KR101955115B1 - 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부에서 유동하는 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 것으로서, 상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일; 및 상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하되, 상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성된 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 다양한 형상의 가상선을 따라 쿨링홀이 형성됨으로써, 슈라우드의 일부가 제거됨에 따라 쿨링홀이 함께 제거되는 것을 방지할 수 있으며, 슈라우드의 회전에 따라 쿨링홀을 재배치할 필요가 없어 가스터빈의 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈{Turbine vane, turbine and gas turbine comprising the same}

본 발명은 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치되어 전단에서 전달받은 연소가스를 후단으로 안내하는 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 압축기 입구 스크롤 스트럿(Compressor inlet scroll strut)이 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 점화기로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 이러한 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에는, 팁 클리어런스(Tip clearance)로 정의되는 간격이 형성된다. 또한, 가스터빈에는 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 타이로드가 배치되어 있다. 상기 타이로드는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고 상기 타이로드에 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 연소가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈 측으로 분사된다. 분사된 연소가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

한편, 상기 터빈 베인은, 에어포일과, 상기 에어포일의 단부에 결합되는 슈라우드를 포함한다. 그리고 상기 슈라우드는, 상기 에어포일 측을 향하여 각각 복수개의 쿨링홀이 형성된다.

이러한 가스터빈의 터빈 베인과 관련된 기술로서 대한민국 등록실용신안 제20-0174662호에서는 가스터빈에 관해 개시하고 있다.

상기 종래의 가스터빈은, 상기 슈라우드에 먼저 쿨링홀을 형성시키고, 슈라우드의 일부를 제거한 후, 상기 베인을 터빈 케이싱의 내주면에 결합하는 방식으로 제조된다. 이때, 상기 종래의 가스터빈은, 슈라우드의 일부가 제거될 때 이미 형성된 쿨링홀의 일부가 함께 제거되는 문제가 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 슈라우드의 일부가 제거됨에 따라 쿨링홀이 함께 제거되는 것을 방지할 수 있도록 개선된 구조를 갖는 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 터빈 베인은, 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부에서 유동하는 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 것으로서, 상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일; 및 상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하되, 상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 것으로서, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 베인을 포함하는 스테이터; 및 상기 케이싱의 내부에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되며 상기 베인과 베인의 사이에 배치되는 다단의 블레이드를 포함하며, 유동하는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하되, 상기 베인은, 상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일과, 상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하며, 상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성된 터빈이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키며, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈을 포함하되, 상기 터빈은, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 케이싱의 내부에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되며 상기 베인과 베인의 사이에 배치되는 다단의 블레이드를 포함하며, 유동하는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하고, 상기 베인은, 상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일과, 상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하며, 상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성된 가스터빈이 제공된다.

상기 가상선은, 상기 슈라우드의 각 변에 접하는 타원일 수 있다.

상기 가상선은, 상기 슈라우드의 일측 두 개의 변에 접하는 제1원과, 상기 슈라우드의 타측 두 개의 변에 접하는 제2원과, 서로 교차하지 않도록 상기 제1원과 제2원에 각각 외접하는 두 개의 선분에 의해 형성되는 도형의 외곽선(Outer line)일 수 있다.

상기 가상선은, 상기 슈라우드의 무게중심을 중점으로 하며, 상기 슈라우드의 무게중심과 각 꼭짓점을 연결하는 선분 중 가장 작은 선분을 반지름으로 한 원과, 상기 원과 슈라우드의 변이 만나는 점을 지나며, 상기 슈라우드의 무게중심과 각 꼭짓점을 연결하는 선분 중 가장 큰 선분과 평행한 직선에 의해 형성되는 도형의 내곽선(Inner line)일 수 있다.

상기 복수개의 쿨링홀은, 등 간격으로 배치될 수 있다.

상기 슈라우드 중 상기 가상선과 에어포일 사이의 부위에는, 상기 에어포일을 향하여 복수개의 보조쿨링홀이 더 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 슈라우드는, 상기 에어포일의 내측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 이너가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 이너쿨링홀이 형성된 이너슈라우드와, 상기 에어포일의 외측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 아우터가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 아우터쿨링홀이 형성된 아우터슈라우드를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 다양한 형상의 가상선을 따라 쿨링홀이 형성됨으로써, 슈라우드의 일부가 제거됨에 따라 쿨링홀이 함께 제거되는 것을 방지할 수 있으며, 슈라우드의 회전에 따라 쿨링홀을 재배치할 필요가 없어 가스터빈의 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1 중 터빈 베인을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2 중 본 발명의 제1실시예에 따른 가스터빈의 가상선을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2 중 본 발명의 제2실시예에 따른 가스터빈의 가상선을 도시한 도면이다.
도 5는 도 2 중 본 발명의 제3실시예에 따른 가스터빈의 가상선을 도시한 도면이다.

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

이하, 본 발명에 따른 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스터빈(10)은 케이싱을 구비하고 있고, 상기 케이싱의 후측에는 터빈(100)을 통과한 연소가스가 배출되는 터빈 디퓨저가 구비되어 있다. 그리고 상기 터빈 디퓨저의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(13)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 가스터빈(10)의 상류 측에 압축기(12)가 위치하고, 하류 측에 터빈(100)이 배치된다. 이때, 상기 케이싱은 압축기 케이싱과 터빈 케이싱(1100)을 포함한다. 상기 압축기 케이싱은 압축기 베인과 압축기 로터를 내부에 수용하며, 상기 터빈 케이싱(1100)은 터빈 베인(1200)과 터빈 로터(110)를 내부에 수용한다. 그리고 상기 압축기(12)와 상기 터빈(100)의 사이에는 터빈에서 발생된 회전토크를 상기 압축기로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치되어 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드(11)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 디스크는 대략 중앙을 상기 타이로드(11)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드(11)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 압축기 디스크의 사이에는 상기 압축기 케이싱에 고정되어 배치되는 복수개의 압축기 베인이 위치한다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 회전체에 해당하는 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크 및 터빈 디스크들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기에서는 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 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 노즐과, 연소실을 형성하는 라이너(Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션피스(Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너의 전단에는 연료를 분사하는 노즐이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

상기 라이너 환형유로에는, 라이너의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 상기 라이너와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스는, 상기 트랜지션피스의 내부 공간을 감싸는 트랜지션피스 환형유로가 형성되며, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 상기 트랜지션피스 환형유로를 따라 흐르는 압축공기에 의해 외벽부가 냉각된다.

한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 블레이드에 충동, 반동력을 주어 회전토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(100)은 기본적으로는 압축기(12)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(100)에도 압축기(12)의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터(110)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(110) 역시, 터빈 디스크(111)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(112)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(112)의 사이에도 상기 터빈 케이싱에 고정되는 복수개의 터빈 베인(1200)이 구비되어, 터빈 블레이드(112)를 통과한 연소가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 상기 터빈 케이싱(1100)과 터빈 베인(1200) 역시, 회전체에 해당하는 상기 터빈 로터(110)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(1000)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 베인(1200)은 에어포일(1210;Airfoil)과 한 쌍의 슈라우드(1220;Shroud)를 포함한다. 상기 에어포일(1210)은, 익형의 부재로서, 전단(Front-stage) 측의 블레이드(112)를 통과한 연소가스를 전달받아, 이를 후단(Rear-stage) 측의 블레이드(112)로 안내하는 역할을 수행한다. 상기 슈라우드(1220)는, 상기 타이로드(11) 측을 향하는 상기 에어포일(1210)의 내측 단부에 결합되는 이너슈라우드(1221)와, 상기 케이싱(1100)의 내주면 측을 향하는 상기 에어포일(1210)의 외측 단부에 결합되어 상기 케이싱(1100)의 내주면에 삽입되며, 상기 베인(1200)을 상기 케이싱(1100)의 내주면에 고정시키는 아우터슈라우드(1222)를 포함한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 한 쌍의 슈라우드(1220) 중 어느 하나, 또는 상기 한 쌍의 슈라우드(1220) 각각에는, 상기 에어포일(1210) 측을 향하여 관통된 복수개의 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)이 형성될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 에어포일(1210) 측을 향하는 상기 이너슈라우드(1221)의 상면에는 복수개의 이너쿨링홀(1221a)이 형성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 에어포일(1210) 측을 향하는 상기 아우터슈라우드(1222)의 하면에는 복수개의 아우터쿨링홀(1222a)이 형성될 수 있다. 한편, 도 3은 이너슈라우드에 관해 도시하고 있으며 도 4는 아우터슈라우드에 관해 도시하고 있으나 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 도 3에 도시된 슈라우드가 아우터슈라우드에 해당되며 도 4에 도시된 슈라우드가 이너슈라우드에 해당될 수 있음은 물론이라 할 것이다.

상기 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)은, 상기 압축기(12)로부터 생성되어 상기 케이싱(1100)으로 공급된 압축공기를 상기 이너슈라우드(1221)의 상면 또는 아우터슈라우드(1222)의 하면으로 토출시킨다. 상기 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)을 따라 토출된 압축공기는, 상기 이너슈라우드(1221)의 상면, 상기 아우터슈라우드(1222)의 하면 및 상기 에어포일(1210)의 표면을 따라 유동하여, 이를 냉각시키게 된다. 이에 따라 상기 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)은, 상기 베인(1200)이 고온 고압의 연소가스에 의해 열 손상을 입는 것을 방지하게 된다.

한편, 상기 복수개의 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)은, 상기 에어포일(1210)을 이격하여 둘러싸는 가상선(1220b;1221b,1222b)을 따라 등 간격으로 형성된다. 더욱 상세하게는, 상기 복수개의 이너쿨링홀(1221a)은, 상기 에어포일(1210) 측에서 바라본 상기 이너슈라우드(1221)의 상면을 기준으로 하였을 때, 상기 에어포일(1210)의 외면으로부터 이격되어 상기 에어포일(1210)의 외면을 둘러싸는 이너가상선(1221b)을 따라 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수개의 아우터쿨링홀(1222a)은, 상기 에어포일(1210) 측에서 바라본 상기 아우터슈라우드(1221)의 하면을 기준으로 하였을 때, 상기 에어포일(1210)의 외면으로부터 이격되어 상기 에어포일(1210)의 외면을 둘러싸는 아우터가상선(1222b)을 따라 형성될 수 있다.

여기서, 상기 베인(1200)을 상기 케이싱(1100)의 내주면에 설치하는 과정에 대해 간략히 설명하면, 우선 상기 슈라우드(1220)에 쿨링홀(1220a)을 형성한다. 그 후, 동일한 단(Stage)를 기준으로 하였을 때의 인접하는 에어포일(1210)과 에어포일(1210)이 이루는 각도를 측정하고, 설계될 가스터빈(10)의 사양에 맞는 최적의 각도를 산출하여 상기 에어포일(1210) 및 슈라우드(1220)를 해당 각도에 맞게 기울인다. 그리고 슈라우드(1220)의 불필요한 부분(예를 들면, 인접하는 슈라우드(1220)와 맞닿게 되는 부분)을 제거한 후, 상기 아우터슈라우드(1222)를 상기 케이싱(1100)의 내주면에 삽입함으로써, 상기 베인(1200)을 상기 케이싱(1100)에 설치하게 된다.

여기서 만약 상기 쿨링홀(1220a) 가상선(1220b)을 따라 형성되지 않고 불규칙하게 형성되는 경우, 슈라우드(1220)의 불필요한 부분을 제거하는 단계에서, 이미 슈라우드(1220)에 형성된 쿨링홀(1220a)까지 함께 제거되는 문제가 발생한다. 하지만 상기와 같이 쿨링홀(1220a)을 가상선(1220b)을 따라 형성하는 경우, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, A-A선 또는 B-B선을 따라 슈라우드(1220)의 일부분을 제거하더라도, 쿨링홀(1220a)은 제거되지 않도록 할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 터빈 베인(1200), 터빈(100) 및 이를 포함하는 가스터빈(10)에 의하면, 제거되는 쿨링홀(1220a)을 최소화함으로써, 제품의 제조비용을 절감할 수 있으며 및 가스터빈(10)의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 가상선(1220b)은, 상기 이너슈라우드(1221)의 상면 또는 상기 아우터슈라우드(1222)의 하면을 기준으로 하였을 때, 상기 슈라우드(1220) 면의 각 변에 접하는 타원 형상일 수 있다. 이때, 상기 타원의 장축이 상기 에어포일(1210)의 길이방향으로 정렬되고, 상기 타원의 단축이 상기 에어포일(1210)의 두께방향으로 정렬되도록 상기 타원의 형상이 결정될 수 있다. 더욱 상세하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 슈라우드(1220)는 상기 에어포일(1210) 측에서 바라보았을 때 평행사변형의 형상이고, 상기 가상선(1220b)은 상기 에어포일(1210) 측에서 바라보았을 때 상기 상기 슈라우드(1220) 면의 각 변에 접하는 타원 형상이며, 장축이 상기 슈라우드(1220)의 상기 슈라우드(1220)의 평행사변형의 두 대각선 중 긴 것과 나란하도록 정렬되고, 상기 에어포일(1210)은 상기 가상선(1220b)의 타원형의 장축을 따라 정렬되는 형상이다..

도 4를 참조하면, 상기 가상선(1220b)은, 두 개의 원과 두 개의 선분에 의해 결정되는 도형의 외곽선(Outline)에 해당될 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 가상선(1220b)은, 상기 이너슈라우드(1221)의 상면 또는 상기 아우터슈라우드(1222)의 하면을 기준으로 하였을 때, 상기 슈라우드(1220) 면의 변 중 일 측의 인접하는 두 개의 변에 각각 접하는 제1원 및 타 측의 인접하는 두 개의 변에 각각 접하는 제2원과, 상기 제1원과 제2원에 각각 외접하는 두 개의 선분에 의해 형성되는 도형의 외곽선일 수 있다.

여기서, 상기 두 개의 선분은, 상기 에어포일(1210)을 가로지르지 않도록, 즉, 상기 제1원과 제2원의 사이에서 서로 교차하지 않도록 상기 제1원과 제2원에 각각 외접한다. 또한, 상기 외곽선은, 상기 제1원 및 제2원과 상기 두 개의 선분이 접하는 점을 기준으로 하여, 상기 두 개의 선분의 내측에 존재하는 부분을 제외한 제1원과 제2원의 호와, 상기 두 개의 선분에 의해 이루어지는 도형의 둘레를 의미한다.

도 5를 참조하면, 상기 가상선(1220b)은, 상기 슈라우드(1220)의 무게중심(G)을 중점으로 하는 원의 일부와, 이러한 원을 지나는 직선에 의해 둘러싸여지는 도형의 둘레에 해당될 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 가상선(1220b)은, 상기 이너슈라우드(1221)의 상면 또는 상기 아우터슈라우드(1222)의 하면을 기준으로 하였을 때, 상기 슈라우드(1220)의 무게중심(G)을 중점으로 하며, 상기 슈라우드(1220)의 무게중심(G)과 각 꼭짓점을 연결하는 선분 중 가장 작은 선분을 반지름으로 하는 원과, 상기 슈라우드(1220)의 무게중심(G)과 각 꼭짓점을 연결하는 선분 중 가장 큰 선분과 평행하되, 도 5에 도시된 원과 슈라우드(1220)의 변이 만나는 점을 지나는 직선에 의해 형성되는 도형의 내곽선(Inner line)에 해당될 수 있다.

상기 슈라우드(1220)의 면이 도 5에 도시된 것과 같이 평행사변형인 경우, 상기 내곽선은, 원의 외측에 존재하는 직선을 제외한 선분 2개와, 상기 슈라우드(1220) 면의 외측에 존재하는 부분을 제외한 원의 호 2개에 의해 이루어지는 도형의 둘레에 해당하게 된다.

하지만 상기 슈라우드(1220)의 면이 점대칭도형이 아닌 경우, 즉, 상기 슈라우드(1220)의 면이 무게중심(G)을 기준으로 하여 대칭이 아닌 경우, 상기 무게중심(G)과 꼭짓점을 연결한 선분 중 가장 큰 선분과 평행하면서, 원과 슈라우드(1220) 면이 만나는 점을 지나는 직선은, 상기 무게중심(G)을 기준으로 하여 양 측에 각각 복수개가 존재할 수 있다. 이 경우, 상기 내곽선은, 상기 무게중심(G)의 일 측에 배치된 복수개의 직선 중 상기 무게중심(G)과 가장 가까운 직선 하나와, 상기 무게중심(G)의 타 측에 배치된 복수개의 직선 중 상기 무게중심(G)과 가장 가까운 다른 직선 하나와, 상기 무게중심(G)을 중점으로 한 원이 각각 만나 형성되는 도형 중, 원의 외측에 존재하는 직선을 제외한 선분과, 상기 선분의 외측에 존재하는 부분을 제외한 원의 호에 의해 이루어지는 도형의 둘레에 해당하게 된다.

가스터빈(10)의 각 구동사양에 따라, 인접하는 상기 에어포일(1210)과 에어포일(1210)의 기울어지는 정도는 달라질 수 있다. 따라서 상기와 같은 가상선(1220b)의 다양한 형상 중, 상기 에어포일(1210)의 기울어진 정도에 적합한 적절한 형상을 선택함으로써, 상기 베인(1200)을 상기 케이싱(1100)의 내주면에 설치할 시에 제거되거나 재배치되어야 하는 쿨링홀(1220a)의 개수를 최소화할 수 있다.

한편, 상기 쿨링홀(1220a) 이외에도, 상기 슈라우드(1220)에는 보조쿨링홀(1220c)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 보조쿨링홀(1220c)은, 상기 슈라우드(1220) 중 상기 가상선(1220b)과 에어포일(1210) 사이의 부위에 형성된다. 이에 따라 상기 보조쿨링홀(1220c)은, 상기 에어포일(1210)의 표면 측으로 압축공기를 분사하여, 에어포일(1210)의 표면이 보다 더 효과적으로 냉각될 수 있도록 한다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈 베인(1200), 터빈(100) 및 이를 포함하는 가스터빈(10)에 의하면, 다양한 형상의 가상선(1220b;1221b,1222b)을 따라 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)이 형성됨으로써, 슈라우드(1220)의 일부가 제거됨에 따라 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)이 함께 제거되는 것을 방지할 수 있으며, 슈라우드(1220)의 회전에 따라 쿨링홀(1220a;1221a,1222a)을 재배치할 필요가 없어 가스터빈의 생산성을 향상시킬 수 있다.

10 : 가스터빈 100 : 터빈
1000 : 스테이터 1200 : 베인
1220 : 슈라우드 1220a,1221a,1222a : 쿨링홀
1220b,1221b,1222b : 가상선

Claims (21)

1. 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부에서 유동하는 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 다단(Multi-stage)의 터빈 베인에 있어서,
   상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일; 및
   상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하되,
   상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성되며,
   상기 슈라우드는, 상기 에어포일 측에서 보았을 때 평행사변형이고,
   상기 가상선은, 상기 에어포일 측에서 보았을 때 상기 슈라우드의 각 변에 접하는 타원형이며, 장축이 상기 슈라우드의 평행사변형의 두 대각선 중 긴 것과 나란하도록 정렬되고,
   상기 에어포일은, 상기 가상선의 타원형의 장축을 따라 정렬되는 가스터빈용 터빈 베인.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 쿨링홀은, 등 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 터빈 베인.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 슈라우드 중 상기 가상선과 에어포일 사이의 부위에는, 상기 에어포일을 향하여 복수개의 보조쿨링홀이 더 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 터빈 베인.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 한 쌍의 슈라우드는,
   상기 에어포일의 내측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 이너가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 이너쿨링홀이 형성된 이너슈라우드와,
   상기 에어포일의 외측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 아우터가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 아우터쿨링홀이 형성된 아우터슈라우드를 포함하는 가스터빈용 터빈 베인.
8. 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈에 있어서,
   케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 베인을 포함하는 스테이터; 및
   상기 케이싱의 내부에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되며 상기 베인과 베인의 사이에 배치되는 다단의 블레이드를 포함하며, 유동하는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하되,
   상기 베인은,
   상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일과,
   상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하며,
   상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성되며,
   상기 슈라우드는, 상기 에어포일 측에서 보았을 때 평행사변형이고,
   상기 가상선은, 상기 에어포일 측에서 보았을 때 상기 슈라우드의 각 변에 접하는 타원형이며, 장축이 상기 슈라우드의 평행사변형의 두 대각선 중 긴 것과 나란하도록 정렬되고,
   상기 에어포일은, 상기 가상선의 타원형의 장축을 따라 정렬되는 가스터빈용 터빈.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수개의 쿨링홀은, 등 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 터빈.
13. 청구항 8에 있어서,
    상기 슈라우드 중 상기 가상선과 에어포일 사이의 부위에는, 상기 에어포일을 향하여 복수개의 보조쿨링홀이 더 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈용 터빈.
14. 청구항 8에 있어서,
    상기 한 쌍의 슈라우드는,
    상기 에어포일의 내측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 이너가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 이너쿨링홀이 형성된 이너슈라우드와,
    상기 에어포일의 외측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 아우터가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 아우터쿨링홀이 형성된 아우터슈라우드를 포함하는 가스터빈용 터빈.
15. 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키며, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈을 포함하되,
    상기 터빈은,
    케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 케이싱의 내부에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되며 상기 베인과 베인의 사이에 배치되는 다단의 블레이드를 포함하며, 유동하는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하고,
    상기 베인은,
    상기 터빈 케이싱의 내주면에 설치되며, 전단(Front-stage)에서 전달받은 연소가스를 후단(Rear-stage) 측으로 안내하는 에어포일과,
    상기 에어포일의 내측 및 외측 단부에 각각 결합되며, 적어도 하나에 상기 에어포일을 향하여 복수개의 쿨링홀이 형성된 한 쌍의 슈라우드를 포함하며,
    상기 복수개의 쿨링홀은, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 가상선을 따라 형성되며,
    상기 슈라우드는, 상기 에어포일 측에서 보았을 때 평행사변형이고,
    상기 가상선은, 상기 에어포일 측에서 보았을 때 상기 슈라우드의 각 변에 접하는 타원형이며, 장축이 상기 슈라우드의 평행사변형의 두 대각선 중 긴 것과 나란하도록 정렬되고,
    상기 에어포일은, 상기 가상선의 타원형의 장축을 따라 정렬되는 가스터빈.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수개의 쿨링홀은, 등 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 가스터빈.
20. 청구항 15에 있어서,
    상기 슈라우드 중 상기 가상선과 에어포일 사이의 부위에는, 상기 에어포일을 향하여 복수개의 보조쿨링홀이 더 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈.
21. 청구항 15에 있어서,
    상기 한 쌍의 슈라우드는,
    상기 에어포일의 내측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 이너가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 이너쿨링홀이 형성된 이너슈라우드와,
    상기 에어포일의 외측 단부에 결합되며, 상기 에어포일을 이격하여 둘러싸는 아우터가상선을 따라 상기 에어포일을 향하여 복수개의 아우터쿨링홀이 형성된 아우터슈라우드를 포함하는 가스터빈.

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