KR100711057B1 - 연소터빈의 냉각방법 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 선택된 하류 위치(32, 44)에서 통로(20) 내에 보충 냉각재를 분사함으로써 냉각통로(20)의 전체길이에 걸쳐 높은 냉각효율을 제공하기 위한 방법. 최적의 분사위치(32, 44) 선택 및 메인 유동에 분사된 유동의 비는 냉각설계에 우수한 온도 균일성 및 비-보충 냉각통로설계에 비해 감소된 냉각재소비를 제공할 것이다.
Figure 112001016336509-pct00001
터빈, 구성요소, 냉각통로, 입구단부, 출구단부, 합류점, 냉각유체, 난류발생 표면, 최고설계온도

Description

연소터빈의 냉각방법{METHOD OF COOLING A COMBUSTION TURBINE}
본 발명은 일반적으로 고온환경하에 노출되어 있는 부품을 냉각하는 분야에 관한 것이고; 보다 상세하게는 고온의 연소가스에 노출되어 있는 연소 또는 가스터빈의 부품의 냉각에 관한 것이다.
현대의 연소터빈 엔진은 엔진의 효율을 향상시키기 위해 점차 높아지는 연소가스 온도에서 작동하도록 설계되었다. 1000℃이상의 연소온도는 새로운 초합금재료, 서멀배리어 코팅(thermal barrier coatings), 및 향상된 구성요소 냉각기술의 사용을 필요로 한다. 터빈의 선택된 부분의 대류냉각을 위해 압축기에 의해 발생된 압축공기의 일부를 냉각공기로 이용하는 것은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 하지만, 이러한 목적으로 압축공기를 사용하면 엔진의 효율성을 감소시키기 때문에, 필요한 냉각공기의 양을 최소화하는 설계가 바람직하다. 전형적인 종래기술의 터빈은 압축기로부터 냉각공기의 통과를 위해 터빈내에 형성된 냉각통로를 가질 수 있다. 하지만, 공기가 냉각통로를 통해 유동하고 그리고 구성요소로부터 열 에너지를 제거함에 따라, 냉각유체의 온도는 상승한다. 결과적으로, 냉각공기의 효과는 냉각통로의 입구단부에서 더 크고 그리고 출구단부에서 더 낮다. 이러한 온도의 구배는 구성요소 내에 부가적인 응력하중을 발생시킬 수 있다. 냉각 통로의 출구단부를 적절하게 냉각하기 위해, 유동통로를 통해 입구단부에서 필요로 하는 값보다 더 높은 유동율을 제공하는 것이 필요하다. 이 결과, 과도한 양의 냉각유체가 사용되어서 구성요소가 입구단부에서 과도하게 냉각될 수 있다.
1996년 12월 10일 Reiss에게 허여된 미국특허 제 5,581,994호에는 냉각공기가 구성요소의 벽 방향으로 공급되고 그리고 횡방향으로 편향되어서, 냉각유동의 일부분이 편향되어서 충돌지점에서 충돌냉각효과가 감소하게 되도록 열부하를 받는 구성요소의 냉각 방법 및 장치를 개시하고 있다. 1985년 7월 2일 Hsia et al.에게 허여된 미국특허 제 4,526,226호에는 동일 체적의 냉각공기가 냉각되는 구성요소의 배면을 향해 반복적으로 인도되는 다중 충돌 냉각구조를 개시하고 있다.
Taslim et al.에게 1995년 12월 5일에 허여된 미국특허 제 5,472,316호에 유동통로를 따라 소정 장소의 열전달 효율을 향상시키기 위해 냉각통로의 적어도 하나의 측벽에 배치된 난류발생기 리브의 사용을 개시하고 있다. 열전달 효율의 향상은 난류효과 및 유동통로의 단면적의 감소에 의해 야기된 냉각유체 유동율의 가속, 양자에 의해 얻어진다. 이러한 난류발생기의 사용은 냉각유동 통로를 따른 냉각유체의 온도상승율을 변화시킬 것이다. 하지만, 이 방식은 냉각통로의 출구단부에서 바람직하지 않은 냉각유체의 온도 증가의 문제, 및 온도상승에 대처하기 위해 냉각유체의 유동율이 증가될 때 입구단부에서 발생하는 과도한 냉각의 문제를 해결하지 못한다.
따라서, 본 발명의 목적은 필요한 냉각공기의 양을 최소로 하고 그리고 냉각통로의 입구단부에서 과도한 냉각을 회피하는 연소터빈 엔진의 한 부분을 냉각하는 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 구성요소의 응력을 최소 레벨로 하는 연소터빈 엔진의 한 부분을 냉각하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적을 달성하기 위해, 터빈의 한 부분을 냉각하기 위한 방법은: 터빈용 구성요소를 제공하는 단계; 구성요소에서, 입구단부 및 출구단부를 갖는 제 1 냉각통로를 형성하는 단계; 구성요소에서, 입구단부 및 출구단부를 가지며, 출구단부가 제 1 냉각통로의 입구단부와 출구단부사이에 배치된 합류점에서 제 1 냉각통로에 유체연통가능하게 연결되어 있는 제 2 냉각통로를 형성하는 단계; 제 1 냉각통로의 입구단부에 제 1 냉각유체를 제공하는 단계 및 제 1 냉각통로를 따라 제 1 냉각유동을 안내하는 단계; 제 2 냉각통로의 입구단부에 제 2 냉각유체를 제공하는 단계 및 합류점에서 제 1 냉각유체와 합류하기 위해 제 2 냉각통로를 따라 제 2 냉각유체를 인도하는 단계; 제 1 및 제 2 냉각유체를 제 1 냉각통로의 출구단부로 인도하는 단계를 구비하고 있다.
본 발명에 따른 다른 방법은 구성요소의 표면의 최고설계온도를 결정하는 단계; 터빈의 작동시 표면상에서 최고설계온도를 초과하는 지점이 없도록, 그리고 제 1 및 제 2 냉각유체의 유동율의 합이 최소가 되도록 합류점의 위치 및 제 1 및 제 2 냉각유체의 유동율을 결정하는 단계와 같은 부가적인 단계를 포함하고 있다.
도 1은 본 발명에 따라 냉각되는 연소터빈의 블레이드 외부 에어 시일의 단면도이다.
터빈의 작동시 뜨거운 연소가스에 노출되는, 많은 구성요소로 조립되어 있는 연소 또는 가스터빈은 기술분야에 공지되어 있다. 이러한 구성요소는 예를 들어, 연소기부품, 연소기 트랜지션 피스(transition pieces), 노즐, 고정 에어포일 또는 베인, 및 회전 에어포일 또는 블레이드를 포함할 수 있다. 또한 도 1은 링 세그먼트로 알려진 구성요소(10), 즉 블레이드 외부 에어 시일의 단면도를 도시하고 있다. 이 구성요소(10)는 회전 블레이드로부터 방사상으로 외부의 위치에서 터빈에 제공되어 있고, 그리고 뜨거운 연소가스증기(12)를 위한 유동통로 경계의 부분을 형성하는 역할을 한다. 그러므로, 구성요소(10)는 터빈의 작동시 매우 높은 온도환경에 노출되어 있는 복수의 점(16, 18)을 포함하는 표면(14)을 갖는다.
제 1 냉각통로(20)가 구성요소(10)에 형성되어 있다. 제 1 냉각통로(20)는 입구단부(22) 및 출구단부(24)를 가지고 있다. 바람직하게 제 1 냉각통로(20)는 표면(16)으로부터 제 1 냉각통로(20)를 통해 유동하는 제 1 냉각유체(도시하지 않음)로 효과적인 열전달을 촉진하기 위해 표면(16) 근처에 형성되어 있다. 예를 들어, 제 1 냉각통로(20)는 표면(14)으로부터 0.06인치인 곳에 형성될 수 있다. 제 1 냉각유체는 임의의 냉각 매개물일 수 있지만, 하지만 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 바람직하게 연소터빈 시스템의 압축기섹션으로부터 공급된 증기 또는 압축공기일 수 있다.
제 2 냉각통로(26)는 또한 구성요소(10)에 형성되어 있다. 제 2 냉각통로(26)는 입구단부(28) 및 출구단부(30)를 가지고 있다. 제 2 냉각통로 출구단부(30)는 제 1 냉각통로(20)의 입구단부(22)와 출구단부(24)사이에 위치하는 합류부(32)에서 제 1 냉각통로(20)에 유체연통가능하게 연결되어 있다.
제 3 냉각통로(38)는 또한 구성요소(10)에 형성되어 있다. 제 3 냉각통로(38)는 입구단부(40) 및 출구단부(42)를 가지고 있다. 제 3 냉각통로의 출구단부(42)는 제 1 냉각통로(20)의 입구단부(22)와 출구단부(24)사이에 위치하는 합류부(44)에서 제 1 연결통로(20)에 유체연통가능하게 연결되어 있다. 도 1과 같이 도시되지 않더라도, 제 3 냉각통로(38)는 변경적으로 제 2 냉각통로(26)에 유체연통가능하게 연결되도록 형성될 수 있다.
난류발생 표면(34)이 도시된 바와 같이 제 1 냉각통로(20)의 적어도 한 부분에 제공될 수 있고, 또는 도시하지는 않았지만, 제 2 또는 제 3 냉각통로(26, 38)의 한 부분을 따라서 제공될 수 있다.
각각의 냉각통로(20, 26, 38)의 단면유동면적은 통로의 길이방향으로 일정할 수 있고, 또는 유동통로를 따라 여러 지점에서 변할 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유동통로(20)는 입구단부에서의 제 1 단면적 및 출구단부에서의 보다 큰 제 2 단면적으로 형성되어 있다. 단면적은 구성요소(10)의 제조를 단순화하기 위해, 또는 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 바람직하게 냉각유체의 유동율을 냉각통로를 통해 제어하기 위해 변할 수 있어, 이로 인해 구성요소로부터 냉각유체로의 열전달율에 영향을 미친다.
구성요소(10)의 설계자는, 소정의 최고설계온도 이하로 구성요소의 한 부분을 유지하기 위해 제거되어야 하는 열 에너지의 양과 주어진 구성요소의 한 부분에 제공된 냉각용량의 양을 협조하도록 본 발명에 따른 냉각방법을 선택할 수 있다. 설계자는 종래기술의 냉각방법과 비교할 때 감소된 냉각공기의 양으로 이러한 결과를 이룰 수 있을 것이다.
특정 구성요소(10)를 냉각하기 위한 최적의 선택 방법은 구성요소의 물리적인 설계, 구성재료, 온도과도현상을 포함하는 작동 온도, 그리고 구성요소 내의 기계적 및 열적 응력을 이해하는 것으로 시작된다. 구성요소(10)의 최고설계온도는 주로 구성재료의 함수일 것이다. 구성요소의 작동환경의 온도가 허용가능한 최고설계온도를 초과하면, 제 1 냉각통로(20)는 구성요소(10) 내에, 바람직하게는 최고온도가 되는 표면(14) 근처에 형성될 수 있다. 설계자는 또한 시스템 또는 열효율 기준에 기초하여 냉각유체의 최고설계온도를 결정할 수 있다. 제 1 냉각통로(20)를 통해 인도된 제 1 냉각유체의 온도가 바람직한 수준이상으로 상승하도록 결정되면, 제 2 냉각통로(26)는 보다 차가운 유체를 제 1 냉각유체의 흐름 내로 분사하기 위해 구성요소(10) 내에 형성될 수 있다. 제 2 냉각통로(26)는 합류부(32)에서 제 1 냉각통로(20)와 유체연통가능하게 연결되도록 형성될 수 있다. 제 2 냉각통로(26)를 통한 제 2 냉각유체 인도의 목적은: 제 2 냉각통로(26)에 인접한 구성요소의 섹션을 냉각하기 위한, 그리고 또한 제 1 냉각통로(20)를 따른 냉각의 균일함을 향상시키기 위한 2가지 목적이다. 냉각의 향상된 균일함은: 첫째로, 입구단부(22)에서의 냉각이 요구되는 유동율로 감소하기 때문에 감소하고; 그리고 둘째로, 출구단부(24)에서의 냉각이 제 1 냉각통로(20)의 부분에 있는 합류부(32)의 하류 부분에서 유동율 증가 때문에 그리고 온도의 감소 때문에 증가되는 두 메카니즘으로부터 얻어진다. 제 1 냉각통로(20)의 단면적은 합류부(32)에서 제 1 냉각유체 및 제 2 냉각유체의 합류를 초래하는 부가적인 체적을 수용하기 위해, 또는 이와 달리 구성요소(10)와 냉각유체사이의 열전달율에 영향을 주기 위해 합류부(32)의 하류 흐름을 증가시킬 수 있다. 합류부(32)의 위치는, 구성요소(10)의 표면(14) 상의 점(16, 18)이 구성요소(10)의 작동시 최고설계온도를 초과하지 않는 것을 보장하기 위해 선택될 수 있다. 유사하게, 합류부(32)의 위치를 적절히 선택함으로써, 냉각유체의 최고온도는 입구단부(22) 근처에 위치한 구성요소(10)의 부분의 과도한 냉각없이 최대설계온도 이하로 유지시킬 수 있다. 구성요소(10)의 임의의 부분의 과도한 냉각을 피함으로써, 제 1 및 제 2 냉각유체의 유동율의 합은 최소화될 수 있다.
구성요소(10)의 냉각을 최적화하기 위해, 설계자는 제 1, 제 2, 및 제 3 냉각유체를 위해 요구되는 최적의 상대적인 유동율을 계산할 수 있다. 예를 들어, 제 2 냉각통로(26)에 의해 냉각된 구성요소(10)의 섹션이 크게 응력을 받거나 또는 상대적으로 높은 열부하을 갖는다면, 상대적으로 더 큰 유동율의 제 2 냉각유체를 제 2 냉각통로(26)로 인도하는 것이 바람직하다. 역으로, 주변면적이 상대적으로 낮은 열부하의 영향하에 있거나, 또는 다른 열 에너지 제거 소스에 의해 부분적으로 냉각되면, 상대적으로 낮은 유동율의 제 3 냉각유체를 제 3 냉각통로(38)로 인도하는 것이 바람직하다.
구성요소(10)의 냉각방법은 냉각통로(20, 26, 38)의 임의의 부분 상에 난류발생 표면의 제공하는 방법을 포함할 수 있다. 이러한 난류발생 표면은, 예를 들어 합류부(32)의 단지 상류의 제 1 냉각통로(20)와 같이, 열전달을 필요한 곳에 증가시킬 수 있고, 이로 인해 이러한 면적에 있어서 제 1 냉각유체의 온도가 최소치가 될 수 있다.
본 발명의 방법은 긴 냉각유동통로의 전체 길이에 걸쳐 높은 냉각효율을 유지하기 위한 수단을 제공한다. 이것은 보충 냉각재를 하나 이상의 선택된 하류 위치에서 냉각유동통로 내로 분사함으로써 얻어진다. 최적의 분사위치 선택, 메인(main) 유동에 분사된 유동비, 유동통로의 단면적, 및 난류발생기의 사용 또는 유동통로 내의 다른 표면강화는 냉각설계에 우수한 온도 균일성 및 비-보충 냉각통로 설계에 비해 감소된 냉각재소비를 제공할 것이다.
본 발명의 다른 일면, 목적 및 장점은 도면, 상세한 설명, 및 첨부된 청구항을 고려하여 얻어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 고온의 연소가스(12)에 노출되어 있는 가스측 표면(14)을 가진 벽을 구비하고 있는 연소 터빈의 구성요소(10)를 냉각하는 방법으로서, 상기 벽으로부터 열을 제거하기 위하여 냉각유체의 흐름을 상기 벽으로 공급하는 단계를 포함하고 있는 상기 연소 터빈의 구성요소(10)를 냉각하는 방법에 있어서,
    입구(22)와 출구(24)를 갖추고 있고, 가스측 표면(14) 아래의 구성요소(10)의 상기 벽을 통과하는 제 1 표면아래 냉각 통로(20)를 형성하는 단계;
    제 1 표면아래 냉각 통로(20)의 입구(22)와 출구(24) 사이의 합류점(32)에서 제 1 표면아래 냉각 통로(20)와 유체연통가능하게 연결된 출구(30)와 입구(28)를 갖추고 있고, 가스측 표면(14) 아래의 구성요소(10)의 상기 벽을 통과하는 제 2 표면아래 냉각 통로(26)를 형성하는 단계;
    제 1 냉각유체의 제 1 유동을 제 1 표면아래 냉각 통로(20)의 입구(22)로 공급하는 단계;
    제 1 냉각유체를 합류점(32)에서 합류시키기 위하여 제 2 냉각유체의 제 2 유동을 제 2 표면아래 냉각 통로(26)의 입구(28)로 공급하는 단계; 그리고,
    제 1 냉각유체 및 제 2 냉각유체를 상기 벽을 통하여 제 1 표면아래 냉각 통로(20)의 출구(24)로 인도하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터빈의 구성요소(10)를 냉각하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 구성요소(10)는 제 1 부분 및 제 2 부분을 갖고 있고, 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분의 열부하보다 더 큰 열부하를 가지고 있고,
    제 1 표면아래 냉각 통로(20)와 제 2 표면아래 냉각 통로(26)중 적어도 하나가 제 1 부분을 통과하도록 선택되어 제 1 부분에서의 열제거율이 제 2 부분보다도 크게 되게하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터빈의 구성요소(10)를 냉각하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 냉각유체의 온도가 최대치로 되는 위치에 있는, 합류점(32)의 상류부분의 제 1 표면아래 냉각 통로(20)의 한 부분에 난류 발생 표면(34)을 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터빈의 구성요소(10)를 냉각하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 각각의 냉각유체의 유동 통로를 따라 제 1 표면아래 냉각 통로(20)와 제 2 표면아래 냉각 통로(26)중 적어도 하나의 유동 단면적을 변경시킴으로써, 소정의 냉각율이 가스측 표면(14)위의 선택된 지점(16, 18)에서 얻어지게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터빈의 구성요소(10)를 냉각하는 방법.
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