KR20000048150A - 보어 튜브 조립체 - Google Patents

Abstract

터빈 휠의 고온 가스 성분에 냉각 증기를 공급하고 소모된 냉각 증기를 반송하기 위한 터빈용 축방향 보어 튜브 조립체가 제공된다. 한 쌍의 내부 및 외부 튜브는 내부 반송 통로에 대해 동심인 증기 공급 통로를 형성한다. 튜브의 전단부는 제 1 및 제 2 방사상 튜브 세트와 연통하는 외주 구멍 세트를 갖춘 단부 캡 조립체와 연통하여, 동심 통로로부터의 냉각 증기가 버킷을 냉각시키기 위해 단부 캡의 구멍을 통해 방사상 튜브에 공급되며, 버킷으로부터의 반송 증기는 단부 캡의 제 2 개구 세트를 제 2 방사상 튜브의 세트를 통해 공동축 반송 통로내로 공급된다. 와류형성 방지 베인을 포함하는 방사상 유동에서 축류로의 전환 장치가 단부 캡 내에 제공된다. 보어 튜브 조립체의 후단부에 인접한 스트러트 링은 외부 튜브에 대해 내부 튜브의 축방향 및 방사상 열 팽창을 허용한다.

Description

보어 튜브 조립체{BORE TUBE ASSEMBLY FOR STEAM COOLING A TURBINE ROTOR}

본 발명은 터빈, 특히 고온 가스 성분을 냉각시키기 위한 폐쇄회로 증기 냉각 경로를 이용하는 발전용 랜드 베이스(land-based) 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세히 설명하면, 고온 가스 성분에 대한 냉각 증기의 공급 및 소모된 냉각 증기의 반송을 용이하게 하는 보어 튜브 조립체(bore tube assembly)에 관한 것이다.

고온 가스 경로 요소, 예를 들면 가스 터빈의 버킷의 증기 냉각이 종래에 제안되어 왔으며 랜드 베이스 발전소에서 효과적인 것으로 밝혀졌다. 가스 터빈은 통상적으로 공냉식이며, 예를 들어 제트 엔진이 고온 가스 성분을 냉각시키기 위해 압축된 방출 공기를 이용하지만, 냉각제로서 증기의 이용과 관련된 손실이 냉각 목적을 위해 압축기의 추기(bleed air)를 뽑아냄으로써 발생되는 손실 보다는 크지 않기 때문에 스팀 냉각이 보다 효율적이다. 또한, 조합된 순환 동작에 있어서, 증기 냉각이 특히 바람직한데, 이는 증기가 가스 터빈 성분을 냉각시킴에 따라 증기에 전달된 열 에너지가 증기 터빈을 조합된 주기적 동작으로 구동하는데 유용한 일로 회수되기 때문이다.

미국 특허 제 5,593,274 호에는, 냉각 증기를 로터, 예를 들어 버킷의 고온 가스 성분에 공급하고 그리고 소모된 냉각 증기를 반송로에 반환하기 위한 동축 증기 통로를 갖는 가스 터빈이 개시되어 있다. 그러나, 본 발명은 냉각 목적으로 증기의 공급 및 반송에 있어서의 다양한 개선점을 제공한다.

본 발명은 로터의 고온 가스 성분에 냉각 증기를 공급하고 폐쇄회로 증기 경로의 효율을 개선시키기 위한 방식으로 소모된 냉각 증기를 반송하기 위한 보어 튜브 조립체를 제공하는 것이다. 보어 튜브 조립체의 다양한 실시예는 효율 개선에 기여한다. 예를 들어, 본 발명에 따르면, 보어 튜브 조립체는 외부 및 내부 동심 튜브 사이의 냉각제 증기 공급 통로와, 내부 튜브 내부의 소모된 냉각 증기 반환 통로를 포함한다. 보어 튜브는 로터의 회전 구조체의 일부를 형성한다. 증기는 외부 튜브의 입구의 양 측면 상에 래버린스 시일(labyrinth seal)을 갖는 증기 글랜드(steam gland)에 의해 공급 통로에 제공된다. 내부 및 외부 튜브의 전단부는 단부 캡에 결합되어 냉각 증기의 축방향 공급 환상 유동을 증기 냉각식 버킷에 이송하도록 방사상 외향으로 전환시키고, 그리고 증기 냉각식 버킷으로부터 방사방향 내부로 유동하는 소모된 냉각 증기를 내부 튜브를 통해 반송로로 유동하도록 축방향으로 전환시킨다. 단부 캡은 증기 공급 통로 및 소모된 냉각 증기 반환 통로와 각각 연통하는 다수의 원주방향으로 이격된 개구의 제 1 및 제 2 축방향 이격 세트를 포함한다. 단부 캡의 제 1 및 제 2 개구 세트는 로터에 달린 각각 원주방향으로 이격되고 방사상으로 연장된 튜브의 제 1 및 제 2 축방향 이격 세트와 연통하여, 냉각 증기를 증기 냉각식 버킷에 분배하고 소모된 냉각 증기를 버킷으로부터 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 반송로로 이송한다. 단부 캡은 로터의 방사상 외부 성분과 보어 튜브 조립체 사이에 특이한 증기 유동 변화를 제공한다.

단부 캡과는 별도로, 본 발명의 또 다른 실시예는 단부 캡 내의 내부 코어를 포함한다. 내부 코어는 증기 냉각식 버킷으로부터 복귀되는 소모된 냉각 증기를 튜브를 통해 보어 조립체의 내부 튜브의 축방향 지향 반송 통로 내로 지향시키기 위한 형상의 헤드 또는 본체를 갖는다. 내부 코어는 또한 내부 튜브 내부의 축방향 반송 유동 통로 내에서 반송 냉각 증기가 와류를 일으키는 경향을 피하기 위해 다수의 베인(vane)을 구비한다. 즉, 베인은 증기 유동의 와류형성 성분을 제거하고 실질적으로 증기를 축방향으로 향하게 한다.

본 발명의 또 다른 관점에서, 복사 차폐부는 증기 공급 통로로부터 후방 주 베어링까지 열 전달을 최소화하기 위해 외부 튜브와 후방 샤프트 사이에서 외부 튜브의 적어도 일부분 위에 배치된다. 차폐부는 그 자체로 후방 주 베어링에 대한 열 복사를 차단하며, 만일 그렇지 않으면 베어링의 오일 필름 및 베어링 패드에 대한 허용가능한 한계수치 이상의 온도를 얻게된다. 부가하여, 보어 튜브와 복사 차폐부 사이에 공기 간극이 제공되어, 차폐부가 전도에 의해 열 전달에 대한 열저항을 제공할 수 있도록 한다. 복사 차폐부는 일단부에서 외부 보어 튜브에 체결되며, 타단부는 축방향 온도 팽창이 자유롭게 남아 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 외부 튜브에 대한 내부 튜브의 열팽창 및 수축을 가능하게 하는 보어 튜브 조립체의 내부 및 외부 튜브 사이에 스트러트 링(strut ring)을 제공하는 것이다. 스트러트 링은 내부 및 외부 링을 포함하며, 외부 링은 바람직하게는 보어 튜브 조립체의 외부 튜브의 내부면에 용접에 의해 체결된다. 내부 튜브는 스트러트 링에 대해 내부 튜브의 온도 축방향 열 팽창을 가능하게 하도록 스트러트 링의 내부 링에 대해 미끄럼 이동이 가능하다. 스트러트 링은 배향 즉, 외부 튜브에 대한 내부 튜브의 동심을 유지한다. 부가하여, 스트러트 링은 내부 및 외부 링 사이에 연장하는 다수의 스트러트를 포함하며, 이 스트러트는 스트러트 링의 반경으로부터 경사져 있다. 스트러트의 경사(canting)는 외부 튜브에 대한 내부 튜브의 제한된 온도의 방사상 팽창을 가능하게 하는 동시에, 내부 및 외부 튜브의 동심을 유지시킨다. 더욱이, 스트러트의 후단부(trailing edge)는 와류(vortices)를 없애기 위해 하류 축방향으로 경사진다. 본 발명의 또 다른 실시예는 본 명세서로부터 인지될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 터빈 버킷이 장착된 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈 내에서, 상기 터빈 휠중 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 반송부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서, 상기 냉각 매체를 한 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 축방향과 반대 방향으로 각각 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 규정하며 상기 축에 대해 동심이고 서로 이격된 기다란 외부 및 내부 튜브, 상기 제 1 및 제 2 통로와 연통하는 다수의 각각 원주방향으로 이격된 개구의 제 1 및 제 2 세트를 갖춘 상기 튜브 조립체의 일단에 인접한 단부 캡, 상기 하나의 터빈 휠의 버킷에 냉각 매체를 분배하고 소모된 냉각 매체를 상기 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 상기 반송부로 이송하기 위해 상기 단부 캡 내의 각각의 제 1 및 제 2 세트의 개구와 연통하며 상기 로터에 의해 지지된 원주방향으로 이격되고 방사상으로 연장된 다수의 제 1 및 제 2 통로 세트를 포함한다.

본 발명의 보다 바람직한 실시예에 있어서, 터빈 버킷이 장착된 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈 내에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 반송부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서, 상기 냉각 매체를 한 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 축방향과 반대 방향으로 각각 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 규정하며 상기 축에 대해 동심이고 서로 이격된 기다란 외부 및 내부 튜브, 상기 냉각 매체를 상기 터빈의 버킷에 분배하고 상기 소모된 냉각 매체를 상기 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 상기 반송부로 이송하기 위해 상기 각각의 제 1 및 제 2 세트의 통로와 연통하며 상기 로터에 의해 지지된 원주방향으로 이격되고 방사상으로 연장된 다수의 제 1 및 제 2 통로 세트, 상기 외부 튜브의 적어도 일부분을 둘러싸는 베어링 저널, 상기 냉각 매체로부터 상기 통로를 통해 유동하는 복사에 의해 열 전달에 대해 상기 베어링 저널을 단열시키기 위한 상기 외부 튜브에 의해 전달된 복사 차폐부가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 터빈 버킷이 장착된 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈 내에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 반송부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서, 상기 냉각 매체를 한 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 축방향과 반대 방향으로 각각 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 규정하며 상기 축에 대해 동심이고 서로 이격된 기다란 외부 및 내부 튜브, 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브 사이에 위치되고 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트에 의해 서로 상호연결된 외부 링 및 내부 링을 갖춘 스트러트 링으로서, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중의 하나는 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브중의 하나에 각각 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중 다른 하나 및 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브중 다른 하나는 서로에 대해 미끄럼 이동가능한 스트러트 링이 제공된다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 로터의 선택된 고온 가스 성분에 대한 냉각 매체의 효율적인 공급 및 소모된 냉각 증기가 반송을 가능하도록 하는 터빈 로터의 보어 튜브 조립체 내의 신규하고 개선된 냉각 회로를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 보어 튜브 조립체를 구비한 가스 터빈을 포함하는 발전 시스템의 개략도,

도 2는 보다 큰 효율을 위해 열 회수 증기 발생기 및 가스 터빈을 이용한 본 발명을 구체화한 조합된 사이클 시스템의 개략도,

도 3은 본 발명에 따라 구성된 주 로터의 일부분과 보어 튜브 조립체를 횡단면으로 도시한 사시도,

도 4a, 4b, 4c는 보어 튜브 조립체의 부분 확대 단면도로서, 각 도면은 표시된 분리 라인을 따라 서로 연속됨,

도 5는 보어 튜브 조립체의 전단부 특히, 단부 캡 및 내부의 일부를 절단하여 도시한 확대 단면도,

도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 취한 횡단면도,

도 7은 도 5에 도시된 내부 코어의 단면도,

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 횡단면도,

도 9는 내부 코어의 정면의 단면도,

도 10은 보어 튜브 조립체의 반송 디스크와 단부 캡 사이의 핀 연결부를 도시한 확대 횡단면도,

도 11은 후방 샤프트와 핀 연결하기 위한 리세스 및 단부 캡의 외부 슬리브의 단부를 확대 도시한 도면,

도 12는 보어 튜브 조립체 내에 이용되는 스트러트 링의 축방향 확대도,

도 13은 도 12의 선 13-13을 따라 취한 횡단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 가스 터빈 12 : 압축기

14, 24 : 로터 샤프트 22 : 발전기

29 : 증기 발생기 30 : 증기 터빈

38, 40, 42, 44 : 터빈 휠 48 : 보어 튜브 조립체

50, 52 : 튜브 54 : 증기 공급 통로

58 : 증기 글랜드 74 : 베어링

83, 84 : 슬리브 88, 90 : 개구

도 1은 본 발명을 구체화한 간단한 사이클의, 단일 샤프트의 강력 가스 터빈(10)을 개략적으로 도시한 블록선도이다. 가스 터빈은 로터 샤프트(14)를 갖는 다단 축류 압축기(12)를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다. 도면부호(16)에서 압축기의 입구에 유입되는 공기는 축류 압축기(13)에서 압축되며, 천연 가스 등의 연료가 터빈(20)을 구동시키는 고 에너지의 연소 가스를 제공하기 위해 점화되는 연소기(18)로 방출된다. 터빈(20)에서, 고온 가스 에너지는 일(work)로 변환되며, 그 중 일부는 샤프트(14)를 통해 압축기(12)를 구동시키기 위해 이용되며, 나머지는 전기를 발생시키기 위해 로터 샤프트(24)에 의해 발전기(22) 등의 부하를 구동시키에 유용한 일로 이용할 수 있다. 전형적인 간단한 사이클의 가스 터빈은 연료 입력량의 30% 내지 35%를 샤프트 출력으로 변환시킬 것이다. 그러나, 나머지의 1% 내지 2%는 터빈(20)을 빠져나가는 도면부호(26)의 위치에서 배기 열의 형태를 취하고 있다. 터빈 배기 스트림 내의 에너지가 부가의 유용한 일로 변환되는 결합된 사이클 배치에서 가스 터빈(10)을 이용함으로써 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.

도 2는 터빈(20)을 빠져나가는 배기 가스가 도면부호(26)에서 보일러의 형태로 물이 증기로 변환되는 열 회수 증기 발생기(29)에 도입되는, 가장 간단한 형태의 결합된 사이클을 나타내고 있다. 따라서, 발생된 증기는 부가적인 전력을 차례로 발생하는 보조 발생기(34)와 같은 부가적인 하중을 샤프트(32)를 통해 구동시키기 위해 부가적인 일을 유도하는 하나 이상의 증기 터빈(30)을 구동시킨다. 일부 배치에서, 터빈(20, 30)은 공통 발생기를 구동시킨다. 전력만을 발생시키는 결합된 사이클은 일반적으로 50% 내지 60%의 열효율을 가지며 본 발명에 따른 튜브 조립체의 일부를 형성하는 보다 진보된 가스 터빈을 이용함으로서, 60%를 초과하는 효율을 갖는다.

도 3을 참조하면, 로터 샤프트(24)의 터빈 단면(36)이 부분적으로 도시되어 있다. 터빈 섹션(36)은 로터 샤프트에 장착된 터빈 휠(38, 40, 42, 44)을 구비한 4개의 연속 단을 포함하고 샤프트와 회전하기 위해 로터 샤프트의 일부를 형성하는 다수의 단을 포함한다. 다수의 단의 각각은 일렬의 버킷을 달고 있는데, 두 개의 버킷(B)은 휠(38, 40)용으로 도시되어 있으며, 이러한 버킷은 휠의 방사상으로 외부로 돌출되어 있다. 물론, 버킷은 도시되지 않은 고정된 노즐 사이에 배열되어 있다. 휠(38, 40, 42, 44) 사이에, 스페이서 디스크(39, 41, 43)가 제공되어 있다. 후방 샤프트(76)의 일체부를 형성하는 냉각제 공급 및 반송 후방 디스크(45)는 최종 단 터빈 휠(44)의 후방 측면 상에 제공된다. 종래의 터빈 구성에서와 같이, 휠 및 디스크는 도시되지 않은 다수의 원주방향으로 이격된 축으로 연장하는 볼트에 의해 서로 체결됨을 인지할 것이다.

본 발명에 따른 보어 튜브 조립체는 도면부호(48)로 표시되어 있다. 보어 튜브 조립체(48)는 로터의 일부를 형성하고, 로터의 축(A)을 중심으로 회전하도록 장착되어 있으며 냉각 지지부 및 반송 후방 디스크(45)에 연결되어 있다. 보어 튜브 조립체 및 후방 디스크(45)는 적어도 하나의 터빈 단의 터빈 버킷, 바람직하게 터빈의 첫 번째 2단에 냉각 매체의 유동, 및 증기 등의 소모된 냉각 매체의 유동은 반송로로의 통로를 제공하기 위해 협력한다. 냉각 시스템은 결합된 사이클 시스템 즉, 고압의 증기 터빈 배기로부터 분리된 시스템 내의 폐쇄회로 증기 냉각 공급 및 반송 시스템의 일부로서 제공될 수 있거나 또는 기존의 인플랜트(in-plant) 공급으로부터 제공될 수 있다.

보어 튜브 조립체(48)는 외부 튜브(50)와, 로터 샤프트(24)의 회전축에 대해 외부 튜브(50)와 동심인 내부 튜브(52)를 포함한다. 외부 및 내부 튜브(50, 52)는 각각 환형 냉각 증기 공급 통로(54)를 형성하는 반면에, 내부 튜브(52)는 소모된 냉각 증기 튜브 통로(56)를 제공한다. 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 증기 글랜드(58)는 보어 튜브 조립체 부근에 위치된다. 증기 글랜드(58)는 고정되며 보어 튜브 조립체는 로터 샤프트 축(A)을 중심으로 회전함을 인지할 수 있을 것이다. 적합한 공급원으로부터 증기 공급원에 연결된 (도시되지 않은) 증기 플리넘(60)은 외부 튜브(50) 및 내부 튜브(52) 사이의 통로(54)에 냉각 증기를 공급하기 위해 출구 튜브(50)를 통해 형성된 증기 입구(62)와 연통하도록 놓여져 있다. 바람직하게, 스프링 편이된 미로 형태의 시일(64, 66)은 외부 튜브(50) 둘레를 밀봉하기 위해 증기 글랜드(58)의 반대 측면 상에 제공된다. 이러한 설계에 대한 변동은 미로 형태의 시일 대신에 브러쉬 시일을 이용할 수 있다. 증기 글랜드의 후방 단부는 유동하는 소모된 냉각 증기에 대한 반송(R)으로 개략적으로 도시된 고정식 증기 파이프와 연결된다. 증기 글랜드는 증기가 후방 주 베어링(74)으로 전방으로 유동하지 않도록 미로 형상의 시일을 통과하여 누설되는 증기를 수집하기 위해 누설 증기 플리넘(70, 72)을 또한 포함할 수 있다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 베어링(74)은 종래의 베어링이며 디스크(48)와 일체식의 후방 샤프트(76)를 포함하며, 샤프트(76)는 보어 튜브 조립체(48)와 함께 회전가능하다. 후방 주 베어링의 반대 단부에 다양한 시일이 위치되어, 주 베어링을 밀봉하기 위한 후방 샤프트와 협력한다.

도 4a 및 도 5를 참조하면, 보어 튜브 조립체의 전단부는 일반적으로 단부 캡(80)을 포함한다. 단부 캡(80)은 후미 디스크(45)에 체결된 외부 원형 부재를 포함하며, 밀폐된 단부(82), 및 보어 튜브 조립체의 외부 튜브(50)에 용접에 의해 체결된 양쪽의 개방 단부를 갖추고 있다. 원통형의 외부 및 내부 슬리브(83, 84)는 단부 캡(80)의 일체부로 형성된다. 내부 슬리브(84)의 후방 단부(86)는 내부 튜브(52)의 전단부에 체결된다. 외부 슬리브(83)의 후방 단부는 외부 튜브(50)의 전단부에 예를 들어, 용접에 의해 체결된다. 결과적으로, 단부 캡의 원통형 개방 단부는 냉각제 공급 통로(54) 및 소모된 냉각제 반송 통로(56)를 연장시킨다.

축(A)에 대한 직경 방향의 평면 내에 놓여져 있는 다수의 원주 방향으로 이격된 제 1 세트 개구(88)는 단부 캡(80)의 외부 슬리브(83) 둘레에 제공된다. 개구(88)는 보어 튜브 조립체의 제 1 통로(54), 및 단부 캡의 동심 내부 및 외부 슬리브를 통한 연장부와 연통하도록 놓여져 있다. 원주형으로 이격된 개구, 바람직하게 제 1 개구(88) 세트로부터 축으로 이격되어 있으며, 제 2 직경 방향 평면 내에 놓여 있는 제 2 세트 개구(90)는 단부 캡(80)의 전단부에 인접하여 제공된다. 제 2 세트 개구(90)는 내부 슬리브(84)를 거쳐 소모된 냉각제 반송 통로(56)와 연통하도록 놓여져 있다.

도 3 및 도 4a를 다시 참조하면, 다수의 원주방향으로 이격된 방사상으로 연장하는 튜브(92)는 후방 디스크(45) 내에 위치되며 단부 캡(80)의 제 1 세트 개구(88)와 각각 연통하도록 놓여져 있다. 제 1 세트 개구(88)의 튜브(92)의 양쪽 단부는 적어도 제 1 단 터빈 휠의 버킷에 바람직하게, 버킷을 냉각시키기 위해 제 1 및 제 2 단 터빈 휠에 증기를 공급하기 위해 축방향으로 로터 내에 연장하는 공급 튜브(94)와 연통하도록 놓여져 있다(도 3). 다수의 원주 방향으로 이격된 튜브(94)의 제 2 세트는 단부 캡(80)의 각각의 개구(90)를 갖춘 방사상 내부 단부에서 연통하는 후방 디스크(45) 내에서 방사상으로 연장한다. 제 2 세트 튜브(94)는 냉각된 버킷으로부터 개구(90)를 거쳐 단부캡(80) 내부로 소모된 냉각 증기를 반환시키기 위한 축방향으로 로터 내에서 또한 연장하는 반송 튜브(96)와 연통하도록 놓여져 있다. 따라서, 튜브(92, 94)는 통로(54)로부터 단부 캡(80)을 통과하여 버킷에 이르기까지 냉각 매체를 각각 이송하고, 버킷으로부터 통로(56)를 따라 단부 캡(80) 및 내부 튜브(52)를 포함한 보어 튜브 조립체를 거쳐 소모된 냉각 매체를 반환시키기 위해 단부 캡 내에 각각의 제 1 및 제 2 개구(88, 90) 세트와 연통하는 다수의 원주방향으로 이격되어 연장하는 각각의 통로(93, 95)의 축으로 이격된 제 1 및 제 2 세트를 구성함을 인지할 수 있을 것이다.

단부 캡 조립체 내에, 내부 코어(100)가 제공된다. 도 8에 가장 잘 도시되어 있는 내부 코어(100)는 볼트로 죄여진 연결부에 의해 단부 캡(80)의 내부 단부면에 체결하기 위해 편평한 기저부(104)를 갖는 중심 몸체(102)를 포함하고 있으며, 다섯 개의 볼트 구멍(103)이 도 6 및 도 7에 도시되어 있다[단일 볼트(101)는 도 4a 및 도 5에 도시되어 있다]. 내부 코어(100)는 인코넬(718)로 바람직하게 형성된 단조 부분(forged piece)이다. 내부 코어의 주물은 대안의 방법이다. 부가적으로, 두 개의 장부 맞춤핀(dowel pins)중, 하나가 도 4a 및 도 5의 각각에 도면부호(106)로 도시되어 있는 핀은 내부 코어(100)와 단부 캡(80) 사이의 전단 하중을 운반하기 위해 이용되며, 볼트(101)는 응력 하중을 전달한다.

특히 도 8을 참조하면, 내부 코어(100)의 몸체(102)는 일반적으로 아치형상, 및 정점(110) 내에서 종결하는 원추 형상이며, 원추 형상의 몸체(102)의 축은 로터 축(A) 상에 놓여져 있다. 부가적으로, 도 7 및 도 8에 도시되어진 것처럼, 다수의 베인(112)은 굽어진 원추 형상의 몸체(102)로부터 내부 코어(100)의 모서리까지 연장하도록 제공된다. 도 4a 및 도 5에 도시되어진 것처럼, 내부 코어(100)가 단부 캡(80)의 내부면에 체결됨에 따라, 내부 코어(100)는 내부 슬리브(84) 내에 전체적으로 놓여져 있음을 인지할 수 있을 것이다. 또한, 베인(112)은 서로 이격되어 있어, 튜브(94)를 통한 반송 유동이 베인 사이를 유동한다. 이러한 배열로 인해, 소모된 냉각제 증기의 반송 유동은 일반적으로 반경방향으로 내부로 향하는 유동으로부터 내부 튜브(523) 내의 축으로 연장하는 유동에 이르기까지 소모된 냉각 증기 유동을 변화시키는 내부 코어 몸체(102)의 굽어진 원추형상의 표면에 대해 충격을 가하기 위해 개구(90)를 통해 내부 슬리브(84)로 도입된다. 베인(112)은 나선형 성분을 갖도록 소모된 냉각 증기의 방사상 내부로 향하는 유동의 발생가능성을 제거하기 위해 제공된다. 따라서, 베인은 내부 슬리브(84) 및 통로(56) 내의 방사상 유동을 제거하거나 축방향 유동을 최소화하기 위해 유동을 바르게 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 후방 샤프트는 한 쌍의 전방 및 후방 죔쇠 끼워맞춤(interference fits)에 의해 보어 튜브 조립체에 체결된다. 예를 들어, 전방 죔쇠는 도 4a에 도면부호(120)로 나타나 있으며, 후방 죔쇠는 도 4b에 도면부호(122)로 나타나 있다. 보어 튜브 조립체는 터빈의 모든 작동 조건에서 후방 샤프트의 중심에 고정되어 부착된다. 그렇지 않으면, 파괴적인 불균형 및 계속되는 진동이 발생할 수 있다. 후방 샤프트의 양 단부에서 보어 튜브 조립체와 후방 샤프트 사이의 한쌍의 죔쇠는 이러한 불균형 및 진동을 방지시킨다.

본 발명의 또 다른 관점에서, 보어 튜브 조립체는 후방 샤프트 내에서 비틀림으로부터 방지되어야 한다. 이는 보어 조립체의 전단부와 결합하는 후방 샤프트를 통해 방사상 핀을 이용함으로써 수행된다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 후방 샤프트(76)는 핀(128)을 수용하기 위해 원주방향으로 이격된 위치에서 다수의 구경(126)을 갖는다. 핀(128)의 내부 단부는 단부 캡(80)의 외부 슬리브(83)의 외주부 표면 상에 형성된 원주방향으로 이격된 리세스(130) 내에 결합된다. 리세스 내에 결합하는 이러한 핀들은 보어 튜브 조립체에 관련된 후방 샤프트의 원주 및 축방향 이동을 방지함을 인지할 수 있을 것이다.

도 4b, 도 12, 및 도 13을 참조하면, 보어 조립체를 형성하는 내부 및 외부 튜브의 온도는 작동중에 서로 다른데, 이는 외부 동심 통로(54)가 냉각 증기를 공급하는 동시에, 소모된 반송 증기가 보다 고온에서 통로(56) 내부를 유동하기 때문이다. 결과적으로, 내부 튜브(52)는 축으로 그리고 방사상으로 온도 팽창하는 경향이 있다. 축방향 및 방사상 방향으로 온도 팽창을 적합하게 하기 위해서는, 스트러트 링(130)이 외부 튜브(50) 및 내부 튜브(52) 사이에 각각 위치된다. 도 12를 참조하면, 스트러트 링은 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트(136)에 의해 서로 연결된 외부 링(132) 및 내부 링(134)을 포함한다. 외부 링(132)은 바람직하게 외부 튜브(50)에 예를 들어 용접에 의해 체결된다. 그러나, 내부 링(134)은 내부 튜브(52)에 미끄럼식으로 연결된다. 역전 배열 즉, 내부 링이 내부 튜브에 체결되며, 외부 링이 외부 튜브에 대해 미끄럼 이동하는 배열이 가능하나, 바람직하지 못하다. 이러한 배열로 인해, 내부 튜브는 외부 튜브(50)와 동심을 유지하고 있으며, 동시에 내부 튜브의 축방향으로의 온도 팽창은 튜브(52)와 내부 링(134) 사이의 상대 미끄럼 이동에 의해 수용된다. 내부 튜브 및 외부 튜브는 상기 튜브들의 전단부에서 로터에 고정되며, 결과적으로 내부 튜브는 외부 튜브에 대해 축방향 후방으로 팽창할 수 있다. 내부 링(134)과 내부 튜브(52) 사이의 끼워맞춤은 매우 정밀한 공차로 강성 표면 피복 접지물을 포함한다.

내부 튜브(52)의 온도 팽창을 방사상 방향으로 가능하게 하기 위해서는, 스트러트(136)는 도 12에 도시되어진 것처럼, 반경에 경사진 각도에서 내부 링(134) 및 외부 링(132) 사이에서 각각 연장한다. 즉, 스트러트 링과 스트러트(136) 사이에서 예각을 형성한다. 그렇지 않으면, 내부 튜브(52)의 방사상 외부 온도 팽창에 의해 방사상으로 연장하는 스트러트(136)에 인가된 방사상 힘이 반경에 대해 스트러트를 경사지게 함으로서 완화된다. 따라서, 내부 링(134)은 근소하게 회전하는 경향이 있으며 스트러트는 내부 튜브(52)가 온도 하중 하에서 방사상 방향으로 팽창됨에 따라 굽어지는 경향이 있다.

본 발명의 또 다른 특성은 스트러트(136)의 형상에 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 스트러트(136)의 상류 단부 또는 전단부는 일반적으로 유동 통로(54)의 축에 수직인 평면에 놓여져 있다. 그러나, 스트러트(136)의 후단부는 축에 대해 경사져 있으며. 즉 내부 튜브로부터 방사상으로 외부 방향으로 그리고 하류 방향으로 경사져 있다. 즉, 전단부가 축에 수직으로 연장함에 따라, 후단부는 각각의 스트러트의 외부 직경이 그 내부 직경보다 더 긴 축방향 길이를 갖도록 경사져 있다. 스트러트의 특정 형상은 이러한 배치 및 방향의 스트러트가 냉각 증기가 통로(54)를 따라 유동함에 따라 와동 발생 및 및 진동을 감소시키는 경향이 있으므로, 보다 중요하다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 후방 샤프트(76)를 통한 다수의 공기 입구 통로(140)가 존재한다. 온도 복사 차폐부(142)가 외부 튜브(50) 둘레에 위치되며 공기 통로(140)로부터 공기 유동을 수용하기 위해 축으로 연장하는 동심의 간극을 제공하기 위해 후방 샤프트(76)로부터 이격되어 있다. 이러한 환형 공기 통로를 통과하는 공기는 보어 튜브 조립체의 전단부에서 핀(128)에서와 같이 동일한 축방향 평면 내의 다수의 구멍을 통해 로터를 벗어난다. 온도 복사 차폐부(142)와 외부 보어 튜브(50) 사이에 환형의 공기 간극이 놓여진다. 결과적으로, 차폐부(142)는 통로(54) 내의 냉각 증기로부터 후방 주 베어링까지 복사에 의해 열 전달을 차단한다. 또한, 공기 간극 및 공기 통로는 통로(54) 내의 냉각 증기 및 주 베어링 사 이에 단열을 형성한다.

상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 터빈 로터의 보어 튜브 조립체는 냉각 매체를 로터의 선택된 고온 가스 성분에 효율적으로 공급하고 또 소모된 냉각 증기를 반송하는 것을 용이하게 한다.

Claims (18)

1. 터빈 버킷이 장착된 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈내에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 반송부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서,

   상기 냉각 매체를 한 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 축방향과 반대 방향으로 각각 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 형성하고 상기 축에 대해 동심이며 서로 이격된 기다란 외부 및 내부 튜브와,

   상기 제 1 및 제 2 통로와 연통하는 다수의 원주방향으로 이격된 제 1 및 제 2 개구 세트를 구비하며 상기 튜브 조립체의 일단에 인접한 단부 캡과,

   상기 하나의 터빈 휠의 버킷에 냉각 매체를 분배하고 상기 소모된 냉각 매체를 상기 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 상기 반송부로 이송하기 위해 상기 단부 캡 내의 각각의 제 1 및 제 2 개구 세트와 연통하며 상기 로터에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 방사상으로 연장된 제 1 및 제 2 통로 세트를 포함하는

   보어 튜브 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 통로는 상기 내부 및 외부 통로 사이에 배치되어 있으며, 상기 제 2 통로는 상기 내부 튜브 내에 배치되어 있고, 상기 단부 캡 내의 제 1 및 제 2 개구 세트는 서로 이격되어 있으며, 그리고 상기 제 1 및 제 2 통로 세트는 서로 축방향으로 이격되는

   보어 튜브 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 단부 캡 내부로 방사상으로 유동하는 상기 소모된 냉각 매체를 상기 방사상으로 향한 제 2 통로 세트로부터 상기 제 2 통로 내의 소모된 냉각 매체의 축방향 유동으로 전환시키기 위해 상기 단부 캡 내에 배치된 내부 코어를 포함하는

   보어 튜브 조립체.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 내부 코어는 소모된 냉각 매체가 상기 제 2 통로 및 상기 통로 내의 방사상 유동 및 축방향 유동 사이에서 전환됨에 따라 상기 소모된 냉각 매체의 나선형 유동 성분을 제거함으로써, 나선형 유동 성분이 거의 없는 상기 제 2 통로 내부의 실질적인 축류를 제공하기 위한 다수의 원주방향으로 이격된 베인을 갖추고 있는

   보어 튜브 조립체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부 튜브의 적어도 일부분을 둘러싸는 베어링 저널과, 상기 통로를 통해 유동하는 상기 냉각 매체로부터의 복사에 의해 상기 베어링 저널을 열 전달에 대해 단열시키기 위해 상기 외부 튜브에 달린 복사 차폐부를 포함하는

   보어 튜브 조립체.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 저널 베어링은 상기 복사 차폐부와 함께 그 사이에 단열 공기 간극을 형성하는 후방 샤프트를 포함하는

   보어 튜브 조립체.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 복사 차폐부는 일단부에서 상기 외부 튜브에 체결되며, 상기 차폐부의 타단부는 상기 외부 튜브에 대한 상기 복사 차폐부의 축방향 열팽창 및 수축을 가능하게 하도록 상기 외부 튜브에 대해 축방향 이동이 자유로운

   보어 튜브 조립체.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 튜브와 상기 외부 튜브 사이에 배치되고, 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트에 의해 서로 연결된 외부 링 및 내부 링을 갖는 스트러트 링을 구비하며, 상기 내부 링 및 상기 외부 링 중 하나의 링은 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브 중의 하나에 고정되며, 상기 내부링 및 상기 외부 링의 다른 하나의 링과 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브의 다른 하나의 튜브는 서로에 대해 미끄럼이동가능한

   보어 튜브 조립체.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 외부 링은 상기 외부 튜브에 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 내부 튜브는 서로에 대해 미끄럼이동가능하며, 상기 외부 튜브에 대해 상기 내부 튜브의 축방향 열 팽창을 가능하게 하는

   보어 튜브 조립체.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 스트러트는 상기 스트러트의 반경으로부터 오프셋된 각도로 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이에서 연장되어 상기 외부 튜브에 대해 방사상 외부 방향으로의 상기 내부 튜브의 열 팽창을 가능하게 하는

    보어 튜브 조립체.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 스트러트는 상기 제 1 통로 내에서 냉각 매체의 상류 및 하류 유동 방향으로 향하는 전단부 및 후단부를 가지며, 상기 후단부는 상기 링 중 하나의 링으로부터 방사상 및 하류 축방향으로 연장되는

    보어 튜브 조립체.
12. 터빈 버킷이 장착된 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈내에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 반송부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서,

    냉각 매체를 한 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 축방향과 반대 방향으로 각각 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 규정하고 상기 축에 대해 동심이며 서로 이격된 기다란 외부 및 내부 튜브와,

    상기 냉각 매체를 상기 터빈 휠의 버킷에 분배하고 상기 소모된 냉각 매체를 상기 단부 캡 및 보어 튜브 조립체를 통해 상기 반송부로 이송하기 위해 상기 각각의 제 1 및 제 2 통로 세트와 연통하며 상기 로터에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격되고 방사상으로 연장된 제 1 및 제 2 통로 세트와,

    상기 외부 튜브의 적어도 일부분을 둘러싸는 베어링 저널, 상기 통로를 통해 유동하는 냉각 매체로부터의 복사에 의한 열 전달에 대해 상기 베어링 저널을 단열시키기 위해 상기 외부 튜브에 구비된 복사 차폐부를 포함하는

    보어 튜브 조립체.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 저널 베어링은 상기 복사 차폐부와 함께 그 사이에 단열 공기 간극을 형성하는 후방 샤프트를 포함하는

    보어 튜브 조립체.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 복사 차폐부는 일단부에서 상기 외부 튜브에 체결되며, 상기 차폐부의 타단부는 상기 외부 튜브에 대해 상기 복사 차폐부의 축방향 열팽창 및 수축이 가능하도록 상기 외부 튜브에 대해 축방향 이동이 자유로운

    보어 튜브 조립체.
15. 터빈 버킷이 장착된 다수의 터빈 휠을 포함하는 축을 중심으로 회전가능한 로터를 구비한 터빈내에서, 상기 터빈 휠의 적어도 하나의 버킷에 냉각 매체를 이송하고 소모된 냉각 매체를 반송부로 이송하기 위한 보어 튜브 조립체에 있어서,

    상기 냉각 매체를 한 축방향으로 이송시키고 소모된 냉각 매체를 상기 축방향과 반대 방향으로 각각 이송시키기 위한 제 1 및 제 2 통로를 규정하고 상기 축에 대해 동심이며 서로 이격된 기다란 외부 및 내부 튜브와,

    상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브 사이에 위치되고 다수의 원주방향으로 이격된 스트러트에 의해 서로 상호연결된 외부 링 및 내부 링을 갖춘 스트러트 링으로서, 상기 내부 링 및 상기 외부 링중의 하나는 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브중의 하나에 각각 고정되며, 상기 내부 링 및 상기 외부 링 중 다른 하나의 링과 상기 내부 튜브 및 상기 외부 튜브 중 다른 하나의 튜브는 서로에 대해 미끄럼 이동가능한

    보어 튜브 조립체.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 외부 링은 상기 외부 튜브에 고정되며 상기 내부 링 및 상기 내부 튜브는 서로에 대해 미끄럼이동가능하여, 상기 외부 튜브에 대한 상기 내부 튜브의 축방향 열 팽창을 가능하게 하는

    보어 튜브 조립체.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 스트러트는 상기 스트러트의 반경으로부터 오프셋된 각도로 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이에서 연장되어, 상기 외부 튜브에 대해 방사상 외부 방향으로 상기 내부 튜브의 열 팽창을 허용하는

    보어 튜브 조립체.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 스트러트는 상기 제 1 통로 내의 상기 냉각 매체 유동의 각각 상류 및 하류 방향으로 향하는 전단부 및 후단부를 가지며, 상기 후단부는 상기 링중 하나로부터 방사상 및 하류 축방향으로 연장되는

    보어 튜브 조립체.