KR101720476B1 - 가스 터빈 - Google Patents

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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

가스 터빈에 있어서, 터빈 차실(26)의 내주부에 연결됨으로써 환상의 제 1 캐비티(61)를 구획하는 익환(43)과, 익환(43)의 내주부에 축방향으로 소정 간격으로 연결되는 복수의 차열환(46, 47)과, 복수의 차열환(46, 47)의 내주부에 연결되는 복수의 분할환(49, 51)과, 로터(32)의 외주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 복수 고정되며 분할환(49, 51)에 직경방향으로 대향하여 배치되는 복수의 동익체(54)와, 복수의 동익체(54)의 사이에서 외측 슈라우드(56)가 차열환(46, 47)에 고정됨으로써 환상의 제 2 캐비티(62)를 구획하는 복수의 정익체(53)와, 압축 공기를 제 2 캐비티(62)에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)와, 압축 공기보다 저온의 냉각 공기를 제 1 캐비티(61)에 공급하는 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)와, 제 1 캐비티(61)로부터 냉각 공기를 배출하는 냉각 공기 배출 경로(72)를 마련함으로써, 터빈 차실측과 동익과의 클리어런스를 적정량으로 하여 성능의 향상을 도모한다.

Description

가스 터빈{GAS TURBINE}
본 발명은, 예컨대, 압축한 고온ㆍ고압의 공기에 대해 연료를 공급하여 연소하며, 발생한 연소 가스를 터빈에 공급하여 회전 동력을 얻는 가스 터빈에 관한 것이다.
일반적인 가스 터빈은 압축기와 연소기와 터빈에 의해 구성되어 있다. 압축기는 공기 취입구로부터 취입된 공기를 압축함으로써 고온·고압의 압축 공기로 한다. 연소기는 이 압축 공기에 대해 연료를 공급하여 연소시킴으로써 고온·고압의 연소 가스를 얻는다. 터빈은 이 연소 가스에 의해 구동되며, 동축 상에 연결된 발전기를 구동한다.
이 가스 터빈에 있어서의 터빈은 차실 내에 복수의 정익과 동익이 연소 가스의 유동 방향을 따라서 교대로 배설되어 구성되어 있으며, 연소기에서 생성된 연소 가스가 복수의 정익과 동익을 통과함으로써 로터를 구동 회전하고, 이 로터에 연결된 발전기를 구동한다.
또한, 정익과 동익이 배치된 고온의 연소 가스가 흐르는 연소 가스 유로(가스 통로)는, 정익의 일부를 구성하는 외측 슈라우드 및 내측 슈라우드, 그리고 동익 플랫폼 및 분할환으로 둘러싸인 공간으로 형성되어 있다. 동익 플랫폼은 회전축선 주위에 링 형상으로 장착되고, 정익 및 분할환은 회전축선 주위에 링 형상으로 배치되며, 차열환 및 익환을 거쳐서 차실측에 지지되어 있다.
익환은 로터 주위에 2분할되며, 링 형상으로 배치되어 있다. 차열환은 익환의 내주측에 배치되며, 익환으로부터 지지되어 있다. 정익 및 분할환은 차열환의 직경방향 내측에 배치되며, 차열환으로부터 지지되어 있다.
동익의 선단과 분할환의 내주면의 사이는, 양자의 간섭이 생기지 않는 범위에서 간극을 작게 하여 연소 가스의 간극 흐름을 억제하여, 가스 터빈의 성능이 저하되지 않는 구조로 하고 있다.
또한, 압축기의 중간단에서 추기한 냉각 공기를 터빈의 차실에 공급하고, 익환을 거쳐서 정익이나 분할환에 냉각 공기를 공급하여, 연소 가스에 의한 열손상으로부터 익환 주위의 구성 부품(분할환, 차열환 등)을 보호하고 있다. 냉각 공기는, 최종적으로, 가스 통로를 유동하는 연소 가스 중으로 배출되기 때문에, 비교적 고압의 추기 공기가 이용되는 것이 일반적이다.
이러한 가스 터빈으로서는, 예컨대, 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.
일본 특허 공개 제 1995-54669 호 공보
상술한 종래의 가스 터빈의 터빈에서, 예컨대, 핫 기동시, 각 동익은 고속 회전함으로써 선단부가 직경방향에 있어서의 외측으로 신장하는 한편, 차실측에 있어서의 익환 주위의 구성 부품은 저온의 냉각 공기에 의해 냉각됨으로써, 일시적으로 직경방향의 내측으로 수축한다. 이때, 가스 터빈의 기동 후, 정격 운전에 도달할 때까지의 사이에, 동익의 선단과 가스 통로를 구성하는 분할환의 내벽면과의 간극이 일시적으로 감소하는 핀치 포인트(최소 간극)가 발생한다. 그 때문에, 핀치 포인트에서도, 동익의 선단과 분할환의 내벽면이 접촉하지 않도록, 소정 간극을 확보할 필요가 있다. 한편, 가스 터빈은 정상 운전에 도달했을 때 동익의 선단과 분할환의 내벽면과의 간극이 필요 이상으로 커져 버려, 터빈에 의한 구동력의 회수 효율이 저하되어, 가스 터빈 자체의 성능이 저하되어 버린다는 문제가 있다.
또한, 상술한 특허문헌 1에 기재된 터빈에서는, 압축기로부터 비교적 고온의 추기 공기가 익환에 공급되기 때문에, 익환 및 익환 주위의 구성 부품을 충분히 냉각하는 것은 곤란하며, 상술의 간극을 저감하는 것에는 한계가 있다. 추기 공기의 온도를 낮추기 위해서는 냉각할 필요가 있지만, 추기 공기의 냉각은 열손실로 이어져, 가스 터빈의 성능 저하를 초래한다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하는 것으로서, 터빈 차실측과 동익과의 간극을 적정량으로 하여 성능의 향상을 도모하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스 터빈은, 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와, 상기 연소기가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈과, 상기 연소 가스에 의해 회전축선 주위로 회전하는 회전축을 갖는 가스 터빈에 있어서, 상기 터빈은, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 터빈 차실과, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 터빈 차실의 내주부에 지지됨으로써 링 형상의 제 1 캐비티를 구획하는 익환과, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 익환의 내주부에 축방향으로 소정 간격으로 지지되는 복수의 차열환과, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 복수의 차열환의 내주부에 지지되는 복수의 분할환과, 상기 회전축의 외주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 복수 고정되며 상기 분할환에 직경방향으로 대향하여 배치되는 복수의 동익체와, 상기 복수의 동익체의 사이에서 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 슈라우드가 인접하는 상기 차열환에 고정됨으로써 링 형상의 제 2 캐비티를 구획하는 복수의 정익체와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기의 일부를 상기 제 2 캐비티에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기보다 저온의 냉각 공기를 상기 제 1 캐비티에 공급하는 제 1 냉각 공기 공급 경로와, 상기 제 1 캐비티로부터 냉각 공기를 배출하는 냉각 공기 배출 경로를 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서, 압축기로부터 압축 공기의 일부가 추기되고, 추기된 압축 공기가 제 2 냉각 공기 공급 경로에 의해 제 2 캐비티에 공급되는 동시에, 이 압축 공기보다 저온의 냉각 공기가 제 1 냉각 공기 공급 경로에 의해 제 1 캐비티 공급되며, 냉각 공기 배출 경로에 의해 제 1 캐비티로부터 냉각 공기를 배출한다. 그 때문에, 차열환이 압축기로부터 압축 공기에 의해 냉각되며, 익환이 냉각 공기에 의해 직경방향의 내측 및 외측으로부터 냉각됨으로써, 익환과 차열환이 연소 가스로부터 열을 받아 크게 변위되는 일은 없어서, 분할환과 동익과의 간극을 적정량으로 하여 터빈에 의한 구동력의 회수 효율의 저하를 억제하고, 가스 터빈의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와, 상기 연소기가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈과, 상기 연소 가스에 의해 회전축선 주위로 회전하는 회전축을 갖는 가스 터빈에 있어서, 상기 터빈은, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 터빈 차실과, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 터빈 차실의 내주부에 연결됨으로써 환상의 제 1 캐비티를 구획하는 익환과, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 익환의 내주부에 축방향으로 소정 간격으로 연결되는 복수의 차열환과, 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 복수의 차열환의 내주부에 연결되는 복수의 분할환과, 상기 회전축의 외주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 복수 고정되며 상기 분할환에 직경방향으로 대향하여 배치되는 복수의 동익체와, 상기 복수의 동익체의 사이에서 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 슈라우드가 인접하는 상기 차열환에 고정됨으로써 환상의 제 2 캐비티를 구획하는 복수의 정익체와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기의 일부를 상기 제 2 캐비티에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로와, 상기 익환에 마련되며 일단부가 상기 제 1 캐비티에 연통하는 냉각 공기 유로와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기보다 저온의 냉각 공기를 상기 냉각 공기 유로의 타단부와 상기 제 1 캐비티 중 어느 한쪽에 공급하는 제 1 냉각 공기 공급 경로와, 상기 냉각 공기 유로의 타단부와 상기 제 1 캐비티 중 다른쪽으로부터 냉각 공기를 배출하는 냉각 공기 배출 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
따라서, 익환의 내부에 냉각 공기 유로를 마련하므로, 익환이 더욱 냉각되며, 동익의 선단과 분할환과의 간극의 관리가 한층 용이하게 된다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 익환의 내주면에 차열 부재가 마련되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 차열 부재에 의해 제 2 캐비티로부터 익환으로의 입열이 차단됨으로써, 익환을 더욱 냉각할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 냉각 공기 유로는, 상기 회전축의 축방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 복수의 매니폴드와, 상기 복수의 매니폴드를 직렬로 연결하는 연결 통로를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 익환 내에서, 복수의 매니폴드의 사이에서 냉각 공기가 연결 통로를 통해 유통함으로써, 익환을 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 익환은, 상기 회전축의 축방향을 따르는 원통부와, 상기 원통부에 있어서의 각 단부에 마련되는 제 1 외주 플랜지부 및 제 2 외주 플랜지부를 갖고, 상기 복수의 매니폴드는 상기 제 1 외주 플랜지부 및 제 2 외주 플랜지부에 공동부로서 형성되며, 상기 연결 통로는 상기 원통부에 복수의 연통 구멍으로서 형성되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 냉각 공기는 복수의 매니폴드 사이를 연결 통로로서의 복수의 연통 구멍을 통과하여 유동하게 되며, 냉각 공기를 익환의 내부 전체에 유동시킴으로써, 익환을 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 제 1 냉각 공기 공급 경로는 송풍기에 의해 흡인된 대기 공기를 공급하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 제 1 냉각 공기 공급 경로가 대기 공기를 공급하기 때문에, 간단한 구성으로 용이하게 냉각 공기를 공급하여 익환을 냉각할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 차열환은 상기 익환보다 열팽창율이 큰 재료에 의해 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 차열환이 연소 가스에 의해 가열되어 열팽창함으로써, 분할환과 동익과의 간극을 작게 설정할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 제 1 냉각 공기 공급 경로는 상기 냉각 공기를 가열하는 가열 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 가스 터빈의 기동시로부터 정격 부하 운전에 도달하는 단계에 있어서, 동익의 선단과 분할환의 간극을 작게 할 수 있으므로, 가스 터빈의 성능 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에서는, 상기 냉각 공기 배출 경로는 상기 제 1 캐비티로부터 배출된 냉각 공기를 배기 냉각계에 도입하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 익환을 냉각한 냉각 공기를 냉각 공기 배출 경로에 의해 배기 냉각계에 도입함으로써, 냉각 공기의 유효 이용을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 가스 터빈에 의하면, 익환의 내측에 구획된 제 2 캐비티에 공급되는 냉각 공기보다 저온의 냉각 공기를, 그 외측에 구획되는 제 1 캐비티에 공급하므로, 기동시부터 정격 운전에 도달할 때까지의 사이에, 익환이 상시 저온의 냉각 공기에 접촉하고 있으므로, 익환 자체가 크게 변위되는 일은 없다. 따라서, 정격 운전시에, 분할환과 동익과의 간극을 적정량으로 설정할 수 있어서, 터빈에 의한 구동력의 회수 효율의 저하를 억제하고, 가스 터빈의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 가스 터빈에 있어서의 연소기의 근방을 나타내는 단면도,
도 2는 터빈의 익환의 근방을 나타내는 단면도,
도 3은 본 실시형태의 변형예를 나타내는 터빈의 익환의 근방의 단면도,
도 4는 본 실시형태의 변형예를 나타내는 제 1 냉각 공기 공급 경로의 도면,
도 5는 가스 터빈의 핫 기동시에 있어서의 터빈의 구성 부재의 간극의 거동을 나타내는 그래프,
도 6은 가스 터빈의 콜드 기동시에 있어서의 터빈의 구성 부재의 간극의 거동을 나타내는 그래프,
도 7은 가스 터빈의 전체 구성을 나타내는 개략도.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 가스 터빈의 바람직한 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 또한, 실시형태가 복수 있는 경우에는, 각 실시형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.
도 7은 본 실시형태의 가스 터빈의 전체 구성을 나타내는 개략도이다.
본 실시형태의 가스 터빈은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 압축기(11)와 연소기(12)와 터빈(13)에 의해 구성되어 있다. 이 가스 터빈은 동축 상에 도시하지 않는 발전기가 연결되며, 발전 가능하게 되어 있다.
압축기(11)는 공기를 취입하는 공기 취입구(20)를 갖고, 압축기 차실(21) 내에 입구 안내익(IGV: Inlet Guide Vane)(22)이 배설되는 동시에, 복수의 정익(23)과 복수의 동익(24)이 공기의 유동 방향(후술하는 로터(32)의 축방향)으로 교대로 배설되어 이루어지며, 그 외측에 추기실(25)이 마련되어 있다. 이 압축기(11)는 공기 취입구(20)로부터 취입된 공기를 압축함으로써 고온·고압의 압축 공기로 한다.
연소기(12)는 압축기(11)에서 압축된 고온·고압의 압축 공기에 대해 연료를 공급하고 연소시킴으로써 연소 가스를 생성한다. 터빈(13)은 터빈 차실(26) 내에 복수의 정익(27)과 복수의 동익(28)이 연소 가스의 유동 방향(후술하는 로터(32)의 축방향)으로 교대로 배설되어 있다. 그리고, 이 터빈 차실(26)은 하류측에 배기 차실(29)을 거쳐서 배기실(30)이 배설되어 있으며, 배기실(30)은 터빈(13)에 접속하는 배기 디퓨저(31)를 갖고 있다. 이 터빈은 연소기(12)로부터의 연소 가스에 의해 구동되어, 동축 상에 연결된 발전기를 구동한다.
압축기(11)와 연소기(12)와 터빈(13)은 배기실(30)의 중심부를 관통하도록 로터(회전축)(32)가 배치되어 있다. 로터(32)는 압축기(11)측의 단부가 베어링부(33)에 의해 회전 가능하게 지지되는 동시에, 배기실(30)측의 단부가 베어링부(34)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 그리고, 이 로터(32)는, 압축기(11)에서, 각 동익(24)이 장착된 디스크가 복수 중첩되어 고정되는 동시에, 터빈(13)에서, 각 동익(28)이 장착된 디스크가 복수 중첩되어 고정되어 있으며, 배기실(30)측의 단부에 발전기의 구동축이 연결되어 있다.
그리고, 이 가스 터빈은, 압축기(11)의 압축기 차실(21)이 레그부(35)에 지지되고, 터빈(13)의 터빈 차실(26)이 레그부(36)에 의해 지지되며, 배기실(30)이 레그부(37)에 의해 지지되어 있다.
따라서, 압축기(11)에서, 공기 취입구(20)로부터 취입된 공기가 입구 안내익(22), 복수의 정익(23)과 동익(24)을 통과하여 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기가 된다. 연소기(12)에서, 이 압축 공기에 대해 소정의 연료가 공급되고, 연소된다. 터빈(13)에서, 연소기(12)에서 생성된 고온·고압의 연소 가스(G)가 터빈(13)에 있어서의 복수의 정익(27)과 동익(28)을 통과함으로써 로터(32)를 구동 회전하고, 이 로터(32)에 연결된 발전기를 구동한다. 한편, 연소 가스는 운동 에너지가 배기실(30)의 배기 디퓨저(31)에 의해 압력으로 변환되어 대기로 방출된다.
이와 같이 구성된 가스 터빈에서, 터빈(13)에 있어서의 각 동익(28)의 선단과 터빈 차실(26)측과의 간극은 동익(28)이나 터빈 차실(26) 등의 열신장을 고려한 간극(클리어런스)으로 되어 있으며, 터빈(13)에 의한 구동력의 회수 효율의 저하, 또한, 가스 터빈 자체의 성능의 저하의 관점에서, 터빈(13)에 있어서의 각 동익(28)의 선단과 터빈 차실(26)측과의 간극을 가능한 한 작은 간극으로 하는 것이 바람직하다.
그래서, 본 실시형태에서는, 동익(28)의 선단과 터빈 차실(26)측과의 초기 간극을 크게 하는 동시에, 터빈 차실(26)측을 적정하게 냉각함으로써, 정상 운전시에 있어서의 동익(28)의 선단과 터빈 차실(26)측과의 간극을 작게 하여, 터빈(13)에 의한 구동력의 회수 효율의 저하를 방지하고 있다.
도 1은 본 실시형태의 가스 터빈에 있어서의 연소기의 근방을 나타내는 단면도이며, 도 2는 터빈의 익환의 근방을 나타내는 단면도이다.
터빈(13)에 있어서, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 터빈 차실(26)은 원통 형상을 이루며, 연소 가스(G)의 유동 방향의 하류측에 원통 형상을 이루는 배기 차실(29)이 연결되어 있다. 이 배기 차실(29)은 연소 가스(G)의 유동 방향의 하류측에 원통 형상을 이루는 배기실(30)(배기 디퓨저(31))이 마련되며, 배기실(30)은 연소 가스(G)의 유동 방향의 하류측에 배기 덕트(미도시)가 마련되어 있다.
터빈 차실(26)은 내주부에 연소 가스(G)의 유동 방향의 전후로 소정 간격을 두고 내주 플랜지부(42a, 42b)가 일체로 형성되며, 이 내주 플랜지부(42a, 42b)에는, 직경방향의 내주부에 로터(32) 주위에 2분할된 링 형상을 이루는 익환(43)이 고정되어 있다. 이 익환(43)은 둘레방향의 분할부에서 볼트 체결되며, 원통 형상의 구조물을 형성하고 있다. 익환(43)은 연소 가스(G)의 유동 방향(로터(32)의 축방향)을 따르는 원통부(44a)와, 원통부(44a)에 있어서의 축방향의 상류측 및 하류측의 각 단부에 마련되는 제 1 외주 플랜지부(44b) 및 제 2 외주 플랜지부(44c)를 갖고 있다.
익환(43)은 직경방향 내측의 내주부에 연소 가스(G)의 유동 방향의 전후로 소정 간격을 두고 걸림고정부(45a, 45b)가 둘레방향을 따라서 일체로 형성되어 있다. 제 1 차열환(46)은 익환(43)의 내주부로부터 걸림고정부(45a)를 거쳐서 지지되며, 제 2 차열환(47)은 익환(43)의 내주부로부터 걸림고정부(45b)를 거쳐서 지지되어 있다. 각 차열환(46, 47)은 로터(32)의 주위에 링 형상을 이루고, 제 1 분할환(49)은 걸림고정부(48a, 48b)를 거쳐서 제 1 차열환(46)의 내주부에 지지되며, 제 2 분할환(51)은 걸림고정부(50a, 50b)를 거쳐서 제 2 차열환(47)의 내주부에 지지되어 있다.
또한, 차열환(46, 47) 및 정익(27), 그리고 분할환(49, 51)은 둘레방향으로 복수로 분할되며, 일정한 간극을 보지하면서 링 형상으로 배치되어 있다.
로터(32)(도 7 참조)는 외주부에 복수의 디스크(52)가 일체로 연결되어 이루어지며, 베어링부(34)(도 7 참조)에 의해 터빈 차실(26)에 회전 가능하게 지지되어 있다.
복수의 정익체(53)와 복수의 동익체(54)는 익환(43)의 직경방향의 내측에 연소 가스(G)의 유동 방향을 따라서 교대로 배설되어 있다. 정익체(53)는, 복수의 정익(27)이 둘레방향으로 균등 간격으로 배치되고, 직경방향 내측에서 로터(32) 주위에 링 형상을 이루는 내측 슈라우드(55)에 고정되며, 직경방향의 외측에서 로터(32) 주위에 링 형상을 이루는 외측 슈라우드(56)에 고정되어 구성되어 있다. 그리고, 정익체(53)는, 외측 슈라우드(56)가 걸림고정부(57a, 57b)를 거쳐서 차열환(46, 47)에 지지되어 있다.
동익체(54)는, 복수의 동익(28)이 둘레방향으로 균등 간격으로 배치되며, 기단부가 디스크(52)의 외주부에 고정되어 있다. 동익(28)의 선단부는 직경방향의 외측에서 대향하여 배치된 분할환(49, 51)측으로 연장되어 있다. 이 경우, 각 동익(28)의 선단과 분할환(49, 51)의 내주면 사이에, 소정의 간극(클리어런스)이 확보되어 있다.
터빈(13)은, 분할환(49, 51) 및 외측 슈라우드(56)와, 내측 슈라우드(55)의 사이에 로터(32) 주위에 링 형상을 이루는 연소 가스(G)가 흐르는 가스 통로(58)가 형성되어 있다. 이 가스 통로(58)에 복수의 정익체(53)와 복수의 동익체(54)가 연소 가스(G)의 유동 방향을 따라서 교대로 배설되어 있다.
연소기(12)는 로터(32)의 직경방향의 외측에 둘레방향을 따라서 복수 소정 간격으로 배치되며, 연소기 지지 부재(38)를 거쳐서 터빈 차실(26)에 지지되어 있다. 이 연소기(12)는 압축기(11)에서 압축된 고온·고압의 압축 공기에 대해 연료를 공급하고 연소시킴으로써 연소 가스(G)를 생성한다. 연소기(12)의 출구(14)(미통)는 가스 통로(58)에 연결되어 있다.
그리고, 터빈(13)에서는, 제 1 외주 플랜지부(44b) 및 제 2 외주 플랜지부(44c)를 거쳐서, 터빈 차실(26)의 내주 플랜지부(42a, 42b)에 익환(43)이 연결되어 있다. 그 결과, 익환(43)의 직경방향의 외표면에 인접하고, 터빈 차실(26)의 직경방향의 내주면과 익환의 직경방향의 외주면으로 둘러싸이며, 로터(32) 주위에 링 형상으로 배치된 제 1 캐비티(61)가 구획된다. 터빈(13)은 익환(43)의 내주부에 차열환(46, 47)을 거쳐서 분할환(49, 51)이 고정되는 동시에, 로터(32)의 축방향의 차열환(46, 47)의 사이에 정익체(53)의 외측 슈라우드(56)가 고정된다. 그 결과, 익환(43)의 직경방향의 내주면에 인접하고, 익환(43)의 직경방향의 내주면과 분할환(56)의 직경방향의 외주면으로 둘러싸이며, 로터(32) 주위에 링 형상으로 배치된 제 2 캐비티(62)가 구획된다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 익환(43)은, 제 1 외주 플랜지부(44b)가 터빈 차실(26)의 내주 플랜지부(42a)에 대해 로터(32)의 축방향으로 고정되며, 직경방향으로는 슬라이드 가능한 구조이다. 또한, 내주 플랜지부(42b)는 시일 부재(82)를 거쳐서 제 2 외주 플랜지(44c)에 접촉하며, 직경방향으로 슬라이드 가능한 구조이다. 따라서, 터빈 차실(26)과 익환(43)의 축방향 및 직경방향의 변위를 흡수하면서, 제 1 캐비티(61)와 축방향의 하류측의 공간과의 사이를 시일 가능한 구조로 되어 있다. 이러한 구조를 가지므로, 익환(43)의 직경방향의 변위는 터빈 차실(26)로부터 구속되는 일은 없다.
또한, 터빈(13)은 익환(43)에 냉각 공기 유로(63)가 마련되어 있다. 이 냉각 공기 유로(63)는, 연소 가스(G)의 유동 방향(로터(32)의 축방향)으로 소정 간격을 두고 배치되며, 로터(32) 주위에 링 형상으로 형성된 복수(본 실시예에서는, 2개)의 매니폴드(64, 65)와, 이 복수의 매니폴드(64, 65)가 로터(32)의 축방향으로 직렬로 배치되며, 양단에서 매니폴드(64, 65)에 연결하는 연결 통로(66)를 갖고 있다.
구체적으로는, 냉각 공기 유로(63)로서, 제 1 외주 플랜지부(44b)에 공동부로서 형성되는 제 1 매니폴드(64)와, 제 2 외주 플랜지부(44c)에 공동부로서 형성되는 제 2 매니폴드(65)가 마련되어 있다. 각 매니폴드(64, 65)는 로터(32) 주위에 링 형상을 이루고 있으며, 이 제 1 매니폴드(64)와 제 2 매니폴드(65)는 원통부(44a)에 복수의 연통 구멍으로서 형성되는 연결 통로(66)에 의해 연결되어 있다. 이 연결 통로(66)를 구성하는 복수의 연통 구멍은 둘레방향으로 균등 간격으로 배치되어 있다. 또한, 연결 통로(66)는 로터(32)의 축방향으로부터의 단면에서 보아, 직경방향으로 단렬의 배치여도 좋고, 복수열로 배치해도 좋다.
터빈(13)은, 터빈 차실(26)의 외부로부터의 냉각 공기(A1)를 제 1 캐비티(61) 또는 냉각 공기 유로(63)에 공급하는 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)가 마련되는 동시에, 제 1 캐비티(61) 또는 냉각 공기 유로(63)의 냉각 공기(A1)를 배출하는 냉각 공기 배출 경로(72)가 마련되어 있다. 냉각 공기 유로(63)는, 일단부(63a)가 제 1 캐비티(61)에 연통하며, 타단부(63b)는 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)에 연결되어 있다. 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 외부로부터 터빈 차실(26)을 관통하는 배관(71a)이며, 익환(43)에 접속하는 선단부에 보조 캐비티(71b)가 마련되어 있다. 보조 캐비티(71b)는 둘레방향으로 환상을 이루며, 냉각 공기 유로(63)의 일단부(63a)에 연통하고 있다. 그리고, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 선단부와는 직경방향으로 반대측의 기단부가 터빈(13)(터빈 차실(26))의 외부로 연장되며, 배관(71a)의 상류단에 팬(송풍기)(73)이 장착되어 있다. 냉각 공기 배출 경로(72)도, 터빈 차실(26)의 외부로부터 터빈 차실(26)을 관통하는 배관(72a)이며, 선단부가 제 1 캐비티(61)에 연통하고 있다. 또한, 배관(71a)은 익환(43)과 터빈 차실(26) 사이에 벨로우즈(71c)가 마련되어 있다. 배관(72a)도, 도시하지 않지만, 마찬가지로 익환(43)과 터빈 차실(26) 사이에 벨로우즈가 마련되어 있다. 벨로우즈(71c)는 주로 축방향의 열신장의 차이를 흡수하는 역할을 수행하고 있다.
또한, 터빈(13)은 냉각 공기(A2)를 제 2 캐비티(62)에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)가 마련되어 있다. 이 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)는, 기단부가 압축기(11)의 중간단(중압단 또는 고압단)의 추기실(25)(도 7 참조)에 연결되며, 선단부가 제 2 캐비티(62)에 연통하고 있다. 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)는 터빈 차실(26)의 외부로부터 터빈 차실(26)을 관통하는 배관(74a)이며, 이 배관(74a)은 익환(43)과 터빈 차실(26) 사이에 벨로우즈(74c)가 마련되어 있다. 벨로우즈(74c)의 역할은 벨로우즈(71c)와 동일하다.
이 경우, 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)는, 압축기(11)가 압축한 압축 공기의 일부를 냉각 공기(A2)로서 제 2 캐비티(62)에 공급하는 것이다. 냉각 공기(A2)는 주로 정익 주위의 냉각에 이용된다. 냉각 공기(A2)는 최종적으로는 가스 통로(58)를 유동하는 연소 가스(G) 중으로 배출되기 때문에, 추기 공기 등의 비교적 높은 압력이 필요하다. 한편, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 팬(73)에 의해 외부의 공기를 냉각 공기(A1)로서 냉각 공기 유로(63)에 공급하는 것이다. 이때, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 제 2 캐비티(62)에 공급하는 냉각 공기(A2)보다 저온의 냉각 공기(A1)를 냉각 공기 유로(63)에 공급할 필요가 있다.
즉, 분할환(49)의 내주면과 동익(28)의 선단의 간극을 작게 하기 위해서는, 익환(43)을 가능한 한 낮은 온도로 유지하는 것이 바람직하며, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 팬(73)으로 대기 공기(A)를 흡인한 냉각 공기(A1)를 제 1 캐비티(61) 또는 냉각 공기 유로(63)에 공급하는 것이 가장 바람직하다. 다만, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)보다 저압의 압축기(11)의 저압단으로부터 추기한 압축 공기를 냉각 공기(A1)로서 제 1 캐비티(61) 또는 냉각 공기 유로(63)에 공급해도 좋다. 또한, 이 경우에도, 추기 온도가 대기 온도에 가까운, 온도가 낮은 저압단으로부터 추기하는 것이 바람직하다.
냉각 공기 배출 경로(72)는 제 1 캐비티(61)로부터 배출된 냉각 공기(A1)를 배기 냉각계(75)에 도입한다. 이 배기 냉각계(75)란, 예컨대, 배기실(30)에 마련되는 배기 디퓨저(31)이다.
배기 디퓨저(31)에서는, 배기 냉각계(75)에 공급된 냉각 공기는 스트럿(strut; 35)이나 베어링(34)을 냉각한 후, 배기 디퓨저(31) 내를 흐르는 압력 회복 전의 부압 상태의 연소 가스 중으로 배출된다. 팬(73)에서 가압되고, 터빈(13)에 공급된 냉각 공기(A1)는 익환(43) 주위를 냉각한 후, 냉각 공기 배출 경로(72)를 경유하여 배기 디퓨저(31)에 공급되며, 그 내부를 냉각한다. 따라서, 냉각 공기(A1)가 재사용되어, 냉각 공기의 유효 이용을 도모할 수 있다.
또한, 재사용된 냉각 공기(A1)는 배기 디퓨저(31) 내의 부압 상태의 연소 가스 중으로 배출되므로, 대기 공기(A)를 흡인하는 팬(73)의 토출 압력은 비교적 저압이면 된다. 따라서, 팬(73)을 이용한 냉각 공기(A1)를 이용하는 방법은 압축기(11)의 추기 공기를 냉각 공기(A1)에 이용하는 경우와 비교하여, 에너지 손실이 작아도 되므로, 가스 터빈의 성능의 저하를 억제할 수 있다.
터빈(13)은 익환(43)의 제 2 캐비티(62)측의 내주면에 차열 부재(81)가 마련되어 있다. 차열 부재(81)는 둘레방향으로 복수로 분할되어 링 형상을 이루고, 익환(43)의 직경방향의 내주면을 피복하고 있다.
또한, 익환(43)의 제 1 외주 플랜지부(44b)가 로터(32)의 축방향의 상류측에서 접하는 연소기 지지 부재(38)는, 연소기(12)측으로부터 익환(43)으로 들어가는 열을 차단하는 차열 부재(81)의 역할을 수행하고 있다.
또한, 차열환(46, 47)은 익환(43)보다 열팽창율(열팽창 계수)이 큰 재료로 구성되어 있다. 예컨대, 차열환(46, 47)은 오스테나이트계 스테인리스강(SUS310S)에 의해 형성되며, 익환(43)은 12% 크롬강에 의해 형성되어 있다.
종래 기술과 비교한 익환(43) 주위의 냉각 방법의 차이에 대하여 이하에 구체적으로 설명한다. 상술한 바와 같이, 익환(43)은 직경방향의 외주면을 제 1 캐비티(61)에 접하고, 직경방향의 내주면을 제 2 캐비티(62)에 접하고 있다. 한편, 연소 가스(G)가 유동하는 가스 통로(58)에 접하는 분할환(49, 51)은 차열환(46, 47)에 지지되며, 차열환(46, 47)은 익환(43)에 지지되어 있다.
제 1 캐비티(61)에는 팬(73)에서 가압된 냉각 공기(A1)가 공급되며, 제 2 캐비티(62)에는 압축기(11)로부터 추기된 냉각 공기(A2)가 공급된 경우, 익환(43)의 온도는 제 1 캐비티(61)에 공급되는 냉각 공기(A1)의 온도와 제 2 캐비티(62)에 공급되는 냉각 공기(A2)의 온도의 중간 온도가 된다. 즉, 가스 통로(58)를 흐르는 연소 가스(G)로부터의 입열은 분할환(49, 51)으로부터 차열환(46, 47)을 거쳐서 익환(43)에 전달된다. 한편, 익환(43) 자체가 연소 가스에 접하고 있는 것은 아니다. 따라서, 익환(43)의 온도는 직접 접하는 제 1 캐비티(61)의 냉각 공기(A1)의 온도와 제 2 캐비티(62)의 냉각 공기(A2)의 온도에 지배되며, 연소 가스(G)로부터 분할환(49, 51) 및 차열환(46, 47)을 거쳐서 전달되는 입열의 영향은 작다.
한편, 분할환(49, 51)은 가스 통로(58)로부터 연소 가스(G)의 열을 받는다. 따라서, 분할환(49, 51) 및 차열환(46, 47)은 제 2 캐비티(62)에 접하며 냉각 공기(A2)에 의해 냉각되지만, 익환(43)에 비교하여 온도는 높아진다.
따라서, 가스 터빈의 부하가 상승하고, 연소 가스(G)의 온도가 상승하고 있는 상태를 상정한 경우, 익환(43)은 직경방향의 외측으로 변위되지만, 분할환(49, 51) 및 차열환(46, 47)은 익환(43)의 내주면으로부터 직경방향의 내측방향으로 지지되어 있기 때문에, 상대적으로 익환(43)에 대해 직경방향의 내측으로 변위된다. 그 때문에, 로터(32)의 중심에서 본 경우, 익환(43)의 직경방향의 외측으로의 변위량에 비교하여, 분할환(49, 51)의 직경방향의 외측으로의 변위량은 작아진다. 한편, 상술한 바와 같이, 분할환(49, 51) 및 차열환(46, 47)은 익환(43)에 비교하여 연소 가스(G)측의 열영향을 받아 온도가 높아진다. 그 때문에, 분할환(49, 51)의 내주면의 직경방향 외측으로의 변위량은 더욱 작아진다.
본 실시형태에 있어서의 터빈(13)의 구조의 경우, 제 1 캐비티(61)를 흐르는 냉각 공기(A1)의 온도는 제 2 캐비티(62)를 흐르는 냉각 공기(A2)의 온도보다 낮게 설정한다. 따라서, 익환(43)과 분할환(49, 51) 그리고 차열환(46, 47)의 사이에는, 온도차에 의한 직경방향의 열신장의 상이에 의해, 익환(43)의 직경방향의 외측으로의 변위량에 비교하여, 분할환(49, 51)의 내주면의 직경방향의 외측으로의 변위량이 작다. 즉, 제 1 캐비티(61)에 공급하는 냉각 공기(A1)와 제 2 캐비티(62)에 공급하는 냉각 공기(A2)의 사이에 온도차를 마련하여, 익환(43)을 낮은 온도로 유지하면, 동익의 선단과 분할환의 간극의 관리가 용이하게 되고, 정격 운전시에서, 적절한 간극량이 유지되어 가스 터빈의 성능이 향상된다.
또한, 익환(43)에는 냉각 공기 유로(63)를 마련해도 좋다. 냉각 공기 유로(63)를 익환(43) 내에 마련하고, 냉각 공기 유로(63)에 냉각 공기(A1)를 공급하면, 익환(43)은 더욱 낮은 온도로 유지할 수 있다. 즉, 가스 터빈의 운전 중, 팬(73)에 의해 대기 공기(A)가 냉각 공기(A1)로서 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)로부터 냉각 공기 유로(63)로 공급되며, 이 냉각 공기 유로(63)로부터 제 1 캐비티(61)에 공급된다. 즉, 익환(43)에서는, 냉각 공기(A1)가 제 2 매니폴드(65)에 공급되고, 연결 통로(66)를 흘러 제 1 매니폴드(64)에 공급되며, 제 1 캐비티(61)에 공급된다. 그 때문에, 익환(43)은 내부를 순환하는 냉각 공기(A1)와, 외측(제 1 캐비티(61))에 공급되는 냉각 공기(A1)에 의해 냉각되어, 고온화가 억제된다. 이 냉각 공기 유로(63)에서는, 매니폴드(64, 65)의 통로 단면적보다 연결 통로(66)의 통로 단면적이 작으므로, 냉각 공기가 연결 통로(66)를 통과할 때에 유속이 상승하여, 익환(43)이 효과적으로 냉각된다.
이 경우, 익환(43)의 내부의 냉각 공기 유로(63)에 냉각 공기(A1)를 공급하므로, 상술한 바와 같이, 냉각 공기 유로(63)를 마련하지 않고, 익환(43)의 외주면 및 내주면을 냉각하는 실시형태보다 익환(43)의 온도를 더욱 낮게 유지할 수 있다. 그 때문에, 익환(43)의 직경방향의 외측으로의 변위가 더욱 작아져, 동익의 선단과 분할환의 간극의 관리가 한층 용이하다.
한편, 압축기(11)로부터 추기된 압축 공기의 일부가 냉각 공기(A2)로서 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)로부터 제 2 캐비티(62)에 공급된다. 그러면, 이 냉각 공기(A2)는 정익체(53)의 정익(27)이나 각 슈라우드(55, 56) 내를 통과하고, 디스크 캐비티(미도시)로부터 가스 통로(58)로 배출됨으로써 정익체(53)를 냉각한다.
또한, 익환(43)은 직경방향의 내주면의 제 2 캐비티(62)측에 차열 부재(81)가 마련되어 있기 때문에, 제 2 캐비티(62)에 공급되는 냉각 공기(A2)로부터의 열을 받기 어려워, 고온화가 억제된다. 즉, 상술한 바와 같이, 익환(43)의 온도는 제 1 캐비티(61) 내를 흐르는 냉각 공기(A1)와 제 2 캐비티(62) 내를 흐르는 냉각 공기(A2)의 중간 온도로 유지되지만, 익환(43)의 내주면에 차열 부재(81)를 마련한 경우, 제 2 캐비티(62)측으로부터의 입열이 차단되고, 익환(43)의 온도는 제 1 캐비티(61)의 냉각 공기(A1)의 온도에 가까워진다. 그 때문에, 동익(28)의 선단과 분할환(49, 51) 사이의 간극의 관리가 더욱 용이하게 된다.
상술한 실시형태에서는, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)에 의해 냉각 공기(A1)를 냉각 공기 유로(63)에 공급하고, 이 냉각 공기 유로(63)로부터 제 1 캐비티(61)에 공급함으로써, 익환(43)을 냉각하고 있다. 또한, 익환(43)을 냉각한 제 1 캐비티(61)의 냉각 공기(A1)를 냉각 공기 배출 경로(72)에 의해 터빈(13)의 배기 냉각계(75)에 공급하고 있다. 그러나, 냉각 공기(A1)의 흐름을 반대로 해도 좋다.
도 3은 본 실시형태의 변형예를 나타내는 터빈의 익환 근방의 단면도이다. 이 도 3에 도시하는 바와 같이, 팬(73)에 의해 대기 공기(A)를 냉각 공기(A1)로서 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)로부터 제 1 캐비티(61)에 공급하고, 이 제 1 캐비티(61)로부터 냉각 공기 유로(63)에 공급한다. 즉, 익환(43)에서, 냉각 공기(A1)가 제 1 캐비티(61)에 공급되고, 이 제 1 캐비티(61)로부터 제 1 매니폴드(64)에 공급되며, 연결 통로(66)를 통해 제 2 매니폴드(65)에 공급된다. 이 구성에서도, 익환(43)은 내부를 흐르는 냉각 공기(A1)와, 직경방향의 외측(제 1 캐비티(61))에 공급되는 냉각 공기(A1)에 의해 냉각되어, 고온화가 억제된다. 그 후, 익환(43)을 냉각한 냉각 공기(A1)는 냉각 공기 유로(63)로부터 냉각 공기 배출 경로(72)에 의해 터빈(13)의 배기 냉각계(75)에 공급된다.
또한, 도 3에서, 냉각 공기 유로(63)의 타단부(63b)를 제 1 캐비티(61)에 연통하고, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)와 냉각 공기 배출 경로(72) 중 한쪽을 냉각 공기 유로(63)에 연결하고, 다른쪽을 제 1 캐비티(61)에 연통해도 좋다.
다음에, 도 4는 도 1 및 도 2에 도시하는 실시형태 및 도 3에 도시하는 변형예에 대하여, 또한, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)의 변형예를 나타낸 것이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)에는, 팬(73)의 하류측에서 터빈 차실(26)에 접속되기 직전의 배관 경로의 도중에, 냉각 공기(A1)를 가열하는 가열 장치(76)를 마련한 구성이다. 가열 매체(77)로서는, 가스 터빈으로부터 배출되는 연소 배기 가스 또는 압축기 출구의 차실 공기 또는 GTCC의 폐증기 등을 이용할 수 있다.
제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 통상은 대기 공기(A)를 취입하여 가열하지 않고 저온의 냉각 공기 그대로 가스 터빈에 공급한다. 다만, 가스 터빈의 기동시는, 가열 장치(76)에 가열 매체(77)를 공급하여 냉각 공기(A1)를 가열해도 좋다. 냉각 공기(A1)를 가열하면, 익환(43)의 온도가 상승하여, 기동시의 동익의 선단과 분할환의 간극을 넓힐 수 있으므로, 기동시에 발생하기 쉬운 핀치 포인트를 확실하게 회피할 수 있다.
여기서, 가스 터빈의 기동시에서의 터빈(13)의 구성 부재에 있어서의 직경방향의 변위에 대해 설명한다.
도 5는 가스 터빈의 핫 기동시에 있어서의 터빈의 구성 부재의 간극의 거동을 나타내는 그래프이며, 도 6은 가스 터빈의 콜드 기동시에 있어서의 터빈의 구성 부재의 간극의 거동을 나타내는 그래프이다.
종래의 가스 터빈의 핫 기동시는, 도 1 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 시간(t1)에서 가스 터빈(1)을 기동하는 경우, 로터(32)의 회전수가 상승하고, 시간(t2)에서, 로터(32)의 회전수가 정격 회전수에 도달하여 일정하게 유지된다. 그 동안, 압축기(11)는 공기 취입구(20)로부터 공기를 취입하고, 복수의 정익(23) 및 동익(24)을 통과하여 공기가 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기를 생성한다. 연소기(12)는, 로터(32)의 회전수가 정격 회전수에 도달하기 전에 점화되며, 압축 공기에 연료를 공급하여 연소시킴으로써 고온·고압의 연소 가스를 생성한다. 터빈(13)은, 연소 가스가 복수의 정익(27) 및 동익(28)을 통과함으로써 로터(32)를 구동 회전한다. 그 때문에, 가스 터빈은, 시간(t3)에서 부하(출력)가 상승하고, 시간(t4)에서, 정격 부하(정격 출력)에 도달하여 일정하게 유지된다.
이러한 가스 터빈의 핫 기동시, 동익(28)은 고속 회전함으로써 직경방향에 있어서의 외측으로 변위(신장)되며, 그 후, 가스 통로(58)를 통과하는 고온·고압의 연소 가스(G)로부터 열을 받음으로써 더욱 외측으로 변위(신장)된다. 한편, 익환(43)은 정지 직후는 고온이지만, 가스 터빈(1)의 기동 직후의 일정 시간 동안은 압축기(11)로부터 저온의 추기 공기(냉각 공기(A2))가 익환(43)에 공급되어, 일단 냉각된다. 그 때문에, 익환(43)은 일시적으로 직경방향의 내측으로 변위(수축)되고, 그 후, 압축기(11)로부터의 추기 공기의 온도가 상승하여, 익환(43)의 추기 공기에 의한 냉각 효과가 약해져, 다시 외측으로 변위(신장)된다.
이때, 종래의 가스 터빈에서, 도 5에 점선으로 나타내는 분할환 및 차열환은, 시간(t2) 부근에서는, 일시적으로 저온의 추기 공기에 의해 냉각됨으로써 내측으로 변위되기 때문에, 동익의 선단과 분할환의 내주면과의 간극이 일시적으로 크게 감소하는 핀치 포인트(최소 간극)가 발생해 버린다. 그 후, 분할환, 차열환, 익환이 고온·고압의 연소 가스 및 추기 공기에 의해 가열되어 외측으로 변위(신장)된다. 그리고, 시간(t4) 후의 정격 운전에서, 분할환, 차열환, 익환은 외측으로 크게 변위됨으로써, 동익의 선단과 익환의 내주면과의 간극이 필요 이상으로 커져 버린다.
한편, 본 실시형태의 가스 터빈에서, 도 5에 실선으로 나타내는 분할환(49, 51)은, 시간(t2)에서, 저온의 냉각 공기(냉각 공기(A1) 및 냉각 공기(A2))에 의해 분할환(49, 51)과 차열환(46, 47)과 익환(43)이 냉각됨으로써 내측으로 변위되지만, 기동 전의 동익(28)의 선단과 분할환(49, 51)의 내주면과의 간극이 크게 확보되어 있으므로, 동익(28)의 선단과 분할환(49, 51)의 내주면과의 간극이 종래의 구조에 비교하여 감소되지 않는다. 그리고, 시간(t4) 후의 정격 운전에서, 익환(43)은 제 1 캐비티(61) 및 냉각 공기 유로(63)에 공급되는 냉각 공기(냉각 공기(A1))에 의해 냉각되는 동시에, 차열 부재(81)에 의해 제 2 캐비티(62)의 압축 공기로부터의 입열이 억제된다. 그 때문에, 익환(43)은 약간 외측으로 변위되지만, 동익(28)의 선단과 분할환(49, 51) 또는 차열 부재(81)의 내주면과의 간극이 종래의 구조에 비교하여 커지는 일은 없다.
또한, 가스 터빈의 콜드 기동시는, 도 1 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 핫 기동시와 비교하여 분할환이 직경방향의 내측으로 변위되는 일은 없으므로, 핫 기동시보다 더욱 핀치 포인트의 발생의 가능성은 적다.
이와 같이 본 실시형태의 가스 터빈에 있어서는, 압축기(11)와 연소기(12)와 터빈(13)을 갖는다. 터빈(13)으로서, 터빈 차실(26)과, 터빈 차실(26)의 중심부에 회전 가능하게 지지되는 로터(32)와, 터빈 차실(26)의 직경방향의 내주부에 지지되며, 저온의 냉각 공기를 받아들이는 링 형상의 제 1 캐비티(61)를 구획하는 익환(43)과, 로터(32)의 외주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 복수 고정되어 배치되는 복수의 동익체(54)와, 로터의 축방향에서 복수의 동익체(54)의 사이에 교대로 배치되며, 직경방향의 외주측에 링 형상의 제 2 캐비티(62)가 형성된 복수의 정익체(53)를 갖는다. 또한, 익환(43)은, 익환(43)의 직경방향의 내주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 지지되는 복수의 차열환(46, 47)과, 복수의 차열환(46, 47)의 직경방향의 내주부에 지지되는 복수의 분할환(49, 51)을 구비한다. 또한, 터빈(13)은 제 1 캐비티(61)로부터 냉각 공기를 배출하는 냉각 공기 배출 경로(72)와 압축 공기를 제 2 캐비티(62)에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)를 마련하고 있다.
따라서, 압축기(11)로부터 압축 공기의 일부가 추기되고, 추기된 압축 공기를 냉각 공기(A2)로서 제 2 냉각 공기 공급 경로(74)에 의해 제 2 캐비티(62)에 공급되는 동시에, 냉각 공기(A1)가 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)에 의해 제 1 캐비티(61)에 공급되며, 제 1 캐비티(61)로부터 냉각 공기 배출 경로(72)에 의해 냉각 공기(A1)를 배출한다. 즉, 냉각 공기(A2)보다 저온의 냉각 공기(A1)가 제 1 캐비티(61)에 공급되기 때문에, 익환의 직경방향의 변위를 작게 하여, 분할환(49, 51)의 직경방향의 변위를 억제할 수 있다. 그 결과, 분할환(49, 51)과 동익(28)과의 간극을 적정량으로 유지하고, 터빈(13)에 의한 구동력의 회수 효율의 저하를 억제하여, 가스 터빈의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 익환(43)의 내주면에 차열 부재(81)를 마련하고 있다. 따라서, 차열 부재(81)에 의해 제 2 캐비티(62)로부터 익환(43)으로의 입열이 차단됨으로써, 익환(43)의 고온화를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 냉각 공기 유로(63)로서, 로터(32)의 축방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 복수의 매니폴드(64, 65)와, 복수의 매니폴드(64, 65)를 직렬로 연결하는 연결 통로(66)를 마련하고 있다. 따라서, 익환(43) 내에서, 복수의 매니폴드(64, 65)의 사이에서 냉각 공기(A1)가 연결 통로(66)를 통해 유통함으로써, 익환(43)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 익환(43)으로서, 로터(32)의 축방향을 따르는 원통부(44a)와, 원통부(44a)에 있어서의 축방향의 상류측 및 하류측의 각 단부에 마련되는 제 1 외주 플랜지부(44b) 및 제 2 외주 플랜지부(44c)를 마련하고, 복수의 매니폴드(64, 65)가 제 1 외주 플랜지부(44b)와 제 2 외주 플랜지부(44c)에 공동부로서 형성된다. 또한, 연결 통로(66)가, 원통부(44a)에 복수의 연통 구멍으로서 형성된다. 따라서, 냉각 공기(A1)는 복수의 매니폴드(64, 65) 사이를 연결 통로(66)로서의 복수의 연통 구멍을 통해 유동하게 되며, 냉각 공기(A1)가 익환(43)의 내부 전체에 유동함으로써, 익환(43)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)는 팬(73)에 의해 대기 공기(A)를 냉각 공기 유로(63)와 제 1 캐비티(61)에 공급하고 있다. 따라서, 대기 공기(A)가 냉각 공기 유로(63)와 제 1 캐비티(61)에 공급되기 때문에, 간단한 구성으로 용이하게 냉각 공기(A1)에 의해 익환(43)을 냉각할 수 있다. 또한, 대기 공기를 취입하여, 팬(73)에 의해, 저온이며 또한 저압의 냉각 공기(A1)를 제 1 캐비티(61)에 공급할 수 있으므로, 익환을 낮은 온도로 유지하여, 분할환의 간극의 관리가 용이하게 된다. 또한, 저압의 공기를 사용할 수 있으므로, 팬의 동력도 작게 할 수 있어서, 가스 터빈의 에너지 손실을 억제할 수 있다는 이중의 이점이 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 차열환(46, 47)을 익환(43)보다 열팽창율이 큰 재료로 구성하고 있다. 따라서, 차열환(46, 47)이 연소 가스(G)에 의해 가열되어 열팽창함으로써, 가스 터빈의 정격 운전시에 분할환(49, 51)과 동익(28)과의 간극을 더욱 작게 설정할 수 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 제 1 냉각 공기 공급 경로(71)에 가열 장치(76)를 마련하고 있으므로, 가스 터빈의 기동시의 핀치 포인트의 발생을 확실하게 회피할 수 있다.
본 실시형태의 가스 터빈에서는, 냉각 공기 배출 경로(72)는 제 1 캐비티(61)로부터 배출된 냉각 공기(A1)를 배기 냉각계(75)에 도입하고, 배기 디퓨저(31)의 부압 상태의 연소 가스 중으로 배출하고 있다. 따라서, 익환(43)을 냉각한 냉각 공기(A1)를 냉각 공기 배출 경로(72)에 의해 배기 냉각계(75)에 도입함으로써, 냉각 공기(A1)는 냉각 공기의 재사용이 되어, 냉각 공기(A1)의 유효 이용을 가능하게 할 수 있다. 또한, 냉각 공기(A1)는 부압 상태의 연소 가스 중으로 배출되기 때문에, 팬(73)의 토출 압력은 고압으로 할 필요가 없다.
또한, 상술한 실시형태에서, 복수의 매니폴드(64, 65)와 연결 통로(66)를 익환(43)에 형성하여 냉각 공기 유로(63)를 구성했지만, 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 즉, 매니폴드(64, 65)의 형상, 수, 형성 위치 등은 동익(28)이나 익환(43)의 형상이나 위치에 따라서 적절히 설정하면 좋다.
11 : 압축기 12 : 연소기
13 : 터빈 26 : 터빈 차실
27 : 정익 28 : 동익
32 : 로터(회전축) 43 : 익환
44a : 원통부 44b : 제 1 외주 플랜지부
44c : 제 2 외주 플랜지부 46, 47 : 차열환
49, 51 : 분할환 53 : 정익체
54 : 동익체 56 : 외측 슈라우드
58 : 가스 통로 61 : 제 1 캐비티
62 : 제 2 캐비티 63 : 냉각 공기 유로
64 : 제 1 매니폴드 65 : 제 2 매니폴드
66 : 연결 통로 71 : 제 1 냉각 공기 공급 경로
72 : 냉각 공기 배출 경로 73 : 팬(송풍기)
74 : 제 2 냉각 공기 공급 경로 75 : 배기 냉각계
76 : 가열 장치 77 : 가열 매체
81 : 차열 부재 82 : 시일 부재
A : 대기 공기 A1, A2 : 냉각 공기
C : 회전축선

Claims (9)

  1. 공기를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와,
    상기 연소기가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈과,
    상기 연소 가스에 의해 회전축선 주위로 회전하는 회전축을 갖는 가스 터빈에 있어서,
    상기 터빈은,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 터빈 차실과,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 터빈 차실의 내주부에 지지됨으로써 링 형상의 제 1 캐비티를 구획하는 익환과,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 익환의 내주부에 축방향으로 소정 간격으로 지지되는 복수의 차열환과,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 복수의 차열환의 내주부에 지지되는 복수의 분할환과,
    상기 회전축의 외주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 복수 고정되며 상기 분할환에 직경방향으로 대향하여 배치되는 복수의 동익체와,
    상기 복수의 동익체의 사이에서 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 슈라우드가 인접하는 상기 차열환에 고정됨으로써 링 형상의 제 2 캐비티를 구획하는 복수의 정익체와,
    상기 압축기가 압축한 압축 공기의 일부를 상기 제 2 캐비티에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로와,
    상기 압축기가 압축한 압축 공기보다 저온의 냉각 공기를 상기 제 1 캐비티에 공급하는 제 1 냉각 공기 공급 경로와,
    상기 제 1 캐비티로부터 냉각 공기를 배출하는 냉각 공기 배출 경로를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  2. 공기를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와,
    상기 연소기가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈과,
    상기 연소 가스에 의해 회전축선 주위로 회전하는 회전축을 갖는 가스 터빈에 있어서,
    상기 터빈은,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 터빈 차실과,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 터빈 차실의 내주부에 연결됨으로써 환상의 제 1 캐비티를 구획하는 익환과,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 익환의 내주부에 축방향으로 소정 간격으로 연결되는 복수의 차열환과,
    상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루며 상기 복수의 차열환의 내주부에 연결되는 복수의 분할환과,
    상기 회전축의 외주부에 축방향으로 소정 간격을 두고 복수 고정되며 상기 분할환에 직경방향으로 대향하여 배치되는 복수의 동익체와,
    상기 복수의 동익체의 사이에서 상기 회전축선 주위에 링 형상을 이루는 슈라우드가 인접하는 상기 차열환에 고정됨으로써 환상의 제 2 캐비티를 구획하는 복수의 정익체와,
    상기 압축기가 압축한 압축 공기의 일부를 상기 제 2 캐비티에 공급하는 제 2 냉각 공기 공급 경로와,
    상기 익환에 마련되며 일단부가 상기 제 1 캐비티에 연통하는 냉각 공기 유로와,
    상기 압축기가 압축한 압축 공기보다 저온의 냉각 공기를 상기 냉각 공기 유로의 타단부와 상기 제 1 캐비티 중 어느 한쪽에 공급하는 제 1 냉각 공기 공급 경로와,
    상기 냉각 공기 유로의 타단부와 상기 제 1 캐비티 중 다른쪽으로부터 냉각 공기를 배출하는 냉각 공기 배출 경로를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 익환의 내주면에 차열 부재가 마련되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 유로는, 상기 회전축의 축방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 복수의 매니폴드와, 상기 복수의 매니폴드를 직렬로 연결하는 연결 통로를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 익환은, 상기 회전축의 축방향을 따르는 원통부와, 상기 원통부에 있어서의 각 단부에 마련되는 제 1 외주 플랜지부 및 제 2 외주 플랜지부를 갖고, 상기 복수의 매니폴드는 상기 제 1 외주 플랜지부 및 제 2 외주 플랜지부에 공동부로서 형성되며, 상기 연결 통로는 상기 원통부에 복수의 연통 구멍으로서 형성되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 공기 공급 경로는 송풍기에 의해 흡인된 대기 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 차열환은 상기 익환보다 열팽창율이 큰 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 공기 공급 경로는 상기 냉각 공기를 가열하는 가열 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 배출 경로는 상기 제 1 캐비티로부터 배출된 냉각 공기를 배기 냉각계에 도입하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
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