KR101770068B1 - 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치는 연소기의 임핀지먼트 슬리브에 개구된 다수개의 임핀지먼트 홀을 통해 트랜지션 피스로 이동하는 냉각 공기의 이동 방향을 특정 방향으로 안정적으로 가이드 할 수 있다.

Description

가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치{Impingement cooling apparatus of the gas turbine}

본 발명은 터빈의 입구단과 연결되는 트랜지션 피스에 대한 냉각을 위한 것으로서, 보다 상세하게는 임핀지먼트 홀을 통해 냉각 유로로 이동하는 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하여 트랜지션 피스의 안정적인 냉각을 도모하기 위한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로 가스터빈은 대기의 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 고압의 공기를 공급하는 압축기, 고온고압의 연소가스를 생성하기 위한 연소기 및 연소기로부터 토출되는 연소가스에 의해 구동하여 회전축을 회전시키는 터빈을 포함하여 구성된다.

가스터빈은 대기의 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 가스를 만들어서 터빈을 동작시키고 배기가스를 대기 중으로 방출하는 것으로, 압축, 가열, 팽창, 방열의 단계로 작동 된다.

압축기는 대기로부터 공기를 흡입하여 연소기에 연소용 공기를 공급하는 역할을 하며 단열압축과정을 거치므로 압력과 공기의 온도가 상승된다. 또한, 연소기에서는 등압연소과정을 거치며 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다.

연소기에서 나온 고온고압의 연소가스는 팽창되면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환된다. 상기의 기계적 에너지는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

가스터빈의 연소기는 라이너부 및 트랜지션 피스를 포함하여 구성된다. 상기 라이너부는 연료를 압축공기와 함께 연소시켜 고온의 압축가스를 생성하고, 상기 고온의 압축가스는 터빈으로 유입되어 팽창하면서 터빈과 연결된 회전축을 회전시킨다.

트랜지션 피스(transition piece)는 연소기 라이너부로부터 생성된 연소가스를 터빈 측으로 전달하기 위한 것으로, 고온가스의 속도를 증가시키는 부분이다. 트랜지션 피스는 연소가스의 높은 온도에 의해 파손되지 않도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각되어야 한다.

가스터빈에 있어서 연소기는 압축기로부터 공급된 고압의 공기를 연소시킴으로써 고온 고압의 연소가스를 발생시켜 이후 터빈으로 고온 고압의 연소가스를 공급하는 역할을 한다.

상기 가스터빈은 연소기로부터 터빈으로 공급된 고온 고압의 연소가스가 터빈 블레이드를 회전시킴으로써 동력을 얻게 된다. 따라서, 연소기는 큰 열부하를 받게 되므로 상기 연소기를 보호하기 위해서 여러 가지 다양한 냉각방법들이 적용된다.

연소실에 주로 적용되는 냉각방법으로는 충돌 제트 냉각방법, 막 냉각방법, 요철 설치 대류냉각 방법 등이 있다.

이 중에서 충돌 제트 냉각방법은 고온의 연소가스가 접촉하는 면의 안쪽(내벽)에 제트(분류)를 분사시킴으로써 연소가스와 접촉하는 면의 온도를 낮춰주는 냉각방법이다.

막 냉각방법은 고온의 연소가스가 접촉하는 면에 슬롯 또는 여러 개의 구

멍을 뚫어서 이 구멍을 통해서 냉각공기를 내보내서 고온의 연소가스와 접촉면 사이에 일종의 냉각공기를 이용한 단열막을 형성시켜 접촉면을 보호하는 냉각방법이다.

이와 같이 사용되는 냉각방법 중 상기 충돌 제트 냉각방법은 홀 가공시 두께가 얇아서 경사를 주거나 형상을 부여하는 등의 가공이 어렵고, 유동 방향이 일 방향으로 가이드 되지 않아 이에 대한 대책이 필요하게 되었다.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래에는 가스터빈 연소기의 임핀지먼트 슬리브(30)에 개구된 임핀지먼트 홀(32)을 통해 다량의 냉각 공기가 유입될 경우 트랜지션 피스(20)의 냉각을 위해 핫 가스의 이동 방향과 대향류 형태로 이동하지 못하고 화살표로 도시된 바와 같이 불특정한 유동 흐름으로 이동되는 현상이 발생되었다.

이 경우 트랜지션 피스(20)의 냉각 효율 저하와 연소기의 전체적인 성능 저하가 발생될 수 있어 이에 대한 대책이 필요하게 되었다.

대한민국공개특허 제10-2014-0045359호

본 발명의 실시 예들은 연소기의 임핀지먼트 슬리브에 개구된 다수개의 임핀지먼트 홀을 통해 트랜지션 피스로 이동하는 냉각 공기의 이동 방향을 터빈의 입구단으로 가이드 하여 냉각을 실시하기 위한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연소기 라이너; 상기 연소기 라이너의 일측 단부에 일단이 연결되고, 타단이 터빈과 연결되는 트랜지션 피스; 상기 트랜지션 피스의 외측을 감싸고 상기 트랜지션 피스의 외주면으로 냉각 공기를 공급하기 위해 다수개의 임핀지먼트 홀이 형성된 임핀지먼트 슬리브; 및 상기 트랜지션 피스가 터빈의 입구단과 연결되는 위치에서 상기 트랜지션 피스의 외주면을 감싼 상태로 결합되고, 상기 임핀지먼트 홀을 통해 유입된 냉각 공기를 특정 방향으로 가이드 하기 위한 가이드 부를 포함하고, 상기 가이드 부는 상기 임핀지먼트 홀을 경유한 냉각 공기가 상기 트랜지션 피스의 외주면과 상기 임핀지먼트 슬리브 사이에 형성된 냉각 유로(cooling passage)를 따라 일 방향으로 이동되도록 경사진 경사부를 포함하고, 상기 가이드 부에는 상기 냉각 공기가 내부 영역을 경유하여 이동 가능하도록 개구된 다수개의 통공이 형성되고, 상기 통공은 상기 가이드 부의 내측에 격자 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 가이드 부는 링 형태로 이루어져 상기 트랜지션 피스의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 임핀지먼트 홀은 상기 경사부의 상부 위치에 다수개가 개구되고, 상기 임핀지먼트 슬리브의 길이 방향을 따라 다수개가 개구된 것을 특징으로 한다.
상기 경사부는 상기 냉각 유로를 향해 하향 경사지되, 상기 터빈의 입구단과 마주보는 상태로 경사진 것을 특징으로 한다.
상기 경사부는 상기 트랜지션 피스의 원주 방향에서 반경 방향 내측을 향해 라운드 진 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 가이드 부는 상기 트랜지션 피스의 내주면을 따라 이동하는 핫 가스(Hot Gas)의 유동 방향과 반대 방향으로 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하는 것을 특징으로 한다.
상기 통공은 상기 가이드 부 전체에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 통공은 방전 가공 또는 레이저 가공 방법 중의 어느 하나의 가공 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 실시 예들은 가스 터빈 연소기의 임핀지먼트 홀을 통해 냉각 유로로 공급되는 냉각 공기를 터빈의 입구단으로 가이드 할 수 있어 연소기의 냉각 효율 향상을 통한 안정적인 냉각을 도모할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 냉각 유로로 공급되는 냉각 공기의 이동에 따른 방향성을 특정 방향으로 가이드 할 수 있고 고온의 핫 가스와 대향류 형태로 이동되면서 열 전달을 통한 냉각을 실시할 수 있다.

도 1은 종래의 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 상태를 간략히 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가이드 부를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 가이드 부를 도시한 도면.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치의 단면도이다.

첨부된 도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 의한 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치는 핫 가스(Hot Gas)가 이동되는 임핀지먼트 슬리브(300)와 트랜지션 피스(200)사이의 냉각 유로(2)를 향해 공급되는 냉각 공기의 이동 방향을 터빈 방향으로 가이드 하기 위한 가이드 부(400)를 설치하여 상기 냉각 공기의 불필요한 순환을 안정화시켜 냉각 성능 극대화를 통한 연소기의 효율 향상을 도모하고자 한다.

가스터빈의 연소기는 원통 형태의 연소기 라이너(100)와 트랜지션 피스(200)를 포함하고, 상기 연소기 라이너(100)와 트랜지션 피스(200)를 감싸는 원통 형태의 슬리브를 포함한다.

상기 슬리브는 상기 트랜지션 피스(200)를 감싸는 위치 중 터빈의 입구단(미도시)과 연결되는 부위에 임핀지먼트 슬리브(300)가 구비되고, 상기 임핀지먼트 슬리브(300)의 원주 방향에 다수개의 임핀지먼트 홀(310)이 개구된다.

임핀지먼트 슬리브(300)는 후술할 냉각 유로(2)로 냉각 공기가 공급되도록 다수개의 임핀지먼트 홀(310)이 형성되는데, 상기 임핀지먼트 홀(310)은 임핀지먼트 슬리브(300)의 외주면에 다수개가 개구된다.

상기 임핀지먼트 홀(310)은 원형의 단면 또는 원주 방향으로 소정의 길이로 연장된 슬릿 형태의 단면 또는 타원형의 단면 중의 어느 하나의 단면으로 구성되고, 본 실시 예는 이해의 편의를 위해 원형의 단면으로 형성된 것으로 한정한다.

가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치는 임핀지먼트 슬리브(300)가 상기 트랜지션 피스(200)의 외측을 감싸는 상태로 위치되고, 상기 트랜지션 피스(200)의 외주면으로 냉각 공기를 공급하기 위해 다수개의 임핀지먼트 홀(310)이 형성된다.

상기 임핀지먼트 슬리브(300)는 도면 기준으로 터빈을 향해 연장된 트랜지션 피스(200)의 우측 단부에 해당되고, 상기 위치는 고온의 핫 가스가 트랜지션 피스(200)의 내주면을 따라 도면 기준 좌측 방향으로 이동된다.

상기 핫 가스는 후술할 냉각 유로(2)로 공급된 냉각 공기를 통해 안정적으로 냉각되어야만 연소기의 냉각 효율이 향상되고, 트랜지션 피스(200)가 고온의 온도 조건에 장시간 노출되는 현상이 예방된다.

본 실시 예에서는 가이드 부(400)를 트랜지션 피스(200)에 설치하여 냉각 유로(2)로 공급된 냉각 공기의 이동 방향을 상기 핫 가스의 이동 방향과 대향류 형태로 가이드 하고, 상기 트랜지션 피스(200)와 슬리브(300)에 대한 냉각을 동시에 도모하고자 한다.

상기 가이드 부(400)는 링 형태로 이루어져 상기 트랜지션 피스(200)의 외주면에 결합되는데, 이 경우 용접방식 또는 브라켓(미도시)을 통한 고정 방식 중의 어느 하나의 방식이 선택적으로 사용될 수 있다.

가이드 부(400)는 상기 임핀지먼트 홀(310)을 경유한 냉각 공기가 상기 트랜지션 피스(200)의 외주면과 상기 임핀지먼트 슬리브(300) 사이에 형성된 냉각 유로(cooling passage)(2)를 따라 일 방향으로 이동되도록 경사진 경사부(410)를 포함한다.

상기 냉각 유로(2)는 냉각 공기가 임핀지먼트 홀(310)을 통해 유입될 경우 터빈의 입구단 방향인 우측 방향으로 용이하게 이동된다.

상기 가이드 부(400)는 경사부(410)에 의해 임핀지먼트 냉각 홀(310)을 통해 유입된 냉각 공기의 이동 방향을 도면 기준 우측(터빈의 입구단)으로 가이드 한다. 상기 냉각 유로(2)의 면적은 한정되므로 냉각 공기의 이도 방향 또는 유동 흐름을 어떻게 가이드 하는지에 따라 냉각 효율은 현저한 차이가 발생된다.

본 실시 예는 가이드 부(400)에 형성된 경사부(410)에 의해 임핀지먼트 홀(310)을 통해 유입된 냉각 공기가 상기 냉각 유로(2)에서 핫 가스의 이동 방향으로 이동하지 않고, 항시 대향류 방향으로 이동된다. 이 경우 상기 핫 가스가 가지고 있는 고온의 열 에너지와 상기 냉각 공기가 가지고 있는 저온의 열 에너지와의 상호 열 교환을 통한 냉각 성능이 향상된다.

임핀지먼트 홀(310)은 상기 경사부(410)의 상부 위치에 다수개가 개구되고, 상기 임핀지먼트 슬리브(300)의 길이 방향을 따라 다수개가 개구 된다.

임핀지먼트 홀(310)은 경사부(410)의 상부에 서로 마주보는 상태로 개구되어 있으므로, 상기 임핀지먼트 홀(310)을 통해 냉각 공기가 냉각 유로(2)의 영역으로 공급될 경우 상기 경사부(410)에 의해 이동 방향이 도면의 화살표 방향으로 급 전환된다.

그리고 나머지 이웃한 임핀지먼트 홀(310)을 통해 유입된 냉각 공기는 도면의 화살표로 도시된 바와 같이 각각 냉각 유로(2)를 향해 공급되되, 상기 가이드 부(400)에서 이동 방향이 전환된 냉각 공기에 의해 항시 터빈의 입구단(도면 기준 우측)을 향해 이동된다.

본 실시 예에 의한 가이드 부(400)는 임핀지먼트 홀(310)로 유입된 냉각 공기의 이동방향을 항시 터빈의 입구단 쪽으로 가이드 할 수 있어, 냉각 공기의 유동 흐름을 최적의 열 교환이 이루어질 수 있는 대향류 형태로 유도한다.

따라서 트랜지션 피스(200)의 냉각 성능 향상과 내구성 향상 및 상기 냉각 공기가 이동하는 구간에서의 온도 편차를 일정하게 유지할 수 있다.

본 실시 예에 의한 경사부(410)는 냉각 유로(2)를 향해 하향 경사지되, 상기 터빈의 입구단과 마주보는 상태로 경사진다. 상기 경사부(410)는 특정 각도로 한정하지 않으나 냉각 공기가 경사부(410)를 따라 이동된 뒤에 냉각 유로(2)의 바닥면을 따라 밀착된 상태로 이동되는 것이 가장 바람직하므로 높이(H)에 비해 길이(L)가 상대적으로 길게 연장되는 것이 바람직하다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 에에 의한 경사부(410)는 상기 트랜지션 피스(200)의 원주 방향에서 반경 방향 내측을 향해 라운드 진 형태로 형성된다. 이 경우 냉각 공기가 경사부(410)를 따라 이동될 때 보다 밀착된 상태로 이동될 수 있다. 따라서 냉각 공기가 임핀지먼트 홀(310)을 통해 경사부(410)로 이동되는 과정에서 유동 흐름이 보다 안정적으로 이루어지고 불특정 위치로 이동되는 현상이 예방된다.

본 실시 예에 의한 가이드 부(400)는 상기 트랜지션 피스(200)의 내주면을 따라 이동하는 핫 가스(Hot Gas)의 유동 방향과 반대 방향으로 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하므로 냉각 효율 향상과 트랜지션 피스(200)의 변형 또는 파손으로 인한 문제점을 예방할 수 있어 내구성 향상에 기여할 수 있다.

본 실시 예에 의한 가이드 부에 형성된 통공에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 5를 참조하면, 가이드 부(400)는 냉각 공기가 내부 영역을 경유하여 이동 가능하도록 개구된 다수개의 통공(420)이 형성된다. 상기 통공(420)은 다공성 형태로 다수개가 형성되는데, 냉각 공기가 경사부(410)를 통해서만 이동되는 것이 아니라 상기 통공(420)을 통해서도 이동되도록 하여 상기 경사부(410)를 경유한 냉각 공기가 냉각 유로(2)의 바닥면 위치에서 일 방향으로 강한 유동 흐름이 발생되도록 하여 터빈의 입구단으로 이동하는 전체 냉각 공기의 유동 흐름이 항시 일 방향으로 이동되도록 할 수 있다.

따라서 냉각 공기의 이동 흐름을 안정적으로 제어하고, 트랜지션 피스(200)의 냉각 성능 향상과 냉각 공기가 이동하는 구간에서의 온도 편차를 일정하게 유지할 수 있다.

통공(420)은 상기 가이드 부(400) 전체에 형성되는데, 일 예로 상기 가이드 부(400)의 내측에 격자 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 통공(420)의 방향은 도면 기준으로 임핀지먼트 홀(310)이 형성된12시 방향과 냉각 유로(2)의 방향이 3시에서 5시 방향 사이에 개구된다.

이와 같이 통공(420)이 형성될 경우 임핀지먼트 홀(310)을 통해 유입된 공기 중 일부의 냉각 공기는 상기 경사부(410)를 따라 이동되고, 나머지 공기는 통공(420)을 경유하여 상기 냉각 유로(2)의 바닥면 또는 바닥면의 상측을 향해 이동될 수 있다. 따라서 상기 냉각 공기의 이동에 따른 방향을 특정 방향으로 가이드 하여 냉각 유로를 따라 이동하는 냉각 공기의 유동 방향을 항시 일정하게 유지할 수 있다.

본 실시 에에 의한 가이드 부(400)에 형성된 통공은 방전 가공 또는 레이저 가공 방법 중의 어느 하나의 가공 방법에 의해 형성된다.

방전 가공은 두 전극 사이에서 방전을 일으킬 때 생기는 물리적, 기계적, 전기적 작용을 이용하여 가공하는 방법 중의 하나로, 방전의 종류에 따라 스파크 가공, 아크 가공, 코로나 가공으로 분류된다.

상기 방전 가공은 금속재질에 대한 홀 형상을 가공하기 위해 사용되거나 특수모양의 가공에는 스파크가공이 사용된다. 이와 같은 특징을 갖는 방전 가공은 가이드 부(400)를 구성하는 재료의 강도에 무관하게 작업이 가능하여 작업이 용이해지고, 평면 또는 입체 등의 복잡한 형상의 가공이 용이하며, 표면가공일 경우 길이 0.1 ~ 0.2?m까지 가공이 가능한 특징을 가지고 있다. 또한 열에 의한 표면 변질이 적어 다른 가공법으로는 얻을 수 없는 효과를 가지고 있다.

특히 본 실시 예는 격자 형태로 통공(420)이 형성되므로 임핀지먼트 홀(310)을 통해 유입된 냉각 공기가 냉각 유로(2)를 향해 이동될 경우 이동에 따른 별다른 문제점 없이 안정적으로 이동된다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

2 : 냉각 유로
100 : 라이너
200 : 트랜지션 피스
300 : 슬리브
310 : 임핀지먼트 홀
400 : 가이드 부
410 : 경사부
420 : 통공

Claims (11)

1. 연소기 라이너;
   상기 연소기 라이너의 일측 단부에 일단이 연결되고, 타단이 터빈과 연결되는 트랜지션 피스;
   상기 트랜지션 피스의 외측을 감싸고 상기 트랜지션 피스의 외주면으로 냉각 공기를 공급하기 위해 다수개의 임핀지먼트 홀이 형성된 임핀지먼트 슬리브; 및
   상기 트랜지션 피스가 터빈의 입구단과 연결되는 위치에서 상기 트랜지션 피스의 외주면을 감싼 상태로 결합되고, 상기 임핀지먼트 홀을 통해 유입된 냉각 공기를 특정 방향으로 가이드 하기 위한 가이드 부를 포함하고,
   상기 가이드 부는 상기 임핀지먼트 홀을 경유한 냉각 공기가 상기 트랜지션 피스의 외주면과 상기 임핀지먼트 슬리브 사이에 형성된 냉각 유로(cooling passage)를 따라 일 방향으로 이동되도록 경사진 경사부를 포함하고,
   상기 가이드 부에는 상기 냉각 공기가 내부 영역을 경유하여 이동 가능하도록 개구된 다수개의 통공이 형성되고, 상기 통공은 상기 가이드 부의 내측에 격자 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 가이드 부는,
   링 형태로 이루어져 상기 트랜지션 피스의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 임핀지먼트 홀은,
   상기 경사부의 상부 위치에 다수개가 개구되고, 상기 임핀지먼트 슬리브의 길이 방향을 따라 다수개가 개구된 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 경사부는,
   상기 냉각 유로를 향해 하향 경사지되, 상기 터빈의 입구단과 마주보는 상태로 경사진 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 경사부는,
   상기 트랜지션 피스의 원주 방향에서 반경 방향 내측을 향해 라운드 진 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 가이드 부는,
   상기 트랜지션 피스의 내주면을 따라 이동하는 핫 가스(Hot Gas)의 유동 방향과 반대 방향으로 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
8. 삭제
9. 제1 항에 있어서,
   상기 통공은,
   상기 가이드 부 전체에 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
10. 삭제
11. 제1 항에 있어서,
    상기 통공은,
    방전 가공 또는 레이저 가공 방법 중의 어느 하나의 가공 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 임핀지먼트 냉각 장치.
    
    
    

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