KR100378484B1 - 인터스테이지 실링 구조체를 갖는 가스터빈 엔진 - Google Patents

Abstract

가스터빈엔진이 개시된다. 본 발명의 가스터빈엔진은,

터빈부; 상기 터빈부로부터 이격되어 그 사이에 공간부가 정의되도록 대향되게 설치되며 상기 터빈부의 구동축에 의하여 구동되는 압축부; 상기 압축부, 터빈부 및 공간부를 감싸는 하우징; 및 상기 하우징으로부터 상기 구동축의 외주면상에 형성된 체결링과 인접되도록 연장되며 상기 공간부내에 위치되는 메인실플레이트, 상기 메인실플레이트에 지지되며 가장자리가 터빈부 하우징에 밀착되는 인슐레이터, 및 상기 메인실플레이트에 고정된 가압플레이트의 가장자리에 설치되어 상기 터빈측 하우징에 밀착되는 백업링을 구비하는 실링구조체;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하는 경우 상기 공간부 상부에서 터빈부측으로부터 유입된 고온의 팽창공기를 효과적으로 기밀할 수 있게된다.

Description

인터스테이지 실링 구조체를 갖는 가스터빈 엔진{Gas turbine engine with the interstage sealing assembly}

본 발명은 가스터빈엔진에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축부측으로부터 터빈부측으로의 압축가스의 유동을 제한하는 인터스테이지 실링 구조체를 구비한 가스터빈엔진에 관한 것이다.

가스터빈엔진은 이상적인 기본 열역학적 사이클인 브레이튼 사이클(Brayton Cycle)에 의해서 작동하는 장치로서, 가스 상태의 작동유체를 압축 및 팽창하는 과정에서 동력을 연속적으로 얻어내는 엔진이다. 상기 가스터빈엔진은 윤활유의 소비량이 매우 적으며, 고속운전이 가능하면서도 엔진 구조의 소형화, 집약화를 이룩할 수 있다는 장점 때문에 항공기의 동력기계로서 아주 적합하며, 선박, 산업용으로도 그 응용 분야가 증가하고 있다.

도 1은 가스터빈엔진의 작동 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 1을 참조하면, 외기를 흡입한 압축부(10)는 상기 외기를 압축하여 이를 연소부(20)로 보내고, 상기 연소부(20)에서 점화되어 고온으로 가열되어 에너지 수준이 높아진 공기는 터빈부(30)를 통해 팽창되면서 가스터빈엔진의 출력을 발생시킨다. 또한 상기 터빈부(30)에서의 출력은 구동축(51)을 통하여 다시 그 일부가 압축기를 회전시키기 위한 구동원으로 귀환된다.

한편, 일반적으로 가스터빈엔진에서는, 압축부(10)와 터빈부(30)는 엔진의 소형화를 꾀하기 위하여 밀접하게 대향되어 위치하고 있고, 터빈부과 압축부 사이에는 압축부(10)에서 압축된 공기가 터빈부(30)로 직접 유동되는 것을 막는 것과 동시에 고온의 터빈부(30)에서의 저온의 압축부(10)로의 열유동을 차단하기 위하여 환형의 좁은 공간부(40)가 마련된다. 상기의 공간부(40)에는 환형의 실링 구조체(100)가 설치되는데, 상기 실링 구조체(100)는 압축부(10)와 터빈부(30)사이에 존재하는 유체 압력차에 의하여 터빈부(30) 방향으로의 힘을 받는바, 종래의 박판 금속의 실링 구조체(100)는 이로 인하여 축방향으로의 변형이 발생하였다. 또한, 터빈부(30)내로 유동되는 고온의 공기는 터빈부 외주로부터 유입되기 때문에 상기 실링 구조체(100)의 외변부와 내변부 사이에 심한 온두 구배를 가지며, 이로 인하여 실링 구조체(100)의 열변형이 발생하는 문제점도 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 여러 종류의 실링 구조체가 선행 기술로서 개시되어 있는데, 미국 특허 제4,932,207(Sundstrand사)에 개시된 발명은 실링 구조체(100)중 인슐레이터(도 2의 140)의 수명을 연장시키기 위한 형태로서 기존의 디스크 형태에서 벗어나 마치 여러 장의 낙엽이 겹쳐진 것과 같은 구조를 가지고 열팽창시 서로 상대적으로 움직일 수 있으면서 실링의 역할을 할 수 있게 되어 있는 발명을 개시하고 있다. 또한 동사에서 역시 출원한 미국특허 제5,074,111(Sundstrand사)에서 개시된 발명은 낙엽 모양의 원판이 사용된 전술한 특허발명에 비하여 2개의 분리된 링을 사용하여 서로 상대적으로 움직일 수 있고 작동시에 열팽창에 의하여 분리된 간극을 매울 수 있도록 하여 실링의 역할을 수행할 수 있는 구조에 관한 것이다.

또한 미국 앨라이드시그널사(Allied Signal Inc)에 의한 미국특허 제5,161,945(Allied Signal Inc)에 개시된 발명에 의하면, 실링 구조체의 중간부분을 벌집(honeycomb) 모양의 형태로 하여 열응력과 압축응력을 견딜 수 있는 견고한 구조체에 대하여 개시하고 있으며, 동사의 미국 특허 제5,233,924(Allied Signal Inc)에 개시된 발명은 기존의 벌집 모양의 구조를 없애고 대신 원추형의 구조를 사용하여 그 구조체의 단순화를 꾀한 기술적 사상에 관한 것이다.

전술한 선행 기술들도 터빈부와 압축부의 공기의 유동이나 열 응력을 회피할 수 있는 장치를 제시하고 있고, 또한 이 모든 경우에서 있어서도 압축부와 터빈부 사이에 형성된 공간부의 상부에서 터빈부측으로부터 유입된 고온의 공기를 차단하는 수단을 제공하지만, 터빈부로부터의 고온의 공기에 의하여 인슐레이터가 열팽창되어 변형되거나 열응력이 과도하게 작용하는 경우에 상기 인슐레이터가 변형되어 터빈부측 하우징과의 접촉면에서의 충분한 기밀이 이루어지지 않고 압축 공기가 유출될 수도 있는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압축부의 고압공기가 연소기를 거치지 않고 직접 터빈부로 유출되는 것을 효과적으로 제한함과 동시에 터빈부에서의 고온의 공기에 의하여 실링 구조체의 부재가 열팽창되는 경우에도 상기한 실링 역할을 원활히 수행할 수 있는 실링 구조체를 제공하는 점에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스터빈엔진의 종단면도를 나타낸다.

도 2는 도 1의 가스터빈엔진에 있어서, 실링 구조체를 확대하여 나타낸 종단면도이다.

도 3은 도 2의 실링 구조체의 구성요소를 나타내는 분리 부분사시도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10... 압축부 20... 연소기

30... 터빈부 40... 공간부

50... 구동축 100... 실링 구조체

110... 메인실플레이트 120... 가압플레이트

130... 백업링 140... 인슐레이터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스터빈엔진은,

터빈부; 상기 터빈부로부터 이격되어 그 사이에 공간부가 정의되도록 대향되게 설치되며 상기 터빈부의 구동축에 의하여 구동되는 압축부; 상기 압축부, 터빈부 및 공간부를 감싸는 하우징; 및 상기 하우징으로부터 상기 구동축의 외주면상에 형성된 체결링과 인접되도록 연장되며 상기 공간부내에 위치되는 메인실플레이트, 상기 메인실플레이트에 지지되며 가장자리가 터빈부 하우징에 밀착되는 인슐레이터, 및 상기 메인실플레이트에 고정된 가압플레이트의 가장자리에 설치되어 상기 터빈측 하우징에 밀착되는 백업링을 구비하는 실링구조체;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가압플레이트는 상기 메인실플레이트 방향으로 벤딩된 절곡부가 형성되고, 상기 절곡부와 대응되는 부위의 상기 메인실플레이트에는 절곡부와 접촉되어 가압플레이트의 열팽창시 백업링을 상기 터빈측 하우징으로 가압하도록 하는 경사부가 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 가압 플레이트는 열팽창 계수에 있어 상기 메인실플레이트의 그것보다 큰 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 가스터빈엔진의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명하고자 한다. 각 도면에 대하여, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 일반적으로 가스터빈 엔진에서의 압축부(10)와 터빈부(30)는 동일한 구동축(50)을 공유하면서 상호 대향되게 인접해 있으며, 그 사이에는 환형의 공간부(40)가 마련된다. 이 경우, 상기 압축부(10)에서 압축된 공기가 연소실(20)로 향하지 않고 공간부(40)를 통하여 직접 터빈부(30)로 유출되는 경우 터빈부(30)에서의 공기의 팽창 효율이 낮아지고 엔진 전체의 성능 저하를 초래하게 된다. 따라서, 상기 공간부(40)를 통하여 유출되는 공기를 최대한 제한하기 위한 실링 구조체(100)가 상기 공간부(40)내에 마련된다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 공간부(40) 상부는 압축부측 하우징(41)과 터빈측 하우징(42)에 의하여 한정되며, 그 하부는 압축기 로터(11)와 터빈 로터(31)에 의해 양측이 한정된다. 아울러 압축기와 터빈 로터의 상호 동심원적인 회전을 보조하기 위하여 구동축 외주면에 설치된 체결링(51)은 상기 공간부(40)의 기저면을 한정한다. 또한 상기 공간부(40)의 넓이는 가능한 얇게 형성하는 것이 바람직하나, 그 폭이 너무 협소한 경우에는 압축부(10)와 터빈부(30)사이의 공기의 온도차에 의한 과다한 열압력을 수용할 수 없게 되므로, 이는 엔진와 집약화의 동시에 열 압력의 효과적인 차단을 고려하여 그 넓이를 적절히 설계해야 한다. 한편 상기 공간부(40)에서, 압축부측 하우징(41)과 압축기 로터(11)는 상호 밀폐되어 접촉될 수 없으며, 소정 간격 이격되어 배치되므로 그 협소한 공간은 제 1통로(43)를 형성하며, 상기 제 1통로(43)를 통하여 압축부(10)의 압축공기가 상기 공간부(40)로 유입될 수 있게된다. 마찬가지로, 공간부(40)의 터빈부측에 있어서도, 터빈부 하우징(42)과 터빈의 로터(31) 사이에는 또 하나의 제 2통로(44)가 형성되고, 상기 제 2통로(44)를 통하여 터빈부(30)의 고온의 공기가 상기 공간부(40)로 유입되는 구조로 되어있다.

압축부측 하우징(41)의 내측에 접촉되어서는 메인실플레이트(110)가 밀폐되게 지지 고정된다. 상기 메인실플레이트는 도 3에서 도시된 바와 같이, 환형의 금속판으로 이루어진다. 상기 메인실플레이트(110)의 외주면에는 터빈부측 방향으로 림(111)이 소정 길이 돌출되어 있으며, 상기 림(111)의 압축기측 가장자리에서는 직각 하방으로 절곡 연장되어 이루어진 메인실플레이트의 외변부(112)가 형성되며, 상기 외변부 하단부에서는 터빈부측으로 상방향 경사져서 일체적으로 연장된 경사부(113)가 마련된다. 상기 외변부의 하부에는 다시 터빈부측으로 소정 각도 절곡되어 하방으로 연장된 중간부(114)가 형성되고, 상기 중간부의 하부중 터빈부측으로는 브라켓(115)이 형성된다. 상기 중간부(114) 하부에서는 내변부(116)가 다시 하방으로 절곡되어 체결링(51)에 매우 근접한 위치에까지 일체적으로 연장되고, 상기 내변부(116)의 하단면과 체결링(도 2의 51)과의 사이에는 극히 미세한 틈새(도 2의 a)가 형성된다.

상기 메인실플레이트(100) 중간부의 브라켓(115)내에는 가압플레이트(120)와 인슐레이터(140)가 안착되는데, 상기 가압플레이트(120)는 그 내변부(121)의 소정 높이에서부터 압축부(10)를 향하여 소정 각도 절곡된 상태에서 상방향으로 연장되는 제 1 중간부(122)를 가지며, 상기 제 1중간부의 상단부에서는 다시 터빈부(30)를 향하여 절곡되어 상방향으로 일체적으로 연장된 제 2중간부(123)를 갖는다. 상기 제 2중간부(123)의 압축기측 하부는 상기 메인실플레이트의 경사부(113)와 접한다. 상기 제 2중간부(123)의 상단부로부터는 다시 상방으로 절곡되어 소정 길이 상방향으로 일체적으로 연장된 외변부(124)를 구비한다. 즉, 상기 가압플레이트(120)는 전체적으로 원추형상을 취하게 되는데, 이는 압축부로부의 압력차에 의한 힘을 터빈부로 원활히 전달할 수 있게하는 구조이다.

한편, 상기 가압플레이트(120)는, 상기 메인실플레이트(110)와는 특히 열팽창계수에 있어서 서로 다른 금속을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 열팽창계수가 다른 재질을 사용함으로서 엔진의 작동시에 터빈부의 열에 의한 열팽창률이 메인실플레이트(110)에 비하여 상대적으로 가압플레이트(120)가 크게 되어 그 상대력을터빈부(30)에 전달할 수 있게 하기 위함이다.

상기 가압플레이트(120) 외변부(124)의 터빈부 측벽에는 백업링(130)의 내변부(131)가 스폿 용접되어 결합된다. 상기 백업링의 내변부(131) 상단부에서는 압축기측으로 돌출된 중간 리브(132)가 형성되며, 상기 내변부(131)와 일체적으로 상방향으로 연장된 외변부(133)는 그 폭이 내변부의 그것보다 다소 넓으며, 상기 외변부의 외주면에는 압축부측 및 터빈측 양방향으로 돌출되어 일체적으로 연장된 림(134)이 형성된다. 상기 림(134)은 터빈측 하우징에 실링되게 접촉된다. 상기 백업링(130)은 열용량이 큰 부품으로 이루어지는 것이 바람직한바, 이는 후술되는 인슐레이터(140)로부터의 열전달이 용이하게 이루어질 수 있기 때문이다.

한편 상기 백업링 외변부(133)의 터빈측벽에는 인슐레이터(140)의 외변부(141)가 슬라이딩 가능하게 면접촉된다. 상기 인슐레이터의 외변부(141)는 하방으로 연장되며, 외변부의 터빈측 상단은 터빈측 하우징(도 2의 42)에 실링되게 면접촉되어 있으며 그 하단은 터빈 로터(도 2의 31)와 매우 근접하여 위치되어 있다. 그러나 터빈로터와 과도하게 근접하는 경우 엔진의 작동시 열팽창에 의한 변형으로 터빈 로터와 간섭 또는 접촉이 일어날 수 있기 때문에 터빈 로터와의 수평적 간격은 열팽창과 엔진의 작동 조건을 고려하여 적절한 수준에서 결정한다.

상기 인슐레이터의 외변부(141) 하단부에서는 압축부측으로 절곡되어 일체적으로 연장된 중간부(142)가 마련되고, 상기 중간부의 하단부에서는 다시 하방으로 절곡되어 소정 길이 연장된 내변부(143)가 마련된다. 상기 내변부는 상기 메인실플레이트의 브라켓(115)내에 가압플레이트(120)와 함께 수용된다.

여기서, 상기 인슐레이터(140)는 터빈부(도 2의 30)에서의 고온 기체에 의한 열팽창에 따라 그 외변부(141)가 터빈측 하우징(도 2의 42)과 면접촉한 상태로 슬라이딩 가능하게 상하로 움직일 수 있는 구조로 되어 있다.

이 경우, 가압플레이트(120), 백업링(130) 및 인슐레이터(140)를 메인실플레이트(110)와 체결하는 경우 기존에는 용접법을 사용하였으나, 본 발명의 일 실시예에 의한 실링 조립체(100)에 있어서는, 먼저 백업링(130)과 가압플레이트(120)를 스폿 용접으로 결합하고, 이를 다시 메인실플레이트(110)의 브라켓(115)안으로 끼워놓고 그 후 인슐레이터(140)를 삽입하여, 서로 엇갈리는 방향으로 소정의 각도 예컨대 10。 정도씩 회전시킨 뒤 서로 관통하는 홀(미도시)을 일치시킨 뒤 메인실플레이트에 볼트를 체결하여 결합하는 것이 바람직하다. 따라서 이 경우에는, 향후 부품 수리시에 파손된 부품만을 교환할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 가스터빈엔진의 작동 과정은 다음과 같다.

다시 도 1을 참조하면, 가스터빈엔진에서는 압축부 입구를 통해 유입된 외기는 압축기 로터(11) 및 블레이드(12)의 회전에 의하여 고압으로 압축되며, 압축공기는 압축부(10)를 빠져나와 연소실(20)에서 점화되어 고온 상태로 된 후 터빈부(30)로 유입되어 터빈 로터(31) 및 블레이드(32)를 회전시킨다.

이 때, 도 2를 참조하면, 상기 압축부(10)에서 압축된 고압의 공기가 연소실(20)을 향하는 경우, 압축기 로터(11)와 압축부측 하우징(41)과 수직적으로 이격된 공간으로 한정되는 제 1통로(43)를 통하여 상기 압축공기의 일부가 공간부(40)를 향하게 된다. 이 경우 우선 공간부의 상부에서는 상기 메인실플레이트의 외변부(도 3의 112)와 압축부측 하우징(41)이 실링되게 접촉하고 있어 상방향으로의 압축 공기의 유동을 차단하게된다.

또한 메인실플레이트의 내변부(도 3의 116) 하단면은 구동축(50)의 외주면에 장착된 체결링(51)과 좁은 간극(a)을 두고 배치되어, 실링구조체(100)를 기준으로 하여 고압의 공기로 채워진 압축부측 공간부(45)과 터빈부측 공간부(46)간의 유체의 유동을 제한하게 된다.

한편, 터빈부(30)로부터 제 2통로(44)를 통해 유입되는 고온의 공기는 공간부(40)의 상부에서 터빈측 하우징(42)과 실링되게 접촉하고 있는 인슐레이터의 외변부(도 3의 141)에 의해 상방향으로 유동되는 것이 차단된다. 특히 본 발명의 일 실시예에 의한 가스터빈엔진에 있어서는 열팽창으로 인하여 상기 인슐레이터(140)가 변형되어 터빈부 하우징(42)과의 접촉면에 굴곡이 생기거나 간극이 발생하여 실링 기능이 저하될 경우를 대비하여, 그 상부에 백업링(130)을 부가적으로 설치함으로서 터빈부로부터 유출된 공기를 다시 한번 차단하게 된다.

즉, 메인실플레이트(110)와 가압플레이트(120)는 서로 다른 재질을 사용하여 엔진의 작동시에 고온의 터빈측 공기의 열에 의한 열팽창 계수가 상대적으로 가압플레이트(120)가 크게 구성됨으로써, 상기 가압플레이트(120)가 열을 받는 경우 메인실플레이트의 브라켓(115)을 기준으로 가압플레이트는 상방향으로 열팽창하는데, 가압플레이트 제 2 중간부(도 3의 123)의 하단부는 메인실플레이트의 경사부(도 3의 113)에 슬라이딩가능하게 면접촉되어 있으므로 가압플레이트(120)가 팽창하는 정도에 비례하여 상기 가압플레이트는 경사면(113)을 따라 터빈측으로 변위되어 백업링(130) 및 인슐레이터(140)를 터빈측 하우징(42)으로 더욱 밀착시키게 된다.

따라서, 본 발명의 인터스테이지 실링 구조체를 구비한 가스터빈엔진에 의하는 경우, 압축부측으로부터의 고압의 공기가 고온 저압의 터빈부측으로 유동하는 것을 방지하는데 있어서, 인슐레이터와 터빈부측 하우징과의 실링구조에 백업링을 부가함으로서 공간부 상부에서의 밀폐를 더욱 보강할 수 있게된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 인터스테이지 실링 구조체를 갖는 가스터빈엔진에 의한 경우, 터빈부로부터의 고온의 공기에 의하여 인슐레이터가 열팽창을 하거나 변형이 되더라도 백업링에 의하여 밀폐기능을 보완할 수 있어 더욱 신뢰성있는 실링 효과를 거둘 수 있다.

또한, 본 발명에 의하는 경우, 메인실플레이트, 가압플레이트 및 인슐레이터가 파손되더라도 향후 부품 수리시에 파손된 부품만을 교환할 수 있다.

이와 더불어, 본 발명의 인터스테이지 실링 구조체를 갖는 가스터빈엔진에 있어서는 기존 형태와는 달리 메인실플레이트 하나로 로터와의 실링역활을 담당할 수 있게되어 실링 구조체에 요구되는 부품수를 감소시킬 수 있는 장점이 잇다.

Claims (3)

1. 터빈부;

   상기 터빈부로부터 이격되어 그 사이에 공간부가 정의되도록 대향되게 설치되며 상기 터빈부의 구동축에 의하여 구동되는 압축부;

   상기 압축부, 터빈부 및 공간부를 감싸는 하우징; 및

   상기 하우징으로부터 상기 구동축의 외주면상에 형성된 체결링과 인접되도록 연장되며 상기 공간부내에 위치되는 메인실플레이트, 상기 메인실플레이트에 지지되며 가장자리가 터빈부 하우징에 밀착되는 인슐레이터, 및 상기 메인실플레이트에 고정된 가압플레이트의 가장자리에 설치되어 상기 터빈측 하우징에 밀착되는 백업링을 구비하는 실링구조체;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가압플레이트는 상기 메인실플레이트 방향으로 벤딩된 절곡부가 형성되고, 상기 절곡부와 대응되는 부위의 상기 메인실플레이트에는 절곡부와 접촉되어 가압플레이트의 열팽창시 백업링을 상기 터빈측 하우징으로 가압하도록 하는 경사부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 가압 플레이트는 열팽창 계수에 있어 상기 메인실플레이트의 그것보다 큰 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진.