KR20210151206A - 공진기, 공진기 제조 방법 및 공진기가 제공된 연소기 배열체 - Google Patents

공진기, 공진기 제조 방법 및 공진기가 제공된 연소기 배열체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고정식 가스 터빈 설비(1)의 연소기 배열체에 설치하기 위한, 복수의 천공부(13)들을 구비한 환형 공진기(8)에 관한 것이며, 이러한 공진기(8)는 내화 세라믹으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 이러한 공진기(8)의 제조 방법과; 연소기(6)를 포함하는 연소기 유닛(2), 연소기 유닛(2) 하류에 배열되고 연소기(6)를 통해 생성된 가열 기체를 터빈으로 안내하도록 구성된 전달 라인(9), 및 본 발명에 따른 하나 이상의 공진기(8)를 구비한 가스 터빈 설비(1)용 연소기 배열체;에 관한 것이다.

Description

공진기, 공진기 제조 방법 및 공진기가 제공된 연소기 배열체
본 발명은 고정식 가스 터빈 설비의 연소기 배열체에 설치하기 위한, 복수의 천공부들을 구비한 환형 공진기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 공진기의 제조 방법과; 연소기를 포함하는 연소기 유닛, 연소기 유닛 하류에 배열되고 연소기를 통해 생성된 가열 기체를 터빈으로 안내하도록 구성된 전달 라인, 및 이러한 하나 이상의 공진기를 구비한 가스 터빈 설비용 연소기 배열체;에 관한 것이다.
연소기 배열체는 가스 터빈 설비에서, 가열 기체를 생성하고 터빈 유입부로 안내하기 위해 사용된다. 이를 위해, 연소기 배열체는 연소기 유닛과 더불어, 파이프 라인으로서 형성된 전달 라인을 포함하며, 이러한 전달 라인은 전문가들 사이에서 "트랜지션부(transition)"라고도 불린다. 전달 라인은 가스 터빈 설비의 작동 중에 높은 열적 부하를 받는다. 이에 상응하게, 전달 라인은 고내열성 재료로, 통상적으로는 냉각 채널들이 내부에 위치한 박벽의(thin-walled) 니켈 기반 재료로 제조되며, 단열을 위한 내부 레이어 시스템(TBC + MCrAlY)을 포함한다. 음향적 연소 진동을 감소시키기 위하여, 화염 영역 후방에서 연소기 유닛의 소위 "바스켓(basket)" 내에 금속으로 제조된 하나 이상의 환형 공진기를 배열하는 것이 공지되어 있다. 이러한 공진기는 규칙적으로 균열이 나타나고 "바스켓"의 수명을 제한하기 때문에, 기술 상 연소기 배열체의 취약 지점을 나타낸다. 공진기의 신규 제조 및 교환은 매우 복잡하고 비용이 많이든다.
가스 터빈 설비에 대한 요건이 점점 더 강화됨으로써 심사 상황이 더욱 까다로워질 것으로 예상된다는 사실의 고려 하에, 본 발명의 과제는, 연소기 배열체의 유지 보수를 더 간단하고 더 저렴하게 구성하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 내화 세라믹으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 도입부에 언급한 유형의 공진기를 제공한다. 이는, 공진기가 연소기 배열체의 작동 중에 형성되는 온도에서 균열 형성 경향이 현저히 줄어듬으로써, 유지 보수의 복잡도와 비용이 현저히 감소되도록 유도한다.
바람직하게, 공진기는 축방향으로 원추형으로 테이퍼링되는 외주면을 포함함으로써, 마찬가지로 원추형으로 테이퍼링되는 재킷면을 갖는 환형 금속 재킷 구조 내로 삽입되고, 이에 고정될 수 있다.
바람직하게, 공진기의 외주면에는 반경 방향으로 작용하는 복수의 스프링 요소들이 배열된다. 이러한 스프링 요소들은 공진기가 금속 재킷 구조 내로 삽입될 때, 재킷 구조와 공진기 사이에 환형 간극이 유지되는 상태로 공진기의 반경 방향 응력 인가 및 축방향 응력 인가를 가능하게 하므로, 열팽창 차이가 보상되고, 공진기는 모든 작동 조건들 하에서 제한된 힘으로 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 스프링 요소들은, 축방향으로 연장되고 반경 방향 외측으로 만곡되는 판 스프링들이다. 이러한 방식으로, 간단하고 저렴한 구조가 달성된다.
바람직하게, 스프링 요소들은 원주 방향으로 서로 균일한 간격들을 갖는데, 이는 재킷 구조 내부에서 공진기가 중심에 위치 설정될 수 있도록 한다.
공진기는 일체형으로 형성되거나, 복수의 링 세그먼트들로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 환형 공진기의 1차 성형 공정의 범주에서 바람직하게 부가적으로 제조되는 금형 인서트들이 천공부들의 형성을 위해 사용되는, 본 발명에 따른 공진기의 제조 방법을 제공한다. 천공부들은 공진기의 제조 시에 원하는 감쇠 주파수들에 기하학적으로 매칭될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 예를 들어 구멍 면적 비(hole area ratio), 즉 총면적에 대한 모든 구멍 면적의 비율과, 공진기 두께와, 천공부들의 반경 등과 같은 매개변수들이 변화될 수 있다. 공진기 조립 시에 선택되는, 공진기와 금속 재킷 구조 사이의 간극 크기도 감쇠 주파수에 영향을 미친다.
또한, 본 발명은, 연소기를 포함하는 연소기 유닛, 연소기 유닛 하류에 배열되고 연소기를 통해 생성된 가열 기체를 터빈으로 안내하도록 구성된 전달 라인, 및 본 발명에 따른 하나 이상의 공진기를 구비한 가스 터빈 설비용 연소기 배열체를 제안한다.
바람직하게, 하나 이상의 공진기는, 하류 방향으로 원추형으로 테이퍼링되는 횡단면을 갖는 환형 금속 재킷 구조 내에서, 반경 방향 초기 응력 및 축방향 초기 응력에 의해 수용되고, 스프링 요소들이 공진기와 재킷 구조 사이에 배열된다.
바람직하게, 반경 방향 초기 응력 및 축방향 초기 응력은 특히 환형으로 형성되는 가압 요소를 통해 제공되고, 이러한 가압 요소는 재킷 구조의 단부측에 분리 가능하게 고정되고, 특히 이러한 재킷 구조와 나사 고정된다. 즉, 이러한 가압 요소는 재킷 구조 내로 삽입된 공진기(들)에 대해 축방향으로 가압을 실행하고, 원하는 초기 응력으로 스프링 요소들에 응력을 가한다.
재킷 구조는 연소기 유닛 또는 전달 라인 자체를 통해 형성되거나, 연소기 유닛과 전달 라인 사이에 배열되는 별도의 구성 요소들로서 제공될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들은 첨부 도면을 참조하여 하기 설명 내용에 의해 명확해질 것이다.
도 1은 공지된 가스 터빈 설비의 영역의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진기의 사시도이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진기들을 포함하는 본 발명에 따른 연소기 배열체의 부분 영역의 분해 사시도이고, 그리고
도 4는 도 2에 도시된 배열체의, 조립 상태에서의 단면도이다.
하기에서, 동일한 도면 부호들은 동일한 유형의 부품들 또는 부품 섹션들과 관련된다.
도 1은 연소기 유닛(2)이 가스 터빈 설비(1)의 하우징(3) 내로 삽입되는, 공지된 가스 터빈 설비(1)의 영역을 도시한다. 연소기 유닛(2)은 플랜지(4)를 통해 연결 하우징(5)과 연결되고, 이러한 연결 하우징은 다시 하우징(3)과 나사 고정된다. 그러나, 기본적으로 플랜지(4)는 하우징(3)에 직접적으로 고정될 수도 있고, 이에 상응하게 연결 하우징(5)이 생략될 수 있다. 연소기 유닛(2)은 연소기(6)와, 하류에서 이러한 연소기로 이어지는 관형 연소 챔버(7)를 포함하며, 이러한 연소 챔버는 종종 "바스켓"이라고도 불린다. 연소 챔버(7)의 영역 내에서, 연소기(6)의 화염 영역 후방에는 음향적 연소 진동을 감소시키기 위해 제공된 금속 공진기(8)가 제공된다. 연소 챔버(7)의 배출부 단부는 "트랜지션부"라고도 불리는 전달 라인(9)의 유입부 단부와 연결되며, 이러한 전달 라인은 조정- 및 고정 장치(10)를 통해 하우징(3)에 홀딩되고, 그리고 연소기(6)를 통해 생성된 가열 기체를 하류에 위치 설정된, 여기에는 도시되지 않은 가스 터빈 배열체(1)의 터빈으로 안내하도록 구성된다. 연소기 유닛(2)과 전달 라인(9)은 함께 연소기 배열체를 형성한다. 가스 터빈 설비(1)는 터빈에 가열 기체를 공급하는 이러한 복수의 연소기 배열체들을 포함한다.
연소기 배열체들은 가스 터빈 설비(1)의 작동 중에 높은 열적 부하를 받는다. 고온은 공진기(8)들에서 균열 형성을 야기하고, 그 때문에 연소 챔버(7)들은 규칙적으로 수리되거나 교체되어야 한다. 이는 시간 및 비용이 많이든다.
도 2는 내화 세라믹으로 제조된 본 발명의 제1 실시예에 따른 환형 공진기(8)를 도시한다. 공진기(8)는, 축방향(A)으로 외부 직경(Da1)으로부터 외부 직경(Da2)을 향해 원추형으로 테이퍼링되는 외주면(11)과, 여기서는 외주면(11)에 대해 평행하게 연장됨으로써 마찬가지로 축방향으로 내부 직경(Di1)으로부터 내부 직경(Di2)을 향해 원추형으로 테이퍼링되는 내주면(12)을 포함한다. 외주면(11)에는 복수의 천공부(13)들이 형성된다. 개별 천공부(13)들의 크기, 수, 분포 및 형상은 공진기(8)의 제조 시에 원하는 감쇠 주파수를 달성하기 위하여 자유롭게 선택될 수 있다. 바람직하게, 천공부(13)들은 공진기(8)의 1차 성형 공정의 범주에서, 부가적으로 제조되는 금형 인서트들의 사용 하에 제조되고, 기본적으로는 물론 다른 제조 기술 또는 부가적인 제조 기술이 사용될 수도 있다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 공진기(8)와 유사하게 내화 세라믹으로 제조되고 천공부(13)들이 제공되는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진기(8)를 도시한다. 한 가지 차이점은, 도 3에 도시된 공진기(8)들이 일체형이 아니라, 복수의 링 세그먼트(14)들로 구성된다는 점이다. 외주면(11)에는, 반경 방향으로 작용하는 복수의 스프링 요소(15)들이 위치 설정되며, 이러한 스프링 요소들은 이 경우, 축방향으로 연장되고 반경 방향 외측으로 만곡되는 판 스프링들로서 형성되고, 외주면(11)에 걸쳐 균일하게 분포된 상태로 배열된다. 스프링 요소(15)들의 수용을 위해, 공진기(8)의 외주면(11) 내에는 홈들이 형성될 수 있으며, 이는 필수적으로 요구되지는 않는다. 도 3에 도시된 두 공진기(8)들은 자신들의 조립 시에 축방향으로 앞뒤로 연이어, 각각 더 작은 외부 직경(Da2)이 앞서도록 금속 재킷 구조(16) 내로 삽입되므로, 스프링 요소(15)들은 재킷 구조(16)의 내벽과 맞물린다. 이후, 공진기(8)들은 이 경우 환형으로 형성된 가압 요소(17)에 의하여 스프링 요소(15)들의 탄성력에 대항하여 재킷 구조(16) 내로 더욱 밀어 넣어지고, 이어서 가압 요소(17)는 고정 나사(18)들의 사용 하에 재킷 구조(16)의 단부측에 고정된다. 이러한 방식으로, 공진기(8)들은 반경 방향 초기 응력 및 축방향 초기 응력의 인가 하에 재킷 구조(16)와 공진기(8)들 사이에 환형 간극(19)이 유지되는 상태로 고정된다. 이 경우, 환형 간극(19)의 크기는 어느 정도 한계 내에서 설정 가능하며, 마찬가지로 공진기(8)들의 감쇠 주파수(들)에 영향을 미친다. 재킷 구조(16)는 기본적으로 연소기 유닛(2)의 연소 챔버(7)의 일부 또는 전달 라인(9)의 일부를 형성할 수 있거나, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 연소기 유닛(2)과 전달 라인(9) 사이에 삽입되고 그에 고정되는 별도의 구성 요소들로서 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 공진기(8)는 도 3 및 도 4에 도시된 공진기(8)들과 마찬가지로, 재킷 구조(16), 스프링 요소(15)들 및 가압 요소(17)의 사용 하에 조립될 수 있음이 명확할 것이다.
본 발명이 바람직한 실시예에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예들로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 도출될 수 있다.

Claims (11)

  1. 고정식 가스 터빈 설비(1)의 연소기 배열체에 설치하기 위한, 복수의 천공부(13)들을 구비한 환형 공진기(8)에 있어서,
    공진기(8)는 내화 세라믹으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 공진기(8).
  2. 제1항에 있어서, 공진기는 축방향으로 원추형으로 테이퍼링되는 외주면(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공진기(8).
  3. 제2항에 있어서, 외주면(11)에는 반경 방향으로 작용하는 복수의 스프링 요소(15)들이 배열되는 것을 특징으로 하는, 공진기(8).
  4. 제3항에 있어서, 스프링 요소(15)들은, 축방향으로 연장되고 반경 방향 외측으로 만곡되는 판 스프링들인 것을 특징으로 하는, 공진기(8).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 스프링 요소(15)들은 원주 방향으로 서로 균일한 간격들을 갖는 것을 특징으로 하는, 공진기(8).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공진기는 복수의 링 세그먼트들로 구성되는 것을 특징으로 하는, 공진기(8).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 공진기의 제조 방법에 있어서,
    환형 공진기(8)의 1차 성형 공정의 범주에서는 바람직하게 부가적으로 제조되는 금형 인서트들이 천공부(13)들의 형성을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 공진기의 제조 방법.
  8. 연소기(6)를 포함하는 연소기 유닛(2),
    연소기 유닛(2) 하류에 배열되고 연소기(6)를 통해 생성된 가열 기체를 터빈으로 안내하도록 구성된 전달 라인(9), 및
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 공진기(8)
    를 구비한, 가스 터빈 설비(1)용 연소기 배열체.
  9. 제8항에 있어서, 하나 이상의 공진기(8)는, 하류 방향으로 원추형으로 테이퍼링되는 횡단면을 갖는 환형 금속 재킷 구조(16) 내에서, 반경 방향 초기 응력 및 축방향 초기 응력에 의해 수용되고, 스프링 요소(15)들이 공진기(8)와 재킷 구조(16) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 설비(1)용 연소기 배열체.
  10. 제9항에 있어서, 반경 방향 초기 응력 및 축방향 초기 응력은 특히 환형으로 형성되는 가압 요소(17)를 통해 제공되고, 이러한 가압 요소는 재킷 구조(16)의 단부측에 분리 가능하게 고정되고, 특히 이러한 재킷 구조와 나사 고정되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 설비(1)용 연소기 배열체.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 재킷 구조(16)는 연소기 유닛(2) 또는 전달 라인(9)을 통해 형성되거나, 연소기 유닛(2)과 전달 라인(9) 사이에 배열되는 별도의 구성 요소들로서 제공되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 설비(1)용 연소기 배열체.
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