KR102647482B1

KR102647482B1 - 가스 터빈 전이 피스용 후미 프레임 조립체

Info

Publication number: KR102647482B1
Application number: KR1020180120414A
Authority: KR
Inventors: 3세 찰스 루이스 데이비스; 레프트 게 웨이 첸; 스콧 로버트 시몬스; 케빈 웨스턴 맥마한
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2024-03-13
Also published as: US10718224B2; CN109667668A; US20190112936A1; KR20190041926A; CN109667668B; DE102018124955A1

Abstract

후미 프레임 조립체는, 상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 표면 및 반경방향 내측 표면을 포함한 본체를 구비한다. 공급 구멍 입구가 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상기 상류측 배향 표면 상에서 상기 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치된다. 공급 구멍 입구들은 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합된다. 마이크로채널들이 반경방향 내측 표면 및 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성된다. 냉각 채널은 마이크로채널에 연결되어 그 마이크로채널에서 끝난다. 출구 구멍들이 복수의 마이크로채널에 연결되고, 그 출구 구멍은 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치된다. 그 출구 구멍은 냉각용 환형부로 배기하도록 위치 설정된다.

Description

가스 터빈 전이 피스용 후미 프레임 조립체{AFT FRAME ASSEMBLY FOR GAS TURBINE TRANSITION PIECE}

본 명세서에서 개시하는 장치는 일반적으로는 후미 프레임 조립체(aft frame assembly)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로채널 냉각 슬롯을 포함하는, 가스 터빈의 전이 피스(transition piece)용 후미 프레임 조립체에 관한 것이다.

가스 터빈은 발전 등의 분야에서 광범위하게 이용되고 있다. 예를 들면, 통상의 가스 터빈 시스템은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 통상의 가스 터빈 시스템에서, 압축 공기가 압축기로부터 연소기에 제공된다. 연소기로 들어가는 공기는 연료와 혼합되어 연소된다. 고온의 연소 가스가 연소기에서부터 터빈으로 흘러, 가스 터빈 시스템을 구동하고 파워를 생성한다.

전형적인 구성에서, 연소기의 환형 어레이가 복수의 전이 피스에 의해 터빈의 제1 단에 연결된다. 그 전이 피스는 각각 그 일단부가 해당 연소기 라이너에 정합하는 형상으로 형성되고 그 반대측 단부는 터빈의 입구에 정합하는 형상으로 형성된다. 따라서, 반대측(또는 하류측) 단부에서, 전이 피스는 전이 피스를 터빈에 고정시키는 후미 프레임(aft frame)을 갖고 있다. 충격 슬리브(impingement sleeve)가 그 전이 덕트를 둘러싸, 압축기로부터 배출된 작동 유체를 전이 피스와 접촉하게 안내하도록 이용될 수 있다. 그 작동 유체는 궁극적으로 연소기 내에서 연료와 혼합된다.

미국 특허출원공개공보 US2014/0000267호

종래, 전이 피스와 그 주변의 충격 슬리브 사이의 유동 경로로 들어간 작동 유체의 일부는 후미 프레임의 구멍을 통해 제거된다. 후미 프레임을 냉각시키는 데에 이용되는 그 작동 유체는, 연소기로부터의 고온 가스가 터빈에 들어가기 직전에 그 고온 가스 내로 버려진다. 이러한 종래의 냉각 방법에 있어서의 문제점은, 그 작동 유체가 냉각이 필요한 후미 프레임의 영역에 항시 도달하지는 못한다는 점이다. 후미 프레임의 하류측 면 및 하류측 코너는 냉각이 필요한 영역이지만, 종래에는 그 영역을 냉각시키기가 매우 어려웠다.

본 발명의 양태에서, 가스 터빈의 전이 피스용 후미 프레임 조립체가 제공된다. 전이 피스는 복수의 냉각 구멍을 갖는 외부 슬리브 내에 위치한다. 전이 피스와 외부 슬리브 사이의 공간에 냉각용 환형부가 형성된다. 고압 플레넘이 외부 슬리브의 외부를 둘러싼다. 후미 프레임 조립체는, 상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 표면 및 반경방향 내측 표면을 구비한 본체를 포함한다. 복수의 공급 구멍 입구가 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상류측 배향 표면 상에서 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치된다. 공급 구멍 입구들은 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합된다. 복수의 마이크로채널이 반경방향 내측 표면 및 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성되며, 냉각 채널은 마이크로채널에 연결되어 그 마이크로채널에서 끝난다. 복수의 출구 구멍이 복수의 마이크로채널에 연결되고, 그 출구 구멍은 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치된다. 그 출구 구멍은 냉각용 환형부로 배기하도록 위치 설정된다.

본 발명의 다른 양태에서, 전이 피스는 후미 프레임 조립체를 구비한다. 전이 피스는 복수의 냉각 구멍을 갖는 외부 슬리브 내에 위치한다. 전이 피스와 외부 슬리브 사이의 공간에 냉각용 환형부가 형성된다. 고압 플레넘이 외부 슬리브의 외부를 둘러싼다. 후미 프레임 조립체는 상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 표면 및 반경방향 내측 표면을 포함한 본체를 구비한다. 복수의 공급 구멍 입구가 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상류측 배향 표면 상에서 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치된다. 공급 구멍 입구들은 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합된다. 복수의 마이크로채널이 반경방향 내측 표면 및 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성된다. 냉각 채널은 마이크로채널에 연결되어 그 마이크로채널에서 끝난다. 복수의 출구 구멍이 복수의 마이크로채널에 연결되고, 그 출구 구멍은 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치된다. 그 출구 구멍은 냉각용 환형부로 배기하도록 위치 설정된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 가스 터빈은, 압축기, 및 이 압축기의 하류에 배치된 연소 섹션을 포함한다. 연소 섹션은 압축기와 유체 연통한다. 터빈이 연소 섹션의 하류에 배치된다. 연소 섹션은 후미 프레임 조립체를 포함하며, 이 후미 프레임 조립체는, 상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 표면 및 반경방향 내측 표면을 갖는 본체를 구비한다. 연소 섹션은 복수의 냉각 구멍을 갖는 외부 슬리브 내에 위치한 전이 피스를 구비한다. 전이 피스와 외부 슬리브 사이의 공간에 냉각용 환형부가 형성된다. 고압 플레넘이 외부 슬리브의 외부를 둘러싼다. 후미 프레임은 복수의 공급 구멍 입구를 구비하며, 이들 공급 구멍 입구는, 공급 구멍 입구가 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상류측 배향 표면 상에서 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치된다. 공급 구멍 입구들은 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합된다. 복수의 마이크로채널이 반경방향 내측 표면 및 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성된다. 냉각 채널은 마이크로채널에 연결되어 그 마이크로채널에서 끝난다. 복수의 출구 구멍이 복수의 마이크로채널에 연결되고, 그 출구 구멍은 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치된다. 그 출구 구멍은 냉각용 환형부로 배기하도록 위치 설정된다.

도 1은 예시적인 가스 터빈의 기능 블록도이다.
도 2는 본 개시의 다양한 양태를 포괄할 수 있는 연소기를 포함한 가스 터빈의 일부분의 측단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 양태에 따른 도 2에 도시한 바와 같은 후미 프레임의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 양태에 따른 후미 프레임 조립체의 상류측 배향 표면의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 양태에 따른 후미 프레임의 축방향 부분 단면 사시도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 양태에 따른 도 5의 라인 6-6을 따라 취한 후미 프레임의 개략적 부분 단면도를 도시한다.
도 7은 본 개시의 양태에 따른 후미 프레임의 축방향 부분 단면 사시도를 도시한다.
도 8은 본 개시의 양태에 따른 마이크로채널이 사전 소결 프리폼(pre-sintered preform)으로 형성되어 있는 후미 프레임의 개략적 부분 단면도를 도시한다.

이하에서 본 발명의 하나 이상의 구체적인 양태/실시예를 설명할 것이다. 이들 양태/실시예에 대해 간결한 설명을 제시하려는 일환으로, 실제 실시의 모든 특징이 본 명세서에서 설명되지는 않을 수도 있다. 임의의 공학 프로젝트 또는 설계 프로젝트와 같은, 그러한 임의의 실제적인 실시의 개발에 있어서, 실시들 간에 다를 수도 있는 머신 관련 제약, 시스템 관련 제약 및 사업 관련 제약에 순응하는 것과 같이 개발자의 특정한 목표를 달성하기 위해 실시에 맞춘 다수의 결정이 이루어져야만 한다는 것을 이해할 것이며, 그러한 제약은 각각의 실시에 따라 서로 상이할 수 있다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 본 개시 내용의 이익을 얻고자 하는 당업자에게는 설계, 제작 및 제조에서 이루어지는 통상적인 업무일 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 도입할 때, 단수 표현 및 "상기"와 같은 용어는 그러한 요소가 하나 이상 존재한다는 것을 의미하고자 한 것이다. "구성하는", "포함하는", 및 "구비하는"과 같은 용어는 개방적 표현으로서 나열된 요소들 이외에도 추가적인 요소가 존재할 수 있음을 의미하고자 한 것이다. 작동 파라미터 및/또는 환경 조건들의 임의의 예는 개시하는 실시예의 기타 파리미터/조건을 배제하지 않는다. 게다가, 본 발명의 "하나의 실시예", "하나의 양태", "실시예" 또는 "양태"란 언급은 기술한 특징들을 역시 포함하는 추가적인 실시예 또는 양태들의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.

본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "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. "반경방향"이란 용어는 특정 구성 요소의 축방향 중심선에 실질적으로 수직한 상대적 방향을 지칭하며, "축방향"이란 용어는 특정 구성 요소의 축방향 중심선에 실질적으로 평행하고 반경방향에 대해 수직한 상대적 방향을 지칭한다.

이하, 동일 도면 부호가 전체 도면에 걸쳐 동일 요소를 가리키고 있는 도면을 참조하면, 도 1은 본 개시의 다양한 실시예를 포함할 수 있는 예시적인 가스 터빈(10)의 기능 블록도를 제공한다. 도시한 바와 같이, 가스 터빈(10)은 일반적으로 입구 섹션(12)을 포함하고, 이 입구 섹션(12)은 일련의 필터, 냉각 코일, 수분 분리기 및/또는 가스 터빈(10) 내로 들어가는 작동 유체(예를 들면, 공기)(14)를 정화하거나 달리 조정(conditioning)하기 위한 기타 장치를 포함할 수 있다. 작동 유체(14)는 압축기 섹션으로 흐르며, 여기서 압축기(16)가 작동 유체(14)에 점진적으로 운동 에너지를 부여하여 압축 작동 유체(18)를 생성한다.

압축 작동 유체(18)는 연료 스키드(fuel skid) 등의 연료 소스(22)로부터의 연료와 혼합되어, 가스 터빈(10)의 연소 섹션(26)의 하나 이상의 연소기(24) 내에서 연소 가능한 혼합물을 형성한다. 그 연소 가능 혼합물은 연소되어 높은 온도, 압력 및 속도를 갖는 연소 가스(28)를 생성한다. 연소 가스(28)는 터빈 섹션의 터빈(30)을 통해 흘러 일(work)을 생성한다. 예를 들면, 터빈(30)은 샤프트(32)에 연결되어, 터빈(30)의 회전이 압축기(16)를 구동하여 압축 작동 유체(18)를 생성하도록 될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 샤프트(32)는 전기를 생성하기 위해 터빈(30)을 발전기(34)에 연결될 수 있다. 터빈(30)으로부터의 배기가스(36)는 배기 섹션(38)을 통해 흐르며, 이 배기 섹션(38)은 터빈(30)을 터빈(30)의 하류의 배기 스택(40)에 연결한다. 배기 섹션(38)은 예를 들면 주변 환경으로 방출하기 전에 배기가스(36)를 정화하고 그로부터 추가적 열을 추출하는 열회수식 증기 발생기(도시 생략)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 개시의 다양한 양태에 포함될 수 있는 예시적 연소기(24)를 포함한 가스 터빈(10)의 일부분의 측단면도를 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 연소 섹션(26)은 압축기(16)의 하류에 배치된 압축기 배출 케이싱 등의 외부 케이싱(50)을 포함한다. 외부 케이싱(50)은 적어도 부분적으로 연소기(24)를 둘러싼다. 외부 케이싱(50)은 연소기(24)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 고압 플레넘(high pressure plenum)(52)을 적어도 부분적으로 획정한다. 고압 플레넘(52)은 가스 터빈(10)의 작동 중에 압축기(16)로부터 압축 작동 유체(18)를 받아들이도록 압축기(16)와 유체 연통한다.

단부 커버(54)가 외부 케이싱(50)에 결합될 수 있다. 특정 연소기 구조에서, 단부 커버(54)는 연료 소스(22)와 유체 연통한다. 단부 커버(54) 및/또는 연료 소스(22)와 유체 연통하는 연료 노즐(56)이 단부 커버(54)로부터 하류측으로 연장한다. 연료 노즐(56)은 외부 케이싱(50) 내에 배치된 환형 캡 조립체(58)를 통과해 대체로 축방향으로 연장한다. 연소 라이너 또는 전이 덕트 등의 환형 라이너(60)가 연료 노즐(56)의 출구 단부(64)의 하류측에서 연소기(24) 내에 연소 실(62)을 적어도 부분적으로 획정한다. 흐름 슬리브(66)가 라이너(60)의 일부를 둘레방향으로 둘러쌀 수 있다. 흐름 슬리브(66)가 라이너(60)로부터 반경방향으로 이격되어, 그 사이에 흐름 통로(68)를 획정한다. 흐름 통로(68)는 연소기(24)의 헤드 단부 부분(70)을 통해 연소실(62)과 유체 연통한다. 헤드 단부 부분(70)은 적어도 부분적으로 단부 커버(54) 및/또는 외부 케이싱(50)에 의해 획정될 수 있다.

전이 덕트(또는 전이 피스)(72)가 연소실(62)로부터 하류측으로 연장한다. 전이 피스(72)는 하류측 단부(76)로부터 축방향으로 이격된 상류측 단부(74)를 포함한다. 특정 구성에서, 상류측 단부(74)는 환형 라이너(60)의 하류측 부분(78)을 둘러싼다. 전이 피스(72)의 하류측 단부(76)는 터빈(30)의 입구(80) 근처에서 끝난다. 환형 라이너(60) 및/또는 전이 피스(72)가 연소 가스(28)를 연소실(62)로부터 고압 플레넘(52)을 통해 터빈(30) 내로 안내하는 고온 가스 경로(82)를 적어도 부분적으로 획정한다.

충돌 또는 흐름 슬리브 등의 외부 슬리브(84)가 전이 덕트(72) 주위에서 둘레방향으로 연장한다. 외부 슬리브(84)는 전이 덕트(72)로부터 반경방향으로 이격되어, 그 사이의 공간에 냉각용 환형부(86)를 획정한다. 외부 슬리브(84)는 고압 플레넘(52)과 냉각용 환형부(86) 간에 유체 연통을 제공하는 복수의 냉각 구멍(88) 또는 통로를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 냉각용 환형부(86)는 연소실(62)과 유체 연통한다.

레이트 린 연료 분사기(late lean fuel injector)로서도 통상 공지된 하나 이상의 연료 분사기(90)가 외부 슬리브(84), 냉각용 환형부(86) 및 전이 피스(72)를 통과해 연장하여, 연소실(62)의 하류측의 고온 가스 경로(82) 내로 연료 분사를 제공할 수 있다. 연료 분사기(90)는 흐름 슬리브(66), 흐름 통로(68) 및 라이너(60)를 통과해 연장하여, 연소실(62)의 하류측의 고온 가스 경로(82) 내로 연료 분사를 제공할 수도 있다. 크로스 파이어 튜브(cross fire tube), 점화기, 압력 탐침 및 화염 검출기 등의 기타 침입물들은 흐름 환형부(86) 내에서 블러프 바디(bluff body)로서 기능하여, 흐름에 후류(wake) 등의 교란을 일으킨다.

후미 프레임 조립체(또는 후미 프레임)(92)가 전이 피스(72)의 하류측 단부(76)에 또는 그 근처에 배치된다. 후미 프레임(92)은 전이 피스(72)의 하류측 단부(76)와 일체로 이루어진다. 전측 에지(94) 등의 외부 슬리브(84)의 부분이 후미 프레임(92)과 일체로 이루어지거나 그에 연결되어, 적어도 부분적으로 냉각용 환형부(86)를 획정할 수 있다. 후미 프레임(92)과 전이 피스(72)는 단일 구성 요소로서 제조될 수 있다. 대안적으로, 후미 프레임(92)은 용접, 브레이징 또는 임의의 기타 적절한 프로세스를 통해 전이 피스(72)에 연결될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 전이 피스(72), 외부 슬리브(84), 냉각용 환형부(86) 및 후미 프레임(92)은 전이 피스 조립체(96)로서 제공된다. 후미 프레임(92)은 일반적으로 연소기의 작동 중에 전이 피스(72)의 하류측 단부(76)의 변형을 감소 및/또는 방지하도록 구조용 지지를 제공한다. 후미 프레임(92)은 외부 케이싱(50) 내에 전이 피스(72)를 장착하기 위한 수단을 제공할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 후미 프레임(92)은 본체(100)를 포함한다. 본체(100)는 외부(또는 상부) 레일(102), 내부(또는 저부) 레일(104) 및 제1 측부 레일(106)을 포함하고, 이 제1 측부 레일(106)은 대양한 제2 측부 레일(108)로부터 둘레방향으로 이격되어 있다. 이들 측부 레일은 후미 프레임의 측부에 위치하며, 외부 레일은 후미 프레임의 상부에 위치하며, 그리고 내부 레일은 후미 프레임의 저부에 위치한다. 상부 레일(102)은 저부 레일(104)의 반경 방향 외측에 위치한다. 본체(100)는 또한, 하류측 배향 표면(112)으로부터 이격된(그리고 그 반대측의) 상류측 배향 표면(110)(도 3에서는 보이지 않음); 적어도 부분적으로 상류측 배향 표면(110)과 하류측 배향 표면(112) 사이에서 본체(100)의 외주 둘레로 연장하는 반경방향 외측 표면(114); 및 적어도 부분적으로 상류측 배향 표면(110)과 하류측 배향 표면(112) 사이에서 본체(100)의 내주 둘레로 연장하는 반경방향 내측 표면(115)을 포함한다. 후미 프레임(92)은 또한 가스 터빈(10) 내에 전이 피스(72) 및/또는 전이 피스 조립체(96)(도 2 참조)를 장착하기 위한 장착 피처(116)를 포함할 수 있다.

후미 프레임의 측부 레일들은, 내부 및 외부 레일이 고온 가스 경로에 상응하게 되는, "통(can)형"의 연소기로부터 "환형"의 고온 가스 경로의 전이부로 인해 특유의 냉각 요건을 갖는다. 하지만, 후미 프레임의 측부 레일들은 고온 가스 경로 내에 대응하는 부분이 없고, 이에 따라 내부 및 외부 레일보다 더 직접적으로 고온 가스에 노출된다.

도 4는 후미 프레임(92)의 상류측 배향 표면(110)의 단순화한 개략도를 도시한다. 상류측 배향 표면(110)은 그 상에 위치한 복수의 공급 구멍 입구(120)를 포함한다. 각 공급 구멍 입구(120)는 본체(100)를 통과하는 냉각 채널(122)(도시 생략)에 결합된다. 예를 들면, 하나의 공급 구멍 입구(120)가 해당 냉각 채널(122)의 시작부로서 기능하여, 복수의 공급 구멍 입구(120)가 동일한 개수의 냉각 채널(122)에 대응한다. 대안적으로, 공급 구멍 입구는 공급 구멍 입구 슬롯(121)을 포함할 수 있고, 하나의 슬롯(121)이 복수의 냉각 채널에 공기를 공급할 수 있다. 후미 프레임(92)은 특정 용례에서 요구되는 바에 따라 공급 구멍 입구(120), 공급 구멍 입구 슬롯(121) 또는 이들 둘 모두를 이용할 수 있다. 공급 구멍 입구(120, 121)에 입력되는 공기의 소스는 고압 플레넘(52)으로부터 인출된 압축기 배출 공기이다. 외부 슬리브(84)(흐름 슬리브)는 파선으로 도시되어 있다. 고압 플레넘(52)은 외부 슬리브(84) 외부에 있다. 공급 구멍 입구(120, 121) 및 냉각 채널의 구체적 위치 또는 구성은, 후미 프레임에서의 열 구배가 최소화되거나 감소되도록 특정 용례에 맞춤화될 수 있다. 후미 프레임(92)의 반경방향 내측 표면(115)은 통상 반경방향 외측 표면(114)보다 고온이며, 따라서 마이크로채널들이 반경방향 내측 표면(115)에 보다 근접하거나 가까이에 위치한다. "반경방향 내향" 및 "반경방향 외측"이란 표현은 후미 프레임(92)에 대해 중심점인 중앙 원점(111)에 대해 사용된다.

도 5는 본 개시의 양태에 따른 후미 프레임(92)의 축방향 부분 단면 사시도를 도시한다. 공급 구멍 입구(120)는 상류측 배향 표면(110)에서 외부 슬리브(84)의 반경방향 외측에 위치하며, 각 공급 구멍 입구(120)는 냉각 채널(122)에 연결된다. 냉각 채널(122)은 본체(100)를 통과하는데, 그 본체를 직선으로 또는 축방향으로 통과할 수 있거나, 중앙 원점(111)(도 4 참조)을 통과하는 축방향 라인에 대해 경사질 수도 있다. 여기서, "축방향"이란 용어는 후미 프레임을 기준으로 한 것으로, 대체로 연소 가스의 흐름 방향이다. "반경방향"이란 용어는 그 축방향에 대해 직각을 이루는 방향이다. 본 구성의 이점은, 냉각 채널(122)에 고압 플레넘(52)으로부터의 고압 공기가 공급된다는 점이다. 이는 냉각 공기가 후미 프레임의 반경방향 내측 표면 영역에 신속하게 도달하여 필요로 하는 곳에 냉각을 제공할 수 있게 한다. 냉각 채널은 마이크로채널(124)에 연결되어 그 마이크로채널에서 끝난다(또는 그 내로 배기한다). 이들 마이크로채널은 또한 도면 부호 124a 내지 124f로도 나타낼 것이며, 그 공기 흐름은 아래에서 설명하는 바와 같이 124a 부분에서부터 124b 부분으로 진행하여, 최종적으로 124d 또는 124f 부분 다음에서 배출된다. 각 냉각 채널(122)은 하나 이상의 마이크로채널(124)(즉, 124a)에 연결될 수 있다. 이 구성은, 마이크로채널의 막힘의 부정적인 효과를 최소화 또는 감소시킨다는 점에서 유리하다. 하나의 냉각 채널 또는 마이크로채널이 막히게 되면(또는 다른 식으로 차단되면), 나머지 냉각 채널 또는 마이크로채널은 후미 프레임에 냉각 공기 흐름을 계속 제공하게 될 것이다. 공급 구멍 입구(120)는 또한 공급 구멍 슬롯(121)으로 대체될 수 있고, 하나의 슬롯(121)이 복수의 냉각 채널(122)에 공기를 공급할 수 있다.

각 마이크로채널(124)(즉, 124a)은 반경방향 내측 표면(115)에 또는 그 근처에 형성되어 적어도 부분적으로 하류측 배향 표면(112)을 따라 연장한다. 마이크로채널(124)은 약 0.2밀리미터(㎜) 내지 약 3㎜ 범위, 또는 0.5㎜ 내지 1㎜, 그 사이의 임의의 하위 범위의 깊이를 가질 수 있다. 또한, 마이크로채널(124)은 약 0.2㎜ 내지 약 3㎜ 범위, 또는 0.5㎜ 내지 1㎜, 그 사이의 임의의 하위 범위의 폭을 가질 수 있다. 각 마이크로채널(124)의 길이는 냉각 채널(122)의 출구로부터, 후미 프레임의 하류측 배향 표면 또는 반경방향 외측 표면(114) 상의 마이크로채널의 출구까지의 거리에 기초하여 달라질 것이다. 예를 들면, 마이크로채널(124)(즉, 124f)은 냉각용 환형부(86) 내로 통하거나, 및/또는 하류측 배향 표면(112) 및/또는 반경방향 외측 표면(114) 상으로 통할 수 있다(마이크로채널(124) 및 출구 구멍(127)으로 도시함). 후미 프레임(92)은 통상 스테이지 1 노즐의 바로 상류측에 위치하여, 후미 프레임의 측부 레일 영역 및 후미 프레임과 노즐 사이의 공간을 냉각하는 것이 바람직할 수 있다. 측부 레일로부터 냉각 공기를 배출하는 이점은, 고온 가스의 온도가 인접한 전이 피스들 사이에서 감소될 수 있고, 이는 열응력을 감소시켜 전이 피스 및 관련 구성 요소들의 수명과 내구성을 개선시킬 것이라는 점이다.

마이크로채널 냉각 슬롯(124)은 사전 소결 프리폼(126)에 의해 덮일 수 있다. 사전 소결 프리폼(126)의 기지 합금(base alloy)은, 사전 소결 프리폼(126)과 본체(100) 사이에 공통된 물리적 특성을 조장하도록 본체(100)와 유사한 합금 등의 임의의 조성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 기지 합금과 본체는 공통 조성을 공유한다(즉, 이들은 동일한 종류의 재료이다). 몇몇 실시예에서, 기지 합금은 니켈계 초합금 또는 코발트계 초합금을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기지 합금의 특성은 본체(100)와의 화학적 및 야금적 양립성을 포함한다. 열차폐 코팅(도시 생략)이 역시 사전 소결 프리폼 상에 형성될 수 있다. 열차폐 코팅(thermal barrier coating: TBC)은 그 아래의 구성 요소 기재의 온도를 감소시키고 그 구성 요소의 사용 수명을 연장시킨다. 세라믹 재료, 특히 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)가 높은 온도 용량, 낮은 열전도성, 그리고 플라즈마 용사, 화염 용사 및 물리적 기상 성막(PVD) 기법에 의한 성막의 상대적 용이성으로 인해 TBC 재료로 널리 이용되고 있다.

도 6은 본 개시의 양태에 따른 도 5의 라인 6-6을 따라 취한 후미 프레임(92)의 개략적 부분 단면도를 도시한다. 마이크로채널(124a)은 반경방향 내측 표면(115)을 따라 실질적으로 축방향으로 연장하고(도 5 참조), 그리고 마이크로채널(124b)은 실질적으로 반경방향으로 연장하는 한편, 마이크로채널(124c)은 하류측 배향 표면(112)을 따라 실질적으로 둘레방향으로 연장한다(도 6 참조). 수직 배향 마이크로채널(124b)(도 6 참조)은 반경방향으로 연장하는 한편, 수평 배향 마이크로채널(124c)은 하류측 배향 표면(112)을 따라 둘레방향으로 연장한다. 마이크로채널 섹션(124c)은 둘레방향으로 연장하는 마이크로채널의 일부로서, 복수의 개별 마이크로채널로부터의 흐름을 취급하도록 보다 큰 단면적을 갖도록 구성될 수 있다. 마이크로채널(124)들의 하측 쌍에서, 축방향 연장 마이크로채널이 사전 소결 프리폼(126)에 인접한 것으로 볼 수 있다. 요약하면, 마이크로채널을 통한 공기 흐름은 부분(124a)에서 시작하여 부분(124b)을 통해 반경방향으로 그리고 부분(124c)을 통해 둘레방향으로 흐른다. 그 후에, 공기 흐름은 부분(124d)을 통해 배출될 수 있거나, 및/또는 부분(124e)을 통해 반경방향 경로를 따르고 이어서 부분(124f)을 통해 축방향 경로를 따라 흐르고, 이어서 출구 냉각 채널(123)을 따라 출구 구멍(128)으로 흐른다(도 7 참조).

도 7은 본 개시의 양태에 따른 후미 프레임(92)의 축방향 부분 단면 사시도를 도시한다. 도 7의 도면은 도 5에 도시한 도면으로부터 둘레방향으로 이격된 것이다. 마이크로채널(124c)은 마이크로채널(124e)에 공기를 공급하고 이어서 마이크로채널(124f)로 안내된다. 마이크로채널(124f)은 출구 구멍(128)에 연결된 출구 냉각 채널(123)에 연결된다. 출구 구멍(128)은 상류측 배향 표면(110)에 위치하고 냉각용 환형부(86)로 배출한다. 복수의 출구 구멍(128)이 전이 피스(72)의 반경방향 외측에서 외부 슬리브(84)의 반경방향 내측에 위치할 수 있다. 공급 구멍 입구(120)(고압 플레넘)와 출구 구멍(128)에서의 낮은 압력(냉각용 환형부에서의 낮은 압력에 기인) 간의 압력차는 냉각 채널 및 마이크로채널을 통한 냉각 공기 흐름을 촉진시킨다.

대안적으로 도 8에 도시한 바와 같이, 마이크로채널(124)이 사전 소결 프리폼(126)에 형성될 수도 있다. 이 구성은, 최종 형상 근접(near net shape) 또는 금속 프린팅(예를 들면, 적층 제조) 기법을 이용하여 사전 소결 프리폼(126) 층에 마이크로채널을 형성하는 것이 보다 용이할 수 있다는 점에서 후미 프레임의 제조를 단순화시킬 수 있다. 마이크로채널(124)은 본체(100)(도시함)에 인접하여 형성되거나 열차폐 코팅(도시 생략)에 인접하여 형성될 수도 있다. 게다가, 마이크로채널 냉각 슬롯(124)은 후미 프레임의 원하는 냉각 정도를 달성하도록 직선형, 곡선형, 또는 사행형으로 구성될 수도 있다.

본 명세서 및 청구 범위에서 사용되는 바와 같은 근사 관련 표현은 관련된 기본적인 기능에 변화를 초래하는 일 없이 허용 가능하게 변할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하는 데에 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 표현들에 의해 수식되는 값은 명시한 그 정확한 값에 제한되지 않는다. 적어도 몇몇 예에서, 그러한 근사 관련 표현은 그 값을 측정하는 장비의 정밀도에 상응할 수 있다. 본 명세서 및 청구 범위에 걸쳐, 범위의 한계들은 조합되거나 및/또는 교체될 수 있으며, 그러한 범위는 문맥 또는 표현이 달리 지시하지 않는다면 그에 속하는 모든 하위 범위와 동일시 취급되고 그 하위 범위를 포함할 것이다. 소정 범위의 특정 값에 적용되는 바와 같은 "약" 및 "대략"이란 표현은 양쪽 값 모두에 적용되며, 그 값을 측정하는 장비의 정밀도에 달리 의존하지 않는다면, 그 기재한 값의 +/-10%를 나타낼 수 있다.

본 명세서에서 기술한 설명은 최상의 모드를 비롯한 발명을 개시함과 아울러, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 어떠한 당업자라도 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 일례들을 이용하고 있다. 본 발명의 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 갖는 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: 입구 섹션
14: 작동 유체
16: 압축기
18: 압축 작동 유체
20: 연료
22: 연료 소스
24: 연소기
26: 연소 섹션
28: 연소 가스
30: 터빈
32: 샤프트
34: 발전기
36: 배기가스
38: 배기 섹션
40: 배기 스택
50: 외부 케이싱
52: 고압 플레넘
54: 단부 커버
56: 연료 노즐
58: 환형 캡 조립체
60: 환형 라이너
62: 연소실
64: 출구 단부
66: 흐름 슬리브
68: 흐름 통로
70: 헤드 단부 부분
72: 전이 덕트/피스
74: 상류측 단부
76: 하류측 단부
78: 하류측 부분
80: 입구
82: 고온 가스 경로
84: 외부 슬리브
86: 냉각용 환형부
88: 냉각 구멍
90: 연료 분사기
92: 후미 플레이트 조립체
94: 전측 에지
96: 전이 피스 조립체
100: 본체
102: 외부/상부 레일
104: 내부/저부 레일
106: 제1 측부 레일
108: 제2 측부 레일
110: 상류측 배향 표면
112: 하류측 배향 표면
114: 반경방향 외측 표면
115: 반경방향 내측 표면
116: 장착 피처
120: 공급 구멍 입구
122: 냉각 채널
123: 냉각 채널
124: 마이크로채널
126: 사전 소결 프리폼
127: 출구 구멍
128: 출구 구멍

Claims

가스 터빈의 전이 피스(transition piece)를 위한 후미 프레임 조립체(aft frame assembly)로서: 상기 전이 피스는 복수의 냉각 구멍을 갖는 외부 슬리브 내에 위치하며, 상기 전이 피스와 상기 외부 슬리브 사이의 공간에 냉각용 환형부가 형성되며, 고압 플레넘이 상기 외부 슬리브의 외부를 둘러싸며,
상기 후미 프레임 조립체는,
상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 배향 표면 및 반경방향 내측 배향 표면을 포함하는 본체;
상기 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상기 상류측 배향 표면 상에서 상기 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치되는 한편, 상기 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합되는 복수의 공급 구멍 입구;
상기 반경방향 내측 배향 표면 및 상기 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성되는 복수의 마이크로 채널로서,
상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 상기 하류측 배향 표면을 향해 배향된 하류 방향으로 연장하는 제1 복수의 마이크로채널로서, 상기 복수의 냉각 채널이 그 일단부에서 상기 제1 복수의 마이크로채널과 연결되는 것인, 제1 복수의 마이크로채널;
상기 하류측 배향 표면을 따라 배향된 하나 이상의 방향으로 연장하는 제2 복수의 마이크로채널; 및
상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 상기 하류측 배향 표면으로부터 상기 냉각용 환형부를 향해 배향된 상류 방향으로 연장하는 제3 복수의 마이크로채널로서, 상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 둘레방향으로 서로 이격된 것인, 제3 복수의 마이크로채널
을 포함하는 것인, 복수의 마이크로채널; 및
상기 복수의 마이크로채널에 연결된 복수의 출구 구멍으로서, 상기 제3 복수의 마이크로채널과 유체적으로 결합하는 제1 복수의 출구 구멍을 포함하고, 상기 제1 복수의 출구 구멍은 상기 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 상기 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 제1 복수의 출구 구멍은 상기 냉각용 환형부 내로 배출하도록 위치 설정되는 것인, 복수의 출구 구멍
을 포함하는 것인 후미 프레임 조립체.
제1항에 있어서,
상기 복수의 마이크로채널 위로 그리고 상기 본체의 반경방향 내측 배향 표면 및 상기 하류측 배향 표면 상에 위치한 사전 소결 프리폼(pre-sintered preform)을 더 포함하는 것인 후미 프레임 조립체.
제2항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 축방향으로 연장하는 것인 후미 프레임 조립체.
제3항에 있어서,
상기 제2 복수의 마이크로채널은 상기 하류측 배향 표면을 따라 반경방향 및 둘레방향으로 하나 이상의 방향으로 연장하는 것인 후미 프레임 조립체.
제4항에 있어서,
상기 복수의 출구 구멍들은, 상기 반경방향 외측 배향 표면에 위치하고 상기 고압 플레넘 내로 배출하도록 위치 설정되는 제2 복수의 출구 구멍들을 포함하는 것인 후미 프레임 조립체.
제1항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널, 상기 제2 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 서로 유체적으로 결합되는 것인, 후미 프레임 조립체.
제6항에 있어서,
상기 제2 복수의 마이크로채널은 상기 제1 복수의 마이크로채널 중 하나와 유체적으로 결합하는 제1 마이크로채널, 상기 제1 마이크로채널과 유체적으로 결합하는 제2 마이크로채널 및 상기 제2 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널 중 하나와 유체적으로 결합하는 제3 마이크로채널을 포함하고,
상기 제1 마이크로채널은 상기 하류측 배향 표면을 따라 배향되어 반경방향 외측 방향으로 연장하고, 상기 제2 마이크로채널은 상기 하류측 배향 표면을 따라 배향되어 원주 방향으로 연장하며, 상기 제3 마이크로채널은 상기 하류측 배향 표면을 따라 배향되어 반경방향 내측 방향으로 연장하는 것인, 후미 프레임 조립체.
제1항에 있어서,
상기 복수의 마이크로채널은 사전 소결 프리폼에 형성되는 것인 후미 프레임 조립체.
제1항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제2 복수의 마이크로채널의 각 마이크로채널은 축방향으로 연장하는 선형(linear) 마이크로채널을 포함하는 것인, 후미 프레임 조립체.
제1항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제2 복수의 마이크로채널의 각 마이크로채널은 공통의 방사상 위치에 배치되는 것인, 후미 프레임 조립체.
후미 프레임 조립체를 구비한 전이 피스로서: 상기 전이 피스는 복수의 냉각 구멍을 갖는 외부 슬리브 내에 위치하며, 상기 전이 피스와 상기 외부 슬리브 사이의 공간에 냉각용 환형부가 형성되며, 고압 플레넘이 상기 외부 슬리브의 외부를 둘러싸며,
상기 후미 프레임 조립체는,
상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 배향 표면 및 반경방향 내측 배향 표면을 포함하는 본체;
상기 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상기 상류측 배향 표면 상에서 상기 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치되는 한편, 상기 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합되는 복수의 공급 구멍 입구;
상기 반경방향 내측 배향 표면 및 상기 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성되는 복수의 마이크로 채널로서,
상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 상기 하류측 배향 표면을 향해 배향된 하류 방향으로 연장하는 제1 복수의 마이크로채널로서, 상기 복수의 냉각 채널이 그 일단부에서 상기 제1 복수의 마이크로채널과 연결되는 것인, 제1 복수의 마이크로채널;
상기 하류측 배향 표면을 따라 배향된 하나 이상의 방향으로 연장하는 제2 복수의 마이크로채널; 및
상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 상기 하류측 배향 표면으로부터 상기 냉각용 환형부를 향해 배향된 상류 방향으로 연장하는 제3 복수의 마이크로채널로서, 상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 둘레방향으로 서로 이격된 것인, 제3 복수의 마이크로채널
을 포함하는 것인, 복수의 마이크로채널; 및
상기 복수의 마이크로채널에 연결되는 복수의 출구 구멍으로서, 상기 제3 복수의 마이크로채널과 유체적으로 결합하는 제1 복수의 출구 구멍을 포함하고, 상기 제1 복수의 출구 구멍은 상기 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 제1 복수의 출구 구멍은 상기 냉각용 환형부 내로 배출하도록 위치 설정되는 것인, 복수의 출구 구멍
을 포함하는 것인 전이 피스.
제11항에 있어서,
상기 복수의 마이크로채널 위로 그리고 상기 본체의 반경방향 내측 배향 표면 및 상기 하류측 배향 표면 상에 위치한 사전 소결 프리폼을 더 포함하는 것인 전이 피스.
제11항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 축방향으로 연장하는 것인 전이 피스.
제11항에 있어서,
상기 제2 복수의 마이크로채널은 상기 하류측 배향 표면을 따라 반경방향 및 둘레방향으로 하나 이상의 방향으로 연장하는 것인 전이 피스.
제11항에 있어서,
상기 복수의 출구 구멍들은, 상기 반경방향 외측 배향 표면에 위치하고 상기 고압 플레넘 내로 배출하도록 위치 설정되는 제2 복수의 출구 구멍들을 포함하는 것인 전이 피스.
제11항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널, 상기 제2 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 서로 유체적으로 결합되는 것인, 전이 피스.
제11항에 있어서,
상기 복수의 마이크로채널은 사전 소결 프리폼에 형성되는 것인 전이 피스.
가스 터빈으로서:
압축기;
상기 압축기의 하류에 배치되고 상기 압축기와 유체 연통하는 연소 섹션; 및
상기 연소 섹션의 하류에 배치된 터빈
을 포함하며,
상기 연소 섹션은, 상류측 배향 표면, 하류측 배향 표면, 반경방향 외측 배향 표면 및 반경방향 내측 배향 표면을 포함한 본체를 구비한 후미 프레임 조립체를 포함하며, 상기 연소 섹션은 복수의 냉각 구멍을 갖는 외부 슬리브 내에 위치한 전이 피스를 구비하며, 상기 전이 피스와 상기 외부 슬리브 사이의 공간에 냉각용 환형부가 형성되며, 고압 플레넘이 상기 외부 슬리브의 외부를 둘러싸며,
상기 후미 프레임 조립체는,
상기 고압 플레넘으로부터의 입력을 받아들이도록 위치 설정되게 상기 상류측 배향 표면 상에서 상기 외부 슬리브의 반경방향 외측으로 배치되는 한편, 상기 본체를 통과하는 복수의 냉각 채널과 결합되는 복수의 공급 구멍 입구;
상기 반경방향 내측 배향 표면 및 상기 하류측 배향 표면에 또는 그 근처에 형성되는 복수의 마이크로 채널로서,
상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 상기 하류측 배향 표면을 향해 배향된 하류 방향으로 연장하는 제1 복수의 마이크로채널로서, 상기 복수의 냉각 채널이 그 일단부에서 상기 제1 복수의 마이크로채널과 연결되는 것인, 제1 복수의 마이크로채널;
상기 하류측 배향 표면을 따라 배향된 하나 이상의 방향으로 연장하는 제2 복수의 마이크로채널; 및
상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 상기 하류측 배향 표면으로부터 상기 냉각용 환형부를 향해 배향된 상류 방향으로 연장하는 제3 복수의 마이크로채널로서, 상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 둘레방향으로 서로 이격된 것인, 제3 복수의 마이크로채널
을 포함하는 것인, 복수의 마이크로채널; 및
상기 복수의 마이크로채널에 연결되는 복수의 출구 구멍으로서, 상기 제3 복수의 마이크로채널과 유체적으로 결합하는 제1 복수의 출구 구멍을 포함하고, 상기 제1 복수의 출구 구멍은 상기 전이 피스의 반경방향 외측에 그리고 외부 슬리브의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 제1 복수의 출구 구멍은 상기 냉각용 환형부 내로 배출하도록 위치 설정되는 것인, 복수의 출구 구멍
을 포함하는 것인 가스 터빈.
제18항에 있어서,
상기 마이크로채널 위로 위치한 사전 소결 프리폼을 더 포함하고,
상기 사전 소결 프리폼은 상기 반경방향 내측 배향 표면 상에서 상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널 위로 위치한 제1 부분 및 상기 본체의 하류측 배향 표면 상에서 상기 제2 복수의 마이크로채널 위로 위치한 제2 부분을 포함하고,
상기 사전 소결 프리폼의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 서로 결합된 것인 가스 터빈.
제19항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 상기 반경방향 내측 배향 표면을 따라 축방향으로 연장하는 것인 가스 터빈.
제19항에 있어서,
상기 제2 복수의 마이크로채널은 상기 하류측 배향 표면을 따라 반경방향 및 둘레방향으로 하나 이상의 방향으로 연장하는 것인 가스 터빈.
제19항에 있어서,
상기 복수의 출구 구멍들은, 상기 반경방향 외측 배향 표면에 위치하고 상기 고압 플레넘 내로 배출하도록 위치 설정되는 제2 복수의 출구 구멍들을 포함하는 것인 가스 터빈.
제18항에 있어서,
상기 제1 복수의 마이크로채널, 상기 제2 복수의 마이크로채널 및 상기 제3 복수의 마이크로채널은 서로 유체적으로 결합되는 것인, 가스 터빈.