KR101529816B1

KR101529816B1 - 냉각스크류 및 이를 이용하는 냉각스크류의 냉각방법

Info

Publication number: KR101529816B1
Application number: KR1020140005501A
Authority: KR
Inventors: 김경국
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-06-17
Also published as: WO2015108370A1

Abstract

본 발명은 몸체부, 상기 몸체부의 내부에서 상기 몸체부의 축 방향을 따라 형성되며 상기 몸체부의 하단부를 통해 개방되는 몸체부 유로, 상기 몸체부의 상단부에 형성되는 머리부, 상기 머리부의 내부에서 상기 도입로와 연통하도록 형성되며 횡 방향 폭이 상기 몸체부 유로의 횡 방향 폭보다 크도록 형성되는 머리부 유로, 및 상기 몸체부 유로의 횡 방향 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며 상기 머리부의 상면에서 상기 머리부 유로와 연통하도록 관통 형성되는 토출홀을 포함하는 냉각스크류 및 이를 이용하는 냉각스크류의 냉각방법에 관한 것이다.

Description

냉각스크류 및 이를 이용하는 냉각스크류의 냉각방법{A COOLING SCREW AND COOLING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 냉각스크류 및 이를 이용하는 냉각스크류의 냉각방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 내부에 냉각 유체가 유동하는 유로가 형성되어 냉각 유체와의 열 전달에 의해 냉각될 수 있는 냉각스크류 및 이를 이용하는 냉각스크류의 냉각방법에 관한 것이다.

부재 간 체결용으로 사용되는 스크류는 사용환경에 따라서 기계적으로, 또는 열적으로 큰 부하를 받는 경우가 있다. 예를 들면 가스터빈에 채용되는 스크류의 경우가 일례가 될 수 있다.

우선 가스터빈에 대하여 간단히 설명하면, 가스터빈은 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관으로, 일반적으로 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함하여 구성된다.

여기서 압축기는 대기로부터 공기를 흡입하여 압축시킨 후 연소기로 압축 공기를 공급하는 역할을 수행한다.

연소기는 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

연소기는 압축기로부터 공급된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키고, 이 과정을 통해 고온, 고압의 연소가스를 생성시킨다.

연소기에서 생성된 고온, 고압의 연소가스는 터빈으로 토출되는 과정에서 팽창하여 터빈을 회전시키게 되며, 터빈에서 얻어지는 기계적 에너지는 그 중 일부가 압축기를 가동시키는 동력으로 사용되고 나머지는 발전기를 구동시키는데 사용되어 전력을 생산하게 된다.

이러한 가스터빈의 일례에서, 스크류는 연소기 챔버 외벽과 내부 라이닝을 체결하기 위하여 사용될 수 있다.

연소기 라이닝은 내측으로부터 외측으로 결합되는 스크류에 의해 연소기 챔버의 외벽에 설치된다. 따라서, 스크류의 머리부는 라이닝 내부로 노출된 상태에서 연소 가스에 직접 접촉하게 된다.

한편, 가스터빈은 고 효율 운용되기 위해서, 통상 높은 연소기 온도로 운전된다. 연소기의 가스 출구 온도는 1200~1300℃에 이르기도 한다. 그로 인해, 스크류는 고온의 환경에서 열적으로 큰 부하를 받게 된다.

이러한 환경에서 스크류는 그 전체 또는 일부가 쉽게 손상되기도 하는데, 특히 스크류의 머리부는 전술한 바와 같이 라이닝 내부로 노출된 상태로 연소 가스에 직접 접촉되어 열적 부하를 받게 되므로, 때로는 열적 부하에 견디지 못하고 파손되어 스크류의 몸체부로부터 이탈되기도 한다.

스크류 몸체부로부터 이탈된 스크류 머리부는 연소기 내로 유입되고 가스 유동에 따라 휩쓸리면서 후속 터빈으로 유입되기도 한다. 이 경우 후속 터빈에 중대한 손상이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 스크류를 냉각시키는 구조에 관한 연구가 진행되고 있다. 일례로는 미국등록특허 US 6718774 B2 에서 제시된 스크류 구조를 들 수 있다. 상기 미국등록특허는 스크류 몸체부 및 머리부 내에 축방향으로 관통하는 유로를 형성하고, 그 유로 내로 냉각 유체가 유동하도록 함으로써 스크류를 냉각시키는 구조이다.

하지만, 이러한 스크류 구조에 의하면, 단순한 일직선 형태의 유로를 통해 냉각 유체가 통과되기 때문에, 특히 스크류의 머리부에서 냉각 유체에 의한 열전달이 잘 이루어지지 않는다. 뿐만 아니라, 냉각 유체는 유로 내에서 유속이 조절됨이 없이 그대로 연소기 내로 도입되기 때문에 스크류 내부에서 머무는 시간이 짧다. 이러한 구조적인 한계로 인해 종래의 냉각 기능을 갖는 스크류는 스크류가 전체적으로, 특히 스크류 머리부가 효율적으로 냉각되지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 스크류 전체에서, 특히 스크류의 머리부에서 효율적인 냉각이 이루어지는 냉각스크류 및 이를 이용하는 냉각스크류의 냉각방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 냉각스크류는 몸체부; 상기 몸체부의 내부에서 상기 몸체부의 축 방향을 따라 형성되며, 상기 몸체부의 하단부를 통해 개방되는 몸체부 유로; 상기 몸체부의 상단부에 형성되는 머리부; 상기 머리부의 내부에서 상기 몸체부 유로와 연통하도록 형성되며, 횡 방향 폭이 상기 몸체부 유로의 횡 방향 폭보다 크도록 형성되는 머리부 유로; 및 상기 몸체부 유로의 횡 방향 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며, 상기 머리부의 상면에서 상기 머리부 유로와 연통하도록 관통 형성되는 토출홀을 포함하며, 상기 머리부의 상면에 원주방향을 따라 홈부가 형성되며, 상기 토출홀은 상기 홈부에서 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 토출홀은 다수개가 등간격으로 이격 형성될 수 있다.
상기 홈부는 내측 홈부와, 상기 내측 홈부의 외측에 형성되는 외측 홈부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 외측 홈부에 형성되는 토출홀의 수는 상기 내측 홈부에 형성되는 토출홀의 수보다 같거나 많은 것을 특징으로 한다.
상기 토출홀은 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
청구항 1의 냉각스크류를 냉각하는 방법에 있어서, (a) 상기 머리부의 상면이 노출되는 제1 영역의 온도 또는 압력 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함하는 공급압 결정요소를 감지하는 단계; (b) 감지된 상기 공급압 결정요소를 고려하여 상기 몸체부 유로 내로 공급될 냉각 유체의 공급압력을 결정하는 단계; 및 (c) 결정된 상기 공급압력으로 냉각 유체 공급부로부터 상기 몸체부 유로 내로 냉각 유체를 공급하는 단계를 포함하며, 상기 (a) 단계의 공급압 결정요소는 상기 몸체부가 위치하는 제2 영역의 온도 및 상기 제1 영역의 온도 간 차이를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 냉각스크류는 몸체부; 상기 몸체부의 상단부에 형성되는 머리부; 상기 몸체부와 상기 머리부의 사이에 형성되며 상기 몸체부의 횡 방향 단면적보다 크고 상기 머리부의 횡 방향 단면적보다 작도록 형성되는 단차부; 상기 단차부 내에서 상기 몸체부의 횡 방향 폭보다 큰 폭을 가지면서 형성되는 단차부 유로; 상기 단차부 유로와 연통하도록 상기 단차부의 하면에 관통 형성되는 유입홀; 상기 머리부의 내부에서 상기 단차부 유로와 연통하도록 형성되며, 횡 방향 폭이 상기 단차부 유로의 횡 방향 폭보다 크도록 형성되는 머리부 유로; 및 상기 유입홀의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며, 상기 머리부의 상면에서 상기 머리부 유로와 연통하도록 관통 형성되는 토출홀을 포함하며, 상기 머리부의 상면에 원주방향을 따라 홈부가 형성되며, 상기 토출홀은 상기 홈부에서 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 유입홀은 상기 단차부의 하면에서 원주방향을 따라 이격 형성되는 다수로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 유입홀은 등 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
상기 토출홀은 다수개가 등간격으로 이격 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 홈부는 내측 홈부와, 상기 내측 홈부의 외측에 형성되는 외측 홈부를 포함할 수 있다.
상기 외측 홈부에 형성되는 토출홀의 수는 상기 내측 홈부에 형성되는 토출홀의 수보다 같거나 많은 것을 특징으로 한다.
상기 토출홀은 원형 또는 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
청구항 12의 냉각스크류를 냉각하는 방법에 있어서, (a) 상기 머리부의 상면이 노출되는 제1 영역의 온도 또는 압력 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함하는 공급압 결정요소를 감지하는 단계; (b) 감지된 상기 공급압 결정요소를 고려하여 상기 단차부 유로 내로 공급될 냉각 유체의 공급압력을 결정하는 단계; 및 (c) 결정된 상기 공급압력으로 냉각 유체 공급부로부터 상기 단차부 유로 내로 냉각 유체를 공급하는 단계를 포함하며, 상기 (a) 단계의 공급압 결정요소는 상기 몸체부가 위치하는 제2 영역의 온도 및 상기 제1 영역의 온도 간 차이를 더 포함할 수 있다.

삭제

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 냉각스크류 내에 형성되는 유로의 구조적인 특징에 기인하여 머리부 내에서의 냉각 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 냉각 유체의 유속에 변화를 가져옴으로써 머리부의 냉각 효율을 더욱 높이 수 있다.

또한, 머리부 상면에 형성되는 토출홀 구조에 기인하여 머리부 상면 부근에서 머리부 상면을 마주하는 냉각막이 형성될 수 있으며, 이 냉각막에 의해 머리부의 냉각 효율이 더욱 향상될 수 있다.

전술한 냉각 성능의 향상으로 인해 스크류 주변으로부터 가해지는 열적 부하에도 불구하고 스크류의 손상이 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각스크류의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 냉각스크류의 부분 절개 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 냉각스크류의 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각스크류의 부분 절개 사시도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각스크류의 부분 절개 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 냉각스크류에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각스크류에 관하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 자세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각스크류의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 냉각스크류의 부분 절개 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 냉각스크류의 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각스크류(1)는 몸체부(100), 몸체부 유로(110), 머리부(200), 머리부 유로(210), 및 토출홀(201)을 포함할 수 있다.

몸체부(100)는 부재(미도시) 사이를 관통하여 부재 간 체결이 유지되도록 하는 부분으로, 예컨대 원기둥 형상일 수 있다. 또한 몸체부(100)의 외주면에는 도시되어 있지는 않지만 나사산이 형성될 수 있다.

몸체부 유로(110)는 몸체부(100)의 내부에 형성된다. 몸체부 유로(110)는 몸체부(100)의 내부에서 관통 형성될 수 있으며, 몸체부(100)의 축 방향, 즉 몸체부(100)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 몸체부 유로(110)는 하측이 몸체부(100)의 하단부를 통해 외부로 개방된다. 몸체부 유로(110)는 몸체부(100)의 하방으로 개방된 하측을 통해 내부로 냉각 유체(A), 예컨대 냉각 공기가 유입될 수 있다. 그리고 유입된 냉각 유체(A)는 몸체부 유로(110)를 따라 유동하면서 몸체부(100)의 상측을 향해 이동될 수 있다.

도시된 바에서는 일례로서 몸체부 유로(110)가 원기둥 형상으로 이루어지는 예를 제시하고 있다. 이 경우, 몸체부 유로(110)는 몸체부(100)의 길이 방향을 따라 직경이 동일하게 형성된다. 다만, 이러한 예로 한정되는 것은 아니다. 몸체부(100)와 냉각 유체(A) 간 열전달 효율을 향상시키기 위하여, 몸체부 유로(110)를 형성하는 몸체부(100)의 내주면은 길이 방향을 따라 직경 또는 횡 방향 단면적이 가변되는 요철면으로 이루어질 수도 있다.

머리부(200)는 몸체부(100)의 상측에 형성된다. 머리부(200)는 몸체부(100)와 일체로 형성될 수 있다. 머리부(200)는 상호 체결되는 부재의 일면에 지지되면서 부재 간 체결이 유지되도록 하는 동시에 체결된 부재로부터 냉각스크류(1)가 이탈되는 것을 방지한다. 또한 머리부(200)는 냉각스크류(1)를 부재에 고정시키는 다양한 수단과 결합되도록, 예컨대 도시된 바와 같이 머리부(200)의 상면 중앙에 렌치홀(202)이 형성될 수 있다. 또는 도시되어 있지는 않지만 머리부(200)의 외주면이 다각면으로 이루어질 수도 있다.

본 실시예에 따른 냉각스크류(1)는 예컨대 가스터빈에 사용되는 경우로서, 연소기 라이닝과 연소기 챔버 외벽 간 체결을 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 머리부(200)는 연소기 내부로 노출된 상태에서 연소 가스에 직접 접촉될 수 있으므로, 열적 부하에 따른 머리부(200)의 손상이 방지되도록 하기 위해서 머리부(200) 내부 및 머리부(200)의 상면 부근에서 냉각 작용이 원활하게 수행될 필요가 있다.

머리부(200) 전체를 효과적으로 냉각시키기 위하여, 머리부(200) 내부에는 몸체부 유로(110)보다 확장된 폭을 갖는 머리부 유로(210)가 형성된다. 머리부(200)는 전술한 바와 같이 부재로부터 이탈되지 않도록 하기 위하여 횡 방향 폭이 몸체부(100)의 횡 방향 폭보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 형상적 특징에 대응하여 머리부(200) 내부에 형성되는 머리부 유로(210) 또한 횡 방향 폭이 몸체부 유로(110)의 횡 방향 폭보다 크도록 형성될 수 있다. 구체적으로 머리부 유로(210)의 가장자리, 즉 머리부 유로(210)의 측방향 내측면이 머리부(200)의 가장자리에 근접하도록 형성되면서 횡 방향 폭이 몸체부 유로(110)의 횡 방향 폭보다 큰 폭을 가질 수 있다.

머리부 유로(210)는 하측을 통해 몸체부 유로(110)와 연통하게 된다. 몸체부 유로(110)를 통해 이동해 온 냉각 유체(A)가 머리부 유로(210)로 유입되는 과정에서 냉각 유체(A)의 이동 경로 상의 단면적이 확장된다. 이로 인해 냉각 유체(A)는 유속이 다소 감소하여 머리부 유로(210) 내에 머물게 되며, 이후 후술할 토출홀(201)을 통해 머리부(200)의 상면 방향으로 토출된다. 몸체부 유로(110) 및 머리부 유로(210) 간 이와 같은 구조에 기인하여, 냉각 유체(A)는 몸체부(100)는 물론이고, 특히 머리부(200)와 효과적으로 열전달될 수 있다.

토출홀(201)은 머리부 유로(210)와 연통하도록 머리부(200)의 상면에서 관통 형성된다. 이때, 머리부(200)의 상면은 도시된 바와 같이 예컨대 평면으로 이루어질 수 있으며, 토출홀(201)은 평면으로 이루어진 머리부(200)의 상면에서 관통 형성될 수 있다.

토출홀(201)은 적어도 하나 이상이 형성될 수 있다. 도시된 예에서는 머리부(200)의 상면에서 이격 형성되는 다수로 이루어진 예를 제시하고 있다. 토출홀(201)은 원주방향을 따라 이격 형성될 수 있으며, 이때 등 간격으로 이격 형성될 수 있다.

토출홀(201)은 단면적이 몸체부 유로(110)의 횡 방향 단면적보다 작도록 형성될 수 있다. 토출홀(201)이 다수로 이루어지는 경우에는, 토출홀(201) 단면적의 총합이 몸체부 유로(110)의 횡 방향 단면적보다 작도록 형성될 수 있다. 이와 같이 형성됨으로써 냉각 유체(A)의 머리부(200) 내에 머무는 시간이 지연될 수 있으며, 머리부(200)와 냉각 유체(A) 간 열전달 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 토출홀(201)을 제외한 머리부(200) 상면 면적이 최대한 넓게 확보됨으로써 토출 직후의 냉각 유체(A)와 머리부(200) 상면 사이의 열전달 면적이 넓어지게 되며, 그로 인해서도 머리부(200)와 냉각 유체(A) 간 열전달 효율이 높아지게 된다.

도시된 바에서는 토출홀(201)이 렌치홀(202)을 중심으로 하는 원 형태로서, 1열로 형성되는 예가 제시되고 있다. 다만 이러한 예로 한정되는 것은 아니다. 도시된 1열의 토출홀(201) 외측에 하나 이상의 토출홀 열이 더 형성될 수 있음은 물론이다. 이 경우 외측 열의 토출홀 수는 내측 열의 토출홀(201) 수보다 같거나 많을 수 있다.

본 실시예에 따른 냉각스크류(1)가 전술한 바와 같이 예컨대 가스터빈 구조에 사용되는 경우로서 특히 머리부(200)가 연소기 내부로 노출되도록 사용되는 경우에는 본 실시예에 따른 토출홀(201) 구조에 기인하여 다음과 같은 이점이 제공될 수 있다.

토출홀(201)을 통해 토출된 냉각 유체(A)는 토출 직후에 연소기 내부의 높은 압력 때문에 인해 연소기 내부로 바로 유입되지 못하고 머리부(200)의 상면 부근에서 다소간 머물게 된다. 이때, 토출홀(201)이 전술한 바와 같이 다수로 형성되면서 1열 또는 그 이상의 열로 형성되는 경우, 토출된 냉각 유체(A)에 의해 머리부(200)의 상면 부근에서 머리부(200) 상면의 전체 면적에 상응하는 면적을 갖는 냉각막(F)이 형성될 수 있다. 냉각막(F)은 머리부(200)의 상면에 근접하는 위치에서 형성되면서 머리부(200)의 상면을 마주하게 되며, 냉각막(F)에 의해 연소 가스가 머리부(200)에 직접 접촉되는 것이 어느 정도 차단될 수 있다. 또한 냉각 유체(A)와 머리부(200) 상면 간 열전달이 이루어지게 됨으로써, 머리부(200)의 냉각 효율이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 도시된 바에서는 토출홀(201)이 원형으로 이루어진 예가 제시되고 있으나, 이러한 예로 한정되지 않는다. 토출홀(201)은 다각형으로 이루어지는 등 다양한 다른 형상으로 이루어질 수 있음은 물론이다.

본 실시예에 따른 냉각스크류(1)는 단차부(300)가 더 포함될 수 있다. 단차부(300)는 머리부(200)와 몸체부(100) 사이에 형성될 수 있다. 단차부(300)의 횡 방향 단면적은 몸체부(100)의 횡 방향 단면적보다는 크게 형성될 수 있으며, 머리부(200)의 횡 방향 단면적보다는 작게 형성될 수 있다. 이와 같이 형성됨으로써 머리부(200), 단차부(300), 및 몸체부(100)로 이어지는 냉각스크류(1)의 외측면 영역은 단차가 형성된다.

단차부(300) 내에는 몸체부 유로(110)와 머리부 유로(210) 사이에 배치되는 단차부 유로(310)가 형성된다. 단차부 유로(310)는 하측을 통해 몸체부 유로(110)와 연통되며, 상측을 통해 머리부 유로(210)와 연통된다. 이때 단차부 유로(310)의 횡 방향 폭은 몸체부 유로(110)의 횡 방향 폭보다는 크게, 머리부 유로(210)의 횡 방향 폭보다는 작게 형성될 수 있다. 단차부(300)의 횡 방향 폭이 이와 같이 형성됨으로써, 냉각 유체(A)의 유속은 몸체부 유로(110)로부터 단차부 유로(310)를 거쳐 머리부 유로(210)로 이르는 과정에서 단계적으로 감소될 수 있고, 유속 감소에 따라 냉각 유체(A)와 단차부(300) 및 머리부(200) 간 열전달 효율을 높일 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 냉각스크류(1)는 용융 금속으로써 주조 방식에 의해 제조될 수 있다. 이 경우 전술한 몸체부 유로(110), 단차부 유로(310), 머리부 유로(210), 및 토출홀(201)은, 일체로 형성된 세라믹코어(미도시)를 이용하여 형성되도록 할 수 있다. 이러한 주조 방식은 이미 일반에 공개된 것이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각스크류에 관하여 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 전술한 실시예에 관하여 설명된 내용과 중복되는 것은 생략한다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각스크류의 부분 절개 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각스크류(2)는 제1 실시예와 비교하여 머리부(200)의 상면에서 홈부(220)가 형성되는 점에서 차이가 있다. 홈부(220)는 머리부(200)의 상면에서 원주방향을 따라 형성될 수 있다. 이때 홈부(220)는 도 4에 도시된 바와 같이 렌지홀을 중심으로 하여 원을 그리도록 형성되는 하나의 홈부(220)로 이루어질 수 있다. 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 원을 그리도록 형성되는 내측 홈부(221)와, 이 내측 홈부(221)의 외측에서 원을 그리도록 형성되는 외측 홈부(222)를 포함할 수도 있다. 도 5에서는 내측 홈부(221) 및 외측 홈부(222)로 된 2열의 홈부(220)가 제시되고 있으나, 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 홈부(220)는 3열 또는 그 이상의 열로 형성될 수도 있다.

토출홀(201)은 전술한 홈부(220) 상에서 형성될 수 있다. 홈부(220)가 전술한 바와 같이 내측 홈부(221) 및 외측 홈부(222)를 포함하는 경우에는, 외측 홈부(222)의 원주 길이는 내측 홈부(221)의 그것과 비교하여 더 길다. 따라서, 냉각 효율을 고려하여, 외측 홈부(222) 상에서 형성되는 토출홀(201)의 수는 내측 홈부(221) 상에서 형성되는 토출홀(201)의 수와 비교하여 적어도 같거나 더 많을 수 있다.

토출홀(201)이 홈부(220) 상에서 형성됨으로써, 홈부(220) 양측의 벽부는 토출홀(201)을 통해 토출되는 냉각 유체(A)의 토출 방향이 머리부(200)의 상면에서 대체로 직 상향으로 향하도록 가이드하는 기능을 수행할 수 있다. 토출홀(201)을 통해 토출되는 냉각 유체(A)는 각 토출홀(201) 마다 대체로 동일한 유속으로 토출되는데, 이때 전술한 바와 같이 대체로 직 상향으로 토출되도록 함으로써 머리부(200)의 상면 부근에 형성될 수 있는 전술한 냉각막(F, 도 3 참조)은 머리부(200)의 상면과 대체로 평행하게 형성될 수 있으며, 냉각막이 비스듬히 또는 부분적으로만 형성되는 경우와 비교하여 열전달 효율을 더욱 높일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각스크류에 관하여 도 6을 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 전술한 실시예에 관하여 설명된 내용과 중복되는 것은 생략한다. 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각스크류의 부분 절개 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각스크류(3)는 전술한 제1 실시예와 비교하여 냉각 유체(A)가 단차부 유로(310)로 직접 유입되는 점에서 차이가 있다.

더욱 구체적으로, 몸체부(100) 내에는 별도의 유로가 형성되지 않는다. 그리고 단차부(300)의 하면에는 단차부 유로(310)와 연통되도록 관통하는 유입홀(301)이 형성될 수 있다. 유입홀(301)은 단차부(300)의 하면에서 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 다수로 이루어질 수 있으며, 이때 유입홀(301)은 등 간격으로 이격 형성될 수 있다.

토출홀(201)은 유입홀(301)의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성된다. 토출홀(201)이 다수로 이루어지는 경우에는 다수로 이루어지는 토출홀(201) 단면적의 총합은 다수로 이루어지는 유입홀(301) 단면적의 총합보다 작을 수 있다.

냉각 유체(A)는 유입홀(301)을 통해 단차부 유로(310) 내로 유입되며, 이후 전술한 실시예와 마찬가지로 머리부 유로(210)를 거친 다음 토출홀(201)을 통해 토출될 수 있다.

이하에서는 전술한 제1, 제2, 및 제3 실시예에 따른 냉각스크류(1,2,3)를 이용하는 냉각스크류 냉각방법에 관하여 설명하기로 한다.

냉각스크류(1,2,3)를 냉각하기 위하여 냉각스크류 내부로 냉각 유체를 공급하는 냉각 유체 공급부가 사용될 수 있다. 냉각 유체 공급부는 예컨대 모터에 의해 구동되는 펌프일 수 있다. 이 경우 냉각 유체 공급부로부터 냉각스크류 내부로 공급되는 냉각 유체의 공급압력은 모터의 회전수 제어를 통해 조절될 수 있다.

한편, 모터의 회전수는 제어부에서 전송되는 제어신호에 따라 제어될 수 있다. 이때 제어부는 다양한 요소를 고려하여 냉각유체의 공급압을 결정할 수 있으며, 결정된 공급압에 상응하는 제어신호를 전송하여 모터의 회전수를 제어할 수 있다.

냉각스크류(1,2,3)가 전술한 바와 같이 가스터빈 구조에 사용되는 경우에 냉각스크류의 머리부(200) 중 적어도 상면부위는 연소기 내부로 노출되며, 몸체부(100)는 연소기 챔버 외벽에 관통한 채로 위치하게 된다.

이때, 머리부(200)의 상면이 노출되는 연소기 내부 영역(이하, ‘제1 영역’이라 한다)은 고온, 고압의 환경일 수 있다. 그리고 몸체부(100)가 위치하는 영역(이하, ‘제2 영역’이라 한다)은 제1 영역보다 상대적으로 저온일 수 있다.

이러한 조건에서, 제어부에서 고려될 수 있는 냉각유체의 공급압 결정요소는 제1 영역의 온도 또는 압력 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 이러한 결정요소는 센서에 의해 감지될 수 있다.

감지된 제1 영역의 온도 또는 압력이 낮음에도 냉각 유체의 공급압을 높게 결정하면 냉각 유체가 불필요하게 소모되거나 또는 머리부(200)의 상면 부근에서 냉각막이 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 제어부는 센서에 의해 감지된 제1 영역의 온도와 압력을 고려하여 냉각 유체의 적절한 공급압을 결정할 수 있다.

예컨대 제1 영역의 온도 또는 압력이 기준값보다 낮은 경우에는 이에 대응하여 냉각 유체의 공급압을 낮게 결정할 수 있으며, 기준값보다 높은 경우에는 냉각 유체의 공급압을 높게 결정할 수 있다.

한편, 제2 영역의 온도 또한 센서에 의해 감지될 수 있다. 제어부는 감지된 신호에 따라 제1 영역의 온도와 제2 영역의 온도 간 차이를 판단할 수 있으며, 온도차를 냉각 유체의 공급압 결정요소로 더 고려할 수도 있다.

제어부에서 전술한 다양한 요소가 고려되어 냉각 유체의 공급압이 결정되면, 모터는 제어부에서 전송되는 제어신호에 따라 회전수가 제어되어 구동되고, 모터의 구동에 따라 펌프로부터 냉각스크류의 내부로 냉각 유체가 적절한 압력으로 공급될 수 있다.

냉각 유체는, 제1, 및 제2 실시예에 따른 냉각스크류(1,2)의 경우 몸체부 유로(110)로 공급되어 냉각스크류의 내부(210,310)를 유동한 후 토출홀(201)을 통해 토출되며, 제3 실시예에 따른 냉각스크류(3)의 경우 유입홀(301)을 통해 유입되어 냉각스크류의 내부(210,310)를 유동한 후 토출홀(201)을 통해 토출될 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1,2,3: 냉각스크류 100: 몸체부
110: 몸체부 유로 200: 머리부
201: 토출홀 202: 렌치홀
210: 머리부 유로 220: 홈부
221: 내측 홈부 222: 외측 홈부
300: 단차부 301: 유입홀
310: 단차부 유로

Claims

몸체부;
상기 몸체부의 내부에서 상기 몸체부의 축 방향을 따라 형성되며, 상기 몸체부의 하단부를 통해 개방되는 몸체부 유로;
상기 몸체부의 상단부에 형성되는 머리부;
상기 머리부의 내부에서 상기 몸체부 유로와 연통하도록 형성되며, 횡 방향 폭이 상기 몸체부 유로의 횡 방향 폭보다 크도록 형성되는 머리부 유로; 및
상기 몸체부 유로의 횡 방향 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며, 상기 머리부의 상면에서 상기 머리부 유로와 연통하도록 관통 형성되는 토출홀을 포함하며,
상기 머리부의 상면에 원주방향을 따라 홈부가 형성되며, 상기 토출홀은 상기 홈부에서 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 1에 있어서,
상기 토출홀은 다수개가 등간격으로 이격 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
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청구항 1에 있어서,
상기 홈부는 내측 홈부와, 상기 내측 홈부의 외측에 형성되는 외측 홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 7에 있어서,
상기 외측 홈부에 형성되는 토출홀의 수는 상기 내측 홈부에 형성되는 토출홀의 수보다 같거나 많은 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 1에 있어서,
상기 토출홀은 원형 또는 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 1의 냉각스크류를 냉각하는 방법에 있어서,
(a) 상기 머리부의 상면이 노출되는 제1 영역의 온도 또는 압력 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함하는 공급압 결정요소를 감지하는 단계;
(b) 감지된 상기 공급압 결정요소를 고려하여 상기 몸체부 유로 내로 공급될 냉각 유체의 공급압력을 결정하는 단계; 및
(c) 결정된 상기 공급압력으로 냉각 유체 공급부로부터 상기 몸체부 유로 내로 냉각 유체를 공급하는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계의 공급압 결정요소는 상기 몸체부가 위치하는 제2 영역의 온도 및 상기 제1 영역의 온도 간 차이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각스크류의 냉각방법.
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몸체부;
상기 몸체부의 상단부에 형성되는 머리부;
상기 몸체부와 상기 머리부의 사이에 형성되며 상기 몸체부의 횡 방향 단면적보다 크고 상기 머리부의 횡 방향 단면적보다 작도록 형성되는 단차부;
상기 단차부 내에서 상기 몸체부의 횡 방향 폭보다 큰 폭을 가지면서 형성되는 단차부 유로;
상기 단차부 유로와 연통하도록 상기 단차부의 하면에 관통 형성되는 유입홀;
상기 머리부의 내부에서 상기 단차부 유로와 연통하도록 형성되며, 횡 방향 폭이 상기 단차부 유로의 횡 방향 폭보다 크도록 형성되는 머리부 유로; 및
상기 유입홀의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되며, 상기 머리부의 상면에서 상기 머리부 유로와 연통하도록 관통 형성되는 토출홀을 포함하며,
상기 머리부의 상면에 원주방향을 따라 홈부가 형성되며, 상기 토출홀은 상기 홈부에서 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 12에 있어서,
상기 유입홀은 상기 단차부의 하면에서 원주방향을 따라 이격 형성되는 다수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 13에 있어서,
상기 유입홀은 등 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 12에 있어서,
상기 토출홀은 다수개가 등간격으로 이격 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
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청구항 12에 있어서,
상기 홈부는 내측 홈부와, 상기 내측 홈부의 외측에 형성되는 외측 홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 18에 있어서,
상기 외측 홈부에 형성되는 토출홀의 수는 상기 내측 홈부에 형성되는 토출홀의 수보다 같거나 많은 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 12에 있어서,
상기 토출홀은 원형 또는 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각스크류.
청구항 12의 냉각스크류를 냉각하는 방법에 있어서,
(a) 상기 머리부의 상면이 노출되는 제1 영역의 온도 또는 압력 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함하는 공급압 결정요소를 감지하는 단계;
(b) 감지된 상기 공급압 결정요소를 고려하여 상기 단차부 유로 내로 공급될 냉각 유체의 공급압력을 결정하는 단계; 및
(c) 결정된 상기 공급압력으로 냉각 유체 공급부로부터 상기 단차부 유로 내로 냉각 유체를 공급하는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계의 공급압 결정요소는 상기 몸체부가 위치하는 제2 영역의 온도 및 상기 제1 영역의 온도 간 차이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각스크류의 냉각방법.
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