KR20030035961A - 터빈용 내부 슈라우드 조립체, 터빈 슈라우드 조립체용세그먼트 및 냉각 공기 배기 방법 - Google Patents

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Abstract

터빈용 내부 슈라우드 조립체는 터빈의 회전 구성요소(14)를 둘러싸도록 조절된 내부 환형 슈라우드를 형성하기 위해 결합한 다수의 부분 환형 세그먼트(22)를 포함하며, 각 세그먼트(22)는 그 사이의 갭을 갖는 인접한 세그먼트상의 단부 표면과 유사하게 나란히 놓인 한쌍의 단부 표면(28)을 구비하며, 세그먼트내의 적어도 하나의 대류 냉각 홀(36)은 한쌍의 단부 표면(28)중 적어도 하나를 따라 개방된다. 냉각 홀은 특히 갭 내로의 냉각 공기의 유동을 확산시키기 위해 한쌍의 단부 표면중 하나내에 형성된 디퓨져 리세스(38)내로 개방된다.

Description

터빈용 내부 슈라우드 조립체, 터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트 및 냉각 공기 배기 방법{TURBINE SHROUD COOLING HOLE DIFFUSERS AND RELATED METHOD}
본 발명은 가스 터빈의 고온 가스 경로내의 회전 구성요소를 둘러싸는 슈라우드 조립체용 충돌 포집 냉각(impingement cooling)에 관한 것으로, 특히, 내부 슈라우드 세그먼트사이의 갭에 퍼지 공기(purge air)를 제공하여 세그먼트를 냉각시키고 갭내로 고온 가스가 흡입되는 것을 방지하는 것에 관한 것이다.
가스 터빈에 이용되는 슈라우드는 터빈을 통과하는 고온 가스 경로를 둘러싸고, 부분적으로 규정한다. 슈라우드는 고온 가스 경로를 중심으로 원주방향으로 연장하는 다수의 슈라우드 세그먼트를 구비하는 것을 특징으로 하며, 각각의 세그먼트는 별개의 내부 및 외부 슈라우드 몸체를 포함한다. 통상적으로, 각각의 외부 슈라우드 몸체에 대해 2개 내지 3개의 내부 슈라우드 몸체가 있으며, 외부 슈라우드 몸체는 더브테일형 연결부에 의해 터빈의 고정형 내부 쉘에 고정되어 있으며, 내부 슈라우드 몸체는 유사한 더브테일 연결부에 의해 외부 슈라우드 몸체에 고정되어 있다. 내부 슈라우드 세그먼트는 터빈의 회전 부품, 즉 버킷 또는 블레이드의 어레이를 지지하는 로터 휠을 직접적으로 둘러싸고 있다. 내부 슈라우드 세그먼트가 고온 가스 경로내의 고온 연소 가스에 노출되기 때문에, 내부 슈라우드 세그먼트를 냉각시키기 위한 시스템은 종종 세그먼트의 온도를 감소시킬 필요가 있다. 이것은 터빈 연소기에 근접함으로 인해, 매우 높은 온도의 연소 가스에 노출되는 터빈의 제 1 및 제 2 스테이지내의 내부 슈라우드 세그먼트에 대해 특히 적합하다. 또한 열전달율은 터빈 버킷 또는 블레이드의 회전으로 인해 매우 높다. 슈라우드를 냉각시키기 위해서, 일반적으로 터빈 압축기로부터의 비교적 저온의 공기가 세그먼트를 통해 연장하는 대류 냉각 홀을 통해 그리고 세그먼트 사이의 갭내로 공급되어, 세그먼트의 측면을 냉각시키고 갭으로의 고온 경로 연소 가스의 흡입을 방지한다. 그러나, 냉각 홀을 빠져나오는 냉각 공기의 속도가 높기 때문에 그리고 냉각 공기가 고온 가스 유동 경로내로 제트 및 유동과 같이 확산하기 때문에, 단일 냉각 홀로부터의 유동에 의해 배기되고 냉각되는 영역은 작다.
따라서, 종래 설계 방법은 서로 인접한 다중 냉각 홀이 요구되며, 압축기(그리고 부가적인 기계)에서 보다 많은 양의 냉각 공기를 사용하기 때문에, 터빈의 효율을 감소시킨다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 냉각 공기를 내부 슈라우드 세그먼트 사이의 갭내로 배기시키기 위한 냉각 회로는 그 각각의 출구 단부에서 디퓨져와 결합한 대류 홀을 포함한다. 각각의 디퓨져는 각각의 대류 홀로부터 멀어지면서 테이퍼링되며 세그먼트의 표면에서 종료되는 단면을 갖는 길다란 실질적으로 직사각형 출구리세스 또는 캐비티를 포함할 수 있다. 특히, 대류 홀은 세그먼트 표면에 대해 약 45°의 각도로 연장하며, 배기 또는 냉각 유동의 방향에 대해 후방에 근접한 디퓨져 리세스 또는 리세스의 상류 단부내로 개방되어 있다. 디퓨져 리세스는 유동 방향(또는 대류 홀의 전방)으로 연장하는 길다란 테이퍼부와, 유동 방향에 대향하는 방향으로 연장하는 짧은 테이퍼부를 포함한다. 최종적으로, 냉각 또는 퍼지 공기는 세그먼트의 표면에 도달하기 전에 확산하기 시작하며, 세그먼트 에지의 냉각을 강화한다. 냉각 또는 퍼지 공기는 확산시에 약간의 속도가 줄게 되지만, 충분한 압력이 유지되어 고온 가스 경로 가스가 내부 슈라우드 세그먼트 사이의 갭으로 진입하는 것이 방지된다.
따라서 보다 넓은 관점에서, 본 발명은 터빈의 회전 구성요소를 둘로싸도록 조절되는 내부 환형 슈라우드를 형성하기 위해 결합된 다수의 부분 환형 세그먼트로서, 그 사이에 갭을 갖는 인접한 세그먼트상의 단부 표면과 유사하게 나란히 놓인 한쌍의 단부 표면을 구비하는, 다수의 부분 환형 세그먼트와; 상기 한쌍의 단부 표면중 적어도 하나를 따라 개방되는 상기 세그먼트내의 적어도 하나의 대류 냉각 홀을 포함하는 터빈용 내부 슈라우드 조립체에 관한 것이며; 상기 적어도 하나의 냉각 홀은 상기 갭내로 상기 냉각 공기의 유동을 확산시키기 위해 상기 한쌍의 단부 표면중 하나내에 형성된 디퓨져 리세스내로 개방된다.
다른 특징에서, 본 발명은 터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트에 관한 것으로서, 이 세그먼트는 밀봉 표면 및 대향하는 단부 표면을 구비하는 세그먼트 몸체와, 세그먼트 몸체를 통해 연장하고 세그먼트 몸체의 각각의 단부 표면내에 형성된 디퓨져 리세스내로 개방되는 적어도 하나의 대류 냉각 홀을 포함한다.
또다른 특징에서, 본 발명은 터빈 슈라우드 조립체내의 인접한 부분 환형 세그먼트 사이의 갭내로 냉각 공기를 배기시키는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 ⓐ 각각의 세그먼트내에 형성된 하나 또는 그 이상의 냉각 홀을 통해 냉각 공기를 공급하는 단계로서, 각각의 냉각 홀은 세그먼트의 단부 표면을 따라 개방되는, 상기 냉각 공기 공급 단계와, ⓑ 냉각 공기가 각각의 세그먼트의 단부 표면에 도달하기 전에 냉각 공기를 확산시키는 단계를 포함한다.
도 1은 제 1 스테이지 버킷과 제 2 스테이지 노즐 사이에 위치되며 본 발명에 따른 내부 슈라우드 디퓨져와 결합하는 터빈 내부 슈라우드 세그먼트의 단순화된 부분 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 내부 슈라우드 세그먼트의 디퓨져 부분을 통해 취한 수평 단면도,
도 3은 도 2와 유사하지만, 인접한 슈라우드 세그먼트내의 한쌍의 디퓨져의 배열을 도시하는 수평 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 슈라우드 시스템12 : 터빈 하우징
14 : 베인16 : 고온 가스 유동 방향
20, 22 : 내부 슈라우드 세그먼트24 : 세그먼트 몸체
26 : 반경방향 내부 표면28 : 원주방향 단부 표면
34 : 충돌 플레이트35 : 충돌 캐비티
36 : 대류 홀38, 48, 50 : 디퓨져 리세스
40, 42 : 테이퍼44, 46 : 대류 홀
52, 54 : 세그먼트 표면56 : 갭
이제 도 1을 참조하면, 가스 터빈의 고온 가스 경로내의 회전 구성요소를 둘러싸는 슈라우드 시스템(10)의 부분이 도시되어 있다. 슈라우드 시스템(10)은 터빈 하우징(12)의 고정형 내부 쉘에 고정되고, 고온 가스 경로내에 배치된 회전 버킷 또는 베인(14)을 둘러싼다. 도 1에 도시된 슈라우드 시스템(10)의 부분은 터빈의 제 1 스테이지용이고, 고온 가스의 유동 방향은 화살표(16)로 표시된다. 슈라우드 시스템(10)은 외부 및 내부 슈라우드 세그먼트(20, 22)를 각각 포함한다. 슈라우드 시스템이 서로에 대해 원주방향으로 배열되면서 2개 또는 3개의 내부 슈라우드 세그먼트(22)가 각각 외부 슈라우드 세그먼트(20)중 각각의 하나와 연결되는 다수의 세그먼트를 포함하는 것은 이해될 것이다. 예를 들면, 원주 방향으로 서로 인접한 42개의 외부 슈라우드 세그먼트와 원주방향으로 서로 인접한 84개의 내부 슈라우드 세그먼트는 한쌍의 내부 슈라우드 세그먼트가 하나의 외부 슈라우드 세그먼트에 고정되게, 그리고 인접한 내부 세그먼트 사이의 갭을 구비하게 정렬될 수 있다. 여기에서 중요한 개별적인 내부 슈라우드 세그먼트는 실질적으로 동일하며, 따라서 단지 하나만이 상세하게 설명될 필요가 있다.
세그먼트(22)는 다수의 굴곡진 시일 치형부 또는 굴곡진 시일 치형부, 브러시 및/또는 직물 시일(도시되지 않음)의 조합을 장착시키는 반경방향 내부 표면(26)을 구비하는 세그먼트 몸체(24)를 포함한다. 각각의 세그먼트 몸체는 그중 하나가 참조부호(28)로 도시된 실질적으로 동일한 원주방향 단부 표면에 의해 형성된다. 세그먼트(22)는 참조부호(32)인 종래의 후크 또는 C자형 클립 배열에 의해 외부 슈라우드 세그먼트(20)에 장착된다.
터빈 압축기로부터의 냉각 공기는 세그먼트(22)를 통해 드릴링되고 세그먼트의 원주방향 단부 표면(28)에서 디퓨져 리세스(38)내로 개방되는 적어도 하나의 대류 홀(36)(하나가 도시됨)로 충돌 플레이트(35)를 통해 냉각 공기를 수납하는 충돌 캐비티(34)를 통해 공급된다. 도 2를 특히 참조하면, 디퓨져 리세스는 하류 또는 유동 경로 방향으로 연장된 테이퍼(40)와, 상류 또는 유동 경로 반대 방향으로 보다 날카롭게 각진 짧은 테이퍼(42)를 포함하며, 홀(36)은 테이퍼(40, 42)가 교차하는 리세스의 후방부내로 개방된다. 이러한 배열에 의해, 홀(36)을 통과하는 냉각 공기 유동은 리세스(38)의 보다 넓은 하류부내로 신속히 확산되고, 그 후 인접한 세그먼트 사이의 원주방향 갭내로 신속하게 확산된다. 따라서, 확산된 냉각 대류 공기는 세그먼트의 대형부를 냉각시키고, 인접한 세그먼트의 대형부를 충돌 포집 냉각시킨다. 동시에, 충분한 압력이 유지되어 모든 고온 가스 경로 가스가 인접한세그먼트 사이의 갭내로 흡입되는 것을 방지한다.
도 3은 인접한 세그먼트 표면(52, 54)상에서 인접한 대류 홀(44, 46) 및 결합된 각각의 디퓨져 리세스(48, 50)가 어떻게 나란히 놓였는지, 그리고 냉각 공기를 인접한 세그먼트 사이의 갭(56)내로 어떻게 공급하는지를 도시한다. 이러한 배열은 내부 슈라우드 세그먼트의 환형 전반에 걸쳐 반복된다.
디퓨져 리세스가 직사각형으로 도시되었지만, 본 발명은 냉각 공기가 충분히 확산되는 한 어떠한 특정 형상에 한정되지 않는다.
냉각 공기가 세그먼트 단부 표면에 도달하기 전에 냉각 공기를 확산시킴으로써, 냉각 공기가 인접한 세그먼트 사이의 갭내로 배기됨에 따라 대류 냉각 홀의 효과가 증대된다.
본 발명은 가스 터빈의 제 1 및 제 2 스테이지내의 내부 슈라우드 세그먼트에 대해 주로 설명되었지만, 본 발명은 냉각 및/또는 퍼지 공기가 인접한 세그먼트 사이의 갭에 공급되는 어떠한 세그먼트식 슈라우드 또는 시일에도 적용 가능하다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에 포함된 다양한 변경 및 동등한 구성을 포함함이 이해될 것이다.
본 발명에 의하면, 내부 슈라우드 사이의 갭에 퍼지 공기를 제공하여 세그먼트를 냉각시키고 갭내로 고온 가스가 흡입되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 터빈용 내부 슈라우드 조립체(10)에 있어서,
    터빈의 회전 구성요소(14)를 둘러싸도록 조절된 내부 환형 슈라우드를 형성하기 위해 결합된 다수의 부분 환형 세그먼트(22)로서, 그 사이에 갭을 갖는 인접한 세그먼트상의 단부 표면과 유사하게 나란히 놓인 한쌍의 단부 표면(28)을 구비하는, 상기 다수의 부분 환형 세그먼트(22)와; 상기 한쌍의 단부 표면중 적어도 하나를 따라 개방되는 상기 세그먼트내의 적어도 하나의 대류 냉각 홀(36)을 포함하며; 상기 적어도 하나의 냉각 홀(36)은 상기 갭내로 상기 냉각 공기의 유동을 확산시키기 위해 상기 한쌍의 단부 표면중 하나내에 형성된 디퓨져 리세스(38)내로 개방되는
    터빈용 내부 슈라우드 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디퓨져 리세스(38)는 실질적으로 길다란 형상이며, 상기 적어도 하나의 냉각 홀의 대향 측면상의 길이방향 표면(40, 42)은 상기 냉각 홀을 향해 내측으로 테이퍼링되어 있는
    터빈용 내부 슈라우드 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 길이방향 표면중 주요한 하나의 표면(40)은 상기 적어도 하나의 냉각 홀(36)의 하류로 연장하는
    터빈용 내부 슈라우드 조립체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 대류 냉각 홀(36)은 상기 디퓨져 리세스의 폭방향 치수와 실질적으로 동일한 직경을 갖는
    터빈용 내부 슈라우드 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 부가적인 냉각 홀(36)은 상기 한쌍의 단부 표면중 다른 하나를 따라 개방되는
    터빈용 내부 슈라우드 조립체.
  6. 터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트(22)에 있어서,
    밀봉 표면(26) 및 대향하는 단부 표면(28)을 구비하는 세그먼트 몸체와; 상기 세그먼트 몸체를 통해 연장하고 상기 세그먼트 몸체의 각각의 단부 표면(28)내에 형성된 디퓨져 리세스(38)내로 개방되는 적어도 하나의 대류 냉각 홀(36)을 포함하는
    터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 디퓨져 리세스(38)는 실질적으로 직사각형이며, 상기 대류 냉각 홀의 대향 측면상의 길이방향 표면(40, 42)은 상기 대류 냉각 홀을 향해 테이퍼링되는
    터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 길이방향 표면중 주요한 하나의 표면(40)은 상기 대류 냉각 홀의 하류로 연장하는
    터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 대류 냉각 홀(36)은 상기 디퓨져 리세스(38)의 폭 치수와 실질적으로 동일한 직경을 갖는
    터빈 슈라우드 조립체용 세그먼트.
  10. 터빈 슈라우드 조립체내의 인접한 부분 환형 세그먼트(22) 사이의 갭(56)내로 냉각 공기를 배기시키는 방법에 있어서,
    ⓐ 각각의 세그먼트내에 형성된 하나 또는 그 이상의 냉각 홀(44, 46)을 통해 냉각 공기를 공급하는 단계로서, 상기 각각의 냉각 홀은 상기 세그먼트의 단부표면을 따라 개방되는, 상기 냉각 공기 공급 단계와,
    ⓑ 상기 냉각 공기가 상기 각각의 세그먼트의 단부 표면(52, 54)에 도달하기 전에 상기 냉각 공기를 확산시키는 단계를 포함하는
    냉각 공기 배기 방법.
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