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KR102415892B1 - 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기 - Google Patents

마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기 Download PDF

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KR102415892B1
KR102415892B1 KR1020210011664A KR20210011664A KR102415892B1 KR 102415892 B1 KR102415892 B1 KR 102415892B1 KR 1020210011664 A KR1020210011664 A KR 1020210011664A KR 20210011664 A KR20210011664 A KR 20210011664A KR 102415892 B1 KR102415892 B1 KR 102415892B1
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South Korea
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fluid
passage
inlet
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micromixer
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English (en)
Inventor
고영건
안현수
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두산에너빌리티 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 마이크로 믹서 내부로 전달되어 마이크로 믹서 내부에서 발생하는 자발화 및 플래시백 현상을 방지할 수 있는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서는, 일단에 제1 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 내벽에 제2 유체가 공급되는 공급구가 형성되며, 유입구를 통해 유입된 제1 유체와 공급구를 통해 공급된 제2 유체가 혼합되어 형성된 혼합 유체가 유동하는 입구 유로; 혼합 유체를 연소실로 분사시키며 입구 유로의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된 출구 유로; 입구 유로와 출구 유로를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성되어 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 입구 유로로 전달되는 것을 감소시키는 경사 유로;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. 본 발명은 연소기를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. 연소기에서 사용되는 연료는 수소, 천연가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
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, 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 마이크로 믹서 내부로 전달되어 마이크로 믹서 내부에서 발생하는 자발화(Auto-Ignition) 및 플래시백(Flash-Back) 현상을 방지할 수 있는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연소기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서는, 일단에 제1 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 내벽에 제2 유체가 공급되는 공급구가 형성되며, 유입구를 통해 유입된 제1 유체와 공급구를 통해 공급된 제2 유체가 혼합되어 형성된 혼합 유체가 유동하는 입구 유로; 혼합 유체를 연소실로 분사시키며 입구 유로의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된 출구 유로; 입구 유로와 출구 유로를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성되어 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 입구 유로로 전달되는 것을 감소시키는 경사 유로;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 입구 유로는 제1 단면적을 구비하고, 출구 유로는 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 구비하며, 경사 유로는 입구 유로에서 출구 유로 측으로 갈수록 점점 증가하는 가변 단면적을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 경사 유로는, 출구 유로의 가상 연장선과 제1 각도를 이루는 제1 라인과, 출구 유로의 가상 연장선과 제2 각도를 이루는 제2 라인을 포함하며, 제1 각도와 제2 각도는 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 제1 유체는 수소 포함 연료이고 제2 유체는 공기이거나, 또는 제1 유체는 공기이고 제2 유체는 수소 포함 연료일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 경사 유로의 적어도 일부에는 제2 유체가 공급되는 공급구가 추가로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서에 있어서, 입구 유로, 경사 유로, 및 출구 유로의 단면은 다각형 형상을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기는, 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체; 연소실로 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서를 포함하는 마이크로 믹서 조립체를 포함한다. 마이크로 믹서는, 일단에 제1 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 내벽에 제2 유체가 공급되는 공급구가 형성되며, 유입구를 통해 유입된 제1 유체와 공급구를 통해 공급된 제2 유체가 혼합되어 형성된 혼합 유체가 유동하는 입구 유로; 혼합 유체를 연소실로 분사시키며 입구 유로의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된 출구 유로; 입구 유로와 출구 유로를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성되어 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 입구 유로로 전달되는 것을 감소시키는 경사 유로;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 입구 유로는 제1 단면적을 구비하고, 출구 유로는 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 구비하며, 경사 유로는 입구 유로에서 출구 유로 측으로 갈수록 점점 증가하는 가변 단면적을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 경사 유로는, 출구 유로의 가상 연장선과 제1 각도를 이루는 제1 라인과, 출구 유로의 가상 연장선과 제2 각도를 이루는 제2 라인을 포함하며, 제1 각도와 제2 각도는 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 제1 유체는 수소 포함 연료이고 제2 유체는 공기이거나, 또는 제1 유체는 공기이고 제2 유체는 수소 포함 연료일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 경사 유로의 적어도 일부에는 제2 유체가 공급되는 공급구가 추가로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기에 있어서, 입구 유로, 경사 유로, 및 출구 유로의 단면은 다각형 형상을 이룰 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 마이크로 믹서 내부로 전달되는 것을 감소시켜서 마이크로 믹서 내부에서 발생하는 자발화 및 플래시백 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 이루는 어느 하나의 버너 모듈이 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소기를 이루는 어느 하나의 버너 모듈이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이다.
도 8 및 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 측단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서의 여러 변형예가 도시된 측단면도이다.
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 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기를 이루는 어느 하나의 버너 모듈이 도시된 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 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 믹서(100)를 포함하는 마이크로 믹서 조립체(1230)를 포함할 수 있다. 연료 유체는 연료(예를 들어, 수소)가 저장된 연료 탱크(FT)에서 공급될 수 있다.
가스 터빈에는 수소, 천연가스를 포함하는 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)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. 연료(F)는 연료 유로(1232) 및 플레넘 유입구(1234a)를 통해 연료 플레넘(1234)로 유입된 후, 공급구(112, 도 4 참조)를 통해 마이크로 믹서(100)로 유입되어 압축 공기와 혼합될 수 있다. 마이크로 믹서 번들(MB)은 복수개의 마이크로 믹서(100)를 포함한다.
다음, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서(100)를 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 측단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 마이크로 믹서 번들(MB)은 복수개의 마이크로 믹서(100)를 포함하며 연료 유로(1232)를 중심으로 방사 방향으로 연장되어 형성된다. 마이크로 믹서(100)는 유체(연료 또는 공기)의 유동 방향으로 연장 형성된다.
마이크로 믹서(100)는, 통상의 직관 튜브(Straight Tube) 형태가 아니라, 중간 부분이 경사지면서 그 단면적이 점점 확대되는 튜브 형태로 형성되어, 연소실(1240)에서 발생한 화염에 의한 복사열이 마이크로 믹서(100) 내부로 전달되는 것을 감소시켜서 마이크로 믹서(100) 내부에서 발생하는 자발화 및 플래시백 현상을 방지한다.
구체적으로, 마이크로 믹서(100)는 입구 유로(110), 경사 유로(120), 출구 유로(130)를 포함한다.
입구 유로(110)는 일단에 공기(A)가 유입되는 유입구(111)가 형성되고, 그 내벽에는 연료(F)가 공급되는 공급구(112)가 형성된다. 유입구(111)를 통해 유입된 공기(A)와 공급구(112)를 통해 공급된 연료(F)는 입구 유로(110)에서 혼합되어 혼합 유체(FA)를 형성하면서 경사 유로(120)로 흐른다.
입구 유로(110)의 타단과 연결된 경사 유로(120)는 기설정된 각도로 경사지게 형성된다. 혼합 유체(FA)는 경사 유로(120) 및 출구 유로(130)를 따라 유동한 후, 연소실(1240)로 분사된다.
출구 유로(130)는 입구 유로(110)의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된다. 즉, 경사 유로(120)에 의해, 입구 유로(110)를 유동하는 혼합 유체(FA)의 유동축(X1, 혼합 유체 유동 방향의 중심)과 출구 유로(130)를 유동하는 혼합 유체(FA)의 유동축(X2)은 일치하지 않고 소정 거리로 이격되어 평행을 이룬다. 상기의 가상 연장선은 혼합 유체(FA)의 유동축일 수 있다.
경사 유로(120)는 입구 유로(110)와 출구 유로(130)를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성된다. 경사 유로(120)는 소정 거리 이격된 입구 유로(110)와 출구 유로(130)를 연결하되, 입구 유로(110)에서 출구 유로(130) 측으로 갈수록 그 단면적이 점점 증가하는 튜브 형태로 형성된다.
그 결과, 입구 유로(110)의 단면적이 가장 작게 형성되고, 출구 유로(130)의 단면적이 가장 크게 형성될 수 있다. 즉, 입구 유로(110)는 제1 단면적을 구비하고, 출구 유로(130)는 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 구비하며, 경사 유로(120)는 입구 유로(110)에서 출구 유로(130) 측으로 갈수록 점점 증가하는 가변 단면적을 구비할 수 있다.
또한, 경사 유로(120)는 하부의 제1 라인(121)과 상부의 제2 라인(122)을 포함한다. 제1 라인(121)은 출구 유로(130)의 가상 연장선(X2)과 제1 각도(θ1)를 이루고, 제2 라인(122)은 출구 유로(130)의 가상 연장선(X2)과 제2 각도(θ2)를 이룬다. 경사 유로(120)는 가변 단면적을 구비하므로, 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ2)는 상이한 각도로 형성될 수 있다.
도 4와 같이, 경사 유로(120)가 하방향으로 경사지게 형성된 경우, 제1 각도(θ1)가 제2 각도(θ2) 보다 크게 형성될 수 있다. 또는, 도 3에서 상부 연료 플레넘(1234)에 형성된 마이크로 믹서(100)와 같이, 경사 유로(120)가 상방향으로 경사지게 형성된 경우, 제2 각도(θ2)가 제1 각도(θ1) 보다 크게 형성될 수 있다.
입구 유로(110), 경사 유로(120), 및 출구 유로(130)의 단면은 다각형 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서(100)에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 연소실(1240)에서 발생한 화염에 의한 방사 방향의 복사열 중에서 출구 유로(130)를 통해 마이크로 믹서(100) 내부로 전달되는 복사열(R1)은, 경사 유로(120)의 점점 좁아지는 유로 내벽에 반복적으로 반사되면서, 연료(F)와 공기(A)가 혼합되는 입구 유로(110) 영역에 이르지 못하고, 다시 출구 유로(130)를 통해 연소실(1240)로 방출(R2)된다. 따라서, 연료(F)와 공기(A)가 혼합되는 영역에 복사열(R1)이 전달됨에 따라 발생하는 자발화 및 플래시백 현상을 방지할 수 있다.
한편, 전술한 일 실시예에 의하면, 마이크로 믹서(100) 내부에 공기(A)가 흐르는 상태에서 공급구(112)를 통해 연료(F)가 공급되어 혼합 유체(FA)를 생성하는 데, 이 경우, 공기(A)가 상대적으로 고속으로 흐르는 상태에서 저속의 연료(F)가 투입되므로, 연료와 공기가 충분히 혼합되지 않는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 다른 실시예에서는 마이크로 믹서 내부에 상대적으로 저속의 연료(F)가 흐르는 상태에서 고속의 공기(A)가 공급됨으로써, 혼합 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 제시한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소기를 이루는 어느 하나의 버너 모듈이 도시된 도면이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이며, 도 8 및 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 측단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 버너 모듈(2210)에서 마이크로 믹서(200) 내부에 연료(F)가 흐르는 상태에서 공기(A)가 혼합될 수 있다. 연료 탱크(FT)로부터 공급된 연료(F)는 엔드 커버(2231) 및 연료 유로(2232)를 경유하여 마이크로 믹서(200)로 유입된다.
압축 공기(A)는 압축공기 유입홀(H)을 통해 라이너(2250) 또는 트랜지션 피스(2260) 내부의 환형 공간으로 유입되어 흐른 뒤, 엔드 커버(2231)에 의해 유동 방향이 전환되어 에어 유동공간(2233)을 따라 흐른 후, 플레넘 유입구(2234a)를 통해 에어 플레넘(2234, air plenum)으로 유입된 후, 공급구(212, 도 8 참조)를 통해 마이크로 믹서(200)로 유입되어 연료(F)와 혼합될 수 있다. 미설명 부호 2220은 연소실 조립체이고, 2230은 마이크로 믹서 조립체이다.
다음, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서(200)를 설명한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서 번들이 도시된 측단면도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서가 도시된 측단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 마이크로 믹서 번들(MB)은 복수개의 마이크로 믹서(200)를 포함하며 에어 유동공간(2233)의 가상 중심축을 중심으로 방사 방향으로 연장되어 형성된다. 마이크로 믹서(200)는 유체(연료 또는 공기)의 유동 방향으로 연장 형성된다.
마이크로 믹서(200)는, 통상의 직관 튜브(Straight Tube) 형태가 아니라, 중간 부분이 경사지면서 그 단면적이 점점 확대되는 튜브 형태로 형성되어, 연소실(2240)에서 발생한 화염에 의한 복사열이 마이크로 믹서(200) 내부로 전달되는 것을 감소시켜서 마이크로 믹서(200) 내부에서 발생하는 자발화 및 플래시백 현상을 방지한다.
구체적으로, 마이크로 믹서(200)는 입구 유로(210), 경사 유로(220), 출구 유로(230)를 포함한다.
입구 유로(210)는 연료 유로(2232)와 연결 형성되며, 일단에 연료(F)가 유입되는 유입구(211)가 형성되고, 그 내벽에는 공기(A)가 공급되는 공급구(212)가 형성된다. 유입구(211)를 통해 유입된 연료(F)와 공급구(212)를 통해 공급된 공기(A)는 입구 유로(210)에서 혼합되어 혼합 유체(FA)를 형성하면서 경사 유로(220)로 흐른다.
입구 유로(210)의 타단과 연결된 경사 유로(220)는 기설정된 각도로 경사지게 형성된다. 혼합 유체(FA)는 경사 유로(220) 및 출구 유로(230)를 따라 유동한 후, 연소실(2240)로 분사된다.
출구 유로(230)는 입구 유로(210)의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된다. 즉, 경사 유로(220)에 의해, 입구 유로(210)를 유동하는 혼합 유체(FA)의 유동축(X1, 혼합 유체 유동 방향의 중심)과 출구 유로(230)를 유동하는 혼합 유체(FA)의 유동축(X2)은 일치하지 않고 소정 거리로 이격되어 평행을 이룬다. 상기의 가상 연장선은 혼합 유체(FA)의 유동축일 수 있다.
경사 유로(220)는 입구 유로(210)와 출구 유로(230)를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성된다. 경사 유로(220)는 소정 거리 이격된 입구 유로(210)와 출구 유로(230)를 연결하되, 입구 유로(210)에서 출구 유로(230) 측으로 갈수록 그 단면적이 점점 증가하는 튜브 형태로 형성된다.
그 결과, 입구 유로(210)의 단면적이 가장 작게 형성되고, 출구 유로(230)의 단면적이 가장 크게 형성될 수 있다. 즉, 입구 유로(210)는 제1 단면적을 구비하고, 출구 유로(230)는 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 구비하며, 경사 유로(220)는 입구 유로(210)에서 출구 유로(230) 측으로 갈수록 점점 증가하는 가변 단면적을 구비할 수 있다.
또한, 경사 유로(220)는 하부의 제1 라인(221)과 상부의 제2 라인(222)을 포함한다. 제1 라인(221)은 출구 유로(230)의 가상 연장선(X2)과 제1 각도(θ1)를 이루고, 제2 라인(222)은 출구 유로(230)의 가상 연장선(X2)과 제2 각도(θ2)를 이룬다. 경사 유로(220)는 가변 단면적을 구비하므로, 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ2)는 상이한 각도로 형성될 수 있다.
도 8과 같이, 경사 유로(220)가 하방향으로 경사지게 형성된 경우, 제1 각도(θ1)가 제2 각도(θ2) 보다 크게 형성될 수 있다. 또는, 도 7에서 상부 에어 플레넘(2234)에 형성된 마이크로 믹서(200)와 같이, 경사 유로(220)가 상방향으로 경사지게 형성된 경우, 제2 각도(θ2)가 제1 각도(θ1) 보다 크게 형성될 수 있다.
입구 유로(210), 경사 유로(220), 및 출구 유로(230)의 단면은 다각형 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서(200)에 의하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 연소실(2240)에서 발생한 화염에 의한 방사 방향의 복사열 중에서 출구 유로(230)를 통해 마이크로 믹서(200) 내부로 전달되는 복사열(R1)은, 경사 유로(220)의 점점 좁아지는 유로 내벽에 반복적으로 반사되면서, 연료(F)와 공기(A)가 혼합되는 입구 유로(210) 영역에 이르지 못하고, 다시 출구 유로(230)를 통해 연소실(2240)로 방출(R2)된다. 따라서, 연료(F)와 공기(A)가 혼합되는 영역에 복사열(R1)이 전달됨에 따라 발생하는 자발화 및 플래시백 현상을 방지할 수 있다.
또한, 마이크로 믹서 내부에 상대적으로 저속의 연료(F)가 흐르는 상태에서 고속의 공기(A)가 공급됨으로써, 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 도 10을 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예를 설명한다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서의 변형예가 도시된 측단면도이다.
일반적으로, 연소 속도가 혼합 유체(FA)의 속도보다 크게 될 경우, 화염이 역류하여 플래시백 현상이 발생할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예들에서, 입구 유로(210)의 단면적이 가장 작게 형성되고 출구 유로(230)의 단면적이 가장 크게 형성되므로, 연속 방정식에 따라 혼합 유체(FA)의 유속은 입구 유로(210)에서 가장 크고, 경사 유로(220), 출구 유로(230)로 흐르면서 유속이 점점 감소하게 된다. 따라서, 연소 속도가 혼합 유체(FA)의 속도보다 크게되어 플래시백 현상이 발생할 수 있다.
이에, 도 10에 도시된 바와 같은, 본 발명의 다른 실시예의 마이크로 믹서(201 ~ 203)는 경사 유로(220)의 적어도 일부에 공기가 공급되는 공급구(212)가 추가로 형성될 수 있다.
추가로 형성된 공급구(212)를 통해, 혼합 유체(FA)의 속도보다 상대적으로 고속인 공기(A)가 합류하므로, 유동 단면적 확대에 따라 속도가 감소되는 혼합 유체(FA)에 추가적인 속도를 가할 수 있게 되어, 혼합 유체(FA)의 속도 감소에 따른 플래시백 현상을 방지할 수 있게 된다.
한편, 경사 유로(220) 영역에서, 공급구(212)를 통해 공급되는 공기(A)와 경사 유로(220)를 유동하는 혼합 유체(FA)가 혼합되는 경우, 입구 유로(210)에서의 공기(A)와 연료(F) 혼합에 비해 당량비가 낮으므로, 경사 유로(220) 영역에 복사열(R1)의 일부가 전달되더라도 복사열(R1) 전달에 의한 자발화 및 플래시백 현상은 감소시킬 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, 2210 : 버너 모듈 1220, 2220 : 연소실 조립체
1230, 2230 : 마이크로 믹서 조립체 1300 : 터빈
100, 200 : 마이크로 믹서 110, 210 : 입구 유로
111, 211 : 유입구 112, 212 : 공급구
120, 220 : 경사 유로 130, 230 : 출구 유로

Claims (12)

  1. 일단에 제1 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 내벽에 제2 유체가 공급되는 공급구가 형성되며, 상기 유입구를 통해 유입된 제1 유체와 상기 공급구를 통해 공급된 제2 유체가 혼합되어 형성된 혼합 유체가 유동하는 입구 유로;
    상기 혼합 유체를 연소실로 분사시키며 상기 입구 유로의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된 출구 유로;
    상기 입구 유로와 상기 출구 유로를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성되어 상기 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 상기 입구 유로로 전달되는 것을 감소시키는 경사 유로;
    를 포함하는 마이크로 믹서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구 유로는 제1 단면적을 구비하고, 상기 출구 유로는 상기 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 구비하며, 상기 경사 유로는 상기 입구 유로에서 상기 출구 유로 측으로 갈수록 점점 증가하는 가변 단면적을 구비하는, 마이크로 믹서.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 경사 유로는,
    상기 출구 유로의 가상 연장선과 제1 각도를 이루는 제1 라인과, 상기 출구 유로의 가상 연장선과 제2 각도를 이루는 제2 라인을 포함하며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 서로 상이한, 마이크로 믹서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유체는 수소 포함 연료이고 상기 제2 유체는 공기이거나, 또는
    상기 제1 유체는 공기이고 상기 제2 유체는 수소 포함 연료인, 마이크로 믹서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 경사 유로의 적어도 일부에는 상기 제2 유체가 공급되는 공급구가 추가로 형성되는, 마이크로 믹서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 유로, 상기 경사 유로, 및 상기 출구 유로의 단면은 다각형 형상을 이루는, 마이크로 믹서.
  7. 연료 유체가 연소하는 연소실을 포함하는 연소실 조립체;
    상기 연소실로 상기 연료 유체를 분사하는 복수의 마이크로 믹서를 포함하는 마이크로 믹서 조립체를 포함하며,
    상기 마이크로 믹서는,
    일단에 제1 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 내벽에 제2 유체가 공급되는 공급구가 형성되며, 상기 유입구를 통해 유입된 제1 유체와 상기 공급구를 통해 공급된 제2 유체가 혼합되어 형성된 혼합 유체가 유동하는 입구 유로;
    상기 혼합 유체를 연소실로 분사시키며 상기 입구 유로의 가상 연장선과 이격된 위치에 형성된 출구 유로;
    상기 입구 유로와 상기 출구 유로를 연결하며, 기설정된 각도로 경사지게 형성되어 상기 연소실에서 발생한 화염에 의한 복사열이 상기 입구 유로로 전달되는 것을 감소시키는 경사 유로;
    를 포함하는 연소기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 입구 유로는 제1 단면적을 구비하고, 상기 출구 유로는 상기 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 구비하며, 상기 경사 유로는 상기 입구 유로에서 상기 출구 유로 측으로 갈수록 점점 증가하는 가변 단면적을 구비하는, 연소기.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 경사 유로는,
    상기 출구 유로의 가상 연장선과 제1 각도를 이루는 제1 라인과, 상기 출구 유로의 가상 연장선과 제2 각도를 이루는 제2 라인을 포함하며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 서로 상이한, 연소기.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 유체는 수소 포함 연료이고 상기 제2 유체는 공기이거나, 또는
    상기 제1 유체는 공기이고 상기 제2 유체는 수소 포함 연료인, 연소기.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 경사 유로의 적어도 일부에는 상기 제2 유체가 공급되는 공급구가 추가로 형성되는, 연소기.
  12. 청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 유로, 상기 경사 유로, 및 상기 출구 유로의 단면은 다각형 형상을 이루는, 연소기.
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