KR102183613B1 - 스러스트 밸런싱 방법, 터빈 및 터빈 엔진 - Google Patents

Abstract

터빈은 회전 가능한 로터 및 압력 챔버(30)를 포함하고, 압력 챔버(30)의 벽(33)은 로터에 작용하여 로터가 회전할 때에 로터에 의해 가해지는 스러스트를 밸런싱하도록 구성되며, 도관(C)이 압력 챔버(30)에 연결되고 압력 공급원(CM)에 연결되도록 구성되고, 도관에 결합된 밸브(V1)는 도관(C1)을 개방 및 폐쇄할 수 있으며, 밸브는 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때에 자동적으로 개방하도록 구성된다. 이 방식으로, 터빈의 부하가 높을 때에, 과도한 스러스트가 압력 챔버 내의 더 높은 압력으로 인해 밸런싱된다.

Description

스러스트 밸런싱 방법, 터빈 및 터빈 엔진{METHOD FOR BALANCING THRUST, TURBINE AND TURBINE ENGINE}

본 명세서에 개시된 주제의 실시예는 전반적으로 스러스트 밸런싱 방법, 뿐만 아니라 이 방법을 실행하는 터빈 및 터빈 엔진에 관한 것이다.

터빈의 로터가 회전할 때에, 상이하고 상당한 스러스트들이 로터에 의해 스테이터 상에 가해진다.

예컨대, "석유 및 가스" 용례에서, 파워 가스 터빈의 베어링 상의 축방향 스러스트는 쉽게 10,000 N 내지 100,000 N의 범위일 수 있다. ("저압 터빈"으로 명명될 수 있는) 그러한 파워 터빈은 통상적으로 압축기의 하류측에 배치되고, ("고압 터빈"으로 명명될 수 있는) 터빈은 흔히 압축기의 압축기 하류측 및 고출력 터빈의 상류측에 기계적으로 결합되며, 연소기는 압축기로부터 가스를 받아들여 연소를 실행하고 가스를 고압 터빈에 제공하고, 이 구조는 일반적으로 "터빈 엔진"으로 지칭된다.

그렇게 높은 축방향 스러스트를 견딜 수 있는 스러스트 베어링을 제공하는 것은 매우 어렵고 비싸다.

이 문제를 해결하기 위하여, 압축기로부터의 고압 가스를 이용하고 이 고압 가스를 축방향 스러스트의 일부를 밸런싱하기 위해 파워 터빈으로 급송하는 것이 공지되어 있다.

이 타입의 해법은 미국 특허 제5,760,289호로부터 공지되어 있다. 이 특허에 따르면, 고압 압축기(14)의 단간 블리드(39; inter-stage bleed)와 저압 터빈(20), 즉 파워 터빈의 밸런스 피스톤 공동(32)을 유체 연통식으로 연결하는 도관에 밸브(42)가 결합되고, 밸브(42)는 제어 유닛(35)에 의해 제어되며, 스러스트 밸런스 압력 변환기(54)는 밸런스 피스톤 공동(32) 내에 위치 설정되어 공동(32) 내의 압력을 계속적으로 모니터링하고, 제어 유닛(35)은 특정한 측정 파라미터를 통해 로터 스러스트 베어링(28) 상의 잔류 부하(60)를 계속적으로 계산하는 알고리즘(58)에 응답하여 밸브(42)의 위치를 능동 제어한다.

이 타입의 다른 해법은 또한 미국 특허 제8,092,150호로부터 공지되어 있다. 이 특허에 따르면, 압력 라인(14)과 제어 밸브(15)를 통해 압축기(1)의 마지막 단의 하류측인 압축기 플레넘(2)으로부터의 압축 공기를 갖는 압력 용례에 노출되는 단일 터빈 시스템의 제1 디스크의 상류측에 환형 공동(10)이 존재하고, 축방향 스러스트와 터빈 부하를 연결하는 2개의 제어 법칙(도 3 및 도 4 참조)이 제공되지만, 이 문헌은 제어가 사실상 어떻게 수행되는지를 설명하지 못하고 터빈 조속기(turbine governor)의 사용을 암시한다.

더욱이, 이 타입과 유사한 해법이 미국 특허 제4,864,810호로부터 공지되어 있다. 이 특허에 따르면, 압력 챔버(56) 형태의 밸런스 수단과, 챔버(56)에 증기(23, 46)를 공급하여 챔버의 벽에 힘을 인가하는 수단이 존재하고, 챔버는 스러스트 베어링(52)의 일부에 연결되어 함께 회전하는 부재의 내표면부에 의해 부분적으로 획정됨으로써, 내표면에 인가되는 압력이 스러스트 베어링 상에 견인력을 다시 인가한다. "건식" 작동에서, 스러스트 베어링(52)은 축방향 스러스트 하중을 받을 수 있다. 그러나, 스러스트 베어링은 예컨대 압축기로부터 엔진의 상류측에서 종래와 같이 배출되는 챔버(56) 내로 퍼징 타입의 공기 유동 또는 압축 공기를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 유동 제어 수단(55)에 결합된 밸브(49, 53)는 증기 및 공기 모두의 유동을 제어하도록 제공된다. 이 문헌은 유동 제어 수단(55)을 설명하지 않고, 특히 엔진의 작동 조건 또는 파라미터를 감지 또는 측정함으로써 제어 법칙을 실시하도록 설계된 전기 또는 전자 수단으로서 유동 제어 수단을 실현하는 것을 암시한다.

마지막으로, 터빈 엔진에서 압축기의 단간 블리드는 스러스트를 밸런싱하기 위한 것 뿐만 아니라 특정한 작동 조건에서 엔진 성능을 향상시키는 등의 다른 목적을 위해 사용될 수 있다는 점을 명확히 하는 것이 바람직하다.

이 타입의 해법은 예컨대 미국 특허 제8,057,157호로부터 공지되어 있다.

상기로부터, 종래 기술은 스러스트 밸런스를 달성하기 위하여 압축기를 터빈에 연결하는 능동 제어식 밸브를 이용하는 것을 개시 또는 암시한다는 점이 명확하다.

따라서, 신뢰성 관점에서 성능이 개선된 해법에 대한 요구가 존재한다.

사실상, 밸브의 능동 제어는 정교한 제어 법칙을 실현함으로써 축방향 스러스트의 보다 정밀한 밸런스를 제공할 수 있고, 또한 밸브 개방의 연속적인 조절을 암시한다. 어떻든간에, 능동 제어의 신뢰성은 보장되어야 하고, 이는 전체 시스템에 요구되는 신뢰성이 "석유 및 가스" 용례에서와 같이 매우 높으면 쉬운 일이 아니다.

아래에서 명백한 바와 같이, 본 발명으로 인해, "파워 터빈"(또한, "저압 터빈"으로도 명명됨)용 베어링으로서 널리 사용되는 동압 베어링 대신에 볼 베어링을 사용하는 것이 가능하다. 볼 베어링은 구동 및 제어 시스템을 필요로 하지 않기 때문에 (구성 및 유지 보수 관점 모두에서) 동압 베어링보다 더 단순하고 더 저렴하다.

본 발명의 제1 양태는 스러스트, 특히 축방향 스러스트를 밸런싱하는 방법이다.

그 실시예에 따르면, 회전 가능한 로터가 마련된 터빈에서 스러스트를 밸런싱하는 방법으로서,

- 상기 터빈의 외측에 제1 압력 공급원을 마련하는 단계,

- 상기 터빈의 내측에 압력 챔버를 마련하는 단계로서, 상기 압력 챔버의 벽은 상기 로터가 회전할 때에 로터에 의해 가해지는 스러스트를 밸런싱하도록 상기 로터에 작용하는 것인 단계,

- 상기 제1 압력 공급원을 제1 도관을 통해 상기 압력 챔버에 연결하는 단계,

- 제1 밸브를 상기 제1 도관에 결합시키는 단계

를 포함하고, 상기 제1 밸브는 상기 제1 도관을 개방 및 폐쇄하도록 구성되며, 상기 제1 밸브는 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때에 자동적으로 개방하도록 구성되는 것인 스러스트 밸런싱 방법이 사용된다.

본 발명의 제2 양태는 터빈, 특히 가스 터빈이다.

그 실시예에 따르면, 터빈은,

- 회전 가능한 로터,

- 압력 챔버로서, 상기 압력 챔버의 벽은 상기 로터에 작용하여 로터가 회전할 때에 상기 로터에 의해 가해지는 스러스트를 밸런싱하도록 구성되는 것인 압력 챔버,

- 상기 압력 챔버에 연결되고 제1 압력 공급원에 연결되도록 구성되는 제1 도관, 및

- 상기 제1 도관에 결합되어 상기 제1 도관을 개방 및 폐쇄하도록 구성되는 제1 밸브

를 포함하고, 상기 제1 밸브는 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때에 자동적으로 개방하도록 구성된다.

본 발명의 제3 양태는 터빈 엔진, 특히 가스 터빈 엔진이다.

그 실시예에 따르면, 터빈 엔진은 압축기의 종속 연결부와 상기 압축기의 하류측에 있는 터빈을 포함하고, 상기 터빈은 적어도 전술한 기술적 특징을 가지며, 상기 압축기는 상기 터빈 내의 스러스트를 밸런싱하기 위한 압력 공급원으로서 사용된다.

본 명세서에 통합되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 설명과 함께 이들 실시예를 설명한다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 가스 터빈의 실시예를 매우 개략적으로 도시하고,
도 2는 도 1의 터빈 엔진의 부품인 본 발명에 따른 가스 터빈의 실시예의 단면을 개략적으로 도시하며,
도 3은 도 2의 상세를 도시하고,
도 4는 도 1의 터빈 엔진의 부품인 밸런싱 수단의 제1 실시예의 개략도를 도시하며,
도 5는 도 1의 터빈 엔진의 부품일 수 있는 밸런싱 수단의 제2 실시예의 개략도를 도시하고,
도 6은 도 4의 밸런싱 수단을 이용하여 도 1의 터빈 엔진에서 발생되는 출력 대 스러스트 밸런싱 압력의 플롯을 도시하며,
도 7은 도 4의 밸런싱 수단을 이용하여 도 1의 터빈 엔진에서 발생되는 출력 대 베어링 상의 스러스트의 플롯을 도시한다.

예시적인 실시예의 아래의 설명은 첨부 도면을 참조한다. 여러 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다. 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

첨부 도면에서 때때로 크기는 명확화를 위해 과장되어 있고, 다시 말해서 크기들은 척도가 서로 간에 완벽하지 않다는 것을 유념해야 한다.

명세서에 걸쳐서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특별한 피처, 구조, 또는 특징이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서에 걸쳐서 다양한 장소에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하지 않는다. 또한, 특별한 피처, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

도 1의 가스 터빈 엔진은 축방향 5단 압축기(1), 축방향 2단 고압(또한 저압임) 가스 터빈(2), 축방향 3단 저압(또한 고압임) 가스 터빈(3), 압축기(4)를 포함하고, 이들 모든 구성요소는 전체 터빈 엔진의 케이싱(5) 내에 수용된다. 압축기(1) 및 저압 터빈(2)은 공통의 샤프트(9)를 갖고, 고압 터빈(3)은 자신의 1개의 샤프트(8)(다른 샤프트와 별개이고 독립적임)를 갖는다. 도 1에서, 샤프트(8)의 베어링(7)이 또한 본 발명을 설명하기 위해 도시되어 있지만, 다른 베어링이 그러한 해법에 필수적이다. 베어링(7)은 제한된 특정한 축방향 스러스트를 견딜 수 있다는 것을 유념해야 한다.

터빈(3)의 로터에 의해 예컨대 베어링(7)에 가해지는 과도한 축방향 스러스트를 밸런싱하기 위하여, 도 1의 가스 터빈 엔진은 하나 이상의 밸브와 하나 이상의 오리피스의 조립체인 밸런싱 수단(6), 밸런싱 수단(6)의 입구를 압축기(1)의 블리드에 연결하는 파이프(61; 구체적으로, 매니폴드), 및 밸런싱 수단(6)의 출구를 고압 터빈(3)의 압력 챔버[도 1에 도시되어 있지 않음 - 도 2 및 도 3의 요소(30/BP)를 참조]에 연결하는 파이프(62; 구체적으로, 매니폴드)를 포함한다.

본 발명에 따르면 그리고 도 1의 실시예를 참조하면:

- 터빈(3)의 외측에 제1 압력 공급원이 제공되고[실시예에서, 제1 압력 공급원은 압축기(1), 특히 압축기(1)의 하나의 단임];

- 터빈(3)의 내측에 압력 챔버[도 1에 도시되어 있지 않음 - 도 2 및 도 3의 요소(30/BP)를 참조]가 제공되고; 압력 챔버의 벽은 터빈(3)의 로터에 작용하여 로터가 회전할 때에 로터에 의해 예컨대 베어링(7)에 가해지는 스러스트를 밸런싱하도록 배치되며;

- 제1 압력 공급원은 제1 도관을 통해 압력 챔버에 연결되고;

- 제1 도관을 개방하고 폐쇄하도록 제1 도관에 제1 밸브가 결합된다.

제1 밸브는 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때에 자동적으로 개방하도록 구성된다. 따라서, 제1 밸브는 그 개방 및 폐쇄가 외측의 제어, 예컨대 전기 또는 전자 제어에 의해 결정되지 않는다는 관점에서 "자동 밸브"이다.

매우 유리하게는, 가스 터빈 엔진에서, 그 내부 압축기는 스러스트 밸런싱을 위한 압력 공급원으로서 사용될 수 있다.

통상적으로, 그러한 "자동 밸브"는 비교적 단순한 순수 기계적 및 유압적 구성요소로서, 그 개방/폐쇄를 위한 기계적 제어 부재를 갖는 기계적 밸브 및 기계적 구동 부재를 갖는 유압 액츄에이터로 구성된다. 유압 액츄에이터는 밸브의 상류측에 있는 전술한 제1 도관에 유압적으로 연결되고, 기계적 구동 부재는 기계적 제어 부재에 기계적으로 연결된다.

바람직하게는, 제1 밸브는 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값보다 (약간) 작을 때에 완전히 폐쇄되도록, 그리고 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값보다 (약간) 클 때에 완전히 개방되도록 구성된다. 사실상, 점진적이더라도 가파른 천이가 해법을 정확하고 간단하게 만들고, 갑작스러운 천이는 피해야 한다.

바람직하게는, 전술한 제1 도관을 따라, 제1 도관을 제한하도록 제1 오리피스가 (통상, 제1 밸브의 하류측에) 존재한다. 제1 오리피스는 제1 도관 내에서 제한된 유동을 발생시키는 크기를 갖는다. 이 방식으로, 제1 도관을 따른 질량 유량은 제1 도관의 시작부(예컨대, 압축기에 연결되는 곳)에서의 압력에만 의존하고, 제1 도관의 종료부(예컨대, 터빈에 연결되는 곳)에서의 압력에는 의존하지 않는다.

본 발명에 따르면 그리고 도 1과 상이한 실시예를 참조하면:

- 제2 압력 공급원이 터빈(3)의 외측에 추가적으로 제공되고;

- 터빈(3)의 내측에 압력 챔버(도 1에 도시되지 않음)가 제공되며; 압력 챔버의 벽은 터빈(3)의 로터에 작용하여 로터가 회전할 때에 로터에 의해 베어링(7)에 가해지는 추력을 밸런싱하도록 구성되고;

- 제2 압력 공급원은 추가의 제2 도관을 통해 압력 챔버에 연결되며;

- 제2 밸브가 제2 도관에 추가적으로 결합되어 제2 도관을 개방 및 폐쇄시킨다.

제2 밸브는 제2 밸브의 상류측 압력이 예정된 제2 임계값을 초과할 때에 자동적으로 개방하도록 구성된다. 따라서, 제2 밸브는 그 개방 및 폐쇄가 외측의 제어, 예컨대 전기 또는 전자 제어에 의해 결정되지 않는다는 관점에서 "자동 밸브"이다.

통상적으로, 그러한 "자동 밸브"는 비교적 단순한 순수 기계적 및 유압적 구성요소로서, 그 개방/폐쇄를 위한 기계적 제어 부재를 갖는 기계적 밸브 및 기계적 구동 부재를 갖는 유압 액츄에이터로 구성된다. 유압 액츄에이터는 밸브의 상류측에 있는 전술한 제2 도관에 유압적으로 연결되고, 기계적 구동 부재는 기계적 제어 부재에 기계적으로 연결된다.

바람직하게는, 제2 밸브는 제2 밸브의 상류측 압력이 예정된 제2 임계값보다 (약간) 작을 때에 완전히 폐쇄되도록, 그리고 제2 밸브의 상류측 압력이 예정된 제2 임계값보다 (약간) 클 때에 완전히 개방되도록 구성된다. 사실상, 점진적이더라도 가파른 천이가 해법을 정확하고 간단하게 만들고, 갑작스러운 천이는 피해야 한다.

바람직하게는, 전술한 제2 도관을 따라, 제2 도관을 제한하도록 제2 오리피스가 (통상, 제1 밸브의 하류측에) 존재한다. 제2 오리피스는 제2 도관 내에서 제한된 유동을 발생시키는 크기를 갖는다. 이 방식으로, 제2 도관을 따른 질량 유량은 제2 도관의 시작부(예컨대, 압축기에 연결되는 곳)에서의 압력에만 의존하고, 제2 도관의 종료부(예컨대, 터빈에 연결되는 곳)에서의 압력에는 의존하지 않는다.

본 발명에 따르면 그리고 도 1의 실시예를 참조하면:

- 제3 압력 공급원이 터빈의 외측에 추가적으로 제공되고,

- 제3 압력 공급원은 제3 도관을 통해 압력 챔버에 연결된다.

바람직하게는, 전술한 제3 도관을 따라, 제3 도관을 제한하도록 제3 오리피스가 존재한다. 제3 오리피스는 제3 도관 내에서 제한된 유동을 발생시키는 크기를 갖는다. 이 방식으로, 제3 도관을 따른 질량 유량은 제3 도관의 시작부(예컨대, 압축기에 연결되는 곳)에서의 압력에만 의존하고, 제3 도관의 종료부(예컨대, 터빈에 연결되는 곳)에서의 압력에는 의존하지 않는다.

상기 설명은 3개의 압력 공급원을 언급하지만, 오직 2개의 압력 공급원에 대응하거나 오직 1개의 압력 공급원(도 1의 경우에서와 같이)에 대응할 수 있다. 통상적으로 그리고 유리하게는, 압축기의 단이 압력 공급원으로서 사용될 수 있다. 복수 개의 종속 단을 포함하는 압축기가 존재할 때에(예컨대, 도 1에서와 같이), 상기 복수 개의 단의 1개의 예정된 단, 통상적으로 중간 단의 출구가 압력 챔버를 위한 압력 공급원으로서 사용될 수 있다. 용례에 따라, 상이한 단의 출구가 상이한 압력 공급원으로서 사용될 수 있다.

(단순하고 효과적인) 도 4의 실시예에서, 압축기에 연결된 매니폴드(CM)는 도 1의 파이프(61)에 대응하고 터빈에 연결되는 매니폴드(TM)는 도 1의 파이프(62)에 대응한다. 도 1의 밸런싱 수단(6)은 제1 도관(C1) 및 제3 도관(C3)에 대응한다. 제1 도관(C1)은 매니폴드(CM)와 매니폴드(TM) 사이에 연결되고, 제1 밸브(V1)와 제1 오리피스(O1)를 포함한다. 제3 도관(C3)은 매니폴드(CM)와 매니폴드(TM) 사이에 연결되고 제3 오리피스(O3)를 포함한다.

도 6은 11단 압축기의 8번째 단에 연결되는 도 4의 밸런싱 수단을 이용하여 도 1의 터빈 엔진에서 발생되는 출력 대 스러스트 밸런싱 압력의 플롯을 도시한다. 출력이 대략 12 MW 미만인 경우, 제3 도관(C3)을 통한 가스 유동이 존재하고, 스러스트를 밸런싱하기 위해 특정한 압력이 압력 챔버로 제공된다 - 압력은 출력에 따라 증가됨 -. 출력이 대략 12 MW인 경우, 단의 출력부에서의 압력은 대략 135 psi이고 제1 밸브(V1)가 개방된다. 출력이 대략 12 MW를 초과하는 경우, 제1 도관(C1)과 제3 도관(C3) 모두를 통한 가스 유동이 존재하고 스러스트를 밸런싱하기 위해 더 높은 압력이 압력 챔버로 제공된다 - 압력은 출력에 따라 증가됨 -.

도 7은 11단 압축기의 8번째 단에 연결되는 도 4의 밸런싱 수단을 이용하여 도 1의 터빈 엔진에서 발생되는 출력 대 베어링(7) 상의 스러스트의 플롯을 도시한다. 터빈에서 발생된 출력이 증가함에 따라, 베어링(7) 상의 스러스트는 약 50,000 N의 최대값까지 증가한다. 출력이 대략 12 MW인 경우, 단의 출력부에서의 압력은 대략 135 psi이고 제1 밸브(V1)가 개방되며 베어링(7) 상의 스러스트가 약 17,000 N으로 감소된다. 출력이 대략 12 MW를 초과하는 경우, 베어링(7) 상의 스러스트가 약 17,000 N에서 시작하여 증가된다. 따라서, 베어링(7)은 1개의 도관이 선택적으로 그리고 자동적으로 개방되는 2개의 도관을 사용하기 때문에 오직 약 50,000 N의 축방향 추력을 견디도록 설계된다.

밸런싱 수단의 전환 압력 및 도관, 밸브 및 오리피스의 특성을 설계할 때에, 베어링 상에서 스러스트의 "도치(inversion)"를 피하는 것이 중요하다. 바꿔 말해서, 설계는 예컨대 도 7에서와 같이 적어도 작은 포지티브 스러스트가 베어링에 의해 기계적으로 밸런싱되게 해야 한다.

도 5의 실시예(약간 덜 단순하고 약간 더 효과적인)에서, 압축기에 연결되는 매니폴드(CM)는 도 1의 파이프(61)에 대응하고 터빈에 연결되는 매니폴드(TM)는 도 1의 파이프(62)에 대응한다. 도 1의 밸런싱 수단(6)은 제1 도관(C1) 및 제2 도관(C2)에 대응한다. 제1 도관(C1)은 매니폴드(CM)와 매니폴드(TM) 사이에 연결되고, 제1 밸브(V1)와 제1 오리피스(O1)를 포함한다. 제2 도관(C2)은 매니폴드(CM)와 매니폴드(TM) 사이에 연결되고, 제2 밸브(V2)와 제2 오리피스(O2)를 포함한다. 이 경우에, 제1 밸브(V1)의 임계값은 제2 밸브(V2)의 임계값과 상이해야 하고, 2개의 상이한 임계값은 터빈의 작동 범위에 걸쳐서 스러스트 밸런스가 양호하도록 그리고 베어링에 대한 최대 스러스트를 제한하도록 설계될 수 있다.

상기 설명으로부터, 도관, 밸브 및 오리피스의 갯수가 용례에 따라 변경될 수 있다는 것이 명백하다. 또한, 압축기로부터의 블리드의 갯수는 변경되고 2개 이상일 수 있다(도 1에는 단하나의 블리드만이 제공됨). 어쨋든간에, 밸런싱 구성의 복잡도를 과도하게 증가시키지 않는 것이 중요하다.

아래에서는, 도 1 및 특히 도 2와 도 3을 참조한다.

터빈(3)은,

- 로터 디스크(31)와, 이 로터 디스크(31)에 의해 지지되는 복수 개의 로터 블레이드(32)를 각각 포함하는 복수 개의 단을 갖는 회전 가능한 로터,

- 압력 챔버(30; 도 2에서는 또한 BP로 지시됨) - 압력 챔버(30)의 벽(33)은 로터에 작용하여 로터가 회전할 때에 로터에 의해 가해지는 축방향 스러스트를 밸런싱하도록 구성됨 -,

- 압력 챔버(30)에 연결되고 제1 압력 공급원(CM)에 연결되도록 배치된 제1 도관(C1),

- 상기 제1 도관에 결합되고 상기 제1 도관(C1)을 개방 및 폐쇄하도록 배치되는 제1 밸브(V1)를 포함하고, 제1 밸브(V1; 유리하게는, 전술한 바와 같은 자동 밸브)는 제1 밸브(V1)의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때에 자동적으로 개방하도록 배치된다.

벽(33)은 터빈(3)의 마지막 단의 로터 디스크(31)에 고정 연결된 회전 드럼의 벽에 대응한다. 따라서, 압력 챔버 내의 압력은 "밸런스 피스톤"으로서 작용하는 드럼을 통해 터빈(3)의 로터에 간접적으로 작용한다. 드럼은 열 및/또는 원심력으로 인한 로터(특히, 로터 디스크)와 드럼의 반경 방향 변형을 보정하기 위한 탄성 요소(U형의 수평으로 배치된 요소로서 도시됨)를 포함한다는 점을 유념해야 한다.

도 2에서 명백한 바와 같이, 공기는 압력 챔버(30; 도 2에서 또한 BP로 지시됨)에 진입하고 2개의 시일(특히, 2개의 래비린드형 시일)을 통해 압력 챔버로부터 누출된다. 한쪽에서, 공기는 터빈 메인 배기구(34)를 향해 가고, 다른 쪽에서 공기는 이 공기를 배출하는 데에만 사용되는 이차 배기구(35)를 향해 간다.

도면에 도시된 바람직한 실시예에 따르면, 베어링은 어떻든간에 로터에 의해 가해지는 축방향 스러스트의 일부를 견디고 밸런싱할 수 있는 볼 베어링이다. 따라서, 베어링(7)은 스러스트 베어링이다.

도면에 도시된 바람직한 실시예에 따르면, 고출력 터빈에는 복수 개의 종속 단이 마련되고, 스러스트 베어링은 복수 개의 종속 단의 마지막 단의 하류측에 배치된다.

유리하게는, 스러스트를 밸런싱하기 위한 제1 도관 및/또는 제2 도관 및/또는 제3 도관이 터빈 또는 터빈 엔진의 외측에, 특히 전체 터빈 엔진의 케이싱 외측에 마련될 수 있다.

스러스트 밸런스를 위한 압축 가스 유동을 공급하기 위하여, 제1 도관 및/또는 제2 도관 및/또는 제3 도관은 유리하게는 터빈, 특히 고출력 터빈의 배기구를 통과할 수 있고, 외측이 공기 역학적으로 형성된다. 도 1 및 도 4의 실시예에서, 제1 도관 및 제3 도관은 단일 파이프(62; 실제로는 매니폴드)로 연결되고 이 단일 파이프가 배기구를 통과한다. 이는 도 2에 도시되어 있는데, 도 2에서 배기구는 34로 지시되고 배기구를 통과하는 파이프(62)의 단부는 36으로 지시된다.

이미 예상된 바와 같이, 단순하고 효과적인 방식(따라서, 유리한 실시예)으로, 제1 및/또는 제2 및/또는 제3 도관이 단일 입구 및 단일 출구를 갖도록 일체화되고, 이는 단일 압력 공급원 및 단일 압력 챔버를 이용하는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 터빈의 최상의 용도는 가스 터빈 엔진에서이다. 터빈 엔진은, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기의 종속 연결부와, 압축기 하류측의 터빈을 포함한다. 압축기는 터빈에서 스러스트, 특히 축방향 스러스트를 밸런싱하기 위해 압력 공급원으로서 사용된다.

이 터빈은 고압 터빈일 수 있고, 저압 터빈이 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 압축기와 고압 터빈 사이에 제공될 수 있다. 이 경우에, 통상적으로, 저압 터빈과 고압 터빈에는 2개의 샤프트가 각각 마련되고, 2개의 샤프트는 분리되어 있고 독립적이다.

일반적으로, 압축기는 복수 개의 종속 단을 포함하고, 상기 복수 개의 단 중 적어도 하나의 중간 단의 출구가 터빈에서 축방향 스러스트를 밸런싱하기 위한 압력 공급원으로서 사용된다.

Claims (13)

1. 회전 가능한 로터가 제공된 터빈에서 스러스트를 밸런싱하는 방법에 있어서, 상기 방법은
   - 제1 도관을 통해 상기 터빈의 외측의 제1 압력 공급원을 상기 터빈의 내측의 압력 챔버에 연결하는 단계로서, 로터가 회전할 때 상기 로터에 의해 가해지는 스러스트를 밸런싱하도록 상기 압력 챔버의 벽이 상기 로터에 작용하고, 상기 제1 도관은 결합된 제1 오리피스를 갖는 것인 단계,
   를 포함하고,
   상기 제1 도관을 개방 및 폐쇄하도록 마련되는 제1 밸브는 상기 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때에 자동으로 개방되도록 마련되며,
   상기 제1 오리피스는 상기 제1 도관 내에 제한된 유동(choked flow)을 발생시키는 크기를 갖는 것인 스러스트 밸런싱 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 밸브는 상기 제1 밸브의 상류측 압력이 상기 예정된 제1 임계값보다 작을 때 완전히 폐쇄되도록, 그리고 제1 밸브의 상류측 압력이 상기 예정된 제1 임계값보다 클 때 완전히 개방되도록 마련되는 것인 스러스트 밸런싱 방법.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 결합된 제2 오리피스를 갖는 제2 도관을 통해 상기 터빈의 외측의 제2 압력 공급원을 상기 압력 챔버에 연결하는 단계
   를 더 포함하고,
   상기 제2 도관을 개방 및 폐쇄하도록 마련되는 제2 밸브는 상기 제2 밸브의 상류측 압력이 예정된 제2 임계값을 초과할 때 자동으로 개방되도록 마련되며,
   상기 제2 오리피스는 상기 제2 도관 내에 제한된 유동(choked flow)을 발생시키는 크기를 갖는 것인 스러스트 밸런싱 방법.
5. 제4항에 있어서,
   - 제3 도관을 통해 상기 터빈의 외측의 제3 압력 공급원을 상기 압력 챔버에 연결하는 단계
   를 더 포함하는 스러스트 밸런싱 방법.
6. 터빈에 있어서,
   - 회전 가능한 로터,
   - 압력 챔버로서, 상기 압력 챔버의 벽은 상기 로터에 작용하여 로터가 회전할 때 상기 로터에 의해 가해지는 스러스트를 밸런싱하도록 마련되는 것인 압력 챔버,
   - 상기 압력 챔버에 연결되고 제1 압력 공급원에 연결되도록 마련되는 제1 도관,
   - 상기 제1 도관에 결합되고 상기 제1 도관을 개방 및 폐쇄하도록 마련되는 제1 밸브,
   - 상기 제1 도관을 제한(choke)하도록 상기 제1 도관에 결합되는 제1 오리피스
   를 포함하고, 상기 제1 밸브는 상기 제1 밸브의 상류측 압력이 예정된 제1 임계값을 초과할 때 자동으로 개방되도록 마련되며,
   상기 제1 오리피스는 상기 제1 도관 내에 제한된 유동(choked flow)를 발생시키는 크기를 갖는 것인 터빈.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서, 제1 자동 밸브는 그 개방/폐쇄를 위한 기계적 제어 부재를 갖는 기계적 밸브와, 기계적 구동 부재를 갖는 유압 액츄에이터를 포함하고, 상기 유압 액츄에이터는 상기 제1 도관에 유압적으로 연결되고 상기 기계적 구동 부재는 상기 기계적 제어 부재에 기계적으로 연결되는 것인 터빈.
9. 제6항에 있어서, 베어링이 제공되고, 로터가 회전될 때에 상기 로터에 의해 가해지는 상기 스러스트의 일부가 상기 베어링에 의해 밸런싱되는 것인 터빈.
10. 제9항에 있어서, 복수 개의 종속 단이 제공되고, 상기 베어링은 상기 복수 개의 종속 단의 마지막 단의 하류측에 배치되는 것인 터빈.
11. 제6항에 있어서, 상기 제1 도관은 상기 터빈의 배기구를 통과하고 외부가 공기 역학적으로 성형(成型)되는 것인 터빈.
12. 압축기의 종속 연결부와 상기 압축기의 하류측의 터빈을 포함하는 터빈 엔진으로서, 상기 터빈은 제6항에 따른 터빈이고, 상기 압축기는 상기 터빈 내의 스러스트를 밸런싱하기 위한 압력 공급원으로서 사용되는 것인 터빈 엔진.
13. 제12항에 있어서, 상기 압축기는 복수 개의 종속 단을 포함하고, 상기 복수 개의 종속 단 중 하나의 단의 출구가 상기 터빈 내의 스러스트를 밸런싱하기 위한 압력 공급원으로서 사용되는 것인 터빈 엔진.

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