KR20020041756A - 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

가스 터빈의 노즐에 속한 각각의 베인(10)에 적용될 수 있는 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템으로서, 상기 각각의 베인(10)은 오목한 표면(11) 및 대향하는 볼록한 표면(12)을 가지며, 이들 표면은 협동하여 상기 베인(10)의 외측 형상을 규정하며, 상기 베인(10)의 표면은 그 자체의 적절한 지점들에 다수의 냉각 구멍(13)을 갖는, 냉각 시스템이다. 이 시스템에 있어서, 상기 베인(10)의 출구 에지(16)에 대한 냉각 구멍(17)은 주입 섹션(18)과 배출 섹션(19)을 구비하며 이들은 냉각 구멍(17)이 반경방향으로 가변적인 단면을 갖도록 형성된다.

Description

가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR GAS TURBINE STATOR NOZZLES}

본 발명은 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 가스 터빈은 압축기와 하나 이상의 스테이지를 갖는 터빈으로 구성된 기계장치로서, 이들 부품은 회전 샤프트에 의해 서로 결합되며, 연소 챔버가 압축기와 터빈 사이에 제공된다.

이들 기계장치에 있어서, 압축기를 가압하기 위해 외부 환경으로부터 얻어진 공기가 압축기에 공급된다.

압축된 공기는 일련의 예비혼합 챔버를 지나는데, 이들 챔버들은 각각 수렴부로 종지되며, 인젝터가 연료를 각각의 챔버내로 공급하며, 연료는 공기와 혼합되어 연소될 공기-연료 혼합물을 형성한다.

연소 챔버내에서는 연료가 적절한 스파크 플러그에 의해 점화되어 연소를 일으키며, 이것은 온도 및 압력을 증가시켜 가스의 엔탈피를 증가시키도록 설계된다.

동시에, 압축기는 압축된 공기를 공급하며, 이 압축된 공기는 버너 및 연소 챔버의 라이너를 통과하여 연소를 조장하는데 사용된다.

그 다음에, 적절한 파이프를 통해, 고온 고압의 가스는 가스의 엔탈피를 사용자에 유용한 기계적 에너지로 변환하는 터빈의 여러 스테이지에 도달한다.

이 시점에서, 특정한 가스 터빈으로부터 최대 성능을 얻기 위하여, 가능한 한 높은 가스의 온도가 필요하다는 것이 또한 공지되어 있다. 그러나, 터빈의 사용에서 달성될 수 있는 최대 온도는 사용된 재료의 내열성에 의해 제한된다.

본 발명에 의해 해결되는 기술적 문제점들을 보다 명확히 하기 위해서, 이하 종래 기술에 따른 가스 터빈의 고압 스테이지의 스테이터에 대해 간략히 설명한다.

연소 챔버로부터의 하류에, 터빈은 고압 스테이터 및 로터를 가지며, 스테이터는 연소 가스의 유동을 적합한 상태로 로터의 입구로 이송하고 또한 연소 가스의 유동을 특히 대응하는 로터 블레이드의 베인에 운반하여, 유동이 블레이드의 등(dorsal) 또는 볼록 표면 및 배(ventral) 또는 오목 표면과 직접 만나는 것을 방지하는데 사용된다.

스테이터는 일련의 스테이터 블레이드로 구성되며, 그 각각의 쌍 사이에는 대응하는 노즐이 제공된다.

스테이터 블레이더의 그룹은 링의 형태이며 외측이 터빈 케이싱에 결합되며 내측이 대응하는 지지체에 결합된다.

이러한 관점에 있어서, 특히 고압 스테이지의 경우에 있어서, 스테이터의 제 1 기술적 문제점은 스테이터가 스테이터 베인내에서 팽창하는 유체의 압력 감소에 의해 야기된 고압 부하를 받는다는 사실로 이루어져 있음을 알 수 있다.

또한, 스테이터는 연소 챔버로부터 얻어진 고온 가스의 유동에 의해 또한 열적 관점에서 가장 높은 응력을 받는 부품의 냉각을 위해 터빈 내부로 도입되는 냉각 공기의 유동에 의해 야기된 높은 온도 구배를 받는다.

이러한 높은 온도에 기인하여, 터빈의 고압 스테이지에서 사용되는 스테이터 블레이드는 냉각되어야 하며, 이것을 위해, 스테이터 블레이드는, 스테이터 블레이드 자체내부의 공기 순환을 위해 사용되는 구멍을 대응적으로 구비하는 표면을 갖는다.

그러나, 이러한 맥락에서, 가스 터빈의 성능의 증가를 위한 일정한 조건에따라 터빈 엔진내의 모든 유동의 필요한 최적화가 행해진다는 것을 주목해야 한다.

특히, 압축 스테이지로부터 얻어진 공기는 전술된 바와 같이 처리되기 때문에, 열역학적 사이클내에서의 상당한 증가로 인해 이 공기가 가능한 한 냉각 기능대신에 연소 기능을 위해 사용되는 것이 장점적이며, 냉각 기능은 또한 가장 중요한 고온 영역에서 필수적이다.

이러한 맥락에서 발생되는 중요한 기술적 문제는, 요구되는 공기의 양이 기능 조건, 터빈 엔진 및 그 부품의 노화 및 마모 정도 또는 더러움에 따라 또한 일시적 기능 상태동안 그 콤포넌트의 치수적 변화에 따라 변한다는 것을 고려하여, 여러 영역내의 공기를 정확히 측정하는 것이다.

열적 관점에서 특정한 응력을 받는 부품은 스테이터 노즐로서, 그 설계는 기계장치의 고 레벨의 유체 역학적 효율을 얻기 위해 필요한 유체 역학적 조건에 부합해야만 한다.

스테이터 노즐의 설계는 또한, 먼저 금속의 온도를 사용되는 재료에 의해 결정되는 (또한 900℃일 수 있는) 특정한 값 아래로 제한하기 위해 또한 그 다음에 재료내에 존재하는 온도 구배를 제한하기 위해 열적 요구조건에 부합해야 한다.

본 발명의 특징을 이해하는 것을 돕기 위해, 이하 도 1을 참조하는데, 도 1은 종래 기술에 다른 가스 터빈의 노즐에 속하는 베인(20)의 종단면도이다.

베인(20)은 오목 또는 배 표면(21)과, 대향하는 볼록 또는 등 표면(22)을 갖는데, 이들 표면은 협동하여 베인(20)의 외측 형상을 규정한다.

베인(20)의 표면상에 적절한 지점들에 도시된 다수의 냉각 구멍(23)이 또한제공된다.

이들 구멍 또는 슬롯은 실제로 노즐 자체의 단부를 냉각하기 위한 기능을 한다.

베인(20)의 내부에는 작은 박스(24, 25) 즉, 열교환율을 현재의 적용에 적합한 값(3000W/㎡K)으로 증가시키는 천공된 판 요소가 존재한다.

실제로, 노즐 베인의 이 부분은 제한된 온도를 유지하여야 하며, 동시에 전체 기계장치의 성능 레벨을 떨어뜨리지 않기 위해 압축기로부터 얻어진 비교적 차가운 공기의 소비는 제한되어야 한다(예를 들면, 이것은 5-10%이어야 한다).

베인(20)의 출구 에지(26)에, 도 1에 도시된 입구 섹션(28) 및 출구 섹션(29)을 갖는 냉각 구멍(27)이 존재한다.

따라서 공지된 기술은 베인(20)의 출구 에지의 냉각 구멍 부근의 재료의 두께가 과다하거나 또는 너무 큰 문제를 갖는다.

도 1에서 참조부호(30, 30')로 표시된 이러한 양의 재료는, 국부적 열교환율을 매우 높은 값으로 증가시킬 수 있지만, 대체로 그 내부에 제거하기 어려운 온도 구배를 갖는다.

그러나, 구멍의 입구 섹션이 출구 에지에서 확장되는 경우, 높은 열적 구배를 갖는 재료가 제거되지만, 동일한 유량의 냉각 공기에 대해 비교하면, 동시에 냉각 공기 속도가 저하되며, 그에 따라 베인(20)의 구멍 또는 슬롯내에서 발생되는 열교환율이 저하된다.

따라서, 이것은 노즐 재료의 물리적 특성과 관련하여 과다하게 높은 온도의금속에 기인한 위험을 나타낸다.

따라서, 본 발명의 목적은 가스 터빈의 스테이터 노즐용 냉각 시스템을 제공하는 것으로, 이들 노즐 베인의 온도를 최적으로 제어할 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스 터빈의 스테이터 노즐용 냉각 시스템을 제공하는 것으로, 베인내의 바람직하지 못한 온도 구배를 제거할 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 가스 터빈의 스테이터 노즐용 냉각 시스템을 제공하는 것으로, 베인의 출구 에지의 냉각 구멍 부근의 큰 재료 두께를 감소시킬 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 상기 목적 및 기타 목적은 가스 터빈의 노즐에 속한 베인에 적용가능한 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템에 의해 달성되는데, 상기 베인은 각각 오목한 표면 및 대향하는 볼록한 표면을 가지며, 이들 표면은 협동하여 베인의 외측 형상을 규정하며, 상기 표면은 그 적절한 지점들에 다수의 냉각 구멍을 갖는, 냉각 시스템에 있어서, 상기 베인의 출구 에지에 관련된 냉각 구멍은 입구 섹션과 출구 섹션을 구비하며 이들은 냉각 구멍이 상기 베인에 대해 반경방향인 방향으로 가변적인 단면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 베인의 반경방향을 따른, 베인의 출구에지의 냉각 구멍의 입구 섹션의 높이[도 4의 참조부호(Hin)]는 출구 섹션[도 3의 참조부호(Hout)]의 상대 높이보다 낮다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 베인의 열교환율을 증가시키기 위해, 상기 베인내에는 물결모양의 요소가 존재한다.

본 발명에 따른 시스템은, 전체 냉각 구멍을 따라 높은 열교환율을 가지며 상기 베인의 금속내의 열구배가 존재하지 않는다.

본 발명에 따르면, 노즐의 냉각 시스템은, 항상 높은 값의 열교환율을 보장하기 위해, 구멍의 벽 자체를 따라 난류를 생성하기 위한 다수의 요소를 갖는다.

또한, 노즐의 냉각 시스템은 상기 구멍의 입구에 국부화된 낮은 부하 손실을 가져, 이 영역에서의 조절 공기의 총 압력의 일부의 소모를 방지하여, 냉각 구멍 및 난류 생성용 요소의 부하 손실을 극복하기 위해 냉각 유체를 보다 큰 에너지인 채로 남겨 둔다.

마지막으로, 상기 구멍의 기하학적 형상은 상기 베인의 주조동안 용융 합금의 주입을 용이하게 하도록 형성된 것임을 주목해야 한다.

본 발명의 다른 특징은 본 출원서에 첨부된 다른 청구항에 규정되어 있다.

본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 개략적 도면을 참조로한 비제한적 예에 의해 제공된 전형적 실시예에 대한 다음의 기재로부터 보다 분명하게 될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 가스 터빈의 노즐에 속한 베인의 개략적 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 가스 터빈의 노즐에 속한 베인의 종단면도,

도 3은 본 발명에 따른 가스 터빈의 노즐의 냉각 구멍의 출구 섹션의 반경방향 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 가스 터빈의 노즐의 냉각 구멍의 입구 섹션의 반경방향 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 베인 16: 출구 에지

17: 냉각 구멍18: 입구 섹션

19: 출구 섹션

본 명세서에 있어서, "반경방향"은 특히 기계장치내에서 팽창하는 가스의 유동방향에 수직한 방향을 지칭한다.

일부 경우에 있어서, 가스 유동의 방향은 또한 기계장치의 주축선의 방향이다.

무엇보다도 특히 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 가스 터빈의 노즐에 속한 베인(10)의 종단면도를 나타낸다.

베인(10)의 형상은 특히 터빈에 의해 처리되는 기체에 관해 요구되는 공기역학적 특성을 제공하도록 설계되며 또한 오목한 또는 등 표면(11)과 대향하는 볼록한 또는 배 표면(11)을 갖는데, 이들 표면은 협동하여 베인(10)의 외측 형상을 규정한다.

베인(10)의 표면의 적절한 위치에 존재하는 다수의 냉각 구멍(13)이 또한 제공된다.

베인(10) 내부에는, 현재의 적용에 적합한 값으로 열교환율을 증가시키는 작은 박스(14, 15) 즉, 천공된 판 요소가 존재한다.

본 발명의 목적을 위해 특히 중요한 것은 베인(10)의 출구 에지(16)인데, 그 내에는 냉각 구멍(17)이 제공되며 이것은 또한 공지된 기술에 비해 확장된 입구 섹션(18)을 갖는다.

도 2는 또한 베인(10)이 얇게되는 부분내의 냉각 구멍(17)의 출구 섹션(19)을 도시한다.

결과적으로, 이러한 구성에 의하면, 베인(10)의 냉각 구멍(17)의 입구 섹션(18)의 확장이 얻어진다.

이러한 단점을 제거하기 위해, 대개 일정한 단면을 갖는 냉각 구멍은 반경방향으로 가변적인 높이를 가질 수 있다.

실제로, 냉각 구멍의 입구가 도면의 평면내에서 보다 넓게되면[도 2에서의 영역(18)], 그 평면에 대해 수직인(기계장치에 대해 반경방향) 치수는 종래의 적용보다 작게될 수 있다.

실제로, 베인(10)의 출구 에지(16)의 냉각 구멍(17)의 입구 섹션(18)은 출구 섹션(19)의 대응하는 치수[도 3에서 참조부호(Hout)으로 표시됨]보다 작은 치수[도 4에서 참조부호(Hin)]를 갖는다.

본 발명에 따른 노즐용 냉각 시스템이 또한 베인의 출구 에지 부근[도 1의 영역(29) 및 도 2의 영역(19)]에 동일한 치수의 냉각 구멍을 갖는 것을 특징으로 하면, 이것은 도 3 및 도 4에 도시된 입구 섹션(18) 및 출구 섹션(19)을 갖는 순수한 3차원 형태를 취할 것이다.

따라서, 이러한 기하학적 형상에 의해, 전체 냉각 구멍(17)을 따라 높은 열교환율을 가져 베인의 금속 내부의 온도 구배를 제거할 수 있다.

항상 높은 값의 열교환율을 보장하기 위해, 열교환의 다른 개선이 또한 구멍의 벽 자체를 따라 난류를 생성하기 위한 요소를 사용함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 부가적 장점이 구멍의 입에 국부화된 감소된 부하 손실에 의해 제공되는데, 이에 의해 이 영역내의 조절 공기의 총 압력의 일부를 소모하지 않도록 할 수 있어, 냉각 구멍 및 난류 생성용 요소의 부하 손실을 극복하기 위해 냉각 유체를 보다 큰 에너지인 채로 남겨 둔다.

본 발명의 다른 장점은 베인의 주조동안 발생하는데, 그 기하학적 형상이 슬롯의 입구 영역에 깔때기 유형을 형성하며, 이것은 용융된 합금의 주입을 용이하게 한다.

본 발명의 이론적 및 경험적 결과는 매우 만족스러워서 본 시스템은 널리 적용가능한 새로운 가스 터빈에 사용될 수 있다.

기술된 설명은 본 발명에 따른 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템의 특징 및 장점을 명백하게 한다.

상기 장점을 보다 명백하고 정확하게 규정하기 위해, 다음의 결론적 코멘트 및 의견을 기술한다.

제안된 해결 과제는 베인의 출구 에지의 냉각 구멍 부근의 재료의 큰 두께를 감소시키는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기 영역의 재료의 큰 두께를 제거하며 동시에 대응하는 온도 구배를 제거하는 것으로 구성된다.

이것은, 이 특별하게 중요한 영역에서의 조절 공기의 총 압력의 일부를 소모하는 것을 방지하기 위해, 구멍(17)의 입구에 국부화된 부하 손실의 감소와 관련하여 앞서 기술한 장점적 결과를 야기한다.

구멍(17)의 기하학적 형상은 베인(10)의 주조 동안 용융 합금의 주입을 용이하게 하도록 형성된다.

마지막으로, 발명의 개념에 있어서 본질적인 신규성의 원리로부터 일탈됨없이, 본 발명의 요지인 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템에 대해 다양한 변경이 행해질 수 있음은 명백하다.

또한, 본 발명의 특정한 실시예에 있어서, 요구조건에 따라 임의의 재료, 치수 및 형태가 사용될 수 있으며 콤포넌트 자체는 기술적으로 균등한 다른 콤포넌트로 대체될 수 있음이 명백하다.

본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

본 발명의 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템에 따르면, 노즐 베인의 온도를 최적으로 제어할 수 있으며, 베인내의 바람직하지 못한 온도 구배를 제거할 수 있으며, 또한 베인의 출구 에지의 냉각 구멍 부근의 큰 재료 두께를 감소시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 가스 터빈의 노즐에 속한 각각의 베인(10)에 적용될 수 있는 가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템으로서, 상기 각각의 베인(10)은 오목한 표면(11) 및 대향하는 볼록한 표면(12)을 가지며, 이들 표면은 협동하여 상기 베인(10)의 외측 형상을 규정하며, 상기 베인(10)의 표면은 다수의 냉각 구멍(13)을 갖는, 냉각 시스템에 있어서,

   상기 베인(10)의 출구 에지(16)에 관련된 냉각 구멍(17)은 입구 섹션(18)과 출구 섹션(19)을 구비하며 이들은 냉각 구멍(17)이 반경방향으로 가변적인 단면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 베인(10)의 반경방향을 따른, 상기 베인(10)의 출구 에지(16)의 냉각 구멍(17)의 입구 섹션(18)의 높이는 상기 출구 섹션(19)의 상대 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 베인(10)의 열교환율을 증가시키기 위해, 상기 베인(10)내에 천공된 판 요소(14, 15)가 존재하는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각 시스템은, 전체 냉각 구멍(17)을 따라 높은 열교환율을 가지며 상기 시트(10)의 금속내의 온도 구배가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각 시스템은, 항상 높은 값의 열교환율을 보장하기 위해, 구멍의 벽 자체를 따라 난류를 생성하기 위한 다수의 요소를 갖는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각 시스템은 상기 구멍(17)의 입구에 국부화된 낮은 부하 손실을 가져, 이 영역에서의 조절 공기의 총 압력의 일부가 소모되는 것을 방지하고, 냉각 구멍 및 난류 생성용 요소의 부하 손실을 극복하기 위해 냉각 유체를 보다 큰 에너지인 채로 남겨 두는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 구멍(17)의 기하학적 형상은 상기 베인(10)의 주조동안 용융 합금의 주입을 용이하게 하도록 형성된 것을 특징으로 하는

   가스 터빈 스테이터 노즐용 냉각 시스템.