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KR102063724B1 - Resonator for damping acoustic frequencies in combustion systems by optimizing impingement holes and shell volume - Google Patents

Resonator for damping acoustic frequencies in combustion systems by optimizing impingement holes and shell volume Download PDF

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KR102063724B1
KR102063724B1 KR1020180008908A KR20180008908A KR102063724B1 KR 102063724 B1 KR102063724 B1 KR 102063724B1 KR 1020180008908 A KR1020180008908 A KR 1020180008908A KR 20180008908 A KR20180008908 A KR 20180008908A KR 102063724 B1 KR102063724 B1 KR 102063724B1
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KR
South Korea
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combustor
holes
air
resonator
disposed
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이샘 아부이르사이드
미카엘 브로디
Original Assignee
두산중공업 주식회사
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Abstract

가스 터빈의 연소기 내의 공진기는 연소기의 연소실에 공기 흐름을 제공하기위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브, 및 댐핑 주파수에 동조된 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 포함한다.The resonator in the combustor of the gas turbine includes a flow sleeve forming an air path to provide air flow to the combustion chamber of the combustor, and one or more impact holes disposed on the flow sleeve tuned to the damping frequency.

Description

충돌 홀과 쉘 볼륨을 최적화하여 연소 시스템의 음향 주파수를 댐핑하는 공진기{RESONATOR FOR DAMPING ACOUSTIC FREQUENCIES IN COMBUSTION SYSTEMS BY OPTIMIZING IMPINGEMENT HOLES AND SHELL VOLUME}RESONATOR FOR DAMPING ACOUSTIC FREQUENCIES IN COMBUSTION SYSTEMS BY OPTIMIZING IMPINGEMENT HOLES AND SHELL VOLUME}

본 발명은 가스터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 터빈의 슬리브에 형성된 충돌 홀 및 쉘 볼륨이 공진기(140)를 형성하도록 함으로써, 연소 시스템을 통해 흐르는 공기 흐름을 변화시켜 연소기의 성능 저하를 최소화하기 위한 충돌 홀과 쉘 볼륨을 최적화하여 연소 시스템의 음향 주파수를 댐핑하는 공진기에 관한 것이다.The present invention relates to a gas turbine, and more particularly to the impact holes and shell volume formed in the sleeve of the gas turbine to form the resonator 140, thereby changing the air flow flowing through the combustion system to minimize the performance degradation of the combustor The present invention relates to a resonator for damping acoustic frequencies of a combustion system by optimizing impact holes and shell volumes.

예를 들어, 산업용 가스 터빈에 사용되는 것과 같은 연소기는 압축된 공기를 연료와 혼합하고, 고온, 고압 가스를 하류로 배출한다. 그 후, 가스에 저장된 에너지는, 예를 들어, 고온 고압 가스가 터빈 내에서 팽창함에 따라 작동하도록 전환되어, 전기를 생성하는 발전기와 같은 부착된 장치를 구동하기 위해 샤프트를 회전시킨다.For example, combustors such as those used in industrial gas turbines mix compressed air with fuel and discharge hot, high pressure gas downstream. The energy stored in the gas is then switched to operate, for example, as the hot and high pressure gas expands in the turbine, rotating the shaft to drive an attached device, such as a generator that generates electricity.

공기/연료 혼합물이 연소함에 따라, 생성되는 핫 가스(hot gas)는 압력의 변동을 생성한다. 어떤 주파수(예를 들어, 1-1000 Hz)에서의 이러한 압력 변동은 시스템을 통한 음압(acoustic pressure)을 생성한다. 따라서, 연소 시스템은 이러한 연소 동압(combustion dynamics)으로부터 생성된 HCF(High Cycle Fatigue)를 받기 쉽다. 진동의 빈도를 고려하지 않으면 연소 시스템의 구조적 완전성을 위태롭게 하여 파국적 고장(catastrophic failure)을 초래할 수 있다.As the air / fuel mixture burns, the resulting hot gas produces a change in pressure. Such pressure fluctuations at some frequencies (eg, 1-1000 Hz) create acoustic pressure through the system. Accordingly, the combustion system is susceptible to high cycle fatigue (HCF) generated from such combustion dynamics. If the frequency of vibration is not taken into account, the structural integrity of the combustion system can be compromised, resulting in catastrophic failure.

시스템 내의 고유 진동수(natural frequency)의 여기(excitation)를 방지하는 방법은 알려져 있다. 고유 진동수를 생성할 수 있는 음압 변동은 하드웨어를 재설계하거나, 공기 부목(air split)을 변경하거나, 시스템에 외부 공진기를 추가함으로써 줄일 수 있다. 그러나, 예를 들어 산업용 가스 터빈과 같은 폭넓은 응용에서, 이것은 테스트 및 수정을 위한 긴 시간이 필요함에 따라 상당한 비용을 추가하거나 연소 시스템 성능을 감소시킬 수 있다. 부가적으로, 이러한 목적을 위한 외부 공진기는 공진기가 댐핑을 위한 공기를 필요로 할 것임에 따라 연소기 성능을 감소시킬 수 있다. 공기는 연소로부터 제거되어 연소의 효율을 감소시킬 것이다. 이로 인해 방출 레벨, 금속 온도 및 열 응력이 증가될 수 있으며, 이의 모두는 시스템의 구조의 수명 및 성능에 영향을 미칠 것이다.Methods of preventing the excitation of natural frequencies in a system are known. Negative pressure fluctuations that can produce natural frequencies can be reduced by redesigning the hardware, changing the air splits, or adding external resonators to the system. However, in a wide range of applications, for example industrial gas turbines, this can add significant cost or reduce combustion system performance as long time is required for testing and modification. Additionally, an external resonator for this purpose can reduce combustor performance as the resonator will need air for damping. Air will be removed from combustion to reduce the efficiency of combustion. This can lead to increased emission levels, metal temperatures and thermal stresses, all of which will affect the lifetime and performance of the structure of the system.

본 발명의 실시 예들은 공기와 연료가 혼합되고 연소되는 연소실, 공기 흐름을 연소실에 제공하기 위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브 및 댐핑 주파수에 동조되는 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀(impingement hole)(임핀지먼트 홀)로 이루어진 충돌 홀과 쉘 볼륨을 최적화하여 연소 시스템의 음향 주파수를 댐핑하는 공진기Embodiments of the present invention include one or more impingement holes disposed on a combustion chamber in which air and fuel are mixed and combusted, a flow sleeve forming an air path to provide air flow to the combustion chamber, and a flow sleeve tuned to a damping frequency. Resonator damping acoustic frequencies of the combustion system by optimizing impact holes and shell volume consisting of (impingement holes)

본 발명의 다른 실시예에서는 가스 터빈의 연소기 내의 공진기는 공기 흐름을 연소기의 연소실에 제공하기 위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브, 및 댐핑 주파수에 동조되는 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀로 구성된 충돌 홀과 쉘 볼륨을 최적화하여 연소 시스템의 음향 주파수를 댐핑하는 공진기를 제공한다.In another embodiment of the present invention, a resonator in a combustor of a gas turbine is a collision consisting of a flow sleeve forming an air path for providing air flow to the combustion chamber of the combustor, and one or more impact holes disposed on the flow sleeve tuned to a damping frequency. Optimizing the hole and shell volume provides a resonator that damps the acoustic frequencies of the combustion system.

본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈의 연소기는 공기와 연료의 혼합물이 연소되는 연소실; 공기 흐름을 상기 연소실에 제공하기 위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브; 및 댐핑 주파수에 동조되는 상기 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 포함한다.The combustor of a gas turbine according to an embodiment of the present invention includes a combustion chamber in which a mixture of air and fuel is combusted; A flow sleeve defining an air path for providing an air flow to the combustion chamber; And one or more impingement holes disposed on the flow sleeve tuned to a damping frequency.

상기 하나 이상의 충돌 홀 및 상기 연소기의 쉘 볼륨은 상기 댐핑 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기를 형성한다.The one or more impingement holes and the shell volume of the combustor form a Helmholtz resonator tuned to the damping frequency.

상기 하나 이상의 충돌 홀 중 적어도 하나는 상기 연소기 내의 안티-노드 위치에 배치된다.At least one of the one or more impact holes is disposed at an anti-node position in the combustor.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 원통형인 것을 특징으로 한다.The at least one impact hole is characterized in that it is cylindrical.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 다각형인 것을 특징으로 한다.The at least one collision hole is characterized in that the polygon.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 상이한 형상 또는 상이한 크기를 갖는다.The one or more impact holes have different shapes or different sizes.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 공진기는 가스 터빈의 연소기 내의 공진기에 있어서, 공기 흐름을 상기 연소기의 연소실에 제공하기 위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브, 및 댐핑 주파수에 동조되는 상기 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 포함한다.A resonator according to another embodiment of the present invention is disposed on a resonator in a combustor of a gas turbine, the flow sleeve forming an air path for providing air flow to the combustion chamber of the combustor, and the flow sleeve tuned to a damping frequency. One or more collision holes.

상기 하나 이상의 충돌 홀 및 상기 연소기의 쉘 볼륨은 상기 댐핑 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기를 형성한다.The one or more impingement holes and the shell volume of the combustor form a Helmholtz resonator tuned to the damping frequency.

상기 하나 이상의 충돌 홀 중 적어도 하나는 상기 연소기 내의 안티-노드 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.At least one of the one or more impact holes is arranged at an anti-node position in the combustor.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 원통형인 것을 특징으로 한다.The at least one impact hole is characterized in that it is cylindrical.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 다각형인 것을 특징으로 한다.The at least one collision hole is characterized in that the polygon.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 상이한 형상 또는 상이한 크기를 갖는다.The one or more impact holes have different shapes or different sizes.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 음향 주파수를 댐핑하는 방법은 가스 터빈의 연소기에서 음향 주파수를 댐핑하는 방법에 있어서, 공기 및 연료 혼합물을 연소실 내에 형성하기 위해 흐름 슬리브에 의해 형성된 공기 경로를 통해 공기 흐름을 연소실에 제공하는 단계; 상기 연소실 내의 상기 공기 및 연료 혼합물을 연소시키는 단계; 및 연소에 의해 생성된 음향 주파수를 댐핑하기 위해 적어도 하나의 댐핑 주파수에 동조된 상기 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 통해 적어도 하나의 댐핑 주파수를 생성하는 단계를 포함한다.A method of damping acoustic frequencies according to another embodiment of the present invention is a method of damping acoustic frequencies in a combustor of a gas turbine, wherein the air flows through an air path formed by the flow sleeve to form air and fuel mixture in the combustion chamber. Providing the combustion chamber; Combusting the air and fuel mixture in the combustion chamber; And generating at least one damping frequency through one or more impingement holes disposed on the flow sleeve tuned to the at least one damping frequency to damp the acoustic frequency generated by the combustion.

상기 하나 이상의 충돌 홀 및 상기 연소기의 쉘 볼륨은 상기 댐핑 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기를 형성한다.The one or more impingement holes and the shell volume of the combustor form a Helmholtz resonator tuned to the damping frequency.

상기 하나 이상의 충돌 홀 중 적어도 하나는 상기 연소기 내의 안티-노드 위치에 배치된다.At least one of the one or more impact holes is disposed at an anti-node position in the combustor.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 상이한 형상 또는 상이한 크기를 갖는다.The one or more impact holes have different shapes or different sizes.

상기 하나 이상의 충돌 홀은 원통형 또는 다각형으로 구성된다.The one or more impingement holes consist of a cylindrical or polygonal shape.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 예시적인 가스 터빈의 연소 시스템을 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 연소기의 단면도를 도시한다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 공진기의 단면도를 도시한다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 공진기의 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 예시적인 실시예에 따른 충돌 홀의 예시적인 형상 및 크기를 도시한다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 공진기의 개략도이다.
1 illustrates a combustion system of an exemplary gas turbine according to an exemplary embodiment.
2 shows a cross-sectional view of a combustor according to an exemplary embodiment.
3 shows a cross-sectional view of a resonator in accordance with an exemplary embodiment.
4 shows a schematic diagram of a resonator in accordance with an exemplary embodiment.
5A and 5B show exemplary shapes and sizes of crash holes in accordance with an exemplary embodiment.
Fig. 6 is a schematic diagram of a resonator according to another exemplary embodiment.

연소 시스템 내의 음향 공진기의 다양한 실시예가 설명된다. 그러나, 다음의 설명은 단지 본 개시(disclosure)의 디바이스 및 방법을 설명하는데 예시적인 것임을 이해해야 한다. 따라서, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 합리적이고 예측 가능한 임의의 수의 수정, 변경 및/또는 대체가 고려된다.Various embodiments of acoustic resonators in a combustion system are described. However, it should be understood that the following description is merely illustrative of the devices and methods of the present disclosure. Accordingly, any number of reasonable, predictable modifications, changes and / or substitutions are contemplated without departing from the spirit and scope of the present disclosure.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 연소기(10)를 도시한다. 단지 설명을 위해, 연소기(10)는 산업용 가스 터빈(20)에 적용되는 것으로서 도 1에 도시된다. 그러나, 다른 응용의 연소기는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 적용될 수 있다. 설명 및 일관성을 위해, 동일한 참조 번호는 도면에서 동일한 구성 요소를 지칭한다.1 shows a combustor 10 according to an exemplary embodiment. For illustrative purposes only, the combustor 10 is shown in FIG. 1 as applied to an industrial gas turbine 20. However, combustors of other applications can be applied without departing from the scope of the present invention. For the sake of explanation and consistency, like reference numerals refer to like elements in the drawings.

도 1에 도시된 바와 같이, 연소기(10)에 공급될 공기는 가스 터빈(20)의 공기 흡입 섹션(30)을 통해 수용되고, 압축 섹션(40)에서 압축된다. 그 후, 압축된 공기는 공기 경로(60)를 통해 헤드엔드(50)에 공급된다. 공기는 연료와 혼합되어 노즐(70)의 팁(tip)에서 연소되고, 생성된 고온, 고압 가스는 하류로 공급된다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 생성된 가스는 가스의 에너지가 터빈 블레이드(95)에 연결된 회전 샤프트(90)에 의해 작업하도록 변환되는 터빈 섹션(80)에 공급된다.As shown in FIG. 1, air to be supplied to the combustor 10 is received through the air intake section 30 of the gas turbine 20 and compressed in the compression section 40. The compressed air is then supplied to the headend 50 via the air path 60. Air is mixed with fuel to burn at the tip of nozzle 70 and the resulting hot, high pressure gas is supplied downstream. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the generated gas is supplied to the turbine section 80 where the energy of the gas is converted to work by the rotating shaft 90 connected to the turbine blade 95.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 전체 구조물은 연소기(10)에 연결되고, 따라서 가스의 발생에 의해 야기된 음향 주파수는 전체 시스템을 통해 공진한다. 따라서, 음향 주파수의 생성을 제어하면은 전체 시스템의 동작, 성능 및 수명에 지속적인 영향을 미친다. 주파수의 영향은 엔진 전체에서 공진하는 주파수에만 제한되지 않는다. 높은 진폭 주파수가 생성될 때 주로 연소기에서 발생하는 연소 시스템에 대한 주파수의 영향은 연소 시스템에 손상을 야기한다. 이로 인해 수리를 위해 엔진의 전원을 끌 필요가 있으며, 따라서 수익(revenue)의 손실이 생성될 것이다.As can be seen in FIG. 1, the entire structure is connected to the combustor 10, so that the acoustic frequency caused by the generation of gas resonates through the entire system. Thus, controlling the generation of acoustic frequencies has a lasting impact on the operation, performance and lifetime of the overall system. The influence of frequency is not limited only to frequencies that resonate throughout the engine. The effects of the frequency on the combustion system, which occurs mainly in the combustor when high amplitude frequencies are generated, cause damage to the combustion system. This will require powering down the engine for repairs, thus creating a loss of revenue.

다른 시나리오는 동압을 줄이기 위해 외부 댐퍼가 연소기에 사용될 때이다.Another scenario is when an external damper is used in the combustor to reduce dynamic pressure.

이 경우에, 댐퍼는 공진기가 동작시키기 위해 공기를 필요로 하기 때문에 연소기 성능을 저하시킬 가능성이 가장 크다. 이러한 공기는 연소로부터 제거되어 더 높은 방출을 초래하며, 따라서 성능을 낮춘다. 부가적으로, 공진기를 부가하면 공진기의 높은 열 응력으로 인해 정지 주기가 단축될 것이다.In this case, the damper is most likely to degrade combustor performance because the damper needs air to operate. This air is removed from the combustion resulting in higher emissions, thus lowering performance. In addition, adding a resonator will shorten the stop period due to the high thermal stress of the resonator.

도 2는 예시적인 연소기(10)의 단면도이다. 연소기(10)는 헤드엔드(50)에 하나 이상의 연료 노즐(70)을 포함한다. 임의의 주어진 가스 터빈에 하나 이상의 연소기(10)가 있을 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 라이너(150) 및 전환부(transition piece)(160)는 생성된 고압, 고온 가스를 터빈 섹션(80)으로 채널링(channeling)한다.2 is a cross-sectional view of an exemplary combustor 10. Combustor 10 includes one or more fuel nozzles 70 at headend 50. It should be understood that there may be more than one combustor 10 in any given gas turbine. Liner 150 and transition piece 160 channel the generated high pressure, hot gas into turbine section 80.

도 3은 예시적인 실시예에 따른 공진기의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 흐름 슬리브(100)는 쉘 볼륨(120)을 형성하는 쉘(110)에 의해 둘러싸여 있다. 공기가 흐름 슬리브(100)와 라이너(150) 및 전환부(160) 사이에 형성된 공간에 흐르도록 흐름 슬리브(100)는 라이너(150) 및 전환부(160) 주위에 형성된다. 흐름 슬리브(100)는 압축되고, 비교적 고온의 공기가 흐르는 하나 이상의 충돌 홀(130)을 그 위에 형성한다. 따라서, 충돌 홀(130) 및 쉘 볼륨(120)은 헬름홀츠 공진기(즉, 공진기(140))를 형성한다. 셸 볼륨(120) 및 충돌 홀(130)을 헬름홀츠 공진기로서 이용하면은 통상적으로 연소 시스템을 통해 흐르는 공기 흐름을 사이펀(siphon)함으로써 연소기 성능을 저하시키는 외부 공진기를 설계할 필요가 없다.3 is a cross-sectional view of a resonator in accordance with an exemplary embodiment. As shown in FIG. 3, the flow sleeve 100 is surrounded by a shell 110 forming a shell volume 120. The flow sleeve 100 is formed around the liner 150 and the diverter 160 such that air flows in the space formed between the flow sleeve 100 and the liner 150 and the diverter 160. The flow sleeve 100 is compressed and forms thereon one or more impingement holes 130 through which relatively hot air flows. Thus, the collision holes 130 and the shell volume 120 form a Helmholtz resonator (ie, resonator 140). Using the shell volume 120 and the impact hole 130 as a Helmholtz resonator typically eliminates the need to design an external resonator that siphons the airflow flowing through the combustion system to degrade combustor performance.

도 4는 예시적인 실시예에 따라 쉘 볼륨(120) 및 충돌 홀(130)에 의해 형성된 공진기(140)의 개략도이다. 셸 볼륨(120)은 헬름홀츠 공진기의 컴플라이언스(compliance) 또는 볼륨으로서 작용하는 반면에, 충돌 홀(130)은 헬름홀츠 공진기의 네크(neck)를 시뮬레이팅한다.4 is a schematic diagram of a resonator 140 formed by shell volume 120 and impingement hole 130 in accordance with an exemplary embodiment. Shell volume 120 acts as the compliance or volume of the Helmholtz resonator, while impingement hole 130 simulates the neck of the Helmholtz resonator.

공진기(140)는 충돌 홀(130)의 크기, 두께, 형상 및 위치를 조정함으로써 최적화될 수 있다. 공진기(140)를 형성하는 흐름 슬리브(100) 상의 충돌 홀(130)은 흐름 슬리브(100)와 라이너(150) 및 흐름 슬리브(100)와 전환부(160) 사이의 공기 경로 위치로 연장되는 파장을 가진 종파를 댐핑할 수 있다. The resonator 140 may be optimized by adjusting the size, thickness, shape, and position of the collision hole 130. The impingement hole 130 on the flow sleeve 100 forming the resonator 140 has a wavelength extending to the flow path 100 and the liner 150 and to the air path location between the flow sleeve 100 and the diverter 160. You can damp the denomination with.

특히, 중간 범위의 주파수(예를 들어, 20-200 Hz 사이)는 예시적인 실시예에 따라 연소기(10)에서 기존 하드웨어를 이용함으로써 댐핑될 수 있다. 그러나, 다른 주파수는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 타겟화될 수 있다. 더욱이, 다수의 충돌 홀(130)이 형성되어 한 번에 여러 주파수를 타겟화하도록 설계될 수 있다.In particular, the middle range of frequencies (eg, between 20-200 Hz) can be damped by using existing hardware in the combustor 10 in accordance with an exemplary embodiment. However, other frequencies may be targeted without departing from the scope of the present invention. Moreover, multiple impact holes 130 can be formed and designed to target several frequencies at one time.

충돌 홀(130)을 통과하는 공기 흐름은 댐핑을 향상시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 충돌 홀(130)의 상이한 크기 및 형상은 상이한 댐핑 능력을 갖는 상이한 주파수를 타겟화하는데 사용될 수 있다. The air flow through the impact holes 130 can be controlled to improve damping. For example, different sizes and shapes of impact holes 130 may be used to target different frequencies with different damping capabilities.

도 5a 및 도 5b는 충돌 홀(130)의 예시적인 형상 및 크기를 도시한다.5A and 5B show exemplary shapes and sizes of impact holes 130.

홀(110)의 크기는 직경(D) 및/또는 두께(T)를 조정함으로써 변화될 수 있다. 예를 들어, 도 5a의 원통 형상은 네크 유효 길이가 증가함에 따라 도 5b의 사다리꼴 형상보다 높은 댐핑을 생성한다. 더욱이, 도 5b의 사다리꼴의 각도의 변화는 음향 주파수의 추가의 시프트를 야기한다. 2개의 예시적인 형상만이 도 5a 및 도 5b에 도시되지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 형상이 사용될 수 있다.The size of the hole 110 can be varied by adjusting the diameter D and / or thickness T. For example, the cylindrical shape of FIG. 5A produces higher damping than the trapezoidal shape of FIG. 5B as the neck effective length increases. Moreover, the change in the trapezoidal angle of FIG. 5B causes an additional shift in acoustic frequency. Although only two exemplary shapes are shown in FIGS. 5A and 5B, other shapes may be used without departing from the scope of the present invention.

도 6은 공진기(140)의 예시적인 실시예의 개략도이다. 예를 들어, 상이한 직경, 두께 및/또는 형상을 갖는 충돌 홀(130 및 130')을 연결함으로써 불안정한 주파수는 댐핑될 수 있다. 부가적으로, 충돌 홀(130")은 타겟화된 파 및 이의 주파수의 모드-형상의 안티-노드(anti-node) 상에 또는 그 근처에 배치될 수 있다.6 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a resonator 140. For example, by connecting impingement holes 130 and 130 'having different diameters, thicknesses and / or shapes, the unstable frequency can be damped. Additionally, the impact holes 130 ″ may be disposed on or near the mode-shaped anti-node of the targeted wave and its frequency.

예시적인 실시예의 이점 중 일부는 연소 동압 또는 압력 파의 진폭을 감소시켜 하드웨어의 수명이 20-200 Hz 사이의 주파수에 대한 연소 동압을 확장, 감소 또는 제거하여 하드웨어의 수명을 연장시킬 수 있다는 것, 및 연소 시스템 내의 기존 하드웨어의 이용하여, 낮은-중간 범위 주파수를 위한 외부 공진기를 부가할 필요성 또는 연소 동압의 영향을 최소화하고 음압 변동을 줄이기 위해 하드웨어의 설계를 변경할 필요성을 제거하는 것을 포함한다.Some of the advantages of the exemplary embodiments are that the lifetime of the hardware can be extended by reducing the amplitude of the combustion dynamic pressure or pressure wave, thereby extending, decreasing or eliminating the combustion dynamic pressure for frequencies between 20-200 Hz, And the use of existing hardware in the combustion system, eliminating the need to add an external resonator for low-mid range frequencies or the need to change the design of the hardware to minimize the effects of combustion dynamics and reduce sound pressure fluctuations.

본 명세서의 개시는 산업용 가스 터어빈의 연소 시스템으로 제한되지 않는다는 것이 또한 이해될 것이다. 예를 들어, 에어로 가스 터빈 및 가스 터빈의 연소 시스템은 일반적으로 또한 본 개시의 이점을 실현할 수 있다. 더욱이, 충돌 홀의 형상, 크기 및 두께는 본 명세서에 개시된 것에 한정되지 않는다. It will also be appreciated that the disclosure herein is not limited to combustion systems of industrial gas turbines. For example, aero gas turbines and combustion systems of gas turbines may generally also realize the benefits of the present disclosure. Moreover, the shape, size and thickness of the impact holes are not limited to those disclosed herein.

예를 들어, 사각형, 직사각형, 삼각형, 및 몇몇 예를 명명하기 위한 오각형, 육각형 및 팔각형과 같은 다른 다각형 구조의 충돌 홀이 또한 본 개시의 이점을 실현할 수 있다. 부가적으로, 상이한 크기, 두께 및 형상을 갖는 충돌 홀의 임의의 조합은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 공진기의 주파수를 조정하기 위해 함께 연결될 수 있다.For example, collision holes of squares, rectangles, triangles, and other polygonal structures such as pentagons, hexagons, and octagons for naming some examples may also realize the benefits of the present disclosure. In addition, any combination of impact holes having different sizes, thicknesses and shapes can be connected together to adjust the frequency of the resonator without departing from the scope of the present invention.

본 개시의 폭 및 범위는 상술한 예시적인 실시예 중 어느 것에 의해 제한되지 않아야 하며, 다음의 청구 범위 및 이의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 더욱이, 상술한 이점 및 특징은 설명된 실시예에 제공되지만, 상술한 이점의 일부 또는 전부를 달성하는 프로세스 및 구조로 청구 범위의 적용을 제한하지 않아야 한다.The breadth and scope of the present disclosure should not be limited by any of the above-described exemplary embodiments, but should be defined only in accordance with the following claims and their equivalents. Moreover, the advantages and features described above are provided in the described embodiments, but should not limit the application of the claims to processes and structures that achieve some or all of the above advantages.

부가적으로, 본 명세서의 섹션 표제는 37 CFR 1.77에 따른 제안과의 일관성을 위해 제공되거나 조직적 큐(cue)를 제공하기 위해 제공된다. 이러한 표제는 본 개시에서 발급할 수 있는 모든 청구 범위에 설명된 발명을 제한하거나 특성을 부여하지 않아야 한다. 더욱이, "배경(Background)"에서의 기술에 대한 설명은 기술이 본 개시에서 임의의 발명의 선행 기술이라는 것을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "간단한 요약(Brief Summary)"은 본 명세서에서 발견된 청구 범위에 설명된 발명의 특성으로서 간주되지 않는다. 더욱이, 본 개시에서 단수의 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 개시에서 청구된 하나의 신규성만이 있음을 주장하는데 사용되지 않아야 한다. 본 개시와 관련된 다수의 청구 범위의 제한에 따라 다수의 발명이 제시될 수 있으며, 청구 범위는 이에 따라 보호되는 발명 및 이의 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 청구항의 범위는 명세서의 관점에서 자신의 장점으로 고려되어야 하지만, 본 명세서에 설명된 표제로 제한되지 않아야 한다.In addition, section headings herein are provided for consistency with the proposals under 37 CFR 1.77 or to provide an organizational cue. Such headings should not limit or characterize the invention described in all claims that may be issued in this disclosure. Moreover, the description of the technology in "Background" should not be construed as an admission that the technology is prior art of any invention in this disclosure. "Brief Summary" is not to be regarded as a characteristic of the invention as described in the claims found herein. Moreover, any reference to singular “invention” in this disclosure should not be used to assert that there is only one novelty claimed in this disclosure. Numerous inventions may be presented in accordance with the limitations of the numerous claims associated with the present disclosure, and the claims define the invention and equivalents thereof protected thereby. In all cases, the scope of the claims should be considered as their advantage in view of the specification, but should not be limited to the headings described herein.

Claims (17)

가스 터빈의 연소기에 있어서,
공기와 연료의 혼합물이 연소되는 연소실;
공기 흐름을 상기 연소실에 제공하기 위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브; 및
댐핑 주파수에 동조되는 상기 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 포함하고,
이웃하는 한 쌍의 상기 충돌 홀 중 어느 하나는 상부직경이 하부직경과 같거나 작고 상기 연소기 내의 안티-노드 위치에 배치되고, 다른 하나는 상부직경이 하부직경보다 크고 상기 연소기 내의 노드 위치에 배치되는, 가스 터빈의 연소기.
In the combustor of a gas turbine,
A combustion chamber in which a mixture of air and fuel is combusted;
A flow sleeve defining an air path for providing an air flow to the combustion chamber; And
One or more impact holes disposed on said flow sleeve tuned to a damping frequency,
One of the neighboring pair of collision holes has an upper diameter less than or equal to a lower diameter and is disposed at an anti-node position within the combustor, and the other is disposed at a node position within the combustor with an upper diameter greater than the lower diameter. , Combustor of gas turbine.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀 및 상기 연소기의 쉘 볼륨은 상기 댐핑 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기를 형성하는, 가스 터빈의 연소기.
The method of claim 1,
And the shell volume of the one or more impingement holes and the combustor form a Helmholtz resonator tuned to the damping frequency.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 원통형인, 가스 터빈의 연소기.
The method of claim 1,
And the at least one impact hole is cylindrical.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 다각형인, 가스 터빈의 연소기.
The method of claim 1,
Wherein the one or more impingement holes are polygonal.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 상이한 형상 또는 상이한 크기를 갖는, 가스 터빈의 연소기.
The method of claim 1,
Wherein the one or more impingement holes have different shapes or different sizes.
가스 터빈의 연소기 내의 공진기에 있어서,
공기 흐름을 상기 연소기의 연소실에 제공하기 위해 공기 경로를 형성하는 흐름 슬리브, 및
댐핑 주파수에 동조되는 상기 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 포함하고,
이웃하는 한 쌍의 상기 충돌 홀 중 어느 하나는 상부직경이 하부직경과 같거나 작고 상기 연소기 내의 안티-노드 위치에 배치되고, 다른 하나는 상부직경이 하부직경보다 크고 상기 연소기 내의 노드 위치에 배치되는, 공진기.
In a resonator in a combustor of a gas turbine,
A flow sleeve forming an air path for providing air flow to the combustion chamber of the combustor, and
One or more impact holes disposed on said flow sleeve tuned to a damping frequency,
One of the neighboring pair of collision holes has an upper diameter less than or equal to a lower diameter and is disposed at an anti-node position within the combustor, and the other is disposed at a node position within the combustor with an upper diameter greater than the lower diameter. , Resonator.
제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀 및 상기 연소기의 쉘 볼륨은 상기 댐핑 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기를 형성하는, 공진기.
The method of claim 7, wherein
And the shell volume of the one or more impingement holes and the combustor form a Helmholtz resonator tuned to the damping frequency.
삭제delete 제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 원통형인, 공진기.
The method of claim 7, wherein
And the at least one impact hole is cylindrical.
제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 다각형인, 공진기.
The method of claim 7, wherein
And the at least one impact hole is a polygon.
제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 상이한 형상 또는 상이한 크기를 갖는, 공진기.
The method of claim 7, wherein
And the one or more impingement holes have different shapes or different sizes.
가스 터빈의 연소기에서 음향 주파수를 댐핑하는 방법에 있어서,
공기 및 연료 혼합물을 연소실 내에 형성하기 위해 흐름 슬리브에 의해 형성된 공기 경로를 통해 공기 흐름을 연소실에 제공하는 단계;
상기 연소실 내의 상기 공기 및 연료 혼합물을 연소시키는 단계; 및
연소에 의해 생성된 음향 주파수를 댐핑하기 위해 적어도 하나의 댐핑 주파수에 동조된 상기 흐름 슬리브 상에 배치된 하나 이상의 충돌 홀을 통해 적어도 하나의 댐핑 주파수를 생성하는 단계를 포함하고,
이웃하는 한 쌍의 상기 충돌 홀 중 어느 하나는 상부직경이 하부직경과 같거나 작고 상기 연소기 내의 안티-노드 위치에 배치되고, 다른 하나는 상부직경이 하부직경보다 크고 상기 연소기 내의 노드 위치에 배치되는, 음향 주파수를 댐핑하는 방법.
A method of damping acoustic frequencies in a combustor of a gas turbine,
Providing an air stream to the combustion chamber through an air path formed by the flow sleeve to form the air and fuel mixture in the combustion chamber;
Combusting the air and fuel mixture in the combustion chamber; And
Generating at least one damping frequency through one or more impingement holes disposed on the flow sleeve tuned to at least one damping frequency to dampen the acoustic frequency generated by combustion,
One of the neighboring pair of collision holes has an upper diameter less than or equal to a lower diameter and is disposed at an anti-node position within the combustor, and the other is disposed at a node position within the combustor with an upper diameter greater than the lower diameter. , How to damp acoustic frequencies.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀 및 상기 연소기의 쉘 볼륨은 상기 댐핑 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기를 형성하는, 음향 주파수를 댐핑하는 방법.
The method of claim 13,
And the shell volume of the one or more impingement holes and the combustor form a Helmholtz resonator tuned to the damping frequency.
삭제delete 제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 상이한 형상 또는 상이한 크기를 갖는, 음향 주파수를 댐핑하는 방법.
The method of claim 13,
And wherein said at least one impact hole has a different shape or different size.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 충돌 홀은 원통형 또는 다각형인, 음향 주파수를 댐핑하는 방법.
The method of claim 13,
Wherein the one or more impingement holes are cylindrical or polygonal.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013234833A (en) * 2012-05-02 2013-11-21 General Electric Co <Ge> Acoustic resonator located at flow sleeve of gas turbine combustor
JP2015161500A (en) * 2014-02-27 2015-09-07 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ System and method for control of combustion dynamics in a combustion system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4719748A (en) * 1985-05-14 1988-01-19 General Electric Company Impingement cooled transition duct
WO2003023281A1 (en) * 2001-09-07 2003-03-20 Alstom Technology Ltd Damping arrangement for reducing combustion chamber pulsations in a gas turbine system
US6964170B2 (en) * 2003-04-28 2005-11-15 Pratt & Whitney Canada Corp. Noise reducing combustor
EP2116770B1 (en) * 2008-05-07 2013-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Combustor dynamic attenuation and cooling arrangement
US20100005804A1 (en) * 2008-07-11 2010-01-14 General Electric Company Combustor structure
US9957816B2 (en) * 2014-05-29 2018-05-01 General Electric Company Angled impingement insert

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013234833A (en) * 2012-05-02 2013-11-21 General Electric Co <Ge> Acoustic resonator located at flow sleeve of gas turbine combustor
JP2015161500A (en) * 2014-02-27 2015-09-07 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ System and method for control of combustion dynamics in a combustion system

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