KR100476353B1 - 압축기배출디퓨저및가스터빈 - Google Patents

Abstract

연소기와 터빈 스테이지 사이의 전이영역을 구비한 가스 터빈으로서, 연소기 라이너와 터빈 스테이지 사이로 연장하는 전이부 덕트와, 상기 전이부를 둘러싸고 그리고 그 내에 다수의 냉각장치를 구비한 충돌 슬리브와, 압축기 배출 공기를 전이영역 내로 향하게 하는 압축기 디퓨저를 구비하며; 상기 디퓨저는 압축기 배출 공기 유동의 방향에서 외측으로 플레어되는 한쌍의 외부 벽과, 상기 유동 영역을 제 1 경로를 포함한 3개의 개별 유동 경로로 나누는 외부 디퓨저 벽 쌍에 의해 규정된 유동 영역내의 한쌍의 배플을 가진다. 제 1 경로는 거의 반경방향 유동 성분을 가지며, 제 2 경로는 반경방향과 축방향의 두가지 성분을 가지며, 제 3 경로는 거의 축방향 유동 성분을 가진다.

Description

압축기 배출 디퓨저 및 가스 터빈{TRI-PASSAGE DIFFUSER FOR A GAS TURBINE}

본 발명은 일반적으로 가스 터빈에 관한 것이며, 특히 가스 터빈 압축기 배출부에서의 다중 경로 디퓨저(multi-passage diffuser)에 관한 것이다.

종래의 가스 터빈 연소 시스템들은 확실하고 효율적인 터빈 작동을 위해 다중 연소실 조립체를 사용한다. 각각의 연소실은 원통형 연소기, 연료 분사 시스템, 그리고 연소기로부터 터빈의 입구까지 고온 가스 유동체를 유도하는 전이부(transition piece)를 포함한다. 일반적으로, 압축기 배출 공기중 일부는 연소기 반응 영역에 직접 도입되어 연료와 혼합되어 연소된다. 공기 유동의 나머지는 연소기 배출류가 터빈에 도입되기 전에 화염을 급냉시키거나 또는 연소기 벽과, 몇몇 경우에는 전이부 벽을 냉각시키는 작용을 한다.

충돌 냉각 전이부를 포함하는 시스템에서, 중공 슬리브는 전이부를 감싸고, 슬리브 벽은 천공되어, 압축기 배출 공기가 슬리브 벽 내의 냉각구멍을 통해 유동하여 전이부에 충돌(그에 따라 냉각)하게 한다.

전이부는 구조적인 부재이기 때문에, 응력이 큰 부분의 온도를 낮게 하는 것이 바람직하다. 이것은 달성되기 어렵다고 입증되었으나, 전이부의 전체 길이를 따라 일정한 온도(응력이 허용 가능한 한계 내에 있는 온도)를 갖도록 하는 것이 허용 가능한 해결책이다. 따라서, 소망의 균일 온도를 얻기 위해서는 충돌 슬리브를 따라 유동 압력이 균일할 필요가 있다.

실질적으로 직선형의 축방향 디퓨저가 가스 터빈의 압축기 배출부 위치에 사용되는 것이 전형적이다. 그러나, 경로 디퓨저가 기계의 중앙부에서 많은 공간을 차지한다면 유동을 균일하게 분포시키는 능력은 제한된다. 실제로, 충돌 냉각 전이부를 갖는 가스 터빈의 경우에, 1 경로 축방향 디퓨저 설계에 의하면, 격심한 전이부 온도 변화에 더하여 충돌 슬리브의 큰 정압 변화가 발생되는 것이 시험에 의해 나타났다. 가스 터빈 산업에 있어서 유동을 반경방향으로 전환시키기 위해 만곡 디퓨저를 사용한 시도가 적어도 한번은 있었지만(전이부의 충돌 냉각을 사용하는 시스템에서는 이러한 시도가 없음), 상기 디퓨저는 하나의 경로만을 포함하도록 형성되었으므로, 충돌 슬리브의 축방향 길이를 따라 균일한 유동을 얻지 못하였다.

본 발명의 목적은, 전이부 영역의 유동을 보다 균일하게 하여 가스 터빈 출력을 최대화 하는 것에 의해서 종래의 문제점을 개선하는 것이다. 그와 동시에, 본 발명은 회전자의 동역학적 이유에 의해 가스 터빈 회전자의 길이를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 가스 터빈 길이를 최소화하여 추가의 비용 절감을 달성할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 3 경로 디퓨저가 압축기 배출부에 설치되어, 압축기 유동을 디퓨저 출구에서 3개의 상이한 방향으로 전환시킨다. 이러한 구성은 전이영역 주위의 충돌 슬리브를 따라 균일한 유동 분포를 제공하며, 그에 따라 원하는 정압 회복을 달성한다.

예시적인 실시예에 있어서, 압축기 배출부의 확장된(flared) 출구 경로는 배출부 내에 위치된 2개 배플(baffle)을 사용하여 3개의 개별 경로로 분할된다. 배출부의 외벽이 외측으로 확장되지만, 배플의 설계의 결과, 각각의 채널의 유동 단면적이 실질적으로 동일하게 된다. 이러한 구성은 안정적인 유동을 보장하는 동시에, 전이부 영역 내에 보다 효과적이고 균일한 분포 유동을 제공하여, 전이부의 소망의 균일한 충돌 냉각이 확보된다.

따라서, 본 발명의 일 특징에 따르면, 압축기 배출 공기 유동 방향으로 외측으로 확대되는 한 쌍의 디퓨저 외벽을 규정하는 내부 케이스와, 상기 디퓨저 외벽 쌍에 의해 규정되는 유동 영역 내에 있고, 상기 유동 영역을 3개의 상이한 유동 경로로 분할하는 한 쌍의 배플을 포함하는 가스 터빈용 압축기 배출 디퓨저가 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 연소기와 터빈 단 사이의 전이영역을 갖는 가스 터빈으로서, 연소기 라이너와 터빈 단 사이에서 연장하는 전이부 덕트와, 전이부를 둘러싸고 그리고 그내에 다수의 냉각구멍을 갖는 충돌 슬리브와, 압축기 배출 공기를 전이영역으로 향하게 하는 압축기 디퓨저를 구비하는 가스 터빈에 있어서, 디퓨저는 압축기 배출 공기 유동의 적어도 일부를 반경방향으로 지향시키도록 형성된 제 1 경로를 포함하는 가스 터빈이 제공된다.

본 발명의 다른 목적과 이점은 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1을 참조하면, 대표적인 가스 터빈은 전이부(10)를 포함하고, 이 전이부(10)에 의해, 연소기 라이너(12)의 상류의 연소기로부터의 고온 연소 가스가 터빈의 제 1 단(14)으로 통과한다. 가스 터빈 압축기로부터의 유동체는 축방향 디퓨저(16)를 빠져나가 전이영역(18)에 유입된다. 압축기 배출 공기 중의 약 50%는 충돌 슬리브(22)를 따라 그 주위에 형성된 구멍(20)을 통과하여 전이부(10)와 충돌 슬리브(22)사이의 환상 영역(24)내에 유입한다. 나머지 약 50%의 압축기 배출 유동체는 유동 슬리브(26)에 유입하여, 결국 연소기내에서 가스 터빈 연료와 혼합된다. 도 1에 유동 화살표로 표시한 바와 같이, 종래의 장치에서 압축기 배출 유동은 불균일하게 되는 경향이 있으며, 그 결과 상당한 전이부 온도 변화와 상당한 충돌 슬리브 정압 변화를 일으킬 수 있으며, 뿐만 아니라 그러한 변화는 가스 터빈 출력에 있어 악영향을 미친다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3 경로 디퓨저(28)의 단면도가 도시되어 있으며, 상기 도 2에 도시된 디퓨저는 도 1에 나타낸 디퓨저(16)를 대체하도록 의도됨을 알 수 있다. 이러한 3 경로 디퓨저(28)는 가스 터빈 전이영역(18)의 중앙부를 향하여, 압축기 배출 공기 흐름의 방향을 상이한 반경방향과 축방향으로 전환시킨다. 특히, 디퓨저(28)는 (유동 방향으로) 외측으로 벌어지는 외벽(30, 32)과, 한 쌍의 내부 배플(34, 36)에 의해서 규정된다. 상기 배플(34)은, 유동방향으로 외측으로 테이퍼지며 하류 단부 벽(42)에 의해 연결된 한 쌍의 만곡 벽면(38, 40)을 가지고 있다. 벽면(38, 40)은 상류 단부에서 둥근 에지(44)로 연결되어 있다. 마찬가지로, 상기 배플(36)은 하류 단부 벽(50)과 상류 에지(52)에 의해 연결된 테이퍼진 벽(46, 48)을 포함하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 디퓨저의 외벽(30, 32)과 함께 배플(34, 36)은 3개의 디퓨저 경로(54, 56, 58)를 형성한다. 디퓨저 벽(30, 32)의 곡률과 배플(34, 36)의 형상은, 각각의 경로(54, 56, 58)에 대한 유동 면적이 실질적으로 동일하게 되도록 신중히 선정되어야 한다. 그러나, 동시에 상기 유동은 3개의 다른 방향임을 알 수 있다. 특히, 경로(58)는 작은 반경방향 유동 성분과 상당히 큰 축방향 성분을 갖는다. 중간 경로(56)는 실질적으로 동일한 축방향 및 반경방향 유동 성분을 갖지만, 경로(54)는 반경방향 유동 성분만을 갖는다. 이러한 방법으로, 전이영역(18)으로의 압축기 배출 유동은 충돌 슬리브(22) 주위에 보다 균등하게 분포되어, 축방향 디퓨저와 관련하여 종래에 발생한 전이부 온도 변화와 충돌 슬리브 정압 변화를 실질적으로 제거한다. 실제로, 본 발명의 3 경로 디퓨저에 의하면, 전이부 영역(18)의 전체 길이를 따라 부압(negative pressure)이 존재하지 않고, 전이부(10)와 충돌 슬리브(22)의 길이를 따른 압력과 온도 분포는 비교적 균일하다는 것이 시험에 의해 확인되었다.

본 발명의 디퓨저 구조에 따르면, 회전자 길이와 전체적인 터빈 길이가 짧아 질 수 있으며, 따라서 절감된 비용으로 전반적으로 터빈 성능이 향상된다는 점에 주목해야 한다.

본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위의 정신 및 영역내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 포함하는 것으로 의도된다.

본 발명의 디퓨저 구조에 따르면, 회전자 길이와 전체적인 터빈 길이가 짧아 질 수 있으며, 따라서 절감된 비용으로 전반적으로 향상된 터빈 성능이 제공된다

도 1은 충돌 냉각 전이부를 포함하는 가스 터빈 내의 압축기 배출부에서의 종래의 축방향 압축기 디퓨저의 개략적인 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 3 경로 디퓨저의 단면도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 전이부 12 : 연소기 라이너

14 : 제 1 단 16 : 축방향 디퓨저

18 : 전이영역 22 : 충돌 슬리브

24 : 환상 영역 26 : 유동 슬리브

28 : 3 경로 디퓨저 30, 32 : 외벽

34, 36 : 배플

Claims (6)

1. 가스 터빈용 압축기 배출 디퓨저에 있어서,

   압축기 배출 공기 유동 방향으로 외측으로 확대되는(flaring) 한 쌍의 디퓨저 외벽을 형성하는 내부 케이스와,

   상기 디퓨저 외벽 쌍에 의해 규정되는 유동 영역에서, 상기 유동 영역을 3개의 개별 유동 경로로 분할하는 한 쌍의 배플을 포함하고,

   상기 3개의 경로 중 하나의 경로는 압축기 배출 공기 유동을 실질적으로 반경방향으로 전환시키고, 상기 3개의 경로 중 다른 하나의 경로는 압축기 배출 유동을 주로 축방향으로 전환하는

   압축기 배출 디퓨저.
2. 제 1 항에 있어서,

   각각의 유동 경로는 거의 동일한 유동 단면적을 갖는

   압축기 배출 디퓨저.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 3개의 경로 중 제 3 경로는 압축기 배출 유동을 실질적으로 동일한 양으로 축방향 및 반경방향으로 전환하는

   압축기 배출 디퓨저.
4. 연소기와 터빈 단 사이에 전이영역을 갖는 가스 터빈으로서, 연소기 라이너와 터빈 단 사이에서 연장하는 전이부 덕트와, 상기 전이부를 둘러싸고 그리고 그 내부에 다수의 냉각구멍을 갖는 충돌 슬리브와, 압축기 배출 공기를 상기 전이영역으로 향하게 하기 위한 상기 충돌 슬리브 부근의 압축기 디퓨저를 구비하는, 가스 터빈에 있어서,

   상기 디퓨저는 압축기 배출 공기 유동을 적어도 반경방향으로 상기 냉각 구멍쪽으로 향하게 하도록 형성된 제 1 경로를 포함하고, 상기 디퓨저는 압축기 배출 공기 유동방향으로 외측으로 확대되는 한쌍의 외벽과, 상기 한쌍의 디퓨저 외벽에 의해 형성되는 유동 영역 내의 한쌍의 배플을 더 포함하고, 상기 한 쌍의 배플은 상기 유동 영역을 상기 제 1 경로를 포함하는 3개의 유동 경로로 분할하고, 상기 3개의 유동 경로는 실질적으로 동일한 유동 단면적을 갖는

   가스 터빈.
5. 연소기와 터빈 단 사이에 전이영역을 갖는 가스 터빈으로서, 연소기 라이너와 터빈 단 사이에서 연장하는 전이부 덕트와, 상기 전이부를 둘러싸고 그리고 그 내부에 다수의 냉각구멍을 갖는 충돌 슬리브와, 압축기 배출 공기를 상기 전이영역으로 향하게 하는 압축기 디퓨저를 구비하는, 가스 터빈에 있어서,

   상기 디퓨저는 압축기 배출 공기 유동을 적어도 반경 방향으로 향하게 하도록 형성된 제 1 경로를 포함하고, 상기 디퓨저는 압축기 배출 공기 유동 방향으로 외측으로 확대되는 한 쌍의 외벽과, 상기 디퓨저 외벽의 쌍에 의해 규정되는 유동 영역 내에 배치되고 상기 유동 영역을 상기 제 1 경로를 포함하는 3개의 개별 유동 경로로 분할하는 한 쌍의 배플을 포함하고, 상기 3개의 경로 중 제 2 경로는 압축기 배출 유동을 주로 축방향으로 전환시키는

   가스 터빈.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 3개의 경로 중 제 3 경로는 압축기 배출 유동을 축방향 및 반경방향으로 실질적으로 동일한 양으로 전환시키는

   가스 터빈.

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