KR20150020131A - 압력 강하 최적화된 라이너 냉각을 하는 가스 터빈의 연소기 - Google Patents

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cooling
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미카엘 토마스 마우러
올스 벤즈
슬라보미르 스위아테크
올리버 콘라드트
마우리스 말름
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

대류 냉각에 의해 가스 터빈 연소기의 라이너(7)를 효과적으로 냉각하는 디자인이 개시되어 있다.

Description

압력 강하 최적화된 라이너 냉각을 하는 가스 터빈의 연소기{COMBUSTOR OF A GAS TURBINE WITH PRESSURE DROP OPTIMIZED LINER COOLING}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것이고 공랭 연소기를 가진 가스 터빈에 관한 것이다.
시장에는 공랭 연소기들을 가진 가스 터빈들이 알려져 있다. 예를 들어, 출원인은 명칭이 GT24/GT26인 이 유형의 가스 터빈들을 성공적으로 생산한다. 도 1은 가스 터빈 GT24/GT26에 관한 개략적이고 단순한 단면을 도시하고 있다.
로터 또는 이 가스 터빈의 회전축 어느 것도 도 1에 도시되어 있지 않다. 이것은 도 1에 도시된 구성 요소들의 일부가 환형 기하학적 구조임을 의미한다.
도 1의 좌측으로부터 시작해서, 버너(참조 부호 없음)에 진입하는 압축 공기는 참조 부호 1로 칭한다. 압축 공기(1)는 균질한 희박 연료/공기 혼합물을 생성하는 버너 내에 공급된다.
연료와 공기의 이 혼합물은 간단한 환형 프레임 링을 형성하는 제 1 연소기(2)에서 탄다. 이 프레임 링은 연소 구역 내의 자유 공간의 프레임을 고정시키는 내부 재순환 구역을 갖는다.
제 1 연소기(2)로부터 나가는 고온 배기 가스는 제 2 연소기(5)의 제 2 버너(4)에 진입하기 전에 고압 터빈 단계를 통해 이동한다.
청구된 발명은 제 1 연소기(2) 및/또는 제 2 연소기(5)에 관한 것이다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 연소기들(2 및 5)은 라이너들(7)과 방사 방향으로 접한다. 이 라이너들(7)은 연소기들(2 및 5)의 외벽들이고 프레임들로부터 야기된 고온에 노출된다.
라이너들(7)은 충돌 냉각 및 압축 냉각 공기를 사용한 대류 냉각에 의해 냉각된다. 냉각 공기는 환형 채널들(9)을 통해 흐른다. 환형 채널들(9)은 커버 플레이트들(11)(연소기(5)의 경우에) 또는 캐리어 구조체들(연소기(2)의 경우에)과 접한다.
냉각 공기는 좌측으로부터 우측으로 도 1의 채널들(9)을 통해 흐른다. 냉각 공기는 또한 압축 공기를 제 1 버너(1) 내로 운반하는 가스 터빈(도시되지 않음)의 연소기에 의해 운반된다.
압축 공기가 기계적 에너지를 필요로 하기 때문에, 목적은 항상 냉각 공기 소비 및/또는 채널들(9) 내의 냉각 공기의 압력 강하를 감소시키는 것이고, 이것은 가스 터빈의 효율성과 동력 출력을 상승시킨다.
종래 기술의 가스 터빈들은 핀(압축기 단부 압력)에 대해 약 2-3 퍼센트(%)의 제 1 연소기(2)의 채널들(9)의 압력 강하를 갖는다.
상술된 바와 같이, 도 1에서 냉각 공기는 좌측으로부터 우측으로 흐른다. 이것은 "상류로"가 도 1(및 도 2 내지 도 5)의 "좌측으로"와 같은 것을 의미한다. 용어 "하류로"는 도면들의 더 우측 부분에 관한 것이다. 어쨌든, 용어들 "상류로" 및 "하류로"는 냉각 공기의 흐름 방향에 관한 것이다.
청구된 발명의 목적은 연소기들의 냉각 공기의 압력 강하를 감소시키는 것 및/또는 가스 터빈의 제 1 및/또는 제 2 연소기의 냉각에 필요한 냉각 공기의 양을 감소시키는 것이다.
이 목적은 라이너와 커버 플레이트를 포함한 가스 터빈의 연소기에 의해 성취되고, 라이너와 커버 플레이트는 냉각 공기를 위한 채널과 접하고, 커버 플레이트는 그 상류 단부에서 냉각 공기를 위한 채널의 처음 부분에 노즐을 형성한다.
그렇게 함으로써, 채널 내로의 진입에서 냉각 공기의 난류에 기인한 압력 강하가 감소된다. 그 결과, 냉각 공기의 압력 강하가 상당히 감소된다.
청구된 노즐의 기하학적 구조는 라발 노즐(laval nozzle)의 제 1 부분과 유사할 수 있다. 기하학적 구조는 길이 방향에서 원형 또는 포물선형 형태일 수 있다.
노즐의 기하학적 구조는 또한 냉각 공기의 더 나은 흐름 및/또는 더 용이한 제조의 이유들로 예들과는 상이할 수 있다.
예를 들어, 냉각 공기 흐름의 1-D, 2-D 또는 3-D 흐름 시뮬레이션들에 의해 노즐의 기하학적 구조를 최적화하는 것이 가능하다.
커버 플레이트의 처음 부분을 (채널의 상류측에서) 노즐로서 디자인함으로써, 압력 강하가 종래 기술에서 알려진 바와 같은 관형 또는 원통형 커버 플레이트들과 비교할 때 상당히 감소될 수 있다. 핀에 대한 0.5% 까지의 압력 강하 감소는 커버 플레이트의 처음 부분에서 노즐에 진입하여 예상된다.
라이너 내의 유출물 구멍들을 뚫음으로써 압력 강하 손실들을 감소시키는 것이 적어도 하나의 유출물 구멍들이 선의 국소적 두께의 1.4배보다 길다는 점에서 또한 가능하다.
그렇게 함으로써, 종래 기술로부터 알려진 바와 같은 충돌 냉각 없이 라이너의 상류 단부를 효과적으로 냉각시키는 것이 가능하다. 충돌 냉각은 라이너의 온도를 감소시키는데 매우 효과적이지만, 냉각 공기의 고압 강하를 야기한다. 그러므로 냉각 공기는 고압에서 압축되어야 하고, 이는 가스 터빈의 전체 효율을 감소시킨다.
라이너의 상류 단부에서의 충돌 냉각을 회피함으로써, 냉각 공기의 압력 강하를 상당히 감소시키는 것이 또한 가능하다. 충돌 냉각은 일반적으로 압축기 단부 강하에 대해 0.5% 내지 1.5%의 압력 강하를 사용한다.
청구된 발명의 하나의 추가의 중요한 양태는 매우 긴 유출물 구멍들을 제공하는 것이다. 이것은 청구된 연소기 라이너의 유출물 구멍들의 적어도 일부가 15mm보다 길다는 것을 의미한다.
15mm 이하의 길이는 레이저에 의해 라이너 내에 유출물 구멍들을 제조하는 것을 허용한다. 15mm 초과의 두께는 레이저에 의해 제조될 수 없다.
청구된 발명의 추가의 실시예에서 15mm 초과의 청구된 길이를 성취하기 위해서 유출물 구멍들의 적어도 일부가 라이너 내의 그루브 및 덮개에 의해 부분적으로 접한다는 것이 청구된다.
이 그루브들은 15mm 초과인 유출물 구멍들의 길이를 덮을 수 있다. 이 그루브들은 라이너(7)을 주조하면서 주조될 수 있다. 매우 긴 유출물 구멍들을 완성하기 위해서, 덮개에 의해 이 그루브들을 덮는 것이 청구된다. 이것은 15mm 초과인 유출물 구멍들을 초래하고 요구된 바와 같이 설계될 수 있다. 예를 들어, 유출물 구멍들은 유출물 구멍들을 통해 흐르는 냉각 공기로 라이너로부터 열 전달을 최적화하기 위해 구부러질 수 있다.
청구된 발명의 추가의 양태는 유출물 구멍들의 섹션에 걸쳐 그 길이 방향 축이 라이너의 적어도 하나의 표면에 대해 평행하다는 것이다.
이것은 유출물 구멍들이 라이너의 상류 단부에서 특정한 영역을 매우 효과적으로 냉각한다는 것을 의미한다. 그러므로, 라이너의 이 영역의 어떠한 충돌 냉각도 요구되지 않는다.
이 경우에, 유출물 구멍들의 길이 방향 축이 라이너의 길이 방향 축에 평행하다면 바람직하다.
이 유출물 구멍들의 제조를 용이하게 하기 위해서, 유출물 구멍들이 라이너의 적어도 하나의 표면에 대해 평행한 섹션에서, 라이너가 라이너의 채널 섹션에서 보다 더 두꺼운 두께를 갖는다는 것이 청구된다. 채널 섹션은 유출물 구멍들의 하류에 위치된다.
그렇게 함으로써, 라이너의 상류 단부에 긴 유출물 구멍들으르 갖는 것이 가능하고 또한 15mm 길이에 대해 레이저에 의해 이 유출물 구멍들을 생성하는 것이 가능하다. 유출물 구멍들의 추가의 길이는 예를 들어, 뚫음으로써 생성될 수 있다. 유출물 구멍들의 전체 길이를 뚫는 것이 또한 가능하다.
청구된 발명의 추가의 실시예에서, 커버 플레이트들 및 특히 커버 플레이트들의 노즐부는 유출물 구멍들의 적어도 하나의 행에 걸쳐 축 방향으로 연장한다.
이것은 라이너의 상류 단부에서 유출물 구멍들이 라이너를 냉각하고 라이너의 더 하류의 부분에서 대류 냉각을 공급하는 채널을 통해 흐르는 냉각 공기임을 의미한다.
본 발명의 추가의 유리한 실시예에서, 유출물 냉각 섹션과 대류 냉각 섹션은 축 방향에서 약간 겹쳐진다. 그 결과, 라이너의 모든 영역들은 적절하게 냉각되고 어떠한 국소적 과열도 일어나지 않는다.
라이너의 상류 단부에서 유출물 구멍들의 행들이 5cm 초과, 바람직하게는 10cm 초과 또는 심지어 15cm 초과의 길이에 걸쳐 라이너의 축 방향으로 연장한다면 유리하다는 것이 입증되었다.
주조 또는 선택적인 레이저 용융에 의해 라이너를 생성하는 것이 가능하다. 라이너를 주조하여, 예를 들어, 주형 틀 내에 그루브들을 형성하는 것이 가능하다. 그렇게 함으로써, 유출물 구멍들의 이 부분의 크기 및 기하학적 구조가 거의 제한되지 않고 최적의 냉각 효과들을 성취하기 위해서 설계될 수 있다.
라이너가 선택적인 레이저 용융에 의해 생성되는 경우에, 심지어 3차원 굽어진 유출물 구멍들을 갖는 것이 가능하다. 선택적인 레이저 용융의 기술은 유출물 구멍들의 크기 및 기하학적 구조가 고려되는 한 더 많은 자유도를 가능하게 한다.
추가의 장점들 및 특징들은 도면들과 그 설명들에서 개시되어 있다.
도 1은 가스 터빈(종래 기술)의 단면도.
도 2는 유출물 구멍들의 일부의 행들을 포함한 청구된 발명의 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 3 내지 도 5는 유출물 구멍들의 추가의 실시예들을 도시한 도면들.
청구된 발명의 제 1 실시예에서 시작하여, 커버 플레이트(11)의 상류 단부가 노즐(13)을 형성하기 위한 벤트(bent)임을 알 수 있다.
길이 방향 섹션에서 노즐(13)은 원형 및/또는 포물선형일 수 있다. 또한 라발 노즐의 입구의 형태를 가질 수 있다.
냉각 공기 흐름은 몇몇의 화살표들(15)로 도시되어 있다. 명료성의 이유들로, 이 화살표들 모두는 참조 부호 15를 갖지 않는다.
화살표(17)는 좌측으로부터 우측으로 도 2 내지 도 5에서 냉각 공기의 흐름의 일반적인 방향을 도시한다. 즉: 화살표(17)는 상류 단부 또는 라이너(7)의 처음 부분에서 시작하고 라이너(7)의 하류 단부(도시되지 않음)를 가리킨다. 이 화살표(17)는 라이너(7)의 길이 방향에 대해 평행하다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예는 라이너(7)의 상류 단부에서 유출물 구멍들(19)의 일부의 행들을 포함한다.
유출물 구멍들(19)의 각각의 행은 라이너(7) 주위에서 원주 배열된다. 그 결과, 도 2의 각각의 행으로부터 단 하나의 유출물 구멍(19)이 도 2에 도시된다.
도 2에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 유출물 구멍들(19)의 행들은 라이너(7)의 처음 부분으로부터 라이너(7)의 하류 단부를 향해 축 방향으로 연장한다.
유출물 구멍들(19)의 이 행들의 축 방향은 선(21)에 의해 도 2에 도시된다.
라이너(7)의 처음 부분으로부터 라이너(7)의 단부를 향해 선(23)으로 도시되는 바와 같이, 라이너(7)는 대류 냉각에 의해 냉각된다. 라이너(7)의 상류 처음 부분에서, 대류 냉각은 유출물 구멍들(19)의 행들에 의해 성취된다. 유출물 구멍들의 이 행들은 노즐(13)(의 처음 부분)보다 더 하류로 연장한다.
유출물 구멍들로부터 더 하류에서, 채널(9) 내의 냉각 공기의 대류 냉각은 라이너(7)의 외면 상의 터뷰레터들(turbulator)(25)에 의해 심해진다. 이것은 터뷰레터들(25)이 채널(9)의 벽의 일부를 덮는다는 것을 의미한다.
유출물 구멍들(19)이 라이너(7)(화살표(17) 참조)의 축 방향에 대해 약 30 내지 45도의 각으로 뚫리기 때문에, 유출물 구멍들은 라이너(7)의 국소적 두께보다 약 1.4배 길다.
유출물 구멍들(19)과 라이너(7)의 축 방향(참조 부호 17 참조) 사이의 각도는 유출물 구멍들의 냉각 효과에 영향을 미치는 하나의 가능성이다. 유출물 구멍들(19)이 길수록, 유출물 구멍들(19) 내의 대류 냉각이 더 심해진다.
명백하게, 유출물 구멍들(19)의 수는 냉각 효과와 본 발명의 대류 냉각의 이 부분에 대한 냉각 공기 수요에 영향을 미치는 다른 가능성이다.
대류 냉각의 초기에, 냉각 공기(15)는 약 17bar일 수 있는 압력(pin)을 갖는다.
채널(9) 내의 회피할 수 없는 압력 강하 때문에, 냉각 공기(15)는 채널(9)의 단부에서 감소된 압력(pin 빼기 Δp)을 갖는다.
노즐(30)이 이 압력 손실들을 감소시키고 충돌 냉각이 전혀 없기 때문에, 압력 강하(Δp)는 부분 충돌 냉각을 하는 종래 기술보다 상당히 낮다.
이 실시예에 따른 압력 강하(Δp)는 pin의 약 1 내지 2 퍼센트이다.
부분 충돌 냉각을 가진 종래의 냉각 시스템들에서, 압력 강하(Δp)는 pin의 약 2 내지 3 퍼센트이다.
노즐(13)을 주의 깊게 설계하고 임의의 충돌 냉각을 회피함으로써 이 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 압력 강하(Δp)는 부분 충돌 냉각을 하는 종래 기술과 비교할 때 상당히 감소된다.
도 3은 훨씬 더 긴 유출물 구멍들(19)을 가진 청구된 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 유출물 구멍들(19)은 라이너(7)의 상류 단부에서 뚫린다. 벽(27)의 하류에서 유출물 구멍들(19)은 라이너(7)와 그 터뷰레터(25)와 함께 주조될 수 있는 그루브들(29)에 의해 구성된다. 이 그루브들(29)은 채널형 유출물 구멍들을 야기하는 덮개(31)에 의해 폐쇄된다. 덮개(31)는 나사들, 용접부들 또는 고정 핀들에 의해 라이너(7)에 고정될 수 있다.
그루브들(29)을 주조하여, 유출물 구멍들(19)의 길이를 15mm 초과로 연장하는 것이 가능하다. 15mm는 라이너(7)가 강 또는 온도 저항 합금으로 제조된다면 레이저에 의해 유출물 구멍들(19)을 뚫을 수 있는 한계이다.
다시, 이 실시예는 라이너(7)의 처음 부분으로부터 오직 대류 냉각만을 갖는다. 라이너(7)의 상류 단부에서 각각의 유출물 구멍(19) 내에 대류 냉각이 있다. 이 실시예는 원주 배열된 유출물 구멍들(19)의 단 하나의 행만을 포함한다. 이 유출물 구멍들(19)은 라이너(7)의 두께와 비교할 때 매우 길다. 유출물 구멍들(19)은 유출물 구멍들의 섹션과 유출물 구멍들(19)의 뚫린 부분을 결합하는 가능성 때문에 라이너(7)의 두께보다 5 내지 10배 더 길 수 있고 이에 의해 그루브들(29) 및 그 덮개들(31)에 의해 구성된다.
도 4에서, 청구된 발명의 추가의 실시예가 도시된다. 다시, 유출물 구멍들(19)은 라이너의 두께와 비교할 때 매우 길다. 이 실시예에서, 유출물 구멍들(19)은 구부러지고 또한 (라이너(7)의 상류 단부에서 좌측에 있는) 뚫린 부분과 그루브들을 주조하고 덮개로 이 그루브들을 덮음으로써 다시 제조될 수 있는 제 2 부분(33)을 포함한다.
또한 선택적인 레이저 용융에 의해 터뷰레터들(25) 및 유출물 구멍들(19)의 섹션(33)과 함께 전체 라이너를 제조하는 것이 가능하다. 이 제조 방법은 유출물 구멍들을 포함하는 그 복잡한 기하학적 구조를 가진 라이너(7)가 금속 가루를 국소적으로 용융하여 생성되는 방식으로 금속 가루를 국소적으로 용융하는 것을 포함한다. 선택적인 레이저 용융은 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 방법이고 따라서 이 출원에서 상세히 설명되지 않는다.
이 실시예에서, 섹션(33)은 노즐(13)의 처음 부분에서 길이 방향에서 종결한다. 섹션이 채널(9) 내로 연장할 때까지 섹션(33)을 늘리는 것이 또한 가능하다.
다시, 라이너(7)의 대류 냉각만이 있고, 이는 감소된 압력 강하(Δp)를 초래한다.
도 5는 라이너(7)의 국소적 두께와 비교할 때 매우 긴 유출물 구멍(19)을 가진 추가의 실시예를 도시한다. 라이너(7)의 표면(35)에 대해 더 또는 덜 평행한 유출물 구멍들(19)을 제조할 수 있도록 유출물이 방출되는 상부(도 3 내지 도 5의 바(21)) 내의 라이너의 두께를 증가시킬 필요가 몇몇의 경우들에 있다.

Claims (12)

  1. 라이너(7)와 커버 플레이트(11)를 포함하는 가스 터빈의 연소기에 있어서, 상기 라이너(7)와 상기 커버 플레이트(11)는 냉각 공기를 위한 채널(9)과 접하고, 상기 채널(9)의 상류 시작 부분에서 상기 커버 플레이트(11)는 노즐(13)의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너(7)는 유출물 구멍들(19)을 포함하고, 상기 유출물 구멍들(19) 중 적어도 하나의 길이는 상기 라이너(7)의 국소적 두께의 1.4배 초과인 것을 특징으로 하는 연소기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유출물 구멍들(19) 중 적어도 하나의 길이는 15mm 초과인 것을 특징으로 하는 연소기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유출물 구멍들(19) 중 적어도 일부는 상기 라이너(9) 내의 그루브(29) 및 덮개(31)와 부분적으로 접하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유출물 구멍들(19)의 섹션에 걸쳐 그 길이 방향 축은 상기 라이너(7)의 적어도 하나의 표면에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 연소기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 섹션에서 상기 라이너(7)는 상기 라이너(7)의 채널 섹션에서 보다 더 두꺼운 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트(11) 또는 상기 노즐(13)은 상기 유출물 구멍들(19)의 적어도 하나의 행에 걸쳐 축 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유출물 구멍들(19)의 행들은 5cm 초과, 바람직하게는 10cm 초과 또는 15cm 초과의 길이에 걸쳐 상기 라이너(7)의 축 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이너(7)는 주조 또는 선택적인 레이저 용융에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유출물 구멍들(19)은 상기 주조 또는 상기 선택적인 레이저 용융 동안 적어도 부분적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 공기를 위한 상기 채널(9)은 환형인 것을 특징으로 하는 연소기.
  12. 적어도 하나의 압축기, 적어도 하나의 연소기(2, 5) 및 적어도 하나의 터빈을 포함하는 가스 터빈에 있어서, 상기 적어도 하나의 연소기(2, 5)는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 연소기인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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