KR102295046B1 - 스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에서 스테이터는, 제1 단부는 케이싱의 내주면에 제1 회전부재로 연결되는 베인 및, 상기 베인의 제2 단부에 제2 회전부재로 연결되는 다이아프램을 포함하고, 상기 베인의 제1 단부와 상기 케이싱의 내주면간에는 회전을 위한 공차로 인해 제1 간격이 형성되며, 상기 베인의 제2 단부와 상기 다이아프램간에는 회전을 위한 공차로 제2 간격이 형성되고, 상기 제1,2 간격으로 작동유체를 유동시키도록 상기 베인에는 상기 제1,2 간격과 연결된 슬롯부를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 베인과 케이싱간의 결합부위 및 베인과 다이아프램간의 결합부위로 작동유체의 일부를 우회 유동시킴으로써, 베인의 양단부에서의 유체손실을 완화하는 효과가 있다.

Description

스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈{STATOR STRUCTURE AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베인과 케이싱간의 결합부위 및 베인과 다이아프램간의 결합부위로 작동유체의 일부를 우회 유동시킴으로써, 베인의 양단부에서의 벽부근 유체손실을 완화하는 스테이터 구조 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.
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 블레이와 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.
그리고 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.
한편, 도 1을 참고하면, 통상 케이싱(2)의 내주면에는 복수의 열로 스테이터(40)가 배치되고, 로터(3)의 외주면에는 블레이드(3a)가 복수의 열로 배치된다. 그리고 스테이터(40)의 베인(10)과 블레이드(3a)는 서로 교대로 배치된다.
여기서 베인(10)의 일단부(15)는 회전부재(31)에 의해 케이싱(2)에 마련된 외측링(미도시)에 조립되고, 베인(10)의 타단부(17)는 회전부재(33)에 의해 내측링에 해당하는 다이아프램(20)에 조립된다. 참고로 다이아프램(20)과 케이싱(2)의 외측링(미도시)에는 실링부재(21,2a)가 배치될 수 있다.
작동유체(H)는 베인(10)의 리딩엣지(11)로 유입되고, 트레일링엣지(13)를 통과하며 블레이드(3a) 방향으로 유동한다.
그런데, 베인(10)을 케이싱(2)과 다이아프램(20)에 회전부재(30)로 조립할 때, 회전을 위한 조립공차로 인해, 도 1의 확대도에서와 같이 베인(10)의 일단부(15)와 케이싱(2)의 내주면간에는 제1 간격(G1)이 형성되어 있고, 베인(10)의 타단부(17)와 다이아프램(20)간에는 제2 간격(G2)이 형성되어 있다.
이 경우 작동유체(H)가 제1,2 간격(G1,G2)으로 유입될 때, 불규칙한 방향으로 난류를 발생시키게 되고, 이는 베인(10)의 양단부(15,17)에서 벽부근 유체손실이 일어나게 한다.
관련 선행문헌으로는 한국특허공개번호 10-2019-0094955 가 있다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 베인과 케이싱간의 결합부위 및 베인과 다이아프램간의 결합부위로 작동유체의 일부를 우회 유동시킴으로써, 베인의 양단부에서의 벽부근 유체손실을 완화하는 스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 스테이터 구조에 관한 것으로, 로터의 외주면에 복수의 열로 배치된 블레이드와 교대로 케이싱의 내주면에 복수의 열로 배치되는 스테이터를 포함하고, 상기 스테이터는, 상기 케이싱의 내주면에 제1 회전부재에 의해 제1 단부가 결합되는 베인; 및 제2 회전부재에 의해 상기 베인의 제2 단부와 결합되는 다이아프램;을 포함하고, 상기 베인의 제1 단부와 상기 케이싱의 내주면간에는 회전을 위한 제1 간격이 형성되며, 상기 베인의 제2 단부와 상기 다이아프램간에는 회전을 위한 제2 간격이 형성되고, 상기 제1,2 간격으로 작동유체의 일부를 우회 유동시키도록, 상기 베인에는 상기 제1,2 단부와 연결된 슬롯부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 리딩엣지에 인접하여 배치되는 제1 슬롯; 및 상기 제1 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제1 관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 슬롯은, 상기 베인의 리딩엣지상에서 상기 제1 간격측에 인접하여 배치되는 제1-1 슬롯; 및 상기 베인의 리딩엣지상에서 상기 제2 간격측에 인접하여 배치되는 제1-2 슬롯;을 포함하고, 상기 제1 관은, 상기 제1-1 슬롯과 상기 베인의 제1 단부를 연결하는 제1-1 관; 및 상기 제1-2 슬롯과 상기 베인의 제2 단부를 연결하는 제1-2 관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 제1 관에 연결되고 상기 베인의 제1,2 단부에 배치되는 제1 확장관;을 더 포함하고, 상기 제1 확장관은 상기 제1 관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 제1 슬롯에 연결되고, 작동유체의 흐름에 대해 경사방향으로 배치되며 상기 베인의 제1,2 단부에 연결되는 제1 경사관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 제1 경사관에 연결되고, 상기 베인의 제1,2 단부에 형성되는 제1 경사확장관;을 더 포함하고, 상기 제1 경사확장관은 상기 제1 경사관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 리딩엣지에 형성되고, 상기 제1 슬롯과 연결되는 제1 진입관;을 포함하고, 상기 제1 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 곡선지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 리딩엣지에 형성되고, 상기 제1 슬롯과 연결되는 제1 진입관;을 포함하고, 상기 제1 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 트레일링엣지에 인접하여 배치되는 제2 슬롯; 및 상기 제2 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제2 관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 슬롯은, 상기 베인의 트레일링엣지상에서 상기 제1 간격측에 인접하여 배치되는 제2-1 슬롯; 및 상기 베인의 트레일링엣지상에서 상기 제2 간격측에 인접하여 배치되는 제2-2 슬롯;을 포함하고, 상기 제2 관은, 상기 제2-1 슬롯과 상기 베인의 일단부를 연결하는 제2-1 관; 및 상기 제2-2 슬롯과 상기 베인의 타단부를 연결하는 제2-2 관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 제2 관에 연결되고 상기 베인의 제1,2 단부에 배치되는 제2 확장관;을 더 포함하고, 상기 제2 확장관은 상기 제2 관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 제2 슬롯에 연결되고, 작동유체의 흐름에 대해 경사방향으로 배치되며 상기 베인의 제1,2 단부에 연결되는 제2 경사관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 제2 경사관에 연결되고, 상기 베인의 제1,2 단부에 배치되는 제2 경사확장관;을 더 포함하고, 상기 제2 경사확장관은 상기 제2 경사관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 트레일링엣지에 형성되고, 상기 제2 슬롯과 연결되는 제2 진입관;을 포함하고, 상기 제2 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 곡선지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 트레일링엣지에 형성되고, 상기 제2 슬롯과 연결되는 제2 진입관;을 포함하고, 상기 제2 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬롯부는, 상기 베인의 내부에 배치되고, 상기 제1,2 슬롯을 연결하는 연결관; 및 상기 베인의 내부에 배치되고, 상기 연결관과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 교차관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1,2 슬롯은 원형 단면으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1,2 슬롯은 타원형 단면으로 구성되고, 상기 제1,2 슬롯의 장축은 작동유체의 흐름방향을 기준으로 수직하게 배치되고, 상기 제1,2 슬롯의 단축은 작동유체의 흐름방향을 기준으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1,2 슬롯은 작동유체의 흐름방향을 기준으로 절곡 형상으로 구성될 수 있다.
본 발명인 가스터빈은, 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션; 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기; 상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 상기 압축기 섹션과 상기 터빈 섹션을 연결하는 로터; 및 상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;를 포함하고, 상기 압축기 섹션과 상기 터빈 섹션상에서, 상기 로터의 외주면에 복수의 열로 배치된 블레이드와 교대로 상기 케이싱의 내주면에 복수의 열로 배치되는 스테이터를 포함하고, 상기 스테이터는, 상기 케이싱의 내주면에 제1 회전부재로 제1 단부가 연결되는 베인; 및 제2 회전부재로 상기 베인의 제2 단부와 연결되는 다이아프램;을 포함하고, 상기 베인의 제1 단부와 상기 케이싱의 내주면간에는 회전을 위한 제1 간격이 형성되며, 상기 베인의 제2 단부와 상기 다이아프램간에는 회전을 위한 제2 간격이 형성되고, 상기 제1,2 간격으로 작동유체를 유동시키도록, 상기 베인에는 상기 제1,2 간격과 연결된 슬롯부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 베인과 케이싱간의 결합부위 및 베인과 다이아프램간의 결합부위로 작동유체의 일부를 우회 유동시킴으로써, 베인의 양단부에서의 벽부근 유체손실을 완화할 수 있다.
베인의 회전을 위한 조립공차로 인해 베인과 케이싱간의 결합부위 및 베인과 다이아프램간의 결합부위에는 간격이 발생하게 되고, 상기 간격으로 축방향으로 이동하는 작동유체 중 일부가 유입되어 협소한 공간에서 난류를 발생시키고, 이는 유체손실을 일으킨다.
본 발명은 상기 간격으로 작동유체의 일부를 분사하여, 상기 간격으로 축방향으로 중인 작동유체의 유입을 상쇄시킴으로써, 상기 간격에서의 유체손실을 완화하는 것이고, 이는 궁극적으로 가스터빈의 성능효율을 높이게 된다.
도 1은 종래 스테이터 구조를 나타낸 도면.
도 2는 가스터빈의 일반 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스테이터 구조를 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 4b는 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 4c는 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 도면.
도 4d는 도 4a에 개시된 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 A-A 단면의 일 형태를 도시한 도면.
도 4e는 도 4a에 개시된 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 A-A 단면의 다른 형태를 도시한 도면.
도 5a는 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 도면.
도 5b는 도 5a에 개시된 본 발명인 베인과 슬롯부 구조에 대한 C-C 단면도.
도 6a는 본 발명인 제1,2 슬롯의 일 형태를 나타낸 도면.
도 6b는 본 발명인 제1,2 슬롯의 다른 형태를 나타낸 도면.
도 6c는 본 발명인 제1,2 슬롯의 또 다른 형태를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈(1)의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 2를 참조하면, 가스터빈은 기본적으로 외관을 형성하는 케이싱(casing;2), 공기를 압축하는 압축기 섹션(compressor section;4), 공기를 연소하는 연소기(combuster;8), 연소된 가스를 이용하여 발전하는 터빈섹션(turbine section;6), 배기가스를 배출하는 디퓨져(diffuser;7) 및 압축기섹션(4)과 터빈섹션(6)을 연결하여 회전동력을 전달하는 로터(rotor;3)를 포함하여 구성될 수 있다.
열역학적으로 가스터빈의 상류측에 해당하는 압축기 섹션(compressor section)으로는 외부의 공기가 유입되어 단열압축 과정을 거치게 된다. 압축된 공기는 연소기 섹션(combuster section)으로 유입되어 연료와 혼합되어 등압연소 과정을 거치고, 연소가스는 가스터빈의 하류측에 해당하는 터빈 섹션(turbine section)으로 유입되어 단열팽창 과정을 거치게 된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(1)의 전방에 압축기 섹션(4)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(6)이 구비된다.
상기 압축기 섹션(4)과 상기 터빈 섹션(6)의 사이에는 상기 터빈 섹션(6)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(4)로 전달하는 토크튜브(3b)이 구비된다.
상기 압축기 섹션(4)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(4a)이 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a)들은 타이로드(3a)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.
상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a) 중앙을 상기 타이로드(3a)이 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지(미도시)가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.
상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(blade;4b)(또는 bucket으로 지칭)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(4b)은 도브테일 형태의 루프부(미도시)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(4a)에 체결된다.
루프부의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 루프부 이외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 압축기 블레이드(4b)을 압축기 로터 디스크(4a)에 체결할 수 있다.
이때 케이싱(2) 중 압축기 섹션(4)의 내주면에는 상기 압축기 블레이드(4b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.
상기 타이로드(3a)은 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(4a)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크(4a) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(3b)에 고정된다.
상기 타이로드(3a)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.
하나의 타이로드(3a)이 압축기 로터 디스크(4a)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드(3a)이 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 디퓨저의 다음 위치에 가이드깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.
상기 연소기(8)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기(8) 및 터빈 섹션(6)의 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기(8)은 셀 형태로 형성되는 케이싱(2) 내에 다수가 배열될 수 있다.
한편, 일반적으로 터빈 섹션(6)에서는 연소기(8)에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 섹션(6)의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.
터빈 섹션(6)에서 얻은 기계적 에너지는 압축기 섹션(4)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.
상기 터빈 섹션(6)에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다.
이를 위해, 상기 터빈 섹션(6)에는 복수의 터빈 로터 디스크(6a)이 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크(6a)은 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크(4a)과 유사한 형태를 갖는다.
상기 터빈 로터 디스크(6a) 역시 이웃한 터빈 로터 디스크(6a)과 결합되기 위한 구비한 플랜지(미도시)를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(6b)(또는 bucket으로 지칭)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(6b) 역시 도브테일 형상의 루프부 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(6a)에 결합될 수 있다.
이때 케이싱(2) 중 터빈 섹션(6)의 내주면에는 상기 터빈 블레이드(6b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(4)에서 압축되고, 연소기(8)에서 연소된 후, 터빈 섹션(6)로 이동되어 발전 구동하고, 디퓨저(7)을 통해 대기중으로 배출된다.
여기서, 상기 토크튜브(3b), 압축기 로터 디스크(4a), 압축기 블레이드(4b), 터빈 로터 디스크(6a), 터빈 블레이드(6b), 타이로드(3a) 등은 회전 구성요소로서 일체로 로터(3) 또는 회전체라고 지칭될 수 있다. 그리고 케이싱(2), 베인(vane;미도시), 다이아프램(diaphram;미도시) 등은 비회전 구성요소로서 일체로 스테이터(stator) 또는 고정체라고 지칭될 수 있다.
가스터빈에 대한 일반적인 한 형태의 구조는 상기와 같으며, 이하에서는 이러한 가스터빈에 적용되는 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스테이터(40) 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면이며, 도 4c는 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 도면이고, 도 4d는 도 4a 내지 도 4c에 개시된 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 A-A 단면의 일 형태를 도시한 도면이며, 도 4e는 도 4a 내지 도 4c에 개시된 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 A-A 단면의 다른 형태를 도시한 도면이다.
우선, 도 3를 참고하면, 로터(3)의 외주면에는 블레이드(3a)가 복수의 열로 배치된다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 구체적으로 케이싱(2)의 내부 중앙측에 로터(3)가 배치되며, 로터(3)의 외주면에는 길이방향을 따라 복수의 열로 로터디스크가 배치된다. 로터디스크의 외주면에는 블레이드(3a)가 결합될 수 있는 암도브테일 형태의 결합 슬롯이 복수개가 형성되어 있으며, 블레이드(3a)에는 수도브테일 형태의 루프부가 형성되어 있어, 블레이드(3a)의 루프부가 로터디스크의 결합 슬롯에 결합되며 로터(3)의 외주면에 배열되게 된다.
상기 스테이터(40)는 케이싱(2)의 내주면에 복수의 열로 배치되며, 이때 상기 스테이터(40)와 상기 블레이드(3a)는 교대로 배치된다.
이러한 상기 스테이터(40)는 베인(10) 및 다이아프램(20)을 포함할 수 있다. 상기 베인(10)의 제1 단부(15)는 상기 케이싱(2)의 내주면에 제1 회전부재(31)에 의해 결합될 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 구체적으로 케이싱(2)의 내주면에는 외측링이 장착될 수 있으며, 상기 베인(10)의 제1 단부(15)는 상기 제1 회전부재(31)에 의해 외측링의 내주면에 결합될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 케이싱(2)은 외측링을 포함하여 표현될 수 있다.
그리고 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 제1 회전부재(31)는 액츄레이터 및 샤프트를 포함할 수 있다. 상기 액츄레이터는 케이싱(2)의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 액츄레이터와 상기 베인(10)의 제1 단부(15)는 샤프트로 연결되어 있어, 운용자가 베인(10)의 각도를 변경하고자 할 때, 상기 액츄레이터를 작동시켜 조절할 수 있다.
다음 상기 베인(10)의 제2 단부(17)는 제2 회전부재(33)에 의해 상기 다이아프램(20)에 결합될 수 있다. 상기 제2 회전부재(33)는 상기 베인(10)이 회전될 수 있도록 하는 샤프트일 수 있다. 상기 다이아프램(20)은 상기 스테이터(40)의 내측링에 해당할 수 있다. 즉 상기 베인(10)은 상기 케이싱(2) 또는 상기 케이싱(2)에 포함된 외측링과 상기 다이아프램(20) 사이에 제1,2 회전부재(31,33)로 결합될 수 있다.
여기서 상기 베인(10)의 제1 단부(15)와 상기 케이싱(2)의 내주면간에는 회전을 위한 공차로 인해 제1 간격(G1)이 형성되며, 상기 베인(10)의 제2 단부(17)와 상기 다이아프램(20)간에는 회전을 위한 공차로 제2 간격(G2)이 형성될 수 있다.
상기 베인(10)은 회전을 위해서 상기 케이싱(2)의 내주면과 상기 다이아프램(20)의 외주면간에 일정 간격만큼 이격되어 있어야 한다. 만약 이격 간격이 없으면, 베인(10)은 각도가 조절될 때마다 케이싱(2)과 다이아프램(20)에 접촉마찰에 의한 마모/손상이 발생할 수 있다.
따라서 상기 베인(10)의 원활한 각도조절을 위해 케이싱(2)과 다이아프램(20)간에 각각 일정 간격이 이격되어 있어야 한다.
그런데, 가스터빈이 작동되면 작동유체가 베인(10)의 리딩엣지(11)로 유입되고 베인(10)의 트레일링엣지(13)를 지나 블레이드(3a)로 유동하게 되는데, 이때 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 작동유체의 일부가 유입된다.
상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 유입된 작동유체는 베인(10)의 양단부인 벽부근에서 난류를 발생시키고, 이는 베인(10)의 벽부근에서 작동유체의 흐름에 영향을 주어 유체손실이 일어나게 된다. 이는 전체적으로 가스터빈의 효율을 저하시키는 원인으로 작용한다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 상기 베인(10)에 상기 제1,2 간격(G1,G2)과 연결되는 슬롯부(100)를 배치하고, 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 작동유체의 일부를 우회 유동시키게 된다. 이는 상기 베인(10)의 벽부근에서 작동유체가 난류를 발생시키는 것을 억제하여 벽부근 유체손실을 완화하게 된다.
도 4a를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에서 상기 슬롯부(100)는 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제2 슬롯(300) 및 제2 관(310)을 포함할 수 있다.
상기 제1 슬롯(200)은 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 제1 관(210)은 상기 제1 슬롯(200)과 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)를 연결할 수 있다. 상기 제1 관(210)은 상기 베인(10)상에 삽입 배치되거나 또는 홀가공을 통해 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 제1 슬롯(200)은, 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)상에서 상기 제1 간격(G1)측에 인접하여 배치되는 제1-1 슬롯(201) 및, 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)상에서 상기 제2 간격(G2)측에 인접하여 배치되는 제1-2 슬롯(202)을 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 관(210)은, 상기 제1-1 슬롯(201)과 상기 베인(10)의 제1 단부(15)를 연결하는 제1-1 관(211) 및, 상기 제1-2 슬롯(202)과 상기 베인(10)의 제2 단부(17)를 연결하는 제1-2 관(213)을 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 슬롯(300)은 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13)에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 제2 관(310)은 상기 제2 슬롯(300)과 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)를 연결할 수 있다. 상기 제2 관(310)은 상기 베인(10)상에 삽입 배치되거나 또는 홀가공을 통해 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 제2 슬롯(300)은, 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13)상에서 상기 제1 간격(G1)측에 인접하여 배치되는 제2-1 슬롯(301) 및, 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13)상에서 상기 제2 간격(G2)측에 인접하여 배치되는 제2-2 슬롯(302)을 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2 관(310)은, 상기 제2-1 슬롯(301)과 상기 베인(10)의 일단부를 연결하는 제2-1 관(311) 및, 상기 제2-2 슬롯(302)과 상기 베인(10)의 타단부를 연결하는 제2-2 관(313)을 포함할 수 있다.
이제 작동유체(H)는 베인(10)의 리딩엣지(11)로 유입되고, 작동유체의 일부는 베인(10)의 리딩엣지(11) 부근에 형성된 제1 슬롯(200) 및 제1 관(210)을 통해 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되게 된다.
그리고 베인(10)의 표면을 따라 흐르는 작동유체(H)는 베인(10)의 트레일링엣지(13)로 유출되는데, 이때 작동유체의 일부는 베인(10)의 트레일링엣지(13) 부근에 형성된 제2 슬롯(300) 및 제2 관(310)을 통해 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되게 된다.
이와 같이, 제1,2 슬롯(200,300) 및 제1,2 관(210,310)을 통해 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되는 작동유체의 일부는 도 3의 확대도와 같이, 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 하고, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 한다.
즉 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제1 간격(G1)으로는 작동유체(H)의 일부가 분하되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
마찬가지로, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제2 간격(G2)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
궁극적으로는 가스터빈의 효율이 향상되게 된다.
다음 도 4b를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에서 상기 슬롯부(100)는 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제1 확장관(220), 제2 슬롯(300), 제2 관(310) 및 제2 확장관(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제2 슬롯(300) 및 제2 관(310)에 대한 설명은 제1 실시예와 동일하므로 생략하도록 한다. 물론 제1 실시예에서의 설명은 제2 실시예에 그대로 적용될 수 있으며, 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 실시예들간에 중복 적용도 가능하다.
상기 제1 확장관(220)은 상기 제1 관(210)에 연결되고 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 배치될 수 있다. 상기 제1 확장관(220)은 상기 제1 관(210)에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 확산시키는 기능을 하게 된다.
그리고 상기 제2 확장관(320)은 상기 제2 관(310)에 연결되고 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 배치될 수 있다. 상기 제1 확장관(220)과 마찬가지로, 상기 제2 확장관(320)은 상기 제2 관(310)에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 확산시키는 기능을 하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 제1 확장관(220)은 상기 베인(10)의 리딩엣지(11) 벽부근에서 제1 간격(G1)으로 작동유체를 확산시키고, 상기 제2 확장관(320)은 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13) 벽부근에서 제2 간격(G2)으로 작동유체를 확산시키도록 배치될 수 있다.
물론, 상기 제1 확장관(220) 또는 상기 제2 확장관(320)이 단독으로 배치되는 경우에는 각각 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 개별적으로 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)에서부터 트레일링엣지(13)까지의 범위로 확대되어 형성될 수 있다.
상기 제1,2 확장관을 통해 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되는 작동유체의 일부는 도 3의 확대도와 같이, 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 하고, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 한다.
즉 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제1 간격(G1)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
마찬가지로, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제2 간격(G2)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
궁극적으로는 가스터빈의 효율이 향상되게 된다.
다음, 도 4c를 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에서 상기 슬롯부(100)는 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제1 경사확장관(231), 제1 경사관(230), 제2 슬롯(300), 제2 관(310), 제2 경사확장관(331) 및 제2 경사관(330)을 포함할 수 있다.
상기 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제2 슬롯(300) 및 제2 관(310)에 대한 설명은 제1 실시예와 동일하므로 생략하도록 한다. 물론 제1 실시예에서의 설명은 제3 실시예에 그대로 적용될 수 있으며, 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 실시예들간에 중복 적용도 가능하다.
상기 제1 경사관(230)은 상기 제1 슬롯(200)에 연결되고, 작동유체의 흐름에 대해 경사방향으로 배치되며 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 연결될 수 있다.
그리고 상기 제1 경사확장관(231)은 상기 제1 경사관(230)에 연결되고, 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 형성될 수 있다. 이러한 상기 제1 경사확장관(231)은 상기 제1 경사관(230)에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 확산시키는 기능을 할 수 있다.
상기 제2 경사관(330)은 상기 제2 슬롯(300)에 연결되고, 작동유체의 흐름에 대해 경사방향으로 배치되며 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 연결될 수 있다.
그리고 상기 제2 경사확장관(331)은 상기 제2 경사관(330)에 연결되고, 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 형성될 수 있다. 상기 제1 경사확장관(231)과 마찬가지로, 상기 제2 경사확장관(331)은 상기 제2 경사관(330)에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 확산시키는 기능을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기 제1,2 경사관은 작동유체(H)의 흐름방향에 대해 경사방향으로 배치되어 있음에 따라, 상기 제1,2 경사관의 내부로 작동유체는 비교적 원활하게 유입될 수 있다. 즉 작동유체(H)의 진입 저항을 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 경사확장관(231)은 상기 베인(10)의 리딩엣지(11) 벽부근에서 제1 간격(G1)으로 작동유체를 확산시키고, 상기 제2 경사확장관(331)은 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13) 벽부근에서 제2 간격(G2)으로 작동유체를 확산시키도록 배치될 수 있다.
물론, 상기 제1 경사확장관(231) 또는 상기 제2 경사확장관(331)이 단독으로 배치되는 경우에는 각각 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)에 개별적으로 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)에서부터 트레일링엣지(13)까지의 범위로 확대되어 형성될 수 있다.
상기 제1,2 경사확장관을 통해 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되는 작동유체의 일부는 도 3의 확대도와 같이, 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 하고, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 한다.
즉 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제1 간격(G1)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
마찬가지로, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제2 간격(G2)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
궁극적으로는 가스터빈의 효율이 향상되게 된다.
다음, 도 4d에는 도 4a의 A-A 단면도가 개시되어 있다. 도 4d를 참고하면, 상기 슬롯부(100)는 제1 진입관(240) 및 제2 진입관(340)을 더 포함하고 있는데, 상기 제1,2 진입관은 본 발명의 제1,2,3 실시예에 모두 적용될 수 있다.
상기 제1 진입관(240)은 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)에 형성되고, 상기 제1 슬롯(200)과 연결될 수 있다. 이때 상기 제1 진입관(240)은 작동유체(H)의 흐름방향으로 곡선지게 형성될 수 있다.
그리고 상기 제2 진입관(340)은 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13)에 형성되고, 상기 제2 슬롯(300)과 연결될 수 있다. 마찬가지로 상기 제2 진입관(340)도 작동유체(H)의 흐름방향으로 곡선지게 형성될 수 있다.
도 4d에서 작동유체(H)의 메인스트림은 베인(10)의 리딩엣지(11)로 유입되어 베인(10)의 표면을 따라 흐르며 베인(10)의 트레일링엣지(13)로 유출되게 된다.
이때 상기 베인(10)의 표면에 곡선진 형태의 제1,2 진입관이 형성되어 있음에 따라, 상기 베인(10)의 표면을 타고 흐르는 작동유체(H)의 일부는 제1,2 슬롯(200,300)으로 비교적 원활하게 유입될 수 있다.
다음 도 4e에는 다른 형태의 도 4a의 A-A 단면도가 개시되어 있다. 도 4e를 참고하면, 상기 슬롯부(100)는 제1 진입관(240) 및 제2 진입관(340)을 더 포함하고 있는데, 상기 제1,2 진입관은 본 발명의 제1,2,3 실시예에 모두 적용될 수 있다.
상기 제1 진입관(240)은 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)에 형성되고, 상기 제1 슬롯(200)과 연결될 수 있다. 이때 상기 제1 진입관(240)은 작동유체(H)의 흐름방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
그리고 상기 제2 진입관(340)은 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13)에 형성되고, 상기 제2 슬롯(300)과 연결될 수 있다. 마찬가지로 상기 제2 진입관(340)도 작동유체(H)의 흐름방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
도 4e에서 작동유체(H)의 메인스트림은 베인(10)의 리딩엣지(11)로 유입되어 베인(10)의 표면을 따라 흐르며 베인(10)의 트레일링엣지(13)로 유출되게 된다.
이때 상기 베인(10)의 표면에 경사진 형태의 제1,2 진입관이 형성되어 있음에 따라, 상기 베인(10)의 표면을 타고 흐르는 작동유체(H)의 일부는 제1,2 슬롯(200,300)으로 비교적 원활하게 유입될 수 있다.
한편, 도 5a는 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5b는 도 5a에 개시된 본 발명인 베인(10)과 슬롯부(100) 구조에 대한 C-C 단면도이다.
우선 도 5a를 참고하면, 본 발명의 제4 실시예에서 상기 슬롯부(100)는 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제2 슬롯(300), 제2 관(310), 연결관(250) 및 교차관(260)을 포함할 수 있다. 상기 제1 슬롯(200), 제1 관(210), 제2 슬롯(300) 및 제2 관(310)에 대한 설명은 제1 실시예와 동일하므로 생략하도록 한다. 물론 제1 실시예에서의 설명은 제4 실시예에 그대로 적용될 수 있으며, 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 실시예들간에 중복 적용도 가능하다.
상기 연결관(250)은 상기 베인(10)의 내부에 배치되고, 상기 제1,2 슬롯(200,300)을 연결할 수 있다. 그리고 상기 교차관(260)은 상기 베인(10)의 내부에 배치되고, 상기 연결관(250)과 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)를 연결할 수 있다.
상기 제1,2 슬롯(200,300)에서 유입되는 작동유체(H)는 상기 연결관(250)을 통해 서로 공유되고, 이 경우 상기 연결관(250)의 내부에서 유량이 베인(10)의 리딩엣지(11)와 트레일링엣지(13)간에 어느 정도 균일해질 수 있다.
그리고 상기 연결관(250)의 내부로 유입된 작동유체는 상기 교차관(260)을 통해 각각 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되게 된다.
이 경우 상기 제1,2 관(210,310)과 상기 교차관(260)은 상기 베인(10)의 제1,2 단부(15,17)를 따라 소정간격으로 이격되어 복수개가 배치되므로, 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 분사되는 작동유체는 넓은 범위에서 도 3의 확대도와 같은 흐름을 보이게 된다.
다시 도 3의 확대도를 참고하면, 상기 제1,2 관(210,310) 및 교차관(260)에 의해 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 하고, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 흐르도록 한다.
즉 제1 간격(G1)에서는 케이싱(2)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제1 단부(15) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제1 간격(G1)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
마찬가지로, 제2 간격(G2)에서는 다이아프램(20)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 작동유체(P)가 서브스트림(sub stream)으로 흐르므로, 작동유체(H)의 메인스트림(main stream)에서 베인(10)의 제2 단부(17) 방향으로 분화되는 흐름은 상쇄되게 된다. 이에 따라 메인스트림에 해당하는 작동유체(H)에서는 제2 간격(G2)으로는 작동유체(H)의 일부가 분화되어 유입될 수 없어, 작동유체의 난류 발생으로 인한 벽부근 유체손실은 완화되게 된다.
궁극적으로는 가스터빈의 효율이 향상되게 된다.
다음 도 5b를 참고하면, 본 발명의 제4 실시예에서도 상기 제1,2 진입관이 적용될 수 있다. 상기 제1 진입관(240)은 상기 베인(10)의 리딩엣지(11)에 형성되고, 상기 제1 슬롯(200)과 연결될 수 있다. 이때 상기 제1 진입관(240)은 작동유체(H)의 흐름방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
그리고 상기 제2 진입관(340)은 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13)에 형성되고, 상기 제2 슬롯(300)과 연결될 수 있다. 마찬가지로 상기 제2 진입관(340)도 작동유체(H)의 흐름방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
도 5b에서 작동유체(H)의 메인스트림은 베인(10)의 리딩엣지(11)로 유입되어 베인(10)의 표면을 따라 흐르며 베인(10)의 트레일링엣지(13)로 유출되게 된다.
이때 상기 베인(10)의 표면에 경사진 형태의 제1,2 진입관이 형성되어 있음에 따라, 상기 베인(10)의 표면을 타고 흐르는 작동유체(H)의 일부는 제1,2 슬롯(200,300)으로 비교적 원활하게 유입될 수 있다.
그리고 상기 제1,2 슬롯(200,300)으로 진입된 작동유체의 일부는 연결관(250)으로 서로 공유되고 상기 제1,2 관(210,310)뿐만 아니라 상기 교차관(260)을 통해서도 상기 제1,2 간격(G1,G2)으로 작동유체를 분사할 수 있게 된다.
이때 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13) 부근에서 연결관(250)의 단부 길이는 서로 다를 수 있다. 즉 하나의 교차관(263)과 다른 하나의 교차관(265)의 배치 위치가 어긋나게 형성될 수 있는데, 이는 상기 베인(10)의 트레일링엣지(13) 부근의 제1,2 간격(G1,G2)상에서 난류발생을 보다 억제하기 위함이다.
한편, 도 6a는 본 발명인 제1,2 슬롯(200,300)의 일 형태를 나타낸 도면이고, 도 6b는 본 발명인 제1,2 슬롯(200,300)의 다른 형태를 나타낸 도면이며, 도 6c는 본 발명인 제1,2 슬롯(200,300)의 또 다른 형태를 나타낸 도면이다.
우선 도 6a를 참고하면, 상기 제1,2 슬롯(200,300)은 일반적인 원형 슬롯(101)으로 구현일 수 있다.
그리고 도 6b를 참고하면, 상기 제1,2 슬롯(200,300)으로 작동유체(H)가 보다 잘 유입할 수 있도록, 상기 제1,2 슬롯(200,300)은 타원형 슬롯(103)으로 구현되고, 상기 제1,2 슬롯(200,300)의 장축은 작동유체(H)의 흐름방향을 기준으로 수직하게 배치되고, 상기 제1,2 슬롯(200,300)의 단축은 작동유체(H)의 흐름방향을 기준으로 배치될 수 있다.
또한 도 6c를 참고하면, 상기 제1,2 슬롯(200,300)으로 작동유체(H)가 보다 잘 유입할 수 있도록, 상기 제1,2 슬롯(200,300)은 작동유체(H)의 흐름방향을 기준으로 절곡된 절곡형 슬롯(105)으로 구현될 수 있다.
이상의 사항은 스테이터 구조 및 이를 포함하는 가스터빈의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
2:케이싱 10:베인
11:리딩엣지 13:트레일링엣지
15:베인의 제1 단부 17:베인의 제2 단부
20:다이아프램 31,33:제1,2 회전부재
40:스테이터
100:슬롯부 101:원형 슬롯
103:타원형 슬롯 105:절곡형 슬롯
200:제1 슬롯 201:제1-1 슬롯
202:제1-2 슬롯 210:제1 관
211:제1-1 관 213:제1-2 관
220:제1 확장관 230:제1 경사관
231:제2 경사확장관 240:제1 진입관
250:연결관 260:교차관
300:제2 슬롯 301:제2-1 슬롯
302:제2-2 슬롯 310:제2 관
311:제2-1 관 313:제2-2 관
320:제2 확장관 330:제2 경사관
331:제2 경사확장관 340:제2 진입관
G1:제1 간격 G2;제2 간격

Claims (20)

  1. 로터의 외주면에 복수의 열로 배치된 블레이드와 교대로 케이싱의 내주면에 복수의 열로 배치되는 스테이터를 포함하고,
    상기 스테이터는,
    상기 케이싱의 내주면에 제1 회전부재에 의해 제1 단부가 결합되는 베인; 및
    제2 회전부재에 의해 상기 베인의 제2 단부와 결합되는 다이아프램;을 포함하고,
    상기 베인의 제1 단부와 상기 케이싱의 내주면간에는 회전을 위한 제1 간격이 형성되며, 상기 베인의 제2 단부와 상기 다이아프램간에는 회전을 위한 제2 간격이 형성되고,
    상기 제1,2 간격으로 작동유체의 일부를 우회 유동시키도록, 상기 베인에는 상기 제1,2 단부와 연결된 슬롯부가 형성되며,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 리딩엣지에 인접하여 배치되는 제1 슬롯;
    상기 제1 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제1 관;
    상기 베인의 트레일링엣지에 인접하여 배치되는 제2 슬롯;
    상기 제2 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제2 관;
    상기 베인의 내부에 배치되고, 상기 제1,2 슬롯을 연결하는 연결관; 및
    상기 베인의 내부에 배치되고, 상기 연결관과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 교차관;을 포함하는, 스테이터 구조.
  2. 로터의 외주면에 복수의 열로 배치된 블레이드와 교대로 케이싱의 내주면에 복수의 열로 배치되는 스테이터를 포함하고,
    상기 스테이터는,
    상기 케이싱의 내주면에 제1 회전부재에 의해 제1 단부가 결합되는 베인; 및
    제2 회전부재에 의해 상기 베인의 제2 단부와 결합되는 다이아프램;을 포함하고,
    상기 베인의 제1 단부와 상기 케이싱의 내주면간에는 회전을 위한 제1 간격이 형성되며, 상기 베인의 제2 단부와 상기 다이아프램간에는 회전을 위한 제2 간격이 형성되고,
    상기 제1,2 간격으로 작동유체의 일부를 우회 유동시키도록, 상기 베인에는 상기 제1,2 단부와 연결된 슬롯부가 형성되며,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 리딩엣지에 인접하여 배치되는 제1 슬롯;
    상기 제1 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제1 관;
    상기 베인의 트레일링엣지에 인접하여 배치되는 제2 슬롯;
    상기 제2 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제2 관;
    상기 베인의 리딩엣지측에 형성되고, 상기 제1 슬롯과 연결되는 제1 진입관; 및
    상기 베인의 트레일링엣지측에 인접하여 형성되고, 상기 제2 슬롯과 연결되는 제2 진입관;을 포함하고,
    상기 제1 진입관은 상기 리딩엣지측에서 상기 베인의 양측면에 형성되고, 상기 제2 진입관은 상기 트레일링엣지측에서 상기 베인의 양측면에 형성되며, 상기 베인의 표면을 타고 흐르는 작동유체(H)의 일부는 제1,2 진입관으로 유입되는 것을 특징으로 하는 스테이터 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 슬롯은,
    상기 베인의 리딩엣지상에서 상기 제1 간격측에 인접하여 배치되는 제1-1 슬롯; 및
    상기 베인의 리딩엣지상에서 상기 제2 간격측에 인접하여 배치되는 제1-2 슬롯;을 포함하고,
    상기 제1 관은,
    상기 제1-1 슬롯과 상기 베인의 제1 단부를 연결하는 제1-1 관; 및
    상기 제1-2 슬롯과 상기 베인의 제2 단부를 연결하는 제1-2 관;을 포함하는, 스테이터 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 제1 관에 연결되고 상기 베인의 제1,2 단부에 배치되는 제1 확장관;을 더 포함하고, 상기 제1 확장관은 상기 제1 관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시키는, 스테이터 구조.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 제1 슬롯에 연결되고, 작동유체의 흐름에 대해 경사방향으로 배치되며 상기 베인의 제1,2 단부에 연결되는 제1 경사관;을 포함하는, 스테이터 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 제1 경사관에 연결되고, 상기 베인의 제1,2 단부에 형성되는 제1 경사확장관;을 더 포함하고, 상기 제1 경사확장관은 상기 제1 경사관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시키는 것을 특징으로 하는, 스테이터 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 리딩엣지에 형성되고, 상기 제1 슬롯과 연결되는 제1 진입관;을 포함하고, 상기 제1 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 곡선지게 형성되는, 스테이터 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 리딩엣지에 형성되고, 상기 제1 슬롯과 연결되는 제1 진입관;을 포함하고, 상기 제1 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 경사지게 형성되는, 스테이터 구조.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 슬롯은,
    상기 베인의 트레일링엣지상에서 상기 제1 간격측에 인접하여 배치되는 제2-1 슬롯; 및
    상기 베인의 트레일링엣지상에서 상기 제2 간격측에 인접하여 배치되는 제2-2 슬롯;을 포함하고
    상기 제2 관은,
    상기 제2-1 슬롯과 상기 베인의 일단부를 연결하는 제2-1 관; 및
    상기 제2-2 슬롯과 상기 베인의 타단부를 연결하는 제2-2 관;을 포함하는, 스테이터 구조.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 제2 관에 연결되고 상기 베인의 제1,2 단부에 배치되는 제2 확장관;을 더 포함하고, 상기 제2 확장관은 상기 제2 관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시키는, 스테이터 구조.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 제2 슬롯에 연결되고, 작동유체의 흐름에 대해 경사방향으로 배치되며 상기 베인의 제1,2 단부에 연결되는 제2 경사관;을 더 포함하는, 스테이터 구조.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 제2 경사관에 연결되고, 상기 베인의 제1,2 단부에 배치되는 제2 경사확장관;을 더 포함하고, 상기 제2 경사확장관은 상기 제2 경사관에서 유입되는 작동유체를 상기 제1,2 간격으로 확산시키는 것을 특징으로 하는, 스테이터 구조.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 트레일링엣지에 형성되고, 상기 제2 슬롯과 연결되는 제2 진입관;을 더 포함하고, 상기 제2 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 곡선지게 형성되는, 스테이터 구조.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 트레일링엣지에 형성되고, 상기 제2 슬롯과 연결되는 제2 진입관;을 더 포함하고, 상기 제2 진입관은 작동유체의 흐름방향으로 경사지게 형성되는, 스테이터 구조.
  16. 삭제
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1,2 슬롯은 원형 슬롯으로 구성되는, 스테이터 구조.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1,2 슬롯은 타원형 슬롯으로 구성되고, 상기 제1,2 슬롯의 장축은 작동유체의 흐름방향을 기준으로 수직하게 배치되고, 상기 제1,2 슬롯의 단축은 작동유체의 흐름방향을 기준으로 배치되는 , 스테이터 구조.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1,2 슬롯은 작동유체의 흐름방향을 기준으로 절곡형 슬롯으로 구성되는, 스테이터 구조.
  20. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;
    상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기;
    상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션;
    상기 압축기 섹션과 상기 터빈 섹션을 연결하는 로터; 및
    상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;를 포함하고,
    상기 압축기 섹션과 상기 터빈 섹션상에서, 상기 로터의 외주면에 복수의 열로 배치된 블레이드와 교대로 상기 케이싱의 내주면에 복수의 열로 배치되는 스테이터를 포함하고,
    상기 스테이터는,
    상기 케이싱의 내주면에 제1 회전부재로 제1 단부가 연결되는 베인; 및
    제2 회전부재로 상기 베인의 제2 단부와 연결되는 다이아프램;을 포함하고,
    상기 베인의 제1 단부와 상기 케이싱의 내주면간에는 회전을 위한 제1 간격이 형성되며, 상기 베인의 제2 단부와 상기 다이아프램간에는 회전을 위한 제2 간격이 형성되고,
    상기 제1,2 간격으로 작동유체를 유동시키도록, 상기 베인에는 상기 제1,2 간격과 연결된 슬롯부가 형성되며,
    상기 슬롯부는,
    상기 베인의 리딩엣지에 인접하여 배치되는 제1 슬롯;
    상기 제1 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제1 관;
    상기 베인의 트레일링엣지에 인접하여 배치되는 제2 슬롯;
    상기 제2 슬롯과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 제2 관;
    상기 베인의 내부에 배치되고, 상기 제1,2 슬롯을 연결하는 연결관; 및
    상기 베인의 내부에 배치되고, 상기 연결관과 상기 베인의 제1,2 단부를 연결하는 교차관;을 포함하는, 가스터빈.


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