KR20170001103A - 트랜지션피스 연결부재 냉각홀 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수개의 연소기가 환형을 이루며 결합되는 가스터빈에 있어서, 각 연소기의 후단에 연결되는 트랜지션피스, 상기 트랜지션피스 후단에 연결된 플랜지 및 상기 인접하는 플랜지를 뒷면에서 연결하는 플레이트 연결부재를 포함하며, 상기 트랜지션피스에서 플랜지로 이어지는 부분을 관통하는 제1 냉각홀을 적어도 하나 이상 구비하는 가스터빈이다.
본 발명에 따른 가스터빈은, 다수개의 연소기가 결합하여, 트랜지션피스가 환형으로 결합된 경우, 각 트랜지션피스 후단 및 트랜지션피스들의 결합부분에 냉각공기 유동이 미칠 수 있도록 적절한 냉각홀을 포함하고 있다. 이로써 냉각공기가 트랜지션피스 후단으로 유입되어 고온고압에 따른 열부하를 감소시킬 수 있게 된다. 또한 다수개의 트랜지션피스의 플랜지와 연결부재가 연결된 경우, 플랜지를 관통하는 냉각홀과 연결부재를 관통하는 냉각홀을 이용하여 연결부위의 냉각효과를 얻을 수 있다. 또한 플랜지와 연결부재를 연결하는 볼트에 냉각홀을 구비하여 냉각효과를 극대화할 수 있다.

Description

트랜지션피스 연결부재 냉각홀 구조{Cooling hole structure of transition piece connecting member}
본 발명은 가스터빈에 관한 것으로서, 다수개의 연소기가 환형으로 결합 시 트랜지션피스 후단에 있는 플랜지와 연결부재의 냉각홀에 관한 것이다.
일반적으로 가스터빈에 설치되는 연소실은 압축기로부터 공급된 고압의 공기를 연소시켜 고온 고압의 연소가스를 발생시키고 이를 터빈으로 공급하는 역할을 한다. 따라서 가스터빈에 설치되는 연소실은 매우 큰 열부하를 받기 때문에 상기 열부하로부터 연소실을 보호하기 위해 다양한 냉각방법 및 이를 위한 다양한 연소실의 내벽 구조가 개발되어 왔다.
가스터빈 연소기 부품 중의 하나인 트랜지션피스(transition piece)는 유선형의 형태로서, 고온, 고압의 연소가스를 가스터빈 블레이드에 전달하는 중요한 통로구실을 한다.
따라서 트랜지션피스를 비롯한 연소기 부품은 냉각이 매우 중요하다. 압축기에서 유입된 압축공기가 냉각 역할을 하고 있지만 트랜지션피스 후단은 압축공기의 유동이 미치기 어렵고, 나아가 다수개의 트랜지션피스가 결합되는 경우 냉각이 충분하지 않다는 문제점이 있었다.
특허문헌 1에서는 다수개의 트랜지션피스를 환형으로 결합 함에 있어서, 연결부재를 볼트로 연결하고 있으나, 냉각을 위한 냉각홀을 전혀 개시하지 않았다는 단점이 있다.
이에 본 발명은 트랜지션피스 후단에 냉각홀을 형성하고, 다수개의 연소기를 결합하면서 결합부위에도 냉각홀을 형성하여 충분한 냉각효과가 있는 가스터빈을 제시한다.
미국등록특허공보 제8142142호 (2010.03.11. 공개)
본 발명은 다수개의 연소기가 환형으로 결합하는 경우 냉각홀이 포함된 구조를 제시하여, 충분한 냉각효과를 향상시키는 것에 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수개의 연소기가 환형을 이루며 결합되는 가스터빈에 있어서, 각 연소기의 후단에 연결되는 트랜지션피스, 상기 트랜지션피스 후단에 연결된 플랜지 및 상기 인접하는 플랜지를 뒷면에서 연결하는 플레이트 연결부재를 포함하며, 상기 트랜지션피스에서 플랜지로 이어지는 부분을 관통하는 제1 냉각홀을 적어도 하나 이상 구비하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 냉각홀은 비스듬하게 관통하는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 두 개 이상의 제1 냉각홀은 상기 트랜지션피스 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플랜지 부분을 관통하는 제2 냉각홀을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 두 개 이상의 제2 냉각홀은 상기 플랜지 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플레이트 연결부재는 인접하는 플랜지와 각각 볼트로 인해 결합되는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 볼트는, 길이 방향을 관통하는 제3 냉각홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플레이트 연결부재에 있어서, 상기 인접하는 플랜지와 겹치지 않는 부분에 대해, 상기 플레이트 연결부재를 관통하는 적어도 하나 이상의 제4 냉각홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈일 수 있다.
본 발명에 따른 가스터빈은, 다수개의 연소기가 결합하여, 트랜지션피스가 환형으로 결합된 경우, 각 트랜지션피스 후단 및 트랜지션피스들의 결합부분에 냉각공기 유동이 미칠 수 있도록 적절한 냉각홀을 포함하고 있다. 이로써 냉각공기가 트랜지션피스 후단으로 유입되어 고온고압에 따른 열부하를 감소시킬 수 있게 된다. 또한 다수개의 트랜지션피스의 플랜지와 연결부재가 연결된 경우, 플랜지를 관통하는 냉각홀과 연결부재를 관통하는 냉각홀을 이용하여 연결부위의 냉각효과를 얻을 수 있다. 또한 플랜지와 연결부재를 연결하는 볼트에 냉각홀을 구비하여 냉각효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 가스터빈 연소기와, 트랜지션피스를 확대한 것을 나타낸 것이다.
도 2는 다수개의 트랜지션피스가 환형으로 결합한 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2를 부분 확대한 것을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 가스터빈의 연소기와 트랜지션피스(100)를 나타낸 것이다. 도 1의 (a)는 가스터빈의 연소기의 단면의 형상을 나타낸 것이고, (b)는 트랜지션피스(100)를 확대하여 나타낸 것이다. 가스터빈 연소기의 구조는 제조사와 목적에 따라 다양한 구조를 가질 수 있으나, 도 1은 일반적인 가스터빈 연소기를 도시한 것이다. 이하 본 발명에 대한 설명은 일반적인 가스터빈을 대상으로 이루어지는 것이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 1의 (a)는 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어지는 가스터빈에 있어서, 연소기만을 나타낸 것이다. 일반적인 가스터빈은 다수개의 연소기가 환형을 이루어서 배열되어 출력을 높이는 구조로 되어 있다. 도면은 다수개의 연소기 중에서도 하나의 연소기만을 나타낸 것이며, 연소기는 연료 분사 노즐, 라이너, 트랜지션피스(100) 등으로 구성된다. 압축기를 통해 압축된 공기는 연소기로 유입되고, 라이너에서 연소가 일어난다. 연소로 발생한 고온 고압의 연소가스는 트랜지션피스(100)로 이동하고 출력터빈 블레이드로 충돌한다.
도 1의 (b)는 트랜지션피스(100)의 단면을 확대한 것이다. 도면을 참조하여 설명하면, 트랜지션피스(100)와 이를 감싸는 쉘(110)이 있고, 트랜지션피스(100)와 쉘(110)의 후단은 플랜지(120)로 마감되어 있다. 압축기로부터 유입된 압축공기는 트랜지션피스(100)와 쉘(110) 사이의 공간을 흐르며 냉각작용을 하게 된다. 종래 기술에 따르면, 트랜지션피스(100)와 쉘(110)의 후단은 플랜지(120)로 마감되어 있어 압축공기는 쉘(110) 표면의 홀을 따라 배출되게 되어, 후단의 냉각이 충분치 못하다는 문제점이 있었다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 트랜지션피스(100)에서 플랜지(120)로 이어지는 부분을 관통하는 냉각홀을 구비하는 가스터빈을 실시할 수 있다. 트랜지션피스(100)와 플랜지(120)가 이어지는 부분이란, ‘ㄱ’ 또는 ‘ㄴ’자 형태로 꺾이는 부분을 의미한다. 트랜지션피스(100)와 플랜지(120)가 이어지는 부분을 관통하는 냉각홀을 제1 냉각홀(210)이라 하며 도면부호 210을 사용한다.
또한 제1 냉각홀(210)은 비스듬하게 형성될 수 있다. 비스듬한 방향은 어느 방향으로든 제한되는 것은 아니지만, 특별한 실시예로서, 연소가스가 트랜지션피스(100)를 지나는 방향을 따르도록 형성될 수 있다. 즉 플랜지(120)의 두께 부분을 비스듬하게 관통하는 형태가 될 수 있다. 이렇게 형성된 제1 냉각홀(210)을 통해 압축공기가 트랜지션피스(100) 후단으로 흐를 수 있게 되어, 냉각효과를 기대할 수 있다. 또한 제1 냉각홀(210)로 유입되는 압축공기는 연소가스가 흘러가는 유동과 자연스럽게 합류될 수 있다.
제1 냉각홀(210)은 개수가 특별히 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 다수개를 형성할 수 있다. 다수개의 제1 냉각홀(210)이 형성되는 경우, 트랜지션피스(100)와 플랜지(120)가 이어지는 부분의 둘레를 따라 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플랜지(120) 부분을 관통하는 제2 냉각홀(220)을 포함하는 가스터빈을 실시할 수 있다. 트랜지션피스(100)와 쉘(110) 사이를 흐르는 압축공기를 플랜지(120)를 냉각하는데 이용하기 위함으로 트랜지션피스(100)와 쉘(110)의 후단을 마감하는 플랜지(120)를 관통하는 냉각홀을 제2 냉각홀(220)이라 한다. 제2 냉각홀(220)은 트랜지션피스(100) 후단에서 연소가스가 배출되는 방향으로 형성된다. 이렇게 형성된 제2 냉각홀(220)을 통해 압축공기가 플랜지(120)를 통과하여 흐를 수 있게 되어, 냉각효과를 기대할 수 있다. 또한 제2 냉각홀(220)로 유입되는 압축공기는 연소가스가 흘러가는 유동과 자연스럽게 합류될 수 있다.
제2 냉각홀(220)은 개수가 특별히 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 다수개를 형성할 수 있다. 다수개의 제2 냉각홀(220)이 형성되는 경우, 플랜지(120) 부분의 둘레를 따라 형성될 수 있다.
도 2에는 다수개의 트랜지션피스(100) 후단이 연결된 모습의 일부를 나타낸 것이다. 도면을 참조하여 설명하면, 플레이트 연결부재(130)가 인접하는 트랜지션피스(100)를 연결하고 있다. 플레이트 연결부재(130)는 일정한 두께를 가지는 판 형태로서, 특정한 모양으로 한정되지 않는 것으로 플레이트 연결부재(130)라 하였다. 구체적으로는 각 트랜지션피스(100) 후단의 플랜지(120)와 플레이트 연결부재(130)가 볼트(140)를 통해 연결된 것을 나타낸다. 도면에는 플레이트 연결부재(130)에 네 개의 볼트(140)가 결합한 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 예시에 불과하며, 볼트(140)의 개수는 필요한 경우에 따라 조절될 수 있다. 각 트랜지션피스(100)의 플랜지(120)와 플레이트 연결부재(130)가 겹치는 부분에 대해 볼트(140)가 결합되는 구조이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플랜지(120)와 플레이트 연결부재(130)를 결합하는 볼트(140)는, 볼트(140)의 길이방향을 관통하는 제3 냉각홀(230)을 포함할 수 있다. 이렇게 형성된 제3 냉각홀(230)을 통해 압축공기가 볼트(140)를 통과하여 흐를 수 있게 되어, 냉각효과를 기대할 수 있다. 또한 제3 냉각홀(230)로 유입되는 압축공기는 연소가스가 흘러가는 유동과 자연스럽게 합류될 수 있다. 제3 냉각홀(230)은 홀의 크기가 특별히 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 크기를 조절할 수 있다. 플랜지(120)와 플레이트 연결부재(130)의 연결부분이 다수개의 볼트(140)를 포함하는 경우 일부 볼트(140)에만 제3 냉각홀(230)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플레이트 연결부재(130)는 제4 냉각홀(240)을 포함할 수 있다. 제4 냉각홀(240)은, 플레이트 연결부재(130)와 트랜지션피스(100) 후단의 플랜지(120)가 겹치지 않는 부분에 대해 형성될 수 있으며, 플레이트 연결부재(130)를 관통하여 형성된다. 이렇게 형성된 제4 냉각홀(240)을 통해 압축공기가 플레이트 연결부재(130)를 통과하여 흐를 수 있게 되어, 냉각효과를 기대할 수 있다. 또한 제4 냉각홀(240)로 유입되는 압축공기는 연소가스가 흘러가는 유동과 자연스럽게 합류될 수 있다.
제4 냉각홀(240)은 개수가 특별히 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 다수개를 형성할 수 있다. 다수개의 제4 냉각홀(240)이 형성되는 경우, 플레이트 연결부재(130)와 플랜지(120)가 겹치지 않는 부분에 대해 자유롭게 분포되어 형성될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트(140)가 도시되어 있다. 볼트(140)는 플레이트 연결부재(130)와 플랜지(120)를 결합시키는 구성으로 볼트(140)에 대응되는 너트는 발명의 구조상 당연히 있어야 하는 구성으로 생략하였다. 볼트(140)의 길이는 플레이트 연결부재(130)와 플랜지(120)를 연결시키기에 충분한 길이이면 족하는 것으로 특별히 한정되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따라 볼트(140)는 볼트(140)의 길이방향을 관통하는 제3 냉각홀(230)을 포함할 수 있다.
도 4는 도 2를 부분적으로 확대하여 나타낸 것이다. 도면을 참조하여 설명하면, 플랜지(120)는 제1 냉각홀(210)과 제2 냉각홀(220)이 형성되어 있다. 이중 제2 냉각홀(220)은 트랜지션피스(100)와 이를 감싸는 쉘(110) 사이에 형성된 것이고, 쉘(110) 바깥의 플랜지(120) 부분에 제5 냉각홀(250)을 더 포함한다. 제5 냉각홀(250)은 플랜지(120)와 플레이트 연결부재(130)가 결합하여 겹치는 부분에 형성되는 냉각홀로서, 플랜지(120)를 관통하는 냉각홀이다. 플랜지(120)를 관통하고 플레이트 연결부재(130)는 관통하지 않는 것으로, 플랜지(120)와 플레이트가 겹치는 부분에만 형성되고 그렇지 않은 부분에는 형성되지 않는다.
제5 냉각홀(250)은 개수가 특별히 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 다수개를 형성할 수 있다. 다수개의 제5 냉각홀(250)이 형성되는 경우, 플레이트 연결부재(130)와 플랜지(120)가 겹치지 않는 부분에 대해 자유롭게 분포되어 형성될 수 있다.
또한, 제5 냉각홀(250)은 플레이트 연결부재(130)에 포함된 제4 냉각홀(240)과 연결될 수 있다. 제5 냉각홀(250)은 플랜지(120)를 관통하지만 플레이트 연결부재(130)를 관통하지는 않으므로 냉각공기가 자유롭게 통과할 수 없다. 따라서 제4 냉각홀(240)과 제5 냉각홀(250)이 연결된다면 제4 냉각홀(240)을 지나는 냉각공기를 제5 냉각홀(250)까지 끌어들여 냉각이 가능하다. 제4 냉각홀(240)과 제5 냉각홀(250)의 연결통로 역할을 하는 냉각홀을 제6 냉각홀(260)이라 하며, 이는 플레이트 연결부재(130)에 형성되어 있다. 제6 냉각홀(260)은 제4 냉각홀(240)의 일 측면에서 형성이 시작되어, 제5 냉각홀(250)과 플레이트 연결부재(130)가 맞닿아 있는 부분까지 형성된다. 제6 냉각홀(260)은 플레이트 연결부재(130)의 내부에 형성되는 것으로, 제4 냉각홀(240)을 지나는 냉각공기가 제5 냉각홀(250)을 지나가도록 하는 연결통로 역할을 한다. 제6 냉각홀(260)은 개수가 특별히 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 다수개를 형성할 수 있다. 다수개의 제6 냉각홀(260)이 형성되는 경우, 제5 냉각홀(250)과 제4 냉각홀(240)을 임의로 연결할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 가스터빈 연소기
100 : 트랜지션피스
110 : 쉘
120 : 플랜지
130 : 플레이트 연결부재
140 : 볼트
210 : 제1 냉각홀
220 : 제2 냉각홀
230 : 제3 냉각홀
240 : 제4 냉각홀
250 : 제5 냉각홀
260 : 제6 냉각홀

Claims (10)

  1. 다수개의 연소기가 환형을 이루며 결합되는 가스터빈에 있어서,
    각 연소기의 후단에 연결되는 트랜지션피스;
    상기 트랜지션피스 후단에 연결된 플랜지; 및
    상기 인접하는 플랜지를 뒷면에서 연결하는 플레이트 연결부재;
    를 포함하며, 상기 트랜지션피스에서 플랜지로 이어지는 부분을 관통하는 제1 냉각홀을 적어도 하나 이상 구비하는 가스터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각홀은 비스듬하게 관통하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 제1 냉각홀은 상기 트랜지션피스 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랜지 부분을 관통하는 제2 냉각홀을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 제2 냉각홀은 상기 플랜지 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플레이트 연결부재는 인접하는 플랜지와 각각 볼트로 인해 결합되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 볼트는, 길이 방향을 관통하는 제3 냉각홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플레이트 연결부재는 상기 인접하는 플랜지와 겹치지 않는 부분에, 상기 플레이트 연결부재를 관통하는 적어도 하나 이상의 제4 냉각홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 플랜지는, 상기 플레이트 연결부재와 상기 플랜지가 겹치는 부분에, 상기 플랜지를 관통하는 적어도 하나 이상의 제5 냉각홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트 연결부재는, 상기 제4 냉각홀과 상기 제5 냉각홀을 연결하며, 상기 플레이트 연결부재 내부에 형성된 제6 냉각홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
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