WO2017065574A1 - 가스터빈의 냉각장치 - Google Patents

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김경국
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Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine, and more particularly, to configure a torque tube unit to be separated into a plurality of individual units, and to form a cooling air supply passage to supply the cooling air required for cooling the turbine disk unit to the torque tube unit.
  • the present invention relates to a gas turbine cooling apparatus capable of cooling.
  • a gas turbine is a kind of prime mover which injects combustion gas to the blade side of a turbine to obtain rotational force, and can be roughly divided into a compressor, a combustor, and a turbine.
  • the compressor receives a portion of the power generated from the rotation of the turbine and serves to compress the incoming air at high pressure, and the compressed air is delivered to the combustor side.
  • the combustor mixes and combusts compressed air and fuel to produce a high temperature combustion gas stream and injects it to the turbine side, and the injected combustion gas rotates the turbine to obtain rotational force.
  • the compressor and the turbine include a plurality of turbine disks having blades radially coupled to the outer circumference.
  • a compressor includes a larger number of turbine disks than turbines, hereinafter, a plurality of turbine disks disposed in the compressor is called a compressor section, and a plurality of turbine disks disposed on the turbine side is called a turbine section.
  • Each of the turbine disks is fastened to rotate together with a neighboring turbine disk, for example, so that rotational torque can be transmitted between neighboring turbine disks using a coupling method called Hirth coupling.
  • the respective turbine disks are fixed using tie rods.
  • the tie rods may be inserted to penetrate the center of each turbine disc, and may be fastened so that the turbine discs do not move in the axial direction through a pressurizing nut fastened to both ends of the tie rod.
  • the combustor is disposed between the compressor section and the turbine section, the compressor section and the turbine section are spaced apart from each other to form a space for the combustor arrangement, and can transmit the rotating torque generated in the turbine section to the compressor section.
  • Torque transmission member is additionally provided in the gas turbine.
  • Embodiments of the present invention intend to cool the turbine disk unit by forming a cooling air supply passage in the torque tube unit of the gas turbine.
  • a compressor disk unit provided in the gas turbine, the compressor disk cooling passage is formed; A torque tube unit adjacent to the compressor disk unit, the plurality of which are in close contact with each other and having a cooling air supply passage communicating with the compressor disk cooling passage; And a turbine disk unit having a turbine disk cooling passage in communication with the cooling air supply passage of the torque tube unit, wherein the torque tube unit is located between the compressor disk unit and the turbine disk unit and is provided in the gas turbine. Coupled to each other in close contact with each other along the axial direction of the rotating shaft, the torque tube unit remains connected to the compressor disk unit and the turbine disk unit, and the cooling air supply passage is at an edge of the torque yub unit. It is characterized by opening in the transverse direction along the axial direction.
  • the torque tube unit includes a first to n-th unit torque tube disposed between the compressor disk unit and the turbine disk unit, the first to n-th unit torque tube is any one of the torque tube located in front and It is characterized in that the state is assembled with each other via the connection member for maintaining the state coupled to each other and the other torque tube positioned in the rear position.
  • the first to n-th unit torque tube is characterized in that each having a T-shaped cross-sectional shape radially outward with respect to the rotation axis when viewed from the side by cutting in the longitudinal direction with respect to the rotation axis.
  • the first to n-th unit torque tubes further include a chamber unit that provides a space in which cooling air flows between the first to n-th unit torque tubes that are in close and close contact with each other along the axial direction of the rotation shaft.
  • At least one region of the chamber portion is characterized in that the area is increased toward the radially outward from the rotation axis.
  • the chamber portion is characterized in that it is formed symmetrically with respect to the rotation axis.
  • the cooling air supply passage is characterized in that extending through the unformed region of the chamber portion.
  • the cooling air supply passage is characterized in that it extends toward the turbine disk unit along the axial direction of the torque tube unit.
  • the cooling air supply passage is arranged in a state in which a plurality of spaced apart from each other at predetermined intervals along the circumferential direction of the torque tube unit, characterized in that made of a number corresponding to the turbine disk provided in the turbine disk.
  • Each cooling air supply passage is characterized in that formed in the same diameter.
  • the first to n-th unit torque tube of the torque tube unit is an inclined portion extending inclined toward the inner side toward the torque tube toward the inside, respectively, extending from the lower end of the inclined portion toward the rotation axis of the gas turbine Contains wealth.
  • the first to n-th unit torque tube is characterized in that the front and rear of the body formed with the cooling air supply passage is provided with an extended portion formed larger than the cooling air supply passage, respectively.
  • the compressor disk cooling passages are in communication with the upper side of the extension, and the cooling air supply passage is in communication with any one of the center or lower center of the extension.
  • the auxiliary cooling passage is formed with a diameter larger than the diameter of the cooling air supply passage, characterized in that for supplying cooling air to the turbine disk unit.
  • Embodiments of the present invention can stably supply cooling air to a turbine disk unit in which a high temperature condition is continuously maintained, thereby minimizing damage and deformation due to thermal deformation in an expensive turbine disk unit.
  • Embodiments of the present invention can be easily assembled and disassembled by dividing the torque tube unit into a plurality of unit torque tubes so that the worker can easily disassemble and assemble when the repair and inspection of the torque tube unit is necessary, thus improving the workability of the operator. This can be improved and the working time can be shortened to allow efficient inspection and repair of the gas turbine.
  • Embodiments of the present invention is easy to process because the opening is extended in a straight path so that the work for the processing of the cooling air supply passage formed in the torque tube unit is easy to improve the workability.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing a cooling apparatus of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an operating state diagram showing a state in which cooling air is moved through the cooling device of the gas turbine according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a longitudinal cross-sectional view showing a cooling apparatus of the gas turbine according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a longitudinal cross-sectional view showing a cooling apparatus of the gas turbine according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cooling apparatus of a gas turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 illustrates a state in which cooling air moves through a cooling apparatus of a gas turbine according to an embodiment of the present invention. The operation state diagram shown.
  • the gas turbine cooling apparatus 1 includes a compressor disk unit 100, a torque tube unit 200, and a turbine disk unit 300. It is composed.
  • the torque tube unit 200 is maintained in a state connected to the compressor disk unit 100 and the turbine disk unit 300.
  • the compressor disk unit 100 is provided with a plurality of compressor disks 102 from the left side with reference to the drawings, and the compressor disk cooling passages 110 are formed inward from the outer circumferential direction.
  • the compressor disk unit 100 is disposed in the state shown in the figure along the axial direction with respect to the rotation axis 4 disposed in the axial direction center of the gas turbine.
  • the compressor disc unit 100 extends with a slope in which the compressor disc cooling passage 110 is inclined downward toward the torque tube unit 200 as shown in the figure. Since the compressor disk cooling passage 110 extends inclined inward in the circumferential direction and communicates with the expansion unit 220 to be described later, the fluid can be stably moved.
  • the compressor disk cooling passage 110 may be formed with a spiral groove (not shown) along the inner axial direction, in which case the fluid may be moved in a vortex form to improve the moving speed. Therefore, the fluid can be supplied to the torque tube unit 200 or the turbine disk unit 300 which needs to be cooled quickly, thereby improving the cooling efficiency.
  • the disk cooling passage 110 formed in the compressor disk unit 100 is cooled in the torque tube unit 200 which will be described later. It may be in fluid communication with the air supply passage 210 and each other.
  • the disk cooling passage 110 is opened to a diameter corresponding to the cooling air supply passage 210 and is supplied with the high pressure air supplied to the compressor to the cooling air supply passage 210.
  • the disk cooling passage 110 is formed in the compressor disk 102 located closest to the torque tube unit 200 at the shortest distance.
  • the compressor disk unit 100 may be rotated at a high speed by the rotation torque transmitted from the turbine unit (not shown).
  • the compressor disk unit 102 is mounted on the outer circumferential surface of the compressor disk unit 100.
  • the torque tube unit 200 is located adjacent to the compressor disk unit 100, and a plurality of the torque tube units 200 are in close contact with each other, and cooling air supply passages 210 communicating with the compressor disk cooling passages 110 are formed.
  • the torque tube unit 200 is disposed between the compressor disk unit 100 and the turbine disk unit 300 and the first to n-th unit torque tubes 201 to 203 disposed based on the axial direction of the rotation shaft 4. ).
  • the torque tube unit 200 is coupled in close contact with each other along the axial direction of the rotary shaft 4 provided in the gas turbine, the cooling air supply passage 210 is at the edge of the torque yub unit 200 Opening in the transverse direction along the axial direction.
  • a plurality of cooling air supply passages 210 are disposed along edges when the torque tube unit 200 is viewed from the front in the axial direction of the rotation shaft 4, and the number thereof is not particularly limited.
  • cooling air supply passage 210 is laterally opened toward the turbine disk unit 300 along the axial direction of the torque tube unit 200, and the cooling air is laid out when the air is moved to the turbine disk unit 300. This can be simplified and quickly moved toward the turbine disk unit 300, contributing to improved cooling efficiency.
  • the first unit torque tube 201 has a T-shaped cross section radially outward of the rotation shaft 4 when cut out in the longitudinal direction based on the longitudinal cross section of the rotation shaft 4 and viewed from the side.
  • the turbine disk unit 300 can be stably supplied with cooling air for cooling and can be stably transmitted at the same time as the rotational force can be improved to improve the cooling efficiency and the power transmission efficiency.
  • the first to n th unit torque tubes 201 to 203 are in close contact with each other along the axial direction of the rotation shaft 4 and the first to n th unit torque tubes 201 to 203 that are in close contact with each other. It further comprises a chamber 400 for providing a space in which the cooling air is introduced between.
  • the chamber 400 includes an inlet 401 through which cooling air is introduced, and an inner end portion 402 via the cooling air supply passage 210.
  • the inlet 401 has a smaller opening area than the inner end 402 but is formed at a ratio shown in the drawing such that a large amount of cooling air flows into the inner region of the chamber 400 without any resistance.
  • the area of the chamber 400 increases in the radially outward direction from the rotation shaft 4, but the area increases toward the cooling air supply passage 210. Therefore, it may contribute to lowering the temperature of the compressed air via the first unit torque tube 201 as much as possible.
  • the chamber 400 is formed in each of the first to nth unit torque tubes 201 to 203 in close contact with each other, and a plurality of chambers 400 are formed at regular intervals along the axial direction of the rotation shaft 4 based on the drawings.
  • cooling chambers may be uniformly supplied to the first to n-th unit torque tubes 201 to 203, thereby uniformly supplying cooling air.
  • the chamber 400 according to the present exemplary embodiment may have a large size of the chamber 400 located at a specific position according to the temperature distribution state of the first to nth unit torque tubes 201 to 203.
  • the chamber 400 may be supplied with a large amount of cooling air, thereby improving cooling efficiency.
  • the cooling air supply passage 210 is opened in the transverse direction with respect to the radial direction of the torque tube unit 200, and more specifically, extends through the region in which the chamber part 400 is not formed.
  • the turbine disc unit Since the cooling air supply passage 210 passes through the first to nth unit torque tubes 201 to 203 made of solid solid, the turbine disc unit is not mixed with the cooling air introduced into the chamber 400. Supplied to 300. In this case, since the unstable flow of the fluid flow due to mixing does not occur and is moved separately, the flow safety in the chamber unit 400 and the flow safety of the compressed air moving through the cooling air supply passage 210 are improved.
  • the first unit torque tube 201 is formed in a T shape
  • the cooling air supply passage 210 is formed in a portion extending in a lateral direction among the portions formed in a T shape.
  • the first unit torque tube 201 has a front surface and a rear surface in a plane, and the cooling air supply passage 210 is opened in the transverse direction on the front and rear surfaces of the first unit torque tube 20a, so that the actual cooling air When the worker performs the processing for the supply passage 210 can be more easily working, the workability of the worker is improved and the working speed is improved.
  • the location of the cooling air supply passage 210 extends along a path via the location of the chamber 400 rather than the location shown in the drawing, the phenomenon that the cooling air is diffused in the chamber 400 may occur. Therefore, it is preferable to be formed at the above-mentioned position.
  • cooling air supply passage is formed in the inclined direction or the rounded direction instead of the transverse direction, processing may be relatively difficult, and thus it is most preferable to extend in the transverse direction as in the present invention.
  • first to n-th unit torque tubes 201 to 203 are all the same in shape, the first to n-th unit torque tubes 201 to 203 will be described based on the first unit torque tube 201 and the remaining second to n-th unit torque tubes 202 to 203 will be described. Description is omitted.
  • the first unit torque tube 201 extends vertically downward by a predetermined length toward the lower side of the body B facing the compressor disc unit 100 and then toward the inside of the body B.
  • An inclined portion 203 extending obliquely and an extension portion 204 extending from the lower end of the inclined portion 203 toward the rotation shaft 4 inserted into the gas turbine 1.
  • the first unit torque tube 20a has a chamber portion 400 formed of an empty space between adjacent second unit torque tubes 20b based on the drawing, and the cooling air supply passage 210 is the chamber portion. It extends in a straight line toward the turbine disk unit 300 along the axial direction of the rotation shaft 4 at the upper position of 400.
  • the chamber 400 is formed in the form shown in the drawings for improving the rotational force of the torque tube unit 200 described above, but it can be seen that it can be changed to other forms.
  • the cooling air supply passage 210 is advantageously penetrated in a straight line for easier drilling when drilling the torque tube unit 200, but is extended with a path other than straight as described above. It may also be possible.
  • the cooling air supply passage 210 is formed with a first diameter d1.
  • the first diameter d1 is not particularly limited to a specific diameter but is opened in consideration of the pressure of the high pressure air supplied through the compressor.
  • the cooling air supply passage 210 is all opened to the same diameter in the first to n-th unit torque tube (201 ⁇ 203). In this case, the drilling operation can be made easily, so as to improve the workability of the operator Movement instability of the cooling air due to the difference in diameter can be prevented.
  • the flow rate of the cooling air can be made constant, thereby improving cooling efficiency and unnecessary friction of the turbine disk unit 300 corresponding to the final cooling target. Can be minimized.
  • the cooling air supply passage 210 extends in a straight line along the axial direction of the torque tube unit 200, the cooling air supply passage 210 does not bend at an abrupt angle or extends obliquely at a specific position, so that the movement of the cooling air can be stably guided and the torque tube Even when the length of the unit 200 is long, a large amount of cooling air may be supplied toward the turbine disk unit 300, so that the turbine disk unit 300 may be stably cooled.
  • the first to n-th unit torque tubes 201 to 203 are provided with a connection member 202 to maintain the state coupled to each other in the front and rear positions are coupled in close contact with each other.
  • the reason why the plurality of torque tube units 200 according to the present embodiment is configured is that the torque tube unit 200 located at a specific position in the course of operating the gas turbine 1 for a long time fails or needs repair. Partial replacement of only the first unit torque tube 201 or the second unit torque tube 201 that requires repair or replacement without replacing the entire unit 200 may reduce the time required for repair and inspection. This increases the work efficiency of the operator and improves the utilization of the gas turbine (1) through rapid replacement.
  • the first to n th unit torque tubes 201 to 203 may be assembled with each other by the aforementioned connection member 202 or may be separated from each other, and the torque tube unit 200 may be separated from each other instead of a single configuration. It acts as an intermediary that can be composed of component assemblies.
  • the connecting member 202 is not particularly defined in a particular configuration but may be coupled to each other in a hirth coupling or other manner, which is typically used to secure the torque tube units to each other.
  • the first to n-th unit torque tubes 201 to 203 of the torque tube unit 200 have the cooling air supply passage 210 on the front and rear surfaces of the body B at positions where the cooling air supply passage 210 is formed.
  • the expanded portion 220 having a relatively larger diameter is provided.
  • the expansion unit 220 does not exactly match the cooling air supply passage 210 when the assembly is performed through the connecting member 202 while the first to nth unit torque tubes 201 to 203 are in close contact with each other. If not, the supply safety for a large amount of cooling air is improved by providing a predetermined free space through which the cooling air can stably move through the cooling air supply passage 210.
  • the expansion unit 220 may be within a predetermined range.
  • the assembly can be performed in a state in which the cooling air supply passage formed in the first unit torque tube 20a and the cooling air supply passage formed in the second unit torque tube 20b are in communication with each other.
  • the cooling air through the cooling air supply passage 210 is supplied to the turbine disk unit 300. Can be supplied stably.
  • the cooling air supply passage 210 is arranged in a state in which a plurality of spaced apart from each other at a predetermined interval along the circumferential direction of the torque tube unit 200, the turbine disk 320 provided in the turbine disk unit 300 And a number corresponding to.
  • the number of the cooling air supply passages 210 also includes n corresponding to the turbine disk 320.
  • cooling air can be supplied to the turbine disk 320 independently of each other, thereby improving durability and surface of the turbine disk 320 through stable cooling regardless of the location and environmental characteristics exposed to high temperature conditions. Can reliably protect. In addition, even long-term use can prevent problems due to cracks or breakage in advance.
  • the compressor disk cooling passage 110 communicates with an upper side of the expansion unit 220, and the cooling air supply passage 210 is located at any one of a center or a lower center of the expansion unit 220. Communicating.
  • the expansion unit 220 has a layout shown in the drawing for a stable movement of the cooling air because a large amount of cooling air is introduced and connected to the cooling air supply passage 210 in the compressor disk cooling passage 110 is different. .
  • An auxiliary cooling passage 206 is formed between the extension part 204 and the rotary shaft 4 to move cooling air, and the auxiliary cooling passage 206 is spaced outwardly from the rotary shaft 4 by a predetermined interval.
  • the gap is formed so that the cooling air can be supplied in the direction of the arrow so that the high pressure cooling air can be stably moved.
  • Cooling air moved through the auxiliary cooling passage 206 is moved toward the turbine disk unit 300 along the axis of rotation 4 as shown by the arrow. Cooling air is moved through the center of the turbine disk 320, and cooling air supplied through the auxiliary cooling passage 206 can achieve cooling at a lower position of the turbine disk 320, so that the turbine disk The overall cooling to 320 can be stably achieved.
  • auxiliary cooling passage 206 has a larger diameter than the cooling air supply passage 210, a large amount of cooling air can be supplied to the turbine disk unit 300 along the rotation shaft 4, so that the turbine disk unit ( In the case where there are a plurality of turbine disks 320 constituting 300, cooling is more stably and efficiently performed with the cooling air supply passage 210.
  • Turbine disk unit 300 is a turbine disk cooling passage 310 is formed in communication with the cooling air supply passage 210 of the torque tube unit 200, the turbine disk cooling passage 310 is the turbine disk 320 It is formed in the form penetrated through the rear from the front.
  • the turbine disk cooling passage 310 may be configured to have the same diameter as the diameter of the cooling air supply passage 210 or may be configured to reduce the diameter in the moving direction of the cooling air.
  • the torque tube unit 200 is a gasket for sealing to prevent leakage of the cooling air supplied through the cooling air supply passage 210 between the first to nth unit torque tubes 201 to 203. (Not shown) may be installed.
  • the gasket is formed in an O-ring shape.
  • the gasket is mounted in an area excluding the extension part 220 of the close contact surfaces where the first unit torque tube 20a and the second unit torque tube 20b are in close contact with each other.
  • the turbine disk unit 300 further includes an auxiliary chamber 302 which provides a space in which cooling air flows between the turbine disks which are in close contact with each other along the axial direction of the rotary shaft 4. do.
  • the auxiliary chamber part 302 has a smaller volume than the chamber part 400 and includes a first auxiliary passage 303 extending to a predetermined diameter so that the cooling air is supplied to the auxiliary chamber part 302. do.
  • the auxiliary chamber part 302 is formed for cooling the turbine disk unit 300, and unlike the chamber part 400 described above, cooling air is introduced through the first auxiliary passage 303.
  • the number of the first auxiliary passages 303 is not limited to the diameter shown in the drawing and may be increased in number.
  • the first auxiliary passage 303 induces supply of cooling air to the auxiliary chamber 302 and prevents backflow through the first auxiliary passage 303 after the cooling air is supplied to the auxiliary chamber 302.
  • the diameter is made small, and the extended length also extends to the length shown in the drawing.
  • the first auxiliary passage 303 extends to the middle of the radial length of the turbine disk, the longer the length is extended, the cooling air supplied to the auxiliary chamber 302 is the first auxiliary passage ( It may stay in the auxiliary chamber 302 for a predetermined time without being flowed back to the 303.
  • the auxiliary chamber part 302 may be formed in the same size or different sizes as shown in the figure. For example, when the high temperature is maintained according to the temperature distribution according to the position of the turbine disk unit 300, the size of the auxiliary chamber 302 is increased and the diameter of the first auxiliary passage 303 is also increased. Can be configured.
  • a large amount of cooling air may be supplied to the auxiliary chamber 302 through the first auxiliary passage 303, thereby improving cooling efficiency.
  • the first auxiliary passage 303 may be smaller in diameter toward the right side of the turbine disk unit 300 on the basis of the drawing, and the number communicated with the auxiliary chamber 302 may vary.
  • the turbine disk unit 300 maintained at a high temperature may include a plurality of openings having a large diameter or opening of the first auxiliary passage 303.
  • auxiliary chamber 302 formed at a position where the relatively low temperature is maintained may have one first auxiliary passage 303.
  • a gas turbine cooling apparatus will be described with reference to the drawings.
  • the description of the components (compressor disk unit, turbine disk unit, turbine disk) already described in FIG. 1 will be omitted.
  • the present embodiment is a modified form of the above-described embodiment shown in FIG. 1, and the cross section of the torque tube unit 200 is formed in an I shape instead of a T shape.
  • the location and shape of the cooling air supply passage 210 are the same as those of FIG. 1, the detailed description thereof will be omitted.
  • Cooling air can be supplied only in order to improve cooling efficiency for the turbine disk 300 exposed to a high temperature environment, thereby restraining phenomena such as material deformation or surface cracking to maximize the stable operation of the gas turbine.
  • the chamber part 400 is formed differently from the shape shown in FIG. 1 and the cooling air may be partially supplied or not supplied to the chamber part 400 according to the horizontal length of the lower part of the I-shape.
  • the chamber 400 may be selectively introduced with cooling air of a specific flow rate, and may have a different opening area for each position of the first to nth unit torque tubes 201 to 203. In this case, the criterion of the opened area is increased where the temperature is kept high, and that which is kept low is decreased.
  • the chamber unit 400 may selectively adjust the amount of cooling air introduced, so that the flow rate to be supplied to the turbine disk 320 may be adjusted to an optimal state, thereby improving design freedom for cooling.
  • a predetermined amount of cooling air may be supplied to the chamber 400, so that Depending on the capacity or amount of cooling air, designers can freely make design changes under optimal conditions.
  • the chamber part 400 may be partially opened toward the rotation shaft 4 based on the drawings for the inflow of cooling air.
  • the opened area is not particularly limited but varies depending on the temperature distribution of the first to nth unit torque tubes 201 to 203.
  • the number of openings may be increased to a plurality, and it may be possible to be inclined toward the chamber part 400.
  • Embodiments of the present invention can be applied to a gas turbine or similar component through effective cooling for the turbine disk unit to achieve a stable cooling.

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Abstract

가스터빈의 냉각장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치는 가스터빈에 구비되고 압축기 디스크 냉각통로가 형성된 압축기 디스크 유닛; 상기 압축기 디스크 유닛과 이웃하여 다수개가 서로 간에 밀착된 상태로 위치되며 상기 압축기 디스크 냉각통로와 각각 연통된 냉각 공기 공급 통로가 형성된 토크 튜브 유닛; 및 상기 토크 튜브 유닛의 냉각 공기 공급 통로와 연통된 터빈 디스크 냉각 통로가 형성된 터빈 디스크 유닛을 포함하되, 상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛 사이에 위치되고, 상기 가스터빈에 구비된 회전축의 축 방향을 따라 서로 간에 밀착된 상태로 결합되며, 상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛에 연결된 상태가 유지되고, 상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 유브 유닛의 가장자리에서 축 방향을 따라 횡 방향으로 개구된 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈의 냉각장치
본 발명은 가스터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토크 튜브 유닛이 다수개의 개별 단위체로 분리 가능하게 구성하고 상기 토크 튜브 유닛에 터빈 디스크 유닛의 냉각에 필요한 냉각 공기가 공급되도록 냉각 공기 공급 통로를 형성하여 냉각을 실시할 수 있는 가스터빈의 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 가스터빈은 연소가스를 터빈의 블레이드 측으로 분사하여, 회전력을 얻는 원동기의 일종으로서, 크게 압축기, 연소기 및 터빈으로 구분할 수 있다. 상기 압축기는 터빈의 회전으로부터 생성된 동력의 일부를 전달받아서 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 역할을 하게 되며, 압축된 공기는 연소기 측으로 전달된다.
상기 연소기는 압축 공기와 연료를 혼합 및 연소시켜 고온의 연소가스 흐름을 생성시키고 이를 터빈측으로 분사하며, 분사된 연소가스는 터빈을 회전시켜 회전력을 얻을 수 있도록 한다.
여기서, 압축기 및 터빈은 외주부에 방사상으로 결합되는 블레이드를 갖는 복수 개의 터빈 디스크를 포함한다. 통상적으로, 압축기에는 터빈 보다 많은 수의 터빈 디스크가 포함되는데, 이하에서는 압축기에 배치되는 복수 개의 터빈 디스크들을 압축기 섹션이라 칭하며, 터빈측에 배치되는 복수 개의 터빈 디스크를 터빈 섹션이라 칭한다.
상기 각각의 터빈 디스크들은 이웃한 터빈 디스크와 함께 회전하도록 체결되는데, 일 예로서 소위 Hirth coupling이라 칭하는 결합방식을 사용하여 이웃한 터빈 디스크 사이에서 회전토크가 전달될 수 있도록 결합된다. 아울러, 각각의 터빈 디스크들은 타이로드를 이용하여 고정된다.
상기 타이로드는 각각의 터빈 디스크의 중앙을 관통하도록 삽입되고, 타이로드 양단에 체결되는 가압너트를 통해 터빈 디스크들이 축 방향으로 움직이지 않도록 체결될 수 있다.
한편, 상기 압축기 섹션과 터빈 섹션의 사이에 연소기가 배치되므로, 압축기 섹션과 터빈 섹션은 연소기가 배치되기 위한 공간을 형성하도록 서로 이격되어 있고, 터빈섹션에서 생성된 회전토크를 압축기 섹션으로 전달할 수 있는 토크 전달부재가 가스터빈에 추가적으로 구비된다.
본 발명의 실시 예들은 가스터빈의 토크 튜브 유닛에 냉각 공기 공급 통로를 형성하여 터빈 디스크 유닛에 대한 냉각을 실시하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스터빈에 구비되고 압축기 디스크 냉각통로가 형성된 압축기 디스크 유닛; 상기 압축기 디스크 유닛과 이웃하여 다수개가 서로 간에 밀착된 상태로 위치되며 상기 압축기 디스크 냉각통로와 연통된 냉각 공기 공급 통로가 형성된 토크 튜브 유닛; 및 상기 토크 튜브 유닛의 냉각 공기 공급 통로와 연통된 터빈 디스크 냉각 통로가 형성된 터빈 디스크 유닛을 포함하되, 상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛 사이에 위치되고, 상기 가스터빈에 구비된 회전축의 축 방향을 따라 서로 간에 밀착된 상태로 결합되며, 상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛에 연결된 상태가 유지되고, 상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 유브 유닛의 가장자리에서 축 방향을 따라 횡 방향으로 개구된 것을 특징으로 한다.
상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛 사이에 배치된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브를 포함하고, 상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 전면에 위치된 어느 하나의 토크 튜브와 연결되고, 후면 위치에 위치된 다른 하나의 토크 튜브와 서로 간에 결합된 상태를 유지하기 위한 연결부재를 매개로 서로 간에 조립된 상태가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 회전축을 기준으로 종 방향에서 잘라서 측면에서 바라볼 때 상기 회전축을 기준으로 반경방향 외측으로 T자 단면 형태를 각각 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 회전축의 축 방향을 따라 서로 마주보는 상태로 밀착되고 밀착된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브 사이로 냉각 공기가 유입되는 공간을 제공하는 챔버부를 더 포함한다.
상기 챔버부의 적어도 어느 하나의 영역은 상기 회전축에서 반경방향 외측으로 갈수록 면적이 증가되는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버부는 상기 회전축을 기준으로 대칭으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 챔버부가 미형성된 영역을 경유하여 연장된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 튜브 유닛의 축 방향을 따라 상기 터빈 디스크 유닛을 향해 연장된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 튜브 유닛의 원주 방향을 따라 다수개가 소정의 간격으로 서로 간에 각각 이격된 상태로 배치되되, 상기 터빈 디스크에 구비된 터빈 디스크와 대응되는 개수로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 각각의 냉각 공기 공급 통로는 동일한 직경으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 토크 튜브 유닛의 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 토크 튜브를 향해전면과 후면이 내측을 향해 각각 경사지게 연장된 경사부와, 상기 경사부의 하단에서 상기 가스터빈의 회전축을 향해 각각 연장된 연장부를 포함한다.
상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 냉각 공기 공급 통로가 형성된 바디의 전면과 후면에 상기 냉각 공기 공급 통로 보다 크게 직경이 형성된 확장부가 각각 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 압축기 디스크 냉각통로는 상기 확장부의 상측과 연통되고, 상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 확장부의 중앙 또는 중앙 하측 중의 어느 한 곳과 각각 연통된 것을 특징으로 한다.
상기 연장부와 상기 회전축 사이에 냉각 공기가 이동되기 위해 보조 냉각 통로를 더 포함한다.
상기 보조 냉각 통로는 상기 냉각 공기 공급 통로의 직경에 비해 큰 직경으로 형성되고, 상기 터빈 디스크 유닛으로 냉각 공기를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들은 고온의 온도 조건이 지속적으로 유지되는 터빈 디스크 유닛으로 냉각 공기를 안정적으로 공급할 수 있어 고가의 터빈 디스크 유닛에서의 열 변형으로 인한 파손 및 변형을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 토크 튜브 유닛을 다수개의 단위 토크 튜브로 분할하여 조립 및 분해가 용이하여 상기 토크 튜브 유닛에 대한 수리 및 점검이 필요할 경우 작업자가 손쉽게 분해 조립을 실시할 수 있어 작업자의 작업성이 향상되고, 작업 시간을 단축하여 가스터빈에 대한 효율적인 점검 및 수리가 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 토크 튜브 유닛에 형성된 냉각 공기 공급 통로에 대한 가공을 위한 작업이 손쉽게 이루어지도록 일직선으로 연장된 경로로 개구되므로 가공이 용이하여 작업성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치를 도시한 종 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치를 통해 냉각 공기가 이동하는 상태를 도시한 작동 상태도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치를 도시한 종 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치를 도시한 종 단면도.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치를 도시한 종 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 냉각장치를 통해 냉각 공기가 이동하는 상태를 도시한 작동 상태도이다.
첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 의한 가스터빈의 냉각장치(1)는 압축기 디스크 유닛(100)과, 토크 튜브 유닛(200)과, 터빈 디스크 유닛(300)을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 토크 튜브 유닛(200)은 상기 압축기 디스크 유닛(100)과 상기 터빈 디스크 유닛(300)에 연결된 상태가 유지된다.
압축기 디스크 유닛(100)은 도면을 기준으로 좌측에서부터 다수개의 압축기 디스크(102)가 구비되고, 압축기 디스크 냉각통로(110)가 원주 방향 외측에서 내측을 향해 형성된다. 그리고 상기 압축기 디스크 유닛(100)은 가스터빈의 축 방향 중앙에 배치된 회전축(4)을 기준으로 축 방향을 따라 도면에 도시된 바와 같은 상태로 배치된다.
압축기 디스크 유닛(100)은 압축기 디스크 냉각통로(110)가 도면에 도시된 바와 같이 상기 토크 튜브 유닛(200)을 향해 하향 경사진 기울기로 연장된다. 상기 압축기 디스크 냉각 통로(110)는 원주 방향에서 내측을 향해 경사지게 연장되고 후술할 확장부(220)와 연통되므로 유체의 이동이 안정적으로 이루어질 수 있다.
상기 압축기 디스크 냉각통로(110)는 내측 축 방향을 따라 나선 형태의 홈(미도시)이 형성될 수 있으며, 이 경우 유체가 와류 형태로 이동될 수 있어 이동 속도가 향상될 수 있다. 따라서 신속하게 냉각이 필요한 토크 튜브 유닛(200) 또는 터빈 디스크 유닛(300)으로 유체를 공급할 수 있어 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 압축기 디스크 유닛(100)은 정면에서 바라볼 때 회전축(4)을 기준으로 방사형태로 배치되므로 압축기 디스크 유닛(100)에 형성된 디스크 냉각통로(110)가 후술할 토크 튜브 유닛(200)의 냉각 공기 공급 통로(210)와 서로 간에 유체 이동 가능하게 연통될 수 있다.
상기 디스크 냉각통로(110)는 직경이 상기 냉각 공기 공급 통로(210)와 대응되는 직경으로 개구되고 압축기에 공급된 고압의 공기를 공급받아 상기 냉각 공기 공급 통로(210)로 공급한다. 또한 토크 튜브 유닛(200)과 최 단거리로 인접한 곳에 위치된 압축기 디스크(102)에 상기 디스크 냉각통로(110)가 형성된다.
압축기 디스크 유닛(100)은 터빈 유닛(미도시)에서 전달된 회전 토크에 의해 고속으로 회전될 수 있으며 이를 위해 상기 압축기 디스크 유닛(100)의 외주면에 압축기 디스크(102)가 장착된다.
토크 튜브 유닛(200)은 압축기 디스크 유닛(100)과 이웃하여 다수개가 서로 간에 밀착된 상태로 위치되며 압축기 디스크 냉각통로(110)와 각각 연통된 냉각 공기 공급 통로(210)가 형성된다.
토크 튜브 유닛(200)은 상기 압축기 디스크 유닛(100)과 상기 터빈 디스크 유닛(300) 사이에 배치되며 회전축(4)의 축 방향을 기준으로 배치된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)를 포함한다.
상기 토크 튜브 유닛(200)은 가스터빈에 구비된 회전축(4)의 축 방향을 따라 서로 간에 밀착된 상태로 결합되며, 상기 냉각 공기 공급 통로(210)는 상기 토크 유브 유닛(200)의 가장자리에서 축 방향을 따라 횡 방향으로 개구된다.
냉각 공기 공급 통로(210)는 상기 토크 튜브 유닛(200)을 회전축(4)의 축 방향을 기준으로 정면에서 바라볼 때 가장자리를 따라 다수개가 배치되며 특별히 개수는 한정하지 않는다.
또한 냉각 공기 공급 통로(210)는 토크 튜브 유닛(200)의 축 방향을 따라 터빈 디스크 유닛(300)을 향해 횡 방향으로 개구되며, 냉각공기가 상기 터빈 디스크 유닛(300)으로 이동될 경우 레이 아웃이 간단해지고 상기 터빈 디스크 유닛(300)을 향해 신속하게 이동될 수 있어 냉각 효율 향상에 기여할 수 있다.
제1 단위 토크 튜브(201)는 회전축(4)의 종 단면도를 기준으로 종 방향에서 잘라서 측면에서 바라볼 때 상기 회전축(4)의 반경방향 외측으로 T자 단면 형태를 갖는다.
이 경우 상기 토크 튜브 유닛(200)이 회전될 경우 원주 방향 외측으로 원심력이 증가되어 회전력을 보다 용이하게 터빈 디스크 유닛(300)으로 전달할 수 있다. 따라서 토크 튜브 유닛(200)의 회전력 전달 효율이 향상된다.
따라서 터빈 디스트 유닛(300)은 냉각을 위한 냉각공기를 안정적으로 공급받고 회전력도 동시에 안정적으로 전달받을 수 있어 냉각 효율 향상과 동력 전달 효율도 동시에 향상될 수 있다.
본 실시 예에 의한 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)는 상기 회전축(4)의 축 방향을 따라 서로 마주보는 상태로 밀착되고 밀착된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203) 사이로 냉각 공기가 유입되는 공간을 제공하는 챔버부(400)를 더 포함한다.
상기 챔버부(400)는 냉각 공기가 유입되는 입구(401)와, 냉각 공기 공급 통로(210)가 경유하는 내측 단부(402)를 포함한다. 상기 입구(401)는 내측 단부(402) 보다 개구된 면적이 작게 형성되나 다량의 냉각 공기가 챔버부(400)의 내측 영역으로 별다른 저항 없이 유입되도록 도면에 도시된 비율로 형성된다.
특히 챔버부(400)는 상기 회전축(4)에서 반경방향 외측으로 갈수록 면적이 증가되는데 상기 냉각 공기 공급 통로(210)를 향해 면적이 증가된다. 따라서 상기 제1 단위 토크 튜브(201)를 경유하는 압축 공기의 온도를 최대한 하강시키는데 기여할 수 있다.
챔버부(400)는 서로 간에 밀착된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)에 각각 형성되고 도면을 기준으로 회전축(4)의 축 방향을 따라 다수개가 일정 간격으로 형성된다. 그리고 챔버부(400)는 회전축(4)을 기준으로 대칭되므로 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)에 일정하게 냉각 공기를 공급할 수 있어 균일하게 냉각 공기를 공급할 수 있다.
본 실시 예에 의한 챔버부(400)는 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)의 온도 분포 상태에 따라 특정 위치에 위치된 챔버부(400)의 크기가 크게 형성될 수 있다. 이 경우 해당 챔버부(400)는 다량의 냉각 공기가 공급될 수 있어 냉각 효율이 향상된다.
냉각 공기 공급 통로(210)는 토크 튜브 유닛(200)의 반경 방향을 기준으로 횡 방향에 개구되어 있으며, 보다 상세하게는 상기 챔버부(400)가 미 형성된 영역을 경유하여 연장된다.
상기 냉각 공기 공급 통로(210)는 내부가 채워진 솔리드로 이루어진 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)을 경유하므로 챔버부(400)로 유입된 냉각 공기와 혼합되지 않고 독립적으로 터빈 디스크 유닛(300)으로 공급된다. 이 경우 혼합으로 인한 유체 유동의 불안정한 유동이 발생되지 않고 개별적으로 이동되므로 챔버부(400)에서의 유동 안전성과 상기 냉각 공기 공급 통로(210)를 통해 이동하는 압축 공기의 유동 안전성이 향상된다.
일 예로 제1 단위 토크 튜브(201)는 전술한 바와 같이 T자 형태로 형성되고, 상기 냉각 공기 공급 통로(210)는 T자 형태로 형성된 부분 중 횡 방향으로 연장된 부분에 형성된다.
상기 제1 단위 토크 튜브(201)는 전면과 후면이 평면으로 이루어지고, 상기 제1 단위 토크 튜브(20a)의 전, 후면에 냉각 공기 공급 통로(210)가 횡 방향으로 개구 되므로 실제 상기 냉각 공기 공급 통로(210)에 대한 가공을 작업자가 실시할 때 보다 손쉽게 작업 할 수 있어 상기 작업자의 작업성이 향상되고 작업 속도가 향상된다.
만약 냉각 공기 공급 통로(210)의 위치가 도면에 도시된 위치가 아닌 챔버부(400)의 위치를 경유하는 경로를 따라 연장될 경우 냉각 공기가 챔버부(400)에서 확산되는 현상이 발생될 수 있으므로 전술한 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
또한 냉각 공기 공급 통로가 횡 방향이 아닌 경사진 방향 또는 라운드진 방향으로 형성될 경우 가공이 상대적으로 어려워질 수 있으므로 본 발명과 같이 횡 방향으로 연장되는 것이 가장 바람직하다.
상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)는 모두 형태가 동일하므로 상기 제1 단위 토크 튜브(201)를 기준으로 설명하며 나머지 제2 내지 제n 단위 토크 튜브(202 ~203)에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 단위 토크 튜브(201)는 상기 압축기 디스크 유닛(100)을 바라보는 바디(B)의 전면과 후면은 하측을 향해 일정 길이만큼 수직 하향되게 연장된 후에 상기 바디(B)의 내측을 향해 경사지게 연장된 경사부(203)와, 상기 경사부(203)의 하단에서 상기 가스터빈(1)에 삽입된 회전축(4)을 향해 연장된 연장부(204)를 포함한다.
상기 제1 단위 토크 튜브(20a)는 도면을 기준으로 이웃한 제2 단위 토크 튜브(20b) 사이가 빈 공간으로 이루어진 챔버부(400)가 형성되는데, 냉각 공기 공급 통로(210)는 상기 챔버부(400)의 상측 위치에서 회전축(4)의 축 방향을 따라 터빈 디스크 유닛(300)을 향해 일직선으로 연장된다.
챔버부(400)는 전술한 토크 튜브 유닛(200)의 회전력 향상을 위해 도면에 도시된 형태로 형성되나 다른 형태로 변경되는 것도 가능함을 밝혀 둔다.
상기 냉각 공기 공급 통로(210)는 토크 튜브 유닛(200)에 대한 드릴링 가공을 실시할 때 보다 용이한 드릴링 작업을 위해 일직선으로 관통되는 것이 유리하나 전술한 바와 같은 일직선이 아닌 다른 경로를 갖고 연장되는 것도 가능할 수 있다.
냉각 공기 공급 통로(210)는 제1 직경(d1)으로 형성되는데, 상기 제1 직경(d1)은 특별히 특정 직경으로 한정하지 않으나 압축기를 통해 공급되는 고압 상태의 공기의 압력을 고려하여 개구된다.
또한 본 실시 예에 의한 냉각 공기 공급 통로(210)는 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)에 모두 동일한 직경으로 개구된다.이 경우 드릴링 작업이 손쉽게 이루어질 수 있어 작업자의 작업성 향상과 직경 차이로 인한 냉각 공기의 이동 불안정 현상을 예방할 수 있다.
또한 위와 같이 냉각 공기 공급 통로(210)의 직경이 모두 동일하게 구성될 경우 냉각 공기의 유량을 일정하게 할 수 있어 최종적인 냉각 대상물에 해당되는 터빈 디스크 유닛(300)의 냉각 효율 향상과 불필요한 마찰 발생을 최소화 할 수 있다.
또한 냉각 공기 공급 통로(210)가 토크 튜브 유닛(200)의 축 방향을 따라 일직선으로 연장되므로 특정 위치에서 급격한 각도로 굴곡지거나 경사지게 연장되지 않으므로 냉각 공기의 이동이 안정적으로 가이드 될 수 있고 상기 토크 튜브 유닛(200)의 길이가 길어지는 경우에도 상기 터빈 디스크 유닛(300)을 향해 다량의 냉각 공기가 공급될 수 있어 상기 터빈 디스크 유닛(300)의 안정적인 냉각을 도모할 수 있다.
상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)는 전면과 후면 위치에서 서로 간에 결합된 상태를 유지하기 위해 연결부재(202)가 구비되어 있어 서로 간에 밀착된 상태로 결합된다.
본 실시 예에 의한 토크 튜브 유닛(200)이 다수개로 구성되는 이유는 장기간 가스터빈(1)이 작동되는 과정에서 특정 위치에 위치된 토크 튜브 유닛(200)이 고장 나거나 수리가 필요한 경우 상기 토크 튜브 유닛(200) 전체를 교환하지 않고 수리 또는 교체가 필요한 제1 단위 토크 튜브(201) 또는 제2 단위 토크 튜브(201)에 대해서만 부분 교체를 통해 수리 및 점검에 따른 시간을 단축할 수 있다. 이를 통해 작업자의 작업 효율성이 증가되고 신속한 교체를 통해 가스터빈(1)의 활용성이 향상된다.
제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)은 전술한 연결부재(202)에 의해 서로 간에 조립된 상태가 유지되거나, 서로 간에 분리될 수 있으며 토크 튜브 유닛(200)이 단일 구성이 아닌 개별 구성 조립체로 구성될 수 있는 매개체 역할을 한다.
연결부재(202)는 특별히 특정 구성으로 정의하지 않으나 통상적으로 토크 튜브 유닛을 서로 간에 고정하기 위해 사용되는 hirth 커플링 또는 다른 방식으로 서로 간에 결합될 수 있다.
상기 토크 튜브 유닛(200)의 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)는 냉각 공기 공급 통로(210)가 형성된 위치에서 바디(B)의 전면과 후면에 상기 냉각 공기 공급 통로(210)보다 상대적으로 크게 직경이 형성된 확장부(220)가 구비된다.
상기 확장부(220)는 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)를 서로 간에 밀착시킨 상태에서 연결부재(202)를 통해 조립을 실시할 때 냉각 공기 공급 통로(210)가 정확히 일치하지 않는 경우에도 냉각 공기가 냉각 공기 공급 통로(210)를 통해 안정적으로 이동할 수 있는 소정의 여유 공간을 제공하여 다량의 냉각 공기에 대한 공급 안전성이 향상된다.
예를 들어 작업자가 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 20n)를 서로 간에 조립할 때 상기 냉각 공기 공급 통로(210)를 정확하게 일치시키지 않는 경우에도 상기 확장부(220)에 의해 일정 범위 이내에서 정확하게 제1 단위 토크 튜브(20a)에 형성된 냉각 공기 공급 통로와 제2 단위 토크 튜브(20b)에 형성된 냉각 공기 공급 통로가 서로 간에 연통된 상태로 조립을 실시할 수 있다.
따라서 상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203)에 대한 조립이 이루어지는 현장에서 조립 오차가 미세하게 발생되는 경우에도 상기 냉각 공기 공급 통로(210)를 통한 냉각 공기를 상기 터빈 디스크 유닛(300)를 향해 안정적으로 공급할 수 있다.
상기 냉각 공기 공급 통로(210)는 상기 토크 튜브 유닛(200)의 원주 방향을 따라 다수개가 소정의 간격으로 서로 간에 이격된 상태로 배치되되, 터빈 디스크 유닛(300)에 구비된 터빈 디스크(320)와 대응되는 개수로 이루어진다.
예를 들어 상기 터빈 디스크(320)의 개수가 n개일 경우 상기 냉각 공기 공급 통로(210)의 개수도 상기 터빈 디스크(320)와 대응되는 n개로 구성된다.
따라서 상기 터빈 디스크(320)에 각각 독립적으로 냉각 공기가 개별 공급될 수 있어 고온의 온도 조건에 노출되는 위치 및 환경 특성에 상관 없이 안정적인 냉각을 통해 상기 터빈 디스크(320)에 대한 내구성 향상과 표면을 안정적으로 보호할 수 있다. 또한 장기간 사용되는 경우에도 균열 또는 파손으로 인한 문제점을 사전에 예방할 수 있다.
또한 이를 통해 고가의 터빈 디스크 유닛(300)에 대한 교체 및 이로 인한 가스터빈의 정지 없이 지속적인 작동을 도모할 수 있다.
본 실시 예에 의한 압축기 디스크 냉각통로(110)는 상기 확장부(220)의 상측과 연통되고, 상기 냉각 공기 공급 통로(210)는 상기 확장부(220)의 중앙 또는 중앙 하측 중의 어느 한 곳과 연통된다. 상기 확장부(220)는 다량의 냉각 공기가 유입되고 상기 압축기 디스크 냉각통로(110)에서 냉각 공기 공급 통로(210)와 연결된 위치가 상이하므로 냉각 공기의 안정적인 이동을 위해 도면에 도시된 레이아웃을 갖는다.
상기 냉각 공기가 압축기 디스크 냉각통로(110)를 통해 확장부(220)로 공급되면 화살표로 도시된 바와 같이 냉각 공기 공급 통로(210)를 향해 이동된다.
상기 연장부(204)와 상기 회전축(4) 사이에 냉각 공기가 이동되기 위해 보조 냉각 통로(206)가 형성되는데, 상기 보조 냉각 통로(206)는 회전축(4)의 외측으로 소정의 간격을 두고 화살표 방향으로 냉각 공기가 공급 가능하도록 간극이 형성되어 있어 고압의 냉각 공기가 안정적으로 이동할 수 있다.
상기 보조 냉각 통로(206)를 통해 이동된 냉각 공기는 화살표로 도시된 바와 같이 회전축(4)을 따라 터빈 디스크 유닛(300)을 향해 이동된다. 냉각 공기는 터빈 디스크(320)의 중앙을 경유하여 이동되고, 상기 보조 냉각 통로(206)를 통해 공급된 냉각 공기는 상기 터빈 디스크(320)의 하측 위치에서의 냉각을 도모할 수 있어 상기 터빈 디스크(320)에 대한 전체적인 냉각을 안정적으로 도모할 수 있다.
상기 보조 냉각 통로(206)는 상기 냉각 공기 공급 통로(210)에 비해 큰 직경으로 형성되므로 다량의 냉각 공기가 회전축(4)을 따라 터빈 디스크 유닛(300)으로 공급될 수 있어 상기 터빈 디스크 유닛(300)을 구성하는 터빈 디스크(320)가 다수개인 경우에 냉각 공기 공급 통로(210)와 함께 보다 안정적이고 효율적인 냉각이 이루어진다.
따라서 가스터빈에 장착된 터빈 디스크 유닛(300)이 고온의 온도 조건에서 장기간 노출되는 경우에도 표면에서의 크랙 발생 또는 내구성 저하와 같은 문제점이 최소화 할 수 있다.
터빈 디스크 유닛(300)은 상기 토크 튜브 유닛(200)의 냉각 공기 공급 통로(210)와 연통된 터빈 디스크 냉각 통로(310)가 형성되는데, 상기 터빈 디스크 냉각 통로(310)는 터빈 디스크(320)를 전면에서 후면을 경유하여 관통된 형태로 형성된다.
터빈 디스크 냉각 통로(310)는 냉각 공기 공급 통로(210)의 직경과 동일한 직경으로 구성되거나, 냉각 공기의 이동 방향으로 직경이 축소되도록 구성될 수 있다.
본 실시 예에 의한 토크 튜브 유닛(200)은 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201 ~ 203) 사이에 냉각 공기 공급 통로(210)를 통해 공급된 냉각 공기의 누설을 방지하기 위해 실링을 위한 가스켓(미도시)이 설치될 수 있다. 참고로 상기 가스켓은 오링 형태로 형성된다.
가스켓은 제1 단위 토크 튜브(20a)와 제2 단위 토크 튜브(20b)가 서로 간에 밀착되는 밀착면 중 확장부(220)를 제외한 영역에 장착된다.
본 실시 예에 의한 터빈 디스크 유닛(300)은 상기 회전축(4)의 축 방향을 따라 서로 마주보는 상태로 밀착된 터빈 디스크 사이로 냉각 공기가 유입되는 공간을 제공하는 보조 챔버부(302)를 더 포함한다.
상기 보조 챔버부(302)는 상기 챔버부(400)에 비해 작은 체적으로 형성되고, 상기 냉각 공기가 상기 보조 챔버부(302)로 공급되도록 일정 직경으로 연장된 제1 보조 통로(303)를 포함한다.
보조 챔버부(302)는 터빈 디스크 유닛(300)에 대한 냉각을 위해 형성되고 전술한 챔버부(400)와 달리 제1 보조 통로(303)를 통해 냉각 공기가 유입된다.
상기 제1 보조 통로(303)는 도면에 도시된 직경으로 한정하지 않고 복수개로 개수가 증가될 수 있다.
제1 보조 통로(303)는 보조 챔버부(302)로 냉각 공기의 공급을 유도하고, 상기 보조 챔버부(302)로 냉각 공기가 공급된 후에 상기 제1 보조 통로(303)를 통해 역류되지 않도록 직경이 작게 형성되고, 연장된 길이도 도면에 도시된 길이로 연장된다.
따라서 냉각 공기가 상기 제1 보조 통로(303)를 통해 보조 챔버부(302)로 공급될 경우 소정의 시간 동안 머무르면서 터빈 디스크 유닛(300)에 대한 냉각을 안정적으로 실시할 수 있어 냉각 효율이 향상된다.
본 실시 예에 의한 제1 보조 통로(303)는 상기 터빈 디스크의 반경 방향 길이 중 중간까지 연장되는데, 상기 길이가 길게 연장될수록 보조 챔버부(302)로 공급된 냉각 공기가 상기 제1 보조 통로(303)로 역류되지 않고 상기 보조 챔버부(302)에 소정의 시간 동안 머무를 수 있다.
상기 보조 챔버부(302)는 도면에 도시된 바와 같이 동일한 크기로 형성되거나 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 예를 들면 터빈 디스크 유닛(300)의 위치에 따른 온도 분포에 따라 고온의 온도가 유지될 경우 상기 보조 챔버부(302)의 크기가 크게 형성되고 상기 제1 보조 통로(303)의 직경도 증가되게 구성될 수 있다.
이 경우 다량의 냉각 공기가 제1 보조 통로(303)를 통해 보조 챔버부(302)로 공급될 수 있어 냉각 효율을 향상 시킬 수 있다.
제1 보조 통로(303)는 도면 기준으로 터빈 디스크 유닛(300)의 우측으로 갈수록 직경이 작아질 수 있으며 보조 챔버부(302)와 연통된 개수가 변동될 수 있다.
예를 들면 온도가 높게 유지되는 터빈 디스크 유닛(300)은 제1 보조 통로(303)의 직경이 크게 형성되거나 개구된 개수가 복수개로 구성될 수 있다.
또한 상대적으로 낮은 온도가 유지되는 위치에 형성된 보조 챔버부(302)는 제1 보조 통로(303)가 1개로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 가스터빈의 냉각장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 도 1에서 이미 설명된 구성요소들(압축기 디스크 유닛, 터빈 디스크 유닛, 터빈 디스크)에 대한 설명은 생략한다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 실시 예는 전술한 도 1에 도시된 실시 예의 변형 형태로서 토크 튜브 유닛(200)의 단면 형태가 T자 형태가 아닌 I자 형태로 이루어진다. 참고로 본 실시 예에서 냉각 공기 공급 통로(210)의 위치와 형태는 전술한 도 1의 구조와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
토크 튜브 유닛(200)이 I자 형태일 경우 챔버부(400)로 냉각 공기가 공급 및 이동되는 현상이 최대한 억제되고 터빈 디스크 유닛(300)에 배치된 다수개의 터빈 디스크(320)에 대한 냉각을 위해서만 냉각 공기가 공급될 수 있어 고온의 환경에 노출되는 터빈 디스크(300)에 대한 냉각 효율을 향상시켜 소재의 변형 또는 표면 균열과 같은 현상을 최대한 억제하여 가스터빈의 안정적인 작동을 도모할 수 있다.
챔버부(400)는 전술한 도 1에 도시된 형태와 상이하게 형성되며 I자 형태의 하측 부분의 횡 방향 길이에 따라 챔버부(400)로 냉각 공기가 부분적으로 공급되거나 미 공급될 수 있다.
이 경우 챔버부(400)는 특정 유량의 냉각 공기가 선택적으로 유입될 수 있으며 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201~ 203)의 위치별로 개구된 면적이 상이하게 구성될 수 있다. 이 경우 개구된 면적의 기준은 온도가 높게 유지되는 곳일수록 증가되고 낮게 유지되는 것은 작게 감소된다.
따라서 챔버부(400)는 유입되는 냉각 공기량이 선택적으로 조절될 수 있으므로 상기 터빈 디스크(320)로 공급될 유량을 최적의 상태로 조절할 수 있어 냉각을 위한 설계 자유도가 향상된다.
예를 들어 챔버부(400)로 냉각 공기를 공급하기 위해서는 토크 튜브 유닛(200)의 단면을 기준으로 하측 길이를 짧게 할 경우 일정량의 냉각 공기를 상기 챔버부(400)로 공급할 수 있으므로 가스터빈의 용량 또는 냉각 공기량에 따라 최적의 조건으로 설계자가 자유롭게 설계 변경을 실시할 수 있다.
첨부된 도 4를 참조하면, 챔버부(400)는 냉각 공기의 유입을 위해 도면 기준으로 회전축(4)을 향해 부분적으로 개구될 수 있다. 개구된 면적은 특별히 한정하지 않으나 제1 내지 제n 단위 토크 튜브(201~ 203)의 온도 분포 상태에 따라 변동된다.
또한 개구된 개수 또한 복수개로 증가될 수 있으며 상기 챔버부(400)를 향해 경사지게 개구되는 것도 가능할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 터빈 디스크 유닛에 대한 효과적인 냉각을 통해 가스터빈 또는 이와 유사한 구성품에 적용시켜 안정적인 냉각을 실시할 수 있다.

Claims (18)

  1. 가스터빈에 구비되고 압축기 디스크 냉각통로가 형성된 압축기 디스크 유닛;
    상기 압축기 디스크 유닛과 이웃하여 다수개가 서로 간에 밀착된 상태로 위치되며 상기 압축기 디스크 냉각통로와 각각 연통된 냉각 공기 공급 통로가 형성된 토크 튜브 유닛; 및
    상기 토크 튜브 유닛의 냉각 공기 공급 통로와 연통된 터빈 디스크 냉각 통로가 형성된 터빈 디스크 유닛을 포함하되,
    상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛 사이에 위치되고, 상기 가스터빈에 구비된 회전축의 축 방향을 따라 서로 간에 밀착된 상태로 결합되며,
    상기 토크 튜브 유닛은 상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛에 연결된 상태가 유지되고,
    상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 유브 유닛의 가장자리에서 축 방향을 따라 횡 방향으로 개구된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 토크 튜브 유닛은,
    상기 압축기 디스크 유닛과 상기 터빈 디스크 유닛 사이에 배치된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브를 포함하고,
    상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 전면에 위치된 어느 하나의 토크 튜브와 연결되고 후면 위치에 위치된 다른 하나의 토크 튜브와 서로 간에 결합된 상태를 유지하기 위한 연결부재를 매개로 서로 간에 조립된 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 회전축을 기준으로 종 방향에서 잘라서 측면에서 바라볼 때 상기 회전축을 기준으로 반경방향 외측으로 T자 단면 형태를 각각 갖는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 회전축의 축 방향을 따라 서로 마주보는 상태로 밀착되고 밀착된 제1 내지 제n 단위 토크 튜브 사이로 냉각 공기가 유입되는 공간을 제공하는 챔버부를 더 포함하는 가스터빈의 냉각장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 챔버부의 적어도 어느 하나의 영역은 상기 회전축에서 반경방향 외측으로 갈수록 면적이 증가되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 챔버부는 상기 회전축을 기준으로 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 챔버부가 미형성된 영역을 경유하여 연장된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 튜브 유닛의 축 방향을 따라 상기 터빈 디스크 유닛을 향해 연장된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 토크 튜브 유닛의 원주 방향을 따라 다수개가 소정의 간격으로 서로 간에 각각 이격된 상태로 배치되되, 상기 터빈 디스크에 구비된 터빈 디스크와 대응되는 개수로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 냉각 공기 공급 통로는 동일한 직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 토크 튜브 유닛의 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 토크 튜브를 향해 전면과 후면이 내측을 향해 각각 경사지게 연장된 경사부와, 상기 경사부의 하단에서 상기 가스터빈의 회전축을 향해 각각 연장된 연장부를 포함하는 가스터빈의 냉각장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 단위 토크 튜브는 상기 냉각 공기 공급 통로가 형성된 바디의 전면과 후면에 상기 냉각 공기 공급 통로보다 크게 직경이 형성된 확장부가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 압축기 디스크 냉각통로는 상기 확장부의 상측과 연통되고, 상기 냉각 공기 공급 통로는 상기 확장부의 중앙 또는 중앙 하측 중의 어느 한 곳과 각각 연통된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 연장부와 상기 회전축 사이에 냉각 공기가 이동되기 위해 보조 냉각 통로를 더 포함하는 가스터빈의 냉각장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 보조 냉각 통로는 상기 냉각 공기 공급 통로의 직경에 비해 큰 직경으로 형성되고, 상기 터빈 디스크 유닛으로 냉각 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
  16. 제2 항에 있어서,
    상기 터빈 디스크 유닛은 상기 회전축의 축 방향을 따라 서로 마주보는 상태로 밀착된 터빈 디스크 사이로 냉각 공기가 유입되는 공간을 제공하는 보조 챔버부를 더 포함하는 가스터빈의 냉각장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 보조 챔버부는 상기 챔버부에 비해 작은 체적으로 형성되고, 상기 냉각 공기가 상기 보조 챔버부로 공급되도록 일정 직경으로 연장된 제1 보조 통로를 포함하는 가스터빈의 냉각장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 보조 통로는 상기 터빈 디스크의 반경 방향 길이 중 중간까지 연장된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각장치.
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