JP2018100666A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンを開示する。
【解決手段】本発明の一実施形態によるガスタービンは、タービンに備えられたタイロッドの外側を囲むベアリングハウジングと、前記ベアリングハウジングの外側に一端が連結され、他端が外側に向かって放射状に配置されたパワーストラットと、前記パワーストラットに冷却空気を供給する冷却空気供給部と、前記パワーストラットの内部に配置され、前記冷却空気供給部を介して供給された冷却空気との熱交換が行われる熱交換部と、前記パワーストラットの他端と連結され、リング状からなるサポートフレームと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンに備えられたパワーストラットに関し、該パワーストラットの内部構造及び冷却空気が移動する通路により、ホットガスによる構成品の変形と損傷を最小化するためのガスタービンに関する。

通常、ガスタービンは、圧縮機で高圧で圧縮された空気に燃料を混合させた後、燃焼させて生成される高温、高圧の燃焼ガスをタービンで膨張させることにより熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する内燃機関の一種であって、圧縮機とタービンは、ロータ部から回転力を得る。

かかる圧縮機ロータ部及びタービンロータ部を構成するために、外周面に複数の圧縮機ブレードが配列される複数の圧縮機ロータディスクが備えられる。

そして、前記ロータディスクが一体に回動されるように互いに連結させ、外周面に複数のタービンブレードが配列される複数のタービンロータディスクが一体に回動されるように互いに連結させるために、タイボルトが備えられる。

前記タイボルトは、前記圧縮機ロータディスクとタービンロータディスクの中心部を貫通して延び、前記圧縮機ロータディスクとタービンロータディスクを締結する構成が広く知られている。

このように用いられるガスタービンには、ロータを支持するためのパワーストラットが備えられており、前記パワーストラットは、高温のホットガスから隣接した構成品を保護し、且つロータを安定して支持する役割を兼ねることが好ましい。

しかし、従来の殆どのパワーストラットは内側に対する冷却は行われているが、前記パワーストラットの外側では別の冷却が行われていないという問題が引き起こされている。

また、ロータが回転される場合、燃焼器を経由した高圧のホットガスによってタービンの後段に押される現象が発生し、これを解決するための方法が必要となっている。

韓国公開特許第１０−２０１５−０００８７４９号公報

本発明の実施形態は、タービンに備えられたパワーストラットに対する冷却及びサポートフレームに対する安定した冷却を図るためのガスタービンを提供することをその目的とする。

本発明の一側面によるガスタービンは、タービンに備えられたタイロッドの外側を囲むベアリングハウジングと、前記ベアリングハウジングの外側に一端が連結され、他端が外側に向かって放射状に配置されたパワーストラットと、前記パワーストラットに冷却空気を供給する冷却空気供給部と、前記パワーストラットの内部に配置され、前記冷却空気供給部を介して供給された冷却空気との熱交換が行われる熱交換部と、前記パワーストラットの他端と連結され、リング状からなるサポートフレームと、を含む。

前記熱交換部は、前記パワーストラットの内側に互いに向かい合って突出したリブを含む。

前記リブは、前記パワーストラットが前記サポートフレームに向かって傾斜した勾配と類似の勾配または同一の勾配の何れか１つの勾配で傾斜して配置されている。

前記リブは、前記パワーストラットの半径方向外側から前記ベアリングハウジングが位置した半径方向内側に向かって次第に突出量が増加することを特徴とする。

前記パワーストラットを外側で囲むカバーハウジングをさらに含む。

前記パワーストラットの外側と前記カバーハウジングの内側との間には第１冷却通路が形成されていることを特徴とする。

前記パワーストラットに供給された冷却空気の一部が前記第１冷却通路に供給されるように、前記パワーストラットに開口孔が形成されていることを特徴とする。

前記開口孔は、前記パワーストラットを縦方向に切断した断面の側面視において、左側面と右側面にそれぞれ開口された第１開口孔と、前記第１開口孔の下側に離隔した位置に開口された第２開口孔と、を含む。

前記第１開口孔は前記カバーハウジングの上側に向かって傾斜して開口され、前記第２開口孔は前記カバーハウジングの下側に向かって傾斜して開口される。

前記冷却空気は、前記第１開口孔を介して供給された後、前記第１冷却通路から、前記パワーストラットの外側と前記サポートフレームの内側とが連結された位置で前記タイロッドの軸方向の前方と後方に向かってそれぞれ形成された第２冷却通路に向かって一部が移動され、残りの冷却空気は、前記パワーストラットの内側と前記ベアリングハウジングの外側を囲む内部ケーシングの外側とが連結された位置で前記タイロッドの軸方向の前方と後方に向かってそれぞれ形成された第３冷却通路に移動されて、前記第１開口孔と前記第２開口孔を介して供給された冷却空気が、前記第２冷却通路と前記第３冷却通路に向かってそれぞれ供給されることを特徴とする。

前記第１冷却通路は、前記第２、３冷却通路に比べて大きい直径を有することを特徴とする。

前記カバーハウジングの内側壁には、前記第１、２開口孔を介して移動された冷却空気をそれぞれ前記第２、３冷却通路にガイドするためのガイド部が備えられていることを特徴とする。

前記ガイド部は、前記カバーハウジングの内側壁に一端が固定され、前記パワーストラットの中央に向かって鉛直方向に水平に延びた水平部と、前記水平部の端部が前記第２、３冷却通路に向かってそれぞれ湾曲したラウンド部と、を含む。

前記第３冷却通路に供給された冷却空気がロータの軸方向に供給されると、前記ロータを前記タービンに備えられた圧縮機の方向に加圧することを特徴とする。

前記冷却空気供給部は、タービンの圧縮機で圧縮された高圧の圧縮空気を供給することを特徴とする。

本発明の実施形態によると、パワーストラットの内側と外側を同時に冷却することができるため、ホットガスによる熱変形を最小化し、ロータを安定して支持することができる。

本発明の実施形態によると、タイロッドの軸方向にロータを支持することができるため、前記ロータが押される現象を最小化することができる。

本発明の実施形態によると、タービンの冷却のためのコンパクトな設計が可能であって、設計者の様々な冷却モードが適用可能である。

本発明の一実施形態によるパワーストラットとサポートフレームの配置関係を示した図である。 本発明の一実施形態によるパワーストラットとサポートフレームの配置関係を示した図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンに備えられたパワーストラットの横断面図である。 本発明の一実施形態によるパワーストラットに備えられたリブの他の実施形態を示した図である。 本発明の一実施形態による開口孔の実施形態を示した断面図である。 本発明の一実施形態による開口孔の他の実施形態を示した断面図である。 本発明の一実施形態によるガイド部を示した図である。

本発明の一実施形態によるガスタービンについて、図面を参照して詳細に説明する。参照に、図１は本発明の一実施形態によるパワーストラットとサポートフレームの配置関係を示した図であり、図２は本発明の一実施形態によるパワーストラットとサポートフレームの配置関係を示した図であり、図３は本発明の一実施形態によるガスタービンに備えられたパワーストラットの横断面図である。

添付の図１から図３を参照すると、本実施形態によるガスタービンは、タービンに備えられたタイロッド２を外側で囲むベアリングハウジング１００と、前記ベアリングハウジング１００の外側に一端が連結され、他端が外側に向かって放射状に配置されたパワーストラット３００と、前記パワーストラット３００に冷却空気を供給する冷却空気供給部８００と、前記パワーストラット３００の内部に配置され、前記冷却空気供給部８００を介して供給された冷却空気との熱交換が行われる熱交換部４００と、前記パワーストラット３００の他端と連結され、リング状からなるサポートフレーム５００と、を含む。

前記ベアリングハウジング１００は、タイロッド２の外側と転がり接触状態で回転するベアリング（不図示）を囲む構造で構成される。

前記ベアリングは、回転するタイロッド２の摩擦を低減し、且つ荷重を支持してタイロッド２の安定した回転と作動を図る。

ベアリングハウジング１００は、円筒状にタイロッド２を囲んで軸方向に沿って所定の長さに延びており、前記ベアリングハウジング１００の外側円周方向に多数のパワーストラット３００が放射状に配置される。

前記パワーストラット３００は、タイロッド２の軸方向を基準とした後方視において、ベアリングハウジング１００の外側から鉛直方向に延びる。

前記パワーストラット３００の延びた外側端部には、前記ベアリングハウジング１００と同心円を成して円筒状に形成されたサポートフレーム５００が備えられている。前記パワーストラット３００は、ベアリングハウジング１００とサポートフレーム５００との間に両端が固定されていて、多数のロータ４の支持も安定して行うことができる。

パワーストラット３００は、横方向に切断した断面の上側視において、ベアリングハウジング１００の軸方向に延びた長軸を有する楕円状に形成されており、内部が空き空間からなっていて、熱交換部４００が内側壁に備えられる。前記熱交換部４００は、内部に供給された冷却空気との接触面積を増加させることで冷却性能を向上させるために備えられ、一例として、前記パワーストラット３００の内側で互いに向かい合って突出したリブ４１０がタイロッド２の半径方向外側に形成される。

前記リブ４１０は、前記パワーストラット３００が前記サポートフレーム５００に向かって傾斜した勾配と類似の勾配または同一の勾配の何れか１つの勾配で傾斜して配置される。前記パワーストラット３００がベアリングハウジング１００の外側から放射状に延びるため、前記リブ４１０も、前記パワーストラット３００の勾配と対応する勾配で延びる。

パワーストラット３００は楕円状の断面形態を有して延びており、多数の前記リブ４１０が一定の間隔で離隔してベアリングハウジング１００の軸方向に配置される。

リブ４１０の設置個数が増加するほど、冷却空気との接触面積が増加し、冷却効率が向上するため、個別単位のリブのサイズが小さく形成されることが好ましい。一例として、前記リブ４１０の配置間隔は、図面を基準として、互いに離隔した間隔がパワーストラット３００の内側中央に比べて左側壁と右側壁に行くに従って細くなるように配置されることができる。

その理由は、冷却空気が後述の開口孔３０３から第１冷却通路２０２を介して安定して移動されるように、前記パワーストラット３００の左側壁と右側壁に行くに従ってリブ４１０の離隔間隔を短くすることで、前記冷却空気が開口孔３０３と第２、３冷却通路２０４、２０６に向かって安定して移動されるようにするためである。

リブ４１０は、一例として、直方体状に形成されるが、パワーストラット３００の内側で互いに向かい合って配置されており、前記リブ４１０の突出した長さが、互いに向かい合って離隔した長さより短くなるように延びる。

冷却空気がパワーストラット３００の内側を経由して移動する時に、リブ４１０との熱交換が行われるが、この際、流速が低下したり、不要な乱流が発生したりすることは好ましくないため、前記冷却空気が安定して移動され得る空間が形成されることが好ましい。

一例として、リブ４１０は、配置による冷却空気の移動安定性のために、前記パワーストラット３００の内側壁に密着して配置される。前記冷却空気は、パワーストラット３００の中央と前記リブ４１０によって区画された領域に均一に拡散されながら移動される。この場合、ホットガスによって高温に熱伝逹されたパワーストラット３００に対する冷却をより効率的に実施することができるため、冷却効率の向上を図ることができる。

添付の図４を参照すると、本実施形態によるリブ４１０は、前記パワーストラット３００の半径方向外側から前記ベアリングハウジング１００が位置した半径方向内側に向かって次第に突出量が増加されることができる。

冷却空気はパワーストラット３００からベアリングハウジング１００に向かって供給されるが、この際、冷却空気の速度と圧力によって、前記リブ４１０が位置した部分での冷却空気の流れが乱流の形態に変化され得る。

冷却空気の乱流は流体の移動で必然的に発生するが、これを最小化するために、前記リブ４１０の突出した突出量を前記ベアリングハウジング１００が位置した半径方向内側に向かって次第に増加させることで最小化することができる。

この際、冷却空気が最初に接触されるリブ４１０の一端（Ａ位置）では、前記リブ４１０の突出した突出量が最小限となって突出しているため、前記冷却空気とリブ４１０との不要な摩擦が最小化されることができる。また、前記冷却空気と最後に接触されるリブ４１０の他端（Ｂ位置）では、前記冷却空気との接触面積が最大に増加されて、熱交換による冷却を効率的に実施することができる。

したがって、前記パワーストラット３００の長さが長くなる場合にも、冷却空気の安定した移動と熱交換効率を同時に向上させることができる。

本実施形態は、パワーストラット３００を外側で囲むカバーハウジング６００をさらに含み、前記パワーストラット３００の外側と前記カバーハウジング６００の内側との間には第１冷却通路２０２が形成される。

前記カバーハウジング６００は、パワーストラット３００を物理的に保護する機能を担うとともに、高温のホットガスによって伝達された熱気によって加熱されることを最小化するために備えられる。

カバーハウジング６００は、ベアリングハウジング１００の外側に一端が固定され、他端は前記サポートフレーム５００の内側に固定されており、第１冷却通路２０２が形成されているため、ホットガスが前記パワーストラット３００と直ちに接触されない。

第１冷却通路２０２は、ベアリングハウジング１００からサポートフレーム５００の方向に延びており、前記パワーストラット３００の外周面と離隔した空間を形成して、高温のホットガスと熱交換される冷却空気が流入される空間を提供することができるため、冷却の点で有利となる。

また、前記パワーストラット３００に供給された冷却空気の一部が前記第１冷却通路２０２に供給されるように、前記パワーストラット３００に開口孔３０３が形成される。

添付の図５を参照すると、本実施形態による開口孔３０３は、前記パワーストラット３００を縦方向に切断した断面の側面視において、左側面と右側面にそれぞれ開口された第１開口孔３０３ａと、前記第１開口孔３０３ａの下側に離隔した位置に開口された第２開口孔３０３ｂと、を含む。

前記第１開口孔３０３ａと第２開口孔３０３ｂは互いに同一の直径で開口されてもよく、より多くの冷却空気が必要な位置に多量の冷却空気を供給するために互いに異なる直径で開口されてもよい。

第１開口孔３０３ａと第２開口孔３０３ｂは、第１冷却通路２０２に向かって鉛直方向に水平に開口されることができ、冷却空気の一部が前記第１、２開口孔３０３ａ、３０３ｂを経由して移動される。

添付の図１または図６を参照すると、本発明の他の実施形態による第１開口孔３０３ａは前記カバーハウジング６００の上側に向かって傾斜して開口され、前記第２開口孔３０３ｂは前記カバーハウジング６００の下側に向かって傾斜して開口される。

冷却空気が第１冷却通路２０２に移動する時に、カバーハウジング６００の内側面との衝突が必然的に発生し、これによって、冷却空気の移動方向が意図の方向とは異なる方向に移動される恐れがある。

本発明は、このような冷却空気の移動方向を特定方向にガイドするために、前記第１、２開口孔３０３ａ、３０３ｂの開口位置を特定位置に向かって開口させることで、前記冷却空気の安定した移動を図るとともに、パワーストラット３００の冷却効率を向上させることができる。

特に、本実施形態は、パワーストラット３００の内側の冷却はリブ４１０により実施し、外側の冷却は第１冷却通路２０２または第２、３冷却通路２０４、２０６により実施することができるため、前記パワーストラットに対する冷却を効率的に実施することができる。

前記冷却空気は、前記第１開口孔３０３ａを介して供給された後、前記第１冷却通路２０２から、前記パワーストラット３００の外側と前記サポートフレーム５００の内側とが連結された位置で前記タイロッド２の軸方向の前方と後方に向かってそれぞれ形成された第２冷却通路２０４に向かって一部が移動される。

そして、残りの冷却空気は、前記パワーストラット３００の内側と前記ベアリングハウジング１００の外側を囲む内部ケーシング７００の外側とが連結された位置で前記タイロッド２の軸方向の前方と後方に向かってそれぞれ形成された第３冷却通路２０６に移動されながら冷却を図る。

第２冷却通路２０４と第３冷却通路２０６は、第１冷却通路２０２の開口された断面よりは小さい領域に形成されるため、前記冷却空気が迅速に前記第２、３冷却通路２０４、２０６に移動されることができる。

前記第２、３冷却通路２０４、２０６は高温のホットガスによる損傷を防止するために供給されるものであって、高温のホットガスとの熱交換により、パワーストラット３００、サポートフレーム５００、及びロータ４が高温の熱気に露出したり、熱伝逹によって変形することを最小化することができる。

また、冷却空気が第２、３冷却通路２０４、２０６に沿ってタイロッド２の軸方向から移動されるため、前記タイロッド２を軸方向の一部区間で囲む形態で冷却を実施することができる。

冷却空気は、第２冷却通路２０４を経由してホットガスが移動するパス（ｐａｔｈ）に移動して冷却を図り、第３冷却通路２０６に供給された冷却空気がロータ４の軸方向に供給されると、前記ロータ４を前記タービンに備えられた圧縮機の方向に加圧することができる。

前記ロータ４には、ホットガスによって軸方向からパワーストラット３００が位置した方向に圧力が加えられ、これにより、前記ロータ４が前記パワーストラット３００が位置した後方に押されてしまう、異常な加圧力が加えられる。

本発明はこれを解決するために、前記ロータ４に冷却空気の一部を供給し、前記ロータ４を圧縮機の方向に支持することで、前記ロータ４が上述の位置に押される形象を解決することができる。

したがって、冷却空気を用いて、冷却とロータ４の支持をともに図ることができる。

本実施形態による第１冷却通路２０２は、前記第２、３冷却通路２０４、２０６に比べて大きい直径を有する。前記第１冷却通路２０２は、第１、２開口孔３０３ａ、３０３ｂを介して冷却空気が流入されるメイン通路の役割を担うため、前記第２、３冷却通路２０４、２０６に向かって移動する速度が速くなり得る。

添付の図７を参照すると、本発明の一実施形態によるカバーハウジング６００の内側壁には、前記第１、２開口孔３０３ａ、３０３ｂを介して移動された冷却空気をそれぞれ前記第２、３冷却通路２０４、２０６にガイドするためのガイド部６１０が備えられる。

前記ガイド部６１０は、前記カバーハウジング６００の内側壁に一端が固定され、前記パワーストラット３００の中央に向かって水平に延びた水平部６１２と、前記水平部６１２の端部が前記第２、３冷却通路２０４、２０６に向かってそれぞれ湾曲したラウンド部６１４と、を含む。

冷却空気は第１、２開口孔３０３ａ、３０３ｂを介して排出されると矢印の方向に沿って移動されるが、前記第１冷却通路２０２の長さが幅に比べて長く延びていて、第２、３冷却通路２０４、２０６に向かって全て移動されず、前記カバーハウジング６００の内側で循環することになる。

この際、冷却空気は水平部６１２に沿ってラウンド部６１４に移動されるが、前記ラウンド部６１４で、方向がそれぞれ第２冷却通路２０４と第３冷却通路２０６に容易に転換されるため、殆どの冷却空気が所望の方向に向かって移動される。

したがって、ロータ４に対する冷却と、パワーストラット３００及びサポートフレーム５００に対する冷却とを安定的に実施することができる。

本実施形態による冷却空気供給部８００は、タービンの圧縮機で圧縮された高圧の圧縮空気を供給するものであって、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を供給するためのパイプ（不図示）が別に備えられて、前記サポートフレーム５００の外側と連通される。

さらに、サポートフレーム５００には、冷却空気供給部８００から供給された圧縮空気を受けるために円周方向に冷却空気導入通路が形成されており、前記冷却空気導入通路は上述のパワーストラット３００の内側と連通される。

２ タイロッド
４ ロータ
１００ ベアリングハウジング
３００ パワーストラット
２０２ 第１冷却通路
３０３ 開口孔
３０３ａ、３０３ｂ 第１、２開口孔
２０４ 第２冷却通路
２０６ 第３冷却通路
４００ 熱交換部
４１０ リブ
５００ サポートフレーム
６００ カバーハウジング
６１０ ガイド部
６１２ 水平部
６１４ ラウンド部
７００ 内部ケーシング
８００ 冷却空気供給部

Claims (15)

1. タービンに備えられたタイロッドの外側を囲むベアリングハウジングと、
   前記ベアリングハウジングの外側に一端が連結され、他端が外側に向かって放射状に配置されたパワーストラットと、
   前記パワーストラットに冷却空気を供給する冷却空気供給部と、
   前記パワーストラットの内部に配置され、前記冷却空気供給部を介して供給された冷却空気との熱交換が行われる熱交換部と、
   前記パワーストラットの他端と連結され、リング状からなるサポートフレームと、を含むガスタービン。
2. 前記熱交換部は、前記パワーストラットの内側に互いに向かい合って突出したリブを含む、請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記リブは、前記パワーストラットが前記サポートフレームに向かって傾斜した勾配と類似の勾配または同一の勾配の何れか１つの勾配で傾斜して配置されている、請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記リブは、前記パワーストラットの半径方向外側から前記ベアリングハウジングが位置した半径方向内側に向かって次第に突出量が増加する、請求項２に記載のガスタービン。
5. 前記パワーストラットを外側で囲むカバーハウジングをさらに含む、請求項1〜4のいずれか１項に記載のガスタービン。
6. 前記パワーストラットの外側と前記カバーハウジングの内側との間には第１冷却通路が形成されている、請求項５に記載のガスタービン。
7. 前記パワーストラットに供給された冷却空気の一部が前記第１冷却通路に供給されるように、前記パワーストラットに開口孔が形成されている、請求項６に記載のガスタービン。
8. 前記開口孔は、
   前記パワーストラットを縦方向に切断した断面の側面視において、左側面と右側面にそれぞれ開口された第１開口孔と、
   前記第１開口孔の下側に離隔した位置に開口された第２開口孔と、を含む、請求項７に記載のガスタービン。
9. 前記第１開口孔は前記カバーハウジングの上側に向かって傾斜して開口され、前記第２開口孔は前記カバーハウジングの下側に向かって傾斜して開口される、請求項８に記載のガスタービン。
10. 前記冷却空気は、前記第１開口孔を介して供給された後、前記第１冷却通路から、前記パワーストラットの外側と前記サポートフレームの内側とが連結された位置で前記タイロッドの軸方向の前方と後方に向かってそれぞれ形成された第２冷却通路に向かって一部が移動され、
    残りの冷却空気は、前記パワーストラットの内側と前記ベアリングハウジングの外側を囲む内部ケーシングの外側とが連結された位置で前記タイロッドの軸方向の前方と後方に向かってそれぞれ形成された第３冷却通路に移動されて、
    前記第１開口孔と前記第２開口孔を介して供給された冷却空気が、前記第２冷却通路と前記第３冷却通路に向かってそれぞれ供給される、請求項９に記載のガスタービン。
11. 前記第１冷却通路は、前記第２冷却通路と前記第３冷却通路に比べて大きい直径を有する、請求項１０に記載のガスタービン。
12. 前記カバーハウジングの内側壁には、前記第１開口孔と前記第２開口孔を介して移動された冷却空気をそれぞれ前記第２冷却通路と前記第３冷却通路にガイドするためのガイド部が備えられている、請求項10または11に記載のガスタービン。
13. 前記ガイド部は、
    前記カバーハウジングの内側壁に一端が固定され、前記パワーストラットの中央に向かって鉛直方向に水平に延びた水平部と、
    前記水平部の端部が前記第２冷却通路と前記第３冷却通路に向かってそれぞれ湾曲したラウンド部と、を含む、請求項12に記載のガスタービン。
14. 前記第３冷却通路に供給された冷却空気がロータの軸方向に供給されると、前記ロータを前記タービンに備えられた圧縮機の方向に加圧する、請求項10〜13のいずれか１項に記載のガスタービン。
15. 前記冷却空気供給部は、タービンの圧縮機で圧縮された高圧の圧縮空気を供給する、 請求項1〜14のいずれか１項に記載のガスタービン。

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