KR100347305B1 - 디젤발전기용 연장관형 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관이 많은 플랜트시설인 발전설비에 있어서 가동시 배기 소음발생이 심한 디젤발전기의 소음을 저감하도록 하는 디젤발전기용 연장관형 소음기에 관한 것으로 종래에는 디젤발전기 배기소음저감을 위하여 흡음형을 가미한 리엑티브형 소음기로서 팽창형 또는 간섭형을 주로 사용하며 평면파 해석기법을 사용하여 설계 제작되고 있으나, 팽창형의 경우 소음기 내부공간에 존재하는 공명특성에 의하여 저주파수 조화파 소음원에 대하여 효과적으로 대처할 수 없고, 간섭형의 경우 소음 저감 성능은 우수하나 차압이 커져 디젤엔진의 성능에 영향을 줄 수 있다.

본 발명은 팽창실 본체에 이어지는 소음기의 입구단과 출구단이 팽창실 본체의 내부로 연장 설치된 삽입관형 소음기에 있어서, 소음기의 입구단(110)과 출구단(120)의 끝단이 상기 팽창실 본체(100)의 내부로 연장되게 설치되되, 상기 팽창실 본체(100)의 2, 3차 음향모드의 노드(Node,영점) 위치에 입구단(110)과 출구단(120)의 끝단이 위치되도록 설치 구성되고, 상기 팽창실 본체(100)에 연장되어 설치되는 입구단(110)과 출구단(120)의 연장길이는 전체 소음기 몸통인 팽창실 본체(100)의 길이를 1로 할 때 이에 대한 입구단(110)과 출구단(120)의 길이비가 각각 0.18과 0.42[팽창실의 2, 3차의 음향모드의 영점의 위치로서 입구단과 출구단의 반경의 영향(보통 반경의 0.6∼0.65배)을 0.25 및 0.50에서 고려한 결과로서 반경에 따라 길이비가 약간씩 차이를 나타냄]로 하며, 상기 팽창실 본체(100)의 내부에는 흡음재(130)가 부착 설치됨을 특징으로 한다.

Description

디젤발전기용 연장관형 소음기{Expention Chamber Silencer with extended inlet and outlet for Deasel generator}

본 발명은 배관이 많은 플랜트시설 등에서 소음, 진동을 저감하기 위해 설치되는 소음제어를 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 발전설비에 있어서가동시 배기 소음발생이 심한 디젤발전기의 소음을 저감하도록 하는 디젤발전기용 연장관형 소음기에 관한 것이다.

발전소 배관, 내연기관 및 환기 시스템 등과 같은 배관계는 유체가 흐르는 통로이면서 소음을 전달하는 경로가 된다. 이와 같은 경우, 유체의 수송을 효율적으로 행하면서 배관계를 통해 전달되는 소음을 저감시키는 장치를 일반적으로 소음기(muffler, silencer)라 하며, 크게 리엑티브, 흡음 및 기타 방식으로 분류된다.

통상적으로 소음기는 여러 가지 형태로 제작되어 사용되고 있으며, 적용 기기의 특성에 맞추어 이에 적합한 다양한 종류의 소음기가 연구되어 오고 있다. 리액티브형 소음기는 일반적으로 소음기 투과손실 성능 설계시 배기가스 배출배관 내에 평면파만이 전파되는 경우로 제한 해석하여 제작하고 있으나 소음기 내부의 음장내에 다양한 모드가 존재하기 때문에 저주파의 조화파 소음들을 저감하기 위하여 기존 방법으로 설계된 소음기는 설치하더라도 예상되는 효과를 내지 못하는 경우를 자주 경험하게 된다.

일반적으로 디젤발전기 배기소음저감을 위하여 흡음형을 가미한 리엑티브형 소음기로서 팽창형 또는 간섭형을 주로 사용하며, 평면파 해석기법을 사용하여 설계 제작되고 있으나, 팽창형의 경우 소음기 내부공간에 존재하는 공명특성에 의하여 저주파수 조화파 소음원에 대하여 효과적으로 대처할 수 없고, 간섭형의 경우 소음 저감 성능은 전자보다 우수하나 차압이 커져 디젤엔진의 성능에 영향을 줄 수 있다.

표 1. 엔진기본사양

Model : G.M.C Electro-Motive Div.(EM-20E 645E4)Type : 2사이클 Turbo charger V
용량	2,500 kW	Banks사이각도	45°	운전속도	900 rpm
실린더수	20개	실린더당용적율	Total :211,400 cm3	중량	61,690 pound
실린더보어	230.0 mm	압축비	14.5:1	설치수	4대
실린더스트로크	254.0 mm	RatingNormal	3600 BHP	-	-

도 5는 상기 표의 사양을 갖는 디젤발전기의 배기소음상태를 측정한 그래프로서 15Hz의 조화파들, 그 중에 135Hz, 360Hz 성분의 순음성 저주파 소음들과 1kHz 이후의 고주파수 대역의 소음들로 구성되어 있음을 알 수 있다.

따라서 상기 표에 기재된 바와 같은 사양의 디젤 발전기 배기 소음을 저감하기 위하여는 고차모드까지도 고려하여 목적하는 넓은 주파수 대역에서 골이 없는 투과손실 성능을 갖도록 소음기가 설계 제작되어야 한다.

본 발명에서는 디젤발전기의 배기소음 저감을 위해 고차모드까지 고려하여 목적하는 넓은 주파수 대역에서 골이 없는 투과손실 성능을 갖도록 하며, 소음투과성능의 해석은 평면파 성능파악을 기본으로 여기에 고차모드를 고려하는 경계모드법에 의하여 소음기의 음장을 해석하여 소음을 저감하도록 하므로서 넓은 대역에서 최적의 소음저감능력을 갖도록 한 디젤발전기용 연장관형 소음기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명 연장관형 소음기의 모식도.

도 2는 본 발명 연장관형 소음기의 리엑티브 효과를 도시한 그래프.

도 3은 본 발명 연장관형 소음기의 구조를 보인 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 디젤 발전기의 연장관형 소음기의 성능.

도 5는 대상 디젤발전기의 배기소음 측정 그래프.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 팽창실 본체 110 : 입구단

120 : 출구단 130 : 흡음재

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 팽창실 본체에 이어지는 소음기의 입구단과 출구단이 팽창실 본체의 내부로 연장 설치된 삽입관형 소음기에 있어서, 소음기의 입구단과 출구단의 끝단이 상기 팽창실 본체의 내부로 연장되게 설치되되, 상기 팽창실 본체의 2, 3차 음향모드의 노드(Node,영점) 위치에 입구단과 출구단의 끝단이 위치되도록 설치 구성됨을 특징으로 한다.상기 팽창실 본체에 연장되어 설치되는 입구단과 출구단의 연장길이는 전체 소음기 몸통인 팽창실 본체의 길이를 1로 할 때 이에 대한 입구단과 출구단의 길이비가 각각 0.18과 0.42[팽창실의 2, 3차의 음향모드의 영점의 위치로서 입구단과 출구단의 반경의 영향(보통 반경의 0.6∼0.65배)을 0.25 및 0.50에 서 고려한 결과로서 반경에 따라 길이비가 약간씩 차이를 나타냄]를 이루도록 하며, 상기 팽창실 본체의 내부에는 흡음재가 부착 설치됨을 특징으로 하는 것이다.이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에서는 상기 도 5에 표시된 바와 같은 양쪽 주파수 밴드의 소음을 저감하기 위하여 400Hz 이상 대역의 소음은 기존의 방법인 흡음재 처리를 통한 소음저감방법을 사용하고 400Hz 이내 대역의 저주파 소음은 고차모드를 포함하는 경계모드 해석방법인 새로운 해석방법을 도입하여 평면파 뿐만 아니라 2차 이상의 모드에 해당하는 공명특성을 고려하여 목적하는 주파수 대역에 골이 없는 소음저감 성능을 갖도록 하였다.

상기 소음저감 성능을 갖도록 하는 본 발명 소음기는 팽창실 본체(100) 양쪽의 입구단(110)과 출구단(120)을 경계모드 해석법을 사용하여 표 2와 같이 일정 길이비율로 연장한 것으로 팽창실 본체(100)의 길이 대비하여 입구단은 0.18의 길이비 만큼 연장시키고, 출구단은 0.42의 길이비 만큼 연장시켜 해석적으로 400Hz 이내의 대역에서 도 2와 같은 투과손실성능을 갖도록 하여 주 소음의 배기소음을 저감하도록 하였다.상기 입구단(110)과 출구단(120)의 팽창실 본체에 대한 연장길이비, 0.18과 0.42 위치는 팽창실의 2, 3차의 음향모드의 영점의 위치이며, 입구단과 출구단의 반경의 영향(보통 반경의 0.6∼0.65배)을 0.25 및 0.50에서 고려한 결과로서 반경에 따라 길이비가 약간씩 차이가 나게 된다.

본 발명 연장관형 소음기는 도 1에 도시된 바와 같이 입구단(110)과 출구단(120)의 위치를 팽창실 본체(100) 내부로 삽입시킨 형태로 구성된 것으로 팽창실 본체(100)의 2차, 3차 음향모드의 영점위치에 상기 입구단(110)과 출구단(120)을 위치시키도록 하는 것을 기본으로 하여 고차모드를 고려하여 목표대역에서 넓은 주파수 대역을 갖는 소음 투과 저감 성능 효과를 갖도록 한다.

리엑티브 소음기는 같은 크기의 소음기를 사용하더라도 음장의 임피던스를 바꾸어 주면 소음 저감 능력을 변화시켜 줄 수 있다. 소음기의 리엑티브 효과는 음파가 진행될 때 관의 확장 및 축소에 의해 나타나며, 같은 크기로 효과를 극대화시키기 위한 입구단(110)과 출구단(120)의 연장길이에 따라 소음 투과 손실값(TL)이 달라진다. 본 발명 소음기에 대한 소음저감 해석 및 계산은 고차모드를 고려하는 방법으로 경계모드법을 사용하여 계산하였으며, 그 결과 표 2에 기재된 바와 같이 연장관의 삽입 길이비에 의한 리엑티브 효과에 의한 소음투과손실은 400Hz 이하 대역에서 도 2에 도시된 바와 같은 골이 사라진 투과손실 성능을 갖게 된다.

상기 도 2에서 실선은 입구단과 출구단이 각각l _A = 0.5l, l _B = 0.25l씩 각각 연장되어 있는 경우이다.

본 발명의 실시예로서 소음원인 발전기에 의해 방사되는 소음의 주파수 특성을 살펴보면 100Hz 이상 3000Hz까지 고르게 분포하고 있다. 이와 같은 소음원을 소음기로 제어하기 위해서는 400Hz 이하 대역에서는 리엑티브형을 , 400Hz 이상 대역에서는 흡음형을 병용하는 것이 효과적이다. 본 발명의 실시예에서는 리엑티브형이면서 작은 크기로 큰 소음저감 효과를 가지는 입구단(110)과 출구단(120)이 연장된 형태의 소음기를 해석하여 적용하였다. 또한, 팽창실 본체(100) 내부에는 적절하게 흡음재(130)를 부착시켜 고주파수에서 흡음 효과를 낼 수 있도록 하였다.

도 3은 상기 표 1의 사양을 갖는 디젤발전기의 배기구에 설치된 소음기의 개략적인 단면도로서 본 발명 소음기 설계를 위한 기본적인 고려사항은 다음 표 2와 같다.

표 2. 연장관형 소음기 각 부위의 치수 (단위 :mm)

부위	치수	길이비	부위	치수
팽창실 길이,L	2,500	1	팽창실 직경,D	1,600
입구단 연장길이,L 1	450	0.18	입/출구단 직경,D 1	600
출구단 연장길이,L 2	1,052	0.42	출구단 흡음재 길이	1,500
. 길이비는 팽창실 길이 기준으로 함.. 각 직경의 치수에서 흡음재 두께 제외.. 흡음재 두께 : 팽창실 (50), 출구단 내부 (25), 출구단 외부 (25)

상기 소음기는 엔진의 배기온도가 약 270℃를 기준으로 하여 설계된 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 디젤발전기의 연장관형 소음기의 성능을 나타낸 그래프로서 도 4의 (a)는 상기 표 2의 길이비를 가지는 연장관형 소음기를 표 1의 디젤발전기에 적용 전 . 후의 소음을 1/3옥타브로 비교한 결과이고, 소음기에 의한 소음저감 성능을 보여준다.

도 4의(b)에서 보면 500Hz 이후 대역의 경우는 흡음처리로 10 - 20dB의 소음 저감 성능을 갖는 것을 알 수 있고, 특히 관심 대역인 400Hz 이내 소음의 경우 대표적인 조화파의 순음성분들의 저감이 취고 32dB까지 달성되어 디젤발전기 배기소음의 저주파 특성 성분들이 약화된 것을 알 수 있다.

이는 도 2에서 보이는 투과 손실성능을 갖도록 표 2의 길이비 만큼 입구단(110)과 출구단(120)을 팽창실 본체(100) 내부로 삽입함으로써 목표 대역의 투과손실 성능에 골이 없는 넓은 범위의 소음 저감 성능을 달성하게 된다. 소음기 입구단(110)과 출구단(120)의 팽창실 본체(100)내에 삽입되는 길이비는 고차모드를 고려하는 경계모드 방법에 의하여 구하고, 이를 적용한 연장관형의 리엑티브특성은 400Hz이내 대역에서 도 2의 성능에 의하여 도 4의 (b)와 같은 저감효과가 나타났다.

도 4는 본 발명에 의한 연장관형 소음기를 도 5의 배기관에 설치전과 후의 소음을 비교한 결과로서 (a)는 1/3 옥타브 형태로 나타냈으며, (b)는 소음기의 삽입손실 효과가 전체 소음 저감량이 20dB 정도의 효과를 얻었으며 본 발명의 제어 대상소음인 135Hz 및 360Hz의 경우 그 특성이 거의 사라지는 결과를 얻었다.

본 발명은 디젤발전기의 저 주파수의 넓은 범위에 걸쳐 분포하는 조화파 소음들의 저감을 위하여 소음기 내의 고차모드를 고려하여 400Hz이내 대역의 저주파수에 대한 소음저감을 위하여 경계모드기법에 의하여 표 2의 길이비를 가지는 연장관형 소음기를 제안하므로서 도 2와 강은 소음저감(투과손실)을 얻을 수 있으며 이와 같은 본 발명을 적용하여 설계 제작한 후 표 1의 디젤발전기에 적용한 결과 도 4의 (a)와 같은 500Hz 이하의 주요 피크들이 매우 약화되는 것을 알 수 있으며 도4의 (b)에서 처럼 목표 주파수대역의 배기소음의 주성분들인 135Hz은 32dB 및 360Hz 성분은 280dB로 거의 사라진 것을 알 수 있었다.

결론적으로 본 발명에 의한 연장관형 소음기는 400Hz 이하 대역의 저 주파수 성분의 영향이 큰 소음의 저감에 매우 효율적인 효과를 얻을 수 있는 매우 유용한 기술인 것이다.

Claims (3)

1. 팽창실 본체에 이어지는 소음기의 입구단과 출구단이 팽창실 본체의 내부로 연장 설치된 삽입관형 소음기에 있어서,

   소음기의 입구단(110)과 출구단(120)의 끝단이 상기 팽창실 본체(100)의 내부로 연장되게 설치되되, 상기 팽창실 본체(100)의 2, 3차 음향모드의 노드(Node,영점) 위치에 입구단(110)과 출구단(120)의 끝단이 위치되도록 설치 구성됨을 특징으로 하는 디젤발전기용 연장관형 소음기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 팽창실 본체(100)에 연장되어 설치되는 입구단(110)과 출구단(120)의 연장길이는 전체 소음기 몸통인 팽창실 본체(100)의 길이를 1로 할 때 이에 대한 입구단(110)과 출구단(120)의 길이비가 각각 0.18과 0.42[팽창실의 2, 3차의 음향모드의 영점의 위치로서 입구단과 출구단의 반경의 영향(보통 반경의 0.6∼0.65배)을 0.25 및 0.50에 서 고려한 결과로서 반경에 따라 길이비가 약간씩 차이를 나타냄]임을 특징으로 하는 디젤반전기용 연장관형 소음기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 팽창실 본체(100)의 내부에는 흡음재(130)가 부착 설치됨을 특징으로 하는 디젤발전기용 연장관형 소음기.