KR100259553B1 - 가스터빈 - Google Patents

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KR100259553B1 KR1019970048136A KR19970048136A KR100259553B1 KR 100259553 B1 KR100259553 B1 KR 100259553B1 KR 1019970048136 A KR1019970048136 A KR 1019970048136A KR 19970048136 A KR19970048136 A KR 19970048136A KR 100259553 B1 KR100259553 B1 KR 100259553B1
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요시타까 후꾸야마
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니시무로 타이죠
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Abstract

본 발명은, 강도상 부담이 적고, 또 시일 설계 등이 용이하게 행하여지는 바람직한 상태로, 병렬 냉각 및 폐루프 냉각 방식을 도입한 가스 터빈의 실현화를 도모함을 목적으로 한다.
본 발명은, 터빈 로터(55)의 축심 위치에 축방향을 따라 냉각매체 공급유로(71) 및 냉각매체 회수유로(72)를 병렬적으로 갖는 유로 구성체(70)를 설치하고, 유로 구성체(70)의 냉각매체 공급유로(71)에 공간(66, 68)을 통하여 회전 날개(43, 44)의 내부 유로의 냉각매체 입구(43a, 44a)측으로 연통하는 냉각매체 공급구(73)를 형성하며, 유로 구성체(70)의 냉각매체 회수유로(72)에 공간(67)을 통하여 회전 날개(43, 44)의 내부 유로의 냉각매체 출구(43b, 44b)측으로 연통하는 냉각매체 회수구(74)를 형성한 것이다.

Description

가스 터빈
본 발명은, 발전 플랜트 등에 적용되는 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 복수 단락을 구성하는 각 회전 날개에 터빈 로터의 내부에서 냉각매체를 병렬적으로 공급하여 냉각 효율을 높임과 동시에, 냉각에 공급한 냉각매체를 회수하여 에너지 효율을 높이도록 한 폐루프 냉각방식의 가스터빈의 개량에 관한 것이다.
근래에, 발전 플랜트에 적용된 가스 터빈에 있어서는, 연소에 제공하는 연료의 공급량 저감이라는 경제적 측면 및 CO2나 NOx 배출량의 저감이라는 환경 측면의 양면에서, 운전 효율의 향상이 특히 중요하게 되었다.
지금까지 가장 효율이 높은 발전 시스템으로 되어 있는 것은, 고온 가스터빈과 증기터빈으로 구성되는 복합 사이클 발전 시스템이지만, 이 복합 사이클 발전에서는, 가스 터빈 입구온도의 고온화가 발전 열효율의 향상에 직접 관련되므로, 현재 상태에서도 금속 재료의 융점을 초과하는 1300℃에 달하고 있는 가스 터빈 입구의 연소가스 온도를 장래에는 1500℃ 이상으로 상승시키는 것을 목표로 하는 등 기술 개발이 진행되고 있다.
이와 같은 고온 가스터빈에서는 종래, 고온 가스에 노출된 부분을 공기 압축기에서 추기한 고압 공기의 유통에 의해 냉각함이 일반적으로 행하여지고 있다. 특히 터빈 로터에 고정되고, 큰 원심력을 받는 회전 날개에서는, 터빈 로터의 중심부에 형성한 냉각공기 유로에서 복수 단의 회전 날개 내부로 냉각공기를 도입하여, 회전 날개 내부를 대류 냉각한 후, 냉각에 공급한 공기를 주류 연소가스 중에 분출하는, 소위 개루프 냉각이 채용되고 있다.
도 12는 이와 같은 개루프 냉각 기술을 채용한 종래 가스 터빈의 냉각장치의 한 예를 나타낸 것이다. 도시한 예에서는, 앞부분 샤프트(1)와 일체의 앞부분 디스크(1a)와, 이와 별개의 뒷부분 디스크(2)의 사이에, 예를 들어 제 1단 ~ 제 3단의 회전 날개(3, 4, 5)가 각각 설치된 복수의 디스크(6, 7, 8)를, 정지 날개(9, 10, 11)의 소정 위치에 대응하여 배치된 스페이서(12, 13)와 함께, 축심과 평행한 복수의 타이 볼트(tie-bolt)(14)에 의해 결합함으로써, 터빈 로터(15)가 구성되어 있다. 이 터빈 로터(15) 내의 타이 볼트(14) 외주측 부분에는, 앞부분 디스크(1a)와 제 1단 회전 날개의 디스크(6) 사이, 각 디스크(6, 7, 8)와 각 스페이서(12, 13) 사이 및 뒷부분 디스크(2)와 제 3단 디스크(8)의 사이에, 각각 공간(16, 17, 18, 19. 20, 21)이 형성되어 있고, 이들 공간(16, 17, 18, 19. 20, 21)은 타이 볼트(14)에 의한 연결 부분의 홈(22, 23, 24, 25, 26, 27)을 통하여 이 내주측의 공간(28, 29, 30, 31)에 연통되어 있다.
그리고, 가스 터빈 운전시에는, 도시하지 않은 공기 압축기에서 공급된 연소용 공기 일부가 냉각매체로서 사용되고, 그 냉각매체로서의 냉각공기(화살표 a)가, 앞부분 샤프트(1)의 내부에서 내주측의 공간(28, 29, 30, 31)으로 순차로 안내되어, 각 홈(22, 23, 24, 25, 26, 27)을 통하여 외주측의 공간(16, 17, 18, 19, 20, 21)으로 반경 방향의 바깥 방향으로 유동하고, 회전 날개의 내부 냉각유로(도시하지 않지만 꾸불꾸불한 유로 등으로 되어 있다) 또는 제일 끝단(제 3단)의 디스크(8)와 이를 끼운 스페이서(13) 및 뒷부분 디스크(2) 사이의 극간으로 유입되고, 그 내부 유로내 등에서의 유동에 의한 대류 냉각을 행한 후, 주류 연소가스(화살표 b) 중에 분출되도록 되어 있다.
그런데, 이와 같은 개루프 냉각식의 가스 터빈에서는, 냉각에 사용하는 저온의 공기(a)를 고온의 주류 가스(b) 중에 분출하여 혼합시키므로, 주류 가스(b)의 온도의 저하, 혼합에 기인하는 흐름의 손실 증대, 회전장에서의 냉각 공기(a)에 대한 펌핑(pumping) 동력 손실 등이 발생하여, 냉각에 의해 터빈 출력을 저하시키게 된다. 이 터빈 출력의 저하는, 발전 효율의 저하에 연계되고, 또 동일 크기의 공기 압축기를 사용하여도, 냉각 공기(a)의 증가는 연소용 공기의 감소를 초래하게 되어, 결국 가스 터빈 출력의 저하를 야기하게 된다.
이와 같은 사정에 의하여 장래 가스 터빈의 고온화가 진행될 경우, 더욱 다량의 날개 냉각 공기를 필요로 함이 고려되고, 고온화에 의해 초래될 만한 효율 향상폭이 냉각 때문에 대폭 감소하는 상황 또는 낮은 NOx 연소기에 사용할 연소용 공기량의 부족 때문에, 가스 온도의 향상이 불가능하게 되는 등의 상황이 상정된다.
이 점을 해결하는 수단으로서, 지금까지의 공기 냉각식 가스 터빈을 개량한 제안 또는 냉각매체로서 수증기 등을 사용하고, 이를 냉각 사용 후에 회수하는, 즉 폐루프 냉각방식의 증기 냉각 가스 터빈의 제안 등이 있었다. 예를 들어 일본 특개평 8-14064호 공보에는, 공기 또는 증기를 냉각매체로 사용함과 동시에, 냉각후의 냉각매체를 회수함으로써 열효율의 저하를 방지하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 일본 특개평 7-301127호 공보에는, 주로 증기를 냉각매체로서 이용하고, 냉각 후의 냉각매체를 회수하여, 가스 터빈 효율의 향상에 기여하는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 상술한 종래기술에서의 폐루프 냉각방식의 가스 터빈에서는, 복수의 냉각 요소, 예를 들어 복수의 단락이 순차로 냉각되는, 소위 직렬 냉각구조로 되어 있다. 이와 같은 직렬 냉각구조에서는, 상류측의 공기와의 접촉부위에서 높은 냉각효과가 얻어지지만, 하류 측으로 갈수록 냉각효과가 저하하는 경향이 있다. 예를 들어, 날개의 크기가 작은 부분인 날개 후연부분의 냉각이, 충분히 행해지지 않고, 또 불균일하게 되는 등, 냉각이 곤란한 사례가 알려져 있다.
그래서, 복수의 단락으로 냉각매체를 병렬적으로 냉각하는 냉각구조가 고려되지만, 이 경우에는 냉각매체의 흐름의 제어부재를 어떻게 구성하는가가 과제로 된다. 예를 들어 터빈 로터는 고속 회전하므로, 터빈 로터 내에 흐름의 제어부재를 설치한 경우에는 매우 큰 원심력이 작용하게 되어 구조적 강도가 문제로 된다. 즉, 종래 구조의 연장선상에서 디스크 등을 이용함을 상정할 수 있지만, 이와 같은 구성에서는 디스크의 주연 부위에 큰 부하가 작용하게 된다. 또한, 고속 회전부분과 정지부분에서 접동 등이 필요하게 되므로, 냉각매체의 시일부의 설계 등에 대해서도 과제가 남는다.
종래에 이와 같은 제반 문제점까지도 고려하여 폐루프 냉각을 채용하여 병렬적인 냉각을 행하는 장치구성은 알려져 있지 않고, 특히 다단락의 병렬 냉각구성 및 증기 냉각이나 공기 냉각의 병용 기술에 관하여는, 바람직한 기술이 없었다.
본 발명은 이와 같은 사정에 비추어서 된 것이고, 그 목적은, 강도상의 부담이 적고, 또 시일 설계 등이 용이하게 이루어지는 바람직한 상태이고, 병렬 냉각 및 폐루프 냉각방식을 채용한 가스 터빈의 실현을 도모함에 있다.
또한, 다른 목적은, 병렬 냉각 및 폐루프 냉각을 조합하여, 가스 터빈의 회전 날개의 후연부분 등, 폐루프 대류냉각이 곤란한 부분의 냉각에 대해서 공기 분출을 동반한 냉각을 병용하는 등, 간편한 수단으로 효율적인 냉각을 행하도록 함에 있다.
도 1은 본 발명에 관한 가스 터빈의 제1 실시 형태를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1에 나타낸 유로 구성체의 일부를 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 도 2의 A-A선 단면도.
도 4는 상기 실시 형태에서의 유로 구성체의 제1 변형예를 나타낸 단면도.
도 5는 상기 실시 형태에서의 유로 구성체의 제2 변형예를 나타낸 단면도.
도 6은 상기 실시 형태에서의 유로 구성체의 제3 변형예를 나타낸 단면도.
도 7은 상기 실시 형태에서의 유로 구성체의 제4 변형예를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 관한 가스 터빈의 제2 실시 형태를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명에 관한 가스 터빈의 제3 실시 형태를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명에 관한 가스 터빈의 제4 실시 형태를 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명에 관한 가스 터빈의 제5 실시 형태를 나타낸 단면도.
도 12는 종래예의 가스 터빈을 나타낸 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
41 앞부분 샤프트
41a 앞부분 디스크
42 뒷부분 디스크
43, 44, 45 회전 날개
46, 47, 48 디스크
49, 50, 51 정지 날개
52, 53 스페이서
54 타이 볼트
55 터빈 로터
56, 57, 58, 59, 60, 61 외주측 공간
62, 63, 64, 65 홈
66, 67, 68, 69 내주측 공간
70 유로 구성체
70a 원기둥체
71 냉각매체 공급유로
72 냉각매체 회수유로
73 냉각매체 공급구
74 냉각매체 회수구
70b, 70c 원형관
70d 원기둥체
70e 원기둥부
67a, 67b 공간
75 시일공기 회수냉각부
이하, 본 발명에 관한 가스 터빈의 실시 형태를 도 1 ~ 도 11을 참조하여 설명한다.
(제1 실시형태)(도 1 ~ 도 7)
도 1은 본 실시 형태에 의한 가스 터빈을 나타낸 전체 단면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 유로 구성체를 확대하여 나타낸 측면도이고, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다. 도 4 ~ 도 7은 각각 유로 구성체의 변형예를 나타낸 단면도이다.
본 실시 형태에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 앞부분 디스크(41a)를 갖는 앞부분 샤프트(41)와, 이에 대향하는 뒷부분 디스크(42)와, 외주측에 예를 들어 제 1단 ~ 제 3단의 회전 날개(43, 44, 45)가 각각 설치된 복수의 디스크(46, 47, 48)와, 정지 날개(49, 50, 51)의 소정 위치에 대응하여 배치된 스페이서(52, 53)가 구비되어 있다. 그리고, 이들 앞부분 디스크(41a), 디스크(46, 47, 48), 스페이서(52, 53) 및 뒷부분 디스크(42)가, 축심과 평행한 복수의 타이 볼트(54)에 의해 결합되고, 이에 의해 터빈 로터(55)가 구성되어 있다.
이 터빈 로터(55) 내의 타이 볼트(54) 외주측 부분에는, 앞부분 디스크(41a)와 제 1단 회전 날개(43)의 디스크(46)의 사이, 각 디스크(46, 47, 48)와 각 스페이서(52, 53)의 사이 및 뒷부분 디스크(42)와 제 3단 디스크(48)의 사이에, 각각 공간(56, 57, 58, 59, 60, 61)이 형성되어 있다. 이 중, 앞의 네 공간(56, 57, 58, 59)은, 타이 볼트(54)에 의한 연결부분의 홈(62, 63, 64, 65)을 통하여 이것의 내주측의 공간(66, 67, 68)에 연통되어 있다. 단, 제 3단 디스크(48)와 이것의 상류측 스페이서(53) 및 뒷부분 디스크(42) 사이의 외주측 공간(60, 61)은, 이것의 내주측 공간(68, 69)에 연통되어 있다.
또한, 앞부분 샤프트(41)는 도시하지 않은 압축기에 일체로 회전 가능하게 연결되어 있다. 또한, 앞부분 샤프트(41)는 중공 형태의 것이지만, 상기한 내주측 공간(66, 67, 68)에 면하는 부위에 플랜지부(41b)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(41b)에 의해 내주측 공간(66, 67, 68)이 압축기 측으로부터 이격된 상태로 되어 있다.
이와 같은 구성에 의한 본 실시 형태에서는, 내주측 공간(66, 67, 68) 내에서의 터빈 로터(55)의 축심 위치에, 폐루프 냉각용 증기 등의 냉각매체를 유동시키기 위한 유로 구성체(70)가 설치되어 있다. 이 유로 구성체(70)는 터빈 로터(55)의 축심 상에 배치한 원기둥체(70a)로 구성되어 있고, 이 원기둥체(70a)가 각 디스크(46, 47, 48)에 의해 고정 지지되고, 터빈 로터(55)와 일체로 회전하도록 되어 있다.
이 원기둥체(70a)에, 도 2 및 도 3에도 나타낸 바에 따라, 냉각매체를 회전 날개(43, 44, 45)에 공급하기 위한 냉각매체 공급유로(71)와, 냉각에 제공한 후의 냉각매체를 회수하기 위한 냉각매체 회수유로(72)가 병렬적으로 형성되어 있다. 즉, 냉각매체 공급유로(71) 및 냉각매체 회수유로(72)는, 원기둥체(70a) 내의 축심 둘레에 간격을 두고 천설한 복수의 원형 구멍으로 구성되어 있고, 이들의 냉각매체 공급유로(71)와 냉각매체 회수유로(72)가, 원기둥체(70a)의 둘레 방향을 따라 교호로 배치되어 있다. 냉각매체 공급유로(71)는 예를 들어 도 1의 오른 쪽에 배치된 도시하지 않은 냉매 도입부에 시일부를 통하여 접속되고, 또 냉각매체 회수유로(72)는 도 1의 오른 쪽에 배치된 도시하지 않은 냉매 배출부에 마찬가지로 접속되어 있다. 또, 원기둥체(70a)의 선단, 즉 도 1에서의 왼쪽 단은 앞부분 샤프트(41)의 플랜지부(41b)에 맞닿고, 이에 의해 냉각매체 공급유로(71) 및 냉각매체 회수유로(72)의 선단은 폐쇄상태로 되어 있다.
그리고, 원기둥체(70a)에는, 각각 다른 축방향 위치에서, 냉각매체 공급유로(71)의 일부를 외주측으로 개구시킨 냉각매체 공급구(73)와, 냉각매체 회수유로(72)의 일부를 외주 측으로 개구시킨 냉각매체 회수구(74)가 형성되어 있다. 예를 들어 냉각매체 공급구(73)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 터빈 로터(55)의 축방향으로 서로 떨어진 두 내주측 공간(66, 68)으로 개구하고 있다. 이에 의해, 냉각매체 공급유로(71)와 양 내주측 공간(66, 68)이 연통하고, 냉각매체 공급유로(71)를 통하여 도 1의 오른쪽 방향으로부터 공급되는 냉각매체는, 양 내주측 공간(66, 68) 내로 분출되도록 되어 있다. 또한, 냉각매체 회수구(74)는, 양 내주측 공간(66, 68) 사이의 별도 내주측 공간(67)에 개구하고, 냉각에 제공된 냉각매체가 이 내주측 공간(67)으로부터 냉각매체 회수구(74)를 통하여 냉각매체 회수유로(72)로 들어가 회수되도록 되어 있다.
다음에 작용을 설명한다.
냉각매체 공급유로 내를 도 1의 오른쪽 방향으로부터 흘러온 냉각매체(c)는, 냉각매체 공급구(73)로부터 상기 두 내주측 공간(66, 68)에서 반경 방향의 바깥 방향으로 흘러, 타이 볼트(54) 부위의 홈(62, 65)을 통과한 후, 각각 연통하는 외주측 공간(56, 59)을 거쳐, 제 1단 회전 날개(43) 및 제 2단 회전 날개(44)의 냉각매체 입구(43a, 44a)로부터 내부 유로로 유입되고, 각각 각 회전 날개(43, 44) 내부를 대류 냉각한다. 냉각에 제공된 냉각매체(c)는 이 후, 각 회전 날개(43, 44)의 냉각매체 출구(43b, 44b)로부터 제 1, 제 2단 디스크(46, 47)와 그 사이에 위치하는 스페이서(52) 사이의 외주측 공간 (57, 58)으로 각각 배출되고, 타이 볼트(54) 부위의 홈(63, 64)을 이 다음에는 반경 방향의 안쪽 방향으로 통과하여, 중간 위치의 내주측 공간(67)으로 들어가고, 이 후 냉각매체 회수구(74)를 거쳐 최종적으로 냉각매체 회수유로(72)로 유입된다. 냉각매체(c)는 도 1의 오른 쪽으로 흘러, 가스 터빈 외부로 안내된다.
이상의 제1 실시 형태에 의하면, 복수의 냉각요소인 제 1단 회전 날개(43)와 제 2단 회전 날개(44)로 개별적으로 냉각매체(c)가 공급되어 병렬적으로 냉각된다. 따라서, 연소 가스에 대하여 상류측 및 하류 측에 위치하는 각 회전 날개에 대하여, 냉각 효과가 종래의 것에 비하여 향상되고, 예를 들어 회전 날개의 크기가 작은 부분인 날개 후연부의 냉각 등에 대해서도 충분한 냉각이 행해지며, 더욱이 균일한 냉각이 행해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 유로 구성체(70)를 터빈 로터(55)의 축심 위치에 설치함으로써, 그 터빈 로터(55)의 고속 회전에 불구하고, 원심력이 최소인 상태로 작용하게 되고, 이에 의해 큰 부하가 작용함을 방지할 수 있어, 구조의 강도상의 문제를 해소할 수 있다. 또한, 고속회전 부분과 정지 부분에서 필요하게 되는 접동부에서의 냉각매체의 시일 설계 등에 대해서도, 유로 구성체(70)를 터빈 로터(55)의 축심 위치에 설치하여 구성이 컴팩트(compact)하고, 또 축심 위치에서 회전속도도 비교적 작은 부위이므로 용이하게 행하게 된다.
따라서, 본 실시 형태에 의하면, 강도상의 부담이 작고, 또 시일 설계 등이 용이하게 이루어지는 바람직한 상태이며, 병렬 냉각 및 폐루프 냉각 방식을 도입하여 가스 터빈의 회전 날개 냉각이 효과적으로 행하여지게 되고, 가스 터빈의 고온화에 유효하게 대처할 수 있게 된다.
또, 본 실시 형태에서는 3단 터빈의 제 1, 2단을 냉각하는 경우를 나타내었지만, 제 3단도 마찬가지로 냉각하는 구성으로도 좋고, 또는 그 이상의 다단락 회전 날개에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 유로 구성체(70)를 원기둥체(70a)로서, 그 내부에 둘레 방향으로 복수, 예를 들어 합계 8개의 원형 구멍을 천설하여 그들을 냉각매체 공급유로(71)와 냉각매체 회수유로(72)로 나누어 사용하는 구성으로 하지만, 이들의 수에 대해서도 임의로 설정할 수 있다.
본 실시 형태에서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 냉각매체 공급유로(71)와 냉각매체 회수유로(72)를 예로 들어 45° 어긋난 배치로 하였지만, 이 각도는 임의로 변경할 수 있다.
또한, 이들 냉각매체 공급유로(71) 및 냉각매체 회수유로(72)를 터빈 로터(55)의 내주측 공간(66, 67, 68)에 통과시키기 위한 냉각매체 공급구(73) 및 냉각매체 회수구(74)의 형상에 대해서도, 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같은 원형, 장원형 등, 임의로 선정할 수 있고, 이것의 수나 개구 면적도 임의로 설정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 유로 구성체(70)에서는 냉각매체 공급유로(71), 냉각매체 회수유로(72), 냉각매체 공급구(73), 냉각매체 회수구(74) 등의 형상이나 배치, 수량, 크기 등에 대해서 임의로 설정하는 등, 여러 가지의 변형이 가능하다.
예를 들어 도 4는, 유로 구성체(70)의 제1 변형예를 나타내고 있다. 이 예에서는, 유로 구성체(70)를 원기둥체(70a)로 구성하고, 이것의 내부에 천설한 냉각매체 공급유로(71) 및 냉각매체 회수유로(71)로서의 원형 구멍의 형상을 여러 가지로 다르게 한 구성으로 하고 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 피냉각부에 따라서 냉각매체의 공급량 및 회수량 등에 차이를 둘 수 있고, 냉각성을 장소에 따라 여러 가지로 설정할 수 있다. 또, 이 경우, 각 원형 구멍의 직경 차이는, 유로 구성체(70)의 회전이 안정적으로 행하여지도록 균형이 좋게 설정함이 바람직하다.
도 5는 유로 구성체(70)의 제2 변형예를 나타내고 있다. 이 예에서는, 유로 구성체(70)를 원기둥체(70a)로 구성함과 함께, 터빈 로터(55)의 축심 둘레에 배치한 냉각매체 공급유로(71) 또는 냉각매체 회수유로(72)에 더하여, 그 터빈 로터(55)의 축심 위치에 또 하나의 냉각매체 공급유로(71) 또는 냉각매체 회수유로(72)를 갖는 구성으로 하고 있다. 예를 들어 외주부분의 원형 구멍을 냉각매체 공급유로(71)로 하고, 중심부분의 하나의 원형 구멍을 냉각매체 회수유로(72)로 하고 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 냉각매체 회수유로(72)가 하나이기 때문에 원기둥체(70a)의 내부에 형성한 유로 구성이 간소하게 되고, 또 냉각매체 공급유로(71)의 반경보다도 냉각매체 회수유로(72)의 반경이 작기 때문에, 펌핑 동력의 회수 효과가 높다.
도 6은 유로 구성체(70)의 제3 변형예를 나타내고 있다., 상기 각 예에서는 유로 구성체(70)를 원기둥체에 복수의 원형 구멍을 천설하여 구성하였지만, 이 도 6의 예에서는 유로 구성체(70)를 복수의 원형관의 집합으로서 구성하고 있다. 즉, 유로 구성체(70)를 구성하는 원형관(70b)을 터빈 로터(55)의 축심 둘레에 간격을 두고 배치하고, 이들의 원형관(70b)을 터빈 로터(55) 구성용 디스크(46, 47, 48), 스페이서(52, 53) 또는 터빈 로터(55) 내에 설치된 다른 위치결정 장치(도시하지 않음)에 의해 터빈 로터(55) 내에 고정하도록 하고 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 유로 구성체(70)가 도 2에서 도 5까지의 어느 도면에 나타낸 것과 비교하여도 경량화 할 수 있고, 구성부재도 저렴한 가격인 원형관을 사용할 수 있는 등의 이점이 얻어진다. 또한, 유로 구성체(70)가 복수의 서로 분리 배치된 원형관(70b)으로 되기 때문에, 각 원형관(70b)을 유통하는 맹각매체의 온도가 다른 경우에 열전달이 발생하지 않는 이점도 있다. 또한, 냉각매체 공급구(73) 및 냉각매체 회수구(74)를 각 원형관(70b)의 둘레 방향에 걸쳐 복수로 형성할 수 있게 됨과 동시에, 터빈 로터(55) 구성용 디스크(46, 47, 48) 사이의 냉각 매체의 흐름을 고려하여 냉각매체 공급구(73) 및 냉각매체 회수구(74)를 최적 방향으로 선정할 수 있게 되는 등의 효과도 얻어진다.
도 7은 유로 구성체(70)의 제4 변형예를 나타내고 있다. 이 예에서도 도 6과 마찬가지로 유로 구성체(70)를 원형관의 집합체로서 구성한 것이지만, 터빈 로터(55)의 축심 둘레에 배치한 원형관(70b)에 더하여, 같은 축심 위치에 또 하나의 냉각매체 공급유로(71) 또는 냉각매체 회수유로(72)를 형성하는 원형관(70c)을 갖는 구성으로 하고 있다. 예를 들어 축심 둘레에 배치한 복수의 원형관(70b)으로 냉각매체 공급유로(71)를 형성하고, 축심위치의 큰 직경의 하나의 원형관(70c)으로 냉각매체 회수유로(72)를 형성하고 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 도 6에 나타낸 복수 원형관 구성의 장점과, 도 5에 나타낸 냉각매체 회수유로(72)를 하나로 하는 구성의 장점을 합쳐 갖게 되고, 예를 들어 냉각매체 회수유로(72)를 단축할 수 있게 되어, 압력 손실이 저감하는 등의 이점을 얻음을 기대할 수 있다.
또한, 가스 터빈 단락에서는 고압단으로부터 저압단으로 향함에 따라 주류 가스 온도, 압력 등이 분포를 갖고 있고, 이에 따라 냉각매체의 온도나 압력을 변화시키는 쪽이 냉각성이 양호한 경우도 있다. 그래서, 이상의 본 실시 형태에서 나타낸 유로 구성체(70)의 냉각매체 공급유로(71)에 종류, 온습도, 압력 또는 속도 등이 다른 둘 이상의 공급 조건으로 냉각매체가 유통하게 설정할 수도 있다.
(제2 실시 형태)(도 8)
도 8은 본 실시 형태에 의한 가스 터빈의 제2 실시 형태를 나타낸 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 점은, 터빈 로터 구성용 디스크 또는 스페이서의 적어도 하나를 터빈 로터 축심부까지 연장시켜, 그 연장한 부분에 유로 구성체의 일부를 구성하고, 이에 독립한 하나 또는 복수개의 유로 구성체를 연결한 구성에 있다.
즉, 본 실시 형태에서는 도 8에 나타낸 바와 같이, 유로 구성체(70)의 주요부가 되는 원기둥체(70a)를 도 8의 좌측에서 제 1단 디스크(46)의 하류측 위치까지의 길이로 하고, 그 상류측에는 별도 부재로 된 원기둥체(70d)와, 제 1단 디스크(46)의 터빈 로터 축심 위치에 형성한 원기둥체(70e)를 연결하여, 이에 의해 유로 구성체(70)의 전체가 구성되어 있다. 또한, 이 유로 구성체(70)의 분할 구성을 제 2단 이후의 디스크에 적용할 수도 있다. 다른 구성에 대해서는, 제1 실시 형태와 대략 같으므로, 도 8의 대응 부분에 도 1과 같은 부호를 붙여 설명을 생략한다.
이와 같은 제2 실시 형태에 의하면, 상기 제1 실시 형태와 같은 효과에 더하여, 유로 구성체(70)의 구성 부품을 줄일 수 있는 등의 효과가 얻어진다.
(제3 실시 형태)(도 9)
도 9는 본 실시 형태에 의한 가스 터빈의 제3 실시 형태를 나타낸 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 점은, 터빈 로터 구성용 스페이서를 유로 구성체에 접한 위치까지 로터 축심 측으로 연장시켜, 이 스페이서를 끼운 한 쌍의 터빈 로터 구성용 디스크 사이의 공간을 축방향으로 2분할 한 구성에 있다.
즉, 본 실시 형태에서는 도 9에 나타낸 바와 같이, 제 1단 디스크(46)와 제 2단 디스크(47)의 사이에 위치하는 스페이서(52)를 유로 구성체의 외주 위치까지 연장한 구성으로 하고, 이에 의해 제 1단 디스크(46)와 제 2단 디스크(47) 사이의 공간(67)을 두 개의 공간(67a, 67b)으로 구분하고 있다. 그리고, 냉각매체 공급구(73)는 제 1단 디스크(46)의 상류측 공간(66) 및 스페이서(52)와 제 2단 디스크(47) 사이의 공간(67b)에 각각 개구시키고 있다. 또한, 냉각매체 회수구(73)는, 제 1단 디스크(46)와 스페이서(52) 사이의 공간(67a) 및 제 2단 디스크(47)의 하류측 공간(68)에 개구시키고 있다. 이에 의해, 제 1단 회전 날개(43) 및 제 2단 회전 날개(44)에서의 냉각매체(c)의 흐름 방향이 연소 가스(b)의 유동 방향에 따르게 되어 있다. 즉, 제 1단 회전 날개(43)에서는 냉각매체가 제1 실시 형태와 같은 방향으로 흐르지만, 제 2단 회전 날개(44)에서는 냉각매체가 제1 실시 형태와 역으로 되어 있다. 다른 구성에 대해서는, 제1 실시 형태와 대략 마찬가지이므로, 도 9의 대응 부분에 도 1과 같은 부호를 붙여 설명을 생략한다.
이와 같은 제3 실시 형태에 의하면, 제1 실시 형태와 같은 효과에 더하여, 제1, 제2 회전 날개(43, 44)에서의 고온 측인 앞쪽 가장자리로부터 냉각매체가 공급되므로, 냉각성을 더욱 향상시킬 수 있다. 단, 냉각매체의 유통방향에 대해서는 필요에 따라 본 실시 형태와 역방향으로 하여도 좋다.
(제4 실시 형태)(도 10)
도 10은 본 실시 형태에 의한 가스 터빈의 제4 실시 형태를 나타낸 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 점은, 폐루프 냉각과 개루프 냉각을 병용하는 구성으로 한 점에 있다.
즉, 본 실시 형태에서는, 고온 고압 단락인 제 1단 회전 날개(43)를 설치한 터빈 로터 구성용 디스크(46)의 하류 측에 위치하는 스페이서(52)를 터빈 로터(55)의 축심 위치까지 연장하는 디스크 형태로 하고, 제 1단 회전 날개(43)가 배치된 터빈 로터(55) 내의 공간(56, 57, 66, 67)의 일부를, 스페이서(52)에 의해 다른 단락으로 분할하고, 제 1단 회전 날개(43)에는 압축기에서의 토출 공기(a)를 냉각매체로서 공급하여 개루프 냉각을 행하는 한편, 제 2단 회전 날개(44)에는 유로 구성체(70)를 통하여 증기 등의 다른 냉각매체(c)를 공급하여 폐루프 냉각을 행하도록 한 구성에 있다. 다른 구성에 대해서는, 제1 실시 형태와 대략 같으므로, 도 10의 대응 부분에 도 1과 같은 부호를 붙여 설명을 생략한다.
이와 같은 제4 실시 형태의 구성에 의하면, 제1 실시 형태와 같은 효과에 더하여, 고온 부위를 개루프 냉각에 의해 효과적으로 냉각할 수 있는 효과가 얻어진다. 즉, 제 1단 회전 날개(43)는 특히 열적으로 혹독한 조건에 노출되어 있어, 내부 대류 냉각만을 적용함이 곤란하므로 막냉각을 필요로 한 경우도 고려된다. 그래서, 폐루프 냉각 구성을 터빈 저압단 만에 적용하여도 열효율의 향상 효과가 충분히 높아, 종래의 공기 가스 터빈에 비교하여 효율 향상이 기대되므로, 본 실시예에서는 제 1단 회전 날개(43)는 압축기 토출 공기를 이용한 대류 및 막냉각으로 하고, 스페이서(52)에 의해 유로를 구분하므로 저압단 측의 폐루프화가 도모된다. 또한, 도 10에서는, 제 2단 회전 날개(44)만을 폐루프 냉각 구조로 하였지만, 제 3단 회전 날개(45)(그보다 다단인 경우는 제 3단 이하의 회전 날개)에 대해서도 단락의 폐루프 냉각이 가능하다.
(제5 실시 형태)(도 11)
도 11은 본 실시 형태에 의한 가스 터빈의 제5 실시 형태를 나타낸 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 점은, 유로 구성체(70)를 갖는 폐루프 냉각에 더하여, 제 1단 회전 날개(43)의 후연에 정지 날개(50)의 시일 공기(d)를 이용한 냉각을 병용하는, 즉 하이브리드(hybrid) 냉각 구조로 한 점에 있다.
즉, 상술한 바와 같이 혹독한 열적 조건에 노출된 제 1단 회전 날개(43)에서는, 특히 후연부분의 내부 대류 냉각이 곤란하고, 또 냉각의 균일성에도 문제가 있다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 이 점을 해결하기 위해, 제 1단 회전 날개(43)에 폐루프 냉각을 채용하는 한편, 회전체와 정지부분의 사이에 고온 가스가 유입하는 것을 방지하기 위하여 정지 날개(50)를 통하여 공급되는 시일 공기(d)의 일부를, 제 1단 회전 날개(43)의 심어져 들어간 부분의 후방에 설치한 시일공기 회수냉각부(75)에 의해, 그 제 1단 회전 날개(43)의 후연 측으로 도입하여, 날개의 후연으로부터 분출되도록 하고 있다.
이와 같은 제5 실시 형태의 구성에 의하면, 각 회전 날개(43, 44)의 대부분은 폐루프 냉각에 의해 냉각될 수 있고, 폐루프 냉각 후의 냉각매체는 회수하지만, 냉각이 제일 곤란한 제 1단 회전 날개(43)의 후연부분은 공기에 의한 개루프 냉각에 의하여 효과적으로 또한 균일하게 냉각할 수 있게 되어 혹독한 열적 조건에 노출되는 제 1단 회전 날개(43)의 후연부분의 내부 대류 냉각이 곤란하다는 문제점의 해결이 도모된다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 강도상 부담이 적고 또 시일 설계 등이 용이하게 행해지는 바람직한 상태로서, 다단의 회전 날개를 병렬적으로 폐루프 냉각할 수 있게 되어, 가스 터빈 및 발전 효율의 향상에 큰 효과를 얻는다. 또한, 병렬 냉각 및 폐루프 냉각과 조합시켜, 폐루프 냉각만에서는 충분한 냉각 효과가 곤란하다고 생각되는 부분에 대하여, 공기 분출에 의한 개루프 냉각을 병용하여, 폭넓은 조건의 고온 가스 터빈의 냉각기술로서, 간편한 수단으로 효율적인 냉각이 행해지는 등의 효과도 얻는다.

Claims (13)

  1. 외주 측에 회전 날개가 설치된 복수의 디스크 사이에, 정지 날개 위치에 대응하는 배치로 스페이서를 연결하여 터빈 로터를 구성하고, 상기 회전 날개 내에 상기 터빈 로터의 내부와 출입구가 연통하는 냉각매체 유동용 내부 유로를 형성함과 동시에, 상기 디스크와 상기 스페이서 사이에 냉각매체를 반경 방향으로 유통시키는 공간을 형성하고, 터빈 로터 내에서상기 회전 날개의 내부 유로로의 냉각매체의 공급 및 회수를 행하도록 한 폐루프 냉각식 가스 터빈에 있어서,
    상기 터빈 로터의 축심 위치에, 축방향을 따라 냉각매체 공급유로 및 냉각매체 회수유로를 병렬적으로 갖는 유로 구성체를 설치하고, 상기 유로 구성체의 냉각매체 공급유로에, 상기 공간을 통하여 회전 날개의 내부유로의 냉각매체 입구 측에 연통하는 냉각매체 공급구를 형성함과 동시에, 상기 유로 구성체의 냉각매체 회수유로에, 상기 공간을 통하여 회전 날개의 내부유로의 냉각매체 출구 측에 연통하는 냉각매체 회수구를 형성한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유로 구성체는 터빈 로터의 축심 상에 고정 배치한 원기둥체이고, 냉각매체 공급유로 및 냉각매체 회수유로는 상기 원기둥체 내의 축심 둘레에 간격을 두고 천설한 복수의 구멍에 의해 형성한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유로 구성체는, 터빈 로터의 축심 둘레에 배치한 냉각매체 공급유로 또는 냉각매체 회수유로에 더하여, 축심 위치에 또 하나의 냉각매체 공급유로 또는 냉각매체 회수유로를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유로 구성체는 터빈 로터의 축심 둘레에 간격을 두고 배치한 복수개의 원형관이고, 이들 원형관은 터빈 로터 구성용의 디스크, 스페이서 또는 터빈 로터 내에 설치된 위치결정 장치에 의해 터빈 로터 내에 고정한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유로 구성체는, 터빈 로터의 축심 둘레에 배치한 원형관에 더하여, 상기 축심 위치에 또 하나의 냉각매체 공급유로 또는 냉각매체 회수유로를 형성한 원형관을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 구성체의 냉각매체 공급유로 또는 냉각매체 회수유로를 형성하는 구멍 또는 원형관의 반경은, 대소의 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 구성체의 냉각매체 공급 유로에는, 종류, 온도, 습도, 압력 또는 속도 등이 다른 둘 이상의 공급 조건으로 냉각매체가 유통하게 설정한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 다른 둘 이상의 공급 조건은 냉각매체의 종류, 온도, 습도, 압력 또는 속도에서 선택된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상류단 회전 날개의 상류 측에 위치하는 공간과, 하류단 회전 날개의 하류 측에 위치한 공간에 냉각매체 공급구를 배치하는 한편, 상류단 회전 날개의 하류 측에 위치하는 공간과, 하류단 회전 날개의 상류 측에 위치하는 공간에 냉각매체 회수구를 배치하고, 상하단 회전 날개를 병렬적으로 폐루프 냉각하도록 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈 로터 구성용 디스크 또는 스페이서의 적어도 하나를 터빈 로터 축심부까지 연장시키고, 이 연장한 부분으로 유로 구성체의 일부를 구성하고, 이에 독립한 하나 또는 복수개의 유로 구성체를 연결한 것을 특징으로 하는 냉각 가스 터빈.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈 로터 구성용 스페이서를 유로 구성체에 접하는 위치까지 로터 축심 측으로 연장시키고, 상기 스페이서를 끼운 한 쌍의 터빈 로터 구성용 디스크 사이의 공간을 축방향으로 둘로 분할한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    고온고압 단락의 회전 날개를 설치한 터빈 로터 구성용 디스크의 하류 측에 위치하는 스페이서를 터빈 로터의 축심 위치까지 연장한 디스크 상으로 하고, 상기 고온고압 단락의 회전 날개가 배치하는 터빈 로터 내의 공간을 상기 스페이서에 의해 다른 단락으로부터 분할하고, 상기 고온고압 단락의 회전 날개에는 압축기로부터의 토출 공기를 냉각매체로서 공급하여 개루프 냉각을 행하는 한편, 다른 단락의 회전 날개에는 유로 구성체를 통하여 별도의 냉각매체를 공급하여 폐루프 냉각을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  13. 외주 측에 회전 날개가 설치된 복수의 디스크 사이에, 정지 날개 위치에 대응하는 배치로 스페이서를 연결하여 터빈 로터를 구성하고, 상기 회전 날개 내에 상기 터빈 로터의 내부와 출입구가 연통하는 냉각매체 유동용 내부 유로를 형성함과 동시에, 상기 디스크와 상기 스페이서의 사이에 냉각매체를 반경 방향으로 유통시키는 공간을 형성하고, 터빈 로터 내에 상기 회전 날개의 내부 유로로의 냉각매체의 공급 및 회수를 행하도록 한 폐루프 냉각식의 가스 터빈에서, 정지 날개의 내주측 단부에서 상기 디스크의 외주면으로 향하여 시일 공기를 공급하도록 함에 있어서,
    상기 터빈 로터의 축심위치에, 축방향을 따라 냉각매체 공급유로 및 냉각매체 회수유로를 병렬적으로 갖는 유로 구성체를 설치하고, 이 유로 구성체의 냉각매체 공급유로에, 상기 공간을 통하여 회전 날개의 내부유로의 냉각매체 입구 측으로 연통하는 냉각매체 공급구를 형성함과 동시에, 상기 유로 구성체의 냉각매체 회수유로에, 상기 공간을 통하여 회전 날개의 내부유로의 냉각매체 출구 측으로 연통하는 냉각매체 회수구를 형성하고, 또한 상기 시일 공기를 공급하는 정지 날개의 상류 측에 위치하는 회전 날개의 후연부에, 시일 공기의 일부를 회전 날개 내로 회수하여 그 냉각공기로서 유통시키는 시일공기 회수 냉각부를 설치한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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