KR100415951B1 - 터빈및전이조립체 - Google Patents

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KR100415951B1
KR100415951B1 KR1019960009045A KR19960009045A KR100415951B1 KR 100415951 B1 KR100415951 B1 KR 100415951B1 KR 1019960009045 A KR1019960009045 A KR 1019960009045A KR 19960009045 A KR19960009045 A KR 19960009045A KR 100415951 B1 KR100415951 B1 KR 100415951B1
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유제비오 커리노 디더
마이어스 앨버트
데이비드 팔머 진
엠. 카루소 필립
데이비드 윌슨 이안
칼 햄스웨쓰 마틴
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

로터 냉각 회로는 터빈 휠과 스페이서 디스크 림을 통해 다수의 축방향 통로로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급 저장부를 포함한다. 통로는 저장부의 냉매를 굴곡진 경로를 따라 휠과 디스크 사이의 공동부 주위로 연속적으로 전달한다. 냉매를 제 1, 제 2 스테이지 버킷내로 전달하기 위한 층만 공간에서 흐름은 재결합된다. 휠 림과 스페이서 디스크를 통한 회수 통로는 소모된 냉매를 버킷으로부터 로터 외부의 회수 위치로 회수한다. 로터 림의 스페이서 플레이트와 버킷 사이의 전이 요소는 버킷과 스페이서 플레이트간의 접합부에서의 어떠한 열적 부조화를 적합화시켜 냉매가 접합부에서 누출되지 않도록 한다.

Description

터빈 및 전이 조립체
본 발명은 터빈에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 고온 가스 통로 부품의 폐회로 증기 냉각과, 개방 또는 폐회로 공기 냉각 중 하나를 채용하는 육상용(land based) 가스 터빈에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 터빈의 로터를 공기 냉각 및 증기 냉각 사이에서 전환시킬 수 있도록 하는, 터빈의 회전 부품의 폐회로 증기 냉각 또는, 개방 또는 폐회로 공기 냉각에 관한 것이다.
통상적으로, 가스 터빈의 고온 가스 통로 부품은 고온에 노출된 표면을 냉각시키기 위해 공기 대류 및 공기막(air film) 기술을 채용한다. 통상적으로, 고압 공기는 압축기로부터 주입되며, 공기 압축 에너지는 공기가 냉각에 사용된 후에 소멸된다. 예컨대, 복합 사이클 동력 설비의 열회수형 증기 발생기 및/또는 증기 터빈 요소로부터 얻은 유용한 증기를 활용하는 고온 가스 통로 요소의 증기 냉각이 제안되었다. 가스 터빈 요소의 냉각제로서 증기를 사용하는 경우, 증기 터빈을 구동하는 에너지를 공급하는 대신에 냉각제로서 증기를 이용함으로써 동반되는 손실을 보상하는 이상에는 (통상적으로 개방식 사이클을 이루는 구조에서) 냉각 목적으로 압축기 주입 공기를 추출하지 않음으로써 이득이 실현되므로, 통상적으로 정미효율의 이득이 발생된다. 증기 냉각제가 폐회로에 공급되고, 그에 의하여 냉각제가 가스 터빈 요소를 냉각함에 따라 증기에 전달되는 열 에너지가 증기 터빈의 구동에 있어 유용하게 작용할 수 있도록 회수되는 경우, 증기 냉각은 더욱 바람직하다.
공기와 증기 사이의 열 전달 특성이 서로 다르기 때문에, 이들 냉매를 사용하도록 설계된 터빈 요소는 서로 다르게 구성되어야 함을 예상할 수 있다. 예컨대, 개방 회로 공기 냉각에 의하여 냉각되도록 설계된 터빈 버킷은 폐회로 증기 냉각되도록 설계된 터빈 버킷과는 실질적으로 상이하다는 것을 예상할 수 있다. 증기 냉각의 경우, 냉각제는 다른 장소에 유용하게 사용될 수 있도록 터빈 버킷으로부터 회수될 수 있다. 공기 냉각의 경우에, 공기는 통상 버킷으로부터 고온 가스 통로로 방출될 수 있다. 회전하는 고온 가스 통로 요소에 냉각 회로를 제공하는 내부 통로는 통상적으로 다르게 설계되는 것을 예상할 수 있다.
가스 터빈이 공기로도 증기로도 냉각될 수 있도록 융통성을 부여하기 위해서(이하에 설명되는 본 발명의 특징임), 양 냉매 모두를 사용할 수 있도록 냉각 회로를 설계하는 것이 필요하다. 예컨대, 단순 사이클의 가스 터빈 동력 장치를 구매하는 고객은 다른 유용한 냉각제를 선택할 대안이 없는 경우에 공냉식 터빈 요소를 구매할 필요가 있다. 그러나, 그 구매자가 나중에 동력 장치를 업그레이드된 복합 사이클의 동력 장치로 확장하는 경우, 증기는 냉각제로서 용이하게 사용될 수 있으며, 터빈 냉각 시에 이러한 증기를 사용할 수 있는 것은 효율의 관점에서 유리할 수 있다. 결과적으로, 본원에서 다루는 문제는 가스 터빈의 회전 요소에 냉매로서 공기나 증기 중 어느 것을 사용하여도 그 요소를 냉각하도록 용이하게 전환될 수 있는 냉각 회로 설비에 관한 것이다.
전술한 목적을 위하여, 본원 명세서에 설명되고 예시되는 본 발명의 터빈은 내부 셀 내에 제1단 슈라우드 및 제2단 슈라우드와 제1단 노즐 및 제2단 노즐이 장착되는 한편으로, 외부 쉘에는 제3단 노즐 및 제4단 노즐과 제3단 슈라우드 및 제4단 슈라우드가 장착되는 4개의 단으로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나, 터빈단(stage)의 수는 그 보다 많거나 적을 수 있고, 또한 내부 쉘 및 외부 쉘에 의해 지지되는 노즐 단 및 슈라우드의 수는 다를 수 있음을 알 수 있다. 또한, 공냉식 터빈에 있어서, 냉각 공기는 압축기에서 나오는 고압 공기의 일부로서 고정 부품, 예컨대 제1단 및 제2단 노즐에 공급될 수 있음을 알 수 있다. 냉각 공기는 개방 회로로 공급되며, 제1단 및 제2단 노즐의 파티션 또는 베인을 나가서 막을 냉각하고 고온 가스류로 들어간다. 유사하게, 냉각 공기는 배관에 의하여 직접적으로 외부 쉘을 통해 제3단의 노즐로 보내질 수 있고, 이 때 제4단의 노즐은 냉각되지 않은 상태로 유지된다 또한, 터빈의 회전 요소, 즉 버킷에는 종래의 방법으로 공냉식 개방 회로가 설치된다.
터빈용의 폐회로 증기-냉각 시스템에 있어서, 내부 쉘을 통해 파티션에 결합되고 그 외측 단부에서 외부 쉘에 해제 가능하게 결합되는 별도의 증기 공급 파이프 및 소모된 냉각 증기 배출 파이프를 통하여 냉각 공기가 제1단 및 제2단의 각각의 노즐 파티션에 제공된다. 특히, 본 발명은 제1단 및 제2단의 버킷과 로터 휠 공동부, 그리고 로터 림(rim)으로 냉매(증기 또는 공기)를 송출하기 위한 터빈 로터용의 폐회로 증기 냉각 공급 도관 및 소비된 냉각 증기 복귀 도관 뿐 아니라 개방 회로 공기 냉각 도관에 관한 것이다.
이러한 새로운 터빈의 개발 상태를 요약하면, 공기 냉각과 증기 냉각 사이에서 전환될 수 있는 터빈의 고정 요소를 지지하는 데에 내측 쉘 및 외측 쉘을 사용하는 것은, 본원에 참고로 인용되며 본원과 공동 계류중이며 발명의 명칭이 "버킷의 팁 공차를 조절할 수 있는 제거 가능한 터빈 내부 쉘(Removal Inner Turbine Shell with Bucket Tip Clearance Control)"으로 미국에 특허 출원중인 발명(대리인 수임 번호 제839-346호)에 설명되고 예시되어 있다. 증기 냉각 버킷을 완전하게 설명하기 위한 참고 자료로는, 본원과 공동 계류 중에 있으며 본원에 참고로 인용되며 발명의 명칭이 "증기-냉각 버킷 폐쇄 회로(Closed Circuit Steam-Cooled Bucket)"으로 미국에 특허 출원중인 발명(대리인 수임 번호 제839-352호)을 참고한다. 스테이터 베인과, 관련 내벽 및 외벽을 포함하는 증기 냉각된 제1단 및 제2단 노즐을 완전하고 자세하게 설명하기 위한 참고 자료로, 본원과 공동 계류 중에 있으며 발명의 명칭이 "복합식 공기 및 증기 냉각 회로를 구비하는 터빈 스테이터 베인 세그먼트(Turbine Stator Vane Segments Having Combined Air and Steam Cooling Circuit)"로 미국에 특허 출원중인 발명(대리인 수임 번호 제 839-354호)을 참고한다. 공기 냉각 버킷은 당해 기술 분야에서 널리 알려진 사항이며, 예컨대 미국 특허 제5,340,274호, 제5,259,730호, 제5,232,343호를 참고할 수 있다. 결국, 개별적인 터빈에서 공기 냉각과 증기 냉각 사이의 전환을 수행하기 위해서는 로터와 터빈 버킷에 대하여 공기 냉각 및 증기 냉각 모두를 적용할 수 있는 터빈 로터 냉각 회로를 설계해야 한다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따라 이러한 목적을 달성하기 위해서, 터빈은, 예컨대 제4단 터빈 휠과 같은 후측 터빈 휠과 냉각 공급용 원반 모듈 사이의 제1의 후측 휠 공동부로 냉매를 공급하기 위하여 후측 로터 근처에 고압실을 형성하는 하우징을 구비한다[본 명세서에 사용되는 "후측(aft)"이란 용어는 터빈을 통해 이동하는 고온 가스류의 하류 방향에 있는 터빈 부분을 지칭함]. 원주 방향으로 간격을 두고 축방향으로 연장되는 복수의 개구 또는 보어 구멍(borehole)이 휠 사이의 스페이서 원반(spacer discs)과 휠의 림에 제공되어 축방향으로 연장되는 냉매 공급 통로로 된다. 축방향으로 연장되는 이들 통로의 일부(예컨대, 24개의 바람직한 관통 구멍중 12개의 통로)에는 튜브가 마련된다. 별개의 통로를 형성하도록 튜브에는 서로 홈이 마련되는 것이 바람직하다. 이들 통로를 통한 흐름은 대략 사형의 통로(상기 통로를 포함)로, 그리고 휠 공동부를 통해 직렬로 제1단 및 제2단 버킷에 냉매를 공급한다. 그에 따라, 튜브의 세로 홈과 개구의 벽 사이에 형성된 이들 통로는 제1단 및 제2단 휠 사이에 위치된 내측 공급 고압실과, 추가로 제1 버킷 및 제2 버킷 내부로 냉매가 흐를 수 있도록 인접 휠 사이의 휠 원반의 양 측면에 있는 환형 공동부 내로 냉매를 제공한다. 휠의 림과 스페이서 원반을 따른 나머지 12개의 통로는 냉매를 축방향 경로를 따라 내측 공급 고압실로 직접적으로 공급하도록 로터의 거의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 관통 축방향 보어로 된다. 냉매를 공급하는 2개의 흐름 즉, 축방향 흐름과 사형 흐름은 내부 공급 고압실에서 다시 합쳐져서, 반경 방향 외측으로 슬롯을 통하여 외부 공급 고압실로 흐른다. 이러한 외부 공급 고압실은 냉매를 제1단 및 제2단의 버킷으로 공급한다.
폐회로 냉각 시스템이 이용될 때, 세로 홈이 마련된 튜브를 통하는 중앙 통로에 의하여 냉매의 복귀 흐름이 제공된다. 따라서, 냉매로서 증기를 사용하는 폐회로 냉각 시스템에서, 증기는 후측 고압실로부터 후측 휠 공동부 내로 흘러, 축방향 통로와 사행 통로를 통해 흐르도록 분기되어 내부 공급 고압실에서 다시 만나며, 반경 방향 외측으로 외부 공급 고압실과 제1단 및 제2단의 버킷으로 흐른다. 복귀 증기는 제1단 및 제2단의 버킷으로부터 제1단 및 제2단 휠 사이에 있는 복귀 고압실로 흐르며, 그 고압실로부터 반경 방향 내측으로 슬롯을 따라 세로 홈(flute)이 패인 튜브의 중심 복귀 통로로 흐르고, 뒤이어 동축의 통로를 통해 방출되도록 로터 후측 단부에서 반경 방향 내측으로 흐른다.
공기 냉각의 경우에도, 증기 냉각 시스템에 사용된 것과 동일한 요소가 공기 냉각 시스템에 사용될 수 있다. 공기 냉각 시스템에 있어서, 공기는 증기 공급 회로의 경우와 유사하게 제1단 및 제2단의 버킷 뿐 아니라 휠과 원반 림으로 공급된다. 다시 말해, 공기는 초기에 휠과 원반 림을 통한 통로를 따른 축방향 흐름과, 휠 공동부를 통한 사형 흐름 통로를 따른 흐름으로 분기되고, 내부 공급 고압실에서 다시 만나서 외부 공급 고압실로 흐른다. 또한, 공기는 전술한 증기 복귀 통로에서의 제1단 및 제2단 버킷, 즉 튜브의 중심 통로와 냉매 복귀용 고압실로부터 상기 제1단 및 제2단 버킷으로 흐른다. 따라서, 증기 냉각 회로의 복귀 통로는 공기 냉각 회로의 공급 통로로서 사용된다.
본 발명의 다른 특징에 있어서, 열적으로 부조화될 수 있는 회전 요소의 인접 부품 사이에서 냉매를 전이시키기 위해 냉각 회로에 스풀리(spoolies)가 설치된다. 증기 냉각에 있어서는, 인접 회전 부품 사이의 누출 영역을 통해 증기가 고온 가스 통로로 누출되지 않는 것이 중요하다. 가스의 누출은 통상적으로 인접 부품의 열 성장율(thermal growth rate)이 상이한 곳에서 발생한다. 이러한 열 성장율의 차이를 수용하기 위하여, 스풀리가 그들 부품 사이에 위치되어, 열적 부조화에 의해 발생될 수 있는 누출을 수반하지 않으면서 냉매가 이러한 전이 구역을 통해 흐를 수 있다. 그러므로, 스풀리는 상기 두 회전 부품 사이의 상기 전이 영역을 효과적으로 밀봉한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예의 터빈은,
터빈 버킷 장착용 림을 갖는 복수의 터빈 휠과 림을 갖는 스페이서 원반을 포함하며 축선이 있는 다단 로터로서, 상기 스페이서 원반은 휠 사이에 번갈아 배치되어 그 사이에 휠 공동부를 형성하며, 상기 휠과 스페이서 원반은 서로 고정되는 그러한 다단 로터와,
냉매를 로터로 공급하는 저장조와,
냉매 공급 저장조와 연통하며 상기 휠과 스페이서 원반 림을 통해 대략 축방향으로 연장되어 상기 로터의 적어도 하나의 단의 터빈 버킷으로 냉매를 공급하는복수의 통로로 구성되며, 상기 로터는 냉매 공급 저장조에 연통하는 통로를 포함하여 냉매가 휠 공동부로 공급되고, 이 공동부로부터 냉매가 상기 하나의 단의 터빈 버킷으로 통과한다.
본 발명에 따른 바람직한 다른 실시예의 터빈은
터빈 버킷 장착용 림을 갖는 복수의 터빈 휠과 림을 갖는 스페이서 원반을 포함하며 축선이 있는 다단 로터로서, 상기 스페이서 원반은 휠 사이에 번갈아 배치되어 그 사이에 휠 공동부를 형성하며, 상기 휠과 스페이서 원반은 서로 고정되는 그러한 다단 로터와,
냉매를 로터로 공급하는 저장조와,
냉매 공급 저장조와 연통하며 상기 휠과 스페이서 원반 림을 통하여 축방향으로 통과하여 상기 로터의 적어도 하나의 단의 터빈 버킷으로 냉매를 공급하는 대략 축방향으로 연장되는 복수의 통로와,
상기 하나의 단의 터빈 버킷과 연통하여 소비된 냉매를 축방향 연장 복귀 통로로 흐르게 하는 반경 방향 내측을 향하는 복수의 통로
로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,
인접한 개개의 제1 부품 및 제2 부품의 정합 포트(registering port) 사이를 밀봉하여 냉매가 그들 부품 사이를 흐를 수 있게 하는 전이 조립체로서,
상기 제1 부품 및 제2부품의 연결부에서 일단부가 상기 포트에 밀봉 가능하게 각각 고정되고 상기 제1 부품 및 제2 부품으로 각각 연장되며, 상기 일단부로부터 멀리 떨어진 위치에서는 포트의 내벽과 각각 간격을 두고 있는 관형 부싱과,
상기 부싱 내에서 부싱 사이를 연장되고 상기 부싱과 맞물리는 단부에서 종결되는 동축의 관형 요소로서, 상기 제1 부품 및 제2 부품 사이의 열적 부조화에 의해 응력이 감소된 관형 요소를 통해 상기 부품 사이로 냉매가 흐를 수 있도록 하는 밀봉부를 형성하는 그러한 동축의 관형 요소를 구비한다.
따라서, 본 발명의 주목적은 개방 회로 공기 냉각과 폐회로 증기 냉각 사이의 전환이 가능한 신규하고 개선된 터빈 로터 냉각 회로를 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명을 이루는 단순 사이클의 단축 대형 가스 터빈(single-shaft heavy-duty gas turbine; 10)을 예시하는 개략적인 다이어그램이다. 가스 터빈은 로터 샤프트(14)를 갖는 다단 축류 압축기로 구성되는 것으로 고려될 수 있다. 공기는 도면 부호 16에서 압축기의 입구로 유입되어, 축류 압축기(12)에 의해 압축되며, 그 후 터빈(20)을 구동하는 고에너지의 연소 가스를 제공하도록 천연 가스와 같은 연료가 연소되는 연소기(18)로 방출된다. 터빈(20)에 있어, 고온 가스의 에너지는 일로 전환되어 그 중 일부는 샤프트(14)를 통해 압축기(12)를 구동하는 데 이용되고, 나머지는 전기를 발생시키도록 로터 샤프트(24) 수단을 매개로 발전기(22) 같은 대상물을 가동하는 유용한 일로서 이용될 수 있다. 통상의 단순 사이클 가스 터빈은 입력 연료의 30-35%를 샤프트 출력으로 전환시킨다. 나머지의 1-2%를 제외한 전부는 도면 부호 26에서 터빈(20)으로부터 배출되는 배출 열의 형태이다. 터빈의 배출 가스류의 에너지를 추가의 유용한 일로 전환시킬 수 있는 복합 사이클 구조의 가스 터빈(10)을 활용함으로써 고효율을 얻을 수 있다.
제2도는 도면 부호 26에서 터빈(20)으로부터 배출되는 배출 가스가 열 회수 증기 발생기(28)로 유입되는 가장 단순한 형태의 복합 사이클을 나타내며, 상기 증기 발생기에서는 물이 보일러에서와 같이 증기로 전환된다. 그렇게 생성된 증기는 증기 터빈(30)을 구동하고, 그 증기 터빈 내에서 추가의 일이 추출되어 샤프트(32)를 통하여 제2 발전기(34)와 같은 추가 대상물을 구동하며, 그에 따라 추가의 전력이 발생된다. 몇몇 구성에 있어서, 터빈(20,30)은 공통의 발전기를 구동한다. 전력만을 발생시키는 복합 사이클은 보다 개선된 가스 터빈을 사용하면 열효율이 50-60%의 범위 내에 있다.
제3도는 본 발명의 핵심을 이루며 제2도의 복합 사이클 구조에 사용되는 것이 바람직한 가스 터빈을 상세히 예시한다. 압축기(12)로부터의 공기는 연소기(18)를 구성하는 연소용 캔(combustion cans)으로 방출되며, 그 연소용 캔은 로터 샤프트(14) 둘레에 통상적인 형태로 배치되는데, 그러한 "캔" 중 하나가 도면 부호 36으로 예시되어 있다. 연소 후에, 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈 섹션(20)을 구동하는데 이용되며, 이 터빈 섹션은 제시된 예시에서는 터빈 로터를 구성하는 4개의 휠(38,40,42,44)로 지시되는 4개의 연속 단을 포함하며, 이들 연속 단은 터빈 로터와의 회전을 위해 로터 샤프트(14)에 장착되며, 상기 연속 단 각각은 날개(46,48,50,52)로 각각 지시되는 일렬의 버킷을 지지하며, 이 날개는 베인(54,56,58,60)으로 각각 지시되는 고정 노즐 사이에 번갈아 배열된다. 또한, 로터는 버킷 휠 사이에 번갈아 배열된 스페이서 원반(39,41,43)을 포함한다. 따라서, 4단 터빈은 제1단이 노즐(54)과 버킷(46)으로, 제2단은 노즐(56)과 버킷(48)으로, 제3단은 노즐(58)과 버킷(50)으로, 그리고 제4단은 노즐(60)과 버킷(52)으로 구성됨을 알 수 있다. 전술한 특허 출원에서와 같이, 제1단 노즐(54) 및 제2단 노즐(56)은 제3단 및 제4단 노즐을 장착하는 외부 쉘에 핀 고정된 내부 쉘(72)에 장착된다. 외부 쉘은 외부 쉘을 터빈 하우징 섹션(77,79)에 각각 볼트 고정하는 볼트 플랜지(74,75)에서 탈착 가능하며, 그에 의하여 상부의 외부 쉘과 내부 쉘(72)은 고온 가스 통로 요소로의 접근을 위해 터빈으로부터 제거될 수 있다.
제4A도를 참조하면, 전이 원반(76)과 단부 원반(78)은 터빈 로터의 각각의 양단부에 배치된다. 또한, 냉매 공급 원반 모듈(80)도 후측 단부 원반(78)과 제4단의 휠(44) 사이에 배치된다. 상기 휠과 원반은 은촉이음(rabbeted fit)으로 동심으로 유지되고, 전체 터빈 로터 조립체는, 원반과 휠의 축방향으로 인접한 림을 통과하며 둘레에 간격을 두고 축방향으로 연장되는 일련의 볼트(82)에 의해 함께 지지된다. 스페이서 원반과 휠의 림 사이의 맞대기 이음부에 밀봉부가 마련되고, 각각의 스페이서 원반(39,41,43)의 양 측면에서 각각의 인접 휠 사이에는 환형 공동부(84,86)가 형성된다는 것을 알 수 있다.
외부 샤프트(90)와, 동심으로 배열된 내부 샤프트(92)를 포함하여 그들 사이에 환형 통로(94)를 형성하는 후측 로터 샤프트 조립체(88)가 후측 단부 원반(78)에 볼트 고정되어 있다. 상기 샤프트(90,92)는 터빈 로터와 함께 회전한다. 터빈의 고정 부품을 형성하는 하우징(95)이 샤프트(90) 주위에 환형 고압실(96)을 형성하며, 샤프트(90,92) 주위에 베어링(97,98)을 각각 구비한다. 상기 고압실(96)은 샤프트(90,92) 사이의 통로(94)와 단부 원반(78)의 후측에 있는 후측 환형고압실(100) 내로 흐르는 냉매의 저장조를 제공한다. 상기 고압실(96)에 공급되는 냉매는 요구되는 터빈의 냉각 방식이 증기 냉각인지 공기 냉각인지에 따라 증기 또는 공기로 이루어질 수 있다. 원주 방향으로 간격을 두고 있는 복수의 통로(102)가 후측 고압실(100)과 최후측 공동(86) 사이를 연통시킨다.
제5도는 휠(38,40,42,44)에 있는 림(104)의 일부를 개략적으로 확대 도시한 횡단면도를 도시한다. 볼트(82)를 위한 원형 볼트 개구(81)는 터빈 휠과 스페이서 원반 림 주위에서 원주 방향으로 간격을 둔 개구의 외부 링으로 예시된다. 또한, 축방향으로 연장되며 원주 방향으로 간격을 두고 있는 내측의 일련 보어 구멍(106)은 스페이서 원반(39,41,43)과 휠(40,42, 44)의 림을 통하여 마련되고 로터의 제1 휠(38)의 후측면 근처에서 종결되는데, 다시 말하면 상기 보어 구멍(106)은 제1단의 휠(38)을 제외한 스페이서 원반 림과 휠의 림 각각을 통하여 연장한다. 임의의 수의 보어 구멍이 사용될 수 있지만, 24개가 바람직하다. 특정 수의 보어 구멍(106a), 예컨대 24개의 보어 구멍 중에서 20개의 보어 구멍은 비어 있으며, 원반과 휠의 림을 따라 냉매를 이하에 설명될 내측의 냉매 공급 고압실로 직접적으로 통과시키기 위한 관통 통로(through passages)를 구성한다. 번갈아 배열된 보어 구멍(106b) 각각은 긴 튜브(112)를 구비하며, 이 튜브는 보어 구멍(106b)의 벽에 억지끼워맞춤으로 접촉하며 튜브(112) 둘레의 원주 방향으로 간격을 둔 위치에서 반경 방향 외측으로 돌출하는 스포크(spoke, 일종의 바퀴살) 또는 세로 홈(114)을 갖는다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 세로 홈(114)은 각 튜브(112)의 외면 주위에 개별적인 통로(118)를 형성한다. 그러나, 다음의 설명을 통해 원통형 또는 다른 단면형태의 튜브가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 보어 구멍(106a,106b)의 후측 단부는 공급 원반 모듈(80)의 전방면에 형성된 반경 방향 슬롯을 통하여 후측 공동(86)과 연통한다.
각각의 휠(40,42,44)은 휠의 양 측면 상에 상기 보어 구멍(106b) 및 인접 환형 공동부(84,86)와 연통하는 대략 반경 방향의 입구 및 출구를 구비하며, 상기 출구(110)는 제5도에 도시되어 있다. 따라서, 휠(44)의 보어 구멍(106b)은 모듈(80)의 슬롯과 연통하게 놓여서 냉매를 후측 휠 공동(86)으로부터 휠(44)의 림을 따라 축방향으로 공급한다. 또한, 휠(44)은 스페이서 원반(43)과 휠(44) 사이의 휠 공동(84) 및 보어 구멍(106b)과 연통하는 출구(110)를 갖는다. 마찬가지로, 휠(42)은 원반(43)과 휠(42) 사이의 공동(86) 및 보어 구멍(106b)과 연통하는 입구(108)와, 휠(42)과 원반(41) 사이의 공동(84) 및 보어 구멍(106b)과 연통하는 출구(110)를 갖는다. 유사하게, 휠(40)은 원반(41)과 휠(40) 사이의 공동(86) 및 보어 구멍(106b) 사이에서 연통하는 입구와, 휠(40)과 원반(39) 사이의 공동(84) 및 보어 구멍(106b)과 연통하는 출구를 갖는다. 제1단의 휠(38)은 원반(39)과 휠(38) 사이의 공동(86)과 연통하는 내측의 냉매 공급 환형 고압실(109; 제6도 참조)을 포함한다. 이후의 설명으로 알 수 있는 바와 같이, 세로 홈은 각 튜브(112)의 외면 주위에 별도의 통로(118)를 형성한다. 구체적으로, 각 튜브(112)의 세로 홈(114)과 보어 구멍(106b)의 내벽 사이의 통로(118)는 입구(108) 및 출구(110) 각각은 물론 냉매를 연속하여 터빈 휠 원반 공동(84,86)으로 공급하도록 제공된 공급용 모듈 슬롯과 연통하는 축방향 연장 통로를 이룬다. 이하에 설명하는 바와 같이, 보어구멍(106b)의 각 튜브(112)를 통하는 중심 통로(120)는 터빈이 증기-냉각되는 경우 소모된 냉매의 복귀를 위하여, 그리고 터빈이 공기 냉각되는 경우 냉각 공기의 공급을 위하여 폐회로 복귀 통로로서 기능한다. 폐회로 증기 냉각의 경우에, 증기 공급 통로(118)가 로터 휠과 스페이서 원반 림 구조를 상기 중심 통로(120)를 통해 흐르는 소모된 고온의 복귀 증기로부터 분리하는 것을 주의해야 한다.
통로(118)는 스페이서 원반의 축방향 위치에서 폐쇄 또는 차단되며, 그에 따라 제1 후측 공동(86)으로부터 통로(118)로, 그리고 원반과 휠 사이의 공동 내로의 일련의 흐름은 제4B도에서의 사형 화살표로 도시된 바와 같이 제공되는 것을 또한 알 수 있다. 결국, 사형으로 연속적으로 흐르는 냉매는 고압실(96)로부터 통로(94)와, 후측 고압실(100) 및 통로(102)를 통하여 휠 공동(84,86)으로 공급되고, 최종적으로 그 냉매는 원반(39)과 로터 휠(38) 사이의 공동(86)으로 유입되어, 바람직하게는 제1단의 휠(38)과 스페이서 원반(39) 사이에 있는 공급 고압실(109)로 흐른다. 휠 공동에서의 냉매의 전술한 사형 흐름으로 인하여, 원반을 가로지르는 온도 구배가 최소로 감소되고, 그에 따라 로터의 뒤틀림이 방지된다. 튜브(112)는 스페이서 원반(39)과 제2단 휠(40) 사이의 스페이서 플레이트(124; 제6도 참조)에 인접하여 종결되고, 통로(118)는 제2단 휠(40)의 최종 출구(108)와 연통한다. 그에 따라, 냉매는 스페이서 원반과 휠의 림을 따라 축방향으로 통로 또는 보어 구멍(106a)을 통해 내측의 냉매 공급 고압실(109)로 흐르는(점선 화살표) 반면에, 세로 홈이 있는 튜브(112)와 보어 구멍(106b)에 의해 형성된 통로(118)를 통해 공급되는 냉매(실선 화살표)는 휠 공동 내로, 그리고 휠 공동으로부터 연속적으로 흐르며, 대략 사형의 흐름 통로를 형성하여, 최종적으로는 최전방의 휠 공동(86)으로 유입되어 내측의 냉매 공급 고압실(109)로 흐른다. 그에 따라, 냉매의 축방향 흐름(점선 화살표) 및 사형 흐름(실선 화살표)은 내측의 냉매 공급 고압실(109)에서 다시 만난다.
이제 제6도, 제6A도, 제6B도를 참조하여 내측의 냉매 공급 고압실(109)로부터 제1단 및 제2단 버킷으로의 흐름과 폐회로 냉각 구조에서의 복귀를 위한 버킷으로부터의 흐름의 전이에 대해 설명한다. 제6도에 도시된 바와 같이, 스페이서 플레이트(122)는 제1단 휠(38)과 스페이서 원반(39)의 전방면 사이에 위치된다. 초기에 설명한 바와 같이, 스페이서 플레이트(124)는 제2단 휠(40)과 스페이서 원반(39)의 후측면 사이에 위치된다. 이들 스페이서 플레이트(122,124)는 냉매를 고압실(109)로부터 제1단 및 제2단 버킷의 접속부로 흐르게 하도록 전방 및 후측 냉매 유입 통로(111f,111a)를 구비한다. 추가로, 상기 스페이서 플레이트(122,124)는 폐회로에서 버킷으로부터 소모된 냉매를 복귀시키기 위한 전방 및 후측 출구(113f,113a)를 각각 구비한다. 이하에서 설명하지만, 버킷 이음매와 스페이서 플레이트의 각각의 입구(111) 및 출구(113) 사이의 흐름의 전이를 수행하도록 "스풀리(spoolies)"가 마련된다. 터빈 버킷에서의 냉매 통로를 상세히 나타낸 경우로는, 발명의 명칭이 "폐회로 증기 냉각 버킷"이고 공동 계류중인 미국 특허 출원(대리인 수임 번호 제839-352호)을 참고할 수 있다.
제6도 및 제6A도에서, 스페이서 원반(39)의 전방면에는 원주 방향으로 간격을 두고 반경 방향 외측을 향하는 복수의 슬롯(115)이 마련되고, 이 슬롯은 그 반경 방향 최내측 단부에서 내부 고압실(109)과, 그 외측 단부에서 외측의 냉매 공급 고압실(117)에 연통되어 있다. 제6도에 도시된 바와 같이, 외부 고압실(117)은 스페이서 플레이트(122)를 통해 입구(111f)와 연통되어 버킷 이음매(bucket dovetail)에 냉매가 공급된다. 스페이서 플레이트(122)는 반경 방향 슬롯(115)을 폐쇄하도록 스페이서 원반(39)의 전방면 상에 중첩되어 각각의 내부 고압실(109) 및 외부 고압실(117)과 연통되는 것을 이해할 것이다.
스페이서 원반(39)의 후측 또는 후방면이 제6B도에 도시되어 있다. 제6B도에서, 원주 방향으로 간격을 둔 복수의 개구(119)는 외부의 냉매 공급 고압실(117)과, 원반(39)의 후방면에 형성된 추가의 외부 공급 환형 고압실(121) 사이를 연통되게 한다. 외부 고압실(121)은 입구(111a)와 연통되어 제2단의 버킷 이음매로 냉매를 공급한다.
버킷으로부터의 소모된 냉매를 위한 복귀 회로를 제공하기 위하여, 외부의 공급 고압실(117)의 반경 방향 내측 위치에서 스페이서 원반(39)의 전방면은 원주 방향으로 간격을 두고 호형으로 연장되는 복수의 복귀 고압실 세그먼트(123)를 구비한다. 스페이서 플레이트(122)의 출구(111f)는 상기 복귀 세그먼트(123)와 연통하게 마련되어 있다. 스페이서 원반(39)의 후측면은 환형 고압실(125)을 포함하는데, 이 환형 고압실은 공급 고압실(121)의 반경 방향 내측에 있으며, 스페이서 원반(39) 림을 통하는 원주 방향으로 간격을 둔 복수의 구멍(127)을 거쳐 복귀 고압실 세그먼트(123)와 연통하게 마련되어 있다. 추가로, 복귀 고압실(125)은 제2단 버킷으로부터의 출구(113a)와 연통하게 마련되어 있다. 원주 방향으로 간격을 두고내측으로 연장되는 복수의 슬롯(129)은 복귀 고압실(125)과 세로 홈(112)의 중심 통로(120)와 연통하며, 그에 따라 소모된 냉매는 로터 림을 따라 축방향으로 복귀부로 통과될 수 있다. 세로 홈이 패인 튜브(112)의 중심 통로(120)와 스페이서 플레이트(124)에 있는 축방향 개구 사이의 연결부에는 이하 설명되는 스풀리가 제공되어 회전 부품 사이의 냉매 전이를 수행한다.
제6도, 제6A도, 제6B도를 참고로 한 바람직한 실시예에서, 반경 방향 외측을 향하는 8개의 슬롯(115)이 마련되어 고압실(109)로부터의 냉매를 고압실(117)로 전달한다. 64개의 버킷이 장착된 터빈 휠에 있어서는, 환형의 외부 공급 고압실(117)과 연통하는 64개의 유입 개구(111f)가 마련되어 있다. 원주 방향으로 간격을 둔 8개의 개구(111f)가 고압실(117,121) 사이를 상호 연통되게 한다. 제2단 터빈 휠에 64개의 버킷이 장착되기 때문에, 64개의 유입 통로(111a)는 환형 고압실(121)과 이들 버킷 사이를 상호 연통되게 한다. 복귀측에서는, 64개의 출구(113f)가 8개의 복귀 고압실 세그먼트(123)와 연통하며, 각각의 세그먼트(123)와는 8개의 출구(113f)가 연통되어 있다. 원주 방향으로 간격을 둔 16개의 구멍(127)은 복귀 고압실 세그먼트(123)와 환형의 복귀 고압실(125) 사이를 상호 연통되게 하며, 각각의 복귀 고압실 세그먼트(125)에는 2개의 구멍(127)이 존재한다. 반경 방향 내측을 향하는 12개의 슬롯(129)은 환형 복귀 고압실(125)과 세로 홈이 패인 튜브(112)의 12개의 중심 통로(120) 사이를 연통되게 한다.
결국, 증기 냉각이 요구되는 경우, 증기는 고압실(96)로부터 환형 통로(94)와, 후측 고압실(100)과, 통로(102)와, 후측 공동(86) 및 보어 구멍 (106)을 통하는 통로(120)를 경유하여 공급된다. 복수의 보어 구멍(106), 즉 보어 구멍(106a)은 스페이서 원반과 휠의 림을 따라 직접적으로 증기를 고압실(109)로 공급한다. 보어 구멍(106b)의 세로 홈이 패인 통로(118)는 사형으로 공동부(84,86)를 통해 연속적으로 증기를 공급하며, 최종적으로 증기는 통로(106a)를 통해 흐르는 증기 흐름과 고압실(109)에서 다시 만난다. 고압실(109)로부터, 냉각 증기는 반경 방향 외측을 향하는 슬롯(115)을 따라 고압실(117)로 흘러서 축방향 반대 방향으로 흐른다. 전방을 향한 흐름은 64개의 입구(111f)를 통과하여 냉각 증기를 각각의 제1단 버킷으로 공급한다. 후방을 향한 흐름은 8개의 개구(119)를 통해 환형 고압실(121)로 통과하여 증기를 64개의 입구(111a)를 통해 제2단 버킷으로 공급한다. 복귀측에서, 제1단 버킷으로부터의 소모 증기는 출구(113f)를 통해 복귀 고압실 세그먼트(123)로 통과하여 16개의 구멍(127)을 통해 반경 방향 환형 복귀 고압실(125)로 흐른다. 제2단 버킷으로부터의 소모 증기는 64개의 출구(113a)를 통해 복귀 고압실(125)로 통과한다. 뒤이어, 소모 증기는 12개의 슬롯(129)을 따라 반경 방향 내측으로 통과하여 세로 홈이 패인 튜브(112)의 12개의 중심 통로(120)를 통해 복귀된다. 공급 증기는 휠 림과, 제1단 및 제2단의 버킷과 휠 공동을 냉각시키고 폐회로로 복귀된다는 것을 알 수 있다.
중요하게는, 로터가 증기 냉각되는 경우, 스페이서 원반의 양 측면 사이를 통하는 공동(84) 내의 반경 방향 내측으로 증기 흐름은 원심력에 의한 증기의 세정에 영향을 미치며, 그에 따라 증기 불순물은 냉각 증기로부터 제거되어 공동에서 반경 방향 외측으로 침적된다. 다시 말해, 로터가 회전함에 따라, 증기 중의 입자형 불순물은 원심력에 의해 반경 방향 외측으로 비산되는 반면에, 증기 압력은 증기가 대략 사형의 경로로 공동을 통해 이동할 때 증기압의 작용으로 증기를 반경 방향 내측 및 외측으로 이동시키며, 그에 따라 불순물이 거의 제거된 증기가 제1단 및 제2단 버킷으로 공급된다. 이러한 과정이 3개의 공동(84) 각각에서 반복되므로, 로터 내측의 증기를 세정할 수 있다. 추가로, 냉각 증기의 일부가 통로(118)를 통해 이동하는 경우에, 이들 냉매 통로는 휠과 원반 림 구조를 고온의 복귀 증기로부터 절연시킨다.
공냉식 터빈이 요구되는 경우에, 증기 냉각에 제공된 것과 동일한 구조가 터빈의 회전 부품을 공기 냉각하는 데에 또한 사용될 수 있다. 냉각 공기를 제1단 및 제2단 버킷으로 공급하는 데에 증기 냉각 시스템의 증기 공급 및 복귀 회로 모두가 사용될 수 있다. 그에 따라, 공기는 제1단 및 제2단 버킷으로 증기를 흐르게 하는 경우와 관련하여 전술한 바와 같이, 내부 고압실(109)을 통해 제1단 및 제2단 버킷으로 흐르도록 공급될 수 있다. 또한, 공기는 이미 설명한 사형의 공급 통로에 의하여 고압실(109)로 공급된다. 공기는 세로 홈이 패인 튜브(112) 내의 통로(120)를 경유하고 슬롯(129)과, 고압실(125)과, 출구(113,113a)를 통해 제1단 및 제2단 버킷으로 추가적으로 공급된다. 공기 냉각 회로가 개방식이고 공기는 터빈 버킷을 통해 흐르고 버킷 막의 냉각을 위해 고온 가스 경로로 배출되기 때문에, 공기 복귀 통로는 불필요하다.
제7도에서, 스페이서 플레이트(122,124)와 제1단 및 제2단 버킷 각각의 사이에 축방향 전이부가 마련되고, 이들 부분은 열 성장율 또는 팽창율이 다르기 때문에 상대 이동을 할 수도 있다는 것을 알 수 있다. 증기가 고온 가스 통로로 누출되는 것에 의해 작동 성능이 저하될 수 있기 때문에, 이러한 전이 영역에서 상대적인 열 성장을 흡수하고 효과적인 밀봉부를 형성하는 것이 중요하다. 제7도에 있어서, 스페이서 원반(122,124)과 각각의 버킷 사이에서 냉매의 흐름을 전이시키기 위한 "스풀리" 조립체가 도시되어 있다. 제7도에서, 터빈 버킷은 도면 부호 140으로, 스페이서 플레이트(122)는 122로 도시되어 있다. 스페이서 플레이트(122)의 냉매 공급 통로는 화살표로 지시된다. 축방향 스풀리는 스페이서 플레이트(122)와 버킷(140) 내의 정합 홈(registering recess)에 수납되는 한 쌍의 부싱(144,146)으로 구성되며, 스풀리 구조는 스페이서 플레이트 통로와 그에 연관된 버킷의 각각의 연결부에 사용된다는 것을 알 것이다. 부싱(144,146)은 관형이며, 그 인접 단부에는 플랜지(145,147)가 각각 형성되어 있으며, 대응하는 홈에 억지 끼워맞춤된다. 부싱은 부싱이 상기 홈의 벽으로부터 간격을 두도록 그 플랜지 단부로부터 반경 방향 내측으로 테이퍼지며, 그렇지 않은 경우에 부싱은 스페이서 플레이트(122)와 버킷(140)에 고정되지 않는다. 스풀리(148)는 구형 단부(150,152)를 구비하며 축방향으로 연장되는 튜브로 구성된다. 상기 구형 단부(150,152)는 부싱(144, 146)의 자유 단부 각각에 인접하여 억지 끼워맞춤되고, 그에 따라 밀봉된다. 부싱의 사용목적은 스풀리와 그 지지 구조 사이의 열적 부조화를 최소화하고, 그에 의해 상대적인 상대 활주 이동으로 인하여 발생되는 마모 정도를 감소시키는 것이다. 스풀리(148)와 부싱 계면에서의 지지 응력은 스풀리 계면에서의 부싱 지지 길이를 거의 동일하거나 낮은 강성(stiffness)을 갖도록 크기를 정함으로써 역시 감소된다. 또한, 스풀리 조립체는 원심력에 기인하는 스풀리/부싱 지지 하중을 감소시키고, 스풀리/구조 사이의 열적 균형에 기인하는 스풀리/부싱 계면에서의 마모를 감소시키도록 가능한한 탄력적으로 구성된다. 스풀리와 부싱은 니켈계 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
제7A도에는 스페이서 플레이트와 버킷 사이의 냉매의 흐름을 전이시켜 그 사이의 열적 부조화를 보상하는 스풀리 조립체의 다른 형태가 도시되어 있다. 제7A도에서, 나이프 엣지(150)를 갖는 원통형 나이프(148)가 스페이서(122)의 홈 내에 배치된 덮개 링(152)에 의해 지지된다. 상기 나이프 엣지(150)는 내열성을 갖는 연질 금속 합금 링(154)에 매립되어 그와 함께 밀봉을 이룬다.
제7B도의 스풀리 조립체에서, 압축 스프링(160)은 버킷(140) 내의 홈의 기부에 지지되고, 타단부에서 팽창 링(162)에 지지한다. 링(162)은 환형 밀봉 플러그(164) 상의 구형 표면에 밀봉 가능하게 접촉하도록 편평하게 테이퍼진 표면을 갖는다. 뒤이어, 밀봉 플러그(164)는 스페이서 플레이트(122)의 홈 내에 장착된 오목한 구형 덮개 링(168)에 대하여 밀봉 결합되도록 플러그의 대향 단부에 구형 밀봉 표면(166)을 갖는다.
제8도에는 스페이서(122)와 터빈 버킷(140) 사이의 전이를 위한 스풀리 조립체의 또 다른 형태가 도시되어 있다. 이러한 형태에는 열적으로 균형을 이루는 스풀리 및 슬리브 조립체가 제공된다. 그에 따라, 플랜지(172)를 갖는 관형 부싱(170)은 냉각 통로의 외측 단부에 인접하여 스페이서 플레이트(122)에 연결되며, 유사한 부싱(174)은 플랜지(176)에 의해 버킷(140)의 유입 단부에 연결된다.플랜지(172,176)는 버킷과 스페이서 플레이트의 접속부에서 달리 지지되지 않는 스풀리 조립체를 지지한다. 플랜지(172)로부터 슬리브(178)가 연장되며, 이 슬리브는 부싱(170)과 통로 벽 사이에서 간격을 두고 있으며, 그 유입 단부는 일련의 개구(182)를 갖고 반경 방향 내측을 향하는 구형 구조(180)에서 종결된다. 플랜지(172)에 인접한 슬리브(178)의 단부에 복수의 구멍(184)이 배치된다. 유사하게 구성된 슬리브(184)가 버킷의 유입 단부에 배치되어, 부싱(174)을 버킷 입구의 벽으로부터 간격을 두며, 구멍(188)을 갖고 반경 방향 내측을 향하는 구형 단부(186)에서 종결된다. 플랜지(176)에 인접한 슬리브(184) 단부에 복수의 구멍(189)이 배치된다. 반경 방향 외측을 향하는 구형 단부(192,194)를 갖는 관형 스풀리(190)는 부싱(170,174) 내에 배치되어 그 부싱에 억지 끼워맞춤된다. 결국, 화살표로 지시된 바와 같이, 냉매는 슬리브(178)의 양측면상에서 흐르며, 구멍(182)을 통해 메인 흐름에 다시 합류하여 슬리브(178), 부싱(170) 및 스풀리(190)를 가로질러 열적 균형을 제공한다. 스풀리 조립체의 유출 단부에서, 냉매는 부싱(174)과 슬리브(184)사이로 흘러서, 개구(189)를 통해 유입 구멍 벽과 부싱(184) 사이의 공간 내로 유입되고, 구멍(188)을 통해 반경 방향 내측으로 메인 유입 통로로 흐른다. 결국, 열적 부조화에 기인한 스페이서 플레이트와 터빈 버킷 사이의 상대 이동은 스풀리 조립체에 의해 대처된다.
제9도에는 냉매를 휠 림으로부터 터빈 버킷으로 반경 방향 외측으로 흐르게 하고, 냉매의 복귀 통로를 제공하는 방사형 스풀리 구조가 도시되어 있으며, 여기서는 증기 냉각이 이용된다. 터빈 버킷 상에 축방향 연장부(198)가 제공되어, 냉매수납하도록 반경 방향 내측을 향하는 구멍(200)이 마련된다. 터빈 버킷의 축방향으로 반대 측면에도 유사한 구멍(202)이 마련되어, 버킷으로부터 증기를 배출하거나 공기를 버킷으로 공급한다. 방사형 스풀리가 사용되는 경우, 이러한 스풀리는 버킷의 설치 및 제거 시에 버킷 휠에 대한 터빈 버킷의 활주 이동에 대처하면서, 버킷이 설치된 후에는 어떠한 열적 성장도 밀봉에 영향을 끼치지 않도록 상기 2개 부품 사이에 적당한 밀봉을 형성해야 한다는 것을 이해할 수 있다.
이 때문에, 제9도 및 제10도를 참조하면, 버킷 입구(200)는 외측으로 테이퍼진 편평한 밀봉면(204)에서 종결된다. 스풀리(206)는 거의 관형의 요소로 구성되며, 이 관형 요소는 그 외측 단부에서 서로 밀봉 상태에 있는 편평하고 테이퍼진 표면(204)과 맞물리는 볼록한 구형 표면(208)에서 종결된다. 관형 스풀리(206)는 휠 림의 구멍(210)으로 연장되며, 반경 방향 외측으로 이동되도록 스프링(212)에 의해 편향된다. 상기 스프링은 관형 스풀리(206)의 외측 엣지를 따라 형성된 상보적인 표면에 맞물리도록 밀봉면(216)이 있는 밀봉 링(214)에 대하여 지지된다. 이들 부품은 관형 스풀리(206)와 구멍(210)을 형성하는 내부 벽 사이에 밀봉부를 형성하도록 협동한다. 스풀리(206)의 반경 방향 외측의 상부 주위에 정지 링(220)이 배치되어, 스풀리의 반경 방향 외측 단부가 버킷 계면 아래에 위치하도록 관형 스풀리가 반경 방향 내측으로 변위될 때 쇼울더(222)와 맞물린다. 분기부(226)를 갖는 갈래진 요소(forked element; 224)가 링(220) 주위에 배치되어, 스프링의 편향에 대항하여 관형 스풀리(206)를 반경 방향 내측으로 변위시키는 도구로서 기능하며, 그에 따라 버킷은 버킷과 휠 사이의 전형적인 설형부-홈 연결부를 따라 스풀리위로 활주한다. 뒤이어, 상기 도구는 스풀리를 반경 방향 외측으로 변위시키도록 해제되어, 구형 지지면(208)은 버킷의 테이퍼진 밀봉면(204)에 대해 맞물릴 수 있다. 따라서, 열적 부조화에 기인한 버킷 휠과 버킷 사이의 어떠한 이동의 영향도 효과적으로 없애는 방사형 스풀리를 사용하여 상기 부품 사이가 밀봉된다.
제11A도 및 제11B도에는 별개의 배관과 로터 중심을 통하는 증기 냉각 사용되는 복귀 경로를 채용하는 터빈 로터용 증기 냉각 회로의 다른 형태가 예시되어 있다. 추가로, 휠 공동부는 비가압 상태이며, 냉매는 휠 원반에 접촉되지 않는다. 이러한 형태에서, 후측 고압실(100)에는 후측 스페이서(242)와 단부 원반(78) 사이를 반경 방향 외측으로 연장되며 원주 방향으로 간격을 두고 있는 복수의 파이프 접속부(240)가 마련된다. 상기 파이프(240)는 스페이서 원반과 휠을 통하여 전방의 스페이서 원반(250) 내의 위치로 축방향으로 연장한다. 상기 파이프는 냉매를 제1단 및 제2단 버킷 내로 축방향으로 전달하도록 대략 "Y" 연결부로 분기된다. 뒤이어, 냉매 흐름은 제1단 및 제2단 버킷 내에서 반경 방향으로 방향이 바뀌어 버킷을 따른 냉각 흐름으로 된다. 축방향 스풀리는 냉각 파이프와 버킷 사이의 전이부를 형성하는데 사용되는 것을 알 수 있다. 또한, 유사한 축방향 복귀 스풀리가 버킷으로부터 복귀 파이프(252)로의 전이를 수행하도록 이용된다. 복귀 파이프(252)는 복귀 스풀리와 직접적으로 연통하여, 소모 냉매가 로터의 중심을 향하여 반경 방향 내측으로 흐를 수 있게 한다. 로터 중심부는 기계와 동축인 축방향 튜브(252)에 의해 구성된다. 또한, 이러한 로터 구조에 있어서는 양 파이프(240,252)를 통해 공기를 공급함으로써 공기 냉각이 이용될 수 있다.
가장 실용적이고 바람직하다고 생각되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예로 한정되는 것이 아니고, 그와 달리 본 발명의 취지와 첨부된 특허 청구 범위 내에 포함되는 여러 변형예를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
제1도는 본 발명에 채용된 가스 터빈을 개략적으로 도시한 도면.
제2도는 열효율 향상을 위하여 가스 터빈과 열 회수형 증기 발생기를 채용하고 있는 본 발명의 복합 사이클 시스템의 개략적인 다이어그램.
제3도는 가스 터빈의 일부분의 단면도로서, 연소 섹션, 압축기, 터빈 로터 섹션을 예시하는 단면도.
제4A도 내지 제4D도는 후측 로터 장치의 부분을 포함하는 터빈 로터 섹션을 예시하는 개략도로서, 터빈 로터에 대한 냉각 회로를 도시한 도면.
제5도는 로터 휠 림의 일부의 부분 확대 단면도.
제6도는 로터의 축방향 평면을 따라 도시한 부분 확대 단면도로서, 버킷(bucket)을 기점으로 한 냉매의 유동을 위하여 제1 휠 원반 및 제2 휠 원반 사이의 냉매의 공급 및 복귀 통로를 예시하는 도면.
제6A도는 제6도의 선 6A-6A를 따라 취한 부분 단면도.
제6B도는 제6도의 선 6B-6B를 따라 취한 부분 단면도.
제7도, 제7A도, 제7B도는 로터 조립체의 인접 부품 사이로 냉매를 전이시키기 위한 축방향 "스풀리(spoolies)"에 대한 여러 실시예를 예시하는 확대 단면도.
제8도는 축방향 스풀리의 다른 형태를 예시하는 확대 단면도.
제9도는 휠 림에 부착된 버킷의 개략적인 확대도로서, 냉매 유동을 위한 방사형 스풀리 장치를 예시하는 도면.
제10도는 제9도에 도시된 스풀리의 일부를 학대한 단면도.
제11A도는 터빈 로터용 냉각 회로의 다른 형태를 개략적으로 도시한 부분 확대도.
제11B도는 제11A도를 부분적으로 확대한 정면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 가스 터빈
12 : 압축기
14 : 샤프트
18 : 연소 장치
20 : 터빈
38,40,42,44 : 휠
39,41,43 : 스페이서 원반
46,48,50,52 : 날개
54,56,58,60 : 베인
72 : 내부 쉘
76 : 전이 원반
77,79 : 터빈 하우징 섹션
78 : 단부 원반
82 : 볼트
84,86 : 환형 공동부
96 : 고압실
100 : 환형 고압실
102 : 통로
106 : 보어 구멍
112 : 튜브
114 : 세로 홈

Claims (10)

  1. 터빈 버킷 장착용 림이 있는 복수의 터빈 휠과 림이 있는 스페이서 원반을 포함하며 축선이 있는 다단 로터로서, 상기 스페이서 원반은 휠 사이에 번갈아 배치되어 그 사이에 휠 공동부가 형성하며, 상기 휠과 스페이서 원반은 서로 고정되는 것인 다단 로터와,
    냉매를 로터로 공급하는 저장조와,
    냉매 공급 저장조와 연통하며 상기 휠과 스페이서 원반 림을 통해 대략 축방향으로 연장되어 상기 로터의 하나 이상의 단의 터빈 버킷으로 냉매를 공급하는 복수의 통로로 구성되며,
    상기 로터는 냉매 공급 저장조에 연통하는 통로를 포함하여 냉매가 휠 공동부로 공급되고, 이 공동부로부터 냉매가 상기 하나의 단의 터빈 버킷으로 통과하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통로는 하나 이상의 스페이서 원반의 양측에 있는 인접 휠 림에 입구와 출구를 갖고, 상기 입구와 출구는 냉매를 상기 입구로부터 상기 스페이서 원반의 일측을 따라 반경 방향 내측으로, 그리고 상기 출구로 흐르도록 상기 스페이서 원반의 대향측을 따라 반경 방향 외측으로 흐르게 하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 제1 로터 단 및 제2 로터 단과, 제1단 휠 림 및 제2단 휠 림 사이에서 대략 반경 방향으로 연장되는 슬롯이 마련되며, 이 슬롯은 상기 공동부를 통하여 상기 통로와 연통하고 축방향 통로와 연통하여, 공동부와 통로로부터의 냉매를 제1단 및 제2단 버킷으로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  4. 제1항에 있어서, 제1단 로터 및 제2단 로터와, 상기 제1단 휠 림과 제2단 휠 림 사이의 하나 이상의 환형 공급 고압실과, 제1단 휠 림 및 제2단 휠 림 사이에서 대략 반경 방향으로 연장되는 슬롯이 마련되어 있으며, 이 슬롯은 상기 공동부를 통하여 상기 통로와 연통하고 축방향 통로와 연통하여, 공동부와 통로로부터의 냉매는 제1단 및 제2단 버킷으로 흐르도록 상기 공급 고압실을 향하게 하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    제1단 로터 및 제2단 로터와,
    상기 제1단 휠 림과 제2단 휠 림 사이의 하나 이상의 환형 공급 고압실과,
    제1단 휠 림 및 제2단 휠 림 사이에서 대략 반경 방향 외측으로 연장되는 슬롯으로서, 상기 공동부를 통하여 상기 통로와 연통하고 축방향 통로와 연통하여, 공동부와 통로로부터의 냉매가 제1단 및 제2단 버킷으로 흐르도록 상기 공급 고압실로 향하게 하는 슬롯과,
    제1단 휠 림 및 제2단 휠 림 사이에서 제1단 및 제2단 버킷과 연통하여 소모된 냉매를 수용하는 복귀 고압실과,
    상기 로터에 의해 지지되는 하나 이상의 복귀 통로와,
    제1단 휠 림과 제2단 휠 림 사이에서 대략 반경 방향 내측으로 연장되는 슬롯으로서, 상기 복귀 고압실과 연통하여 소모된 냉매를 상기 고압실로부터 상기 복귀 통로로 향하게 하는 슬롯을 포함하며,
    상기 공급 및 복귀 고압실은 제1단 휠 림 및 제2단 휠 림 사이의 스페이서 원반의 양면에 형성되며, 상기 고압실 중의 하나는, 림 주위에서 대략 원주 방향으로 연장되며 서로 원주 방향으로 간격을 두고 배치되는 복수의 고압실 세그먼트와 연통하게 위치되고, 상기 고압실 세그먼트 각각은 버킷용의 소정수의 흐름 포트와 연통하여 냉매가 버킷과 고압실 세그먼트 사이에서 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  6. 제1항에 있어서, 터빈 버킷과 결합되며,
    하나의 단을 형성하는 휠과 상기 스페이서 원반 중 하나의 사이에 있으며,
    통로 및 경로에 연통되는 복수의 냉매 흐름 포트를 포함하는 스페이서 플레이트로서, 상기 버킷은 상기 스페이서 플레이트의 포트와 정합되는 복수의 냉매 포트를 구비하여 냉매가 그 포트를 통과하여 흐를 수 있는 것인 스페이서 플레이트와,
    상기 스페이서 플레이트와 상기 버킷의 포트 사이를 밀봉하여 냉매가 그들 부품 사이를 흐를 수 있게 하는 전이 조립체
    를 구비하며,
    상기 전이 조립체는 상기 버킷과 스페이서 플레이트의 연결부에서 일단부가 상기 정합 포트에 밀봉 가능하게 각각 고정되고 상기 일단부로부터 멀리 떨어진 위치에서는 포트의 내벽과 각각 간격을 두고 있는 관형 부싱과, 상기 부싱 내에서 부싱 사이에서 연장되고 상기 부싱과 맞물리는 단부에서 종결되는 동축 관형 요소로서, 상기 버킷과 스페이서 플레이트 사이의 열적 부조화에 의해 응력이 감소된 관형 요소를 통해 상기 포트 사이로 냉매가 흐를 수 있도록 하는 밀봉부를 형성하는 것인 동축 관형 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 통로는 하나 이상의 스페이서 원반의 양측에 있는 인접 휠 림에 원주 방향으로 간격을 두고 있는 입구 및 출구와, 상기 인접 휠 림을 따라 대략 축방향으로 그것을 통하는 흐름 통로를 구비하며, 상기 입구와 출구는 냉매를 상기 입구로부터 상기 스페이서 원반의 일측을 따라 반경 방향 내측으로, 그리고 상기 출구로 흐르도록 상기 스페이서 원반의 대향측을 따라 반경 방향 외측으로 흐르게 하도록 배치되며, 그에 의하여 상기 통로와 내측 및 외측 흐름은 대략 사형의 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  8. 제1항에 있어서, 터빈 버킷과 결합되며,
    상기 하나의 단을 형성하는 부분은 상기 통로 및 경로와 연통하는 복수의 냉매 흐름 포트를 포함하며, 상기 버킷은 휠 포트와 정합되는 복수의 냉매 포트를 구비하여 냉매가 그 포트를 통과하여 흐를 수 있게 하고,
    상기 휠과 상기 버킷의 포트 사이를 밀봉하여 냉매가 그 사이를 통과될 수 있도록 하는 전이 조립체를 구비하며, 상기 각 전이 조립체는 버킷과 휠의 연결부에 인접한 휠의 정합 포트에 활주 가능하게 밀봉되도록 고정되는 관형 부싱과, 상기 부싱이 버킷을 향하여 이동되도록 편향시키는 스프링과, 일단부에서 부싱에 의하여 지지되는 구형 밀봉면과, 상기 정합 포트에서 버킷에 의하여 유지되는 시트를 포함하며, 상기 부싱은 버킷이 휠과 활주 결합하는 때에 스프링의 편향에 대항하여 버킷으로부터 멀어지는 방향으로 휠 포트 내에서 활주 가능하며, 버킷이 휠에서 활주하여 위치된 최종 위치에 따라 부싱의 구형 표면과 시트가 상호 밀봉되도록 스프링의 편향하에서 버킷을 향하여 활주 가능한 것을 특징으로 하는 터빈.
  9. 터빈 버킷 장착용 림을 갖는 복수의 터빈 휠과 림을 갖는 스페이서 원반을 포함하며 축선이 있는 다단 로터로서, 상기 스페이서 원반은 휠 사이에 번갈아 배치되어 그들 사이에 휠 공동부를 형성하며, 상기 휠과 스페이서 원반은 서로 고정되는 것인 다단 로터와,
    냉매를 로터로 공급하는 저장조와,
    냉매 공급 저장조와 연통하며 상기 휠과 스페이서 원반 림을 통하여 축방향으로 통과하여 상기 로터의 하나 이상의 단의 터빈 버킷으로 냉매를 공급하는 대략 축방향으로 연장되는 복수의 통로와,
    상기 하나의 단의 터빈 버킷과 연통하여 소비된 냉매를 축방향 연장 복귀 통로로 흐르게 하는 반경 방향 내향의 복수의 통로
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  10. 인접한 각각의 제1 부품 및 제2 부품의 정합 포트 사이를 밀봉하여 냉매가 그들 부품 사이를 흐를 수 있게 하는 전이 조립체로서,
    상기 제1 부품 및 제2 부품의 연결부에서 일단부가 상기 포트에 밀봉 가능하게 각각 고정되고 상기 제1 부품 및 제2 부품으로 각각 연장되며, 상기 일단부로부터 멀리 떨어진 위치에서는 포트의 내벽과 각각 간격을 두고 있는 관형 부싱과,
    상기 부싱 내에서 부싱 사이에서 연장되고 상기 부싱과 맞물리는 단부에서 종결되는 동축의 관형 요소로서, 상기 제1 부품 및 제2 부품 사이의 열적 부조화에 의해 응력이 감소된 관형 요소를 통해 상기 부품 사이로 냉매가 흐를 수 있도록 하는 밀봉부를 형성하는 것인 동축의 관형 요소
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전이 조립체.
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