KR100323397B1

KR100323397B1 - 가스터빈

Info

Publication number: KR100323397B1
Application number: KR1019940035515A
Authority: KR
Inventors: 제프리아더카인
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 코포레이션
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 2002-07-27
Also published as: DE69421896T2; KR950019075A; US5557920A; JPH07208202A; EP0660046A1; EP0660046B1; CA2138720A1; DE69421896D1

Abstract

본 발명은 가스 터빈의 압축 섹션으로부터의 압축공기중 일부가 연소기를 바이패스하도록 하기 위한 장치를 제공한다. 이장치는 고정 링과 회전 링을 포함한다. 이 고정 링은 연소기의 후단부를, 연소기로부터의 고온 공기를 터빈 섹션으로 배향시키는 덕트의 선단부와 접속시킨다. 회전 링이 제 1 위치로 회전할 때, 회전 링내에 배치된 포트는 고정 링의 포트와 정렬되어, 공기가 연소기와 덕트사이에서 흐르는 고온 가스내로 흐를 수 있도록 한다. 그러나, 회전 링이 제 2 위치로 회전할 때 회전 링의 포트는 완전히 차단되며, 회전 링이 중간위치로 회전할 때 회전 링의 포트는 부분적으로 차단된다. 연소 챔버를 둘러싸는 작동 링은 쉘내로 연장된 작동 로드에 의해 회전 링의 회전을 제어한다.

Description

가스 터빈

본 발명은 압축 섹션으로부터 나오는 압축 공기중 일부를 가스 터빈의 연소기에 바이패스시켜, 이 바이패스된 공기가 연소기로부터는 하류에 있지만 터빈으로부터는 상류에 있는 고온 가스 유로에 진입할 수 있게 하는 장치에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축 공기를 생성하는 압축 섹션을 포함하고 있으며, 이 압축 공기는 후에 연소 섹션내에서 연료를 연소시키는 것에 의해 가열된다. 연소 섹션으로부터 나오는 고온 가스는 회전자 샤프트를 구동시켜 동력을 발생시키도록 사용된다. 연소 섹션은 챔버를 형성하는 쉘(shell)을 포함하는 것이 전형적이며, 상기 챔버는 압축 섹션으로부터 나오는 압축 공기를 수용한다. 이 챔버내에는 복수의 원통형 연소기가 배치되며, 이 연소기는 압축 공기와 연소될 연료를 함께 수용하고 있다. 각 연소기의 후단부에는 덕트가 연결되며, 이 덕트는 연소기로부터 나오는 고온 가스를 터빈 섹션으로 도입시키는 역할을 한다.

과거에는, 때로 "클램 쉘(clam shell)"이라 칭하는 원통형 칼라(collar)를사용하여 연소기의 후단부를 덕트의 선단부에 결합시켰다. 이 칼라는 두 조각으로 절반씩 종방향으로 분할되었으며, 플랜지를 따라 결합되었다. 칼라는 연소기의 후단부와 덕트의 선단부를 둘러싸서 두 부품을 서로 결합시켰다.

연소과정중에 대기 오염물질로 간주되는 "질소 산화물(NO_x)"의 형성을 제어하기 위하여, 때로는 압축 센션으로부터 나오는 압축 공기중 일부가, 특히 부분 부하 동작(part-load operation)중 연소기를 바이패스하도록 하는 것이 이로울 수도있다. 과거에, 이것은 고온 가스를 터빈으로 배향시키는 덕트내에 나비형상 밸브를 직접 설치하여, 챔버로부터 나오는 압축 공기의 일부가 연소기를 바이패스하여 덕트를 통과하여 흐르는 고온 가스내로 진입하도록 함으로써 달성되었다.

그러나, 유감스럽게도 일한 접근법은 여러가지 결점을 가지고 있다. 덕트는 열 응력 및 부식으로부터 영향을 받기 때문에 빈번하게 교환해 주어야만 한다. 따라서, 나비형상 밸브를 덕트내에 직접 설치하는 것은 가스 터빈 유지비의 증가 원인이 된다. 둘째, 국부적인 한 지점에서 덕트내로 공기를 직접 도입하면 터빈 섹션내로 흐르는 고온 가스의 온도 프로파일(temperature profile)의 왜곡이 발생될수 있다. 셋째, 나비형상 밸브에서 누출이 발생되기 쉬우며, 그 결과 공기의 바이패스가 소망되지 않을 때 열역학적 성능의 손실이 발생될 수도 있다.

따라서, 압축 섹션으로부터 나오는 압축 공기중 일부가 압축기를 바이패스하여 압축기의 하류에 있는 고온 가스 유로내로 진입하도록 하는 장치로서, 내구성이 있으며, 가스 온도 프로파일의 왜곡을 억제하고, 공기가 고온 가스 유로내로 원치않게 누출되는 것을 방지할 장치를 제공하는 것이 소망된다.

따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 압축 섹션으로부터 나오는 압축 공기중 일부가 압축기를 바이패스하여 압축기의 하류에 있는 고온 가스 유로내로 진입하도록 하는 장치로서, 내구성이 있으며, 가스 온도 프로파일의 왜곡을 억제하고, 공기가 고온 가스 흐름경로내로 원치 않게 누출되는 것을 방지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

요약하면, 본 발명의 상기 목적 및 기타의 목적은, 압축 공기(6)를 생성하기위한 압축기(1)와; 상기 압축 공기의 제 1 부분(10')내에서 연료(11)를 연소시킴으로써 고온 가스(38)를 생성하는 연소 구역(13)과; 상기 고온 가스를 팽창시키기 위한 터빈(3)을 포함하는 가스 터빈에 있어서, 상기 연소 구역내에서 생성된 고온 가스를 상기 터빈내로 도입하기 위한 유로를 구비하고 있고, 상기 유로는 상기 연소구역(13)을 둘러싸는 라이너(12)와, 상기 라이너와 상기 터빈 사이에 배치된 덕트(18)를 포함하며, 상기 라이너(12)와 상기 덕트(18)는 상류단과 하류단을 각기 구비하고; 상기 라이너의 하루단과 상기 덕트의 상류단은 제 1 포트(50)를 갖는 제 1 링(40)과 상기 제 1 링을 둘러싸는 미끄럼 링(42)을 구비하며, 상기 제 1 링과 상기 미끄럼 링은 상기 압축 공기의 제 2 부분(8)이 상기 연소 구역을 바이패스하여 상기 연소 구역의 유로 하류로 진입할 수 있게 하기 위하여 서로 협력가능하고, 상기 제 2 칼라는 매니폴드(66)를 형성하고, 상기 매니폴드의 입구를 형성하는 제 3 포트를 구비하며, 상기 제 1 포트는 상기 매니폴드의 출구를 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈에 의해서 달성된다.

도면을 참조하면, 제 1 도에는 가스 터빈의 종단면도의 일부가 도시되어 있다. 이 가스 터빈은 압축 섹션(1), 연소 섹션(2) 및 터빈 섹션(3)으로 이루어져 있다. 회전 샤프트(4)는 상기 압축 섹션, 연소 섹션 및 터빈 섹션을 관통하여 연장된다. 압축기(1)는 공지되어 있는 바와 같이 회전형 블레이드와 고정형 베인의 교차 배열을 포함하고 있으며, 순환 공기를 압축시켜 압축 공기(6)를 생성한다. 또한, 연소 섹션(2)도 공지되어 있는 바와 같이 원통형 라이너에 의해서 각기 형성된 복수의 연소기(12)를 포함한다. 각 연소기(12)는 제 2 도에 도시된 바와 같이 쉘(16)에 의해 형성된 챔버(14)내에서 회전자(4) 주변에 원주방향으로 배열된다. 각 연소기(12)의 선단부는 스크류(도시하지 않음)에 의해서 쉘(16)에 고정된다. 각 연소기(12)의 후단부는 후술하는 바와 같이 칼라 조립체(20)에 의해 지지된다. [본원에 사용하는 "전방(front)"이라는 용어는 축방향 상류를 의미하며, "후방(aft)"이란 용어는 축방향 하류를 의미한다.]

압축공기(6)의 일부(10')는 연료(11)(바람직하게는 오일 또는 천연가스임)와 함께 연소기(12)의 선단부를 통해 각 연소기(12)내로 진입한다. 연료(11)는, 연료노즐(도시하지 않음)을 통해 연소기(12)로 밀폐된 제 2 도에 도시된 연소구역(13)내로 도입된다. 연소구역(13) 내부에서, 연료(11)는 압축공기(10')중에서 연소되어 열을 생성한다. 추가의 공기(10")가 연소기(12)내로 그내부에 형성된 구멍(17)을 통하여 진입하고 그리고 연료(11)의 연소에 의해 가열된 공기(10')와 혼합되어 고온가스(38)의 흐름을 생성한다. 이 고온 가스(38)는 때로는 "전이 덕트(transition duct)"라 칭하는 덕트(18)를 경유하여 터빈 섹션(3)내로 도입되며, 상기 터빈섹션(3)에서 고온가스의 팽창이 이루어진다. 따라서, 연소기(12)의 덕트(18)는 고온가스(38)의 유로중 일부를 형성한다. 각 덕트(18)의 후단부는 브래킷(21)에 의해 쉘(16)에 부착된다. 각 덕트(18)의 선단부는 압축기의 디퓨저(19)에 부착된 지지 브래킷(22)에 의해 지지된다.

공지되어 있는 바와 같이, 압축기(1)로부터의 압축공기(6)중 일부는 배관(도시하지 않음)에 의해서 챔버(14)로부터 인출되며, 이 배관은 상기 압축공기중 일부를 냉각의 목적으로 터빈 섹션(3)의 각종 부품내로 직접 배출함으로써 연소기(12)를 바이패스시킨다. 그러나, 본 발명에 따르면, 압축기(1)로부터의 압축공기(6)중 다른 부분(8)은 제 1 도에 도시한 바와 같이 연소기(12)의 후단부와 덕트(18)의 선단부 사이의 위치에서 고온가스 흐름(38)내로 배향하는 것에 의해서 연소기(12) 및 연소구역(13)을 바이패스하게 된다. 이것은 후술하는 칼라 조립체(20)에 의해서 달성된다. 제 1 도 및 제 3 도에 도시한 바와 같이 각각의 칼라 조립체(20)는 연소기(12)의 후단부를 덕트(18)의 선단부와 연결시킨다. 칼라 조립체(20)는 압축기 디퓨터(19)로부터 연장된 지지 브라켓(22)에 부착된다.

제 3 도에 도시한 바와 같이, 칼라 조립체(20)는 고정 링(40)과 회전 링(42)을 포함한다. 제 4 도 및 제 5 도에 도시한 바와 같이, 고정 링(40)은 내측 슬리브(64)와, 그것을 둘러싸는 외측 슬리브(68)를 포함한다. 내측 슬리브 및 외측 슬리브(64, 68)의 양자는 각기 상반부와 하반부를 형성하기 위하여 종방향 이음부(62)를 따라 분할된다. 내측 슬리브(64)의 이음부(62)에는 정합 플랜지(56)가 형성된다.

제 3 도에 도시한 바와 같이, 조립시 고정 링(40)의 2개의 절반부는 연소기(12)의 후단부와 덕트(18)의 선단부출 따라 미끄러진다. 그런 다음, 이 절반부들은 연소기(12)와 덕트(18)를 접속시킴과 아울러 지지 하기 위해서, 플랜지(56)를 관통하여 연장된 제 1 도에 도시한 볼트(58)를 사용하여 함께 볼트 고정된다. 연소기(12)의 후단부에 형성된 배플(baffle)(74)은 내측 슬리브(64)의 내측 표면을 가압할 수 있도록 탄성 가압됨으로써, 챔버(14)로부터의 압축공기(6)가 고온 가스(38) 유로내로 소망치 않게 유입되는 것을 방지하는 시일을 형성한다. 고정 링(40)의 내측 슬리브(64)의 후단부에 형성된 립(lip)(70)은 덕트(18)의 입구에 형성된 플랜지(72)와 꼭 맞게 결합된다.

내측 및 외측 슬리브(64, 68)는 각기 그들사이에 매니폴드(66)를 형성한다. 원주방향 연장 슬롯의 형상을 한 출구 포트(50)는 내측 슬리브(64) 둘레로 분산 배치된다. 대략 정사각형상을 한 입구 포트(60)는 외측 슬리브(68) 둘레로 분산 배치된다. 외측 슬리브(68)의 측벽내에는 반경방향 연장 확장 슬롯(54)이 형성되어, 열응력을 최소화시킨다. 내측 슬리브(64)의 외면에 형성된 지지 패드(52)는 고정 링(40)이 제 1 도에 도시한 지지 브라켓(22)에 부착될 수 있게 한다.

제 3 도 및 제 6 도에 도시한 바와 같이, 회전 링(42)은 고정 링(40)과 유사하게 세로방향 이음부(75)를 따라 상반부 및 하반부로 분할된다. 정합 플랜지(44)는 이음부(75)에서 상반부 및 하반부상에 형성된다. 조립시에, 회전 링(42)의 두 절반부는 고정 링(40)의 둘레로 미끄러져서, 제 3 도에 도시한 바와 같이 회전 링이 고정 링의 외측 슬리브(68)를 둘러싸게 한다. 그런 다음에는, 상기 회전 링(42)의 두 절반부는 플랜지(44)를 관통하여 연장된 제 1 도에 도시한 볼트(58)를 사용하여 함께 볼트로 고정된다.

회전 링(42)의 내경은 외측 슬리브(68)의 외경보다 커서, 조립 완료시에 회전 링이 외측 슬리브상에서 자유롭게 미끄러질 수 있도록 한다. 회전 링(42)의 각 단부에 형성된 립(76)은 회전 링의 축방향 이동은 방지하지만 그것이 외측 슬리브둘레로 원주방향으로 회전함에 의해서 미끄러지는 것은 허용한다. 고정 링의 외측 슬리브(68)에 있는 입구 포트(60)와 동일한 크기 및 형상을 갖는 대략 정사각형상의 포트(46)가 회전 링(42)의 원주 둘레에 분산 배치된다.

러그(36)는 회전 링(42)으로부터 반경방향 외향으로 연장된다. 이 러그는 그것의 말단에 형성된 슬롯(48)을 갖는다. 제 3 도에 도시한 바와 같이, L자 형상의 작동 로드(24)는 슬롯(48)내에서 미끄러지도록 구성됨으로써, 상기 작동 로드가 그것의 반경방향 축을 중심으로 회전하였을 때 회전 링(42)이 고정 링(40)의 외측 슬리브(68) 둘레로 회전되도록 한다. 회전 링(42)이 제 3 도에 도시한 제 1 위치로 회전하였을 때, 회전 링(42)의 포트(46)는 고정 링 외측 슬리브(68)내의 입구포트(60)와 반경방향으로 정렬된다. 그에 따라, 압축공기의 일부(8)가 챔버(14)로부터 매니폴드(66)내로 흐르는 것이 허용된다. 매니폴드(66)로부터의 공기(8)는 내측 슬리브(64)의 출구 포트(50)를 통과한 다음, 덕트(18)내에서 흐르는 고온 가스(38)에 유입된다.

매니폴드(66) 및 슬롯 형상의 출구 포트(50)에 공기를 공급하는 정사각형상의 입구 포트(46, 60)를 이용함에 의해서, 연소기(12)와 덕트(18) 사이에 비교적짧은 축방향 길이 간극을 갖는 큰 흐름 면적이 생성되며, 그것에 의해 연소 섹션의 길이가 최소화되고 칼라 조립체(20)가 기존의 가스 터빈에 개장될 수 있게 된다는 것을 알아야 한다. 또한, 슬롯(50)의 비교적 긴 원주방향 길이는 매니폴드(66)로부터의 공기가 고온가스 경로 둘레로 원주방향으로 양호하게 분포될 수 있도록 하고, 그것에 의해 터빈 섹션(3)내로 진입하는 고온 가스(38)의 온도 분포의 왜곡이 최소화된다.

회전 링(42)을 제 2 위치로 회전시키면, 그것의 포트(46)는 고정 링 포트(60)와의 반경방향 정렬위치에서 벗어남으로써 외측 슬리브(68)가 포트(46)를 폐쇄하도록 하며, 그것에 의해 공기가 칼라 조립체(20)를 경유해 고온가스 유로에 유입되는 것을 방지한다. 회전 링(42)과 외측 슬리브(68)사이에 제 7 도에 도시한 래버린스형 시일(labyrinth type seals)(77)이 형성됨으로써, 회전 링이 폐쇄 위치에 있을 때 공기가 칼라 조립체(20)를 통하여 원하지 않게 누설되는 것을 최소화시킬수도 있다. 회전 링(42)을 중간위치로 회전시키면, 고정 링의 외측 슬리브(68)가 회전 링(46)을 부분적으로 폐쇄하여, 연소기(12)를 바이패스하는 압축공기(8)의 유량을 조절할 수 있을 것이다.

제 2 도 및 제 3 도에 도시한 바와 같이, 작동 로드(24)는 슬리브(26)를 통해서 쉘(16)을 관통하여 연장된다. 슬리브(26)내에 배치된 베어링 및 시일 조립체(29)는 작동 로드(24)를 둘러싸서 압축공기가 슬리브를 통해 누설되는 것을 방지한다. 커넥팅 로드(27)는 작동 로드(24)를 쉘(16)을 에워싸는 작동 링(28)에 연결시킨다. 특히, 커넥팅 로드(27)의 일 단부는 작동 로드(24)에 부착되고, 타 단부는 작동 링(28)으로부터 연장된 슬롯형 러그(39)에 부착된다. 제 2 도에 도시한 바와 같이, 작동 링(28)은 쉘(16)로부터 연장된 지지부(23)에 부착된 롤러(31)상에 회전가능하게 장착된다. 유압 실린더(32)의 일 단부에 있는 피스톤(30)은 브라켓(34)을 통해서 작동 링(28)에 부착되며, 유압 실린더(32)의 타 단부는 브라켓(33)을 통해서 정지 부재(도시하지 않음)에 부착된다.

유압 실린더(32)에 작동 유체(도시하지 않음)가 공급되면, 피스톤(30)이 연장됨으로써, 작동 링(28)을 쉘(16)을 중심으로 반시계방향으로(고온가스의 흐름 방향으로 볼 때) 회전시킨다. 이것에 의해, 작동 로드(24)가 시계방향으로(반경방향 내향으로 볼 때) 회전될 것이고, 그에 따라 회전 링(42)이 고정 링(40)의 둘레로 반시계방향으로(흐름방향으로 볼 때) 회전될 것이다. 반대방향을 향하고 있는 제 2 의 유압 실린더(도시하지 않음)를 사용하여 작동 링(28)을 시계방향으로 회전가능하게 하는 것이 바람직하다. 변형예로서, 유압 피스톤(30)을 반대방향으로 가압하기 위해서 작동 링(28)에 스프링을 장착할 수도 있다. 어떤 경우에든, 본 발명에 따르면, 작동 링(28)의 위치를 제어함으로써 가스 터빈의 작동 상태가 변하기 때문에, 연소기(12)를 바이패스하는 압축공기(8)의 양은 최소의 질소산화물 생성량을 달성하기 위하여 필요에 따라 연속적으로 조절될 수 있다.

칼라 조립체(20)는 그것의 크기, 위치 및 구성으로 인해서 덕트(18)보다는 훨씬 적게 열화를 받는다. 따라서, 칼라 조립체에 바이패스 특성을 부여하는 것과 관련된 추가 비용은 가스 터빈의 유지와 관련된 비용의 증가로 귀결되지는 않는다.

제 1 도는 본 발명의 바이패스 시스템을 이용한 가스 터빈의 일부분에 대한종단면도,

제 2 도는 제 1 도의 II-II선의 횡단면도로시, 쉘(16)상에 형성된 반경방향연장 플랜지가 작동 링(28) 및 관련 부품을 관찰할 수 있도록 하기 위하여 생략됨,

제 3 도는 제 2 도의 III-III선 종단면도,

제 4 도는 제 1 도 매지 제 3 도에 도시한 칼라 조립체의 고정 링부의 등각사시도로서, 상류 단부를 들여다본 도면,

제 5 도는 제 4 도에 도시한 고정 링의 일부 절단 등각 사시도로서, 하류 단부를 들여다본 도면,

제 6 도는 제 1 도 내지 제 3 도에 도시한 칼라 조립체의 회전 링부의 등각사시도,

제 7 도는 제 3 도에 도시한 원형 표시부(VII)로 둘러싸인 회전 링과 고정 링 연결부의 일부에 대한 상세도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축 섹션 2 : 연소 섹션

3 : 터빈 섹션 6 : 압축 공기

11 : 연료 13 : 연소 구역

18 : 덕트 38 : 고온 가스

40 : 고정 링 42 : 회전 링

46 : 입구 포트 50 : 출구 포트

66 : 매니폴드

Claims

압축공기(6)를 생성하기 위한 압축기(1)와; 상기 압축공기의 제 1 부분(10')내에서 연료(11)를 연소시킴으로써 고온 가스(38)를 생성하는 연소 구역(13)과, 상기 고온 가스를 팽창시키기 위한 터빈(3)을 포함하는 가스 터빈에 있어서,

상기 연소 구역내에서 생성된 고온 가스를 상기 터빈내로 도입시키지 위한 유료를 가지며, 상기 유로는 상기 연소 구역(13)을 둘러싸는 라이너(12)와, 상기 라이너와 상기 터빈사이에 배치된 덕트(18)를 포함하며, 상기 라이너(12)와 상기 덕트(18)는 상류단과 하류단을 각기 구비하고 있고;

상기 라이너의 하류단과 상기 덕트의 상류단은 제 1 포트(50)를 갖는 제 1 링(40)과 상기 제 1 링을 둘러싸는 미끄럼 링(42)을 구비하며, 상기 제 1 링과 상기 미끄럼 링은 서로 협력하여 상기 압축공기의 제 2 부분(8)이 상기 연소 구역을 바이패스하여 상기 연소 구역의 하류측의 유료내에 유입될 수 있게 하고, 상기 제 2 칼라는 매니폴드(66)를 형성하고 상기 매니폴드의 입구를 형성하는 제 3 포트를 구비하며, 상기 제 1 포트는 상기 매니폴드의 출구를 형성하는

가스 터빈.
제 1항에 있어서,

상기 가스 터빈은 상기 미끄럼 링(42)을 제 1 및 제 2 위치로 미끄럼 이동시키기 위한 수단(28)을 추가로 포함하고, 상기 제 2 포트(46)와 상기 제 1 포트(60)는 상기 미끄럼 링이 상기 제 1 위치에 있을 때 정렬되며, 상기 제 1 링은 상기 미끄럼 링이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 제 2 포트를 폐쇄하는

가스 터빈.
제 2 항에 있어서,

상기 미끄럼 수단(32)은 상기 미끄림 링(42)을 상기 제 1 링(40) 둘레로 회전시키기 위한 수단(28)을 포함하는

가스 터빈.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 미끄럼 링(42)을 상기 제 1 링(40) 둘레로 회전시킴으로써, 상기 압축공기의 제 2 부분(8)의 바이패스를 제어하기 위한 수단(28)을 추가로 포함하는

가스 터빈.
제 4 항에 있어서,

상기 가스 터빈은 내부에 상기 유로가 배치되어 있는 쉘(16)을 추가로 포함하고, 상기 제어수단은 상기 쉘을 통해 연장되어 상기 미끄럼 링과 연결된 회전부재를 포함하는

가스 터빈.