KR20150142621A - 충돌 냉각식 벽 장치 - Google Patents

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미카엘 토마스 마우레르
우르스 벤츠
펠릭스 바움가르트너
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

본원은 충돌 냉각식 벽 장치(12)에 관한 것으로서, 유동 변환기(21)가 십자류(16)를 제 2 개구(14)로부터 멀리 변환시키기 위하여 냉각 벽(7)과 슬리브(10) 사이의 냉각 유동 경로(15)에 배열된다. 상기 유동 변환기(21)는 상기 십자류(16)의 하류 방향으로 상기 제 2 개구(14)를 지나서 연장되고, 상기 십자류(16)의 하류 방향으로 상기 제 2 개구(14)의 한 측부를 따라 연장되는 제 1 레그와, 상기 제 2 개구(14)의 다른 측부를 따라 연장되는 제 2 레그를 가진다. 본원에 따라서, 상기 벽(7)의 제 1 대류 냉각 섹션(29)에는 충돌 냉각 개구(13,14)가 배열되지 않는다. 이는 상기 변환기(21)에 의해서 차폐되는 섹션 외부에 있는 유동 변환기(21)의 하류 단부와 상류 단부 사이에 있는 벽 섹션이다.
충돌 냉각식 벽 장치 외에도, 이러한 장치를 갖는 가스 터빈 뿐 아니라 덕트 벽을 냉각하기 위한 방법이 개시되어 있다.

Description

충돌 냉각식 벽 장치{IMPINGEMENT COOLED WALL ARRANGEMENT}
본원은 충돌 냉각 장치, 특히 고온 가스들에 노출된 벽을 냉각시키기 위한 충돌 냉각식 벽 장치에 관한 것이다.
발전 사이클의 열동력학적 효율은 예를 들어 가스 터빈의 경우에 연소기를 나오는 고온 가스인 작업 유체의 최대 온도에 따라 좌우된다. 고온 가스의 실현가능한 최대 온도는 연소 방출물 뿐 아니라 상기 고온 가스와 접촉하는 금속 부품들의 작동 온도 한계값에 의해서, 그리고 상기 고온 가스 온도 밑으로 상기 부품들을 냉각시키는 능력에 의해서 제한된다. 개선된 고부하(heavy duty) 가스 터빈의 고온 가스 유동 경로들을 흐르는 고온 가스 덕트 벽들의 냉각은 어렵고 현재 공지된 냉각 방법은 높은 성능저하를 수반해야 한다. 즉, 전력 및 효율을 감소시킨다.
충돌 냉각은 높은 고온 가스 온도를 갖는 가스들에 노출된 구성요소들에 대한 가장 효과적인 냉각 기술 중 하나이다. 벽의 충돌 냉각을 위하여, 슬리브는 벽 외면(고온 가스로부터 멀리 대면하는 표면)으로부터 이격된 단거리에 배치된다. 충돌 슬리브는 구멍들의 어레이를 수용하고, 압축 가스는 벽의 외면과 충돌하여 냉각시키는 공기 분사물의 어레이를 발생시키기 위하여 상기 구멍들의 어레이를 통해서 방출된다. 충돌 후에, 압축 가스는 벽과 충돌 슬리브에 의해서 형성된 냉각 경로에 있는 냉각 가스로서 냉각 유동 경로의 단부를 향하여 흐른다. 이 유동은 소위 십자류(cross flow)를 유도한다. 대체로, 제 1 충돌 횡열은 냉각 채널에서 임의의 십자류없이 벽의 충돌을 허용한다. 차후 충돌 횡열의 수는 냉각 유동 경로의 단부를 향하여 증가하기 때문에, 냉각 채널에 있는 십자류는 축적(build up)된다. 단점으로서, 냉각 채널에서 십자류가 증가하면, 충돌 분사물이 충돌하기 전에 벽(도 2a 참조)으로부터 변환되고 멀리 구부려지기 때문에 충돌 냉각의 가능한 열 전달 계수를 방해하고 낮춘다.
십자류 속도를 제한하기 위하여, US 4,719,748 A호에는 냉각 채널의 길이에 대해서 냉각 채널의 높이를 증가시키는 것이 제안되었다. 그러나, 냉각 채널의 높이를 증가시키면, 덕트 벽에 도달하는 분사물의 충돌 효과를 감소시킨다.
충돌 냉각에 의해 냉각된 벽의 길이에 대한 충돌 냉각의 효율을 감소시키는 것 이외에도, 덕트 벽의 통상적인 열적 부하는 균일하지 않다. 예를 들어, 가스 터빈의 대부분의 연소 챔버들은 엔진 축에 대해서 경사를 나타내고, 이는 고온 유동 방향에서의 변화를 유도한다. 연소 챔버에서의 고온 가스 유동은 연소 챔버 벽들을 벗어난 통상적인 위치들에서 높은 열적 부하, 소위 열점을 갖는 영역들을 유도하는 주요 유동 방향에서의 이러한 변화에 적응해야 한다. 증가하는 냉각에 따라서 증가하는 열적 부하에 노출되는 벽의 영역들의 수명을 보장하는 것이 상기 위치들에서 필요하다.
본원의 목적은 고온 가스 유동을 안내하는 벽의 위치와는 독립적으로 벽의 효율적인 충돌 냉각을 허용하는 충돌 냉각식 벽 장치를 제안하고 벽의 연장부를 따라 고효율의 냉각을 유지하는 것이다.
개시된 충돌 냉각식 벽 장치는 작동 중에 고온 가스에 노출된 벽 및 충돌 슬리브를 포함한다. 상기 충돌 슬리브는 상기 벽과 상기 충돌 슬리브 사이에 냉각 유동 경로를 형성하기 위해서 상기 벽으로부터 일정거리로 이격되고 적어도 부분적으로 플리넘에 배치되어서, 작동 중에 냉각 슬리브에 있는 제 1 개구를 통해서 상기 플리넘으로부터 분사된 압축 가스는 상기 벽에 충돌한다. 상기 벽에 충돌한 후에 압축 가스는 십자류로서 냉각 유동 경로의 하류 단부의 출구를 향하여 흐름으로써 상기 벽을 추가로 냉각시킨다.
적어도 하나의 제 1 개구(13)의 하류에는, 상기 십자류를 제 2 개구로부터 멀리 변환시키기 위하여 유동 변환기(소위 간단하게 변환기)가 배열된다. 상기 유동 변환기는 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 1 개구와 상기 제 2 개구 사이의 위치로부터 상기 제 2 개구를 지나서 연장된다[제 1 개구는 복수의 제 1 개구일 수 있고 제 2 개구는 복수의 개구들일 수 있다]. 상기 유동 변환기는 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 2 개구의 한 측부를 따라 연장되는 제 1 레그(leg)와, 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 2 개구의 다른 측부를 따라 연장되는 제 2 레그를 가진다. 냉각 벽 장치에서, 상기 변환기에 의해서 차폐되는 섹션 외부에 있는 유동 변환기의 하류 단부와 상류 단부 사이에 있는 벽 섹션인, 상기 벽의 제 1 대류 냉각 섹션에는 충돌 냉각 개구가 배열되지 않는다. 상기 차폐된 섹션은 상기 유동 변환기의 레그들 사이의 섹션이다. 상기 외부 섹션은 예를 들어 냉각 유동 경로에 배열된 복수의 변환기들을 갖는 장치에서 한 변환기로부터 이웃하는 다른 변환기로 연장될 수 있거나 또는 한 변환기로부터 측벽으로 연장되어서 냉각 유동 경로를 제한할 수 있다.
대류 냉각된 외부 섹션과는 대조적으로, 유동 변환기의 내부 섹션 즉, 유동 변환기의 레그들 사이에 있는 유동 변환기의 상류 단부로부터 레그들의 하류 단부로 연장되는 섹션은 충돌 냉각된다. 내부 섹션은 제 1 개구의 십자류로부터 적어도 부분적으로 차폐될 수 있다.
제 2 개구로부터 변환기의 2개의 레그들 사이의 섹션 안으로 분사된 압축 가스는 상기 벽 섹션의 효과적 충돌 냉각을 위하여 벽에 충돌한다. 충돌 후에, 압축 가스는 변환기의 하류 단부를 향하여 유동하여 신규 십자류를 형성한다. 변환기 내부에 형성된 십자류는 변환기의 레그들의 하류 단부들 사이에 있는 개방부를 통해서 하류 방향으로 유동하고 제 1 대류 냉각 섹션을 통해서 변환기 주위로 안내되는 제 1 개구들의 십자류와 결합된다. 변환기 주위로 안내되는 십자류는 유동 속도가 증가하여서, 제 1 대류 냉각 섹션에서 유효 대류 냉각을 유도할 수 있다.
이러한 장치는 예를 들어, 가스 터빈의 덕트 벽을 냉각시키기 위해, 특히 연소기의 벽 또는 연소 챔버를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다.
냉각 유동 및 고온 가스 유동은 통상적으로 역류로 흐른다. 즉, 냉각 유동은 냉각 유동 경로의 하류 단부를 향하여 흐르고 고온 가스는 반대 방향으로 흐른다. 그러나, 평행한 냉각 공기 유동 및 고온 가스 유동을 갖는 장치를 예상할 수 있다. 이러한 평행 유동 장치는 추가 공기가 제 2 연소 스테이지로 분사되는 단계식 또는 연속 연소를 갖는 연소기 장치 및 연소 챔버에 대해서 유리할 수 있다. 냉각 공기는 또한 예를 들어, 소위 늦은 희박 연소에 대한 공기일 수 있다. 또한, 냉각 공기는 냉각 공기를 제 1 화염의 고온 가스 하류로 혼합시킴으로써 고온 가스들을 냉각시키기 위하여 제 2 연소 스테이지에 대한 희석 공기로서 사용될 수 있다.
유동 변환기는 슬리브 또는 덕트 벽으로부터 냉각 채널 안으로 연장되는 리브 또는 벽일 수 있거나 또는 슬리브를 덕트 벽과 연결시킬 수 있다.
통상적으로, 유동 변환기는 고온 가스에 노출되지 않고, 따라서 저렴한 재료가 사용될 수 있기 때문에, 슬리브의 열적 부하가 작을 때 슬리브의 통합 부분을 형성하거나 또는 슬리브에 연결된다. 대안으로, 유동 변환기는 덕트 벽에 연결되거나 또는 덕트 벽의 통합 부분을 형성한다. 이 경우에, 이들은 덕트 벽을 더욱 잘 냉각시키기 위하여 냉각 리브들로서 작용할 수 있다.
충돌 냉각식 벽 장치의 다른 실시예에 따라서, 상기 십자류를 위한 십자 섹션은 상기 유동 변환기의 상류에 있는 상기 냉각 유동 경로의 십자 섹션에 대해서 상기 제 2 개구의 유동 방향에 있는 위치에서 감소된다. 십자류를 위한 십자 섹션은 십자류의 주요 유동 방향에 직각인 냉각 유동 경로의 비차단 십자 섹션이다. 십자 섹션에서의 감소는 외부 섹션에서 양호한 대류성 열 전달을 위하여 변환기 주위에서 십자류의 가속을 효율적으로 한다.
추가 실시예에 따라서, 상기 변환기 주위에 있는 상기 십자류를 위한 상기 십자 섹션은 상기 제 2 개구의 유동 방향에 있는 위치에서 상기 십자류를 위한 상기 십자 섹션에 대한 상기 유동 변환기의 하류 단부를 향하여 증가한다.
십자 섹션을 증가시킴으로써 변환기 주위의 십자류는 감속될 수 있다. 감속에 의해서 동적 압력은 충돌 냉각식 벽 장치의 압력 손실을 최소화하도록 회복될 수 있다. 예를 들어, 십자류의 유동 속도와 실질적으로 동일한 유동 속도로 감속되어서 변환기가 십자류의 혼합 손실을 최소화하게 할 수 있다.
실질적으로 동일한 유동 속도는 변환기의 하류에 있는 영역의 유동 속도와 변환기의 측부들에 있는 영역들에서의 유동 속도 사이의 차이가 전체 유동 속도의 30%보다 작다는 것을 의미할 수 있다. 양호하게는, 차이는 10% 미만이다.
충돌 냉각식 벽 장치의 일 실시예에 따라서, 상기 유동 변환기의 레그는 상기 유동 변환기의 하류 단부에서 서로를 향하여 선회함으로써 상기 유동 변환기 외부에 있는 상기 십자류를 위한 상기 십자 섹션을 증가시킨다. 유동 변환기의 중심 영역에서, 레그들은 예를 들어 서로 평행하고 십자류 방향에 평행하게 연장될 수 있다. 레그들은 유동 방향으로 유동 변환기의 50% 이상의 연장부에 대해서 평행할 수 있다.
이러한 장치는 변환기 주위의 십자류를 위한 확산기로서 그리고 변환기를 떠나는 십자류의 노즐로서 작용할 수 있다. 변환기를 떠나는 십자류는 변환기 레그들의 하류 단부들 사이의 십자 섹션에서의 감소로 인하여 가속될 수 있다.
충돌 냉각식 벽 장치에 있어서, 유동 변환기는 덕트 벽으로부터 모든 방식으로 충돌 슬리브로 연장될 수 있다.
충돌 냉각식 벽 장치의 다른 실시예에 따라서, 상기 유동 변환기는 상기 덕트 벽으로부터 상기 충돌 슬리브로부터 상기 냉각 유동 경로의 높이보다 작은 높이 를 갖는 상기 냉각 유동 경로 안으로 연장될 수 있다.
충돌 냉각식 벽 장치의 다른 실시예에 따라서, 상기 냉각 유동 경로의 높이 는 상기 유동 변환기의 상류에 있는 상기 냉각 유동 경로의 높이에 대하여 상기 유동 변환기의 영역에서 감소된다. 유동 경로 높이를 감소시킴으로써, 십자류에 대해서 이용가능한 십자 섹션은 감소되어서 십자류의 유동 속도를 가속시킨다. 유동 변환기의 영역은 십자류의 유동 방향에 있는 유동 변환기의 상류 단부로부터 유동 변환기의 하류 단부로 연장되는 벽 장치의 섹션이다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 냉각 유동 경로의 높이는 상기 유동 변환기의 영역에 있는 상기 냉각 유동 경로의 높이에 대하여 상기 유동 변환기의 하류에서 증가된다. 상기 높이를 증가시킴으로써, 십자류에 대해 사용가능한 십자 섹션은 증가되어서 십자류의 유동 속도를 감속시킨다.
충돌 냉각식 벽 장치의 또다른 실시예에 따라서, 압축 가스를 상기 십자류 안으로 분사하기 위한 추가 압축 가스 분사 구멍이 상기 유동 변환기의 하류 영역에 있는 슬리브에 배열된다. 추가 압축 가스는 변환기의 하류에 있는 십자류의 유동 속도를 동일하게 하도록 보조하여서 혼합 손실로 인한 불필요한 압력 강하를 회피할 수 있다. 상기 변환기의 하류 영역은 예를 들어, 최종 제 2 충돌 구멍의 위치로부터 상기 유동 변환기의 하류에 있는 상기 냉각 유동 경로 높이의 2배 위치로 상기 십자류의 유동 방향으로 연장되는 영역으로서 규정될 수 있다.
대류 열전달을 개선하기 위하여, 난류기가 변환기에 의해서 차폐된 섹션 외부에 있는 유동 변환기의 상류 단부와 하류 단부 사이에 있는 십자류의 덕트 벽 섹션 즉, 이웃하는 유동 변환기들의 레그들 사이와 유동 변환기의 레그 및 냉각 필드 벽 사이의 영역에 배열되어서, 충돌 냉각식 벽 장치를 제한할 수 있다. 추가로, 또는 대안으로, 난류기는 열 전달 개선을 위한 유동 변환기의 하류에 있는 덕트 벽 상에 배열될 수 있다. 난류기는 예를 들어 벽 상에 배열되거나 또는 벽으로부터 연장되는 리브 또는 핀일 수 있다.
충돌 냉각식 벽 장치의 또다른 실시예에 따라서, 상기 유동 변환기의 레그의 하류 단부는 다공성 섹션을 가진다. 대안으로, 또는 조합하여 상기 레그의 하류 단부를 통한 가스 유동을 허용하는 균형 구멍이 변환기의 레그의 하류 단부에 배열될 수 있다. 이러한 다공성 섹션 또는 균형 구멍은 벽의 양 측부들 상의 정적 압력에서의 차이의 방향으로 레그의 하류 단부를 통해서 압축 가스가 흐르게 할 수 있다. 이는 하류 단부에서 유동들이 합쳐지기 전에 압력차를 감소시킬 수 있다. 또한, 수렴 레그들 즉, 하류 단부에서 서로를 향하여 선회하는 한 변환기의 레그들에 대해서, 레그의 외부 상의 십자류의 유동 분리는 회피될 수 있고, 십자류의 방향에 대한 레그의 하류 단부의 수렴 각도 또는 선회 각도는 각각 증가하여서 십자 섹션에서의 신속한 변화를 가능하게 하므로, 변환기 내부에서 발생하는 십자류가 변환기 주위로 안내된 십자류와 혼합되기 전에 유동 방향으로 변환기 레그들의 연장부를 감소시킬 수 있다.
연소기의 충돌 냉각식 벽 장치 이외에도, 이러한 충돌 냉각식 벽 장치도 본 발명의 대상이다. 또한, 이러한 충돌 냉각식 벽 장치를 포함하는 가스 터빈도 본 발명의 대상이다.
추가로, 작동 중에 고온 가스에 노출된 벽을 충돌 냉각시키기 위한 방법도 본 발명의 대상이다. 상기 방법은 벽과 충돌 슬리브 사이에 냉각 유동 경로를 형성하기 위해서 상기 벽으로부터 일정거리로 이격되고 적어도 부분적으로 압축 가스의 플리넘에 배치되는 상기 충돌 슬리브를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 1 개구를 통해서 상기 플리넘으로부터 상기 냉각 유동 경로 안으로 압축 가스를 분사하는 단계, 상기 압축 가스를 상기 벽에 충돌시키는 단계 그리고 십자류로서의 압축 가스를 상기 냉각 유동 경로의 하류 단부에 있는 출구를 향하여 지향시키는 단계를 포함한다. 후속 제 2 충돌의 냉각 효율을 개선하기 위하여, 십자류는 상기 제 1 개구의 하류에 있는 상기 냉각 유동 경로에 배열된 유동 변환기에 의해서 적어도 하나의 제 2 개구로부터 멀리 변환된다. 상기 유동 변환기는 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 1 개구와 상기 제 2 개구 사이의 위치로부터 상기 제 2 개구를 지나서 연장되고, 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 2 개구의 한 측부를 따라 연장되는 제 1 레그와, 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 2 개구의 다른 측부를 따라 연장되는 제 2 레그를 가진다. 상기 방법에 따라서, 벽의 제 1 대류 냉각 섹션에는 충돌을 위한 압축 가스가 분사되지 않는다. 상기 벽의 제 1 대류 냉각 섹션은 상기 변환기에 의해서 차폐된 섹션 외부에 있는 유동 변환기의 상류 단부와 하류 단부 사이에 있는 벽 섹션이다. 상기 벽은 상기 십자류에 의해서 상기 섹션에서 대류 냉각된다.
상기 방법의 다른 실시예에 따라서, 상기 십자류는 상기 냉각 유동 경로의 제 1 대류 냉각 섹션 안으로 진입할 때 가속된다.
상기 방법의 또다른 실시예에 따라서, 제 1 대류 냉각 섹션을 통해서 흐르는 십자류는 상기 유동 변환기의 하류 단부로부터 하류 방향으로 연장되는 냉각 유동 경로의 섹션 안으로 진입할 때 감속된다. 감속에 의해서 동적 압력은 회복되고 유동 속도는 변환기를 떠나는 유동에 대한 실질적인 유동 속도로 조정되어서, 혼합 손실을 감소시킬 수 있다.
본원의 특성 뿐 아니라 장점은 양호하지만 비배타적인 실시예의 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 하기에 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 압축기, 연소 장치 및 터빈을 갖는 가스 터빈을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 충돌 냉각식 벽 장치를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 충돌 냉각을 위한 제 2 개구를 차폐하는 변환기를 갖는 충돌 냉각식 벽 장치를 도시한다.
도 3c는 충돌 냉각을 위한 제 2 개구를 차폐하는 변환기를 갖는 충돌 냉각식 벽 장치를 도시한다.
도 4는 종래의 충돌 냉각식 벽 및 변환기를 갖는 충돌 냉각식 벽의 길이에 대한 전개된 결과적 열 전달 계수를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 충돌 냉각을 위한 제 2 개구를 차폐하는 변환기와 적합한 냉각 유동 경로 높이를 갖는 충돌 냉각식 벽 장치를 도시한다.
도 6은 동적 압력 회복을 갖는 그리고 동적 압력 회복이 없는 변환기를 갖는 충돌 냉각식 벽의 길이에 대한 전개된 압력 강하를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 충돌 냉각을 위한 제 2 개구와 추가 냉각 공기 분사 구멍을 차폐하는 변환기를 갖는 충돌 냉각식 벽 장치를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 변환기 레그들의 충돌 냉각 다공성 하류 단부들을 위한 제 2 개구를 차폐하는 변환기를 갖는 충돌 냉각식 벽 장치를 도시한다.
도 1은 충돌 냉각식 연소기(4)를 갖는 가스 터빈(1)을 도시한다. 이는 압축기(3), 연소기(4) 및 터빈(5)을 포함한다.
흡입 공기(2)는 압축기(3)에 의해서 압축 가스(11)로 압축되고 플리넘(20)을 거쳐서 연소기로 공급된다. 연료(8)는 고온 가스 유동(19)을 생성하기 위하여 연소기(4)에서 압축 가스에 의해서 연소된다. 고온 가스는 터빈(5)에서 소모되어서 기계적 작업을 실행한다.
통상적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(1)의 샤프트(6)에 결합된 발전기(17)를 포함한다. 가스 터빈(1)은 본원의 요지가 아니기 때문에 도시되지 않은, 터빈(5) 및 연소기(4)를 위한 냉각 시스템을 추가로 포함한다.
배기 가스(26)는 터빈(5)을 떠난다. 잔열은 통상적으로 역시 여기서 도시되지 않은 후속 수증기 사이클에서 사용된다.
도 2a는 충돌 냉각식 장치(12)를 따른 절취도를 도시하고 도 2b는 도 2a의 충돌 냉각식 장치(12)의 평면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 충돌 냉각식 장치(12)는 일 측부에서 고온 가스 유동(19)에 노출되는 벽(7)을 포함한다. 벽(7)의 충돌 냉각을 위한 개구(14)를 포함하는 냉각 슬리브(10)는 벽(7) 위에 일정거리를 두고 배열된다. 압축 가스(11)는 개구(13)를 통하여 플리넘(20)으로부터 공급되고 벽(7)에 충돌한다. 압축 가스(11)가 벽(7)에 충돌한 후에, 벽(7)과 슬리브(10)에 의해서 형성된 냉각 유동 경로(15)에서 십자류(16)로서 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)를 향하여 흐른다. 도 2a의 예에서, 고온 가스 유동(19)과 십자류(16)는 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)를 향하여 서로 평행한 동일 방향으로 흐른다.
도 2b는 도 2a의 장치의 평면도를 도시한다. 충돌 냉각식 장치(12)는 냉각 필드 벽(27)에 의해서 양 측부들과 상류 단부들로 제한된다. 개구들의 2개의 횡렬은 평행하게 배열된다. 압축 가스(11)는 십자류(16)를 형성하기 위하여 개구(13)를 통해서 흐른다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 예에서, 벽(7) 상에 있는 압축 가스 분사를 위한 개구들은 충돌 냉각식 장치(12)의 상류 섹션에 배열된다. 하류 섹션은 단지 십자류(16)에 의해서 냉각된다. 상류 단부로부터 개시되는 냉각 유동 경로의 길이(x)는 도 2b에 표시된다.
본원에 따른 충돌 냉각식 장치의 제 1 예는 도 3a 및 도 3b에 도시되고, 도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 기초하고 동일 요소들은 동일하게 번호지정된다. 십자류의 방향으로 배열되는 제 1 개구들(13)의 수는 도 2a 및 도 2b의 장치와 비교하여 감소된다. 또한, 도 3a 및 도 3b에 도시된 장치는 제 1 개구(13)의 그룹의 하류(십자류 방향으로)에 배열된다. 유동 변환기(21)는 제 1 개구(13)를 통해서 도입된 압축 가스의 십자류(16)와 제 2 개구(14) 주위의 십자류로부터 제 2 개구(14)의 그룹을 차폐한다. 따라서, 제 2 개구를 통해서 도입된 압축 가스(11)는 제 1 개구(13)로부터 발생되는 십자류에 의해서 편향없이 벽(7)에 충돌할 수 있다.
변환기(21)는 제 2 개구(14) 주위에서 십자류(16)의 유동 방향으로 연장되는 U형상의 2개의 레그들을 갖는 U형 형상을 가진다. 제 2 개구(14)를 통하여 도입된 압축 가스(11)로 인하여, 십자류 또는 내부 십자류(16)는 변환기(21)에서 개시된다.
변환기(21), 및 냉각 필드 벽(27) 사이의 영역에 있는 또는 더욱 정확하게는 변환기(21)의 하류 단부와 상류 단부 사이의 섹션에 있는 변환기(21)의 레그들 및 냉각 필드 벽(27) 사이의 영역에 있는, 변환기(21)의 외부 영역인 제 1 대류 섹션(29)에는, 충돌 냉각이 없다. 벽(7)의 이러한 섹션은 변환된 십자류에 의해서 대류적으로 냉각된다.
유동 변환기(21)의 하류 단부에는, 외부 십자류(16o) 및 내부 십자류(16i)가 합쳐진다. 내부 십자류(16i)와 외부 십자류(16o)의 유동 속도의 차이들은 혼합 손실들 즉, 압력 손실들을 유도할 수 있다. 내부 십자류(16i) 및 외부 십자류(16o)의 결과적 십자류(16)는 변환기(21)의 하류 단부로부터 충돌 냉각식 장치(12)의 하류 단부(28)로 연장되는 제 2 대류 섹션(31)을 냉각시킨다.
제 1 및 제 2 대류 섹션(29,31)에서 열전달을 더욱 강화하기 위하여, 리브(25)가 벽(7)에 배열된다.
본 예에서, 고온 가스 유동(19)은 역류로서 십자류(16)의 방향으로 표시된다.
도 3c는 도 3b에 도시된 예에 기초하는 변형을 도시한다. 도 3c의 예에서, 냉각 장치는 냉각 필드 벽의 분리 없이 복수의 변환기(21)를 가진다. 또한, 충돌 냉각된 벽의 상류 단부를 형성하는 냉각 필드 벽은 없다. 상류 단부에는, 추가의 제 1 개구(13)가 배열된다. 그러나, 제 1 개구(13)의 제 1 횡렬을 통해서 도입된 압축 가스(11)는 변환기(21)로부터 멀리 십자류(16)의 반대 방향으로 흐른다. 상류 단부로부터 개시되는 냉각 유동 경로의 길이(x)는 도 3c 밑에 표시된다. 여기서, 제 1 개구(13)의 상류 단부로부터 십자류(16)가 변환기(21)를 향하여 흐르는 위치가 개시 지점이다.
대류 냉각을 강화하는 리브들은 도시되지 않았지만, 리브들 또는 다른 난류기들이 필요할 때 추가될 수 있다.
도 4는 도 2a/도 2b의 충돌 냉각된 벽의 길이에 대한 전개된 결과적 열전달 계수 Ⅱ와 도 3a/도 3b의 변환기를 갖는 충돌 냉각된 벽의 길이에 대한 결과적 열전달 계수 Ⅲ를 도시한다. 벽(7)에 있는 제 1 개구(13) 및 제 2 개구(14)를 통해서 도입된 압축 가스의 충돌로 인한 냉각 시의 국부적 절정부가 명확하게 표시된다. 유동 변환기없는 도 2a/도 2b의 장치에 대해서, 절정부들 및 전체 열전달 계수는 냉각 유동 경로(15)의 길이(x)를 따라 감소된다. 충돌 냉각된 벽의 길이에 대한 결과적 열 전달 계수는 냉각된 벽 섹션의 폭에 대한 평균 열전달 계수이다. 절정부들은 길이(x)에 대한 십자류(16)로 인하여 감소된다. 변환기(21)를 갖는 장치에 대해서, 점선으로 표시된 처음 차폐된 개구(14)에서의 열전달 계수 Ⅲ는 제 1 개구(13) 만큼 높다.
도 5a 및 도 5b는 도 2a 및 도 2b에 기초한다. 이는 충돌 냉각을 위한 제 2 개구와 적응된 냉각 유동 경로 높이 H를 차폐하기 위해 변환기를 갖는 충돌 냉각식 장치를 도시한다. 냉각 유동 경로 높이 H는 냉각을 최적화하기 위해 국부적인 요구조건에 적응된다. 유동 변환기(21)의 상류에 있는 상류 영역에서, 유동 경로 높이 H는 가장 커서 십자류의 유동 속도를 낮게 유지한다. 변환기(21)의 영역에서, 유동 경로 높이는 제 1 대류 냉각 섹션(29)[이 섹션의 상류 단부 및 하류 단부는 도 5b에 있는 점 쇄선에 의해서 표시된다]을 통한 유동 변환기(21) 주위로 안내된 십자류를 가속하도록 감소된다.
동적 압력의 일부는 정적 압력을 증가시키기 위하여 유동 변환기(21)의 하류 단부에서 회복된다. 동적 압력을 회복하기 위하여, 채널 높이 H는 변환기(21)의 하류 섹션에서 증가된다.
제 1 대류 냉각 섹션(29)의 하류 단부에서 변환기(21)와 외부 십자류(16o)를 떠나는 내부 십자류(16i)의 유동 속도를 균일화하고 추가 압력 회복을 위하여, 변환기(21)의 레그들은 하류 단부에서 서로를 향하여 경사진다.
이러한 경사 또는 수렴은 변환기(21)의 출구에서 십자 섹션이 감소된 노즐형 기하학적 형태를 유도하므로, 내부 십자류(16i)를 가속시킨다. 동시에, 상기 경사는 제 1 대류 냉각 섹션(29)의 하류 단부의 확산기형 기하학적 형태를 유도하므로, 외부 십자류(16o)를 감속시킨다. 레그의 하류 단부의 경사는 변환기(21)의 하류 단부에서 내부 십자류(16i) 속도 및 외부 십자류(16o) 속도 사이의 차이를 최소화하도록 채택될 수 있다.
도 6은 충돌 냉각된 벽(7)의 길이(x)에 대한 전체 압력 강하(△ρ)를 도시한다. 점 쇄선 Ⅲ은 직선형 레그와 일정한 채널 높이 H를 구비한 변환기(21)를 갖는, 도 3에 도시된 것과 유사한 실시예에 대한 압력 손실을 표시한다. 점선 Ⅷ은 변환기(21)의 하류 단부를 향하여 수렴하는 변환기 레그들과 일정한 채널 높이 H를 구비한 변환기(21)를 갖는, 예를 들어, 도 8에 도시된 것과 같은 일부 압력 회복을 갖는 실시예에 대한 압력 손실을 표시한다. 실선 V는 도 5에 도시된 것과 유사한 최소화된 혼합 손실과 최적화된 압력 회복을 갖는 실시예에 대한 압력 손실을 표시한다. 최적화된 압력 회복을 위하여, 채널 높이 H는 변환기 주위에서 감소되고 변환기의 하류에서 다시 증가한다. 또한, 변환기 레그들은 변환기(21)의 하류 단부를 향하여 수렴한다.
도 7a 및 도 7b의 예는 도 5a 및 도 5b에 도시된 예에 기초한다. 혼합 손실을 추가로 최소화하기 위하여, 추가 냉각 가스가 채널 높이 H가 증가하는 영역에서 변환기(21)의 하류 단부에 있는 슬리브(10)의 분사 구멍(30)을 통하여 도입된다. 또한, 균형 구멍(23)이 변환기(21)의 하류 단부에 있는 레그들의 수렴 섹션들에 제공된다. 변환기 외부에 대한 변환기의 내부의 레그들을 따른 정적 압력 분포에 의존하여, 상기 균형 구멍들(23)은 변환기(21)의 내부로부터의 냉각 가스를 변환기(21) 주위의 유동의 경계층 안으로 각각 분사할 수 있게 하고, 경계층 흡인을 허용한다. 양 조치들은 변환기의 하류 단부에서 유동 분리를 회피하고 따라서 압력 손실을 감소시킬 수 있다.
도 8a 및 도 8b의 예는 도 3a 및 도 3b에 도시된 예에 기초한다. 도 8a 및 도 8b는 변환기(21)의 하류 단부에서 수렴하는 레그들을 갖는 충돌 냉각식 장치를 도시한다. 큰 수렴 각도(β)로 모아지는 것을 허용하기 위하여, 레그들의 수렴 단부 섹션들은 다공성 재료로 제조되어서, 변환기 레그들의 하류 단부 상의 경계층 안으로의 추가 냉각 가스의 경계층 흡인을 허용한다.
실시예에 도시된 충돌 냉각식 장치는 예를 들어, 캔 연소기들을 갖는 가스 터빈에 사용될 수 있다. 캔 연소기들은 통상적으로 가스 터빈의 샤프트(6) 주위에 원주방향으로 분포되고 연소 챔버의 원형 십자 섹션으로부터 환형 섹션의 형상을 갖는 십자 섹션 또는 출구 즉 터빈 입구에서 실질적으로 직사각형 유동 십자 섹션으로의 변이부에 대한 변이 섹션 또는 변이 부재를 가진다. 변이 부재는 덕트 안으로 통합되거나 또는 분리 덕트이고 개시된 충돌 냉각식 장치는 변이 부재에서 고온 가스들을 안내하는 덕트를 위해 동일하게 사용될 수 있다.
충돌 냉각식 장치는 또한 예를 들어 블레이드 냉각과 같은 임의의 다른 구성요소의 냉각을 위하여 사용될 수 있다.
모든 설명된 장점들은 특정 조합들에 국한되지 않지만, 또한 본원의 범주 내에서 단독으로 또는 다른 조합으로 사용될 수 있다. 다른 가능성들 예를 들어, 조합이 선택적으로 예상가능하다.
추가로, 유동 경로에서 유동 방향에 대한 유동 변환기들의 장치는 변형가능하다. 유동 변환기는 예를 들어 변환기의 상류에 있는 십자류의 방향으로 포함되어서 열전달의 증가를 위하여 2차 유동을 유발할 수 있다. 변환기는 또한 블레이드 프로파일과 같은 유체 동력학적으로 최적화된 윤곽을 가질 수 있다.
개시된 충돌 냉각식 장치 및 냉각 방법은 가스 터빈 뿐 아니라 예를 들어, 노 또는 반응기와 같은 벽이 고온 가스에 노출되는 다른 기계 또는 플랜트에서 사용될 수 있다.
1. 가스 터빈
2. 흡입 공기
3. 압축기
4. 연소기
5. 터빈
6. 샤프트
7. 덕트 벽
8. 연료
9. 버너
10. 슬리브
11. 압축 가스
12. 충돌 냉각식 장치
13. 제 1 개구
14. 제 2 개구
15. 냉각 유동 경로
16, 16i, 16o 십자류
17. 발전기
18. 축
19. 고온 가스 유동
20. 압축 가스 플리넘
21. 유동 변환기
22. 다공성 섹션
23. 균형 구멍
24. 충돌 유동
25. 난류기(리브)
26. 배기 가스
27. 냉각 필드 벽
28. 하류 단부
29. 제 1 대류 섹션
30. 분사 구멍
31. 제 2 대류 섹션
h. 유동 변환기 높이
H. 냉각 유동 경로의 높이
x. 길이
α. 열전달 계수
β. 수렴 각도
Ⅱ. 도 2의 충돌 냉각식 장치에 있는 위치 함수로서의 열전달 계수
Ⅲ. 도 3의 충돌 냉각식 장치에 있는 위치 함수로서의 열전달 계수
△ρⅢ. 도 3의 충돌 냉각식 장치에 있는 위치 함수로서의 동적 압력 손실
△ρV. 도 5의 충돌 냉각식 장치에 있는 위치 함수로서의 동적 압력 손실
△ρⅧ. 도 8의 충돌 냉각식 장치에 있는 위치 함수로서의 동적 압력 손실

Claims (15)

  1. 작동 중에 고온 가스(19)에 노출된 벽(7) 및 충돌 슬리브(10)를 포함하는 충돌 냉각식 벽 장치(12)로서, 상기 충돌 슬리브(10)는 상기 벽(7)과 상기 충돌 슬리브(10) 사이에 냉각 유동 경로(15)를 형성하기 위해서 상기 벽(7)으로부터 일정거리로 이격되고 적어도 부분적으로 플리넘(20)에 배치되어서, 작동 중에 냉각 슬리브에 있는 제 1 개구(13)를 통해서 상기 플리넘(20)으로부터 분사된 압축 가스(11)는 상기 벽(7)에 충돌하고 상기 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)에 있는 출구를 향하여 십자류(16)로서 유동하는, 상기 충돌 냉각식 벽 장치(12)에 있어서,
    상기 십자류(16)를 제 2 개구(14)로부터 멀리 변환시키기 위하여 유동 변환기(21)가 상기 제 1 개구(13)의 하류에 있는 상기 냉각 유동 경로(15)에 배열되고, 상기 유동 변환기(21)는 상기 십자류(16)의 하류 방향으로 상기 제 1 개구(13)와 상기 제 2 개구(14) 사이의 위치로부터 상기 제 2 개구(14)를 지나서 연장되고, 상기 십자류(16)의 하류 방향으로 상기 제 2 개구의 한 측부를 따라 연장되는 제 1 레그(leg)와, 상기 십자류(16)의 하류 방향으로 상기 제 2 개구(14)의 다른 측부를 따라 연장되는 제 2 레그를 가지며, 상기 변환기(21)에 의해서 차폐되는 섹션 외부에 있는 유동 변환기(21)의 하류 단부와 상류 단부 사이에 있는 벽 섹션인, 상기 벽(7)의 제 1 대류 냉각 섹션(29)에는 충돌 냉각 개구(13,14)가 배열되지 않는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 십자류(16)를 위한 십자 섹션은 상기 유동 변환기(21)의 상류에 있는 상기 냉각 유동 경로(15)의 십자 섹션에 대해서 상기 제 2 개구(14)의 유동 방향에 있는 위치에서 감소되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변환기 주위에 있는 상기 십자류(16)를 위한 상기 십자 섹션은 상기 제 2 개구(14)의 유동 방향에 있는 상기 위치에서 상기 십자류(16)를 위한 상기 십자 섹션에 대한 상기 유동 변환기(21)의 하류 단부를 향하여 증가하는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 변환기(21)의 레그들은 상기 유동 변환기(21)의 하류 단부에서 서로를 향하여 선회함으로써 상기 유동 변환기(21) 외부에 있는 상기 십자류(16)를 위한 상기 십자 섹션을 증가시키는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 변환기(21)는 상기 덕트 벽(7)으로부터 상기 충돌 슬리브(10)로 연장되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 변환기(21)는 상기 덕트 벽(7)으로부터 또는 상기 충돌 슬리브(10)로부터 상기 냉각 유동 경로(15)의 높이 H보다 작은 높이 h를 갖는 상기 냉각 유동 경로(15) 안으로 연장되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 유동 경로(15)의 높이 h는 상기 십자류(16)의 유동 속도를 가속시키기 위하여 상기 유동 변환기(21)의 상류에 있는 상기 냉각 유동 경로(15)의 높이 h0에 대하여 상기 유동 변환기(21)의 영역에서 감소되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 유동 경로(15)의 높이 h는 상기 십자류(16)의 유동 속도를 감속시키기 위하여 상기 유동 변환기(21)의 영역에 있는 상기 냉각 유동 경로(15)의 높이 h에 대하여 상기 유동 변환기(21)의 하류에서 증가되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 가스를 상기 십자류(16) 안으로 분사하기 위한 추가 분사 구멍(30)이 상기 유동 변환기(21)의 하류 영역에 있는 상기 슬리브(10)에 배열되고, 상기 변환기(21)의 하류 영역은 최종 제 2 충돌 구멍의 위치로부터 상기 유동 변환기(21)의 하류에 있는 상기 냉각 유동 경로 높이의 2배 위치로 상기 십자류(16)의 유동 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 전달 개선을 위하여 상기 제 1 대류 섹션(29)에 있는 그리고/또는 상기 유동 변환기(21)의 하류의 제 2 대류 섹션(31)에 있는 상기 덕트 벽(7)에 난류기(25)가 배열되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 변환기의 레그의 하류 단부는 상기 레그의 하류 단부를 통한 가스 유동을 허용하기 위하여 적어도 하나의 균형 구멍(23)을 갖거나 또는 다공성 섹션(22)을 갖는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각식 벽 장치(12).
  12. 연소기(4) 및/또는 가스 터빈(1)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 충돌 냉각식 벽 장치(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기(4) 및/또는 가스 터빈(1).
  13. 충돌 슬리브(10)가 벽(7)과 상기 충돌 슬리브(10) 사이에 냉각 유동 경로(15)를 형성하기 위해서 상기 벽(7)으로부터 일정거리로 이격되고 적어도 부분적으로 플리넘(20)에 배치되는, 작동 중에 고온 가스(19)에 노출된 상기 벽(7)을 충돌 냉각시키기 위한 방법으로서, 제 1 개구(13)를 통해서 상기 플리넘(20)으로부터 상기 냉각 유동 경로(15) 안으로 압축 가스(11)를 분사하는 단계, 상기 압축 가스(11)를 상기 벽(7)에 충돌시키는 단계 그리고 십자류(16)로서의 압축 가스(11)를 상기 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)에 있는 출구를 향하여 지향시키는 단계를 포함하는, 상기 충돌 냉각 방법에 있어서,
    상기 십자류(16)는 상기 제 1 개구(13)의 하류에 있는 상기 냉각 유동 경로(15)에 배열된 유동 변환기(21)에 의해서 적어도 하나의 제 2 개구(14)로부터 멀리 변환되고, 상기 유동 변환기(21)는 상기 십자류(16)의 하류 방향으로 상기 제 1 개구(13)와 상기 제 2 개구(14) 사이의 위치로부터 상기 제 2 개구(14)를 지나서 연장되고, 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 2 개구(14)의 한 측부를 따라 연장되는 제 1 레그와, 상기 십자류의 하류 방향으로 상기 제 2 개구(14)의 다른 측부를 따라 연장되는 제 2 레그를 가지며, 상기 변환기(21)에 의해서 차폐되는 섹션 외부에 있는 유동 변환기(21)의 하류 단부와 상류 단부 사이에 있는 벽 섹션인, 상기 벽(7)의 제 1 대류 냉각 섹션(29)에는 충돌을 위한 압축 가스(11)가 분사되지 않는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 십자류(16)는 상기 냉각 유동 경로(15)의 제 1 대류 냉각 섹션(29) 안으로 진입할 때 가속되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 유동 변환기(21)의 상류 단부로부터 상기 유동 변환기(21)의 하류 단부로 연장되는 유동 경로(15) 및 상기 제 1 대류 냉각 섹션(29)을 통해서 유동하는 십자류(16)는 상기 유동 변환기(21)의 하류 단부로부터 하류 방향으로 연장되는 상기 냉각 유동 경로(15)의 섹션으로 진입할 때 감속되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각 방법.
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