KR100673407B1

KR100673407B1 - 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지

Info

Publication number: KR100673407B1
Application number: KR1020020057040A
Authority: KR
Inventors: 핀자우티마시모; 바시오티니카를로
Original assignee: 누보 피그노네 홀딩 에스피에이
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2007-01-23
Anticipated expiration: 2022-09-18
Also published as: JP4169556B2; DE60217038T2; TW552348B; KR20030025849A; CA2404187A1; US20030057702A1; RU2300670C2; EP1296021A3; DE60217038D1; JP2003176701A; EP1296021A2; CA2404187C; US6672630B2; EP1296021B1; ITMI20011961A1; ITMI20011961A0

Abstract

가스 터빈(10) 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛(14) 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지(20)로서, 플랜지(20)는, 원통형의 허브(24)에 의해 축류 압축기의 샤프트(12)에 결합되고 절두 원추체의 보다 큰 베이스에서 원형 링 형태의 허브의 연장부(26)에 의해 로터 디스크 유닛(14)에 연결되는, 절두 원추 형상의 본체(22)를 구비하고, 로터 디스크 유닛(14)에 면하는 연장부(26)의 표면(29)에 제공되는 원주방향 오목부(28)가, 오목부에 상보적이고 로터 디스크 유닛(14) 상에 제공된 돌출부와 간섭에 의해 연결되며; 본체(22)는 축(X)에 직각인 방향에 대해 25°내지 35°사이의 각도(α₁)로 경사진 외측 모면과 12° 내지 18° 사이의 각도(α₂)로 경사진 내측 모면을 갖는다.

Description

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지{IMPROVED FLANGE FOR CONNECTION BETWEEN AN AXIAL COMPRESSOR AND HIGH-PRESSURE ROTOR DISC UNIT IN A GAS TURBINE}

도 1은 가스 터빈의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 종래 기술에 따른 플랜지를 볼 수 있는 가스 터빈의 단면도,

도 2는 종래 기술에 따른 연결 플랜지를 도시하는 도 1의 확대 상세 단면도,

도 3은 본 발명의 설명에 따라 제조된 연결 플랜지를 도시하는 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 가스 터빈 12 : 회전 샤프트

14 : 고압 로터 디스크 유닛 20 : 연결 플랜지

22 : 본체 24 : 허브

26 : 연장부 28 : 오목부

본 발명은 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 가스 터빈은 축류 압축기 및 하나 또는 그 이상의 스테이지를 갖는 터빈으로 구성된 기계로서, 이들 구성 요소들은 회전 샤프트에 의해 서로 연결되어 있으며, 압축기와 터빈 사이에 연소실이 제공된다.

고온 고압인 연소실로부터의 가스 출력은 대응하는 파이프를 통해 터빈의 여러 스테이지에 도달하여, 가스의 엔탈피를 사용자가 이용 가능한 기계적 에너지로 변환한다.

2개의 스테이지를 갖는 터빈에 있어서, 가스는 매우 높은 온도와 압력 조건에서 터빈의 제 1 스테이지에서 처리되고, 여기에서 제 1 팽창이 이루어진다.

그 후, 터빈의 제 2 스테이지에서, 가스는 선행 스테이지에서 이용되는 것보다 낮은 온도와 압력 조건에서 제 2 팽창이 이루어진다.

특정 가스 터빈으로부터 최대의 성능을 달성하기 위해서는 가스의 온도가 가능한 한 높을 필요가 있다는 것이 또한 알려져 있다.

그러나, 터빈의 사용시 얻어질 수 있는 최대 온도의 값은 현재 사용되는 재료의 내열성에 의해 제한된다.

또한, 가스 터빈에는 축류 압축기와 터빈의 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 플랜지가 존재한다는 것이 알려져 있다.

특히, 현재 이러한 연결 플랜지는 니켈계 합금으로 제조된 고압 로터 디스크 유닛이 연결에 제공되는 경우에도 보통 고온용의 합금강으로 제조된다.

이러한 조처의 이유는 플랜지가 터빈의 축류 압축기의 샤프트와 일체로 제조되는 것이 유리하기 때문이다.

그리하여 본 기술에 있어서 특히 중요한 문제는 기계의 모든 작동 조건에서 축류 압축기 샤프트와 고압 로터 디스크 유닛 사이에 최상의 연결을 보장하는 것이다.

사실, 연결 플랜지가 파손 또는 다른 유사한 문제를 발생시키지 않고 만족스럽고 신뢰성 있게 응력에 견뎌야 한다는 사실을 고려할 때, 축류 압축기 샤프트와 터빈의 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결 방법이 모든 터빈 설계의 중요한 측면이라는 것에 주목하여야 한다.

사실, 이 연결 플랜지는 첫째로 충분한 탄성을 가져야 하는 기계적인 커플링 요소로서 기계의 정상 사이클 동안 이것이 연결되는 터빈의 고압 로터 디스크 유닛과의 정확한 간섭의 유지를 허용해야 하며, 추가적으로는 이와 동시에 플랜지는 제원에 명시된 사용 수명동안 기계의 안정성을 보장하기 위해 기계적인 내구성을 갖추어야 한다.

또한, 점점 높은 성능 수준을 갖는 가스 터빈을 얻으려 하는 것이 최근의 추세이다.

이는 연소 온도뿐만 아니라 회전 속도와 압축비를 증가시켜야 한다는 사실과 관련이 있다.

결과적으로 터빈의 스테이지 내에서 팽창하는 가스의 온도가 또한 증가한다.

따라서, 이는 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 플랜지 상의 응력의 증가를 야기하며, 그에 따라 플랜지는 특히 중요한 구성 요소가 되어, 특히 크리프(creep) 또는 점성 크리프 현상과 관련한 요구에 따른 충분한 사용 수명을 보장하는 것이 점점 어려워진다.

현재 이들 연결 플랜지는 매우 얇은 두께를 갖는 절두 원추 형상으로 제조되며, 이는 이들에 연결되는 로터 디스크 유닛과의 양호한 호환성을 항상 보장하기 위한 것이다.

그러나 회전 속도와 온도가 높아지면, 기존의 연결 플랜지는 특히 응력이 집중되는 일부 영역, 보다 상세하게는 중심 축에 근접한 영역 및 연결 플랜지의 원추형 부분과 외측 링 사이의 커플링 영역에서 불리한 작동 조건에 놓이게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 단점들을 제거하는 것이며, 특히 응력 집중을 줄이는 것을 가능하게 하여, 회전 속도와 기계의 압축비를 증가시키거나 또는 유체의 온도를 높이는 것을 가능하게 하거나, 또는 상기 두 측면의 적절한 조합을 결정하는 것을 가능하게 하는, 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 요구에 따라 플랜지의 용이한 끼워맞춤 및 제거를 허용하는, 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 또한 신뢰성이 매우 높은, 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 현재 이용되는 연결 플랜지에서 달성될 수 있는 수명보다 더 긴 수명을 달성하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 단순하고 기능적이며, 비교적 저가이며, 통상적인 처리 작업에 의해 제조될 수 있는, 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이들 목적 및 다른 사항들은 독립 청구항 1에 설명된 바와 같은 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지를 제조함으로써 달성된다.

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지의 추가적인 특징은 후속 종속 청구항에 설명된다.

본 발명에 따르면, 힘이 집중되는 영역의 최대 응력값의 감소는 플랜지의 사용 수명의 실질적인 증가를 가져오는 것으로 규정하는 것이 또한 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 연결 플랜지는 공지된 기술에 따른 플랜지와 같이 합금강으로 여전히 제조될 수 있으며, 그리하여 또한 가스 터빈의 축류 압축기의 샤프트와 일체로 제조될 수 있다.

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 본 발명에 따른 개선된 플랜지의 특징 및 이점이 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 비제한적 예시의 방법으로 제공되는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 분명하고 명확해질 것이다.

도 1은 가스 터빈[전체적으로 참조부호(10)로 지시됨]을 도시하며, 여기에서 기계축(X)을 중심으로 회전하는 축류 압축기의 회전 샤프트(12)가 종래 기술에 따라 제조된 연결 플랜지(20)에 의해 고압 로터 디스크 유닛(14)에 연결되어 있다.

도 2는 절두 원추 형상의 본체(22)를 갖는 플랜지(20)를 도시한다.

본체(22)의 절두 원추체는 그것의 보다 작은 베이스에서 원통형 허브(24)에 의해 축류 압축기의 샤프트(12)에 결합된다.

이 결합은 고정 요소에 의해 형성되거나 또는 축류 압축기의 샤프트(12)와 일체로 플랜지(20)를 제조함으로써 직접 형성된다.

본체(22)의 절두 원추체는, 원형 링의 형태이면서 축(X)에 대해 직각 방향으로 외부를 향해 반경방향으로 연장하는, 본체(22)의 연장부(26)에 의해 그것의 보다 큰 베이스에서 고압 로터 디스크 유닛(14)에 결합된다.

이 결합은 로터 디스크 유닛(14)에 면하는 연장부(26)의 표면(29)에 제공된 원주방향 오목부(recess, 28)에 의해 형성된다. 이 오목부(28)는 그것에 상보적이고 로터 디스크(14) 상에 제공된 돌출부와의 간섭을 위해 연결된다.

이 결합은, 축류 압축기에 면하는 연장부(26)의 표면(29)과 표면(31) 사이에서, 연장부(26)를 따라, 기계 축(X)에 평행한 방향으로 제공되는 관통 구멍(30)을 이용하는 지지봉(tie rod)에 의해 완성된다.

도 3은 본 발명에 따라 제조된 연결 플랜지(20)를 도시한다. 여기에는 플랜지(20)의 프로파일을 결정짓는 기하학적 변수들이 상세히 주어져 있다.

허브(24)는 내경(D₂)을 갖는 원통형의 형상을 갖는다.

절두 원추형 본체(22)의 외측 모면(母面, generatrix)은 축(X)에 직각인 방향에 대해 각도(α₁)로 경사진 반면, 내측 모면은 축(X)에 직각인 방향에 대해 상이한 경사를 가지며, 구체적으로는 각도(α₂)로 경사진다.

연장부(26)는 직경(D₅)에서 종결하며, 직경(D₄)에서 축(X)에 직각으로 표면(29)상에 원주방향 오목부(28)를 갖는다.

외측 모면은, 직경(D₃)에 근접한 영역에서, 반경(R₃)을 갖는 원호에 의해 허브(24)에 연결된다.

한편, 이 외측 모면은, 직경(D₁)에 근접한 영역에서, 반경(R₁)을 갖는 원호에 의해 축(X)에 대해 직각으로 연장부(26)의 표면(31)에 연결된다.

내측 모면은 축(X)에 대해 방향(Y)으로 각도(α₃)로 경사진 베벨(bevel)에 의해 허브(24)에 연결된다.

한편, 이 내측 모면은 반경(R₂)을 갖는 원호에 의해 축(X)에 직각으로 연장부(26)의 표면(29)에 연결된다.

연장부(26)의 시작 위치에서, 본체(22)는 또한 본체(22) 자체의 절두 원추체의 외측 모면에 의해 가정된 방향에 직각으로 측정된 두께(S₁)를 가진다.

마지막으로, 연장부(26)는, 그 단부에서, 축(X)의 방향으로 측정된 두께(S₂)를 갖는다.

본 발명에 따른 연결 플랜지(20)에 대한 응력의 분석은, 허브(24)에 근접한 영역 및 본체(22)와 연장부(26) 사이의 커플링 영역인 플랜지(20)의 본체(22)의 가장 중요한 영역에서의 응력 집중의 감소를 허용하는 적절한 기하학적 형상을 나타내는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 연결 플랜지(20)의 가장 적절한 기하학적 형상은 상술한 특징적인 기하학적 변수 중 일부 변수들간의 일련의 특정 비율에 의해 제공된다.

반경(R_1,R_2,R₃), 직경(D_1,D_2,D_3,D_4,D₅), 두께(S_1,S₂) 및 각도(α_1,α_2,α₃) 사이의 비율이 근본적인 것으로 간주되어야 한다.

사실 이들 비율은 허브(24)로부터 연장부(26)까지 본 발명에 따른 연결 플랜지(20)의 개선된 기하학적 형태를 결정한다.

따라서, 연결 플랜지(2)는 다음의 비율로 존재할 때 최적이라는 것이 본 발명에 따라 결정된다.

R₂및R₁사이의 비율은 극대값(extreme value)을 포함하여 0.8 내지 1 사이이고,

R₂및R₃사이의 비율은 극대값을 포함하여 3.5 내지 4.5 사이이며,

D₄및D₅사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.7 내지 0.85 사이이며,

D₄및D₃사이의 비율은 극대값을 포함하여 1.55 내지 1.7 사이이며,

D₄및D₂사이의 비율은 극대값을 포함하여 5.2 내지 6.5 사이이며,

D₄및D₁사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.95 내지 1.05 사이이며,

S₁및D₄사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.13 내지 0.18 사이이며,

S₂및D₄사이의 비율은 극대값을 포함하여 1.3 내지 1.7 사이이다.

알 수 있는 바와 같이, 마지막 6개의 비율은 직경(D₄)을 기준으로 취하고 있다.

동시에, 각도에 대해 다음의 비율이 존재하여야 한다.

각도(α₁)는 극대값을 포함하여 25° 내지 35° 사이이고,

각도(α₂)는 극대값을 포함하여 12° 내지 18° 사이이며,

각도(α₃)는 극대값을 포함하여 26° 내지 34° 사이이다.

요약하자면, 본 발명에 따른 개선된 연결 플랜지의 특징은 절두 원추형 본체의 2개의 모면의 각도와, 연결부의 원호의 반경 사이의 상기 조합에 기반을 둔다.

다음의 설명은 본 발명의 주제인, 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지의 특징뿐만 아니라 그에 상응하는 이하의 이점을 보다 명확하게 한다.

- 힘이 집중되는 영역에서의 응력의 최대값 감소로 인한 연결 플랜지의 사용 수명의 실질적인 증가.

- 기계의 회전 속도 및 기계의 압축비의 증가, 또는 유체 온도의 증가, 또는 2가지 측면의 적절한 조합의 결정.

- 유지 보수 작업중의 용이한 끼워맞춤 및 분해.

- 높은 수준의 신뢰성.

- 본 발명에 따른 연결 플랜지를 얻기 위해 현재 수행되는 것과 다른 과정이 요구되지 않고, 특히 플랜지는 여전히 합금강으로 제조될 수 있으며, 종래 기술에 따른 플랜지와 마찬가지로 가스 터빈의 축류 압축기 샤프트와 일체로 제조될 수 있기 때문에, 종래 기술에 비해 저렴한 비용.

마지막으로, 본 발명의 범위에 속하는 다양한 변경 및 변화가 가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위해 설계된 개선된 플랜지에 대해 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연결 플랜지의 모든 세부적인 사항은 기술적으로 동등한 요소에 의해 대체될 수 있다.

실제에 있어서, 기술적인 필요에 따라 임의의 재료, 형상 및 치수도 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

본 발명에 따르면, 힘이 집중되는 영역에서의 응력의 최대값의 감소로 인한 연결 플랜지의 사용 수명의 실질적인 증가, 기계의 회전 속도 및 압축비의 증가, 또는 유체의 온도의 증가, 또는 2가지 측면의 적절한 조합의 결정, 유지 보수 작업중의 용이한 끼워맞춤 및 분해, 높은 수준의 신뢰성, 및 종래 기술에 비해 저렴한 비용 등의 효과가 제공된다.

Claims

가스 터빈(10) 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛(14) 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지(20)로서, 상기 플랜지(20)는 절두 원추 형상의 본체(22)를 구비하고, 상기 본체(22)는 일차적으로 원통형 형상을 갖는 허브(24)에 의해 상기 축류 압축기의 기계 축(X)을 중심으로 회전하는 샤프트(12)에 결합되고, 이차적으로 본체(22)의 절두 원추체의 보다 큰 베이스에서 원형 링 형태의 허브의 연장부(26)에 의해 상기 로터 디스크 유닛(14)에 연결되며, 상기 로터 디스크 유닛(14)에 면하는 상기 연장부(26)의 표면(29)에 제공되는 원주방향 오목부(28)가 오목부에 상보적이고 로터 디스크 유닛(14) 상에 제공된 돌출부와 간섭에 의해 연결되는 유형의 개선된 플랜지에 있어서,

상기 절두 원추 형상의 본체(22)는 기계 축(X)에 직각인 방향에 대해 극대값을 포함하여 25° 내지 35° 사이의 각도(α₁)로 경사진 외측 모면과, 기계 축(X)에 직각인 방향에 대해 극대값을 포함하여 12° 내지 18° 사이의 각도(α₂)로 경사진 내측 모면을 갖는 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 1 항에 있어서,

상기 연장부(26)는 기계 축(X)에 직각인 방향으로 외부를 향해 반경방향으로 연장하고, 직경(D₅)에서 종결하며, 직경(D₄)에서 축(X)에 직각으로 그 표면(29)에 상기 원주방향 오목부(28)를 가지며,

직경(D₄)과 직경(D₅) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.7 내지 0.85 사이인 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 2 항에 있어서,

상기 연장부(26)는 반경(R₂,R₁)을 갖는 원호를 따라 절두 원추 형상의 본체(22)의 2개의 내측 및 외측 모면에 각각 연결되고,

외측 모면과의 연결은 기계 축(X)에 대해 직경(D₁)에 근접한 영역에 형성되며,

반경(R₂)과 반경(R₁) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.8 내지 1 사이이며, 직경(D₄)과 직경(D₁) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.95 내지 1.05 사이인 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 3 항에 있어서,

상기 허브(26)는 반경(R₃)을 갖는 원호를 따라 절두 원추 형상의 본체(22)의 외측 모면에 연결되고, 외측 모면과의 연결은 기계 축(X)에 대해 직경(D₁)에 근접한 영역에 형성되며, 반경(R₂)과 반경(R₃) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 3.5 내지 4.5 사이이며, 직경(D₄)과 직경(D₃) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 1.55 내지 1.7 사이인 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

연장부(26)의 시작 위치에서, 상기 본체(22)는 본체(22) 자신의 절두 원추체의 외측 모면에 의해 가정된 방향에 직각으로 측정된 두께(S₁)를 갖고,

연장부(26)의 단부에서, 상기 플랜지(20)는 기계 축(X)의 방향으로 측정된 두께(S₂)를 가지며,

두께(S₁) 및 직경(D₄) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 0.13 내지 0.18 사이이며, 두께(S₂) 및 직경(D₄) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 1.3 내지 1.7 사이인 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 1 항에 있어서,

상기 본체(22)의 절두 원추체의 내측 모면은 기계 축(X)에 대해 극대값을 포함하여 26° 내지 34°의 각도(α₃)를 형성하는 방향(Y)으로 허브(24)에 연결되는 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 2 항에 있어서,

상기 허브(24)는 내경(D₂)을 갖는 원통형 형상을 가지고, 직경(D₄)과 직경(D₂) 사이의 비율은 극대값을 포함하여 5.2 내지 6.5 사이인 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 1 항에 있어서,

상기 연장부(26)는 상기 축류 압축기에 면하는 연장부(26)의 표면(29)과 표면(31) 사이에서 기계 축(X)에 평행한 방향으로 제공된 일련의 원주방향 관통 구멍(30)을 가지고, 상기 플랜지(20)와 상기 로터 디스크 유닛(14) 사이를 추가로 고정하기 위한 요소를 수용하도록 설계되는 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
제 8 항에 있어서,

상기 플랜지(20)와 상기 로터 디스크 유닛(14) 사이의 추가적인 고정을 위한 상기 요소는 지지봉을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는

가스 터빈 내의 축류 압축기와 고압 로터 디스크 유닛 사이의 연결을 위한 개선된 플랜지.
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