KR20160002379A - 가스 터빈용 댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 가스 터빈의 연소 챔버용 댐퍼 조립체에 관한 것이다. 양호한 실시예에 따라서, 본 해결방안은 목부의 벽 상에 돌출부들을 포함하는 댐퍼 조립체를 제공하고; 상기 돌출부들은 결과적으로 목부에서 유효 음속을 감소시키는 효과를 갖는 음장(acoustic field)에 반응하는 측벽으로 귀결된다. 목부에서 유효 음속의 감소는 유효 목부 길이의 증가와 동등하다.

Description

가스 터빈용 댐퍼{DAMPER FOR GAS TURBINE}

본 발명은 일반적으로 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 가스 터빈의 연소 챔버용 댐퍼 조립체에 관한 것이다.

널리 공지된 바와 같이, 종래 가스 터빈에서, 가스 터빈의 연소 챔버에는 일반적으로 음향 진동이 발생한다. 용어 챔버는 연소 동적작용이 일어나는 임의의 가스 용적부로서 의도된다. 이러한 챔버에서, 고속의 가스(예를 들어, 연료 및 공기의 혼합물 또는 배기 가스) 유동은 일반적으로 소음을 발생시킨다. 연소 챔버에서 공기 및 연료의 연소는 추가 소음을 발생시킨다. 이러한 음향 진동은 크게 확장된 공진으로 전개될 수 있다. 또한 연소 챔버 맥동으로서 알려진 이러한 진동은 결정적으로 연소 챔버의 수명을 감소시키고, 최악의 경우에는 연소 챔버를 파손시킬 수도 있는 심각한 기계적 부하에 연소 챔버를 노출시키는 크기 및 관련 압력 변동량에 도달할 수 있다.

음향 진동 소음을 감소시키기 위하여, 헬름홀츠 공진기와 같은 음향 완충 장치를 설치하는 것이 당업계에 널리 공지되어 있다.

통상적으로, 이러한 종류의 댐퍼들은 종종 [라이너, 전방 패널 상에 있는] 연소 챔버 주위에 배치된 물리적 장치들이다. 이들은 대체로 [공기가 흐를 수 있는] 빈 용적부와 상기 용적부를 연소 챔버에 연결하는 목부를 포함한다.

헬름홀츠 댐퍼의 공진 주파수 및 완충 능력은 그 기하학적 형태와 그 목부를 통과하는 유동에 의해 좌우된다. 가스 터빈에서 사용될 헬름홀츠 댐퍼의 최대 치수는 댐퍼가 설치될 필요가 있는 섹션에 의해서 부가된 기하학적 억제요소들로 인하여 제한될 수 있다. 특히 엄격한 억제요소들은 목부의 최대 길이로 구성되고, 이는 이러한 장치의 완충 능력에 영향을 미치는 핵심 파라미터 중 하나이다. 목부 길이를 제한하면, 목표인 주파수와 완충의 관점에서 완충 효과성을 제한한다.

그러나, 기계의 작동 조건들과 연관된 가장 적당한 주파수를 달성하도록 선택된 목부의 원하는 길이가 [연소 챔버 주위의 사용가능한 공간을 고려할 때] 기하학적으로 허용된 길이보다 길다면, 일반적으로 채택되는 해결방안은 목부 직경을 좁히는 것이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해결방안은 댐퍼 효율을 불가피하게 감소시킨다.

본 발명의 목적은 실질적으로 독립 청구항 1에 규정된 댐퍼 조립체를 제공함으로써 상술한 기술적 문제들을 해결하는 것이다.

더우기, 본 발명의 목적은 또한 실질적으로 독립 청구항 9에 규정된 가스 터빈용 연소 챔버를 제공하는 것이다.

양호한 실시예들은 대응 종속 청구항에 규정된다.

단지 예시적이고 비제한적인 목적을 위해 하기 상세한 설명에 기술되는 양호한 실시예들에 따른, 본 해결방안은 목부의 벽 상에 돌출부들을 포함하는 댐퍼 조립체를 제공한다. 하기 상세한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 상기 돌출부들은 결과적으로 목부에서 유효 음속을 감소시키는 효과를 갖는 음장(acoustic field)에 반응하는 측벽으로 귀결된다. 목부에서 유효 음속의 감소는 유효 목부 길이의 증가와 동등하다.

만약 주어진 용적부에 대해서, 저주파수가 목표로 되어야 한다면, 공지된 기술은 목부 길이를 증가시키거나 또는 그 직경을 감소시키도록 교시한다. 본 발명에 따른 댐퍼는 기존의 실무와 비교할 때 명확하고 유일한 장점을 가진다. 이미 언급한 바와 같이, 기존 해결방안에 따른 댐퍼의 저주파수는 목부 직경, 주어진 용적부를 좁히고 사전에 목부의 최대 길이에 도달함으로써 달성된다[긴 목부는 저주파수를 의미한다]. 그러나, 이러한 해결방안은 완충 능력을 감소시킨다.

본 발명의 상술한 목적 및 많은 수반 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 기술된 하기 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 댐퍼의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 댐퍼 조립체의 개략적인 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 댐퍼 목부의 다른 실시예들을 도시한다.
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 댐퍼 목부의 특정 기하학적 형태를 도시한다.
도 6은 복수의 용적부들을 포함하는 본 발명에 따른 댐퍼의 측면도를 개략적으로 도시한다.

도 1에 있어서, 종래 기술에 따른 댐퍼 조립체(100)의 측면도가 도시된다. 공지된 바와 같이, 댐퍼 조립체(100)는 목부(400)를 통해서 연소 챔버(500)와 유동 교통하는 공진기 캐비티(300)를 포함한다. 통상적으로, 목부(400)는 예를 들어 원형 또는 직사각형일 수 있는 균일한 단면을 가진다. 목부(400)는 공진 캐비티(300) 및 연소 챔버(500)와 교통하게 놓여지는 유동 채널을 형성하는 외벽(600)을 가진다.

다음 도 2에 있어서, 본 발명에 따른 댐퍼 조립체(1)의 측면도가 개략적으로 도시된다. 댐퍼 조립체(1)는 공진기 캐비티(3)와 목부(4)를 포함한다. 목부(4)는 공진기 캐비티(3)를 도면부호 "2"로 개략적으로 표시된 연소 챔버와 유체 교통하게 한다. 특히, 목부(4)는 외벽(6) 상에 위치한 돌출부들(5)을 포함한다. 도시된 예에서, 목부(4)는 외벽(6) 상에 복수의 돌출부들을 포함하지만, 외벽(6)은 임의의 형상의 단지 하나의 돌출부를 가질 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 이와 같은 구성에서 조차 본 발명에 따른 댐퍼 조립체(1)는 결과적으로 공지된 기술에 따른 댐퍼 조립체에 대해서 유리한 효과를 얻을 수 있고, 목부는 그 길이방향 전개를 따라 균일한 단면을 가진다. 돌출부들은 양호하게는 환형이고 댐퍼 조립체(1)의 목부(4)를 따라서 배열된다. 더우기, 돌출부들(5)은 다양한 형상을 가질 수 있다.

특히, 도 3에 있어서, 돌출부들(5)은 직사각형 단면 또는 더욱 일반적인 곡선형 단면을 가질 수 있다. 양호하게는, 환형 돌출부들은 목부(4)를 따라서 동일 거리에 위치된다. 비제한적인 경우로서 본원에 개시된 양호한 실시예에 따라서, 목부(4)는 주름형 목부의 통상적인 구성을 가질 수 있다. 더우기, 돌출부들(5)은 양호하게는, 목부(4)의 외향으로 지향된다.

상술한 바와 같이, 댐퍼 조립체의 목부(4) 상에 배열된 돌출부들(5)은 결과적으로 목부에서 유효 음속을 감소시키는 음장에 대해서 반응하는 측벽으로 귀결된다. 목부에서 유효 음속의 감소는 유효 목부 길이의 증가와 동등하다.

돌출부들을 갖는 파이프에서 유효 음속(C_eff)은 컴밍(Cumming)[1]에 의해서 분석적으로 얻어졌다. 컴밍 모델에서, 각 캐비티에서의 유체의 효과는 압력이 균일하고 주요 파이프의 압력과 동일한 것으로 추정되는, 목부의 내부 용적부로부터 고려된다면, "캐비티" 또는 돌출부의 압축성으로 제한된다:

C_eff = 유효 음속

V_corr = 주름 캐비티 용적

l = 주름 피치

S = 파이프의 표면적

C₀ = 음속

컴밍의 모델 예측은 토논(Tonon) 등에 의한 음향 네트워크 모델을 갖는 시뮬레이션에 의해서 실험적으로 확인되었다[2,3].

댐퍼 조립체의 목부에 대해서 채택된 예시적인 특정 주름형 기하학적 형태를 나타내는 도 4에 있어서, 다음 수학적 관계식들은 위에 도입된 용어를 참조하여 고려될 수 있다:

길이 L을 갖는, 종래 기술에 따른 균일한 단면을 갖는 목부를 고려할 때, 공진 주파수들을 다음과 같이 기술된다:

본 발명에 따른 주름형 목부를 고려할 때, 공진 주파수들은 유사하게 기술된다:

그러나 다음과 같은 관계식이 세워지기 때문에:

다음과 같다:

그리고 따라서 유효 목부 길이는:

비제한성 예를 통해서 선택되는 도 5에 있어서, 기하학적 형태는 다음과 같다:

W = 0.01 (주름 폭)

l = 0.02 (주름 피치)

H = 0.01 (주름 깊이)

D = 0.02 (파이프 직경)

이는 다음과 같다:

따라서, 상기 관계식은 균일한 직선형 목부보다 40% 초과로 짧은 돌출부들을 갖는 목부에 의해서 실현될 수 있다.

유리하게는, 주름형 목부는 총 가요성과 결합된 국부적 강도를 제공한다는 것이 추가로 강조되어야 한다. 가요성은 목부가 설치되는 연소 챔버의 벽에 대해서 공진 캐비티의 상대 이동을 허용하기에 유익하다. 이러한 배열은 댐퍼 조립체의 통합성의 부정적 충격을 갖는 것없이 내부에서 작용하는 열적 구배로 인하여 연소 챔버의 이동을 허용한다.

이제 최종 도 7에 있어서, 공진기 캐비티(3)와 유체 교통하는 주름형 목부(4)를 갖는, 본 발명에 따른 댐퍼 조립체(1)의 다른 예시적인 예가 도시된다. 본 예시적인 실시예에서, 공진 캐비티(3)는 서로 유동 교통하는 2개의 용적부들(31,32)을 포함한다.

댐퍼 조립체(1)는 상기 2개의 용적부(31,32)를 연결하도록 배열된 돌출부들(5)을 갖는 중간 목부(41)를 추가로 포함한다.

댐퍼 조립체를 위한 임의의 종류의 구성은 복수의 용적부들을 구비하고 본 발명에 따른 돌출부들을 구비한 중간 목부들을 통해서 상호연결되는 공진기 캐비티들의 임의의 조합에 의해서 달성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 더우기, 하나 이상의 용적부들을 각각 포함하는 복수의 공진기 캐비티들을 포함하는, 본 발명에 따른 댐퍼 조립체는 또한 균일한 단면을 갖는 목부와 돌출부들을 갖는 목부들의 조합을 포함한다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 양호한 실시예들과 연계하여 충분히 기술되었지만, 본 발명의 범주 내에서 변형들이 도입될 수 있다는 것은 자명한 사실이고, 상기 범주는 상기 실시예들에 의해서 제한되는 것이 아니라, 하기 청구범위의 내용에 의해서 제한되는 것으로 고려된다.

참고문헌

[1] 제이. 더블유. 엘리엇, 2005년 런던 임페리얼 칼리지 프레스 M.C.M. 라이트의 "음향 수학에서의 강의 노트"

[2] 디. 토논, 비.제이.티. 랜드라이, 에스.피.씨. 벨프로이드, 제이.에프.에이치. 빌헬름스, 지.씨.제이. 호프만스, 에이. 히르쉐베르크의 다중 측부 분기관들을 갖는 파이프 시스템의 휘슬: 주름형 파이프들과의 비교, 음향 및 진동의 저널 329 (2010) 1007-1024.

[3] 디. 토논, 내부 유동들에서 전단 층들의 항공 음향학: 폐쇄 분기관 및 벽 천공부들, 2011년 아인트호펜의 기술 대학 PhD Thesis.

Claims (9)

1. 가스 터빈의 연소 챔버(2)용 댐퍼 조립체(1)로서, 공진 캐비티(3) 및 상기 공진 캐비티(3;31;32)와 유동 교통하는 목부(4;41)를 포함하는, 상기 댐퍼 조립체(1)에 있어서,
   상기 목부(4;41)의 벽(6) 상에 위치한 하나 이상의 돌출부들(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 댐퍼 조립체(1).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 돌출부들(5)은 환형이고 상기 목부(4) 주위에 배열되는 댐퍼 조립체(1).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 돌출부들(5)은 상기 목부(4)를 따라 동일 거리에 위치된 댐퍼 조립체(1).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 돌출부들(5)은 직사각형 단면을 갖는 댐퍼 조립체(1).
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 돌출부들(5)은 곡선형 단면을 갖는 댐퍼 조립체(1).
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공진 캐비티(3)는 서로 유동 교통하는 2개의 용적부들(31,32)을 포함하는 댐퍼 조립체(1).
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 목부(41)는 상기 2개의 용적부들(31,32)을 연결하도록 배열되는 중간 목부(41)인 댐퍼 조립체(1).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 돌출부들(5)은 상기 목부(4)의 외향으로 지향되는 댐퍼 조립체(1).
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 댐퍼 조립체(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 챔버(2).
   

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