KR20040045359A - 가스 터빈용 전이 부품 조립체 및 전이 부품 냉각 방법 - Google Patents

가스 터빈용 전이 부품 조립체 및 전이 부품 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈용 전이 부품 조립체(42)는 가스 터빈 연소기 라이너(24)에 연결되기에 적당한 일 단부와, 제 1 터빈 스테이지(16)에 연결되기에 적당한 대향 단부와, 다수의 오목한 딤플(48)이 형성된 외부 표면을 갖는 전이 부품(44)을 포함한다. 충돌 유동 슬리브(48)는 전이 부품(44)을 둘러싸고 그 사이에 플리넘(54)을 형성한다. 충돌 슬리브는 압축기 냉각 공기를 플리넘내로 주입하기 위해 그 내부에 다수의 냉각 구멍이 형성되어 있다.

Description

가스 터빈용 전이 부품 조립체 및 전이 부품 냉각 방법{GAS TURBINE TRANSITION PIECE WITH DIMPLED SURFACE AND RELATED METHOD}
본 발명은 일반적으로 터빈 구성요소에 관한 것으로서, 캔 환형 연소 시스템을 갖는 육상용 가스 터빈내에서 연소기로부터의 연소 가스를 터빈 스테이지로 전달하는 전이 부품 조립체에 관한 것이다.
통상의 가스 터빈 연소기는 연료와 공기가 연소실에 개별적으로 진입하는 확산(즉, 사전 혼합식이 아닌) 화염을 사용한다. 혼합 및 연소 공정은 3900℉를 초과하는 화염 온도를 발생시킨다. 라이너를 구비한 종래의 연소기 및/또는 전이 부품은 1500℉ 정도의 최대 온도에서 약 만 시간(10,000) 동안 견딜 수 있기 때문에, 연소기 및/또는 전이 부품을 보호하기 위한 단계가 수행되어야 한다. 이는 비교적 낮은 온도의 압축기 공기를, 연소기의 외부를 둘러싸는 연소기 라이닝에 의해 형성된 플리넘내로 주입하는 단계를 포함하는 필름 냉각에 의해 이뤄진다. 이러한 종래 기술의 설비에서, 플리넘으로부터의 공기는 연소기 라이너내의 루버(louver)를 통과하고, 그 후 라이너의 내부 표면 위로 하나의 막(film)으로서 통과함으로써 연소기 라이너를 본래 상태로 유지시킨다.
3000℉(약 1650℃)를 초과하는 온도에서는 2가의 질소가 급속하게 분리되기 때문에, 고온의 확산 연소는 비교적 다량의 NOx 방출을 초래한다. NOx 방출을 감소시키기 위한 하나의 방법은 압축기 공기의 가능한 최대량이 연료와 사전 혼합되는 것이다. 결과적인 희박 사전 혼합 연소는 보다 낮은 연소 온도를 발생시키고, 따라서 NOx 방출이 보다 낮아진다. 희박 사전 혼합 연소가 확산 연소보다 저온임에도 불구하고 화염 온도는 종래의 통상적인 연소 구성요소가 견디기에는 여전히 너무 고온이다.
또한, 진보된 연소기는 NOx 감소를 위해 가능한 최대량의 공기를 연료와 사전 혼합하기 때문에, 냉각 공기가 거의 또는 전혀 사용될 수 없으며, 기껏해야 연소기 라이너 및 전이 부품의 필름 냉각이 불완전하게 될 뿐이다. 그렇지만, 연소기 라이너는 재료 온도를 한계 이하로 유지하기 위한 유효한 냉각을 필요로 한다. 건식 NOx(DLN) 저방출 시스템에서, 이러한 냉각은 단지 저온면 대류(cold side convection)로서만 제공될 수 있다. 이러한 냉각은 열 구배 및 압력 손실 조건내에서 수행되어야 한다. 따라서, 연소기 라이너 및 전이 부품이 이러한 높은 열에 의해 파손되는 것을 방지하기 위해, "배면(backside)" 냉각과 함께 열 배리어 코팅과 같은 수단이 고려되었다. 배면 냉각 단계에서는 공기를 연료와 사전 혼합하기 전에 연소기 라이너 및 전이 부품의 외부 표면 위로 압축 공기를 통과시키게 된다.
중형 프레임(heavy frame) 가스 터빈은 각 연소기 "캔"으로부터의 연소 가스를 터빈의 제 1 스테이지 노즐 섹터에 전달하기 위해 전이 부품을 사용한다. 이러한 전이 부품은 배면 대류 또는 충돌 젯 어레이의 교차 유동 대류에 의해 냉각된다. 종래 설계는 전이 부품을 둘러싸는 영역내의 "개방(loose)" 대류 냉각에 주로 의존한다. "개방" 대류는 대류 냉각이 유동 슬리브에 의해 강제된 강한 대류가 아니라, 전이 부품 둘레의 보다 큰 유동 영역을 갖는 저속의 약한 대류인 것을 의미한다.
당해 분야에서 사용하는 현재의 전이 부품, 특히 중형 프레임 유닛을 갖는 구형 터빈 설계에 사용되는 전이 부품은 파쇄(spallation) 및 효용성/수명 감소 등의 문제를 나타냈다.
전이 부품의 수명은 열 배리어 코팅(TBC: thermal barrier coatings)을 부가하거나 보다 고온의 성능을 갖도록 재료를 변화시킴으로써 연장될 수 있었다. 신형 기계 설계에는 활성 충돌 냉각이 사용되지만, 이러한 기계 설계는 공기가 연소기 라이너 및 전이 부품 고온 가스 통로내로 거의 누출되지 않는 건식 NOx(DLN) 저방출 시스템과 함께 사용된다.
본 발명은 저온 측면에 일련의 오목부 또는 딤플을 형성하고, 전이 부품 둘레에 시트 금속 유동 슬리브를 씌움으로써 전이 부품 조립체에 대한 향상된 대류 냉각식 설계를 제공한다. 표면 딤플은 냉각 성능을 향상시키고, 유동 슬리브는 전이 부품의 표면을 따라 연소기 라이너를 향해 냉각 유동을 유도한다.
전이 부품의 딤플이 형성된 표면은 딤플이 형성되지 않은 경우에 비해 1.5 내지 2의 계수만큼 열전달 계수를 증가시킨다. 결과적으로 전이 금속 온도는 50℉ 내지 100℉만큼 감소하여, 보다 긴 수명과 감소된 TBC 파쇄가 유도된다. 연소기 라이너로 유동하는 냉각 공기는 전이 부품 냉각 때문에 다소 승온되지만, 연소기로도입된 다른 냉각 유동과의 실질적인 혼합에 의해 그 영향은 상당히 감소될 것이다. 현대의 설계와 유사한 유동 슬리브에 의해 전이 부품 위로의 냉각 유동에 대한 정량적이고 제어된 유도가 가능하게 될 것이다.
따라서, 보다 폭넓은 의미에서 본 발명은 가스 터빈용 전이 부품 조립체에 있어서, 가스 터빈 연소기 라이너에 연결되기에 적합한 일 단부와, 제 1 터빈 스테이지에 연결되기에 적합한 대향 단부와, 다수의 오목한 딤플이 형성된 외부 표면을 갖는 전이 부품과, 전이 부품을 둘러싸고 그 사이에 플리넘을 형성하며, 그 내부에 다수의 냉각 구멍이 형성된 충돌 유동 슬리브를 포함하는 가스 터빈용 전이 부품 조립체에 관한 것이다.
다른 의미에서, 가스 터빈용 전이 부품 조립체는, 가스 터빈 연소기에 연결되기에 적합한 일 단부와 제 1 터빈 스테이지에 연결되기에 적합한 대향 단부와, 직경 D와 약 0.05D 내지 약 0.50D의 깊이를 갖는 다수의 오목한 원형 딤플이 그 위에 형성된 외부 표면을 갖는 전이 부품과, 전이 부품을 둘러싸고 그 사이에 플리넘을 형성하며, 그 내부에 다수의 냉각 구멍이 형성된 충돌 유동 슬리브를 포함한다.
또 다른 의미에서, 가스 터빈 연소기와 제 1 터빈 스테이지 사이에 연결된 전이 부품을 압축기로부터 방출된 공기로 냉각하는 방법은, ① 다수의 냉각 구멍이 제공된 충돌 유동 슬리브로 전이 부품을 둘러쌈으로써 전이 부품과 충돌 유동 슬리브 사이에 플리넘을 형성하는 단계와, ②충돌 냉각 슬리브를 통과하여 플리넘내로 압축기 방출 공기용 유동 통로를 형성하는 단계와, ③ 전이 부품의 연전달 계수를 높히기 위해 전이 부품상에 다수의 오목한 딤플을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 하기에 규정된 도면과 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 전이 부품을 장착한 공지된 가스 터빈 연소기의 개략도,
도 2는 라이너에 선형 터뷸레이터(turbulators)가 제공되는 원통형 연소기 라이너 또는 전이 부품의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 그 외부 표면상의 다수의 별개의 오목부가 제공된 전이 부품의 개략적인 측면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 캔-환형 역류 연소기12 : 압축기
14 : 연소기16 : 터빈 제 1 스테이지
18, 25 : 연소실20, 27, 44 : 전이 부품
24 : 연소기 라이너26 : 연소기 헤드 단부
30 : 리브 또는 터뷸레이터32 : 유동 슬리브
34, 36, 54 : 플리넘40 : 충돌 냉각 홀
42 : 전이 부품 조립체48 : 표면 딤플 또는 오목부
52 : 충돌 냉각 구멍
도 1은 연료로부터의 연소 가스에 의해 구동되는 전형적인 캔 환형 역류 연소기(10)로서, 높은 에너지를 갖고 있는 유동 매체, 즉 연소 가스가 로터상에 장착된 블레이드 링에 의해 편향된 결과로서 회전 운동을 발생시키는 것을 개략적으로 도시한다. 작동시에, 압축기(12)로부터의 배출 공기(약 250lb/in2내지 약 400lb/in2정도의 압력으로 압축됨)가 연소기[참조부호(14)]의 외측 위로 통과함에 따라 역방향으로 되고, 터빈[참조부호(16)로 표시된 제 1 스테이지]으로 가는 도중에 다시 연소기로 진입한다. 압축 공기 및 연료는 연소실(18)내에서 연소되어 약 1500℃ 즉 약 2730℉의 온도를 갖는 가스를 발생시킨다. 이러한 연소 가스는 전이 부품(20)을 통해 터빈 섹션(16)내로 고속 유동한다. 전이 부품은 연소 라이너(24, 22)로 연결되지만, 일부 적용예에서는 별개의 커넥터 세그먼트가 전이 부품(20)과 연소기 라이너 사이에 위치될 수 있다.
도 2는 연소실(25)을 형성하는 종래 구조의 대체로 원통형의 연소기 라이너(24)를 개략적으로 나타낸다. 연소기 라이너(24)는 연소기(도시되지 않음)가 부착되는 연소기 헤드 단부(26)와, 이중 벽체의 전이 부품 조립체(28)가 부착되는 대향 또는 전방 단부를 갖는다. 전이 부품 조립체는 전이 부품(27) 및 주변 슬리브(29)를 포함한다. 전이 부품 조립체(28)는 연소기 라이너(24)에 연결될 수 있고, 이중 벽 세그먼트(도시되지 않음)를 연결함으로써 각각의 유동 슬리브(32)에 연결될 수 있다.
연소기 라이너(24)에는 헤드 단부(26)에 인접한 영역내의 다수의 직립의 환형(또는 부분 환형) 립 또는 터뷸레이터(30)가 제공된다. 원통형 유동 슬리브(32)는 반경방향으로 이격된 관계로 연소기 라이너를 둘러싸서, 전이 부품(27) 및 그 외측 슬리브(29)에 의해 형성된 플리넘(36)과 연통하는 라이너와 유동 슬리브 사이에 플리넘(34)을 형성한다. 충돌 냉각 홀(40)은 유동 슬리브(32)내에 제공되어 플리넘(34)내로 압축기 냉각 공기를 진입시킨다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 도 3을 참조하면, 전이 부품 조립체(42)는 라이너(24)의 터빈 단부에 부착된 전이 부품(44)과 그 주위의 충돌 유동 슬리브(46)를 포함한다. 전이 부품(44)에는 외부 또는 그 냉각 측면상에 일련의 별개의 표면 딤플 또는 오목부(48)가 형성된다. 딤플(48)은 부분적으로 구형인 내부(50)를 갖는 원형 또는 타원형이 될 수 있다. 원형 딤플에 있어서, 직경은 딤플의 높이 또는 깊이와 관련되며, 예컨대 직경 D에 대해 딤플의 깊이는 약 0.05D 내지 약 0.50D의 범위 내에 있을 수 있다. 딤플은 약 1.1D 내지 약 5D까지의 중심간 간격을 갖는 정렬되거나 엇갈린 열 또는 불규칙한 어레이로 균일하게 이격될 수 있다.
다수의 충돌 냉각 구멍(52)으로 형성된 충돌 유동 슬리브(46)를 통해 압축 냉각 공기가 충돌 유동 슬리브(46)와 전이 부품(44) 사이에 형성된 플리넘(54)에 진입하여, 그 냉각 측면상의 딤플(48)과 상호작용한다. 따라서, 유동 슬리브(46)는 대류 냉각 공기가 터빈 단부로부터 연소기 라이너 단부로 전이 부품(44)을 따라 딤플이 형성된 표면 위로 소망되는 바와 같이 배향되어, 전이 부품의 열전달 계수를 증가시키고 온도를 감소시키는 것을 보장한다.
본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것에 관해 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함된 다양한 변경 및 동등한 배열을 포함하려 한다는 것은 이해될 것이다.
본 발명에 따라 제공된 향상된 대류 냉각식 설계에 의하면 냉각 능력을 향상시키고, 연소기 라이너를 향해 전이 부품의 표면을 따라 냉각 유동을 배향시키는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 가스 터빈용 전이 부품 조립체(42)에 있어서,
    가스 터빈 연소기 라이너(24)에 연결되기에 적합한 일 단부와, 제 1 터빈 스테이지(16)에 연결되기에 적합한 대향 단부와, 다수의 오목한 딤플(48)이 형성된 외부 표면을 갖는 전이 부품(44)과,
    상기 전이 부품(44)을 둘러싸고 그 사이에 플리넘(54)을 형성하며, 그 내부에 다수의 냉각 구멍이 형성된 충돌 유동 슬리브(46)를 포함하는
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 엇갈린 어레이로 배열되는
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 원 형상인
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 직경 D와 약 0.05D 내지 약 0.50D의 범위의 깊이를갖는
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 원 형상인
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 타원 형상인
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 오목한 딤플(48)은 약 1.1D 내지 약 5D의 중심간 간격을 갖는
    가스 터빈용 전이 부품 조립체.
  8. 가스 터빈 연소기와 제 1 터빈 스테이지 사이에 연결된 전이 부품(44)을 압축기로부터 방출된 공기로 냉각하는 방법에 있어서,
    ① 다수의 냉각 구멍(52)이 제공된 충돌 유동 슬리브(46)로 상기 전이 부품을 둘러쌈으로써 상기 전이 부품(44)과 상기 충돌 유동 슬리브(46) 사이에 플리넘(54)을 형성하는 단계와,
    ②상기 충돌 냉각 슬리브(46)를 통과하여 상기 플리넘(54)내로 압축기 방출 공기용 유동 통로를 형성하는 단계와,
    ③ 상기 전이 부품의 연전달 계수를 높이기 위해 상기 전이 부품(44)상에 다수의 오목한 딤플(48)을 형성하는 단계를 포함하는
    전이 부품 냉각 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 엇갈린 어레이로 배열되는
    전이 부품 냉각 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 오목한 딤플(48)은 원 형상인
    전이 부품 냉각 방법.
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