KR100776073B1 - 가스 터빈 노즐내의 냉각 기류를 지향시키기 위한 노즐조립체와 냉각 기류 지향 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 터빈의 노즐에 사용되는 충돌 삽입체(impingement insert)(12)에 조립되는 미터링 플레이트(metering plate)(10)를 포함한다. 미터링 플레이트(10)는 하나 또는 그 이상의 미터링 홀(14)을 가질 수 있고, 노즐(22) 내의 냉각 유동을 균형있게 하는 데 사용된다. 다수의 홀을 갖는 미터링 플레이트(10)는 미터링 플레이트(10)를 통과하는 냉각 기류로부터 발생하는 정압 편차를 감소시킨다. 미터링 플레이트(10)는, 삽입체(12)가 노즐(22) 내로 삽입되기 전이나 후에 삽입체(12)에 조립될 수 있다.

Description

가스 터빈 노즐내의 냉각 기류를 지향시키기 위한 노즐 조립체와 냉각 기류 지향 방법{INSERT METERING PLATES FOR GAS TURBINE NOZZLES}

도 1은 전형적인 충돌 삽입체가, 유동 유입구에 다수의 홀을 갖는 미터링 플레이트(multiple hole metering plate)와 결합되는 것을 도시한 도면.

도 2는 충돌된 삽입체와 미터링 플레이트의 조립체가 노즐 조립체 내에 삽입되는 것을 도시한 도면.

도 3은, 도 2의 노즐 조립체의 단면도로서, 노즐 조립체 내의 다중 회로 냉각 시스템(multiple circuit cooling system)을 개략적으로 도시한 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10, 20 : 미터링 플레이트 12 : 노즐 충돌 삽입체

14 : 홀 22 : 노즐 조립체

24 : 에어포일 26 : 사전-충돌 플레이트 조립체

28 : 사전-충돌 플레이트

본 발명은 가스 터빈 노즐에 사용할 수 있도록 충돌 삽입체(impingement insert)와 함께 미터링 플레이트(metering plate)를 설치하는 것에 관한 것이다.

전형적으로, 가스 터빈 노즐은 에어포일(airfoil) 벽을 냉각하기 위해 노즐 내에 충돌 삽입체를 사용하고 있다. 노즐이 다중 회로 냉각 시스템을 갖는 경우, 노즐의 상이한 회로에 대해 불균형의 냉각 유동이 있을 수 있다.

종래 기술란에 기재된 문제점을 극복하기 위하여, 미터링 플레이트가 충돌 삽입체와 함께 또는 그것 없이 사용되어, 노즐의 상이한 회로에 대한 냉각 유동을 균형있게 한다. 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는, 단일 미터링 홀(single metering hole)을 갖는 미터링 플레이트가 사용된다.

본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 있어서, 미터링 플레이트는 다수의 홀을 가진 상태로 사용되어, 단일 미터링 홀에 의해 야기될 수 있는 잠재적인 유동 혼란(flow disruption)을 해소한다. 보다 상세하게는, 미터링 플레이트에 하나의 미터링 홀만을 사용하는 경우, 유동 혼란이 발생되어, 미터링 플레이트 바로 아래의 영역에 가변 정압 분포(variable static pressure distribution)를 생성한다. 충돌 삽입체의 나머지에 대한 이러한 정압 분포의 편차는, 충돌 구멍들을 가로질러 가변 충돌 압력비(variable impingement pressure ratio)를 야기하여 역류 문제를 초래하고 또한/또는 냉각 효과를 감소시킬 수 있다. 이러한 유동영역에서의 혼란은 오리피스(orifice)의 베나 콘트락타(Vena Contracta)에 의해 생기게 된다. 단 하나의 미터링 홀 대신에 수 개의 미터링 홀을 사용하면 미터링 플레이트의 하류측의 정압 편차가 상당히 감소된다.

본 발명은, 노즐의 상이한 회로에 대한 냉각 유동의 균형을 동등하게 하기 위해 가스 터빈 노즐 내에 설치된, 관련된 충돌 삽입체와 조합되거나 또는 조합되지 않은 하나 또는 그 이상의 홀을 갖는 미터링 플레이트를 포함한다. 미터링 플레이트의 출구 근처의 영역에서의 정압 편차를 감소시키기 위해 미터링 플레이트내에 다수의 홀이 사용되는 것이 바람직하다.

도 1에 도시한 바와 같이, 미터링 플레이트(10)는 노즐 충돌 삽입체(12)의 유입부에 부착된다. 미터링 플레이트(10)는, 노즐 내로의 조립 후에 노즐 충돌 삽입체의 상부상에 부착될 수도 있고, 또 설치 전에 극단의 입구 계면(entrance interface)에 있는 삽입체의 일부로서 설치될 수도 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 미터링 플레이트(10)는, 단일 미터링 홀을 지나는 유동에 의해 생성된 베나 콘트락타 효과에 의해 야기되는 정압 편차를 감소시키기 위해 다수의 홀(14)을 갖는다. 그러므로, 다수 홀의 미터링 플레이트는 미터링 플레이트의 출구 근처의 충돌 구멍을 지나는 소망의 충돌 유동을 달성한다. 미터링 홀의 실제 패턴은 노즐의 특성과 물리적 매개 변수에 대해 특유하다.

도 2는 충돌 삽입체와 미터링 플레이트(20)의 조립체가 노즐 조립체(22) 내로 삽입되는 것을 도시한다. 노즐 조립체(22)는 에어포일(24) 및 에어포일(24)의 양쪽 단부에 위치한 충돌 플레이트 조립체(26)를 포함한다. 변형예로서, 노즐 충돌 삽입체(12)가 노즐(22) 내로 조립된 후에 미터링 플레이트(14)가 노즐 충돌 삽입체(12)의 상부에 부착될 수 있다.

도 3은 다중 회로 냉각 시스템을 갖는 노즐 조립체를 통한 유로(flow path)를 도시한 것이다. 도 3에 있어서, 노즐 조립체(22)를 통과하는 기류를 화살표로 나타낸다. 상세하게는, 노즐 조립체(22)의 상부에서, 유입 공기가 노즐 외측벽을 가로질러 화살표에 의해 도시한 바와 같이 노즐 조립체 내로 유동한다. 기류는 계속해서 노즐 조립체내에서 사전-충돌 플레이트 조립체(pre-impingement plate assembly)(26)를 지나고, 공동(cavity)(1, 6)에 대하여 사전-충돌 플레이트(28)를 지나며, 공동(1, 6, 7)을 통하여 아래로 흐른다. 기류가 이 공동들을 빠져나갈 때, 공동(1)내의 기류는 공동의 출구 단부에 있는 다른 사전-충돌 플레이트(28)를 지나는 한편, 공동(6, 7)내의 기류는 사전-충돌 플레이트(28)를 지나지 않는다.

기부(base) 주위에 타원을 갖도록 도 3에 도시된 화살표(30)는, 미터링 플레이트를 통과한 기류를 도시한다. 그러므로, 도 3에 도시한 바와 같이, 공동(1, 6, 7)내의 기류는 각각의 미터링 플레이트를 통과한 것이다. 그러나, 공동(7)은 사전-충돌 플레이트(28)를 포함하지 않는 것으로 도시되어 있으며, 따라서 유입 공기는 직접 미터링 플레이트를 통과하여 공동 내로 흐른다. 유사하게, 공동(1, 6, 7)은, 노즐 조립체의 이들 부분의 냉각 필요성(cooling needs)에 따라 사전-충돌 플레이트, 미터링 플레이트, 및/또는 삽입체를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.

공동(1, 6, 7)내의 미터링 플레이트는 이들 공동 사이에서 유입 기류를 퍼지게 하거나 배분하는 기능을 한다. 공동(1, 6, 7)을 가로지른 후에, 기류는, 도 3에 화살표(30)로 도시한 바와 같이, 공동(2 내지 5)의 유입구에 있는 미터링 플레이트를 통과하고, 그 후 공동(2 내지 5)내로 유입된다. 공동(2 내지 5)내의 미터링 플레이트는 또한 이들 공동 사이의 유입구 기류를 퍼지게 하거나 배분하도록 제공된다. 노즐 조립체의 물리적 특성에 따라, 특정 공동은 충돌 플레이트, 미터링 플레이트 및/또는 충돌 삽입체를 요구할 수도 있고 요구하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 공동(5)은 사전-충돌 플레이트, 미터링 플레이트 및/또는 충돌 삽입체를 구비할 필요가 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 보다 상세하게는, 공동(2 내지 4)에 제공된 적당한 미터링 플레이트가, 공동(5)내의 미터링 플레이트(도시하지 않음)의 필요를 없앨 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 냉각 공기는 공동(2 내지 5)을 가로지른 후 사전-충돌 플레이트(28)와 노즐 외측벽을 지나 노즐 조립체를 빠져나가게 된다. 상술한 바와 같이, 공동(7) 내의 기류는 사전-충돌 플레이트(28)를 지나지 않지만, 미터링 플레이트를 지나며, 공동(5)은 사전-충돌 플레이트, 충돌 삽입체 및/또는 미터링 플레이트를 요구하거나 또는 요구하지 않을 수도 있다. 실제적으로, 분석적 모델에 대한 반복에 의해서나 실제 하드웨어를 시험하는 것에 의해, 노즐 조립체 내의 소망하는 기류 및/또는 미터링 플레이트의 출구 근처의 충돌 구멍을 통한 충돌 유동을 달성할 수 있다. 미터링 홀을 갖는 플레이트는, 두 가지 기본적인 목적, 즉 공동 아래로의 기류를 계량하고 기류를 에어포일의 측벽에 충돌시키는 것을 수행한 다.

본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 사상과 범위 내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 커버하도록 의도됨을 이해하여야 한다.

본 발명에 따르면, 미터링 플레이트가 충돌 삽입체와 함께 또는 그것 없이 사용되어, 노즐의 상이한 회로에 대한 냉각 유동을 균형있게 한다.

또한, 미터링 플레이트가 다수의 홀을 갖도록 사용되면 단일 미터링 홀에 의해 야기될 수 있는 잠재적인 유동 혼란을 해소한다.

Claims (11)

1. 가스 터빈 노즐내의 냉각 기류를 지향시키기 위한 노즐 조립체(22)에 있어서,

   노즐 에어포일 벽을 냉각하기 위한 충돌 삽입체(12)와,

   적어도 하나의 미터링 홀(14)을 갖고 노즐의 상이한 회로 내의 냉각 기류를 균형있게 하기 위한 미터링 플레이트(10)를 포함하며,

   상기 미터링 플레이트(10)는 상기 충돌 삽입체(12)의 하측 입구부에 배치되는

   노즐 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미터링 플레이트(10)는 2개 이상의 미터링 홀(14)을 갖는

   노즐 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 미터링 플레이트(10)는, 미터링 플레이트(10)를 통과하는 냉각 기류에 의해 발생되는 정압 편차를 감소시키도록 설계된

   노즐 조립체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 충돌 삽입체(12)와 상기 미터링 플레이트(10)는 상기 노즐 내로의 삽입 전에 서로 부착되는

   노즐 조립체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 충돌 삽입체(12)는, 상기 미터링 플레이트(10)가 상기 충돌 삽입체에 부착되기 전에 상기 노즐 내로 삽입되는

   노즐 조립체.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 충돌 삽입체(12)와 상기 미터링 플레이트(10)가 용접에 의해 부착되는

   노즐 조립체.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 충돌 삽입체(12)와 상기 미터링 플레이트(10)가 용접에 의해 부착되는

   노즐 조립체.
8. 다수 공동 가스 터빈 노즐(22) 내의 냉각 기류를 지향시키는 방법에 있어서,

   적어도 하나의 충돌 삽입체(12)를 적어도 하나의 노즐 공동내로 삽입하는 단계와,

   적어도 하나의 미터링 플레이트(10)를 상기 적어도 하나의 충돌 삽입체(12)에 부착하는 단계를 포함하며,

   상기 미터링 플레이트(10)는 상기 충돌 삽입체(12)의 하측 입구부에 배치되는

   다수 공동 가스 터빈 노즐 내의 냉각 기류 지향 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 미터링 플레이트(10)를 상기 적어도 하나의 충돌 삽입체(12)에 용접하는 단계를 포함하는

   다수 공동 가스 터빈 노즐 내의 냉각 기류 지향 방법.
10. 다수 공동 가스 터빈 노즐(22) 내의 냉각 기류를 지향시키는 방법에 있어서,

    충돌 삽입체(12)와 미터링 플레이트(10)의 적어도 하나의 조립체(22)를 형성하는 단계와,

    상기 적어도 하나의 조립체(22)를 상기 가스 터빈 노즐의 공동 중 하나내로 삽입하는 단계를 포함하며,

    상기 미터링 플레이트(10)는 상기 충돌 삽입체(12)의 하측 입구부에 배치되는

    다수 공동 가스 터빈 노즐 내의 냉각 기류 지향 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 충돌 삽입체(12)와 상기 미터링 플레이트(10)를 서로 용접하는 단계를 포함하는

    다수 공동 가스 터빈 노즐 내의 냉각 기류 지향 방법.

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