KR20160110264A

KR20160110264A - 이중벽을 갖는 연소 챔버

Info

Publication number: KR20160110264A
Application number: KR1020160030134A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 토마스 마우레르; 펠릭스 바움가르트너
Original assignee: 안살도 에네르기아 스위질랜드 아게
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2016-09-21
Also published as: US20160265776A1; CN105972637A; EP3067622A1; US10648667B2; CN105972637B; EP3067622B1; JP2016186415A

Abstract

본 발명은 작동 중에 고온 가스 유로 내에서 고온 가스 유동(9)을 안내하기 위한 덕트벽(10)을 포함하는 연소 챔버(26)에 관한 것이다. 덕트벽(10)은 내부면(11), 외부면(12), 및 벽 캐비티(13)를 포함하는 이중벽 구성이다. 슬리브(15)가 덕트벽(10)의 외부면을 따라 슬리브(15)와 덕트벽(10) 사이의 냉각 채널(17) 내에서 냉각 가스(16)를 출구 단부(21)로 안내하기 위해 덕트벽(10)을 적어도 부분적으로 포위하고, 캐비티는 냉각 채널(17)로 개방되어 있다.
본 발명은 또한 이러한 연소 챔버(26)를 포함하는 가스 터빈(1)에 관한 것이다.

Description

이중벽을 갖는 연소 챔버 {COMBUSTION CHAMBER WITH DOUBLE WALL}

본 발명은 냉각식 연소 챔버벽에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 냉각식 이중벽들을 갖는 연소 챔버에 관한 것이다.

발전 사이클들의 열역학적 효율은 예를 들어, 가스 터빈의 경우에 연소기를 나오는 고온 가스의 최대 온도인 그 작동 유체의 최대 온도에 의존한다. 고온 가스의 최대 실행 가능 온도는 연소 배출물들에 의해 뿐만 아니라 이 고온 가스와 접촉하는 금속 부품들의 작동 온도 한계에 의해, 그리고 이들 금속 온도 한계 미만으로 이들 부품들을 냉각하는 능력에 의해 제한된다. 진보형 헤비 듀티 가스 터빈의 고온 가스 유로들을 형성하는 고온 가스 덕트벽들의 냉각은 어렵고 현재 공지된 냉각 방법들은 성능 페널티들을 갖는데, 즉 전력 및 효율의 감소를 유도한다.

고온 연소 가스들에 노출된 연소기벽들의 냉각은 가스 터빈의 수명을 보장하기 위해 필수적이다. 연소 챔버들의 벽들을 따라 냉각 가스를 안내하기 위한 냉각 슬리브들이 제안되어 왔다. 예를 들어, 충돌 냉각과 연소 챔버를 따라 냉각 가스를 안내하기 위한 슬리브들의 조합이 EP 13 190 131.6호에 개시되어 있다. 덕트의 충돌 냉각을 위해, 슬리브는 덕트의 다른 표면으로부터 짧은 거리 이격하여 배치된다. 충돌 슬리브는 덕트의 외부면 상에 충돌하여 이를 냉각하는 공기 제트들의 어레이를 발생하기 위해 압축된 냉각 가스가 그를 통해 배출되는 구멍들의 어레이를 포함한다. 충돌 후에, 냉각 가스는 덕트의 일 단부를 향해 덕트 및 충돌 슬리브에 의해 경계한정된 냉각 경로 내에서 유동한다. 충돌 냉각은 연소 챔버 주위에서 전체 원주방향들로부터 제공되어야 한다. 슬리브 냉각을 공급하기 위한 충분한 냉각 가스의 공급은 가스 터빈 내의 연소기 장치를 둘러싸는 플레넘(plenum) 내의 공간 제약들에 기인하여 어려울 수 있다. 이들 공간 제약들은 슬리브 냉각을 위한 공급 채널들 내의 작은 단면들을 유도할 수 있고, 이는 이어서 냉각 장치의 압력 강하를 증가시킨다. 증가된 압력 강하는 가스 터빈의 전체 성능에 불리할 수 있는 대응하는 높은 냉각 가스 공급 압력 요구들을 유도한다.

EP 2 031 302 A1호는 효율적인 벽 냉각을 위해 연소기 내에 일체화된 냉각 채널들을 갖는 연소기벽을 설명하고 있다. 벽을 냉각한 후에, 냉각 공기는 연소기 챔버 내로 배출된다.

본 발명의 목적은 덕트벽의 효율적인 냉각을 허용하는 연소 챔버를 제안하는 것이다. 이와 관련하여, 연소 챔버는 연소가 발생하는 연소기의 섹션을 포함할 수 있다. 연소 챔버는 소위 전이 구역을 또한 포함할 수 있다. 이는 연소기의 단면 영역이 주 연소 구역과 고온 가스 유동을 터빈 입구를 향해 안내하는 출구 사이에서 하류측 방향으로 점진적으로 감소된ㄴ 주 연소 구역의 하류측의 영역이다.

냉각 가스는 연소기가 공기 흡입 가스 터빈 내에 설치되면 가스 터빈의 압축기에 의해 압축되어 있는 공기일 수 있다. 이는 임의의 다른 가스 또는 가스들의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 냉각 가스는 압축기 입구 내로의 연도 가스 재순환을 갖는 가스 터빈을 위한 공기와 연도 가스들의 혼합물일 수 있다. 냉각 가스는 예를 들어, 또한 연료와 산소가 연소를 위해 연소 챔버 내에 분사되는 작동 매체로서 이산화탄소를 갖는 반폐쇄형 산소-연료 가스 터빈 사이클을 위한 이산화탄소일 수 있다.

개시된 연소 챔버는 작동 중에 고온 가스 유로 내에서 고온 가스 유동을 안내하기 위한 덕트벽을 포함한다. 덕트벽은 내부면, 외부면, 및 캐비티 입구로부터 덕트벽을 따라 캐비티 출구로 연장하는 벽 캐비티를 포함하는 이중벽 구성이다. 덕트벽을 따른다는 것은 예를 들어, 캐비티가 덕트벽의 표면에 실질적으로 평행하게 연장하고 표면 아래의 벽 내부에 잔류하는 것을 의미한다. 연소 챔버는 덕트벽을 적어도 부분적으로 포위하고 덕트벽의 외부면을 따라 슬리브와 덕트벽 사이의 냉각 채널 내에서 냉각 가스를 출구 단부로 안내하는 슬리브를 추가로 포함한다. 캐비티 출구는 냉각 채널로 개방되어 있다. 작동 중에, 냉각 가스는 캐비티 입구를 통해 벽 캐비티로 공급된다. 벽 캐비티를 통해 통과한 후에, 냉각 가스는 캐비티 출구로부터 냉각 채널 내로 배출된다. 냉각 가스는 냉각 채널을 통해 냉각 채널의 출구 단부를 향해 유동함에 따라 덕트벽을 또한 냉각한다.

이중벽은 예를 들어, 주조될 수 있고, SLM(Selective Laser Melting: 선택적 레이저 용융)에 의해 제조될 수 있고 또는 함께 브레이징되거나 용접되는 벽층들로부터 제조될 수 있다.

연소 챔버의 다른 실시예에 따르면, 슬리브는 덕트벽을 둘러싸는 복수의 개구들을 포함하고, 복수의 개구들은 작동 중에 압축 가스 플레넘으로부터 개구들을 통해 분사되는 냉각 가스가 덕트벽 상에 충돌하도록 덕트벽으로부터 소정 거리 이격되어 있다. 덕트벽의 충돌 냉각 후에, 냉각 가스는 냉각 채널의 출구 단부를 향해 교차 유동(cross flow)으로서 유동한다.

연소 챔버의 또 다른 실시예에 따르면, 덕트벽의 충돌 냉각을 위한 캐비티 입구 및 개구들이 동일한 압축 가스 플레넘에 연결된다. 따라서, 냉각 가스 소스로서 일 플레넘으로부터의 냉각 가스는 벽 캐비티들을 통해 유동하는 냉각 가스로의 열전달에 의한 냉각에 추가하여 충돌 냉각에 의해 덕트를 냉각하는데 사용될 수 있다. 양 냉각 유동들은 따라서 덕트벽을 추가로 냉각하기 위해 냉각 채널 내에서 재사용될 수 있다.

연소 챔버의 일 예시적인 실시예에서, 냉각 캐비티들은 덕트벽 주위로 원주방향으로 연소기의 축방향 연장부에 수직인 방향으로 연장한다.

다른 실시예에서, 덕트벽은 일측에 제 1 캐비티 입구 및 대향측에 제 2 캐비티 입구를 갖는 직사각형, 사다리꼴, 타원형, 또는 원형 단면을 갖는다. 직사각형 또는 사다리꼴 단면에서, 측면은 편평한 측벽이다. 원형 또는 타원형 단면에서, 측면은 예를 들어 30° 내지 90°, 또는 예를 들어 최대 150°의 각도를 커버하는 원, 및 타원의 각각의 섹션일 수 있다. 본 실시예에서, 제 1 캐비티 출구가 고온 가스 유동의 일측에서 제 1 및 제 2 캐비티 입구를 연결하는 벽 섹션 내에 배열되고, 제 2 캐비티 출구가 고온 가스 유동의 대향측에서 제 1 및 제 2 캐비티 입구를 연결하는 벽 섹션 내에 배열된다. 여기서, 벽 캐비티가 일측에서 캐비티 입구로부터 이웃하는 측에서 캐비티 출구로 연장한다.

대안적으로 또는 조합하여, 덕트벽은 일측에 캐비티 입구 및 대향측에 캐비티 출구를 갖는다. 여기서, 벽 캐비티가 일측의 캐비티 입구로부터 대향측의 캐비티 출구로 연장한다.

연소 챔버의 다른 실시예에서, 캐비티 입구는 덕트벽의 2개의 섹션들이 연결되어 있는 조인트 옆에 배열된다. 덕트벽은 상이한 섹션들로 이루어질 수 있다. 제조 및 안정성의 이유들로, 덕트벽의 섹션들이 서로 접합되거나 연결되는 영역을 이중벽으로서 구성하는 것은 어려울 수 있다. 조인트는 예를 들어 용접부 또는 플랜지일 수 있다. 조인트 영역을 냉각하기 위해, 조인트의 옆의 캐비티 입구를 통해 조인트에 밀접하게 냉각 가스를 도입하는 것이 최선이다. 이와 관련하여 조인트의 옆이라는 것은 예를 들어, 덕트벽의 두께의 정도, 더 구체적으로는 에를 들어 벽 두께의 1배 내지 5배의 거리 이내일 수 있다. 캐비티 입구에서, 냉각 가스 유동 방향은 통상적으로 덕트벽 표면에 경사진 또는 수직인 방향으로부터 덕트벽 표면에 접선인 방향으로 변화할 수 있다. 이 유동 방향의 변화는 조인트 영역을 냉각하는데 필요한 증가된 열전달을 유도한다. 대안적으로 또는 조합하여, 캐비티 출구는 조인트의 옆에 배열될 수 있다. 또한, 출구에서, 유동 방향은 통상적으로 변화되는데(예를 들어, 덕트벽 표면에 접선인 방향으로부터 표면에 경사진 또는 수직인 방향으로), 이는 증가된 열전달을 유도할 수 있다.

또 다른 구성에서, 덕트벽의 제 1 섹션은 벽 캐비티를 포함하는 이중벽으로서 구성되고, 제 2 섹션은 단일벽으로서 구성된다. 제 2 섹션은 냉각을 위해 슬리브 아래로 연장한다.

연소 챔버 외에, 압축기, 터빈 및 복수의 전술된 연소 챔버들을 갖는 연소기를 포함하는 가스 터빈이 본 발명의 목적이다.

구체적으로, 이러한 가스 터빈은 예를 들어, 작동 중에 고온 가스 유로 내에 고온 가스 유동을 안내하기 위한 덕트벽을 갖는 복수의 연소 챔버들을 포함할 수 있고, 덕트벽은 내부면, 외부면, 및 캐비티 입구로부터 덕트벽을 따라 캐비티 출구로 연장하는 벽 캐비티를 포함하는 이중벽 구성이다. 연소 챔버는 덕트벽을 적어도 부분적으로 포위하고 덕트벽의 외부면을 따라 슬리브와 덕트벽 사이의 냉각 채널 내에서 냉각 가스를 출구 단부로 안내하는 슬리브를 추가로 포함한다. 캐비티 출구는 냉각 채널로 개방되어 있다. 작동 중에, 냉각 가스는 캐비티 입구를 통해 벽 캐비티로 공급된다. 벽 캐비티를 통해 통과한 후에, 냉각 가스는 캐비티 출구로부터 냉각 채널 내로 배출된다. 냉각 가스는 냉각 채널을 통해 냉각 채널의 출구 단부를 향해 유동함에 따라 덕트벽을 또한 냉각한다.

다른 실시예에 따르면, 이 가스 터빈의 연소 챔버는 덕트벽을 둘러싸는 복수의 개구들을 포함하는 슬리브를 갖고, 복수의 개구들은 압축 가스 플레넘으로부터 개구들을 통해 분사된 냉각 가스가 작동 중에 덕트벽 상에 충돌하도록 덕트벽으로부터 소정 거리 이격되어 있다. 덕트벽의 충돌 냉각 후에, 냉각 가스는 냉각 채널의 출구 단부를 향해 교차 유동으로서 유동한다. 통상적으로, 냉각 채널의 출구 단부는 작동 중에 연소 챔버 내부의 고온 가스들의 고온 가스 유동 방향에 대해 연소 챔버의 상류측에 배열된다.

또 다른 실시예에 따르면, 가스 터빈은 압축 가스 플레넘, 예를 들어 압축기 플레넘을 갖고, 덕트벽의 충돌 냉각을 위한 개구들 및 캐비티 입구의 모두는 이 플레넘에 연결된다. 따라서, 냉각 가스 소스로서 일 플레넘으로부터 냉각 가스는 벽 캐비티들을 통해 유동하는 냉각 가스로의 열전달에 추가하여 충돌 냉각에 의해 덕트벽을 냉각하는데 사용될 수 있다. 양 냉각 유동들은 덕트벽을 추가로 냉각하기 위해 냉각 채널 내에서 재사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 냉각 채널의 출구 단부는 작동 중에 버너 내로의 냉각 가스의 도입을 위해 가스 터빈의 버너에 연결된다. 따라서, 냉각 가스는 연소 챔버의 냉각을 위해 사용된 후에 연소 가스로서 재사용될 것이다. 연소 챔버의 냉각 중에 열 취출에 기인하여 가열되는 냉각 가스의 이 재사용은 효율을 증가시키고, 냉각 가스가 연소 프로세스 주위에 바이패스되지 않기 때문에 소정의 고온 가스 온도에 대해 NOx 배출물을 감소시킨다.

특정 실시예에서, 복수의 연소 챔버들은 가스 터빈의 축 주위에 원주방향으로 배열된다. 서로 대면하는 2개의 이웃하는 연소 챔버들의 덕트벽의 섹션은 벽 캐비티를 갖는 이중벽으로서 구성된다. 슬리브는 가스 터빈의 축을 향해 지향하는 덕트벽의 섹션 위에 배열된다. 대안적으로 또는 슬리브와 조합하여, 슬리브는 가스 터빈의 축으로부터 이격하여 지향하는 덕트벽의 섹션 위에 배열된다. 서로 대면하는 2개의 이웃하는 연소 챔버들의 덕트벽의 각각의 섹션들은 슬리브 및 냉각 채널이 없다. 따라서, 이웃하는 연소 챔버들 사이의 원주방향 거리가 감소될 수 있다. 소정의 고온 가스 유동 단면에 대해, 연소 챔버들이 배열되어 있는 직경이 이에 의해 감소될 수 있다. 따라서, 연소기 케이싱 및 전체 가스 터빈 직경이 감소될 수 있어, 재료 및 비용을 절약한다. 대안적으로 또는 조합하여, 이중벽 장치의 감소된 공간 요구는 이웃하는 연소 챔버들의 벽들 사이의 자유 영역을 증가시키고 이어서 이들 사이의 가스 유동의 압력 손실을 감소시키는데 사용될 수 있다. 공간은 또한 헬름홀츠 댐퍼(Helmholtz damper)와 같은 부가의 설비들을 위해 사용될 수 있다.

대안 실시예에서, 복수의 연소 챔버들이 가스 터빈의 축 주위에 원주방향으로 배열되고, 캐비티 입구는 이웃하는 연소 챔버에 지향하는 덕트벽의 섹션 상에 배열된다. 이 구성에서, 슬리브는 가스 터빈의 축을 향해 지향하는 덕트벽의 섹션 위에 배열되고, 그리고/또는 슬리브는 가스 터빈의 축으로부터 이격하여 지향하는 덕트벽의 섹션 위에 배열된다. 또한, 본 실시예에서, 이웃하는 연소 챔버들 사이에 슬리브 또는 충돌 냉각을 위한 어떠한 공간도 요구되지 않아 슬리브 및 특히 충돌 냉각이 이들 측면들에 적용되는 구성에 비교하여 연소 챔버들 사이에 감소된 거리를 허용한다. 측면들에서 캐비티 입구들의 구성은 냉각 채널에 의해 부가의 냉각을 갖지 않고 충돌 냉각되지 않는 측면 섹션들에서 가장 저온의 이용 가능한 냉각 가스를 벽 캐비티들에 제공한다.

연소 챔버 및 가스 터빈 이외에, 이러한 연소 챔버를 냉각하기 위한 방법이 본 발명의 목적이다. 방법에 따르면, 냉각 유체는 내부면, 외부면, 및 캐비티 입구로부터 덕트벽을 따라 캐비티 출구로 연장하는 벽 캐비티를 갖는 덕트벽의 캐비티 입구 내로 공급되어, 냉각 가스가 덕트벽을 냉각하기 위해 벽 캐비티를 통해 유동하게 된다. 냉각 가스는 이어서 덕트벽의 추가의 대류 냉각을 위해 캐비티 출구를 통해 냉각 채널 내로 배출된다. 냉각 채널은 덕트벽 및 덕트벽의 외부면을 따라 냉각 가스를 안내하기 위해 덕트벽을 적어도 부분적으로 포위하는 슬리브에 의해 경계한정된다.

방법의 추가의 실시예에 따르면, 냉각 가스는 개구들을 통해 통과하는 압축 가스 플레넘으로부터 냉각 가스가 덕트벽에 충돌하도록 덕트벽으로부터 소정 거리 이격되어 있는 주변 슬리브 내의 복수의 개구들을 통해 분사된다. 충돌 후에, 냉각 가스는 냉각 채널의 출구 단부를 향해 교차 유동으로서 유동한다.

방법의 다른 실시예에 따르면, 냉각 가스는 일 압축 가스 플레넘으로부터 캐비티 입구를 통해 벽 캐비티로 공급되고 캐비티 출구로부터 냉각 채널로 배출된다. 또한, 동일한 냉각 플레넘으로부터의 냉각 가스는 슬리브 내의 개구들을 통해 분사되고, 덕트벽 상에 충돌하고, 캐비티 출구로부터 배출되는 냉각 가스와 동일한 냉각 채널을 통해 교차 유동으로서 유동한다.

제안된 연소 챔버는 작동 중에 효과적인 냉각 요구에 따라 용이하게 조정될 수 있고 부가적으로 국부적인 핫스팟들을 냉각하도록 조정될 수 있는 효율적인 냉각 방안을 허용한다. 본 발명은 또한 이 융통성을 고려하여 연소 챔버를 설계하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 이하의 단계들을 포함한다:

특정 냉각 요구에 대해 연소 챔버의 벽 캐비티들을 설계한다. 냉각 요구는 예를 들어 연소 챔버 작동 및 열전달의 수치적인 시뮬레이션의 결과일 수 있다.

디자인 조건들 하에서 연소 챔버를 작동하고, 연소기 벽에서 적어도 하나의 벽 섹션의 온도를 측정한다. 측정된 온도가 한계 온도를 초과하면 국부적인 부가의 충돌 냉각을 위해 냉각 슬리브 내에 적어도 하나의 개구를 추가한다. 한계 온도는 예를 들어 그 초과에서 연소기의 수명이 보상될 수 있는 임계 재료 온도일 수 있다.

제안된 냉각 디자인은 또한 가스 터빈의 상이한 작동 체제들에 따라 냉각 용량의 용이한 조정을 허용한다.

긴 서비스 간격들에 대해, 충돌 냉각 구멍들의 수는 표준 디자인에 대한 충돌 냉각 구멍들의 수에 대해 증가될 수 있다. 증가된 수의 냉각 구멍들은 긴 서비스 간격들을 허용할 수 있는 연소 챔버벽의 감소를 유도한다.

초대 가스 터빈 효율 및 전력을 위해, 충돌 냉각 구멍들의 수는 표준 디자인에 대한 충돌 냉각 구멍들의 수에 대해 감소될 수 있다. 감소된 수의 냉각 구멍들은 냉각 시스템을 통한 가스 유동을 감소시키고 냉각 시스템을 통해 그리고 재차 버너 내로 냉각 가스를 공급하기 위해 요구된 압력 손실을 감소시킬 수 있다. 따라서, 전력 및 효율이 증가될 수 있다.

연소 챔버는 예를 들어, 환형 연소 또는 캔 연소기의 연소 챔버일 수 있다. 이는 또한 사일로 연소기(silo combustor)의 연소 챔버일 수 있다. 연소 챔버는 예를 들어, 순차적인 연소기 장치의 제 2 연소기일 수 있다. 순차적인 연소기 장치는 작동 중에 연소기 입구 가스 내로 연료를 유입하기 위한 제 1 버너 및 제 1 연소 챔버를 갖는 제 1 연소기, 제 2 연소 챔버를 나오는 제 1 연소기 연소 생성물들에 희석 가스를 혼합하기 위한 희석 가스 혼합기, 연료를 혼합하기 위한 제 2 버너, 및 제 2 연소 챔버를 포함할 수 있다. 이러한 순차적인 연소기 장치는 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 EP 14 150 737.6호로부터 공지되어 있다.

다양한 버너 유형들이 사용될 수 있다. 제 1 연소기에 대해, 예를 들어 EP 0 321 809호로부터 공지된 바와 같은 소위 EV 버너 또는 예를 들어 DE 195 47 913호로부터 공지된 바와 같은 AEV 버너들이 예를 들어 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 유럽 특허 출원 EP 2 722 591호에 설명된 바와 같은 와류 챔버를 포함하는 BEV 버너가 사용될 수 있다. 캔 아키텍처에서, 캔 연소기마다 단일의 또는 다수의 버너 장치가 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 US 2004/0211186호에 설명된 바와 같은 플레임시트 연소기(flamesheet combustor)가 제 1 연소기로서 사용될 수 있다.

본 발명은 그 성질 뿐만 아니라 장점이, 첨부된 개략도의 보조에 의해 더 상세히 후술될 것이다.

도 1은 압축기, 연소 챔버, 및 터빈을 갖는 가스 터빈을 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 연소 챔버의 단면 II-II를 도시하는 도면.
도 3은 일측에 냉각 슬리브를 갖는 연소 챔버의 단면도의 예를 도시하는 도면.
도 4는 연소 챔버벽의 일 섹션이 이중벽으로서, 다른 섹션이 충돌 냉각식 단일벽으로서 구성되어 있는 냉각 슬리브를 갖는 연소 챔버의 단면도의 다른 예를 도시하는 도면.
도 5는 가스 터빈의 축 주위에 원주방향으로 배열된 이중벽 연소 챔버들의 어레이를 갖는 연소 장치를 갖는 가스 터빈의 단면도를 도시하는 도면.

도 1은 충돌 냉각식 연소기(4)를 갖는 가스 터빈(1)을 도시한다. 이 가스 터빈은 압축기(3), 연소기(4), 및 터빈(5)을 포함한다.

흡기 공기가 압축기(3)에 의해 압축 가스(8)로 압축된다. 연료(28)가 연소기(4) 내에서 압축 가스(8)와 함께 연소되어 고온 가스 유동(9)을 발생한다. 고온 가스(9)는 터빈(5) 내에서 팽창되어 기계적 일을 발생한다.

연소기(4)는 연소기 케이싱(31) 내에 수용된다. 압축기(3)를 나오는 압축 가스(8)는 압축기(3)를 나오는 가스의 동적 압력을 적어도 부분적으로 복구하기 위해 확산기를 통해 통과한다. 확산기를 나오는 압축 가스(8)는 압축기 플레넘(30)을 통해 유동한다. 압축기 플레넘(30)으로부터, 압축 가스의 일부가 연료(28)와 혼합을 위해 그리고 연소 챔버(26) 내에서 후속의 연소를 위해 버너(25) 내로 직접 유동한다. 압축 가스(8)의 일부는 먼저 연소 챔버(26)의 덕트벽(10)을 냉각하기 위해 냉각 가스(16)로서 사용된다. 통상적으로, 또한 다른 냉각 가스 유동들이 버너(25) 및 터빈(5)의 냉각을 위해 압축기 플레넘(30)으로부터 취해진다.

통상적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(1)의 샤프트(2)에 결합된 발전기를 포함한다. 가스 터빈(1)은 본 발명의 요지가 아니기 때문에 도시되어 있지 않은 터빈(5)용 냉각 시스템을 추가로 포함한다.

배기 가스(7)는 터빈(5)을 나온다. 잔류 열은 통상적으로 또한 여기에는 도시되어 있지 않은 후속의 수증기 사이클에 사용된다.

도 1은 덕트벽(10)을 냉각하기 위한 충돌 냉각 장치를 갖는 연소기(4)를 도시한다. 연소기(4)는 상류측 단부에 버너(25)를, 그리고 버너로부터 하류측 단부로 연장하는 연소 챔버(26)를 포함한다. 연소 챔버(26)는 덕트벽(10)에 의해 측면들에 경계한정된다. 덕트벽(10)의 충돌 냉각을 위해, 개구들(14)을 포함하는 슬리브(15)가 연소 챔버(26) 주위에 배열된다. 냉각 가스(16)가 개구들을 통해 분사되어 덕트벽(10) 상에 충돌한다. 충돌 후에, 냉각 가스는 연소 챔버(26) 내부의 고온 가스 유동에 대해 역류로 연소 챔버(26)의 상류측 단부를 향해 덕트벽(10) 및 슬리브(15)에 의해 형성된 냉각 유로(17) 내에서 유동한다. 덕트벽(10)의 냉각 후에, 냉각 가스(16)는 버너(단면도에는 도시되어 있지 않음) 내로, 고온 가스 유로의 상류측 단부에서 연소 챔버(26) 내로 각각 유동하여 연소 가스로서 또한 사용될 수 있다.

덕트벽(10)의 적어도 일부는 부가의 냉각을 위한 이중벽 구성으로서 구성된다. 이중벽 덕트벽은 고온 가스 유로에 지향하는 내부면(11) 및 압축기 플레넘을 향해 지향하는 외부면(12)을 갖는다. 벽 캐비티가 내부면(11)과 외부면(12) 사이의 덕트벽(10)을 따라 캐비티 입구로부터 캐비티 출구로 연장한다(캐비티 입구들 및 출구들에 대해 도 2 내지 도 4 참조). 작동 중에, 냉각 가스는 벽 캐비티들(13)을 통해 유동한다. 덕트벽(10)의 냉각 후에, 냉각 가스는 벽 캐비티들로부터 덕트벽(10)의 외부면(12)과 냉각 슬리브(15)에 의해 경계한정된 냉각 채널(17) 내로 배출된다. 충돌 냉각을 위해 사용되었던 냉각 가스와 함께, 벽 캐비티들로부터 배출된 냉각 가스는 각각 연소 챔버(26) 내에서 버너(25)에서 추가의 사용을 위해 연소 챔버(26)의 상류측 단부를 향해 유동한다. 본 예에서, 벽 캐비티(13)는 외부면(12)을 내부면(11)과 연결하는 리브들(24)에 의해 복수의 벽 캐비티들(13)로 분할된다. 또한 핀들이 외부면(12)을 내부면(11)과 연결하는데 사용될 수 있다.

도 2는 이중벽 구성을 갖는 연소 챔버(26)의 예로서 도 1의 연소 챔버들(26)의 단면 II-II의 사시도를 도시한다. 덕트벽(10)은 내부면(11), 외부면(12) 및 캐비티 입구(19)로부터 덕트벽(10)을 따라 캐비티 출구(20)로 연장하는 벽 캐비티(13)를 갖는 이중벽 구성으로서 구성된다. 직사각형 단면을 갖는 본 예에서, 4개의 벽 캐비티들(13)이 단면도에서 배열되어 있다. 각각의 벽 캐비티는 연소 챔버의 측벽 상에 배열된 캐비티 입구(19)로부터 연소 챔버(26)의 상부벽, 저부벽 각각 상에 배열된 캐비티 출구(20)로 연장한다. 냉각 가스(16)는 연소 챔버(26)를 둘러싸는 압축기 플레넘(30)으로부터 캐비티 입구들(19)로 공급된다. 덕트벽(10)의 상부 섹션 및 하부 섹션은 그 사이에 냉각 채널(17)을 형성하는 슬리브(15)에 의해 포위된다. 캐비티 출구(20)는 냉각 채널(17)로 개방되고, 캐비티 출구들(20)로부터 배출되는 냉각 가스(16)는 냉각 채널(17)의 출구 단부(단면도에는 도시되어 있지 않음)를 향해 유동한다.

덕트벽(10)의 충돌 냉각을 위해, 슬리브(15)는 개구들(14)을 포함한다. 냉각 가스(16)는 개구들을 통해 분사되고, 덕트벽(10) 상에 충돌한다. 충돌 후에, 냉각 가스는 연소 챔버(도시 생략)의 상류측 단부를 향해 냉각 채널(17) 내에서 유동한다. 본 예에서, 개구들(14)은 덕트벽(10)의 상부측 및 저부측 위에 배열된다.

도 3은 이중벽 구성을 갖는 연소 챔버(26)의 단면도의 다른 예를 도시한다. 덕트벽(10)은 내부면(11), 외부면(12), 및 캐비티 입구(19)로부터 덕트벽(10)을 따라 캐비티 출구(20)로 연장하는 벽 캐비티(13)를 갖는 이중벽 구성으로서 구성된다. 직사각형 단면을 갖는 본 예에서, 2개의 벽 캐비티들(13)이 단면도에서 배열되어 있다. 각각의 벽 캐비티(13)는 연소 챔버의 저부측벽의 중심에 배열된 캐비티 입구(19)로부터 상부벽의 중심에 배열된 캐비티 출구(20)로 연장한다. 일 벽 캐비티(13)는 덕트벽(10)의 좌반부 주위에 걸쳐있고, 다른 벽 캐비티(13)는 덕트벽(10)의 우반부 주위에 걸쳐있다. 냉각 가스(16)는 연소 챔버(26)를 둘러싸는 압축기 플레넘(30)으로부터 캐비티 입구들(19)에 공급된다. 덕트벽(10)의 상부 섹션은 그 사이에 냉각 채널(17)을 형성하는 슬리브(15)에 의해 포위된다. 본 예에서, 덕트벽(10)의 상부벽은 슬리브(15)에 의해 부분적으로 포위된다. 캐비티 출구(20)는 냉각 채널(17)로 개방되어 있고, 캐비티 출구들(20)로부터 배출된 냉각 가스(16)는 냉각 채널(17)의 출구 단부(단면도에는 도시되어 있지 않음)를 향해 유동한다.

덕트벽(10)의 충돌 냉각을 위해, 슬리브(15)는 개구들(14)을 포함한다. 냉각 가스(16)는 개구들을 통해 분사되고, 덕트벽(10) 상에 충돌한다. 충돌 후에, 냉각 가스는 연소 챔버(도시 생략)의 상류측 단부를 향해 냉각 채널(17) 내에서 유동한다. 본 예에서, 개구들(14)은 덕트벽(10)의 상부측 위에 배열된다.

본 예에서, 덕트벽(10)은 좌측 및 우측 섹션을 포함한다. 양 섹션들은 상부 조인트(22) 및 하부 조인트(27)에 의해 연결된다. 캐비티 입구들(19)이 하부 조인트(27)의 양측들에 배열된다. 캐비티 출구들(20)은 상부 조인트(22)의 양측들에 배열된다. 조인트는 예를 들어 용접부일 수 있다.

도 4는 이중벽 구성을 갖는 연소 챔버(26)의 단면도의 다른 예를 도시한다. 도 4의 예는 도 3의 예에 기초한다. 도 3의 예에 대조적으로, 덕트벽(10)의 상부 섹션은 단일벽이다. 캐비티 출구들(20)은 상부 섹션의 좌측, 및 우측 각각을 향해 배열된다. 캐비티 출구들(20) 사이로 연장하는 상부 섹션은 충돌 냉각된다.

도 5는 가스 터빈의 축(2) 주위에 원주방향으로 배열된 이중벽 연소 챔버들(26)의 어레이를 갖는 연소 장치를 갖는 가스 터빈의 단면도를 도시한다. 각각의 연소 챔버(26)는 원통형 덕트벽(10)을 갖는다. 덕트벽들(10)은 내부면(11) 및 외부면(12)을 갖고, 회전자 커버(23) 및 연소기 케이싱(31)에 의해 경계한정된 압축기 플레넘(30)으로부터 가스 터빈의 축(2)을 향해 지향하는 측면 상에 냉각 가스가 공급된다. 축(2)으로부터 이격하여 지향하는 각각의 연소기의 측은 슬리브(15)에 의해 포위되어 덕트벽(10)과 슬리브(15) 사이에 냉각 채널(17)을 경계한정한다. 덕트벽(10)의 냉각 후에, 냉각 가스(16)는 이중벽 덕트벽(10)으로부터 냉각 채널(17) 내로 배출되고 냉각 채널(17)의 출구 단부(단면도에는 도시되어 있지 않음)를 향해 유동한다.

슬리브(15) 아래의 덕트벽(10)의 외향 지향 섹션은 또한 개구들(14)을 통해 분사된 냉각 가스(16)에 의해 충돌 냉각된다. 충돌 후에, 냉각 가스(16)는 연소 챔버(도시 생략)의 상류측 단부를 향해 냉각 채널(17) 내에서 유동한다.

1: 가스 터빈 2: 축
3: 압축기 4: 연소기
5: 터빈 7: 배기 가스
8: 압축 가스 9: 고온 가스 유동
10: 덕트벽 11: 내부면
12: 외부면 13: 벽 캐비티
14: 개구 15: 슬리브
16: 냉각 가스 17: 냉각 채널
18: 대류 라이너 냉각 19: 캐비티 입구
20: 캐비티 출구 21: 출구 단부
22: 내부 조인트 23: 회전자 커버
24: 리브 25: 버터
26: 연소 챔버 27: 외부 조인트
28: 연료 30: 압축기 플레넘
31: 연소기 케이싱

Claims

작동 중에 고온 가스 유로 내에서 고온 가스 유동(9)을 안내하기 위한 덕트벽(10)을 포함하고, 상기 덕트벽(10)은 내부면(11), 외부면(12), 및 캐비티 입구(19)로부터 상기 덕트벽(10)을 따라 캐비티 출구(20)로 연장하는 벽 캐비티(13)를 포함하는 이중벽 구성인 연소 챔버(26)에 있어서,
슬리브(15)가 상기 덕트벽(10)의 외부면을 따라 상기 슬리브(15)와 상기 덕트벽(10) 사이의 냉각 채널(17) 내에서 냉각 가스(16)를 출구 단부(21)로 안내하기 위해 상기 덕트벽(10)을 적어도 부분적으로 포위하고, 상기 캐비티 출구(20)는 상기 냉각 채널로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
제 1 항에 있어서, 상기 슬리브(15)는 상기 덕트벽(10)을 둘러싸는 복수의 개구들(14)을 포함하고, 상기 복수의 개구들은 작동 중에 압축 가스 플레넘(30)으로부터 상기 개구들(14)을 통해 분사되는 상기 냉각 가스(16)가 상기 덕트벽(10) 상에 충돌하고 상기 냉각 채널(17)의 출구 단부(21)를 향해 교차 유동(18)으로서 유동하도록 상기 덕트벽으로부터 소정 거리 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
제 1 항에 있어서, 상기 캐비티 입구(19)는 상기 덕트벽(10)의 충돌 냉각을 위해 상기 개구들(14)과 동일한 압축 가스 플레넘(30)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 캐비티들(13)은 상기 덕트벽(10) 주위로 원주방향으로 연소기(4)의 축방향 연장부에 수직인 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 덕트벽(10)은 일측에 제 1 캐비티 입구(19) 및 대향측에 제 2 캐비티 입구(19) 및 상기 고온 가스 유동(9)의 일측에서 상기 제 1 및 제 2 캐비티 입구(19)를 연결하는 벽 섹션 내의 제 1 캐비티 출구(20) 및 상기 고온 가스 유동(9)의 대향측에서 상기 제 1 및 제 2 캐비티 입구(19)를 연결하는 벽 섹션 내의 제 2 캐비티 출구(20)를 갖는 직사각형, 사다리꼴, 타원형, 또는 원형 단면을 갖고, 또는 상기 덕트벽은 일측에 캐비티 입구(19) 및 대향측에 캐비티 출구(19)를 갖고, 벽 캐비티(13)가 일측의 상기 캐비티 입구(19)로부터 대향측의 상기 캐비티 출구(19)로 연장하는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐비티 입구(19) 및/또는 상기 캐비티 출구(20)는 상기 덕트벽(10)의 2개의 섹션들이 연결되는 조인트(22, 27)의 옆에 배열되는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 덕트벽(10)의 제 1 섹션은 상기 벽 캐비티(13)를 포함하는 이중벽으로서 구성되고, 제 2 섹션은 단일벽으로서 구성되고, 상기 제 2 섹션은 상기 슬리브(15) 아래로 연장하는 것을 특징으로 하는 연소 챔버.
적어도 하나의 압축기(3), 및 적어도 하나의 터빈(5)을 갖는 가스 터빈(1)에 있어서,
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연소 챔버(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제 8 항에 있어서, 냉각 채널(17)의 출구 단부(21)는 작동 중에 버너(25) 내로 냉각 가스(16)를 도입하기 위해 상기 가스 터빈(1)의 버너(25)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제 8 항에 있어서, 복수의 연소 챔버들(26)이 가스 터빈(9)의 축(2) 주위에 원주방향으로 배열되고, 서로 대면하는 2개의 이웃하는 연소 챔버들(26)의 덕트벽(10)의 섹션은 벽 캐비티(13)를 갖는 이중벽으로서 구성되고, 상기 슬리브(15)는 상기 가스 터빈(1)의 축(2)을 향해 지향하는 상기 덕트벽(10)의 섹션 위에 배열되고, 그리고/또는 상기 슬리브(15)는 상기 가스 터빈(1)의 축(2)으로부터 이격하여 지향하는 상기 덕트벽(10)의 섹션 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제 8 항에 있어서, 복수의 연소 챔버들(26)이 가스 터빈(9)의 축(2) 주위에 원주방향으로 배열되고, 캐비티 입구(19)가 서로 대면하는 2개의 이웃하는 연소 챔버들(26)의 덕트벽(10)의 섹션 상에 배열되고, 상기 슬리브(15)는 상기 가스 터빈(1)의 축(2)을 향해 대면하는 상기 덕트벽(10)의 섹션 위에 배열되고, 그리고/또는 상기 슬리브(15)는 상기 가스 터빈(1)의 축(2)으로부터 이격하여 지향하는 상기 덕트벽(10)의 섹션 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
작동 중에 고온 가스 유로 내에서 고온 가스 유동(9)을 안내하기 위한 덕트벽(10)을 포함하고, 상기 덕트벽(10)은 내부면(11), 외부면(12), 및 캐비티 입구(19)로부터 상기 덕트벽(10)을 따라 캐비티 출구(20)로 연장하는 벽 캐비티(13)를 포함하는 이중벽 구성이고, 슬리브(15)가 상기 덕트벽(10)의 외부면을 따라 상기 슬리브(15)와 상기 덕트벽(10) 사이의 냉각 채널(17) 내에서 냉각 가스(16)를 안내하기 위해 상기 덕트벽(10)을 적어도 부분적으로 포위하는, 연소 챔버(26)의 냉각 방법에 있어서,
냉각 유체가 상기 캐비티 입구(19) 내로 공급되고, 상기 덕트벽(10)을 냉각하기 위해 상기 벽 캐비티(13)를 통해 유동하고, 상기 덕트벽(10)의 추가의 대류 냉각을 위해 캐비티 출구(20)를 통해 상기 냉각 채널(17) 내로 배출되는 것을 특징으로 하는 연소 챔버의 냉각 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 냉각 가스(16)는 상기 슬리브(15) 주변에 복수의 개구들(14)을 통해 분사되고, 상기 복수의 개구들은 상기 개구들(14)을 통해 통과하는 압축 가스 플레넘(30)으로부터의 상기 냉각 가스(16)가 상기 덕트벽(10) 상에 충돌하고, 상기 냉각 채널(17)의 출구 단부를 향해 교차 유동(18)으로서 유동하도록 상기 덕트벽(10)으로부터 소정 거리 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 챔버의 냉각 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 냉각 가스(16)는 일 압축 가스 플레넘(30)으로부터 상기 캐비티 입구(19)를 통해 상기 벽 캐비티(13)로 공급되고, 상기 캐비티 출구(20)로부터 상기 냉각 채널(17)로 배출되고, 동일한 냉각 플레넘(30)으로부터의 상기 냉각 가스(16)는 상기 개구들(14)을 통해 분사되고, 상기 덕트벽(10) 상에 충돌하고, 상기 캐비티 출구(20)로부터 배출되는 상기 냉각 가스(16)와 동일한 냉각 채널(17)을 통해 교차 유동(18)으로서 유동하는 것을 특징으로 하는 연소 챔버의 냉각 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 따른 연소 챔버(26)의 설계 방법에 있어서,
벽 캐비티들(13)은 특정 냉각 요구에 대해, 설계 조건들 하에서 상기 연소 챔버를 작동하고, 덕트벽(10)의 섹션의 한계 온도가 초과되면 부가의 충돌 냉각을 위해 적어도 하나의 개구(14)를 추가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 연소 챔버의 설계 방법.