KR20140127291A

KR20140127291A - 배기가스 확산기와 지지 핀들을 구비한 가스터빈

Info

Publication number: KR20140127291A
Application number: KR1020147024186A
Authority: KR
Inventors: 마르크 브뢰커; 토비아스 부?
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-11-03
Also published as: CN104145089A; EP2791478A1; JP2015508860A; IN2014DN06201A; US20140373504A1; CN104145089B; EP2634381A1; WO2013127553A1

Abstract

본 발명은 터빈 유닛(24)에 연결되는 배기가스-확산기(21)를 구비한 가스터빈(10)에 관한 것으로서, 상기 배기가스 확산기의 확산기-채널(33)은 채널 벽부(40)에 의해 외측으로 한정되고, 상기 채널 벽부에는 가스터빈(10)의 반경 방향 베어링(51)을 고정하기 위해 내부로 연장되는 복수의 중공 지지 핀들(35)이 제공되며, 이때 배기가스 확산기(21)에는 하나 이상의 관 라인들을 둘러싸는 배출 공기용 배출 라인(47)이 배출측으로 종료되고, 상기 배기가스 확산기의 유입측 단부는 가스터빈(10)의 압축기(18)와 연결된다. 특히 부분 부하 작동 중에 지지 핀들(35)의 잘못된 유입을 적어도 부분적으로 보상하기 위해, 지지 핀들(35)의 내부 단부는 허브(48)를 포함하고, 상기 허브의 축방향 단부에는 확산기 채널 내부로 배출 공기를 배출하기 위한 추가의 개구부들(49)이 제공된다.

Description

배기가스 확산기와 지지 핀들을 구비한 가스터빈{GAS TURBINE HAVING AN EXHAUST GAS DIFFUSER AND SUPPORTING FINS}

본 발명은 터빈 유닛에 연결되는 배기가스 확산기를 구비한 가스터빈에 관한 것으로서, 상기 배기가스 확산기의 확산기 채널이 일 벽부에 의해 외측으로 한정되고, 가스터빈의 반경 방향 베어링을 고정하기 위해 내부로 연장되는 복수의 중공 지지 핀들이 상기 벽부에 제공되며, 이때 배기가스 확산기에는 하나 이상의 관 라인들을 둘러싸는 배출 공기용 배출 라인이 배출측으로 종료되고, 상기 배기가스 확산기의 유입측 단부가 가스터빈의 압축기와 연결된다.

가스터빈과 이의 작동 방식은 광범위하게 제공될 수 있는 종래기술 중에서 가장 잘 알려져 있다. 이러한 가스터빈은 배기가스 구간의 부분으로서 배기가스 확산기를 항상 포함하고, 상기 배기가스 확산기를 통해 가스터빈에서 배출되는 배기가스가 전달될 수 있다. 영어로 "Simple Cycle(단순 사이클)"이라 불리는, 단독 작동을 위한 가스터빈이 제공되는 경우에, 배기가스는 연통으로 안내된다. 영어로 "Combined Cycle(복합 사이클)"이라 불리는 가스 및 증기 복합 발전소의 경우, 배기가스 구간은 상기 배기가스를 보일러로 안내하고, 상기 보일러에 의해 배기가스 내에 포함된 열에너지는 증기 터빈용 증기로 전환된다.

배기가스 확산기의 작동점은 우선 상기 배기가스 확산기의 체적 흐름률에 좌우된다. 이러한 배기가스 확산기는 알려진 바에 의하면 주로 주변 온도, 압축기-유입 안내 블레이드의 위치 및 점화 온도에 의해 영향을 받는다.

배기가스 확산기는 복수의 요건들을 충족시켜야 한다. 최대 효율을 달성하기 위해 한편으로는 설계점에서 최대의 압력 회복이 필요하다. 동시에 설계점으로부터 멀어지더라도 효율은 가능한 한 근소하게만 감소해야 한다. 다른 한편으로, 배기가스 확산기는 비정상 작동 거동을 전혀 갖지 않아야 하는데, 그렇지 않은 경우 진동 여기로 인해 발전소 설비의 기계적 통합을 손상시킬 수도 있다. 이 외에도, 배기가스 확산기는 양호한 보일러 효율을 달성하기 위해 배출 시에 가능한 한 동일한 속도 분배를 가져야 한다. 마찬가지로 낮은 부분 부하 작동 중 작동점을 변경할 시에 플립 플롭 효과(flip-flop effect)를 방지하는 것도 중요하다. 또한 최종적으로, 배기가스 확산기는 콤팩트하고, 이에 따라 비용도 저렴해야 한다.

최적의 확산기 유동을 위해, 외부 벽부에서뿐만 아니라 배기가스 확산기로부터 보일러 유입부로 전이될 때 분리 흐름 구역과 역류 흐름 구역을 방지하는 것이 중요하다. 그러나 이러한 분리 흐름 구역과 역류 흐름 구역이 발생하더라도, 이들의 크기는 비교적 작아야 한다. 매끄러운 확산기 외부 벽부의 내부면에서의 분리는 대부분 매우 작은 국부적 유동 에너지로 인해 발생하고, 상기 에너지는 하류로 증가하는 압력을 상쇄할 수 없다. 이에 대해 원인이 되는 것은, 확산기의 개방각 이외에도 마지막 터빈 회전 블레이드 열에서의 배출 흐름과, 특히 이의 블레이드 첨두부에서의 과류이다. 역류 흐름 구역은 경우에 따라 부분 부하 작동 중에, 특히 허브(hub) 뒤와 외부 벽부에서 형성될 수 있다. 이때 역류 흐름 구역들은, 보일러 유입부의 영역에서 자체적으로 상류로 향하는 유동 구역에 이르기까지 하류 방향에 이를 수 있다. 후속 버너를 이용할 경우에, 역류에 의해 불꽃 역류가 생성될 수 있고, 이는 가스터빈과 후속 버너의 조합된 작동 방식을 제한할 수도 있다.

이러한 공기 역학적인 현상을 상쇄하기 위해, 압축기 추출부와 복수의 배출 라인들을 통해 가스터빈의 부분 부하 작동 중에 확산기 흐름에 압축기 질량 유동의 부분들을 직접 공급하는 것이 공지되어 있다. 이때 배출 라인들을 확산기 내로 연결하는 것은 대부분 비용에 따라 최적화되므로, 이러한 연결부는 확산기의 외부면에 차라리 대각선으로 배치된다. 또한 몇몇 주변 위치들에서의 배출을 통해 확산기 유동 내부에는 차가운 스트랜드(strand)가 발생한다. 이는, 확산기 내에서의 비정상 유동과 관련하여, 확산기 벽부의 비정상적 열적 부하를 초래하여, 상기 위치의 균열 형성을 촉진시키게 된다.

그러므로 본 발명의 과제는 터빈 유닛에 연결된 배기가스 확산기를 구비한 가스터빈을 제공하는 것으로서, 이때 상기 배기가스 확산기는 종래기술에 언급된 문제들을 해결할 수 있다.

가스터빈과 관련된 과제는 청구범위 제1항의 특징들에 따른 이러한 가스터빈에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속항들에 명시되고 임의적인 방식으로 서로 조합될 수 있다.

본 발명에 따라, 배출 라인의 배출측 단부는 허브 내로 배출 공기를 전달하기 위해 지지 핀들의 공동부를 통해 허브와 유체 공학적으로 연결되고, 허브 뒤에서 역류 흐름 구역을 감소시키거나, 경우에 따라 원추형으로 유입되는 허브 단부에서 분리 성향을 코안다 분사로서 감소시키기 위해, 배출 공기는 허브측에서 배출된다.

바람직한 일 개선예에 따라, 배출 라인의 배출측 단부는 지지 핀들의 공동부와 연결되고, 이때 지지 핀들은 배출 공기를 확산기 채널 내로 배출하기 위한 개구부들을 포함한다. 후방의 베어링 스타의 지지 핀들 내로 배출 공기를 안내하고 지지 핀들의 후연에서 바람직하게 배출됨으로써, 배출 공기는 부분 부하 작동 중에 강하게 잘못 유입되는 지지 핀들에서 분리를 감소시킬 목적으로 이용된다. 또한 이러한 방식으로 지지 핀들에 의해 형성된 베어링 스타와 예컨대 이의 판금 피복부와 같은 부품들이 의도적으로 냉각된다. 이는 정격 부하 작동과 비교하여, 부분 부하 작동 중에 터빈 배출 온도를 상승시킬 수 있어서, 다시금 불꽃 온도의 감소와 이에 결부된 배기가스 중 일산화탄소 값의 상승이 저지될 수 있다.

배기가스 공기의 배출이 지지 핀들 내에 배치된 개구부들을 통해 허브에 의한 배출과는 무관하게 제공될 수 있는 것에도 주의해야 할 것이다.

본 발명은 단독 도면에 의해 더 자세히 설명된다. 단독 실시예가 가스터빈의 종방향 부분 단면도로 도시된다.

도 1은 정상 가스터빈의 종방향 부분 단면도이다.

도 1에는 종방향 부분 단면으로 정상 가스터빈(10)이 도시된다. 가스터빈(10)은 내부에 회전축(12)을 중심으로 회전 지지되는 회전자(14)를 포함하고, 상기 회전자는 터빈 회전자로도 지칭된다. 회전자(14)를 따라 흡입 하우징(16), 축방향 터보 압축기(18), 서로 회전 대칭형으로 배치된 복수의 버너들(22)을 구비한 환상 링 연소 챔버(20), 터빈 유닛(24) 및 터빈 출력 하우징(26)이 연속적으로 이어진다. 가스터빈(10)의 터빈 출력 하우징(26)에는 더 자세히 도시되지 않는 터빈-배기가스-분배기가 연결된다. 양 컴포넌트들이 가스터빈-배기가스-확산기(21)의 부분이다. 링 연소 챔버 대신에 가스터빈은 복수의 관 연소 챔버로도 구성될 수 있다.

축방향 터보 압축기(18)는 회전 블레이드 링 및 안내 블레이드 링으로 구성된, 내부에 캐스케이드 방식으로 연속적으로 이어지는 압축기 단을 구비한, 환형으로 형성된 압축기 채널을 포함한다. 회전자(14)에 배치된 회전 블레이드(27)의 자유로이 종료되는 블레이드 날개 첨두부는 압축기 채널의 외측 채널 벽부에 대향한다. 압축기 채널은 플레넘(plenum)(38) 내의 압축기 출력 확산기(36)를 통해 연결된다. 플레넘 내에서 링 연소 챔버(20)에는 연소 공간(28)이 제공되고, 상기 연소 공간은 터빈 유닛(24)의 링형 고온 가스 채널(30)과 연결된다. 터빈 유닛(24) 내에는 연속적으로 이어지는 4개의 터빈 단(32)이 배치된다. 회전자(14)에는 (각각 미도시된) 제너레이터 또는 구동 기계가 결합된다.

가스터빈(10)의 터빈 출력 하우징(26)에는 터빈-배기가스-분배기가 연결된다. 양 컴포넌트는 가스터빈-배기가스-확산기(21)의 부분이다. 터빈-배기가스-분배기의 하류에는 마찬가지로 더 자세히 도시되지 않는 배기가스-가스-시스템이 제공된다. 이러한 시스템과 가스터빈-배기가스-확산기(21)는 배기가스-확산기-시스템을 형성한다.

가스터빈-배기가스-확산기(21) 내에는 유입측으로 링형의 확산기 채널(33)이 제공되고, 상기 확산기 채널은 반경 방향 외측으로 원추형 채널 벽부(40)에 의해 한정된다. 채널 벽부(40)에는 확산기 채널(33)의 원주를 따라 6개의 지지 핀들(35)이 분배되고, 상기 지지 핀들 중 하나의 핀만이 종단면으로 도시된다. 다른 갯수의 지지 핀들이 존재할 수도 있다. 각각의 지지 핀(35)은 이의 내부에 지지부(37)를 포함하고, 상기 지지부는 판금 피복부(39)에 의해 배기가스와의 직접적인 콘택으로부터 보호된다. 판금 피복부(39)는 전연(41)과 후연(43)을 포함하고, 이러한 판금 피복부는 압축기 블레이드의 블레이드 날개의 프로파일 윤곽부에 상응하도록 횡단면 내에서 공기 역학적으로 프로파일 성형된다. 지지 핀들(35)의 내부 단부들에는 허브(48)가 배치되고, 상기 허브는 내부에 배치된 터빈측 반경 방향 베어링(51)을 위한 하우징을 형성한다. 지지부(37)가 존재함에도 불구하고 판금 피복부(39)의 내부에는 공동부(45)가 더 존재한다. 이러한 공동부에는 배출 라인(47)을 통해 압축기 질량 유동의 일부가 공급될 수 있다. 배출 라인(47)은 3개의 관 라인들을 포함하고, 상기의 관 라인들 중에서 하나의 관 라인만이 도시되어 있다. 3개 이상의 또는 이하의 관 라인들이 제공될 수도 있다. 도시되지 않은 관 라인들은 가스터빈(10)의 주연을 따라 분배된다. 또한 각각의 관 라인 내에는 관 라인을 차단하고 부분적으로나 완전히 개방하기 위한 하나의 밸브가 조절 수단(46)으로서 제공된다. 모든 관 라인들은 압축기(18) 또는 플레넘(38)을 공동부(45)와 연결하여, 이 공동부에 배출 공기를 공급하도록 한다.

지지 핀(35)의 후연(43)에 그리고/또는 지지 핀(35)의 볼록한 흡입측의 하류 영역에 복수의 개구부들(49)이 제공되고, 상기 개구부들을 통해 지지 핀(35)에 공급되는 배출 공기는 확산기 채널(33) 내로 도입될 수 있다. 또한 지지 핀(35) 내의 개구부들(49)의 존재와 무관하게 허브(48) 내에는 배출 공기를 배출하기 위한 개구부들(49)이 제공될 수 있다. 특히 후자의 구성은 허브(48)의 하류에서 역류 흐름 구역을 방지하기 위해 적합하다.

가스터빈(10)의 작동 중에 축방향 터보 압축기(18)는 흡입 하우징(16)을 통해 압축될 매질로서 주변 공기(34)를 흡입하여 압축한다. 상기 압축된 공기는 압축기 배출 확산기(36)를 통해 플레넘(38) 내로 안내되고 상기 플레늄으로부터 버너(22) 내부로 유입된다. 버너(22)를 통해 연료도 연소 공간(28) 내부에 도달한다. 거기에서 연료는 압축된 공기의 공급 하에 고온의 가스(M)로 연소된다. 이어서, 고온 가스(M)는 고온 가스 채널(30) 내부로 흐르고, 상기 채널에서 고온 가스는 터빈 유닛(24)의 터빈 블레이드에서 일(work)을 수행할 수 있는 상태로 팽창된다. 그러는 동안에, 릴리즈된 에너지는 회전자(14)에 의해 흡수되어, 한편으로는 축방향 터보 압축기(18)를 구동하고, 다른 한편으로는 작동 기계 또는 전기 제너레이터를 구동하는 데에 이용된다.

가스터빈(10)의 구동부는, 배기 가스가 개구부들(49) 내로 유입되는 것을 방지하기 위해 필요한 바와 같이, 상기 유형의 배출 공기량만이 정격 부하 작동 중에 개구부들(49)로부터 배출되도록 구성된다. 가스터빈의 송출된 출력이 사전 설정된 값 미만으로 감소되면, 배출 라인(47)에 배치된 조절 수단(46)은 추가로 개방되어서, 배기가스 질량 유동이 두드러지게 증가한다. 사전 설정된 값이 예컨대 가스터빈-정격출력의 80%, 70%, 50% 또는 다른 비율일 수도 있다. 이러한 조치를 통해 한편으로는 지지 핀들(35)에서 분리가 방지될 수 있고, 상기 분리는 부분 부하 작동 중에 잘못된 유입으로 인해 배기가스-질량-유동이 감소하기 때문에 발생할 수 있다. 또한, 연료-공기-혼합기에서 연소 공기의 퍼센트 비율이 감소하고, 이는 더 높은 연소 온도를 유발하여 일산화탄소 방출을 더 낮은 값으로 유지할 수 있다. 추가로, 허브(48)를 통해 배출 공기를 배출시킴으로써 허브(48)의 하류에서 역류 흐름 구역이 방지될 수 있다.

전반적으로, 본 발명에 의해 터빈 유닛(24)에 이어지는 배기가스-확산기(21)를 구비한 가스터빈(10)이 제공되고, 상기 배기가스 확산기의 확산기 채널(33)은 채널 벽부(40)에 의해 외측으로 한정되고, 상기 채널 벽부에서는 가스터빈(10)의 반경 방향 베어링(51)을 고정하기 위해 내부로 연장되는 복수의 중공의 지지 핀들(35)이 제공되며, 이때 배기가스-확산기(21)에는 하나 이상의 관 라인들을 둘러싸는, 배출 공기용 배출 라인(47)이 배출측으로 종료하고, 상기 배기가스 확산기의 유입측 단부는 가스터빈(10)의 압축기(18)와 연결된다. 특히 부분 부하 작동 중에 지지 핀들(35)의 잘못된 유입을 통해 발생된 효율 손실을 적어도 부분적으로 보상하기 위해, 지지 핀들(35)은 이의 내부 단부에 허브(48)를 포함하고, 상기 허브의 축방향 단부에서 배출 공기를 확산기 채널 내로 배출하기 위한, 추가의 개구부들(49)이 제공된다.

Claims

터빈 유닛(24)에 연결되는 배기가스-확산기(21)를 구비한 가스터빈(10)이며, 상기 배기가스 확산기의 확산기-채널(33)은 채널 벽부(40)에 의해 외측으로 한정되고, 상기 채널 벽부에는 가스터빈(10)의 반경 방향 베어링(51)을 고정하기 위해 내부로 연장되는 복수의 중공 지지 핀들(35)이 제공되며,
배기가스 확산기(21)에는 하나 이상의 관 라인들을 둘러싸는 배출 공기용 배출 라인(47)이 배출측으로 종료되고, 상기 배기가스 확산기의 유입측 단부는 가스터빈(10)의 압축기와 연결되며,
지지 핀들(35)의 내부 단부는 허브(48)를 포함하고, 상기 허브는 각각의 지지 핀들(35)의 공동부를 통해 배출라인의 배출측 단부와 유체공학적으로 연결되는 가스터빈에 있어서,
허브(48)의 축방향 단부에는 확산기 채널(33) 내부로 배출 공기를 배출하기 위한 추가의 개구부들(49)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 가스터빈(10).
제1항에 있어서, 지지 핀들(35)에서 개구부들(49)은 허브측에만 분배되는, 가스터빈(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 개구부들(49)은 지지 핀들(35)의 후연에 그리고/또는 지지 핀들(35)의 볼록한 흡입측의 하류 영역에 배치되는, 가스터빈(10).
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 지지 핀들(35)은 확산기 채널(33) 내로 배출 공기를 배출하기 위한 개구부들(49)을 포함하는, 가스터빈(10).