KR101937770B1 - 압축기 터빈 일체형 터보 기계, 압축기 터빈 일체형 터보 기계 제작방법 - Google Patents

압축기 터빈 일체형 터보 기계, 압축기 터빈 일체형 터보 기계 제작방법 Download PDF

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허재성
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Abstract

본 발명은 장치의 구성과 제조공정을 단순화 가능할 뿐만 아니라, 터보 기계의 중량을 절감시킴과 동시에 열 내구성 또한 극대화 할 수 있는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계와, 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

압축기 터빈 일체형 터보 기계, 압축기 터빈 일체형 터보 기계 제작방법 {Integral turbomachinery of compressor and turbine, and its manufacturing method}
본 발명은, 이종 이상의 금속이 사용되는 터보 기계를 보다 효율적으로 제작할 수 있는 제작 방법과, 터빈의 내구성을 향상시킬 수 있는 유로가 형성된 압축기 터빈 일체형 터보기계에 관한 것이다.
일반적으로, 터보 기계는 공기가 압축기를 통과 하면서 압축되는 압축단계와, 압축된 공기가 연소실에서 연료와 반응하여 가스가 연소되는 연소단계와, 연소 가스가 터빈을 통하여 배출되며 터빈을 회전시킴과 동시에 외부로 방출되며 추력을 발생시키는 방출단계를 포함하여 이루어진다.
이러한 터보 기계는 원심 압축기(10)와 구심 터빈(20)이 서로 다른 재질로 형성되어야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 원심 압축기(10)와 구심 터빈(20)이 각각 제작되어 구동축인 샤프트(30)에 의해 연결되고, 구심터빈(20)에서 고온의 기체가 누설되어 압축기 내부구성에 부정적인 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여, 서로 마주보는 원심 압축기(10)의 후단과 구심터빈(20) 사이에 실 구조물(40)을 설치된다.
그러나, 이러한 터보 기계의 제작 방식은 터보 기계를 구성하는 각각의 구성품이 개별적으로 제작된 후 조립되어야 하기 때문에 제조공정이 복잡하고, 원심 압축기(10)와 구심터빈(20)을 결합하기 위한 구조가 별도로 필요하기 때문에 결합 구조에 의해 중량이 증대되는 문제가 있을 뿐만 아니라, 고온의 연소 가스가 터빈을 통하여 방출되는 과정에서 터빈이 가열되어 터빈의 수명을 제한되는 것을 방지하기 위하여 터빈의 입구측 온도가 제한되는 문제점 또한 있다.
따라서, 위와 같은 종래의 터보 기계의 문제점을 해결할 수 있는 터보 기계의 필요성이 대두되고 있다.
특허문헌 1) 국내공개특허공보 제1998-0057328호(명칭: 가스 터빈 엔진의 작동 방법, 공개일: 1999.07.26)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 터보 기계의 제작 공정을 단순화 시켜 생산 비용을 절감하고, 터보 기계의 중량을 낮춰 장치의 범용성을 향상시키고, 고온에서 운용되는 터빈의 내구성을 향상시키는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계는, 샤프트(1)에 결합되는 압축기 터빈 일체형 터보 기계에 있어서, 일측에 위치되며 유입되는 기체를 압축시키는 압축기(100); 상기 압축기(100)의 타측에 이격 배치되며 연소된 공기가 방출되는 터빈(200); 서로 이격된 상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)을 서로 연결하는 보강재(300); 를 포함하며, 상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)과 상기 보강재(300)가 3D 프린팅을 통하여 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보강재(300)는 압축기와 터빈이 원심력과 열 응력에 의해 변형되는 것을 방지하기 위하여, 길이방향 일측이 상기 압축기(100)에 연결되고 길이방향 타측이 상기 터빈(200)에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보강재(300)는 서로 교차되거나 이격 배치되는 보강재 단위체(310)가 모여 이루어진 모듈일 수 있다.
그리고, 상기 보강재(300)는 압축기와 터빈을 연결하되 내부가 허니콤 구조 또는 격자 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 압축기(100)는 상기 샤프트(1)에 결합되는 압축기 디스크(110)와, 상기 압축기 디스크(110)상에 결합되어 유입되는 기체를 연소기로 안내하는 압축기 블레이드(120)를 포함하고, 상기 터빈(200)은 상기 샤프트(2)에 결합되는 터빈 디스크(210)와, 상기 터빈 디스크(210) 상에 형성되며 연소기에서 배출되는 공기를 가이드 하는 터빈 블레이드(220)를 포함한다.
또한, 상기 압축기(100)에서 압축된 기체를 유입받는 연소기 유입덕트(410)와, 연소된 기체를 터빈(200)으로 배출하는 연소기 배출덕트(420)는 상기 압축기(100) 및 터빈(200)과 일정거리 이격 형성되고, 압축기(100) 및 터빈(200)과 마주보는 상기 연소기 유입덕트(410)와 상기 연소기 배출덕트(420)의 단부는 가이드 부재(430)로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터빈 디스크(210)의 허브면 가장자리에 쿨링 홀(211)이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축기 디스크(110)와 상기 터빈 디스크(210) 사이에 상기 연소기 유입덕트(410)와 상기 압축기(100) 사이에 형성된 홈으로 유입된 공기를 상기 쿨링 홀(211)로 안내하는 가이드 유로(510)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 다이렉트 에너지 디포지션(Direct Energy Deposition) 방법 혹은 이에 상응하는 방식으로 제작되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명인, 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 압축기와 터빈 및 보강재가 일체로 형성되어 각각의 구성요소를 결합하기 위한 추가적 구성요소를 필요로 하지 않으므로, 장치의 단순화가 가능한 장점이 있다.
또한, 3D 프린팅 방식을 이용하여 제작 가능하므로 제작 공정을 단순화 시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고, 보강재가 압축기와 터빈을 연결하므로 압축기와 터빈 사이에 빈 공간이 형성되어 압축기와 터빈 사이의 열 전달이 최소화 될 뿐만 아니라, 터보 기계의 중량이 최소화 되는 장점이 있다.
즉, 압축기와 터빈을 연결하는 보강재가 압축기와 터빈을 서로 연결하여 일체화 하는 역할을 함과 동시에, 열 통로를 최소화하는 열할 또한 동시에 수행할 뿐만 아니라, 중량을 최소화 할 수 있는 구조체의 역할 또한 수행 가능한 것이다.
또한, 보강재는 내부가 격자구조 또는 허니콤 구조로 이루어질 수 있어 내구성을 증가시킴과 동시에 경량화 가능한 장점이 있다.
아울러, 압축기의 공기가 터빈의 입구 측으로 일부 유입 가능하므로 터빈의 온도를 낮출수 있어, 터빈의 내구성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 압축기 터빈 일체형 터보 기계를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계를 나타낸 단면도
도 3은 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계의 보강재가 격자 구조로 이루어진 것을 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계의 압축기와 터빈의 형상을 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계의 터빈에 냉각홀이 형성된 것을 나타낸 부분 단면도.
도 6은 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계의 터빈에 냉각홀이 형성된 것을 나타낸 개념도.
도 7은 본 발명이 압축기 터빈 일체형 터보 기계에 가이드 유로가 형성된 것을 나타낸 단면도.
이하, 상기와 같은 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계에 관하여 설명하도록 한다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 샤프트(1)에 결합되는 압축기 터빈 일체형 터보 기계에 있어서, 일측에 위치되며 유입되는 기체를 압축시키는 압축기(100)와, 상기 압축기(100)의 타측에 이격 배치되며 공기가 방출되는 터빈(200)과, 서로 이격되는 상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)을 서로 연결하는 보강재(300)를 포함하며, 압축기(100)와 터빈(200)과 보강재(300)가 3D 프린팅을 통하여 일체로 형성된다.
상세히 설명하면 압축기는(100)는 일반적으로 알루미늄, 티타늄 재질로 이루어지고, 터빈(200)은 니켈을 베이스로 하는 초내열합금으로 이루어져야 하므로, 압축기(100)와 터빈(200)이 개별 제작된 후 조립되는 과정을 거쳐야 하기 때문에 제조 공정이 복잡해지는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 압축기(100)와 터빈(200)을 이종 금속으로 이루어진 제품을 3D 프린팅 하는 방법 중 하나인 다이렉트 에너지 디포지션 방법 혹은 그에 상응하는 방법을 이용하여 제작함으로서, 압축기(100)와 터빈(200)과 보강재(300)를 일체로 제작 가능하게 한 것이다.
결국, 본 발명은 위와 같은 제작 방식을 통하여 터보 기계를 제작 함으로서 공정이 단순화되어 제작 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 구성요소를 결합하기 위한 별도의 결합부품이 사용되지 않으므로 중량 또한 절감되는 장점이 있다.
또한, 상기 보강재(300)는 길이방향 일측이 상기 압축기(100)에 연결되고 길이방향 타측이 상기 터빈(200)에 연결되, 서로 교차되거나 상하 이격 배치된 보강재 단위체(310)가 모여 이루어질 수 있다.
상세히 설명하면, 압축기(100)와 터빈(200)을 서로 이격 배치하고, 이격 배치된 압축기(100)와 터빈(200)을 보강재 단위체(310)로 연결하여 서로 압축기(100)와 터빈(200)의 연결 면적을 최소화함으로서, 터빈(200)에서 압축기(100)로 열이 전달되는 것을 최소화 한 것이다.
이때, 상기 보강재(300)는 보강재 단위체(310)가 서로 교차되거나 이격 배치되는 구조로 이루어져 각각의 보강재 단위체(310) 사이에 형성된 빈 공간에 위치된 공기가 단열 역할을 하여 가열된 터빈(200)의 열이 압축기(100)로 전달되는 것을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라, 압축기(100)와 터빈(200)이 연결된 종래의 구조와 비교하여 터보 기계의 중량 또한 저감시킬 수 있으며, 상기 보강재(300)는 이 외에도 도 3에 도시된 바와 같이 내부가 격자구조로 이루어지거나 허니콤 구조로 이루진 하나의 구조체일 수 있으며, 이러한 구조체의 구조적 특성을 이용하여 보강재(300)의 내구성을 보다 향상시킴과 동시에 경량화 할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면 상기 압축기(100)는 상기 샤프트(1)에 결합되는 압축기 디스크(110)와, 상기 압축기 디스크(110) 상에 결합되어 유입되는 기체를 연소기로 안내하는 압축기 블레이드(120)를 포함하고, 상기 터빈(200)은 상기 샤프트(1)에 결합되는 터빈 디스크(210)와, 상기 터빈 디스크(210)상에 형성되며 연소기에서 배출되는 공기를 가이드 하는 터빈 블레이드(220)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 압축기(100)에서 압축된 기체를 유입받는 연소기 유입덕트(410)와, 연소된 기체를 터빈(200)으로 배출하는 연소기 배출덕트(420)가 압축기(100) 및 터빈(200)과 일정거리 이격 형성되고, 압축기(100) 및 터빈(200)과 마주보는 상기 연소기 유입덕트(410)와 상기 연소기 배출덕트(420)의 단부가 가이드 부재(430)로 연결될 수 있다.
상세히 설명하면, 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 연소기 유입덕트(410)를 통하여 터빈(200)으로 유입되는 연소 가스에 의해 터빈(200)이 일정 이상의 온도로 가열될 시 발생할 수 있는 터빈(200)의 열 변형과 내구성 저하를 방지하고자, 연소기 유입덕트(410) 및 연소기 배출덕트(420)와, 이와 마주보는 압축기(100) 및 터빈(200)의 가장자리 부분을 이격시켜, 압축기(100)를 통과하며 압축된 냉각 공기가 배출덕트(420)와 마주보는 터빈(200)의 가장자리 측으로 유입되게 한 것이다.
따라서, 압축기(100)에서 방출된 저온의 압축 공기가 터빈(200)으로 유입되어 터빈(200)의 입구부와 그 하류 부분을 직접 냉각하므로, 터빈(200)의 표면이 고온의 연소가스로부터 보호되어 터빈(200)의 수명이 증가되는 것이다.
이때, 상기 연소기 유입덕트(410)와 상기 연소기 배출덕트(420)는 상기 압축기 블레이드(120)와 상기 터빈 블레이드(220)의 가장자리를 감싸는 구조로 형성되되 서로 이격 배치되므로, 상기 가이드 부재(430)가 서로 이격된 연소기 유입덕트(410)와 연소기 배출덕트(420) 사이에 형성된 공간으로 압축기(100)에서 터빈(200)으로 이동하는 공기가 빠져나가는 것을 방지함은 물론이다.
또한, 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 도 6에 도시된 바와 같이 터빈 디스크(210)의 가장자리에 쿨링 홀(211)이 형성되어, 도 5에 도시된 바와 같이 압축기(100)와 연소기 유입덕트(410) 사이에 형성된 틈으로 방출된 압축 냉각공기가, 연소기 배출덕트(420)와 터빈(200) 사이에 형성된 틈을 통하여 터빈(200)으로 이동하는 것을 보조할 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 압축기(100)와 상기 연소기 유입덕트(410) 사이에 형성된 압축공기 배출 틈과 상기 터빈(200)과 상기 배출덕트(420) 사이에 형성된 압축공기 유입 틈은 압축기(100)와 터빈(200)이 샤프트(1)를 중심으로 회전 시 유입덕트(410) 및 배출덕트(420)와 서로 간섭이 발생하지 않게 하기 위한 목적으로 형성되는 매우 작은 틈으로, 가이드 부재(430)를 따라 이동하는 압축 공기가 터빈(200)으로 원활히 유입되지 않을 수 있으므로, 터빈 디스크의 가장자리에 냉각 공기를 직접 공급할 수 있는 쿨링 홀(211)을 형성하여, 압축된 냉각 공기가 터빈(200)으로 보다 원활히 유입 가능하게 한 것이다.
또한, 본 발명인 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 보강재(300)가 복수개의 보강재 단위체(310)로 이루어질 경우, 상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)의 가장자리면이 링 형상의 가장자리 보강재 단위체(311)로 연결되고, 상기 가장자리 보강재 단위체(311)에 일측이 상기 쿨링 홀(211)과 연통되고 타측이 상기 가이드 부재(430)와 마주보게 형성되는 가이드 유로(510)가 형성되어 가이드 부재(430)를 따라 이동하는 압축 공기가 터빈(200)으로 보다 원활하게 유입되게 할 수 있으며, 상기 보강재(300)가 내부에 격자구조 또는 허니콤 구조가 형성되는 구조체일 경우 상기 가이드 유로(510)가 구조체를 관통하는 호스 라인에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1: 샤프트
100 : 압축기
110 : 압축기 디스크 120 : 압축기 블레이드
200 : 터빈
210 : 터빈 디스크 211 : 쿨링 홀
220 : 터빈 블레이드
300 : 보강재
310 : 보강재 단위체
410 : 연소기 유입덕트 420 : 연소기 배출덕트
430 : 가이드 부재
510 : 가이드 유로

Claims (8)

  1. 샤프트(1)에 결합되는 압축기 터빈 일체형 터보 기계에 있어서,
    일측에 위치되며 상기 샤프트(1)에 결합되는 압축기 디스크(110)와, 상기 압축기 디스크(110)상에 결합되어 유입되는 기체를 연소기(미도시)로 안내하는 압축기 블레이드(120)를 포함하여 유입되는 공기를 압축시키는 압축기(100);
    상기 압축기(100)와 서로 다른 재질로 형성되며, 상기 압축기(100)의 타측에 일정거리 이격되어 배치되며 상기 샤프트(2)에 결합되는 터빈 디스크(210)와, 상기 터빈 디스크(210) 상에 형성되며 연소기에서 배출되는 공기를 가이드 하는 터빈 블레이드(220)를 포함하여 연소된 가스가 방출되는 터빈(200);
    상기 압축기 블레이드(120)를 감싸는 형태로, 상기 압축기(100)에서 압축된 기체를 상기 연소기로 이송하는 연소기 유입덕트(410);
    상기 터빈 블레이드(220)를 감싸는 형태로, 상기 유입덕트(410)와 일정거리 이격되게 배치되어 상기 연소기에서 연소된 기체를 터빈(200)으로 이송하는 연소기 배출덕트(420);
    서로 이격된 상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)을 일체로 서로 연결하되 공기가 존재하는 빈 공간이 형성되는 보강재(300); 및
    상기 압축기(100) 및 터빈(200) 사이의 보강재(300) 형성 영역의 공기가 외부로 배출되는 것을 방지하되, 상기 압축기(100)에서 상기 유입덕트(410)로 방출되는 저온의 압축 공기 일부가 상기 터빈(200)으로 유입되도록 상기 유입덕트(410)와 배출덕트(420) 사이를 차단하는 가이드 부재(430)를 포함하며,
    상기 압축기(100)와 터빈(200)과 상기 보강재(300)가 3D 프린팅을 통하여 일체로 형성된 것을 특징으로 하는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보강재(300)는 길이방향 일측이 상기 압축기(100)에 연결되고 길이방향 타측이 상기 터빈(200)에 연결되, 서로 교차되거나 이격 배치된 보강재 단위체(310)가 모여 이루어진 모듈인 것을 특징으로 하는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 보강재(300)는 내부가 격자구조 또는 허니컴 구조로 이루어진 구조체인 것을 특징으로 하는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈 디스크(210)의 가장자리에 쿨링 홀(211)이 형성된 것을 특징으로 하는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 압축기 디스크(110)와 상기 터빈 디스크(210) 사이에 상기 연소기 유입덕트(410)와 상기 압축기(100) 사이에 형성된 홈으로 유입된 공기를 상기 쿨링 홀(211)로 안내하는 가이드 유로(510)가 형성된 것을 특징으로 하는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 압축기 터빈 일체형 터보 기계는 다이렉트 에너지 디포지션(Direct Energy Deposition) 방법으로 제작되는 것을 특징으로 하는, 압축기 터빈 일체형 터보 기계 제작방법.


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