KR20160003733A

KR20160003733A - 플로 엔진의 연소 시스템 및 공진기 캐비티의 치수 판정 방법

Info

Publication number: KR20160003733A
Application number: KR1020157033163A
Authority: KR
Inventors: 카리트 자야툰가
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2016-01-11
Also published as: GB201516231D0; GB2527688A; US20160076766A1; WO2014173660A1

Abstract

본 발명은, 하나 이상의 연소실(combustion chamber), 상기 하나 이상의 연소실에 2 이상의 인젝터(injector)들을 통해 유동 매체(flow medium)를 공급하는 공유 매니폴드(shared manifold)(18), 및 하나 이상의 공진기 캐비티(resonator cavity)(22)를 갖는 하나 이상의 공진기(20)를 포함하는 플로 엔진(flow engine)의 연소 시스템에 관한 것이며, 하나 이상의 공진기(20)는 매니폴드(18) 내에/매니폴드에 기능적으로 배열된다. 균질한 연료 유량 및 높은 연소 안정성을 갖는 양호한 연소 성능을 획득하기 위해서, 상기 공진기(20)가 2 이상의 오리피스(orifice)(26)들을 갖는 하나 이상의 천공 섹션(perforated section)(24)을 포함하며, 상기 2 이상의 오리피스(26)들은 하나 이상의 공진기(20)의 하나 이상의 공진기 캐비티(22)에 대한 접근을 제공하는 것이 제안된다.

Description

플로 엔진의 연소 시스템 및 공진기 캐비티의 치수 판정 방법 {COMBUSTION SYSTEM OF A FLOW ENGINE AND METHOD FOR DETERMINING A DIMENSION OF A RESONATOR CAVITY}

본 발명은, 공진기 캐비티(resonator cavity)를 갖는 적어도 하나의 공진기(resonator)를 포함하는 플로 엔진(flow engine)의 연소 시스템(combustion system) 및 전술한 공진기의 상기 공진기 캐비티의 치수를 판정하는 방법에 관한 것이다.

가스 터빈(gas turbine)과 같은 플로 엔진의 연소기(combustor)들은 연소 공기 유입구(combustion air inlet), 및 연소실(combustion chamber) 내로 연료를 방출(discharge)하도록 배열된 연료 인젝터(fuel injector)에 연결되는 연료 통로(fuel passage)가 제공된 연소실을 포함한다. 연소 공기뿐만 아니라 연료가 압력 하에 연소실에 진입한다. 발생하는 연소는, 기본적으로 매우 빠르며, 진동(vibration)들로서 연소기(combustor)의 케이싱(casing) 상에 나타날 수 있는 압력 변동들의 형태인 동력(dynamic force)들을 발생시킨다. 게다가, 연소 역학(combustion dynamic)들이 또한 압력 발진(pressure oscillation)들과 불안정한 방열(heat release) 사이의 커플링(coupling)으로 인해 발생한다. 불안정한 방열의 주된 원인들 중 하나는, 연료 유량 교란(fuel flow rate perturbation)들 때문이다. 이러한 교란들은 연료 인젝터(fuel injector)를 통해 연료 통로 뿐만 아니라 하류(진입 방향을 기준으로 한 방향)에 배열된 연료 공급 통로(fuel gallery) 및/또는 매니폴드(manifold)로 진입하는 탄성 압력 파(acoustic pressure wave)로부터 나타난다. 이는, 연료 인젝터에서의 임피던스(impedance)에 의존하며, 이는, 차례로 연소기의 러닝 조건(running condition)들, 즉 예컨대, 완전 또는 부분 부하(part load) 또는 불꽃(flame)의 특성들 하의 작동에 의해, 연료의 특성들, 예컨대 웨버 지수(Wobbe index)들, 연료의 온도 또는 기체 또는 액체 상태에 의해, 인젝터(injector)의 오리피스(orifice)들의 크기 또는 형상과 같은 인젝터의 특징들에 의해 또는 매니폴드의 특징들, 예컨대 크기 또는 형상에 의해 영향을 받는다. 이에 따라, 연료 분사 지점(fuel injection point)에서의 임피던스는 크게(a great deal) 변할 수 있다. 그 결과, 탄성파(acoustic wave)는, 연료 공급 통로/매니폴드를 통해 퍼져나가서, 정지 탄성파 또는 회전 탄성파(standing or rotating acoustic wave)를 스스로 형성함으로써 천공하며 연료 유량(fuel flow rate) 그리고 이에 따라 연소 역학들을 교란할 가능성이 크다.

연소 시스템을 설계할 때, 연료 유량 및 연소 역학들에 의해 영향을 받는 진동들의 주파수, 진폭 및 파형(wave form)을 예측하는 것이 어렵다. 결과로서, 그의 작동 범위의 일부분 동안이라도 바람직하지 않은 진동을 받지 않는 연소 시스템을 설계하는 것은 특히 어렵다. 연소 시스템의 하드웨어(hardware)에 대한 기계적 효과(mechanical effect)를 갖는 것과 별개로, 연소 가스 역학들은 또한 연소 안정성(combustion stability)에 영향을 미치며, 연소 불꽃(combustion flame)의 소화(extinguishing), 이른바 "플레임 아웃(flame-out)을 유발할 수 있으며, 그 결과 엔진이 동력 발생을 중단한다.

WO 93/10401로부터, 예컨대, 연소 유발 진동(combustion-cause vibration)들을 억제하기 위해서 이른바 헬름홀츠 공진기(Helmholtz resonator)를 갖는 가스 터빈 시스템(gas turbine system)의 연료 공급 라인(fuel supply line)을 제공하는 것이 공지된다. 이러한 고전적인 헬름홀츠 유형의 공진기들은 매우 특정한 주파수에서의 완충을 제공한다. 광범위한 범위의 주파수들을 감쇠시키는(attenuate) 것이 필수인 경우에 이러한 유형의 공진기들에 의해 문제들이 발생한다.

GB 1 274 529는 V 섹션 불꽃 안정화 링(section flame stabilizing ring)을 포함하는, 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)의 배기부(exhaust)에서의 재가열 장비(reheat equipment)를 개시한다. 인젝션 오리피스(injection orifice)들을 갖는 연료 링 매니폴드(fuel ring manifold)가 안정화 링(stabilizing ring) 내에서 지지되며, 연료는 정렬된 오리피스(aligned orifice)들을 통해 오리피스(orifice)들로부터 분사된다. 이격된 플레이트(spaced plate)들이 안정화 링 내에 위치되며, 하류 플레이트(downstream plate)에는 오리피스들이 형성되어, 플레이트(plate)들의 조립체가 배기부(exhaust) 내의 V 섹션 불꽃 안정화 링(V-section flame stabilizing ring) 이후에 연소 불안정(combustion instability)들을 완충하는 진동 완충 장치를 형성한다.

US2006/0000220A1는, 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖는 T 형상 파이프(pipe)의 형태의 공진기 조립체를 개시하며, 이는 연료 노즐(fuel nozzle)의 연료 유동 경로에 연결된다. 공진기 조립체는 파 이동(wave shifting)의 효과를 발생시키기 위해서 사용된다.

EP 2 273 096 A2는, 실린더(cylinder)로부터 연소 가스의 방출을 위한 배기 가스 파이프라인(exhaust gas pipeline) 및 실린더 내로 신선 공기의 이송을 위한 흡기 파이프라인(suction pipeline)을 갖는 엔진(engine)을 개시한다. 실린더에는 흡기 파이프라인에 배열되는, 플라스틱제의 투입 공기 냉각기(plastic charge air cooler)가 장비된다. 공진기는 흡음기(sound damper)로서 설계되며 실린더의 하류에 제공된다. 공진기는 투입 공기 냉각기에 통합된다. 흡기 파이프라인은, 실린더와 투입 공기 냉각기 사이에 배열되는 투입 공기 호스(charge air hose)를 포함한다.

본 발명의 제 1 목적은, 광범위한 주파수들의 완충, 균일한 연료 유량 및 높은 연소 안정성뿐만 아니라 적은 연소 소음 및 진동들을 갖는 양호한 연소 성능을 제공하는, 플로 엔진의 연소 시스템(combustion system)을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은, 연료 유동 변동들을 효과적으로 억제하고 연소 시스템의 연소 역학들을 완충시키기 위해서 공진기 캐비티의 치수를 판정하는 방법을 제공하는 것이다.

이들 목적들은, 독립항들의 요지에 따른 연소 시스템 및 방법에 의해 해결될 수 있다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 하나 이상의 연소실(combustion chamber), 상기 하나 이상의 연소실에 2 이상의 인젝터(injector)들을 통해 유동 매체(flow medium)를 공급하는 공유 매니폴드(shared manifold), 및 하나 이상의 공진기 캐비티(resonator cavity)를 갖는 하나 이상의 공진기를 포함하는 플로 엔진(flow engine)의 연소 시스템이 제공되며, 하나 이상의 공진기는 매니폴드 내에/매니폴드에 기능적으로 배열된다.

상기 공진기가 2 이상의 오리피스(orifice)들을 갖는 하나 이상의 천공 섹션(perforated section)을 포함하며, 상기 2 이상의 오리피스들은 하나 이상의 공진기의 하나 이상의 공진기 캐비티에 대한 접근을 제공하는 것이 제안된다.

본 발명의 요지로 인해서, 연료와 같은 유동 매체의 변동들은, 효과적으로 그리고 성공적으로 억제될 수 있다. 이는, 유리하게는, 연소 역학들의 감소를 유발하는 연료 유동의 압력 변동들의 억제를 일으킨다. 고전적인 헬름홀츠 유형 공진기에 비해서, 본 발명의 공진기는 가져야 할 매우 유용한 특징인 주파수에 대해 매우 광범위한 응답을 가지는데, 이는 발진들의 주파수가 작동 조건들 및 연료 조성에 따라 변하기 때문이다. 게다가, 연소기 혼합 구역에서의 등가비 변동(equivalence ratio fluctuation)들은, 유용하게는, 배기들, 예컨대, NOx 배기들의 보다 양호한 제어를 유도하기 위해서 감소될 수 있다. 게다가, 연소 역학 맥동(pulsation)들에 의해 유발되는 연소기 캔(can)과 같은 연소 시스템의 부품(piece)들의 손상이 방지될 수 있다. 게다가, 터빈 블레이드(turbine blade)들 또는 베인(vane)들과 같은 하류 구성요소들의 수명이 방열 변동들에서의 감소를 통해 최신식 시스템(state of the art system)들에 비해 개선될 수 있다. 유리하게는, 연소 시스템은 웨버 지수(Wobbe index)들의 넓은 범위에 걸쳐 작동될 수 있으며, 사용된 연료에 관한 유연성을 유발한다. 게다가, 유동 매체의 유동 변동의 소스(source), 즉 매니폴드(manifold)에 공진기를 배치함으로써, 연소 역학들은 최신식 시스템에 비해 효과적으로 감소될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은, 또한 연소에 의해 유발되는 동력(dynamic force)들과 연료, 공기 및 다른 가스(gas)들의 유동에 의해 유발되는 동력 사이의 상호작용에 관련이 있다.

본 문맥에서, 플로 엔진은 당업자를 위해 적합한 임의의 엔진(engine) 또는 기계(machine), 예컨대, 열적 가열 플랜트(thermal heating plant), 가스 터빈(gas turbine) 또는 내연 기관(internal combustion engine)을 의미하는 것으로 의도된다. 게다가, 인젝터는, 예컨대, 연료, 공기 및/또는 다른 가스들을 위한 노즐(nozzle) 그리고 특히 연료 노즐(fuel nozzle)을 의미하는 것으로 의도된다. 게다가, 용어 "공유 매니폴드(shared manifold)"는, "2 이상의 인젝터들에 의해 공유되는" 것으로 이해되어야 하며 또는 대안으로 및/또는 추가로 2 이상의 연소실(combustion chamber)들을 갖는 실시예의 경우에, "2 이상의 연소실에 의해 공유되는" 것으로 이해되어야 하며, 그리고 용어 "매니폴드"는 유동 매체(flow medium)를 위한 통로 그리고 특히 연료 매니폴드(fuel manifold) 및/또는 연료 공급 통로(fuel gallery)로서 이해되어야 한다. 유동 매체는, 연료(기체), 공기 또는 다른 가스들과 같은 당업자에게 가능한 임의의 매체일 수 있다.

게다가, 공진기는 예컨대 매니폴드에서 특히 유동 매체의 유량의 교란들을 조정(modulating) 및/또는 완충하고/완충하거나 예컨대 매니폴드에 형성된 정지파 또는 회전파에 완충을 제공하기 위해서 사용되는 장치로 의도된다. 공진기는, 기능적 개체(functional unity)로서 이해되어야 하며, 이에 따라 공진기는 하나 초과의 부품(piece)을 포함할 수 있거나 수개의 부품들의 선택된 배열일 수 있다. 공진기는 특히, 이른바 캐비티 공진기(cavity resonator)이다. "공진기가 매니폴드 내에/매니폴드에 기능적으로 배열되는"과 같은 문구는, 부품들의 기능적 상호작용으로 이해되어야 하며, 그리고 공진기 및 매니폴드의 공간적 배열과 독립적일 수 있다.

게다가, 천공 섹션(perforated section)은, 천공부(perforation)가 구체화된 공진기의 일부품을 의미하며, 여기서 천공부는 2 이상의 오리피스들을 갖는다. 대안으로, 천공부는 2 초과의 오리피스들 또는 복수 개의 오리피스들을 가질 수 있다. "하나 이상의 공진기의 하나 이상의 공진기 캐비티로의 접근을 제공한다"라는 문구는, 연소 시스템의 작동 중 매니폴드 및/또는 유동 매체에 형성되거나 이동할 수 있는 파(wave)의 파동 전파(wave propagation)에 대한 접근으로서 이해되어야 한다. 파동 전파의 방향은, 바람직하게는 매니폴드로부터, 정교하게는 매니폴드의 루멘(lumen)으로부터 공진기의 공진기 캐비티까지이다. 다음 문맥에서, "하나 이상의 공진기/하나 이상의 공진기 캐비티/하나 이상의 천공 섹션/하나 이상의 연소실/2 이상의 인젝터들/2 이상의 오리피스들"과 같은 문구는, "공진기/공진기 캐비티/천공 섹션/연소실/2 개의 인젝터들/ 2 개의 오리피스들"로서 지칭된다.

오리피스는, 당업자에게 실현가능한 원형, 타원형, 삼각형, 직사각형, 정사각형 등과 같은 임의의 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 또한 예컨대 오리피스들(하기 참조)의 갯수와 같은 오리피스들의 치수들(오리피스의 높이, 길이 또는 직경과 같음) 및/또는 공진기 캐비티의 체적이, 피크(peak) 공진 주파수의 타겟 값(target value)을 규정하고 따라서 또한 그에 의존한다:

[C= 음속(speed of sound), V= 공진기 체적(volume), S= 공진기 오리피스들의 면적, I= 오리피스들의 높이 또는 길이]

이에 따라, 전술된 파라미터(parameter)들 모두는 상이하고/상이하거나 임의의 적절한 값들을 취할 것이다.

상기 오리피스가 원형 형상으로 구체화되는 것이 또한 제공된다. 이에 따라, 천공부가 용이하게 제조될 수 있다. 바람직하게는, 양자 모두의 오리피스들 또는 전체 오리피스들은, 복수 개의 오리피스들의 경우에, 원형 형상을 갖는다. 일반적으로, 상이한 오리피스 형상들을 갖는 하나의 천공된 섹션의 2 개의 오리피스들 또는 모든 오리피스들 또는 오리피스들의 그룹(group)들을 구체화하는 것이 또한 가능할 것이다.

바람직하게는, 공진기는 축방향 연장부를 갖는 파이프(pipe) 또는 박스(box)와 같은 선형 본체(linear body)의 형상을 갖는다. 선형 본체의 형상 또는 부품에서의 약간의 구부러짐은 선형 본체와 같으며 축방향 연장부를 갖는 본체의 형성을 방해해서는 안 된다. 유리하게는, 천공 섹션은, 공진기의 선형 본체의 축방향 연장부를 따라 기본적으로 또는 축방향 연장부에 평행하게 기본적으로 배열된다. 천공 섹션의 배열의 범주 내에서, 선형 본체의 축방향 연장부에 대해 "기본적으로 평행한"은 또한 엄격하게 평행한 배열에 대해 약 30°의 발산각도(divergence) 내에 놓여야 한다. 바람직하게는, 천공 섹션은 선형 본체의 축방향 연장부에 대해 평행하게 배향된다. 게다가, 천공 섹션은, 매니폴드의 루멘 또는 재킷(jacket)과 같은 부품과 공진기의 공진기 캐비티의 부품, 예컨대 벽 사이에서 공진기의 반경 방향으로 공간적으로 배열된다. 이에 따라, 오리피스들을 통한 공진기 캐비티에 대한 접근은 쉽게 제공될 수 있다.

공진기 및 매니폴드는 별개의 부품들로 구성될 수 있거나 이들은 부품들을 공유할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 천공 섹션은 매니폴드의 일 부품에 형성된다. 환언하면, 천공 섹션은 매니폴드의 일 부품이며, 또는 매니폴드와 일체로 형성되거나 천공 섹션은 매니폴드의 형상을 지속시킨다. 이에 따라, 부품들, 공간, 비용들뿐만 아니라 제조 노력들이 절약될 수 있다.

유리하게는, 천공 섹션은 중공 실린더(hollow cylinder)의 형상을 갖는다. 그 결과, 제조가 용이한 튼튼하고 신뢰가능한 부품이 제공될 수 있다. 실린더는, 예컨대, 매니폴드의 벽이다. 추가의 바람직한 실시예에 따르면, 천공 섹션은, 중공 실린더의 재킷의 전체 원주를 따라 분포되는 복수 개의 오리피스들을 포함한다. 이로 인해, 공진기는, 특히 고전적인 헬름홀츠 유형의 공진기와 같은 중공 공간(hollow space)을 갖는 공진기에 비해 주파수에 대한 매우 광범위한 응답(response)을 가지며, 여기서 공진기는 매우 특정한 주파수에서만 완충을 제공한다. 본 발명의 공진기는, 연소 시스템 및 연료 조성의 작동 조건들에 따라 발진(oscillation)들의 주파수가 변하기 때문에 특히 유용하다. 이에 따라, 본 발명의 공진기는 천공된 라이너(liner) 유형의 공진기로 불릴 수 있다. 이러한 천공된 라이너 유형의 공진기들은, 주파수 도메인(frequency domain)에서 광대역(broadband) 흡수를 제공하며, 이에 따라 연료의 웨버 지수가 변함에 따라 변하는 주파수들의 연소 역학들에 완충을 제공하기에 적합할 것이다.

상기 언급된 바와 같이, 공진기는 축방향 연장부를 갖는 선형 본체의 형상을 가지며, 천공 섹션은 복수 개의 오리피스들을 포함할 수 있다. 유용하게는, 복수 개의 오리피스들은, 선형 본체의 전체 연장부를 따라 분포된다. 이는 연소 시스템의 주파수들에 대한 신뢰가능하고 양호한 완충을 유발한다. 선형 본체는, 직사각형 박스(rectangular box) 또는 실린더(cylinder) 또는 관형 파이프(tubular pipe)일 수 있다. 양자 모두의 공진기 캐비티 및 천공 섹션은, 이들의 축방향 연장부의 동일 방향 또는 축방향 연장부들의 방향들을 갖는 선형 본체가 서로 발산할 수 있는 바와 같이 구체화될 수 있다(하기 참조).

공진기의 체적을 제한하기 위해서, 공진기의 공진기 캐비티는 벽들에 의해 에워싸인다. 공진기는, 공진기의 선형 본체의 축방향 연장부를 따라 기본적으로(따라 기본적으로의 정의에 대해서는, 상기의 기본적으로 평행한에 대한 정의를 참조) 배열된 하나 이상의 벽(이하 문맥에서 벽으로서 언급됨)을 포함한다. 용이하게 조립되는 시스템(system)을 제공하기 위해서, 선형 본체(정의들은 상기 참조)의 축방향 연장부를 따라 기본적으로 배열되는 공진기 캐비티의 벽 및 매니폴드의 일부품은, 이른바 파이프 인 파이프 시스템(pipe in pipe system)(종래 기술에 공지됨)에서와 같이 배열된다. 이 문맥에서, 용어 "파이프 인 파이프 시스템"은 엄격하게 관형 배열체(tubular arrangement)들로 적용되어서는 안 된다. 또한, 하나 또는 그 초과의 직사각형 파이프(rectangular pipe)(들) 또는 박스(들)와 하나 또는 그 초과의 원형 파이프(circular pipe)(들)의 조합 뿐만 아니라 2 또는 그 초과의 직사각형 형상들의 조합이 "파이프 인 파이프 시스템"으로서 이해되어야 한다.

복수 개의 오리피스들 중 오리피스들이 하나 이상의 천공 섹션에 걸쳐 균일하게 분포되는 것이 추가로 제공된다. 이에 따라, 완충 효과가 균질하게 형성될 수 있다. 일반적으로, 또한 당업자에게 실용적인 것으로 간주하는 임의의 요지에서 복수 개의 오리피스들을 무작위(randomly), 집합적(in cluster), (축방향으로(axially), 사선으로(diagonally) 또는 원주방향으로(circumferentially) 배열된) 라인들(in lines)과 같이 분포하는 것이 실현 가능할 것이다.

게다가, 매니폴드가 연소실의 공급 방향에서 볼 때, 원형 형상 또는 환원하면 폐쇄된 링(closed ring)의 전체 형상을 갖는다면, 연소실로의 유동 매체의 공급은 구조적으로 용이하며 가장 신뢰가능한 것으로 도시되어 있다. 이에 따라, 천공 섹션이 매니폴드의 일 부품인 예시적인 바람직한 실시예에서, 천공 섹션은 부분 사이클(part cycle)의 형상을 갖는다. 그 결과, 이 경우에, 천공 섹션의 축방향 연장부는 또한 원주방향 연장부/방향(매니폴드의 원주로 지칭됨)이다.

게다가, 엄격하게 파이프 인 파이프 시스템으로서, 공진기 캐비티의 벽 및 매니폴드의 부품의 배열(선형 본체의 축방향 연장부를 따라 기본적으로 배열됨)에 의해, 축방향 연장부들 양자 모두는 매니폴드의 원주의 방향으로 배향된다. 반면에, 축방향 연장체들은 직사각형 박스로서 또는 원통형 파이프로서 구체화되는 공진기의 선형 본체 및 원형 매니폴드의 배열체(예컨대, 일체형 천공 섹션을 가짐)에 의해 약간 상이하다. 여기서, 매니폴드의 축방향 연장부는, 매니폴드의 원주의 방향이며, 공진기 박스/원통형 파이프는 고전적인 축방향 연장부를 갖는다.

추가의 예시적 실시예에 따르면, 매니폴드는 원환체(torus), 유리하게는 링 원환체(ring torus)로서 구체화된다. 이에 따라, 매니폴드에서의 유동 매체의 이송이 균질하게 성취될 수 있다.

게다가, 연소 시스템은, 선택된 개수의 인젝터들 및 선택된 개수의 공진기들을 포함하며, 공진기들의 개수는 인젝터들의 개수와 같거나 미만이다. 이로 인해, 교란들의 완충이 가장 효과적이다. 게다가, 연소 시스템은, 하나 또는 그 초과의 연소실들 및 선택된 개수의 인젝터들을 포함할 수 있으며, 공진기들의 개수는 연소실들의 개수와 같거나 미만이다. 게다가, 상이한 인젝터들 및/또는 연소실들에 관한 공진기들의 위치들에 따라 공진기들을 선택적으로 선택하거나 상이하게 조정함으로써 각각의 인젝터 및/또는 연소실 또는 매니폴드에서의 그의 공급 구역에 대한 조치들이 제각기, 개별적으로 취해질 수 있다.

본 발명의 추가의 양태에 따르면, 공진기는 2 개의 오리피스들을 통해 매니폴드로부터 공진기 캐비티 내로의 유동 매체의 유동을 방지하도록 구조화된 하나 이상의 제한 장치(restriction device)(하기 문맥에서 제한 장치로서 지칭됨)를 갖는다. 이에 따라, 유동 매체의 누출 및 이와 함께 추가의 원치않는 교란들의 가능성이 유리하게는, 방지될 수 있다. 제한 장치는, 멤브레인 또는 압력과 같은 당업자에게 가능한 임의의 특징일 수 있다. 유용하게는, 제한 장치는 공진기 캐비티 내의 압력이다.

제한 장치의 이점들은, 공진기 캐비티 내의 압력이 2 개의 오리피스들을 통해 매니폴드로부터 공진기 캐비티 내로의 유동 매체의 유동을 방지하기 위한 매니폴드 내의 압력보다 더 높다면 구조적으로 용이하게 성취될 수 있다. 이는, 캐비티 내의 압력이 공진(resonance) 중 매니폴드 내의 압력보다 항상 훨씬 더 높을 것이기 때문에 공진 상태 중 요구되지 않는다. 그러나, 천공 전반에 걸친 압력 차이는, 매니폴드 밖으로 캐비티에 있을 수 있는 임의의 유동을 이를테면, 셧다운(shut down) 중에, 퍼지(purge)하는 것을 필요로 할 수 있다.

연소 시스템이 적어도 제 2 공진기를 포함할 때(하기 문맥에서 제 2 공진기로서 지칭됨), 완충이 단지 하나의 공진기의 사용에 비해 증가될 수 있다. 게다가, 동일한 연료 라인(fuel line)에서의 2 개 또는 다중 공진기들은 매니폴드 파이프(manifold pipe)에서 형성된 정지파(standing wave)의 경우에 압력 노드(pressure node) 내에 공진기를 배치하는 것을 회피한다.

본 발명의 유리한 실시예에서, 제 1 공진기 및 제 2 공진기는 하나 이상의 특징이 상이하다. 이는, 공진기의 기능 및/또는 위치를 위해 각각의 공진기를 상세하게 조절하는 가능성을 유발한다. 이러한 특징은, 공진기 또는 공진기의 부품들의 임의의 기능(function), 피처(feature), 특성(property) 또는 파라미터(parameter) 또는 당업자에게 함께 실현가능한 이들의 배치 또는 기능일 수 있다. 이는, 예컨대, 오리피스들의 축방향(원주 방향) 길이, 직경, 형상, 크기 또는 패턴(pattern) 등과 같은 천공 섹션의; 또는 축방향 길이, 직경 등과 같은 선형 본체의; 또는 체적, 형상 등과 같은 공진기의 공진기 캐비티의; 또는 특정 인젝터 및/또는 연소실에 대한 공진기의 특별한 배열체의 피처일 수 있다.

이에 따라, 상이한 공진기들은, 예컨대, 감쇠되어야 하는 주파수들에 따라 상이한 오리피스 크기들, 형상들 및 길이들을 가질 수 있을 것이다. 예컨대, 다중 주파수들이 완충되어야하고 이 주파수들이 동시에 감쇠되어야 한다면, 공진기들은 각각의 공진기가 특별한 주파수를 처리하도록 상이한 오리피스 크기들/형상들 및 공진기 길이들을 갖도록 설계될 수 있다. 게다가, 원형 매니폴드의 경우에, 연속적으로 배열된 인젝터들 및/또는 연소실로의 연료의 공급은, 연속적이기 때문에, 조건들은 각각의 인젝터 및/또는 연소실에 대해 상이하다. 이는, 각각의 공진기를 상이하고 개별적으로 설계함으로써 고려될 수 있었을 것이다.

공진기(들)은, 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)을 이용하여 그리고 자세하게는 헬름홀츠 방정식을 이용하여 이전에 결정된 조건들에 의존하여, 연소 역학 주파수(combustion dynamic frequency) 전반에 최적의 완충(optimum damping)을 제공하도록 설계될 것이다.

연소 시스템(combustion system)의 작동 중, 교란들이 예컨대, 매니폴드에서 정지 또는 회전 파로서 자체로 형성한다. 그것이 회전파라면, 공진기(들)의 위치는 중요한 것(concern)이 아닐 수 있다. 차례로, 그것이 정지파라면, 공진기의 위치는 의도적으로 선택되어야 한다. 유리하게는, 공진기는 매니폴드에서 이동하는 유동 매체의 유량의 교란들로 인해 매니폴드에서 형성된 정지파의 압력 안티 노드의 위치에 배치된다. 그러나, 이러한 위치들에서의 다중 공진기들은 허용가능한 레벨로 교란들을 완충하는데 요구될 수 있다.

추가의 유리한 실시예에서, 공진기 캐비티는 조절가능한 체적을 갖는다. 이렇게 함으로써, 공진기의 완충 주파수가 제어될 수 있다. 이에 따라, 연소 시스템은 광범위한 웨버 지수들에 걸쳐 작동되는 것, 즉, 연료의 선택에서 높은 유연성을 제공하는 것이 허용된다. 예상되는 조건들에 따른 연소 시스템의 작동 이전에 또는 현장 측정(in situ measurement)들에 따른 연소 시스템의 작동 중 체적을 변경하는 것이 가능할 수 있다. 바람직하게는, 공진기는 공진기의 체적 및 공진기 용량(capacity)을 조절하기 위해서 조절가능한 벽을 갖는다. 이는, 매우 용이하고 효율적인 구조물일 것이다.

본 발명의 추가의 양태에 따르면, 플로 엔진의 연소 시스템의 공진기의 공진기 캐비티의 치수를 판정하는 방법이 제공된다.

이 방법은, 적어도, 규정된 조건들 하에서 연소 시스템에서 형성될 수 있고 연소 시스템의 연소 역학 주파수 전반에 최적의 완충을 제공하기 위해서 변조(modulation)를 필요로 하는 하나 이상의 주파수를 판정하는 단계, 하나 이상의 판정된 주파수에 의존하여 헬름홀츠 방정식을 사용하여 공진기의 공진기 캐비티의 치수를 평가하는 단계, 및 상기 평가에 따라 치수를 조절하는 단계를 포함하는 것이 제공된다.

이 방법은, 2 또는 그 초과의 캐비티들이 하나의 공진기 또는 2 또는 그 초과의 공진기들에 제공되는 것으로 확장될 수 있다. 상기 방법은, 규정된 조건들 하에서 연소 시스템에서 형성될 수 있고 연소 시스템의 연소 역학 주파수 전반에 최적의 완충을 제공하기 위해서 변조(modulation)를 필요로 하는 주파수의 범위를 판정하는 단계, 하나 이상의 판정된 주파수에 의존하여 헬름홀츠 방정식을 사용하여 공진기의 각각의 공진기 캐비티의 치수를 평가하는 단계, 및 주파수들의 범위를 커버하는 상이한 캐비티 특징들을 제공하도록 상기 평가에 따라 각각의 공진기 캐비티의 치수를 조절하는 단계를 포함한다.

이러한 본 발명의 요지로 인해, 공진기는 연소 역학 주파수 전반에(around) 최적의 완충을 제공하도록 설계될 것이다. 이는, 유리하게는 연료 유동에서의 압력 변동들의 억제를 유발한다. 이에 따라, 연소 시스템은 발진들의 주파수가 작동 조건들 및 연료 조성에 따라 변할지라도 작동될 수 있다. 게다가, 연소기 혼합 구역에서의 등가비 변동(equivalence ratio fluctuation)들은, 유용하게는, 배기(emission)들, 예컨대, NOx 배기들의 보다 양호한 제어를 유도하기 위해서 감소될 수 있다. 게다가, 연소 역학 맥동(pulsation)들에 의해 유발되는 연소기 캔(can)과 같은 연소 시스템의 부품(piece)들의 손상이 방지될 수 있다. 게다가, 터빈 블레이드(turbine blade)들 또는 베인(vane)들과 같은 하류 구성요소들의 수명이 방열 변동들에서의 감소를 통해 최신식 시스템(state of the art system)들에 비해 개선될 수 있다. 유리하게는, 연소 시스템은 웨버 지수(Wobbe index)들의 넓은 범위에 걸쳐 작동될 수 있으며, 사용된 연료에 관한 유연성을 유발한다. 게다가, 유동 매체의 유동 변동의 소스(source), 즉 매니폴드(manifold)에 공진기를 배치함으로써, 연소 역학들은 최신식 시스템에 비해 효과적으로 감소될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은, 또한 연소에 의해 유발되는 동력(dynamic force)들과 연료, 공기 및 다른 가스(gas)들의 유동에 의해 유발되는 동력 사이의 상호작용에 관련이 있다.

모든 단계들은 연소 시스템의 작동 이전에 또는 작동 중 실행될 수 있다. 예컨대, 예상되는 조건들에 따른 연소 시스템의 작동 이전에 또는 현장 측정(in situ measurement)들에 따른 연소 시스템의 작동 중 공진기 캐비티의 치수를 조절하는 것, 환언하면, 역학 시스템을 갖는 것이 가능할 수 있다.

본 발명의 전술된 특성들, 특징들 및 이점들 그리고 이들이 실현되는 방식은, 도면들과 함께 설명되는 예시적 실시예들의 하기 설명과 함께 명확하고 그리고 분명하게 이해된다.

본 발명의 상기 규정된 양태들 및 추가 양태들은, 이하 설명되는 실시예의 예들로부터 분명해지고 실시예의 예들을 참조하여 설명된다. 본 발명은 실시예의 예들을 참조하여 하기에서 보다 상세히 설명될 것이지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않는다.
도 1은 인젝터들을 통해 연소실들로 유동 매체를 공급하는 공진기를 갖는 매니폴드를 포함하는 본 발명의 연소 시스템을 갖춘 플로 엔진의 개략도를 도시한다.
도 2는 6 개의 연소실들 및 공유된 매니폴드를 갖는 도 1로부터의 연소 시스템의 일부의 개략적 후면도를 도시한다.
도 3은 2 개의 공진기들 및 형성된 파를 갖는 도 2로부터의 매니폴드의 개략적 도면을 도시한다.
도 4는 도 3으로부터의 매니폴드의 일부로서 천공된 섹션을 갖는 도 3으로부터의 공진기의 개략도를 도시한다.
도 5는 도 4로부터의 천공된 섹션을 갖는 공진기 및 매니폴드의 일부의 사시도를 도시한다.

도면들의 예시들은 개략적이다. 상이한 도면들에서, 유사하거나 동일한 요소들에는 동일한 도면 부호들이 제공되는 것에 주목한다.

도 1은 플로 엔진(12), 예컨대 가스 터빈(gas turbine)을 개략도로 도시한다. 플로 엔진(12)은 압축기(compressor)(48), 연소 시스템(combustion system)(10) 및 터빈(turbine)(50)을 포함하며, 이들은 제 1 유동 매체, 예컨대, 공기의 유동 방향(52)으로 차례로(one after another) 배열된다(도 1의 좌측으로부터 우측을 가리키는 화살표들을 참조). 압축기(48)에서, 유입하는 제 1 유동 매체는 연소 시스템(10)의 하나 또는 그 초과의 연소기들로의 적용을 위해서 압축된다. 연소 시스템(10)은, 예컨대, 환형 타입(annular type)의 하나의 연소실 또는 예컨대, 캔(can) 타입의 수개의 연소실(14, 16)들을 포함할 수 있다(또한, 도 2 참조). 연료와 같은 제 2 유동 매체(다음 문맥에서 연료로서 지칭됨)는, 각각의 연소실(14, 16)을 위해서 별개의 연료 라인(separate fuel line)(54, 54') 및 인젝터(56)를 통해 공유된 매니폴드(18)로부터 연소실(14, 16)들 내로 별개로 도입된다. 분사 후에, 연료는 압축기(48)를 나가는 압축된 제 1 유동 매체의 일부와 혼합된다. 연소실(14, 16)들에서의 연소에 의해 형성되어 가이드 베인(guide vane)(58)들의 세트에 의해 프로세스(process)로 안내되는 고온 가스들은, 터빈 블레이드(turbine blade)(60)들의 세트를 가지는 터빈(50)으로 지향되며, 터빈 블레이드(60)들 및 축을 형성하는 샤프트(shaft)가 결과로서 회전된다(turned). 차례로, 터빈 블레이드(60)들은 압축기(48)의 블레이드(blade)들을 회전시켜, 플로 엔진이 작동된다면 압축된 유동 매체가 플로 엔진(12)에 의해 자체적으로 공급된다.

도 2는 도 1의 화살표(II)들의 방향으로 연소 시스템(10)의 개략적 후면도를 도시한다. 연소 시스템(10)은, 이러한 예시적 실시예에서, 6 개의 연소실(14, 16)(단지 두 개의 연소실들에 도면 부호들이 부여됨)들을 가지며, 이 연소실들은 터빈 샤프트(turbine shaft) 둘레에 원주 방향(62)으로 차례로 균등하게 이격되어 배열된다. 매니폴드(18)는, 연소실(14, 16)들에 대해서, 연소실(14, 16)들보다 샤프트로부터 반경 방향으로 더 먼 거리에 배열된다. 게다가, 이는 폐쇄 링 형상을 가지며/가지거나 원형(circular) 파이프이고, 도 1에서 볼 수 있던 바와 같이, 원환체(torus)이다. 매니폴드(18)는 공유된 매니폴드(18)이다. 이에 따라, 모든 연소실(14, 16)들에는 동일한 매니폴드(18)를 통해서 동일한 소스로부터 연료가 공급된다.

연소 시스템(10)의 작동 중, 예컨대, 자려식(self-excited) 연소 발진들이, 연소실(14, 16)들 내에서 나타날 것이다. 이러한 발진들 또는 진동들은, 연료 라인(54, 54')들을 통해 그리고 매니폴드(18) 내로 이동한다. 매니폴드(18) 내부에서, 이동하는(회전하는) 또는 정지하는(standing) 탄성파(acoustic wave)(46)가 형성된다. 탄성파(46)는 연료 매니폴드(18)에 공급되는 연료를 변동시킬 수 있다. 이에 따라, 연소실(14, 16)에서의 불꽃(flame)에는, 연소 역학(combustion dynamic)들을 훨씬 더 유발하는 불안정한(변동하는) 연료 공급이 공급된다. 이러한 상황이, 매니폴드(18)에서 이동하는 연료의 유량의 교란(perturbation)들로 인해 매니폴드(18)에서 형성된 탄성파(46)의 스냅샷(snap-shot)을 묘사하는 도 3에 개략적으로 도시된다.

연료 유동 변동들을 감소시키거나 바람직하게 억제하기 위해서 그리고 이에 따라 연소 역학들에서의 감소를 획득하기 위해서, 연소 시스템(10)은 이러한 예시적 실시예에서 2 개의 공진기(resonator)(20, 20')(하기 문맥에서, 필요시 2 개의 공진기(20, 20')들 사이의 구별을 위해서 제 1 공진기(20) 및 제 2 공진기(20')로서 또한 구체화됨)들을 포함하며, 여기서 각각의 공진기(20, 20')는 공진기 캐비티(22)(상세를 위해서, 도 4 및 도 5 참조)를 갖는다. 공진기(20, 20')들은 매니폴드(18)에 기능적으로 배열된다. 이에 따라, 매니폴드(18)에 공진기(20, 20')를 배치함으로써, 공진기들은 연료 유동 변동들의 소스에 직접 배치된다.

연소 시스템(10)은, 선택된 개수, 자세하게는 이러한 예시적 실시예에서 각각의 경우에 6 개의 인젝터(56)들 뿐만 아니라 연소 챔버(14, 16)들, 그리고 선택된 개수, 즉, 이러한 예시적 실시예에서 2 개의 공진기(20, 20')들을 포함하며, 이에 따라 공진기(20, 20')들의 개수는 인젝터(56)들 및 연소실(14, 16)들의 개수 보다 작다. 형성된 탄성파(46)가 정지파(standing wave)(46)이면, 공진기(20)들 중 적어도 하나는, 정지파(46)의 압력 안티-노드(pressure anti-node)(44)의 위치에 배치된다. 2 개 이상의 공진기(20, 20')들을 비주기적으로 배치시킴으로써, 압력 노드(도시 생략)의 위치에서 뜻하지 않게 공진기(20, 20')를 갖는 것이 용이하게 회피될 수 있을 것이다.

도 4 및 도 5는 보다 양호한 형태성(presentability)을 위해서 선형 구성으로 그리고 보다 상세히 도 3으로부터의 제 1 공진기(20)를 예시적으로 도시한다. 일반적으로, 공진기(20)에 대해 설명된 모든 특징들은 공진기(20')에 또한 적용될 수 있다. 공진기(20)는 축방향 연장부(36)를 갖는 선형의 직사각형 상자형상 본체(box-like body)(34)의 형상을 갖는다. 선형의 직사각형 상자형상 본체(34)는, 천공된 섹션(24)의 보다 양호한 형태성을 위해서 도 1 및 도 5에서 가상선으로 그리고 도 1에서(도면 부호 없이) 단지 부분적으로 도시된다(하기 참조). 일반적으로, 매니폴드(18)의 형상 또는 원주, 또는 원통형의 선형 또는 구부러진 파이프를 따르도록 약간 구부러진 선형의 직사각형 상자형상 본체(34)를 구축하는 것이 또한 가능할 것이다.

게다가, 주파수에 대한 광범위한 응답을 제공하기 위해서, 공진기(20)는 적어도 2 개 또는 복수 개의 오리피스(26)들을 갖는 천공된 섹션(24)을 포함한다. 오리피스(26)들은, 매니폴드(18)의 루멘(64)으로부터 공진기(20)의 공진기 캐비티(22)까지 파(46)의 파동 전파(wave propagation)를 위한 억세스(access)를 제공한다. 모든 오리피스(26)들은 원형 형상으로 구체화된다. 게다가, 천공된 섹션(24)은 중공 실린더(hollow cylinder)(28)(도 5 참조)의 형상을 갖는다. 이에 따라, 이 섹션은 천공된 라이너(perforated liner)이다.

복수 개의 오리피스(26)들 중 오리피스(26)들은 천공된 섹션(24) 상에 그리고 중공 실린더(28)(도 5 참조)의 자켓(32)의 전체 원주(30)를 따라 균일하게 분포된다. 게다가, 이들 오리피스들은 선형 본체(34)의 전체 축방향 연장부(36)를 따라 분포된다. 천공된 섹션(24)은 매니폴드(18)의 일부에 형성되며, 또는 매니폴드(18)의 일부이다.

오리피스(26)를 통해 연료가 공진기(20)의 공진기 캐비티(22)에 진입하는 것을 방지하기 위해서, 공진기(20)는 제한 장치(restriction device)로 구체화된다. 제한 장치는, 공진기 캐비티(22)에서의 압력(P)이며, 여기서 공진기 캐비티(22)에서의 압력(P)은 매니폴드(18)에서의 압력(p)보다 더 높다. 예컨대, 0.5 bar의 압력 차가 충분할 수 있다.

공진기(20)의 공진기 캐비티(22)는, 6 개의 벽들에 의해 둘러싸이며, 여기서, 이들 벽들 중 2 개는, 공진기(20)의 선형 본체(34)의 축방향 연장부(36)를 따라 또는 이에 평행하게 배열된 벽(38)들이다. 이들 벽(38)들 및 매니폴드(18)의 부분(40)(또한, 선형 본체(34)의 축방향 연장부(36)를 따라 또는 이에 평행하게 배열됨)는, 이른바 파이프 인 파이프 시스템(pipe in pipe system)(42)에서와 같이 배열된다. 매니폴드(18)의 부분(40)은, 천공된 섹션(24)의 적어도 일 구역이다. 이에 따라, 축방향 연장부(36), 벽(38)들 및 부분(40)-천공된 섹션(24)의 구역은, 서로 평행하게 배열된다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 공진기(20) 및 제 2 공진기(20')는, 이들의 축방향 길이(L)에서, 상세하게는, 예시적 실시예에서와 같이 특징이 상이하다. 이에 따라, 양자 모두의 공진기(20, 20')들은 인젝터(56)들 및 연소실(14, 16)들의 위치들 및 특징들에 관하여 이들 공진기들의 위치 및 기능을 위해서 상세하게 설계된다. 일반적으로, 공진기(20, 20')들은, 하나 초과의 특징 및/또는 또다른 특징(상기 기재 참조)이 상이할 수 있다.

공진기(20, 20')들은, 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)을 이용하여 그리고 자세하게는 헬름홀츠 방정식을 이용하여 이전에 결정된 조건들에 의존하여, 연소 역학 주파수 전반에 최적의 완충(optimum damping)을 제공하도록 설계될 것이다:

,

C= 음속(speed of sound), V= 공진기 체적(volume), S= 공진기 오리피스들의 면적, I= 오리피스들의 높이 또는 길이. 이에 따라, 완충을 필요로 할 수 있는 판정된 조건들 및 피크 공진 주파수(peak resonance frequency)는, 오리피스(26)들의 치수들(높이, 길이 또는 직경과 같음), 오리피스(26)들의 개수 및/또는 공진기 캐비티(resonator cavity)(22)의 체적(V)을 규정한다.

이에 따라, 예시적 공진기(20)의 공진기 캐비티(22)의 치수(체적)를 판정하기 위해서, 하나 이상의 주파수 및 바람직하게는 규정된 조건들 하에서 연소 시스템(10)에서 형성될 것이며 그리고 연소 시스템(10)의 연소 역학 주파수 전반에 최적의 완충을 제공하기 위해서 변조(modulation)를 필요로 하는 규정된 범위의 주파수들이 판정된다. 후속하여, 하나 이상의 판정된 주파수 또는 주파수들의 판정된 범위에 의존하여 헬름홀츠 방정식을 사용하여 공진기(20)의 공진기 캐비티(22)의 치수가 평가되며, 마지막으로 평가에 따라 치수가 조절된다(상세히 도시되지 않음).

대안으로 및/또는 추가로, 공진기 캐비티(22)는 조절가능한 체적(V)을 갖는다. 이에 따라, 가동(moveable) 벽(66)이 제공된다. 이는, 공진기 체적(22)을 에워싸는 임의의 벽들일 수 있다. 예시적 실시예로서, 가동 벽(66)은, 선형 본체(34)의 축방향 연장부(36)에 평행하게 배열된 벽(38)들 중 하나이다. 이는, 양방향 화살표와 함께 파선(dashed line)으로서 도 4에 도시된다.

본원의 공진기 배열체(20, 20')를 통한 전체(overall) 또는 총(nett) 연료 유동이 존재하지 않으며, 환언하면, 유입 또는 유출이 존재하지 않음이 이해되어야 한다. 본원의 공진기는, 연료와 같은 유체를 위한 어큐뮬레이터(accumulator)로서 작용한다. 공진기는, 연료 유동 교란들 및 압력 편차(variance)들 또는 파(wave)들을 완충하기 위해서 팽창 체적과 같이 작용함에 따라 설정된 체적 및 압력 밸런스(pressure balance)들의 어큐뮬레이터이다.

2 개 또는 그 초과의 공진기(20, 20')들이 매니폴드(18) 상에 제공되는 곳에서, 각각의 공진기는 서로 상이한 체적들을 형성할 수 있다. 각각의 체적은 상이한 주파수들을 감쇠시키도록 결정될 수 있다. 각각의 공진기의 상이한 체적들은, 오리피스(26)들로부터 먼 방향으로 '높이' 또는 '길이'를 설정함으로써 설정될 수 있는데; 도 4의 경우에, 공진기의 길이는 오리피스(26)들로부터 벽(38)까지의 (반경방향) 거리이다. 이 거리는, 매니폴드(18)의 중심 축에 대한 반경방향 거리일 수 있다. 이에 따라, 훨씬 더 광범위한 범위의 주파수들이 감쇠될 수 있다.

다른 실시예에서, 오리피스들의 면적은, 2 이상의 공진기들 사이에서 상이할 수 있어, 제 1 공진기는 오리피스들의 제 1 전체 면적을 갖고, 제 2 공진기는 오리피스들의 제 2 전체 면적을 갖는다. 오리피스들의 제 1 면적은 오리피스들의 제 2 면적보다 크다. 더 큰 오리피스들의 전체 면적은, 더 큰 수의 오리피스들에 의해, 또는 각각의 체적과 관련된 복수 개의 오리피스들에서 오리피스들의 각각의 또는 일부의 더 큰 면적에 의해서 성취될 수 있다.

도 4 및 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 천공된 섹션(24)은 매니폴드(18)의 벽이며, 이에 따라 연료의 유동 경로를 형성한다. 공진기(20, 20')는 매니폴드(18)의 축방향 연장부 또는 길이(36)를 완벽하게 둘러싸는 것으로 도시되어 있다. 매니폴드(18)의 중심 축에 대해서, 공진기(20, 20')의 체적(22)은 반경 방향 외부 벽들에 의해 그리고 매니폴드(18)의 벽에 의해서 반경 방향 내측방으로 규정된다. 이에 따라, 매니폴드에서의 연료 유동은, 천공된 섹션(24)을 통해 매니폴드(18)로부터의 체적(22)에 대한 직접적인 접근을 갖는다.

도 4 및 도 5가 단일 캐비티 또는 체적(22)을 갖는 공진기(20, 20')를 도시하고 있지만, 체적(22)은 원주 방향으로 분절화되는(segmented) 것이 가능하다. 각각의 원주방향 하위 체적(sub-volume)은 다른(다른 것들의) 하위 체적(들)과 상이한 체적을 포함할 수 있다. 예컨대, 2 개, 3 개 또는 그 초과의 하위 체적들이 존재할 수 있다. 이 예에서, 천공된 섹션(24)은 일정한 천공 크기 및 밀도 그리고 이에 따라 공진기 오리피스들의 동일한 면적을 가질 수 있다. 대안으로, 각각의 하위 체적과 관련된 천공된 섹션은, 공진기 오리피스들의 상이한 면적을 가질 수 있다. 이는, 오리피스들의 상이한 밀도 및/또는 오리피스들의 상이한 크기에 의해 성취될 수 있다.

용어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하는 것이 아니고 단수적 표현은 복수형을 배제하는 것이 아님에 유의해야 한다. 또한, 상이한 실시예들과 관련하여 설명된 요소들이 조합될 수 있다. 또한, 청구항들에서의 도면 부호들은 청구항들의 범주를 제한하는 것으로서 이해되어서는 안 됨에 유의해야 한다.

본 발명이 바람직한 예시적 실시예들에 의해 상세히 예시 및 설명되고 있지만, 본 발명은 개시된 예시들에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해서 다른 변경예들이 이로부터 유도될 수 있다.

Claims

하나 이상의 연소실(combustion chamber)(14, 16), 상기 하나 이상의 연소실(14, 16)에 2 이상의 인젝터(injector)(56)들을 통해 유동 매체(flow medium)를 공급하는 공유 매니폴드(shared manifold)(18), 및 하나 이상의 공진기 캐비티(resonator cavity)(22)를 갖는 하나 이상의 공진기(20, 20')를 포함하는 플로 엔진(flow engine)(12)의 연소 시스템(combustion system)(10)으로서,
상기 하나 이상의 공진기(20, 20')는 매니폴드(18) 내에/매니폴드에 기능적으로 배열되는, 플로 엔진의 연소 시스템에 있어서,
상기 공진기(20, 20')는 2 이상의 오리피스(orifice)(26)들을 갖는 하나 이상의 천공 섹션(perforated section)(24)을 포함하며, 상기 2 이상의 오리피스(26)들은 매니폴드 내의 유동 매체의 교란(perturbation)을 조절(modulate) 및/또는 완충(damp)하도록 하나 이상의 공진기(20, 20')의 하나 이상의 공진기 캐비티(22)로의 매니폴드 내의 유동 매체를 위한 직접적인 접근을 제공하는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 2 이상의 공진기(20, 20')들이 제공되며, 각각의 공진기는 상이한 공진기 캐비티(22) 체적을 갖는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공진기(20, 20')들 중 하나 이상은, 2 이상의 공진기 캐비티(22)들을 가지며, 각각의 공진기 캐비티(22)는 상이한 공진기 캐비티(22) 체적을 갖는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 천공 섹션(24)은 매니폴드(18)의 일 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 천공 섹션(24)은 매니폴드(18)의 벽에 형성되며, 매니폴드를 통한 연료의 유동 경로의 일부를 형성하며, 하나 이상의 공진기 캐비티(22)는 하나 이상의 천공 섹션(24)에 의해 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 천공 섹션(24)은 중공 실린더(28)의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 하나 이상의 천공 섹션(24)은 중공 실린더(28)의 재킷(32)의 전체 원주(30)를 따라 분포되는 복수 개의 오리피스(26)들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 공진기(20, 20')는 축방향 연장부(36)를 갖는 선형 본체(34)의 형상을 가지며, 상기 하나 이상의 천공 섹션(24)은 선형 본체(34)의 전체 축방향 연장부(36)를 따라 분포되는 복수 개의 오리피스(26)들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 하나 이상의 공진기(20, 20')의 하나 이상의 공진기 캐비티(22)는, 기본적으로(basically) 하나 이상의 공진기(20, 20')의 선형 본체(34)의 축방향 연장부(36)를 따라 배열된 하나 이상의 벽(38)을 포함하며, 기본적으로 상기 선형 본체(34)의 축방향 연장부(36)를 따라 배열된, 매니폴드(18)의 부분(40) 및 하나 이상의 공진기 캐비티(22)의 하나 이상의 벽(38)은 파이프 인 파이프(pipe in pipe system) 시스템(42)과 같이 배열되는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 천공 섹션(24)은 하나 이상의 천공 섹션(24)에 걸쳐 균일하게 분포되는 복수 개의 오리피스(26)들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연소 시스템(10)은 선택된 개수의 인젝터(56)들 및 선택된 개수의 공진기(20, 20')들을 포함하며, 상기 공진기(20, 20')들의 개수는 인젝터(56)들의 개수와 같거나 미만(equal or less than)인 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 공진기 캐비티(22) 내의 압력(P)은, 2 이상의 오리피스(26)들을 통해 매니폴드(18)로부터 하나 이상의 공진기 캐비티(22) 내로의 유동 매체의 유동을 방지하기 위해서 매니폴드(18) 내의 압력(p)보다 높은 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 제 2 공진기(20, 20')를 포함하며, 상기 제 1 공진기(20) 및 상기 적어도 제 2 공진기(20')는 하나 이상의 특징이 상이한 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 공진기(14, 16)는 매니폴드(18)에서 이동하는 유동 매체의 유량의 교란(perturbation)들로 인해 매니폴드(18)에서 형성된 정지파(standing wave)(46)의 압력 안티-노드(pressure anti-node)(44)의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 공진기 캐비티(22)는, 조절가능한 체적을 갖는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 플로 엔진(12)의 연소 시스템(10)의 공진기(20, 20')의 공진기 캐비티(22)의 치수를 판정하는 방법에 있어서,
상기 방법은, 적어도
규정된 조건들 하에서 연소 시스템(10)에서 형성될 수 있고 연소 시스템(10)의 연소 역학 주파수(combustion dynamic frequency) 전반에 최적의 완충(optimum damping)을 제공하기 위해서 변조(modulation)를 필요로 하는 하나 이상의 주파수를 판정하는 단계,
하나 이상의 판정된 주파수에 의존하여 헬름홀츠 방정식을 사용하여 공진기(20, 20')의 공진기 캐비티(22)의 치수를 평가하는 단계, 및
상기 평가에 따라 치수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템의 공진기의 공진기 캐비티의 치수를 판정하는 방법.
제 16 항에 있어서,
2 또는 그 초과의 캐비티들이 제공되며,
상기 방법은, 적어도
규정된 조건들 하에서 연소 시스템(10)에서 형성될 수 있고 연소 시스템(10)의 연소 역학 주파수 전반에 최적의 완충을 제공하기 위해서 변조(modulation)를 필요로 하는 주파수의 범위를 판정하는 단계,
판정된 하나 이상의 주파수에 의존하여 헬름홀츠 방정식을 사용하여 공진기(20, 20')의 각각의 공진기 캐비티(22)의 치수를 평가하는 단계, 및
주파수들의 범위를 커버하는 상이한 캐비티 특징들을 제공하도록 상기 평가에 따라 각각의 공진기 캐비티(22)의 치수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로 엔진의 연소 시스템의 공진기의 공진기 캐비티의 치수를 판정하는 방법.