KR100319388B1 - 가스터어빈베인냉각시스템 - Google Patents

가스터어빈베인냉각시스템 Download PDF

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Abstract

가스 터어빈의 연소기는 압축기 섹션으로부터의 압축공기를 수용하는 챔버내 배열된다. 이 압축공기는 연소 공기와 냉각공기를 형성한다. 압축공기중 냉각공기는 챔버로 공급되어 추가로 가압되며 고정베인을 통해 재순환되고, 이런 재순환 이후 고정베인내 냉각공기 흐름 통로를 통과한 후, 고정베인을 냉각하고 공기를 가열한다. 가열된 공기가 챔버로 재순환되며 이 챔버내에서 유입 연소 공기와 혼합하여, 고정베인으로부터 연소 공기까지 열을 전달한다. 열전달 결과, 연소공기의 온도가 증가하고, 가스 터어빈의 열 효율이 중대된다. 냉각 장치는, 프로펠라 날개부의 냉각공기 개구에 접속된 측판에서 원주방향으로 연장되는 구멍에 의해서, 고정베인 내외측 측판 뿐만 아니라 프로펠라 날개부를 냉각하게 된다.

Description

가스 터어빈 베인 냉각 시스템
본 발명은 가스 터어빈의 고정 베인용 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 고정 베인을 통해 압축 공기를 재순환시키는 냉각 공기 시스템에 관한 것이다.
가스 터어빈은 차후 연소부에서 연료를 연소시킴으로써 가열되는 압축 공기를 생성하는 압축기부로 구성된다. 연소부로부터의 고온 가스는 터어빈부로 지향되는데, 이곳에서 고온 가스는 회전자 샤프트(rotor shaft)를 구동시켜 동력을 발생하는데 사용된다. 연소부는 압축기부로부터 압축 공기를 수용하는 챔버를 형성하는 통상의 셀로 구성된다. 다수의 실린더형 연소기가 챔버내에 배열되어 연소될 연료와 함께 압축 공기를 수용한다. 덕트는 각각의 연소기의 후미 단부에 연결되어 연소기로부터의 고온 가스를 터어빈부로 지향하는 작용을 한다.
터어빈부는 보통 여러 줄의 원주방향으로 배열된 다수의 고정 베인이 사용된다. 상기 고정 베인은 연소부로부터 배출되는 고온 가스에 노출되기 때문에, 이런고정 베인의 냉각은 상당히 중요하다. 통상적으로, 이 냉각은 실질적으로 중공형인, 고정 베인의 에어포일부내에 형성된 캐비티를 통해 챔버로부터의 냉각 공기를 유동시킴으로써 이루어진다. 일반적으로, 베인 프로펠러 날개 내측에 다수의 작은 통로가 형성되는데, 이 통로는 캐비티로부터 선단부(leading edge)와 후단부(trailing edge) 또는 흡인 표면과 압력 표면 같은 베인의 표면까지 연장된다. 종종, 선단부 냉각의 경우에서와 같이, 통로는 냉각 공기가 박막의 형태로 베인의 표면위로 흐르도록 캐비티로부터의 냉각 공기를 지향함으로써, 고정베인을 냉각하는데 이는 흔히 "필름냉각(film cooling)"이라 지칭된다. 모든 경우에 있어서, 냉각공기가 베인 통로를 빠져나간 후에, 냉각 공기가 유입되고 터어빈부를 통해 유입되는 고온 가스에 유입되어 혼합된다.
불행하게도, 터어빈 베인을 냉각시키는 일반적인 접근방법은 가스 터어빈의열효율에 악영향을 준다. 냉각 공기가 터어빈에서 팽창하는 고온 가스와 궁극적으로 혼합되지만, 이 냉각 공기는 연소 과정을 우회하기 때문에 압축 냉각 공기의 팽창으로 부터 회복된 일은 연소기에서 가열된 압축 공기의 팽창으로부터 회복된 일보다 휠씬 작다. 실제로, 압력 강하와 기계적 효율 저하때문에, 냉각 공기로부터 회복된 일은 압축기내 공기를 압축하는데 필요한 일보다 작다. 특히, 냉각 공기를 고온 가스 흐름내로 방출하는 것은 냉각 공기가 고온 가스와 혼합될 때 공기역학적 손실을 가져온다.
게다가, 통상적인 구조는, 열효율이 저하되더라도, 고정 베인의 에어포일부에 적절한 냉각을 제공할 수도 있지만, 고정 베인의 내외측 보호판부(the inner and outer shroud portion)를 완전히 냉각시키지 못하여, 이들 요소의 열화가 터어빈의 작동온도를 제한할 수 있다.
그러므로 냉각 공기가 연소기를 우회함으로써 고온 가스 유동 경로로 직접배출되지 않고, 내외측 보호판의 효과적인 냉각을 수행하는 가스 티어빈 베인용 냉각 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉각 공기가 연소기를 우회함으로써 고온 가스 유동 경로로 직접 배출되지 않고, 내외측 보호판의 효과적인 냉각을 수행하는, 가스 터어빈 베인을 제공하는 것이다.
간단히, 본 발명의 상기 목적 뿐만 아니라 다른 목적은, 압축 공기를 생성하기 위한 압축기부로서, 상기 압축 공기중 제 1 부분은 냉각 공기를 형성하고, 상기압축 공기중 제 2 부분은 연소 공기를 형성하는, 압축기부와, 상기 압축기부와 유체 연통하는 챔버를 형성하는 셀로서, 그에 의해 상기 압축 공기중 일부인 냉각 공기와 연소 공기가 상기 챔버내로 흐르는, 셀과, 일 열의 고정 베인으로서, 상기 고정 베인은 각기 내측 보호판과, 외측 보호판과, 에어포일부를 구비하며, 또한 각기 상기 내외측 보호판과 상기 에어포일부를 통해 연장되는 제 1 통로를 구비하는 냉각 공기 유동 경로와, 입구 및 출구를 갖고, 상기 출구는 상기 챔버와 직접 유체연통하여 상기 고정 베인을 빠져 나온 냉각 공기가 직접 상기 챔버내로 유입되어 압축 공기와 혼합하는, 고정 베인과, 상기 챔버로부터 상기 베인 냉각 공기 유동경로로 그 뒤 직접 다시 상기 챔버로 상기 냉각 공기를 재순환하며, 상기 베인으로부터 상기 냉각 공기로 열을 전달하여 상기 베인을 냉각하고 상기 냉각 공기를 가열하는, 재순환 수단을 포함하는 가스 터어빈에 의해서 달성된다.
도면을 참조하면, 제 1 도에는 가스 터어빈(1)의 일부 종단면도가 도시된다. 가스 터어빈은 압축기부(2)와, 연소부(3) 및 터어빈부(4)의 3개 주요 구성요소로 구성된다. 회전자(5)는 가스 터어빈의 중앙에 배열되어 상기 3개 부분으로 연장된다. 압축기부(2)은 고정 베인(8)과 회전 블레이드(7)의 교호형 열을 둘러싸는 실린더(11)로 구성된다. 고정 베인(8)은 실린더(11)에 고정되고 회전 블레이드(7)는 회전자(5)에 부착된 디스크(6)에 고정된다.
연소부(3)는 챔버(10)를 형성하는 셀(9)로 구성되어, 상기 챔버안에 배열된다수의 연소기(12)와 덕트(18)가 연소기와 터어빈부(4)를 서로 연결한다. 연료(52)는 노즐(도시안함)에 의해 각각의 연소기(12)에 공급된다.
터어빈부(4)는 그들 사이에 환상 매니폴드(22)를 형성하도록 내측 실린더(21)를 둘러싸는 외측 실린더(20)로 구성된다. 내측 실린더(21)는 일 열의 고정 베인(28)과 일 열의 회전 블레이드(30)를 둘러싼다. 내측 실린더(21)에 고정 베인(28)이 고정되고, 회전자(5)의 터어빈부의 일부를 형성하는 디스크(32)에 회전 블레이드(30)가 고정된다.
작동시, 압축기는 대기를 압축기 입구내로 유도하고 셀(9)에 의해 형성된 챔버(10)내로 압축 공기(34)를 배출한다. 챔버(10)내 공기(34)중 대부분은 연료(52)를 연소하는데 필요한 연소 공기(35)를 형성한다. 압축 공기(34)의 나머지는 가스 터어빈의 각종 요소를 냉각하는데 사용되는 냉각 공기(36)를 형성한다. 베인(28)을 냉각하는데 사용되는 이 냉각 공기(36)에 대해서는 이후에 상세히 설명한다. 그러나, 당업자라면, 냉각 공기의 다른 부분이 통상적인 바와 같이 회전자 및 터어빈부의 다른 부분을 냉각하는데 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 통상적인 냉각 구조에 대해서는 본원에서 다루지 않는다.
연소 공기(35)는 연소기 입구 하류의 관통구(16)뿐만 아니라, 입구 단부의 개구(14)를 통해 연소기(12)내로 유입된다. 연소기(12)에서, 연료(52)가 연소 공기(35)에 분사되고 연소 공기와 혼합 연소되어 고온 압축 가스(50)를 형성한다. 이 고온 압축 가스(50)는 덕트(18)를 통해 터어빈부(4)내 고정 베인(28)과 회전 블레이드(30)(고정 베인과 회전 블레이드의 추가의 하류 배열은 도시안함)의 열들을 통과하여, 터어빈부에서 가스가 팽창하여 회전자(5)에 연결된 로드(도시않음)를 구동하는 힘을 발생한다. 팽창가스가 터어빈을 빠져나갈 때 대기로 직접 배출되거나열복원 증기 발생기(a heat recovery steam generator)에 지향될 수도 있다.
터어빈부(4)내 고정 베인(28)은 연소기(12)로부터의 1090℃ (2000℉)를 초과할 수 있는 고온 가스(50)에 노출되며, 차동 열팽창 (differential thermal expansion) 뿐만 아니라, 고온 가스(50)의 흐름에 의해 부과되는 힘 때문에 각종 응력을 받기 쉽다. 응력에 견디는 베인 형성 물질의 성질은 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에, 허용가능한 범위내로 베인 물질의 온도를 유지하도록 적절히 냉각되는 것이 중요하다.
바람직한 실시예에 있어서, 이런 냉각은 챔버(10)로부터의 압축 공기(34)중 냉각 공기(36)를 고정 베인(28)을 통해 다시 챔버로 재순환시켜 이루어진다. 이러한 재순환은 셀(9)에 연결된 외부 파이프(24)를 통해 냉각 공기(36)를 빼냄으로써 달성된다. 팬(25)이 파이프(24)내에 배치되어 냉각 공기(36)를 추가로 가압하여, 매니폴드(22)로 압축 공기를 유입시킨다. 매니폴드(22)로부터, 압축 공기(37)는 내측 실린더의 구멍(26)과, 후술될 고정 베인(28)의 냉각 공기 유동 경로를 통해 흐른다. 그런 흐름중에, 열이 고정 베인(28)으로부터 압축 공기(37)로 전달되어, 고정 베인을 냉각하고 압축 공기를 가열한다. 베인 냉각 공기 유동 경로가 터어빈부를 통과하는 고온 가스(50)와 격리되므로, 모든 압축 공기(37)가 압축 공기(38)로 가열되어, 고정 베인(28)을 빠져 나와 챔버(10)로 재순환된다.
챔버(10)에서, 재순환 공기(38)가 유입 압축 공기(34)와 혼합되어, 재순환공기(38)의 제 1 부분은 연소기(12)로 공급되는 연소 공기(35)로 유입되며, 재순환공기의 제 2 부분은, 새로 유입되는 압축 공기 (34)와 함께 혼합되어 다시 고정베인(28)을 통해 재순환된다. 따라서, 연소기(12)와, 파이프(24) 입구와, 고정 베인(28)의 냉각 유동 경로 출구와, 셀(9)에 의해 형성된 챔버(10)의 구성은 유입 압축공기(34)를 연소기(12)에서 가열되는 제 1 부분(연소 공기)(35)과, 고정 베인(28)에서 가열되는 제 2 부분(냉각 공기)(36)으로 분리시키는 작용을 하며, 또한 고정 베인(28)으로부터의 가열된 재순환 냉각 공기(38)를 연소기에 유입되는 연소 공기(35)와 혼합하여 그것을 가열하는 제 1 부분과, 유입 압축 공기(34)와 혼합되어 냉각되고 다시 고정 베인(28)을 통해 재순환되는 제 2 부분으로 분리시키는 작용을 한다.
이런 일정한 혼합의 결과, 재순환 공기(36)는 순환중 열손실을 초래하는 외부 냉각기의 사용없이 비교적 저온으로 유지된다. 또한, 재순환 공기(36)에 전달된 열은 연소 공기(35)의 온도를 증가시킨다. 이 연소 공기(35)의 온도 증가는 바람직한 터어빈 입구 온도를 달성하는데 필요한 연료(52)의 양을 감소시켜 열역학적 효율을 개선시킨다.
통상적인 냉각 장치와 달리, 고정 베인 냉각 공기(37)는, 고온 가스 흐름(50)내로 직접 배기되지 않는다. 즉 우선 연소기(12)에서 가열된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같은 통상적인 냉각 장치와 관련된 열역학적 손실 및 혼합 손실 없이도 베인을 냉각한다.
이하, 고정 베인(28)을 통과하는 냉각 공기 유동 경로에 대해 상세히 설명한다. 제 2 도 내지 제 4 도에 도시하는 바와 같이, 고정 베인(28)은 내측 보호판(60)과, 외측 보호판(61)과, 상기 내외측 보호판사이에 배열된에어포일부(59)로 구성된다. 제 2 도에 도시하는 바와 같이, 에어포일부(59)는 선단부(64)와 후단부(69)를 갖는다. 외측 보호판(61)은 에어포일부(59)를 향하는 표면(81)과, 에어포일부의 반대편을 향하는 표면(80)을 갖는다. 마찬가지로, 내측 덮개(60)는 에어포일부를 향하는 표면(83)과, 에어포일부의 반대편을 향하는 표면(82)을 갖는다.
에어포일부(59)는 본질적으로 중공형이며, 반경방향으로 관통 연장하여 고정 베인(28)의 제 1 냉각 공기 통로로 기능하는 캐비티(62)를 갖는다. 상기 캐비티(62)는, 전술한 바와 같이, 매니폴드(22)로부터의 압축 냉각 공기(37)를 수용하는, 외측 보호판(61)에 형성된 입구(68)를 갖는다. 캐비티(62)를 통해 반경방향 내향으로 유동하고, 고정 베인(28)으로부터 열을 수용한 후에, 가열된 냉각 공기(38)는 내측 보호판(60)에 형성된 출구(70)를 거쳐 고정 베인을 빠져나온 후, 전술한 바와같이 챔버(10)로 재순환된다.
또한, 베인 냉각 공기 유동 경로는, 선단부(64)와 후단부(69)에 인접한 에어포일부(59)내뿐만 아니라 캐비티(62) 둘레에 분포된 다수의 소형 제 2 에어포일 냉각 공기 통로(78)를 구비한다. 제 3 도 및 제 4 도에 도시된 바와 같이, 제 2 에 어포일 냉각 공기 통로(78)는 외측 보호판(61)의 표면(80)에 형성된 입구(76)와, 내측 보호판(60)의 표면에 형성된 출구(77)를 갖는다. 제 2 에어포일 냉각 공기통로(78)는 입구(76)와 출구(77) 사이에서 에어포일부(59)를 통해 거의 반경방향으로 연장된다. 매니폴드(22)로부터의 압축 냉각 공기(37)중 일부 공기(37')가 입구(76)로 들어가 제 2 냉각 공기 통로(78)를 통과하여 출구(77)를 통해 고정 베인(28)을빠져 나온 후, 유출 공기는 챔버(10)로 재순환된다. 이런 방식으로, 제 2 냉각 공기 통로(78)는 에어포일부(59)에 추가 냉각을 제공한다.
본 발명의 중요 특징에 따르면, 추가적인 냉각 공기 통로(65, 66)가 각기 내외측 보호판(60, 61)에 형성된다. 제 2 도 및 제 4 도에 도시된 바와 같이, 외측보호판 냉각 공기 통로(66)는 외측 보호판 표면(80)에 형성된 입구(72)와, 캐비티(62)의 벽에 형성된 출구(74)를 갖는다. 표면(80, 81) 사이의 대략 중간을 향해 외측 보호판(61)을 통해 반경방향 내향으로 연장된 후에, 직각으로 절곡되어 거의 원주방향으로, 즉 회전자(5)의 중심선에 그리고 터어빈부(4)를 고온 가스(50)의 방향에 실질적으로 접하는 방향으로 캐비티(62)를 진행한다.
외측 보호판 통로 입구(72)가 매니폴드(22)로부터 압축 냉각 공기(37)중 일부 공기(37")를 수용하며 외측 보호판 통로 출구(74)가 이 냉각 공기를 캐비티(62)내로 배출하며, 냉각 공기를 그 뒤 챔버(10)로 복귀한다. 이런 방법으로, 외측 보호판 냉각 공기 통로(66)는 특히 외측 보호판(61)에 대한 냉각을 제공한다.
제 2 도 및 제 5 도에 도시하는 바와 같이, 내측 보호판 통로(65)는 캐비티(62)의 벽에 형성된 입구(73)와, 내측 보호판 표면(82)에 형성된 출구(75)를 갖는다. 내측 측판 냉각 공기 통로(65)는 거의 원주방향으로 표면(82, 83) 사이의 거의 중앙 위치에서, 캐비티(62)로부터 연장된 후, 직각으로 절곡되어 내측 보호판표면(82)으로 반경방향 내향으로 진행된다.
내측 보호판 통로 입구(73)는 캐비티(62)의 대부분을 빠져나온 매니폴드(22)로부터의 압축 냉각 공기(37)중 일부 공기(37"')를 수용한다. 이 냉각 공기는출구(75)를 빠져나와 챔버(10)로 재순환된다. 이런 방법으로, 내측 보호판 통로(65)는 특히 내측 보호판(60)에 대한 냉각을 제공한다.
터어빈부(4)를 통과하는 고온 가스(50)와 유체 연통하는 고정 베인(28)을 통과하는 냉각 공기 유동 경로는 없다는 것을 주목하여야 한다. 따라서, 모든 냉각공기 흐름(37)은 챔버(10)로 재순환된다. 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 시스템은 종래의 냉각 장치와 관련된 가스 터어빈(1)의 열역학적 효율의 저해없이 터어빈 고정 베인(28)에 효과적인 냉각을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 냉각 시스템은 고정 베인의 에어포일부뿐만 아니라, 내외측 보호판을 효과적으로 냉각시킨다.
제 1 도는 본 발명에 따른 가스 터어빈 베인 냉각 시스템을 도시하는 것으로서, 연소부에 인접한 가스 터어빈의 일부 종단면도.
제 2 도는 제 1 도에 도시된 터어빈 베인중 하나의 사시도.
제 3 도는 제 2 도의 III-III 선을 따라 취한 터어빈 베인의 개략적인 종단면도.
제 4 도는 제 2 도의 IV-IV 선을 따라 취한 터어빈 베인 횡단면도.
제 5 도는 제 4도의 V-V 선을 따라 취한 내측 보호판의 단면도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2: 압축기부 3: 연소부
4: 터어빈부 5: 회전자
8: 고정 베인 9:셀
30: 회전 블레이드

Claims (12)

  1. 가스 터빈(1)에 있어서,
    압축 공기(34)를 생성하기 위한 압축기부(2)로서, 상기 압축 공기중 제 1 부분은 냉각 공기(36)를 형성하고, 상기 압축 공기중 제 2 부분은 연소 공기(35)를 형성하는, 압축기부(2)와,
    상기 압축기부와 유체 연통하는 챔버(10)를 형성하는 셀(9)로서, 그에 의해 상기 압축 공기중 일부인 냉각 공기와 연소 공기가 상기 챔버내로 흐르는, 셀(9)과,
    일 열의 고정 베인(28)으로서, 상기 고정 베인(28)은 각기 내측 보호판(60)과, 외측 보호판(61)과, 에어포일부(59)를 구비하며, 또한 각기 상기 내외측 보호판과 상기 에어포일부를 통해 연장되는 제 1 통로(62)를 구비하는 냉각 공기 유동경로와, 입구 및 출구를 갖고, 상기 출구는 상기 챔버와 직접 유체 연통하여 상기고정 베인을 빠져 나온 냉각 공기가 직접 상기 챔버내로 유입되어 압축 공기와 혼합하는, 고정 베인(28)과,
    상기 챔버로부터 상기 베인 냉각 공기 유동 경로로 그 뒤 직접 다시 상기 챔버로 상기 냉각 공기를 재순환시키며, 상기 베인으로부터 상기 냉각 공기로 열을 전달하여 상기 베인을 냉각하고 상기 냉각 공기를 가열하는, 재순환 수단을 포함하는 가스 터어빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    그 내에서 연료(52)를 연소하기 위한 연소기(12)를 더 포함하며, 상기 연소기(12)는 상기 챔버(10)로부터의 상기 압축 공기중 제 2 부분인 연소 공기(35)와 유체 연통하며, 상기 연소 공기를 가열하는 가스 터어빈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 챔버(10)는 (i) 상기 베인 냉각 공기 유동 경로(62)로부터 상기 챔버로 재순환된 냉각 공기(38)의 제 1 부분과 유체 연통하도록 상기 연소기(12)를 배치하여 상기 냉각 공기의 제 1 부분이 상기 고정 베인(28)으로부터의 열전달에 의해 가열된 후 상기 연소기를 통해 흐르며, (ii) 상기 베인 냉각 공기 유동 경로로부터 상기 챔버로 재순환된 상기 냉각 공기(38)의 제 2 부분이, 상기 베인 냉각 공기 유동 경로를 통해 다시 재순환하기 위한 수단을 구비하는 가스 터어빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연소기(12)는 상기 챔버(10)내에 배치되는 가스 터어빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 수단은 상기 냉각 공기(36)를 더 가압하기 위한 팬(25)을 포함하는 가스 터어빈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베인 냉각 공기 유동 경로는 각기 상기 보호판(60, 61)중 하나를 통해 연장되는 제 2 냉각 공기 통로(65, 66)를 더 포함하는 가스 터어빈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 공기 통로(65, 66)는 원주방향으로 연장되는 가스 터어빈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 공기 통로(65, 66)는 상기 제 1 냉각 공기 통로(62)와 유체연통하는 가스 터어빈.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 공기 통로(65, 66)는 상기 제 1 냉각 공기 통로(62)에 배치된 제 1 개구(73, 74)를 갖는 가스 터어빈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 공기 통로(65, 66)가 연장되는 상기 보호판(60, 61)중 하나는 상기 에어포일부(59)를 향하는 제 1 표면(81, 83)과, 상기 에어포일부의 반대편을 향하는 제 2 표면(80, 82)을 가지며, 상기 제 2 냉각 공기 통로(65, 66)는 상기 제 2 표면에 형성된 제 2 개구(72, 75)를 갖는 가스 터어빈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 공기 통로(66)가 연장되는 상기 보호판중 하나는 상기 외측보호판(61)이며, 상기 제 2 냉각 공기 통로의 제 1 개구(74)는 상기 제 2 냉각 공기 통로의 출구를 포함하고, 상기 제 2 개구(72)는 상기 제 2 냉각 공기 통로의 입구를 포함하는 가스 터어빈.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 공기 통로(65)가 연장되는 상기 보호판중 하나는 상기 내측보호판(60)이며, 상기 제 2 냉각 공기 통로중 상기 제 1 개구(73)는 상기 제 2 냉각 공기 통로의 입구를 포함하고, 상기 제 2 개구(75)는 상기 제 2 냉각 공기 통로의 출구를 포함하는 가스 터어빈.
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