KR100389990B1

KR100389990B1 - 가스터빈

Info

Publication number: KR100389990B1
Application number: KR1019960009831A
Authority: KR
Inventors: 마나부 마쯔모또; 가즈히꼬 가와이께; 다까시 이께구찌; 순이찌 안자이; 마사미 노다; 노부아끼 기즈까; 신이찌 히구찌; 신야 마루시마; 마사루 세끼하라
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1995-04-06
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 2003-11-17
Also published as: CN1133936A; CN1056212C; US5695319A; KR960038079A

Abstract

본 발명은 적합한 증기 공급, 회수 계통을 갖는 증기 냉각식 가스 터빈을 제공한다. 동익을 냉각한 후의 증기를 로우터 중심부에 형성되는 회수 유로를 거쳐서 회수한다.

디스크 접합부를 저온으로 유지함으로써 고속 회전체로서의 신뢰성이 확보되고 그 부분의 원심 응력이 완화된다.

Description

가스 터빈

본 발명은 증기를 이용하여 동익을 냉각하는 증기 냉각식을 채용한 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 동익을 냉각한 후의 증기를 회수하는 가스 터빈에 관한 것이다.

증기 냉각식 가스 터빈으로서는 예를 들면 문헌 에이.에스.엠.이/아이.이.이.이 파워 제네레이션 콘퍼런스(Jt. ASME/IEEE Power Generation Conference)의 논문집 87-JPGC-GT-1(1987)에 기재되어 있는 바와 같이, 가스 터빈의 익의 냉각에제공한 증기를 회수하여 플랜트로 복귀시키는 것이 있다.

그러나, 종래 기술에는 실제 설비로서 증기 냉각식 가스 터빈을 채용할 때의 증기의 공급 및 회수에 관해 구체적으로 도시되어 있다고는 할 수 없다.

이와 같이, 가장 고온으로 되기 쉬운 날개를 냉각하는 동시에, 그 냉각 후의 증기를 회수하게 하면, 냉각 후의 냉매를 가스 통과부로 배출하는 것에 비해 가스 터빈의 고온화가 가능하며, 효율의 향상을 도모할 수 있어 유효하다. 그러나 가스 터빈에 있어서는 회전체 내부의 구성은 특수한 형상을 한 디스크나 스페이서의 적층 구조 등 매우 복잡하고 이 복잡한 구성하에 축심으로부터 떨어진 외주 위치에 있는 날개에 유로 손실이나 이들 특수한 형상 부재의 열 변형을 증대시키지 않고 증기를 공급 또는 회수하는 실용적인 구성이 어렵고 좋은 대안이 없는 현실이다.

그래서, 본 발명은 증기 냉각식 가스 터빈에 이용되는 증기의 공급 또는 회수의 구체적인 구성을 명확히 하고, 설비의 효율을 향상시킨 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 가스 터빈은, 증기를 이용하여 동익을 냉각하는 냉각 계통을 갖는 것이다.

본 발명에 있어서의 가스 터빈은 공기(대기)를 압축하는 압축기와, 이 압축기에서 압축된 공기와 연료를 태우고, 고온의 연소 가스를 생성하는 연소기와, 이 연소기로부터의 연소 가스에 의해 구동하는 터빈을 갖고, 그 밖에, 터빈에 증기를 공급하는 계통 등을 구비한다.

연소기에서는 1400℃급 이상, 예를 들면 1350 내지 1650℃의 연소 가스가 생성되고, 이 온도가 높을 수록 출력을 크게 할 수 있고, 또 터빈은 고정익과 동익을 조합한 단락을 3 또는 4단 갖는다.

본 발명의 냉각 계통은 동익에 증기를 공급하는 공급 계통과 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 계통을 구비하는 동시에, 회수 계통의 회수 유로를 공급 계통의 공급 유료로부터 내측에 형성한 것을 특징으로 한다. 여기서, 증기라 함은 구체적으로 증기 발생 장치, 예를 들면 폐열 회수 보일러 등에 의해 생성된 것이며, 그 성분적으로는 H₂O를 주 성분으로 한 소위 수증기이다.

본 발명에서 언급하고 있는 증기의 공급 계통은 증기 발생 장치로부터 터빈의 동익 까지 증기를 공급하는 계통을 말하며, 이 계통의 일부에 공급 유로를 갖는다. 여기서, 공급 유로는 터빈 로우터 내 또는 로우터의 중심 방향에 형성된다.

또, 회수 계통은 터빈의 동익으로부터 증기를 회수하여 재이용하는 장치, 예를 들면 폐열 회수 보일러나 복수기 등 까지의 계통을 말하며, 이 계통의 일부에 회수 유로를 갖는다. 여기서, 회수 유로는 터빈의 로우터 중심 방향 또는 로우터내에 형성된다. 또. 공급 계통 또는 회수 계통을 각각 동익으로부터 터빈의 로우터 축단 까지라고 생각해도 된다.

또, 본 발명의 냉각 계통은 동익에 증기를 공급하고 로우터 축단에 형성되는 공급구와, 동익으로부터 증기를 회수하고 로우터 축단에 형성되는 회수구를 갖고, 상기 회수구는 상기 공급구 보다 로우터 축 중심측 또는 외주측에 형성되는 것을특징으로 한다.

이와 같이, 회수되는 증기를 공급되는 증기 보다 로우터 중심축측 또는 외주측을 통과하게 함으로써, 로우터 등에 있어서의 열 응력을 완화하고, 안정된 터빈 운전이 가능해진다.

또, 공급 유로는 로우터의 최종단 디스크와 스텁 샤프트 사이에 형성된 캐비티, 및 디스크와 디스크가 접합하고 있는 부분에 형성되는 것이 바람직하다. 또, 하나의 회수 유로는 초단 및 2단의 디스크 사이에 형성되는 것이 바람직하고, 초단 동익과 2단 동익에 공급된 증기를 회수하는 캐비티를 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 증기를 이용하여 압축기 로우터를 냉각하는 것을 특징으로 한다. 이 증기는 터빈 로우터와 압축기 로우터를 연결하는 디스턴트 피스에 형성된 증기 유로를 거쳐서 공급되고, 상기 디스턴트 피스 보다 축 중심측에 형성되는 증기 유로를 거쳐서 회수된다. 압축기의 로우터도 증기를 이용하여 냉각함으로써 증기의 유효 이용을 도모하는 것이 가능해진다.

또, 냉각한 증기를 회수할 때 회수 증기를 로우터의 디스크와 디스크 사이에 형성되는 스페이서부를 관통하고, 디스크와 디스크 사이에 형성되는 캐비티 내부에 증기를 회수하는 증기 유로를 형성하는 것이 바람직하다. 이 부분을 통해 증기를 회수함으로써 로우터 내의 스페이스를 유효하게 이용할 수 있다.

또, 스페이서부는 회수되는 증기를 상기 증기 유로로 유도하는 돌출 부분을 갖는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 효율 좋게 증기를 회수할 수 있다. 또, 아울러, 공급 유로를 흐르는 증기의 일부를 이용하여 상기 디스크의 측면을 냉각함으로써 열 응력의 완화가 도모된다.

한편, 또 본 발명의 가스 터빈은 증기를 이용하여 동익을 냉각하고, 그 증기를 회수하는 소위 폐쇄형 증기 냉각 시스템을 채용한 것이다. 그리고, 동익과 정익의 단락 구조를 3 또는 4단의 것으로서, 터빈에 도입되는 연소 가스 온도가 1400℃이상급이고 출력이 400MW이상인 것에 한정하여 생각한 경우, 공급구 및 회수구의 각각에 있어서의 온도에서, 동익에 공급하는 증기의 온도를 250℃이하, 예를 들면 250 내지 180℃로 하고, 동익으로부터 회수하는 증기의 온도를 450℃이하 예를 들면 450 내지 380℃로 함으로써 증기 냉각 시스템을 달성할 수 있다. 또, 이들 온도를 바꾸어 운용하는 것도 가능하며, 전자를 300 내지 230℃, 후자를 500 내지 430℃로 하는 경우도 있다. 즉, 터빈에 있어서의 열 부하 및 동익의 재료 허용 온도를 고려함으로써 결정된다. 또, 증기의 유량 및 로우터의 재료 허용 온도를 고려함으로써 결정된다.

이와 같은 구성을 취함으로써 개방형 냉각 시스템을 채용한 가스 터빈 보다 효율로 5 내지 6%, 출력으로 13 내지 16% 향상을 도모할 수 있다. 또, 종래의 폐쇄형 냉각 시스템 보다도 더욱, 효율로 0.8 내지 1.2%, 출력으로 2 내지 3%의 향상을 도모할 수 있다.

즉, 동익의 냉각에 제공한 증기를 회수하려면 동익을 지지하고 있는 로우터 내부에 공급과 회수의 2계통의 증기 경로를 구성하는 것이 바람직하고, 작동 가스 온도가 1400℃를 넘는 가스 터빈에서는 공급 증기와 회수 증기의 온도차가 200℃ 이상이나 되기 때문에, 2계통의 흐름이 교차하지 않는 점, 고속 회전체인 점 등을충분히 고려하여 회수 증기에 의한 로우터의 온도 상승을 내열 온도 이하로 억제하는 것, 온도차에 기인하여 발생하는 열응력을 허용 응력 이하로 억제하는 것이 중요하다.

또, 가스 터빈의 비출력(단위 연료당 출력)을 높이기 위해서는 압축기의 압축비를 크게 할 필요가 있으나, 압축비를 크게 하면 압축된 토출 공기의 온도가 상승하기 때문에 압축기 로우터의 외주부가 가열되고, 허용 온도를 넘기 때문에, 본 발명과 같이 냉각이 필요해진다. 압축기 로우터와 터빈 로우터는 연결되어 일체로 회전되기 때문에, 터빈 로우터와 압축기 로우터는 증기 계통을 공용하여 냉각할 수 있다.

본 발명은 로우터 내에 고속 회전체로서 지장이 적은 증기 공급 혹은 회수 경로를 구성함으로써 효율 향상에 적합한 증기 냉기식 가스 터빈을 제공할 수 있다.

또, 본 발명의 가스 터빈과 증기 터빈을 복합한 병합 발전 설비에서는 가스 터빈 배기 가스의 배열을 이용하여 증기 터빈용의 증기를 발생하고 있으며, 가스 터빈의 작동 가스의 온도를 높임으로써, 터빈 단체의 열효율 뿐만 아니라 설비 전체의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

이 때문에, 작동 가스의 온도는 익의 내열 온도를 대폭 넘고 있지만, 본 발명에 의해 내열 온도 내로 제한할 수가 있다.

냉매로서 증기를 이용하고 있기 때문에, 압축 공기를 사용하는 경우에 비해 작동 가스 온도가 높아짐에 따라서 냉매로서의 공기 유량이 증대하기 위한 여분의압축 동력을 소비할 필요가 없어진다. 게다가, 냉각에 제공한 온도가 낮은 공기가 작동 가스의 유로(이하, 가스 패스)로 방출되지 않기 때문에, 희석되어 작동 가스의 온도가 내려가는 일이 없고, 터빈의 출력이 저하한다는 문제도 없다. 따라서, 증기를 냉각에 사용함으로써, 연소용 압축 가스를 냉매로 하는 가스 터빈과 비교해서 효율 향상을 도모할 수 있다.

본 발명의 병합 사이클 발전 설비에서는 다른 계통으로부터 도입하는 증기를 냉매에 이용하는 증기 냉각식 가스 터빈을 제안하고 있다.

증기는, 냉각 유로에 수분중의 불순물이 퇴적하는 것을 피하기 위해 배열을 이용하여 생성된 과열 증기가 사용되는 것이 바람직하고, 점성 계수나 플랜트 수동의 영향으로 공기에 비해 열 전달율이 크고(약 1.5배), 또 비열이 크기 때문에 열이 부하된 때의 온도 상승이 적은(공기의 2분의1 이하) 등의 이점이 있다.

또, 증기 냉각식에 있어서도 플랜트 전체의 효율을 높이는 면에서 냉각에 제공하는 증기의 유량은 적을 수록 좋고, 또 냉각 후의 증기를 작동 가스 중에 방출하는 것이 아니라 증기를 회수하여 작동 가스에 영향을 부여하고 효율 향상을 도모한다.

상기한 바와 같이 증기를 이용하여 동익을 냉각하는 냉각 계통을 갖는 가스 터빈에 있어서, 상기 동익에 증기를 공급하는 공급 계통과 냉각 후의 증기를 회수하는 회수 계통을 상기 가스 터빈의 로우터 내에 구비하고, 상기 회수 계통의 회수 유로를 상기 공급 계통의 공급 유로 보다 내측에 형성함으로써, 고온의 회수 증기는 저온의 공급 증기 보다 내측을 흐르게 되기 때문에, 열 팽창에 의해 로우터 중심부의 원심 응력이 완화된다.

또, 로우터의 축단에 공급구와 회수구를 설치하고, 상기 회수구를 상기 공급구 보다 로우터 축 중심측에 형성함으로써 전술한 고온의 회수 증기의 흐름을 보다 원활하게 형성하기 쉬운 이점이 얻어진다.

또, 증기를 이용하여 동익을 냉각하는 냉각 계통을 갖는 가스 터빈에 있어서,

상기 가스 터빈의 로우터의 최종단 디스크와 스텁 샤프트 사이에 캐비티를 형성하는 동시에, 디스크와 디스크가 접합하고 있는 부분에 공급 유로를 형성하여 증기를 공급함으로써 상기 접합부의 온도가 고급 증기에 의해 회수 증기 보다 낮은 온도로 유지되고 그 부분의 열 왜곡이 감소한다.

또, 가스 터빈의 로우터의 디스크와 디스크가 접합하고 있는 부분에 공급 유로를 형성하여 증기를 공급하고, 초단 및 2단의 디스크 사이에 형성한 캐비티를 거쳐서 증기를 회수함으로써 고온의 증기에 의한 디스크의 온도 상승 및 열 응력의 발생을 적극적으로 경감하여 회수할 수 있다.

또, 증기를 이용하여 압축기 로우터를 냉각하도록 설비하고, 상기 설비를 터빈 로우터와 압축기 로우터를 연결하는 디스턴트 피스에 형성된 증기 유로를 거쳐서 증기를 공급하고, 상기 디스턴트 피스 보다 축 중심측에 형성되는 증기 유로를 거쳐서 증기를 회수하도록 구성함으로써 터빈 로우터와 증기 유로를 공용하여 압축기 로우터를 냉각할 수 있다.

또, 증기를 이용하여 동익을 냉각하는 가스 터빈에 있어서, 상기 가스 터빈의 로우터 디스크와 디스크 사이에 증기를 회수하는 증기 유로를 갖는 스페이서를 개재시키고, 상기 스페이서가 상기 디스크와 디스크 사이에 형성되는 캐비티 내부에 형성함으로써, 디스크 접합부가 회수 증기에 직접 노출되는 것을 방지할 수 있는 이외에 상기 스페이서에 회수되는 증기를 상기 증기 유로로 유도하는 돌출 부분을 형성함으로써, 디스크 외주부 측면의 회수 증기의 흐름이 바뀌어 전열이 약해지고, 디스크의 열응력이 저감한다.

또, 상기 가스 터빈에 있어서, 상기 디스크와 디스크가 접합하고 있는 부분에 증기 유로를 형성하고, 상기 증기 유로의 증기의 일부를 이용하여 상기 디스크 측면을 냉각함으로써 디스크 측면이 유출한 저온의 증기에 의해 효과적으로 냉각되기 때문에 온도 상승 및 열 응력이 보다 한층 효과적으로 저감된다.

또, 본 발명은, 로우터 외주부에 배치되어 있는 동익을, 증기를 이용하여 냉각하도록 형성되어 있는 가스 터빈에 있어서, 상기 동익에 증기를 공급하는 공급계로 및 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 계로를 상기 로우터 내에 설치하는 동시에, 상기 공급 계로를 로우터 축심에 설치된 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 또 상기 회수 계로를, 로우터를 구성하고 있는 부재 사이의 캐비티 부분에 축방향으로 설치된 구멍에 형성되게 한다.

또, 상기 공급 계로를 디스크에 설치된 중심 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 그 상기 회수 계로를, 디스크 접합부 또는 디스크 접합부와 스텁 샤프트에 회수 구멍을 설치하여 형성한다.

또, 압축기와 터빈이 직결되고, 또 터빈 동익이 증기로 냉각되게 형성되어있는 가스 터빈에 있어서, 상기 압축기 로우터의 내부에 냉각로를 형성하는 동시에, 상기 동익에 증기를 공급하는 공급 계로를 로우터 축심에 설치된 구멍 및 상기 압축기 로우터의 내부에 형성되어 있는 냉각로 및 상기 압축기 로우터와 터빈 로우터를 연결하고 있는 디스턴트 피스의 보어 부분에 형성하고, 또 상기 회수 계로를 디스크 접합부 또는 디스크 접합부와 스텁 샤프트에 회수 구멍을 설치하여 형성하게 한 것이다.

또, 로우터 외주부에 배치되어 있는 동익이 증기로 냉각되게 형성되어 있는 가스 터빈 동익의 냉각 장치에 있어서, 상기 동익에 증기를 공급하는 공급 계로 및 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 계로를 상기 로우터 내에 설치하는 동시에, 상기 공급 계로를 로우터 축심에 설치된 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 또 상기 회수 계로를, 로우터를 구성하고 있는 부재에 축방향으로 설치된 구멍으로 형성한 것이다.

또, 로우터 외주부에 배치되어 있는 동익이 증기로 냉각되도록 형성되어 있는 가스 터빈 동익의 냉각 방법에 있어서, 상기 동익에의 증기의 공급, 회수가 로우터 내의 유통로를 거쳐서 행해지는 동시에, 증기의 공급이 로우터 축심측으로부터 행해지고, 또 회수가 상기 증기의 공급 위치로부터 외주측으로 행해지게 한 것이다.

즉, 이와 같이 형성되어 있는 가스 터빈과 그 동익 냉각 장치라면 상기 공급 계통의 공급 계로를 로우터 구성 부재의 내부에 형성하고, 회수 계통의 회수 계로를 로우터를 구성하고 있는 부재 사이의 캐비티를 이용하여 형성함으로써 로우터내부의 캐비티의 대부분이 공급 증기에 의해 채워지는 한편, 회수 증기에 노출되는 범위는 회수 구멍 내로 제한된다.

상기 기본 개념을 효과적으로 발휘하는 구체적 수단으로서, 공급 유로를 축단으로부터 디스크 중심 구멍 및 디스크 사이의 캐비티를 거쳐서 각 단의 동익에 통하도록 형성함으로써 축단으로부터 공급된 증기는 중심 구멍을 축방향으로 흐르는 과정에서 각 단으로 분기되고, 디스크 사이의 캐비티를 거쳐서 외주의 동익에 공급된다.

이로써, 각단의 동익에 소요량의 증기를 배분 공급할 수 있을 뿐 아니라, 증기가 중심 구멍으로부터 디스크 사이의 캐비티로 분기되어 흐르는 과정에서 부재의 열 변형이 적고, 중심 구멍 내벽이나 디스크 측면이 균일하게 냉각된다.

한편, 동익으로부터의 증기의 회수 유로를, 디스크 접합부와 스텁 샤프트에 회수 구멍을 뚫어서 축단에 통하도록 형성함으로써, 회수 증기는 동익의 유출구로부터 일단 캐비티로 유출한 후에 스페이서 회수 구멍에 유입하고, 상기 접합부 및 스텁 샤프트의 회수 구멍을 거쳐서 축단으로부터 회수된다. 즉, 로우터가 회수 증기에 노출되는 범위는 동익 유출부의 캐비티를 형성하고 있는 디스크 측면을 제거하면 회수 구멍의 내벽의 좁은 범위에 한정된다.

증기의 공급 온도는 플랜트 전체의 최적화에 의해 정해진다. 예를 들면 가스 터빈의 연소 가스 온도가 1500℃이면 증기의 공급 온도는 250 내지 350℃가 좋고, 이 경우, 날개를 냉각한 후의 회수 증기는 450 내지 550℃까지나 상승한다. 한편, 로우터 구성 부재의 내열 허용 온도는 통상의 터빈재가 400℃, 고가의 인코넬재 등의 고강도 재료라도 500℃이하이며, 회수 증기 온도는 로우터의 내열 온도를 초과하게 된다. 또, 로우터 내에 공급 증기와 회수 증기가 경로를 달리하여 흐르는 경우, 양자의 온도차에 기인하여 디스크에 온도 구배가 형성되고 열 응력이 발생한다.

상술한 바와 같이, 공급 유로와 회수 유로를 구성함으로써 날개를 지지하고 있는 디스크의 측면은 대부분이 저온의 공급 증기에 둘러싸여 있기 때문에, 접합부와 동익 유출부의 캐비티를 형성하고 있는 외주측을 제외하면 디스크의 온도는 거의 공급 온도에 가까운 온도로 유지된다. 또, 측면이 전열적으로 유사한 환경으로 되어 있기 때문에, 온도 구배가 완만하고, 발생하는 열 응력도 작다.

한편, 접합부 내는 고온의 회수 증기에 의해 가열되지만, 주위가 저온의 공급 증기에 의해 냉각되어 있기 때문에, 로우터의 허용 온도를 초과하는 일은 없다. 단, 가열원과 냉열원이 근접하고 있기 때문에, 열 응력이 우려되는 경우에는 회수 구멍 내에 전열 저항체를 구비하여 회수 증기로부터 로우터 부재로의 전열량을 적게 함으로써 열 응력을 저감할 수 있다.

또, 동익 유출부의 캐비티를 형성하고 있는 디스크의 외주부는 한 쪽 측면이 공급 증기에 의해 냉각되고, 반대측 회수 증기에 의해 가열되기 때문에, 축방향 온도 구배에 의해 열 응력이 발생하는 것으로 생각되지만, 그 부분에 작용하는 원심 응력이 비교적 작기 때문에, 합성 응력은 비교적 작다. 또, 스페이서의 형상을 연구하여 캐비티 내의 회수 증기의 흐름을 바꿈으로써 열 부하를 경감할 수 있다.

한편, 동익 냉각용 증기를 이용하여 압축기의 로우터를 냉각하는 수단으로서, 압축기 로우터의 내부에 냉각 유로를 형성하는 동시에, 디스턴트 피스에 증기 공급용 보어와 회수용 회수 유로를 형성함으로써, 터빈 로우터의 중심 구멍으로부터 유출한 증기는 상기 디스턴트 피스의 보어, 압축기의 로우터 내부의 냉각 유로, 디스턴트 피스의 회수 구멍을 우회한 후에 초단 동익으로 공급된다. 이로써, 터빈 로우터의 축단으로부터 공급한 증기에 의해 동익 뿐만 아니라, 압축기 로우터의 냉각이 가능해진다.

또, 압축기의 로우터 내부에 반경 외향 회전 유로를 포함하는 냉각 유로를 형성하고, 이 냉각 유로의 입구와 출구를 디스턴트 피스의 보어에 개구한 경우에는 회전 유로의 펌핑 효과에 의해 압축기의 로우터 냉각 유로와 보어를 경로로 하는 순환류가 형성된다. 순환 증기는 보어 내에서 공급된 증기와 항상 치환되기 때문에, 압축기 로부터는 공급 온도의 순환 증기에 의해 냉각된다.

본 발명에 따르면, 고온의 증기 회수에 수반하는 제 문제점을 해소함으로써 동익 냉각 후의 증기의 회수가 가능해진다. 또, 압축기 로우터도 냉각할 수 있고, 이에 의해 작동 가스를 보다 한 층 고온화할 수 있기 때문에, 효율 향상에 적합한 증기 냉기식 가스 터빈이 얻어진다.

또, 특수한 부품의 구비나 특수한 가공을 실시하지 않고 유로 손실이나 열 변형이 적고, 또 효율이 좋게 할 수 있다.

제1도는 증기 냉각식 가스 터빈의 상부 단면도.

제2도는 제1도의 X-X선에 따른 단면도.

제3도는 증기 냉각식 가스 터빈 로우터의 다른 실시예를 도시한 도면.

제4도는 증기 냉각식 가스 터빈 로우터의 다른 실시예를 도시한 도면.

제5도는 본 발명의 가스 터빈의 다른 실시예를 도시하는 종단 측면도.

제6도는 제5도의 X-X선에 따른 단면도.

제7도는 증기 냉각식 가스 터빈 로우터의 다른 실시예를 도시하는 종단 측면도.

제8도는 증기 냉각식 가스 터빈 로우터의 다른 실시예의 요부를 도시하는 종단 측면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 5, 6 : 터빈 롤러

2 : 압축기 로우터

10 : 스페이서

11, 12, 1:1 : 디스크

14, 35, 96 : 접합부

33, 60, 74 : 공급유로

38, 51, 52 : 동익

45 : 증기 공급구

46 : 증기 회수구

61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 : 캐비티

31, 32, 49 : 증기 유로

47, 48 : 스페이서 돌출부

72 : 회수 유로

74, 79, 86, 87 : 접합부 증기 유로

501 : 케이싱

502 : 압축기 로우터

503 : 연소기

505 : 터빈 로우터

506, 567 : 스텁 샤프트

508 : 디스턴트 피스

515 : 동익

521, 522, 523 : 디스크

525 : 접합부

526 : 중심 구멍

531 : 스페이서

535 : 환형 휜

534, 556, 559, 565 : 회수 구멍

541 내지 550 : 캐비티

551 내지 553 : 공급 슬릿

557 : 압축기 냉각 유로

558, 568 : 보어

566 : 회전 유로

571 : 전열 저항체

575 : 간격

580 : 유선

584 : 순환류

이하, 본 발명의 일실시예를 제1도 및 제2도를 이용하여 상세히 설명한다.

제1도는 공기 압축형 3단 터빈의 경우의 예로 가스 터빈 상반부의 단면 구조를 도시하고 있으며, 케이싱(80), 압축기 로우터(2)와 외주부의 익렬로 이루어지는 압축기, 연소기(84), 정익(81 내지 82) 및 동익(51 내지 53)을 교대로 배치하여 형성된 가스 패스(85), 터빈 로우터(1) 등에 의해 구성되어 있다.

터빈 로우터(1)는 3개의 디스크(11, 12, 13) 및 스텁 샤프트(4)로 이루어지며, 접합부(14)에서 고속 회전체로서 밀착 접합되어 있다. 각 디스크의 외주에는 동익(51 내지 53)이 꽂아져 설치되어 있는 이외에 디스턴트 피스(3)를 거쳐서 압축기 로우터(2)와 연결되어 있으며, 베어링(40)에 의해 회전 지지되어 있다.

이런 구성에 있어서, 압축기에서 압축된 공기를 이용하여 연소기(84)에서 생성된 고온, 고압의 작동 가스가 가스 패스(85)를 팽창하면서 흐름으로써 터빈 로우터가 회전되고, 동력이 발생된다.

예를 들면, 연소기 출구의 작동 가스의 압력을 22 내지 25ata, 온도 1500℃로 하면, 로우터 외경이 2.5m 정도의 가스 터빈이라도 400MW 이상의 동력이 발생하지만, 동익 입구의 가스 상대 전온(全溫)은 초단이 약 1250 내지 1300℃, 2단이 약 950 내지 1000℃로 익의 허용 온도(통상의 익 재료로 850 내지 900℃)를 훨씬 넘고, 열 부하는 각각 출력의 약 1.5%(약 6000kW) 및 1.2%(5000kW)나 된다.

또, 작동 가스의 압력은 22 내지 25ata로 하기 위해서는 압축비를 22 이상으로 할 필요가 있으며, 이 경우의 압축기의 토출 온도는 약 500℃로 되며, 통상의 로우터재(허용 온도 450℃)를 사용하는 경우에는 압축기 로우터(2)의 외주부를 냉각할 필요가 있다.

그래서, 초단 및 2단의 동익과 압축기 로우터의 외주부를 증기에 의해 냉각하기 위해 터빈 로우터(1)의 디스크 접합부(14)에는 축방향으로 증기를 공급하는 복수의 공급 유로(74)가 3개의 디스크를 관통하도록 형성되어 있으며, 로우터의 중심부에는 회수 유로(72)가 형성되어 있다.

또, 디스턴트 피스(3)와 초단 디스크(11), 디스크(11 내지 13) 사이, 최종단 디스크(13)와 스텁 샤프트(4) 사이에는 접합부(14) 보다 외주측에 캐비티(61, 62, 63), 내주측에 캐비티(64, 65, 66, 67)가 형성되어 있으며, 공급 유로(74)의 일단의 스텁 샤프트측에는 캐비티(67)를 통과하도록 증기 유로(75)가, 타단의 디스턴트 피스측의 외경측에는 캐비티(61)를 관통하도록 증기 유로(76) 및 내경측에는 증기 유로(77)가 형성되어 있는 외에, 2단 디스크(12)와 최종단 디스크(13)의 접합부에는 캐비티(63)에 연통하는 증기 유로(78)가 형성되어 있다.

또, 초단 디스크(11) 및 2단 디스크(12)의 외주부에는 동익(51, 52)의 냉각 유로에 연통하는 증기 유로(54, 55 및 56, 57)가 외주로부터 측면에 개구하도록 형성되어 있으며, 그 초단 디스크와 2단 디스크 사이에는 캐비티(62, 65)가 연통하도록 증기 유로(79)가 형성되고, 전술한 디스크 접합부(14)에 형성된 공급 유로(74)와 연통하지 않도록 단관(15)이 장착되어 있다.

한편, 스텁 샤프트(4)에 형성된 중심 구멍 내에는 안내관(41)이 설치되어 있으며, 플렌지(43)에 의해 고착되어 있다. 그 안내관(41)과 상기 중심 구멍의 내벽 사이에는 증기 유로(44)가 형성되고, 그 증기 유로의 일단은 증기 공급구(45)로서 로우터 외에 개구되어 있다. 또, 상기 증기 유로(44)의 내측에는 증기 유로(42)가 형성되고, 그 일단은 증기 회수구(46)로서 상기 증기 공급구(45) 보다 축 중심측에개구되고 타단은 회수 유로(72)의 내벽에 밀착하도록 장착되어 있다.

또 한편, 디스턴트 피스(3)에는 일단이 캐비티(77)에, 타단이 압축기 디스크(22) 외주측의 캐비티(23)에 통하는 복수의 증기 유로(31)가 형성되어 있으며, 또 중심부에는 증기 유로(32)가 형성되어 있다. 또, 제1도 중의 점선(101)은 안내관(41)의 내측으로부터 증기를 공급하고 그 외측의 입구(45)로부터 회수하는 것도 가능하다. 이 경우에 대해서는 제5도에서 상세히 설명한다.

제2도는 제1도의 X-X선을 따라서 본 도면을 도시하고 있다. 디스크(11) 외주부의 증기 유로(55)는 동익(51)의 매수와 같은 수만큼 형성되어 있으며, 공급 유로(74) 및 증기 유로(76)는 로우터(1)를 체결하고 있는 스태킹 볼트(16)의 위상간을 이용하여 배치되어 있다. 본 도면에서 공급 유로(74)는 증기 유로(79)의 폭 내에 포함되도록 배치하였으나, 유로 단면도를 충분히 확보할 수 있는 경우에는 공급 유로(74)가 증기 유로(79)의 폭외에 설치하여 단관(15)을 생략해도 좋다.

이상에 구성된 로우터 내의 증기 유로에 있어서, 스텁 샤프트의 축단의 증기 공급구(43)로부터 로우터(1) 내에 공급된 증기는 화살표(90)로 도시한 바와 같이, 스텁 샤프트 중심 구멍 내의 증기 유로(44), 캐비티(67), 증기 유로(75)를 거쳐서 공급 유로(74)를 축방향으로 흐르고, 이 축류 과정에서 3계통으로 분류한다.

제1 계통은 2단 동익(52)을 냉각하는 증기 계통이고, 증기 유로(78)로부터 캐비티(63) 및 증기 유로(57)를 거쳐서 상기 동익에 공급되고, 냉각한 후에는 증기 유로(56)를 거쳐서 캐비티(62)에 유입한다.

제2 계통은 초단 동익(51)을 냉각하는 증기 계통으로, 증기 유로(76)로부터캐비티(61) 및 증기 유로(54)를 거쳐서 상기 동익에 공급되고, 냉각한 후에는 증기 유로(55)를 거쳐서 캐비티(62)에 유입하고, 제1 계통의 회수 증기와 합류하여 증기 유로(79), 캐비티(65)를 통해 로우터 중심부의 회수 유로(72)를 향해 흐른다.

제3 계통은 압축기 로우터(2)의 외주부를 냉각하는 증기 계통으로, 증기 유로(77)로부터 캐비티(64) 및 디스턴트 피스의 증기 유로(31)를 거쳐서 상기 압축기 로우터 외주부의 캐비티(23)에 공급되고, 그 외주부를 냉각한 후에는 압축기 로우터 디스크(21 혹은 22) 측면의 캐비티(24), 그 디스크의 중심 구멍(25), 디스턴트 피스의 중심부 증기 유로(32)를 거쳐서 터빈 로우터 중심부의 회수 경로(72)에 이르고, 그 회수 유로(72) 내에서 동익을 냉각한 후의 증기와 합류하고, 안내관 내의 증기 유로(42)를 거쳐서 회수구(46)로부터 로우터 외부로 흡수된다.

이상에 설명한 증기 경로에 의해 우선 디스크를 관통하여 형성된 공급 유로(74)에는 저온 공급 증기가 흐르기 때문에, 디스크 접합부(14)의 온도는 회수 증기 유로(79)가 형성된 접합 부분을 제거하면 거의 공급 증기의 저온도로 유지된다. 이 때문에, 그 접합부의 열 왜곡이나 열응력의 발생이 경감하고, 고속 회전체로서의 안정성을 지속할 수 있는 이외에, 회전력을 원활하게 전달할 수 있다.

또, 로우터 중심부의 회수 유로에는 회수 증기가 흐르기 때문에, 접합부(14) 보다 중심측의 디스크의 대부분은 고온의 증기에 노출되고, 거의 동 온도 근처로 상승한다. 전술한 작동 가스의 온도가 1500℃인 가스 터빈의 경우, 열 부하에 의한 증기의 온도 상승은 200도를 상회하지만, 디스크의 허용 온도(통상 450℃)보다 온도 상승분 만큼 낮은 온도(250℃)의 증기를 공급하면 로우터 중심부의 온도를 허용온도 이하로 억제할 수가 있다.

또, 디스크 중심부에는 원심력에 의한 최대의 응력이 발생하지만, 접합부(14)의 온도를 저온으로 유지하여 중심부 만큼의 온도를 높임으로써, 그 부분의 열 팽창에 의한 왜곡이 응력을 완화하기 때문에, 디스크 중심부의 원심 응력을 경감하는 큰 잇점이 얻어진다.

또, 회전을 지지하고 있는 베어링부의 축의 온도는 적극 저온으로 유지할 필요가 있지만, 본 발명에서는 스텁 샤프트(4)의 중심 구멍에 있어서 회수 증기의 외측에 저온의 공급 증기를 흘리기 때문에, 증기의 회수를 기초로 한 온도 상승을 최소한으로 억제할 수 있다.

한편, 디스크의 외주부 측면은 어느 디스크에 있어서도 적어도 편면이 저온의 공급 증기에 의해 냉각되고 있기 때문에, 그 디스크 외주부의 평균 온도는 공급 증기와 회수 증기의 거의 중간 온도(약 350℃)로 되며, 온도 분포를 고려하여도 회수 온도를 넘는 것은 없고, 디스크의 온도 상승을 허용 온도 이하로 억제할 수 있다. 또, 디스크 외주의 반경 방향의 열 팽창에 의한 신장을 최소한으로 할 수 있기 때문에, 동익 선단 간극(91) 및 래비린스 시일(92)의 시일 간극을 작게 하여, 가스 터빈의 효율 향상에 기여할 수 있다.

또, 디스턴트 피스에 증기 유로(31 및 32)를 형성하고 제3 증기 계통을 구성함으로써, 간단한 구조로 터빈 로우터의 증기 계통과 공용하여 압축기 로우터 외주부의 냉각이 가능해지며, 통상 사용되고 있는 저렴한 재료를 이용하여 압축비를 높일 수 있고, 나아가서는 가스 터빈의 작동 가스 고온화에 기여할 수 있다.

또, 디스턴트 피스(3)의 외주부에는 간극(93)을 통하여 가스 패스(85)로부터 고온의 작동 가스가 유출하는 것을 방지하기 위해 시일 공기(94)가 공급된다. 이 공기는 압축기의 토출부로부터 추출되기 때문에, 디스턴트 피스는 압축기의 외주부와 마찬가지로 가온되지만, 제3 증기 계통은 상기 디스턴트 피스도 일정하게 냉각하는 효과가 있다.

제3도는 본 발명에 의한 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서는 로우터가 4단 터빈으로 구성되어 있으며, 3단 동익 까지가 증기 냉각되고 있다.

로우터(5)는 4개의 디스크(16, 17, 18 및 19)로 구성되고, 디스턴트 피스(3)와 스텁 샤프트(4)에 끼워져서 접합부(35)로 체결되어 있다. 이 디스크(16 내지 19)의 외주에는 동익(36, 37, 38 및 39)이 꽂아 설치되어 있으며, 이 중 36 내지 38의 동익이 내부에 증기 유로를 갖고 냉각되어 있다.

이 경우에도 접합부(35)에 디스크를 관통하는 증기 공급 유로(33)를 형성하고, 초단, 2단 및 최종단의 디스크(16, 17, 18)에 대해서는 전 실시예와 똑같은 증기 유로를 형성한다. 새로이 냉각이 필요한 동익(38)을 지지하고 있는 3단 디스크(18)에 대해 디스크의 외주부에 증기 유로(26, 27)를 형성하고, 접합부(35)에 단관(20)을 거쳐서 증기 유로(34)를 형성하는 동시에, 상기 3단 디스크와 4단 디스크 사이에 캐비티(29 및 30)를 형성한다.

상기 증기 경로를 구성함으로써 로우터 내에는 공급구(45)로부터 공급된 증기가 화살표(95)로 도시한 경로에 따라서 흐르고, 3단 동익(38)을 위한 제4 증기 냉각 계통으로서, 캐비티(28)로부터 증기 유로(26)를 거쳐서 상기 동익에 증기를공급하고, 증기 유로(27), 캐비티(29), 증기 유로(34) 및 캐비티(30)를 거쳐서 로우터 중심부에 이르는 증기 경로가 구성되고, 그 중심부의 회수 경로에서 다른 경로와 합류하여 축단의 회수구(46)로부터 회수된다.

즉, 4단 터빈 로우터에 있어서도 3단 터빈 로우터와 똑같은 사상으로 증기 냉각식 가스 터빈의 증기의 공급 및 회수 경로를 구성할 수 있고, 전술한 디스크 접합부의 저온화에 의한 고속 회전의 안정성 유지, 디스크 중심부의 열 팽창에 의한 원심 응력 완화, 디스크 외주부의 고온 증기 회수에 기인하는 온도 상승의 경감등의 효과가 얻어진다.

제4도는 디스크 사이의 회수 유로에 대해 더욱 개량을 가한 다른 실시예를 도시하고 있다.

즉, 가스 터빈 로우터(6)는 제1도에 도시한 로우터의 초단 디스크와 2단 디스크 사이에 스페이서(10)를 개재시켜서 구성되어 있으며, 디스크(58, 59) 사이에 형성한 캐비티(88, 89) 내에 수납되어 있다. 상기 스페이서(10)에는 주위 방향으로 배열된 복수의 증기 유로(49)가 디스크 및 스페이서의 접합부(96)를 관통하여 형성된 증기 공급 유로(60)와 연통하지 않도록 단관(70)을 거쳐서 형성되어 있으며, 외주부에는 돌출부(47 및 48)가 형성되어 있다.

그래서, 축단 공급구(45)로부터 공급된 동익(51) 및 동익(52)을 냉각한 후의 증기는 디스크 외주의 증기 유로(55 및 56)를 거쳐서 캐비티(88) 내에 유출하고, 스페이서 내의 증기 유로(49) 및 캐비티(89)를 거쳐서 회수구(46)로부터 회수된다.

따라서, 디스크 접합부가 고온의 회수 증기에 직접 노출되지 않게 되기 때문에, 그 접합부를 보다 한 층 저온 그리고 균일하게 유지할 수 있다. 또, 돌출부(47 및 48)를 형성함으로써 디스크 측면의 회수 증기의 흐름이 바뀌기 때문에 전열이 억제되고, 열 응력이 저감된다.

또, 디스크와 스페이서의 접합부에는 공급 유로(60)와 캐비티(88)를 연통하는 증기 유로(86, 87)를 형성함으로써, 상기 증기 유로를 거쳐서 저온의 공급 증기의 일부를 캐비티(88) 내로 유출하여 상기 캐비티를 형성하고 있는 디스크의 측면을 감돌아 흐르기 때문애, 그 측면 뿐 아니라 외벽(97)도 냉각된다. 따라서 디스크 외주부의 온도 상승은 더욱 억제되고, 또 온도 분포도 평활화되기 때문에, 증기 회수에 수반하는 열 응력은 한층 저감한다.

또, 저온의 증기를 고온의 회수 증기에 혼입함으로써 회수 증기의 온도가 내려가기 때문에, 혼입 유량을 적정량으로 설정하면, 특히 작동 가스의 온도가 높은 경우에 디스크 손도 상승 방지 및 열 응력 저감에 유효하게 활용할 수 있다.

또, 회전하는 동익에 증기를 공급하려면 회전 반경 r, 각속도 ω, 증기 유량 G에 대해 Cr²ω의 펌핑 동력을 필요로 하지만, 이 동력은 냉각 후에 내경측으로 흐르는 정도로 로우터의 회전 동력으로서 회수된다. 회수되는 동력은 증기 유로(49)의 출구(50)의 유출 반경 위치로 결정되고, 반경이 작아질 수록 회수 동력은 증대한다. 따라서, 스페이서를 장착함으로써 상기 유출 반경 위치를 작게 하기 위해 냉각에 수반하는 증기 펌핑 동력의 저감에 큰 효과가 있다.

또, 캐비티 내의 자유 와류로부터 디스크 중심 구멍의 축류 과정에서 흐름의큰 압력 손실이 발생하는 것이 알려져 있다. 이 압력 손실은 캐비티 내의 소용돌이의 강도에 의해 영향을 받지만, 스페이서를 장착하여 상기 유출 반경 위치를 작게 함으로서 소용돌이가 약화되기 때문에, 스페이서의 장착은 압력 손실 저감 면에서도 큰 효과가 있다.

또, 이상의 실시예에서는 가스 터빈의 작동 유체를 생성하는데 압축 공기를 이용하는 경우에 대해 설명하였으나, 다른 가스를 사용해도 증기를 이용하여 동익을 냉각하는 한은 동등한 효과가 얻어진다.

이하에 도시한 실시예에 대해 본 발명을 상세히 설명한다. 제5도에는 그 가스 터빈의 요부가 단면으로 도시되어 있다. 또, 이 도면은 4단(익단) 터빈의 경우에, 폐쇄형 증기 냉각식 가스 터빈의 상반부의 단면 구조를 도시하고 있다. 가스 터빈은 케이싱(501)과, 압축 증기를 발생하는 압축기(590)와, 연소기(503)와, 정익(511) 및 동익(515)을 갖는 터빈(591)을 구비하고 있다.

가스 터빈의 로우터(505)는 4개의 디스크(521, 522, 523, 524), 스페이서(531, 532, 533) 및 스텁 샤프트(506)로 구성되고, 접합부(525)에서 고속 회전체로서 견고하게 접합되어 있다. 각 디스크의 중심부에는 중심 구멍(526)이 형성되어 있으며, 외주에는 동익(515)이 꽂아 설치되어 있다. 또, 구성 부재 사이에, 상기 접합부를 제외하고, 다수의 캐비티(541 내지 546)가 형성되어 있다. 이런 구성에 있어서, 로우터의 일단은 베어링(507)에 의해 회전 지지되고, 타단이 디스턴트 피스(508)를 거쳐서 압축기 로우터(502)와 연결되어 있으며, 압축 공기를 이용하여 연소기(503)에서 생성된 고온, 고압의 연소 가스가 가스 통로(504)를 팽창하면서 흐름으로써 터빈 로우터(505)를 회전하고, 동력을 발생한다.

예를 들면, 연소기 가스의 온도를 1500℃로 하면, 동익 입구의 가스 온도는 초단이 약 1250 내지 1300℃, 2단이 약 950 내지 1000℃이고 날개의 허용 온도(통상의 재료로 850 내지 900℃)를 훨씬 초과하고, 400MW급 가스 터빈으로 환산하면, 열 부하는 각각 출력의 약 1.5%(약 6000kW) 및 1.2%(5000kW)나 된다. 또, 출력을 높이기 위해 압축기의 압축비를 25로 하면, 토출 온도는 약 500℃가 되며, 압축기의 고압단으로부터 디스턴트 피스(508)에 걸쳐서 같은 온도에 노출된다.

그래서, 초단 내지 3단의 동익(515)과 압축기 로우터(501)를 증기 냉각하기 위해, 스텁 샤프트(506)의 축단에 증기의 공급구(561)와 회수구(562)를 설치하고 있으며, 중심부는 2중관 구조로, 중심측의 공급 유로(563)를 공급 증기, 외측의 회수 유로(564)를 회수 증기가 흐른다. 또, 콘부에는 외주측의 접합부(525)로부터 중심부의 상기 회수 유로(564)를 향해 회수 구멍(565)이 형성되어 있다. 회수 유로(564) 및 회수 구멍(565)의 내벽에는 전열 저항체(570 및 571)가 구비되어 있다.

또, 터빈 로우터의 접합부에는 공급 슬릿(551, 552, 553)과, 회수 슬릿(555) 및 회수 구멍(565)이 주위 방향으로 배열되어 형성되어 있으며, 회수 구멍(556) 내에는 전열 저항체(572)가 구비되어 있다. 또, 스페이서(531)에는 복수의 회수 구멍(534)이 반경 방향을 향해 설치되어 있으며, 내측단은 접합부(525)의 회수 구멍(556)으로 연통하고, 측면에는 환형 휜(535)이 설치되어 있다.

한편, 압축기의 고압단측에는 냉각 유로(557)가 형성되어 있다. 또, 디스턴트 피스에는 중심부에 보어(558), 외주부에 복수개의 회수 구멍(559)이 형성되어 있으며, 보어(558)를 거쳐서 로우터 중심 구멍(526)과 압축기 로우터 냉각 유로(557)의 입구가, 또 회수 구멍(557)을 거쳐서 냉각 유로(557)의 출구와 터빈 로우터(505)의 공급 슬릿(551)이 연통되어 있다.

제6도는 제5도의 X-X 단면을 도시하고 있으며, 어느 전열 저항체(570, 571, 572)도 모두 관형으로 형성되어 있으며, 관 외벽(573)과 회수 구멍의 내벽(574) 사이에는 약간의 간극(575)이 형성되어 있다.

이상과 같이 구성된 로우터 내의 증기 유로에 있어서, 스텁 샤프트의 축단의 증기 공급구(561)로부터 로우터(505) 내에 공급된 증기는 유선(580)으로 도시한 바와 같이, 중심 구멍(526)을 흐르는 과정에서 일부가 분기되고, 캐비티(542) 및 스페이서(532)의 접합부에 형성된 공급 슬릿(552, 553) 및 외주측의 캐비티(548, 549)를 거쳐서 2단 동익과 3단 동익에 공급된다. 나머지 증기는 보어(558)를 거쳐서 압축기 로우터의 냉각 유로(557)를 우회한 후에, 디스턴트 피스의 회수 유로(559), 및 캐비티(545)를 거쳐서 초단 동익에 공급된다.

한편, 초단과 2단의 동익을 냉각한 후의 증기는 초단 디스크(521)와 스페이서(531) 사이에 형성된 캐비티(546) 및 이 스페이서와 디스크(522) 사이에 형성된 캐비티(547)로부터 이 스페이서의 회수 구멍(534)에 유입하고, 접합부의 회수 구멍(556)에 도입된다. 또, 3단의 동익을 냉각한 후의 증기는 3단 디스크(523)와 스페이서(533) 사이에 형성된 캐비티(550)로부터 회수 구멍(556) 내에 도입되고, 상기 1, 2단 동익용 증기와 합류하고, 스텁 샤프트의 회수 구멍(565) 및 축 중심부의 회수 유로(564)를 거쳐서 로우터 밖으로 회수된다.

이상 설명한 증기의 흐름을 기초로 하여, 우선 접합부(525)보다 내측의 디스크 내주부에 착안하면, 디스크 중심 구멍(526)의 내벽은 어느 디스크에 있어서도 전열적으로 거의 동일 조건에 있다. 한편, 디스크의 측면에는 강제 흐름 영역(캐비티(542))과 정체 영역(캐비티(541, 543, 544))이 형성되지만, 중심 구멍(526)을 흐르는 증기의 선회 성분과 디스크 측면 사이에 큰 속도차가 있으면, 정체 영역에는 디스크 벽면에의 충돌에 의한 소용돌이가 발생하는 것 등을 고려하면, 각 디스크 측면에 있어서도 중심 구멍 내벽과 마찬가지로, 전열적으로 거의 동일 조건에 있다. 따라서, 디스크 내주부의 온도는 거의 공급 증기의 온도로 좌우 대칭으로 분포하고, 원심 응력은 크지만, 열 응력의 발생은 적다.

다음에, 디스크 외주측에 대해서는 증기 냉각된 1 내지 3단의 디스크 모두 한 쪽은 공급 증기로 냉각되고 다른 쪽 측면은 가열 증기의 분위기로 되어 있다. 이 중, 3단의 디스크(523)에 있어서는 증기 유량이 적기 때문에, 열 전달율이 비교적 작고, 또 디스크도 두껍기 때문에, 좌우의 온도 구배가 작고, 열 응력의 발생은 적다. 이에 반해, 1, 2단의 디스크(521, 522)는 측면에 큰 냉열원과 가열원이 작용하므로, 100도 이상의 온도차가 형성된다. 그러나, 이 부분에 발생하는 원심 응력은 비교적 작고, 또 판 두께를 바꿈으로써 온도 구배나 원심 응력을 억제할 수 있다.

또, 도시한 환상 휜(535)에 의해 가열원측의 전열 면적을 좁히고, 또 바이 패스 구멍(536)으로부터 소량의 공급 증기를 빼내서 저온 환경을 형성함으로써 열응력은 한층 저감한다. 이들 조치는 날개가 꽂아 설치되어 있는 디스크 외주단의 온도를 낮추는 면에서도 효과가 있다. 또, 공급 증기 빼기는 희석하여 회수 증기의 온도를 낮추고, 다음에 서술하는 접합부의 열응력을 저감하는 면에서도 효과적으로 작용한다.

또, 로우터 중간의 접합부는 회수 구멍의 내벽으로부터 회수 증기에 의해 가열되지만, 주위는 주로 저온의 공급 증기에 둘러싸여 있으며, 전열 면적은 내부의 회수 구멍에 비해 주위의 전열 면적이 훨씬 크다.

또, 제6도에 도시한 전열 저항체(572)의 갭(574)에서는 증기의 열 전도에 의해서 전열(갭 0.1mm로 한 때의 등가 열전도율은 약 100kcal/㎡h℃)되기 때문에, 전열 저항체를 구비하지 않은 경우(회수 증기의 유속을 80m/s로 하면 열전도율은 약 1000kcal/㎡h℃)에 비해 전열량은 대폭 감소한다. 따라서, 로우터의 접합부에 있어서도 그다지 큰 온도 구배는 형성되지 않고, 열응력의 발생도 적다. 탭 샤프트의 회수 구멍(565)의 주위도 상기 접합부와 유사한 환경에 있으나, 이 부분은 작용하는 원심력이 작기 때문에 형상 연구에 의해 대처할 수 있다.

스페이스(531)의 외주는 고온의 회수 증기에 의해서 가장 혹독한 환경에 노출되고, 온도도 높아진다. 따라서, 외주벽은 유선(581)으로 도시한 휘일 스페이스의 시일 공기에 의해 냉각되고 있으며, 또 측면의 일부는 전술한 바이패스 구멍(536)으로부터 빠지는 증기에 의해 냉각되고 있기 때문에, 로우터재의 허용 온도를 넘는 일은 없다. 또, 강도적으로도 디스크에 비해 동익을 지지하지 않는 만큼 작용하는 원심력이 작으면 양측면의 전열 환경은 거의 대칭으로 형성되어 있기 때문에, 발생하는 열 응력은 비교적 작다.

한편, 압축기 로우터의 외주에는 유선(582)으로 도시한 바와 같이 래비린스 시일로부터 누설하는 압축기의 토출 공기가 디스크(521) 측면의 휘일 스페이스(585)로 흐른다. 이 때문에, 압축기 로우터 뿐만 아니라 디스턴트 피스도 가열되지만, 화살표(583)에 따라서 동익용의 증기를 압축기 로우터 내의 냉각 유로(557)를 우회시킴으로써 로우터 뿐만 아니라 디스턴트 피스도 냉각되기 때문에, 온도 상승을 억제할 수 있다. 또, 증기가 가열되어 동익에의 공급 온도가 높아질 우려가 있지만, 열 부하에 대해 증기의 열 용량이 크기 때문에, 온도 상승은 10℃ 이상에 그치고, 큰 문제는 되지 않는다.

제7도는 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서는 터빈 로우터의 구성은 앞의 실시예와 완전히 동일하지만, 압축기 로우터 및 디스턴트 피스 냉각 유로의 구성이 다르다. 즉, 압축기 로우터 내부에는 반경 방향의 회전 유로(566)를 포함하는 냉각 유로가 형성되어 있으며, 양단의 유입, 유출구 모두 디스턴트 피스(567)의 보어(568)에 개구되어 있다.

그래서, 터빈 로우터의 중심 구멍(526)으로부터 보어 내에 유입하는 증기는 회전 속도 성분이 매우 작기 때문에, 보어 내(568)에서의 중심부와 외주측의 압력은 거의 같다.

한편, 압축기 로우터의 냉각 유로에서는 회전 유로(566)의 펌핑 작용으로 외향 흐름이 형성되어 보어측으로 유출하기 때문에, 유선(584)으로 도시한 순환류가 형성된다.

순환 증기는 보어 내에서 공급 증기와 항상 치환되기 때문에, 압축기 로우터는 순환 증기에 의해 냉각되고, 디스턴트 피스(567)는 보어 내의 증기로 냉각된다. 이 경우, 상기 수단에 비해 증기 유량이 적기 때문에 냉각 능력은 작지만, 디스턴트 피스에 회수 구멍을 형성할 필요가 없고, 구조를 간단히 할 수 있는 잇점이 있다. 증기 유로의 압력 손출을 저감할 수 있다.

제8도에는 축부의 회수 계로의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 경우에는 스텁 샤프트(590)에 회수 구멍을 설치하는 것이 아니라 회수관(591)을 거쳐서 냉각후의 증기를 회수하게 한 것이다. 이와 같이 형성해도 마찬가지 효과가 얻어진다.

이상에 설명한 실시예에서는 터빈 동익과 함께 압축기 로우터도 냉각하는 타입의 가스 터빈이지만, 기종에 따라서는 압축기 로우터를 중간단의 압축 공기 등으로 냉각하는 경우가 있다. 이 경우에는 증기에의 냉각 공기가 혼입을 피하기 위해 디스턴트 피스에 구획을 설치한다. 또, 초단의 디스크의 중심부를 닫아서 접합부에 공급 구멍을 형성하고, 초단 동익용의 증기를 캐비티로부터 이 공급 구멍을 거쳐 공급해도 좋다. 어느 경우에 있어서도 터빈 로우터측의 냉각에 대해서는 거의 동등한 효과가 얻어진다.

또, 이상의 설명에서는 터빈 로우터를 구성하고 있는 디스크에는 모두 중심 구멍이 천공되어 있는 것으로 설명하였으나, 초단 디스크에 중심 구멍이 없는 경우에 있어서도 초단 동익용 증기 공급 계로로서 초단 디스크와 2단 디스크 사이의 캐비티를 이용함으로써 회수 기능을 갖는 증기 계통을 구성할 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 이 가스 터빈에 따르면, 고온의 증기 회수에 수반하는 모든 문제점을 해소함으로써 동익 냉각 후의 증기의 회수가 가능해지는 이외에도 압축기 로우터도 냉각할 수 있고, 이로써 작동 가스를 보다 한층 고온화할 수 있기 때문에, 효율 향상에 적합한 증기 냉기식 가스 터빈이 얻어진다. 또, 로우터의 온도를 저온으로 억제함으로써, 고속 회전체로서의 신뢰성이 확보되고, 기동으로부터 정상에 달할 때 까지의 시간을 단축할 수 있고, 비정상시의 열응력을 경감할 수 있다. 또. 종래의 로우터 재료를 사용함으로써 원가 저감이 가능한 점등의 효과가 얻어진다.

Claims

증기를 이용하여 동익을 냉각하는 냉각 계통을 갖는 가스 터빈에 있어서,

상기 냉각 계통이 상기 동익에 증기를 공급하는 공급 계통과 상기 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 계통을 구비하는 동시에, 상기 회수 계통의 회수 유로를 상기 공급 계통의 공급 유로 보다 내측에 형성한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1항에 있어서,

상기 냉각 계통은 상기 동익에 증기를 공급하고, 상기 가스 터빈의 로우터 축단에 형성되는 공급구와, 상기 동익으로부터 중기를 회수하고 상기 가스 터빈의 로우터 축단에 형성되는 회수구를 갖고, 상기 회수구는 상기 공급구 보다 상기 가스 터빈의 로우터 축 중심측에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 터빈의 로우터의 최종단 디스크와 스텁 샤프트 사이에 형성된 캐비티, 및 디스크와 디스크가 접합하고 있는 부분에 증기의 공급 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 냉각 계통은 상기 가스 터빈의 로우터의 디스크와 디스크가 접합하고있는 부분에 형성된 공급 유로와, 초단 및 2단의 디스크 사이에 형성되고, 초단 동역과 2단 동익에 공급된 증기를 회수하는 캐비티를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 터빈 로우터와 압축기 로우터를 연결하는 디스턴트 피스에 형성된 증기 유로를 거쳐서 증기를 공급하고, 상기 디스턴트 피스보다 축 중심에 형성되는 증기 유로를 거쳐서 증기를 회수하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제4항에 있어서,

상기 가스 터빈의 로우터의 디스크와 디스크 사이의 스페이서부를 관통하여 상기 디스크와 디스크 사이에 형성되는 캐비티의 내부에 상기 동익을 냉각한 증기를 회수하는 증기 유로를 형성한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제6항에 있어서, 상기 스페이서부는 회수되는 증기를 상기 중기 유로로 유도하는 돌출 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제8항에 있어서, 또 상기 디스크와 디스크가 접합하고 있는 부분에 동익에 증기를 공급하는 공급 유로를 갖고, 상기 공급 유로의 증기의 일부를 이용하여 상기 디스크의 측면을 냉각하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 가스 터빈은 증가를 이용하여 3 또는 4단의 동익을 냉각하고, 연소 가스 온도가 1400℃이상급이고, 출력이 400MW 이상인 가스 터빈이고,

상기 동익에 공급하는 증기의 온도를 250℃ 이하로 하고, 상기 동익으로부터 회수하는 증기의 온도를 450℃ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
로우터 외주부에 배치되어 있는 동익을, 증기를 이용하여 냉각하도록 형성되어 있는 가스 터빈에 있어서,

상기 동익에 증기를 공급하는 공급 유로 및 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 유로를 상기 로부터 내에 설치하는 동시에, 상기 공급 유로를 로우터 축심에 설치된 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 또 상기 회수 유로를, 로우터를 구성하고 있는 부재 사이의 캐비티 부분에 축방향으로 설치된 구멍에 형성되게 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
로우터의 디스크 외주부에 배치되어 있는 동익을, 증기를 이용하여 냉각하도록 형성되어 있는 가스 터빈에 있어서,

상기 동익에 증기를 공급하는 공급 유로 및 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 유로를 상기 로우터 내에 설치하는 동시에, 상기 공급 유로를 디스크에 설치된 중심 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 또 상기 회수 유로를, 디스크 접합부 또는 디스크 접합부와 스텁 샤프트에 회수 구멍을 설치하여 형성하게 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제10항에 있어서, 상기 회수 유로의 벽 표면에 열저항체를 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제10항에 있어서,

상기 가스 터빈은 압축기와 터빈이 직결되고, 또 터빈 동익이 증기로 냉각되게 형성되어 있는 가스 터빈이고,

상기 압축기 로우터의 내부에 냉각로를 형성하는 동시에, 상기 동익에 증기를 공급하는 공급 유로를 로우터 축심에 설치된 구멍 및 상기 압축기 로우터의 내부에 형성되어 있는 냉각로 및 상기 압축기 로우터와 터빈 로우터를 연결하고 있는 디스턴트 피스의 보어 부분에 형성하고, 또 상기 회수 유로를 디스크 접합부 또는 디스크 접합부와 스텁 샤프트에 회수 구멍을 설치하여 형성하게 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제13항에 있어서,

상기 압축기의 로우터의 내부에 반경 외향 회전 유로를 포함하는 냉각 유로를 형성하고, 냉각 유로의 입구와 출구를, 상기 로우터와 터빈 로우터를 연결하고 있는 디스턴트 피스의 보어에 개구하고, 보어를 거쳐서 상기 압축기 로부터 내의냉각 유로에 증기를 공급 및 회수하게 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
로우터 외주부에 배치되어 있는 동익이 증기로 냉각되게 형성되어 있는 가스 터빈 동익의 냉각 장치에 있어서,

상기 동익에 증기를 공급하는 공급 유로 및 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 유로를 상기 로우터 내에 설치하는 동시에, 상기 공급 유로를 로우터 축심에 설치된 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 또 상기 회수 유로를, 로우터를 구성하고 있는 부재에 축방향으로 설치된 구멍으로 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 동익의 냉각 장치.
로우터의 디스크 외주부에 배치되어 있는 동익이 증기로 냉각되게 형성되어 있는 가스 터빈 동익의 냉각 장치에 있어서,

상기 동익에 증기를 공급하는 공급 유로 및 동익으로부터 증기를 회수하는 회수 유로를 상기 로우터 내에 설치하는 동시에, 상기 공급 유로를 디스크에 설치된 중심 구멍 및 부재 사이의 캐비티 부분에 형성하고, 또 상기 회수 유로를 디스크 접합부 또는 디스크 접합부와 스텁 샤프트에 회수 구멍을 설치하여 형성하게 한 깃을 특징으로 하는 가스 터빈 동익의 냉각 장치.
로우터 외주부에 배치되어 있는 동익이 증기로 냉각되도록 형성되어 있는 가스 터빈 동익의 냉각 방법에 있어서,

상기 동익에의 증기의 공급, 회수가 로우터 내의 유통로를 거쳐서 행해지는 동시에, 증기의 공급이 로우터 축심측으로부터 행해지고, 또 회수가 상기 증기의 공급 위치로부터 외주측으로 행해지게 한 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 동익의 냉각 방법.