KR101974740B1

KR101974740B1 - 가스 터빈

Info

Publication number: KR101974740B1
Application number: KR1020170125162A
Authority: KR
Inventors: 이지연
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-09-05
Also published as: KR20190036209A

Abstract

가스 터빈이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)과 연결되고, 후크부(36)가 형성된 앤드 월(38); 및 상기 앤드 월(38)에 형성되고, 상기 후크부(36)에 대한 냉각을 위해 냉각 공기가 유입되는 앤드 월 냉각부(300)를 포함한다.

Description

가스 터빈{Gas Turbine}

본 발명은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 터빈 베인의 앤드 월에 대한 냉각을 안정적으로 실시하기 위한 가스 터빈에 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.

이와 같이 사용되는 가스터빈의 터빈 베인은 표면에 대한 냉각을 위한 막 냉각법이 일반적으로 사용하고 있으며 이에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 터빈 베인은 표면으로 공급되는 핫 가스가 도면에로부터 도시된 바와 같이 이동된다.

핫 가스는 터빈 베인(3)으로 이동하여 리딩 엣지(3a)를 경유하여 표면을 따라 트레일링 엣지(3c)까지 이동하고, 앤드 월(3b)의 외측면과도 접촉된다.

상기 앤드 월(3b)은 고온의 핫 가스와 지속적으로 접촉될 경우 열피로 인한 변형이 발생되고 이로 인해 터빈 베인(3)을 수리 해야 되는 문제를 유발시킨다.

특히 핫 가스는 트레일링 엣지(3c)를 경유한 후에 위치된 앤드 월(3b)의 상면과 접촉되면서 표면 온도를 급격히 상승시키는데, 상기 위치로 냉각 공기가 분사되지 못할 경우 열 변형이 발생될 수 있어 이에 대한 시급한 대책이 필요하게 되었다.

특히 터빈 베인(3)은 앤드 월(3b)의 안정적인 냉각을 위해 막 냉각 방식을 위한 표면 냉각과 더불어 트레일링 엣지(3c)와 이웃한 앤드 월(3b)의 냉각을 위해 허브와 팁 사이에 다수개의 슬롯 홀(3d)이 형성된다.

상기 슬롯 홀(3d)은 수평 방향으로 개구되어 냉각 공기를 외측으로 분사하는데, 상기 앤드 월(3b)과는 배치된 레이 아웃으로 인해 냉각 공기가 표면을 향해 직접 분사되지 않는 현상이 지속되었다.

이 경우 상기 앤드 월(3b)은 표면이 핫 가스에 의해 가열되면서 열화 또는 열피와 같은 문제점이 유발되었다.

대한민국공개특허 제10-2015-0008749호

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인을 구성하는 앤드 월에 대한 냉각을 안정적으로 실시할 수 있는 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)과 연결된 앤드 월(38); 및 상기 터빈 베인(33)의 트레일링 엣지(35)에서 상기 허브(31)와 팁(32)에 이르는 구간에 형성되고, 상기 트레일링 엣지(35) 후단의 상기 앤드 월(38)에 대한 냉각을 위한 앤드 월 냉각 슬롯(300)이 구비되되, 상기 앤드 월(38)은 상기 허브(31)와 연결된 제1 앤드 월(38a)과, 상기 팁(32)과 연결된 제2 앤드월(38b)을 포함하고, 상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 상기 제1 앤드 월(38a)에 대한 냉각을 위해 형성된 제1 냉각 슬롯(310)과, 상기 제2 앤드 월(38b)에 대한 냉각을 위해 형성된 제2 냉각 슬롯(320)을 포함하며, 상기 제1 냉각 슬롯(310)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 제1 앤드 월(38a)과 가장 근접하여 위치되고 제1 경사각으로 경사진 제1 분사 슬롯(312)과, 상기 제1 분사 슬롯(312)의 일측 위치에서 상기 제1 분사 슬롯(312) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제1 경사각 보다 큰 경사각을 갖는 제2 경사각으로 경사진 제2 분사 슬롯(314)과, 상기 제2 분사 슬롯(314)의 일측 위치에서 상기 제2 분사 슬롯(314) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제2 경사각 보다 큰 경사각으로 경사진 제3 경사각으로 경사진 제3 분사 슬롯(316)을 포함하고, 상기 냉각 공기의 분사 속도가 증가되도록 상기 제1 분사 슬롯(312)에서 상기 제3 분사 슬롯(316)으로 갈수록 개구된 직경이 감소되며,
상기 제2 냉각 슬롯(320)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 제2 앤드 월(38b)과 가장 근접하여 위치되고 제4 경사각으로 경사진 제4 분사 슬롯(322)과, 상기 제4 분사 슬롯(322)의 일측 위치에서 상기 제4 분사 슬롯(322) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제4 경사각 보다 큰 경사각을 갖는 제5 경사각으로 경사진 제5 분사 슬롯(324)과, 상기 제5 분사 슬롯(324) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제5 경사각 보다 큰 제6 경사각으로 경사진 제6 분사 슬롯(326)을 포함하고,
상기 냉각 공기의 분사 속도가 증가되도록 상기 제4 분사 슬롯(322)에서 상기 제6 분사 슬롯(326)으로 갈수록 개구된 직경이 감소되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 냉각 슬롯(310)과 상기 제2 냉각 슬롯(320)은 상기 트레일링 엣지(35)의 후단에서 바라볼 때 좌우 대칭으로 배치된다.
상기 제1 내지 제3 분사 슬롯(312, 314, 316)에서 분사된 냉각 공기는 상기의 제1 앤드 월(38a)의 상면을 향해 서로 다른 위치로 분사되되, 서로 중첩되지 않는다.
상기 제4 내지 제6 분사 슬롯(322, 324, 326)에서 분사된 냉각 공기는 상기의 제2 앤드 월(38b)의 상면을 향해 서로 다른 위치로 분사되되, 서로 중첩되지 않는다.
상기 제1 냉각 슬롯(310)과 상기 제2 냉각 슬롯(320)은 45도 경사각으로 경사진다.
상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 터빈을 구성하는 제1 내지 제n 단 터빈 중 마지막 터빈 또는 상기 마지막 터빈과 함께 전단에 위치된 터빈에 구비된다.
상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 상기 앤드 월(38)을 향해 45도 ~ 60도 중에 선택되는 임의 의 경사각 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인에서 트레일링 엣지와 이웃한 앤드 월에 대한 안정적인 냉각을 도모할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 앤드 월을 향해 냉각 공기를 다양한 위치로 분사 시켜 넓은 면적에 대한 냉각을 실시할 수 있다.

도 1은 종래의 터빈 베인을 따라 이동하는 핫 가스의 이동 흐름을 도시한 사시도.
도 2는 본 실시 예에 의한 터빈 베인이 설치된 가스 터빈의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 제1 냉각 슬롯에서 냉각 공기가 분사되는 상태를 도시한 도면.

본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2를 참조하면, 가스 터빈은 외형을 이루는 케이싱(10)이 구비되고, 케이싱(10)의 후측(도 2 기준 우측)에는 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 전방에 압축기 섹션(12)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(30)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(12)과 상기 터빈 섹션(30)의 사이에는 상기 터빈 섹션(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(12)으로 전달하는 토크튜브(14)가 구비된다.

상기 압축기 섹션(12)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크들은 타이로드(15)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크 중앙을 상기 타이로드(15)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 타이로드(15)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 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.

하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

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, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연소기는 연료 분사 노즐 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.

상기 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 섹션(30)에는 복수의 터빈 로터 디스크가 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크는 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크와 유사한 형태를 갖는다.

상기 터빈 로터 디스크 역시 이웃한 터빈 로터 디스크와 결합되기 위한 구비한 플랜지를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 베인(33)(도 3 참조)를 포함한다. 상기 터빈 베인(33) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크에 결합될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(12)에서 압축되고, 연소기(11)에서 연소된 후, 터빈 섹션(30)으로 이동되어 터빈을 구동하고, 디퓨저를 통해 대기중으로 배출된다.

가스터빈의 효율을 증가시키기 위한 방법 중 대표적인 것은 터빈 섹션(30)으로 유입되는 가스의 온도를 높이는 것이나, 이 경우 상기 터빈 섹션(30)의 입구 온도가 증가하게 되는 현상이 발생된다.

또한 터빈 섹션(30)에 구비된 터빈 베인(33)에 문제가 발생하게 되고, 상기 터빈 베인(33)의 온도가 국부적으로 상승하면서 열응력(thermal Stress)이 발생 되며, 상기 열응력이 장시간 지속되면 크리프(creep) 현상으로 인해 터빈 베인(33)의 파괴까지 이어질 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈에 대해 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 참고로 첨부된 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인을 도시한 사시도 이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 제1 냉각 슬롯에서 냉각 공기가 분사되는 상태를 도시한 도면 이다.

첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈은 터빈 베인(33)과, 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)과 연결된 앤드 월(38) 및 상기 터빈 베인(33)의 트레일링 엣지(35)에서 상기 허브(31)와 팁(32)에 이르는 구간에 형성되고, 상기 트레일링 엣지(35) 후단의 상기 앤드 월(38)에 대한 냉각을 위한 앤드 월 냉각 슬롯(300)을 포함한다.

터빈 베인(33)은 핫 가스와 직접적으로 접촉되면서 표면이 고온으로 온도가 상승되나, 내부에 구비된 막 냉각부(100)에 의해 막 냉각으로 인한 냉각은 이루어진다.

냉각 공기는 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 이동할 때 밀착되어 이동하는 것이 안정적인 냉각 성능 유지에 유리하다. 예를 들면 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면에서 멀어지거나 표면을 따라 이동하지 못할 경우 불필요한 와류가 발생될 수 있다.

터빈 블레이드(33)는 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34)와, 상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a)과, 상기 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함한다.

상기 앤드 월(38)은 상기 허브(31)와 연결된 제1 앤드 월(38a)과, 상기 팁(32)과 연결된 제2 앤드월(38b)을 포함하고, 상기 핫 가스가 상기 앤드 월(38)을 따라 이동하면서 표면 온도가 상승된다.

본 실시 예는 상기 앤드 월(38) 중 제1 앤드 월(38a)과, 제2 앤드월(38b)에 대한 냉각을 위해 앤드 월 냉각 슬롯(300)이 구비된다.

상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 상기 제1 앤드 월(38a)에 대한 냉각을 위해 형성된 제1 냉각 슬롯(310)과, 상기 제2 앤드 월(38b)에 대한 냉각을 위해 형성된 제2 냉각 슬롯(320)을 포함한다. 상기 제1,2 냉각 슬롯(310, 320) 사이에는 수평 방향으로 단위 슬롯(302)이 형성된다.

상기 제1 냉각 슬롯(310)과 상기 제2 냉각 슬롯(320)은 상기 트레일링 엣지(35)의 후단에서 바라볼 때 좌우 대칭으로 배치된다. 핫 가스는 상기 제1,2 앤드 월(38a, 38b)의 표면을 따라 이동되므로 효율적인 냉각을 위해서는 제1,2 냉각 슬롯(310, 320)이 대칭으로 배치되어 냉각 공기를 분사할 경우 냉각 안정성이 향상될 수 있다.

상기 제1 냉각 슬롯(310)은 제1 내지 제3 분사 슬롯(312, 314, 316)을 포함하여 구성된다.

상기 제1 분사 슬롯(312)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 허브(31)와 가장 근접하여 위치되고 제1 경사각으로 경사지게 위치되며 도면에 도시된 형태는 일 실시 예에 의한 것으로 반드시 도면에 도시된 형태로 한정하지 않고 변경될 수 있다.

제2 분사 슬롯(314)은 상기 제1 분사 슬롯(312)의 상측에 위치되고, 제2 경사각으로 경사지게 위치된다.

제2 분사 슬롯(314)은 제1 분사 슬롯(312)과 상하로 이웃하여 배치되거나, 상기 제2 분사 슬롯(314)이 상기 제1 분사 슬롯(312) 보다 후방에 위치될 수 있다.

제3 분사 슬롯(316)은 상기 제2 분사 슬롯(314)의 상측에 위치되고, 제3 경사각으로 경사지게 구성된다.

상기 제3 분사 슬롯(316)이 배치된 위치는 냉각 공기가 제1 앤드 월(38a)의 표면을 향해 안정적으로 도달 가능한 이격 거리에 해당되는데, 상기 제3 분사 슬롯(330)이 상기 제1 앤드 월(38a)의 표면에서 너무 멀리 위치될 경우 냉각 공기에 의한 냉각 효과가 저하되므로 전술한 위치에 위치되는 것이 바람직할 수 있다.

본 실시 예에 의한 상기 제1 내지 제3 경사각은 서로 다른 경사각이 유지될 수 있다. 일 예로 상기 제1 내지 제3 분사 슬롯(312, 314, 316)에서 상기 제1 앤드 월(38a)을 향해 냉각 공기가 분사될 경우 각기 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기가 분사되는 것이 보다 넓은 면적에 대한 냉각을 실시하기 위해서이다.

일 예로 제1 분사 슬롯(312)은 제1 앤드 월(38a)과 가장 가까운 위치에 위치되고, 냉각 공기가 제1 앤드 월(38a)을 향해 분사될 경우 해당 영역을 집중적으로 냉각시킬 수 있다. 이 경우 제1 앤드 월(38a)은 냉각 공기에 의해 특정 영역의 온도가 하강 되므로 고온의 핫 가스에 의한 열 집중이 발생되는 현상이 감소하고, 열화로 인한 변형도 최소화 될 수 있다.

따라서 장기간 터빈 베인(33)이 사용되는 경우에도 고온의 핫 가스로 인한 수리 또는 교체로 인한 작동 중지 사태를 최소화 시킬 수 있다.

본 발명의 제2 분사 슬롯(314)은 제1 분사 슬롯(312) 보다 제1 앤드 월(38a)을 향해 원거리로 냉각 공기를 분사 시킨다. 이를 위해 상기 제2 분사 슬롯(314)은 제2 경사각으로 경사지며 제1 경사각 보다 큰 경사각으로 경사지게 구성된다.

제2 경사각은 제1 경사각 대비 특정 각도로 경사지는데, 최대 10도 이내의 경사각의 범위 이내에서 경사지게 배치된다. 이와 같이 구성되는 이유는 제1 분사 슬롯(312)에서 분사된 냉각 공기가 제1 앤드 월(38a)에 도착해서 냉각이 이루어지는 제1 영역(S1)과, 제2 분사 슬롯(314)에서 분사된 냉각 공기가 제1 앤드 월(38a)에 도착해서 냉각이 이루어지는 제2 영역(S2)의 이격 거리를 최소화 하여 상기 제1 앤드 월(38a)에 대한 효율적인 냉각을 실시하기 위해서이다.

이 경우 제1 앤드 월(38a)은 제1,2 영역(S1, S2)에서 표면 온도가 하강될 수 있고, 고온의 핫 가스에 의한 열 변형이 최소화 될 수 있다

제3 분사 슬롯(316)은 제2 분사 슬롯(314) 보다 제1 앤드 월(38a)을 향해 원거리로 냉각 공기를 분사 시킨다. 이를 위해 상기 제3 분사 슬롯(316)은 제3 경사각으로 경사지며 제2 경사각 보다 큰 경사각으로 경사지게 구성된다.

제3 분사 슬롯(316)은 제1,2 분사 슬롯(312, 314)에서 분사된 냉각 공기 중의 일부와 혼합되므로 상기 제2 영역(S2)과 이웃한 제3 영역(S3)에 분사되거나, 소정 길이만큼 이격된 위치로 분사될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 분사 슬롯(312, 314, 316)에서 분사된 냉각 공기는 상기의 제1 앤드 월(38a)의 상면을 향해 서로 다른 위치로 분사되되, 서로 중첩되지 않는다.

이 경우 냉각 공기는 제1 앤드 월(38a)에 대한 표면 냉각 효율이 향상되므로 핫 가스에 의한 온도 상승이 최소화 될 수 있어 내구성 향상과 냉각 효율 향상을 도모할 수 있다.

본 실시 예는 상기 제1 분사 슬롯(312)에서 상기 제3 분사 슬롯(316)으로 갈수록 개구된 직경이 감소될 수 있다. 직경은 속도와 반 비례 관계가 유지되는데, 상기 제3 분사 슬롯(316)으로 갈수록 상기 제1 앤드 월(38a)과의 이격 거리가 멀어지므로 냉각 공기의 분사 속도를 증가시키기 위해 위와 같이 구성한다.

일 예로 제1 내지 제3 분사 슬롯(312, 314, 316)은 직경이 모두 동일하게 구성되는 것도 가능하며 전술한 실시 예와 다른 직경으로 구성되는 것도 가능할 수 있다.

상기 제2 냉각 슬롯(320)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 팁(32)과 가장 근접하여 위치되고 제1 경사각으로 경사진 제4 분사 슬롯(322)과, 상기 제4 분사 슬롯(322)의 상측에 위치되고, 제2 경사각으로 경사진 제5 분사 슬롯(324)과, 상기 제5 분사 슬롯(324)의 상측에 위치되고, 제3 경사각으로 경사진 제6 분사 슬롯(326)을 포함한다.

상기 제4 분사 슬롯(322)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 팁(32)과 가장 근접하여 위치되고 제4 경사각으로 경사지게 위치되며 도면에 도시된 형태는 일 실시 예에 의한 것으로 반드시 도면에 도시된 형태로 한정하지 않고 변경될 수 있다.

제5 분사 슬롯(324)은 상기 제4 분사 슬롯(322)의 상측에 위치되고, 제5 경사각으로 경사지게 위치된다.

제5 분사 슬롯(324)은 제4 분사 슬롯(322)과 상하로 이웃하여 배치되거나, 상기 제5 분사 슬롯(324)이 상기 제4 분사 슬롯(322) 보다 후방에 위치될 수 있다.

제6 분사 슬롯(326)은 상기 제5 분사 슬롯(324)의 상측에 위치되고, 제6 경사각으로 경사지게 구성된다.

상기 제6 분사 슬롯(326)이 배치된 위치는 냉각 공기가 제2 앤드 월(38b)의 표면을 향해 안정적으로 도달 가능한 이격 거리에 해당되는데, 상기 제6 분사 슬롯(326)이 상기 제2 앤드 월(38b)의 표면에서 너무 멀리 위치될 경우 냉각 공기에 의한 냉각 효과가 저하되므로 전술한 위치에 위치되는 것이 바람직할 수 있다.

본 실시 예에 의한 상기 제4 내지 제6 경사각은 서로 다른 경사각이 유지될 수 있다. 일 예로 상기 제4 내지 제6 분사 슬롯(322, 324, 326)에서 상기 제2 앤드 월(38b)을 향해 냉각 공기가 분사될 경우 각기 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기가 분사되는 것이 보다 넓은 면적에 대한 냉각을 실시하기 위해서이다.

일 예로 제4 분사 슬롯(322)은 제2 앤드 월(38b)과 가장 가까운 위치에 위치되고, 냉각 공기가 제2 앤드 월(38b)을 향해 분사될 경우 해당 영역을 집중적으로 냉각시킬 수 있다. 이 경우 제2 앤드 월(38b)은 냉각 공기에 의해 특정 영역의 온도가 하강 되므로 고온의 핫 가스에 의한 열 집중이 발생되는 현상이 감소하고, 열화로 인한 변형도 최소화 될 수 있다.

본 발명의 제5 분사 슬롯(324)은 제4 분사 슬롯(322) 보다 제2 앤드 월(38b)을 향해 원거리로 냉각 공기를 분사 시킨다. 이를 위해 상기 제5 분사 슬롯(324)은 제5 경사각으로 경사지며 제4 경사각 보다 큰 경사각으로 경사지게 구성된다.

제5 경사각은 제4 경사각 대비 특정 각도로 경사지는데, 최대 10도 이내의 경사각의 범위 이내에서 경사지게 배치된다. 이와 같이 제2 경사각이 구성되는 이유는 제4 분사 슬롯(322)에서 분사된 냉각 공기가 제2 앤드 월(38b)에 도착해서 냉각이 이루어지는 제1 영역(S1)과, 제5 분사 슬롯(324)에서 분사된 냉각 공기가 제2 앤드 월(38b)에 도착해서 냉각이 이루어지는 제2 영역(S2)의 이격 거리를 최소화 하여 상기 제2 앤드 월(38b)에 대한 효율적인 냉각을 실시하기 위해서이다.

이 경우 제2 앤드 월(38b)은 제1,2 영역(S1, S2)에서 표면 온도가 하강될 수 있고, 고온의 핫 가스에 의한 열 변형이 최소화 될 수 있다

제6 분사 슬롯(326)은 제5 분사 슬롯(324) 보다 제2 앤드 월(38b)을 향해 원거리로 냉각 공기를 분사 시킨다. 이를 위해 상기 제6 분사 슬롯(326)은 제6 경사각으로 경사지며 제5 경사각 보다 큰 경사각으로 경사지게 구성된다.

제6 분사 슬롯(326)은 제4,5 분사 슬롯(322, 324)에서 분사된 냉각 공기 중의 일부와 혼합되므로 상기 제2 영역(S2)과 이웃한 제3 영역(S3)에 분사되거나, 소정 길이만큼 이격된 위치로 분사될 수 있다.

상기 제4 내지 제6 분사 슬롯(322, 324, 326)에서 분사된 냉각 공기는 상기의 제2 앤드 월(38b)의 상면을 향해 서로 다른 위치로 분사되되, 서로 중첩되지 않는다.

이 경우 냉각 공기는 제2 앤드 월(38b)에 대한 표면 냉각 효율이 향상되므로 핫 가스에 의한 온도 상승이 최소화 될 수 있어 내구성 향상과 냉각 효율 향상을 도모할 수 있다.

본 실시 예는 상기 제4 분사 슬롯(322)에서 상기 제6 분사 슬롯(326)으로 갈수록 개구된 직경이 감소될 수 있다. 직경은 속도와 반 비례 관계가 유지되는데, 상기 제6 분사 슬롯(326)으로 갈수록 상기 제2 앤드 월(38b)과의 이격 거리가 멀어지므로 냉각 공기의 분사 속도를 증가시키기 위해 위와 같이 구성한다.

일 예로 제4 내지 제6 분사 슬롯(322, 324, 326)은 직경이 모두 동일하게 구성되는 것도 가능하며 전술한 실시 예와 다른 직경으로 구성되는 것도 가능할 수 있다.

본 실시 예에 의한 상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 터빈을 구성하는 제1 내지 제n 단 터빈 중 마지막 터빈 또는 상기 마지막 터빈과 함께 전단에 위치된 터빈에 구비될 수 있다.

마지막 터빈에 위치된 터빈 베인은 핫 가스가 제1 단과 제2 단을 순차적으로 경유하여 이동되므로 고온의 온도 분위기가 유지된다. 이 경우 제1,2 앤드 월(38a, 38b)은 고온의 온도가 유지되므로 안정적인 냉각을 위해 앤드 월 냉각 슬롯(300)이 구비된다.

본 실시 예에 의한 상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 상기 앤드 월(38)을 향해 45도 ~ 60도 중에 선택되는 임의 의 경사각 중의 어느 하나로 경사질 수 있다.

전술한 경사각은 일 예로 45도의 각도로 경사지는 것이 바람직하며 전술한 각도 보다 큰 경사각을 갖도록 구성되는 것도 가능할 수 있다.

삭제

33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
38 : 앤드 월
38a : 제1 앤드 월
38b : 제2 앤드 월

Claims

가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33);
상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)과 연결된 앤드 월(38); 및
상기 터빈 베인(33)의 트레일링 엣지(35)에서 상기 허브(31)와 팁(32)에 이르는 구간에 형성되고, 상기 트레일링 엣지(35) 후단의 상기 앤드 월(38)에 대한 냉각을 위한 앤드 월 냉각 슬롯(300)이 구비되되,
상기 앤드 월(38)은 상기 허브(31)와 연결된 제1 앤드 월(38a)과, 상기 팁(32)과 연결된 제2 앤드월(38b)을 포함하고,
상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 상기 제1 앤드 월(38a)에 대한 냉각을 위해 형성된 제1 냉각 슬롯(310)과, 상기 제2 앤드 월(38b)에 대한 냉각을 위해 형성된 제2 냉각 슬롯(320)을 포함하며,
상기 제1 냉각 슬롯(310)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 제1 앤드 월(38a)과 가장 근접하여 위치되고 제1 경사각으로 경사진 제1 분사 슬롯(312)과, 상기 제1 분사 슬롯(312)의 일측 위치에서 상기 제1 분사 슬롯(312) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제1 경사각 보다 큰 경사각을 갖는 제2 경사각으로 경사진 제2 분사 슬롯(314)과, 상기 제2 분사 슬롯(314)의 일측 위치에서 상기 제2 분사 슬롯(314) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제2 경사각 보다 큰 경사각으로 경사진 제3 경사각으로 경사진 제3 분사 슬롯(316)을 포함하고, 냉각 공기의 분사 속도가 증가되도록 상기 제1 분사 슬롯(312)에서 상기 제3 분사 슬롯(316)으로 갈수록 개구된 직경이 감소되며,
상기 제2 냉각 슬롯(320)은 상기 트레일링 엣지(35)에서 상기 제2 앤드 월(38b)과 가장 근접하여 위치되고 제4 경사각으로 경사진 제4 분사 슬롯(322)과, 상기 제4 분사 슬롯(322)의 일측 위치에서 상기 제4 분사 슬롯(322) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제4 경사각 보다 큰 경사각을 갖는 제5 경사각으로 경사진 제5 분사 슬롯(324)과, 상기 제5 분사 슬롯(324) 보다 상기 트레일링 엣지(35)에 근접하여 위치되며 상기 제5 경사각 보다 큰 제6 경사각으로 경사진 제6 분사 슬롯(326)을 포함하고,
상기 냉각 공기의 분사 속도가 증가되도록 상기 제4 분사 슬롯(322)에서 상기 제6 분사 슬롯(326)으로 갈수록 개구된 직경이 감소되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 냉각 슬롯(310)과 상기 제2 냉각 슬롯(320)은 상기 트레일링 엣지(35)의 후단에서 바라볼 때 좌우 대칭으로 배치된 가스 터빈.
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 분사 슬롯(312, 314, 316)에서 분사된 냉각 공기는 상기의 제1 앤드 월(38a)의 상면을 향해 서로 다른 위치로 분사되되, 서로 중첩되지 않는 가스 터빈.
삭제
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제4 내지 제6 분사 슬롯(322, 324, 326)에서 분사된 냉각 공기는 상기의 제2 앤드 월(38b)의 상면을 향해 서로 다른 위치로 분사되되, 서로 중첩되지 않는 가스 터빈.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 냉각 슬롯(310)과 상기 제2 냉각 슬롯(320)은 45도 경사각으로 경사진 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 터빈을 구성하는 제1 내지 제n 단 터빈 중 마지막 터빈 또는 상기 마지막 터빈과 함께 전단에 위치된 터빈에 구비된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 앤드 월 냉각 슬롯(300)은 상기 앤드 월(38)을 향해 45도 ~ 60도 중에 선택되는 임의 의 경사각 중의 어느 하나인 가스 터빈.
삭제
삭제
삭제