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KR20210016428A - 베어링 섬프용 통기 시스템 - Google Patents

베어링 섬프용 통기 시스템 Download PDF

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KR20210016428A
KR20210016428A KR1020207037759A KR20207037759A KR20210016428A KR 20210016428 A KR20210016428 A KR 20210016428A KR 1020207037759 A KR1020207037759 A KR 1020207037759A KR 20207037759 A KR20207037759 A KR 20207037759A KR 20210016428 A KR20210016428 A KR 20210016428A
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KR
South Korea
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turbine
gas
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shaft
bearing
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KR1020207037759A
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루시아노 메이
프란세스코 카라텔리
알레산드로 루쏘
마씨밀리아노 마리오띠
알베르토 세쩨리니
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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Publication date
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Abstract

가스 터빈 엔진은 압축기 섹션(11)으로 구성되는 가스 발생기(66), 및 동력 터빈 섹션(65)을 포함한다. 동력 터빈 섹션(65)은 가스 발생기(66)로부터 기계적으로 분리된 동력 터빈 샤프트(93)에 의해 지지되는 동력 터빈 회전자(81)를 포함한다. 동력 터빈 샤프트(93)는 상기 가스 발생기(66)의 샤프트를 지지하는 적어도 하나의 베어링(106)을 수용하고 압축기 섹션(11)에 유동적으로 결합된 베어링 섬프(521)에 유동적으로 결합된 축방향 공동(511)을 내부에 갖는다. 공기 통기 경로(527)가 상기 축방향 공동(511)으로부터 연장되고, 동력 터빈 회전자(81)의 하류에서 연소 가스 유동 경로(515)로 이어진다.

Description

베어링 섬프용 통기 시스템
본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 실시예는 구체적으로 가스 발생기 및 자유 동력 터빈(free power turbine) 섹션을 갖는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은, 발전뿐만 아니라 기계적 구동 응용 둘 모두에서, 회전식 기계류를 구동하기 위한 원동기(prime mover)로서 광범위하게 사용된다. 본 명세서에서 이해되는 바와 같이, 발전 응용은 발전기가 가스 터빈 엔진에 의해 구동되는 그러한 응용이다. 이들 시스템은 연료의 화학 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환시킨다. 본 명세서에서 이해되는 바와 같이, 기계적 구동 응용은 가스 터빈 엔진이 발전기 이외의 회전식 장비, 예를 들어 펌프 또는 압축기, 예컨대 1단(single-stage) 또는 다단(multi-stage) 축류 또는 원심 압축기를 구동시키는 그러한 응용이다.
일부 응용에서, 가스 터빈 엔진 시스템의 소형성(compactness)이 중요해진다. 구체적으로, 가스 터빈 엔진 및 그에 의해 구동되는 기계류가 부유선(floating vessel) 상에 또는 해양 플랫폼(offshore platform) 상에 설치되는 해양 응용에서, 이용가능한 공간이 작기 때문에, 기계 장비의 전체 풋프린트(footprint)를 감소시킬 필요가 있다. 따라서, 높은 동력 밀도가 중요하다.
항공 엔진 파생형(aeroderivative) 가스 터빈 엔진은 소형 기계이며, 따라서 해양 응용에서 특히 바람직하다. 가스 터빈 엔진의 기술에서 통상적으로 이해되는 바와 같이 그리고 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "항공 엔진 파생형 가스 터빈 엔진"은 항공기 수송 수단을 위해 설계된 장비를 적어도 부분적으로 사용하는 가스 터빈 엔진을 지칭하기 위해 사용된다. 이들 가스 터빈 엔진은 소형성 및 감소된 중량을 특징으로 한다. 그러나, 이들 기계는 유효성(availability) 및 파워 레이트(power rate)의 관점에서 일부 제한을 갖는다.
가스 터빈 엔진에서의 중요한 측면들 중 하나는 베어링 설계와 관련된다. 높은 파워 레이트는 터빈 샤프트 상에서의 높은 축방향 하중을 수반하며, 이는 결국 예를 들어 롤링 베어링보다 더 높은 하중 지지 능력을 갖는, 유체 베어링과 같은 복잡한 베어링의 사용을 필요로 한다. 그러한 베어링은 복잡하고 번거로우며, 복잡한 베어링 유체 회로를 필요로 한다.
따라서, 현재 기술의 제한들 중 하나 이상을 극복하거나 완화시키는 가스 터빈 엔진을 개발하는 것이 바람직할 것이다.
일 태양에 따르면, 가스 발생기 및 동력 터빈 섹션을 포함하는 항공 엔진 파생형 가스 터빈 엔진이 본 명세서에 개시된다. 동력 터빈 섹션은 터빈 케이싱 내에 회전가능하게 배열된 동력 터빈 샤프트에 의해 지지되는 동력 터빈 회전자(rotor)를 포함한다. 동력 터빈 샤프트는 가스 발생기로부터 기계적으로 분리되는데, 즉 가스 발생기 샤프트(들)의 회전 속도와 상이한 회전 속도로 회전할 수 있다. 동력 터빈 샤프트는 가스 발생기의 샤프트를 지지하는 적어도 하나의 베어링을 수용하는 베어링 섬프(bearing sump)에 유동적으로 결합된 축방향 공동(cavity)을 갖는다. 베어링 섬프는 가스 발생기의 압축기 섹션에 유동적으로 결합되고, 압축기 섹션으로부터의 압축 공기로 플러싱된다(flushed). 공기 통기 경로(air venting path)가 상기 축방향 공동으로부터 연장되고, 동력 터빈 회전자의 하류에서 가스 유동 경로로 이어진다.
다른 태양에 따르면, 하기의 단계들을 포함하는, 가스 터빈 엔진을 작동시키는 방법이 본 명세서에 개시된다:
가스 터빈 엔진의 가스 발생기를 작동시키고 이에 의해 연소 가스를 생성하는 단계로서, 가스 발생기는 적어도, 베어링 섬프 내에 배열되는 적어도 하나의 베어링에 의해 지지되는 회전 샤프트를 포함하는, 상기 단계;
동력 터빈 샤프트에 의해 지지되는 동력 터빈 회전자를 포함하는 동력 터빈 섹션 내에서 연소 가스를 팽창시키는 단계;
베어링 섬프를 가스 발생기의 압축기 섹션으로부터의 압축 공기로 플러싱하는 단계; 및
베어링 섬프로부터의 공기를, 동력 터빈 샤프트의 축방향 공동 내로 그리고 동력 터빈 회전자의 하류에서 가스 경로와 유동적으로 결합된 축방향 공동으로부터 연장되는 통기 경로를 통해 통기시키는 단계.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되므로, 본 발명의 개시된 실시예들 및 그의 수반되는 이점들 중 많은 것의 더 완전한 이해가 용이하게 얻어질 것이다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실시예에 따른, 가스 터빈에 의해 구동되는 가스 압축기 트레인을 포함하는 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 개략 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진의 터빈 섹션의 일부분의 더 상세한 확대 단면도.
도 4는 본 발명의 방법을 요약하는 흐름도.
베어링 섬프의 통기를 개선하고 자유 동력 터빈 샤프트 상에서의 축방향 하중을 감소시키는 것을 목표로 하는 신규하고 유용한 설비를 포함하는 항공 엔진 파생형 가스 터빈 엔진이 개시된다. 샤프트 상에서의 축방향 하중을 감소시킴으로써, 저성능 베어링이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 더 높은 파워 레이트의 경우에도, 유체 베어링 대신에 롤링 베어링이 사용될 수 있다. 따라서, 가스 터빈 엔진의 전체 풋프린트 및 복잡성이 감소되고, 유지보수가 더 용이하게 된다. 베어링 공동의 개선된 통기는 탈설계(off-design) 조건에서 엔진의 작동성을 개선한다.
일반적으로, 가스 터빈 엔진은 가스 발생기 및 자유 동력 터빈 섹션을 포함한다. 가스 발생기는 압축기 섹션 및 터빈 섹션뿐만 아니라 이들 사이의 연소기 섹션을 포함한다. 압축기 섹션에 의해 압축된 공기가 연료와 혼합되고 연소기 섹션에서 점화되어 고온의 가압된 연소 가스를 생성한다. 이러한 후자는 가스 발생기의 하나 이상의 터빈 휠에서 팽창되는데, 터빈 휠은 압축기 섹션에 구동식으로 결합되고 압축기 섹션을 회전 구동시키기 위한 동력을 제공한다. 최종 팽창 단계는 동력 터빈 샤프트에 의해 지지되는 자유 동력 터빈을 포함하는 동력 터빈 섹션에서 수행된다. 가스 발생기의 적어도 하나의 베어링, 예컨대 동력 터빈 섹션에 가장 근접하게 배치된 베어링이 섬프 내에 배열되는데, 섬프는 동력 터빈 샤프트의 축방향 공동에 유동적으로 결합되고 가스 발생기의 압축기 섹션에 또한 유동적으로 결합되어 그로부터 압축 공기를 수용한다. 동력 터빈 샤프트 내에 축방향 공동을 제공함으로써, 그의 중량이 감소되고, 그의 직경이 현재 기술의 기계에서보다 더 크게 만들어질 수 있다. 축방향 공동은 이어서, 최저 가스 압력이 존재하는 동력 터빈 섹션의 하류에서, 통기 경로를 통해 연소 가스 경로와 유동적으로 결합된다. 이러한 배열은 베어링 섬프의 통기를 촉진하고, 또한 탈설계 작동 조건 하에서도 가스 터빈 엔진의 효율을 개선한다. 나중에 더 상세히 설명될 바와 같이, 동력 터빈 샤프트의 증가된 직경은 그의 베어링 상에서의 축방향 하중을 감소시킨다.
이제 도면으로 돌아가면, 도 1은 가스 터빈 엔진(2) 및 부하(3)를 포함하는 시스템(1)을 개략적으로 도시한다. 일부 실시예에서, 부하(3)는 회전식 장비를 포함할 수 있다. 시스템(1)의 예시적인 실시예는 부하(3)(의 일부)를 형성하는 압축기 트레인을 포함한다. 압축기 트레인(3)은 샤프트 라인(6) 및 이를 따라 배열된 복수의 회전식 기계를 포함할 수 있다. 도 1의 개략도에서, 부하(3)는 3개의 회전식 기계(7, 8, 9), 예를 들어 냉매 회로에서 순환하는 하나 이상의 냉매 유체를 처리하기 위한 3개의 가스 압축기를 포함한다. 압축기는 하나의 동일한 폐쇄 회로, 예를 들어 LNG 시스템의 냉매 회로의 일부일 수 있다. 다른 실시예에서, 압축기들은 각자의 가스 유동들, 예를 들어, LNG 시스템 내의 냉매 유동들을 개별적으로 처리하기 위해 2개 또는 3개의 상이한 폐쇄 회로에 속할 수 있다.
도 1의 설비는 단지 예에 의해 제공된다. 가스 터빈 엔진(2)이 상이한 부하, 예를 들어 발전기를 구동시키는 데 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 또 다른 실시예에서, 가스 터빈 엔진(2)은 예를 들어 조합으로 압축기 및 전기 기계를 포함하는 복합 부하를 구동하는 데 사용될 수 있다.
도 1을 계속 참조하면서, 도 2는 가스 터빈 엔진(2)의 예시적인 실시예의 개략 단면도를 도시한다. 가스 터빈 엔진(2)은 압축기 섹션(11), 연소기 섹션(13) 및 터빈 섹션(15)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 압축기 섹션(11)은 차례로 저압 압축기 섹션(17) 및 고압 압축기 섹션(19)을 포함한다. 저압 압축기 섹션(17)은 공기 유동 통로(21)를 통해 고압 압축기 섹션(19)에 유동적으로 결합될 수 있다. 저압 압축기 섹션(17)은 필터 하우징(25)(도 1)을 통해 주위 공기를 수용하는 공기 입구 플리넘(plenum)에 유동적으로 결합될 수 있다. 필터 하우징(25)은 청정 공기 덕트(26)를 통해 공기 입구 플리넘(23)에 유동적으로 결합될 수 있다. 공기는, 저압 압축기 섹션(17)에 의해 흡입되기 전에, 사전-처리, 예를 들어 냉각될 수 있다. 일부 설비에서, 공기는 저압 압축기 섹션(17)으로 전달되기 전에 냉각되지 않아, 냉각 설비 및 관련 장비가 생략될 수 있도록 하며, 이는 더 소형인 설비를 초래한다.
도 2의 개략도에 도시된 바와 같이, 저압 압축기 섹션(17)은 가스 터빈 축(A-A)을 중심으로 회전하는 저압 압축기 회전자(27)를 포함할 수 있다. 저압 압축기 회전자(27)는 회전 블레이드(rotating blade)(31)들의 복수의 원형 배열체를 포함할 수 있다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 저압 압축기 회전자(27)는 저압 압축기 회전자(27)와 일체로 회전하는 회전 블레이드(31)들의 4개의 원형 배열체를 포함한다.
저압 압축기 섹션(17)은 케이싱(35) 내에 고정적으로 배열된 고정 블레이드(stationary blade)(33)들의 복수의 원형 배열체를 더 포함할 수 있다. 고정 블레이드(33)들의 각각의 원형 배열체는 회전 블레이드(31)들의 상기 원형 배열체들 중 각자의 원형 배열체와 조합된다. 연속적으로 배열된 회전 블레이드 배열체 및 고정 블레이드 배열체의 각각의 쌍은 저압 압축기 단을 형성한다. 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예에서, 저압 압축기 섹션(17)은 4개의 저압 압축기 단을 포함한다. 입구 가이드 베인(guide vane)(33A)들의 한 세트가 또한 회전 블레이드(31)들의 최상류 세트의 상류에 배열될 수 있다. 고정 블레이드들의 한 세트가 저압 압축기 섹션(17)과 고압 압축기 섹션(19) 사이에 배열되어 2개의 섹션 사이에서의 가스 유동을 직선화할 수 있다.
본 명세서와 관련하여, 용어 "하류" 및 "상류"는, 달리 명시되지 않는 한, 기계류를 통한 공기 또는 가스 유동의 방향을 지칭한다.
입구 가이드 베인(33A)들은 가변 입구 가이드 베인들일 수 있는데, 즉 이들은 각자의 실질적으로 반경방향인 피벗 축들을 중심으로 피벗가능하게 케이싱(35) 상에 장착될 수 있다. 입구 가이드 베인(33A)들의 하류의 고정 블레이드(33)들의 하나, 일부 또는 모든 원형 배열체의 블레이드들은 가변 기하학적 구조를 가질 수 있다. 가변 기하학적 구조의 블레이드 배열체의 고정 블레이드가 실질적으로 반경방향인 피벗 축을 중심으로 피벗할 수 있도록 케이싱(35) 상에 지지될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "실질적으로 반경방향인 피벗 축"은 가스 터빈 축(A-A)에 실질적으로 직교하게 배향되는 축, 즉 가스 터빈 엔진(2)의 회전 부품들이 중심으로 회전하는 축으로서 이해될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에 따르면, 고압 압축기 섹션(19)은 가스 터빈 축(A-A)을 중심으로 회전하도록 배열되고 그에 따라 저압 압축기 회전자(27)에 대해 동축인 고압 압축기 회전자(41)를 포함할 수 있다. 고압 압축기 회전자(41)는 회전 블레이드(43)들의 복수의 원형 배열체를 포함할 수 있다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 고압 압축기 회전자(41)는 저압 압축기 회전자(41)와 일체로 회전하는 회전 블레이드(43)들의 9개의 원형 배열체를 포함한다.
고압 압축기 섹션(19)은 케이싱(35) 내에 고정적으로 배열된 고정 블레이드(45)들의 복수의 원형 배열체를 더 포함할 수 있다. 고정 블레이드(45)들의 원형 배열체는 회전 블레이드(43)들의 각각의 원형 배열체와 조합된다. 연속적으로 배열된 고정 블레이드 배열체 및 회전 블레이드 배열체의 각각의 쌍은 고압 압축기 단을 형성한다.
고압 압축기 섹션(19)의 출구에서의 유동을 직선화하기 위해, 고압 압축기 단들의 하류에 출력 가이드 베인(45A)들의 최종 세트가 더 제공될 수 있다.
고압 압축기 섹션(19)의 고정 블레이드(45)들의 하나, 일부 또는 모든 원형 배열체의 블레이드들은 가변 기하학적 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 고정 블레이드 배열체 중 어느 것도 가변 기하학적 구조를 갖지 않는다. 또한, 고압 압축기 섹션(19)에서, 저압 압축기 섹션(17)에서와 같이, 가변 기하학적 구조의 블레이드 배열체의 각각의 고정 블레이드가 케이싱(35) 상에 지지될 수 있는데, 예를 들어 실질적으로 반경방향인 피벗 축을 중심으로 피벗할 수 있다.
고압 압축기 섹션(19)은 고정 블레이드(45A)들의 세트 및 고압 공기 유동 통로(46)를 통해 연소기 섹션(13)에 유동적으로 결합된다.
연소기 섹션(13)은 환상 연소 챔버(47)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 연료 노즐(49)이 환상 연소 챔버(47)를 따라 그리고 가스 터빈 축(A-A) 둘레에 환상으로 배열된다. 바람직한 실시예에서, 연소기 섹션(13)은 당업계에서 통상적으로 DLE 시스템으로 명명되는 건식 저 배기가스(dry-low-emission) 시스템을 포함한다. 건식 저 배기가스 시스템은 연소 챔버 내에 물을 추가할 필요 없이 유해한 CO 및/또는 NOx 배기가스의 감소를 제공한다.
일부 실시예에서, 연소기 섹션은 확산 연소기를 포함할 수 있다.
고압 압축기 섹션(19)에 의해 전달되는 압축 공기는 기체 또는 액체 연료와 혼합되고, 공기/연료 혼합물은 연소기 섹션(13) 내에서 점화되어 가압된 고온 연소 가스를 생성하며, 가압된 고온 연소 가스는 연소기 섹션(13)에 유동적으로 결합된 터빈 섹션(15)으로 전달된다.
터빈 섹션(15)은 이어서 수 개의 터빈 서브섹션(sub-section)을 차례로 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예에서, 터빈 섹션(15)은 연소기 섹션(13)의 바로 하류에 배열된 고압 터빈 섹션(61)을 포함할 수 있다. 중압 터빈 섹션(63)이 고압 터빈 섹션(61)의 하류에 배열될 수 있다. 또한, 저압 터빈 섹션(65)으로도 지칭되는 동력 터빈 섹션(65)이 중압 터빈 섹션(63)의 하류에 배열될 수 있다. 추후에 명백해질 이유로 인해, 동력 터빈 섹션(65)은 "자유 동력 터빈 섹션"으로도 지칭될 수 있으며, "자유 동력 터빈" 또는 "자유 터빈"을 포함할 수 있다. 자유 터빈은 저압 터빈 회전자 또는 동력 터빈 회전자로도 지칭되는 자유 터빈 회전자, 및 저압 터빈 고정자(stator) 또는 동력 터빈 고정자로도 지칭되는 자유 터빈 고정자를 포함한다.
본 명세서에 개시된 예시적인 실시예에서, 고압 터빈 섹션(61)은 터빈 축(A-A)을 중심으로 회전하도록 배열된 고압 터빈 회전자(67)를 포함할 수 있다. 고압 터빈 회전자(67)는 회전 블레이드들의 복수의 세트를 포함할 수 있으며, 각각의 세트는 터빈 축(A-A) 둘레에서 원형 구성으로 배열된 복수의 블레이드를 포함한다. 도 2의 실시예에서, 고압 터빈 회전자(67)는 회전 블레이드(69)들의 2개의 세트를 포함한다. 고정 블레이드(71)들의 각자의 세트가 회전 블레이드(69)들의 각각의 세트와 조합될 수 있다. 따라서, 고정 블레이드(71)들의 제1 세트가 고압 터빈 섹션(61)의 회전 블레이드(69)들의 제1 세트와 연소 챔버(47) 사이에 배열된다. 가스 터빈 엔진(2)의 예시적인 실시예에 따르면, 고압 터빈 섹션(61)은 2개의 고압 터빈 단을 형성하는 회전 블레이드(69)들의 2개의 세트 및 고정 블레이드(71)들의 2개의 세트를 포함한다.
고압 터빈 섹션(61)의 하류에 배열된 중압 터빈 섹션(63)은 터빈 축(A-A)을 중심으로 회전하도록 케이싱(35) 내에 배열된 중압 터빈 회전자(73)를 포함할 수 있다. 중압 터빈 회전자(73)는 함께 공동 회전하도록 장착된 복수의 회전 블레이드(75)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 중압 터빈 회전자(73)의 회전 블레이드(75)들은 원주방향으로 배열된 블레이드들의 단일 세트에 따라 배열될 수 있다. 중압 터빈 섹션(63)은 고정 블레이드(77)들을 더 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 고정 블레이드(77)들은 회전 블레이드(75)들의 상류에 배열된 원주방향으로 배열된 고정 블레이드(77)들의 단일 세트를 형성한다. 고정 블레이드(77)들의 원주방향 세트 및 회전 블레이드(75)들의 원주방향 세트는 단일 중압-압력 터빈 단을 형성한다.
도시된 터빈 단의 개수는 단지 예일 뿐이다. 다른 실시예에서, 고압 터빈 섹션(61), 중압 터빈 섹션(63) 또는 둘 모두는 상이한 개수의 단을 포함할 수 있다.
조합된 저압 압축기 섹션(17), 고압 압축기 섹션(19), 연소기 섹션(13), 고압 터빈 섹션(61) 및 중압 터빈 섹션(63)은 66으로 총괄적으로 표기된 가스 발생기 섹션을 형성하며, 가스 발생기 섹션은 연소 가스를 생성하고, 연소 가스는 고압 터빈 섹션(61) 내에서 그리고 중압 터빈 섹션(63) 내에서 부분적으로 팽창하여 기계적 동력을 생성하여 압축기 섹션(11)을 구동시킨다. 중압 터빈 섹션(63)에 의해 전달되는 부분적으로 팽창된 연소 가스는 저압 터빈 섹션(65) 내에서 추가로 팽창되어, 나중에 기술될 동력 터빈 샤프트 상에서 이용가능한 유용한 동력을 생성한다.
중압 터빈 섹션(63)의 하류에 배열된 저압 터빈 섹션 또는 동력 터빈 섹션(65)은, 터빈 축(A-A)을 중심으로 회전하도록 케이싱(35) 내에 배열되는, 자유 동력 터빈 회전자 또는 간단히 동력 터빈 회전자(81)로도 지칭되는 저압 터빈 회전자(81)를 포함할 수 있다. 동력 터빈 섹션(65)은 자유 동력 터빈 고정자 또는 간단히 동력 터빈 고정자로도 지칭되는 저압 터빈 고정자를 더 포함한다.
회전 블레이드(83)들의 원주방향 배열체들이 저압 터빈 회전자(81) 상에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 원주방향으로 배열된 회전 블레이드(83)들의 4개의 세트가 저압 터빈 회전자(81) 상에 배열된다. 원주방향으로 배열된 회전 블레이드(83)들의 각각의 세트 또는 배열체는 케이싱(35) 상에 장착되고 자유 동력 터빈 고정자 또는 저압 터빈 고정자의 일부를 형성하는 원주방향으로 배열된 고정 블레이드(85)들의 세트 또는 배열체와 조합된다. 순차적으로 배열된, 고정 블레이드(85)들의 원주방향 세트 및 회전 블레이드(83)들의 관련 원주방향 세트의 각각의 쌍은 저압 터빈 섹션(65)의 각자의 단을 형성한다.
연소기 섹션(13)에서 생성된 연소 가스는 고압 터빈 섹션(61)에서, 중압 터빈 섹션(63)에서 그리고 저압 터빈 섹션 또는 동력 터빈 섹션(65)에서 순차적으로 팽창한다. 각각의 고압, 중압 및 저압 터빈 섹션들에서의 연소 가스의 엔탈피 강하는, 여기서 후술되는 바와 같이 이용되는, 대응하는 양의 기계적 동력을 생성한다.
고압 압축기 회전자(41) 및 고압 터빈 회전자(67) 둘 모두는 터빈 축(A-A)을 중심으로 함께 공동 회전하도록 제1 터빈 샤프트(91) 상에 장착되거나 그에 구속된다. 고압 압축기 회전자(41), 고압 터빈 회전자(67) 및 제1 터빈 샤프트(91)의 조합은 가스 터빈 엔진의 제1 스풀(spool)을 형성한다. 때때로, 이들 3개의 구성요소는 가스 터빈 엔진(2)의 "제1 회전자" 또는 "고압 회전자"로 총괄적으로 지칭된다.
고압 압축기 회전자(41), 제1 터빈 샤프트(91) 및 고압 터빈 회전자(67)는 동일한 회전 속도로 회전한다. 연소 챔버(47) 내의 압력과 중압 터빈 섹션(63)의 입구에서의 중간 압력 사이에서의 연소 가스의 팽창에 의해 고압 터빈 섹션(61)에서 생성되는 기계적 동력은 고압 압축기 회전자(41)를 회전시키고 따라서 저압 압축기 섹션(17)의 전달 측에서의 전달 압력으로부터 연소기 섹션(13)의 입구에서의 공기 압력까지 공기 압력을 상승시키는 데 사용된다.
저압 압축기 회전자(27) 및 중압 터빈 회전자(73) 둘 모두는 터빈 축(A-A)을 중심으로 함께 공동 회전하도록 제2 터빈 샤프트(92) 상에 장착된다. 조합된 저압 압축기 회전자(27), 중압 터빈 회전자(73) 및 제2 터빈 샤프트(92)는 가스 터빈 엔진(2)의 제2 스풀을 형성한다. 때때로, 이들 3개의 구성요소는 가스 터빈 엔진(2)의 "제2 회전자" 또는 "중압 회전자"로 총괄적으로 지칭된다.
따라서, 저압 압축기 회전자(27) 및 중압 터빈 회전자(73)는 서로 기계적으로 결합되어 동일한 속도로 회전한다. 중압 터빈 섹션(63)을 통해 가스를 팽창시킴으로써 생성되는 기계적 동력은 저압 압축기 회전자(27)를 회전시키는 데 사용된다. 따라서, 중압 터빈 섹션(63)에서의 가스 팽창에 의해 생성되는 기계적 동력은, 가스 터빈 엔진(2)에 의해 흡입된 공기의 압력을 주위 압력으로부터, 고압 압축기 섹션(19)과 저압 압축기 섹션(17)의 전달 측을 서로 유동적으로 연결하는 공기 유동 통로(21)에서 달성되는 제1 공기 압력까지 상승시키는 데 이용된다.
제1 터빈 샤프트(91)는 제2 터빈 샤프트(92)에 동축이다. 제1 터빈 샤프트(91)는 내부가 중공이어서, 제2 터빈 샤프트(92)가 제1 터빈 샤프트(91)를 통해 연장되고, 제1 터빈 샤프트(91)의 양 단부들에서 각각 제1 터빈 샤프트(91)의 대향하는 제1 및 제2 단부들을 지나 그리고 고압 압축기 회전자(41) 및 고압 터빈 회전자(67)를 지나 돌출하도록 한다.
전술된 배열에 의해, 고압 압축기 회전자(41), 제1 터빈 샤프트(91) 및 고압 터빈 회전자(67)를 포함하는 제1 스풀은 제1 회전 속도로 회전한다. 저압 압축기 회전자(27), 제2 터빈 샤프트(92) 및 중압 터빈 회전자(73)를 포함하는 제2 스풀은 제1 회전 속도와 상이할 수 있는 제2 회전 속도로 회전한다.
연소기 섹션(13)과 조합된 제1 스풀 및 제2 스풀은 총괄적으로 가스 터빈 엔진(2)의 "수퍼-코어" 또는 "가스 발생기"로도 지칭된다. 조합되는 제1 스풀 및 연소기 섹션(13)은 총괄적으로 가스 터빈 엔진(2)의 "코어"로도 지칭된다.
저압 터빈 회전자 또는 자유 동력 터빈 회전자(81)는 케이싱(35) 내에서 함께 공동 회전하도록 동력 터빈 샤프트(93) 상에 장착될 수 있다. 여기서, 동력 터빈 샤프트(93)는 제3 터빈 샤프트(93)로도 지칭될 것이다. 제3 터빈 샤프트(93)는 도 1의 예시적인 구성에서의 압축기 트레인(3)인, 가스 터빈 엔진(2)에 의해 구동되는 부하의 샤프트 라인(6)에 구동식으로 결합될 수 있다. 제3 터빈 샤프트(93)는 제1 터빈 샤프트(91) 및 제2 터빈 샤프트(92)에 축방향으로 정렬되지만, 그들의 외부에 있고 그들로부터 기계적으로 분리된다.
위의 배열에 의해, 고압 압축기 섹션(19) 및 고압 터빈 섹션(61)은 연소기 섹션(13)을 가로질러 연장되는 유동 통로를 통해 유동적으로 결합될 뿐만 아니라 제1 터빈 샤프트(91)를 통해 기계적으로 결합된다. 저압 압축기 섹션(17) 및 중압 터빈 섹션(63)은 제2 터빈 샤프트(92)를 통해 기계적으로 결합되고, 고압 압축기 섹션(19), 연소기 섹션(13) 및 고압 터빈 섹션(63)을 통해 연장되는 유동 경로에 의해 추가로 유동적으로 결합된다.
반대로, 저압 터빈 섹션(65) 또는 동력 터빈 섹션(65)은 중압 터빈 섹션(63)에 유동적으로만 결합되지만, 제1 스풀 및 제2 스풀에 대해 기계적으로 분리되는데, 즉 결합되지 않는다. 이러한 이유로, 동력 터빈 섹션(65)은 자유 동력 터빈 섹션(65)으로도 지칭되는데, 그 이유는 그의 터빈 회전자가 가스 터빈 엔진의 코어 및 수퍼-코어의 회전 속도와 상이한 회전 속도로 제1 스풀 및 제2 스풀과는 별개로 회전할 수 있기 때문이다.
동력 터빈 섹션(65) 및 동력 터빈 샤프트(93), 또는 제3 터빈 샤프트(93)는, 제1 스풀의 제1 회전 속도 및/또는 제2 스풀의 제2 회전 속도와 상이할 수 있는 제3 회전 속도로 회전할 수 있는 "절반 스풀(half-spool)"을 형성한다.
제1 터빈 샤프트(91) 및/또는 제2 터빈 샤프트(92) 및/또는 제3 터빈 샤프트(93)는 복수의 베어링에 의해 지지될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 터빈 샤프트(91)를 지지하는 하나의, 일부 또는 바람직하게는 모든 베어링은 정압 베어링(hydrostatic bearing), 자기 베어링(magnetic bearing) 또는 동압 베어링(hydrodynamic bearing)이라기보다는 롤링 베어링이다. 유사하게, 일부 실시예에서, 제2 터빈 샤프트(92)를 지지하는 하나의, 일부 또는 바람직하게는 모든 베어링은 정압 베어링, 자기 베어링 또는 동압 베어링이라기보다는 롤링 베어링이다. 또한, 일부 실시예에서, 제3 터빈 샤프트(93)를 지지하는 하나의, 일부 또는 바람직하게는 모든 베어링은 정압 베어링, 자기 베어링 또는 동압 베어링이라기보다는 롤링 베어링이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 그리고 당업계에서 통상적으로 이해되는 바와 같은 "롤링 베어링"은, 지지 샤프트와 함께 공동 회전하기 위한 제1 베어링 구성요소 또는 레이스(race), 및 고정형일 수 있는 지지 구조물에 구속된 제2 베어링 구성요소 또는 레이스를 포함하고, 제1 베어링 구성요소와 제2 베어링 구성요소 사이에서 이들과 접촉 상태로 롤링하여 이들 사이에서 마찰을 감소시키는, 제1 베어링 구성요소와 제2 베어링 구성요소 사이의 롤링 몸체들을 더 포함하는 베어링이다.
롤링 베어링들은 정압 또는 동압 베어링들에 비해 제한된 양의 윤활유를 필요로 하기 때문에 특히 유리하다. 또한, 이들은 자기 베어링보다 더 간단하고 더 적은 유지보수를 받는다. 따라서, 이들은 보조 장비를 위한 더 적은 공간을 필요로 한다.
일부 실시예에서, 제1 터빈 샤프트, 제2 터빈 샤프트 및 제3 터빈 샤프트 중 하나, 일부 또는 모두는 적어도 2개의 래디얼(radial) 베어링 및 적어도 하나의 액시얼(axial) 또는 스러스트(thrust) 베어링에 의해 지지된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "래디얼 베어링"은 주로 반경방향-하중 지지 능력을 갖는, 즉 베어링의 회전축에 주로 직교하는 방향으로 배향된 하중을 지지하도록 특별히 구성된 베어링으로서 이해될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "액시얼 베어링" 또는 "스러스트 베어링"은 주로 축방향-하중 지지 능력을 갖는, 즉 베어링의 회전축에 평행하게 배향된 추력 또는 하중을 지지하도록 특별히 구성된 베어링으로서 이해될 수 있다.
제1 터빈 샤프트(91)는 제1 액시얼 롤링 베어링(101), 예를 들어 볼 베어링에 의해 지지될 수 있다. 제1 터빈 샤프트(91)는 제2 래디얼 롤링 베어링(102)에 의해 추가로 지지될 수 있다. 베어링(101, 102)들은 제1 터빈 샤프트(91)의 제1 단부에 배열될 수 있다. 제1 터빈 샤프트(91)를 그의 제2 단부에서 지지하도록 제3 래디얼 롤링 베어링(103)이 추가로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 래디얼 베어링(102) 및 제3 래디얼 베어링(103)은 롤러 베어링일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 액시얼 베어링(101)은 또한 축방향 하중 능력과 조합되어 반경방향 하중 능력을 가질 수 있는데, 즉 제1 액시얼 베어링은 조합된 반경방향 및 축방향 하중을 지지하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 액시얼 베어링(101)은 제1 터빈 샤프트(91)의 상류 단부, 즉 저압 압축기 섹션을 향하는 단부에 또는 그 부근에 위치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 래디얼 베어링(102)은 제1 터빈 샤프트(91)의 상류 단부에 또는 그 부근에 위치될 수 있다. 제3 래디얼 베어링(103)은 제1 터빈 샤프트(91)의 하류 단부, 즉 저압 터빈 섹션(65)을 향하는 단부 부근에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 액시얼 베어링(101)은 제2 래디얼 베어링(102)과 제3 래디얼 베어링(103) 사이에 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 래디얼 베어링(102)은 제1 액시얼 베어링(101)과 제3 래디얼 베어링(103) 사이에 배열될 수 있다.
제2 터빈 샤프트(92)는 제4 롤링 베어링(104), 예를 들어 롤러 베어링에 의해 지지될 수 있다. 제2 터빈 샤프트(92)는 제5 롤링 베어링(105)에 의해 추가로 지지될 수 있다. 제2 터빈 샤프트(92)를 지지하도록 제6 롤링 베어링(106)이 추가로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제4 베어링(104) 및 제6 베어링(106)은 래디얼 베어링들일 수 있다. 일부 실시예에서, 제5 베어링(105)은 액시얼 베어링, 즉 스러스트 베어링일 수 있다. 일부 실시예에서, 제5 액시얼 베어링(105)은 또한 축방향 하중 능력과 조합되어 반경방향 하중 능력을 가질 수 있는데, 즉 제5 액시얼 베어링은 조합된 반경방향 및 축방향 하중을 지지하도록 구성될 수 있다.
제2 터빈 샤프트(92)를 지지하는 2개의 롤링 베어링이 제2 터빈 샤프트(92)의 일 단부에 배열될 수 있고, 제2 터빈 샤프트(92)를 지지하는 하나의 롤링 베어링이 제2 터빈 샤프트(92)의 다른 단부에 배열될 수 있다. 예를 들어, 2개의 롤링 베어링이 제2 터빈 샤프트(92)의 상류 단부, 즉 제1 터빈 샤프트(91)의 상류에서 연장되는 단부에 또는 그 부근에 배열될 수 있고, 다른 롤링 베어링이 제2 터빈 샤프트(92)의 하류 단부, 즉 제1 터빈 샤프트(91)의 하류에서 연장되는 샤프트 단부에 또는 그 부근에 배열될 수 있다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제4 래디얼 베어링(104)은 저압 압축기 회전자(27)에 배열된다. 제5 액시얼 베어링(105)은 저압 압축기 회전자(27)에 배열된다. 제6 래디얼 베어링(106)은 중압 터빈 회전자(73)에 또는 그 부근에 배열될 수 있다.
베어링(103, 106)들을 하나의 동일한 섬프 설비 내에 배열함으로써, 중압 터빈 회전자(73)와 저압 터빈 회전자(81) 사이에서의 다른 지지 프레임의 필요성이 회피될 수 있다.
따라서, 고압 압축기 회전자(41) 및 고압 터빈 회전자(67) 둘 모두는 개재하는 베어링들의 구성으로, 즉 베어링들, 예컨대 베어링(101, 102)들의 제1 그룹과 자유 동력 터빈 섹션, 즉 저압 터빈 섹션(65)을 향하는 제1 터빈 샤프트(91)의 단부 부근에 위치되는 베어링들(베어링(103)만을 포함함)의 제2 그룹 사이에서, 제1 터빈 샤프트(91)에 의해 지지될 수 있다.
제2 터빈 샤프트(92) 상에 장착된 중압 터빈 회전자(73) 및 저압 압축기 회전자(27)는 부분적으로 돌출되는 구성에 따라, 즉 각각 베어링(106) 상에서 그리고 베어링(104, 105)들 상에서 지지될 수 있다.
일부 실시예에서, 저압 터빈 회전자, 또는 동력 터빈 회전자(81)는 제3 동력 터빈 샤프트(93) 상에서 돌출되는 구성으로 장착된다. 예시적인 실시예에서, 저압 터빈 회전자(81)는 중압 터빈 회전자(73)를 향하고 있는 제3 터빈 샤프트(93)의 제1 상류 단부 상에 장착될 수 있다. 94로 개략적으로 도시된 제3 터빈 샤프트(93)의 제2 대향 단부는 샤프트 라인(6)에 그리고 종동 부하에 기계적으로 결합되도록 구성된 부하 결합 단부이다. 제3 터빈 샤프트(93)는 3개의 롤링 베어링, 즉 제7 베어링(107), 제8 베어링(108), 및 제9 베어링(109)에 의해 지지될 수 있다. 제3 터빈 샤프트(93)를 지지하는 3개의 베어링(107, 108, 109)은 저압 터빈 회전자(81)의 하나의 동일 측에, 즉 저압 터빈 회전자(81)와 제3 터빈 샤프트(93)의 부하 결합 단부(94) 사이에 배열될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 제7 베어링(107)과 제9 베어링(109)은 래디얼 베어링일 수 있는 반면, 중간 제8 베어링(108)은 액시얼 또는 스러스트 베어링일 수 있다.
고압 및 중압 터빈 섹션들에 반대편인 측에 제3 터빈 샤프트(93)의 베어링들을 배열함으로써, 베어링들은 특히 가스 터빈 엔진에 대한 유지보수 개입 동안에 오염물에 대해 더 잘 보호된다. 보다 구체적으로, 제3 터빈 샤프트(93)의 베어링들은, 예를 들어 가스 터빈 엔진의 코어 및 수퍼-코어가 예를 들어 유지보수, 수리 또는 교체를 위해 개방 및/또는 제거될 때, 환경오염적 오염물질에 대해 가장 잘 보호된다.
본 발명에 따르면, 제3 터빈 샤프트(93), 즉 동력 터빈 회전자(81)를 지지하는 동력 터빈 샤프트 상의 축방향 하중을 감소시키기 위한 특징부 및 설비가 사용될 수 있다. 제3 터빈 샤프트(93) 상의 축방향 하중을 감소시킴으로써, ISO-일(day) 조건 하에서, 예컨대 40 MW 이상, 예를 들어 60 MW 이상, 예컨대 65 MW 이상의 범위 내의 높은 터빈 파워 레이트가 동압 또는 정압 스러스트 베어링에 의지함이 없이 더욱 용이하게 달성될 수 있다. 샤프트 상의 감소된 추력은 더 복잡한 유체 베어링 및 관련 보조 장비 대신에 롤링 베어링의 사용을 허용한다. 위에 언급된 동력 범위는 단지 예일 뿐이다. 상이한 파워 레이트들, 예를 들어 더 작은 파워 레이트들을 갖는 가스 터빈 엔진들이 예측될 수 있음이 이해될 것이다.
계속해서 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 2는 가스 터빈 엔진(2)의 주 섹션 및 구성요소를 다소 개략적인 방식으로 도시하지만, 도 3은 본 발명에 따른 실시예에서의 터빈 섹션(15)의 일부분의 확대 단면도를 더 상세히 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 터빈 샤프트(93) 또는 동력 터빈 샤프트(93)에는, 데드 홀(dead hole)로서 구성될 수 있고 저압 터빈 회전자(81)를 통해 축방향으로 연장될 수 있으며 중압 터빈 회전자(73)를 향해 개방될 수 있는 축방향 공동(511)이 제공될 수 있다. 축방향 공동(511)은 저압 터빈 회전자(81)의 공동(513)으로부터 누출되는 가압 공기를 수집할 수 있다. 공동(513)은 저압 터빈 섹션(65)의 회전 블레이드(83)들이 장착되는 저압 터빈 회전자(81)의 디스크(84)들을 수용한다.
공동(513)은 통상적으로 압축기 섹션(11)으로부터의 공기로 가압된다. 공동(513) 내의 압력은 통상적으로 저압 터빈 섹션(65)을 통한 연소 가스의 유동 경로(515) 내의 최고 압력보다 약간 높다. 공동(513)의 가압은 고온 연소 가스가 회전자 블레이드들 이외의 저압 터빈 회전자(81)의 구성요소와 접촉하는 것을 방지한다. 이는 유익할 수 있는데, 그 이유는 터빈 블레이드가 통상적으로 고온을 견디기에 적합한 고성능 재료로 제조되지만, 회전자의 대부분의 내부 부분들이 고온 연소 가스와 접촉하여 유지되기에 부적합한 덜 고가의 저성능 재료로 제조될 수 있기 때문이다.
공동(513) 내의 공기 압력은 제3 터빈 샤프트(93) 상에 인가되는 전방 추력을 증가시키고, 따라서 제3 터빈 샤프트(93)의 액시얼 베어링(108) 상의 하중에 악영향을 미친다.
제3 터빈 샤프트(91) 상에 인가되는 축방향 추력에 대한 공동(513) 내의 공기 압력의 부정적인 영향을 감소시키기 위해, 축방향 공동(511)이 위치되는 영역에서 제3 터빈 샤프트(91)의 직경을 증가시킴으로써 압력 공동(513)의 직경이 감소된다.
저압 터빈 회전자(81)와 일체인 제3 터빈 샤프트(93)와 중압 터빈 회전자(73)와 일체인 제2 터빈 샤프트(92) 사이에 회전 통기 시일(seal)(517)이 제공된다. 따라서, 회전 통기 시일(517)을 통해 누출되는 가압 공기가 제3 터빈 샤프트(93)의 축방향 공동(511) 내에 수집된다.
축방향 공동(511)은 제2 터빈 샤프트(92)를 지지하는 베어링의 베어링 섬프에 유동적으로 결합될 수 있다. 구체적으로, 축방향 공동(511)은 제6 롤링 베어링(106)이 배열되는 베어링 섬프(521)에 유동적으로 결합될 수 있다. 베어링 섬프(521)는, 가스 터빈 엔진(2)의 다른 베어링 섬프와 유사하게, 압축기 섹션(11)으로부터의 가압 공기로 플러싱되어, 고온 연소 가스가 섬프 내에 수용된 베어링과 접촉하여 윤활 오일 또는 베어링의 기계적 구성요소를 손상시키는 것을 방지할 수 있다. 베어링 섬프로 전달되는 가압 공기는, 고온 연소 가스의 고온에 대해 베어링을 보호하기 위해 베어링 섬프 내에서 연속적인 공기 유동이 유지될 수 있도록 통기되어야 한다.
일부 실시예에 따르면, 공기 통기 포트(523)들이 중압 터빈 회전자(73)에 제공된다. 공기 통기 포트(523)들은 섬프(521)를 제3 터빈 샤프트(93)의 축방향 공동(511)과의 유체 연통 상태로 둔다.
베어링 섬프(521)로부터의 공기뿐만 아니라 회전 통기 시일(517)로부터의 누출 공기를 포함할 수 있는, 축방향 공동(511) 내에 수집된 공기는, 축방향 공동(511)으로부터 공기 통기 포트(525)들 및 공기 통기 경로(527)를 통해 배출될 수 있으며, 공기 통기 경로는 가스 터빈 엔진(2)의 고정 부분(529)을 통해 연장된다. 공기 통기 경로(527)는 가스 유동 경로의 단부 부분(531), 예를 들어 저압 터빈 섹션(65)의 마지막 단의 바로 하류로 이어질 수 있다. 가스 유동 경로의 단부 부분(531)에서의 압력은 주위 압력 미만일 수 있어서, 베어링 섬프(521)로부터의 효율적인 공기 통기가 심지어 부분 부하 조건 하에서도 가스 터빈 엔진(2)의 모든 작동 조건 하에서 보장될 수 있도록 한다. 가스 터빈 엔진(2)이 그의 설계점 아래에서, 예를 들어 정격 출력의 80% 이하에서, 예컨대 정격 출력의 70% 또는 약 70%에서 작동하고 있을 때에도, 효율적인 통기가 특별히 유지된다.
위에 언급된 바와 같이 베어링 섬프(521)로부터의 공기를 위한 효율적인 통기 경로를 제공하는 것에 더하여, 제3 가스 터빈 샤프트(93) 내의 축방향 공동(511)은 저압 터빈 회전자(81)의 공동(513)의 체적 및 따라서 공동(511) 내에 수용된 공기의 압력이 인가되는 총 면적을 감소시키는데, 그 이유는 저압 터빈 회전자(81)의 내부의 일부가 제3 터빈 샤프트(93)의 축방향 공동(511)에 의해 점유되기 때문이다. 따라서, 제3 터빈 샤프트(93) 상에서 그리고 액시얼 또는 스러스트 베어링(108) 상에서 공동(513) 내의 공기 압력에 의해 생성되는 축방향 추력이 감소된다.
일부 실시예에 따르면, 제3 터빈 샤프트(93) 상의 축방향 추력을 추가로 감소시키기 위해, 가스 터빈 엔진(2)에는 평형 피스톤 공동(balance piston cavity)(533)이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 평형 피스톤 공동(533)은 저압 터빈 회전자(81)의 전방에, 즉 중압 터빈 섹션(63)의 반대편인 저압 터빈 회전자의 측에 배열될 수 있다. 예를 들어, 평형 피스톤 공동(533)은 저압 터빈 회전자(81)의 전방 표면, 즉 제3 터빈 샤프트(93)의 부하 결합 단부(94)를 향하는 저압 터빈 회전자(81)의 표면과 케이싱(35)과 일체형인 고정 다이어프램(535) 사이에 배열될 수 있다.
압축기 섹션(11)으로부터의 가압 공기는 케이싱 내에 그리고 가스 터빈 엔진(2)의 고정 부분 내에 형성된 통로(도시되지 않음)들을 통해 평형 피스톤 공동(533) 내에 전달될 수 있다. 평형 피스톤 공동(533) 내의 압력은, 저압 터빈(65)을 통해 팽창하는 연소 가스에 의해 생성된 축방향 하중에 의하여 그리고 회전자 공동(513) 내의 공기 압력에 의하여 생성되는 추력의 반대편으로 지향되는 축방향 추력을 저압 터빈 회전자(81) 상에서 생성한다.
일부 실시예에서, 평형 피스톤 공동(533)은 공기 통기 경로(527)와 저압 터빈 회전자(81) 사이에 배열되어, 평형 피스톤 공동과 제3 터빈 샤프트(93)의 부하 결합 단부(94) 사이에서 평형 피스톤 공동(533) 후방에서 가스 터빈 엔진(2)의 고정 부분 내에 공기 통기 경로(527)가 형성될 수 있도록 한다. 따라서, 공기 통기 경로(527)는 저압 터빈 회전자의 반대편인 평형 피스톤 공동의 측에서 평형 피스톤 공동(533) 둘레로 연장된다.
다른 실시예에서, 평형 피스톤 공동은 당업자에게 알려진 바와 같이 저압 터빈 섹션(65) 둘레의 상이한 위치에 배열될 수 있다.
본 발명이 다양한 특정 실시예의 관점에서 설명되었지만, 청구범위의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 많은 수정, 변경 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 항공 엔진 파생형(aeroderivative) 가스 터빈 엔진(2)으로서,
    - 압축기 섹션(11)으로 구성되는 가스 발생기(66); 및
    - 상기 가스 발생기(66)로부터 기계적으로 분리된 동력 터빈 샤프트(93)에 의해 지지되는 동력 터빈 회전자(rotor)(81)를 갖는 동력 터빈 섹션(65)
    을 포함하고,
    상기 동력 터빈 샤프트(93)는 베어링 섬프(bearing sump)(521)와 유동적으로 결합된 축방향 공동(cavity)(511)을 내부에 가지며; 상기 베어링 섬프(521)는 상기 압축기 섹션(11)과 유동적으로 결합되고, 상기 가스 발생기(66)의 샤프트(92)를 지지하는 적어도 하나의 베어링(106)을 수용하며; 공기 통기 경로(air venting path)(527)가 상기 축방향 공동(511)으로부터 연장되고, 상기 동력 터빈 회전자(81)의 하류에서 연소 가스 유동 경로(515)로 이어지는, 가스 터빈 엔진(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 발생기(66)는 적어도, 제1 터빈 샤프트(91)로 구성되는 고압 터빈 섹션(61), 및 상기 적어도 하나의 베어링(106)에 의해 지지되는 제2 터빈 샤프트(92)로 구성되는 중압 터빈 섹션(63)을 포함하는, 가스 터빈 엔진(2).
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스 발생기(66)는,
    제1 터빈 샤프트(91)에 의해 서로 구동식으로 결합되는 고압 터빈 섹션(61) 및 고압 압축기 섹션(19);
    제2 터빈 샤프트(92)에 의해 서로 구동식으로 결합되는 중압 터빈 섹션(63) 및 저압 압축기 섹션(17); 및
    상기 고압 압축기 섹션(19)에 그리고 상기 고압 터빈 섹션(61)에 유동적으로 결합되는 연소기 섹션(13)
    을 포함하고,
    상기 제1 터빈 샤프트(91) 및 상기 제2 터빈 샤프트(92)는 동축으로 배열되며, 상기 제2 터빈 샤프트(92)는 상기 제1 터빈 샤프트(91)를 통해 연장되는, 가스 터빈 엔진(2).
  4. 제3항에 있어서, 상기 베어링 섬프(521) 내에 배열된 상기 적어도 하나의 베어링(106)은 상기 제2 터빈 샤프트(92)를 지지하는, 가스 터빈 엔진(2).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 평형 피스톤 공동(balance piston cavity)(533)이 상기 가스 발생기(66)의 반대편인 상기 동력 터빈 회전자(81)의 측에 제공되는, 가스 터빈 엔진(2).
  6. 제5항에 있어서, 상기 공기 통기 경로(527)는 상기 동력 터빈 회전자의 반대편인 상기 평형 피스톤 공동(533)의 측에서 반경방향으로 연장되는, 가스 터빈 엔진(2).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동력 터빈 샤프트(93)는 롤링 베어링(107, 108, 109)들에 의해 지지되는, 가스 터빈 엔진(2).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동력 터빈 회전자(81)는 상기 동력 터빈 샤프트(93) 상에서 돌출하는 구성으로 장착되고, 상기 동력 터빈 샤프트(93)는 상기 가스 발생기(66)의 반대편인 상기 동력 터빈 회전자(81)의 측에 배열되는 베어링(107, 108, 109)들에 의해 지지되는, 가스 터빈 엔진(2).
  9. 가스 터빈 엔진을 작동시키는 방법으로서,
    상기 가스 터빈 엔진(2)의 가스 발생기(66)를 작동시키고 이에 의해 연소 가스를 생성하는 단계로서, 상기 가스 발생기는 적어도, 베어링 섬프(521) 내에 배열되는 적어도 하나의 베어링(106)에 의해 지지되는 회전 샤프트(92)를 포함하는, 상기 단계;
    동력 터빈 샤프트(93)에 의해 지지되는 동력 터빈 회전자(81)를 포함하는 동력 터빈 섹션(65) 내에서 상기 연소 가스를 팽창시키는 단계;
    상기 베어링 섬프(521)를 상기 가스 발생기(66)의 압축기 섹션(11)으로부터의 압축 공기로 플러싱(flushing)하는 단계; 및
    상기 베어링 섬프(521)로부터의 공기를, 상기 동력 터빈 샤프트(93)의 공동(511) 내로 그리고 상기 동력 터빈 회전자(81)의 하류에서 연소 가스 유동 경로(515)와 유동적으로 결합된 통기 경로(527)를 통해 통기시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
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