KR102448663B1 - 연소기 돔 댐퍼 시스템 - Google Patents

연소기 돔 댐퍼 시스템 Download PDF

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칼리드 오우메조우드
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에이치2 아이피 유케이 리미티드
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Abstract

본 발명은 예혼합 연소 시스템에서 연소 동력을 제어하기 위한 신규 장치 및 방법을 개시한다. 상기 장치는 소정 댐퍼 체적부 및 연소실과 유체 교통하는 댐퍼를 구비한 공기 공급부를 갖는 복수의 돔 댐퍼들을 구비한 반구형 돔 조립체를 포함한다. 돔 댐퍼들은 연소 챔버로부터 받는 압력파들을 완충하기 위하여 일정 체적의 공기로 가압된다. 하나 이상의 연소기 주파수들은 본 발명을 사용하여 목표달성될 수 있다.

Description

연소기 돔 댐퍼 시스템{COMBUSTOR DOME DAMPER SYSTEM}
관련 출원들의 교차 참조
해당 사항 없음
기술분야
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 연소 시스템에서 연소 동력을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 연소 시스템 내의 압력 변화를 감소시키기 위한 연소기 돔 및 복수의 돔 댐퍼 기구(dome damper mechanism)를 구비한 연소 시스템이 제공된다.
가스 동력 터빈으로부터의 오염물 방출량을 감소시키려는 시도에서, 정부 기관은 산화 질소(NOx) 및 일산화 탄소(CO) 양의 감축을 요구하는 다수의 법령을 시행하였다. 낮은 연소 방출물은 종종 연료 주입기 위치, 기류 속도 및 혼합 유효성에 대한 관점 뿐 아니라, 더욱 효율적인 연소 프로세스에 기여할 수 있다.
초기 연료 시스템은 확산형 노즐을 사용하였고, 여기서 연료는 화염 구역 인근에서 확산에 의하여 연료 노즐 외부에서 공기와 혼합된다. 연료 및 공기가 적절한 연소기 안정성 및 낮은 연소 동력을 유지하기 위하여 고온에서 화학량론적으로 혼합되지 않고 본질적으로 상호작용 시에 연소된다는 사실로 인하여, 확산형 노즐은 역사적으로 비교적 큰 방출물을 생산한다.
연소 기술에서의 향상은 확산형 화염보다 낮은 온도에서 연소되어서 낮은 NOx 방출물을 생산하는 균질한 혼합물을 형성하기 위하여 연소 전에 연료 및 공기를 예혼합하는 개념이다. 예혼합은 연소 구역의 상류에 있는 동안 연료 노즐 내부 또는 외부에서 이루어질 수 있다. 예혼합 연소기의 예는 예혼합 챔버로 각각 연료를 분사하는 복수의 연료 노즐들을 가지며, 상기 예혼합 챔버에서 연료는 연소 챔버로 진입하기 전에 플리넘으로부터의 압축 공기와 혼합된다. 연소 전에 연료 및 공기를 함께 예혼합하면, 연료 및 공기가 더욱 균질한 혼합물을 형성할 수 있게 하고, 상기 더욱 균질한 혼합물은 점화될 때 더욱 완전하게 연소되어서, 낮은 방출물이 생성되게 한다.
그러나, 예혼합 챔버에서의 본질적인 혼합 및 연소 프로세스로 인하여, 연소 시스템 내의 압력은 변화되고 이러한 압력 변화는 적절하게 제어되지 않으면 연소 하드웨어에 손상을 유발할 수 있다.
본 발명은 다단 예혼합 가스 터빈 연소기에서 연소 동력을 감소시키기 위한 장치 및 방법을 개시한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서, 일반적 반구형 단면을 갖는 돔 플레이트, 상기 돔 플레이트에 있는 복수의 개방부들, 및 각각의 개방부를 각각 둘러싸는 복수의 돔 댐퍼들을 구비한, 가스 터빈 연소기를 위한 돔 조립체가 제공된다. 상기 돔 댐퍼들은 캐비티를 구비한 댐퍼 몸체, 상기 댐퍼의 단부에 고정된 제거가능한 커버플레이트, 및 상기 댐퍼 몸체 둘레에 위치한 복수의 퍼지 홀(purge hole)들을 포함한다.
본 발명의 대안 실시예에 있어서, 유동 슬리브 내에 방사상으로 위치한 일반적 원통형 연소 라이너, 및 연소 라이너로 진입하는 공기와 혼합시키기 위하여 연료 유동을 지향시키기 위해 연소의 방사상 외향에 배치된 한 세트의 주요 연료 주입기들을 포함하는, 가스 터빈 연소 시스템이 개시된다. 연소 돔 조립체는 연소 라이너의 입구 단부를 둘러싸고 일반적 반구형 단면을 갖는 돔 플레이트, 및 각각의 개방부를 각각 둘러싸는 복수의 돔 댐퍼들을 구비한다. 각각의 댐퍼들은 댐퍼 몸체 및 댐퍼 체적을 형성하기 위하여 댐퍼 몸체에 고정된 제거가능한 커버플레이트 및 상기 댐퍼 몸체에 위치한 복수의 퍼지 홀들을 가진다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 가스 터빈 연소기에서 연소 동력들의 조절 방법이 제공된다. 상기 방법은 연소기 돔을 구비한 연소 시스템을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 연소기 돔에는 돔 댐퍼에 의해서 각각 둘러싸인 복수의 개방부들이 제공된다. 제어하기 위해 하나 이상의 원하는 연소 주파수들이 결정되고 상기 하나 이상의 원하는 주파수들을 목표로 하는데 필요한 체적이 그 다음 결정된다. 상기 복수의 돔 댐퍼들을 통과하는 원하는 양의 퍼지 공기 유동이 결정되고, 커버플레이트는 각각의 돔 댐퍼의 단부에 고정되고, 상기 각각의 돔 댐퍼에서 커버플레이트는 각각의 댐퍼 내에 원하는 체적을 형성하는 것을 보조하고, 원하는 체적은 상기 연소 시스템 내의 압력 변동들을 적절하게 완충하도록 크기가 충분하다.
본 발명의 추가 실시예에서, 일반적 반구형 단면을 갖는 돔 플레이트, 상기 돔 플레이트에 인접하게 배치된 어댑터 플레이트, 상기 어댑터 플레이트로부터 연장되는 하나 이상의 공진 박스들 및 복수의 돔 댐퍼들을 구비하는, 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체가 제공된다.
본 발명의 추가 장점 및 형태는 하기 설명에서 부분적으로 설명되고 당업자가 하기 설명을 검토할 때 명확해지거나 또는 본 발명을 학습할 수 있다. 본 발명은 이제 특히 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 연소 시스템의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 연소의 일부의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 가스 터빈 연소기의 일부의 대안 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 가스 터빈 연소기의 일부의 단부도.
도 5는 본 발명의 대안 실시예에 따른 도 2의 가스 터빈 연소기의 반대 단부도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2에 도시된 가스 터빈 연소기의 일부에 따른 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 가스 터빈 연소기의 일부의 상세 단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분의 상세 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2에 도시된 가스 터빈 연소기의 일부의 대안 단면도.
도 10은 본 발명의 대안 실시예에 따른 가스 터빈 연소기의 일부의 사시도.
도 11은 도 10의 본 발명의 대안 실시예에 따른 가스 터빈 연소기의 일부의 대안 사시도.
도 12는 본 발명의 대안 실시예에 따른 도 10의 가스 터빈 연소기의 일부의 단부도.
도 13은 본 발명의 대안 실시예에 따른 도 10의 가스 터빈 연소기의 반대 단부도.
도 14는 본 발명의 대안 실시예에 따른 도 10의 가스 터빈 연소기의 단면도.
도 15는 본 발명의 대안 실시예에 따른 도 14의 가스 터빈 연소기의 일부의 댐퍼 부분의 상세 단면도.
도 16은 또다른 대안 실시예에 따른 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분의 상세 단면도.
도 17은 본 발명의 또다른 대안 실시예에 따른 도 16의 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분 및 돔 플레이트 영역의 부분 사시도.
도 18은 추가 실시예에 따른 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분의 상세 단면도.
도 19는 추가 실시예에 따른 도 18의 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분 및 돔 플레이트 영역의 부분 사시도.
도 20은 본 발명의 대안 댐퍼 지지 구성에 따른 가스 터빈 연소기의 일부의 사시도.
도 21은 도 20의 가스 터빈 연소기 구성의 일부의 사시도.
도 22는 도 21의 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분의 상세 사시도.
도 23은 도 21의 가스 터빈 연소기의 댐퍼 부분의 단면도.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 어댑터 플레이트의 전방면의 사시도.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 24의 어댑터 플레이트의 후미면의 사시도.
도 26은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 연소기 동력의 조절 방법의 대략적인 흐름도.
본 발명은 연소 동력의 감소를 보조하도록 예혼합 연소 시스템에서 사용하기 위한 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체를 개시하고 도 1 내지 도 26에 도시된다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 가스 터빈 엔진은 통상적으로 복수의 연소기들을 통합한다. 일반적으로, 논의 목적을 위하여, 가스 터빈 엔진은 본원에 개시된 것과 같은 저방출 연소기들을 포함하고 가스 터빈 엔진에 관한 캔-애뉼러(can-annular) 구성으로 배열될 수 있다. 한 유형의 가스 터빈 엔진(예를 들어, 고중량 가스 터빈 엔진)은 통상적으로 6개 내지 18개의 개별 연소기들을 구비하지만, 이들에 국한되지 않고, 이들은 각각 상술한 구성요소들과 함께 설치되어 있다. 따라서, 가스 터빈 엔진의 유형에 기초하여, 가스 터빈 엔진을 작동시키기 위해 사용된 여러 상이한 연료 회로들이 있을 수 있다.
구체적으로 도 1에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 연소 시스템(100)은 단면으로 도시된다. 가스 터빈 연소 시스템(100)은 중심축(A-A)을 가지며 유동 슬리브(104)와 동축방향이고 유동 슬리브(104) 내에 방사상으로 위치한 일반적 원통형 연소 라이너(102)를 포함한다. 연소 라이너(102)는 입구 단부(106) 및 반대편 출구 단부(108)를 가진다.
가스 터빈 연소 시스템(100)은 또한 연소 라이너(102)의 방사상 외향에 그리고 유동 슬리브(104)의 상류 단부 근위에 배치된 한 세트의 주요 연료 주입기(110)를 포함한다. 도 1에 개시된 연소 시스템(100)은 엔진의 부하에 기초하여 4 스테이지의 연료 분사를 포함하는 다중 스테이지의 예혼합 연소 시스템이다. 그러나, 특정 연료 회로 및 관련 제어 기구는 더 적은 수의 또는 추가의 연료 회로들로 변형될 수 있다는 것이 예상된다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 대해서, 주요 연료 주입기(110)는 연소 라이너(102)의 방사상 외형에 위치하고 연소 라이너(102)에 대한 환형 어레이로 분산된다. 주요 연료 주입기(110)는 2개의 스테이지로 분할되고 제 1 스테이지는 연소 라이너(102)에 대해서 대략 120도로 연장되고 제 2 스테이지는 연소 라이너(102)에 대한 대략 240도로 연장되거나 또는 잔여 환형 부분을 연장시킨다. 주요 연료 주입기(110)의 제 1 스테이지는 연소 라이너(102)에서 주요 1 화염을 발생시키는데 사용되고 주요 연료 주입기(110)의 제 2 스테이지는 연소 라이너에서 주요 2 화염을 발생시킨다.
가스 터빈 연소 시스템은 또한 연소 라이너(102)의 입구 단부(106)를 둘러싸는 연소기 돔 조립체(112)를 포함한다. 연소기 돔 조립체(112)는 상기 세트의 주요 연료 주입기(110) 근위로부터 돔 플레이트(114)로 연장되고, 상기 돔 플레이트(114)는 연소 라이너(102)의 입구 단부(106) 전방 거리에 배치되고 연소 라이너(102)로 거리를 연장시키도록 선회하는 돔 플레이트(114)를 갖는 일반적 반구형 단면을 가진다. 연소기 돔 조립체의 형상은 또한 도 6에 도시된다. 이제 도 2 내지 도 9에 있어서, 연소기 돔 조립체(112)는 돔 플레이트(114)에 있는 복수의 개방부들(116)을 포함하고, 각각의 개방부들(116)은 직경(D) 및 목 길이(L)를 가진다. 양호하게는, 개방부들(116)은 원형 단면을 갖지만, 다른 형상들도 가능하다. 개방부들(116)는 양호하게는 연소 시스템(100)의 중심축(A-A)과 평행하게 되도록 돔 플레이트(114)에서 배향된다. 복수의 돔 댐퍼들(118)은 연소 라이너의 반대편인, 돔 플레이트(114)로부터 멀리 연장된다. 도 8에 있어서, 돔 댐퍼들(118)은 개방부들(116) 중 하나를 둘러싸고 내부에 위치한 개방부를 갖는 댐퍼 몸체(120)를 포함한다. 따라서, 돔 플레이트(114)에 대해서, 돔 댐퍼들(118)은 연소 시스템(100)의 중심축(A-A) 둘레에 환형 어레이로 배향된다. 제거가능한 커버 플레이트(122)는 댐퍼 체적(124)을 형성하기 위하여 개방부(116)의 반대편인 댐퍼 몸체(120)의 단부에 고정된다. 댐퍼 몸체(120)는 또한 복수의 퍼지 홀들(126)을 포함한다.
돔 댐퍼들(118)은 연소 라이너(102) 내의 압력 변동을 완충시키기에 충분한 공기 체적을 제공하기 위하여 소정의 공기 체적을 형성하는 방식으로 연소 라이너(102)로부터 멀리 연장된다. 돔 댐퍼들(118)에는 퍼지 홀(126)을 통해서 압축 공기가 공급되고, 상기 퍼지 홀은 본 발명의 일 실시예에서 댐퍼 몸체(120)의 측부를 따라 위치하고 충분한 공기 체적이 댐퍼 체적(124)에 제공되는 것을 보장하도록, 수량 및 직경 모두에서 크기설정된다. 퍼지 홀(126)의 정확한 위치 및 간격은 변화될 수 있다. 즉, 퍼지 홀(126)은 커버 플레이트(122) 또는 댐퍼 몸체(120)에 대해서 위치할 수 있다.
작동 시에, 연소기로부터의 압력파는 돔 플레이트(114)를 향하여 상류로 이동하고 돔 플레이트(114)에 있는 개방부들(116)을 통과하여 댐퍼 몸체(120) 및 커버 플레이트(122)에 의해서 형성된 댐퍼 체적(124) 안으로 진입한다. 일단, 댐퍼 체적(124)에서, 상기 파는 그 다음 압축 공기의 체적과 마주친다. 공기의 초과 체적은 스프링 및 충격파가 차량의 이동에 대응하게 작동하는 방식과 유사한 도래파(incoming wave)의 위상에서 벗어난 파를 발생시키도록 작용한다. 즉, 댐퍼의 공기 체적은 연소기를 통해서 이동하는 압력파에 대응한다.
상술한 바와 같이, 돔 댐퍼들(118) 및 대응 댐퍼 체적(124)은 연소 시스템에서 압력 진동 또는 특정 주파수에 대응하기 위하여 댐퍼에 대한 특정 공진 주파수를 구체적으로 목표로 하도록 크기설정된다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 댐퍼의 공진 주파수를 위한 기본 공식은 fres = c/2/
Figure 112017031148470-pct00001
*sqrt(Aneck/Lneck,eff/Vdamper)이고, fres는 댐퍼의 공진 주파수이고, c는 음속이고, Aneck는 완충 체적을 연소기에 연결하는 개방부(116)의 단면적이고, Lneck,eff는 개방부(116)의 유효 길이(L)이고 Vdamper는 댐퍼의 체적이다. 그러므로, 개방부(116)의 단면적, 그 길이(L) 및 체적(124)을 변경하는 것은 댐퍼의 공진 주파수에 각각 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 댐퍼의 체적을 감소시키면 댐퍼의 공진 주파수를 증가시키며, 댐퍼의 체적을 증가시키면, 댐퍼의 공진 주파수를 낮춘다. 더우기, 개방부(116)의 길이(L) 또는 개방부의 "목부"도 역시 변화될 수 있다. 즉, 목 면적의 길이(L)가 증가하면, 댐퍼의 공진 주파수는 감소하고 목 면적의 길이(L)가 감소하면, 댐퍼의 공진 주파수가 증가한다. 댐퍼의 공진 주파수를 결정하기 위한 최종 변수는 개방부(116)의 면적이다. 개방부(116)의 면적이 큰 직경(D)을 통해서 증가하면, 댐퍼의 공진 주파수는 증가하고, 개방부(116)의 면적이 작은 직경(D)을 통해서 감소하면, 댐퍼의 공진 주파수는 감소한다. 그러므로, 완충하려는 주파수에 따라서, 댐퍼의 여러 요소들은 하나 이상의 특정 주파수들을 목표로 하도록 변형될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 예혼합 유형의 연소 시스템에서 돔 댐퍼 구조체에 의해서 목표로 되는 주파수들에 대해서, 1 내지 lOkHz 범위에 있는 고주파수들(스크리치;screech)은 통상적으로 큰 관심사항이다. 그러나, 50 내지 500Hz 범위에 있는 저주파수들도 역시 목표로 되고 있다. 스크리치 또는 고주파수들을 목표로 할 때, 통상적인 댐퍼 치수들은 대략 5mm 내지 25mm의 목 길이(L) 및 대략 5mm 내지 15mm의 목 직경(D)을 포함한다. 저주파수들을 목표로 할 때, 통상적인 목 길이(L)는 대략 20mm 내지 200mm 정도 길어지고, 목 직경(D)은 대략 10mm 내지 100mm이다. 이와 같이, 기하학적 요구조건을 기재하는 하나의 방식은 직경(D) 대 목 길이(L)의 비율이고, 이는 본 발명의 일 실시예에서, 대략 0.2 내지 2.0이다.
퍼지 홀(126)에 대해서, 모든 퍼지 홀(126)의 동일 면적은 댐퍼를 통한 전체 질량 유동 및 그에 따른 목부의 속도를 형성하고, 이는 교대로 완충 특성을 형성한다. 퍼지 홀(126)의 전체 면적은 개방부(116)의 면적 또는 Aneck과 비교할 때 일반적으로 작아서, 댐퍼를 가로지르는 대부분의 압력 강하는 퍼지 홀(126)에서 발생된다. 예를 들어, 모든 퍼지 홀(126)의 전체 면적은 Aneck(또는 개방부(116)의 면적)보다 대략 10% 작다. 도 1 내지 도 9 및 구체적으로 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예에 대해서, 각각의 댐퍼 몸체(120)는 6개의 퍼지 홀(126)을 가진다. 통상적으로 유동 속도가 클 수록 더욱 많은 퍼지 홀(126)이 필요하다.
상술한 바와 같이, 댐퍼의 공진 주파수를 조정하기 위해 조정될 수 있는 3개의 주요 변수들 즉, 목의 면적[그에 따른 직경(D)], 목의 길이[길이(L)] 및 댐퍼의 체적이 있다. 그러나, 실제 관점으로서, 일단 하드웨어가 작동 중에 제조되었다면 상기 모든 변수들이 변화될 수 있는 것은 아니며, 연소기의 상이한 주파수가 완충되어야 한다는 것이 결정된다. 예를 들어, 완성된 연소 시스템에서 개방부의 길이(L) 및 개방부(116)의 크기를 변화시키는 것은 어렵다. 그러나, 변형될 수 있는 이러한 하나의 변수는 댐퍼의 체적이다. 도 2, 도 4, 및 도 6 내지 도 8에 도시된 구성에 대해서, 댐퍼 체적(124)은 제거가능한 커버플레이트(122) 또는 플러그형 플레이트를 통해서 변형될 수 있다. 제거가능한 커버플레이트(122)는 스냅 링, 클립, 나사형 몸체 또는 볼트와 같은 제거가능한 고정자(128)에 의해서 댐퍼 몸체(120)에 고정된다. 이 고정 기구는 커버플레이트(122)를 제거하고 이를 상이한 크기의 커버플레이트로 교체하여, 상이한 댐퍼 체적(124)이 얻어지게 하는 용이한 방식을 제공한다. 커버플레이트(122)의 교체 프로세스를 용이하게 하기 위하여, 각각의 커버플레이트는 통상적으로 커버플레이트(122)의 제거를 보조하는 공구가 놓여질 수 있는 리세스 포켓(130)을 가진다. 그후, 신규 커버플레이트(122)는 제자리에 놓여지고 하나 이상의 댐퍼 몸체(120)에 고정될 수 있다.
도 1 내지 도 9에 도시된 댐퍼 몸체(120)는 일반적으로 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적으로 원통형이고 중심축에 대한 환형 어레이로 배향된다. 그러나, 댐퍼들은 원통형 구성에 한정되지 않고, 사실 일반적으로 요구되는 임의의 형상 및 수량을 취할 수 있다. 본 발명의 대안 실시예는 도 10 내지 도 15에 상세하게 도시된다. 본 발명의 이러한 대안 실시예에서, 하나 이상의 공진 박스(200)는 돔 플레이트 및 개방부(202)에 대해서 고정된다. 개방부(202)의 크기(직경 및 목 길이)는 도 14 및 도 15에 도시된 나사형 인서트(203)에 의해서 제어된다. 목 길이 및 직경은 단일 나사형 인서트에 의해서 제어될 수 있다. 공진 박스(200)는 도 1 내지 도 9에 도시된 작은 원통형 댐퍼보다 큰 체적을 제공한다. 도 1 내지 도 9의 유사 연소 시스템에 대해서, 24개의 원통형 댐퍼들 대신에, 6개의 공진 박스들이 사용된다. 그러나, 원통형 댐퍼들 및 공진 박스들의 수는 더 적은 수의 또는 추가의 댐퍼들 또는 박스들을 포함하도록 변형될 수 있다는 것이 고려된다. 원통형 댐퍼 몸체(120)와 유사한, 공진 박스(200)는 또한 공진 박스(200) 안으로 압축 공기를 공급하기 위한 퍼지 홀(204)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 퍼지 홀(204)의 배치는 또한 공진기(200) 및/또는 커버플레이트(206)에 대해서 변화될 수 있다. 이전 구성의 원통형 댐퍼 몸체와는 다른, 공진 박스(200)의 커버플레이트(206)는 양호하게는 볼트(208)와 같은 수단에 의해서 공진 박스(200)에 체결된다.
원통형 댐퍼 몸체들과 유사한, 역시 공진 박스(200)의 공진 주파수를 변화시킬 수 있는 3개의 팩터는 목의 면적[그에 따른 직경(D)], 목의 길이[길이(L)] 및 공진 박스의 체적이다. 그러나, 작동 중에, 상이한 주파수가 완충되어야 한다고 결정되면, 일단 하드웨어가 제조되었다면 모든 상기 변수들이 변화되는 것은 아니다. 제조 후에 비교적 용이하게 변화될 수 있는 하나의 변수는 공진 박스의 체적이다. 커버플레이트(206)는 제거되고 그 두께로 인하여 공진 박스(200)에서 체적을 증가 또는 감소시키는 상이한 크기의 커버플레이트로 교체될 수 있다.
본 발명의 대안 실시예에서, 상술한 완충 기구의 다양한 조합은 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 공진 박스(200) 내에 배치된 돔 댐퍼(118)를 사용할 수 있다. 대안으로, 돔(즉, 개별 댐퍼 몸체가 아니라)에 단일 개방부를 갖는 공진 박스(200)를 사용할 수 있다.
상술한 댐퍼 몸체들은 일반적으로 중심축(A-A)에 동축방향으로 도시된다. 그러나, 돔 댐퍼(118) 및/또는 공진 박스(200)는 또한 중심축(A-A)에 대해서 일정각도로 배향될 수 있다. 이러한 댐퍼 몸체들이 각도형성되는 경우에는, 대응 개방부(116,202)가 있다. 각도형성 개방부는 댐퍼 공기 유동이 앵커링 화염과의 간접 상호작용을 제공하면서 연소 화염과의 상호작용을 가능하게 한다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 하나 초과의 임계 주파수에 대응하도록 구성된 댐퍼들을 통해서 연소 시스템에서 다수의 임계 주파수들을 목표로 할 수 있다. 예를 들어, 연소기는 제 1 주파수를 목표로 하여 지향된 제 1 개방부 직경, 면적, 체적 및 목 길이를 갖는 제 1 세트의 댐퍼들 및 상기 제 1 세트의 댐퍼들과 상이한 주파수를 목표로 하여 지향된 제 2 개방부 직경, 면적, 체적 및 목 길이를 갖는 제 2 세트의 댐퍼들을 가질 수 있다. 제 1 세트의 댐퍼들 및 제 2 세트의 댐퍼들의 수량은 요구대로 변화될 수 있다.
상술한 실시예들에서, 댐퍼의 기본적 기하학적 형태는 하나의 목 길이를 갖는 단일 체적이고 유효 면적이 개시된다. 그러나, 댐퍼 몸체들에 대한 더욱 복잡한 기하학적 형태들이 본 발명에서 사용될 수 있다는 것이 예상된다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 다수의 주파수들은 축방향 일렬로 배열된 다수의 체적들을 갖는 댐퍼 몸체를 통해서 목표로 될 수 있고, 일련의 체적들 및 목부들은 다수의 체적 댐퍼를 형성한다.
상술한 바와 같이, 도 1에 개시된 예혼합 연소기 상의 제위치의 댐퍼 기구 없이도, 예혼합 연소기의 동작은 제한된다. 예를 들어, 도 1의 연소 시스템과 유사한 연소 시스템에 대해서, 0.5psi 변동량의 일반 연소 동력은 연소 하드웨어에 의해서 허용될 수 있다. 본원에 개시된 댐퍼 시스템을 실행함으로써, 대략 1 psi 초과의 압력 변동을 포함하는, (연소 동력이 증가한) 큰 압력 변동도 허용될 수 있다. 댐퍼 시스템은 임계 진동 수준의 충격을 감소시킴으로써 연소 동력의 악영향을 감소시키는 것을 보조한다.
본 발명의 또다른 실시예는 도 16 내지 도 25에 개시된다. 상술한 바와 같이, 복수의 댐퍼 몸체(120) 및 공진 박스(200)는 돔 플레이트(114)에 설치된다. 그러나, 돔 플레이트(114)는 곡면을 가지며, 이는 상기 하드웨어를 설치할 때 어려움을 제공할 수 있다. 더우기, 이러한 연소기 구성은 또한 복잡한 기하학적 형태들로 인하여 제조하기에 상당한 비용을 소모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 포함될 수 있는 추가 형태는 공진 박스(200) 또는 돔 댐퍼(118) 및 돔 플레이트(114) 사이에 배치된 어댑터 플레이트(300)이다. 어댑터 플레이트(300)는 댐퍼들을 연소기의 돔 플레이트(114)에 설치하고 고정하는 개선된 방식을 제공하기 위하여 공진 박스 또는 댐퍼 몸체와 연계하여 사용되어도, 동일한 일반적 구성 및 기능을 가진다.
도 16 내지 도 19에 있어서, 어댑터 플레이트(300)는 복수의 돔 댐퍼(118)를 특징으로 하는 본 발명의 실시예에 대해서 도시된다. 어댑터 플레이트(300)는 전방면(302) 및 상기 전방면(302)에서 일정 거리 이격되고 상기 전방면(302)과 평행한 후미면(304)을 포함한다. 어댑터 플레이트(300)는 복수의 고정자들에 의해서 돔 플레이트(114)에 고정되거나 또는 용접 또는 브레이징에 의해서 돔 플레이트(114)에 영구적으로 고정될 수 있다.
어댑터 플레이트(300)는 또한 제 1 복수의 플레이트 개방부(306)를 포함한다. 이들 개방부(306)는 댐퍼 체적(124)이 돔 플레이트(114) 내부의 연소기 체적과 유체 교통하도록 돔 플레이트(114)에 있는 개방부(116)에 대응한다. 복수의 돔 댐퍼(118)는 어댑터 플레이트(300)의 전방면(302)으로부터 연장된다. 돔 댐퍼(118)는 어댑터 플레이트(300)와 통합되거나 또는 브레이징 또는 용접을 통해서 어댑터 플레이트(300)에 개별적으로 부착될 수 있다. 돔 댐퍼(118)는 도 16 및 도 17에 도시된 어댑터 플레이트(300)와 직각으로 설치되거나 또는 돔 댐퍼(118)는 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이 돔 댐퍼(118)에 대해서 일정 각도로 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 변형예에서, 어댑터 플레이트(300)는 도 24 및 도 25에 도시된 약간 상이한 구성을 취할 수 있다. 특히, 어댑터 플레이트(300)는 전방면(312) 및 반대 후미면(314)을 가진다. 후미면(314)은 돔 플레이트(114)의 곡면 프로파일에 정합하도록 크기설정되고 성형된 윤곽 부분(308)을 포함한다.
어댑터 플레이트(300)의 대안 변형예는 도 20 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 대안 돔 댐퍼 구성, 공진 박스(200)와 함께 사용될 때 볼 수 있다. 도 20 내지 도 23에 있어서, 도 10 내지 도 15의 것과 유사한 공진 박스(200)를 통합하는 연소기 돔 조립체가 개시된다. 그러나, 도 20 내지 도 23에 도시된 실시예에 대해서, 공진 박스(200)는 이전에 도 24 및 도 25에 도시되고 미리 기술된 어댑터 플레이트(300)를 통해서 돔 플레이트(114)에 설치된다. 특히, 도 24 및 도 25에 도시된 어댑터 플레이트(300)는 제 1 복수의 플레이트 개방부(310)를 포함하고, 댐퍼 몸체/체적은 상기 제 1 복수의 플레이트 개방부를 통해서 연소기와 교통한다. 어댑터 플레이트(300)는 또한 제 2 복수의 플레이트 개방부(315)를 포함한다. 어댑터 플레이트(300)는 또한 어댑터 플레이트(300)에 대해서 환형 어레이로 이격된 제 3 복수의 개방부(318)를 포함한다. 제 3 복수의 개방부(318)는 어댑터 플레이트(300)에 고정된 고정자(320)를 각각 포함하고, 상기 고정자(320)는 도 22에 도시된 바와 같이 하나 이상의 공진 박스(200)를 어댑터 플레이트(300)에 고정하는데 사용된다.
돔 댐퍼(324)는 일반적으로 어댑터 플레이트(300)에 직각으로 연장될 수 있다. 대안으로, 그리고 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 돔 댐퍼(324)는 또한 어댑터 플레이트(300)에 대해서 일정 각도로 배향될 수 있다. 공진 박스(200) 또는 돔 댐퍼(118)가 사용되든지, 어댑터 플레이트(300)는 댐퍼 구성을 돔 플레이트(114)에 고정하고 위치시키는 개선된 방식을 제공한다.
도 26에 있어서, 본 발명의 대안 실시예는 가스 터빈 연소기에서 연소 동력을 조절하는 방법(2600)을 개시한다. 단계(2602)에서, 돔 플레이트에 복수의 개방부들을 갖는 돔 플레이트를 포함하는 연소기 돔 조립체를 구비한 연소 시스템이 제공되고, 각각의 개방부들은 직경 및 목 길이를 가진다. 연소 시스템은 또한 돔 플레이트에 있는 각각의 개방부를 둘러싸는 복수의 돔 댐퍼들을 포함한다. 단계(2604)에서, 제어될 하나 이상의 원하는 연소 주파수들이 결정된다. 상술한 바와 같이, 제어될 주파수는 스크리치와 같은 고주파수 또는 저주파수일 수 있다. 단계(2606)에서, 단계(2604)에서 식별된 하나 이상의 주파수들을 목표로 하는데 필요한 돔 댐퍼들의 원하는 체적이 결정된다. 그 다음, 단계(2608)에서, 돔 댐퍼들 안으로 흐르는 원하는 양의 퍼지 공기가 결정된다. 단계(2610)에서, 커버플레이트는 돔 댐퍼들의 적어도 일 단부에 고정되고, 커버플레이트는 단계(2606)에서 결정된 댐퍼들에 대한 원하는 체적을 형성하기 위하여 제위치에 배치된다. 그 다음, 단계(2612)에서, 단계(2606)에서 결정된 각각의 댐퍼의 원하는 체적이 연소기 주파수를 변경시키기에 충분한지에 대한 결정이 이루어진다. 이러한 결정은 통상적으로 연소 시스템의 작동 결과로서 이루어진다. 댐퍼 체적이 불충분한 것으로 결정되면, 그 다음 단계(2614)에서, 댐퍼의 공진 주파수에 영향을 미치는 하나 이상의 변수들, 예를 들어, 목 길이, 개방부 직경 또는 댐퍼 체적이 변경되도록 결정되고 프로세스는 원하는 댐퍼 체적을 결정하기 위하여 단계(2606)로 복귀한다. 만약, 원하는 댐퍼 체적이 원하는 연소 주파수를 완충하기에 충분한 것으로 단계(2612)에서 결정하면, 그 다음 프로세스는 단계(2616)에서 종결된다.
본 발명은 양호한 실시예로서 공지된 것으로 기재되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 국한되지 않고, 반대로 하기 청구범위의 범주 내에서 다양한 변형 및 동등 배열을 커버하도록 의도된 것을 이해해야 한다. 본 발명은 제한적이라기 보다는 예시적인 것으로 의도된 특정 실시예에서 대해서 기술되었다.
상술한 설명으로부터, 본 발명은 명백하고 본질적으로 시스템 및 방법인 다른 장점들과 함께 상술한 모든 목적 및 의도에 도달하도록 구성된 것이라는 것을 알 수 있다. 임의의 형태 및 하위 조합들이 사용될 수 있고 다른 형태 및 하위 조합 없이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이는 청구범위 내에서 청구범위에 의하여 고려된다.

Claims (24)

  1. 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체로서,
    반구형 단면을 갖는 돔 플레이트로서, 상기 돔 플레이트는 연소 라이너에 대한 입구를 둘러싸되, 상기 돔 플레이트의 오목면은 상기 연소 라이너에 대한 상기 입구를 향하고 상기 돔 플레이트의 반대편의 볼록면은 상기 연소 라이너 반대편을 향하는, 상기 돔 플레이트;
    상기 돔 플레이트에 있는 복수의 개방부들로서, 각각의 개방부는 직경 및 목 길이를 갖고, 상기 목 길이는 길이방향 축을 한정하며, 상기 길이방향 축은 상기 가스 터빈 연소 시스템의 중심축과 평행하게 되도록 상기 돔 플레이트 상에 배향되는, 상기 복수의 개방부들; 및
    상기 돔 플레이트의 반구형 단면의 정점에 배치되고 상기 돔 플레이트의 볼록면으로부터 멀어지게 연장하며 상기 연소 라이너에 대한 상기 입구의 외부에 그리고 상기 연소 라이너의 상류에 배치된 복수의 돔 댐퍼(dome damper)들로서, 상기 돔 댐퍼들 각각은 상기 돔 플레이트에 있는 각각의 개방부를 둘러싸는, 상기 복수의 돔 댐퍼들;을 포함하고,
    상기 돔 댐퍼들 각각은:
    내부에 위치한 캐비티를 구비한 댐퍼 몸체;
    댐퍼 체적부를 형성하기 위하여 상기 댐퍼 몸체의 적어도 일 단부에 제거가능하게 고정된 커버 플레이트로서, 상기 커버 플레이트는 스냅 링, 클립, 나사형 몸체, 및 볼트로 이루어지는 그룹 중 하나에 의해서 상기 댐퍼 몸체에 제거가능하게 고정되는, 상기 커버 플레이트; 및
    상기 댐퍼 몸체 둘레에 위치한 복수의 퍼지 홀(purge hole)들;을 포함하는, 돔 조립체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 돔 댐퍼들은 상기 중심축 둘레에 환형 어레이로 배향되는, 돔 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 댐퍼 몸체는 단면이 원통형인, 돔 조립체.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 퍼지 홀들은 상기 댐퍼 몸체의 원주 둘레에 위치하는, 돔 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 댐퍼 몸체는 공진 박스(resonator box)로 이루어지는, 돔 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 공진 박스의 커버 플레이트는 상기 공진 박스에 볼트 체결되는, 돔 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 직경 대 목 길이의 비율은 0.2 내지 2.0인, 돔 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 돔 댐퍼들은 고주파수 및 저주파수를 모두 제어할 수 있는, 돔 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 돔 댐퍼들은 상이한 댐퍼 체적부들을 갖는, 돔 조립체.
  12. 가스 터빈 연소 시스템으로서,
    중심축을 갖는 원통형 연소 라이너로서, 상기 원통형 연소 라이너는 유동 슬리브와 동축방향으로 위치하되 상기 유동 슬리브 내에 방사상으로 위치하며, 입구 단부 및 반대편 출구 단부를 갖는, 상기 원통형 연소 라이너;
    상기 연소 라이너의 방사상 외향 및 상기 유동 슬리브의 상류 단부 근위에 배치된 한 세트의 주요 연료 주입기들; 및
    상기 연소 라이너의 입구 단부를 둘러싸고 상기 세트의 주요 연료 주입기들 근위로부터 반구형 단면을 갖는 돔 플레이트로 연장되는 연소기 돔 조립체로서, 상기 돔 플레이트는 상기 연소 라이너의 입구 단부의 일정 전방 거리에 배치되고 상기 연소 라이너 내로 일정 거리로 연장되도록 선회하며, 상기 돔 플레이트는 상기 연소 라이너에 대한 입구를 향하는 오목면과 상기 연소 라이너 반대편을 향하는 반대편의 볼록면을 갖는, 상기 연소기 돔 조립체;를 포함하고,
    상기 연소기 돔 조립체는:
    상기 돔 플레이트에 있는 복수의 개방부들로서, 상기 복수의 개방부들 각각은 직경 및 목 길이를 갖고, 상기 목 길이는 길이방향 축을 한정하며, 상기 길이방향 축은 상기 연소 라이너의 중심축과 평행하게 되도록 상기 돔 플레이트 상에 배향되는, 상기 복수의 개방부들; 및
    상기 돔 플레이트의 반구형 단면의 정점에 배치되고 상기 돔 플레이트의 볼록면으로부터 멀어지게 연장하며 상기 연소 라이너에 대한 입구의 반대편 외부에 그리고 상기 연소 라이너의 상류에 배치된 복수의 돔 댐퍼들로서, 상기 돔 댐퍼들 각각은 상기 돔 플레이트에 있는 각각의 개방부를 둘러싸는, 상기 복수의 돔 댐퍼들;을 포함하고,
    상기 돔 댐퍼들 각각은:
    내부에 위치한 캐비티를 구비한 댐퍼 몸체;
    댐퍼 체적부를 형성하기 위하여 상기 댐퍼 몸체의 적어도 일 단부에 제거가능하게 고정된 커버 플레이트로서, 상기 커버 플레이트는 스냅 링, 클립, 나사형 몸체, 및 볼트로 이루어지는 그룹 중 하나에 의해서 상기 댐퍼 몸체에 제거가능하게 고정되는, 상기 커버 플레이트; 및
    상기 댐퍼 몸체 둘레에 위치한 복수의 퍼지 홀들;을 포함하는, 가스 터빈 연소 시스템.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 댐퍼 몸체는 단면이 원통형인, 가스 터빈 연소 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 댐퍼 몸체는 공진 박스로 이루어지는, 가스 터빈 연소 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 돔 댐퍼들은 상기 중심축 둘레에 환형 어레이로 배향되는, 가스 터빈 연소 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 직경 대 목 길이의 비율은 0.2 내지 2.0인, 가스 터빈 연소 시스템.
  18. 가스 터빈 연소기에서 연소 동력들의 조절 방법으로서,
    연소기 돔 조립체를 구비한 연소 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 연소기 돔 조립체는 반구형 돔 플레이트를 구비하되, 상기 돔 플레이트에 복수의 개방부들이 있고, 상기 돔 플레이트는 연소 라이너에 대한 입구를 향하는 오목면과 상기 연소 라이너 반대편을 향하는 반대편의 볼록면을 가지며, 상기 복수의 개방부들은 직경 및 목 길이를 갖고, 상기 목 길이는 길이방향 축을 한정하며, 상기 길이방향 축은 상기 연소 시스템의 중심축과 평행하게 되도록 상기 돔 플레이트 상에 배향되고, 상기 연소기 돔 조립체는 또한 상기 반구형 돔 플레이트의 정점에 배치되고 상기 반구형 돔 플레이트에 있는 각각의 개방부를 둘러싸는 복수의 돔 댐퍼(dome damper)들을 구비하고, 상기 복수의 돔 댐퍼들은 상기 돔 플레이트의 볼록면으로부터 멀어지게 연장하며 상기 연소 라이너에 대한 상기 입구의 외부에 그리고 상기 연소 라이너의 상류에 배치되고, 상기 돔 댐퍼들 각각은 댐퍼 몸체를 포함하는, 상기 연소 시스템을 제공하는 단계;
    제어될 하나 이상의 원하는 연소 주파수를 결정하는 단계;
    상기 하나 이상의 원하는 연소 주파수를 얻기 위해 상기 복수의 돔 댐퍼들에 대한 원하는 체적부를 결정하는 단계;
    상기 복수의 돔 댐퍼들을 통과하는 원하는 퍼지 공기 유동을 결정하는 단계; 및
    상기 댐퍼 몸체들의 각각의 내에 상기 원하는 체적부를 형성하기 위하여 각각의 댐퍼 몸체의 적어도 일 단부에 커버 플레이트를 제거가능하게 고정하는 단계로서, 상기 원하는 체적부는 상기 연소 시스템 내의 압력 변동들을 적절하게 완충하도록 충분한 체적을 제공하고, 상기 커버 플레이트는 스냅 링, 클립, 나사형 몸체, 및 볼트로 이루어지는 그룹 중 하나에 의해서 상기 댐퍼 몸체에 제거가능하게 고정되는, 상기 고정하는 단계;를 포함하는, 조절 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 돔 댐퍼들의 각각의 원하는 체적부가 충분한지를 결정하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 돔 댐퍼들의 체적부가 불충분한 것으로 결정할 때, 상기 목 길이, 상기 직경, 또는 상기 원하는 체적부 중 하나 이상이 변경되는, 조절 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 복수의 돔 댐퍼들에 대한 상기 원하는 체적부는 2 이상의 대응 연소 주파수들을 제어하기 위하여 상이한 크기의 2 이상의 체적부들을 포함하는, 조절 방법.
  21. 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체로서,
    반구형 단면을 갖는 돔 플레이트로서, 상기 돔 플레이트는 연소 라이너에 대한 입구를 포함하고 제 1 직경을 각각 갖는 복수의 플레이트 개방부들을 내부에 구비하는, 상기 돔 플레이트;
    상기 돔 플레이트에 인접하게 배치된 어댑터 플레이트로서,
    전방면;
    후미면;
    상기 어댑터 플레이트에 있는 제 1 복수의 플레이트 개방부들;
    상기 어댑터 플레이트에 있는 제 2 복수의 플레이트 개방부들을 포함하는, 상기 어댑터 플레이트;
    상기 어댑터 플레이트로부터 연장되고 상기 돔 플레이트에 있는 상기 복수의 플레이트 개방부들 중 하나 이상을 둘러싸는 하나 이상의 공진 박스; 및
    상기 어댑터 플레이트로부터 그리고 상기 하나 이상의 공진 박스 안으로 연장되는 복수의 돔 댐퍼들로서, 상기 복수의 돔 댐퍼들 각각은 상기 돔 플레이트에 있는 상기 복수의 플레이트 개방부들 중 하나 내에 배치된, 상기 복수의 돔 댐퍼들;을 포함하는, 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 돔 댐퍼는 상기 어댑터 플레이트에 있는 개방부 및 상기 돔 플레이트에 있는 개방부를 통해서 연장되는, 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 어댑터 플레이트는 상기 돔 플레이트에 제거가능하게 고정되는, 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 어댑터 플레이트는 상기 어댑터 플레이트를 상기 돔 플레이트에 정합시키기 위해 상기 후미면에 있는 윤곽형 부분을 추가로 포함하는, 가스 터빈 연소 시스템을 위한 돔 조립체.
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