KR101663306B1

KR101663306B1 - 가스터빈 디스크

Info

Publication number: KR101663306B1
Application number: KR1020150139136A
Authority: KR
Inventors: 정성철
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2016-10-06
Also published as: US10605085B2; EP3150798A1; US20170096899A1; WO2017057994A1; EP3150798B1

Abstract

본 발명은, 복수의 블레이드가 외주면에 배열되는 복수의 디스크에 있어서, 상기 디스크의 측면을 관통하되, 방사상 이격하여 형성되는 복수의 냉각유로; 및 상기 냉각유로의 출입구의 일부 호와 결합되어 상기 냉각유로에 집중되는 응력을 감소시키는 보강부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 디스크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

가스터빈 디스크 {Gas Turbine disk}

본 발명은 가스터빈의 디스크에관한 것으로 보다 상세하게는 가스터빈의 보어부에 그루부를 형성되는 보어부 구조에 관한 것이다.

가스 터빈은, 압축기와 연소기와 터빈에 의해 구성되어 있다. 공기 취입구로부터 도입된 공기가 압축기에 의해 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기가 된다. 연소기에 의해, 이 압축 공기에 대해 연료가 공급되어 연소된다. 고온·고압의 연소 가스가 터빈을 구동시키고, 이 터빈에 연결된 발전기를 구동시킨다.

터빈은, 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다. 그리고, 터빈을 구동시킨 연소 가스는, 배기 차실의 디퓨저에 의해 정압으로 변환되고 나서 대기로 방출된다.

가스 터빈은, 최근, 고출력화 및 고효율화가 요구되고 있어, 정익 및 동익으로 유도되는 연소 가스의 온도는 점점 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 일반적으로는, 정익 및 동익의 내부에 냉각 통로를 형성하고, 공기나 증기 등의 냉각 매체를 이 냉각 통로에 흐르게 함으로써, 정익 및 동익을 냉각시켜 내열성을 확보함과 함께, 연소 가스의 고온화를 도모하고, 출력 및 효율을 높이도록 하고 있다.

도 1을 참조하면, 터빈 디스크(10)에서는, 직경 방향을 따라 냉각 유로(11)가 형성되고, 이 냉각 유로의 선단부는 동익 본체의 냉각 통로(12)에 연통되어 있다. 그리고, 냉각 매체가 냉각 유로에 대해 기단부로부터 공급되고, 이 냉각 유로를 통해 냉각 통로에 흐르게 되어, 동익(20) 본체를 냉각시키고 있다.

그런데 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 각 냉각 유로는 상기 터빈 디스크의 원주방향(11a) 또는 직경방향(11b)으로 응력집중부위가 있어 인장응력을 최소화 해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 가스터빈의 디스크의 냉각유로에 보강부를 형성시켜, 종래의 터빈 디스크의 원주방향 또는 직경방향으로 응력집중부위가 발생하는 곳에 응력집중감소를 유도하여 디스크의 수명을 증대시키는 가스터빈 디스크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 디스크는, 복수의 블레이드가 외주면에 배열되는 복수의 디스크에 있어서, 상기 디스크의 측면을 관통하되, 방사상 이격하여 형성되는 복수의 냉각유로; 및 상기 냉각유로의 출입구의 일부 호와 결합되어 상기 냉각유로에 집중되는 응력을 감소시키는 보강부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강부는 상기 냉각유로의 출입구를 모두 감싸는 다각형 또는 원형으로 형성되되, 상기 디스크 축방향으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강부는 상기 냉각유로와 인접하는 또다른 상기 냉각유로를 직결하여 형성되되, 상기 디스크 축방향으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강부는 상기 냉각유로의 출입구의 원주면을 따라 연속하여 둘러싸는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강부는, 상기 복수의 냉각유로의 출입구들이 이루는 원주를 따라 연속하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강부는, 원형, 사각형 또는 기타 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 가스터빈의 디스크의 냉각유로에 보강부를 형성시켜 응력집중감소를 유도하여 디스크의 수명을 증대시키는 효과가있다.

도 1은 종래 기술에 따른 가스터빈 디스크를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 가스터빈 디스크를 구성하는 냉각유로를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 디스크를 구성하는 냉각유로와 보강부를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 가스터빈의 디스크를 구성하는 냉각유로와 보강부를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 가스터빈의 디스크를 구성하는 냉각유로와 보강부를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 디스크를 구성하는 냉각유로와 보강부를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 가스터빈의 디스크를 구성하는 냉각유로와 보강부를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 가스터빈의 디스크를 구성하는 냉각유로와 보강부를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 디스크는 복수의 블레이드가 외주면에 배열되는 복수의 디스크(100)에 있어서, 상기 디스크(100)의 측면을 관통하되, 방사상 이격하여 형성되는 복수의 냉각유로(110) 및 상기 냉각유로(110)의 출입구의 일부 호(111)와 결합되어 상기 냉각유로(110)에 집중되는 응력을 감소시키는 보강부(120)를 포함할 수 있다.

상기 냉각유로(110)는 상기 디스크(100)를 관통할 때 상기 디스크(100)의 축방향과 평행하게 관통될 수 있다. 즉 상기 디스크(100)의 축방향 일면과 타면을 연통하여 냉각유로(110)가 형성될 수 있다.

상기 냉각유로(110)의 형상은 단면이 원형인 중공부 일 수 있다. 또는 단면이 응력집중을 피하기 위해 상기 디스크(100)의 원주방향으로 장축을 가지는 타원형의 중공부로 형성되거나, 상기 디스크(100)의 반경방향으로 장축을 가지는 타원형의 중공부로 형성될 수 있다.

상기 냉각유로(110)는 공기나 증기 등의 냉각 매체를 상기 냉각유로(110)로 흐르게 함으로써, 정익 및 동익을 냉각시켜 내열성을 확보함과 함께, 연소 가스의 고온화를 도모하고, 출력 및 효율을 높이도록 하는 것이다.

상기 보강부(120)는 일종의 덧살형상으로 상기 냉각유로(110)의 축방향과 반경방향으로 보강을 하는 형태가 될 수 있다.

도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보강부(120)는 일단이 상기 냉각유로(110)의 출입구의 일부 호(111)에서부터 형성되어, 타단이 인접하는 상기 냉각유로(110)의 출입구의 일부 호(111)까지 연결되어 연속적으로 형성되는 형태일 수 있다. 복수의 냉각유로 중 상호 이웃하는 냉각유로의 출입구를 상호 연결하는 형태인 것이다.

즉, 상기 각 보강부(120)의 형상과 상기 냉각유로(110)가 연결되어 연속적으로 형성된 형태는 상기 디스크(100) 측면을 전체로 보았을 때, 쇠사슬이 연결된 형상으로 형성될 수 있다.

상기 일 실시예는, 도2를 참조하여 볼때, 상기 디스크(100)의 원주방향(11a)으로 응력이 집중된 경우 보강을 하는 형태로서 적용될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 보강부(120)는 상기 냉각유로(110)와 인접하는 또다른 상기 냉각유로(110)를 직결하여 형성되되, 상기 디스크(100) 축방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.

상기 돌출되는 정도는 상기 디스크(100)와 상기 냉각유로(110)에 걸리는 응력의 정도에 따라 바람직한 정도로 돌출될 수 있다.

또한 상기 보강부(120)는 상기 냉각유로(110)의 출입구의 원주면을 따라 연속하여 둘러쌀수 있다.

이는 상기 도 3에 도시된 형태의 일 실시예에서, 상기 디스크(100)의 원주방향(11a)에도 응력이 집중되고, 직경방향(11b)으로도 응력이 집중되는 상기 원주방향(11a)과 상기 직경방향(11b)의 응력에 대응되도록 형성된 일 실시예에 해당한다.

상기 돌출되는 형태는 다양한 형태가 될 수 있으나, 도 3에 도시된 일 실시예에서와 마찬가지로 그 두께는 응력이 집중되는 정도에 따라 바람직하게 형성될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보강부(120)는 상기 냉각유로(110)의 출입구를 모두 감싸는 다각형 또는 원형으로 형성되되, 상기 디스크(100) 축방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.

이는 냉각 집중부위의 형태에 따라 가장 강도보강이 필요한 곳에 보강을 하는 기술적 특징이 있다.

도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 디스크의 직경방향으로 길이를 더 길게 형성하는 형태로, 상기 직경방향(11b)의 응력에 대응되도록 형성된 일 실시예에 해당한다.

상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 가스터빈 디스크(100)는 복수의 냉각유로(110)에 보강부(120)가 결여되어있거나 또는 있다 하더라도 응력집중부위에 laser shock peening(LSP)을 하여, 미리 압축응력을 가하여 해결하는 방법이었으나 이는 제작공정 증가로 제작단가가 증가하는 문제점이 있었다.

반면 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 디스크(100)는 응력집중을 최소화하기 위하여, 응력집중부위에 상술한 보강부(120)인 돌출 덧살을 구비하여 Local peak stress 감소를 유도하고 LCF 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 원주방향 응력(Radial peak stress), 직경방향 응력(Tangential peak stress) 부위에 따라 상기 보강부(120)인 덧살부위를 다르게 적용하여 그 효과를 극대화하는 것을 목적으로 한다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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.

100 : 디스크
110 : 냉각유로
111 : 일부 호
120 : 보강부

Claims

복수의 블레이드가 외주면에 배열되는 복수의 디스크에 있어서,
상기 디스크의 측면을 관통하여 형성되는 복수의 냉각유로; 및
상기 냉각유로의 출입구의 일부 호와 결합되어 상기 냉각유로에 집중되는 응력을 감소시키는 보강부;를 포함하며,
상기 보강부는 상기 복수의 냉각유로 중 상호 이웃하는 냉각유로간 간극에 덧대어져 출입구를 연결하며, 상기 디스크 축방향으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 디스크.
제1항에 있어서,
상기 보강부는 상기 냉각유로의 출입구를 모두 감싸는 다각형 또는 원형으로 형성되되, 상기 디스크 축방향으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 디스크.
삭제
제1항에 있어서,
상기 보강부는 상기 냉각유로의 출입구의 원주면을 따라 연속하여 둘러싸는 것을 특징으로하는 가스터빈 디스크.
제4항에 있어서,
상기 보강부는, 상기 복수의 냉각유로의 출입구들이 이루는 원주를 따라 연속하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 디스크.