KR101914879B1

KR101914879B1 - 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈

Info

Publication number: KR101914879B1
Application number: KR1020170119561A
Authority: KR
Inventors: 이익상
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2018-11-02
Also published as: US20190085703A1; US10871073B2

Abstract

본 발명은 터빈의 터빈 케이싱 내에 구비되는 터빈의 터빈 디스크에 설치되어 연소가스가 유동될 때의 압력으로 터빈을 회전시키는 터빈 블레이드에 있어서, 상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재; 상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼; 상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일; 및 상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하되, 상기 터빈 블레이드 에어포일은 연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와, 상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고, 상기 리딩 엣지는 연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과, 상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며, 상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈을 제공한다.
따라서, 터빈의 터빈 케이싱 내로 유동되는 연소가스의 유동각도가 일정하지 않고 변하기 때문에 터빈 케이싱 내로 유입되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 터빈 블레이드의 리딩 엣지를 회전시켜 유동가스와 터빈 블레이드가 접촉될 때 발생되는 압력손실을 저감시켜 가스터빈의 출력과 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈{Blade of turbine and turbine and gas turbine comprising the same}

본 발명은 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈 케이싱 내로 유동되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 터빈 블레이드의 전면인 리딩 엣지의 각도를 조절하여 터빈 케이싱 내에서 발생되는 압력손실을 저감시킬 수 있는 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다. 이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성되며, 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 정화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다. 터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상화 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈의 작동에 대해서 간력하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

이러한 가스터빈의 터빈과 관련된 기술로서, 대한민국 등록실용신안 제20-0174662호에서는 가스터빈에 관해 개시하고 있다.

이러한 가스터빈은 운전 중에 연소기에서 터빈의 케이싱 내부로 유동되는 연소가스의 유동각도가 일정하지 않고 변하기 때문에 유동각도가 변하는 연소가스와 일정한 각도를 가지는 터빈 블레이드가 접촉하면서 압력손실이 발생하여 출력과 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 터빈의 터빈 케이싱 내로 유동되는 연소가스의 유동각도가 일정하지 않고 변하기 때문에 유동각도가 변하는 연소가스와 일정한 각도를 가지는 터빈 블레이드가 접촉될 때 발생되는 압력손실을 저감시키기 위해 터빈 블레이드의 리딩 엣지의 각도를 조절할 수 있는 구조를 가지는 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 터빈의 터빈 케이싱 내에 구비되는 터빈의 터빈 디스크에 설치되어 연소가스가 유동될 때의 압력으로 터빈을 회전시키는 터빈 블레이드에 있어서, 상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재; 상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼; 상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일; 및 상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하되, 상기 터빈 블레이드 에어포일은 연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와, 상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고, 상기 리딩 엣지는 연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과, 상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며, 상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 터빈 블레이드를 제공한다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드에 있어서, 상기 격벽부는 상기 전면단과 상기 후면단의 연결부위에 구비될 수 있으며, 상기 트레일링 엣지의 일측 둘레면 내측로 삽입되는 제1격벽과, 상기 트레일링 엣지의 타측 둘레면 내측으로 삽입되는 제2격벽을 포함할 수 있고, 상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 상기 트레일링 엣지의 둘레면과 대응되는 형상을 가질 수 있다.

삭제

상기 플랫폼에는 상기 터빈 블레이드 에어포일이 삽입되는 삽입장홈이 형성될 수 있으며, 상기 트레일링 엣지는 상기 삽입장홈에 고정될 수 있다.

상기 회전수단은 상기 리딩 엣지에 장착되는 장착단과, 상기 장착단을 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 터빈 블레이드 에어포일은 상기 리딩 엣지에 구비되며 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도를 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 센서부에서 측정한 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 상기 서보모터의 구동하여 상기 리딩 엣지를 회전시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈에 있어서, 복수의 터빈 디스크와, 상기 복수의 터빈 디스크의 외측면에 각각 결합되는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 로터; 상기 터빈 로터를 내부에 수용하는 터빈 케이싱; 및 상기 복수의 터빈 블레이드 사이에 배치되도록 상기 터빈 케이싱의 내측에 설치되는 복수의 터빈 베인을 포함하되, 상기 터빈 블레이드는 상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재와, 상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼과, 상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일과, 상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하며, 상기 터빈 블레이드 에어포일은 연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와, 상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고, 상기 리딩 엣지는 연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과, 상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며, 상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 터빈을 제공한다.

본 발명에 따른 터빈에 있어서, 상기 격벽부는 상기 전면단과 상기 후면단의 연결부위에 구비될 수 있으며, 상기 트레일링 엣지의 일측 둘레면 내측로 삽입되는 제1격벽과, 상기 트레일링 엣지의 타측 둘레면 내측으로 삽입되는 제2격벽을 포함할 수 있고, 상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 상기 트레일링 엣지의 둘레면과 대응되는 형상을 가질 수 있다.

삭제

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 통해 연료를 연소시켜 연소가스를 생성하는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 것으로서, 복수의 터빈 디스크와, 상기 복수의 터빈 디스크의 외측면에 각각 결합되는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 복수의 터빈 로터와, 상기 터빈 로터를 수용하는 터빈 케이싱과, 상기 복수의 터빈 블레이드 사이에 배치되도록 상기 터빈 케이싱의 내측에 설치되는 복수의 터빈 베인을 포함하는 터빈을 포함하되, 상기 터빈 블레이드는 상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재와, 상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼과, 상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일과, 상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하며, 상기 터빈 블레이드 에어포일은 연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와, 상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고, 상기 리딩 엣지는 연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과, 상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며, 상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 가스터빈을 제공한다.

본 발명에 따른 가스터빈에 있어서, 상기 격벽부는 상기 전면단과 상기 후면단의 연결부위에 구비될 수 있으며, 상기 트레일링 엣지의 일측 둘레면 내측로 삽입되는 제1격벽과, 상기 트레일링 엣지의 타측 둘레면 내측으로 삽입되는 제2격벽을 포함할 수 있고, 상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 상기 트레일링 엣지의 둘레면과 대응되는 형상을 가질 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈은 터빈의 터빈 케이싱 내로 유동되는 연소가스의 유동각도가 일정하지 않고 변하기 때문에 터빈 케이싱 내로 유입되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 터빈 블레이드의 리딩 엣지를 회전시켜 유동가스와 터빈 블레이드가 접촉될 때 발생되는 압력손실을 저감시켜 가스터빈의 출력과 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터빈 블레이드가 적용되는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시하 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 터빈 블레이드 및 터빈 디스크를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 A-A선 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 리딩 엣지가 회전하는 상태를 확대하여 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 타이로드(100)와, 압축기(200)와, 토크튜브(300)와, 연소기(400)와, 터빈(1000)을 포함하며, 상기 타이로드(100)는 상기 가스터빈(10)의 중심부를 가로지르도록 설치되는 봉 부재이고, 상기 타이로드(100)는 압축기(200)와 터빈(1000)을 체결시키는 역할을 한다.

상기 가스터빈(10)은 하우징(10a)을 구비하고 있고, 상기 하우징(10a)의 후측에는 상기 터빈(1000)을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(10b)가 구비되어 있으며, 상기 디퓨저(10b)의 앞쪽에는 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(400)가 배치된다.

공기의 흐름을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(10a)의 상류측에 압축기(200)가 위치하고, 하류 측에는 터빈(1000)이 배치된다. 상기 압축기(200)와 상기 터빈(1000)의 사이에는 상기 터빈(1000)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(200)로 전달하는 토크전달부재로서의 토크튜브(300)가 배치되는 것이 바람직하다.

상기 압축기(200)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 디스크(220)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크(220)들은 타이로드(100)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

상기 각각의 압축기 디스크(220)는 대략 중앙을 상기 타이로드(100)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있으며, 이웃한 각각의 압축기 디스크(220)는 대향하는 면이 상기 타이로드(100)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 디스크(220)의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드(240)가 방사상으로 결합되어 있으며, 상기 각각의 압축기 블레이드(240)는 압축기 블레이드 루트부재(260)를 구비하여 상기 압축기 디스크(220)에 체결된다.

상기 각각의 압축기 디스크(220)의 사이에는 상기 하우징(10a)에 고정되어 배치되는 압축기 베인(280)이 위치한다. 상기 압축기 베인(280)은 상기 압축기 디스크(220)와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 상기 압축기 디스크(220)의 압축기 블레이드(240)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 압축기 디스크(220)의 압축기 블레이드(240)로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

상기 압축기 블레이드 루트부재(260)의 체결방식은 탄젠셜 타입(Tangential type)과 액셜 타입(Axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드를 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.

상기 타이로드(100)는 상기 복수 개의 압축기 디스크(220)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 디스크(220) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(300) 내에서 고정된다.

상기 연소기(400)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

상기 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

상기 연소기(400)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(1000)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브(300)를 거쳐 압축기(200)로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(1000)은 기본적으로 상기 압축기(200)의 구조와 유사하며, 상기 터빈(1000)은 복수의 터빈 디스크(1120)와, 복수의 터빈 블레이드(1140)로 구성되는 복수개의 터빈 로터(1100)를 포함한다.

상기 복수의 터빈 디스크(1120) 외측면에 복수의 터빈 블레이드(1140)가 결합되며, 상기 복수의 터빈 디스크(1120)는 방사상으로 상기 타이로드(100)의 외주면에 구비되어 상기 연소기(400)로부터 공급되는 연소가스에 의해 회전하게 된다. 상기 복수의 터빈 디스크(1120) 외측면에 복수의 터빈 블레이드(1140)가 결합되며, 상기 복수의 터빈 디스크(1120)는 방사상으로 상기 타이로드(100)의 외주면에 구비되어 상기 연소기(400)로부터 공급되는 연소가스에 의해 회전하게 된다.

상기 터빈 블레이드(1140)는 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 디스크(1120)에 결합되며, 다단으로 상기 타이로드(100)의 외주면에 구비되는 상기 터빈 블레이드(1140)의 사이에는 터빈 케이싱(1200)에 고정되는 복수의 터빈 베인(1300)이 구비되고, 상기 복수의 터빈 베인(1300)은 상기 터빈 블레이드(1140)를 통과한 연소가스의 흐름을 가이드하는 역할을 한다.

상기 복수의 터빈 베인(1300)은 상기 터빈 케이싱(1200)의 원주방향을 따라서 다열로 형성되며, 상기 복수의 터빈 베인(1300)은 상기 타이로드(100)의 축방향을 따라 상기 터빈 블레이드(1140)와 순차적으로 엇갈리게 형성되는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 터빈 케이싱(1200)의 내측에 다열로 설치되는 상기 터빈 블레이드(1140)는 터빈 블레이드 루트부재(1141)와, 플랫폼(1142)과, 터빈 블레이드 에어포일(1143)과, 회전수단(1144)을 포함한다.

상기 터빈 블레이드 루트부재(1141)는 상기 터빈 디스크(1120)에 결합하며, 상기 터빈 블레이드 루트부재(1141)의 상부에는 플랫폼(1142)이 결합된다. 상기 플랫폼(1142)은 이웃한 터빈 블레이드(1140)의 플랫폼(1142)과 그 측면이 서로 접하여 상기 터빈 블레이드들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다.

상기 터빈 블레이드 루트부재(1141)는 상술한 터빈 디스크(1120)의 터빈 디스크 슬롯(1120a)에 상기 터빈 디스크(1120)의 축방향을 따라 삽입되는 액셜 타입(Axial-type)의 형태를 갖는 것이 바람직하다.

상기 터빈 블레이드 루트부재(1141)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 상기 터빈 디스크 슬롯(1120a)에 형성된 골곡부의 형태와 상응하도록 형성된다. 여기서, 상기 터빈 블레이드 루트부재(1141)의 결합구조는 반드시 전나무 형태를 가질 필요는 없고, 도브테일 형태를 갖도록 변형될 수 있다.

상기 플랫폼(1142)의 상부면에는 터빈 블레이드 에어포일(1143)이 구비되며, 상기 터빈 블레이드 에어포일(1143)은 가스터빈(10)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 상기 터빈 블레이드 에어포일(1143)은 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지(1143a)와, 상기 리딩 엣지(1143a)와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지(1143b)로 분할된다.

여기서, 상기 압축기(200)의 압축기 블레이드(240)와는 달리, 터빈 섹션(1100)의 터빈 블레이드(1140)는 고온고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 상기 연소 가스의 온도는 1700℃ 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각 수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 상기 압축기 섹션(1100)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(1000)측 터빈 블레이드(1140)로 공급하는 냉각 유로를 갖는 것이 바람직하다.

도 2에서, 상기 터빈 블레이드(1140)의 터빈 블레이드 에어포일(1143)의 표면에는 다수의 필름 쿨링홀(1143e)이 형성되는데, 상기 필름 쿨링홀(1143e)들은 상기 터빈 블레이드 에어포일(1143)의 내부에 형성되는 쿨링 유로(미도시)와 연통되어 냉각 공기를 상기 터빈 블레이드 에어포일(1143)의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 터빈 블레이드 에어포일(1143)은 리딩 엣지(1143a)와, 트레일링 엣지(1143b)와, 격벽부(1143c)를 포함한다. 상기 리딩 엣지(1143a)는 연소가스의 흐름방향을 기준으로 상류측인 상기 터빈 블레이드 에어포일(1143)의 전단에 배치되며, 상기 트레일링 엣지(1143b)는 상기 리딩 엣지(1143a)와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가진다. 상기 리딩 엣지(1143a)는 상기 터빈 케이싱(1200)의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응하여 후술되는 회전수단(1144)에 의해 회전하고, 상기 트레일링 엣지(1143b)는 회전하지 않고 상기 플랫폼(1142)에 형성된 삽입장홈(1142a) 내에 고정된다.

상기 리딩 엣지(1143a)에는 센서부(1143d)가 구비되며, 상기 센서부(1143d)는 상기 리딩 엣지(1143a)로 유동되는 연소가스의 유동각도를 측정하는 역할을 하고, 상기 센서부(1143d)에서 측정한 연소가스의 유동각도에 대응하여 후술되는 회전수단(1144)이 상기 리딩 엣지(1143a)를 회전시키게 된다. 상기 센서부(1143d)는 유량센서 등을 이용하여 연가가스의 유동방향을 측정하는 것이 바람직하다.

상기 리딩 엣지(1143a)의 둘레면에는 격벽부(1143c)가 구비되며, 상기 격벽부(1143c)는 상기 리딩 엣지(1143a)가 회전 시 상기 리딩 엣지(1143a)의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지(1143b)의 일단을 밀폐시키는 역할을 한다.

상기 리딩 엣지(1143a)는 전면단(1143a')과 후면단(1143a")를 포함하며, 상기 전면단(1143a')은 연소가스가 유동되는 흐름방향의 상류측인 전면에 위치하고, 상기 후면단(1143a")은 상기 트레일링 엣지(1143b)의 개방된 일단에 밀착된다. 상기 전면단(1143a')과 상기 후면단(1143a")은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상이며, 상기 후면단(1143a")은 상기 전면단(1143a')의 반경보다 큰 반경을 가지는 것이 바람직하다. 상기 전면단(1143a')과 상기 후면단(1143a")이 반원형상을 가짐으로써 연소가스의 유동을 원활하게 하면서 상기 트레일링 엣지(1143b)와 밀착된 상태에서 원활하게 회전하게 된다.

상기 격벽부(1143c)는 제1격벽(1143c')과 제2격벽(1143c")를 포함하며, 상기 격벽부(1143c)는 상기 전면단(1143a')과 상기 후면단(1143a")의 연결부위에 구비된다. 상기 제1격벽(1143c')은 상기 트레일링 엣지(1143b)의 일측 둘레면 내측으로 삽입되고, 상기 제2격벽(1143c")은 상기 트레일링 엣지(1143b)의 타측 둘레면 내측으로 삽입된다. 상기 리딩 엣지(1143a)가 회전 시 회전방향과 반대되는 상기 리딩 엣지(1143a)의 둘레면은 개방된 상기 트레일링 엣지(1143b)의 일단과 이격되면서 개방된 공간이 발생되며, 상기 제1격벽(1143c') 또는 제2격벽(1143c")이 이격된 공간을 밀폐시켜 연소가스가 상기 터빈 블레이드(1140)의 내부로 유동되는 것을 방지하게 된다. 상기 제1격벽(1143c')과 제2격벽(1143c")은 상기 트레일링 엣지(1143b)의 둘레면과 대응되는 형상을 가지는 것이 바람직하다.

상기 리딩 엣지(1143a)는 회전수단(1144)에 의해 회전하며, 상기 회전수단(1144)은 상기 플랫폼(1142)의 내부에 구비되는 것이 바람직하다. 상기 회전수단(1144)은 장착단(1144a)과, 서보모터(1144b)와, 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 장착단(1144a)은 상기 리딩 엣지(1143a)에 장착되며, 상기 리딩 엣지(1143a)에는 상기 장착단(1144a)이 장착되는 장착홀(미도시)이 형성되며, 상기 장착홀(미도시)은 상기 리딩 엣지(1143a)의 중앙부에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 장착단(1144a)은 서보모터(1144b)와 연결되고, 상기 서보모터(1144b)는 상기 장착단(1144a)을 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 역할을 하며, 상기 서보모터(1144b)가 구동함으로써 상기 리딩 엣지(1143a)가 연소가스의 유동방향에 대응되도록 회전하게 되고, 상기 서보모터(1144b)의 회전은 제어부(미도시)에 의해 제어된다.

상기 터빈 블레이드(1140)의 리딩 엣지(1143a)에만 적용되는 것에 한정되는 것은 아니며, 터빈 케이싱 내로 유동되는 연소가스와 접촉되는 디퓨저 스트럿에도 적용되어 디퓨저 스트럿의 리딩 엣지 역시 상기 터빈 블레이드(1140)를 구성하는 터빈 블레이드 에어포일(1143)의 리딩 엣지(1143a)와 동일한 작동 원리에 의해 회전되는 것이 바람직하다.

상기 터빈 디스크(1120)는 상기 터빈 블레이드(1140)가 연소가스에 의해 회전함에 따라 함께 회전하는 회전체이고, 상기 터빈 베인(1300)은 상기 터빈 케이싱(1200)에 고정된 것으로 상기 터빈 블레이드(1140)의 회전과는 무관하게 고정되는 고정체이며, 연소가스가 상기 터빈 블레이드(1140)를 통과하면서 상기 터빈 블레이드(1140)를 밀게 된다. 연소가스가 상기 터빈 블레이드(1140)를 밀게 되면 상기 터빈 블레이드(1140)와 상기 터빈 디스크(1120)는 상기 타이로드(100)를 중심축으로 하여 회전하며, 상기 터빈 블레이드(1140)를 통과한 연소가는 상기 터빈 베인(1300)에 의해 흐름방향이 가이드되면서 디퓨저(10b)를 통해 외부로 배출되게 된다.

상기 터빈(1000)의 터빈 케이싱(1200) 내로 유동되는 연소가스의 유동각도가 일정하지 않고 변하기 때문에 터빈 케이싱(1200) 내로 유입되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 터빈 블레이드(1140)의 리딩 엣지(1143a)를 회전시켜 유동가스와 터빈 블레이드(1140)가 접촉될 때 발생되는 압력손실을 저감시켜 가스터빈(10)의 출력과 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 가스터빈 100 : 타이로드
200 : 압축기 220 : 압축기 디스크
240 : 압축기 블레이드 260 : 압축기 블레이드 루트부재
180 : 압축기 베인 300 : 토크튜브
400 : 연소기 1000 : 터빈
1100 : 터빈 로터 1120 : 터빈 디스크
1140 : 터빈 블레이드 1141 : 터빈 블레이드 루트부재
1142 : 플랫폼 1143 : 터빈 블레이드 에어포일
1144 : 회전수단 1200 : 터빈 케이싱
1300 : 터빈 베인

Claims

터빈의 터빈 케이싱 내에 구비되는 터빈의 터빈 디스크에 설치되어 연소가스가 유동될 때의 압력으로 터빈을 회전시키는 터빈 블레이드에 있어서,
상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재;
상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼;
상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일; 및
상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하되,
상기 터빈 블레이드 에어포일은,
연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와,
상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와,
상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고,
상기 리딩 엣지는,
연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과,
상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며,
상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 터빈 블레이드.
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청구항 1에 있어서,
상기 격벽부는 상기 전면단과 상기 후면단의 연결부위에 구비되며,
상기 트레일링 엣지의 일측 둘레면 내측로 삽입되는 제1격벽과,
상기 트레일링 엣지의 타측 둘레면 내측으로 삽입되는 제2격벽을 포함하는 터빈 블레이드.
청구항 4에 있어서,
상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 상기 트레일링 엣지의 둘레면과 대응되는 형상을 가지는 터빈 블레이드.
청구항 5에 있어서,
상기 플랫폼에는 상기 터빈 블레이드 에어포일이 삽입되는 삽입장홈이 형성되며, 상기 트레일링 엣지는 상기 삽입장홈에 고정되는 터빈 블레이드.
청구항 1에 있어서,
상기 회전수단은,
상기 리딩 엣지에 장착되는 장착단과,
상기 장착단을 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 서보모터와,
상기 서보모터의 회전을 제어하는 제어부를 포함하는 터빈 블레이드.
청구항 7에 있어서,
상기 터빈 블레이드 에어포일은,
상기 리딩 엣지에 구비되며 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도를 측정하는 센서부를 더 포함하는 터빈 블레이드.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는 상기 센서부에서 측정한 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 상기 서보모터의 구동하여 상기 리딩 엣지를 회전시키는 터빈 블레이드.
연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈에 있어서,
복수의 터빈 디스크와, 상기 복수의 터빈 디스크의 외측면에 각각 결합되는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 로터;
상기 터빈 로터를 내부에 수용하는 터빈 케이싱; 및
상기 복수의 터빈 블레이드 사이에 배치되도록 상기 터빈 케이싱의 내측에 설치되는 복수의 터빈 베인을 포함하되,
상기 터빈 블레이드는,
상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재와,
상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼과,
상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일과,
상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하며,
상기 터빈 블레이드 에어포일은,
연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와,
상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와,
상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고,
상기 리딩 엣지는,
연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과,
상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며,
상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 터빈.
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청구항 10에 있어서,
상기 격벽부는 상기 전면단과 상기 후면단의 연결부위에 구비되며,
상기 트레일링 엣지의 일측 둘레면 내측로 삽입되는 제1격벽과,
상기 트레일링 엣지의 타측 둘레면 내측으로 삽입되는 제2격벽을 포함하는 터빈.
청구항 13에 있어서,
상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 상기 트레일링 엣지의 둘레면과 대응되는 형상을 가지는 터빈.
청구항 14에 있어서,
상기 플랫폼에는 상기 터빈 블레이드 에어포일이 삽입되는 삽입장홈이 형성되며, 상기 트레일링 엣지는 상기 삽입장홈에 고정되는 터빈.
청구항 10에 있어서,
상기 회전수단은,
상기 리딩 엣지에 장착되는 장착단과,
상기 장착단을 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 서보모터와,
상기 서보모터의 회전을 제어하는 제어부를 포함하는 터빈.
청구항 16에 있어서,
상기 터빈 블레이드 에어포일은,
상기 리딩 엣지에 구비되며 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도를 측정하는 센서부를 더 포함하는 터빈.
청구항 17에 있어서,
상기 제어부는 상기 센서부에서 측정한 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 상기 서보모터의 구동하여 상기 리딩 엣지를 회전시키는 터빈.
공기를 흡입하여 압축시키는 압축기;
상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 통해 연료를 연소시켜 연소가스를 생성하는 연소기; 및
상기 연소기로부터 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 것으로서, 복수의 터빈 디스크와, 상기 복수의 터빈 디스크의 외측면에 각각 결합되는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 복수의 터빈 로터와,
상기 터빈 로터를 수용하는 터빈 케이싱과,
상기 복수의 터빈 블레이드 사이에 배치되도록 상기 터빈 케이싱의 내측에 설치되는 복수의 터빈 베인을 포함하는 터빈을 포함하되,
상기 터빈 블레이드는,
상기 터빈 디스크에 결합하는 터빈 블레이드 루트부재와,
상기 터빈 블레이드 루트부재의 상부에 결합하는 플랫폼과,
상기 플랫폼의 상부에 구비되며 연소가스가 유동되는 전단에 위치하는 리딩 엣지와, 상기 리딩 엣지와 일단이 밀착되는 트레일링 엣지로 분할되는 터빈 블레이드 에어포일과,
상기 리딩 엣지와 연결되며 전면이 연소가스의 유동방향으로 대응되도록 상기 리딩 엣지를 회전시키는 회전수단을 포함하며,
상기 터빈 블레이드 에어포일은,
연소가스가 유동되는 전단에 배치되며 전면이 상기 터빈 케이싱의 내부로 유동되는 연소가스의 유동방향에 대응되게 회전하는 리딩 엣지와,
상기 리딩 엣지와 밀착되는 일단은 개방되고 타단은 순차적으로 밀폐되는 유선형상을 가지는 트레일링 엣지와,
상기 리딩 엣지의 둘레면에 구비되며, 상기 리딩 엣지가 회전 시 상기 리딩 엣지의 둘레면과 개방된 상기 트레일링 엣지의 일단을 밀폐시키는 격벽부를 포함하고,
상기 리딩 엣지는,
연소가스가 유동되는 전면에 위치하는 전면단과,
상기 트레일링 엣지의 개방된 일단에 밀착되는 후면단을 포함하며,
상기 전면단과 상기 후면단은 서로 다른 반경을 가지는 반원형상으로 상기 후면단은 상기 전면단의 반경보다 큰 반경을 가지는 가스터빈.
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청구항 19에 있어서,
상기 격벽부는 상기 전면단과 상기 후면단의 연결부위에 구비되며,
상기 트레일링 엣지의 일측 둘레면 내측로 삽입되는 제1격벽과,
상기 트레일링 엣지의 타측 둘레면 내측으로 삽입되는 제2격벽을 포함하는 가스터빈.
청구항 22에 있어서,
상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 상기 트레일링 엣지의 둘레면과 대응되는 형상을 가지는 가스터빈.
청구항 23에 있어서,
상기 플랫폼에는 상기 터빈 블레이드 에어포일이 삽입되는 삽입장홈이 형성되며, 상기 트레일링 엣지는 상기 삽입장홈에 고정되는 가스터빈.
청구항 19에 있어서,
상기 회전수단은,
상기 리딩 엣지에 장착되는 장착단과,
상기 장착단을 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 서보모터와,
상기 서보모터의 회전을 제어하는 제어부를 포함하는 가스터빈.
청구항 25에 있어서,
상기 터빈 블레이드 에어포일은,
상기 리딩 엣지에 구비되며 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도를 측정하는 센서부를 더 포함하는 가스터빈.
청구항 26에 있어서,
상기 제어부는 상기 센서부에서 측정한 상기 리딩 엣지의 전면으로 유동되는 연소가스의 유동각도에 대응하여 상기 서보모터의 구동하여 상기 리딩 엣지를 회전시키는 가스터빈.