KR19990063275A - 가스 터빈 엔진의 연소실용 스월러 및 그 성형 방법 - Google Patents

Abstract

가스 터빈 엔진 연소기(10)의 스월러(50)는 외벽(54)과, 상기 외벽에 부착된 베인(42)의 그룹(52)과, 스월러가 외벽과 내측 중심체와 베인 사이의 상이한 열성장률을 조절할 수 있도록 베인의 그룹을 통해서 외벽으로부터 기계식으로 분리된 중심체(60)를 구비한다. 변형예로서, 중심체는 베인의 그룹중 하나에 부착되어 중심체가 진동되는 것을 방지할 수 있다.

Description

가스 터빈 엔진의 연소실용 스월러 및 그 성형 방법

본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 엔진의 연소실내의 스월러 구조에 관한 것이다.

연료를 효율적으로 연소시키고 또한 신속한 연소를 제공하기 위해서, 가스 터빈 엔진의 연료 시스템은 연소실내에 균일한 연료 및 공기의 혼합물을 고르게 분배하기 위한 스월러(swirler)를 이용한다. 따라서, 스월러는 연료 및 공기의 혼합물을 연소실을 나가기 전에 연소 반응을 완료하도록 촉진시킨다. 연소기의 상류에 위치된 통상의 압축기로부터 압축된 공기와 연료 노즐로부터 공급된 연료가 스월러의 상류에서 혼합된다. 연소실내의 연료 및 공기의 혼합물은 점화되어 연소 가스를 발생시킨다.

통상적으로, 스월러는 그것으로부터 반경방향 외측으로 연장된 베인을 갖는 중심체를 포함한다. 베인은 외벽을 향하여 연장되고 외벽에 부착된다. 스월러는 연소실의 내부로 연장되고 연소실내의 개구를 통해서 연소 영역내로 연장된다.

연소기의 동작중에, 스월러는 연소실내의 연료의 점화로부터 고온 연소 생성물로 덮인다. 그러나, 스월러 베인을 통해서 전달되는 비점화된 연료 및 공기의 혼합물이 스월러의 외벽을 둘러싸는 연소 영역내의 연소 생성물보다 비교적 저온이기 때문에, 스월러의 내부는 외부에 비해 저온이다. 그 결과, 스월러의 외벽은 베인 또는 중심체보다 큰 비율로 팽창된다. 열구배(thermal gradient)가 고온 외벽과 중심체 및 베인을 포함하는 저온 내측부 사이에서 발생된다. 고온 외벽은 그 온도의 영향으로 인해 팽창되려고 하나, 보다 작은 크기로 팽창되는 저온의 중심체 및 베인에 의해 제한된다.

외벽과 내측 중심체 및 베인 사이의 상이한 열 성장 및 이동으로 인해, 스월러는 바람직하지 않은 응력을 받게 된다. 응력은 외벽에 균열을 발생시킬 가능성이 크다. 연료 및 공기의 혼합물이 균열에 유입되어 주변 연소 영역에 의해 점화될 때 균열은 확대될 것이다. 그 후, 외벽은 연소되어 스월러의 내구성을 손상시킬 것이다.

본 발명에 따르면, 스월러는 외벽, 상기 외벽에 부착된 베인의 그룹, 베인의 외벽 및 그룹으로부터 기계식으로 분리된 중심체를 포함하여, 스월러는 외벽과 베인 및 중심체 사이의 상이한 열성장률을 조절한다. 중심체는 링에 부착하는 것에 의해 스월러내에 보유된다.

변형예로서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 중심체는 베인의 그룹중 하나에만 기계식으로 부착되어 중심체를 진동으로부터 방지한다.

본 발명의 주요 이점은 기계적 및 열적으로 분리된 중심체로부터 발생되는 스월러의 내구성이다. 본 발명의 스월러는 외벽과 내측 중심체 및 베인의 상이한 열성장률을 조절함으로써 스월러 구성요소 사이의 열구배에 의해 유도되는 응력을 받지 않게 된다.

본 발명의 다른 이점은 본 발명의 스월러의 제조 및 종래 기술의 연소실내의 통합이 용이하고 비용이 저렴하다는데 있다. 스월러의 구성요소는 종래 기술의 구성요소와 동일하다. 본 발명의 스월러의 중심체를 분리하는데에 새로운 도구가 요구되지 않는다. 따라서, 스월러의 구조 및 도구의 사용이 단순하여, 효과적인 비용의 제조 공정이 가능해진다. 또한, 종래 기술의 스월러를 개조하여 본 발명을 비용면에서 효과적인 방식으로 할 수 있다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적, 특징 및 이점은 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 다음의 상세한 설명과 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면으로부터 보다 명백하게 될 것이다.

도 1은 가스 터빈 엔진에 설치된 연소기를 단순화시키고 부분적으로 절취한 단면도,

도 2는 도 1의 선 2-2를 따라서 절취한 통상의 스월러를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 스월러 구성요소의 세부를 확대하여 도시한 스월러의 정면도,

도 4는 도 3의 선 4-4를 따라서 절취한 본 발명에 따른 스월러를 도시한 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 스월러의 분해된 구성요소를 부분 절취하여 도시한 분해 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 스월러의 구성요소의 부착상태를 도시한 사시도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 연소기 40 : 스월러

42 : 베인 52 : 그룹

56 : 베이스 58 : 절단부

60 : 중심체 62 : 보유 링

도 1을 참조하면, 연소기(10)(단일의 연소기만 도시됨)는 내측 엔진 케이스(14)와 외측 엔진 케이스(16) 사이의 환상부(12)에서 엔진을 중심으로 원주방향으로 이격되어 있다. 연소기(10)는 연료 및 공기의 혼합 영역(18)과 원통형 본체(22)에 의해 형성된 연소 영역(20)을 포함한다. 압축기(도시되지 않음)로부터 공급되는 압축 공기와 연료 공급 시스템으로부터 공급되는 연료(본 발명의 이해를 위해 중요하지 않은 세부는 도시하지 않음)는 연료 및 공기의 혼합 영역(18)에서 혼합된다. 연료 및 공기의 혼합 영역(18)은 다수의 제 1 혼합 튜브(24)를 포함하며, 제 1 혼합 튜브(24)는 시동시 및 낮은 동력 작동 상태에서 연소용 연료 및 공기의 혼합물을 제공한다. 단일의 제 2 혼합 튜브(26)도 연료 및 공기의 혼합 영역(18)내에 포함되며, 단일의 제 2 혼합 튜브(26)는 높은 동력 작동 상태중에 추가의 연료 및 공기의 혼합물을 제공한다. 제 2 혼합 튜브(26)는 연소실에 대해 축방향으로 배향되고 인접하게 위치되나, 연소실의 축과 반드시 일치하지는 않는다. 연소기(10)는 연소 생성물을 변환 덕트(30)를 통해서 터빈 섹션(도시되지 않음)으로 방출하고, 터빈 섹션은 연소 생성물로부터 일을 얻어 압축기를 구동시킨다.

도 2를 참조하면, 제 2 혼합 튜브(26)의 하류 단부는 그를 가로질러 배치된 출구 스월러(40)를 구비한다. 상기 출구 스월러(40)는 다수의 출구 베인(42)을 구비하여 원주방향 와류(swirl)를 제 2 혼합 튜브(26)를 통해 유동하는 연료 및 공기의 혼합물에 부여한다. 중심체(44)는 그 내에 다수의 구멍(46)이 배치되어 있고 혼합 튜브(26)의 중앙에 위치한다. 각각의 제 1 혼합 튜브(24)(도 1)는 대응하는 개구(48)를 통해서 연소실내로 방출한다. 베인(42)은 소정 각도로 기울어져서 제 1 혼합 튜브(24)의 구멍(48)을 통해 방출된 흐름에 대해 유동 회전 카운터를 제공한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 스월러(50)는 베인(42)의 그룹(52)을 포함한다. 베인의 반경방향으로 연장된 그룹은 외벽(54)에 부착된다. 베인(42)의 그룹(52)은 서로간에 기계식으로 분리된다. 베인의 그룹간의 분리는 절단부(58)로 표시된 바와 같이 베인의 그룹의 베이스(56)에서 이루어진다. 중심체(60)는 베인의 그룹을 통해서 외벽으로부터 기계식으로 분리된다. 이러한 분리는 중심체(60)를 베인 그룹의 베이스(56)로부터 멀리 절단하는 것에 의해 성취된다. 중심체(60)는 보유 링(62)에 부착(용접에 의해)하는 것에 의해 스월러내의 적소에 유지된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 외벽과 내측 중심체 및 베인 사이의 열구배에 의해 유도된 응력은 중심체를 베인의 그룹중 거의 하나로부터 분리함에 의해 완화된다. 중심체는 베인의 그룹 전체로부터 분리될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 보유 링(62)의 내측면(64)은 D자형으로 되어 있다. 중심체(60)는 D자형 보유 링으로 결합되는 상보적인 내측면(66)을 갖는다. 이러한 D자형 구조는 회전방지(anti-rotational) 형상부를 제공하여 중심체가 베인의 그룹에 대해 회전되지 않도록 한다. 연소기의 고유한 고진동 환경은 분리된 중심체를 스월러의 중심에서 회전시킬 수 있다.

또한, 연소실에서의 고유의 상기 진동 환경으로 인해 중심체(60)가 스월러(50)에서 진동하는 것을 방지하기 위해서, 중심체와 보유 링은 베인(42)의 그룹(52)중 하나에 부착된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 중심체(60)와 보유 링(62) 사이의 부착은 2개의 결합 표면(66, 64)을 함께 용접한 후에 용접 연결부(68)로 표시된 바와 같이 베인(42)의 그룹(52)중 하나에 대해 결합부를 용접한다.

연소기의 작동중에, 점화되지 않은 연료 및 공기의 혼합물은 스월러 베인(42)을 통해서 전달된다. 이러한 연료 및 공기의 혼합물은 스월러(50)의 외벽(54)을 둘러싸는 연소 영역의 연소 생성물보다 저온이다. 그 결과, 스월러의 외벽은 베인 또는 중심체(60)보다 큰 비율로 팽창된다. 고온 외벽은 중심체로부터 기계식으로 분리됨에 따라 그 온도의 영향으로 팽창될 수 있다. 따라서, 중심체는 외벽의 팽창 또는 수축을 제한할 수 없으며, 바람직하지 않은 응력이 스월러상에 가해지지 않게 된다.

본 발명의 다른 실시예는 종래 기술의 스월러를 본 발명의 스월러로 제조할 수 있는 것에 관한 것이다. 종래 기술의 스월러를 본 발명의 스월러로 변환시키는 방법은 중심체를 절단하여 중앙 플러그를 제거하는 단계와, 베인의 그룹을 기계식으로 분리하는 단계와, 중앙 플러그를 재삽입하는 단계와, 보유 링을 중앙 플러그에 부착하는 단계와, 보유 링과 중앙 플러그를 베인의 그룹중 하나에 부착하는 단계를 포함한다. 따라서, 내구성 있는 스월러를 제공하는 기계식으로 분리된 중심체가 제공된다. 중심체는 베인의 그룹중 하나에만 부착되기 때문에, 이 중심체는 외벽과 내측 중심체 및 베인의 상이한 열성장률을 조절할 수 있다.

다른 이점은 본 발명의 스월러의 제조 및 종래 기술의 연소실내의 통합이 용이하고 비용이 저렴하다는데 있다. 스월러 구조 및 기존의 도구의 사용이 단순하므로, 비용면에서 효과적인 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 종래 기술의 스월러를 개조하여 본 발명을 비용면에서 효과적인 방식으로 할 수 있다.

본 발명은 상세한 실시예에 따라 도시하고 설명하였지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 청구된 본 발명의 형상 및 세부사항이 다양하게 변형될 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명의 스월러는 외벽과 내측 중심체 및 베인의 상이한 열성장률을 조절함으로써 스월러 구성요소 사이의 열구배에 의해 유도되는 응력을 받지 않으며, 내구성이 보장되고, 또한 제조가 용이하고 종래 기술의 연소실내에 저렴한 비용으로 통합될 수 있다.

Claims (3)

1. 가스 터빈 엔진의 연소실용 스월러에 있어서,

   외벽과,

   상기 외벽의 반경방향 내측으로 연장되고 또 상기 외벽에 부착된 다수의 베인의 그룹으로서, 인접한 그룹으로부터 분리된 베이스를 갖는 상기 베인의 그룹과,

   상기 베인의 그룹중 적어도 하나로부터 기계식으로 분리된 중심체를 포함하며,

   상기 스월러는 상기 외벽과 상기 반경방향 내측의 베인 및 중심체 사이의 상이한 열성장률을 조절하는

   가스 터빈 엔진의 연소실용 스월러.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 중심체에 부착되어 상기 베인의 그룹의 상기 베이스가 그 사이에 포착되도록 하는 보유 링을 더 포함하는

   가스 터빈 엔진의 연소실용 스월러.
3. 중심체와 다수의 반경방향 연장 베인 및 외벽을 구비한 열 분리형 스월러의 성형 방법에 있어서,

   a) 상기 중심체로부터 중앙 플러그를 절단하는 단계와,

   b) 상기 다수의 베인 사이의 상기 중심체 부착부를 분할하는 것에 의해 베인의 그룹을 기계식으로 분리시키는 단계와,

   c) 중앙 플러그를 재삽입하는 단계와,

   d) 보유 링을 상기 중앙 플러그에 부착시키는 단계와,

   e) 상기 보유 링과 상기 중앙 플러그를 상기 베인의 그룹중 하나에 부착하는 단계를 포함하는

   열 분리형 스월러의 성형 방법.