KR102135442B1 - 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트는, 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되며, 압축기로부터 공급된 압축공기가 유입되는 챔버를 구비한 링세그먼트 몸체부; 챔버의 적어도 일측에 형성되며, 적어도 2이상의 터닝 포인트를 갖는 곡선 형태로 형성된 복수개의 냉각유로;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축기로부터 공급된 압축공기를 이용하여 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치된 링 세그먼트의 냉각 성능을 향상할 수 있다.

Description

링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈{Ring segment and gas turbine comprising it}
본 발명은 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소 가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
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.
가스 터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성하고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0064754호 (명칭: 가스터빈의 냉각 블레이드)
본 발명의 일 측면은 압축기로부터 공급된 압축공기를 이용하여 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치된 링 세그먼트의 냉각 성능을 향상할 수 있는 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트는, 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되며, 압축기로부터 공급된 압축공기가 유입되는 챔버를 구비한 링세그먼트 몸체부; 챔버의 적어도 일측에 형성되며, 적어도 2이상의 터닝 포인트를 갖는 곡선 형태로 형성된 복수개의 냉각유로;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 냉각유로의 출구에는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 유로 확장부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 유로 확장부는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 경사면을 구비하며, 경사면은 터빈 블레이드의 회전 방향과 반대 방향으로 경사진 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 유로 확장부의 상류 측에는 냉각유로를 유동하는 압축공기의 적어도 일부를 경사면으로 가이드하는 확장 가이드부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 터닝 포인트가 형성된 냉각유로 부분의 유동 단면적은, 터닝 포인트가 형성되지 않은 냉각유로 부분의 유동 단면적 보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 냉각유로의 입구에는 챔버로 유입된 압축공기를 냉각유로로 가이드하는 유입 가이드부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 챔버의 바닥면으로부터 이격 형성되며 복수개의 냉각홀을 구비한 씬플레이트와, 챔버의 바닥면에 복수개의 냉각홀과 마주보는 위치에 각각 형성되어 냉각홀을 통과한 압축공기가 충돌하여 안내되는 복수개의 충돌 가이드부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 복수개의 충돌 가이드부는, 챔버의 바닥면에 음각 소용돌이 또는 양각 소용돌이 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기; 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 내부에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전하는 터빈; 및 터빈 케이싱 내주면에 장착되는 링 세그먼트를 포함한다. 링 세그먼트는, 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되며, 압축기로부터 공급된 압축공기가 유입되는 챔버를 구비한 링세그먼트 몸체부; 챔버의 적어도 일측에 형성되며, 적어도 2이상의 터닝 포인트를 갖는 곡선 형태로 형성된 복수개의 냉각유로;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각유로의 출구에는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 유로 확장부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 유로 확장부는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 경사면을 구비하며, 경사면은 터빈 블레이드의 회전 방향과 반대 방향으로 경사진 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 유로 확장부의 상류 측에는 냉각유로를 유동하는 압축공기의 적어도 일부를 경사면으로 가이드하는 확장 가이드부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 터닝 포인트가 형성된 냉각유로 부분의 유동 단면적은, 터닝 포인트가 형성되지 않은 냉각유로 부분의 유동 단면적 보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각유로의 입구에는 챔버로 유입된 압축공기를 냉각유로로 가이드하는 유입 가이드부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 챔버의 바닥면으로부터 이격 형성되며 복수개의 냉각홀을 구비한 씬플레이트와, 챔버의 바닥면에 복수개의 냉각홀과 마주보는 위치에 각각 형성되어 냉각홀을 통과한 압축공기가 충돌하여 안내되는 복수개의 충돌 가이드부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 복수개의 충돌 가이드부는, 챔버의 바닥면에 음각 소용돌이 또는 양각 소용돌이 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 압축기로부터 공급된 압축공기를 이용하여 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치된 링 세그먼트의 냉각 성능을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈이 일부 절개되어 도시된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조가 도시된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조가 도시된 일부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 평면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트의 냉각유로에서 배출된 압축공기가 터빈 블레이드로부터 침투하는 고온고압의 가스를 차단하는 것을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트의 냉각유로 일부가 확대 도시된 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 측단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 평면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 평면도이다.
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.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 한 동일한 부호로 나타낸다. 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈이 일부 절개되어 도시된 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조가 도시된 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조가 도시된 일부 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 블레이드(1110)를 회전시키며, 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.
압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 환형으로 배치되는 복수의 연소 챔버(1210)와 연료 노즐 모듈(1220)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 하우징(1010)을 구비하고 있고, 하우징(1010)의 후측에는 터빈을 통과한 연소 가스가 배출되는 디퓨져(1400)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨져(1400)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1200)가 배치된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(1010)의 상류측에 압축기(1100)가 위치하고, 하류 측에 터빈(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기(1100)와 터빈(1300)의 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(1500)가 배치되어 있다.
압축기(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1120)들은 타이로드(1600)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 회전축을 구성하는 타이로드(1600)가 대략 중앙을 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 대향하는 면이 타이로드(1600)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
압축기 로터 디스크(1120)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(1110)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(1110)는 도브테일부(1112)를 구비하여 압축기 로터 디스크(1120)에 체결된다.
각각의 로터 디스크(1120)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 베인은 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크(1120)의 블레이드(1110)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크(1120)의 블레이드(1110)로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
도브테일부(1112)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스 터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
타이로드(1600)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(1120) 및 터빈 로터 디스크(1320)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 타이로드(1600)는 하나 또는 복수의 타이로드로 구성될 수 있다. 타이로드(1600)의 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타이로드(1600)의 타측 단부는 고정 너트(1450)에 의해 체결된다.
타이로드(1600)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 2에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 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 디퓨져(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.
연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소 가스 온도를 높이게 된다.
가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 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 연소 가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소 가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
이를 위해 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.
라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소 가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 토크튜브(1500)를 거쳐 압축기으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
터빈(1300)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 터빈(1300)에도 압축기의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(1320)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(1320) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1310)를 포함한다. 터빈 블레이드(1310) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1320)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(1320)의 블레이드(1340)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(1330)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.
터빈 베인(1330)의 내측 단부와 외측 단부에 결합된 엔드월(endwall, 1340)에 의해, 터빈 베인(1330)은 하우징 내에 고정적으로 장착된다. 반면에, 하우징 내측에 회전하는 터빈 블레이드(1310)의 외측 단부와 마주보는 위치에는 링 세그먼트(2000)가 터빈 블레이드(1310)의 외측 단부와 소정의 간극을 형성하도록 장착된다.
본 발명에서 링 세그먼트(2000)는 압축기(1100)로부터 외부 유로(미도시)를 통해 공급된 압축공기를 이용하여 터빈 블레이드(1310)를 둘러싸도록 배치된 링 세그먼트의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 관련하여, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 측단면도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 평면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트(2000)는, 링 세그먼트 몸체부(2100)와 챔버(2200)와 냉각유로(2300)를 포함한다.
링 세그먼트 몸체부(2100)는 링 세그먼트(2000)의 외관을 형성하는 것으로, 복수개의 링 세그먼트(2000)가 원주 방향으로 연속적으로 연결되어 터빈 블레이드(1310)들을 둘러싸도록 형성된다. 개개의 링 세그먼트(2000)는 터빈 케이싱(1350)의 내주면에 장착된다. 링 세그먼트 몸체부(2100)는 도면에 도시된 형상에 한정되지 않는다.
링 세그먼트 몸체부(2100)는 압축공기가 유입되는 공간으로 형성된 챔버(2200)를 구비한다. 챔버(2200)는 압축기(1100)에서 생성된 압축공기를 터빈(1300)으로 공급하는 외부 유로(미도시)와 직간접적으로 연결된다. 외부 유로를 통해 챔버(2200)로 공급된 압축공기는 챔버(2200)의 벽면을 충돌하면서 충돌 냉각 방식으로 링 세그먼트(2000)를 냉각시킨다. 챔버(2200)의 벽면을 충돌한 압축공기는 냉각유로(2300)를 유동하면서 외부로 배출되고, 외부로 배출되는 과정에서 냉각유로(2300)의 내벽을 2차로 충돌하면서 링 세그먼트(2000)를 냉각시킨다.
이때, 냉각유로(2300)가 곡선이 아닌 일자형으로 형성되면, 냉각유로(2300)를 유동하는 압축공기가 냉각유로(2300)의 벽면을 2차 충돌할 확률이 낮아지게 되고, 또한, 냉각유로(2300)를 유동하는 시간이 곡선형 보다는 상대적으로 짧아지게 되므로, 냉각유로(2300)에서의 2차 충돌에 의한 링 세그먼트(2000) 냉각 효율은 감소된다. 따라서, 냉각유로(2300)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 대략 S자 형상을 갖는 곡선 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 냉각유로(2300)는 챔버(2200)의 적어도 일측에 형성되며 적어도 2이상의 터닝 포인트(T1, T2)를 갖는 곡선 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 터닝 포인트(T1, T2)는 냉각유로(2300)를 유동하는 압축공기의 흐름을 반대 방향으로 전환시키는 영역을 의미한다. 터닝 포인트(T1, T2)는 U자 형상의 유로를 형성한다. 도 5에서는 터닝 포인트(T1, T2)가 2개 형성된 것을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 냉각유로(2300)의 출구가 디퓨저(1400) 방향으로 형성되도록 터닝 포인트의 개수를 조절한다.
본 실시예에서 냉각유로(2300)의 출구에는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 유로 확장부(2310)가 형성된다. 유로 확장부(2310)는 냉각유로(2300)의 출구측을 유동하는 압축공기가 넓게 퍼지도록 하여 출구측 냉각유로(2300)의 열전달 효율을 향상시킨다. 또한, 유로 확장부(2310)를 통해 배출된 압축공기는, 링 세그먼트(2000)와 인접한 엔드월(1340) 사이에 에어커튼(AC)을 형성한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트의 냉각유로에서 배출된 압축공기가 터빈 블레이드로부터 침투하는 고온고압의 가스를 차단하는 것을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 압축공기가 냉각유로(2300)의 유로 확장부(2310)를 통해 배출되어 형성된 에어커튼(AC)은, 링 세그먼트(2000) 하부의 공간에서 회전하는 터빈 블레이드(1310)를 통과한 고온고압의 가스가 링 세그먼트(2000)와 엔드월(1340) 사이에 형성된 갭(G)을 통해 링 세그먼트(2000)로 유입되는 것을 방지하여 링 세그먼트(2000)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
유로 확장부(2310)는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 경사면(2311)을 구비한다. 경사면(2311)은 터빈 블레이드(1310)의 회전 방향과 반대 방향으로 경사진 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 5에서 터빈 블레이드(1310)의 회전 방향이 상방향으로 예시되어 있으며, 이때 경사면(2311)은 하방향으로 경사지도록 형성된다.
이와 같이, 경사면(2311)이 터빈 블레이드(1310)의 회전 방향과 반대 방향으로 경사진 형태로 형성되면 냉각유로(2300)의 경로와 상대적으로 멀어서 냉각이 어려운 부분의 냉각 효과를 향상시킬 수 있고, 배출된 압축공기에 의해 형성된 에어커튼(AC)이 갭(G)을 커버하는 영역을 최대화할 수 있으며, 한정된 공간에 냉각유로(2300)를 최대한 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트의 냉각유로 일부가 확대 도시된 평면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각유로(2300)는 터닝 포인트(T1, T2)가 형성된 냉각유로 부분의 유동 단면적(A2)이 터닝 포인트가 형성되지 않은 냉각유로 부분의 유동 단면적(A1) 보다 작게 형성되도록 할 수 있다. 냉각유로(2300)로 유입된 압축공기는 단면적이 A1인 영역을 유동하다가 단면적이 더 작은 A2인 터닝 포인트 영역에서 유동시, 좁아진 유동 면적으로인해 속도가 빨라지게 되어 냉각유로(2300) 출구 측으로의 유동력을 추가할 수 있게 된다. 물론, 이는 응용예일 뿐, 냉각유로(2300) 전 영역에 대해 유동 단면적은 일정할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각유로(2300)는 확장 가이드부(2320)를 더 포함할 수 있다. 확장 가이드부(2320)는 유로 확장부(2310)의 상류 측에 형성되어 냉각유로(2300)의 출구측을 유동하는 압축공기의 적어도 일부를 경사면(2311)으로 가이드하여 링 세그먼트(2000)와 엔드월(1340) 사이에 에어커튼(AC)이 원할하게 형성될 수 있도록 한다.
다음으로, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트를 설명한다. 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 측단면도이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 평면도이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트는, 링 세그먼트 몸체부(2100), 챔버(2200), 냉각유로(2300), 유입 가이드부(2400)를 포함한다. 링 세그먼트 몸체부(2100)와 챔버(2200)와 냉각유로(2300)는 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
유입 가이드부(2400)는 냉각유로(2300)의 입구에 형성되어 챔버(2200)로 유입된 압축공기를 냉각유로(2300)로 가이드한다. 유입 가이드부(2400)는 냉각유로(2300)의 입구 상부에 판 형상 또는 반구 형상 등으로 형성될 수 있다.
압축기(1100)로부터 외부 유로(미도시)를 통해 공급된 압축공기는 챔버(2200)의 바닥면을 1차로 충돌 냉각하고, 냉각유로(2300)로 유입되지만, 챔버 바닥면을 충돌한 압축공기의 일부는 냉각유로(2300)로 유입되지 않고, 챔버(2200) 내부를 유동할 수 있다.
냉각유로(2300)로 직접 유입되지 않는 압축공기의 일부는 유입 가이드부(2400)에 의해 반사되어 냉각유로(2300)로 유입됨으로써 링 세그먼트의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. (도 9의 F1 경로 참조) 또한, 일부의 압축공기는 챔버(2200) 바닥면을 충돌하기 전에 유입 가이드부(2400)에 의해 유동 경로가 변경되어 냉각유로(2300)로 직접 유입됨으로써 링 세그먼트의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. (도 9의 F2 경로 참조)
다음으로, 도 11 및 도 12를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트를 설명한다. 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 측단면도이고, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트가 도시된 평면도이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈의 링 세그먼트는, 링 세그먼트 몸체부(2100), 챔버(2200), 냉각유로(2300), 씬플레이트(2500), 충돌 가이드부(2600)를 포함한다. 링 세그먼트 몸체부(2100)와 챔버(2200)와 냉각유로(2300)는 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다. 또한, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 전술한 제2 실시예의 유입 가이드부(2400)를 더 포함할 수 있다.
씬플레이트(2500)는 챔버(2200)의 바닥면으로부터 이격 형성되며 복수개의 냉각홀(2510)을 구비한다. 씬플레이트(2500)는 챔버(2200)의 양측 내벽에 용접되어 형성될 수 있다.
챔버(2200)의 바닥면에는 냉각홀(2510)을 통과한 압축공기를 소용돌이 형태로 가이드하는 복수개의 충돌 가이드부(2600)가 형성된다. 복수개의 충돌 가이드부(2600) 각각은 복수개의 냉각홀(2510) 각각과 마주보는 위치에 각각 형성된다.
충돌 가이드부(2600)는 챔버(2200)의 바닥면에 양각 또는 음각의 소용돌이 형태로 형성될 수 있다. 냉각홀(2510)을 통해 유입된 압축공기는 챔버(2200)의 바닥면에 형성된 충돌 가이드부(2600)와 충돌하여 링 세그먼트(2000)를 냉각시킬 때, 충돌 가이드부(2600)의 소용돌이 형상에 의해 상대적으로 긴 시간동안 유동하게 되어 링 세그먼트(2000)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
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.
1000 : 가스터빈 1010 : 하우징
1100 : 압축기 1110 : 압축기 블레이드
1200 : 연소기 1300 : 터빈
1310 : 터빈 블레이드 1330 : 터빈 베인
1340 : 엔드월 1400 : 디퓨져
1500 : 토크튜브 유닛 1600 : 타이로드
2000 : 링 세그먼트 2100 : 링 세그먼트 몸체부
2200 : 챔버 2300 : 냉각유로
2400 : 유입 가이드부 2500 : 씬플레이트
2600 : 충돌 가이드부

Claims (16)

  1. 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되며, 압축기로부터 공급된 압축공기가 유입되는 챔버를 구비한 링세그먼트 몸체부;
    상기 챔버의 적어도 일측에 형성되며, 적어도 2이상의 터닝 포인트를 갖는 곡선 형태로 형성된 복수개의 냉각유로;를 포함하며,
    상기 터닝 포인트가 형성된 냉각유로 부분의 유동 단면적은, 상기 터닝 포인트가 형성되지 않은 냉각유로 부분의 유동 단면적 보다 작게 형성된 링 세그먼트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유로의 출구에는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 유로 확장부가 형성된 링 세그먼트.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유로 확장부는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 경사면을 구비하며, 상기 경사면은 상기 터빈 블레이드의 회전 방향과 반대 방향으로 경사진 형태로 형성된 링 세그먼트.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유로 확장부의 상류 측에는 상기 냉각유로를 유동하는 압축공기의 적어도 일부를 상기 경사면으로 가이드하는 확장 가이드부가 형성된 링 세그먼트.
  5. 삭제
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로의 입구에는 상기 챔버로 유입된 압축공기를 상기 냉각유로로 가이드하는 유입 가이드부가 형성된 링 세그먼트.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버의 바닥면으로부터 이격 형성되며 복수개의 냉각홀을 구비한 씬플레이트와, 상기 챔버의 바닥면에 상기 복수개의 냉각홀과 마주보는 위치에 각각 형성되어 상기 냉각홀을 통과한 압축공기가 충돌하여 안내되는 복수개의 충돌 가이드부를 포함하는 링 세그먼트.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 복수개의 충돌 가이드부는,
    상기 챔버의 바닥면에 음각 소용돌이 또는 양각 소용돌이 형태로 형성되는 링 세그먼트.
  9. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    내부에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈; 및
    터빈 케이싱 내주면에 장착되는 링 세그먼트를 포함하고,
    상기 링 세그먼트는,
    상기 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되며, 상기 압축기로부터 공급된 압축공기가 유입되는 챔버를 구비한 링세그먼트 몸체부;
    상기 챔버의 적어도 일측에 형성되며, 적어도 2이상의 터닝 포인트를 갖는 곡선 형태로 형성된 복수개의 냉각유로;를 포함하며,
    상기 터닝 포인트가 형성된 냉각유로 부분의 유동 단면적은, 상기 터닝 포인트가 형성되지 않은 냉각유로 부분의 유동 단면적 보다 작게 형성된 가스 터빈.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉각유로의 출구에는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 유로 확장부가 형성된 가스 터빈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 유로 확장부는 압축공기의 유동 면적을 증가시키는 경사면을 구비하며, 상기 경사면은 상기 터빈 블레이드의 회전 방향과 반대 방향으로 경사진 형태로 형성된 가스 터빈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 유로 확장부의 상류 측에는 상기 냉각유로를 유동하는 압축공기의 적어도 일부를 상기 경사면으로 가이드하는 확장 가이드부가 형성된 가스 터빈.
  13. 삭제
  14. 청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로의 입구에는 상기 챔버로 유입된 압축공기를 상기 냉각유로로 가이드하는 유입 가이드부가 형성된 가스 터빈.
  15. 청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버의 바닥면으로부터 이격 형성되며 복수개의 냉각홀을 구비한 씬플레이트와, 상기 챔버의 바닥면에 상기 복수개의 냉각홀과 마주보는 위치에 각각 형성되어 상기 냉각홀을 통과한 압축공기가 충돌하여 안내되는 복수개의 충돌 가이드부를 포함하는 가스 터빈.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 복수개의 충돌 가이드부는,
    상기 챔버의 바닥면에 음각 소용돌이 또는 양각 소용돌이 형태로 형성되는 가스 터빈.
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