KR101564426B1 - 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조 및 결합방법을 가지는 마이크로가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온부 고정 부품간의 열팽창을 고려한 자폐(Self Close) 결합구조 및 방법을 가지는 마이크로가스터빈에 관한 것이다. 보다 상세하게는 마이크로 가스터빈의 상대적으로 고온부 공기와 저온부 공기를 분리하는 파티션 역할을 하는 구조물을 만들어 부품과 부품 사이의 공기누설을 차단하여, 마이크로 가스터빈의 효율저하 및 고온부 부품 간의 간섭으로 인한 제품의 손상을 방지할 수 있는 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조 및 결합방법을 가지는 마이크로가스터빈에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 파티션(Patition); 파티션의 좌측 상부 측면에 접하는 미들 커버(Middle Cover); 미들 커버의 좌측면에 접하는 심(Seam); 심의 좌측면에 접하는 탑 커버(Top Cover); 및 탑 커버의 우측면에 접하고 미들 커버 및 심과 아래쪽에 위치하며, 파티션과의 사이에 틈새(Clearance)를 가지는 라이너 모듈(Liner Module); 을 포함하며, 라이너 모듈은 파티션과 탑 커버 사이에서 열변형 하여 좌측 및 우측 방향으로 움직이며, 압축 공기의 누설을 차단하는 것을 포함하는 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 가지는 마이크로가스터빈을 제공한다.

Description

고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조 및 결합방법을 가지는 마이크로가스터빈{Micro gas turbine including self close combination structures and Methods considering thermal expansion of the between fixed parts in the high temperature area}

본 발명은 고온부 고정 부품간의 열팽창을 고려한 자폐(Self Close) 결합구조 및 방법을 가지는 마이크로가스터빈에 관한 것이다. 보다 상세하게는 마이크로 가스터빈의 상대적으로 고온부 공기와 저온부 공기를 분리하는 파티션 역할을 하는 구조물을 만들어 부품과 부품 사이의 공기누설을 차단하여, 마이크로 가스터빈의 효율저하 및 고온부 부품 간의 간섭으로 인한 제품의 손상을 방지할 수 있는 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조 및 결합방법을 가지는 마이크로가스터빈에 관한 것이다.

마이크로 가스 터빈을 구성하고 있는 각 부품은 그 기능과 목적에 따라 주변 온도가 상이하여 각 부품 표면에 온도 구배가 생기기 마련이다. 이는 상온의 공기를 압축하여 형성된 공기의 온도, 그 공기는 열교환기를 통해 공기의 온도가 상승하게 되고, 그 공기는 연소기에서 연료와 혼합하여 연소를 하는데 마이크로 가스터빈의 가장 높은 온도로 형성된다. 이 고온, 고압의 공기가 에너지원이 되어 터빈에 전달되고 출력을 발생하게 되며, 터빈을 지난 공기는 다시 열교환기를 거쳐 외부로 열병합 장치로 흘러가게 된다. 이처럼 제품 입구부터 출구까지의 공기 흐름은 결국 각 부품들이 조립되어 형성된 내부의 공간을 지나가야 하므로, 부품 표면에 공기 온도로 의한 열이 전달되어 변형이 발생하는데 비교적 낮은 온도의 환경에 속해있는 고정 부품들은 열에 의한 변형 량이 아주 적고, 구조적 지지의 목적으로 두께가 두껍고 조립 및 분해의 이유 때문에 볼트 등으로 체결되어 완전 고정된다. 하지만, 마이크로 가스터빈의 연소기 모듈과 같이, 1000℃ 수준의 높은 온도의 환경에 놓여있는 고정 부품들은 상대적으로 열에 의한 변형이 크며, 구조 또한 얇은 두께를 가진 캔 형식의 체적이 큰 구조로 되어있어 볼트 등과 같은 방법으로 구조체를 고정하기 어렵다. 만일 강제 고정을 했을 시 열팽창에 의한 변형을 흡수하지 못하면 응력이 발생하게 되어 크랙 및 파단 등 제품에 손상이 발생하는 문제점이 있다. 또한 설계 시 정확한 계산을 통해 변형량을 산출하고, 그 변형량만큼 상대부품과 틈새(Clearance)를 가져야 한다. 열에 의한 변형량 계산은 단일부품만 평가할 수 없으며 전체 연결되어있는 부분을 고려하여 누적 변형량을 계산하기 때문에 매우 까다롭고 오차가 크며, 얇은 두께 구조물 되어 있어 제작 또한 절삭 가공과 다르게 제관과 용접으로 제작하여 정밀도가 현저히 낮아 원하는 수준의 공차 구현이 불가하다. 결국 이런 점들로 인해 부품과 부품 사이로 공기가 누설되어 전체 성능 저하에 영향을 주거나, 부품 간의 간섭이 발생해 제품에 손상을 주는 문제점이 있다.

선행기술문헌 : KR특허등록공보 10-1363974(2014. 02. 11)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 압축된 공기가 열교환기를 통해 연소기로 유입될 때 열교환기 기준으로 두 공기의 분리를 위한 파티션 역할을 하는 구조물을 만들어 부품과 부품 사이의 공기누설을 차단하여 마이크로 가스터빈의 효율저하 및 고온부 부품 간의 열팽창으로 인한 간섭에 의해 제품의 손상을 방지하기 위한 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조 및 결합방법을 가지는 마이크로가스터빈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 구비하는 마이크로가스터빈은 파티션(Patition); 파티션의 좌측 상부 측면에 접하는 미들 커버(Middle Cover); 미들 커버의 좌측면에 접하는 심(Seam); 심의 좌측면에 접하는 탑 커버(Top Cover); 및 탑 커버의 우측면에 접하고 미들 커버 및 심의 아래쪽에 위치하며, 파티션과의 사이에 틈새(Clearance)를 가지는 라이너 모듈(Liner Module);을 포함한다.

또한, 라이너 모듈은 파티션과 탑 커버 사이에서 열변형 하여 좌측 및 우측 방향으로 움직일 수 있다.

또한, 탑 커버 및 미들 커버는 별도로 조립가능 하고, 체결 및 분해가 가능한 볼트로 체결될 수 있으며, 심의 두께를 변화시킴으로써 틈새의 조절이 가능할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 가스터빈의 조립방법은 (a) 라이너 모듈이 조립될 경우 라이너 모듈의 열변형에 의한 다른 부품과의 누적오차범위를 해소할 수 있는 파티션 접촉면까지의 위치를 미리 확인하고 결정하는 단계; (b) 라이너 모듈 분해 후 상기 위치에 파티션의 접촉면이 위치하도록 파티션의 상부를 열교환기에 용접하여 고정하는 단계; 및 (c) 라이너 모듈 조립 후 탑 커버와 미들 커버 및 심을 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 압축된 공기가 열교환기를 통해 연소기로 유입될 때 열교환기 기준으로 두 공기의 분리를 위한 파티션 역할을 하는 구조물을 만들어 부품과 부품 사이의 공기누설을 차단하여, 마이크로 가스터빈의 효율저하 및 고온부 부품 간의 열변형 간섭 발생으로 인한 제품의 손상을 방지할 수 있다.

도 1 : 마이크로 가스터빈의 압축공기 흐름을 나타내는 개략도
도 2 : 고온부 및 저온부 공기의 분리를 위한 자폐 결합구조 구조물에 대한 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조 및 결합방법을 가지는 마이크로가스터빈에 대해 설명한다.

도 1은 마이크로 가스터빈의 압축공기 흐름을 나타내는 개략도이며, 도 2는 고온부 및 저온부 공기의 분리를 위한 자폐 결합구조 구조물에 대한 개략도이다.

본 발명의 실시예에 따른 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 가지는 마이크로가스터빈은, 압축된 공기가 열교환기를 통해 연소기로 유입될 때 열교환기 기준으로 두 공기의 분리를 위한 구조물에 대한 것이다. 도 1을 참조하면 엔진 모듈이 연소실 방향으로 조립되면서 압축 공기의 챔버가 형성되고, 이 챔버의 분위기는 온도와 압력이 각각 약 200℃ 와 4.2bar(도 2의 1 참조)이며, 파티션의 반대쪽 분위기는 온도와 압력이 각각 약 610℃ 와 4.0bar(도 2의 2 참조)와 같다. 이러한 상대적으로 고온부 공기와 저온부 공기를 분리하기 위한 본 발명의 장치가 열교환기에 위치한다(도 1의 A 부분 참조)

본 발명의 실시예에 따른 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 가지는 마이크로가스터빈의 구성은, 도 2를 참조하면, 파티션(10), 미들 커버(20), 심(30), 탑 커버(40); 및 라이너 모듈(50)을 포함하여 이루어진다.

파티션(10)은 열교환기의 인너링(Innering)에 접하고, 미들 커버(20)는 파티션(10)의 좌측 상부 측면에 접하며, 심(30)은 미들 커버(20)의 좌측면에 접하고, 탑 커버(40)는 심(30)의 좌측면에 접한다. 또한 라이너 모듈(50)은 탑 커버(40)의 우측면에 접하고 심(30)과 미들 커버(20)의 아래쪽 위치하며 파티션(10)과의 사이에 틈새(60)를 가진다.

다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조의 조립방법에 대해 설명한다.

먼저, 라이너 모듈(50)은 제작 시 제작법에 의해 최종 결정되는 길이방향의 오차와 조립 후 다른 부품에 의해 누적되는 오차범위를 해소하기 위해 초기에 각 부품을 고정하지 않고 조립 방법을 현장맞춤법을 이용하며, 그 방법은 다음과 같다.

먼저, 라이너 모듈(50)이 조립될 경우 라이너 모듈(50)의 열변형에 의한 다른 부품과의 누적오차범위를 해소할 수 있는 파티션(10) 접촉면까지의 위치를 미리 확인하고 결정한다.

다음으로 라이너 모듈(50) 분해 후 상기 위치에 파티션(10)의 접촉면이 위치하도록 파티션(10)의 상부를 열교환기에 용접하여 고정한다.

마지막으로 라이너 모듈(50) 조립 후 탑 커버(40)와 미들 커버(20) 및 심(30)을 조립한다.

이와 같은 결합구조에 의해 라이너 모듈(50)이 파티션(10)과 탑 커버(40) 사이에서 열변형 하며 좌측 및 우측으로 움직이면서 부품과 부품 사이의 공기누설을 차단할 수 있어, 마이크로 가스터빈의 효율저하 및 고온부 부품 간의 열변형 간섭 발생으로 인한 제품의 손상을 방지할 수 있다.

또한 탑 커버(40) 및 미들 커버(20)는 별도로 조립할 수 있고, 용접에 의한 고정이 아닌 볼트의 방법으로 체결할 수 있으므로 조립 및 분해가 용의 하고, 심(30)의 두께를 변화시킬 수 있어 틈새(60)의 조절이 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 저온부 공기의 분위기
2 : 고온부 공기의 분위기
10 : 파티션
20 : 미들 커버
30 : 심
40 : 탑 커버
50 : 라이너 모듈
60 : 틈새

Claims (4)

1. 파티션;
   파티션의 좌측 상부 측면에 접하는 미들 커버;
   미들 커버의 좌측면에 접하는 심;
   심의 좌측면에 접하는 탑 커버; 및
   탑 커버의 우측면에 접하고, 미들 커버 및 심의 아래쪽에 위치하며, 파티션과의 사이에 틈새를 가지는 라이너 모듈
   을 포함하는, 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 가지는 마이크로가스터빈.
2. 제 1항에 있어서
   라이너 모듈은 파티션과 탑 커버 사이에서 열변형에 의해 좌측 및 우측 방향으로 움직일 수 있는 것
   을 포함하는, 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 가지는 마이크로가스터빈.
3. 제 1항에 있어서
   탑 커버 및 미들 커버는 별도 조립가능 하고, 조립 및 분해가 가능한 볼트로 체결될 수 있으며, 심의 두께를 변화시킴으로써 틈새의 조절이 가능한, 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합구조를 가지는 마이크로가스터빈.
4. (a) 라이너 모듈이 조립될 경우 라이너 모듈의 열변형에 의한 다른 부품과의 누적오차범위를 해소할 수 있는 파티션 접촉면까지의 위치를 미리 확인하고 결정하는 단계;
   (b) 라이너 모듈 분해 후 상기 위치에 파티션의 접촉면이 위치하도록 파티션의 상부를 열교환기에 용접하여 고정하는 단계; 및
   (c) 라이너 모듈 조립 후 탑 커버와 미들 커버 및 심을 조립하는 단계
   를 포함하는, 마이크로가스터빈의 고온부 고정 부품 간의 열팽창을 고려한 자폐 결합방법.
   
   
   

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