KR101534432B1 - 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 관한 것으로, 압축기의 케이싱에 각도조절가능하게 구비된 베인들을 일체로 작동시키는 가변링과, 상기 가변링을 작동시키는 푸쉬로드와, 상기 푸쉬로드를 구동시키는 액츄에이터와, 상기 푸쉬로드의 신장거리를 제한하는 스토퍼와, 상기 액츄에이터의 일측에 고정결합되고, 상기 스토퍼를 지지하는 결합브라켓; 및 상기 액츄에이터와 결합브라켓의 사이에 구비되고, 상기 액츄에이터에 대한 상기 결합브라켓의 높이를 조절하는 스페이서를 포함하고, 이를 통해 백래쉬를 최소화하여 가변 각도를 정확하게 조정할 수 있고 액츄에이터의 스트로크를 조정하여 가변 베인의 각도를 간편하게 조정할 수 있으며 접촉면적을 크게 하여 마모에 의한 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치{ A device for actuating variable vanes of the compressor in a gas turbine }

본 발명은 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스터빈 압축기의 케이싱에 각도조절가능하게 구비되는 가변 베인들의 각도를 조정하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로, 가스터빈은 압축기(Compressor)를 회전시켜 외부 공기를 흡입ㆍ압축하여 연소기(Combustor)로 보내면, 압축공기와 연료가 연소기에서 혼합되어 연소되고, 이때 발생된 고온고압의 가스가 터빈(Turbine)으로 보내지며, 연소기로부터 토출된 고온ㆍ고압의 가스가 터빈의 동익을 통과하면서 터빈의 로터를 회전시켜 발전기를 구동시키게 된다.

압축기는 외부 공기의 유입량을 조절하기 위해 케이싱에 다수의 가변 베인(Variable Guide Vanes)을 각도 조절 가능하게 구비하고 있다. 가변 베인은 유입 공기량을 정밀조절하여 시동 안정성을 부여하고 시동 및 정지시 압축기의 맥동을 보호하여 터빈 효율을 향상시키게 된다.

도 1을 참조하면, 다수개의 베인들은 가변링(11)에 의해 일체로 작동하게 되고, 상기 가변링(11)은 링크부재(12,13,14)에 의해 회전하게 되며, 상기 링크부재(12,13,14)는 선회축(15)에 의해 작동한다.

상기 선회축(15)은 선회아암(17)에 의해 액츄에이터(20)의 푸쉬로드(21)에 연결되고, 상기 액츄에이터(20)의 직선운동에 의해 상기 선회축(15)이 선회함으로써 베인들의 각도를 조정하게 된다.

여기서, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 선회축(15)은 선회브라켓(16)에 선회가능하게 결합되고, 그 선회브라켓(16)의 일측에 상기 선회축(15)의 회전을 제한하는 스토퍼(50)가 구비되어 있다. 상기 선회축(15)의 일측에는 선회레버(102)가 그 선회축(15)과 일체로 선회가능하게 구비되고, 상기 선회레버(102)의 선단에 리미터(103)가 구비되어 스토퍼(50)에 부딪힘으로써 선회축(15)의 선회각이 제한된다.

그러나, 상기 리미터(103)와 스토퍼(50)에는 선회축(15)의 회전에 의해 발생하는 회전모멘트에 의해 백래쉬(backlash)가 발생하고, 그로 인해 가변 베인들의 가변 각도가 의도한 값을 초과하게 되어 공기유입량의 제어에 오차가 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 리미터(103)는 막대형상으로 형성되어 상기 스토퍼(미도시)에 점접촉하게 되므로 접촉부분에 힘이 과도하게 집중되어 충격에 의해 파손될 우려가 있었다. 아울러 접촉면적이 작은 점접촉을 하게 되면 접촉부분에서 마모가 쉽게 발생하여 선회레버(102)에 대한 리미터(103)의 위치를 빈번하게 재조정해야 하고, 결국 부품을 자주 교체해야 하는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제2012-0070135호(선행문헌)에 다수의 가변 베인들(140,240a,240b)을 작동시키는 구동장치가 개시되어 있으므로 이에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 백래쉬를 최소화하여 가변 각도를 정확하게 조정할 수 있고 액츄에이터의 스트로크를 조정하여 가변 베인의 각도를 간편하게 조정할 수 있으며 접촉면적을 크게 하여 마모에 의한 내구성을 향상시킬 수 있는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치는, 압축기의 케이싱에 각도조절가능하게 구비된 베인들을 일체로 작동시키는 가변링, 상기 가변링을 작동시키는 푸쉬로드, 상기 푸쉬로드를 구동시키는 액츄에이터, 및 상기 푸쉬로드의 신장거리를 제한하는 스토퍼와, 상기 액츄에이터의 일측에 고정결합되고, 상기 스토퍼를 지지하는 결합브라켓; 및 상기 액츄에이터와 결합브라켓의 사이에 구비되고, 상기 액츄에이터에 대한 상기 결합브라켓의 높이를 조절하는 스페이서를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 있어서, 상기 푸쉬로드와 일체로 이동가능하게 구비되고 상기 스토퍼에 의해 정지되는 슬리브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 있어서, 상기 푸쉬로드의 길이방향을 따라 상기 액츄에이터에 대한 상기 스토퍼의 거리를 조정하는 간극부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 있어서, 상기 푸쉬로드의 신축시 상기 슬리브가 안착되는 안착시트를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 스토퍼는 정지면을 구비하고, 상기 슬리브는 상기 스토퍼의 정지면과 면접촉하는 제1안착면을 구비하고 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 슬리브는 상기 안착시트와 면접촉하는 제2안착면을 구비하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 있어서, 상기 스토퍼의 일측에 고정결합되고 상기 푸쉬로드를 슬라이드이동가능하게 안내하는 부싱을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 있어서, 상기 가변링에 연결된 링크부재, 상기 링크부재를 작동시키는 선회축, 및 상기 푸쉬로드에 연결되고 상기 선회축을 선회시키는 선회아암을 더 포함할 수 있다.

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

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에 의하면, 스토퍼의 접촉면적을 극대화하여 액츄에이터의 스트로크를 제한함으로써 백래쉬를 최소화할 수 있고 그로 인해 가변 각도를 정확하게 조정함으로써 공기유입량을 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 간극부재를 적층하는 방식으로 액츄에이터의 스트로크를 간편하게 조정함으로써 가변 베인의 각도를 용이하게 조정할 수 있고, 그로 인해 스탭기능을 가진 고 사양의 액츄에이터를 구비할 필요가 없어 제조원가를 절감할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 스토퍼의 접촉방식을 점접촉에서 면접촉으로 변경함으로써 접촉면적을 크게 하여 국소적인 마모를 방지할 수 있고 마모에 의한 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치를 나타낸 개략적 일측면도,
도 2는 도 1에 도시된 스토퍼 유닛의 부분확대도,
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 절개한 개략적 측단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치를 나타낸 측단면도,
도 5는 도 4에 도시된 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치를 나타낸 작동상태도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치를 나타낸 측단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 압축기의 케이싱에 각도조절가능하게 구비된 가변 베인들을 일체로 작동시키는 가변링(11)에 링크부재(12,13,14)들이 연결되어 있다. 상기 가변 베인은 흡입 가이드 베인(inlet guide vanes, IGV)을 포함한다.

가변 베인들은 압축기 케이싱의 원주방향을 따라 서로 소정간격을 두고 환형으로 1조를 이루며 구비되되 로터의 축방향을 따라 복수개의 조들이 구비되어 있다. 각각의 조들에 하나의 가변링(11)이 연결되어 있다. 결국, 각 가변 베인 조들을 가동시키는 복수개의 가변링(11)이 압축기 케이싱에 로터의 축방향을 따라 소정간격을 두고 구비되어 있다.

상기 복수개의 가변링에는 그에 대응되게 링크부재(12,13,14)가 각각 연결되어 있다. 각 링크부재(12,13,14)는 복수개의 관절로 이루어져 링크운동을 하면서 상기 가변링을 회전시키게 된다.

도 1에 도시된 가변 베인 구동장치는 상기 링크부재(12,13,14)를 작동시키는 선회축(15), 및 상기 푸쉬로드(21)에 연결되고 상기 선회축(15)을 선회시키는 선회아암(17), 상기 선회아암(17)을 작동시키는 푸쉬로드(21)를 포함하고 있다.

이와 같이 다수개의 가변링을 일체로 동작시키는 가변 베인 구동장치는 선회축(15)을 구비하고, 그 선회축(15)에 다수개의 가변링에 연결되는 다수개의 링크부재(12,13,14)들이 결합되며, 하나의 푸쉬로드(21)로 선회축(15)을 회전시키게 되면 다수개의 링크부재(12,13,14)들이 일체로 거동하면서 가변링들을 일시에 회전시켜 가변 베인들의 각도를 조정하게 된다.

한편, 상기 가변링들은 각각의 액츄에이터에 의해 개별적으로 구동될 수 있는데, 이러한 경우의 가변 베인 구동장치는 상기 선회축(15)을 구비하지 않고 상기 푸쉬로드(21)에 상기 선회아암(17)이나 링크부재(12,13,14) 중 어느 하나를 가변링에 직접 연결하고 있다.

상기 선회축(15)은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치에서 선택적으로 구비될 수 있으며, 이하에서는 선회축(15)의 구비여부와 무관하게 본 발명에 공통적으로 적용되는 푸쉬로드(21)의 구동 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치는, 상기 푸쉬로드(21)를 구동시키는 액츄에이터(20), 상기 푸쉬로드(21)의 신장거리를 제한하는 스토퍼(50)를 포함한다.

상기 액츄에이터(20)는 상기 푸쉬로드(21)를 직선 왕복이동시키는 구동체로, 유압에 의한 실린더 방식을 포함하여 상기 푸쉬로드(21)를 직선 왕복이동시킬 수 있는 모든 형태를 포함한다.

상기 액츄에이터(20)의 일측에는 결합브라켓(40)이 볼트결합되어 있다. 상기 결합브라켓(40)은 상기 푸쉬로드(21)가 출입하는 로드수용홀(41)을 구비하고 있다.

상기 결합브라켓(40)의 선단에는 상기 스토퍼(50)가 탈착가능하게 고정결합된다. 상기 결합브라켓(40)과 스토퍼(50)는 상기 푸쉬로드(21)의 길이방향을 따라 순차적으로 구비된다. 이를 위해 상기 스토퍼(50)의 일측에 플랜지(52)가 구비되고, 그 플랜지(52)를 통해 상기 결합브라켓(40)에 결합된다.

상기 스토퍼(50)는 상기 결합브라켓(40)의 로드수용홀(41)에 삽입되어 상기 푸쉬로드(21)의 이동거리를 제한하게 된다. 상기 푸쉬로드(21)의 외측에는 상기 스토퍼(50)에 의해 정지되는 슬리브(30)가 돌출되어 있다.

상기 스토퍼(50)는 상기 푸쉬로드(21)를 관통되게 수용하는 로드관통홀(53)을 구비하고 있다.

상기 스토퍼(50)는 정지면(51)을 구비하고, 상기 슬리브(30)는 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)과 면접촉하는 제1안착면(32)을 구비하고 있다. 상기 슬리브(30)의 제1안착면(32)이 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)과 부딪혀 상기 푸쉬로드(21)의 이동거리를 제한하게 된다.

여기서, 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)과 슬리브(30)의 제1안착면(32)을 면접촉을 하게 되므로 종래 점접촉 방식에 비해 상기 스토퍼(50)가 상기 슬리브(30)를 지지하는 면적이 커지게 됨으로써 접촉에 의한 마모가 감소하게 된다.

특히, 상기 슬리브(30)가 상기 푸쉬로드(21)의 외주면을 따라 환형으로 형성되고 상기 스토퍼(50)도 튜브(tube) 형상으로 형성되어 서로 접촉하는 면적이 극대화된다.

한편, 상기 스토퍼(50)와 슬리브(30)가 상기 푸쉬로드(21)의 이동경로 상에 구비되어 상기 스토퍼(50)가 슬리브(30)를 지지하게 되는데, 상기 스토퍼(50)는 상기 푸쉬로드(21)의 길이방향을 따라 튜브 형상으로 형성되어 상기 푸쉬로드(21)의 작동에 의해 상기 슬리브(30)가 스토퍼(50)에 부딪힐 때 휨변형되거나 백래쉬가 발생할 여지가 없다.

상기 슬리브(30)는 상기 푸쉬로드(21)의 반경방향으로 연장되어 형성되므로 상기 슬리브(30)가 스토퍼(50)에 부딪힐 때 변형되거나 백래쉬가 발생할 수 있다. 그러나, 상기 슬리브(30)는 상기 푸쉬로드(21)의 외주면을 따라 환형으로 형성되어 전체적으로 플랜지 형상을 이루게 될 뿐만 아니라 푸쉬로드(21)의 길이방향을 따라 두텁게 형성함으로써 휨변형이 발생하지 않게 되고 그로 인한 백래쉬도 방지할 수 있게 된다.

상기 결합브라켓(40)의 로드수용홀(41) 내측벽에는 안착시트(42)가 형성되어 상기 슬리브(30)를 지지하게 된다. 상기 안착시트(42)는 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)과 마주보게 형성되어 있다.

상기 슬리브(30)는 상기 제1안착면(32)의 반대쪽에 상기 안착시트(42)와 면접촉하는 제2안착면(31)을 구비하고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 푸쉬로드(21)가 신축된 상태에서는 상기 슬리브(30)의 제2안착면(31)이 상기 안착시트(42)에 안착되고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 푸쉬로드(21)가 신장된 상태에서는 상기 슬리브(30)의 제1안착면(32)이 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)에 접촉된다.

이와 같이 상기 슬리브(30)의 제1안착면(32)이 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)에 부딪혀 이동이 저지되므로 상기 푸쉬로드(21)의 신장시 스트로크는 상기 스토퍼(50)의 위치에 따라 달라지게 된다.

상기 결합브라켓(40)의 선단과 스토퍼(50)의 플랜지(52) 사이에는 상기 스토퍼(50)의 거리를 조정하는 간극부재(60)가 구비된다.

상기 간극부재(60)는 평평한 링 형상으로 형성되어 상기 결합브라켓(40)과 스토퍼(50)의 플랜지(52) 사이에 끼워진다. 따라서, 상기 푸쉬로드(21)의 길이방향을 따라 상기 액츄에이터(20)에 대한 상기 스토퍼(50)의 위치를 상기 간극부재(60)의 두께만큼 후퇴시킴으로써 상기 스토퍼(50)의 정지면(51)과 안착시트(42) 사이의 거리가 멀어지게 되고, 그로 인해 상기 슬리브(30)와 푸쉬로드(21)의 이동거리를 늘릴 수 있게 된다.

상기 간극부재(60)의 두께만큼 상기 푸쉬로드(21)의 이동거리가 늘어나므로 복수개의 간극부재(60)를 적층하여 이동거리를 간편하게 조정할 수 있게 된다. 이때 상기 간극부재(60)의 두께를 작게 할수록 미세한 거리조정이 가능하게 된다.

이와 같이 상기 간극부재(60)를 적층하는 방식으로 액츄에이터(20)의 스트로크를 간편하게 조정함으로써 가변 베인의 각도를 용이하게 조정할 수 있게 된다.

상기 스토퍼(50)의 플랜지(52)는 상기 결합브라켓(40)에 볼트결합(도면미도시)될 수 있고, 이때 상기 간극부재(60)를 관통하여 일체로 볼트결합된다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치는, 상기 액츄에이터(20)에 대한 상기 결합브라켓(40)의 높이를 조절하는 스페이서(70)를 포함하고 있다.

상기 스페이서(70)는 상기 액츄에이터(20)와 결합브라켓(40)의 사이에 구비되어 그 결합브라켓(40)의 높이를 높이게 된다.

상기 결합브라켓(40)의 높이가 높아지게 되면 상기 안착시트(42)의 위치도 함께 높아지게 되므로 상기 슬리브(30)의 초기위치를 조정할 수 있게 된다. 따라서, 가변 베인 구동장치의 조립시 원활한 작동을 위해 부품들간의 미세 간극 조정에 도움을 줄 수 있게 된다. 이때 상기 스페이서(70)의 두께를 작게 할수록 미세한 간극 조정이 가능함은 물론이다.

상기 스페이서(70)는 상기 결합브라켓(40)과 함께 액츄에이터(20)의 일측에 볼트결합되어 고정된다.

또한, 상기 스토퍼(50)의 일측에는 상기 푸쉬로드(21)를 슬라이드이동가능하게 안내하는 부싱(80)이 구비될 수 있다.

상기 부싱(80)은 상기 스토퍼(50)에 고정결합되고 상기 푸쉬로드(21)의 외주면에 끼워져 그 푸쉬로드(21)를 안내지지한다. 따라서, 상기 푸쉬로드(21)에 발생할 수 있는 휨모멘트에 의한 백래쉬나 변형을 방지할 수 있게 된다.

상기 부싱(80)은 상기 스토퍼(50)에 탈착가능하게 볼트결합(도면미도시)될 수 있다. 또한, 상기 부싱(80)에서 상기 푸쉬로드와 접촉하는 부분에는 윤활유를 공급하거나 윤활을 위한 베어링을 구비하는 것도 가능하다.

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.

11 : 가변링 12, 13, 14 : 링크부재
15 : 선회축 16 : 선회브라켓
17 : 선회아암 20 : 액츄에이터
21 : 푸쉬로드 30 : 슬리브
31 : 제2안착면 32 : 제1안착면
40 : 결합브라켓 41 : 로드수용홀
42 : 안착시트 50 : 스토퍼
51 : 정지면 52 : 플랜지
53 : 로드관통홀 60 : 간극부재
70 : 스페이서 80 : 부싱

Claims (12)

1. 압축기의 케이싱에 각도조절가능하게 구비된 베인들을 일체로 작동시키는 가변링;
   상기 가변링을 작동시키는 푸쉬로드;
   상기 푸쉬로드를 구동시키는 액츄에이터;
   상기 푸쉬로드의 신장거리를 제한하는 스토퍼; 및
   상기 액츄에이터의 일측에 고정결합되고, 상기 스토퍼를 지지하는 결합브라켓; 및
   상기 액츄에이터와 결합브라켓의 사이에 구비되고, 상기 액츄에이터에 대한 상기 결합브라켓의 높이를 조절하는 스페이서를 포함하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 푸쉬로드와 일체로 이동가능하게 구비되고, 상기 스토퍼에 의해 정지되는 슬리브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 푸쉬로드의 길이방향을 따라 상기 액츄에이터에 대한 상기 스토퍼의 거리를 조정하는 간극부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
5. 삭제
6. 제2항에 있어서,
   상기 푸쉬로드의 신축시 상기 슬리브가 안착되는 안착시트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
7. 제2항에 있어서,
   상기 스토퍼는 정지면을 구비하고,
   상기 슬리브는 상기 스토퍼의 정지면과 면접촉하는 제1안착면을 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 슬리브는 상기 안착시트와 면접촉하는 제2안착면을 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 스토퍼의 일측에 고정결합되고, 상기 푸쉬로드를 슬라이드이동가능하게 안내하는 부싱;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 가변링에 연결된 링크부재;
    상기 링크부재를 작동시키는 선회축; 및
    상기 푸쉬로드에 연결되고, 상기 선회축을 선회시키는 선회아암;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기의 가변 베인 구동장치.

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