KR101606017B1 - 가스 터빈용 댐퍼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 터빈에서의 진동들을 감소시키기 위한 댐퍼에 관한 것으로서, 상기 댐퍼는: 인클로저(enclosure); 상기 인클로저로부터 연장되는 주요 목부; 상기 인클로저를 제 1 캐비티 및 제 2 캐비티 안으로 분리시키기 위하여 상기 인클로저 내에 배치된 스페이서 플레이트(spacer plate); 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하고, 상기 스페이서 플레이트를 통하여 연장되어서 상기 제 1 캐비티 및 상기 제 2 캐비티를 상호연결하는 내부 목부로서, 상기 내부 목부의 제 1 단부가 상기 제 1 캐비티 내에 잔류하고 상기 제 2 단부가 상기 제 2 캐비티 내에 잔류하는 상기 내부 목부를 포함하고, 그리고 유동 편향 부재가 상기 내부 목부를 통과하는 유동을 편향시키기 위하여 상기 내부 목부의 제 2 단부 근위에 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 해결 방안에서, 본 발명의 실시예들에 따른 댐퍼가 작동할 때, 제 2 캐비티 내에서의 유동 범위(flow field) 및 그에 따른 완충 특성은 인클로저 내의 스페이서 플레이트의 조정과는 무관하게 일정하다.

Description

가스 터빈용 댐퍼{DAMPER FOR GAS TURBINE}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 가스 터빈 내의 진동들을 감소시키기 위한 댐퍼에 관한 것이다.
종래의 가스 터빈들에서, 연소의 불안정성 및 가변성으로 인하여 연소 공정 중에 가스 터빈의 연소 챔버 내에서는 일반적으로 음향 발진(acoustic oscillation)이 발생한다. 이 음향 발진은 크게 발성된 공진으로 전개될 수 있다. 또한 연소 챔버 진동으로 알려진 이러한 발진은 연소 챔버 자체를 큰 기계적 부하 조건에 놓이게 하는 크기 및 관련 압력 변동을 취하고, 연소 챔버의 수명을 크게 감소시키고, 최악의 경우에는 연소 챔버의 파괴를 유도한다.
일반적으로, 헬름홀츠 댐퍼(Helmholtz damper)로서 공지된 댐퍼의 유형은 가스 터빈의 연소 챔버 내에 발생된 공진을 완충시키는데 사용된다.
EP 2397760A1에 개시된 댐퍼 배열체는 제 2 댐퍼와 일렬로 연결된 제 1 댐퍼를 포함하고, 상기 제 2 댐퍼는 피스톤에 의해서 제 1 댐퍼로부터 분리되어 있으며, 상기 제 1 댐퍼의 공진 진동수는 제 2 댐퍼의 공진 진동수와 근접하다. 제 1 목부는 제 1 및 제 2 댐퍼의 완충 체적부들을 상호연결한다. 로드(rod)가 제 1 및 제 2 댐퍼의 완충 체적부들을 조절하기 위하여 피스톤에 연결된다.
US2005/0103018A1에 개시된 댐퍼는 고정 완충 체적부 및 가변 완충 체적부로 구성되는 완충 체적부를 포함한다. 고정 완충 체적부 및 가변 완충 체적부는 나사 로드 형태의 조정 요소에 의해서 변위될 수 있는 피스톤에 의해서 분리된다. 조정 요소가 회전하면, 피스톤은 완충 체적부의 실린더 축을 따라 이동하고 여러 위치들을 채택할 수 있다. 완충이 발생하거나 또는 최대값에 도달하는 진동수는 또한 완충 체적부들과 대응하게 변화될 수 있다.
한 유형의 종래 헬름홀츠 댐퍼는 광대역 완충 효율을 제공하기 위하여 다중 완충 체적부들을 특징으로 한다. 개별 체적부들은 작은 평면형 튜브들 즉, 소위 내부 목부들에 의해서 상호연결된다. 대체로, 내부 목부에서 중간 유동 속도는 댐퍼를 연소 챔버에 연결하는 주요 목부의 유동 속도보다 크다. 특히 작은 기하학적 치수들을 갖는 고주파 댐퍼들에 대해서, 내부 목부 및 주요 목부가 동축방향으로 위치하거나 또는 반대의 구조적 구성요소들과 충돌하여 복잡한 유동 범위들이 생성되면, 내부 목부들로부터 나오는 유동은 주요 목부 안으로 들어간다. 이는 결과적으로 완충 효율을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 댐퍼가 조정가능하다면, 댐퍼는 상기 댐퍼를 각자의 진동 주파수들로 조정하는 가동 스페이서 플레이트 또는 교체가능한 목부들을 특징으로 하고, 여기서 완충 특성은 그에 따른 유동 범위에 크게 의존한다. 댐퍼에서 스페이서 플레이트의 위치 변화들은 상이한 유동 범위에 대응하고, 이는 꾸준한 성능을 위한 댐퍼 디자인을 유도하도록 음향 모델을 설정할 수 없게 한다.
본 발명의 목적은 가스 터빈에서의 진동들을 감소시키기 위한 댐퍼를 제공하는 것이며, 이 댐퍼는 댐퍼 내의 유동 범위를 안정되고 예측가능하게 유지할 수 있고, 따라서 전체 조절 범위에서 조절가능한 댐퍼들의 성능을 개선한다. 더구나, 본 발명에 따른 댐퍼는 특히 소형의 고주파 댐퍼들을 위한 신뢰성있는 설계 및 디자인을 위해 제공된다.
상기 목적은 가스 터빈에서의 진동들을 감소시키기 위한 댐퍼에 의해서 달성되고, 상기 댐퍼는: 인클로저(enclosure); 상기 인클로저로부터 연장되는 주요 목부(main neck); 상기 인클로저를 제 1 캐비티 및 제 2 캐비티로 분리시키기 위하여 상기 인클로저 내에 배치된 스페이서 플레이트(spacer plate); 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하고, 상기 스페이서 플레이트를 통하여 연장되어서 상기 제 1 캐비티 및 상기 제 2 캐비티를 상호연결하는 내부 목부로서, 상기 내부 목부의 제 1 단부가 상기 제 1 캐비티 내에 잔류하고 상기 제 2 단부가 상기 제 2 캐비티 내에 잔류하는 상기 내부 목부를 포함하고, 그리고 유동 편향 부재가 상기 내부 목부를 통과하는 유동을 편향시키기 위하여 상기 내부 목부의 제 2 단부 근위에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 유동 편향 부재는 상기 제 2 단부 근위에 있는 상기 내부 목부의 주변면 상에 배치된 적어도 하나의 구멍을 포함하고, 그리고 상기 내부 목부의 제 2 단부는 블라인드(blind) 또는 플러그(plug)된다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 구멍은 상기 내부 목부의 주변면 주위에 균일하게 배치된 적어도 두개의 구멍들을 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 유동 편향 부재는 상기 내부 목부의 제 2 단부 근위에 배치된 적어도 하나의 안내 튜브를 포함하고, 상기 안내 튜브의 출구는 상기 내부 목부의 길이방향 축으로부터 변위되는 임의의 각도로 지향된다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 안내 튜브는 상기 내부 목부의 주변면 주위에 균일하게 배치된 적어도 두개의 안내 튜브들을 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 안내 튜브의 출구는 상기 내부 목부의 길이방향 축으로부터 변위되는 0 내지 90 도 범위의 각도로 지향된다.
본 발명의 해결 방안에 있어서, 본 발명의 실시예들에 따른 댐퍼가 작동할 때, 제 2 캐비티 내에서의 유동 범위(flow field) 및 그에 따른 완충 특성은 인클로저 내의 스페이서 플레이트의 조정과는 무관하게 일정하다.
본 발명의 목적, 장점 및 다른 형태들은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적인 목적을 위해 제공된 양호한 실시예들의 하기의 비제한성 설명을 읽을 때 더욱 명확해지고, 유사 도면부호들은 유사 요소들을 설명하는데 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 예의 실시예에 따른 댐퍼의 측입면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 댐퍼의 측입면도.
도 3은 안내 튜브들의 배열을 도시하는, 도 1 내의 라인 A-A에 따른 단면도.
도 4는 본 발명의 대안 실시예에 따른 댐퍼의 측입면도.
도 5는 본 발명의 다른 대안 실시예에 따른 측입면도.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 댐퍼(100)의 측입면도를 도시한다. 댐퍼(100)는 공진기로서 작용하는 입구 튜브(102)를 갖는 인클로저(150); 도시생략된 가스 터빈의 연소 챔버 및 인클로저(150)와 교통하기 위하여 인클로저(150)로부터 연장되는 주요 목부(140); 인클로저를 제 1 캐비티(160) 및 제 2 캐비티(170) 로 분리하기 위하여 인클로저(150) 내에 배치된 스페이서 플레이트(130); 제 1 단부(112) 및 제 2 단부(114)를 갖고, 제 1 캐비티(160) 및 제 2 캐비티(170)를 상호연결하기 위하여 스페이서 플레이트(130)를 통하여 연장되는 내부 목부(110)를 포함하고, 상기 내부 목부(110)의 제 1 단부(112)는 제 1 캐비티(160) 내에 잔류하고 제 2 단부(114)는 제 2 캐비티(170) 내에 잔류한다.
당업자는 제 1 캐비티(160) 및 제 2 캐비티(170)의 체적이 일정하게 유지되고 따라서 공진 주파수가 감소되는 경우에 스페이서 플레이트(130)가 인클로저(150) 내에 고정될 수 있고, 또는 제 1 캐비티(160) 및 제 2 캐비티(170)의 체적이 공지된 방법에 의해서 조정될 수 있는 경우는 인클로저(150) 내에서 이동가능하게 배치된다는 것을 주목해야 한다. 인클로저(150)의 입구 튜브(102)는 인클로저(150)로의 유체 출입을 위한 유동 경로를 제공하기 위하여 인클로저(150) 외부의 플리넘 및 제 1 캐비티(160)와 교통한다. 당업자는 댐퍼(100)는 특정의 실제 적용예들에 따라서 하나 초과의 주요 목부(140), 및/또는 하나 초과의 내부 목부(110), 및/또는 2개 초과의 캐비티들(160,170)을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 실시예들에 따라서, 댐퍼(100)는 내부 목부(110)를 통과하는 유체 유동을 편향시키기 위하여 내부 목부(110)의 제 2 단부(114) 근위에 배치된 유동 편향 부재를 포함한다. 당업자는 본원에 사용되는 용어 "제 2 단부 근위"는 "제 2 단부 근처" 및/또는 "제 2 단부에"의 의미를 포괄한다는 것을 이해해야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유동 편향 부재는 제 2 단부(114) 근위에 있는 내부 목부(110)의 주변면 상에 배치된 구멍(116)에 있는 것으로 구체화될 수 있다. 이 경우에, 내부 목부(110)의 제 2 단부(114)는 유체 누설을 방지하기 위하여 블라인드(blind)되거나 또는 플러그(plug)될 수 있다. 댐퍼(100)가 작동할 때, 제 1 단부(112)로부터 내부 목부(110)를 통과하는 유체는 내부 목부(110)로부터 측면 유로를 안내하는 구멍(116)을 경유하고, 이는 인클로저(150) 내의 스페이서 플레이트(130)의 조정과는 무관하게 유동 범위를 일정하게 유지하고 그에 따라 제 2 캐비티(170) 내의 완충 특성을 일정하게 유지한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 유동 편향 부재는 제 2 단부(114) 근위에 있는 내부 목부(110)의 주변면 주위에 균일하게 이격된 복수의 구멍들(116)을 포함한다. 예를 들어, 도시생략된, 유동 편향 부재는 제 2 단부(114) 근위에 있는 내부 목부(110)의 주변면에 직경방향으로 이격된 2개의 구멍들(116)을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 도시생략된, 유동 편향 부재는 90도 만큼 이격되어 배치된 즉, 제 2 단부(114) 근위에 있는 내부 목부(110)의 주변면 주위에 균일하게 배치된 4개의 구멍들(116)을 포함할 수 있다. 특정 상황에서, 인접 구멍들(116) 사이의 인접 부분은 내부 목부(110)의 제 2 단부(114)로부터 연장되는 스터드(stud)들이 되도록 단순화될 수 있고, 제 2 단부(114)에 있는 내부 목부(110)의 말단부는 4개의 스터드들에 의해서 지지된 단부캡으로서 간주될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 댐퍼(100)의 측입면도를 도시한다. 도 2에 도시된 댐퍼는 유동 편향 부재가 다른 구조들을 취한다는 점에서, 도 1에 도시된 댐퍼와 상이하다. 도 2에 도시된 댐퍼(100)의 나머지 구조는 도 1에 도시된 댐퍼(100)의 구조와 유사하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유동 편향 부재는 내부 목부(110)의 제 2 단부(114) 근위에 있는 주변면 상의 제 1 단부(120)에 배치된 적어도 하나의 안내 튜브(118)를 포함하고, 안내 튜브(118)의 출구 즉, 도 3에 도시된 제 2 단부(122)는 내부 목부(110)의 길이방향 축으로부터 변위되는 90도의 각도로 지향된다. 즉, 안내 튜브(118)의 출구는 반경방향의 외향으로 지향된다. 당업자는 내부 목부의 길이방향 축으로부터 변위되는 각도가 본원에서 언급될 때, 내부 목부(110)의 제 2 단부(114)로부터 내부 목부(110)의 제 1 단부(112)로 이어지는 방향 및 유동 편향 부재의 자유 단부가 향하는 방향을 지칭한다. 도 2에 도시된 유동 편향 부재의 대안으로서, 안내 튜브(118)는 비록 도면에 도시되지는 않았지만, 유동 편향 부재와 동일한 기능을 하는 하나의 부재 구조를 만들기 위하여, 제 1 단부(120)에서 통합되고, 제 2 단부(114)에서 내부 목부(110)를 갖는다. 이 경우에, 유동 편향 부재의 유동 편향 효율은 튜브 형상 구조들에 의해서 도입된 더욱 강력한 안내 성능으로 인하여 개선될 수 있다. 따라서, 제 2 캐비티(170) 내에 생성된 유동 범위는 더욱 안정되게 유지될 것이다.
도 3은 안내 튜브(118)의 배열을 도시하는 도 1의 라인 A-A에 따른 단면도이다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 유동 편향 부재는 내부 목부(110)의 주변면 주위에서 균일하게 이격되고 내부 목부(110)의 제 2 단부(114) 근위에 있는 주변면 상에 배치된 4개의 안내 튜브(118)를 포함할 수 있다. 이 경우에, 도 1에 도시된 경우와 유사한, 내부 목부(110)의 제 2 단부(114)는 유체 누설을 방지하기 위하여 블라인드되거나 또는 플러그될 수 있다.
도 4는 본 발명의 대안 실시예에 따른 댐퍼(100)의 측입면도이다. 도 4에 도시된 댐퍼(100)는 도 2에 도시된 댐퍼(100)와 일반적으로 유사하다. 도 4에 도시된 댐퍼(100)는 안내 튜브(118)의 출구가 내부 목부(110)의 길이방향 축으로부터 변위되는 45도의 각도로 즉, θ = 450로 지향된다는 점에서 다르다. 이 경우에, 도 1에 도시된 경우와 유사한, 내부 목부(110)의 제 2 단부(114)는 유체 누설을 방지하기 위하여 블라인드되거나 또는 플러그될 수 있다. 도시생략된 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 유동 편향 부재는 내부 목부(110)의 주변면 주위에 균일하게 이격되고 내부 목부(110)의 제 2 단부(114) 근위에 있는 주변면 상에 배치된 2개 또는 4개의 안내 튜브들(118)을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 대안 실시예에 따른 댐퍼(100)의 측입면도이다. 도 5에 도시된 댐퍼(100)는 도 2에 도시된 댐퍼(100)와 일반적으로 유사하다. 도 5에 도시된 댐퍼(100)는 안내 튜브(118)가 링 튜브의 1/4로 구성되고 제 1 단부(120)가 제 2 단부(114) 근위에 있는 내부 목부(110)의 주변면에 부착되고 제 2 단부(122)가 스페이서 플레이트(130)로 지향된다는 점 즉, 역방향으로 지향된다는 점에서 상이하다. 다시 말해서, 안내 튜브(118)의 출구는 내부 목부(110)의 길이방향 축으로부터 변위되는 0도의 각도로 지향된다. 도시생략된 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 유동 편향 부재는 내부 목부(110)의 주변면 주위에 균일하게 이격되고 내부 목부(110)의 제 2 단부(114) 근위에 있는 주변면 상에 배치된 2개 또는 4개의 안내 튜브들(118)을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 경우와 경우와 유사한, 내부 목부(110)의 제 2 단부(114)는 유체 누설을 방지하기 위하여 블라인드되거나 또는 플러그될 수 있다.
도시생략된 단순한 대안 실시예로서, 도 5에 도시된 안내 튜브(118)는 제 2 단부(114)에 있는 내부 목부와 함께 제 1 단부에서 통합될 수 있다. 이 구조는 유동 편향 부재가 도 5에 도시된 복수의 안내 부재들(118)을 포함하는 경우에도 적용될 수 있다.
당업자는 필요할 때 안내 튜브(118)의 출구가 생성된 유동 범위를 조정하기 위하여 내부 목부(110)의 길이방향 축으로부터 변위되는 0 내지 90도 범위에서 결정될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시예들과 연계하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들에 국한되는 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 임의의 수의 변형들, 변경, 대체 또는 기술되지 않은 그러나 본 발명의 정신 및 범주에 상응하는 동등 배열들을 통합하도록 수정될 수 있다. 추가로, 본 발명의 여러 실시예들이 기술되었지만, 본 발명의 형태들은 기술된 실시예들의 일부만을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해서가 아니라, 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 제한될 수 있다.
100. 댐퍼
102. 입구 튜브
110. 내부 목부
112. 내부 목부의 제 1 단부
114. 내부 목부의 제 2 단부
116. 구멍
118. 안내 튜브
120. 안내 튜브의 제 1 단부
122. 안내 튜브의 제 2 단부
130. 스페이서 플레이트
140. 주요 목부
150. 인클로저
160. 제 1 캐비티
170. 제 2 캐비티

Claims (6)

  1. 가스 터빈에서의 맥동들을 감소시키기 위한 댐퍼로서,
    인클로저(enclosure);
    상기 인클로저로부터 연장하는 주요 목부(main neck);
    상기 인클로저를 제 1 캐비티 및 제 2 캐비티로 분리시키기 위하여 상기 인클로저 내에 배치되는 스페이서 플레이트(spacer plate); 및
    제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하고, 상기 스페이서 플레이트를 통하여 연장하여 상기 제 1 캐비티 및 상기 제 2 캐비티를 상호연결하는 내부 목부;를 포함하고,
    상기 내부 목부의 제 1 단부가 상기 제 1 캐비티 내에 잔류하고 상기 제 2 단부가 상기 제 2 캐비티 내에 잔류하는, 상기 댐퍼에 있어서,
    상기 내부 목부를 통과하는 유동을 편향시키기 위하여 유동 편향 부재가 상기 내부 목부의 제 2 단부 근위에 배치되고, 상기 내부 목부의 제 2 단부는 상기 내부 목부의 제 2 단부로부터의 유체 누설을 방지하기 위해 블라인드(blind) 또는 플러그(plug)되는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 편향 부재는 상기 내부 목부의 제 2 단부 근위에 있는 상기 내부 목부의 주변면 상에 배치되는 적어도 하나의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 구멍은 상기 내부 목부의 주변면 주위에 균일하게 배치되는 적어도 두 개의 구멍들을 포함하는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 편향 부재는 상기 내부 목부의 제 2 단부 근위에 배치되는 적어도 하나의 안내 튜브를 포함하고, 상기 안내 튜브의 출구는 상기 내부 목부의 길이방향 축으로부터 변위되는 임의의 각도로 지향되는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안내 튜브는 상기 내부 목부의 주변면 주위에 균일하게 배치되는 적어도 두 개의 안내 튜브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 안내 튜브의 출구는 상기 내부 목부의 길이방향 축으로부터 변위되는 0 내지 90 도 범위의 각도로 지향되는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
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