KR20000048260A - 열적 부조화 유지 방법 - Google Patents

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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
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Abstract

터빈 로터에 있어서, 후방 샤프트 휠과 로터의 최종 단 휠은 서로 연결되어 있으며, 은촉이음된 조인트를 포함한다. 터빈의 운전 정지 및 시동 동안, 후방 샤프트 휠과 최종 단 휠 사이의 열적 부조화는 후방 샤프트 휠을 각기 가열 및 냉각하여 열적 부조화가 허용가능한 한계내에 유지되도록 함으로써 회피되며, 그에 따라 은촉이음된 조인트의 개방 및 로터 및 로터 진동의 불균형에 대한 가능성을 회피한다. 열 매체는 후방 베이링 캐비티내의 배관에 의해 전방 폐쇄 플레이트와 후방 샤프트 휠 사이의 캐비티내로 공급될 수 있다.

Description

열적 부조화 유지 방법{TUNING THERMAL MISMATCH BETWEEN TURBINE ROTOR PARTS WITH A THERMAL MEDIUM}
본 발명은 일반적으로 터빈에 관한 것으로, 특히 발전용 육상 가스 터빈(land-based gas turbines)에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 열적 부조화를 실질적으로 제거하거나 또는 이를 소정의 열적 부조화 범위내에 유지시키기 위해 터빈 부품중 하나의 외면상의 열 매체의 유동을 제어함으로써 로터 부품, 예를 들면 터빈 휠 및 스페이서 또는 후방 샤프트 사이의 열적 부조화를 조율하는 것에 관한 것이다.
일반적인 가스 터빈에 있어서, 터빈 로터는 로터 휠과 스페이서를 적층시킴으로써 형성되며, 적층된 다수의 휠과 스페이서는 서로 볼트 체결된다. 은촉 이음된 조인트(rabbeted joints)는 대체로 스페이서와 휠 사이에 제공된다. 보다 발전된 형태의 가스 터빈에 있어서, 로터를 관통해 냉각 회로가 제공되어 버킷을 냉각한다. 예를 들면, 로터의 림(rim)을 따라 하나 또는 이상의 터빈 단의 버킷으로 유동하여 버킷을 냉각시키도록 로터 조립체의 일부를 형성하는 후방 샤프트를 통해 냉각 시스템이 제공된다. 또한 사용된 냉각 스팀은 로터의 림을 따라서 및 후방 샤프트를 통해서 반송 경로내의 버킷으로부터 유동한다.
로터 휠 및 스페이서의 적층, 및 가변 온도가 터빈의 작동동안, 즉 시동, 정상상태 작동 및 운전정지 동안 여러 기회에 여러 로터 요소에 가해지는 경우, 본 발명에 따라 터빈 로터 요소 사이의 열적 부조화는 터빈 작동의 특정 상태동안 충분한 정도일 수 있어 터빈 요소의 상대 운동이 발생하고 은촉이음된 조인트를 위로 개방하고 하기에 상술된 유해한 결과를 야기함을 밝혀졌다. 스팀 냉각 회로가 후방 샤프트에 제공되기 때문에 이러한 부조화는 특히 현재의 발전된 가스 터빈 디자인에 있어서 발생하며, 상기 후방 샤프트는 마지막 터빈 단(예를 들면, 제 4 단)의 휠과 만난다. 정상상태 작동동안, 터빈 로터의 요소 사이의 특히 후방 샤프트와 마지막 단 휠 사이의 열적 부조화는 소정의 허용가능한 범위내에 놓이며, 이는 휠과 스페이서 또는 후방 샤프트와 마지막 단 휠 사이의 상대 운동을 실질적으로 방지하며, 은촉이음된 조인트가 이동 또는 위로 개방되지 않도록 함을 알 수 있다. 따라서, 정상상태 작동에서, 터빈 로터 부품의 상대 운동이 없으며 이는 달리 로터가 평형을 잃게 하고, 높은 진동을 야기하고 실질적인 비용을 들여 다시 평형을 맞추거나 또는 로터를 교체할 필요가 있다.
그러나, 터빈의 운전 정지동안, 고온 연소가스는 고온 가스 통로를 통해 더 이상 유동하지 않으며, 비교적 짧은 시간 주기동안(대략, 1시간) 터빈은 3000rpm 내지 7rpm으로 서행된다. 이렇게 작은 rpm으로 터빈을 통한 여유 유동과, 스팀 냉각 회로가 운전정지한 경우, 비교적 큰 질향의 터빈 휠, 터빈 휠의 온도는 후방 샤프트의 온도 감소율보다 실질적으로 작게 감소하여, 이들 요소사이에 열적 부조화를 야기함을 알 수 있다. 이들 요소 사이의 280℉ 정도 큰 열적 부조화는 터빈의 작동정지동안 증명되었다. 이러한 큰 열적 부조화는 은촉이음된 조인트를 해제하여 요소 사이에 상대 운동을 야기한다. 물론, 시간이 지나감에 따라 열적 부조화는 이들 요소 사이에 실질적인 열적 평형이 있을 때까지 감소된다.
유사하게, 터빈의 시동시, 열적 부조화는 여러 로터 요소 사이에서 발생한다. 예를 들면, 시동시, 터빈의 고온 가스 경로를 통해 유동하는 고온 가스는 마지막 단 터빈 휠의 큰 질량으로 인해 이를 매우 천천히 가열한다. 역으로, 냉각 매체(초기에는 공기이고 후에는 스팀임)를 이송하는 후방 샤프트는 빨리 가열되어, 후방 샤프트와 마지막 단 휠 사이의 열적 부조화를 야기한다. 이러한 것은 다시 이들 요소 사이의 은촉이음된 조인트가 개방되도록 하여 불평형된 로터를 야기할 수 있다.
열적 부조화의 전술한 문제를 해결하기 위해, 열적으로 부조화된 쌍으로된 요소중 적어도 하나의 요소의 온도는 터빈이 각기 운전 정지 또는 시동됨에 따라 선택적으로 가열 또는 냉각된다. 예를 들면, 운전 정지동안, 가열된 유체 매체(예를 들면, 고온 공기)는 후방 샤프트 휠 표면과 전방 폐쇄 플레이트 사이의 캐비티에 제공된다. 따라서 이 가열된 공기는 후방 샤프트 휠의 표면과 열 이송 관계로 놓여 있어 후방 샤프트 휠이 급속히 냉각되는 것을 방지한다. 가열된 공기의 이러한 유동은 후방 샤프트 휠과 마지막 단 터빈 휠 사이의 열적 부조화를 소정의 허용가능한 열적 부조화내의 값, 예를 들면 70℉ 또는 80℉ 정도 차이로 감소시킨다. 유사하게, 시동 동안, 냉각 매체(예를 들면, 공기)는 동일한 캐비티에 공급되어 후방 샤프트 휠의 온도에 있어서의 증가율이 마지막 단 휠의 온도 증가율과 실질적으로 대응하여 시동시 이들 휠 사이의 열적 부조화가 소정의 허용가능한 한계내에 유지된다. 가열 또는 냉각 매체는 적절한 배관을 통해 전방 폐쇄 플레이트 캐비티내에 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 일시적 열적 부조화를 야기하는 상이하게 가해진 온도에 반응하는 한쌍의 부품을 갖는 가스 터빈과, 부품 사이의 열적 부조화가 소정의 열적 부조화내로 유지되도록 하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 부품의 열적 부조화의 양이 소정의 열적 부조화내에 놓이도록 하는 온도로 일 부품을 가열 또는 냉각하도록 부품중 하나의 표면을 따라서 유체 매체를 유동시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 또다른 바람직한 실시예에 있어서, 서로 및 사이의 은촉이음된 조인트를 갖는 축방향 레지스트레이션 방향으로 고정된 터빈 휠과 후방 휠을 갖는 터빈으로서, 상기 휠은 그들 사이에 일시적 열적 부조화를 생성하는 상이하게 가해지는 온도에 반응하는 상기 터빈과, 소정의 열적 부조화를 넘어 휠 사이의 열적 부조화의 결과 휠 사이의 상대적인 운동을 방지하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 하나의 휠이 소정의 열적 부조화내에 값으로 열적 부조화를 감소시키는 온도로 가열 또는 냉각시키도록 휠중 하나의 표면을 따라 유체 매체를 유동시키는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 요소중 하나의 표면으로 가열 또는 냉각 매체의 공급을 조절함으로써 터빈 로터 요소 사이의 열적 부조화를 소정의 열적 부조화내로 유지시키는 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 한쌍의 터빈 요소의 열적 반응의 제어를 조율하는 방법을 도시하는 터빈의 일부의 부분 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 터빈 로터 12, 14, 16, 18 : 로터 휠
20, 22, 24 : 스페이서 42 : 후방 샤프트 휠
44 : 후방 샤프트 62 : 전방 폐쇄 플레이트
도 1을 참조하면, 적층된 요소를 포함하는 터빈 로터[일반적으로 참조부호(10)로 표시됨]를 구비하는 터빈의 일부가 도시되어 있으며, 상기 적층된 요소는 예를 들면 4개 단의 전형적인 터빈 로터(four-stage exemplary turbine rotor)의 부분을 형성하는 로터 휠(12, 14, 16, 18) 및 이 로터 휠 사이에 교호적인 스페이서(20, 22, 24)를 포함한다. 휠 및 스페이서 요소는 다수의 신장되고 원주방향으로 연장하는 볼트[이 볼트중 하나만이 참조부호(26)로 도시되어 있음]에 의해 로터내에 서로 고정되어 있음을 알 수 있다. 휠(12, 14, 16, 18)은 각기 다수의 원주방향으로 이격된 터빈 버킷(12a, 14a, 16a, 18a)을 장착한다. 노즐(30, 32, 34, 36)은 각기 버킷(12a, 14a, 16a, 18a)과 더불어 단(stages)을 형성한다. 휠과 스페이서는 축방향 레지스트레이션(axial registration)으로 서로 정렬되며 은촉 이음된 조인트는 휠과 스페이서 사이에 제공됨을 알 수 있다. 예시적인 은촉 이음된 조인트(40)가 후방 샤프트(44) 부분을 형성하는 후방 샤프트 휠(42)과 최종 단 휠(last-stage wheel)(18) 사이에 도시되어 있다. 은촉 이음된 조인트는 터빈의 모든 작동 범위에 걸쳐 서로 체결된 채 유지된다. 도시된 바와 같이, 후방 샤프트(44)는 후방 베어링(46)내에서 로터(10)와 회전가능하다.
본원 양수인의 보다 발전된 가스 터빈 설계에 있어서, 후방 샤프트(44)는 계류중인 미국 특허 출원 제 호(대리인 도켓 번호 제 839-540 호)에 자세히 도시되고 상술된 보어 튜브 조립체를 하우징한다. 일반적으로 보어 튜브 조립체는 각기 환형 스팀 냉각 통로(52) 및 사용된 스팀 냉각 반송 통로(54)를 형성하는 외측 튜브(48) 및 내측 튜브(50)를 갖는다. 통로(52, 54)는 각기 반경방향으로 연장하는 보어 또는 도관(56, 58) 세트를 통해 로터의 외측 림으로 또는 이 외측 림으로부터 스팀을 전달하고, 그런 후 로터의 림을 중심으로 이격된 종방향으로 연장하는 튜브와 연통한다. 스팀 통로(52) 및 보어(56)를 통해 공급된 스팀은 냉각 스팀을 제 1 및 제 2 단의 버킷에 공급하는 반면, 보어(58) 및 반송 통로(54)는 반송을 위해 버킷으로부터 사용된 냉각 스팀을 수납한다라고 말하기 충분하다.
전술한 바와 같이, 로터의 여러 요소간의 열적 부조화는 터빈의 작동중, 특히 운전정지 및 터빈 시동동안 발생한다. 정상 상태의 터빈 작동 동안, 터빈의 여러 요소 사이의 온도 분포는 터빈의 작동에 유해한 영향을 미치지 않는 소정 범위의 열적 부조화내에 놓인다. 그러나, 일시 작동, 즉 운전정지 및 시동동안, 열적 부조화는 상당히 커서 조절되어야만 한다. 예를 들면, 후방 샤프트 휠(42)과 최종 단(예를 들면, 제 4 단)의 휠(18) 사이의 은촉이음된 조인트(40)는 허용가능한 열적 부조화를 넘어선 상당한 열적 부조화를 갖는다. 이러한 큰 열적 부조화는 은촉이음을 개방 또는 해제할 수 있다. 이러한 조건은 이 요소가 서로에 대해 이동할 수 있도록 하여 로터가 평형을 잃고 진동이 심해지며 다시 평형을 맞추거나 로터 교체를 위해 비용이 들게 된다.
특히, 운전정지 동안, 여러 터빈 단의 고온 가스 통로를 통해 유동하는 고온 가스 및 보어 튜브 냉각 회로 조립체를 통하는 스팀의 유동은 종결된다. 휠(18)이 매우 큰 질량을 가지며 터빈의 정상 작동 동안 고온으로 가열되기 때문에, 휠(18)은 후방 샤프트 휠(42)의 열 손실과 비교해 매우 작은 비율로 열이 손실되어, 은촉 이음된 조인트(40)에서 큰 열적 부조화를 야기한다. 전술한 바와 같이, 열적 부조화는 280℉ 정도 클 수 있으며, 이는 은촉 이음이 개방되도록 할 수 있다. 유사하게, 큰 열적 부조화는 시동시에 발생한다. 시동시, 휠(18)은 차가우며 통로(52, 54) 및 보어 튜브(56, 58)를 통해 초기 및 이후 냉각 스팀인 냉각 매체(예를 들면, 공기)의 유동에 의해 후방 샤프트(42)에 흡수되는 열의 증가율과 비교해 고온 가스 경로로부터 비교적 천천히 열을 흡수한다. 따라서, 실질적인 열 구배 또는 열적 부조화는 일시 조건동안 이들 2개 요소 사이에서 발생하며, 일시 조건중 휠(18)은 운전정지 동안 후방 휠(42)과 비교하여 증가된 온도를 가지고, 후방 휠(42)은 시동동안 휠(18) 온도와 비교해 증가된 온도를 갖는다.
터빈 작동의 이들 일시적 상태동안 열적 부조화를 감소시키기 위해서, 열 매체가 전방 폐쇄 플레이트(62)와 후방 샤프트 휠(42)의 후면 사이의 캐비티(60)에 공급된다. 열 매체는 베어링 캐비티(66)내로 연장하고 전방 폐쇄 플레이트(62)를 통과하는 일련의 배관(70)에 의해 공급될 수 있다. 캐비티(60)는 마지막 단의 후방의 고온 가스 경로와 연통하여 놓인다.
배관(70)을 통해 캐비티(60)에 공급되는 열 매체는 적절한 소스로부터 공급될 수 있다. 운전 정지동안 후방 샤프트 휠(42)과 제 4 단 휠(18) 사이의 열적 부조화가 허용가능한 소정의 열적 부조화 내에 유지될 수 있도록 후방 샤프트와 후방 샤프트 휠을 가열하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 예를 들면, 은촉이음된 조인트(40)에 유해한 영향을 미치지 않는 허용가능한 열적 부조화는 약 80℉ 또는 이하일 수 있다. 즉, 이러한 양의 열적 부조화는 후방 샤프트(44)와 제 4 단 휠(18) 사이에 상대적인 운동을 야기하지 않으며 이는 은촉이음된 조인트를 개방시키지 않는다. 결과적으로, 운전 정지 동안 후방 샤프트 휠(42)의 소스를 가열함으로써, 후방 샤프트 휠과 제 4 단 휠(18) 사이의 열적 부조화는 소정의 한계내에 유지된다.
역으로, 시동동안, 냉각 매체는 배관(70)을 통해 캐비티(60)내로 제공될 수 있다. 후방 샤프트 휠을 냉각함으로써, 이의 온도는 휠(18)이 고온 가스 경로내로 유동하는 고온 가스로부터 보다 천천히 가열되는 것처럼 후방 샤프트 휠과 제 4 단 휠(18) 사이의 허용가능한 열적 부조화의 범위내에 유지될 수 있다. 일단 정상 상태 작동에 도달하고 휠(18)과 후방 샤프트(44) 사이의 실질적인 온도 평형에 의해 열적 부조화가 허용가능한 한계내에 유지될 수 있으면, 후방 샤프트(44)에 공급되는 냉각 매체는 종결될 수 있다.
본 발명이 가장 실제적인 및 바람직한 실시예에 관해 상술되었지만, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되지 않으며, 그와 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에서 각종 변형 및 동등한 배열을 커버할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 후방 샤프트 휠과 최종 단 휠 사이의 열적 부조화를 방지하고, 은촉이음된 조인트의 개방 및 로터 및 로터 진동의 불균형을 방지한다.

Claims (10)

  1. 일시적인 열적 부조화를 생성하는 상이하게 가해진 온도에 반응하는 한쌍의 부품을 갖는 가스 터빈내에서, 상기 부품 사이의 열적 부조화를 소정의 열적 부조화내에 유지시키는 방법에 있어서,
    상기 부품의 열적 부조화의 양이 상기 소정의 열적 부조화내에 놓이도록 하는 온도로 상기 일 부품을 가열 또는 냉각시키도록 상기 부품중 하나의 표면을 따라서 유체 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 부품은 버킷을 장착하기 위한 터빈 로터 휠과 그들 사이에 은촉이음된 조인트를 갖는 인접 휠을 포함하며, 상기 단계는 은촉이음된 조인트를 형성하는 요소의 상대적인 변위를 방지하기 위해 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내로 감소되도록 상기 휠중 하나의 표면을 따라 유체 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 은촉이음된 조인트는 상기 휠의 레지스트하는 축방향 힘 사이에 형성되며 터빈 로터 휠로부터 축방향으로 이격된 인접 휠의 표면을 따라 유체 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈을 통해 고온 연소 가스를 유동시킴으로써 상기 터빈을 시동시키는 단계와, 상기 부품 사이에 증가된 열적 부조화를 야기시키는 단계와, 상기 부품 사이의 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내에 유지되도록 상기 일 표면을 따라서 냉각 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈을 통해 고온 연소 가스의 유동을 종결시켜 상기 부품 사이의 열적 부조화를 증가시킴으로써 상기 터빈을 운전 정지시키는 단계와, 상기 부품 사이의 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내에 유지되도록 상기 일 표면을 따라서 가열 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈을 통해 고온 연소 가스를 유동시켜 상기 부품 사이에 증가된 열적 부조화를 야기시킴으로써 터빈을 시동시키는 단계와, 터빈의 시동중 상기 부품 사이의 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내에 유지되도록 상기 일 표면을 따라서 냉각 매체를 유동시키는 단계와, 정상 상태로 터빈을 작동시키는 단계와, 상기 터빈을 통해 고온 연소 가스의 유동을 종결시켜 상기 부품 사이의 열적 부조화를 증가시키는 단계와 터빈 운전 정지동안 상기 부품 사이의 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내에 유지되도록 상기 일 표면을 따라서 가열 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  7. 서로 및 사이의 은촉이음된 조인트를 갖는 축방향 레지스트레이션 방향으로 고정된 터빈 휠과 후방 휠을 갖는 터빈내에서, 상기 휠은 그들 사이에 일시적 열적 부조화를 생성하는 상이하게 가해지는 온도에 반응하며, 소정의 열적 부조화를 넘어 상기 휠 사이의 열적 부조화의 결과 상기 휠 사이의 상대적인 운동을 방지하는 방법에 있어서,
    상기 하나의 휠이 소정의 열적 부조화내에 값으로 열적 부조화를 감소시키는 온도로 가열 또는 냉각시키도록 상기 휠중 하나의 표면을 따라 유체 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 터빈을 통해 고온 연소 가스를 유동시켜 상기 휠 사이에 열적 부조화의 증가를 야기시킴으로써 상기 터빈을 시동시키는 단계와, 터빈의 시동중 상기 휠 사이의 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내의 값에 유지될 수 있도록 상기 일 표면을 따라서 냉각 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 터빈을 통해서 고온 연소 가스의 유동을 제거하여 상기 부품 사이의 증가된 열적 부조화를 야기시킴으로써의 터빈의 운전 정지 단계와 터빈 운동정지 동안 상기 열적 부조화를 상기 소정의 열적 부조화내의 값으로 감소시키도록 상기 일 표면을 따라서 가열 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 터빈을 통해 고온 연소 가스를 유동시켜 상기 휠 사이에 증가된 열적 부조화를 야기시킴으로써 상기 터빈을 시동시키는 단계와 터빈의 시동중 상기 휠 사이의 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내의 값으로 유지되도록 상기 일 표면을 따라서 냉각 매체를 유동시키는 단계와, 상기 터빈을 정상 상태로 작동시키는 단계와, 상기 터빈을 통해서 고온 연소 가스의 유동을 종결시켜 상기 부품 사이의 증가된 열적 부조화를 야기시킴으로써 상기 정상 상태 작동으로부터 터빈을 운전 정지시키는 단계와 터빈의 운전 정지동안 상기 열적 부조화가 상기 소정의 열적 부조화내의 값으로 감소되도록 상기 일 표면을 따라서 가열 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    열적 부조화 유지 방법.
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