KR102364131B1 - 세라믹 클래딩을 갖는 관형 연소 챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소 챔버(1)의 주축(2) 주위에 배열된 재킷(3), 및 재킷(3) 내부에 배열된 세라믹 튜브(4)를 포함하는 연소 챔버(1)에 관한 것으로서, 재킷(3)과 세라믹 튜브(4) 사이에는 중간층(5)이 배열되고, 재킷(3)은 적어도 부분적으로 원추형이고, 세라믹 튜브(4)는 주축(2)을 따라 재킷(3) 내로 축방향 인장되고, 세라믹 튜브(4)는 복수의 열 차폐 세그먼트들(10)의 조립체이고, 열 차폐 세그먼트들(10)은 고온 매체와 접촉하게 되도록 설계된 고온측(11), 고온측(11)에 대향하고 재킷(3)을 향해 배향되는 저온측(12), 및 고온측(11)과 저온측(12) 사이의 원주방향 테두리(13)를 각각 갖고, 저온 상태에서는, 세그먼트 열(14)의 개별 열 차폐 세그먼트들(10)이 테두리(13) 상에, 저온측(12)에 인접하는 지지면(15) 및 고온 가스측(11)을 향해 개방되는 간극(16)을 갖는다.

Description

세라믹 클래딩을 갖는 관형 연소 챔버

본 발명은 세라믹 클래딩(cladding)을 갖는 관형 연소 챔버에 관한 것이다.

세라믹으로 클래딩된 관형 연소 챔버를 제조하기 위해, 재료 및 설치에 적절한 구성이 필요하다.

관형 연소 챔버는 심한 연소 발진 또는 진동에 노출되기 때문에, 금속 주변부 내로의 취성 세라믹 모노리스(monoliths)의 주의 깊은 통합이 특히 중요하다. 따라서, 세라믹의 진동 감쇠식 영구 장착이 구성상 주요 과제이다. 장착 중에, 특히 하우징 내로의 끼워맞춤을 통해 세라믹이 임계적 인장 부하 또는 전단 부하에 노출되지 않도록 보장하기 위해 주의가 기울어져야 한다. 동작 중에, 세라믹 인서트는 장착에 의해 유발된 조립 응력에 추가하여, 연소로 인해 발생하는 부하 응력을 경험한다. 제조에 따른 고유 응력과 함께 상기 부하는 전체 응력 분포를 야기하는데, 여기서는 구성요소에 대한 압축 응력이, 임계적인 인장 응력에 손상을 유발하지 않고 중첩될 수 있다. 클래딩을 갖는 연소 챔버는 예를 들어 WO 2015/038293호에 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 이러한 세라믹 인서트를 연소 챔버의 금속 재킷 내에 주의 깊게 끼워맞추고, 선택적으로는 열 팽창이 방해받지 않는 이러한 방식으로 이러한 연소 챔버의 세라믹 세그먼트들의 계면 기하 구조를 서로 구성하는 것이다. 더욱이, 계면 기하 구조는, 축방향 및 반경방향 조립 하중의 전달, 위치의 명확한 정의 및 개별 요소의 비틀림 방지 보호, 고온 가스측과 저온 가스측 사이의 밀봉, 및 계면 영역에서 인장 응력의 회피와 같은 다양한 부가의 기능을 충족해야 한다.

본 발명은, 연소 챔버의 주축 주위에 배열된 재킷, 및 재킷 내부에 배열된 세라믹 튜브를 포함하는 이러한 연소 챔버에서, 재킷과 세라믹 튜브 사이에는 중간층이 배열되고, 재킷은 적어도 부분적으로 원추형이고, 세라믹 튜브는 주축을 따라 재킷 내로 축방향으로 인장되고, 세라믹 튜브는 복수의 열 차폐 세그먼트들의 조립체이고, 고온 매체가 적용될 수 있는 고온측, 고온측에 대향하고 재킷을 지향하는 저온측, 및 고온측과 저온측 사이의 원주방향 테두리를 각각 갖는, 세그먼트 열의 개별 열 차폐 세그먼트들이, 저온 상태에서는, 테두리 상에, 저온측에 인접하는 지지면 및 고온 가스측을 향해 개방되는 간극을 갖는 것이 제공됨으로써, 연소 챔버에 관한 목적을 달성한다.

개별 세그먼트들을 갖는 구성에서, 개별 세그먼트들은 형상 끼워맞춤 및 강제 끼워맞춤 방식(아치웨이 원리)으로 제 위치에 유지되고 따라서 초기 응력이 가해지는 세라믹 링을 형성한다. 초기 응력의 구현은 원추형 대응 표면에서 열 차폐 세그먼트들의 축방향 인장에 의해 달성된다.

열 팽창의 차이는 특히 세라믹 세그먼트들의 고온측과 저온측 사이에서 발생한다. 이는 간극이 낫 형상인 경우에 특히 바람직하다. 개별 세그먼트들의 저온측 지지면들은 접선 방향 및 축방향으로 힘을 전달하는 역할을 한다. 설상부 및 홈 조인트와 유사한 방식으로, 고온측을 향해 개방되는 낫 형상 간극은 첫째로는 방해받지 않는 열 팽창을 보장하고, 둘째로는 형상 끼워맞춤 및 따라서 반경방향의 위치 정의를 보장한다. 측면 및 단부면 기하 구조는 그 간극 기하 구조가 팽창에 적응되고 따라서 고온 가스의 침투를 가능한 한 회피하기 위해 간극이 동작 중에 최소화되는 이러한 방식으로 구성되어야 한다.

세그먼트 열들 사이에는 비평탄 단부면이 제공되므로, 고온 상태에서는, 원주방향으로 개별 열 차폐 세그먼트들 사이에 형상 끼워맞춤이 발생하는 것이 바람직하다. 계면 기하 구조의 경우, 인장 응력이 가해지는 구역을 회피하기 위해 둔각 및 비교적 큰 반경을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 재킷은 금속성이다.

다른 바람직한 실시예에서, 세라믹 튜브는 내화 재료로 구성된다.

중간층이 세라믹 팽윤성 매트인 것이 바람직하다. 팽윤성 매트는 팽창 가능한 입자를 함유하는 미네랄 섬유 매트이다. 이들의 탄성 복원력으로 인해, 이들은 세라믹 튜브 상에 유지력을 인가한다. 열 차폐 세그먼트의 축방향 인장을 통해서는, 상기 탄성 요소들을 통해 세라믹 외부면으로 신뢰 가능하게 전달되는 반경방향 힘이 생성된다.

대안적으로, 중간층이 탄성 요소 및/또는 감쇠 요소를 포함하는 것이 바람직하다. 이들은 세라믹 또는 금속성일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 재킷은 최대 개구 직경을 갖는 개구에 체결 수단을 갖고, 이 체결 수단은 개구쪽으로 대응부를 끌어당기기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 축방향 인장은 강제 끼워맞춤 및/또는 형상 끼워맞춤 방식으로 결합된 금속 링에 의해 야기될 수 있다. 강제 끼워맞춤은 금속 원추형 대응 표면 상에 세라믹 기둥 및 스프링 장착을 통해 금속 링에 의해 수행된다.

결합력을 제한하고, 가변 기하 구조를 클래딩하는 목적으로, 재킷이 2개의 원추형 부분 재킷들을 포함하면, 즉 재킷이 이때 2개의 원추형 구성요소들로 분리되면(예를 들어, 분리 평면이 중심으로 변위된 상태로) 바람직할 수 있다.

세라믹 튜브 자체는 바람직하게는 완전 실린더 또는 완전 원추일 수 있다.

세그먼트 열들 사이에서 원주방향으로의 회전을 방지하기 위해, 단부면은 평탄하지 않고, 오히려 원주방향으로 세라믹 개별 세그먼트들 사이에 형상 끼워맞춤이 발생하는 방식으로 구성되어야 한다. 이 목적으로, 계면 기하 구조는 바람직하게는 파형 기하 구조로, 또는 형상 끼워맞춤을 보장하는 임의의 다른 기하 구조로 실현되어야 한다. 둔각 및 비교적 큰 반경을 사용하는 것이 또한 여기서 바람직하다.

관형 연소 챔버의 클래딩을 위해, 복수의 내화 열 차폐 세그먼트들로 이루어진 세라믹 조립체가 따라서 본 발명에 따라 제공된다. 내화 세라믹으로 이루어진 발생된 링 또는 원추는 탄성 중간층의 도움으로 금속 하우징에 장착된다. 세라믹 세그먼트들의 체결은 외부 압력을 통해 구현되므로, 간극이 없는 구조가 발생한다.

본 발명에 의해, 구성요소 및 비용 절감형 구조와 조합하여 세라믹-금속 조립체의 기본 구조 원리가 구현 가능하다. 세라믹 클래딩에서 초기 응력의 생성에 의해, 세라믹의 부하 용량의 증가가 가능해진다. 관형 연소 챔버 내의 내화 세라믹의 사용은 새로운 부품 및 수명 주기 비용의 감소로 이어진다(금속 해결책에 비해 사용 수명을 증가시킴으로써). 게다가, 온도 부하 용량의 증가 및 냉각 공기 소비의 감소가 가능하다.

본 발명은 도면을 참조하여 예시로서 더 상세히 설명될 것이다. 도면은 개략적이고 실제 축척대로 도시되어 있지는 않는다.
도 1은 요소들, 즉 재킷, 세라믹 튜브 및 중간층으로 구성된 연소 챔버용 조립체 해결책의 부분을 도시하고 있다.
도 2는 도 1의 조립체 해결책의 유효력을 측면도로 도시하고 있다.
도 3은 도 1의 조립체 해결책의 유효력을 종방향 도면으로 도시하고 있다.
도 4는 개방 상태에서의 금속 링의 예에서의 축방향 인장을 도시하고 있다.
도 5는 폐쇄 상태에서의 금속 링의 예에서의 축방향 인장을 도시하고 있다.
도 6은 중앙 분리 평면을 갖는 2개의 원추형 구성요소들의 원리를 도시하고 있다.
도 7은 전이 부품을 갖는 절결 관형 연소 챔버를 도시하고 있다.
도 8은 저온 상태에서 지지면을 갖는 열 차폐 세그먼트의 설상부 및 홈 조인트와 유사한 연결부를 도시하고 있다.
도 9는 고온 상태에서 지지면 및 폐쇄 간극을 갖는 열 차폐 세그먼트의 설상부 및 홈 조인트와 유사한 연결부를 도시하고 있다.
도 10은 비틀림 방지 보호부로서 다양한 세그먼트 열들 사이의 파형 기하 구조를 도시하고 있다.

도 1은 재킷(3); 재킷(3) 내에 배열된 내화 재료로 제조된 세라믹 튜브(4); 및 고온에서 안정하고 재킷(3)과 세라믹 튜브(4) 사이에 배열된 중간층(5);을 갖는 연소 챔버(1)를 위한 3개의 요소들로 구성된 조립체 해결책을 개략적으로 그리고 예로서 도시하고 있다.

금속 주변부 내로의 세라믹 튜브(4)의 주의 깊은 통합이 특히 중요하다. 도 2는 이 목적으로 재킷(3) 내의 세라믹 튜브(4)의 발명에 따른 축방향 인장(18)을 도시하고 있다. 원추형 금속 대응 표면, 즉 재킷의 주축(2) 방향에서의 세라믹 튜브의 축방향 인장(18)은 탄성 요소, 즉 중간층(5)을 통해 세라믹 외부면으로 전달되는 반경방향 힘(19)을 생성한다. 외부 압력 하에 있는 세라믹 조립체가 이에 의해 생성된다.

개별 열 차폐 세그먼트들(10)을 갖는 본 발명에 따른 실시예에서, 열 차폐 세그먼트들은 형상 끼워맞춤 및 강제 끼워맞춤 방식(아치웨이 원리)으로 제 위치에 유지되고, 따라서 도 3에 세그먼트 열(14)로서 도시되어 있는 바와 같이, 세라믹 열 차폐 세그먼트들(10)로 이루어진 초기 응력이 가해지는 링을 형성한다.

도 4 및 도 5는 원추의 더 큰 개구(6)의 영역에서 체결 수단(7)으로서, 강제 끼워맞춤 및/또는 형상 끼워맞춤 방식으로 결합된 금속 링에 의해 축방향 인장(18)이 어떻게 수행될 수 있는지를 예로서 도시하고 있다. 강제 끼워맞춤은 재킷(3)의 금속 원추형 대응 표면 상에 세라믹 기둥 및 스프링 장착을 통해 금속 링에 의해 수행된다.

결합력을 제한하고, 가변 기하 구조를 클래딩하는 목적으로, 금속 구성요소는 2개의 원추형 구성요소들로 분리될 수 있다[예를 들어, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 분리 평면(20)이 중심으로 변위된 상태로]. 대응 세라믹 튜브(4)를 갖는 각각의 다른 부분 재킷(9)은 여기서 축방향 인장(18)을 위한 대응부(8)로서 작용한다.

도 7은 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 클래딩이 제공되어 있는, 종방향으로 절결되고 전이 부품(21)을 갖는 관형 연소 챔버(1)를 도시하고 있다.

도 8 내지 도 10은 외부 압력 하에 있는 세라믹-금속 조립체에서 개별 세라믹 열 차폐 세그먼트들(10) 사이의 기하 구조의 상세를 도시하고 있다.

도 8은 끼워맞춤된 상태에서 2개의 인접한 열 차폐 세그먼트들(10)을 도시하고 있다. 열 차폐 세그먼트(10)는 고온 매체가 적용될 수 있는 고온측(11), 고온측(11)에 대향하고 재킷(3)을 지향하는 저온측(12), 및 고온측(11)과 저온측(12) 사이의 원주방향 테두리(13)를 각각 갖는다. 열 차폐 세그먼트(10)는 테두리(13) 상에, 저온측(12)에 인접하고 접선 방향 및 축방향으로 힘을 전달하는 역할을 하는 지지면(15), 및 고온 가스측(11)을 향해 개방되는 간극(16)을 갖는다. 고온 가스측을 향해 개방되는 간극(16)은 설상부 및 홈 조인트의 기능과 유사하게 낫 형상이다. 간극(16) 자체는 방해받지 않는 열 팽창을 보장하고, 간극(16)의 형상은 형상 끼워맞춤 및 이에 따라 반경방향의 위치 정의를 허용한다.

도 9는 도 8과 동일한 2개의 열 차폐 세그먼트들(10)을 도시하고 있다. 차이점은 도 8의 열 차폐 세그먼트(10)가 저온 상태이고, 도 9의 열 차폐 세그먼트는 고온 상태이고, 간극(16)이 열 팽창(22) 때문에 폐쇄된다는 점이다.

원주방향으로 배열된 열 차폐 세그먼트(10)의 세그먼트 열들(14) 사이에서 원주방향으로의 회전을 방지하기 위해, 열 차폐 세그먼트(10)의 단부면(17)은 평탄하도록 구성되지 않아야 하고, 오히려 원주방향으로 개별 세라믹 열 차폐 세그먼트들(10) 사이에 형상 끼워맞춤이 발생하는 이러한 방식으로 설계된다. 이 목적으로, 계면 기하 구조는 바람직하게는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 파형 기하 구조의 형태이거나, 또는 형상 끼워맞춤을 보장하는 각각의 다른 기하 구조의 형태이어야 한다. 도 10은 2개의 세그먼트 열들(14)을 갖는 연소 챔버(1)를 통한 단면을 도시하고 있다. 동작 중에 고온 가스의 유동 방향(23)이 마찬가지로 지시되어 있다.

물론 측면 및 단부면 기하 구조는, 고온 가스의 침투를 가능한 한 회피하기 위해 동작 중에 세그먼트 열들(14) 사이에서도 간극(16)의 최소화가 실현되도록 팽창에 적응하도록 설계되어야 한다. 인장 응력이 가해지는 구역을 회피하기 위해 둔각 및 큰 반경을 사용하는 것이 여기서 바람직하다.

Claims (13)

1. 연소 챔버(1)의 주축(2) 주위에 배열된 재킷(3), 및 재킷(3) 내부에 배열된 세라믹 튜브(4)를 포함하는 연소 챔버(1)이며, 재킷(3)과 세라믹 튜브(4) 사이에는 중간층(5)이 배열되고, 재킷(3)은 적어도 부분적으로 원추형이고, 세라믹 튜브(4)는 주축(2)을 따라 재킷(3) 내로 축방향으로 인장되는, 연소 챔버(1)에 있어서,
   세라믹 튜브(4)는 복수의 열 차폐 세그먼트들(10)의 조립체이고, 열 차폐 세그먼트들(10)은 고온 매체가 적용될 수 있는 고온측(11), 고온측(11)에 대향하고 재킷(3)을 지향하는 저온측(12), 및 고온측(11)과 저온측(12) 사이의 원주방향 테두리(13)를 각각 갖고, 저온 상태에서는, 세그먼트 열(14)의 개별 열 차폐 세그먼트들(10)이 테두리(13) 상에, 저온측(12)에 인접하는 지지면(15) 및 고온 가스측(11)을 향해 개방되는 간극(16)을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 챔버(1).
2. 제1항에 있어서, 간극(16)은 낫 형상인, 연소 챔버(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세그먼트 열들(14) 사이에는 비평탄 단부면(17)이 제공되므로, 고온 상태에서는, 원주방향으로 개별 열 차폐 세그먼트들(10) 사이에 형상 끼워맞춤이 발생하는, 연소 챔버(1).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재킷(3)은 금속성인, 연소 챔버(1).
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세라믹 튜브(4)는 내화 재료로 구성되는, 연소 챔버(1).
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중간층(5)은 세라믹 팽윤성 매트인, 연소 챔버(1).
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중간층(5)은 탄성 요소 및/또는 감쇠 요소를 포함하는, 연소 챔버(1).
8. 제7항에 있어서, 상기 탄성 요소 및/또는 감쇠 요소는 세라믹인, 연소 챔버(1).
9. 제7항에 있어서, 상기 탄성 요소 및/또는 감쇠 요소는 금속성인, 연소 챔버(1).
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재킷(3)은 최대 개구 직경을 갖는 개구(6)에 체결 수단(7)을 갖고, 상기 체결 수단은 개구(6)쪽으로 대응부(8)를 끌어당기기 위해 사용될 수 있는, 연소 챔버(1).
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재킷(3)은 2개의 원추형 부분 재킷들(9)을 포함하는, 연소 챔버(1).
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세라믹 튜브(4)는 완전 실린더인, 연소 챔버(1).
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세라믹 튜브(4)는 완전 원추인, 연소 챔버(1).

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