KR102403377B1 - 배기 디퓨저 - Google Patents

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KR102403377B1
KR102403377B1 KR1020170067060A KR20170067060A KR102403377B1 KR 102403377 B1 KR102403377 B1 KR 102403377B1 KR 1020170067060 A KR1020170067060 A KR 1020170067060A KR 20170067060 A KR20170067060 A KR 20170067060A KR 102403377 B1 KR102403377 B1 KR 102403377B1
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산토시 쿠마르 비자얀
디페시 디네시 난다
만주나쓰 방갈로르 첸가파
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

본 출원은 가스 터빈 엔진(10)용 배기 디퓨저(100)를 제공한다. 상기 배기 디퓨저(100)는 허브(140), 케이싱(150) 및 허브(140)와 케이싱(150)의 사이에서 연장되는 스트럿(130)을 포함할 수 있다. 상기 허브(140)는 상기 스트럿(130)의 근처에 있는 경사진 구성부(180)와, 상기 경사진 구성부(180)의 하류측에 있는 실질적으로 평평한 구성부(210)를 포함할 수 있다.

Description

배기 디퓨저{EXHAUST DIFFUSER}
본 출원과 그 결과로 얻어지는 특허는 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 가스 터빈 엔진에 사용하는 배기 디퓨저로서 난류 및 유동 손실이 감소된 배기 디퓨저 등에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 일반적으로 터빈의 종단(終段)의 하류측에 배치된 배기 디퓨저를 포함한다. 일반적으로 기술되고 있는, 배기 디퓨저는 터빈의 종단에서 나오는 고온의 연소 가스의 운동 에너지를 증가된 정적 압력 형태의 위치 에너지로 변환시킨다. 배기 디퓨저는 흐름 방향으로 단면적이 증가하는 케이싱을 통과하게 상기 고온의 연소 가스를 보낸다. 배기 디퓨저는 일반적으로, 허브 상에 장착되어 있고 케이싱에 의해 둘러싸여 있는 다수의 스트럿을 포함한다.
배기 디퓨저의 제1 섹션은 모든 하중점에서의 압력 회복의 대부분을 처리할 수 있다. 그러나, 이 섹션의 스트럿들은, 특히 스트럿 또는 버켓의 플랫폼이 전방을 향해 나팔 모양으로 벌어져 있는 경우에, 난류 및 유동 손실을 야기할 수 있다. 허브의 강한 입구 유동 프로파일은 또한 유동 손실을 야기할 수 있는데, 여기서 상기한 프로파일은 다량의 고온의 연소 가스 흐름을 케이싱으로부터 떨어져 있는 허브의 흐름 경로의 부근에 집중시킬 수 있다.
따라서, 본 출원과 그 결과로 얻어지는 특허는 가스 터빈 엔진용 배기 디퓨저를 제공한다. 상기 배기 디퓨저는 허브, 케이싱 및 상기 허브와 상기 케이싱의 사이에서 연장되는 스트럿을 포함할 수 있다. 상기 허브는 상기 스트럿의 근처에 있는 경사진 구성부와, 상기 경사진 구성부의 하류측에 있는 실질적으로 평평한 구성부를 포함할 수 있다.
또한, 본 출원과 그 결과로 얻어지는 특허는 가스 터빈 엔진용 배기 디퓨저를 제공한다. 상기 배기 디퓨저는 허브, 케이싱, 상기 허브와 상기 케이싱의 사이에서 연장되는 스트럿, 및 입구를 포함할 수 있다. 상기 허브는 상기 입구의 하류측에서 상기 스트럿까지 연장되는 경사진 구성부와, 상기 경사진 구성부의 하류측에 있는 실질적으로 평평한 구성부를 포함할 수 있다.
또한, 본 출원과 그 결과로 얻어지는 특허는 가스 터빈 엔진용 배기 디퓨저를 제공한다. 상기 배기 디퓨저는 허브, 케이싱, 상기 허브와 상기 케이싱의 사이에서 연장되는 스트럿, 및 입구를 포함할 수 있다. 상기 허브는 상기 입구의 하류측에서 상기 스트럿의 근처까지 연장되는 경사진 구성부와, 상기 경사진 구성부의 하류측에 있는 실질적으로 평평한 구성부를 포함할 수 있다.
본 출원과 그 결과로 얻어지는 특허의 전술한 특징 및 개선점과 그 밖의 특징 및 개선점은, 여러 도면 및 첨부된 청구범위와 함께 이하의 상세한 설명을 검토하여 볼 때 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 압축기, 연소기, 터빈, 디퓨저 및 부하를 구비하는 가스 터빈 엔진의 개략도이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈 엔진에 사용될 수 있는 공지의 디퓨저의 부분 개략도이다.
도 3은 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저의 부분 개략도이다.
도 4는 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저의 대안적인 실시형태의 부분 개략도이다.
도 5는 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저의 대안적인 실시형태의 부분 개략도이다.
도 6은 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저의 대안적인 실시형태의 부분 개략도이다.
유사한 도면부호들이 여러 도면에 걸쳐 유사한 요소를 나타내고 있는 도면들을 이제 참조해 보면, 도 1은 본원에 사용될 수 있는 바와 같은 가스 터빈 엔진(10)의 개략도를 보여준다. 가스 터빈 엔진(10)은 압축기(15)를 포함할 수 있다. 압축기(15)는 유입 공기의 흐름(20)을 포함한다. 압축기(15)는 압축된 공기의 흐름(20)을 연소기(25)에 전달한다. 연소기(25)는 압축된 공기의 흐름(20)을 가압된 연료의 흐름(30)과 혼합하고, 이 혼합물을 점화하여 연소 가스의 흐름(35)을 생성한다. 단 하나의 연소기(25) 만이 도시되어 있지만, 가스 터빈 엔진(10)은 원주방향 어레이 등으로 구성된 임의의 수의 연소기(25)를 포함할 수 있다. 이어서, 연소 가스(35)의 흐름은 터빈(40)에 전달된다. 연소 가스(35)의 흐름은 터빈(40)을 구동하여 기계적 일을 생성한다. 터빈(40)에서 생성된 기계적 일은 샤프트(45)를 통해 압축기(15)를 구동시키고 발전기 등과 같은 외부 부하(50)를 구동시킨다.
가스 터빈 엔진(10)은 천연 가스, 여러 타입의 합성 가스, 액체 연료, 및/또는 그 밖의 타입의 연료 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 가스 터빈 엔진(10)은 뉴욕주 스키넥터디 소재의 제네럴 일렉트릭 컴퍼니가 제공하는 여러 다양한 가스 터빈 엔진, 예를 들어 7 또는 9 시리즈 대형 가스 터빈 엔진 등(이에 국한되는 것은 아님), 중의 임의의 하나일 수 있다. 가스 터빈 엔진(10)은 다양한 구성을 가질 수 있고 다른 타입의 구성요소를 사용할 수 있다. 다른 타입의 가스 터빈 엔진도 또한 본원에 사용될 수 있다. 복수의 가스 터빈 엔진, 다른 타입의 터빈 및 다른 타입의 발전 설비도 또한 본원에서 함께 사용될 수 있다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 터빈 엔진(10)은 또한 배기 디퓨저(55)를 포함할 수 있다. 배기 디퓨저(55)는 터빈(40)의 하류측에 터빈과 연통 관계로 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 배기 디퓨저(55)는, 허브(65) 상에 장착되어 있고 외부 케이싱(70) 내에 둘러싸여 있는 다수의 스트럿(60)을 포함할 수 있다. 스트럿(60)은 허브(65)와 케이싱(70)을 서로 고정된 관계로 유지하는 역할을 한다. 배기 디퓨저(55)는 연소 가스(35)의 흐름을 반경방향으로 돌릴 수 있다. 배기 디퓨저(55)의 상류측 섹션(75)은 터빈(40)의 종단 버켓(80)에 인접하게 배치될 수 있다. 상류측 섹션(75)의 근처에 있는 케이싱(70)은 경사진 케이싱 구성부(85)를 가질 수 있고, 상류측 섹션(75)의 근처에 있는 허브(65)는 실질적으로 평평한 허브 구성부를 가질 수 있다. 실질적으로 평평한 허브 구성부(90)는 샤프트(45)의 방향에 대략 평행할 수 있고, 이를 관통하는 반경방향 라인(95)에 대략 수직할 수 있다. 다른 구성 및 다른 구성요소가 사용될 수 있다.
도 3은 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저(100)의 일부분을 보여준다. 특히, 배기 디퓨저(100)의 상류측 섹션(110)이 도시되어 있다. 상류측 섹션(110)은 터빈(40)의 종단 버켓(80)의 근처에 배치된 입구(120)를 구비할 수 있다. 배기 디퓨저(100)는, 허브(140) 상에 장착되어 있고 외부 케이싱(150) 내에 둘러싸여 있는 다수의 스트럿(130)을 포함할 수 있다. 다수의 스트럿(130)이 본원에 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 스트럿(130)은 입구(110)에 가까운 전진 위치부(160)를 구비할 수 있다. 다시 말하자면, 스트럿(140)을 전방으로 이동시키는 것이 일반적으로 난류 및 유동 손실을 야기한다는 것을 고려하면, 스트럿(130)은 전술한 통상적인 구성보다 제1 섹션(110)의 입구(120) 및 종단 버켓(80)에 더 가깝게 배치될 수 있다.
외부 케이싱(150)은 전술한 것과 유사하게 경사진 케이싱 구성부(170)를 가질 수 있다. 이 실시예에서, 상류측 섹션(110)의 근처에 있는 허브(140)는 경사진 허브 구성부(180)를 포함할 수 있다. 경사진 허브 구성부(180)는 상류측 섹션(110)의 입구(120)의 근처로부터 스트럿(130)의 근처까지 하향으로 경사져 있을 수 있다. 본원에서는 다른 길이부가 사용될 수 있다. 경사진 허브 구성부(180)는 허브 각도부(190)를 포함할 수 있다. 특히, 허브 각도부(190)는 반경방향 라인(95)에 실질적으로 수직한 허브 라인(200)으로부터 하향으로 연장될 수 있다. 허브 각도부(190)는 약 6°이하로 연장될 수 있지만, 다른 각도부들이 본원에 사용될 수 있다. 이 경우, 허브(140)는 허브 라인(200)을 따라서 상기 경사진 허브 구성부(180) 및 스트럿(130)의 하류측에 있는 실질적으로 평평한 허브 구성부(210)로 이어질 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본원에 사용될 수 있다.
허브 각도부(190)의 사용은, 전체 디퓨저 성능을 증가시키도록 강한 허브 흐름 프로파일에 대해 배기 디퓨저(100)를 최적화할 수 있다. 또한, 허브 각도부(190)는 전술한 난류 및 유동 손실의 증가를 일으키는 일 없이 스트럿(130)이 전방으로 이동될 수 있게 한다. 또한, 대형 터빈의 플레어 각도부가 허브(140)의 근처에 마련될 수 있다. 이에 반해, 허브 각도부(190) 대신에 케이싱(150)의 각도를 증가시키면, 운송 한계가 증대되어, 디퓨저에서 흐름 분리가 너무 쉽게 일어나게 될 수 있다. 따라서, 허브 각도부(190)를 사용함으로써, 전속력, 전부하 조건에서 전체적인 성능이 유지될 수 있으며, 부분 부하 등에서 성능이 향상될 수 있다.
도 4는 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저(220)의 대안적인 실시형태의 예를 보여준다. 이 실시예에서, 허브(140)는 실질적으로 평평한 허브 구성부(210)를 제1 플랫 길이부(230)의 형태로 구비할 수 있다. 제1 플랫 길이부(230)는 상류측 섹션(110)의 입구(120)의 근처로부터 허브 라인(200)을 따라서 연장될 수 있다. 본원에서는 다른 길이부가 사용될 수 있다. 이 경우, 허브(140)는 경사진 허브 구성부(180)를 경사진 허브 길이부(240)의 형태로 구비할 수 있다. 경사진 허브 길이부(240)는 스트럿(130)의 상류측에 있는 제1 플랫 길이부(230)로부터 스트럿(130)의 길이를 따라 있는 지점까지 연장될 수 있다. 본원에서는 다른 길이부가 사용될 수 있다. 경사진 허브 길이부(240)는 허브 각도부(190)를 포함할 수 있다. 허브 각도부(190)는 전술한 것과 동일한 것이거나 유사한 것일 수 있다. 이 경우, 허브(140)는 실질적으로 평평한 허브 구성부(210)에서 제2 플랫 길이부(250)의 형태로 이어질 수 있다. 제2 플랫 길이부(250)는 허브 라인(200)을 따라서 하류측으로 이어질 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본원에 사용될 수 있다.
도 5는 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저(260)의 다른 실시형태를 보여준다. 이 실시예에서, 허브(140)는 경사진 허브 구성부(180)를 제1 경사진 허브 길이부(270)의 형태로 구비할 수 있다. 제1 경사진 허브 길이부(270)는 입구(120)의 근처로부터 스트럿(130)의 상류측에 있는 지점까지 연장될 수 있다. 본원에서는 다른 길이부가 사용될 수 있다. 제1 경사진 허브 길이부(270)는 제1 허브 각도부(280)를 구비할 수 있다. 제1 허브 각도부(280)에 변화를 줄 수 있다. 이 경우, 허브(140)는 제2 경사진 허브 길이부(290)를 구비할 수 있다. 제2 경사진 허브 길이부(290)는 스트럿(130)의 상류측에 있는 제1 경사진 허브 길이부(270)로부터 스트럿(130)의 길이를 따라 있는 지점까지 연장될 수 있다. 본원에서는 다른 길이부가 사용될 수 있다. 제2 경사진 허브 길이부(290)는 제2 허브 각도부(300)를 구비할 수 있다. 제2 허브 각도부(300)에 변화를 줄 수 있다. 이 경우, 허브(140)는 상기 실질적으로 평평한 허브 구성부(210)에서, 제2 경사진 허브 길이부(290)로부터 허브 라인(200)을 따라서 그 하류측으로 연장되는 허브 플랫 길이부(310)의 형태로 이어질 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본원에 사용될 수 있다.
도 6은 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 배기 디퓨저(320)의 대안적인 실시형태의 예를 보여준다. 도 3의 것과 유사한 방식에서, 상류측 섹션(110)의 근처에 있는 허브(140)는 경사진 허브 구성부(180)를 포함할 수 있다. 경사진 허브 구성부(180)는 상류측 섹션(110)의 입구(120)의 근처로부터 스트럿의 길이를 따라 있는 지점까지 하향으로 경사져 있을 수 있다. 본원에서는 다른 길이부가 사용될 수 있다. 경사진 허브 구성부(180)는 허브 각도부(190)를 포함할 수 있다. 특히, 허브 각도부(190)는 반경방향 라인(95)에 실질적으로 수직한 허브 라인(200)으로부터 하향으로 연장될 수 있다. 허브 각도부(190)는 약 6°이하로 연장될 수 있지만, 다른 각도부들이 본원에 사용될 수 있다. 이 경우, 허브(140)는 허브 라인(200)을 따라서 상기 경사진 허브 구성부(180)의 하류측에 있는 실질적으로 평평한 허브 구성부(210)로 이어질 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본원에 사용될 수 있다.
전술한 스트럿(130)은 반경방향 라인(9)에 대략 평행하고 허브 라인(200)에 대략 수직한 리딩 에지(330)를 구비하지만, 이 실시예의 스트럿(340)은 전진각(350)을 갖는 리딩 에지(330)를 구비할 수 있다. 특히, 리딩 에지(330)는 실질적으로 곧은 라인을 따라서 케이싱(150)의 근처에 비해 허브(140)의 근처에서 종단 버켓(80)에 가까워질 수 있다. 본원에서는 다른 각도부가 사용될 수 있다. 스트럿(340)은 또한, 동일하거나 유사한 전진각(350)을 갖는 트레일링 에지(360)를 구비할 수 있다. 대안적으로, 트레일링 에지(360)는 허브 라인(200)에 대략 수직할 수 있거나 임의의 적절한 형태일 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본원에 사용될 수 있다.
전진각(350)을 갖는 스트럿(340)은 본원에 기술된 임의의 배기 디퓨저 실시예 등에 사용될 수 있다. 전진각(350)뿐만 아니라 전진 위치부(160)를 이용함으로써, 스트럿에 대한 저항을 감소시켜 스트럿에 의해 야기되는 유동 손실 및 막힘을 감소시킨다.
본원에 기술된 여러 경사진 허브 구성부, 스트럿 구성부 등은 단지 예시를 위한 것이다. 다양한 구성부와 이들의 조합이 본원에 사용될 수 있다.
앞서 기술한 내용은 단지 본 출원과 그 결과로 얻어지는 특허의 특정 실시형태에 관한 것일 뿐이라는 것이 명백하다. 이하의 청구범위 및 그 등가물에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 전반적인 사상 및 범위를 벗어나는 일 없이, 당업자에 의해 수많은 변경 및 수정이 실시될 수 있다.
10 : 가스 터빈 엔진 15 : 압축기
20 : 공기 25 : 연소기
30 : 연료 35 : 연소 가스
40 : 터빈 45 : 샤프트
50 : 부하 55 : 배기 디퓨저
60 : 스트럿 65 : 허브
70 : 케이싱 75 : 상류측 세션
80 : 종단 버켓 85 : 경사진 케이싱 구성부
90 : 평평한 허브 구성부 95 : 반경방향 라인
100 : 배기 디퓨저 110 : 상류측 세션
120 : 입구 130 : 스트럿
140 : 허브 150 : 케이싱
160 : 전진 위치부 170 : 경사진 케이싱 구성부
180 : 경사진 허브 구성부 190 : 허브 각도부
200 : 허브 라인 210 : 평평한 허브 구성부
220 : 배기 디퓨저 230 : 제1 플랫 길이부
240 : 경사진 허브 길이부 250 : 제2 플랫 길이부
260 : 배기 디퓨저 270 : 제1 경사진 허브 길이부
280 : 제1 허브 각도부 290 : 제2 경사진 허브 길이부
300 : 제2 허브 각도부 310 : 플랫 허브 길이부
320 : 배기 디퓨저 330 : 리딩 에지
340 : 스트럿 350 : 전진각
360 : 트레일링 에지

Claims (14)

  1. 부하(50)를 구동하는 축(45)을 포함하는 가스 터빈 엔진(10)용 배기 디퓨저(100)로서:
    허브(140);
    케이싱(150); 및
    상기 허브(140)와 상기 케이싱(150)의 사이에서 연장되는 스트럿(130);
    을 포함하고, 상기 허브(140)는 상기 스트럿(130)의 일부분에 인접하거나 상기 스트럿(130)의 일부분을 따라 경사진 구성부(180)와, 상기 경사진 구성부(180)의 하류측에 있는 평평한 구성부(210)를 포함하고,
    상기 경사진 구성부(180)는 하류측으로 상기 축(45)을 향해 반경 내측 방향으로 연장되고, 상기 평평한 구성부(210)는 상기 축(45)을 따라 그리고 상기 축(45)과 평행하게 연장되는 것인 배기 디퓨저(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)는 배기 디퓨저(100)의 상류측 섹션(110)의 근처에 배치되는 것인 배기 디퓨저(100).
  3. 제1항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)는 배기 디퓨저(100)의 입구(120)의 근처에 배치되는 것인 배기 디퓨저(100).
  4. 제3항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)는 입구(120)의 근처에서 시작되고 상기 스트럿(130)까지 연장되는 것인 배기 디퓨저(100).
  5. 제3항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)는 입구(120)의 하류측에서 시작되고 상기 스트럿(130)을 향해 연장되는 것인 배기 디퓨저(100).
  6. 제3항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 평평한 구성부(210)는, 상기 입구(120)의 하류측에서 제1 플랫 허브 길이부(230)로 시작되고, 상기 스트럿(130)의 하류측에서 제2 플랫 허브 길이부(250)로 연장되는 것인 배기 디퓨저(100).
  7. 제6항에 있어서, 상기 허브의 상기 경사진 구성부(180)는 제1 플랫 허브 길이부(230)와 제2 플랫 허브 길이부(250)의 사이에서 연장되는 것인 배기 디퓨저(100).
  8. 제1항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)는 제1 허브 각도부(280)와 제1 경사진 허브 길이부(270)를 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
  9. 제8항에 있어서, 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)는 제2 허브 각도부(300)와 제2 경사진 허브 길이부(290)를 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
  10. 제1항에 있어서, 상기 스트럿(130)은 상기 허브(140)의 상기 평평한 구성부(210)를 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
  11. 제1항에 있어서, 상기 스트럿(130)은 상기 허브(140)의 상기 경사진 구성부(180)를 부분적으로 포함하고, 상기 허브(140)의 상기 평평한 구성부(210)를 부분적으로 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
  12. 제1항에 있어서, 상기 스트럿(130)은 전진 위치부(160)를 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
  13. 제1항에 있어서, 상기 스트럿(130)의 리딩 에지(330)는 전진각(350)을 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
  14. 제1항에 있어서, 상기 케이싱(150)은 경사진 케이싱 구성부(170)를 포함하는 것인 배기 디퓨저(100).
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