KR101953462B1

KR101953462B1 - 베인 어셈블리를갖는 가스터빈

Info

Publication number: KR101953462B1
Application number: KR1020170064037A
Authority: KR
Inventors: 이혜리
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US20180340433A1; EP3406853A1; KR20180128661A; CN108952822A; EP3406853B1; CN108952822B; US10662790B2

Abstract

베인 어셈블리가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예는 다수개의 베인을 동시에 고정할 수 있는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈에 관한 것이다.

Description

베인 어셈블리를갖는 가스터빈{Vane assembly and gas turbine including vane assembly}

본 발명은 베인 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 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 구성된다. 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 점화함으로써 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.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

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

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 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.

미국등록특허 US 7,291,946 B2

본 발명의 실시 예들은 작업자가 가스터빈에 구비된 다수개의 베인 어셈블리에 대한 결합과 고정을 용이하게 실시할 수 있는 베인 어셈블리 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈은 가스 터빈의 압축기에 구비된 케이싱의 내부 중앙을 경유하여 연장된 로터를 외측에서 감싸며 위치되고, 상기 로터의 축 방향으로 제1 삽입홈이 형성되며, 원주방향에서 내측에 형성된 제2 삽입 홈이 형성된 아웃터 링; 상기 제1 삽입홈에 삽입되는 베인; 및 상기 베인을 상기 아웃터 링에서 고정하기 위해 상기 제2 삽입홈에 삽입되는 고정부가 구비되되, 상기 고정부는 상기 아웃터 링의 내부 중앙을 경유하면서 다수개의 베인을 동시에 고정하는 베인 어셈블리를 포함하되, 상기 고정부는 상기 아웃터 링의 제2 삽입홈에 끼워지는 방향을 기준으로 선단부에 외측으로 돌출된 돌출 리브와, 상기 아웃터 링의 후단부에 내측으로 요입된 삽입 리브를 포함한다.

삭제

상기 아웃터 링은 소정의 길이와 곡률을 갖는 아크 형태로 형성된다.

상기 고정부는 상기 아웃터 링의 길이 및 곡률과 대응되는 길이와 곡률로 연장되거나, 곡률은 동일하나 길이는 상이하게 연장된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 베인은 상기 제1 삽입홈에 삽입되는 루트부를 포함하고, 상기 루트부는 상기 제1 삽입홈과 대응되는 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 베인은 상기 고정부가 삽입되도록 상기 루트부에 형성된 베인 삽입홈을 더 포함하고, 상기 베인 삽입홈은 상기 고정부와 대응되는 단면을 갖는다.

상기 베인 삽입홈은 상기 로터의 중심을 동심원으로 하며 상기 아웃터 링의 곡률과 대응되는 곡률로 경사진 것을 특징으로 한다.

상기 루트부에는 상기 제1 삽입홈을 향해 돌출된 베인 돌출부가 형성된다.

상기 아웃터 링의 제1 삽입홈과 상기 제2 삽입 홈은 서로 직교되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 삽입홈은 상기 로터 또는 상기 아웃터 링의 반경 방향 외측을 바라보는 다각형태 또는 타원형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 아웃터 링은 상기 제1 삽입 홈에 형성되고 상기 로터의 축 방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함한다.

상기 돌출부는 상기 삽입홈에서 상기 아웃터 링의 원주 방향에서 서로 마주보는 한 쌍으로 이루어진다.

상기 돌출부는 상기 고정부가 삽입되는 삽입 경로를 제외한 영역에 위치된다.

상기 베인 어셈블리는 상기 가스 터빈의 압축기를 구성하는 1단 스테이지부터 마지막 스테이지까지 모두 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 베인 어셈블리는 상기 가스 터빈의 압축기를 구성하는 1단 스테이지부터 n단 스테이지 까지를 제외하고, n+1단 스테이지부터 마지막 스테이지까지 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 고정부는 금속 또는 비금속 재질이 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들은 다수개의 베인 어셈블리가 아웃터 링에 결합될 때 고정부를 이용하여 손쉽게 고정 작업이 이루어지므로 작업자의 작업성 향상과 고정력을 동시에 도모할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 가스터빈의 압축기에 설치되는 베인 어셈블리들에 대한 고정을 효율적으로 실시할 수 있고, 온도에 따라 고정부가 열팽창이 이루어지므로서 고정력을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 어셈블리를 도시한 사시도.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 어셈블리와 고정부의 결합 상태를 도시한 결합사시도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베인 어셈블리를 도시한 사시도.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베인 어셈블리와 고정부의 결합 상태를 도시한 결합사시도.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베인 어셈블리가 조립된 상태를 도시한 사시도.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 어셈블리에 구비된 고정부의 다른 실시 예를 도시한 사시도.

본 발명의 일 실시 예에 따른 설명에 앞서 본 발명의 가스터빈에 대한 기본 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 가스 터빈은 외형을 이루는 케이싱(10)이 구비되고, 케이싱(10)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저가 구비된다. 그리고, 상기 디퓨저의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(11)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(10)의 상류측에 압축기(12)가 위치하고, 하류측에 터빈(13)이 구비된다. 그리고, 상기 압축기 (12)와 상기 터빈(13)의 사이에는 터빈에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(12)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(14)가 구비된다.

상기 압축기(12)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크들은 로터(2)(20)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크 중앙을 상기 로터(2)(20)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크의 외주면에는 복수 개의 블레이드가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드는 도브 테일부를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크에 체결된다.

도브 테일부의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 도브 테일외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

상기 로터(2)(20)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브에 고정된다.

상기 로터(2)(20)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.

하나의 로터(2)(20)가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 다른 형태로의 변경도 가능할 수 있다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(11)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, 연소기는 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 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

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

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

한편, 일반적으로 터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다. 터빈에서 얻은 기계적 에너지는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다.

이를 위해, 상기 터빈(13)에는 복수의 터빈 로터 디스크가 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크는 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크와 유사한 형태를 갖는다.

따라서, 상기 터빈 로터 디스크 역시 이웃한 터빈 로터 디스크와 결합되기 위한 구비한 플랜지를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드도 포함한다. 상기 터빈 블레이드 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크에 결합될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 (12)에서 압축되고, 연소기(11)에서 연소된 후, 터빈(13)으로 보내져 터빈을 구동하고, 디퓨저를 통해 대기중으로 배출된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 회전체가 구비된 다양한 구성에 적용시켜 사용될 수 있는데, 일 예로 터빈 또는 발전소의 회전체에 적용될 수 있다. 이에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시 예는 회전체(2)를 동심원으로 다수개의 베인(200)이 도면에 도시된 상태로 위치되고 고압의 유체가 상기 베인(200)을 경유하여 회전체(2)의 축 방향을 따라 이동된다.

상기 베인(200)은 상기 유체의 이동을 가이드 하는데 상기 베인(200)을 경유한 유체는 회전체(2)의 축 방향을 따라 연속적으로 이동된다. 참고로 첨부된 도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 어셈블리를 도시한 사시도 이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 어셈블리와 고정부의 결합 상태를 도시한 결합사시도 이다.

본 실시 예는 케이싱(10)의 내부 중앙을 경유하여 연장된 회전체(2)를 외측에서 감싸는 아웃터 링(100)과, 상기 회전체(2)의 축 방향을 기준으로 상기 아웃터 링(100)에 삽입되는 베인(200) 및 상기 베인(200)을 상기 아웃터 링(100)에서 고정하기 위해 상기 아웃터 링(100)에 삽입되는 고정부(300)를 포함한다.

아웃터 링(100)은 소정의 길이로 연장된 아크 형태로 구성되고, 원주 방향으로 복수개의 아웃터 링이 서로 간에 밀착되어 링을 구성한다. 상기 아웃터 링(100)은 베인(200)이 삽입되도록 상기 회전체(2)의 축 방향으로 제1 삽입홈(110)과, 상기 아웃터 링(100)의 원주방향에서 내측에 형성된 제2 삽입 홈(120)을 포함한다.

상기 제1 삽입홈(110)은 상기 회전체(2) 또는 상기 아웃터 링(100)의 반경 방향 외측을 바라보는 다각형태 또는 타원형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나로 구성된다. 본 실시 예는 베인(200)이 제1 삽입홈(110)에 삽입되므로 상기 제1 삽입홈(110)을 다각 형태 중 삼각 형태로 도시하였으나 다른 형태로의 변경도 가능할 수 있다.

특히 제1 삽입 홈(110)이 삼각 형태로 구성될 경우 베인(200)이 삽입된 후에 반경 방향으로 이탈되지 않고 삽입된 상태가 안정적으로 유지될 수 있어 결합 안전성이 향상된다.

상기 제1 삽입홈(110)은 상기 아웃터 링(100)의 원주 방향에서 동일 간격으로 이격되고, 상기 제1 삽입홈(110)에 삽입된 베인(200) 또한 아웃터 링(100)의 원주 방향 내측에서 동일 간격으로 이격된다.

참고로 상기 제1 삽입홈(110)은 후술할 베인(200)이 삽입될 경우 밀착되므로 회전체(2)의 축 방향에서 이탈되지 않고 결합된 상태가 안정적으로 유지된다.

본 실시 예에 의한 아웃터 링(100)의 제1 삽입홈(110)과 상기 제2 삽입 홈(120)은 서로 직교되는데, 상기 제2 삽입홈(120)에 고정부(300)가 삽입되고, 상기 고정부(300)가 상기 제1 삽입홈(110)의 개구된 영역을 경유하여 삽입되므로 베인(200)에 대한 안정적인 고정을 도모할 수 있다.

상기 아웃터 링(100)은 상기 제1 삽입 홈(110)에 형성되고 상기 회전체(2)의 축 방향으로 돌출된 돌출부(102)를 더 포함한다. 상기 돌출부(102)는 상기 제1 삽입홈(110)에서 상기 아웃터 링(100)의 원주 방향에서 서로 마주보는 한 쌍으로 이루어진다. 상기 돌출부(102)는 베인(200)이 제1 삽입홈(110)에 삽입될 때 원활한 삽입을 도모하기 위해 형성된다.

상기 돌출부(102)는 상기 고정부(300)가 삽입되는 삽입 경로를 제외한 영역에 위치되므로 베인(200)을 아웃터 링(100)에서 고정할 때 안정적으로 고정할 수 있다.

상기 베인(200)은 상기 제1 삽입홈(110)에 삽입되는 루트부(210)를 포함하고, 상기 루트부(210)는 상기 제1 삽입홈(110)과 대응되는 형상으로 구성된다.

상기 루트부(210)에는 상기 제1 삽입홈(110)을 향해 돌출된 베인 돌출부(212)가 형성된다. 상기 베인 돌출부(212)는 전술한 돌출부(102)와 대응되는 위치에 대응되는 형태로 구성된다.

일 예로 작업자가 베인(200)을 제1 삽입홈(110)에 삽입시키면, 상기 돌출부(102)에 상기 베인 돌출부(212)가 면접촉된 상태로 상기 베인(200)이 상기 돌출부(102)를 따라 슬라이딩 된다.

여기서 슬라이딩의 의미는 베인 돌출부(212)가 돌출부(102)에서 미끄러진다는 의미가 아니라 상기 베인 돌출부(212)가 돌출부(102)에 면 접촉된 후에 아웃터 링(100)의 내측으로 이동되는 것을 의미한다.

본 실시 예에 의한 베인(200)은 상기 고정부가 삽입되도록 상기 루트부(210)에 형성된 베인 삽입홈(220)을 더 포함하고(도 4 내지 도 5참조), 상기 베인 삽입홈(220)은 상기 고정부(300)와 대응되는 단면을 갖는다.

상기 베인 삽입홈(220)은 고정부(300)가 삽입되는 이동 경로에 형성되고 본 실시 예는 도면에 도시된 바와 같이 상기 고정부(300)의 높이(h) 중 1/2h에 해당되는 길이로 홈이 형성된다.

상기 베인 삽입홈(220)은 고정부(300)의 측면과 대응되거나 상기 고정부(300)의 측면과 면대면으로 면접촉이 이루어진다.

본 실시 예에 의한 고정부(300)는 금속 재질 또는 비 금속 재질 중의 어느 하나의 재질이 선택적으로 사용되고, 작업자가 상기 아웃터 링(100)을 제2 삽입홈(120)에 삽입할 경우 용이하게 삽입되도록 상기 아웃터 링(100)의 길이와 동일 길이 또는 짧은 길이로 연장될 수 있다.

상기 고정부(300)는 상기 제2 삽입홈(120)보다 작은 크기로 구성되고, 유체가 상기 베인(200)을 경유할 경우 상기 유체의 열 에너지에 의해 열팽창이 이루어져 상기 제2 삽입홈(120)의 내측과 밀착되어 외부로 이탈되지 않고 고정될 수 있다.

이 경우 고정부(300)는 외형을 이루는 주요 부분은 금속 또는 비금속 재질로 이루어지고 외측에 소정의 두께로 열팽창이 이루어지는 열팽창층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 열팽창층은 두께를 특별히 한정하지 않으나 루트부(210)의 온도를 고려하여 소정의 두께로 형성된다.

이 경우 작업자가 상기 고정부(300)를 제2 삽입홈(120)에 삽입할 때 상기 제2 삽입홈(120)의 단면에 따라 개구된 크기보다 고정부(300)의 단면에 따라 개구된 크기가 작아서 손쉽게 삽입할 수 있다.

그리고 유체가 베인(200)을 경유하면 온도에 의해 고정부(300)가 열팽창되어 제2 삽입홈(120)에 억지 끼움 형태로 고정되므로 외부로의 이탈이 방지된다.

상기 고정부(300)는 상기 제2 삽입홈(120)에 삽입될 때 보다 용이하게 삽입되도록 윤활유가 외측에 도포될 수 있다. 이 경우 도포되는 경우 소량만 도포되는 것이 바람직 하다.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면 전술한 베인 어셈블리를 갖는 기술 구성이 압축기에 적용되어 사용될 수 있다. 상기 베인 어셈블리는 가스 터빈 또는 증기 터빈 중의 어느 하나 또는 모두 적용 가능할 수 있다. 또한 세부 구성은 전술한 구성과 동일하여 도면 부호는 생략한다.

이를 위해 본 발명은 케이싱의 내부 중앙을 경유하여 연장된 로터를 외측에서 감싸며 위치되고, 상기 로터의 축 방향으로 제1 삽입홈이 형성되며, 원주방향에서 내측에 형성된 제2 삽입 홈이 형성된 아웃터 링과, 상기 제1 삽입홈에 삽입되는 베인; 및 상기 베인을 상기 아웃터 링에서 고정하기 위해 상기 제2 삽입홈에 삽입되는 고정부가 구비된 베인 어셈블리를 갖는 압축기를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베인 어셈블리를 도시한 사시도 이고, 도 7 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베인 어셈블리와 고정부의 결합 상태를 도시한 결합사시도 이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베인 어셈블리가 조립된 상태를 도시한 사시도 이다.

첨부된 도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 실시 예는 베인이 가스터빈에 설치된 것으로 한정하여 설명하나 스팀 터빈 또는 터빈장치에 모두 적용시켜 사용 가능함을 밝혀 둔다.

또한 본 실시 예는 로터(20)(도 1 참조)를 동심원으로 다수개의 베인(2000)이 도면에 도시된 상태로 위치되고 고압의 유체가 상기 베인(2000)을 경유하여 로터(20)의 축 방향을 따라 이동된다. 상기 베인(2000)은 상기 유체의 이동을 가이드 하는데 상기 베인(2000)을 경유한 유체는 회전체(2)의 축 방향을 따라 연속적으로 이동된다.

본 실시 예에 의한 베인 어셈블리(1a)는 가스 터빈의 압축기 또는 압축기 섹션(12)에 구비된 케이싱(10)의 내부 중앙을 경유하여 연장된 로터(20)를 외측에서 감싸며 위치되고, 상기 로터(20)의 축 방향으로 제1 삽입홈(1100)이 형성되며, 원주방향으로 제2 삽입 홈(1200)이 형성된 아웃터 링(1000)과, 상기 제1 삽입홈(1100)에 삽입되는 베인(2000) 및 상기 베인(2000)을 상기 아웃터 링(1000)에서 고정하기 위해 상기 제2 삽입홈(1200)에 삽입되는 고정부(3000)를 포함한다.

아웃터 링(1000)은 소정의 길이로 연장된 아크 형태로 구성되고, 원주 방향으로 복수개의 아웃터 링이 서로 간에 밀착되어 링을 구성한다. 상기 아웃터 링(1000)은 베인(2000)이 삽입되도록 상기 로터(20)의 축 방향으로 제1 삽입홈(1110)과, 상기 아웃터 링(1000)의 원주방향에서 내측에 형성된 제2 삽입 홈(1200)을 포함한다.

상기 제1 삽입홈(1110)은 상기 로터(20) 또는 상기 아웃터 링(1000)의 반경 방향 외측을 바라보는 다각형태 또는 타원형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나로 구성된다. 본 실시 예는 베인(2000)이 제1 삽입홈(1110)에 삽입되므로 상기 제1 삽입홈(1110)을 다각 형태 중 삼각 형태로 도시하였으나 다른 형태로의 변경도 가능할 수 있다.

특히 제1 삽입 홈(1100)이 삼각 형태로 구성될 경우 베인(2000)이 삽입된 후에 반경 방향으로 이탈되지 않고 삽입된 상태가 안정적으로 유지될 수 있어 결합 안전성이 향상된다.

상기 제1 삽입홈(1110)은 상기 아웃터 링(1000)의 원주 방향에서 동일 간격으로 이격되고, 상기 제1 삽입홈(1110)에 삽입된 베인(2000) 또한 아웃터 링(1000)의 원주 방향 내측에서 동일 간격으로 이격된다.

참고로 상기 제1 삽입홈(1110)은 후술할 베인(2000)이 삽입될 경우 밀착되므로 로터(20)의 축 방향에서 이탈되지 않고 결합된 상태가 안정적으로 유지된다.

본 실시 예에 의한 아웃터 링(1000)의 제1 삽입홈(1110)과 상기 제2 삽입 홈(1200)은 서로 직교되는데, 상기 제2 삽입홈(1200)에 고정부(3000)가 삽입되고, 상기 고정부(3000)가 상기 제1 삽입홈(1110)의 개구된 영역을 경유하여 삽입되므로 베인(2000)에 대한 안정적인 고정을 도모할 수 있다.

상기 아웃터 링(1000)은 상기 제1 삽입 홈(1100)에 형성되고 상기 로터(20)의 축 방향으로 돌출된 돌출부(1002)를 더 포함한다. 상기 돌출부(1002)는 상기 제1 삽입홈(1110)에서 상기 아웃터 링(1000)의 원주 방향에서 서로 마주보는 한 쌍으로 이루어진다. 상기 돌출부(1002)는 베인(2000)이 제1 삽입홈(1110)에 삽입될 때 원활한 삽입을 도모하기 위해 형성된다.

상기 돌출부(1002)는 상기 고정부(3000)가 삽입되는 삽입 경로를 제외한 영역에 위치되므로 베인(2000)을 아웃터 링(1000)에서 고정할 때 안정적으로 고정할 수 있다.

상기 베인(2000)은 상기 제1 삽입홈(1110)에 삽입되는 루트부(2100)를 포함하고, 상기 루트부(2100)는 상기 제1 삽입홈(1110)과 대응되는 형상으로 구성된다.

상기 루트부(2100)에는 상기 제1 삽입홈(1110)을 향해 돌출된 베인 돌출부(2112)가 형성된다. 상기 베인 돌출부(2112)는 전술한 돌출부(1002)와 대응되는 위치에 대응되는 형태로 구성된다.

일 예로 작업자가 베인(2000)을 제1 삽입홈(1110)에 삽입시키면, 상기 돌출부(1002)에 상기 베인 돌출부(2112)가 면접촉된 상태로 상기 베인(2000)이 상기 돌출부(1002)를 따라 슬라이딩 된다. 여기서 슬라이딩의 의미는 베인 돌출부(2112)가 돌출부(1002)에서 미끄러진다는 의미가 아니라 상기 베인 돌출부(2112)가 돌출부(1002)에 면 접촉된 후에 아웃터 링(1000)의 내측으로 이동되는 것을 의미한다.

본 실시 예에 의한 베인(2000)은 상기 고정부가 삽입되도록 상기 루트부(2100)에 형성된 베인 삽입홈(2200)을 더 포함하고, 상기 베인 삽입홈(2200)은 상기 고정부(3000)와 대응되는 단면을 갖는다.

상기 베인 삽입홈(2200)은 고정부(3000)가 삽입되는 이동 경로에 형성되고 본 실시 예는 도면에 도시된 바와 같이 상기 고정부(3000)의 높이(h) 중 1/2h에 해당되는 길이로 홈이 형성된다.

상기 베인 삽입홈(2200)은 고정부(3000)의 측면과 대응되거나 상기 고정부(3000)의 측면과 면대면으로 면접촉이 이루어진다.

상기 베인 삽입홈(2220)은 상기 로터(20)의 중심을 동심원으로 하며 상기 아웃터 링(1000)의 곡률과 대응되는 곡률로 경사진다. 이 경우 고정부(3000)는 상기 아웃터 링(1000)의 곡률과 대응되므로 상기 베인 삽입홈(2220)을 경유하여 삽입되는 경우 특정 위치에서 삽입이 이루어지지 않고 손쉽게 삽입될 수 있다.

본 실시 예에 의한 고정부(3000)는 금속 재질 또는 비 금속 재질 중의 어느 하나의 재질이 선택적으로 사용되고, 작업자가 상기 아웃터 링(1000)을 제2 삽입홈(1200)에 삽입할 경우 용이하게 삽입되도록 상기 아웃터 링(1000)의 길이보다 짧은 길이로 연장된다.

상기 고정부(300)는 전술한 실시 예와 다르게 곡률은 동일하나 길이는 상이하게 연장됨으로써 작업자가 제2 삽입홈(1200)에 삽입할 때 보다 용이하게 삽입하고자 한다.

상기 고정부(3000)는 상기 제2 삽입홈(1200)보다 작은 크기로 구성되고, 유체가 상기 베인(2000)을 경유할 경우 상기 유체의 열 에너지에 의해 열팽창이 이루어져 상기 제2 삽입홈(1200)의 내측과 밀착되어 외부로 이탈되지 않고 고정될 수 있다.

이 경우 고정부(3000)는 외형을 이루는 주요 부분은 금속 또는 비금속 재질로 이루어지고 외측에 소정의 두께로 열팽창이 이루어지는 열팽창층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 열팽창층은 두께를 특별히 한정하지 않으나 루트부(2100)의 온도를 고려하여 소정의 두께로 형성된다.

이 경우 작업자가 상기 고정부(3000)를 제2 삽입홈(1200)에 삽입할 때 상기 제2 삽입홈(1200)의 단면에 따라 개구된 크기보다 고정부(3000)의 단면에 따라 개구된 크기가 작아서 손쉽게 삽입할 수 있다.

그리고 유체가 베인(2000)을 경유하면 온도에 의해 고정부(3000)가 열팽창되어 제2 삽입홈(1200)에 억지 끼움 형태로 고정되므로 외부로의 이탈이 방지된다.

상기 고정부(3000)는 상기 제2 삽입홈(1200)에 삽입될 때 보다 용이하게 삽입되도록 윤활유가 외측에 도포될 수 있다. 이 경우 도포되는 경우 소량만 도포되는 것이 바람직 하다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 고정부의 다른 실시 예를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 10 내지 도 12를 참조하면, 고정부(3000)는 상기 아웃터 링(1000)의 제2 삽입홈(1200)에 끼워지는 방향을 기준으로 선단부에 외측으로 돌출된 돌출 리브(3110)와, 상기 아웃터 링(1000)의 후단부에 내측으로 요입된 삽입 리브(3120)를 포함한다.

고정부(300)는 아웃터 링(1000)에 형성된 제2 삽입홈(1200)에 삽입될 경우 복수개가 삽입된 후에 서로 간에 결합되는 것이 고정력을 향상시킬 수 있다.

이를 위해 본 발명은 고정부(3000)의 선단부에 돌출 리브(3110)가 형성되고, 후단부에는 삽입 리브(3120)가 형성되는데, 상기 돌출 리브(3110)는 이웃한 고정부에 형성된 삽입 리브(3120)에 삽입되므로 복수 개의 고정부는 서로 간에 분리되지 않고 서로 결합된다.

따라서 압축기의 자체 진동이 발생되는 경우에도 고정부간에 결합력이 향상된다.

상기 돌출 리브(3110)는 도면에 도시된 형태 또는 다른 형태로 변경 가능하며 반드시 도면에 도시된 형태로 한정하지 않는다. 상기 돌출 리브(3110)는 플레이트 형태로 돌출된 것으로 도시하였으나 상기 삽입 리브(3120)에 용이하게 결합되기 위해 다른 형태로 변경될 수 있다.

상기 삽입 리브(3120)는 돌출 리브(3110)와 대응되는 형태로 구성되며 홈의 형태 이외에도 다른 형태로의 변경도 가능할 수 있다.

본 실시 예에 의한 고정부(3000)는 압축기에 설치될 경우 주위의 온도에 따라 전술한 돌출 리브(3110)의 길이가 가변된다.

첨부된 도 10을 참조하면, 보다 상세하게는 상기 돌출 리브(3110)는 삽입 리브(3120)에 삽입될 경우 상기 삽입 리브(3120)의 길이 보다 짧은 길이로 연장된다. 즉 상기 돌출 리브(3110)가 열팽창 될 때 고정부(3000)의 길이 방향으로 신장되는 길이를 고려하여 상기 삽입 리브(3120)의 길이가 길게 연장된다.

이 경우 베인 어셈블리(1a)가 위치된 곳의 온도 조건에 따라 상기 돌출 리브(3110)가 전방을 향해 가변적으로 열팽창되므로 아웃터 링에 결합된 베인(2000)의 고정성이 향상된다.

본 실시 예에 의한 베인 어셈블리(1a)는 가스 터빈의 압축기(12)를 구성하는 1단 스테이지부터 마지막 스테이지까지 모두 설치될 수 있다. 상기 베인 어셈블리(1a)는 압축기(12)로 공급된 외부 공기의 이동 방향을 안내하여 연소기(11)로 공급하는 역할을 한다.

상기 압축기(12)는 1단부터 마지막 스테이지까지 10단 이상의 단수로 구성되는데, 상기 베인 어셈블리(1a)는 고압의 유체의 이동을 안내하므로 흔들림 또는 진동이 최소한으로 발생되는 것이 유리할 수 있다.

본 발명은 압축기(12)에 베인 어셈블리(1a)를 모두 설치하는 경우에도 베인(2000)의 흔들림이 발생되지 않고 제1 삽입홈(1100)에 안정적으로 삽입된 상태가 유지되므로 불필요한 진동이 최소화 될 수 있다.

본 실시 예에 의한 베인 어셈블리(1a)는 가스 터빈의 압축기를 구성하는 1단 스테이지부터 n단 스테이지 까지를 제외하고, n+1단 스테이지부터 마지막 스테이지까지 설치될 수 있다. 상기 1단 스테이지부터 n단 스테이지 까지는 가변 베인이 설치되는데, 상기 가변 베인은 별도의 액추에이터(미도시)에 의해 로터(20)의 축 방향에서 회전각이 가변되어 압축기의 압축 효율을 향상시킬 수 있어 전술한 단수의 스테이지에는 미 설치된다.

이 경우 1단 스테이지부터 3단 스테이지 까지는 베인 어셈블리(1a)가 미 설치되고, 4단 스테이지부터 상기 베인 어셈블리(1a)가 설치된다. 이 경우 상기 가스터빈은 효율이 향상되고 운전 레인지가 향상된다.

상기 고정부(3000)는 마찰계수가 작은 금속 또는 비금속 재질이 사용된다. 상기 고정부(3000)는 제2 삽입홈(1200)에 삽입될 경우 마찰이 발생되는데, 작업자가 상기 고정부(3000)를 삽입할 때 제2 삽입홈(1200)의 내측과 고정부(3000)가 마찰로 인해 용이하게 삽입되는 현상을 예방할 수 있다. 이 경우 작업자가 고정부(3000)에 대한 삽입 작업을 손쉽게 실시할 수 있어 작업성이 향상된다.

특히 본 실시 예는 작업자가 아웃터 링(1000)의 원주 방향에서 고정부(3000)를 삽입시켜 상기 베인(2000)을 고정할 때 상기 베인(2000)과 상기 아웃터 링(1000)을 경유하여 동시에 고정할 수 있어 한 번에 다수개의 베인(2000)에 대한 고정을 실시할 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, 1a : 베인 어셈블리
2 : 회전체
20 : 로터
10 : 케이싱
100, 1000 : 아웃터 링
102, 1002 : 돌출부
110, 1100 : 제1 삽입홈
3110 : 돌출 리브
3120 : 삽입 리브
120, 1200 : 제2 삽입홈
200, 2000 : 베인
210, 2100 : 루트부
212, 2112 : 베인 돌출부
220, 2200 : 베인 삽입홈
300, 3000 : 고정부

Claims

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가스 터빈의 압축기에 구비된 케이싱의 내부 중앙을 경유하여 연장된 로터를 외측에서 감싸며 위치되고, 상기 로터의 축 방향으로 제1 삽입홈이 형성되며, 원주방향에서 내측에 형성된 제2 삽입 홈이 형성된 아웃터 링;
상기 제1 삽입홈에 삽입되는 베인; 및
상기 베인을 상기 아웃터 링에서 고정하기 위해 상기 제2 삽입홈에 삽입되는 고정부가 구비되되,
상기 고정부는 상기 아웃터 링의 내부 중앙을 경유하면서 다수개의 베인을 동시에 고정하는 베인 어셈블리를 포함하되,
상기 고정부는 상기 아웃터 링의 제2 삽입홈에 끼워지는 방향을 기준으로 선단부에 외측으로 돌출된 돌출 리브와, 상기 아웃터 링의 후단부에 내측으로 요입된 삽입 리브를 포함하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 아웃터 링은 소정의 길이와 곡률을 갖는 아크 형태로 형성된 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 고정부는 상기 아웃터 링의 길이 및 곡률과 대응되는 길이와 곡률로 연장되거나, 곡률은 동일하나 길이는 상이하게 연장된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
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제16 항에 있어서,
상기 베인은 상기 제1 삽입홈에 삽입되는 루트부를 포함하고, 상기 루트부는 상기 제1 삽입홈과 대응되는 형상인 것을 특징으로 하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제20 항에 있어서,
상기 베인은 상기 고정부가 삽입되도록 상기 루트부에 형성된 베인 삽입홈을 더 포함하고, 상기 베인 삽입홈은 상기 고정부와 대응되는 단면을 갖는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제20 항에 있어서,
상기 베인 삽입홈은 상기 로터의 중심을 동심원으로 하며 상기 아웃터 링의 곡률과 대응되는 곡률로 경사진 것을 특징으로 하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제20 항에 있어서,
상기 루트부에는 상기 제1 삽입홈을 향해 돌출된 베인 돌출부가 형성된 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 아웃터 링의 제1 삽입홈과 상기 제2 삽입 홈은 서로 직교되는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 제1 삽입홈은 상기 로터 또는 상기 아웃터 링의 반경 방향 외측을 바라보는 다각형태 또는 타원형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나인 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 아웃터 링은 상기 제1 삽입 홈에 형성되고 상기 로터의 축 방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제26 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 삽입홈에서 상기 아웃터 링의 원주 방향에서 서로 마주보는 한 쌍으로 이루어진 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제26 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 고정부가 삽입되는 삽입 경로를 제외한 영역에 위치된 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 베인 어셈블리는 상기 가스 터빈의 압축기를 구성하는 1단 스테이지부터 마지막 스테이지까지 모두 설치된 것을 특징으로 하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제25 항에 있어서,
상기 베인 어셈블리는 상기 가스 터빈의 압축기를 구성하는 1단 스테이지부터 n단 스테이지 까지를 제외하고, n+1단 스테이지부터 마지막 스테이지까지 설치된 것을 특징으로 하는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.
제16 항에 있어서,
상기 고정부는 금속 또는 비금속 재질이 사용되는 베인 어셈블리를 갖는 가스터빈.