KR101548895B1

KR101548895B1 - 가스 터빈

Info

Publication number: KR101548895B1
Application number: KR1020147020119A
Authority: KR
Inventors: 신야 하시모토
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2015-08-31
Also published as: WO2013128683A1; US9109510B2; CN104040148B; JP5646109B2; JPWO2013128683A1; DE112012005819B4; KR20140098859A; CN104040148A; DE112012005819T5; US20130224011A1

Abstract

본 발명의 가스 터빈은 외측 디퓨저 및 내측 디퓨저를 관통하여, 배기실 벽과 베어링 상자를 연결하는 스트러트와, 스트러트의 연장 방향을 따라서 스트러트를 덮는 스트러트 커버와, 내측 디퓨저의 직경 방향 내측과 베어링 상자의 직경 방향 외측 사이에 배치되어, 상류측부가 베어링 상자와의 사이에서 시일되고, 하류측부가 내측 디퓨저와의 사이에서 시일되어, 스트러트가 관통하는 스트러트 관통 구멍이 형성되어 있는 격벽과, 스트러트에 대해 연장 방향으로 상대 이동 가능하게, 격벽의 스트러트 관통 구멍에 고정되어, 스트러트 관통 구멍과 스트러트의 간극을 막는 구멍 시일 부재를 구비하고 있다.

Description

가스 터빈 {GAS TURBINE}

본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 특히, 가스 터빈에 있어서의 연소 가스의 배기실 주위의 냉각 공기의 시일 구조에 관한 것이다.

본원은 2012년 2월 27일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-039942호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

가스 터빈은, 일반적으로, 외기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기와, 연료를 압축 공기에 혼합하여 연소시켜 연소 가스를 생성하는 연소기와, 연소 가스에 의해 회전하는 로터를 갖는 터빈을 구비하고 있다. 이 터빈의 로터를 회전시킨 연소 가스는 터빈의 배기실 내를 지나 대기로 방출된다.

이와 같은 가스 터빈에서는 고효율화에 수반하여, 터빈에 공급되는 연소 가스 온도가 매우 고온으로 되고 있다. 이로 인해, 터빈의 구성 부품의 대부분이 냉각 대상으로 되어 있고, 상기 배기실을 형성하는 부품이나 이 배기실 주위의 부품도 냉각 대상으로 되어 있다.

가스 터빈에 있어서의 상기 배기실 주위의 냉각 구조에 관해서는, 예를 들어 이하의 특허문헌 1에 개시되어 있다. 배기실은 로터의 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상의 배기실 벽으로 형성되어 있다. 배기실 벽의 직경 방향 내측에는 로터의 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상의 외측 디퓨저 및 내측 디퓨저가 배치되어 있다. 외측 디퓨저는 배기실 벽의 내주면을 따라서 설치되어 있다. 내측 디퓨저는 외측 디퓨저의 직경 방향 내측으로 간격을 두고 배치되어 있다. 외측 디퓨저와 내측 디퓨저 사이는 연소 가스의 배기 유로를 형성한다. 또한, 내측 디퓨저의 직경 방향 내측에는 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링과, 이것을 덮음과 함께 지지하는 베어링 상자가 설치되어 있다. 배기실 벽과 베어링 상자는 외측 디퓨저 및 내측 디퓨저를 관통하는 스트러트에 의해 연결되어 있다. 이 스트러트는 로터의 탄젠셜(접선) 방향으로 연장되어 있고, 이 연장 방향을 따라서 스트러트 커버로 덮여 있다. 이 스트러트 커버의 연장 방향의 일단부는 외측 디퓨저에 설치되고, 타단부는 내측 디퓨저에 설치되어 있다. 내측 디퓨저의 직경 방향 내측과 베어링 상자의 직경 방향 외측 사이에는 스트러트가 관통하는 스트러트 관통 구멍이 형성되어 있는 격벽이 배치되어 있다.

배기실 벽의 내주면과 외측 디퓨저의 외주면 사이에는, 예를 들어 압축기로부터 추기(bleed air)된 압축 공기가 냉각 공기로서 공급된다. 이 냉각 공기는 스트러트와 스트러트 커버의 간극을 거쳐서, 내측 디퓨저의 내주면과 격벽 사이에 유입된 후, 예를 들어 연소 가스의 배기 유로 내로 배기된다. 냉각 공기는, 그 사이, 외측 디퓨저, 스트러트, 스트러트 커버, 내측 디퓨저를 냉각한다.

격벽의 상류측부는 베어링 상자에 대해 축방향 및 직경 방향에 대해 상대 이동 가능하게, 베어링 상자와의 사이가 시일되어 있다. 또한, 격벽의 하류측부는 내측 디퓨저에 대해 축방향 및 직경 방향으로 상대 이동 가능하게, 내측 디퓨저와의 사이가 시일되어 있다.

격벽과 베어링 상자 사이에는 베어링 상자나 내측 디퓨저에 대해 축방향 및 직경 방향으로 상대 이동 가능한 격벽을 지지하는 격벽 지지 부재가 설치되어 있다. 이 격벽 지지 부재는 그 직경 방향 외측 단부가 격벽의 스트러트 구멍의 테두리를 따라서 고정되어, 스트러트를 덮는 통 형상의 외측 지지 부재와, 그 직경 방향 내측 단부가 베어링 상자에 고정되어, 스트러트를 덮는 통 형상의 내측 지지 부재를 갖고 있다. 내측 지지 부재에 대해 외측 지지 부재는 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능하고, 양 지지 부재 사이에는 이 사이를 시일하는 시일 부재가 배치되어 있다.

즉, 이 특허문헌 1에 기재된 가스 터빈에서는, 슬랫 커버 내로부터 내측 디퓨저의 직경 방향 내측으로 흘러 온 냉각 공기를 격벽과 격벽 지지 부재로 시일하고 있다.

특허문헌 1에 기재된 가스 터빈에서는, 스트러트가 열팽창에 의해 그 연장 방향으로 연장된 경우, 이 연장 방향이 로터의 탄젠셜 방향이기 때문, 베어링 상자는 로터의 회전 축선 주위로 회전한다. 이와 같이, 베어링 상자가 회전하면, 내측 지지 부재와 외측 지지 부재의 상기 연장 방향에 있어서의 상대 위치가 변화된다. 따라서, 이 가스 터빈에서는, 전술한 바와 같이, 내측 지지 부재에 대해 외측 지지 부재가 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능하게 되어 있다.

일본 특허 출원 공개 2009-243311호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 격벽 지지 부재의 구성 요소인 외측 지지 부재 및 내측 지지 부재 모두가 비교적 두께가 얇은 판재로 통 형상으로 형성되어 있으므로, 외측 지지 부재와 내측 지지 부재 사이의 간극 폭을 일정하게 하는 것이 어렵다. 또한, 비교적 두께가 얇은 판재로 통 형상으로 형성된 외측 지지 부재 및 내측 지지 부재는 각각의 열팽창 또는 열수축에 의해, 양자 사이의 간극 폭의 편차가 커지는 경향이 있다. 이로 인해, 이 격벽 지지 부재는 덜걱거림에 의해 진동하기 쉽다.

또한, 상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는 격벽 지지 부재가 격벽의 하중의 일부를 받으면서도, 내측 지지 부재에 대해 외측 지지 부재가 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능한 상태에서, 양자 사이의 간극을 시일해야만 한다.

이로 인해, 상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 격벽 지지 부재의 진동에 의해, 비교적으로 단기간 중에, 외측 지지 부재나 내측 지지 부재, 또한 시일 부재가 손상되어, 냉각 공기의 유로의 시일성이 손상되어 버린다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해, 장기간에 걸쳐서 냉각 공기 유로의 시일성을 유지할 수 있는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 가스 터빈은 회전 축선을 중심으로 하여 회전하는 로터와, 상기 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상을 이루는 배기실 벽과, 상기 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상을 이루고, 상기 배기실 벽의 내주면을 따라서 설치되어 있는 외측 디퓨저와, 상기 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상을 이루고, 상기 외측 디퓨저의 직경 방향 내측에 배치되어, 상기 외측 디퓨저와의 사이에 연소 가스의 배기 유로를 형성하는 내측 디퓨저와, 상기 내측 디퓨저의 직경 방향 내측에 배치되어, 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링을 덮어 지지하는 베어링 상자와, 상기 배기실 벽과 상기 베어링 상자 사이에, 상기 회전 축선에 대한 주위 방향으로 간격을 두고 복수 배치되어, 상기 외측 디퓨저 및 상기 내측 디퓨저를 관통하여, 상기 배기실 벽과 상기 베어링 상자를 연결하는 스트러트와, 상기 스트러트의 연장 방향을 따라서 배치되어, 상기 연장 방향의 일단부가 외측 디퓨저에 설치되고, 타단부가 내측 디퓨저에 설치되어, 상기 스트러트와의 사이에 냉각 공기가 지나도록 간격을 두고 상기 스트러트를 덮는 스트러트 커버와, 상기 내측 디퓨저의 직경 방향 내측과 상기 베어링 상자의 직경 방향 외측 사이에 배치되어, 상류측부가 상기 베어링 상자의 상류측에 고정되어 있는 고정 부재와의 사이에서 시일되고, 하류측부가 상기 내측 디퓨저와의 사이에서 시일되어, 상기 스트러트가 관통하는 스트러트 관통 구멍이 형성되어 있는 격벽과, 상기 스트러트에 대해 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능하게, 상기 격벽의 상기 스트러트 관통 구멍에 고정되어, 상기 스트러트 관통 구멍과 상기 스트러트 사이의 간극을 막는 구멍 시일 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 터빈에서는 배기실 벽의 직경 방향 내측과 외측 디퓨저의 직경 방향 외측 사이에 공급된 냉각 공기가, 스트러트 커버와 스트러트 사이를 거쳐서, 내측 디퓨저의 직경 방향 내측과 격벽의 직경 방향 외측 사이에 유입된다. 이 과정에서, 냉각 공기는 외측 디퓨저, 스트러트 커버, 스트러트, 내측 디퓨저와 열교환하여 이들을 냉각한다.

스트러트는 열팽창 또는 열수축에 의해 그 연장 방향으로 연장 수축한다. 구멍 시일 부재는 스트러트에 대한 그 연장 방향의 상대 이동이 허용되면서, 격벽의 스트러트 관통 구멍과 스트러트 사이를 시일한다. 따라서, 상기 가스 터빈에서는, 스트러트가 그 연장 방향으로 연장 수축해도, 격벽의 스트러트 관통 구멍과 스트러트 사이를 시일할 수 있다.

또한, 상기 가스 터빈에서는 구멍 시일 부재가 격벽의 하중을 받을 필요가 없으므로, 구멍 시일 부재가 손상되기 어렵고, 냉각 공기의 유로를 장기간에 걸쳐서 시일할 수 있다.

본 발명의 가스 터빈은 상기 격벽의 상기 상류측부와 상기 하류측부 중, 일측부를 시일 상대의 부재에 고정하는 고정구와, 타측부와 시일 상대의 부재가 상대 이동 가능하게 상기 시일 상대의 부재와의 사이를 시일하는 격벽 단부 시일 부재를 구비하고 있어도 된다.

상기 가스 터빈에서는 격벽의 상류측부와 하류측부 중, 일측부를 시일 상대의 부재(베어링 상자의 상류측에 고정되어 있는 고정 부재 또는 내측 디퓨저)에 고정구로 고정하여, 격벽의 일측부와 시일 상대 사이가 시일된다. 이로 인해, 격벽은 시일 상대의 부재에 의해 비교적 안정적으로 지지된다. 따라서, 상기 가스 터빈에서는 격벽에 고정되는 구멍 시일 부재도, 그 위치가 비교적 안정되어, 진동 등에 의한 손상을 억제할 수 있다.

내측 디퓨저는 연소 가스에 노출되고, 격벽은 연소 가스에 노출되지 않으므로, 양자 사이의 온도차에 의해, 양자 사이에 열팽창차가 발생한다. 이 결과, 상류측부와 하류측부 중, 일측부가 그 시일 상대의 부재(베어링 상자의 상류측에 고정되어 있는 고정 부재 또는 내측 디퓨저)에 고정되어 있는 격벽의 타측부와, 이 타측부의 시일 상대의 부재(내측 디퓨저 또는 베어링 상자의 상류측에 고정되어 있는 고정 부재)는 축방향 및 직경 방향으로 상대 변위된다. 격벽 단부 시일 부재는 격벽의 타측부와 그 시일 상대의 부재 사이의 상대 변위를 허용하면서, 양자 사이를 시일한다. 따라서, 상기 가스 터빈에서는, 내측 디퓨저와 격벽 사이에 열팽창차가 발생해도, 양자 사이를 시일할 수 있다.

본 발명의 가스 터빈에 있어서, 상기 격벽 단부 시일 부재는 상기 격벽의 상기 타측부에 고정되어, 상기 직경 방향에 있어서의 상기 타측부의 상기 시일 상대로부터 멀어지는 측으로 오목하고, 또한 상기 주위 방향으로 연장된 홈이 형성되어 있는 시일 유지체와, 상기 시일 유지체의 상기 홈 내에 상기 직경 방향으로 이동 가능하게 배치되어, 상기 회전 축선이 연장되는 축 방향으로, 상기 타측부의 상기 시일 상대의 부재와 미끄럼 이동 가능하게 면 접촉하는 시일체와, 상기 시일 유지체에 수용되어, 상기 타측부의 상기 시일 상대에 상기 시일체를 가압하는 탄성체를 가져도 된다.

상기 가스 터빈에서는 격벽의 타측부와 그 시일 상대의 부재가 상대 변위되어도, 이 시일 상대의 부재와 시일체가 면 접촉하므로, 격벽의 타측부와 그 시일 상대의 부재 사이의 시일성을 높일 수 있다.

본 발명의 가스 터빈에 있어서, 상기 구멍 시일 부재는 상기 스트러트에 대한 상기 연장 방향의 상대 이동 시에 상기 스트러트에 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉부를 가져도 된다. 이 경우, 상기 구멍 시일 부재는 상기 연장 방향에 대해 수직인 전체 방향에서 상기 스트러트와의 사이에 미소한 간극이 확보되어 있는 환상의 시일환과, 상기 시일환의 내주측에 고정되어, 상기 스트러트에 대해 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능하게 미끄럼 접촉하는 상기 미끄럼 접촉부로서의 시일체를 가져도 된다.

상기 가스 터빈의 구멍 시일 부재는 스트러트에 대한 연장 방향의 상대 이동 시에 스트러트에 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉부를 갖고 있으므로, 격벽의 스트러트 관통 구멍과 스트러트 사이의 시일성을 높일 수 있다. 또한, 상기 가스 터빈에서는 스트러트에 대한 구멍 시일 부재의 진동을 억제할 수 있으므로, 구멍 시일 부재의 손상을 억제할 수 있다.

본 발명에서는 스트러트 커버와 스트러트 사이를 흘러온 냉각 공기의 통로의 시일성을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 일 실시 형태에 있어서의 가스 터빈의 주요부 절결 측면도이다.
도 2는 본 발명에 관한 일 실시 형태에 있어서의 가스 터빈의 주요부 단면도이다.
도 3은 도 2에 있어서의 베어링 상자 및 구멍 시일 부재 주위의 확대도이다.
도 4는 도 2에 있어서의 IV-IV선 단면도이다.
도 5는 도 4에 있어서의 V부 확대도이다.
도 6은 본 발명에 관한 일 실시 형태에 있어서의 구멍 시일 부재를 직경 방향 내측으로부터 보았을 때의 주요부 절결 평면도이다.
도 7은 본 발명에 관한 일 실시 형태에 있어서의 구멍 시일 부재의 주요부 절결 측면도이다.
도 8은 본 발명에 관한 일 실시 형태에 있어서의 격벽 단부 시일 부재의 단면도이다.

이하, 본 발명에 관한 가스 터빈의 일 실시 형태에 대해, 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 형태의 가스 터빈은, 도 1에 도시한 바와 같이, 외기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기(1)와, 연료 공급원으로부터의 연료를 압축 공기에 혼합하고 연소시켜 연소 가스를 생성하는 복수의 연소기(2)와, 연소 가스에 의해 구동하는 터빈(3)을 구비하고 있다.

터빈(3)은 케이싱(4)과, 이 케이싱(4) 내에서 회전하는 터빈 로터(5)를 구비하고 있다. 이 터빈 로터(5)는, 예를 들어 이 터빈 로터(5)의 회전으로 발전하는 발전기(도시되어 있지 않음)와 접속되어 있다. 복수의 연소기(2)는 터빈 로터(5)의 회전 축선 Ar을 중심으로 하여, 주위 방향 Dc로 서로 등간격으로 케이싱(4)에 고정되어 있다. 또한, 이하에서는, 회전 축선 Ar이 연장되어 있는 방향을 축방향 Da로 하고, 회전 축선 Ar에 대한 직경 방향을 간단히 직경 방향 Dr이라고 한다. 또한, 축방향 Da이며, 터빈(3)을 기준으로 하여 압축기(1)측을 상류측, 압축기(1)를 기준으로 하여 터빈(3)측을 하류측이라고 한다.

터빈 로터(5)는 축방향 Da로 나열되어 있는 복수의 단마다, 회전 축선 Ar을 중심으로 하는 로터 디스크(6)와, 주위 방향 Dc로 나열되어 로터 디스크(6)에 고정되어 있는 복수의 동익(8)과, 최종단의 로터 디스크(6)에 고정되어 축방향 Da로 연장되는 축부(7)를 갖고 있다. 동익(8)은, 도 2에 도시한 바와 같이 직경 방향 Dr로 연장되는 동익 본체(8a)와, 이 동익 본체(8a)의 직경 방향 내측 단부에 형성되어 있는 플랫폼(8b)과, 플랫폼(8b)으로부터 직경 방향 내측을 향해 연장되는 익근(도시하지 않음)을 갖고 있다. 동익(8)은 그 익근이 로터 디스크(6)에 삽입되고, 이 로터 디스크(6)에 고정되어 있다. 축부(7)는 회전 축선 Ar을 중심으로 하여 원기둥 형상을 이루고, 최종단의 로터 디스크(6)의 하류측에 설치되어 있다.

케이싱(4)은 회전 축선 Ar을 중심으로 하여 원통 형상을 이루고, 최종단의 동익(8)보다도 하류측에 배치되어 있는 배기실 벽(10)을 갖고 있다. 배기실 벽(10)의 직경 방향 내측에는 회전 축선 Ar을 중심으로 하여 원통 형상의 외측 디퓨저(11) 및 내측 디퓨저(12)가 배치되어 있다. 외측 디퓨저(11)는 배기실 벽(10)의 내주면을 따라서 설치되어 있다. 내측 디퓨저(12)는 외측 디퓨저(11)의 직경 방향 내측에 간격을 두고 배치되어 있다. 외측 디퓨저(11)와 내측 디퓨저(12) 사이는 터빈 로터(5)를 회전시킨 연소 가스 G의 배기 유로(13)를 형성한다.

내측 디퓨저(12)의 직경 방향 내측에는 터빈 로터(5)의 축부(7)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(29)과, 이 베어링(29)의 외주측을 덮음과 함께 이 베어링(29)을 지지하는 베어링 상자(20)가 설치되어 있다. 베어링 상자(20)의 상류 단부에는 상류측 시일 유지환(고정 부재)(22)이 고정되고, 베어링 상자(20)의 하류 단부에는 하류측 시일 유지환(26)이 고정되어 있다. 상류측 시일 유지환(22)의 내주측에는 터빈 로터(5)와의 사이를 시일하는 축 시일(23)이 설치되어 있다. 또한, 하류측 시일 유지환(26)의 내주측에도 터빈 로터(5)와의 사이를 시일하는 복수의 축 시일(27)이 설치되어 있다.

터빈 로터(5)의 축부(7)에는 축방향 Da로 연장되는 냉각 공기 주통로(7a)가 형성되어 있다. 이 냉각 공기 주통로(7a)는 터빈 로터(5)의 하류 단부에서 개방되어 있다. 이 축부(7)의 하류 단부에는 이 축부(7)와 축방향 Da로 간격을 두고 로터 밀봉 플랜지(18)가 배치되어 있다. 이 로터 밀봉 플랜지(18)는 그 외주측 부분에서 하류측 시일 유지환(26)에 고정되어 있다. 이 로터 밀봉 플랜지(18)에는 냉각 공기 공급 배관(19)이 고정되어 있다. 이 냉각 공기 공급 배관(19)과 축부(7)의 냉각 공기 주통로(7a)는 연통되어 있다.

배기실 벽(10)과 베어링 상자(20)는 외측 디퓨저(11) 및 내측 디퓨저(12)를 관통하는 스트러트(15)에 의해 연결되어 있다. 이 스트러트(15)는 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 터빈 로터(5)의 탄젠셜(접선) 방향으로 연장되어 있고, 이 연장 방향 De를 따라서 스트러트 커버(14)로 덮여 있다. 이 스트러트 커버(14)의 연장 방향 De의 일단부는 외측 디퓨저(11)에 설치되고, 타단부는 내측 디퓨저(12)에 설치되어 있다. 내측 디퓨저(12)의 직경 방향 내측과 베어링 상자(20)의 직경 방향 외측 사이에는 회전 축선 Ar을 중심으로 하여 통 형상의 격벽(30)이 배치되어 있다. 이 격벽(30)에는 스트러트(15)가 관통하는 스트러트 관통 구멍(32a)이 형성되어 있다. 또한, 이 격벽(30)에는 스트러트 관통 구멍(32a)과 스트러트(15)의 간극을 막는 구멍 시일 부재(40)가 설치되어 있다.

격벽(30)은, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이 회전 축선 Ar을 중심으로 하여 원통 형상을 이루는 격벽 본체(31)와, 스트러트(15)의 연장 방향 De로 연장되어 스트러트(15)를 덮는 통부(32)를 갖고 있다.

격벽 본체(31)의 상류측부(31a)는 볼트(고정구)(33)에 의해 상류측 시일 유지환(22)에 고정되어, 상류측 시일 유지환(22)과의 사이가 시일되어 있다. 또한, 격벽(30)의 하류측부(31b)에는 내측 디퓨저(12)와의 사이를 시일하는 격벽 단부 시일 부재(35)가 설치되어 있다. 이 격벽 본체(31)에는 스트러트(15)가 관통하는 개구가 형성되어 있다. 이 격벽 본체(31)에는 격벽 본체(31)의 개구 테두리를 따라서 전술한 통부(32)가 고정되어 있다. 이 통부(32)의 내주측이 전술한 스트러트 관통 구멍(32a)을 형성하고 있다.

통부(32)의 직경 방향 내측 단부에는 통부(32)의 내측으로부터 외측으로 확장되는 플랜지부(32b)가 형성되어 있다. 이 플랜지부(32b)에는 전술한 구멍 시일 부재(40)가 볼트(39) 및 너트에 의해 고정되어 있다. 구멍 시일 부재(40)는, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 스트러트(15)의 연장 방향 De에 대해 수직인 전체 방향에서 스트러트(15)와의 사이에 미소한 간극이 확보되어 있는 환상의 시일환(41)과, 이 시일환(41)의 내주측에 고정되어, 스트러트(15)에 대해 그 연장 방향 De로 상대 이동 가능하게 미끄럼 접촉하는 시일체(47)를 갖고 있다.

환상의 시일환(41)은 환상의 일부를 형성하는 제1 시일환편(42)과, 환상의 나머지 부분을 형성하는 제2 시일환편(43)과, 제1 시일환편(42)과 제2 시일환편(43)을 접속하는 볼트(44) 및 너트(45)를 갖고 있다. 제1 시일환편(42) 및 제2 시일환편(43)은, 기본적으로, 스트러트(15)에 접촉하는 것은 아니지만, 경년 변화 등에 의해 만에 하나 접촉한 경우의 스트러트(15)의 마모 등을 방지하기 위해, 여기서는, 비교적 약한 금속인 알루미늄 합금으로 형성되어 있다. 제1 시일환편(42) 및 제2 시일환편(43)에는, 각각, 내측으로부터 외측을 향해 오목한 시일 홈(42a, 43a)이 형성되어 있다. 시일체(47)는 각 시일환편(42, 43)의 시일 홈(42a, 43a)에 끼워 넣어져 고정되어 있다. 이 시일체(47)는, 예를 들어 그래파이트 패킹이다.

제1 시일환편(42)에는 스트러트(15)가 수용되는 위치를 기준으로 하여 대칭인 2개소에, 스트러트(15)의 연장 방향 De로 관통한 볼트 구멍(42v)이 형성되어 있다. 이 볼트 구멍(42v)에는 격벽(30)의 통부(32)에 시일환(41)을 고정하기 위한 볼트(39)의 축부가 와셔를 통해 삽입 관통된다. 이 볼트 구멍(42v)의 내경은 여기에 삽입 관통되는 볼트(39)의 축부의 외경보다도 크다. 즉, 볼트 구멍(42v)은 여기에 삽입 관통되는 볼트(39)의 축부에 비해 소위, 루스 홀이다. 이로 인해, 볼트(39)의 축부가 볼트 구멍(42v)에 삽입 관통된 상태에서, 볼트(39)는 연장 방향 De에 대한 수직인 방향으로, 제1 시일환편(42)에 대해 다소 상대 이동 가능하다. 따라서, 볼트(39)에 의해 격벽(30)의 통부(32)와 접속되는 제1 시일환편(42)은 연장 방향 De에 대한 수직인 방향으로, 이 통부(32)에 대해 다소 상대 이동 가능하다.

격벽(30)은 격벽 본체(31) 및 통부(32) 모두가 비교적 두께가 얇은 판으로 형성되어 있는 판금 용접 구조물이다. 이로 인해, 격벽(30)에 고정된 시일환(41)을 스트러트(15)에 대해 정확하게 배치하는 것이 어렵다. 따라서, 여기서는, 전술한 바와 같이, 연장 방향 De에 대한 수직인 방향으로, 격벽(30)과 시일환(41)을 접속하는 볼트(39)의 볼트 구멍(42v)을 루스 홀로 하여, 시일환(41)이 격벽(30)의 통부(32)에 대해 다소 상대 이동 가능하게 하고, 스트러트(15)에 대한 시일환(41)의 상대 위치를 조정 가능하게 하고 있다.

격벽(30)의 하류측부(31b)와 내측 디퓨저(12) 사이를 시일하는 격벽 단부 시일 부재(35)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 직경 방향 외측으로부터 직경 방향 내측으로 오목하고 또한 주위 방향 Dc로 연장된 홈(36a)이 형성되어 있는 시일 유지체(36)와, 이 홈(36a) 내에 직경 방향 Dr로 이동 가능하게 배치되어, 내측 디퓨저(12)의 내주면(12i)과 미끄럼 이동 가능하게 면 접촉하는 시일체(37)와, 이 시일체(37)를 내측 디퓨저(12)에 가압하는 탄성체로서의 스프링(38)을 갖고 있다. 시일 유지체(36)는 격벽(30)의 하류측부(31b)에 볼트(34)에 의해 고정되어 있다. 시일체(37)는 환상을 이루고, 그 외경은 원통 형상의 내측 디퓨저(12)의 내경보다 약간 작다. 시일체(37)는 각각이 주위 방향 Dc의 일부를 형성하는 복수의 시일편으로 구성되어 있다. 복수의 시일편은, 각각, 시일 유지체(36)의 홈(36a) 내에 직경 방향 Dr로 이동 가능하게 배치되어 있다. 주위 방향에서 이웃하는 시일편 상호는 주위 방향 Dc에서 일부 겹쳐져 있다.

다음에, 이상에서 설명한 가스 터빈에 있어서의 냉각 공기의 흐름에 대해, 도 2를 사용하여 설명한다.

터빈 로터(5)의 하류측에 배치되어 있는 냉각 공기 공급 배관(19)에는, 예를 들어 압축기(1)로부터 추기된 200℃ 정도의 압축 공기가 냉각 공기 A1로서 공급된다. 이 냉각 공기 A1은 회전하는 터빈 로터(5)의 냉각 공기 주통로(7a) 내에 유입되어, 동익(8) 등을 냉각한다.

또한, 배기실 벽(10)의 내주면과 외측 디퓨저(11)의 외주면 사이에도, 예를 들어 압축기(1)로부터 추기된 200℃ 정도의 압축 공기가 냉각 공기 A2로서 공급된다. 이 냉각 공기 A2는 스트러트(15)와 스트러트 커버(14)의 간극을 거쳐서, 내측 디퓨저(12)의 내주면과 격벽(30) 사이에 유입된다. 그리고, 이 냉각 공기 A2는 내측 디퓨저(12)와 상류측 시일 유지환(22) 사이를 거쳐서, 최종단의 동익(8)의 플랫폼(8b)에 있어서의 하류 단부와 내측 디퓨저(12)에 있어서의 상류 단부 사이로부터, 이 내측 디퓨저(12)와 외측 디퓨저(11) 사이의 배기 유로(13)에 유입된다.

냉각 공기 A2는 배기실 벽(10)의 내주면과 외측 디퓨저(11)의 외주면 사이로부터 배기 유로(13)에 유입되는 과정에서, 외측 디퓨저(11), 스트러트(15), 스트러트 커버(14), 내측 디퓨저(12)를 냉각한다.

200℃ 정도의 냉각 공기 A2는 외측 디퓨저(11), 스트러트(15), 스트러트 커버(14)를 냉각하는 과정에서 점차 따뜻해진다. 격벽(30)은 따뜻해진 냉각 공기 A2가 베어링 상자(20)에 닿아, 베어링(29)이 가열되는 것을 방지하기 위해 설치되어 있다.

스트러트(15)는 열팽창 또는 열수축에 의해 그 연장 방향 De로 연장 수축한다. 본 실시 형태에서는, 이 스트러트(15)의 연장 방향 De는 도 4를 사용하여 전술한 바와 같이, 터빈 로터(5)의 탄젠셜 방향이기 때문에, 스트러트(15)가 신축해도, 이 스트러트(15)의 단부에 고정되어 있는 베어링 상자(20)는 회전 축선 Ar 주위로 회전하고, 축방향 Da 및 직경 방향 Dr로 거의 이동하지 않는다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는, 스트러트(15)가 신축해도, 터빈 로터(5)를 회전 축선 Ar 주위로 회전 가능하게 안정적으로 지지할 수 있다.

격벽(30)의 스트러트 관통 구멍(32a)과 스트러트(15) 사이는 구멍 시일 부재(40)에 의해 시일된다. 구멍 시일 부재(40)의 시일환(41)은 스트러트(15)의 연장 방향 De에 대해 수직인 전체 방향에서 스트러트(15)와의 사이에 미소한 간극이 확보되어 있다. 이로 인해, 환상의 시일환(41)은 스트러트(15)에 대해 그 연장 방향 De로의 상대 이동이 허용되면서, 격벽(30)의 스트러트 관통 구멍(32a)과 스트러트(15) 사이를 시일할 수 있다. 또한, 환상의 시일환(41)의 내주측에는 부분적으로 시일체(47)가 설치되어 있다. 이 시일체(47)는 스트러트(15)에 대한 연장 방향 De로의 이동 시에 스트러트(15)에 미끄럼 접촉하므로, 격벽(30)의 스트러트 관통 구멍(32a)과 스트러트(15) 사이의 시일성을 높일 수 있다.

격벽(30)의 상류측부(31a)는 상류측 시일 유지환(22)에 볼트(33)에 의해 고정되어 있다. 이로 인해, 격벽(30)의 상류측부(31a)와 상류측 시일 유지환(22) 사이는 시일되어 있다. 또한, 격벽(30)의 하류측부(31b)에는 격벽 단부 시일 부재(35)가 설치되어, 격벽(30)의 하류측부(31b)와 내측 디퓨저(12) 사이가 시일되어 있다.

내측 디퓨저(12)는 연소 가스 G에 노출되고, 격벽(30)은 연소 가스 G에 노출되지 않으므로, 양자 사이의 온도차에 의해, 양자 사이에 열팽창차가 발생한다. 이 결과, 상류측부(31a)가 상류측 시일 유지환(22)에 고정되어 있는 격벽(30)의 하류측부(31b)와 내측 디퓨저(12)는 축방향 Da 및 직경 방향 Dr로 상대 변위된다. 본 실시 형태에서는 격벽 단부 시일 부재(35)의 시일체(37)가, 직경 방향 Dr로 이동 가능하게 시일 유지체(36)에 설치되고, 또한 스프링(38)에 의해 내측 디퓨저(12)에 가압되어, 내측 디퓨저(12)의 내주면(12i)과 미끄럼 이동 가능하게 면 접촉한다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는 격벽(30)의 하류측부(31b)와 내측 디퓨저(12)의 축방향 Da 및 직경 방향 Dr의 상대 변위를 허용하면서, 양자 사이를 시일할 수 있다.

그런데, 구멍 시일 부재(40)는 베어링 상자(20)와 일체적인 상류측 시일 유지환(22)에 고정되어 있는 격벽(30)에 의해 보유 지지되어 있다. 이로 인해, 전술한 바와 같이, 스트러트(15)가 열팽창 또는 열수축에 의해 그 연장 방향 De로 연장 수축하고, 베어링 상자(20)가 회전 축선 Ar 주위로 회전하고, 스트러트(15)의 직경 방향 내측 단부가 주위 방향 Dc로 이동해도, 구멍 시일 부재(40)는 이 베어링 상자(20)의 회전에 추종하여 주위 방향 Dc로 이동하여, 스트러트(15)의 직경 방향 내측 단부에 대해 주위 방향 Dc의 상대 변위는 없다. 또한, 구멍 시일 부재(40)는 베어링 상자(20)로부터 비교적 강성이 높은 상류측 시일 유지환(22), 격벽(30)을 통해 유지되므로, 특허문헌 1에 개시되는 구조와 같이 격벽의 자중을 받을 일은 없다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 구멍 시일 부재(40)는 손상되기 어렵고, 냉각 공기 A2의 유로를 장기간에 걸쳐서 시일할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 외측 디퓨저(11), 스트러트(15) 및 스트러트 커버(14)를 냉각하는 과정에서 점차 따뜻해진 냉각 공기 A2와 접촉하는 격벽(30) 및 구멍 시일 부재(40)와, 베어링 상자(20)는 접하고 있지 않다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는 따뜻해진 냉각 공기 A2에 의한 베어링 상자(20)의 가열을 최소한으로 억제할 수 있어, 결과적으로, 베어링(29)의 온도 상승을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 격벽(30)의 상류측부(31a)를 상류측 시일 유지환(22)에 고정하고 있지만, 격벽(30)의 하류측부(31b)를 내측 디퓨저(12)에 고정해도 된다. 이 경우, 격벽(30)의 상류측부(31a)와 상류측 시일 유지환(22) 사이에는 격벽(30)의 상류측부(31a)와 상류측 시일 유지환(22)의 축방향 Da 및 직경 방향 Dr의 상대 변위를 허용하면서, 양자 사이를 시일하는 시일 부재를 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태의 격벽(30)은 격벽 본체(31)와, 격벽 본체(31)의 개구에 고정되어 있는 통부(32)를 갖고, 이 통부(32)에 구멍 시일 부재(40)를 설치하고 있다. 그러나, 통부(32)를 생략하고, 격벽 본체(31)의 개구를 관통 구멍으로 하여, 이 관통 구멍에 구멍 시일 부재(40)를 설치해도 된다.

또한, 본 실시 형태의 구멍 시일 부재(40)는 시일환(41)과, 이 시일환(41)의 내주측에 부분적으로 배치되어 있는 시일체(47)를 갖고 있지만, 이 시일체(47)를 생략해도 된다. 단, 이 경우, 냉각 공기 A2의 누설량이 다소 많아진다. 또한, 반대로, 냉각 공기 A2의 누설량을 보다 적게 하기 위해, 시일환(41)의 내주측의 전체에 시일체(47)를 배치해도 된다.

1 : 압축기
2 : 연소기
3 : 터빈
4 : 케이싱
5 : 터빈 로터
6 : 로터 디스크
7 : 축부
7a : 냉각 공기 주통로
8 : 동익
10 : 배기실 벽
11 : 외측 디퓨저
12 : 내측 디퓨저
14 : 스트러트 커버
15 : 스트러트
20 : 베어링 상자
22 : 상류측 시일 유지환(고정 부재)
29 : 베어링
30 : 격벽
31a : 상류측부
31b : 하류측부
32a : 스트러트 관통 구멍
33 : 볼트(고정구)
35 : 격벽 단부 시일 부재
36 : 시일 유지체
36a : 홈
37 : 시일체
38 : 스프링(탄성체)
40 : 구멍 시일 부재
41 : 시일환
47 : 시일체

Claims

회전 축선을 중심으로 하여 회전하는 로터와,
상기 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상을 이루는 배기실 벽과,
상기 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상을 이루고, 상기 배기실 벽의 내주면을 따라서 설치되어 있는 외측 디퓨저와,
상기 회전 축선을 중심으로 하여 원통 형상을 이루고, 상기 외측 디퓨저의 직경 방향 내측에 배치되어, 상기 외측 디퓨저와의 사이에 연소 가스의 배기 유로를 형성하는 내측 디퓨저와,
상기 내측 디퓨저의 직경 방향 내측에 배치되어, 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링을 덮어 지지하는 베어링 상자와,
상기 배기실 벽과 상기 베어링 상자 사이에, 상기 회전 축선에 대한 주위 방향으로 간격을 두고 복수 배치되어, 상기 외측 디퓨저 및 상기 내측 디퓨저를 관통하여, 상기 배기실 벽과 상기 베어링 상자를 연결하는 스트러트와,
상기 스트러트의 연장 방향을 따라서 배치되어, 상기 연장 방향의 일단부가 외측 디퓨저에 설치되고, 타단부가 내측 디퓨저에 설치되어, 상기 스트러트와의 사이에 냉각 공기가 지나도록 간격을 두고 상기 스트러트를 덮는 스트러트 커버와,
상기 내측 디퓨저의 직경 방향 내측과 상기 베어링 상자의 직경 방향 외측 사이에 배치되어, 상류측부가 상기 베어링 상자의 상류측에 고정되어 있는 고정 부재와의 사이에서 시일되고, 하류측부가 상기 내측 디퓨저와의 사이에서 시일되어, 상기 스트러트가 관통하는 스트러트 관통 구멍이 형성되어 있는 격벽과,
상기 스트러트에 대해 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능하게, 상기 격벽의 상기 스트러트 관통 구멍에 고정되어, 상기 스트러트 관통 구멍과 상기 스트러트 사이의 간극을 막는 구멍 시일 부재를 구비하고 있는, 가스 터빈.
제1항에 있어서, 상기 격벽의 상기 상류측부와 상기 하류측부 중, 일측부를 시일 상대의 부재에 고정하는 고정구와, 타측부와 시일 상대의 부재가 상대 이동 가능하게 상기 시일 상대의 부재와의 사이를 시일하는 격벽 단부 시일 부재를 구비하고 있는, 가스 터빈.
제2항에 있어서, 상기 격벽 단부 시일 부재는,
상기 격벽의 상기 타측부에 고정되어, 상기 직경 방향에 있어서의 상기 타측부의 상기 시일 상대로부터 멀어지는 측으로 오목하고, 또한 상기 주위 방향으로 연장된 홈이 형성되어 있는 시일 유지체와,
상기 시일 유지체의 상기 홈 내에 상기 직경 방향으로 이동 가능하게 배치되어, 상기 회전 축선이 연장되는 축 방향으로, 상기 타측부의 상기 시일 상대의 부재와 미끄럼 이동 가능하게 면 접촉하는 시일체와,
상기 시일 유지체에 수용되어, 상기 타측부의 상기 시일 상대에 상기 시일체를 가압하는 탄성체를 갖는, 가스 터빈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍 시일 부재는 상기 스트러트에 대한 상기 연장 방향의 상대 이동 시에 상기 스트러트에 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉부를 갖는, 가스 터빈.
제4항에 있어서, 상기 구멍 시일 부재는 상기 연장 방향에 대해 수직인 전체 방향에서 상기 스트러트와의 사이에 미소한 간극이 확보되어 있는 환상의 시일환과, 상기 시일환의 내주측에 고정되어, 상기 스트러트에 대해 상기 연장 방향으로 상대 이동 가능하게 미끄럼 접촉하는 상기 미끄럼 접촉부로서의 시일체를 갖는, 가스 터빈.