KR101551673B1 - 연소기용 음향 감쇠기 장치 - Google Patents

연소기용 음향 감쇠기 장치 Download PDF

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KR101551673B1 KR1020130107807A KR20130107807A KR101551673B1 KR 101551673 B1 KR101551673 B1 KR 101551673B1 KR 1020130107807 A KR1020130107807 A KR 1020130107807A KR 20130107807 A KR20130107807 A KR 20130107807A KR 101551673 B1 KR101551673 B1 KR 101551673B1
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Abstract

작동 중에 제 1 온도에서 사용하도록 구성된 내부 라이너 및 작동 중에 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너를 구비하는 연소기용 음향 감쇠기 장치가 개시되고, 상기 음향 감쇠기 장치는 복수의 가요성 시트들; 및 내부 체적을 갖는 적어도 하나의 중공 몸체로서, 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 각각 고정되는 상기 적어도 하나의 중공 몸체를 포함하고, 상기 음향 감쇠기 장치는 상기 적어도 하나의 중공 몸체의 내부 체적이 상기 내부 라이너에 의해서 형성된 챔버와 교통하도록 상기 내부 라이너 및 상기 외부 라이너 모두에 고정되도록 구성되고, 상기 복수의 가요성 시트들은 상기 외부 라이너에 대한 상기 내부 라이너의 팽창 및 수축을 수용한다.

Description

연소기용 음향 감쇠기 장치{ACOUSTIC DAMPER ARRANGEMENT FOR A COMBUSTOR}
본 출원은 그 개시물이 본원에서 참고로 전체적으로 합체되는 미국 특허청에 2012년 9월 10일자 출원된 미국 가출원 제 61/698,958호에 대한 35U.S.C §119 하에서 우선권을 주장한다.
본 개시물은 가스 터빈의 캔 연소기와 같은 연소기용 음향 감쇠기 장치에 관한 것이다.
가스 터빈용의 공지된 캔 연소기들은 내부 라이너 및 외부 라이너를 포함할 수 있다. 가스 터빈의 압축기 부분에 의해서 압축된 공기의 적어도 일부는 내부 라이너 및 외부 라이너 사이를 통과하고 내부 라이너의 온도를 조절하는 기능을 한다. 압축 공기는 그때 연료와 혼합될 수 있고, 연료-공기 혼합물은 점화된다. 이러한 연소는 내부 라이너에 의해서 한정된 공간 내에서 일어난다.
일부 구성에서, 내부 라이너는 2개의 부재들 즉, 상류 연소 부재 및 하류 전이 부재로 제조된다. 연소 및 전이 부재들은 상기 부재들 사이의 중첩부에서 훌라 시일(hula seal)과 같은 축방향 시일에 의해서 연결된다. 연소는 주로 상류 연소 부재 내에서 일어나고, 고온 연소 가스는 가스 터빈의 터빈 부분으로 상기 전이 부재에 의해서 지향된다. 연소 및 전이 부재들은 그에 따라서 상기 부재들이 훌라 시일에서 중첩되는 상기 부재들 중 하나의 섹션을 제외하고, 모두 고온 연소 가스에 직접 노출된다. 상기 내부 라이너 및 상기 외부 라이너 사이의 온도차는 다른 위치들보다 이 위치에서 더 적은데, 이는 이 위치에서 내부 라이너의 외부 부분이 다른 위치들보다 낮게 가열되기 때문이다. 이러한 이유는 외부 라이너에 대한 내부 라이너의 팽창 및 수축을 수용할 필요가 없는 비교적 단순한 연결 구조가 사용될 수 있도록, 상기 훌라 시일의 위치에서 상기 내부 라이너를 상기 외부 라이너에 고정하는 것이 전형적이다.
작동 중에 NOx 방출물들을 감소시키기 위하여, 희박(lean) 예비혼합 연소 방법들이 사용될 수 있다. 그러나, 이는 연소 속도에서 불안정성들의 결과로서 연소기에서 압력파 진동들을 증가시킬 수 있다. 적절하게 완화시키지 않으면, 잡음 및 진동과, 연소기에 대한 가능한 손상이 발생될 수 있다. 캐뉼러 및 환형 연소기들에서 이러한 문제를 처리하기 위하여, 전이 부재에 대해서 다중 네크(neck)들을 갖고 댐퍼 박스들을 부착하는 것이 예로서 미국 특허 6,530,221B1호에 기재되어 있고, 그 개시물은 본원에서 전체적으로 참고로 합체되어 있다. 주위에 배열된 변형 다중 댐퍼는 또한 미국 출원 공보 2011/0220433호에 기재되어 있고, 그 개시물도 역시 본원에서 전체적으로 참고로 합체되어 있다.
작동 중에 제 1 온도에서 사용하도록 구성된 내부 라이너 및 작동 중에 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너를 구비하는 연소기용 음향 감쇠기 장치가 제공되고, 상기 음향 감쇠기 장치는 복수의 가요성 시트들; 및 내부 체적을 갖는 적어도 하나의 중공 몸체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 중공 몸체 각각은 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되며, 상기 음향 감쇠기 장치는 상기 적어도 하나의 중공 몸체의 내부 체적이 상기 내부 라이너에 의해서 형성된 챔버와 교통하도록, 그리고 상기 복수의 가요성 시트들이 상기 외부 라이너에 대한 상기 내부 라이너의 팽창 및 수축을 수용하도록 상기 내부 라이너 및 상기 외부 라이너 모두에 고정되도록 구성된다.
또한 제 1 온도에서 작동하도록 구성된 내부 라이너; 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너; 및 상기 내부 라이너를 상기 외부 라이너와 연결하는 음향 감쇠기 장치를 포함하는 연소기도 제공된다.
본 발명의 다른 형태 및 장점들은 유사 요소들에 대해서 유사 도면부호들을 지정한 도면과 연계하여 읽을 때 예시적인 실시예들의 하기 설명에서 명확해질 것이다.
도 1은 예시적인 연소기의 절취도.
도 2는 예시적인 음향 감쇠기 장치의 절취도.
도 3은 예시적인 내부 라이너 전이 부재 및 음향 감쇠기 장치의 사시도.
도 4 내지 도 7은 예시적인 음향 감쇠기 장치들에서 중공 몸체들 및 가요성 시트들의 예시적인 장치를 도시하는 도면.
도 8은 예시적인 중공 몸체들의 예시적인 단면 형태들을 도시하는 도면.
도 1 및 도 2는 작동 중에 제 1 온도에서 사용하도록 구성된 내부 라이너(30) 및 작동 중에 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너(40)를 구비하는 연소기(10)용 음향 감쇠기 장치(20)를 도시한다. 상기 음향 감쇠기 장치(20)는 복수의 가요성 시트들(60), 및 내부 체적을 갖는 적어도 하나의 중공 몸체(70)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 중공 몸체(70) 각각은 상기 복수의 가요성 시트(60)들 중 하나에 고정된다. 상기 음향 감쇠기 장치(20)는 상기 적어도 하나의 중공 몸체(70)의 내부 체적이 상기 내부 라이너(30)에 의해서 형성된 챔버와 교통하도록, 그리고 상기 복수의 가요성 시트들(60)이 상기 외부 라이너(40)에 대한 상기 내부 라이너(30)의 팽창 및 수축을 수용하도록 상기 내부 라이너(30) 및 상기 외부 라이너(40) 모두에 고정되도록 구성된다.
상기 복수의 가요성 시트들(60)은 그 일 단부에서 상기 외부 라이너(40)에 고정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 중공 몸체(70)는 상기 중공 몸체(70)의 폐쇄 단부(70b)에서 상기 복수의 가요성 시트들(60) 중 하나에 고정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 중공 몸체(70)는 상기 폐쇄 단부(70b)의 반경방향의 내향으로 배치된 개방 단부(70a)를 가질 수 있고 상기 내부 라이너(30) 내의 적어도 하나의 개방부에서 상기 내부 라이너(30)에 고정되도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 중공 몸체(70)는 상기 내부 라이너(30)에 대면하는 상기 복수의 가요성 시트들(60) 중 하나의 표면에서 상기 복수의 가요성 시트들(60) 중 하나에 고정될 수 있다. 원주방향으로 이격된 이러한 다중 가요성 시트들(60)이 포함될 수 있다.
하나 이상의 중공 몸체들(70)은 원, 정사각형, 직사각형 및 눈물방울체(teardrop)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 단면 형상을 가질 수 있다. 물론, 다른 적당한 형상들이 선택될 수 있고, 이러한 적당한 형상들은 당업자에게 명백하다. 또한, 상기 중공 몸체들(70)은 동일한 내부 체적을 가질 수 있거나 또는 그 각각이 상이한 내부 체적들을 가질 수 있다. 복수의 중공 몸체들(70)은 상기 복수의 가요성 시트들(60) 중 하나 상의 동일한 또는 상이한 각각의 축방향 또는 원주방향 위치들에서 상기 복수의 가요성 시트들(60) 중 하나에 고정될 수 있다. 추가로, 상기 중공 몸체들(70)의 내부 체적들을 상기 내부 라이너(30)에 의해서 형성된 상기 챔버에 연결하는 공기 채널들의 수, 크기 및 형상은 변화될 수 있다.
도 1은 제 1 온도에서 작동하도록 구성된 내부 라이너(30), 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너(40), 및 상기 내부 라이너(30)를 상기 외부 라이너(40)와 연결하는 음향 감쇠기 장치(20)를 포함하는 예시적인 연소기(10)를 도시한다. 상기 연소기 내부 라이너(30)는 연소 부재(combustion piece)(30a) 및 작동 중에 가스 유동의 방향에 대해서 상기 연소 부재(30a)의 하류에 위치한 전이 부재(transition piece)(30b)를 포함하고, 상기 음향 감쇠기 장치(20)는 상기 연소 부재(30a)와 상기 전이 부재(30b) 사이의 중첩부(overlap)의 하류에 배치된다. 연소기(10)는 압축 공기 유동 안으로 연료를 주입하여 연소기에 공기-연료 혼합물을 생성하기 위한 연료 주입기와, 공기-연료 혼합물을 점화하기 위한 점화기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 내부 라이너(30) 및 상기 외부 라이너(40) 사이의 공간은 가스 터빈의 압축기 부분에 의해서 압축된 공기를 수용하도록 구성된다. 이 공기유동은 상기 내부 라이너(30)의 온도를 조절하는 것을 보조할 수 있다. 상기 내부 라이너(30)에 의해서 형성된 공간 내에서, 압축 공기는 연료와 혼합되고, 상기 연료-공기 혼합물은 점화되어, 상기 가스 터빈의 터빈 부분으로 지향된다. 따라서, 상기 내부 라이너(30)는 상기 외부 라이너(40)보다 높은 온도에서 사용하도록 구성된다.
상기 내부 라이너(30)가 상기 연소 부재(30a) 및 작동 중에 가스 유동의 방향에 대해서 상기 연소 부재(30a)의 하류에 있는 상기 전이 부재(30b)로 구성되는 도 1 내지 도 3의 예시적인 실시예에서, 상기 연소 부재(30a) 및 상기 전이 부재(30b)는 축방향 시일(50), 예로서 훌라 시일(hula seal)에 의해서 그 중첩부에서 연결된다. 연소는 주로 상기 연소 부재(30a) 내에서 일어나고, 고온 연소 가스는 상기 전이 부재(30b)에 의해서 상기 가스 터빈의 터빈 부분으로 지향될 수 있다. 따라서, 상기 연소 부재(30a) 및 상기 전이 부재(30b)는 상기 부재들이 훌라 시일(50)에서 중첩되는 상기 부재들 중 하나의 섹션을 제외하면, 모두 상기 고온 연소 가스에 직접 노출될 수 있다. 상기 중공 몸체들(70)은 감쇠 체적들을 효과적으로 제공할 수 있고, 상기 훌라 시일(50)의 하류에 위치할 때 헬름홀츠 공진기들(Helmholtz resonator)로서 기능할 수 있다. 상기 가요성 시트들(60) 및 중공 몸체들(70)이 상기 축방향 시일(50)의 하류에 위치하여 상기 내부 라이너(30)의 고온 부분을 비교적 저온의 외부 라이너(40)에 연결하는 상태에서, 상기 가요성 시트들(60)은 작동 온도들이 변화될 수 있는 시동, 중지 또는 부하 변화와 같은 전이 작동 중에 그에 따른 상대 운동을 허용할 수 있다. 추가로, 상기 가요성 시트들(60)은 상기 연소기(10)를 터빈 케이싱에 고정하기 위하여 제공되는 링(80)을 구성하는 외부 라이너(40)의 부분과 일체로 형성될 수 있다.
상기 중공 몸체들(70)은 감쇠 체적을 제공하고 헬름홀츠 공진기들로서 작용할 수 있다. 도 4 내지 도 8은 상기 중공 몸체들(70)의 여러 예시적인 형상 및 상기 가요성 시트들(60)의 배열들을 도시한다. 예로서, 정사각형, 직사각형, 원, 방울과 같은 중공 몸체들을 위한 상이한 단면 형상들이 도 8에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 이들 형상들 및/또는 배열 구성들은 상기 내부 라이너(30) 및 상기 외부 라이너(40) 사이의 공간을 통해 지향되는 냉각 공기의 최소 유동 저항 또는 열 전달을 위하여 최적화될 수 있고, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 공기유동에서 압력 손실을 최소화하도록, 예로서, 상기 냉각 공기유동에서 발생된 웨이크(wake)의 가능성을 최소화하도록 엇갈리게 배치될 수 있다. 도 7은 예로서 중공 몸체(70c)가 중공 몸체(70d)와는 상이한 진동수에 대해서 최적화되도록, 상이한 체적들 또는 개방부 크기들이 상기 중공 몸체들에서 사용될 수 있다는 것을 도시하고 있다. 예로서, 대략 1 내지 10kHz의 범위에 있는 고주파 진동 뿐 아니라, 대략 50 내지 500Hz의 범위에 있는 저주파 진동이 고려될 수 있다. 또한, 상기 내부 라이너와 상기 외부 라이너 사이에 상기 음향 감쇠기 장치(20)를 제공하면 상기 라이너들 사이의 고정 장치를 형성하는 다른 구조체에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
예시적인 중공 몸체의 공진 주파수는 다음 공식:fres=c/2/pi*sqrt(Aneck/Lneck,eff/Vdamper)에 의해서 계산될 수 있고, 여기서 fres는 공진 주파수이고, c는 음속이고, Vdamper는 감쇠 체적이고, Aneck는 감쇠 체적을 고온 가스 덕트에 연결하는 덕트의 단면적이고, Lneck,eff는 감쇠 체적을 고온 가스 덕트에 연결하는 덕트의 유효 길이이다. 예시적인 실시예에서, 네크(neck) 길이는 3 내지 15mm이고, 네크 직경은 1 내지 10mm이나, 이들 치수들은 원칙적으로 변화될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 음향 감쇠기 장치는 Haynes 230, Haynes 282, Hasteloy X 또는 Iconel과 같은 고온 내열성(니켈계) 합금으로 제조된다. 또한, 예로서 체적에 대해서 St18-8 및 고온 가스에 접촉하는 네크에 대한 고품질 합금과 같은, 재료 조합도 가능하다.
당업자는 본 발명이 그 정신 또는 본질적인 특징의 범주 내에서 다른 특정 형태로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본원에 개시된 예시적인 실시예들은 예시적이고 제한적이지 않게 고려된다.

Claims (19)

  1. 작동 중에 제 1 온도에서 사용하도록 구성된 내부 라이너 및 작동 중에 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너를 구비하는 연소기용 음향 감쇠기 장치로서,
    복수의 가요성 시트들; 및
    내부 체적을 갖는 적어도 하나의 중공 몸체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 중공 몸체 각각은 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되며,
    상기 음향 감쇠기 장치는 상기 적어도 하나의 중공 몸체의 내부 체적이 상기 내부 라이너에 의해서 형성된 챔버와 교통하도록, 그리고 상기 복수의 가요성 시트들이 상기 외부 라이너에 대한 상기 내부 라이너의 팽창 및 수축을 수용하도록 상기 내부 라이너 및 상기 외부 라이너 모두에 고정되도록 구성되고,
    상기 복수의 가요성 시트들은 그 일 단부에서 상기 외부 라이너에 고정되도록 구성되는, 음향 감쇠기 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 상기 적어도 하나의 중공 몸체의 폐쇄 단부에서 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는, 음향 감쇠기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 상기 폐쇄 단부의 반경방향 내향으로 배치되고 상기 내부 라이너 내의 적어도 하나의 개방부에서 상기 내부 라이너에 고정되도록 구성되는 개방 단부를 갖는, 음향 감쇠기 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 상기 내부 라이너에 대면하도록 구성된 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나의 표면에서 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는, 음향 감쇠기 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 원, 정사각형, 직사각형 및 눈물방울체(teardrop)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 단면 형상을 갖는, 음향 감쇠기 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    복수의 중공 몸체들이 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는, 음향 감쇠기 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 중공 몸체들은 동일한 내부 체적을 갖는, 음향 감쇠기 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 중공 몸체들은 상이한 내부 체적들을 갖는, 음향 감쇠기 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 중공 몸체들은 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나 상의 각각 상이한 축방향 위치들에서 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는, 음향 감쇠기 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 중공 몸체들은 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나 상의 각각 상이한 원주방향 위치들에서 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는, 음향 감쇠기 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    복수의 중공 몸체들이 상기 복수의 가요성 시트들 상의 각각 동일한 원주방향 위치 및 각각 상이한 축방향 위치에서 상기 복수의 가요성 시트들에 고정되는, 음향 감쇠기 장치.
  13. 제 1 온도에서 작동하도록 구성된 내부 라이너;
    상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 작동하도록 구성된 외부 라이너; 및
    상기 내부 라이너를 상기 외부 라이너와 연결하는 음향 감쇠기 장치를 포함하고,
    상기 음향 감쇠기 장치는 복수의 가요성 시트들, 및 내부 체적을 갖는 적어도 하나의 중공 몸체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 중공 몸체 각각은 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되며,
    상기 음향 감쇠기 장치는 상기 적어도 하나의 중공 몸체의 내부 체적이 상기 내부 라이너에 의해서 형성된 챔버와 교통하도록, 그리고 상기 복수의 가요성 시트들이 상기 외부 라이너에 대한 상기 내부 라이너의 팽창 및 수축을 수용하도록 상기 내부 라이너 및 상기 외부 라이너 모두에 고정되며,
    상기 복수의 가요성 시트들은 그 일 단부에서 상기 외부 라이너에 고정되는 연소기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 내부 라이너는:
    연소 부재; 및
    작동 중에 가스 유동의 방향에 대해서 상기 연소 부재의 하류에 위치한 전이 부재를 포함하고,
    상기 음향 감쇠기 장치는 상기 연소 부재 및 상기 전이 부재 사이의 중첩부의 하류에 배치되는 연소기.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 상기 적어도 하나의 중공 몸체의 폐쇄 단부에서 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는 연소기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 상기 폐쇄 단부의 반경방향 내향으로 배치되고 상기 내부 라이너 내의 적어도 하나의 개방부에서 상기 내부 라이너에 고정된 개방 단부를 갖는 연소기.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중공 몸체는 상기 내부 라이너와 대면하는 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나의 표면에서 상기 복수의 가요성 시트들 중 하나에 고정되는 연소기.
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