter plug in a gas turbine engine combustion chamber
WO2017111430A1 (ko) 버너장치
KR0153812B1 (ko) 가스 터빈 연소 장치 및 가스 터빈
US11118512B2 (en) Gas turbine
WO2017175918A1 (ko) 초 저공해 연소기
JPH01155105A (ja) 微粉燃料バーナ
US6430932B1 (en) Low NOx combustion liner with cooling air plenum recesses
US8713908B2 (en) Fuel injector arrangement having an igniter
WO2013180424A1 (ko) 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기
KR100713708B1 (ko) 화염 안정화 영역 증대를 위한 교류 고전압 인가 연소시스템
WO2016108477A1 (ko) 고전압 인가형 연소기 및 상기 연소기의 전기장 인가방법
WO2017007068A1 (ko) 연소기
EP2570729A2 (en) System and method for conditioning a working fluid in a combustor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15875571

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15875571

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1