KR102000428B1 - Gas turbine comprising a compressor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축기를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. 본 발명의 압축기는 압축기 디스크의 냉각유로에 나노 입자 코팅면이 형성된다. 냉각유로를 통과하는 압축 공기는 나노 입자 코팅면과 접하면서 열전달을 하여 온도가 낮아진다. 따라서 압축 공기로 냉각하는 터빈의 냉각 성능이 향상된다. The present invention relates to a gas turbine comprising a compressor. In the compressor of the present invention, a nanoparticle-coated surface is formed in the cooling passage of the compressor disk. Compressed air passing through the cooling flow path is in contact with the nanoparticle-coated surface, and the heat is transferred to lower the temperature. Thus, the cooling performance of the turbine cooled with compressed air is improved.
Description
본 발명은 압축기를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. The present invention relates to a gas turbine comprising a compressor.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다. A gas turbine is a power engine that mixes and combusts compressed air and fuel compressed in a compressor and rotates the turbine with hot gases generated by combustion. Gas turbines are used to drive generators, aircraft, ships, trains, and so on.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.Generally, a gas turbine includes a compressor, a combustor, and a turbine. The compressor sucks the external air, compresses it, and transfers it to the combustor. The compressed air in the compressor is in a state of high pressure and high temperature. The combustor mixes the fuel and the compressed air introduced from the compressor and burns them. The combustion gas generated by the combustion is discharged to the turbine. The combustion gas causes the turbine blades inside the turbine to rotate, thereby generating power. The generated power is used in various fields such as power generation, driving of machinery and the like.
본 발명은 터빈 냉각을 위해 압축기에서 터빈으로 이동되는 압축 공기의 온도가 유지되고 유동을 원활하게 하기 위한 압축기를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a gas turbine including a compressor for maintaining the temperature of compressed air moving from a compressor to a turbine for turbine cooling and for facilitating flow.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기는 압축기 케이싱, 압축기 디스크, 타이로드, 압축기 블레이드, 압축기 베인을 포함한다. 압축기 디스크에는 공기가 이동할 수 있는 냉각유로가 형성되며, 냉각유로의 표면에 나노 입자로 코팅한 나노 입자 코팅면이 형성된다. 압축기 디스크는 복수일 수 있다. 타이로드는 복수의 압축기 디스크를 관통하여 압축기 디스크를 체결한다. 압축기 블레이드는 압축기 디스크의 외주면에 방사상으로 장착된다. 압축기 베인은 압축기 케이싱 내부에 장착된다. 압축기 디스크의 회전에 의해 압축기 블레이드가 회전하며, 압축기 블레이드의 회전에 의해 공기가 이동하면서 압축된다. 압축된 공기의 일부는 냉각유로를 따라 이동하면서 나노 입자 코팅면과 접하게 된다. A compressor according to an embodiment of the present invention includes a compressor casing, a compressor disk, a tie rod, a compressor blade, and a compressor vane. The compressor disk is formed with a cooling channel through which air can move, and a nanoparticle-coated surface coated with nanoparticles is formed on the surface of the cooling channel. The compressor disk may be plural. The tie rods penetrate the plurality of compressor discs and fasten the compressor discs. The compressor blades are radially mounted on the outer circumferential surface of the compressor disk. The compressor vane is mounted inside the compressor casing. Rotation of the compressor disk causes the compressor blades to rotate and air is compressed as the compressor blades rotate. Part of the compressed air moves along the cooling flow path and comes into contact with the nanoparticle-coated surface.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 나노 입자 코팅면은 열전도도가 높은 나노 입자로 형성될 수 있다. The nanoparticle-coated surface of the compressor according to an embodiment of the present invention may be formed of nanoparticles having high thermal conductivity.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 나노 입자는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 나노 입자의 순도는 80~99.99%의 고순도인 것이 바람직하다. 나노 입자의 비율은 상황에 따라 조절할 수 있다.In the compressor according to an embodiment of the present invention, the nanoparticles coated on the nanoparticles may include at least one selected from the group consisting of Si, Au, Ag, SiOx, AlxOx, FexOx, Carbon nanotube (CNT), graphene, and a mixture thereof. The purity of the nanoparticles is preferably 80 to 99.99%. The ratio of nanoparticles can be controlled depending on the situation.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 두께는 압축기 디스크의 두께, 냉각유로 홀의 크기, 사용되는 나노 입자의 열전도도, 표면 거칠기, 나노 입자의 사이즈, 나노 입자의 사이즈의 균일성, 온도 중 적어도 하나 이상에 의해 결정될 수 있다. In the compressor according to an embodiment of the present invention, the thickness of the nanoparticle-coated surface is determined by the thickness of the compressor disk, the size of the cooling channel, the thermal conductivity of the nanoparticles used, the surface roughness, the size of the nanoparticles, , And temperature.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 두께는 압축기 디스크의 두께, 냉각유로의 홀의 크기, 사용되는 나노 입자의 열전도도, 표면 거칠기(surface roughness), 사이즈, 사이즈의 균일성, 온도에 따라 달라질 수 있다. The thickness of the coated surface of the nanoparticles in the compressor according to an exemplary embodiment of the present invention is determined by the thickness of the compressor disk, the size of the hole of the cooling channel, the thermal conductivity of the nanoparticles used, the surface roughness, It depends on the temperature.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 두께는 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 얇아질 수 있다. The thickness of the coated surface of the nanoparticle in the compressor according to an embodiment of the present invention may gradually become thinner in the traveling direction of the compressed air moving along the cooling channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 두께는 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 두꺼워질 수 있다. In the compressor according to the embodiment of the present invention, the thickness of the coated surface of the nanoparticles may gradually increase in the direction of the compressed air moving along the cooling channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 두께는 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 두꺼워지다가 얇아질 수 있다. The thickness of the coated surface of the nanoparticles in the compressor according to an embodiment of the present invention may gradually increase in thickness in the direction of the progress of the compressed air moving along the cooling channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면의 두께는 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 얇아지다가 두꺼워질 수 있다. In the compressor according to the embodiment of the present invention, the thickness of the coated surface of the nanoparticles may become gradually thinner and thicker in the traveling direction of the compressed air moving along the cooling channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면은 냉각유로의 표면 중 일부분에 형성될 수 있다. In the compressor according to an embodiment of the present invention, the nanoparticle-coated surface may be formed on a part of the surface of the cooling channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면은 냉각유로의 동일 깊이에서 두께가 일정하지 않을 수 있다. In the compressor according to the embodiment of the present invention, the coated surface of the nanoparticles may not have uniform thickness at the same depth of the cooling channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 나노 입자 코팅면은 나선형 형상일 수 있다. In a compressor according to an embodiment of the present invention, the nanoparticle coated surface may be in a spiral shape.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한다. 연소기는 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시킨다. 터빈은 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전한다. 압축기는 압축기 케이싱, 압축기 디스크, 타이로드, 압축기 블레이드, 압축기 베인을 구비한다. 압축기 디스크에는 압축된 공기의 일부가 터빈으로 이동할 수 있는 냉각유로가 형성되며, 냉각유로의 표면에 나노 입자로 코팅한 나노 입자 코팅면이 형성된다. 압축기 디스크는 복수일 수 있다. 타이로드는 복수의 압축기 디스크를 관통하여 압축기 디스크를 체결한다. 압축기 블레이드는 압축기 디스크의 외주면에 방사상으로 장착된다. 압축기 베인은 압축기 케이싱 내부에 장착된다. 압축기 디스크의 회전에 의해 압축기 블레이드가 회전하며, 압축기 블레이드의 회전에 의해 공기가 이동하면서 압축된다. 냉각유로를 따라 이동하는 압축된 공기는 나노 입자 코팅면과 접하면서 열전달을 한다. A gas turbine according to an embodiment of the present invention includes a compressor, a combustor, and a turbine. The compressor sucks the outside air and compresses it. The combustor mixes and burns the fuel in compressed air in the compressor. The turbine is equipped with a turbine blade inside, and the turbine blade is rotated by the combustion gas discharged from the combustor. The compressor includes a compressor casing, a compressor disk, a tie rod, a compressor blade, and a compressor vane. The compressor disk is provided with a cooling channel through which a part of the compressed air can move to the turbine, and a nanoparticle coated surface coated with nanoparticles is formed on the surface of the cooling channel. The compressor disk may be plural. The tie rods penetrate the plurality of compressor discs and fasten the compressor discs. The compressor blades are radially mounted on the outer circumferential surface of the compressor disk. The compressor vane is mounted inside the compressor casing. Rotation of the compressor disk causes the compressor blades to rotate and air is compressed as the compressor blades rotate. Compressed air moving along the cooling flow path is in contact with the nanoparticle coated surface to conduct heat.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 나노 입자 코팅면의 두께를 조절하여 터빈으로 유입되는 압축 공기의 유동을 조절할 수 있다. The gas turbine according to one embodiment of the present invention can control the flow of the compressed air flowing into the turbine by adjusting the thickness of the nanoparticle coated surface.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 나노 입자 코팅면의 두께를 조절하여 터빈으로 유입되는 압축 공기의 온도를 조절할 수 있다. The gas turbine according to one embodiment of the present invention can control the temperature of the compressed air flowing into the turbine by adjusting the thickness of the nanoparticle coated surface.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 압축기 디스크의 냉각유로의 표면을 나노 입자로 코팅함으로써 압축기에서 터빈으로 이동되는 압축 공기의 온도가 유지되고 유동을 원활하게 할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the surface of the cooling channel of the compressor disk is coated with the nanoparticles so that the temperature of the compressed air moving from the compressor to the turbine can be maintained and the flow can be smoothly performed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 나노 입자 코팅면이 형성된 압축기 디스크를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 소재별 열 저항과 총괄 열 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 두께에 따른 전도 열전달 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 형태의 나노 입자 코팅면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 나노 입자 코팅면이 부분적으로 형성된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 형성된 나노 입자 코팅면이 동일 깊이에서 두께가 균일하지 않은 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 나선형 나노 입자 코팅면이 형성된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating an interior of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual illustration of a cross section of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a compressor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view conceptually showing a compressor disk in which a nanoparticle-coated surface is formed on a cooling passage according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the thermal resistance and total heat flow for each material.
6 is a graph showing conduction heat transfer characteristics according to thickness.
FIG. 7 is a conceptual view illustrating various types of nanoparticle-coated surfaces according to an embodiment of the present invention.
8 is a view conceptually showing that a nanoparticle-coated surface is partially formed in a cooling channel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view conceptually showing that the nanoparticle-coated surface formed on the cooling channel according to an embodiment of the present invention is not uniform in thickness at the same depth.
10 is a view conceptually showing formation of a helical nanoparticle-coated surface on a cooling channel according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various embodiments and is intended to illustrate and describe the specific embodiments in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprises" or "having" are used to designate the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. Further, the detailed description of known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some of the components in the drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 단면을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a view showing the inside of a gas turbine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 conceptually showing a cross section of a gas turbine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a cross-sectional view of a compressor according to an embodiment.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시킨다. 터빈(1300)은 내부에 터빈 블레이드(1310)가 장착되며, 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드(1310)가 회전하게 된다. 1 to 3, a
압축기(1100)는 압축기 디스크(1110), 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 압축기 베인(1140), 압축기 케이싱(1150), 인테이크(1160), 압축기 디퓨저(1170)를 포함한다.
압축기 디스크(1110)에는 압축기 블레이드(1130)가 장착되며, 압축기 디스크(1110)를 관통하여 타이로드(1120)가 위치한다. 압축기 디스크(1110)는 타이로드(1120)의 회전에 따라 회전하여 압축기 블레이드(1130)를 회전시킨다. 압축기 디스크(1110)는 복수개 일 수 있다.A
복수의 압축기 디스크(1110)들은 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 압축기 디스크(1110)들은 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 압축기 디스크(1110)의 외주부에는 복수 개의 돌기(미도시)가 형성될 수 있고, 인접한 압축기 디스크(1110)와 함께 회전하도록 결합되는 플랜지(1111)가 형성될 수 있다. A plurality of
복수 개의 압축기 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 압축기 디스크 냉각유로(1112)가 형성될 수 있다. 압축기 디스크 냉각유로(1112)를 통해 압축기(1100)의 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드(1310)를 냉각시킬 수 있다. A compressor
타이로드(1120)는 압축기 디스크(1110)를 관통하여 위치하며, 압축기 디스크(1110)를 정렬한다. 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달 받아서 압축기 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.The
타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 압축기 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 압축기 디스크(1110)들이 밀착되게 한다. One end of the
압축기 블레이드(1130)는 압축기 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합된다. 압축기 블레이드(1130)는 복수 개일 수 있으며, 다단으로 형성될 수 있다. 압축기 블레이드(1130)에는 압축기 디스크(1110)에 체결되기 위한 압축기 블레이드 루트부재(1131)가 형성될 수 있으며, 압축기 디스크(1110)에는 압축기 블레이드 루트부재(1131)이 삽입되기 위한 압축기 디스크 슬롯(1113)이 형성될 수 있다.The
압축기 블레이드(1130)는 압축기 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다. The
압축기 베인(1140)은 압축기 케이싱(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다. The
압축기 케이싱(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 압축기 케이싱(1150)은 내부에 압축기 디스크(1110), 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 압축기 베인(1140) 등을 수용한다.The
압축기 케이싱(1150)에는 다단의 압축기 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.The
압축기(1100)의 입구에는 인테이크(1160)가 위치한다. 인테이크(1160)는 외부 공기를 압축기(1100) 내부로 유입시킨다. 압축기(1100)의 출구에는 압축된 공기를 확산 이동시키는 압축기 디퓨저(1170)가 배치된다. 압축기 디퓨저(1170)는 압축기(1100)에서 압축된 공기가 연소기(1200)에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(static pressure)으로 전환시킨다. 압축기 디퓨저(1170)를 통과한 압축 공기는 연소기(1200)로 유입된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 나노 입자 코팅면이 형성된 압축기 디스크를 개념적으로 나타내는 도면이다. FIG. 4 is a view conceptually showing a compressor disk in which a nanoparticle-coated surface is formed on a cooling passage according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 디스크(2110)에는 압축된 공기를 터빈으로 보내기 위한 냉각유로(2112)가 관통하여 형성된다. 냉각유로(2112)의 표면에는 나노 입자로 코팅(coating)한 나노 입자 코팅면(2113)이 형성될 수 있다. As shown in FIG. 4, the
냉각유로(2112)를 통과한 압축 공기는 터빈으로 유입되어 터빈 블레이드를 냉각시킨다. 따라서 압축 공기의 온도가 낮을수록 터빈 블레이드의 냉각에 유리하다. The compressed air having passed through the
압축 공기가 냉각유로(2112)를 따라 이동할 때, 나노 입자 코팅면(2113)과 접하게 되면, 압축 공기의 열을 나노 입자 코팅면(2113)을 통해 압축기 디스크(2210)로 전달한다. 이에 따라 압축 공기의 온도는 낮아져서, 터빈 냉각 성능을 향상시킨다. When compressed air moves along the
또한 냉각유로(2112)의 표면을 나노 입자로 코팅을 하면, 냉각유로(2112)를 통과하는 압축 공기의 유동이 부드러워지며, 터빈으로 유입되는 공기의 온도를 설계된 온도에 맞추는 것이 용이해진다. Further, when the surface of the
코팅에 사용되는 나노 입자는 열전도도가 높은 물질인 것이 바람직하다. 나노 입자는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 등이 될 수 있다. 바람직하게는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화 규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene)은 순도가 80~99.99%인 것을 사용하여 나노 입자를 만든다. The nanoparticles used in the coating are preferably high thermal conductivity materials. The nanoparticles may be silicon, gold, silver, silicon oxide, aluminum oxide, iron oxide, carbon nanotubes, graphene, or the like. . Preferably, silicon (Si), gold (Au), silver (Ag), silicon oxide (SiOx), aluminum oxide (AlxOx), iron oxide (FexOx), carbon nanotubes (CNT), and graphene have purity 80 to 99.99% are used to make nanoparticles.
나노 입자를 코팅하는 방법은 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 열코팅(thermal coating) 등 다양한 방법이 될 수 있다. The method of coating the nanoparticles may be various methods such as dip coating, spray coating, thermal coating and the like.
나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 압축기 디스크(2110)의 두께(Dt), 냉각유로(2112)의 홀의 크기(Hd), 사용되는 나노 입자의 열전도도(Tc), 표면 거칠기(surface roughness), 나노 입자 사이즈, 나노 입자 사이즈의 균일성, 온도 등에 따라 달라질 수 있다. The thickness t of the nanoparticle coated
압축기 디스크(2110)의 두께(Dt)에 따라 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 달라질 수 있다. 즉, 압축기 디스크(2110)의 두께(Dt)가 커지면 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 얇아지게 하고, 압축기 디스크(2110)의 두께(Dt)가 작아지면 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 두꺼워지게 한다. 이는 냉각홀의 크기를 유지하고 나노 입자의 코팅 두께에 따라 열전도도 특성을 향상하고자 함이다.The thickness t of the nanoparticle-coated
냉각유로(2112)의 홀의 크기(Hd)에 따라 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)를 조절하여 코팅한다. 즉, 냉각유로(2112)의 홀의 크기(Hd)가 커지면 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 얇아지게 하고, 냉각유로(2112)의 홀의 크기(Hd)가 작아지면 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 두꺼워지게 한다. 이는 냉각홀의 크기를 유지하고 나노 입자의 코팅 두께에 따라 열전도 특성을 향상하고자 함이다.The thickness t of the
나노 입자의 열전도도(Tc)에 따라 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)를 조절하여 코팅한다. 즉, 나노 입자의 열전도도(Tc)가 커지면 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 얇아지게 하고, 나노 입자의 열전도도(Tc)가 작아지면 나노 입자 코팅면(2113)의 두께(t)는 두꺼워지게 한다. 이는 냉각홀의 크기를 유지하고 코팅 두께에 따라 열전도도 특성을 향상하고자 함이다.The thickness t of the nanoparticle-coated
홀과 홀 면에 영향을 주는 접촉 저항(contact resistance)는 아래와 같은 수식으로 계산할 수 있다.The contact resistance affecting the hole and hole surface can be calculated by the following equation.
홀 접촉 저항(hole contact resistance)Hole contact resistance
[Rth = 홀 접촉 저항, x= 홀 크기, k= 열전도도, A= 면적][Rth = hole contact resistance, x = hole size, k = thermal conductivity, A = area]
접촉 저항(contact resistance)Contact resistance
[Rc= 접촉 저항, hc= 접촉 전도력(contact conductance), A= 면적][Rc = contact resistance, hc = contact conductance, A = area]
전체 열 저항(thermal resistance)은 홀 접촉 저항과 접촉 저항을 합한 것으로 다음과 같이 나타낼 수 있다. The total thermal resistance is the sum of the hole contact resistance and the contact resistance, which can be expressed as follows.
이를 이용하여 홀에 작용하는 총괄 열 흐름(overall heat flow)을 아래와 같은 수식으로 계산할 수 있다.Using this, the overall heat flow acting on the hole can be calculated by the following equation.
[q= 열 흐름, T= 온도, Rth= 열 저항][q = heat flow, T = temperature, Rth = thermal resistance]
각 수식에서 열 저항과 열 흐름은 열전도도, 홀의 크기, 온도, 면적에 영향을 받음을 알 수 있다. 도 5는 소재별 열 저항과 총괄 열 흐름을 나타내는 도면이다.In each equation, heat resistance and heat flow are affected by thermal conductivity, hole size, temperature, and area. FIG. 5 is a diagram showing the thermal resistance and total heat flow for each material.
열 저항과 총괄 열 흐름은 소재의 열전도도 특성에 주로 영향을 받는다. 홀의 크기, 면적을 변형하면 냉각유로(2112)의 형상에 변형을 가져오므로, 다양한 설계 요소가 변경되어야 하는 부담이 있다. 그러나 열전도도는 형상의 변경 없이도 열 저항과 열 흐름에 영향을 미친다. 따라서 본 발명에서와 같이 나노 입자 도포를 통해 열전도도를 바꾸고, 이를 통해 열 저항과 열 흐름을 바꿀 수 있다. Heat resistance and overall heat flow are mainly influenced by the thermal conductivity of the material. If the size and the area of the hole are changed, the shape of the
Fourier's law 인 에서 나노 입자 코팅면(2113)의 두께에 대한 영향성을 알 수 있다. 나노 입자 코팅면(2113)의 두께에 따른 전도 열전달 특성은 도 6에 도시되어 있다. 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 두꺼워질수록 전도 열전달 특성은 좋아지지만 박리 등의 우려가 있어 적절한 두께를 선택하여야 한다. 바람직하게는 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 10 ~ 50um이다. Fourier's law The influence on the thickness of the nanoparticle-coated
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 형태의 나노 입자 코팅면을 개념적으로 나타내는 도면이다. FIG. 7 is a conceptual view illustrating various types of nanoparticle-coated surfaces according to an embodiment of the present invention.
냉각유로(2112)를 따라 이동하는 압축 공기의 유동은 나노 입자 코팅면(2113)의 형상에 따라 달라질 수 있다. 따라서 목적하는 압축 공기 유동을 만들기 위해 나노 입자 코팅면(2113)의 형상을 변형할 수 있다. 예를 들어, 나노 입자 코팅면(2113)의 형상을 변형해서 압축 공기의 유동 속도를 느리게 할 수 있다. 압축 공기의 속도가 느리면 압축 공기가 나노 입자 코팅면(2113)과 접하는 시간을 늘어나 열전달이 잘 될 수 있다.The flow of the compressed air moving along the
본 발명의 일 실시예에서는, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 압축 공기의 진행 방향으로 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 얇아지도록 나노 입자 코팅면(2113)을 형성할 수 있다. 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 점진적으로 얇아지면, 냉각유로(2112)가 넓어지는 형상이 되므로, 압축 공기의 유동이 느려진다. In an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7A, the nanoparticle-coated
다른 실시예에서는, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 압축 공기의 진행 방향으로 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 두꺼워지도록 나노 입자 코팅면(2113)을 형성할 수 있다. 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 점진적으로 두꺼워지면, 냉각유로(2112)가 좁아지는 형상이 되므로, 압축 공기의 유동이 빨라진다. In another embodiment, the nanoparticle-coated
다른 실시예에서는, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 압축 공기의 진행 방향으로 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 두꺼워지다가 얇아지는 형상이 될 수 있다. 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 두꺼워지는 부분에서는 압축 공기의 속도는 빨라지고, 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 얇아지는 부분에서는 압축 공기의 속도가 느려진다. In another embodiment, as shown in FIG. 7C, the thickness of the nanoparticle-coated
나노 입자 코팅면(2113)이 제일 두꺼운 부분(tmax)의 위치(L1)를 조절하여 압축 공기의 속도 조절이 가능하다. 나노 입자 코팅면(2113)이 제일 두꺼운 부분(tmax)이 냉각유로(2112)의 입구쪽에 가까울수록 압축 공기의 속도가 빨라지는 부분보다 느려지는 부분이 많아지므로 전체적으로 압축 공기의 속도가 느려진다. The speed of the compressed air can be adjusted by adjusting the position L1 of the thickest part tmax of the nanoparticle coated
다른 실시예에서는, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 압축 공기의 진행 방향으로 나노 입자 코팅면(2113)의 두께가 얇아지다가 두꺼워지는 형상이 될 수 있다. 특히 본 실시예에서와 같이, 나노 입자 코팅면(2113)에 의해 압축 공기가 머무는 형태가 되면, 압축 공기가 나노 입자 코팅면(2113)과 접하는 시간이 길어져 압축 공기의 온도가 낮아지게 된다. In another embodiment, as shown in FIG. 7D, the thickness of the nanoparticle-coated
나노 입자 코팅면(2113)의 제일 얇은 부분(tmin)의 위치(L2)를 조절하여 압축 공기의 속도 조절이 가능하다. 나노 입자 코팅면(2113)이 제일 얇은 부분(tmin)이 냉각유로(2112)의 입구쪽에 가까울수록 압축 공기의 속도가 느려지는 부분보다 빨라지는 부분이 많아지므로 전체적으로 압축 공기의 속도가 빨라진다. It is possible to control the speed of the compressed air by adjusting the position L2 of the thinnest portion tmin of the nanoparticle coated
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 나노 입자 코팅면이 부분적으로 형성된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다. 8 is a view conceptually showing that a nanoparticle-coated surface is partially formed in a cooling channel according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 디스크(3110)의 냉각유로(3112)에는 나노 입자 코팅면(3113)이 일부분에 형성될 수 있다. As shown in FIG. 8, a
냉각유로(3112)에 나노 입자 코팅면(3113)을 형성할 때, 냉각유로(3112) 전체에 형성하는 것은 비용이 많이 발생될 수 있다. 따라서 냉각유로(3112)에서 나노 입자를 코팅하기 용이한 부분에 나노 입자 코팅면(3113)을 집중적으로 형성할 수 있다. When forming the nanoparticle-coated
예를 들어, 냉각유로(3112)의 입구 부분에는 나노 입자 코팅면(3113)이 두껍게 형성되고, 냉각유로(3112)의 내측 중앙 부분에는 나노 입자 코팅면(3113)이 형성되지 않도록 한다. 나노 입자 코팅면(3113)이 형성되지 않은 부분으로 인해서 열전달이 잘 안되는 것은 냉각유로(3112)의 입구 부분에 형성된 나노 입자 코팅면(3113)을 두껍게 하여 보상받을 수 있다.For example, the nanoparticle-coated
냉각유로(3112)에서 나노 입자 코팅면이 형성되지 않는 부분은 나노 입자 코팅 방법에 따라 달라질 수 있다. 또는 냉각유로(3112)에서 나노 입자 코팅면이 형성되지 않는 부분은 압축기 디스크(3110)의 두께(Dt)에 의해 결정될 수 있다. The portion where the nanoparticle-coated surface is not formed in the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 형성된 나노 입자 코팅면이 동일 깊이에서 두께가 균일하지 않은 것을 개념적으로 나타내는 도면이다. FIG. 9 is a view conceptually showing that the nanoparticle-coated surface formed on the cooling channel according to an embodiment of the present invention is not uniform in thickness at the same depth.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 디스크(4110)의 냉각유로(4112)에 형성된 나노 입자 코팅면(4113a, 4113b)은 동일 깊이(L)에서 두께가 다를 수 있다. 즉, 냉각유로(4112)의 단면을 봤을 때, 동일 깊이(L)에서 좌측에 형성된 나노 입자 코팅면(4113a)의 두께(t1)와 우측에 형성된 나노 입자 코팅면(4113b)의 두께(t2)가 다를 수 있다. 9, the
또한 냉각유로(4112)의 깊이에 따라 나노 입자 코팅면(4113a, 4113b)의 두께가 달라질 수 있음은 도 7에서 설명하였다. 따라서 나노 입자 코팅면(4113a, 4113b)의 형상을 다양하게 할 수 있으며, 이에 따라 냉각유로(4112)를 따라 이동하는 압축 공기의 유동을 다양하게 변화시킬 수 있으며, 압축 공기의 온도도 조절할 수 있다. Also, the thickness of the nanoparticle-coated
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로에 나선형 나노 입자 코팅면이 형성된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다. 10 is a view conceptually showing formation of a helical nanoparticle-coated surface on a cooling channel according to an embodiment of the present invention.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 디스크(5110)의 냉각유로(5112)에 형성된 나노 입자 코팅면(5113)은 나선형 형상이 될 수 있다. 나노 입자 코팅면(5113)이 나선형 형상이 되면, 압축 공기의 유동이 난류가 될 수 있다. 따라서 터빈으로 유입되는 압축 공기의 유동에 영향을 줄 수 있다. As shown in FIG. 10, the
본 실시예에서는 나선형 형상의 나노 입자 코팅면(5113)의 나선 경사 각도를 조절해서, 압축 공기의 유동을 조절할 수 있다. 이에 따라 터빈의 냉각 성능에도 영향을 미치게 된다. In this embodiment, the flow of the compressed air can be adjusted by adjusting the angle of helix inclination of the spiral-shaped nanoparticle-coated
이상, 본 발명의 일 실시예에 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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention as set forth in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.
1000 : 가스터빈 1100 : 압축기
1110 : 압축기 디스크 1111 : 플랜지
1112, 2112, 3112, 4112, 5112 : 냉각유로
2113, 3113, 4113a, 4113b, 5113 : 나노 입자 코팅면
1120 : 타이로드 1130 : 압축기 블레이드
1140 : 압축기 베인 1150 : 압축기 케이싱
1160 : 인테이크 1170 : 압축기 디퓨저
1200 : 연소기 1300 : 터빈1000: gas turbine 1100: compressor
1110: Compressor disk 1111: Flange
1112, 2112, 3112, 4112, 5112:
2113, 3113, 4113a, 4113b, 5113: Nanoparticle coated surface
1120: tie rod 1130: compressor blade
1140: Compressor Vane 1150: Compressor casing
1160: INTAKE 1170: COMPRESSOR DIFFUSER
1200: Combustor 1300: Turbine
Claims (11)
상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈;을 포함하며,
상기 압축기는
압축기 케이싱과,
압축된 공기의 일부가 상기 터빈으로 이동할 수 있는 냉각유로가 형성되며, 상기 냉각유로의 표면에 열전도도를 높이기 위해 나노 입자로 코팅한 나노 입자 코팅면이 형성된 복수의 압축기 디스크와,
상기 복수의 압축기 디스크를 관통하여 상기 압축기 디스크를 체결하는 타이로드와
상기 압축기 디스크의 외주면에 방사상으로 장착되는 압축기 블레이드와,
상기 압축기 케이싱 내부에 장착되는 압축기 베인을 구비하며,
상기 나노 입자 코팅면을 형성하는 상기 나노 입자는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 포함하는 군에서 선택되는 열전도도가 높은 나노 입자이며,
상기 압축기 디스크의 회전에 의해 상기 압축기 블레이드가 회전하며, 상기 압축기 블레이드의 회전에 의해 공기가 이동하면서 압축되고,
상기 냉각유로를 따라 이동하는 압축된 공기는 상기 나노 입자 코팅면과 접하면서 온도가 낮아지며,
상기 나노 입자 코팅면의 두께를 조절하여 상기 터빈으로 유입되는 압축 공기의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.A compressor for sucking and compressing outside air;
A combustor which mixes and burns fuel with compressed air in the compressor; And
And a turbine in which a turbine blade is mounted and the turbine blade is rotated by a combustion gas discharged from the combustor,
The compressor
A compressor casing,
A plurality of compressor discs having nanoparticle-coated surfaces coated with nanoparticles for enhancing thermal conductivity on a surface of the cooling channel;
A tie rod passing through the plurality of compressor discs and fastening the compressor discs;
A compressor blade radially mounted on an outer circumferential surface of the compressor disk,
And a compressor vane mounted inside the compressor casing,
The nanoparticles forming the nanoparticle-coated surface may be at least one selected from the group consisting of Si, Au, Ag, SiOx, AlxOx, FexOx, , And graphene (Graphene). The nanoparticles have high thermal conductivity,
Wherein the compressor blade is rotated by rotation of the compressor disk, the air is compressed while being moved by the rotation of the compressor blade,
The compressed air moving along the cooling passage is in contact with the nanoparticle-coated surface,
Wherein the temperature of the compressed air flowing into the turbine is controlled by adjusting the thickness of the nanoparticle-coated surface.
상기 나노 입자의 순도는 80 내지 99.99%인 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the purity of the nanoparticles is 80 to 99.99%.
상기 나노 입자 코팅면의 두께는 압축기 디스크의 두께, 냉각유로 홀의 크기, 사용되는 나노 입자의 열전도도, 표면 거칠기, 나노 입자의 사이즈, 나노 입자의 사이즈의 균일성, 온도 중 적어도 하나 이상에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
The thickness of the nanoparticle-coated surface is determined by at least one of the thickness of the compressor disk, the size of the cooling channel, the thermal conductivity of the nanoparticles used, the surface roughness, the size of the nanoparticles, And the gas turbine.
상기 나노 입자 코팅면의 두께는 상기 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 얇아지는 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the nanoparticle-coated surface is gradually thinned in the direction of travel of the compressed air moving along the cooling channel.
상기 나노 입자 코팅면의 두께는 상기 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 가스터빈.The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the nanoparticle-coated surface gradually increases in the direction of travel of the compressed air moving along the cooling channel.
상기 나노 입자 코팅면의 두께는 상기 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 두꺼워지다가 얇아지는 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the coating surface of the nanoparticle gradually increases and becomes thinner in the progressing direction of the compressed air moving along the cooling channel.
상기 나노 입자 코팅면의 두께는 상기 냉각유로를 따라 이동하는 압축 공기의 진행 방향으로 점차 얇아지다가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the nanoparticle-coated surface is gradually thinned and thickened in the direction of travel of the compressed air moving along the cooling channel.
상기 나노 입자 코팅면은 상기 냉각유로의 표면 중 일부분에 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the nanoparticle-coated surface is formed on a portion of the surface of the cooling channel.
상기 나노 입자 코팅면은 상기 냉각유로의 동일 깊이에서 두께가 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the nanoparticle-coated surface is not uniform in thickness at the same depth of the cooling channel.
상기 나노 입자 코팅면은 나선형 형상인 것을 특징으로 하는 가스터빈.The method according to claim 1,
Wherein the nanoparticle coated surface is of a spiral shape.
상기 나노 입자 코팅면의 두께를 조절하여 상기 터빈으로 유입되는 압축 공기의 유동을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the nanoparticle-coated surface is adjusted to control the flow of compressed air flowing into the turbine.
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Date | Code | Title | Description |
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A107 | Divisional application of patent | ||
A201 | Request for examination | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |