KR102028591B1 - 터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼지홀(purge hole)의 면적을 조절함으로써 실(seal) 공기의 유량 및 공급 압력 조절이 가능한 터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예는, 터빈 베인과, 상기 터빈 베인의 일측에 형성되는 외측 플랫폼과, 상기 터빈 베인의 타측에 형성되는 내측 플랫폼과, 상기 내측 플랫폼에 결합되는 U-ring부와, 상기 U-ring부의 서로 마주보는 양측에 각각 형성되는 제1 및 제2 퍼지홀(purge hole) 및 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 조절하기 위한 면적 조절부를 포함하는 터빈 베인 조립체를 제공한다.

Description

터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈{TURBINE VANE ASSEMBLY AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 퍼지홀(purge hole)의 면적을 조절함으로써 실(seal) 공기의 유량 및 공급 압력 조절이 가능한 터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 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.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈 및 로터를 포함하며, 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다.
이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
이때, 상기 터빈은 상기 로터와 함께 회전되는 복수 단의 터빈 블레이드와, 상기 복수 단의 터빈 블레이드와 교대로 배치되며 케이싱에 고정 설치되는 복수 단의 터빈 베인을 포함한다.
미국 등록공보 제9062557호에는 종래의 터빈이 개시되어 있다.
터빈 블레이드(15)와 터빈 베인(27)이 교대로 배치되고 있으며, 인접하는 로터 디스크(9-1, 9-2) 사이에 형성되는 디스크 캐비티(13)에는 상기 터빈 베인(27)의 내측 쉬라우드(32)에 결합되는 U-ring 밀봉 하우징(29)이 배치된다.
이때, 상기 터빈 블레이드(15)와 터빈 베인(27)을 지나는 주 흐름 경로(17) 상의 고온의 연소 가스가 상기 디스크 캐비티(13)로 유입될 수 있으며, 고온의 연소 가스에 노출되어 온도가 상승함에 따라 상기 로터 디스크와 U-ring 밀봉 하우징(29)에 큰 응력이 가해지고, 열적 손상을 받게 되어 수명이 단축된다는 문제점이 있었다. 결과적으로, 가스터빈의 효율이 감소된다.
이를 위해, 종래에는 상기 U-ring 밀봉 하우징(29)을 통해 냉각 공기를 분사함으로써 상기 주 흐름 경로(17) 상의 고온의 연소 가스가 상기 디스크 캐비티(13)로 유입되는 것을 방지하고 있다.
구체적으로, 상기 U-ring 밀봉 하우징(29)의 상류측 아암(30u)에 형성되는 공기 입구(47)를 통해 압축기로부터 배출되어 상기 터빈 베인(27)으로 블리드(bleed)된 냉각 공기가 상기 디스크 캐비티(13)로 유입, 분사될 수 있다.
즉, 상기 공기 입구(47)를 통해 냉각 공기(50)가 상기 디스크 캐비티(13)의 제1 영역(52)으로 분사되며, 상기 냉각 공기(50)는 상기 디스크 캐비티(13)의 제2 영역(54)과 제3 영역(56)으로 더 흐르게 된다.
더욱이, 상기 냉각 공기(50)는 래버린스 실(labyrinth seal; 37)를 통해 상기 로터 디스크(9-2) 측으로 더 진행할 수 있다.
이에 따라, 상기 주 흐름 경로(17)로부터 상기 디스크 캐비티(13)로 고온의 연소 가스가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로 상기 디스크 캐비티(13)의 상류측은 하류측보다 압력이 높게 형성된다.
하지만, 종래에는 상기 디스크 캐비티(13)의 상류측 및 하류측 섹션 모두를 위한 냉각 공기가 상기 U-ring 밀봉 하우징(29)의 동일한 압력 공급원으로부터 제공되며, 이로 인해 상기 냉각 공기(50)의 잘못된 분포를 초래할 수 있다는 문제점이 있다.
즉, 상기 냉각 공기(50)의 대부분은 상기 래버린스 실(37)을 통과하여 상기 디스크 캐비티(13)의 하류측 섹션에서 배출될 수 있으며, 이로 인해 상기 디스크 캐비티(13)의 상류측 섹션으로 고온의 연소 가스가 흡입될 수 있다는 문제점이 있다.
미국 등록공보 제9062557호(2015.06.23)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 퍼지홀(purge hole)의 면적을 조절함으로써 실(seal) 공기의 유량 및 공급 압력 조절이 가능한 터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명은 다양한 운전조건에 따라 U-ring부에 형성된 퍼지홀(purge hole)의 면적을 조절함으로써, 상기 U-ring부와 이와 대향하는 양측의 터빈 블레이드의 생크부 사이에 형성되는 각 스페이스로 공급되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력을 조절할 수 있도록 한다.
또한, 상기 각 스페이스로 공급되는 냉각 공기의 유속을 조절할 수도 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 터빈 베인과, 상기 터빈 베인의 일측에 형성되는 외측 플랫폼과, 상기 터빈 베인의 타측에 형성되는 내측 플랫폼과, 상기 내측 플랫폼에 결합되는 U-ring부와, 상기 U-ring부의 서로 마주보는 양측에 각각 형성되는 제1 및 제2 퍼지홀(purge hole) 및 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 조절하기 위한 면적 조절부를 포함하는 터빈 베인 조립체를 제공한다.
또한, 상기 면적 조절부를 구동하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 구동부는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 동시에 또는 개별적으로 조절 가능하다.
상기 면적 조절부는 조리개(Diaphragm)로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 면적 조절부는 상기 제1 및 제2 퍼지홀 상에서 슬라이드 가능한 슬라이드부로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 최대인 경우 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 가스의 유량 및 공급 압력이 최대로 증가되며, 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 최소인 경우 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 가스의 유량 및 공급 압력이 최대로 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예는, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈 및 상기 압축기, 연소기 및 터빈을 관통하도록 상기 케이싱의 내측 중앙에 구비되며 회전 가능하게 지지되는 로터를 포함하며, 상기 터빈은 상기 로터와 일체로 회전되는 상기 복수의 터빈 블레이드와, 상기 복수의 터빈 블레이드와 교대로 배치되며 상기 케이싱에 고정 설치되는 복수의 터빈 베인을 포함하고, 상기 터빈 베인의 반경방향 외측에 형성되는 외측 플랫폼과, 상기 터빈 베인의 반경방향 내측에 형성되는 내측 플랫폼과, 상기 내측 플랫폼에 결합되는 U-ring부와, 상기 U-ring부의 서로 마주보는 양측에 각각 형성되는 제1 및 제2 퍼지홀(purge hole) 및 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 조절하기 위한 면적 조절부를 포함하는 가스 터빈을 제공한다.
이때, 상기 U-ring부와, 상기 U-ring부와 인접하는 양측의 상기 터빈 블레이드 사이에는 각각 제1 및 제2 휠 스페이스가 형성되며, 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 조절됨에 따라 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 조절될 수 있다.
또한, 상기 면적 조절부를 구동하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 구동부는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 동시에 또는 개별적으로 조절 가능하다.
상기 면적 조절부는 조리개(Diaphragm)로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 면적 조절부는 상기 제1 및 제2 퍼지홀 상에서 슬라이드 가능한 슬라이드부로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 U-ring부와 이와 대향하는 상기 로터 사이에 구비되는 실링부를 더 포함하며, 상기 실링부는 상기 제1 휠 스페이스와 제2 휠 스페이스의 공간을 분리할 수 있다.
상기 내측 플랫폼과 상기 U-ring부 사이에는 캐비티(cavity)가 형성되며, 상기 압축기에서 추기된 냉각 공기는 상기 터빈 베인의 내부에 형성되는 터빈 베인 쿨링 유로를 통해 상기 캐비티로 유입될 수 있다.
상기 압축기에서 냉각 공기를 추기하여 상기 터빈 베인 쿨링 유로로 공급하기 위한 냉각 유로 상에는 상기 터빈 베인 쿨링 유로로 공급되는 냉각 공기를 제어하기 위한 제어밸브가 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 최대인 경우 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 최대로 증가되며, 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 최소인 경우 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 최대로 감소될 수 있다.
또한, 상기 면적 조절부의 면적 조절을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 적정 온도보다 높은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 넓어지도록 조절하며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 유지하거나 면적이 좁아지도록 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 넓어지도록 조절할 때 상기 제어밸브가 더 개방되도록 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 적정 온도보다 낮고 운전 출력의 증가가 필요한 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 좁아지도록 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스에 구비되는 온도 센서를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 압력이 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력보다 높은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 넓어지도록 조절하며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 압력이 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 유지하거나 면적이 좁아지도록 조절할 수 있다.
또는, 상기 제어부는, 상기 제1 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력이 상기 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력보다 크게 형성되도록 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, U-ring부에 형성된 퍼지홀(purge hole)을 통해 냉각 공기를 상기 U-ring부와 이와 대향하는 양측의 터빈 블레이드의 생크부 사이에 형성되는 각 스페이스로 공급함으로써 고온의 연소 가스가 상기 스페이스로 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 운전조건에 따라 상기 퍼지홀의 면적을 조절함으로써 각 스페이스로 공급되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력을 조절할 수 있다.
또한, 상기 퍼지홀의 면적을 조절함으로써 각 스페이스로 공급되는 냉각 공기의 유속을 조절할 수도 있다.
이에 따라, 냉각 공기를 최소의 양으로 효율적으로 공급할 수 있으며, 궁극적으로 가스터빈의 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 터빈의 일부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 B 부분의 측면도.
도 5는 도 4의 다른 상태를 도시한 측면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 B 부분의 측면도.
도 7은 도 6의 다른 상태를 도시한 측면도.
이하, 본 발명의 터빈 베인 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 7을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도, 도 2는 도 1의 터빈의 일부분을 확대하여 도시한 단면도, 도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도, 도 4는 도 3의 B 부분의 측면도, 도 5는 도 4의 다른 상태를 도시한 측면도, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 B 부분의 측면도이며, 도 7은 도 6의 다른 상태를 도시한 측면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈에 관하여, 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은, 크게 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100) 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(200)와, 상기 압축기(200)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기(300)와, 상기 연소기(300)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(400)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 케이싱(100)은, 상기 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(102), 상기 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈(400)이 수용되는 터빈 케이싱(104)을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 압축기 케이싱, 연소기 케이싱 및 터빈 케이싱이 일체로 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 압축기 케이싱(102), 상기 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈 케이싱(104)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.
상기 케이싱(100)의 내부에는 로터(중심축; 500)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 상기 로터(500)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 상기 케이싱(100)의 하류 측에는 상기 터빈(400)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다.
상기 로터(500)는, 상기 압축기 케이싱(102)에 수용되는 압축기 로터 디스크(520), 상기 터빈 케이싱(104)에 수용되는 터빈 로터 디스크(540) 및 상기 연소기 케이싱(103)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 터빈 로터 디스크(540)를 연결하는 토크 튜브(530), 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 상기 터빈 로터 디스크(540)를 체결하는 타이 로드(550)와 고정 너트(560)를 포함할 수 있다.
상기 압축기 로터 디스크(520)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(520)는 다단으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 압축기 로터 디스크(520)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(220)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 터빈 로터 디스크(540)는 상기 압축기 로터 디스크(520)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(540)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(540)는 다단으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 터빈 로터 디스크(540)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(420)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 토크 튜브(530)는 상기 터빈 로터 디스크(540)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(520)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(530)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 터빈 로터 디스크(540) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(530)가 상기 압축기 로터 디스크(520) 및 상기 터빈 로터 디스크(540)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.
또한, 상기 토크 튜브(530)는, 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(530)를 통과하여 상기 터빈(400)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 토크 튜브(530)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(550)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 상기 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(560)와 체결될 수 있다.
여기서, 상기 고정 너트(560)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540)를 상기 압축기(200) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(520)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)가 상기 로터(500)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드가 복수의 상기 압축기 로터 디스크, 상기 토크 튜브 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
이러한 구성에 따른 상기 로터(500)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.
상기 압축기(200)는, 상기 로터(500)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(220) 및 상기 압축기 블레이드(220)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 설치되는 압축기 베인(240)을 포함할 수 있다.
상기 압축기 블레이드(220)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 압축기 블레이드(220)의 루트부(220a)는 상기 압축기 로터 디스크(520)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(220a)는 상기 압축기 블레이드(220)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 압축기 블레이드의 루트부(220a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시 예의 경우, 상기 압축기 블레이드 루트부(220a)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 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 블레이드를 상기 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.
여기서, 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 압축기 블레이드(220)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 압축기 블레이드 루트부(220a)가 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크(520)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 압축기 베인(240)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(240)과 상기 압축기 블레이드(220)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 복수의 압축기 베인(240)의 일부는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유입량을 조절하기 위해 상기 압축기 케이싱(102)에 각도 조절이 가능하게 결합되는 가변 베인(Variable Guide Vanes)에 해당할 수도 있다.
상기 연소기(300)는 상기 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기 및 상기 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 연소기(300)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(300)는 상기 연소기 케이싱에 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.
또한, 상기 각 연소기(300)는, 상기 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너, 상기 라이너에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너 및 상기 버너에서 생성되는 연소 가스를 상기 터빈으로 안내하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.
상기 라이너는, 연소실을 형성하는 화염통 및 상기 화염통을 감싸면서 환형 공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다.
상기 버너는, 상기 연소실로 유입되는 공기에 연료를 분사하도록 상기 라이너의 전단 측에 형성되는 연료 분사 노즐 및 상기 연소실에서 혼합된 공기와 연료가 착화되도록 상기 라이너의 벽부에 형성되는 점화 플러그를 포함할 수 있다.
상기 트랜지션 피스는 연소 가스의 높은 온도에 의해 손상되지 않도록 그 트랜지션 피스의 외벽부가 상기 압축기로부터 공급되는 공기에 의해 냉각되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사하기 위한 냉각 홀이 형성되고, 공기가 그 냉각 홀을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킬 수 있다.
한편, 상기 트랜지션 피스를 냉각시킨 공기는 상기 라이너의 환형 공간으로 유동되고, 상기 라이너의 외벽에는 상기 플로우 슬리브의 외부에서 공기가 상기 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀을 통해 냉각 공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 압축기(200)와 상기 연소기(300) 사이에는 상기 연소기(300)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(De-swirler)가 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈(400)은, 상기 로터(500)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(420) 및 상기 터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.
상기 터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 터빈 블레이드(420)의 루트부(420a)는 상기 터빈 로터 디스크(540)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(420a)는 상기 터빈 블레이드(420)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 터빈 블레이드의 루트부(420a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시 예의 경우, 상기 터빈 블레이드 루트부(420a)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 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 블레이드를 상기 터빈 로터 디스크에 체결할 수 있다.
여기서, 상기 터빈 로터 디스크(540)와 상기 터빈 블레이드(420)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 터빈 블레이드 루트부(420a)가 전술한 바와 같이 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 상기 터빈 로터 디스크(540)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
상기 터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(440)과 상기 터빈 블레이드(420)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 1단 터빈 베인(441), 1단 터빈 블레이드(421), 2단 터빈 베인(442), 2단 터빈 블레이드(422)가 교대로 배치되고 있으며, 이후에는 도시되지는 않았으나 3단, 4단 내지 n단의 터빈 베인(440)과 터빈 블레이드(420)가 교대로 배치된다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 상기 1단 터빈 블레이드(421)와 2단 터빈 블레이드(422)는 상기 터빈 로터 디스크(540)에 결합된다.
이때, 상기 각 터빈 로터 디스크(540) 사이에는 디스크 스페이서(570)가 배치되어 상기 각 터빈 로터 디스크(540) 사이의 간격을 유지하면서 이를 연결할 수 있도록 한다.
상기 터빈 로터 디스크(540)와 디스크 스페이서(570)는 상기 타이로드(550)에 의해 일체로 고정되어 함께 상기 로터(500)를 형성하게 되며, 일체로 회전한다.
상기 터빈 베인(440)은 터빈 베인(440)의 반경방향 외측과 내측에 각각 형성되는 외측 플랫폼과 내측 플랫폼에 의해 상기 터빈 케이싱(104)에 결합될 수 있으며, 상기 1단 터빈 베인(441)의 외측 플랫폼과 내측 플랫폼은 외측 케이싱과 내측 케이싱에 각각 결합된다.
이때, 상기 2단 터빈 베인(442)이 상기 터빈 케이싱(104)에 결합되는 터빈 베인 조립체의 구조는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.
이에 따라, 상기 연소기(300)에서 배출된 고온, 고압의 연소 가스는 상기 터빈(400)의 고온 가스 경로(402)를 따라 상기 1단 터빈 베인(441) 및 2단 터빈 베인(442)에서 유속의 에너지로 변환됨과 동시에, 상기 1단 터빈 블레이드(421) 및 2단 터빈 블레이드(422)를 회전시키게 된다.
여기서, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로, 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다.
이에 따라, 본 실시 예에 따른 가스 터빈은, 상기 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하는 냉각 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로는 실시 예에 따라, 상기 케이싱(100)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터(500)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다.
이때, 상기 냉각 유로는 상기 터빈 블레이드(420)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 상기 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다.
또한, 상기 터빈 블레이드 쿨링 유로는 상기 터빈 블레이드(420)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(420)의 표면에 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다.
이외에도, 상기 터빈 베인(440) 역시 상기 터빈 블레이드(420)와 유사하게 상기 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.
이러한 구성에 따른 가스 터빈(1)은, 상기 케이싱(100)으로 유입되는 공기가 상기 압축기(200)에 의해 압축되고, 상기 압축기에 의해 압축된 공기가 상기 연소기(300)에 의해 연료와 혼합된 뒤 연소되어 연소 가스가 되고, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스가 상기 터빈(400)으로 유입되고, 상기 터빈(400)으로 유입된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드(420)를 통해 상기 로터(500)를 회전시킨 후 상기 디퓨저를 통해 대기로 배출되며, 연소 가스에 의해 회전되는 상기 로터(500)가 상기 압축기(200) 및 상기 발전기를 구동할 수 있다. 즉, 상기 터빈에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 상기 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 상기 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 터빈 베인 조립체는 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.
이하, 도 3 내지 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 터빈 베인 조립체에 관하여 자세히 설명하도록 한다.
이때, 본 발명의 터빈 베인 조립체는 상기에서 설명한 가스터빈에 적용되는 경우를 기준으로 설명하도록 한다.
본 발명의 터빈 베인 조립체는, 터빈 베인, 상기 터빈 베인의 일측에 형성되는 외측 플랫폼, 상기 터빈 베인의 타측에 형성되는 내측 플랫폼 및 상기 내측 플랫폼에 결합되는 U-ring부를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 본 실시 예에서는 상기 2단 터빈 베인(442)을 기준으로 설명하도록 하며, 상기 외측 플랫폼(620)은 상기 2단 터빈 베인(442)의 반경방향 외측에 형성되고, 상기 내측 플랫폼(640)은 상기 2단 터빈 베인(442)의 반경방향 내측에 형성될 수 있다.
이때, 상기 외측 플랫폼(620)은 상기 터빈 케이싱(104)에 고정되며, 상기 내측 플랫폼(640)은 상기 U-ring부(660)와 결합될 수 있다.
즉, 상기 U-ring부(660)는 상기 내측 플랫폼(640)의 반경방향 내측에 결합되되, 복수의 결합부에 의해 결합될 수 있다. 본 실시 예에서는, 복수의 걸어맞춤부에 의해 결합되고 있다.
이에 따라, 상기 외측 플랫폼(620), 상기 2단 터빈 베인(442), 상기 내측 플랫폼(640) 및 상기 U-ring부(660)는 일체로 결합되어 상기 터빈 케이싱(104)에 고정 설치되며, 상기 U-ring부(660)의 반경방향 내측에 위치하는 상기 스페이서(570)는 상기 로터(500)와 일체로 회전하게 되는 것이다.
상기 U-ring부(660)와 상기 스페이서(570) 사이에는 실링부가 형성되며, 상기 실링부는 상기 1단 터빈 블레이드(421)와 상기 U-ring부(660) 사이에 형성되는 제1 휠 스페이스(461)와, 상기 2단 터빈 블레이드(422)와 상기 U-ring부(660) 사이에 형성되는 제2 휠 스페이스(462)가 연통되지 않고 각각 독립된 공간을 형성할 수 있도록 한다.
구체적으로, 상기 제1 휠 스페이스(461)는 상기 U-ring부(660)와 이와 대향하는 상기 1단 터빈 블레이드(421)와 상기 터빈 로터 디스크(540)를 접속하는 1단 생크부(431) 사이에 형성되는 간극에 해당하는 것이며, 상기 제2 휠 스페이스(462)는 상기 U-ring부(660)와 이와 대향하는 상기 2단 터빈 블레이드(422)와 상기 터빈 로터 디스크(540)를 접속하는 2단 생크부(432) 사이에 형성되는 간극에 해당하는 것이다.
즉, 상기 2단 터빈 베인(442)을 기준으로 상류 측에는 상기 1단 터빈 블레이드(421)와 제1 휠 스페이스(461)를 형성하고, 하류 측에는 상기 2단 터빈 블레이드(422)와 제2 휠 스페이스(462)를 형성하고 있다.
이때, 상기 실링부는 도 3에 도시된 바와 같이 래버린스 실(labyrinth seal; 670)로 형성되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 허니컴 실(honeycomb seal), 브러쉬 실(brush seal) 등 다양한 실링 구조로 이루어질 수 있다.
상기 내측 플랫폼(640)과 상기 U-ring부(660) 사이에는 캐비티(cavity; 662)가 형성되며, 상기 U-ring부(660)에는 상기 캐비티(662)와 상기 제1 휠 스페이스(461) 및 제2 휠 스페이스(462)를 각각 연통시키기 위한 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)이 형성된다.
즉, 상기 U-ring부(660)의 상류 측면에는 제1 퍼지홀(681)이 형성되며, 상기 U-ring부(660)의 원주방향을 따라 다수개가 형성될 수 있다. 또한, 상기 U-ring부(660)의 하류 측면에는 제2 퍼지홀(682)이 형성되며, 상기 U-ring부(660)의 원주방향을 따라 다수개가 형성될 수 있다.
이때, 상기 U-ring부(660)의 원주방향을 따라 형성되는 다수의 퍼지홀은 상기 로터(500)의 원주방향으로 환상의 어레이를 이루며 배치되는 상기 터빈 베인(440)의 개수만큼 형성될 수도 있다.
이에 따라, 상기 2단 터빈 베인(442)의 내측에 마련되는 터빈 베인 쿨링 유로(442a)를 통해 상기 캐비티(662)로 유입되는 냉각 공기가 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)을 통해 각각 상기 제1 휠 스페이스(461)와 제2 휠 스페이스(462)로 분사될 수 있다.
이때, 상기 압축기(200)에서 추기하여 상기 터빈 베인 쿨링 유로(442a)로 냉각 공기를 공급하기 위한 냉각 유로 상에는 상기 터빈 베인 쿨링 유로(442a)로 공급되는 냉각 공기를 제어하기 위한 제어밸브(미도시)가 구비될 수 있으며, 상기 제어밸브를 조절함으로써 상기 터빈 베인 쿨링 유로(442a)를 통해 상기 캐비티(662)로 유입되는 냉각 공기의 공급량 등을 제어할 수 있다.
상기 제1 휠 스페이스(461)와 제2 휠 스페이스(462)로 분사된 냉각 공기는 도 3에 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 로터(500)의 반경방향 외측으로, 즉 상기 고온 가스 경로(402) 상으로 방출된다.
이에 따라, 상기 고온 가스 경로(402) 상의 연소 가스가 상기 제1 휠 스페이스(461)와 제2 휠 스페이스(462)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 고온의 연소 가스가 상기 터빈 로터 디스크(540)와 U-ring부(660) 측으로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 방출되는 냉각 공기는 실(seal) 공기의 역할을 하게 된다.
만약 고온의 연소 가스가 상기 제1 휠 스페이스(461) 및 제2 휠 스페이스(462)에 유입되어 온도가 상승하게 되면, 상기 터빈 로터 디스크(540) 및 U-ring부(660)가 상기 연소 가스에 의해 열적 손상을 받게되고, 이로 인해 과도한 열부하에 의한 열응력의 증대로 부재의 수명 저하가 초래될 수 있다. 또한, 부재의 비정상적인 열 변형 발생에 의해 터빈의 회전에 지장을 초래해 가스터빈의 정상적인 운전이 곤란해지며 결과적으로 가스터빈의 효율이 감소될 수도 있다.
이를 방지하기 위해서는, 상기와 같이 제1 휠 스페이스(461)와 제2 휠 스페이스(462)에 실(seal) 공기를 확실하게 공급해주어야 한다.
이때, 운전조건, 예를 들어 가스터빈 입구 외기온도 조건, 운전 출력 등에 따라 상기 캐비티(662)로 유입되는 냉각 공기의 온도 및 압력 조건이 달라지며, 상기 고온 가스 경로(402) 상의 연소 가스의 온도 및 압력 조건 또한 달라질 수 있으므로, 운전조건에 따라 요구되는 실(seal) 공기의 최적의 공급량 또는 공급 압력 등이 다르게 형성될 수 있다.
구체적으로, 외기 온도가 낮아질수록 상기 고온 가스 경로(402) 상의 압력이 증가하며, 해당 온도에서 출력이 높아질수록 상기 고온 가스 경로(402) 상의 압력과 유량이 증가하게 된다.
반대로, 외기 온도가 높아질수록 상기 고온 가스 경로(402) 상의 압력은 감소하며, 해당 온도에서 출력이 낮아질수록 상기 고온 가스 경로(402) 상의 압력과 유량은 감소하게 된다.
이에 따라, 상기 고온 가스 경로(402) 상의 연소 가스(Hot gas)가 상기 제1 휠 스페이스(461) 및 제2 휠 스페이스(462)로 유입되지 않도록 하기 위해 가압해야 할 냉각 공기(Seal 공기)의 공급 압력과 유량 조건은 달라질 수 있다.
이를 위해 본 발명은, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)에 공급되는 실(seal) 공기의 유량 및 공급 압력을 조절하기 위해 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 조절될 수 있도록 한다.
이때, 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적을 조절함으로써 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)로 공급되는 실 공기의 유속을 조절할 수도 있으며, 다만 실 공기의 유속은 유량과 공급 압력에 비해 퍼지 효과에 큰 영향을 주지 않으므로 아래에서는 실 공기의 유량 및 공급 압력이 조절되는 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
본 실시 예에서는, 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 면적을 조절하기 위한 구조로서, 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)에 조리개부(700)가 구비되고 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 퍼지홀(681)을 살펴보면, 상기 제1 퍼지홀(681)의 내부에는 조리개부(700)가 구비되고 있으며, 상기 조리개부(700)가 열리고 닫힘에 따라 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적 조절이 가능하다. 도 4에는 상기 조리개부(700)가 최대로 열려있는 경우가 도시되어 있으며, 도 5에는 상기 조리개부(700)가 최대로 닫혀 있는 경우가 도시되어 있다.
이에 따라, 상기 조리개부(700)가 최대로 열려 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적이 최대인 경우에는, 상기 제1 퍼지홀(681)을 통해 상기 제1 휠 스페이스(461)로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력은 최대로 증가하게 된다.
반대로, 상기 조리개부(700)가 최대로 닫혀 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적이 최소인 경우에는, 상기 제1 퍼지홀(681)을 통해 상기 제1 휠 스페이스(461)로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 최대로 감소하게 된다.
또한, 상기 조리개부(700)를 구동하기 위한 구동부(800)를 더 포함할 수 있다. 상기 구동부(800)는 액추에이터 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 조리개부(700)와 연결되어 이를 구동함에 따라 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 조절되도록 한다.
이때, 상기 구동부(800)는 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 조리개부에 각각 연결되어, 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 면적을 동시에 또는 별개로 조절할 수 있다.
또한, 상기 조리개부(700)의 면적 조절을 제어하기 위한 제어부(900)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(900)는 상기 구동부(800)에 연결되어 상기 조리개부(700)의 면적 조절을 제어할 수 있다.
이하, 상기 제어부(900)의 제어 작용에 관하여 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.
상기 제어부(900)는 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도가 적정 온도보다 높은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 넓어지도록 조절하며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적을 유지하거나 면적이 좁아지도록 조절할 수 있다.
이때, 상기의 적정 온도는 상기 터빈 로터 디스크(540)가 견딜 수 있는 허용 온도 수준보다 낮은 수준으로 설정될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도가 적정 온도보다 높아 상기 터빈 로터 디스크(540)의 허용 온도 수준에 가까워지면, 이에 대응하여 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 넓어지도록 조절함으로써 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)로 공급되는 냉각 공기의 유량과 공급 압력을 증가시킬 수 있도록 한다.
이때, 면적이 넓어지는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)로 공급되는 냉각 공기의 유량이 충분히 증가될 수 있도록 하기 위하여, 상기 냉각 유로 상의 제어밸브를 더 열어주어 상기 터빈 베인 쿨링 유로(442a)를 통해 상기 캐비티(662) 내로 유입되는 냉각 공기의 공급량(유량)을 증가시킬 수도 있다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)로 공급되는 냉각 공기의 유량과 공급 압력이 증가됨에 따라, 상기 고온 가스 경로(402) 상의 연소 가스가 상기 휠 스페이스로 유입되는 것을 더욱 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 휠 스페이스의 온도를 적정 온도로 낮출 수 있으며, 상기 터빈 로터 디스크(540) 및 U-ring부(660)를 보호할 수 있게 된다.
또한, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 유지되도록 할 수 있으며, 이에 더하여 운전 출력의 증가가 필요한 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 좁아지도록 조절함으로써 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)로 공급되는 냉각 공기의 유량과 공급 압력을 감소시킬 수 있도록 한다.
이때, 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적은 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도가 적정 온도를 넘지 않는 선에서 감소될 수 있다.
이를 위해, 상기 제어부(900)는 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)에 구비되는 온도 센서(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도에 따라 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 면적을 조절할 수 있다.
상기에서는 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 모두 적정 온도보다 높거나 낮게 형성되어 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 동시에 조절되는 것을 기준으로 설명하였으나, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스 중 어느 하나의 온도만 적정 온도보다 높거나 낮게 형성되어 이에 대응하는 상기 제1 또는 제2 퍼지홀의 면적만 개별적으로 조절될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 제어부(900)는 상기와 같이 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 온도에 따라 퍼지홀의 면적을 조절할 수 있음은 물론, 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 압력에 따라 퍼지홀의 면적을 조절할 수도 있다.
구체적으로, 상기 제어부(900)는 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 압력이 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)을 통해 분사되는 실 공기의 압력보다 높은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적이 넓어지도록 조절하며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 압력이 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)을 통해 분사되는 실 공기의 압력보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)의 면적을 유지하거나 면적이 좁아지도록 조절할 수 있다.
이때, 면적이 넓어지는 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)로 공급되는 냉각 공기의 공급 압력이 충분히 증가될 수 있도록 하기 위하여, 상기 냉각 유로 상의 제어밸브를 더 열어주어 상기 터빈 베인 쿨링 유로(442a)를 통해 상기 캐비티(662) 내로 유입되는 냉각 공기의 공급량(유량)을 증가시킬 수도 있다.
이를 위해, 상기 제어부(900)는 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)에 구비되는 압력 센서(미도시)와 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)을 통해 분사되는 실 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 압력 센서에 의해 측정된 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 압력과 상기 제1 및 제2 퍼지홀(681, 682)을 통해 분사되는 실 공기의 압력을 비교함에 따라 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 면적을 조절할 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 각 압력에 따라 상기 제1퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 면적이 개별적으로 조절될 수 있음은 물론이다.
통상적으로, 상기 제1 휠 스페이스(461)의 압력은 상기 제2 휠 스페이스(462)의 압력보다 높게 형성되며, 이는 다양한 조건에 의해 변화하지만 대략 2배 정도일 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 퍼지홀(681)을 통해 상기 제1 휠 스페이스(461)로 공급되는 실 공기의 압력이 상기 제2 퍼지홀(682)을 통해 상기 제2 휠 스페이스(462)로 공급되는 실 공기의 압력보다 높게 형성되도록 하기 위하여, 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적이 상기 제2 퍼지홀(682)의 면적보다 넓게 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 실링부가 본 실시 예와 같이 래버린스 실(670)로 이루어지는 경우에는 실링부가 허니컴 실 또는 브러쉬 실로 이루어지는 경우보다 실링 성능이 다소 저하된다.
따라서, 이 경우에는 상기 제1 휠 스페이스(461)에서 상기 래버린스 실(670) 부분을 통해 상기 제2 휠 스페이스(462)로 누출되는 냉각 공기의 양을 고려하여, 상기 제1 휠 스페이스(461) 상에 냉각 공기가 더 많이 공급되도록 할 수 있다. 즉, 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적이 상기 제2 퍼지홀(682)의 면적보다 넓게 형성되도록 할 수 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스(461, 462)의 각 온도와 압력, 운전 조건 등에 따라 상기 제1 퍼지홀(681)과 제2 퍼지홀(682)의 면적은 알맞게 조절될 수 있다.
또한, 도 6 및 7을 참고하여 본 발명의 다른 실시 예를 살펴보면, 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)의 면적을 조절하기 위한 구조로서, 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682)에 슬라이드부(1700)가 구비되고 있다.
상기 슬라이드부(1700)는 슬라이드 가능한 플레이트로 이루어져 슬라이드 가능하도록 하는 레일(rail), 컨베이어(conveyor) 등의 이동부를 통해 상기 제1 퍼지홀(681) 및 제2 퍼지홀(682) 상에서 슬라이드 함으로써 면적을 조절하고 있다.
이때, 상기 슬라이드부(1700)는 상기 퍼지홀의 내부에 구비될 수도 있으나, 본 실시 예와 같이 상기 퍼지홀을 둘러싸도록 상기 U-ring부(660) 상에 형성될 수도 있다.
구체적으로, 도 6을 참고하여 상기 제1 퍼지홀(681)을 살펴보면, 상기 U-ring부(660)의 상류 측에는 상기 제1 퍼지홀(681)을 둘러싸도록 슬라이드부(1700)가 구비되고 있으며, 상기 슬라이드부(1700)가 슬라이드됨에 따라 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적 조절이 가능하다.
즉, 도 6에서와 같이 상기 슬라이드부(1700)가 상기 제1 퍼지홀(681)을 가리지 않도록 슬라이드되면 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적이 최대가 되며, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 슬라이드부(1700)가 상기 제1 퍼지홀(681)을 최대한 가리도록 슬라이드되면 상기 제1 퍼지홀(681)의 면적이 최소가 되는 것이다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본 실시 예에서는, 상기 슬라이드부(1700)가 상기 제1 퍼지홀(681)을 완전히 가리거나 가리지 않도록 슬라이드 가능하다.
본 실시 예에서 상기 슬라이드부(1700) 외의 구조는 상기에서 설명한 실시 예와 동일하므로 설명을 생략하도록 한다.
본 발명에 따르면, 상기 U-ring부(660)에 형성된 퍼지홀(purge hole)을 통해 상기 휠 스페이스로 냉각 공기를 공급함으로써 상기 고온 가스 경로(402) 상의 고온의 연소 가스가 상기 휠 스페이스로 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 운전조건에 따라 상기 퍼지홀의 면적을 조절함으로써 각 휠 스페이스로 공급되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력을 조절할 수 있다.
이에 따라, 냉각 공기를 최소의 양으로 효율적으로 공급할 수 있으며, 궁극적으로 가스터빈의 효율이 향상될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1: 가스터빈 100: 케이싱
102: 압축기 케이싱 103: 연소기 케이싱
104: 터빈 케이싱 200: 압축기
220: 압축기 블레이드 220a: 압축기 블레이드 루트부
240: 압축기 베인 300: 연소기
400: 터빈 402: 고온 가스 경로
420: 터빈 블레이드 420a: 터빈 블레이드 루트부
421: 1단 터빈 블레이드 422: 2단 터빈 블레이드
431: 1단 생크부 432: 2단 생크부
440: 터빈 베인 441: 1단 터빈 베인
442: 2단 터빈 베인 442a: 터빈 베인 쿨링 유로
461: 제1 휠 스페이스 462: 제2 휠 스페이스
500: 로터
520: 압축기 로터 디스크 530: 토크 튜브
540: 터빈 로터 디스크 550: 타이로드
560: 고정 너트 570: 디스크 스페이서
620: 외측 플랫폼 640: 내측 플랫폼
660: U-ring부 662: 캐비티
670: 래버린스 실 681: 제1 퍼지홀
682: 제2 퍼지홀 700: 조리개부
800: 구동부 900: 제어부
1700: 슬라이드부

Claims (23)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 케이싱;
    상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기;
    상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈; 및
    상기 압축기, 연소기 및 터빈을 관통하도록 상기 케이싱의 내측 중앙에 구비되며 회전 가능하게 지지되는 로터;를 포함하며,
    상기 터빈은, 상기 로터와 일체로 회전되는 상기 복수의 터빈 블레이드;와, 상기 복수의 터빈 블레이드와 교대로 배치되며 상기 케이싱에 고정 설치되는 복수의 터빈 베인;을 포함하고,
    상기 터빈 베인의 반경방향 외측에 형성되는 외측 플랫폼;
    상기 터빈 베인의 반경방향 내측에 형성되는 내측 플랫폼;
    상기 내측 플랫폼에 결합되는 U-ring부;
    상기 U-ring부의 서로 마주보는 양측에 각각 형성되는 제1 및 제2 퍼지홀(purge hole);
    상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 조절하기 위한 면적 조절부; 및
    상기 면적 조절부를 구동하기 위한 구동부;를 더 포함하며,
    상기 U-ring부와, 상기 U-ring부와 인접하는 양측의 상기 터빈 블레이드 사이에는 각각 제1 및 제2 휠 스페이스가 형성되며,
    상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 조절됨에 따라 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 조절되되, 상기 구동부는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 동시에 또는 개별적으로 조절 가능하고,
    상기 면적 조절부는 조리개(Diaphragm)로 이루어지며,
    상기 내측 플랫폼과 상기 U-ring부 사이에는 캐비티(cavity)가 형성되고, 상기 압축기에서 추기된 냉각 공기는 상기 터빈 베인의 내부에 형성되는 터빈 베인 쿨링 유로를 통해 상기 캐비티로 유입되되,
    상기 압축기에서 냉각 공기를 추기하여 상기 터빈 베인 쿨링 유로로 공급하기 위한 냉각 유로 상에는 상기 터빈 베인 쿨링 유로로 공급되는 냉각 공기를 제어하기 위한 제어밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제7항에 있어서,
    상기 U-ring부와 이와 대향하는 상기 로터 사이에 구비되는 실링부;를 더 포함하며,
    상기 실링부는 상기 제1 휠 스페이스와 제2 휠 스페이스의 공간을 분리하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 최대인 경우 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 최대로 증가되며,
    상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 최소인 경우 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 상기 제1 및 제2 휠 스페이스로 분사되는 냉각 공기의 유량 및 공급 압력이 최대로 감소되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 면적 조절부의 면적 조절을 제어하기 위한 제어부;
    를 더 포함하는 가스 터빈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 적정 온도보다 높은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 넓어지도록 조절하며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 유지하거나 면적이 좁아지도록 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 넓어지도록 조절할 때 상기 제어밸브가 더 개방되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 온도가 적정 온도보다 낮고 운전 출력의 증가가 필요한 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 좁아지도록 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스에 구비되는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 압력이 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력보다 높은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적이 넓어지도록 조절하며, 상기 제1 및 제2 휠 스페이스의 압력이 상기 제1 및 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력보다 낮은 경우에는 상기 제1 및 제2 퍼지홀의 면적을 유지하거나 면적이 좁아지도록 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력이 상기 제2 퍼지홀을 통해 분사되는 냉각 공기의 압력보다 크게 형성되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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