KR20190003626A - 가변성 주입구 가이드 베인을 구비한 트윈 스풀 산업용 가스 터빈 엔진 - Google Patents

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KR20190003626A
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스티븐 이. 머레이
조셉 디. 브로스트메이어
러셀 비. 존스
배리 제이. 브라운
저스틴 티. 체이카
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플로리다 터빈 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

종래의 단일 스풀 산업용 엔진보다 2배의 출력을 생산하고 더운 날에는 최고 출력으로 작동하는 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진. 상기 엔진은 전력 그리드의 동기화된 속도로 발전기를 직접 구동시키는 고 스풀, 및 고압 터빈으로부터의 배기 가스로부터 저압 압축기(LPC)를 구동시키는 저압 터빈(LPT)을 갖는 저 스풀을 포함한다. 상기 저 스풀은 평온 조건보다 빠른 속도로 작동하여 높은 질량 유량을 생성한다. 터빈은 베인 에어포일이 내부 및 외부 버튼 사이에서 연장되고, 에어포일의 회전 중심이 에어포일의 공기역학적 압력 중심의 후방에 위치하는 가변성 IGV 조립체를 갖는다. 상기 에어포일 뒷전(TE)은 상기 에어포일 TE와 상기 터빈의 정적 부분 사이에서의 갭을 제거하기 위해 양쪽 버튼으로 연장된다.

Description

가변성 주입구 가이드 베인을 구비한 트윈 스풀 산업용 가스 터빈 엔진
(정부 라이센스 권리)
본 발명은 에너지부에 의해 승인된 계약번호 DE-FE0023975에 따라 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 그 발명에 대해 특정 권리를 가지고 있다.
본 발명은 일반적으로 트윈 스풀 산업용 가스 터빈 엔진에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 저압 터빈용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 갖는 2개의 스풀을 구비한 산업용 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.
대형 프레임 중하중용(heavy duty) 산업용 가스 터빈 엔진은 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 발전소에서 사용된다. 미국에서는 전력 그리드가 60Hertz로 작동하므로 산업용 엔진은 3,600rpm으로 작동하는 60Hertz의 발전기를 구동한다. 기어 박스가 효율을 약 1% 감소시킬 수 있기 때문에 엔진의 효율을 높이기 위해서 엔진은 기어 박스를 사용하지 않고 발전기를 직접 구동한다. 300MW의 전형적인 산업용 가스 터빈 엔진은 60Hertz의 발전기와 동기화된 속도로 3,600rpm으로 작동도록 설계된다. 엔진은 엔진을 통해 최대 질량 유량을 발생시켜 최대 전력을 생산하도록 설계된다. 산업용 엔진은 예를 들면, 특정 외부 공기 또는 주변 온도가 60℉인 ISO 데이(ISO day)라고 하는 것에 맞춰 설계되며, 외부 공기 온도가 매우 높은 온도, 예를 들면 90℉인 경우에 공기 질량은 밀도가 낮아 산업용 엔진을 통과하는 질량 유량이 적어질 것이므로, 산업용 엔진에 의한 전력 생산이 적어지기 때문에 발전기에 의해 생산된 전력이 적어진다. 3,000rpm으로 작동하는 엔진 및 발전기를 이용하여 50hertz로 작동하는 유럽 시장에 맞춰 설계된 산업용 엔진에 대해서 동일한 문제가 발생한다.
가변각 베인은 압축기 또는 터빈 통로를 통과하는 질량 유량을 변경하는데 사용된다. 일체형의 외부 및 내부 단부벽을 갖는 고정된 에어포일에 비해, 가변형 베인은 에어포일과 단부벽 사이에 누출 영역을 갖는다. 이들 누출 경로는 바람직하지 않은 공기역학적 손실을 유발한다. 에어포일의 소망의 흔들림각이 클수록 이들 갭을 최소화하는데 어려움이 많다. 조절가능한 베인 스로트를 갖는 사이클의 이점은 누출 단점보다 매우 크다.
가변성 주입구 가이드 베인은 압축기 및 터빈 모두에 사용된다. 그러나, 터빈 가변성 주입구 가이드 베인의 구조는 압축기 가변성 주입구 가이드 베인의 구조와는 다르다. 압축기의 경우, 압축기의 단(stage)을 통과하는 압축 공기의 압력이 증가함에 따라 유로의 높이가 감소한다. 따라서, 베인의 뒷전의 반경방향 또는 날개 폭방향 높이는 압축 공기의 유동 방향으로 감소한다. 이것은 압축 가스가 유동 방향으로 증가하거나 팽창하는 터빈의 경우와 반대이다. 따라서, 터빈의 경우 뒷전에 있는 베인의 날개 폭방향 높이가 증가한다. 그러므로, 뒷전에 있는 베인의 단부를 통한 누출은 이러한 구조로 인해 더 큰 영역을 가질 것이다.
갭의 조절 외에도, 최적의 회전축을 선택하기 위해 에어포일에 작용하는 공기력이 고려된다. 에어포일의 압력 중심은 모멘트가 0인 위치이다. 압력 중심을 통해 배치된 회전축은 마찰력을 초과하는 추가적인 힘 없이 움직여서 베인에 연결된다. 이러한 압력 중심은 에어포일의 엇갈림각이 변경될 때의 위치에 따라 달라질 수 있다.
대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진은 발전기를 최대 전력으로 구동하기 위해 최대 전력 출력을 유지하면서 광범위한 외부 공기 온도 범위 내에서 작동할 수 있다. 산업용 가스 터빈 엔진은 고 스풀과, 상기 고 스풀의 고압 압축기에 공급된 압축 공기를 생성하는 개별적으로 작동가능한 저 스풀 또는 터보 차저를 포함한다. 고 스풀은 고압 압축기, 연소기, 및 발전기를 직접 구동하고 60Hertz 또는 50Hertz와 같은 국부 전력 그리드와 동기화된 속도로 연속적으로 작동하여 전력을 생산하는 고압 터빈을 포함한다. 저 스풀 또는 터보 차저는 저압 압축기를 구동하는 저압 터빈을 포함한다. 하나 이상의 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 조정함으로써 다양한 주변 온도에서 동기 속도로 발전기의 속도가 연속적으로 작동될 수 있도록 상기 HPC, 상기 LPT, 및 상기 LPC 각각은 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 포함한다.
저 스풀 또는 터보 차저는 주변 온도 조건에 맞춰 설계된 엔진의 정상 작동 속도보다 높은 속도로 작동하도록 설계된다. 더운 날(정상 주변 온도 설계 조건보다 높음)에, 저 스풀은 더운 날의 조건 동안 발전기의 동기 속도로 작동하도록 고 스풀에 보다 높은 질량 유량을 공급하기 위해 보다 높은 속도로 작동해야 할 것이다.
고 스풀의 터보 차저로서 저 스풀을 사용하고, 저압 터빈 및 저압 압축기용 가변성 주입구 가이드 베인을 사용하기 때문에, 본 발명의 산업용 엔진은 임의의 공지된 산업용 가스 터빈 엔진의 전력 출력의 2배로 작동할 수 있다. 현재, 60hertz 시장에 적합한 공지의 최대 산업용 엔진은 약 350MW의 최대 전력 출력을 갖고, 50hertz 시장에 대해서는 약 500MW의 최대 전력 출력을 갖는다. 본 발명의 트윈 스풀의 터보 차저가 달린 산업용 가스 터빈 엔진은 60hertz 엔진의 경우 500MW를 초과하고 50hertz 엔진의 경우 720MW를 초과하여 생산할 수 있다.
저압 터빈을 갖는 산업용 가스 터빈 엔진과 같은 가스 터빈 엔진용의 터빈 가변성 주입구 가이드 조립체에 있어서, 가변성 주입구 가이드 베인 조립체는 직경이 큰 외부 버튼 및 내부 버튼 사이에서 연장되는 에어포일을 갖는 가이드 베인을 포함하고, 상기 에어포일은 뒷전와 터빈 하우징 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 에어포일 뒷전이 상기 2개의 버튼으로 연장된다. 에어포일은, 에어포일이 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 움직일 때 형성되는 임의의 갭을 감소시켜 터빈의 성능을 높이는 공기역학적 압력 중심으로부터 후방 또는 하류에 위치되는 회전 중심을 갖는다. 특정 누출 갭에 대해, 높은 에어포일 속도로 인해 누출 유량 및 단위 유량당 성능 손실이 전방 부분보다 터빈 에어포일의 후방 부분에서 더 크다.
일실시형태에 있어서, 전력 생산을 위한 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진은: 고압 압축기, 연소기 및 고압 터빈을 갖는 고 스풀; 국부 전력 그리드와 동기화된 속도로 고 스풀에 의해 직접 구동되어 전력을 생산하는 발전기; 저압 터빈 및 저압 압축기를 갖고, 상기 고압 터빈으로부터의 터빈 배기가 상기 저압 터빈을 구동하도록 상기 고 스풀과 연결되어 있는 저 스풀; 저압 압축기를 고압 압축기에 연결하여 압축 공기를 고압 압축기에 공급하는 압축 공기 라인; 저압 터빈용 제 1 가변성 주입구 가이드 베인 조립체; 및 저압 압축기용 제 2 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 포함하고, 상기 저압 터빈용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체는 상기 고 스풀이 평온일 및 고온일 동안에 최대 전력으로 작동할 수 있도록 상기 저압 압축기를 구동하여 출력을 조절한다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진은 고압 압축기용 제 3 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 더 포함한다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 상기 저 스풀은 통상의 질량 유량이 더운 날의 조건에서 상기 엔진을 통해 흐르고 상기 발전기를 최대 전력으로 구동시키도록 표준 ISO 작동 온도에 대해 요구되는 것보다 빠른 속도로 작동하도록 설계된다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 상기 저 스풀은 상기 고 스풀 내에서 회전하지 않는다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 상기 발전기는 60hertz 발전기이고, 상기 산업용 가스 터빈 엔진은 500MW를 생산할 수 있다.
상기 실시형태에 일측면에 있어서, 상기 발전기는 50hertz 발전기이고, 상기 산업용 가스 터빈 엔진은 720MW를 생산할 수 있다.
일실시형태에 있어서, 가스 터빈 엔진용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 구비한 터빈은: 터빈의 로터 블레이드의 유동 방향의 상류에 위치되고, 에어포일, 상부 버튼 및 하부 버튼을 갖는 가변성 주입구 가이드 베인을 포함하고, 상기 에어포일은 상부 버튼 및 하부 버튼 사이에서 연장되고, 앞전, 뒷전, 공기역학적 압력 중심 및 회전 중심을 갖고, 상기 회전 중심은 상기 에어포일의 공기역학적 압력 중심의 유동 방향의 하류에 위치되어 있다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 상기 에어포일의 상기 뒷전은 상기 상부 및 하부 버튼의 외부 반경으로부터 에어포일 코드방향에서 내측을 향해 위치되어 있다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 상기 에어포일의 상기 뒷전은 상기 에어포일의 뒷전과 누출물이 흐를 수 있는 상기 터빈의 정적 구조물(예를 들면, 터빈 하우징) 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 상부 버튼 및 하부 버튼 각각으로 연장된다.
일부 실시형태에 있어서, 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체용 에어포일에 있어서 가변성 주입구 가이드 베인 조립체는 외부 버튼 및 내부 버튼을 갖고, 에어포일은 앞전, 뒷전, 공기역학적 압력 중심 및 회전 중심을 포함하고, 상기 에어포일의 회전 중심은 에어포일의 공기역학적 압력 중심의 후방에 있고, 상기 에어포일은 외부 버튼 및 내부 버튼 사이에서 연장되고, 내부 및 외부 버튼 각각의 외부 반경은 에어포일의 코드방향으로 에어포일의 회전 중심으로부터 에어포일의 뒷전의 거리보다 크다.
상기 실시형태의 일양태에 있어서, 상기 내부 및 외부 버튼 각각의 외부 반경은 상기 에어포일의 코드방향으로 상기 에어포일의 회전 중심으로부터 상기 에어포일의 앞전의 거리보다 작다.
본 발명, 및 그것의 수반되는 이점 및 특징의 보다 완전한 이해는 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가변성 주입구 가이드 베인을 구비한 트윈 스풀 산업용 가스 터빈 엔진의 단면도를 도시하고;
도 2는 HRSG를 구비한 복합 사이클 발전소에 있어서의 도 1의 터보 차저가 달린 산업용 가스 터빈 엔진을 도시하고;
도 3은 본 발명에 따른 3개의 상이한 위치를 갖는 베인을 구비한 에어포일 압력 중심 뒤에 있는 회전축을 갖는 가변 형상 베인의 등각도를 도시하고;
도 4는 본 발명의 개방 에어포일 위치, 공칭 에어포일 위치, 및 폐쇄 에어포일 위치에서의 2개의 인접한 가변성 가이드 베인의 상면도를 도시하고;
도 5는 본 발명에 따른 단부벽 사이에 외부 직경 및 내부 직경을 갖는 터빈의 가변성 주입구 가이드 베인의 측면도를 도시하고;
도 6은 본 발명의 가이드 베인 에어포일 및 상부 버튼 배치의 확대도를 도시하고;
도 7은 본 발명의 가이드 베인 에어포일 및 하부 버튼 배치의 확대도를 도시한다.
본 발명은 공기 온도가 엔진 설계 온도보다 상당히 높은 더운 날에도 엔진(5)이 최대 전력으로 작동할 수 있는 전력 생산을 위해 사용되는 트윈 스풀 산업용 가스 터빈 엔진(5)(본원에서 간단히 엔진(5)이라고 함)이다. 도 1은 미국 시장에 적합한 60Hertz 또는 유럽 시장에 적합한 50Hertz로 작동하는 발전기(55)를 직접 구동하는(즉, 기어 박스 없이 구동하는) 고 스풀을 갖는 엔진(5)을 도시한다. 고 스풀은 고 스풀 샤프트(50)에 의해 고압 터빈(HPT)(52)에 연결된 고압 압축기(HPC)(51)를 포함한다. 고압 연소기(53)는 HPC(51)와 HPT(52) 사이에 연결된다. 가변성 주입구 가이드 베인(IGV) 조립체(57)는 고압 압축기(51)의 상류에 위치된다. 본 발명의 트윈 스풀의 터보 차저가 달린 산업용 가스 터빈 엔진(5)은 60hertz 엔진의 경우 500MW를 초과하고 50hertz 엔진의 경우 720MW을 초과하여 생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 2개의 단부벽에서의 누출 갭을 제거하기 위해서 에어포일의 회전축이 에어포일 상의 공기역학적 압력 중심의 후방에 위치되는 터빈용 가변성 주입구 가이드 베인이다. 이것은 공기역학적 압력 중심의 완전 후방에 있는 축 상의 저압 터빈의 입구에서 터빈 베인을 연결하기 위해 행해진다. 후방에 있는 이러한 회전축을 직경이 큰 단부벽 버튼과 결합하여 사용하면, 단부벽에 대한 에어포일의 OD 및 ID 계면의 여유 갭이 최소화된다. 공기역학적 압력 중심을 회전 중심 후방에 배치함으로써 에어 포일의 후방 부분에 걸친 누출 갭이 최소화된다. 특정 누출 갭에 대해, 높은 에어포일 속도로 인해 누출 유량 및 단위 유량당 성능 손실이 전방 부분보다 터빈 에어포일의 후방 부분에서 더 크다.
에어포일의 공기역학적 압력 중심의 후방에 중심을 둔 회전축은 시스템을 본질적으로 폐쇄하고자 하는 베인에 힘을 가하고, 이는 네거티브 시스템 기능으로 간주된다. 그러나, 에어포일과 단부벽의 갭을 최소화하는 이점은 현재의 최첨단 기술(즉, 축이 에어포일의 공기역학적 압력 중심의 전방에 있는 구성)에 대해 성능 개선이 이루어진다. 베인 스템을 연결하도록 구동되는 싱크 링 시스템의 추가적인 안전성은 액추에이터 힘이 베인을 원하는 각도로 위치시키는 풀 커맨드(full command)를 갖게 할 것이다.
다시 도 1을 참조하면, 저압 터빈(LPT)(61)을 갖는 저 스풀은 저 스풀 샤프트(60)에 의해 저압 압축기(LPC)(62)에 연결된다. 저 스풀은 고 스풀에 대해 터보 차저로서 기능한다. 제 1 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(58)는 LPT(61)의 상류에 위치된다. 제 2 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(64)는 LPC(62)의 상류에 위치된다. 항공기를 작동시키는 것 등의 전형적인 트윈 스풀 가스 터빈 엔진에서와 같이, 고 스풀이 저 스풀의 바깥쪽을 회전할 수 없기 때문에(즉, 동심원을 이룸) 고 스풀은 저 스풀과 개별적으로 작동할 수 있다. 또한, 고 스풀은 국부 전력 그리드의 속도와 동기화된 속도로 발전기(55)를 직접 구동하여 전력을 생산한다. LPC(62)는 LPC(62)로부터 압축 공기가 흐르는 배출구 볼류트(63)를 포함한다. 압축기 배출구 볼류트(63)는 튜브, 도관, 또는 파이프와 같은 압축 공기 라인(67)을 통해 HPC(51)의 입구 볼류트(56)에 연결된다.
도 2는 열 회수 증기 발생기(HRSG)(40)가 저압 터빈(LPT)(61)으로부터 배기되는 증기를 생성하는데 사용된 후, 제 2 발전기(38)를 구동시키는데 사용되는, 복합 사이클 발전소에 있어서의 도 1의 트윈 스풀의 터보 차저가 달린 산업용 가스 터빈 엔진을 도시한다. LPT(61)로부터의 고온 터빈의 배기 유동은 라인(68)을 통해 HRSG(40)로 흘러 고압 증기 터빈(36)을 통과한 후 저압 증기 터빈(37)으로 흐르는 증기를 생성하고 그 둘은 제 2 발전기(38)를 구동시킨다. HRSG(40)로부터의 더 차가운 배기가스는 HRSG(40)에 연결된 스택(41) 밖으로 흐른다. 제 1 인터쿨러(65)는 유동 제어 밸브(66)로 압축 공기 라인(67) 내의 저압 압축기(LPC)(62)로부터 압축 공기를 냉각하는데 사용될 수 있다. 또한, 터빈 에어포일 냉각 회로는 LPC(62)로부터의 압축 공기의 일부가 제 2 인터쿨러(71)를 거쳐 모터(73)에 의해 구동되는 냉각 회로 압축기(72)를 통과하여 압력을 증가시키는데 사용될 수 있으므로, 터빈 에어포일(76)은 압축 공기의 유동에 의해 냉각될 수 있고 고압 연소기(53) 내로 흐를 수 있는 충분한 압력이 남아 있을 수 있다. 냉각 회로 압축기(72)와 터빈 에어포일(76) 사이의 압축 공기 라인(75) 및 터빈 에어포일(76)과 고압 연소기(53) 사이의 압축 공기 라인(77)은 냉각 공기를 스테이터 베인과 같은 공랭식 터빈 에어포일로 유입시키거나 공랭식 터빈 에어포일로부터 배출시킨다. 유동 제어 밸브(80)를 구비한 부스트 압축기(78)는 고압 압축기(HPC)(51)의 공기를 가압하는데 사용될 수 있다.
작동시, HPC(51)로부터의 압축 공기는 고압 연소기(53)로 흐르고, 연료는 고압 터빈(HPT)(52)으로 흐르는 고온 가스 스트림을 생성하도록 연소된다. 그 후에, HPT(52)로부터의 고온 배기는 LPC(62)를 구동하기 위해 사용되는 LPT(61)로 흐른다. LPC(62)로부터의 압축 공기는 압축 공기 라인(67)을 통해 HPC(51)의 주입구(예를 들면, 주입구 볼류트(56))로 흐른다. 고 스풀은 발전기(55)를 구동시켜 전기를 생산한다. 3세트의 가변성 주입구 가이드 베인(57, 58, 64)은 HPC(51), LPT(61) 및 LPC(62)로의 압축 공기의 유동을 각각 조절하기 위해 사용된다.
ISO(International Organization for Standardization) 표준 하에서, 주변 외부 온도가 60℉인 표준일에 엔진(5)은 설계대로 최대 전력으로 작동할 것이다. 그러나, 더운 날(예를 들면, 90℉)에는 공기의 밀도가 적으므로, 종래의 엔진의 경우에는 엔진을 통과하는 공기의 유동이 낮아지고 엔진은 낮은 전력 레벨에서 작동할 것이다. 단일 스풀 산업용 엔진에 있어서 하나의 샤프트만 사용되고, 그 샤프트는 발전기를 구동한다. 따라서, 현재 알려진 단일 스풀 산업용 엔진은 추운 날이나 더운 날에는 한 속도로 작동하지만 둘 모두에 대해서는 작동하지 않도록 설계되어 있고, 이 속도는 미국 시장에서 60hertz, 유럽 시장에서 50hertz인 발전기의 속도이다. 더운 날(예를 들면, 90℉)에는 현재 알려진 단일 스풀 산업용 엔진이 설계된 속도로 작동하지만, 공기 밀도가 낮고 엔진을 통과하는 체적 유량이 적기 때문에 전력은 적다. 종래의 현재 알려진 2개의 스풀 산업용 엔진의 경우, 압축기(53), LPC(62), HPT(52) 및/또는 LPT(61)의 구조적인 설계에 대한 제한 및 터빈 가변성 주입구 가이드 베인의 부재는 가스 발전기 압축기/터빈의 물리적 속도를 ISO 데이(설계 속도)를 유지하는데 요구되는 레벨까지 엔진 유량/전력을 증가시켜야 한다.
대조적으로, 본 발명의 트윈 스풀 엔진에 있어서, 고 스풀은 발전기(55)를 구동하기 위해 사용되므로 상이한 주변 온도 중에서 발전기(55)의 설계된 속도로 연속적으로 작동한다(60hertz 엔진에 대해 3,600rpm 또는 50hertz 엔진에 대해 3,000rpm). 더운 날에는, 저밀도의 공기를 보충하기 위해 보다 많은 압축 공기가 HPC(51)로 전달되어 전력을 일정하게 유지하도록 LPC(62)와 함께 저 스풀이보다 고속으로 작동한다. LPT(61)에 대한 IGV 조립체(58)는 LPT(61)에 걸친 압력 비율을 증가 시키도록 폐쇄될 수 있으므로, LPT(61)의 출력을 증가시켜 LPC(62)를 고속으로 구동시키고 HPC(51)에 대해 보다 많은 압축 공기를 생성한다. 본 발명의 주요 구성 요소는 주변 온도(즉, 외부 공기 온도)가 구조적인 한계를 초과하지 않고 ISO 데이 조건보다 클 때에 물리적 속도(rpm)가 보다 빨라질 수 있도록 LPT(61)를 설계하는 것이다. 따라서, 저 스풀은 주변 온도 조건에 대해 설계된 통상 속도보다 빠른 속도로 작동하도록 설계된다. 예를 들면, 저 스풀은 90℉ 조건뿐만 아니라 60℉ 조건에서 작동하도록 설계되어, 저 스풀이 더운 날(90℉) 동안에 더 빠른 속도로 작동하고 고 스풀이 최대 전력으로 작동한다. 따라서, IGV 조립체(57, 58, 64)의 배열 및 그들의 동작은 엔진(5)의 최대 출력이 발전기(55)를 구동시키기 위해 사용되도록 고 스풀을 통해 일정한 질량 유량을 생성하는데 사용될 수 있다.
엔진(5)의 LPC(62) 및 LPT(61)는 표준 ISO 작동 온도(60℉)에 요구되는 것보다 더 빠른 물리적 속도를 위해 설계되어 통상의 질량 유량이 더운 날의 조건에서 엔진을 통해 흐르고 발전기(55)를 최대 전력으로 구동시킨다. 더운 날(예를 들면, 90℉)에, 엔진(5)를 통과하는 유동은 발전기 설계 속도로 고 스풀의 속도를 유지하면서 IGV 조립체(57, 58, 64)를 변경하여 ISO 데이에 비해 저 스풀의 속도를 증가시킴으로써 ISO 데이 레벨을 유지한다. 따라서, 엔진(5)은 주변 외부 공기 온도에 관계없이 최대 전력으로 작동할 것이다.
도 3은 에어포일의 압력 중심 뒤에 회전축을 갖는 가변성 주입구 가이드 베인(10)의 등각도를 나타낸다. 도 4는 도 3의 에어포일의 중간 스팬 섹션을 나타내고, 원 반경은 선택된 베인 회전축에 대해 베인 각으로 이어져 있을 때에 스로트 단면적 변화를 나타낸다. 도 5는 에어포일의 압력 중심의 후방 회전축과 이어져 있는 가변성 가이드 베인을 갖는 분기하는 터빈 유동 경로에 대해 최소화된 외경과 내경 단부 벽 사이에서의 외경 및 내경 갭을 나타낸다.
도 3은 터빈용 가변성 주입구 가이드 베인(10)의 에어폴드 중 하나를 나타내고, 상기 에어폴드(11)는 외부 또는 상부 버튼(12)과, 내부 또는 하부 버튼(13) 사이에서 연장되고, 조정 샤프트(14)는 상기 외부 버튼(12)으로부터 연장된다. 상기 2개의 버튼(12 및 13)은 종래 기술의 버튼과 비교할 때에 비교적 큰 직경의 버튼이다. 도 3은 하나의 극단에서 개방된 에어포일 위치(11A), 다른 극단에서 폐쇄된 에어포일 위치(11C), 및 그 사이에서 에어포일 공칭 위치(11B)를 갖는 3개의 위치 중 하나의 에어포일을 나타낸다. 3개의 위치 모두가 도 3에 나타내고 있지만, 상기 에어포일(11)은 임의의 시간에 나타낸 3개의 위치 중 하나에 있게 될 것이다. 상기 에어포일의 회전 중심(CR)은 점선으로 나타내고 있다. 비제한적인 예로서, 상기 가변성 주입구 가이드 베인(10)은 LPT(61)와 같은 터빈에 사용될 수 있고, 상기 터빈의 로터 블레이드의 유동 방향의 상류에 있을 수 있다.
도 4는 3개의 위치(11A, 11B 및 11C)에 나타낸 에어포일을 갖는 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체의 2개의 인접한 에어포일의 평면도를 나타낸다. 공기역학적 압력 중심(CP) 및 회전 중심(CR)은 2개의 에어포일(11) 각각에 대해서 나타내고 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 각각의 에어포일(11)의 회전 중심(CR)은 공기역학적 압력 중심(CP)의 후방에 위치한다(즉, CR은 CP의 유동 방향의 하류에 위치한다). 상기 인접한 에어포일(11)이 회전 중심(CR)에 대해 회전함에 따라, 인접한 에어포일(11) 사이의 간격은 DA에서 DC로 변화되고, DA는 11A 위치에서 인접한 에어포일 사이의 간격이고, DC는 11C에서 인접한 에어포일 사이의 간격이다. DA는 DC보다 크다. 간격(DB)은 공칭 위치(11B)에서 인접한 에어포일 사이의 간격이다. 도 4의 3개의 원은 다양한 3개의 위치(11A 내지 11C)에서 인접한 에어포일 사이의 간격과 동일한 반경을 갖는 뒷전으로부터의 원을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체의 에어포일(11) 중 하나를 나타내고, 에어포일(11)의 두 단부에서 상부 버튼(12) 및 하부 버튼(13)을 갖고 터빈 하우징 또는 다른 터빈 정적 구조물(23)에 장착된다. 상기 회전 중심(CR)은 공기역학적 압력 중심(CP)의 후방에 위치한다(즉, 에어포일(11)의 앞전(LE)보다 에어포일(11)의 뒷전(TE)에 더 가까움). 상기 에어포일(11)이 2개의 버튼(12 및 13)으로 종료되기 때문에, 에어포일(11)이 개방된 에어포일 위치(11A)로부터 폐쇄된 에어포일 위치(11C)로 피보팅될 때에 에어포일 뒷전(TE) 영역과 버튼 사이에 갭이 형성되지 않는다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 에어포일 뒷전(TE)은 2개의 버튼(12 및 13) 각각의 외부 반경으로부터 에어포일의 코드방향에서 내측을 향해 위치된다. 바꿔 말하면, 내부(12) 및 외부(13) 버튼 각각의 외부 반경은 상기 에어포일의 코드방향으로 상기 에어포일의 회전 중심으로부터 상기 에어포일의 뒷전(TE)의 거리보다 크다. 이것은 상기 에어포일(11)의 뒷전(TE)과 누출물이 흐를 수 있는 터빈의 정지 구조물(23) 사이의 임의의 갭을 제거할 수 있는 구조이다. 각각의 버튼(12, 13)의 반경은 에어포일의 코드방향으로 상기 에어포일의 회전 중심(CR)으로부터 상기 에어포일의 앞전(LE)의 거리보다 작다. 상기 에어포일(11)의 앞전(LE)이 2개의 버튼(12 및 13)의 외부 반경으로부터 에어포일의 코드방향에서 외측을 향해 위치되어 있기 때문에, 갭(21 및 22)은 에어포일(11)의 앞전 영역에 존재한다(그리고, 갭은 에어포일 위치(11A 내지 11C)로부터 변화한다). 따라서, 상기 뒷전(TE)과, 터빈 하우징 또는 다른 터빈 정적 구조물(23) 사이에 갭이 형성되지 않기 때문에, 상기 앞전(LE)과 상기 터빈 하우징(23) 사이에서 임의의 갭에 걸쳐서(예를 들면, 갭(21, 22)에 걸쳐서) 누출물이 흐를 수 없다. 상기 에어포일의 뒷전 높이는 상기 앞전 높이보다 크기 때문에, 상기 에어포일이 위치들 사이에서 피보팅될 때에 갭이 증가할 수 있다. 터빈의 고온 가스 때문에 압축기에서보다 터빈에서 보다 중요할 수 있다. 고온 가스 누출물은 성능 손실뿐만 아니라, 부식 및 열적 응력 문제로 인한 부품 수명 단축을 초래한다.
도 6은 상부 버튼(12)에서의 에어포일(11)을 나타내고, 상기 에어포일은 갭이 형성되지 않은 버튼으로부터 연장된다. 도 7은 에어포일과 하부 버튼(13) 사이에서 유사한 구조적인 배열을 나타낸다. 각각의 TE의 하부 스팬에도 갭이 형성되지 않는다. 따라서, 에어포일이 개방된 위치에서 폐쇄된 위치로 피보팅될 때, 누출물이 흐를 수 있는 뒷전 영역에는 어떠한 갭도 형성되지 않는다.
일실시형태에 있어서, 전력 생산을 위한 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진은: 고압 압축기(51), 연소기(53) 및 고압 터빈(52)을 갖는 고 스풀; 국부 전력 그리드와 동기화된 속도로 고 스풀에 의해 직접 구동되어 전력을 생산하는 발전기(55); 저압 터빈(61) 및 저압 압축기(62)를 갖고, 상기 고압 터빈(52)으로부터의 터빈 배기가 상기 저압 터빈(61)을 구동하도록 상기 고 스풀과 연결되어 있는 저 스풀; 저압 압축기(62)를 고압 압축기(51)에 연결하여 압축 공기를 고압 압축기(51)에 공급하는 압축 공기 라인(67); 저압 터빈(61)용 제 1 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(58); 및 저압 압축기(62)용 제 2 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(64)를 포함하고, 상기 저압 터빈(61)용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(58)는 상기 고 스풀이 평온일 및 고온일 동안에 최대 전력으로 작동할 수 있도록 상기 저압 압축기(62)를 구동하여 출력을 조절한다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진은 고압 압축기(51)용 제 3 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(57)를 더 포함한다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 저 스풀은 통상의 질량 유량이 더운 날의 조건에서 상기 엔진(5)을 통해 흐르고 상기 발전기(55)를 최대 전력으로 구동시키도록 표준 ISO 작동 온도에 대해 요구되는 것보다 빠른 속도로 작동하도록 설계된다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 저 스풀은 상기 고 스풀 내에서 회전하지 않는다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 발전기(55)는 60hertz 발전기이고, 상기 산업용 가스 터빈 엔진(5)은 500MW를 생산할 수 있다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 발전기(55)는 50hertz 발전기이고, 상기 산업용 가스 터빈 엔진(5)은 720MW를 생성할 수 있다.
일실시형태에 있어서, 가스 터빈 엔진용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 구비한 터빈은 터빈의 로터 블레이드의 유동 방향의 상류에 위치되고, 에어포일(11), 상부 버튼(12) 및 하부 버튼(13)을 갖는 가변성 주입구 가이드 베인(10)을 포함하고, 상기 에어포일(11)은 상부 버튼(12) 및 하부 버튼(13) 사이에서 연장되고, 앞전(LE), 뒷전(TE), 공기역학적 압력 중심(CP) 및 회전 중심(CR)을 갖고, 상기 회전 중심(CR)은 상기 에어포일(11)의 공기역학적 압력 중심(CP)의 유동 방향의 하류에 위치되어 있다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 에어포일의 상기 뒷전(TE)은 상기 상부 및 하부 버튼(12, 13)의 외부 반경으로부터 에어포일 코드방향에서 내측을 향해 위치되어 있다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 에어포일(11)의 상기 뒷전(TE)은 상기 에어포일(11)의 뒷전(TE)과 누출물이 흐를 수 있는 상기 터빈의 정적 구조물 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 상부 버튼(12) 및 상기 하부 버튼(13) 각각으로 연장된다.
일실시형태에 있어서, 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체용 에어포일(11)에 있어서, 상기 가변성 주입구 가이드 베인 조립체는 앞전(LE), 뒷전(TE), 공기역학적 압력 중심(CP) 및 회전 중심(CR)을 포함하고, 상기 에어포일의 회전 중심(CR)은 에어포일의 공기역학적 압력 중심(CP)의 후방에 있고, 상기 에어포일(11)은 외부 버튼(12) 및 내부 버튼(13) 사이에서 연장되고, 내부 및 외부 버튼(12, 13) 각각의 외부 반경은 상기 에어포일(11)의 코드방향으로 에어포일의 회전 중심(CR)으로부터 상기 에어포일의 뒷전(TE)의 거리보다 크다.
실시형태의 일양태에 있어서, 상기 내부 및 외부 버튼(12, 13) 각각의 외부 반경은 상기 에어포일(11)의 코드방향으로 상기 에어포일의 회전 중심(CR)으로부터 상기 에어포일의 앞전(LE)의 거리보다 작다.
본 발명은 당업자에 의해 본 명세서에 특별히 나타내고 설명된 것에 한정되지 않음을 이해될 것이다. 또한, 위에서 언급하지 않는 한 첨부된 도면은 모두 축적거리가 아니라는 것을 알아야 한다. 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어나지 않고 상기 교시에 비추어 다양한 수정 및 변형이 가능하고, 이하의 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (11)

  1. 전력 생산을 위한 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진(5)에 있어서, 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진은,
    고압 압축기(51), 연소기(53) 및 고압 터빈(52)을 갖는 고 스풀;
    국부 전력 그리드와 동기화된 속도로 고 스풀에 의해 직접 구동되어 전력을 생산하는 발전기(55);
    저압 터빈(61) 및 저압 압축기(62)를 갖고, 상기 고압 터빈(52)으로부터의 터빈 배기가 상기 저압 터빈(61)을 구동하도록 상기 고 스풀과 연결되어 있는 저 스풀;
    저압 압축기(62)를 고압 압축기(51)에 연결하여 압축 공기를 고압 압축기(51)에 공급하는 압축 공기 라인(67);
    저압 터빈(61)용 제 1 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(58); 및
    저압 압축기(62)용 제 2 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(64)를 포함하고,
    상기 저압 터빈(61)용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(58)는 상기 고 스풀이 평온일 및 고온일 동안에 최대 전력으로 작동할 수 있도록 상기 저압 압축기(62)를 구동하여 출력을 조절하는, 전력 생산을 위한 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고압 압축기(51)용 제 3 가변성 주입구 가이드 베인 조립체(57)를 더 포함하는, 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 스풀은 통상의 질량 유량이 더운 날의 조건에서 상기 엔진(5)을 통해 흐르고 상기 발전기(55)를 최대 전력으로 구동시키도록 표준 ISO 작동 온도에 대해 요구되는 것보다 빠른 속도로 작동하도록 설계되는, 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 스풀은 상기 고 스풀 내에서 회전하지 않는, 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(55)는 60hertz 발전기이고;
    상기 산업용 가스 터빈 엔진(5)은 500MW를 생산할 수 있는, 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기(55)는 50hertz 발전기이고;
    상기 산업용 가스 터빈 엔진(5)은 720MW를 생산할 수 있는, 상기 대형 프레임 중하중용 산업용 가스 터빈 엔진.
  7. 가스 터빈 엔진용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 구비한 터빈에 있어서,
    터빈의 로터 블레이드의 유동 방향의 상류에 위치되고, 에어포일(11), 상부 버튼(12) 및 하부 버튼(13)을 갖는 가변성 주입구 가이드 베인(10)을 포함하고,
    상기 에어포일(11)은 상부 버튼(12) 및 하부 버튼(13) 사이에서 연장되고, 앞전(LE), 뒷전(TE), 공기역학적 압력 중심(CP) 및 회전 중심(CR)을 갖고, 상기 회전 중심(CR)은 상기 에어포일(11)의 공기역학적 압력 중심(CP)의 유동 방향의 하류에 위치되어 있는, 가스 터빈 엔진용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 구비한 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 에어포일(11)의 상기 뒷전(TE)은 상기 상부 및 하부 버튼(12, 13)의 외부 반경으로부터 에어포일 코드방향에서 내측을 향해 위치되어 있는, 가스 터빈 엔진용 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 구비한 터빈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 에어포일(11)의 상기 뒷전(TE)은 상기 에어포일(11)의 뒷전(TE)과 누출물이 흐를 수 있는 상기 터빈의 정적 구조물 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 상부 버튼(12) 및 하부 버튼(13) 각각으로 연장되는, 가변성 주입구 가이드 베인 조립체를 구비한 터빈.
  10. 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체용 에어포일(11)에 있어서, 가변성 주입구 가이드 베인 조립체는 외부 버튼(12) 및 내부 버튼(13)을 갖고, 에어포일(11)은,
    앞전(LE), 뒷전(TE), 공기역학적 압력 중심(CP) 및 회전 중심(CR)을 포함하고,
    상기 에어포일의 회전 중심(CR)은 에어포일의 공기역학적 압력 중심(CP)의 후방에 있고,
    상기 에어포일(11)은 외부 버튼(12) 및 내부 버튼(13) 사이에서 연장되고,
    내부 및 외부 버튼(12, 13) 각각의 외부 반경은 상기 에어포일(11)의 코드방향으로 에어포일의 회전 중심(CR)으로부터 상기 에어포일의 뒷전(TE)의 거리보다 큰, 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체용 에어포일.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부 및 외부 버튼(12, 13) 각각의 외부 반경은 상기 에어포일(11)의 코드방향으로 상기 에어포일의 회전 중심(CR)으로부터 상기 에어포일의 앞전(LE)의 거리보다 작은, 터빈 가변성 주입구 가이드 베인 조립체용 에어포일.
KR1020187034161A 2015-11-02 2017-04-25 가변성 주입구 가이드 베인을 구비한 트윈 스풀 산업용 가스 터빈 엔진 KR20190003626A (ko)

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US201562249598P 2015-11-02 2015-11-02
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