KR102183194B1 - 외부 냉각시스템을 포함하는 가스터빈 및 이의 냉각방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스터빈의 중심축 내부에 냉각공기 공급 유로가 형성되지 않고, 가스터빈의 압축기에서 공기를 추기하여 외부로 우회하는 냉각공기 공급 유로가 형성되며, 이와 동시에 터빈의 베인(vane)과 블레이드(blade)가 하나의 냉각공기 유로에 의해 냉각됨에 따라, 냉각공기의 사용량 저감 및 공기량의 자유로운 조절이 가능한 가스터빈 및 이의 냉각방법에 관한 것이다.

Description

외부 냉각시스템을 포함하는 가스터빈 및 이의 냉각방법 {GAS TURBINE INCLUDING AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND COOLING METHOD THEREOF}
본 발명은 외부 냉각시스템을 포함하는 가스터빈 및 이의 냉각방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스터빈의 중심축 내부에 냉각공기 공급 유로가 형성되지 않고 가스터빈의 외부로 우회하는 냉각공기 공급 유로가 형성되며, 터빈의 베인(vane)과 블레이드(blade)가 하나의 냉각공기 유로에 의해 냉각됨에 따라, 냉각공기의 사용량 저감 및 공기량의 자유로운 조절이 가능한 가스터빈 및 이의 냉각방법에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.
이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력 터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기 터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기 터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈 및 로터를 포함하며, 연료를 압축공기를 통해 연소시켜 강력한 에너지를 생성, 이를 이용하여 터빈을 가동시키는 원리로 작동하게 된다.
이 과정에서, 하나의 발전장치에는 여러 개의 연소기가 마련되며, 상기 복수 개의 연소기에는 또 복수 개의 연료공급노즐이 마련되게 된다. 하나의 연료 공급노즐에서 각각 연료 및 공기의 혼합물을 분사하여 고온의 화염이 발생하게 되며, 상기 화염의 열기 및 온도는 고스란히 터빈 블레이드 및 기타 발전장치의 구성품으로 전달되게 된다.
이때, 내열성이 우수한 소재로 각 부품을 구성하더라도, 지나친 고온에 장기간 노출된다면 기계장치의 기대수명이 절감되므로, 이를 방지하기 위해서, 압축기에서 압축하는 공기 중 일부를 터빈 블레이드 및 발전장치에 마련되는 기타 구성품에 공급하여, 온도가 급상승하는 것을 방지한다.
상기와 같은 경우에, 종래기술은 복수 개의 회전체를 포함하는 압축기에서 나오는 압축공기를 가스터빈의 로터(중심축)를 지나는 튜브를 통해 터빈 블레이드로 공급하는 방식을 취하였다.
하지만, 이러한 방식을 취하는 경우에는 가스터빈 로터 내부 유로를 통한 유동 손실이 크며, 터빈 입구 온도 및 압축비가 높은 가스터빈에서는 냉각 공기 소모량이 크다는 문제점이 있다.
또한, 로터 중심홀의 지름이 증가하고, 냉각공기와 로터 내부의 공간을 분리하기 위해 별도의 튜브가 삽입될 공간이 요구되므로, 발전기 내부 중심축 및 기타 장치들의 구조설계가 복잡해지는 문제가 있었다.
이는 곧 압축기 및 터빈 공력효율 저하의 결과로 이어지게 되었다.
미국 등록특허공보 제4,113,406호(1978.09.12)
본 발명은 가스터빈의 중심축 내부에 냉각공기 공급 유로가 형성되지 않고 가스터빈의 외부로 우회하는 냉각공기 공급 유로가 형성되며, 터빈의 베인(vane)과 블레이드(blade)가 하나의 냉각공기 유로에 의해 냉각됨에 따라, 냉각공기의 사용량 저감 및 공기량의 자유로운 조절이 가능한 가스터빈 및 이의 냉각방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 가스터빈의 중심축 내부에 냉각공기 공급 유로가 형성되지 않고 가스터빈의 압축기에서 공기를 추기하여 외부로 우회하는 냉각공기 공급 유로가 형성되며, 이와 동시에 터빈의 베인(vane)과 블레이드(blade)가 하나의 냉각공기 유로에 의해 냉각된다.
이에 따라, 냉각공기의 사용량 저감이 가능하며, 또한 공기량의 자유로운 조절이 가능하다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로 및 상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 출구 냉각유로를 포함하는 가스터빈을 제공한다.
또한, 상기 터빈은, 상기 복수의 터빈 블레이드와, 상기 케이싱에 고정되어 상기 터빈 블레이드와 교대로 배치되는 복수의 터빈 베인을 포함하며, 적어도 하나의 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍의 냉각유로가 연통 가능하도록 연결 형성되는 적어도 하나의 연결 냉각유로를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 출구 냉각유로는, 상기 복수의 터빈 베인 중 1단 터빈 베인과, 상기 복수의 터빈 블레이드 중 1단 터빈 블레이드에 공기를 공급하며, 상기 복수의 외부 냉각유로는, 상기 1단 터빈 베인을 제외한 상기 복수의 터빈 베인 중 적어도 하나의 터빈 베인과, 상기 1단 터빈 블레이드를 제외한 상기 복수의 터빈 블레이드에서 상기 연결 냉각유로가 형성되지 않은 단의 터빈 블레이드 중 적어도 하나의 터빈 블레이드에 공기를 공급할 수 있다.
상기 출구 냉각유로는, 상기 1단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로 및 상기 1단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 출구 내측 냉각유로를 포함하며, 상기 복수의 외부 냉각유로는, 4단 터빈 베인 및 4단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로와, 3단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로와, 2단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로를 포함하고, 상기 연결 냉각유로는, 2단과 3단의 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍에 각각 형성될 수 있다.
또는, 상기 출구 냉각유로는, 상기 복수의 터빈 베인 중 1단 터빈 베인과, 상기 복수의 터빈 블레이드 중 1단 및 2단 터빈 블레이드에 공기를 공급하며, 상기 복수의 외부 냉각유로는, 상기 1단 터빈 베인을 제외한 상기 복수의 터빈 베인 중 적어도 하나의 터빈 베인과, 상기 1단 및 2단 터빈 블레이드를 제외한 상기 복수의 터빈 블레이드에서 상기 연결 냉각유로가 형성되지 않은 단의 터빈 블레이드 중 적어도 하나의 터빈 블레이드에 공기를 공급할 수 있다.
상기 출구 냉각유로는, 상기 1단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로와, 상기 1단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제1 출구 내측 냉각유로 및 상기 2단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제2 출구 내측 냉각유로를 포함하며, 상기 복수의 외부 냉각유로는, 4단 터빈 베인 및 4단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로와, 3단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로와, 2단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로를 포함하고, 상기 연결 냉각유로는, 3단의 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로는 상기 압축기의 서로 다른 위치에서 추기되되, 상기 터빈과 먼 위치에서부터 가까운 위치로 차례로 추기될 수 있다.
또한, 상기 복수의 외부 냉각유로 및 상기 출구 내측 냉각유로 중 적어도 어느 하나의 유로에 유동되는 공기를 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각부는, 각 유로에 유동되는 공기를 서로 다른 온도로 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 제2 외부 냉각유로 상에 배치되는 제2 쿨러와, 상기 제3 외부 냉각유로 상에 배치되는 제3 쿨러 및 상기 출구 내측 냉각유로 상에 배치되는 제4 쿨러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각부는, 상기 제1 외부 냉각유로 상에 배치되는 제1 쿨러를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련될 수 있다.
또한, 상기 출구 외측 냉각유로 및 출구 내측 냉각유로의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련될 수 있다.
상기 연결 냉각유로는, 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되도록 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인의 하단부를 통해 연결될 수 있다.
상기 출구 내측 냉각유로는, 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되도록 상기 터빈 블레이드의 하단부를 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 출구 내측 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 연결 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치 중 적어도 하나에는 프리스월러(pre-swirler)가 각각 구비될 수 있다.
또한, 상기 출구 내측 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 연결 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치 중 적어도 하나에는 실링부가 각각 구비될 수 있다.
또한, 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되는 압축기, 연소기 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 냉각방법에 있어서, 상기 압축기의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하는 외부 냉각공기 공급단계 및 상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하는 출구 냉각공기 공급단계를 포함하는 가스터빈의 냉각방법을 제공한다.
이때, 상기 외부 냉각공기 공급단계에 의해 공급된 공기는, 적어도 하나의 같은 단에 위치하는 상기 터빈의 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍을 함께 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 외부 냉각공기 공급단계는, 상기 압축기의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로의 입구 또는 유로 상에 적어도 하나 이상 마련되는 냉각공기 조절밸브를 통해 냉각공기의 유량을 조절하는 유량 조절단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 외부 냉각시스템을 포함하는 가스터빈 및 이의 냉각방법에 따르면, 가스터빈의 압축기에서 공기를 추기하여 외부로 우회하는 냉각공기 공급 유로가 형성됨과 동시에, 터빈의 베인(vane)과 블레이드(blade)가 하나의 냉각공기 유로에 의해 냉각됨에 따라, 냉각공기의 사용량 저감이 가능하며, 또한 터빈의 냉각 블레이드/베인 별 냉각 공기량의 자유로운 조절이 가능하다.
또한, 복수의 쿨러를 이용하여 복수의 외부 냉각유로 및 출구 내측 냉각유로의 공기를 서로 다른 온도로 냉각하여 공급할 수 있다.
또한, 터빈의 각 터빈 블레이드단 별 프리스월러(pre-swirler)와 실링(sealing) 구조를 적용하여 냉각효과를 증대시킬 수 있다.
궁극적으로, 가스터빈의 설계점 및 부분부하 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 가스터빈의 제1 실시 예에 따른 외부 냉각시스템을 도시한 일부 단면도.
도 3은 도 1의 가스터빈의 제2 실시 예에 따른 외부 냉각시스템을 도시한 일부 단면도.
도 4는 도 1의 가스터빈의 내부구조의 일부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 5는 도 4에서 프리스월러를 확대하여 도시한 사시도.
이하, 본 발명의 외부 냉각시스템을 포함하는 가스터빈 및 이의 냉각방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 5를 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도, 도 2는 도 1의 가스터빈의 제1 실시 예에 따른 외부 냉각시스템을 도시한 일부 단면도, 도 3은 도 1의 가스터빈의 제2 실시 예에 따른 외부 냉각시스템을 도시한 일부 단면도, 도 4는 도 1의 가스터빈의 내부구조의 일부분을 확대하여 도시한 단면도이며, 도 5는 도 4에서 프리스월러를 확대하여 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈에 관하여, 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은, 크게 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100) 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(200)와, 상기 압축기(200)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기(300)와, 상기 연소기(300)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(400)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 케이싱(100)은, 상기 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(102), 상기 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈(400)이 수용되는 터빈 케이싱(104)을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 압축기 케이싱, 연소기 케이싱 및 터빈 케이싱이 일체로 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 압축기 케이싱(102), 상기 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈 케이싱(104)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.
상기 케이싱(100)의 내부에는 로터(중심축; 50)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 상기 로터(50)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 상기 케이싱(100)의 하류 측에는 상기 터빈(400)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다.
상기 로터(50)는, 상기 압축기 케이싱(102)에 수용되는 압축기 로터 디스크(52), 상기 터빈 케이싱(104)에 수용되는 터빈 로터 디스크(54) 및 상기 연소기 케이싱(103)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 터빈 로터 디스크(54)를 연결하는 토크 튜브(53), 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 상기 터빈 로터 디스크(54)를 체결하는 타이 로드(55)와 고정 너트(56)를 포함할 수 있다.
상기 압축기 로터 디스크(52)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(52)는 다단으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 압축기 로터 디스크(52)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(220)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 터빈 로터 디스크(54)는 상기 압축기 로터 디스크(52)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(54)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(54)는 다단으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 터빈 로터 디스크(54)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(420)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 토크 튜브(53)는 상기 터빈 로터 디스크(54)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(52)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(53)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 터빈 로터 디스크(54) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(53)가 상기 압축기 로터 디스크(52) 및 상기 터빈 로터 디스크(54)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.
또한, 상기 토크 튜브(53)는, 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(53)를 통과하여 상기 터빈(400)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 토크 튜브(53)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.
상기 타이 로드(55)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 상기 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(56)와 체결될 수 있다.
여기서, 상기 고정 너트(56)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)를 상기 압축기(200) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)가 상기 로터(50)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드가 복수의 상기 압축기 로터 디스크, 상기 토크 튜브 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
이러한 구성에 따른 상기 로터(50)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.
상기 압축기(200)는, 상기 로터(50)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(220) 및 상기 압축기 블레이드(220)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 고정 설치되는 압축기 베인(240)을 포함할 수 있다.
상기 압축기 블레이드(220)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 압축기 블레이드(220)의 루트부(222)는 상기 압축기 로터 디스크(52)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(222)는 상기 압축기 블레이드(220)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 압축기 블레이드의 루트부(222)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시 예의 경우, 상기 압축기 블레이드 루트부(222)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드를 상기 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.
여기서, 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 압축기 블레이드(220)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 압축기 블레이드 루트부(222)가 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크(52)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 압축기 베인(240)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(240)과 상기 압축기 블레이드(220)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
상기 연소기(300)는 상기 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기 및 상기 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 연소기(300)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(300)는 상기 연소기 케이싱에 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.
또한, 상기 각 연소기(300)는, 상기 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너, 상기 라이너에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너 및 상기 버너에서 생성되는 연소 가스를 상기 터빈으로 안내하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.
상기 라이너는, 연소실을 형성하는 화염통 및 상기 화염통을 감싸면서 환형 공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다.
상기 버너는, 상기 연소실로 유입되는 공기에 연료를 분사하도록 상기 라이너의 전단 측에 형성되는 연료 분사 노즐 및 상기 연소실에서 혼합된 공기와 연료가 착화되도록 상기 라이너의 벽부에 형성되는 점화 플러그를 포함할 수 있다.
상기 트랜지션 피스는 연소 가스의 높은 온도에 의해 손상되지 않도록 그 트랜지션 피스의 외벽부가 상기 압축기로부터 공급되는 공기에 의해 냉각되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사하기 위한 냉각 홀이 형성되고, 공기가 그 냉각 홀을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킬 수 있다.
한편, 상기 트랜지션 피스를 냉각시킨 공기는 상기 라이너의 환형 공간으로 유동되고, 상기 라이너의 외벽에는 상기 플로우 슬리브의 외부에서 공기가 상기 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀을 통해 냉각 공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 압축기(200)와 상기 연소기(300) 사이에는 상기 연소기(300)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(desworler)가 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 터빈(400)은, 상기 로터(50)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(420) 및 상기 터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.
상기 터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성된다. 본 일 실시 예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 터빈 블레이드(420)가 4단으로 구성되며, 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 상류 측에서 하류 측으로 가면서 차례로 1단 터빈 블레이드(424), 2단 터빈 블레이드(425), 3단 터빈 블레이드(426) 및 4단 터빈 블레이드(427)가 배치되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 터빈 블레이드가 배치될 수 있음은 물론이다. 또한, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 터빈 블레이드(420)의 루트부(422)는 상기 터빈 로터 디스크(54)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(422)는 상기 터빈 블레이드(420)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 터빈 블레이드의 루트부(422)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시 예의 경우, 상기 터빈 블레이드 루트부(422)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드를 상기 터빈 로터 디스크에 체결할 수 있다.
여기서, 상기 터빈 로터 디스크(54)와 상기 터빈 블레이드(420)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 터빈 블레이드 루트부(422)가 전술한 바와 같이 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 상기 터빈 로터 디스크(54)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(440)과 상기 터빈 블레이드(420)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
본 일 실시 예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 터빈 블레이드(420)가 4단으로 구성되고 있으므로 상기 터빈 베인(440) 또한 4단으로 구성되며, 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 상류 측에서 하류 측으로 가면서 차례로 1단 터빈 베인(444), 2단 터빈 베인(445), 3단 터빈 베인(446) 및 4단 터빈 베인(447)이 각 단의 터빈 블레이드의 전단(상류 측)에 배치되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 터빈 베인이 배치될 수 있음은 물론이다.
또한, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로, 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다.
이에 따라, 본 실시 예에 따른 가스 터빈은 외부 냉각시스템을 포함하여 상기 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 상기 케이싱(100)의 외부로 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하고 있으며, 특히 상기 로터(50) 내부를 통해서는 냉각공기를 공급하지 않는다. 이와 관련하여서는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.
이러한 구성에 따른 가스 터빈(1)은, 상기 케이싱(100)으로 유입되는 공기가 상기 압축기(200)에 의해 압축되고, 상기 압축기에 의해 압축된 공기가 상기 연소기(300)에 의해 연료와 혼합된 뒤 연소되어 연소 가스가 되고, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스가 상기 터빈(400)으로 유입되고, 상기 터빈(400)으로 유입된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드(420)를 통해 상기 로터(50)를 회전시킨 후 상기 디퓨저를 통해 대기로 배출되며, 연소 가스에 의해 회전되는 상기 로터(50)가 상기 압축기(200) 및 상기 발전기를 구동할 수 있다. 즉, 상기 터빈에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 상기 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 상기 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 냉각시스템은 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.
이하, 가스터빈에 적용될 수 있는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 냉각시스템에 관하여 설명하도록 한다.
본 발명의 외부 냉각시스템은 크게, 상기 압축기(200)의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱(100)의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로(500), 상기 압축기(200)의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하기 위한 출구 냉각유로(600) 및 적어도 하나의 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드(420)와 터빈 베인(440) 쌍의 냉각유로가 연통 가능하도록 연결 형성되는 적어도 하나의 연결 냉각유로(700)를 포함하여 이루어진다.
이하에서는, 상기에서 살펴본 바와 같이 4단의 터빈 베인(440) 및 터빈 블레이드(420)를 냉각시키는 것을 기준으로 설명하도록 한다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 적용될 수 있음은 물론이다.
우선, 도 2를 참고하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 외부 냉각시스템에 관하여 살펴보면, 상기 출구 냉각유로(600)는, 상기 복수의 터빈 베인(440) 중 1단 터빈 베인(444)과, 상기 복수의 터빈 블레이드(420) 중 1단 터빈 블레이드(424)에 공기를 공급한다. 즉, 상기 출구 냉각유로(600)는, 상기 1단 터빈 베인(444)에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로(620) 및 상기 1단 터빈 블레이드(424)에 공기를 공급하기 위한 제1 출구 내측 냉각유로(640)를 포함한다.
구체적으로, 상기 출구 외측 냉각유로(620)는 상기 압축기(200)의 출구에서 압축공기를 상기 케이싱(100)의 외부로 추기하여 상기 1단 터빈 베인(444)으로 직접 공급하고 있으며, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640)는 상기 압축기(200)의 출구에서 압축공기를 상기 케이싱(100)의 내측으로 추기하여 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되도록, 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하단부를 통해 형성되고 있다.
이에 따라, 상기 압축기(200) 출구에서의 압축공기가 상기 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)로 공급됨으로써 상기 터빈 베인 및 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
이때, 상기 출구 외측 냉각유로(620)를 통해 공급되는 공기는 별도의 열교환 없이 그대로 상기 1단 터빈 베인(444)으로 공급되고 있으나, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 상에는 별도의 제4 쿨러(840)가 배치됨으로써, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640)를 통해 공급되는 공기를 냉각시켜 보다 효율적으로 상기 1단 터빈 블레이드(424)를 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 출구 외측 냉각유로(620) 및 제1 출구 내측 냉각유로(640)의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련될 수 있으며, 본 실시 예에서는 상기 출구 외측 냉각유로(620)와 제1 출구 내측 냉각유로(640) 상에 각각 하나의 냉각공기 조절밸브(622, 642)가 설치되고 있다.
이에 따라, 상기 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)로 공급되는 냉각공기의 유량을 용이하게 조절 가능하다.
상기 복수의 외부 냉각유로(500)는, 상기 1단 터빈 베인(444)을 제외한 상기 복수의 터빈 베인(440) 중 적어도 하나의 터빈 베인과, 상기 1단 터빈 블레이드(424)를 제외한 상기 복수의 터빈 블레이드(420)에서 상기 연결 냉각유로(700)가 형성되지 않은 단의 터빈 블레이드 중 적어도 하나의 터빈 블레이드에 공기를 공급할 수 있다.
구체적으로, 본 실시 예에서, 상기 복수의 외부 냉각유로(500)는 상기 1단 터빈 베인(444)을 제외한 상기 2단 터빈 베인(445), 3단 터빈 베인(446) 및 4단 터빈 베인(447)에 공기를 공급하고 있으며, 또한, 상기 연결 냉각유로(700)는 후술할 바와 같이 2단과 3단의 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍에 각각 형성되고 있으므로, 상기 복수의 외부 냉각유로(500)는 상기 1단 터빈 블레이드(424)를 제외한 터빈 블레이드 중 상기 연결 냉각유로(700)가 형성되지 않은 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급하도록 형성되고 있다.
즉, 상기 복수의 외부 냉각유로(500)는, 상기 4단 터빈 베인(447) 및 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로(510)와, 상기 3단 터빈 베인(446)에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로(520)와, 상기 2단 터빈 베인(445)에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로(530)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530)는 상기 압축기(200)의 서로 다른 위치에서 추기되되, 상기 터빈(400)과 먼 위치에서부터 가까운 위치로 차례로 추기될 수 있다.
즉, 상기 압축기(200)는 상기 터빈(400)과 먼 순서로 전단, 중단 및 후단 압축기로 구분될 수 있으며, 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530)는 각각 전단, 중단 및 후단 압축기로부터 추기될 수 있다.
또한, 본 실시 예에서는, 상기 4단 터빈 베인(447) 및 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급하기 위한 냉각유로가 하나의 상기 제1 외부 냉각유로(510)에서 분기하여 공급되도록 형성되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 서로 다른 유로로 형성되어도 무관하다.
상기와 같이 복수의 외부 냉각유로(500) 및 출구 냉각유로(600)는 냉각공기를 공급할 터빈 블레이드 또는 터빈 베인의 내부 냉각유로에 연결되어 이를 통해 표면에 형성되는 필름 쿨링 홀과 연통되도록 형성되며, 상기 냉각유로에 의해 공급되는 냉각공기가 상기 터빈 블레이드 또는 터빈 베인의 표면까지 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드 또는 터빈 베인이 냉각공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다.
이때, 상기 터빈 베인(440)으로 공급되는 냉각공기를 통해 같은 단에 위치하는, 즉 상기 터빈 베인(440)의 후단에 위치하는 터빈 블레이드(420)까지 냉각시키기 위해 상기 연결 냉각유로(700)가 형성될 수 있으며, 상기 연결 냉각유로(700)는 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인의 냉각유로가 하나의 냉각유로(cooling circuit)를 이루어 연통 가능하도록 한다.
본 실시 예에서, 상기 연결 냉각유로(700)는 2단과 3단에 각각 형성되어, 상기 2단 터빈 베인(445)과 2단 터빈 블레이드(425)의 냉각유로를 하나로 연결하는 제1 연결 냉각유로(710)와, 상기 3단 터빈 베인(446)과 3단 터빈 블레이드(426)의 냉각유로를 하나로 연결하는 제2 연결 냉각유로(720)를 포함한다.
상기 연결 냉각유로(700)는, 상기 터빈 블레이드(420)의 하측 내부로 공기가 진입되도록 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드(420)와 터빈 베인(440)의 하단부를 통해 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 연결 냉각유로(700)는 터빈 베인(440)으로 공급된 냉각공기가 상기 터빈 베인(440)의 하단부로 유동되어 상기 터빈 베인(440)의 하단부에 배치되는 U-ring의 공간 내부 또는 상기 터빈 로터 디스크(54) 사이의 공간 내부 등에 저장되었다가, 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드(420)의 하단부, 즉 터빈 블레이드의 루트부(422)를 통해 상기 터빈 블레이드(420)의 상단부로 유동되도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 외부 냉각유로(520) 및 제3 외부 냉각유로(530)를 통해 각각 상기 3단 터빈 베인(446) 및 2단 터빈 베인(445)에만 냉각공기가 공급되더라도, 상기 제2 연결 냉각유로(720) 및 제1 연결 냉각유로(710)를 통해 상기 3단 터빈 블레이드(426) 및 2단 터빈 블레이드(425)까지 한번에 냉각이 가능한 것이다.
또한, 상기 제2 외부 냉각유로(520)와 제3 외부 냉각유로(530) 상에는 별도의 제2 쿨러(820) 및 제3 쿨러(830)가 각각 배치됨으로써, 상기 냉각유로를 통해 공급되는 공기를 냉각시켜 보다 효율적으로 상기 터빈 블레이드 및 터빈 베인을 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 외부 냉각유로(510) 상에도 별도의 제1 쿨러(810)가 배치됨으로써, 상기 냉각유로를 통해 공급되는 공기를 냉각시켜 보다 효율적으로 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 쿨러는 생략 가능하다.
상기 제1 내지 제4 쿨러(810, 820, 830, 840)는 각 냉각유로에 유동되는 공기를 서로 다른 온도로 냉각시킬 수 있다. 즉, 각 냉각유로를 통해 냉각공기를 공급할 상기 터빈 블레이드(420) 또는 터빈 베인(440)의 온도에 따라 냉각공기를 적당한 온도로 냉각시켜 공급함으로써 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530)의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련될 수 있으며, 본 실시 예에서는 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530) 상에 각각 하나의 냉각공기 조절밸브(512, 522, 532)가 설치되고 있다.
이에 따라, 상기 각 단의 터빈 블레이드 및 터빈 베인으로 공급되는 냉각공기의 유량을 용이하게 조절할 수 있으며, 발전장치 내부에 마련된 센서를 이용, 각 장치의 온도를 파악하여 냉각공기의 공급량에 대한 제어가 가능하다.
또한, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 중 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 연결 냉각유로(700) 중 상기 2단 터빈 블레이드(425) 및 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에는 프리스월러(pre-swirler; 920)가 각각 구비될 수 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 1단 터빈 블레이드(424) 내지 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치들 중 적어도 어느 하나에만 구비되어도 무관하다.
도 4에는 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 중 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에 구비되는 프리스월러(920)의 일 예가 도시되고 있으며, 상기 프리스월러(920)가 배치되는 위치 또는 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 다른 구성들의 구조는 가스터빈의 종류에 따라 변경될 수 있다.
상기 프리스월러(920)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 에어포일 또는 홀 형상으로 구성되어 있으며, 상기 터빈 블레이드(420)를 향해 직선 상으로 인입되는 공기를 회전시켜주는 역할을 수행하게 된다. 이에 따라, 냉각효과를 높일 수 있다.
또한, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 중 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 연결 냉각유로(700) 중 상기 2단 터빈 블레이드(425) 및 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에는 실링부(940)가 각각 구비될 수 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 1단 터빈 블레이드(424) 내지 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치들 중 적어도 어느 하나에만 구비되어도 무관하다.
도 4에는 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 중 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에 구비되는 실링부(940)의 일 예가 도시되고 있으며, 상기 실링부(940)가 배치되는 위치 또는 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 다른 구성들의 구조는 가스터빈의 종류에 따라 변경될 수 있다.
상기 실링부(940)는 본 발명의 각 구성유형에 맞게 냉각유로가 형성될 수 있도록, 불필요한 유로로 냉각공기가 흐르는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
이때, 상기 실링부(940)는 래버린스 씰(labyrinth seal), 브러쉬 씰(brush seal) 등 밀봉(sealing)을 위한 것이라면 다양하게 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참고하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 외부 냉각시스템에 관하여 살펴보도록 한다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 외부 냉각시스템은 상기의 제1 실시 예에 따른 외부 냉각시스템과 일부만 상이하며, 나머지 구성 및 효과는 모두 동일하다. 상기 제1 실시 예와의 차이점은, 상기 출구 냉각유로(600)가 상기 복수의 터빈 베인(440) 중 1단 터빈 베인(444)과, 상기 복수의 터빈 블레이드(420) 중 1단 터빈 블레이드(424) 및 2단 터빈 블레이드(425)에 공기를 공급한다는 것과, 상기 연결 냉각유로(700)는 2단에는 형성되지 않으며 3단에만 형성된다는 것이다. 아래에서는 상기의 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
본 실시 예에서, 상기 출구 냉각유로(600)는, 상기 복수의 터빈 베인(440) 중 1단 터빈 베인(444)과, 상기 복수의 터빈 블레이드(420) 중 1단 터빈 블레이드(424) 및 2단 터빈 블레이드(425)에 공기를 공급한다. 즉, 상기 출구 냉각유로(600)는, 상기 1단 터빈 베인(444)에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로(620)와, 상기 1단 터빈 블레이드(424)에 공기를 공급하기 위한 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 상기 2단 터빈 블레이드(425)에 공기를 공급하기 위한 제2 출구 내측 냉각유로(660)를 포함한다.
상기 출구 외측 냉각유로(620)와 제1 출구 내측 냉각유로(640)는 제1 실시 예에서 살펴본 바와 동일하며, 본 실시 예에서와 같이 상기 제2 출구 내측 냉각유로(660)는 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640)로부터 분기되어 뻗어나올 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 제2 출구 내측 냉각유로(660)는 상기 압축기(200)의 출구로부터 서로 다른 추기라인을 갖도록 별개로 형성될 수도 있다. .
이때, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640)가 상기 압축기(200)의 출구에서 압축공기를 상기 케이싱(100)의 내측으로 추기하여 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되도록, 상기 1단 터빈 블레이드(424)의 하단부를 통해 형성되고 있는 것과 마찬가지로, 상기 제2 출구 내측 냉각유로(660)도 상기 2단 터빈 블레이드(425)의 하단부를 통해 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 압축기(200) 출구에서의 압축공기가 상기 1단 터빈 베인(444), 1단 터빈 블레이드(424) 및 2단 터빈 블레이드(425)로 공급됨으로써 상기 터빈 베인 및 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
본 실시 예에서는 상기 출구 외측 냉각유로(620)와 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 제2 출구 내측 냉각유로(660) 상에 각각 하나의 냉각공기 조절밸브(622, 642, 662)가 설치되고 있다.
이에 따라, 상기 1단 터빈 베인(444), 1단 터빈 블레이드(424) 및 2단 터빈 블레이드(425)로 공급되는 냉각공기의 유량을 용이하게 조절 가능하다.
본 실시 예에서 상기 복수의 외부 냉각유로(500)는, 제1 실시 예에서와 동일하게, 상기 4단 터빈 베인(447) 및 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로(510)와, 상기 3단 터빈 베인(446)에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로(520)와, 상기 2단 터빈 베인(445)에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로(530)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시 예에서, 상기 연결 냉각유로(700)는 2단에는 형성되지 않으며 3단에만 형성되고 있다. 즉, 상기 3단 터빈 베인(446)과 3단 터빈 블레이드(426)의 냉각유로를 하나로 연결하는 제2 연결 냉각유로(720)만 형성되며, 상기 2단 터빈 블레이드(425)는 상기 제2 출구 내측 냉각유로(660)에 의해 냉각공기가 공급되므로, 3단에만 상기 연결 냉각유로(700)가 형성되더라도 4단으로 형성되는 상기 터빈 블레이드 및 터빈 베인에 냉각공기가 모두 공급될 수 있는 것이다.
또한, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 제2 출구 내측 냉각유로(660) 중 상기 1단 터빈 블레이드(424) 및 2단 터빈 블레이드(425)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 제2 연결 냉각유로(720) 중 상기 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에는 프리스월러(pre-swirler)가 각각 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 출구 내측 냉각유로(640) 및 제2 출구 내측 냉각유로(660) 중 상기 1단 터빈 블레이드(424) 및 2단 터빈 블레이드(425)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 제2 연결 냉각유로(720) 중 상기 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에는 실링부가 각각 구비될 수 있다.
또한, 본 발명은, 케이싱(100)과, 상기 케이싱 내에 배치되는 압축기(200), 연소기(300) 및 터빈(400)을 포함하는 가스터빈의 냉각방법에 있어서, 상기 압축기(200)의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱(100)의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하는 외부 냉각공기 공급단계 및 상기 압축기(200)의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하는 출구 냉각공기 공급단계를 포함하는 가스터빈의 냉각방법을 제공한다.
이때, 상기 외부 냉각공기 공급단계에 의해 공급된 공기는, 적어도 하나의 같은 단에 위치하는 상기 터빈의 터빈 블레이드(420)와 터빈 베인(440) 쌍을 함께 냉각시킬 수 있다.
즉, 상기의 제1 실시 예에 따른 외부 냉각시스템을 기준으로 설명하면, 상기 외부 냉각공기 공급단계는, 상기의 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530)를 통해 상기 2단 내지 4단 터빈 베인(445, 446, 447) 및 4단 터빈 블레이드(427)에 냉각공기를 공급하는 단계이다.
또한, 상기 출구 냉각공기 공급단계는, 상기의 출구 외측 냉각유로(620) 및 제1 출구 내측 냉각유로(640)를 통해 상기 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)에 각각 냉각공기를 공급하는 단계이다.
이때, 상기 외부 냉각공기 공급단계에 의해 공급된 공기는, 2단 및 3단에 각각 형성되는 상기 제1 연결 냉각유로(710) 및 제2 연결 냉각유로(720)를 통해 2단 및 3단의 터빈 블레이드 및 터빈 베인 쌍을 함께 냉각시킨다.
즉, 상기 제3 외부 냉각유로(530)에 의해 상기 2단 터빈 베인(445)으로 공급된 냉각공기는 상기 제1 연결 냉각유로(710)를 통해 상기 2단 터빈 블레이드(425)까지 유동되어 상기 2단 터빈 베인(445) 및 2단 터빈 블레이드(425)를 냉각시킬 수 있으며, 상기 제2 외부 냉각유로(520)에 의해 상기 3단 터빈 베인(446)으로 공급된 냉각공기는 상기 제2 연결 냉각유로(720)를 통해 상기 3단 터빈 블레이드(426)까지 유동되어 상기 3단 터빈 베인(446) 및 3단 터빈 블레이드(426)를 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 외부 냉각공기 공급단계는, 상기 압축기(200)의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱(100)의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로의 입구 또는 유로 상에 적어도 하나 이상 마련되는 냉각공기 조절밸브를 통해 냉각공기의 유량을 조절하는 유량 조절단계를 포함할 수 있다.
즉, 상기 유량 조절단계는, 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530) 상에 각각 설치되는 하나의 냉각공기 조절밸브(512, 522, 532)를 통해 유량을 조절한다.
이에 따라, 상기 각 단의 터빈 블레이드 및 터빈 베인으로 공급되는 냉각공기의 유량을 용이하게 조절할 수 있으며, 발전장치 내부에 마련된 센서를 이용, 각 장치의 온도를 파악하여 냉각공기의 공급량에 대한 제어가 가능하다.
또한, 상기 출구 외측 냉각유로(620)와 제1 출구 내측 냉각유로(640) 상에 각각 설치되는 하나의 냉각공기 조절밸브(622, 642)를 통해 상기 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)로 공급되는 냉각공기의 유량도 용이하게 조절 가능하다.
상기 본 발명의 외부 냉각시스템을 포함하는 가스터빈 및 이의 냉각방법에 따르면, 가스터빈의 압축기(200)에서 공기를 추기하여 외부로 우회하는 냉각공기 공급 유로가 형성됨과 동시에, 터빈(400)의 베인(vane)과 블레이드(blade)가 하나의 냉각공기 유로에 의해 냉각됨에 따라, 냉각공기의 사용량 저감이 가능하며, 또한 터빈의 냉각 블레이드/베인 별 냉각 공기량의 자유로운 조절이 가능하다.
또한, 복수의 쿨러를 이용하여 복수의 외부 냉각유로 및 출구 내측 냉각유로의 공기를 서로 다른 온도로 냉각하여 공급할 수 있다.
또한, 터빈의 각 터빈 블레이드단 별 프리스월러(pre-swirler)와 실링(sealing) 구조를 적용하여 냉각효과를 증대시킬 수 있다.
궁극적으로, 가스터빈의 설계점 및 부분부하 성능이 향상될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1: 가스터빈 50: 로터
52: 압축기 로터 디스크 53: 토크튜브
54: 터빈 로터 디스크 55: 타이로드
56: 고정 너트 100: 케이싱
102: 압축기 케이싱 103: 연소기 케이싱
104: 터빈 케이싱 200: 압축기
220: 압축기 블레이드 222: 압축기 블레이드 루트부
240: 압축기 베인 300: 연소기
400: 터빈 420: 터빈 블레이드
422: 터빈 블레이드 루트부
424, 425, 426, 427: 1단 내지 4단 터빈 블레이드
440: 터빈 베인
444, 445, 446, 447: 1단 내지 4단 터빈 베인
500: 복수의 외부 냉각유로 510: 제1 외부 냉각유로
520: 제2 외부 냉각유로 530: 제3 외부 냉각유로
600: 출구 냉각유로 620: 출구 외측 냉각유로
640: 제1 출구 내측 냉각유로 660: 제2 출구 내측 냉각유로
512, 522, 532, 622, 642, 662: 냉각공기 조절밸브
700: 연결 냉각유로 710: 제1 연결 냉각유로
720: 제2 연결 냉각유로 810: 제1 쿨러
820: 제2 쿨러 830: 제3 쿨러
840: 제4 쿨러 920: 프리스월러
940: 실링부

Claims (20)

  1. 케이싱;
    상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기;
    상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;
    상기 압축기의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로; 및
    상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 출구 냉각유로;를 포함하며,
    상기 터빈은, 상기 복수의 터빈 블레이드와, 상기 케이싱에 고정되어 상기 터빈 블레이드와 교대로 배치되는 복수의 터빈 베인을 포함하되,
    적어도 하나의 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍의 냉각유로가 연통 가능하도록 연결 형성되는 적어도 하나의 연결 냉각유로;를 더 포함하고,
    상기 출구 냉각유로는, 상기 복수의 터빈 베인 중 1단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로 및 상기 복수의 터빈 블레이드 중 1단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 출구 내측 냉각유로를 포함하며,
    상기 복수의 외부 냉각유로는, 상기 1단 터빈 베인을 제외한 상기 복수의 터빈 베인 중 적어도 하나의 터빈 베인과, 상기 1단 터빈 블레이드를 제외한 상기 복수의 터빈 블레이드에서 상기 연결 냉각유로가 형성되지 않은 단의 터빈 블레이드 중 적어도 하나의 터빈 블레이드에 공기를 공급하되,
    상기 복수의 외부 냉각유로는,
    4단 터빈 베인 및 4단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로;
    3단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로; 및
    2단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로;를 포함하고,
    상기 연결 냉각유로는, 2단과 3단의 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 케이싱;
    상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기;
    상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;
    상기 압축기의 서로 다른 위치에서 상기 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로; 및
    상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 출구 냉각유로;를 포함하며,
    상기 터빈은, 상기 복수의 터빈 블레이드와, 상기 케이싱에 고정되어 상기 터빈 블레이드와 교대로 배치되는 복수의 터빈 베인을 포함하되,
    적어도 하나의 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍의 냉각유로가 연통 가능하도록 연결 형성되는 적어도 하나의 연결 냉각유로;를 더 포함하고,
    상기 출구 냉각유로는, 상기 복수의 터빈 베인 중 1단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로 및 상기 복수의 터빈 블레이드 중 1단 및 2단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 출구 내측 냉각유로를 포함하며,
    상기 복수의 외부 냉각유로는, 상기 1단 터빈 베인을 제외한 상기 복수의 터빈 베인 중 적어도 하나의 터빈 베인과, 상기 1단 및 2단 터빈 블레이드를 제외한 상기 복수의 터빈 블레이드에서 상기 연결 냉각유로가 형성되지 않은 단의 터빈 블레이드 중 적어도 하나의 터빈 블레이드에 공기를 공급하되,
    상기 출구 내측 냉각유로는,
    상기 1단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제1 출구 내측 냉각유로; 및
    상기 2단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제2 출구 내측 냉각유로;를 포함하며,
    상기 복수의 외부 냉각유로는,
    4단 터빈 베인 및 4단 터빈 블레이드에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로;
    3단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로; 및
    2단 터빈 베인에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로;를 포함하고,
    상기 연결 냉각유로는, 3단의 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로는 상기 압축기의 서로 다른 위치에서 추기되되, 상기 터빈과 먼 위치에서부터 가까운 위치로 차례로 추기되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 외부 냉각유로 및 상기 출구 내측 냉각유로 중 적어도 어느 하나의 유로에 유동되는 공기를 냉각시키기 위한 냉각부;
    를 더 포함하는 가스터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각부는, 각 유로에 유동되는 공기를 서로 다른 온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 제2 외부 냉각유로 상에 배치되는 제2 쿨러;
    상기 제3 외부 냉각유로 상에 배치되는 제3 쿨러; 및
    상기 출구 내측 냉각유로 상에 배치되는 제4 쿨러;
    를 포함하는 가스터빈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 제1 외부 냉각유로 상에 배치되는 제1 쿨러;
    를 더 포함하는 가스터빈.
  12. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 출구 외측 냉각유로 및 출구 내측 냉각유로의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  14. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 연결 냉각유로는,
    상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되도록 같은 단에 위치하는 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인의 하단부를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 출구 내측 냉각유로는,
    상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되도록 상기 터빈 블레이드의 하단부를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 출구 내측 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 연결 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치 중 적어도 하나에는 프리스월러(pre-swirler)가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 출구 내측 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 상기 연결 냉각유로 중 상기 터빈 블레이드의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치 중 적어도 하나에는 실링부가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
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  19. 삭제
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