KR20110033793A - 가스 터빈의 냉각 시스템 및 대응하는 작동 방법 - Google Patents

가스 터빈의 냉각 시스템 및 대응하는 작동 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈을 위한 운전 방법에 있어서, 압축기에 의해 작동 유체를 압축하는 단계와; 상기 압축된 작동 유체를 적어도 하나의 연소실 내에 공급함으로써 상기 압축된 작동 유체를 과열시키는 단계와; 상기 적어도 하나의 팽창 터빈 내에서 상기 과열된 작동 유체를 팽창시켜서 에너지를 생산하는 단계와; 상기 압축기로부터의 압축된 작동 유체의 제 1 태핑(tapping)을 수행하여, 그것을 냉각을 위해 상기 터빈의 제 1 캐비티로 공급하는 단계와; 상기 제 1 태핑의 하류에서 상기 작동 유체의 제 2 태핑을 수행하여, 그것을 냉각을 위하여 제 1 캐비티로부터 상류에 있는 팽창 터빈의 제 2 캐비티로 공급하는 단계와; 상기 제 1 태핑 및 제 2 태핑을 유체적으로 연결시켜서, 부분 부하 운전 상태중 제 2 태핑의 일부에 의해 제 1 태핑을 선택적으로 공급함으로써, 상기 제 1 캐비티의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈의 운전 방법이 제공된다.

Description

가스 터빈의 냉각 시스템 및 대응하는 작동 방법{COOLING SYSTEM FOR A GAS TURBINE AND CORRESPONDING OPERATION METHOD}
본 발명은 가스 터빈을 위한 각각의 냉각 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 또한 이 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈에 관한 것이기도 하다.
가스 터빈의 주요한 특징은 축방향 압축기, 여러개의 연소실, 및 가압 박스 내에 수용된 팽창 터빈을 포함하는 것이다. 대기로부터의 공기가 압축기 내로 들어와 압축되어서, 연소실로 공급되며, 이 연소실에서 가연물(combustible)과 반응하여 고온(전형적으로 약 1000-1300℃)의 가스를 형성한다. 이 고온 가스는 팽창 코스(course)를 따라서 팽창 터빈으로 공급되며, 이 팽창 터빈에서 팽창하여, 블레이드를 작동시킴으로써 그 자체의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다.
일반적으로, 연소실을 제작하는 재료는 파손을 방지할 수 있도록 강력한 냉각기를 필요로 한다. 그들은 이러한 기계 영역에서 극히 고온을 받는다. 기계의 효율 및 신뢰면에 있어서는 고온 가스를 받는 팽창 터빈의 구성요소들의 냉각이 특히 중요하다.
사실상, 터빈의 최대의 분배가능한 동력은 처리 가스에 의해 얻어지는 최대 온도에 따라 기본적으로 달라지는데, 이 최대 온도는 가스와 직접적으로 접촉하는 구성요소를 만든 재료의 저항에 의해 실질적으로 제한된다.
따라서, 이들 구성요소들을 정확히 냉각하여서, 최대의 분배가능한 동력을 증가시키는 한편, 기계에 잠재적인 대재앙이 될 수도 파손 가능성을 감소시키는 것이 극히 중요하다.
팽창 코스를 따라서 처리 가스의 온도가 감소하는데, 이 팽창 코스 상에서는 가장 고온을 받는 구성요소가 연소실에 가장 가까운 팽창 코스로부터의 상류에 배열된다. 사실상, 이들 구성요소를 냉각시키지 않으면, 열장벽을 갖는 또는 열장벽 갖지 않는 특수 재료로 이들 구성요소를 만드는 경우에 조차도, 이들 구성요소는, 고온 가스를 직접적으로 받지 않는 구성요소보다 훨씬 더 급속히 열화된다.
특히, 팽창 코스로부터 상류에 배열된 이들 구성요소가 중요하다는 전제하에, 당해 분야의 전문가들에게 널리 알려져 있는 바와 같이, 다른 것 중에서도 특히, 필름 냉각, 충돌, 강제된 난류의 이용 또는 적절한 열 장벽과 같이 특별히 정제되고 동시에 비용이 많이 드는 냉각 기술이 개발되었다.
일반적으로 가장 높은 온도에서 가스를 직접적으로 받는 구성요소를 위한 냉각 시스템은 냉각 공기의 유동의 통제에 기여한다. 그러나, 이들 구성요소 중 하나의 냉각을 변경하기 위해서는, 시스템에 대하여 실질적인 변경을 만들거나, 이들 구성요소를 대체하는 것이 종종 필요하며, 따라서, 유지관리비용 및 수선비용이 증가된다.
한편, 처리 가스를 직접적으로 받지 않는 팽창 터빈의 영역 및 구성 요소가 있는데, 일반적으로 그들을 제작하는데 있어서는 특수 재료를 필요로 하지 않으며, 그들이 냉각되지 않는 경우, 처리 가스를 직접적으로 받는 구성요소보다 덜 급속히 열화된다. 따라서 이들 구성요소는 덜 치명적이므로, 그들의 냉각에 이용되는 기술은 더 간단하고 보다 저렴하다.
현재, 기술 발전에도 불구하고, 비교적 제한된 비용에서 균일하게 향상된 성능을 갖는 가스 터빈을 제조하는 것에 문제가 있으며, 따라서, 그러한 터빈을 제조할 필요가 있다. 이 터빈은 보다 우수한 성능을 가지며 또한 최대 부하로 운전되는 상태 중에 얻어질 수 있는 최대 온도에 저항하도록 설계된다.
본 발명은 전술한 결점중 적어도 일부를 극복한 가스 터빈용 냉각 시스템에 대해서 일부 개선을 만드는 것이다.
본 발명의 특정 목적은 가스 터빈을 위한 관련 냉각 시스템 및 방법을, 특정 운전 상태중 기계의 영역 또는 소정 구성요소의 냉각을 개선할 정도로 수행함으로써 달성된다. 이러한 목적 및 이점은 제 1 항에 따른 기능 방법, 제 4 항에 따른 냉각 시스템, 및 제 7 항에 따른 가스 터빈에 의해서 본질적으로 얻어진다.
제 1 실시태양에 따르면, 가스 터빈을 위한 운전 방법에 있어서, 적어도 하기의 단계, 즉, 압축기에 의해 작동 유체를 압축하는 단계와; 상기 압축된 작동 유체를 적어도 하나의 연소실 내에 공급함으로써 상기 압축된 작동 유체를 과열시키는 단계와; 상기 적어도 하나의 팽창 터빈 내에서 상기 과열된 작동 유체를 팽창시켜서 에너지를 생산하는 단계와; 상기 압축기로부터의 압축된 작동 유체의 제 1 태핑(tapping)을 수행하여, 그것을 냉각을 위해 팽창 터빈의 제 1 캐비티로 공급하는 단계와; 상기 제 1 태핑의 하류에서 상기 작동 유체의 제 2 태핑을 수행하여, 그것을 냉각을 위해 적어도 제 1 캐비티로부터 상류에 배치된 팽창 터빈의 제 2 캐비티로 공급하는 단계와; 상기 제 1 태핑을 제 2 태핑에 유체적으로 연결시켜서, 부분 부하 운전 상태중 제 2 태핑의 일부에 의해 제 1 태핑을 선택적으로 공급함으로써, 상기 제 1 캐비티의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈의 운전 방법이 제공된다.
본 설명 및 첨부된 특허청구범위의 영역에 있어서, "팽창 터빈의 캐비티"란, 팽창 터빈 내에서 순환하는 고온 유체를 직접적으로 받지 않는 모든 캐비티 또는 블레이드를 말하는 것으로서, 특히 터빈 박스 내에 만들어진 스테이터 캐비티나 터빈의 휠 공간중 어느 하나를 의미하는 것으로 이해된다.
디스크 캐비티 또는 휠 공간은, 간단히, 스테이터 구조체와 팽창 터빈의 블레이드의 지지 디스크 사이의 공간이나 또는 하나의 지지 디스크와 인접한 디스크 사이의 공간을 지칭하는 것으로서 이해되며, 따라서 일반적으로 도시된 기계의 모든 구성요소 또는 부품은 후술하는 설명을 참조하길 바란다.
작동 유체는 일반적으로 대기로부터의 공기를 압축기로 흡입함으로써 만들어지고, 따라서 과열된 작동 유체는 고온에서 대기 공기 및 연소 가스의 혼합물이 된다.
본 발명에 속한 특정 유익한 작용에 있어서는, 통제 단계가 특정 응용예를 가지며, 예를 들면 분배가능한 동력의 극히 일부만이 필요할 때, 또는 갑작스런 대기의 열적 범위가 존재할 때, 또는 기계의 시동 중과 같이, 특정 설비의 고장으로 인한 것이든, 또는 특정 대기 상태로 인한 것이든, 제 1 태핑의 압력이 캐비티를 냉각할 정도로 강한 유체의 유동을 생산하기에 불충분할 때, 활성화된다.
특히, 어떤 산업적인 응용예에서, 전기 발생기를 안내하기 위하여 사용되는 터빈과 같이 넓게 일정한 배출(widely constant outtake)에서 유용한 최대의 에너지양을 제공하도록 항상 최대 부하에서 운전되도록 특정하게 설계된 가스 터빈이 있다. 이 경우, 운전 상태는 기계의 시동중 또는 턴오프중 또는 순간적인 일시적 기계 고장 등과 같은 상태에 주로 대응한다.
한편, 다른 산업적인 응용예에 있어서, 터빈은 가변 부하에서의 기계(압축기 또는 다른 것)를 작동시키기 위하여 항공 모터로서 사용되는 터빈과 같은 가변적인 에너지 배출량을 공급하도록 최대 부하가 아닐 때 작동하도록 특정하게 설계된다.
유익한 작용에 따라서, 제 1 캐비티의 온도를 늘상 직접, 즉 동일 베인의 내측에서 적절한 위치에 배치된 온도를 통하여, 또는 하나 이상의 참조 열역학적 매개변수, 축방향 압축기로부터의 온도 및/또는 압력, 언로디드 가스(unloaded gas)의 온도, 기계의 동력, 기계의 부하 뿐만 아니라, 압축기 내의 또는 다른 곳에서의 상이한 모양으로 형성된 임의의 블레이드의 경사를 통하여 직접적으로 모니터링하기 위한 추가의 스테이지가 적소에 제공된다.
다른 실시태양에 따르면, 본 발명은 가스 터빈용의 냉각 시스템에 관한 것으로사, 이 냉각 시스템은, 압축기로부터의 압축된 작동 유체의 제 1 태핑을 수행하여 그것을 냉각을 위해 적어도 제 1 캐비티로 공급하도록 구성된 제 1 덕트와; 제 1 태핑의 하류에서 작동 유체의 제 2 태핑을 수행하여 그것을 냉각을 위해 적어도 제 1 캐비티의 상류에 배열된 터빈의 제 2 캐비티로 공급하도록 구성된 제 2 덕트와; 제 1 태핑을 제 2 태핑과 조합시켜서, 부분 부하 운전 상태중에 제 1 태핑의 흐름을 선택적으로 증가시킴으로써, 적어도 상기 제 1 캐비티 내의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키도록 구성된 유체 역학적 시스템과; 상기 유체 역학적 시스템에 전자적으로 연결되며, 작동 매개변수의 모니터링 덕분에 부분 부하 운전 상태중에 제 2 태핑의 일부를 상기 제 1 덕트로 선택적으로 공급하여서, 상기 제 1 캐비티 내의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키도록 구성된 제어 시스템을 포함한다.
이 제어 시스템은 제 1 캐비티의 온도를 직접적으로, 즉 동일 베인의 내측의 적절한 위치에 배열된 온도 센서를 통하여, 또는 하나 이상의 참조 열역학적 매개변수, 축방향 압축기의 온도 및/또는 압력, 언로디드 가스(unloaded gas)의 온도, 기계의 동력, 기계의 부하 뿐만 아니라 압축기 또는 다른 곳 내의 적소에 배치된 임의의 상이하게 형성된 블레이드의 경사를 통하여 직접 모니터링할 수 있다.
바람직하게는, 전술한 유체 역학적 시스템이 제 1 덕트에 유체 연결된 분사기와, 상기 분사기를 제 2 덕트에 유체 연결시키도록 구성되며 연결 밸브를 갖는 연결 덕트에 의해 수행된다. 상기 분사기는 상기 제 2 덕트로부터 나아간 유체의 갑작스런 팽창 덕분에 제 1 덕트로부터의 유체의 흐름을 증가시키도록 함몰부를 만들기에 적합하도록 구성되는 것이 바람직하고, 또한 이 분사기는 실질적으로 일방향을 향해 유체를 지향시키기에 적합하거나 또는 제 1 덕트로 진입함으로써 유체의 역류 또는 재순환을 중단시키는 것이 더욱 바람직하다.
압축기의 제 1 태핑으로부터 하류에서 제 2 태핑이 만들어지는데, 제 1 태핑의 압력은 제 2 태핑의 것보다 낮고; 동일한 방식으로 적어도 제 2 캐비티는 팽창 베인에서 제 1 캐비티로부터 상류에 배치되며, 그렇기 때문에 제 2 캐비티는 제 1 캐비티의 온도에 대하여 보다 고온에 있는 터빈의 영역에 배치된다. 따라서 보다 저온의 제 1 캐비티는 보다 낮은 압력에서 제 1 태핑으로 냉각되는 반면, 보다 고온의 제 2 캐비티는 보다 높은 압력에서 제 2 태핑으로 냉각된다. 이러한 방식으로 기계 성능의 최적화가 이루어진다.
다른 실시태양에 따르면, 본 발명은 전술한 유형의 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
본 발명의 이점은 최대 부하에서의 운전 상태 중이든, 또는 매우 낮은 부분 부하에서의 운전 상태 중이든, 즉 제 1 태핑의 압력이 제 1 베인에서의 효율적인 냉각을 보장하기에 충분하지 않을 때이든, 제 1 캐비티를 효율적으로 냉각하는 것이 가능하다는 점이다. 다른 이점은 현재의 기계의 것에 대하여 (압축기내 유체의) 최소의 가장 낮은 유동 상태에서 팽창 터빈의 캐비티를 효율적으로 냉각하는 것이 가능하다는 점이다.
특정 작용에 따라, 새로운 기계와 기존의 기계의 양자에 대하여 이러한 냉각 시스템을 쉽고 신뢰가능한 비용으로 실현하여서, 추가의 기구의 설치 또는 새로운 센서 시스템의 설치를 제한하는 것이 가능하다.
최종적으로, 이 방법 및 냉각 시스템은 그것의 운전 상태 및/또는 대기 상태에 따라 기계의 성능의 완전하고 면밀한 최적화 뿐만 아니라 냉각 유체의 극히 신뢰가능하고 다양한 통제를 제공한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치를 수행하기 위한 추가의 유익한 특징 및 방법이 첨부된 특허청구범위에 기재되며, 비제한적인 작동의 일부 예를 참조한 하기의 설명에 의해 추가로 기술할 것이다.
본 발명이 추가로 기술될 수도 있다. 실제적인 예시를 도시하는 첨부의 개략적인 도면을 참조하면 당해 분야의 전문가가 본 발명의 수많은 목적 및 장점을 명백히 알 수 있을 것이다. 도면에 있어서:
도 1a은 본 발명의 작용 형태를 추종하는 기계의 일부분의 종방향 단면을 도시하는 개략도,
도 1b는 도 1을 만들기 위해 제공된 장치의 개략적인 단면도,
도 2는 도 1의 확대된 상세도,
도 3은 도 2의 확대된 상세도.
도면에 있어서, 모든 상이한 도면에서의 동일한 번호는 동일한 부품에 대응한다. 터빈이 도 1에 번호(1)로 표시되는데, 주요한 특징으로서, 축방향 압축기(2), 여러개의 연소실(5)(간편함을 위하여 도면에는 그 중 단 하나만을 도시함), 및 고압에 놓인 제 1 부품(7) 및 저압에 놓인 제 2 부품(9)으로 형성되고 가압 박스(8) 내에 수용되며 궁극적으로는 그들 사이에 관련된 하나 이상의 쉘에 의해 형성된 팽창 터빈(6)을 포함한다.
대기로부터의 공기가 압축기로부터 상류의 흡입부로 들어오고(화살표 F1 참조), 압축기에서 압축되어 적절한 채널링(channeling)(11)을 통해 연소실로 공급되며(화살표 F2), 이 연소실(5)에서 압축된 공기는 가연물(combustible)과 반응하여 전형적으로 약 1000-1300℃의 고온 가스를 형성한다. 이 고온 가스는 고압의 팽창 터빈(7)으로 공급되며(화살표 F3), 이어서 번호(12)로 일괄하여 표시한 팽창 코스를 따라 저압 터빈(9)으로 공급되고, 그 곳에서 팽창하여, 그 자신의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시키고; 마지막으로 이 팽창된 가스가 기계로부터 배출된다(F4).
고압의 팽창 터빈(7)은 일반적으로 하나 이상의 로터(13R)와 스테이터(13S)로 구성되며 축선(X1) 둘레의 제 1 회전 샤프트(17)를 통해 압축기(3)를 작동시키고; 저압의 팽창 터빈(9)도 또한 하나 이상의 로터(15R)와 스테이터(15S)로 구성되며(도 2에도 도시됨), 제 1 회전 샤프트(17)에 동축인 제 2 샤프트(18)를 통하여 외부 기계(일반적으로 전류 발생기 또는 압축기이지만 그것에 한정되지는 않음, 간편함을 위하여 도면에 도시하지 않음)를 작동시킨다. 당업자라면, 만들어진 특정 기계에 따라서 제 1 및 제 2 샤프트(17, 18) 대신에 단일의 연속 샤프트를 대체하는 것도 가능하다는 것을 인식할 것이다.
팽창 터빈(7)의 로터 블레이드들(13R)은 각각의 끼워맞춤된 회전 디스크(17A)에 의해서 샤프트(17)에 기계적으로 연결되며, 스테이터 블레이드들(13S)은 샤프트(17)에 함께 끼워져 있는 그들 각각의 끼워맞춤된 스테이터 디스크(17B)로부터 관련 밀봉되고; 디스크(17A, 17B)는 서로 교호로 배열되고 함께 단단히 결합되어서, 단일의 회전편을 형성한다. 동일한 방식으로, 저압 팽창 터빈(7)의 로터 블레이드들(15R)은 각각의 끼워맞춤된 회전 디스크(18A)에 의해서 샤프트(18)에 기계적으로 연결된다. 터빈(9)의 스테이터 블레이드들(15S)은 샤프트(18)에 함께 끼워져 있는 그들 각각의 끼워맞춤된 스테이터 디스크(18B)로부터 관련 밀봉되고; 디스크(18A, 18B)는 서로 교호로 배열되고 함께 단단히 결합된다. 하기의 설명을 참조하길 바란다.
일반적으로 당해 분야의 전문가들에게 널리 공지되어 있는 바와 같이, 디스크(17A, 17B, 18A, 18B), 블레이드(13R, 13S, 15S, 15R) 및 박스(8)의 사이에는 적소에 시일이 배치되어서, 팽창 코스(11)를 따라 가스를 가급적 양호하게 차단시킴으로써, 기계의 성능을 증가시킨다.
본 발명의 유익한 작용을 추종하여, 유체 역학적 장치(fluid-dynamic device)(27A)를 갖는 제 1 덕트(21)가 적소에 배치되는데(도 1b를 참조한 설명에도 나타남), 이 덕트(21)는 압축기(3)로부터의 압축된 작동유체의 제 1 태핑(tapping)을 수행하여 제 1 캐비티(S1)로 공급하고; 제 2 덕트(23)는 제 1 태핑으로부터의 하류에서 압축기(3)으로부터의 작동 유체의 제 2 태핑을 수행하여서, 냉각을 위해 제 1 캐비티(S1)로부터 상류의 제 2 캐비티(S2, S3)로 공급하며; 연결 밸브(27B)를갖는 연결 덕트(22)는 유체 역학적 장치(27A) 및 제 2 덕트(23)에 유체 연결되도록 끼워맞춤된다.
특정한 운전 상태 동안에는 제어 시스템(C)이 밸브(27B)에 전자적으로 연결되어서 제 2 태핑의 일부를 제 1 덕트(21)로 선택적으로 공급함으로써, 제 1 캐비티(S1)의 온도를 재료 저항을 위해 허용가능한 한도 내로 유지시킨다.
도 1은 회전 샤프트(17)를 위한 기계적 지지 패드(33)와 열적 보호기(29)를 도시한다. 일반적으로 이 열적 보호기는 고압 팽창 터빈(7)을 저압 터빈(9)으로부터 실질적으로 분할하고, 그에 따라서 팽창 코스(1)를 따라 가스의 압력을 분할하는 것으로 예견된다. 프로젝트 사양(project specification)이 이 보호기(29)를 필요로 하지 않을 때에는 보호기를 생략할 수 있다.
이제 이 도면은 압축기(3)로부터의 유동을 샤프트(17)와 동축으로 되어 있는 베인(37)에 유체 연결하는 채널(35)을 도시한다. 상기 베인은 임의 유형의 통제 또는 제어 없이 채널(35)내에 갇힌 작동 유체의 부분을 늘상적으로 냉각하기 위하여 고압 팽창 터빈(7)의 회전 공간과 유체 연결되어 있다. 그러나, 공지된 임의 수의 냉각 시스템이 본 발명과 조합하여 사용될 수도 있으며, 간편함을 위하여 그러한 냉각 시스템을 본 명세서에 기술하지는 않는다.
도 1B는 흡입 입구(127A), 노즐(127B), 모터 유체 입구(127C), 증기 체임버(127D) 및 디퓨저(127E)를 포함하는 분사 유형의 유체 역학적 장치(27A)를 개략적으로 도시하고 있다.
요약하면, 밸브(27B)가 개방될 때, 덕트(21)는 제 1 태핑의 유체를 분사기(27A) 내에 공급하며(화살표 F5), 연결 덕트(22)는 제 2 태핑의 액체를 분사기(27A)를 통하여 공급한다(화살표 Fc). 제 2 태핑 유체는 제 1 태핑으로부터의 유체의 것보다 더 높은 운동량(quantity of motion)(또는 다른 말로는 압력)을 나타내며, 그에 따라서 분사기로부터 나오는 운동량(또는 압력)은 제 1 및 제 2 태핑의 압력에 관하여 중간 값에 있다. 추가로, 분사기(27A)는 그 구조 덕분에 유체가 제 1 덕트(21)를 통과해서 압축기(3)로 복귀되는 것을 중단시킨다.
명백히, 이 분사기(27A)는 예시적으로 나타내는 것으로서, 이 장치가 그 목적에 적합한 임의의 다른 유형일 수도 있다. 도 2는 도 1의 팽창 터빈(9)의 확대도를 도시한다. 이 도면에 있어서, 특히, 제 1 회전 디스크(18A)와 제 2 회전 디스크(18A)(그들 사이에는 제 1 스테이터 디스크(18B)가 개재되어 있음) 사이에는 제 1 휠 공간(S1)이 형성되어 있고, 열 보호기(29)와 제 1 회전 디스크(18A) 사이에는 제 2 휠 공간(S2)이 형성되어 있으며, 제 2 회전 디스크(18A)와 박스(8) 사이에는 제 3 또는 마지막 휠 공간(S3)이 형성되어 있다. 휠 공간(S1-S3)은 박스(8)의 횡벽 내에 밀봉된다.
기술된 작용의 형태에 따라서, 제 1 덕트(21)는 박스(8) 내에 배치된 제 2 스테이터 블레이드(8S") 및 계속해서 제 2 스테이터 블레이드(15S)를 통과해서, 저압 팽창 터빈(9)의 제 2 및 제 3 휠 공간(S2, S3)으로 각기 도입되며, 제 2 덕트23)는 박스(8) 내에 배치된 제 1 스테이터 블레이드(8S')를 통과한 후 제 1 스테이터 블레이드(15S)를 통과해서, 저압 팽창 터빈(9)의 제 1 휠 공간(S1)으로 도입된다.
명백히, 휠 공간(S1, S2, S3)의 블레이드(13R, 13S, 15R, 15S)의 형상, 스테이터 블레이드(8S', 8S")의 형상, 박스(8)의 형상은 예시적으로 나타낸 것으로서, 상이한 수로 배치될 수도 있고, 구성 또는 이용하기 위한 사양 요건에 맞춰 형성될 수 있다. 예를 들면 스테이터 블레이드(8S', 8S")가 제공되지 않을 수도 있고, 그에 따라서 블레이드(18S', 16S")가 박스(8) 상에 직접 고정될 수 있으며, 채널(21, 23)이 상이한 수로 또는 이와 다른 방식으로 배열될 수도 있다.
기술된 실시예에서는, 채널(21, 23)이 각 베인(8S', 8S")에 대해서 개방되어 있지는 않지만, 그들이 각 베인에 냉각 유체의 적어도 일부를 공급하도록 예견될 수도 있다는 것을 배제하지는 않는다.
유익하게는, 제 1 센서(29A)(도 3 참조)가 제 2 휠 공간(S2) 내에서 제 2 휠 공간(S2)의 최대 온도를 상승시킬 수 있는 위치에, 바람직하게는 동일 블레이드(15S)의 근방에 배치되며; 제 2 및 제 3 센서(29B, 29C)가 동일 블레이드(15S) 내에 배치되고, 제 3 센서(29C, 29C)가 제 1 베인 휠 공간(S1) 내에 배치되는데, 이것은 기계의 운전중 최대 온도를 상승시킬 수 있는 위치에 있고, 제 4 센서(29D)는 휠 공간(S3) 내의 적절한 위치에 배치된다. 이들 센서(29A-29D)는 제어 유닛(C)에 전자적으로 접속되고 모니터링된다(도 1 참조). 이러한 방식으로, 제어 유닛(C)은 휠 공간(S1-S3) [및 필요하다면 조작 밸브(27B)] 내의 온도 변화를 직접 실시간으로 모니터링할 수 있다.
다른 유익한 실시형태에 있어서는, 외부 온도용 센서(29E), 축방향 압축기(3)로부터의 온도 및/또는 압력 센서(29F), 기계의 폐기 파이프로부터의 가스의 온도용 센서(29G), 기계의 파워용 센서(29H), 기계의 하중 측정용 센서(29I)와 같은 하나 이상의 참조 열역학적 변수를 측정하기에 적합한 하나 이상의 센서에 의하여 간접적으로 각각의 휠 공간(S1-S3)의 온도를 모니터링하는 것, 또는 압축기(3) 또는 다른 것의 내측에 놓인 상이한 형상의 블레이드(간편함을 위하여 도면에 도시되지 않음)의 경사를 모니터링(도면에 도시되지 않음)하는 것이 가능하다. 이 경우에, 제어 유닛(C)은 센서(29E-29I)로부터 데이타를 받아들여서, 필요할 때 밸브(27B)를 조작할 목적으로 휠 공간(S1-S3)의 온도 내의 변화를 야기한다. 센서(29A-29I)와 다른 수 및/또는 유형을 제공하는 것, 또는 특정 터빈(1) 내에 통상적으로 설치된 센서의 적어도 일부를 사용하는 것을 배제하지는 않는다. 도 3은 스테이터 블레이드(15S)의 하측 단부(inferior extremity)가 특히 전통적인 래버린스 밀봉재(31)에 의해서 제 1 스테이터 디스크(18B)의 상측 단부(superior extremity)로부터 관련 밀봉되는 것을 도시한다. 로터 블레이드(15R)는 각각의 휠 공간(S1-S3)과 팽창 채널(12)의 사이의 통로 개구를 제한하기 위하여 부분 플랩을 제공한다. 상기 통로 개구를 통하여는 일반적으로 냉각 공기가 배출된다.
스테이터 블레이드(8S', 8S") 내에는, 박스(8)의 외측에 조인트 또는 고정 영역이 있다. 상기 고정 영역은 처리 가스와 직접 접촉하지 않으며, 고온 가스의 흡입을 회피하거나 제한하는 기계적 밀봉 시스템(간편함을 위하여 도면에 도시되지 않음)이 주어지며; 따라서 이 스테이터 블레이드(8S', 8S")는 독립된 냉각 시스템을 제공한다. 그러나, 본 발명이 특정 응용예 또는 필요에 따라, 전술된 바와 같이, 이들 스테이터 블레이드(8S', 8S")를 적어도 부분적으로 냉각하는데 적용되는 것을 배제하지는 않는다.
특히, 본 발명에 따른 냉각 시스템은 팽창 코스(12) 내에서 순환되는 고온 유체를 직접적으로 받지 않는 팽창 터빈의 다른 공동을 냉각하는 방법으로서 하기의 상이한 무한한 구성으로 실행될 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하여 도시된 실행 형태는 사실상 예시적으로 기술한 것으로서, 본 발명을 이러한 기능으로 제한하지는 않는다. 채널(21 및/또는 23)이 다른 스테이터 블레이드를 유체 연결하고 직접 냉각할 수도 있으며, 또 기계 내의 상이한 공동을 냉각하기 위하여 더 많은 채널(21, 23)이 제공될 수도 있고, 또 단일의 유체 흐름 등을 이용하여 보다 많은 공동을 냉각하기 위하여 특정 유체 역학적 코스를 제공할 수도 있고, 다른 예도 가능하다.
본 발명에 따른 냉각 시스템의 동작에 따르면, 기계가 고부하 운전 상태에서 운전되는 경우, 또는 덕트(21) 내의 유체의 압력이 베인(S1)을 효율적으로 냉각하기에 충분한 경우, 채널(21, 23)이 각각의 블레이드(S1, S2, S3) 내에 냉각 유체를 개별적으로 공급한다. 한편, 기계가 부분 부하 운전 상태에서 작동하는 경우, 또는 덕트(21) 내의 유체의 압력이 베인(S1)을 효율적으로 냉각하기에 충분하지 않은 경우, 채널(23)이 전술한 장치를 통하여 채널(21)에 유체 접속된다.
상기 부분 부하 운전 상태는 기계의 분배된 동력이 운전 사양에 부합하여 감소될 때, 또는 그 변형예로서 대기 상태에 상당한 변화가 있을 때 (예를 들면 지구의 특정 영역에서 낮과 밤의 사이에) 등의 경우에 실행될 수도 있다. 이러한 경우에, 냉각 시스템은 모든 휠 공간(S1-S3)의 온도를 허용가능한 값으로 유지하도록 냉각 유체의 유동을 통제한다.
전술한 냉각 시스템은 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드의 냉각 시스템 및 기계적 베어링용의 냉각 시스템과 같이 성능 및 높은 열적 효율을 갖는 특히 효율적인 기계를 얻기 위하여 공지된 냉각과 조합하여 실행되는 것이 바람직하다.
더우기. 전술한 시스템이 청구된다면, 특정 응용예에 따라 냉각 공기의 일정 량의 유입을 제공하는 휠 공간을 위한 전통적인 냉각 시스템과 조합하여 실행될 수도 있다.
명백히, 하나 이상의 냉각 장치를 냉각 회로와 함께 사용하는 것, 또는 성능의 완전 면밀한 극대화 및 기계의 구성요소의 유효 수명의 상당한 증가를 위한 상이한 제어 방법들을 제공하는 것이 가능하다.
예시의 목적은 작용의 가능한 형태를 단순히 보여주는 것으로서, 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 기본 개념으로부터 벗어남이 없이 형태 및 배치에 대한 변경을 만들 수 있다. 첨부된 특허청구범위의 참조 번호의 존재는 전술한 설명 및 첨부 도면에 비추어 판단을 촉진할 목적일 뿐이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 보호 범위를 제한하지는 않는다.
1: 터빈
3: 압축기
5: 연소실
8: 가압 박스
21: 제 1 덕트
23: 제 2 덕트

Claims (7)

  1. 가스 터빈을 위한 운전 방법에 있어서,
    압축기로 작동 유체를 압축하는 단계와;
    상기 압축된 작동 유체를 적어도 하나의 연소실 내에 공급함으로써 상기 압축된 작동 유체를 과열시키는 단계와;
    상기 적어도 하나의 팽창 터빈 내에서 상기 과열된 작동 유체를 팽창시켜서 에너지를 생산하는 단계와;
    상기 압축된 작동 유체의 제 1 태핑(tapping)으로부터 상기 팽창 터빈의 냉각을 위하여 상기 압축기로부터의 압축된 작동 유체를 제 1 캐비티로 공급하는 단계와;
    상기 압축된 작동 유체의 제 2 태핑(tapping)으로부터 상기 팽창 터빈의 냉각을 위하여 상기 압축기로부터의 압축된 작동 유체를 제 2 캐비티로 공급하는 단계로서, 상기 팽창 터빈의 냉각을 위한 제 2 캐비티는 상기 팽창 터빈의 냉각을 위한 제 1 캐비티로부터 상류에 있으며, 상기 압축된 작동 유체의 제 2 태핑은 상기 압축된 작동 유체의 제 1 태핑으로부터 하류에 있는, 단계와;
    상기 제 1 태핑 및 제 2 태핑을 유체적으로 연결시키는 단계와;
    부분 부하 운전 상태중에 상기 제 2 태핑의 압축된 작동 유체의 일부를 상기 제 1 태핑으로 선택적으로 공급하여서, 상기 제 1 캐비티의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키는 단계를 포함하는,
    가스 터빈의 운전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 태핑의 압력이 상기 제 1 캐비티를 냉각하기에 충분한 유체의 플럭스(flux of fluid)를 생성하기에 불충분한 경우, 부분 부하 운전 상태중에 제 2 태핑의 압축된 작동 유체의 일부를 제 1 태핑에 선택적으로 공급하는 단계가 활성화되는,
    가스 터빈의 운전 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캐비티의 온도는 직접 또는 간접으로 항상 모니터링되는,
    가스 터빈의 운전 방법.
  4. 가스 터빈용의 냉각 시스템에 있어서,
    압축기로부터의 압축된 작동 유체의 제 1 태핑으로부터 압축된 작동 유체를 팽창 터빈의 냉각을 위해 제 1 캐비티로 공급하도록 구성된 제 1 덕트와;
    압축기로부터의 압축된 작동 유체의 제 2 태핑으로부터 압축된 작동 유체를 팽창 터빈의 냉각을 위해 제 2 캐비티로 공급하도록 구성된 제 2 덕트와;
    부분 부하 운전 상태중에 제 1 태핑의 작동 유체의 흐름을 선택적으로 증가시키는 방식으로 상기 제 1 태핑으로부터의 작동 유체를 제 2 태핑의 작동 유체와 조합시켜서, 적어도 상기 제 1 캐비티 내의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키도록 구성된 유체 역학적 시스템과;
    상기 유체 역학적 시스템에 전자적으로 연결되며, 작동 매개변수의 모니터링에 기초하여, 부분 부하 운전 상태중에 제 2 태핑으로부터의 작동 유체의 일부를 상기 제 1 덕트로 선택적으로 공급하여서, 상기 제 1 캐비티 내의 온도를 재료 저항의 허용가능한 한계 내로 유지시키도록 구성된 제어 시스템을 포함하는,
    가스 터빈용 냉각 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 팽창 터빈의 냉각을 위하여 적어도 상기 제 1 캐비티 내의 온도를 직접 또는 간접으로 모니터링하도록 구성된,
    가스 터빈용 냉각 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유체 역학적 시스템은 상기 제 1 덕트에 유체 연결된 분사기와, 상기 분사기와 유체 연결되도록 구성되며 연결 밸브를 갖는 연결 덕트를 포함하는,
    가스 터빈용 냉각 시스템.
  7. 제 4 항의 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈.
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