KR20110065559A - 터빈 냉각 시스템 - Google Patents

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아담 필립 치르
앤드류 마틴 롤트
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롤스-로이스 피엘씨
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Abstract

본 발명은 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다. 본 냉각 시스템은 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로를 포함한다. 제1 및 제2 유로의 경로는 엔진의 연소실을 우회한다. 또한, 본 냉각 시스템은 제1 및 제2 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 와류된 냉각용 공기를 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러를 포함한다. 제1 유로는 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기보다는 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기를 냉각시키기는 열교환기를 통해 보내진다.

Description

터빈 냉각 시스템{TURBINE COOLING SYSTEM}
본 발명은 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.
항공기 가스 터빈의 고압 터빈 부품은 엔진의 최고온부 내에 위치된다. 약 1600℃에서, 가스 흐름의 온도는 고압 터빈 노즐 안내깃(high pressure turbine nozzle guide vanes)과 회전익이 통상 주조되는 니켈계 합금의 용융 온도보다 더 크다.
따라서, 고압 압축기의 출구로부터 배출된 냉각 공기를 이용해 노즐 안내깃 및 회전익의 내부를 냉각시키는 것이 일반적이다. 그렇더라도, 연소실을 우회하는 냉각 공기의 온도는 700℃ 이상이 될 수 있다. 노즐 안내깃 및 회전익의 외부는 각 부품의 내부와 외부를 연결하는 통로에 냉각 공기를 통과시킴으로써 냉각될 수도 있어서, 냉각 공기는 부품을 고온의 가스 흐름으로부터 보호하기 위해 부품 주위에 공기막을 형성한다. 공기막을 형성하기 위하여, 부품 내의 냉각 공기는 외부 가스 흐름 압력에 대해 정압을 가져야 한다.
노즐 안내깃이 정적 부품이기 때문에, 노즐 안내깃에는 비교적 직진형 덕팅 장치에 의해 냉각용 공기가 공급될 수 있다. 통상적으로, 냉각용 공기는 회전 디스크의 회전에 맞추기 위해 냉각용 공기에 와류 운동을 주는 프리스월러를 통과한 후에 회전익에 공급된다. 와류형 냉각용 공기는 회전 디스크를 냉각시키기 위해 회전 디스크의 방사상 외측부에 부딪치며, 회전익의 바닥 영역의 유입 구멍을 통해 회전익의 내부 공동으로 들어간다.
고온의 가스 흐름으로부터 터빈 부품을 보호할 필요가 있지만, 압축기로부터의 냉각용 공기의 추출은 엔진 효율에 악영향을 미친다. 따라서, 냉각용 공기는 가능한 한 효과적으로 사용되어야 한다.
미국특허등록 제4254618호에는, 터보팬 엔진의 압축기 배출부로부터 냉각용 공기를 유출시키고, 냉각용 공기를 팬 덕트의 디퓨저부 내에 위치된 열교환기에 보내는 방법이 개시되어 있다. 그러면, 냉각된 냉각용 공기는 압축기 후방 프레임 스트러트(compressor rear frame struts)를 통해 팽창기 노즐로, 이 팽창기 노즐에서 터빈으로 보내진다.
일반적으로, 본 발명은 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것으로, 본 냉각 시스템은 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로와, 상기 두 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 와류된 냉각용 공기를 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러(preswirler)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로의 경로는 엔진의 연소실을 우회하고, 제1 유로는 제2 유로에 의해 안내된 냉각용 공기보다는 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내진다.
이와 같이 제1 유로에 따른 냉각용 공기의 온도를 감소시킴으로써, 회전익을 더욱 효과적으로 냉각시키는 것, 예를 들면 보다 적은 양의 냉각용 공기를 사용하는 것이 가능한데, 이는 엔진 효율을 증가시킬 수 있다. 더 구체적으로는, 회전익의 막냉각의 양을 감소시키거나, 회전익의 막냉각 구멍을 거의 사용하지 않는 것이 가능할 수 있다. 실제로, 온도가 매우 크게 감소되면, 심지어는 회전익의 막냉각을 제거하는 것이 가능할 수 있다.
통상적으로, 제1 유로는 연소실의 방사상 바깥방향으로 향해진다. 통상적으로, 제2 유로는 연소실의 방사상 안쪽으로 향해진다.
냉각용 공기를 위한 2개의 유로를 포함함으로써, 시스템의 견고성이 향상될 수 있다. 특히, 만일 제1 유로만이 사용되었다면, 시스템은 열교환기가 고장 또는 부분 고장날 위험성이 높으며, 이 고장은 회전익으로의 냉각용 공기의 유동을 감소시킬 수 있거나, 최악의 경우에는 그 유동을 제거한다. 그러나, 제1 및 제2 유로에 의해, 열교환기의 고장 또는 부분 고장이 있더라도, 냉각용 공기는 제2 유로로부터 터빈 회전익에 계속해서 도달할 수 있다.
통상적으로, 열교환기는 서로 병렬식으로 연결된 다수의 열교환기 모듈을 포함한다. 따라서, 하나의 모듈이 고장나더라도, 이것이 다른 모듈이 계속해서 작동하는 것을 방해하지 못한다.
엔진은 터보팬 엔진일 수 있다. 종래에는, 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기는 엔진의 팬으로부터 받은 바이패스 공기(bypass air)에 의해 열교환기에서 냉각될 수 있다. 예를 들면, 높은 바이패스 터보팬 엔진에서, 열교환기는 팬으로부터의 바이패스 공기의 일부(통상 비교적 작음)를 수용하는 덕트의 연소실과 인접하게 위치될 수 있다. 반면에, 낮은 바이패스 엔진에서, 열교환기는 엔진의 바이패스 덕트 내에 직접 위치될 수 있다. 개방형 회전익 또는 터보 제트 엔진의 경우, 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기는 나셀(nacelle) 또는 기타 다른 통풍 유동 및/또는 압축기 유출 유동에 의해 열교환기에서 냉각될 수 있다. 대안적으로, 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기는 연교환기에서 엔진 연료의 일부 또는 엔진 연료만으로 냉각될 수 있다.
더 구체적으로, 본 발명의 제1 태양은 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것으로, 본 냉각 시스템은 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로와, 제1 및 제2 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 와류된 냉각용 공기를 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로의 경로는 엔진의 연소실을 우회하고, 제1 유로는 제2 유로에 의해 안내된 냉각용 공기보다는 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내지며, 제1 유로는 열교환기와 프리스월러 사이에서 터빈의 노즐 안내깃(nozzle guide vanes)을 통해 보내진다.
노즐 안내깃을 통해 보내지는 제1 유로에 의해, 냉각용 공기를 위한 2개의 유로가 갖는 또 다른 장점으로, 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기에 대한 유로 면적은 노즐 안내깃의 외형을 상당히 변화시킬 필요 없이 노즐 안내깃이 제1 유로를 수용하도록 구성될 수 있을 정도로 감소될 수 있다는 점이다. 다른 한편으로, 만일 전체 냉각 유동이 노즐 안내깃을 통해 보내졌다면, 예를 들면 냉각 유동을 수용하기 위해 최적의 폭보다 적은 폭의 익현 회전익 구조를 사용하는 것이 필수적일 것이다.
바람직하게, 노즐 안내깃은 터빈 회전익의 상류부에 위치한다. 종래에는, 프리스월러가 노즐 안내깃의 방사상 안쪽과 회전익의 상류부에 위치될 수 있다.
바람직하게, 노즐 안내깃은 사용시 또 다른 냉각용 공기의 유동을 수용하는 각각의 내부 공동을 포함하고, 각각의 노즐 안내깃은 노즐 안내깃을 통한 제1 유로의 경로를 형성하는 하나 이상이 이동 통로를 더 포함하며, 상기 또는 각각의 이동 통로는 각각의 내부 공동을 가로지르므로, 상기 또는 각각의 이동 통로를 통한 제1 유로를 따라 유동하는 냉각용 공기는 내부 공동에 의해 수용된 또 다른 냉각용 공기의 온도를 감소시킨다.
따라서, 제1 유로에 따른 냉각용 공기는 회전익에 전달되는 냉각용 공기의 온도를 감소시킬 뿐만 아니라, 노즐 안내깃의 또 다른 냉각용 공기의 온도를 감소시킬 수 있다. 상기 또는 각각의 이동 통로는 이동 통로 내의 냉각용 공기와 공동에 의해 수용된 또 다른 냉각용 공기 사이의 열전달을 향상시키기 위해 핀(fins) 등의 특징부를 포함할 수 있다.
또 다른 냉각용 공기의 낮아진 온도가 그 유동의 정압을 감소시키기 때문에, 상기 또는 각각의 이동 통로는 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기의 일부가 또 다른 냉각용 공기의 유동 속으로 유출될 수 있도록 하는 하나 이상의 유출 구멍을 포함할 수 있다. 이와 같이, 또 다른 냉각용 공기는 손실된 정압을 보상하고 노즐 안내깃의 냉각 효과를 증가시키기 위해 보충될 수 있다. 그래도, 냉각 효과가 증가되면 노즐 안내깃의 냉각용 공기 질량 유량이 전반적으로 감소될 수 있어서, 엔진의 효율이 증가될 수 있다.
실제로, 공기가 프리스월러에 도달하기 전에 다른 냉각 목적으로 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기의 일부를 유출시키는 것이 바람직할 수 있다. 프리스월러는 두 유로의 냉각용 공기를 수용하는 수용 챔버를 포함할 수 있고, 수용 챔버는 제2 유로로부터의 냉각용 공기가 챔버에서 와류되어, 이 냉각용 공기의 정압을 감소시켜, 제1 유로로부터의 냉각용 공기를 챔버 내로 끌어내도록 배치된다.
일반적으로, 제1 유로로부터 도달한 냉각용 공기는, 그 온도가 감소되기 때문에, 제2 유로로부터 도달한 냉각용 공기보다 정압이 낮을 것이다. 이는, 만일 예를 들면 수용 챔버 내에 제1 유로로부터의 냉각용 공기와 제2 유로로부터의 냉각용 공기를 유입 또는 혼합하는 경우에 문제를 발생시킬 수 있다. 제2 유도로로부터의 냉각용 공기의 정압을 감소시키기 위해 이 냉각용 공기를 와류시키면, 이들 문제는 해결될 수 있다.
대안적으로, 프리스월러는 제1 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제1 수용 챔버 및 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제2 수용 챔버를 포함할 수 있고, 이들 챔버는 냉각용 공기를 회전익에 전달하는 각각의 배출 노즐을 포함한다.
그러한 배열은 상술한 유입 또는 혼합 문제를 해결하고, 터빈 회전익의 다른 부분이 상이한 각각의 냉각 조건을 가질 때 바람직할 수 있다. 그러면, 두 유로 중 하나의 유로로부터의 냉각용 공기는 나머지 다른 하나의 유로로부터의 냉각용 공기와 실질적으로 혼합되지 않으면서 회전익의 일 부분에 전달될 수 있다.
실제로, 본 발명의 제2 태양이 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것으로, 본 냉각 시스템은 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로와, 제1 및 제2 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 와류된 냉각용 공기를 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로의 경로는 엔진의 연소실을 우회하고, 제1 유로는 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기보다는 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내지며, 프리스월러는 제1 및 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 수용 챔버를 포함하고, 수용 챔버는 제2 유로로부터의 냉각용 공기가 수용 챔버에서 와류되어, 이 냉각용 공기의 정압을 감소시켜, 제1 유로로부터의 냉각용 공기를 수용 챔버 내로 끌어내도록 배치된다.
또한, 본 발명의 제3 태양은 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것으로, 본 냉각 시스템은 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로와, 제1 및 제2 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 와류된 냉각용 공기를 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로의 경로는 엔진의 연소실을 우회하고, 제1 유로는 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기보다는 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내지며, 프리스월러는 제1 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제1 수용 챔버 및 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제2 수용 챔버를 포함하고, 이들 수용 챔버는 냉각용 공기를 회전익에 전달하는 각각의 배출 노즐을 포함한다.
적절한 경우, 다음의 선택적 특징들은 본 발명의 제1, 제2 및 제3 태양 중 어느 하나에 속한다.
바람직하게, 상기 또는 각각의 수용 챔버는 엔진축과 동축을 이루는 환형 통로이다. 이를 통해, 냉각용 공기는 엔진축에 대해 접선 방향(본 방향은 바람직하게 회전익의 회전 방향과 일치함) 수용 챔버 둘레를 따라 와류될 수 있다. 바람직하게, 상기 또는 각각의 수용 챔버는 냉각용 공기를 위한 유입 노즐을 포함하며, 유입 노즐은 수용 챔버에서 와류 운동을 촉진시키기 위해 각을 이룬다. 유입 노즐은 수용 챔버의 둘레에 이격되어 배치될 수 있다. 바람직하게, 상기 또는 각각의 수용 챔버는 냉각용 공기를 위한 배출 노즐을 포함하며, 배출 노즐은 냉각용 공기를 터빈 회전익에 전달한다. 배출 노즐은 수용 챔버의 둘레에 이격되어 배치될 수 있다. 배출 노즐은 수용 챔버에서 터빈 회전익으로 전달되는 냉각용 공기의 체적 유량을 결정하는 유량 측정용 노즐일 수 있다. 그러면, 수용 챔버가 두 유로로부터 냉각용 공기를 수용하는 경우, 심지어는, 예를 들면 제1 유로에 따른 유동이 고의든 고의가 아니든 감소되거나 차단된 경우에도, 회전익으로의 냉각용 공기의 총 체적 유량은 유지될 수 있다. 바람직하게, 배출 노즐은 엔진축에 대해 접선 방향(본 방향은 바람직하게 회전익의 회전 방향과 일치함)으로 냉각용 공기를 와류시키기 위해 각을 이룬다. 배출 노즐의 각 형성에 의해, 환형 수용 챔버 주위에 따른 유동의 접선 방향 성분은 회전익에 전달되는 냉각용 공기에 효율적으로 전달될 수 있다.
바람직하게, 제1 및 제2 유로에 의해 안내된 냉각용 공기의 총 양에 대한 열교환기에 의해 냉각된 냉각용 공기의 양은 조절될 수 있다. 프리스월러가 두 유로의 냉각용 공기를 수용 및 혼합하는 수용 챔버를 포함하면, 프리스월러에 의해 전달되는 냉각용 공기의 온도는 제어가능하게 변동될 수 잇다. 일반적으로, 이륙시의 엔진 작동 상태일 때, 터빈 냉각 조건은 최대인 반면에, 순항 속도의 작동 상태일 때, 냉각 조건은 감소된다. 그러나, 회전익에 전달되는 냉각용 공기의 온도는 어떤 특정 작동 상태에 필요한 온도보다 낮은 것이 바람직한데, 이러한 이유는, 냉각용 공기의 온도가 높으면, 엔진 효율이 감소되기 때문이다. 따라서, 예를 들면, 열교환기는 제1 유로 상에서 제어가능하게 우회될 수 있거나, 실제로는, 제1 유로는 제어가능하게 비활성화될 수 있어서, 프리스월러에 의해 전달되는 냉각용 공기의 온도는 순항시 증가될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 상술한 태양의 냉각 시스템을 포함한 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.
다음으로, 일 예로서 첨부 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템을 포함한 터보팬 엔진(turbofan engine)의 개략적인 자오면을 나타낸다.
도 2a는 엔진의 자오면 상의 도 1의 냉각 시스템의 프리스월러(preswirler)의 단면 개략도이다.
도 2b는 도 2a의 선 I-I를 따라 절개된 단면도이다.
도 3은 프리스월러의 다른 실시예의 단면 개략도이다.
도 4는 프리스월러의 또 다른 실시예의 단면 개략도이다.
도 5a는 프리스월러의 또 다른 실시예의 단면 개략도이다.
도 5b는 도 5a의 선 I-I를 따라 절개된 단면도이다.
도 6은 도 5의 프리스월러의 변형예의 단면 개략도이다.
도 7은 프리스월러의 또 다른 실시예의 일부의 절개도이다.
도 8은 도 7의 프리스월러의 변형예의 일부의 절개도이다.
도 9는 프리스월러의 또 다른 실시예의 단면 개략도이다.
도 1은 터보팬 엔진의 개략적인 자오면을 나타내고 있다. 터보팬 엔진은 엔진축(1)과, 유동 방향으로 팬(2), 압축기부(3), 연소실(4) 및 터빈부(5)를 포함한다. 터빈부는 일련의 노즐 안내깃(nozzle guide vanes)(6) 및 회전 디스크(rotor disc)(8) 상에 설치된 일련의 회전익(rotor blades)(7)을 포함한 고압 터빈을 포함한다.
터보팬 엔진은 고압 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템을 포함한다. 냉각 공기가 압축기부(3)의 출구로부터 배출되어, 도 1의 화살표로 나타내어진 두 유로(A, B)를 따라 유동한다.
제1 유로(A)를 고려하면, 냉각 공기는 적합한 도관을 따라 엔진 코어로부터 엔진의 둘레에 이격되어 배치된 다수의 고효율 열교환기 모듈(9)로 유동한다. 고효율 열교환기 모듈은 팬(1)에 의해 주 바이패스 덕트(main bypass duct)(10a)로부터 발생되는 바이패스 공기(bypass air)의 일부를 우회시키는 덕트(10b) 내에 위치된다.
고효율 열교환기 모듈(9)이 냉각 공기의 온도를 감소시키면, 냉각 공기는 노즐 안내깃(6)의 이동 통로를 따라, 노즐 안내깃의 방사상 내측 및 회전 디스크(8)의 바로 위에 위치된 환형 수용 챔버를 포함하는 프리스월러(11)까지 유동한다. 통상적으로, 각각의 열교환기 모듈은, 예를 들면 10개 이상 또는 12개의 노즐 안내깃의 영역을 통해 냉각 공기를 분배한다.
이와 대조적으로, 유로(B)에 따른 냉각 공기는 프리스월러(11) 내에 보다 직접적으로 이동하기 연소실(4)의 방사상 안쪽으로 이동한다. 따라서, 유로(A)로부터 프리스월러(11)로 들어가는 냉각 공기는 유로(B)로부터 프리스월러(11)로 들어가는 냉각 공기보다 온도가 더 낮다.
상기 두 공기 유동은 프리스월러(11)에서 혼합되어, 회전 디스크(8)의 회전 방향으로 적당한 와류 운동을 나타낸다. 냉각 공기가 회전 디스크(8)의 방사상 외측부에 부딪치기 위해 프리스월러(11)의 수용 챔버로부터 둘레에 이격되어 배치된 유량 측정용 출력 노즐(12)을 통과할 때, 냉각 공기에 추가의 와류가 더해진다. 냉각 공기는 회전 디스크를 냉각시키고, 또한 회전익을 냉각시키기 위해, 회전익 바닥부의 유입 구멍을 통해 회전익(7)의 내부 공동으로 유입된다. 출력 노즐(12)의 유로 면적은 프리스월러의 수용 챔버로부터 회전 디스크까지 배출되는 냉각 공기의 체적 유량을 결정한다.
선택적으로, 냉각 시스템은, 유로(A)에 따른 공기가 프리스월러(11)로 들어갈 때 적당한 압력을 갖는 것을 보장하기 위해, 열교환기 모듈과 직렬로 배치된 재압축기(도 1에 도시되지 않음)를 포함한다. 그러나, 바람직하게, 그러한 재압축기는 필요하지 않다.
혼합형 냉각 유동은 압축기 출구로부터 직접 배출되지만 열교환기를 통해서는 유동되지 않는 종래의 냉각 유동보다 온도가 더 낮다. 따라서, 혼합형 냉각 유동은 터빈을 냉각할 때 더욱 효과적이며, 보다 적은 양의 냉각 공기가 중심 공기류로부터 우회될 수 있는데, 이는 엔진의 효율을 향상시킬 수 있다.
회전익 냉각 구조(특히 막냉각 구조)는 통상적으로 폭이 좁은 냉각 유량 마진에 걸쳐 작동된다. 그러나, 열교환기 모듈의 하나 또는 일부의 파손의 경우에, 냉각 시스템은 단순히 유로(B)를 따라 더 많은 유동을 끌어냄으로써 회전익에 대해 냉각 공기의 소요 유량을 유지할 수 있다. 따라서, 냉각 시스템은 열교환기 파손에 견딜 만큼 충분히 견고하다.
또한, 냉각 시스템은 주행시 냉각 조절(즉, 냉각 온 또는 오프 전환)을 용이하게 한다. 그러한 조절은, 특히 대형 상용 터보팬의 경우, 연료 소비율을 개선시킬 수 있다. 예를 들면, 열교환기 모듈은 유로(A)에 의해 우회 또는 절연될 수 있거나, 유로(A)는 완전히 차단될 수 있어서, 터빈 냉각 유동은 단지 유로(B)로부터의 공기로 이루어진다.
냉각 시스템의 추가 이점으로는, 유로(A)에 대한 유량은 단지 프리스월러(11)로의 총 유량 중 일부일 뿐이며, 열교환기 모듈과 혼합 챔버를 연결하는 노즐 안내깃의 이동 통로를 수용하기 위하여, 노즐 안내깃(6)의 외형에 대한 어떠한 재설계도 필요하지 않도록 충분히 적게 설정될 수 있다는 점이다. 실제로, 열교환기 모듈(9)로부터 배출되는 냉각 공기는 밀도가 증가되기 때문에, 소정의 유로 면적에 대한 유량 및 마하수는 커진다.
그 다음, 노즐 안내깃(6)에 초점을 맞추면, 열교환기 모듈(9)로부터 배출되는 유로(A)에 대한 냉각 공기는 각각의 노즐 안내깃의 방사상 외측 단부에서 방사상 내측 단부로 연장되는 하나 이상의 이동 통로를 따라 프리스월러(11)로 보내진다. 노즐 안내깃 냉각용 공기의 유동을 수용하기 위해 각각의 노즐 안내깃에 하나 이상의 내부 공동이 형성되고, 이동 통로는 이들 내부 공동을 가로지른다. 냉각 공기는 불가피하게 공동을 통해 유동하는 노즐 안내깃 냉각용 공기와 열을 교환한다. 실제로, 열교환 효율은 이동 통로의 내부와 외부 사이의 열전달을 향상시키기 위한 핀(fin) 등의 특징부를 추가함으로써 개선될 수 있다.
따라서, 냉각 공기는 바람직하게 노즐 안내깃 냉각용 공기의 온도를 낮추는데 사용될 수 있다. 특히, 노즐 안내깃 중 고온의 중심 가스로부터 보호하기에 가장 어려운 부분일 수 있는 노즐 안내깃 트레일링 에지(vane trailing edge)는 트레일링 에지 냉각 유동(트레일링 에지 상에 외부 공기막을 형성하기 위해 내부 공동과 노즐 안내깃의 외측을 연결하는 다수의 통로를 통해 보내지는 노즐 안내깃 냉각용 공기의 일부임)의 낮은 온도에서 상당히 이익을 얻을 수 있다. 그러나, 낮은 온도가 그 유동의 정압을 감소시키기 때문에, 상기 이동 통로를 통해 유동하는 냉각 공기의 일부를, 예를 들면 이동 통로의 하나 이상의 유출 구멍에 의해, 노즐 안내깃 냉각용 공기로 유출시킴으로써 선택적으로 보충될 수 있다. 유출된 공기는 노즐 안내깃의 온도를 더욱 낮춘다. 또한, 만일 충분한 압력 마진이 있다면, 유출 구멍의 위치는 유출된 공기의 적어도 일부가 하나 이상의 노즐 안내깃 핫 스폿(vane hot spots)을 제거할 수 있도록 하기 위해 노즐 안내깃의 내부에 부딪치도록 배치될 수 있다.
노즐 안내깃 트레일링 에지의 냉각 개선에 의해, 더 얇은 트레일링 에지 구성이 채용될 수 있는데, 이는 노즐 안내깃의 공기 역학적 성능을 개선시킬 수 있다.
이동 통로는 반드시 노즐 안내 깃과 일체형으로 주조되지는 않는다. 예를 들면, 이동 통로는 노즐 안내깃보다 제조가 용이하고 이동 통로의 차별적인 열팽창을 더 잘 수용할 수 있는 분리형 튜브로 형성될 수 있다. 튜브는 형상 기억 합금 또는 초가소성 물질 형성 합금으로부터 형성될 수 있으며, 비교적 낮은 고온 강성도를 가지고, 부하 및 열 사이클링 후 그 본래의 형태로 복귀한다. 대안적으로, 튜브는, 튜브가 주위의 노즐 안내깃의 재료보다 더 저온이어서, 노즐 안내깃과 대등한 열팽창을 나타내기 때문에, 비교적 높은 열팽창 계수의 재료로 제조될 수 있다.
유로(A)로부터의 냉각 공기는 프리스월러(11)에서 유로(B)로부터의 비냉각 공기와 혼합된다. 도 2a는 엔진의 자오면 상의 프리스월러의 단면 개략도이고, 도 2b는 도 2a의 선 I-I를 따라 절개된 단면도이다. 프리스월러는 각을 이룬 유입 와류형 노즐(13)을 통해 비냉각된 냉각용 유동을 수용하는 수용 챔버(16)를 포함하여, 수용 챔버 내에서 압력이 약간 더 높아 비냉각된 냉각용 유동을 적당히 와류(화살표(C)로 표시됨)시켜, 그 냉각용 유동의 정압을 감소시키는 한편, 각을 이룬 제트 노즐(14)은 유입 노즐 안내깃(6)을 가로지르는 이동 통로(15)를 통해 공급되는 총 압력이 낮아 냉각된 냉각용 유동을 끌어낸다. 수용 챔버 내의 와류량은 비냉각된 냉각용 유동의 정압을 상당히 감소시키기 위하여 매우 많을 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 불필요한 드래그를 방지하기 위해 와류 방향(원주 방향)으로의 챔버의 내측벽 표면은 매끄럽다. 유입 와류형 노즐 각도 및 제트 노즐 각도의 최적 설계를 통해, 냉각 유동과 비냉각 유동의 혼합이 적당히 냉각된 유동을 만들어낼 수 있다. 그러면, 적당히 냉각된 유동은 와류량을 증가시키고, 통상적으로는 회전 디스크(8)의 버켓 그루브(bucket grooves)(회전익의 바닥부를 수용 및 유지하는 디스크의 외주면에 형성된 슬롯의 비충전 바닥부)로 냉각용 유동을 보내기 위해, 각을 이룬 유량 측정용 출력 노즐(12)을 통해 보내진다. 대안적으로, 냉각용 유동은 회전익 유지용 버켓 그루브에 이르기 전에 회전 디스크의 다른 부분 또는 디스크 덮개판으로 보내질 수 있다.
유량 측정용 출력 노즐(12)의 유로 면적은 수용 챔버로부터 배출된 체적 유량을 결정한다. 따라서, 유로(A)로부터의 냉각 유동의 부족은 열교환기 모듈의 상류부가 파손된 경우 터빈 디스크 림부에서 고온의 가스가 유입될 위험성을 최소화시키는 유로(B)로부터의 비냉각 유동의 증가에 의해 보상될 것이다.
도 2a 및 도 2b의 실시예에서, 제트 노즐(14)은 유입 와류형 노즐(13)과 동축을 이루며, 제트 노즐(14)과 유입 와류형 노즐(13)은 모두 수용 챔버의 상류부 벽을 통해 수용 챔버(16)로 들어간다. 그러나, 다른 배열도 가능하다. 예를 들면, 도 3은 제트 노즐이 수용 챔버의 방사상 외측 벽을 통해 수용 챔버(16)에 들어가는 실시예의 프리스월러(11)의 단면 개략도이다. 이는 냉각된 냉각용 유동(A)의 풍손(windage losses)을 감소시킬 수 있다. 도 4는 제트 노즐(14)이 유입 와류용 노즐(13)의 방사상 바깥쪽에서 수용 챔버의 상류부 벽을 통해 수용 챔버(16)에 들어가는 또 다른 실시예의 프리스월러(11)의 단면 개략도이다. 도 5a는 또 다른 실시예의 프리스월러(11)의 단면 개략도이며, 도 5b는 도 5a의 선 I-I을 따라 절개된 단면도이다. 본 실시예에서, 제트 노즐(14)은 유입 와류형 노즐(13)의 둘레에 이격되어 배치된 위치에서 수용 챔버의 상류부 벽을 통해 수용 챔버(16)에 들어간다. 도 6은 도 5의 프리스월러의 변형예의 단면 개략도이다. 본 변형예에서, 냉각된 냉각용 유동(A)은 수용 챔버를 통해서가 아니라, 수용 챔버(16)의 방사상 외측 벽을 통해 유입된다.
도 7은 프리스월러(11)의 또 다른 실시예의 일부의 절개도이다. 본 실시예에서는, 도 5a 및 도 5b의 실시예와 마찬가지로, 제트 노즐(14)은 유입 와류형 노즐(13)의 둘레에 이격되어 배치된 위치에서 수용 챔버의 상류부 벽을 통해 환형 수용 챔버(16)에 들어간다. 유입 와류형 노즐(13)은 챔버로의 압축기 전달 비냉각된 냉각용 유동(B)의 접선 속도를 증가시키며, 그 정압을 낮추고, 냉각된 냉각용 유동(C)을 유입시킬 수 있다. 그러나, 유입 와류형 노즐(13)은 환형 수용 챔버(16)의 상류부 벽 상의 제트 노즐(14)의 방사상 바깥쪽에 위치되기도 한다. 이러한 배열에 의해, 공기 유동이 챔버 내에서 약간 혼합된다. 그러나, 유동 내의 온도 분포는 유동(B)으로부터의 고온의 공기가 유동(A)으로부터의 저온의 공기의 방사상 바깥쪽에 유지할 수 있도록 지속한다. 이러한 결과, 각을 이룬 유량 측정용 출력 노즐(12)로부터 배출되는 유동의 대응 온도 분포가 형성된다. 그러한 온도 분포는, 저온의 냉각용 공기가 고압 터빈 디스크 및 회전익에 공급될 수 있고, 고온의 냉각용 공기가 터빈 디스크 시일에 공급될 수 있을 때, 바람직할 수 있다. 도 8은 도 7의 프리스월러의 변형예의 일부의 절개도이다. 본 변형예에서, 냉각된 냉각용 유동(A)은 수용 챔버의 상류부 벽을 통해서가 아니라, 수용 챔버(16)의 방사상 외측 벽을 통해 유입된다.
도 9는 프리스월러(11)의 또 다른 실시예의 단면 개략도이다. 본 실시예에서는, 반경방향으로 이격된 2개의 환형 수용 챔버(16a, 16b) 및 상기 수용 챔버 사이에 유체 소통을 방지하는 벽(17)이 있다. 비냉각된 냉각용 유동(B)은 각을 이룬 유입 와류형 노즐(13)을 통해 방사상 외측 챔버(16a)로 유입되고, 냉각된 냉각용 유동(A)은 각을 이룬 유입 와류형 노즐(18)을 통해 방사상 내측 챔버(16b)로 유입된다(상기 실시예에서와 같이 제트 노즐을 통해서 유입되지 않음). 각각의 챔버 내에서는 접선 와류 유동이 발생된다. 챔버로부터의 각을 이룬 각각의 유량 측정용 출력 노즐(12a, 12b)이 각각의 냉각용 유동(D', D")을 발생시키고, 유동(D")은 유동(D')보다 저온이며, 고압 터빈 디스크 및 회전익에 공급하기 위한 더 좋은 위치에 위치되는 한편, 유동(D')은 터빈 디스크 시일에 공급될 수 있다.
벽(17)은, 수용 챔버(16a, 16b)를 연결하지만, 정상 작동 상태 하에서 공기를 하나의 챔버에서 또 다른 챔버로 흐르게 하지 않도록 구성되는, 구멍(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 그러나, 챔버(16b)로의 냉각된 냉각용 유동(A)이 정지되거나 감소되는 경우에, 구멍은 비냉각된 냉각용 유동(B)으로부터의 공기를 챔버(16b)로 들어갈 수 있도록 한다. 그러면, 유로(B)를 따라 더 많은 유동을 끌어냄으로써, 회전익으로의 냉각용 공기의 충분한 유동이 유지될 수 있다.
본 발명이 상술한 전형적인 실시예와 함께 기술되었지만, 본 개시 문헌이 주어졌을 때, 당업자에게는 다수의 균등한 수정 및 변형이 명백할 것이다. 예를 들면, 비록 냉각 시스템이 항공기용 가스 터빈 엔진에 대해 기술되었지만, 비항공기용 가스 터빈에 대해서도 적용될 수 있다. 이에 부합되게, 상술한 본 발명의 전형적인 실시예는 설명적 및 비제한적인 것으로 간주된다. 상술힌 실시예의 다양한 변경이 본 발명의 취지 및 범위 내에서 이루어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로, 및
    상기 제1 및 제2 유로의 단부에서 상기 냉각용 공기를 수용하고, 상기 냉각용 공기를 와류시키며, 상기 와류된 냉각용 공기를 상기 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러(preswirler)
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유로의 경로는 상기 가스 터빈 엔진을 우회하고,
    상기 제1 유로는 상기 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기보다는 상기 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내지며,
    상기 제1 유로는 상기 열교환기와 상기 프리스월러 사이에서 상기 터빈의 노즐 안내깃(nozzle guide vanes)을 통해 보내지는,
    냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 노즐 안내깃은 상기 회전익의 상류부에 위치한, 냉각 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 노즐 안내깃은 사용시 또 다른 냉각용 공기의 유동을 수용하는 각각의 내부 공동을 포함하며,
    각각의 노즐 안내깃은 상기 노즐 안내깃을 통한 상기 제1 유로의 경로를 형성하는 하나 이상의 이동 통로를 더 포함하고, 상기 또는 각각의 이동 통로는 상기 각각의 내부 공동을 가로지르므로, 상기 또는 각각의 이동 통로를 통해 상기 제1 유로를 따라 유동하는 냉각용 공기는 상기 내부 공동에 의해 수용되는 또 다른 냉각용 공기의 온도를 감소시키는, 냉각 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 또는 각각의 이동 통로를 통해, 상기 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기의 일부가 또 다른 냉각용 공기의 유동 속으로 유출될 수 있는, 냉각 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리스월러는 상기 제1 및 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 수용 챔버를 포함하고, 상기 수용 챔버는, 상기 제2 유로로부터의 냉각용 공기의 정압을 감소시켜, 상기 제1 유로로부터의 냉각용 공기를 상기 수용 챔버로 끌어내기 위해, 상기 제2 유로로부터의 냉각용 공기가 상기 수용 챔버에서 와류되도록 배치되는, 냉각 시스템.
  6. 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로, 및
    상기 제1 및 제2 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 상기 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 상기 와류된 냉각용 공기를 상기 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유로의 경로는 상기 가스 터빈 엔진의 연소실을 우회하며,
    상기 제1 유로는 상기 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기보다는 상기 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내지고,
    상기 프리스월러는 상기 제1 및 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 수용 챔버를 포함하며, 상기 수용 챔버는, 상기 제2 유로로부터의 냉각용 공기의 정압을 감소시켜, 상기 제1 유로로부터의 냉각용 공기를 상기 수용 챔버로 끌어내기 위해 상기 제2 유로로부터의 냉각용 공기가 상기 수용 챔버에서 와류되도록 배치되는,
    냉각 시스템.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리스월러는 상기 제1 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제1 수용 챔버 및 상기 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제2 수용 챔버를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 수용 챔버는 냉각용 공기를 상기 회전익에 전달하는 각각의 배출 노즐을 포함한, 냉각 시스템.
  8. 가스 터빈 엔진의 터빈을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진의 압축기로부터 받은 냉각용 공기를 안내하기 위한 제1 및 제2 유로, 및
    상기 제1 및 제2 유로의 단부에서 냉각용 공기를 수용하고, 상기 냉각용 공기를 엔진축에 대해 접선 방향으로 와류시키며, 상기 와류된 냉각용 공기를 상기 터빈의 회전익에 전달하기 위한 프리스월러
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유로의 경로는 상기 가스 터빈 엔진의 연소실을 우회하며,
    상기 제1 유로는 상기 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기보다는 상기 제1 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기를 냉각시키는 열교환기를 통해 보내지고,
    상기 프리스월러는 상기 제1 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제1 수용 챔버 및 상기 제2 유로의 냉각용 공기를 수용하는 제2 수용 챔버를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 수용 챔버는 냉각용 공기를 상기 회전익에 전달하는 각각의 배출 노즐을 포함한,
    냉각 시스템.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 수용 챔버는 상기 엔진축과 동축을 이루는 환형 통로인, 냉각 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진은 터보팬 엔진이며, 상기 제1 유로에 의해 안내된 냉각용 공기는 상기 가스 터빈 엔진의 팬으로부터 받은 바이패스 공기(bypass air)에 의해 상기 열교환기에서 냉각되는, 냉각 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로에 의해 안내되는 냉각용 공기의 총 양에 대한 상기 열교환기에 의해 냉각되는 냉각용 공기의 양은 조절될 수 있는, 냉각 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 냉각 시스템을 포함한 가스 터빈 엔진.
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