KR102660227B1 - 연속적으로 만곡된 라이너 세그먼트들을 갖는 통합형 연소기 노즐 - Google Patents
연속적으로 만곡된 라이너 세그먼트들을 갖는 통합형 연소기 노즐 Download PDFInfo
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Abstract
통합형 연소기 노즐은 내부 라이너 세그먼트, 외부 라이너 세그먼트, 및 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널을 포함한다. 패널은 전방 단부, 후미 단부, 및 전방 단부로부터 후미 단부로 연장되는 측벽을 포함한다. 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정한다. 내부 라이너 세그먼트는 한쌍의 밀봉면을 갖고, 각각의 밀봉면은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정한다. 외부 라이너 세그먼트는 한쌍의 밀봉면을 갖고, 각각의 밀봉면은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정한다. 일부의 경우, 곡선들은 원주 방향으로 단조롭다. 그러한 통합형 연소기 노즐들의 어레이를 포함하는 분할식 환형 연소기가 또한 제공된다.
Description
정부 펀딩에 관한 기술
본 개시의 주제는 미국 에너지부(Department of Energy)에 의해 발주된 계약 번호 DE-FE0023965호 하에 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.
기술분야
본 개시는 전반적으로 가스 터빈 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환형 연소기 내에 별개의 연소 구역을 획정하고 터빈 섹션에 진입하는 유동을 가속시키는 통합형 연소기 노즐에 관한 것이다. 통합형 연소기 노즐에는 환형 연소기로부터의 설치 및 제거를 용이하게 하도록 연속적으로 만곡된 라이너 세그먼트가 마련된다.
본 개시의 주제는 미국 에너지부(Department of Energy)에 의해 발주된 계약 번호 DE-FE0023965호 하에 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.
기술분야
본 개시는 전반적으로 가스 터빈 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환형 연소기 내에 별개의 연소 구역을 획정하고 터빈 섹션에 진입하는 유동을 가속시키는 통합형 연소기 노즐에 관한 것이다. 통합형 연소기 노즐에는 환형 연소기로부터의 설치 및 제거를 용이하게 하도록 연속적으로 만곡된 라이너 세그먼트가 마련된다.
가스 터빈 시스템과 같은 일부 종래의 터보 기계가 전력을 발생시키는 데에 이용된다. 일반적으로, 가스 터빈 시스템은 압축기, 하나 이상의 연소기, 및 터빈을 포함한다. 공기는 압축기 내로 그 입구를 통해 흡인될 수 있으며, 공기는 회전 블레이드 및 고정 노즐의 다수의 스테이지를 통과함으로써 압축된다. 압축된 공기는 연료가 도입되는 하나 이상의 연소기로 지향되고, 연료/공기 혼합물이 점화되고 연소되어 연소 생성물을 형성한다. 연소 생성물은 터빈의 작동 유체로서 기능한다.
이어서, 작동 유체는 터빈 내의 유체 유동로를 통해 유동하며, 유동로는 복수의 회전 블레이드와 이 회전 블레이드들 사이에 배치된 복수의 고정 노즐 사이에 획정되어, 각각의 회전 블레이드 세트 및 각각의 대응하는 고정 노즐 세트가 터빈 스테이지를 획정한다. 복수의 회전 블레이드가 가스 터빈 시스템의 로터를 회전시킴에 따라, 로터에 커플링된 발전기가 로터의 회전으로부터 전력을 발생시킬 수 있다. 터빈 블레이드의 회전은 또한 로터에 커플링된 압축기 블레이드의 회전을 유발한다.
최근, 터빈 노즐의 제1 스테이지가 연소 캔(combustion can)의 후미 단부와 통합된 캔-환형 연소 시스템을 설계하기 위한 노력이 이루어졌다. 그러한 노력으로 터빈 섹션에 진입할 때에 유동을 가속 및 전환시키는 소위 "천이 노즐(transition nozzle)"이 초래되었다.
보다 최근에는, 공동 양도된 미국 특허 출원 공개 제2017-276359호 및 미국 특허 출원 공개 제2017-276369호에 기술된 바와 같이, 천이 노즐을 환형 연소 시스템에 적용하는 개발 노력이 이루어져 분할식 환형 연소 시스템을 안출하였다. 분할식 환형 연소 시스템에서, 내부 라이너 셸 및 외부 라이너 셸은 원주 방향으로 개별 모듈로 분할되고, 연료 분사 패널의 어레이는 환형 연소기의 내부 라이너 셸 세그먼트와 외부 라이너 셸 세그먼트 사이에서 연장되어, "통합형 연소기 노즐"로 명명되는 유닛들의 세트를 생성한다. 복수의 연소 구역들은 환형 연소기 내의 통합형 연소기 노즐의 인접한 쌍들 사이에 획정된다. 통합형 연소기 노즐은 선단 에지가 없는 에어 포일과 같은 형상을 가지며, 각각의 통합형 연소기 노즐의 후단 에지(후미 단부)는 연소 가스의 터빈으로의 유동을 전환 및 가속시킬 수 있는 터빈 노즐을 획정한다.
그러한 연소 시스템의 성능을 최적화하기 위해, 내부 라이너 셸 세그먼트 및 외부 라이너 셸 세그먼트를 따라 인접한 통합형 연소기 노즐들 사이를 밀봉할 필요가 있다. 이들 구성 요소를 밀봉하기 위한 초기 노력은 라이너 셸 세그먼트의 원주 방향 에지를 따라 시일 슬롯 내에 원주 방향으로 설치된 다수의 직선형 시일에 의존하였다. 이 설치 방법은, 특히 밀봉 구성요소가 작은 경우, 다음의 통합형 연소기 노즐의 설치 중에 시일의 위치를 유지하는 것 그리고 다음의 통합형 연소기 노즐이 설치될 때에 시일이 파쇄되는(또는 달리 손상되는) 것을 방지하는 것이 어려운 것으로 입증되었다. 더욱이, 설치 중에 시일들 중 하나가 위치에서 벗어나면, 기술자는 터빈 내부로부터 시일을 회수하는 어려운 작업에 직면하였다.
종래의 밀봉 노력에서의 다른 문제점은, 시일이 통합형 연소기 노즐의 축방향 길이에 걸쳐 단부 대 단부(end-to-end)로 설치되기 때문에, 시일의 축방향 세그먼트들 사이에 누출이 발생한다는 것이다. 그러한 누출은 냉각 또는 연소와 같은 다른 목적을 위해 사용 가능한 공기 유동의 양을 감소시킨다.
마지막으로, 통합형 연소기 노즐의 도그레그(dogleg) 형상 및 종래의 밀봉 노력은 단일의 통합형 연소기 노즐의 제거를 어렵게 만들었다. 통합형 연소기 노즐의 축방향 길이를 따라 다수의 시일이 단부 대 단부로 설치되었기 때문에, 시일을 축방향으로 제거하는 것은 불가능하였다. 결과적으로, 통합형 연소기 노즐은 통합형 연소기 노즐을 원주 방향으로 강제적으로 이동시킴으로써 "산개(fanned out)"되어야 하고, 제거될 통합 연소기 노즐은 통합형 연소기 노즐의 어레이 내의 그 포개진 위치로부터 벗어나게 하도록 씨름하여야 했다.
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최근, 터빈 노즐의 제1 스테이지가 연소 캔(combustion can)의 후미 단부와 통합된 캔-환형 연소 시스템을 설계하기 위한 노력이 이루어졌다. 그러한 노력으로 터빈 섹션에 진입할 때에 유동을 가속 및 전환시키는 소위 "천이 노즐(transition nozzle)"이 초래되었다.
보다 최근에는, 공동 양도된 미국 특허 출원 공개 제2017-276359호 및 미국 특허 출원 공개 제2017-276369호에 기술된 바와 같이, 천이 노즐을 환형 연소 시스템에 적용하는 개발 노력이 이루어져 분할식 환형 연소 시스템을 안출하였다. 분할식 환형 연소 시스템에서, 내부 라이너 셸 및 외부 라이너 셸은 원주 방향으로 개별 모듈로 분할되고, 연료 분사 패널의 어레이는 환형 연소기의 내부 라이너 셸 세그먼트와 외부 라이너 셸 세그먼트 사이에서 연장되어, "통합형 연소기 노즐"로 명명되는 유닛들의 세트를 생성한다. 복수의 연소 구역들은 환형 연소기 내의 통합형 연소기 노즐의 인접한 쌍들 사이에 획정된다. 통합형 연소기 노즐은 선단 에지가 없는 에어 포일과 같은 형상을 가지며, 각각의 통합형 연소기 노즐의 후단 에지(후미 단부)는 연소 가스의 터빈으로의 유동을 전환 및 가속시킬 수 있는 터빈 노즐을 획정한다.
그러한 연소 시스템의 성능을 최적화하기 위해, 내부 라이너 셸 세그먼트 및 외부 라이너 셸 세그먼트를 따라 인접한 통합형 연소기 노즐들 사이를 밀봉할 필요가 있다. 이들 구성 요소를 밀봉하기 위한 초기 노력은 라이너 셸 세그먼트의 원주 방향 에지를 따라 시일 슬롯 내에 원주 방향으로 설치된 다수의 직선형 시일에 의존하였다. 이 설치 방법은, 특히 밀봉 구성요소가 작은 경우, 다음의 통합형 연소기 노즐의 설치 중에 시일의 위치를 유지하는 것 그리고 다음의 통합형 연소기 노즐이 설치될 때에 시일이 파쇄되는(또는 달리 손상되는) 것을 방지하는 것이 어려운 것으로 입증되었다. 더욱이, 설치 중에 시일들 중 하나가 위치에서 벗어나면, 기술자는 터빈 내부로부터 시일을 회수하는 어려운 작업에 직면하였다.
종래의 밀봉 노력에서의 다른 문제점은, 시일이 통합형 연소기 노즐의 축방향 길이에 걸쳐 단부 대 단부(end-to-end)로 설치되기 때문에, 시일의 축방향 세그먼트들 사이에 누출이 발생한다는 것이다. 그러한 누출은 냉각 또는 연소와 같은 다른 목적을 위해 사용 가능한 공기 유동의 양을 감소시킨다.
마지막으로, 통합형 연소기 노즐의 도그레그(dogleg) 형상 및 종래의 밀봉 노력은 단일의 통합형 연소기 노즐의 제거를 어렵게 만들었다. 통합형 연소기 노즐의 축방향 길이를 따라 다수의 시일이 단부 대 단부로 설치되었기 때문에, 시일을 축방향으로 제거하는 것은 불가능하였다. 결과적으로, 통합형 연소기 노즐은 통합형 연소기 노즐을 원주 방향으로 강제적으로 이동시킴으로써 "산개(fanned out)"되어야 하고, 제거될 통합 연소기 노즐은 통합형 연소기 노즐의 어레이 내의 그 포개진 위치로부터 벗어나게 하도록 씨름하여야 했다.
통합형 연소기 노즐은 내부 라이너 세그먼트, 외부 라이너 세그먼트, 및 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널을 포함한다. 패널은 전방 단부, 후미 단부, 및 전방 단부로부터 후미 단부로 연장되는 측벽을 포함한다. 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정한다. 내부 라이너 세그먼트는 한쌍의 밀봉면을 갖고, 각각의 밀봉면은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정한다. 외부 라이너 세그먼트는 한쌍의 밀봉면을 갖고, 각각의 밀봉면은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정한다. 일부의 경우, 곡선들은 원주 방향으로 단조롭다. 그러한 통합형 연소기 노즐들의 어레이를 포함하는 분할식 환형 연소기가 또한 제공된다.
구체적으로, 본 명세서에 제공되는 일 양태에 따르면, 통합형 연소기 노즐은, 내부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트에 대향하여 배치된 외부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널을 포함하고, 패널은 전방 단부, 후미 단부, 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제1 측벽, 및 제1 측벽에 대향하고 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제2 측벽을 가지며, 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정하고, 내부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제1 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제2 밀봉면을 가지며, 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정하고, 외부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제3 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제4 밀봉면을 가지며, 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정한다.
본 명세서에 제공되는 다른 양태에 따르면, 분할식 환형 연소기는, 통합형 연소기 노즐들의 원주 방향 어레이를 포함하고, 각각의 통합형 연소기 노즐들은 동일하며, 각각의 통합형 연소기 노즐은, 내부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트에 대향하여 배치된 외부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널을 포함하고, 패널은 전방 단부, 후미 단부, 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제1 측벽, 및 제1 측벽에 대향하고 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제2 측벽을 가지며, 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정하고, 내부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제1 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제2 밀봉면을 가지며, 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정하고, 외부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제3 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제4 밀봉면을 가지며, 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정한다.
구체적으로, 본 명세서에 제공되는 일 양태에 따르면, 통합형 연소기 노즐은, 내부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트에 대향하여 배치된 외부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널을 포함하고, 패널은 전방 단부, 후미 단부, 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제1 측벽, 및 제1 측벽에 대향하고 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제2 측벽을 가지며, 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정하고, 내부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제1 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제2 밀봉면을 가지며, 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정하고, 외부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제3 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제4 밀봉면을 가지며, 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정한다.
본 명세서에 제공되는 다른 양태에 따르면, 분할식 환형 연소기는, 통합형 연소기 노즐들의 원주 방향 어레이를 포함하고, 각각의 통합형 연소기 노즐들은 동일하며, 각각의 통합형 연소기 노즐은, 내부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트에 대향하여 배치된 외부 라이너 세그먼트; 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널을 포함하고, 패널은 전방 단부, 후미 단부, 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제1 측벽, 및 제1 측벽에 대향하고 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제2 측벽을 가지며, 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정하고, 내부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제1 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제2 밀봉면을 가지며, 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정하고, 외부 라이너 세그먼트는 제1 측벽에 근접한 제3 밀봉면 및 제2 측벽에 근접한 제4 밀봉면을 가지며, 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정한다.
당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 제공되는 명세서는, 본 발명의 시스템 및 방법의 최선의 모드를 비롯하여 본 발명의 시스템 및 방법의 완전하고 가능한 개시를 기술한다. 명세서는 첨부 도면을 참조하고, 도면에서:
도 1은 본 개시의 다양한 실시예를 통합할 수 있는 예시적인 가스 터빈 엔진의 기능 불럭도이다.
도 2는 본 개시의 적어도 하나의 실시예에 따른, 도 1의 가스 터빈의 연소 섹션으로서 사용될 수 있는 예시적인 분할식 환형 연소기의 상류 도면이다.
도 3은 종래의 설계에 따른, 3개의 연료 분사 모듈이 장착되는 (도 2의 분할식 환형 연소기의) 3개의 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐의 하류 사시도이다.
도 4는 본 개시에 따른, 전방 단부를 예시하는 첫번째 말풍선 및 시일 리세스를 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 2개의 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐의 부감 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 양태에 따른, 대칭 시일 리세스를 예시하는 첫번째 말풍선 및 비대칭 시일 리세스를 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 불균일한 폭의 리세스 내에 배치되는 균일한 폭의 시일의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 다른 양태에 따른, 제1 폭을 갖는 시일의 일부를 예시하는 첫번째 말풍선 및 제1 폭과 상이한 제2 폭을 갖는 시일의 일부를 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 균일한 폭의 리세스 내에 배치되는 뷸균일한 폭의 시일의 개략도이다.
도 7은 본 개시에 따른, 내부 라이너 시일용 후미 단부 슬롯을 예시하는 첫번째 말풍선 및 외부 라이너 시일용 후미 단부 슬롯을 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 도 4의 통합형 연소기 노즐들 중 하나의 측면 사시도이다.
도 8은 본 발명의 통합형 연소기 노즐에 사용될 수 있는 외부 라이너 시일의 측면 사시도이다.
도 9는 도 8의 외부 라이너 시일의 부감 평면도이다.
도 10은 본 발명의 통합형 연소기 노즐에 사용될 수 있는 내부 라이너 시일의 측면 사시도이다.
도 11은 다중 플라이 시일을 예시하는 도 8의 외부 라이너 시일의 후미 단부의 개략적인 측면도이다.
도 12는 앵커가 외부 라이너 시일의 제거를 위한 관통홀을 획정하는, 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부에 부착되는 앵커의 개략적인 사시도이다.
도 13은 앵커가 외부 라이너 시일의 제거를 위한 앵커의 상부면으로부터의 함입부를 획정하는, 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부에 부착되는 앵커의 개략적인 사시도이다.
도 14는 앵커가 외부 라이너 시일의 제거를 위한 앵커의 바닥면으로부터의 함입부를 획정하는, 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부에 부착되는 앵커의 개략적인 사시도이다.
도 15는 본 개시의 양태에 따른, 앵커 내에 설치된 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부의 개략적인 사시도이다.
도 16은 외부 라이너 시일 및 도 15의 앵커의 개략적인 측단면도이다.
도 17은 본 개시의 다른 양태에 따른, 시일 슬롯의 전방 단부 내에 설치되는, 외부 라이너 시일 및 도 15의 앵커의 개략적인 측단면도이다.
도 18은 3개의 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐의 전방에서 바라본 후미의 사시도로서, 통합형 연소기 노즐들 중 하나가 부분적으로 제거되어 있다.
도 19는 내부 라이너 세그먼트로부터 도시된, 도 18의 통합형 연소기 노즐의 안쪽에서 바라본 외측의 사시도로서, 통합형 연소기 노즐들 중 하나가 추가로 제거되어 있다.
도 20은 통합형 연소기 노즐의 후미 단부로부터 도시된, 도 18의 통합형 연소기 노즐의 후미에서 바라본 전방의 사시도이다.
도 21은 도 18의 통합형 연소기 노즐의 전방에서 바라본 후미의 사시도로서, 통합형 연소기 노즐들 중 하나가 완전히 제거되어 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시예를 통합할 수 있는 예시적인 가스 터빈 엔진의 기능 불럭도이다.
도 2는 본 개시의 적어도 하나의 실시예에 따른, 도 1의 가스 터빈의 연소 섹션으로서 사용될 수 있는 예시적인 분할식 환형 연소기의 상류 도면이다.
도 3은 종래의 설계에 따른, 3개의 연료 분사 모듈이 장착되는 (도 2의 분할식 환형 연소기의) 3개의 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐의 하류 사시도이다.
도 4는 본 개시에 따른, 전방 단부를 예시하는 첫번째 말풍선 및 시일 리세스를 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 2개의 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐의 부감 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 양태에 따른, 대칭 시일 리세스를 예시하는 첫번째 말풍선 및 비대칭 시일 리세스를 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 불균일한 폭의 리세스 내에 배치되는 균일한 폭의 시일의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 다른 양태에 따른, 제1 폭을 갖는 시일의 일부를 예시하는 첫번째 말풍선 및 제1 폭과 상이한 제2 폭을 갖는 시일의 일부를 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 균일한 폭의 리세스 내에 배치되는 뷸균일한 폭의 시일의 개략도이다.
도 7은 본 개시에 따른, 내부 라이너 시일용 후미 단부 슬롯을 예시하는 첫번째 말풍선 및 외부 라이너 시일용 후미 단부 슬롯을 예시하는 두번째 말풍선을 포함하는, 도 4의 통합형 연소기 노즐들 중 하나의 측면 사시도이다.
도 8은 본 발명의 통합형 연소기 노즐에 사용될 수 있는 외부 라이너 시일의 측면 사시도이다.
도 9는 도 8의 외부 라이너 시일의 부감 평면도이다.
도 10은 본 발명의 통합형 연소기 노즐에 사용될 수 있는 내부 라이너 시일의 측면 사시도이다.
도 11은 다중 플라이 시일을 예시하는 도 8의 외부 라이너 시일의 후미 단부의 개략적인 측면도이다.
도 12는 앵커가 외부 라이너 시일의 제거를 위한 관통홀을 획정하는, 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부에 부착되는 앵커의 개략적인 사시도이다.
도 13은 앵커가 외부 라이너 시일의 제거를 위한 앵커의 상부면으로부터의 함입부를 획정하는, 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부에 부착되는 앵커의 개략적인 사시도이다.
도 14는 앵커가 외부 라이너 시일의 제거를 위한 앵커의 바닥면으로부터의 함입부를 획정하는, 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부에 부착되는 앵커의 개략적인 사시도이다.
도 15는 본 개시의 양태에 따른, 앵커 내에 설치된 도 8의 외부 라이너 시일의 전방 단부의 개략적인 사시도이다.
도 16은 외부 라이너 시일 및 도 15의 앵커의 개략적인 측단면도이다.
도 17은 본 개시의 다른 양태에 따른, 시일 슬롯의 전방 단부 내에 설치되는, 외부 라이너 시일 및 도 15의 앵커의 개략적인 측단면도이다.
도 18은 3개의 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐의 전방에서 바라본 후미의 사시도로서, 통합형 연소기 노즐들 중 하나가 부분적으로 제거되어 있다.
도 19는 내부 라이너 세그먼트로부터 도시된, 도 18의 통합형 연소기 노즐의 안쪽에서 바라본 외측의 사시도로서, 통합형 연소기 노즐들 중 하나가 추가로 제거되어 있다.
도 20은 통합형 연소기 노즐의 후미 단부로부터 도시된, 도 18의 통합형 연소기 노즐의 후미에서 바라본 전방의 사시도이다.
도 21은 도 18의 통합형 연소기 노즐의 전방에서 바라본 후미의 사시도로서, 통합형 연소기 노즐들 중 하나가 완전히 제거되어 있다.
이제, 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시되어 있는 본 개시의 다양한 실시예에 대한 참조가 상세하게 이루어질 것이다. 상세한 설명은 도면에서의 피쳐를 나타내기 위해 숫자 및 문자를 이용한다. 도면과 설명에서 동일한 또는 유사한 지정은 본 개시의 동일한 또는 유사한 부분을 가리키도록 사용된다.
현재의 통합형 연소기 노즐을 명확하게 설명하기 위해, 본 개시의 범위 내에서 관련 기계 구성요소를 언급하고 설명하는 데에 특정 용어가 사용될 것이다. 가능한 정도까지, 일반적인 산업 용어가 허용된 용어 의미와 일치하는 방식으로 사용되고 채용될 것이다. 달리 언급하지 않는 한, 이러한 용어는 본 출원의 문맥 및 첨부된 청구범위의 범위와 일치하는 폭 넓은 해석으로 주어져야 한다. 당업자는 종종 특정 구성요소가 몇몇 상이하거나 겹치는 용어를 사용하여 언급될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에서 단일 부분으로 기술될 수 있는 것은 다른 문맥에서 다수의 구성요소를 포함하고 다수의 구성요소로 이루어진 것으로서 언급될 수 있다. 대안적으로, 다수의 구성요소를 포함하는 것으로 본 명세서에서 설명될 수 있는 것은 다른 곳에서 단일의 통합형 부분으로서 언급될 수 있다.
또한, 아래에서 설명되는 바와 같이, 몇 가지 서술 용어가 본 명세서에서 규칙적으로 사용될 수 있다. "제1", "제2", 및 "제3"이라는 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 상호 교환 가능하게 사용될 수 있고 개별적인 구성요소들의 위치 또는 중요도를 의미하도록 의도되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "하류" 및 "상류"는 터빈 엔진을 통한 작동 유체와 같은 유체의 유동에 대한 방향을 나타내는 용어이다. "하류"라는 용어는 유체의 유동 방향에 해당하고, "상류"라는 용어는 상기 유동의 반대 방향(즉, 유체가 흘러나오는 방향)을 가리킨다. "전방"및 "후미"라는 용어는 임의의 추가 특정 없이 상대 위치를 가리키며, "전방"은 엔진의 전방(또는 압축기) 단부 또는 연소기의 유입 단부를 향해 위치된 구성요소 또는 표면을 설명하는 데에 사용되고, "후미"는 엔진의 후방(또는 터빈) 단부 또는 연소기의 유출 단부를 향해 위치된 구성요소를 설명하는 데에 사용된다. "내부"라는 용어는 터빈 샤프트의 근위측에 있는 구성요소를 설명하는 데에 사용되고, "외부"라는 용어는 터빈 샤프트의 원위측에 있는 구성요소를 설명하는 데에 사용된다.
흔히, 상이한 반경 방향, 축방향 및/또는 원주 방향 위치에 있는 부품들을 설명하는 것이 요구된다. 도 1에 도시된 바와 같이, "A" 축선은 축방향 배향을 나타낸다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "축방향" 및/또는 "축방향으로"라는 용어는 가스 터빈 시스템의 회전 축선과 실질적으로 평행한 축선 A를 따른 물체들의 상대 위치/방향을 가리킨다. 본 명세서에 또한 사용되는 바와 같이, "반경 방향" 및/또는 "반경 방향으로"라는 용어는 한 지점에서만 축선 A와 교차하는 축선 "R"을 따른 물체들의 상대 위치 또는 방향을 가리킨다. 일부 실시예에서, 축선 R은 축선 A에 실질적으로 수직이다. 마지막으로, "원주 방향"이라는 용어는 축선 A(예를 들어, 축선 "C") 주위의 움직임 또는 위치를 가리킨다. "원주 방향"이라는 용어는 각각의 물체(예를 들어, 로터)의 중심 주위에서 연장되는 치수를 가리킬 수 있다.
본 명세서에서 사용되고 있는 전문 용어는 오직 특정 실시예를 설명하기 위한 것으로서, 제한하기 위한 의도가 있는 것은 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 명확하게 달리 지시되지 않는 한, 복수 형태를 물론 포함하도록 의도된다. 또한, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은, 본 명세서에 사용되는 경우, 정해진 피쳐, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 피쳐, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들로 이루어진 그룹의 존재 또는 추가를 제외하는 것은 아님이 이해될 것이다.
각각의 예는 설명을 위해 제공되고, 제한하는 것은 아니다. 사실상, 본 개시의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 기술된 피쳐는 다른 실시예에서 사용되어 또 다른 실시예를 안출할 수 있다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범주 내에 있다면 그러한 수정 및 변경을 포함하도록 의도된다.
본 개시의 예시적인 실시예가 설명을 위해 육상 기반의 발전 가스 터빈용 분할식 환형 연소 시스템과 관련하여 전반적으로 기술되지만, 당분야의 숙련자라면 본 개시의 실시예가 터보 기계용의 임의의 유형의 연소기에 적용될 수 있으며 청구범위에서 구체적으로 언급되지 않는 한 육상 기반 발전 가스 터빈용 환형 연소 시스템으로 제한되지 않는다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 예시적인 가스 터빈(10)을 개략적으로 도시한다. 가스 터빈(10)은 일반적으로 유입 섹션(12), 유입 섹션(12)의 하류에 배치된 압축기(14), 압축기(14)의 하류에 배치된 연소 섹션(16), 연소 섹션(16)의 하류에 배치된 터빈(18), 및 터빈(18)의 하류에 배치된 배출 섹션(20)을 포함한다. 또한, 가스 터빈(10)은 압축기(14)를 터빈(18)에 커플링하는 하나 이상의 샤프트(22)( "로터"로도 알려짐)을 포함할 수 있다.
작동 중에, 공기(24)는 유입 섹션(12)을 통해 압축기(14) 내로 유동하며, 압축기에서 공기(24)는 점진적으로 압축되어 압축된 공기(26)를 연소 섹션(16)에 제공한다. 압축된 공기(26)의 적어도 일부는 연소 섹션(16) 내의 연료(28)와 혼합되고 연소되어 연소 가스(30)를 생성한다. 연소 가스(30)는 연소 섹션(16)으로부터 터빈(18)으로 유동하고, 터빈에서 열 및/또는 운동 에너지가 연소 가스(30)로부터 샤프트(22)에 부착된 로터 블레이드(도시 생략)로 전달되어 샤프트(22)가 회전하게 한다. 이어서, 기계적 회전 에너지는 샤프트(22)에 커플링된 발전기(21)를 통해 압축기(14)에 전력을 공급하는 것 및/또는 전기를 발생시키는 것과 같은 다양한 목적에 사용될 수 있다. 그 후, 터빈(18)에서 빠져나가는 연소 가스(30)는 가스 터빈(10)으로부터 배출 섹션(20)을 통해 배출될 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시예에 따른 연소 섹션(16)의 상류(즉, 전방을 향해 바라본 후미) 도면을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연소 섹션(16)은 환형 연소 시스템, 보다 구체적으로는, 통합형 연소기 노즐(100)의 어레이가 가스 터빈(10)의 축방향 중심선(38) 주위에 원주 방향으로 배열된 분할식 환형 연소기(36)일 수 있다. 축방향 중심선(38)은 가스 터빈 샤프트(22)와 일치할 수 있다. 분할식 환형 연소 시스템(36)은 압축기 배출 케이싱으로 때때로 지칭되는 외부 케이싱(32)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 압축기(14)(도 1)로부터 압축된 공기(26)를 받아들이는 압축기 배출 케이싱(32)은 연소기(36)의 다양한 구성요소를 적어도 부분적으로 둘러싸는 고압 공기 플레넘(34)을 적어도 부분적으로 획정할 수 있다. 압축된 공기(26)는 전술한 바와 같이 연소를 위해, 그리고 연소기 하드웨어를 냉각하는 데에 사용된다.
분할식 환형 연소기(36)는 통합형 연소기 노즐(100)의 원주 방향 어레이를 포함한다. 각각의 통합형 연소기 노즐(100)은 내부 라이너 세그먼트(106), 내부 라이너 세그먼트(106)로부터 반경 방향으로 분리된 외부 라이너 세그먼트(108), 및 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장되어 대체로 "I"형 조립체를 획정하는 중공형 또는 반중공형 패널(110)을 포함한다. 패널(110)은 연소 챔버를 유체적으로 분리된 연소 구역의 환형 어레이로 분리한다.
분할식 환형 연소기(36)의 상류 단부에서, 연료 분사 모듈(300)은 패널(110)의 각 쌍 사이에서 원주 방향으로 그리고 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 연료 분사 모듈(300)은 버너, 소용돌이형 연료 노즐(스웨즐; swozzle), 또는(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은) 번들형 튜브 연료 노즐로부터 연료/공기 혼합물을 연소 구역으로 도입한다. 각각의 연료 분사 모듈(300)은, 설명을 위해 원으로 나타낸, 연료를 연료 분사 모듈(300)에 공급하는 적어도 하나의 연료 도관을 갖는다. 보다 큰 작동 범위(예를 들어, 턴다운) 및 보다 낮은 배출물을 위해 필요하다면, 패널(110)은 또한 연료 분사 모듈(300)에 의해 전달된 연료/공기 혼합물의 분사에 의해 생성된 연소 구역 하류의 하나 이상의 스테이지에 연료를 도입할 수 있다.
도 3은 종래의 실시(예를 들어, 공동으로 양도된 미국 특허 출원 공개 제2017-0276359호 및 미국 특허 출원 공개 제2017-0276369호에 설명 바와 같이)에 따라, 3개의 예시적인 연료 분사 모듈(1300)과 조립되는 3개의 개별적인 통합형 연소기 노즐(1000)의 세트를 예시한다. 각각의 통합형 연소기 노즐(1000)은 내부 라이너 세그먼트(1106), 외부 라이너 세그먼트(108), 및 내부 라이너 세그먼트(1106)와 외부 라이너 세그먼트(1108) 사이에서 연장되는 중공형 또는 반중공형 연료 분사 패널(1110)을 포함한다. 각각의 연료 분사 패널(1110)은 전방 부분(1112) 및 후미 부분(1114)을 포함한다. 후미 부분(1114)은 종래의 가스 터빈의 제1 단 터빈 노즐의 형상을 획정한다. 전방 부분(1112)과 후미 부분(1114)은 한쌍의 측벽(그 하나가 흡입 측벽(1118)으로 도시됨)에 의해 연결된다.
모든 통합형 연소기 노즐(1000)이 설치될 때에, (도 2에 도시된 바와 같이) 각각의 내부 라이너 세그먼트(1106)는 연소 챔버의 내부 경계를 획정하고, 각각의 외부 라이너 세그먼트(1108)는 연소 챔버의 외부 경계를 획정한다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 세그먼트(1108)에는 충돌 냉각 패널(1178)이 마련되고, 충돌 냉각 패널은 외부 라이너 세그먼트(1108)로부터 반경 방향으로 이격되고 외부 라이너 세그먼트(1108)와 각각의 충돌 냉각 패널(1178) 사이의 간극과 유체 연통하는 복수의 충돌 구멍(1182)을 포함한다. 내부 라이너 세그먼트(1106)는 유사하게 냉각될 수 있다.
분할식 환형 연소 시스템(1036)은 복수의 환형으로 배열된 연료 분사 모듈(1300)을 더 포함하고, 각각의 연료 분사 모듈은 2개의 원주 방향으로 인접한 연료 분사 패널들(1100) 사이에서 원주 방향으로 및/또는 각각의 내부 라이너 세그먼트(1106)와 외부 라이너 세그먼트(1108) 사이에서 적어도 부분적으로 반경 방향으로 연장될 수 있다. 연료 분사 모듈(1300)은 축방향으로 분리된 플레이트들(1316, 1360) 사이에서 획정된 하나 이상의 연료 플레넘(도시 생략)을 통해 연장되는 복수의 예혼합 튜브(1322)를 포함하는 번들형 튜브 연료 노즐을 포함할 수 있다. 종래의 설계의 예시적인 구성에서, 연료 분사 모듈(1300)의 복수의 예혼합 튜브(1322)는 튜브(1356)의 제1 서브 세트 및 튜브(1358)의 제2 서브 세트로 배열될 수 있다. 튜브(1356)의 제1 서브 세트 및 튜브(1358)의 제2 서브 세트로의 연료는 연료 도관(1382 및/또는 1392)을 통해 공급될 수 있다.
물론, 다른 배열이 사용될 수 있다. 실제로, 번들형 튜브 연료 노즐은 임의의 유형의 연료 노즐 또는 버너(예를 들어, 소용돌이형 연료 노즐 또는 스웨즐)에 의해 대체될 수 있다.
내부 라이너 세그먼트(1106)와 외부 라이너 세그먼트(1108) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 연료 분사 패널(1110)은, 전방 단부(1112)로부터 후미 단부(1114)까지 원주 방향으로 만곡되어 연소 생성물(30)의 터빈 섹션(18)으로의 유동을 전환시키고 가속시키는 형상을 갖는다. 또한, 연료 분사 패널(1110)은, 연료 분사 패널(1110)의 전방 단부(1112)가 후미 단부(1114)보다 큰 높이를 갖도록, 반경 방향에서의 높이차를 포함할 수 있다.
종래의 설계에서의 내부 라이너 세그먼트(1106) 및 외부 라이너 세그먼트(1108)는 연료 분사 패널(1110)의 만곡된 형상을 대체로 반영하는 도그레그 형상을 갖도록 구성되고, 각각의 라이너 세그먼트(1106, 1108)의 인접한 밀봉면(예를 들어, 1122a, 1122b)은 서로에 대해 사각으로 배치된다. 그러한 구성은 인접한 내부 라이너 세그먼트들(1106) 사이 및 인접한 외부 라이너 세그먼트들(1108) 사이의 조인트(1122)를 따른 밀봉을 어렵게 만든다.
도 3에 도시된 종래의 구성에서, 밀봉면(1122a, 1122b)에는, 실질적으로 밀봉면(1122a, 1122b)의 길이를 따라 연장되는 C자형 슬롯 또는 개방 채널이 마련되고, 이 슬롯 내에는 인접한 라이너 세그먼트들(1106 및/또는 1108) 사이의 조인트(1122)를 밀봉하도록 다중 직선형 시일 구성요소(도시 생략)가 단부 대 단부로 설치된다. 다중 시일의 사용은, 예를 들어 단일 구성요소 시일과 비교하여 시일 구성요소들 사이의 누출을 크게 하는 것으로 알려져 있다.
더욱이, 종래의 구성에서, 각각의 통합형 연소기 노즐(1000)이 가스 터빈(10)에 설치될 때에, 시일 구성요소(도시 생략)를 개별적으로 설치하는 것이 필요하다. 따라서, 통합형 연소기 노즐(1000)이 위치 결정된 후에, 각각의(2개 이상의) 시일 구성요소는 제1 통합형 연소기 노즐(1000)의 시일 표면(1122a, 1122b)을 따라 획정된 C자형 슬롯 내로 원주 방향으로(횡방향으로) 삽입된 다음, 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐(1000)이 제위치로 이동된다. 후속하는 통합형 연소기 노즐(1000)을 설치하는 동안, 다중 시일을 슬롯 내의 각각의 위치에 유지하고 시일이 각각의 슬롯으로부터 빠지는 것을 방지하는 것은 어려운 일이며, 다음의 통합형 연소기 노즐(1000)을 시일 구성요소가 파쇄되거나 손상되는 것을 방지하는 방식으로 설치하도록 주의해야 한다.
게다가, 통합형 연소기 노즐(1000)의 도그레그 형상 및 다중 단부 대 단부 시일의 사용은 임의의 소정의 통합형 연소기 노즐(1000)의 제거를 달성하기 어렵게 만든다. 그러한 제거는, 소정의 통합형 연소기 노즐(1000) 및 여러 개의 인접한 통합형 연소기 노즐(1000)의 전방(유입) 단부에서 시일을 제거하고, 그 전방 단부를 소정의 통합형 연소기 노즐(1000)로부터 멀어지게 원주 방향으로 밀어서 인접한 통합형 연소기 노즐을 "산개"한 다음, 통합형 연소기 노즐(1000)을 어레이 내의 그 위치로부터 잡아떼는 것을 필요로 한다. 제거 프로세스는 또한 통합형 연소기 노즐(1000)이 재위치될 때에, 후미 시일의 손상을 초래할 수 있다.
이러한 문제는, 도 4 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 본 발명의 통합형 연소기 노즐(100) 및 그 연속 시일(140 및 160)에 의해 해결된다.
도 4는 전방 단부(112)로부터 도시된 바와 같이, 원주 방향으로 인접한 한쌍의 통합형 연소기 노즐(100)을 예시한다. 각각의 통합형 연소기 노즐(100)은 내부 라이너 세그먼트(106), 내부 라이너 세그먼트(106)로부터 반경 방향으로 분리된 외부 라이너 세그먼트(108), 및 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널(110)을 포함한다. 패널(110)은 터빈(스테이지 1) 노즐을 획정하도록 후미 단부(114)에서 교차하는 제2(압력) 측벽(116) 및 제1(흡입) 측벽(118)을 포함한다. 명료함을 위해, (전술 한 바와 같은) 연료 분사 모듈은 도시되지 않았지만, 통합형 연소기 노즐(100)의 전방 단부(112)에서 패널들(110) 사이에 위치 결정되는 것으로 이해해야 한다.
내부 라이너 세그먼트(106)는 제1 밀봉면(130) 및 제2 밀봉면(134)을 포함하고, 이들 밀봉면 모두는 축방향으로 연장되고 전방 단부(112)로부터 후미 단부(114; 도 7에 도시됨)까지 원주 방향으로 연속적으로 만곡된다. 일 실시예에서, 밀봉면(130, 134)은 또한 선택적으로 하나 이상의 변곡점을 갖도록 반경 방향으로 만곡될 수 있다.
마찬가지로, 외부 라이너 세그먼트(108)는 제3 밀봉면(150) 및 제4 밀봉면(154)을 포함하고, 이들 밀봉면 모두는 축방향으로 연장되고 전방 단부(112)로부터 후미 단부(114)까지 원주 방향으로 연속적으로 만곡된다. 일 실시예에서, 밀봉면(150, 154)은 또한 선택적으로 하나 이상의 변곡점을 갖도록 반경 방향으로 만곡될 수 있다.
통합형 연소기 노즐(100) 및 각각의 시일(140, 160)의 설치 및 제거를 용이하게 하도록, 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)에는 아래의 파라미터에 따라 각각의 밀봉면(130, 134, 150, 154)을 따른 만곡된 형상이 제공된다. 전술한 바와 같이, 제1 파라미터는 만곡된 형상이 원주 방향으로 연속적이라는 것이다. 일부의 경우, 만곡된 형상은 원주 방향으로 "단조로울(monotonic)" 수 있는데, 이는 밀봉면(130, 134, 150, 154)의 전방 단부로부터 후미 단부로 이동하면서, 곡선이 일정한 반경을 가지며, 곡선의 반경이 곡선의 오목한 부분을 변화시키도록 변화되는 곳에 변곡점이 없다는 것을 의미한다. [밀봉면(130, 134, 150, 154)은 후술되는 바와 같이 반경 방향으로만 하나 이상의 변곡점을 포함할 수 있다는 점을 주목해야한다.] 일부의 경우, 만곡된 형상은 포물선 또는 타원에 의해 정의될 수 있는 바와 같이, 전방 단부(112)로부터 후미 단부(114)까지 연속적으로 감소하는 반경을 가질 수 있다.
제2 파라미터는 만곡된 형상이 후미 단부(114)를 비롯하여 패널(110)의 임의의 부분과 교차할 수 없다는 것이다. 패널(110)은 연료를 하류의 연소 구역으로 전달하는 연료 전달 통로 및 패널(110)의 적절한 냉각을 보장하는 별개의 공기 통로를 갖도록 설계된 개별 유닛이기 때문에, 패널(110)을 통한 유체의 유동을 방해하는 것은 바람직하지 않으며, 인접한 통합형 연소기 노즐(100)의 밀봉을 더 복잡하게 한다.
제3 파라미터는 동일한 만곡된 프로파일이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)에 대해 사용된다는 것이다. 달리 말하면, 만곡된 프로파일은 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108) 모두를 통해 반경 방향으로 병진된다. 그러한 구성은 개별적인 통합형 연소기 노즐(100)을 대체로 축방향으로 설치 및 제거하게 하고, (도 18 내지 도 21에 도시된 바와 같이) 통합형 연소기 노즐(100)을 곡선을 따라 그리고 위치로 또는 위치를 벗어나게 밀거나 당기게 한다.
또 다른 파라미터는 모든 통합형 연소기 노즐(100)이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)의 밀봉면(130, 134, 150, 154)의 만곡된 프로파일에서 동일하다는 것이다. 통합형 연소기 노즐(100)의 환형 어레이의 위치를 고정하기 위해 다른 통합형 연소기 노즐(100)과 약간 상이한 "핵심" 통합형 연소기 노즐(100)이 없다. 오히려, 각각의 통합형 연소기 노즐(100)이 동일한 형상을 갖기 때문에, 임의의 통합형 연소기 노즐(100)은 인접한 통합형 연소기 노즐(100)을 변위시키지 않고 환형 어레이로부터 제거될 수 있다. 그러한 배열은 단일의 통합 연소기 노즐(100)이 검사 또는 유지 보수를 필요로 하는 경우에 유지 보수 간격을 단순화하고 단축시킨다.
도 4를 다시 참조하면, 내부 라이너 세그먼트(106) 상에서, 제1 밀봉면(130)은 제1 시일 슬롯(132)을 획정하고, 제2 밀봉면(134)은 제2 시일 슬롯(136)을 획정한다. 제1 내부 라이너 세그먼트(106)의 제1 시일 슬롯(132)은 제2 내부 라이너 세그먼트(106)의 제2 시일 슬롯(136)과 정합하여 내부 라이너 시일(140)이 내부에 설치되는 리세스(135)를 형성한다.
외부 라이너 세그먼트(108) 상에서, 제3 밀봉면(150)은 제3 시일 슬롯(152)을 획정하고, 제4 밀봉면(154)은 제4 시일 슬롯(156)을 획정한다. 도 4의 첫번째 말풍선에 나타낸 바와 같이, 제1 외부 라이너 세그먼트(108)의 제3 시일 슬롯(152)은 제2 외부 라이너 세그먼트(108)의 제2 시일 슬롯(156)과 정합하여 외부 라이너 시일(160)이 내부에 설치되는 리세스(155)를 형성한다. 도 4의 두번째 말풍선에 나타낸 바와 같이, 외부 라이너 시일(160)이 리세스(155) 내에 완전히 설치될 때에, 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)는 밀봉면들(150, 154) 사이에 획정된 시일 슬롯(152, 156) 내에 배치된다.
시일 슬롯(132, 136, 152 및/또는 156)은 각각의 밀봉면들(130, 134, 150, 154)에 수직(즉, 직각)일 수 있고, (도 5의 평면 A-A를 따른 첫번째 말풍선에 나타낸 바와 같이) 각각의 시일 슬롯이 밀봉면으로부터 균일한 거리에 걸쳐 내향으로 연장되는 상태로 조인트(122)를 중심으로 대칭적인 크기 및 형상을 가질 수 있다. 대안으로, 시일 슬롯(132, 136, 152 및/또는 156)은 각각의 밀봉면들(130, 134, 150, 154)에 대해 일정 각도로 배치될 수 있고, (도 5의 평면 B-B를 따른 두번째 말풍선에 나타낸 바와 같이) 조인트(122)를 중심으로 비대칭적인 크기 및 형상을 가질 수 있다.
도 5는 축방향 길이를 따라 다양한 깊이의 리세스 내에 설치되는 균일한 폭(W)의 내부 라이너 시일(140)을 개략적으로 예시한다. 시일(140)은 도 5에서 음영으로 그리고 평면 A-A 및 평면 B-B를 따라 취한 말풍선에서 대각선으로 식별된다.
제1 내부 라이너 세그먼트(106b)의 밀봉면(130) 및 제2(인접한) 내부 라이너 세그먼트(106b)의 밀봉면(136)은 실선으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 밀봉면(130, 136)은 인접한 통합형 연소기 노즐들(100) 사이의 조인트(122)에서 약간의 원주 방향 간극(124)을 갖도록 위치 결정된다. 조인트(122)에 의해 획정된 작은 간극(124)은 분할식 환형 연소 시스템(36)의 작동 중에 통합형 연소기 노즐(100)의 열 팽창으로 인해 적어도 부분적으로 폐쇄될 것으로 예상된다.
점선은 2개의 인접한 내부 라이너 세그먼트(106a, 106b)의 공칭 시일 슬롯(132', 136')을 나타내는데, "공칭"은, 시일 슬롯(132, 136)이 밀봉면(130, 134)의 축방향 길이를 따라 간극(124)의 각 측부 상에 균등하게 분포될 때에, 시일 슬롯(132, 136)의 폐쇄된 벽의 통상의 위치를 의미한다.
평면 A-A를 따른 첫번째 말풍선은 시일 슬롯(132, 136)의 축방향 길이를 따라 위치된 소정의 평면 A-A에서 한쌍의 인접한 시일 슬롯(132', 136')을 개략적으로 나타낸다. 시일 슬롯(132', 136')은 조인트(122)를 중심으로 대칭으로 배치되고 각각의 밀봉면(130, 134)으로부터 균일한 제1 깊이(D1)에 걸쳐 내향으로 연장된다. 시일(140)은 시일 슬롯(132, 136)에 의해 획정된 리세스(135') 내에 배치된다. 리세스(135')는 용적(V1)을 갖는다.
본 명세서에서 제공되는 다른 양태에 따르면, 일점 쇄선은 2개의 내부 라이너 세그먼트(106a, 106b)의 맞춤화된 시일 슬롯(132", 136")을 나타낸다. 맞춤화된 시일 슬롯(132", 136")은 내부 라이너 세그먼트(106a, 106b)의 축방향 길이를 따라 간극(124)으로부터 상이한 거리에 이격되어, 리세스(135)가 보다 큰 용적을 갖는 국부적인 영역을 생성한다.
평면 B-B를 따른 두번째 말풍선은 시일 슬롯(132, 134)이 조인트(122)를 중심으로 비대칭인 그러한 구성을 개략적으로 예시한다. 이 예시적인 실시예에서, 시일 슬롯(136")은 밀봉면(130)으로부터 제2 깊이(D2)에 걸쳐 내향으로 연장되고, 밀봉 슬롯(136")은 밀봉면(134)으로부터 깊이(D2)와 상이한 제3 깊이(D3)에 걸쳐 내향으로 연장된다. 따라서, 설치 및 작동 중에, 시일(140)은 시일 슬롯(132, 136)에 의해 획정된 리세스(135') 내의 어디든 배치될 수 있다. 이 영역에서, 리세스(135")는 용적(V2)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 용적(V1)은 용적(V2)보다 작다.
대안으로, 또는 추가적으로, 시일 슬롯[132, 136(또는 152, 156)]은 각각의 라이너 세그먼트(108, 106)의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 조인트(122)를 중심으로 대칭일 수 있다. 평면 B-B를 따라 취한 말풍선에 도시된 바와 같은 일부 상황에서, 시일 슬롯[132, 136(또는 152, 156)]은 각각의 라이너 세그먼트(106, 108)의 축방향 길이에 걸쳐 변화하는 밀봉면[130, 134(또는 150, 154)]에 대해 각도 배향을 가질 수 있다. 즉, 시일 슬롯[132, 136(또는 152, 156)]은 일부 영역에서 밀봉면[130, 134(또는 150, 154)]에 수직으로 배향될 수 있고 다른 영역에서 밀봉면[130, 134(또는 150, 154)]에 대해 사각으로 배향될 수 있다.
내부 라이너 세그먼트(106)의 시일 슬롯(132, 136)은 외부 라이너 세그먼트(108)의 시일 슬롯(152, 156)과 동일한 깊이로 될 수 있다. 대안으로, 통합형 연소기 노즐(100)의 흡입측(118) 상의 시일 슬롯(132, 152)은 그 축방향 길이에 걸쳐 동일한 깊이(들)를 갖고, 통합형 연소기 노즐(100)의 압력측(116) 상의 시일 슬롯(100)은 축방향 길이에 걸쳐 동일한 깊이(들)를 갖는 것이 바람직할 수 있는데, 이 깊이는 흡입측(118) 상의 밀봉면(132, 152) 상에 사용된 것과 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
도 6은 내부 라이너 시일(140)[또는 외부 라이너 시일(160)]이 시일(140)(또는 160)의 축방향 길이를 따라 달라지는 폭(W)을 갖는 본 개시의 실시예를 개략적으로 예시한다. 도 5에서와 같이, 밀봉면(130, 134)은 실선으로 예시되고, 시일은 메인 이미지에서 음영으로 나타내고, 물풍선에서 대각선으로 도시되며, 시일 슬롯(132, 136)은 점선으로 도시된다. 시일 슬롯(132, 136)은 인접한 밀봉면들(130, 134) 사이에 획정된 간극(124)으로부터 균일한 깊이(예를 들어, D1)를 갖는다. 그러나, 시일(130)은 가변 폭을 갖는다.
평면 E-E를 따라 취한 첫번째 말풍선에서, 시일(130)은 제1 폭(W1)을 갖는다. 평면 F-F를 따라 취한 두번째 말풍선에서, 시일(130)은 제2 폭(W2)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 다른 구성들이 가능할지라도, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2)보다 작다.
도 6에 도시된 바와 같이, 국부적인 영역에서 시일(140)(또는 160)의 형상을 최적화함으로써 및/또는 도 5에 도시된 바와 같이, 시일 슬롯(132, 136)(또는 152, 156)의 형상을 최적화함으로써, 시일 자체 주위의 누출을 최소화하면서 축방향으로 시일의 설치 및 제거가 용이하게 된다. 예를 들어, 전체 시일 슬롯(132, 136)(또는 152, 156)에 더 큰 단면적이 제공되면, 및/또는 전체 시일(140)(또는 160)이 더 좁은 폭으로 주어진다면, 시일(140)(또는 160) 주위에서의 누출 유동이 상당히 높게 된다. 보다 큰 단면적 및/또는 보다 작은 원주 방향 폭의 선택적이고 국부적인 영역의 사용은 본 발명의 분할식 환형 연소 시스템(36)의 성공적인 작동에 필요한 밀봉 성능을 달성한다.
도 7은 내부 라이너 시일(140) 및 외부 라이너 시일(160)이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)의 각각의 슬롯(132, 152) 내에 설치되는 단일의 통합형 연소기 노즐(100)을 예시한다. 예시된 바와 같이, 패널(110)은 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장하고 연료/공기 혼합물이 2차 연소 스테이지로 도입되는 복수의 분사 출구(170)를 포함한다. 통합형 연소기 노즐(100)의 후미 단부(114)는 연소 생성물(30)의 유동을 터빈 섹션(18)(도 1에 도시됨)으로 전환시키거나 가속시키도록 스테이지 1 터빈 노즐을 연상시키는 후단 에지(174)를 갖는 에어포일 형상을 갖는다.
외부 라이너 시일(160)(도 8 및 도 9에 별개로 도시됨)은 전방 단부(162), 후미 단부(166), 및 전방 단부(162)와 후미 단부(166) 사이에서 연장되는 중간 섹션(164)을 갖는다. 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)는 전술한 바와 같이 외부 라이너 세그먼트(108)의 밀봉면(150)의 시일 슬롯(152) 내에 끼워진다.
예시된 실시예에서, 시일 슬롯(152)(또는 156)은 외부 라이너 세그먼트(108)의 전방 단부(112)에서 개방되고 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서 폐쇄된다. 외부 라이너 시일(160)의 설치는, 시일(160)의 후미 단부(166)를 2개의 인접한 가스 터빈 구성요소[즉, 2개의 통합형 연소기 노즐(100)]의 각각의 원주 방향 밀봉면(150, 154)의 각각의 시일 슬롯(152, 156)에 의해 획정된 리세스(155) 내로 축방향으로 삽입하고 - 시일(160)은 전방 단부(162)로부터 축방향 및 원주 방향으로 오프셋된 후미 단부(166)를 가짐 -; 전방 단부(162)가 리세스(155) 내에 배치될 때까지 리세스(155)를 통해 축방향으로 시일(160)을 압박함으로써 달성될 수 있다.
대안으로, 시일 슬롯(152)이 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서 개방되면, 외부 라이너 시일(160)은 후미 단부(114)로부터 축방향으로 설치될 수 있다.
외부 라이너 시일(160)에서와 같이, 내부 라이너 시일(140)(도 10에 별개로 도시됨)은 전방 단부(142), 후미 단부(146), 및 전방 단부(142)와 후미 단부(146) 사이에서 연장되는 중간 섹션(144)을 갖는다.
예시된 실시예에서, 시일 슬롯(132)(또는 136)은 내부 라이너 세그먼트(106)의 전방 단부(112)에서 개방되고 내부 라이너 세그먼트(106)의 후미 단부(114)에서 폐쇄된다. 내부 라이너 시일(140)의 설치는, 시일(140)의 후미 단부(146)를 2개의 인접한 가스 터빈 구성요소[즉, 2개의 통합형 연소기 노즐(100)]의 각각의 원주 방향 밀봉면(130, 134)의 각각의 시일 슬롯(132, 136)에 의해 획정된 리세스(135) 내로 축방향으로 삽입하고 - 시일(140)은 전방 단부(142)로부터 축방향 및 원주 방향으로 오프셋된 후미 단부(146)를 가짐 -; 전방 단부(142)가 리세스(135) 내에 배치될 때까지 리세스(135)를 통해 축방향으로 시일(140)을 압박함으로써 달성될 수 있다.
대안으로, 시일 슬롯(132)이 내부 라이너 세그먼트(106)의 후미 단부(114)에서 개방되면, 내부 라이너 시일(140)은 후미 단부(114)로부터 축방향으로 설치될 수 있다.
도 7은 또한 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166) 및 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 확대도를 제공한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서의 밀봉면(150)(또는 154)은 외부 라이너 세그먼트(108)의 외표면 상에 제공된 장착 후크(들)(190)의 존재로 인해 시일 슬롯(152)(또는 156)으로부터 반경 방향 외측으로 분기된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)는 대응하는 양분된 하류 슬롯(176) 내에 끼워지도록 양분될 수 있다(즉, 2개의 분기부로 분할될 수 있다). 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제2 분기부(167)는 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제1 분기부(165)보다 짧지만, 다른 실시예에서는, 제2 분기부(167)가 제1 분기부(165)와 동일한 길이로 될 수 있거나 제1 분기부(165)보다 길 수 있다.
외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제1 분기부(165)는 하류 슬롯(176)의 제1(축방향으로 배향된) 부분(175) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(176)의 제1 부분(175)은 시일 슬롯(152)(또는 156)과 연속적이다. 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제1 분기부(167)는 하류 슬롯(176)의 제2(각진) 부분(177) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(176)의 제2 부분(177)은 하류 슬롯(176)의 제1 부분(175)에 대해 일정 각도로 장착 후크(들)(190) 내에 배치된다. 외부 라이너 시일(160)의 제1 분기부(165)와 제2 분기부(167) 사이의 분기 각도(θ)는 약 5도 내지 약 75도 범위 내에 있다.
도 8은 전방 단부(162), 후미 단부(166), 및 전방 단부(162)와 후미 단부(166) 사이의 중간 부분(164)을 갖는 외부 라이너 시일(160)의 측면 사시도를 제공한다. 외부 라이너 시일(160)은 가요성 금속 시일이고, 일부 실시예에서(도 11에 도시된 바와 같이), 다중 플라이들을 포함한다. 중간 부분(164)은 전술한 바와 같이 밀봉면(150, 154)에 의해 획정된 연속적인 원주 곡선에 대해 상보적인 연속적인 원주 곡선을 획정한다.
설명을 용이하게 하도록, 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)는 점(K)으로 지정되고, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)는 점(L)으로 지정되며, K와 L 사이의 연속적인 원주 곡선을 따른 임의의 지점은 점(M)으로 지정되고, 오직 반경 방향에서의 변곡점은 점(M')으로 지정된다. 변곡점(M')은 시일(160)이 2개의 인접한 통합형 연소기 노즐(100) 사이에 설치될 때에 존재한다. 점들(K와 L) 사이의 축방향 거리는 밀봉되는 구성요소의 크기에 따라 2 인치(약 5 센티미터) 내지 50 인치(127 센티미터)의 범위 내에 속할 수 있다.
각도(θ)는 변곡점(M')을 통해 묘화된 축방향 기준선(A')과 제2 분기부(165)를 통해 묘화된 가상선 사이에서 정의된다. 제1 분기부(165)와 제2 분기부(167) 사이의 거리는 Δ(n-x)로 나타낼 수 있으며, 여기서 x는 5도 내지 75도 범위 내에 속하는 각도(θ)를 초래하는 임의의 값이다.
점(M)과 선(A') 사이의 거리가 점(K)과 선(A') 사이의 거리보다 작기 때문에, 전방 단부(162)(점 K)와 축방향 기준선(A') 사이의 거리는 Δn으로 나타낼 수 있고, 중간점(M)과 축방향 기준선(A') 사이의 거리는 Δ(n-1)로 나타낼 수 있다. 이 특정 실시예에서, 전방 단부(162)에서의 점(K) 및 후미 단부(166)에서의 점(L)은 서로 반경 방향으로 오프셋되지만, 다른 실시예에서, 외부 라이너 시일(160)은 반경 방향으로 곡률 반경을 갖지 않을 수 있다. 바꿔 말해서, 외부 라이너 시일(160)은, 원주 방향으로 연속적인 곡선을 여전히 유지하면서, 단일의 반경 방향 평면에서 직선형 시일일 수 있다.
각도(β)는 축방향 기준선(A')과 전방 단부(지점 K)를 통해 묘화된 가상선 사이에 획정된다. 각도(β)는 통합형 연소기 노즐(100)의 캔트 각(cant angle)을 나타낸다.
부감 평면도를 제공함에 있어서, 도 9는 아마도 외부 라이너 시일(160)의 연속적인 원주 곡선을 가장 명확하게 예시한다. 도시된 바와 같이, 곡선은 전방 단부(162)에서의 점(K)으로부터 중간점(M) 및 반경 방향 변곡점(M')을 통해 후미 단부(166)에서[구체적으로, 분기부(165)에서]의 점(L)까지 연속적이다. 점(K)은 점(L)으로부터 원주 방향으로 오프셋된다(즉, 전방 단부(162)와 후미 단부(166)는 축방향으로 동일 평면 상에 있지 않다). 특히, 반경 방향의 변곡점인 점(M')(시일이 설치될 때에 명백함)은 원주 방향으로 획정된 연속적인 커브의 또 다른 점이다. 외부 라이너 시일(160)은 원주 방향으로 약 10 인치 내지 약 120 인치 범위의 곡률 반경을 가질 수 있다.
이러한 연속적인 원주 곡선은 외부 라이너 시일(160)이, 외부 라이너 시일(160)을 축방향, 또는 실질적으로 축방향으로 밀거나 당김으로써 인접한 외부 라이너 세그먼트(108)의 인접한 밀봉면(150, 154)에 의해 획정된 리세스(155)에 설치되고 제거될 수 있게 한다. 결과적으로, 외부 라이너 시일(160)의 위치 결정은 효율적인 방식으로 달성되고, 설치 중에 외부 라이너 시일(160)이 손상될 가능성이 상당히 감소된다. 또한, 단일의 외부 라이너 시일(160)이 통합형 연소기 노즐(100)의 축방향 길이에 걸쳐 있기 때문에, 시일 누출(단부 대 단부 배열에서 달리 다중 시일을 수반하는)이 감소된다.
또한, 반경 방향 구성요소(즉, 동일한 반경 방향 평면에 점 K 및 L을 갖는 편평한 시일)가 없는 예시적인 시일에서, 이들 편평한 시일은 도 9에 도시된 시일 프로파일을 갖는다.
유사하게, 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이, 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)는 대응하는 양분된 하류 슬롯(186) 내에 끼워지도록 양분될 수 있다(즉, 2개의 분기부로 분할될 수 있다). 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제2 분기부(147)는 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제1 분기부(145)보다 짧지만, 다른 실시예에서는, 제2 분기부(147)가 제1 분기부(145)와 동일한 길이로 될 수 있거나 제1 분기부(145)보다 길 수 있다.
내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제1 분기부(145)는 하류 슬롯(186)의 제1(축방향으로 배향된) 부분(185) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(186)의 제1 부분(185)은 시일 슬롯(132)(또는 136)과 연속적이다. 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제2 분기부(147)는 하류 슬롯(186)의 제2(각진) 부분(187) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(186)의 제2 부분(187)은 하류 슬롯(186)의 제1 부분(185)에 대해 일정 각도로 내부 후크 플레이트(192) 내에 배치된다. 제1 분기부(145)와 제2 분기부(167) 사이의 분기 각도는 약 5도 내지 약 75도 범위 내에 있다.
내부 라이너 시일(140)은 가요성 금속 시일이고, 일부 실시예에서, 다중 플라이들을 포함한다. 내부 라이너 시일(140)은 전방 단부(142)(점 G로 지정됨), 후미 단부(146)(점 H로 지정됨), 및 전방 단부(142)와 후미 단부(146) 사이의 중간 부분(144)을 포함한다. 점들(G와 H) 사이의 축방향 거리는 밀봉되는 구성요소의 크기에 따라 2 인치(약 5 센티미터) 내지 50 인치(127 센티미터)의 범위 내에 속할 수 있다.
중간 부분(144)은 전술한 바와 같이 밀봉면(130, 134)에 의해 획정된 연속적인 원주 곡선에 대해 상보적인 연속적인 원주 곡선을 획정한다. 일 실시예에서, 연속적인 원주 곡선은 단조롭다(즉, 원주 방향으로 증가 또는 감소하지 않는 일정한 반경을 가짐). 점(J)은 점(G)과 점(H) 사이의 중간 부분(144)을 따른 임의의 점을 나타낸다. 점(J')과 점(J")은, 시일(140)이 2개의 통합형 연소기 노즐(100) 사이에 설치될 때에 점(G)과 점(H) 사이의 반경 방향에서만 발생하는 2개의 변곡점을 나타낸다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)를 개략적으로 예시하지만, 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)를 동일하게 나타낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)는 2개의 분기부(165, 167)로 양분된다. 그러한 시일(160)을 제공하는 한가지 방법은 시일(160)의 축방향 길이 대부분을 따라 하나 이상의 지점[예를 들어, 스폿 용접부(268)]에서 스폿 용접되거나, 달리 함께 결합되는 다중 시일 플라이(260)(예를 들어, 심 또는 적층된 스플라인)을 제공하는 것이다. 예를 들어, 플라이(260)의 제1 세트(265)는 외부 라이너 시일(160)의 중간 부분(144)을 통해 전방 단부(142)로부터 플라이(260)의 제2 세트(267)에 결합될 수 있고, 플라이(260)의 제1 세트(265)의 후미 단부는 플라이(260)의 제2 세트(267)의 후미 단부와 분리되어 시일(160)의 양분된 후미 단부(166)를 형성한다.
각각의 시일 플라이(260)는 금속 또는 금속 합금의 얇은 장방형 스트립으로 형성될 수 있으며, 원하는 폭, 길이 및 두께를 가질 수 있다. 시일 플라이(260)에 적합한 재료는 분할식 환형 연소기(36)의 환경과의 호환성을 위해 그 탄성 특성, 온도 허용 오차, 및 다른 물리적 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 개별적인 플라이(260)는 그 재료, 두께, 폭, 또는 길이가 동일하거나 상이할 수 있으며, 결합, 삽입, 및 보유를 용이하게 하도록 탄성, 가요성, 항복 강도, 내산화성, 또는 밀봉 특성과 같은 동일하거나 상이한 특성을 가질 수 있다. 시일 플라이(260)의 두께 또는 폭은 시일(160)의 길이를 따라 달라질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시일(160)의 제1 분기부(165)를 형성하도록 제1 세트(265)에 3개의 플라이(260)가 제공되는 반면, 시일(160)의 제2 분기부(167)를 형성하도록 제2 세트(267)에 2개의 플라이(260)가 제공된다. 제1 세트(265)에 사용된 플라이(260)는, 플라이(260)의 제1 세트(265)가 플라이(260)의 제2 세트(267)에 결합되기 전에, 제2 세트(267)에 사용된 플라이(260)를 결합시키는 데에 사용된 방법과 동일하거나 상이한 한가지 방법(예를 들어, 적층 또는 스폿 용접)에 의해 서로 결합될 수 있다.
대안으로, 시일(160)의 제1 분기부(165)는 단일 시일 플라이(260)를 사용하여 생성될 수 있고, 시일(160)의 제2 분기부(167)는 제1 분기부(165)의 단일 시일 플라이(260)에 결합되거나 결합되지 않을 수 있는 단일 시일 플라이(260)를 사용하여 생성될 수 있다. 제1 분기부(165) 및 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들이 결합되지 않은 경우, 플라이는 2개의 인접한 외부 라이너 세그먼트(108) 사이의 각각의 리세스(155) 내에 순차적으로 또는 동시에 설치될 수 있다. 제1 분기부(165)를 형성하는 플라이 또는 플라이들은 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들과 동일하거나 상이한 폭을 가질 수 있다. 유사하게, 제1 분기부(165)를 형성하는 플라이 또는 플라이들은 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들과 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시일(160)의 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들(260)은 제1 분기부(165)를 향한 단부(269)에서 약간 구부러지거나 만곡되어 (제1 분기부(165)와 제2 분기부(167) 사이의 화살표로 나타내는 바와 같이) 제2 분기부(167)에 스프링과 같은 효과를 유발한다. 시일(160)의 설치 중에, 시일 설치자는 시일(160)이 인접한 시일 슬롯(152, 156)에 의해 형성된 리세스(155) 내에 끼워지도록 제2 분기부(167)를 제1 분기부(165)를 향해 또는 제1 분기부와 접촉하게 가압할 수 있다.
시일(160)은 (적어도 반경 방향으로) 가요성이기 때문에, 시일(160)은 시일(160)의 후미 단부(166)가 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서 분기 위치에 도달할 때까지 리세스(155)를 통해 축방향으로 밀릴 수 있다. 시일 슬롯(175, 177)이 서로로부터 분리됨에 따라, 스프링 로딩된 제2 분기부(167)의 텐션이 해제되고, 제2 분기부(167)가 제1 분기부(165)로부터 분기되어 제2 시일 슬롯(177) 내로 밀려 들어가게 된다. 유사한 설치 프로세스가 내부 라이너 시일(140)에 사용될 수 있다.
시일(140, 160)을 축방향으로 설치하는 것이 보다 신속한 조립을 초래하지만, 본 개시는 시일의 설치를 축방향으로만 제한하는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 오히려, 각각의 통합형 연소기 노즐(100)이 위치 결정된 후에 통상적인 것처럼 시일(140, 160)은 원주 방향으로 설치될 수 있으며, 시일(140, 160)의 최종 세트가 축방향으로 유리하게 설치될 수 있음을 알 수 있다.
변형예에서, 시일(140, 160)은 리세스(135, 155)의 길이를 따라 제1 분기부(145, 165) 내로 연장되는 제1 시일 세그먼트를 포함할 수 있으며, (제1 시일 세그먼트에 결합되지 않는) 제2 시일 세그먼트는 리세스(135, 155)의 길이를 따라 제2 분기부(145, 165) 내로 연장된다. 제1 시일 세그먼트는 전술한 바와 같이 단일층 심(single layer shim) 또는 다중 플라이 시일일 수 있다. 마찬가지로, 제2 시일 세그먼트는 전술한 바와 같이 단일층 심 또는 다중 플라이 시일일 수 있다. 제1 및 제2 시일 세그먼트는 2개의 인접한 외부 라이너 세그먼트(108) 사이의 각각의 리세스(155) 내에 순차적으로 또는 동시에 설치될 수 있다.
분할식 환형 연소기(36)의 작동 중에 외부 라이너 시일(160)이 경험하는 열 응력을 흡수하기 위해, 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에는 앵커(200)가 마련될 수 있다. 통합형 연소기 노즐(100)의 전방 단부(112)에서 앵커 캐비티(240)(도 17 참조)에 설치되는 앵커(200)의 존재는 분할식 환형 연소기(36)의 작동 중에 외부 라이너 시일(160)이 비틀리거나 왜곡될 가능성을 감소시킨다. 내부 라이너 시일(140)에는 외부 라이너 시일(160) 상의 앵커(200)에 추가하여 또는 그 대신에 앵커(200)가 마련될 수 있다. 외부 라이너 시일(160) 및 그 앵커(200)에 대한 임의의 아래 설명은 내부 라이너 시일(140) 및 그 앵커(200)에도 적용될 수 있다.
도 12 내지 도 17은 예로서 앵커(200)의 다양한 실시예 및 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에 대한 연결을 일례로서 개략적으로 도시한다.
앵커(200)는 장방형 프리즘과 유사한 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 앵커(200)는 다른 형상을 갖거나 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 앵커(200)는, 외부 라이너 시일(160)이 설치될 때에 분할식 환형 연소기(36)의 축방향 중심선(38)으로부터 반경 방향 외측을 향하는 제1 표면(201), 및 제1 표면(201)에 대향하고 축방향 중심선(38)을 향해 반경 방향 내측을 향하는 제2 표면(203)을 포함한다. 측벽(205)은 제1 표면(201)을 제2 표면(203)에 연결한다. 외부 라이너 시일(160)의 제거를 용이하게 하도록, 앵커(200)는 관통홀(210) 또는 함입부(220)를 포함할 수 있고, 관통홀 또는 함입부 내에 제거 공구(250)(도 17에 도시 됨)가 삽입되어 외부 라이너 시일(160)을 시일 리세스(155)로부터 꺼낼 수 있다.
도 12는, 앵커(200)의 반경 방향 외향 표면(201)이, 예를 들어 브레이징 또는 용접에 의해 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에 고정되는 실시예를 예시한다. 관통홀(210)은 앵커(200)를 통해 반경 방향 외향 표면(201)으로부터 반경 방향 내향 표면(203)까지 연장된다. 후크 또는 샤프트를 갖는 제거 공구[예를 들어, 도 17에 도시된 공구(250)]는 관통홀(210) 내에 삽입될 수 있고 시일 리세스(155)로부터 외부 라이너 시일(160)을 잡아당기는 데에 사용될 수 있다. 관통홀(210)을 갖는 앵커(200)의 사용과 관련된 한가지 이점은 제거 후 또는 설치 전에 링과 같은 공통 저장 장치 상에 시일(160)을 수집하는 능력이다.
도 13은 앵커(200)의 반경 방향 외향 표면(201)이, 예를 들어 브레이징 또는 용접에 의해 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에 고정되는 실시예를 예시한다. 함입부(220)는 앵커(200)의 반경 방향 외향 표면(201)으로부터 내측으로 연장되고 (예를 들어, 알렌 렌치와 유사한 공구의) 공구 샤프트가 삽입될 수 있는 영역을 획정한다. 둥근 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 함입부(220)는 몇몇의 다른 형상을 가질 수 있거나, 또는 제거 공구 상의 키와 맞물리는 키홀 피쳐를 구비할 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
도 14는 함입부(220)가 앵커(200)의 반경 방향 내향 표면(203)으로부터 내측으로 연장되고 전술한 바와 같이 공구 샤프트가 삽입될 수 있는 영역을 획정하는 실시예를 예시한다. 대안으로, 함입부(220)는 관통홀(210)에 의해 대체될 수 있다.
도 15 및 도 16은 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)가 앵커(200) 내에 고정될 수 있는 실시예를 예시한다. 앵커(200)는 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)로부터 이격되어 배치된 위치에서 반경 방향 외향 표면(201)으로부터 반경 방향 내향 표면(203)으로 연장되는 관통홀(210)을 포함할 수 있다. 대안으로, 앵커(200)는, 전술한 바와 같이, 반경 방향 외향 표면(201) 또는 반경 방향 내향 표면(203) 중 어느 하나로부터 내측으로 돌출되는 함입부(220)를 포함할 수 있다.
시일 슬롯(152, 156)(그 중 하나가 도 17에 도시됨)의 전방 단부에서, 앵커 캐비티(240)가 제공되어 앵커(200), 및 이에 의해 시일(160)을 시일 슬롯(152, 156) 내의 제위치에 고정시킨다. 앵커 캐비티(240)는 앵커(200)에 의해 흡수된 토크가 시일 슬롯(152, 156)으로 전달되게 하여 시일(160) 자체에 전달되는 토크를 최소화시킨다. 필요에 따라, 앵커 캐비티(240)의 다른 구성이 사용될 수 있다.
제1 시일 세그먼트가 제1 분기부에 사용되고 제2 시일 세그먼트가 제2 분기부에 사용되는 경우, 시일 세그먼트 중 한쪽 또는 양쪽 모두는 그 전방 단부에 앵커를 포함할 수 있다. 양쪽 시일 세그먼트에 앵커가 제공되면, 앵커들이 상호 잠금되거나 서로 결합하도록 구성될 수 있다.
도 18 내지 도 21은 3개의 인접한 통합형 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)의 어레이로부터 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거를 도시한다.
도 18에서, 내부 라이너 시일(140)과 외부 라이너 시일(160)은 제1 통합형 연소기 노즐(100a)과 제2 통합형 연소기 노즐(100b) 사이 및 각각의 제2 통합형 연소기 노즐(100b)과 제3 통합형 연소기 노즐(100c) 사이에서 각각의 밀봉면(130, 134 및 150, 154)으로부터 제거된다. 통합형 연소기 노즐(100b)을 제위치에 유지하는 (4개의) 시일(140, 160)을 제거함으로써, 통합형 연소기 노즐(100b)은 밀봉면(130, 134, 150, 154)에 의해 획정된 연속적인 원주 곡선을 따라 통합형 연소기 노즐(100b)의 이동을 병진시킴으로써 대체로 축방향으로 제거될 수 있다. 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거는 인접한 통합형 연소기 노즐(100a, 100c)을 약간 반경 방향으로 내측(또는 외측)에 있게 할 수 있지만, 이 반경 방향 오프셋은 원하는 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거를 완료하는 데 필요한 이동 방향을 변경시키지 않는다.
도 19는 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거에 관하여 내부 라이너 세그먼트(106)로부터의 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 각각의 통합형 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)의 밀봉면(130, 134, 150, 154)의 연속적인 원주 곡선은 (도 2에서와 같이) 분할식 환형 연소기(36)를 안출하는 통합형 연소기 노즐(100)의 원주 방향 어레이로부터 임의의 통합형 연소기 노즐(100)을 제거하게 한다.
도 20은 도 19에 도시된 단계보다 더 나중의 제거 단계에서 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거의 후미에서 바라본 전방의 사시도를 제공한다. 전술한 바와 같이, 통합 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)의 후미 단부(114)는 후단 에지(174)에서 종결되어, 연소 생성물의 터빈 섹션(18)으로의 유동을 전환시키거나 가속시킨다.
도 21은 인접한 통합형 연소기 노즐(100a, 100c) 사이에서의 그 위치로부터 제거될 때에 통합형 연소기 노즐(100b)의 전방에서 바라본 후미 사시도를 제공한다. 모든 통합형 연소기 노즐(100)이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108) 상에 동일한 연속적인 원주 곡선을 갖기 때문에, 임의의 통합형 연소기 노즐(100)은 제거될 통합형 연소기 노즐(100)의 양측부 상의 내부 라이너 시일(140) 및 외부 라이너 시일(160)을 간단히 제거함으로써 동일한 방식으로(즉, 연속적인 원주 곡선의 형상을 따라 대략 축방향으로) 제거될 수 있다.
통합형 연소기 노즐(100)의 설치 프로세스는, 원주 방향 어레이[통합형 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)과 같은]를 형성하도록 2개 이상의 통합형 연소기 노즐(100)을 축방향으로 설치한 다음, 내부 라이너 시일(140) 및 외부 라이너 시일(160)을 연속적으로 만곡된 밀봉면(130/134, 150/154)에 의해 획정된 각각의 리세스(135, 155) 내로 축방향으로 설치함으로써, 달성될 수 있다. 필요에 따라, 통합 연소기 노즐(100)의 일부 또는 전부가 시일(140, 160)을 설치하기 전에 부분 또는 전체 원주 방향 어레이에 배치될 수 있다. 따라서, 분할식 환형 연소기(36)의 조립에 필요한 시간이 상당히 감소된다.
도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 종래의 밀봉 구성은, 복수의 통합형 연소기 노즐이 분할식 환형 연소기 어셈블리에서 서로 인접하게 원주 방향으로 조립될 때에, 통합형 연소기 노즐의 라이너 세그먼트들 사이의 만곡된 시일 채널 내에 단부 대 단부로 위치 설정된 여러 개의 강성 시일을 채용한다. 이들 직선형 시일을 사용하는 데에는, 시일이 떨어지지 않거나 파쇄되어 누출율이 더 커지지 않는 것을 보장하는 복잡한 조립 프로세스를 비롯하여 몇 가지 단점이 있다. 또한, 이들 강성 시일은 제거될 시일에 인접한 적어도 하나의 통합형 연소기 노즐을 제거함으로써 분할식 환형 연소기를 분해하지 않고는 쉽게 제거될 수 없다.
이러한 종래의 구성과 달리, 본 개시의 실시예는 환형 연소기 조립체를 형성하는 데에 일조하는 라이너 세그먼트들 사이에 가요성 시일의 설치를 간단하게 하고 개선시킨다. 인접한 라이너 세그먼트들은 가요성 시일을 수용하고 제거하기 위해 시일 슬롯의 적어도 개방된 전방 단부에 개구를 획정하도록 설계된다. 이는 연소기 조립체를 분해하지 않고도 축방향으로 밀거나 당김으로써 만곡된 밀봉 채널로부터 시일을 용이하게 설치 및 제거하게 한다. 가요성 시일의 사용은 유리하게는, (i)시일 길이에 따라 시일 슬롯 내에 삽입되는 강성 시일의 개수(즉, 피스의 개수) 및 (ii)시일 주위의 누출량을 감소시킨다.
만곡된 시일 및 그 설치 방법의 예시적인 실시예를 상세하게 전술하였다. 본 명세서에 설명된 방법 및 시일은 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 제한되지 않고, 오히려 방법 및 시일의 구성요소는 본 명세서에 설명된 다른 구성요소와 독립적으로 그리고 별개로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 방법 및 시일은 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 발전용 가스 터빈용의 통합형 연소기 노즐과 함께 실시하는 것으로 제한되지 않는 다른 용례를 가질 수 있다. 오히려, 본 명세서에 설명된 방법 및 시일은 다양한 다른 산업에서 구현되고 이용될 수 있다.
기술적 진보를 다양한 특정 실시예에 관하여 설명하였지만, 당업자라면 청구범위의 사상 및 범위 내에서 기술적 진보가 변형되어 실시될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
현재의 통합형 연소기 노즐을 명확하게 설명하기 위해, 본 개시의 범위 내에서 관련 기계 구성요소를 언급하고 설명하는 데에 특정 용어가 사용될 것이다. 가능한 정도까지, 일반적인 산업 용어가 허용된 용어 의미와 일치하는 방식으로 사용되고 채용될 것이다. 달리 언급하지 않는 한, 이러한 용어는 본 출원의 문맥 및 첨부된 청구범위의 범위와 일치하는 폭 넓은 해석으로 주어져야 한다. 당업자는 종종 특정 구성요소가 몇몇 상이하거나 겹치는 용어를 사용하여 언급될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에서 단일 부분으로 기술될 수 있는 것은 다른 문맥에서 다수의 구성요소를 포함하고 다수의 구성요소로 이루어진 것으로서 언급될 수 있다. 대안적으로, 다수의 구성요소를 포함하는 것으로 본 명세서에서 설명될 수 있는 것은 다른 곳에서 단일의 통합형 부분으로서 언급될 수 있다.
또한, 아래에서 설명되는 바와 같이, 몇 가지 서술 용어가 본 명세서에서 규칙적으로 사용될 수 있다. "제1", "제2", 및 "제3"이라는 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 상호 교환 가능하게 사용될 수 있고 개별적인 구성요소들의 위치 또는 중요도를 의미하도록 의도되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "하류" 및 "상류"는 터빈 엔진을 통한 작동 유체와 같은 유체의 유동에 대한 방향을 나타내는 용어이다. "하류"라는 용어는 유체의 유동 방향에 해당하고, "상류"라는 용어는 상기 유동의 반대 방향(즉, 유체가 흘러나오는 방향)을 가리킨다. "전방"및 "후미"라는 용어는 임의의 추가 특정 없이 상대 위치를 가리키며, "전방"은 엔진의 전방(또는 압축기) 단부 또는 연소기의 유입 단부를 향해 위치된 구성요소 또는 표면을 설명하는 데에 사용되고, "후미"는 엔진의 후방(또는 터빈) 단부 또는 연소기의 유출 단부를 향해 위치된 구성요소를 설명하는 데에 사용된다. "내부"라는 용어는 터빈 샤프트의 근위측에 있는 구성요소를 설명하는 데에 사용되고, "외부"라는 용어는 터빈 샤프트의 원위측에 있는 구성요소를 설명하는 데에 사용된다.
흔히, 상이한 반경 방향, 축방향 및/또는 원주 방향 위치에 있는 부품들을 설명하는 것이 요구된다. 도 1에 도시된 바와 같이, "A" 축선은 축방향 배향을 나타낸다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "축방향" 및/또는 "축방향으로"라는 용어는 가스 터빈 시스템의 회전 축선과 실질적으로 평행한 축선 A를 따른 물체들의 상대 위치/방향을 가리킨다. 본 명세서에 또한 사용되는 바와 같이, "반경 방향" 및/또는 "반경 방향으로"라는 용어는 한 지점에서만 축선 A와 교차하는 축선 "R"을 따른 물체들의 상대 위치 또는 방향을 가리킨다. 일부 실시예에서, 축선 R은 축선 A에 실질적으로 수직이다. 마지막으로, "원주 방향"이라는 용어는 축선 A(예를 들어, 축선 "C") 주위의 움직임 또는 위치를 가리킨다. "원주 방향"이라는 용어는 각각의 물체(예를 들어, 로터)의 중심 주위에서 연장되는 치수를 가리킬 수 있다.
본 명세서에서 사용되고 있는 전문 용어는 오직 특정 실시예를 설명하기 위한 것으로서, 제한하기 위한 의도가 있는 것은 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 명확하게 달리 지시되지 않는 한, 복수 형태를 물론 포함하도록 의도된다. 또한, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은, 본 명세서에 사용되는 경우, 정해진 피쳐, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 피쳐, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들로 이루어진 그룹의 존재 또는 추가를 제외하는 것은 아님이 이해될 것이다.
각각의 예는 설명을 위해 제공되고, 제한하는 것은 아니다. 사실상, 본 개시의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 기술된 피쳐는 다른 실시예에서 사용되어 또 다른 실시예를 안출할 수 있다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범주 내에 있다면 그러한 수정 및 변경을 포함하도록 의도된다.
본 개시의 예시적인 실시예가 설명을 위해 육상 기반의 발전 가스 터빈용 분할식 환형 연소 시스템과 관련하여 전반적으로 기술되지만, 당분야의 숙련자라면 본 개시의 실시예가 터보 기계용의 임의의 유형의 연소기에 적용될 수 있으며 청구범위에서 구체적으로 언급되지 않는 한 육상 기반 발전 가스 터빈용 환형 연소 시스템으로 제한되지 않는다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 예시적인 가스 터빈(10)을 개략적으로 도시한다. 가스 터빈(10)은 일반적으로 유입 섹션(12), 유입 섹션(12)의 하류에 배치된 압축기(14), 압축기(14)의 하류에 배치된 연소 섹션(16), 연소 섹션(16)의 하류에 배치된 터빈(18), 및 터빈(18)의 하류에 배치된 배출 섹션(20)을 포함한다. 또한, 가스 터빈(10)은 압축기(14)를 터빈(18)에 커플링하는 하나 이상의 샤프트(22)( "로터"로도 알려짐)을 포함할 수 있다.
작동 중에, 공기(24)는 유입 섹션(12)을 통해 압축기(14) 내로 유동하며, 압축기에서 공기(24)는 점진적으로 압축되어 압축된 공기(26)를 연소 섹션(16)에 제공한다. 압축된 공기(26)의 적어도 일부는 연소 섹션(16) 내의 연료(28)와 혼합되고 연소되어 연소 가스(30)를 생성한다. 연소 가스(30)는 연소 섹션(16)으로부터 터빈(18)으로 유동하고, 터빈에서 열 및/또는 운동 에너지가 연소 가스(30)로부터 샤프트(22)에 부착된 로터 블레이드(도시 생략)로 전달되어 샤프트(22)가 회전하게 한다. 이어서, 기계적 회전 에너지는 샤프트(22)에 커플링된 발전기(21)를 통해 압축기(14)에 전력을 공급하는 것 및/또는 전기를 발생시키는 것과 같은 다양한 목적에 사용될 수 있다. 그 후, 터빈(18)에서 빠져나가는 연소 가스(30)는 가스 터빈(10)으로부터 배출 섹션(20)을 통해 배출될 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시예에 따른 연소 섹션(16)의 상류(즉, 전방을 향해 바라본 후미) 도면을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연소 섹션(16)은 환형 연소 시스템, 보다 구체적으로는, 통합형 연소기 노즐(100)의 어레이가 가스 터빈(10)의 축방향 중심선(38) 주위에 원주 방향으로 배열된 분할식 환형 연소기(36)일 수 있다. 축방향 중심선(38)은 가스 터빈 샤프트(22)와 일치할 수 있다. 분할식 환형 연소 시스템(36)은 압축기 배출 케이싱으로 때때로 지칭되는 외부 케이싱(32)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 압축기(14)(도 1)로부터 압축된 공기(26)를 받아들이는 압축기 배출 케이싱(32)은 연소기(36)의 다양한 구성요소를 적어도 부분적으로 둘러싸는 고압 공기 플레넘(34)을 적어도 부분적으로 획정할 수 있다. 압축된 공기(26)는 전술한 바와 같이 연소를 위해, 그리고 연소기 하드웨어를 냉각하는 데에 사용된다.
분할식 환형 연소기(36)는 통합형 연소기 노즐(100)의 원주 방향 어레이를 포함한다. 각각의 통합형 연소기 노즐(100)은 내부 라이너 세그먼트(106), 내부 라이너 세그먼트(106)로부터 반경 방향으로 분리된 외부 라이너 세그먼트(108), 및 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장되어 대체로 "I"형 조립체를 획정하는 중공형 또는 반중공형 패널(110)을 포함한다. 패널(110)은 연소 챔버를 유체적으로 분리된 연소 구역의 환형 어레이로 분리한다.
분할식 환형 연소기(36)의 상류 단부에서, 연료 분사 모듈(300)은 패널(110)의 각 쌍 사이에서 원주 방향으로 그리고 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 연료 분사 모듈(300)은 버너, 소용돌이형 연료 노즐(스웨즐; swozzle), 또는(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은) 번들형 튜브 연료 노즐로부터 연료/공기 혼합물을 연소 구역으로 도입한다. 각각의 연료 분사 모듈(300)은, 설명을 위해 원으로 나타낸, 연료를 연료 분사 모듈(300)에 공급하는 적어도 하나의 연료 도관을 갖는다. 보다 큰 작동 범위(예를 들어, 턴다운) 및 보다 낮은 배출물을 위해 필요하다면, 패널(110)은 또한 연료 분사 모듈(300)에 의해 전달된 연료/공기 혼합물의 분사에 의해 생성된 연소 구역 하류의 하나 이상의 스테이지에 연료를 도입할 수 있다.
도 3은 종래의 실시(예를 들어, 공동으로 양도된 미국 특허 출원 공개 제2017-0276359호 및 미국 특허 출원 공개 제2017-0276369호에 설명 바와 같이)에 따라, 3개의 예시적인 연료 분사 모듈(1300)과 조립되는 3개의 개별적인 통합형 연소기 노즐(1000)의 세트를 예시한다. 각각의 통합형 연소기 노즐(1000)은 내부 라이너 세그먼트(1106), 외부 라이너 세그먼트(108), 및 내부 라이너 세그먼트(1106)와 외부 라이너 세그먼트(1108) 사이에서 연장되는 중공형 또는 반중공형 연료 분사 패널(1110)을 포함한다. 각각의 연료 분사 패널(1110)은 전방 부분(1112) 및 후미 부분(1114)을 포함한다. 후미 부분(1114)은 종래의 가스 터빈의 제1 단 터빈 노즐의 형상을 획정한다. 전방 부분(1112)과 후미 부분(1114)은 한쌍의 측벽(그 하나가 흡입 측벽(1118)으로 도시됨)에 의해 연결된다.
모든 통합형 연소기 노즐(1000)이 설치될 때에, (도 2에 도시된 바와 같이) 각각의 내부 라이너 세그먼트(1106)는 연소 챔버의 내부 경계를 획정하고, 각각의 외부 라이너 세그먼트(1108)는 연소 챔버의 외부 경계를 획정한다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 세그먼트(1108)에는 충돌 냉각 패널(1178)이 마련되고, 충돌 냉각 패널은 외부 라이너 세그먼트(1108)로부터 반경 방향으로 이격되고 외부 라이너 세그먼트(1108)와 각각의 충돌 냉각 패널(1178) 사이의 간극과 유체 연통하는 복수의 충돌 구멍(1182)을 포함한다. 내부 라이너 세그먼트(1106)는 유사하게 냉각될 수 있다.
분할식 환형 연소 시스템(1036)은 복수의 환형으로 배열된 연료 분사 모듈(1300)을 더 포함하고, 각각의 연료 분사 모듈은 2개의 원주 방향으로 인접한 연료 분사 패널들(1100) 사이에서 원주 방향으로 및/또는 각각의 내부 라이너 세그먼트(1106)와 외부 라이너 세그먼트(1108) 사이에서 적어도 부분적으로 반경 방향으로 연장될 수 있다. 연료 분사 모듈(1300)은 축방향으로 분리된 플레이트들(1316, 1360) 사이에서 획정된 하나 이상의 연료 플레넘(도시 생략)을 통해 연장되는 복수의 예혼합 튜브(1322)를 포함하는 번들형 튜브 연료 노즐을 포함할 수 있다. 종래의 설계의 예시적인 구성에서, 연료 분사 모듈(1300)의 복수의 예혼합 튜브(1322)는 튜브(1356)의 제1 서브 세트 및 튜브(1358)의 제2 서브 세트로 배열될 수 있다. 튜브(1356)의 제1 서브 세트 및 튜브(1358)의 제2 서브 세트로의 연료는 연료 도관(1382 및/또는 1392)을 통해 공급될 수 있다.
물론, 다른 배열이 사용될 수 있다. 실제로, 번들형 튜브 연료 노즐은 임의의 유형의 연료 노즐 또는 버너(예를 들어, 소용돌이형 연료 노즐 또는 스웨즐)에 의해 대체될 수 있다.
내부 라이너 세그먼트(1106)와 외부 라이너 세그먼트(1108) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 연료 분사 패널(1110)은, 전방 단부(1112)로부터 후미 단부(1114)까지 원주 방향으로 만곡되어 연소 생성물(30)의 터빈 섹션(18)으로의 유동을 전환시키고 가속시키는 형상을 갖는다. 또한, 연료 분사 패널(1110)은, 연료 분사 패널(1110)의 전방 단부(1112)가 후미 단부(1114)보다 큰 높이를 갖도록, 반경 방향에서의 높이차를 포함할 수 있다.
종래의 설계에서의 내부 라이너 세그먼트(1106) 및 외부 라이너 세그먼트(1108)는 연료 분사 패널(1110)의 만곡된 형상을 대체로 반영하는 도그레그 형상을 갖도록 구성되고, 각각의 라이너 세그먼트(1106, 1108)의 인접한 밀봉면(예를 들어, 1122a, 1122b)은 서로에 대해 사각으로 배치된다. 그러한 구성은 인접한 내부 라이너 세그먼트들(1106) 사이 및 인접한 외부 라이너 세그먼트들(1108) 사이의 조인트(1122)를 따른 밀봉을 어렵게 만든다.
도 3에 도시된 종래의 구성에서, 밀봉면(1122a, 1122b)에는, 실질적으로 밀봉면(1122a, 1122b)의 길이를 따라 연장되는 C자형 슬롯 또는 개방 채널이 마련되고, 이 슬롯 내에는 인접한 라이너 세그먼트들(1106 및/또는 1108) 사이의 조인트(1122)를 밀봉하도록 다중 직선형 시일 구성요소(도시 생략)가 단부 대 단부로 설치된다. 다중 시일의 사용은, 예를 들어 단일 구성요소 시일과 비교하여 시일 구성요소들 사이의 누출을 크게 하는 것으로 알려져 있다.
더욱이, 종래의 구성에서, 각각의 통합형 연소기 노즐(1000)이 가스 터빈(10)에 설치될 때에, 시일 구성요소(도시 생략)를 개별적으로 설치하는 것이 필요하다. 따라서, 통합형 연소기 노즐(1000)이 위치 결정된 후에, 각각의(2개 이상의) 시일 구성요소는 제1 통합형 연소기 노즐(1000)의 시일 표면(1122a, 1122b)을 따라 획정된 C자형 슬롯 내로 원주 방향으로(횡방향으로) 삽입된 다음, 원주 방향으로 인접한 통합형 연소기 노즐(1000)이 제위치로 이동된다. 후속하는 통합형 연소기 노즐(1000)을 설치하는 동안, 다중 시일을 슬롯 내의 각각의 위치에 유지하고 시일이 각각의 슬롯으로부터 빠지는 것을 방지하는 것은 어려운 일이며, 다음의 통합형 연소기 노즐(1000)을 시일 구성요소가 파쇄되거나 손상되는 것을 방지하는 방식으로 설치하도록 주의해야 한다.
게다가, 통합형 연소기 노즐(1000)의 도그레그 형상 및 다중 단부 대 단부 시일의 사용은 임의의 소정의 통합형 연소기 노즐(1000)의 제거를 달성하기 어렵게 만든다. 그러한 제거는, 소정의 통합형 연소기 노즐(1000) 및 여러 개의 인접한 통합형 연소기 노즐(1000)의 전방(유입) 단부에서 시일을 제거하고, 그 전방 단부를 소정의 통합형 연소기 노즐(1000)로부터 멀어지게 원주 방향으로 밀어서 인접한 통합형 연소기 노즐을 "산개"한 다음, 통합형 연소기 노즐(1000)을 어레이 내의 그 위치로부터 잡아떼는 것을 필요로 한다. 제거 프로세스는 또한 통합형 연소기 노즐(1000)이 재위치될 때에, 후미 시일의 손상을 초래할 수 있다.
이러한 문제는, 도 4 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 본 발명의 통합형 연소기 노즐(100) 및 그 연속 시일(140 및 160)에 의해 해결된다.
도 4는 전방 단부(112)로부터 도시된 바와 같이, 원주 방향으로 인접한 한쌍의 통합형 연소기 노즐(100)을 예시한다. 각각의 통합형 연소기 노즐(100)은 내부 라이너 세그먼트(106), 내부 라이너 세그먼트(106)로부터 반경 방향으로 분리된 외부 라이너 세그먼트(108), 및 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널(110)을 포함한다. 패널(110)은 터빈(스테이지 1) 노즐을 획정하도록 후미 단부(114)에서 교차하는 제2(압력) 측벽(116) 및 제1(흡입) 측벽(118)을 포함한다. 명료함을 위해, (전술 한 바와 같은) 연료 분사 모듈은 도시되지 않았지만, 통합형 연소기 노즐(100)의 전방 단부(112)에서 패널들(110) 사이에 위치 결정되는 것으로 이해해야 한다.
내부 라이너 세그먼트(106)는 제1 밀봉면(130) 및 제2 밀봉면(134)을 포함하고, 이들 밀봉면 모두는 축방향으로 연장되고 전방 단부(112)로부터 후미 단부(114; 도 7에 도시됨)까지 원주 방향으로 연속적으로 만곡된다. 일 실시예에서, 밀봉면(130, 134)은 또한 선택적으로 하나 이상의 변곡점을 갖도록 반경 방향으로 만곡될 수 있다.
마찬가지로, 외부 라이너 세그먼트(108)는 제3 밀봉면(150) 및 제4 밀봉면(154)을 포함하고, 이들 밀봉면 모두는 축방향으로 연장되고 전방 단부(112)로부터 후미 단부(114)까지 원주 방향으로 연속적으로 만곡된다. 일 실시예에서, 밀봉면(150, 154)은 또한 선택적으로 하나 이상의 변곡점을 갖도록 반경 방향으로 만곡될 수 있다.
통합형 연소기 노즐(100) 및 각각의 시일(140, 160)의 설치 및 제거를 용이하게 하도록, 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)에는 아래의 파라미터에 따라 각각의 밀봉면(130, 134, 150, 154)을 따른 만곡된 형상이 제공된다. 전술한 바와 같이, 제1 파라미터는 만곡된 형상이 원주 방향으로 연속적이라는 것이다. 일부의 경우, 만곡된 형상은 원주 방향으로 "단조로울(monotonic)" 수 있는데, 이는 밀봉면(130, 134, 150, 154)의 전방 단부로부터 후미 단부로 이동하면서, 곡선이 일정한 반경을 가지며, 곡선의 반경이 곡선의 오목한 부분을 변화시키도록 변화되는 곳에 변곡점이 없다는 것을 의미한다. [밀봉면(130, 134, 150, 154)은 후술되는 바와 같이 반경 방향으로만 하나 이상의 변곡점을 포함할 수 있다는 점을 주목해야한다.] 일부의 경우, 만곡된 형상은 포물선 또는 타원에 의해 정의될 수 있는 바와 같이, 전방 단부(112)로부터 후미 단부(114)까지 연속적으로 감소하는 반경을 가질 수 있다.
제2 파라미터는 만곡된 형상이 후미 단부(114)를 비롯하여 패널(110)의 임의의 부분과 교차할 수 없다는 것이다. 패널(110)은 연료를 하류의 연소 구역으로 전달하는 연료 전달 통로 및 패널(110)의 적절한 냉각을 보장하는 별개의 공기 통로를 갖도록 설계된 개별 유닛이기 때문에, 패널(110)을 통한 유체의 유동을 방해하는 것은 바람직하지 않으며, 인접한 통합형 연소기 노즐(100)의 밀봉을 더 복잡하게 한다.
제3 파라미터는 동일한 만곡된 프로파일이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)에 대해 사용된다는 것이다. 달리 말하면, 만곡된 프로파일은 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108) 모두를 통해 반경 방향으로 병진된다. 그러한 구성은 개별적인 통합형 연소기 노즐(100)을 대체로 축방향으로 설치 및 제거하게 하고, (도 18 내지 도 21에 도시된 바와 같이) 통합형 연소기 노즐(100)을 곡선을 따라 그리고 위치로 또는 위치를 벗어나게 밀거나 당기게 한다.
또 다른 파라미터는 모든 통합형 연소기 노즐(100)이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)의 밀봉면(130, 134, 150, 154)의 만곡된 프로파일에서 동일하다는 것이다. 통합형 연소기 노즐(100)의 환형 어레이의 위치를 고정하기 위해 다른 통합형 연소기 노즐(100)과 약간 상이한 "핵심" 통합형 연소기 노즐(100)이 없다. 오히려, 각각의 통합형 연소기 노즐(100)이 동일한 형상을 갖기 때문에, 임의의 통합형 연소기 노즐(100)은 인접한 통합형 연소기 노즐(100)을 변위시키지 않고 환형 어레이로부터 제거될 수 있다. 그러한 배열은 단일의 통합 연소기 노즐(100)이 검사 또는 유지 보수를 필요로 하는 경우에 유지 보수 간격을 단순화하고 단축시킨다.
도 4를 다시 참조하면, 내부 라이너 세그먼트(106) 상에서, 제1 밀봉면(130)은 제1 시일 슬롯(132)을 획정하고, 제2 밀봉면(134)은 제2 시일 슬롯(136)을 획정한다. 제1 내부 라이너 세그먼트(106)의 제1 시일 슬롯(132)은 제2 내부 라이너 세그먼트(106)의 제2 시일 슬롯(136)과 정합하여 내부 라이너 시일(140)이 내부에 설치되는 리세스(135)를 형성한다.
외부 라이너 세그먼트(108) 상에서, 제3 밀봉면(150)은 제3 시일 슬롯(152)을 획정하고, 제4 밀봉면(154)은 제4 시일 슬롯(156)을 획정한다. 도 4의 첫번째 말풍선에 나타낸 바와 같이, 제1 외부 라이너 세그먼트(108)의 제3 시일 슬롯(152)은 제2 외부 라이너 세그먼트(108)의 제2 시일 슬롯(156)과 정합하여 외부 라이너 시일(160)이 내부에 설치되는 리세스(155)를 형성한다. 도 4의 두번째 말풍선에 나타낸 바와 같이, 외부 라이너 시일(160)이 리세스(155) 내에 완전히 설치될 때에, 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)는 밀봉면들(150, 154) 사이에 획정된 시일 슬롯(152, 156) 내에 배치된다.
시일 슬롯(132, 136, 152 및/또는 156)은 각각의 밀봉면들(130, 134, 150, 154)에 수직(즉, 직각)일 수 있고, (도 5의 평면 A-A를 따른 첫번째 말풍선에 나타낸 바와 같이) 각각의 시일 슬롯이 밀봉면으로부터 균일한 거리에 걸쳐 내향으로 연장되는 상태로 조인트(122)를 중심으로 대칭적인 크기 및 형상을 가질 수 있다. 대안으로, 시일 슬롯(132, 136, 152 및/또는 156)은 각각의 밀봉면들(130, 134, 150, 154)에 대해 일정 각도로 배치될 수 있고, (도 5의 평면 B-B를 따른 두번째 말풍선에 나타낸 바와 같이) 조인트(122)를 중심으로 비대칭적인 크기 및 형상을 가질 수 있다.
도 5는 축방향 길이를 따라 다양한 깊이의 리세스 내에 설치되는 균일한 폭(W)의 내부 라이너 시일(140)을 개략적으로 예시한다. 시일(140)은 도 5에서 음영으로 그리고 평면 A-A 및 평면 B-B를 따라 취한 말풍선에서 대각선으로 식별된다.
제1 내부 라이너 세그먼트(106b)의 밀봉면(130) 및 제2(인접한) 내부 라이너 세그먼트(106b)의 밀봉면(136)은 실선으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 밀봉면(130, 136)은 인접한 통합형 연소기 노즐들(100) 사이의 조인트(122)에서 약간의 원주 방향 간극(124)을 갖도록 위치 결정된다. 조인트(122)에 의해 획정된 작은 간극(124)은 분할식 환형 연소 시스템(36)의 작동 중에 통합형 연소기 노즐(100)의 열 팽창으로 인해 적어도 부분적으로 폐쇄될 것으로 예상된다.
점선은 2개의 인접한 내부 라이너 세그먼트(106a, 106b)의 공칭 시일 슬롯(132', 136')을 나타내는데, "공칭"은, 시일 슬롯(132, 136)이 밀봉면(130, 134)의 축방향 길이를 따라 간극(124)의 각 측부 상에 균등하게 분포될 때에, 시일 슬롯(132, 136)의 폐쇄된 벽의 통상의 위치를 의미한다.
평면 A-A를 따른 첫번째 말풍선은 시일 슬롯(132, 136)의 축방향 길이를 따라 위치된 소정의 평면 A-A에서 한쌍의 인접한 시일 슬롯(132', 136')을 개략적으로 나타낸다. 시일 슬롯(132', 136')은 조인트(122)를 중심으로 대칭으로 배치되고 각각의 밀봉면(130, 134)으로부터 균일한 제1 깊이(D1)에 걸쳐 내향으로 연장된다. 시일(140)은 시일 슬롯(132, 136)에 의해 획정된 리세스(135') 내에 배치된다. 리세스(135')는 용적(V1)을 갖는다.
본 명세서에서 제공되는 다른 양태에 따르면, 일점 쇄선은 2개의 내부 라이너 세그먼트(106a, 106b)의 맞춤화된 시일 슬롯(132", 136")을 나타낸다. 맞춤화된 시일 슬롯(132", 136")은 내부 라이너 세그먼트(106a, 106b)의 축방향 길이를 따라 간극(124)으로부터 상이한 거리에 이격되어, 리세스(135)가 보다 큰 용적을 갖는 국부적인 영역을 생성한다.
평면 B-B를 따른 두번째 말풍선은 시일 슬롯(132, 134)이 조인트(122)를 중심으로 비대칭인 그러한 구성을 개략적으로 예시한다. 이 예시적인 실시예에서, 시일 슬롯(136")은 밀봉면(130)으로부터 제2 깊이(D2)에 걸쳐 내향으로 연장되고, 밀봉 슬롯(136")은 밀봉면(134)으로부터 깊이(D2)와 상이한 제3 깊이(D3)에 걸쳐 내향으로 연장된다. 따라서, 설치 및 작동 중에, 시일(140)은 시일 슬롯(132, 136)에 의해 획정된 리세스(135') 내의 어디든 배치될 수 있다. 이 영역에서, 리세스(135")는 용적(V2)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 용적(V1)은 용적(V2)보다 작다.
대안으로, 또는 추가적으로, 시일 슬롯[132, 136(또는 152, 156)]은 각각의 라이너 세그먼트(108, 106)의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 조인트(122)를 중심으로 대칭일 수 있다. 평면 B-B를 따라 취한 말풍선에 도시된 바와 같은 일부 상황에서, 시일 슬롯[132, 136(또는 152, 156)]은 각각의 라이너 세그먼트(106, 108)의 축방향 길이에 걸쳐 변화하는 밀봉면[130, 134(또는 150, 154)]에 대해 각도 배향을 가질 수 있다. 즉, 시일 슬롯[132, 136(또는 152, 156)]은 일부 영역에서 밀봉면[130, 134(또는 150, 154)]에 수직으로 배향될 수 있고 다른 영역에서 밀봉면[130, 134(또는 150, 154)]에 대해 사각으로 배향될 수 있다.
내부 라이너 세그먼트(106)의 시일 슬롯(132, 136)은 외부 라이너 세그먼트(108)의 시일 슬롯(152, 156)과 동일한 깊이로 될 수 있다. 대안으로, 통합형 연소기 노즐(100)의 흡입측(118) 상의 시일 슬롯(132, 152)은 그 축방향 길이에 걸쳐 동일한 깊이(들)를 갖고, 통합형 연소기 노즐(100)의 압력측(116) 상의 시일 슬롯(100)은 축방향 길이에 걸쳐 동일한 깊이(들)를 갖는 것이 바람직할 수 있는데, 이 깊이는 흡입측(118) 상의 밀봉면(132, 152) 상에 사용된 것과 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
도 6은 내부 라이너 시일(140)[또는 외부 라이너 시일(160)]이 시일(140)(또는 160)의 축방향 길이를 따라 달라지는 폭(W)을 갖는 본 개시의 실시예를 개략적으로 예시한다. 도 5에서와 같이, 밀봉면(130, 134)은 실선으로 예시되고, 시일은 메인 이미지에서 음영으로 나타내고, 물풍선에서 대각선으로 도시되며, 시일 슬롯(132, 136)은 점선으로 도시된다. 시일 슬롯(132, 136)은 인접한 밀봉면들(130, 134) 사이에 획정된 간극(124)으로부터 균일한 깊이(예를 들어, D1)를 갖는다. 그러나, 시일(130)은 가변 폭을 갖는다.
평면 E-E를 따라 취한 첫번째 말풍선에서, 시일(130)은 제1 폭(W1)을 갖는다. 평면 F-F를 따라 취한 두번째 말풍선에서, 시일(130)은 제2 폭(W2)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 다른 구성들이 가능할지라도, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2)보다 작다.
도 6에 도시된 바와 같이, 국부적인 영역에서 시일(140)(또는 160)의 형상을 최적화함으로써 및/또는 도 5에 도시된 바와 같이, 시일 슬롯(132, 136)(또는 152, 156)의 형상을 최적화함으로써, 시일 자체 주위의 누출을 최소화하면서 축방향으로 시일의 설치 및 제거가 용이하게 된다. 예를 들어, 전체 시일 슬롯(132, 136)(또는 152, 156)에 더 큰 단면적이 제공되면, 및/또는 전체 시일(140)(또는 160)이 더 좁은 폭으로 주어진다면, 시일(140)(또는 160) 주위에서의 누출 유동이 상당히 높게 된다. 보다 큰 단면적 및/또는 보다 작은 원주 방향 폭의 선택적이고 국부적인 영역의 사용은 본 발명의 분할식 환형 연소 시스템(36)의 성공적인 작동에 필요한 밀봉 성능을 달성한다.
도 7은 내부 라이너 시일(140) 및 외부 라이너 시일(160)이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108)의 각각의 슬롯(132, 152) 내에 설치되는 단일의 통합형 연소기 노즐(100)을 예시한다. 예시된 바와 같이, 패널(110)은 내부 라이너 세그먼트(106)와 외부 라이너 세그먼트(108) 사이에서 반경 방향으로 연장하고 연료/공기 혼합물이 2차 연소 스테이지로 도입되는 복수의 분사 출구(170)를 포함한다. 통합형 연소기 노즐(100)의 후미 단부(114)는 연소 생성물(30)의 유동을 터빈 섹션(18)(도 1에 도시됨)으로 전환시키거나 가속시키도록 스테이지 1 터빈 노즐을 연상시키는 후단 에지(174)를 갖는 에어포일 형상을 갖는다.
외부 라이너 시일(160)(도 8 및 도 9에 별개로 도시됨)은 전방 단부(162), 후미 단부(166), 및 전방 단부(162)와 후미 단부(166) 사이에서 연장되는 중간 섹션(164)을 갖는다. 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)는 전술한 바와 같이 외부 라이너 세그먼트(108)의 밀봉면(150)의 시일 슬롯(152) 내에 끼워진다.
예시된 실시예에서, 시일 슬롯(152)(또는 156)은 외부 라이너 세그먼트(108)의 전방 단부(112)에서 개방되고 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서 폐쇄된다. 외부 라이너 시일(160)의 설치는, 시일(160)의 후미 단부(166)를 2개의 인접한 가스 터빈 구성요소[즉, 2개의 통합형 연소기 노즐(100)]의 각각의 원주 방향 밀봉면(150, 154)의 각각의 시일 슬롯(152, 156)에 의해 획정된 리세스(155) 내로 축방향으로 삽입하고 - 시일(160)은 전방 단부(162)로부터 축방향 및 원주 방향으로 오프셋된 후미 단부(166)를 가짐 -; 전방 단부(162)가 리세스(155) 내에 배치될 때까지 리세스(155)를 통해 축방향으로 시일(160)을 압박함으로써 달성될 수 있다.
대안으로, 시일 슬롯(152)이 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서 개방되면, 외부 라이너 시일(160)은 후미 단부(114)로부터 축방향으로 설치될 수 있다.
외부 라이너 시일(160)에서와 같이, 내부 라이너 시일(140)(도 10에 별개로 도시됨)은 전방 단부(142), 후미 단부(146), 및 전방 단부(142)와 후미 단부(146) 사이에서 연장되는 중간 섹션(144)을 갖는다.
예시된 실시예에서, 시일 슬롯(132)(또는 136)은 내부 라이너 세그먼트(106)의 전방 단부(112)에서 개방되고 내부 라이너 세그먼트(106)의 후미 단부(114)에서 폐쇄된다. 내부 라이너 시일(140)의 설치는, 시일(140)의 후미 단부(146)를 2개의 인접한 가스 터빈 구성요소[즉, 2개의 통합형 연소기 노즐(100)]의 각각의 원주 방향 밀봉면(130, 134)의 각각의 시일 슬롯(132, 136)에 의해 획정된 리세스(135) 내로 축방향으로 삽입하고 - 시일(140)은 전방 단부(142)로부터 축방향 및 원주 방향으로 오프셋된 후미 단부(146)를 가짐 -; 전방 단부(142)가 리세스(135) 내에 배치될 때까지 리세스(135)를 통해 축방향으로 시일(140)을 압박함으로써 달성될 수 있다.
대안으로, 시일 슬롯(132)이 내부 라이너 세그먼트(106)의 후미 단부(114)에서 개방되면, 내부 라이너 시일(140)은 후미 단부(114)로부터 축방향으로 설치될 수 있다.
도 7은 또한 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166) 및 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 확대도를 제공한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서의 밀봉면(150)(또는 154)은 외부 라이너 세그먼트(108)의 외표면 상에 제공된 장착 후크(들)(190)의 존재로 인해 시일 슬롯(152)(또는 156)으로부터 반경 방향 외측으로 분기된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)는 대응하는 양분된 하류 슬롯(176) 내에 끼워지도록 양분될 수 있다(즉, 2개의 분기부로 분할될 수 있다). 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제2 분기부(167)는 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제1 분기부(165)보다 짧지만, 다른 실시예에서는, 제2 분기부(167)가 제1 분기부(165)와 동일한 길이로 될 수 있거나 제1 분기부(165)보다 길 수 있다.
외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제1 분기부(165)는 하류 슬롯(176)의 제1(축방향으로 배향된) 부분(175) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(176)의 제1 부분(175)은 시일 슬롯(152)(또는 156)과 연속적이다. 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)의 제1 분기부(167)는 하류 슬롯(176)의 제2(각진) 부분(177) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(176)의 제2 부분(177)은 하류 슬롯(176)의 제1 부분(175)에 대해 일정 각도로 장착 후크(들)(190) 내에 배치된다. 외부 라이너 시일(160)의 제1 분기부(165)와 제2 분기부(167) 사이의 분기 각도(θ)는 약 5도 내지 약 75도 범위 내에 있다.
도 8은 전방 단부(162), 후미 단부(166), 및 전방 단부(162)와 후미 단부(166) 사이의 중간 부분(164)을 갖는 외부 라이너 시일(160)의 측면 사시도를 제공한다. 외부 라이너 시일(160)은 가요성 금속 시일이고, 일부 실시예에서(도 11에 도시된 바와 같이), 다중 플라이들을 포함한다. 중간 부분(164)은 전술한 바와 같이 밀봉면(150, 154)에 의해 획정된 연속적인 원주 곡선에 대해 상보적인 연속적인 원주 곡선을 획정한다.
설명을 용이하게 하도록, 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)는 점(K)으로 지정되고, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)는 점(L)으로 지정되며, K와 L 사이의 연속적인 원주 곡선을 따른 임의의 지점은 점(M)으로 지정되고, 오직 반경 방향에서의 변곡점은 점(M')으로 지정된다. 변곡점(M')은 시일(160)이 2개의 인접한 통합형 연소기 노즐(100) 사이에 설치될 때에 존재한다. 점들(K와 L) 사이의 축방향 거리는 밀봉되는 구성요소의 크기에 따라 2 인치(약 5 센티미터) 내지 50 인치(127 센티미터)의 범위 내에 속할 수 있다.
각도(θ)는 변곡점(M')을 통해 묘화된 축방향 기준선(A')과 제2 분기부(165)를 통해 묘화된 가상선 사이에서 정의된다. 제1 분기부(165)와 제2 분기부(167) 사이의 거리는 Δ(n-x)로 나타낼 수 있으며, 여기서 x는 5도 내지 75도 범위 내에 속하는 각도(θ)를 초래하는 임의의 값이다.
점(M)과 선(A') 사이의 거리가 점(K)과 선(A') 사이의 거리보다 작기 때문에, 전방 단부(162)(점 K)와 축방향 기준선(A') 사이의 거리는 Δn으로 나타낼 수 있고, 중간점(M)과 축방향 기준선(A') 사이의 거리는 Δ(n-1)로 나타낼 수 있다. 이 특정 실시예에서, 전방 단부(162)에서의 점(K) 및 후미 단부(166)에서의 점(L)은 서로 반경 방향으로 오프셋되지만, 다른 실시예에서, 외부 라이너 시일(160)은 반경 방향으로 곡률 반경을 갖지 않을 수 있다. 바꿔 말해서, 외부 라이너 시일(160)은, 원주 방향으로 연속적인 곡선을 여전히 유지하면서, 단일의 반경 방향 평면에서 직선형 시일일 수 있다.
각도(β)는 축방향 기준선(A')과 전방 단부(지점 K)를 통해 묘화된 가상선 사이에 획정된다. 각도(β)는 통합형 연소기 노즐(100)의 캔트 각(cant angle)을 나타낸다.
부감 평면도를 제공함에 있어서, 도 9는 아마도 외부 라이너 시일(160)의 연속적인 원주 곡선을 가장 명확하게 예시한다. 도시된 바와 같이, 곡선은 전방 단부(162)에서의 점(K)으로부터 중간점(M) 및 반경 방향 변곡점(M')을 통해 후미 단부(166)에서[구체적으로, 분기부(165)에서]의 점(L)까지 연속적이다. 점(K)은 점(L)으로부터 원주 방향으로 오프셋된다(즉, 전방 단부(162)와 후미 단부(166)는 축방향으로 동일 평면 상에 있지 않다). 특히, 반경 방향의 변곡점인 점(M')(시일이 설치될 때에 명백함)은 원주 방향으로 획정된 연속적인 커브의 또 다른 점이다. 외부 라이너 시일(160)은 원주 방향으로 약 10 인치 내지 약 120 인치 범위의 곡률 반경을 가질 수 있다.
이러한 연속적인 원주 곡선은 외부 라이너 시일(160)이, 외부 라이너 시일(160)을 축방향, 또는 실질적으로 축방향으로 밀거나 당김으로써 인접한 외부 라이너 세그먼트(108)의 인접한 밀봉면(150, 154)에 의해 획정된 리세스(155)에 설치되고 제거될 수 있게 한다. 결과적으로, 외부 라이너 시일(160)의 위치 결정은 효율적인 방식으로 달성되고, 설치 중에 외부 라이너 시일(160)이 손상될 가능성이 상당히 감소된다. 또한, 단일의 외부 라이너 시일(160)이 통합형 연소기 노즐(100)의 축방향 길이에 걸쳐 있기 때문에, 시일 누출(단부 대 단부 배열에서 달리 다중 시일을 수반하는)이 감소된다.
또한, 반경 방향 구성요소(즉, 동일한 반경 방향 평면에 점 K 및 L을 갖는 편평한 시일)가 없는 예시적인 시일에서, 이들 편평한 시일은 도 9에 도시된 시일 프로파일을 갖는다.
유사하게, 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이, 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)는 대응하는 양분된 하류 슬롯(186) 내에 끼워지도록 양분될 수 있다(즉, 2개의 분기부로 분할될 수 있다). 예시적인 실시예에서, 외부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제2 분기부(147)는 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제1 분기부(145)보다 짧지만, 다른 실시예에서는, 제2 분기부(147)가 제1 분기부(145)와 동일한 길이로 될 수 있거나 제1 분기부(145)보다 길 수 있다.
내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제1 분기부(145)는 하류 슬롯(186)의 제1(축방향으로 배향된) 부분(185) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(186)의 제1 부분(185)은 시일 슬롯(132)(또는 136)과 연속적이다. 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)의 제2 분기부(147)는 하류 슬롯(186)의 제2(각진) 부분(187) 내에 끼워지도록 구성되고, 하류 슬롯(186)의 제2 부분(187)은 하류 슬롯(186)의 제1 부분(185)에 대해 일정 각도로 내부 후크 플레이트(192) 내에 배치된다. 제1 분기부(145)와 제2 분기부(167) 사이의 분기 각도는 약 5도 내지 약 75도 범위 내에 있다.
내부 라이너 시일(140)은 가요성 금속 시일이고, 일부 실시예에서, 다중 플라이들을 포함한다. 내부 라이너 시일(140)은 전방 단부(142)(점 G로 지정됨), 후미 단부(146)(점 H로 지정됨), 및 전방 단부(142)와 후미 단부(146) 사이의 중간 부분(144)을 포함한다. 점들(G와 H) 사이의 축방향 거리는 밀봉되는 구성요소의 크기에 따라 2 인치(약 5 센티미터) 내지 50 인치(127 센티미터)의 범위 내에 속할 수 있다.
중간 부분(144)은 전술한 바와 같이 밀봉면(130, 134)에 의해 획정된 연속적인 원주 곡선에 대해 상보적인 연속적인 원주 곡선을 획정한다. 일 실시예에서, 연속적인 원주 곡선은 단조롭다(즉, 원주 방향으로 증가 또는 감소하지 않는 일정한 반경을 가짐). 점(J)은 점(G)과 점(H) 사이의 중간 부분(144)을 따른 임의의 점을 나타낸다. 점(J')과 점(J")은, 시일(140)이 2개의 통합형 연소기 노즐(100) 사이에 설치될 때에 점(G)과 점(H) 사이의 반경 방향에서만 발생하는 2개의 변곡점을 나타낸다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)를 개략적으로 예시하지만, 내부 라이너 시일(140)의 후미 단부(146)를 동일하게 나타낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 외부 라이너 시일(160)의 후미 단부(166)는 2개의 분기부(165, 167)로 양분된다. 그러한 시일(160)을 제공하는 한가지 방법은 시일(160)의 축방향 길이 대부분을 따라 하나 이상의 지점[예를 들어, 스폿 용접부(268)]에서 스폿 용접되거나, 달리 함께 결합되는 다중 시일 플라이(260)(예를 들어, 심 또는 적층된 스플라인)을 제공하는 것이다. 예를 들어, 플라이(260)의 제1 세트(265)는 외부 라이너 시일(160)의 중간 부분(144)을 통해 전방 단부(142)로부터 플라이(260)의 제2 세트(267)에 결합될 수 있고, 플라이(260)의 제1 세트(265)의 후미 단부는 플라이(260)의 제2 세트(267)의 후미 단부와 분리되어 시일(160)의 양분된 후미 단부(166)를 형성한다.
각각의 시일 플라이(260)는 금속 또는 금속 합금의 얇은 장방형 스트립으로 형성될 수 있으며, 원하는 폭, 길이 및 두께를 가질 수 있다. 시일 플라이(260)에 적합한 재료는 분할식 환형 연소기(36)의 환경과의 호환성을 위해 그 탄성 특성, 온도 허용 오차, 및 다른 물리적 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 개별적인 플라이(260)는 그 재료, 두께, 폭, 또는 길이가 동일하거나 상이할 수 있으며, 결합, 삽입, 및 보유를 용이하게 하도록 탄성, 가요성, 항복 강도, 내산화성, 또는 밀봉 특성과 같은 동일하거나 상이한 특성을 가질 수 있다. 시일 플라이(260)의 두께 또는 폭은 시일(160)의 길이를 따라 달라질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시일(160)의 제1 분기부(165)를 형성하도록 제1 세트(265)에 3개의 플라이(260)가 제공되는 반면, 시일(160)의 제2 분기부(167)를 형성하도록 제2 세트(267)에 2개의 플라이(260)가 제공된다. 제1 세트(265)에 사용된 플라이(260)는, 플라이(260)의 제1 세트(265)가 플라이(260)의 제2 세트(267)에 결합되기 전에, 제2 세트(267)에 사용된 플라이(260)를 결합시키는 데에 사용된 방법과 동일하거나 상이한 한가지 방법(예를 들어, 적층 또는 스폿 용접)에 의해 서로 결합될 수 있다.
대안으로, 시일(160)의 제1 분기부(165)는 단일 시일 플라이(260)를 사용하여 생성될 수 있고, 시일(160)의 제2 분기부(167)는 제1 분기부(165)의 단일 시일 플라이(260)에 결합되거나 결합되지 않을 수 있는 단일 시일 플라이(260)를 사용하여 생성될 수 있다. 제1 분기부(165) 및 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들이 결합되지 않은 경우, 플라이는 2개의 인접한 외부 라이너 세그먼트(108) 사이의 각각의 리세스(155) 내에 순차적으로 또는 동시에 설치될 수 있다. 제1 분기부(165)를 형성하는 플라이 또는 플라이들은 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들과 동일하거나 상이한 폭을 가질 수 있다. 유사하게, 제1 분기부(165)를 형성하는 플라이 또는 플라이들은 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들과 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시일(160)의 제2 분기부(167)를 형성하는 플라이 또는 플라이들(260)은 제1 분기부(165)를 향한 단부(269)에서 약간 구부러지거나 만곡되어 (제1 분기부(165)와 제2 분기부(167) 사이의 화살표로 나타내는 바와 같이) 제2 분기부(167)에 스프링과 같은 효과를 유발한다. 시일(160)의 설치 중에, 시일 설치자는 시일(160)이 인접한 시일 슬롯(152, 156)에 의해 형성된 리세스(155) 내에 끼워지도록 제2 분기부(167)를 제1 분기부(165)를 향해 또는 제1 분기부와 접촉하게 가압할 수 있다.
시일(160)은 (적어도 반경 방향으로) 가요성이기 때문에, 시일(160)은 시일(160)의 후미 단부(166)가 외부 라이너 세그먼트(108)의 후미 단부(114)에서 분기 위치에 도달할 때까지 리세스(155)를 통해 축방향으로 밀릴 수 있다. 시일 슬롯(175, 177)이 서로로부터 분리됨에 따라, 스프링 로딩된 제2 분기부(167)의 텐션이 해제되고, 제2 분기부(167)가 제1 분기부(165)로부터 분기되어 제2 시일 슬롯(177) 내로 밀려 들어가게 된다. 유사한 설치 프로세스가 내부 라이너 시일(140)에 사용될 수 있다.
시일(140, 160)을 축방향으로 설치하는 것이 보다 신속한 조립을 초래하지만, 본 개시는 시일의 설치를 축방향으로만 제한하는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 오히려, 각각의 통합형 연소기 노즐(100)이 위치 결정된 후에 통상적인 것처럼 시일(140, 160)은 원주 방향으로 설치될 수 있으며, 시일(140, 160)의 최종 세트가 축방향으로 유리하게 설치될 수 있음을 알 수 있다.
변형예에서, 시일(140, 160)은 리세스(135, 155)의 길이를 따라 제1 분기부(145, 165) 내로 연장되는 제1 시일 세그먼트를 포함할 수 있으며, (제1 시일 세그먼트에 결합되지 않는) 제2 시일 세그먼트는 리세스(135, 155)의 길이를 따라 제2 분기부(145, 165) 내로 연장된다. 제1 시일 세그먼트는 전술한 바와 같이 단일층 심(single layer shim) 또는 다중 플라이 시일일 수 있다. 마찬가지로, 제2 시일 세그먼트는 전술한 바와 같이 단일층 심 또는 다중 플라이 시일일 수 있다. 제1 및 제2 시일 세그먼트는 2개의 인접한 외부 라이너 세그먼트(108) 사이의 각각의 리세스(155) 내에 순차적으로 또는 동시에 설치될 수 있다.
분할식 환형 연소기(36)의 작동 중에 외부 라이너 시일(160)이 경험하는 열 응력을 흡수하기 위해, 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에는 앵커(200)가 마련될 수 있다. 통합형 연소기 노즐(100)의 전방 단부(112)에서 앵커 캐비티(240)(도 17 참조)에 설치되는 앵커(200)의 존재는 분할식 환형 연소기(36)의 작동 중에 외부 라이너 시일(160)이 비틀리거나 왜곡될 가능성을 감소시킨다. 내부 라이너 시일(140)에는 외부 라이너 시일(160) 상의 앵커(200)에 추가하여 또는 그 대신에 앵커(200)가 마련될 수 있다. 외부 라이너 시일(160) 및 그 앵커(200)에 대한 임의의 아래 설명은 내부 라이너 시일(140) 및 그 앵커(200)에도 적용될 수 있다.
도 12 내지 도 17은 예로서 앵커(200)의 다양한 실시예 및 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에 대한 연결을 일례로서 개략적으로 도시한다.
앵커(200)는 장방형 프리즘과 유사한 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 앵커(200)는 다른 형상을 갖거나 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 앵커(200)는, 외부 라이너 시일(160)이 설치될 때에 분할식 환형 연소기(36)의 축방향 중심선(38)으로부터 반경 방향 외측을 향하는 제1 표면(201), 및 제1 표면(201)에 대향하고 축방향 중심선(38)을 향해 반경 방향 내측을 향하는 제2 표면(203)을 포함한다. 측벽(205)은 제1 표면(201)을 제2 표면(203)에 연결한다. 외부 라이너 시일(160)의 제거를 용이하게 하도록, 앵커(200)는 관통홀(210) 또는 함입부(220)를 포함할 수 있고, 관통홀 또는 함입부 내에 제거 공구(250)(도 17에 도시 됨)가 삽입되어 외부 라이너 시일(160)을 시일 리세스(155)로부터 꺼낼 수 있다.
도 12는, 앵커(200)의 반경 방향 외향 표면(201)이, 예를 들어 브레이징 또는 용접에 의해 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에 고정되는 실시예를 예시한다. 관통홀(210)은 앵커(200)를 통해 반경 방향 외향 표면(201)으로부터 반경 방향 내향 표면(203)까지 연장된다. 후크 또는 샤프트를 갖는 제거 공구[예를 들어, 도 17에 도시된 공구(250)]는 관통홀(210) 내에 삽입될 수 있고 시일 리세스(155)로부터 외부 라이너 시일(160)을 잡아당기는 데에 사용될 수 있다. 관통홀(210)을 갖는 앵커(200)의 사용과 관련된 한가지 이점은 제거 후 또는 설치 전에 링과 같은 공통 저장 장치 상에 시일(160)을 수집하는 능력이다.
도 13은 앵커(200)의 반경 방향 외향 표면(201)이, 예를 들어 브레이징 또는 용접에 의해 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)에 고정되는 실시예를 예시한다. 함입부(220)는 앵커(200)의 반경 방향 외향 표면(201)으로부터 내측으로 연장되고 (예를 들어, 알렌 렌치와 유사한 공구의) 공구 샤프트가 삽입될 수 있는 영역을 획정한다. 둥근 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 함입부(220)는 몇몇의 다른 형상을 가질 수 있거나, 또는 제거 공구 상의 키와 맞물리는 키홀 피쳐를 구비할 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
도 14는 함입부(220)가 앵커(200)의 반경 방향 내향 표면(203)으로부터 내측으로 연장되고 전술한 바와 같이 공구 샤프트가 삽입될 수 있는 영역을 획정하는 실시예를 예시한다. 대안으로, 함입부(220)는 관통홀(210)에 의해 대체될 수 있다.
도 15 및 도 16은 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)가 앵커(200) 내에 고정될 수 있는 실시예를 예시한다. 앵커(200)는 외부 라이너 시일(160)의 전방 단부(162)로부터 이격되어 배치된 위치에서 반경 방향 외향 표면(201)으로부터 반경 방향 내향 표면(203)으로 연장되는 관통홀(210)을 포함할 수 있다. 대안으로, 앵커(200)는, 전술한 바와 같이, 반경 방향 외향 표면(201) 또는 반경 방향 내향 표면(203) 중 어느 하나로부터 내측으로 돌출되는 함입부(220)를 포함할 수 있다.
시일 슬롯(152, 156)(그 중 하나가 도 17에 도시됨)의 전방 단부에서, 앵커 캐비티(240)가 제공되어 앵커(200), 및 이에 의해 시일(160)을 시일 슬롯(152, 156) 내의 제위치에 고정시킨다. 앵커 캐비티(240)는 앵커(200)에 의해 흡수된 토크가 시일 슬롯(152, 156)으로 전달되게 하여 시일(160) 자체에 전달되는 토크를 최소화시킨다. 필요에 따라, 앵커 캐비티(240)의 다른 구성이 사용될 수 있다.
제1 시일 세그먼트가 제1 분기부에 사용되고 제2 시일 세그먼트가 제2 분기부에 사용되는 경우, 시일 세그먼트 중 한쪽 또는 양쪽 모두는 그 전방 단부에 앵커를 포함할 수 있다. 양쪽 시일 세그먼트에 앵커가 제공되면, 앵커들이 상호 잠금되거나 서로 결합하도록 구성될 수 있다.
도 18 내지 도 21은 3개의 인접한 통합형 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)의 어레이로부터 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거를 도시한다.
도 18에서, 내부 라이너 시일(140)과 외부 라이너 시일(160)은 제1 통합형 연소기 노즐(100a)과 제2 통합형 연소기 노즐(100b) 사이 및 각각의 제2 통합형 연소기 노즐(100b)과 제3 통합형 연소기 노즐(100c) 사이에서 각각의 밀봉면(130, 134 및 150, 154)으로부터 제거된다. 통합형 연소기 노즐(100b)을 제위치에 유지하는 (4개의) 시일(140, 160)을 제거함으로써, 통합형 연소기 노즐(100b)은 밀봉면(130, 134, 150, 154)에 의해 획정된 연속적인 원주 곡선을 따라 통합형 연소기 노즐(100b)의 이동을 병진시킴으로써 대체로 축방향으로 제거될 수 있다. 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거는 인접한 통합형 연소기 노즐(100a, 100c)을 약간 반경 방향으로 내측(또는 외측)에 있게 할 수 있지만, 이 반경 방향 오프셋은 원하는 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거를 완료하는 데 필요한 이동 방향을 변경시키지 않는다.
도 19는 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거에 관하여 내부 라이너 세그먼트(106)로부터의 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 각각의 통합형 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)의 밀봉면(130, 134, 150, 154)의 연속적인 원주 곡선은 (도 2에서와 같이) 분할식 환형 연소기(36)를 안출하는 통합형 연소기 노즐(100)의 원주 방향 어레이로부터 임의의 통합형 연소기 노즐(100)을 제거하게 한다.
도 20은 도 19에 도시된 단계보다 더 나중의 제거 단계에서 통합형 연소기 노즐(100b)의 제거의 후미에서 바라본 전방의 사시도를 제공한다. 전술한 바와 같이, 통합 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)의 후미 단부(114)는 후단 에지(174)에서 종결되어, 연소 생성물의 터빈 섹션(18)으로의 유동을 전환시키거나 가속시킨다.
도 21은 인접한 통합형 연소기 노즐(100a, 100c) 사이에서의 그 위치로부터 제거될 때에 통합형 연소기 노즐(100b)의 전방에서 바라본 후미 사시도를 제공한다. 모든 통합형 연소기 노즐(100)이 내부 라이너 세그먼트(106) 및 외부 라이너 세그먼트(108) 상에 동일한 연속적인 원주 곡선을 갖기 때문에, 임의의 통합형 연소기 노즐(100)은 제거될 통합형 연소기 노즐(100)의 양측부 상의 내부 라이너 시일(140) 및 외부 라이너 시일(160)을 간단히 제거함으로써 동일한 방식으로(즉, 연속적인 원주 곡선의 형상을 따라 대략 축방향으로) 제거될 수 있다.
통합형 연소기 노즐(100)의 설치 프로세스는, 원주 방향 어레이[통합형 연소기 노즐(100a, 100b, 100c)과 같은]를 형성하도록 2개 이상의 통합형 연소기 노즐(100)을 축방향으로 설치한 다음, 내부 라이너 시일(140) 및 외부 라이너 시일(160)을 연속적으로 만곡된 밀봉면(130/134, 150/154)에 의해 획정된 각각의 리세스(135, 155) 내로 축방향으로 설치함으로써, 달성될 수 있다. 필요에 따라, 통합 연소기 노즐(100)의 일부 또는 전부가 시일(140, 160)을 설치하기 전에 부분 또는 전체 원주 방향 어레이에 배치될 수 있다. 따라서, 분할식 환형 연소기(36)의 조립에 필요한 시간이 상당히 감소된다.
도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 종래의 밀봉 구성은, 복수의 통합형 연소기 노즐이 분할식 환형 연소기 어셈블리에서 서로 인접하게 원주 방향으로 조립될 때에, 통합형 연소기 노즐의 라이너 세그먼트들 사이의 만곡된 시일 채널 내에 단부 대 단부로 위치 설정된 여러 개의 강성 시일을 채용한다. 이들 직선형 시일을 사용하는 데에는, 시일이 떨어지지 않거나 파쇄되어 누출율이 더 커지지 않는 것을 보장하는 복잡한 조립 프로세스를 비롯하여 몇 가지 단점이 있다. 또한, 이들 강성 시일은 제거될 시일에 인접한 적어도 하나의 통합형 연소기 노즐을 제거함으로써 분할식 환형 연소기를 분해하지 않고는 쉽게 제거될 수 없다.
이러한 종래의 구성과 달리, 본 개시의 실시예는 환형 연소기 조립체를 형성하는 데에 일조하는 라이너 세그먼트들 사이에 가요성 시일의 설치를 간단하게 하고 개선시킨다. 인접한 라이너 세그먼트들은 가요성 시일을 수용하고 제거하기 위해 시일 슬롯의 적어도 개방된 전방 단부에 개구를 획정하도록 설계된다. 이는 연소기 조립체를 분해하지 않고도 축방향으로 밀거나 당김으로써 만곡된 밀봉 채널로부터 시일을 용이하게 설치 및 제거하게 한다. 가요성 시일의 사용은 유리하게는, (i)시일 길이에 따라 시일 슬롯 내에 삽입되는 강성 시일의 개수(즉, 피스의 개수) 및 (ii)시일 주위의 누출량을 감소시킨다.
만곡된 시일 및 그 설치 방법의 예시적인 실시예를 상세하게 전술하였다. 본 명세서에 설명된 방법 및 시일은 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 제한되지 않고, 오히려 방법 및 시일의 구성요소는 본 명세서에 설명된 다른 구성요소와 독립적으로 그리고 별개로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 방법 및 시일은 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 발전용 가스 터빈용의 통합형 연소기 노즐과 함께 실시하는 것으로 제한되지 않는 다른 용례를 가질 수 있다. 오히려, 본 명세서에 설명된 방법 및 시일은 다양한 다른 산업에서 구현되고 이용될 수 있다.
기술적 진보를 다양한 특정 실시예에 관하여 설명하였지만, 당업자라면 청구범위의 사상 및 범위 내에서 기술적 진보가 변형되어 실시될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
Claims (20)
- 통합형 연소기 노즐로서,
내부 라이너 세그먼트;
상기 내부 라이너 세그먼트에 대향하여 배치된 외부 라이너 세그먼트;
상기 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널
을 포함하고, 상기 패널은 전방 단부, 후미 단부, 상기 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제1 측벽, 및 상기 제1 측벽에 대향하고 상기 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제2 측벽을 가지며, 상기 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정하고,
상기 내부 라이너 세그먼트는 상기 제1 측벽에 근접한 제1 밀봉면 및 상기 제2 측벽에 근접한 제2 밀봉면을 가지며, 상기 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정하고,
상기 외부 라이너 세그먼트는 상기 제1 측벽에 근접한 제3 밀봉면 및 상기 제2 측벽에 근접한 제4 밀봉면을 가지며, 상기 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정하고,
상기 제1 연속적인 곡선과 상기 제2 연속적인 곡선 중 하나는 반경 방향으로 변곡점을 포함하는 것인 통합형 연소기 노즐. - 제1항에 있어서,
상기 제1 연속적인 곡선과 상기 제2 연속적인 곡선은 동일한 것인 통합형 연소기 노즐. - 제1항에 있어서,
상기 제1 연속적인 곡선과 상기 제2 연속적인 곡선은 원주 방향으로 단조로운 것인 통합형 연소기 노즐. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 내부 라이너 세그먼트의 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 깊이를 갖는 시일 슬롯을 획정하는 것인 통합형 연소기 노즐. - 제5항에 있어서,
상기 제1 밀봉면의 제1 시일 슬롯의 깊이는 상기 제2 밀봉면의 제2 시일 슬롯의 깊이와 동일한 것인 통합형 연소기 노즐. - 제5항에 있어서,
상기 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 중 적어도 하나의 시일 슬롯의 깊이는 내부 라이너 세그먼트의 축방향 길이에 따라 달라지는 것인 통합형 연소기 노즐. - 제1항에 있어서,
상기 외부 라이너 세그먼트의 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 깊이를 갖는 시일 슬롯을 획정하는 것인 통합형 연소기 노즐. - 제8항에 있어서,
상기 제3 밀봉면의 제3 시일 슬롯의 깊이는 상기 제4 밀봉면의 제4 시일 슬롯의 깊이와 동일한 것인 통합형 연소기 노즐. - 제8항에 있어서,
상기 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 중 적어도 하나의 시일 슬롯의 깊이는 외부 라이너 세그먼트의 축방향 길이에 따라 달라지는 것인 통합형 연소기 노즐. - 분할식 환형 연소기로서,
통합형 연소기 노즐들의 원주 방향 어레이를 포함하고, 각각의 통합형 연소기 노즐들은 동일하며,
각각의 통합형 연소기 노즐은,
내부 라이너 세그먼트;
상기 내부 라이너 세그먼트에 대향하여 배치된 외부 라이너 세그먼트;
상기 내부 라이너 세그먼트와 외부 라이너 세그먼트 사이에서 반경 방향으로 연장되는 패널
을 포함하고, 상기 패널은 전방 단부, 후미 단부, 상기 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제1 측벽, 및 상기 제1 측벽에 대향하고 상기 전방 단부로부터 후미 단부로 축방향으로 연장되는 제2 측벽을 가지며, 상기 후미 단부는 전방 단부로부터 원주 방향으로 오프셋된 후단 에지를 갖는 터빈 노즐을 획정하고,
상기 내부 라이너 세그먼트는 상기 제1 측벽에 근접한 제1 밀봉면 및 상기 제2 측벽에 근접한 제2 밀봉면을 가지며, 상기 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제1 연속적인 곡선을 획정하고,
상기 외부 라이너 세그먼트는 상기 제1 측벽에 근접한 제3 밀봉면 및 상기 제2 측벽에 근접한 제4 밀봉면을 가지며, 상기 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 원주 방향으로 제2 연속적인 곡선을 획정하고,
상기 제1 연속적인 곡선과 상기 제2 연속적인 곡선 중 하나는 반경 방향으로 변곡점을 포함하는 것인 분할식 환형 연소기. - 제11항에 있어서,
상기 제1 연속적인 곡선 및 상기 제2 연속적인 곡선은, 제1 통합형 연소기 노즐을 축방향으로 인출함으로써 제1 통합형 연소기 노즐을 상기 어레이로부터 제거할 수 있도록 동일한 것인 분할식 환형 연소기. - 제11항에 있어서,
상기 제1 연속적인 곡선과 상기 제2 연속적인 곡선은 원주 방향으로 단조로운 것인 분할식 환형 연소기. - 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 내부 라이너 세그먼트의 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 각각은 깊이를 갖는 시일 슬롯을 획정하는 것인 분할식 환형 연소기. - 제15항에 있어서,
상기 제1 밀봉면의 제1 시일 슬롯의 깊이는 상기 제2 밀봉면의 제2 시일 슬롯의 깊이와 동일한 것인 분할식 환형 연소기. - 제15항에 있어서,
상기 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면 중 적어도 하나의 시일 슬롯의 깊이는 내부 라이너 세그먼트의 축방향 길이에 따라 달라지는 것인 분할식 환형 연소기. - 제11항에 있어서,
상기 외부 라이너 세그먼트의 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 각각은 깊이를 갖는 시일 슬롯을 획정하는 것인 분할식 환형 연소기. - 제18항에 있어서,
상기 제3 밀봉면의 제3 시일 슬롯의 깊이는 상기 제4 밀봉면의 제4 시일 슬롯의 깊이와 동일한 것인 분할식 환형 연소기. - 제18항에 있어서,
상기 제3 밀봉면 및 제4 밀봉면 중 적어도 하나의 시일 슬롯의 깊이는 외부 라이너 세그먼트의 축방향 길이에 따라 달라지는 것인 분할식 환형 연소기.
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