KR100769768B1 - 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

내측 배럴(23) 및 하중 지지 볼스터(24)와 결합된 압축기(21)를 구비한 가스 터빈(20)의 냉각 유동 제어 장치(10)로서, 이 장치(10)는, 상이한 직경의 내측 보어(51)를 가지며 상기 내측 배럴(23)의 실질적인 원통형 본체(50)에 형성된 적절한 구멍에 장착될 수 있는 다수의 교체 가능한 노즐을 구성하여, 상기 노즐(11)의 적어도 일부를 적정 직경의 내측 보어(51)를 갖는 다른 노즐(11)로 선택 및 교체함으로써 상기 내측 배럴(23)로 유입되는 공기의 유동의 변동을 허용한다.

Description

가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치{DEVICE FOR CONTROLLING THE COOLING FLOWS OF GAS TURBINES}

본 발명은 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 가스 터빈은 외부 환경으로부터 공기가 공급되어 압력을 상승시키는 압축기를 포함한다.

가압된 공기는 일련의 연소 챔버를 통과하며, 이 챔버는 노즐에서 종단하고 각각 챔버내로 분사기가 공기와 혼합된 연료를 공급하여 연소될 가연성 공기 혼합물을 형성한다.

터빈은 상기 연소 챔버내에서 연소된 가스의 엔탈피를 사용자에게 유용한 기계적 에너지로 변환한다.

본 발명은 특히 가스 터빈 압축기의 출구 영역에 관한 것이다.

본 발명에 의해 해결된 기술적 문제를 소개함으로써, 가스 터빈의 효율을 높이려는 계속적인 시도가 터빈 엔진내측의 모든 유동의 최적화에 달려있다는 것이 주목되어야 한다.

특히, 압축 스테이지로부터 공급된 공기는 열역학 사이클의 관점에서 상당량 소모되었기 때문에, 최대 임계 고온 영역에서 더욱 요구되는 냉각 또는 제한 기능을 위해서가 아니라 연소를 위해 가능한 한 사용되어야 한다.

이와 관련하여 제기된 문제점은, 요구되는 공기의 양이 작동 조건, 터빈 엔진의 수명 및 그것의 마모 또는 오염의 정도, 그것의 구성품, 과도 단계 동안의 구성품의 치수 변화에 따라 변한다는 것을 고려하였을 때, 다양한 영역에서의 이러한 공기의 정확한 계량의 문제이다.

실제로, 공기 유동이 불충분한 경우, 그 결과로 최상의 경우라도 블레이드의 고장 및 화재의 가능성으로 인해 구성품의 수명이 상당히 감소한다.

또한, 여기에서 지적한 바와 같이, 이들 요인은 비용을 증가시키는 부정적인 효과를 사용자에게 가져온다.

본 발명과 관련된 기술적인 문제점을 보다 완벽하게 이해하기 위해, 우선 도 1 내지 도 3을 참조하여야 하며, 도 1은 종래 기술에 따른 가스 터빈[전체적으로 참조부호(20)로 표시됨]의 단면도이며, 도 2는 이 가스 터빈(20)의 압축기(21)의 출구 영역의 확대도이며, 도 3은 내측 배럴(23)의 본체(50)내의 고정된 보어(22)로 예상할 수 있는 가스 터빈(20)의 냉각 유동을 제어하기 위한 통상적인 해결책을 나타내는 도면이다.

보다 상세하게는, 도 1은 내측 배럴(23) 및 하중 지지 볼스터(bolster)(24)와 연결된 압축기(21)가 제공된 가스 터빈(20)을 도시하며, 또한 도 1 은 특히 터빈(20)의 로터(25, 26)를 도시한다.

도 2를 보다 상세하게 살펴보면, 압축기(21)의 일부를 구성하는 케이싱(27) 및 블레이드(28), 압축기(21)의 출구 디퓨저(29), 하중 지지 볼스터(24)의 배출구(33) 내측 배럴(23)의 공기 실(air seal)(30)을 볼 수 있으며, 도 2는 또한 로터(32)의 일부를 도시한다.

냉각 및 밀봉을 위한 공기 유동의 정확한 계량에 사용되는 현재의 해결책은 공급 튜브/덕트상에 특정한 오리피스를 규정하는 것과, 상보적인 스테이터 구성 요소에 형성된 래버린스(labyrinth)와 회전 부재 사이의 유격의 정도를 규정하는 것에 있다.

따라서 오리피스 및 래버린스(도 3)는 설계의 관점에서 서로 의존적이며, 프로토타입의 완성 동안 정밀하게 규정되어, 극한 상황이나 설계의 편차 등이 안전하게 조정될 수 있다.

이는 이들 조정 및 공차가 조립 동안 제조자에 의해 규정된다는 것을 의미한다.

그러나, 기계의 효율의 증가에 대한 사용자측의 요구는 더욱(종종 과도하게) 효율적이면서 상술한 심각한 위험을 갖는 실(seal)의 적용으로 절대적인 최소 요구량까지 공기 유동을 감소시키는 결과를 가져왔다.

특히, 압축기(21)로부터, 특히 내측 배럴(23)의 내측에 위치된 영역에 있어서 기계(또는 터빈)(20)(도 1 및 도 2)의 중요한 부분을 향하여 유출하는 공기의 양을 줄이는 경향이 있었다.

이 경우, 래버린스 실의 제 1 배리어를 통과하는 공기는 압축기(21)의 하중 지지 볼스터(24)의 벤트(vent)로부터, 제 1 터빈 로터의 전방 계면을 통해, 그리고 블레이드의 섕크(shank)상의 에인젤 윙(angel wing) 및 케이싱 상에 장착된 고정 실이 형성된 래버린스를 통해 빠져나간다

따라서 이러한 공기의 기능은 볼스터(24)내의 오일 증기와 터빈(20) 내측의 고온 가스를 밀봉하고, 터빈 디스크를 냉각하며, 내측 배럴(23)에서 내측의 통기 마찰에 의해 생성된 열을 제거하는 것이다.

조정의 가능성이 없기 때문에, 기계의 효율성 및 신뢰성의 증대에 대한 요구 사이에 이루어진 절충은 기계의 신뢰성을 급격히 감소시키는 것을 종종 경험하였다.

발명의 요약

따라서, 본 발명의 목적은 내측 배럴내로 유입하는 공기 유동을 내측 배럴의 교체 없이 변화시키는 것을 가능하게 하는 가스 터빈의 냉각 유동을 제어하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

특히, 본 발명은 내측 배럴로의 공기 유동의 변화를 허용하면서, 터빈 엔진의 가장 중요한 구성 요소의 어떠한 종류의 분해도 피하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 단순히 기계를 정지시키고 적절한 구성 부품의 선택 및 교체와 관련된 단순한 작업을 수행함으로써, 수명 동안 커스텀화되어 있으며 반복 가능한 조정을 허용하는 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 비용의 관점에서 유리한 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치를 제공하는 것이다.

마지막으로, 본 발명의 목적은 실질적으로 안전하고 신뢰성 있는 가스 터빈 의 냉각 유동 제어 장치를 제공하는 것이다.

이들 목적 및 다른 목적은, 내측 배럴 및 하중 지지 볼스터와 연관된 압축기가 제공되는 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치로서, 상이한 직경의 내측 보어를 가지며 상기 내측 배럴의 실질적인 원통형 본체에 형성된 적절한 구멍에 장착될 수 있는 다수의 교체 가능한 노즐을 구성하여, 상기 노즐의 적어도 일부를 적정 직경의 내측 보어를 갖는 다른 노즐로 선택 및 교체함으로써 상기 내측 배럴로 유입되는 공기의 유동의 변동을 허용하는 것을 특징으로 하는 냉각 유동 제어 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 상기 노즐은 상기 내측 배럴에 형성된 구멍에 형성된 대응하는 암나사부와 결합할 수 있는 나사부를 구비한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 교체 가능한 노즐은 나사부보다 작은 직경의 원통부를 구비하며, 자기 헤드 스패너(magnetic-head spanner)와 결합하기 위한 한 쌍의 절개부를 구비한다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 노즐은 가이드 튜브 및 자기 헤드 스패너에 의해 삽입되며, 가이드 튜브는 상기 압축기의 케이싱에 있는 대응 구멍 내측에 삽입된다.

특히, 가이드 튜브는 압축기의 케이싱에 있는 대응 구멍과 결합하는 것을 허용하기 위한 나사형 칼라를 구비한다.

가이드 튜브는 그것의 나사형 칼라가 압축기 케이싱의 대응하는 나사부 내로 스크류 결합될 때까지 슬라이딩 운동함으로써 압축기의 케이싱의 구멍내로 삽입되어 기계 내측의 단부를 상기 내측 배럴과 접촉시켜, 내측 배럴의 본체내로 스크류 결합될 노즐이 그 내측으로 통과할 수 있는 보유부 및 가이드 채널을 형성한다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 작동 동안, 압축기 케이싱의 구멍은 가이드 튜브의 제거후에 제 위치에 삽입되는 볼트 또는 다른 유사한 폐쇄 장치에 의해 폐쇄된다.

또한, 본 발명은 노즐을 작동 위치에 고정하기 위해, 타격점을 위한 가이드로서 가이드 튜브를 이용하는 것에 의해 사용되는 딤플링 펀치(dimpling punch)를 사용하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징은 본 발명에 첨부된 청구범위에 규정되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 가스 터빈의 단면도,

도 2는 도 1에 따른 가스 터빈의 압축기의 출구 영역의 확대 단면도,

도 3은 내측 배럴의 본체의 고정 보어로 예상할 수 있는, 가스 터빈의 냉각 유동 제어를 위한 통상적인 해결책을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명의 따른 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치부의 노즐 형성부의 부분 단면도,

도 5는 도 4에 따른 노즐의 평면도,

도 6은 제 1 조립 단계 동안의 본 발명에 따른 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치의 부분 단면도,

도 7은 작동 가능하게 조립된 상태에 있는 본 발명에 따른 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치의 부분 단면도.

본 발명의 다른 목적과 이점, 및 그것의 구조적 기능적 특징은 전적으로 비제한적 예시의 방법으로 제공된 다음의 설명 및 첨부된 도면을 살펴봄으로써 명확히 드러날 것이다.

특히 도 6 및 도 7을 우선 참조하면, 본 발명에 따른 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치는 전체적으로 참조부호(10)로 표시되어 있다.

이 장치(10)는 내측 배럴(23)의 본체(50)에 형성되어 있는 적절한 구멍(14)에 장착될 수 있는 다수의 교체 가능한 노즐(11)을 포함한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 노즐(11)은 구멍(14)에 형성된 대응 암나사부(internally threaded section)(13)와 결합할 수 있는 나사부(또는 수나사부)(12)를 갖는다.

노즐(11)은 나사부(12)의 직경과 가장 내측의 평활부의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통부(16)와, 자기 헤드 스패너와 결합하기 위한 한 쌍의 절개부(incision)(15)를 갖는다.

본 발명에서는 또한 가이드 튜브(17) 및 자기 헤드 스패너로 구성된 특수 공구를 사용한다.

딤플링 펀치(dimpling punch)가 또한 사용된다.

가이드 튜브(17)는 또한 압축기(21)의 케이싱(27)에 형성된 대응 구멍(19)과 결합하는 나사형 칼라(18)를 갖는다.

따라서 구멍(19)은 암나사부(40)를 갖는다.

상술한 바와 관련하여, 가스 터빈(20)에 수행되어야 하는 기계 가공 작업으로는 압축기(21)의 외부 케이싱(27)의 보어링 및 나사부 성형과, 내측 배럴(23)의 보어링 및 나사부 성형이 있다.

내측 배럴(23)내로 허용될 수 있는 명목상 정확한 공기의 양에 필요한 유효 면적이 규정되면, 이 면적은 적정 직경의 단면을 갖는 적정 수의 노즐로 분할되어, 적절한 나사형 보어(또는 구멍)(14) 내측에 반경방향으로 내측 배럴(23)의 원통형 본체상에 스크류 결합된다.

이들 보어(14)에 대향하여, 압축기(21)의 케이싱(27)에 대응하는 개수의 나사형 반경방향 보어가 형성되며, 외측으로부터 교체 가능한 노즐(11)로의 엑세스를 제공하는 기능을 갖는다.

가스 터빈(20)의 작동 동안, 이들 구멍(19)은 볼트(또는 스크류 플러그)(41) 및 다른 유사한 폐쇄 장치에 의해 폐쇄된다.

교체 가능한 노즐(11)은 적정 직경의 내측 보어(51)를 갖는다는 것은 명백하다.

교체 가능한 노즐(11)은 실제로 다양한 직경의 내측 보어(51)를 갖는 세트 또는 키트의 형태로 제공되며, 그 평균값은 공칭 최적 설계 직경에 대응한다.

가스 터빈(20)이 이러한 초기에 시도된 직경을 이용하기 시작하면, 기계 운용에 의해 제공된 측정치에 근거한 가장 적절한 직경이 선택된다.

전술된 바와 같이, 교체 가능한 노즐을 장착하기 위한 특수 공구는 가이드 튜브(17)와, 특수 자기 크로스 헤드(magnetic cross head)를 구비한 삽입 가능한 스패너로 구성된다.

가이드 튜브(17)는 축에 수직인 편평한 절단부가 마련되어 있는 2 개의 단부를 구비하고, 압축기(21)의 케이싱(27)으로의 접근을 위한 구멍(19)의 나사부와 유사한 나사부가 있는 나사형 칼라(18)를 한 쪽 단부에 구비하고 있다.

작업의 관점에 있어서, 가이드 튜브(17)는 그것의 나사형 칼라(18)가 케이싱(27)의 대응하는 나사부내로 스크류 결합될 때까지 슬라이딩 운동함으로써 케이싱(27)의 구멍(19)내로 삽입된다.

이 작업에 의해 기계 내측의 단부가 내측 배럴(23)과 접촉하여 내측 배럴(23)의 본체(50)내로 스크류 결합될 노즐(11)이 그 내측으로 통과될 수 있는 보유 및 가이드 채널이 형성된다.

따라서, 자기 헤드 스패너의 삽입후에, 노즐(11)은 제거 및 삽입된다.

교체 작업이 완료되면, 교체 가능한 노즐(11)은 특수 공구의 튜브, 즉 타격점을 위한 가이드로서의 가이드 튜브(17)를 이용하여 딤플링(dimpling)에 의해 고정되어야 한다.

이러한 작업이 완료된 후, 가이드 튜브(17)는 스크류 결합이 해제되며, 암나사부(40)에 의해 구멍(19) 내측으로 스크류 플러그(41)가 제 위치로 삽입된다.

스패너는 자석 헤드를 가져 어떠한 경사각에서도 용이하게 작업하는 것이 가능하다.

이론 및 실험적인 결과는 이 시스템이 널리 사용되는 가스 터빈에 사용될 수 있음을 보여줄 만큼 만족스러웠다.

따라서, 제안된 해결책은 내측 배럴의 교체의 필요성 없이 어떠한 경우에도 터빈 엔진의 어떤 중요한 구성 요소도 분리하는 일 없이, 특수 공구 즉, 가이드 튜브(17)를 이용하여 보통 폐쇄되어 있는 구멍(19)을 통해 교체 가능한 노즐(11)로의 간단한 접근에 의해, 내측 배럴(23)로 유입되는 공기 유동을 변경할 수 있도록 하는 목적을 가지고 있다.

이는 단순히 기계를 정지시키고 적절한 조정된 노즐(11)로 교체함으로써 커스텀화되고 반복 가능한 조정을 허용하도록 한다.

주어진 설명으로부터 본 발명의 대상을 구성하는 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치의 특징이 명확히 드러나며, 그 이점도 드러난다.

다음의 최종 주석 및 소견은 상술한 이점을 보다 정확하고 확실하게 규정하기 위해 첨부된 것이다.

설명된 본 발명의 결과로서, 특수 공구를 이용하여 보통 폐쇄되어 있는 구멍(19)을 통해 제거 가능한 노즐(11)로의 접근을 간단히 달성함으로써 내측 배럴(23)로 유입되는 공기의 유동을 변경하는 것이 가능하다.

이러한 특징은 단순히 기계를 정지시키고 적절하게 교정된 노즐을 교체함으로써 커스텀화되고 반복 가능한 조정을 허용한다.

본 발명에 따른 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치에는 설명된 발명의 개념의 신규한 특징으로부터 벗어남 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 명백하다.

마지막으로, 본 발명의 실시예에 있어서, 설명된 세부적인 재료, 형태 및 치 수는 요구 조건에 따라 임의의 종류일 수 있으며, 기술적인 관점에서 동등한 다른 것으로 대체될 수 있다.

본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

Claims (19)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
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5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치에 있어서,

    원통형 본체를 포함하는 내측 배럴 및 상기 내측 배럴의 원통형 본체를 통과하고 압축기 배출 공기와 연통하는 다수의 구멍을 구비하며, 상기 압축기 배출 공기를 상기 내측 배럴 내로 유동시키는 압축기와,

    서로에 대해 다른 직경의 내측 보어를 구비하고 상기 구멍에 장착 가능한 다수의 교체 가능한 노즐로서, 각각 다른 직경의 내측 보어를 구비한 하나 이상의 다른 노즐을 선택하고, 상기 노즐중 하나 이상을 상기 다른 노즐과 교체하는 것에 따라서, 상기 내측 배럴 내로의 압축기 배출 공기의 유량의 선택적인 변화를 가능하게 하는, 상기 교체 가능한 노즐을 포함하는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 노즐 각각은 상기 내측 배럴의 본체에 형성된 대응하는 구멍의 대응하는 암나사부와 나사 결합하기 위한 나사부를 포함하는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 교체 가능한 노즐 각각은 상기 노즐의 상기 수나사부의 직경보다 작은 직경을 가진 원통형 부분을 포함하는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 교체 가능한 노즐 각각은 자기 헤드 스패너와 결합하기 위한 한 쌍의 절개부를 구비하는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
15. 제 11 항에 있어서,

    가이드 튜브 및 자기 헤드 스패너를 더 포함하고, 상기 압축기는 외부 케이싱을 포함하며, 상기 가이드 튜브는 상기 케이싱의 구멍을 통해 수용되는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 케이싱을 통과하는 상기 구멍은 암나사산을 구비하고, 상기 가이드 튜브는 상기 케이싱의 암나사산이 형성된 구멍과의 나사 결합을 위한 수나사산이 형성된 칼라를 구비하는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 가이드 튜브는 상기 케이싱의 상기 구멍 내로 나사결합되고, 상기 내측 배럴의 본체와 접촉하기 위한 말단부를 구비하여 보유 및 가이드 채널을 형성하며, 상기 노즐은 상기 내측 배럴의 본체를 통하는 상기 구멍과의 나사 결합을 위해 상기 채널을 통해 수용될 수 있는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 노즐은 상기 가이드 튜브를 통해 수용되는 딤플링 펀치에 의해 상기 내측 배럴의 본체에 고정되는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.
19. 제 16 항에 있어서,

    가스 터빈의 작동 동안에는, 상기 가이드 튜브의 제거 후 폐쇄 장치가 상기 외부 케이싱을 통하는 상기 구멍에 장착되어 상기 외부 케이싱 구멍을 폐쇄하는

    가스 터빈의 냉각 유동 제어 장치.

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