KR101877675B1 - 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기, 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트랜지션 피스의 측면에 형성되는 고온 영역을 냉각시키기 위한 냉각 효율이 개선된 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기, 가스터빈에 관한 것으로, 연소기 라이너와 터빈을 연결하는 트랜지션 피스와, 상기 트랜지션 피스를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브와, 상기 충돌 슬리브에 형성되는 냉각홀 및 상기 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 공기를 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부를 포함하는 트랜지션 피스 조립체를 제공한다.

Description

트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기, 가스터빈 {A transition piece assembly and a combustor and a gas turbine including the same}

본 발명은 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기, 가스터빈에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로서, 증기를 이용하면 증기터빈, 연소가스를 이용하면 가스터빈이라고 한다.

가스터빈은 대기의 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 고압의 공기를 공급하는 압축기, 고온·고압의 연소가스를 생성하기 위한 연소기 및 연소기로부터 토출되는 연소가스에 의해 구동하여 회전축을 회전시키는 터빈을 포함하여 이루어진다. 가스터빈의 작동원리는 먼저 대기의 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 가스를 만들어서 터빈을 동작시키고 배기가스를 대기 중으로 방출하는 것으로, 압축, 가열, 팽창, 방열의 단계로 이루어진다.

가스터빈의 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 고온·고압의 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 이루어진다. 라이너부는 연료를 압축공기와 함께 연소시켜 고온의 압축가스를 생성하고, 상기 고온의 압축가스는 터빈으로 유입되어 팽창하면서 터빈과 연결된 회전축을 회전시키게 된다. 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.

이를 위해, 다공 슬리브가 상기 트랜지션 피스를 둘러싸며, 다공 슬리브에 형성된 냉각홀을 통하여 압축기 방출 공기가 내부로 유동하게 되고, 트랜지션 피스의 외벽부와 충돌하여 냉각시키게 된다. 그 후, 냉각 공기는 트랜지션 피스를 둘러싸는 다공 슬리브와 트랜지션 피스 사이의 공간을 따라 유동하여, 라이너부 측으로 유동된다.

도 7은 가스터빈의 구동 시 트랜지션 피스의 온도 분포를 나타내는 온도 분포도이며, 이 때 도 7에 도시된 바와 같이 트랜지션 피스의 온도 분포를 살펴보면, 트랜지션 피스의 측면에 고온의 영역이 형성되는 것을 볼 수 있다.

하지만, 종래의 트랜지션 피스는 트랜지션 피스를 둘러싸는 다공 슬리브를 포함하고 있으나, 측면으로 냉각 공기가 충분히 유입되지 않아 냉각이 잘 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.

이에 따라, 트랜지션 피스가 적절히 냉각되지 않아 연소가스의 높은 온도에 의해 파손될 위험성이 있으며, 가스터빈의 효율이 낮아지고 수명이 짧아진다.

대한민국 공개특허공보 제10-2004-0045359호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 트랜지션 피스의 측면에 형성되는 고온 영역을 냉각시키기 위한 냉각 효율이 개선된 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기, 가스터빈을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 연소기 라이너와 터빈을 연결하는 트랜지션 피스와, 상기 트랜지션 피스를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브와, 상기 충돌 슬리브에 형성되는 냉각홀 및 상기 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 공기를 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부를 포함하는 트랜지션 피스 조립체를 제공한다.

또한, 본 발명은 연료를 점화시키는 점화부와, 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기 라이너 및 상기 연소기 라이너와 터빈을 연결하는 트랜지션 피스 조립체를 포함하되, 상기 트랜지션 피스 조립체는, 상기 연소기 라이너의 후단에 연결되는 트랜지션 피스와, 상기 트랜지션 피스를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브와, 상기 충돌 슬리브에 형성되는 냉각홀 및 상기 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 공기를 상기 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부를 포함하는 연소기를 제공한다.

또한, 본 발명은 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기 및 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈을 포함하되, 상기 연소기는, 연료를 점화시키는 점화부와, 상기 압축기에서 유입되는 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기 라이너 및 상기 연소기 라이너와 상기 터빈을 연결하는 트랜지션 피스 조립체를 포함하며, 상기 트랜지션 피스 조립체는, 상기 연소기 라이너의 후단에 연결되는 트랜지션 피스와, 상기 트랜지션 피스를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브와, 상기 충돌 슬리브에 형성되는 냉각홀 및 상기 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 공기를 상기 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

이때, 상기 가이드부는 상기 냉각홀 부근에 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드부는 상기 충돌 슬리브의 내측으로 돌출 형성될 수 있다.

상기 가이드부는 상기 트랜지션 피스의 측면을 향해 기울어진 테이퍼면을 이루며 돌출 형성될 수 있다.

상기 가이드부는 상기 충돌 슬리브의 내측에 단차를 이루며 형성될 수 있다.

상기 가이드부의 단차는 계단 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 가이드부의 단차는 곡선으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기, 가스터빈은, 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 공기를 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부를 포함하여 트랜지션 피스의 측면으로 냉각 공기의 유입이 증가되면서 고온 영역의 냉각이 효율적으로 이루어질 수 있다.

이에 따라, 트랜지션 피스의 냉각 효율이 개선됨에 따라 연소가스의 높은 온도에 의해 트랜지션 피스 조립체가 파손될 위험성이 낮아지며, 가스터빈의 효율이 높아지고 수명이 늘어나는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 가스터빈의 연소기를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 측단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 부분의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체를 나타내기 위한 타단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체를 나타내기 위한 타단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체를 나타내기 위한 타단면도이다.
도 7은 가스터빈의 구동 시 트랜지션 피스의 온도 분포를 나타내는 온도 분포도이다.
도 8은 상기 제1 내지 제4 실시 예가 적용될 수 있는 가스터빈을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도1 내지 도6 및 도 8을 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

도 1은 가스터빈의 연소기를 개략적으로 도시한 측면도, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 측단면도, 도 3은 도 2의 A-A 부분의 단면도, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체를 나타내기 위한 타단면도, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체를 나타내기 위한 타단면도, 도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체를 나타내기 위한 타단면도이며, 도 8은 상기 제1 내지 제4 실시 예가 적용될 수 있는 가스터빈을 도시한 도면이다.

우선, 본 발명의 트랜지션 피스 조립체의 실시 예가 적용될 수 있는 가스터빈에 대해 설명하도록 한다.

도 8을 참조하면, 가스터빈(1000)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈은 하우징(1102)을 구비하고 있고, 상기 하우징(1102)의 후측에는 터빈을 ?과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(1106)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 디퓨저(1106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(1102)의 상류측에 압축기 섹션(1110)이 위치하고, 하류측에 터빈 섹션(1120)이 배치된다. 그리고, 상기 압축기 섹션(1110)과 상기 터빈 섹션(1120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(1130)가 배치되어 있다.

상기 압축기 섹션(1110)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1140)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1140)들은 타이로드(1150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1140)는 대략 중앙을 상기 타이로드(1150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1140)는 대향하는 면이 상기 타이로드(1150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 로터 디스크(1140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(1144)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(1144)는 루트부(1146)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(1140)에 체결된다.

상기 각각의 로터 디스크(1140)의 사이에는 상기 하우징(1102)에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 로터 디스크(1140)와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크(1140)의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

상기 루트부(1146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

상기 타이로드(1150)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(1140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(1130) 내에서 고정된다.

상기 타이로드(1150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 8에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(1)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있고, 상기 연소기(1)는 연료를 점화시키는 점화부(52)와, 연료를 압축공기와 함께 연소시켜 고온의 압축가스를 생성하기 위해 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner; 50), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스 조립체(Transition Piece; 100)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.

한편, 상기 연소기(1)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈 섹션(1120)은 기본적으로는 압축기 섹션(1110)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈 섹션(1120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크(1140)와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(1180)가 구비된다. 따라서, 상기 터빈 로터 디스크(1180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1184)도 포함한다. 상기 터빈 블레이드(1184) 역시 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(1180)에 결합될 수 있다. 아울러, 상기 터빈 로터 디스크(1180)의 블레이드(1184)의 사이에도 상기 하우징(1102)에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(1110)에서 압축되고, 연소기(1)에서 연소된 후, 터빈 섹션(1120)으로 보내져 터빈을 구동하고, 디퓨저(1106)를 통해 대기중으로 배출된다.

이하 구체적으로, 도 1 내지 3을 참고하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체 및 이를 포함하는 연소기의 구조를 설명하도록 한다.

도 1에는 가스터빈의 연소기(1)가 개략적으로 도시되어 있으며, 본 발명의 연소기(1)는 점화부(52), 연소기 라이너(50) 및 트랜지션 피스 조립체(100)를 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 연소기 라이너(50)는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너(50)는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 라이너(50)의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 상기 점화부(52)가 결합될 수 있다.

또한, 상기 연소기 라이너(50)의 후단에는 상기 라이너(50)에서 연소된 연소가스를 상기 터빈 섹션(1120) 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스 조립체(100)가 연결된다. 즉, 상기 트랜지션 피스 조립체(100)는 상기 연소기 라이너(50)로부터 생성된 연소가스를 터빈 섹션(1120) 측으로 전달하기 위한 것으로, 고온가스의 속도를 증가시키는 부분이다.

이때, 상기 트랜지션 피스 조립체(100)는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각될 수 있다.

이를 위해, 상기 트랜지션 피스 조립체(100)에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너(50) 측으로 유동된다.

구체적으로, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스터빈의 트랜지션 피스 조립체(100)는 가스터빈의 연소기 라이너(50)와 터빈을 연결하는 트랜지션 피스(110)와, 상기 트랜지션 피스(110)를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브(120)와, 상기 충돌 슬리브(120)에 형성되는 냉각홀(130) 및 상기 충돌 슬리브(120)의 내측에 형성되어 공기를 트랜지션 피스(110)의 측면으로 유도하기 위한 가이드부(200)를 포함한다.

상기 트랜지션 피스(transition piece)(110)는 튜브 형상으로 형성되어 가스터빈의 연소기 라이너(50)와 터빈을 연결하며, 연소기 라이너(50)로부터 생성된 연소가스를 터빈 측으로 전달하기 위함이다. 연소가스는 트랜지션 피스(110)를 통해 속도가 증가되어 터빈 내로 고속 유동한다. 상기 트랜지션 피스(110)는 연소기 라이너의 단면 형상에 맞게 원통, 사각통 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있으나, 연소기 라이너와 결합되는 일단부는 대향하는 연소기 라이너의 단면 형상과 동일하게 형성되고, 터빈 측과 결합되는 타단부는 대향하는 터빈의 단면 형상과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.

본 일 실시예에서 트랜지션 피스(110)의 일단은 연소기 라이너(50)에 연결되지만, 일부 적용예에서는 별개의 커넥터 부품이 트랜지션 피스(110)의 일단과 연소기 라이너(50) 사이에 위치될 수 있다.

충돌 슬리브(120)는 반경방향으로 이격된 상태로 상기 트랜지션 피스(110)를 둘러싸며, 원통 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 트랜지션 피스(110)와 충돌 슬리브(120) 사이에는 일정한 공간부(140)가 형성된다. 상기 충돌 슬리브(120)에는 냉각홀(130)이 사방으로 형성되어 있으며, 상기 냉각홀(130)은 다수의 열에 맞춰서 배열될 수 있다. 상기 냉각홀(130)은 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.

가이드부(200)는 상기 충돌 슬리브(120)의 내측에 형성되어 공기를 트랜지션 피스(110)의 측면으로 유도하기 위한 역할을 한다. 상기 가이드부(200)는 상기 냉각홀(130) 부근에 형성되며, 제1 실시 예에 따르면 상기 가이드부(200)는 상기 충돌 슬리브(120)의 내측으로 돌출 형성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가이드부(200)는 상기 충돌 슬리브(120)의 하부 내측에 형성되며, 냉각홀(130) 부근에 위치된다. 상기 가이드부(200)는 상기 냉각홀(130)을 통해 유입된 냉각 공기가 트랜지션 피스(110)의 측면의 외벽부를 향해 유도될 수 있도록 돌출 형성되어 있다. 더욱이, 상기 트랜지션 피스 조립체(100)의 크로스 단면(A-A)에서 좌우의 중심이 되는 중심선(a)을 기준으로 좌측에 위치한 좌측 냉각홀(130a)로 유입되는 냉각 공기는 좌측면으로 유도되도록 하고, 우측에 위치한 우측 냉각홀(130b)로 유입되는 냉각 공기는 우측면으로 유도되도록 한다.

이를 위해, 좌측 냉각홀(130a)의 경우에는 각각의 냉각홀의 우측에 위치한 충돌 슬리브 단부에 가이드부(200)가 벽을 형성하며 돌출되어 있다. 이로 인해, 좌측 냉각홀(130a)로 유입된 냉각 공기는 각 우측에 돌출 형성된 가이드부(200)에 의해 우측으로 이동하지 못하고 대부분의 냉각 공기가 좌측으로 이동하도록 배향된다. 또한, 우측 냉각홀(130b)의 경우에는 각각의 냉각홀의 좌측에 위치한 충돌 슬리브 단부에 가이드부(200)가 벽을 형성하며 돌출되어 있다. 이로 인해, 우측 냉각홀(130b)로 유입된 냉각 공기는 각 좌측에 돌출 형성된 가이드부(200)에 의해 좌측으로 이동하지 못하고 대부분의 냉각 공기가 우측으로 이동하도록 배향된다.

따라서, 각각 좌측 및 우측으로 냉각 공기가 집중적으로 배향되어 유동되는 공기의 양이 많아지면서, 각 측면부로의 냉각공기 유입 또한 증가하게 된다. 이에 따라, 트랜지션 피스(110)의 측면에 형성되는 고온 영역을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 참고로, 도 3에 냉각공기의 이동 경로를 화살표로 나타내었다.

다음으로는, 도 4를 참고하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스터빈의 트랜지션 피스 조립체(2100)의 구조를 설명하도록 한다. 제2 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체(2100)는 제1 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체(100)의 구조와 가이드부의 형상만 상이할 뿐, 나머지 구성은 동일하다. 따라서, 트랜지션 피스(110), 충돌 슬리브(120) 및 냉각홀(130)에 대한 설명은 생략하며, 상이한 가이드부를 중심으로 설명하도록 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제2 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(2200)는 상기 충돌 슬리브(120)의 하부 내측에 형성되며, 냉각홀(130) 부근에 위치된다. 상기 가이드부(2200)는 제1 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(200)와 유사하게 상기 냉각홀(130)을 통해 유입된 냉각 공기가 트랜지션 피스의 측면의 외벽부를 향해 유도될 수 있도록 돌출 형성되어 있다. 다만, 상기 가이드부(2200)는 상기 트랜지션 피스(110)의 측면을 향해 기울어진 테이퍼면을 이루며 돌출 형성된다. 더욱이, 상기 트랜지션 피스 조립체(2100)의 크로스 단면(A-A)에서 좌우의 중심이 되는 중심선(a)을 기준으로 좌측에 위치한 좌측 냉각홀(130a)로 유입되는 냉각 공기는 좌측면으로 유도되도록 하고, 우측에 위치한 우측 냉각홀(130b)로 유입되는 냉각 공기는 우측면으로 유도되도록 한다.

이를 위해, 좌측 냉각홀(130a)의 경우에는 각각의 냉각홀의 우측에 위치한 충돌 슬리브 단부에 가이드부(2200)가 벽을 형성하며 돌출되어 있고, 상기 가이드부(2200)는 좌측면을 향해 기울어진 상태로 형성된다. 이로 인해, 좌측 냉각홀(130a)로 유입된 냉각 공기는 각 우측에 돌출 형성된 가이드부(2200)에 의해 우측으로 이동하지 못하고 대부분의 냉각 공기가 좌측으로 이동하도록 배향된다. 더욱이, 상기 가이드부(2200)는 좌측면을 향해 기울어진 테이퍼면을 형성하기 때문에 더욱 용이하게 배향될 수 있다. 또한, 우측 냉각홀(130b)의 경우에는 각각의 냉각홀의 좌측에 위치한 충돌 슬리브 단부에 가이드부(2200)가 벽을 형성하며 돌출되어 있고, 상기 가이드부(2200)는 우측면을 향해 기울어진 상태로 형성된다. 이로 인해, 우측 냉각홀(130b)로 유입된 냉각 공기는 각 좌측에 돌출 형성된 가이드부(2200)에 의해 좌측으로 이동하지 못하고 대부분의 냉각 공기가 우측으로 이동하도록 배향된다. 더욱이, 상기 가이드부(2200)는 우측면을 향해 기울어진 테이퍼면을 형성하기 때문에 더욱 용이하게 배향될 수 있다.

따라서, 각각 좌측 및 우측으로 냉각 공기가 집중적으로 배향되어 유동되는 공기의 양이 많아지면서, 각 측면부로의 냉각공기 유입 또한 증가하게 된다. 이에 따라, 트랜지션 피스(110)의 측면에 형성되는 고온 영역을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 참고로, 도 4에 냉각공기의 이동 경로를 화살표로 나타내었다.

다음으로는, 도 5를 참고하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가스터빈의 트랜지션 피스 조립체(3100)의 구조를 설명하도록 한다. 제3 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체(3100)는 제1 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체(100)의 구조와 가이드부의 형상만 상이할 뿐, 나머지 구성은 동일하다. 따라서, 트랜지션 피스(110), 충돌 슬리브(120) 및 냉각홀(130)에 대한 설명은 생략하며, 상이한 가이드부를 중심으로 설명하도록 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제3 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(3200)는 상기 충돌 슬리브(120)의 하부 내측에 형성되며, 냉각홀(130) 부근에 위치된다. 상기 가이드부(3200)는 냉각홀(130)을 통해 유입된 냉각 공기가 트랜지션 피스(110)의 측면의 외벽부를 향해 유도될 수 있도록, 상기 충돌 슬리브(120)의 내측에 단차를 이루며 형성된다. 더욱이, 상기 트랜지션 피스 조립체(3100)의 크로스 단면(A-A)에서 좌우의 중심이 되는 중심선(a)을 기준으로 좌측에 위치한 좌측 냉각홀(130a)로 유입되는 냉각 공기는 좌측면으로 유도되도록 하고, 우측에 위치한 우측 냉각홀(130b)로 유입되는 냉각 공기는 우측면으로 유도되도록 한다.

본 일 실시예에서 상기 가이드부(3200)의 단차는 계단 형상으로 이루어진다. 구체적으로, 좌측 냉각홀(130a)의 경우에는 각각의 냉각홀의 좌측에 위치한 충돌 슬리브의 단부에 홈이 형성되어, 좌측으로 가면서 충돌 슬리브의 두께가 두꺼워지며 계단(step)을 형성하게 된다. 이로 인해, 좌측 냉각홀(130a)의 경우에는 좌측에 위치한 충돌 슬리브가 우측에 위치한 충돌 슬리브보다 높이가 낮게 형성되어 있어, 제1 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(200)와 같이 좌측 냉각홀(130a)의 우측에 돌출된 벽이 형성된 것과 같은 효과를 가진다. 따라서, 좌측 냉각홀(130a)로 유입된 냉각 공기는 우측으로 이동하지 않고, 대부분의 냉각 공기가 좌측에 위치한 가이드부(3200)를 따라 좌측으로 이동하도록 배향될 수 있다.

또한, 우측 냉각홀(130b)의 경우에는 각각의 냉각홀의 우측에 위치한 충돌 슬리브의 단부에 홈이 형성되어, 우측으로 가면서 충돌 슬리브의 두께가 두꺼워지며 계단(step)을 형성하게 된다. 이로 인해, 우측 냉각홀(130b)의 경우에는 우측에 위치한 충돌 슬리브가 좌측에 위치한 충돌 슬리브보다 높이가 낮게 형성되어 있어, 제1 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(200)와 같이 우측 냉각홀(130b)의 좌측에 돌출된 벽이 형성된 것과 같은 효과를 가진다. 따라서, 우측 냉각홀(130b)로 유입된 냉각 공기는 좌측으로 이동하지 않고, 대부분의 냉각 공기가 우측에 위치한 가이드부(3200)를 따라 우측으로 이동하도록 배향될 수 있다.

따라서, 각각 좌측 및 우측으로 냉각 공기가 집중적으로 배향되어 유동되는 공기의 양이 많아지면서, 각 측면부로의 냉각공기 유입 또한 증가하게 된다. 이에 따라, 트랜지션 피스(110)의 측면에 형성되는 고온 영역을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 참고로, 도 5에 냉각공기의 이동 경로를 화살표로 나타내었다.

다음으로는, 도 6을 참고하여 본 발명의 제4 실시 예에 따른 가스터빈의 트랜지션 피스 조립체(4100)의 구조를 설명하도록 한다. 제4 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체(4100)는 제3 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체(3100)의 구조와 가이드부의 형상만 상이할 뿐, 나머지 구성은 동일하다. 따라서, 트랜지션 피스(110), 충돌 슬리브(120) 및 냉각홀(130)에 대한 설명은 생략하며, 상이한 가이드부를 중심으로 설명하도록 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제4 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(4200)는 상기 충돌 슬리브(120)의 하부 내측에 형성되며, 냉각홀(130) 부근에 위치된다. 상기 가이드부(4200)는 제3 실시 예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(3200)와 유사하게 냉각홀(130)을 통해 유입된 냉각 공기가 트랜지션 피스(110)의 측면의 외벽부를 향해 유도될 수 있도록, 상기 충돌 슬리브(120)의 내측에 단차를 이루며 형성된다. 다만, 상기 가이드부(4200)의 단차는 곡선으로 이루어진다. 더욱이, 상기 트랜지션 피스 조립체(4100)의 크로스 단면(A-A)에서 좌우의 중심이 되는 중심선(a)을 기준으로 좌측에 위치한 좌측 냉각홀(130a)로 유입되는 냉각 공기는 좌측면으로 유도되도록 하고, 우측에 위치한 우측 냉각홀(130b)로 유입되는 냉각 공기는 우측면으로 유도되도록 한다. 나아가, 도면에 도시되어 있지는 않으나, 유입된 냉각 공기가 트랜지션 피스(110)의 외측으로 유도될 수 있도록, 트랜지션 피스 조립체의 중심선(a)에서 양 사이드로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형상일 수도 있다.

본 일 실시예에서 상기 가이드부(4200)의 단차는 곡선으로 이루어진다. 구체적으로, 좌측 냉각홀(130a)의 경우에는 각각의 냉각홀의 좌측에 위치한 충돌 슬리브의 단부에 홈이 형성되며, 상기 홈은 곡선을 이루며 오목한 모양으로 형성될 수 있고, 이에 따라 좌측으로 갈수록 서서히 충돌 슬리브의 높이가 높아지며 단차를 형성하게 된다. 여기서, 상기 홈은 오목한 모양으로 한정되지 않고, 곡선으로 형성되는 볼록한 모양, 물결 모양 등의 어느 것이라도 무관하다. 이로 인해, 좌측 냉각홀(130a)의 경우에는 좌측에 위치한 충돌 슬리브가 우측에 위치한 충돌 슬리브보다 높이가 낮게 형성되어 있어, 제1 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(200)와 같이 좌측 냉각홀(130a)의 우측에 돌출된 벽이 형성된 것과 같은 효과를 가진다. 따라서, 좌측 냉각홀(130a)로 유입된 냉각 공기는 우측으로 이동하지 않고, 대부분의 냉각 공기가 좌측에 위치한 가이드부(4200)를 따라 좌측으로 이동하도록 배향될 수 있다. 더욱이, 상기 가이드부(4200)는 곡선으로 형성되어 서서히 높이가 높아지며 단차를 형성하기 때문에, 급격히 단차를 형성하는 것보다 냉각 공기의 에너지의 손실 없이 용이하게 배향할 수 있다.

또한, 우측 냉각홀(130b)의 경우에는 각각의 냉각홀의 우측에 위치한 충돌 슬리브의 단부에 홈이 형성되며, 상기 홈은 곡선을 이루며 오목한 모양으로 형성될 수 있고, 이에 따라 우측으로 갈수록 서서히 충돌 슬리브의 높이가 높아지며 단차를 형성하게 된다. 여기서, 상기 홈은 오목한 모양으로 한정되지 않고, 곡선으로 형성되는 볼록한 모양, 물결 모양 등의 어느 것이라도 무관하다. 이로 인해, 우측 냉각홀(130b)의 경우에는 우측에 위치한 충돌 슬리브가 좌측에 위치한 충돌 슬리브보다 높이가 낮게 형성되어 있어, 제1 실시예에 따른 트랜지션 피스 조립체의 가이드부(200)와 같이 우측 냉각홀(130b)의 좌측에 돌출된 벽이 형성된 것과 같은 효과를 가진다. 따라서, 우측 냉각홀(130b)로 유입된 냉각 공기는 좌측으로 이동하지 않고, 대부분의 냉각 공기가 우측에 위치한 가이드부(4200)를 따라 우측으로 이동하도록 배향될 수 있다. 더욱이, 상기 가이드부(4200)는 곡선으로 형성되어 서서히 높이가 높아지며 단차를 형성하기 때문에, 급격히 단차를 형성하는 것보다 냉각 공기의 에너지의 손실 없이 용이하게 배향할 수 있다.

따라서, 각각 좌측 및 우측으로 냉각 공기가 집중적으로 배향되어 유동되는 공기의 양이 많아지면서, 각 측면부로의 냉각공기 유입 또한 증가하게 된다. 이에 따라, 트랜지션 피스(110)의 측면에 형성되는 고온 영역을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 참고로, 도 6에 냉각공기의 이동 경로를 화살표로 나타내었다.

다음으로는, 본 발명의 가스터빈의 트랜지션 피스 조립체(100, 2100, 3100, 4100)에서 트랜지션 피스(110)가 냉각되는 과정을 간략하게 살펴보도록 한다.

상기 연소기 라이너(50) 내에서 연소된 연소가스의 온도는 약 1500℃로 매우 고온의 가스이기 때문에, 상기 트랜지션 피스(110)는 연소가스의 높은 온도에 의해 파손되지 않도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각되어야 한다.

압축기에서 배출된 압축 냉각 공기는 상기 충돌 슬리브(120)에 형성된 다수의 냉각홀(130)을 통해 상기 트랜지션 피스와 충돌 슬리브 사이의 공간부(140)로 진입하여, 트랜지션 피스의 외벽부와 부딪히며 외벽부를 냉각시키게 된다. 이 때, 상기 충돌 슬리브의 하부에 위치한 냉각홀로 유입된 냉각공기는 충돌 슬리브의 하부 내측에 형성된 가이드부(200, 2200, 3200, 4200)를 따라서, 좌측 냉각홀(130a)로 유입된 냉각공기는 트랜지션 피스(110)의 좌측면으로, 우측 냉각홀(130b)로 유입된 냉각공기는 트랜지션 피스(110)의 우측면으로 배향되어 이동하게 된다.

상기와 같이 가이드부(200, 2200, 3200, 4200)에 의해 트랜지션 피스(110)의 측면부로 냉각 공기가 유도되면서 측면부로의 공기 유입이 증가하게 된다. 이에 따라, 유속 증가로 인해 압력이 하강하게 되고, 충돌 슬리브(120)의 외부 유체 대비 낮은 압력을 형성하게 되어 충돌 슬리브의 내부로 공기가 유입된다. 결과적으로, 트랜지션 피스(110)의 측면부에 형성되는 고온 영역의 냉각이 효율적으로 이루어질 수 있다.

상기 트랜지션 피스와 충돌 슬리브 사이의 공간부(140)에서 트랜지션 피스(110)의 외벽부를 냉각시킨 냉각 공기는 연소기 라이너(50) 측의 공간부로 이동하여 라이너의 외벽부 또한 냉각시킨 뒤, 결과적으로 연소기 내의 연소가스와 혼합된다.

즉, 상기 라이너(50)의 환형공간에는 상기 트랜지션 피스(110)를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 상기 라이너(50)의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리부에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1 : 연소기 50 : 연소기 라이너
52 : 점화부
100, 2100, 3100, 4100 : 트랜지션 피스 조립체
110 : 트랜지션 피스 120 : 충돌 슬리브
130 : 냉각홀 140 : 공간부
200, 2200, 3200, 4200 : 가이드부
1000: 가스터빈 1102: 하우징
1106: 디퓨저 1110: 압축기 섹션
1120: 터빈 섹션 1130: 토크튜브
1140: 압축기 로터 디스크 1142: 플랜지
1144: 블레이드 1146: 루트부
1150: 타이로드 1180: 터빈 로터 디스크
1182: 플랜지 1184: 터빈 블레이드

Claims (20)

1. 연소기 라이너와 터빈을 연결하는 트랜지션 피스;
   상기 트랜지션 피스를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브;
   상기 충돌 슬리브에 형성되는 복수의 냉각홀; 및
   상기 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 상기 복수의 냉각홀을 통해 유입되는 공기를 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부;를 포함하며,
   상기 가이드부는 상기 충돌 슬리브의 내측으로 돌출 형성되고,
   상기 가이드부는 상기 각각의 냉각홀의 일측에 구비되되, 상기 트랜지션 피스의 측면과 먼 측에 구비되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 조립체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 가이드부는 상기 트랜지션 피스의 측면을 향해 기울어진 테이퍼면을 이루며 돌출 형성된 트랜지션 피스 조립체.
5. 연소기 라이너와 터빈을 연결하는 트랜지션 피스;
   상기 트랜지션 피스를 둘러싸고 있는 충돌 슬리브;
   상기 충돌 슬리브에 형성되는 복수의 냉각홀; 및
   상기 충돌 슬리브의 내측에 형성되어 상기 복수의 냉각홀을 통해 유입되는 공기를 트랜지션 피스의 측면으로 유도하기 위한 가이드부;를 포함하며,
   상기 가이드부는 상기 충돌 슬리브의 내측에 단차를 이루며 형성되고,
   상기 가이드부는 상기 각각의 냉각홀의 일측에 구비되되, 상기 트랜지션 피스의 측면과 가까운 측에 구비되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 조립체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 가이드부의 단차는 계단 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 조립체.
7. 제5항에 있어서,
   상기 가이드부의 단차는 곡선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 조립체.
8. 연료를 점화시키는 점화부;
   압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기 라이너; 및
   제1항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 트랜지션 피스 조립체;
   를 포함하는 연소기.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 제8항의 연소기; 및
    상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;
    을 포함하는 가스터빈.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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