KR20130054727A - 가스터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 가스터빈에 연소공기와 냉각공기를 공급하기 위한 유입시스템에 관한 것이다. 특히, 선박의 동력 또는 전기를 가스터빈의 경우, 차음상자 내부에 열이 발생되는데, 이 열을 냉각시켜야 한다. 바로 본 발명은 이러한 가스터빈에서 발생되는 열을 냉각시키기 위해 사용되는 냉각송풍기의 고장에 따라, 팬 부스러기와 같은 불순물이 연소공기관을 통해 가스터빈 내부로 흡입되어 가스터빈의 압축단, 연소실 및 출력단을 손상시키는 것을 방지하고자 창안된 가스 터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템에 관한 것이다.

Description

가스터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템{INFLOW SYSTEM OF COMBUSTION AND COOLING AIR IN A GAS TURBINEE}

본 발명은 다양한 가스터빈에 연소공기와 냉각공기를 공급하기 위한 유입시스템에 관한 것이다. 선박에 탑재되는 가스터빈은 소음, 냉각, 안전 및 장비 내구성 등을 고려하여 통상 차음상자를 설치한다. 차음상자 내부에 설치된 가스터빈은 연소실에서 고열이 발생되는데, 이 고열에 의하여 기체의 전자, 제어기기는 물론 기체의 내구성이 약해지는 현상을 방지하기 위해서 가스터빈의 주위를 냉각을 시켜야만 한다. 가스터빈 냉각 방식은 배기관에 설치되는 에덕터를 이용하여 냉각공기를 공급하는 수동냉각방식과 전기 모터구동 송풍기를 이용하여 강제로 냉각공기를 공급하는 능동냉각방식이 있다. 본 발명은 능동냉각방식의 경우, 냉각공기를 공급시킬 때 사용되는 냉각송풍기의 고장에 따라, 날개 부스러기와 같은 불순물이 연소공기의 흡기관을 통해 가스터빈 내부로 유입되어 가스터빈을 손상시키는 것을 방지하고자 창안된 가스터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템에 관한 것이다.

가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기가 연소실에서 연료를 분사해서 연소시킨다. 이때 생긴 고온/고압 연소가스가 팽창하면서 터빈을 돌림으로써 회전력을 얻는 회전식 내연 기관을 말한다. 가스터빈은 왕복식 내연 기관이나 증기 터빈에 비하여 소중량, 고출력, 저소음, 신속 시동 등으로 취급이 용이하고, 고장이나 진동이 적은 것이 장점으로서 발전, 기관차, 선박, 항공기 등에 이용된다.

선박용 가스터빈은 도시된 도 1 ~ 3에서처럼 디미스터(1)에서 염분, 수분, 먼지 등의 불순물을 여과하여 연소/냉각공기흡기관(2) 통하여 연소공기관(3)을 거처서 가스터빈(4)의 연소실에서 고온/고압 연소가스가 팽창하면서 터빈을 회전시키고 배기관(9)을 통하여 외부로 방출된다.

또한 차음상자(7) 내부에 위치한 가스터빈(4)의 연소시에 발생하는 외부열을 냉각시키기 위하여 냉각송풍기(5)는 연소/냉각공기흡기관(2)의 공기를 흡입하여 냉각공기관(6)을 통하여 차음상자 내부(8)의 가스터빈(4)을 냉각시키고 배기관(9)을 통하여 외부로 방출된다.

그런데 종래의 이러한 냉각공기 유입수단은 그 문제점이 많다. 먼저 도시된 도 1에서처럼, 냉각공기가 유입되는 과정은 다음과 같다.

디미스터(1) → 연소/냉각공기흡기관(2) → 냉각송풍기(5) → 냉각공기관(6) → 차음상자(7) → 배기관(9) → 외부로 방출된다.

그런데 이러한 냉각송풍기(5)는 대용량, 고속회전으로 자체 피로 누적, 외부 충격, 이물질 유입 등으로 작동 중 파손이 되는 경우가 발생되고, 이에 따라 냉각송풍기(5) 날개가 깨져 부스러지는 현상이 발생된다.

파손된 부스러기는 연소/냉각공기흡기관(2)으로 떨어지고, 이 떨어진 부스러기가 연소공기관(3)을 거쳐 가스터빈(4)으로 유입되면 가스터빈(4) 내부의 압축단, 연소실 및 출력단이 손상되는 문제점을 낳는다. 저가의 냉각송풍기 파손으로 인하여 고가의 가스터빈이 2차적 손상으로 이어져 수리시 과다 비용을 발생시킨다. 또한 수리 기간 과다로 갑작스런 손상시에는 함운용을 장기간 할 수 없게 되어 더 큰 피해로 이어진다.

종래 대다수의 가스터빈(4) 냉각공기 계통은 도시된 도 1과 같은 구조로 설계 되었다.

본 발명은 다양한 가스터빈에 연소공기와 냉각공기를 공급하기 위한 유입시스템을 제공하고자 한다.

특히, 본 발명은 선박의 동력 및 전력을 제공하는 가스터빈의 경우, 대부분의 가스터빈이 차음상자 내부에 설치되어, 가스터빈 작동시 연소실의 고열로 가스터빈의 주위는 냉각을 시켜야만 한다. 바로 본 발명은 이러한 가스터빈의 냉각공기를 공급시킬 때 사용되는 냉각송풍기의 고장에 따라, 날개 파손 부스러기와 같은 불순물이 연소공기의 흡기관을 통하여 가스터빈 압축단, 연소실 및 출력단을 거처 배기관으로 방출시, 가스터빈의 손상을 방지하고자 창안된 가스터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 가스터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템은, 가스터빈(13)에 연소공기를 공급하는 연소공기관(12); 상기 연소공기관(12)과 함께 냉각공기의 유입을 위한 냉각공기관(20); 상기 공기관(12, 20)의 첫 단을 모두 수용하도록, 구조화된 연소/냉각공기흡기관(11)에 형성되는 디미스터(10); 연소/냉각공기흡기관(11)에 위치하는 냉각공기관(20)의 첫 단에 연결하되, 관을 굴곡(17)하여 상부로 상승시키는 연장관(16);을 포함하여 구성되어, 냉각공기관(20)의 냉각송풍기(19) 파열시 잔해가 연소공기관(12)으로 흡입되는 것을 방지한다.

또한 본 발명 가스 터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템에 따른, 상기 연장관(16)에는, 공기를 직접적으로 흡입하는 연장관(16) 끝단을 경사지게 형성하고, 그 경사진 관은 흡입 면적을 증가시켜서 흡입 효율을 향상시키고, 또 그 경사진 연장관(15)에 스크린(14)을 설치하여 이물질 및 잔해 등의 유출입을 차단하고 : 상기 냉각공기관(20)에는, 냉각공기관(20) 내측의 냉각송풍기(19) 점검을 위한 점검구(18)를 설치한다.

본 출원에 따라, 가스터빈에 냉각을 위한 냉각공기를 공급하고 가스터빈의 내구성을 향상시키며, 기관실을 보다 안전하게 보호할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따라, 냉각공기의 공급을 위한 냉각송풍기에 고장이 발생되더라도 그 분진이나 부스러기가 연소공기관을 통해서 가스터빈에 유입되는 것을 차단함으로써 가스터빈을 파손시키는 문제점도 제거할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따라, 냉각공기를 유입시키는 흡입구 끝단을 엘보우로 굴곡하고, 관 길이 상향 및 스크린을 추가로 설치되기에 팬의 파손에도 팬 부스러기가 냉각공기관의 외측으로 날릴 염려를 미연에 차단했다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따라, 냉각공기를 유입시키는 흡입구 끝단을 흡입 벨마우스 대신 45도 경사 처리함으로써 재료비 및 제작 공수를 절감 시켰다.

또한 본 발명에 따라, 냉각송풍기 입구에 내시경 점검구를 추가하여 송풍기 송풍기 이상 작동시 및 주기적으로 점검함으로써 송풍기 손상을 근본적으로 방지할 수 있다.

도 1은 종래 가스터빈의 냉각계통과 연소계통의 실시 상태를 도시한 실시 개념도,
도 2는 종래 가스터빈 시스템을 상면에서 도시한 도면,
도 3은 종래 가스터빈 시스템을 정면에서 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 가스터빈 냉각계통과 연소계통의 실시 상태를 도시한 실시 개념도,
도 5는 본 발명의 가스터빈 시스템을 상면에서 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 가스터빈 시스템을 정면에서 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 가스터빈 시스템을 전체적으로 도시한 사시도이다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

"및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

그럼 본 발명의 구성과 그 작용을 도시된 도면과 함께 상세히 설명한다.

도시된 도 4 내지 7에서처럼, 본 발명은 고열을 발하는 가스터빈(13)에 연소공기를 공급하는 연소공기관(12)이 있고, 상기 연소공기관(12)과 함께 냉각공기의 유입을 위한 냉각공기관(20)이 있으며, 상기 공기관(12, 20)의 첫 단을 모두 수용하도록, 구조화된 연소/냉각공기흡기관(11)에 형성되는 디미스터(10)가 있다. 또한 연소/냉각공기흡기관(11)에 위치하는 냉각공기관(20)의 첫 단에 연결하되, 관을 굴곡(17)하여 상부로 상승시키는 연장관(16)이 있다. 따라서 상기 냉각공기관(20)의 냉각송풍기(19) 파손시 잔해가 연소공기관(12)으로 흡입되는 것을 방지한다.

종래기술에서 설명된 것처럼, 선박 등에 장착되는 가스터빈(13)의 연소공기와 냉각공기 유입시스템은, 하나의 흡기관(11)에 공기를 유입할 수 있는 각자의 냉각공기관(20)과 연소공기관(12)이 장착된다. 연소공기관(12)은 가스터빈 내부와 연통된 상태이고, 냉각공기관(20)은 차음상자(21)와 연통된 상태이다. 그리고 사용된 연소공기와 냉각공기는 공동의 배기관(23)을 통해서 배출된다. 이때 본 발명의 냉각공기관(20)은 그 첫 단이 되는 연소/냉각공기흡기관(11)에 장착 시 연장관(16)을 설치한다.

이 연장관(16)은 도시된 도 4 내지 7에서처럼 엘보우로 굴곡되어 상부로 상승된 상태로 장착된다. 디미스터(10)를 통해서 먼지나 분진이 걸러진 상태로 흡기관(11)로 유입되는 공기는 각각의 냉각공기관(20)과 연소공기관(12)을 통해서 차음상자(21) 내부(22)와 가스터빈(13) 내측으로 유입된다.

본 발명에서 상기 냉각공기관(20)으로 유입되는 냉각공기를 위해서 상부로 올라간 엘보우 연장관(16)을 적용한 이유는 다음과 같다. 냉각공기관(20)에는 냉각공기의 유입을 위해서 설치한 냉각송풍기(19)가 있다. 이 냉각송풍기(19)는 간혹 오랜 가동을 통해서 파손이 되거나 연소/냉각공기흡기관(11)에 흘러 들어온 불순물이나 각종의 재료에 의해서 파손될 수 있다. 고속으로 회전하다가 예측할 수 없는 상황에서 흘러 들어온 재료에 의해서 팬이 파손되는 것이다. 이러한 파손은 냉각공기관(20)의 문제점으로만 남아야 한다. 이 문제가 가스터빈(13)으로 유입된다면 수리 비용은 기하 급수적으로 늘어난다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 근원적으로 제거하고자 상기 연장관(16)의 끝 단을 상부로 올려 유입되는 냉각공기의 유입은 허용하면서도, 내측에서 발생된 문제가 외부로 배출되어 연소공기관(12)으로 유입되는 것을 방지한 것이다. 연소공기관(12)에 비하여 다소 높은 위치로 냉각공기관(16)을 설치함과 동시에 상기 냉각공기관(16)의 끝 단에도 상부로 꺾어져 올라선 엘보우형의 연장관(17)을 설치하여 문제점을 구조적으로 해결한 것이다. 만일 냉각송풍기(19)가 파손되어 부스러기가 발생되어도, 연장관(16)의 내측에서 수용된 상태를 유지하도록 끝 단을 굴곡(17)한 상태에서 상승시킨 것이다.

또한 본 발명은 전술된 종래 가스터빈 시스템의 문제점을 더욱 확실하게 해결하기 위해서 상기 연장관(16)에는, 공기를 직접적으로 흡입하는 연장관(16) 끝 단을 경사지게 형성하고, 그 경사관(15)에 스크린(14)을 설치하여 잔해의 배출 및 유입을 차단한다.

연장관(16)은 유입 면적을 증대하여 공기의 흡입력은 향상시키기 위하여, 되도록이면 연소/냉각공기흡기관(11)의 벽면을 바라보는 상태로 설치될 수 있도록 경사진 각도로 유입부를 절단하고, 그 절단된 경사관(15)에 도시된 도 6과 7에서와 같은 스크린(14)을 결합시킨 것이다. 스크린(14)은 용접이나 볼트체결로 경사관(15)과 결합시킨다. 상기 스크린(14)은 디미스터(10)에서 걸러진 공기를 다시 한 번 거르는 목적보다는 혹시 내측의 냉각송풍기(19)가 부서져 연장관(16)의 외부로 빠져 나가는 것을 방지하는 목적이 더 크다. 따라서 스크린(14)의 간격(=공극)은 다소 커도 무방하다.

마지막으로 상기 냉각공기관(20)에는, 냉각공기관(20) 내측의 냉각송풍기(19) 점검을 위한 점검구(18)를 설치하는 것이 바람직하다.

관리자는 냉각송풍기(19)을 수시로 점검하여야 하는데, 냉각송풍기를 분리하지 않고서는 이를 관찰하기 힘들다. 냉각송풍기(19)는 입구측이 날개로 되어 있어 날개의 손상 및 케이싱관 날개의 간섭 유무를 점검하기 냉각송풍기(19)의 입구에 냉각송풍기 점검구(18)를 비치한다.

10 : 디미스터 11 : 연소/냉각공기흡기관
12 : 연소공기관 13 : 가스터빈
14 : 스크린 15 : 경사관
16 : 연장관 17 : 굴곡부
18 : 점검구 19 : 냉각송풍기
20 : 냉각공기관 21 : 차음상자
22 : 차음상자 내부 23 : 배기관

Claims (3)

1. 가스터빈(13)에 연소공기를 공급하는 연소공기관(12);
   상기 연소공기관(12)과 함께 냉각공기의 유입을 위한 냉각공기관(20);
   상기 공기관(12, 20)의 첫 단을 모두 수용하도록, 구조화된 연소/냉각공기흡기관(11)에 형성되는 디미스터(10);
   연소/냉각공기흡기관(11)에 위치하는 냉각공기관(20)의 첫 단에 연결하되, 관을 절곡하여 상부로 상승시키는 연장관(16);을 포함하여 구성되어, 냉각공기관(20)의 냉각송풍기(19) 파열시 잔해가 연소공기관(13)으로 흡입되는 것을 방지한 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 연장관(16)에는,
   공기를 직접적으로 흡입하는 연장관(16)을 굴곡(17)하여 끝단을 경사지게 형성하고, 그 경사관(15)에 스크린(16)을 설치하여 잔해의 유입을 차단한 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 냉각공기관(20)에는,
   냉각공기관(20) 내측의 냉각송풍기(19) 점검을 위한 점검구(18)를 설치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소공기와 냉각공기의 유입시스템.

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