KR101192620B1 - 가스 터빈의 배기부의 구조 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈의 효율을 저하시키지 않고, 스트럿이나 베어링 주위를 냉각시킬 수 있는 가스 터빈의 배기부 및 가스 터빈을 제공한다. 내측에 가스 패스부 (7) 가 형성되는 케이싱 (11) 과, 터빈부 (4) 의 동익을 회전 가능하게 지지하는 베어링부 (12) 와, 케이싱 (11) 으로부터 내측으로 연장되고, 베어링부 (12) 를 지지하는 스트럿 (14) 과, 케이싱 (11) 에 형성된 개구부 (18) 와, 개구부 (18) 로부터 스트럿 (14) 을 따라 베어링부 (12) 를 향하여 연장되고, 가스 패스부를 흐르는 배기 가스보다 저온인 공기를 가스 패스부 (7) 로 유도함과 함께, 터빈부 (4) 에 있어서의 최종단 동익의 하류측에서, 가스 패스부 (7) 에 개구되어 있는 냉각 유로 (17) 가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 터빈의 배기부의 구조 및 가스 터빈{EXHAUST SECTION STRUCTURE OF GAS TURBINE AND GAS TURBINE}
본 발명은 가스 터빈의 배기부의 구조 및 가스 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 터빈에 있어서의 배기 차실에는, 터빈으로부터 배출되는 고온 가스를 효율적으로 압력 회복시키는 디퓨저와, 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링과, 베어링을 케이싱 등에 대해 지지하는 스트럿 등이 형성되어 있다.
또한, 가스 터빈의 운전 중의 진동 상태를 계측하기 위해 베어링의 주변에는 진동계 등의 계장품 (計裝品) 이 배치되어 있다.
최근에는, 가스 터빈의 고효율화에 따라 배기 가스 온도가 높아지고 있으므로, 스트럿에 대해서는 크리프 강도의 관점에서 적절한 온도로 냉각시키는 것이 필요해졌다. 한편, 계장품에 대해서도 내열 온도의 관점에서 적절한 온도로 냉각시키는 것이 필요해졌다.
그 때문에, 운전 중의 가스 터빈에 있어서, 스트럿이나 계장품을 냉각시키는 여러 가지 기술이 제안되었다 (예를 들어, 특허문헌 1 및 2 참조).
특허문헌1:일본특허공보제2675361호 특허문헌2:일본공개특허공보2003-239705호
특허문헌 1 및 2 에 기재된 기술에서는, 가스 터빈의 컴프레서부로부터 추기 (抽氣) 한 공기를 스트럿에 공급함으로써 스트럿을 냉각시킨다.
그러나, 공기를 컴프레서부로부터 추기하여 냉각에 사용하므로, 공기를 추기한 만큼 가스 터빈의 효율이 저하된다는 문제가 있었다.
또한, 예를 들어 컴프레서부로부터 추기한 공기를 직경 방향 외측으로부터 내측을 향하여 흐르게 함으로써 스트럿을 냉각시키는 경우에는, 컴프레서부에 의해 압축되고 승온된 추기 공기는, 더욱 승온되어 베어링 주위로 흘러들어가게 된다. 비록 컴프레서부의 저압 단 (段) 으로부터 추기하는 경우에도, 추기한 공기의 온도는 예를 들어 약 200 ℃ 정도의 온도가 되고, 스트럿을 냉각시킨 후에는 예를 들어 약 400 ℃ 이상으로 가열되는 경우가 있다.
일반적으로, 베어링 주위에 배치된 계장품은 고열에 대해 내성이 낮기 때문에, 계장품은, 상기 서술한 바와 같이 예를 들어 약 400 ℃ 이상으로 가열된 공기에 의해 손상될 위험이 있었다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 가스 터빈의 효율을 저하시키지 않고 스트럿을 냉각시킬 수 있고, 또한 베어링 주위의 온도를 저하시킬 수 있는 가스 터빈의 배기부 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태는, 내측에 가스 패스부가 형성되는 케이싱과, 터빈부의 동익 (動翼) 을 구비한 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링부와, 상기 케이싱으로부터 내측으로 연장되고, 상기 베어링부를 지지하는 스트럿과, 상기 케이싱에 형성된 개구부와, 그 개구부로부터 상기 스트럿을 따라 상기 베어링부를 향하여 연장되고, 공기를 상기 가스 패스부로 유도함과 함께, 상기 터빈부에 있어서의 최종단 동익의 하류측에서, 상기 가스 패스부에 개구되어 있는 냉각 유로가 형성되어 있는 가스 터빈의 배기부의 구조를 제공한다.
본 발명의 제 1 양태에 의하면, 케이싱 외부와 가스 패스부 내 사이의 압력 차에 의해, 케이싱 외부의 공기로서, 가스 패스부를 흐르는 배기 가스보다 저온인 공기는, 개구부로부터 냉각 유로로 유입되어 가스 패스부로 유도된다. 냉각 유로를 흐르는 공기는, 스트럿을 따라 흐를 때 스트럿의 열을 빼앗아 스트럿을 냉각시킨다.
터빈부에 있어서의 최종단 동익의 하류측은, 가스 패스부에서 가장 압력이 낮은 영역 중 하나이므로, 냉각 유로에 있어서의 양 개구단 사이의 압력차가 커진다. 그 때문에, 냉각 유로가 다른 영역에 개구되어 있는 경우와 비교하여, 보다 많은 저온 공기가 냉각 유로를 흐른다.
상기 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 스트럿을 따라 연장되고, 상기 스트럿 사이에 공간을 형성하는 스트럿 커버가 형성되고, 상기 스트럿과 상기 스트럿 커버 사이의 공간이, 상기 냉각 유로의 일부를 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 스트럿의 주위에 냉각 유로가 형성되게 되어, 스트럿과 냉각 유로를 흐르는 공기의 접촉 면적이 넓어진다. 그 때문에, 냉각 유로를 흐르는 공기에 의한 스트럿의 냉각 효과가 높아진다.
한편, 스트럿과 가스 패스부 사이에 냉각 유로가 형성되므로, 가스 패스부를 흐르는 배기 가스의 열이 스트럿에 전달되기 어려워진다.
상기 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 터빈부의 회전 축선을 따라 연장되고, 상기 베어링부의 주위에 공간을 형성하는 내측 디퓨저와, 상기 케이싱으로부터 연장되고, 상기 내측 디퓨저를 지지함과 함께, 상기 케이싱의 외부와 상기 내측 디퓨저의 내부를 연통시키는 할로우 스트럿(hollow strut)과, 상기 할로우 스트럿에 있어서의 상기 케이싱에 대한 개구 면적을 조절하는 덮개부가 형성되고, 상기 베어링부와 상기 내측 디퓨저 사이의 공간이, 상기 냉각 유로를 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 할로우 스트럿을 통하여 냉각 유로에 유입되는 가스 패스부를 흐르는 배기 가스보다 저온인 공기에 의해 베어링 주위를 냉각시킬 수 있다. 개구 면적을 조절하는 덮개부에 의해 공기의 유량을 제한할 수 있어, 스트럿을 냉각시키는 공기의 유량 저하가 방지된다.
본 발명의 제 2 양태는, 공기를 압축하는 컴프레서부와, 상기 컴프레서부에 의해 압축된 공기와 연료를 혼합하고 연소시켜, 연소 가스를 생성하는 연소기와, 상기 연소 가스로부터 회전 구동력을 만들어 내는 터빈부와, 그 터빈부로부터 배기된 배기 가스가 유입되는 상기 본 발명의 배기부가 형성되어 있는 가스 터빈을 제공한다.
본 발명의 제 2 양태에 의하면, 상기 본 발명의 제 1 양태에 관련된 배기부를 구비함으로써, 스트럿, 베어링부 및 베어링부 주변에 배치된 계장품 등은, 냉각 유로를 흐르는 공기에 의해 냉각된다.
본 발명의 제 1 양태에 관련된 가스 터빈의 배기부의 구조, 및 제 2 양태에 관련된 가스 터빈에 의하면, 케이싱 외부와 가스 패스부 내 사이의 압력차에 의해, 케이싱 외부의 공기를 스트럿을 따라 흐르게 함으로써 스트럿을 냉각시킬 수 있어, 가스 터빈의 효율을 저하시키지 않고, 부하 변동의 영향을 받지 않고 스트럿이나 베어링 주위를 냉각시킬 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 가스 터빈의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2 는 도 1 의 배기부의 구성을 설명하는 부분 확대도이다.
도 3 은 도 2 의 배기부의 구성을 설명하는 A-A 단면의 화살표도이다.
도 4 는 도 2 의 시일링 유지부의 구성을 설명하는 사시도이다.
도 5 는 도 2 의 덮개부의 구성을 설명하는 B 화살표도이다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 가스 터빈에 대하여 도 1 내지 도 5 를 참조하여 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태에 관련된 가스 터빈의 구성을 설명하는 모식도이다.
본 실시형태의 가스 터빈 (1) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 공기를 압축하는 컴프레서부 (2) 와, 압축된 공기와 연료를 혼합하고 연소시켜, 연소 가스를 생성하는 연소기 (3) 와, 연소 가스로부터 회전 구동력을 만들어 내는 터빈부 (4) 와, 터빈부 (4) 로부터 배기된 배기 가스가 유입되는 배기부 (5) 가 형성되어 있다.
컴프레서부 (2) 는, 흡입한 공기를 압축하여 연소기 (3) 에 공급하는 것이다.
컴프레서부 (2) 는 터빈부 (4) 와 함께 회전축 (6) 에 형성되고, 터빈부 (4) 에 의해 회전 구동되는 것이다.
연소기 (3) 는, 컴프레서부 (2) 로부터 공급된 압축 공기와 연료를 혼합시켜, 혼합기를 연소시키는 것이다. 연소에 의해 발생한 고온의 연소 배기 가스는 터빈부 (4) 에 공급된다.
터빈부 (4) 는, 연소기 (3) 로부터 공급된 연소 가스로부터 회전 구동력을 만들어 내어, 컴프레서부 (2) 나, 그 밖의 기기에 회전 구동력을 공급하는 것이다. 터빈부 (4) 로부터 배출된 배기 가스는 배기부 (5) 에 유입된다.
도 2 는, 도 1 의 배기부의 구성을 설명하는 부분 확대도이다. 도 3 은, 도 2 의 배기부의 구성을 설명하는 A-A 단면 화살표도이다.
배기부 (5) 는, 터빈부 (4) 로부터 배출된 배기 가스가 유입되는 가스 패스부 (7) 가 내부에 형성된 것이다.
배기부 (5) 에는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 배기부 (5) 의 외형을 구성하는 케이싱 (11) 과, 회전축 (6) 을 회전 가능하게 지지하는 베어링부 (12) 와, 베어링부 (12) 의 주위를 덮는 내측 디퓨저 (13) 와, 베어링부 (12) 를 지지하는 스트럿 (14) 과, 스트럿 (14) 의 주위를 덮는 스트럿 커버 (15) 와, 내측 디퓨저 (13) 를 지지하는 할로우 스트럿 (16) 이 형성되어 있다.
또한, 배기부 (5) 에는, 케이싱 (11) 밖으로부터 스트럿 (14) 을 냉각시키는 공기를 유도하는 냉각 유로 (17) 가 형성되어 있다.
케이싱 (11) 은, 내측 디퓨저 (13) 와의 사이에 가스 패스부 (7) 를 형성하는 것으로서, 하류측 (도 2 의 우측) 을 향하여 가스 패스부 (7) 의 횡단면적이 점차 증대되는 디퓨저를 형성한다.
케이싱 (11) 의 내주면에 있어서의 터빈부 (4) 측에는, 스트럿 (14) 이 회전축 (6) 을 향하여 연장되도록 배치되고, 스트럿 (14) 의 직경 방향 외측의 장착부에는, 냉각 유로 (17) 가 원고리 형상으로 배치되어 있다. 케이싱 (11) 에는, 냉각 유로 (17) 와 케이싱 (11) 의 외측을 연통시키는 개구부 (18) 가 배치되어 있다.
본 실시형태에서는, 6 개의 스트럿 (14) 에 의해 베어링부 (12) 가 지지되고, 6 개의 스트럿 (14) 사이에 개구부 (18) 가 형성되어 있는 예에 적용하여 설명하지만, 스트럿 (14) 의 개수, 및 개구부 (18) 가 형성되는 위치는, 특별히 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않는다.
스트럿 (14) 주위에는, 스트럿 (14) 과의 사이에 공간을 형성하면서, 스트럿 (14) 을 따라 직경 방향으로 연장되는 스트럿 커버 (15) 가 배치되어 있다. 스트럿 (14) 과 스트럿 커버 (15) 사이의 공간은 냉각 유로 (17) 의 일부를 구성하고, 케이싱 (11) 의 내주면에 배치된 냉각 유로 (17) 와 연통되어 있다.
베어링부 (12) 는, 회전축 (6) 을 회전 가능하게 지지하는 것으로서, 케이싱 (11) 으로부터 연장되는 스트럿 (14) 에 의해 지지되어 있다. 베어링부 (12) 에 있어서의 터빈부 (4) 측의 단부 (端部) 에는 시일링 유지부 (20) 가 배치되어 있다.
도 4 는 도 2 의 시일링 유지부의 구성을 설명하는 사시도이다.
시일링 유지부 (20) 는, 도 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 링판 형상의 부재이다.
시일링 유지부 (20) 에는, 내측 디퓨저 (13) 측으로부터 터빈부 (4) 측으로 공기가 통과하는 유통 구멍 (21) 이 형성되어 있다. 유통 구멍 (21) 은, 냉각 유로 (17) 의 일부를 형성하는 것이다.
또한, 본 실시형태에서는, 8 개의 유통 구멍 (21) 이 시일링 유지부 (20) 에 형성되어 있는 예에 적용하여 설명하는데, 유통 구멍 (21) 이 형성되는 개수는, 8 개에 한정되지 않고, 8 개보다 많아도 되고 적어도 되어, 특별히 한정되지 않는다.
냉각 유로 (17) 는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 케이싱 (11) 의 개구부 (18) 으로부터, 케이싱 (11) 의 내주면, 스트럿 (14) 과 스트럿 커버 (15) 사이의 공간, 베어링부 (12) 와 내측 디퓨저 (13) 사이의 공간, 및 유통 구멍 (21) 에 의해 구성되어 있다.
또한, 냉각 유로 (17) 는, 터빈부 (4) 와 가스 패스부 (7) 사이, 바꿔 말하면, 터빈부 (4) 의 최종단 동익의 하류측으로서, 직경 방향 내측의 벽면에 개구되어 있다.
케이싱 (11) 의 내주면에 있어서의 스트럿 (14) 보다 하류측 (도 2 의 우측) 에는, 할로우 스트럿 (16) 이 직경 방향 내측을 향하여 연장되듯이 배치되어 있다. 할로우 스트럿 (16) 은 통 형상으로 형성된 부재로서, 직경 방향 외측의 단부는 케이싱 (11) 에 접속되고, 직경 방향 내측의 단부는 내측 디퓨저 (13) 에 접속되어 있다. 또한, 할로우 스트럿 (16) 의 내부 공간은, 케이싱 (11) 의 외부 및 내측 디퓨저 (13) 의 내부 공간과 연통되어 냉각 통로 (25) 를 형성하고 있다.
도 5 는, 도 2 의 덮개부의 구성을 설명하는 도면이다.
할로우 스트럿 (16) 에 있어서의 케이싱 (11) 측의 개구부에는, 도 2 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 덮개부 (22) 가 배치되어 있다.
덮개부 (22) 는, 할로우 스트럿 (16) 을 통하여 내측 디퓨저 (13) 의 내부 공간에 유입되는 공기의 유량을 제한하는 것이다.
덮개부 (22) 에는, 할로우 스트럿 (16) 을 통하여 베어링부 (12) 에 연결된 복수의 배관 (23) 이 삽입 통과되는 관통 구멍 (24) 이 형성되어 있다. 관통 구멍 (24) 은, 배관 (23) 보다 크게 형성되어, 배관 (23) 과의 사이에 공기가 통과하는 간극이 형성되어 있다.
다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 가스 터빈 (1) 에 있어서의 배기부 (5) 의 냉각에 대하여 설명한다.
가스 터빈 (1) 의 운전이 개시되면, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 터빈부 (4) 로부터 배기 가스가 배기부 (5) 의 가스 패스부 (7) 에 유입된다. 터빈부 (4) 의 최종단 동익의 하류측으로서, 직경 방향 내측의 영역에는, 압력이 대기압보다 낮은 압력이 된다.
바꿔 말하면, 냉각 유로 (17) 의 양 단부에 있어서의 압력에 차이가 발생하여, 냉각 유로 (17) 에는 케이싱 (11) 의 외측으로부터 가스 패스부 (7) 를 향하는 공기의 흐름이 발생한다.
냉각 유로 (17) 내를 흐르는 공기의 흐름은, 스트럿 (14) 과 스트럿 커버 (15) 사이를 흘러 스트럿 (14) 으로부터 열을 빼앗아 내측 디퓨저 (13) 내에 유입된다. 내측 디퓨저 (13) 내에 유입된 공기는 유통 구멍 (21) 을 통과한다. 유통 구멍 (21) 을 통과한 공기는, 터빈부 (4) 와 가스 패스부 (7) 사이에 형성된 개구부로부터 가스 패스부 (7) 에 유입된다.
한편, 도 2 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 할로우 스트럿 (16) 의 개구부에 배치된 덮개부 (22) 의 관통 구멍 (24) 으로부터도 공기가 할로우 스트럿 (16) 의 내부에 유입된다. 당해 공기는, 가스 패스부 (7) 를 흐르는 배기 가스보다 저온의 공기이다. 할로우 스트럿 (16) 에 유입된 공기는, 냉각 통로 (25) 에 유입되어 베어링 주위를 냉각시킨 후, 상기 서술한 스트럿 (14) 과 스트럿 커버 (15) 사이를 통과한 공기와 합류한다.
덮개부 (22) 의 관통 구멍 (24) 의 간극으로부터 유입되는 공기의 양은, 개구부 (18) 로부터 유입되는 공기의 양보다 적다. 바꿔 말하면, 관통 구멍 (24) 의 간극의 면적은, 개구부 (18) 의 면적보다 좁다.
상기의 구성에 의하면, 케이싱 (11) 의 외부와 가스 패스부 (7) 의 내부 사이의 압력차에 의해, 케이싱 (11) 외부의 공기는, 개구부 (18) 로부터 냉각 유로 (17) 에 유입되어 베어링 주위에 유도된다. 냉각 유로 (17) 를 흐르는 공기는, 스트럿 (14) 을 따라 흐를 때 스트럿 (14) 을 냉각시키기 때문에, 컴프레서부 (2) 로부터 압축 공기를 추기하는 경우와 같이 가스 터빈 (1) 의 효율을 저하시키지 않고, 스트럿 (14) 을 냉각시킬 수 있다.
냉각 유로 (17) 및 냉각 유로 (25) 를 터빈부 (4) 에 있어서의 최종단 동익의 하류측에 개구시킴으로써, 냉각 유로 (17) 및 냉각 유로 (25) 에 있어서의 양개구단 사이의 압력차가 커진다. 그 때문에, 냉각 유로 (17) 및 냉각 유로 (25) 가 기타의 영역에 개구되어 있는 경우와 비교하여, 보다 많은 공기를 냉각 유로 (17) 을 통하여 스트럿 (14) 이나 베어링 주위에 공급할 수 있어 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
스트럿 (14) 의 주위에 냉각 유로 (17) 를 형성함으로써, 스트럿 (14) 과 냉각 유로 (17) 를 흐르는 공기와의 접촉 면적이 넓어진다. 그 때문에, 냉각 유로 (17) 를 흐르는 공기에 의한 스트럿 (14) 의 냉각 효과를 높일 수 있다.
또한, 스트럿 (14) 과 가스 패스부 (7) 사이에 냉각 유로 (17) 가 형성되기 때문에, 가스 패스부 (7) 를 흐르는 배기 가스의 열이 스트럿 (14) 에 전달되기 어렵도록 할 수 있다.
할로우 스트럿 (16) 을 통하여 냉각 유로 (25) 에 가스 패스부 (7) 를 흐르는 배기 가스보다 저온의 공기를 유입시킴으로써 베어링 주위를 냉각시킬 수 있다.
또한, 덮개부 (22) 를 형성하여, 할로우 스트럿 (16) 을 통하여 냉각 유로 (25) 에 유입되는 공기의 유량을 조정함으로써, 스트럿 (14) 을 냉각시키는 공기의 유량 저하를 방지할 수 있다.
1 : 가스 터빈
2 : 컴프레서부
3 : 연소기
4 : 터빈부
5 : 배기부
7 : 가스 패스부
11 : 케이싱
12 : 베어링부
13 : 내측 디퓨저
14 : 스트럿
15 : 스트럿 커버
16 : 할로우 스트럿
17 : 냉각 유로
18 : 개구부
20 : 시일링 유지부
21 : 유통 구멍
22 : 덮개부
23 : 배관
24 : 관통 구멍
25 : 냉각 유로

Claims (4)

  1. 내측에 가스 패스부가 형성되는 케이싱과,
    터빈부의 동익을 구비한 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링부와,
    상기 케이싱으로부터 내측으로 연장되고, 상기 베어링부를 지지하는 스트럿과,
    상기 케이싱에 형성된 개구부와,
    상기 스트럿을 따라 연장되고, 상기 스트럿과의 사이에 공간을 형성하는 스트럿 커버와,
    상기 터빈부의 회전 축선을 따라 연장되고, 상기 베어링부의 주위에 공간을 형성하는 내측 디퓨저가 형성된 가스터빈의 배기부의 구조로서,
    상기 베어링부의 주위에 형성된 공간은 상기 개구부로부터 상기 스트럿을 따라 상기 베어링부를 향하여 연장되는 상기 스트럿과의 사이에 형성된 공간과 이어져 냉각 통로를 이루고,
    그 냉각 통로에는 상기 개구부로부터의 공기를 상기 가스 패스부로 유도함과 함께, 상기 터빈부에 있어서의 최종단 동익의 하류측에서, 상기 가스 패스부에 유입시키는 개구가 형성되어 있는 가스 터빈의 배기부의 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱으로부터 연장되고, 상기 내측 디퓨저를 지지함과 함께, 상기 케이싱의 외부와 상기 내측 디퓨저의 내부를 연통시키는 할로우 스트럿과,
    상기 할로우 스트럿에 있어서의 상기 케이싱에 대한 개구 면적을 조절하는 덮개부가 형성되어 있는 가스 터빈의 배기부의 구조.
  3. 공기를 압축하는 컴프레서부와,
    상기 컴프레서부에 의해 압축된 공기와 연료를 혼합하고 연소시켜, 연소 가스를 생성하는 연소기와,
    상기 연소 가스로부터 회전 구동력을 만들어 내는 터빈부와,
    그 터빈부로부터 배기된 배기 가스가 유입되는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 배기부가 형성되어 있는 가스 터빈.
  4. 삭제
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