KR20080101785A - 터빈 엔진의 냉각을 용이하게 하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

터빈 엔진의 냉각을 용이하게 하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20080101785A
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마드하반 포야파캄
가네쉬 페자와 라오
칼틱 카레스와란
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

가스 터빈 엔진(100)용 전이 부재(160)가 제공된다. 전이 부재(160)는 제 1 말단부(184), 제 2 말단부(186) 및 이들 사이에서 연장되는 본체를 포함하며, 상기 본체는 내측면(182), 대향하는 외측면(180), 및 외측면 상에서 나선형으로 연장되는 난류 발생부(188)를 포함하며, 상기 난류 발생부는 전이 부재를 용이하게 냉각하도록 구성된다.

Description

터빈 엔진의 냉각을 용이하게 하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS TO FACILITATE COOLING TURBINE ENGINES}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가스 터빈 엔진과 함께 사용되는 전이 부재(transition piece)에 관한 것이다.
적어도 일부 공지된 가스 터빈 엔진은 연소기 조립체와 터빈 노즐 조립체 사이에 결합되는 전이 부재를 포함한다. 공지된 엔진 내의 전이 부재의 작동 온도를 용이하게 제어하기 위해, 냉각 공기가 압축기로부터 상기 전이 부재를 향해 안내된다. 보다 구체적으로, 적어도 일부 공지된 가스 터빈 엔진에 있어서, 냉각 공기는 압축기로부터, 적어도 부분적으로 연소기 조립체의 전이 부재 주위로 연장되는 플리넘 내로 배출된다. 플리넘으로 진입하는 냉각 공기의 일부는 전이 부재와 상기 전이 부재 주위로 연장되는 충돌 슬리브 사이에 형성되는 채널 내로 공급된다. 냉각 채널로 진입하는 냉각 공기는 연소기를 향해 배출된다.
채널 내의 냉각 공기의 효율을 증대시키기 위해, 적어도 일부 공지된 전이 부재는 상기 전이 부재의 외측면으로부터 외부로 연장되는 축방향으로 이격된 난류-증진 립 또는 난류 발생부를 포함한다. 공지된 전이 부재 난류 발생부는 냉각 채널 내의 냉각 공기의 유동에 실질적으로 수직 방향으로 배향된다. 이와 같이 공지된 전이 부재는 공기가 이동하며 난기류를 발생시키는 표면상에 복수의 난류 발생부를 부착함으로써 난류를 발생시킨다. 공기 유동이 축선 방향으로 인접한 원주 방향 난류 발생부 링과 접촉하는 경우, 공기가 난류 발생부 위로 가압되고, 전이 부재에 걸친 압력 강하가 증가됨에 따라 공기 유동은 느려진다. 이러한 압력 강하를 용이하게 감소시키기 위해, 적어도 일부 공지된 전이 부재가 한정된 개수의 난류 발생부로 제조된다. 그러나, 난류 발생부의 개수가 감소됨에 따라, 전이 부재 냉각 효율 또한 감소될 수 있다.
일 측면에서, 일 방법은 연소기 조립체 및 노즐 조립체를 포함하는 가스 터빈 엔진의 조립을 용이하게 한다. 상기 방법은, 제 1 말단부, 제 2 말단부 및 이들 사이에서 연장되며 내측면 및 대향하는 외측면을 구비하는 본체부를 포함하는 전이 부재를 제공하는 단계와, 상기 전이 부재의 제 1 말단부를 상기 연소기 조립체에 결합하는 단계와, 상기 전이 부재의 외측면 상에서 나선 모양으로 연장되는 난류 발생부가 상기 전이 부재 제 1 말단부로부터 상기 전이 부재 제 2 말단부로 연장되어 상기 연소기 조립체에 공급되는 냉각 공기에 난류를 부여하는 것을 용이하게 하도록 상기 전이 부재의 제 2 말단부를 상기 노즐 조립체에 결합하는 단계를 포함한다.
다른 측면에서, 가스 터빈 엔진용 전이 부재가 제공된다. 상기 전이 부재는 제 1 말단부, 제 2 말단부, 및 이들 사이에서 연장되는 본체부를 포함하며, 상기 본체부는 내측면, 대향하는 외측면 및 상기 외측면 상에서 나선형으로 연장되고, 상기 전이 부재를 용이하게 냉각하도록 구성되는 난류 발생부를 포함한다.
또 다른 측면에서, 가스 터빈 엔진이 제공된다. 상기 가스 터빈 엔진 시스템은 연소기 조립체, 및 상기 연소기 조립체에 결합되고, 상기 연소기 조립체로부터 하류측으로 연장되는 전이 부재를 포함하며, 상기 전이 부재는 제 1 말단부, 제 2 말단부 및 이들로부터 연장되는 본체부를 포함하며, 상기 본체부는 내측면, 외측면 및 상기 외측면 상에서 상기 제 1 말단부로부터 상기 제 2 말단부까지 나선형으로 연장되는 난류 발생부를 포함한다.
도 1은 예시적인 가스 터빈 엔진(100)의 개략적인 단면도이다. 엔진(100)은 압축기 조립체(102), 연소기 조립체(104), 터빈 조립체(106) 및 공통 압축기/터빈 로터 샤프트(108)를 포함한다. 엔진(100)은 단지 예시적인 것으로, 본 발명이 엔진(100)에 한정되는 것은 아니며, 본원에 개시된 바와 같이 작용하는 소정의 가스 터빈 엔진으로 대체되어 실행될 수 있음을 이해해야 한다.
작동시, 공기는 압축기 조립체(102)를 통해 유동하고, 압축된 공기는 연소기 조립체(104)로 배출된다. 연소기 조립체(104)는 연료, 예를 들어, 천연 가스 및/또는 연료유를 공기 유동으로 주입시키고, 연료-공기 혼합물을 점화시켜 연소를 통해 연료-공기 혼합물을 팽창시켜, 고온 연소 가스 스트림(도시되지 않음)을 발생시킨다. 연소기 조립체(104)는 터빈 조립체(106)와 유체 연통하여, 고온 팽창 가스 스트림을 터빈 조립체(106)로 배출한다. 고온 팽창 가스 스트림은 터빈 조립체(106)에 회전 에너지를 부여하며, 터빈 조립체(106)가 로터(108)에 회전 가능하게 결합되기 때문에, 이어서 로터(108)는 압축기 조립체(102)에 회전력을 제공한다.
도 2는 연소기 조립체(104)의 일부에 대한 확대 단면도이다. 연소기 조립체(104)는 터빈 조립체(106) 및 압축기 조립체(102)와 유체 연통하여 결합된다. 압축기 조립체(102)는 확산기(140) 및 배출 플리넘(142)을 포함하며, 이하 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 플리넘(142)으로부터 하류측에서 상기 플리넘에 유체 연통 결합되어, 연소기 조립체(104)를 향해 공기를 용이하게 안내한다.
예시적인 실시예에서, 연소기 조립체(104)는, 복수의 연료 노즐(146)을 적어도 부분적으로 지지하고, 유지 하드웨어(도 2에 도시되지 않음)를 갖춘 실질적으로 원통형인 연소기 유동슬리브에 결합되는 환형 돔 플레이트(144)를 포함한다. 실질적으로 원통형인 연소기 라이너(150)가 유동슬리브(148) 내에 위치되어, 유동슬리브(148)를 통해 지지된다. 실질적으로 원통형인 연소기 챔버(152)는 라이너(150)에 의해 형성된다. 보다 구체적으로는, 라이너(150)는 환형 연소기 라이너 냉각 통로(154)가 연소기 유동슬리브(148)와 연소기 라이너(150) 사이에 형성되도록 유 동슬리브(148)로부터 반경 방향 내측으로 이격된다. 유동슬리브(148)는 냉각 통로(154)에 유동 경로를 제공하는 복수의 입구(156)를 포함한다.
충돌 슬리브(158)는 상기 충돌 슬리브(158)의 상류측(159)에서 연소기 유동슬리브(148)에 실질적으로 동심으로 결합되며, 전이 부재(160)는 충돌 슬리브(158)의 하류측(161)에 결합된다. 전이 부재(160)는 챔버(152)에서 발생되는 연소 가스를 터빈 노즐(174)을 향해 하류측으로 용이하게 안내한다. 냉각 통로(164)는 충돌 슬리브(158)와 전이 부재(160) 사이에 형성된다. 충돌 슬리브(158) 내에 형성되는 복수의 개구(166)는 압축기 배출 플리넘(142)으로부터 배출되는 공기 유동의 일부가 전이 부재 냉각 통로(164)로 안내되도록 할 수 있다.
작동시, 압축기 조립체(102)는 샤프트(108)(도 1에 도시됨)를 통해 터빈 조립체(106)에 의해 구동된다. 압축기 조립체(102)가 회전됨에 따라, 압축된 공기는 도 2에 복수의 화살표로 도시된 바와 같이 확산기(140) 내로 배출된다. 예시적인 실시예에서, 압축기 조립체(102)로부터 배출된 공기의 대부분은 압축기 배출 플리넘(142)을 통해 연소기 조립체(104)를 향해 안내되며, 압축기 조립체(102)로부터 배출된 공기의 적은 부분은 냉각 엔진(100) 구성 요소에서의 사용을 위해 하류측으로 안내된다. 보다 구체적으로, 플리넘(142) 내에서 압축된 공기의 제 1 유동 지류(168)는 충돌 슬리브 개구(166)를 통해 전이 부재 냉각 통로(164)로 안내된다. 개구(166)로 진입하는 공기는 전이 부재 냉각 통로(164) 내에서 상류측으로 안내되어, 연소기 라이너 냉각 통로(154)로 배출된다. 플리넘(142) 내의 압축된 공기의 제 2 유동 지류(170)는 충돌 슬리브(158) 주위로 안내되어, 입구(156)를 통해 연소 기 라이너 냉각 통로(154)로 진입한다. 입구(156)로 진입하는 공기 및 전이 부재 냉각 통로(164)로부터의 공기는 통로(154) 내에서 혼합되고, 그 후에 연료 노즐(146) 내로 배출되며, 연소기 챔버(152) 내에서 연료와 혼합되고 점화된다.
유동슬리브(148)는 실질적으로 연소 챔버(152)를 분리시키고, 그에 관련된 연소가 예를 들어, 터빈 구성요소를 둘러싸는 외부 환경으로부터 진행된다. 결과적인 연소 가스는 챔버(152)로부터 전이 부재(160)를 통해 터빈 노즐(174)을 향해 안내된다.
도 3은 전이 부재(160)의 사시도이다. 전이 부재(160)는 외측면(180), 내측면(182), 제 1 말단부(184) 및 제 2 말단부(186)를 포함한다. 나선형 난류 발생부(188)가 외측면(180)으로부터 연장된다. 예시적인 실시예에서, 난류 발생부(188)는 전이 부재(160)와 일체로 형성되고 전이 부재(160)를 중심으로 나선형으로 연장되는 연속적인 구조체이다. 예시적인 실시예에서, 권취된 나선형 난류 발생부(188)는 브레이징 공정(braising process)을 사용하여 전이 부재에 결합된다. 다른 실시예에서, 난류 발생부(188)는 용접 공정을 포함하여 다른 소정의 결합 수단을 사용하여 전이 부재(160)에 결합된다. 또 다른 실시예에서, 난류 발생부(188)는 기계가공 공정을 통해 표면(180) 상에 형성된다. 난류 발생부(188)의 단면 형상은 이에 한정되는 것은 아니나, 실질적으로 원형, 반원형, 직사각형 또는 소정의 다른 형상을 포함할 수 있다.
이와 달리, 또 다른 실시예에서, 난류 발생부(188)는 외측면(180)에 걸쳐 나선형 패턴으로 연장되는 복수의 아치형 세그먼트로 구성된다. 상기 아치형 세그먼 트는 연속적인 나선형 난류 발생부를 형성하지 않고, 오히려 인접한 세그먼트 간에 간극을 두고 이격된다. 비록, 이러한 실시예의 난류 발생부가 연속적 이지는 않지만, 상기 세그먼트는 단일 공통 경로를 따르고, 전이 부재(160) 주위에서 압축된 공기의 나선형 유동을 유발한다. 이와 달리, 이러한 실시예에서, 포스트 또는 다른 동등한 구조체가 인접한 세그먼트 사이에 위치될 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 난류 발생부(188)는 권취된 패턴으로 전이 부재(160)를 중심으로 나선형으로 연장되는 복수의 독립적인 평행 구조체를 포함한다. 비록, 나선형 세그먼트가 독립적이고, 별도의 경로를 따르게 되지만, 복수의 나선형 세그먼트는 전이 부재(160)를 중심으로 압축된 공기의 나선형 유동을 발생시킨다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 작동시, 압축기 조립체(102)로부터 배출되는 공기의 대부분은 압축기 배출 플리넘(142)을 통해 연소기 조립체(104)를 향해 안내되며, 압축기 조립체(102)로부터 배출된 나머지 공기는 냉각 엔진(100) 구성요소에서의 사용을 위해 하류측으로 안내된다. 보다 구체적으로, 플리넘(142) 내의 가압된 압축 공기의 제 1 유동 지류(168)는 충돌 슬리브 개구(166)를 통해 전이 부재 냉각 통로(164) 내로 안내된다. 개구(166)로 진입하는 공기는 냉각 통로(164)를 통해 상류측으로 안내되어, 연소기 라이너 냉각 통로(154)로 배출된다. 난류 발생부(188)는 공기 진입 통로(164) 내에 난류를 발생시킨다. 또한, 난류 발생부(188)는 전이 부재(160)를 중심으로 한 냉각 공기의 나선형 유동 경로를 용이하게 발생시킨다. 보다 구체적으로는, 통로(164)를 통해 유동하는 공기는 일반적으로 연소 기 라이너 냉각 통로(154) 내로 배출되기 전에, 난류 발생부(188)를 통해 전이 부재(160)를 중심으로 나선형 경로 내로 안내된다.
외측면(180) 주위로 유동하는 공기는 비-난류성 전이 부재를 지나 유동하는 공기에 비해 전이 부재(160)의 냉각 증대를 용이하게 한다. 보다 구체적으로는, 공기가 외측면(180) 위에서 나선형으로 유동하기 때문에, 공기는 비-난류성 전이 부재에 비해 보다 긴 시간 동안 전이 부재(160)에 대해 유지되거나 "접촉 상태"를 유지한다. 결과적으로, 전이 부재(160)는 체류 시간의 증가로 인해, 나선형 경로를 따르는 공기에 의해 보다 효율적으로 냉각된다. 또한, 공지된 전이 부재 난류 발생부와 달리, 예시적인 실시예에서, 난류 발생부(188)는 전이 부재(160)를 중심으로 나선형으로 공기를 안내할 뿐 아니라, 이러한 공기에 난류를 유발할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 나선형 난류 발생부(188)는 나선형으로 전이 부재(160)를 중심으로 공기 유동의 일부를 안내한다. 공기 유동이 나선형 난류 발생부(188)와 접촉하는 경우, 공기 유동의 제 1 부분은 전이 부재를 중심으로 나선형으로 안내되고, 공기 유동의 제 2 부분은 나선형 난류 발생부(188) 위로 가압된다. 공기 유동의 일부만이 난류 발생부(188) 위로 가압되기 때문에 나선형 난류 발생부로 압력 손실은 용이하게 감소된다. 공기 유동의 나머지 부분은 전이 부재(160)를 중심으로 나선형 경로로 유동한다. 전이 부재(160)를 중심으로 한 공기의 나선형 유동은 공기 유동의 압력 강하를 용이하게 최소화하며, 공기가 전이 부재(160)를 냉각시키도록 한다. 또한, 난류 발생부(188)는 구성요소 사용 수명이 용이하게 증가되도록 전이 부재(10)의 냉각을 증대시킨다.
터빈 엔진과 함께 사용하기 위한 전이 부재의 예시적인 실시예가 상세하게 전술된다. 난류 발생부는 본원에 개시된 특정 전이 부재와의 사용에 한정되지 않으며, 오히려 난류 발생부는 본원에 개시된 다른 전이 부재와 독립적이고 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 상세하게 전술된 전이 부재 또는 난류 발생부의 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 나선형 난류 발생부 실시예에 대한 다른 변형예들이 특허청구범위의 취지 및 범위 내에서 사용될 수 있다.
본 발명이 다양한 특정 실시예의 관점에서 설명되었지만, 당업자는 본 발명이 특허청구범위의 취지 및 범위 내에서 변형되어 실행될 수 있음을 인식할 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 도 2에 도시된 연소기 조립체와 함께 사용될 수 있는 전이 부재에 대한 사시도.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
100: 가스 터빈 엔진 102: 압축기 조립체
104: 연소기 조립체 106: 터빈 조립체
108: 로터 샤프트 140: 확산기
142: 배출 플리넘 144: 환형 돔 플레이트
146: 연료 노즐 148: 유동슬리브
150: 연소기 라이너 152: 연소 챔버
154: 냉각 통로 156: 입구
158: 충돌 슬리브 159: 상류측 말단부
160: 전이 부재 161: 하류측
164: 냉각 통로 166: 충돌 슬리브 개구
168: 제 1 유동 지류 170: 제 2 유동 지류
174: 터빈 노즐 180: 외측면
182: 내측면 184: 제 1 말단부
186: 제 2 말단부 188: 나선형 난류 발생부

Claims (10)

  1. 가스 터빈 엔진(100)용 전이 부재(160)에 있어서,
    제 1 말단부(184)와,
    제 2 말단부(186)와,
    상기 제 1 말단부와 상기 제 2 말단부 사이에서 연장되는 본체를 포함하며,
    상기 본체는 내측면(182), 대향하는 외측면(180) 및 상기 외측면 상에서 나선형으로 연장되고, 상기 전이 부재의 냉각이 용이하도록 구성되는 난류 발생부(188)를 포함하는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 말단부(184)는 실질적으로 직사각형의 단면 윤곽을 갖는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 말단부(186)는 실질적으로 원형의 단면 윤곽을 갖는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류 발생부(188)는 상기 외측면(180)에 결합되는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류 발생부(188)는 상기 본체와 일체로 형성되는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류 발생부(188)는 직사각형의 단면 형상, 반원형의 단면 형상 및 원형의 단면 형상 중 적어도 하나를 포함하는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류 발생부(188)는 상기 전이 부재를 효율적으로 냉각함으로써 상기 전이 부재의 사용 수명 연장을 용이하게 하는
    가스 터빈 엔진용 전이 부재.
  8. 가스 터빈 엔진(100)에 있어서,
    연소기 조립체(104)와,
    상기 연소기 조립체에 결합되고, 상기 연소기 조립체로부터 하류로 연장되는 전이 부재(160)를 포함하며,
    상기 전이 부재(160)는 제 1 말단부(184), 제 2 말단부(186) 및 상기 제 1 말단부와 제 2 말단부로부터 연장되는 본체를 포함하며, 상기 본체는 내측면(182), 외측면(180), 및 상기 제 1 말단부로부터 상기 제 2 말단부까지 상기 외측면 상에서 나선형으로 연장되는 난류 발생부(188)를 포함하는
    가스 터빈 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 난류 발생부(188)는 상기 외측면(180)에 결합되는
    가스 터빈 엔진.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 난류 발생부(188)는 브레이징 공정을 통해 상기 외측면(180)에 결합되는
    가스 터빈 엔진.
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