KR20150091084A - 가스 터빈 엔진의 외부 냉각 유체 분사 시스템 - Google Patents

가스 터빈 엔진의 외부 냉각 유체 분사 시스템 Download PDF

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콕-문 탐
칭-팽 리
빈센트 피. 라우렐로
압둘라띠프 엠. 체합
데이비드 에이. 켐프
존 에이. 퍼스너
얀 인
비제이 케이. 술타니안
웨이동 카이
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Abstract

가스 터빈 엔진(10)에 사용하기 위한 냉각 유체 공기 분사 시스템(40)은 외부 냉각 유체 소스(42), 소스로부터의 냉각 유체를 로터 챔버(RC) 안으로 분사하는데 사용되는 하나 이상의 로터 냉각 파이프(46), 상기 소스와 로터 냉각 파이프(들) 사이에 유체 연통을 제공하는 파이핑 시스템(44), 냉각 유체를 파이핑 시스템 및 로터 냉각 파이프(들)를 통하여 로터 챔버 안으로 운반하기 위한 블로어 시스템(50), 및 밸브 시스템(48)을 포함한다. 밸브 시스템은 전체 부하 엔진 작동 동안 소스로부터의 냉각 유체가 파이핑 시스템을 통과하는 것을 방지하기 위해 폐쇄되고, 전체 부하가 아닌 엔진 작동 동안 소스로부터의 냉각 유체가 파이핑 시스템을 통과하는 것을 가능하게 하기 위해 개방된다.

Description

가스 터빈 엔진의 외부 냉각 유체 분사 시스템 {EXTERNAL COOLING FLUID INJECTION SYSTEM IN A GAS TURBINE ENGINE}
본 발명은 가스 터빈 엔진의 외부 냉각 유체 분사 시스템에 관한 것이며, 시스템은 엔진의 선택된 구역들 내에서 더 균일한 온도 분포를 생성하기 위해 전체 부하(full load) 작동 상태가 아닌 동안 작동 가능하다.
가스 터빈 엔진의 작동 동안, 공기는 압축기 섹션에서 가압되고 그 후 연료와 혼합되고 연소 섹션에서 연소되어 고온 연소 가스들을 발생한다. 캔-애뉼러(can-annular) 가스 터빈 엔진에서, 연소 섹션은 때때로 "캔" 또는 "연소기" 라고 지칭되는 연소기 장치들의 환형 어레이(array)를 포함하며, 이들은 각각 고온 연소 가스들이, 결국 전기를 발생하는데 사용되는 출력 동력을 제공하기 위해 이들로부터 에너지를 추출하기 위해 팽창되는 엔진의 터빈 섹션에 고온 연소 가스들을 공급한다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈 엔진이 제공되며 이는 엔진으로 빼내어진 공기가 압축되는 압축기 섹션, 연료가 압축기 섹션으로부터의 압축된 공기의 적어도 일부와 혼합되고 고온 연소 가스들을 생성하기 위해 연소되는 연소 섹션, 및 연소 섹션으로부터의 고온 연소 가스들이 이들로부터 에너지를 추출하기 위해 팽창되는 터빈 섹션을 포함하며, 추출된 에너지의 적어도 일부는 전체 부하 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 1 모드 동안 터빈 로터를 회전시키는데 사용된다. 엔진은 터빈 섹션 내의 냉각될 구조물과 연통하는 로터 챔버, 엔진 작동의 제 1 모드 동안 엔진으로부터 추출된 냉각 공기를 로터 챔버 안으로 분사하는 하나 이상의 로터 냉각 파이프, 및 냉각 유체 분사 시스템을 더 포함한다. 냉각 유체 분사 시스템은 전체 부하가 아닌 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 2 모드 동안에만 로터 챔버 안으로 분사되는 외부 냉각 유체의 소스, 엔진 작동의 제 2 모드 동안 외부 냉각 유체 소스로부터 냉각 유체를 로터 챔버 안으로 분사하는데 사용되는 하나 이상의 로터 냉각 파이프, 외부 냉각 유체 소스와 하나 이상의 로터 냉각 파이프 사이의 유체 연통을 제공하는 파이핑 시스템, 외부 냉각 유체 소스로부터 파이핑 시스템 및 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 냉각 유체를 운반하기 위한 블로어 시스템(blower system), 및 밸브 시스템을 포함한다. 밸브 시스템은 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체가 블로어 시스템에 의해 파이핑 시스템을 통하여 운반되는 것을 방지하기 위해 엔진 작동의 제 1 모드 동안 폐쇄되고, 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체가 블로어 시스템에 의해 파이핑 시스템을 통하여 운반되는 것을 가능하게 하도록 엔진 작동의 제 2 모드 동안 개방된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 가스 터빈 엔진의 작동 방법이 제공된다. 공기가 엔진의 압축기 섹션에서 압축된다. 연료는 압축된 공기의 적어도 일부와 혼합되고 혼합물은 고온 연소 가스들을 생성하기 위해 엔진의 연소 섹션에서 연소된다. 고온 연소 가스들은 이들로부터 에너지를 추출하기 위해 엔진의 터빈 섹션에서 팽창되고, 추출된 에너지의 적어도 일부가 전체 부하 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 1 모드 동안 터빈 로터를 회전시키는데 사용된다. 엔진으로부터 추출된 공기가 엔진 작동의 제 1 모드 동안 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 분사된다. 분사된 공기는 터빈 섹션 내의 냉각될 구조물에 냉각을 제공한다. 전체 부하가 아닌 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 2 모드 동안, 블로어 시스템의 작동은 외부 냉각 유체 소스로부터 파이핑 시스템을 통하여 하나 이상의 로터 냉각 파이프로 냉각 유체를 운반하고, 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 분사하는 것을 가능하게 한다.
명세서는 본 발명을 특별히 지목하고 명백하게 주장하는 청구항들에 의한 결론을 짓지만, 본 발명은 동일한 참조 부호들이 동일한 요소들을 동일시하는 첨부된 도면과 연관된 이후의 설명으로부터 더 양호하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 유체 분사 시스템을 포함하는 가스 터빈 엔진의 부분 측단면도이고;
도 1a는 엔진의 터빈 섹션 내의 냉각될 구조물에 냉각 유체를 전달하는데 사용되는 유체 회로를 예시하는, 도 1의 확대 부분이고;
도 2는 도 1에 예시된 냉각 유체 분사 시스템의 개략도이다.
바람직한 실시예들의 이후의 상세한 설명에서, 명세서의 부분을 형성하고, 제한이 아닌 예시에 의해 본 발명이 실행될 수 있는 특정 바람직한 실시예가 도시되는 첨부 도면들이 참조된다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고 변경들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있다는 것이 이해된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 가스 터빈 엔진(10)이 도시된다. 엔진(10)은 압축기 섹션(12), 본원에서 또한 "연소기 장치들"로서 지칭되는 복수의 연소기(16)들을 포함하는 연소 섹션(14), 및 터빈 섹션(18)을 포함한다. 본 발명에 따른 엔진(10)은 바람직하게는 엔진(10) 내에 축방향을 규정하는 엔진(10)의 길이방향 축선(LA)을 중심으로 배치되는 연소기(16)들의 환형 어레이를 포함하는 것에 주의해야 한다. 이러한 구성은 통상적으로 "캔-애뉼러 연소 시스템"으로 지칭된다.
압축기 섹션(12)은 입구 공기를 유도하고 가압하며, 그의 적어도 일부는 연소기(16)들로의 전달을 위해 연소기 쉘(combustor shell; 20)로 지향된다. 연소기 쉘(20)의 공기는 이후에 "쉘 공기"로서 지칭된다. 가압된 공기의 다른 부분들은 터빈 섹션(18) 내의 구성요소들과 같은, 엔진(10) 내의 다양한 구성요소들을 냉각시키기 위해 압축기 섹션(12)으로부터 추출될 수 있다.
연소기(16)들로 들어갈 때, 압축기 섹션(12)으로부터의 압축된 공기는 연료와 혼합되고 점화되어 각각의 연소기(16) 내에서 난류 방식으로 그리고 높은 속도로 유동하는 고온 연소 가스들을 발생한다. 각각의 연소기(16)의 연소 가스들은 그 후 각각의 천이 덕트(22)(도 1에는 단지 하나의 천이 덕트(22)가 도시됨)를 통하여 터빈 섹션(18)으로 유동하고 여기서 연소 가스들은 이들로부터 에너지를 추출하기 위해 팽창된다. 연소 가스들로부터 추출되는 에너지의 일부는, 길이방향 축선(LA)을 따라 엔진(10)을 통하여 축방향으로 연장하는 회전 가능한 샤프트(26)에 평행하게 연장하는 터빈 로터(24)의 회전을 제공하는데 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 엔진 케이싱(30)이 각각의 엔진 섹션(12, 14, 18)들을 에워싸기 위해 제공된다. 연소 섹션(14)을 중심으로 배치되는 케이싱(30)의 부분(30A)은 연소기 쉘(20)을 형성하는 케이싱 벽(32)을 포함하며, 즉 연소기 쉘(20)은 케이싱 부분(30A) 내의 내부 체적을 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 케이싱 벽(32)은 정상 벽 섹션(32A), 좌측 벽 섹션(32B), 우측 벽 섹션(32C) 및 바닥 벽 섹션(32D)을 포함한다.
본 발명의 양태에 따른 외부 냉각 유체 분사 시스템(40)이 이제 설명될 것이다. 도 2를 참조하면, 도시된 실시예의 냉각 유체 분사 시스템(40)은, 도시된 실시예에서 대기 공기 입구 포트를 포함하는 외부 냉각 유체(42)의 소스를 포함한다. 이러한 실시예에 따른 외부 냉각 유체 소스(42)가 단일 대기 공기 입구 포트를 포함하지만, 대기 공기에 부가하여 또는 대기 공기 대신에 예컨대 미스트(mist), 증기 또는 물과 같은 냉각 유체의 다른 소스들이 사용될 수 있다. 또한, 부가적인 대기 공기 포트들이 제공될 수 있다.
냉각 유체 분사 시스템(40)은 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체를, 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱 벽(32)의 둘레에 대하여 일반적으로 균등하게 이격되는 복수의 로터 냉각 파이프(46A, 46B, 46C, 46D)들로 운반하기 위해 제공되는 파이핑 시스템(44)을 더 포함한다. 이러한 실시예에 따른 냉각 유체 분사 시스템(40)이 4 개의 냉각 파이프(46A 내지 46D)들을 포함하지만, 임의의 적절한 개수의 로터 냉각 파이프들이 제공될 수 있다. 이하에 논의될 것과 같이, 로터 냉각 파이프(46A 내지 46D)들은 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체를 로터 챔버(RC) 안으로 분사하고, 이 로터 챔버는 예컨대 회전 가능한 터빈 블레이드(TB)들의 열(row)들, 터빈 블레이드(TB)들의 열들을 지지하고 로터(24)의 부분을 형성하는 블레이드 디스크 구조물(BDS)들, 및/또는 블레이드 디스크 구조물(BDS)들과 고정 터빈 베인(TV)들의 인접한 열들 사이에 위치되는 터빈 디스크 공동(TDC)들과 같은, 터빈 섹션(18) 내의 냉각될 구조물들과 연통한다(도 1a 참조). 도 1a에서 가장 자명하게 도시된 바와 같이, 로터 챔버(RC)는 적어도 부분적으로 연소 섹션(14)에 위치되고 연소기 쉘(20)로부터 고립되며, 즉 로터 챔버(RC)는 연소기 쉘(20)에 대하여 직접적으로 노출되지 않는다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 냉각 유체 분사 시스템(40)은, 비록 부가적인 또는 더 적은 밸브들이 사용될 수 있지만 도시된 실시예에서 제 1 및 제 2 밸브(48A, 48B)를 포함하는 밸브 시스템(48), 비록 부가적인 블로어들 또는 이젝터(ejector)들이 사용될 수 있지만 도시된 실시예에서 단일 블로어를 포함하는 블로어 시스템(50), 그리고 선택적으로는 냉각기(52)를 또한 더 포함한다. 밸브 시스템(48) 및 블로어 시스템(50)은, 이하에 상세하게 설명될 것과 같이, 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체가 파이핑 시스템(44)을 통과하는 것을 선택적으로 가능하게 하거나 방지하기 위해 제어기(54)에 의해 제어된다. 블로어 시스템(50)은 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체를 추출하기 위해 그리고 밸브 시스템(48)이 개방될 때 추출된 냉각 유체를 파이핑 시스템(44)을 통하여 로터 냉각 파이프(46A 내지 46D)들로 그리고 로터 챔버(RC) 안으로 운반하기 위해 제공된다. 냉각기(52)는 냉각 유체를 냉각시키기 위해 제공된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 필터(56)가 냉각 유체로부터 입자들을 필터링(filtering)하기 위해 외부 냉각 유체 소스(42)와 로터 챔버(RC) 사이에 제공될 수 있다. 도 2에 예시된 실시예에 따르면, 필터(56)는, 비록 필터(56)가 외부 냉각 유체 소스(42)로부터 하류의 어느 위치에 위치될 수 있지만, 블로어 시스템(50)의 블로어의 상류측에 부착된다.
엔진(10)의 작동 방법이 이제 설명될 것이다. 또한 전체 부하 또는 기저 부하(base load) 작동으로 공지되고 또한 본원에서 엔진 작동의 제 1 모드로서 지칭되는 엔진(10)의 정상 작동 동안, 연소기 쉘(20)과 로터 챔버(RC) 사이의 압력 차이는 쉘 공기의 일부가 케이싱 벽(32)의 바닥 벽 섹션(32D)에 위치된 출구 포트(58)(도 1 및 도 2 참조)를 통하여 로터 챔버(RC)를 향하여 연소기 쉘(20)로부터 유동하는 것을 야기하며, 즉 로터 챔버(RC)의 압력이 엔진(10)의 정상 작동 동안 연소기 쉘(20) 내의 압력보다 더 낮다. 출구 포트(58)는 케이싱 벽(32)의 다른 위치들에 위치될 수 있는 것에 주의해야 한다. 엔진 작동의 제 1 모드 동안 출구 포트(58)를 통하여 로터 챔버(RC)를 향하여 연소기 쉘(20)로부터 유동하는 이러한 공기의 일부는 본원에서 "주요 경로 공기(primary path air)"로서 지칭된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 주요 경로 공기는, 단지 엔진 작동의 제 1 모드 동안 개방되는 주요 밸브(62)를 통하여 주요 회로(60)를 따라 유동하고, 로터 냉각 파이프(46A 내지 46D)들을 통하여 로터 챔버(RC) 안으로의 전달을 위해 냉각기(52)를 통과한다. 본원에 설명된 주요 경로 공기가 연소기 쉘(20)로부터의 쉘 공기를 포함하지만, 주요 경로 공기는 엔진(10)의 다른 부분들로부터의 공기를 포함할 수 있는 것에 주의해야 한다. 예컨대, 주요 경로 공기는 압축기 섹션(12)으로부터 직접 빼내어질 수 있다.
일단 로터 챔버(RC)에서, 주요 경로 공기는 유체 회로(64)를 통하여 터빈 섹션(18)의 냉각될 구조물로 전달된다(도 1a 참조). 당업자에게 자명하듯이, 유체 회로(64)는 예컨대 터빈 섹션(18)의 냉각될 구조물과 로터 챔버(RC) 사이의 구성요소들 내의 일련의 통로들을 포함할 수 있다. 예컨대, 하나 또는 그 초과의 통로(66)들(도 2 참조)이 로터(24)를 통하여 형성될 수 있고, 이 통로(66)들은 터빈 섹션(18)의 블레이드 디스크 구조물(BDS)들에 형성되는 통로들(도시되지 않음)과 연통할 수 있다. 블레이드 디스크 구조물(BDS)들의 통로들은 결국 도 1a에 도시된 바와 같이 터빈 블레이드(TB)들의 열들로 및/또는 인접한 터빈 디스크 공동(TDC)들로 유도될 수 있다. 냉각 회로(64)가 도 1a에 개략적으로 도시되고 터빈 섹션(18)의 냉각될 구조물에 유체들을 전달하기 위하여 임의의 적절한 구성을 가질 수 있는 것에 주의해야 한다.
엔진 작동의 제 1 모드 동안, 제 1 및 제 2 밸브(48A, 48B)들은 폐쇄되고 블로어 시스템(50)은 꺼지게 되거나 그렇지 않다면 작동적이지 않게 된다. 그리하여, 비록 쉘 공기가 상기 논의된 바와 같이 엔진 작동의 제 1 모드 동안 주요 회로(60)를 통하여 로터 챔버(RC) 안으로 들어가는 것에 주의해야 하지만, 밸브 시스템(48)은 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체가 파이핑 시스템(44)을 통하여 그리고 로터 챔버(RC) 안으로 블로어 시스템(50)에 의해 운반되는 것을 실질적으로 방지한다.
엔진(10)을 셧 다운(shut down) 상태로 또는 터닝 기어(turning gear) 상태로 천이하기 위해 이행되는 턴 다운(turn down) 작동이 개시될 때, 연소기(16)들로의 연료의 공급은, 연소기(16)들에서의 고온 연소 가스들의 발생이 0 으로 감소되도록 결국에는 중단된다. 일단 연소 가스들이 연소기(16)들에서 더 이상 발생되지 않으면, 터빈 로터(24)의 회전이 연소 가스들에 의해 실행되는 것이 가능하지 않고, 터빈 로터(24)의 회전은 거의 멈춤까지 관성으로 움직인다. 거의 멈춤까지 관성으로 움직인 후에, 터빈 로터(24)의 느린 회전이, 본원에서 터닝 기어 상태로서 지칭되는 작동 상태에서, 시동 모터에 의한 것과 같이 외측 동력 공급부(도시되지 않음)에 의해 실행될 수 있다. 통상적인 엔진(10)에서, 이러한 턴 다운 작동은 엔진(10)이 터닝 기어 상태로 완전히 천이되기 위해 적어도 약 10 내지 15 분이 소요될 수 있으며, 이러한 시간 동안 연소기(16)들의 연소는 결과적으로 멈춰진다. 대안적으로, 터빈 로터(24)의 회전은 본원에서 셧 다운 상태로 지칭된 작동 상태로 완전히 멈춰질 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같은 엔진 작동의 제 2 모드는, 전체 부하 작동이 아닌 모든 엔진 작동 상태들, 즉 엔진 작동의 제 1 모드인 엔진(10)의 턴 다운 작동, 터닝 기어 상태 또는 셧 다운 상태를 포괄하는 것을 의미한다.
본 발명의 양태에 따르면, 엔진(10)을 터닝 기어 상태 또는 셧 다운 상태 중 하나로 천이하기 위한 턴 다운 작동이 개시될 때, 제어기(54)는 제 1 및 제 2 밸브(48A, 48B)들을 개방하고 공기가 주요 회로(60)를 통과하는 것을 방지하기 위해 주요 밸브(62)를 폐쇄한다. 블로어 시스템(50)이 켜지거나 그렇지 않다면 엔진 작동의 제 2 모드 동안 제어기(54)에 의해 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체를 추출하는 것을 가능하게 한다. 블로어 시스템(50)은 파이핑 시스템(44) 및 로터 냉각 파이프(46A 내지 46D)들을 통하여 냉각 유체를 운반, 즉 펌핑하고 냉각 유체를 로터 챔버(RC) 안으로 분사한다. 일단 로터 챔버(RC)에서, 냉각 유체는 유체 회로(64)를 통하여 터빈 섹션(18) 내의 구조물을 냉각시키기 위해 전달된다(도 1a 참조).
본 발명의 다른 양태에 따르면, 터닝 기어 상태는 미리 정해진 시간 동안 또는 하나 또는 그 초과의 선택된 엔진 구성요소들이, 엔진(10)이 셧 다운 상태로 천이될 수 있는 지점의 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 진행될 수 있다. 이러한 배열 하에서, 터닝 기어 상태 동안, 밸브(48A, 48B)들은 개방 위치들로 유지되고 블로어 시스템(50)의 작동은 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체를 계속해서 추출하고, 추출된 냉각 유체를 파이핑 시스템(44) 및 로터 냉각 파이프(46A 내지 46D)들을 통하여 운반하고, 추출된 냉각 유체를 로터 챔버(RC) 안으로 분사한다. 하지만, 엔진(10)이 셧 다운 상태로 진입할 때, 즉 터닝 기어 상태의 완료 후에, 블로어 시스템(50)은 꺼질 수 있거나 그렇지 않다면 냉각 유체의 펌핑을 멈추기 위해 제어기(54)에 의해 불가능하게 될 수 있다. 셧 다운 상태 동안, 밸브(48A, 48B)들은 개방된 채로 남아있을 수 있거나 제어기(54)가 이들을 폐쇄할 수 있지만, 이들은 제어기(54)에 의해 폐쇄될 것이며 주요 밸브(62)는 엔진(10)을 전체 부하 작동으로 다시 천이하기 위해 엔진 시동 과정이 개시될 때 개방될 것이다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 엔진 작동의 제 2 모드 동안, 제어기(54)는 밸브 시스템(48)을 개방/폐쇄할 수 있고 엔진 케이싱 부분(30A)의 바닥 벽 섹션(32D)과 엔진 케이싱 부분(30A)의 정상 벽 섹션(32A) 사이의 온도 차이를 기본으로 하여 블로어 시스템(50)의 작동을 가능하게/가능하지 않게 할 수 있다. 예컨대, 엔진 작동의 제 2 모드 동안, 정상 벽 섹션(32A)에서의 온도가 미리 정해진 제 1 양을 초과한 것만큼 바닥 벽 섹션(32D)에서 온도가 더 큰 것으로 판정된다면, 밸브 시스템(48)은 개방될 수 있고 블로어 시스템(50)의 작동은 정상 벽 섹션(32A)의 온도가 미리 정해진 제 2 양 미만 만큼 바닥 벽 섹션(32D)의 온도보다 더 큰 것으로 판정될 때까지 가능하게 될 수 있다. 예컨대 터빈 섹션(18)과 연관된 케이싱(30)의 부분의 정상 섹션과 바닥 섹션들 사이의 온도 차이들과 같은 엔진(10) 내의 다른 위치들에서의 온도 차이들은 밸브 시스템(48)의 개방/폐쇄를 활성화하고 블로어 시스템(50)의 작동을 가능하게/가능하지 않게 하는데 또한 사용될 수 있다는 것에 주의해야 한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 엔진 작동의 제 2 모드 동안, 블로어 시스템(50)의 작동은 스핀 냉각 작동(spin cooling operation)과 교번될 수 있다. 예시적인 스핀 냉각 작동 동안, 블로어 시스템(50)은 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체의 파이핑 시스템(44)을 통한 그리고 로터 챔버(RC) 안으로의 운반을 멈추기 위해 꺼질 수 있고 로터(24)의 회전 속도는 연소 섹션(14)에서 공기와 연료를 연소하지 않으면서, 즉 연소 가스들이 연소기(16)들에서 발생되지 않도록, 예컨대 약 850 RPM 과 같은 미리 정해진 속도로 증가될 수 있다. 스핀 냉각 작동은, 선택된 엔진 구성요소들이 바람직한 온도에 도달할 때까지, 구성요소 온도 차이들이 미리 정해진 목표에 도달할 때까지 등등, 예컨대 약 5 분인 예컨대 미리 정해진 시간 기간 동안과 같은, 미리 정해진 기간 동안 수행될 수 있다.
스핀 냉각 작동의 수행 후에, 블로어 시스템(50)의 작동이 외부 냉각 유체 소스(42)로부터의 냉각 유체를 파이핑 시스템(44) 및 로터 냉각 파이프(46A 내지 46D)들을 통하여 로터 챔버(RC) 안으로 운반하는 것을 다시 한번 가능하게 할 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 스핀 냉각 작동들은 터빈 섹션(18)의 냉각될 구조물, 특히 터빈 로터(24)의 냉각을 최대화하기 위해 그리고 또한 엔진(10) 내의 더 균일한 냉각을 촉진시키기 위해 엔진 작동의 제 2 모드 동안 블로어 시스템(50)의 작동과 교번될 수 있다.
냉각 유체 분사 시스템(40)에 의해 로터 공동(RC)으로 공급되는 냉각 유체에 의한 터빈 섹션(18) 내의 냉각될 구조물, 예컨대 회전 가능한 터빈 블레이드(TB)들의 열들, 블레이드 디스크 구조물(BDS)들, 터빈 디스크 공동(TDC)들 등의 냉각은 블레이드 디스크 구조물(BDS) 및 터빈 블레이드(TB)들의 열팽창을 감소시킨다. 또한, 냉각 유체에 의한 터빈 섹션(18) 내의 냉각될 구조물의 냉각은, 더 뜨거운 공기가 터빈 섹션(18)의 케이싱(30)의 정상으로 이동되려는 경향이 있고, 따라서 바닥보다 케이싱(30)의 정상에 더 뜨거운 온도들을 초래하기 때문에, 터빈 섹션(18) 내의 더 균일한 온도 분포를 생성한다.
블레이드 디스크 구조물(BDS) 및 터빈 블레이드(TB)들의 열 팽창의 감소 및 냉각 유체 분사 시스템(40)에 의해 실행되는 터빈 섹션(18) 내의 더 균일한 온도는, 터빈 블레이드(TB)들로부터 외향으로 위치되는 링 세그먼트(RS)(도 1a 참조)들에 맞닿는 터빈 섹션(18)의 터빈 블레이드(TB)들의 팁(TT)들의 스침(rubbing) 및/또는 엔진 케이싱(30)의 비틀림과 같이, 상이한 속도들로 열적으로 성장하는 터빈 섹션(18) 내의 및 그 주위의 구송요소들로부터 그렇지 않다면 초래될 수 있는 문제들을 감소시키거나 방지하는 것으로 여겨지며, 따라서 이러한 구성요소들의 수명을 연장시키고 개선된 터빈 효율을 위해 전체 부하 작동 동안의 긴밀한 블레이드 팁(TT) 간극을 유지한다. 링 세그먼트(RS)들의 터빈 블레이드 팁(TT)들의 스침의 감소/방지는 또한 이러한 구성요소들의 스침이 그렇지 않다면 터빈 블레이드 팁(TT)들에 형성된 냉각 구멍들을 막을 수 있기 때문에, 과열로 인한 팁 산화를 감소/방지한다.
또한, 엔진 작동의 제 2 모드 동안 냉각 유체 분사 시스템(40)에 의해 실행되는 터빈 섹션(18)의 냉각될 구조물, 그리고 더 구체적으로는 터빈 로터(24)를 능동적으로 냉각시키는 것은 엔진(10)의 서비스 정지의 길이의 감소를 제공하는 것으로 여겨진다. 예컨대, 냉각 유체 분사 시스템(40)이 없이는, 터빈 로터(24)가 터빈 섹션(18)의 서비스를 위해서 너무 뜨거울 것이기 때문에 엔진이 서비스될 수 있기 전까지 엔진(10)은 적어도 약 14 시간 동안 터닝 기어 상태에 있거나 연장된 기간 동안 스핀 냉각 작동 상태에 있어야만 할 수 있지만, 냉각 유체 분사 시스템(40)이 터빈 로터(24)를 냉각하는데 사용된다면 엔진(10)은 더 빠르게 서비스되는 것이 가능할 수 있다. 터빈 로터(24)를 냉각시키는데 냉각 유체 분사 시스템(40)을 사용함으로써, 엔진(10)은 더 빠르게 서비스될 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 냉각 유체 분사 시스템(40)은 엔진 케이싱(30) 내의 더 균일한 온도 분포를 생성함으로써 엔진 케이싱(30)의 비틀림의 감소/방지 및 터빈 로터(24)의 냉각을 위한 동시적이고 조합된 접근을 제공한다.
본 발명의 특별한 실시예들이 예시되고 설명되었지만, 다양한 변경들 및 수정들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있다는 것이 자명할 것이다. 따라서 첨부된 청구항들에서 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 모든 변경들 및 수정들을 커버하고자 한다.

Claims (20)

  1. 가스 터빈 엔진으로서,
    엔진 안으로 빼내어진 공기가 압축되는 압축기 섹션;
    연료가 압축기 섹션으로부터의 압축된 공기의 적어도 일부와 혼합되고 고온 연소 가스들을 생성하기 위해 연소되는 연소 섹션;
    상기 연소 섹션으로부터의 고온 연소 가스들이 이들로부터 에너지를 추출하기 위해 팽창되는 터빈 섹션으로서, 상기 추출된 에너지의 적어도 일부가 전체 부하 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 1 모드 동안 터빈 로터를 회전시키는데 사용되는 터빈 섹션;
    상기 터빈 섹션 내의 냉각될 구조물과 연통하는 로터 챔버;
    상기 엔진 작동의 제 1 모드 동안 엔진으로부터 추출된 냉각 공기를 로터 챔버 안으로 분사하는 하나 이상의 로터 냉각 파이프; 및
    냉각 유체 분사 시스템을 포함하며, 상기 냉각 유체 분사 시스템은,
    전체 부하 작동이 아닌 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 2 모드 동안에만 로터 챔버 안으로 분사되는 외부 냉각 유체의 소스;
    상기 엔진 작동의 제 2 모드 동안 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 로터 챔버 안으로 분사하는데 사용되는 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프;
    상기 외부 냉각 유체 소스와 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프 사이의 유체 연통을 제공하는 파이핑 시스템;
    상기 외부 냉각 유체 소스로부터 파이핑 시스템 및 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 냉각 유체를 운반하기 위한 블로어 시스템(blower system); 및
    밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은,
    상기 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체가 블로어 시스템에 의해 파이핑 시스템을 통하여 운반되는 것을 방지하기 위해 엔진 작동의 제 1 모드 동안 폐쇄되고,
    상기 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체가 블로어 시스템에 의해 파이핑 시스템을 통하여 운반되는 것을 가능하게 하도록 엔진 작동의 제 2 모드 동안 개방되는,
    가스 터빈 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 냉각 유체 소스는 하나 이상의 대기 공기 입구 포트를 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 작동의 제 2 모드 동안 냉각 유체로부터 로터 챔버 안으로 주입되는 입자들을 필터링하기 위해 외부 냉각 유체 소스와 로터 챔버 사이에 위치되는 필터를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 필터는 블로어 시스템에 부착되는,
    가스 터빈 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    엔진 케이싱의 정상 벽 섹션과 엔진 케이싱의 바닥 벽 섹션 사이의 온도 차이를 기본으로 하여 밸브 시스템을 개방 및 폐쇄하기 위한 제어기를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 시스템은 :
    상기 엔진을 셧 다운 상태 및 터닝 기어 상태 중 하나로 천이하기 위해 턴 다운 작동이 개시될 때 제어기에 의해 개방되고,
    상기 엔진을 엔진 작동의 제 1 모드로 천이하기 위해 시동 작동이 개시될 때 제어기에 의해 폐쇄되는,
    가스 터빈 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 터빈 로터는 셧 다운 상태 또는 터닝 기어 상태 동안 연소 가스들로부터 추출되는 에너지에 의해 회전되지 않는,
    가스 터빈 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 작동의 제 1 모드 동안 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프에 의해 로터 챔버 안으로 분사되는 냉각 공기는 연소 섹션과 연관되는 연소기 쉘로부터 추출되는 쉘 공기를 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 챔버는 적어도 부분적으로 연소 섹션에 위치되는,
    가스 터빈 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 제 2 모드 동안, 블로어 시스템의 작동은 스핀 냉각 작동과 교번되며, 스핀 냉각 작동 동안에 :
    상기 블로어 시스템은 꺼지고,
    상기 로터의 회전 속도는 연소 섹션에서 공기와 연료를 연소시키지 않으면서 미리 정해진 속도로 증가되는,
    가스 터빈 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    스핀 냉각 작동을 수행한 후에, 블로어 시스템의 작동은 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 파이핑 시스템 및 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 운반하는 것을 가능하게 하는,
    가스 터빈 엔진.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스핀 냉각 작동은 미리 정해진 양의 시간 동안 수행되는,
    가스 터빈 엔진.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유체가 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 분사되기에 앞서 상기 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 냉각하기 위한 냉각기를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  14. 가스 터빈 엔진의 작동 방법으로서,
    상기 엔진의 압축기 섹션에서 공기를 압축하는 단계;
    상기 압축된 공기의 적어도 일부 및 연료를 혼합하고 고온 연소 가스들을 생성하기 위해 엔진의 연소 섹션에서 혼합물을 연소시키는 단계;
    상기 엔진의 터빈 섹션에서 고온 연소 가스들로부터 에너지를 추출하기 위해 상기 고온 연소 가스들을 팽창시키는 단계로서, 상기 추출된 에너지의 적어도 일부는 전체 부하 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 1 모드 동안 터빈 로터를 회전시키기 위해 사용되는, 고온 연소 가스들을 팽창시키는 단계;
    상기 엔진 작동의 제 1 모드 동안 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 엔진으로부터 추출된 공기를 분사하는 단계로서, 상기 분사된 공기는 터빈 섹션 내의 냉각될 구조물에 냉각을 제공하는, 엔진으로부터 추출된 공기를 로터 챔버 안으로 분사하는 단계를 포함하고,
    전체 부하가 아닌 작동을 포함하는 엔진 작동의 제 2 모드 동안,
    블로어 시스템의 작동이,
    상기 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 파이핑 시스템을 통하여 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프로 운반하고;
    상기 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 분사하는 것을 가능하게 하는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체는 엔진 작동의 제 1 모드 동안 로터 챔버 안으로 분사되지 않고 상기 엔진으로부터의 공기는 엔진 작동의 제 2 모드 동안 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 분사되지 않는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 엔진 작동의 제 2 모드 동안 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 블로어 시스템에 의해 파이핑 시스템을 통하여 운반되는 것을 가능하게 하기 위해 밸브 시스템이 개방되는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 엔진 작동의 제 1 모드 동안 공기가 블로어 시스템에 의해 파이핑 시스템을 통하여 운반되는 것을 방지하기 위해 밸브 시스템이 폐쇄되는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 밸브 시스템은 엔진 케이싱의 정상 벽 섹션과 엔진 케이싱의 바닥 벽 섹션 사이의 온도 차이를 기본으로 하여 제어기에 의해 개방되고 폐쇄되며, 상기 엔진 케이싱은 엔진의 섹션들을 중심으로 배치되는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 밸브 시스템은
    상기 엔진을 셧 다운 상태 및 터닝 기어 상태 중 하나로 천이하기 위해 턴 다운 작동이 개시될 때 제어기에 의해 개방되고,
    상기 엔진을 엔진 작동의 제 1 모드로 천이하기 위해 시동 작동이 개시될 때 제어기에 의해 폐쇄되는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 블로어 시스템이 미리 정해진 기간 동안 작동된 후, 상기 블로어 시스템의 작동을 불가능하게 하고 연소 섹션에서 공기와 연료를 연소시키지 않으면서 로터의 회전 속도를 증가시킴으로써 스핀 냉각 작동을 수행하는 단계; 및
    상기 스핀 냉각 작동이 수행된 후에, 블로어 시스템의 작동이 외부 냉각 유체 소스로부터의 냉각 유체를 파이핑 시스템 및 상기 하나 이상의 로터 냉각 파이프를 통하여 로터 챔버 안으로 운반하는 것을 가능하게 하는 단계를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진의 작동 방법.
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