KR101289613B1 - 가스 터빈 스테이터용 보호 장치 - Google Patents

가스 터빈 스테이터용 보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연결 수단에 의해 서로 구속된 일련의 섹터(12)를 포함하며, 각 섹터(12)는 바닥(15)을 갖는 적어도 하나의 공동(14)을 가지며, 상기 적어도 하나의 공동(14)에 대응하여, 일련의 관통 구멍(21)을 구비하는 한편 상기 적어도 하나의 공동(14)을 커버하기에 적합한 대응하는 시트(20)가, 관련된 섹터(12)의 외측 표면 상에 고정되며, 각 섹터(12)는, 상기 대응하는 시트(20)의 관통 구멍(21)으로부터 유입하여 상기 바닥(15) 상을 통과하는 한편 적어도 하나의 배출구로부터 배기되는 공기 스트림에 의해 냉각되는 타입의 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치(10)로서, 각 섹터(12)의 상기 바닥(15)은 열교환 표면을 증가시키는 한편 상기 보호 장치(10)의 냉각 효율을 높이기 위한 일련의 돌기(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 스테이터용 보호 장치이다.

Description

가스 터빈 스테이터용 보호 장치{SHROUD FOR A GAS TURBINE}
본 발명은 터빈 스테이터용 보호 장치에 관한 것이다.
가스 터빈은 연소로 인해 나오며 회전하는 축에 기계적 동력을 제공하는 가스를 이용하여 가스의 엔탈피를 유용한 일로 변화시키는 회전하는 열기관이다.
따라서, 터빈은 일반적으로 외부로부터 유입되는 공기가 압축되는 압축기 또는 터보 압축기를 포함한다.
다양한 주입기는 공기와 혼합되어 공기-연료 점화 혼합을 형성하기 위한 연료를 공급한다.
축방향 압축기는 연소실 내에 연소된 가스의 엔탈피를 변환하여 기계적 에너지를 사용자에게 공급하는 소위 터빈 또는 터보 확장기에 의해 혼입된다.
기계적 에너지의 발생을 위한 장치에서는 확장 도약은 2개의 부분적 도약으로 나눠지고, 각각이 터빈 내에 발생한다. 고압의 터빈은 연소실의 하류에서 압축을 혼입시킨다. 고압의 터빈으로부터 가스를 모으는 저압의 터빈은 사용자에게 연결된다.
터보 확장기, 터보 압축기, 연소실(또는 히터), 출구 축, 조절 시스템 및 점화 시스템은 가스 터빈 플랜트의 필수적 부품을 형성한다.
가스 터빈의 작동에 관하여, 일련의 입구 덕트를 통해 유체가 압축기에 침투된다는 것이 알려져 있다.
이러한 배관계통에는 가스는 저압 및 저온의 특징을 가지고, 압축기를 통과할 때, 가스가 압축되고 온도도 증가한다.
다음에, 연소(가열)실 내로 침투하여 더 심대한 온도 증가를 겪는다.
가스의 온도 증가를 위해 필요한 열은 인젝터에 의해 가열실에 도입되는 가스 연료의 연소에 의해 공급된다.
기계 작동시 연소의 점화는 점화 플러그에 의해 얻는다.
연소실의 출구에서, 특정한 덕트를 통해 고압 고온의 기체가 압축기 및 가열실(연소기)에 축적된 에너지의 일부를 넘겨주는 터빈에 도달하고, 그 후 배출 채널에 의해 외부로 유출된다.
터빈 내에는 그 내부에 로터가 또한 일련의 블레이드(로터)를 장착하고, 수용되었으며, 그 스테이터가 가스에 의해 회전되어 회전이 가능한 일련의 스테이터 블레이드가 장착된 스테이터가 있다.
보호 장치는 또한 슈라우드(shroud)로 알려져 있으며, 스테이터 블레이드의 플랫폼과 함께 주요 가스 흐름을 규정한다.
슈라우드의 기능은 통상적으로 저품질의 재료로 제조된 외부 케이스를 보호하는 것이어서, 산화 및 황폐에 의한 부식에 대해 저항성이 작다.
일반적으로 슈라우드는 완전한 내부 링으로 구성되거나 각각이 압축기로부터의 공기 흐름으로 냉각되는 일련의 섹터로 적절하게 분할된다.
냉각은 연소 온도 및 이루어야할 온도 감소에 필수적으로 의존하는 다양한 기술로 영향을 받는다.
본 발명에 관한 보호 장치의 유형은 각각이 각각 섹터의 외부면에 위치한 공동을 가지는, 링을 형성하도록 조합된 일련의 섹터를 포함한다.
높은 연소 온도를 가지는 기계의 경우에는, 가장 널리 사용되는 냉각 기술은 "충돌냉각(impingement)"이라고 알려진 기술이다.
이 기술에 의하면, 바람직하게 시트가 납땜에 의해 각 섹터의 각 공동에 고정되고, 상기 시트는 압축기로부터 오는 새로운 공기가, 슈라우드 자체의 냉각을 위해, 특히 상기 공동의 바닥 표면상에 상기 공기의 충돌 및 도면에 도시되지 않은 각각의 섹터에 위치한 일련의 출구 구멍의 차후 유출에 의해 흡입되는 일련의 관통 구멍을 구비한다.
슈라우드로서 알려진 가스 터빈 스테이터의 현재 보호 장치의 단점 중의 하나는, 각 시트의 일련의 구멍을 통한 공기 흐름은 공기 흐름들 자체 간에 부정적인 간섭이 발생하여 대응하는 섹터에 대해 효율적이지 못한 냉각을 발생시키기 때문에 상대적인 섹터를 효율적으로 냉각시키는 것이 가능하지 않다는 것이다.
다른 단점은, 열적 응력에 의한 결과로 야기되는 변형은 보호 장치의 다양한 섹터 간에 틈새를 유발시킨다는 것이다.
다음에, 이러한 틈새는 터빈 자체의 효율에 저하를 가져오는 공기의 배기도 발생시킨다.
본 발명의 스테이터에 대한 효율적인 보호를 허용하는 목적은 가스 터빈의 스테이터를 위한 슈라우드라고도 불리는 보호 장치를 제공하는 것이다.
다른 목적은 높은 냉각 효율을 제공하는 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 가스 터빈의 스테이터를 위한, 더 긴 작동 수명 및 스테이터 자체의 더 긴 작동 수명을 갖는 보호 장치를 제공하는 것이다.
추가적인 목적은 가스 터빈의 스테이터를 위한, 단순하고 경제적인 보호 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 이러한 목적들은 청구항 1에 규정된 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치를 제공함으로써 성취된다.
또한, 본 발명의 특징은 종속항에 규정되어 있다.
본 발명에 따른 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치의 특징 및 장점은 후술하는 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 해설적이고 비한정적인 설명으로 더 분명해진다.
도 1은 본 발명에 따른 섹터의 시트의 바람직한 실시예 또는 터빈 스테이터의 보호 장치의 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 섹터의 바람직한 실시예 또는 터빈 스테이터의 보호 장치의 평면도,
도 3은 도 2의 상세도,
도 4는 선(Ⅳ-Ⅳ)을 따라 절단된 도 3의 세부사항의 정면에 대한 단면도.
도면을 참조하면, 일련의 섹터(12)를 포함하는 형태의 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치(10)가 도시되어 있으며, 각 섹터(12)는 그 외부 표면에 위치된 적어도 하나의 대응 공동(14)을 갖고, 또한 바닥(15)을 구비한다.
상대적인 섹터(12)의 외부 표면상에 상기 적어도 하나의 공동(14)에 대응하여 대응하는 섹터(12)의 냉각을 위한 공기의 통로인 일련의 구멍(21)이 장착된 시트(20)가 바람직하게는 납땜에 의해 고정되어 있다.
본 발명에 따르면 열교환 표면 및 흐름 난류를 증가시키기 위해, 각 섹터(12)는 바람직하게는 바닥(15) 상에 상기 적어도 하나의 공동(14) 내에 위치한 일련의 돌기(30)를 포함한다.
상기 돌기(30)는 예를 들어 용융 또는 마이크로용융에 의해 섹터(12)의 제조시 직접 얻을 수 있거나, 예를 들어 전기 부식과 같은 기계적 처리 공정을 통해 차후에 얻을 수 있다.
이러한 방식으로, 상기 일련의 돌기(30)에 의해, 각 섹터(12)의 바닥 상에 난류 운동을 발생시킬 수 있다.
고온의 경우에, 이것은 냉각 효과의 증가를 가져오며, 또한 각 시트(20)의 일련의 구멍(21)으로부터 배기된 공기 흐름 간의 부정적인 간섭을 제거할 수 있다.
상기 일련의 돌기(30)는 각각의 대응하는 섹터(12)의 적어도 하나의 공동의 바닥(15)에 균일하게 분포되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 각각의 섹터(12)의 상기 일련의 돌기(30)는 서로에 대해 평행하게 라인(40)을 따라 배치되는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 대응하는 공동(14)의 바닥(15)에 대해 각각의 돌기(30)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 바람직하게 0.0074 내지 0.0100의 범위의 값, 그리고 보다 바람직하게는 0.0087의 값을 갖는 높이(31)를 갖고 있다.
각 라인(40)을 따라, 돌기(30)는 일련의 볼록부(crest) 및 일련의 중공부(hollow)를 가진 표면을 형성하며, 각각의 볼록부는 각각의 돌기(30)의 꼭지점에 대응한다.
각각의 돌기는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 바람직하게 0.0037 내지 0.0050의 범위의 값, 그리고 보다 바람직하게는 0.0044의 값을 갖는 대응되는 볼록부 반경(33)을 가지는 볼록부 또는 꼭지점을 구비한다.
또한, 각 돌기(30)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 바람직하게 0.0037 내지 0.0050의 범위의 값, 그리고 보다 바람직하게는 0.0044의 값을 갖는 연결 반경(34)에 의해 인접하는 돌기부와 연결된다.
각 라인(40)을 따라, 돌기(30)는 볼록부부터 볼록부까지를 고려한 거리(32)로 이격되어 균일하게 분포되어 있다.
상기 거리(32)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 바람직하게 0.0186 내지 0.0251의 범위의 값, 그리고 보다 바람직하게는 0.0218의 값을 갖는다.
상기 라인(40)에 직교 방향을 따라, 돌기(30)는 인접하는 라인(40)에 대해 바람직하게 거리(35)로 이동되어 있다.
상기 거리(35)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 바람직하게 0.0093 내지 0.0126의 범위의 값, 그리고 보다 바람직하게는 0.0109의 값을 갖는다.
강도를 증가시키기 위해서는, 각 섹터(12)는 바람직하게는 섹터(12) 자체와 일체이고 상기 적어도 하나의 공동(14) 내에 위치하는 보강 리브(stiffening rib)(16)를 구비한다.
바람직하게, 일련의 돌기에 의해 보호 요소의 최대 온도를 상당히 제한하여 결과적으로 그 사용 수명을 증가시키는 것이 가능하다.
또한, 바람직하게 구성 부품의 온도를 감소시켜 그 변형이 제한된다.
이러한 방식으로, 터빈 내의 틈새를 줄일 수 있고, 결과적으로 터빈 자체의 효율을 증가시켜, 스테이터를 통과하는 공기의 배기로 인한 손실이 감소된다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치는 상술한 목적을 달성하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 착상된 본 발명에 의한 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치는 모두 동일한 발명적 개념에 포함되는 다수의 변형 및 응용이 이루어질 수 있다.
또한, 실제로, 사용되는 재료 그리고 치수 및 구성 부품은 기술적 요구사항에 따라 변경될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연결 수단에 의해 서로 구속된 일련의 섹터(12)를 포함하며, 각 섹터(12)는 바닥(15)을 갖는 적어도 하나의 공동(14)을 가지며, 상기 적어도 하나의 공동(14)에 대응하여, 일련의 관통 구멍(21)을 구비하는 한편 상기 적어도 하나의 공동(14)을 커버하도록 구성된 대응하는 시트(20)가, 관련된 섹터(12)의 외측 표면 상에 고정되며, 각 섹터(12)는, 상기 대응하는 시트(20)의 관통 구멍(21)으로부터 유입하여 상기 바닥(15) 상을 통과하는 한편 적어도 하나의 배출구로부터 배기되는 공기 스트림에 의해 냉각되도록 배열되는 타입의 가스 터빈의 스테이터용 보호 장치(10)에 있어서,
    각 섹터(12)의 상기 바닥(15)은 열교환 표면을 증가시키는 한편 상기 보호 장치(10)의 냉각 효율을 높이기 위한 일련의 돌기(30)를 포함하고,
    상기 일련의 돌기(30)의 각각의 돌기는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0037 내지 0.0050의 범위의 값을 갖는 볼록부 반경(33)을 갖는 볼록부(crest)를 구비하며,
    상기 일련의 돌기(30)의 각각의 돌기는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0037 내지 0.0050의 범위의 값을 갖는 연결 반경(34)에 의해 인접하는 돌기와 연결되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 섹터(12)는 상기 적어도 하나의 공동(14) 내에 위치하는 보강 리브(16)를 구비한 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보강 리브(16)는 상기 섹터(12) 자체와 일체인 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼록부 반경(33)은 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0044의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 반경(34)은 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0044의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대응하는 상기 바닥(15)에 대한 상기 일련의 돌기(30)의 각각의 돌기는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0074 내지 0.0100의 범위의 값을 갖는 높이(31)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 높이(31)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0087의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  10. 제 1 항 내지 제3항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일련의 돌기(30)는 평행한 라인(40)을 따라 대응하는 상기 바닥(15)에 배치되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 돌기(30)는, 각각의 라인(40)을 따라, 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0186 내지 0.0251의 범위의 값을 갖는 볼록부로부터 볼록부까지를 고려한 거리(32)로 이격되어 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 거리(32)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0218의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 라인(40)에 대해 상기 돌기(30)는, 상기 라인(40)의 직각 방향을 따라, 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0093 내지 0.0126의 범위의 값을 갖는 거리(35)만큼 평행 이동되어 있는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 거리(35)는 상기 바닥(15)의 표면적의 제곱근으로 나눌 때에 0.0109의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    각 섹터(12)는, 그 섹터(12) 자체와 일체이며 상기 적어도 하나의 공동(14) 내에 배치된 보강 리브(stiffening rib)(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 스테이터용 보호 장치.
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