KR20220149747A - 세라믹 열 차폐부 및 밀봉부를 구비한 연소실 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주연부를 둘러싸는 지지 구조(02) 및 내부에 배열된 열 차폐부(11)를 구비한 가스 터빈의 연소실(01)에 관한 것이다. 지지 구조(02)는 하류측에서는 단면 감소부(03)를 포함하고, 상류측에서는 정지부 요소(04)를 포함한다. 상이한 팽창들의 보상 및 공차 보상을 위하여, 열 차폐부(11)와 정지부 요소(04) 사이에 간극이 존재한다. 냉각 공기 소모를 감소시키기 위하여, 정지부 요소(04) 내에는 주연부를 둘러싸고 열 차폐부를 향해 개방되어 있는 밀봉 홈(05)이 존재하고, 이러한 밀봉 홈은 밀봉 홈(05) 내에 배열된 밀봉 요소(06)를 구비하고, 이러한 밀봉 요소는 열 차폐부(11)에 접하고 간극을 덮는다.

Description

세라믹 열 차폐부 및 밀봉부를 구비한 연소실
본 발명은 간극이 밀봉부에 의해 밀봉되는 세라믹 열 차폐부를 구비한 가스 터빈의 연소실에 관한 것이다.
종래 기술에서는 다양한 구조의 연소실들이 가스 터빈에 사용된다. 어떤 경우이든지, 연소실 내 고온은 연소실에 대한 주요 부하를 나타낸다. 연소실 내의 가능한 한 높은 온도를 구현할 수 있도록 하기 위하여, 일반적으로 열 차폐부가 연소실 내에 사용된다. 이를 위해, 연소실은 먼저, 금속 재료로 제조된 지지 구조를 포함한다. 지지 구조의 내측면에는 열 차폐부가 배열되고, 이러한 열 차폐부는 일반적으로 세라믹 재료로 구성된다. 이에 대한 예시적인 실시예는 WO 2019/115129 A1호에 공지되어 있다. 세라믹 열 차폐부는 한편으로는 지지 구조에 비해 훨씬 더 높은 온도 저항성을 갖는다. 다른 한편으로, 세라믹 열 차폐부는 연소실과 지지 구조 사이의 절연부로서 사용된다.
열 차폐부의 세라믹 재료는 지지 구조와는 달리, 진동이나 기타 기계적 부하에 훨씬 더 높은 민감성을 갖는다는 것이 단점으로 공지되어 있다. 따라서, 열 차폐부를 가능한 한 무응력으로 설치하는 것이 일반적으로 요구된다. 일반적으로, 이는 열 차폐부의 개별 부품들 사이에 뿐만 아니라, 특히 열 차폐부와 인접 구성 요소들 사이에 간극이 존재하도록 만든다.
간극들의 영역에서 지지 구조의 열적 손상을 방지하기 위하여, 간극 내로 가열 기체가 침투하는 것을 방지하는 냉각 공기 흐름을 제공하는 것이 종래 기술에서 일반적이다.
이 경우, 다시 냉각 공기 흐름이 단점인데, 이러한 냉각 공기 흐름은 이 점에 있어서 연소를 위해 버너에 공급될 수 없으며, 이에 따라 효율이 저하된다.
따라서, 본 발명의 과제는 냉각 공기 흐름을 감소시키기 위한 가능성을 제시하는 것이다.
제시된 과제는 청구항 제1항의 교시에 따른 본 발명에 따른 일 실시예의 연소실을 통해 해결된다.
바람직한 실시예들은 종속항들의 대상이다.
일반적인 유형의 연소실은 상이한 사용 목적들을 위해 제공될 수 있으며, 이러한 실시예는 특히 가스 터빈에 적합하다. 연소실은 상류측으로부터 하류측으로 연장되는, 대략 중심에 배열된 연소실 축을 정의한다. 이러한 연소실은 연소실 축의 주연부를 둘러싸는 지지 구조를 포함한다. 이 경우, 지지 구조는 적어도 주로 금속 재료로 구성된다. 코팅부들 또는 부가부들을 제외하고, 지지 구조는 바람직하게는 금속 재료로 구성된다. 이 경우, 지지 구조는 하류측에 단면 감소부를 포함한다. 단면 축소부가 어떠한 방식으로 형성되는지는 우선 중요하지 않다. 반대쪽 상류측에서 지지 구조는 정지부 요소를 형성한다. 마찬가지로, 정지부 요소의 형성은 우선 중요하지 않다.
지지 구조 내부에서 연소실을 향한 측면에는 열 차폐부가 위치하고, 이러한 열 차폐부는 (가능한 고정 수단들 및/또는 코팅부들 및/또는 내부 보강부들을 제외하고는) 세라믹 재료로 구성된다. 이 경우, 연소실 축을 따른 지지 구조 내 열 차폐부의 위치는 하류측에서는 단면 감소부를 통해 제한되고, 상류측에서는 정지부 요소를 통해 제한된다는 것이 제공된다. 단면 감소부와 정지부 요소 사이에서 연소실 축의 방향으로 열 차폐부의 허용 불가능한 끼임을 방지하기 위하여, 간극이 적어도 열 차폐부와 정지부 요소 사이에 존재하는 것이 또한 제공된다.
냉각 공기 소모를 감소시키기 위하여, 연소실 축의 주연부를 둘러싸고 열 차폐부를 향해 개방되어 있는 밀봉 홈이 정지부 요소 내에 존재하는 것이 본 발명에 따라 제공된다. 이 경우, 밀봉 홈 내에는 밀봉 요소가 배열되며, 이러한 밀봉 요소는 정지부 요소로부터 나오도록 연장되고, 이 경우 간극을 덮고, 열 차폐부에 접한다.
열 차폐부의 상류측에 밀봉 요소를 사용함으로써, 냉각 공기 소모가 감소될 수 있고, 이에 따라 효율이 상승될 수 있다.
이러한 연소실의 구성은, 지지 구조와, 이에 따라 열 차폐부가 관형(반드시 원형은 아닌) 형상을 가질 때 특히 바람직한 것으로 증명되었다.
밀봉 요소가 열 차폐부에 접하는 것을 보장하기 위하여, 정지부 요소 내에 하나 이상의 스프링 요소가 존재하고, 이러한 스프링 요소는 조립 시에 탄성적으로 초기 응력이 가해지고, 이 경우 연소실 축의 방향으로 밀봉 요소에 작용하고, 이에 따라 열 차폐부에 밀봉 요소가 신뢰 가능하게 접하는 것이 보장되는 것이 바람직하게 제공된다.
이 경우, 마찬가지로 밀봉 홈 내에서 홈 베이스와 밀봉 요소 사이에 배열되는 스프링 요소를 사용하는 것이 이 경우 특히 바람직하다. 이 경우, 스프링 요소는 예를 들어 파형 형상을 가질 수 있다.
한편으로는 하류 영역에서 연소실의 원하는 단면을 나타내기 위한 그리고 다른 한편으로는 연소실 축을 따른 열 차폐부의 변위를 제한하기 위한 단면 감소부는 상이한 방식으로 나타날 수 있다.
이 경우, 단면 감소부가 원추형 섹션에 의해 형성되는 것이 특히 바람직한 일 실시예에서 제공된다. 이러한 의미에서의 원추형 성형부는 반드시 회전형 형상을 필요로 하는 것은 아니고, 단면이 하류측에서 더 작아지는 유사한 성형부도 마찬가지로 포함된다. 예를 들어 회전형 형상의 경우, 이는 연소실 내에서 가열 기체의 흐름 방향으로 직경 감소를 유도한다. 적어도, 이러한 실시예에서는, 열 차폐부가 열 차폐부의 외주연의 섹션에 걸쳐 직접적으로(열 차폐부의 외부면이 지지 구조에 접함) 또는 특히 바람직하게는 간접적으로 단면 감소부에 지지되는 것이 바람직하게 제공된다. 이 경우, 바람직하게는 마모를 방지하고 지지 구조 내의 열 차폐부의 중심 위치를 보장하기 위해, 열 차폐부의 외주연과 지지 구조 사이에 하나 이상의 마모 방지 요소 및/또는 탄성 인장 요소들, 예를 들어 판 스프링들이 배열되는 것이 제공될 수 있다.
이에 반해, 대안적인 일 실시예에서, 단면 감소부는 견부를 포함하는 것이 제공된다. 이러한 경우, 열 차폐부가 테두리 섹션을 통해 간접적으로 또는 직접적으로 견부에 접하는 것이 제공된다. 이 경우, 견부 및 인접 테두리 섹션의 서로 접하는 면들이 연소실 축에 대략 수직으로 정렬되는 것이 제공된다. 이러한 경우, 지지 구조 및 열 차폐부가 더 복잡하게 구성될 수도 있다는 단점을 갖는, 연소실 축의 방향으로의 정의된 지지가 바람직하다. 이러한 경우, 단면 감소부가 여전히 원뿔형 형상을 갖는지 여부는 중요하지 않다.
가장 간단한 경우, 열 차폐부는 단일 열 차폐 요소에 의해 형성될 수 있다. 바람직한 방식으로, 열 차폐부는 연소실 축의 방향으로 2개 이상의 열 차폐 요소들에 의해 형성된다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 2개 이상의 연속적인 열 차폐 요소들이 서로 직접적으로 또는 간접적으로(예를 들어, 그 사이에 놓인 마모 방지부에 의해) 접하는 것이 제공된다.
또한, 더 큰 직경에서 열 차폐부가 주연 방향으로 2개 이상의 열 차폐 요소들에 의해 형성되는 경우가 바람직하다. 이 경우에도, 이러한 열 차폐 요소들이 서로 직접적으로 또는 간접적으로 접하는 것이 바람직하게 제공된다.
지지 구조 내의 열 차폐부의 중심 위치를 보장하기 위해서는, 열 차폐부와 지지 구조 사이에 반경 방향으로 작용하는 하나 이상의 인장 요소가 존재하는 것이 바람직하게 제공된다. 바람직하게는, 이 경우 주연부에 분포된 상태로 배열된 복수의 인장 요소들이 사용되고, 이러한 인장 요소들은 함께 열 차폐부의 중심 위치 설정을 실행한다. 이를 통해, 열팽창들의 보상 및 공차 보상이 보장된다. 인장 요소들로서는 바람직하게 판 스프링들이 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 연소실에 대한 예시적인 일 실시예를 도시하는 도면이다.
연소실(01)은 연소실 축을 정의하고, 이 경우 일단 회전형 지지 구조(02)를 포함한다. 이러한 지지 구조(02)는 원뿔형 형상을 갖는 단면 감소부(03)를 하류측에 포함한다. 이에 반대로 상류에 위치한 측면에는 견부 형태의 정지부 요소(04)가 위치한다.
지지 구조(02) 내에서, 열 차폐부(11)는 이러한 예시에서 3개의 열 차폐 요소(12, 13)들에 의해 형성된다. 하류에 배열된 열 차폐 요소(12)는 단면 감소부(03)와 마찬가지로 원추형 형상을 갖는다. 이러한 예시에서, 열 차폐 요소(12)의 외주연은 단면 감소부(03)의 내측면에 접한다. 그러나, 열 차폐부(11)와 지지 구조(02) 사이에서 단면 감소부(03)의 영역에 인장 요소들이 존재하는 경우가 더 바람직하다. 이에 따라, 열 차폐 요소(12)가 지지 구조(02)에 직접적으로 접하는 것이 방지되는 동시에, 열 차폐부(12)와 지지 구조(02) 사이에 적은 형태 차이가 발생하면서도 중심 위치가 보장된다. 어떤 경우이든지, 열 차폐부(11)의 위치는 이에 따라 하류 방향으로 제한된다. 이에 인접하여 상류에 위치한 측면에서, 열 차폐부(11)는 주연 방향으로 분할된 2개의 열 차폐 요소(13)들에 의해 형성된다. 중심 위치를 보장하기 위해, 반경 방향으로 작용하는 복수의 인장 요소(14)들이 주연부에 분포된 상태로 열 차폐 요소(13)들과 지지 구조(02) 사이에 배열되는 것이 이 경우 제공된다.
또한, 밀봉 요소(06)가 내부에 배열된 밀봉 홈(05)의 배열을 볼 수 있다. 이 경우, 밀봉 요소(06)는 열 차폐 요소(13)들에 접하고, 이 경우 열 차폐부(11)와 정지부(04) 사이의 간극을 덮는다. 이에 따라, 불필요한 냉각 공기 소모가 방지된다. 밀봉 요소(06)가 열 차폐부(11)에 접하는 것을 보장하기 위하여, 탄성적으로 초기 응력이 가해지는 스프링 요소(07)도 제공되며, 이러한 스프링 요소(07)는 밀봉 홈(05) 내에서 홈 베이스와 밀봉 요소(06) 사이에 배열된다.

Claims (8)

  1. 연소실 축을 포함하는, 특히 가스 터빈의 연소실(01)로서,
    이러한 연소실은 주연부를 둘러싸는 지지 구조(02)를 구비하고, 이러한 지지 구조(02)는 하류측에는 단면 감소부(03)를 포함하고 상류측에는 정지부 요소(04)를 포함하며,
    이러한 연소실은 하나 이상의 세라믹 열 차폐부(11)를 구비하고, 이러한 열 차폐부(11)는 연소실을 향한 측면에서 지지 구조(02) 내에 배열되고, 그 위치는 연소실 축의 방향으로 단면 감소부(03) 및 정지부 요소(04)를 통해 제한되고, 열 차폐부(11)와 정지부 요소(04) 사이에 간극이 존재하는, 연소실에 있어서,
    정지부 요소(04) 내에는 주연부를 둘러싸고 열 차폐부를 향해 개방되어 있는 밀봉 홈(05)이 배열되고, 이러한 밀봉 홈(05) 내에는 열 차폐부(11)에 접하고, 간극을 덮는 밀봉 요소(06)가 배열되고, 정지부 요소(04) 내에는 밀봉 요소(05)에 작용하는, 탄성적으로 초기 응력이 가해지는 스프링 요소(06)가 배열되는 것을 특징으로 하는, 연소실(01).
  2. 제1항에 있어서, 지지 구조(02)는 관형 형상을 갖는, 연소실(01).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 요소(06)는 밀봉 홈(05) 내에서 홈 베이스와 밀봉 요소(06) 사이에 배열되는, 연소실(01).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단면 감소부(03)는 원추형 섹션에 의해 형성되고, 이러한 섹션(03)에서 열 차폐부(11)는 외주연에 걸쳐 직접적으로 또는 간접적으로 지지되는, 연소실(01).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열 차폐부(11)는 연소실 축의 방향으로 2개 이상의 열 차폐 요소(12, 13)들에 의해 형성되는, 연소실(01).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 열 차폐 요소(12)는 관형 형상을 갖는, 연소실(01).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 열 차폐부(11)는 적어도 섹션별로 연소실 축을 따라 주연 방향으로 2개 이상의 열 차폐 요소(13)들에 의해 형성되는, 연소실(01).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 열 차폐부(11)와 지지 구조(02) 사이에는 반경 방향으로 작용하는 하나 이상의 인장 요소(14)가 배열되는, 연소실(01).
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