KR101863774B1 - 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조 및 이를 포함하는 가스 터빈용 연소기 - Google Patents

트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조 및 이를 포함하는 가스 터빈용 연소기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조 및 이를 포함하는 가스 터빈용 연소기에 관한 것으로, 상세히는 덕트 조립체의 냉각을 위한 트랜지션 피스 및 유동 슬리브로 이루어진 이중 구조의 측면부에 적용되는 스쿠프 배치구조로서, 상기 트랜지션 피스의 바깥을 감싸는 유동 슬리브에는 다수의 냉각홀이 형성되고, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 냉각홀 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프가 구비되어 스쿠프 배치군을 형성하되, 상기 스쿠프는 상기 냉각홀 가장자리에 근접하여 돌출 형성되고, 소정의 인입직경을 가지면서 인입부가 압축공기의 유입방향을 향하도록 곡면으로 형성되며, 상기 스쿠프 배치군은 상기 측면부에 형성된 스쿠프의 인입직경이 상부열로 가면서 점진적으로 증가하는 함으로써, 상대적으로 필름 냉각효율이 떨어지는 트랜지션 피스의 상부영역에 효과적으로 냉각용 압축공기를 전달할 수 있는 스쿠프 배치구조 및 이를 포함하는 가스 터빈용 연소기에 관한 것이다.

Description

트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조 및 이를 포함하는 가스 터빈용 연소기{SCOOP ARRANGEMENT FOR ENHANCING COOLING PERFORMANCE OF TRANSITION PIECE AND A GAS TURBINE COMBUSTOR USING THE SAME}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세히는 가스 터빈용 연소기에 적용되는 덕트 조립체의 필름냉각 성능향상을 위한 유동 슬리브의 구조에 관한 것이다.
가스 터빈용 연소기는, 압축기 및 터빈 사이에 구비되어 압축기에서 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 연소가스의 열에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 터빈에 보내는 역할을 수행한다.
이러한 연소기에는 고온의 연소가스와 직접 접촉하는 트랜지션 피스 및 이를 감싸는 유동 슬리브 등으로 이루어진 덕트 조립체가 구비되는데, 트랜지션 피스 등은 적절한 냉각이 필수적이므로 이를 위하여 압축기에서 흘러나온 압축공기의 일부 또는 전부를 유동 슬리브의 냉각홀 및 포집수단(스쿠프) 등을 통하여 안쪽의 환형 공간부로 침투시켜 트랜지션 피스의 냉각을 도모하고 있다.
그런데 종래의 유동 슬리브 표면부에 배치된 냉각홀 및 포집수단(스쿠프)에 따르면 유동 슬리브의 측면부를 통해 인입되는 냉각용 압축공기는 위로 갈수록 상대적으로 그 흡입량이 줄어들 수 밖에 없으며, 포집수단(스쿠프)에 의해 포집력을 증가시키더라도 상부에 배치된 포집수단(스쿠프)에 도달하는 냉각용 압축공기는 하부에 배치된 포집수단(스쿠프)에 의해 감소할 수 밖에 없어 특히 트랜지션 피스의 상부영역(도 3 참조 : H)은 고온에 지속적으로 노출되어 전체적인 냉각효율이 떨어지게 되는 문제가 있었다.
미국 등록특허공보 제6,494,044호(명칭 : Aerodynamic devices for enhancing sidepanel cooling on an impingement cooled transition duct and related method)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 가스 터빈용 연소기에 구비되는 덕트 조립체 내에서 고온의 연소가스가 통과하는 트랜지션 피스의 냉각성능을 향상시키기 위하여 유동 슬리브에 적용되는 스쿠프 배치구조를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 상대적으로 필름 냉각효율이 떨어지는 트랜지션 피스의 상부영역에 효과적으로 냉각용 압축공기를 전달하기 위한 스쿠프 배치구조를 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조는, 덕트 조립체의 냉각을 위한 트랜지션 피스 및 유동 슬리브로 이루어진 이중 구조의 측면부에 적용되는 스쿠프 배치구조로서, 상기 트랜지션 피스의 바깥을 감싸는 유동 슬리브에는 다수의 냉각홀이 형성되고, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 냉각홀 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프가 구비되어 스쿠프 배치군을 형성하되, 상기 스쿠프는 상기 냉각홀 가장자리에 근접하여 돌출 형성되고, 소정의 인입직경을 가지면서 인입부가 압축공기의 유입방향을 향하도록 곡면으로 형성되며, 상기 스쿠프 배치군은 상기 측면부에 형성된 스쿠프의 인입직경이 상부열로 가면서 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프(이하, n은 자연수)의 인입직경보다 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프가 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스쿠프 배치군은 상기 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경과는 동일하고, 동시에 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경보다 제n+2 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제n 열에 형성된 스쿠프 사이의 간격보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스쿠프의 인입직경은 측면부에서 돌출된 스쿠프의 이격거리와 실질적으로 같은 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측면부에 형성된 다수의 냉각홀은 제n 열에 형성된 냉각홀 및 제n+1 열에 형성된 냉각홀이 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조가 적용된 덕트조립체 및 가스 터빈용 연소기는, 상기 덕트 조립체는 라이너와 트랜지션 피스의 바깥을 감싸도록 유동 슬리브가 구비되어 상기 트랜지션 피스와 이중구조를 형성하고, 상기 유동 슬리브에는 다수의 냉각홀이 형성되며, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 냉각홀 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프가 구비되되, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 상기 스쿠프는 상기 냉각홀 가장자리에 근접하여 돌출 형성되고, 소정의 인입직경을 가지면서 인입부가 압축공기의 유입방향을 향하도록 곡면으로 형성되며, 상기 스쿠프의 인입직경이 상부열로 가면서 점진적으로 증가하도록 상기 유동 슬리브의 측면부에 스쿠프가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제n 열에 형성된 스쿠프 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프가 서로 엇갈리게 배치되되, 상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경과는 동일하고, 동시에 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경보다 제n+2 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 스쿠프 배치구조를 덕트 조립체의 유동 슬리브 및 이를 포함한 가스 터빈의 연소기에 적용함으로써, 유동 슬리브 및 트랜지션 피스로 감싸여진 이중 구조내 공간부에 냉각용 압축공기의 흡입량을 증가시켜 트랜지션 피스의 냉각성능을 향상시키는 이점이 있다.
특히, 연소가스로 인한 고온영역임에도 냉각용 압축공기의 전달이 상대적으로 부족한 트랜지션 피스의 상부영역로의 유동을 극대화하여 트랜지션 피스의 필름 냉각효율을 향상시키는 이점이 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 가스 터빈의 전체적인 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 가스 터빈의 연소기 및 압축기로부터 냉각용 압축공기의 인입을 설명한 도면이다.
도 3은 연소기의 조립체 덕트를 이루는 유동 슬리브 및 냉각용 압축공기의 인입을 설명한 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조의 일 실시예가 적용된 유동 슬리브의 전개도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조의 일 실시예가 적용된 유동 슬리브 측면부를 나타낸 개념도이다.
도 6는 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조의 다른 실시예가 적용된 유동 슬리브 측면부를 나타낸 개념도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 도 6의 스쿠프 배치구조에 구비되는 스쿠프의 정면도 및 측단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조에 따른 냉각용 압축공기의 흡입효과를 설명한 정면도이다.
도 9은 도 8의 스쿠프 배치구조에 따른 냉각용 압축공기의 흡입효과를 설명한 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조의 또 다른 실시예가 적용된 유동 슬리브 측면부를 나타낸 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부여할 것이며, 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.
그리고, 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 개재되면서 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고도 이해되어야 할 것이다.
가스 터빈의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따른다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈은 압축기와 연소기, 터빈을 포함한다. 도 1은 가스 터빈(1000)의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분이며, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 것이 주된 역할이다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다. 도 1과 같은 대형 가스 터빈(1000)에서의 압축기(1100)는 다단 축류 압축기로 구성되어 각 단을 거치면서 목표로 하는 압축비까지 대량의 공기를 압축한다.
그리고, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 낸다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 구비되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 복수 개의 버너(1220)가 배치된다. 각 버너(1220)에는 수 개의 연소 노즐(1230)이 구비되며, 이 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.
가스 터빈(1000)에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있다. 법적 규제의 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵기는 하지만 연소온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.
예혼합 연소의 경우에는 압축공기가 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.
연소기(1200)는 가스 터빈(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 특히 가스 터빈(1000)에 있어서는 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)가 매우 중요하게 취급되는데, 일반적으로 터빈 입구 온도가 높을수록 가스 터빈(1000)의 효율이 증가하기 때문이다. 또한, 터빈 입구 온도가 높을수록 가스 터빈 복합 발전에도 유리하다. 이 때문에 가스 터빈(1000)의 클래스(등급)를 분류할 때도 터빈 입구 온도를 기준으로 한다.
터빈 입구 온도를 올리기 위해서는 결국 연소가스의 온도를 상승시켜야 하고, 따라서 고온의 연소가스가 유동하는 연소기(1200)의 연소실(1240)과 유로를 형성하는 덕트 조립체의 재질이 강한 내열성능을 가지도록 하는 것은 물론 양호하게 냉각시킬 수 있는 설계가 중요하다.
도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체, 즉 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270)로 이루어진 덕트 조립체의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 연소 노즐(1230) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체가 적절히 냉각된다.
덕트 조립체는 탄성 지지수단(1280)을 매개로 연결된 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)의 바깥을 유동 슬리브(1270)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1270) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 냉각시킨다.
라이너(1250)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1250) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 그리고, 라이너(1250)와 연결되는 트랜지션 피스(1260)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 유동 슬리브(1270)는 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.
특히, 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)는 고온의 연소가스에 직접 접촉하기 때문에 적절한 냉각이 필수적이다. 기본적으로는 압축공기를 이용한 필름 냉각을 통해 고온의 연소가스로부터 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 보호한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것과 같이, 효과적인 필름 냉각을 위해 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)의 내주면으로 압축공기를 직접 도입하기 위한 복잡한 이중벽 구조를 취하기도 한다.
그리고, 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)의 각 일단은 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 탄성 지지수단(1280)은 열팽창에 의한 길이 및 직경 신장을 수용할 수 있는 구조로 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 지지할 수 있어야 한다.
연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 덕트 조립체를 통해 터빈(1300)에 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
가스 터빈(1000)은 주요 구성부품이 왕복운동을 하지 않기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복운동 기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
그리고, 브레이튼 사이클에서의 열효율은 공기를 압축하는 압축비가 높을수록, 그리고 전술한 바와 같이 등엔트로피 팽창 과정으로 유입되는 연소가스의 온도(터빈 입구 온도)가 높을수록 올라가기 때문에 가스 터빈(1000)도 압축비와 터빈(1300) 입구에서의 온도를 올리는 방향으로 발전하고 있다.
이하 도 2 내지 도 10을 참조하여, 상기 가스 터빈(1000)의 연소기(1200) 및 덕트 조립체에 적용되는 본 발명인 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프(Scoop : 300) 배치구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 가스 터빈의 연소기(1200) 및 압축기(1100)로부터 냉각용 압축공기(A)의 인입을 설명한 도면이고, 도 3은 연소기의 조립체 덕트를 이루는 유동 슬리브(1270)의 측면부에 냉각용 압축공기(A)가 인입되는 모습을 설명한 측면도이다.
본 발명인 스쿠프 배치구조는 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체의 냉각을 위한 것으로, 구체적으로 상기 덕트 조립체의 냉각을 위해서 앞서 설명한 트랜지션 피스(1260) 및 유동 슬리브(1270)로 이루어진 이중 구조의 측면부(110)에 적용되는 스쿠프 배치구조를 의미한다.
상기 트랜지션 피스(1260)의 바깥을 감싸는 유동 슬리브(1270)에는 다수의 냉각홀(200)이 형성되고, 상기 유동 슬리브(1260)의 측면부(110)에 형성된 냉각홀(200) 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프(300)가 구비되어 스쿠프 배치군을 형성하게 된다.
도 3을 참조하면, 이러한 스쿠프(300)들은 측면부(110)의 축방향을 따라 소정의 열(X)을 형성한다. 또한 상기 열(X)은 적어도 2개 이상이 상하로 배치되어 상기 스쿠프 배치군을 이루게 된다.
따라서, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)에서 방출된 압축 공기(A)의 일부는 고온의 연소가스로 가열된 덕트 조립체, 특히 트랜지션 피스(1260)의 냉각을 위하여 중심축(로터축)에서 반경방향으로 유동 슬리브(1270)에 접근하게 된다(도 2를 기준으로 아래에서 접근하는 방향을 의미). 이러한 압축 공기(A)는 유동 슬리브(1270)의 하부면에 마련된 냉각홀들로 인입되는 것은 물론, 트랜지션 피스(1260)의 측면영역과 상부영역의 필름 냉각을 위하여 측면부(110)에서도 인입될 필요가 있다(도 3의 화살표 방향을 의미).
그러나 하부면(120)에 비하여 측면부(110)의 냉각홀(200)을 통해 인입되는 냉각용 압축공기(A)는 위로 갈수록 상대적으로 그 흡입량이 줄어들 수 밖에 없는 구조이고, 스쿠프(300)에 의해 포집력을 증가시키더라도 상대적으로 상부에 배치된 스쿠프 열에 도달하는 냉각용 압축공기(A)는 하부에 배치된 스쿠프 열에서 흡입된 만큼 감소하여 트랜지션 피스(1260)의 상부영역(H)은 고온에 지속적으로 노출되어 전체적인 냉각효율이 떨어지게 된다.
이에, 트랜지션 피스(1260)의 필름 냉각을 위해 기존의 냉각홀 및 스쿠프의 개수 및 형상 등은 동일하게 유지되면서(재료 및 용접비용 등 생산단가는 유지되면서), 냉각홀(200)의 일부 또는 전부에 마련되는 스쿠프(300)의 배치 등를 새롭게 제안하여 트랜지션 피스의 냉각성능을 향상시키기 위한 유동 슬리브(1270)상의 구체적인 스쿠프 배치구조를 이하 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조의 일 실시예가 적용된 유동 슬리브의 전개도를 나타낸 도면이다.
이를 참조하면, 본 발명의 스쿠프 배치군은 상기 양 측면부(110a)(110b)에 형성된 스쿠프(300)의 인입직경(r)이 상부열(X)로 가면서 점진적으로 증가하도록 형성된다(도 7 참조).
유동 슬리브(1270)의 하부면(120) 또는 상부면(130)은 인입되는 냉각용 압축 공기(A)의 유입방향과 거의 수직으로 맞닿아지므로 스쿠프(300) 등의 포집수단은 크게 요구되지 않는다. 다만, 트랜지션 피스(1260) 및 유동 슬리브(1270)를 포함하는 덕트 조립체의 설치 구조 등에 따라 압축 공기의 인입방향이 변경된다면, 이에 따라 상부면(130) 또는 하부면(120)에도 스쿠프(300)가 형성될 수 있음은 물론이고, 본 발명인 스쿠프 배치구조가 트랜지션 피스(1260)의 반경방향 고온영역 냉각효과를 위해 상하열로 적용될 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명에 따른 트랜지션 피스(1260) 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조의 일 실시예가 적용된 유동 슬리브 측면부(110)를 나타낸 개념도이고, 도 6는 본 발명의 다른 실시예가 적용된 유동 슬리브 측면부(110)를 나타낸 개념도이다.
이를 참조하여 본 실시예를 기준으로 설명하면, 상기 스쿠프 배치군은 측면부(110)를 기준으로 상하 5개 열로 배치될 수 있다. 도 5 내지 도 6을 기준으로, 상기 스쿠프 배치군은 최하열에 제1 열에 형성된 스쿠프, 상열으로 가면서 순차적으로 제2 열 내지 제5 열에 형성된 스쿠프가 배치된다.
여기서, 본 발명은 제n 열에 형성된 스쿠프(이하, n은 자연수이며, 본 실시예에서 n은 1 내지 4이다)의 인입직경(r)보다 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경(r)이 증가하도록 구비될 수 있다.
구체적으로 도 5의 실시예에 따르면, 상기 측면부(110)에 형성된 다수의 냉각홀(200)이 직교형으로 형성된 경우, 즉 제n 열에 형성된 냉각홀 및 제n+1 열에 형성된 냉각홀이 상하로 동일한 기준선상에 배치되는 경우, 각 냉각홀(200)에 구비된 스쿠프(300)의 인입직경은 점진적으로 증가하게 구비될 수 있다.
또한, 도 6의 실시예에 따르면, 상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프가 서로 엇갈리게 배치될 수 있다. 즉 상기 측면부(110)에 형성된 다수의 냉각홀(200)이 제n 열에 형성된 냉각홀(200) 및 제n+1 열에 형성된 냉각홀(200)이 서로 엇갈리게 배치되면서, 동시에 상기 제n+1 열에 형성된 냉각홀(200)과 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 냉각홀(200)은 상기 제n 열에 형성된 냉각홀(200)과 동일한 기준선상에 배치되는 냉각홀 배치군을 기준으로 상기 냉각홀(200)에 각각 스쿠프(300)가 마련되는 경우, 상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프(300) 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프(300)가 서로 엇갈리게 배치되면서, 동시에 상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치될 수 있다.
도 6의 실시예를 참조하면, 상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경(r)보다 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경(r)이 점진적으로 증가하도록 구비되되, 구체적으로 본 발명의 상기 스쿠프 배치군은 상기 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경과는 동일하고, 동시에 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경보다 제n+2 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 증가하도록 배치될 수 있다.
예를 들면, 제1 열(X1)에 형성된 스쿠프(300)의 인입직경(r1)은 제2열에 형성된 스쿠프(300)의 인입직경(r2)과 동일하지만, 제3 열(X3)에 형성된 스쿠프(300)의 인입직경(r3)과 비교해보면 제1 열(X1)에 형성된 인입직경(r1)보다 커지도록 배치되므로, 결과적으로 제1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제3 열 내지 제5 열로 가면서 그 크기가 점진적으로 증가하도록 배치되는 것이다.
제1 열 내지 제5 열에 형성된 스쿠프(300)의 인입직경(r)의 의미는 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 스쿠프(300)의 정면도 및 측단면도를 참고하여 구체적으로 설명한다.
이를 참조하면, 상기 스쿠프(300)는 상기 냉각홀(200) 가장자리에 근접하여 돌출 형성되도록 곡선의 융착부(310)가 구비되되, 상기 융착부(310)로부터 소정의 인입직경(r)을 가지면서 곡면으로 형성된 덮개부(320)가 구비되고, 상기 덮개부(320)의 내부에는 압축 공기(A)의 유입방향을 향한 개구부를 지닌 포집부(330)가 마련된다.
구체적으로, 상기 포집부(330)는 인입직경(r)과 실질적으로 동일한 크기의 개구부를 형성할 수 있는데, 다시 말하면 상기 스쿠프(300)의 인입직경(r)은 측면부(110)에서 돌출된 스쿠프(300)의 이격거리와 실질적으로 같은 값을 가질 수 있다.
상기 스쿠프(300)의 형상은 측면부(110)의 냉각홀(200) 부근에 접근하는 냉각용 압축공기(A)를 냉각홀(200)로 인입시키기 위한 소정의 인입직경(r)을 가진 물리적 돌출체면 족하므로, 본 실시예와 같은 사분의 일 구 형상의 스쿠프(300)로 한정되지 않고, 다각면체 스쿠프(300) 또는 본 실시예와 유사한 곡면을 일부 또는 전부 포함하면서 상하방향으로 개구부가 확장되는 스쿠프(300) 등이 포함될 수 있음은 물론이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명에 따른 트랜지션 피스(1260) 냉각성능 향상을 위한 스쿠프(300) 배치구조에 따른 냉각용 압축공기(A)의 흡입효과를 설명한 정면도 및 측면도이다.
이를 참조하면, 본 발명인 스쿠프 배치구조에 따라 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경(r)보다 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경(r)이 점진적으로 증가하도록 구비됨으로써, 최상부 또는 상부에 위치한 냉각홀(200)에서 유동 슬리브(1270) 및 트랜지션 피스(1260)로 감싸여진 이중 구조내 공간부에 인입되는 냉각용 압축 공기의 흡입량을 극대화시킬 수 있게 된다.
이에 따라, 가스 터빈용 연소기(1200)의 냉각 기능을 원활히 수행하기 위한 덕트 조립체의 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 특히 트랜지션 피스(1270)의 필름 냉각영역을 상부 또는 최상부로 고르게 퍼뜨려 전체적으로 냉각효율이 증대될 수 있다.
구체적으로 도 8의 실시예를 참조하면, 하측(또는 로터 중심축)에서 제공되는 압축 공기(A)의 일부는 제1 열(X1) 내지 제2 열(X2)의 스쿠프(300)의 인입직경(r1)(r2)에 따라 흡입량이 결정되어 트랜지션 피스(1260)의 이중 구조내 하측 공간부에서 유동할 것이고(도 8의 A1, A2 참조), 이어 상승하는 잔여 압축공기는 증가된 인입직경을 지닌 제3 열(X3) 내지 제4 열(X4)의 스쿠프(300)에 의해 포집되어 이중 구조내 상측 공간부에서 유동할 수 있게 된다(도 8의 A3, A4 참조).
또한, 상기 제2 열에 형성된 스쿠프(300)의 인입직경(r1)은 제1 열에 형성된 스쿠프(300) 사이의 간격보다 큰 값을 가지도록 배치함으로써, 근접한 열에서 분산 유동하는 압축 공기(A1, A2)를 더욱 효과적으로 포집할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 트랜지션 피스(1260)의 상부 또는 최상부의 고온영역에 압축공기의 전달량이 증가되도록 유동 슬리브(1270)의 측면부에 스쿠프(300)를 배치함에 있어 각 열마다 배치된 스쿠프(300)의 인입직경(r)이 상부열로 가면서 점진적으로 증가하도록 형성한다.
이와 같이 본 발명은 스쿠프(300)의 배치에 초점을 맞춘 것으로 스쿠프(300)에 의해 덮여지는 냉각홀(200)의 배치는 상대적으로 자유로울 수 있다. 또한, 모든 냉각홀(200)에 반드시 스쿠프(300)가 각각 마련될 필요는 없으므로, 측면부(110)에 배치된 냉각홀(200) 중에서 스쿠프(300)가 형성된 냉각홀(200)의 배치만을 따로 추출하여 스쿠프 배치군을 상정할 수 있을 것이다.
도 10은 이 같은 설명에 따른 본 발명의 스쿠프 배치구조가 적용된 유동 슬리브 측면부(110)의 개념도이다.
이를 참조하면, 측면부(110)에 형성된 다수의 냉각홀(200)이 직교형으로 형성됨을 전제로 하되, 제n 열에 형성된 스쿠프(300) 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프(300)가 서로 엇갈리게 배치되면서, 동시에 상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치될 수 있도록, 같은 열의 냉각홀(200)에서 스쿠프(300)는 교호적으로 형성될 수 있다.
동시에, 상기 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경과는 동일하고, 동시에 제n 열에 형성된 스쿠프의 인입직경보다 제n+2 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 증가하도록 배치될 수 있다.
이처럼, 덕트 조립체의 유동 슬리브(1260) 및 이를 포함한 가스 터빈의 연소기(1200)에 본 발명인 스쿠프 배치구조를 적용함으로써, 유동 슬리브 및 트랜지션 피스로 감싸여진 이중 구조내 공간부에 냉각용 압축공기의 흡입량을 증가시켜 트랜지션 피스의 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명인 스쿠프 배치구조가 적용됨으로써, 연소가스로 인한 고온영역임에도 냉각용 압축공기의 전달이 상대적으로 부족한 트랜지션 피스(1260)의 상부영역로의 유동을 증대시켜 덕트 조립체 전반의 냉각효율을 극대화할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 의한 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조 및 이를 포함하는 가스 터빈용 연소기에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다.
100 : 유동 슬리브 표면부 110 : 측면부
120 : 하부면 200 : 냉각홀
300 : 스쿠프 1000 : 가스 터빈
1200 : 연소기 1260 : 트랜지션 피스
1270 : 유동 슬리브 A : 압축 공기
r : 인입직경 X : 배치열

Claims (18)

  1. 덕트 조립체의 냉각을 위한 트랜지션 피스 및 유동 슬리브로 이루어진 이중 구조의 측면부에 적용되는 스쿠프 배치구조로서,
    상기 트랜지션 피스의 바깥을 감싸는 유동 슬리브에는 다수의 냉각홀이 형성되고, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 냉각홀 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프가 구비되어 스쿠프 배치군을 형성하되,
    상기 스쿠프는 상기 냉각홀 가장자리에 근접하여 돌출 형성되고, 소정의 인입직경을 가지면서 인입부가 압축공기의 유입방향을 향하도록 곡면으로 형성되되 상기 스쿠프의 인입직경은 측면부에서 돌출된 스쿠프의 이격거리와 실질적으로 같은 값을 가지고,
    상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프(이하, n은 자연수) 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프가 서로 엇갈리게 배치되되 상기 압축공기의 유입방향을 기준으로 동일한 기준선 상에 배치된 각 열의 스쿠프는 상부열로 가면서 인입직경이 점진적으로 증가하고, 또한 인접한 두 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 동일한 배치가 반복되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제n 열에 형성된 스쿠프 사이의 간격보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측면부에 형성된 다수의 냉각홀은 제n 열에 형성된 냉각홀 및 제n+1 열에 형성된 냉각홀이 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조.
  9. 가스 터빈용 연소기에 구비된 덕트 조립체로서,
    상기 덕트 조립체는 라이너와 트랜지션 피스의 바깥을 감싸도록 유동 슬리브가 구비되어 상기 트랜지션 피스와 이중구조를 형성하고,
    상기 유동 슬리브에는 다수의 냉각홀이 형성되며, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 냉각홀 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프가 구비되어 스쿠프 배치군을 형성하되,
    상기 스쿠프는 상기 냉각홀 가장자리에 근접하여 돌출 형성되고, 소정의 인입직경을 가지면서 인입부가 압축공기의 유입방향을 향하도록 곡면으로 형성되되 상기 스쿠프의 인입직경은 측면부에서 돌출된 스쿠프의 이격거리와 실질적으로 같은 값을 가지고,
    상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프(이하, n은 자연수) 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프가 서로 엇갈리게 배치되되 상기 압축공기의 유입방향을 기준으로 동일한 기준선 상에 배치된 각 열의 스쿠프는 상부열로 가면서 인입직경이 점진적으로 증가하고, 또한 인접한 두 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 동일한 배치가 반복되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조를 포함하는 연소기용 덕트 조립체.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조를 포함하는 연소기용 덕트 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제n 열에 형성된 스쿠프 사이의 간격보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조를 포함하는 연소기용 덕트 조립체.
  14. 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체가 냉각되도록 덕트 조립체를 구비하되,
    상기 덕트 조립체는 라이너와 트랜지션 피스의 바깥을 감싸도록 유동 슬리브가 구비되어 상기 트랜지션 피스와 이중구조를 형성하고,
    상기 유동 슬리브에는 다수의 냉각홀이 형성되며, 상기 유동 슬리브의 측면부에 형성된 냉각홀 중 적어도 일부에는 각각 스쿠프가 구비되어 스쿠프 배치군을 형성하되,
    상기 스쿠프는 상기 냉각홀 가장자리에 근접하여 돌출 형성되고, 소정의 인입직경을 가지면서 인입부가 압축공기의 유입방향을 향하도록 곡면으로 형성되되 상기 스쿠프의 인입직경은 측면부에서 돌출된 스쿠프의 이격거리와 실질적으로 같은 값을 가지고,
    상기 스쿠프 배치군은 제n 열에 형성된 스쿠프(이하, n은 자연수) 및 제n+1 열에 형성된 스쿠프가 서로 엇갈리게 배치되되 상기 압축공기의 유입방향을 기준으로 동일한 기준선 상에 배치된 각 열의 스쿠프는 상부열로 가면서 인입직경이 점진적으로 증가하고, 또한 인접한 두 열에 형성된 스쿠프의 인입직경이 동일한 배치가 반복되는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조를 포함하는 가스 터빈용 연소기.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프와 서로 엇갈리게 배치된 제n+2 열에 형성된 스쿠프는 상기 제n 열에 형성된 스쿠프와 동일한 기준선상에 배치되고, 상기 제n+1 열에 형성된 스쿠프의 인입직경은 제n 열에 형성된 스쿠프 사이의 간격보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 트랜지션 피스 냉각성능 향상을 위한 스쿠프 배치구조를 포함하는 가스 터빈용 연소기.
  18. 삭제
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