KR20190110114A - 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치 및 이것을 구비한 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치 및 이것을 구비한 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실을 구비하고, 복수의 공명실은 하기 식 (A)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함한다. (단, n은 2 이상의 정수이며, Fi는 n개의 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실의 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수임.)

Description

가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치 및 이것을 구비한 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈
본 개시는 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치 및 이것을 구비한 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에서는 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 피크 주파수가 상이한 복수의 공명실이 나란하게 배치되는 경우가 있었다. 이들 복수의 공명실은 전형적으로는 광범위한 주파수의 연소 진동을 저감하기 위해, 피크 주파수가 크게 상이해지도록 음향 특성을 가지는 것으로 하여 설계된다(예를 들면, 2개의 공명실의 피크 주파수비가 2 내지 4 정도로 설정됨).
일본 특허 공개 제 2011-17523 호 공보
그런데, 가스 유로로부터 흡음 장치의 공명실 내로의 고온 가스의 유입(역류)이 발생하면, 가스 터빈 연소기를 손상시킬 우려가 있으므로, 공명실의 압력은 통상 가스 유로의 벽면 근방의 정압보다 높게 설정되어, 가스 유로로부터의 고온 가스의 흡음 장치 내로의 유입을 억제하도록 되어 있다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 전형적인 1개의 흡음 장치가 차지하는 축방향 위치 범위에 있어서, 가스 터빈 연소기의 축방향 위치에 의존하여 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압이 유의(有意)하게 변화하는 것이 명확해졌다. 또한, 이러한 지견에서 일부의 공명실에 대해서는, 고온 가스의 역류를 저지한다는 목적에서 보아 과잉인 퍼지 공기량을 소비하고 있으며, 이것이 퍼지 공기량의 총량 삭감의 장벽이 되고 있는 것이 명확해졌다.
특히, 가스 터빈 연소기에서 연소되는 연소용 공기와 공통의 공기 공급 계통으로부터 퍼지 공기를 공명실에 공급하는 경우에는, 공명실에 퍼지 공기를 과잉으로 공급하면 그만큼, 가스 터빈 연소기에서 연소되는 연소용 공기량이 감소하여, 연소 가스의 온도가 높아지고, NOx(질소산화물)의 배출량이 증가해 버린다는 문제점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태는 상술한 바와 같은 종래의 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 퍼지 공기의 총량을 삭감하는 것이 가능한 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치 및 이것을 구비한 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치는 상기 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실을 구비하고, 상기 복수의 공명실은 하기 식 (A)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함한다.
Figure pct00001
(단, n은 2 이상의 정수이며, Fi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실의 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수임.)
상기 (1)의 구성에 의하면, 피크 주파수가 동일한 정도
Figure pct00002
의 복수의 관련 공명실을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련했으므로, 각 관련 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(2) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1)에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실을 구비하고,
상기 복수의 공명실은 하기 식 (B)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함한다.
Figure pct00003
(단, Ri는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실과 상기 가스 유로를 구획하는 벽부의 상기 음향 구멍에 의한 개구율임.)
상기 (2)의 구성에 의하면, 개구율이 동일한 정도
Figure pct00004
의 복수의 관련 공명실을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련했으므로, 각 관련 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(3) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 또는 (2)에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 n개의 관련 공명실은 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수가 거의 동일하다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 피크 주파수가 동일한 정도의 복수의 관련 공명실을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련했으므로, 각 관련 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(4) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 n개의 관련 공명실은 상기 가스 유로와 각 관련 공명실을 구획하는 벽부의 상기 음향 구멍에 의한 개구율이 거의 동일하다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 개구율이 동일한 정도의 복수의 관련 공명실을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련했으므로, 각 관련 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 가스 유로에 상기 음향 구멍을 거쳐서 연통하는 내부 공간을 획정하는 하우징과, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서, 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 n개의 관련 공명실로 구획하는 적어도 하나의 격벽부를 더 구비한다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 격벽부의 위치를 적절히 결정하는 것에 의해, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제하면서, 각 관련 공명실로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다. 이에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(6) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 n개의 관련 공명실은 상기 가스 터빈 연소기의 운전시에 있어서 제 1 내압을 갖는 제 1 공명실과, 상기 제 1 공명실의 하류측에 마련되며, 상기 가스 터빈 연소기의 운전시에 있어서 상기 제 1 내압보다 낮은 제 2 내압을 갖는 제 2 공명실을 포함한다.
본 발명자들이 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압 분포에 대해서 예의 검토한 결과, 가스 유로의 하류측을 향함에 따라서, 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압이 저하하는 경향을 발견했다.
상기 (6)의 구성은 본 발명자들에 의한 상기 지견에 근거하는 것이며, 제 1 공명실의 제 1 내압보다 하류측에 위치하는 제 2 공명실의 제 2 내압을 낮게 설정하는 것에 의해, 제 1 공명실 및 제 2 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제하면서, 제 1 공명실 및 제 2 공명실로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다. 이에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(7) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 n개의 관련 공명실은 내부에 기체를 도입하는 제 1 기체 도입 수단이 마련된 제 1 공명실과, 내부에 기체를 도입하는 제 2 기체 도입 수단이 마련되며, 상기 제 1 공명실의 하류측에 마련된 제 2 공명실을 포함하며, 제 1 기체 도입 수단은 제 2 기체 도입 수단에 비해, 단위 면적당의 개수 밀도 또는 도입 면적 중 적어도 하나가 크다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 제 1 공명실의 제 1 기체 도입 수단의 개수 밀도 또는 도입 면적 중 적어도 하나를 제 2 공명실의 제 2 기체 도입 수단의 개수 밀도 또는 도입 면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 제 2 공명실의 내압을 제 1 공명실의 내압보다 낮게 하여, 각 공명실로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
(8) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (7)에 기재된 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 관련 공명실의 각각을 형성하는 하우징에는 제 1 기체 도입 수단 또는 제 2 기체 도입 수단으로서 퍼지 공기 구멍이 마련되어 있으며, 상기 제 1 공명실의 상기 퍼지 공기 구멍은 상기 제 2 공명실의 상기 퍼지 공기 구멍에 비해, 단위 면적당의 개수 밀도 또는 개구 면적 중 적어도 하나가 크다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 제 1 공명실의 퍼지 공기 구멍의 개수 밀도 또는 개구 면적 중 적어도 하나를 제 2 공명실의 퍼지 공기 구멍의 개수 밀도 또는 개구 면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 제 2 공명실의 내압을 제 1 공명실의 내압보다 낮게 하여, 각 공명실로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
(9) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (7) 또는 (8)에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 관련 공명실의 각각에는 제 1 기체 도입 수단 또는 제 2 기체 도입 수단으로서 상기 가스 터빈 연소기의 연소통에 마련된 냉각 공기 유로가 연통하고 있으며, 상기 제 1 공명실과 연통하는 상기 냉각 공기 유로의 개수 또는 유로 단면적 중 적어도 하나가 상기 제 2 공명실과 연통하는 상기 냉각 공기 유로의 개수 또는 유로 단면적보다 크다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 제 1 공명실과 연통하는 냉각 공기 유로의 개수 또는 유로 단면적을 제 2 공명실과 연통하는 냉각 공기 유로의 개수 또는 유로 단면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 제 2 공명실의 내압을 제 1 공명실의 내압보다 낮게 하여, 제 1 공명실 및 제 2 공명실로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
(10) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 관련 공명실의 각각을 형성하는 하우징은 하기 식 (C)를 만족하도록 구성된다.
Figure pct00005
(단, Hi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실에 있어서의 하우징의 /높이임.)
상기 (10)의 구성에 의하면, 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 관련 공명실의 음향 특성을 동일한 정도로 설정할 수 있다. 이 때문에, 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실의 내압을 서로 독립적으로 설정하는 것에 의해, 퍼지 공기의 적정한 분배를 가능하게 하면서, 복수의 관련 공명실이 차지하는 축방향 위치 범위에 적합한 음향 감쇠 기능을 실현할 수 있다.
(11) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 관련 공명실의 각각을 형성하는 하우징의 높이는 거의 동일하다.
(12) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서, 상기 n개의 관련 공명실 중 적어도 최상류측에 위치하는 최상류측 공명실의 상기 축방향에 있어서의 폭은 상기 n개의 관련 공명실 중 상기 최상류측 공명실의 하류측에 인접하는 후속 공명실의 상기 축방향에 있어서의 폭보다 크다.
전형적인 흡음 장치는 연소 진동을 효과적으로 억제하는 관점에서, 가스 터빈 연소기의 화염에 대응하는 축방향 위치에 마련된다.
여기에서 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포는 최상류측의 공명실이 차지하는 축방향 위치 범위에 있어서 피크를 갖는 경향이 있는 것이 명확해졌다. 가스 유로의 벽면 근방의 정압이 최상류측의 공명실의 축방향 위치로 하류측을 향하여 증가하는 이유는, 가스 유로 내의 미연 가스 흐름이 가지는 스월 성분에 기인하여 가스 유로의 벽면에 미연 가스가 원심력에 의해 가압되기 때문이라고 고려할 수 있다. 한편, 가스 유로의 벽면 근방의 정압이 최상류측 공명실의 축방향 위치로부터 하류측을 향하여 감소하는 것은 연소 반응의 진행에 수반하는 연소 가스의 팽창 작용에 근거한다고 고려할 수 있다.
상기 (12)의 구성은 본 발명자들이 발견한 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포의 상기 경향에 입각한 것이며, 최상류측 공명실의 축방향 폭을 후속 공명실의 축방향 폭보다 크게 설정하는 것에 의해, 각 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 적정하게 분배 가능해진다.
(13) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기는 연소통과, 상기 연소통에 장착되는 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 기재의 공명 흡음 장치를 구비한다.
상기 (13)에 기재된 가스 터빈 연소기에 의하면, 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 기재의 공명 흡음 장치를 구비하기 때문에, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(14) 본 발명 중 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈은 압축기와, 상기 압축기에서 생성된 압축 공기에 의해 연료를 연소시키도록 구성된 상기 (13)에 기재의 연소기와, 상기 연소기에 의해 생성된 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈을 구비한다.
상기 (14)에 기재된 가스 터빈에 의하면, 상기 (13)에 기재의 연소기를 구비하기 때문에, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(15) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 운전 방법은, 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실에 대해서 퍼지 공기를 공급하는 단계를 구비하고, 상기 복수의 공명실은 하기 식 (A)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함하며, 상기 퍼지 공기를 공급하는 단계에서는, 상기 n개의 관련 공명실의 내압이 상이하도록 상기 퍼지 공기의 공급량이 설정된다.
Figure pct00006
(단, n은 2 이상의 정수이며, Fi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실의 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수임.)
가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에서는, 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 피크 주파수가 상이한 복수의 공명실이 나란하게 배치되는 경우가 있었다. 이들 복수의 공명실은 전형적으로는 광범위한 주파수의 연소 진동을 저감하기 위해, 피크 주파수가 크게 상이한 음향 특성을 가지는 것으로 하여 설계된다(예를 들면 2개의 공명실의 피크 주파수비가 2~4 정도로 설정됨).
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 전형적인 1개의 흡음 장치가 차지하는 축방향 위치 범위에 있어서, 가스 터빈 연소기의 축방향 위치에 의존하여 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압이 유의하게 변화하는 것이 명확해졌다. 또한, 이러한 지견에서 일부의 공명실에 대해서는, 고온 가스의 역류를 저지한다는 목적에서 보아 과잉인 퍼지 공기량을 소비하고 있으며, 이것이 퍼지 공기량의 총량 삭감의 장벽이 되고 있는 것이 명확해졌다.
이 점, 상기 (15)의 가스 터빈의 운전 방법에 의하면, 피크 주파수가 동일한 정도
Figure pct00007
의 복수의 관련 공명실이 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되어 있는 상태에 있어서, 각 관련 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 공명실의 내압이 상이하도록 복수의 관련 공명실에 대한 퍼지 공기의 공급량이 설정된다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(16) 몇 가지 실시형태에서는 상기 (15)에 기재의 가스 터빈의 운전 방법에 있어서, 상기 퍼지 공기를 공급하는 단계에서는, 상기 n개의 관련 공명실 중 제 1 공명실의 제 1 내압보다 상기 n개의 관련 공명실 중 상기 제 1 공명실의 하류측에 위치하는 제 2 공명실의 제 2 내압이 낮아지도록, 상기 관련 공명실의 각각으로의 상기 퍼지 공기의 상기 공급량이 설정된다.
본 발명자들이 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압 분포에 대해 예의 검토한 결과, 가스 유로의 하류측을 향함에 따라서, 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압이 저하하는 경향을 발견했다.
상기 (17)에 기재의 가스 터빈의 운전 방법은 본 발명자들에 의한 상기 지견에 근거하는 것이며, 제 1 공명실의 제 1 내압보다 하류측에 위치하는 제 2 공명실의 제 2 내압을 낮게 설정하는 것에 의해, 각 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제하면서, 각 공명실로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다. 이에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
(17) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치의 설계 방법은 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치의 설계 방법이며, 기존의 공명 흡음 장치의 하우징의 내부 공간을 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 복수의 공명실로 분할하기 위한 격벽을 추가하는 단계를 구비한다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 전형적인 1개의 흡음 장치가 차지하는 축방향 위치 범위에 있어서, 가스 터빈 연소기의 축방향 위치에 의존하여 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압이 유의하게 변화하는 것이 명확해졌다. 또한, 이러한 지견에서 일부의 공명실에 대해서는, 고온 가스의 역류를 저지한다는 목적에서 보아 과잉인 퍼지 공기량을 소비하고 있으며, 이것이 퍼지 공기량의 총량 삭감의 장벽이 되고 있는 것이 명확해졌다.
이 점, 상기 (17) 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치의 설계 방법에 의하면, 기존의 공명 흡음 장치의 하우징의 내부 공간을 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 복수의 공명실로 분할하기 위한 격벽을 추가하는 것에 의해, 각 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여 각 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배 가능하게 하여, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있는 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치를 설계할 수 있다.
(18) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치는 상기 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하는 내부 공간을 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 내부 공간을 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 복수의 공명실로 분할하기 위한 격벽을 구비한다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 전형적인 1개의 흡음 장치가 차지하는 축방향 위치 범위에 있어서, 가스 터빈 연소기의 축방향 위치에 의존하여 가스 유로의 벽면 근방에 있어서의 정압이 유의하게 변화하는 것이 명확해졌다. 또한, 이러한 지견에서 일부의 공명실에 대해서는, 고온 가스의 역류를 저지한다는 목적에서 보아 과잉인 퍼지 공기량을 소비하고 있으며, 이것이 퍼지 공기량의 총량 삭감의 장벽으로 되어 있는 것이 명확해졌다.
이 점, 상기 (18)의 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 의하면, 기존의 공명 흡음 장치의 하우징의 내부 공간을 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 복수의 공명실로 분할하기 위한 격벽을 구비하는 것에 의해, 각 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여 각 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배 가능하게 하여, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있는 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치를 설계할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 의하면, 퍼지 공기의 총량을 삭감하는 것이 가능한 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치 및 이것을 구비한 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈이 제공된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 가스 터빈(2)의 회전 축선을 따른 개략 단면도이다.
도 2a는 일 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기(6)의 부분 구성을 도시하는 축방향을 따른 개략 단면도이다.
도 2b는 연소통(12)의 부분 구성을 도시하는 전개도이다.
도 3은 복수의 공명실(22)(22A, 22B)의 각각에 있어서의 주파수(F)와 흡음률(C)의 관계를 도시하는 흡음 특성을 도시하는 도면이다.
도 4는 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기(6)의 부분 구성을 도시하는 축방향을 따른 개략 단면도이다.
도 5a는 가스 유로(18)의 벽면(19)(연소통(12)의 내주면) 근방에 있어서의, 축방향 위치에 대한 정압의 분포를 도시하는 도면이다.
도 5b는 공명 흡음 장치(14)와 버너(10)로부터의 화염(α)의 위치 관계를 도시하는 모식적인 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있는 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 본 발명의 범위를 이에 한정하는 취지가 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
예를 들면 "어느 방향으로", "어느 방향을 따라서", "평행", "직교", "중심", "동심" 또는 "동축" 등의 상대적 또는 절대적인 배치를 나타내는 표현은 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 또는 동일한 기능을 얻을 수 있을 정도의 각도나 거리를 갖고서 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면 "동일", "동일하다" 및 "균질" 등의 사물이 동일한 상태인 것을 나타내는 표현은 엄밀하게 동일한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 또는 동일한 기능을 얻을 수 있을 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타내는 표현은 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과를 얻을 수 있는 범위에서, 요철부나 면취부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 "마련하다", "갖추다", "구비하다", "포함하다", 또는, "가진다"라는 표현은 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
도 1은 일 실시형태에 따른 가스 터빈(2)의 회전 축선을 따른 개략 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈(2)은 외기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기(4)와, 압축기(4)에서 생성된 압축 공기에 의해 도시하지 않은 연료 공급원으로부터의 연료를 연소시키도록 구성된 가스 터빈 연소기(6)와, 가스 터빈 연소기(6)에 의해 생성된 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈(8)을 구비한다.
가스 터빈 연소기(6)는 연료를 분사하는 노즐(10)과, 노즐(10)로부터 분사된 연료가 내부에서 연소되는 연소통(12)과, 연소통(12)에 장착되는 공명 흡음 장치(14)와, 연소통(12)에서 생성한 연소 가스를 터빈(8)측으로 인도하는 미통(16)을 포함한다.
이하에서는, 가스 터빈 연소기(6)의 축방향(연소통(12)의 축방향)을 단순히 "축방향"이라 하고, 가스 터빈 연소기(6)의 둘레방향(연소통(12)의 둘레방향)을 단순히 "둘레방향"이라 하며, 가스 터빈 연소기(6)의 직경방향(연소통(12)의 직경방향)을 단순히 "직경방향"이라 하는 것으로 한다. 또한, 축방향에 있어서의 연소 가스 흐름의 상류측을 단순히 "상류측"이라고 하는 것으로 하고, 축방향에 있어서의 연소 가스 흐름의 하류측을 단순히 "하류측"이라 하는 것으로 한다.
도 2a는 일 실시형태에 따른 가스 터빈 연소기(6)의 부분 구성을 도시하는 축방향을 따른 개략 단면도이다. 도 2b는 연소통(12)의 부분 구성을 도시하는 둘레방향의 전개도이다.
도 2a에 도시하는 바와 같이, 공명 흡음 장치(14)는 가스 터빈 연소기(6)의 가스 유로(18)에 음향 구멍(20)을 거쳐서 연통하도록, 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실(22)(22A 내지 22D)을 구비한다. 복수의 공명실(22A, 22B, 22C, 22D)은 축방향을 따라서 상류측으로부터 순서대로 인접하여 배열된다.
도 3은 복수의 공명실(22)(22A 내지 22D)의 각각에 있어서의 주파수(F)와 흡음률(C)의 관계를 도시하는 흡음 특성을 도시하는 도면이다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 2a 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 복수의 공명실(22)은 하기 식 (A1)을 각각이 만족하는 n개(도시하는 형태에서는 2개)의 상류측 관련 공명실(22A, 22B)을 포함한다.
Figure pct00008
(단, n은 2 이상의 정수이며, Fui는 n개의 상류측 관련 공명실(22A, 22B) 중 i번째의 상류측 관련 공명실(22)의 최대 흡음률(Cumax)에 대응하는 피크 주파수임.)
상기 식 (A1)을 환언하면, 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 각각에 있어서의 최대 흡음률(Cumax)에 대응하는 피크 주파수(Fui)는 n개의 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 피크 주파수(Fui)의 평균값을 Fuave로 하면, 0.9×Fuave≤Fui≤1.1×Fuave를 만족한다. 즉, 복수의 공명실(22)은 피크 주파수(Fui)가 동일한 정도의 복수의 상류측 관련 공명실(22A, 22B)을 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 피크 주파수(Fui)가 동일한 정도의 상류측 관련 공명실(22A, 22B)을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련했으므로, 각 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 각 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포를 고려하여, 가스 유로(18)로부터 상류측 관련 공명실(22A, 22B)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기(기체)를 상류측 관련 공명실(22A, 22B)로 분배하는 것에 의해, 복수의 공명실(22)로의 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다. 또한, 가스 터빈 연소기(6)에서 연소되는 연소용 공기와 공통의 공기 공급 계통으로부터 퍼지 공기를 각 공명실(22)에 공급하는 경우에 있어서, 가스 터빈 연소기(6)에서 연소되는 연소용 공기량의 감소를 억제할 수 있기 때문에, NOx(질소산화물)의 배출량의 증가를 억제할 수 있다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 2a에 도시하는 바와 같이, 가스 유로(18)에 음향 구멍(20)을 거쳐서 연통하는 내부 공간(24)을 획정하는 하우징(26)과, 하우징(26)의 내부 공간(24)을 축방향에 있어서 n개의 상류측 관련 공명실(22A, 22B)로 구획하는 적어도 하나의 격벽부(28)를 구비한다.
이러한 구성에 의하면, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 격벽부(28)의 위치를 적절히 결정함으로써, 각 상류측 관련 공명실(22A, 22B)로의 고온 가스의 역류를 억제하면서, 각 상류측 관련 공명실(22A, 22B)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다. 이에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 2a에 도시하는 바와 같이, 복수의 공명실(22)은 하기 식 (A2)를 각각이 만족하는 n개(도시하는 형태에서는 2개)의 하류측 관련 공명실(22C, 22D)을 포함한다.
Figure pct00009
(단, n은 2 이상의 정수이며, Fdi는 n개의 하류측 관련 공명실(22C, 22D) 중 i번째의 상류측 관련 공명실의 최대 흡음률(Cdmax)에 대응하는 피크 주파수임.)
상기 식 (A2)를 환언하면, 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 각각에 있어서의 최대 흡음률(Cdmax)에 대응하는 피크 주파수(Fdi)는 n개의 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 피크 주파수(Fdi)의 평균값을 Fdave로 하면, 0.9×Fdave≤Fdi≤1.1×Fdave를 만족한다. 즉, 복수의 공명실(22)은 피크 주파수(Fdi)가 동일한 정도의 복수의 하류측 관련 공명실(22C, 22D)을 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 피크 주파수(Fdi)가 동일한 정도의 하류측 관련 공명실(22C, 22D)을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련했으므로, 각 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 각 상류측 관련 공명실(22C, 22D)의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포를 고려하여, 가스 유로(18)로부터 각 하류측 관련 공명실(22C, 22D)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 각 하류측 관련 공명실(22C, 22D)로 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
이와 같이, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포를 고려하여, 가스 유로(18)로부터 각 공명실(22)(22A 내지 22D)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 각 공명실(22)(22A 내지 22D)에 퍼지 공기를 적절히 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 2a에 도시하는 바와 같이, 가스 유로(18)에 음향 구멍(20)을 거쳐서 연통하는 내부 공간(30)을 획정하는 하우징(32)과, 하우징(32)의 내부 공간(30)을 축방향에 있어서 n개의 하류측 관련 공명실(22C, 22D)로 구획하는 적어도 하나의 격벽부(34)를 구비한다.
이러한 구성에 의하면, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 격벽부(34)의 축방향 위치를 적절히 결정함으로써, 각 하류측 관련 공명실(22C, 22D)로의 고온 가스의 역류를 억제하면서, 각 하류측 관련 공명실(22C, 22D)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다. 이에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 2a 및 도 2b에 있어서, 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 각각에 있어서의 음향 구멍(20)은 하기 식 (B1)을 만족하도록 구성된다.
Figure pct00010
단, Rui는 n개의 상류측 관련 공명실(22A, 22B) 중 i번째의 상류측 관련 공명실(22)과 가스 유로(18)를 구획하는 벽부(44A) 또는 벽부(44B)의 개구율이다. 또한, 개구율이란, 대상 벽부의 면적에 대한 개구 면적의 비율을 의미한다.
또한, 예를 들면 도 4에 있어서, 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 각각을 형성하는 하우징(26)은 하기 식 (C1)을 만족하도록 구성된다.
Figure pct00011
단, Hui는 n개의 상류측 관련 공명실(22A, 22B) 중 i번째의 상류측 관련 공명실(22)에 있어서의 하우징(26)의 직경방향 높이이다.
이러한 구성에 의하면, 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 관련 공명실(22A, 22B)의 음향 특성을 동일한 정도로 설정할 수 있다. 이 때문에, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방에 있어서의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실(22A, 22B)의 내압을 서로 독립적으로 설정하는 것에 의해, 퍼지 공기의 적정한 분배를 가능하게 하면서, 복수의 관련 공명실(22A, 22B)이 차지하는 축방향 위치 범위에 적합한 음향 감쇠 기능을 실현할 수 있다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 2a 및 도 2b에 있어서, 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 각각에 있어서의 음향 구멍(20)은 하기 식 (B2)를 만족하도록 구성된다.
Figure pct00012
단, Rdi는 n개의 하류측 관련 공명실(22C, 22D) 중 i번째의 하류측 관련 공명실(22)과 가스 유로(18)를 구획하는 벽부(44C) 또는 벽부(44D)의 개구율이다.
또한, 예를 들면 도 4에 있어서, 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 각각을 형성하는 하우징(32)은 하기 식 (C2)를 만족하도록 구성된다.
Figure pct00013
단, Hdi는 n개의 하류측 관련 공명실(22C, 22D) 중 i번째의 하류측 관련 공명실에 있어서의 하우징(32)의 직경방향 높이이다.
이러한 구성에 의하면, 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 관련 공명실(22C, 22D)의 음향 특성을 동일한 정도로 설정할 수 있다. 이 때문에, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방에 있어서의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실(22C, 22D)의 내압을 서로 독립적으로 설정하는 것에 의해, 퍼지 공기의 적정한 분배를 가능하게 하면서, 복수의 관련 공명실(22C, 22D)이 차지하는 축방향 위치 범위에 적합한 음향 감쇠 기능을 실현할 수 있다.
일 실시형태에서는 예를 들면 도 4에 있어서, 가스 터빈 연소기(6)의 운전시에 있어서의 상류측 관련 공명실(22A)의 내압을 PA, 가스 터빈 연소기(6)의 운전시에 있어서의 상류측 관련 공명실(22B)의 내압을 PB, 가스 터빈 연소기(6)의 운전시에 있어서의 하류측 관련 공명실(22C)의 내압을 PC, 가스 터빈 연소기(6)의 운전시에 있어서의 하류측 관련 공명실(22D)의 내압을 PD로 하면, PA＞PB＞PC＞PD를 만족한다.
도 5a는 가스 유로(18)의 벽면(19)(연소통(12)의 내주면) 근방에 있어서의 축방향 위치에 대한 정압의 분포를 도시하는 도면이다.
본 발명자들이 가스 유로(18)의 벽면(19)(연소통(12)의 내주면) 근방에 있어서의 정압 분포에 대해 예의 검토한 결과, 도 5a에 도시하는 바와 같이 가스 유로(18)의 하류측을 향함에 따라서, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방에 있어서의 정압이 저하하는 경향을 발견했다.
상기 구성은 본 발명자들에 의한 상기 지견에 근거하는 것이며, PA＞PB＞PC＞PD를 만족하는 것에 의해, 각 공명실(22)(22A 내지 22D)로의 고온 가스의 역류를 억제하면서, 각 공명실(22)(22A 내지 22D)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다. 이에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
일 실시형태에서는 도 4에 도시하는 바와 같이, n개의 상류측 관련 공명실(22A, 22B) 중 적어도 최상류측에 위치하는 최상류측 공명실(22A)의 축방향에 있어서의 폭(WA)은 상류측 관련 공명실(22A, 22B) 중 최상류측 공명실(22A)의 하류측에 인접하는 후속 공명실(22B)의 축방향에 있어서의 폭(WB)보다 크다.
도 5b에 도시하는 바와 같이, 공명 흡음 장치(14)는 연소 진동을 효과적으로 억제하는 관점에서 가스 터빈 연소기(6)의 화염(α)에 대응하는 축방향 위치에 마련된다. 여기에서 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 도 5a 및 도 5b에 도시하는 바와 같이, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포는 최상류측 공명실(22A)이 차지하는 축방향 위치 범위의 위치(E) 근방에서 피크압(Pmax)을 갖는 경향이 있는 것이 명확해졌다. 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압이 최상류측 공명실(22A)의 축방향 위치(E)로 하류측을 향함에 따라서 증가하는 이유는, 가스 유로(18) 내의 미연 가스 흐름이 가지는 스월 성분에 기인하여 가스 유로(18)의 벽면(19)에 미연 가스가 원심력에 의해 가압되기 때문이라고 고려할 수 있다. 한편, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압이 최상류측 공명실(22A)의 축방향 위치로부터 하류측을 향하여 감소하는 것은 연소 반응의 진행에 수반하는 연소 가스의 팽창 작용에 근거한다고 고려할 수 있다.
상기 구성은 본 발명자들이 발견한 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포의 상기 경향에 근거한 것이며, 최상류측 공명실(22A)의 축방향 폭(WA)을 후속 공명실(22B)의 축방향 폭보다 크게 설정하는 것에 의해, 각 공명실(22)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 적정하게 분배 가능해진다.
일 실시형태에서는 도 4에 도시하는 바와 같이, 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 각각을 형성하는 하우징(26)에는, 상류측 관련 공명실(22A, 22B)에 퍼지 공기를 도입하기 위한 퍼지 공기 구멍(36)(제 1 기체 도입 수단)이 마련되어 있으며, 상류측 관련 공명실(22A)의 퍼지 공기 구멍(36)은 상류측 관련 공명실(22B)의 퍼지 공기 구멍(36)에 비해, 단위 면적당의 개수 밀도 또는 개구 면적(도입 면적) 중 적어도 하나가 크다.
이러한 구성에 의하면, 상류측 관련 공명실(22A)의 퍼지 공기 구멍(36)의 개수 밀도 또는 개구 면적 중 적어도 하나를 상류측 관련 공명실(22B)의 퍼지 공기 구멍(36)의 개수 밀도 또는 개구 면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 상류측 관련 공명실(22B)의 내압을 상류측 관련 공명실(22A)의 내압보다 낮게 하여, 각 공명실(22)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
몇 가지의 실시형태에서는 도 4에 도시하는 바와 같이, 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 각각을 형성하는 하우징(32)에는 하류측 관련 공명실(22C, 22D)에 퍼지 공기를 도입하기 위한 퍼지 공기 구멍(38)(제 2 기체 도입 수단)이 마련되어 있으며, 하류측 관련 공명실(22C)의 퍼지 공기 구멍(38)은 하류측 관련 공명실(22D)의 퍼지 공기 구멍(38)에 비해, 단위 면적당의 개수 밀도 또는 개구 면적(도입 면적) 중 적어도 하나가 크다.
이러한 구성에 의하면, 하류측 관련 공명실(22C)의 퍼지 공기 구멍(38)의 개수 밀도 또는 개구 면적 중 적어도 하나를 하류측 관련 공명실(22D)의 퍼지 공기 구멍(38)의 개수 밀도 또는 개구 면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 하류측 관련 공명실(22D)의 내압을 하류측 관련 공명실(22C)의 내압보다 낮게 하여, 각 공명실(22)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
일 실시형태에서는 도 2a 및 도 2b에 도시하는 바와 같이, 상류측 관련 공명실(22A, 22B)의 각각에는 가스 터빈 연소기(6)의 연소통(12)에 마련된 냉각 공기 유로(40)가 연통하고 있으며, 상류측 관련 공명실(22A)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)의 개수 또는 유로 단면적 중 적어도 하나가 상류측 관련 공명실(22B)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)의 개수 또는 유로 단면적보다 크다.
도시하는 예시적 형태에서는, 냉각 공기 유로(40)의 각각은 연소통(12)의 내부에 축방향을 따라서 연장되어 있으며, 냉각 공기 유로(40)의 각각에는 상류측 관련 공명실(22A)보다 축방향에 있어서의 상류측에 마련된 입구 구멍(46) 및 하류측 관련 공명실(22D)보다 축방향에 있어서의 하류측에 마련된 입구 구멍(48)으로부터 냉각 공기가 유입되도록 구성되어 있다.
상류측 관련 공명실(22A)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)는, 상류측 관련 공명실(22A)에 있어서의 축방향 중앙 위치(MA)보다 하류측에 상류측 관련 공명실(22A)에 접속하는 출구 구멍(50)이 마련되어 있다. 상류측 관련 공명실(22A)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)는 출구 구멍(50)으로부터 냉각 공기를 퍼지 공기로 하여 상류측 관련 공명실(22A)에 공급하도록 구성되어 있다.
상류측 관련 공명실(22B)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)는 상류측 관련 공명실(22B)에 있어서의 축방향 중앙 위치(MB)보다 하류측에 상류측 관련 공명실(22B)에 접속하는 출구 구멍(51)이 마련되어 있다. 상류측 관련 공명실(22B)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)는 출구 구멍(51)으로부터 냉각 공기를 퍼지 공기로 하여 상류측 관련 공명실(22B)에 공급하도록 구성되어 있다.
상기 구성에 의하면, 상류측 관련 공명실(22A)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)의 개수 또는 유로 단면적을 상류측 관련 공명실(22B)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)의 개수 또는 유로 단면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 상류측 관련 공명실(22B)의 내압을 상류측 관련 공명실(22A)의 내압보다 낮게 하여, 상류측 관련 공명실(22A) 및 상류측 관련 공명실(22B)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
또한, 예를 들면 상류측 관련 공명실(22A)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)의 유로 단면적이 출구 구멍(50)의 상류측과 하류측에서 상이한 경우나, 하류측 관련 공명실(22B)과 연통하는 냉각 공기 유로(40)의 유로 단면적이 출구 구멍(51)의 상류측과 하류측에서 상이한 경우에는, 하류측 관련 공명실(22A)과 연통하는 냉각 공기 유로(40) 중 출구 구멍(50)보다 상류측의 유로부의 유로 단면적을 하류측 관련 공명실(22B)과 연통하는 냉각 공기 유로(40) 중 출구 구멍(51)보다 상류측의 유로부의 유로 단면적보다 크게 하여도 좋다.
일 실시형태에서는 도 2a 및 도 2b에 도시하는 바와 같이, 하류측 관련 공명실(22C, 22D)의 각각에는 가스 터빈 연소기(6)의 연소통(12)에 마련된 냉각 공기 유로(42)가 연통하고 있으며, 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 개수 또는 유로 단면적 중 적어도 하나가 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 개수 또는 유로 단면적보다 크다.
도시하는 예시적 형태에서는, 냉각 공기 유로(42)의 각각은 연소통(12)의 내부에 축방향을 따라서 연장되어 있으며, 냉각 공기 유로(42)의 각각에는 하류측 관련 공명실(22A)보다 축방향에 있어서의 상류측에 마련된 입구 구멍(52) 및 하류측 관련 공명실(22D)보다 축방향에 있어서의 하류측에 마련된 입구 구멍(54)으로부터 냉각 공기가 유입되도록 구성되어 있다.
하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)에는, 하류측 관련 공명실(22C)에 있어서의 축방향 중앙 위치(MC)보다 상류측에 하류측 관련 공명실(22C)에 접속하는 출구 구멍(56)이 마련되어 있다. 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)는 출구 구멍(56)으로부터 냉각 공기를 퍼지 공기로 하여 상류측 관련 공명실(22C)에 공급하도록 구성되어 있다.
하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)에는, 하류측 관련 공명실(22D)에 있어서의 축방향 중앙 위치(MD)보다 상류측에 하류측 관련 공명실(22D)에 접속하는 출구 구멍(57)이 마련되어 있다. 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)는 출구 구멍(57)으로부터 냉각 공기를 퍼지 공기로 하여 상류측 관련 공명실(22D)에 공급하도록 구성되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 개수 또는 유로 단면적을 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 개수 또는 유로 단면적보다 크게 설정하는 것에 의해, 하류측 관련 공명실(22D)의 내압을 하류측 관련 공명실(22C)의 내압보다 낮게 하여, 하류측 관련 공명실(22C) 및 하류측 관련 공명실(22D)로의 퍼지 공기의 분배량을 적정화할 수 있다.
또한, 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 유로 단면적을 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 유로 단면적보다 크게 하는 경우에는, 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 직경방향 높이를 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 직경방향 높이보다 크게 하여도 좋으며, 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 둘레방향 폭을 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 둘레방향 폭보다 크게 하여도 좋다. 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 직경방향 높이를 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 직경방향 높이보다 크게 하는 경우에는, 음향 구멍(20)을 피하면서 냉각 공기 유로(42)의 유로 단면적을 크게 하는 것이 용이해진다.
또한, 예를 들면 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 유로 단면적이 출구 구멍(56)의 상류측과 하류측에서 상이한 경우나, 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42)의 유로 단면적이 출구 구멍(57)의 상류측과 하류측에서 상이한 경우에는, 하류측 관련 공명실(22C)과 연통하는 냉각 공기 유로(42) 중 출구 구멍(56)보다 상류측의 유로부의 유로 단면적을 하류측 관련 공명실(22D)과 연통하는 냉각 공기 유로(42) 중 출구 구멍(57)보다 상류측의 유로부의 유로 단면적보다 크게 하여도 좋다.
본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시형태에 변형을 더한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
예를 들면 상술한 가스 터빈 연소기(6)에 있어서, 퍼지 공기의 분배량을 적정화하기 위해, (a) 상류측 관련 공명실(22B)의 음향 저항에 대한 상류측 관련 공명실(22A)의 음향 저항의 비, (b) 상류측 관련 공명실(22B)의 피크 주파수에 대한 상류측 관련 공명실(22A)의 피크 주파수의 비, (c) 상류측 관련 공명실(22B)에 있어서의 하우징(26)의 높이에 대한 상류측 관련 공명실(22A)에 있어서의 하우징(26)의 높이의 비, (d) 상류측 관련 공명실(22B)과 가스 유로(18)를 구획하는 벽부(44B)의 개구율에 대한 상류측 관련 공명실(22A)과 가스 유로(18)를 구획하는 벽부(44A)의 개구율의 비 중 적어도 하나를, (e) 가스 터빈의 운전시에 있어서의 상류측 관련 공명실(22B)의 내압에 대한 상류측 관련 공명실(22A)의 내압의 비, (f) 상류측 관련 공명실(22B)에 있어서의 퍼지 공기의 취입구의 합계 면적에 대한 상류측 관련 공명실(22A)로의 퍼지 공기의 취입구의 합계 면적의 비 중 적어도 하나보다 크게 하여도 좋다.
또한, 상술한 가스 터빈 연소기(6)에 있어서, 퍼지 공기의 분배량을 적정화하기 위해서, (a) 하류 관련 공명실(22D)의 음향 저항에 대한 하류측 관련 공명실(22C)의 음향 저항의 비, (b) 하류측 관련 공명실(22D)의 피크 주파수에 대한 하류측 관련 공명실(22C)의 피크 주파수의 비, (c) 하류측 관련 공명실(22D)에 있어서의 하우징(32)의 높이에 대한 하류측 관련 공명실(22C)에 있어서의 하우징(32)의 높이의 비, (d) 하류측 관련 공명실(22D)과 가스 유로(18)를 구획하는 벽부(44D)의 개구율에 대한 하류측 관련 공명실(22C)과 가스 유로(18)를 구획하는 벽부(44C)의 개구율의 비 중 적어도 하나를, (e) 가스 터빈의 운전시에 있어서의 하류측 관련 공명실(22D)의 내압에 대한 하류측 관련 공명실(22C)의 내압의 비, (f) 하류측 관련 공명실(22D)에 있어서의 퍼지 공기의 취입구의 합계 면적에 대한 하류측 관련 공명실(22C)에 있어서의 퍼지 공기의 취입구의 합계 면적의 비 중 적어도 하나보다 크게 하여도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 4개의 공명실(22)(22A 내지 22D)을 포함하는 공명 흡음 장치(14)를 예시했지만, 공명실(22)의 수는 이에 한정되지 않으며, 2개 이상 있으면 좋다.
즉, 공명 흡음 장치는 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실을 구비하고, 복수의 공명실은 하기 식 (A)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함하고 있으면 좋다.
Figure pct00014
(단, n은 2 이상의 정수이며, Fi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실의 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수임.)
이와 같이, 피크 주파수가 동일한 정도
Figure pct00015
의 2개 이상의 관련 공명실을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련하는 것에 의해, 각 관련 공명실의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로의 벽면 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에 있어서의 복수의 관련 공명실(22)에 대해서, 피크 주파수(Fdi)의 평균값을 Fdave, 피크 주파수(Fdi)의 최대값을 Fdmax, 피크 주파수(Fdi)의 최소값을 Fdmin, 피크 주파수(Fui)의 평균값을 Fuave, 주파수(Fui)의 최대값을 Fumax, 피크 주파수(Fui)의 최소값을 Fumin으로 하면, (Fdave-Fuave)/Fuave가 (Fumax-Fumin)/Fumin, 또는 (Fdmax-Fdmin)/Fdmin 보다 충분히 커지도록, 복수의 관련 공명실(22)이 구성되어 있어도 좋다.
즉, 복수의 관련 공명실(22)은 하기 식 (D) 또는 (E) 중 적어도 하나를 만족하도록 구성되어 있어도 좋다.
(Fdave-Fuave)/Fuave≥10×(Fumax-Fumin)/Fumin (D)
(Fdave-Fuave)/Fuave≥10×(Fdmax-Fdmin)/Fdmin (E)
이와 같이, 피크 주파수가 동일한 정도의 2개 이상의 관련 공명실(22)을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련하는 것에 의해, 각 관련 공명실(22)의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실(22)의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실(22)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에 있어서의 복수의 관련 공명실(22)에 대해서, 개구율(Rdi)의 평균값을 Rdave, 개구율(Rdi)의 최대값을 Rdmax, 개구율(Rdi)의 최소값을 Rdmin, 개구율(Rui)의 평균값을 Ruave, 개구율(Rui)의 최대값을 Rumax, 개구율(Rui)의 최소값을 Rumin으로 하면, (Rdave-Ruave)/Ruave가 (Rumax-Rumin)/Rumin, 또는 (Rdmax-Rdmin)/Rdmin 보다 충분히 커지도록, 복수의 관련 공명실(22)이 구성되어 있어도 좋다.
즉, 복수의 관련 공명실(22)은 하기 식 (F) 또는 (G) 중 적어도 하나를 만족하도록 구성되어 있어도 좋다.
(Rdave-Ruave)/Ruave≥10×(Rumax-Rumin)/Rumin (F)
(Rdave-Ruave)/Ruave≥10×(Rdmax-Rdmin)/Rdmin (G)
이와 같이, 피크 주파수가 동일한 정도의 2개 이상의 관련 공명실(22)을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련하는 것에 의해, 각 관련 공명실(22)의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실(22)의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실(22)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에 있어서의 복수의 관련 공명실(22)에 대해서, 높이(Hdi)의 평균값을 Hdave, 높이(Hdi)의 최대값을 Hdmax, 높이(Hdi)의 최소값을 Hdmin, 높이(Hui)의 평균값을 Huave, 높이(Hui)의 최대값을 Humax, 높이(Hui)의 최소값을 Humin로 하면, (Hdave-Huave)/Huave가 (Humax-Humin)/Humin, 또는 (Hdmax-Hdmin)/Hdmin 보다 충분히 커지도록, 복수의 관련 공명실(22)이 구성되어 있어도 좋다.
즉, 복수의 관련 공명실(22)은 하기 식 (H) 또는 (I) 중 적어도 하나를 만족하도록 구성되어 있어도 좋다.
(Hdave-Huave)/Huave≥10×(Humax-Humin)/Humin (H)
(Hdave-Huave)/Huave≥10×(Hdmax-Hdmin)/Hdmin (I)
이와 같이, 피크 주파수가 동일한 정도의 2개 이상의 관련 공명실(22)을 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련하는 것에 의해, 각 관련 공명실(22)의 축방향 위치에 있어서의 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포에 따라서 각 관련 공명실(22)의 압력을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 가스 유로(18)의 벽면(19) 근방의 정압 분포를 고려하여, 각 관련 공명실(22)로의 고온 가스의 역류를 억제 가능한 범위 내에서 퍼지 공기를 분배하는 것에 의해, 퍼지 공기의 총량을 삭감할 수 있다.
2: 가스 터빈
4: 압축기
6: 가스 터빈 연소기
8: 터빈
10: 노즐
12: 연소통
14: 공명 흡음 장치
16: 미통
18: 가스 유로
19: 벽면
20: 음향 구멍
22: 공명실
22A: 상류측 관련 공명실(최상류측 공명실)
22B: 상류측 관련 공명실(후속 공명실)
22C: 하류측 관련 공명실
22D: 하류측 관련 공명실
24, 30: 내부 공간
26, 32: 하우징
28, 34: 격벽부
36, 38: 퍼지 공기 구멍
40, 42: 냉각 공기 유로
44A, 44B, 44C, 44D: 벽부
46, 48, 52, 54: 입구 구멍
50, 51, 56, 57: 출구 구멍

Claims (18)

  1. 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실을 구비하고,
    상기 복수의 공명실은 하기 식 (A)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
    Figure pct00016

    (단, n은 2 이상의 정수이며, Fi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실의 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수임.)
  2. 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실을 구비하고,
    상기 복수의 공명실은 하기 식 (B)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
    Figure pct00017

    (단, Ri는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실과 상기 가스 유로를 구획하는 벽부의 상기 음향 구멍에 의한 개구율임.)
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 n개의 관련 공명실은 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수가 거의 동일한 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n개의 관련 공명실은 상기 가스 유로와 각 관련 공명실을 구획하는 벽부의 상기 음향 구멍에 의한 개구율이 거의 동일한 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유로에 상기 음향 구멍을 거쳐서 연통하는 내부 공간을 획정하는 하우징과,
    상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서, 상기 하우징의 상기 내부 공간을 상기 n개의 관련 공명실로 구획하는 적어도 하나의 격벽부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n개의 관련 공명실은,
    상기 가스 터빈 연소기의 운전시에 있어서 제 1 내압을 갖는 제 1 공명실과,
    상기 제 1 공명실의 하류측에 마련되며, 상기 가스 터빈 연소기의 운전시에 있어서 상기 제 1 내압보다 낮은 제 2 내압을 갖는 제 2 공명실을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n개의 관련 공명실은,
    내부에 기체를 도입하는 제 1 기체 도입 수단이 마련된 제 1 공명실과,
    내부에 기체를 도입하는 제 2 기체 도입 수단이 마련되며, 상기 제 1 공명실의 하류측에 마련된 제 2 공명실을 포함하며,
    제 1 기체 도입 수단은 제 2 기체 도입 수단에 비해, 단위 면적당의 개수 밀도 또는 도입 면적 중 적어도 하나가 큰 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 관련 공명실의 각각을 형성하는 하우징에는, 제 1 기체 도입 수단 또는 제 2 기체 도입 수단으로서 퍼지 공기 구멍이 마련되어 있으며,
    상기 제 1 공명실의 상기 퍼지 공기 구멍은 상기 제 2 공명실의 상기 퍼지 공기 구멍에 비해, 단위 면적당의 개수 밀도 또는 개구 면적 중 적어도 하나가 큰 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 관련 공명실의 각각에는 제 1 기체 도입 수단 또는 제 2 기체 도입 수단으로서 상기 가스 터빈 연소기의 연소통에 마련된 냉각 공기 유로가 연통하고 있으며,
    상기 제 1 공명실과 연통하는 상기 냉각 공기 유로의 개수 또는 유로 단면적 중 적어도 하나가 상기 제 2 공명실과 연통하는 상기 냉각 공기 유로의 개수 또는 유로 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관련 공명실의 각각을 형성하는 하우징은 하기 식 (C)를 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
    Figure pct00018

    (단, Hi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실에 있어서의 하우징의 높이임.)
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관련 공명실의 각각을 형성하는 하우징의 높이는 거의 동일한 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n개의 관련 공명실 중 적어도 최상류측에 위치하는 최상류측 공명실의 상기 축방향에 있어서의 폭은, 상기 n개의 관련 공명실 중 상기 최상류측 공명실의 하류측에 인접하는 후속 공명실의 상기 축방향에 있어서의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
  13. 연소통과,
    상기 연소통에 장착되는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 공명 흡음 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기.
  14. 압축기와,
    상기 압축기에서 생성된 압축 공기에 의해 연료를 연소시키도록 구성된 제 13 항에 기재된 연소기와,
    상기 연소기에 의해 생성된 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈을 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  15. 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하도록, 상기 가스 터빈 연소기의 축방향으로 나란하게 서로 독립적으로 마련되는 복수의 공명실에 대해 퍼지 공기를 공급하는 단계를 구비하고,
    상기 복수의 공명실은 하기 식 (A)를 각각이 만족하는 n개의 관련 공명실을 포함하며,
    상기 퍼지 공기를 공급하는 단계에서는, 상기 n개의 관련 공명실의 내압이 상이하도록 상기 퍼지 공기의 공급량이 설정되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈의 운전 방법.
    Figure pct00019

    (단, n은 2 이상의 정수이며, Fi는 n개의 상기 관련 공명실 중 i번째의 관련 공명실의 최대 흡음률에 대응하는 피크 주파수임.)
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 퍼지 공기를 공급하는 단계에서는, 상기 n개의 관련 공명실 중 제 1 공명실의 제 1 내압보다 상기 n개의 관련 공명실 중 상기 제 1 공명실의 하류측에 위치하는 제 2 공명실의 제 2 내압이 낮아지도록, 상기 관련 공명실의 각각으로의 상기 퍼지 공기의 상기 공급량이 설정되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈의 운전 방법.
  17. 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치의 설계 방법에 있어서,
    기존의 공명 흡음 장치의 하우징의 내부 공간을 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 복수의 공명실로 분할하기 위한 격벽을 추가하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치의 설계 방법.
  18. 가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈 연소기의 가스 유로에 음향 구멍을 거쳐서 연통하는 내부 공간을 형성하는 하우징과,
    상기 하우징의 내부 공간을 상기 가스 터빈 연소기의 축방향에 있어서 복수의 공명실로 분할하기 위한 격벽을 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 공명 흡음 장치.
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