 기계 / 무기 / 조명
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가스터빈 배기가스 디퓨저장치 [SIEMENS AG]
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1. 기술 현황
터빈 내에는 정지된 날개 및 회전 블레이드의 일련의 열(rows)로 구성된다. 한 쌍의 날개 및 블레이드 열은 각각 스테이지라고 불리며, 터빈에는 다수의 스테이지가 있다. 회전 블레이드는 샤프트 및 디스크 조립체와 연결되어 설치된다. 작업 가스가 터빈을 통하여 확장될 때 블레이드와 샤프트 및 디스크 조립체가 회전하게 된다. 디퓨저는 터빈의 하류에 배치되고, 덕트를 구성한다. 덕트의 단면 영역은 거리에 따라 증가하고, 증가하는 단면 영역 때문에 디퓨저는 배기가스의 속도를 줄이는 기능을 수행한다. 배기가스 압력이 증가하는 동안 운동에너지를 감소하게 한다.
배기가스가 디퓨저를 나가기 이전에 압력회복이 더 클수록, 마지막 터빈 스테이지에서의 배기가스 압력은 더 낮다. 마지막 터빈 스테이지에서 압력이 더 낮을수록, 터빈 전역의 압력 비율은 더 크며, 터빈으로부터의 효율은 더 크게 된다.
종래의 가스 터빈 엔진의 디퓨저부는 반경방향 디퓨저와 축방향 디퓨저로 구성되고, 압축기 입구의 외부 케이싱과 디퓨저 케이싱이 터빈축의 반경방향으로 직선을 이루는 부분에 설치되고 압축기를 통과한 압축공기의 동압을 정압으로 전환하고, 디퓨저를 통과한 압축공기의 흐름 방향을 변경시켜 다음 단계에서 원하는 각으로 흡입되도록 한다. 디퓨저 케이싱은 용접 등의 방법으로 직접 부착하기 때문에, 정비를 위한 분해 작업이 매우 어렵고 제작공정에서 불량이 발생할 경우에 교정이 어렵다는 문제가 있다.
2. 발 명의 내 용
특허번호: WO2012013529
특허명: EXHAUST DIFFUSER FOR A GAS TURBINE, AND METHOD THEREOF
발명의 주요 구성
<그림 1>은 배기를 위한 디퓨저 어셈블리 1(이하 "디퓨저 1") 이다. 고정식 가스터빈은 전력생성 및 기계적 드라이브에 사용된다. 디퓨저1 터빈 섹션 60의 마지막 단계에서 주 흐름 가스통로의 단면적 A1이 입구 3과 A2인 출구 4가 있다. 디퓨저 입구 3에서 디퓨저 출구 4로 확장되는 구조를 가지고 있으며 디퓨저 벽 7에 의해 가스가 도관을 통해 배기덕트 80로 배출된다.
– 디퓨저 벽은 유입구와 배출구 사이에 가스를 확대하여 가스의 압력을 복구함으로써 가스의 총 손실 수두를 감소하게 하는 확장형 구조로 설계 제작된다. 디퓨저 벽7 발산장치의 각도는 λ로서 종축 2기점으로의 발산각도는 보통 5~6°로 조정된다.
<그림 1> 가변 지오메트릭 배기 디퓨저의 구조도
– 제시된 기법에 따라, 가스 5의 압력복구 발산각도를 조정하여 디퓨저 벽의 형상을 제어한다. 결과적으로 R'(A2/A1)의 비율은 고정 디퓨저의 길이와 면적비율로 발산각도의 증가와 면적의 증가에 의한다. 디퓨저 벽의 바깥부분은 표면처리하고 유압형이나 공기역학형 액추에 이터 9로 디퓨저의 발산각도를 조정하도록 열에 의해 제어되는 컨트롤 시스템 10으로 구성되고 있다.
발명의 기술적 특징
– 디퓨저 1은 디퓨저 형상 제어 수단인 액츄레이터 9, 10을 하나 이상 설치하여 발산각도에 따라 흐름박리를 유동센서를 통해 측정하고 유동면적을 제어하도록 컨트롤시스템에서 자동 작동되어 조정압력을 회복하도록 한다.
– 가스흐름 분리의 지점인 디퓨저 벽 내부의 가스 유동경로에 유동센서 11을 설치하여 압력과 유동을 감지하게 된다. 유동센서는 유량센서와 압력프로브로 구성되어 압력을 감지하고 유량흐름의 증가를 자동 감지한다(특허출원에는 측정치가 제시되었다).
– 디퓨저는 배기가스의 안내역할을 하는 것으로 접을 수 있고 상호 연결된 요소로 구성하는 것이 바람직하고, 터빈의 축 방향과 터빈 블레이드로부터 이격된 방향으로 확장되는 형태로 펼쳐지도록 한다. 배기관인 디퓨저의 유동단면의 영역을 가변하기 위해, 디퓨저가 가변 실(seal)을 가지고 액추에이터를 이용한 자동제어시스템을 구성한 것이 특징이다.
– 디퓨저 벽은 원뿔 모양의 나선형태로 꼬인 강판 조각이나 시트금속조각으로 되어있다. 조절부문은 힌지에 의해 고정된다. 유동센서는 공기 흐름 박리를 측정할 수 있는 음파프로브(sonic probe)를 사용한다.
3. 효과 및 응용
이 특허기술은 가변 지오메트릭 디퓨저를 이용하여 배기제어 압력복구와 디퓨저 내의 발산각도를 이용하여 배기가스 흐름면적과 압력 비를 측정하고 제어하여 터빈의 효율을 증진하는 시스템을 제시하고 있다.
가스터빈은 디퓨저 구조물의 유동 및 배기가스 안정화, 후처리 구조물을 구비하는 디퓨저 장치가 필요하다. 이 발명의 디퓨저 구조물은 유동 통로를 형성하는 내부 및 외부 벽을 구비하고, 가스가 통로를 지나갈때에 가스 내의 운동 에너지가 감소되고 압력이 증가되도록 유도하는 자동제어 형상이 응용되고 있어 효과적이다.
이 발명은 디퓨저를 구성하는 부품의 분해조립을 단순화함으로써 생산성을 향상시키도록 함은 물론 용이한 청소로 청결을 유지할 수 있도록 디퓨저의 조립구조를 제공하고 있다.
또한 배기 디퓨저는 전체 부하에서 터빈부문에서 적용되는 유량으로 배기부하에서 최대 압력복구를 제공하는 영역으로 설계되고 있다.
출처 : SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, “ EXHAUST DIFFUSER FOR A GAS TURBINE,
AND METHOD THEREOF ”, WO2012/013529, pp.1～23
해당특허보기: http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=worldwide.espacenet.com&II=0&ND=3&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=20120202&CC=WO&NR=2012013529A1&KC=A1
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