KR100592134B1

KR100592134B1 - 보어 튜브 조립체

Info

Publication number: KR100592134B1
Application number: KR1019990057790A
Authority: KR
Inventors: 데스테페노토마스다니엘; 윌슨이언데이비드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2006-06-23
Also published as: US6435812B1; DE69929666T2; JP4308388B2; EP1010858B1; EP1010858A2; JP2000297659A; EP1010858A3; KR20000048150A; DE69929666D1

Abstract

터빈 휠의 고온 가스 부품에 냉각 증기를 공급하고 소모된 냉각 증기를 복귀시키기 위한 터빈용 축방향 보어 튜브 조립체가 제공된다. 한 쌍의 내부 및 외부 튜브는 내부 복귀 통로 주위에 동심의 증기 공급 통로를 형성한다. 튜브의 전단부는 반경방향 튜브의 제 1 및 제 2 세트와 연통하는 외주 구멍 세트를 갖는 단부 캡 조립체와 연통하여, 동심 통로로부터의 냉각 증기가 단부 캡의 구멍을 통해 반경방향 튜브에 공급되어 버킷을 냉각시키며, 버킷으로부터의 복귀 증기는 제 2 세트의 반경방향 튜브를 통해 단부 캡의 제 2 세트의 개구를 거쳐 동축 복귀 통로내로 공급된다. 와류 방지 베인을 포함하는 반경방향에서 축방향으로의 흐름의 전환 장치가 단부 캡 내에 제공된다. 보어 튜브 조립체의 후단부에 인접한 스트러트 링은 외부 튜브에 대해 내부 튜브의 축방향 및 반경방향 열 팽창을 허용한다.

Description

보어 튜브 조립체{BORE TUBE ASSEMBLY FOR STEAM COOLING A TURBINE ROTOR}

도 1은 본 발명에 따른 보어 튜브 조립체를 구비한 가스 터빈을 포함하는 발전 시스템의 개략도,

도 2는 보다 큰 효율을 위해 열 회수 증기 발생기 및 가스 터빈을 이용하는 본 발명에 포함되는 복합 사이클 시스템의 개략도,

도 3은 본 발명에 따라 구성된 주 로터의 일부분과 보어 튜브 조립체를 부분 절개한 단면을 갖는 사시도,

도 4a 내지 도 4c는 보어 튜브 조립체의 부분 확대 단면도로서, 각 도면은 표시된 분리 라인을 따라 서로 연속되는 도면,

도 5는 보어 튜브 조립체의 전단부의 일부를 절개한 부분 확대 단면도로서, 특히 단부 캡 및 내부 코어를 도시하는 도면,

도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 취한 단면도,

도 7은 도 5에 도시된 내부 코어의 단부 입면도,

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 단면도,

도 9는 내부 코어의 전방면의 단부 입면도,

도 10은 보어 튜브 조립체의 복귀 디스크와 단부 캡 사이의 핀 연결부를 도시한 확대 단면도,

도 11은 후방 샤프트와의 핀 연결을 위한 리세스 및 단부 캡의 외부 슬리브 단부의 확대 단면도,

도 12는 보어 튜브 조립체 내에 사용된 스트러트 링의 축방향 확대도,

도 13은 도 12의 선 13-13을 따라 취한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 가스 터빈 12 : 압축기

14, 24 : 로터 샤프트 22 : 발전기

28 : 증기 발생기 30 : 증기 터빈

38, 40, 42, 44 : 터빈 휠 48 : 보어 튜브 조립체

50, 52 : 튜브 54 : 증기 공급 통로

58 : 증기 글랜드 74 : 베어링

83, 84 : 슬리브 88, 90 : 개구

본 발명은 터빈, 특히 고온 가스 부품을 냉각시키기 위해 폐회로 증기 냉각 경로를 이용하는 발전용 육상(land-based) 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 고온 가스 부품으로의 냉각 증기의 공급 및 소모된 냉각 증기의 복귀(return)를 용이하게 하는 보어 튜브 조립체(bore tube assembly)에 관한 것이다.

고온 가스 경로 부품, 예를 들면 가스 터빈의 버킷의 증기 냉각이 종래에 제안되어 왔으며 육상 발전소에서 효과적인 것으로 판명되었다. 가스 터빈은 통상적으로 공냉식이며, 예를 들어 제트 엔진이 고온 가스 부품을 냉각시키기 위해 압축기의 방출 공기를 이용하지만, 냉각제로서 증기의 이용과 관련된 손실이 냉각 목적을 위해 압축기의 추기(bleed air)를 추출함으로써 발생되는 손실 만큼 크지 않기 때문에 증기 냉각이 보다 효율적이다. 또한, 복합 사이클 운전에 있어서, 증기 냉각이 특히 바람직한데, 이는 증기가 가스 터빈 부품을 냉각시킴에 따라 증기에 전달된 열 에너지가 복합 사이클 운전시에 증기 터빈을 구동하는데 유용한 일로 회수되기 때문이다.

본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,593,274 호에는, 냉각 증기를 로터의 고온 가스 부품, 예를 들어 버킷에 공급하고 그리고 소모된 냉각 증기를 복귀부로 복귀시키기 위한 동축 증기 통로를 갖는 가스 터빈이 개시되어 있다. 그러나, 본 발명은 냉각 목적을 위한 증기의 공급 및 복귀에 있어서의 다양한 개선 및 개량을 제공한다.

본 발명은 폐회로 증기 경로의 효율을 개선시키는 방식으로 로터의 고온 가스 부품에 냉각 증기를 공급하고 소모된 냉각 증기를 복귀하기 위한 보어 튜브 조립체를 제공한다. 보어 튜브 조립체의 다양한 측면이 그것의 효율 개선에 기여한다. 예를 들어, 본 발명에 따르면, 보어 튜브 조립체는 외부 및 내부 동심 튜브 사이의 냉각 증기 공급 통로와, 내부 튜브 내의 소모된 냉각 증기 복귀 통로를 포함한다. 보어 튜브는 로터의 회전 구조체의 일부를 형성한다. 외부 튜브의 입구의 양측상에 래버린스 시일(labyrinth seal)을 갖는 증기 글랜드(steam gland)에 의해 공급 통로에 증기가 공급된다. 내부 및 외부 튜브의 전단부는 단부 캡에 결합되어, 냉각 증기의 축방향 공급 환상 흐름을 증기 냉각식 버킷으로 이송하도록 반경방향 외측으로 전환시키고 또한 증기 냉각식 버킷으로부터 반경방향 내측으로 흐르는 소모된 냉각 증기를 내부 튜브를 통해 복귀부로 흐르도록 축방향으로 전환시킨다. 단부 캡은 증기 공급 통로 및 소모된 냉각 증기 복귀 통로와 각각 연통하는 다수의 원주방향으로 이격된 개구의 제 1 및 제 2 축방향 이격 세트를 포함한다. 단부 캡의 제 1 및 제 2 세트의 개구는 로터에 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 반경방향으로 연장된 튜브의 제 1 및 제 2 축방향 이격 세트와 연통하여, 냉각 증기를 증기 냉각식 버킷에 분배하고 소모된 냉각 증기를 버킷으로부터 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 복귀부로 이송한다. 단부 캡은 로터의 반경방향 외부 부품과 보어 튜브 조립체 사이에 독특한 증기 흐름 전환을 가능하게 한다.

단부 캡 자체와는 별도로, 본 발명의 다른 측면은 단부 캡 내의 내부 코어를 포함한다. 내부 코어는 증기 냉각식 버킷으로부터 복귀되는 소모된 냉각 증기를 튜브를 통해 보어 조립체의 내부 튜브의 축방향으로 지향된 복귀 통로 내로 반경방향 내측으로 지향시키도록 형성된 헤드 또는 본체를 갖는다. 내부 코어는 또한 내부 튜브 내부의 축방향 복귀 흐름 통로 내에서 복귀 냉각 증기가 와류를 일으키는 경향을 제거하기 위한 다수의 베인(vane)을 구비한다. 즉, 베인은 증기 흐름의 와류 성분을 제거하고 실질적으로 증기를 축방향으로 향하게 한다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 증기 공급 통로로부터 후방 주 베어링까지의 열 전달을 최소화하기 위해 외부 튜브와 후방 샤프트 사이에서 외부 튜브의 적어도 일부분 위에 복사 차폐부가 배치된다. 이 차폐부 자체는 후방 주 베어링으로의 열 복사를 차단하며, 만일 그렇지 않으면 베어링의 오일 필름 및 베어링 패드에 대한 허용가능한 한계값 이상의 온도로 될 수 있다. 또한, 보어 튜브와 복사 차폐부 사이에 공극(air gap)이 제공되어, 차폐부가 전도에 의한 열 전달에 대한 열저항을 제공할 수 있도록 한다. 복사 차폐부의 일단부는 외부 보어 튜브에 고정되며, 타단부는 축방향의 열 팽창에 대하여 자유롭게 유지된다.

본 발명의 또 다른 측면은 외부 튜브에 대한 내부 튜브의 열팽창 및 수축을 가능하게 하는 보어 튜브 조립체의 내부 및 외부 튜브 사이에 스트러트 링(strut ring)을 제공하는 것이다. 스트러트 링은 내부 및 외부 링을 포함하며, 외부 링은 바람직하게는 보어 튜브 조립체의 외부 튜브의 내부면에 용접에 의해 고정된다. 내부 튜브는 스트러트 링에 대한 내부 튜브의 축방향 열 팽창을 가능하게 하도록 스트러트 링의 내부 링에 대해 미끄럼 이동이 가능하다. 스트러트 링은 외부 튜브에 대한 내부 튜브의 배향, 즉 동심성을 유지한다. 또한, 스트러트 링은 내부 및 외부 링 사이에 연장하는 다수의 스트러트를 포함하며, 이 스트러트는 스트러트 링의 반경으로부터 경사져 있다. 스트러트의 경사(canting)는 외부 튜브에 대한 내부 튜브의 제한된 반경방향 열 팽창을 가능하게 하는 동시에, 내부 및 외부 튜브의 동심성을 유지시킨다. 더욱이, 스트러트의 후연부(trailing edge)는 와류(vortices)를 없애기 위해 축방향의 하류 방향으로 경사져 있다. 본 발명의 또 다른 측면은 본 명세서로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 터빈 버킷을 장착한 다수의 터빈 휠을 포함하고 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈에서, 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 복귀부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서, 서로 이격되고 축에 대해 동심이며, 각각 냉각 매체를 하나의 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 하나의 축방향과 반대 축방향으로 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 있는 기다란 외부 및 내부 튜브와, 제 1 및 제 2 통로와 연통하는 다수의 원주방향으로 이격된 개구의 제 1 및 제 2 세트를 구비하며 튜브 조립체의 일단부에 인접하는 단부 캡과, 하나의 터빈 휠의 버킷에 냉각 매체를 분배하고 소모된 냉각 매체를 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 복귀부로 이송하도록 단부 캡 내의 각각의 제 1 및 제 2 세트의 개구와 연통하는, 로터에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 반경방향으로 연장된 통로의 제 1 및 제 2 세트를 포함하는 보어 튜브 조립체가 제공된다.

본 발명의 보다 바람직한 실시예에 있어서, 터빈 버킷을 장착한 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈에서, 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 복귀부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서, 서로 이격되고 축에 대해 동심이며, 각각 냉각 매체를 하나의 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 하나의 축방향과 반대 축방향으로 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 있는 기다란 외부 및 내부 튜브와, 하나의 터빈 휠의 버킷에 냉각 매체를 분배하고 소모된 냉각 매체를 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 복귀부로 이송하도록 각각의 제 1 및 제 2 통로와 연통하는, 로터에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 반경방향으로 연장된 통로의 제 1 및 제 2 세트와, 외부 튜브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 베어링 저널과, 통로를 통해 흐르는 냉각 매체로부터의 복사에 의한 열 전달에 대해 베어링 저널을 단열시키기 위해 외부 튜브에 의해 지지된 복사 차폐부를 포함하는 보어 튜브 조립체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 터빈 버킷을 장착한 다수의 터빈 휠을 포함하고 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈에서, 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 복귀부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서, 서로 이격되고 축에 대해 동심이며, 각각 냉각 매체를 하나의 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 하나의 축방향과 반대 축방향으로 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 있는 기다란 외부 및 내부 튜브와, 내부 튜브 및 외부 튜브 사이에 배치되고, 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트에 의해 서로 상호연결된 외부 링 및 내부 링을 갖는 스트러트 링으로서, 내부 링 및 외부 링중 하나는 내부 튜브 및 외부 튜브중 하나에 각각 고정되며, 내부 링 및 외부 링중 다른 하나와 내부 튜브 및 외부 튜브중 다른 하나는 서로에 대해 미끄럼이동 가능한 보어 튜브 조립체가 제공된다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 터빈 로터의 보어 튜브 조립체에서, 로터의 선택된 고온 가스 부품으로의 냉각 매체의 효율적인 공급 및 소모된 냉각 증기의 복귀를 가능하게 하는 신규하고 개선된 냉각 회로를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명을 구체화한 단순 사이클의, 일축형 강력 가스 터빈(10)을 개략적으로 도시한 블록선도이다. 가스 터빈은 로터 샤프트(14)를 갖는 다단 축류 압축기(12)를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다. 공기는, 도면부호(16)에서 압축기의 입구에 유입되고, 축류 압축기(13)에 의해 압축되며, 천연 가스 등의 연료가 연소되어 터빈(20)을 구동시키는 고 에너지의 연소 가스를 제공하는 연소기(18)로 방출된다. 터빈(20)에서, 고온 가스 에너지는 일(work)로 변환되며, 그 중 일부는 샤프트(14)를 통해 압축기(12)를 구동시키는데 사용되며, 나머지는 전기를 발생시키기 위해 로터 샤프트(24)에 의해 발전기(22) 등의 부하를 구동시키는데 유용한 일로 이용할 수 있다. 전형적인 단순 사이클의 가스 터빈은 연료 입력량의 30% 내지 35%를 샤프트 출력으로 변환시킬 것이다. 그러나, 나머지의 1% 내지 2% 이외에는 모두 도면부호(26)의 위치에서 터빈(20)을 빠져나가는 배기 열의 형태를 취하고 있다. 터빈 배기 스트림 내의 에너지가 추가의 유용한 일로 변환되는 복합 사이클 형식의 가스 터빈(10)을 이용함으로써 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.

도 2는 가장 단순한 형태의 복합 사이클을 나타내고 있고, 여기서 도면부호(26)에서 터빈(20)을 빠져나가는 배기 가스는 보일러의 방식으로 물을 증기로 변환시키는 열 회수 증기 발생기(28)에 유입된다. 따라서, 생성된 증기는 하나 이상의 증기 터빈(30)을 구동시키고 이 증기 터빈에서 추가의 일이 추출되어, 제 2 발전기(34)와 같은 추가의 부하를 구동시키며, 이 제 2 발전기에서 추가의 전력이 생성된다. 일부 구성에서는, 터빈(20, 30)은 공통 발전기를 구동시킨다. 전력만을 발생시키는 복합 사이클은 통상 열효율의 범위가 50% 내지 60%이며, 본원의 튜브 조립체가 그것의 일부를 형성하는 보다 진보된 가스 터빈을 이용함으로써, 60%를 초과하는 효율을 얻을 수 있다.

도 3을 참조하면, 로터 샤프트(24)의 터빈부(36)가 부분적으로 도시되어 있다. 터빈부(36)는, 그와 함께 회전하도록 로터 샤프트에 장착되고 로터 샤프트의 일부를 형성하는 터빈 휠(38, 40, 42, 44)을 구비한 4개의 연속 단을 포함하는 다수의 단을 포함한다. 다수의 단의 각각은 일렬의 버킷을 지지하고 있으며, 두 개의 버킷(B)이 휠(38, 40)용으로 도시되어 있고, 이러한 버킷은 휠의 반경방향으로 외측으로 돌출되어 있다. 물론, 버킷은 도시되지 않은 고정된 노즐 사이에 교대로 배열되어 있다. 휠(38, 40, 42, 44) 사이에는 스페이서 디스크(39, 41, 43)가 제공되어 있다. 후방 샤프트(76)의 일체부를 형성하는 냉각제 공급 및 복귀 후방 디스크(45)는 최종 단의 터빈 휠(44)의 후방측상에 제공된다. 종래의 터빈 구조와 같이, 휠 및 디스크는 다수의 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장하는 볼트(도시되지 않음)에 의해 서로 고정됨을 인지할 것이다.

본 발명에 따른 보어 튜브 조립체는 도면부호(48)로 표시되어 있다. 보어 튜브 조립체(48)는 로터의 일부를 형성하고, 로터의 축(A)을 중심으로 회전하도록 장착되어 있으며 냉각제 공급 및 복귀 후방 디스크(45)에 연결되어 있다. 보어 튜브 조립체 및 후방 디스크(45)는 적어도 하나의 터빈 단의 터빈 버킷, 바람직하게 터빈의 최초 2개의 단에 냉각 매체(예를 들면, 증기)의 흐름과, 소모된 냉각 매체(예를 들면, 증기)를 복귀부로 유동시키기 위한 통로를 제공하도록 협동한다. 냉각 시스템은 복합 사이클 시스템에서의 폐회로 증기 냉각 공급 및 복귀 시스템의 일부로서 공급될 수 있고, 즉 고압의 증기 터빈 배기로부터 분리될 수 있거나, 또는 현존하는 플랜트 내(in-plant) 공급원으로부터 공급될 수도 있다.

보어 튜브 조립체(48)는 외부 튜브(50)와, 로터 샤프트(24)의 회전축에 대해 외부 튜브(50)와 동심인 내부 튜브(52)를 포함한다. 외부 및 내부 튜브(50, 52)는 각각 환형 냉각 증기 공급 통로(54)를 형성하는 반면에, 내부 튜브(52)는 소모된 냉각 증기 복귀 통로(56)를 제공한다. 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 증기 글랜드(58)는 보어 튜브 조립체의 주위에 위치된다. 증기 글랜드(58)는 고정되며 보어 튜브 조립체는 로터 샤프트 축(A)을 중심으로 회전함을 인지할 수 있을 것이다. 적합한 공급원(도시 안됨)으로부터 증기 공급원에 연결된 증기 플리넘(60)은 외부 튜브(50)와 내부 튜브(52) 사이의 통로(54)에 냉각 증기를 공급하기 위해 외부 튜브(50)를 관통하여 형성된 증기 입구(62)와 연통하여 놓여 있다. 바람직하게, 스프링 가압된 래버린스형 시일(64, 66)은 외부 튜브(50) 둘레를 밀봉하기 위해 증기 글랜드(58)의 양측상에 제공된다. 이러한 설계에 대한 변형예로서, 래버린스형 시일 대신에 브러쉬 시일을 이용할 수도 있다. 증기 글랜드(58)의 후단부는 유동하는 소모된 냉각 증기에 대한 복귀부(R)로 개략적으로 도시된 고정식 증기 파이프와 연결된다. 또한, 증기 글랜드는 증기가 후방 주 베어링(74)으로 전방으로 유동하지 않도록 레버린스형 시일을 통과하여 누설되는 증기를 수집하기 위한 누설 증기 플리넘(70, 72)도 포함한다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 베어링(74)은 종래의 베어링이며 디스크(45)와 일체형인 후방 샤프트(76)를 포함하며, 이 후방 샤프트(76)는 보어 튜브 조립체(48)와 함께 회전가능하다. 후방 주 베어링의 양단부에 다양한 시일이 배치되어, 주 베어링을 밀봉하도록 후방 샤프트와 협동한다.

도 4a 및 도 5를 참조하면, 보어 튜브 조립체의 전단부는 단부 캡(80)을 포함한다. 단부 캡(80)은 후방 디스크(45)에 고정된 대체로 원통형의 외부 부재를 포함하며, 밀폐 단부(82), 및 보어 튜브 조립체의 외부 튜브(50)에 예를 들어 용접에 의해 고정되는 대향 개방 단부를 구비한다. 원통형의 외부 및 내부 슬리브(83, 84)는 단부 캡(80)의 일체부로 형성된다. 내부 슬리브(84)의 후단부(86)는 내부 튜브(52)의 전단부에 고정된다. 외부 슬리브(83)의 후단부는 외부 튜브(50)의 전단부에, 예를 들어 용접에 의해 고정된다. 결과적으로, 단부 캡의 원통형 개방 단부는 냉각제 공급 통로(54) 및 소모된 냉각제 복귀 통로(56)의 연장부를 규정한다.

축(A) 주위의 직경 방향의 평면 내에 놓여 있는 다수의 원주방향으로 이격된 개구(88)의 제 1 세트는 단부 캡(80)의 외부 슬리브(83) 둘레에 제공된다. 개구(88)는 보어 튜브 조립체의 제 1 통로(54), 및 단부 캡의 동심 내부 및 외부 슬리브를 통한 연장부와 연통하여 놓여 있다. 바람직하게 제 1 세트의 개구(88)로부터 축방향으로 이격되고, 제 2 직경 방향 평면 내에 놓여 있는 원주방향으로 이격된 개구(90)의 제 2 세트는 단부 캡(80)의 전단부에 인접하여 제공된다. 제 2 세트의 개구(90)는 내부 슬리브(84)를 거쳐 소모된 냉각제 복귀 통로(56)와 연통하여 놓여 있다.

도 3 및 도 4a를 다시 참조하면, 다수의 원주방향으로 이격되고 반경방향으로 연장하는 튜브(92)는 후방 디스크(45) 내에 배치되며 단부 캡(80)의 제 1 세트의 개구(88)와 각각 연통하여 배치되어 있다. 제 1 세트의 개구(88)의 튜브(92)의 대향 단부는 적어도 제 1 단 터빈 휠, 바람직하게는 제 1 및 제 2 단 터빈 휠의 버킷에 증기를 공급하여 버킷을 냉각시키도록 로터 내에서 축방향으로 연장하는 공급 튜브(98)(도 3)와 연통하여 배치되어 있다. 다수의 원주방향으로 이격된 튜브(94)의 제 2 세트는 단부 캡(80)의 각각의 개구(90)와 반경방향 내부 단부에서 연통하도록 후방 디스크(45) 내에서 반경방향으로 연장한다. 제 2 세트의 튜브(94)는 냉각된 버킷으로부터 튜브(94)까지 개구(90)를 거쳐 단부 캡(80) 내로 소모된 냉각 증기를 복귀시키기 위해 로터 내에서 축방향으로 연장하는 복귀 튜브(96)와 연통하여 배치되어 있다. 따라서, 튜브(92, 94)는, 각각 통로(54)로부터 단부 캡(80)을 통과하여 버킷까지 냉각 매체를 이송하고, 버킷으로부터 통로(56)를 따라 단부 캡(80) 및 내부 튜브(52)를 포함한 보어 튜브 조립체를 거쳐 소모된 냉각 매체를 복귀시키기 위해 단부 캡 내에서 각각의 제 1 및 제 2 세트의 개구(88, 90)와 연통하는 다수의 원주방향으로 이격되어 연장하는 각각의 통로(93, 95)의 축방향으로 이격된 제 1 및 제 2 세트를 구성함을 인지할 수 있을 것이다.

단부 캡 조립체 내에는 내부 코어(100)가 제공된다. 도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 내부 코어(100)는 볼트 체결된 연결부에 의해 단부 캡(80)의 내부 단부면에 고정하기 위한 편평한 기저부(104)를 갖는 중심 본체(102)를 포함하고 있으며, 다섯 개의 볼트 구멍(103)이 도 6 및 도 7에 도시되어 있다[하나의 볼트(101)가 도 4a 및 도 5에 도시되어 있다]. 내부 코어(100)는 인코넬(Inconel) 718(상표명)로 바람직하게 형성된 단조품(forged piece)이다. 내부 코어의 주조는 대안적인 방법이다. 부가적으로, 두 개의 장부 맞춤핀(dowel pins)[그중 하나가 도 4a 및 도 5의 각각에 도면부호(106)로 도시됨]은 내부 코어(100)와 단부 캡(80) 사이의 전단 하중을 지탱하는데 이용되며, 볼트(101)는 인장 하중을 지탱한다.

특히 도 8을 참조하면, 내부 코어(100)의 본체(102)는 대체로 아치형상이고, 정점(110)에서 종료하는 원추 형상이며, 원추형 본체(102)의 축은 로터 축(A) 상에 놓여 있다. 또한, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 만곡된 원추형 본체(102)로부터 내부 코어(100)의 가장자리까지 연장되는 다수의 베인(112)이 제공된다. 도 4a 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내부 코어(100)가 단부 캡(80)의 내부면에 고정되면, 내부 코어(100)의 전체가 내부 슬리브(84) 내에 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 또한, 베인(112)은 서로 이격되어 있어, 튜브(94)를 통한 복귀 흐름이 베인 사이를 유동한다. 이러한 구성에 의해, 소모된 냉각제 증기의 복귀 흐름은 대체로 반경방향 내측으로 지향된 흐름으로부터 내부 튜브(52) 내의 축방향으로 연장하는 흐름으로 소모된 냉각 증기 흐름을 전환시키는 내부 코어 본체(102)의 만곡된 원추형 표면에 대해 충돌하도록 개구(90)를 통해 내부 슬리브(84)로 도입된다. 베인(112)은 소모된 냉각 증기의 반경방향 내측으로 지향된 흐름이 와류 성분을 갖는 경향을 제거하는 역할을 한다. 따라서, 베인은 실질적으로 축방향으로 유동하도록 흐름을 똑바로 하여, 내부 슬리브(84) 및 통로(56) 내의 반경방향 흐름을 최소화하거나 제거한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 후방 샤프트는 한 쌍의 전방 및 후방 억지 끼워맞춤부(interference fits)에 의해 보어 튜브 조립체에 고정된다. 예를 들어, 전방 억지 끼워맞춤부는 도 4a에 도면부호(120)로 나타나 있으며, 후방 억지 끼워맞춤부는 도 4b에 도면부호(122)로 나타나 있다. 보어 튜브 조립체는 터빈의 모든 작동 조건에서 후방 샤프트의 중심에 고정되어 부착되어야 한다. 그렇지 않으면, 파괴적인 불균형 및 후속적인 진동이 발생할 수 있다. 후방 샤프트의 양 단부에서 보어 튜브 조립체와 후방 샤프트 사이의 한쌍의 억지 끼워맞춤부는 이러한 불균형 및 진동을 방지한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 보어 튜브 조립체는 후방 샤프트 내에서 비틀리지 않아야 한다. 이를 달성하기 위해, 보어 조립체의 전단부와 결합하는 후방 샤프트를 관통하는 반경방향 핀을 이용한다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 후방 샤프트(76)는 핀(128)을 수용하기 위해 원주방향으로 이격된 위치에서 다수의 개구(126)를 갖는다. 핀(128)의 내부 단부는 단부 캡(80)의 외부 슬리브(83)의 외주면 상에 형성된 원주방향으로 이격된 리세스(130) 내에 결합된다. 리세스 내에 결합하는 이러한 핀들은 보어 튜브 조립체에 대한 후방 샤프트의 원주방향 및 축방향 이동을 방지함을 인지할 수 있을 것이다.

도 4b, 도 12, 및 도 13을 참조하면, 보어 조립체를 형성하는 내부 및 외부 튜브의 온도는 작동중에 서로 다른데, 이는 외부 동심 통로(54)가 냉각 증기를 공급하는 반면에, 소모된 복귀 증기가 훨씬더 높은 온도로 통로(56) 내에서 유동하기 때문이다. 결과적으로, 내부 튜브(52)는 축방향으로 그리고 반경방향으로 열 팽창하는 경향이 있다. 축방향 및 반경방향 방향 모두에서의 열 팽창을 수용하기 위해서는, 스트러트 링(130)이 외부 튜브(50) 및 내부 튜브(52) 사이에 위치된다. 도 12를 참조하면, 스트러트 링은 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트(136)에 의해 서로 연결된 외부 링(132) 및 내부 링(134)을 포함한다. 외부 링(132)은 바람직하게 외부 튜브(50)에 예를 들어 용접에 의해 고정된다. 그러나, 내부 링(134)은 내부 튜브(52)에 미끄럼이동 가능하게 연결된다. 또한, 반대의 구성, 즉 내부 링이 내부 튜브에 고정되며, 외부 링이 외부 튜브에 대해 미끄럼이동 가능하게 연결되는 것도 가능하지만, 바람직하지는 않다. 이러한 구성에 의해, 내부 튜브는 외부 튜브(50)와 동심을 유지하고 있으며, 동시에 내부 튜브의 축방향으로의 열 팽창은 튜브(52)와 내부 링(134) 사이의 상대적인 미끄럼 이동에 의해 수용된다. 내부 튜브 및 외부 튜브는 상기 튜브들의 전단부에서 로터에 고정되며, 결과적으로 내부 튜브는 외부 튜브에 대해 후방으로 축방향으로 팽창할 수 있다. 내부 링(134)과 내부 튜브(52) 사이의 끼워맞춤은 매우 정밀한 공차로 연마된 강성 표면 피복을 포함한다.

내부 튜브(52)의 열 팽창을 반경방향으로 가능하게 하기 위해서는, 스트러트(136)는 도 12에 도시된 바와 같이, 반경에 대해 경사진 각도로 내부 링(134) 및 외부 링(132) 사이에서 연장한다. 즉, 스트러트 링의 반경과 스트러트(136) 사이에 예각이 형성된다. 내부 튜브(52)의 반경방향 외측으로의 열 팽창에 의해 반경방향으로 연장하는 스트러트(136)에 인가된 반경방향 힘은 반경에 대해 스트러트를 경사지게 함으로써 완화된다. 따라서, 내부 튜브(52)가 열부하 하에서 반경방향으로 팽창됨에 따라, 내부 링(134)은 약간 회전하는 경향이 있고 스트러트는 절곡되는 경향이 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 스트러트(136)의 형상에 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 스트러트(136)의 상류 또는 전연부(leading edge)는 흐름 통로(54)의 축에 대체로 수직인 평면에 놓여 있다. 그러나, 스트러트(136)의 후연부는 축에 대해 경사져 있으며, 즉 내부 튜브로부터 대체로 반경방향 외측 방향으로 그리고 하류 방향으로 경사져 있다. 즉, 전연부가 축에 수직으로 연장하면, 후연부는 각각의 스트러트의 외경이 그 내경보다 긴 축방향 길이를 갖도록 경사져 있다. 스트러트의 특정 형상은, 냉각 증기가 통로(54)를 따라 유동함에 따라 이러한 구성 및 배향의 스트러트가 와류 발생 및 진동을 감소시키는 경향이 있으므로, 보다 중요하다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 후방 샤프트(76)를 관통하는 다수의 공기 입구 통로(140)가 존재한다. 열 복사 차폐부(142)가 외부 튜브(50) 둘레에 배치되며 후방 샤프트(76)로부터 이격되어 공기 통로(140)로부터 공기 흐름을 수용하기 위해 축방향으로 연장하는 동심의 간극을 제공한다. 이러한 환형 공기 통로를 통과하는 공기는 보어 튜브 조립체의 전단부에서 핀(128)과 동일한 축방향 평면 내의 다수의 구멍을 통해 로터를 빠져나간다. 열 복사 차폐부(142)와 외부 보어 튜브(50) 사이에 환형의 공극이 놓여진다. 결과적으로, 차폐부(142)는 통로(54) 내의 냉각 증기로부터 후방 주 베어링으로의 복사에 의한 열 전달을 차단한다. 또한, 공극 및 공기 통로는 통로(54) 내의 냉각 증기 및 주 베어링 사이에 단열부를 형성한다.

상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 터빈 로터의 보어 튜브 조립체는 냉각 매체를 로터의 선택된 고온 가스 부품에 효율적으로 공급하고 또 소모된 냉각 증기를 복귀시키는 것을 용이하게 한다.

Claims

터빈 버킷을 장착한 다수의 터빈 휠을 포함하고 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 복귀부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서,

서로 이격되고 상기 축에 대해 동심이며, 각각 상기 냉각 매체를 하나의 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 하나의 축방향과 반대 축방향으로 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 있는 기다란 외부 및 내부 튜브와,

상기 제 1 및 제 2 통로와 연통하는 다수의 원주방향으로 이격된 개구의 제 1 및 제 2 세트를 구비하며 상기 튜브 조립체의 일단부에 인접하는 단부 캡과,

상기 하나의 터빈 휠의 버킷에 냉각 매체를 분배하고 상기 소모된 냉각 매체를 상기 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 상기 복귀부로 이송하도록 상기 단부 캡 내의 각각의 제 1 및 제 2 세트의 개구와 연통하는, 상기 로터에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 반경방향으로 연장된 통로의 제 1 및 제 2 세트를 포함하는

보어 튜브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 통로는 상기 내부 튜브와 외부 튜브 사이에 배치되어 있고, 상기 제 2 통로는 상기 내부 튜브 내에 배치되어 있으며, 상기 단부 캡 내의 제 1 및 제 2 세트의 개구는 서로 이격되어 있으며, 그리고 상기 제 1 및 제 2 세트의 통로는 서로 축방향으로 이격되어 있는

보어 튜브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 단부 캡 내로 반경방향으로 흐르는 소모된 냉각 매체를 상기 반경방향으로 지향된 제 2 세트의 통로로부터 상기 제 2 통로 내의 소모된 냉각 매체의 축방향으로 지향된 흐름으로 전환시키기 위해 상기 단부 캡 내에 배치된 내부 코어를 포함하는

보어 튜브 조립체.
제 3 항에 있어서,

상기 내부 코어는, 소모된 냉각 매체가 상기 제 2 통로 및 상기 통로 내의 반경방향 흐름과 축방향 흐름 사이에서 전환됨에 따라 소모된 냉각 매체의 흐름의 와류 성분을 제거함으로써, 흐름의 와류 성분이 거의 없는 상기 제 2 통로 내부에 실질적인 축류를 제공하기 위한 다수의 원주방향으로 이격된 베인을 구비하는

보어 튜브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 외부 튜브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 베어링 저널과, 상기 통로를 통해 흐르는 냉각 매체로부터의 복사에 의한 열 전달에 대해 상기 베어링 저널을 단열시키기 위해 상기 외부 튜브에 의해 지지된 복사 차폐부를 포함하는

보어 튜브 조립체.
제 5 항에 있어서,

상기 저널 베어링은 상기 복사 차폐부와 함께 그 사이에 단열 공극을 형성하는 후방 샤프트를 포함하는

보어 튜브 조립체.
제 5 항에 있어서,

상기 복사 차폐부의 일단부는 상기 외부 튜브에 고정되고, 상기 차폐부의 타단부는 상기 외부 튜브에 대한 축방향의 이동이 자유로워서, 상기 외부 튜브에 대한 상기 복사 차폐부의 축방향 열팽창 및 수축을 가능하게 하는

보어 튜브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 내부 튜브와 상기 외부 튜브 사이에 배치되고, 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트에 의해 서로 상호연결된 외부 링 및 내부 링을 갖는 스트러트 링을 구비하며, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중 하나는 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브 중 하나에 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중 다른 하나와 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브중 다른 하나는 서로에 대해 미끄럼이동 가능한

보어 튜브 조립체.
제 8 항에 있어서,

상기 외부 링은 상기 외부 튜브에 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 내부 튜브는 서로에 대해 미끄럼이동 가능하여, 상기 외부 튜브에 대한 상기 내부 튜브의 축방향 열 팽창을 가능하게 하는

보어 튜브 조립체.
제 9 항에 있어서,

상기 스트러트는 상기 스트러트의 반경으로부터 오프셋된 각도로 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이에서 연장되어, 상기 외부 튜브에 대한 반경방향 외측 방향으로의 상기 내부 튜브의 열 팽창을 가능하게 하는

보어 튜브 조립체.
제 8 항에 있어서,

상기 스트러트는 상기 제 1 통로 내에서 냉각 매체 흐름의 각각의 상류 및 하류 방향으로 향하는 전연부 및 후연부를 가지며, 상기 후연부는 상기 링중 하나로부터 반경방향 및 축방향의 하류 방향으로 연장되는

보어 튜브 조립체.
터빈 버킷을 장착한 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 복귀부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서,

서로 이격되고 상기 축에 대해 동심이며, 각각 냉각 매체를 하나의 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 하나의 축방향과 반대 축방향으로 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 있는 기다란 외부 및 내부 튜브와,

상기 하나의 터빈 휠의 버킷에 냉각 매체를 분배하고 상기 소모된 냉각 매체를 상기 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 상기 복귀부로 이송하도록 상기 각각의 제 1 및 제 2 통로와 연통하는, 상기 로터에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 반경방향으로 연장된 통로의 제 1 및 제 2 세트와,

상기 외부 튜브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 베어링 저널과, 상기 통로를 통해 흐르는 냉각 매체로부터의 복사에 의한 열 전달에 대해 상기 베어링 저널을 단열시키기 위해 상기 외부 튜브에 의해 지지된 복사 차폐부를 포함하는

보어 튜브 조립체.
제 12 항에 있어서,

상기 저널 베어링은 상기 복사 차폐부와 함께 그 사이에 단열 공극을 형성하는 후방 샤프트를 포함하는

보어 튜브 조립체.
제 12 항에 있어서,

상기 복사 차폐부의 일단부는 상기 외부 튜브에 고정되며, 상기 차폐부의 타단부는 상기 외부 튜브에 대해 축방향의 이동이 자유로워서, 상기 외부 튜브에 대한 상기 복사 차폐부의 축방향 열팽창 및 수축을 가능하게 하는

보어 튜브 조립체.
터빈 버킷을 장착한 다수의 터빈 휠을 포함하고 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 복귀부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서,

서로 이격되고 상기 축에 대해 동심이며, 각각 상기 냉각 매체를 하나의 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 하나의 축방향과 반대 축방향으로 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 있는 기다란 외부 및 내부 튜브와,

상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브 사이에 배치되고, 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트에 의해 서로 상호연결된 외부 링 및 내부 링을 갖는 스트러트 링으로서, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중 하나는 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브중 하나에 각각 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중 다른 하나와 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브중 다른 하나는 서로에 대해 미끄럼이동 가능한

보어 튜브 조립체.
제 15 항에 있어서,

상기 외부 링은 상기 외부 튜브에 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 내부 튜브는 서로에 대해 미끄럼이동 가능하여, 상기 외부 튜브에 대한 상기 내부 튜브의 축방향 열 팽창을 가능하게 하는

보어 튜브 조립체.
제 16 항에 있어서,

상기 스트러트는 상기 스트러트의 반경으로부터 오프셋된 각도로 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이에서 연장되어, 상기 외부 튜브에 대한 반경방향 외측 방향으로의 상기 내부 튜브의 열 팽창을 가능하게 하는

보어 튜브 조립체.
제 15 항에 있어서,

상기 스트러트는 상기 제 1 통로 내에서의 냉각 매체 흐름의 각각의 상류 및 하류 방향으로 향하는 전연부 및 후연부를 가지며, 상기 후연부는 상기 링중 하나로부터 반경방향 및 축방향의 하류 방향으로 연장되는

보어 튜브 조립체.