KR20150102723A - 그레이징 유동을 갖는 챔버들을 위한 음향 감쇠 장치 - Google Patents

그레이징 유동을 갖는 챔버들을 위한 음향 감쇠 장치 Download PDF

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KR20150102723A
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프랑클린 마리 게닌
데비스 토논
미르코 루벤 보티엔
더글라스 안토니 펜넬
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

그레이징 가스 유동(19,19.2)을 음향 감쇠기(11)의 마우스(17)로부터 멀리 편향시키기 위하여 밀봉 가스(29)를 위한 적어도 하나의 개방부(27)를 포함하는 음향 감쇠 장치가 제안된다.

Description

그레이징 유동을 갖는 챔버들을 위한 음향 감쇠 장치{ACOUSTIC DAMPING DEVICE FOR CHAMBERS WITH GRAZING FLOW}
본 발명은 연소 동력(combustion dynamics)의 음향 감쇠에 관한 것이다. 본 출원의 취지에서 연소 동력은 맥동, 음향 진동, 압력 및 속도 변화와 일상적인 "잡음"으로 칭하는 것을 포함한다.
연소 동력은 가스 터빈의 연소기에서 예를 들어 연료 공급의 변화의 결과로 인하여 발생한다. 과도한 압력 변동은 결과적으로 기계 구성요소들의 손상을 유발시킬 수 있다. 단순화의 이유로 인하여 차후 용어 "챔버"가 사용되고 연소 동력이 발생되는 모든 위치들을 포함한다. 이들 챔버들에서, 가스(예를 들어, 연료 및 공기 또는 고온 연소 가스의 혼합물)는 고속으로 유동한다.
이들 연소 동력을 감소시키기 위하여, 헤름홀츠 공진기, 1/2 파장 튜브, 1/4 파장 튜브 또는 가스의 관통 유동을 갖는 또는 가스의 관통 유동 없는 다른 유형의 감쇠 장치를 설치하는 것이 당분야에서 널리 공지되어 있다.
상기 음향 감쇠 장치는 하나 이상의 공진 주파수들을 가질 수 있다. 가스 터빈의 작동 상태에서 연소 동력이 음향 감쇠 장치의 공진 주파수들을 자극한다면, 연도 동력은 감소하거나 또는 감쇠된다.
도 1은 반사율(Y-축)과 주파수로부터의 의존성을 도시한다.
라인 1은 약 300 헤르츠의 공진 주파수를 갖는 음향 감쇠 장치를 사용할 때의 이론적 반사율을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 300 헤르츠의 주파수에서, 반사율은 약 0.5의 상대 최소값을 가진다. 약 225 헤르츠와 375 헤르츠의 주파수에서, 반사율은 약 0.75의 국부적 최대값을 가진다.
예를 제공하기 위하여: 가스 터빈의 연소 챔버는 300 헤르츠의 공진 주파수를 갖는 음향 감쇠 흡수기가 설비된다. 이 연소 챔버의 작동 상태에서 300 헤르츠의 주파수들을 포함하는 진동이 뒤따를 것으로 가정하면, 300 헤르츠에서 반사율의 국부적 최소값으로 인하여 300 헤르츠의 주파수를 갖는 진동은 효과적으로 감쇠 및 감소될 것으로 예상할 수 있다.
기술적 실험에서, 출원인은 측정값을 취하고 이론적 반사율(라인 1)과 비교하고, 주파수에서 취해진 측정값은 50 헤르츠 및 400 헤르츠 사이의 범위에 있다.
측정된 값은 도 1에서 도트(3)에 의해서 표시된다. 측정된 값을 이론적 반사율(라인 1)과 비교함으로써, 250 헤르츠 내지 350 헤르츠 범위에서 측정된 값 3은 예상되는 바와 같이 국부적 최소값으로 나타나지 않는다. 다시 말해서: 음향 감쇠 장치는 충분히 작동하지 않는다.
본 발명의 목적은 작동 상태의 가스 터빈을 효과적으로 감소시킬 수 있고 따라서 임의의 주파수에서 가스 터빈의 작동으로부터 발생되는 연소 역학을 효과적으로 감소시킬 수 있는 음향 감쇠기를 제공하는 것이다.
이 목적은 목부와 감쇠 체적부를 포함하는 음향 감쇠기를 사용하여 달성되었고, 여기서 상기 목부는 챔버와 유체 연결되는 마우스를 포함하고, 상기 챔버는 상기 목부의 마우스에 인접하게 위치하는 밀봉 가스를 위한 적어도 하나의 개방부를 포함한다.
적어도 하나의 개방부를 통해서 챔버 안으로 유동하는 밀봉 가스, 공기 또는 임의의 다른 적당한 가스는 그레이징 유동(grazing flow)으로부터 감쇠기의 마우스를 보호하는 "펜스" 또는 차폐 효과를 가진다. 청구된 발명에 있어서, 그레이징 유동은 감쇠기의 마우스를 포함하는 벽과 다소 평행한 가스의 유동이다. 이 그레이징 유동은 감쇠기의 목부와 다소 직각인 주방향 또는 양호한 방향을 가지므로 목부와 마우스를 통해서 감쇠 체적부 안으로의 가스의 편향 유동을 교란시킬 수 있다.
감쇠기의 마우스에 인접하게 위치한 청구된 개방부 또는 복수의 개방부들에 의해서, 그레이징 유동은 편향되고 따라서 감쇠기의 목부와 마우스를 통한 편향 유동을 교란시키지 않고 결과적으로 감쇠기의 성능이 개선된다.
청구된 발명의 양호한 실시예에서, 밀봉 가스를 위한 적어도 하나의 개방부는 그레이징 유동을 감쇠기의 마우스로부터 멀리 편향시키기 위하여 마우스의 상류에 위치한다. 이 개방부가 마우스의 상류에 위치하면, 그레이징 유동으로부터 마우스를 가장 효율적으로 보호한다.
그레이징 유동을 감쇠기의 마우스로부터 멀리 가장 효율적으로 편향시키기 위하여, 마우스의 상류에 2개 이상의 개방부들을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 그레이징 유동의 양호한 방향이 변화되는 실시예에서, 그레이징 유동을 실제 유동 방향과 별개로 편향시키고 그레이징 유동으로부터 감쇠기의 마우스를 보호하기 위하여 감쇠기의 마우스 주위에 3개, 4개 또는 그 이상의 개방부들이 위치하는 것이 바람직하다.
마우스에 인접한 청구된 개방부의 효과를 최적화하기 위하여, 밀봉 가스를 위한 개방부들은 원형, 타원형 또는 사각형 단면을 가질 수 있다. 물론, 개방부들의 특정 단면의 선택은 효율성 즉, 그레이징 가스 유동의 최적 편향과 작은 밀봉 가스 소모량에 기초할 수 있다. 밀봉 가스에 챔버 내부보다 높은 압력을 제공하는 것은 에너지를 요구하기 때문에, 밀봉 가스의 유동을 감소시키는 것은 가스 터빈의 전체 효율을 상승시킨다.
원칙적으로, 사용가능한 고압 가스의 임의의 적당한 소스는 본 발명에 따른 그레이징 유동의 공기 역학 차폐를 위하여 사용될 수 있다. 감쇠기를 통해서는 유동하는 경우에, 개방부를 통해서 챔버로 흐르는 밀봉 가스는 감쇠기를 통해서 챔버 안으로 흐르는 가스와 유사할 수 있다.
청구된 발명은 임의의 유형의 음향 감쇠기, 예를 들어, 하나 이상의 감쇠 체적부들, 1/2 파장 튜브, 1/4 파장 튜브, 다체적 감쇠기, 라이너 또는 감쇠기를 통과하는 임의의 종류의 음향 유동을 갖는 헤름홀츠 공진기에 기초할 수 있다.
청구된 발명은 또한 음향 감쇠기 유형을 통과하는 유동 없는 감쇠기에 적용될 수 있다.
감쇠기의 마우스가 연소 챔버, 혼합 챔버, 플리넘 및/또는 가스 터빈의 공기 채널 안으로 개방되는 경우에 청구된 발명이 바람직하게 적용될 수 있다.
청구된 발명의 추가 장점 및 상세사항은 도면 및 그 설명과 연계하여 차후에 설명될 것이다.
도 1은 300 헤르츠에서 공진 주파수를 갖는 예시적인 음향 감쇠기의 반사율을 도시한다.
도 2는 종래 기술에서 공지된 음향 감쇠기를 갖는 연소 챔버를 도시한다.
도 3 내지 도 7은 청구된 발명의 여러 실시예들을 도시한다.
도 2는 챔버(5), 예를 들어 내면(9)을 포함하는 적어도 하나의 벽(7)에 의해서 제한되는 가스 터빈의 연소 챔버(CC)의 개략적인 단면을 도시한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 챔버(5)는 목부(13)와 감쇠 체적부(15)를 포함하는 음향 감쇠기(11)가 장착된다. 목부(13)는 감쇠 체적부(15)를 연소 챔버(5)에 연결한다. 연소 챔버(5)를 향하는 목부(13)의 개방부는 목부(13)의 "마우스(17)"로 기술된다.
본 예시적인 실시예에서 감쇠 장치(11)는 헬름홀츠 공진기일 수 있지만, 청구된 발명은 이러한 유형의 음향 감쇠 장치에 국한되지 않는다. 청구된 발명은 1/2 파장 튜브, 1/4 파장 튜브 등과 같은 임의의 유형의 음향 감쇠 장치와 연계하여 사용될 수 있다. 청구된 발명은 관통 유동을 갖는 음향 감쇠 장치 및 관통 유동 없는 음향 감쇠 장치와 연계하여 사용될 수 있다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 목부(13)의 마우스(17)와 벽(7)의 내면(9)은 동일 수준을 가질 수 있다.
내면(9)에 다소 평행하는 챔버(5)에서 가스가 흐른다. 이 가스는 양호한 유동 방향[화살표 19로 표시됨]을 가지며 또한 그레이징 유동(19)으로 기술된다. 이러한 양호한 그레이징 유동(19) 방향은 감쇠 체적부(15)와 연소 챔버(5) 사이에서 유동(21)을 편향시키도록 필수적으로 직각이고 목부(13)를 통한 유동(21)을 편향시키도록 교란된다. 편향 유동(21)에서 그레이징 유동(19)의 이러한 부정적 영향은 도 1과 연계하여 상술한 바와 같이 감쇠기(11)의 성능을 감소시킨다.
도 3은 청구된 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 사용된 도면부호들은 도 2와 동일하므로 단지 차이점에 대해서만 상세하게 기술된다.
도 3에서, 편향 유동은 좌측에서 우측으로 양호한 유동 방향을 가지므로 도 3에 있는 마우스(17)의 상류는 마우스(17)의 좌측부를 의미한다.
본 실시예에서, 감쇠기(11)는 감쇠 체적부(15)가 목부(13)를 통해서 연소 챔버(5)에 연결되는 것을 의미하는 관통 유동 감쇠기이다. 감쇠 체적부(15)의 대향 단부에서 감쇠 체적부(15)는 작은 보어(23)를 경유하여 다른 챔버(R1)에 연결된다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 마우스(17)에 인접하고 마우스(17)의 상류에는 개방부(27)를 갖는 다른 보어(25)가 있다. 보어(25)는 챔버들(5 및 R1)을 연결한다.
챔버(R1)에 있는 압력(PR1)은 챔버(5)에 있는 압력(P5)보다 높기 때문에, 밀봉 공기는 보어(25)와 개방부(27)를 통해서 챔버(R1)로부터 챔버(5)로 흐른다. 보어(23)는 상당히 작은 직경을 갖기 때문에 그 유동 저항은 크고 결과적으로 보어(23)는 감쇠기(11)를 통해서 편향 유동(21)을 제한한다.
결과적 압력차 △P(=PR1 - P5)는 감쇠기(11)를 통한 편향 유동(21) 뿐 아니라 보어(25) 및 개방부(27)를 통한 밀봉 가스의 유동(29)을 유발한다.
튜브(23)의 유동 저항은 목부(13)의 유동 저항보다 크다. 이는 보어(23)에 있는 압력 감소 △P23는 감쇠기(11)의 목부(13)에 있는 압력 감소 △P13보다 크다. 다시 말해서: △P23 > △P13.
이는 튜브(23)가 그 소직경 및/또는 그 길이로 인하여 유동 제한기로 작용하여 목부(13)를 통하여 편향 유동(21)을 감소시키는 것을 의미한다.
챔버(R1)는 예를 들어 공기 냉각을 위한 후드 또는 라이너 압력 또는 저장소와 같은 임의의 고압 환경일 수 있다. 청구된 발명의 대부분의 적용에서 챔버(5)는 가스 터빈의 연소 챔버이지만, 청구된 발명은 이에 국한되지 않는다.
보어(25)를 통해서 흐르고 그레이징 유동(19)과 다소 직각인 방향으로 개방부(27)를 통해서 챔버(5) 안으로 진입하는 밀봉 가스는 감쇠기(11)의 마우스(17)로부터 멀리 그레이징 유동을 편향시킨다.
도 2와 연계하여 기술된 바와 같이, 챔버(5)에는 그 속도가 편향 유동(21)의 속도보다 매우 큰 그레이징 유동(19)이 있을 수 있다.
보어(25)의 유동 저항은 보어(23)의 유동 저항보다 작다. 이는 보어(23)보다 보어(25)에 대직경을 제공함으로써 달성될 수 있다.
결과적으로, 비록 감쇠기(11)와 보어(25)에는 동일 챔버(R1)로부터 공기 또는 가스가 공급되고 동일 챔버(5) 안으로 개방되지만, 보어(25)를 통과하는 화살표로 표시된 가스 유동(29)은 편향 유동(21)보다 상당히 크다.
화살표(29 및 19)의 비교에 의해서 알 수 있는 바와 같이, 보어(25)를 통한 밀봉 가스의 속도는 그레이징 유동(19)의 속도보다 크다.
보어(25)를 통한 공기 또는 가스 유동(29)의 큰 속도는 도 3에서 화살표(19.2)에 의해서 표시된 바와 같이, 그레이징 유동(19)을 내면(9)으로부터 멀리 그리고 감쇠기(11)의 마우스(17)로부터 멀리 편향시킨다. 이러한 효과는 화살표(19.2)에 의해서 표시된다(그레이징 유동을 편향시킨다).
그렇게 할 때, 그레이징 유동(19)은 감쇠기(11)의 마우스(17)에 도달하지 않고 따라서 편향 유동(21)은 그레이징 유동(19)에 의해서 더 이상 교란되지 않는다. 결과적으로, 감쇠기(11)의 효율 및 효과는 크고 그레이징 유동(19)과는 별개로 된다.
다시 도 1에 있어서, 청구된 발명에 따른 감쇠기(11)의 거동은 도 1의 라인(1)과 유사하다. 물론, 이는 단지 예이고 동일 발명은 300 헤르츠와 다른 감쇠 주파수들을 갖는 감쇠기(11)에 적용될 수 있다.
도 4에서, 동일 구성이 다른 사시도로 도시된다. 도 4의 우측 부분에는, 개방부(27)를 빠져나오는 공기 또는 가스(29)가 고속으로 챔버(5)로 진입하고 그레이징 유동(19)을 내면(9)과 마우스(17)로부터 편향시킴으로써 감쇠기(11)의 마우스(17)를 그레이징 유동(19)으로부터 보호한다는 것이 도시되어 있다. 챔버(5)에서 보어(25)로 진입하는 가스 또는 공기는 감쇠기의 마우스(17)와 편향 유동(21)을 그레이징 유동(19)으로부터 보호하는 윈드실드(31)이다.
다시 말해서: 마우스(17)는 보어(25)를 통한 공기 또는 가스의 유동(29)에 의해서 발생된 "윈드실드(31)"의 풍하측에 있다. 마우스(17)는 대부분의 경우에 윈드실드(31)의 풍하측에 있어야 하므로, 적어도 하나의 개방부(27)는 마우스(17)의 상류에 위치하는 것이 바람직하다.
도 4의 좌측에는, 챔버(5)에서 내면(9) 상으로 마우스(17)와 개방부(27)를 갖는 상면도가 도시되어 있다. 그레이징 유동(19)은 또한 윈드실드(31)의 효과를 더욱 개선시키는 측방향으로 편향되는 것을 알 수 있다.
도 5는 감쇠기(11)의 마우스(17)에 인접한 2개의 보어(25,32)를 갖는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 이 경우에, 하나의 개방부(27)는 마우스(17)의 상류에 있고 다른 개방부(35)는 마우스(17)의 하류에 있다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 개방부(35)를 통한 공기 또는 가스 스트림으로부터 얻어지는 윈드실드(37)는 제 1 개방부(27)로부터 개시되는 윈드실드(31)를 지지하고 보강한다.
따라서, 마우스(17)를 통한 편향 유동(21)은 비록 그레이징 유동으로부터 더욱 잘 보호된다.
도 7에서, 윈드실드(31)를 세우는 밀봉 가스 또는 공기(29)를 제공하도록 작용하는 보어들의 여러 디자인 및 배열을 도시한다.
실시예 7a)는 도 4와 연계하여 이미 기술하였다.
도 7b)에 도시된 실시예에서, 개방부(27)는 윈드실드(31)를 넓히는 타원형 단면을 가지므로 결과적으로 편향 유동(21)을 더욱 우수하게 보호하게 된다.
도 7c)에 도시된 실시예에는, 마우스(17)의 상류에 배열된 타원형 단면을 갖는 2개의 개방부(27)가 있다.
실시예에 따라서, 도 7d)에는 마우스(17)의 상류에 위치한 원형 단면을 갖는 5개의 개방부(27)가 도시된다.
도 7e)에는, 직사각형 단면을 갖는 하나의 개방부(7)가 있고 도 7f)에는 직사각형 단면을 갖는 4개의 개방부(27)가 제시된 실시예가 있다.
도 7g)는 굽힘 단면을 갖는 하나의 개방부(12,27)를 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 7h)에 도시된 실시예는 도 5 및 도 6에 도시된다. 도 7e) 및 도 7j)에 도시된 실시예는 3개 및 4개의 개방부(27)를 갖는 다른 실시예를 나타낸다.
1: 라인
3: 도트
5: 챔버
7: 벽
9: 내면
11: 음향 감쇠기
13: 목부
15: 감쇠 체적부
17: 목부의 마우스
19: 화살표/그레이징 유동
19.2: 편향된 그레이징 유동
21: 편향 유동
23: 보어
R1: 다른 챔버
25: 보어
27: 개방부
29: 가스/공기 유동
31: 윈드실드
33: 보어
35: 개방부

Claims (9)

  1. 목부(13)와 감쇠 체적부(15)를 포함하는 음향 감쇠기(11)로서, 상기 목부(13)는 챔버(5)와 유체 연결되는 마우스(17)를 포함하는, 상기 음향 감쇠기(11)에 있어서,
    밀봉 가스를 위한 적어도 하나의 개방부(27,35)는 상기 목부(13)의 마우스(mouth;17)에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버(5) 내부에서 양호한 유동(19) 방향을 갖는 가스는 상기 마우스(17)에 걸쳐 흐르고, 밀봉 가스를 위한 상기 적어도 하나의 개방부(27,35)는 상기 마우스(17)의 상류에 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    밀봉을 위해 상기 적어도 하나의 개방부(27,35)를 통해서 흐르는 상기 가스는 양호한 유동(19) 방향을 갖는 상기 가스의 유동을 상기 목부(13)의 마우스(17)로부터 멀리 편향시키는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    여러 개방부들(27,35), 양호하게는 3개 내지 8개, 더욱 양호하게는 4개 또는 5개의 개방부들(27,35)은 상기 목부(13)의 상기 마우스(17) 주위에 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밀봉 가스를 위한 상기 적어도 하나의 개방부(27,35)는 원형, 타원형 또는 사각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밀봉 가스를 위한 상기 적어도 하나의 개방부(27,35)는 고압 환경, 예를 들어 가스 터빈의 후드로부터 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개방부(27,35)를 통해서 흐르는 상기 밀봉 가스는 공기 또는 연소 또는 미연소 공기 및 연료의 혼합물을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감쇠기(11)는 하나 이상의 감쇠 체적부들(15,33), 1/2 파장 튜브, 1/4 파장 튜브, 다체적 감쇠기, 라이너 또는 감쇠기를 통과하는 임의의 종류의 음향 유동을 갖는 헤름홀츠 공진기인 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(5)는 연소 챔버, 혼합 챔버, 플리넘 및/또는 가스 터빈의 공기 채널인 것을 특징으로 하는 음향 감쇠기.
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