KR101981379B1 - 배기 프레임 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기 프레임의 냉각 효율의 저하를 억제한다.
배기 프레임(4)은 내주 케이싱(9A)과, 내주 케이싱(9A)과의 사이에 최종단 휠 스페이스(21)에 접속되는 환상의 내주 냉각 유로(16)를 형성하는 내주 디퓨저(10A)와, 내주 디퓨저(10A)와의 사이에 배기 유로(18)를 형성하는 외주 디퓨저(10B)와, 외주 디퓨저(10B)와의 사이에 환상의 외주 냉각 유로(19)를 형성하는 외주 케이싱(9B)과, 배기 유로(18)를 걸쳐서 내주 케이싱(9A) 및 외주 케이싱(9B)을 연결하는 스트러트(11)와, 내주 디퓨저(10A) 및 외주 디퓨저(10B)를 연결함과 함께, 스트러트(11)와의 사이에 내주 냉각 유로(16) 및 외주 냉각 유로(19)를 연결하는 환상의 연락 유로(22)를 형성하는 스트러트 커버(12)와, 연소 가스(7)의 흐름 방향에 있어서 스트러트(11)의 중심선 X보다도 하류측의 위치에서 외주 냉각 유로(19)의 벽면에 형성한 연통 구멍(24)을 구비한다.

Description

배기 프레임{EXHAUST FRAME}

본 발명은 가스 터빈의 배기 프레임에 관한 것이다.

최근, 가스 터빈의 효율을 향상시키기 위해, 연소 온도를 상승시키는 것이 요구되고 있다. 가스 터빈의 연소 온도가 상승하면, 그것에 수반하여 터빈 배기의 온도도 상승하기 때문에, 터빈 배기가 유입되는 배기 프레임의 온도도 상승할 수 있다. 따라서, 배기 프레임을 효율적으로 냉각하고, 배기 프레임의 보전성을 확보할 필요가 있다.

배기 프레임을 냉각하는 방법으로서, 냉각 공급 구멍을 통하여 배기 프레임 내에 공급된 냉각 공기를 스트러트와 스트러트 커버의 사이에 형성된 스트러트 사이 스페이스를 통하여 터빈의 최종단 휠 스페이스로 유도하는 방법이 있다(특허문헌 1 등을 참조).

일본 특허 공개 제2005-83199호 공보

스트러트 사이 스페이스는, 연소 가스가 흐르는 방향에 있어서 냉각 공급 구멍이나 최종단 휠 스페이스보다도 하류측의 위치에서, 연소 가스의 유로에 걸쳐져 연장되는 스트러트를 덮도록 통 형상으로 형성된다. 따라서, 스트러트 사이 스페이스의 냉각 공급 구멍으로부터 가장 가까운 부분(이하, 전방측 스페이스)을 경유할 경우의 유로 길이에 비하여, 냉각 공급 구멍으로부터 가장 먼 부분(이하, 안측 스페이스)을 경유할 경우의 유로 길이의 쪽이 길어진다. 일반적으로, 유로를 흐르는 냉각 공기의 압력 손실은 유로 길이가 짧을수록 작아지고, 냉각 공기의 공급 압력이 일정한 경우, 압력 손실이 작을수록 냉각 공기의 유량은 증가한다. 그로 인해, 특허문헌 1에서는, 전방측 스페이스를 경유하는 냉각 공기의 유량이 증가하고, 안측 스페이스를 경유하는 냉각 공기의 유량이 감소한다.

안측 스페이스를 경유하는 냉각 공기의 유량이 감소하면, 안측 스페이스의 입구 부근의 유로 내에서 냉각 공기가 고이기 쉬워진다. 이 경우, 안측 스페이스의 입구 부근에 있어서 배기 프레임의 냉각 효율이 저하될 가능성이 있다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 배기 프레임의 냉각 효율의 저하를 억제하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 터빈의 연소 가스의 출구에 접속하는 배기 프레임에 있어서, 내주 케이싱과, 상기 내주 케이싱의 외주측을 덮고, 상기 내주 케이싱과의 사이에 상기 터빈의 최종단 휠 스페이스에 접속되는 환상의 내주 냉각 유로를 형성하는 내주 디퓨저와, 상기 내주 디퓨저의 외주측을 덮고, 상기 내주 디퓨저와의 사이에 상기 연소 가스의 배기 유로를 형성하는 외주 디퓨저와, 상기 외주 디퓨저의 외주측을 덮고, 상기 외주 디퓨저와의 사이에 환상의 외주 냉각 유로를 형성하는 외주 케이싱과, 상기 배기 유로에 걸쳐져 상기 내주 케이싱 및 상기 외주 케이싱을 연결하는 스트러트와, 상기 내주 디퓨저 및 상기 외주 디퓨저를 연결함과 함께, 상기 스트러트를 덮고 상기 스트러트와의 사이에 상기 내주 냉각 유로 및 상기 외주 냉각 유로를 연결하는 환상의 연락 유로를 형성하는 스트러트 커버와, 상기 연소 가스의 흐름 방향에 있어서 상기 스트러트의 중심선보다도 하류측의 위치에서 상기 외주 냉각 유로의 벽면에 형성한 연통 구멍을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 배기 프레임의 냉각 효율의 저하를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 배기 프레임을 구비하는 가스 터빈의 일 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 배기 프레임의 개략 구성도이다.
도 3은 도 2의 III-III선의 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV선의 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 5는 비교예에 관한 배기 프레임의 개략 구성도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI선의 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 배기 프레임의 개략 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 배기 프레임의 개략 구성도이다.

<제1 실시 형태>

(구성)

1. 가스 터빈

도 1은 본 실시 형태에 따른 배기 프레임을 구비하는 가스 터빈의 일 구성예를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 따른 배기 프레임은, 예를 들어 지상에 설치되어 주로 발전에 사용되는 중구조형 가스 터빈에 적용된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈(100)은 압축기(1), 연소기(2), 터빈(3) 및 배기 프레임(4)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 압축기(1)와 터빈(3)은 샤프트(도시하지 않음)에 의해 서로 연결되어 있다. 압축기(1)는 터빈(3)에 의해 회전 구동되고, 흡기부(5)를 통하여 흡입된 공기(6)를 압축해서 고압 공기(연소 공기)를 생성하여, 연소기(2)에 공급한다. 연소기(2)는 압축기(1)로부터 공급된 고압 공기와 연료 계통(도시하지 않음)으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소하고, 고온의 연소 가스(7)를 생성하여 터빈(3)에 공급한다. 터빈(3)은 연소기(2)로부터 공급된 연소 가스(7)가 팽창함으로써 회전 구동된다. 터빈(3) 또는 압축기(1)에는, 부하 기기(도시하지 않음)가 연결되어 있다. 본 실시 형태에서는, 부하 기기로서 터빈(3)에 발전기가 연결되고, 터빈(3)의 회전 동력으로부터 압축기(1)를 구동하기 위한 동력을 차감한 동력이 발전기에서 전력으로 변환된다. 터빈(3)을 구동한 연소 가스(7)는 터빈 배기로서 배기 프레임(4)으로 유입되고, 배기 프레임(4) 및 배기 덕트(도시하지 않음)를 통하여 대기로 방출된다.

2. 배기 프레임

배기 프레임(4)은 터빈(3)의 연소 가스(7)의 흐름 방향의 하류측에 설치되고, 터빈(3)의 연소 가스(7)의 출구와 배기 덕트를 접속하고 있다. 이하, 연소 가스(7)의 흐름 방향의 상류, 하류를 간단히 「상류」, 「하류」라고 한다.

도 2는 본 실시 형태에 따른 배기 프레임의 개략 구성도, 도 3은 도 2의 III-III선의 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)은 케이싱(9), 상류측 디퓨저(10), 스트러트(11), 스트러트 커버(12), 하류측 디퓨저(13) 및 연통 구멍(24)을 구비하고 있다.

케이싱(9)은 배기 프레임(4)의 주위벽의 일부를 구성하고 있다. 케이싱(9)은 내주 케이싱(9A) 및 외주 케이싱(9B)을 구비하고, 내부에 환상의 공간을 형성하고 있다. 상류측 디퓨저(10)는 케이싱(9) 내에 수용되어 있다. 상류측 디퓨저(10)는 내주 디퓨저(10A) 및 외주 디퓨저(10B)를 구비하고 있다.

내주 케이싱(9A)은, 케이싱(9)의 내주벽을 구성하는 원추면 형상의 부재이다.

내주 디퓨저(10A)는, 내주 케이싱(9A)의 외주측을 덮도록 형성된 원추면 형상의 부재이며, 상류측 디퓨저(10)의 내주벽을 구성하고 있다. 내주 케이싱(9A) 및 내주 디퓨저(10A)의 상류측에는, 터빈(3)의 최종단 동익(27)을 구비하는 최종단 휠(25)이 설치되어 있다. 내주 케이싱(9A) 및 내주 디퓨저(10A)는, 그 상류측의 단부와 최종단 휠(25)의 사이에 스페이스(최종단 휠 스페이스)(21)를 확보하도록 최종단 휠(25)로부터 하류측으로 이격되어 있다. 내주 디퓨저(10A)와 내주 케이싱(9A)의 사이에 형성되는 환상의 공간은, 배기 프레임(4) 내에 공급된 냉각 공기가 흐르는 유로(내주 냉각 유로)(16)를 구성하고 있다. 내주 냉각 유로(16)는 최종단 휠 스페이스(21)에 접속되어 있다.

외주 디퓨저(10B)는, 내주 디퓨저(10A)의 외주측을 덮도록 형성된 원추면 형상의 부재이며, 상류측 디퓨저(10)의 외주벽을 구성하고 있다. 내주 디퓨저(10A)와 외주 디퓨저(10B)의 사이에 형성되는 환상의 공간은, 터빈(3)으로부터의 연소 가스(7)가 흐르는 유로(배기 유로)(18)를 구성하고 있다.

외주 케이싱(9B)은, 외주 디퓨저(10B)의 외주측을 덮도록 형성된 원추면 형상의 부재이며, 케이싱(9)의 외주벽을 구성하고 있다. 외주 디퓨저(10B)와 외주 케이싱(9B)의 사이에 형성되는 환상의 공간은, 배기 프레임(4) 내에 공급된 냉각 공기가 흐르는 유로(외주 냉각 유로)(19)를 구성하고 있다. 외주 냉각 유로(19)는 냉각 매체 공급 구멍(15)을 구비하고 있다. 냉각 매체 공급 구멍(15)은 외주 냉각 유로(19)의 연락 유로(22)(후술함)보다도 상류측의 위치에 형성된 냉각 공기의 도입 구멍이다. 본 실시 형태에서는, 압축기(1)(도 1을 참조)에서 생성된 고압 공기의 일부를 추기하여, 냉각 공기(23)로서 냉각 매체 공급 구멍(15)을 통하여 배기 프레임(4)에 공급하고 있다.

스트러트(11)는 내주 디퓨저(10A) 및 외주 디퓨저(10B)에 있어서의 하류측의 위치에서 배기 유로(18)를 걸치도록 설치되어 있고, 내주 케이싱(9A) 및 외주 케이싱(9B)을 연결하고 있다. 앞서 설명한 외주 케이싱(9B)은 터빈 가대(도시하지 않음)에 의해 지지되어 있고, 이 스트러트(11)는 외주 케이싱(9B)에 대하여 내주 케이싱(9A)을 지지하는 역할을 하고 있다. 스트러트(11)는 내주 케이싱(9A)의 주위 방향을 따라 등간격으로 복수(본 실시 형태에서는, 6개) 설치되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 스트러트(11)는 내주 케이싱(9A)으로부터 케이싱(9)의 직경 방향[내주 케이싱(9A)으로부터 외주 케이싱(9B)을 향하는 방향]으로 방사상으로 연장되어 있다. 단, 스트러트(11)는 내주 케이싱(9A)으로부터 케이싱(9)의 직경 방향에 대하여 주위 방향으로 경사져서 설치되어도 된다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 스트러트 커버(12)는 내주 디퓨저(10A) 및 외주 디퓨저(10B)를 연결함과 함께, 터빈(3)의 회전 방향(주위 방향)으로 연장되는 단면에서 보아 스트러트(11)의 외주측을 덮도록 설치되어 있다. 스트러트(11)와 스트러트 커버(12)의 사이에 형성되는 환상의 공간은, 내주 냉각 유로(16) 및 외주 냉각 유로(19)를 연결하는 유로(연락 유로)(22)를 구성하고 있다.

하류측 디퓨저(13)는 상류측 디퓨저(10)에 대하여 하류측에 플랜지(20)를 통하여 연결되어 있다. 외주 냉각 유로(19) 하류측의 단부는, 서로 연결된 외주 디퓨저(10B) 및 하류측 디퓨저(13)의 플랜지(20)로 폐지되어 있다. 하류측 디퓨저(13)는 내주 디퓨저(13A) 및 외주 디퓨저(13B)를 구비하고 있다. 내주 디퓨저(13A) 및 외주 디퓨저(13B)는, 나팔형으로 형성되며 서로의 사이에 형성되는 환상의 공간을 하류측에서 직경 방향 외측으로 전향시킨 부재이며, 각각 하류측 디퓨저(13)의 내주벽 및 외주벽을 구성하고 있다. 하류측 디퓨저(13) 내에는, 턴 베인(26)이 적어도 하나(본 실시 형태에서는 2개) 설치되어 있다. 턴 베인(26)은 배측면(정압면, 즉 오목 형상으로 오목해진 면)을 외주 디퓨저(13B)측으로, 등측면(부압면, 즉 볼록 형상으로 돌출된 면)을 내주 디퓨저(13A)측으로 향하도록 하여 설치되어 있다.

연통 구멍(24)은 연소 가스(7)의 흐름 방향에 있어서 스트러트(11)의 터빈 직경 방향으로 연장되는 중심선 X보다도 하류측의 위치에서 외주 냉각 유로(19)의 벽면에 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 연통 구멍(24)은 스트러트(11)의 후측 에지(11B)보다 하류측, 구체적으로는 외주 디퓨저(10B) 및 하류측 디퓨저(13)를 연결하는 플랜지(20)에 형성되어 있고, 그 연통 구멍(24)을 통하여 외주 냉각 유로(19)를 하류측 디퓨저(13) 외부의 공간, 즉 작동 유체, 냉각 공기, 시일 공기 등의 가스 터빈에 있어서의 유체의 계통의 외부에 접속되어 있다. 또한, 연통 구멍(24)의 위치에 대해서는, 스트러트(11)의 중심선 X보다도 후류측에 배치하는 것이 중요한데, 스트러트(11)의 후측 에지(11B)보다도 하류측에 배치함으로써, 냉각 유로 내의 고임 영역(상세는 후술)을 더욱 저감할 수 있다. 또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 연통 구멍(24)은 주위 방향으로 복수 형성되어 있다. 연통 구멍(24)의 주위 방향 피치는 외주 냉각 유로(19)를 가로 지르는 스트러트(11)의 주위 방향 피치보다도 짧게 설정되어 있고, 인접하는 스트러트(11) 사이의 위치에 연통 구멍(24)이 적어도 하나 배치되도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 터빈 축 방향에서 보아, 각 스트러트(11)에 대응하는 위치와 인접하는 스트러트(11)의 중간 위치에 각각 연통 구멍(24)이 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 인접하는 스트러트(11) 사이에 연통 구멍(24)을 하나 형성하고 있지만, 연통 구멍(24)을 복수 형성해도 된다. 이 경우, 연통 구멍(24)의 주위 방향 피치는 일정해도 되지만, 예를 들어 스트러트(11) 사이의 중앙 부근에서 밀하게, 스트러트(11)의 부근에서 성기게 연통 구멍(24)을 배치하는 등, 연통 구멍(24)의 분포에 치우침을 갖게 해도 된다. 본 실시 형태에서는, 각 연통 구멍(24)의 개구 면적이 동등해지도록 하고 있지만, 각 연통 구멍(24)의 개구 면적은 주위 방향으로 상이하도록 설정되어 있어도 된다. 연통 구멍(24)의 합계 개구 면적은, 배기 프레임(4)에 공급된 냉각 공기(23)의 대부분이 플랜지(20)로 차단되어, 연통 구멍(24)으로부터 유출되는 냉각 공기(23)의 유량이 가스 터빈 효율에 끼치는 영향을 무시할 수 있는 정도[예를 들어, 냉각 공기(23)의 3％ 정도]로 억제되도록 설정되어 있다. 연통 구멍(24)은 예를 들어 나사 구멍으로 하는 등 하여 플러그 등에 의해 폐지 가능하게 형성되어 있다.

(동작)

본 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)에 공급된 냉각 공기(23)의 흐름에 대하여 설명한다.

연소기(2)에서 생성되는 연소 가스(7)는 대기압에 비하여 고압(예를 들어, 2㎫ 정도)의 상태에서 터빈(3)으로 유입되고, 터빈(3)의 각 단에서 일을 하면서 압력 및 온도를 저하시켜, 최종단 동익(27)을 통과하여 배기 유로(18)로 유입된다(도 2를 참조). 배기 유로(18)로 유입될 때의 연소 가스(7)는 대기압보다 낮은 압력(예를 들어, 0.09㎫ 정도)으로까지 저하되어 있다. 배기 유로(18)로 유입된 연소 가스(7)는 배기 유로(18)를 하류측(출구측)으로 흐르는 과정에서 감속되어 대기압 정도까지 회복된다.

냉각 공기(23)는 압축기(1)에서 생성된 고압 공기의 일부를 추기한 것이며, 고압(예를 들어, 0.11㎫ 정도)의 상태에서 냉각 매체 공급 구멍(15)으로부터 외주 냉각 유로(19)로 공급된다. 배기 유로(18)로 유입되는 연소 가스(7)는 대기압에 비하여 저압이 되기 때문에, 외주 냉각 유로(19)에 공급된 냉각 공기(23)는 배기 유로(18)의 내부 압력과의 압력차에 의해, 외주 냉각 유로(19), 연락 유로(22) 및 내주 냉각 유로(16)를 흘러서 최종단 휠 스페이스(21)를 통하여 배기 유로(18)를 흐르는 연소 가스(7)에 합류된다. 이와 같이 하여, 케이싱(9), 상류측 디퓨저(10), 스트러트(11) 및 스트러트 커버(12)를 따라 냉각 공기(23)가 되돌아 흐름으로써, 케이싱(9), 상류측 디퓨저(10), 스트러트(11) 및 스트러트 커버(12)가 효과적으로 냉각된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 압축기(1)의 추기를 냉각 공기(23)로서 사용하는 예를 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 블로워 등 다른 공급원을 사용하는 것도 가능하다.

(효과)

(1) 도 5는 비교예에 관한 배기 프레임의 개략 구성도, 도 6은 도 5의 VI-VI선의 화살표 방향에서 본 단면도이다. 비교예에 관한 배기 프레임에서는, 외주 냉각 유로 F1에 공급된 냉각 공기 A는, 외주 냉각 유로 F1로부터 연락 유로 F2로 유입되고, 연락 유로 F2를 통하여 내주 냉각 유로 F3으로 유입되고, 내주 냉각 유로 F3을 통하여 배기 유로 E로 유입된다. 여기서, 외주 디퓨저 D의 연락 유로 F2의 스트러트 S의 전방 에지(11A)측을 경유하는 내측 순환의 유로(즉, 도 5의 a, b, e, f점을 경유하는 유로)의 유로 길이에 비하여, 연락 유로(22)의 스트러트 S의 후측 에지(11B)측을 경유하는 외측 순환의 유로(즉, 도 5의 a, b, c, d, e, f점을 경유하는 유로)의 유로 길이가 길어진다. 그로 인해, 내측 순환의 유로를 흐르는 냉각 공기 A의 유량에 비하여 외측 순환의 유로를 흐르는 냉각 공기 A의 유량이 적어진다. 즉, 외측 순환하여 연락 유로 F2의 스트러트 S의 후측 에지(11B)측으로 유입되는 냉각 공기 A의 유속이 감소하고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 연락 유로 F2의 인접하는 스트러트 S 사이의 후측 에지(11B)측의 입구 부근에서 냉각 공기 A의 고임 영역 P가 발생하여, 이것이 배기 프레임의 냉각 효율의 저하 요인이 될 수 있다.

도 4는 도 2의 IV-IV선의 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 외주 디퓨저(10B) 및 하류측 디퓨저(13)를 연결하는 플랜지(20)에 외주 냉각 유로(19)를 하류측 디퓨저(13) 외부의 공간과 접속되는 연통 구멍(24)을 형성하고 있다. 외주 냉각 유로(19)의 내부 압력은 하류측 디퓨저(13) 외부의 공간에 비하여 높게 되어 있으므로, 외주 냉각 유로(19) 하류측의 단부까지 도달한 냉각 공기(23)는 대부분이 플랜지(20)에 의해 차단되어 연락 유로(22)로 유출되지만, 일부가 연통 구멍(24)에 흡인된다. 이에 의해, 외주 냉각 유로(19)의 스트러트(11)의 후측 에지(11B) 부근의 냉각 공기(23)의 흐름을 촉진하고, 외측 순환하여 스트러트(11)의 후측 에지(11B)측의 연락 유로(22)로 유입되는 냉각 공기(23)의 유량, 유속을 증가시킬 수 있다. 즉, 비교예인 도 6에 도시한 고임 영역 P를 유통시키는 냉각 공기(23)의 유량을 증가시킬 수 있어, 이 영역의 냉각 효율의 저하를 억제하는 것이 가능하게 된다. 특히, 외주 냉각 유로(19)에 있어서의 고임 영역은, 상술한 외측 순환의 유로, 즉 스트러트의 중심선 X보다도 하류측에 형성되기 쉽기 때문에, 스트러트(11)의 중심선 X보다도 하류측에 연통 구멍(24)을 배치함으로써, 이 과제에 대응된 해결책으로 할 수 있다. 또한, 연통 구멍(24)의 위치를 스트러트(11)의 후측 에지(11B)보다도 하류측으로 함으로써, 냉각 공기(23)의 유량이 증가하여 유통되는 영역이 넓어지고, 고임 영역을 더욱 감소시킬 수 있다. 게다가, 본 실시 형태에서는, 인접하는 스트러트(11) 사이의 위치에 연통 구멍(24)을 형성하고 있으므로, 연락 유로(22)의 인접하는 스트러트(11) 사이의 후측 에지(11B)측의 입구 부근에서 발생하기 쉬운 냉각 공기(23)의 고임을 효과적으로 해소할 수 있다.

(2) 비교예에 관한 배기 프레임과 같이 연통 구멍이 형성되어 있지 않을 경우, 플랜지 G에 연통 구멍을 형성함으로써, 본 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)으로 할 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)은 기존의 배기 프레임에 비하여 간단한 작업을 실시함으로써 용이하게 얻어진다.

(3) 본 실시 형태에서는, 외주 냉각 유로(19)를 하류측 디퓨저(13) 외부의 공간과 접속되는 연통 구멍(24)을 형성함으로써 배기 프레임(4)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있기 때문에, 고내열 재료를 사용하지 않더라도 배기 프레임(4)의 보전성을 확보할 수 있다. 따라서, 고가의 고내열성 재료를 사용하여 배기 프레임을 제조하는 경우에 비하여, 제조 비용의 증가를 억제할 수 있다.

(4) 배기 프레임의 온도 상승을 억제하는 방법으로서, 냉각 공기의 유량을 증가시키는 방법 또는 스트러트의 수를 증가시키는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 전자의 방법에서는, 압축기로부터 추기한 고압 공기를 냉각 공기의 공급원으로 할 경우, 주류 가스의 유량이 감소하기 때문에 가스 터빈의 출력이 감소되어, 효율이 저하된다. 블로워 등의 다른 요소를 냉각 공기의 공급원으로 하는 경우에도, 블로워의 용량을 증가시킬 필요가 있기 때문에 비용이 증가한다. 또한, 냉각 공기의 유량을 증가시켜도 연락 유로 하류측의 입구 부근에서 냉각 공기가 고이기 쉬워지는 것은 변함없기 때문에, 단순하게 냉각 공기를 증가시키는 것만으로는 배기 프레임의 온도 상승을 억제하는 것은 곤란하다. 후자의 방법에서는, 스트러트의 수를 증가시켜서 연락 유로의 유로 면적을 증가시킴으로써 냉각 공기가 고이기 어려워져, 배기 프레임의 온도 상승을 억제할 수 있지만, 디퓨저를 흐르는 연소 가스의 흐름에 간섭하는 스트러트의 수가 증가함으로써, 디퓨저의 성능이 저하될 가능성이 있다.

이에 반해, 본 실시 형태에서는, 냉각 공기의 유량을 증가시키거나 스트러트의 수를 증가시키는 일 없이, 플랜지(20)에 가스 터빈 효율에 영향을 주는 일이 없을 정도의 크기의 연통 구멍(24)을 형성함으로써 배기 프레임(4)의 냉각 효율의 저하를 억제하고 있으므로, 가스 터빈 효율의 저하를 회피할 수 있고, 비용의 증가를 억제할 수 있다. 게다가, 디퓨저의 성능 저하도 피할 수 있다.

(5) 본 실시 형태에서는, 연통 구멍(24)을 폐지 가능하게 형성되어 있으므로, 예를 들어 외주 냉각 유로(19) 내에서 냉각 공기(23)의 고임이 발생하지 않는 환경의 경우, 연통 구멍(24)을 폐지함으로써, 냉각 공기(23)의 하류측 디퓨저(13) 외부의 공간으로의 방출을 억제할 수 있다.

<제2 실시 형태>

(구성)

도 7은 본 실시 형태에 따른 배기 프레임의 개략 구성도이다. 도 7에 있어서, 상기 제1 실시 형태와 동등한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 적절히 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 배기 프레임(104)은 연통 구멍의 위치가 제1 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)과 상이하다. 기타 구성은, 제1 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)과 마찬가지이다.

본 실시 형태에서는, 연통 구멍(28)은 연소 가스(7)의 흐름 방향에 있어서 스트러트(11)의 터빈 직경 방향으로 연장되는 중심선 X보다도 하류측[도시의 예에서는 스트러트(11)의 후측 에지보다 하류측]의 위치에서 외주 디퓨저(10B)에 형성되어 있고, 이 연통 구멍(28)을 통하여 외주 냉각 유로(19)를 배기 유로(18)에 접속하고 있다.

외주 냉각 유로(19)를 흐르는 냉각 공기(23)는 대기압보다 높은 압력, 배기 유로(18)를 흐르는 연소 가스(7)는 대기압보다 낮은 압력이기 때문에, 외주 냉각 유로(19)의 내부 압력은 배기 유로(18)의 내부 압력에 비하여 높게 되어 있다. 따라서, 외주 냉각 유로(19) 하류측의 단부까지 도달한 냉각 공기(23)는 대부분이 연락 유로(22)로 유입되지만, 일부가 연통 구멍(28)에 흡인되어 배기 유로(18)를 흐르는 연소 가스(7)에 합류된다. 이에 의해, 외주 냉각 유로(19)의 스트러트(11)의 후측 에지 부근의 냉각 공기(23)의 흐름을 촉진하여, 외측 순환하여 연락 유로(22)로 유입되는 냉각 공기(23)의 유량, 유속이 증가한다.

(효과)

본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과에 더하여 이하의 효과가 얻어진다.

본 실시 형태에서는, 연통 구멍(28)을 외주 디퓨저(10B)에 형성하고 있으므로, 외주 냉각 유로(19)를 흘러서 외주 디퓨저(10B)를 냉각한 냉각 공기(23)를 하류측 디퓨저(13) 외부의 공간이 아닌 배기 유로(18)에 합류시킬 수 있다. 따라서, 가스 터빈(100)으로부터 외부의 공간으로 방출되는 열량(방산 열량)을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 플랜지(20)보다도 두께가 작은 외주 디퓨저(10B)에 연통 구멍(28)을 형성하고 있으므로, 제1 실시 형태에 비하여 더욱 용이하게 연통 구멍을 형성할 수 있다.

<제3 실시 형태>

(구성)

도 8은 본 실시 형태에 따른 배기 프레임의 개략 구성도이다. 도 8에 있어서, 상기 제1 실시 형태와 동등한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 적절히 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 배기 프레임(204)은 연통 구멍의 위치가 제1 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)과 상이하다. 기타 구성은, 제1 실시 형태에 따른 배기 프레임(4)과 마찬가지이다.

본 실시 형태에서는, 연통 구멍(29)은 연소 가스(7)의 흐름 방향에 있어서 스트러트(11)의 터빈 직경 방향으로 연장되는 중심선 X보다도 하류측의 위치에서 외주 케이싱(9B)에 형성되어 있고, 외주 케이싱(9B)을 통하여 외주 냉각 유로(19)를 외주 케이싱(9B) 외부의 공간에 접속하고 있다.

외주 냉각 유로(19)를 흐르는 냉각 공기(23)는 대기압보다 높은 압력, 외주 케이싱(9B) 외부의 공간은 대기압이기 때문에, 외주 냉각 유로(19)의 내부 압력은 외주 케이싱(9B) 외부의 공간에 비하여 높게 되어 있다. 따라서, 외주 냉각 유로(19) 하류측의 단부까지 도달한 냉각 공기(23)는 대부분이 연락 유로(22)로 유입되지만, 일부가 연통 구멍(29)에 흡인된다. 이에 의해, 외주 냉각 유로(19)의 스트러트(11)의 후측 에지 부근의 냉각 공기(23)의 흐름을 촉진하여, 외측 순환하여 연락 유로(22)로 유입되는 냉각 공기(23)의 유량, 유속이 증가한다.

(효과)

본 실시 형태와 같이, 연통 구멍(29)을 외주 케이싱(9B)에 형성한 경우에도, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.

<기타>

본 발명은 상기한 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시 형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 어떤 실시 형태의 구성의 일부를 다른 실시 형태의 구성으로 치환하거나, 각 실시 형태의 구성의 일부를 삭제하는 것도 가능하다.

상술한 각 실시 형태에서는, 연통 구멍(24)을 주위 방향으로 복수 형성한 구성을 예시하였다. 그러나, 본 발명의 본질적 효과는, 배기 프레임의 냉각 효율의 저하를 억제하는 것이며, 이 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통 구멍(24)을 주위 방향으로 하나 형성하는 구성으로 해도 된다.

3: 터빈
4: 배기 프레임
7: 연소 가스
9A: 내주 케이싱
9B :외주 케이싱
10A: 내주 디퓨저
10B: 외주 디퓨저
11: 스트러트
12: 스트러트 커버
16: 내주 냉각 유로
18: 배기 유로
19: 외주 냉각 유로
21: 최종단 휠 스페이스
22: 연락 유로
24, 28, 29: 연통 구멍

Claims (8)

1. 터빈의 연소 가스의 출구에 접속하는 배기 프레임에 있어서,
   내주 케이싱과,
   상기 내주 케이싱의 외주측을 덮고, 상기 내주 케이싱과의 사이에 상기 터빈의 최종단 휠 스페이스에 접속되는 환상의 내주 냉각 유로를 형성하는 내주 디퓨저와,
   상기 내주 디퓨저의 외주측을 덮고, 상기 내주 디퓨저와의 사이에 상기 연소 가스의 배기 유로를 형성하는 외주 디퓨저와,
   상기 외주 디퓨저에 대하여 상기 연소 가스의 흐름 방향의 하류측에 연결된 하류측 디퓨저와,
   상기 외주 디퓨저의 외주측을 덮고, 상기 외주 디퓨저와의 사이에 환상의 외주 냉각 유로를 형성하는 외주 케이싱과,
   상기 배기 유로에 걸쳐져 상기 내주 케이싱 및 상기 외주 케이싱을 연결함과 함께 상기 내주 케이싱의 주위 방향으로 복수 설치된 스트러트와,
   상기 내주 디퓨저 및 상기 외주 디퓨저를 연결함과 함께, 상기 스트러트를 덮고 상기 스트러트와의 사이에 상기 내주 냉각 유로 및 상기 외주 냉각 유로를 연결하는 환상의 연락 유로를 형성하는 스트러트 커버를 구비하고,
   상기 외주 냉각 유로는, 상기 연락 유로보다도 상기 연소 가스의 흐름 방향의 상류측의 위치에 냉각 공기의 도입 구멍을 갖고,
   상기 외주 냉각 유로의 단부는 서로 연결된 상기 외주 디퓨저 및 상기 하류측 디퓨저의 플랜지로 폐지되어 있고,
   상기 도입 구멍으로부터 상기 외주 냉각 유로에 도입된 냉각 공기가 상기 연락 유로를 경유하여 상기 내주 냉각 유로의 출구로부터 상기 최종단 휠 스페이스에 흘러 내리도록 유로가 형성된 배기 프레임에 있어서,
   상기 연소 가스의 흐름 방향에 있어서 상기 스트러트의 중심선보다도 하류측의 위치이며, 인접하는 스트러트 사이에 적어도 하나씩 형성되어 있으며, 또한 상기 외주 디퓨저와 상기 하류측 디퓨저를 연결하는 상기 플랜지를 관통하도록 형성한 연통 구멍을 구비하고,
   상기 연통 구멍은 상기 도입 구멍으로부터 상기 연락 유로의 입구를 향해 흐르는 냉각 공기의 일부를 상기 외주 냉각 유로로부터 상기 하류측 디퓨저의 외부 공간으로 배출시키는 것을 특징으로 하는, 배기 프레임.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연통 구멍은, 상기 스트러트의 후측 에지보다도 하류측의 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 프레임.
3. 제1항에 있어서,
   상기 연통 구멍은 폐지 가능하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 프레임.
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