KR20160134848A

KR20160134848A - 냉각장치, 이것을 구비하고 있는 가스터빈설비, 냉각장치의 운전방법

Info

Publication number: KR20160134848A
Application number: KR1020167029601A
Authority: KR
Inventors: 가즈마사 다카타
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2016-11-23
Also published as: JP6245757B2; CN106211787B; JP2015222022A; US10358923B2; WO2015178418A1; CN106211787A; KR101854067B1; US20170138201A1; DE112015002403T5

Abstract

냉각장치(60)는 가스터빈(10)의 고온부품(41)에 공기를 인도하는 고온부품 냉각계(70)를 구비한다. 고온부품 냉각계(70)는 가스터빈(10)에 대하여 독립적으로 운전 가능한 압축기(77)를 가지고, 가스터빈(10)의 차실(16) 내의 공기를 차실(16)에서 추기하여 압축기(77)에서 승압하고 나서 고온부품(41)에 공기를 인도한다. 냉각장치(60)는 또한 차실(16) 내의 공기를 차실(16)에서 추기하여, 이 공기를 터빈로터(51)로 인도하는 로터 냉각계(80)와 가스터빈(10)에의 연료공급정지 중에 압축기(77)에서 승압된 공기를 로터 냉각계(80)로 인도하는 연락계(90)를 구비한다.

Description

냉각장치, 이것을 구비하고 있는 가스터빈설비, 냉각장치의 운전방법{COOLING DEVICE, GAS TURBINE INSTALLATION PROVIDED WITH SAME, AND METHOD FOR OPERATING COOLING DEVICE}

본 발명은 가스터빈의 냉각장치, 이것을 구비하고 있는 가스터빈설비, 냉각장치의 운전방법에 관한 것이다. 본 출원은 2014년 5월 22일에 일본국에 출원된 일본특허출원 제2014-106265호에 의거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 이곳에 원용한다.

가스 터빈은 대기를 압축하여 압축공기를 생성하는 압축기와, 이 압축공기 중에서 연료를 연소시켜 연소가스를 생성하는 연소기와, 연소가스에 의해 구동하는 터빈을 구비하고 있다. 압축기는 축선을 중심으로 회전하는 압축기로터와 이것을 회전 가능하게 덮는 압축기차실을 가지고 있다. 터빈은 축선을 중심으로 회전하는 터빈로터와 이것을 회전 가능하게 덮는 터빈차실을 가지고 있다.

터빈로터의 운동날개의 지름방향 외측단과 터빈차실의 내주면 사이에는 소정의 클리어런스(이하, 이 클리어런스를 팁 클리어런스라고 함)가 필요하다. 이 팁 클리어런스는 터빈 효율의 면에서 가능한 한 작은 것이 바람직하다.

그런데 가스터빈 정지 후에 외기에 노출되어 있는 터빈차실에 대하여, 터빈차실 내에 배치되어 있는 터빈로터의 온도는 낮아지기 힘들다. 따라서 가스터빈 정지 후에 따른 터빈차실의 열팽창량의 단위시간당 감소량에 대하여, 터빈로터의 열팽창량의 단위시간당 감소율이 적다. 따라서 가스터빈의 정지 후 일시적으로 팁 클리어런스가 좁아진다. 이 상태일 때에 가스터빈을 기동시키면 터빈로터에 작용하는 원심력으로 운동날개의 지름방향 외측단의 위치가 지름방향 외측으로 변위하므로, 터빈로터의 운동날개와 터빈차실의 내주면이 접촉할 우려가 있다.

그래서 이하의 특허문헌 1에 기재한 기술에서는 가스터빈 기동 시에 가스터빈차실에서 추기한 공기를 송풍기로 승압하고, 이 공기를 터빈로터 내로 송출하여 터빈로터를 냉각하고 있다. 특허문헌 1에 기재한 기술에서는 이와 같이 터빈로터를 냉각함으로써 가스터빈 기동 시에 따른 팁 클리어런스를 확장하여, 터빈로터의 운동날개와 터빈차실의 내주면의 접촉을 회피하고 있다.

일본특허공개 제H11-050809호 공보

특허문헌 1에 기재한 기술에서는 가스터빈 기동 시에 터빈로터를 냉각하고 있으나, 냉각을 개시하고 나서 팁 클리어런스가 확장할 때까지는 시간차가 있고, 이것에 의해 팁 접촉을 일으킬 우려가 있다.

그래서 본 발명은 가스터빈 기동 시에 팁 클리어런스를 확보할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 발명에 관한 일형태로서의 냉각장치는, 가스터빈에 대하여 독립적으로 운전 가능한 압축기를 가지고, 상기 가스터빈의 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 압축기로 승압하고 나서, 상기 가스터빈을 구성하는 부품으로 연소가스와 접하는 고온부품에 상기 공기를 인도하는 고온부품 냉각계와, 상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 공기를 상기 가스터빈의 로터로 인도하는 로터 냉각계와, 상기 가스터빈에의 연료공급정지 중에 상기 압축기로 승압된 상기 공기를 상기 로터 냉각계로 인도하는 연결계를 구비하고 있다.

해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급 중, 고온부품 냉각계에 의해 차실 내에서 추기한 공기로 고온부품을 냉각할 수 있다. 또한 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급 중, 로터 냉각계에 의해 차실 내에서 추기한 공기로 로터를 냉각할 수 있다. 나아가 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중이어도 고온부품 냉각계의 압축기에 의해 승압된 공기를 연결계 및 로터 냉각계를 개재하여 로터로 송출할 수 있다. 따라서 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중이어도 로터를 냉각할 수 있다.

여기서 상기 냉각장치에서 상기 고온부품 냉각계는 상기 압축기가 설치되고, 상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 공기를 상기 고온부품으로 인도하는 고온부품 냉각용라인을 가지고, 상기 연결계는 상기 고온부품 냉각용라인 중에서 상기 압축기가 설치되어 있는 위치보다도 상기 고온부품 측으로 접속되어 상기 압축기로 승압된 상기 공기를 상기 로터 냉각계로 인도하는 연결라인과, 상기 연결라인에 설치되어 있는 연결제어밸브와 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 연결제어밸브를 닫고, 연료공급정지 중에 상기 연결제어밸브를 여는 제어장치를 가져도 된다.

해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급 중, 연결제어밸브가 닫혀 있으므로, 고온부품 냉각계의 압축기로 승압된 공기는 연결라인에는 흐르지 않고, 오직 고온부품 냉각용라인으로 흐른다. 따라서 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급 중, 고온부품 냉각계의 압축기로 승압된 공기를 효율적으로 고온부품으로 송출할 수 있다.

또한 상기 제어장치를 가진 상기 냉각장치에서 상기 고온부품 냉각계는 상기 고온부품 냉각용라인 중에서 상기 연결라인이 접속되어 있는 위치보다도 상기 고온부품 측에 설치되어 있는 고온부품 냉각제어밸브를 가지고, 상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 고온부품 냉각제어밸브를 열고, 연료공급정지 중에 상기 고온부품 냉각제어밸브를 닫아도 된다.

해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 고온부품 냉각제어밸브가 닫혀 있으므로, 고온부품 냉각계의 압축기로 승압된 공기는 고온부품 냉각용라인의 고온부품 측으로 흐르지 않고, 오직 연결라인으로 흐른다. 따라서 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 고온부품 냉각계의 압축기로 승압된 공기를 연결계를 개재하여 로터 냉각계에 효율적으로 송출할 수 있다.

상기 제어장치를 가진 이상의 어느 하나의 상기 냉각장치에서, 상기 로터 냉각계는 상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여, 상기 공기를 상기 가스터빈의 로터에 인도하는 로터 냉각용라인과 상기 로터 냉각용라인에 설치되어 있는 로터 냉각제어밸브를 가지고, 상기 연결라인은 상기 로터 냉각용라인 중에서 상기 로터 냉각제어밸브가 설치되어 있는 위치보다도 상기 로터 측에 접속되고, 상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 로터 냉각제어밸브를 열고 연료공급정지 중에 상기 로터 냉각제어밸브를 닫아도 된다.

해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 고온부품 냉각계의 압축기로 승압된 공기가 연결라인을 개재하여 로터 냉각용라인으로 유입한다. 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 로터 냉각용라인 중에서 연결라인과의 접속위치보다도 차실 측에 설치되어 있는 로터 냉각제어밸브가 닫혀 있으므로, 연결라인에서 로터 냉각용라인으로 유입한 공기는 차실 측으로 흐르지 않고, 오직 로터 측으로 흐른다. 따라서 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 고온부품 냉각계의 압축기로 승압된 공기를 효율적으로 로터로 송출할 수 있다.

상기 제어장치를 가진 이상의 어느 하나의 상기 냉각장치에서, 상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 시점까지의 냉각필요기간 중 적어도 일시적으로 상기 압축기를 구동시키고, 상기 냉각필요기간 중에 상기 가스터빈에의 연료공급이 재개되지 않으면 상기 냉각필요기간 경과 후에 상기 압축기를 정지시켜도 된다.

해당 냉각장치에서는 압축기의 구동시간을 제한하는 것이 가능하므로, 압축기의 구동을 위한 소비에너지를 억제할 수 있다.

상기 제어장치를 가진 이상의 어느 하나의 상기 냉각장치에서 상기 고온부품 냉각계는 상기 고온부품 냉각용라인 중에서 상기 압축기가 설치되어 있는 위치보다도 상기 차실 측에 접속되고, 대기를 흡입하는 흡기라인과, 상기 흡기라인을 통과하는 대기 중의 이물질을 제거하는 필터와, 상기 흡기라인 중에서 상기 필터보다도 상기 고온부품 냉각용라인과의 접속위치 측에 설치되어 있는 흡기제어밸브를 가지고, 상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 흡기제어밸브를 닫고, 연료공급정지 중에 상기 흡기제어밸브를 열어도 된다.

해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 차실 내의 공기의 온도보다도 낮은 대기를 고온부품 냉각계에 주입하고, 이 공기를 압축기로 승압한 후 로터로 송출할 수 있다. 따라서 해당 냉각장치에서는 가스터빈에의 연료공급정지 중, 로터를 효율 좋게 냉각할 수 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 발명에 따른 일형태로서의 가스터빈 설비는

이상의 어느 하나의 상기 냉각장치와 상기 가스터빈을 구비하고 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 발명에 관한 일형태로서의 냉각장치의 운전방법은, 가스터빈에 대하여 독립적으로 운전 가능한 압축기를 가지고, 상기 가스터빈의 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 압축기로 승압하고 나서, 상기 가스터빈을 구성하는 부품으로 연소가스와 접하는 고온부품에 상기 공기를 인도하는 고온부품 냉각계와, 상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 공기를 상기 가스터빈의 로터로 인도하는 로터 냉각계를 구비하고 있는 냉각장치의 운전방법에서, 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 압축기를 구동시켜 상기 고온부품 냉각계로부터의 공기를 상기 고온부품에 공급하여, 상기 고온부품을 냉각하는 고온부품 냉각공정과 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 로터 냉각계로부터의 공기를 상기 로터에 공급하여, 상기 로터를 냉각하는 제1 로터 냉각공정과 상기 가스터빈에의 연료공급정지 중에 상기 압축기를 구동시켜, 상기 로터 냉각계를 개재하여 상기 압축기로 승압된 공기를 상기 로터에 공급하여, 상기 로터를 냉각하는 제2 로터 냉각공정을 실행한다.

해당 운전방법에서는 가스터빈에의 연료공급 중, 고온부품 냉각계에 의해 차실 내에서 추기한 공기로 고온부품을 냉각할 수 있다. 또한 해당 운전방법으로는 가스터빈의 연료공급 중, 로터 냉각계에 의한 제1 로터 냉각공정의 실행에 의해 차실 내에서 추기한 공기로 로터를 냉각할 수 있다. 나아가 해당 운전방법으로는 가스터빈에의 연료공급정지 중이어도 제2 로터 냉각공정의 실행에 의해 고온부품 냉각계의 압축기에 의해 승압된 공기를 로터 냉각계를 개재하여 로터로 송출할 수 있다. 따라서 해당 운전방법으로는 가스터빈에의 연료공급정지 중이어도 로터를 냉각할 수 있다.

여기서 상기 냉각장치의 운전방법에서 상기 제2 로터 냉각공정에서는 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 로터 냉각계에의 유입을 촉진하고, 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 고온부품에의 유입을 억제해도 된다.

또한 이상의 어느 하나의 상기 냉각장치의 운전방법에서 상기 제2 로터 냉각공정에서는 상기 압축기로 승압되어 상기 로터 냉각계에 유입된 공기의 흐름으로서, 상기 로터 냉각계 내에 따른 상기 차실 측으로의 흐름을 억제하고, 상기 로터 냉각계 내에 따른 상기 로터 측에의 유입을 촉진해도 된다.

또한 이상의 어느 하나의 상기 냉각장치의 운전방법에서 상기 고온부품 냉각공정에서는 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 로터 냉각계에의 유입을 억제하고, 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 고온부품에의 유입을 촉진해도 된다.

또한 이상의 어느 하나의 상기 냉각장치의 운전방법에서, 상기 가스터빈에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 시점까지의 냉각필요기간 중 적어도 일시적으로 상기 압축기를 구동시켜 상기 제2 로터 냉각공정을 실행하고, 상기 냉각필요기간 중에 상기 가스터빈에의 연료공급이 재개되면 상기 제2 로터 냉각공정을 종료하고, 상기 고온부품 냉각공정 및 상기 제1 로터 냉각공정을 실행하고 상기 냉각필요기간 중에 상기 가스터빈에의 연료공급이 재개되지 않으면 상기 냉각필요기간 경과 후에 상기 압축기를 정지시켜 상기 제2 로터 냉각공정을 종료해도 된다.

이상의 어느 하나의 상기 냉각장치의 운전방법에서 상기 제2 로터 냉각공정에서는 상기 압축기에 의해 상기 고온부품 냉각계 내에 대기를 흡입하여 상기 로터 냉각계를 개재하여 상기 대기를 상기 로터에 공급해도 된다.

본 발명에 일형태에 의하면 가스터빈 기동 시에 팁 클리어런스를 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 일실시형태에 따른 가스터빈의 주요부 노치 전체 측면도이다.
도 2는 본 발명에 관한 일실시형태에 따른 가스터빈의 주요부 단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 일실시형태에 따른 냉각장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명에 관한 일실시형태에 따른 연소통의 단면도이다.
도 5는 도 4에 따른 V-V선 단면도이다.
도 6은 본 발명에 관한 일실시형태에 따른 연소통의 주요부 노치 사시도이다.
도 7은 본 발명에 관한 일실시형태에 따른 각종 냉각공정의 타이밍챠트이다.
도 8은 본 발명에 관한 일실시형태의 제1변형예에 따른 냉각장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 9는 본 발명에 관한 일실시형태의 제2변형예에 따른 냉각장치의 구성을 나타내는 설명도이다.

이하 본 발명에 관한 가스터빈 설비의 실시형태 및 그 변형예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

(실시형태)

이하 본 발명에 관한 가스터빈 설비의 일실시형태에 대하여 도 1~도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시형태의 가스터빈 설비는 도 1에 나타낸 바와 같이 가스터빈(10)과 이 가스터빈(10)의 구성부품의 일부를 냉각하는 냉각장치(60)를 구비하고 있다.

가스터빈(10)은 공기를 압축하는 압축기(20)와, 압축기(20)로 압축된 공기 중에서 연료를 연소시켜 연소가스를 생성하는 연소기(30)와, 연소가스에 의해 구동하는 터빈(50)을 구비하고 있다.

압축기(20)는 도 2에 나타낸 바와 같이 축선(Ar)을 중심으로 회전하는 압축기로터(21)와, 압축기로터(21)를 회전 가능하게 덮는 압축기차실(25)과, 여러 개의 고정날개단(26)을 가진다. 또한 이하에서는 축선(Ar)이 연장하는 방향을 축선방향(Da), 이 축선방향(Da)의 압축기 측을 상류측, 터빈 측을 하류측이라고 한다. 또한 이 축선(Ar)을 중심으로 한 원주방향을 단순히 원주방향(Dc)으로 하고, 축선(Ar)에 대하여 수직인 방향을 지름방향(Dr)이라고 한다. 압축기로터(21)는 그 축선(Ar)을 따라 축선방향(Da)으로 연장하는 로터축(22)과 이 로터축(22)에 설치되어 있는 여러 개의 운동날개단(23)을 가진다. 여러 개의 운동날개단(23)은 축선방향(Da)으로 나열되어 있다. 각 운동날개단(23)은, 어느 것이나 원주방향(Dc)으로 나열되어 있는 여러 개의 운동날개(23a)로 구성되어 있다. 여러 개의 운동날개단(23)의 각 하류측에는, 고정날개단(26)이 배치되어 있다. 각 고정날개단(26)은 압축기차실(25)의 내측에 설치되어 있다. 각 고정날개단(26)은, 어느 것이나 원주방향(Dc)으로 나열되어 있는 여러 개의 고정날개(26a)로 구성되어 있다. 로터축(22)의 지름방향 외주측과 압축기차실(25)의 지름방향 내주측 사이에 있고, 축선방향(Da)으로 고정날개(26a) 및 운동날개(23a)가 배치되어 있는 영역의 환상의 공간은 공기가 흐르면서 압축되는 공기압축유로(29)를 이룬다.

터빈(50)은 축선(Ar)을 중심으로 회전하는 터빈로터(51)와, 터빈로터(51)를 회전 가능하게 덮는 터빈차실(55)과, 여러 개의 고정날개단(56)을 가지고 있다. 터빈로터(51)는 그 축선(Ar)을 따라 축선방향(Da)으로 연장하는 로터축(52)과 이 로터축(52)에 설치되어 있는 여러 개의 운동날개단(53)을 가진다. 여러 개의 운동날개단(53)은 축선방향(Da)으로 나열되어 있다. 각 운동날개단(53)은, 어느 것이나 원주방향(Dc)으로 나열되어 있는 여러 개의 운동날개(53a)로 구성되어 있다. 여러 개의 운동날개단(53)의 각 상류측에는, 고정날개단(56)이 배치되어 있다. 각 고정날개단(56)은 터빈차실(55)의 내측에 설치되어 있다. 각 고정날개단(56)은, 어느 것이나 원주방향(Dc)으로 나열되어 있는 여러 개의 고정날개(56a)로 구성되어 있다. 터빈차실(55)은 그 외각(外殼)을 구성하는 통상의 터빈차실 본체(55a)와 그 내측에 고정되어 있는 여러 개의 분할환(55b)을 가진다. 여러 개의 분할환(55b)은 어느 것이나 여러 개의 고정날개단(56)의 상호간의 위치에 설치되어 있다. 따라서 각 분할환(55b)의 지름방향 내측에는 운동날개단(53)이 배치되어 있다. 로터축(52)의 외주측과 터빈차실(55)의 내주측 사이에 있고, 축선방향(Da)으로 고정날개(56a) 및 운동날개(53a)가 배치되어 있는 영역의 환상의 공간은 연소기(30)로부터의 연소가스(G)가 흐르는 연소가스유로(59)를 이룬다. 로터축(52)에는 냉각공기가 통하는 냉각공기유로(52p)가 형성되어 있다. 또한 각 운동날개(53a)에는 로터축(52)의 냉각공기유로(52p)에 연통한 냉각공기유로(53p)가 형성되어 있다. 운동날개(53a)에 형성되어 있는 냉각공기유로(53p)의 단은 운동날개(53a)의 표면에서 개구하고 있다. 다시 말해 운동날개(53a)에 형성되어 있는 냉각공기유로(53p)는 연소가스유로(59)에 연통하고 있다.

압축기로터(21)와 터빈로터(51)는 동일 축선(Ar) 상에 위치하고, 서로 접속되어 가스터빈로터(11)를 이룬다. 이 가스터빈로터(11)에는 예를 들어 도시되어 있지 않은 발전기의 로터가 접속되어 있다. 또한 압축기차실(25)과 터빈차실(55)은 서로 접속되어 가스터빈차실(15)을 이룬다. 공기압축유로(29)와 연소가스유로(59)는 축선방향(Da)에서 떨어져 있다. 가스터빈차실(15)에서 축선방향(Da)에 따른 공기압축유로(29)와 연소가스유로(59) 사이는 중간차실(16)을 이룬다. 연소기(30)는 이 중간차실(16)에 설치되어 있다.

연소기(30)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 고온 고압의 연소가스(G)를 터빈(50)의 연소가스유로(59) 내로 송출하는 연소통(또는 꼬리통)(41)과 이 연소통(41) 내에 연료 및 압축공기를 공급하는 연료공급기(31)를 가진다. 연료공급기(31)는 연소통(41) 내에 연료를 분사하는 여러 개의 노즐(32)을 가진다. 각 노즐(32)에는 연료라인(34)이 접속되어 있다. 연료라인(34)에는 여러 개의 노즐(32)에 공급하는 연료의 유량을 조절하는 연료유량조절밸브(35)가 설치되어 있다. 연소기(30)는 또한 연소통(41)의 외주측이고 터빈(50)의 연소가스유로(59) 측에 고정되어 있는 냉각공기 매니폴드(46)를 가진다. 냉각공기 매니폴드(46)는 연소통(41)의 외주측 사이에 냉각공기가 고이는 공간을 형성한다.

도 4~도 6에 나타낸 바와 같이 연소통(41)은 외주벽판(41o)과 내주벽판(41i)을 가지고 구성되어 있다. 외주벽판(41o)과 내주벽판(41i)은 납땜 등으로 접합되어 있다. 외주벽판(41o)과 내주벽판(41i) 중 일방의 벽판에는 타방측에서 떨어지는 방향으로 오목하고, 또한 연소통(41)의 중심축이 연장하는 방향으로 긴 여러 개의 홈(42)이 형성되어 있다. 이 홈(42)의 내면과 타방의 벽판의 면 사이는 냉각공기가 흐르는 냉각공기유로(43)를 이루고 있다. 외주벽판(41o)에서 냉각공기 매니폴드(46)가 설치되어 있는 위치에는 냉각공기유로(43)에서 냉각공기 매니폴드(46) 내의 공간으로 관통하는 여러 개의 입구구멍(44)이 형성되어 있다. 또한 외주벽판(41o)에서 냉각공기 매니폴드(46)의 상류측의 영역에는 냉각공기유로(43)에서 연소통(41) 외측이고 중간차실(16)의 내측으로 관통하는 여러 개의 출구구멍(45)이 이 영역 내의 모든 원주에 걸쳐 형성되어 있다. 또한 여기에서의 상류측이란 연소기(30)에서의 상류측이고, 연소통(41)에 대하여 연료공급기(31)가 존재하는 측을 말한다.

압축기(20)는 외기를 흡입하고, 이것이 공기압축유로(29)를 통과하는 과정에서 이 공기를 압축한다. 압축된 공기, 다시 말해 압축공기는 압축기(20)의 공기압축유로(29)에서 중간차실(16) 내에 유입한다. 이 압축공기는 연소기(30)의 연료공급기(31)를 개재하여 연소통(41) 내에 공급된다. 연료공급기(31)의 여러 개의 노즐(32)로부터는 연소통(41) 내에 연료가 분사된다. 이 연료는 연소통(41) 내의 압축공기 중에서 연소한다. 이 연소의 결과 연소가스(G)가 발생되고, 이 연소가스(G)가 연소통(41)에서 터빈(50)의 연소가스유로(59) 내에 유입한다. 이 연소가스(G)가 연소가스유로(59)를 통과함으로써 터빈로터(51)는 회전한다.

이상에서 설명한 바와 같이 가스터빈(10)의 구성부품 중 연소통(41), 운동날개(53a), 고정날개(56a), 분할환(55b) 등은 어느 것이나 고온의 연소가스(G)에 접촉한다. 따라서 연소통(41), 운동날개(53a), 고정날개(56a), 분할환(55b) 등은 고온부품을 이룬다.

냉각장치(60)는 도 3에 나타낸 바와 같이 중간차실(16) 내의 공기를 이 중간차실(16) 내에서 추기하여, 이 공기를 냉각하고 나서 승압하여 연소통(41)으로 인도하는 고온부품 냉각계(70)와 중간차실(16) 내의 공기를 이 중간차실(16) 내에서 추기하여 이 공기를 냉각하고 나서 터빈로터(51)의 로터축(52)으로 인도하는 로터 냉각계(80)와 고온부재 냉각계(70) 내의 공기를 로터 냉각계(80)로 인도하는 연결계(90)를 가진다.

고온부품 냉각계(70)는 중간차실(16) 내의 압축공기를 이 중간차실(16) 내에서 추기하여, 이 공기를 연소통(41)에 설치되어 있는 냉각공기 매니폴드(46)로 인도하는 고온부품 냉각용라인(71)을 가진다. 또한 이 고온부품 냉각계(70)는 이 고온부품 냉각용라인(71) 중에 설치되어 있는 쿨러A(76), 부스터압축기(77) 및 고온부품 냉각제어밸브(78)를 가진다.

쿨러A(76)는 중간차실(16)에서 추기된 압축공기를 냉각 가능한 것이면 어떠한 것이라도 좋다. 구체적으로 쿨러A(76)는 예를 들어 물 등의 냉각매체를 이용하여 압축공기를 냉각하는 수냉식인 것도 좋고, 압축공기가 통과하는 라인에 팬 등으로 바람을 보내 압축공기를 냉각하는 공냉식인 것도 좋다. 부스터압축기(77)는 중간차실(16)에서 추기된 압축공기를 승압한다. 이 부스터압축기(77)는 가스터빈(10)에 대하여 독립적으로 운전 가능하다. 따라서 이 부스터압축기(77)는 가스터빈(10)이 정지하고 있을 때에도 운전할 수 있다.

고온부품 냉각용라인(71)은 중간차실(16)과 쿨러A(76)를 접속하는 차실-쿨러A라인(72)과, 쿨러A(76)와 부스터압축기(77)의 흡입구를 접속하는 쿨러A-압축기라인(73)과, 부스터압축기(77)의 토출구와 중간차실(16)을 접속하는 압축기-차실라인(74)과, 압축기-차실라인(74)과 연소통(41)에 설치되어 있는 냉각공기 매니폴드(46)를 접속하는 차실 내 A라인(75)을 가진다. 고온부품 냉각제어밸브(78)는 압축기-차실라인(74) 중에 설치되어 있다. 중간차실(16) 내의 압축공기는 차실-쿨러A라인(72), 쿨러A-압축기라인(73), 압축기-차실라인(74) 및 차실 내 A라인(75)을 개재하여 냉각공기 매니폴드(46) 내에 유입 가능하다.

로터 냉각계(80)는 중간차실(16) 내의 압축공기를 이 중간차실(16) 내에서 추기하여, 이 공기를 터빈(50)의 로터축(52)으로 인도하는 로터 냉각용라인(81)을 가진다. 또한 이 로터 냉각계(80)는 이 로터 냉각용라인(81) 중에 설치되어 있는 쿨러B(86), 관성필터(87) 및 로터 냉각제어밸브(88)를 가진다.

쿨러B(86)는 쿨러A(76)와 동일하게 중간차실(16)에서 추기된 압축공기를 냉각 가능한 것이면 어떠한 것이라도 좋고, 예를 들어 수냉식이어도 좋고 공냉식이어도 좋다. 관성필터(87)는 구부러진 유로가 내부에 형성되어 있고, 관성으로 직진하려고 하는 공기 중의 이물질을 포착하는 부분을 가지고 있는 것이다. 또한 여기에 이용하는 필터는 이와 같은 관성필터가 아니어도 된다. 또한 필터는 로터 냉각계(80)에 필수인 것이 아니며 생략해도 된다.

로터 냉각용라인(81)은 중간차실(16)과 쿨러B(86)를 접속하는 차실-쿨러B라인(82)과, 쿨러B(86)와 관성필터(87)를 접속하는 쿨러B-필터라인(83)과, 관성필터(87)와 중간차실(16)을 접속하는 필터-차실라인(84)과, 필터-차실라인(84)과 터빈(50)의 로터축(52)을 접속하는 차실 내 B라인(85)을 가진다. 로터냉각제어밸브(88)는 차실-쿨러라인에 설치되어 있다. 차실 내 B라인(85)은 터빈(50)의 로터축(52)에 형성되어 있는 상술한 냉각공기유로(52p)에 접속되어 있다.

연결계(90)는 고온부품 냉각용라인(71) 중의 공기를 로터 냉각용라인(81) 중으로 인도하는 연결라인(91)과 이 연결라인(91) 중에 설치되어 있는 연결제어밸브(98)를 가진다. 연결라인(91)의 일방의 단은 압축기-차실라인(74) 중의 부스터압축기(77)와 고온부품 냉각제어밸브(78) 사이의 위치에 접속되어 있다. 또한 연결라인(91)의 타방의 단은 쿨러B-필터라인(83)에 접속되어 있다. 연결계(90)는 또한, 연결제어밸브(98)의 동작을 제어하는 제어장치(100)를 가진다.

제어장치(100)는 외부로부터의 부하지령이나 각종 센서로부터의 신호 등이 입력하는 주 제어부(101)와, 주 제어부(101)로부터의 지시에 따라 연료유량조절밸브(35)의 개도를 제어하는 연료제어부(102)와, 부스터압축기(77)의 동작을 제어하는 압축기제어부(104)와, 냉각장치(60)의 각 제어밸브(78), (88), (98)의 동작을 제어하는 밸브제어부(105)를 가진다. 이 제어장치(100)의 밸브제어부(105)는 상술한 연결제어밸브(98)의 동작뿐만 아니라 고온부품 냉각제어밸브(78), 로터 냉각제어밸브(88)의 동작도 제어한다. 이 밸브제어부(105)와 압축기제어부(104)는 냉각장치(60)에 따른 각 구동기(각 제어밸브 및 부스터압축기(77))의 제어장치(103)를 구성한다.

이어서, 이상에서 설명한 가스터빈 설비의 동작에 대하여 설명한다.

가스터빈(10)의 운전 시 상술한 바와 같이 압축기(20)가 공기를 압축하여 압축공기를 생성한다.

제어장치(100)의 주 제어부(101)는 부하지령이나 각종 센서로부터의 신호에 따라 연료공급기(31)의 여러 개의 노즐(32)에 공급하는 연료의 유량을 정한다. 연료제어부(102)는 주 제어부(101)가 정한 연료의 유량에 따라 연료유량조절밸브(35)의 밸브개도를 정하고, 이 밸브개도를 나타내는 신호를 연료유량조정밸브(35)에 송신한다. 연료유량조절밸브(35)는 이 신호에 따라 구동하고, 신호를 나타내는 밸브개도가 된다. 이 결과 여러 개의 노즐(32)에는 주 제어부(101)가 정한 유량의 연료가 제공된다.

압축기(20)가 생성한 압축공기는 중간차실(16) 내를 개재하여 연소기(30)에 유입한다. 연소기(30)의 연료공급기(31)는 이 압축공기를 연소통(41) 내에 송출한다. 또한 연료공급기(31)의 여러 개의 노즐(32)은 연료유량조절밸브(35)를 거쳐온 연료를 연소통(41) 내에 분사한다. 이 연료는 연소통(41) 내의 압축공기 중에서 연소한다. 이 연소의 결과 연소가스(G)가 발생되고, 이 연소가스(G)가 연소통(41)에서 터빈(50)의 연소가스유로(59) 내에 유입한다. 이 연소가스(G)가 연소가스유로(59)를 통과함으로써 터빈로터(51)는 회전한다.

이 가스터빈(10)의 운전 시 고온부품 냉각계(70)의 고온부품 냉각제어밸브(78)는 밸브제어부(105)로부터의 지시로 열려 있고, 연결계(90)의 연결제어밸브(98)는 밸브제어부(105)로부터의 지시로 닫혀 있다. 또한 이 가스터빈(10)의 운전 시 고온부품 냉각계(70)의 부스터압축기(77)는 압축기제어부(104)로부터의 지시로 구동하고 있다. 따라서 중간차실(16) 내의 압축공기의 일부는 추기되고, 고온부품 냉각계(70)의 차실-쿨러A라인(72)을 거쳐 쿨러A(76)로 유입하여, 여기서 냉각된다. 냉각된 압축공기는 냉각공기로서 쿨러A-압축기라인(73)을 거쳐 부스터압축기(77) 내에 유입하여, 여기서 한층 더 승압된다. 이 냉각공기는 압축기-차실라인(74) 및 차실 내 A라인(75)을 개재하여 연소기(30)의 냉각공기 매니폴드(46) 내에 유입 가능하다.

냉각공기 매니폴드(46) 내에 유입한 냉각공기(CA)는 도 6에 나타낸 바와 같이 연소통(41)의 입구구멍(44)을 개재하여 연소통(41)의 냉각공기유로(43)를 통과하여 이 연소통(41)의 출구구멍(45)에서 중간차실(16) 내로 돌아간다. 쿨러A(76)에서 냉각된 압축공기인 냉각공기(CA)는 연소통(41)의 냉각공기유로(43)를 통과하는 과정에서 연소통(41)과 열교환하고, 연소통(41)을 냉각한다.

연소통(41)을 냉각하는 압축공기는 이상과 같이 중간차실(16) 내에서 추기되고, 부스터압축기(77)에 의해 승압되고 나서 연소통(41)의 냉각공기유로(43)를 개재하여 중간차실(16) 내로 돌려보내진다.

가스터빈(10)의 운전 시 로터 냉각계(80)의 로터 냉각제어밸브(88)는 밸브제어부(105)로부터의 지시로 열려 있다. 따라서 중간차실(16) 내의 압축공기의 일부는 추기되고, 로터 냉각계(80)의 차실-쿨러B라인(82)을 거쳐 쿨러B(86)로 유입하고, 여기서 냉각된다. 냉각된 압축공기는 냉각공기로서 쿨러B-필터라인(83)을 거쳐 관성필터(87) 내에 유입하여, 여기서 이물질이 제거된다. 이 냉각공기는 필터-차실라인(84) 및 차실 내 B라인(85)을 개재하여, 터빈로터(51)의 로터축(52)에 형성되어 있는 냉각공기유로(52p)에 유입한다. 냉각공기는 로터축(52)의 냉각공기유로(52p)를 흐르는 과정에서 로터축(52)과 열교환하여 로터축(52)을 냉각한다. 냉각공기는 또한 터빈로터(51)의 여러 개의 운동날개(53a)의 각각에 형성되어 있는 냉각공기유로(53p)에 유입한다. 냉각공기는 운동날개(53a)의 냉각공기유로(53p)를 흐르는 과정에서 운동날개(53a)와 열교환하여 운동날개(53a)를 냉각한다. 운동날개(53a)를 냉각한 냉각공기는 이 냉각공기유로(53p)에서 연소가스유로(59) 내에 유입하여 연소가스(G) 중에 혼입한다.

이상과 같이 가스터빈(10)에 연료가 공급되어 있는 가스터빈 운전 중에는 도 7에 나타낸 바와 같이 고온부품 냉각계(70)로부터의 냉각공기가 고온부품인 연소통(41)에 공급되어 연소통(41)이 냉각됨과 동시에(S1: 고온부품 냉각공정) 로터 냉각계(80)로부터의 냉각공기가 터빈로터(51)에 공급되어 터빈로터(51)가 냉각된다(S2: 제1 로터 냉각공정).

주 제어부(101)는 외부로부터의 부하지령 등에 의해 연료제어부(102)에 대하여 연료공급의 정지를 지시함과 동시에 밸브제어부(105)에 대하여 연료공급정지를 통지한다. 연료제어부(102)는 이 지시를 받으면 연료유량조절밸브(35)에 대하여 밸브개도0을 나타내는 신호를 송신한다. 다시 말해 연료제어부(102)는 연료유량조절밸브(35)에 대하여 밸브 클로즈를 지시한다. 이 결과 연료유량조절밸브(35)가 닫히고, 연료공급기(31)의 여러 개의 노즐(32)에는 연료가 흐르지 않게 된다.

또한 밸브제어부(105)는 주 제어부(101)에서 연료공급정지의 통지를 받으면 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)에 대하여 밸브 클로즈를 지시함과 동시에 연결제어밸브(98)에 대하여 밸브 오픈을 지시한다. 이 결과 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)가 닫히고 연결제어밸브(98)가 열린다. 따라서 중간차실(16) 내의 공기의 일부가 추기되고, 고온부품 냉각계(70)의 차실-쿨러A라인(72)을 거쳐 쿨러A(76)로 유입하고, 여기서 냉각된다. 냉각된 공기는 냉각공기로서 쿨러A-압축기라인(73)을 거쳐 부스터압축기(77) 내에 유입하여, 여기서 승압된다. 이 냉각공기는 압축기-차실라인(74)의 일부, 연결계(90)의 연결라인(91)을 거쳐 로터 냉각계(80)의 관성필터(87) 내에 유입하고, 여기서 이물질이 제거된다. 이 냉각공기는 로터 냉각계(80)의 필터-차실라인(84) 및 차실 내 B라인(85)를 개재하여, 터빈로터(51)의 로터축(52)에 형성되어 있는 냉각공기유로(52p)에 유입한다. 냉각공기는 이 로터축(52)의 냉각공기유로(52p)를 흐르는 과정에서 로터축(52)과 열교환하여 로터축(52)을 냉각한다. 냉각공기는 또한 터빈로터(51)의 여러 개의 운동날개(53a)의 각각에 형성되어 있는 냉각공기유로(53p)를 거쳐 연소가스유로(59) 내에 유입한다.

가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하고 연소가스(G)가 생성되지 않으며 게다가 압축기로터(21)나 터빈로터(51)가 실질적으로 회전하지 않는 상태에서는 중간차실(16) 내의 압력과 연소가스유로(59)의 압력은 실질적으로 대기압과 동일하다. 그래서 본 실시형태에서는, 연료공급이 정지하고 있는 상태에서는 중간차실(16) 내에서 압축공기의 일부를 추기하여, 이것을 부스터압축기(77)로 승압하고 나서 터빈로터(51)에 송출하고, 이 터빈로터(51)를 냉각하고 있다(S3: 제2 로터 냉각공정).

이 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하고 있는 상태에서는 상술한 바와 같이 고온부품 냉각제어밸브(78)가 닫혀 있으므로, 고온부품 냉각계(70)의 부스터압축기(77)에 의해 승압된 냉각공기는 연소기(30)의 냉각공기 매니폴드(46)로 송출되지 않는다. 다시 말해 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하면 고온부품 냉각공정(S1)이 종료한다. 또한 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하고 있는 상태에서는 상술한 바와 같이 로터 냉각제어밸브(88)가 닫혀 있으므로, 중간차실(16) 내의 공기는 로터 냉각계(80)의 차실-쿨러B라인(82)을 거쳐 쿨러B(86)로 유입하지 않는다. 다시 말해 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하면 제1 로터 냉각공정(S2)도 종료한다.

즉, 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지되면 도 7에 나타낸 바와 같이 고온부품 냉각공정(S1) 및 제1 로터 냉각공정(S2)이 종료하는 한편, 제2 로터 냉각공정(S3)이 개시된다.

가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하고 연소가스(G)가 생성되지 않는 상태에서는 외기에 노출되어 있는 터빈차실(55)에 대하여, 터빈차실(55) 내에 배치되어 있는 터빈로터(51)의 온도가 내려가기 어렵다. 따라서 가스터빈(51)에의 연료공급의 정지 후에 따른 터빈차실(55)의 열팽창량의 단위시간당 감소량에 대하여, 터빈로터(51)의 열팽창량의 단위시간당 감소율이 적다. 따라서 터빈로터(51)에의 연료공급의 정지 후 터빈로터(51)의 운동날개(53a)의 지름방향 외측단과 터빈차실(55)의 내주면, 다시 말해 분할환(55b)의 내주면과의 간극인 팁 클리어런스(C)가 일시적으로 좁아진다. 이와 같이 팁 클리어런스(C)가 좁아진 상태일 때에 가스터빈(10)을 기동시키면 터빈로터(51)에 작용하는 원심력으로 운동날개(53a)의 지름방향 외측단의 위치가 지름방향 외측으로 변위하는 관계로, 터빈로터(51)의 운동날개(53a)와 터빈차실(55)의 내주면이 접촉할 우려가 있다.

그래서 본 실시형태에서는 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지하고, 연소가스(G)가 생성되지 않는 상태일 때에도 중간차실(16)에서 추기한 공기를 고온부품 냉각계(70)의 부스터압축기(77)로 승압하고, 이 공기를 터빈로터(51) 내에 송출하여, 터빈로터(51)를 냉각하고 있다.

그런데 가스터빈(10)에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 냉각필요기간을 경과하면 터빈로터(51) 및 터빈차실(55)이 충분히 냉각되어, 터빈로터(51)와 터빈차실(55)의 온도차가 거의 없어진다. 따라서 가스터빈(10)에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 냉각필요기간을 경과하면 팁 클리어런스(C)는 냉각필요기간 중에 터빈로터(51)를 냉각하지 않은 경우의 팁 클리어런스(C)보다 넓어져, 터빈로터(51)의 운동날개(53a)와 터빈차실(55)의 내주면이 접촉할 우려가 없어진다.

본 실시형태에서는 가스터빈(10)에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 냉각필요기간 중, 상술한 바와 같이 중간차실(16)에서 추기한 공기를 터빈로터(51) 내에 송출하고 터빈로터(51)를 냉각하고 있다. 따라서 도 7에 나타낸 바와 같이 이 냉각필요기간 중에 가스터빈(10)이 기동되고, 가스터빈(10)에의 연료공급이 재개되어도, 다시 말해 가스터빈(10)이 핫 스타트 되어도 터빈로터(51)의 운동날개(53a)와 터빈차실(55)의 내주면의 접촉을 억제할 수 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이 냉각필요기간(T) 중에 가스터빈(10)이 기동되고, 가스터빈(10)에의 연료공급이 재개되면 제2 로터 냉각공정(S3)은 종료하고, 제1 로터 냉각공정(S2) 및 고온부재 냉각공정(S1)이 재개된다. 즉, 가스터빈(10)에의 연료공급이 재개되면 밸브제어부(105)로부터의 지시에 의해 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)는 열리고 연결제어밸브(98)가 닫힌다.

또한 본 실시형태에서는 냉각필요기간(T) 중에 가스터빈(10)이 기동되지 않고 냉각필요기간(T)을 경과하면 주 제어부(101)는 압축기제어부(104)에 대하여 냉각필요기간(T)이 경과하였다는 것을 통지한다. 압축기제어부(104)는 이 통지를 받으면 부스터압축기(77)를 정지시킨다. 이 결과 냉각필요기간(T) 중에 가스터빈(10)이 기동되지 않고 냉각필요기간(T)을 경과하면 제2 로터 냉각공정(S3)도 종료한다.

이상과 같이 본 실시형태에서는 가스터빈(10)에의 연료 정지 후부터 냉각필요기간(T) 중 가스로터(51)를 냉각하고 있으므로, 이 냉각필요기간(T) 중에 가스터빈(10)이 기동되는 핫 스타트가 실시되어도 터빈로터(51)의 운동날개(53a)와 터빈차실(55)의 내주면의 접촉을 억제할 수 있다. 따라서 본 실시형태에서는 정상운전 시의 팁 클리어런스(C)를 보다 좁힐 수 있고, 가스터빈(10)의 효율을 높일 수 있다.

만일 고온부품 냉각계(70) 및 로터 냉각계(80)가 가스터빈(10)에 이미 설치되어 있는 경우 연결계(90)를 새롭게 설치함으로써, 본 실시형태의 냉각장치(60)를 구성 가능하므로 가스터빈(10)에의 연료 정지 후에 따른 터빈로터(51)의 냉각을 실시 가능하다. 따라서 본 실시형태에서는 가스터빈(10)에의 연료 정지 후에 따른 터빈로터(51)의 냉각장치를 별도 설치하는 경우보다도 설비비용을 억제할 수 있다.

(제1변형예)

이상에서 설명한 가스터빈 설비의 실시형태에 대한 제1변형예에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다.

본 변형예의 가스터빈 설비는 상기 실시형태의 가스터빈 설비에 따른 냉각장치(60)의 일부를 변경한 것이다.

본 변형예의 냉각장치(60a)에 따른 고온부품 냉각계(70a)는 상기 실시형태의 고온부품 냉각계(70)에 대기를 흡입하는 흡기라인(61)과, 흡기라인(61)을 통과하는 대기 중의 이물질을 제거하는 필터(62)와, 흡기라인(61)에 설치되는 흡기제어밸브(68)를 추가한 것이다.

흡기라인(61)은 일방의 단이 대기 개방되고, 타방의 단이 쿨러A-압축기라인(73)에 접속되어 있다. 필터(62)는 이 흡기라인(61)에 설치되어 있다. 또한 흡기제어밸브(68)는 흡기라인(61) 중인, 쿨러A-압축기라인(73)과의 접속위치와 필터(62) 사이에 설치되어 있다. 흡기제어밸브(68)는 제어장치(100)의 밸브제어부(105)에 의해 제어된다.

본 변형예에서는 가스터빈(10)에의 연료공급 중 밸브제어부(105)가 상기 실시형태와 동일하게 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)에 대하여 밸브 오픈을 지시함과 동시에 연결제어밸브(98)에 대하여 밸브 클로즈를 지시한다. 또한 본 변형예에서는 밸브제어부(105)가 흡기제어밸브(68)에 대하여 밸브 클로즈를 지시한다. 이 결과 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)가 열리고 연결제어밸브(98) 및 흡기제어밸브(68)가 닫힌다. 따라서 가스터빈(10)에의 연료공급 중 상기 실시형태와 동일하게 중간차실(16) 내의 압축공기가 고온부품 냉각계(70a)에 의해 추기되고, 또한 냉각되고 나서 이 압축공기가 냉각공기로서 연소통(41)에 공급된다. 또한 중간차실(16) 내의 압축공기가 로터 냉각계(80)에 의해 추기되고, 또한 냉각되고 나서 이 압축공기가 냉각공기로서 터빈로터(51)에 공급된다. 즉, 본 변형예에서도 가스터빈(10)에의 연료공급 중 상기 실시형태와 동일하게 고온부품 냉각공정(S1) 및 제1 로터 냉각공정(S2)이 실행된다.

또한 본 변형예에서도 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지되면 밸브제어부(105)가 상기 실시형태와 동일하게 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)에 대하여 밸브 클로즈를 지시함과 동시에 연결제어밸브(98)에 대하여 밸브 오픈을 지시한다. 또한 본 변형예에서는 밸브제어부(105)가 흡기제어밸브(68)에 대하여 밸브 오픈을 지시한다. 이 결과 고온부품 냉각제어밸브(78) 및 로터 냉각제어밸브(88)가 닫히고 연결제어밸브(98) 및 흡기제어밸브(68)가 열린다. 따라서 본 변형예에서는 필터(62) 및 흡기라인(61)을 개재하여 부스터압축기(77)에 외기가 냉각공기로서 주입되고 이것이 승압된다. 그 후 부스터압축기(77)로 승압된 냉각공기는 상기 실시형태와 동일하게 연결계(90)의 연결라인(91), 로터 냉각계(80)의 관성필터(87), 필터-차실라인(84) 및 차실 내 B라인(85)을 개재하여 터빈로터(51)에 공급된다.

외기의 온도는 기본적으로 가스터빈(10)에의 연료공급정지 후여도 중간차실(16) 내의 공기의 온도보다 낮다. 따라서 가스터빈(10)에의 연료공급정지 중에서 외기를 고온부품 냉각계(70a)에 주입하여도 터빈로터(51)를 냉각할 수 있다.

이상과 같이 본 변형예에서는 외기를 고온부품 냉각계(70a)에 주입하여, 이 외기를 냉각공기로서 터빈로터(51)로 공급함으로써 제2 로터 냉각공정(S3)을 실현하고 있다.

고온부품 냉각계(70a)의 쿨러A(76)가 예를 들어, 가스터빈(10)에의 연료공급정지 후, 중간차실(16) 내의 공기를 냉각 불가능한 것인 경우 본 변형예와 같이 터빈로터(51)의 냉각매체로서 외기를 주입함으로써 가스터빈(10)에의 연료공급이 정지되어 이후에 따른 터빈로터(51)의 냉각을 실현 가능하다.

또한 본 변형예에서는 쿨러A-압축기라인(73) 중에 흡기라인(61)과의 접속위치와 쿨러A(76)와의 사이 또는 차실-쿨러A라인(72)에 한층 더 제2흡기제어밸브를 설치해도 된다. 이 제2흡기제어밸브는 흡기라인(61) 중에 설치되는 흡기제어밸브(68)인 제1 흡기제어밸브(68)가 닫혀 있을 때 열리고, 제1 흡기제어밸브(68)가 열려 있을 때에 닫힌다. 이와 같이 제2흡기제어밸브를 설치함으로써 부스터압축기(77)는 제2 로터 냉각공정(S3)에서 흡기라인(61)을 개재하여 오로지 외기를 흡입하게 된다. 또한 제1 흡기제어밸브(68) 및 제2흡기제어밸브 대신에 삼각밸브를 설치해도 된다.

(제2변형예)

이상에서 설명한 가스터빈 설비의 실시형태에 대한 제2변형예에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다.

상기 실시형태 및 제1변형예의 고온부품 냉각계는 가스터빈(10)의 고온부품 중 연소통(41)을 냉각하는 것이다. 그러나 고온부품 냉각계는 다른 고온부품을 냉각하는 것이어도 된다.

예를 들어 도 9에 나타낸 바와 같이 냉각장치(60b)의 고온부품 냉각계(70b)는 여러 개의 고정날개(56a)를 냉각하는 것이어도 된다. 이 경우 고온부품 냉각계(70b)의 고온부품 냉각용라인(71b)은 터빈(50)의 여러 개의 고정날개(56a)에 접속된다. 고정날개(56a)에는 냉각공기가 흐르는 냉각공기유로(56p)가 형성되어 있다. 고온부품 냉각용라인(71b)은 이 냉각공기유로(56p)에 접속된다. 이 냉각공기유로(56p)는 고정날개(56a)의 표면에서 개구하고 있다. 다시 말해 고정날개(56a)에 형성되어 있는 냉각공기유로(56p)는 연소가스유로(59)에 연통하고 있다. 따라서 본 변형예에서는 고온부품인 고정날개(56a)를 냉각할 수 있다.

또한 본 변형예에서 연소통(41)의 냉각에는 예를 들어 증기를 이용하는 방법 등이 고려된다. 또한 본 변형예에서 냉각공기를 연소가스유로(59)로 방출하고 있으나 그 대신에 냉각공기를 회수해도 된다.

또한 고온부품 냉각계는 도 2에 나타낸 분할환(55b)을 냉각하는 것이어도 된다. 나아가 고온부품 냉각계는 각종 고온부품 중 여러 종류의 고온부품을 냉각하는 것이어도 된다.

(기타 변형예)

이상의 실시형태 및 변형예에서는 가스터빈(10)의 연료공급정지에 따라 즉시 고온부재냉각공정(S1) 및 제1 로터 냉각공정(S2)을 정지함과 동시에 제2 로터 냉각공정(S3)을 실행하고 있다. 그러나 가스터빈(10)의 연료공급정지에 따라 고온부재냉각공정(S1) 및 제1 로터 냉각공정(S2)을 정지한 후, 시간간격을 두고 제2 로터 냉각공정(S3)을 실행해도 된다.

또한 이상의 실시형태 및 변형예에서는 가스터빈(10)의 연료공급정지 후, 냉각필요기간(T) 중 가스터빈(10)이 기동되지 않으면 연속하여 제2 로터 냉각공정(S3)을 실행하고 있다. 그러나 냉각필요기간(T) 중 단속적으로 제2 로터 냉각공정(S3)을 실행해도 된다. 또한 가스터빈(10)의 연료공급정지 시에서 핫 리부트가 예정되어 있는 경우에만 제2 로터 냉각공정(S3)을 실행해도 된다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관한 일형태에 의하면 가스터빈 기동 시에 팁 클리어런스를 확보할 수 있다.

10: 가스터빈
11: 가스터빈로터
15: 가스터빈차실
16: 중간차실(또는 차실)
20: 압축기
21: 압축기로터
25: 압축기차실
30: 연소기
31: 연료공급기
41: 연소통(꼬리통 또는 고온부품)
43: 냉각공기유로
46: 냉각공기 매니폴드
50: 터빈
51: 터빈로터
52: 로터축
52p: 냉각공기유로
53: 운동날개단
53a: 운동날개
53p: 냉각공기유로
55: 터빈차실
55a: 터빈차실본체
55b: 분할환
56: 고정날개단
56a: 고정날개
56p: 냉각공기유로
60, 60a, 60b: 냉각장치
61: 흡기라인
62: 필터
68: 흡기제어밸브(제1 흡기제어밸브)
70, 70a, 70b: 고온부품 냉각계
71, 71b: 고온부품 냉각용라인
76: 쿨러A
77: 부스터압축기(또는 단순히 압축기)
78: 고온부품 냉각제어밸브
80: 로터 냉각계
81: 로터 냉각용라인
86: 쿨러B
87: 관성필터
88: 로터 냉각제어밸브
90: 연결계
91: 연결라인
98: 연결제어밸브
100: 제어장치
101: 주 제어부
102: 연료제어부
104: 압축기제어부
105: 밸브제어부

Claims

가스터빈에 대하여 독립적으로 운전 가능한 압축기를 가지고, 상기 가스터빈의 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 압축기로 승압하고 나서, 상기 가스터빈을 구성하는 부품으로 연소가스와 접하는 고온부품에 상기 공기를 인도하는 고온부품 냉각계와,
상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 공기를 상기 가스터빈의 로터로 인도하는 로터 냉각계와,
상기 가스터빈에의 연료공급정지 중에 상기 압축기로 승압된 상기 공기를 상기 로터 냉각계로 인도하는 연결계를 구비하고 있는, 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 고온부품 냉각계는 상기 압축기가 설치되고, 상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 공기를 상기 고온부품으로 인도하는 고온부품 냉각용라인을 가지고,
상기 연락계는 상기 고온부품 냉각용라인 중에서 상기 압축기가 설치되어 있는 위치보다도 상기 고온부품 측에 접속되어 상기 압축기로 승압된 상기 공기를 상기 로터 냉각계로 인도하는 연결라인과, 상기 연결라인에 설치되어 있는 연결제어밸브와, 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 연결제어밸브를 닫고, 연료공급정지 중에 상기 연결제어밸브를 여는 제어장치를 가지는, 냉각장치.
제2항에 있어서,
상기 고온부품 냉각계는 상기 고온부품 냉각용라인 중에서 상기 연락라인이 접속되어 있는 위치보다도 상기 고온부품 측에 설치되어 있는 고온부품 냉각제어밸브를 가지고,
상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 고온부품 냉각제어밸브를 열고, 연료공급정지 중에 상기 고온부품 냉각제어밸브를 닫는, 냉각장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 로터 냉각계는 상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여, 상기 공기를 상기 가스터빈의 로터에 인도하는 로터 냉각용라인과, 상기 로터 냉각용라인에 설치되어 있는 로터 냉각제어밸브를 가지고,
상기 연결라인은 상기 로터 냉각용라인 중에서 상기 로터 냉각제어밸브가 설치되어 있는 위치보다도 상기 로터 측에 접속되고,
상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 로터 냉각제어밸브를 열고 연료공급정지 중에 상기 로터 냉각제어밸브를 닫는, 냉각장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 시점까지의 냉각필요기간 중 적어도 일시적으로 상기 압축기를 구동시키고, 상기 냉각필요기간 중에 상기 가스터빈에의 연료공급이 재개되지 않으면 상기 냉각필요기간 경과 후에 상기 압축기를 정지시키는, 냉각장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온부품 냉각계는 상기 고온부품 냉각용라인 중에서 상기 압축기가 설치되어 있는 위치보다도 상기 차실 측에 접속되고, 대기를 흡입하는 흡기라인과, 상기 흡기라인을 통과하는 대기 중의 이물질을 제거하는 필터와, 상기 흡기라인 중에서 상기 필터보다도 상기 고온부품 냉각용라인과의 접속위치 측에 설치되어 있는 흡기제어밸브를 가지고,
상기 제어장치는 상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 흡기제어밸브를 닫고, 연료공급정지 중에 상기 흡기제어밸브를 여는, 냉각장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 냉각장치와,
상기 가스터빈을 구비하는, 가스터빈 설비.
가스터빈에 대하여 독립적으로 운전 가능한 압축기를 가지고, 상기 가스터빈의 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 압축기로 승압하고 나서, 상기 가스터빈을 구성하는 부품으로 연소가스와 접하는 고온부품에 상기 공기를 인도하는 고온부품 냉각계와,
상기 차실 내의 공기를 상기 차실에서 추기하여 상기 공기를 상기 가스터빈의 로터로 인도하는 로터 냉각계를 구비하고 있는 냉각장치의 운전방법에 있어서,
상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 압축기를 구동시켜 상기 고온부품 냉각계로부터의 공기를 상기 고온부품에 공급하여, 상기 고온부품을 냉각하는 고온부품 냉각공정과,
상기 가스터빈에의 연료공급 중에 상기 로터 냉각계로부터의 공기를 상기 로터에 공급하여, 상기 로터를 냉각하는 제1 로터 냉각공정과,
상기 가스터빈에의 연료공급정지 중에 상기 압축기를 구동시켜, 상기 로터 냉각계를 개재하여 상기 압축기로 승압된 공기를 상기 로터에 공급하여, 상기 로터를 냉각하는 제2 로터 냉각공정을 실행하는, 냉각장치의 운전방법.
제8항에 있어서,
상기 제2 로터 냉각공정에서는 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 로터 냉각계에의 유입을 촉진하고, 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 고온부품에의 유입을 억제하는, 냉각장치의 운전방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제2 로터 냉각공정에서는 상기 압축기로 승압되어 상기 로터 냉각계에 유입된 공기의 흐름으로서, 상기 로터 냉각계 내에 따른 상기 차실 측으로의 흐름을 억제하고, 상기 로터 냉각계 내에 따른 상기 로터 측에의 흐름을 촉진하는, 냉각장치의 운전방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온부품 냉각공정에서는 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 로터 냉각계에의 유입을 억제하고, 상기 압축기로 승압된 공기의 상기 고온부품에의 유입을 촉진하는, 냉각장치의 운전방법.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스터빈에의 연료 정지 후부터 사전에 정해진 시점까지의 냉각필요기간 중 적어도 일시적으로 상기 압축기를 구동시켜 상기 제2 로터 냉각공정을 실행하고,
상기 냉각필요기간 중에 상기 가스터빈에의 연료공급이 재개되면 상기 제2 로터 냉각공정을 종료하고, 상기 고온부품 냉각공정 및 상기 제1 로터 냉각공정을 실행하고,
상기 냉각필요기간 중에 상기 가스터빈에의 연료공급이 재개되지 않으면 상기 냉각필요기간 경과 후에 상기 압축기를 정지시켜 상기 제2 로터 냉각공정을 종료하는, 냉각장치의 운전방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 로터 냉각공정에서는 상기 압축기에 의해 상기 고온부품 냉각계 내에 대기를 흡입하여 상기 로터 냉각계를 개재하여 상기 대기를 상기 로터에 공급하는, 냉각장치의 운전방법.