KR102433516B1 - 가스 터빈 엔진을 위한 노즐 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 가스 터빈 엔진을 위한 노즐 냉각 시스템에 관한 것이다.　충돌 플레이트가 노즐의 내측벽의 반경방향 내면으로부터 반경방향 내측으로 배치된다. 충돌 플레이트와 내측벽이 함께 내부 챔버를 획정한다. 충돌 플레이트는 하나 이상의 충돌 개구를 획정하는 제1 부분과 하나 이상의 충돌 후 개구를 획정하는 제2 부분을 포함한다. 덕트 플레이트가 충돌 플레이트의 제1 부분을 에워싼다. 덕트 플레이트, 충돌 플레이트의 제1 부분 및 내측벽이 함께 하나 이상의 충돌 개구를 통해 내부 챔버와 유체 연통하는 외부 챔버를 획정한다. 외부 챔버로부터의 압축 공기가 하나 이상의 충돌 개구를 통해 내부 챔버 내로 흐르고 하나 이상의 충돌 후 개구를 통해 내부 챔버를 빠져나간다.

Description

가스 터빈 엔진을 위한 노즐 냉각 시스템{NOZZLE COOLING SYSTEM FOR A GAS TURBINE ENGINE}
본 개시는 일반적으로는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 가스 터빈 엔진을 위한 노즐 냉각 시스템에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 일반적으로 압축기 섹션, 연소 섹션, 터빈 섹션 및 배기 섹션을 포함한다. 압축기 섹션은 가스 터빈 엔진에 들어가는 작동 유체의 압력을 점진적으로 증가시키고 그 압축된 작동 유체를 연소 섹션에 공급한다. 압축된 작동 유체와 연료(예를 들면, 천연 가스)가 연소 섹션 내에서 혼합되어 연소실 내에서 연소함으로써 고압 고온의 연소 가스를 생성한다. 그 연소 가스는 연소 섹션으로부터 터빈 섹션 내로 흐르며, 여기서 그 연소 가스가 팽창하여 일을 생성한다. 예를 들면, 터빈 섹션에서 연소 가스의 팽창은 예를 들면 발전기에 연결된 로터 샤프트를 회전시켜 전기를 생산할 수 있다. 이어서, 연소 가스는 배기 섹션을 통해 가스 터빈을 빠져나간다.
터빈 섹션은 연소 가스의 흐름을 하나 이상의 터빈 로터 블레이드 상으로 보내는 하나 이상의 터빈 노즐을 포함한다. 그 하나 이상의 터빈 로터 블레이드는 또한 연소 가스로부터 운동 에너지 및/또는 열 에너지를 추출하고, 이에 의해 로터 샤프트를 구동한다. 일반적으로, 하나 이상의 터빈 노즐 각각은 연소 가스와 접촉하는 반경방향 외면과, 연소 가스로부터 격리된 반경방향 내면을 갖는 내측벽을 포함한다. 내측벽 각각의 반경방향 외면은 연소 가스와 직접 접촉하기 때문에, 그에 냉각 공기를 제공할 필요가 있을 수 있다.
소정 구성에 있어서, 가스 터빈 엔진은 냉각 공기를 내측벽의 반경방향 내면 상으로 냉각 공기를 보내는 시스템을 포함할 수 있다. 소비된 냉각 공기는 통상 내측벽을 관통하는 하나 이상의 개구를 통해 배기된다. 그럼에도, 내측벽에 의해 획정되는 개구는 형성하는 데에 비용이 많이 들어, 가스 터빈 엔진의 전체 비용을 증가시킨다.
미국 특허출원공개공보 US2014/0338364호(2014.11.20.)
본 기술의 양태 및 이점은 후속한 상세한 설명에서 기재하거나, 그 상세한 설명으로부터 드러나거나, 본 기술의 실시를 통해 습득할 수 있을 것이다.
하나의 양태에서, 본 개시는 내측벽을 갖는 노즐을 포함하는 가스 터빈 엔진을 위한 노즐 냉각 시스템에 관한 것이다. 내측벽은 반경방향 내면과 반경방향 외면을 포함한다. 충돌 플레이트가 내측벽의 반경방향 내면으로부터 반경방향 내측으로 배치된다. 충돌 플레이트와 내측벽이 함께 내부 챔버를 획정한다. 충돌 플레이트는 하나 이상의 충돌 개구를 획정하는 제1 부분과 하나 이상의 충돌 후 개구(post-impingement aperture)를 획정하는 제2 부분을 포함한다. 덕트 플레이트가 충돌 플레이트의 제1 부분을 에워싼다. 덕트 플레이트, 충돌 플레이트의 제1 부분 및 내측벽이 함께 하나 이상의 충돌 개구를 통해 내부 챔버와 유체 연통하는 외부 챔버를 획정한다. 외부 챔버로부터의 압축 공기가 하나 이상의 충돌 개구를 통해 내부 챔버 내로 흐르고 하나 이상의 충돌 후 개구를 통해 내부 챔버를 빠져나간다.
본 개시의 다른 양태는 압축기 섹션, 연소 섹션 및 터빈 섹션을 포함하는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 터빈 섹션은, 내측벽, 외측벽, 이들 내측벽과 외측벽 사이에서 연장하는 에어 포일을 구비하는 노즐을 포함한다. 내측벽은 반경방향 내면과 반경방향 외면을 포함한다. 충돌 플레이트가 내측벽의 반경방향 내면으로부터 반경방향 내측으로 배치된다. 충돌 플레이트와 내측벽이 함께 내부 챔버를 획정한다. 충돌 플레이트는 하나 이상의 충돌 개구를 획정하는 제1 부분과 하나 이상의 충돌 후 개구를 획정하는 제2 부분을 포함한다. 덕트 플레이트가 충돌 플레이트의 제1 부분을 에워싼다. 덕트 플레이트, 충돌 플레이트의 제1 부분 및 내측벽이 함께 하나 이상의 충돌 개구를 통해 내부 챔버와 유체 연통하는 외부 챔버를 획정한다. 외부 챔버로부터의 압축 공기가 하나 이상의 충돌 개구를 통해 내부 챔버 내로 흐르고 하나 이상의 충돌 후 개구를 통해 내부 챔버를 빠져나간다.
본 기술의 상기한 것은 물론 기타 특징, 양태 및 이점은 후속한 상세한 설명 및 첨부된 청구 범위를 참조함으로써 보다 잘 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 기술의 실시예들을 예시하는 것으로, 상세한 설명과 함께 본 기술의 원리를 설명하는 기능을 한다.
당업자에게 대한 그 최선의 형태를 비롯한 본 기술의 가능한 전체 개시는 첨부 도면을 참조로 하는 본 명세서에 기재한다.
도 1은 본 명세서에서 개시하는 다양한 실시예를 포함할 수 있는 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략도이며,
도 2는 도 1에 도시한 가스 터빈 엔진에 포함될 수 있고 본 명세서에서 개시하는 다양한 실시예를 포함할 수 있는 예시적인 터빈 섹션의 단면도이며,
도 3은 도 2에 도시한 터빈 섹션에 포함될 수 있고 본 명세서에서 개시하는 다양한 실시예를 포함할 수 있는 예시적인 노즐의 사시도이며,
도 4는 본 명세서에서 개시하는 바와 같은 노즐 냉각 시스템의 하나의 실시예를 도시하는, 도 3에 도시한 노즐의 내측벽의 저면도이며,
도 5는 노즐 냉각 시스템의 특징을 또한 도시하고 있는 도 3에 도시한 노즐의 내측벽의 대안적인 저면도이며,
도 6은 하나 이상의 충돌 개구 및 하나 이상의 충돌 후 개구를 도시하는 노즐 냉각 시스템의 충돌 플레이트의 저면도이며,
도 7은 충돌 플레이트의 특징들을 또한 도시하는 대체로 도 6에서의 라인 7-7을 따라 취한 충돌 플레이트의 단면도이며,
도 8은 노즐 냉각 시스템의 작동을 도시하는 대체로 도 5의 라인 8-8을 따라 취한 노즐 냉각 시스템의 단면도이며,
도 9는 노즐 냉각 시스템의 작동을 도시하는 대체로 도 5의 라인 9-9를 따라 취한 노즐 냉각 시스템의 단면도이다.
본 명세서 및 도면 부호에서 도면 부호의 반복 사용은 본 개시의 동일 또는 유사한 구조나 요소를 나타내고자 한 것이다.
이하, 본 기술의 실시예들에 대해 상세하게 설명하며, 그 하나 이상의 예들은 첨부 도면에 도시되어 있다. 상세한 설명에서는 도면에서의 구성을 가리키는 데에 숫자 및 문자 부호를 이용한다. 도면 및 상세한 설명에서의 동일 또는 유사한 부호는 본 기술의 동일 또는 유사한 부품들을 가리키는 데에 이용된다. 본 명세서에서 이용하는 바와 같은 "제1", "제2" 및 "제3"과 같은 용어는 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하도록 서로 바꾸어 사용될 수 있는 것으로, 개별 구성 요소의 위치 또는 중요도를 나타내고자 하는 것은 아니다. "상류" 및 "하류"란 용어는 유체 경로에서 유체 흐름에 대한 상대적 방향을 가리킨다. 예를 들면, "상류"는 유체가 흘러오는 쪽을 지칭하고, "하류"는 유체가 흘러가는 쪽을 지칭한다.
각 예는 본 기술에 대한 설명으로서 제공한 것이지 본 기술의 한정으로서 제공한 것은 아니다. 실제로, 본 기술에서의 다양한 수정 및 변형이 그 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들면, 하나의 실시예의 일부로서 도시하거나 설명하는 특징들은 다른 실시예에 이용되어 또 다른 실시예를 생성할 수 있다. 따라서, 본 기술은 첨부된 청구의 범위의 보호 범위 및 그 등가물 내에 포함되는 그러한 수정 및 변형을 커버하고자 한 것이다. 산업용 또는 육상 가스 터빈을 본 명세서에서 도시하고 설명하지만, 본 명세서에서 도시하고 설명하는 바와 같은 본 기술은 청구 범위에서 달리 명시하지 않는다면 육상 및/또는 산업용 가스 터빈에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에서 기술하는 바와 같은 기술은 항공기용 가스 터빈(예를 들면, 터보팬 등), 증기 터빈 또는 선박용 가스 터빈을 비롯하여 이에 한정되지 않는 임의의 타입의 터빈에 이용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하면, 도 1은 본 명세서에서 개시하는 다양한 실시예를 포함할 수 있는 예시적인 가스 터빈 엔진(10)의 개략도이다. 도시한 바와 같이, 가스 터빈 엔진(10)은 일반적으로 압축기(16)(예를 들면, 축류 압축기(axial compressor))의 상류측 단부에 배치된 입구(14)를 갖는 압축기 섹션(12)을 포함한다. 가스 터빈(10)은 또한 압축기(16)로부터 하류측에 배치된 하나 이상의 연소기(20)를 갖는 연소 섹션(18)을 포함한다. 가스 터빈 엔진(10)은 또한 연소 섹션(18)의 하류에 배치된 터빈(24)(예를 들면, 팽창 터빈)을 갖는 터빈 섹션(22)을 포함한다. 로터 샤프트(26)가 가스 터빈 엔진(10)의 축방향 중심선(28)을 따라 압축기(16) 및 터빈(24)을 통과해 축방향으로 연장한다.
도 2는 본 명세서에서 개시하는 다양한 실시예를 포함할 수 있는 터빈(24)의 측단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 터빈(24)은 복수의 터빈 스테이지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 터빈(24)은 제1 스테이지(30A), 제2 스테이지(30B) 및 제3 스테이지(30C)를 포함할 수 있다. 하지만, 터빈(24)은 필요에 따라 혹은 원하는 바에 따라 보다 많거나 적은 수의 터빈 스테이지를 포함할 수도 있다.
각 스테이지(30A-30C)는 직렬식 흐름 순서로 로터 샤프트(26)(도 1 참조)를 따라 축방향으로 서로 이격된 터빈 노즐(32A, 32B, 32C)의 해당 열(row) 및 터빈 로터 블레이드(34A, 34B, 34C)의 해당 열을 포함한다. 각 터빈 노즐(32A-32C)은 가스 터빈(10)의 작동 중에 터빈 로터 블레이드(34A-34C)에 대해 정지 상태로 유지된다. 터빈 노즐(32B, 32C)의 각 열은 해당 다이어프램(42B, 42C)에 각각 결합된다. 도 2에 도시하진 않았지만, 터빈 노즐(32A)의 열도 다이어프램에 결합될 수 있다. 각 터빈 노즐(32B, 32C)과 해당 다이어프램(42B, 42C)은 함께 그 사이에 해당 다이어프램 캐비티(44B, 44C)를 획정한다. 케이싱 또는 쉘(36)이 터빈 노즐(32A-32C) 및 터빈 로터 블레이드(34A-34C)의 각 스테이지(30A-30C)를 둘레방향으로 둘러싼다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 압축기(16)가 압축 공기(38)를 연소기(20)에 제공한다. 압축 공기(38)는 연소기(20)에서 연료(예를 들면, 천연 가스)와 혼합되어 연소함으로써 터빈(24) 내로 흐를 연소 가스(40)를 생성한다. 터빈 노즐(32A-32C)과 터빈 로터 블레이드(34A-34C)가 연소 가스(40)로부터 운동 및/또는 열 에너지를 추출한다. 이러한 에너지 추출이 로터 샤프트(26)를 구동한다. 이어서, 연소 가스(40)는 터빈(24) 및 가스 터빈 엔진(10)을 빠져나간다. 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 압축 공기(38)의 일부는 무엇보다도 터빈 노즐(32A-32C)을 비롯한 터빈(24)의 다양한 구성 요소를 냉각하는 냉각 매체로서 이용될 수 있다.
도 3은 당업계에서 스테이지 투 노즐(stage two nozzle) 또는 S2N으로서도 공지된 제2 스테이지(30B)의 터빈 노즐(32B)의 사시도이다. 다른 터빈 노즐(32A, 32C)들은 아래에서 보다 상세하게 설명하는 터빈 노즐(32B)과 유사한 특징들을 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 터빈 노즐(32B)은 내측벽(46) 및 이 내측벽(46)으로부터 반경방향으로 이격된 외측벽(48)을 포함한다. 한 쌍의 에어포일(50)이 내측벽(46)에서부터 외측벽(48)까지에 걸쳐 연장한다. 이러한 점에서, 도 3에 도시한 터빈 노즐(32B)은 당업계에서 더블릿(doublet)으로서도 지칭한다. 하지만, 터빈 노즐(32B)은 단지 하나의 에어포일(50)(즉, 싱글릿)을 갖거나, 3개의 에어포일(50)(즉, 트리플릿)을 갖거나, 그 보다 많은 에어포일(50)을 가질 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 내외측벽(46, 48)은 다양한 표면을 포함한다. 보다 구체적으로, 내측벽(46)은 반경방향 외면(52) 및 이 반경방향 외면(52)으로부터 반경방향 내측에 배치된 반경방향 내면(54)을 포함한다. 마찬가지로, 외측벽(48)은 반경방향 외면(58) 및 이 반경방향 외면(58)으로부터 반경방향 내측으로 배향된 반경방향 내면(56)을 포함한다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 외측벽(48)의 반경방향 내면(56)과 내측벽(46)의 반경방향 외면(52)은 각각 터빈(24)을 통해 고속으로 흐르는 연소 가스(40)에 대한 반경방향 내측 및 외측의 유동 경계를 각각 획정한다. 내측벽(46)은 또한 전방면(60) 및 이 전방면(60)으로부터 하류측에 배치된 후방면(62)을 포함한다. 또한, 내측벽(46)은 제1 둘레면(64) 및 이 제1 둘레면(64)으로부터 둘레방향으로 이격된 제2 둘레면(66)을 포함한다. 마찬가지로, 외측벽(48)은 또한 전방면(68) 및 이 전방면(68)으로부터 하류측에 배치된 후방면(70)을 포함한다. 또한, 외측벽(48)은 제1 둘레면(72) 및 이 제1 둘레면(72)으로부터 이격된 제2 둘레면(74)을 포함한다. 내외측벽(46, 48)은 바람직하게는 연소 가스(40)에 견딜 수 있는 니켈계 초합금 또는 기타 적절한 재료로 이루어진다.
전술한 바와 같이, 2개의 에어포일(50)이 내측벽(46)에서부터 외측벽(48)까지 연장한다. 각 에어포일(50)은 내외측벽(46, 48)의 전방면(60, 68)에 근접하게 배치된 선단 에지(76)를 포함한다. 또한, 각 에어포일(50)은 내외측벽(46, 48)의 후방면(62, 70)에 근접하게 배치된 후미 에지(78)를 포함한다. 게다가, 각 에어포일(50)은 선단 엔지(76)에서부터 후미 에지(74)까지 연장하는 압력측 벽(80) 및 이와는 반대측의 흡입측 벽(82)을 포함한다. 에어포일(50)은 바람직하게는 연소 가스(40)에 견딜 수 있는 니켈계 초합금 또는 기타 적절한 재료로 이루어진다.
도 4는 한 쌍의 에어포일 통로(84)를 또한 도시하는 내측벽(46)의 저면도이다. 보다 구체적으로, 각 에어포일(50)은 그를 통과해 연장하는 해당 에어포일 통로(84)를 획정한다. 그 에어포일 통로(84)는 또한 내외측벽(46, 48)을 통과해 연장한다. 이러한 점에서, 도 2에 도시한 터빈 노즐(32B)로부터 반경방향 외측에 배치된 압축 공기(38)의 일부분이 에어포일 통로(84)를 통해 다이어프램 캐비티(44B) 내로 흐를 수 있다. 도 4에 도시한 실시예에서, 코어(86)가 각 에어포일 통로(84)에 배치된다. 따라서, 에어포일 통로(84)는 도 4에 도시한 실시예에서 환형 형상을 갖는다. 하지만, 에어포일 통로(84)는 다른 실시예에서 어떠한 코어(86)도 없을 수 있고, 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수도 있다.
도 4 내지 도 9는 가스 터빈 엔진(10)에 포함될 수 있는 노즐 냉각 시스템(100)의 실시예를 도시한다. 그에 도시한 바와 같이, 노즐 냉각 시스템(100)은 축방향(A), 반경방향(R) 및 둘레방향(C)을 획정한다. 대체로, 축방향(A)은 축방향 중심선(28)(도 1 참조)에 대해 평행하게 연장하고, 반경방향(R)은 축방향 중심선(28)으로부터 직각으로 외측으로 연장하며, 그리고 둘레방향(C)은 축방향 중심선(28)을 중심으로 동심원형으로 연장한다.
아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 노즐 냉각 시스템(100)은 터빈 노즐(32A)의 내측벽(46)을 냉각한다. 보다 구체적으로, 노즐 냉각 시스템(100)은 하나 이상의 충돌 개구(104) 및 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 획정하는 충돌 플레이트를 포함한다. 충돌 플레이트(102)는 내측벽(460의 반경방향 내면(54)으로부터 반경방향 내측에서 그로부터 반경방향으로 적어도 부분적으로 이격되도록 배치된다. 이러한 점에서, 충돌 플레이트(102)와 내측벽(46)은 그 사이에 내부 챔버(108)를 획정한다. 덕트 플레이트(110)가 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 에워싼다. 따라서, 덕트 플레이트(110), 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130) 및 내측벽(46)은 그 사이에 외부 챔버(112)를 획정한다. 에어포일 통로(84)를 통해 흐르는 압축 공기(38)는 외부 챔버(112)로 유입된다. 이어서, 그 압축 공기(38)는 충돌 플레이트(102)의 하나 이상의 충돌 개구(104)를 통과해 내부 챔버(108) 내로 흐른다. 하나 이상의 충돌 개구(104)는 압축 공기(38)를 내측벽(46)의 반경방향 내면(54) 상으로 보내며, 이에 의해 내측벽(46)을 냉각한다. 이어서, 압축 공기(38)는 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 통해 내부 챔버(108)를 빠져나가 다이어프램 개구(44B) 내로 흐른다.
도 4에 도시한 실시예에서, 내측벽(46)은 함몰부(114)를 획정한다. 따라서, 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)의 일부분(즉, 함몰부(114)에 배치된 부분)이 도 9에 도시한 바와 같이 반경방향 내면(54)의 다른 부분(즉, 함몰부(114) 내에 위치하지 않는 부분)으로부터 반경방향으로 이격될 수 있다. 도 4에 도시한 실시예에서, 함몰부(114)는 내측벽(46)과 동일한 형상을 갖는다. 하지만, 함몰부(114)는 다른 형상도 역시 가질 수도 있다. 에어포일(50)은 함몰부(114)와 축방향 및 반경방향으로 정렬된다. 따라서, 에어포일 통로(84)는 함몰부(114)와 유체 연통한다. 내측벽(46)의 다른 실시예는 함몰부(114)를 획정하지 않을 수도 있다.
도 4는 내측벽(46)의 반경방향 내면(54) 상에서의 충돌 플레이트(102)의 위치 설정에 대한 하나의 실시예를 도시한다. 보다 구체적으로, 충돌 플레이트(102)는 축방향으로 내측벽(46)의 전방면(60)과 후방면(62) 사이에, 둘레 방향으로 2개의 에어포일(50) 사이에 배치된다. 충돌 플레이트(102)는 또한 반경방향 내면(54)으로부터 반경방향 내측에 배치된다. 하나의 실시예에서, 충돌 플레이트(102)는 도 7에 도시한 바와 같은 하나 이상의 포스트(116)에 의해 반경방향 내면으로부터 전체적으로 반경방향으로 이격되어 있다. 하지만, 도 9에 도시한 바와 같이, 충돌 플레이트(102)는 다른 실시예에서는 함몰부(114)에 의해 반경방향 내면(54)의 단지 일부분으로부터 반경방향으로 이격될 수도 있다. 즉, 충돌 플레이트(102)는 함몰부(114) 내에 위치한 반경방향 내면(54)의 부분으로부터 반경방향으로 이격될 수 있는 반면, 그 충돌 플레이트(102)는 함몰부(114) 밖에 배치된 반경방향 내면(54)의 부분과는 접촉하고 있다. 또한, 하나 이상의 포스트(116)는 충돌 플레이트(102)를 반경방향 내면(54)으로부터 반경방향으로 이격시키도록 함몰부(114)에 추가하여 또는 그 대신에 이용될 수도 있다. 하지만, 충돌 플레이트(102)는 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)에 대해 다른 구성 또는 다른 배향으로도 역시 위치 설정될 수 있다.
도 6 및 도 7은 충돌 플레이트(102)를 보다 상세하게 도시하고 있다. 보다 구체적으로, 충돌 플레이트(102)는 반경방향 외면(118) 및 이 반경방향 외면(118)으로부터 반경방향 내측에 배치된 반경방향 내면(120)을 포함한다. 충돌 플레이트(102)의 반경방향 외면(118)은 반경방향으로 충돌 플레이트(102)의 반경방향 내면(120)과 내측벽(46)의 반경방향 내면(54) 사이에 배치된다. 충돌 플레이트(102)는 전방면(122) 및 이 전방면(122)으로부터 하류에 배치된 후방면(124)을 포함한다. 충돌 플레이트(102)의 전방면(122)은 내측벽(46)의 전방면(60)에 근접하게 배치되고, 충돌 플레이트(102)의 후방면(124)은 내측벽(46)의 후방면(62)에 근접하게 배치된다. 충돌 플레이트(102)는 또한 제1 둘레면(126) 및 이 제1 둘레면(126)으로부터 둘레방향으로 이격된 제2 둘레면(128)을 포함한다. 충돌 플레이트(102)의 제1 둘레면(126)은 내측벽(46)의 제1 둘레면(64)에 근접하게 배치되고, 충돌 플레이트(102)의 제2 둘레면(128)은 내측벽(46)의 제2 둘레면(66)에 근접하게 배치된다. 도 4 및 도 6에 도시한 실시예에서, 제1 및 제2 둘레면(126, 128)은 곡선형이다. 하지만, 전방면(122), 후방면(124), 제1 둘레면(126) 및 제2 둘레면(128)은 직선형 또는 곡선형일 수 있다. 충돌 플레이트(102)는 바람직하게는 적절한 시트 금속으로 이루어진다.
도 6에 가장 잘 도시한 바와 같이, 충돌 플레이트(102)는 제1 부분(130) 및 제2 부분(132)을 포함한다. 특히, 제1 및 제2 부분(130, 132)은 도 6에 도시한 실시예에서 라인(134, 136, 138)에 의해 분리되어 있다. 이러한 점에서, 제1 부분(130)은 에어포일(50)의 후미 에지(78)와 내측벽(46)의 후방면(62)에 근접하게 배치된다. 반면, 제2 부분(132)은 에어포일(50)의 선단 에지(76)와 내측벽(46)의 전방면(60)에 근접하게 배치된다. 하지만, 제1 및 제2 부분(130, 132)은 다른 실시예에서는 충돌 플레이트(102)의 다른 영역을 차지할 수도 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 덕트 플레이트(110)가 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 에워싸지만 그 제2 부분(132)은 에워싸지 않는다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 포스트(116)는 라인(134, 136, 138) 중 하나 이상을 따라 배치될 수 있다. 바람직하게는 제1 부분(130)은 제2 부분(132)보다 더 크지만, 제1 부분(130)이 제2 부분(132)과 동일한 사이즈를 갖거나 보다 작을 수도 있다.
전술한 바와 같이, 충돌 플레이트(102)는 하나 이상의 충돌 개구(104) 및 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 획정한다. 도 6 및 도 7에 도시한 실시예에서, 복수의 충돌 개구(104)가 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 통과해 반경방향으로 연장하고, 복수의 충돌 후 개구(106)가 충돌 플레이트(102)의 제2 부분(132)을 통과해 반경방향으로 연장한다. 그 하나 이상의 충돌 개구(104)는 바람직하게는 내측벽(46)에서 열부하가 높은 영역과 축방향 및 반경방향으로 정렬된다. 하나 이상의 충돌 후 개구(106)는 충돌 개구(104)를 방해하지 않도록 충돌 개구(104)로부터 축방향 및 반경방향으로 이격되어 있다. 도 6에 도시한 실시예에서, 충돌 플레이트(102)는 충돌 후 개구(106)보다 더 많은(예를 들면, 2배 많은, 3배 많은 등) 충돌 개구(104)를 획정한다. 하나 이상의 충돌 개구(104)와 하나 이상의 충돌 후 개구(106)는 바람직하게는 원형 단면을 갖는다. 하지만, 충돌 개구(104)와 충돌 후 개구(106)는 임의의 적절한 단면을 가질 수도 있다.
도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 충돌 플레이트(102)와 내측벽(46)은 그 사이에 내부 챔버(108)를 획정한다. 구체적으로, 내부 챔버(108)는 반경방향으로 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)과 충돌 플레이트(102)의 반경방향 외면(118) 사이에 배치된다. 도 9에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 충돌 개구(106)는 내부 챔버(108)와 다이어프램 캐비티(44B)(도 2 참조) 간의 유체 연통을 허용한다.
앞서 간략하게 언급한 바와 같이, 노즐 냉각 시스템(100)은 또한 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 둘러싸는 덕트 플레이트(110)를 포함한다. 도 5, 도 8 및 도 9에 도시한 실시예에서, 덕트 플레이트(110)는 돔형 부분(140) 및 이 돔형 부분(140)의 둘레에 배치된 플랜지(142)를 포함한다. 돔형 부분(140)이 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 둘러싸고, 플랜지(142)가 덕트 플레이트(110)를 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)에 결합한다. 도 5에 도시한 실시예에서, 덕트 플레이트(110)는 충돌 플레이트(102)의 제2 부분(132)을 위한 클리어런스를 제공하는 노치(146)를 포함한다. 즉, 노치(146)는 제2 부분(132)이 덕트 플레이트(110) 밖에 위치할 수 있게 하여, 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 통한 내부 챔버(108)와 다이어프램 캐비티(44B)(도 2 참조) 간의 유체 연통을 허용한다. 하지만, 덕트 플레이트(110)는 그 덕트 플레이트(110)가 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)은 에워싸지만 그 제2 부분(132)은 에워싸지 않게 하는 다른 형상 및/또는 구성을 가질 수도 있다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 덕트 플레이트(110), 충돌 플레이트(102) 및 내측벽(46)은 그 사이에 외부 챔버(112)를 획정한다. 구체적으로, 외부 챔버(112)는 반경방향으로 덕트 플레이트(110)와, 내측벽(140)의 반경방향 내면(54)과 충돌 플레이트(102)의 반경방향 외면(118)의 조합 사이에 배치된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 에어포일 통로(84)가 외부 챔버(112)와 유체 연통한다. 게다가, 하나 이상의 충돌 개구(104)는 외부 챔버(112)와 내부 챔버(108) 간의 유체 연통을 허용한다.
이하, 도 5 및 도 8을 참조하면, 덕트 플레이트(110)의 플랜지(142)는 선택적으로는 그를 통과해 연장하는 하나 이상의 출구 개구(144)를 획정할 수 있다. 특히, 출구 개구(144)는 외부 챔버(112)와 다이어프램 캐비티(44B) 간의 유체 연통을 허용한다. 출구 개구(144)는 바람직하게는 내측벽(46)에서의 열부하가 낮은 영역과 축방향 및 반경방향으로 정렬된다. 도 5에 도시한 실시예에서, 제1 둘레면(64)에 근접한 플랜지(142)의 부분이 복수의 출구 개구(144)를 획정한다. 이러한 점에서, 하나 이상의 출구 개구(144)는 하나 이상의 충돌 개구(104) 및 하나 이상의 충돌 후 개구(106)로부터 반경방향으로 이격될 수 있다. 실제로, 하나 이상의 출구 개구(144)는 하나 이상의 충돌 개구(104) 및 하나 이상의 충돌 후 개구(106)로부터 에어포일(50) 중 하나에 의해 둘레방향으로 이격될 수 있다. 하지만, 플랜지(142)는 임의의 개수의 출구 개구(144)를 획정할 수 있고, 그 출구 개구(144)는 플랜지(142)를 따른 임의의 적절한 위치에 배치될 수도 있다.
작동 시에, 본 명세서에서 개시하는 노즐 냉각 시스템(100)은 터빈 노즐(32A)의 내측벽(46)을 냉각한다. 앞서 언급한 바와 같이, 내측벽(46)의 반경방향 외면(52)은 터빈(24)(도 1 참조)을 통해 흐르는 연소 가스(40)에 노출된다. 반경방향 외면(52)에 의해 흡수된 열은 내측벽(46)을 통해 반경방향 내면(54)으로 전달되며, 이에 의해 그 온도를 증가시킨다. 이러한 점에서, 노즐 냉각 시스템(100)은 압축 공기(38)를 반경방향 내면(54) 상으로 보내게 된다. 따라서, 그 압축 공기(38)가 반경방향 내면(54)으로부터 열을 흡수함으로써 내측벽(46)을 냉각시킨다.
이하, 도 8을 참조하면, 에어포일 통로(84)가 압축 공기(38)를 노즐 냉각 시스템(100)에 제공한다. 도 4에 도시한 에어포일 통로(84) 내에 위치한 코어(86)는 명료성을 위해 도 8에서는 생략되었다. 전술한 바와 같이, 도 2에 도시한 바와 같은 터빈 노즐(32B)로부터 반경방향 외측에 배치된 압축 공기(38)는 에어포일 통로(84)를 통해 흐른다. 도 8에 도시한 바와 같이, 에어포일 통로(84) 내의 압축 공기(38)는 외부 챔버(112) 내로 흐른다. 이러한 점에서, 외부 챔버(112)는 충돌 플레이트(102)를 통과해 연장하는 하나 이상의 충돌 개구(104) 및/또는 덕트 플레이트(110)를 통과해 연장하는 하나 이상의 출구 개구(144)에 가압 공기(예를 들면, 압축 공기(38))를 제공하는 플레넘으로서 기능한다.
하나 이상의 충돌 개구(104)는 내측벽(46)의 일부분의 충돌 냉각을 촉진시킨다. 보다 구체적으로, 외부 챔버(112) 내의 압축 공기(38)는 충돌 플레이트(102)의 하나 이상의 충돌 개구(104)를 통해 내부 챔버(108) 내로 흐른다. 즉, 하나 이상의 충돌 개구(104)는 압축 공기(38)를 외부 챔버(112)에서부터 내측벽(46)의 반경방향 내면(54) 상으로 보낸다. 도 9에 도시한 바와 같이, 압축 공기(38)는 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 통해 내부 챔버(108)를 빠져나가 다이어프램 캐비티(44B) 내로 흐른다. 이러한 점에서, 압축 공기(38)는 충돌 플레이트(102)를 통과해 흐름으로써 내부 챔버(108)로 유입되고 그로부터 나간다. 따라서, 하나 이상의 충돌 후 개구(106)는 내면(54)의 충돌 냉각을 방해하지 않도록 하나 이상의 충돌 개구(104)로부터 이격되어야 한다. 바람직하게는, 노즐 냉각 시스템(100)은 높은 열부하를 겪는 내측벽(46)의 부분(예를 들면, 에어포일(50)의 후미 에지(78)에 근접한 영역)에 충돌 냉각을 제공한다.
하나 이상의 출구 개구(144)는 내측벽(46)의 일부분의 덕트 냉각을 촉진시킨다. 보다 구체적으로, 외부 챔버(112) 내의 압축 공기(38)는 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)의 부분들에 노출된다. 도 8에 도시한 실시예에서, 외부 챔버(112) 내의 압축 공기(38)는 제1 및 제2 둘레면(64, 66)에 근접한 반경방향 내면(54)의 부분들과 접촉하며, 이에 의해 그에 덕트 냉각을 제공한다. 하지만, 외부 챔버(112) 내의 압축 공기(38)는 반경방향 내면(54)의 임의의 부분에도 노출될 수 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 압축 공기(38)는 하나 이상의 출구 개구(144)를 통해 외부 챔버(112)를 빠져나가 다이어프램 캐비티(44B) 내로 흐른다. 충돌 플레이트(102)를 통과해 연장하는 하나 이상의 충돌 후 개구(106)는 반경방향 내면(54)의 덕트 냉각을 방해하지 않도록 하나 이상의 출구 개구(144)로부터 이격되어야 한다. 바람직하게는, 노즐 냉각 시스템(100)은 낮은 열부하를 겪는 내측벽(46)의 부분(예를 들면, 제1 및 제2 둘레면(64, 66)에 근접한 영역)에 덕트 냉각을 제공한다.
아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 본 명세서에서 개시하는 노즐 냉각 시스템(100)은 압축 공기(38)를 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)에 제공하여 이를 냉각시킨다. 특히, 충돌 플레이트(102)를 통과해 연장하는 하나 이상의 충돌 개구(104)가 압축 공기(38)를 내부 챔버(108) 내로 그리고 반경방향 내면(54) 상으로 보낸다. 충돌 플레이트(102)는 또한 내측벽(46)의 냉각 후에 압축 공기(38)가 내부 챔버(108)를 빠져나가게 할 수 있는 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 획정한다. 하나 이상의 충돌 개구(104)와 하나 이상의 충돌 후 개구(106) 모두가 충돌 플레이트(102)를 통과해 연장하기 때문에, 노즐 냉각 시스템(100)은 소비된 압축 공기(38)를 내부 챔버(112)로부터 배출하기 위해 내측벽(46)에 형성되는 개구를 필요로 하지 않는다. 따라서, 노즐 냉각 시스템(100)은 종래의 노즐 냉각 시스템과 비교해 가스 터빈 엔진의 전체 비용을 감소시킨다.
앞서 제2 스테이지(30B)의 터빈 노즐(32B)과 관련하여 노즐 냉각 시스템(100)을 설명하였지만, 노즐 냉각 시스템(100)은 제1 및 제3 스테이지(30A, 30C)의 터빈 노즐(32A, 32C) 내에 포함될 수도 있다. 실제로, 노즐 냉각 시스템(100)은 터빈 섹션(22)의 임의의 노즐에 포함될 수도 있다. 게다가, 노즐 냉각 시스템(100)의 압축기 노즐에도 역시 포함될 수 있다.
본 명세서에서 기술한 설명은 최상의 모드를 비롯한 본 기술을 개시함과 아울러, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 어떠한 당업자라도 본 기술을 실시할 수 있도록 하기 위해 일례들을 이용하고 있다. 본 기술의 특허 가능한 범위는 청구 범위에 의해서 정해지고, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 그러한 다른 예들은 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적인 요소를 포함하는 경우, 또는 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 별 차이가 없는 등가의 구조적인 요소를 포함하는 경우 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
10: 가스 터빈
12: 압축기 섹션
14: 입구
16: 압축기
18: 연소 섹션
20: 연소기
22: 터빈 섹션
24: 터빈
26: 로터 샤프트
28: 축방향 중심선
30A: 제1 터빈 스테이지
30B: 제2 터빈 스테이지
30C: 제3 터빈 스테이지
32A: 터빈 노즐
32B: 터빈 노즐
32C: 터빈 노즐
34A: 터빈 로터 블레이드
34B: 터빈 로터 블레이드
34C: 터빈 로터 블레이드
36: 쉘/케이싱
38: 압축 공기
40: 연소 가스
42B: 다이어프램
42C: 다이어프램
44B: 다이어프램 캐비티
44C: 다이어프램 캐비티
46: 내측벽
48: 외측벽
50: 에어포일
52: 내측벽의 반경방향 외면
54: 내측벽의 반경방향 내면
56: 외측벽의 반경방향 내면
58: 외측벽의 반경방향 외면
60: 내측벽의 전방면
62: 내측벽의 후방면
64: 내측벽의 제1 둘레면
66: 내측벽의 제2 둘레면
68: 외측벽의 전방면
70: 외측벽의 후방면
72: 외측벽의 제1 둘레면
74: 외측벽의 제2 둘레면
76: 선단 에지
78: 후미 에지
80: 압력측 벽
82: 흡입측 벽
84: 에어포일 통로
86: 코어
100: 노즐 냉각 시스템
102: 충돌 플레이트
104: 충돌 개구
106: 충돌 후 개구
108: 내부 챔버
110: 덕트 플레이트
112: 외부 챔버
114: 함몰부
116: 포스트
118: 충돌 플레이트의 반경방향 외면
120: 충돌 플레이트의 반경방향 내면
122: 충돌 플레이트의 전방면
124: 충돌 플레이트의 후방면
126; 충돌 플레이트의 제1 둘레면
128: 충돌 플레이트의 제2 둘레면
130: 충돌 플레이트의 제1 부분
132; 충돌 플레이트의 제2 부분
134: 라인
136: 라인
138: 라인
140: 돔형 부분
142: 플랜지
144: 출구 개구
146: 노치

Claims (20)

  1. 가스 터빈 엔진(10)을 위한 노즐 냉각 시스템(100)으로서,
    내측벽(46) 및 상기 내측벽(46)에 결합되는 에어포일(50)을 포함하는 노즐(32A, 32B, 32C)에 있어서, 상기 내측벽(46)은 반경방향 내면(54) 및 반경방향 외면(52)을 포함하고, 상기 에어포일(50)은 에어포일 통로(84)를 획정하는 것인 노즐(32A, 32B, 32C);
    상기 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)으로부터 반경방향 내측에 배치되는 충돌 플레이트(102)로서, 상기 충돌 플레이트(102)는 상기 내측벽(46)과 함께 내부 챔버(108)를 획정하며, 상기 충돌 플레이트(102)는 하나 이상의 충돌 개구(104)를 획정하는 제1 부분(130) 및 하나 이상의 충돌 후 개구(post-impingement aperture)(106)를 획정하는 제2 부분(132)을 포함하는 것인 충돌 플레이트(102); 및
    상기 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 에워싸는 덕트 플레이트(110)로서, 상기 덕트 플레이트(110)는 상기 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130) 및 상기 내측벽(46)과 함께, 상기 하나 이상의 충돌 개구(104)를 통해 상기 내부 챔버(108)와 유체 연통하는 외부 챔버(112)를 획정하고, 상기 외부 챔버(112)는 또한 상기 에어포일 통로(84)와 유체 연통하는 것인 덕트 플레이트(110)
    를 포함하며, 상기 에어포일 통로(84)를 통해 압축 공기(38)가 상기 외부 챔버(112)로 유입되고, 그 후 상기 압축 공기는 상기 하나 이상의 충돌 개구(104)를 통해 상기 외부 챔버(112)로부터 상기 내부 챔버(108) 내로 흐르고 상기 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 통해 상기 내부 챔버(108)를 빠져나가는 것인 노즐 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노즐(32A, 32B, 32C)은 외측벽(48), 및 상기 외측벽(48)에서부터 상기 내측벽(46)까지 연장하는 상기 에어포일(50)을 포함하는 것인 노즐 냉각 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 빠져나가는 압축 공기(38)는 다이어프램 캐비티(44B, 44C) 내로 흐르는 것인 노즐 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 덕트 플레이트(110)는 상기 외부 챔버(112)와 다이어프램 캐비티(44B, 44C) 간의 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 출구 개구(144)를 획정하는 것인 노즐 냉각 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 출구 개구(144)는 상기 하나 이상의 충돌 개구(104) 및 상기 하나 이상의 충돌 후 개구(106)로부터 둘레방향으로 이격되는 것인 노즐 냉각 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 출구 개구(144)는 상기 하나 이상의 충돌 개구(104) 및 상기 하나 이상의 충돌 후 개구(106)로부터 둘레방향으로 에어포일(50)에 의해 이격되는 것인 노즐 냉각 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)은 상기 충돌 플레이트(102)의 제2 부분(132)보다 큰 영역을 포함하는 것인 노즐 냉각 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 충돌 플레이트(102)는 하나 이상의 포스트(116)에 의해 상기 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)으로부터 적어도 부분적으로 이격되는 것인 노즐 냉각 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 충돌 플레이트(102)는 곡선형 표면(126, 128)을 포함하는 것인 노즐 냉각 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 충돌 개구(104)는 축방향으로 상기 하나 이상의 충돌 후 개구(106)와 상기 내측벽(46)의 후방면(62) 사이에 위치하는 것인 노즐 냉각 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 충돌 플레이트(102)는 시트 금속으로 이루어지는 것인 노즐 냉각 시스템.
  13. 가스 터빈 엔진(10)으로서,
    압축기 섹션(12);
    연소 섹션(18); 및
    터빈 섹션(22)
    을 포함하며, 상기 터빈 섹션(22)은,
    내측벽(46), 외측벽(48), 및 상기 내측벽(46)과 상기 외측벽(48) 사이에서 연장하는 에어포일(50)을 포함하는 노즐(32A, 32B, 32C)로서, 상기 내측벽(46)은 반경방향 내면(54) 및 반경방향 외면(52)을 포함하고, 상기 에어포일(50)은 에어포일 통로(84)를 획정하는 것인 노즐(32A, 32B, 32C);
    상기 내측벽(46)의 반경방향 내면(54)으로부터 반경방향 내측에 배치되는 충돌 플레이트(102)로서, 상기 충돌 플레이트(102)는 상기 내측벽(46)과 함께 내부 챔버(108)를 획정하며, 상기 충돌 플레이트(102)는 하나 이상의 충돌 개구(104)를 획정하는 제1 부분(130) 및 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 획정하는 제2 부분(132)을 포함하는 것인 충돌 플레이트(102); 및
    상기 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130)을 에워싸는 덕트 플레이트(110)로서, 상기 덕트 플레이트(110)는 상기 충돌 플레이트(102)의 제1 부분(130) 및 상기 내측벽(46)과 함께, 상기 하나 이상의 충돌 개구(104)를 통해 상기 내부 챔버(108)와 유체 연통하는 외부 챔버(112)를 획정하고, 상기 외부 챔버(112)는 또한 상기 에어포일 통로(84)와 유체연통하는 것인 덕트 플레이트(110)
    를 포함하며, 상기 에어포일 통로(84)를 통해 압축 공기(38)가 상기 외부 챔버(112)로 유입되고, 그 후 상기 압축 공기는 상기 하나 이상의 충돌 개구(104)를 통해 상기 외부 챔버(112)로부터 상기 내부 챔버(108) 내로 흐르고 상기 하나 이상의 충돌 후 개구(106)를 통해 상기 내부 챔버(108)를 빠져나가는 것인 가스 터빈 엔진.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서, 상기 덕트 플레이트(110)는 상기 외부 챔버(112)와 다이어프램 캐비티(44B, 44C) 간의 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 출구 개구(144)를 획정하는 것인 가스 터빈 엔진.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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