KR102140781B1 - 열교환장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

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양기훈
김재철
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치는, 셸하우징; 상기 셸하우징의 상면 외측에 결합되어 통과하는 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기; 상기 열교환기의 공기 유로에 연결되도록 상기 셸하우징 내부에 설치되고 하단이 셸하우징 내면으로부터 소정 높이 이격되는 유로가이드; 및 상기 셸하우징의 양측벽에 관통하도록 설치되는 한 쌍의 공기배출구를 포함한다.

Description

열교환장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 {Heat exchanging apparatus and turbine comprising the same}
본 발명은 열교환장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소 가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
이러한 가스 터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
가스 터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0139603호
본 발명은 연소기로부터 터빈으로 공급되는 냉각용 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기를 셸하우징 외면에 구비하는 열교환장치 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치는, 셸하우징; 상기 셸하우징의 상면 외측에 결합되어 통과하는 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기; 상기 열교환기의 공기 유로에 연결되도록 상기 셸하우징 내부에 설치되고 하단이 셸하우징 내면으로부터 소정 높이 이격되는 유로가이드; 및 상기 셸하우징의 양측벽에 관통하도록 설치되는 한 쌍의 공기배출구를 포함한다.
상기 셸하우징의 내부 양측에 하단이 결합되고 양측벽으로부터 소정 간격을 갖도록 배치되는 한 쌍의 스크린부재를 더 포함할 수 있다.
상기 셸하우징은 중심이 수평하게 배치되는 원통 형태로 이루어질 수 있다.
상기 인쇄기판형 열교환기는, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제1플레이트와, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제2플레이트를 포함하고, 상기 인쇄기판형 열교환기는 복수의 제1플레이트와 복수의 제2플레이트가 교번으로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 서로 수직으로 배치될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 지그재그 형태로 이루어질 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로는 적어도 일부가 상기 제2플레이트의 유로와 평행하게 배열될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로는 입구부와 출구부 사이에 지그재그로 형성될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 각각 마름모 형태로 이루어질 수 있다.
상기 인쇄기판형 열교환기, 유로가이드, 한 쌍의 스크린부재, 한 쌍의 공기배출구가 설치된 셸하우징 2개 이상이 서로 연결 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 공기를 압축시키기 위한 압축기; 상기 압축기로부터 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기의 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈; 및 상기 압축기로부터 상기 터빈으로 공급되는 냉각용 공기를 냉각하는 열교환장치를 포함하고,
상기 열교환장치는, 셸하우징; 상기 셸하우징의 상면 외측에 결합되어 통과하는 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기; 상기 열교환기의 공기 유로에 연결되도록 상기 셸하우징 내부에 설치되고 하단이 셸하우징 내면으로부터 소정 높이 이격되는 유로가이드; 및 상기 셸하우징의 양측벽에 관통하도록 설치되는 한 쌍의 공기배출구를 포함한다.
상기 셸하우징의 내부 양측에 하단이 결합되고 양측벽으로부터 소정 간격을 갖도록 배치되는 한 쌍의 스크린부재를 더 포함할 수 있다.
상기 셸하우징은 수평하게 배치되는 원통 형태로 이루어질 수 있다.
상기 인쇄기판형 열교환기는, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제1플레이트와, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제2플레이트를 포함하고, 상기 인쇄기판형 열교환기는 복수의 제1플레이트와 복수의 제2플레이트가 교번으로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 서로 수직으로 배치될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 지그재그 형태로 이루어질 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로는 적어도 일부가 상기 제2플레이트의 유로와 평행하게 배열될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로는 입구부와 출구부 사이에 지그재그로 형성될 수 있다.
상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 각각 마름모 형태로 이루어질 수 있다.
상기 인쇄기판형 열교환기, 유로가이드, 한 쌍의 스크린부재, 한 쌍의 공기배출구가 설치된 셸하우징 2개 이상이 서로 연결 배치될 수 있다.
상기한 본 발명의 열교환장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 연소기로부터 터빈으로 공급되는 냉각용 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기를 셸하우징 외면에 구비하여, 사이즈를 작게 만들 수 있고, 열교환 부위를 분리함으로써 셸하우징 내부 온도를 비교적 저온으로 유지할 수 있다.
열교환기가 셸하우징 외부에 결합되기 때문에, 냉각수 주입을 위해 셸하우징에 관통공을 형성할 필요가 없다.
열교환기와 셸하우징을 볼트 및 너트로 체결하여 조립함으로써 열교환기를 쉽게 분리할 수 있고, 세척 또는 교체 작업이 용이하다.
셸하우징의 내부 양측에 하단이 결합되고 양측벽으로부터 소정 간격을 갖도록 배치되는 한 쌍의 스크린부재를 구비함으로써, 셸하우징 바닥에 고이는 응축수가 배출되는 공기에 포함되는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로 가스 터빈에는 여러 개의 열교환장치가 필요하므로, 열교환장치 여러 개를 연결함으로써 여러 열교환장치를 효과적으로 배치할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 공기 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치를 나타내는 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치를 나타내는 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 블레이드(1110)를 회전시키며, 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.
압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 환형으로 배치되는 복수의 연소 챔버(1210)와 연료 노즐 모듈(1220)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 하우징(1010)을 구비하고 있고, 하우징(1010)의 후측에는 터빈을 통과한 연소 가스가 배출되는 디퓨져(1400)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨져(1400)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1200)가 배치된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(1010)의 상류측에 압축기 섹션(1100)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(1100)과 터빈 섹션(1300)의 사이에는 터빈 섹션(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(1100)으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브 유닛(1500)이 배치되어 있다.
상기 압축기 섹션(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1120)들은 타이로드(1600)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 회전축을 구성하는 타이로드(1600)가 대략 중앙을 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 대향하는 면이 상기 타이로드(1600)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
상기 압축기 로터 디스크(1120)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(1110)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(1110)는 도브테일부(1112)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(1120)에 체결된다.
상기 각각의 로터 디스크(1120)의 사이에는 상기 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
상기 도브테일부(1112)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스 터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
상기 타이로드(1600)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(1120) 및 터빈 로터 디스크(1320)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 상기 타이로드(1600)는 하나 또는 복수의 타이로드로 구성될 수 있다. 상기 타이로드(1600)의 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 상기 타이로드(1600)의 타측 단부는 고정 너트(1450)에 의해 체결된다.
상기 타이로드(1600)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 2에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨져(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.
상기 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소 가스 온도를 높이게 된다.
가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.
한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소 가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소 가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.
상기 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소 가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
상기 터빈(1300)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(1300)에도 압축기의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(1320)가 구비된다. 따라서, 상기 터빈 로터 디스크(1320) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1340)를 포함한다. 터빈 블레이드(1340) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1320)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(1320)의 블레이드(1340)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.
도 3을 참조하면, 상기 터빈 로터 디스크(1320)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수 개의 결합 슬롯(1322)이 형성되어 있다. 상기 결합 슬롯(1322)은 전나무(fir-tree) 형태의 굴곡면을 갖도록 형성된다.
상기 결합 슬롯(1322)에 터빈 블레이드(1340)가 체결된다. 도 3에서, 상기 터빈 블레이드(1340)는 대략 중앙부에 평판 형태의 플랫폼부(1341)를 갖는다. 상기 플랫폼부(1341)는 이웃한 터빈 블레이드의 플랫폼부(1341)와 그 측면이 서로 접하여 블레이드들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다.
상기 플랫폼부(1341)의 저면에는 루트부(1342)가 형성된다. 상기 루트부(1342)는 상술한 로터 디스크(1320)의 결합 슬롯(1322)에 상기 로터 디스크(1320)의 축방향을 따라서 삽입되는, 액셜 타입(axial-type)의 형태를 갖는다.
상기 루트부(1342)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 상기 결합 슬롯에 형성된 굴곡부의 형태와 상응하도록 형성된다. 여기서, 상기 루트부의 결합구조는 반드시 전나무 형태를 가질 필요는 없고, 도브테일 형태를 갖도록 형성될 수도 있다.
상기 플랫폼부(1341)의 상부면에는 블레이드부(1343)가 형성된다. 상기 블레이드부(1343)는 가스 터빈의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지를 갖는다.
여기서, 상기 압축기의 블레이드와는 달리, 터빈의 블레이드는 고온고압의 연소 가스와 직접 접촉하게 된다. 상기 연소 가스의 온도는 1700℃℃에 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각 수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 상기 압축기의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 터빈측 블레이드로 공급하는 냉각 유로를 갖게 된다.
상기 냉각 유로는 상기 하우징 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 도 3에서, 상기 블레이드부의 표면에는 다수의 필름 쿨링홀(1344)이 형성되는데, 상기 필름쿨링홀(1344)들은 상기 블레이드부(1343)의 내부에 형성되는 쿨링 유로(미도시)와 연통되어 냉각 공기를 상기 블레이드부(1343)의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 공기 흐름을 나타내는 개략도이다.
가스 터빈(1000)은 회전축으로 연결되는 압축기(1100)와 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 연소기(1200)가 연결되어 공기와 연료 가스가 연소기(1200)에서 연소된다. 고온 연소 가스는 터빈(1300) 내에서 팽창되면서 터빈 블레이드(1340)를 회전시키고 그에 따라 회전축이 회전된다.
이 회전축은 압축기(1100)에 발전기(1700)와 연결되어 발전하게 된다.
압축기(1100)는 주위 공기(1810)를 흡입하여 압축한다.
도시된 가스 터빈(10)은 2개의 압력 스테이지를 갖는 냉각 공기 시스템을 포함한다. 압축기(1)의 제1압력스테이지로부터, 제1냉각공기라인(1820)은 냉각 공기를 터빈(3)으로 안내하고, 이 냉각 공기는 터빈(3)의 저압 섹션의 열적 부하를 받은 부품을 냉각한다. 압축기(1)의 더 높은 압력의 제2압력스테이지로부터, 제2냉각공기라인(1830)이 냉각 공기를 터빈(3)으로 안내하고, 이 냉각 공기는 터빈(3)의 고압 및/또는 중압 섹션의 열적으로 부하를 받은 부품을 냉각한다.
제1냉각공기라인(1820)을 거쳐 냉각 공기 공급을 제어하기 위해, 제1냉각공기라인(1820)의 압축기(1100) 가까이에 제1제어밸브(1850)가 구비될 수 있다. 제1제어밸브(1850)는 제1냉각공기라인(1820)을 통해 공급되는 냉각 공기의 질량 유량을 제어할 수 있다.
제1냉각공기라인(1820)과 제2냉각공기라인(1830) 사이에는 연결라인(1840)이 배열될 수 있다. 연결라인(1840)에는, 보조 냉각 공기 유동을 위한 열교환장치(100) 및 제2제어밸브(1860)가 설치된다. 제2제어밸브(1860)가 개방되면, 보조 냉각 공기 유동은 제2냉각공기라인(1830)으로부터 연결라인(1840) 및 열교환장치(100)를 통해 제1냉각공기라인(1820) 내로 유동할 수 있다.
연결라인(1840)을 통한 보조 냉각 공기에 의한 저압 냉각이 충분히 실현되면, 제1제어밸브(1850)는 완전히 닫히고 제1냉각공기라인(1820)으로의 냉각 공기 공급은 연결라인(1840)을 통해서만 이루어질 수 있다.
터빈(1300)을 회전시킨 연소 가스는 배기가스(1870)가 되어 외부로 배출되거나 배기가스 처리장치로 유입되어 처리된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치를 나타내는 종단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치를 나타내는 사시도이다.
열교환장치(100)는 셸하우징(110)과, 이 셸하우징(110)의 상면 외측에 결합되어 통과하는 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기(120)와, 열교환기의 공기 유로에 연결되도록 셸하우징 내부에 설치되고 하단이 셸하우징 내면으로부터 소정 높이 이격되는 유로가이드(150)와, 셸하우징의 양측벽에 관통하도록 설치되는 한 쌍의 공기배출구(170)를 포함한다.
셸하우징(110)은 중심이 수평하게 배치되는 원통 형태로 이루어질 수 있다. 셸하우징(110)은 원통 형태가 아니라 사각통 형태로 이루어질 수도 있다.
인쇄기판형 열교환기(120)는 셸하우징(110)의 상면 외측에 배치되어 상하방향으로 통과하는 공기 유로와, 수평방향으로 통과하는 냉각수 유로를 포함한다. 열교환기(120)가 미세 유로가 형성된 플레이트들이 적층되어 접합된 인쇄기판형 열교환기(120)이기 때문에, 열교환기의 크기가 핀-튜브 타입 열교환기에 비해 작게 형성될 수 있다.
열교환기(120)는 셸하우징(110)의 상면에 형성된 사각형 개구부에 용접되어 결합되거나, 열교환기(120)의 하단에 구비된 브라켓을 통해 볼트 및 너트에 의해 셸하우징(110)에 체결될 수 있다.
열교환기(120)의 일측면에는 유입측 헤더(121)가 결합되고 이 유입측 헤더(121)에 냉각수 유입관(122)이 연결될 수 있다. 열교환기(120)의 타측면에는 유출측 헤더(123)가 결합되고 이 유출측 헤더(123)에 냉각수 유출관(124)이 연결될 수 있다.
열교환기(120)의 위에는 열교환기(120)로 공기가 유입되도록 안내하는 공기유입덕트(140)가 연결될 수 있다. 이 공기유입덕트(140)는 압축기(1100)로부터 압축된 공기의 일부가 열교환기(120)를 통과하도록 연결된다.
유로가이드(150)는 열교환기(120)의 하부에 연결되도록 설치되고, 열교환기(120)와 마찬가지로 직사각형 파이프 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 유로가이드(150)는 직육면체 케이스의 상면과 하면이 개구된 형태로 이루어질 수 있다. 유로가이드(150)의 하단은 셸하우징(110) 내부 바닥면으로부터 소정 높이 이격되도록 설치되어, 셸하우징(110) 바닥에 고이는 응축수에 유로가이드(150)가 잠기지 않을 정도로 배치될 수 있다.
공기배출구(170)는 셸하우징(110)의 양측벽에 소정 높이로 관통하도록 한 쌍이 설치된다. 공기배출구(170)는 유로가이드(150)의 하단보다 높은 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
한 쌍의 공기배출구(170)는 터빈(1300)으로 연결되어 열교환장치(100)에 의해 냉각된 공기를 공급한다.
셸하우징(110)의 내부 양측에는 하단이 결합되고 양측벽으로부터 소정 간격을 갖도록 배치되는 한 쌍의 스크린부재(160)가 구비될 수 있다. 이 스크린부재(160)는 공기배출구(170)로부터 소정 간격 이격되도록 배치되고, 직사각형 플레이트 형태로 이루어질 수 있다.
셸하우징(110)은 전면 및 후면에 원형의 커버플레이트가 결합되어 밀폐되는데, 스크린부재(160)도 그 전단과 후단이 커버플레이트에 결합될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
인쇄기판형 열교환기(120)는, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로(132)가 형성된 제1플레이트(130)와, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로(137)가 형성된 제2플레이트(135)를 포함한다.
인쇄기판형 열교환기(120)는 복수의 제1플레이트(130)와 복수의 제2플레이트(135)가 교번으로 적층되어 형성된다.
제1플레이트(130)에 형성된 제1유로(132)와 제2플레이트(135)에 형성된 제2유로(137)는 에칭에 의해 형성될 수 있다. 유로가 각각 형성된 복수의 제1플레이트(130)와 복수의 제2플레이트(135)는 교번으로 적층된 후 압착함으로써 확산 접합될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1플레이트(130)의 상면에 형성되는 복수의 제1유로(132)는 전체적으로 좌우방향으로 형성되고, 제1플레이트(130)의 일단과 타단에 복수의 유로가 모이는 입구부(131)와 출구부(133)가 형성될 수 있다.
제2플레이트(135)의 상면에 형성되는 복수의 제2유로(137)는 상하방향으로 평행하게 형성될 수 있다. 복수의 제2유로(137)의 일단과 타단에는 입구부(136)와 출구부(138)가 각각 형성될 수 있다. 복수의 제1유로(132)와 달리, 복수의 제2유로(137)의 입구부(136)와 출구부(138)는 유로들이 모이지 않고 독립적으로 형성될 수 있다.
제1플레이트(130)의 제1유로(132)와 제2플레이트(135)의 제2유로(137)는 대부분이 서로 수직으로 배치될 수 있다. 복수의 제1유로(132) 중 적어도 일단부는 입구부(131) 또는 출구부(133)를 향해 절곡되어 경사지게 배열될 수 있다.
제1플레이트(130)의 제1유로(132)로 냉각수가 통과하고, 제2플레이트(135)의 제2유로(137)로는 공기가 통과하면서 냉각수와 열교환에 의해 냉각될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1플레이트(130)의 제1유로(132)와 제2플레이트(135)의 제2유로(137)는 각각 지그재그 형태로 이루어질 수 있다. 각 유로가 지그재그 형태로 이루어짐으로써 유동 경로가 길어져서 열교환 효율이 높아질 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1플레이트(130)의 제1유로(132)는 적어도 일부가 제2플레이트(135)의 제2유로(137)와 평행하게 배열될 수 있다.
제1유로(132)의 입구부(131)은 좌측단에 배치되고 출구부(133)는 우측단에 배치된다. 제1유로(132)는 입구부(131)로부터 연결되고 상방으로 배치되었다가 하방으로 배치되는 것을 수차례 반복한 다음 출구부(133)에 연결될 수 있다.
즉, 제1플레이트(130)의 제1유로(132)는 입구부(131)와 출구부(133) 사이에 지그재그로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1유로(132)와 제2유로(137)를 통해 냉각수와 공기가 서로 평행하게 동일 또는 반대 방향으로 유동하기 때문에, 열교환 효율이 높아질 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환기의 적층 구조를 나타내는 평면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1플레이트(130)의 제1유로(132)와 제2플레이트(135)의 제2유로(137)는 각각 마름모 형태로 이루어질 수 있다.
입구부(131)는 제1플레이트(130)의 좌측 단부에 2군데 이상 형성될 수 있고, 복수의 제1유로(132) 중 입구부(131)와 바로 연결되지 않은 유로는 연결 유로에 의해 입구부(131)와 연결될 수 있다.
출구부(133)도 제1플레이트(130)의 우측 단부에 2군데 이상 형성될 수 있고, 복수의 제1유로(132) 중 출구부(133)와 바로 연결되지 않은 유로는 연결 유로에 의해 출구부(133)와 연결될 수 있다.
제2플레이트(135)의 복수의 제2유로(137)는 상측 단부에 복수의 입구부(136)가 형성되고 하측 단부에 복수의 출구부(138)가 형성될 수 있다.
마름모 형태로 이루어진 제1유로(132)와 제2유로(137)는 유로의 특정 부위가 이물질에 의해 막히더라도 다른 유로를 통해 유체가 유동할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환장치를 나타내는 사시도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 인쇄기판형 열교환기(120), 유로가이드(150), 한 쌍의 스크린부재(160), 한 쌍의 공기배출구(170)를 구비하는 셸하우징(110) 2개 이상이 서로 연결되어 배치될 수 있다.
일반적으로, 가스 터빈(1000)에는 2개 이상의 열교환기가 필요하다. 이 경우, 두 셸하우징(110) 사이에는 격벽이 구비되어 두 셸하우징(110) 내부의 유체가 서로 섞이지 않도록 분리할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스 터빈 1010: 하우징
1100: 압축기 1110: 압축기 블레이드
1112: 도브테일부 1120: 압축기 로터 디스크 유닛
1130: 압축기 냉각공기 공급유로 1200: 연소기
1300: 터빈 1320: 터빈 로터 디스크
1322: 결합 슬롯
1330: 터빈 베인 1340: 터빈 블레이드
1341: 플랫폼부 1342: 루트부
1343: 블레이드부 1344: 필름쿨링홀
1400: 디퓨져 1450: 고정너트
1500: 토크튜브 유닛 1600: 타이로드
1700: 발전기
1810: 주위 공기 1820: 제1냉각공기라인
1830: 제2냉각공기라인 1840: 연결라인
1850: 제1제어밸브 1860: 제2제어밸브
1870: 배기가스
100: 열교환장치 110: 셸하우징
120: 열교환기 121: 유입측 헤더
122: 냉각수 유입관 123: 유출측 헤더
124: 냉각수 유출관
130: 제1플레이트 131: 입구부
132: 제1유로 133: 출구부
135: 제2플레이트 136: 입구부
137: 제2유로 138: 출구부
140: 공기유입덕트 150: 유로가이드
160: 스크린부재 170: 공기배출구
180: 배수관 185: 배수밸브

Claims (20)

  1. 중심이 수평하게 배치되는 원통 형태로 이루어진 셸하우징;
    상기 셸하우징의 상면 외측에 결합되어 통과하는 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기;
    상기 열교환기의 공기 유로에 연결되도록 상기 셸하우징 내부에 설치되고 하단이 셸하우징 내면으로부터 소정 높이 이격되는 유로가이드;
    상기 셸하우징의 양측벽에 관통하도록 설치되는 한 쌍의 공기배출구; 및
    상기 셸하우징의 내부 양측에 하단이 결합되고 양측벽으로부터 소정 간격을 갖도록 배치되는 한 쌍의 스크린부재를 포함하고,
    상기 인쇄기판형 열교환기는, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제1플레이트와, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제2플레이트를 포함하고, 상기 인쇄기판형 열교환기는 복수의 제1플레이트와 복수의 제2플레이트가 교번으로 지면에 세로로 적층되어 형성되며,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 서로 수직으로 배치되고, 냉각수가 상기 제1플레이트의 유로를 일측면에서 타측면으로 통과하며, 공기가 상기 제2플레이트의 유로를 위에서 아래로 통과하는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 서로 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 지그재그 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로는 적어도 일부가 상기 제2플레이트의 유로와 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로는 입구부와 출구부 사이에 지그재그로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 각각 마름모 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄기판형 열교환기, 유로가이드, 한 쌍의 스크린부재, 한 쌍의 공기배출구가 설치된 셸하우징 2개 이상이 서로 연결 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
  11. 공기를 압축시키기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기;
    상기 연소기의 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈; 및
    상기 압축기로부터 상기 터빈으로 공급되는 냉각용 공기를 냉각하는 열교환장치를 포함하고,
    상기 열교환장치는,
    중심이 수평하게 배치되는 원통 형태로 이루어진 셸하우징;
    상기 셸하우징의 상면 외측에 결합되어 통과하는 공기를 냉각하는 인쇄기판형 열교환기;
    상기 열교환기의 공기 유로에 연결되도록 상기 셸하우징 내부에 설치되고 하단이 셸하우징 내면으로부터 소정 높이 이격되는 유로가이드;
    상기 셸하우징의 양측벽에 관통하도록 설치되는 한 쌍의 공기배출구; 및
    상기 셸하우징의 내부 양측에 하단이 결합되고 양측벽으로부터 소정 간격을 갖도록 배치되는 한 쌍의 스크린부재를 포함하고,
    상기 인쇄기판형 열교환기는, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제1플레이트와, 상면에 서로 이웃하여 배치되는 복수의 유로가 형성된 제2플레이트를 포함하고, 상기 인쇄기판형 열교환기는 복수의 제1플레이트와 복수의 제2플레이트가 교번으로 지면에 세로로 적층되어 형성되며,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 서로 수직으로 배치되고, 냉각수가 상기 제1플레이트의 유로를 일측면에서 타측면으로 통과하며, 공기가 상기 제2플레이트의 유로를 위에서 아래로 통과하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 서로 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 지그재그 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로는 적어도 일부가 상기 제2플레이트의 유로와 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로는 입구부와 출구부 사이에 지그재그로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 유로와 상기 제2플레이트의 유로는 각각 마름모 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 인쇄기판형 열교환기, 유로가이드, 한 쌍의 스크린부재, 한 쌍의 공기배출구가 설치된 셸하우징 2개 이상이 서로 연결 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
KR1020190065970A 2019-06-04 2019-06-04 열교환장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 KR102140781B1 (ko)

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