KR20170094514A - 충돌 냉각 벽 장치 - Google Patents

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펠릭스 안드레아스 바움가르트너
미하엘 토마스 마우러
존 토마스 해링턴
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안살도 에네르기아 아이피 유케이 리미티드
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Abstract

본 발명은, 충돌 슬리브(10) 및 동작 동안 고온 가스(19)에 노출되는 벽(7)으로서, 충돌 슬리브(10)는, 플레넘(20)에 적어도 부분적으로 배치되며, 동작 동안 플레넘(20)으로부터 냉각 슬리브에 있는 다수의 구멍(13)들을 통해 분사되는 압축 가스(11)가 벽(7)에 충돌하고 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)에 있는 출구를 향해 직교류(16)로서 유동하도록, 벽(7)과 충돌 슬리브(10) 사이에 냉각 유동 경로(15)를 형성하기 위해 벽(7)으로부터 일정 거리 이격되는, 상기 충돌 슬리브 및 벽; 및 벽(7) 상에 배열된 선단 가장자리(25)를 가지는 다수의 와류 발생기(21)들을 포함하는 충돌 냉각 벽 장치(12)에 있어서, 구멍(13)들 중 적어도 하나의 중심은 길이 방향 축(29)을 따라서 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나의 선단 가장자리(25)와 정렬되는 것을 특징으로 충돌 냉각 벽 장치(12)에 관한 것이다.
충돌 냉각 벽 장치(12) 외에, 이러한 장치를 구비하는 가스 터빈뿐만 아니라 을 덕트 벽을 냉각하기 위한 방법이 개시된다.

Description

충돌 냉각 벽 장치{IMPINGEMENT COOLED WALL ARRANGEMENT}
본 발명은 충돌 냉각 장치에 관한 것이고, 특히 고온 가스에 노출된 벽을 냉각하기 위한 충돌 냉각 벽 장치에 관한 것이다.
발전 사이클의 열역학적 효율은 예를 들어, 가스 터빈의 경우에 연소기에 존재하는 고온 가스인 그 작업 유체의 최대 온도에 의존한다. 고온 가스의 최대 실현 가능한 온도는 이러한 고온 가스와 접촉하는 금속 부품들의 동작 온도 한계 및 고온 가스 온도 아래로 이러한 부품들을 냉각하는 능력뿐만 아니라 연소 배출물에 의해 제한된다. 발전된 헤비 듀티 가스 터빈(heavy duty gas turbine)들의 고온 가스 유동 경로들을 형성하는 고온 가스 덕트 벽들의 냉각은 어려우며, 현재 공지된 냉각 방법들은 고성능 페널티(high performance penalty)들을 지니며, 즉 전력 및 효율에서 감소로 이어진다.
충돌 냉각은 높은 고온 가스 온도를 갖는 가스에 노출되는 구성요소들을 위한 가장 효과적인 냉각 기술 중 하나이다. 벽의 충돌 냉각을 위하여, 슬리브는 벽 외부면(고온 가스로부터 멀리 향하는 표면)으로부터 짧은 거리에 배치된다. 충돌 슬리브는 구멍들의 어레이를 포함하고, 압축 가스는 벽의 외부면에 충돌하여 이를 냉각하는 공기 분사의 어레이를 발생시키도록 구멍들의 어레이를 통하여 배출된다. 충돌 후에, 압축 가스는 냉각 유동 경로의 단부를 향하여 벽과 충돌 슬리브에 의해 범위가 정해지는 냉각 경로에서 냉각 가스로서 유동한다. 이러한 유동은 소위 직교류(cross flow)로 이어진다. 통상적으로, 제1 충돌열(impingement row)들은 냉각 채널에서 어떠한 직교류없이 벽에서의 충돌을 허용한다. 후속의 충돌열들의 수가 냉각 유동 경로의 단부를 향하여 증가함에 따라서, 냉각 채널에서의 직교류가 강화된다. 결점으로서, 냉각 채널에서 증가하는 직교류는 충돌 분사들이 벽에 충돌하기 전에 벽으로부터 전환되어 굽혀짐에 따라서(도 2 참조) 충돌 냉각의 가능한 열전달 효율을 저해하고 낮춘다.
직교류 속도를 제한하도록, US4719748에서, 냉각 채널의 길이에 걸쳐 냉각 채널의 높이를 증가시키는 것이 제안되었다. 그러나, 냉각 채널의 높이의 증가는 덕트 벽에 도달하는 분사의 충돌 효과를 감소시킨다. EP2955443에 있는 다른 해결책은 전환기(diverter)들과 조합하여 추가의 충돌공들을 추가하는 것을 제안한다.
그러므로, 충돌 냉각으로 냉각된 벽의 길이에 걸쳐 충돌 냉각의 효율을 감소시키는 것에 더하여, 덕트 벽의 전형적인 열 부하가 균질하지 않다. 예를 들어, 가스 터빈들의 대부분의 연소실들은 엔진축에 대해 경사를 보이며, 이러한 것은 고온 가스 유동 방향에서의 변화로 이어진다. 연소실에서의 고온 가스 유동은 연소실 벽들의 전형적인 위치들에서 보다 높은 열 부하, 소위 핫스팟(hot spot)들을 갖는 영역들로 이어지는 주 유동 방향에서 이러한 변화에 적응하여야만 한다. 증가된 열 부하에 노출되는 벽의 영역들의 수명을 보장하도록, 증가된 냉각이 이러한 위치들에서 요구된다.
기존의 해결책을 고려할 때, 효율적인 냉기 냉각 장치에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 주요 목적은 고온 가스 유동을 안내하는 벽에서의 위치와 관계없이 벽의 효과적인 충돌 냉각을 허용하고 벽의 연장부를 따라서 높은 냉각 효율을 유지하는 충돌 냉각 벽 장치를 제안하는 것이다.
개시된 충돌 냉각 벽 장치는 충돌 슬리브와, 동작 동안 고온 가스에 노출되는 벽을 포함하며, 상기 충돌 슬리브는, 플레넘(plenum)에 적어도 부분적으로 배치되며, 동작 동안 상기 플레넘으로부터 냉각 슬리브에 있는 다수의 구멍들을 통해 분사되는 압축 가스가 상기 벽에 충돌하고 냉각 유동 경로의 하류 단부에 있는 출구를 향해 직교류로서 유동하도록, 상기 벽과 상기 충돌 슬리브 사이에 상기 냉각 유동 경로를 형성하기 위해 상기 벽으로부터 일정 거리 이격된다. 개시된 충돌 냉각 벽 장치는 상기 벽 상에 배열된 선단 가장자리를 가지는 다수의 와류 발생기들을 또한 포함한다. 상기 구멍들 중 적어도 하나의 중심은 길이 방향 축을 따라서 상기 와류 발생기들 중 적어도 하나의 선단 가장자리와 정렬된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 상기 장치는 상기 구멍들 중 적어도 하나의 열과 상기 와류 발생기들 중 적어도 하나의 열을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 상기 구멍들의 수는 상기 와류 발생기들의 수와 같거나 적다.
본 발명의 여전히 또 다른 실시예에 따라서, 상기 구멍들의 각각은 상기 와류 발생기들 중 적어도 하나와 정렬된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 모든 와류 발생기들은 유사한 형상을 가진다.
본 발명의 여전히 또 다른 실시예에 따라서, 상기 와류 발생기들 중 적어도 2개는 서로 연결된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라서, 상기 와류 발생기들 중 적어도 하나는 V-형상, 피라미드 형상 또는 반원 형상을 가진다.
본 발명의 여전히 또 다른 바람직한 실시예에 따라서, 상기 와류 발생기들은 직교류의 방향으로 상기 구멍들의 하류에 배열된다.
충돌 냉각 벽 장치 외에, 본 발명은 상기된 실시예들 중 하나에 따른 충돌 냉각 벽 장치를 포함하는 연소기 및 가스 터빈을 또한 설명한다.
아울러, 동작 동안 고온 가스에 노출된 벽을 충돌 냉각하기 위한 방법이 본 발명의 목적이다. 상기 방법은, 플레넘으로부터 구멍들을 통해 냉각 유동 경로 내로 압축 가스를 분사하는 단계; 상기 벽에 상기 압축 가스를 충돌시키고, 상기 냉각 유동 경로의 하류 단부에 있는 출구를 향하여 직교류로서 상기 압축 가스를 안내하는 단계; 및 상기 벽 상에 배열된 와류 발생기들에 의해 직교류를 전환하는 단계를 포함한다.
본 발명, 그 특성 및 그 장점은 첨부된 도면의 도움으로 아래에 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 압축기를 갖는 가스 터빈, 연소 장치 및 터빈을 도시하는 도면;
도 2a 및 도 2b는 충돌 냉각 벽 장치를 도시한 도면;
도 3은 벽 배열에서 충돌 유동을 개략적으로 도시한 도면;
도 4는 구멍들과 와류 발생기들을 갖는 충돌 냉각 벽 장치의 평면도;
도 5는 구멍들과 와류 발생기들을 갖는 충돌 냉각 벽 장치를 개략적으로 도시한 도면;
도 6은 종래의 충돌 냉각 벽과 와류 발생기들에 의한 충돌 냉각 벽의 길이에 걸쳐 결과적인 열 전달 효율의 전개를 도시한 도면.
동일 또는 기능적으로 동일한 요소들은 동일한 도면부호로 다음에 제공된다. 이 예는 그러한 장치로 본 발명의 어떠한 제한도 구성하지 않는다.
도 1은 충돌 냉각 연소기(4)를 가지는 가스 터빈(1)을 도시한다. 가스 터빈(1)은 압축기(3), 연소기(4), 및 터빈(5)을 포함한다. 흡기(2)는 압축기(3)에 의해 압축 가스(11)로 압축되며 플레넘(20)을 통하여 연소기(4)로 공급된다. 연료(8)는 고온 가스 유동(19)을 발생시키도록 연소기(4)에서 압축 가스와 함께 연소된다. 고온 가스는 터빈(5)에서 확장되어, 기계적인 작업을 발생시킨다. 전형적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(1)의 샤프트(6)에 결합되는 발전기(17)를 포함한다. 가스 터빈(1)은 본 발명의 요지가 아님에 따라서 도시되지 않은, 터빈(5) 및 연소기(4)를 위한 냉각 시스템을 추가로 포함한다. 배기 가스(26)는 터빈(5)을 떠난다. 잔류열은 또한 본 명세서에서 도시되지 않은 후속의 증기 사이클에서 전형적으로 사용된다.
도 2a는 충돌 냉각 벽 장치(12)를 통한 절개부를 도시하며, 도 2b는 도 2a의 충돌 냉각 벽 장치(12)의 평면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 충돌 냉각 벽 장치(12)는 일측에서 고온 가스 유동(19)에 노출되는 벽(7)을 포함한다. 벽(7)의 충돌 냉각을 위한 구멍(14)들을 포함하는 냉각 슬리브(10)는 벽(7) 위의 일정 거리에 배열된다. 압축 가스(11)는 플레넘(20)으로부터 구멍(13)들을 통해 공급되고, 벽(7)에 충돌한다. 압축 가스(11)는 벽(7)에 충돌한 후에 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)를 향하여 벽(7)과 슬리브(10)에 의해 형성된 냉각 유동 경로(15)에서 직교류(16)로서 유동한다. 도 2a의 예에서, 고온 가스 유동(19)과 직교류(16)는 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)를 향하여 서로 평행하게 동일 방향으로 유동한다. 도 2b는 도 2a의 장치의 평면도를 도시한다. 충돌 냉각 벽 장치(12)는 냉각장 벽(cooling field wall)(27)에 의해 상류 단부 및 양측부에 대하여 범위가 정해진다. 구멍(13)들의 2개의 열들은 평행하게 배열된다. 압축 가스(11)는 직교류(16)를 형성하도록 구멍(13)들을 통해 유동한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 예에서, 벽(7)에 있는 압축 가스 분사를 위한 구멍들은 충돌 냉각 벽 장치(12)의 상류 섹션에 배열된다. 하류 섹션은 오직 직교류(16)에 의해 냉각된다. 상류 단부로부터 시작하는 냉각 유동 경로의 길이(x)는 도 2b의 아래에 나타난다.
도 3은 벽(7)에서의 압축 가스 유동(11)들의 충돌을 도시한다. 충돌 후에, 2차 유동(14)이 생성된다.
본 발명에 따른 충돌 냉각 벽 장치(12)의 제1 예는 도 4(평면도를 도시하는) 및 도 5에 도시된다. 충돌 구멍(13)들의 바로 하류에서의 유동 분포는 구멍(13)들과 정렬된 고운동량 코어(high momentum core)들에 의해 매우 불균일하다. 도 4에서, 구멍(13)들의 2개의 열들과, 와류 발생기(21)들의 4개의 열들이 있다. 와류 발생기(21)들은 선단 가장자리(25)를 가지는 V-형상을 가진다. 직교류(16)는 와류 발생기(21)들에 의해 전환되어, 도 5에 도시된 바와 같이 반대 방향의 와류들을 생성한다. 본 발명에 따라서, 구멍(13)들은 길이 방향 축(29)을 따라서 와류 발생기(21)들의 선단 가장자리(25)와 정렬된다. 구멍(13)들과 와류 발생기(21)들을 정렬하는 것에 의해, 상기 디자인은 하류 영역에서 구멍(13)들에 의해 생성된 고운동량 코어들의 이점을 취하고, 이에 의해 이러한 특징들에 의해 생성된 열전달 레벨을 증가시킨다. 이러한 디자인은 그 부품에서 더욱 균일한 열전달을 허용하고, 이에 의해, 부품 수명을 증가시킬 뿐만 아니라, 하류 충돌 구멍들의 제거에 의해 필요한 냉각제 질량 유동을 상당히 감소시키고, 박탈된 압축기 작업(forfeited compressor work)의 양을 감소시킨다. 도 4 및 도 5는 열전달이 감소하는 것으로 보이는 하류 열들을 제거하고 대신 구멍(13)들과 정렬되는 와류 발생기(21)들을 배치하는 것으로, 냉각된 부품의 질량 유량 및 압력 강하 요구를 감소시키는 한편 상류 충돌열들에 의해 생성된 높은 열전달을 유지하는 문제가 어떻게 해결되는지를 도시한다. 선단 가장자리(25)들과 충돌 구멍들의 정렬은 냉각 시스템의 동일한 압력 강하에서 전체적인 열전달 레벨을 증가시키거나 또는 그 반대도 동일하다. 정해지지 않은 부품(non-casted part)들에 대하여, 와류 생성기들의 수의 잠재적인 감소로 인하여 제조 비용이 감소한다.
와류 발생기(21)들은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 서로 연결될 수 있거나, 또는 분리될 수 있다(도시되지 않음). 아울러, 와류 발생기(21)들은 2개의 상이한 형상들을 가질 수 있으며, 이러한 것은 2개의 반대의 와류들을 생성할 수 있다. 이러한 형상은 피라미드 및 반원 형상을 포함한다.
도 6은 도 2a/도 2b의 충돌 냉각 벽의 길이에 걸쳐 결과적인 열전달 계수(HTC)(30) 및 도 4 및 도 5의 와류 발생기(21)들로 충돌 냉각된 열전달 계수(31)의 전개의 예시(실제 데이터가 아님)를 도시한다. 벽(7)에 있는 구멍(13)들을 통해 도입된 압축 가스의 충돌로 인한 냉각에서의 국부적인 피크가 명확히 나타난다. 와류 발생기(21)들이 없는 도 2a/도 2b의 장치에 대하여, 피크 및 전체적인 열전달 계수(HTC)는 냉각 유동 경로(15)의 길이(x)를 따라서 감소된다. 충돌 냉각 벽의 길이에 걸쳐 전체적인 열전달 계수는 냉각된 벽 섹션의 폭을 통하여 평균 열전달 계수이다. 피크들은 길이(x)에 걸쳐 직교류(16)로 인하여 감소된다. 와류 발생기(21)들을 갖는 장치에 대하여, 열전달 계수(31)는 상당히 개선된다.
실시예들에서 도시된 충돌 냉각 벽 장치는 예를 들어 캔 연소기(can combustor)들을 구비한 가스 터빈에서 사용될 수 있다. 캔 연소기들은 전형적으로 가스 터빈의 샤프트(6) 주위에서 원주 방향으로 분포되며, 연소실의 원형 단면으로부터, 출구에서, 즉 터빈 입구에서 환상 또는 실제로 직사각형 유동 단면의 섹션의 형상을 갖는 단면으로의 천이(transition)를 위한 천이 부분 또는 천이 섹션을 가진다. 천이 부분은 덕트 내로 통합될 수 있거나, 또는 별도의 덕트일 수 있으며, 개시된 충돌 냉각 벽 장치는 천이 부분에서 고온 가스를 가이드하는 덕트를 위해 동등하게 사용될 수 있다.
냉각을 위한 개시된 충돌 냉각 벽 장치 및 방법은 예를 들어 노 또는 반응기와 같이 벽이 고온 가스에 노출되는 가스 터빈들에서 뿐만 아니라 다른 기계류 또는 플랜트에서 사용될 수 있다.
전술한 내용이 단지 본원의 바람직한 실시예에 관한 것이며 다양한 변경 및 수정이 다음의 청구항들에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 일반적인 사상 및 범위를 벗어남이 없이 당업자에 의해 만들어질 수 있다는 것은 자명하다.
1 : 가스 터빈 2 : 흡기
3 : 압축기 4 : 연소기
5 : 터빈 6 : 샤프트
7 : 덕트 벽 8 : 연료
9 : 버너 10 : 슬리브
11 : 압축 가스 12 : 충돌 냉각 벽 장치
13 : 구멍 14 : 2차 유동
15 : 냉각 유동 경로 16 : 직교류
17 : 발전기 19 : 고온 가스 유동
20 : 압축 가스 플레넘 21 : 와류 발생기
25 : 선단 가장자리 26 : 배기 가스
27 : 냉각장 벽 28 : 하류 단부
29 : 길이 방향 축 30 : 와류 발생기들이 없는 HTC
31 : 와류 발생기들을 갖는 HTC

Claims (13)

  1. 충돌 슬리브(10) 및 동작 동안 고온 가스(19)에 노출되는 벽(7)과, 상기 벽(7) 상에 배열된 선단 가장자리(25)를 가지는 다수의 와류 발생기(21)들을 포함하며, 상기 충돌 슬리브(10)는, 플레넘(20)에 적어도 부분적으로 배치되며, 동작 동안 상기 플레넘(20)으로부터 냉각 슬리브에 있는 다수의 구멍(13)들을 통해 분사되는 압축 가스(11)가 상기 벽(7)에 충돌하고 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)에 있는 출구를 향해 직교류(16)로서 유동하도록, 상기 벽(7)과 상기 충돌 슬리브(10) 사이에 상기 냉각 유동 경로(15)를 형성하기 위해 상기 벽(7)으로부터 일정 거리 이격되는 충돌 냉각 벽 장치(12)에 있어서,
    상기 구멍(13)들 중 적어도 하나의 중심은 길이 방향 축(29)을 따라서 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나의 상기 선단 가장자리(25)와 정렬되는 것을 특징으로 하는 충돌 냉각 벽 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치(12)는 상기 구멍(13)들 중 적어도 하나의 열과 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나의 열을 포함하는 충돌 냉각 벽 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구멍(13)들의 수는 상기 와류 발생기(21)들의 수와 같거나 적은 충돌 냉각 벽 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍(13)들의 각각은 상기 길이 방향 축(29)을 따라서 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나와 정렬되는 충돌 냉각 벽 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 와류 발생기(21)들은 유사한 형상을 가지는 충돌 냉각 벽 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 2개는 서로 연결되는 충돌 냉각 벽 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나는 V-형상을 가지는 충돌 냉각 벽 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나는 피라미드 형상을 가지는 충돌 냉각 벽 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와류 발생기(21)들 중 적어도 하나는 반원 형상을 가지는 충돌 냉각 벽 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와류 발생기(21)들은 상기 직교류(16)의 방향으로 상기 구멍(13)들의 하류에 배열되는 충돌 냉각 벽 장치.
  11. 연소기(4)에 있어서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 충돌 냉각 벽 장치(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  12. 가스 터빈(1)에 있어서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 충돌 냉각 벽 장치(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  13. 충돌 슬리브(10)가 플레넘(20)에 적어도 부분적으로 배치되고, 벽(7)과 상기 충돌 슬리브(10) 사이에 냉각 유동 경로(15)를 형성하도록 상기 벽(7)으로부터 일정 거리 이격되는, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 충돌 냉각 벽 장치(12) 내부에서, 동작 동안 고온 가스(19)에 노출된 벽(7)을 충돌 냉각하기 위한 방법으로서,
    상기 플레넘(20)으로부터 상기 구멍(13)들을 통해 상기 냉각 유동 경로(15) 내로 압축 가스(11)를 분사하는 단계;
    상기 벽(7)에 상기 압축 가스(11)를 충돌시키고, 상기 냉각 유동 경로(15)의 하류 단부(28)에 있는 출구를 향하여 직교류(16)로서 상기 압축 가스(11)를 안내하는 단계; 및
    상기 벽(7) 상에 배열된 상기 와류 발생기(21)들에 의해 상기 직교류(16)를 전환하는 단계를 포함하는 방법.
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