KR101985097B1 - 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 축방향으로 조립된 복수의 로터를 포함하고, 상기 복수의 로터는 허스부에 의해 서로 결합되고, 상기 허스부보다 반경 방향 바깥에 축방향으로 양측에 형성되는 두 개의 래버린스(Labyrinth) 아암부를 포함하고, 상기 래버린스 아암부 중 제1 래버린스 아암부에 수용홈이 형성되어 상기 수용홈을 따라 밀봉 링이 배치되는, 가스터빈의 로터 디스크 어셈블리를 제공한다. 본 발명에 의한 로터 디스크 어셈블리에 따르면, 디스크 사이의 밀봉력이 향상되고, 디스크의 반경 방향 배열이 열팽창 등으로 틀어지는 경우에도 밀봉력을 유지할 수 있다. 또한, 양측의 래버린스 아암부 중 하나의 래버린스 아암부에만 홈을 형성하므로, 제조 공정이 간편해질 수 있다.

Description

가스 터빈{GAS TURBINE}
본 발명은, 가스 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.
이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력 터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기 터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기 터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈 및 로터를 포함한다.
상기 압축기는 서로 교대로 배치되는 복수의 압축기 베인과 복수의 압축기 블레이드를 포함한다.
상기 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스를 생성한다.
상기 터빈은 서로 교대로 배치되는 복수의 터빈 베인과 복수의 터빈 블레이드를 포함한다.
상기 로터는 상기 압축기, 상기 연소기 및 상기 터빈의 중심부를 관통하도록 형성되고, 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 일단부가 발전기의 구동축에 연결된다.
그리고, 상기 로터는 상기 압축기 블레이드와 체결되는 복수의 압축기 로터 디스크, 상기 터빈 블레이드와 체결되는 복수의 터빈 로터 디스크 및 상기 터빈 로터 디스크로부터 상기 압축기 로터 디스크로 회전력을 전달하는 토크 튜브를 포함한다.
이러한 구성에 따른 가스 터빈은, 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 연소실에서 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스로 변환되고, 이렇게 만들어진 연소 가스가 터빈 측으로 분사되며, 분사된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 상기 로터가 회전하게 된다.
이러한 가스 터빈은 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.
로터 디스크들은 서로 축방향으로 정렬되어 조립되고, 래버린스 아암부 사이에는 밀봉 부재가 삽입되어 디스크 내외부의 공기가 누설되는 것을 방지하도록 설계된다. 그런데 상기 밀봉 부재는 종래에 양측 래버린스 아암부에 각각 파인 홈에 양쪽으로 삽입되는 형태로 형성되었던 이유로, 인접한 디스크들이 열팽창하여 변형되거나 서로 정렬이 틀어지면 밀봉 부재도 함께 틀어지거나 빠지면서 밀봉력이 손실되는 문제점이 있었다.
대한민국 특허 제10-0750415호
따라서, 본 발명은, 밀봉력을 향상시킬 수 있는 로터 디스크 어셈블리를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 로터 디스크의 열팽창 또는 회전에 의한 비틀림 등으로 인접한 래버린스 아암부 사이가 틀어지더라도 밀봉력을 유지할 수 있는 로터 디스크 어셈블리를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 축방향으로 조립된 복수의 로터 디스크를 포함하고, 상기 복수의 로터 디스크는 허스부에 의해 서로 결합되고, 상기 허스부보다 반경 방향 바깥에 축방향으로 양측에 형성되는 두 개의 래버린스(Labyrinth) 아암부를 포함하고, 상기 래버린스 아암부 중 제1 래버린스 아암부에 수용홈이 형성되어 상기 수용홈을 따라 밀봉 링이 배치되는, 가스터빈의 로터 디스크 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 래버린스 아암부의 단부는 평평하고, 상기 래버린스 아암부의 단부와 인접한 로터 디스크의 마주보는 래버린스 아암부의 단부 사이에 간극이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링의 두께는 상기 간극의 길이보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용홈은 상기 제1 래버린스 아암부의 단부에서 내부로 갈수록 좁아지는 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용홈을 축방향으로 자른 단면은 원추형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링은 회전방지 핀을 포함하고, 상기 제1 래버린스 아암부의 수용홈 내측에는 상기 회전방지 핀이 삽입 설치되는 삽입홈이 추가로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전방지 핀은 복수개이며, 상기 밀봉 링 상에 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용홈은 반경 방향 외측에 형성된 제1 경사면, 반경 방향 내측에 형성된 제2 경사면, 및 상기 제1 경사면 및 제2 경사면 사이에 형성된 꼭지부를 포함하고, 상기 제1 경사면은 상기 꼭지부에서 반경방향 바깥으로 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링은 탄성체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링은 로터의 회전시에 반경 방향으로 늘어나면서 상기 간극을 막도록 구성될 수 있다.
본 발명은 또한, 디스크 플레이트; 상기 디스크 플레이트의 전면 및 후면 상에 원주 방향을 따라 형성되어 인접한 디스크 플레이트에 결합되는 허스부; 및 상기 허스부보다 반경 방향 외측에 원주 방향을 따라 형성되는 래버린스 아암부;를 포함하고, 상기 래버린스 아암부는 상기 디스크 플레이트의 전면에 형성되는 제1 래버린스 아암부 및 상기 디스크 플레이트의 후면에 형성되는 제2 래버린스 아암부를 포함하며, 상기 제1 래버린스 아암부의 단부에 수용홈이 형성되어 상기 수용홈을 따라 밀봉 링이 배치되고, 상기 제2 래버린스 아암부의 단부는 평면인, 가스터빈의 로터 디스크를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링의 두께는 상기 제1 래버린스 아암부의 단부와 인접하는 로터 디스크의 마주보는 제2 래버린스 아암부의 단부 사이에 형성되는 간극의 길이보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용홈은 상기 제1 래버린스 아암부의 단부에서 내부로 갈수록 좁아지는 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용홈을 축방향으로 자른 단면은 원추형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링은 회전방지 핀을 포함하고, 상기 제1 래버린스 아암부의 수용홈 내측에는 상기 회전방지 핀이 삽입 설치되는 삽입홈이 추가로 형성될 수 있다.
상기 회전방지 핀은 복수개이며, 상기 밀봉 링 상에 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용홈은 반경 방향 외측에 형성된 제1 경사면, 반경 방향 내측에 형성된 제2 경사면, 및 상기 제1 경사면 및 제2 경사면 사이에 형성된 꼭지부를 포함하고, 상기 제1 경사면은 상기 꼭지부에서 반경방향 바깥으로 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링은 탄성체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 밀봉 링은 로터의 회전시에 반경 방향으로 늘어나면서 상기 간극을 막도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 래버린스 아암부와 상기 허스부 사이에는 가압 공간이 형성된다.
본 발명에 의한 로터 디스크 어셈블리에 따르면, 디스크 사이의 밀봉력이 향상되고, 디스크의 반경 방향 배열이 열팽창 등으로 틀어지는 경우에도 밀봉력을 유지할 수 있다.
또한, 양측의 래버린스 아암부 중 하나의 래버린스 아암부에만 홈을 형성하므로, 제조 공정이 간편해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 디스크 어셈블리를 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 A부분의 확대단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀봉 링을 도시한 정면도.
도 5는 도 4의 B 방향으로 바라본 회전방지 핀을 포함하는 밀봉 링을 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 회전방지 핀을 포함하는 밀봉 링을 도시한 정면도.
이하, 본 발명에 의한 가스 터빈을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈을 도시한 단면도이고, 도 2는인접한 두 로터 디스크(6300, 7300)를 도시한 단면도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 하우징(100), 상기 하우징(100)의 내부에 회전 가능하게 구비되는 로터(600), 상기 로터(600)로부터 회전력을 전달받아 상기 하우징(100)으로 유입되는 공기를 압축하는 압축기(200), 상기 압축기(200)에서 압축된 공기에 연료를 혼합하고 점화하여 연소 가스를 생성하는 연소기(400), 상기 연소기(400)로부터 생성된 연소 가스로부터 회전력을 얻어 상기 로터(600)를 회전시키는 터빈(500), 발전을 위해 상기 로터(600)에 연동되는 발전기 및 상기 터빈(500)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저를 포함할 수 있다.
상기 하우징(100)은, 상기 압축기(200)가 수용되는 압축기 하우징(110), 상기 연소기(400)가 수용되는 연소기 하우징(120) 및 상기 터빈(500)이 수용되는 터빈 하우징(130)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축기 하우징(110), 상기 연소기 하우징(120) 및 상기 터빈 하우징(130)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.
상기 로터(600)는, 상기 압축기 하우징(110)에 수용되는 압축기 로터 디스크(610), 상기 터빈 하우징(130)에 수용되는 터빈 로터 디스크(630) 및 상기 연소기 하우징(120)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(610)와 상기 터빈 로터 디스크(630)를 연결하는 토크 튜브(620), 상기 압축기 로터 디스크(610), 상기 토크 튜브(620) 및 상기 터빈 로터 디스크(630)를 체결하는 타이 로드(640)와 고정 너트(650)를 포함할 수 있다.
상기 압축기 로터 디스크(610)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(610)는 다단으로 형성될 수 있다.
그리고, 각 압축기 로터 디스크(610)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에 후술할 압축기 블레이드(210)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)이 형성될 수 있다.
상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)은, 후술할 압축기 블레이드(210)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)으로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 압축기 로터 디스크(610)와 후술할 압축기 블레이드(210)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우 액셜 타입으로 결합되도록 형성된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)은 상기 압축기 로터 디스크(610)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 터빈 로터 디스크(630)는 상기 압축기 로터 디스크(610)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(630)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(630)는 다단으로 형성될 수 있다.
그리고, 각 터빈 로터 디스크(630)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에 후술할 터빈 블레이드(510)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)이 형성될 수 있다.
상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)은, 후술할 터빈 블레이드(510)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)으로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 터빈 로터 디스크(630)와 후술할 터빈 블레이드(510)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우 액셜 타입으로 결합되도록 형성된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)은 상기 터빈 로터 디스크(630)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 토크 튜브(620)는 상기 터빈 로터 디스크(630)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(610)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(610)와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(630)와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(620)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(610)와 상기 터빈 로터 디스크(630) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(620)가 상기 압축기 로터 디스크(610) 및 상기 터빈 로터 디스크(630)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.
그리고, 상기 토크 튜브(620)는, 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(620)를 통과하여 상기 터빈(500)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 토크 튜브(620)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.
상기 타이 로드(640)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610), 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(610) 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(630)를 기준으로 상기 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(650)와 체결될 수 있다.
여기서, 상기 고정 너트(650)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(630)를 상기 압축기(200) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(610)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(630) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610), 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630)가 상기 로터(600)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610), 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드(640)가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(610), 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(630)의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기(200) 측과 터빈(500) 측에 각각 별도의 타이 로드(640)가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드(640)가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
이러한 구성에 따른 상기 로터(600)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.
상기 압축기(200)는, 상기 로터(600)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(210) 및 상기 압축기 블레이드(210)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 하우징(100)에 고정 설치되는 압축기 베인(220)을 포함할 수 있다.
상기 압축기 블레이드(210)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(210)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(210)는 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
그리고, 각 압축기 블레이드(210)는, 판형의 압축기 블레이드 플랫폼부(212), 상기 압축기 블레이드 플랫폼부(212)로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 구심 측으로 연장되는 압축기 블레이드 루트부(214) 및 상기 압축기 블레이드 플랫폼부(212)로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 원심 측으로 연장되는 압축기 블레이드 에어 포일부(216)를 포함할 수 있다.
상기 압축기 블레이드 플랫폼부(212)는 이웃하는 압축기 블레이드 플랫폼부(212)와 접하며 상기 압축기 블레이드 에어 포일부(216) 사이 간격을 유지시키는 역할을 할 수 있다.
상기 압축기 블레이드 루트부(214)는 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)에 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 압축기 블레이드 루트부(214)는 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 본 실시예의 경우 상기 압축기 블레이드 루트부(214)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드(210)를 상기 압축기 로터 디스크(610)에 체결할 수 있다.
그리고, 상기 압축기 블레이드 루트부(214)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)은, 상기 압축기 블레이드 루트부(214)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)이 용이하게 체결 가능하도록, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)이 상기 압축기 블레이드 루트부(214)보다 크게 형성되고, 결합된 상태에서 상기 압축기 블레이드 루트부(214)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612) 사이에 간극이 형성될 수 있다.
그리고, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 압축기 블레이드 루트부(214)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)은 별도의 핀에 의해 고정되어, 상기 압축기 블레이드 루트부(214)가 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯(612)으로부터 상기 로터(600)의 축 방향으로 이탈되는 것이 방지될 수 있다.
상기 압축기 블레이드 에어 포일부(216)는 가스 터빈 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 공기의 유동 방향 상 상류 측에 위치되어 공기가 입사되는 리딩 에지(leading edge)(216a) 및 공기의 유동 방향 상 하류 측에 위치되어 공기가 출사되는 트레일링 에지(trailing edge)(216b)를 포함할 수 있다.
상기 압축기 베인(220)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(220)은 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(220)과 상기 압축기 블레이드(210)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
그리고, 복수의 상기 압축기 베인(220)은 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
그리고, 각 압축기 베인(220)은, 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 환형으로 형성되는 압축기 베인 플랫폼부(222, 224) 및 상기 압축기 베인 플랫폼부(222, 224)로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향으로 연장되는 압축기 베인 에어 포일부(226)를 포함할 수 있다.
상기 압축기 베인 플랫폼부(222, 224)는, 상기 압축기 베인 에어 포일부(226)의 익근부에 형성되고 상기 압축기 하우징(110)에 체결되는 루트 측 압축기 베인 플랫폼부(222) 및 상기 압축기 베인 에어 포일부(226)의 익단부에 형성되고 상기 로터(600)에 대향되는 팁 측 압축기 베인 플랫폼부(224)를 포함할 수 있다.
여기서, 본 실시예에 따른 상기 압축기 베인 플랫폼부(222, 224)는 상기 압축기 베인 에어 포일부(226)의 익근부 뿐만 아니라 익단부를 지지함으로써 상기 압축기 베인 에어 포일부(226)를 더욱 안정적으로 지지하기 위해 상기 루트 측 압축기 베인 플랫폼부(222) 및 상기 팁 측 압축기 베인 플랫폼부(224)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 베인 플랫폼부는 상기 루트 측 압축기 베인 플랫폼부(222)를 포함하여 상기 압축기 베인 에어 포일부(226)의 익근부만 지지하도록 형성될 수도 있다.
상기 압축기 베인 에어 포일부(226)는 가스 터빈 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 공기의 유동 방향 상 상류 측에 위치되어 공기가 입사되는 리딩 에지(226a) 및 공기의 유동 방향 상 하류 측에 위치되어 공기가 출사되는 트레일링 에지(226b)를 포함할 수 있다.
상기 연소기(400)는 상기 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기(400) 및 상기 터빈(500)이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 연소기(400)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(400)는 상기 연소기 하우징(120)에 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.
그리고, 각 연소기(400)는, 상기 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너(410), 상기 라이너(410)에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너(420) 및 상기 버너(420)에서 생성되는 연소 가스를 상기 터빈(500)으로 안내하는 트랜지션 피스(430)를 포함할 수 있다.
상기 라이너(410)는, 연소실을 형성하는 화염통(412) 및 상기 화염통(412)을 감싸면서 환형 공간을 형성하는 플로우 슬리브(414)를 포함할 수 있다.
상기 버너(420)는, 상기 연소실로 유입되는 공기에 연료를 분사하도록 상기 라이너(410)의 전단 측에 형성되는 연료 분사 노즐(422) 및 상기 연소실에서 혼합된 공기와 연료가 착화되도록 상기 라이너(410)의 벽부에 형성되는 점화 플러그(424)를 포함할 수 있다.
상기 트랜지션 피스(430)는 연소 가스의 높은 온도에 의해 손상되지 않도록 그 트랜지션 피스(430)의 외벽부가 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기에 의해 냉각되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 트랜지션 피스(430)에는 공기를 내부로 분사하기 위한 냉각 홀이 형성되고, 공기가 그 냉각 홀을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킬 수 있다.
한편, 상기 트랜지션 피스(430)를 냉각시킨 공기는 상기 라이너(410)의 환형 공간으로 유동되고, 상기 라이너(410)의 외벽에는 상기 플로우 슬리브(414)의 외부에서 공기가 상기 플로우 슬리브(414)에 마련되는 냉각 홀을 통해 냉각 공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 압축기(200)와 상기 연소기(400) 사이에는 상기 연소기(400)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(desworler)가 형성될 수 있다.
상기 터빈(500)은 상기 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 터빈(500)은, 상기 로터(600)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(510) 및 상기 터빈 블레이드(510)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 하우징(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(520)을 포함할 수 있다.
상기 터빈 블레이드(510)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(510)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(510)는 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
그리고, 각 터빈 블레이드(510)는, 판형의 터빈 블레이드 플랫폼부(512), 상기 터빈 블레이드 플랫폼부(512)로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 구심 측으로 연장되는 터빈 블레이드 루트부(514) 및 상기 터빈 블레이드 플랫폼부(512)로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 원심 측으로 연장되는 터빈 블레이드 에어 포일부(516)를 포함할 수 있다.
상기 터빈 블레이드 플랫폼부(512)는 이웃하는 터빈 블레이드 플랫폼부(512)와 접하며 상기 터빈 블레이드 에어 포일부(516) 사이 간격을 유지시키는 역할을 할 수 있다.
상기 터빈 블레이드 루트부(514)는 전술한 바와 같이 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)에 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 터빈 블레이드 루트부(514)는 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 본 실시예의 경우 상기 터빈 블레이드 루트부(514)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드(510)를 상기 터빈 로터 디스크(630)에 체결할 수 있다.
그리고, 상기 터빈 블레이드 루트부(514)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)은, 상기 터빈 블레이드 루트부(514)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)이 용이하게 체결 가능하도록, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)이 상기 터빈 블레이드 루트부(514)보다 크게 형성되고, 결합된 상태에서 상기 터빈 블레이드 루트부(514)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632) 사이에 간극이 형성될 수 있다.
그리고, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 터빈 블레이드 루트부(514)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)은 별도의 핀에 의해 고정되어, 상기 터빈 블레이드 루트부(514)가 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯(632)으로부터 상기 로터(600)의 축 방향으로 이탈되는 것이 방지될 수 있다.
상기 터빈 블레이드 에어 포일부(516)는 가스 터빈 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소 가스의 유동 방향 상 상류 측에 위치되어 연소 가스가 입사되는 리딩 에지(516a) 및 연소 가스의 유동 방향 상 하류 측에 위치되어 연소 가스가 출사되는 트레일링 에지(516b)를 포함할 수 있다.
상기 터빈 베인(520)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(520)은 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(520)과 상기 터빈 블레이드(510)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
그리고, 복수의 상기 터빈 베인(520)는 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
그리고, 각 터빈 베인(520)은, 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 환형으로 형성되는 터빈 베인 플랫폼부(522, 524) 및 상기 터빈 베인 플랫폼부(522, 524)로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향으로 연장되는 터빈 베인 에어 포일부(526)를 포함할 수 있다.
상기 터빈 베인 플랫폼부(522, 524)는, 상기 터빈 베인 에어 포일부(526)의 익근부에 형성되고 상기 터빈 하우징(130)에 체결되는 루트 측 터빈 베인 플랫폼부(522) 및 상기 터빈 베인 에어 포일부(526)의 익단부에 형성되고 상기 로터(600)에 대향되는 팁 측 터빈 베인 플랫폼부(524)를 포함할 수 있다.
여기서, 본 실시예에 따른 상기 터빈 베인 플랫폼부(522, 524)는 상기 터빈 베인 에어 포일부(526)의 익근부 뿐만 아니라 익단부를 지지함으로써 상기 터빈 베인 에어 포일부(526)를 더욱 안정적으로 지지하기 위해 상기 루트 측 터빈 베인 플랫폼부(522) 및 상기 팁 측 터빈 베인 플랫폼부(524)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 터빈 베인 플랫폼부는 상기 루트 측 터빈 베인 플랫폼부(522)를 포함하여 상기 터빈 베인 에어 포일부(526)의 익근부만 지지하도록 형성될 수도 있다.
상기 터빈 베인 에어 포일부(526)는 가스 터빈 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소 가스의 유동 방향 상 상류 측에 위치되어 연소 가스가 입사되는 리딩 에지(526a) 및 연소 가스의 유동 방향 상 하류 측에 위치되어 연소 가스가 출사되는 트레일링 에지(526b)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 터빈(500)은 상기 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로, 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 가스 터빈은, 상기 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(500)으로 공급하는 냉각 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로는 상기 하우징(100)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터(600)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다.
그리고, 상기 냉각 유로는 상기 터빈 블레이드(510)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 상기 터빈 블레이드(510)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다.
그리고, 상기 터빈 블레이드 쿨링 유로는 상기 터빈 블레이드(510)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(510)의 표면에 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드(510)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다.
이외에도, 상기 터빈 베인(520) 역시 상기 터빈 블레이드(510)와 유사하게 상기 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 터빈(500)은 상기 터빈 블레이드(510)가 원활히 회전 가능하도록 상기 터빈 블레이드(510)의 익단과 상기 터빈 하우징(130)의 내주면 사이에 간극을 필요로 한다.
다만, 상기 간극은 넓을수록 상기 터빈 블레이드(510)와 상기 터빈 하우징(130) 사이 간섭 방지 측면에서 유리하지만 연소 가스 누설 측면에서 불리하고, 좁을수록 그 반대가 된다. 즉, 상기 연소기(400)로부터 분사되는 연소 가스의 유동은 상기 터빈 블레이드(510)를 관류하는 주 유동 및 상기 터빈 블레이드(510)와 상기 터빈 하우징(130) 사이 간극을 통과하는 누설 유동으로 구분될 수 있는데, 상기 간극이 넓을수록, 상기 누설 유동이 증가되어 가스 터빈 효율이 저하되나, 열 변형 등에 의한 상기 터빈 블레이드(510)와 상기 터빈 하우징(130) 사이 간섭 및 그에 따른 손상이 방지될 수 있다. 반면, 상기 간극이 좁을수록, 상기 누설 유동이 감소되어 가스 터빈 효율이 향상되나, 열 변형 등에 의한 상기 터빈 블레이드(510)와 상기 터빈 하우징(130) 사이 간섭 및 이에 따른 손상이 발생될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 가스 터빈은, 상기 터빈 블레이드(510)와 상기 터빈 하우징(130) 사이 간섭 및 이에 따른 손상을 방지하면서 가스 터빈 효율 저하를 최소화할 수 있는 적정한 간극을 확보하도록, 실링 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 실링 수단은, 상기 터빈 블레이드(510)의 익단에 위치하는 슈라우드, 상기 슈라우드로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 원심 측으로 돌출되는 래버린스 실 및 상기 터빈 하우징(130)의 내주면에 설치되는 허니콤 실을 포함할 수 있다.
이러한 구성에 따른 상기 실링 수단은, 상기 래버린스 실과 상기 허니콤 실 사이에 적정의 간극이 형성됨으로써, 연소 가스 누설에 의한 가스 터빈 효율 저하를 최소화하면서, 고속으로 회전되는 상기 슈라우드와 고정되어 있는 상기 허니콤 실 사이의 직접적인 접촉 및 이에 따른 손상을 방지할 수 있다.
이외에도, 상기 터빈(500)은 상기 터빈 베인(520)과 상기 로터(600) 사이에서의 누설을 차단하기 위한 실링 수단을 더 포함할 수 있고, 이에는 상술한 상기 래버린스 실 외에 브러시 실 등이 활용될 수 있다.
이러한 구성에 따른 가스 터빈은, 상기 하우징(100)으로 유입되는 공기가 상기 압축기(200)에 의해 압축되고, 상기 압축기(200)에 의해 압축된 공기가 상기 연소기(400)에 의해 연료와 혼합된 뒤 연소되어 연소 가스가 되고, 상기 연소기(400)에서 생성된 연소 가스가 상기 터빈(500)으로 유입되고, 상기 터빈(500)으로 유입된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드(510)를 통해 상기 로터(600)를 회전시킨 후 상기 디퓨저를 통해 대기로 배출되며, 연소 가스에 의해 회전되는 상기 로터(600)가 상기 압축기(200) 및 상기 발전기를 구동할 수 있다. 즉, 상기 터빈(500)에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 상기 압축기(200)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 상기 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 가스 터빈은, 로터 디스크 어셈블리를 포함하고, 상기 로터 디스크 어셈블리는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.
도 2에 따르면, 가스터빈의 인접한 로터 디스크(6300, 7300)는 허스부(6310, 6316, 7310, 7316)에 의해 서로 결합되고, 상기 허스부의 반경 방향 외측에는 가압 공동(635)이 형성되고, 그보다 반경 방향 외측에는 래버린스 아암부(6320, 6326, 7320, 7326)가 형성된다.
먼저 제1 로터 디스크(6300)를 기준으로 설명하면, 제1 래버린스 아암부(6320)에는 그 단부 작은 홈이 형성되고, 제2 래버린스 아암부(6326)에는 단부가 평면으로 구성된다. 제2 로터 디스크(7300)의 경우 상기 제1 로터 디스크(6300)의 제1 래버린스 아암부(6320)에 대응하는 제3 래버린스 아암부(7320) 및 상기 제1 래버린스 아암부(6320)과 마주보는 제4 래버린스 아암부(7326)를 포함한다.
A로 표시된 두 래버린스 아암부의 접점은 가압 공동(635)과 디스크 외측 사이의 공기가 통하지 않도록 밀봉하는 밀봉부이다. 이는 도 3에 더욱 구체적으로 도시된다.
도 3에 따르면, 제1 래버린스 아암부(6320)의 평평한 단부에는 밀봉 링(6340)을 수용하는 수용홈(6330)이 제공된다. 상기 수용홈(6330)은 상기 밀봉 링(6340)을 수용하는데, 밀봉 링(6340)의 단면에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 밀봉 링(6340)의 단면은 원형, 반원형 등, 곡면을 포함하는 단면일 수 있고, 또는 삼각형, 사각형 등 다각형의 형상일 수 있다.
상기 밀봉 링(6340)은 상기 수용홈(6330)에 위치될 경우, 로터가 회전하지 않더라도 제1 래버린스 아암부(6320)와 제4 래버린스 아암부(7326) 사이의 간극(G)을 덮도록 상기 수용홈(6330)의 깊이보다 크게 형성될 수 있다.
상기 수용홈(6330)은 반경 방향 바깥으로는 제1 경사면(6331)이 형성되고, 반경 방향 안쪽으로는 제2 경사면(6332)이 형성되며, 상기 제1 경사면(6331)과 제2 경사면(6332)이 만나는 수용홈 내측에는 꼭지부(6333)가 형성되는데, 상기 제1, 2 경사면(6331, 6332)과 꼭지부(6333)가 상기 밀봉 링(6340)을 수용하기에 적절한 대응하는 형태로 형성된다.
바람직하게는, 상기 제1 경사면(6331)은 상기 꼭지부(6333)로부터 상기 제1 래버린스 아암부(6320)의 단부측, 그리고 로터의 반경 방향 외측을 향해 연장하는데, 이는 로터의 회전에 따라 원심력이 작용하면 밀봉 링(6340)이 반경 방향 외측으로 늘어나면서 제1 래버린스 아암부(6320)와 제4 래버린스 아암부(7326) 사이의 간극(G)을 더욱 효과적으로 밀봉할 수 있도록 기능한다. 즉, 상기 밀봉 링(6340)이 로터의 회전에 따른 원심력을 받으면, 제1 경사면(6331)을 따라 미끄러지거나 늘어나서, 제4 래버린스 아암부(7326)의 단부와 더욱 강하게 접촉하게 되고, 따라서, 회전이 강할수록 밀봉력은 더욱 커진다.
도 4는 상기 밀봉링(6340)을 더욱 구체적으로 도시한 것으로서, 상기 밀봉링(6340)은 지름 D를 갖는 원형이고, 일부에는 회전방지 핀(6350)이 배치된다. 상기 밀봉 링(6340)은 탄성체인 것이 바람직하나, 상기 회전방지 핀(6350)은 비탄성체로 구성될 수 있다.
상기 회전방지 핀(6350)은 수용홈(6330)의 꼭지부(6333)에 추가로 오목하게 형성된 삽입홈(6335)에 삽입되어 고정된다. 이를 위해 수용홈(6330)의 제2 경사면(6332) 바깥측에는 단턱부(6334)가 형성되어 상기 회전방지 핀(6350)을 삽입하면 바깥으로 빠지는것을 방지할 수 있다.
이러한 회전방지 핀(6350)은 복수개가 형성될 수 있고, 도 6에서 보는 바와 같이, 회전방지 핀은 일정한 간격을 두고 형성되는 것이 바람직하다.

Claims (20)

  1. 축방향으로 조립된 복수의 로터 디스크;
    상기 복수의 로터 디스크는 허스부에 의해 서로 결합되고, 상기 허스부보다 반경 방향 바깥에 축방향으로 양측에 형성되는 두 개의 래버린스(Labyrinth) 아암부;
    상기 래버린스 아암부 중 제1 래버린스 아암부에 원주방향을 따라 형성되는 수용홈;
    상기 수용홈에 배치되는 밀봉링;
    상기 수용홈에 형성되는 삽입홈; 및
    상기 밀봉 링이 상기 수용홈의 내부에서 회전되는 것을 방지하기 위해, 상기 삽입홈에 삽입 배치되는 회전방지 핀;을 포함하되,
    상기 수용홈은,
    반경 방향 외측에 형성된 제1 경사면, 반경 방향 내측에 형성된 제2 경사면, 및 상기 제1 경사면 및 제2 경사면 사이에 형성된 꼭지부를 포함하고, 상기 제1 경사면은 상기 꼭지부에서 반경방향 바깥으로 경사지도록 형성되되,
    상기 삽입홈은 상기 꼭지부에 오목하게 형성되고, 상기 제2 경사면 바깥측에는 단턱부가 형성되어 있어, 상기 회전방지 핀이 이탈방지되며,
    상기 제1 래버린스 아암부의 단부는 평평하고, 상기 제1 래버린스 아암부의 단부와 인접한 로터 디스크의 마주보는 제4 래버린스 아암부의 단부 사이에 간극이 형성되고,
    상기 밀봉 링의 두께는 상기 간극(G)의 길이보다 크고, 탄성체이며, 로터의 회전시에 반경 방향으로 늘어나면서 상기 간극을 막도록 구성되는, 가스터빈의 로터 디스크 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전방지 핀은 복수개이며, 상기 밀봉 링 상에 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 배치되는,
    가스터빈의 로터 디스크 어셈블리.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 디스크 플레이트;
    상기 디스크 플레이트의 전면 및 후면 상에 원주 방향을 따라 형성되어 인접한 디스크 플레이트에 결합되는 허스부; 및
    상기 허스부보다 반경 방향 외측에 원주 방향을 따라 형성되는 래버린스 아암부;를 포함하고,
    상기 래버린스 아암부는 상기 디스크 플레이트의 전면에 형성되는 제1 래버린스 아암부 및 상기 디스크 플레이트의 후면에 형성되는 제4 래버린스 아암부를 포함하며,
    상기 제1 래버린스 아암부의 단부에 원주방향을 따라 형성되는 수용홈;
    상기 수용홈에 배치되는 밀봉링;
    상기 수용홈에 형성되는 삽입홈; 및
    상기 밀봉 링이 상기 수용홈의 내부에서 회전되는 것을 방지하기 위해, 상기 삽입홈에 삽입 배치되는 회전방지 핀;을 포함하되,
    상기 수용홈은,
    반경 방향 외측에 형성된 제1 경사면, 반경 방향 내측에 형성된 제2 경사면, 및 상기 제1 경사면 및 제2 경사면 사이에 형성된 꼭지부를 포함하고, 상기 제1 경사면은 상기 꼭지부에서 반경방향 바깥으로 경사지도록 형성되되,
    상기 삽입홈은 상기 꼭지부에 오목하게 형성되고, 상기 제2 경사면 바깥측에는 단턱부가 형성되어 있어, 상기 회전방지 핀이 이탈방지되고,
    상기 밀봉 링의 두께는 상기 제1 래버린스 아암부의 단부와 인접하는 로터 디스크의 마주보는 제4 래버린스 아암부의 단부 사이에 형성되는 간극(G)의 길이보다 크고, 탄성체이며, 로터의 회전시에 반경 방향으로 늘어나면서 상기 간극을 막도록 구성되는, 가스터빈의 로터 디스크.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제11항에 있어서,
    상기 회전방지 핀은 복수개이며, 상기 밀봉 링 상에 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 배치되는,
    가스터빈의 로터 디스크.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제11항에 있어서,
    상기 래버린스 아암부와 상기 허스부 사이에는 가압 공간이 형성되는,
    가스터빈의 로터 디스크.
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