KR20000053569A - 터빈 - Google Patents

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KR20000053569A
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윌슨이안데이비드
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

하나의 로터 및 복수의 단(stage)을 포함하고, 각 단은 함께 회전가능하게 로터상에 장착되어 있는 일련의 동익(bucket)을 가지며, 상기 단중 적어도 한 단의 동익은 증기에 의해 냉각되도록 된 터빈에 있어서, 적어도 부분적으로 환상인 증기 공급 매니폴드와 연통하는 적어도 하나의 축방향 연장 냉각 증기 공급 도관과; 상기 냉각 증기 공급 도관의 반경방향 외향 위치에서 상기 매니폴드에 연결된 하나 이상의 축방향 연장 냉각 증기 이송 튜브를 포함하고; 상기 하나 이상의 냉각 증기 이송 튜브는 상기 복수의 단중 적어도 한 단의 하나 이상의 동익에 냉각 증기를 공급하도록 배열되고; 상기 매니폴드는 상기 이송 튜브를 지나서 반경방향으로 연장하여, 로터의 회전에 의해 야기되는 원심 부하에 의하여 불순물(debris)을 수집하기 위한 불순물 트랩 영역을 만드는 것을 특징으로 하는 터빈.

Description

터빈{DEBRIS TRAP IN A TURBINE COOLING SYSTEM}
가스 터빈에 있어서는 불순물(debris)이 냉각 대상의 동익의 반경방향 외측 한계지점(말단 회전부)내에 수집될 수도 있기 때문에 필터의 하류에서 발생되는 불순물이 가스 터빈 동익(動翼: bucket)의 증기 냉각에 영향을 많이 미친다. 따라서, 고온의 동익 말단 표면을 냉각 매체로부터 절연시키는 불순물 층이 형성되므로 시간이 지날수록 냉각 경로 봉쇄가 심해지면서 동익 말단에서의 냉각 능력이 감소된다.
본 발명은 증기 냉각 매체내에 존재하는 불순물을, 증기의, 즉 동익 상류에서의 냉각 임무에 영향을 미치지 않는 동익 냉각 회로의 영역에 수집하여 포집하는 냉각 회로 구조체를 제공하는 것이다.
보다 상세히 말하면, 본 발명의 출원인에 의하여 제조되고 있는 가스 터빈의 제 1 및 제 2 단 동익으로 공급되는 냉각 증기의 경로는 증기를 동익으로 반송하는 비교적 저속의 증기 매니폴드를 통과한다. 냉각 경로의 상기 위치에서, 불순물에 걸리는 원심 부하에 의하여 불순물이 주 흐름 스트림 라인으로부터 이탈하여 매니폴드의 반경방향 최외측 영역내에 수집되게 된다. 이 목적을 달성하기 위하여, 매니폴드가 동익 이송 튜브를 지나 반경방향으로 연장하여서, 오목한 트랩 영역을 만든다. 이 트랩 영역은 회전하는 로터에 의해 발생되는 원심 부하에 의해서 고체 입자 및 다른 불순물을 수집한다. 예시적인 실시예에 있어서는, 터빈 로터 둘레로 환상 배열로 배열된 10개의 매니폴드 세그먼트가 있으며, 각 매니폴드 세그먼트는 대략 36°로 연장하고 있다.
따라서, 본 발명은 하나의 로터 및 복수의 단(stage)을 포함하고, 각 단은 함께 회전가능하게 로터상에 장착되어 있는 휠상에 지지되는 일련의 동익을 가지며, 상기 단중 적어도 한 단의 동익은 공기 또는 증기에 의해 냉각되도록 된 가스 터빈에 있어서, 냉각제 공급 매니폴드와 연통하는 적어도 하나의 축방향 연장 냉각제 공급 도관과; 상기 냉각제 공급 도관의 반경방향 외향 위치에서 상기 매니폴드에 연결된 하나 이상의 축방향 연장 냉각제 이송 튜브를 포함하고; 상기 하나 이상의 냉각제 이송 튜브는 상기 복수의 단중 적어도 한 단의 하나 이상의 동익에 냉각제를 공급하도록 배열되고; 상기 매니폴드는 상기 하나 이상의 축방향 연장 이송 튜브를 지나서 반경방향으로 연장하여, 로터의 회전에 의해 야기되는 원심 부하에 의해서 불순물을 수집하기 위한 불순물 트랩 영역을 만드는 것을 특징으로 하는 가스 터빈에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 주 로터의 일부와 주위의 후미 베어링을 갖는 보어 튜브 조립체를 일부 절취해서 단면을 도시한 절결 사시도,
도 2는 도 1의 보어 튜브 조립체의 일부의 상세한 확대 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 터빈 로터 조립체 12, 14, 16, 18: 터빈 휠
20: 로터 샤프트 22, 24, 26: 스페이서 디스크
28: 냉각제 공급 및 복귀 후미 디스크 36: 환상의 냉각 증기 공급 통로
38: 소모 냉각 증기 귀환 통로 40: 매니폴드
42: 반경방향 공급 도관 44: 반경방향 외측 축방향 연장 공급 튜브
46: 매니폴드 세그먼트 48: 비교적 짧은 이송 튜브
49: 동익의 하부 50: 불순물 트랩 영역
도 1을 참조하면, 터빈 로터 조립체의 일부를 참조부호(10)로 도시한다. 이 조립체의 터빈 섹션은 함께 회전할 수 있도록 로터 샤프트(20)상에 장착되어 있는 터빈 휠(12, 14, 16, 18)을 포함하는 다수의 단(stage)(예를 들면 4개의 연속적인 단)을 구비한다. 각 휠은 일련의 동익(도시하지 않음)을 지지하는데, 이 동익은 휠의 반경방향 외향으로 돌출하고 고정노즐(도시하지 않음)의 사이에서 교대로 축방향으로 배열된다. 휠 사이에는 스페이서 디스크(22, 24, 26)가 제공된다. 마지막 단의 터빈 휠(18)의 후미측에는 후미 샤프트(30)의 일체부를 형성하는 냉각제 공급 및 복귀 후미 디스크(28)가 제공된다. 가스 터빈 구조에서 통상적으로 이용되는 바와 같이 휠과 디스크는 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장하는 복수개의 볼트(도시하지 않음)에 의해서 서로 고착되어 있다는 것을 이해할 것이다.
냉각 증기가 복합 사이클 계통내의 폐회로 증기 냉각 공급 및 귀환 계통의 일부로서 터빈 동익으로 공급된다(즉 고압 증기 터빈 배출구로부터 분열되거나 현존하는 삽입물 공급부로부터 공급됨).
냉각 구조체는 로터 샤프트(20)의 회전축(A) 둘레에 외측 튜브(32) 및 그와 동심의 내측 튜브(34)를 구비한다. 외측 튜브 및 내측 튜브(32, 34)는 각기 환상의 냉각 증기 공급 통로(36)를 규정하지만, 내측 튜브(34)는 소모 냉각 증기 귀환 통로(38)를 규정한다. 통로(36)는 매니폴드(40)와 연통하며, 이 매니폴드(40)는 반경방향 공급 도관(42)을 거쳐서 복수의 반경방향 외측 축방향 연장 공급 튜브(44)(그중 한 하나만 도시함)로 공급되며, 이 축방향 연장 공급 튜브(44)의 각각은 냉각 증기를 각 매니폴드 세그먼트(46)로 공급된다. 예시적인 실시예에 있어서는 10개의 그러한 매니폴드 세그먼트가 있는데, 이들 각각은 약 36°로 연장하고 전체가 모이면 제 1 단 휠(12)과 제 2 단 휠(14)의 사이에 위치된 360° 매니폴드를 형성한다.
본 발명의 핵심은 매니폴드 세그먼트(46)이다. 각 매니폴드 세그먼트(46)는 냉각 증기를 제 1 및 제 2 단의 동익으로 공급하는 복수의 비교적 짧은 이송 튜브(48)로 연결된다. 각 동익에 냉각 증기가 개별적으로 공급되도록 각각의 세그먼트에 연결된 여러개의 이송 튜브가 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
귀환 튜브와 매니폴드는 동익으로부터의 냉각제를 운반하기 위하여 이용된다. 그러나 이들 구성요소가 본 발명의 일부를 이루는 것은 아니다.
이제 도 2를 참조하면, 매니폴드 세그먼트(46)가 개별적인 이송 튜브(48)를 지나서 반경방향으로 연장하여 불순물 트랩 영역(50)을 만든다는 것을 알 수도 있을 것이다. 이 영역은 로터(12)의 회전으로 만들어진 원심력으로 인해서 고체 불순물을 포집하는 데에 효율적이다. 따라서 임의의 고체 입자 또는 다른 불순물은 증기 흐름 속도가 비교적 느린 매니폴드(46) 내에서 반경방향 외측으로 흐르는 증기를 따라 이동하지만, 속도가 보다 빠른 이송 튜브로는 가압된 냉각 증기가 흘러서, 제 1 단 및 제 2 단 동익(그러한 동익중 하나의 하부를 도 2에 49로 가상선으로 도시함)으로 안내되고, 고체 입자 및 다른 불순물은 원심 부하에 의해서 증기의 주요 흐름선으로부터 이탈하여 불순물 트랩 영역(50)에 수집될 것이다. 그러한 불순물은 보통 정규의 사용 중단시까지 불순물 수집 영역(50)에서 매니폴드의 내부 표면에 점착되어서 그 곳에 축적되며, 사용 중단중에 불순물 영역을 청소할 수 있다.
전술한 바와 같은 특정 매니폴드 및 이송 튜브 구성은 단순히 예시적인 것으로서, 원심 부하 원리를 이용하는 불순물 트랩은 일반적으로 터보기계내의 각종 냉각 증기 공급 회로에 적용할 수 있다.
가장 실용적으로 바람직한 실시예라고 현재 생각되는 것과 관련하여 본 발명을 기술하였지만, 본 발명이 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범주에 속하는 여러 가지 변경 및 균등물이 포함된다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈에 있어서 증기를 동익으로 반송하는 비교적 저속의 증기 매니폴드가 축방향 이송 튜브를 지나 반경방향으로 연장하여서, 로터의 회전에 의해 야기되는 원심 부하에 의하여 불순물을 수집하기 위한 불순물 트랩 영역을 만들기 때문에, 냉각 증기속에 섞여서 냉각 증기와 함께 이동하던 불순물이 동익으로 향하지 않고 불순물 트랩 영역에 포집되게 되므로, 동익 말단 표면에 불순물 층이 쌓여서 냉각 경로를 봉쇄함으로써 동익 말단에서의 냉각 능력을 저하시키게 되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 하나의 로터 및 복수의 단(stage)을 포함하고, 각 단은 함께 회전가능하게 로터상에 장착되어 있는 휠상에 지지되는 일련의 동익을 가지며, 상기 단중 적어도 한 단의 동익은 공기 또는 증기에 의해 냉각되도록 된 터빈에 있어서,
    적어도 부분적으로 환상인 냉각제 공급 매니폴드와 연통하는 적어도 하나의 축방향 연장 냉각제 공급 도관과; 상기 냉각제 공급 도관의 반경방향 외향 위치에서 상기 매니폴드에 연결된 하나 이상의 축방향 연장 냉각제 이송 튜브를 포함하고; 상기 하나 이상의 냉각제 이송 튜브는 상기 복수의 단중 적어도 한 단의 하나 이상의 동익에 냉각제를 공급하도록 배열되고; 상기 매니폴드는 상기 하나 이상의 축방향 연장 이송 튜브를 지나서 반경방향으로 연장하여, 로터의 회전에 의해 야기되는 원심 부하에 의하여 불순물을 수집하기 위한 불순물 트랩 영역을 만드는 것을 특징으로 하는 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 공급 매니폴드는 약 36°의 각도를 통하여 연장하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 공급 매니폴드에 복수의 축방향 연장형 이송 튜브가 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    인접한 단에서는 상기 복수의 축방향 연장 이송 튜브가 축방향의 반대 방향으로 동익에 냉각제를 공급하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 공급 매니폴드는 상기 터빈의 제 1 단과 제 2 단의 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각제 공급 매니폴드는 상기 터빈의 제 1 단과 제 2 단의 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 둘레에 복수의 냉각제 공급 매니폴드가 배열되며, 상기 복수의 냉각제 공급 매니폴드가 두 개의 인접한 단에서 각 동익을 냉각하기에 충분한 수의 축방향 냉각제 이송 튜브에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈.
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