KR20080065553A - 심블, 슬리브 및 연소기 조립체 냉각 방법 - Google Patents

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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

냉각 공기를 연소기 조립체(14)의 냉각 경로(107)로 안내하기 위한 심블(100)가 제공된다. 상기 심블은 외측면(103)과, 제 1 개구(220), 상기 제 1 개구로부터 하류측에 있는 제 2 개구 및 이들 사이에서 연장되는 유동 채널(102)을 형성하는 대향 내측면(101)을 포함하며, 상기 유동 채널은 수렴부(112) 및 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부(116)를 포함하고, 상기 수렴부는 제 1 개구로부터 회수부에 이르기까지 감소하는 직경을 가지며, 회수부는 실질적으로 일정한 직경을 갖는다.

Description

심블, 슬리브 및 연소기 조립체 냉각 방법{THIMBLE, SLEEVE, AND METHOD FOR COOLING A COMBUSTOR ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가스 터빈 엔진과 함께 사용하기 위한 연소기 조립체의 냉각에 관한 것이다.
적어도 일부 공지된 가스 터빈 엔진은 엔진 내의 연소 조립체를 냉각하기 위해 냉각 공기를 사용한다. 종종 이러한 냉각 공기는 상기 연소 조립체와 유체 연통관계로 결합된 압축기로부터 공급되곤 한다. 적어도 일부 공지된 가스 터빈 엔진에 있어서, 냉각 공기는 압축기로부터, 상기 연소기 조립체의 각각 변이 부재 및 연소기 라이너에 걸쳐 연장되는 충격 슬리브 및 유동 슬리브 주위로 적어도 일부가 연장되는 플리넘으로 배출된다. 상기 플리넘으로부터의 냉각 공기는 이러한 슬리브의 입구를 통해 유동하여, 상기 충격 슬리브와 변이 부재 사이에 형성된 냉각 경로(변이 경로) 및 상기 연소기 라이너와 유동 슬리브 사이의 냉각 경로(라이너 경로)로 진입한다. 변이 경로를 통해 유동하는 냉각 공기는 라이너 경로로 배출된 다. 상기 플리넘으로부터의 냉각 공기는 슬리브의 입구를 통해 라이너 경로 내로 안내되어 연소기 조립체를 냉각하게 된다. 연소기 라이너 및/또는 변이 부재의 금속 표면에 의해 가열되는 냉각 공기는 그 후 연소기에 의한 사용을 위해 연료와 혼합된다.
연소 라이너 및 변이 부재는 연소 라이너 및 변이 부재의 기계적 특성을 보호하고, 작동 수명을 연장하기 위해 균등하게 냉각되는 것이 바람직하다. 적어도 일부가 공지된 유동 슬리브 및 충격 슬리브는 이를 통해 냉각 공기가 용이하게 유동하도록 형상화되어 구성된 입구를 포함한다. 그 외 다른 입구는 이미 채널 내에 있는 냉각 공기의 유동과 실질적으로 수직인 각도로 냉각 공기를 냉각 경로 내로 안내하도록 구성된 개방 단부형 심블(thimbel)로 충진된다. 이러한 선택사항에 대해, 상기 경로를 통해 유동하는 공기는 대향류의 배향성으로 인해 축선 방향 운동량을 상실할 수 있으며, 또한 플리넘으로부터 진입하는 냉각 공기의 운동량에 대한 장벽을 생성할 수도 있다.
일 측면에서, 냉각 경로를 갖는 연소기 조립체를 냉각하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 제 1 개구, 상기 제 1 개구로부터 하류측에 있는 제 2 개구 및 상기 제 1 및 제 2 개구 사이에서 연장되는 유동 채널을 형성하는 내측면을 포함하는 적어도 하나의 심블(thimble)를 제공하는 단계를 포함한다. 유동 채널은 수렴부와 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부를 구비한다. 상기 방법은 냉각 공기가 유동 채널로부터 냉각 경로로 배출되도록 적어도 하나의 슬리브에 형성되는 적어도 하나의 입구 내로 상기 적어도 하나의 심블을 삽입하는 단계를 더 포함한다.
다른 측면에서, 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 냉각 공기를 안내하기 위한 심블이 제공된다. 상기 심블은 외측면과, 제 1 개구, 상기 제 1 개구로부터 하류측의 제 2 개구 및 이들 사이에서 연장되는 유동 채널을 형성하는 대향 내측면을 포함한다. 유동 채널은 수렴부 및 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부를 포함한다. 수렴부는 상기 개구로부터 상기 회수부에 이르기까지 감소하는 직경을 가지며, 상기 회수부는 실질적으로 일정한 직경을 갖는다.
또 다른 측면에서, 연소기 조립체의 냉각 경로로 냉각 공기를 안내하도록 구성되는 적어도 하나의 돌출부를 갖는 슬리브가 제공된다. 상기 적어도 하나의 돌출부는 외측면과, 제 1 개구, 상기 제 1 개구로부터 하류측의 제 2 개구 및 이들 사이에서 연장되는 유동 채널을 형성하는 대향 내측면을 포함한다. 유동 채널은 수렴부와, 상기 수렴부로부터 하류측의 회수부를 포함한다. 상기 수렴부는 제 1 개구로부터 회수부로 감소하는 직경을 구비하며, 상기 회수부는 실질적으로 일정한 직경을 갖는다.
도 1은 예시적인 가스 터빈 엔진(10)의 개략적인 단면을 도시한다. 엔진(10)은 압축기 조립체(12), 연소기 조립체(14), 터빈 조립체(16) 및 공통 압축기/터빈 회전자축(18)을 포함한다. 엔진(10)은 단지 예시적인 것이라는 점, 본 발명의 실시예는 엔진(10)에 한정되지 않는다는 점 및 본원에 개시된 유사한 방식으로 냉각이 요구되는 소정의 가스 터빈 엔진 또는 가열 시스템에서 실행될 수도 있다는 점을 인지해야 한다.
작동시에, 공기는 압축기 조립체(12)를 통해 유동하고, 압축된 공기는 연소기 조립체(14)의 냉각 부분 및 연료와의 혼합을 위해 연소기 조립체(14)로 배출된다. 연소기 조립체(14)는 연료, 예를 들어 천연 가스 및/또는 연료유를 공기 유동으로 분사하고, 연료-공기 혼합물을 점화하여 연소를 통해 연료-공기 혼합물을 팽창시키고 고온의 연소 가스 흐름을 생성하게 된다. 연소기 조립체(14)는 터빈 조립체(16)와 유체 연통을 이루며, 고온의 팽창 가스 흐름을 터빈 조립체(16)로 배출한다. 고온의 팽창 가스 흐름은 터빈 조립체(16)에 회전 에너지를 부여하고, 터빈 조립체(16)가 회전자(18)에 회전 가능하게 결합되기 때문에, 회전자(18)는 이어서 회전력을 압축기 조립체(12)에 제공한다.
도 2는 연소기 조립체(14)의 일부에 대한 확대 단면도이다. 연소기 조립체(14)는 터빈 조립체(16) 및 압축기 조립체(12)와 유체 연통으로 결합된다. 압축기 조립체(12)는 이하 추가로 설명되는 바와 같이 연소기 조립체(14)를 통해 공기를 안내하기 위해 서로 유체 연통하여 결합되는 확산기(50) 및 배출 플리넘(52)을 포함한다.
연소기 조립체(14)는 복수의 연료 노즐(56)을 적어도 부분적으로 지지하는 실질적으로 원형의 돔형 플레이트(54)를 포함한다. 돔형 플레이트(54)는 유지 하드웨어(도 2에 도시되지 않음)를 구비한 실질적으로 원통형인 연소 유동 슬리브(58)에 결합된다. 실질적으로 원통형인 연소기 라이너(60)는 유동 슬리브(58) 내에 위치되고, 유동 슬리브(58)를 통해 지지된다. 라이너(60)는 실질적으로 원통 형인 연소기 채널(62)을 형성한다. 보다 구체적으로는, 라이너(60)는 환형 연소 라이너 냉각 경로(64)가 유동 슬리브(58)와 연소기 라이너(60) 사이에 형성되도록 유동 슬리브(58)로부터 반경 방향 내측으로 이격된다. 유동 슬리브(58)는 압축기 배출 플리넘(52)으로부터의 공기의 일부가 라이너 냉각 경로(64)로 유동할 수 있도록 하는 복수의 입구(66)를 형성한다.
충격 슬리브(68)는 상기 충격 슬리브(68)의 상류측 말단부(69)에서 연소기 유동 슬리브(58)와 실질적으로 동심으로 결합된다. 변이 부재(70)는 충격 슬리브(68)의 하류측 말단부(67)에 결합된다. 라이너(60)와 함께, 변이 부재(70)는 챔버(62)에 생성된 연소 가스를 터빈 노즐(84) 하류측으로 용이하게 안내한다. 변이 부재 냉각 경로(74)는 충격 슬리브(68)와 변이 부재(70) 사이에 형성된다. 충격 슬리브(68) 내에 형성된 복수의 개구(76)는 압축기 배출 플리넘(52)으로부터의 공기 유동의 일부가 변이 부재 냉각 경로(74)로 안내될 수 있도록 할 수 있다.
작동시, 압축기 조립체(12)는 축(18)(도 1에 도시됨)을 통해 터빈 조립체(16)에 의해 구동된다. 도 2에 도시된 바와 같이(기류는 화살표로 표시됨), 압축기 조립체(12)가 회전함에 따라, 압축기 조립체는 공기를 압축하고, 압축된 공기를 확산기(50) 내로 배출한다. 예시적인 실시예에서, 압축기 조립체(12)로부터 배출된 공기의 일부는 연소기 챔버(62)를 향해 압축기 배출 플리넘(52)을 통해 안내되고, 압축기 조립체(12)로부터 배출된 공기의 나머지 부분은 엔진(10) 요소를 냉각하는데 사용하기 위해 하류측으로 안내된다. 보다 구체적으로, 플리넘(52) 내의 가압된 압축 공기의 제 1 유동 레그(78)는 충격 슬리브 개구(76)를 통해 변이 부재 냉각 경로(74)로 안내된다. 그 후, 공기는 변이 부재 냉각 경로(74) 내에서 상류측으로 안내되고, 연소 라이너 냉각 경로(64)로 배출된다. 추가로, 플리넘(52) 내의 가압된 압축 공기의 제 2 유동 레그(80)는 충격 슬리브(68) 주위로 안내되고, 입구(66)를 통해 연소 라이너 냉각 경로(64)로 분사된다. 그 후, 입구(66)로 진입하는 공기 및 변이 부재 냉각 경로(74)로부터의 공기는 라이너 냉각 경로(64) 내에서 혼합되고, 그 후에 라이너 냉각 경로(64)로부터 연료 노즐(56)로 배출되며, 연소 챔버(62) 내에서 연료와 혼합 및 점화된다.
유동 슬리브(58)는 실질적으로 연소 챔버(62) 및 그와 연관된 연소 공정을 예를 들어 터빈 요소를 둘러싸는 주변 환경으로부터 분리한다. 결과적인 연소 가스는 터빈 노즐(84)을 향해 연소 가스 흐름을 안내하는 변이 부재(70)의 공동을 향해, 그리고 상기 공동을 통해 챔버(62)로부터 안내된다.
도 3은 압축 공기가 입구(64)를 거쳐 유동 슬리브(58)를 통해 라이너 냉각 경로(64)로 진입할 때에 있어서 라이너 냉각 경로(64)의 단면도이다. 적어도 일부가 공지된 시스템은 압축 공기를 라이너 냉각 경로(64)로 안내하기 위해 입구(66) 내에 위치되어 상기 입구를 덮는 직선형 심블(들)(86)를 사용한다. 심블(86)는, 압축 공기를 추가로 라이너 냉각 경로(64)로 안내함으로써, 그리고 냉각 압축 공기가 라이너(60)[충격 라이너(60)로 언급되기도 함]에 도달할 가능성을 높임으로써 열 전달을 보다 용이하게 한다. 비록, 도 3이 심블(86)를 구비한 경우와 구비하지 않은 경우 입구(66)를 통해 라이너 냉각 경로(64)로 진입하는 압축 공기를 도시하고 있지만, 유사한 구성이 압축 공기를 변이 부재 냉각 경로(74)로 안내하는데 사 용될 수 있다.
압축 공기가 변이 부재 냉각 경로(74) 또는 라이너 냉각 경로(64) 중 하나로 진입할 때, 압력 손실이 발생할 수도 있다. 이러한 압력 손실 중 일부는 기류가 경로 기류와 혼합할 때 및/또는 라이너(60) 또는 변이 부재(70) 상에 충돌할 때 발생하는 손실과 같이 열 전달을 최대화하기 때문에 유용하다. 그러나 그 외 다른 손실은 덤프 손실(dump loss) 및 터닝 손실(turning loss)이기 때문에 소모적이다.
유용한 압력 손실을 최대화하고, 낭비되는 압력 손실을 최소화하기 위해, 심블(86), 라이너 냉각 경로(64) 및 변이 부재 냉각 경로(74)는 테일러-고틀러형 유동(Taylor-Gortler of flow)을 유지하도록 구성될 수 있다. 도 4 및 도 5는 화살표로 기류의 방향이 표시된 각각 공기의 평행류와 난류를 도시한다. 평행 기류는 테일러-고틀러형 유동보다 경로 기류와의 혼합이 적고, 라이너 또는 변이 부재와의 충돌이 적을 수도 있다.
본 발명의 실시예는 연소기 조립체를 냉각하고, 압력 손실의 양을 절감하며, 연소기 조립체의 동역학을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 도 6은 심블(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 심블(100)는 내측면(101) 및 외측면(103)을 구비한다. 내측면(101)의 적어도 일부는 그 사이를 통과하는 유동 채널(102)을 형성한다. 비록, 본원에 개시된 심블(100)에 대한 실시예가 많은 형상 및 구성(이하 추가로 설명됨)을 구비할 수 있지만, 도 6에서 심블(100)는 실질적으로 원형이며 종방향 축선(90) 상에 중심설정된다. 일반적으로, 압축 공기는 플리넘(52)으로부터 유동 채널(102)을 통해 변이 부재 냉각 경로(74) 또는 라이너 냉각 경로(64)와 같은 냉각 경로(107)(도 6에 도시되지 않음)로 유동한다. 심블(100)는 립부(104)를 포함한다. 일부 실시예에서, 립부(104)는 실질적으로 원형이며 외경(D1)을 갖는다. 립부(104)는 슬리브(106)와 결합한다. 슬리브(106)는 소정의 슬리브, 라이너 또는 2개의 챔버를 분리하는 벽일 수 있다. 도 6에 있어서, 슬리브(106)는 충격 슬리브(68) 또는 유동 슬리브(58), 또는 연소기 조립체를 냉각하기 위해 사용되는 소정의 슬리브이다.
비록, 본원에 개시된 심블이 슬리브(106)와 별개로 또는 상기 슬리브로부터 제거 가능하게 도시되었지만, 본 발명의 실시예는 슬리브(106)와 일체[즉, 슬리브(106)와 결합되거나 상기 슬리브에 고정되는]를 이루는 심블을 더 포함하며, 여기서 상기 슬리브(106)는 본원에 개시된 심블와 유사한 형상인 돌출부를 형성하도록 제조된다.
일반적으로, 슬리브(106)는 두께(W1)를 갖는다. 일부 실시예에서, 심블(100)와 결합하기 위해, 리지부(ledge portion; 108)는 슬리브(106)로부터 연장되며, 두께(W2)를 갖는다. 두께(W2)는 두께(W1)보다 작다. 리지부(108)의 말단부(110)는 도 3에 도시된 입구(66)와 같은, 슬리브(106)의 개구를 형성한다. 비록, 개구가 소정의 구성을 가질 수 있지만, 도 6에서는 상기 개구는 실질적으로 원형이다. 리지부(108)는 D1과 실질적으로 동일하거나 약간 큰 외경(D2) 및 D2보다 작은 내경(D3)을 갖는다. 리지부(108)는 립부(104)와 결합하도록 구성되며, 립 부(104)와 유사한 구성을 가지며, 이에 따라 심블(100)가 사용될 때, 상기 립부(104)가 리지부(108) 상에 안착되거나 상기 리지부(108)에 결합될 수 있도록 한다. 립부(104)는 두께(W3)를 갖는다. 일 실시예에서, W3는 슬리브(106)의 외측면이 실질적으로 완만하도록 W1-W2와 실질적으로 동일하다.
유동 채널(102)은 내측면(101)에 의해 형성되고, 복수의 수평 단면에 의해 도시된다. 일부 실시예에서, 유동 채널(102)의 수평 단면은 실질적으로 원형이며, 각각의 수평 단면은 내측면(101) 상의 한 지점에서부터 종방향 축선(90)을 통해 내측면(101) 상의 또 다른 지점까지 연장되는 내경(ID)을 갖는다. 또한, 내측면(101)은 수평 단면의 종방향 축선(90) 또는 ID에 대해 상대적으로 관측될 수 있는 경사(S)에 의해 형성된다.
심블(100)는 화살표 방향(화살표에 의해 표시됨)으로 수렴하거나 좁아지는 유동 채널(102)의 일부로서 형성되는 수렴부(112)(또는 수렴부)를 포함한다. 수렴부(112)는 수평 단면이 하류측으로 이동함에 따라 상기 수평 단면의 면적이 감소하는 심블(100)의 부분으로서 형성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 상기 수렴부(112)의 적어도 일부에 대해 수렴부(112)의 내경(IDCS)은 상기 내측면(101)이 종방향 축선(90)에 대해 각도(θ)를 형성하는 일정 경사(SCS)를 갖도록 선형으로 감소한다.
이 부분은 절두원추형을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 심블(100)의 내측면은 종방향 축선(90)에 대해 약 15°의 각도를 형성한다.
일부 실시예에서, SCS 및 θ는 유동 채널(102)의 개시부로부터 수렴부(112)의 말단부까지 일정하게 유지된다. 이와 달리, 수렴부(112)는 플리넘(52)으로부터의 압축 공기가 먼저 유동 채널(102)로 진입하는 입구 섹션(114)을 포함한다. 입구 섹션(114)[및 이어서 수렴부(112)]은
│SEP│>0
일 때 개시하며, 여기서, SEP는 입구 섹션(114)에 대한 내측면(101)의 경사이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, SEP는 압력 손실을 최소화하기 위해 SCS보다 작다(즉, SCS는 SEP보다 가파르다). 또한, 입구 섹션(114)의 수평 단면은 상기 단면이 유동 채널 아래로 진행함에 따라 비선형으로 감소하는 내경(IDEP)를 포함한다.
심블(100)는 유동 채널(102)의 수평 단면의 면적이 실질적으로 동일한 부분으로서 형성되는 회수부(116)를 더 포함한다. 회수부(116)는 공기의 유동을 보다 균일한 분포로 지속적으로 전개한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 회수부(116)의 내측면(101)은 실질적으로 종방향 축선(90)에 평행하다. 회수부(116)의 내경(IDRS)은 전체적으로 실질적으로 동일하고, 일부 실시예에서 수렴부(112)의 말단부의 IDCS보다 작다.
일부 실시예에서, 심블(100)는 유동 채널(102)의 수평 단면의 면적이 증가하 는 부분으로서 형성되는 확산부(118)를 포함한다. 또한, 확산부(118)의 내경(IDDS)은 IDRS보다 크다. 확산부는 팽창으로 인한 잠재적 압력 손실을 최소화하도록 작동한다.
일부 실시예에서, 입구 섹션(114) 및 수렴부(112)는 예리한 에지에서 교차한다. 다른 실시예에서, 내측면(101)은 입구 섹션(114)을 수렴부(112)에 연결하는 변이부(115)를 포함한다. 변이부(115)는 약 0.01 인치 내지 약 0.2 인치의 반경(R1)을 갖는 원호이다.
이와 달리, 입구 섹션(114)은 R1에 동등하고, 수렴부(112)를 립부(104)의 상단면에 연결한다.
일부 실시예에서, 수렴부(112) 및 회수부(116)는 예리한 에지에서 교차한다. 다른 실시예에서, 내측면(101)은 수렴부(112)를 회수부(116)와 연결하는 변이부(117)를 포함한다. 변이부(117)는 반경(R3)을 갖는 원호이다. R3는 회수부(116)로의 입구에서 공기 분리를 최소화하도록 설계된다. 일반적으로, R3는 기류 및 내측면(101)으로부터 형성되는 레이놀즈 수(Re)에 비례한다. 일 실시예에서, R3는 약 0.01 인치 내지 약 0.2 인치이다.
일부 실시예에서, 회수부(116) 및 확산부(118)는 예리한 에지에서 교차한다. 다른 실시예에서, 내측면(101)은 회수부(116)를 확산부(118)에 연결하는 변이부(119)를 포함한다. 변이부(119)는 반경(R2)를 갖는 원호이다. R2는 출구에서 표 면으로부터의 공기의 분리를 최소화하도록 설계된다. R2에 대한 적절한 값은 심블을 통한 기류에 대한 적어도 IDRS, H4, Re 및 교차 흐름(MCROSS) 및 심블 유동(MTHIMBLE)의 운동량 비에 대한 복잡한 종속성을 갖는다.
외측면(103)은 경로(107) 내 심블(100)의 경로부(121)를 형성하며, 소정의 적합한 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 경로부(121)의 수평 단면은 직경(D4)을 갖는 실질적인 원형이다. 일부 실시예에서, D4는 내측면(101)의 수렴부(112)의 일부에 대응하는 외측면(103)의 플랜지부(120)를 제외하고 심블(100) 전체에 걸쳐 실질적으로 동일하다. IDCS에 유사하게, D4는 수평 단면이 하류측으로 진행함에 따라 점진적으로 작아진다.
입구(66)를 통한 유동은 불필요한 압력 손실을 유발하는 경로(107) 내의 상류측 유동을 차단하도록 작용할 수도 있다. 도 7 내지 도 10은 교차 흐름으로부터 이러한 압력 손실을 최소화하도록 작용하는 심블(200)의 내측면(201)과 외측면(203) 사이에 형성되는 벽을 관통하여 형성되는 압력 개구(220)를 도시한다. 압력 개구(220)는 유동 채널(202)을 통하는 경로(207) 내의 기류를 조절하는 것을 용이하게 하며, 상기 채널은 실질적으로 원형이고 종방향 축선(290) 주위에 중심 설정된다. 압력 개구(220)는 접근하는 경로 기류의 일부를 채널(202)로 안내한다. 도 7 및 도 8은 원 형상을 갖는 입구를 구비하는 압력 개구(220)를 도시한다. 도 9 및 도 10은 포물선 형상을 갖고, 심블(200) 하류측으로 연장되는 개구(220)의 입 구를 갖는 압력 개구(220)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 7 내지 도 10에 도시되는 바와 같이, 압력 개구(220)는 심블(200)의 벽에 의해 형성되고, 상단부(222)를 구비한다. 일부 실시예에서, 상단부(222)는 채널 기류의 방향으로 하류측으로 만곡된다.
도 11 내지 도 14는 플리넘(52) 내의 기류가 슬리브(306)의 외측면에 대해 적어도 일부 평행하게 이동하거나, 플리넘(52) 내의 기류가 채널(302)을 통하는 기류에 대해 적어도 부분적으로 직교하는 슬리브(306) 내에 위치될 수 있는 심블(300)를 도시한다.
도 11 및 도 12는 채널(302)(도 12에 도시됨)의 중심을 통해 연장되는 종방향 축선(390)에 대해 비대칭인 채널(302)을 갖는 심블(300)를 도시한다. 종방향 축선(390)을 통해 연장되는 수직 평면[라인(391)으로 표시됨]은 채널(302)의 체적을 전방부(324) 및 후방부(326)(도 12에 도시됨)로 나누고, 또한 타원형 또는 콩팥 형상 수평 단면의 면적을 전방 영역(327) 및 후방 영역(325)(도 11에 도시됨)으로 나눈다. 비대칭 심블(300)에 있어서, 전방부(324) 내의 채널(302)에 의해 형성된 공간은 후방부(326) 내의 채널(302)에 의해 형성되는 공간보다 크기가 더 크다. 또한, 공기가 채널(302)의 수렴부(312)를 통해 유동함에 따라, 타원형 단면의 면적은 전방 영역(327)에서 발생하는 보다 큰 감소와 함께 크기면에서 감소하게 된다. 도 12가 내경(ID4) 및 내경(ID5)를 비교하여 도시하는 바와 같이, 내경은 후방부(326)보다 전방부(324)에 대해 보다 감소한다.
심블(300)는 채널(302)의 수평 단면이 실질적으로 원형이고, 상기 단면의 면적이 전체적으로 실질적으로 동일한 회수부(316)를 더 포함한다. 심블(300)는 전술된 확산부(118)와 유사하게 구성되는 확산부(도 11에 도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다.
도 13 및 도 14는 스크푸 부재(430)와 함께 사용되는 심블(400)를 도시한다. 도 13에서, 채널(402)은 입구 섹션(414)을 갖는 수렴부(412)를 포함하고, 회수부(416)를 더 포함한다. 비록, 도 13이 본 발명의 일 실시예와 함께 스크푸 부재의 사용을 도시하고 있지만, 예를 들어 심블(100, 200, 300)를 포함하여 많은 다른 심블이 스크푸 부재(430)와 함께 사용될 수도 있다.
스크푸 부재(430)는 종방향 축선(490) 주위로 중심 설정되고 실질적으로 원형인 채널(402) 내로 슬리브(106)에 대체로 평행하게 유동하는 공기를 재안내한다. 스크푸 부재(430)는 채널(402)로의 개구의 일부를 덮도록 구성되며 만곡 형상을 갖는다. 비록, 스크푸 부재(430)가 공기를 채널(402)로 안내하기 위해 여러 많은 형상을 가질 수 있지만, 일 실시예에서 스크푸 부재(430)는 실질적으로 중공형 구형상의 1/4에 해당하는 형상과 유사하다. 스크푸 부재(430)는 채널(402)의 개구에 인접하여 립부(404)의 상단면에 결합되거나 고정되며, 또는 채널(402)의 개구에 인접하여 내측면(401)에 결합되거나 고정된다.
도 15는 유동 슬리브(58) 및 충격 슬리브(68)에 대한 하나의 가능한 구성을 도시한다. 유동 슬리브(58)는 압력 손실을 최소화하기 위해 심블(100)를 포함한다. 충격 슬리브(68)는 압력 손실이라는 불이익 없이 기류를 증가시키기 위한 비 대칭 심블(300)를 포함한다. 스쿠핑(scooping)된 심블(400)는 외부 기류가 슬리브의 표면에 평행하는 유동 슬리브 또는 충격 슬리브의 소정의 영역에서 유량을 증가시키기 위해 사용될 수도 있다.
또한, 유동 슬리브(58) 및 충격 슬리브(68) 전체적으로, 본원에 개시된 다양한 심블의 상이한 크기 및 구성은 냉각 및 기류를 최적화하기 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 16에 있어서, 심블(703, 702, 701)는 각각 다양한 깊이(H3, H2, H1)를 갖는다. 심블(701)는 더 상류측에 있으며, 다른 심블보다 큰 깊이(H1)를 갖는다. 하류측에서 압력은 훨씬 낮으며, 이에 따라 깊이(H3)를 갖는 심블(703)가 보다 적합하다. 상류측 심블 및 하류측 심블 사이의 상호작용은 상류측 심블이 하류측 심블에서 보다 낮은 압력장을 생성하고, 이에 하류측 심블을 통한 유동을 증가시키도록 이루어진다.
본 발명의 실시예는 음향 임피던스로서 특징지어질 수 있는 확산기 플리넘 및 슬리브 경로 사이의 압력 진동의 결합을 감소시키도록 사용될 수 있다. 일반적으로, 임피던스는:
Z=p'/q'
로 나타낼 수 있으며,
여기서, Z는 오리피스의 임피던스이고, p'는 인입 음압 섭동이며, q'는 p'에 의해 야기되는 유동 변동이다.
임피던스는 또한 압력 강하 및 유속과 같은 정상 상태량에 의해 표현될 수도 있다:
Z=ΔP/Q
여기서, ΔP는 오리피스에 걸친 압력 강하이며, Q는 오리피스에 걸친 유속이다. 상세한 과도 해석(transient analysis)은 심블의 임피던스가 전기 회로 내의 체크 밸브 또는 트랜지스터와 닮았다는 것을 나타낸다. 인입 음파가 그 양의 위상에 있는 경우, 오리피스는 확산기 플리넘으로부터 경로로의 압력 강하를 경험하게 되며, 이는:
Zfwd=ΔPfwd/Qfwd
로 표현될 수 있다.
그러나, 인입 음파가 짧은 구간내에 그 음의 위상(p'<0)에 있는 경우, 유동 변동은 실질적으로 상기 경로로부터 확산기 플리넘(q'<0)으로 존재한다. 양의 위상 변동과 달리, 음의 위상 변동은 상기 경로로부터 확산기 플리넘(ΔPbackward)에 걸친 압력 강하를 경험한다. 따라서, 음의 위상파의 임피던스는:
Zbackward=ΔPbackward/Qbackward
와 같이 표현될 수 있다.
음파 관점으로부터, 심블은 후방 유동이 발생할 때 잠기는 체크 밸브와 같이 작용한다. 전방 및 후방 압력 강하(ΔPforward 및 ΔPbackward)는 확산기 플리넘 및 경로를 조절하는 힘 함수에 비례한다. 이러한 힘 함수는 개구의 특징적 길이 또는 직경에 밀접하게 관련된다. 다시 말해, 기하학적 치수는 음향적 전파에 있어서의 위상 및 파수 매개변수를 결정한다. 따라서, 심블은 전방 및 후방 음파에 대한 길이에 있어서의 차이를 증가시키며, 이는 인입 및 인출 음파의 위상각 및 파수에 있어서의 큰 차이를 야기한다. 또한, 심블은 인입 및 인출 음파 위상 저하(acoustic waves falling in-phase)의 가능성을 감소시킨다. 경로를 통한 음파의 이러한 감소는 연소 챔버(62) 내의 음향적 발생의 기회를 감소시킨다.
본 발명은 냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하도록 구성되는 적어도 하나의 돌출부를 갖는 슬리브를 더 제공한다. 상기 적어도 하나의 돌출부는 외측면, 제 1 개구, 상기 제 1 개구로부터 하류측에 있는 제 2 개구 및 그 사이에서 연장되는 유동 채널을 형성하는 대향 내측면을 포함한다. 유동 채널은 수렴부 및 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부를 포함한다. 수렴부는 제 1 개구로부터 회수부로 감소하는 직경을 가지며, 회수부는 실질적으로 일정한 직경을 갖는다.
본 발명은 연소기 조립체(14)와 같은 복수의 입구를 갖는 적어도 하나의 슬리브에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 연소기 조립체를 냉각하는 방법을 더 제공한다. 상기 방법은 제 1 개구, 상기 제 1 개구로부터 하류측에 있는 제 2 개구 및 상기 제 1 개구와 제 2 개구 사이에서 연장되는 유동 채널을 형성하는 내측면을 포함하는 적어도 하나의 심블을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 유동 채널은 수렴부 및 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부를 구비한다. 상기 방법은 냉각 공기가 유동 채널로부터 냉각 경로로 배출되도록 적어도 하나의 슬리브에 형성되는 적어도 하나의 입구로 적어도 하나의 심블을 삽입하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예를 사용하여, 변이 부재(70) 및 연소기 라이너(60)의 냉각은 감소된 온도 구배가 존재하도록 최적화될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 실시예는 압력 손실을 용이하게 감소시킨다. 또한, 본원에 개시된 심블의 일부는 제거 가능하기 때문에, 연소 공정에 있어서 소정의 변경(예를 들어, 로딩 일정, 점화 온도, 연료 등에 있어서의 변경)이 있는 경우 유동 슬리브의 배열체는 변경될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 단수로 인용되고 "하나"라는 단어로 시작되는 요소 또는 단계는 명시적으로 복수형을 배제하지 않는 한, 복수의 상기 요소 또는 단계를 배제하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 "일 실시예" 또는 "하나의 예시적인 실시예" 라고 언급된 것은 개시된 특징을 통합하는 추가의 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.
비록, 본원에 개시된 장치 및 방법이 가스 터빈 엔진용 연소기 조립체와 관련하여 개시되었지만, 상기 장치 및 방법은 연소기 조립체 또는 가스 터빈 엔진에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 유사하게, 예시된 구성요소는 본원에 개시된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 심블의 구성요소는 본원에 개시된 다른 구성요소와 독립적으로, 그리고 별도로 사용될 수 있다.
비록, 본 발명이 여러 특정 실시예에 대해 설명되었지만, 당업자는 본 발명이 특허청구범위의 취지 및 범위 내에서 변형하여 실시할 수 있음을 인지할 것이다.
도 1은 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략적인 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈 엔진과 함께 사용될 수 있는 예시적인 연소기 조립체의 일부에 대한 확대 단면도,
도 3은 압축 냉각 공기가 진입하는 경우에 있어서의 라이너 경로의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 라이너 경로에 형성될 수 있는 공기의 평행 유동을 도시하는 도면,
도 5는 도 3에 도시된 라이너 경로에 형성될 수 있는 난기류를 도시하는 도면,
도 6은 도 3의 라이너 경로와 함께 사용될 수 있는 심블의 예시적인 실시예를 도시하는 도면,
도 7은 압력 개구를 갖는 심블의 단면도,
도 8은 도 7에 도시된 압력 개구를 갖는 심블의 사시도,
도 9는 도 6의 심블와 함께 사용될 수 있는 추가의 압력 개구의 단면도,
도 10은 도 9에 도시된 압력 개구를 갖는 심블의 사시도,
도 11은 비대칭 채널을 갖는 심블의 평면도,
도 12는 도 11에 도시된 비대칭 채널을 갖는 심블의 단면도,
도 13은 스크푸(scoop) 부재를 갖는 심블의 단면도,
도 14는 도 13에 도시된 스크푸 부재를 갖는 심블의 평면도,
도 15는 도 6 내지 도 14에 도시된 바와 같은 심블을 갖는 충격 슬리브 및 유동 슬리브에 대한 예시적인 구성을 도시하는 도면,
도 16은 서로와 관련하여 사용되는 다양한 깊이를 갖는 심블의 사용을 도시하는 도면.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
52: 압축기 배출 플리넘 90: 종방향 축선
100: 심블 101: 내측면
102: 유동 채널 103: 외측면
104: 립부 106: 슬리브
108: 리지부 110: 리지부의 말단부
114: 입구 섹션 115: 변이부
117: 변이부 120: 플랜지부
121: 경로부

Claims (10)

  1. 냉각 공기를 연소기 조립체(14)의 냉각 경로(107) 내로 안내하기 위한 심블(thimble)(100)에 있어서,
    외측면(103)과,
    제 1 개구(220), 상기 제 1 개구로부터 하류측에 있는 제 2 개구 및 이들 사이에서 연장되는 유동 채널(102)을 형성하는 대향 내측면(101)으로서, 상기 유동 채널은 수렴부(112) 및 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부(116)를 포함하며, 상기 수렴부는 상기 제 1 개구로부터 상기 회수부에 걸쳐 감소하는 직경을 가지며, 상기 회수부는 전체적으로 실질적으로 일정한 직경을 갖는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 채널(102)은 상기 회수부(116)로부터 하류측에 있는 확산부(118)를 더 포함하고, 상기 확산부는 상기 회수부로부터 상기 제 2 개구(220)에 걸쳐 증가하는 직경을 갖는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수렴부(112)는 절두원추형 섹션을 포함하며, 상기 절두원추형 섹션의 상류측 말단부(69)로부터 상기 절두원추형 섹션의 하류측 말단부(67)에 걸쳐 직경이 감소하는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수렴부(112)는 상기 제 1 개구(220)로부터 상기 절두원추형 섹션까지 연장되는 입구 섹션(114)을 더 포함하고, 상기 입구 섹션은 상기 절두원추형 섹션 직경보다 큰 직경을 갖는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측면(101)은 상기 냉각 경로(107)로부터 상기 유동 채널(102) 내로 공기를 안내하도록 구성되는 벽 개구를 형성하는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 벽 개구는 실질적으로 원형상을 갖는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 벽 개구는 비 원형상을 갖는
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 개구(220)는 타원형 및 콩팥 형상 중 하나의 형상인
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측면(103)은 플랜지부(120) 및 상기 플랜지부로부터 하류측에서 상기 플랜지부와 실질적으로 동심을 이루어 정렬되는 경로부(121)를 더 포함하며, 상기 플랜지부 및 상기 경로부 각각은 상기 유동 채널(102)을 둘러싸고, 외경을 가지며, 상기 플랜지부는 상기 제 1 개구(220) 및 상기 수렴부(112)의 적어도 일부 주위에서 원주 방향으로 연장되며, 상기 플랜지부 직경은 상기 경로부 직경보다 큰
    냉각 공기를 연소기 조립체의 냉각 경로 내로 안내하기 위한 심블.
  10. 냉각 공기를 연소기 조립체(14)의 냉각 경로(107) 내로 안내하도록 구성되는 적어도 하나의 돌출부를 포함하는 슬리브(106)에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌출부는,
    외측면(103)과,
    제 1 개구(220), 상기 제 1 개구로부터 하류측에 있는 제 2 개구 및 이들 사 이에서 연장되는 유동 채널(102)을 형성하는 대향 내측면(101)으로서, 상기 유동 채널은 수렴부(112) 및 상기 수렴부로부터 하류측에 있는 회수부(116)를 포함하며, 상기 수렴부는 상기 제 1 개구로부터 상기 회수부에 걸쳐 감소하는 직경을 가지며, 상기 회수부는 전체적으로 실질적으로 일정한 직경을 갖는
    적어도 하나의 돌출부를 포함하는 슬리브.
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