JP7270111B2 - Combustion equipment that maximizes combustor operating efficiency and emissions performance - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置であって、さらに詳しくは、二重流路系の改善を通じて、燃焼場内に高温の内部再循環領域(Inner Recirculation Zone)が形成されないとともに、乱流強度(turbulence intensity)が強化され、燃焼時、高温の燃焼生成物が火炎内で滞留する滞留時間を短縮させ、燃焼生成物の滞留時間に敏感な窒素酸化物等のような有害物質の発生を抑制させるが、負荷の変化、特に、低い負荷で発生し得るさか火現象(flash-back)が起きても、乱流強度を強化させた乱流生成部において、構造的に脆弱な部位の破損で、燃焼装置の全体システムの作動が止まることを最小化することにより、燃焼装置の運転効率の増大と、燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置の乱流生成格子構造に関する。 The present invention is a combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emissions performance of the combustor, and more particularly, through improvement of the dual channel system, a high temperature inner recirculation zone is provided within the combustion field. turbulence intensity is enhanced, and during combustion, the residence time of hot combustion products in the flame is shortened, such as nitrogen oxides, etc., which are sensitive to the residence time of combustion products. However, even if the load changes, especially the flash-back that can occur at low loads, the turbulence generation part with enhanced turbulence intensity is structurally Combustor turbulence that can increase the operating efficiency of the combustor and maximize the operating efficiency and emissions performance of the combustor by minimizing the total system outage of the combustor due to failure of vulnerable parts of the combustor. It relates to a flow generating grid structure.
窒素酸化物(NOx)は、窒素と酸素の結合物質であって、NO、NO2、NO3、N20、N2O3、N2O4、及びN2O5を言う。このうち、NOとNO2が、燃焼用空気を用いて化石燃料を燃消させるとき、多量で排出されるので、最も深刻な大気汚染物質に分類される。NOxは、全ての窒素酸化物を通称するが、大気汚染分野では、一般に、NOとNO2を意味する。窒素酸化物は、主に、化石燃料の燃焼過程で排出されるが、燃焼時、ガス状態で大気に排出された後、光化学反応により凝縮されて、社会的問題として大いに争点となっている微小粒子状物質(PM2.5)に変換される凝縮性ダスト(CPM)の主犯と知られており、最近、政府から大気排出賦課金の適用対象の汚染物質として追加された物質でもある。微小粒子状物質は、直径が10μm程度である一般の粒子状物質(PM10)とは異なり、髪の毛の太さの1/30である直径2.5μm程度の大きさであり、私たちの体でろ過されず、そのまま肺や血管に侵透して、狭心症、脳卒中、心血管疾患を起こしたりし、世界保健機関(WHO)傘下の国際ガン研究所が指定した1群発ガン物質でもある。 Nitrogen oxides (NOx) are compounds of nitrogen and oxygen and refer to NO, NO2, NO3, N20, N2O3, N2O4, and N2O5. Among these, NO and NO2 are classified as the most serious air pollutants because they are emitted in large amounts when combustion air is used to burn fossil fuels. NOx is a generic term for all nitrogen oxides, but in the air pollution field it generally means NO and NO2. Nitrogen oxides are mainly emitted during the combustion process of fossil fuels. During combustion, nitrogen oxides are emitted into the atmosphere in a gaseous state and then condensed by photochemical reactions. It is known to be the main culprit of condensed dust (CPM), which is converted into particulate matter (PM2.5), and has recently been added as a pollutant subject to air emission levies by the government. Microparticulate matter has a diameter of about 2.5 μm, which is 1/30 the diameter of a human hair, unlike general particulate matter (PM10), which has a diameter of about 10 μm. Unfiltered, it penetrates into the lungs and blood vessels, causing angina pectoris, stroke, and cardiovascular disease.
窒素酸化物の放出基準は、殆ど、NOがNO2に酸化されることを前提とする数値に基づいているが、化石燃料の燃焼時、不可避に発生する窒素酸化物であるNOxは、凝縮性ダストの一種である硝酸塩の前駆物質と知られており、燃焼装置からガス状態で発生されて大気に放出された後、水蒸気、オゾン、アンモニア等との光化学スモッグ反応により凝縮され、固体状態の粒子状物質に発展する代表的な大気環境汚染物質である。したがって、燃焼時に発生する窒素酸化物等のような有害物質の発生量を減少させる方法は、極めて重要であると言えるであろう。 Emissions standards for nitrogen oxides are mostly based on numerical values that assume that NO is oxidized to NO2, but NOx, the nitrogen oxides that are inevitably produced when burning fossil fuels, is a condensable dust. It is known as a precursor of nitrate, which is a kind of nitrate, and after being generated in a gaseous state from a combustion device and released into the atmosphere, it is condensed by a photochemical smog reaction with water vapor, ozone, ammonia, etc., and becomes a solid particulate form. It is a representative atmospheric environmental pollutant that develops into substances. Therefore, it can be said that a method for reducing the amount of harmful substances generated during combustion, such as nitrogen oxides, is extremely important.
一例として、特許文献1は、煙道ガス流における窒素酸化物の減少調節方法に関する技術が開示されている。前記煙道ガス流における窒素酸化物の減少調節方法の技術的な特徴を検討すると、ステップ別に窒素含有処理製剤または選択的触媒還元処理(SCR)で窒素酸化物を除去するようにしている。しかしながら、燃焼の終了後に発生する有害ガスを別途の装置に移動させなければならず、窒素酸化物処理のための別途の処理材料が必要であるという短所がある等、大部分の技術が燃焼以降の後処理に関する考案であり、燃焼過程で根源的に窒素酸化物を低減させることができないという問題点があった。 By way of example, US Pat. No. 5,900,000 discloses a technique for controlling the reduction of nitrogen oxides in a flue gas stream. Considering the technical characteristics of the control method for the reduction of nitrogen oxides in the flue gas stream, the nitrogen oxides are removed by stepwise nitrogen-containing treatment formulations or selective catalytic reduction (SCR). However, the harmful gas generated after combustion has to be moved to a separate device, and there are disadvantages such as the need for a separate treatment material for nitrogen oxide treatment. It is a device related to post-treatment, and there was a problem that nitrogen oxides could not be fundamentally reduced in the combustion process.
また、特許文献2では、ガス燃料と空気の混合流を旋回させることに加えて、燃料ノズルの下流に配置された乱流板で乱流を発生させることにより、混合流の混合距離を減らし、逆流、さか火、及び高温領域の発生を防止する特徴を開示している。しかしながら、従来の技術には、乱流を発生させる構成が薄板で形成されて、その強度が極めて弱いという問題点があった。一例として、燃焼器の運転中には、負荷の変動により、燃焼器の流量の変化が著しくなるが、特に、低い負荷でガス燃料と空気の混合気の速度が低くなると、火炎が噴射ノズル内に燃えて入るさか火(Flash-Back)が発生し、火炎がノズル内で付着して、乱流板や旋回機等の燃焼器ノズルの重要部位が損傷または破損し、燃焼装置の全体システムの作動が中止される致命的な損失が生じるようになる。このように構造的に板状の乱流生成器の構成は、さか火が生じた場合、ノズル部位の熱的損傷が懸念され、燃焼器の運転を停止し、点検後、運転されるか、さか火のない状態でも、長時間の連続運転により、高温の火炎からの輻射熱等による深刻な損傷を受けるようになり、このため、一定の時間後は、続けて持続的な交替が必要であるという問題点があった。 In addition, in Patent Document 2, in addition to swirling the mixed flow of gas fuel and air, by generating turbulence with a turbulent plate arranged downstream of the fuel nozzle, the mixing distance of the mixed flow is reduced, Features are disclosed that prevent backflow, bonfires, and the development of hot zones. However, the prior art has the problem that the structure that generates the turbulent flow is formed of a thin plate, and its strength is extremely weak. As an example, during operation of the combustor, load fluctuations result in significant changes in combustor flow, especially at low loads and low gas-fuel-air mixture velocities, causing the flame to enter the injection nozzle. A flash-back occurs that burns into the nozzle, and the flame adheres to the nozzle, damaging or destroying important parts of the combustor nozzle such as the turbulence plate and swirler, and affecting the entire system of the combustion device. A fatal loss that stops the operation will occur. In such a configuration of the plate-shaped turbulence generator, if a fire occurs, there is a concern that the nozzle may be thermally damaged. Even without a fire, continuous operation for a long period of time causes serious damage due to radiant heat from high-temperature flames, etc. Therefore, continuous replacement is required after a certain period of time. There was a problem.
本発明は、上述した先行技術の問題点を解決するためになされたものであって、燃焼後処理技術ではなく、燃焼過程において、燃焼装置の完全燃焼により、燃焼時の有害ガスの発生量を減少させるとともに、燃焼装置の効率を最大化することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems of the prior art described above, and the amount of harmful gas generated during combustion is reduced by complete combustion of the combustion device in the combustion process, not by post-combustion treatment technology. The goal is to reduce and maximize the efficiency of the combustion system.
また、本発明は、負荷の変化、特に、低い負荷で発生し得るさか火現象により燃焼装置の作動が止まることを最小化して、運転効率を増大させるとともに、燃焼装置の耐久性と信頼性及び安全性を最大化することを目的とする。一例として、発電及び航空用のガスタービン燃焼器の場合、燃焼器の後端で数十万RPM(revolution per minute)で高速回転している回転体であるタービン(turbine)において、燃焼器ノズルから破壊された極めて小さな破片が、まるで航空機エンジンのバードストライクのように、当該ガスタービンの全体システムに致命的な損傷を与えることを防止することを目的とする。 The present invention also minimizes burn-out of the combustion system due to load changes, especially the bonfire phenomenon that can occur at low loads, to increase operating efficiency and improve durability and reliability of the combustion system. Intended to maximize safety. As an example, in the case of a gas turbine combustor for power generation and aviation, in a turbine, which is a rotating body rotating at a high speed of several hundred thousand RPM (revolution per minute) at the rear end of the combustor, from the combustor nozzle An object of the present invention is to prevent extremely small broken fragments from fatally damaging the entire system of the gas turbine, just like a bird strike on an aircraft engine.
また、本発明は、構造的に堅固なフラクタル(Fractal)状の乱流生成部を維持するにあたって、フラクタル状の乱流生成器を通じて乱流強度を増加させることにより、乱流火炎の保炎機能(flame stabilizing)が強化され、低旋回流による火炎場内の内部再循環領域(Inner Recirculation Zone)の発生が抑制され、高温である燃焼生成物の滞留時間を短縮させ、窒素酸化物のような燃焼有害物質の発生を効果的に抑制させることを目的とする。 In addition, the present invention increases the strength of turbulence through a fractal turbulence generator in order to maintain a structurally sound fractal turbulence generator, thereby achieving a turbulent flame stabilizing function. (flame stabilizing) is enhanced, the occurrence of inner recirculation zone in the flame field due to low swirling flow is suppressed, the residence time of high temperature combustion products is shortened, and combustion such as nitrogen oxides is reduced. The purpose is to effectively suppress the generation of harmful substances.
また、本発明は、窒素酸化物の有害ガスが、燃焼前、空気と燃料間の混合性能に依存する性質があり、二重旋回構造と直交流れ構造を通じて、ガス燃料の予混合性能を向上させることを目的とする。 In addition, the present invention improves the premixing performance of gas fuel through the double swirl structure and the cross flow structure because the harmful gas of nitrogen oxides depends on the mixing performance between air and fuel before combustion. for the purpose.
本発明が解決しようとする課題は、上述した課題に制限されず、ここに言及されていない、本発明が解決しようとするまた他の課題は、下記の記載から、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって明確に理解されるであろう。 The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems described above, and other problems to be solved by the present invention, which are not mentioned here, can be found in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be clearly understood by those of ordinary skill.
本発明の好適な一実施形態による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置において、ガス燃料が供給されるガスノズル部と、前記ガスノズル部と連通して空間を形成し、ガス燃料を分配するガス燃料分配部と、前記ガス燃料分配部と第1貫通孔により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第1混合室と、前記ガス燃料分配部と第2貫通孔により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第2混合室と、前記第1混合室と第2混合室との間に備えられ、前記第1混合室で予混合されたガス燃料と空気の予混合気を乱流化する乱流生成ノズル部と、空気ノズル部と連通し、前記第1混合室と第2混合室にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部と、を含み、前記旋回ノズル部は、前記第1混合室と連通し、前記第1貫通孔から噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触して混合されるようにする第1流路と、前記第2混合室と連通し、前記第2貫通孔から噴射されたガス燃料が前記第1流路に比べて旋回度が低い空気と垂直で接触して混合されるようにする第2流路と、を含み、前記乱流生成ノズル部は、複数個のフラクタル状の格子孔が備えられ、前記第1混合室で予混合されたガス燃料と空気の予混合気の乱流流れを誘導するブロック状の乱流生成部と、前記乱流生成部を通過したガス燃料と空気の予混合気を燃焼室に流動させる円筒状の内側ノズル部と、を含み、前記乱流生成部は、前記内側ノズル部の長手方向に沿って長く形成され、さか火現象により火炎が付着しても、構造的に材質の剛性を維持して、格子が破損することなく、持続的な燃焼運転を行うことにより、システムの安全性と燃焼器の燃焼効率を増加させることを特徴とする。 In a combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of a combustor according to a preferred embodiment of the present invention, a gas nozzle section to which gas fuel is supplied; and a space communicating with the gas nozzle section to form a gas fuel. a first mixing chamber that communicates with the gas fuel distribution portion through a first through hole to form a space in which the gas fuel is premixed with air; and the gas fuel distribution portion and a second through hole. a second mixing chamber communicating through holes to form a space in which gaseous fuel is premixed with air; a turbulent flow generating nozzle section that turbulates the premixture of gas fuel and air; and a swirling nozzle section that communicates with the air nozzle section and supplies combustion air to the first mixing chamber and the second mixing chamber, respectively. , wherein the swirl nozzle part communicates with the first mixing chamber, and the gaseous fuel injected from the first through hole is in vertical contact with and mixed with the swirled air. The second passage communicates with the second mixing chamber so that the gaseous fuel injected from the second through hole is in vertical contact with air having a lower degree of swirl than the first passage and is mixed. 2 flow passages, wherein the turbulent flow generating nozzle section is provided with a plurality of fractal grid holes to generate a turbulent flow of the premixed gas fuel and air premixed in the first mixing chamber. and a cylindrical inner nozzle portion for causing the premixture of gaseous fuel and air that has passed through the turbulence generator to flow into the combustion chamber, the turbulence generator is formed long along the longitudinal direction of the inner nozzle part, and maintains the rigidity of the material structurally even if the flame adheres due to the bonfire phenomenon, so that the grid is not damaged and continuous combustion operation is possible. to increase system safety and combustion efficiency of the combustor.
上記した課題の解決手段により、本発明による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置は、負荷の変化、特に、低い負荷で発生し得るさか火現象により燃焼装置の作動が止まることを最小化し、燃焼装置の全体システムの安全性の確保と燃焼装置の効率を最大化することができるという効果がある。 By means of the solution to the above problems, the combustor according to the present invention is capable of maximizing the operating efficiency and emissions performance of the combustor so that changes in load, especially the bonfire phenomenon that can occur at low loads, will cause the combustor to stop operating. is minimized, the safety of the entire system of the combustion device can be ensured, and the efficiency of the combustion device can be maximized.
また、フラクタル状の乱流生成部と低旋回翼の構造により、燃焼装置内の内部再循環領域の形成を抑制して、燃焼時、熱的NOx(窒素酸化物)のように高温である燃焼生成物の滞留時間と密接な関係がある有害ガスの発生量を減少させることができるという効果がある。 In addition, due to the fractal-like turbulence generation part and the structure of the low swirl blade, the formation of the internal recirculation area in the combustion device is suppressed, and the combustion temperature is high like thermal NOx (nitrogen oxide) during combustion. This has the effect of reducing the amount of harmful gas generated, which is closely related to the residence time of the product.
また、窒素酸化物が燃料と燃焼用空気との混合性能と密接な関係があるので、混合構造が、二重旋回構造と直交流れ構造とフラクタル状の乱流生成部の構造を維持することにより、ガス燃料と空気の予混合気の予混合性能を向上させることができる卓越な効果がある。 In addition, since nitrogen oxides are closely related to the mixing performance of fuel and combustion air, the mixing structure maintains a double swirl structure, a cross flow structure, and a fractal turbulent flow structure. , which can improve the premixing performance of premixture of gas fuel and air.
この明細書で用いられる用語について簡略に説明し、本発明について具体的に説明する。 The terms used in this specification will be briefly explained, and the present invention will be specifically explained.
本発明で用いられる用語は、本発明における機能を考慮して、できるだけ、現在広く用いられている一般的な用語を選択したが、これは、当分野に携わる技術者の意図または判例、新たな技術の出現等により変わることがある。したがって、本発明において用いられる用語は、単純な用語の名称ではなく、その用語が有する意味と、本発明の全般にわたった内容に基づいて定義されなければならない。 The terms used in the present invention were selected as general terms that are currently widely used as much as possible in consideration of the function in the present invention. It may change due to the advent of technology. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the overall content of the present invention rather than simple term names.
明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」というのは、特に断りのない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。 Throughout the specification, when a part "includes" a component, it means that it may also include other components, rather than excluding other components, unless otherwise specified. .
下記では、添付した図面を参考して、本発明の実施形態について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかしながら、本発明は、様々な相違した形態で実現されてもよく、ここに説明する実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. This invention may, however, be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.
本発明における解決しようとする課題、課題の解決手段、発明の効果を含む具体的な事項は、後述する実施形態及び図面に含まれている。本発明の利点及び特徴、また、それらを達成する方法は、添付される図面とともに詳細に後述されている実施形態を参照すると、明確になるであろう。 Specific matters including problems to be solved by the present invention, means for solving the problems, and effects of the invention are included in the embodiments and drawings described later. Advantages and features of the present invention, as well as the manner in which they are achieved, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below in conjunction with the accompanying drawings.
以下、添付された図面を参照して、本発明についてさらに詳述する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
本発明の好適な第1実施形態による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置は、図1及び図2示すように、ガス燃料が供給されるガスノズル部10と、前記ガスノズル部10と連通して空間を形成するガス燃料分配部20と、前記ガス燃料分配部20と第1貫通孔21により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第1混合室22と、前記ガス燃料分配部20と第2貫通孔23により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第2混合室24と、前記第1混合室22と第2混合室24との間に備えられ、前記第1混合室22で予混合されたガス燃料を乱流化する乱流生成ノズル部30と、空気ノズル部50と連通し、前記第1混合室22と第2混合室24にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部40と、を含む。
As shown in FIGS. 1 and 2, a combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of a combustor according to a first preferred embodiment of the present invention comprises a
また、前記旋回ノズル部40は、前記第1混合室22と連通し、前記第1貫通孔21から噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触して混合されるようにする第1流路41と、前記第2混合室24と連通し、前記第2貫通孔23から噴射されたガス燃料が前記第1流路41に比べて旋回度が低い空気と垂直で接触して混合されるようにする第2流路42と、を含む。
In addition, the swirling
したがって、前記第1混合室22で予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記乱流生成ノズル部30を通過し、前記第2混合室24で予混合されたガス燃料と空気の予混合気と混合されるとともに、前記第2混合室24で弱く旋回される予混合気により、乱流流れを維持した状態で点火されることにより、火炎内に内部再循環領域の形成が抑制され、高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させて、有害物質の発生を最小化する。
Therefore, the premixture of gaseous fuel and air premixed in the
すなわち、前記ガス燃料分配部20において、前記第1貫通孔21から噴射されたガス燃料が、空気流入部51と連通した前記旋回ノズル部40の端部に設けられた前記第1流路41により強く旋回された燃焼用空気と直角でぶつかって混合される。また、前記ガス燃料分配部20において前記第2貫通孔23から噴射されたガス燃料が、前記空気流入部51と連通した前記旋回ノズル部40の中央部分に設けられた前記第2流路42を通じて、前記第1流路41に比べて比較的弱く旋回された燃焼用空気に会って混合される。これにより、前記予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記旋回ノズル部40の出口において、別途の点火装置(図示せず)により発生した前記火炎内に、内部再循環領域(IRZ、Inner Recirculation Zone)のない燃焼場を作って、高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させ、滞留時間に比例して発生する熱的窒素酸化物のような有害物質の発生を最小化することである。
That is, in the gas
また、前記乱流生成ノズル部30は、円形のブロック状であり、全体にわたってフラクタル状の複数個の格子(grid)が備えられ、これにより、前記第1混合室22で予混合されたガス燃料と空気の予混合気の乱流流れを誘導する乱流生成部31と、前記乱流生成部31を通過したガス燃料と空気の予混合気を燃焼室に流動させる円筒状の内側ノズル部32と、を含む。また、前記乱流生成部31は、円筒状のブロック状であり、所定の厚さを有して形成され、さか火現象により火炎が付着しても、構造的に材質の剛性を維持して、格子が破損することなく、持続的な燃焼運転を行うことにより、システムの安全性の確保とともに燃焼効率を増加させるようにする。
In addition, the turbulent flow generating
まず、本発明による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置は、前記ガスノズル部10が設けられる。前記ガスノズル部10は、外部のガス燃料が、前記ガス燃料分配部20に供給されるように案内する役割をする。
First, the
前記ガスノズル部10の末端には、前記ガス燃料分配部20が設けられる。前記ガス燃料分配部20は、内部に所定の空間が設けられ、前記ガスノズル部10から流入するガス燃料を分配する役割をする。さらに詳しくは、前記ガス燃料分配部20は、円筒形からなり、断面を基準として、前記ガス燃料分配部20の一端部側には、前記第1貫通孔21が複数個で備えられる。前記第1貫通孔21は、前記ガス燃料分配部20と前記第1混合室22を連通させ、前記ガスノズル部10から供給されたガス燃料が前記第1混合室22に移動されるようにする。このとき、前記ガス燃料分配部20において前記第1貫通孔21から噴射されたガス燃料は、前記第1流路41から流入した燃焼用空気の強い旋回運動とともに、前記第1流路41の出口の直前において、直角の流れ形態(Jet in cross)でぶつかり、燃焼用空気と混合され、前記第1混合室22内に移動するようになる。
The gas
次に、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23は、複数個でそれぞれ前記乱流生成ノズル部の中央部を中心に放射状で配列される。また、前記第1貫通孔21は、前記ガス燃料分配部20の断面を基準として、中心から同じ距離に位置する。さらに詳しくは、前記第2貫通孔23は、前記第1流路41と干渉せず、前記旋回ノズル部40の中央部に設けられた前記第2流路42と連通して形成される。このとき、前記第2流路42は、前記第1流路41と比べて弱い旋回運動を行う旋回角度で構成される。したがって、前記第2貫通孔23は、前記ガス燃料分配部20と前記第2混合室24を連通させ、前記ガスノズル部10から供給されたガス燃料が前記第2流路42を通過した燃焼用空気と予混合されて、前記第2混合室24に移動されるようにする。また、前記第2貫通孔23は、前記ガス燃料分配部20の断面を基準として、中心から同じ距離に位置する。すなわち、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23は、それぞれ前記乱流生成ノズル部30の中央部を中心として、一定の間隔だけ離れた円形で配列されるものである。
Next, a plurality of the first through
次に、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23は、前記ガス燃料分配部20の中心を基準として、ジグザグ状で備えられる。すなわち、前記ガスノズル部10から供給されたガス燃料が、前記ガス燃料分配部20において、それぞれ前記第1混合室22と第2混合室24に均一に分配されるようにするものである。また、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23の個数は、同じく備えられることが好ましい。これもまた、前記ガスノズル10から供給されたガス燃料が、前記ガス燃料分配部20において、前記第1混合室22と第2混合室24に均一に分配されるようにするためである。また、ガス燃料と空気の量に応じて、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23の断面の直径を調節して、前記第1混合室22と第2混合室24に供給されるガス燃料の流量を調節することができる。また、燃焼時、前記燃焼室52内の圧力変動にかかわらず、常時、一定量のガス燃料を供給することにより、ガスタービン燃焼器のような希薄燃焼(lean combustion)において重要な燃焼安定化を図ることができる。
Next, the first through
具体的に、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23の直径は、ガス燃料がチョーク流れになるための条件として、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23のそれぞれの前後端の圧力差が、一例として、LNG燃料の場合、1.6atm以上に維持されるように製作される。このとき、1.6atm以上の圧力差になるように、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23の直径が設定されると、それぞれの前記第1貫通孔21と第2貫通孔23から噴射されるガス燃料は、マッハ数が1.0になるチョーク流れが形成される。したがって、前記旋回ノズル部40から噴き出される予混合気の流れが、前記旋回ノズル部40の出口において点火して燃焼された後も、前記燃焼室52の内部の圧力変化に影響されない状態になり、安定的かつ均一な混合気を形成できるようになる。
Specifically, the diameters of the first through-
次に、前記第1混合室22と第2混合室24が設けられる。前記第1混合室22は、内部に空間が設けられ、前記第1貫通孔21により前記ガス燃料分配部20と連通する。したがって、前記空気ノズル部50から流入した燃焼用空気が、前記第1流路41から流入し、前記第1混合室22の内部の前記第1流路41の出口と隣接した地点で、前記ガス燃料と直角でぶつかって強く旋回して予混合される。
Next, the
また、前記第2混合室24は、内部に空間が設けられ、前記第2貫通孔23により前記ガス燃料分配部20と連通する。これも、前記空気ノズル部50から流入した燃焼用空気が、前記第2流路42から流入し、前記第2混合室24の内部の前記第2流路42の出口と接した地点で、前記ガス燃料と直角でぶつかって旋回される。
The
次に、前記第1混合室22と第2混合室24との間に、前記乱流生成ノズル部30が設けられる。さらに詳しくは、前記乱流生成ノズル部30は、図2に示すように、円形のブロック状内の複数個のフラクタル状を有する四角の格子孔が備えられ、前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気の乱流流れを誘導する乱流生成部31と、前記乱流生成部31を通過したガス燃料と空気の予混合気を燃焼室52に流動させる内側ノズル部32と、を含む。まず、前記乱流生成部31は、円筒状であり、前記内側ノズル部32の長さ方向に沿って長く形成され、さか火現象により火炎が付着しても、構造的に材質の剛性を維持して、格子が破損することなく、持続的な燃焼運転を行うことにより、システムの安全性の確保とともに燃焼効率を増加させるようにする。さらに詳しくは、前記乱流生成ノズル部30は、パイプノズル状であり、内部に、円形のブロック状であって厚みのある乱流生成部31が備えられる。前記乱流生成部31は、前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気を乱流化させる機能をする。すなわち、前記ガス燃料と空気の予混合気が、前記乱流生成部31のフラクタル状を有する複数個の四角の格子孔を通過し、乱流性能(乱流強度)が大いに増加するようになる。
Next, the turbulence generating
また、前記乱流生成部31の長さは、前記内側ノズル部32の長さの0.3倍乃至0.6倍程度で形成される。このとき、前記乱流生成部31の長さ方向の厚さが、前記内側ノズル部32の長さ方向の厚さの0.3倍未満で形成されると、負荷の変化、特に、低い負荷でさか火現象が発生し、燃焼器ノズル内に火炎が付着することにより、前記乱流生成部31に損傷や破損が発生する。これにより、燃焼装置の作動を中止させ、熱効率が急激に減少するようになるという問題点がある。また、発電用や航空用のガスタービンのような燃焼器に適用された場合、燃焼器ノズルから破壊された小さな破片が、まるで航空機エンジンのバードストライクのように、当該ガスタービンの全体システムに致命的な損傷を与えるという問題点がある。また、前記乱流生成部31の長さ方向の厚さが、前記内側ノズル部32の長さ方向の厚さの0.6倍を超えて形成されると、前記乱流生成部31の孔を通過する予混合された混合気の乱流性能が顕著に減少して、熱効率が減少し、窒素酸化物(NOx)のような有害物質の発生量が増加するようになるという問題点がある。また、低下した乱流性能により、火炎の長さが長くなり、これに合わせて、燃焼室のサイズをさらに増加させる設計が必須であるので、燃焼装置システムの全体サイズが大きくなるという問題点がある。したがって、前記乱流生成部31の長さ方向の厚さは、前記内側ノズル部32の長さ方向の厚さの0.3倍乃至0.6倍で形成される。
Also, the length of the turbulent
また、前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記乱流生成部31に流動されるように案内する案内部60が設けられることが好ましい。
In addition, it is preferable that a
また、前記乱流生成部31は、フラクタル構造で形成されてもよい。フラクタル構造は、乱流強度を効果的に増加させる構造であり、小さな形状が全体の形状に似た形態で無限に繰り返されて全体の形状をなす構造である。フラクタル構造は、一定の規則により、幾何学的に同じ形状であるが、サイズと配列が互いに異なる形態で配置されることにより、このようなフラクタル構造を通過する流体は、多様な乱流長さ(turbulence length)とエネルギーが生成されて、乱流強度(turbulence intensity)を効果的に増加させることができる構造である。このようなフラクタル構造は、一定の割合の法則で、フラクタル格子(grid)の太さが減少するようになる。前記乱流生成部31がフラクタル構造で形成され、前記フラクタル格子の太さが減少する割合が0.6以下であるとき、上記した放射状孔を備えた乱流生成部31に比べて、乱流強度が2倍乃至3倍増加するようになる。したがって、このようなフラクタル構造で前記乱流生成部31を構成する場合、乱流強度を効果的に増加させることができる。
Also, the
また、図2乃至図4を参照すると、前記乱流生成部31は、前記乱流生成部31を支持する本体部31aと、予混合気が通過して前記予混合気の乱流強度を増加させるフラクタル孔31bと、を含む。このとき、前記本体部31aとフラクタル孔31bは、前記乱流生成部31の長さ方向を基準として、互いに異なる長さで形成されてもよい。
2 to 4, the
さらに詳しくは、図3を参照すると、前記乱流生成部31の中心から外周面に向かうほど、前記フラクタル孔31bの長さが段々短く形成される。したがって、負荷の変化、特に、低い負荷でさか火現象が発生するとき、火炎を、前記本体部31aの端部に付着させることにより、前記本体部31aの端部が損傷しても、前記フラクタル孔31bには、影響を及ぼさず、予混合気の乱流化を持続的に行うことができる。言い換えれば、火炎が前記フラクタル孔31bを損傷させることを防止することにより、前記乱流生成部31を通過した予混合気の乱流強度の増加率を持続的に維持できることである。結果的に、燃焼装置の熱効率は、維持するとともに、前記乱流生成部31の剛性を増加させることができるという利点がある。
More specifically, referring to FIG. 3, the length of the
また、図4を参照すると、前記フラクタル孔31bの長さが、前記本体部31aの長さよりも長く形成される。したがって、予混合気が前記フラクタル孔31bを通過する時間が増加することにより、前記予混合気の乱流強度をさらに増加させることができるという利点がある。
Also, referring to FIG. 4, the length of the
次に、前記燃焼室52と連通した前記旋回ノズル部40の出口には、前記点火装置が備えられ、別途の電源で駆動されてもよい。すなわち、前記点火装置は、前記旋回ノズル部40の出口から噴射される未燃焼ガス燃料と空気の予混合気を点火させ、前記燃焼室52の内部において内部再循環領域(IRZ)のない火炎場を形成する。
Next, the ignition device may be provided at the outlet of the swirling
次に、前記第1混合室22及び第2混合室24に燃焼用空気が供給されるように、前記空気流入部51と連通した前記空気ノズル部50と前記旋回ノズル部40が設けられる。さらに詳しくは、前記空気ノズル部50は、前記第1混合室22と第2混合室24の外周面を取り囲む形態で備えられる。また、前記空気ノズル部50と旋回ノズル部40との間は、前記第1混合室22及び第2混合室24と連通して空気が流動可能な空間が設けられる。したがって、前記空気流入部51は、前記第1混合室22及び第2混合室24において、ガス燃料と空気の予混合気と、前記旋回ノズル部40の一側にそれぞれ設けられている第1流路41と第2流路42から流入した燃焼用空気が混合されるように、空気を供給する役割をする。
Next, the
すなわち、前記旋回ノズル部40は、前記第1混合室22と連通して前記第1混合室22に強い旋回流れの空気を供給する第1流路41と、前記第2混合室24と連通して前記第2混合室24に旋回強度0.4乃至0.55の弱い旋回流れで空気を供給する第2流路42と、を備えることが好ましい。
That is, the swirling
また、前記第1流路41の出口の直前には、前記第1貫通孔21が位置され、前記第2流路42の内壁の一側には、前記第2貫通孔23が位置される。したがって、前記第1貫通孔21から供給されたガス燃料と、前記第1流路41から強い旋回流れで供給された燃焼用空気とが混合され易い直交ジェット流れ(Jet in cross)でぶつかって効率的に予混合される。同様に、前記第2貫通孔23から供給されたガス燃料は、前記第2流路42から供給された弱い旋回強度の燃焼用空気と効率的に予混合される。
In addition, the first through
以下、本発明による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置の作用について、図1乃至図5を参照して詳述する。 Hereinafter, the operation of the combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of the combustor according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5. FIG.
まず、燃焼装置を稼働させると、前記ガスノズル部10からガス燃料が前記ガス燃料分配部20に流入し、供給されたガス燃料は、前記ガス燃料分配部20において、前記第1貫通孔21及び第2貫通孔23により、前記第1混合室22及び第2混合室24に分けられられて移動する。このとき、前記第1混合室22と第2混合室24では、前記空気ノズル部50と前記旋回ノズル部40から供給された燃焼用空気と、前記第1貫通孔21と第2貫通孔23から供給されたガス燃料とが予混合される。以降、前記第2混合室24において、弱い旋回強度状態である混合気は、前記第1混合室22において、強い旋回強度で予混合された混合気の周囲に、弱い旋回運動を維持して、前記燃焼室52に移動する。この状態で、前記点火装置により点火され、前記燃焼室52内において、高温の乱流予混合火炎を形成するようになる。
First, when the combustion device is operated, the gas fuel flows into the gas
このとき、前記高温の火炎により、多量の熱的NOxのような有害物質が発生する。前記熱的NOxのような有害物質の発生を減少させる方法としては、火炎の温度を下げ、または火炎内の高温の燃焼生成物が反応場である火炎場内で滞留する滞留時間を減少させることである。ところで、ガスタービンのような場合、システムの熱効率を向上させるためには、タービン入口の温度(TIT、Turbine Inlet Temperature)を高めることが最も有効である。最近、全てのガスタービン用燃焼器の必須要求条件であるので、上記した方法のうち、火炎の温度を下げる方法の場合、ガスタービンの全体システムの熱効率が低くなるので、火炎の温度を下げないとともに、火炎内の高温である燃焼生成物の滞留時間を減らすことが、最も好ましい方法である。 At this time, the high-temperature flame generates a large amount of harmful substances such as thermal NOx. As a method of reducing the generation of harmful substances such as thermal NOx, the temperature of the flame is lowered, or the residence time of the high-temperature combustion products in the flame is reduced in the flame field, which is the reaction field. be. By the way, in the case of a gas turbine, it is most effective to raise the temperature at the turbine inlet (TIT, Turbine Inlet Temperature) in order to improve the thermal efficiency of the system. Recently, since it is an essential requirement for all gas turbine combustors, in the case of the method of lowering the flame temperature among the above methods, the thermal efficiency of the entire system of the gas turbine is lowered, so the flame temperature is not lowered. Also, reducing the residence time of the hot combustion products within the flame is the most preferred method.
したがって、前記第1混合室22において、前記第1流路41の強い旋回流れが、前記第1貫通孔21から噴射されたガス燃料と、垂直なジェット形態(Jet in cross)で、会って予混合される。以降、前記第1混合室22と連通した前記乱流生成ノズル部30の内側に装着された前記乱流生成部31を経て乱流化される。以降、前記乱流生成ノズル部30の末端において、第2混合室24を経て弱い旋回流れで予混合された混合気と会う。以降、前記燃焼室52と連通した旋回ノズル部40の出口において、予混合火炎を形成する。すなわち、前記火炎の中央部に再循環領域が発生せず、前記火炎が完全燃焼に近くなることである。前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記乱流生成部31を通過して強く乱流化される。このとき、前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記燃焼室52において急激な拡大流動に発展しないようにする。すなわち、前記第2混合室24において予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気が外側方向に広がらないようにすることである。すなわち、前記燃焼室52に噴射される前記第1混合室22において予混合されたガス燃料と空気の予混合気が、前記第2流路42から弱い旋回運動の保護を受けながら、強い乱流流れを維持したまま、前記燃焼室52に移動される。これにより、前記燃焼室52に生成される火炎場の内部再循環領域の形成を最小化し、前記火炎場内に前記高温の燃焼生成物が滞留する時間を減少させ、滞留時間と密接な関係がある熱的窒素酸化物のような有害物質の発生を最小化することができる。
Therefore, in the
以下、本発明による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置において、乱流生成部の厚さによる燃焼性能と代表的な燃焼公害物質である窒素酸化物の発生量を比較する実験について説明する。 In the following, in the combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of the combustor according to the present invention, an experiment will be conducted to compare the combustion performance according to the thickness of the turbulence generating part and the amount of nitrogen oxides, which is a typical combustion pollutant. will be explained.
実験方法としては、まず、LNGガス燃料の主成分がメタン(CH4)成分であることに鑑み、実験結果の精密性を高めるために、純度99.95%の高純度のメタンガスを燃料として使った。また、実験室規模の流量に鑑みた実験室規模の燃焼器の熱出力(Thermal power)に応じて、酸化剤(空気)が相対的に多い酸化剤(空気)過剰状態である希薄状態でも、燃焼器が正常に運転が可能であるかを把握する希薄可燃限界(Lean flammability limit)性能を、燃料-酸化剤(空気)の混合比である当量比(Equivalence ratio)と混合気の条件(温度、圧力)において、当該当量比の断熱火炎温度(Adiabatic flame temperature)で表示された数値を、図8に示した。また、窒素酸化物(NOx)発生の抑制のために、最近、低公害燃焼器の大部分が、自動車の希薄燃焼エンジン(Lean burn engine)のように、燃料-酸化剤の混合比率が希薄燃焼(Lean combustion)状態で運転されるので、混合比である当量比を化学量論比(Stoichiometric ratio)である1.0以下に下げながら、窒素酸化物であるNOxの排出濃度を測定して、ガスタービン燃焼器の排気ガス排出の基準である15%酸素(O2)の濃度で換算した濃度値を、図9に示した。 As the experimental method, first, considering that the main component of LNG gas fuel is methane (CH 4 ), high-purity methane gas with a purity of 99.95% was used as fuel in order to improve the accuracy of the experimental results. rice field. Also, depending on the thermal power of the lab-scale combustor in view of the lab-scale flow rate, even in a lean state where the oxidant (air) is relatively high, the oxidant (air) excess state The lean flammability limit performance, which determines whether the combustor can operate normally, is measured by the equivalence ratio, which is the mixture ratio of fuel and oxidizer (air), and the condition of the mixture (temperature , pressure), the numerical value expressed in terms of the adiabatic flame temperature of the equivalence ratio is shown in FIG. In addition, in order to suppress the generation of nitrogen oxides (NOx), recently, most of the low-pollution combustors have a fuel-oxidant mixture ratio of lean burn, like lean burn engines of automobiles. Since it is operated in a (lean combustion) state, the equivalence ratio, which is the mixing ratio, is lowered to 1.0 or less, which is the stoichiometric ratio, while measuring the emission concentration of NOx, which is a nitrogen oxide, FIG. 9 shows the concentration values converted by the concentration of 15% oxygen (O 2 ), which is the standard for exhaust gas emissions from gas turbine combustors.
実験の結果、図8及び9を参照すると、前記乱流生成部31の厚さが増加するほど、燃焼装置の運転可能熱容量の範囲であるTDR(Turn down ratio)性能と同様に、希薄可燃限界値に相当する当量比値が相対的に増加して、燃焼器が低い当量比でも燃料を燃焼させることができる燃焼安定化領域(Stable flame region)が縮小することが認められる。特に、ガスタービンシステムの燃焼器の場合、このような燃焼器の運転範囲の縮小は、ガスタービン燃焼器の性能因子である希薄運転限界(LBO、Lean blow-off)性能が少し低くなり、窒素酸化物(NOx)のような公害物質の発生量が小幅増加することが確認される。しかしながら、厚さ1mmの板状の乱流生成部31の場合、負荷の変化、特に、低い負荷(熱容量)では、火炎がノズル内に燃えて入るさか火現象が発生して、前記乱流生成ノズル部30に火炎が付着した場合、付着した火炎により劣化し、薄い格子の連結棒(bar)または格子切れが破損して乱流生成機能が不良になることにより、燃焼性能が顕著に低下して、燃焼装置の運転を中断しなければならない状況が発生する。しかも、ガスタービンシステムの燃焼器の場合、燃焼器のノズルから破損した(格子)切れが、まるで航空機エンジンにおけるバードストライクのように、高速で回転する燃焼器の後端の回転体翼とぶつかり、ガスタービンシステムまたはガスタービンエンジンに致命的な損傷を与えるようになる。すなわち、厚さ1mm程度で薄い板状を有する乱流生成部31を活用する燃焼装置は、持続的な運転中止を繰り返すことにより、発生するエネルギー損失とともに、運転性能及び燃焼器の信頼性が急激に減少する。これに対して、厚さ12.5mm、25mmで形成される乱流生成部31の場合、さか火現象による火炎の付着にかかわらず、持続的に運転可能な強度を有することにより、燃焼装置の運転を持続的に行うことができる。結果的に、前記乱流生成部31の厚さが増加するほど、燃焼装置の下向き燃焼安定化領域である希薄可燃限界の運転範囲と燃焼排ガスの排出性能は少量減少するが、長期間、いつも高温の火炎に露出している燃焼装置の特性上、製品寿命と直結される熱的耐久性の面で有利であり、持続的に運転が可能であるという点で、前記乱流生成部31が一定比率の厚さを有して設計されることが、燃焼器において最も重要な運転維持による効率の増加及び製品の信頼性を高めるということが分かる。
As a result of the experiment, referring to FIGS. 8 and 9, as the thickness of the
以下、本発明の第2実施形態による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置について、添付した図面を参照して詳述する。本実施形態は、第1実施形態と比べて、乱流生成部231の中央部が膨らんで形成されることが異なる。本実施形態において、第1実施形態と重複する構成については、第1実施形態の説明を援用する。
Hereinafter, a combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of a combustor according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present embodiment differs from the first embodiment in that the central portion of the
図10を参照すると、前記乱流生成部231は、前記燃焼室に向かう方向を基準として、膨らんで形成されてもよい。すなわち、前記乱流生成部231の中央部が、前記燃焼室に向かう方向を基準として膨らんで形成されると、予混合気が前記乱流生成部231の円周方向に広がって噴射され、火炎がさらに広く形成される。したがって、生成される火炎の幅は広くて、厚さは薄い平面火炎が形成され、一酸化炭素、窒素酸化物(NOx)等のような公害物質の発生をさらに最小化することができるという利点がある。また、低い負荷でさか火が発生しても、中央部が膨らんだ構造でさか火が生じた火炎において、火炎の中央部分が消炎(extinction)され、ドーナツ状で形成される。これにより、火炎のサイズが小さくなり、小さな格子間に分散してさか火が生じた火炎が、それぞれの格子壁から受ける熱損失の増加で火炎の強度(intensity)が弱化される冷却効果(quenching effect)により、乱流生成部231の熱的損傷を軽減させることができるという利点がある。
Referring to FIG. 10, the
以下、本発明の第3実施形態による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置について、添付した図面を参照して詳述する。本実施形態は、第1実施形態と比べて、乱流生成部331の中央部が凹んで形成されることが異なる。本実施形態において、第1実施形態と重複する構成については、第1実施形態の説明を援用する。
Hereinafter, a combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of a combustor according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present embodiment differs from the first embodiment in that the central portion of the
図11を参照すると、前記乱流生成部331は、前記燃焼室に向かう方向を基準として、凹んで形成されてもよい。すなわち、前記乱流生成部231の中央部が、前記燃焼室に向かう方向を基準として凹んで形成されると、予混合気が前記乱流生成部231の中央部に集まって噴射され、火炎がさらに狭く形成される。したがって、生成される火炎の温度がさらに高く形成され、これにより、燃焼装置の熱効率が増加するようになるという利点がある。また、前記乱流生成部331の中央部が、図11に示すように、中央部位において、ダクト(duct)状の格子通路の長さが短くなる凹型では、中央部位に流れる流動の圧力損失が少なく、中央部位で流速がさらに速くなり、さか火の発生時、火炎を外側方向であるノズルの壁面方向に押し出し、上述した第2実施形態のように、火炎のサイズが小さくなり、小さな格子間に分散してさか火が生じた火炎が壁から熱損室を受ける冷却効果により、前記乱流生成部331の熱的損傷を軽減させるという利点がある。
Referring to FIG. 11, the
以下、本発明の第4実施形態による燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置について、添付した図面を参照して詳述する。本実施形態は、第1実施形態と比べて、乱流生成部431の中心が前記内側ノズル部32の長さ方向を基準として、前記内側ノズル部32の中央部に備えられることが異なる。本実施形態において、第1実施形態と重複する構成については、第1実施形態の説明を援用する。
Hereinafter, a combustion apparatus capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of a combustor according to a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present embodiment differs from the first embodiment in that the center of the
図12を参照すると、前記乱流生成部431の中心は、前記内側ノズル部32の長さ方向を基準として、前記内側ノズル部32の中央部に備えられる。このとき、前記乱流生成部431の中心が、前記内側ノズル部32の長さ方向を基準として、前記内側ノズル部32の上部に位置すると、予混合気の流れが前記フラクタルの格子孔31bを通過して乱流化が最大化されるが、前記乱流生成ノズル部30の外郭側である旋回ノズル部40の第2流路42を通じて、前記外側ノズル部43を経て旋回された流れと直接的にぶつかり、生成した強い乱流化が保存される前に、乱流強度が弱くなるという問題点と、さか火現象により、火炎がノズルの内側に付着すると、直接的に火炎に露出して、破損や損傷が発生することにより、熱効率が減少するようになるという問題点がある。したがって、前記乱流生成部431の中心は、前記内側ノズル部32の長さ方向を基準として、前記内側ノズル部32の中央部に備えられる。また、前記乱流生成部431の中心が、前記内側ノズル部32の長さ方向を基準として、前記内側ノズル部32の中央部に位置すると、前記第1流路41から前記第1混合室22に流入した燃料ガスと空気が、前記第1混合室22において、長さ方向に出口の面積が狭くなるテーパー状の案内部60に沿って、前記内側ノズル部32に流入するようになり、前記乱流生成部431の中心が位置する中央部まで燃料ガスと空気が均一に予混合された流れで流入されるという効果がある。
Referring to FIG. 12 , the center of the
このように、上述した本発明の技術的構成は、本発明が属する技術分野における当業者が、本発明におけるその技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施されてもよいことが理解されるであろう。 In this way, the technical configuration of the present invention described above may be implemented in other specific forms by those skilled in the art to which the present invention belongs without changing the technical idea or essential features of the present invention. It will be understood that
このため、上述した実施形態は、全ての面で例示的なものであり、限定的なものではないと理解されなければならず、本発明の範囲は、前記詳細な説明よりは、後述する特許請求の範囲により定められ、特許請求の範囲の意味及び範囲、またその等価概念から導出される全ての変更または変形された形態が、本発明の範囲に含まれると解析されなければならない。 For this reason, the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the invention is defined in the following patents rather than in the foregoing detailed description. All modifications or variations as defined by and deriving from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as falling within the scope of the invention.
なお、本出願発明は、政府(産業通商資源部)の財源で韓国エネルギー技術評価院の支援を受けて遂行された研究を基にしたものです(課題番号2020671010060、分散発電ガスタービン用水素電池低NOx燃焼器開発。課題番号20181110100290、発電用H級ガスタービンcan-type低旋回バーナー源泉技術開発)。The invention of the present application is based on research conducted with the financial resources of the government (Ministry of Trade, Industry and Energy) and with the support of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation (Problem No. 2020671010060, Hydrogen Battery Low Energy for Distributed Power Generation Gas Turbines). NOx combustor development.Project number 20181110100290, H-class gas turbine can-type low swirl burner source technology development for power generation).
1 燃焼装置
10 ガスノズル部
20 ガス燃料分配部
21 第1貫通孔
22 第1混合室
23 第2貫通孔
24 第2混合室
30 乱流生成ノズル部
31 乱流生成部
32 内側ノズル部
40 旋回ノズル部
41 第1流路
42 第2流路
43 外側ノズル部
50 空気ノズル部
51 空気流入部
52 燃焼室
60 案内部
1
Claims (3)
前記ガスノズル部と連通して空間を形成し、ガス燃料を分配するガス燃料分配部と、
前記ガス燃料分配部と第1貫通孔により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第1混合室と、
前記ガス燃料分配部と第2貫通孔により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第2混合室と、
前記第1混合室と第2混合室との間に備えられ、前記第1混合室で予混合されたガス燃料と空気の予混合気を乱流化する乱流生成ノズル部と、
空気ノズル部と連通し、前記第1混合室と第2混合室にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部と、を含み、
前記旋回ノズル部は、
前記第1混合室と連通し、前記第1貫通孔から噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触して混合されるようにする第1流路と、
前記第2混合室と連通し、前記第2貫通孔から噴射されたガス燃料が前記第1流路に比べて旋回度が低い空気と垂直で接触して混合されるようにする第2流路と、を含み、
前記乱流生成ノズル部は、
複数個のフラクタル状の格子孔が備えられ、前記第1混合室で予混合されたガス燃料と空気の予混合気の乱流流れを誘導するブロック状の乱流生成部と、
前記乱流生成部を通過したガス燃料と空気の予混合気を燃焼室に流動させる円筒状の内側ノズル部と、を含み、
前記乱流生成部は、
前記内側ノズル部の長手方向に沿って長く形成され、さか火現象により火炎が付着しても、剛性を維持して、持続的な燃焼を行うことにより、燃焼効率を増加させ、
前記乱流生成部の長さは、前記内側ノズル部の長さの0.3倍乃至0.6倍で形成され、
前記乱流生成部は、
前記燃焼室に向かう方向を基準として、膨らんで形成される
ことを特徴とする燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置。 a gas nozzle section to which gas fuel is supplied;
a gas fuel distribution unit communicating with the gas nozzle unit to form a space and distributing the gas fuel;
a first mixing chamber that communicates with the gas fuel distribution part through a first through hole and forms a space in which gas fuel is premixed with air;
a second mixing chamber that communicates with the gas-fuel distribution portion through a second through hole and forms a space in which the gas-fuel is premixed with air;
a turbulent flow generating nozzle section provided between the first mixing chamber and the second mixing chamber for turbulent premixture of gaseous fuel and air premixed in the first mixing chamber;
a swirl nozzle portion communicating with the air nozzle portion and supplying combustion air to the first mixing chamber and the second mixing chamber, respectively;
The swivel nozzle part is
a first flow path that communicates with the first mixing chamber and allows the gaseous fuel injected from the first through hole to vertically contact and be mixed with the swirled air;
A second flow path communicates with the second mixing chamber and allows the gaseous fuel injected from the second through hole to vertically contact and mix with air having a lower degree of swirl than the first flow path. and including
The turbulent flow generating nozzle section
a block-shaped turbulent flow generator having a plurality of fractal-shaped lattice holes for inducing a turbulent flow of the premixture of gas fuel and air premixed in the first mixing chamber;
a cylindrical inner nozzle section for flowing the premixture of gaseous fuel and air that has passed through the turbulence generator into the combustion chamber;
The turbulence generation unit
The inner nozzle part is formed long along the longitudinal direction, and maintains rigidity even when flames are attached due to a bonfire phenomenon, and by performing continuous combustion, combustion efficiency is increased,
The length of the turbulent flow generating section is 0.3 to 0.6 times the length of the inner nozzle section ,
The turbulence generation unit
swelled with respect to the direction toward the combustion chamber
A combustion device capable of maximizing the operating efficiency and emission performance of a combustor characterized by:
前記ガスノズル部と連通して空間を形成し、ガス燃料を分配するガス燃料分配部と、
前記ガス燃料分配部と第1貫通孔により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第1混合室と、
前記ガス燃料分配部と第2貫通孔により連通し、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第2混合室と、
前記第1混合室と第2混合室との間に備えられ、前記第1混合室で予混合されたガス燃料と空気の予混合気を乱流化する乱流生成ノズル部と、
空気ノズル部と連通し、前記第1混合室と第2混合室にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部と、を含み、
前記旋回ノズル部は、
前記第1混合室と連通し、前記第1貫通孔から噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触して混合されるようにする第1流路と、
前記第2混合室と連通し、前記第2貫通孔から噴射されたガス燃料が前記第1流路に比べて旋回度が低い空気と垂直で接触して混合されるようにする第2流路と、を含み、
前記乱流生成ノズル部は、
複数個のフラクタル状の格子孔が備えられ、前記第1混合室で予混合されたガス燃料と空気の予混合気の乱流流れを誘導するブロック状の乱流生成部と、
前記乱流生成部を通過したガス燃料と空気の予混合気を燃焼室に流動させる円筒状の内側ノズル部と、を含み、
前記乱流生成部は、
前記内側ノズル部の長手方向に沿って長く形成され、さか火現象により火炎が付着しても、剛性を維持して、持続的な燃焼を行うことにより、燃焼効率を増加させ、
前記乱流生成部の長さは、前記内側ノズル部の長さの0.3倍乃至0.6倍で形成され、
前記乱流生成部は、
前記燃焼室に向かう方向を基準として、凹んで形成される a gas nozzle section to which gas fuel is supplied;
a gas fuel distribution unit communicating with the gas nozzle unit to form a space and distributing the gas fuel;
a first mixing chamber that communicates with the gas fuel distribution part through a first through hole and forms a space in which gas fuel is premixed with air;
a second mixing chamber that communicates with the gas-fuel distribution portion through a second through hole and forms a space in which the gas-fuel is premixed with air;
a turbulent flow generating nozzle section provided between the first mixing chamber and the second mixing chamber for turbulent premixture of gaseous fuel and air premixed in the first mixing chamber;
a swirl nozzle portion communicating with the air nozzle portion and supplying combustion air to the first mixing chamber and the second mixing chamber, respectively;
The swivel nozzle part is
a first flow path that communicates with the first mixing chamber and allows the gaseous fuel injected from the first through hole to vertically contact and be mixed with the swirled air;
A second flow path communicates with the second mixing chamber and allows the gaseous fuel injected from the second through hole to vertically contact and mix with air having a lower degree of swirl than the first flow path. and including
The turbulent flow generating nozzle section
a block-shaped turbulent flow generator having a plurality of fractal-shaped lattice holes for inducing a turbulent flow of the premixture of gas fuel and air premixed in the first mixing chamber;
a cylindrical inner nozzle section for flowing the premixture of gaseous fuel and air that has passed through the turbulence generator into the combustion chamber;
The turbulence generation unit
The inner nozzle part is formed long along the longitudinal direction, and maintains rigidity even when flames are attached due to a bonfire phenomenon, and by performing continuous combustion, combustion efficiency is increased,
The length of the turbulent flow generating section is 0.3 to 0.6 times the length of the inner nozzle section ,
The turbulence generation unit
It is recessed with respect to the direction toward the combustion chamber
前記内側ノズル部の長さ方向を基準として、前記内側ノズル部の中央部に備えられる
請求項1または2に記載の燃焼器の運転効率と排出性能を最大化できる燃焼装置。 The center of the turbulent flow generator is
provided at the center of the inner nozzle part with respect to the length direction of the inner nozzle part
Combustion device capable of maximizing the operating efficiency and emissions performance of the combustor of claim 1 or 2 .
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