KR101576132B1 - 터빈용 블레이드의 세정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체를 압축, 또는 팽창되는 유체가 유동하고, 익렬로 배치됨과 동시에, 상기 유체의 유동방향을 따라 나란하게 복수의 스테이지를 이루며 배치되는 터빈용 블레이드의 세정장치에 관한 것으로서, 복수의 블레이드가 수용되는 외부 케이싱에 마련되어, 상기 복수의 블레이드의 표면에 세정액을 분사하는 세정액 분사부를 포함하며, 상기 세정액 분사부는 상기 각 스테이지마다 하나 이상 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

터빈용 블레이드의 세정장치{BLADE CLEANING APPARATUS FOR TURBINE}
본 발명은 터빈용 블레이드의 세정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 각종 터빈의 압축기 또는 터빈부의 각 블레이드의 표면 거칠기를 줄이기 위한 터빈용 블레이드의 세정장치에 관한 것이다.
통상, 가스 터빈은 압축기, 터빈부 및 연소기로 이루어지며, 발전 추진기관으로서 복합 화력발전의 주 발전원이다.
가스 터빈은 공기흡입식 발전기관으로 유체를 압축하기 위한 압축기 및 팽창된 유체에 의해 회전하는 터빈부를 통해 작동된다.
가스 터빈의 압축기 또는 터빈부는 각각, 복수의 블레이드가 일정 피치를 가지며 익렬(cascade)로 배치됨과 동시에, 다단으로 배치 예컨대, 유체의 유동방향을 따라 나란하게 복수의 스테이지를 이루며 배치된다.
이러한 터빈용 블레이드는 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)을 연결하며 상호 대향하는 흡입면과 압력면을 가지며, 유체의 유동과 함께 회전한다.
한편, 압축기 및 터빈부의 공력 손실(aerodynamic loss)은 가스 터빈 전체의 효율을 크게 좌우한다.
압축기 및 터빈부의 공력 손실 중 하나는 압축기 및 터빈부를 구성하는 블레이드에서 유체가 유동함에 따라 발달하는 경계층(boundary layer)이다.
경계층이 커질수록 유동의 공력 손실이 증가하는데, 가스 터빈의 작동시간이 증가함에 따라 외부 입자의 유입 및 부착에 의해 블레이드의 표면이 거칠어질수록 예컨대, 블레이드의 표면 거칠기가 증가할수록 경계층의 크기가 증가하여, 공력 손실이 증가, 효율이 감소하게 된다.
공력 손실의 표면 거칠기에 대한 민감성은 표면 거칠기의 위치에 따라 다르며, 특히 블레이드의 뒷부분 예컨대, 블레이드의 흡입면에서 블레이드의 전연으로부터 후연을 잇는 블레이드 길이의 1/2 지점부터 후연 사이의 영역의 표면 거칠기가 블레이드의 전연으로부터 블레이드 길이의 1/2 지점 사이의 영역의 표면 거칠기에 비해 공력 손실을 크게 증가시킨다.
그런데, 종래의 복수의 스테이지로 구성된 가스 터빈의 경우, 유체가 유입되는 첫번째 스테이지에서 세정액을 분사하여, 블레이드의 표면 거칠기를 감소시켜 왔다.
이러한 종래 기술은 유체가 유입되는 첫번째 스테이지에 배치되는 블레이드들의 표면 거칠기를 크게 감소시킬 수 있지만, 두 번째 스테이지부터 최대 30번째 스테이지에 이르기까지 각 스테이지에 배치되는 블레이드들의 표면 거칠기를 거의 감소시킬 수 없게 된다.
특히, 종래의 세정방식은 세정액이 후속 스테이지의 블레이드들을 세정하지 못하고, 오히려 첫 번째 스테이지에서의 세정된 입자를 함유하고 있는 세정액이 후속 스테이지로 넘어가서, 후속 스테이지에 배치된 블레이드들에 부착됨으로써, 후속 스테이지에 배치되는 블레이드들의 표면 거칠기를 증가시킬 염려가 있다.
따라서, 종래의 블레이드 세정방식은 가스 터빈의 전체 효율에 크게 기여하지 못하는 문제점이 있다.
일본공개특허 특개평6-288261호(발명의 명칭: 고온 고압 유체의 가스 터빈, 공개일: 1994.10.11.) 한국공개특허 제10-2006-0119696호(발명의 명칭: 터보팬 가스 터빈 엔진을 클리닝하는 방법 및 장치, 공개일: 2006.11.24.) 일본공개특허 특개평8-014196호(발명의 명칭: 가스 터빈의 압축기 세정 방법, 공개일: 1996.01.16.) 한국공개특허 제10-2011-0020196호(발명의 명칭: 스테이지 형성된 압축기 물 세정 시스템: 2011.03.02.)
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 블레이드들의 표면 조도를 개선하여, 블레이드들에서 유체의 유동시 발생하는 공력 손실을 저감하며, 터빈의 효율을 향상시킬 수 있는 터빈용 블레이드의 세정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 세정액 사용량 및 세정 시간을 줄일 수 있는 터빈용 블레이드의 세정장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 유체를 압축, 또는 팽창되는 유체가 유동하며, 익렬로 배치됨과 동시에, 상기 유체의 유동방향을 따라 나란하게 복수의 스테이지를 이루며 배치되는 터빈용 블레이드의 세정장치에 있어서, 복수의 블레이드가 수용되는 외부 케이싱에 마련되어, 상기 복수의 블레이드의 표면에 세정액을 분사하는 세정액 분사부를 포함하며, 상기 세정액 분사부는 상기 각 스테이지마다 하나 이상 마련되는, 터빈용 블레이드의 세정장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 목적은, 유체를 압축, 또는 팽창되는 유체가 유동하는 터빈용 블레이드의 세정장치에 있어서, 복수의 블레이드가 수용되는 외부 케이싱에 마련되어, 상기 복수의 블레이드의 표면에 세정액을 분사하는 세정액 분사부를 포함하는, 터빈용 블레이드의 세정장치에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 세정액 분사부는, 상기 블레이드를 향해 상기 외부 케이싱의 내측면에 관통 형성된 분사구; 및 상기 분사구를 통해 세정액을 분사하는 노즐공이 형성된 노즐 조립체를 포함할 수 있다.
상기 세정액 분사부는 상기 노즐공의 분사방향을 조절하도록 상기 노즐 조립체를 구동하는 노즐 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 세정액 분사부를 통해 분사되는 세정액은 상기 블레이드의 전연으로부터 후연을 잇는 블레이드 길이의 1/2 지점부터 상기 후연 사이의 범위 내에서 분사될 수 있다.
본 발명에 따르면, 블레이드들을 세정하여 블레이드들의 표면 거칠기를 줄임으로써, 각 스테이지에 배치된 블레이드들의 표면 조도를 개선하여 블레이드들에서 유체의 유동시 발생하는 공력 손실을 저감하며, 터빈의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 블레이드 표면의 오염도가 높은 영역을 집중적으로 세정함으로써, 세정액 사용량 및 세정 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 터빈에서 복수의 블레이드가 복수의 스테이지로 익렬 배치된 요부 파단 사시도,
도 2는 터빈용 블레이드에서 유체의 흐름을 도시한 개략적인 모식도,
도 3은 본 발명의 일 실시예로서 블레이드가 익렬로 배치된 하나의 스테이지에 복수의 분사구가 마련된 상태를 도시한 개략적인 도면,
도 4는 도 3의 정면도,
도 5는 세정액 분사부의 구성을 도시한 개략적인 단면 모식도,
도 6은 세정액이 분사구를 통해 블레이드에 분사되는 영역을 도시한 개략적인 모식도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
설명에 앞서, 본 발명에 따른 터빈용 블레이드는, 일 예로 가스터빈에서 유체를 압축하는 압축기를 구성하는 압축기 로터 블레이드(rotor blade) 및 압축기 스테이터 블레이드(stator blade), 또는 팽창된 유체가 유동하는 터빈부를 구성하는 터빈부 로터 블레이드(rotor blade) 및 터빈부 스테이터 블레이드(stator blade)를 말한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예로서 압축기 또는 터빈부를 구성하는 로터 블레이드에 대해 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상은 압축기 또는 터빈부를 구성하는 스테이터 블레이드에도 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
이러한 터빈용 블레이드(10)들은 도 1에 도시된 바와 같이, 로터의 허브(3)를 따라 일정 피치를 가지며 익렬(cascade)로 배치됨과 동시에, 다단으로 배치 예컨대, 유체의 유동방향을 따라 나란하게 복수의 스테이지를 이루며 배치된다. 도 1에는 일 실시예로서, 익렬 배치된 각 블레이드(10)들이 2단의 스테이지를 이루며 배치되어 있는 것으로 도시되어 있지만 이에 한정되지 않으며, 단일의 스테이지 또는 3단 이상의 스테이지를 이루며 배치될 수 있다.
익렬 배치되는 각 블레이드(10)는 로터에 결합되는 허브(3)에 편지지된다. 또한, 각 블레이드(10)의 외측에는 외부 케이싱(5)이 각 블레이드(10)의 팁(21)의 회전궤적 둘레를 따라 이격 배치되며, 각 블레이드(10)는 외부 케이싱(5)의 내측에 수용된다.
한편, 블레이드(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전체적으로 에어포일(airfoil) 단면형상을 가지며, 블레이드(10)의 선단을 이루며 유체가 유입되는 전연(11, leading edge)과, 블레이드(10)의 후단을 이루는 후연(13, trailing edge)을 가진다.
또한, 블레이드(10)는 전연(11)과 후연(13)을 평면적으로 연결하며 상호 대향 배치되어, 외표면을 이루는 흡입면(15, suction surface)과 내표면을 이루는 압력면(19, pressure surface)을 가진다.
한편, 외부 케이싱(5)에는 블레이드(10)의 표면에 세정액(9)을 분사하는 세정액 분사부(30)가 마련되어 있다. 세정액 분사부(30)는 각 스테이지마다 하나 이상 마련된다.
세정액 분사부(30)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 블레이드(10)를 향해 외부 케이싱(5)의 내측면에 관통 형성된 분사구(31)와, 분사구(31)를 통해 블레이드(10)의 표면을 향해 세정액(9)을 분사하는 노즐 조립체(35)를 포함한다.
도 3 및 도 4에는 일 실시예로서, 복수의 블레이드(10)가 익렬로 배치된 하나의 스테이지에 분사구(31)가 마련된 상태를 도시한 도면이 도시되어 있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 분사구(31)는 외부 케이싱(5)에 일정 간격으로 관통 형성된다. 분사구(31)는 노즐 조립체(35)가 유동가능하게 수용되는 크기를 가진다.
한편, 본 실시예에서는 분사구(31)가 2개의 블레이드(10)를 사이에 두고 일정 간격으로 외부 케이싱(5)에 관통 형성되어 있는 것으로 도시되어 있지만 이에 한정되지 않고, 각 스테이지의 각 블레이드(10)마다 대응하여 마련되거나, 또는 각 스테이지에 하나만 형성될 수도 있다.
노즐 조립체(35)는 세정액(9)을 분사하는 노즐공(37)이 형성되어 있으며, 외부 케이싱(5)에 형성된 분사구(31)에 유동가능하게 수용된다. 노즐 조립체(35)의 노즐공(37)의 분사선의 중심이 외부 케이싱(5)의 반경방향에 대해 예컨대, 외부 케이싱(5)의 내주면의 법선방향에 대해 0도 초과 내지 90도 미만의 각도 범위 내에서 배치되도록 노즐 조립체(35)는 분사구(31)에 유동가능하게 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 세정액 분사부(30)는 노즐공(37)의 분사방향을 조절하도록 노즐 조립체(35)를 구동하는 노즐 구동부(41)를 더 포함한다. 여기서, 노즐 구동부(41)는 유체압 또는 전기적인 힘에 의해 구동되는 액츄에이터로 구성될 수 있다.
노즐 구동부(41)는 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈의 작동시간이 증가함에 따라 외부 입자의 유입 및 부착에 의해 블레이드(10)의 표면 거칠기가 크게 증가하여 경계층의 크기가 증가하면서 공력 손실이 증가되어 터빈의 전체 효율에 커다란 영향을 미치는 영역 예컨대, 블레이드(10)의 전연(11)으로부터 후연(13)을 잇는 블레이드 길이의 1/2 지점부터 후연(13) 사이에 위치하는 블레이드(10)의 흡입면(15)에 위치하도록 노즐 조립체(35)를 구동하여, 노즐공(37)의 분사 방향을 조절하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 블레이드(10) 표면의 오염도가 높은 영역을 집중적으로 세정함으로써, 블레이드(10)의 표면 조도를 개선하여 블레이드(10)에서 유체의 유동시 발생하는 공력 손실을 저감하며, 터빈의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 세정액(9) 사용량 및 세정 시간을 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 블레이드(10)의 전연(11)으로부터 후연(13)을 잇는 블레이드 길이의 1/2 지점부터 후연(13) 사이에 위치하는 블레이드(10)의 흡입면(15)에 세정액(9)을 분사할 때, 노즐공(37) 분사선의 중심이 블레이드 길이의 3/4 지점에 위치하도록 노즐 구동부(41)는 노즐 조립체(35)를 구동하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시예에서는 세정액(9)이 블레이드 길이의 1/2 지점부터 후연(13) 사이에 위치하는 블레이드(10)의 흡입면(15)에 분사되는 것으로 설명하고 있지만 이에 한정되지 않으며, 세정액 분사부(30)로부터 분사되는 세정액(9)은 블레이드(10)의 모든 흡입면(15), 또는 모든 압력면(19)에 분사될 수도 있다.
한편, 노즐 조립체(35)의 노즐공(37)을 통해 분사되는 세정액(9)은 도시하지 않은 세정액 탱크에 저장된 세정액(9)을 펌프(미도시)에 의해 펌핑하여, 배관(미도시)을 통해 각 노즐 조립체(35)로 공급된다.
이러한 구성에 의하여, 터빈의 작동 환경에 따라 시스템 효율이 크게 저하되는 시기에, 각 스테이지마다 설치된 세정액 분사부(30)의 분사구(31)를 통해, 블레이드(10)들의 표면을 향해 세정액(9)을 주기적으로 분사한다.
이로써, 각 스테이지마다의 블레이드(10)들의 표면 조도를 개선하여 표면 거칠기를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 터빈용 블레이드의 세정장치는 각 스테이지마다 세정액 분사부(30)가 구비되어 각 스테이지에 배치된 블레이드(10)들을 세정함에 따라, 종래와 같이 첫 번째 스테이지에서의 세정된 입자를 함유하고 있는 세정액(9)이 후속 스테이지로 넘어가서, 후속 스테이지에 배치된 블레이드(10)들에 부착하여 표면 거칠기를 증가시키는 역효과가 발생하지 않게 된다.
한편, 본 발명에 따른 터빈용 블레이드의 세정장치는 가스터빈 이외에 스팀터빈 등에도 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 전술한 실시예에서는 2단의 스테이지를 이루는 터빈용 블레이드의 각 스테이지마다 세정액 분사부를 마련하여 블레이드의 표면을 세정하는 것으로 설명하고 있지만 이에 한정되지 않으며, 단일의 스테이지를 이루는 터빈용 블레이드의 외부 케이싱에 세정액 분사부를 마련하여 블레이드의 표면에 세정액을 분사하여 세정할 수도 있다. 그리고, 3단 이상의 스테이지를 이루는 터빈용 블레이드의 각 스테이지마다 세정액 분사부를 마련하여 블레이드의 표면을 세정할 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 세정액 분사부로부터 분사되는 세정액이 블레이드의 표면 중 흡입면을 향해 분사되는 것으로 설명하고 있지만 이에 한정되지 않으며, 세정액 분사부로부터 분사되는 세정액이 블레이드의 압력면을 향해 분사되도록 세정액 분사부를 외부 케이싱에 마련할 수도 있다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
3 : 허브 5 : 외부 케이싱
9 : 세정액 10 : 블레이드
11 : 전연 13 : 후연
15 : 흡입면 19 : 압력면
21 : 팁 30 : 세정액 분사부
31 : 분사구 35 : 노즐 조립체
37 : 노즐공 41 : 노즐 구동부

Claims (5)

  1. 유체를 압축, 또는 팽창되는 유체가 유동하며, 익렬로 배치됨과 동시에, 상기 유체의 유동방향을 따라 나란하게 복수의 스테이지를 이루며 배치되는 터빈용 블레이드의 세정장치에 있어서,
    복수의 블레이드가 수용되는 외부 케이싱에 마련되어, 상기 복수의 블레이드의 표면에 세정액을 분사하는 세정액 분사부를 포함하며,
    상기 세정액 분사부는 상기 각 스테이지마다 하나 이상 마련되고,
    상기 세정액 분사부는,
    상기 블레이드를 향해 상기 외부 케이싱의 내측면에 관통 형성된 분사구;
    상기 분사구를 통해 세정액을 분사하는 노즐공이 형성된 노즐 조립체; 및
    상기 노즐공의 분사방향을 조절하도록 상기 노즐 조립체를 구동하는 노즐 구동부를 포함하는, 터빈용 블레이드의 세정장치.
  2. 유체를 압축, 또는 팽창되는 유체가 유동하는 터빈용 블레이드의 세정장치에 있어서,
    복수의 블레이드가 수용되는 외부 케이싱에 마련되어, 상기 복수의 블레이드의 표면에 세정액을 분사하는 세정액 분사부를 포함하며,
    상기 세정액 분사부는,
    상기 블레이드를 향해 상기 외부 케이싱의 내측면에 관통 형성된 분사구;
    상기 분사구를 통해 세정액을 분사하는 노즐공이 형성된 노즐 조립체; 및
    상기 노즐공의 분사방향을 조절하도록 상기 노즐 조립체를 구동하는 노즐 구동부를 포함하는, 터빈용 블레이드의 세정장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세정액 분사부를 통해 분사되는 세정액은 상기 블레이드의 전연으로부터 후연을 잇는 블레이드 길이의 1/2 지점부터 상기 후연 사이의 범위 내에서 분사되는, 터빈용 블레이드의 세정장치.
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