KR100746103B1 - 가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템 - Google Patents

가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템으로서, 상기 가스 터빈은 다수의 스포크(12, 13)에 의해 서로에 접속되는 본질적으로 동심인 2개의 링으로 구성된 배출 유닛(11)을 구비한다. 전술된 배출 유닛에 있어서, 윤활 및 냉각 오일은 하나의 스포크(12)의 내측에 위치된 적어도 하나의 제 1 파이프(14)를 통해 상기 가스 터빈 배출 유닛(11)내로 공급되며, 다른 스포크(13)의 내측에 위치된 적어도 하나의 제 2 파이프(20)를 통해 배출된다.

Description

가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템{DRAINING AND COOLING SYSTEM FOR GAS TURBINE CUSHIONS}
본 발명은 가스 터빈 쿠션(gas turbine cushion)용 배출(draining) 및 냉각 시스템에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 가스 터빈은 외측 공기가 공급되어 압력을 상승시키는 압축기를 구비한다.
가압된 공기는 노즐에서 종단하여 일련의 연소 챔버내로 유입되며, 각각 챔버내로 분사기가 공기와 혼합되는 연료를 공급하여 연소용 공기 혼합물을 형성한다.
다음에, 연소된 가스는 상기 연소 챔버에서 연소된 가스의 열 함유량(heat content)을 사용자에게 유용한 기계적 에너지로 변환하는 터빈에 보내진다.
쌍축(twin-shaft) 가스 터빈은 상이한 속도로 회전하는 독립적인 샤프트를 갖는 동력 터빈 및 가스 발생기를 구비한다.
동력 로터는, 한편으로는 저압 터빈 디스크를 지지하고 다른 한편으로는 부 하 플랜지를 지지하는 샤프트로 구성된다.
가스 발생기에서 발생된 고온 가스는 저압 터빈에 의해 사용자에게 유용한 동력으로 전환되어야 한다.
저압 노즐은 고온 가스를 로터 블레이드를 향해 가속 지향시켜, 터빈 샤프트에 유용한 동력을 전달한다.
본 발명에서 다루어지는 기술적인 문제를 보다 잘 이해하기 위해, 이러한 점에서 본 기술분야의 종래 상태가 참고로 특히 도 1을 참조하여 제공된다.
도 1은 종래 기술의 쌍축 터빈[참조 부호(30)로 포괄적으로 지시됨]에 관한 것으로, 가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템을 나타낸다.
이러한 경우에 있어서, 동력 로터는 한쌍의 쿠션[참조 부호(17, 18)로 대표적으로 지시됨]에 놓여 있다.
쿠션(17, 18)의 힐(heel)은 쿠션 캐리어 유닛(cushion carrier unit)에 의해 지지된 강성 지지부(쿠션 유닛)상에 끼워맞춤된다.
일부 경우에 있어서, 쿠션 유닛이 쿠션 캐리어 유닛과 일체형이다는 것이 중요하다.
샤프트상의 밀봉체의 가압을 위해 윤활유 및 공기를 통과시키는 쿠션(17, 18)의 서비스 파이프(31, 32)는 부하 플랜지에 인접한 영역에 장착된다.
각 쿠션(17, 18)은 적어도 하나의 오일 공급 파이프(31), 밀봉체 배리어 공기용 파이프(60), 및 오일 증기를 함유하는 밀봉 공기 및 윤활유 모두에 공용인 배출 파이프(32)를 구비한다.
사실상, 오일 및 배리어 공기 공급 및 배출 영역은 배출 디퓨저(34)의 내측에 위치되기 때문에 "난해한 환경(difficult environment)"이며, 보통 단열된 배출 디퓨저의 벽(33)은 발생된 열 브리지의 결과로서 매우 고온의 영역을 가지며, 그에 대하여 실제적인 제거 수단이 없다.
오일 누출시에는, 단열체는 연기 또는 화염의 필연적 방출물로 채워질 수 있다.
더욱이, 가장 최근에 설계된 터빈은 변경되었으며, 그 결과로서 접속 영역은 더욱 더 접근하기 어려워졌고 더욱 더 작아졌다.
따라서, 윤활유 및 가압 공기가 공급되어야 하며, 이에 의해 정적 밀봉체(스테이터 부품 사이의 조인트)를 통해 오일 누출(또는 배출 파이프의 경우에 있어서 오일 증기를 함유하는 공기의 누출)을 회피한다.
또한, 쿠션(17, 18)의 사이즈, 밀봉체의 사이즈, 및 특히 소형의 저동력 가스 터빈의 경우에 있어서 쿠션(17, 18)을 지지하는 유닛들의 사이즈를 가능한 한 많이 제한하도록 노력하는 것이 필요하다.
오일의 배출에서 고려될 다른 주요 관점은 오일이 도달할 수 있는 최대 온도이다.
사실상, 윤활유는 과도하게 높은 온도에 도달하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 이것은 윤활유 자체의 물리적 용량 및 성질을 열화시키고 또한 잃게 한다.
터빈의 내부 유닛, 즉 쿠션을 지지하는 유닛은 비용을 삭감하기 위해 고온에 견딜 수 없는 재료로 제조되지만, 그것은 가스를 고온으로 유동시키는 배출 디퓨저(34)를 지지한다.
결과적으로, 터빈 배출 유닛의 내부 부분은 단열체의 층으로 덮여있으며, 온도를 낮게 유지하기 위해 유닛 자체용의 냉각 시스템이 항상 있다.
일반적으로, 그러나, 동력 터빈에 있어서 쿠션 하우징이 하기 방식으로 장착됨을 알 수 있다.
제 1 예시에 있어서, 샤프트가 관통하므로 2개의 단부 밀봉체를 각각 구비하는 별개 쿠션 하우징이 제공되며, 배출 파이프 및 가압 공기 파이프내에 보통 수용되는 윤활유를 운반하는 파이프가 있다.
2개의 쿠션 하우징은 쿠션 하우징과 배출 유닛 사이의 차등 팽창을 고려하여 적절한 설비를 갖는 터빈 배출 유닛에 장착되어 있지만, 가스 채널과 샤프트와의 동축성을 유지한다. 상기 구성의 예가 독일 특허 제 DE 196 06 088 호에 개시되어 있으며, 그 내용이 청구항 1의 전제부를 형성한다.
제 2 예시에 있어서, 쿠션은 배출 유닛에 교대로 고정된 공통 유닛, 즉 샤프트 지지 유닛에 직접 장착된다.
서비스 파이프는 보통 조합된 지지 및 스러스트(thrust) 쿠션인 쿠션(18)의 영역에 플랜지가 형성되어 있고, 오일 및 가압 공기 공급 접속부는 파이프를 지나 유닛 내측에 있으며, 쿠션(17)으로부터의 오일 복귀부는 샤프트 지지 유닛의 바닥부로 유동하는 것에 의해 이 오일이 쿠션(18)으로부터 배출되는 오일과 혼합하는 위치에 있다.
오일을 중앙 유닛 하우징내로 운반하는 배출 파이프와의 연결부는 쿠션(18) 영역에 있다.
공지된 기술의 제 3 예시는 터빈 배출 유닛상에 직접 장착된 3개의 쿠션, 2개의 지지부 및 하나의 스러스트를 제공한다. 이러한 경우에 있어서, 이 유닛은 쿠션으로부터 배출된 오일을 수집하는 능력을 갖도록 구성된다.
터빈 배출 유닛은 샤프트 지지 유닛과 배출 유닛 자체의 조합체인 것으로 고려될 수 있으며, 서비스 유체 접속부는 쿠션(18)의 영역내에 위치된다.
발명의 요약
결과적으로, 본 발명의 목적은, 가장 최근에 설계된 터빈에서 이용가능한 점점 더 제한된 공간을 고려하여 보다 합리적인 파이프를 설계하기 위해 윤활 및 냉각 오일의 보다 효과적인 순환을 허용하는 가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템을 형성하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 적합한 냉각 효과를 일으키도록, 즉 터빈의 배출 유닛의 내부 표면 온도를 감소시키고 오일 자체의 온도가 상당히 증가하여 손상을 입히는 것을 회피할 수 있도록 기능하는 가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템을 형성하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 경제적으로 유리하며 높은 레벨의 효율 및 기계적 신뢰성을 제공하는 가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템을 형성하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 청구항 1에 따른 배출 및 냉각 시스템에 의해 실현된다.
본 발명의 특정 실시예에 있어서, 하나의 상기 배출 파이프의 섹션은 상기 가스 터빈 배출 유닛 내측을 통과한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 윤활 및 냉각 오일은 적어도 한쌍의 파이프에 의해 배출되며, 각각의 파이프는 하나의 상기 스포크 내측에 위치되며, 상기 파이프는 고온일 수 있는 영역을 통과하므로 적절하게 단열된다.
특히, 상기 오일 공급 파이프는 터빈 배출 유닛 내측에 이르러, 상기 터빈의 제 3 및 제 4 쿠션에 공급하는 2개의 다른 파이프로 분할된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 쿠션의 스러스트 베어링은 높은 원주 속도로 오일을 끌어당기며, 오일의 에너지 레벨을 증가시켜, 스포크 내측에 위치된 적어도 하나의 상기 파이프를 통해 오일을 배출하도록 가속 제트를 생성한다.
본 발명의 다른 특징은 본 특허 출원에 첨부된 청구범위에 규정되어 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점 뿐만 아니라 구조 및 기능적 특성은 하기의 상세한 설명 및 단순히 예시적이며 비제한적인 예로서 제공되는 첨부 도면을 검토함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 속하는 것으로서, 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템을 볼 수 있는 쌍축 터빈의 상세 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 것으로, 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템을 볼 수 있는 쌍축 터빈의 상세 단면도.
이하, 특히 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 쌍축 가스 터빈의 쿠션용 배출 및 냉각 시스템이 참조 부호(10)로 포괄적으로 표시된다.
도 2에 있어서, 6개의 스포크(spoke)에 의해 접속된 본질적으로 동심인 2개의 링(40, 41)으로 구성된 가스 터빈 배출 유닛(11)을 볼 수 있으며, 6개의 스포크중 스포크(12, 13)가 도 2에 도시되어 있다.
배출 유닛(11)의 내측에는 특히 쿠션(17, 18)과 결합된 로터 샤프트(19)가 있다.
요약하면, 본 발명은 가스 터빈 배출 유닛(11)의 내부 부분(41)을 그 외부 부분(40)에 접속시키는 6개의 스포크를 통해 오일을 배출하기 위한 혁신적인 시스템에 의해 공지된 기술의 문제점을 해결한다.
다시 말하면, 적절하게 단열된 벽(43)을 갖는 배출 디퓨저(44)를 통과하는 접속부를 장착하는 것이 선택되었다.
오일은 터빈 배출 유닛(11)의 스포크(12)를 통과하는 파이프(14)를 통하여 공급된다.
또한, 도 2는 배출 유닛(11)내로의 공급에서 배출까지의 오일의 경로를 화살표로 표시하여 도시하고 있다.
오일 파이프(20, 14)가 250℃를 초과하는 온도를 갖는 영역을 통과하며, 오일은 이러한 온도에 도달하면 열화하기 때문에 이 오일 파이프(20,14)는 적절하게 단열된다.
오일 공급 파이프, 즉 파이프(14)는 터빈 배출 유닛(11) 내측에 이르며, 본원에서는 제 3 쿠션(17) 및 제 4 쿠션(18)에 공급하는 2개의 다른 파이프(15, 16)(단열되지 않음)로 분할된다.
쿠션(17)의 밀봉 공기는 적합한 종방향 구멍(간략화를 위해 첨부된 도면에는 도시되지 않음)을 통과한다.
쿠션(17, 18) 모두는 터빈 배출 유닛(11)의 내측에 면하는 측면상에 배리어 밀봉체를 구비하지 않는다.
이 때문에, (심지어 그들 필요 요건에 대하여 과잉 양이) 쿠션(17, 18)으로 보내지고, 쿠션 유닛(11)과 로터 샤프트(19) 사이에 존재하는 갭으로부터 방출되는 오일은 내부 유닛 벽상으로 원심 분리되어 분무된다.
오일의 냉각 효과(단열체의 층의 두께에 의존하는 값) 없이, 또한 상당히 냉각된 쿠션(약 80℃의 온도)으로부터의 오일을 사용하여 수행되는 이러한 세정의 결과로서, 터빈 배출 유닛(11)의 내부 온도가 확실히 매우 높으며, 약 150℃ 이상인 것을 관찰한 것은 중요하다.
배출 유닛(11)내로 분무된 오일의 양은 오일 자체의 온도의 증가가 현저하지 않도록 한다.
다음에, 오일은 터빈 배출 유닛(11)의 바닥 내부 섹션에 축적된 후에, 스포크내에 위치된 2개의 파이프[그 중에서 스포크(13)의 파이프(20)를 도 2에서 볼 수 있음]를 통해 기계의 외측으로 이송된다.
또한, 도 2는 배출 파이프(21)를 도시하며, 그중 일부가 배출 유닛(11) 내측에 위치되며, 또한 일부가 하나의 스포크의 내측에 위치된다.
공간 때문에, 상기 파이프(20, 21)의 직경은 제한되지만, 터빈 배출 유닛(11)에 모인 오일 모두가 하기의 3가지 기본적인 이유 때문에 배출될 필요가 있다.
첫째로, 오일이 장기간 동안 터빈 배출 유닛에 남아있다면, 과열의 결과로서 열화할 것이다.
둘째로, 오일의 레벨이 로터에 도달하게 되면, 이것은 소산된 에너지의 현저한 증가를 초래하며, 동역학적 문제일 수 있다.
마지막으로, 오일이 쿠션 밀봉체의 레벨에 도달하면, 오일은 터빈내에서 그 팽창을 완료한 고온 가스를 통과하는 주 채널내로, 또는 배출 플랜지(22)의 영역내로, 및 그에 따라 배출 디퓨저상으로 밀봉체 자체를 통하여 유동한다.
모든 경우에 있어서, 오일의 유동은 기계 화재를 야기한다.
쿠션(18)의 스러스트 베어링(23)이 오일 자체에 대해 제공할 수 있는 에너지를 사용함으로써 문제를 해결하여 왔다.
사실상, 스러스트 베어링(23)은 높은 원주 속도(peripheral speed)(120m/s) 로 오일을 끌어당기며, 오일의 에너지 레벨(즉, 운동 에너지)을 증가시킨다.
이러한 운동 에너지는 오일 배출용 가속 제트(즉, 분출 제트)를 생성하기 위해 도 2의 파이프(21)에 의해 사용된다.
특히 경제적인 관점에서 본 발명의 바람직한 해결책은 단일 배출 파이프용 단일 파이프(20)를 스포크(13) 내측에 사용하는 것이며, 이는 이러한 단일 파이프의 존재가 사실상 터빈 배출 유닛(11)에 존재하는 오일을 배출하기에 충분하기 때문이다.
시동, 운전 정지 및 윤활 냉각 단계 동안에, 오일의 위치 에너지(또는 오일의 레벨)는 상기 문제점을 해결하기 위해 2개의 배출 파이프(20, 21)를 따라 부하의 손실을 극복할 수 있는 헤드를 보장하기에 충분하다.
명확하게, 이들 단계 동안에 오일의 레벨은 정상 작동 조건, 즉 기계의 샤프트(19)가 회전중인 경우에서보다 높다.
주어진 설명으로부터, 본 발명의 대상인 가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템의 특징은 명확하며, 그 장점도 명확하다.
상기 장점을 보다 정확하고 명확하게 규정하기 위해, 하기의 결론적인 의견 및 정보가 제공된다.
이러한 시스템의 이행을 통해서, 윤활유가 스포크를 통해 공급 및 배출되므로, 오일의 보다 효과적인 순환이 얻어질 뿐만 아니라 터빈의 배출 영역 내측에 이용가능한 감소된 공간을 보다 합리적으로 이용할 수 있다.
더욱이, 오일에 압력을 인가하기 위해 스러스트 베어링(23)에 의해 제공된 운동 에너지를 성공적으로 사용한다.
본 발명의 대상인 가스 터빈 쿠션용 배출 및 냉각 시스템은 설명된 본 발명의 개념에 따른 신규한 원리로부터 벗어남이 없이 다양한 방식으로 변형될 수 있다는 것은 명확하다.
마직막으로, 본 발명의 실제적인 실행에 있어서, 설명된 세부적인 재료, 형태 및 치수는 요구 조건에 따라 임의로 사용될 수 있으며, 기술적인 관점에서 동등한 다른 요소로 대체될 수도 있다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

Claims (8)

  1. 가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템(10)으로서, 2개의 동심의 링으로 구성되는 배출 유닛(11)이 제공되며, 상기 링은 각각 상기 배출 유닛(11)의 외부 부분 및 내부 부분을 구성하며, 상기 내부 부분은 다수의 스포크(12, 13)에 의해 외부 부분에 접속되며, 상기 배출 유닛(11)은 베어링(17, 18)과 결합된 로터 샤프트(19)를 포함하는, 가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템(10)에 있어서,
    상기 베어링(17, 18)에는 배출 디퓨저 영역(44)의 공급 수단에 의해 제공된 밀봉 공기가 공급되며, 윤활 및 냉각 오일은 배출 유닛(11)의 제 1 스포크(12) 내측에 위치된 적어도 하나의 제 1 파이프내에서 순환하며, 상기 오일은 배출 유닛(11)내로 분무되어, 배출 유닛(11)의 제 2 스포크(13) 내측에 적어도 부분적으로 위치된 적어도 하나의 제 2 파이프(20, 21)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 파이프(20, 21)는 상기 배출 유닛(11)내에 부분적으로 위치되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파이프(14) 및 상기 제 2 파이프(20, 21)가 단열되지만, 배리어 밀봉체가 배출 유닛(11)과 각각의 상기 베어링(17, 18) 사이에 제공되지 않는
    가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파이프(14)는 상기 배출 유닛(11)의 내측에 있고 베어링(17, 18)에 공급하는 2개의 다른 제 3 파이프(15, 16)로 분할되며, 상기 다른 제 3 파이프는 단열되지 않는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베어링(17, 18)중 하나의 스러스트 베어링(23)은, 높은 원주 속도로 윤활 오일을 끌어당기며, 오일의 에너지 레벨을 증가시킴으로써, 가속 제트를 생성하여 상기 제 2 파이프(20, 21)를 통해 오일을 배출하도록 제공되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 배출 및 냉각 시스템.
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  7. 삭제
  8. 삭제
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