KR101853456B1 - 가스터빈용 연소 덕트 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 가스터빈용 연소 덕트 조립체는, 상류측에 연소기가 배치되고 하류측의 외면에 외측으로 볼록한 환형의 스프링 실이 부착된 라이너와, 상기 라이너의 스프링 실의 볼록한 부분과 탄력적으로 접촉하는 내벽 및 상기 내벽을 감싸는 외벽의 이중관 구조를 갖는 트랜지션 피스를 포함하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체에 관한 것으로서, 상기 스프링 실은 그 양 측면 중 하류측 측면의 단부만이 상기 라이너에 고정되고, 상기 내벽과 접촉하는 지점을 기준으로 상류측 절반의 영역에 복수 개의 관통홀이 형성되며, 상기 라이너는 상기 스프링 실이 감싸는 내부 영역에 복수 개의 통기홀이 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈용 연소 덕트 조립체{Combustion duct assembly for gas turbine}
본 발명은 가스터빈용 연소 덕트 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라이너와 트랜지션 피스의 결합 강성을 크게 떨어뜨리지 않으며 구조를 단순하게 하면서도 라이너와 트랜지션 피스의 냉각 효과를 증대시킬 수 있는 가스터빈용 연소 덕트 조립체에 관한 것이다.
가스터빈은 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관이다. 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있으며, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 팽창하는 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이 연소 가스의 힘을 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 동력을 얻게 된다.
연소기에서 만들어진 고온의 연소 가스를 터빈까지 전달하기 위해서는 덕트 구조물이 필요한데, 이러한 덕트 구조물은 연소 덕트 조립체라 불릴 수 있으며, 통상적으로 연소기에 인접한 라이너와 상기 라이너와 연결되는 트랜지션 피스로 이루어진다.
연소 덕트 조립체의 일 실시형태를 좀더 상세히 설명하면, 라이너의 상류측에는 연소기가 배치되는데, 트랜지션 피스와 연결되는 하류측의 외면에는 외측으로 볼록하게 만곡된 환형의 스프링 실이 부착되어 있다. 그리고, 트랜지션 피스는 라이너의 하류측에 부착된 스프링 실의 볼록한 부분과 탄력적으로 접촉하는 내벽과, 상기 내벽을 감싸는 외벽의 이중관 구조를 갖는다. 따라서, 라이너와 트랜지션 피스는 스프링 실의 탄성을 매개로 상호 연결된다.
그런데, 연소 덕트 조립체는 고온의 연소 가스가 흐르는 통로이기 때문에 적절한 냉각이 요구되며, 이를 위해 압축기에서 고압으로 압축된 공기의 일부를 가스터빈의 하우징 안에 충만시키는 한편 트랜지션 피스의 외벽과 라이너를 감싸는 슬리브에 다수의 통공을 뚫어 압축공기가 라이너와 트랜지션 피스를 냉각시키도록 구성되어 있다.
또한, 특허문헌 1에 의하면, 스프링 실(훌라 실)의 거의 전체에 걸쳐 길게 슬릿을 형성하여 트랜지션 피스의 내벽 안쪽으로도 압축공기가 흐르도록 하는 한편 스프링 실이 설치되는 라이너의 일부분을 그 사이에 공간이 있는 이중벽 구조로 하고 그 안으로도 압축공기가 흐르도록 함으로써 스프링 실에 의해 가려지는 라이너의 외면도 냉각될 수 있게 하기도 한다.
그러나, 특허문헌 1의 구성은 라이너와 트랜지션 피스를 연결시키는 스프링 실에 긴 슬릿을 형성하기 때문에 구조적으로 스프링 실의 탄성이 낮아져 라이너와 트랜지션 피스의 결합 강성을 상당히 떨어뜨리며, 스프링 실이 설치되는 라이너의 일부분을 중공의 이중벽 구조로 만들기 때문에 제작이 복잡하고 충분한 라이너 냉각 효과를 얻기 힘들다는 문제점이 있다.
미국등록특허 제8,245,514호 (2012.08.21 공고)
본 발명은 라이너와 트랜지션 피스의 결합 강성을 크게 떨어뜨리지 않으며 구조를 단순하게 하면서도 라이너와 트랜지션 피스의 냉각 효과를 증대시킬 수 있는 가스터빈용 연소 덕트 조립체를 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.
본 발명에 따른 가스터빈용 연소 덕트 조립체는, 상류측에 연소기가 배치되고 하류측의 외면에 외측으로 볼록한 환형의 스프링 실이 부착된 라이너와, 상기 라이너의 스프링 실의 볼록한 부분과 탄력적으로 접촉하는 내벽 및 상기 내벽을 감싸는 외벽의 이중관 구조를 갖는 트랜지션 피스를 포함하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체에 관한 것으로서, 상기 스프링 실은 그 양 측면 중 하류측 측면의 단부만이 상기 라이너에 고정되고, 상기 내벽과 접촉하는 지점을 기준으로 상류측 절반의 영역에 복수 개의 관통홀이 형성되며, 상기 라이너는 상기 스프링 실이 감싸는 내부 영역에 복수 개의 통기홀이 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 관통홀은 상기 스프링 실의 안쪽에만 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 관통홀은 상기 스프링 실의 상류측 측면 단부의 일부를 절개하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 통기홀은 하류측을 향하도록 경사지게 관통 형성될 수 있다.
그리고, 상기 라이너의 내면에는 상기 복수 개의 통기홀 중 최상류측에 배치된 통기홀의 상류측에 위치하는 환형의 가이드가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 가스터빈용 연소 덕트 조립체는 라이너와 트랜지션 피스를 탄력적으로 연결하는 스프링 실의 양 측면 중 하류측 측면의 단부만이 라이너에 고정되도록 하는 한편 스프링 실이 내벽과 접촉하는 지점을 기준으로 하여 상류측 절반의 영역에만 복수 개의 관통홀이 형성되어 있기 때문에 충분한 탄성 지지를 확보하는 한편 라이너와 트랜지션 피스 내벽의 내면에 얇은 공기층을 형성하는 필름 냉각 효과를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스터빈용 연소 덕트 조립체의 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 표시된 "A" 부분에 대한 부분 확대도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스프링 실의 구성을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 스프링 실의 구성을 도시한 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스터빈용 연소 덕트 조립체(10)의 전체적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 표시된 "A" 부분에 대한 부분 확대도로서 이를 참조하여 본 발명의 가스터빈용 연소 덕트 조립체(10)에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 가스터빈용 연소 덕트 조립체(10)는, 라이너(100) 및 이와 결합되는 트랜지션 피스(200)를 포함하는 조립체이며, 연소기(20)에서 만들어진 고압 고온의 연소가스를 터빈으로 도입하는 덕트 구조물이다.
라이너(100)의 상류측(U)에는 압축기에서 공급되는 고압의 공기와 연료의 혼합물을 연소시켜 연소가스를 만드는 연소기(20)가 배치되며, 하류측(D)에는 트랜지션 피스(200)가 결합되는데, 이러한 라이너(100)의 하류측(D)에는 그 외면에 환형의 스프링 실(120)이 고정되어 있다.
스프링 실(120)의 구성은 도 3 및 도 4에 좀더 자세히 도시되어 있는데, 관통홀(125)의 구조를 제외한다면 그 공통적인 구조는 외측으로 볼록한, 즉 단면이 라이너(100)의 표면에 대해 볼록하게 솟아오른 ∩자형의 환형 스프링인 것이다.
스프링 실(120)의 양 측면에는 라이너(100)와 넓게 접촉하는 평평한 면이 연장 형성되어 있는데, 스프링 실(120)은 그 양 측면 중 하류측(D) 측면의 단부만이 용접 등의 방식으로 라이너(100)에 고정된다.
트랜지션 피스(200)는 내벽(220) 및 내벽(220)과 소정의 간격을 가지면서 감싸는 외벽(210)의 이중관 구조를 가지고 있으며, 스프링 실(120)의 볼록한 부분이 트랜지션 피스(200)의 내벽(220)과 탄력적으로 접촉하여 그 마찰력에 의해 상호 연결된다.
여기서, 스프링 실(120)은 그 양 측면 중 어느 일 측면만이 라이너(100)에 고정되는데, 이는 스프링 실(120)이 트랜지션 피스(200)의 내벽(220) 안쪽으로 삽입되면서 탄성 변형할 때 양 측면이 모두 고정되어 있으면 스프링 실(120)의 볼록한 부분이 과도하게 변형되어 탄성 한계를 넘어설 수 있기 때문에 어느 일 측면은 자유롭게 움직이도록 하는 것이 바람직하기 때문이다.
특히, 본 발명은 스프링 실(120)의 양 측면 중 하류측(D) 측면의 단부만이 라이너(100)에 고정되도록 하고 있으며, 이와 함께 스프링 실(120)이 내벽(220)과 접촉하는 지점을 기준으로 하여 상류측(U) 절반의 영역에만 복수 개의 관통홀(125)을 형성하고 있다.
종래기술에서 설명한 바와 같이, 압축기에서 고압으로 압축된 공기의 일부는 가스터빈의 하우징 안에 충만되어 있고, 트랜지션 피스(200)의 외벽(210)과 라이너(100)를 감싸는 슬리브에 다수의 통공이 뚫려 있기 때문에 라이너(100)와 트랜지션 피스(200)를 냉각시키기 위한 압축공기는 라이너(100)의 외면과 트랜지션 피스(200)의 내벽(220)까지 도달하게 된다.
따라서, 스프링 실(120)은 내벽(220)과 접촉하는 지점을 기준으로 하여 상류측(U) 절반의 영역이 압축공기에 노출되기 때문에 이 절반의 영역에만 관통홀(125)을 형성하여도 라이너(100)의 냉각에 문제가 없다.
또한, 스프링 실(120)의 탄성 지지 구조를 본다면, 스프링 실(120)의 양 측면 중 어느 일 측면만이 라이너(100)에 고정되기 때문에 이 고정된 측면으로부터 내벽(220)과 접촉하는 볼록한 부분까지가 거의 대부분의 탄성 지지를 담당하게 되고, 나머지 절반은 탄성 지지 부분의 탄성 변형에 따라 단지 움직이게 될 뿐이다. 따라서, 라이너(100)에 고정되지 않는 절반의 영역에 관통홀(125)을 형성하여도 스프링 실(120)에 구조적으로 미치는 영향은 아주 적다.
위와 같은 냉각(압축공기의 도입)과 탄성 지지의 특성을 종합적으로 고려함에 따라, 본 발명은 스프링 실(120)의 양 측면 중 하류측(D) 측면의 단부만이 라이너(100)에 고정되도록 하는 한편 스프링 실(120)이 내벽(220)과 접촉하는 지점을 기준으로 하여 상류측(U) 절반의 영역에만 복수 개의 관통홀(125)을 형성함으로써 충분한 탄성 지지와 냉각이라는 두 가지 목적이 양립하도록 구성한 것이다.
그리고, 스프링 실(120)의 절반 영역에 형성된 관통홀(125)을 통해 도입된 압축공기는 스프링 실(120)의 표면까지 이르게 되는데, 본 발명은 스프링 실(120)이 감싸는 내부 영역의 라이너(100)에 복수 개의 통기홀(110)이 관통 형성하여 압축공기가 라이너(100)의 내면 및 이와 연결된 트랜지션 피스(200) 내벽(220)의 내면을 흐르도록 구성하였다.
즉, 스프링 실(120)에 형성된 관통홀(125) 및 라이너(100)에 형성된 통기홀(110)을 통해 압축공기는 라이너(100)의 내면 및 이와 연결된 트랜지션 피스(200) 내벽(220)의 내면을 따라 흐르게 되며, 이에 따라 라이너(100)와 트랜지션 피스(200) 내벽(220)의 내면에는 얇은 공기층이 형성되어 필름 냉각 효과를 구현하게 된다. 이러한 필름 냉각은 단순히 라이너(100)와 트랜지션 피스(200) 내벽(220)의 외면을 냉각하는 것에 비해 보다 적극적으로 연소가스의 열전달 자체를 차단하는 것이기 때문에 보다 우수한 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 3 및 도 4는 스프링 실(120)에 형성되는 관통홀(125)의 실시형태를 도시한 것인데, 도 3의 실시형태는 관통홀(125)이 스프링 실(120)의 안쪽에만 형성된 예를 도시한 것이고, 도 4는 관통홀(125)이 스프링 실(120)의 상류측(U) 측면 단부의 일부를 절개하도록 형성된 예를 도시한 것이다.
도 4의 실시형태는 스프링 실(120)에서 라이너(100)에 고정되지 않는 절반 영역의 단부를 관통홀(125)이 절개하는 형태이기 때문에 절개된 각 부분이 서로 구속되어 있지 않아 자유롭게 굽혀지거나 벌어질 수 있어 탄성 지지에는 아무런 역할을 하지 못하지만, 관통홀(125)이 도 3의 실시형태에 비해 기다란 슬릿의 형태를 가짐에 따라 압축공기가 통과하는 면적이 넓어지는 동시에 고르게 유동될 수 있다는 이점이 있다. 반대로 도 3의 실시형태는 도 4에 비해 상대적으로 스프링 실(120)이 구조적으로 튼튼한 대신 유동의 측면에서는 다소 균일하지 못하다는 면이 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 라이너(100)에 관통 형성된 통기홀(110)은 이를 통과하는 압축공기가 트렌지션 피스(200) 쪽으로 유도되도록 하류측(D)을 향해 경사지게 만들 수 있다.
또한, 복수 개의 통기홀(110) 중 최상류측에 배치된 통기홀(110)의 상류측(U)에 환형의 가이드(130)를 라이너(100)의 내면에 설치함으로써, 좀더 적극적으로 압축공기가 역류하지 않고 하류측(D)을 향해 나아가도록 유도하는 것도 가능하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예 및 실시형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
10: 가스터빈용 연소 덕트 조립체
100: 라이너 110: 통기홀
120: 스프링 실 125: 관통홀
130: 가이드 200: 트랜지션 피스
210: 외벽 220: 내벽
U: 상류측 D: 하류측
20: 연소기

Claims (20)

  1. 상류측에 연소기가 배치되고 하류측의 외면에 외측으로 볼록한 환형의 스프링 실이 부착된 라이너와, 상기 라이너의 스프링 실의 볼록한 부분과 탄력적으로 접촉하는 내벽 및 상기 내벽을 감싸는 외벽의 이중관 구조를 갖는 트랜지션 피스를 포함하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체에 있어서,
    상기 스프링 실은 그 양 측면 중 하류측 측면의 단부만이 상기 라이너에 고정되고, 상기 내벽과 접촉하는 지점을 기준으로 상류측 절반의 영역에만 복수 개의 관통홀이 형성되며,
    상기 라이너는 상기 스프링 실이 감싸는 내부 영역에 복수 개의 통기홀이 관통 형성되어 있고,
    상기 스프링 실의 양 측면 중 하류측 측면이 상기 내벽을 탄성 지지하고, 상류측 측면은 상기 하류측 측면의 탄성 변형에 따라 자유롭게 움직이는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통기홀은 상기 스프링 실이 감싸는 내부 영역에만 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 스프링 실의 상류측 측면 단부의 일부를 절개하도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 관통홀은 복수 개의 슬릿으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통기홀은 하류측을 향하도록 경사지게 관통 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너의 내면에는 상기 복수 개의 통기홀 중 최상류측에 배치된 통기홀의 상류측에 위치하는 환형의 가이드가 설치된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소 덕트 조립체.
  7. 삭제
  8. 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되고 연소함으로써 팽창하는 고온의 연소 가스가 생성되는 연소기; 및 상기 연소기에서 만들어진 상기 연소 가스를 터빈으로 전달하는 연소 덕트 조립체;를 포함하는 가스터빈에 있어서,
    상기 연소 덕트 조립체는 상기 연소기를 기준으로 하류측의 외면에 외측으로 볼록한 환형의 스프링 실이 부착된 라이너와, 상기 라이너의 스프링 실의 볼록한 부분과 탄력적으로 접촉하는 내벽 및 상기 내벽을 감싸는 외벽의 이중관 구조를 갖는 트랜지션 피스를 포함하고,
    상기 스프링 실은 그 양 측면 중 하류측 측면의 단부만이 상기 라이너에 고정되고, 상기 내벽과 접촉하는 지점을 기준으로 상류측 절반의 영역에만 복수 개의 관통홀이 형성되며,
    상기 라이너는 상기 스프링 실이 감싸는 내부 영역에 복수 개의 통기홀이 관통 형성되어 있고,
    상기 스프링 실의 양 측면 중 하류측 측면이 상기 내벽을 탄성 지지하고, 상류측 측면은 상기 하류측 측면의 탄성 변형에 따라 자유롭게 움직이는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 통기홀은 상기 스프링 실이 감싸는 내부 영역에만 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 스프링 실의 상류측 측면 단부의 일부를 절개하도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관통홀은 복수 개의 슬릿으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 통기홀은 하류측을 향하도록 경사지게 관통 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너의 내면에는 상기 복수 개의 통기홀 중 최상류측에 배치된 통기홀의 상류측에 위치하는 환형의 가이드가 설치된 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 압축기에서 압축된 공기의 일부는 상기 라이너의 외면과 트랜지션 피스의 내벽까지 도달하여 상기 라이너와 트랜지션 피스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스프링 실은 상기 트랜지션 피스의 내벽과 접촉하는 지점을 기준으로 하여 상류측 절반의 영역이 상기 압축공기에 노출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스프링 실의 상류측 절반의 영역에 도달한 상기 압축공기는 상기 관통홀을 통해 상기 스프링 실의 내부로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스프링 실의 내부로 도입된 압축공기는 상기 라이너에 관통 형성된 상기 통기홀을 통해 상기 라이너의 내면 및 상기 트랜지션 피스 내벽의 내면으로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 라이너의 내면 및 상기 트랜지션 피스 내벽의 내면으로 도입된 상기 압축공기는 필름 냉각 효과를 구현하는 공기층을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 환형의 가이드는 상기 스프링 실의 관통홀과 상기 라이너의 통기홀을 통해 상기 라이너의 내면 및 상기 트랜지션 피스 내벽의 내면으로 도입된 압축공기가 상류측으로 역류하지 않도록 유도하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
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