KR20230013357A - Apparatus for predicting pressure fluctuation at gas turbine combustor using artificial neural network and method for predicting pressure fluctuation at gas turbine combustor using the same - Google Patents

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KR20230013357A
KR20230013357A KR1020210094012A KR20210094012A KR20230013357A KR 20230013357 A KR20230013357 A KR 20230013357A KR 1020210094012 A KR1020210094012 A KR 1020210094012A KR 20210094012 A KR20210094012 A KR 20210094012A KR 20230013357 A KR20230013357 A KR 20230013357A
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곽상혁
안명근
최재홍
이민철
윤영빈
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서울대학교산학협력단
인천대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a pressure perturbation prediction apparatus in a gas turbine combustor using artificial neural network technique. The pressure perturbation prediction apparatus comprises: a nozzle unit; a fluid inlet unit which introduces first fluid and second fluid at preset flow rates into the nozzle unit, respectively; a combustion unit in which a third fluid formed by mixing of the first fluid and the second fluid in the nozzle unit is introduced to form a flame; a characteristic calculation unit which calculates flow information, which is a characteristic of the third fluid, and flame information, which is a characteristic of the flame; and a prediction unit which receives the flow information and the flame information, calculates frequency information of pressure perturbation and intensity information of pressure perturbation based on a deep learning model, and predicts the pressure perturbation based on the frequency information of pressure perturbation and the intensity information of pressure perturbation. According to the present invention, the frequency information and intensity information of pressure perturbation that occurs during a combustion process can be quickly predicted to design a stable combustor. In addition, according to the present invention, the frequency information and intensity information of pressure perturbation can be predicted without performing a combustion test by using flame-centered interpolation according to an equivalence ratio and flow conditions.

Description

인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치 및 방법{APPARATUS FOR PREDICTING PRESSURE FLUCTUATION AT GAS TURBINE COMBUSTOR USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK AND METHOD FOR PREDICTING PRESSURE FLUCTUATION AT GAS TURBINE COMBUSTOR USING THE SAME}Apparatus and method for predicting pressure perturbation in gas turbine combustor using artificial neural network technique

본 발명은 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 딥러닝 모델을 통해 연소과정에서 발생하는 압력 섭동의 주파수정보 및 세기정보를 예측하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, and more particularly, to an artificial neural network predicting frequency information and intensity information of pressure perturbation occurring in a combustion process through a deep learning model. It relates to an apparatus and method for predicting pressure fluctuation in a gas turbine combustor using a neural network technique.

최근 신재생에너지를 통한 발전량이 급격히 증가함에 따라 신재생에너지의 가장 큰 단점인 발전 간헐성을 보완할 수 있는 수단으로 가스터빈을 활용한 발전 방식이 각광받고 있다. 또한, LNG, 수소 등의 연료를 사용하기 때문에 석탄, 기름 등을 활용한 화력발전에 비해 친환경적이라는 장점도 있다.Recently, as the amount of power generation through new and renewable energy increases rapidly, a power generation method using a gas turbine is in the spotlight as a means to compensate for the intermittence of power generation, which is the biggest drawback of new and renewable energy. In addition, since it uses fuels such as LNG and hydrogen, it has the advantage of being environmentally friendly compared to thermal power generation using coal or oil.

가스터빈은 배기가스 배출량을 줄이기 위해 희박예혼합 상태에서 연료를 연소시키게 되는데 이 경우에 배기가스 배출 저감이라는 장점과 동시에 큰 압력 섭동이 발생하는 연소불안정 현상 발생이 쉽다는 단점도 가지게 된다. 연소불안정이 가스터빈 연소기에서 발생하게 되면 효율 저하 및 연소기 파손까지 일으킬 수 있어, 연소불안정 여부를 판단하고 이를 저감할 수 있는 압력 섭동의 예측은 안정적인 발전소 운용에 필수적이다.The gas turbine burns fuel in a lean premixed state to reduce exhaust gas emissions. In this case, it has the advantage of reducing exhaust gas emissions and the disadvantage of easy occurrence of combustion instability phenomenon in which large pressure fluctuations occur at the same time. When combustion instability occurs in a gas turbine combustor, it can cause a decrease in efficiency and even damage to the combustor. Therefore, determining whether combustion instability is present and predicting pressure fluctuations that can reduce it is essential for stable power plant operation.

기존 연소과정에서 발생하는 압력 섭동 예측의 수치해석적 기법의 경우, 3D 화염 형상 및 유동장을 직접 계산하여 자세한 유동 및 화염의 구조적 특징을 확인할 수 있다는 장점이 존재하지만, 3D 계산이므로 계산시간이 길어 압력 섭동을 빠르게 예측하기는 어렵다는 단점이 존재한다. 또한, 화염전달함수를 사용하는 Low-order network model의 경우, 1D로 간소화하여 계산하기 때문에 빠르게 해석 결과를 도출할 수 있는 특징이 있으나 연소조건이 바뀌면 화염전달함수도 다시 측정해야 하므로 다양한 연소조건에서의 압력 섭동을 예측하기 위해서는 각각의 조건에서 화염전달함수를 측정해야하는 단점이 있다.In the case of the numerical method of predicting pressure perturbation occurring in the existing combustion process, there is an advantage in that detailed flow and structural characteristics of the flame can be confirmed by directly calculating the 3D flame shape and flow field. A disadvantage is that it is difficult to quickly predict perturbations. In addition, in the case of the low-order network model using the flame transfer function, since it is simplified and calculated in 1D, it has the feature of quickly obtaining analysis results. In order to predict the pressure perturbation of , there is a disadvantage in that the flame transfer function must be measured under each condition.

따라서 다양한 조건에서 빠른 시간 내에 압력 섭동을 예측할 수 있는 효율적인 예측 기술이 필요하다.Therefore, there is a need for an efficient prediction technology capable of predicting pressure fluctuations in a short time under various conditions.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 조건에서의 압력 섭동 데이터를 바탕으로 학습된 예측 모델을 통해 가스터빈 연소기의 연소 과정에서 발생하는 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 효율적으로 예측하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치 및 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to obtain frequency information and intensity information of pressure perturbation occurring during the combustion process of a gas turbine combustor through a prediction model learned based on pressure perturbation data under various conditions. It is to provide an apparatus and method for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique that efficiently predicts.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 노즐부; 기설정된 유량의 제1유체와 제2유체를 각각 상기 노즐부로 유입시키는 유체유입부; 상기 제1유체와 상기 제2유체가 상기 노즐부에서 혼합되어 형성된 제3유체가 유입되어 화염이 형성되는 연소부; 상기 제3유체의 특징인 유동정보와 상기 화염의 특징인 화염정보를 계산하는 특징계산부; 및 상기 유동정보와 상기 화염정보를 입력받아 딥러닝 모델을 기반으로 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 연산하여 상기 압력 섭동의 주파수정보 및 상기 압력 섭동의 세기정보를 기초로 압력 섭동을 예측하는 예측부를 포함하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치에 의해 달성된다.The above object, according to the present invention, the nozzle unit; a fluid inlet unit for introducing a first fluid and a second fluid at predetermined flow rates into the nozzle unit; a combustion unit in which a flame is formed by introducing a third fluid formed by mixing the first fluid and the second fluid in the nozzle unit; a feature calculation unit for calculating flow information, which is a characteristic of the third fluid, and flame information, which is a characteristic of the flame; And receiving the flow information and the flame information and calculating the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation based on the deep learning model to calculate the pressure perturbation based on the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation It is achieved by a pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique including a prediction unit for predicting.

또한, 상기 유동정보는, 상기 제1유체의 유량과 상기 제2유체의 유량의 비율인 당량비정보와, 상기 제3유체가 상기 노즐부로부터 배출되는 속도인 출구유속정보를 포함할 수 있다.In addition, the flow information may include equivalence ratio information, which is a ratio of the flow rate of the first fluid to the flow rate of the second fluid, and outlet flow rate information, which is a rate at which the third fluid is discharged from the nozzle unit.

또한, 상기 화염정보는, 상기 연소부 내에 형성되는 상기 화염의 자발광 이미지의 중심에 해당하는 화염중심정보를 포함할 수 있다.In addition, the flame information may include flame center information corresponding to the center of a self-emitting image of the flame formed in the combustion unit.

또한, 상기 예측부는, 인공신경망(Artificial neural network, ANN) 모델을 사용할 수 있다.In addition, the prediction unit may use an artificial neural network (ANN) model.

또한, 상기 제1유체는, 공기로 마련되며, 상기 제2유체는, 탄화수소 연료로 마련되며, 상기 제1유체는, 190℃ 내지 210℃ 사이의 온도로 가열되어 상기 노즐부로 유입될 수 있다.In addition, the first fluid is provided with air, the second fluid is provided with hydrocarbon fuel, and the first fluid is heated to a temperature between 190 ° C and 210 ° C and introduced into the nozzle unit.

또한, 상기 연소부는, 피시험연소기가 기설정된 비율로 축소된 형태로 마련될 수 있다.In addition, the combustion unit may be provided in a form in which the burner under test is reduced at a predetermined ratio.

또한, 상기 화염중심정보는, 상기 화염의 상기 자발광 이미지에서 인텐시티 최대값의 위치로 계산될 수 있다.In addition, the flame center information may be calculated as a position of a maximum intensity value in the self-emission image of the flame.

또한, 상기 자발광 이미지는, OH 필터 또는 CH 필터가 결합된 CMOS 카메라에 의해 촬영될 수 있다.Also, the self-luminous image may be captured by a CMOS camera coupled with an OH filter or a CH filter.

또한, 상기 출구유속정보는, 상기 기설정된 유량의 합을 상기 노즐부의 출구 면적으로 나누어 계산되거나, 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)를 통해 측정되거나, 열선유속계(Hot-wire anemometer)를 통해 측정될 수 있다.In addition, the outlet velocity information is calculated by dividing the sum of the predetermined flow rates by the outlet area of the nozzle unit, measured through particle image velocimetry (PIV), or through a hot-wire anemometer. can be measured

또한, 상기 연산부는, 수식 1에 기초하여 상기 압력 섭동의 주파수정보와 상기 압력 섭동의 세기정보를 연산할 수 있다.Also, the calculation unit may calculate the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation based on Equation 1.

{수식 1}{Formula 1}

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 x는 상기 입력값, 상기 y는 상기 압력 섭동의 주파수정보 또는 상기 압력 섭동의 세기정보, 상기 w는 상기 인공신경망 모델의 각 계층 사이의 가중치 행렬, 상기 b는 상기 각 계측에서의 편향값 행렬, 상기 f와 상기 g는 활성화 함수)(The x is the input value, the y is the frequency information of the pressure perturbation or the intensity information of the pressure perturbation, the w is a weight matrix between each layer of the artificial neural network model, and the b is the bias value in each measurement matrix, where f and g are activation functions)

상기 목적은, 본 발명에 따라, 제1유체와 제2유체가 노즐부에서 혼합되어 형성된 제3유체의 특징인 유동정보와 연소부 내에 형성되는 화염의 특징인 화염정보에 따른 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보가 학습된 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치에 있어서, 기설정된 유량의 상기 제1유체와 상기 제2유체가 각각 유체유입부에 의해 상기 노즐부로 유입되는 유체유입단계; 상기 제1유체와 상기 제2유체가 상기 노즐부에서 혼합되어 형성된 상기 제3유체가 연소부로 유입되어 상기 화염이 형성되는 연소단계; 상기 유동정보와 상기 화염정보가 특징계산부에 의해 계산되는 특징계산단계; 및 상기 유동정보와 상기 화염정보를 입력받아 딥러닝 모델을 기반으로 상기 예측부에 의해 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보가 연산되어 압력 섭동이 예측되는 예측단계를 포함하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법에 의해 달성된다.According to the present invention, according to the present invention, the flow information, which is a characteristic of the third fluid formed by mixing the first and second fluids in the nozzle unit, and the frequency information of pressure perturbation according to the flame information, which is a characteristic of the flame formed in the combustion unit In the apparatus for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique in which strength information of and pressure perturbation is learned, the first fluid and the second fluid of predetermined flow rates respectively flow into the nozzle unit by the fluid inlet unit Fluid inlet step to be; a combustion step in which the third fluid formed by mixing the first fluid and the second fluid in the nozzle unit flows into a combustion unit to form the flame; a feature calculation step in which the flow information and the flame information are calculated by a feature calculation unit; And a prediction step of receiving the flow information and the flame information and calculating the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation by the prediction unit based on the deep learning model to predict the pressure perturbation artificial neural network technique including It is achieved by a pressure fluctuation prediction method in a gas turbine combustor using

또한, 상기 유동정보는, 상기 제1유체의 유량과 상기 제2유체의 유량의 비율인 당량비정보와, 상기 제3유체가 상기 노즐부로부터 배출되는 속도인 출구유속정보를 포함할 수 있다.In addition, the flow information may include equivalence ratio information, which is a ratio of the flow rate of the first fluid to the flow rate of the second fluid, and outlet flow rate information, which is a rate at which the third fluid is discharged from the nozzle unit.

또한, 상기 화염정보는, 상기 연소부 내에 형성되는 상기 화염의 자발광 이미지의 중심에 해당하는 화염중심정보를 포함할 수 있다.In addition, the flame information may include flame center information corresponding to the center of a self-emitting image of the flame formed in the combustion unit.

또한, 상기 예측단계는, 인공신경망(Artificial neural network, ANN) 모델을 사용할 수 있다.In addition, the predicting step may use an artificial neural network (ANN) model.

또한, 상기 제1유체는, 공기로 마련되며, 상기 제2유체는, 탄화수소 연료로 마련되며, 상기 제1유체는, 190℃ 내지 210℃ 사이의 온도로 가열되어 상기 노즐부로 유입될 수 있다.In addition, the first fluid is provided with air, the second fluid is provided with hydrocarbon fuel, and the first fluid is heated to a temperature between 190 ° C and 210 ° C and introduced into the nozzle unit.

또한, 상기 연소부는, 피시험연소기가 기설정된 비율로 축소된 형태로 마련될 수 있다.In addition, the combustion unit may be provided in a form in which the burner under test is reduced at a predetermined ratio.

또한, 상기 화염중심정보는, 상기 화염의 상기 자발광 이미지에서 인텐시티 최대값의 위치로 계산될 수 있다.In addition, the flame center information may be calculated as a position of a maximum intensity value in the self-emission image of the flame.

또한, 상기 자발광 이미지는, OH 필터 또는 CH 필터가 결합된 CMOS 카메라에 의해 촬영될 수 있다.Also, the self-luminous image may be captured by a CMOS camera coupled with an OH filter or a CH filter.

또한, 상기 출구유속정보는, 상기 기설정된 유량의 합을 상기 노즐부의 출구 면적으로 나누어 계산되거나, 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)를 통해 측정되거나, 열선유속계(Hot-wire anemometer)를 통해 측정될 수 있다.In addition, the outlet velocity information is calculated by dividing the sum of the predetermined flow rates by the outlet area of the nozzle unit, measured through particle image velocimetry (PIV), or through a hot-wire anemometer. can be measured

또한, 상기 연산단계는, 수식 1에 기초하여 상기 압력 섭동의 주파수정보와 상기 압력 섭동의 세기정보를 연산할 수 있다.In the calculating step, the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation may be calculated based on Equation 1.

{수식 1}{Formula 1}

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 x는 상기 입력값, 상기 y는 상기 압력 섭동의 주파수정보 또는 상기 압력 섭동의 세기정보, 상기 w는 상기 인공신경망 모델의 각 계층 사이의 가중치 행렬, 상기 b는 상기 각 계측에서의 편향값 행렬, 상기 f와 상기 g는 활성화 함수)(The x is the input value, the y is the frequency information of the pressure perturbation or the intensity information of the pressure perturbation, the w is a weight matrix between each layer of the artificial neural network model, and the b is the bias value in each measurement matrix, where f and g are activation functions)

본 발명에 따르면, 안정적인 연소기를 설계할 수 있도록 연소과정에서 발생하는 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 신속하게 예측할 수 있다.According to the present invention, it is possible to rapidly predict frequency information and intensity information of pressure perturbations generated in the combustion process so that a stable combustor can be designed.

또한, 본 발명에 따르면, 당량비 및 유동조건에 따른 화염 중심 보간을 통해 연소시험을 수행하지 않아도 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to predict frequency information and intensity information of pressure perturbation without performing a combustion test through flame center interpolation according to equivalence ratio and flow conditions.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.On the other hand, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and various effects may be included within a range apparent to those skilled in the art from the contents to be described below.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치를 전체적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치의 제1유체와 제2유체의 유량 조건을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치의 특징계산부에서 계산되는 출구유속정보와 화염중심정보의 정의를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치의 예측부의 딥러닝 모델 구성도를 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법의 순서도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법에 의해 예측된 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 실험값과 비교한 결과를 도시한 것이다.
1 shows a pressure fluctuation prediction apparatus in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention as a whole,
Figure 2 shows flow conditions of the first fluid and the second fluid of the pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention,
3 shows definitions of outlet flow velocity information and flame center information calculated by the feature calculation unit of the pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention,
4 is a block diagram of a deep learning model of a prediction unit of a pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention;
5 is a flowchart of a pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 shows results of comparing frequency information and intensity information of pressure perturbation predicted by a method for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention with experimental values.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings.

그리고 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.And, in describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function hinders understanding of the embodiments of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used to describe components of an embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus for predicting pressure fluctuation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치를 전체적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치의 제1유체와 제2유체의 유량 조건을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치의 특징계산부에서 계산되는 출구유속정보와 화염중심정보의 정의를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치의 예측부의 딥러닝 모델 구성도를 도시한 것이다.1 shows a pressure fluctuation prediction device in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention as a whole, and FIG. 2 is a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention Figure 3 shows the flow rate conditions of the first fluid and the second fluid of the pressure perturbation predicting device in , Figure 3 is a pressure perturbation predicting device in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention Characteristic calculation Figure 4 is a deep learning model configuration of the prediction unit of the pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention. It shows the figure.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)는 노즐부(110)와 유체유입부(120)와 연소부(130)와 특징계산부(140)와 예측부(150)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention includes a nozzle unit 110, a fluid inlet unit 120, and a combustion unit ( 130), a feature calculation unit 140, and a prediction unit 150.

상술한 특징계산부(140)와 예측부(150)는 하나의 PC(Personal Computer) 등의 단말기로 구현될 수 있으며, 기능과 목적에 따라 각각 별도의 장치로 마련될 수도 있다.The above-described feature calculation unit 140 and prediction unit 150 may be implemented as a single terminal such as a PC (Personal Computer), or may be provided as separate devices depending on functions and purposes.

노즐부(110)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)가 혼합되는 구성으로 동축형 또는 jet-in-cross 방식의 노즐로 마련될 수 있으며, 유체가 제트 또는 스월 형태로 분무될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)의 노즐부(110)는 부분예혼합형태의 노즐로 마련될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)의 노즐부(110)는 GE사의 GE7EA 가스터빈 연소기의 스월 노즐로 마련될 수 있다. 그러나 상술한 형상의 노즐로 반드시 제한되는 것은 아니며, 상술한 제3유체(f3)가 형성될 수 있다면 어떠한 형상으로 마련되더라도 무방하다. 또한, 노즐부(110)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)를 혼합시키지 않고 후술하는 연소부(130)로 유입시킬 수도 있다.The nozzle unit 110 has a configuration in which the first fluid f1 and the second fluid f2 are mixed, and may be provided as a nozzle of a coaxial type or a jet-in-cross type, and the fluid is sprayed in a jet or swirl form. can In addition, the nozzle unit 110 of the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention may be provided as a partial pre-mixed nozzle. In addition, the nozzle unit 110 of the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention may be provided as a swirl nozzle of GE's GE7EA gas turbine combustor. However, it is not necessarily limited to the nozzle of the above-described shape, and may be provided in any shape as long as the above-described third fluid (f3) can be formed. In addition, the nozzle unit 110 may flow the first fluid f1 and the second fluid f2 into the combustion unit 130 to be described later without mixing them.

또한, 노즐부(110)는 후술하는 유체유입부(120)로부터 유입되는 제1유체(f1) 및 제2유체(f2)를 혼합시켜 제3유체(f3)를 형성하고, 형성된 제3유체(f3)를 후술하는 연소부(130)로 유입시킨다.In addition, the nozzle unit 110 mixes the first fluid f1 and the second fluid f2 introduced from the fluid inlet 120 to be described later to form a third fluid f3, and the formed third fluid ( f3) is introduced into the combustion unit 130 to be described later.

유체유입부(120)는 기설정된 유량의 제1유체(f1)와 제2유체(f2)를 각각 노즐부(110)로 유입시키는 구성으로, 질량유량계(Mass flow controller, MFC)로 마련될 수 있다.The fluid inlet 120 is configured to introduce the first fluid f1 and the second fluid f2 at predetermined flow rates into the nozzle unit 110, respectively, and may be provided as a mass flow controller (MFC). there is.

여기서, 질량유량계로 마련되는 유체유입부(120)에 따르면, 일정한 유량으로 상술한 제1유체(f1)와 상술한 제2유체(f2)를 노즐부(110)로 공급할 수 있어 후술하는 당량비정보와 후술하는 출구유속정보를 일정하게 유지할 수 있다.Here, according to the fluid inlet 120 provided as a mass flow meter, the above-described first fluid f1 and the above-described second fluid f2 can be supplied to the nozzle unit 110 at a constant flow rate, so that the equivalent ratio information described later and the outlet flow rate information to be described later can be kept constant.

또한, 상술한 유체유입부(120)의 후단 압력은 연소에 의해 후술하는 연소부(130) 내부의 압력 상승 효과를 고려하여 상압 내지 3기압으로 설정되고, 전단 압력은 상술한 후단 압력보다 높게 설정되어 유체공급이 원활하게 이루어지도록 하되, 지나친 고압으로 인하여 유체유입부(120)가 파손되는 것을 방지하기 위해 4기압 내지 6기압으로 설정되는 것이 바람직하다. 여기서, 유체유입부(120)의 전단 압력을 4기압 내지 6기압으로 설정하기 위하여 질량유량계 전단에 압력 레귤레이터가 마련될 수 있다.In addition, the pressure at the rear of the above-described fluid inlet 120 is set to normal pressure to 3 atmospheric pressure in consideration of the effect of increasing the pressure inside the combustion unit 130 described later by combustion, and the front pressure is set higher than the above-mentioned rear pressure. So that the fluid supply is made smoothly, it is preferable to set the pressure to 4 to 6 atm in order to prevent the fluid inlet 120 from being damaged due to excessive high pressure. Here, a pressure regulator may be provided in front of the mass flow meter to set the front pressure of the fluid inlet 120 to 4 to 6 atm.

유체유입부(120)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)에 각각 사용될 수 있으며, 기설정된 유량만큼 상술한 노즐부(110)로 전달할 수 있다. 또한, 유체유입부(120)는 후술하는 특징계산부(140)로 제1유체(f1)와 제2유체(f2)의 유량값을 전달할 수 있으며, 후술하는 특징계산부(140)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)의 유량비를 통해 당량비정보를 계산할 수 있다.The fluid inlet 120 may be used for the first fluid f1 and the second fluid f2, respectively, and may deliver a predetermined flow rate to the nozzle unit 110 described above. In addition, the fluid inlet unit 120 may transmit the flow rate values of the first fluid f1 and the second fluid f2 to the feature calculation unit 140 to be described later, and the feature calculation unit 140 to be described below may transmit the first fluid f1 and the second fluid f2. The equivalent ratio information can be calculated through the flow rate ratio of the fluid f1 and the second fluid f2.

여기서, 제1유체(f1)는 공기로 마련되고, 제2유체(f2)는 탄화수소 연료로 마련될 수 있다. 더욱 바람직하게는 제2유체(f2)는 메탄으로 마련될 수 있다.Here, the first fluid f1 may be provided with air, and the second fluid f2 may be provided with hydrocarbon fuel. More preferably, the second fluid f2 may be prepared with methane.

또한, 제1유체(f1)는 상업용 가스터빈 연소기의 고온 환경을 모사하기 위하여 노즐부(110)로 유입되기 전 190℃ 내지 210℃ 사이의 온도로 가열되어 유입될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 200℃ 온도로 가열되어 유입될 수 있다.In addition, the first fluid (f1) may be introduced after being heated to a temperature between 190 ° C and 210 ° C before flowing into the nozzle unit 110 to simulate the high-temperature environment of a commercial gas turbine combustor, more preferably 200 It can be introduced by heating to a temperature of °C.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)의 예측부(150)의 딥러닝 모델을 학습시키기 위하여 유체유입부(120)는 후술하는 노즐부(110)로 유입되는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)의 유량 조건을 다양하게 설정할 수 있다. 여기서 slpm는 standard liter per minute의 약자로 표준 0℃ 1기압에서 1분당 방출되는 유량을 의미한다.As shown in FIG. 2, in order to learn the deep learning model of the predictor 150 of the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention, a fluid inlet unit 120 may set flow conditions of the first fluid f1 and the second fluid f2 flowing into the nozzle unit 110 to be described later in various ways. Here, slpm is an abbreviation of standard liter per minute and means the flow rate discharged per minute at standard 0℃ and 1 atmospheric pressure.

연소부(130)는 화염이 형성되는 구성으로, 상술한 노즐부(110)로부터 제3유체(f3)가 유입된다.The combustion unit 130 has a configuration in which a flame is formed, and the third fluid f3 is introduced from the nozzle unit 110 described above.

여기서 연소부(130)는 피시험연소기가 기설정된 비율로 축소된 형태로 마련된다. 여기서 피시험연소기는 GE 사의 가스터빈 연소기인 GE7EA로 마련될 수 있으며, 기설정된 비율은 1/3 비율로 마련될 수 있다. 그러나 상술한 연소기로 반드시 제한되는 것은 아니며, 상술한 화염이 형성될 수 있다면 어떠한 형상으로 마련되더라도 무방하다.Here, the combustion unit 130 is provided in a form in which the burner under test is reduced at a predetermined ratio. Here, the combustor to be tested may be GE7EA, a gas turbine combustor of GE, and a preset ratio may be provided at a ratio of 1/3. However, it is not necessarily limited to the above-described combustor, and may be provided in any shape as long as the above-described flame can be formed.

이에 따르면, 피시험연소기의 특징을 Lab-scale 연소기를 통해 파악할 수 있어 적은 유량으로 안전하게 실험할 수 있다는 장점이 있다.According to this, there is an advantage in that the characteristics of the combustor under test can be identified through the Lab-scale combustor, so that the experiment can be performed safely with a small flow rate.

여기서 연소부(130)는 화염을 가시화할 수 있는 가시화 연소모듈과 화염을 가시화할 수 없는 덕트형 연소모듈로 구분될 수 있다. 여기서 가시화 연소모듈은 투명한 쿼츠창이 설치되어 연소기 내부를 볼 수 있도록 마련되며, 덕트형 연소모듈은 모든 면이 강철(steel)로 마련되어 내부를 볼 수 없도록 마련된다. 또한, 가시화 연소모듈은 쿼츠창이 열에 의해 깨지는 것을 방지하기 위하여 가시화 연소모듈 외부에서 고압 공기를 분사시켜 쿼츠창을 냉각시킬 수 있다.Here, the combustion unit 130 may be divided into a visible combustion module capable of visualizing flame and a duct-type combustion module unable to visualize flame. Here, the visualization combustion module is provided with a transparent quartz window so that the inside of the combustor can be seen, and the duct type combustion module is provided with all surfaces made of steel so that the interior cannot be seen. In addition, the visualization combustion module may cool the quartz window by injecting high-pressure air from the outside of the visualization combustion module in order to prevent the quartz window from being broken by heat.

또한, 덕트형 연소모듈은 열에 의한 변형 혹은 파손을 방지하기 위하여 덕트형 연소모듈 외부에 2중 벽구조를 통한 water jacket을 형성함으로써 수냉을 통해 온도 증가를 방지할 수 있다. 또한, 덕트형 연소모듈의 측면에는 온도 또는 압력을 측정할 수 있는 복수개의 포트가 형성될 수 있다.In addition, the duct-type combustion module can prevent a temperature increase through water cooling by forming a water jacket through a double wall structure outside the duct-type combustion module in order to prevent deformation or damage caused by heat. In addition, a plurality of ports capable of measuring temperature or pressure may be formed on a side surface of the duct-type combustion module.

일반적인 가스터빈 연소기는 원형의 단면을 가지므로 상술한 가시화 연소모듈과 덕트형 연소모듈 모두 원형의 단면을 갖는 것이 바람직하다. 그러나 화염의 가시화를 위해서는 레이저와 카메라를 사용하는 것이 일반적이나 가시화 연소모듈이 원형의 단면을 갖는 경우 빛의 굴절로 인하여 계측에 어려움이 있다. 따라서 가시화 연소모듈은 정사각형의 단면을 갖도록 설계될 수 있다.Since a general gas turbine combustor has a circular cross section, it is preferable that both the above-described visible combustion module and the duct type combustion module have a circular cross section. However, it is common to use a laser and a camera to visualize the flame, but when the visualization combustion module has a circular cross section, measurement is difficult due to refraction of light. Therefore, the visible combustion module can be designed to have a square cross section.

가시화 연소모듈은 정사각형의 단면을 갖고, 덕트형 연소모듈은 원형의 단면을 갖는 경우 급격한 단면적 변화로 인하여 연소부(130) 내부의 음향학적 특성이 변경될 수 있기 때문에 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)의 가시화 연소모듈과 덕트형 연소모듈 사이에는 일측 단면은 원형이고 타측 단면은 정사각형이며, 내부는 급격한 단면적 변화가 없도록 일측면과 타측면의 로프트(Loft) 형태로 마련되는 연결모듈이 마련될 수 있다.When the visualization combustion module has a square cross-section and the duct-type combustion module has a circular cross-section, the acoustic characteristics inside the combustion unit 130 may be changed due to a rapid change in cross-sectional area, according to an embodiment of the present invention. Between the visualization combustion module and the duct-type combustion module of the pressure perturbation prediction device 100 in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, one side cross section is circular and the other side cross section is square, and the inside has one side and the other side so that there is no rapid cross-sectional change. A connection module provided in the form of a loft on the side may be provided.

연소부(130) 후단에는 연소부(130)의 출구면적을 일부 차폐하여 음향학적 닫힌 경계를 형성할 수 있도록 플러그 노즐이 마련될 수 있으며, 플러그 노즐은 연소부(130)의 면적을 80% 내지 95%를 차폐할 수 있다. 더욱 바람직하게는 연소부(130) 출구에서의 최대 속도가 마하 0.1 이상이 되도록 플러그 노즐이 연소부(130)의 출구면적을 차폐할 수 있다. 또한, 연소부(130) 내부의 종방향 공진주파수를 변화시키기 위하여 상술한 플러그 노즐은 트레버스 모터에 의하여 연소부(130)의 축방향으로 이동할 수 있다.A plug nozzle may be provided at the rear end of the combustion unit 130 to partially shield the exit area of the combustion unit 130 to form an acoustically closed boundary, and the plug nozzle covers the area of the combustion unit 130 by 80% to 80%. 95% can be shielded. More preferably, the plug nozzle may shield the outlet area of the combustion unit 130 so that the maximum speed at the exit of the combustion unit 130 is Mach 0.1 or higher. In addition, in order to change the longitudinal resonant frequency inside the combustion unit 130, the aforementioned plug nozzle may be moved in the axial direction of the combustion unit 130 by the traverse motor.

상술한 플러그 노즐 내부에는 플러그 노즐이 열에 의해 변형되거나 파손되는 것을 방지하도록 냉각수 유로가 마련될 수 있다.A cooling water passage may be provided inside the aforementioned plug nozzle to prevent the plug nozzle from being deformed or damaged by heat.

연소부(130)의 후단에는 배기가스가 외부로 배출되는 배기가스 배출부가 형성될 수 있으며, 배기가스 배출부에는 배기가스 배출에 의한 소음을 저감시키기 위하여 소음기가 마련될 수 있다.An exhaust gas discharge unit through which exhaust gas is discharged to the outside may be formed at a rear end of the combustion unit 130, and a silencer may be provided in the exhaust gas discharge unit to reduce noise caused by exhaust gas discharge.

또한, 상술한 연소부(130)의 단면은 원형으로 마련될 수 있다.In addition, the above-described combustion unit 130 may have a circular cross section.

특징계산부(140)는 상술한 제3유체(f3)의 특징인 유동정보와 상술한 화염의 특징인 화염정보를 계산하는 구성이다.The feature calculator 140 is a component that calculates flow information, which is a characteristic of the above-described third fluid (f3), and flame information, which is a characteristic of the above-described flame.

여기서 유동정보는 상술한 제1유체(f1)의 유량과 상술한 제2유체(f2)의 유량의 비율인 당량비정보와, 상술한 제3유체(f3)가 상술한 노즐부(110)로부터 배출되는 속도인 출구유속정보를 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 제3유체(f3)의 특징을 명확히 나타낼 수 있다면 어떠한 값들로 마련되더라도 무방하다.Here, the flow information is equivalent ratio information, which is the ratio of the flow rate of the first fluid f1 and the flow rate of the second fluid f2 described above, and the third fluid f3 is discharged from the nozzle unit 110 described above. It may include outlet flow rate information, which is the speed at which the However, it is not necessarily limited thereto, and it may be provided with any values as long as the characteristics of the above-described third fluid (f3) can be clearly represented.

여기서 화염정보는 상술한 연소부(130) 내에 형성되는 상술한 화염의 중심인 화염중심정보를 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 화염의 특징을 명확히 나타낼 수 있다면 어떠한 값들로 마련되더라도 무방하다.Here, the flame information may include flame center information that is the center of the above-described flame formed in the above-described combustion unit 130 . However, it is not necessarily limited thereto, and it may be provided with any value as long as it can clearly represent the characteristics of the above-described flame.

여기서, 당량비정보는 제2유체(f2)과 제1유체(f1) 유량의 비율로 계산되며 당량비정보가 높은 것은 연료의 유량 비율이 높음을 의미한다. 제1유체(f1) 및 제2유체(f2)의 유량은 상술한 유체유입부(120)에서 특징계산부(140)로 전달될 수도 있고, 사용자가 직접 입력할 수도 있다.Here, the equivalence ratio information is calculated as the ratio of the flow rates of the second fluid f2 and the first fluid f1, and the high equivalence ratio information means that the flow rate ratio of the fuel is high. The flow rates of the first fluid f1 and the second fluid f2 may be transmitted from the fluid inlet 120 to the feature calculator 140 or may be directly input by the user.

출구유속정보는 노즐부(110) 출구에서의 유속을 의미하며, 상술한 제3유체(f3)의 유량을 노즐부(110)의 출구 면적으로 나누어 계산되거나, 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)를 통해 측정되거나, 열선유속계(Hot-wire anemometer)를 통해 측정될 수 있다.The outlet flow rate information means the flow rate at the outlet of the nozzle unit 110, and is calculated by dividing the flow rate of the third fluid f3 by the outlet area of the nozzle unit 110, or is calculated by particle image velocimetry (PIV). ) or a hot-wire anemometer.

여기서 제3유체(f3)의 유량은 제1유체(f1)의 유량과 제2유체(f2)의 유량을 합산하여 계산될 수 있다.Here, the flow rate of the third fluid f3 may be calculated by adding the flow rate of the first fluid f1 and the flow rate of the second fluid f2.

또한, PIV를 사용할 경우 제1유체(f1) 또는 제2유체(f2) 중 적어도 하나 이상에 미립자를 혼합시킨 후 double pulse laser를 통해 매우 짧은 간격으로 두 레이저 펄스를 발생시킴으로써 미립자의 이동거리를 파악하여 출구유속정보를 측정할 수 있다. 여기서, 미립자는 Al2O3 또는 TiO2 또는 ZrO2를 사용할 수 있으며, 0.5 um 내지 2 um의 직경을 갖는 미립자를 사용할 수 있다. 또한, double pulse laser는 10 Hz 내지 10 kHz로 double pulse를 방출하는 레이저로 마련될 수 있다. 이때 레이저는 Nd:YAG 레이저로 마련될 수 있다.In addition, when PIV is used, after mixing the particles with at least one of the first fluid (f1) or the second fluid (f2), the double pulse laser generates two laser pulses at very short intervals to determine the movement distance of the particles. Thus, the outlet velocity information can be measured. Here, Al2O3, TiO2, or ZrO2 may be used as the fine particles, and fine particles having a diameter of 0.5 um to 2 um may be used. In addition, the double pulse laser may be provided as a laser that emits double pulses at 10 Hz to 10 kHz. At this time, the laser may be provided as a Nd:YAG laser.

또한, 열선유속계를 사용할 경우 열선유속계를 노즐부(110) 출구에 설치해야하며, 이 경우 화염이 형성된 상태에서는 출구유속정보를 측정할 수 없으므로, 화염을 형성하지 않은 상태에서 제3유체(f3)만 노즐부(110)를 통해 연소부(130)로 분사될 때의 유동 속도를 통해 출구유속정보를 측정할 수 있다.In addition, when using a hot wire velocimetry, the hot wire velocimetry should be installed at the outlet of the nozzle unit 110, and in this case, since the outlet velocity information cannot be measured in the state where the flame is formed, the third fluid (f3) in the state where the flame is not formed Outlet flow velocity information can be measured through the velocity of the flow when it is injected into the combustion unit 130 through the nozzle unit 110 only.

도 3에 도시된 바와 같이, 화염중심정보는 화염의 이미지에서 인텐시티 최대값의 위치 또는 인텐시티의 가중평균 위치로 계산될 수 있다. 여기서 화염의 이미지는 캠코더 혹은 DSLR로 촬영된 화염의 direct image일 수 있고, 자발광 이미지일 수 있다.As shown in FIG. 3, the flame center information may be calculated as a position of the maximum intensity value or a weighted average position of the intensity in the image of the flame. Here, the image of the flame may be a direct image of the flame captured by a camcorder or a DSLR, or may be a self-luminous image.

여기서 자발광 이미지는 OH 필터 또는 CH 필터가 결합된 CMOS 카메라에 의해 촬영될 수 있다. 화염이 형성되는 경우 화염에서는 OH 또는 CH 신호가 발생하게 되고, 이에 따르면 OH 또는 CH 신호는 화학반응이 이루어지는 위치를 나타낸다. 따라서 OH 또는 CH 신호의 인텐시티 최대값의 위치는 화학반응이 가장 활발하게 이루어지는 위치를 의미하므로 화염의 중심을 의미한다.Here, the self-luminous image may be captured by a CMOS camera coupled with an OH filter or a CH filter. When a flame is formed, an OH or CH signal is generated in the flame, and accordingly, the OH or CH signal indicates a location where a chemical reaction takes place. Therefore, the position of the maximum intensity of the OH or CH signal means the position where the chemical reaction is most active, and thus means the center of the flame.

여기서 CMOS 카메라는 화염의 이미지를 빠른 속도로 측정할 수 있는 것으로 10 kHz로 화염의 자발광 이미지를 촬영하기 위해서 CMOS 카메라를 사용할 수 있다.Here, the CMOS camera can measure the image of the flame at high speed, and the CMOS camera can be used to take a self-luminous image of the flame at 10 kHz.

상술한 화염정보는 상술한 유동정보에 따른 화염정보들을 보간하여 사용될 수 있다.The above-described flame information may be used by interpolating flame information according to the above-described flow information.

따라서, 상술한 화염의 중심은 화염의 자발광 이미지를 통해 도출될 수도 있으나 상술한 당량비정보와 상술한 출구유속정보에 따른 화염중심정보의 위치를 보간함으로써 실제 연소 실험을 수행하지 않아도 화염중심정보의 위치가 예측될 수 있다. 예측된 화염중심정보의 위치를 사용하여 후술하는 예측부(150)에 의해 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 예측하는 경우 실제 연소실험을 수행하지 않아도 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측할 수 있고, 연소불안정 발생을 피할 수 있는 연소기 설계 방안을 도출할 수 있다.Therefore, the above-described center of the flame may be derived through the self-luminous image of the flame, but by interpolating the position of the flame center information according to the above-described equivalence ratio information and the above-mentioned exit velocity information, the flame center information can be obtained without performing an actual combustion experiment. location can be predicted. When frequency information and intensity information of pressure perturbation are predicted by the prediction unit 150 to be described later using the position of the predicted flame center information, frequency information and intensity information of pressure perturbation can be obtained without performing an actual combustion experiment It is possible to derive a combustor design plan that can predict and avoid combustion instability.

예측부(150)는 상술한 유동정보와 상술한 화염정보를 입력받아 딥러닝 모델을 기반으로 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 연산하여 압력 섭동을 예측하는 구성으로, 인공신경망(Artificial neural network, ANN) 모델을 사용한다.The prediction unit 150 receives the above-described flow information and the above-described flame information and calculates frequency information of pressure perturbation and intensity information of pressure perturbation based on a deep learning model to predict pressure perturbation. Artificial neural network (Artificial neural network (ANN) model.

또한, 상술한 예측부(150)는 수식 1에 기초하여 상기 압력 섭동의 주파수정보와 상기 압력 섭동의 세기정보를 연산할 수 있다.In addition, the above-described prediction unit 150 may calculate frequency information of the pressure perturbation and intensity information of the pressure perturbation based on Equation 1.

{수식 1}{Formula 1}

Figure pat00003
Figure pat00003

(상술한 x는 상기 입력값, 상술한 y는 상술한 압력 섭동의 주파수정보 또는 상술한 압력 섭동의 세기정보, 상술한 w는 상술한 인공신경망 모델의 각 계층 사이의 가중치 행렬, 상술한 b는 상술한 각 계측에서의 편향값 행렬, 상술한 f와 상술한 g는 활성화 함수)(The above-mentioned x is the input value, the above-mentioned y is the above-mentioned frequency information of the pressure perturbation or the above-mentioned intensity information of the pressure perturbation, the above-mentioned w is the weight matrix between each layer of the above-mentioned artificial neural network model, and the above-mentioned b is The above-mentioned deflection value matrix in each measurement, the above-mentioned f and the above-mentioned g are activation functions)

여기서 상술한 압력 섭동의 세기정보는 연소 과정에서 연소부(130) 내부에서 발생하는 압력섭동의 세기정보일 수 있다.Here, the intensity information of pressure perturbation described above may be intensity information of pressure perturbation generated inside the combustion unit 130 during a combustion process.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)의 예측부(150)는 당량비정보와 화염중심정보와 출구유속정보를 입력받아 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 출력한다.As shown in FIG. 4, the prediction unit 150 of the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention provides equivalence ratio information, flame center information, and exit flow velocity information It receives the input and outputs the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation.

여기서 예측부(150)는 인공신경망 모델을 사용하므로 입력값인 당량비정보와 화염중심정보와 출구유속정보를 사용하여 중간계층 파라미터를 도출하고, 도출된 중간계층 파라미터를 통해 출력값을 도출한다. 중간계층 파라미터를 도출하는 과정에서 각각의 입력값에 가중치를 두어 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.Here, since the prediction unit 150 uses an artificial neural network model, intermediate layer parameters are derived using equivalence ratio information, flame center information, and exit flow velocity information, which are input values, and output values are derived through the derived intermediate layer parameters. In the process of deriving the middle layer parameters, the accuracy of prediction can be improved by putting a weight on each input value.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)는 당량비정보와 화염중심정보와 출구유속정보를 입력값으로 받아 인공신경망 모델을 사용하여 출력값인 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측하기 때문에 기존의 3D 화염 형상 및 유동장을 통한 수치해석적 기법에 비해 빠른 시간안에 압력 섭동의 주파수정보 및 세기정보를 예측할 수 있으며, 실제 화염의 형상 및 유동 조건을 사용하며 딥러닝 모델을 사용하기 때문에 1D Low-order network model에 비해 예측의 정확도가 높아지는 장점이 있다.In addition, the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention receives equivalence ratio information, flame center information, and exit flow velocity information as input values, and uses an artificial neural network model to generate an output value Since the frequency information and intensity information of phosphorus pressure perturbation are predicted, it is possible to predict the frequency information and intensity information of pressure perturbation in a shorter time than the existing numerical analysis method through 3D flame shape and flow field, and the shape and flow of the actual flame Because it uses conditions and deep learning models, it has the advantage of higher prediction accuracy compared to 1D low-order network models.

상술한 바와 같은 노즐부(110), 유체유입부(120), 연소부(130), 특징계산부(140), 예측부(150)를 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치(100)에 따르면, 안정적인 연소기를 설계할 수 있도록 연소과정에서 발생하는 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 신속하게 예측할 수 있다. 또한, 당량비 및 유동조건에 따른 화염 중심 보간을 통해 연소시험을 수행하지 않아도 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측할 수 있다.The artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention including the nozzle unit 110, the fluid inlet unit 120, the combustion unit 130, the feature calculation unit 140, and the prediction unit 150 as described above According to the apparatus 100 for predicting pressure perturbation in the used gas turbine combustor, it is possible to quickly predict frequency information and intensity information of pressure perturbation generated in the combustion process so that a stable combustor can be designed. In addition, it is possible to predict frequency information and intensity information of pressure perturbation without performing a combustion test through flame center interpolation according to equivalence ratio and flow conditions.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, a pressure fluctuation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법의 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법에 의해 예측된 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 실험값과 비교한 결과를 도시한 것이다.5 is a flowchart of a pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a flow chart of a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention. It shows the results of comparing the frequency information and intensity information of the pressure perturbation predicted by the pressure perturbation prediction method with the experimental values.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)은 유체유입단계(S110), 연소단계(S120), 특징계산단계(S130), 예측단계(S140)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the method for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor (S100) using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention includes a fluid introduction step (S110), a combustion step (S120), a feature calculation step (S130), including a prediction step (S140).

유체유입단계(S110)는 기설정된 유량의 제1유체(f1)와 제2유체(f2)가 각각 유체유입부(120)에 의해 노즐부(110)로 유입시키는 구성으로, 여기서 유체유입부(120)는 질량유량계(Mass flow controller, MFC)로 마련될 수 있다.The fluid inlet step (S110) is a configuration in which the first fluid (f1) and the second fluid (f2) of a predetermined flow rate are respectively introduced into the nozzle unit 110 by the fluid inlet 120, where the fluid inlet ( 120) may be provided as a mass flow controller (MFC).

여기서, 노즐부(110)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)가 혼합되는 구성으로 동축형 또는 jet-in-cross 방식의 노즐로 마련될 수 있으며, 유체가 제트 또는 스월 형태로 분무될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)의 노즐부(110)는 부분예혼합형태의 노즐로 마련될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)의 노즐부(110)는 GE사의 GE7EA 가스터빈 연소기의 스월 노즐로 마련될 수 있다. 그러나 상술한 형상의 노즐로 반드시 제한되는 것은 아니며, 상술한 제3유체(f3)가 형성될 수 있다면 어떠한 형상으로 마련되더라도 무방하다. 또한, 노즐부(110)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)를 혼합시키지 않고 후술하는 연소부(130)로 유입시킬 수도 있다.Here, the nozzle unit 110 may be provided as a nozzle of a coaxial type or a jet-in-cross method in which the first fluid f1 and the second fluid f2 are mixed, and the fluid is in a jet or swirl form. can be sprayed. In addition, the nozzle unit 110 of the method for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor (S100) using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention may be provided as a partial pre-mixed nozzle. In addition, the nozzle unit 110 of the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention may be provided as a swirl nozzle of GE's GE7EA gas turbine combustor. However, it is not necessarily limited to the nozzle of the above-described shape, and may be provided in any shape as long as the above-described third fluid (f3) can be formed. In addition, the nozzle unit 110 may flow the first fluid f1 and the second fluid f2 into the combustion unit 130 to be described later without mixing them.

또한, 노즐부(110)는 유체유입단계(S110)로부터 유입되는 제1유체(f1) 및 제2유체(f2)를 혼합시켜 제3유체(f3)를 형성하고, 형성된 제3유체(f3)를 연소부(130)로 유입시킨다.In addition, the nozzle unit 110 mixes the first fluid (f1) and the second fluid (f2) introduced from the fluid introduction step (S110) to form a third fluid (f3), and the formed third fluid (f3) is introduced into the combustion unit 130.

여기서, 질량유량계를 사용하는 유체유입단계(S110)에 따르면, 일정한 유량으로 상술한 제1유체(f1)와 상술한 제2유체(f2)를 연소부(130)로 공급할 수 있어 후술하는 당량비정보와 후술하는 출구유속정보를 일정하게 유지할 수 있다.Here, according to the fluid introduction step (S110) using a mass flow meter, the above-described first fluid (f1) and the above-described second fluid (f2) can be supplied to the combustion unit 130 at a constant flow rate, so that equivalent ratio information to be described later and the outlet flow rate information to be described later can be kept constant.

또한, 상술한 유체유입부(120)의 후단 압력은 연소에 의해 후술하는 연소부(130) 내부의 압력 상승 효과를 고려하여 상압 내지 3기압으로 설정되고, 전단 압력은 상술한 후단 압력보다 높게 설정되어 유체공급이 원활하게 이루어지도록 하되, 지나친 고압으로 인하여 유체유입부(120)가 파손되는 것을 방지하기 위해 4기압 내지 6기압으로 설정되는 것이 바람직하다. 여기서, 유체유입부(120)의 전단 압력을 4기압 내지 6기압으로 설정하기 위하여 질량유량계 전단에 압력 레귤레이터가 마련될 수 있다.In addition, the pressure at the rear of the above-described fluid inlet 120 is set to normal pressure to 3 atmospheric pressure in consideration of the effect of increasing the pressure inside the combustion unit 130 described later by combustion, and the front pressure is set higher than the above-mentioned rear pressure. So that the fluid supply is made smoothly, it is preferable to set the pressure to 4 to 6 atm in order to prevent the fluid inlet 120 from being damaged due to excessive high pressure. Here, a pressure regulator may be provided in front of the mass flow meter to set the front pressure of the fluid inlet 120 to 4 to 6 atm.

유체유입단계(S110)에서 유체유입부(120)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)에 각각 사용될 수 있으며, 기설정된 유량만큼 후술하는 연소부(130)로 전달할 수 있다. 또한, 유체유입단계(S110)는 후술하는 특징계산단계(S130)로 제1유체(f1)와 제2유체(f2)의 유량값을 전달할 수 있으며, 후술하는 특징계산단계(S130)는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)의 유량비를 통해 당량비정보를 계산할 수 있다.In the fluid inlet step (S110), the fluid inlet 120 may be used for the first fluid f1 and the second fluid f2, respectively, and may deliver a predetermined flow rate to the combustion unit 130 to be described later. In addition, the fluid introduction step (S110) may transfer the flow rate values of the first fluid (f1) and the second fluid (f2) to the feature calculation step (S130) to be described later, and the feature calculation step (S130 to be described later) The equivalent ratio information can be calculated through the flow rate ratio of the fluid f1 and the second fluid f2.

여기서, 제1유체(f1)는 공기로 마련되고, 제2유체(f2)는 탄화수소 연료로 마련될 수 있다. 더욱 바람직하게는 제2유체(f2)는 메탄으로 마련될 수 있다.Here, the first fluid f1 may be provided with air, and the second fluid f2 may be provided with hydrocarbon fuel. More preferably, the second fluid f2 may be prepared with methane.

또한, 제1유체(f1)는 상업용 가스터빈 연소기의 고온 환경을 모사하기 위하여 노즐부(110)로 유입되기 전 190℃ 내지 210℃ 사이의 온도로 가열되어 유입될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 200℃ 온도로 가열되어 유입될 수 있다.In addition, the first fluid (f1) may be introduced after being heated to a temperature between 190 ° C and 210 ° C before flowing into the nozzle unit 110 to simulate the high-temperature environment of a commercial gas turbine combustor, more preferably 200 It can be introduced by heating to a temperature of °C.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)의 예측단계(S140)의 딥러닝 모델을 학습시키기 위하여 유체유입단계(S110)에서는 후술하는 노즐부(110)로 유입되는 제1유체(f1)와 제2유체(f2)의 유량 조건을 다양하게 설정할 수 있다. 여기서 slpm는 standard liter per minute의 약자로 표준 0℃ 1기압에서 1분당 방출되는 유량을 의미한다.As shown in FIG. 2, fluid introduction step to learn the deep learning model of the prediction step (S140) of the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention In (S110), flow rate conditions of the first fluid f1 and the second fluid f2 flowing into the nozzle unit 110 to be described later may be set in various ways. Here, slpm is an abbreviation of standard liter per minute and means the flow rate discharged per minute at standard 0℃ and 1 atmospheric pressure.

연소단계(S120)는 연소부(130)에서 화염이 형성되는 단계로, 상술한 노즐부(110)에 의해 상술한 제1유체(f1)와 상술한 제2유체(f2)가 혼합된 제3유체(f3)가 연소부(130)로 유입되어 화염이 형성된다.In the combustion step (S120), a flame is formed in the combustion unit 130, and the third fluid f1 and the second fluid f2 described above are mixed by the nozzle unit 110 described above. The fluid f3 flows into the combustion unit 130 to form a flame.

여기서 연소부(130)는 피시험연소기가 기설정된 비율로 축소된 형태로 마련된다. 여기서 피시험연소기는 GE 사의 가스터빈 연소기인 GE7EA로 마련될 수 있으며, 기설정된 비율은 1/3 비율로 마련될 수 있다. 그러나 상술한 연소기로 반드시 제한되는 것은 아니며, 상술한 화염이 형성될 수 있다면 어떠한 형상으로 마련되더라도 무방하다.Here, the combustion unit 130 is provided in a form in which the burner under test is reduced at a predetermined ratio. Here, the combustor to be tested may be GE7EA, a gas turbine combustor of GE, and a preset ratio may be provided at a ratio of 1/3. However, it is not necessarily limited to the above-described combustor, and may be provided in any shape as long as the above-described flame can be formed.

이에 따르면, 피시험연소기의 특징을 Lab-scale 연소기를 통해 파악할 수 있어 적은 유량으로 안전하게 실험할 수 있다는 장점이 있다.According to this, there is an advantage in that the characteristics of the combustor under test can be identified through the Lab-scale combustor, so that the experiment can be performed safely with a small flow rate.

여기서 연소부(130)는 화염을 가시화할 수 있는 가시화 연소모듈과 화염을 가시화할 수 없는 덕트형 연소모듈로 구분될 수 있다. 여기서 가시화 연소모듈은 투명한 쿼츠창이 설치되어 연소기 내부를 볼 수 있도록 마련되며, 덕트형 연소모듈은 모든 면이 강철(steel)로 마련되어 내부를 볼 수 없도록 마련된다. 또한, 가시화 연소모듈은 쿼츠창이 열에 의해 깨지는 것을 방지하기 위하여 연소부(130) 외부에서 고압 공기를 분사시켜 쿼츠창을 냉각시킬 수 있다.Here, the combustion unit 130 may be divided into a visible combustion module capable of visualizing flame and a duct-type combustion module unable to visualize flame. Here, the visualization combustion module is provided with a transparent quartz window so that the inside of the combustor can be seen, and the duct type combustion module is provided with all surfaces made of steel so that the interior cannot be seen. In addition, the visualization combustion module may cool the quartz window by injecting high-pressure air from the outside of the combustion unit 130 in order to prevent the quartz window from being broken by heat.

또한, 덕트형 연소모듈은 열에 의한 변형 혹은 파손을 방지하기 위하여 연소부(130) 외부에 2중 벽구조를 통한 water jacket을 형성함으로써 수냉을 통해 온도 증가를 방지할 수 있다. 또한, 덕트형 연소모듈의 측면에는 온도 또는 압력을 측정할 수 있는 복수개의 포트가 형성될 수 있다.In addition, the duct-type combustion module can prevent a temperature increase through water cooling by forming a water jacket through a double wall structure outside the combustion unit 130 in order to prevent deformation or damage due to heat. In addition, a plurality of ports capable of measuring temperature or pressure may be formed on a side surface of the duct-type combustion module.

일반적인 가스터빈 연소기는 원형의 단면을 가지므로 상술한 가시화 연소모듈과 덕트형 연소모듈 모두 원형의 단면을 갖는 것이 바람직하다. 그러나 화염의 가시화를 위해서는 레이저와 카메라를 사용하는 것이 일반적이나 가시화 연소모듈이 원형의 단면을 갖는 경우 빛의 굴절로 인하여 계측에 어려움이 있다. 따라서 가시화 연소모듈은 정사각형의 단면을 갖도록 설계될 수 있다.Since a general gas turbine combustor has a circular cross section, it is preferable that both the above-described visible combustion module and the duct type combustion module have a circular cross section. However, it is common to use a laser and a camera to visualize the flame, but when the visualization combustion module has a circular cross section, measurement is difficult due to refraction of light. Therefore, the visible combustion module can be designed to have a square cross section.

가시화 연소모듈은 정사각형의 단면을 갖고, 덕트형 연소모듈은 원형의 단면을 갖는 경우 급격한 단면적 변화로 인하여 연소부(130) 내부의 음향학적 특성이 변경될 수 있기 때문에 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)의 가시화 연소모듈과 덕트형 연소모듈 사이에는 일측 단면은 원형이고 타측 단면은 정사각형이며, 내부는 급격한 단면적 변화가 없도록 일측면과 타측면의 로프트(Loft) 형태로 마련되는 연결모듈이 마련될 수 있다.When the visualization combustion module has a square cross-section and the duct-type combustion module has a circular cross-section, the acoustic characteristics inside the combustion unit 130 may be changed due to a rapid change in cross-sectional area, according to an embodiment of the present invention. Visualization of Pressure Perturbation Prediction Method (S100) in Gas Turbine Combustor Using Artificial Neural Network Technique Between the combustion module and the duct-type combustion module, one side cross section is circular and the other side cross section is square, and the inside has one side and the other side so that there is no rapid cross-sectional change. A connection module provided in the form of a loft on the side may be provided.

연소부(130) 후단에는 연소부(130)의 출구면적을 일부 차폐하여 음향학적 닫힌 경계를 형성할 수 있도록 플러그 노즐이 마련될 수 있으며, 플러그 노즐은 연소부(130)의 면적을 80% 내지 95%를 차폐할 수 있다. 더욱 바람직하게는 연소부(130) 출구에서의 최대 속도가 마하 0.1 이상이 되도록 플러그 노즐이 연소부(130)의 출구면적을 차폐할 수 있다. 또한, 연소부(130) 내부의 종방향 공진주파수를 변화시키기 위하여 상술한 플러그 노즐은 트레버스 모터에 의하여 연소부(130)의 축방향으로 이동할 수 있다.A plug nozzle may be provided at the rear end of the combustion unit 130 to partially shield the exit area of the combustion unit 130 to form an acoustically closed boundary, and the plug nozzle covers the area of the combustion unit 130 by 80% to 80%. 95% can be shielded. More preferably, the plug nozzle may shield the outlet area of the combustion unit 130 so that the maximum speed at the exit of the combustion unit 130 is Mach 0.1 or higher. In addition, in order to change the longitudinal resonant frequency inside the combustion unit 130, the aforementioned plug nozzle may be moved in the axial direction of the combustion unit 130 by the traverse motor.

상술한 플러그 노즐 내부에는 플러그 노즐이 열에 의해 변형되거나 파손되는 것을 방지하도록 냉각수 유로가 마련될 수 있다.A cooling water passage may be provided inside the aforementioned plug nozzle to prevent the plug nozzle from being deformed or damaged by heat.

연소부(130)의 후단에는 배기가스가 외부로 배출되는 배기가스 배출부가 형성될 수 있으며, 배기가스 배출부에는 배기가스 배출에 의한 소음을 저감시키기 위하여 소음기가 마련될 수 있다.An exhaust gas discharge unit through which exhaust gas is discharged to the outside may be formed at a rear end of the combustion unit 130, and a silencer may be provided in the exhaust gas discharge unit to reduce noise caused by exhaust gas discharge.

또한, 상술한 연소부(130)의 단면은 원형으로 마련될 수 있다.In addition, the above-described combustion unit 130 may have a circular cross section.

특징계산단계(S130)는 상술한 제3유체(f3)의 특징인 유동정보와 상술한 화염의 특징인 화염정보이 특징계산부(140)에 의해 계산하는 단계이다.The feature calculation step (S130) is a step in which flow information, which is a feature of the above-described third fluid (f3), and flame information, which is a feature of the above-described flame, are calculated by the feature calculator 140.

여기서 유동정보는 상술한 제1유체(f1)의 유량과 상술한 제2유체(f2)의 유량의 비율인 당량비정보와, 상술한 제3유체(f3)가 상술한 노즐부(110)로부터 배출되는 속도인 출구유속정보를 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 제3유체(f3)의 특징을 명확히 나타낼 수 있다면 어떠한 값들로 마련되더라도 무방하다.Here, the flow information is equivalent ratio information, which is the ratio of the flow rate of the first fluid f1 and the flow rate of the second fluid f2 described above, and the third fluid f3 is discharged from the nozzle unit 110 described above. It may include outlet flow rate information, which is the speed at which the However, it is not necessarily limited thereto, and it may be provided with any values as long as the characteristics of the above-described third fluid (f3) can be clearly represented.

여기서 화염정보는 상술한 연소부(130) 내에 형성되는 상술한 화염의 중심인 화염중심정보를 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 화염의 특징을 명확히 나타낼 수 있다면 어떠한 값들로 마련되더라도 무방하다.Here, the flame information may include flame center information that is the center of the above-described flame formed in the above-described combustion unit 130 . However, it is not necessarily limited thereto, and it may be provided with any value as long as it can clearly represent the characteristics of the above-described flame.

여기서, 당량비정보는 제2유체(f2)과 제1유체(f1) 유량의 비율로 계산되며 당량비정보가 높은 것은 연료의 유량 비율이 높음을 의미한다. 제1유체(f1) 및 제2유체(f2)의 유량은 상술한 유체유입단계(S110)에서 특징계산단계(S130)로 전달될 수도 있고, 사용자가 직접 입력할 수도 있다.Here, the equivalence ratio information is calculated as the ratio of the flow rates of the second fluid f2 and the first fluid f1, and the high equivalence ratio information means that the flow rate ratio of the fuel is high. The flow rates of the first fluid f1 and the second fluid f2 may be transferred from the above-described fluid introduction step S110 to the feature calculation step S130 or may be directly input by the user.

출구유속정보는 노즐부(110) 출구에서의 유속을 의미하며, 상술한 제3유체(f3)의 유량을 노즐부(110)의 출구 면적으로 나누어 계산되거나, 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)를 통해 측정되거나, 열선유속계(Hot-wire anemometer)를 통해 측정될 수 있다.The outlet flow rate information means the flow rate at the outlet of the nozzle unit 110, and is calculated by dividing the flow rate of the third fluid f3 by the outlet area of the nozzle unit 110, or is calculated by particle image velocimetry (PIV). ) or a hot-wire anemometer.

여기서 제3유체(f3)의 유량은 제1유체(f1)의 유량과 제2유체(f2)의 유량을 합산하여 계산될 수 있다.Here, the flow rate of the third fluid f3 may be calculated by adding the flow rate of the first fluid f1 and the flow rate of the second fluid f2.

또한, PIV를 사용할 경우 제1유체(f1) 또는 제2유체(f2) 중 적어도 하나 이상에 미립자를 혼합시킨 후 double pulse laser를 통해 매우 짧은 간격으로 두 레이저 펄스를 발생시킴으로써 미립자의 이동거리를 파악하여 출구유속정보를 측정할 수 있다. 여기서, 미립자는 Al2O3 또는 TiO2 또는 ZrO2를 사용할 수 있으며, 0.5 um 내지 2 um의 직경을 갖는 미립자를 사용할 수 있다. 또한, double pulse laser는 10 Hz 내지 10 kHz로 double pulse를 방출하는 레이저로 마련될 수 있다. 이때 레이저는 Nd:YAG 레이저로 마련될 수 있다.In addition, when PIV is used, after mixing the particles with at least one of the first fluid (f1) or the second fluid (f2), the double pulse laser generates two laser pulses at very short intervals to determine the movement distance of the particles. Thus, the outlet velocity information can be measured. Here, Al2O3, TiO2, or ZrO2 may be used as the fine particles, and fine particles having a diameter of 0.5 um to 2 um may be used. In addition, the double pulse laser may be provided as a laser that emits double pulses at 10 Hz to 10 kHz. At this time, the laser may be provided as a Nd:YAG laser.

또한, 열선유속계를 사용할 경우 열선유속계를 노즐부(110) 출구에 설치해야하며, 이 경우 화염이 형성된 상태에서는 출구유속정보를 측정할 수 없으므로, 화염을 형성하지 않은 상태에서 제3유체(f3)만 노즐부(110)를 통해 연소부(130)로 분사될 때의 유동 속도를 통해 출구유속정보를 측정할 수 있다.In addition, when using a hot wire velocimetry, the hot wire velocimetry should be installed at the outlet of the nozzle unit 110, and in this case, since the outlet velocity information cannot be measured in the state where the flame is formed, the third fluid (f3) in the state where the flame is not formed Outlet flow velocity information can be measured through the velocity of the flow when it is injected into the combustion unit 130 through the nozzle unit 110 only.

도 3에 도시된 바와 같이, 화염중심정보는 화염의 이미지에서 인텐시티 최대값의 위치 또는 인텐시티의 가중평균 위치로 계산될 수 있다. 여기서 화염의 이미지는 캠코더 혹은 DSLR로 촬영된 화염의 direct image일 수 있고, 자발광 이미지일 수 있다.As shown in FIG. 3, the flame center information may be calculated as a position of the maximum intensity value or a weighted average position of the intensity in the image of the flame. Here, the image of the flame may be a direct image of the flame captured by a camcorder or a DSLR, or may be a self-luminous image.

여기서 자발광 이미지는 OH 필터 또는 CH 필터가 결합된 CMOS 카메라에 의해 촬영될 수 있다. 화염이 형성되는 경우 화염에서는 OH 또는 CH 신호가 발생하게 되고, 이에 따르면 OH 또는 CH 신호는 화학반응이 이루어지는 위치를 나타낸다. 따라서 OH 또는 CH 신호의 인텐시티 최대값의 위치는 화학반응이 가장 활발하게 이루어지는 위치를 의미하므로 화염의 중심을 의미한다.Here, the self-luminous image may be captured by a CMOS camera coupled with an OH filter or a CH filter. When a flame is formed, an OH or CH signal is generated in the flame, and accordingly, the OH or CH signal indicates a location where a chemical reaction takes place. Therefore, the position of the maximum intensity of the OH or CH signal means the position where the chemical reaction is most active, and thus means the center of the flame.

여기서 CMOS 카메라는 화염의 이미지를 빠른 속도로 측정할 수 있는 것으로 10 kHz로 화염의 자발광 이미지를 촬영하기 위해서 CMOS 카메라를 사용할 수 있다.Here, the CMOS camera can measure the image of the flame at high speed, and the CMOS camera can be used to take a self-luminous image of the flame at 10 kHz.

상술한 화염정보는 상술한 유동정보에 따른 화염정보들을 보간하여 사용될 수 있다.The above-described flame information may be used by interpolating flame information according to the above-described flow information.

따라서, 상술한 화염의 중심은 화염의 자발광 이미지를 통해 도출될 수도 있으나 상술한 당량비정보와 상술한 출구유속정보에 따른 화염중심정보의 위치를 보간함으로써 실제 연소 실험을 수행하지 않아도 화염중심정보의 위치가 예측될 수 있다. 예측된 화염중심정보의 위치를 사용하여 후술하는 예측단계(S140)에 의해 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 예측하는 경우 실제 연소실험을 수행하지 않아도 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측할 수 있고, 연소불안정 발생을 피할 수 있는 연소기 설계 방안을 도출할 수 있다.Therefore, the above-described center of the flame may be derived through the self-luminous image of the flame, but by interpolating the position of the flame center information according to the above-described equivalence ratio information and the above-mentioned exit velocity information, the flame center information can be obtained without performing an actual combustion experiment. location can be predicted. When the frequency information and the intensity information of the pressure perturbation are predicted by the prediction step (S140) described later using the position of the predicted flame center information, the frequency information and the intensity information of the pressure perturbation can be obtained without performing an actual combustion experiment It is possible to derive a combustor design plan that can predict and avoid combustion instability.

예측단계(S140)는 예측부(150)가 상술한 유동정보와 상술한 화염정보를 입력받아 딥러닝 모델을 기반으로 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 연산하여 압력 섭동을 예측하는 단계로, 인공신경망(Artificial neural network, ANN) 모델을 사용한다.In the prediction step (S140), the prediction unit 150 receives the above-described flow information and the above-described flame information, calculates the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation based on the deep learning model to predict the pressure perturbation As a result, an artificial neural network (ANN) model is used.

또한, 상술한 예측단계(S140)는 수식 1에 기초하여 상기 압력 섭동의 주파수정보와 상기 압력 섭동의 세기정보를 연산할 수 있다.Also, in the above-described predicting step (S140), the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation may be calculated based on Equation 1.

{수식 1}{Formula 1}

Figure pat00004
Figure pat00004

(상술한 x는 상기 입력값, 상술한 y는 상술한 압력 섭동의 주파수정보 또는 상술한 압력 섭동의 세기정보, 상술한 w는 상술한 인공신경망 모델의 각 계층 사이의 가중치 행렬, 상술한 b는 상술한 각 계측에서의 편향값 행렬, 상술한 f와 상술한 g는 활성화 함수)(The above-mentioned x is the input value, the above-mentioned y is the above-mentioned frequency information of the pressure perturbation or the above-mentioned intensity information of the pressure perturbation, the above-mentioned w is the weight matrix between each layer of the above-mentioned artificial neural network model, and the above-mentioned b is The above-mentioned deflection value matrix in each measurement, the above-mentioned f and the above-mentioned g are activation functions)

여기서 상술한 압력 섭동의 세기정보는 연소 과정에서 연소부(130) 내부에서 발생하는 압력섭동의 세기정보일 수 있다.Here, the intensity information of pressure perturbation described above may be intensity information of pressure perturbation generated inside the combustion unit 130 during a combustion process.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)의 예측단계(S140)는 당량비정보와 화염중심정보와 출구유속정보를 입력받아 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 출력한다.As shown in FIG. 4, the prediction step (S140) of the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention is equivalence ratio information, flame center information, and exit flow velocity information It receives the input and outputs the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation.

여기서 예측단계(S140)는 인공신경망 모델을 사용하므로 입력값인 당량비정보와 화염중심정보와 출구유속정보를 사용하여 중간계층 파라미터를 도출하고, 도출된 중간계층 파라미터를 통해 출력값을 도출한다. 여기서 중간계층 파라미터를 도출하는 과정에서는 각각의 입력값에 가중치를 두어 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.Here, since the prediction step (S140) uses an artificial neural network model, intermediate layer parameters are derived using equivalence ratio information, flame center information, and exit flow velocity information, which are input values, and output values are derived through the derived intermediate layer parameters. Here, in the process of deriving the middle layer parameters, the accuracy of prediction can be improved by putting a weight on each input value.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)은 당량비정보와 화염중심정보와 출구유속정보를 입력값으로 받아 인공신경망 모델을 사용하여 출력값인 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측하기 때문에 기존의 3D 화염 형상 및 유동장을 통한 수치해석적 기법에 비해 빠른 시간안에 압력 섭동의 주파수정보 및 세기정보를 예측할 수 있으며, 실제 화염의 형상 및 유동 조건을 사용하며 딥러닝 모델을 사용하기 때문에 1D Low-order network model에 비해 예측의 정확도가 높아지는 장점이 있다.In addition, the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention receives equivalence ratio information, flame center information, and exit flow velocity information as input values, and uses an artificial neural network model to generate an output value Since the frequency information and intensity information of phosphorus pressure perturbation are predicted, it is possible to predict the frequency information and intensity information of pressure perturbation in a shorter time than the existing numerical analysis method through 3D flame shape and flow field, and the shape and flow of the actual flame Because it uses conditions and deep learning models, it has the advantage of higher prediction accuracy compared to 1D low-order network models.

본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)의 예측단계(S140)의 인공신경망 모델은 190개의 데이터 샘플로 학습될 수 있다. 도 6은 190개의 데이터 샘플로 학습된 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)을 통해 예측된 34개의 조건에 따른 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보 결과를 보여준다.The artificial neural network model of the prediction step (S140) of the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention may be learned with 190 data samples. 6 shows frequency information of pressure perturbation according to 34 conditions predicted through a pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention learned with 190 data samples, and It shows the intensity information result of pressure perturbation.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)으로 34개의 데이터 샘플에 대해 압력 섭동의 주파수정보를 예측한 결과, 압력 섭동의 주파수정보의 예측값과 실제값의 R-square는 0.9971로 매우 정확한 예측이 수행된다.As shown in FIG. 6 (a), the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention predicts frequency information of pressure perturbation for 34 data samples As a result, the R-square of the predicted value and the actual value of the frequency information of the pressure perturbation is 0.9971, and very accurate prediction is performed.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)으로 34개의 데이터 샘플에 대해 압력 섭동의 세기정보를 예측한 결과, 압력 섭동의 세기정보의 예측값과 실제값의 R-square는 0.9204로 매우 정확한 예측이 수행된다.As shown in FIG. 6 (a), the pressure perturbation prediction method (S100) in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention predicts intensity information of pressure perturbation for 34 data samples As a result, the R-square of the predicted value and the actual value of the intensity information of pressure perturbation is 0.9204, and very accurate prediction is performed.

상술한 바와 같은 유체유입단계(S110), 연소단계(S120), 특징계산단계(S130), 예측단계(S140)를 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법(S100)에 따르면, 안정적인 연소기를 설계할 수 있도록 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측할 수 있다. 또한, 당량비정보 및 유동조건에 따른 화염 중심 보간을 통해 연소시험을 수행하지 않아도 압력 섭동의 주파수정보와 세기정보를 예측할 수 있다.In a gas turbine combustor using an artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention including the above-described fluid introduction step (S110), combustion step (S120), feature calculation step (S130), and prediction step (S140) According to the pressure perturbation prediction method ( S100 ), frequency information and intensity information of pressure perturbation can be predicted so that a stable combustor can be designed. In addition, it is possible to predict frequency information and intensity information of pressure perturbation without performing a combustion test through flame center interpolation according to equivalence ratio information and flow conditions.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.In the above, even though all the components constituting the embodiment of the present invention have been described as being combined or operated as one, the present invention is not necessarily limited to these embodiments. That is, within the scope of the object of the present invention, all of the components may be selectively combined with one or more to operate.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, terms such as "comprise", "comprise" or "having" described above mean that the corresponding component may be present unless otherwise stated, and thus exclude other components. It should be construed as being able to further include other components. All terms, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted as being consistent with the contextual meaning of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, they are not interpreted in an ideal or excessively formal meaning.

그리고 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.In addition, the above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

100 : 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치
110 : 노즐부
120 : 유체유입부
130 : 연소부
140 : 특징계산부
150 : 예측부
S100 : 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법
S110 : 유체유입단계
S120 : 연소단계
S130 : 특징계산단계
S140 : 예측단계
f1 : 제1유체
f2 : 제2유체
f3 : 제3유체
100: Pressure perturbation prediction device in gas turbine combustor using artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention
110: nozzle part
120: fluid inlet
130: combustion unit
140: feature calculation unit
150: prediction unit
S100: Pressure perturbation prediction method in gas turbine combustor using artificial neural network technique according to an embodiment of the present invention
S110: fluid inflow step
S120: Combustion step
S130: feature calculation step
S140: prediction step
f1: first fluid
f2: Second fluid
f3: 3rd fluid

Claims (20)

노즐부;
기설정된 유량의 제1유체와 제2유체를 각각 상기 노즐부로 유입시키는 유체유입부;
상기 제1유체와 상기 제2유체가 상기 노즐부에서 혼합되어 형성된 제3유체가 유입되어 화염이 형성되는 연소부;
상기 제3유체의 특징인 유동정보와 상기 화염의 특징인 화염정보를 계산하는 특징계산부; 및
상기 유동정보와 상기 화염정보를 입력받아 딥러닝 모델을 기반으로 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보를 연산하여 상기 압력 섭동의 주파수정보 및 상기 압력 섭동의 세기정보를 기초로 압력 섭동을 예측하는 예측부를 포함하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
nozzle unit;
a fluid inlet unit for introducing a first fluid and a second fluid at predetermined flow rates into the nozzle unit;
a combustion unit in which a flame is formed by introducing a third fluid formed by mixing the first fluid and the second fluid in the nozzle unit;
a feature calculation unit for calculating flow information, which is a characteristic of the third fluid, and flame information, which is a characteristic of the flame; and
Predict the pressure perturbation based on the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation by calculating the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation based on the deep learning model by receiving the flow information and the flame information An apparatus for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique comprising a prediction unit to do.
청구항 1에 있어서,
상기 유동정보는,
상기 제1유체의 유량과 상기 제2유체의 유량의 비율인 당량비정보와, 상기 제3유체가 상기 노즐부로부터 배출되는 속도인 출구유속정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
The flow information,
Gas turbine using an artificial neural network technique, characterized in that it includes equivalence ratio information, which is the ratio of the flow rate of the first fluid to the flow rate of the second fluid, and outlet flow rate information, which is the rate at which the third fluid is discharged from the nozzle unit A device for predicting pressure fluctuations in combustors.
청구항 1에 있어서,
상기 화염정보는,
상기 연소부 내에 형성되는 상기 화염의 자발광 이미지의 중심에 해당하는 화염중심정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
The flame information,
A pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that it includes flame center information corresponding to the center of the self-luminous image of the flame formed in the combustion unit.
청구항 1에 있어서,
상기 예측부는,
인공신경망(Artificial neural network, ANN) 모델을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
The prediction unit,
An apparatus for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that using an artificial neural network (ANN) model.
청구항 1에 있어서,
상기 제1유체는,
공기로 마련되며,
상기 제2유체는,
탄화수소 연료로 마련되며,
상기 제1유체는,
190℃ 내지 210℃ 사이의 온도로 가열되어 상기 노즐부로 유입되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
The first fluid,
provided by air,
The second fluid,
It is prepared with hydrocarbon fuel,
The first fluid,
A pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that it is heated to a temperature between 190 ° C and 210 ° C and introduced into the nozzle unit.
청구항 1에 있어서,
상기 연소부는,
피시험연소기가 기설정된 비율로 축소된 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
the combustion unit,
A pressure perturbation prediction device in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that the test combustor is provided in a reduced form at a predetermined ratio.
청구항 1에 있어서,
상기 화염중심정보는,
상기 화염의 상기 자발광 이미지에서 인텐시티 최대값의 위치로 계산되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
The flame center information,
A pressure perturbation predictor in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that it is calculated as the position of the maximum intensity value in the self-luminous image of the flame.
청구항 7에 있어서,
상기 자발광 이미지는,
OH 필터 또는 CH 필터가 결합된 CMOS 카메라에 의해 촬영되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 7,
The self-luminous image,
An apparatus for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that it is photographed by a CMOS camera coupled with an OH filter or a CH filter.
청구항 1에 있어서,
상기 출구유속정보는,
상기 기설정된 유량의 합을 상기 노즐부의 출구 면적으로 나누어 계산되거나, 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)를 통해 측정되거나, 열선유속계(Hot-wire anemometer)를 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
The method of claim 1,
The outlet flow information,
Artificial neural network, characterized in that calculated by dividing the predetermined sum of flow rates by the outlet area of the nozzle unit, measured through particle image velocimetry (PIV), or measured through hot-wire anemometer Pressure fluctuation prediction device in gas turbine combustor using method.
청구항 1에 있어서,
상기 연산부는,
수식 1에 기초하여 상기 압력 섭동의 주파수정보와 상기 압력 섭동의 세기정보를 연산하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치.
{수식 1}
Figure pat00005

(상기 x는 상기 입력값, 상기 y는 상기 압력 섭동의 주파수정보 또는 상기 압력 섭동의 세기정보, 상기 w는 상기 인공신경망 모델의 각 계층 사이의 가중치 행렬, 상기 b는 상기 각 계측에서의 편향값 행렬, 상기 f와 상기 g는 활성화 함수)
The method of claim 1,
The calculation unit,
An apparatus for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that for calculating the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation based on Equation 1.
{Formula 1}
Figure pat00005

(The x is the input value, the y is the frequency information of the pressure perturbation or the intensity information of the pressure perturbation, the w is a weight matrix between each layer of the artificial neural network model, and the b is the bias value in each measurement matrix, where f and g are activation functions)
제1유체와 제2유체가 노즐부에서 혼합되어 형성된 제3유체의 특징인 유동정보와 연소부 내에 형성되는 화염의 특징인 화염정보에 따른 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보가 학습된 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 장치에 있어서,
기설정된 유량의 상기 제1유체와 상기 제2유체가 각각 유체유입부에 의해 상기 노즐부로 유입되는 유체유입단계;
상기 제1유체와 상기 제2유체가 상기 노즐부에서 혼합되어 형성된 상기 제3유체가 연소부로 유입되어 상기 화염이 형성되는 연소단계;
상기 유동정보와 상기 화염정보가 특징계산부에 의해 계산되는 특징계산단계; 및
상기 유동정보와 상기 화염정보를 입력받아 딥러닝 모델을 기반으로 상기 예측부에 의해 압력 섭동의 주파수정보와 압력 섭동의 세기정보가 연산되어 압력 섭동이 예측되는 예측단계를 포함하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation according to the flow information, which is a characteristic of the third fluid formed by mixing the first and second fluids in the nozzle unit, and the flame information, which is a characteristic of the flame formed in the combustion unit, are learned. In the apparatus for predicting pressure perturbation in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique,
a fluid inlet step in which the first fluid and the second fluid at predetermined flow rates are respectively introduced into the nozzle unit by the fluid inlet unit;
a combustion step in which the third fluid formed by mixing the first fluid and the second fluid in the nozzle unit flows into a combustion unit to form the flame;
a feature calculation step in which the flow information and the flame information are calculated by a feature calculation unit; and
Using artificial neural network technique including a prediction step in which frequency information and intensity information of pressure perturbation are calculated by the predictor based on a deep learning model by receiving the flow information and the flame information to predict pressure perturbation A method for predicting pressure fluctuations in gas turbine combustors.
청구항 11에 있어서,
상기 유동정보는,
상기 제1유체의 유량과 상기 제2유체의 유량의 비율인 당량비정보와, 상기 제3유체가 상기 노즐부로부터 배출되는 속도인 출구유속정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
The flow information,
Gas turbine using an artificial neural network technique, characterized in that it includes equivalence ratio information, which is the ratio of the flow rate of the first fluid to the flow rate of the second fluid, and outlet flow rate information, which is the rate at which the third fluid is discharged from the nozzle unit A method for predicting pressure fluctuations in combustors.
청구항 11에 있어서,
상기 화염정보는,
상기 연소부 내에 형성되는 상기 화염의 자발광 이미지의 중심에 해당하는 화염중심정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
The flame information,
A pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that it includes flame center information corresponding to the center of the self-luminous image of the flame formed in the combustion unit.
청구항 11에 있어서,
상기 예측단계는,
인공신경망(Artificial neural network, ANN) 모델을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
The prediction step is
Pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that using an artificial neural network (ANN) model.
청구항 11에 있어서,
상기 제1유체는,
공기로 마련되며,
상기 제2유체는,
탄화수소 연료로 마련되며,
상기 제1유체는,
190℃ 내지 210℃ 사이의 온도로 가열되어 상기 노즐부로 유입되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
The first fluid,
provided by air,
The second fluid,
It is prepared with hydrocarbon fuel,
The first fluid,
Pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that heated to a temperature between 190 ℃ and 210 ℃ introduced into the nozzle unit.
청구항 11에 있어서,
상기 연소부는,
피시험연소기가 기설정된 비율로 축소된 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
the combustion unit,
A pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that the test combustor is provided in a reduced form at a predetermined ratio.
청구항 11에 있어서,
상기 화염중심정보는,
상기 화염의 상기 자발광 이미지에서 인텐시티 최대값의 위치로 계산되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
The flame center information,
Pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that calculated as the position of the maximum intensity value in the self-luminous image of the flame.
청구항 17에 있어서,
상기 자발광 이미지는,
OH 필터 또는 CH 필터가 결합된 CMOS 카메라에 의해 촬영되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 17
The self-luminous image,
A pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that it is photographed by a CMOS camera coupled with an OH filter or a CH filter.
청구항 11에 있어서,
상기 출구유속정보는,
상기 기설정된 유량의 합을 상기 노즐부의 출구 면적으로 나누어 계산되거나, 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)를 통해 측정되거나, 열선유속계(Hot-wire anemometer)를 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
The method of claim 11,
The outlet flow information,
Artificial neural network, characterized in that calculated by dividing the predetermined sum of flow rates by the outlet area of the nozzle unit, measured through particle image velocimetry (PIV), or measured through hot-wire anemometer Method for Predicting Pressure Perturbation in Gas Turbine Combustor Using Method.
청구항 11에 있어서,
상기 연산단계는,
수식 1에 기초하여 상기 압력 섭동의 주파수정보와 상기 압력 섭동의 세기정보를 연산하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기법을 이용한 가스터빈 연소기에서의 압력 섭동 예측 방법.
{수식 1}
Figure pat00006

(상기 x는 상기 입력값, 상기 y는 상기 압력 섭동의 주파수정보 또는 상기 압력 섭동의 세기정보, 상기 w는 상기 인공신경망 모델의 각 계층 사이의 가중치 행렬, 상기 b는 상기 각 계측에서의 편향값 행렬, 상기 f와 상기 g는 활성화 함수)
The method of claim 11,
In the calculation step,
A pressure perturbation prediction method in a gas turbine combustor using an artificial neural network technique, characterized in that for calculating the frequency information of the pressure perturbation and the intensity information of the pressure perturbation based on Equation 1.
{Formula 1}
Figure pat00006

(The x is the input value, the y is the frequency information of the pressure perturbation or the intensity information of the pressure perturbation, the w is a weight matrix between each layer of the artificial neural network model, and the b is a bias value in each measurement matrix, where f and g are activation functions)
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