KR20160012929A - 가스 터빈용 압축기 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 압축기 조립체에 관한 것이며, 특히 가스 터빈용 압축기에 관한 것이다. 적합한 실시예에 따르면, 본 해결책은 상기 압축기의 외부 케이싱 및 내부 베인 캐리어에 의해 형성되는 캐비티 내에 위치되며, 분리기 요소 또는 맴브레인이 상기 캐비티를 2개의 서브-캐비티들로 분할하도록 교시한다. 분리기 요소가 필요 없는 경우 상기 플랜지 위치가 더 이상 유동을 위한 경계 역할을 하지 않으므로, 그와 같은 구성은 플랜지 분출 추출기의 위치 및 캐비티 크기와 관련하여 더욱 유연한 결과를 초래할 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

가스 터빈용 압축기 조립체{COMPRESSOR ASSEMBLY FOR GAS TURBINE}

본 발명은 일반적으로 압축기 조립체에 관한 것이며, 특히 가스 터빈용 압축기에 관한 것이다.

널리 공지된 바와 같이, 가스 터빈에 있어서는, 냉각 공기가 압축기로부터 추출된다. 정상 작동 상태에서는, 상기 냉각 공기는 터빈 블레이드를 냉각시킬 목적으로 추출된다. 시동 및 정지와 같은 일시적인 동작 동안은, 일반적으로 다량의 공기가 추출되고 또한 그와 같은 다량의 공기가 가스 터빈의 안정된 작동을 유지하고 예를 들면 압축기에서의 실속을 회피하기 위해 대기 중으로 방출된다. 이와 같은 일시적인 공기 추출은 소위 분출(blow-off)로서 언급된다.

일반적으로, 공기의 유동은 압축기 환체로부터 유출 덕트 또는 슬롯을 통해 추출되고 또한 캐비티 안으로 수렴된다. 상기 캐비티는 플랜지를 가지며, 상기 플랜지로부터 상기 유동 공기는 엔진의 외부 배관 시스템 안으로 추출된다. 그와 같은 구성은 다른 주변 위치들에서 반복된다. 상기 유동은 상기 배관 시스템을 통해 상기 터빈으로 흐르거나 또는 일시적인 동작에서 대기 중으로 방출된다.

상기 캐비티는 압축기 베인 캐리어(종종 C.V.C.로 언급됨)와 압축기 외부 케이싱 사이의 개방 공간에 의해서나 또는 상기 압축기 케이싱 내의 주조 공간에 의해 형성된다.

더욱 구체적으로, 시동 상태에서는 압축기가 설계 조건과는 다르게 작동하기 때문에 압축기에 대한 잠재적인 위험에 노출된다. 결론적으로, 유동 상에서의 커다란 부조화가 존재하게 되어, 블레이드와 베인들 상에 커다란 입사각을 유발시킨다. 이는 유체 분리를 초래한다. 또한, 부분 속도 하에서, 압축기를 통해 유동하는 용적은 불충분한 압축으로 인해 너무 크게 된다. 이는 축류 속도 상의 탈-설계를 유발하여, 블레이드들의 적절한 회전 속도와 매칭되지 않게 된다.

이와 같은 현상을 개선하기 위하여, 시동 동안 특정 추출 포인트로부터 다량의 공기를 추출함으로써 상기 용적 유동은 감소된다. 이 때, 상기 공기는 분출 시스템에서 제거된다. 또한, 상당히 감소된 양의 공기가 냉각 목적의 정상 작동 동안 상기 주 채널로부터 추출된다 [1].

곧, 시동 및 정상 작업 동안 상술된 공정들을 원활하게 발생시키기 위해서는 최적의 압축기 유출 캐비티가 필수적인 요소로 된다. 중요한 양태로는 캐비티의 크기를 들 수 있으며, 상기 캐비티는 요구되는 추출 공기량을 포함해야만 한다. 상기 캐비티의 크기는 시동 및 정삭 작동 모두를 위해 추출되는 공기를 포함할 수 있어야 한다.

그러나, 상기 유출 시스템의 기능에서뿐만 아니라 최적의 유출량을 성취하기 위한 전반적 압축기 기계류의 전체 구조 및 기하학적 구조의 관점에서 제약이 존재한다.

예를 들어, 압축기의 축상 길이가 감소되므로, 소형 유출 슬롯이 요구될 수 있다; 또한 그에 따른 비용의 감소도 요구된다. 마찬가지로 소형 유출 캐비티도 비용을 감소시키고 또한 공간 제약 문제도 절충할 수 있게 된다.

다른 한편, 공기역학의 관점에서, 최적의 유출 시스템은 낮은 유동 손실을 갖는 것일 수 있다. 이는 공기 추출 포인트로부터 배관 라인들에 이르기까지 전체 유출 시스템의 총체적 관점을 고려한다.

유동 패턴의 지식은 스월링으로 인한 손실을 최소화 하고 또한 캐비티의 기하학적 구조, 특히 모서리들에서의 라운딩을 강화하기 위해 필수적이다. 일 예로서, 도 1은 장방형 형태를 취하는, 유출 캐비티 내의 유동 위상 기하학을 나타낸다. 유동은 유출 슬롯으로부터 유출 캐비티 내로 유출되며, 갑자기 유동이 변경됨에 따라 유출 즉시 스월(swirl)을 형성한다. 이는 캐비티 하부 측벽으로부터 발생하는 인접 스월과 함께 갖는 S-형 스월을 형성한다. 이와 같은 S-형 스월의 결과, 캐비티 상향으로 유동이 발생하고, 서로로부터 멀어지게 2개의 90° 유동 방향으로 진행한다.

상기 유동이 모서리 에지들에 도달함에 따라, 그들은 스월을 형성하고 또한 수직으로 하향 이동하고, 다시 하부 모서리에 도달하여, 스월을 형성한다. 다음에, 전체 유동 위상 기하학이 반복된다.

유출 캐비티의 형상은 분출 관련 유동 위상 기하학에 영향을 미친다. 유출 캐비티에 있어서의 다른 유동 위상 기하학의 발생은 유출 슬롯으로부터 캐비티 내로 진행하는 유동에 기인한다. 또한, 상기 스월 시스템은 주면 위치, 분출 유량 및 캐비티의 형상에 의존한다 상기 캐비티의 높이는 그를 따르는 마찰 손실의 크기를 계산하는데 있어서 중요한 역할을 한다. 이는 CFD 계산으로부터 산출될 수 있으며, 이 때 다른 유동 거리로부터 개별 입자에 대한 추가의 계산이 진행되고, 더욱 양호한 마찰 손실이 계산된다.

본 기술에서의 공지된 해법은, 유출 및 분출 시스템들에 대한 최상의 설계를 성취하기 위해, 상술된 바와 같은 공기역학적 양태들 및 설계 사이를 절충하는 경향을 갖는다.

종래 기술의 한계점은 분출과 관련하여 캐비티 폭과 플랜지 위치에 의존하여, 일반적으로 형성되는 와류 시스템은 높은 유동 손실을 초래한다는 점에 있다.

본 발명의 목적은, 실제 독립 청구항 1에 설명된 바와 같은 압축기를 제공함으로써, 상술된 기술적 문제점들을 해결하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 실제 독립 청구항 13에 설명된 바와 같은 가스 터빈용 압축기를 제공하는 것이다.

적합한 실시예들은 대응하는 종속 청구항들에 규정되어 있다.

오직 예시적이며 비제한적 목적으로 다음의 상세한 설명에 설명될 적합한 실시예에 따르면, 본 해결책은 캐비티 내에 분리기 요소 또는 맴브레인을 위치시키고, 압축기의 외부 케이싱 및 내부 베인 캐리어에 의해 형성되는 캐비티를 2개의 서브-캐비티들로 분할하도록 교시한다. 본 발명의 예시적이고 비제한적 실시예에 대한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명은 상기 분리기 요소 또는 맴브레인이 필요 없는 경우 상기 플랜지 위치가 더 이상 유동을 위한 경계 역할을 하지 않게 되므로, 그와 같은 구성은 플랜지 분출 추출기의 위치 및 캐비티 크기와 관련하여 더욱 유연한 설계 결과를 초래할 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서, 상기 부품은 상사추출 유동의 간격 및 압력 손실과 관련하여 최적화될 수 있다.

적합한 실시예들에 따르면, 분리기 요소가 구비됨으로써 캐비티 내의 열전달이 감소된다. 실제로, 2개의 서브-캐비티들이 제공됨으로써, 하나의 서브-캐비티는 높은 열전달을 겪게되며, 반면 다른 서브-캐비티는 높은 유속에 노출되지 않는다.

다음에, 상기 분리기 요소는 예를 들면 와류의 횟수를 감소시키는 유리한 방식으로 유동을 안내하기 위해 사용된다. 이와 같은 방식에 의해, 유동 손실은 감소된다.

적합한 실시예들에 따르면, 또한 캐비티 내부벽들이 예를 들면 절연 물질들 또는 공기 충전 캐비티들로 국부적으로 절연될 수 있다.

추가적으로 그리고/또는 대안적으로, 상기 분리기 요소에는, 냉각 또는 시동 목적을 위한 유동 추출이 발생하지 않는, 상기 서브-캐비티 뒤로 통풍시키기 위한 통풍 구멍들이 제공될 수 있다.

유리하게도, 통풍 구멍들은 누설 가능성으로 인한 이웃하는 캐비티의 인접한 서브-캐비티들 사이의 온도 및 압력을 균형화시킬 수 있으며, 또한 불필요한 압력 차이를 제거할 수 있다.

본 발명에 대한 상술된 목적 및 그에 수반되는 많은 장점들은, 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 참고함으로써, 더욱 용이하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 유출 캐비티에서의 유동 위상 기하학을 나타내는 도면으로서, 상기 유출 캐비티는 장방형 형상을 갖는다.
도 2 내지 도 4는 종래 기술에 따른 3개의 다른 압축기 조립체들의 측단면도로서, 유동 추출을 위한 슬롯이 상기 압축기의 축상 발전부를 따라 3개의 다른 위치들에 위치된다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 압축기 조립체의 3개의 대안들에 대한 측단면도로서, 유동 추출을 위한 슬롯이 상기 압축기의 축상 발전부를 따라 3개의 다른 위치들에 위치된다.
도 9는 도 5 내지 도 8에 설명된 분리기 요소의 특정 부분을 도시한 도면.

도 2에는 압축기의 압축기 조립체(100)에 대한 종래 기술에 따른 측단면도가 도시되어 있다. 상기 압축기는 축(A)을 따라 회전 가능한 회전자(200)를 포함한다.

상기 압축기 조립체(100)는 일반적으로 도면부호 3으로 지시된 압축기 외부 케이싱을 포함하며, 순차적으로 시동 단계 및 터빈 블레이트 냉각을 돕기 위해 압축기로부터 흡인된 공기의 유동을 운반하기 위한 외부 배관 시스템(도시되지 않음)에 필요한 연결 수단을 제공하는 분출 개구부(4)를 포함한다. 상기 압축기 외부 케이싱(3)에는 베인 캐리어가 통합되며, 압축기의 고정 베인들(50)이 상기 베인 캐리어에 부착된다. 도면에서, 베인 캐리어 부분들(30 및 40)은 유출 덕트, 또는 슬롯(5)을 형성한다. 상기 압축기 조립체(100)는 상기 베인 캐리어들(3 및 4)과 함께 상기 외부 케이싱(3)이 상기 압축기로부터 상기 유출 덕트(5)를 통해 수용되는 유체 유동을 수렴하기 위한 캐비티(6)를 형성하는 방식으로 배열된다. 대안적으로, 유체 유동을 축적하기 위한 캐비티는 압축기 외부 케이싱에 위치된 주조 캐비티에 의해 성형될 수 있다.

다음에 상기 유동은 상기 캐비티 내로 진행되고 또한 상술된 바와 같은 분출 개구부(4)를 통해 외부적으로 공급된다. 도 1에 도시된 구성은 압축기 환체의 축상 전계부를 다라 수회 반복될 수 있다는 사실을 알 수 있을 것이다. 특히, 캐비티(6)는 이웃하는 캐비티들(6' 및 6")을 가질 수 있으며, 그 첫번째 캐비티는 공통의 베인 캐리어(30)에 의해 부분적으로 규정되고, 두번째 캐비티는 공통의 베인 캐리어(40)에 의해 규정된다.

도 1의 배치에 있어서, 상기 유출 덕트(5)가 상기 캐비티(6)의 중앙 부분 둘레에 위치되므로, 상기 캐비티 내의 온도는 상기 압축기 환체 내의 온도와 거의 유사하게 근접한다. 실제로, 알려진 바와 같이, 상기 압축기 환체 내의 압축 공기의 온도는 도면의 화살표(A)에 의해 지시된 유동 방향으로 축상으로 증가된다. 상기 캐비티 및 상기 환체에서 대체로 동일한 온도를 가짐으로써, 낮은 공극 및 응력을 갖는다는 장점을 갖게 된다. 그러나, 상술된 도 1을 참고로 설명하면, 상기 캐비티 내의 유동에 의해 겪게되는 와류 및 소용돌이는 높은 공기역학적 손실을 야기한다.

다음에 도 3 및 도 4에 도시된 배치들은, 도 3에서 캐비티 온도가 아래의 환체와 비교하여 평균적으로 높으며, 반면 도 4에서 그 온도는 평균적으로 낮다는 점을 제외하고는, 도 2의 배치와 대체로 유사한다. 상기 분출 개구부(4)를 통해 공기 유동이 분출되는 동안, 상기 캐비티에서의 유체 온도는 압축기 베인 캐리어(30, 40) 및 회전자(200)의 재료 온도와 비교하여 크게 다를 수 있다. 예를 들어, 이는 공기는 냉각되나 재료는 여전히 고온 상태에 있는 고온의 재시동 하에서 발생될 수 있다. 이는 압축기 베인 캐리어의 예기치 않게 신속한 수축 및 그로 인한 압축기 블레이드의 마모를 야기할 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 압축기 조립체(1)가 도시되어 있다. 앞의 도 2 내지 도 4에 도시된 공지된 배치에 대해, 본 발명에 따른 압축기 조립체(1)는 상기 캐비티(6)에 위치되는 분리기 요소(7) 또는 맴브레인을 포함하며, 상기 캐비티(6)는 2개의 서브-캐비티들(61, 62)로 분할되는 방식으로 배치된다. 상기 분리기 요소(7)는 적합하게도 방사 방향(R)을 따라 상기 압축기 조립체(1)에, 그리고 상기 외부 케이싱(3)과 상기 베인 캐리어(30) 사이에 방사상으로 배열된다. 본 해결책 덕분에, 상기 분리기 요소는 상기 캐비티를 높은 열전달이 허용되는 제 1 서브-케비티(61) 및 반대로 높은 유속 및 예기치 않은 온도에 동일 방식으로 노출되지 않는 제 2 서브-캐비티(62)로 분할한다. 다음에, 상기 분리기 요소의 위치는 유리한 방식으로, 예를 들면 와류의 횟수를 감소시키도록 유동을 안내하기 위해 사용될 수 있다. 결론적으로, 이 경우, 유동 손실이 감소된다.

적합하게도, 상기 캐비티(6)의 하나 이상의 내벽들 열적 절연층(81)으로 커버될 수 있다. 따라서, 변형을 감소시키는, 단기간 동안 캐비티의 내벽들을 절연하기 위해 가스 터빈 구조체에서 일반적으로 사용되는 열적 절연층의 예로서는 일반적으로 매우 낮은 전도성을 갖는 세라믹-기반 코팅부를 들 수 있다. 이와 같은 코팅부를 제공하기 위한 많은 기술들이 존재한다. 큰 구조적 요소들을 위해, APS(대기압 플라즈마 분무) 또는 HVOF(고속 순산소 연소기술)가 더욱 일반적으로 사용된다.

대안적으로 또는 추가적으로, 표면들 상에 리세스들을 생성하고 또한 낮은 열전도성을 갖는 금속 시트들을 통해 이들을 차폐시킴으로써, 상기 캐비티의 내벽들, 특히 상기 압축기 베인 캐리어들의 벽들에 추가적인 절연을 제공하는 것도 가능하다. 이와 같은 방식에 있어서, 열적 절연된 공기의 층이 상기 내부 캐비티 벽과 상기 금속 표면 사이에 개입된다는 장점을 갖는다.

적합하게도, 상기 분리기 요소(7)는 상기 서브-캐비티(62)를 통풍시키기 위해 그의 표면 상에 통풍 구멍들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이는 상기 분리기 요소(7)에 의해 밀봉되는 서브-캐비티가 잠재적 누설로 인해 이웃하는 캐비티(6')의 공기에 의해 잠기는 현상을 방지하게 한다. 상기 요소(7) 상의 통풍 구멍들은 불필요한 온도 차이를 제거할 수 있다.

연속적인 도 6 및 도 7은, 공지된 기술로서 설명된 것과 유사한 방식으로, 2개의 다른 구성들을 갖는 본 발명에 따른 압축기 조립체(1)를 도시하며, 각각: 도 6에서, 상기 캐비티에서의 유동 온도는 상기 압축기 환체의 대응하는 부분에서의 유동 온도보다 평균적으로 높으며; 도 7에서, 캐비티에서의 유동 온도는 상기 압축기 환체의 대응하는 부분에서의 유동 온도보다 평균적으로 낮다.

다음의 도 8에 있어서는, 상기 캐비티(6)의 복수의 내벽들이 열적 절연 물질(81)로 커버되는 예를 도시하고 있다. 또한, 상기 분리기 요소(7)는 상기 캐비티(6)의 각각 반대편 내벽들에 매설되는 대응하는 홈들 내에 위치하는 상부 및 하부 단부들(72, 73)을 갖는다. 여기에 설명된 비제한적 예에 있어서, 상기 요소(7)는 압축기 외부 케이싱(3)과 압축기 베인 캐리어(4) 사이에 삽입된다.

적합하게도, 상기 분리기 요소(7)는 2개의 반부들로 분열되는 시트 금속 플레이트일 수 있다. 일부의 경우, 진동 또는 엔진 고유 진동수에 보다 양호하게 적응되는 주파수 특성을 갖기 위한 보강 리브들을 포함하는 더욱 복잡한 시트 용접 구조일 수 있다.

상기 2개의 서브-캐비티들에서 기대되는 델타 압력 및 정상 상태 온도에 기초하여, 다른 강합금이 선택될 수 있다. 냉간 공법에 대해, 저압용 강이 적합한 것으로 입증되었다. 열간 공법에 대해, 고온 저항 강(크롬계)이 필요할 수 있다. 또한, 잔해물들이 배관을 통해 부유될 수 있고 또한 터빈 냉각 전체를 차단함에 따라, 산화 거동에 특별한 주의를 기울일 수 있다.

상술된 바와 같이, 상기 분리기는 상기 캐비티의 내벽들 내에 생성된 홈들 내로 삽입될 수 있다. 유출 서브-캐비티(61)와 인접한 서브-캐비티(62) 사이의 압력 델타로 인해, 상기 분리기 요소(7)는 유동 방향에 대항하여 가압된다. 상기 분리기 요소(7)는 또한 (예를 들면, 스크류/용접 접합에 의해) 베인 캐리어 또는 외부 압축기 케이싱과 같은 상기 케이싱들 중 하나에 고정될 수 있으며, 다음에 다른 요소 내로 활주될 수 있다. 상기 케이싱들을 향해 분리기 요소를 정확히 위치 결정시키면서 고정 접합은 피하기 위한 중간 옵션으로는 그의 방사상 위치(상기 케이싱들 중 하나에 대한 동심도)를 규정하나, (하나의 요소가 다른 요소보다 신속하게 성장하는) 방사상 상대적 변위를 허용하는 (용접/나사 결합된 지지부들/위치결정 핀들과 같은) 지지 요소들의 제공 방법을 들 수 있다. 이와 같은 방법에 있어서는, 열적 응력에 기인한 변위가 비강제적으로 안내된다. 이는 또한 추가 접합을 방지하고 또한 분리기 요소를 독립 부품들로 허용함으로써 제조 및 유지 보수를 용이하게 한다.

마지막으로 도 9에 있어서는, 상기 캐비티의 2개의 서브-캐비티들 사이의 밀봉이 확고한지의 여부에 기초하여, 상기 분리기 요소(7)의 2개의 반부들이 서로 볼트 결합될 수 있다(좌측 도면 참고). 다른 단순한 대안으로서는 2개의 반부들 사이에 밀봉 립을 갖는 방법이 있다(우측 도면 참고).

비록 본 발명이 완전히 적합한 실시예들과 관련하여 설명되었으나, 본 발명이 이들 실시예들에 의해 제한받지 아니하며, 다음의 청구항들에 따른 내용에 의해서만 제한을 받는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서의 변경이 도입될 수 있음을 명백히 밝혀 둔다.

Claims (13)

1. 가스 터빈의 압축기(2)용 압축기 조립체(10)에 있어서,
   적어도 하나의 분출 개구부(4)를 포함하는 압축기 외부 케이싱(3);
   유출 덕트(5)를 형성하는 베인 캐리어(3, 4)를 포함하고,
   상기 압축기 조립체(1)는 상기 외부 케이싱(3)과 상기 베인 캐리어(3, 4)가 유체 유동을 수렴하기 위한 캐비티(6)를 구성하도록 배열되며, 상기 캐비티(6)는 상기 유출 덕트(5)를 통해 유체를 수용하고 또한 상기 분출 개구부(4)를 통해 외부로부터 유체를 공급하도록 구성되며,
   상기 압축기 조립체(1)는 상기 캐비티(6)를 2개의 서브-캐비티들(61, 62)로 분할하도록 상기 캐비티(6)에 위치된 분리기 요소(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 조립체(1).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리기 요소(7)는 상기 압축기의 방사 방향(R)을 따라 연장하는 압축기 조립체(1).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분리기 요소(7)는 상기 외부 케이싱(3)과 상기 베인 캐리어(3) 사이에 배치되는 압축기 조립체(1).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐비티(6)의 적어도 하나의 내벽(9)은 열적 절연층(81)으로 덮이는 압축기 조립체(1).
5. 제 4 항에 있어서, 상기 열적 절연층은 코팅 물질(81)을 포함하는 압축기 조립체(1).
6. 제 5 항에 있어서, 상기 코팅 물질(81)은 세라믹-기반 코팅인 압축기 조립체(1).
7. 제 4 항에 있어서, 상기 열적 절연층은 상기 캐비티(6)의 내벽 상에 위치된 금속 시트를 포함하며, 상기 내벽은 상기 내벽과 상기 금속 시트 사이에 열적 절연 공기층을 형성하도록 복수의 리세스들을 갖는 압축기 조립체(1).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 요소(7)는 그 표면 상에 통풍구들을 포함하는 압축기 조립체(1).
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 요소(7)는 상기 캐비티(6)의 각각 반대편 내벽들에 매설되는 대응 홈들 내에 위치되는 상부 및 하부 단부(72, 73)를 갖는 압축기 조립체(1).
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 요소(7)는 서로 연결되는 2개의 반부들을 포함하는 압축기 조립체(1).
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 반부들은 볼트 요소에 의해 연결되는 압축기 조립체(1).
12. 제 10 항에 있어서, 상기 2개의 반부들은 밀봉 립에 의해 연결되는 압축기 조립체(1).
13. 가스 터빈용 압축기(2)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 압축기 조립체(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 압축기(2)

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