KR20000071653A - 육상용 가스 터빈 및 가스 터빈의 하나의 단을 냉각시키는방법 - Google Patents

Abstract

압축기(55), 연소기(11) 및 적어도 3개의 단을 포함하는 터빈 섹션(10)을 포함하는 육상용 가스 터빈에 있어서, 냉각 회로는 압축기(55)로부터 제 3 단 노즐(N3)까지 냉각 공기를 공급하기 위하여 압축기(55)로부터 제 3 단 노즐(N3)내로의 흡입구(56)와; 제 3 단 노즐(N3) 및 연관된 격막(64)의 각 에어포일(50, 52)을 통하여 로터와 격막(64) 사이에 환형의 공간(74)내로 실질적으로 반경방향으로 이어진 적어도 하나의 통로(60, 62, 64, 70)와; 환형의 공간(74)과 제 3 단의 개별 버킷(B3) 사이를 연통하는 통로(76, 82)를 포함한다.

Description

육상용 가스 터빈 및 가스 터빈의 하나의 단을 냉각시키는 방법{COOLING SUPPLY SYSTEM FOR STAGE 3 BUCKET OF A GAS TURBINE}

본 발명은 일반적으로는 터빈에 관한 것이며, 특히 제 3 터빈 단(stage)의 버킷(buckets)을 냉각시키데 압축기 공기를 이용하는 동력 발전용 육상용 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈(예를 들면, 버킷)의 고온 가스 경로 요소의 증기 냉각은 육상용 동력 발전 플랜트에 있어서 종래에 제안되어 왔고, 실행 가능한 것으로 알려져 있다. 가스 터빈은 전형적으로 공기로 냉각되는(예를 들면, 제트 터빈은 고온 가스 경로 요소를 냉각시키기 위해 압축기 배출 공기를 채용한다) 반면에 증기 냉각은 냉각제(coolant)로서 증기의 사용과 연관된 손실이 냉각을 위한 압축기 추출 공기를 추출함으로써 나타나는 손실 보다 크지 않다는 점에서 보다 효율적이다. 육상용 가스 터빈, 특히 혼합 사이클 시스템에서 육상용 가스 터빈에 있어서, 가스 터빈 요소가 혼합 사이클 작동에 있어서 증기 터빈을 구동할 경우 유용한 일로서 회복되게 냉각시킴에 따라 열 에너지가 증기에 전달되기 때문에 증기 냉각이 특히 유리하다. 그러나, 증기가 제 1 및 제 2 터빈 단을 냉각시키는 반면에 공기는 제 3 단 버킷을 냉각시키고 터빈 로터(rotor)의 후방 부분을 세정하는(선택적으로) 것이 요구된다.

본 발명에 따르면, 공기는 압축기의 제 12 단으로부터 추출되고, 가스 터빈 외측의 추출 배관을 통하여 운반되며, 다음에 단 3 노즐에서 터빈 쉘을 통과하여 공급된다. 제 3 단 버킷 냉각의 사이클 성능 결점을 감소시키기 위하여, 상대적으로 저압 제 12 단 공기가 사용된다. 본 발명의 양도인에 의해 실시된 기계 중심선으로부터 기류를 가져오는 종래의 방법은 전방 휠 공극(cavities)이 그들의 세정(purge) 회로를 구동하기 위해 고압 공기를 요구함으로 가능하지 않다. 심지어 제 1의 2개의 버킷 단의 증기 냉각으로서, 공기가 일시 및 시동 작동 동안에 그들의 온도를 제어하기 위해 터빈 휠을 세정하는게 요구된다. 즉, 전방의 로터 공극이 고압 공기로 채워지기 때문에, 새로운 기술이 제 3 단을 냉각시키는 공기를 위한 저압 압축기 추출 공기를 공급하도록 고안되어야 한다. 결과적으로, 버킷 냉각 공기는 인접한 스테이터(stator) 구조체, 즉, 제 3 단 노즐을 통하여 반경방향 내향으로 공급되며, 다음에 제 3 단 버킷으로 향하게 한다. 게다가, 상대적으로 저압 공기 출입이 터빈 로터의 후방 부분내에 세정류를 위한 선택 공기 공급원을 또한 제공하며, 사이클 성능 결점을 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 제 3 단 버킷을 냉각시키는데 사용하기 위해 로터에 대하여 저온으로 터빈 로터에 저압 추출 공기를 채용하려고 한다. 또한, 본 발명은 상기 언급된 기류를 사용하기 위해 적어도 하나의 선택을 제공하여 터빈 로터의 후방 섹션을 세정하도록 하나, 이것은 바람직한 배열이 아니다.

본 발명에 따르면, 노즐 인듀서(inducer) 시스템은 터빈 쉘(shell)로부터 노즐 에어포일을 통과하여 노즐 격막내에까지 압축기 추출 공기를 운반하는 관의 시스템을 포함한다. 외부 단부에서, 이러한 관 시스템은 예시적인 실시예에 있어서 22개의 원주방향의 위치에서 터빈 쉘을 관통한다. 한번 터빈 쉘 내측에서, 배관이 2개의 도관내에 분활되고, 그것에 의해 44개의 노즐 베인(vanes) 또는 에어포일내로 공기를 이끌어 들인다. 각 노즐 베인의 반경방향 내부 단부에서, 로터를 감싸는 공극내에 접선방향으로 냉각 공기를 직접 향하게 하는 격막 시일 세그먼트내의 통로로 공기가 들어간다. 이러한 통로는 이러한 원주방향의 개방 영역내에 휠 회전 방향으로 공기가 가속하도록 구성되어 노즐의 반경방향 내향으로 위치된 로터 스페이서 휠의 접선방향의 속도와 실질적으로 결합하도록 한다. 다음에, 그 공기는 단 3 버킷의 섕크 통로에 공기를 전달하는 축방향의 파이프의 별도 세트내로 공급된다. 다음에, 그 공기는 버킷내의 내부 통로를 통과하여 반경방향 외향으로 흐르고, 버킷 팁에서 고온 연소 가스 경로내로 빠져 나간다.

본 발명에 따른 공기 전달 시스템은 몇개의 장점을 갖는다. 예를 들면, 로터 전달 공기를 위한 분할 관의 사용은 고온 노즐 에어포일로부터 공기에 열전달을 최소화한다. 또한, 보다 저압의 공기 사용이 외부 측면 벽 공극을 가압하도록 허용하고, 유해한 누설을 감소시킨 노즐 냉각 회로는 기계 효율을 향상시킨다. 게다가, 로터 스페이서 휠과 공기 사이의 상대 속도 감소와, 그것의 접선방향의 가속에 의해 공기의 정적 온도 저감에 따라, 현저히 보다 낮은 온도는 공기가 로터 영역내에 반경방향으로 단순히 공급되는 설계와 비교되는 버킷 냉각에 이용될 수 있다.

따라서, 보다 폭 넓은 실시예에 있어서, 본 발명은 압축기, 연소기 및 로터에 고정된 적어도 3개의 터빈 단을 포함하는 육상용 가스 터빈에 관한 것이며, 특히, 압축기로부터 제 3 단 노즐까지 냉각 공기를 공급하기 위해 압축기로부터 제 3 단 노즐내로의 흡입구와; 제 3 단 노즐 및 연관된 격막의 각 에어포일을 통하여 로터와 격막 사이에 환형의 공간내로 실질적으로 반경방향으로 이어진 적어도 하나의 통로와; 환형의 공간과 제 3 단의 개별 버킷 사이를 연통하는 통로를 포함하는, 제 3 터빈 단을 위한 공기 냉각 회로를 포함하는 개선에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 ⓐ 터빈 압축기로부터 냉각 공기를 추출하는 단계와; ⓑ 가스 터빈의 하나의 단에 인접한 고정 노즐에 냉각 공기를 공급하는 단계와; ⓒ 고정 노즐로부터 하나의 터빈 단내의 다수의 버킷까지 냉각 공기를 위한 경로를 설치하는 단계와; ⓓ 다수의 버킷을 통과하여 반경방향 외향으로 냉각 공기를 흐르게 하고, 버킷의 반경방향 외부 팁으로부터 냉각 공기를 배출하는 단계를 포함하는, 가스 터빈의 하나의 단을 냉각시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 추가 형상은 하기 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 주위 환경을 도시한 것으로 가스 터빈의 터빈 섹션의 종방향의 부분 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 제 3 단(stage) 노즐에서 기류의 흡입구(inlet) 및 제 3 단 버킷(bucket)으로부터 기류의 배출구(outlet)를 도시한 개략적인 확대 상세도,

도 3은 본 발명에 따른 제 3 단 노즐로부터 제 3 단 버킷의 섕크부(shank portion)까지 냉각 기류 경로를 도시한 개략적인 단면도,

도 4는 단 2-3 스페이서에서 축방향의 냉각 통로를 도시한 단면도,

도 5는 도 4의 5-5 선 단면도,

도 6은 한쌍의 인접한 노즐 에어포일(airfoils)내의 냉각 기류 경로를 도시한 것으로 제 3 단 노즐 및 격막(diaphragm)의 개략적인 단부도,

도 7은 제 3 단 노즐 격막에 장착된 시일 세그먼트(segments)의 기저에 접선방향의 냉각 기류 통로의 확대 상세도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 터빈 섹션 12, 14, 16, 18 : 터빈 휠

20, 22, 24 : 스페이서 26 : 후방 디스크

28 : 후방 샤프트 30 : 연장된 볼트

32 : 보어 관 조립체 34 : 외부 관

36 : 내부 관 38 : 증기 냉각 공급 통로

40 : 사용된 증기 리턴 통로 42, 44, 46 : 도관

48 : 세그먼트 50, 52 :고정 베인 또는 에어포일

54 : 공기 매니폴드 55 : 압축기

56, 58, 58a : 파이프 60 : 통로

62 : 가요성 커플링 또는 커넥터 64 : 격막

66 : 격막 인서트 68 : 스플라이 장치

도 1을 참조하면, 가스 터빈의 터빈 섹션(10)이 부분적으로 도시되어 있다. 최초에, 본 발명의 가스 터빈은 혼합 사이클 시스템에 유리하게 이용되며, 그내에 가스 터빈을 빠져 나오는 배기 가스가 보일러와 같은 방법으로 물을 증기로 변환하는 열회복 증기 발전기로 들어간다는 것은 일단 이해될 것이다. 그에 따라 생성된 증기는 추가 일이 번갈아 추가 전력을 생산하는 제 2 발전기 등과 같이 추가 부하(load)를 구동하도록 추출된다.

가스 터빈의 터빈 섹션(10)은 터빈 연소기(11)의 하류이며, 함께 회전하기 위한 로터 샤프트 조립체의 부분을 형성하고 그것에 장착되는 터빈 휠(12, 14, 16, 18)을 포함하는 4개의 연속 단을 구비한 로터[일괄적으로 참조부호(R)로 표시함]를 포함한다. 각 휠은 일렬의 버킷(B1, B2, B3, B4)을 지탱하고, 각 휠의 블레이드(blades)는 터빈의 고온 가스 경로내에 반경방향 외향으로 돌출한다. 버킷은 고정된 노즐(nozzles)(N1, N2, N3, N4) 사이에 교대로 배열된다. 교대로, 전방에서부터 후방까지 터빈 휠 사이에는 개개 노즐의 반경방향 내향으로 각각 위치된 스페이서(spacers)(20, 22, 24)가 있다. 후방 디스크(26)는 최종 단 터빈 휠(18)의 후방 측면상에 후방 샤프트(28)의 일체부를 형성한다. 통상의 가스 터빈 구성에서와 같이, 휠 및 스페이서는 다수의 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장된 볼트(30)(하나 도시됨)에 의해 서로 고정된다는 것은 이해될 것이다.

본 발명의 본질부는 아니지만, 보어 관(bore tube) 조립체(32)는 로터부(R)를 형성하며, 로터 축선(A)에 대하여 로터와 함께 회전한다. 보어 관 조립체는 환형의 증기 냉각 공급 통로(38) 및 사용된 증기 리턴 통로(40)을 규정하는 외부 관(34) 및 내부 관(36)을 포함한다. 이러한 통로는 반경방향의 도관(conduits)(42, 44) 세트와, 제 1 및 제 2 단 버킷(B1, B2)에 냉각 증기를 공급하기 위한 로터 림 근처에 원주방향으로 이격된 축방향으로 연장된 도관[하나가 참조부호(46)로 도시됨]을 통하여 증기를 로터의 외부 림(rim)으로부터 및 림까지 연통시킨다. 리턴 또는 사용된 냉각 증기는 유사한 축방향 및 반경방향으로 연장된 도관 각각을 통하여 흐르며, 로터 보어로부터 리턴 통로(40)를 경유하여 동축방향으로 흐른다. 그러나, 증기 냉각 회로는 본 발명의 본질부는 아니다.

본 발명의 예시적인 실시예에 있어서, 제 3 단 노즐(N3)은 2개의 고정 베인(stationary vanes) 또는 에어포일(airfoils)(50, 52)을 각각 구비한 22개의 환형의 세그먼트(48)(도 6 참조)를 포함한다. 터빈 쉘(shell) 외측의 공기 매니폴드(54)는 압축기(55)로부터 22개의 개별 파이프[하나가 참조부호(56)로 도시됨]까지 공기를 공급하도록 설계되며, 그 파이프(56)는 터빈 쉘을 관통하고 22개의 각각의 세그먼트에 연결된다. 간략화하면, 압축기(55) 및 매니폴드(54)가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 쉘의 내측에서, 파이프(56)는 각 44개의 베인 또는 에어포일(도 6 참조)을 위한 2개의 공급 파이프(58, 58a 등)를 공급한다. 파이프(58, 58a)는 가요성 커넥터 커플링[참조부호(59)로 도시됨]에 의해 연결된다. 편의를 위하여, 단지 하나의 흐름 회로만이 상세히 설명될 필요가 있다.

도 2, 도 3 및 도 6을 특히 참조하면, 통로 또는 도관(60)은 베인 또는 에어포일(50)내에 반경방향으로 연장되게 도시되어 있으며, 대체로 반경방향으로 연장된 가요성 커플링 또는 커넥터(62)[도시하지 않은 탄소 부싱(bushing)과 결합됨]가 격막(diaphragm)(64)내로 공기를 운반한다. 그것의 반경방향 내부 단부에서, 커넥터는 스플라이 장치(a spoolie device)(68)를 통하여 격막 인서트(66)에 효과적으로 연결된다. 대체로 구형의 대향 단부를 구비하는, 가요성 커플링(62)과 조합되는 스플라이 장치는 인서트(66)와 격막(64) 사이에서 어떤 상대적인 움직임도 수용한다. 공지된 바와 같이, 격막 인서트(66)는 로터 근처에 원주방향으로 연장된 다수의 부분 환형의 세그먼트를 포함하며, 래버린스 시일(labyrinth seals)(70)이 로터 스페이서 휠(22)상에 협력 시일(72)과 함께 삽입되어 로터를 따라 공기의 누설을 방지하도록 한다.

인서트(66)내에서, 공기 통로는 엘보 통로(70) 및 실질적으로 직선 통로(72)를 지나 방향이 변화하여, 도 6 및 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 환형의 로터 공극(cavity)(74)내에 접선방향으로[대략 22° 내지 23°의 각도()로] 공기를 직접 향하도록 한다. 통로(70)는 통로(72)에 보다 작은 직경으로 엘보 부분을 통하여 흐름방향으로 테이퍼지고, 그것에 의해 환형의 공극(74)내로 공급될 때 냉각 공기의 가속을 발생시킨다. 이러한 인듀서(inducer) 배열의 결과로서, 공극(74)에 공급되는 것과 같은 공기는 "여전히" 상대적으로 로터를 마주보고 있다. 즉, 공기가 로터의 회전 속도와 실질적으로 동일한 속도로 접선방향으로 공급된다. 이것은 로터 스페이서 휠과 공기 사이의 상대 속도를 감소시키고, 그것의 접선방향의 가속에 의한 공기의 정적 온도를 떨어뜨림으로서 제 3 단 버킷을 위한 사용 가능한 냉각기 공기로 귀결한다.

환형의 로터 공극(74)으로부터, 냉각 공기는 3개의 통로(76)(도 3, 도 4 및 특히 도 5 참조) 각각의 다중 세트를 통하여 축방향으로 이동하며, 통로에 출입이 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이 그것의 외주면 근처에 부채꼴 모양의 영역(78)을 구비한 스페이서 휠(22)을 형성함으로써 허용된다.

통로(76)의 개별 세트는 축방향의 증기 공급 및 리턴 통로(46) 사이에서 원주방향으로 위치되고, 볼트(30)를 위한 보어(80)(하나가 도시됨)의 반경방향 외향으로 위치된다는 이러한 점에 관하여 주시하라.

다음에, 공기는 휠 림과 버킷 섕크(shank) 사이의 축방향의 공급 통로(82)에서, 스페이서(22) 및 제 3 단 휠(16)의 경계면에서 반경방향 외향으로 이동한다. 여기에서부터, 공기는 하나 또는 그 이상의 반경방향의 통로(86)내에서 반경방향 외향으로 움직이고, 다음에 버킷 팁에서 고온 가스 통로내로 배출된다(도 1 및 도 2에 흐름 화살표 참조). 스페이서(22)와 휠(16) 사이에 냉각 공기의 누설을 방지하기 위하여, 환형의 와이어 시일(86)이 스페이서(22)의 반경방향 최외부 에지에 형성된 홈(groove)내에 위치된다. 휠(16) 및 스페이서(22)가 로터와 함께 회전하기 때문에, 시일(86)과 휠(16) 사이의 상대 마찰 운동이 없다.

설명된 바와 같이 본 발명은 육상용 터빈에 있어서 공기 냉각에 관한 것인 반면에, 항공기용 터빈에도 또한 적용될 수 있다.

본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 현재 인식되는 것과 연관하여 설명되었으나, 본 발명은 나타낸 실시예에만 국한되지 않으며, 도리어, 첨부된 청구항의 정신 및 목적내에 포함되는 다양한 변경 및 동등한 배열을 포함하고자 한다는 것은 이해될 것이다.

본 발명에 따르면, 로터 전달 공기를 위한 분할 관의 사용은 고온 노즐 에어포일로부터 공기에 열전달을 최소화하고, 보다 저압의 공기 사용이 외부 측면 벽 공극을 가압하도록 허용하고, 유해한 누설을 감소시킨 노즐 냉각 회로는 기계 효율을 향상시킨다. 게다가, 로터 스페이서 휠과 공기 사이의 상대 속도 감소와 그것의 접선방향의 가속에 의해 공기의 정적 온도 저감에 따라, 현저히 보다 낮은 온도가 버킷 냉각에 이용될 수 있다.

Claims (4)

1. 압축기(55), 연소기(11) 및 적어도 3개의 단을 포함하는 터빈 섹션(10)을 포함하는 육상용 가스 터빈에 있어서,

   압축기(55)로부터 제 3 단 노즐(N3)까지 냉각 공기를 공급하기 위하여 상기 압축기(55)로부터 상기 제 3 단 노즐(N3)내로의 흡입구(56)와; 상기 제 3 단 노즐(N3) 및 연관된 격막(64)의 각 에어포일(50, 52)을 통하여 로터와 상기 격막(64) 사이에 환형의 공간(74)내로 실질적으로 반경방향으로 이어진 적어도 하나의 통로(60, 62, 64, 70)와; 상기 환형의 공간(74)과 상기 제 3 단의 개별 버킷(B3) 사이를 연통하는 통로(76, 82)를 포함하는, 냉각 회로를 포함하는

   육상용 가스 터빈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 단 노즐(N3)이 다수의 부분 환형의 세그먼트(48)를 포함하고, 상기 각 세그먼트가 2개의 노즐 에어포일(50, 52)을 구비하며, 상기 흡입구(56)가 각 세그먼트에 냉각 공기를 공급하는 파이프(58, 58a)를 포함하고, 상기 파이프가 상기 2개의 노즐 에어포일(50, 52) 각각에 냉각 공기를 공급하는

   육상용 가스 터빈.
3. 가스 터빈(10)의 하나의 단(16)을 냉각시키는 방법에 있어서,

   ⓐ 터빈 압축기(55)로부터 냉각 공기를 추출하는 단계와;

   ⓑ 상기 가스 터빈의 상기 하나의 단에 인접한 고정 노즐(N3)에 냉각 공기를 공급하는 단계와;

   ⓒ 상기 고정 노즐(N3)로부터 상기 하나의 터빈 단(74, 76, 82, 86)내의 다수의 버킷(B3)까지 상기 냉각 공기를 위한 경로(56, 58, 60, 62, 68, 70, 72, 74, 76, 82, 86)를 설치하는 단계와;

   ⓓ 상기 다수의 버킷(B3)을 통과하여 반경방향 외향으로 상기 냉각 공기를 흐르게 하고, 상기 버킷의 반경방향 외부 팁으로부터 상기 냉각 공기를 배출하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 하나의 단을 냉각시키는 방법.
4. 압축기(55), 연소기(11) 및 적어도 3개의 단(12, 14, 16)을 포함하는 터빈 섹션을 포함하는 육상용 가스 터빈에 있어서,

   가스 터빈 압축기(55)로부터 고정 노즐(N3)까지 냉각 공기를 공급하기 위한 수단과;

   상기 노즐에서부터 상기 고정 노즐에 인접한 터빈 단 하류의 개별 버킷까지 냉각 기류 경로를 설치하기 위한 수단(56, 58, 60, 62, 68, 70, 72, 74, 76, 82, 86)을 포함하는, 냉각 회로를 포함하는

   육상용 가스 터빈.