KR101640334B1

KR101640334B1 - 가스 터빈

Info

Publication number: KR101640334B1
Application number: KR1020147019382A
Authority: KR
Inventors: 에이이치 츠츠미; 겐이치 아라세; 신야 하시모토
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2016-07-15
Also published as: JPWO2013140655A1; DE112012006059B4; US9085982B2; JP5908063B2; WO2013140655A1; DE112012006059T5; CN104053860B; US20130243576A1; KR20140100576A; CN104053860A

Abstract

가스 터빈은, 터빈축에 직교하는 반경 방향의 외측으로부터 동익에 대향하는 익환과, 상기 익환(1)에 마련되며, 내부에 냉각 매체가 유통하는 유로를 구비하고 있다. 상기 유로는, 상기 익환(1) 내에 형성된 내부 유로와, 상기 내부 유로에 연결되며 상기 익환(1)의 외부에 배설되는 동시에, 해당 익환(1)의 둘레 방향으로 연장되는 관 형상의 외부 유로를 구비하고 있다. 상기 외부 유로는, 상기 익환(1)에 고정되는 복수의 고정부와, 상기 둘레 방향으로 서로 이웃하는 상기 고정부끼리의 사이에 배치되며, 상기 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부를 구비한다.

Description

가스 터빈{GAS TURBINE}

본 발명은 익환(blade ring)에 냉각 증기 등의 냉각 매체가 유통하는 유로가 마련된 가스 터빈에 관한 것이다.

본원은 2012년 3월 19일에 출원된 일본 특허 출원 제 2012-062126 호에 대해 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.

가스 터빈의 운전시에는, 내부를 흐르는 고온의 연소 가스에 의해 익환이 열팽창하여, 해당 익환과 동익 선단의 클리어런스가 커지기 쉽다. 그렇지만, 클리어런스가 증대하는 것은 가스 터빈의 성능을 안정적으로 유지하는데 있어서 바람직하지는 않다.

그래서, 익환에 냉각 증기(냉각 매체)가 유통하는 유로를 마련하여, 해당 익환의 열팽창을 억제하는 것이 실행되고 있다(예컨대, 하기 특허문헌 1, 2를 참조). 가스 터빈에 있어서의 익환의 터빈축 방향의 상류측에는 복수의 연소기가 둘레 방향으로 배열되어 있다. 이들 연소기를, 익환을 통과하는 냉각 증기를 이용하여 냉각하는 것도 실행되고 있다.

하기 특허문헌 1에 기재된 가스 터빈에서는 익환의 냉각 증기의 유로로서 내부 유로와 외부 유로가 마련되어 있다. 내부 유로는 익환에 형성되어 있다. 외부 유로는, 내부 유로에 연결되며 익환의 외부에 배설되는 동시에 해당 익환의 둘레 방향으로 연장되는 관 형상을 이루고 있다.

그리고, 냉각 증기는 내부 유로를 유통함으로써 열교환되어 익환을 냉각하는 동시에 연소기에 이송되어 연소기를 냉각한다. 내부 유로 및 연소기와의 열교환에 의해 고온이 된 냉각 증기(과열 증기)는 익환의 온도를 상승시키지 않도록, 주로 외부 유로를 통해서 회수된다.

일본 특허 제 4274666 호 공보 일본 특허 공개 제 2002-309906 호 공보

그렇지만, 전술한 종래의 가스 터빈에서는 하기의 과제가 있었다.

즉, 익환과 그 외부로 연장되는 외부 유로 사이에는, 서로의 온도차에 의한 열신장차가 생긴다. 이에 의해, 외부 유로의 익환에의 고정부 등에 높은 열응력이 발생한다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 익환과 그 외부 유로의 열신장차에 의한 열응력을 완화할 수 있는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제안하고 있다.

즉, 본 발명의 제 1 태양에 따른 가스 터빈은, 터빈축에 직교하는 반경 방향의 외측으로부터 동익에 대향하는 익환과, 상기 익환에 마련되며, 내부에 냉각 매체가 유통하는 유로를 구비하고, 상기 유로는, 상기 익환 내에 형성된 내부 유로와, 상기 내부 유로에 연결되며 상기 익환의 외부에 배설되는 동시에, 해당 익환의 둘레 방향으로 연장되는 관 형상의 외부 유로를 구비하고, 상기 외부 유로는, 상기 익환에 고정되는 복수의 고정부와, 상기 둘레 방향으로 서로 이웃하는 상기 고정부끼리의 사이에 배치되며, 상기 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부를 구비한다.

본 발명의 제 1 태양에 따른 가스 터빈에서는, 유로에 냉각 증기 등의 냉각 매체를 유통시킴으로써 익환을 냉각하여, 해당 익환의 반경 방향 외측을 향한 열팽창을 억제하고 있다. 이에 의해, 운전시에 있어서의 익환과 동익 선단과의 클리어런스의 증대가 억제되어, 가스 터빈의 성능이 안정적으로 유지된다.

또한, 냉각 매체는 내부 유로를 유통함으로써 열교환되어 익환을 냉각한다. 이 열교환에 의해 고온이 된 냉각 매체는 익환의 온도를 상승시키지 않도록 외부 유로를 통해서 회수된다.

본 발명의 제 1 태양에 따른 가스 터빈에 의하면, 외부 유로가, 그 둘레 방향으로 서로 이웃하는 고정부끼리의 사이에, 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부를 구비하고 있으므로, 하기의 효과를 발휘한다.

즉, 익환과, 그 외부에 배설되며 둘레 방향으로 연장되는 외부 유로의 사이에, 서로의 온도차에 의한 열신장차가 생겨도, 열응력 흡수부가 신축함으로써 이러한 열신장차를 흡수할 수 있어서, 열응력이 저감된다.

이에 의해, 유로(예컨대 외부 유로의 고정부 등)의 변형이나 파손이 방지되므로, 가스 터빈의 성능을 안정적으로 높일 수 있다.

상기 가스 터빈의 상기 열응력 흡수부는 벨로우즈관이어도 좋다.

이 경우, 열응력 흡수부를 간단하게 제작할 수 있다.

상기 가스 터빈의 상기 열응력 흡수부는 상기 둘레 방향에 교차하는 방향으로 접히도록 굽혀진 관이어도 좋다.

이 경우, 익환과, 그 외부에 배설되며 둘레 방향으로 연장되는 외부 유로의 사이에, 서로의 온도차에 의한 열신장차가 생겨도, 둘레 방향에 교차하는 방향으로 접히도록 굽혀진 관이 둘레 방향으로 휘는 것에 의해서(즉 열응력 흡수부로서 둘레 방향으로 신축하는 것에 의해서), 이 열응력이 저감된다.

따라서, 열응력 흡수부의 성능을 확보하면서, 제작 비용을 삭감할 수 있다.

본 발명의 가스 터빈에 의하면, 익환과 그 외부 유로의 열신장차에 의한 열응력을 완화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈 익환의 냉각 매체의 계통도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈의 익환을 터빈축 방향에서 본 정면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈의 익환을 반경 방향에서 본 상면도,
도 4는 도 2의 익환에 있어서의 증기 공급용의 외부 유로를 설명하는 도면,
도 5는 도 2의 익환에 있어서의 증기 배출용의 외부 유로를 설명하는 도면,
도 6은 제 2 실시형태에 따른 증기 공급용의 외부 유로를 설명하는 도면,
도 7은 제 2 실시형태에 따른 증기 배출용의 외부 유로를 설명하는 도면.

(제 1 실시형태)

본 발명의 실시형태에 따른 가스 터빈은 압축기에서 생성된 압축 공기를 연소기에서 연료와 혼합해서 연소시켜 고온·고압의 연소 가스를 생성한다. 그리고, 이 연소 가스를 터빈에 유입시킴으로써, 터빈의 로터를 터빈축(C) 주위로 회전시켜 회전 동력을 얻는다.

터빈에는, 터빈축(C)에 동축인 환상의 익환(1)이 터빈축(C) 방향으로 복수 배설되어 있다. 익환(1)은 정익을 반경 방향 외측으로부터 지지하고 있다. 익환(1)은 해당 정익의 터빈축(C) 방향으로 서로 이웃하는 동익 선단과의 사이에 간극(클리어런스)을 두고, 해당 동익에 반경 방향 외측으로부터 대향하고 있다.

또한, 본 명세서에서는, 터빈축(C) 방향을 따르는 연소기의 압축기측을 상류측이라 하고, 연소기의 터빈측을 하류측이라 한다. 터빈축(C) 방향에 직교하는 방향을 반경 방향이라 하고, 터빈축(C) 주위로 주회하는 방향을 둘레 방향이라 한다.

이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 가스 터빈은 냉각 매체의 일 예로서 냉각 증기를 이용하여 익환(1)을 냉각하는 가스 터빈이다. 가스 터빈은 전술한 익환(1)과, 익환(1)에 마련되며 내부에 냉각 증기가 유통하는 유로(2)를 구비하고 있다.

익환(1)은 반원환 형상의 분할체가 한쌍 조합되어 전체적으로 원환 형상을 이루고 있다.

익환(1)의 외주면에는, 통 형상의 증기 공급부(1a) 및 증기 배출부(1b)가 그의 축을 반경 방향으로 향하게 하도록 돌출되어 있다.

냉각 증기는 증기 터빈 보터밍계로부터 증기 공급부(1a)를 통과하여 유로(2)에 공급된다. 이 냉각 증기는 익환(1)을 냉각한 후, 증기 배출부(1b)로부터 증기 터빈 보터밍계로 복귀한다.

또한, 본 실시형태의 익환(1)은 연소기에 접근 배치되는 제 1 단 동익에 대향하는 익환(1)이다. 냉각 증기는 익환(1)을 냉각한 후, 또한 연소기의 유로에 유통되어 해당 연소기를 냉각한다. 그 후, 냉각 증기는 다시 익환(1)의 유로(2)로부터 증기 터빈 보터밍계로 복귀한다.

도 1에, 익환용 냉각 증기의 계통도를 도시한다. 도 1에서는, 반원환 형상의 상반부 익환(1m)의 냉각 계통을 도시하고 있다. 하반부 익환(1n)의 계통의 설명은 생략하고 있지만, 상반부 익환(1m)과 동일한 계통을 구비하고 있다. 상반부 익환(1m)과 하반부 익환(1n)이 일체화되어, 하나의 익환(1)이 형성된다.

도 1에 있어서, 냉각 증기는 증기 보터밍계(20)로부터, 익환(1)의 냉각 매체로서, 상반부 익환(1m)에 마련된 증기 공급부(1a)에 공급된다. 한편, 익환(1)을 냉각한 후의 냉각 증기는 익환(1)에 마련된 증기 배출부(1b)로부터 증기 보터밍계(20)로 복귀한다. 또한, 이하에 서술하는 유로(2)의 부호는, 증기 공급 계통은 부호(2A)를 부여하고, 증기 복귀 계통(증기 배출 계통)은 부호(2B)를 부여하여 구분하고 있다.

익환(1)에 공급된 냉각 증기는 익환(1)을 냉각한 후, 연소기를 냉각하고 일단 익환(1)로 복귀하며, 증기 배출부(1b)로부터 증기 보터밍계(20)로 배출된다. 익환(1)에는, 각각의 대응하는 연소기와의 냉각 증기의 주고받기를 위해, 익환(1)에 일체로 형성된 포트(5)가 각 연소기의 위치에 대응하여 마련되어 있다. 각 포트(5)는, 연소기에 냉각 증기를 송출하는 접속구(5A)와 연소기로부터 되돌아오는 냉각 증기를 받아들이는 접속구(5B)를 구비하고 있다. 또한, 도 1에 도시하는 예에서는, 상반부 익환(1m)에 대하여 연소기를 8기 배치한 예를 나타내고 있지만, 이 예에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 있어서, 증기 공급부(1a)로부터 상반부 익환(1m)에 공급된 냉각 증기는 2계통으로 나뉘어 유로(2A)를 흐른다. 그리고, 냉각 증기는 익환(1m)을 냉각하면서 포트(5)에 공급되며, 접속구(5A)로부터 연소기에 공급된다. 연소기를 냉각한 후의 냉각 증기는 포트(5)의 접속구(5B)로부터 상반부 익환(1m) 내에 공급되며, 유로(2B)를 거쳐서 증기 배출부(1b)로 복귀한다.

증기 공급부(1a)로부터 포트(5)의 접속구(5A)에 냉각 증기를 공급하는 유로(2A)는 후술하는 유로(4A, 6A 및 7A)를 갖고 있다. 포트(5)의 접속구(5B)로부터 증기 배출부(1b)에 배출되는 연소기로부터의 복귀 냉각 증기가 흐르는 유로(2B)는 후술하는 유로(4B, 6B) 및 유로(7B)를 갖고 있다.

유로(2A) 및 유로(2B) 중 익환(1)의 외부에 배치되는 관 형상의 외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B)는 실선으로 나타낸다. 외부 유로와 각 포트(5)의 접속구(5A, 5B)의 사이의 익환(1) 내부에는 파선으로 나타내는 내부 유로(4)(4A, 4B)가 마련되며, 냉각 증기에 의해 익환(1)이 냉각된다. 또한, 도 1에 도시하는 외부 유로 및 내부 유로의 구분 및 조합은 일 예이며, 이 예에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 2 내지 도 7을 이용하여, 냉각 매체로 익환을 냉각하는 유로의 구성의 상세를 이하에 설명한다. 유로(2A, 2B)는 익환(1) 내에 형성된 내부 유로(4A, 4B)와, 내부 유로(4A, 4B)에 연결되며 익환(1)의 외부에 배설되는 동시에, 해당 익환(1)의 둘레 방향으로 연장되는 관 형상의 외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B)를 구비하고 있다.

도 2에 있어서, 익환(1)의 터빈축(C) 방향의 상류측을 향하는 단면(1c)에는, 각각의 연소기에 대향하는 위치에, 연소기와 냉각 증기를 주고받는 배관의 접속구(5A, 5B)를 구비하는 포트(5)가 배치되어 있다. 접속구(5A)는 내부 유로(4A)로부터 연소기의 유로를 향하여 냉각 증기를 공급한다. 접속구(5B)는, 접속구(5A)로부터 연소기에 공급되어 열교환 후의 증기를 연소기의 유로로부터 내부 유로(4B)로 회수한다. 접속구(5A, 5B)는 둘레 방향으로 서로 이웃하여 개구되어 있다. 접근하여 서로 이웃하는 접속구(5A, 5B)의 쌍은 이들 접속구(5A, 5B)에 대향하는 연소기의 유로의 양단부에 연결된다.

도 2에 있어서, 내부 유로(4)는 익환(1) 내에 둘레 방향으로 간격을 두고 복수 형성되어 있다.

구체적으로, 내부 유로(4)(4A, 4B)는 제 1 내부 유로(4A)와 제 2 내부 유로(4B)를 구비하고 있다. 제 1 내부 유로(4A)는 익환(1) 및 연소기를 냉각하는 증기가 유통하는 증기 공급 계통이다. 제 2 내부 유로(4B)는 연소기로부터 회수된 열교환 후의 증기가 유통하는 증기 배출 계통이다. 도시의 예에서는, 이들 제 1, 제 2 내부 유로(4A, 4B)가 둘레 방향으로 교대로 배치되어 있다. 구체적으로는, 반원환 형상을 이루는 익환(1)의 분할체[상반부 익환(1m), 하반부 익환(1n)] 내에, 둘레 방향으로 배열되는 연소기의 위치에 대응하여, 8쌍의 내부 유로(4A, 4B)가 형성되어 있다.

제 1 내부 유로(4A)는, 터빈축(C) 방향으로 연장되는 유로 부분(41A)과 둘레 방향으로 연장되는 유로 부분(42A)이 이어져서 형성되어 있는 동시에, 익환(1) 내에서 U자 형상으로 만곡되도록 연장되어 있다. 도 2의 예에서는, 제 1 내부 유로(4A)는 익환(1)에 있어서 터빈축(C) 방향의 상류측(도 2의 지면에 수직인 방향 중 앞쪽)을 향하는 단면(1c)으로부터, 터빈축(C) 방향의 하류측(도 2의 지면에 수직인 방향 중 안쪽)을 향하여 연장된 후, 둘레 방향으로 굽혀지며, 또한 접히도록 상류측을 향해 연장되어 있다[익환(1)에 있어서의 터빈축(C) 방향의 상류측, 하류측에 대해서는 도 3을 참조].

도 2에 있어서, 제 1 내부 유로(4A) 중 상기 터빈축(C) 방향으로 연장되는 유로 부분(41A)은, 각 제 1 내부 유로(4A)에 있어서 둘레 방향으로 이격하여 한쌍씩 형성되어 있다. 이들 유로 부분(41A)은 모두 익환(1)의 단면(1c)에 개구되어 있는 접속구(5A)에 접속한다. 한쌍의 유로 부분(41A) 중 한쪽의 유로 부분(41A)[도 2에서는 우측의 유로 부분(41A)]의 단면(1c)으로의 개구부는 후술하는 제 1 외부 유로(6A, 7A)의 고정부(16A)에 연결되어 있다. 그 후류측에 배치되는 다른 쪽의 유로 부분(41A)[도 2에서는 좌측의 유로 부분(41A)]의 단면(1c)으로의 개구부가 접속구(5A)로 되어 있다. 이들 유로 부분(41A)은 도 2에 파선으로 나타내는 바와 같이 터빈축(C) 방향을 따라서 서로 평행하게 연장되어 있다.

도 2에 있어서, 제 1 내부 유로(4A) 중 상기 둘레 방향으로 연장되는 유로 부분(42A)은, 각 제 1 내부 유로(4A)에 있어서의 한쌍의 유로 부분(41A)의 터빈축(C) 방향의 하류측의 단부끼리를 연결하며, 직선 형상 또는 곡선 형상으로 연장되어 있다. 유로 부분(42A)은 상기 한쌍의 유로 부분(41A)에 대응하고, 익환(1)의 본체 내에 형성되며, 양단은 유로(41A)에 연결되어 있다.

도 2에 있어서, 내부 유로(4)(4A, 4B) 중 제 1 내부 유로(4A)는 전술한 바와 같이 그 전체 길이가 길게 확보되도록 형성되어 있다. 제 2 내부 유로(4B)는 그 전체 길이가 극히 짧아지도록 형성되어 있다.

도 4에 있어서, 증기 공급 계통의 외부 유로(제 1 외부 유로)는 익환(1)의 반경 방향 외측에 배설되는 동시에, 관부(6A)와 관부(7A)를 구비하고 있다. 관부(6A)는 둘레 방향을 따라서 연장되어 있다. 관부(7A)는 관부(6A)로부터 분기하여 반경 방향을 따라서 연장되는 동시에, 그 단부가 익환(1)의 제 1 내부 유로(4A)에 연결된다.

마찬가지로, 도 5에 있어서, 증기 배출 계통의 외부 유로(제 2 외부 유로)는 익환(1)의 반경 방향 외측에 배설되는 동시에, 관부(6B)와 관부(7B)를 구비하고 있다. 관부(6B)는 둘레 방향을 따라서 연장되어 있다. 관부(7B)는 관부(6B)로부터 분기하여 반경 방향을 따라서 연장되는 동시에, 그 단부가 익환(1)의 제 2 내부 유로(4B)에 연결된다.

관부(6A)는 증기 공급부(1a)에 연결되어 있으며, 도시의 예에서는, 해당 증기 공급부(1a)를 사이에 두는 둘레 방향의 양측에, 관부(6A)가 한쌍 마련되어 있다. 관부(6A)의 관경(내경)은 증기 공급부(1a)와의 연결 부분이 가장 굵게 되어 있다. 관부(6A)의 관경은 증기 공급부(1a)로부터 이격함에 따라서 단계적으로 작아지도록[관부(7A)와의 분기 부분을 지날 때마다 단계적으로 작아지도록] 설정되어 있다.

도 2 및 도 4에 있어서, 관부(7A)의 반경 방향 내측의 단부(16A)는 익환(1)에 있어서 터빈축(C) 방향의 상류측을 향하는 단면(1c)에 고정 지지되어 있다. 관부(7A)의 상기 단부(16A)는 제 1 외부 유로를 익환(1)에 고정하는 고정부로 되어 있다.

관부(6A)에 있어서의 증기 공급부(1a)와의 연결단(13A)도, 제 1 외부 유로를 익환(1)에 고정하는 고정부로 되어 있다.

한쌍의 관부(6A) 중 한쪽[도 4에 있어서 증기 공급부(1a)의 우측에 위치하는 것]은 해당 한쪽의 관부(6A)에 있어서의 둘레 방향의 양단부 중 증기 공급부(1a)와는 반대측의 단부(14A)가 관부(7A)를 거치지 않고 직접 익환(1)의 외주면에 고정되어 있다. 해당 단부(14A)도, 제 1 외부 유로를 익환(1)에 고정하는 고정부로 되어 있다.

제 1 외부 유로의 고정부는 익환(1)측에 마련되는 고정부와, 분기 배관 이음쇠(12A)와, 만곡 배관 이음쇠(15A)를 구비하고 있다. 분기 배관 이음쇠(12A)는 관부(6A)로부터 관부(7A)로 유로를 분기한다. 만곡 배관 이음쇠(15A)는 관부(6A)로부터 관부(7A)로 유로의 방향을 변경한다.

도 4에 있어서, 상기 익환(1)측에 마련되는 고정부는, 전술한 연결단(13A) 및 단부(14A)이다. 상기 분기 배관 이음쇠(12A)는 관부(6A)와 관부(7A)를 T자 형상으로 연결하고 있으며, 그 관부(7A)의 반경 방향 내측의 단부(16A)가 익환(1)에 고정되어 있다. 상기 만곡 배관 이음쇠(15A)는 도 4의 좌단부에 도시되며 관부(6A)와 관부(7A)를 L자 형상으로 연결하고 있고, 그 관부(7A)의 반경 방향 내측의 단부(16A)가 익환(1)에 고정되어 있다. 또한, 증기 공급 계통의 이들 고정부의 형상이나 배치 등은 일 예이며, 이 예에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 제 1 외부 유로(6A, 7A)는, 둘레 방향으로 서로 이웃하는 고정부끼리의 사이에 배치되며 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부(8A)를 구비하고 있다. 열응력 흡수부(8A)는 관부(6A)에 마련되어 있으며, 익환(1)에 고정되는 고정부, 분기 배관 이음쇠(12A) 및 만곡 배관 이음쇠(15A) 중 어느 하나에 개재된 중간 부분에 배치되어 있다.

본 실시형태의 열응력 흡수부(8A)는, 관의 둘레벽이 관의 반경 방향으로 복수회 접힌 벨로우즈 구조를 이루고 있다. 열응력 흡수부(8A)로서는, 익환(1)의 둘레 방향으로 신축 가능하게 된 벨로우즈관(플렉서블 튜브)을 이용할 수 있다. 벨로우즈관의 관경은, 배치되는 관부(6A) 부분의 관경에 따라 각각 설정되어 있는데, 증기 공급부(1a)에 가까운 것이 가장 크고, 해당 증기 공급부(1a)로부터 이격되어 감에 따라 관부(6A)의 관경에 대응하여 단계적으로 작아지고 있다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 제 2 외부 유로(6B, 7B)는 익환(1)에 복수 배치되며, 관부(6B)와 관부(7B)를 구비하고 있다. 관부(6B)는 익환(1)의 반경 방향 외측에 배설되는 동시에 둘레 방향을 따라서 연장되어 있다. 관부(7B)는 반경 방향을 따라서 연장되는 동시에, 그 양단부가 관부(6B)와 익환(1)의 제 2 내부 유로(4B)에 연결된다.

도 3에 있어서, 제 2 외부 유로(6B, 7B)는 제 1 외부 유로(6A, 7A)의 터빈축(C) 방향의 하류측(도 3에 있어서의 상측)에 인접하도록 배설되어 있다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 관부(6B)는 증기 배출부(1b)에 연결되어 있으며, 도시된 예에서는, 한쌍의 증기 배출부(1b)를 각각 개재하는 둘레 방향의 양측에, 관부(6B)가 한쌍씩 마련되어 있다. 관부(6B)의 관경(내경)은 증기 배출부(1b)와의 연결 부분이 가장 굵게 되어 있으며, 해당 증기 배출부(1b)로부터 이격함에 따라 단계적으로 작아지도록[구체적으로는, 관부(7B)와의 분기 부분을 지날 때마다 단계적으로 작아지도록] 설정되어 있다.

도 5에 있어서, 관부(7B)의 반경 방향 내측의 단부(16B)는 익환(1)의 외주면에 고정 지지되어 있다. 관부(7B)의 상기 단부(16B)는 제 2 외부 유로를 익환(1)에 고정하는 고정부로 되어 있다.

관부(6B)에 있어서의 증기 배출부(1b)와의 연결단(13B)도, 제 2 외부 유로를 익환(1)에 고정하는 고정부로 되어 있다.

관부(6B)에 있어서의 둘레 방향의 양단부 중 증기 배출부(1b)와는 반대측의 단부(14B)는, 관부(7B)를 거치지 않고 직접 익환(1)의 외주면에 고정되어 있다. 단부(14B)도, 제 2 외부 유로를 익환(1)에 고정하는 고정부로 되어 있다.

제 2 외부 유로의 고정부는 익환(1)측에 마련되는 고정부와 분기 배관 이음쇠(12B)를 구비하고 있다. 분기 배관 이음쇠(12B)는 관부(6B)로부터 관부(7B)로 유로를 분기한다. 도 5에 있어서, 상기 익환(1)측에 마련되는 고정부는, 전술한 연결단(13B) 및 단부(14B)이다. 상기 분기 배관 이음쇠(12B)는 관부(6B)와 관부(7B)를 T자 형상으로 연결하고 있으며, 그 관부(7B)의 반경 방향 내측의 단부(16B)가 익환(1)에 고정되어 있다. 또한, 증기 배출 계통의 이들 고정부의 형상이나 배치 등은 일 예이며, 이 예에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 제 2 외부 유로(6B, 7B)는, 둘레 방향으로 서로 이웃하는 고정부끼리의 사이에 배치되며 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부(8B)를 구비하고 있다. 열응력 흡수부(8B)는 관부(6B)에 마련되어 있으며, 익환(1)에 고정되는 고정부 및 분기 배관 이음쇠(12B)에 개재된 중간 부분에 배치되어 있다.

본 실시형태의 열응력 흡수부(8B)도, 전술한 열응력 흡수부(8A)와 동일한 구성으로 된 벨로우즈관을 이용할 수 있다. 벨로우즈관의 관경은, 배치되는 관부(6B) 부분의 관경에 따라 각각 설정되어 있는데, 증기 배출부(1b)에 가까운 것이 가장 크며, 해당 증기 배출부(1b)로부터 이격되어 감에 따라서 관부(6B)의 관경에 대응하여 단계적으로 작아지고 있다.

이상 설명한 본 실시형태의 가스 터빈에서는, 유로(2)에 냉각 증기를 유통시킴으로써 익환(1)을 냉각하여, 해당 익환(1)의 반경 방향 외측으로 향한 열팽창을 억제하고 있다. 이에 의해, 운전시에 있어서의 익환(1)과 동익 선단의 클리어런스의 증대가 억제되어, 가스 터빈의 성능이 안정적으로 유지된다.

또한, 도 4에 있어서, 냉각 증기는, 우선, 증기 공급부(1a)로부터 제 1 외부 유로(6A)를 통과하며, 분기 배관 이음쇠(12A) 또는 만곡 배관 이음쇠(15A)를 거쳐서 관부(7A)로 흐른다. 그 다음에 제 1 내부 유로(4A)에 연통함으로써 열교환되어 익환(1)을 냉각한다. 또한, 관부(6A)의 단부(14A)에서는, 관부(7A)를 통과하는 일 없이 냉각 증기가 제 1 내부 유로(4A)에 연통하고 있다. 냉각 증기는, 또한 연소기의 유로에 유통하여 열교환됨으로써 연소기를 냉각한다. 열교환에 의해 고온이 된 냉각 증기는 연소기로부터 익환(1)으로 복귀한다. 냉각 증기는, 익환(1)의 온도를 상승시키지 않도록, 도 5에 도시하는 전체 길이가 짧은 제 2 내부 유로(4B)를 통과하고, 관부(7B)를 흘러 분기 배관 이음쇠(12B)에서 다른 계통으로부터의 증기와 합류하며, 제 2 외부 유로(6B)를 통해서 증기 배출부(1b)로부터 회수된다. 또한, 관부(6B)의 단부(14B)에서는, 관부(7B)를 통과하는 일 없이 냉각 증기가 다른 계통으로부터의 증기와 합류하고 있다.

이와 같은 냉각 증기의 유통에 의해, 운전시에는, 제 1 외부 유로(6A, 7A), 익환(1), 제 2 외부 유로(6B, 7B)의 순서로 온도가 높아진다[즉, 외부 유로(6B)의 온도가 가장 높음].

본 실시형태의 가스 터빈에 의하면, 외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B)가, 그 둘레 방향으로 서로 이웃하는 고정부끼리의 사이에, 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부(8A, 8B)를 구비하고 있으므로, 하기의 효과를 발휘한다.

즉, 익환(1)과, 그 외부에 배설되며 둘레 방향으로 연장되는 외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B)의 사이에, 서로의 온도차에 의한 열신장차가 생겨도, 열응력 흡수부(8A, 8B)가 신축함으로써 이 열신장차를 흡수할 수 있어서, 열응력이 저감된다.

이에 의해, 유로(2)[예컨대 외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B)의 고정부 등]의 변형이나 파손이 방지되므로, 가스 터빈의 성능을 안정적으로 높일 수 있다.

제 1 외부 유로(6A, 7A)에서는, 해당 유로(6A, 7A)보다 고온이 되는 익환(1)과의 열신장차에 의해서, 둘레 방향으로 신장시키는 방향의 열응력이 발생하는 것을 생각할 수 있다. 이에 대하여 본 실시형태의 가스 터빈에서는, 해당 제 1 외부 유로(6A, 7A)에 마련된 열응력 흡수부(8A)가 둘레 방향으로 신장함으로써, 이 열응력이 저감된다.

제 2 외부 유로(6B, 7B)에서는, 익환(1)보다 해당 유로(6B, 7B)가 고온이 되는 것에 의한 열신장차에 의해서, 둘레 방향으로 수축시키는 방향의 열응력이 발생하는 것을 생각할 수 있다. 이에 대하여 본 실시형태의 가스 터빈에서는, 해당 제 2 외부 유로(6B, 7B)에 마련된 열응력 흡수부(8B)가 둘레 방향으로 수축함으로써, 이 열응력이 저감된다.

그리고, 본 실시형태에서는, 열응력 흡수부(8A, 8B)를 벨로우즈관으로 형성 하고 있으므로, 이들 열응력 흡수부(8A, 8B)를 간단하게 제작할 수 있다.

(제 2 실시형태)

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 가스 터빈에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

또한, 전술의 실시형태에서 설명한 것과 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 1에 도시하는 냉각 매체의 계통의 사고방식은 본 실시형태에도 적용 가능하다.

도 6 및 도 7에 도시되는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 제 1 실시형태에서 전술한 벨로우즈관을 이용하는 대신에, 둘레 방향에 교차하는 방향으로 접히도록 굽혀진 관[이하, 만곡관(8A, 8B)이라 함]을 이용하고 있는 점이 다르며, 다른 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.

도 6은 증기 공급 계통의 외부 배관(6A, 7A)을 도시하고, 도 7은 증기 배출 계통의 외부 배관(6B, 7B)을 도시한다. 제 2 실시형태에서는, 제 1 실시형태에서 적용된 열응력 흡수 수단으로서의 벨로우즈관 대신에, 익환(1)에 고정된 고정부 또는 분기 배관 이음쇠에서 양단이 지지된 외부 배관(6A, 6B)의 중앙 부분에 만곡관(8A, 8B)을 마련한 예이다. 다만, 일부의 배관에 대해서는, 고정부 또는 분기 배관 이음쇠의 사이에 만곡관(8A, 8B)을 배치할 충분한 공간이 없기 때문에, 제 1 실시형태와 동일한 벨로우즈관을 배치하고 있다. 그 이외의 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.

본 실시형태의 가스 터빈에 의하면, 전술의 실시형태와 동일한 효과를 발휘한다.

열응력 흡수부(8A, 8B)가, 둘레 방향에 교차하는 방향으로 접히도록 굽혀진 관(만곡관)이므로, 하기의 작용 효과가 얻어진다.

즉, 운전시에 있어서, 익환(1)은 제 1 외부 유로(6A, 7A)보다 고온이 되기 때문에, 이들 익환(1)과 유로(6A, 7A)의 열신장차에 의해서, 관부(6A)에는, 둘레 방향으로 신장시키는 방향의 열응력이 생기지만, 관부(6A)의 만곡관(8A)이 둘레 방향으로 휘는 것에 의해서[즉, 열응력 흡수부(8A)로서 둘레 방향으로 신장하는 것에 의해서], 이 열응력이 저감된다. 제 2 외부 유로(6B, 7B)는 익환(1)보다 고온이 되기 때문에, 이들 유로(6B, 7B)와 익환(1)의 열신장차에 의해서, 관부(6B)에는, 둘레 방향으로 수축시키는 방향의 열응력이 생기는 것을 생각할 수 있지만, 관부(6B)의 만곡관(8B)이 둘레 방향으로 휘는 것에 의해서[즉, 열응력 흡수부(8B)로서 둘레 방향으로 수축하는 것에 의해서], 이 열응력이 저감된다.

이에 의해, 전술의 실시형태에서 설명한 열응력 흡수부(8A, 8B)와 동일한 성능을 확보하면서도 제작 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 만곡관은 벨로우즈관보다 비용이 저렴하기 때문에 가스 터빈의 경제성의 관점에서 유리하다.

또한, 본 발명은 전술의 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.

예컨대, 전술의 실시형태에서는, 냉각 매체로서 냉각 증기를 이용하여 설명했지만, 냉각 증기 이외의 예컨대 에어 등의 냉각 매체라도 상관없다. 가스 터빈에는, 냉각 증기가 유통하는 유로(2)를 구비한 익환(1)이 터빈축(C) 방향으로 복수 배설되어 있는 것으로 했지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이러한 익환(1)이 적어도 하나 이상 마련되어 있으면 좋다.

냉각 증기가 익환(1)을 냉각한 후, 또한 연소기의 유로에 유통되어 해당 연소기를 냉각하는 것으로 했지만, 냉각 증기는 적어도 익환(1)을 냉각하면 좋으며, 연소기를 냉각하지 않고 회수되어도 좋다.

외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B)에 있어서, 열응력 흡수부(8A, 8B)는 둘레 방향으로 서로 이웃하는 고정부끼리의 사이에 하나씩 배치되어 있는 것으로 했지만, 이들 고정부끼리의 사이에 복수 배치되어 있어도 상관없다.

외부 유로(6A, 6B, 7A, 7B) 중 증기 공급용의 제 1 외부 유로(6A, 7A)는 내부 유로로 하고, 증기 배출용의 제 2 외부 유로(6B, 7B)만이 외부 배관으로서 마련되어 있는 것으로 해도 좋다. 이와는 반대로, 증기 공급용의 제 1 외부 유로(6A, 7A)만이 마련되어 있으며, 증기 배출용의 제 2 외부 유로(6B, 7B) 대신에 내부 유로를 마련한다고 해도 상관없다.

전술의 제 2 실시형태에서는, 열응력 흡수부(8A, 8B)인 만곡관[관부(6A, 6B)의 둘레 방향으로 서로 이웃하는 고정부 또는 분기 배관 이음쇠 사이의 부분]이 반경 방향으로 접히도록 하여 형성되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 만곡관(8A, 8B)은 둘레 방향에 교차하는 방향으로 접히도록 굽혀져 있으면 좋고, 예컨대, 터빈축(C) 방향으로 접히도록 하여 형성되어 있어도 상관없다.

그 이외, 본 발명의 전술의 실시형태 및 변형예(상기 부연 설명 등)에서 설명한 구성 요소를 적절히 조합해도 상관없다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 전술의 구성 요소를 주지의 구성 요소로 치환하는 것도 가능하다.

1(1m, 1n) : 익환 2(2A, 2B) : 유로
4(4A, 4B) : 내부 유로 6A, 6B, 7A, 7B : 외부 유로
8A, 8B : 열응력 흡수부 11 : 연결관(연결 유로)
12A, 12B : 분기 배관 이음쇠(고정부) 13A, 13B : 연결단(고정부)
14A, 14B : 익환에 직접 고정되는 관부(6A, 6B)의 단부(고정부)
15A : 만곡 배관 이음쇠(고정부)
16A, 16B : 관부(7A, 7B)의 단부(고정부) C : 터빈축

Claims

터빈축에 직교하는 반경 방향의 외측으로부터 동익에 대향하는 익환(blade ring)과,
상기 익환에 마련되고, 내부에 냉각 매체가 유통하는 유로와,
상기 익환에 마련되고, 축방향으로 인접하여 배치된 연소기에 대응해서 배치되며, 상기 연소기에의 냉각 매체를 주고받는 접속구를 갖는 포트를 구비하며,
상기 유로는,
상기 익환 내에 형성된 내부 유로와,
상기 내부 유로에 연결되고 상기 익환의 외부에 배설되는 동시에, 상기 익환의 둘레 방향으로 연장되는 관 형상의 외부 유로를 구비하며,
상기 내부 유로는,
공급 계통을 형성하고, 상기 연소기에 상기 냉각 매체를 공급하는 상기 접속구에 접속하는 제 1 내부 유로와,
배출 계통을 형성하고, 상기 연소기로부터 상기 냉각 매체를 받아들이는 상기 접속구에 접속하고, 상기 제 1 내부 유로보다 전체 길이가 짧은 제 2 내부 유로를 구비하고,
상기 외부 유로는,
상기 익환에 고정되는 복수의 고정부와,
상기 둘레 방향으로 서로 이웃하는 상기 고정부끼리의 사이에 배치되고, 상기 둘레 방향으로 신축 가능한 열응력 흡수부와,
공급 계통을 이루는 제 1 외부 유로와,
상기 제 1 외부 유로의 터빈축 방향으로 인접하고, 배출 계통을 이루는 제 2 외부 유로를 구비하며,
상기 제 1 외부 유로는,
상기 제 1 외부 유로의 둘레 방향을 따라 연장되는 관부와,
상기 제 1 외부 유로의 둘레 방향을 따라 연장되는 관부로부터 분기되어, 상기 제 1 외부 유로에 직교하여 반경 방향 내측으로 연장되고, 상기 익환의 고정부를 거쳐서 상기 제 1 내부 유로에 접속하는 복수의 관부를 갖고,
상기 제 2 외부 유로는,
상기 제 2 외부 유로의 둘레 방향을 따라 연장되는 관부와,
상기 제 2 외부 유로의 둘레 방향을 따라 연장되는 관부로부터 분기되어, 상기 제 2 외부 유로에 직교하여 반경 방향 내측으로 연장되고, 상기 익환의 고정부를 거쳐서 상기 제 2 내부 유로에 접속하는 복수의 관부를 갖는
가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 열응력 흡수부는 벨로우즈관인
가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 열응력 흡수부는 상기 둘레 방향에 교차하는 방향으로 접히도록 굽혀진 관인
가스 터빈.