KR20040025615A - 연결기 부분 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈내의 연소기 라이너(24)와 전이부(20)를 연결하는 연결기 부분(22)은 실질적으로 원통 형상을 가지며, 그리고 내벽(33) 및 외벽(34)과 그리고 상기 내벽과 외벽 사이에서 그 부분을 따라 축방향으로 연장되는 다수의 냉각 채널(36)을 포함하는 이중 벽의 구조로 되어 있다. 이 냉각 채널(36)은 부분적으로 방사상 내측면(40) 및 외측면(38)에 의해 규정되고, 상기 방사상 내측면 및 외측면 중 적어도 하나에는 요면(42)의 열이 형성되어 있다.

Description

연결기 부분{DOUBLE WALL COMBUSTOR LINER SEGMENT WITH ENHANCED COOLING}
본 발명은 일반적으로 터빈 부품에 관한 것으로서, 특히 육상 가스 터빈내의 연소기 라이너를 전이부에 연결하는 원통형 연결기 부분에 관한 것이다.
전형적인 가스 터빈 연소기는 연료 및 공기가 연소실내에 개별적으로 유입되는 확산(즉, 비 예비혼합) 화염을 사용한다. 혼합 및 연소 공정에 의해 3,900℉ 이상의 화염 온도가 발생한다. 종래의 연소기 및/또는 전이부는 일반적으로 약 1만 시간(10,000)동안 약 1,500℉ 정도의 최대 온도에만 견디는 것이 가능하기 때문에, 연소기 및/또는 전이부 뿐만아니라 개재되는 연결부를 보호하는 단계를 포함하여야 한다. 이것은, 비교적 저온의 압축기 공기를 연소기의 외부를 둘러싸는 플리넘 내에 도입하는 것을 수반하는 막 냉각에 의해 실행되는 것이 일반적이다. 이러한 종래의 설비에서, 플리넘으로부터의 공기는 연소기 라이너의 방열공(louver)을 통과한 다음 연소기 라이너의 내측면 위의 막을 통과하여, 연소기 라이너의 완전성을 유지한다.
2원자 질소가 약 300℉(약 1,650℃) 이상의 온도에서 급속히 해리되기 때문에, 확산 연소의 고온은 비교적 다량의 NOx방출을 초래한다. NOx방출을 감소시키기 위한 한가지 접근법은, 최대의 가능한 양의 압축기 공기를 연료와 예비 혼합하는 것이었다. 결과적인 희박한 예비혼합 연소에 의해 저온의 화염 온도가 발생되고 그에 따라 NOx방출이 저하된다. 희박한 예비혼합 연소는 확산 연소보다 온도가 낮지만, 화염 온도는 종래의 연소기 부품이 견디기에는 여전히 높다.
또한, 진보된 연소기는 NOx감소를 위해 최대의 가능한 양의 공기를 연료와 예비혼합하기 때문에, 냉각 공기를 조금밖에 이용할 수 없거나 또는 전혀 이용할 수 없게 되어, 연소기 라이너 및 전이부의 막 냉각이 불가능하게 된다. 따라서, 그러한 고열에 의한 파괴로부터 연소기 라이너 및 전이부를 보호하기 위해서, "후부(backside)" 냉각과 함께 열 장벽 피복(heat barrier coating)과 같은 수단이 고려되었다. 후부 냉각은, 공기를 연료와 예비혼합하기 전에 압축기 공기가 연소기 라이너 및 전이부의 외부 표면을 가로질러 통과하는 것을 필요로 하였다.
희박한 예비혼합 연소는 저온 화염 온도를 발생시키는 것에 의해 NOx방출을 감소시킨다. 그러나, 특히 연소기 라이너의 내측면 또는 벽을 따르는 저온은 일산화 탄소 및 미연소 탄화 수소의 산화를 억제하여 이들 종의 허용할 수 없는 방출에 이르게 한다. 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시키기 위해서, 라이너는 표면 온도가 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 완전 연소를 보증할 정도로 충분히 높도록 극단적인 두께(50 내지 100 mils)의 열 장벽 피복을 필요로 한다. 전형적인 길이 및 유동 상태의 연소기의 경우에, 이것은 약 1,800 내지 2,00℉의 접합 코트 온도와 약 2,200℉의 TBC(열 장벽 피복)온도이다. 그러나, 전형적인 가스 터빈 부품의 수명에 대한 그러한 열 장벽 피복의 두께 및 온도는 현재의 재료의 공지된 특성의 범위 이상이다. 공지된 열 장벽 피복은 이러한 온도에서 허용 불가능한 단기간 내에 품질이 저하되고 그러한 두꺼운 피복은 파쇄되기 쉽다.
현재 개발중에 있는 진보된 냉각 개념은 복잡한 냉각 채널을 얇은 벽 구조로 제조하는 것을 필요로 한다. 이러한 구조체가 더 복잡해질수록, 주조와 같은 종래의 기술을 사용하기가 더욱 어려워진다. 이러한 구조체는 복잡하고 또 그것의 벽 치수는 진보된 초합금의 주조 가능 범위를 초과할 수도 있고 그리고 파손 및 왜곡에 관해서 주조에 사용되는 취성 세라믹 코어의 특성을 초과할 수도 있기 때문에, 이러한 종래의 한계를 극복할 수 있는 신규한 제조 방법을 개발해야 한다. 냉각을 향상시키기 위한 가능한 기하학적 구조는, 예컨대 공통 소유의 미국 특허 제 5,933,699 호, 제 5,822,853 호 및 제 5,724,816 호에 개시되어 있다. 추가의 예시를 통해, 연소기 라이너의 냉각 향상은 미국 특허 제 6,098,397 호에 개시된 바와 같이 연소기 라이너의 저온측에 오목한 요부(dimple)를 제공하는 것에 의해 달성된다.
어떤 가스 터빈의 구조에서는, 연소기 라이너를 전이부에 연결하는 대체로 원통형 부분도 냉각이 필요고 또한 냉각이 필요하다. 이러한 소위 연소기 라이너 부분은, 원주방향으로 이격된 열로 종방향으로 배열되고 냉각 공기가 그 라이너 부분의 일 단부로부터만 도입되는 냉각 채널이 내부에 형성된 이중 벽 부분이다. 그러나, (예컨대, 미국 특허 제 5,933,699 호에서와 같이)이러한 냉각채널의 형성은 바람직하지 않은 거친 표면을 만드는 것으로 인지되었고, 또한 그 설계 구조는 라이너 부분을 따라서 냉각제의 이격된 상태의 도입을 고려하지 않는다.
따라서, 높은 연소 온도에 견딜 수 있는 연소기 라이너 및 전이부를 연결하는 부분에서의 냉각의 향상이 필요하다.
본 발명은 각 냉각 채널의 하나 또는 2개의 주 표면상에 요면(concavity)의 열을 포함하는 것에 의해 달성되는 향상된 냉각으로 연소기 라이너 및 전이부를 연결하여 100% 정도의 냉각 향상을 제공하는 대체로 원통형의 이중 벽 부분을 제공한다. 그 결과, 채널은 필요한 냉각 공기의 체적을 증가시킴이 없이 그들의 최초 길이의 2배 만큼 연장될 수도 있다. 이러한 배열에 의해, 냉각 공기가 이중 벽 부분의 일 단부에서만 가압되기 보다는 벽 부분을 따라 축방향으로 이격된 충돌 냉각 구멍에 의해 공급되는 것이 허용된다.
예시적인 실시예에서, 이중 벽의 냉각 채널의 하나 또는 2개의 주요면은, 대체로 서로 근접하여 이격되지만 특정한 용도에 따라 간격이 변화될 수도 있는 요면의 열을 포함하도록 기계 가공된다. 간격, 공동 깊이, 공동 직경 및 채널 높이는 달성되는 결과적인 열 상승을 결정한다. 요면 자체는 반구형, 부분적 반구형, 타원형, 또는 대체로 구 형태의 비 선대칭 형상일 수도 있다. 냉각 공기는 채널의 일 단부에 도입되거나 또는 변형예로 이중 벽 부분의 일단부의 냉각 공기 입구와 공동으로 축방향으로 이격된 충돌 냉각 구멍을 통해 도입된다.
이중 벽 채널의 "고온"측의 표면 요면의 배열의 형성은 각 공동으로부터의 이른바 회오리 효과에 의해 열전달을 향상시킨다. 벽이 서로 근접하여 이격되는 경우 "저온"표면상의 유사한 열의 배치도 열 전달을 향상시키는 역할을 한다. 공동과의 유동 상호작용의 대량 와류 혼합 작용으로 인해, 마찰 계수의 증가는 유연한 표면에 비해서 적다. 이러한 전체의 냉각 향상에 의해 채널내의 어떠한 위치에서도 소량의 총 냉각제를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 충돌 구멍을 사용하여 채널 내로의 냉각 공기의 도입을 일정 간격으로 유지함으로서, 추가의 냉각제의 사용 없이 향상된 이중 벽 부분의 전체의 길이가 약 2배만큼 증가될 수도 있다.
또한, 넓은 측면에서, 본 발명은 가스 터빈내의 연소기 라이너와 전이부를 연결하기 위한 연결기 부분에 있어서, 이 연결기 부분은 실질적으로 원통 형상을 가지며 그리고 내벽 및 외벽과 그 내벽과 외벽 사이에서 연결기 부분을 따라 축방향으로 연장되는 다수의 냉각 채널을 포함하는 이중 벽 구조로 되어 있고, 냉각 채널은 부분적으로는 방사상의 내측면 및 외측면에 의해 한정되며, 방사상 내측면 및 외측면중 적어도 하나에는 요면의 열이 형성되어 있는, 연결기 부분에 관한 것이다.
다른 측면에서, 본 발명은 가스 터빈 내의 연소기 라이너와 전이부를 연결하기 위한 연결기 부분에 있어서, 이 연결기 부분은 실질적으로 원통 형상을 가지며 그리고 내벽 및 외벽과 이 내벽과 외벽 사이에서 연결기 부분을 따라 축방향으로 연장되는 다수의 냉각 채널을 포함하는 이중 벽으로 되어 있고, 상기 냉각 채널은 부분적으로는 방사상 내측면 및 외측면에 의해 한정되고, 방사상 내측면 및 외측면의 양측에는 요면의 열이 형성되어 있고, 그리고 상기 다수의 냉각 채널과 연통하는 외벽내의 축방향 이격 구멍을 더 포함하는, 연결기 부분에 관한 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명할 것이다.
도 1은 종래의 가스 터빈 연소기의 개략도,
도 2는 종래의 축방향 냉각식 원통형 연소기 라이너 연결기 부분의 사시도,
도 3은 수평면에 투영된 원통형 냉각부의 부분 단면도로서, 본 발명에 따른 향상된 냉각 특징을 갖는 냉각 채널을 도시하는 도면,
도 4는 도 3의 냉각부의 사시도로서, 냉각 채널의 길이를 따라 축방향으로 이격된 충돌 냉각 구멍의 추가를 도시하는 도면,
도 5는 냉각 채널의 양측 주 표면의 길이를 따라 나타나는 바와 같은 평면에서 본 표면 요면의 개략도,
도 6은 채널의 상부면을 제거한 상태에서 평면에서 본 냉각 채널의 대략도로서, 본 발명에 따른 채널의 하측면의 표면 요면의 열을 도시하는 도면,
도 7은 내부면을 따라 표면 요면의 단면 형상을 도시하는 냉각 채널의 하나의 주 표면의 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 14 : 연소기12 : 압축기
16 : 터빈 제 1 단18 : 연소실
20 : 전이부22 : 연결기 부분
24 : 연소기 라이너26 : 원통형 부분
28 : 축방향 연장 냉각 채널30 : 방사상 부착 플랜지
32 : 내벽34 : 외벽
36 : 냉각 채널38 : 상측면
40 : 하측면42 : 요면
44 : 요부46 : 충돌 냉각 구멍
도 1은 고 에너지 용량을 갖는 유동 매체, 즉 연소 가스가 회전자상에 장착된 블레이딩의 링에 의해 편향되는 결과로서 회전 운동을 발생시키는 연료로부터의 연소 가스에 의해 구동되는 전형적인 캔 환상 역류 연소기(10)를 개략적으로 도시한 것이다. 작동시에, 압축기(12)로부터의 배기 공기(약 250 내지 400 lb/in2정도의 압력으로 압축됨)는 연소기(참조 부호 14로 도시됨)의 외측을 통과할 때 방향이 전환되고 그리고 터빈(참조 부호 16으로 표시된 제 1 단)으로의 도중에 연소기에 진입할 때 방향이 다시 전환된다. 압축 공기 및 연료는 연소실(18)에서 연소되어, 약 1,500℃ 또는 약 2,739℃의 온도의 가스를 생성한다. 이러한 연소 가스는 전이부(20)를 거쳐 터빈부(16)내로 고속으로 흐른다.
전이부(20)와 연소실(18)을 둘러싸는 연소기 라이너(24) 사이에 커넥터 부분(22)(도 2 참조)이 배치될 수도 있다.
연소기와 전이부의 구조에 있어서는, 연소 가스의 온도가 약 1,500℃ 이상인 경우에, 어떤 형태의 냉각이 없이 그러한 고강도의 열 환경에 견딜 수 있는 재료는 존재하지 않는다.
도 2는 연소기 라이너(24)를 전이부(20)에 연결하는데 사용될 수도 있는 원통형 부분(26)을 도시한 것이다. 이 부분(26)은 축방향으로 연장된 냉각 채널(28)이 그 부분에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 배열된 이중 벽 구조로 되어 있다. 연소기 라이너 및 전이부도 유사한 냉각 채널을 갖는 이중 벽 구조일 수 있다. 이 부분은 방사상 부착 플랜지(30)를 갖지만, 이 부분은 연소기 라이너에 부착되고 전이부가 필요에 따라 변화될 수도 있다. 원통형 부분(26)은 니켈(Ni)계 초합금, 상표명 Haynes 230으로 제조될 수도 있다. 개개의 용도의 온도에 따라, 사용될 수 있는 다른 재료는 스테인레스 강, 합금 및 Ni 계, Co 계, Fe 계, Ti 계, Cr 계 또는 Nb 계의 복합물을 포함한다. 복합물의 일례는 미립자, 섬유 또는 박층으로 존재하는 W 상으로 보강된 FeCrAlY 금속제 매트릭스이다. 원통형 부분의 고온 및 저온 벽에 사용되는 재료는 동일합 합금일 필요는 없다. 이의 논의를 위해서, 부분의 내벽(32)은 "고온"벽이고, 외벽(34)은 "저온"벽이라 한다.
이제, 도 3 및 4를 참조하여, 본 발명에 따른 냉각 채널의 형상을 개략적으로 설명한다. 이 부분은 완성된 원통 형상으로 후프 연마되기 전에 부분적으로 평탄한 형태로 도시되어 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 이 부분의 형상은 특정용도에 따라 타원형 또는 원추형으로 될 수도 있다.
재 설계된 냉각 채널(36)은 기다랗고 대체로 직사각형으로 되어 있으며, 각각 상측면(38) 및 하측면(40)을 갖는다. 외벽(34) 및 내벽(32)의 이전의 특성을 바탕으로, 상측면 또는 벽(38)은 "저온" 표면 또는 벽이거나 하측면 또는 벽(40)은 "고온" 표면 또는 벽이다.
다시 말해서, 사용시에, 표면(32, 40)은 연소실에 가장 가까운 반면, 표면(34, 38)은 연소기 외측의 압축기 냉각 공기에 가장 가깝다.
적어도 한쪽 그리고 바람직하게는 양쪽 표면(40, 38)에 요면(42)이 형성되어 있다. 도 5 내지 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 요면(42)은 반 구형상일 수도 있는 개개의 톱니면 또는 요부(dimple)이지만, 본 발명은 그러한 형상에 한정되지 않는다. 또한, 요부의 간격, 직경, 깊이 뿐만아니라 형상의 각종 기하학적 형상에 대해서도 요면이 변경될 수도 있다. 예컨대, 소정의 요부 직경(D)에 대해서, 임의의 2개의 인접한 요부 사이의 중심간 거리는 1.1D 내지 2D이고, 요부의 깊이는 0.10D 내지 0.50D일 수도 있다(도 5 내지 도 7 참조). 바람직하게는, 채널의 폭으로 나눈 채널의 높이로 규정되는 채널 종횡비의 범위는 1 내지 0.2이고, 보다 바람직한 범위는 0.4 내지 0.2이다. 채널의 높이대 요면의 직경의 비의 범위는 바람직하게는 0.25 내지 5이고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1이다. 요면은 단순한 엔드 밀링(end milling), EDM, ECM 또는 레이저에 의해 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6은 엇갈린 열로 배열된 요부(44)의 열을 도시하지만, 본원에서는 소망하는 경우 특정한 열의 형상이 변경될 수도 있다. 도 5의 원형 요부(42)와는 대조적으로, 도 6 및 도 7에서는, 요부(44)가 타원 형상이라는데 주목해야 한다.
도 4를 참조하면, 충돌 냉각 구멍(46)이 각 냉각 채널(36)을 따라 축방향으로 이격된 관계로 제공될 수도 있다. 이것은 부분의 축방향 길이를 따라 그리고 그의 원주 둘레에서 채널(36) 내로 냉각 공기의 이격된 상태의 도입을 고려하여, 부분의 냉각을 더욱 향상시킨다.
표면의 요면 및 충돌 구멍의 추가에 의해, 냉각이 100% 만큼 향상된다. 이것은 추가의 냉각 공기를 필요로 함이 없이 냉각 채널이 2의 계수만큼 연장될 수도 있다는 것을 의미한다.
현재 가장 실질적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시한 실시예에 한정되지 않고, 그와 반대로 첨부된 청구범위 내에 포함되는 각종 수정 및 동동한 배치를 포함하고자 의도하는 바이다.
본 발명에 의하면, 전체의 냉각 향상에 의해 채널내의 어떠한 위치에서도 소량의 총 냉각제를 사용하는 것이 가능하고, 또한 충돌 구멍을 사용하여 채널 내로의 냉각 공기의 도입을 일정 간격으로 유지함으로서, 추가의 냉각제의 사용 없이 향상된 이중 벽 부분의 전체의 길이가 약 2배만큼 증가될 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 가스 터빈 내의 연소기 라이너(24) 및 전이부(20)를 연결하는 연결기 부분(22)에 있어서,
    상기 연결기 부분(22)은 실질적으로 원통 형상이고, 그리고 내벽(32) 및 외벽(34)과 상기 내벽과 외벽 사이에서 상기 부분을 따라 축방향으로 연장되는 다수의 냉각 채널(36)을 포함하는 이중 벽 구조로 되어 있고, 상기 냉각 채널(36)은 부분적으로 방사상 내측면 및 외측면에 의해 한정되고, 상기 방사상 내측면(40) 및 외측면(38) 중 적어도 하나에 요면(42)의 열이 형성되는
    연결기 부분.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측면(40) 및 외측면(38)의 양측에 요면(42)의 열이 형성되는
    연결기 부분.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 채널(36)중 적어도 몇몇과 연통하는 상기 외벽(38)내의 축방향 이격 구멍(46)을 더 포함하는
    연결기 부분.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 요면(42)은 반 구형인
    연결기 부분.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 요면(42)은 엇갈린 열로 배열되는
    연결기 부분.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 요면(42)은 원형이고, 직경(D)을 가지며, 상기 요면의 깊이는 약 0.10 내지 0.50D와 동일한
    연결기 부분.
  7. 제 6 항에 있어서,
    인접한 요면(42) 사이의 중심간 거리는 약 1.1 내지 2D와 동일한
    연결기 부분.
  8. 제 1 항에 있어서,
    인접한 요면(42) 사이의 중심간 거리는 약 1.1 내지 2D와 동일한
    연결기 부분.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 채널(36)은 0.2 내지 1의 종횡비를 갖는
    연결기 부분.
  10. 제 1 항에 있어서,
    채널의 높이 대 요면의 직경의 비의 범위는 0.25 내지 5인
    연결기 부분.
  11. 제 1 항에 있어서,
    각 채널 내의 다수의 축방향 이격 충돌 구멍(46)을 포함하는
    연결기 부분.
  12. 가스 터빈내의 연소기 라이너와 전이부를 연결하는 연결기 부분(22)에 있어서, 상기 연결기 부분은 내벽(32) 및 외벽(34)과 상기 내벽과 외벽 사이에서 연결기 부분을 따라 축방향으로 연장되는 다수의 냉각 채널(36)을 포함하는 이중 벽 구조로 되어 있고, 상기 냉각 채널(36)은 부분적으로 방사상 내측면(40) 및 외측면(38)에 의해 한정되며, 상기 방사상 내측면(40) 및 외측면(38)의 양측에 요면(42)의 열이 형성되어 있고, 그리고 상기 다수의 냉각 채널과 연통하는 상기 외벽내의 축방향 이격 구멍(46)을 더 포함하는
    연결기 부분.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 요면(42)은 반구형인
    연결기 부분.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 요면(42)은 엇갈린 열로 배열되는
    연결기 부분.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 요면(42)은 원형이고, 직경(D)를 가지며, 상기 요면의 깊이는 약 0.10 냐지 0.50D인
    연결기 부분.
  16. 제 12 항에 있어서,
    인접한 요면(42) 사이의 중심간 거리는 약 1.1 내지 2D와 동일한
    연결기 부분.
  17. 제 15 항에 있어서,
    인접한 요면(42) 사이의 중심간 거리는 약 1.1 내지 2D와 동일한
    연결기 부분.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 채널(36)은 0.2 내지 1의 종횡비를 갖는
    연결기 부분.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 채널의 높이 대 요면의 직경의 비의 범위는 0.25 내지 5인
    연결기 부분.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 냉각 채널(36)은 0.2 내지 1의 종횡비를 갖는
    연결기 부분.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 채널의 높이 대 요면의 직경의 비의 범위는 0.25 내지 5인
    연결기 부분.
  22. 제 21 항에 있어서,
    인접한 요면 사이의 중심간 거리는 약 1.1 내지 2D인
    연결기 부분.
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