KR100746057B1 - 에어 세퍼레이터의 장착 구조 및 그것을 구비한 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

(과제) 가스 터빈의 동익용 냉각 공기를 확실하게 공급할 수 있는 에어 세퍼레이터의 장착 구조를 제공한다.

(해결수단) 로터의 외주면에 대하여 개구부에 연통하는 공극을 형성하도록 배치된 원통 형상 부재로서, 그 일단에 플랜지부를 갖는 에어 세퍼레이터와, 상기 로터의 축심을 중심으로 한 원환형의 오목부를 형성하는 디스크 오목부를 외표면에 갖는 동익 회전 디스크로 이루어지는 에어 세퍼레이터의 장착 구조로서, 상기 플랜지부의 외주에 형성되고, 상기 로터의 축심에 평행한 플랜지부 외주면과, 상기 디스크 오목부에 형성되고, 상기 로터의 축심에 평행하며, 축심을 중심으로 하여 원환형으로 형성된 대향하는 디스크 오목부 내주면과의 접촉면에, 시일면이 형성되는 에어 세퍼레이터의 장착 구조.

에어 세퍼레이터, 가스 터빈.

Description

에어 세퍼레이터의 장착 구조 및 그것을 구비한 가스 터빈{MOUNTING STRUCTURE FOR AIR SEPARATOR AND GAS TURBINE COMPRISING THE SAME}

도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 에어 세퍼레이터 주변의 가스 터빈의 전체 구조를 나타낸다.

도 2 는 본 발명의 일 실시형태인 에어 세퍼레이터의 장착 구조 주변의 구조도를 나타낸다.

도 3 은 본 발명의 일 실시형태인 에어 세퍼레이터의 사시도를 나타낸다.

도 4 는 본 발명의 에어 세퍼레이터의 플랜지부 주변의 장착 구조의 상세로서, 도 2 의 A 부의 상세를 나타낸다.

도 5 는 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 관계를 나타낸다.

도 6 은 핫스타트 운전시의 플랜지부와 디스크 오목부의 터빈 회전수와 원심력에 의한 끼워맞춤 공차의 관계를 나타낸다.

도 7 은 핫스타트 운전시의 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 공차의 시간 변화를 나타낸다.

도 8 은 종래의 에어 세퍼레이터 주변의 가스 터빈의 전체 구조를 나타낸다.

도 9 는 종래의 에어 세퍼레이터의 사시도를 나타낸다.

도 10 은 핫스타트 운전시의 가스 터빈 회전수의 시간 변화를 나타낸다.

도 11 은 핫스타트 운전시의 냉각 공기 온도의 시간 변화를 나타낸다.

도 12 는 핫스타트 운전시의 동익 회전 디스크와 플랜지부의 온도 변화를 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 로터 2: 동익 회전 디스크

3: 에어 세퍼레이터 3-1: 에어 세퍼레이터

3-2: 에어 세퍼레이터 4: 제 1 단 정익

5: 제 1 단 동익 6: 볼트너트

7: 개구단 8: 개구부

9: 공극 10: 래이디얼 홀

11: 냉각 공기 구멍 20: 플랜지부

20-1: 플랜지부 20-2: 플랜지부

21: 플랜지부 단부면 22: 플랜지부 외주면

23: 볼트 구멍 30: 디스크 오목부

31: 디스크 오목부 저면 32: 디스크 오목부 내주면

40: 연소기 41: 시일부

42: 시일부 43: 공기 덕트

[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 평11-013408호

본 발명은 가스 터빈의 동익용 냉각 공기를 공급하는 에어 세퍼레이터의 장착 구조에 관한 것이다.

에어 세퍼레이터의 장착 구조는 에어 세퍼레이터와 동익 회전 디스크로 구성되는 것이고, 가스 터빈 동익용 냉각 공기로서, 압축기로부터의 압축 공기의 일부를 도입하여 동익에 냉각 공기를 공급하기 위한 것이다.

도 8 에 종래의 에어 세퍼레이터 주변의 가스 터빈의 전체 구조를 나타낸다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 평11-013408호에 개시되어 있다. 가스 터빈의 연소기 (40) 로부터의 고온 배기 가스는 제 1 단 정익 (4) 및 제 1 단 동익 (5) 을 통과하고, 나아가 후단의 정익, 동익을 통과하는 동안에, 배기 가스가 갖는 고온 에너지가 가스 터빈의 회전 에너지로 변환되어, 전력으로서 추출된다. 따라서, 가스 터빈의 효율 상승을 위해서는 배기 가스의 고온화는 피할 수 없고, 이 때문에 동익의 냉각이 필요 불가결하다. 동익의 냉각은, 압축기 (도시하지 않음) 로 압축된 후, 쿨러 (도시하지 않음) 로 냉각된 압축 공기의 일부가, 로터측 개구부 (8) 로부터 에어 세퍼레이터 (3-2) 와 로터 (1) 사이의 공극 (9) 을 경유하여 도입되고, 동익 회전 디스크 (2) 의 래이디얼 홀 (10) 및 냉각 공기 구멍 (11) 을 경유하여, 동익 내부에 안내되고, 각 동익을 공기 냉각하는 방법이 일반적으로 행해지고 있다. 로터 (1) 에는 둘레단에 제 1 단 동익 (5) 을 매립한 동익 회전 디스크 (2) 가 장착되어 로터 (1) 와 함께 회전한다. 한편, 에어 세퍼레이터 (3-1, 3-2) 는 분할된 한 쌍의 원통 형상 부재로 이루어지고, 일단에는 에어 세퍼레이터 (3-1, 3-2) 를 고정하기 위한 플랜지부 (20-1, 20-2) 가 형성되고, 타단은 냉각 공기를 도입하기 위한 개구부 (8) 에 인접하고 있다. 일방의 에어 세퍼레이터 (3-1) 는 플랜지부 (20-1) 를 통해 로터 (1) 에 볼트너트 (6-1) 로 고정되고, 타방의 에어 세퍼레이터 (3-2) 는 플랜지부 (20-2) 를 통해 동익 회전 디스크 (2) 에 볼트너트 (6-2) 로 고정되어, 로터 (1), 동익 회전 디스크 (2) 와 함께 일체로 되어 회전하고 있다. 압축기 (도시하지 않음) 로부터 공기 덕트 (43) 를 경유하여 보내진 냉각 공기의 일부는, 시일부 (41, 42) 의 사이에 형성된 개구부 (8) 로부터 에어 세퍼레이터 (3-2) 로 도입된다. 또, 냉각 공기는 로터 (1) 와 에어 세퍼레이터 (3-2) 사이에 형성된 공극 (9) 을 통해, 동익 회전 디스크 (2) 에 배치된 냉각 공기 구멍 (11) 에 공급됨과 함께, 에어 세퍼레이터 (3-2) 의 플랜지부 (20-2) 에 형성된 공기 구멍 (도시하지 않음) 을 경유하여 래이디얼 홀 (10) 에도 공급되고, 최종적으로는 각 동익에 공급된다. 종래의 에어 세퍼레이터의 구성을 도 9 에 나타내고 있다.

그런데, 동익 회전 디스크 (2) 에 볼트너트 (6-2) 로 고정되어 있는 에어 세퍼레이터 (3-2) 의 플랜지부 (20-2) 에 있어서, 로터 (1) 와 에어 세퍼레이터 (3-2) 사이의 공극 (9) 을 경유하여 도입된 냉각 공기에 누출이 발생한 경우, 냉각 공기가 동익 선단까지 충분히 공급되지 않아, 냉각 불량에 의해 동익이 손상될 가능성이 있다. 그래서, 종래에는 플랜지부 (20-2) 를 볼트너트 (6-2) 로 죄어, 동익 회전 디스크 (2) 의 외표면과 플랜지부 (20-2) 의 접촉면을 밀착시키고, 볼트너 트의 조임력으로 시일하여, 플랜지부에서의 에어 리크의 방지를 꾀하고 있었다.

한편, 가스 터빈을 정지 후 재가동하는 경우에, 핫스타트 운전이 종종 행해진다. 핫스타트 운전이란, 장치의 정지 후, 가스 터빈의 각 부위가 비교적 고온 (예를 들어 200℃ 정도) 으로 유지된 상태에서, 장치를 재가동시키는 운전을 말한다.

핫스타트 운전의 운전 상황을, 도 10 및 도 11 을 사용하여 설명한다. 도 10 은 핫스타트 운전시의 터빈 회전수의 운전 개시시로부터의 시간 변화를 나타내고 있다. 세로축은 터빈 회전수를 나타내고, 가로축은 운전 개시시로부터의 시간 경과를 나타내고 있다. 또한, 정상 운전에 도달하기까지의, 운전 상황의 주요 항목을 가로축에 표시하고 있다. 가스 터빈의 운전 개시로부터 일정 시간은, 일정 터빈 회전수 (예를 들어 500∼600 rpm) 로 장치 내의 퍼지 운전을 행한다. 그 후 연소기에 점화되어, 연료량을 증가시키면서, 터빈 회전수를 더욱 정격 회전수 (예를 들어 3600 rpm) 까지 높여 간다. 터빈 회전수가 정격에 달한 후, 더욱 연료를 증가시키고 출력을 증가시켜, 정상 운전 (최대 부하 운전) 으로 이행한다. 이러한 수순으로 가스 터빈의 핫스타트 운전이 행해진다.

다음으로 가스 터빈의 핫스타트 운전에 대응하여, 냉각용 공기 온도의 시간 변화를, 도 11 을 사용하여 설명한다. 세로축은 압축기 (도시하지 않음) 로부터 쿨러 (도시하지 않음) 를 나와, 에어 세퍼레이터에 유입되는 냉각용 공기 온도를 나타내고, 가로축은 운전 개시시로부터의 시간 경과를 나타내고 있다. 가스 터빈의 기동 후, 퍼지 운전하는 동안에는 공기 온도가 50∼60℃ 정도로 유지되고 있다. 연소기의 점화 후, 터빈 회전수가 올라감과 함께 공기 온도도 상승하여, 정격 회전수에 달한 시점에서, 150∼160℃ 정도의 온도에 달한다. 그 후 연소기에서의 출력 증가를 목적으로 한 연료량의 증가와 함께 공기 온도는 더욱 상승되지만, 최대 부하 운전에 도달한 시점에서 200℃ 정도의 일정 온도가 된다. 이와 같이, 운전 개시와 함께 에어 세퍼레이터에 유입되는 냉각 공기 온도가 급격히 변화하지만, 그 동안, 냉각용 공기는 도 8 에 나타내는 바와 같이, 개구부 (8) 로부터 에어 세퍼레이터 (3-2) 로 유입되고, 공극 (9) 을 경유하여 래이디얼 홀 (10) 및 냉각 공기 구멍 (11) 에 공급되어, 각 동익에 보내지고 있다.

그러나, 가스 터빈의 핫스타트 운전시에는, 상기한 바와 같이 에어 세퍼레이터로부터 유입되는 냉각 공기의 온도 변화가 크기 때문에, 다음과 같은 문제가 생길 가능성이 있다. 즉, 에어 세퍼레이터는 대형 부재인 동익 회전 디스크에 비교하여 두께가 얇은 원통 형상 부재이기 때문에, 동익 회전 디스크에 비하여 열용량이 작다. 따라서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 핫스타트 운전의 초기 단계에서는 에어 세퍼레이터의 온도는 시간과 함께 저하되어, 연소기의 점화 직후가 가장 낮아지는데, 동익 회전 디스크의 온도 저하는 비교적 작다. 즉, 에어 세퍼레이터의 플랜지부는 온도의 저하와 함께 반경 중심 방향으로 향하여 열수축을 일으킨다. 한편 동익 회전 디스크는 온도 저하가 적기 때문에, 반경 방향의 열수축은 거의 일어나지 않고, 양자의 열수축 정도의 차이로 인해 접촉면에서는 반경 방향으로 상대적인 어긋남이 생기게 된다. 또한 체결된 볼트는 동익 회전 디스 크와 동일한 고온으로 유지되고 있기 때문에 신장된 상태이지만, 플랜지부는 냉각 공기의 영향을 받아, 온도가 저하되어, 플랜지부의 두께 방향으로도 수축하게 된다. 그래서 상대적으로 볼트가 신장된 상태가 되어, 볼트 체결력이 약해진다. 요컨대, 플랜지부의 온도 저하에 따라, 플랜지부와 동익 회전 디스크의 접촉면에 있어서, 열수축의 차이로 인한 반경 중심 방향으로의 상대적인 어긋남과 볼트 체결력의 저하가 동시에 발생하여, 플랜지부의 접촉면에서 에어 리크가 발생하기 쉬워진다. 즉, 핫스타트 운전과 같은 급격한 온도 변화가 수반되는 경우에는, 플랜지부와 동익 회전 디스크의 접촉면에 있어서, 볼트 조임력에 의해 시일하는 방법에는 에어 리크가 발생하기 쉽고, 또한 에어 세퍼레이터의 진동도 발생하기 쉽다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서, 가스 터빈의 핫스타트 운전시와 같은 에어 세퍼레이터의 급격한 온도 변화가 생기는 경우에도, 에어 세퍼레이터의 플랜지부에서 에어 리크의 발생을 확실히 방지하고, 더불어 에어 세퍼레이터의 진동 방지도 가능한 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 구조를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

청구항 1 에 관련되는 발명은 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 구조를 갖는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 구조로서, 그 에어 세퍼레이터의 장착 구조는 로터의 외주면에 대하여 개구부에 연통하는 공극을 형성하도록 배치된 원통 형상 부재로서, 그 일단에 플랜지부를 갖는 에어 세퍼레이터와, 상기 로터의 축심을 중심으로 한 원환형의 오목부를 형성하는 디스크 오목부를 외표면에 갖는 동익 회전 디스크로 이루어지고, 상기 플랜지부의 외주에 형성되고, 상기 로터의 축심에 평행한 플랜지부 외주면과, 상기 디스크 오목부에 형성되고, 상기 로터의 축심에 평행하며, 축심을 중심으로 하여 원환형으로 형성된 대향하는 디스크 오목부 내주면과의 접촉면에, 시일면이 형성되는 것을 특징으로 한다.

청구항 2 에 관련되는 발명은 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 구조를 갖는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 구조로서, 그 에어 세퍼레이터의 장착 구조는 로터의 외주면에 대하여 개구부에 연통하는 공극을 형성하도록 배치된 원통 형상 부재로서, 그 일단에 플랜지부를 갖는 에어 세퍼레이터와, 상기 로터의 축심을 중심으로 한 원환형의 오목부를 형성하는 디스크 오목부를 외표면에 갖는 동익 회전 디스크로 이루어지고, 상기 플랜지부와 상기 디스크 오목부의 끼워맞춤 구조가 억지 끼워맞춤인 것을 특징으로 한다.

청구항 3 에 관련되는 발명은 상기 플랜지부를 상기 디스크 오목부에 익스팬션 핏으로 끼워넣는 것을 특징으로 한다.

청구항 4 에 관련되는 발명은 가스 터빈이 상기 에어 세퍼레이터의 장착 구조를 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5 에 관련되는 발명은 상기 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 구조를 갖는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 방법으로서, 그 에어 세퍼레이터의 일단에 형성된 플랜지부를 상기 동익 회전 디스크의 외표면에 형성된 상기 디스크 오목부에 억지 끼워맞춤으로 끼워넣는 것을 특징으로 한다.

청구항 6 에 관련되는 발명은 상기 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 방법으로서, 그 에어 세퍼레이터의 일단에 형성된 상기 플랜지부를 상기 동익 회전 디스크의 외표면에 형성된 상기 디스크 오목부에 익스팬션 핏으로 끼워넣는 것을 특징으로 한다.

청구항 7 에 관련되는 발명은 에어 세퍼레이터의 장착 방법으로서, 상기 플랜지부 외주면과, 대향하는 상기 디스크 오목부 내주면의 접촉면에 시일면을 형성하는 것을 특징으로 한다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하에 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다.

본 발명은 일 실시형태를 나타내는 것에 지나지 않고, 본 발명에 관련되는 구조를 갖는 한, 본 실시형태에 한정되지 않고, 그 균등물에도 미친다. 도 1 은 본 발명의 가스 터빈의 에어 세퍼레이터 주변의 전체 구조, 도 2 는 본 발명의 에어 세퍼레이터의 장착 구조 주변의 구조도, 도 3 은 본 발명에 관련되는 에어 세퍼레이터의 사시도, 도 4 는 본 발명의 에어 세퍼레이터의 플랜지부 주변의 장착 구조 상세, 도 5 는 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 관계, 도 6 은 핫스타트 운전시의 플랜지부와 디스크 오목부의 터빈 회전수와 원심력에 의한 끼워맞춤 공차의 관계, 도 7 은 핫스타트시의 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 공차의 시간 변화를 나타내고 있다.

우선, 도 1 에 있어서, 본 발명에 관련되는 에어 세퍼레이터의 장착 구조에 관해서 설명한다. 에어 세퍼레이터의 장착 구조는 동익 회전 디스크 (2) 와 에어 세퍼레이터 (3) 로 구성된다. 에어 세퍼레이터 (3) 는 일단에 플랜지부 (20) 를 갖는 원통 형상 부재로서, 로터 (1) 를 덮도록 형성되고, 상기 플랜지부 (20) 를 통해 동익 회전 디스크 (2) 에 볼트너트 (6) 로 고정되어 있다. 동익 회전 디스크 (2) 와 에어 세퍼레이터 (3) 는 로터 (1) 와 함께 일체로 되어 회전한다. 동익 냉각용 공기는 압축기 (도시하지 않음) 로부터 쿨러 (도시하지 않음)를 경유하여 냉각된 압축 공기의 일부를 이용한다. 즉, 냉각된 압축 공기의 일부는 인접하는 개구부 (8) 로부터 에어 세퍼레이터 (3) 로 도입된다. 그 에어 세퍼레이터 (3) 에 도입된 동익 냉각용 공기는 로터 (1) 와 에어 세퍼레이터 (3) 사이의 공극 (9) 을 통하여 동익 회전 디스크 (2) 에 형성된 래이디얼 홀 (10) 및 냉각 공기 구멍 (11) 에 공급되고, 최종적으로는 각 동익에 공급된다.

본 발명에 관련되는 에어 세퍼레이터의 장착 구조 주변의 구조도를 도 3 에 나타내고 있다. 동익 회전 디스크 (2) 의 에어 세퍼레이터측의 외표면에는 로터 (1) 의 축심을 중심으로 한 원환형의 오목부가 형성되어 있고, 이 디스크 오목부 (30) 에 에어 세퍼레이터 (3) 의 플랜지부 (20) 가 끼워넣어지고, 볼트너트 (6) 를 통해, 동익 회전 디스크 (2) 에 고정되어 있다. 플랜지부 (20) 와 상기 디스크 오목부 (30) 의 끼워맞춤 구조는 억지 끼워맞춤이 적용되고 있다. 상기 에어 세퍼레이터 (3) 는 두께가 얇은 원통 형상 부재로서, 일단에는 플랜지부 (20) 가 형성되고, 타단에는 개구단 (7) 이 배치되어, 여기서부터 냉각 공기를 도입하여, 래이디얼 홀 (10) 및 냉각 공기 구멍 (11) 에 냉각 공기를 공급하고 있다. 또한 상기 플랜지부 (20) 에는, 종래의 에어 세퍼레이터와 마찬가지로, 래이디얼 홀 (11) 에 공기를 공급하기 위한 공기 구멍 (도시하지 않음) 이 형성되어 있다.

본 발명에 관련되는 에어 세퍼레이터의 구조를 도 3 에 나타낸다. 그 에어 세퍼레이터 (3) 는 단일 원통 형상 부재이기 때문에, 종래의 분할형의 에어 세퍼레이터보다 간단한 구조이고, 조립 공정수도 저감되어 비용면에서 유리하다.

도 4 는 에어 세퍼레이터의 플랜지부 주변의 장착 구조 상세 (도 2 의 A 부의 상세한 도시) 를 나타내고 있다.

플랜지부 (20) 는 로터 (1) 의 축심에 평행하고, 플랜지부 (20) 의 외주에 형성된 플랜지부 외주면 (22) 과, 그 플랜지부 외주면 (22) 에 직교하는 플랜지부 단부면 (21) 으로 이루어진다. 한편, 디스크 오목부 (30) 는 로터 (1) 의 축심을 중심으로 한 원환형의 오목부로서, 그 디스크 오목부 (30) 의 원환형 벽면에 형성된 디스크 오목부 내주면 (32) 과, 그 디스크 오목부 내주면 (32) 에 직교하여 디스크 오목부 (30) 의 저부를 형성하는 디스크 오목부 저면 (31) 으로 이루어진다. 상기 플랜지부 외주면 (22) 과 대향하는 상기 디스크 오목부 내주면 (32) 이 서로 내접하여, 로터의 축심을 중심으로 한 원환형의 접촉면을 형성한다. 또한 상기 플랜지부 단부면 (21) 과 대향하는 상기 디스크 오목부 저면 (31) 이 서로 접촉하여, 디스크 오목부 내주면 (32) 에 인접하여 디스크 오목부 내주면 (32) 에 직행하는 면에서, 로터의 축심을 중심으로 한 원환형의 접촉면을 형성한다. 플랜지부 (20) 는 디스크 오목부 (30) 에 끼워넣어지고, 나아가 볼트너트 (6) 를 통해, 이 원환형의 접촉면에서 동익 회전 디스크 (2) 에 고정된다.

다음으로, 플랜지부와 디스크 오목부의 결합 방법에 관해서 설명한다.

종래의 에어 세퍼레이터의 경우에는, 플랜지부 단부면이 동익 회전 디스크의 외표면에 볼트너트로 체결되어 있었다. 따라서, 볼트너트의 체결력에 의해, 플랜지부 단부면과 디스크 외표면의 접촉면의 면압을 올려, 에어 리크의 발생을 방지하고 있었다.

한편, 본 발명에서는 도 4 에 나타내는 바와 같이, 동익 회전 디스크 (2) 의 외표면에 로터의 축심을 중심으로 한 원환형의 디스크 오목부 (30) 를 형성하여, 에어 세퍼레이터의 플랜지부 (20) 와 디스크 오목부 (30) 를 끼워맞춤 구조로 하고, 플랜지부 (20) 를 디스크 오목부 (30) 에 끼워넣어 고정시켜, 양자의 접촉면의 밀착도를 향상시킨 점이 다르다.

즉, 본 발명에서는 에어 세퍼레이터의 플랜지부 (20) 는 플랜지부 외주면 (22) 의 최소 외경 치수가, 동익 회전 디스크에 형성된 디스크 오목부 내주면 (32) 의 최대 내경 치수보다 약간 커지도록 제작하여, 플랜지부 (20) 와 디스크 오목부 (30) 의 끼워맞춤 구조를 억지 끼워맞춤으로 하고, 항상 최소 끼워맞춤 공차가 플러스 (+) 가 되는 끼워맞춤 구조를 채용하고 있다.

도 5 에, 디스크 오목부와 플랜지부의 끼워맞춤 공차의 관계를 나타내고 있다.

플랜지부 (20) 및 디스크 오목부 (30) 의 제작 치수는 제작 공차의 범위 내에서 편차를 일으킨다. 구체적으로는 도 5 에 있어서, 플랜지부 외주면 (22) 의 외경 치수에 관해서, 제작 공차 내의 가장 작은 마무리 치수를 플랜지부 최소 외경 치수 (X) 로 하고, 디스크 오목부 내주면 (32) 의 내경 치수에 관해서, 제작 공차 내의 가장 큰 마무리 치수를 디스크 오목부 최대 내경 치수 (Y) 로 한다. 이 경우, 플랜지부 (20) 와 디스크 오목부 (30) 의 최소 끼워맞춤 공차 (Z) 는 플랜지부 최소 외경 치수 (X) 와 디스크 오목부 최대 외경 치수 (Y) 의 차, 즉, Z = X-Y 로 표시된다. 끼워맞춤 구조가 억지 끼워맞춤인 경우에는 항상 플랜지부 최소 외경 치수 (X) 가 디스크 오목부 최대 내경 치수 (Y) 보다 커지므로 ( X > Y ), 최소 끼워맞춤 공차 (Z) 는 항상 플러스 (+) 가 된다.

한편, 가스 터빈의 운전시에 있어서의 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 공차는, 터빈 조립시의 끼워맞춤 공차에 더하여, 운전시의 플랜지부와 동익 디스크의 열신축의 차이 및 터빈의 회전에 수반되는 원심력에 의한 신장의 차이가 서로 영향을 미쳐, 최종적인 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 공차가 결정된다.

우선, 핫스타트 운전시의 에어 세퍼레이터의 플랜지부와 동익 회전 디스크의 열신축에 관해서 설명한다.

도 12 에 나타내는 바와 같이, 동익 회전 디스크와 에어 세퍼레이터의 최대 온도차는 연소기의 점화 직후에 발생하여, 약 40∼50℃ 의 온도차가 생긴다. 그러나, 플랜지부와 디스크 오목부의 온도차는 이보다 작다. 즉, 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 구조는 억지 끼워맞춤이기 때문에, 플랜지부 외주면과 대향하는 디스크 오목부 내주면은 핫스타트 운전 개시시에도 밀착 상태에 있다. 따라서, 운전 개시 후의 냉각 공기의 도입에 의해, 에어 세퍼레이터의 원통부에서 온도 저하가 생기는 경우이더라도, 플랜지부는 디스크 오목부와 밀착하고 있기 때 문에, 온도 변화가 작은 동익 회전 디스크의 디스크 오목부측으로부터 플랜지부측으로 열전도에 의한 열이동이 생긴다. 따라서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 동익 회전 디스크와 플랜지부의 최대 온도차는 에어 세퍼레이터의 원통부보다는 작고, 연소기의 점화 직후에 있어서 20∼25℃ 정도의 온도차가 된다.

이 경우에는 동익 회전 디스크의 온도 저하는 작기 때문에, 디스크 오목부 내주면의 내경 치수는 거의 변하지 않지만, 플랜지부 외주면의 외경 치수는 플랜지부의 온도 저하에 의해 열수축하여, 디스크 오목부 내주면과 플랜지부 외주면 사이에 간극이 생기는 방향이 된다. 열수축에 수반되는 플랜지부와 디스크 오목부의 수축량 (a) 은 수학식 1 로 계산된다.

a = Rα(T₁ - T₂)

여기서, R 은 반경, α 는 사용 재료의 선팽창 계수, T1, T2 는 디스크 오목부, 플랜지부의 온도를 나타낸다. 식 1 로 계산되는 (a) 는 디스크 오목부와 플랜지부의 온도차에 의해 생기는 수축량의 차, 즉 디스크 오목부 내주면과 플랜지부 외주면 사이에 생기는 간극량을 나타내고 있다.

한편, 에어 세퍼레이터와 동익 회전 디스크는 로터와 일체가 되어 회전하고 있고, 회전에 수반되는 원심력에 의해, 회전체는 반경 방향 바깥 방향으로 신장된다. 회전체의 원심력에 의한 선단부의 반경 방향 바깥쪽으로의 신장량 (b) 은 수학식 2 에 의해 계산된다.

b = KRγω²/E

여기서, R 은 반경, γ 는 사용 재료의 비중, ω 은 터빈 회전수, E 는 영률, K 는 계수를 나타낸다.

그리고, 원심력에 의한 반경 방향의 신장은 동일 외경 치수이더라도 원통 회전체와 중실 회전체에서는 상이하고, 원통 회전체쪽이 상대적인 신장이 크다. 따라서, 본 발명에서는 동익 회전 디스크보다 에어 세퍼레이터쪽이 신장이 커진다. 그래서, 동익 회전 디스크와 에어 세퍼레이터를 일체로 하여 회전시킨 경우에 있어서는 동익 회전 디스크보다 에어 세퍼레이터의 플랜지부쪽이 반경 방향 바깥쪽으로의 신장이 커진다. 그러나, 플랜지부 외주면이 디스크 오목부 내주면에 접촉하여 반경 방향 바깥쪽으로의 신장이 구속되고 있는 경우에는, 디스크 오목부 내주면과 플랜지부 외주면 사이에서는 원심력에 의해 플랜지부 외주면에 디스크 오목부 내주면측으로부터 밀어붙임력이 작용하여 플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차가 발생하게 된다. 터빈 회전수가 올라가면, 끼워맞춤 공차는 더욱 커진다. 구체적인 산출 수순을 나타내면, 플랜지부 외주면과 디스크 오목부 내주면의 각각에 대하여, 수학식 2 에 기초하여 원심력에 의한 신장량을 계산한다. 다음으로, 형상의 차이에 수반되는 신장량의 차이를 끼워맞춤 공차로 환산한다. 이렇게 하여 구한 플랜지부와 디스크 오목부 사이에서 생기는 원심력에 의한 끼워맞춤 공차와 터빈 회전수의 관계를 도 6 에 나타내고 있다.

전술한 바와 같이, 플랜지부와 동익 회전 디스크의 열수축의 차이에 기초하여, 디스크 오목부 내주면과 플랜지부 외주면 사이에는 수학식 1 에 의해서 산출되는 간극 (마이너스 (-) 의 끼워맞춤 공차) 이 생긴다. 한편, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 디스크 오목부 내주면과 플랜지부 외주면 사이에는 수학식 2 에 의해서 원심력에 의한 플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차가 발생된다. 따라서, 원심력에 의해 발생되는 끼워맞춤 공차 (플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차) 가, 열수축에 의해 발생되는 끼워맞춤 공차 (마이너스 (-) 의 끼워맞춤 공차) 를 상회하면, 디스크 오목부 내주면과 플랜지부 외주면 사이에서는 항상 플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차가 확보된다.

또한, 터빈 조립시에, 플랜지부를 디스크 오목부에 삽입할 때, 억지 끼워맞춤으로 끼워넣어 고정시키면, 보다 확실한 끼워맞춤 공차가 확보된다. 가장 끼워맞춤 공차가 작아지는 것은, 핫스타트 운전에서의 연소기의 점화 직후인데, 이 때에 마이너스 (-) 의 끼워맞춤 공차가 생기는 경우에는 그 마이너스 (-) 의 끼워맞춤 공차분을 상정하여, 미리 조립시에 플러스 (+) 의 최소 끼워맞춤 공차를 부여하는 억지 끼워맞춤으로 하면 된다. 이렇게 하여, 열수축과 원심력을 고려하여, 운전시에 있어서의 플랜지부와 디스크 오목부 사이의 끼워맞춤 공차가 결정된다. 핫스타트 운전시의 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 공차의 운전 개시시로부터의 시간 변화를, 일례로서 도 7 에 나타내고 있다.

이와 같이, 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤 구조로서, 억지 끼워맞춤을 채용하여, 터빈 조립시에 플러스 (+) 의 최소 끼워맞춤 공차를 부여하는 구조를 채용하면, 핫스타트 운전의 개시시부터 정상 운전에 이르기까지의 모든 공정에 있어서, 플랜지부 외주면과 디스크 오목부 내주면의 접촉면에서는 항상 밀착 상태를 유지할 수 있고, 플랜지부에서의 급격한 공기 온도의 저하에 의한 악영향도 적다. 또한, 항상 밀착 상태를 유지할 수 있으므로, 가령 볼트 체결력이 약해진 경우이더라도, 에어 세퍼레이터의 느슨함에 의한 진동이 발생하는 경우도 없고, 로터의 진동 방지도 꾀할 수 있다.

다음으로, 종래의 에어 세퍼레이터와의 비교로, 에어 세퍼레이터의 장착 구조를 구성하는 플랜지부와 디스크 오목부의 접촉면에서의 시일 효과에 관해서 설명한다.

상기 기술한 바와 같이, 종래의 에어 세퍼레이터의 경우에는 볼트너트의 체결력에 의해, 플랜지부 단부면과 디스크 외표면의 접촉면의 면압을 올리고, 디스크 외표면에 시일면을 형성하여, 접촉면 전체에서 에어 리크의 발생을 방지하고 있었다. 본 발명의 에어 세퍼레이터의 장착 구조의 경우에는 플랜지부를 디스크 오목부에 대하여 억지 끼워맞춤으로 끼워넣고, 고정시킴과 함께, 원심력의 작용에 의해 플랜지부 외주면을 디스크 오목부 내주면에 밀어붙이고, 이 사이에 항상 플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차를 발생시킨다. 그럼으로써, 이 접촉면에 시일면을 형성하여 에어 리크를 방지하는 것이다. 이러한 구조를 취하면, 종래의 에어 세퍼레이터와 같이, 핫스타트 운전시의 열수축의 차이에 의해, 볼트 체결력이 약해지고, 접촉면압이 작아져 리크가 발생할 우려가 있는 경우이더라도, 직행하는 플랜지부 외주면과 디스크 오목부 내주면의 접촉면에는 항상 시일면이 형성되므로, 에어 리크가 발생하는 경우는 없다. 또한, 항상 플랜지부와 디스크 오목부의 접촉면에 플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차가 유지되어 있으면, 회전수의 증가와 함께, 끼워맞춤 공차가 더욱 증가하여, 접촉면압이 올라가는 방향이고, 운전 개시시부터 정상 운전까지의 사이, 항상 확실한 시일 효과를 기대할 수 있다. 종래의 에어 세퍼레이터에서는 이러한 효과는 기대할 수 없다.

항 목	수 치
플랜지부 외측면 외경 치수 디스크 오목부 내측면 내경 치수 최소 끼워맞춤 공차 끼워넣는 방법 재료 비중	1300 ㎜ + 0.05 ㎜ 1300 ㎜ - 0.05 ㎜ 0.1 ㎜ 익스팬션 핏 7.6

본 발명의 구체적인 실시예를 표 1 에 나타내고 있다. 그러나, 본 발명의 특징인 끼워맞춤 구조를 채용하는 에어 세퍼레이터의 장착 구조이면, 이 실시예에 나타내는 것에 한정되지 않는다.

플랜지부를 디스크 오목부에 끼워넣는 수단으로서는 공지된 압입 수단이나 익스팬션 핏을 채용할 수 있다. 최소 끼워맞춤 공차가 큰 끼워맞춤 구조를 채용하고자 하는 경우에는 익스팬션 핏이 유리하다. 본 실시예에서는 플랜지부를 디스크 오목부에 끼워넣는 수단으로서, 익스팬션 핏이 적용되었으나, 압입 수단을 이용해도 된다. 압입 수단으로서는 유압 등의 공지된 압입 지그를 채용할 수 있으므로 보다 간편하다.

청구항 1 의 발명에 의하면, 플랜지부 외주면과 디스크 오목부 내주면의 접 촉면에 시일면을 형성함으로써, 플랜지부와 디스크 오목부의 시일 효과의 개선을 기대할 수 있다. 플랜지부를 디스크 오목부에 억지 끼워맞춤으로 끼워넣어, 항상 플러스 (+) 의 끼워맞춤 공차를 확보할 수 있으므로, 핫스타트 운전시의 온도 변화가 큰 경우이더라도, 항상 접촉면에 시일면이 형성되어 있어, 운전 개시시부터 정상 운전에 이르는 전체 공정에서, 에어 리크를 방지할 수 있고, 또한 에어 세퍼레이터의 진동도 방지할 수 있다.

청구항 2 의 발명에 의하면, 핫스타트 운전의 초기 단계에 있어서, 에어 세퍼레이터의 온도가 급격히 저하된 경우이더라도, 플랜지부와 디스크 오목부의 끼워맞춤이 억지 끼워맞춤이기 때문에, 양자는 항상 밀착되어 있어, 확실하게 플랜지부의 에어 리크를 방지할 수 있다. 또한, 플랜지부 외주면과 디스크 오목부 내주면 사이에 간극이 없이 밀착되어 있으므로, 에어 세퍼레이터의 진동이 발생하지 않고, 로터의 진동도 방지할 수 있다.

청구항 3 의 발명에 의하면, 억지 끼워맞춤으로서 익스팬션 핏을 채용하므로, 최소 끼워맞춤 공차가 큰 억지 끼워맞춤으로의 적용도 가능해져, 플랜지부와 디스크 오목부의 접촉면의 밀착도가 향상되어, 더욱 시일 효과의 향상을 기대할 수 있다.

청구항 4 의 발명에 의하면, 에어 세퍼레이터의 플랜지부로부터의 에어 리크가 회피되어, 가스 터빈의 안전성이 향상되어 장기간 운전이 가능해진다.

청구항 5 의 발명에 관련되는 방법에 의하면, 억지 끼워맞춤으로 플랜지부를 디스크 오목부에 장착하므로, 접촉면에서의 밀착도가 향상되어 리크를 방지할 수 있다. 또한 에어 세퍼레이터의 진동의 방지 효과도 기대할 수 있다.

청구항 6 의 발명에 관련되는 방법에 의하면, 억지 끼워맞춤으로서 익스팬션 핏을 채용하므로, 플랜지부와 디스크 오목부의 밀착도가 더욱 향상되어 더욱 시일 효과가 얻어진다.

청구항 7 의 발명에 관련되는 방법에 의하면, 핫스타트 운전시의 운전 개시부터 정상 운전까지의 전체 공정에서, 플랜지부와 디스크 오목부의 접촉면에 항상 시일면이 형성되기 때문에, 보다 확실한 시일 효과를 기대할 수 있고, 안전 운전이 가능하다.

Claims (8)

1. 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 구조를 갖는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 구조로서,

   그 에어 세퍼레이터의 장착 구조는 로터의 외주면에 대하여 개구부에 연통하는 공극을 형성하도록 배치된 원통 형상 부재로서, 그 일단에 플랜지부를 갖는 에어 세퍼레이터와,

   상기 로터의 축심을 중심으로 한 환형의 오목부를 형성하는 디스크 오목부를 외표면에 갖는 동익 회전 디스크로 이루어지고,

   상기 플랜지부의 외주에 형성되고, 상기 로터의 축심에 평행한 플랜지부 외주면과, 상기 디스크 오목부에 형성되고, 상기 로터의 축심에 평행하며, 축심을 중심으로 하여 환형으로 형성된 대향하는 디스크 오목부 내주면과의 접촉면에, 시일면이 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 세퍼레이터의 장착 구조.
2. 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 구조를 갖는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 구조로서,

   그 에어 세퍼레이터의 장착 구조는 로터의 외주면에 대하여 개구부에 연통하는 공극을 형성하도록 배치된 원통 형상 부재로서, 그 일단에 플랜지부를 갖는 에어 세퍼레이터와,

   상기 로터의 축심을 중심으로 한 환형의 오목부를 형성하는 디스크 오목부를 외표면에 갖는 동익 회전 디스크로 이루어지고,

   상기 플랜지부와 상기 디스크 오목부의 끼워맞춤 구조가 억지 끼워맞춤인 것을 특징으로 하는 에어 세퍼레이터의 장착 구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 플랜지부를 상기 디스크 오목부에 익스팬션 핏으로 끼워넣는 것을 특징으로 하는 에어 세퍼레이터의 장착 구조.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 에어 세퍼레이터의 장착 구조를 구비한 가스 터빈.
5. 동익 회전 디스크에 냉각 공기를 공급하는 구조를 갖는 가스 터빈의 에어 세퍼레이터의 장착 방법으로서, 그 에어 세퍼레이터의 일단에 형성된 플랜지부를 상기 동익 회전 디스크의 외표면에 형성된 상기 디스크 오목부에 억지 끼워맞춤으로 끼워넣는 것을 특징으로 하는 에어 세퍼레이터의 장착 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 플랜지부를 상기 디스크 오목부에 익스팬션 핏으로 끼워넣는 것을 특징으로 하는 에어 세퍼레이터의 장착 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 플랜지부 외주면과, 대향하는 상기 디스크 오목부 내주면과의 접촉면에 시일면을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어 세 퍼레이터의 장착 방법.
8. 제 3 항에 기재된 에어 세퍼레이터의 장착 구조를 구비한 가스 터빈.

Images