KR20010085844A - 가스 터빈 엔진 - Google Patents

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KR20010085844A
KR20010085844A KR1020017003791A KR20017003791A KR20010085844A KR 20010085844 A KR20010085844 A KR 20010085844A KR 1020017003791 A KR1020017003791 A KR 1020017003791A KR 20017003791 A KR20017003791 A KR 20017003791A KR 20010085844 A KR20010085844 A KR 20010085844A
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KR1020017003791A
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라크마일로브아나톨리
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추후제출
암 디벨로프먼트 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 가스 터빈 엔진은 압축 터빈에 의해 구동되는 압축기, 압축된 공기의 일부 (A) 를 수용하는 연소기 (116), 압축 터빈 로터 디스크 (118), 및 동력 터빈 로터 디스크 (114) 를 포함한다. 압축기 공기의 약간의 부분은 포트 (123) 를 통해 연소기 (116) 로 공급된다. 연료는 포트 (117) 를 통해 제공되고 배기가스 (D) 는 동력 터빈을 통하고 압축 터빈을 통해 흐른다. 압축기 공기의 대부분 (B) 은 압축기로부터 배출되어 구역 (122 및 124) 을 통해 연속적으로 직접 우회하여, 동력 터빈 로터 디스크 (114) 의 구역 (128) 으로 흐른다. 공기 (B) 는 동력 터빈 로터 디스크 (114) 를 구동시키기 위하여 동력 터빈 블레이드 (115) 의 통로 (126) 내로 공급되어 이들을 냉각시키고, 결국 배출되어 주요 배기가스 스트림 (D) 에 혼합된다.

Description

가스 터빈 엔진 {GAS TURBINE ENGINE}
일반적인 종래의 가스 터빈은 압축기, 연료 소스, 연소용 공기 소스, 케이싱, 및 연료로부터의 가열된 유체 및 연소공기를 제공하기 위한 연소기를 구비한다. 연소기는 연소 소스 및 연소공기용 소스에 접속된 연소구역을 갖는다. 이 연소기는 터빈에 도달하기 전에 최종 가열된 유체를 냉각하기 위한 냉각구역을 포함한다. 연소기 냉각구역은 압축기에 접속된다. 가열된 유체의 온도는 작업 조건에 따라 변동한다. 통상적인 가스 터빈 엔진에 있어서, 이러한 온도의 변동은 엔진 부품에 부여되는 강력한 열적 유발 응력을 유발한다.
이러한 종래 기술의 가스 터빈에 있어서, 실질적으로 전체 압축기 유체유동은 연소기로 보내진다. 연소기 내에서 가열된 유체는 연소기의 냉각구역에서 압축기 유체유동에 의해 냉각된다. 이러한 엔진은 연소기로부터 가열된 유체를 수용하는 블레이드를 갖춘 터빈 로터 디스크 (turbine rotor disk) 를 구비한다. 이 가열된 유체의 온도는 매우 높으며, 특정 조건하에서 이 유체는 터빈 로터 디스크 블레이드를 과열시킬 수 있다. 그러한 과열을 방지하기 위하여, 각각의 블레이드는 압축기로부터 공기를 수용하는 내부 채널을 구비한다. 그 결과, 압축기로부터 유출되는 유체의 일부 (전체 유동의 약 3% 내지 5%) 가 블레이드의 내부 채널로 공급되어, 그들의 온도를 설계 제한치 내로 유지시킨다. 이러한 가스 터빈 엔진의 일례가 'Branstrom' 등의 미국특허 제 3,826,084 호에 개시되어 있다.
또한 가열된 유체는 연료연소 후에 냉각되어진다. 통상, 이러한 냉각은 압축기로부터의 유체의 대부분을 수용하는 연소기 내에서 행해진다.
따라서, 상기 종래 기술의 가스 터빈에 있어서, 압축기로부터 유출된 거의 모든 유체는 연소기 냉각구역으로 공급되어, 터빈에 유입되기 전에 유체를 냉각시킨다. 압축기로부터의 유체가 연소기 냉각구역 내에서 가열된 유체와 혼합될 때, 대략 3% 내지 5%의 유체 에너지가 손실된다. 대략 3%의 압축기로부터의 유체를 터빈 로터 디스크 블레이드로 전환하는 경우에는 또 다른 3%의 손실이 발생한다. 또한, 종래 기술의 가스 터빈용 연소기는 냉각구역을 수용하기 위해 크게 제조되어야 했다.
본 출원은 각각 1998년 9월 25일자로 출원되어 동시계류 중인 세 개의 미국특허출원 제 09/161,104호, 제 09/161,114호 및 제 09/161,170호와 관련된다.
본 발명은 가스 터빈 엔진의 분야와 관련되며, 보다 상세하게는 연소기로부터의 가열된 유체와 터빈 블레이드 사이에 열경계층을 유지하도록 압축기 유체를 이용하는 개선된 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진의 다이어그램이고,
도 2 는 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진의 측단면도이고 (압축기는 도시 생략),
도 3 은 도 2 의 선 II-II 를 따라 취한 다양한 실시예의 터빈 로터 디스크 블레이드의 단면도이고, 그리고
도 4 는 도 2 의 도시와 유사한 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진의 다른 실시예의 측단면도이다 (압축기는 도시 생략).
본 발명의 목적은 더 나은 효율과 낮은 유해 배출물을 갖는 가스 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 연소기의 냉각구역 손실을 감소시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 보다 소형의 가스 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스 터빈 엔진의 수명을 연장시키는 것이다.
전술한 목적들은 블레이드 유입구 에지와 배출구 에지 사이에 위치한 터빈 블레이드 유동부 및 유체유동을 제공하는 압축기를 구비하는 가스 터빈 엔진에 의해 달성되며, 이 가스 터빈 엔진은 블레이드 유동부의 외측 표면을 따른 압축기 유체 배출구의 부분을 포함함으로써, 연소기로부터의 가열된 유체가 흐르는 단열 경계층을 제공한다. 연소기 내에 형성되는 가열된 유체는 다른 냉각 없이 터빈 블레이드로 직접 흐르므로, 이에 따라 냉각과 관련된 손실이 감소된다.
본 발명의 다른 목적 및 이점들은 이하의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1 에 있어서, 가스 터빈 엔진은 케이싱 (10), 압축 유체 공급용 압축기 (12), 압축기 (12) 의 하류에 장착되는 터빈 로터 디스크 (14), 터빈용 가열된 유체를 제공하는 연소기 (16) 및 압축기 (12) 구동용 압축기 터빈 로터 디스크 (18) 를 구비한다. 터빈 로터 디스크 (14) 는 압축기 터빈 로터 디스크 (18) 의 회전방향에 반대방향으로 회전한다. 유체는 터빈 로터 디스크 (14) 로부터 압축기 터빈 로터 디스크 (18) 로 직접 유동한다. 연소기 (16) 는 연료 소스 (도시 생략) 로부터의 연료 공급을 허용하는 노즐 (21) 을 구비한다. 연소기 (16) 는 연소기 (16) 의 전체 내부 공간을 거의 차지하는 연소구역 (20) 을 형성한다. 연소공기는 화살표 (A) 로 개략 도시된 방향으로 노즐 (21) 이 위치한 연소기 (16) 의 유입구로 공급된다.
압축기 (12) 로부터의 대부분의 유체는 케이싱 (10) 내의 통로 (22) 를 통해 화살표 (B) 로 도시된 바와 같이 연소기 (16) 를 우회하여 터빈 로터 디스크 (14) 로 공급된다. 터빈으로 직접 유동하는 유체의 범위는 전체 유체유동의 대략 55% 내지 85% 범위이다. 대략 55% 미만의 유동은 터빈 블레이드 및 관련 부품들을 위한 바람직한 냉각을 달성하지 못하며, 대략 85% 보다 큰 유동은 연소기 내의 불완전 연소를 유발하기 때문에 손실을 가져올 수 있다. 이러한 유체유동은 터빈 로터 디스크 (14) 로 수용되며, 터빈 블레이드를 둘러싸고 압축기 터빈 로터 디스크 (18) 로 이동하여 압축기 (12) 를 구동시킨다. 이러한 유체의 일부는 후술될 연소기 (16) 로 이동한다. 압축기 터빈 로터 디스크 (18) 로부터의 배출 가스는 화살표 (C) 로 도시된 방향으로 배기 매니폴드 (24) 를 통해 제거된다.
연료 분무에 사용되는 전체 유체의 단지 일부 (압축기로부터의 유체의 전체 양의 약 25%) 가 포트 (23) 를 통해 연소기 (16) 로 공급된다. 연소기 (16) 는 연소기 (16) 내에 냉각구역을 구비하지 않으며, 유체는 냉각되지 않은 연소기 (16) 로부터 터빈 로터 디스크 (14) 로 화살표 (D) 로 개략 도시된 방향으로 이동된다. 이 유체는 화살표 (E) 로 도시된 바와 같이 이동하여, 연소기 (16) 를 출발한 가열된 유체를 냉각시키고 또한 터빈 로터 디스크의 블레이드를 손상으로부터 보호한다.
도 1 과 유사한 부재는 100 을 더한 유사한 도면부호로 도시되어 있는 도 2를 참조하면, 터빈 로터 디스크 (114) 는 로터 디스크 내에 기부 (root portion; 115a)에 의해 장착된 블레이드 (115) 를 구비하며 연소기 (116) 의 바로 아래에 위치하여, 화살표 (D) 로 도시된 바와 같이 연수구역 (120) 에 형성된 가열된 유체를 수용한다. 또한, 연소기 (116) 는 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이 필요한 양의 연소공기를 수용한다. 연소공기는 도시되지 않은 독립적인 라인을 통하여 공급된다.
연소공기를 공급하는 구성은 당업자에게 공지되어 있으므로 상세한 설명을 생략한다. 그러나, 공기가 연소기 내의 일반 유동방향에 접선방향으로 유입될 수 있음을 유의해야 한다 (도 1 의 화살표 (D) 참조). 이것은 가열된 유체의 유동에 회전을 부여하는 공지된 방법이다. 이에 의하여, 압축기 터빈 로터 디스크의 회전에 적합한 가열된 유체의 유동이 이루어진다. 대안적으로, 터빈 로터 블레이드에 대한 유입 각도가 동일한 결과를 얻는데 이용될 수도 있다. 이 경우,연소공기가 법선방향으로 유입될 필요는 없다.
압축기 터빈 로터 디스크 (118) 는 터빈 로터 디스크 (114) 의 하류에 장착되며 블레이드 (119) 를 구비한다. 통로 (122) 는 연소기 (116) 의 내부 환형벽에 의해 형성되는, 구역 (124) 내의 압축기 (도시 생략) 와 터빈 로터 디스크 (114) 사이의 공간을 연결한다. 압축기로부터의 유체는 화살표 (B) 를 따른 방향으로 이동하고 터빈 로터 디스크 블레이드 (115) 에 유입된다.
도 3 에 있어서, 블레이드 (115) 는 유입구 (128) 를 갖춘 내부 통로 (126), 경사부 (130), 및 직선부 (132) 를 구비한다. 내부 통로 (126) 의 벽은 이 통로 벽에서의 유체유동의 원활한 입사를 보장하는 최적의 유입 각도로 위치되고, 그러한 최적의 유입 각도는 당업자에 의해 용이하게 확인될 수 있다. 블레이드 (115) 는 연소기 (116) 측의 유입구 에지 (134) 및 대향측의 배출구 에지 (136) 를 구비한다. 상기 유입구 에지는 유체 배출구 슬릿 (138), 또는 유입구 에지를 따라 구성되는 포트 (138'), 또는 다수의 라인을 따라 구성되는 다수의 포트 (138") 중의 하나를 구비한다. 각종 배출구는 다중 슬릿, 여러 줄의 포트 등과 같이 터빈 로터 디스크 블레이드 (115) 내에 제공될 수 있다. 터빈 로터 디스크의 블레이드 (115) 는 탈착가능한 기부를 구비하지 않을 수도 있으며, 로터 디스크와 일체로 제조될 수 있다.
블레이드 (115) 의 유입구 에지와 배출구 에지 사이의 부분 (140) 은 블레이드 유동부를 형성하며, 이 유동부를 따라서 압축기로부터의 유체는 내부 통로 (126) 의 직선부 (132) 를 떠난 후 이동한다. 이 유체는 블레이드 (115) 의 부분 (14) 을 둘러싸기 때문에, 블레이드 표면에 걸친 유체의 층을 형성하며 연소기 (116) 로부터 유출된 가열된 유체에 대한 단열층을 제공한다. 이 가열된 유체는 관 (117) 을 통해 연료 소스 (도시 생략) 로부터 공급되는 연료를 사용하여 연소기 연소구역 (120) 내에 형성되며, 예비 냉각됨 없이 블레이드 (115) 로 이동한다. 이러한 가열된 유체는 블레이드 (115) 에 도달할 때, 압축기로부터 공급되는 상대적으로 냉각된 유체의 층에 걸쳐서 블레이드 유동부 (14) 를 따라 이동하게 되고 단지 부분적으로 이와 혼합된다. 이러한 고온과 저온 유체의 층 분리는 블레이드를 과열로부터 보호한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 압축기로부터의 유체의 일부는 블레이드 (115) 의 내부 통로 (126) 를 출발하여, 화살표 (A) 를 따라 이동하고 블레이드 (115) 의 덮개 (142) 의 내면으로 복귀한다. 동시에, 터빈 로터 디스크 (114) 상류의 공간 (124) 으로부터의 유체의 일부는 화살표 (B') 로 도시된 바와 같이 연소기 (116) 의 내부 환형벽의 에지와 블레이드 (115) 의 에지 사이의 간극을 통과한다. 이러한 유체는 내부 블레이드 공간 내의 나머지 표면들을 보호한다.
가열된 유체가 터빈 로터 디스크 (114) 의 블레이드 (115) 를 출발할 때, 압축기 터빈 로터 디스크 (118) 의 블레이드 (119) 로 이동한다. 터빈 블레이드 (115) 를 둘러싸는 압축기로부터의 유체는 또한 압축기 터빈 블레이드 (119) 로 이동함을 유의하여야 한다. 가열된 유체와 압축기로부터의 유체가 압축기 터빈 로터 디스크에 도달할 때, 이들 모두는 대략 동일한 온도를 갖게 된다.
냉각유체가 환형 공간 (144) 에 충전된다. 이 유체는 케이싱과 래비린스시일 (labyrinth seal; 146) 사이에서 이동하게 되어, 이 지역에서 케이싱의 내측 표면을 보호한다.
상기 실시예에 대한 설명은 연소기 (116) 내에 냉각구역이 없음을 나타낸다. 연소기 (116) 내에 냉각구역이 없다는 것은, 연소기의 크기가 소형이며, 냉각유체와 가열된 유체를 혼합할 때 발생하는 냉각구역 손실이 없음을 의미한다. 가열된 유체가 압축기로부터 유체층을 거쳐 블레이드 (114) 의 유동부 (140) 를 따라 이동할 때, 두 유체의 불완전한 혼합만이 존재하므로, 이 지역에서의 손실은 최소화된다. 압축기 유체가 냉각되기 때문에, 낮은 점성을 갖는다. 이러한 낮은 점성 유체는 블레이드 표면을 따라 이동하여 경계 손실을 결정한다. 유체역학의 원리에 따라, 약 2,000 K 의 온도에 있는 가열된 유체가 더 높은 점성을 갖기 때문에, 낮은 점성의 유체의 의해 블레이드 표면에 걸쳐 이동하는 것이 방지된다. 엔진 부품들의 표면과 가열된 유체간의 직접적인 접촉이 없기 때문에, 이들 부품은 종래의 가스 터빈과 동일한 정도의 열적 유발 응력을 받지 않는다. 더욱이, (블레이드 재료와 접촉하지 않는) 압축기로부터 공급되는 냉각유체의 조성 및 온도는 연소기로부터 직접 유출되는 가열된 유체의 부식성과 관련된 블레이드 재료에 대한 유체의 부식성을 감소시킨다. 이는 블레이드의 수명을 연장시킨다.
불완전 혼합이 이루어지는 것 외에도, 가열된 유체와 압축기로부터의 유체는 이들이 서로 만날 때 팽창하여, 이들의 온도가 감소된다. 결국, 연소기 하류의 산화반응은 종래 엔진과 마찬가지로 강하게 된다. 이것은, 보다 적은 NOX가 형성되기 때문에, 본 발명에 따른 엔진이 환경에 덜 유해함을 의미한다.
유체가 압축기로부터 터빈 블레이드로 공급될 때, 대량의 에너지를 운반한다. 이 유체는 블레이드의 유입구 및 배출구 에지 사이의 영역에서 팽창한다. 종래의 엔진에서, 이 유체는 연소기 냉각구역 내에서 자체 에너지의 일부를 손실한다. 이러한 냉각손실이 본 발명에서 회피된다. 이러한 팽창시 수행되는 작업은 터빈 동력의 대략 절반이다. 이러한 유체의 양은 연소기로부터 유출된 고온 가스의 양보다 크지만 저온이어서, 작업량이 터빈 동력의 절반인 이유를 설명한다.
도 2 과 유사한 부재는 100 을 더한 유사한 도면부호로 도시되어 있는 도 4 에 도시된 다른 실시예에 있어서, 가스 터빈 엔진이 하나의 터빈 로터 디스크 (214) 를 구비하며 압축기 (212) 가 축 (248) 에 의해 구동되는 것만이 상이한 점이다. 한편, 이 실시예의 구성과 작동은 동일하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 상기 실시예에 대한 각종 변형과 변경이 첨부 특허청구범위에 한정된 본 발명의 요지 내에서 가능함을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 유체유동을 생성하기 위한 압축기, 케이싱, 상기 케이싱 내의 연소구역, 블레이드를 갖춘 터빈 로터 디스크를 구비하며, 상기 블레이드 각각은 그들 사이에서 블레이드 유동부를 형성하는 유입구 에지와 배출구 에지를 구비하고, 상기 유입구 에지는 상기 연소구역의 바로 아래에 위치하는 가스 터빈 엔진을 작동하는 방법으로서,
    가열된 유체를 제공하도록 상기 연소구역 내에서 상기 연료를 연소시키기 위하여 상기 연소구역에 연료와 연소공기를 공급하는 단계와,
    상기 연소구역으로부터 직접적으로 상기 블레이드 유동부로 상기 가열된 유체를 공급하는 단계와, 그리고
    상기 압축기로부터 상기 블레이드 유동부로 상기 유체유동을 공급하여, 상기 블레이드 유동부 내부에 혼합지역이 형성되는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 블레이드 각각은 내부 통로를 구비하며, 상기 유체유동은 상기 내부 통로를 통해 상기 블레이드 유동부로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기로부터 상기 블레이드 유동부로 공급되는 상기 유체유동은 압축기로부터의 전체 유체유동의 55% 내지 85% 로 이루어지는 것을특징으로 하는 방법.
  4. 가스 터빈 엔진으로서,
    유체유동을 생성하기 위한 압축기와,
    연료 소스와,
    연소공기 소스와,
    케이싱과,
    상기 연료를 연소시킴으로써 가열된 유체를 제공하도록 상기 연소공기의 소스 및 상기 연료 소스와 소통하는 상기 케이싱 내의 연소구역과,
    블레이드를 갖춘 터빈 로터 디스크로서, 상기 블레이드 각각은 유입구 에지, 배출구 에지, 및 상기 유입구 에지와 배출구 에지 사이의 블레이드 유동부를 구비하고, 상기 유입구 에지는 상기 가열된 유체를 수용하도록 상기 연소구역의 바로 아래에 위치하는, 터빈 로터 디스크와, 그리고
    상기 압축기와 소통하고 상기 블레이드 유동부 내부에 놓여지는 상기 케이싱 내의 혼합구역을 포함하는 가스 터빈 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 블레이드 각각은 내부 통로를 구비하며, 상기 유체유동은 상기 내부 통로를 통해 상기 블레이드 유동부로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 내부 통로 각각은 소정의 처리용량을 가지며, 상기 처리용량은 상기 블레이드의 수로 분할되는 상기 유체유동에 실질적으로 일치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 압축기로부터 상기 블레이드 유동부로 공급되는 상기 유체유동은 압축기로부터의 전체 유체의 55% 내지 85% 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  8. 가스 터빈 엔진으로서,
    유체유동을 생성하기 위한 압축기와,
    연료 소스와,
    연소공기 소스와,
    케이싱과,
    상기 연료를 연소시킴으로써 가열된 유체를 제공하도록 상기 연소공기의 소스 및 상기 연료 소스와 소통하는 상기 케이싱 내의 연소구역과,
    블레이드를 갖춘 터빈 로터 디스크로서, 상기 블레이드 각각은 유입구 에지, 배출구 에지, 및 상기 유입구 에지와 배출구 에지 사이의 블레이드 유동부를 구비하고, 상기 유입구 에지는 상기 가열된 유체를 수용하도록 상기 연소구역의 바로 아래에 위치하는, 터빈 로터 디스크와,
    상기 압축기와 소통하고 상기 블레이드 유동부 내부에 놓여지는 상기 케이싱내의 혼합구역과, 그리고
    블레이드를 구비하며 상기 터빈 로터 디스크의 회전방향과 반대 방향으로 회전하는 압축기 터빈 로터 디스크를 포함하며,
    상기 블레이드 유동부는 상기 압축기와 소통하여, 유입구 유동부가 상기 혼합구역을 형성하는 가스 터빈 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 블레이드 각각은 내부 통로를 구비하며, 상기 유체유동은 상기 내부 통로를 통해 상기 블레이드 유동부로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 내부 통로 각각은 소정의 처리용량을 가지며, 상기 처리용량은 상기 블레이드의 수로 분할되는 상기 유체유동에 실질적으로 일치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 압축기로부터 상기 블레이드 유동부로 공급되는 상기 유체유동은 압축기로부터의 전체 유체의 55% 내지 85% 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
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