JP2018178992A - ガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービン - Google Patents

ガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービン Download PDF

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Abstract

【課題】ローター及びブレードの冷却効率を向上させるガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービンを提供する。【解決手段】本発明によるガスタービンブレードのリテーナは、ガスタービンのローター部に装着される回転ブレードの離脱を防止するガスタービンブレードのリテーナにおいて、回転ブレードの一側に配され、回転ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、リテーナフレームと回転ブレードとの間に形成されて、内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、リテーナフレームの一側に配されて、リテーナフレームをローター部に固定させる固定部と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービンに係り、より詳細には、ガスタービンの回転ブレードを固定するリテーナの構造を改善したガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービンに関する。
タービンとは、蒸気、ガスのような圧縮性流体の流れを用いて衝動力または反動力で回転力を得る機械装置であって、蒸気を用いる蒸気タービン及び高温の燃焼ガスを用いるガスタービンなどがある。そのうち、ガスタービンは、大きく圧縮機、燃焼器、及びタービンで構成される。圧縮機は、空気を導入する空気導入口が備えられ、圧縮機ケーシング内に多数個の圧縮機ベインと、圧縮機ブレードと、が交互に配されている。燃焼器は、圧縮機から圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナーで点火することによって、高温高圧の燃焼ガスが生成される。タービンは、タービンケーシング内に複数のタービンベインと、タービンブレードと、が交互に配されている。また、圧縮機、燃焼器、タービン、及び排気室の中心部を貫通するようにローターが配されている。ローターは、両端部が軸受によって回転自在に支持される。そして、ローターに複数のディスクが固定されて、それぞれのブレードが連結されると共に、排気室側の端部に発電機などの駆動軸が連結される。
このようなガスタービンは、４行程機関のピストンのような往復運動機構を有さず、ピストン−シリンダのような相互摩擦部分がなく、潤滑油の消費が極めて少なく、往復運動機械の特徴である振幅が大幅に減少し、高速運動が可能な長所がある。ガスタービンの作動について簡略に説明すれば、圧縮機から圧縮された空気が燃料と混合されて燃焼されることによって、高温の燃焼ガスが作られ、この燃焼ガスが、タービン側に噴射される。噴射された燃焼ガスが、タービンベイン及びタービンブレードを通過しながら、回転力を生成させ、これにより、ローターが回転する。タービンのローターは、タービンブレードとの結合部位の周囲に周り方向に配されたリテーナが装着される。リテーナとローターとの間には、冷却空気が流入される冷却空間が形成され、冷却空気が冷却空間に流入されて、ローター部及びタービンブレードの過熱を防止する。しかし、従来のリテーナの背面には、冷却空間が１個で形成されて、冷却された空気が、ブレードとローター部との結合部側を冷却する前に外側に直ちに移動して、タービンブレード及びローター部の冷却効率が、落ちるとの問題点がある。
韓国公開特許第１０−２０１４−００７１５６４号公報
本発明は、前述のリテーナを備えたガスタービンの問題点を解決するためになされたものであって、ローター及びブレードの冷却効率を向上できるガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービンを提供することにある。
本発明によるリテーナは、ガスタービンのローター部に装着される回転ブレードの離脱を防止するガスタービンブレードのリテーナにおいて、前記回転ブレードの一側に配され、前記回転ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、前記リテーナフレームと前記回転ブレードとの間に形成されて、前記内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、前記リテーナフレームの一側に配されて、前記リテーナフレームを前記ローター部に固定させる固定部と、を含むことを特徴とする。
前記回転ブレードと前記ローター部との間に冷却空気流路が形成され、前記内側チャンバと前記冷却空気流路は、連通されて、前記内側チャンバに冷却空気が供給されることを特徴とする。また、前記回転ブレードの一端は、モミ（ＦＩＲ ＴＲＥＥ）状からなることを特徴とする。前記リテーナフレームは、前記回転ブレードの両側に形成されることを特徴とする。前記隔壁部は、前記ローター部の半径方向に互いに離隔して形成される複数の隔壁部材を含むことを特徴とする。前記複数の冷却チャンバが互いに連通するように、前記隔壁部材に連通ホールが形成されることを特徴とする。前記隔壁部材に形成された連通ホールは、隣接する隔壁部材に形成された連通ホールと交互に形成されることを特徴とする。
本発明によるタービンユニットは、一側にガス流入口が形成され、他側にガス排出口が形成され、内部にガス流動空間を形成するケーシングと、前記ケーシング内部のガス流動空間内に回転自在に装着されるトルクチューブと、前記トルクチューブと結合されて、前記トルクチューブと共に回転するローター部と、前記ローター部に装着される回転ブレードと、前記回転ブレードの一側に配され、前記ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、前記リテーナフレームと前記回転ブレードとの間に形成されて、前記内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、前記リテーナフレームの一側に配されて、前記リテーナフレームを前記ローター部に固定させる固定部と、を含むリテーナと、前記ケーシングの内壁に形成される固定ブレードと、を含んで構成されることを特徴とする。
前記回転ブレードと前記ローター部との間に冷却空気流路が形成され、前記内側チャンバと前記冷却空気流路は、連通されて、前記内側チャンバに冷却空気が供給されることを特徴とする。前記隔壁部は、前記ローター部の半径方向に互いに離隔して形成される複数の隔壁部材を含むことを特徴とする。前記複数の冷却チャンバが互いに連通するように、前記隔壁部材に連通ホールが形成されることを特徴とする。前記隔壁部材に形成された連通ホールは、隣接する隔壁部材に形成された連通ホールと交互に形成されることを特徴とする。
本発明によるガスタービンは、外部から供給された空気を圧縮させる圧縮機ユニットと、前記圧縮機ユニットから供給された圧縮空気と燃料とを燃焼させて作動ガスを生成する燃焼器ユニットと、前記燃焼器ユニットから生成された作動ガスが流入されるガス流入口が一側に形成され、他側にガス排出口が形成され、内部にガス流動空間を形成するケーシングと、前記ケーシング内部のガス流動空間内に回転自在に装着されるトルクチューブと、前記トルクチューブと結合されて、前記トルクチューブと共に回転するローター部と、前記ローター部に装着される回転ブレードと、前記回転ブレードの一側に配され、前記ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、前記リテーナフレームと前記回転ブレードとの間に形成されて、前記内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、前記リテーナフレームの一側に配されて、前記リテーナフレームを前記ローター部に固定させる固定部と、を含むリテーナと、前記ケーシングの内壁に形成される固定ブレードと、を含むタービンユニットと、を含むことを特徴とする。
前記回転ブレードと前記ローター部との間に冷却空気流路が形成され、前記内側チャンバと前記冷却空気流路は、連通されて、前記内側チャンバに冷却空気が供給されることを特徴とする。前記隔壁部は、前記ローター部の半径外側方向に互いに離隔して形成される複数の隔壁部材を含むことを特徴とする。
本発明によれば、ブレードを支持するリテーナの構造を改善して、ブレード及びローター部の冷却効率を向上させることができる。また、本発明によれば、リテーナ後面に形成される冷却空間を半径方向に複数個に分割して、冷却空気をローター部の半径方向外側に順次に移動させ、回転ブレードの冷却を円滑にしたので、ブレードの耐久性を向上させることができる。
本発明の一実施形態が適用されるガスタービンの概略的な構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるローター部の部分斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンユニットのタービンブレードとローター結合部との断面図である。 本発明の一実施形態によるリテーナの背面図である。
以下、本発明によるタービンの実施形態について図面を参照して説明する。
図１〜図４に示すように、本発明の一実施形態によるガスタービン１００は、圧縮機ユニット１２０、燃焼器ユニット１３０及びタービンユニット１４０からなる。空気の流れ方向を基準に、圧縮機ユニット１２０は、上流側に配されて、外部から供給された空気を圧縮させる。圧縮機ユニット１２０は、複数個の圧縮機ローターディスク１２１を備え、圧縮機ローターディスク１２１は、中央のタイロッド１２２によって軸方向に締結される。それぞれの圧縮機ローターディスク１２１は、中央をタイロッド１２２が貫通した状態で互いに軸方向に沿って整列される。圧縮機ローターディスク１２１の外周面には、複数個のブレード１２３が放射状に結合されている。ブレード１２３の一端には、ダブテイル部１２３ａが備えられて、圧縮機ローターディスク１２１と締結される。タイロッド１２２は、前記複数個の圧縮機ローターディスク１２１の中心部を貫通するように配されており、下流側端部は、タービンユニット１４０側の駆動力を圧縮機ユニットに伝達するトルクチューブ１４４に挿設される。圧縮機ユニット１２０は、タービンユニット１４０側の駆動力を伝達されてブレード１２３を回転させることによって、外部空気を圧縮して下流の燃焼器ユニット１３０に供給する。
燃焼器ユニット１３０は、１個または複数の燃焼器と燃焼器内部に燃料を噴射する燃料ノズルとを備える。燃焼器は、セル形態で構成されるケーシング内に多数が配列され、それぞれの燃焼器は、燃料を燃焼させて高温の圧縮ガスを生成する燃焼部及び燃焼部から生成された高温の作動ガスをタービンユニット１４０に誘導するトランジションピースで構成される。
このような燃焼器ユニット１３０の燃焼器に燃料と圧縮機ユニットから供給された圧縮空気とが供給されれば、燃焼器内部で燃料及び圧縮空気は燃焼され、燃焼後、発生した作動ガスは、トランジションピースを経由して下流のタービンユニット１４０に供給される。タービンユニット１４０は、ケーシング１４１、ローター部１４２、回転ブレード１４３、トルクチューブ１４４、リテーナ１４５及び固定ブレード１４９からなる。
ケーシング１４１は、一側に燃焼器ユニット１３０から供給された作動ガスが流入されるガス流入口１４１ａが形成され、他側には回転ブレード１４３を回転させた後の作動ガスが排出されるガス排出口１４１ｂが形成される。ガス排出口側には、作動ガスが円滑に排出されるようにディフューザーが備えられうる。また、ケーシング１４１の内部には、作動ガスが流動するガス流動空間が形成される。ケーシング内部のガス流動空間の中央には、回転自在に装着されたトルクチューブ１４４が配される。トルクチューブ１４４は、中空状の管状からなり、上流側端部は、タイロッドと結合され、下流側端部は、ローター部１４２と結合される。
ローター部１４２の外周には、複数個の回転ブレード１４３が装着される。回転ブレード１４３は、ローター部１４２側端部にダブテイル部１４３ａが形成される。ダブテイル部１４３ａは、ローター部１４２の外周に形成された係合溝１４２ａに摺動挿設される。ダブテイル部１４３ａは、モミ状からなり、係合溝１４２ａは、ダブテイル部のモミ状に対応する形状からなる。ローター部１４２に挿入される回転ブレード１４３のダブテイル部の両側面には、一対のリテーナ１４５が装着される。
リテーナ１４５は、リテーナフレーム１４６及び固定部１５０からなる。リテーナフレーム１４６は、プレート状からなるが、回転ブレード１４３と対向する面には、冷却空気を収容することができる内側チャンバ１４８が形成される。リテーナフレーム１４６は、回転ブレード１４３及びローター部１４２の一側に配されて、回転プレード１４３のダブテイル部及びローター部１４２を冷却させる冷却空気が流入される内側チャンバを形成する。また、前記内側チャンバは、前記リテーナフレームの一側に形成された隔壁部によって３個の第１〜第３冷却チャンバ１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃに分割される。本実施形態では、内側チャンバを３個の冷却チャンバに分割したが、冷却チャンバの個数は、これに限定されず、設計条件によって、内側チャンバは、複数の冷却チャンバに分割される。
隔壁部１４７は、ローター部１４２の半径方向に互いに離隔して複数の隔壁部材からなって、内側チャンバをローター部の半径方向に分割された複数の冷却チャンバで形成させる。隔壁部材によって、冷却チャンバがローター部の半径方向に複数個に分割されることによって、冷却空気がローター部の半径外側方向への流動を遅延させ、内側から外側に順次に冷却空気を流動させることによって、ローター部１４２及び回転ブレード１４３の冷却効率を向上させる。
図４に示すように、隔壁部材には、複数の冷却空間を互いに連通させる第１連通ホール１４７ａがそれぞれ形成される。第１連通ホール１４７ａは、冷却チャンバ内の冷却空気の適正流動を誘導するためのものであって、望ましくは、隣接する隔壁部材の連通ホールとずれた位置に形成される。
一方、図３に示すように、ローター部１４２の係合溝の一側には、係合溝に冷却空気を供給する冷却空気流路１７０が形成される。また、冷却空気流路を通じて供給された冷却空気は、回転ブレード１４３のダブテイル部を冷却させることができる。また、冷却空気流路１７０は、ローター部１４２と回転ブレード１４３との間に延設され、延設された冷却空気流路１７０は、リテーナの内側チャンバ１４８と連通されるように形成される。これにより、冷却空気流路１７０を通じて供給された冷却空気は、リテーナの内側チャンバ１４８のうち、ローターの半径方向に最も内側の第１冷却チャンバ１４８ａに供給される。
第１冷却チャンバ１４８ａに供給された冷却空気は、回転ブレード１４３のダブテイル部の最も内側及びローター部を十分に冷却させた後、第１連通ホール１４７ａを通じて第２冷却チャンバ１４８ｂに移送される。第２冷却チャンバ１４８ｂを通じて供給された冷却空気も、隣接した回転ブレード１４３のダブテイル部及びローター部１４２を冷却させた後、第２連通ホール１４７ｂを通じて第３冷却チャンバ１４８ｃに移送される。この場合、第１連通ホール１４７ａと第２連通ホール１４７ｂは、ずれた位置に形成されるので、第１連通ホール１４７ａを通じて供給された冷却空気が第２連通ホール１４７ｂを通じて第３冷却チャンバ１４８ｃへの流動を遅延させて、第２冷却チャンバ１４８ｂで冷却空気が回転ブレードのダブテイル部及びローター部を冷却させることができる。
このような本発明によるリテーナ、タービンユニット及びガスタービンは、回転ブレード及びローター部の一側に形成された冷却空間を流動する冷却空気の流れを制御して、冷却空気を前記回転ブレードの内側から外側に順次に流動させることによって、回転ブレード及びローター部の冷却効率を向上させるとの長所を有する。本発明は、図面に示す実施形態で説明したが、例示的なものに過ぎず、より多様な実施形態が可能である。
本発明は、ガスタービンブレードのリテーナ、それを用いたタービンユニット及びガスタービンに好適である。
１００ ガスタービン
１２０ 圧縮機ユニット
１３０ 燃焼器ユニット
１４０ タービンユニット
１４２ ローター部
１４２ａ 係合溝
１４３ 回転ブレード
１４３ａ ダブルテイル部
１４５ リテーナ
１４７ 隔壁部
１４７ａ 第１連通ホール
１４７ｂ 第２連通ホール
１４８ 内側チャンバ
１４８ａ 第１冷却チャンバ
１４８ｂ 第２冷却チャンバ
１４８ｃ 第３冷却チャンバ

Claims (15)

  1. ガスタービンのローター部に装着される回転ブレードの離脱を防止するガスタービンブレードのリテーナにおいて、
    前記回転ブレードの一側に配され、前記回転ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、
    前記リテーナフレームと前記回転ブレードとの間に形成されて、前記内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、
    前記リテーナフレームの一側に配されて、前記リテーナフレームを前記ローター部に固定させる固定部と、
    を含むことを特徴とするガスタービンブレードのリテーナ。
  2. 前記回転ブレードと前記ローター部との間に冷却空気流路が形成され、
    前記内側チャンバと前記冷却空気流路は、連通されて、前記内側チャンバに冷却空気が供給されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンブレードのリテーナ。
  3. 前記回転ブレードの一端は、モミ状からなることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンブレードのリテーナ。
  4. 前記リテーナフレームは、前記回転ブレードの両側に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンブレードのリテーナ。
  5. 前記隔壁部は、前記ローター部の半径方向に互いに離隔して形成される複数の隔壁部材を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンブレードのリテーナ。
  6. 前記複数の冷却チャンバが互いに連通するように、前記隔壁部材に連通ホールが形成されることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンブレードのリテーナ。
  7. 前記隔壁部材に形成された連通ホールは、隣接する隔壁部材に形成された連通ホールと交互に形成されることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンブレードのリテーナ。
  8. 一側にガス流入口が形成され、他側にガス排出口が形成され、内部にガス流動空間を形成するケーシングと、
    前記ケーシング内部のガス流動空間内に回転自在に装着されるトルクチューブと、
    前記トルクチューブと結合されて、前記トルクチューブと共に回転するローター部と、
    前記ローター部に装着される回転ブレードと、
    前記回転ブレードの一側に配され、前記回転ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、前記リテーナフレームと前記回転ブレードとの間に形成されて、前記内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、前記リテーナフレームの一側に配されて、前記リテーナフレームを前記ローター部に固定させる固定部と、を含むリテーナと、
    前記ケーシングの内壁に形成される固定ブレードと、
    を含むことを特徴とするタービンユニット。
  9. 前記回転ブレードと前記ローター部との間に冷却空気流路が形成され、
    前記内側チャンバと前記冷却空気流路は、連通されて、前記内側チャンバに冷却空気が供給されることを特徴とする請求項８に記載のタービンユニット。
  10. 前記隔壁部は、前記ローター部の半径方向に互いに離隔して形成される複数の隔壁部材を含むことを特徴とする請求項８に記載のタービンユニット。
  11. 前記複数の冷却チャンバが互いに連通するように、前記隔壁部材に連通ホールが形成されることを特徴とする請求項１０に記載のタービンユニット。
  12. 前記隔壁部材に形成された連通ホールは、隣接する隔壁部材に形成された連通ホールと交互に形成されることを特徴とする請求項１１に記載のタービンユニット。
  13. 外部から供給された空気を圧縮させる圧縮機ユニットと、
    前記圧縮機ユニットから供給された圧縮空気と燃料とを燃焼させて作動ガスを生成する燃焼器ユニットと、
    前記燃焼器ユニットから生成された作動ガスが流入されるガス流入口が一側に形成され、他側にガス排出口が形成され、内部にガス流動空間を形成するケーシングと、前記ケーシング内部のガス流動空間内に回転自在に装着されるトルクチューブと、前記トルクチューブと結合されて、前記トルクチューブと共に回転するローター部と、前記ローター部に装着される回転ブレードと、前記回転ブレードの一側に配され、前記ブレードとの間に冷却空気が流入される内側チャンバを形成するリテーナフレームと、前記リテーナフレームと前記回転ブレードとの間に形成されて、前記内側チャンバを複数の冷却チャンバに分割する隔壁部と、前記リテーナフレームの一側に配されて、前記リテーナフレームを前記ローター部に固定させる固定部と、を含むリテーナと、
    前記ケーシングの内壁に形成される固定ブレードと、を含むタービンユニットと、
    を含むことを特徴とするガスタービン。
  14. 前記回転ブレードと前記ローター部との間に冷却空気流路が形成され、
    前記内側チャンバと前記冷却空気流路は、連通されて、前記内側チャンバに冷却空気が供給されることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービン。
  15. 前記隔壁部は、前記ローター部の半径外側方向に互いに離隔して形成される複数の隔壁部材を含むことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン。
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