KR20060050057A - 열차폐된 제품 - Google Patents

Abstract

열차폐된 제품은 지지부(18)와 지지부에 인접하게 고정된 적어도 하나의 열차폐부(20)를 포함한다. 열차폐부는 지지부로부터 이격된 차폐 부분(28)을 포함한다. 차폐 부분은 고온측(30)과 무코팅 냉온측(32)을 포함한다. 돌출부는 차폐 부분에서의 기점부(26)로부터, 차폐 부분으로부터 떨어진 종결부(38)로 돌출한다. 종결부는 그 길이의 적어도 일부를 따라 보호성 코팅제(64)를 포함한다.

열차폐된 제품, 지지부, 기점부, 보호성 코팅제, 종결부

Description

열차폐된 제품 {HEATSHIELDED ARTICLE}

도1은 이에 부착된 열차폐부 패널을 갖는 방사상 방향의 내부와 외부 지지부쉘을 도시하는 터빈 엔진을 위한 열 분리된 충돌 필름 냉각 연소기의 측단면도.

도1a는 도1의 영역(1A)의 확대도.

도2 및 도3은 그 설계도의 상세가 도1에 도시된 열차폐부의 것과 다른 열차폐부 패널을 도시한 각각의 사시도 및 평면도.

도4는 도1의 방사상 방향의 외부 쉘과 열차폐부 패널의 확대된 분해도.

도5 내지 도8는 지지부와, 지지부에 인접하게 고정된 열차폐부 패널을 도시한 본 발명의 선택된 실시예의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 12 : 내부 및 외부 라이너

14 : 엔진 축

16 : 연소 챔버

18 : 지지부 쉘

20 : 열차단부 패널

30 : 고온측

32 : 냉온측

58 : 충돌 구멍

60 : 필름 구멍

본 발명은 가스 터빈 엔진을 위한 연소 챔버와 같은 열차폐된 제품과 그러한 제품을 위한 열차폐부에 관한 것이다.

일반적인 가스 터빈 엔진은 하나 이상의 압축기, 연소기 및 관련된 압축기에 샤프트로써 각각 연결된 하나 이상의 터빈을 포함한다. 가장 현대적인 엔진에서, 연소기는 방사상 방향의 내부 라이너와 방사상 방향의 외부 라이너가 환형 연소 챔버를 한정하도록 서로와 상호 작용하는 환형 연소기이다. 작동 중, 가스 연소 생산물의 고온의 스트림은 연소 챔버를 통해 유동한다. 고온으로 인해, 고온 가스를 향하는 라이너 표면은 손상받기 쉽다. 따라서, 냉각제 필름, 보호성 코팅제, 열차폐부 또는 그 몇몇 조합으로써 그러한 표면을 보호하는 것이 일반적이다.

연소기의 한 유형은 열 분리 연소기(thermally decoupled combustor)로서 칭한다. 열 분리 연소기의 한 유형은 충돌 필름 냉각 연소기로서 칭한다. 환형의 충돌 필름 냉각 연소기에서, 내부와 외부 라이너 각각은 지지 쉘과 고온 연소 가스로부터 쉘을 보호하도록 쉘에 고정된 한 세트의 온도 내구성 열차폐부 패널을 포함한다. 일반적인 열차폐부 패널은 그 플랫폼이 직사각형 또는 거의 직사각형인 차 폐 부분을 갖는다. 쉘에 고정될 때, 차폐부는 고온측으로서 칭해지는 열차폐부의 한 측면이 고온 연소 가스를 향하고, 냉온측으로서 칭해지는 다른 측면은 지지 쉘을 향하도록 쉘에 대해 실질적으로 평행하게 배열된다. 하나 이상의 나사부를 갖는 스터드는 각각의 차폐부의 냉온측으로부터 돌출한다. 완전히 조립된 연소기에서, 스터드는 쉘 내에 개구를 통해 관통한다. 스터드 상에 나사 결합되는 너트는 쉘에 열차폐부 패널을 부착시킨다.

열 분리 연소기의 주요한 이점은 열차폐부 패널이 서로 독립적으로 열적으로 팽창하고 수축할 수 있다는 점이다. 이러한 열 독립성은 열에 의해 유도되는 응력을 감소시킴으로써 연소기의 내구성을 개선시킨다. 충돌 필름 냉각 열 분리 연소기의 예는 미국 특허 제6,701,714호와 제6,606,861호에서 찾을 수도 있다.

또한 스터드를 제외한 다양한 유형의 돌출부는 각각의 차폐부의 냉온측으로부터 쉘을 향해 방사상 방향으로 연장한다. 스터드와 달리 이러한 돌출부는 지지부 쉘을 통해 관통하도록 의도된 것은 아니다. 비관통 돌출부의 한 예는 차폐부 주연부에서 또는 그 근처에서 차폐부의 냉온측 주위로 연장하는 경계벽이다. 일반적인 경계벽은 열차폐부의 차폐 부분에서의 기점부와 차폐부로부터 떨어진 종결부를 갖는다. 벽의 높이는 기점부로부터 종결부까지의 거리이다. 종결부는 지지부 쉘과 접촉함으로써 쉘로부터 차폐 부분을 이격시키고 쉘과 차폐부의 냉온측 사이에 실질적으로 시일된 방사상 방향의 좁은 냉각제 챔버를 한정한다. 다르게, 벽의 높이는 그 길이의 일부 또는 전체 상에서 축소될 수도 있어서, 벽 종결부와 쉘 사이에 접촉을 차단하거나 접촉하지 않을 수도 있다.

또한 충돌 필름 냉각 연소기 라이너는 지지부 쉘을 천공하는 복수의 충돌 구멍과 열차폐부 패널을 천공하는 복수의 필름 구멍의 특징을 갖는다. 충돌 구멍은 냉각제(일반적으로 엔진 압축기로부터 추출되는 냉각 공기)를 고속으로 냉각제 챔버 내부로 배출하여, 냉각 공기가 열차폐부를 냉각하는 것을 돕도록 열차폐부 패널의 냉온측 상에 충돌한다. 그 후 충돌된 냉각 공기는 필름 구멍을 통해 유동하고, 열차폐부의 고온측을 따라 냉각제 필름을 형성한다.

충돌 필름 냉각 연소기의 기술 분야에서, 모든 지지부 쉘과 열차폐부 패널은 니켈 합금으로 만들어지지만, 반드시 동일한 합금으로 만들어질 필요는 없다. 보다 진보된 충돌 필름 냉각 연소기에서, 쉘은 니켈 합금으로 만들어질 수도 있고 열차폐부 패널은 내화제 재료로 만들어질 수도 있다. 내화재 재료는 몰리브텐 합금, 세라믹, 니오븀 합금 및 금속과 금속간 복합 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

열 분리 충돌 필름 냉각 연소기의 이점에도 불구하고, 이들은 임의의 제한을 갖는다. 예를 들면, 이는 엔진 실용화 시험 중 또는 기술 분야의 경험의 결과로서, 다른 목적을 위해 그러한 냉각제를 사용하도록 그렇지 않다면 필름 구멍을 통해 유동할 약간의 냉각제를 전환하는 것이 합리적이라는 것을 명백히 알 수 있다. 이는 열차폐부 패널의 냉온측으로부터 돌출된 적어도 일부의 경계벽을 방사상 방향으로 축소시킴으로써 수행될 수 있고, 따라서 냉각제 챔버로부터 냉각제의 바람직한 전환을 달성할 수 있다. 다르게, 생산물 실용화 시험 또는 기술 분야의 경험에서는 냉각제 전환을 감소시키거나 줄이도록 바람직하게 축소된 경계벽을 방사상 방 향으로 연장하는 것이 제안될 수도 있다. 이러한 변경은 열차폐부를 제조하는 데 사용되는 공구 세팅을 변경함으로써 그리고/또는 기계 가공과 같은 열차폐부 마무리 가공 작동을 결정하는 설계도를 수정함으로써 효과를 가질 수 있다. 그러나, 그러한 변경을 도입하는 것은 엔진 제조자에게 값비싸고 복잡한 작업일 수도 있다.

부가적인 제한은 특히 열차폐부 경계벽 또는 다른 비관통 돌출부가 지지부 쉘과 접촉하는 인터페이스에서, 니켈 합금 지지부 쉘과 내화제 열차폐부를 사용하는 진보된 연소기에 악영향을 줄 수도 있다는 점이다. 내화제 열차폐부 패널은 니켈 합금 열차폐부보다 높은 온도에서 작동하도록 의도된 것이기 때문에, 열차폐부가 쉘과 접촉하는 인터페이스를 가로질러 상당한 열이 전달될 수도 있다. 이는 쉘의 국소적인 산화 또는 부식, 그 온도 내구성의 국소적인 초과 또는 온도 구배에 대한 그 내구성의 국소적인 초과와 같은 문제점을 발생시킨다. 직접 접촉과 관련된 다음 문제점은 쉘의 형태 또는 마이크로 구조에서의 바람직하지 않는 변경과, 상승된 온도에 의해 악화될 수도 있는 변경을 포함한다.

따라서, 본 발명의 목적은 열차폐부 패널의 냉온측으로부터 연장하는 비관통 돌출부의 방사상 방향의 높이를 간단하고, 비용 절감되게 변경하는 것을 용이하게 하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 돌출부가 지지부 쉘과 접촉하는 인터페이스를 가로지르는 열전달로 인해 발생되고 이질의 재료 사이에 직접 접촉으로 인해 발생되는 문제점을 해결하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 터빈 엔진 연소기와 같은 열차폐된 제 품은 지지부와, 지지부에 인접한 열차폐부를 포함한다. 열차폐부는 지지부로부터 이격된 차폐 부분을 갖는다. 차폐부는 고온측과 무코팅 냉온측을 갖는다. 돌출부는 차폐 부분에서의 기점부로부터, 차폐 부분으로부터 떨어진 종결부로 연장한다. 종결부는 적어도 그 길이의 일부를 따라 코팅제를 포함한다.

본 발명의 한 이점은 돌출부의 높이가 코팅제의 두께를 증가시키거나 감소시킴으로써 용이하게 변경될 수 있다는 점이다. 이는 열차폐부의 제조자가 새로운 열차폐부를 생산하기 위해 제조 공정 내에서 변경을 용이하고 값싸게 도입하고 사전 제조된 열차폐부를 용이하고 값싸게 재조정하는 것을 가능하게 한다. 두 번째 이점은 열차폐부 상의 돌출부가 지지부와 접촉하는 인터페이스에서 이질 재료 사이에 열 전달 또는 접촉과 관련된 문제점을 해결하는 데 도움을 줄 수 있다는 점이다.

이러한 목적과 다른 목적, 이점 및 특징은 본 발명을 실시하기 위한 최적 모드의 다음의 설명과 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.

도1 및 도1a를 참조하면, 터빈 엔진을 위한 환형의 충돌 필름 냉각 연소기는 방사상 방향의 내부와 외부 라이너(10, 12)를 포함한다. 각각의 라이너는 엔진 축(14)을 둘러싼다. 라이너는 환형의 연소 챔버(16)를 한정하도록 서로와 상호 작용한다.

내부 및 외부 라이너는 유사하기 때문에, 내부 라이너만을 보다 구체적으로 설명하는 것으로도 충분할 것이다. 내부 라이너는 지지부 쉘(18)과 한 세트의 축방향으로 그리고 원주 방향으로 분배된 열차단부 패널(20)을 포함한다. 나사부를 갖는 스터드(22)는 각각의 열 차폐부의 한 측면으로부터 돌출하고 쉘 내의 개구를 통해 관통한다. 각각의 스터드 상에 나사 결합된 너트(24)는 열차폐부의 차폐 부분(28)이 쉘에 대해 실질적으로 평행하게 배향되도록 쉘에 각각의 열차폐부를 고정시킨다. 따라서 조립될 때, 고온측(30)으로서 칭해지는 차폐부의 한 측면은 연소 챔버(16)를 향한다. 냉온측(32)으로서 칭해지는 다른 측면은 지지부 쉘을 향한다.

또한 스터드를 제외한 돌출부는 각각의 차폐부의 냉온측으로부터 지지부 쉘을 향해 방사상 방향으로 연장할 수도 있다. 이러한 다른 돌출부는 스터드(22)와 달리 쉘(18)을 통해 관통하도록 의도된 것이 아니기 때문에 비관통 돌출부로 칭해진다. 이러한 비관통 돌출부는 차폐부 주연부에서 또는 그 근처에서 각각의 차폐부의 모든 네 개의 측면 주위로 길이 방향으로 연장하는 경계벽(34)의 형태를 취할 수도 있다. 경계벽은 열차폐부 패널의 차폐 부분(28)에서의 벽 기점부(36)로부터, 차폐부로부터 떨어진 종결부(38)로 방사상 방향으로 돌출한다. 경계벽은 방사상 방향의 높이(h)를 갖는다. 도1 및 도1a에서, 벽은 벽의 전체 길이를 따라 쉘과 접촉함으로써, 쉘로부터 차폐 부분을 이격시키고 높이(h)의 냉각제 챔버(44)를 한정한다. 그러나, 경계벽은 그 길이의 일부에 걸쳐 방사상 방향으로 단축될 수도 있어서, 벽과 쉘 사이의 접촉을 차단할 수도 있다. 또한 벽은 그 전체 길이 상에서 방사상 방향으로 단축될 수도 있어서, 벽과 쉘 사이에 접촉이 존재하지 않을 수도 있다. 그러한 구성은 공동 소유 특허 출원 제10/632,046호에 상세하게 설명되어 있다.

또한 다른 유형의 비관통 돌출부가 제공될 수도 있다. 이는 스터드(도2)를 둘러싸는 칼라(46)와, 내부 리브(48)(도2 및 도3)와, 방열기 핀 또는 격리 애자(50)(standoff)(도3) 및 연소 챔버 내부에 연소 공기를 허용하기 위한 몇몇 열차폐부 패널 상에 제공될 수도 있는 큰 직경의 구멍(54)을 둘러싸는 상승된 림(rim)(52)(도3 및 도4)을 포함한다. 단지 열거된 것을 제외한 다른 유형의 비관통 돌출부가 제공될 수 있지만, 모든 열차폐부가 모든 유형의 비관통 돌출부를 갖지는 않는다. 비관통 돌출부가 제공된 곳은 지지부 쉘과 접촉하도록 방사상 방향으로 충분히 높을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

도4에 최적으로 도시된 바와 같이, 또한 충돌 필름 냉각 연소기는 지지부 쉘을 천공하는 복수의 충돌 구멍(58)과 차폐부를 천공하는 복수의 필름 구멍(60)을 갖는다.

지지부 쉘과 열차폐부는 일반적으로 니켈 합금으로 만들어지지만, 반드시 동일한 니켈 합금으로 만들어질 필요는 없다. 진보된 연소기에서, 열차폐부 패널은 적절한 내화제 재료로 만들어질 수도 있다.

도5 및 도8은 본 발명의 열차폐부 제품의 네 개의 실시예를 도시한다. 도5는 터빈 엔진 연소기를 위한 지지부 쉘(18)을 나타내는 지지부를 도시한다. 열차폐부(20)는 차폐부의 냉온측(32)으로부터 돌출하고 쉘 내의 개구를 통해 관통하는 나사부를 갖는 스터드(22)를 갖는 차폐 부분(28)을 갖는다. 너트(24)는 쉘에 인접하게 열차폐부를 고정한다. 도시 생략된 보호성 코팅제는 차폐부(28)의 고온측(30)을 코팅한다. 차폐부(28)의 냉온측(32)은 코팅되지 않는다. 또한 열차폐부는 차폐부의 전체 주연부 주위에(즉, 모든 네 개의 측면 주위에) 길이 방향으로 연장 한다. 경계벽은 열차폐부의 차폐 부분에서의 기점부(36)와 차폐부로부터 떨어진 종결부(38)를 갖는다. 종결부는 코팅제가 열차폐부(20)와 쉘(18) 사이의 접촉 인터페이스를 구성하도록 벽의 전체 길이를 따라 보호성 코팅제(64)를 포함한다. 본원에서 사용된 "종결부"라는 용어는 팁 근처의 벽의 측면(70, 72)과 구별되는 벽의 팁으로서 칭하지만, 몇몇 부수적인 양의 코팅제가 코팅제 인가 공정에서의 고유한 비정확성으로 인해 영역(70, 72) 내에 제공될 수도 있다. 도5의 실시예에서, 코팅된 벽은 충돌 구멍(58)과 필름 구멍(60)을 제외하고 실질적으로 시일된 냉각제 챔버(44)를 형성하도록 쉘과 상호 작용한다.

도6은 도5와 유사한 실시예를 도시하지만, 각각의 스터드를 둘러싸는 칼라(46)를 갖는다. 경계벽(34)과 유사한 칼라는 기점부(36)와 종결부(38)를 갖는 비관통 돌출부이다. 칼라 종결부는 열차폐부(20)와 쉘(18) 사이의 접촉 인터페이스를 구성하는 보호성 코팅제(64)를 포함한다.

도7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 칼라(46)는 각각의 스터드를 둘러싸고 쉘을 접촉하도록 충분히 방사상 방향으로 돌출됨으로써, 냉각제 챔버(44)의 높이를 구성한다. 단축된 경계벽(34)은 쉘(18)을 향해 연장하지만 쉘(18)과 접촉하지 않는다. 단축된 벽은 챔버(44) 내의 약간의 냉각제가 필름 구멍(60)을 통해 배출되기보다는, 전환될 수 있는 공간(66)을 남긴다. 벽 종결부는 그 전체 길이를 따라 보호성 코팅제(64)를 포함하지만, 코팅제는 각각의 칼라의 종결부에는 제공되지 않는다. 그러한 구성은 칼라와 쉘 사이의 직접 접촉을 염려하지 않는다면 사용될 수 있다. 벽 종결부에서의 코팅제는 생산물 실용화 시험 중에 또는 기 술 분야의 경험에 따라 공간(66)의 크기를 용이하게 조정할 수 있는 방식으로 값이 정해진다. 열차폐부 생산자는 보다 크거나 보다 작은 공간(66)을 만들거나 또는 도5 및 도6에서와 같이 공간을 폐쇄하도록 코팅제의 두께를 결정하는 설계도를 용이하게 수정할 수 있다. 또한, 존재하는 열차단부는 공간(66)을 감소시키도록 부가적인 코팅제를 인가함으로써 또는 공간(66)을 확장시키도록 사전 인가된 코팅제를 제거함으로써 재조정될 수 있다.

도5 내지 도7에서, 경계벽(34)으로써 나타낸 돌출부는 벽의 전체 길이를 연장하는 종결부 코팅제를 갖는다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예는 단지 일부의 돌출부를 따라, 예를 들면 단지 일부의 벽(3)의 길이를 따라 종결부 코팅제를 가질 수도 있다. 예를 들면, 도8은 쉘과의 그 접촉부가 챔버(44)로부터 냉각제를 전환하기 위한 일련의 공간(68)을 한정하도록 주기적으로 차단되는 경계벽을 도시한다. 보호성 코팅제(64)는 바람직하게 쉘과 접촉 인터페이스를 구성하는 벽의 일부에만 인가된다. 코팅제는 단축된 벽 부분의 종결부 상에 제공되지 않는다.

비관통 돌출부에 인가된 보호성 코팅제는 연소기의 특정 필요 조건에 기초하여 선택된다. 일반적인 코팅제는 산화 저항 코팅제, 열 차단 코팅제 및 환경 차단 코팅제를 포함한다. 산화 저항 코팅제는 기질의 바람직하지 않은 산화를 방지하는 것을 돕도록 조성된 일반적으로 금속성 코팅제이다. 산화 저항 코팅제의 예는 미국 특허 제4,585,481호와 제4,861,618호 및 제RE32,121호에 설명되어 있다. 열 차단 코팅제는 기질에 직접 인가되거나 또는 보다 일반적으로 자체적으로 산화 저항 코팅제일 수도 있는 금속성 결합 코팅부 상에 인가되는 산화이트륨 안정화 지르코 늄(yttrai stabilized zirconia)과 같은 세라믹 재료를 포함한다. 세라믹 열 차단 시스템의 예는 미국 특허 제RE33,876호에 개시되어 있다. 환경 차단 코팅제는 열 차단 및 산화 저항 코팅제와 유사하지만, 이들은 멀라이트와 실리콘과 같은 재료를 포함하고 부식, 침식, 패임, 화학 작용과 습기에 저항하는 방식으로 인가된다. 환경 차단 코팅제의 예는 미국 특허 제6,387,456호와 제6,589,667호에 개시된다.

본 발명은 가스 터빈 엔진 연소기 내에 사용되는 것으로서 설명되고 도시되었지만, 이는 다른 적용예에서도 동등하게 이점을 갖는다. 본 발명이 그 상세한 실시예를 참조하여 설명되고 도시되었지만, 본 기술 분야에서서 숙련된 자라면 첨부된 청구 범위에서 개시된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 형태와 그 상세에서 다양한 변경이 행해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 돌출부의 높이가 코팅제의 두께를 증가시키거나 감소시킴으로써 용이하게 변경될 수 있다. 이는 열차폐부의 제조자가 새로운 열차폐부를 생산하기 위해 제조 공정 내에서 변경을 용이하고 값싸게 도입하고 사전 제조된 열차폐부를 용이하고 값싸게 재조정하는 것을 가능하게 한다. 또한, 열차폐부 상의 돌출부가 지지부와 접촉하는 인터페이스에서 이질 재료 사이에 열 전달 또는 접촉과 관련된 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (8)

1. 지지부와,

   상기 지지부에 인접하게 고정되고, 지지부로부터 이격된 차폐 부분을 갖는 적어도 하나의 열차폐부와,

   냉온측으로부터 돌출되고, 상기 차폐 부분에서의 기점부와 차폐 부분으로부터 떨어진 종결부를 갖는 돌출부를 포함하고,

   상기 차폐 부분은 고온측과 무코팅 냉온측을 포함하고,

   상기 종결부는 돌출부 길이의 적어도 일부에 걸쳐 코팅제를 포함하는 열차폐된 제품.
2. 제1항에 있어서, 충돌 구멍은 지지부를 관통하고 필름 구멍은 열차폐부를 관통하는 열차폐된 제품.
3. 제1항에 있어서, 코팅제는 열 차단 코팅제, 환경 차단 및 산화 저항 코팅제로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 열차폐된 제품.
4. 제1항에 있어서, 코팅된 종결부는 지지부와 접촉하는 열차폐된 제품.
5. 제1항에 있어서, 종결부는 지지부에 대해 실질적으로 평행하게 연장하는 길 이를 갖고, 종결부는 길이의 적어도 일부에 걸쳐 지지부로부터 이격되는 열차폐된 제품.
6. 제1항에 있어서, 돌출부는 경계벽, 리브, 칼라, 방열기 핀, 격리 애자 및 림 중에서 적어도 하나인 열차폐된 제품.
7. 제1항에 있어서, 지지부와 열차폐부는 가스 터빈 엔진 연소기를 위한 각각의 지지부 쉘과 열차폐부 패널인 열차폐된 제품.
8. 고온측과 무코팅 냉온측을 갖는 차폐 부분과,

   상기 냉온측의 기점부로부터 냉온측에서 떨어진 종결부로 돌출되는 돌출부를 구비하고,

   상기 종결부는 그 길이의 적어도 일부를 따라 코팅제를 포함하는 열차폐부.

Images