KR101764059B1 - 가스 터빈 엔진용 프리 스월러 - Google Patents

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김동화
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두산중공업 주식회사
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Abstract

가스 터빈 엔진용 프리 스월러가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈 엔진용 프리 스월러는 냉각 공기가 공급되는 프리 스월러 홀이 반경 방향에서 방사 형태로 형성된 프리 스월러 본체부; 및 상기 프리 스월러 홀에 밀착된 상태로 회전되는 에어포일 유닛을 포함하되, 상기 에어포일 유닛은 상기 가스 터빈에 구비된 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량을 조절하기 위해 구비된 제1 에어 포일; 상기 제1 에어 포일의 트레일링 엣지에 회전 가능하게 결합되고, 상기 프리 스월러 홀로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 조절하기 위해 구비된 제2 에어 포일을 포함한다.

Description

가스 터빈 엔진용 프리 스월러{Pre Swirler for Gas Turbine Engine}
본 발명은 가스 터빈의 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량과 스월 각도를 최적의 조건으로 유지시기 위한 프리 스월러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 가스 터빈의 1단 블레이드에 대한 보호와 안정적인 작동을 동시에 도모하기 위한 가스 터빈 엔진용 프리 스월러에 관한 것이다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기부에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다.
이러한 터빈을 구성하기 위해서 외주면에 복수의 터빈 블레이드가 배열되는 복수의 터빈 로터 디스크를 다단으로 구성하여 상기 고온, 고압의 연소 가스가 터빈 블레이드를 통과시키도록 하는 구성이 널리 사용되고 있다.
그러나 최근 가스 터빈의 대형화 및 고효율화 추세에 따라 연소기 출구 온도가 점차 높아짐에 따라 고온의 연소 가스에 견딜 수 있도록 터빈 블레이드에 대한 냉각 장치가 공통적으로 채용되고 있다.
특히, 터빈 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량을 다양하게 변경시키기 위한 구성이 사용되고 있으나, 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 경우 1단 블레이드가 고온의 온도 조건에 취약하고, 장기간 노출되는 경우가 빈번하여 파손에 따른 교체 및 수리가 필요하게 되었다.
이 경우 가스터빈의 작동을 중지한 상태로 1단 블레이드에 대한 교체 또는 수리를 실시해야 하므로 수리 기간 동안 발전을 통한 전력 생산에 차질이 발생되어 경제적인 손실이 막대하였다.
특히 최근에는 냉각 공기의 공급 상태를 조절하여 고가의 터빈 블레이드를 보호하기 위한 다양한 방법이 제안되고 있다.
대한민국공개특허 제10-2012-0070105호
본 발명의 실시 예들은 터빈 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량과 스월 각도를 최적의 유량과 각도로 공급하여 가스 터빈의 안정적인 작동을 도모할 수 있는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스 터빈에 구비된 프리 스월러로서, 상기 프리 스월러는 냉각 공기가 공급되는 프리 스월러 홀이 반경 방향에서 방사 형태로 형성된 프리 스월러 본체부; 및 상기 프리 스월러 홀에 밀착된 상태로 회전되는 에어포일 유닛을 포함하되, 상기 에어포일 유닛은 상기 가스 터빈에 구비된 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량을 조절하기 위해 구비된 제1 에어 포일; 상기 제1 에어 포일의 트레일링 엣지에 회전 가능하게 결합되고, 상기 프리 스월러 홀로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 조절하기 위해 구비된 제2 에어 포일을 포함한다.
상기 제1 에어 포일과 상기 제2 에어 포일은 압력면과 흡입면이 외측을 향해 라운드 지게 돌출된 것을 특징으로 한다.
상기 압력면과 흡입면은 상기 제1,2 에어 포일의 평균 캠버선(Mean Camber Line)을 기준으로 상하 대칭 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 에어포일 유닛은 상기 제1 에어 포일의 리딩 엣지에서 부터 상기 제2 에어 포일의 트레일링 엣지 까지의 코드 길이를 c라 할 때, 상기 제1 에어 포일의 중심은 상기 코드 길이의 1/4 지점에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 에어 포일의 회전 중심점에 회전력을 제공하는 제1 구동부를 더 포함한다.
상기 제2 에어 포일에 회전력을 제공하는 제2 구동부를 더 포함한다.
상기 제1,2 에어 포일의 회전 상태를 제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 가스 터빈의 부하 상태와, 냉각 공기의 유량 및 온도에 따라 상기 제1,2 에어 포일의 회전 각도를 서로 다르게 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 터빈의 부하가 급격히 변동될 경우 상기 제1 에어 포일의 회전 각도가 증가되도록 제어하고, 블레이드의 온도가 고온 상태일 경우 상기 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 증가시키기 위해 상기 제2 에어 포일의 회전 각도가 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 에어 포일과 상기 제2 에어 포일은 각각 독립적으로 회전되는 것을 특징으로 한다.
상기 프리 스월러 홀은 상기 에어포일 유닛의 크기와 대응되는 크기로 개구된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들은 가스 터빈에 구비된 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량과 스월 각도를 에어포일 유닛을 통해 제어하고, 가스 터빈의 다양한 부하 변동에 따라 최적의 유량과 스월 각도를 유지시켜 상기 가스 터빈의 안정적인 작동을 도모하고자 한다.
본 발명의 실시 예들은 터빈 블레이드 중 1단 블레이드의 온도가 급격히 상승되는 경우에도 즉시 냉각 공기를 통해 냉각을 실시할 수 있어 고가의 블레이드를 안정적으로 보호할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 가스 터빈의 발전량 저하로 인한 전력 생산성 저하를 예방할 수 있어 가스 터빈의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈의 구성을 간략히 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈 엔진용 프리 스월러가 설치된 위치를 간략히 도시한 도면.
도 3내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 프리 스월러가 프리 스월러 본체부에 설치된 상태 및 에어포일 유닛을 도시한 도면..
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어포일 유닛의 세부 구성을 도시한도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부 및 제어부와 연계된 구성을 도시한 도면.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈 엔진용 프리 스월러에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈의 구성을 간략히 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈 엔진용 프리 스월러가 설치된 위치를 간략히 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프리 스월러가 프리 스월러 본체부에 설치된 상태를 간단히 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어포일 유닛을 도시한 도면이다.
첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 의한 프리 스월러(1)는 가스 터빈 중 베인 하단부에 위치되고 블레이드에 냉각공기를 공급하여 고온의 온도 상태가 유지되는 상기 블레이드에 대한 냉각과 작동에 필요한 유량을 공급하여 안정적인 터빈의 작동을 도모한다.
프리 스월러(1)는 단순히 블레이드의 작동에 필요한 유량을 공급하지 않고 상기 터빈의 부하(Load)의 변동 상태에 따라 안정적인 작동을 위한 유량을 가변적으로 조절하여 공급함으로써 상기 블레이드가 최적의 작동 조건에서 작동되도록 함으로써 가스 터빈의 효율을 증가시키고자 한다.
또한 프리 스월러(1)는 전술한 블레이드로 공급되는 유량 조절 기능과 함께, 상기 블레이드의 냉각에 필요한 공기를 함께 공급하므로, 상기 냉각 공기를 이용하여 가스 터빈 작동 중 고온의 온도 조건에 많이 노출되는1단 블레이드에 대한 보호를 동시에 도모할 수 있다. 또한 블레이드의 변형 발생을 사전에 차단하고 가스 터빈의 안정적인 작동을 통한 발전량 향상을 도모할 수 있어 유량 조절과 1단 블레이드의 보호 역할을 위해 프리 스월러의 기능은 상당히 중요하다고 하겠다.
이와 같은 특징을 갖는 가스 터빈은 크게 압축기(10)와 연소기(2)와 터빈(3)으로 구성된다. 상기 압축기(10)는 공기를 도입하는 공기 도입구(11)가 구비되고, 압축기 케이싱(12) 내에 다수개의 압축기 베인(13)과, 압축기 블레이드(14)가 교대로 배치되어 있다.
연소기(2)는 상기 압축기(10)에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈(3)은 터빈 케이싱(31) 내에 복수의 터빈 베인(32)과, 터빈 블레이드(33)가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기(10)와 연소기(2)와 터빈(3) 및 배기실(34)의 중심부를 관통하도록 로터(4)가 배치되어 있다.
상기 로터(4)는 압축기(10)측의 단부가 베어링부(41)에 의해 지지되어 있는 한편, 배기실(34)측의 단부가 베어링부(42)에 의해 지지되어, 자신의 중심 축선 S를 중심으로 하여 회전 가능하게 설치되어 있다. 그리고, 상기 로터(4)에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드(14,33)가 연결되는 동시에, 배기실(34)측의 단부에 발전기(미도시)의 구동축이 연결된다.
압축기(10)의 공기 도입구(11)로부터 도입된 공기는 다수개의 압축기 베인(13)과 압축기 블레이드(14)를 통과 하여 압축됨으로써 고온고압의 압축 공기로 변화되고, 연소기(2)에서 상기 압축 공기에 대하여 소정의 연료를 공급함으로써 연소시킨다.
그리고, 상기 연소기(2)에서 생성된 고온고압의 연소 가스가 터빈(3)을 구성하는 다수개의의 터빈 베인(32)과 터빈 블레이드(33)를 통과함으로써 로터(4)를 회전 구동하고, 상기 로터(4)에 연결된 발전기에 회전 동력을 부여함으로써 발전이 이루어진다.
이와 같이 구성된 가스 터빈에서는 압축기(10)에서 압축된 압축 공기의 일부를 압축기 케이싱(12)의 중간 단의 추기 매니폴드(15)로부터 외부 배관(5)에 의해 추기하고, 이 압축 공기(추기 공기)를 냉각 공기로서 터빈 케이싱(31)의 내부에 공급되도록 구성된다.
그리고, 터빈 케이싱(31)의 내부로 보내어진 냉각 공기는, 터빈 블레이드(33)에 공급된다. 터빈 블레이드(33)에 냉각 공기를 공급하는 냉각 공기 공급 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하면, 로터(4)측에 고정된 터빈 블레이드(331)는 디스크의 외주면을 따라 환 형상으로 설치되어 있다. 그리고, 터빈 베인(32)의 도면 기준으로 상기 터빈 블레이드(331)의 좌측에 배치되어 있으며, 상기 터빈 베인(32)의 하측에 본 실시 예에 의한 프리 스월러(1)가 구비된다.
본 발명의 일 실시 에에 의한 프리 스월러(1)는 전체적인 외형이 링 형태로 형성된 프리 스월러 본체부(110)가 구비된다. 상기 프리 스월러 본체부(110)는 확대도에 도시된 바와 같이 소정의 두께를 갖는 전면판(111)과 후면판(114)이 서로 간에 소정의 간격으로 이격되고, 상기 간격은 후술할 에어포일 유닛(120)의 두께와 대응된다.
그리고 상기 에어포일 유닛(120)과 마주보는 전면판(111)과 후면판(114)에 상기 에어포일 유닛(120) 보다는 상대적으로 작게 개구된 프리 스월러 홀(112)이 형성된다.
상기 전면판(111)과 후면판(114) 사이에 에어포일 유닛(120)이 배치될 경우 상기 에어포일 유닛(120)의 전면과 후면이 상기 전면판(111)과 후면판(114)에 형성된 프리 스월러 홀(112)에 밀착된 상태가 유지된다.
프리 스월러 홀(112)은 에어포일 유닛(120)을 구성하는 제1 에어 포일(122)과 제2 에어 포일(124)과 유사한 형태로 개구되나, 도면에 도시된 형태 이외의 다른 형태로 개구되는 것도 가능할 수 있으며 반드시 도면에 도시된 형태로 형성된 것으로 한정하지 않는다.
에어포일 유닛(120)은 상기 전면판(111)과 후면판(114) 사이에 밀착된 상태로 배치되므로, 상기 프리 스월러 홀(112)로 냉각 공기가 공급되기 이전에는 냉각 공기가 이동할 수 있게 개구된 유체 이동 영역(S)을 막은 상태가 유지된다.
또한 상기 에어포일 유닛(120)을 구성하는 제1 에어 포일(122) 또는 제2 에어 포일(124) 중의 어느 하나가 특정 방향으로 회전될 경우 상기 개구된 프리 스월러 홀(112)의 개구된 유체 이동 영역(S)의 면적은 회전된 제1,2 에어 포일(122, 124)의 경사각에 따라 변동되고, 이로 인해 상기 프리 스월러홀(112)로 유입되는 냉각 공기의 유량이 변동된다.
예를 들어 블레이드(331)에 냉각 공기량을 증가시키기 위해 에어포일 유닛(120)이 특정 방향으로 회전될 경우 상기 프리 스월러 홀(112)을 막고 있던 영역이 오픈되면서 다량의 냉각 공기가 블레이드로 공급될 수 있다.
따라서 상기 에어포일 유닛(120)의 회전각도에 따라 블레이드(331)로 공급되는 냉각 유량은 다양하게 변화될 수 있고 이를 통해 상기 블레이드(331)의 냉각을 손쉽게 실시할 수 있다.
상기 에어포일 유닛(120)은 제1 에어 포일(122)과 제2 에어 포일(124)을 포함하여 구성되고, 상기 제1,2 에어 포일(122, 124)의 구체적인 형태는 후술하기로 한다.상기 제1 에어 포일(122)에는 제1 회전축(122e)이 결합되고, 상기 제2 에어 포일(124)에는 제2 회전축(124e)이 결합되며, 상기 제1 회전축(122e)과 제2 회전축(124e)은 후면판(114)의 외측으로 연장된다.상기 제1 에어 포일(122)의 회전 작동은 상기 제1 회전축(122e)과 연결된 제1 구동부(200)에 의해 작동되고, 상기 제2 에어 포일(124)의 회전 작동은 제2 회전축(124e)과 연결된 제2 구동부(300)에 의해 작동되며 이에 대한 보다 상세한 설명은 상기 제1,2 구동부(200, 300)를 설명하면서 상세히 하기로 한다.
120프리 스월러(1)는 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기의 유량과 온도를 조절하여 상기 블레이드(331)의 안정적인 작동과 파손을 방지하기 위해 구비된다.
프리 스월러 본체부(110)는 일 예로 링 형태로 형성되나 이해를 돕기 위해 링 형태로 한정한 것으로 다른 형태로 변경되는 것도 가능하며, 특별히 도면에 도시된 형태로 한정하지 않는다.
프리 스월러 본체부(110)는 반경 방향에서 방사 형태로 다수개의 프리 스월러 홀(112)이 후술할 에어포일 유닛(120)과 대응되는 크기로 개구된다.
에어포일 유닛(120)은 프리 스월러 홀(112)로 공급되는 냉각 공기량에 따라 회전되는 회전각이 후술할 제어부(400)에 의해 제어되는데, 일 예로 제1,2 회전축(122e, 124e)의 회전되는 각도에 따라 프리 스월러 홀(112)로 공급되는 냉각 공기량이 가변된다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 에어포일 유닛(120)은 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기의 유량을 조절하기 위해 구비된 제1 에어 포일(122)과, 상기 제1 에어 포일(122)의 트레일링 엣지(122b)에 회전 가능하게 결합되고, 상기 프리 스월러 홀(112)로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 조절하기 위해 구비된 제2 에어 포일(124)을 포함한다.
제1 에어 포일(122)은 압력면(122c)과 흡입면(124c)이 외측을 향해 라운드 지게 돌출되고, 돌출된 정도는 도면에 도시된 상태로 한정하나 특별히 특정 수치로 코드 길이(c)에 따라 한정하지는 않는다.
제1 에어 포일(122)은 도면 기준 좌측 선단부에 리딩 엣지(122a)가 형성되고 우측 후단부에 트레일링 엣지(122b)가 형성되며, 프리 스월러 본체부(110)에서 회전 되도록 후술할 제1 구동부(200)에서 연장된 연장축이 결합된다.
재1 에어 포일(122)은 후술할 제2 에어 포일(124)에 비해 크기가 상대적으로 크게 형성되는데, 상기 제1 에어 포일(122)의 경우 블레이드(331)로 공급되는 유량을 조절하기 위해 구비되므로 제2 에어 포일(124)에 비해 상대적으로 큰 크기로 구성된다. 본 실시 예에서는 제1 에어 포일(122)과 제2 에어 포일(124)의 비율을 특별히 한정하지는 않는다.
제2 에어 포일(124)은 전술한 제1 에어 포일(122)과 같이 압력면(124c)과 흡입면(124c)이 외측을 향해 라운드 지게 돌출된다.
제2 에어 포일(124)은 도면 기준 좌측 선단부에 리딩 엣지(124a)가 형성되고 우측 후단부에 트레일링 엣지(124b)가 형성되며, 프리 스월러 본체부(110)에서 회전 되도록 후술할 제2 구동부(300)에서 연장된 연장축이 결합된다.
상기 제2 에어 포일(124)은 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 조절하므로 제1 에어 포일(122)에 비해 작은 크기로 이루어지나, 상기 블레이드(331)에 구비된 다수개의 블레이드 중 변형 또는 손상이 가장 많이 발생되는 1단 블레이드를 고온의 온도 조건에서 보호할 수 있다.
이 경우 상기 1단 블레이드의 교체 또는 수리에 따라 가스 터빈이 중지되는 상황이 발생되지 않으므로 발전량을 일정하게 유지할 수 있고, 상기 가스 터빈의 가동 중지로 인한 경제적 손실을 예방할 수 있다.
본 실시 예에 의한 제1,2 에어 포일(122, 124)의 평균 캠버선(Mean Camber Line)(ML)을 기준으로 상하 대칭 형태로 형성된다. 상기 에어포일 유닛(120)은 상기 제1 에어 포일(120)의 리딩 엣지(122a) 에서부터 상기 제2 에어 포일(124)의 트레일링 엣지(124b)까지의 코드 길이를 c라 할 때, 상기 제1 에어 포일(122)의 중심은 상기 코드 길이(c)의 1/4 지점에 형성되고, 상기 위치가 제1 에어 포일 유닛(120)의 회전 중심점이 된다.
제1 에어 포일(122)이 도면 기준으로 상측 또는 하측으로 회전될 경우 제2 에어 포일(124)도 함께 회전되거나, 제1,2 에어 포일(122, 124)이 독립적으로도 각각 회전될 수 있다.
예를 들어 제1 에어 포일(122)은 가스 터빈이 작동되면서 발생되는 부하 상태에 따라 유량을 최적의 양으로 공급하기 위해 작동되는데, 가스 터빈이 초기 웜업시 필요한 유량과 정상 작동 상태에 필요한 유량과, 다양한 부하 변동 상태에 따라 필요한 유량이 서로 상이할 수 있다.
이 경우 제1 에어 포일(122)은 블레이드(331)로 공급되어야 할 각각의 유량을 최적으로 공급하기 위해 특정 각도로 회전이 이루어진다.
예를 들어 가스 터빈이 초기 웜업 작동시 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기의 유량은 정상 작동 상태에 필요한 유량(예를 들면 특정 알피엠으로 균일하게 작동되는 상태) 보다는 상대적으로 많은 유량이 필요하게 된다.
상기 프리 스월러 홀(112)은 이미 개구된 상태이므로, 상기 프리 스월러 홀(112)의 개구된 면적을 가변시키는 에어포일 유닛(120)을 통해 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기량을 가변시킬 수 있다.
즉, 상기 프리 스월러 홀(112)의 개구된 영역은 한정되어 있으나, 상기 프리 스월러 홀(112)을 막고 있는 에어 포일 유닛(120)의 회전에 따른 회전각이 증가 또는 감소될수록, 상기 프리 스월러 홀(112)과 에어 포일 유닛(120) 사이로 냉각 공기가 유동될 수 있는 유체 이동 영역(S)이 증가 또는 감소된다.
일 예로 에어 포일 유닛(120)의 회전각이 증가되면 상기 프리 스월러 홀(112)을 막고 있는 에어포일 유닛(120)이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전되면서 유체 이동 영역(S)의 개구된 영역이 증가되고 이로 인해 냉각 공기의 이동이 이루어진다.
제2 에어 포일(124)은 제2 회전축(124e)을 회전 중심점으로 회전되는데, 블레이드(331)가 상승될 경우 냉각 공기에 스월을 강제적으로 발생시켜 상기 블레이드(331)에 대한 냉각을 도모한다.
여기서 스월이 발생된 냉각 공기는 상기 프리 스월러 홀(112)을 경유한 이후에 특정 위치에서 지체되거나, 이동 흐름에 따른 유속 저하 없이 상기 블레이드(331)를 향해 곧바로 이동되므로 상기 블레이드(331)와 에어 포일 유닛(120) 사이의 이동 경로가 복잡해지는 경우에도 상기 블레이드(331)에 대한 냉각을 신속하게 실시할 수 있어 냉각 온도를 상대적으로 저하시킬 수 있다.
이를 위해 제2 에어 포일(124)은 제1 에어 포일(122)의 트레일링 엣지(122b)의 위치에서 회전되는데, 회전 각도에 따라 냉각 공기의 스월 각도가 선택적으로 변화될 수 있다.
예를 들어 상기 1단 블레이드는 연소기(미도시)에서 공급된 고온의 화염으로 인해 다른 단수에 비해 상대적으로 고온의 온도 조건에 장기간 노출되는데, 이 경우 1단 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 냉각을 통해 상기 제1단 블레이드의 수명 연장과 열 응력이 집중되는 현상을 최소화 시킬 수 있다.
냉각 공기는 전술한 바와 같이 블레이드(331)를 향해 공급될 때 회오리 형태의 스월을 발생시켜 공급할 경우 냉각 효과를 향상시킬 수 있는데, 본 발명의 제1 에어 포일(122)은 제2 에어 포일(124)에 비해 크기가 상대적으로 크므로 스월을 발생시키기 위한 용도보다는 블레이드(331)로 공급되는 전체적인 냉각 공기량을 조절하는데 사용된다.
그리고 제2 에어 포일(124)은 제1 에어 포일(122)에 비해 크기가 상대적으로 작고, 스월에 필요한 냉각 공기의 앵글 각도만을 조절하기가 용이하므로, 상기 제1 에어 포일(122)을 통한 냉각 공기의 스월 앵글을 변화시키는 것 보다는 제2 에어 포일(124)을 이용하여 냉각 공기의 스월 앵글을 변화시키는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면 제1 에어 포일(122)의 회전 중심점에 회전력을 제공하는 제1 구동부(200)가 구비되는데, 상기 제1 구동부(200)는 프리 스월러 본체부(120)의 후면에서 다수개의 에어포일 유닛(120)과 연결된 링 형태 또는 반원의 링 형태로 이루어지고 상, 하로 서로 마주보며 위치된 한 쌍의 회전판(미도시)과, 상기 회전판의 외측으로 연장된 링크(미도시)와, 상기 링크를 작동시키기 위해 유압 또는 공압으로 작동되는 실린더(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
일 예로 상기 실린더가 상기 링크를 당기거나 밀도록 작동되면 상기 회전판이 연동하여 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전될 수 있다. 이 경우 상기 회전판과 연결된 제1 회전축(122e) 또는 제2 회전축(124e)이 제1 에어 포일(122) 또는 제2 에어 포일(124)을 특정 방향으로 회전시켜 냉각 공기량 또는 냉각 공기의 스월 앵글을 조절할 수 있다.
본 실시 예에 의한 제2 에어 포일(124)에 회전력을 제공하는 제2 구동부(300)는 전술한 제1 구동부(200)와 별도의 구성으로 이루어지거나, 상기 링크 구성품에서 분기된 보조 링크 구성품(미도시)으로 구성될 수 있다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 프리 스월러(1)는 제1,2 구동부(200, 300)를 제어하여 상기 제1,2 에어 포일(122, 124)의 회전 상태를 제어하는 제어부(400)를 더 포함한다.
상기 제어부(400)는 상기 가스 터빈의 부하 상태와, 냉각 공기의 유량 및 온도에 따라 상기 제1,2 에어 포일(122, 124)의 회전 각도를 서로 다르게 제어한다. 제어부(400)는 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이 제1,2 에어 포일(122, 124)의 작동상태를 서로 다르게 작동되도록 제어 할 수 있으며, 이 경우 전술한 제1,2 회전축(122e, 124e)의 회전각을 제어한다. 참고로 상기 제1,2 회전축(122e, 124e)의 회전 각도는 전술한 회전판의 회전 각도를 서로 다르게 회전시켜 이를 구현할 수 있다..
제1,2 에어 포일(122, 124)은 다양한 가스 터빈의 운전 조건에 따라 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기의 유량과 스월 각도를 유지하기 위해 상기 제어부(400)에 의해 회전 상태가 제어된다.
제어부(400)는 제1, 2 구동부(200, 300)에 제어 명령을 전송하여 제1,2 에어 포일(122, 124)의 회전 각도를 제어하며, 이를 통해 최적의 유량과 최적의 온도 조건에서 가스 터빈의 작동이 이루어지게 되어 안정적인 발전을 도모할 수 있다.
제어부(400)는 에어포일 유닛(120)의 보다 안정적인 제어를 위해 감지부(500)와 연계 작동된다. 상기 감지부(500)는 가스 터빈의 부하를 감지하는 부하 감지부(510)와, 블레이드(331)가 설치된 주위의 온도 또는 냉각 공기의 온도를 감지하는 온도 감지부(520)와, 상기 냉각 공기의 유량을 감지하는 유량 감지부(530)를 포함한다.
상기 제어부(400)는 부하 감지부(510)와, 온도 감지부(520)와 유량 감지부(530)에서 감지된 각각의 감지 데이터를 입력 받아 현재 가스 터빈의 부하 상태와, 냉각 공기의 온도 상태 및 냉각 공기의 유량 상태를 판단한다.
따라서 제어부(400)는 블레이드(331)로 공급되는 냉각 공기의 유량과 온도를 최적의 조건으로 정밀하게 제어할 수 있어 제어 안전성 향상과 고가의 블레이드(331)를 보호할 수 있다.
상기 제어부(400)는 블레이드(331)로 공급되는 유량은 정상이나, 상대적으로 냉각 공기의 온도가 급격히 상승하여 블레이드(331)의 온도가 고온 상태일 경우 상기 블레이드(334)로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 증가시키기 위해 상기 제2 에어 포일(124)의 회전 각도가 제어부(400)에 의해 증가 될 수 있다.
이 경우 냉각 공기는 스월 각도가 변경 전에 비해 변화된 상태로 블레이드(331)를 향해 공급되면서 상기 냉각 공기의 온도가 하강된 상태로 공급된다.
상기 블레이드(331)는 고온의 온도 조건에 지속적으로 노출될 경우 열 변형으로 인한 크랙이 발생되거나, 열 응력 인한 변형이 발생될 수 있으나 본 실시 예와 같이 제2 에어 포일(124)의 회전 각도가 순간적으로 변화되면서 상기 블레이드(331)를 고온의 온도 조건에서 안정적으로 보호할 수 있다.
따라서 장기간 가스 터빈이 작동되면서 블레이드(331)가 고온의 온도 조건에 노출되는 경우에도 변형 및 파손으로 인한 문제점을 최소화 시킬 수 있다.
본 실시 에에 의한 제1 에어 포일(122)과 상기 제2 에어 포일(124)은 각각 독립적으로 회전되며 전술한 제1 구동부(200)와 제2 구동부(300)에 의해 안정적으로 작동될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 : 프리 스월러
120 : 에어포일 유닛
110 : 프리 스월러 본체부
112 : 프리 스월러 홀
122 : 제1 에어 포일
124 : 제2 에어 포일
122a, 124a : 리딩 엣지
122b, 124b : 트레일링 엣지
122c, 124c : 압력면
122d, 124d : 흡입면
200 : 제1 구동부
300 : 제2 구동부
400 : 제어부
500 : 감지부
510 : 부하 감지부
520 : 온도 감지부
530 : 유량 감지부

Claims (10)

  1. 가스 터빈에 구비된 프리 스월러로서,
    상기 프리 스월러는,
    냉각 공기가 공급되는 프리 스월러 홀이 반경 방향에서 방사 형태로 형성된 프리 스월러 본체부; 및
    상기 프리 스월러 홀에 밀착된 상태로 회전되는 에어포일 유닛을 포함하되,
    상기 에어포일 유닛은,
    상기 가스 터빈에 구비된 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 유량을 조절하기 위해 구비된 제1 에어 포일;
    상기 제1 에어 포일의 트레일링 엣지에 회전 가능하게 결합되고, 상기 프리 스월러 홀로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 조절하기 위해 구비된 제2 에어 포일을 포함하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에어 포일과 상기 제2 에어 포일은,
    압력면과 흡입면이 외측을 향해 라운드 지게 돌출된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 압력면과 흡입면은,
    상기 제1,2 에어 포일의 평균 캠버선(Mean Camber Line)을 기준으로 상하 대칭 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 에어포일 유닛은,
    상기 제1 에어 포일의 리딩 엣지에서 부터 상기 제2 에어 포일의 트레일링 엣지 까지의 코드 길이를 c라 할 때,
    상기 제1 에어 포일의 중심은 상기 코드 길이의 1/4 지점에 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에어 포일의 회전 중심점에 회전력을 제공하는 제1 구동부를 더 포함하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 에어 포일에 회전력을 제공하는 제2 구동부를 더 포함하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2 에어 포일의 회전 상태를 제어하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 가스 터빈의 부하 상태와, 냉각 공기의 유량 및 온도에 따라 상기 제1,2 에어 포일의 회전 각도를 서로 다르게 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 터빈의 부하가 급격히 변동될 경우 상기 제1 에어 포일의 회전 각도가 증가되도록 제어하고, 블레이드의 온도가 고온 상태일 경우 상기 블레이드로 공급되는 냉각 공기의 스월 각도를 증가시키기 위해 상기 제2 에어 포일의 회전 각도가 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에어 포일과 상기 제2 에어 포일은 각각 독립적으로 회전되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 프리 스월러 홀은,
    상기 에어포일 유닛의 크기와 대응되는 크기로 개구된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진용 프리 스월러.
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