KR20150102958A - 배기 가스 수집기 및 가스 터빈 - Google Patents

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루시아노 메이
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

가스 터빈용 배기 가스 수집기가 설명된다. 배기 가스 수집기(126)는 가스 유입벽(135), 가스 유입벽에 마련된 가스 유입구(139) 및 가스 배출구(143A)를 지닌 플리넘(141; plenum)을 포함한다. 배기 가스 수집기는 가스 유입구(139) 주위에 배열되는 복수 개의 제1 커넥터(151)와, 가스 유입구(139) 주위에 배열되는 복수 개의 제2 커넥터(163)를 더 포함한다. 제2 커넥터는 제1 커넥터와 거의 대향 배치된다. 제1 커넥터와 제2 커넥터는 쌍을 이룬다. 하나의 제1 커넥터와 하나의 제2 커넥터로 이루어진 쌍들은 배기 가스 수집기(126)를 복수 개의 대안의 각도 위치 중 선택된 각도 위치로 가스 터빈의 배기 가스 확산기 상에 장착하기 위해 선택적으로 사용 가능하다.

Description

배기 가스 수집기 및 가스 터빈{EXHAUST GAS COLLECTOR AND GAS TURBINE}
본 개시의 실시예는 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 배기 가스 수집기 또는 플리넘(plenum)에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 발전뿐만 아니라 기계식 구동 어플리케이션에서 원동기로서 널리 사용된다. 통상, 항공 전용 가스 터빈(aeroderivative gas turbine)이 이러한 목적으로 사용된다. 기계식 구동 어플리케이션에서, 가스 터빈 엔진은 하나 이상의 터보기계, 예컨대 압축기나 압축기 트레인(compressor train)을 구동한다. 발전(發電) 어플리케이션에서, 가스 터빈 엔진은 전력 분배망(electric distribution grid)에 연결된 발전기를 구동하는 데 사용된다.
가스 터빈 엔진은 연료를 연소시켜 고온 연소 가스를 생성하고, 이 고온 연소 가스는 파워 터빈을 통해 흘러 부하, 예컨대 발전기나 압축기를 구동한다. 고속 및 고온으로, 배기 가스가 터빈을 빠져나가, 배기 가스 확산기와 배기 가스 확산기 하류에 배치된 배기 가스 수집기에 진입한다.
배기 가스 수집기는 통상 배기 가스 확산기 상에 장착되어 배기 가스 확산기에 의해 지지된다. 이에 따라, 배기 가스 수집기의 진동이 배기 가스 확산기로 그리고 가스 터빈 엔진 베어링으로 전달된다.
배기 가스 수집기는 배기통과 유체 연통되는 배기구를 지닌 플리넘을 형성한다. 배기구는 가스 터빈 구성에 대해 부여되는 설계 제약에 따라 수직 상방으로 또는 측방으로 배향될 수 있다. 배기 가스 수집기는 따라서 매번 배기구의 특정 배향에 대해 설계되거나 맞춰져야만 한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 가스 터빈 엔진 및 배기 가스 확산기-수집기 구성을 예시한다. 도 1에는, 가스 터빈 엔진 파워 플랜트(10)의 다이어그램이 도시되어 있다. 가스 터빈 엔진(12), 예컨대 항공 전용 가스 터빈 엔진은 배기 가스 확산기-수집기 조립체(14)에 커플링된다. 발전기(16)가 연결 기구(18)를 통해 가스 터빈 엔진(12)에 커플링된다. 가스 터빈 엔진(12), 배기 가스 확산기-수집기 조립체(14) 및 발전기(16)는 스키드(skid) 또는 베이스 플레이트(20)에 견고하게 부착될 수 있다. 연소를 위한 청정 공기가 흡입기 및 여과 시스템(22)에 의해 공급된다. 청정 공기는 가스 터빈 엔진(12)의 압축기 섹션에서 압축되고, 액체 연료나, 천연 가스와 같은 가스 연료와 혼합된다. 연료-공기 혼합물은 그 후에 가스 터빈 엔진(12)의 연소실에서 연소된다. 다음에, 연료-공기 혼합물의 연소로부터 생성된 고온 압축 연소 가스가 가스 터빈 엔진(12)에 있는 복수 개의 터빈 단을 통과한다. 고온 압축 연소 가스는 터빈이 회전하도록 하여, 연결 기구(18)를 통해 부하(16)를 구동할 것이다.
배기 가스 확산기-수집기 조립체(14)는, 예컨대 열 회수 시스템에 의해 더 사용하기 위해 배기 가스를 포획하여 라우팅하거나, 배기 가스를 배기통(3)으로 지향시킨다.
도 2는 종래 기술에 따른 배기 가스 확산기-수집기 조립체(14)의 실시예의 단면도를 예시한다. 배기 가스 확산기-수집기 조립체(14)는 반경방향 배기 가스 수집기(26)에 커플링된 축방향 배기 가스 확산기(24)를 포함한다. 축방향 배기 가스 확산기(24)는 배기 가스 흐름을 축방향으로부터 반경방향으로 적어도 부분적으로 편향시키는 피쳐(feature)를 포함하여, 축방향 배기 가스 확산기(24)와 반경방향 배기 가스 수집기(26)를 함께 사용하는 것을 가능하게 한다. 예시된 축방향 배기 가스 확산기(24)는 환형 벽(25)을 갖고, 이 환형 벽은 배기 가스 흐름 방향으로 가스 터빈 엔진(12)에서부터 반경방향 배기 가스 수집기(26) 측으로 갈수록 직경이 점증한다. 축방향 배기 가스 확산기(24)의 보다 작은 직경의 단부가 가스 터빈 엔진(12)(도 2에는 부분적으로만 도시되어 있음)에 커플링된다. 축방향 배기 가스 확산기(24)는 가스 터빈 엔진(12)에서부터 흐르는 배기 가스의 축방향 흐름을 확산시킨다. 반경방향 배기 가스 수집기(26)는, 예컨대 커플링 디스크(28)를 반경방향 배기 가스 수집기(26)의 벽(30)에 포함된 유지 플렌지에 둘레방향으로 볼트 체결하는 것에 의해 축방향 배기 가스 확산기(24)에 부착된다. 플랜지 및 볼트 부착 실시예는 축방향 배기 가스 확산기(24)와 반경방향 배기 가스 수집기(26)가 가스 터빈 엔진(12)의 작동 중에 견고하게 결합된 상태로 유지될 수 있게 하고, 엔진 정지 기간 동안의 유지 보수 및 분해를 허용한다. 반경방향 배기 가스 수집기는 이따금 축방향 배기 가스 확산기 상에 현수된다. 다른 기지의 실시예에서, 후방 다리부가 마련되어, 가스 터빈 확산기에 대한 연결부와 함께 중량을 지지한다.
반경방향 배기 가스 수집기(26)는, 상부벽에 수직 상방으로 배향된 구멍(24)이 마련된 내부 배기 가스 플리넘 또는 수집기 챔버를 갖는다.
몇몇 실시예에 따르면, 가스 유입벽, 가스 유입벽에 있는 가스 유입구 및 가스 배출구를 지닌 플리넘; 가스 유입구 주위에 배열되는 복수 개의 제1 커넥터; 및 가스 유입구 주위에서 복수 개의 제1 커넥터와 거의 대향하게 배치되는 복수 개의 제2 커넥터를 포함하는 가스 터빈용 배기 가스 수집기가 마련된다. 복수 개의 제1 커넥터와 복수 개의 제2 커넥터는 쌍을 이루며, 즉 각각의 제1 커넥터는 대응하는 제2 커넥터와 대향하게 배치되며, 각각의 제2 커넥터는 대응하는 제1 커넥터와 대향하게 배치된다. 이러한 구성은 하나의 제1 커넥터와 하나의 제2 커넥터의 쌍들이 배기 가스 수집기를 복수 개의 대안의 각도 위치 중 선택된 각도 위치로 가스 터빈의 배기 가스 확산기에 연결하기 위해 선택적으로 사용되도록 한다. 이에 따라, 동일한 배기 가스 수집기가 가스 터빈에 대하여 상이한 각도 위치로 배치될 수 있다. 이에 따라, 배기 가스 배출구의 배향은 레이아웃 요건에 따라 선택될 수 있다. 더욱이, 배기 가스 수집기의 각도 위치는, 가스 터빈 모듈의 전체 치수 및 점유 면적을 줄이기 위해 가스 터빈 모듈의 운송 중에 변경될 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 커넥터들은 배기 가스 수집기에 의해 가스 터빈의 배기 가스 확산기에 인가되는 기계적 응력을 제한하도록 배열된다. 상세하게는, 배기 가스 수집기의 하중은 가스 터빈 스키드로 직접 분산될 수 있는 한편, 배기 가스 수집기를 정확한 현수 위치에서 지지하기 위해서는 배기 가스 수집기와 가스 터빈의 배기 가스 확산기 사이에서 제한된 반력만이 요구된다.
몇몇 실시예에 따르면, 제1 커넥터는 원호를 따라 위치 설정된다. 제2 커넥터도 또한 각각의 원호를 따라 위치 설정될 수 있다. 각 쌍의 제1 커넥터와 제2 커넥터 사이의 거리는 일정하기 때문에, 배기 가스 수집기는 복수 개의 대안의 각도 위치 중 임의의 각도 위치로 가스 터빈의 동일한 배기 가스 확산기에 선택적으로 연결될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 커넥터는 가스 유입구의 중심으로부터 제1 거리에 배치되고, 제2 커넥터는 배기 가스 수집기의 가스 유입구의 중심으로부터 제2 거리에 배치된다. 제2 거리는 제1 거리보다 클 수 있다.
배기 가스 수집기는 가스 유입벽에 구속되고 가스 유입구를 둘러싸는 링으로 이루어질 수 있다. 제1 커넥터는 상기 링을 따라 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 배기 가스 수집기는 가스 유입벽에 구속되고 가스 유입구으로부터 이격되며 가스 배출구 맞은 편에 있는 프레임을 더 포함할 수 있다. 제2 커넥터는 상기 프레임을 따라 배치될 수 있다. 프레임은, 예컨대 원호를 따라 연장되는 트로프(trough) 또는 박스 형상을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 플리넘은 가스 유입벽에 대향하는 전방벽을 포함한다. 전방벽과 가스 유입벽은 서로에 대해 경사질 수 있다. 박스 형상 또는 트로프 형상 프레임은, 전방벽과 실질적으로 평행한 평면을 형성하도록 가변 횡방향 치수를 가질 수 있다.
다른 양태에 따르면, 베이스 플레이트, 베이스 플레이트에 구속된 배기 가스 확산기 및 전술한 바와 같은 배기 가스 수집기를 포함하는 가스 터빈이 마련된다. 배기 가스 수집기는 배기 가스 확산기에 구속된 제1 커넥터들 중 선택된 제1 커넥터와 베이스 플레이트에 구속된 제2 커넥터들 중 선택된 커넥터에 의해 가스 터빈에 연결된다. 이에 따라, 배기 가스 수집기의 중량 대부분은 제2 커넥터를 통해 상기 베이스 플레이트에 의해 지지된다. 바람직하게는, 배기 가스 수집기의 거의 전체 중량이 제2 커넥터를 통해 베이스 플레이트에 의해 지지된다.
피쳐들과 실시예들이 아래에 개시되고, 첨부된 청구범위에서 더 기술되며, 청구범위는 본 설명의 일체부를 형성한다. 상기 발명의 내용은, 후속하는 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있도록 그리고 해당 기술에 대한 본 발명의 기여를 더 잘 인식할 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 피쳐를 기술한다. 본 발명의 다른 피쳐도 있음은 물론이며, 본 발명의 다른 피쳐는 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에 기술될 것이다. 이에 관하여, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 다양한 실시예들은 그 어플리케이션에 있어서 아래의 설명에 기술되고 도면에 예시된 구성 및 구성요소의 배열의 상세로 제한되지 않는다는 점이 이해된다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하며 다양한 방식으로 실시되고 이행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용하는 구문 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것으로, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점을 이해해야만 한다.
이와 같이, 당업자라면 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 다수의 목적을 달성하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 설계하기 위한 근간으로서 용이하게 활용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 청구범위는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 그러한 등가물의 구성을 포함하는 것으로 간주된다는 점이 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예와 본 발명의 다수의 수반되는 장점에 관한 보다 완벽한 이해는, 첨부 도면과 연계하여 고려되는 경우에 아래의 상세한 설명을 참고하는 것에 의해 보다 양호하게 이해될 수 있는 바와 같이 용이하게 얻어 것이다.
도 1은 종래 기술의 가스 터빈 엔진을 지닌 발전 플랜트의 측면도이고,
도 2는 종래 기술의 배기 가스 확산기-수집기 조립체의 단면도이며,
도 3은 본 개시의 일실시예에 따른 가스 터빈 엔진을 지닌 발전 플랜트의 개략적인 측면도이고,
도 4는 도 3의 시스템의 배기 가스 확산기-수집기 조립체의 부분적인 측단면 확대도이며,
도 5는 도 4의 확대도이고,
도 6은 가스 터빈 베이스 플레이트에 대한 배기 가스 수집기의 연결부의 상세를 예시한 도면이며,
도 7은 배기 가스 수집기와 배기 가스 확산기 간의 연결부에 관한, 도 8 및 도 9의 Ⅶ의 확대 상세도이고,
도 8 및 도 9는 가스 터빈 베이스 플레이트 상의 배기 가스 수집기의 대안의 위치의 사시도이다.
예시적인 실시예에 관한 아래의 상세한 설명은 첨부 도면을 참고한다. 상이한 도면에서의 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 또한, 도면은 반드시 축척에 맞게 도시되는 것은 아니다. 또한, 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.
본 명세서 전반에 걸쳐, "일실시예"나 "실시예"나 "몇몇 실시예"라는 언급은, 실시예에 연계하여 설명된 특정 피쳐, 구조 또는 특징이 개시된 보호 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서의 "일실시예에서"나 "실시예에서"나 " 몇몇 실시예에서"라는 구문의 출현은 반드시 동일한 실시예(들)를 일컫는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
도 3에는, 전력 생성을 위한 가스 터빈 엔진 파워 플랜트(110)의 다이어그램이 예시된다. 이 시스템은 여기에 개시되는 보호 대상의 가능한 어플리케이션에 관한 예시적인 실시예로서 제공된다. 여기에서 설명하는 바와 같은 배기 가스 수집기의 피쳐들과 그 장점들은, 예컨대 기계식 구동 어플리케이션을 위한 다른 가스 터빈 시스템에서 활용될 수 있으며, 가스 터빈 엔진은 터보기계, 예컨대 압축기 또는 압축기 트레인과 같은 부하를 구동하는 데 사용된다.
이제 다시 도 3의 예시적인 실시예로 돌아가면, 간략히 가스 터빈(112)으로도 나타내는 가스 터빈 엔진, 예컨대 항공 전용 가스 터빈 엔진이 배기 가스 확산기-수집기 조립체(114)에 커플링된다. 가스 터빈 엔진(112)에는 연결 기구(118)를 통해 발전기(116)가 커플링된다. 가스 터빈 엔진(112), 배기 가스 확산기-수집기 조립체(114) 및 발전기(116)는 스키드 또는 베이스 플레이트(120)에 견고하게 부착될 수 있다. 연소용 청정 공기는 흡기구 및 여과 시스템(122)에 의해 공급된다. 청정 공기는 가스 터빈 엔진(112)의 압축기 섹션에서 압축되고, 액체 연료 또는 천연 가스와 같은 가스 연료와 혼합된다. 그 후, 연료-공기 혼합물은 가스 터빈 엔진(112)의 연소실에서 연소된다. 연료-공기 혼합물의 연소로부터 생성된 고온 압축 연소 가스는 이어서 가스 터빈 엔진(112)에 있는 복수 개의 터빈 단을 통과한다. 고온 압축 연소 가스는 터빈이 회전하도록 하여, 연결 기구(118)를 통해 부하(116)를 구동할 것이다.
배기 가스 확산기-수집기 조립체(114)는, 예컨대 열 회수 시스템에 의한 다른 사용을 위해 고온 배기 가스를 포집하여 라우팅하거나, 배기 가스를 배기통(124) 측으로 지향시킨다.
이제, 도 4 내지 도 9를 참고하여 배기 가스 확산기-수집기 장치(114)의 피쳐를 보다 상세히 설명하겠다.
도 4에는, 가스 터빈 엔진(112)의 맨 끝 부분, 즉 파워 터빈만이 도시되어 있다. 배기 가스 확산기-수집기 조립체(114)는 가스 터빈 엔진(112)의 하류에 배치된다. 배기 가스 확산기-수집기 조립체(114)는 반경방향 배기 가스 수집기(126)에 커플링된 축방향 배기 가스 확산기(124)를 포함할 수 있다. 축방향 배기 가스 확산기(124)는 배기 가스 흐름을 축방향으로부터 반경방향으로 적어도 부분적으로 편향시키는 피쳐를 포함하여, 축방향 배기 가스 확산기(124)와 반경방향 배기 가스 수집기(126)를 함께 사용하는 것을 가능하게 한다. 이러한 피쳐는 당업자에게 잘 알려져 있기 때문에, 여기에서는 상세히 설명하지 않겠다.
예시된 축방향 배기 가스 확산기(124)는 환형벽(125)을 갖고, 이 환형벽은 가스 터빈 엔진(112)에서부터 반경방향 배기 가스 수집기(126)를 향해 배기 가스의 흐름 방향(F)으로 직경이 점증한다. 축방향 배기 가스 확산기(124)의 보다 작은 직경의 단부는 가스 터빈 엔진(112)(도 4에는 단지 부분적으로만 도시되어 있음)에 커플링된다. 축방향 배기 가스 확산기(124)는 가스 터빈 엔진(112)으로부터 흘러나오는 배기 가스의 축방향 흐름을 확산시킨다. 반경방향 배기 가스 수집기(126)는 아래에서 보다 상세히 설명하겠지만, 가스 터빈 베이스 플레이트(120)에 그리고 축방향 배기 가스 확산기(124)에 부착된다.
축방향 배기 가스 확산기(124)는 브레킷(128) 쌍에 의해 가스 터빈 스키드 또는 베이스 플레이트(120)에 구속될 수 있다. 축방향 배기 가스 확산기(124)는 횡방향 수평축(B-B) 주위에서 상기 2개의 브래킷(128)에 힌지 결합될 수 있다(도 8 및 도 9). 지브(130; gib)가 더 마련될 수 있으며, 배기 가스 확산기는 지브에서 자유롭게 슬라이딩 가능하게 배치된다. 지브(130)는 로터 언밸런싱의 경우에 횡방향 반력을 제공한다.
배기 가스 확산기(124)는 배기 가스 수집기(126)와 대면하는 보다 큰 직경의 단부에 배치된 말단 환형 플랜지 또는 링(127)을 포함할 수 있다. 환형 플랜지(127)는 배기 가스 확산기 유출구를 실질적으로 둘러싼다. 환형 플랜지(127)의 최상위 위치에서, 제1 커넥터 부재(129)가 배기 가스 확산기(124)에 구속된다. 제1 커넥터 부재(129)의 예시적인 일실시예가 도 7에 상세히 예시되어 있다. 제1 커넥터 부재(129)는 복수 개의 나사(133)에 의해 환형 플랜지(127)에 나사 결합되는 플레이트(131)를 포함할 수 있다. 플레이트(131)와 환형 플랜지(127) 사이에 심(134; shim)이 마련될 수 있다. 플레이트(131)는 환형 플랜지(127)로부터 실질적으로 반경방향으로 돌출하는 부속품(137)에 구속될 수도 있고, 이 부속품과 모놀리식으로 형성될 수도 있다. 부속품(137)은 차후에 보다 상세히 설명하겠지만, 배기 가스 수집기(126)를 배기 가스 확산기(124)에 연결하는 제1 연결 구성의 일부를 형성한다.
배기 가스 수집기(126)는 가스 유입벽(135)과, 상기 가스 유입벽(135)에 대향하는 대향 전방벽(138)을 포함한다. 가스 유입벽(135)은 배기 가스 확산기(124)를 향해 배향되고, 가스 유입구(139)가 마련된다. 수집기 챔버 또는 수집기 플리넘(141)이 배기 가스 수집기(126)에 마련될 수 있다. 수집기 챔버(141)는 가스 유입벽(135)에 의해, 전방벽(138)에 의해, 그리고 측벽(143)에 의해 획정될 수 있다(도 8 및 9). 측벽(143)은 143A에서 개구되어, 가스 배출구(143A)를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 가스 배출구(143A)는 직사각형이다.
몇몇 실시예에서, 배기 가스 수집기의 전방벽(138)과 가스 유입벽(135)은 평행하지 않다. 가스 유입벽(135)과 전방벽(138)은 수렴-발산 구성으로 서로에 대해 경사질 수 있고, 이에 따라 수집기 챔버(141)는 가스 터빈의 축방향으로 가스 배출구(143A)에서부터 이 가스 배출구(143A)에 대향하는 수집기 챔버(141)의 단부를 향해 감소하는 치수를 갖는다.
수집기 챔버(141)의 내부 체적은 환형일 수 있다. 수집기 챔버(141) 내에, 중앙벽(145)이 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 중앙벽은 회전체 형상을 갖는다. 도면에 도시한 실시예에서, 중앙벽(145)은 절두 원추 형상부(145A)를 갖고, 상기 절두 원추 형상부의 보다 큰 직경의 단부에서 라운드형 벽 부분(145B)에 의해 전방벽(138)에 연결된다. 중앙벽(145)은 가스 유입구(139)를 통과하여, 가스 터빈 엔진(112)의 회전축(A-A)과 실질적으로 동축으로 연장된다.
유리하게는 거의 원통형인 슬리브(147)가 가스 유입구(139)에 도입되고 가스 유입벽(135)에 견고하게 구속될 수 있다. 슬리브(147)는 중앙벽(145)과 거의 동축이므로, 중앙 또는 내부벽(145)과 슬리브(147) 사이에는 환형 가스 유입 통로가 형성되며, 상기 환형 가스 유입 통로는 배기 가스 확산기(124) 내부를 수집기 챔버(141)와 유체 연통시키도록 배치된다.
가스 터빈 엔진(112)에 대면하는 슬리브(147)의 단부를 따라, 내부 플랜지(149)가 마련된다. 내부 플랜지(149)를 따라, 복수 쌍의 구멍(151)이 배열된다. 몇몇 실시예에서는, 3쌍의 구멍(151)이 서로 대략 45°로 이격되어 배열된다. 아래에서 보다 상세히 설명하겠지만, 배기 가스 수집기를 선택된 각도 위치로 가스 터빈 엔진에 부착하기 위해 구멍 쌍들 중 하나가 선택될 수 있다.
각 쌍의 구멍(151)은 부속품(137)을 사용하여 배기 가스 수집기(126)를 배기 가스 확산기(124)에 앵커링(anchoring)하는 데 사용될 수 있다. 도 7의 확대도에 도시한 바와 같이, 배기 가스 수집기(126)와 부속품(137)의 연결은, 선택된 쌍의 구멍(151)에 맞물리는 2개의 나사(155)에 의해 내부 플랜지(149)에 나사 결합될 수 있는 포크 형상 구성요소(153)에 의해 이루어진다. 포크 형상 구성요소(153)는 그 2개의 갈래부가 부속품(137)의 2개의 측부 상에 위치하도록 배치된다. 고정 플레이트(157)가 포크 형상 구성요소의 대향 갈래부에 나사 결합되어, 부속품(137)을 둘러싸는 폐쇄형 프레임을 형성한다. 포크 형상 구성요소(153)는 부속품(137)과 함께 배기 가스 수집기(126)를 배기 가스 확산기(124)에 연결하기 위한 제1 연결 부재를 형성한다.
구멍(151) 쌍들은 슬리브(147)의 축으로부터 그리고 이에 따라 동축으로 배치된 슬리브(147)와 중앙벽(145)에 의해 형성된 환형 가스 유입 통로의 축으로부터 일정 거리를 두고 둘레를 따라 배열된다. 이에 따라, 배기 가스 수집기(126)는 구멍(151) 쌍들에 의해 형성되는 복수 개의 각도 위치 중 어느 하나의 위치로 부속품(137)에 래칭될 수 있고, 각각의 위치에서 배기 가스 수집기(126)는 배기 가스 확산기(124)와 실질적으로 동축이다.
이에 따라, 구멍 쌍(151)들은 배기 가스 수집기(126)를 가스 터빈 엔진(112), 보다 상세하게는 가스 터빈 엔진의 배기 가스 확산기(124)에 연결하는 복수 개의 제1 커넥터를 형성한다.
배기 가스 수집기(126)에는, 배기 가스 수집기(126)를 가스 터빈 엔진(112)의 베이스 플레이트 또는 스키드(120)에 연결하기 위해 배열되는 복수 개의 제2 커넥터가 마련될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 복수 개의 제2 커넥터는 가스 터빈 엔진(112)의 축에 대해 그리고 슬리브(147)와 중앙벽(145) 사이의 환형 가스 유입 통로의 축에 대해 센터링된 둘레를 따라 배열될 수 있다. 예컨대, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 프레임(161)은 가스 유입벽(135)의 외면에 부착된다. 프레임은 반원 형상을 가질 수 있고, 배기 가스 수집기(126)가 배기 가스 확산기(124)에 장착될 때에 가스 터빈 엔진(112)의 축(A-A)에 대해 센터링될 수 있다. 다른 실시예에서, 프레임(161)은 반원보다 작게, 예컨대 90°로 연장될 수 있다. 일반적으로, 프레임(161)은 가스 터빈 엔진(112)의 축(A-A)에 대하여 구멍(151) 쌍에 대향하게 위치 설정된다.
프레임(161)을 따라, 복수 개의 제2 커넥터가 마련되며, 상기 제2 커넥터의 개수는 상기 제1 커넥터의 개수와 동일하다. 이에 따라, 각 쌍의 구멍(151)에 대해서 프레임(161) 상에 제2 커넥터가 마련된다. 각각의 제2 커넥터는 프레임(161)에 있는 구멍(163)을 포함할 수 있다. 구멍(163)들 사이의 각도 피치는 구멍(151) 쌍들 사이의 각도 피치와 동일하다. 이에 따라, 제1 커넥터와 제2 커넥터 쌍이 형성된다. 각각의 제1 커넥터(151)는 제2 커넥터(163)에 대응하고, 쌍을 이루는 제1 커넥터(151)와 제2 커넥터(163) 사이의 거리는 일정하다.
각각의 제2 커넥터는 배기 가스 수집기(126)를 가스 터빈 엔진(112)에 그리고 배기 가스 확산기(124)에 연결하기 위해 마련되는 제2 연결 부재(171)와 협동할 수 있다. 제2 연결 부재(171)는 가스 터빈 엔진(112)의 베이스 플레이트 또는 스키드(120)에 구속된다.
제2 연결 부재(171)는 거의 수평방향으로 연장되는 핀(173)을 포함할 수 있고, 이 핀은 상기 구멍(163)들 중 어느 하나 또는 다른 하나에 선택적으로 도입되어 배기 가스 수집기 측에 대한 제2 커넥터를 형성할 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 핀-구멍 구성은 배기 가스 수집기(126)와 스키드 또는 베이스 플레이트(120) 간의 구속부를 형성하고, 이것은 수직 하중을 지지할 수 있다. 전술한 핀-구멍 연결에 의해 제공되는 기계식 연결부뿐만 아니라, 제2 연결 부재(171)는, 플레이트(175)를 프레임(161) 내부에 배치되는 카운터 플레이트(177)에 나사 결합하기 위한 관통공을 지닌 플레이트(175)를 더 포함할 수 있다. 이러한 나사 결합은 스키드 또는 베이스 플레이트(120)와 배기 가스 수집기(126) 사이의 링크의 추가의 안정성을 제공한다.
프레임(161)은 박스 형상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프레임(161)은 특히 도 5에 도시한 바와 같이 직사각형 또는 U자 형상 단면을 가질 수 있다. 프레임(161) 내에 배치된 카운터 플레이트(177)는 프레임의 박스 형상 구조에 의해 형성되는 빈 공간에 수용될 수 있다. 카운터 플레이트(177)는 프레임(161)의 전체 길이를 따라 고정되고 연장될 수 있다. 카운터 플레이트에는 나사(179)를 위한 나사 구멍, 예컨대 4개의 나사 구멍이 마련될 수 있다.
가스 유입벽(135)이 도면에 도시한 예시적인 실시예에서와 같이 가스 터빈 엔진(112)의 축에 대해 경사질 때(비직교일 때), 박스 형상 프레임(161)은, 구멍(163)이 마련되는 프레임(161)의 표면이 배기 가스 수집기가 조립 상태일 때에 가스 터빈 축(A-A)과 직교하도록 하는 형상을 갖는 것이 바람직하다.
배기 가스 수집기의 환형 가스 유입 통로 둘레에 마련되는 복수 개의 제1 커넥터(151) 및 제2 커넥터(163)는 배기 가스 수집기가 다수의 각도 위치 중 하나로 베이스 플레이트 또는 스키드(120)에 그리고 배기 가스 확산기(124)에 연결되도록 한다. 그러한 2개의 각도 위치가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 도 8에서, 배기 가스 수집기(126)는, 가스 배출구(143A)가 수직 상방으로 배향되도록 장착된다. 도 9에서, 배기 가스 수집기(126)는 가스 배출구(143A)가 수평방향으로 측방향으로 배향되도록 장착된다. 따라서, 상기 2개의 위치는 90°만큼 각도 방향으로 변위된다. 예컨대, 배기통(123)의 위치에 따라 상기 2개의 위치 중 어느 하나가 선택될 수 있다. 배기통(123)이 가스 터빈 엔진(112) 위에 배치되는 경우, 도 8의 구성이 선택된다. 배기통이 가스 터빈 엔진 옆에 배치되는 경우, 도 9의 구성이 바람직할 것이다. 다른 각도 위치도 가능하다. 예컨대, 배기통이 가스 터빈 엔진(112) 맞은 편에 수평방향으로 배치되는 경우에는 배기 가스 수집기를 도 9의 배치에 대하여 180°만큼 회전시키는 것에 의해 가스 배출구(143A)가 수평방향으로 그러나 도 9의 위치와는 반대로 배향되는 다른 위치가 얻어질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배기 가스 수집기는 제1의 보다 작은 횡방향 치수 및 제2의 보다 큰 횡방향 치수를 가질 수 있다. 도 8에서, 배기 가스 수집기(126)는 보다 작은 횡방향 치수가 수평방향으로 배향되도록 장착되는 반면, 도 9에서 수평방향 치수가 더 큰 치수이다. 도 9의 구성이 선택되는 경우, 가스 터빈 엔진(112)과 스키드(120)를 포함하는 가스 터빈 엔진 모듈의 운송은, 모듈의 수평방향 단면 치수를 줄이고 운송을 보다 용이하게 하기 위해 배기 가스 수집기(126)를 도 8의 구성으로 하여 이루어질 수 있다. 현장에서, 배기 가스 수집기는 배기 가스 확산기로부터 분리되어, 90°로 회전되고, 도 9의 최종 구성으로 재조립될 수 있다.
제1 커넥터와 제2 커넥터의 배열 및 구성은, 일단 장착되고 나면 스키드 또는 베이스 플레이트(120) 상의 제2 연결 부재(171)와 배기 가스 수집기 상의 제2 커넥터에 의해 제공되는 하부 구속부가 수평방향 구속력과 수직방향 구속력 모두를 전달하도록 되어 있다. 이에 따라, 배기 가스 수집기의 실질적으로 전체 중량이 배기 가스 확산기보다는 제2 커넥터를 통해 가스 터빈의 스키드 또는 베이스 플레이트로 전달된다. 배기 가스 수집기에서 발생되는 진동은 배기 가스 수집기(126)와 스키드 또는 베이스 플레이트(120) 간의 하부 구속부에 대한 구속 응력을 생성하고, 터보기계의 베어링 또는 다른 구성요소에 악영향을 미치지 않는다. 제1 연결 부재(137, 153)와 배기 가스 수집기(126) 상의 선택된 제1 커넥터(151)에 의해 제공되는 배기 가스 수집기(126)와 배기 가스 확산기(124) 간의 직접 연결은 수직 하중이 아니라 단지 수평방향 힘만이 배기 가스 수집기(126)로부터 배기 가스 확산기(124)로 전달되도록 되어 있다. 배기 가스 확산기는 이에 따라 배기 가스 수집기(126)에 의해 발생되는 정적이고 동적인 추가의 하중을 받지 않는 상태로 대체로 유지된다. 보다 상세하게는, 배기 가스 수집기(126)는 외팔보 방식으로 장착, 즉 베이스 플레이트(120)에 대해 현수되기 때문에, 제1 연결 부재에 의해 제공되는 상부 구속부에 의해 제한된 수평방향 구속력이 제공되고, 상기 수평방향 구속력은 배기 가스 수집기(126)의 중량에 의해 생성되는 모멘텀을 밸런싱하는 데 충분한 모멘텀을 생성한다.
여기에서 설명하는 보호 대상의 개시된 실시예는 도면에 도시하였고 특이성 및 상세를 다수의 예시적인 실시예와 연계하여 전술하였지만, 여기에 기술한 신규의 교시, 원리 및 개념으로부터 벗어나는 일 없이 다수의 수정, 변형 및 생략이 가능하다는 것과, 보호 대상의 장점이 첨부된 청구범위에 기술되어 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는 단지, 상기한 모든 수정, 변형 및 생략을 망라하는 첨부된 청구범위에 관한 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야만 한다. 또한, 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변경되거나 재결정될 수 있다.

Claims (17)

  1. 가스 터빈용 배기 가스 수집기로서,
    가스 유입벽, 상기 가스 유입벽에 있는 가스 유입구, 및 가스 배출구를 지닌 플리넘(plenum);
    상기 가스 유입구 주위에 배열되는 복수 개의 제1 커넥터; 및
    상기 가스 유입구 주위에서 복수 개의 제1 커넥터와 거의 대향하게 배치되는 복수 개의 제2 커넥터
    를 포함하고, 상기 복수 개의 제1 커넥터와 복수 개의 제2 커넥터는 쌍을 이루며, 하나의 제1 커넥터와 하나의 제2 커넥터로 이루어진 쌍들이 배기 가스 수집기를 복수 개의 대안의 각도 위치 중 선택된 각도 위치로 가스 터빈의 배기 가스 확산기 상에 장착하기 위해 선택적으로 사용 가능한 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 커넥터는 원호를 따라 위치 설정되고, 상기 제2 커넥터는 원호를 따라 위치 설정되며, 각각의 쌍의 제1 커넥터와 제2 커넥터 사이의 거리는 일정한 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 커넥터는 가스 유입구의 중심으로부터 제1 거리에 배치되고, 상기 제2 커넥터는 가스 유입구의 중심으로부터 제2 거리에 배치되는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어, 상기 가스 유입벽에 구속되고, 가스 유입구를 둘러싸는 링을 더 포함하고, 이 링을 따라 복수 개의 제1 커넥터가 배열되는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 유입벽에 구속되고, 가스 유입구으로부터 이격되며, 가스 배출구의 맞은 편에 있는 프레임을 포함하며, 이 프레임을 따라 복수 개의 제2 커넥터가 배열되는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 프레임은 박스 형상인 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 플리넘은 가스 유입벽에 대향하는 전방벽을 포함하고, 상기 전방벽과 가스 유입벽은 서로에 대해 경사지며, 상기 박스 형상 프레임은 전방벽과 실질적으로 평행한 평면을 형성하는 가변 횡방향 치수를 갖는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 커넥터는 수직방향 하중이 아니라 수평방향 하중을 지지하도록 설계 및 구성되는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 커넥터는 수직방향 하중을 지지하도록 설계 및 구성되는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제1 커넥터는 포크 형상 구성요소의 나사 결합용 구멍을 포함하는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제2 커넥터는 구멍을 포함하는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 커넥터는 적어도 대략 90°, 바람직하게는 적어도 대략 180°의 원호를 따라 분포되고, 상기 제2 커넥터는 적어도 대략 90°, 바람직하게는 적어도 대략 180°의 원호를 따라 분포되는 것인 가스 터빈용 배기 가스 수집기.
  13. 베이스 플레이트, 이 베이스 플레이트에 구속되는 배기 가스 확산기, 및 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 수집기를 포함하는 가스 터빈으로서,
    상기 배기 가스 수집기는 배기 가스 확산기에 구속된 제1 커넥터들 중 선택된 제1 커넥터와 베이스 플레이트에 구속된 제2 커넥터들 중 선택된 제2 커넥터에 의해 가스 터빈에 연결되는 것인 가스 터빈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 배기 가스 수집기의 중량은 제2 커넥터를 통해 베이스 플레이트에 의해 실질적으로 전체적으로 지지되는 것인 가스 터빈.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 배기 가스 확산기는 제1 커넥터들 중 선택된 제1 커넥터와 협동하도록 구성 및 배치되는 제1 연결 부재를 포함하고, 상기 베이스 플레이트는 상기 제2 커넥터들 중 선택된 제2 커넥터와 협동하도록 구성 및 배치되는 제2 연결 부재를 포함하는 것이 가스 터빈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 연결 부재는 베이스 플레이트의 맞은 편에서 배기 가스 확산기에 배치되는 것인 가스 터빈.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 제2 연결 부재는 제2 커넥터들 중 선택된 제2 커넥터의 대응하는 구멍에 선택적으로 맞물리는 핀을 포함하는 것인 가스 터빈.
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