KR20010020924A - 터빈 내의 회전 부품 냉각용 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

터빈 기계용 냉각 시스템은 배출 냉각 공기를 내부 배럴(39) 내의 공동(38)과 연통하는 다수의 원주 방향으로 이격된 축방향 연장 통로(44)로 공급하는 압축기 배출 공기 통로(42)를 구비하며, 터빈 및 압축기 회전자의 플랜지(34,36)는 서로 고정된다. 상기 통로의 출구 단부는 축방향으로부터 조합된 회전자의 회전 방향에 대응하는 접선 방향으로 유동을 회전시키기 위한 선회 장치(50)를 갖는다. 밀봉 장치(48)는 공동 내로 유동하는 공기의 속도를 증가시키기 위해 강제 환기구와 공동을 가로지르는 압력 강하를 제공하도록 회전자와 고정 부품 사이에 제공된다. 따라서, 냉각 공기가 감소된 풍손 및 낮은 온도로 회전자 속도에 접근하는 접선 방향 속도에서 공동 내로 공급되며, 이에 의해 터빈 기계의 성능이 향상된다.

Description

터빈 내의 회전 부품 냉각용 방법 및 장치{Apparatus And Methods For Cooling Rotary Components In A Turbine}

본 발명은 터빈의 회전 부품을 냉각하기 위한 냉각 시스템에 관한 것이며, 특히 냉각될 회전 부품의 동일한 원주 방향에서 냉각 유동을 제공하기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.

터빈 기계에서, 예를 들면, 터빈 및 압축기 조합체와, 기계의 다양한 회전 부품은 냉각되어야 한다. 이를 성취하기 위해, 압축기 배출 공기가 통상 압축기로부터 배출된다. 증가되는 기계 성능의 연속적인 요구로 인해, 냉각제 공급 온도 및 기계 설비를 냉각하기 위해 할당된 와류 유동 또는 감소된 배출 공기가 증가된다. 즉, 압축기 배출 공기의 비율이 증가함에 따른 기계 성능의 저하가 냉각 목적을 위해 적용된다. 회전 부품의 냉각 중에 발생되는 특정 문제는, 예를 들면 압축기와 터빈 회전자 사이의 플랜지 연결이다. 회전 부품의 표면 속도에 도달하는 동안 냉각제에 인가되는 증가된 열로 인해, 감소된 냉각 효과가 발생되며 와류 냉각 유동을 위한 요구가 증가된다. 따라서, 감소된 와류 냉각 유동을 초래하는 회전 부품에 요구되는 작업이 실질적으로 감소되는 터빈 기계 냉각 시스템이 요구된다.

본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 공기가 압축기로부터 배출되며 다수의 축방향 연장 배출 공기 통로에 공급된다. 상기 통로는, 예를 들면 터빈과 압축기 회전자 사이의 플랜지 연결부의 압축기 측부 상의 내부 배럴 내에 위치된다. 적합하게는, 배출 공기는 통로가 압축기 배출 공기를 회전자 플랜지 주위의 하류 공동 내로 유동시키도록 통로의 상류 측부 상의 강제 환기부(plenum)에 공급된다. 상기 통로 내의 축방향 유동 압축기 배출 공기는 통상 원주 방향, 즉 예를 들면 회전자 플랜지와 같은 회전 부품의 회전 방향에 접선 방향으로 회전된다. 공기는 통상 접선 방향 및 회전 부품의 회전 방향과 동일한 방향에서 공동 내로 냉각 공기를 유동시키기 위해 통로의 출구에서 하나 이상의 베인을 위치시킴에 의해 회전된다. 회전과 접선 방향으로 냉각 공기를 주입함으로써, 회전 부품의 접선 방향으로 냉각 공기를 유동시키는 동안 터빈 기계에 의해 최소의 작업이 수행되며, 이에 의해 낮은 냉각 온도를 제공할 수 있다. 낮은 온도는 회전 부품의 접선 방향 표면 속도에 도달하는 동안 냉각 공기의 풍손 가열(windage heatup)을 거의 초래하지 않는다. 감소된 풍손은 또한 냉각제의 회전자로부터 작업의 적은 전이와 성능 이득을 제공한다.

회전 부품 주위의 정지 부품 사이의 배출 공기 강제 환기부로부터의 누출 유동은 밀봉 장치를 통해 제공된다. 상기 밀봉 장치는 래버린스 밀봉 장치, 브러시 밀봉 장치, 래버린스 또는 브러시 밀봉 장치 또는 다른 형태의 밀봉 장치의 조합체 일 수 있다. 밀봉 장치는 회전 부품의 회전 방향에서 베인으로부터 공동 내로 유동하는 냉각 공기의 증가된 속도를 제공하는 배출 공기 공급 강제 환기부와 공동을 가로지르는 압력차를 제공한다. 따라서, 가능한한 효과적인 밀봉 장치를 제공함으로써, 냉각 목적을 위해 필요한 압축기 배출 유동 경로로부터 배출된 와류 유동의 크기의 감소에 대응하여 낮은 냉각제 온도가 성취된다.

본 발명에 따른 적합한 실시예에서, 터빈과, 압축기와, 공동 내부와 축 주위로 회전 가능한 부품과, 공동과 회전 부품 주위의 고정 부품과, 상기 회전 부품을 냉각하기 위해 압축기 배출 공기의 부분을 회전시키는 배출 공기 통로와, 회전 부품을 냉각하도록 회전 부품의 회전 방향 및 원주 방향에서 공동 내로 유동되는 배출 공기를 회전시키는 통로 내의 베인 및 공동 내로 배출 공기를 유동시키는 배출 통로와 연통하는 다수의 이산 축방향 연장 통로를 포함하는 냉각 시스템을 갖는 터빈 기계가 제공된다.

본 발명의 다른 적합한 실시예에 따르면, 터빈과, 압축기와, 축에 대해 회전 가능한 부품 및, 회전 부품에 대한 고정 부품을 갖는 터빈 기계가 제공되며, 압축기 배출 공기를 통로 내로 배출시키는 단계와, 압축기 배출 공기로부터 배출된 공기 부분과 연통하는 다수의 축방향 연장 통로 내로 배출 공기의 부분을 유동시키는 단계 및, 회전 부품을 냉각하도록 회전 부품의 회전과 동일한 방향 및 회전 부품 상에 배출하기 위한 원주 방향에서 통로 내로 유동하는 배출 공기 부분을 회전시키는 단계를 포함하는 회전 부품 냉각 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 적합한 실시예에 따른 냉각 시스템을 나타내는 터빈 기계의 부분 단면도.

도 2는 냉각 공기를 위한 노즐을 나타내는 부분 확대 단면도.

도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 단면도.

도 4는 도 1의 선 4-4를 따라 취한 부분 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 ; 터빈 기계 12 ; 압축기

14 ; 터빈 16 ; 고정 부품

18 ; 회전자 34,36 ; 플랜지

38 ; 공동 42, 44 ; 통로

도 1을 참조하면, 본 발명의 적합한 실시예에 따라 냉각 시스템에 일체화된 터빈 기계를 도면 부호 10으로 나타낸다. 터빈 기계(10)는 압축기(12) 섹션 및 터빈(14) 섹션을 구비한다. 상기 압축기 섹션(12)은 외부 정지 또는 고정 부품(16) 및, 압축기 블레이드에 장착된 압축기 휠(20)에 결합된 회전자(18)를 포함한다. 공기가 화살표 22로 나타낸 환형 유동 경로를 따라 압축되며 터빈 섹션(14) 내로 유동되는 것을 이해할 수 있을 것이다.

상기 터빈 섹션(14)은 정지 또는 고정 부품(24) 및, 각각 터빈 회전자(32)의 부분을 형성하는 터빈 휠(30) 상에 회전 가능한 터빈 블레이드(28)와 고정자 블레이드(26)를 구비하는 다수의 터빈 단(stage)을 포함한다. 압축기 회전자(18)와 터빈 회전자(32)의 인접 단부는 각각 플랜지(34,36)를 가지며, 상기 플랜지는 예를 들면 내부 배럴(39)과 같은 고정 부품에 의해 둘러싸인 공동(38) 내의 회전 부품을 형성하며 도시하지 않은 볼트에 의해 서로 래빗 고정 및 볼트 고정된다.

본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 냉각 시스템은, 회전자의 플랜지 연결부를 냉각하기 위해 밀봉 장치와 혼합되는 소정의 바이패스 유동을 계량하며, 밀봉 장치와 혼합되며 플랜지를 조절하기 위해 플랜지 공동(38) 내의 최적의 위치로 유동을 지향시키며 회전자 조절을 위한 냉각 유동의 온도를 낮추도록 축방향으로부터 소정의 원주 방향으로 유동을 효과적으로 회전시키기 위해 제공된다. 특히, 배출 공기는 압축기 회전자(18) 내의 환형 강제 환기부(40) 내로 유동을 위해 환형 통로(22) 내의 압축기 배출 공기 유동으로부터 흡입된다. 하나 이상의 배출 공기 통로(42)가 강제 환기부(40)에 배출 공기를 공급하기 위해 제공된다. 다수의 이산, 통상 축방향 연장 통로(44)가 강제 환기부(40)로부터 공동(38) 내로 압축기 배출 공기를 유동시키기 위해 압축기 회전자(18) 주위의 원주 방향 이격 부분에 제공된다. 부가적으로, 정지 부품과 압축기 회전자(18) 사이의 환형의 누출 유동 경로(46)는 밀봉 장치(48)를 갖춘다. 예를 들면, 밀봉 장치는 다수의 래버린스 밀봉 장치 또는 브러시 밀봉 장치 또는 래버린스 밀봉 장치 및 브러시 밀봉 장치의 조합 또는 다른 형태의 밀봉 장치를 포함할 수 있다. 상기 밀봉 장치(48)를 갖춘 환형 누출 유동 경로(46)는 강제 환기부(40)와 공동(38) 사이의 압력 강하를 발생시킬 수 있다.

상기 통로(44)의 각각의 출구 단부는 선회 장치(swirl device)(50)를 포함하는 하나 이상의 베인을 구비한다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 장치(50)는 통로(44) 내에 유동하는 배출 공기를 공동(38) 내의 플랜지의 원주 회전 방향 또는 접선 방향을 향해 회전시키기 위해 베인(54)에 의해 형성되는 다수의 내부 유동 경로(52)를 갖는다. 즉, 각각의 통로(44)를 통해 유동하는 배출 공기는 상기 플랜지(34,36)의 회전의 방향에 일반적으로 접선 방향으로 회전되며, 이에 의해 선회 장치(50)로부터 유동하는 배출 공기는 플랜지(34,36)의 접선 속도에 근접하는 속도로 배출된다. 유동 경로(52)를 따라 회전되는 배출 공기를 위한 출구를 형성하는 통상 직선형인 슬롯(58) 사이에 중앙 리브(56)가 제공된다. 배출 공기의 방향은 도 4에 화살표 60으로 나타내며, 압축기 회전자(18)의 회전 방향은 화살표 62로 나타낸다. 따라서, 압축기 배출 공기는 공기가 공동(38) 내로 직접 축방향으로 유동되는 경우에서보다 낮은 온도로 선회 장치를 나오는 것을 이해할 수 있다. 더욱이, 압축기 배출 공기는 풍손에 의한 부가의 열을 받지 않으며, 따라서 냉각을 위한 와류 또는 배출 공기가 거의 요구되지 않는다.

상술한 구조는 부가의 장점을 갖는다. 예를 들면, 선회 장치는 회전된다, 즉 베인은 소정의 각도록 지향되며 소정의 제한된 위치로 조준될 수 있다. 선회 장치는 적소에 볼트 결합 또는 용접될 수 있기 때문에, 상기 선회 장치는 냉각 시스템 내의 미세한 조정이 요구될 때 즉시 변경될 수 있다. 또한, 밀봉 장치(48)를 통과하는 누출 유동은 공동(38)과 강제 환기부(40) 사이의 압력 강하를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 누출 유동을 제한함으로써, 압력 강하는 증가될 수 있으며, 따라서 공동(38)에 공급되는 냉각 공기의 속도를 증가시킬 수 있다. 물론, 증가된 속도는 터빈 기계의 성능이 증가된 경우보다 낮은 냉각 공기 온도를 초래한다.

본 발명을 가장 실용적이며 적합한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되는 것은 아니며, 반대로 청구범위의 정신 및 범위 내에 포함된 다양한 변형 및 동등한 배치를 커버한다.

본 발명에 따르면, 낮은 냉각 온도를 제공할 수 있다. 낮은 온도는 회전 부품의 접선 방향 표면 속도에 도달하는 동안 냉각 공기의 풍손 가열(windage heatup)을 거의 초래하지 않으므로, 냉각제의 회전자로부터 작업의 적은 전이와 성능 이득을 제공한다.

Claims (9)

1. 터빈(14)과, 압축기(12)와, 축 주위 및 공동(38) 내에서 회전 가능한 회전 부품(34,36) 및, 상기 회전 부품 및 상기 공동에 대한 고정 부품(39)을 갖는 터빈 기계 내의 냉각 시스템에 있어서,

   상기 회전 부품을 냉각시키기 위해 압축기 배출 공기의 부분을 전환하는 배출 공기 통로(42)와,

   상기 배출 공기를 상기 공동 내로 유동시키기 위해 상기 배출 공기 통로와 연통하는 다수의 이산 축방향 연장 통로(44) 및,

   상기 회전 부품을 냉각시키도록 상기 회전 부품의 회전 방향 및 원주 방향 내의 상기 공동 내로 유동하는 배출 공기를 회전시키기 위한 상기 통로 내의 베인(54)을 포함하는 터빈 기계 내의 냉각 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 통로와 상기 공동 사이에 누출 유동 경로(46)를 구비하며, 상기 베인으로부터 상기 공동 내로 배출되는 공기의 원주 방향 속도가 증가하도록 상기 통로와 상기 공동 사이의 압력 강하를 발생시키는 상기 누출 유동 경로 내의 상기 회전 부품과 상기 고정 부품 사이에 밀봉 장치(48)를 구비하는 냉각 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 부품은 터빈 회전자와 압축기 회전자를 포함하며, 상기 터빈 회전자 및 상기 압축기 회전자의 플랜지(34,36)는 서로 결합되며 상기 공동 내에 위치되며, 상기 베인은 배출 공기를 상기 플랜지의 회전 방향으로 전환시키는 냉각 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 통로는 강제 환기부(40)와 연통하며, 상기 통로는 배출 공기를 상기 강제 환기부로부터 상기 베인을 통해 유동시키도록 상기 강제 환기부와 연통 배치되는 냉각 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 통로와 상기 공동 사이에 누출 유동 경로(46)를 구비하며, 상기 베인으로부터 상기 공동 내로 배출되는 공기의 원주 방향 속도가 증가하도록 상기 통로와 상기 공동 사이의 압력 강하를 발생시키는 상기 누출 유동 경로 내의 상기 회전 부품과 상기 고정 부품 사이에 밀봉 장치(48)를 구비하며,

   상기 회전 부품은 터빈 회전자와 압축기 회전자를 포함하며, 상기 터빈 회전자 및 상기 압축기 회전자의 플랜지(34,36)는 서로 결합되며 상기 공동 내에 위치되며, 상기 베인은 배출 공기를 상기 플랜지의 회전 방향으로 회전시키는 냉각 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 부품은 터빈 회전자와 압축기 회전자를 포함하며, 상기 터빈 회전자 및 상기 압축기 회전자의 플랜지(34,36)는 서로 결합되며 상기 공동 내에 위치되며, 상기 베인(54)은 배출 공기를 상기 플랜지의 회전 방향으로 회전시키며, 상기 통로는 상기 축 주위로 서로 원주 방향으로 이격되며, 상기 베인은 상기 통로의 출구 및 상기 공동 내에 배치되는 냉각 시스템.
7. 터빈(14)과, 압축기(12)와, 축 주위로 회전 가능한 회전 부품(34,36) 및, 상기 회전 부품에 대한 고정 부품(39)을 갖는 터빈 기계 내의 회전 부품 냉각 방법에 있어서,

   압축기(42) 배출 공기를 통로 내로 배출하는 단계와,

   상기 압축기 배출 공기로부터 배출되는 공기의 부분과 연통하는 다수의 축방향 연장 통로(44) 내로 배출 공기의 부분을 유동시키는 단계 및,

   상기 통로 내에 유동하는 배출 공기의 부분을 상기 회전 부품 상으로 배출시키기 위해 원주 방향 및, 상기 회전 부품을 냉각시키기 위해 상기 회전 부품의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전시키는 단계를 포함하는 터빈 기계 내의 회전 부품 냉각 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 압축기 배출 공기를 상기 통로로부터 강제 환기부 내로 유동시키는 단계와, 배출 공기 부분을 회전 부품을 포함하는 공동 내로 배출하는 단계와, 상기 강제 환기부와 상기 공동 사이에 압력 강하를 발생시켜 상기 통로로부터 상기 공동 내로 배출되는 공기의 원주 방향 속도를 증가시키도록 상기 강제 환기부로부터 상기 통로를 우회하는 상기 회전 부품과 상기 고정 부품 사이 및 상기 공동 내로 공기의 누출 유동을 설정하는 단계를 포함하는 터빈 기계 내의 회전 부품 냉각 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 회전 부품은 상기 플랜지와 상기 고정 부품 사이의 공동(38) 내에 위치된 결합 플랜지(34,36)에 의해 서로 연결된 터빈 회전자와 압축기 회전자를 포함하며, 상기 공동은 배출 공기 부분을 상기 공동 내로 유동시키기 위해 상기 공동 내에 출구를 가지며,

   상기 플랜지의 원주 회전 방향으로 유동을 위해 배출 공기 부분을 회전시키기 위해 상기 통로의 출구에 베인을 제공하는 단계를 포함하는 터빈 기계 내의 회전 부품 냉각 방법.