KR102604517B1 - 터빈 배기가스 디퓨져 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 배기가스 디퓨저(100)를 제공한다. 배기가스 디퓨저(100)는 전방부(120)를 지닌 외측 디퓨저 섹션(110)을 포함할 수 있다. 외측 전방 시일 시스템(130)이 전방부(120) 상에 위치 설정될 수 있다. 외측 전방 시일 시스템(130)은 시일 포켓(190) 내에 제거 가능하게 위치 설정되는 시일 베이스(150)를 포함한다.

Description

터빈 배기가스 디퓨져{TURBINE EXHAUST DIFFUSER}
본 출원과 결과적인 특허는 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 개선된 배기가스 디퓨져와, 아웃오브 라운드 조건(out of round conditions)을 감소시키도록 구성된 디퓨저 시일을 지닌 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 일반적으로 터빈의 마지막 단의 하류에 위치 설정된 배기가스 디퓨저를 포함한다. 일반적으로 설명하지만, 배기가스 디퓨져는 터빈의 마지막 단을 빠져나가는 고온 연소 가스의 운동 에너지를 증가된 정압 형태로 잠재적인 에너지로 변환한다. 배기가스 디퓨져는 고온 연소 가스를, 흐름 방향으로 단면적이 증가하는 케이싱을 통과하도록 안내한다. 배기가스 디퓨져는 일반적으로 허브 상에 장착되고 케이싱에 의해 둘러싸인 다수의 스트럿을 포함한다.
통상적인 배기가스 디퓨저는 360도의 연속적인 원일 수도 있고, 여러 방식으로 다수의 세그먼트로 분할될 수도 있다. 연속적인 디퓨저는 가장 용이하게 제조될 수 있지만, 분할형 디퓨저는 베어링 등과 같은 해당 분야의 소정 구성요소에 대한 접근을 포함하여 더 많은 작동 유연성을 제공할 수 있다. 그러나, 분할형 디퓨저는 실링 및/또는 부착 목적으로 키가 큰 반경방향 플랜지를 사용할 수 있다. 이러한 키가 큰 플랜지는 그 길이를 따라, 높은 아웃 오브 라운드 효과를 초래할 수 있는 응력 및 열 구배를 경험할 수 있다. 터빈 출구에 매우 근접한 곳에서의 아웃 오브 라운드 조건은 전체 항공 성능과 가스 터빈 출력 및 효율에 영향을 줄 수 있다.
미국 특허출원공개공보 US2016/0102578호 (2016년 4월 14일 공개)
본 출원과 결과적인 특허는 이에 따라 터빈용 배기가스 디퓨저를 제공한다. 배기가스 디퓨저는 전방부를 지닌 외측 디퓨저 섹션을 포함할 수 있다. 외측 전방 시일 시스템이 전방부 상에 위치 설정될 수 있다. 외측 전방 시일 시스템은 시일 포켓 내에 제거 가능하게 위치 설정된 시일 베이스를 포함할 수 있다.
본 출원과 결과적인 특허는 아웃 오브 라운드 조건을 제한하도록 배기가스 디퓨저를 작동시키는 방법을 더 제공한다. 상기 방법은 배기가스 디퓨저에 있는 전방부의 시일 포켓 내에 시일 베이스를 위치 설정하는 단계, 시일을, 그 흐름 측으로부터 전방부를 통해 연장되는 채널을 통해 제위치에 로킹하는 단계, 및 연소 가스를 그 흐름 측 상의 전방부를 통과하여 흐르게 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원과 결과적인 특허는 배기가스 디퓨저를 더 제공한다. 배기가스 디퓨저는 전방부를 지닌 외측 디퓨저 섹션을 포함할 수 있다. 외측 전방 시일 시스템이 전방부 상에 위치 설정될 수 있다. 외측 전방 시일 시스템은 시일 부재를 지닌 시일 베이스와, 전방부 내에 형성되는 시일 포켓을 포함할 수 있다. 시일 부재는 내부에 제거 가능하게 위치 설정될 수 있고, 전방부를 통해 연장되는 도웰(dowel)을 통해 고정된다.
본 출원과 결과적인 특허의 이들 및 다른 피쳐(feature)와 개선점은 여러 도면과 첨부된 청구범위와 연계하여 아래의 상세한 설명을 검토함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
이제 첨부도면 - 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않음 - 을 참고하겠다.
도 1은 압축기, 연소기, 터빈, 배기가스 디퓨저 및 부하를 지닌 가스 터빈 엔진의 개략도.
도 2는 도 1의 가스 터빈 엔진의 배기가스 디퓨저의 일부의 단면도.
도 3은 여기에서 설명될 수 있는 배기가스 디퓨져의 외측 전방 시일 시스템의 단면도.
이제 도면 - 유사한 도면부호는 다수의 도면 전반에 걸쳐 유사한 요소를 지칭함 - 을 참고하면, 도 1은 여기에서 사용될 수 있는 가스 터빈 엔진(10)의 개략도를 보여준다. 가스 터빈 엔진(10)은 압축기(15)를 포함한다. 압축기(15)는 유입 공기 흐름(20)을 압축한다. 압축기(15)는 압축 공기 흐름(20)을 연소기(25)로 이송한다. 연소기(25)는 압축 공기 흐름(20)을 압축 연료 흐름(30)과 혼합하고, 혼합물을 점화하여 연소 가스 흐름(35)을 생성한다. 단지 하나의 연소기(25)만이 도시되어 있지만, 가스 터빈 엔진(10)은 둘레방향 어레이 등으로 구성된 임의의 개수의 연소기(25)를 포함할 수 있다. 연소 가스 흐름(35)은 결국 터빈(40)으로 이송된다. 연소 가스 흐름(35)은 기계적 일을 생성하도록 터빈(40)을 구동한다. 터빈(40)에서 생성되는 기계적 일은 샤프트(45)를 통해 압축기를 그리고 발전기 등과 같은 외부 부하(50)를 구동한다.
가스 터빈 엔진(10)은 천연가스, 다양한 타입의 신가스(syngas), 액체 연료 및/또는 다른 타입의 연료와 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 가스 터빈 엔진(10)은, 제한하는 것은 아니지만 7 또는 9 시리즈 헤비 듀티 가스 터빈 엔진 등과 같은 것을 포함하여, 미국 뉴욕주 스케넥터디에 소재하는 제네럴 일렉트릭 컴퍼니에 의해 제공되는 여러 상이한 가스 터빈 엔진들 중 어느 하나일 수 있다. 가스 터빈 엔진(10)은 다른 구성을 가질 수 있고, 다른 타입의 구성요소를 사용할 수 있다. 다른 타입의 가스 터빈 엔진도 또한 여기에서 사용될 수 있다. 다수의 가스 터빈 엔진, 다른 타입의 터빈 및 다른 타입의 발전기도 또한 여기에서 함께 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 가스 터빈 엔진(10)은 배기가스 디퓨저(55)를 더 포함할 수 있다. 배기가스 디퓨져(55)는 터빈(40)의 하류에 터빈과 연통되도록 위치 설정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 배기가스 디퓨져(55)는 허브(65) 상에 장착되고, 외측 케이싱(70) 내에 밀폐된 다수의 스트럿(60)을 포함할 수 있다. 스트럿(60)은 허브(65)와 케이싱(70)을 서로에 대해 고정된 관계로 유지하는 기능을 한다. 배기가스 디퓨저(55)는 연소 가스(35) 흐름을 반경방향으로 선회시킬 수 있다.
배기가스 디퓨저(55)는, 고온 연소 가스(35)를 위한 연속적인 유로를 획정하도록 케이싱(70)에 부착된 외측 디퓨저 섹션(75)을 포함할 수 있다. 외측 디퓨저 섹션(75)은 터빈(40) 출구 주위에 위치 설정되는 전방부(80)를 포함할 수 있다. 전방부(80)는 케이싱(70)을 향해 연장되는 외측 전방 시일(85)을 포함할 수 있다. 외측 전방 시일(85)은 가요성 시일 부재(87)를 포함할 수 있다. 가요성 시일 부재(87)는 외측 디퓨저 섹션(75)에 있는 전방부(80)의 스킨(95)으로부터 연장되는 다수의 플랜지(92)에 의해 형성되는 반경방향 슬롯(90)에 위치 설정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 배기가스 디퓨저(55)는, 특히 터빈(40) 출구에 근접하게 위치하는 외측 디퓨저 섹션(75) 주위에서 아웃 오브 라운드 조건을 경험할 수 있다.
도 3은 여기에서 설명될 수 있는 배기가스 디퓨저(100)의 일부를 보여준다. 이 예에서, 배기가스 디퓨저(100)는 2개 이상의 세그먼트(105)로 분할될 수 있다. 배기가스 디퓨저(100)는, 전방부(120)가 터빈(40) 출구 주위에 위치 설정되는 외측 디퓨저 섹션(110)을 포함할 수 있다. 외측 디퓨저 섹션(110)은 전방부(120)의 스킨(140) 주위에서 연장되는 외측 전방 시일 시스템(130)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 스킨(95)으로부터 연장되는 플랜지(92)에 의해 형성되는 슬롯(90) 대신에, 여기에서 설명하는 배기가스 디퓨저(100)는 시일 베이스(150)를 포함한다. 시일 베이스(150)는 전방부(120)의 스킨(140)으로부터 착탈 가능하다. 시일 베이스(150)는 한 쌍의 플랜지(170) 사이에 형성된 반경방향 슬롯(160)을 포함할 수 있다. 유연한 시일 부재(180)는 반경방향 슬롯(160) 내에 위치 설정되고 고정될 수 있다. 시일 베이스(150)와 그 구성요소는 임의의 적절한 크기, 형상 또는 구성을 가질 수 있다.
시일 베이스(150)는 전방부(120)의 스킨(140) 내에 형성된 시일 포켓(190) 내에 위치 설정될 수 있다. 시일 포켓(190)은 임의의 적절한 크기, 형상 또는 구성일 수 있다. 시일 베이스(150)는 시일 포켓(190) 내의 축방향 연장 슬롯(210)과 정합할 수 있는 축방향 연장 후크(200)를 가질 수 있다(또는 그 반대의 경우). 전방부(120)는, 내부의 그 흐름 측(240)에서 개구가 연장되고 시일 포켓(190)으로 연장되는 채널(230)을 가질 수 있다. 시일 베이스(150)는 전방부(120)의 채널(230)을 관통하여 연장되는 도웰(220)을 통해 제위치에 고정될 수 있다. 여기에서는, 다른 타입의 로킹 메커니즘이 사용될 수 있다.
사용 시, 시일 베이스(150)는 시일 포켓(190) 내에 위치 설정될 수 있고, 전방부(120)의 흐름 측(240)으로부터 채널(230)을 통과하여 연장되는 도웰(220)을 통해 고정될 수 있다. 축방향 연장 후크(200)의 정합으로 인해, 시일 베이스(150)와 시일 포켓(190)의 축방향 연장 슬롯(210)이 시일 베이스(150)를 반경방향 및 축방향 양자의 위치로는 효율적으로 로킹하지만, 후프 방향으로는 분리된다. 외측 전방 시일 시스템(130)은 이에 따라, 전체 배기가스 디퓨저(100)의 반경방향 강성을 감소시키도록 전방부(120)의 반경방향 높이를 효율적으로 감소시킨다. 그 결과, 양호한 실링 효율성을 유지하면서, 전체적인 아웃 오브 라운드 조건이 감소될 수 있다.
여기에서 설명되는 가스 디퓨저(100)는 이에 따라 실링 기능과 유로 형성 기능을 분할한다. 그러한 분할은 고정 프레임과 열성장 배기가스 디퓨저(100) 간의 큰 상대 편향 보상을 허용한다. 구체적으로, 외측 전방 시일 시스템(130)은 양호한 시일 효율을 유지하면서, 전방부(120)의 스킨(140)에 대한 응력이 감소되도록 아웃 오브 라운드 조건을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 외측 전방 시일 시스템(130)을 지닌 배기가스 디퓨저(100)는 양호한 실링 성능을 제공하므로, 냉각/실링 공기를 공급하기 위해 보다 작은 송풍기가 사용될 수 있다. 더욱이, 아웃 오브 라운드 상태가 감소된 개선된 원형 형상은 터빈 출구에서, 높은 유량 조건에서 보다 적은 분리가 일어나도록 개선된 디퓨저 성능을 제공할 수 있다. 배기가스 디퓨저(100)의 보다 낮은 프로파일도 또한 보수 관리가 감소된 보다 강건한 성능의 경우에 감소된 응력을 형성할 수 있다.
전술한 설명은 단지 본 출원의 소정 실시예와 결과적인 특허에 관한 것이라는 점이 명백해야만 한다. 다양한 변경 및 수정이 후속하는 청구범위 및 그 등가물에 의해 규정되는 본 발명의 일반적인 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 당업자에 의해 이루어질 수 있다는 점을 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 배기가스 디퓨저(100)로서,
    외측 디퓨져 섹션(110)으로서, 외측 디퓨저 섹션(110)은 터빈(40) 출구 주위에 배치되는 전방부(120)를 포함하고, 전방부(120)는 흐름 측(240) 및 시일 측을 포함하고 자유 단부 및 연결 단부 사이에서 연장되며, 전방부(120)는 시일 측 상에서 자유 단부 및 연결 단부 사이에 시일 포켓(190)을 획정하고, 시일 포켓(190)은 반경방향 연장 부분 및 반경방향 연장 부분으로부터 직접 연장되는 축방향 연장 부분을 구비하는 것인, 외측 디퓨저 섹션(110); 및
    전방부(120) 내에 위치 설정되는 외측 전방 시일 시스템(130)
    을 포함하고,
    외측 전방 시일 시스템(130)은 시일 포켓(190) 내에 제거 가능하게 위치 설정되는 시일 베이스(150)를 포함하고, 시일 베이스(150)는 상기 반경방향 연장 부분에 마련되는 본체, 상기 본체로부터 반경방향 외측으로 연장되는 한 쌍의 플랜지(170), 및 상기 축방향 연장 부분에 마련되는 후크(200)를 포함하고, 상기 본체와 한 쌍의 플랜지(170)는 반경방향 슬롯(160)을 획정하고, 상기 후크(200)는 상기 본체로부터 축방향으로 연장되고 상기 본체를 너머 축방향으로 연장되는 것인 배기가스 디퓨저.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 시일 베이스(150)는 반경방향 슬롯(160) 내에 위치 설정되는 시일 부재(180)를 포함하는 것인 배기가스 디퓨저.
  4. 제3항에 있어서, 시일 부재(180)는 케이싱(70)을 향해 연장되는 것인 배기가스 디퓨저.
  5. 제3항에 있어서, 시일 부재(180)는 가요성 시일(180)을 포함하는 것인 배기가스 디퓨저.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 전방부(120)는 내부에 흐름 측(240)으로부터 반경방향 외측으로 연장되고 시일 포켓(190)의 축방향 연장 부분으로 연장되는 채널(230)을 포함하는 것인 배기가스 디퓨저.
  10. 제9항에 있어서, 전방부(120)는 채널(230) 내에 제거 가능하게 위치 설정되고 상기 축방향 연장 부분 내로 연장되는 도웰(dowel)을 포함하는 것인 배기가스 디퓨저.
  11. 제1항에 있어서, 전방부(120)는 연소 가스 흐름(35)을 향하는 스킨(140)을 포함하는 것인 배기가스 디퓨저.
  12. 제11항에 있어서, 시일 포켓(190)은 연소 가스 흐름(35)을 향하는 스킨(140)의 대향 측에에서 전방부(120)의 시일 측 상에 위치 설정됨으로써 시일 베이스(150)는 스킨(140)의 어떠한 부분도 형성하지 않는 것인 배기가스 디퓨저.
  13. 제1항에 있어서, 배기가스 디퓨저(100)는 복수 개의 세그먼트(105)를 포함하는 것인 배기가스 디퓨저.
  14. 삭제
  15. 배기가스 디퓨저(100)의 작동 방법으로서, 상기 배기가스 디퓨저(100)는 터빈(40) 출구 주위에 배치되는 전방부(120)를 포함하고, 상기 전방부(120)는 흐름 측(240) 및 시일 측을 포함하고 자유 단부 및 연결 단부 사이에서 연장되는 것인 배기가스 디퓨저의 작동 방법으로서,
    배기가스 디퓨저(100)의 전방부(120)의 시일 포켓(190)의 축방향 연장 부분에 시일 베이스(150)의 후크(200)를, 그리고 시일 포켓(190)의 반경방향 연장 부분에 시일 베이스(150)의 본체를 제거 가능하게 위치 설정하는 단계로서, 시일 포켓(190)은 시일 측 상에서 자유 단부 및 연결 단부 사이에 전방부(120)에 획정되며, 후크(200)는 본체로부터 축방향으로 연장되고 본체를 너머 축방향으로 연장되며, 시일 베이스(150)는 반경방향 슬롯(160)을 획정하는 한 쌍의 플랜지(170)를 포함하고, 한 쌍의 플랜지(170)는 시일 베이스(150)의 본체로부터 반경방향 외측으로 연장되고, 시일 베이스(150)의 본체는 반경방향 슬롯(160)을 부분적으로 획정하는 것인, 위치 설정하는 단계;
    전방부의 흐름 측(240)으로부터 전방부(120)를 관통하여 연장되는 채널(230) 내로 도웰(220)을 연장시킴으로써 시일 베이스(150)를 제위치에 로킹하는 단계; 및
    연소 가스(35)를 전방부의 흐름 측(240) 상에서 전방부(120)를 통과하여 흐르게 하는 단계
    를 포함하는 배기가스 디퓨저의 작동 방법.
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