KR102096749B1

KR102096749B1 - 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치

Info

Publication number: KR102096749B1
Application number: KR1020190152381A
Authority: KR
Inventors: 이기만; 한민석; 김민국; 김한석
Original assignee: 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: JP7270111B2; JP2022548420A; WO2021107417A1

Abstract

본 발명은 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 가스연료가 공급되도록 하는 가스노즐부와 상기 가스노즐부와 연통되어 공간을 형성하며, 가스연료를 분배하는 가스연료분배부와 상기 가스연료분배부와 제1관통홀에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실과 상기 가스연료분배부와 제2관통홀에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실과 상기 제1혼합실과 제2혼합실 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기를 난류화하는 난류생성노즐부와 공기노즐부와 연통되어, 상기 제1혼합실과 제2혼합실에 각각 연소용 공기가 공급될 수 있도록 하는 선회노즐부를 포함하고, 상기 선회노즐부는, 상기 제1혼합실과 연통되어 상기 제1관통홀을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로와 상기 제2혼합실과 연통되어 상기 제2관통홀을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로를 포함하며, 상기 난류생성노즐부는, 복수개의 프렉탈 형상의 격자 홀이 구비되어 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료와 공기 예혼합기의 난류유동을 유도하는 블록형태의 난류생성부와 상기 난류생성부를 통과한 가스연료와 공기의 예혼합기가 연소실로 유동할 수 있도록 하는 원통형상의 내측노즐부를 포함하고, 상기 난류생성부는, 상기 내측노즐부의 길이방향을 따라 길게 형성되어 역화현상에 의해 화염이 부착되어도 강성을 유지하여 지속적인 연소를 가능하게 함으로써 연소효율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치{Combustion apparatus to maximize running efficiency and emission performance}

본 발명은 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치로써 더욱 자세하게는, 이중 유로계 개선을 통해 연소장 내에 고온의 내부재순환영역(Inner Recirculation Zone)이 형성되지 않으면서 난류강도(turbulence intensity)가 강화되어, 연소 시 고온의 연소생성물이 화염 내에서 체류하는 체류시간을 단축시켜 연소생성물의 체류시간에 민감한 질소산화물 등과 같은 유해물질의 발생을 억제시키되, 부하의 변화 특히, 낮은 부하에서 발생할 수 있는 역화현상(flash-back)에서도 난류강도를 강화시킨 난류생성부에서 구조적으로 취약한 부위의 파손으로 연소장치 전체 시스템의 작동이 멈추는 것을 최소화함으로써 연소장치의 운전효율 증대와 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성 격자구조에 관한 것이다.

질소산화물(NOx)은 질소와 산소의 결합물질로 NO, NO2, NO3, N20, N2O3, N2O4 및 N2O5를 말한다. 이중 NO와 NO2가 연소용 공기를 사용하여 화석연료를 연소시킬 때 다량 배출되기 때문에 가장 심각한 대기오염물질로 분류된다. NOx는 모든 질소산화물을 통칭하지만, 대기오염분야에서는 일반적으로 NO와 NO2를 의미한다. 질소산화물은 화석연료의 연소과정에서 주로 배출되는데 연소 시 가스 상태에서 대기로 배출된 후 광화학 반응을 통해 응축되어 사회적 문제로 크게 이슈화되고 있는 초미세먼지(PM 2.5)로 변환되는 응축성 미세먼지(CPM)의 주범으로 알려져 있어 최근 정부로부터 대기배출 부과금 적용 대상 오염물질로 추가된 물질이기도 하다. 초미세 먼지는 지름이 10㎛ 정도인 일반 미세먼지(PM 10)와는 달리 머리카락 1/30 수준인 지름이 2.5㎛ 정도 크기로 우리 몸에서 걸러지지 못하고 그대로 폐나 혈관에 침투해 협심증, 뇌졸중, 심혈관 질환을 일으키기도 하여 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소가 지정한 1군 발암물질이기도 하다.

질소산화물 방출 기준은 대부분 NO가 NO2로 산화되는 것을 전제로 하는 수치를 근거로 하고 있는데, 화석연료 연소 시 불가피하게 발생되는 질소산화물인 NOx는 응축성 초미세먼지의 일종인 질산염의 전구물질(precursor)로 알려져 있으며, 연소장치로부터 가스 상태로 발생되어 대기로 방출된 후 수증기, 오존, 암모니아 등과 광화학 스모그 반응을 통해 응축되어 고체상태의 미세 먼지로 발전하게 되는 대표적인 대기환경 오염물질이다. 따라서, 연소 시 발생하는 질소산화물 등과 같은 유해물질의 발생량을 감소시키는 방법은 매우 중요한 일이라 할 수 있겠다.

일례로, 대한민국등록특허공보 제10-0118746호(1997.07.23)는 연도가스류에서의 질소산화물 감소 조절방법에 관한 기술이 개시되어 있다. 상기 연도가스류에서의 질소산화물 감소 조절방법의 기술적 특징을 살펴보면, 단계별로 질소함유 처리제제 또는 선택적 촉매환원처리(SCR)로 질소산화물을 제거하도록 하고 있다. 하지만, 연소가 끝나고 발생한 유해가스를 별도의 장치로 이동시켜야하고, 질소산화물 처리를 위한 별도의 처리재료가 필요하다는 단점이 있는 등 대부분 기술이 연소이후 후처리에 관한 고안들이며 연소과정에서 근원적으로 질소산화물을 저감시킬 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 일본 공개특허공보 특개평 09-170716호에서는 가스연료와 공기의 혼합류를 선회시키는 것에 부가하여 연료노즐의 하류에 배치된 난류판으로 난류를 발생시킴으로써 혼합류의 혼합거리를 줄이고 역류, 역화 및 고온 영역의 발생을 방지하는 특징을 개시하고 있다. 그러나, 종래의 기술에는 난류를 발생시키는 구성이 얇은 판(plate)으로 형성되어 그 강도가 매우 취약하다는 문제점이 있었다. 일례로, 연소기 운전 중에는 부하 변동에 따라 연소기의 유량변화가 심하게 되는데 특히, 낮은 부하에서 가스연료와 공기의 혼합기 속도가 낮아지게 되면 화염이 분사노즐 안으로 타고 들어오는 역화현상(Flash-Back)이 발생하여 화염이 노즐 안에서 화염이 부착되어 난류판이나 선회기 등 연소기 노즐의 중요 부위를 손상시키거나 파손이 되어 연소장치 전체 시스템의 작동이 중지되는 치명적인 손실을 주게 된다. 이처럼 구조적으로 판형태의 난류생성기 구성은 역화되는 경우 노즐부위의 열적 손상이 우려되어 연소기 운전을 정지해서 점검 후 운전되거나 역화되질 않은 상태에서도 장시간 연속운전에 의해 고온의 화염으로부터 복사열 등으로 심각한 손상을 받게 되며, 이에 따라 일정 시간 후에는 계속해서 지속적인 교체가 필요하다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0118746호(1997.07.23.) 일본 공개특허공보 특개평09-170716호(1997.06.30.)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연소 후처리 기술이 아닌 연소과정에서 연소장치의 완전연소를 통한 연소 시 유해가스의 발생량을 감소시키면서, 연소장치의 효율을 최대화하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부하의 변화 특히, 낮은 부하에서 발생할 수 있는 역화현상에 의해 연소장치의 작동이 멈추는 것을 최소화하여 운전효율을 증대시키면서, 연소장치의 내구성과 신뢰성 및 안전성을 최대화하는데 그 목적이 있다. 일례로 발전 및 항공용 가스터빈 연소기에서는 연소기 후단에 수십만 RPM(revolution per minute)으로 고속 회전하고 있는 회전체인 터빈(turbine)에 연소기 노즐로부터 파괴된 아주 작은 파편은 마치 항공기엔진의 조류충돌(bird strike)과 같이 해당 가스터빈 전체시스템에 치명적인 손상을 방지하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 구조적으로 견고한 프렉탈(Fractal) 형상의 난류생성부를 유지함에 있어 프렉탈 형상의 난류생성기를 통해 난류강도를 증가시킴으로써 난류화염의 보염기능(flame stabilizing)이 강화되며, 저선회류로 인해 화염장 내 내부재순환영역(Inner Recirculation Zone) 발생이 억제되어 고온인 연소생성물의 체류시간을 단축시켜 질소산화물과 같은 연소 유해물질을 효과적으로 억제시키는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 질소산화물의 유해가스가 연소 전에 공기와 연료 간 혼합성능에 의존하는 성질이 있어 이중 선회구조와 직교 유동구조를 통해 가스연료의 예혼합 성능을 향상시키는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치에 있어서, 가스연료가 공급되도록 하는 가스노즐부와 상기 가스노즐부와 연통되어 공간을 형성하며, 가스연료를 분배하는 가스연료분배부와 상기 가스연료분배부와 제1관통홀에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실과 상기 가스연료분배부와 제2관통홀에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실과 상기 제1혼합실과 제2혼합실 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기를 난류화하는 난류생성노즐부와 공기노즐부와 연통되어, 상기 제1혼합실과 제2혼합실에 각각 연소용 공기가 공급될 수 있도록 하는 선회노즐부를 포함하고, 상기 선회노즐부는, 상기 제1혼합실과 연통되어 상기 제1관통홀을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로와 상기 제2혼합실과 연통되어 상기 제2관통홀을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로를 포함하며, 상기 난류생성노즐부는, 복수개의 프렉탈 형상의 격자 홀이 구비되어 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료와 공기 혼합기의 난류유동을 유도하는 블록형태의 난류생성부와 상기 난류생성부를 통과한 가스연료와 공기의 예혼합기가 연소실로 유동할 수 있도록 하는 원통형상의 내측노즐부를 포함하고, 상기 난류생성부는, 상기 내측노즐부의 길이방향을 따라 길게 형성되어 역화현상에 의해 화염이 부착되어도 구조적으로 재질의 강성을 유지하여 격자들의 파손 없이 지속적인 연소운전을 가능하게 함으로써 시스템의 안전성과 연소기 운전효율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치는, 부하의 변화 특히, 낮은 부하에서 발생할 수 있는 역화현상에 의해 연소장치의 작동이 멈추는 것을 최소화하여, 연소장치 전체 시스템의 안전성 확보와 연소장치의 효율을 최대화하는데 그 효과가 있다.

또한, 프렉탈 형상의 난류생성부와 저선회날개 구조로 연소장치 내 내부재순환영역의 형성을 억제하여 연소 시 열적 NOx(질소산화물)와 같이 고온인 연소생성물의 체류시간과 밀접한 관계가 있는 유해가스의 발생량을 감소시키는데 그 효과가 있다.

또한, 질소산화물이 연료와 연소용공기와의 혼합성능에 밀접한 관계가 있으므로 혼합구조가 본 발명은 이중 선회구조와 직교 유동구조와 프렉탈 형상의 난류생성부 구조를 유지함으로써 가스연료와 공기의 예혼합기의 예혼합 성능을 향상시키는데 탁월한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성부의 일실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성부의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성부의 또 따른 실시예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 예혼합 작용을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 예혼합 작용을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 예혼합 작용을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 운전성능 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 유해물질 발생량 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성부를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성부를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생성부를 나타낸 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가스연료가 공급되는 가스노즐부(10)와 상기 가스노즐부(10)와 연통되어 공간을 형성하는 가스연료분배부(20)와 상기 가스연료분배부(20)와 제1관통홀(21)에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실(22)과 상기 가스연료분배부(20)와 제2관통홀(23)에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실(24)과 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24) 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 난류 유동하도록 하는 난류생성노즐부(30)와 공기노즐부(50)와 연통되어 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)에 각각 연소용 공기를 공급하는 선회노즐부(40)를 포함한다.

그리고, 상기 선회노즐부(40)는 상기 제1혼합실(22)과 연통되어 상기 제1관통홀(21)을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로(41)와 상기 제2혼합실(24)과 연통되어 상기 제2관통홀(23)을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로(41)에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로(42)를 포함한다.

따라서, 상기 제1혼합실(22)을 통해 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 난류생성노즐부(30)를 통과하여 상기 제2혼합실(24)을 통해 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기와 혼합되면서, 상기 제2혼합실(24)을 통해 약하게 선회된 예혼합기로 인해 난류유동을 유지한 상태로 점화됨으로서, 화염 내에 내부재순환영역의 형성이 억제되어, 고온에서 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시켜 유해물질의 발생을 최소화한다.

즉, 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1관통홀(21)을 통해 분사된 가스연료가 공기유입부(51)와 연통된 상기 선회노즐부(40)의 끝부분에 마련된 상기 제1유로(41)를 통해 강하게 선회된 연소용 공기와 직각으로 부딪치면서 혼합된다. 또한, 상기 가스연료분배부(20)와 상기 제2관통홀(23)에 의해 연통되어 가스연료가 상기 공기유입부(51)로부터 유입된 연소용 공기 일부가 상기 선회노즐부(40)의 중앙부에 마련된 상기 제2유로(42)에서의 상기 제1유로(41)에 비해 비교적 약한 선회유동과 만나 혼합된다. 이를 통하여 상기 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 선회노즐부(40) 출구에서 별도의 점화장치(도면 미도시)에 의해 발생한 상기 화염 내에 상기 예혼합된 가스연료가 내부재순환영역(IRZ, Inner Recirculation Zone)이 없는 연소장을 만들어 고온에서 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시켜 체류시간에 비례하여 발생하는 열적 질소산화물과 같은 유해물질의 발생을 최소화 하는 것이다.

또한, 상기 난류생성노즐부(30)는 원형의 블록(block)형태로, 전체에 걸쳐 프렉탈 형상의 복수개의 격자(grid)가 구비되고, 이를 통해 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기 예혼합기의 난류유동을 유도하는 난류생성부(31)와 상기 난류생성부(31)를 통과한 가스연료와 공기의 예혼합기가 연소실로 유동할 수 있도록 하는 원통형상의 내측노즐부(32)를 포함한다. 또한, 상기 난류생성부(31)는 원통형상의 블록형태로 소정의 두께를 가지도록 형성되어 역화현상에 의해 화염이 부착되어도 구조적으로 재질의 강성을 유지하여 격자들의 파손 없이 지속적인 연소운전을 가능하게 함으로써 시스템의 안전성 확보와 함께 연소효율을 증가시키도록 한다.

먼저, 본 발명에 의한 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치는 상기 가스노즐부(10)가 마련된다. 상기 가스노즐부(10)는 외부의 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)로 공급되도록 안내하는 역할을 한다.

상기 가스노즐부(10)의 말단에는 상기 가스연료분배부(20)가 마련된다. 상기 가스연료분배부(20)는 내부에 소정의 공간이 마련되며, 상기 가스노즐부(10)로부터 유입되는 가스연료를 분배하는 역할을 한다. 보다 상세하게, 상기 가스연료분배부(20)는 원통형으로 구비되며, 단면을 기준으로 상기 가스연료분배부(20)의 단부 일측에는 상기 제1관통홀(21)이 복수개로 구비된다. 상기 제1관통홀(21)은 상기 가스연료분배부(20)와 상기 제1혼합실(22)을 연통하여 상기 가스노즐부(10)로부터 공급된 가스연료가 상기 제1혼합실(22)로 이동될 수 있도록 한다. 이때 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1관통홀(21)을 통해 분사된 가스연료는 상기 제1유로(41)를 통해 유입된 연소용 공기의 강한 선회운동과 함께 상기 제1유로(41)의 출구 바로 앞에서 직각의 유동형태(Jet in cross)로 부딪치면서 연소용 공기와 혼합되어 상기 제1혼합실(22) 내로 이동하게 된다.

다음으로, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)은, 복수개로 각각 상기 난류생성노즐부의 중앙부를 중심으로 방사형으로 배열된다. 또한, 상기 제1관통홀(21)은 상기 가스연료분배부(20)의 단면을 기준으로 중심으로부터 동일한 거리에 위치한다. 보다 상세하게, 상기 제2관통홀(23)은 상기 제1유로(41)와 간섭되지 않으며, 상기 선회노즐부(40)의 중앙부에 마련된 상기 제2유로(42)와 연통되게 형성된다. 이때 상기 제2유로(42)는 상기 제1유로(42)와 비교하여 약한 선회운동을 할 수 있는 선회각도로 구성된다. 따라서, 상기 제2관통홀(23)은 상기 가스연료분배부(20)와 상기 제2혼합실(24)을 연통하여 상기 가스노즐부(10)로부터 공급된 가스연료가 상기 제2유로(42)를 통과한 연소용 공기와 예혼합되면서 상기 제2혼합실(24)로 이동될 수 있도록 한다. 또한, 상기 제2관통홀(23)은 상기 가스연료분배부(20)의 단면을 기준으로 중심으로부터 동일한 거리에 위치한다. 즉, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)은, 각각 상기 난류생성노즐부(30)의 중앙부를 중심으로 일정간격 떨어진 원형으로 배열되는 것이다.

다음으로, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)은 상기 가스연료분배부(20)의 중심을 기준으로 지그재그 형식으로 구비된다. 즉, 상기 가스노즐부(20)로부터 공급된 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)에서 각각 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)로 균일하게 분배될 수 있도록 하는 것이다. 그리고, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 개수는 동일하게 구비되는 것이 바람직하다. 이 역시, 상기 가스노즐(10)로부터 공급된 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)로 균일하게 분배될 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 가스연료와 공기의 양에 따라 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 단면의 직경을 조절하여 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)로 공급되는 가스연료의 유량조절할 수 있도록 한다. 그리고, 연소 시 상기 연소실(52) 내 압력변동과 무관하게 항상 일정한 양의 가스연료를 공급해 줌으로써, 가스터빈 연소기와 같은 희박연소(lean combustion)에서 중요한 연소안정화를 도모할 수 있게 한다.

구체적으로, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 직경은 가스연료가 초킹(choking)유동이 되기 위한 조건으로 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23) 각각의 전후단의 압력 차가 일례로, LNG연료인 경우 1.6 atm 이상으로 유지되도록 제작된다. 이때 1.6 atm 이상의 압력 차가 될 수 있도록 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 직경이 설정되면, 각각의 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)에서 분사되는 가스연료는 마하(Mach) 수가 1.0이 되는 초킹유동이 형성된다. 따라서, 상기 선회노즐부(40)에서 분출되는 예혼합기 유동이 상기 선회노즐부(40) 출구에서 점화되어 연소된 후에도, 상기 연소실(52) 내부의 압력 변화에 영향을 받지 않는 상태가 되어 안정적이고 균일한 혼합기를 형성할 수 있게 된다.

다음으로, 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)이 마련된다. 상기 제1혼합실(22)은 내부에 공간이 마련되고, 상기 제1관통홀(21)에 의해 상기 가스연료분배부(20)와 연통된다. 따라서, 상기 공기노즐부(50)를 통해 유입된 연소용 공기가 상기 제1유로(41)를 통해 유입되어 상기 제1혼합실(22) 내부의 상기 제1유로(41)의 출구와 인접한 지점에서 상기 가스연료와 직각으로 부딪치면서 강하게 선회되어 예혼합된다.

또한, 상기 제2혼합실(24)은 내부에 공간이 마련되고, 상기 제2관통홀(23)에 의해 상기 가스연료분배부(20)와 연통된다. 이 역시 상기 공기노즐부(50)를 통해 유입된 연소용 공기가 상기 제2유로(42)를 통해 유입되어 상기 제2혼합실(24) 내부의 상기 제2유로(42)의 출구와 인접한 지점에서 상기 가스연료와 직각으로 부딪치면서 선회된다.

다음으로, 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24) 사이에 상기 난류생성노즐부(30)가 마련된다. 보다 상세하게, 상기 난류생성노즐부(30)는 도 2와 같이 원형의 블록형태 내 복수개의 프렉탈 형상을 갖는 사각격자 홀이 구비되어 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기 예혼합기의 난류유동을 유도하는 난류생성부(31)와 상기 난류생성부(31)를 통과한 가스연료와 공기의 예혼합기가 연소실(52)로 유동할 수 있도록 하는 내측노즐부(32)를 포함한다. 먼저, 상기 난류생성부(31)는 원통형상으로 상기 내측노즐부(32)의 길이방향을 따라 길게 형성되어 역화현상에 의해 화염이 부착되어도 구조적으로 재질의 강성을 유지하여 격자들의 파손 없이 지속적인 연소운전을 가능하게 함으로써 시스템의 안전성 확보와 함께 연소효율을 증가시키도록 한다. 보다 상세하게, 상기 난류생성노즐부(30)는 파이프 노즐 형태이며, 내부에 원형의 블록형태로 두께감이 있는 난류생성부(31)가 구비된다. 상기 난류생성부(31)는 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기를 난류화시키는 기능을 한다. 즉, 상기 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 난류생성부(31)의 프렉탈 형상을 갖는 복수개의 사각격자 홀을 통과하면서 난류성능(난류강도)이 크게 증가하게 되는 것이다.

또한, 상기 난류생성부(31)의 길이는 상기 내측노즐부(32)의 길이에 0.3배 내지 0.6배 정도로 형성된다. 이때, 상기 난류생성부(31)의 길이방향의 두께가 상기 내측노즐부(32)의 길이방향의 두께에 0.3배 미만으로 형성되면, 부하의 변화 특히, 낮은 부하에서 역화현상이 발생하여 연소기 노즐 안으로 화염이 부착됨으로써, 상기 난류생성부(31)에 손상이나 파손이 발생하게 된다. 이로 인하여, 연소장치의 작동을 중지하게 되어 열효율이 급격히 감소하게 되는 문제점이 있다. 또한, 발전용이나 항공용 가스터빈과 같은 연소기에 적용된 경우, 연소기 노즐로부터 파괴된 작은 파편이 마치 항공기엔진의 조류충돌(bird strike)과 같이 해당 가스터빈 전체시스템에 치명적인 손상을 입히는 문제점이 있다. 그리고, 상기 난류생성부(31)의 길이방향의 두께가 상기 내측노즐부(32)의 길이방향의 두께에 0.6배를 초과하여 형성되면, 상기 난류생성부(31)의 홀을 통과하는 예혼합된 혼합기의 난류성능이 현저하게 감소하게 되어, 열효율이 감소하고, 질소산화물(NOx)와 같은 유해물질의 발생량이 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 저하된 난류성능으로 인해 화염의 길이가 길어지게 되고, 이에 맞게 연소실의 크기를 보다 더 증가시키는 설계가 필수적이므로, 연소장치 시스템의 전체크기가 커지는 문제점이 있다. 따라서, 상기 난류생성부(31)의 길이방향의 두께는 상기 내측노즐부(32)의 길이방향의 두께에 0.3배 내지 0.6배로 형성되는 것이다.

그리고, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 난류생성부(31)로 유동될 수 있도록 안내하는 안내부(60)가 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 난류생성부(31)는 프렉탈 구조로 형성될 수 있다. 프렉탈 구조는 난류강도를 효과적으로 증가시키는 구조로 작은 형상이 전체 형상과 비슷한 형태로 끝없이 반복되어 되풀이 되면서 전체 형상을 이루는 구조이다. 프렉탈 구조는 일정한 규칙에 따라 기하학적으로 같은 형상이지만 크기와 배열이 서로 다른 형태로 배치됨에 따라 이러한 프렉탈 구조를 통과하는 유체는 다양한 난류길이(turbulence length)와 에너지가 생성되어 난류강도(turbulence intensity)를 효과적으로 증가시킬 수 있는 구조이다. 이러한 프렉탈 구조는 일정한 비율 법칙으로 프렉탈 격자(grid) 굵기가 감소하게 된다. 상기 난류생성부(31)가 프렉탈 구조로 형성되고, 상기 프렉탈 격자의 굵기가 감소하는 비율이 0.6 이하일 때, 상기한 방사형 홀을 구비한 난류생성부(31)에 비해 난류강도가 2배 내지 3배 증가하게 된다. 따라서 이러한 프렉탈 구조로 상기 난류생성부(31)을 구성할 경우, 난류강도를 효과적으로 증가시킬 수 있는 것이다.

또한, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 난류생성부(31)는 상기 난류생성부(31)를 지지하는 본체부(32a)와 예혼합기가 통과하도록 하여 상기 예혼합기의 난류강도를 증가시키는 프렉탈홀부(32b)을 포함한다. 이때, 상기 본체부(32a)와 프렉탈홀부(32b)은 상기 난류생성부(31)의 길이방향을 기준으로 길이가 서로 다르게 형성될 수 있다.

보다 상세하게, 도 3을 참조하면, 상기 난류생성부(31)의 중심에서 외주면을 향할수록, 상기 프렉탈홀(32b)의 길이가 점점 더 짧게 형성된다. 따라서, 부하의 변화 특히, 낮은 부하에서 역화현상이 발생 시에 화염이 상기 본체부(32a)의 단부에 부착되도록 함으로써, 상기 본체부(32a)의 단부를 손상시키더라도, 상기 프렉탈홀(32b)에는 영향을 미치지 않도록 하여, 예혼합기의 난류화를 지속적으로 수행할 수 있도록 한다. 다시 말하면, 화염이 상기 프렉탈홀(32b)을 손상시키는 것을 방지함으로써, 상기 난류생성부(31)를 통과한 예혼합기의 난류강도 증가률을 지속적으로 유지할 수 있는 것이다. 결과적으로, 연소장치의 열효율은 유지하면서, 상기 난류생성부(31)의 강성을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 도 4를 참조하면, 상기 프렉탈홀(32b)의 길이가 상기 본체부(32a)의 길이보다 더 길게 형성된다. 따라서, 예혼합기가 상기 프렉탈홀(32b)을 통과하는 시간이 증가함으로써, 상기 예혼합기의 난류강도를 보다 더 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

다음으로, 상기 연소실(52)과 연통된 상기 선회노즐부(40) 출구에는 상기 점화장치가 구비되어 별도의 전원으로 구동될 수 있다. 즉, 상기 점화장치는 상기 선회노즐부(40) 출구에서 분사되는 미연 가스연료와 공기의 예혼합기를 점화시켜 상기 연소실(52) 내부에서 내부재순환영역(IRZ)이 없는 화염장을 형성하도록 한다.

다음으로, 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)에 연소용 공기가 공급될 수 있도록 상기 공기유입부(51)와 연통된 상기 공기노즐부(50)과 상기 선회노즐부(40)이 마련된다. 보다 상세히, 상기 공기노즐부(50)는 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)의 외주면을 감싸는 형태로 구비된다. 또한, 상기 공기노즐부(50)와 선회노즐부(40) 사이는 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)과 연통되어 공기가 유동할 수 있는 공간이 마련된다. 따라서, 상기 공기유입부(51)는 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)에서 가스연료와 공기의 예혼합기와 상기 선회노즐부(40) 일측에 각각 마련되어 있는 제1유로(41)와 제2유로(42)를 통해 유입된 연소용 공기와 혼합될 수 있도록 공기를 공급하는 역할을 한다.

즉, 상기 선회노즐부(40)는 상기 제1혼합실(22)과 연통되어 상기 제1혼합실(22)에 강한 선회유동의 공기를 공급하는 제1유로 (41)와 상기 제2혼합실(24)과 연통되어 상기 제2혼합실(24)에 선회강도 0.4 내지 0.55의 약한 선회유동으로 공기를 공급하는 제2유로(42)로 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1유로(41)의 출구 바로 앞에는 상기 제1관통홀(21)이 위치되고, 상기 제2유로(42)의 내벽 일측에는 상기 제2관통홀(23)이 위치된다. 따라서, 상기 제1관통홀(21)을 통해 공급된 가스연료와 상기 제1유로(41)를 통해 강한 선회유동으로 공급된 연소용 공기가 혼합에 유리한 직교제트유동(Jet in cross)으로 부딪치게 되면서 효율적으로 예혼합될 수 있도록 하는 것이다. 마찬가지로, 상기 제2관통홀(23)을 통해 공급된 가스연료는 상기 제2유로(42)를 통해 공급된 약한 선회강도의 연소용 공기와 효율적으로 예혼합될 수 있도록 하는 것이다.

이하에서는 본 발명에 의한 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치에 대한 작용을 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 연소장치를 가동시키면, 상기 가스노즐부(10)에서 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)로 유입되고, 공급된 가스연료는 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1관통홀(21) 및 제2관통홀(23)에 의해 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)로 나뉘어져 이동하게 된다. 이때, 상기 제1혼합실(22)와 제2혼합실(24)에서는 상기 공기노즐부(50)와 상기 선회노즐부(40)를 통해 공급된 연소용 공기와 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)을 통해 공급된 가스연료가 예혼합된다. 이후, 상기 제2혼합실(24)에서 약한 선회강도 상태인 혼합기는 상기 제1혼합실(22)에서 강한 선회강도로 예혼합된 혼합기 주위로 약한 선회운동을 유지하면서 상기 연소실(52)로 이동한다. 이 상태에서, 상기 점화장치에 의해 점화되어 상기 연소실(52) 안에서 고온의 난류 예혼합화염을 형성하게 된다.

이때, 상기 고온의 화염으로 인해 다량의 열적 NOx와 같은 유해물질이 발생한다. 상기 열적 NOx와 같은 유해물질의 발생을 감소시키는 방법으로는 화염의 온도를 낮추거나 화염 내 고온의 연소생성물이 반응장인 화염장 내에서 체류하는 체류시간을 감소시키는 것이다. 그런데 가스터빈과 같은 경우, 시스템의 열효율을 향상시키기 위해서는 터빈입구온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)를 높이는 것이 가장 유효하다. 최근 모든 가스터빈용 연소기의 필수 요구조건이므로 상기한 방법 중 화염의 온도를 낮추는 방법의 경우, 가스터빈 전체 시스템의 열효율이 낮아지게 되므로 화염의 온도를 낮추질 않으면서 화염 내 고온인 연소생성물의 체류시간을 줄이는 것이 가장 바람직한 방법인 것이다.

따라서, 상기 제1혼합실(22)에서 상기 제1유로(41)의 강한 선회유동이 상기 제1관통홀(21)로부터 분사된 가스연료와 수직한 제트형태(Jet in cross)로 만나서 예혼합된다. 이후, 상기 제1혼합실(22)와 연통된 상기 난류생성노즐부(30) 내측에 장착된 상기 난류생성부(31)을 거치면서 난류화 된다. 이후, 상기 난류생성노즐부(30) 말단에서 제2혼합실(22)을 거쳐 약한 선회유동으로 예혼합된 혼합기와 만난다. 이후, 상기 연소실(52)와 연통된 선회노즐부(40) 출구에서 예혼합 화염을 형성하게 된다. 즉, 상기 화염의 중앙부에 재순환영역이 발생하지 않게 되고, 상기 화염이 완전연소에 가까워지게 되는 것이다. 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 난류생성부(31)를 통과하면서 강하게 난류화된다. 이때, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 연소실(52)에서 급격한 확대유동으로 발전되지 않도록 한다. 즉, 상기 제2혼합실(24)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 바깥 방향으로 퍼지지 않도록 하는 것이다. 즉, 상기 연소실(52)로 분사되는 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기가 상기 제2유로(42)로부터 약한 선회운동의 보호를 받으면서 강한 난류유동을 유지한 채 상기 연소실(52)로 이동되는 것이다. 이로 인하여, 상기 연소실(52)에 생성되는 화염장의 내부재순환영역의 형성을 최소화하여, 상기 화염장 내에 상기 고온인 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시켜 체류시간과 밀접한 관계가 있는 열적 질소산화물과 같은 유해물질의 발생을 최소화 할 수 있는 것이다.

이하에서는 본 발명에 의한 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치의 난류생상부의 두께에 따른 연소성능과 대표적 연소공해물질인 질소산화물 발생량을 비교하는 실험에 대해 설명한다.

실험방법으로는, 먼저 LNG 가스연료의 주성분이 메탄(CH₄) 성분임을 감안하여 실험결과의 정밀성을 높이기 위해 순도 99.95%의 고순도 메탄가스를 연료로 사용하였다. 또한, 실험실 규모의 유량을 감안한 랩-크기(Lab-scale) 연소기 열용량(Thermal power)에 따라 산화제(공기)가 상대적으로 많은 산화제(공기) 과잉상태인 희박상태에서도 연소기가 정상적으로 운전이 가능한지를 파악하는 희박가연한계(Lean flammability limit) 성능을 연료-산화제(공기)의 혼합비인 당량비(Equivalence ratio)와 혼합기 조건(온도, 압력)에서 해당 당량비의 단열화염온도(Adiabatic flame temperature)로 표시된 수치를 도 8에 표시하였다. 또한, 질소산화물(NOx) 발생억제를 위해서 최근 저공해 연소기 대부분이 자동차의 희박엔진(Lean burn engine)처럼 연료-산화제의 혼합비율이 희박연소(Lean combustion) 상태로 운전이 되므로 혼합비인 당량비를 양론비(Stoichiometric ratio)인 1.0 이하로 낮추어가면서 질소산화물인 NOx의 배출농도를 측정하여, 가스터빈 연소기의 배기가스배출 기준인 15% 산소(O₂) 농도로 환산한 농도 값을 도 9에 표시하였다.

실험 결과, 도 8 및 9를 참조하면, 상기 난류생성부(31)의 두께가 증가할수록 연소장치의 운전가능 열용량범위인 TDR(Turn down ratio)성능과 유사하게 희박가연한계 값에 해당되는 당량비 값이 상대적으로 증가하여, 연소기가 낮은 당량비에서도 연료를 연소시킬 수 있는 연소안정화영역(Stable flame region)이 축소되는 것을 볼 수 있다. 특히 가스터빈시스템의 연소기의 경우, 이러한 연소기 운전범위축소는 가스터빈연소기의 성능인자인 희박운전한계(LBO, Lean blow-off)성능이 다소 낮아지고, 질소산화물(NOx)과 같은 공해물질의 발생량이 소폭 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 두께 1mm의 판형상의 난류생성부(31)의 경우, 부하의 변화 특히, 낮은 부하(열용량)에서는 화염이 노즐 안으로 타고 들어오는 역화현상이 발생하여, 상기 난류생성노즐부(30)에 화염이 부착된 경우에, 부착된 화염에 의해 열화 되어 얇은 격자의 연결막대(bar) 혹은 격자 조각들이 파손되면서 난류생성기능이 불량해짐에 따라, 연소성능이 현저하게 저하되어 연소장치의 운전을 중단해야하는 상황이 발생하게 된다. 심지어 가스터빈시스템의 연소기의 경우, 연소기 노즐로부터 파손된 (격자)조각들이 마치 항공기엔진에서 조류충돌(bird strike)과 같이 고속으로 회전하는 연소기 후단의 회전체 날개와 부딪치게 되면서, 가스터빈시스템 혹은 가스터빈엔진에 치명적인 손상을 주게 된다. 즉, 두께 1mm 정도로 얇은 판(plate) 형상을 갖는 난류생성부(31)를 활용하는 연소장치는 지속적인 운전중지를 반복함으로써, 발생하는 에너지 손실과 함께 운전성능 및 연소기 신뢰성이 급격하게 감소되는 것이다. 이와 반대로, 두께 12.5mm, 25mm로 형성되는 난류생성부(31)의 경우, 역화현상에 의한 화염의 부착에도 지속적으로 운전할 수 있는 강도를 가짐으로써, 연소장치의 운전을 지속적으로 수행할 수 있다. 결과적으로, 상기 난류생성부(31)의 두께가 증가할수록 연소장치의 하향 연소안정화영역인 희박가연한계의 운전범위와 연소배가스 배출성능은 소량 감소하지만, 장기간 항상 고온의 화염에 노출되어 있는 연소장치 특성상 제품수명과 직결되는 열적 내구성에서 유리하여 지속적으로 운전이 가능하다는 점에서, 상기 난류생성부(31)가 일정 비율의 두께가 있게 설계되는 것이 연소기에서 가장 중요한 운전유지를 통한 효율증가와 제품의 신뢰성을 높인다는 것을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는, 제1실시예와 비교하여 난류생성부(231)의 중앙부가 볼록하게 형성된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 10을 참조하면, 상기 난류생성부(231)는 상기 연소실을 향하는 방향을 기준으로 볼록하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 난류생성부(231)의 중앙부가 상기 연소실을 향하는 방향을 기준으로 볼록하게 형성되면, 예혼합기가 상기 난류생성부(231)의 원주방향으로 퍼지도록 분사되어 화염이 보다 더 넓게 형성되도록 한다. 따라서, 생성되는 화염의 폭은 넓고, 두께는 얇은 평면화염이 형성되어 일산화탄소, 질소산화물(NOx) 등과 같은 공해물질의 발생을 보다 더 최소화할 수 있는 이점이 있다. 또한, 낮은 부하에서 역화가 발생하더라도 중앙부가 볼록한 구조로 역화된 화염에서 화염의 중앙부분이 소염(extinction)되어 도넛(doughnut)형태로 형성된다. 이에 따라, 화염의 크기가 작아지고 작은 격자들 사이사이로 분산되어 역화된 화염들이 각 격자들 벽으로부터 받는 열손실의 증가로 화염의 강도(intensity)가 약화되는 냉각효과(quenching effect)로 난류생성부(231)의 열적손상을 경감시킬 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는, 제1실시예와 비교하여 난류생성부(331)의 중앙부가 오목하게 형성된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 11을 참조하면, 상기 난류생성부(331)는 상기 연소실을 향하는 방향을 기준으로 오목하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 난류생성부(231)의 중앙부가 상기 연소실을 향하는 방향을 기준으로 오목하게 형성되면, 예혼합기가 상기 난류생성부(231)의 중앙부로 모이도록 분사되어 화염이 보다 더 좁게 형성되도록 한다. 따라서, 생성되는 화염의 온도가 보다 더 높게 형성되고, 그에 따라 연소장치의 열효율이 증가하게 되는 이점이 있다. 또한, 상기 난류생성부(331)의 중앙부가 도 11에 도시된 것과 같이, 중앙부위에서 덕트(duct)형태인 격자통로의 길이가 짧아지는 오목형에서는, 중앙부위로 흐르는 유동의 압력손실이 적어 중앙부위에서 유속이 더욱 빠르게 되어, 역화 발생 시, 화염을 바깥 방향인 노즐의 벽면 방향으로 밀어내어 앞서 제2실시예와 같이, 화염의 크기가 작아지고 작은 격자들 사이사이로 분산되어, 역화된 화염들이 벽으로부터 열손실을 받는 냉각효과로 인해, 상기 난류생성부(331)의 열적손상을 경감시킬 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는, 제1실시예와 비교하여 난류생성부(431)의 중심이 상기 내측노즐부(32)의 길이방향을 기준으로, 상기 내측노즐부(32)의 중앙부에 구비된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 12를 참조하면, 상기 난류생성부(431)의 중심은 상기 내측노즐부(32)의 길이방향을 기준으로, 상기 내측노즐부(32)의 중앙부에 구비된다. 이때, 상기 난류생성부(431)의 중심이 상기 내측노즐부(32)의 길이방향을 기준으로, 상기 내측노즐부(32)의 상부에 위치하게 되면, 예혼합기의 유동이 상기 프렉탈의 격자홀(31b)을 통과하면서 난류화가 최대화되는데 있어서, 상기 난류생성노즐부(30)의 외곽측인 선회노즐부(40)의 제2유로(42)를 통해 상기 외측노즐부(43)를 거쳐 선회된 유동과 직접적으로 부딪치게 되어, 생성된 강한 난류화가 보존되기도 전에 난류 강도가 약해지는 문제점과, 역화현상에 의해 화염이 노즐 안쪽에 부착되면, 직접적으로 화염에 노출되어 파손이나 손상이 발생함으로써, 열효율이 감소하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 난류생성부(431)의 중심은 상기 내측노즐부(32)의 길이방향을 기준으로, 상기 내측노즐부(32)의 중앙부에 구비되는 것이다. 또한, 상기 난류생성부(431)의 중심이 상기 내측노즐부(32)의 길이방향을 기준으로 상기 내측노즐부(32)의 중앙부에 위치하게 되면, 상기 제1유로(41)를 통해 상기 제1혼합실(22)로 유입된 연료가스와 공기가 상기 제1혼합실(22)에서 길이방향으로 출구면적이 좁아지게 되는 테이퍼(taper)형태의 안내부(60)를 따라, 상기 내측노즐부(32)로 유입하게 되면서, 상기 난류생성부(431)의 중심이 위치하는 중앙부까지 연료가스와 공기가 균일하게 예혼합된 유동으로 유입되는 효과가 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 연소장치
10 : 가스노즐부
20 : 가스연료분배부
21 : 제1관통홀
22 : 제1혼합실
23 : 제2관통홀
24 : 제2혼합실
30 : 난류생성노즐부
31 : 난류생성부
32 : 내측노즐부
40 : 선회노즐부
41 : 제1유로
42 : 제2유로
43 : 외측노즐부
50 : 공기노즐부
51 : 공기유입부
52 : 연소실
60 : 안내부

Claims

가스연료가 공급되도록 하는 가스노즐부;
상기 가스노즐부와 연통되어 공간을 형성하며, 가스연료를 분배하는 가스연료분배부;
상기 가스연료분배부와 제1관통홀;에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실;
상기 가스연료분배부와 제2관통홀;에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실;
상기 제1혼합실과 제2혼합실 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료와 공기의 예혼합기를 난류화하는 난류생성노즐부; 및
공기노즐부;와 연통되어, 상기 제1혼합실과 제2혼합실에 각각 연소용 공기가 공급될 수 있도록 하는 선회노즐부;를 포함하고,
상기 선회노즐부는,
상기 제1혼합실과 연통되어 상기 제1관통홀을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로; 및
상기 제2혼합실과 연통되어 상기 제2관통홀을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로;를 포함하며,
상기 난류생성노즐부는,
복수개의 프렉탈 형상의 격자 홀이 구비되어 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료와 공기 예혼합기의 난류유동을 유도하는 블록형태의 난류생성부; 및
상기 난류생성부를 통과한 가스연료와 공기의 예혼합기가 연소실로 유동할 수 있도록 하는 원통형상의 내측노즐부;를 포함하고,
상기 난류생성부는,
상기 내측노즐부의 길이방향을 따라 길게 형성되어 역화현상에 의해 화염이 부착되어도 강성을 유지하여 지속적인 연소를 가능하게 함으로써 연소효율을 증가시키며,
상기 난류생성부의 길이는 상기 내측노즐부의 길이의 0.3배 내지 0.6배로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 난류생성부는,
상기 연소실을 향하는 방향을 기준으로 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 난류생성부는,
상기 연소실을 향하는 방향을 기준으로 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 난류생성부의 중심은,
상기 내측노즐부의 길이방향을 기준으로, 상기 내측노즐부의 중앙부에 구비되는 것을 특징으로 하는 연소기 운전효율과 배출성능을 최대화 할 수 있는 연소장치.
삭제