KR101872856B1 - 다층 복합 충돌 및 유출 냉각이 가능한 중공 핀과 충돌 흡입 구조의 가스터빈 연소기 라이너 - Google Patents

다층 복합 충돌 및 유출 냉각이 가능한 중공 핀과 충돌 흡입 구조의 가스터빈 연소기 라이너 Download PDF

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cooling fluid
combustor liner
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조형희
김상제
김선호
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김정주
방민호
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 가스터빈의 연소기 라이너에 관한 발명으로 특히, 본 발명은 다층 구조의 가스터빈의 연소기 라이너로서, 냉각유체가 최초 유입되는 임핀지 홀(impingement hole), 냉각유체가 최종 유출되는 이퓨전 홀(effusion hole) 및 냉각유체가 다층 구조 사이를 이동할 수 있는 흡입 홀(Suction hole)을 포함하고, 상기 임핀지 홀을 형성하는 중공핀이 배치되고, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 제 1구역과, 상기 이퓨전 홀을 형성하는 중공핀이 배치되고, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 제 2구역으로 구분되며, 냉각유체가 상기 임핀지 홀을 통해 유입되어 상기 제2구역의 공간으로 유동한 다음, 상기 제 2구역으로부터 상기 제 1구역의 공간으로 이동하고, 상기 흡입 홀을 통하여 제 1구역에서 제 2구역으로 유동한 후, 상기 제 1구역에 형성된 상기 이퓨전 홀을 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너를 제공한다.
이와 같은 구성을 통하여, 냉각 유체와 연소기 벽면 사이의 열 교환 면적을 증가시켜 열 전달을 촉진시킴으로써 냉각 효율을 극대화하고 압력 강하 특성을 개선시킬 수 있다.

Description

다층 복합 충돌 및 유출 냉각이 가능한 중공 핀과 충돌 흡입 구조의 가스터빈 연소기 라이너{Gas turbine combustion liner with laminated complex structure integrating hollow pin and suction structure capable of impingement and effusion cooling}
본 발명은 연소기 냉각 효율 향상시키기 위한 연소기 라이너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소기 라이너 내에 중공 핀 및 충돌 흡입 구조를 포함하여 대류냉각의 효과를 향상시키고, 냉각 유체가 내부로 유출되는 유출 홀을 갖춰 외부 냉각까지 가능한 냉각효과의 향상을 도모할 수 있는 연소기 라이너에 관한 것이다.
가스터빈은 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관이다. 가스터빈은 기본적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 구성되어 있으며, 압축기로 공기를 압축시키고, 압축된 공기를 연소실로 이동시켜 연료를 분사하여 연소시킨다.
연소실에서 발생한 고온, 고압의 가스를 터빈에 분사되면서 팽창하여 터빈을 구동시킨다.
연소기의 구성을 상세히 살펴보면, 연소기 케이스 내부에 연소기 라이너가 형성되어 있고, 연소기 라이너 내부에는 연소실이 형성되어 있다.
연소기는 압축기와 연결되어 있어, 압축기에서 압축된 공기가 연소기로 공급되는데 압축 공기는 다양한 용도로 사용된다.
압축 공기는 연소실 내에 공급되어 연료 노즐을 통하여 분사되는 연료와 함께 연소되어 압축 공기는 고온 고압의 연소가스로 변하여 터빈 구동에 사용된다.
상기 언급한 바와 같이 연소기는 내부에 연소실 형성되어 있는 바, 가스 터빈 전체 사이클에서 가장 높은 온도의 연소가스를 직접적으로 접촉하는 부분이므로 열에 의한 손상을 주의해야 한다.
상기 열 손상을 방지하고자, 압축 공기의 일부는 연소기 라이너를 통하여 연소기 냉각에 사용되는데, 이 때 압축 공기는 압축기와 연소기의 배치상 압축기 최 후단에서 추기된 고급 압축 공기를 사용할 수 밖에 없다.
즉, 압축일을 줄이고 터빈일을 상승시켜 터빈 전체 효율을 상승시키기 위해서는, 최소한의 압축공기를 사용하면서 구조적 배치를 통하여 냉각 효율을 높일 수 있는 방안이 요구된다.
이에 따라, 종래의 선행특허(KR-1591398)은 라이너 내벽에 임핀지 냉각홀과 전열핀을 형성한 점은 후술할 본 발명의 내용과 유사한 면이 있으나, 다층의 복합 충돌 및 유출을 통한 냉각 방식에 대하여는 제공하지 않는다.
또한, 선행특허 (10-1994-0011861)는 후술할 본 발명과 유사한 충돌 및 유출 냉각 방식을 제시하고 있으나, 상기 냉각을 위한 라이너의 구조가 본 발명과는 상이하다.
선행특허 (US 14/142604)도 앞선 선행문헌과 마찬가지로 충돌 및 유출 냉각 방식에 대하여 제시하고는 있으나, 라이너 내부 구조가 본 발명과 상이하여 냉각 효율에 차이가 있다.
위와 같이, 종래의 기술 역시도 냉각효율을 개선하려는 움직임을 보이고 있으나, 터빈 효율을 더 증가시키기 위해서는 조금 더 적은 양의 압축 공기를 이용하여 효율적으로 냉각할 수 있는 방안에 대한 고찰이 요구된다.
한국등록특허(등록번호 : KR 10-1591398) “가스터빈 엔진용 연소기 및 가스 터빈” 한국공개특허(출원번호 : 10-1994-0011861) “가스 터빈 연소실” 미국공개특허(출원번호 : US 14/142604) “가스터빈 엔진용 연소기 및 가스 터빈”
본 발명은 가스터빈 구동 시에 가장 고온 고압의 가스에 노출되는 연소기의 냉각 효율을 높이기 위한 발명으로써, 본 발명은 연소기 라이너를 다층으로 구성하고 중공 핀을 이용하여 충돌 흡입이 가능한 구조를 갖춤에 따라 복합 충돌과 유출을 통한 냉각을 가능하게 한다.
이에 따라 본 발명에 따른 가스터빈은 최소한의 압축 공기로 연소기를 냉각함으로써, 연소기 냉각 효율을 높이고 나아가 터빈 효율까지 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제 1층, 2층, 3층으로 구성된 삼층 복합 구조의 가스터빈의 연소기 라이너로서, 냉각유체가 최초 유입되는 임핀지 홀(impingement hole), 냉각유체가 최종 유출되는 이퓨전 홀(effusion hole) 및 상기 제 2층에 형성되어, 냉각유체가 삼층 복합 구조 사이를 유동할 수 있도록 하는 흡입 홀(Suction hole)을 포함하고,
상기 제 1층과 제 2층 사이에 상기 임핀지 홀을 형성하는 중공핀이 배치되어, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 제 1구역이 형성되고, 상기 제 2층과 제 3층 사이에 상기 이퓨전 홀을 형성하는 중공핀이 배치되어, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 제 2구역이 형성되며, 냉각유체는 상기 임핀지 홀을 통해 유입되어 상기 제 2구역의 연소기 라이너 최 외곽 벽면과 충돌한 후, 상기 흡입 홀을 통하여 제 2구역에서 제 1구역 방향으로 유동하며 연소기 라이너를 대류 냉각시키고, 제1 구역으로 유동한 냉각유체는 상기 이퓨전 홀을 통해 연소기 라이너 최 외곽으로 유출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너를 제공한다.
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아울러, 상기 임핀지 홀을 통해 유입된 냉각 유체가 상기 제 1구역과 제 2구역 사이를 유동한 후 연소기 라이너 밖으로 유출될 수 있도록, 상기 임핀지 홀과 상기 이퓨전 홀은 상면에서 봤을 때 서로 엇갈려 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 상기 이퓨전 홀은 다층 구조를 기준으로 경사지게 형성되어 냉각 유체가 기울어진 방향으로 분사될 수 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 이퓨전 홀과 다층 구조의 레이어(Layer)가 이루는 각도는 45° 내지 60°인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 삼층 복합 구조(Triple layer)에 제 4층(layer)을 더 포함하여,
상기 이퓨전 홀을 통과한 냉각 유체가 상기 제 4층과 충돌할 수 있는 제 3구역이 형성되며,
상기 제 4층은 최 외곽 유동 홀을 포함하여,상기 제 3구역에 충돌한 냉각 유체가 상기 최 외곽 유동 흘을 통해 유출되어 연소기 라이너를 막냉각할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 4층은 복수개의 핀(Pin)에 의하여 삼층 복합 구조와 결합될 수 있다.
본 발명은 다층 구조의 연소기 라이너 내에 임핀지 홀(impingement hole)과 이퓨전 홀(effusion hole)을 포함하여, 제트 형태로 냉각 유체를 연소기 최 외곽 영역의 내측면에 분사하여 충돌 냉각시키고, 충돌 냉각 후 다층 복합 구조 내의 가이드를 따라 외부로 유출되며 막냉각이 가능하게 한다.
이에 따라, 냉각 유체와 연소기 벽면 사이의 열 교환 면적을 증가시켜 열 전달을 촉진시킴으로써 냉각 효율을 극대화하고 압력 강하 특성을 개선시킬 수 있다.
아울러, 최소한의 압축 공기를 사용하여 연소기 냉각이 가능해짐에 따라 압축일은 감소하고 터빈일은 상승하여 전체적인 가스 터빈의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 가스터빈의 연소기에 관한 단면도이다.
도 2는 종래의 가스터빈 연소기 라이너 구조에 관하여 확대한 사시도이다.
도 3은 종래의 가스터빈 연소기 라이너 구조에 관한 도면으로 특히, 도 3 (a)는 종래 연소기 라이너의 단면도에 관한, 그리고 도 3(b)는 종래 연소기 라이너의 평면도에 관한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 가스터빈의 연소기 라이너 구조에 관하여 확대한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 가스터빈 연소기 라이너 구조에 관한 도면으로 특히 도 5 (a)는 본 발명의 연소기 라이너의 단면도에 관한, 그리고 도 5 (b) 본 발명의 연소기 라이너의 평면도에 관한 도면이다.
도 6은 가스터빈 연소기 라이너의 최 외곽 벽면의 냉각 성능 분포에 관한 도면으로, 특히 도 6 (a)는 종래의 연소기 라이너의 냉각 성능 분포에 관한, 그리고 도 6 (b) 는 본 발명의 연소기 라이너의 냉각 성능 분포에 관한 도면이다.
도 7은 종래의 연소기 라이너와 본 발명의 연소기 라이너의 성능을 비교한 도면으로, 특히 도 7 (a)는 냉각효율을 비교한 도면이고, 그리고 도 7 (b)는 압력 강하를 비교한 도면이다.
도 8은 이퓨전 홀이 경사지게 형성된 경우의 가스터빈 연소기 라이너에 관한 사시도이다.
도 9는 이퓨전 홀이 경사지게 형성된 경우의 가스터빈 연소기 라이너 구조의 단면도이다.
도 10은 가스터빈 연소기 라이너의 구조에 따라 성능을 비교한 도면으로, 특히 도 10 (a)는 종래의 연소기 라이너 구조, 본 발명의 이퓨전 홀이 수직으로 형성된 라이너 구조 및 이퓨전 홀이 경사진 경우의 냉각효율을 비교한 도면이며, 그리고 도 10 (b)는 소기 라이너 구조, 본 발명의 이퓨전 홀이 수직으로 형성된 라이너 구조 및 이퓨전 홀이 경사진 경우의 압력 강하를 비교한 도면이다.
도 11은 추가 층(Layer)를 포함하는 본 발명의 가스터빈 연소기 라이너에 관한 사시도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 출원에서, “포함하다.” 또는 “가지다.” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 가스터빈의 연소기에 관한 단면도이다.
가스터빈은 고온, 고압의 가스를 이용하여 터빈을 구동하여 일을 발생시키는 장치이다. 가스터빈은 압축기, 연소기, 그리고 터빈으로 구성되며, 압축기는 연소에 사용될 공기를 압축하고, 압축된 공기는 연소기에 투입되어 연소기 내에서 분사되는 연료와 함께 연소되어 고온, 고압의 가스가 생성된다.
연소기(100)에서 생성된 고온, 고압의 가스는 터빈(150)으로 공급되어 터빈(150)을 구동시킴에 따라 일을 생성할 수 있다.
이 때, 연소기는 연소기 라이너(200)를 포함하며, 연소기 라이너(200) 내부에는 연소실(160)이 구비되어, 압축기 케이징(120)로부터 공급된 고압의 공기와 연료 분사기(110)에서 분사된 연료가 연소 장치(140)에 의하여 연소(combustion) 된다.
이에 따라, 연소기(100)는 터빈 구동 구간 중 가장 고온, 고압의 연소 가스를 직접적으로 접할 수 밖에 없어, 연소기의 열 손상을 방지하기 위해서는 효과적인 냉각이 요구된다.
연소기(100) 냉각은 압축기와 연소기가 연결된 구조의 특성상, 압축기 최 후단에서 추기된 고급 압축 공기를 사용할 수 밖에 없는데, 상기 언급한 바와 같이 고급 압축 공기는 고온 고압 가스 생성에도 사용되므로 냉각 효율을 높여 최소한의 압축 공기로 연소기를 냉각시켜야만 터빈의 효율을 높일 수 있다.
도 2는 종래의 가스터빈 연소기 라이너 구조에 관하여 확대한 사시도이다.
도 3은 종래의 가스터빈 연소기 라이너 구조에 관한 도면으로 특히, 도 3 (a)는 종래 연소기 라이너의 단면도에 관한, 그리고 도 3(b)는 종래 연소기 라이너의 평면도에 관한 도면이다.
종래의 냉각 방법은 도 2 내지 도 3에서 알 수 있듯이, 고압의 압축 공기를 연소기 라이너(200)에 형성된 냉각 홀(210)을 통하여 최 외곽으로 분사하여 막냉각시키는 방식을 취하였다.
보다 자세하게는, 냉각유체가 냉각 홀(210) 사이를 유동하여 직접적으로 연소가스와 접촉함으로써 연소기 라이너(200)를 냉각할 수 있었다.
도 4는 본 발명에 따른 가스터빈의 연소기 라이너 구조에 관하여 확대한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 가스터빈 연소기 라이너 구조에 관한 도면으로 특히 도 5 (a)는 본 발명의 연소기 라이너의 단면도에 관한, 그리고 도 5 (b) 본 발명의 연소기 라이너의 평면도에 관한 도면이다.
종래의 연소기 라이너 구조에 비하여, 본 발명은 냉각 효율을 향상시키기 위해 냉각유체가 최초 유입되는 임핀지 홀(impingement hole, 220), 냉각유체가 최종 유출되는 이퓨전 홀(effusion hole, 230) 및 냉각유체가 다층 구조 사이를 이동할 수 있는 흡입 홀(Suction hole, 240)을 포함하는 다층 구조의 가스터빈의 연소기 라이너(200)를 제공한다.
도 4 내지 5를 참조하면 알 수 있듯이 본 발명은 연소기 라이너(200)에 있어서 상기 임핀지 홀(220)을 형성하는 중공핀이 배치되고, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 영역을 제 1구역(250), 상기 이퓨전 홀(230)을 형성하는 중공핀이 배치되고, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 영역을 제 2구역(260)으로 구분할 수 있다.
고압의 냉각공기는 상기 임핀지 홀(220)을 통해 유입되어 상기 제 1구역(250)에서 제 2구역(260) 공간으로 유동한다.
그 후, 상기 흡입 홀(240)을 통하여 제 2구역(260)에서 제 1구역(250)으로 유동한 후, 제 1구역에서 상기 제 2구역 방향으로 형성된 상기 이퓨전 홀(230)을 통해 라이너 최 외곽으로 유출된다. 이 때, 최 외곽으로 유출된 냉각 유체는 연소기 라이너 표면을 막냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다층 구조는 특히 삼층 복합 구조(Triple layer)로 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 제 1층(201)과 제 2층(202)에 의하여 상기 임핀지 홀(220)을 포함하는 상기 제 1구역(250)이 형성되며, 제 2층에는 냉각 유체가 상기 제 1구역(250)과 상기 제 2구역(260) 사이를 유동할 수 있도록 하는 상기 흡입 홀(240)을 포함한다.
또한, 상기 제 2층(202)과 제 3층(203)에 의하여는 상기 이퓨전 홀(230)이 형성되는 제 2구역(260)이 형성된다.
앞서 언급한 종래의 연소기 라이너(200) 구조는 냉각 홀(210)을 통과하는 과정에서만 열 교환이 이루어지는 반면, 본 발명은 상기 임핀지 홀(220)과 이퓨전 홀(230)을 통과하면서 냉각 유체와 연소기 라이너(200) 사이에 열 교환이 발생하여 연소기 라이너(200)를 냉각할 수 있다.
또한, 냉각 유체가 상기 임핀지 홀(220)을 거쳐 충돌 제트 형태로 라이너의 층(Layer)에 분사되어 연소기 라이너 최 외곽 벽면과 충돌하게 되므로, 상기 충돌 영역은 국소적으로 높은 냉각 효율을 보일 수 있다.
이 뿐만 아니라, 본 발명의 기술적 사상의 핵심에 해당되는 흡입 홀(240)을 형성하여 상기 제 1구역(250)과 제 2구역(260) 사이를 유동하면서 대류 냉각할 수 있을 뿐 아니라, 냉각 유체가 유동하는 구간이 증가함에 따라 열 교환 면적이 증가하여 고온의 연소기 라이너(200)와 고압의 냉각 유체 사이의 열 교환량을 증가시킬 수 있다.
도 6은 가스터빈 연소기 라이너의 최 외곽 벽면의 냉각 성능 분포에 관한 도면으로, 특히 도 6 (a)는 종래의 연소기 라이너의 냉각 성능 분포에 관한, 그리고 도 6 (b) 는 본 발명의 연소기 라이너의 냉각 성능 분포에 관한 도면이다.
도 6 (a)와 (b)를 비교하면 알 수 있듯이, 임핀지 홀을 통한 충돌 제트 냉각에 따라 국소적으로 냉각 효율이 상승하여, 본 발명의 연소기 라이너는 종래의 가스터빈 연소기 라이너에 비하여 최 외곽 벽면의 냉각 성능이 향상함을 확인할 수 있다.
도 7은 종래의 연소기 라이너와 본 발명의 연소기 라이너의 성능을 비교한 도면으로, 특히 도 7 (a)는 냉각효율을 비교한 도면이고, 그리고 도 7 (b)는 압력 강하를 비교한 도면이다.
Figure 112017041559354-pat00001
··· 식 (1)
도 7 (a)는 냉각 성능을 식 (1)과 같이 무 차원화하여 종래와 본 발명의 냉각 성능을 비교한 것이다.
Figure 112017041559354-pat00002
··· 식 (2)
도 7 (b)는 압력 강하를 식 (2)와 같이 무 차원화하여 종래와 본 발명의 압력 강하를 비교한 것이다.
상기 도 7과 같이 무 차원화하여 비교한 결과, 충돌제트 방식의 냉각을 활용함에 따라 압력 강하는 종래에 비하여 약 2.7배 가량 증가함을 확인할 수 있으나, 반면 본 발명의 목적에 해당하는 냉각성능은 약 18% 가량 향상함을 확인할 수 있다.
본 발명에 따르면 종래에 비하여 냉각 유체의 압력 강하량이 증가한다는 문제가 있으나, 압력 강하에 따라 더 고급의 압축 공기를 사용하는 것에 비하여 냉각 효율 개선이 크므로 압력 강하는 크게 문제 되지 않는다.
즉, 본 발명의 가스터빈 연소기 라이너(200)는 라이너 구조 내에 임핀지 홀(220), 이퓨전 홀(230) 및 흡입 홀(240)을 형성하여 종래의 연소기 라이너에 비하여 높은 냉각 효율 낼 수 있어 더 적은 양의 압축 공기를 사용하여 냉각이 가능해진다.
아울러, 본 발명은 상기 임핀지 홀(220)로 유입된 냉각 유체가 그대로 상기 이퓨전 홀(23)으로 나가기 때문에 냉각 유체의 흐름을 고려하였을 때, 상기 임핀지 홀(220)과 상기 이퓨전 홀(230)은 홀 직경 크기가 동일한 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라서 직경의 크기를 변경하는 것은 무관하다.
또한, 본 발명은 냉각유체가 상기 임핀지 홀(220)을 통해 유입된 후 상기 제 1구역(250)과 제 2구역(260) 사이를 유동하며 열 교환 면적을 넓히면서 연소기 라이너(200) 밖으로 유출될 수 있도록, 상기 임핀지 홀(220)과 상기 이퓨전 홀(230)은 도 5와 같이 상면에서 봤을 때 서로 엇갈려 형성되는 것이 바람직하다.
상기 임핀지 홀(220)과 상기 이퓨전 홀(230)이 나란하게 형성된 경우에는, 상기 임핀지 홀(220)로 유입된 냉각 유체가 곧바로 상기 이퓨전 홀(230)로 유동하여 라이너 최 외곽으로 유출되게 되는 바, 상기 제 2구역의 라이너의 최 외곽 벽면을 충돌 제트 냉각시킬 수 없다.
아울러, 냉각 유체가 곧바로 라이너 외곽으로 유출되면 상기 흡입 홀(240)을 통하여 열 교환 면적을 증가시킬 수 없어 종래와 비교하여 개선된 냉각 효과를 얻을 수 없다.
도 8은 이퓨전 홀이 경사지게 형성된 경우의 가스터빈 연소기 라이너에 관한 사시도이다.
도 9는 이퓨전 홀이 경사지게 형성된 경우의 가스터빈 연소기 라이너 구조의 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예로 이퓨전 홀(230)은 층 구조(Layer)를 기준으로 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 이퓨전 홀(230)이 경사지게 형성됨에 따라 냉각 유체 또한 기울어진 방향으로 유동할 수 있다.
이 때, 층 구조는 앞서 언급한 제 1층, 제2 층 또는 제 3층을 의미하는 용어이다.
상기 이퓨전 홀(230)이 기울어져 형성됨에 따라 냉각 유체가 상기 이퓨전 홀(230)을 유동하는 길이가 늘어나 열 교환 면적이 증가할 수 있고, 이에 따라 냉각 성능이 향상될 수 있다.
상기 이퓨전 홀(230)과 상기 층(Layer)이 이루는 각도는 45° 내지 60°각도를 이루어 냉각 유체의 유동을 방해하지 않으면서 냉각 성능을 향상시키는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라 각도를 달리할 수 있다.
상기 각도가 45°보다 작은 경우에는 후술할 층 사이를 결합하는 핀(Pin)과 충돌할 여지가 있으므로 45°이상인 것이 바람직하다. 다만, 핀과 충돌하지 않는다면 실시예에 따라 각도를 변경하여도 무관하다.
도 10은 가스터빈 연소기 라이너의 구조에 따라 성능을 비교한 도면으로, 특히 도 10 (a)는 종래의 연소기 라이너 구조, 본 발명의 이퓨전 홀이 수직으로 형성된 라이너 구조 및 이퓨전 홀이 경사진 경우의 냉각효율을 비교한 도면이며, 그리고 도 10 (b)는 소기 라이너 구조, 본 발명의 이퓨전 홀이 수직으로 형성된 라이너 구조 및 이퓨전 홀이 경사진 경우의 압력 강하를 비교한 도면이다.
도 10을 살펴 보면, 상기 이퓨전 홀(230)을 수직으로 형성하였을 때 비하여, 비스듬하게 형성하였을 때, 압력 강하 측면에서 약 9% 가량 증가하지만, 열 교환 면적의 증가에 따라 8% 가량 냉각 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 11은 추가 층(Layer)을 포함하는 본 발명의 가스터빈 연소기 라이너에 관한 사시도이다.
마지막으로, 본 발명은 상기 삼층 복합 구조(Triple layer)에 제 4층(layer, 270)을 더 포함하여, 상기 이퓨전 홀(230)을 통과한 냉각 유체가 상기 제 4층(270)에 충돌하는 제 3구역(280)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 4층(270)은 최 외곽 유동 홀(290)을 포함하여, 상기 제 3구역(280)에 충돌한 냉각 유체가 상기 최 외곽 유동 홀(290)을 통해 유출되어 연소기 라이너(200)를 막냉각시킬 수 있다.
이 때, 상기 제 4층(270)은 종래의 다층 복합 구조와 핀(Pin, 271)으로 연결되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 층(Layer)을 추가할 수 있다면 다른 방식으로 연결되어도 무관하다. 또한, 추가되는 층의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 추가 층도 복합 구조와 핀으로 결합될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 연소기 110 : 연료 분사기
120 : 압축기 케이싱 130 : 노즐
140 : 연소 장치 150 : 터빈
160 : 연소실
200 : 연소기 라이너
210 : 냉각 홀
220 : 임핀지 홀 230 : 이퓨전 홀
240 : 흡입 홀
250 : 제 1구역 260 : 제 2구역
270 : 제 4층 271 : 핀
280 : 제 3구역 290 : 최 외곽 유동 홀

Claims (7)

  1. 제 1층, 2층, 3층으로 구성된 삼층 복합 구조의 가스터빈의 연소기 라이너로서,
    냉각유체가 최초 유입되는 임핀지 홀(impingement hole);
    냉각유체가 최종 유출되는 이퓨전 홀(effusion hole); 및
    상기 제 2층에 형성되어, 냉각유체가 삼층 복합 구조 사이를 유동할 수 있도록 하는 흡입 홀(Suction hole)을 포함하고,
    상기 제 1층과 제 2층 사이에 상기 임핀지 홀을 형성하는 중공핀이 배치되어, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 제 1구역이 형성되고,
    상기 제 2층과 제 3층 사이에 상기 이퓨전 홀을 형성하는 중공핀이 배치되어, 유체가 유동할 수 있는 공간이 마련된 제 2구역이 형성되며,
    냉각유체는 상기 임핀지 홀을 통해 유입되어 상기 제 2구역의 연소기 라이너 최 외곽 벽면과 충돌한 후, 상기 흡입 홀을 통하여 제 2구역에서 제 1구역 방향으로 유동하며 연소기 라이너를 대류 냉각시키고,
    제1 구역으로 유동한 냉각유체는 상기 이퓨전 홀을 통해 연소기 라이너 최 외곽으로 유출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 임핀지 홀을 통해 유입된 냉각 유체가 상기 제 1구역과 제 2구역 사이를 유동한 후 연소기 라이너 밖으로 유출될 수 있도록,
    상기 임핀지 홀과 상기 이퓨전 홀은 상면에서 봤을 때 서로 엇갈려 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이퓨전 홀은 층 구조(Layer)를 기준으로 경사지게 형성되어 냉각 유체가 기울어진 방향으로 분사될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이퓨전 홀과 상기 층 구조(Layer)가 이루는 각도는 45° 내지 60°인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너.
  6. 제 1항에 있어서,
    삼층 복합 구조(Triple layer)에 제 4층(layer)을 더 포함하여,
    상기 이퓨전 홀을 통과한 냉각 유체가 상기 제 4층과 충돌할 수 있는 제 3구역이 형성되며,
    상기 제 4층은 최 외곽 유동 홀을 포함하여,
    상기 제 3구역에 충돌한 냉각 유체가 상기 최 외곽 유동 흘을 통해 유출되어 연소기 라이너를 막냉각할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 4층은 복수개의 핀(Pin)에 의하여 삼층 복합 구조와 결합되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기 라이너.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007501927A (ja) * 2003-08-13 2007-02-01 シーメンス　アクチエンゲゼルシヤフト 燃焼ガスを案内する構成要素
JP2011089461A (ja) * 2009-10-22 2011-05-06 Ihi Corp 冷却構造、燃焼器及びタービン翼
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