KR930003077B1 - 개스터빈 연소기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

개스터빈 연소기
제 1 도는 본원 발명의 일실시예인 개스터빈 연소기를 장착한 연소기실의 단면도.
제 2 도는 제 1 도에 나타낸 개스터빈 연소기의 미통(尾筒)의 단면적 변화를 나타내는 설명도.
제 3 도는 제 1 도에 나타낸 개스터빈 연소기의 미통내의 열전달율 변화를 나타내는 설명도.
제 4 도는 제 1 도에 나타낸 개스터빈 연소기의 미통 주위의 상세도.
제5a도 및 제5b도는 제 4 도에 나타낸 개스터빈 연소기의 미통의 플로스리브 개구부 근처의 압력분포 상황도.
제 6 도는 개스터빈 연소기에 있어서는 압력손실과 열효율차와의 관계도.
제 7 도는 제 1 도에 나타낸 개스터빈 연소기의 연소기 라이너 주위의 상세도.
제 8 도는 냉각공기유량과 연소기 라이너 메탈온도 및 달성 가능 연소온도와의 관계도.
제 9 도는 개스터빈 연소기 출구에 있어서의 온도불균일 상황의 설명도.
본원 발명은 개스터빈 연소기에 관한 것이며, 특히 캐뉴러(cannula)타입의 연소기에 있어서, 압축공기를 사용하여 연소기 라이너 및 미통(尾筒)의 벽면을 냉각하도록 한 개스터빈 연소기에 관한 것이다.
종래의 개스터빈 연소기 미통의 냉각구조는 미합중국 특허 제3, 652, 181호에 기재된 바와 같이, 연소기 미통의 일부에 냉각스리브를 설치하고, 이 냉각스리브에 배설된 복수의 구멍으로부터의 냉각용 유체의 분출류(噴出流)를 미통 표면에 충돌시킴으로써 냉각하며, 냉각후의 유체는 미통 하류에 설치한 관통구멍으로부터 연소개스인 주류(主流) 개스에 합류하는 구조로 되어 있다.
개스터빈의 효율을 향상시키기 위해서는 연소온도를 올리는 것이 가장 효과적인 방법이다.
그러나 냉각용 유체인 공기의 유량은 한정되어 있으며, 연소 온도가 상승한 부분만큼, 연소기 라이너 및 연소기 미통의 냉각은 불충분하게 된다. 이 때문에 연소기 라이너 및 연소기 미통에는 고효율의 냉각방법이 요구된다.
상기 종래 기술에서는 연소기 미통의 냉각에 공기의 일부를 소비하는 것이 되기 때문에, 연소기 라이너의 냉각에 제공되는 공기유량이 감소하고, 그만큼 연소온도를 올릴 수 없게 된다. 또한 미통을 냉각시킨 후, 주류 개스에 유입하는 냉각용 공기는 주류 개스의 고온부와 냉각용 공기의 저온부의 2층 형상인 채로 터빈부에 유입하게 되므로 터빈부의 정익(靜翼) 및 동익(動翼)에 악영향을 미치게 된다. 또한 냉각스리브는 냉각효과를 높이기 위하여 연소기 미통에 용접으로 고정시키는 방법이 사용되나, 연소기 미통과 냉각 스리브의 온도차에 의한 열응력이 높아져 신뢰성 저하의 원인이 된다.
이 냉각스리브 방식의 경우, 냉각스리브에 배열된 구멍으로부터의 분출류는 미통 벽면에 충돌한 후, 미통의 관통구멍으로부터 주류개스로 흘러들어가는 구조이기 때문에 냉각스리브 안팎 및 미통 안팎에서 이 냉각 유체를 흐르게 할 수 있는 압력차가 필요하게 된다. 이 압력차를 발생시키기 위하여 연소기부의 압력손실을 크게 할 필요가 생기며, 그 만큼 개스터빈의 효율 저하에 관련된다.
그리고 냉각용 유체의 일부를 연소기 미통의 냉각에 소비하고, 연소온도를 일정하게 유지한 경우, 미통출구부에 냉각공기를 유입시키는 것과 아울러, 터빈부에 대한
온도불균일율=(최고연소온도-평균연소온도)/
(평균연소온도-냉각공기온도)
에 악영향을 미친다. 이 온도불균율의 악화는 터빈부 동익 및 정익에 메탈온도의 하이스폿이 생김으로써 더욱 파손되는 원인이 된다.
개스터빈에 있어서는 압축기로부터 공급되는 토출공기는 연소기 라이너와 미통의 위치하는 연소기실에 도입되어, 미통과 연소기 라이너를 냉각하면서 연소기 라이너 안으로 들어가 연소에 제공된다.
상기 종래 기술에서는 미통의 후류(後流) 끝에 부착한 냉각 스리브의 복수개가 배열된 구멍으로부터 흘러들어온 냉각용 유체는 미통 외벽에 충돌하여 냉각한 다음, 미통벽에 설치된 관통구멍으로부터 주류개스로 흘러 들어가는 구조가 된다. 이 연소기 미통의 냉각으로서 냉각용 유체의 일부를 소비하는 것은, 그만큼 연소기 라이너의 냉각에 제공되는 냉각용 유체가 감소하는 것이 되기 때문에, 연소기 라이너의 메탈온도를 허용온도 이하로 할 수 없게 되어 연소온도를 내리지 않을 수 없게 된다.
또한 냉각스리브를 통하여 미통안에 냉각용 유체를 소정의 유속으로 흘러가게 하기 위해서는 냉각스리브의 바깥쪽과 미통의 안쪽 사이에 어떤 압력차를 갖게 할 필요가 있으며, 그만큼 개스터빈을 효율이 저하하게 된다.
본원 발명의 목적은 미통의 냉각에 사용된 냉각용 유체의 대부분을 연소용 공기로서 연소기 라이너에 유입시킬 수 있게 하여, 터빈의 효율향상을 도모하는 동시에, 연소기 미통의 메탈온도를 허용온도 이하로 억제할 수 있도록 한 개스터빈 연소기를 제공함에 있다.
상기 목적은 연소기 미통의 외벽으로부터 어떤 간극을 갖게 한 플로스리브를 전 둘레에 걸쳐 설치하고, 미통의 냉각으로서 이 플로스리브를 이용하며, 미통의 리테이너링부는 플로스리브의 마지막 끝에 설치한 개구부로부터 들어오는 냉각용 유체에 의한 대류냉각, 미통 안에 주류 개스의 유속이 크며 미통의 메탈온도가 특히 높아지는 후류부는 플로스리브에 배열한 복수개의 구멍으로부터의 냉각용 유체의 분출류에 의한 임핀지(impinge)냉각, 그 상류쪽의 비교적 메탈온도가 높아지지 않은 범위는 플로스리브와 미통 사이에 냉각용 유체를 소정의 유속으로 흐르게 함으로써 대류냉각이 되도록 개스터빈 연소기를 구성하므로써 달성된다.
본원 발명의 연소기에 있어서는 압축기로부터의 냉각용 유체는 플로스리브의 마지막 끝의 틈, 임핀지냉각을 위해 설치한 복수개의 구멍 및 임핀지냉각과 대류냉각의 경계부에 설치한 개구부로부터 플로스리브 안에 유입하게 된다. 각 유입하는 냉각용 유체는 유입후 합류하면서 상류측으로 인도되어 연소기 라이너쪽으로 흘러 들어간다. 그리고 연소기 라이너쪽으로 흐른 냉각용 공기는 연소기 라이너에 설치한 희석공기구멍, 연소공기구멍, 스윌러(swirller), 냉각공기구멍으로부터 설정한 배분비에 따라 연소기 라이너 안으로 유입한다. 이 공기중에서 온도불균일율에 영향을 미치는 희석공기 구멍으로부터의 공기를 원활하게 유입시키기 위해, 그 바깥쪽에 위치하는 플로스리브에 공기용 가이드를 설치한다.
이하 본원 발명의 일실시예인 개스터빈용 연소기를 제 1 도에 의하여 설명한다.
개스터빈의 연소기실은 압축기 토출케이싱(1a),(1b)와 터빈케이싱(2)로 둘러싸인 방안에 복수개의 연소기 라이너(3), 연소기 라이너용 플로스리브(4), 미통(5), 미통용 플로스리브(6), 연료노즐(7)에 의해 구성된다.
압축기(8)로부터의 토출공기는 미통 플로스리브(6)에 설치된 개구부로부터 미통(5)와 미통용 플로스리브(6) 사이에 유입하여, 미통(5)를 냉각하면서 상류쪽으로 흘러, 연소기 라이너용 플로스리브(4)에 안내되어 연소기 라이너(3) 안으로 흘러 들어간다.
연소기 라이너(3) 안에서 연료노즐(7)로부터의 연료를 연소시키고 그 결과 생긴 고온 개스는 연소기 라이너(3) 및 미통(5)의 내부를 지나, 터빈(9)에 인도된다. 미통(5)는 연소기 라이너(3)과 터빈(9)와의 천이(遷移)부재로서의 역할을 갖고 있기 때문에, 연소기 라이너(3)과의 접합부의 원형상으로부터 터빈(9)의 접합부의 부채꼴까지 매끄러운 곡선으로 이어지는 3차원적 형상이 된다. 이 때문에 미통(5)의 단면적은 제 2 도에 나타내는 바와 같이, 연소기 라이너(3)쪽으로부터 터빈(9)쪽으로 이름에 따라 감소하면서 변화한다. 그 결과 미통(5)내의 주류 개스의 유속이 제 2 도에 나타낸 단면적의 변화와 형상에 의한 방향의 변화에 의하여 크게 변화하게 된다. 이 유속의 변화는 미통(5)내의 벽면에 대한 열전달율에 영향을 미치게 된다. 이 열전달율과 미통(5)의 위치관계를 제 3 도에 나타낸다. 이 열전달율의 차이는 미통(5)의 벽메탈온도의 불균형이 되어 나타난다.
미통(5)의 상류쪽에 비교하여 하류쪽 메탈온도는 보다 고온이 되어 냉각의 강화가 필요하게 된다.
제 4 도는 제 1 도의 연소기실중 미통부분의 상세를 나타내는 도면이다. 미통(5)는 연소기 라이너(3)과의 접합부에 위치하는 링(5a), 터빈(9)과 마주 대하는 출구부의 변형을 방지하기 위해 두꺼운 구조체가 되는 리테이너링(5c) 및 링(5a)와 리테이너링(5c) 사이의 본체부(5b)로 이루어진다. 미통의 메탈온도를 허용온도 이하로 하는 냉각구조에 대하여 제 4 도에 의하여 설명한다.
압축기로부터의 냉각용 유체는 미통 플로스리브(6)의 개구부(10), 작은구멍 그룹(11), 개구부(12)로부터 미통(5)의 냉각을 위해 미통(5)와 미통 플로스리브(6) 사이로 흘러 들어가는 구조로 되어 있다. 플로스리브(6)의 개구부(10)은 리테이너링(5c)의 냉각을 위해 리테이너링(5c)의 옆면에 냉각용 유체를 흐르게 하기 위한 것이다.
플로스리브(6)의 작은구멍 그룹(11)은 미통(5)내의 주류 개스의 유속이 크고, 특히 미통(5)의 벽 메탈온도가 높아지는 범위로 설치한다. 이 범위는 미통(5)와 미통 플로스리브(6)의 간극을 좁히고, 플로스리브(6)에 배열한 복수개의 분출구멍으로부터의 냉각용 유체를 미통(5)의 벽면에 충돌시키는 임핀지냉각과, 개구부(10)으로부터의 냉각용 유체가 상류쪽에 인도될 때의 대류냉각을 조합한 보다 강력한 냉각구조로 한다. 플로스리브(6)의 개구부(12)는 개구부(10) 및 (11)로부터의 미통(5)의 냉각에 필요한 냉각용 유체의 남은 전유량을 플로스리브(6)내로 도입하기 위한 것이며, 개구부(12)로 부터 도입된 냉각용 유체는 개구부(10) 및 (11)로부터의 냉각용 유체와 합류하여 미통(5)와 플로스리브(6) 사이를 상류를 향해 흐른다. 이 범위의 미통(5)는 이 흐름에 의하여 대류냉각되어, 미통의 벽 메탈온도를 허용온도 이하로 하는 것이 가능하다.
제5a도 및 제5b도는 제 4 도에서 설명한 미통(5)의 냉각을 위한 냉각용 유체의 배분으로 한 경우의 각부의 압력관계를 나타낸 것이다.
플로스리브(6)의 개구부(11) 앞의 압력을 P2, 개구부(11)의 내측압력을 P1, 개구부(12)의 내측압력을 P3, 그리고 개구부(12)의 뒤 하류쪽의 냉각용 유체의 유속을 V라 한다. P2는 압축기(8)의 토출압력에 해당한다. 냉각용 유체의 유속 V와 P2와 P3과의 차압관계는 도면중의 점심 P23으로 나타낸다. 또한 작은구멍 그룹(11)로부터의 냉각용 유체는 P2와 P1의 압력차에 따라 작은 구멍을 통하여 흐른다. 이 작은구멍 그룹(11)로 부터의 냉각용 유체는 플로스리브 안을 상류쪽으로 흘러, 개구부(12)로부터의 냉각용 유체와 합류한다. P1과 P3과의 차압과 냉각용 유체의 유속 V와의 관계는 도면의 실선 P13으로 나타낸다. 이 압력 P13은 냉각용 유체의 유속 V의 이덕터효과에 의하여 P1의 압력에서 P3의 압력으로 회복하는 것을 나타낸다. 이 결과 본 구조에서의 압력손실을 제5b도의 a가 되고, 종래 기술의 임핀지냉각하여 미통(5)내에 흐르게 하는 경우의 압력손실 b와 비교하여 대폭으로 저하 감소 가능하게 된다.
따라서 본원 구조에서는 큰 압력저하없이 미통(5)의 벽 메탈온도를 허용치 이하로 함에 가장 적당한 배분으로 냉각용 유체를 흐르게 할 수 있다.
제 6 도는 연소기 압력손실의 증감과 개스터빈 열효율 차의 증감의 관계를 나타낸다. 일반적으로 연소기 압력손실 1%는 개스터빈의 열효율 0.2%에 해당한다. 종래 기술의 방법과 비교하여 이 값 이상의 효과가 기대된다.
제 7 도는 제 1 의 연소기실중 연소기 라이너 부분의 상세도를 나타낸다.
미통(5)와 미통 플로스리브(6) 사이를 흐르는 냉각용 공기는 연소기 라이너 플로스리브(4)에 안내되어, 연소기 라이너(3)의 외주면을 냉각시키면서 상류로 흘러 냉각구멍, 희석공기구멍, 연소공기구멍으로부터 연소기 라이너(3) 안으로 들어가는 구조가 된다.
연소기 라이너 플로스리브(4)에는 희석공기안내판(13)을 설치한다. 이 희석공기안내판(13)은 미통쪽으로부터의 냉각용 유체를 희석공기구멍에서 원활하게 흐르게 하는 작용을 갖는다. 이 결과 연소기 라이너(3)안의 온도불균일율이 개선되어 터빈의 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다.
또한, 미통의 냉각에 냉각용 유체를 전량을 흐르게 하지 않고, 일부를 바이패스시켜 연소기 라이너부에 직접흐르게 하는 구조로 한 경우에 있어서도 공기배분 및 냉각용 유체의 흐름을 원활히 제어하는 것이 가능하게 된다.
연소기 라이너(3)의 메탈온도는 연소기 라이너(3)에 흐르는 냉각용 유체의 유량에 의하여 크게 영향을 받으며, 유량의 감소는 연소기 라이너 메탈온도의 상승에 관계된다. 이 관계를 제 8 도에 나타낸다.
종래 기술에서는 미통(5)의 냉각으로서 냉각용 유체를 소비하는 경우, 1%의 소비는 약 20℃의 연소기 라이너의 메탈온도의 상승이 된다. 이 결과 연소기 라이너내의 연소온도를 이 분량만큼 내리지 않을 수 없게 되어 개스터빈의 고온하에 대처할 수 없게 된다.
또한 상기한 구조의 미통(5)에 있어서 제 4 도에 나타낸 바와 같이 뒷쪽에 미통 본체부(5b), 미통출구부에는 리테이너링(5c)가 접속된다. 이 부분은 다른 부분과 형상을 달리하기 때문에 메탈온도의 하이스폿이 생기는 수가 있다. 이 때문에 이 부분에 상기 실시의 효과에 영향을 미치지 않는 정도의 냉각유체를 미통에 설치한 관통구멍으로 흐르게 하는 것도 할 수 있다.
이하 제 9 도에서 연소기의 온도불균일율을 설명한다. 연소기 라이너로부터의 연소개스는 희석공기에 의하여 혼합ㆍ교반되나, 바깥쪽 안쪽의 온도차가 있는 상태에서 연소기 미통(5)에 들어간다. 연소기 미통(5)의 입구 원형상에서 출구 부채꼴로 옮김에 따라, 반경방향 및 둘레방향으로, 중심부가 높고 외주부가 낮은 온도차를 가진 상태에서 터빈(9)에 흐르게 된다. 이 온도불균일율은 터빈에 대하여 날개메탈온도의 하이스폿을 발생시키는 것이 되며, 신뢰성 저하의 요인이 된다.
종래 기술로서의 미통 냉각의 임핀지용 공기를 미통에 설치한 관통구멍으로부터 미통내에 유입시키는 방법으로 한 경우, 외주쪽의 온도가 낮은 부분을 더욱 낮게 하고 그만큼 중심부의 온도가 높은 부분을 밀어 올리는 것이 된다. 이는 개스터빈의 제어는 배기개스온도 일정제어방식을 채택하기 때문에 일어난다.
본원 발명의 경우 미통내에 냉각용 유체를 흐르게 하지 않기 때문에, 상기의 현상은 일어나지 않으며, 온도불균일율을 최소치로 하는 것도 가능하다.
요약하면 연소기 라이너와 미통의 대략 전장에 걸쳐, 이들을 둘러 싼 플로스리브를 설치하고, 플로스리브의 터빈부에 치우친 영역에 미통 외주벽면을 임핀지 냉각한다. 작은구멍 그룹을 설치하고, 또한 작은구멍 그룹보다도 연소기 라이너에 치우치게 냉각공기를 받아들이는 개구부를 설치함으로써, 미통, 연소기 라이너와 플로스리브 사이를 흐르는 냉각공기에 의하여 미통 벽면 및 라이너 벽면을 냉각하도록 할 개스터빈 냉각기이다.

Claims (3)

  1. 외주벽에 냉각공기구멍을 형성한 통모양의 연속기 라이너와, 상기 라이너와 터빈부를 연결하는 미통(尾筒)과, 상기 미통과 터빈과의 사이에 설치되고, 미통을 지지하고 있는 리테이너링과, 상기 라이너 및 미통의 주위를 에워싸며 압축공기원 (空氣源)에 연통한 터빈케이싱과, 상기 라이너내에 연료를 공급하는 연료 공급수단과, 상기 라이너와 미통의 외주벽의 사이에 냉각공기가 유통하는 간극을 통하여 라이너와 미통을 그 대략 전길이에 걸쳐 에워싸는 플로스리브와, 상기 플로스리브의 터빈부쪽에 치우친 영역에 형성한 임핀지 냉각을 위한 작은 구멍그룹과, 상기 영역보다도 연소기 라이너에 치우친 영역에 상기 라이너 외주벽면 냉각을 위한 공기도입개구부와, 상기 플로스리브의 터빈측 끝과 상기 리테이너링과의 사이에 형성되고, 리테이너링냉각용 냉각공기를 유통시키는 환상(環狀)의 개구부를 설치한 개스터빈 연소기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플로스리브는 2분할로 형성되어 있으며, 또한 연소기 라이너와 미통의 접속부 근방에 있어서 끼워 맞춤에 의하여 일체화되어 있는 개스터빈 연소기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 플로스리브와 미통 외주벽과의 간극을 작은구멍 그룹이 형성된 영역으로부터 연소기 라이너쪽으로 향함에 따라 커지도록 설정한 개스터빈 연소기.
KR1019870002317A 1986-03-20 1987-03-14 개스터빈 연소기 KR930003077B1 (ko)

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