KR102307578B1 - 터빈 베인 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 터빈 베인에 관한 것으로서, 로터에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드:와, 상기 아우터 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일;과, 상기 에어 포일의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드; 및 상기 이너 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈;을 포함하고, 상기 한 쌍의 페데스탈은 각각, 상기 이너 슈라우드로부터 연장되는 제1 페데스탈과, 상기 제1 페데스탈로부터 연장되되 원주방향을 따라 오프셋되는 제2 페데스탈을 포함하고, 이에 따라, 상기 제2 페데스탈은 상기 제1 페데스탈에 대해 원주방향을 따라 돌출부와 함몰부를 대향 형성한다.

Description

터빈 베인 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리{Turbine Vane and Turbine Vane Assembly Having the Same}

본 발명은 터빈기관, 예를 들어 가스터빈에 구비되는 터빈 베인 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리에 관한 것이다.

터빈기관이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 외부로부터 도입된 공기는 복수 단으로 이루어진 회전하는 압축기 블레이드를 거치면서 점차로 압축되어 목표로 하는 압력까지 상승한다.

연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스를 생성한다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈 측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

이처럼 가스터빈에서는 터빈에서 동력이 발생하는데, 유체기계로서의 공력성능이 중요한 것은 물론, 작동 유체가 고온의 연소가스이기에 내열, 냉각성능 역시 중요하다. 터빈에 요구되는 각종 성능을 만족하기 위한 여러 설계 인자는 서로 영향을 미칠 수 있는데, 예를 들어 공력 성능을 높이기 위한 설계가 내열, 냉각성능에는 불리하게 작용할 수 있다.

한국공개특허 제10-2010-0064754호 (2010.06.15 공개)

본 발명은 터빈 베인의 에어 포일에 작용하는 공력에 의한 응력을 완화하면서도 터빈 베인의 내열 및 냉각성능을 약화시키지 않는 터빈 베인 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 터빈 베인은, 로터에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드:와, 상기 아우터 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일;과, 상기 에어 포일의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드; 및 상기 이너 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈;을 포함하고, 상기 한 쌍의 페데스탈은 각각, 상기 이너 슈라우드로부터 연장되는 제1 페데스탈과, 상기 제1 페데스탈로부터 연장되되 원주방향을 따라 오프셋되는 제2 페데스탈을 포함하고, 이에 따라, 상기 제2 페데스탈은 상기 제1 페데스탈에 대해 원주방향을 따라 돌출부와 함몰부를 대향 형성한다.

상기 제2 페데스탈의 돌출부와 함몰부는 인접한 다른 터빈 베인의 제2 페데스탈의 함몰부와 돌출부에 각각 맞물린다.

여기서, 상기 제2 페데스탈의 함몰부는, 상기 이너 슈라우드에 작용하는 굽힘 응력이 반경방향 내측으로 향하는 쪽에 위치한다.

그리고, 상기 제2 페데스탈의 돌출부와 함몰부는 인접한 다른 터빈 베인의 제2 페데스탈의 함몰부와 돌출부에 대해 각각 상보하는 형태를 가진다.

그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 페데스탈의 돌출부와 함몰부는 각각 반경방향을 따르는 제1 면과, 원주방향을 따르는 제2 면을 구비하고, 상기 제2 면은 경사를 이루고 있다.

그리고, 상기 제2 면의 경사는, 인접한 터빈 베인이 원주방향을 따라 서로 접근하였을 때 각각의 돌출부와 함몰부가 반경방향을 따라 서로 맞물릴 수 있도록 형성된다.

그리고, 인접한 터빈 베인의 각 이너 슈라우드와 페데스탈은 상기 제2 페데스탈의 제2 면에서 접촉하고, 이외의 다른 면에서는 간극을 이룰 수 있다.

또한, 인접한 터빈 베인끼리 접촉하는 상기 제2 면의 접촉 각도는 접선에 대해 5∼45° 범위에 있을 수 있다.

한편, 본 발명은 로터를 둘러싸도록 동심을 이루면서 원주방향을 따라 배치되는 복수 개의 터빈 베인을 포함하는 터빈 베인 어셈블리를 제공하며, 여기서 각각의 터빈 베인은, 상기 로터에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드;와, 상기 아우터 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일;과, 상기 에어 포일의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드; 및 상기 이너 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈;을 포함하고, 상기 한 쌍의 페데스탈은 각각, 상기 이너 슈라우드로부터 연장되는 제1 페데스탈과, 상기 제1 페데스탈로부터 연장되되 원주방향을 따라 오프셋되는 제2 페데스탈을 포함하고, 이에 따라, 상기 제2 페데스탈은 상기 제1 페데스탈에 대해 원주방향을 따라 돌출부와 함몰부를 대향 형성하며, 상기 로터와 터빈 베인 사이에 동심을 이루도록 배치되고, 상기 터빈 베인의 페데스탈과 접촉하는 U-링을 포함한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 베인과 터빈 베인 어셈블리는 이너 슈라우드에서 연장된 페데스탈 사이에서 굽힘 응력 상쇄 작용을 일으킴으로써 전체 터빈 베인에 작용하는 굽힘 응력을 감소시킨다.

이러한 본 발명의 터빈과 터빈 베인 어셈블리는 싱글 에어 포일 구조에 적용할 수 있으며, 이에 따라 굽힘 응력에 대한 내구성을 향상시키는 동시에 각각의 터빈 베인에 대한 냉각 홀의 설계 및 가공을 용이하게 하고, 또한 고열 환경에 놓인 터빈 베인에 열 차폐 피막을 형성하기 쉽게 함으로써 전체 가스터빈의 성능과 효율, 내구성 향상에 도움을 준다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈 베인이 적용될 수 있는 터빈기관의 일례를 도시한 도면.
도 2는 로터를 둘러싸는 터빈 베인과 U-링의 결합 구조를 도시한 도면.
도 3은 터빈 베인의 굽힘 응력을 고려한 종래의 멀티 에어 포일의 일례를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 터빈 베인과 U-링의 결합구조를 축 방향에서 바라본 도면.
도 5는 본 발명에 따른 터빈 베인을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 터빈 베인에 의한 응력 상쇄 원리를 도시한 도면.

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 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.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크 튜브(130)가 배치되어 있다.

압축기 섹션(110)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 타이로드(150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 고정되어 있어 회전하지 않으며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 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(150)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크 튜브(130) 내에서 고정된다.

타이로드(150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 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 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.

연소기(104)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor 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 점화기가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 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 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션과 그 구조가 유사하다. 즉, 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)를 포함한다. 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.

그리고, 도 2는 로터(400)를 둘러싸는 터빈 베인(300)과 U-링(500)의 결합 구조를 도시한 도면이다. 가스터빈(100)의 길이방향 중심에는 회전축인 로터(400)가 위치하고, 로터(400)를 둘러싸도록 동심을 이루면서 원주방향을 따라 빙 둘러서 복수 개의 터빈 베인(300)이 배치된다. 각각의 터빈 베인(300)은, 로터(400)에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드(310)와, 아우터 슈라우드(310)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일(320)과, 상기 에어 포일(320)의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드(330), 그리고 이너 슈라우드(330)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈(340)을 포함한다.

터빈 베인(300)의 아우터 슈라우드(310)는 터빈의 케이싱에 대해 고정되고, 터빈 베인(300)의 에어 포일(320)은 연소가스의 흐름을 바꿔서 터빈 블레이드에 적절한 각도로 진입하도록 유도한다. 그리고, 터빈 베인(300)의 길이는 가스터빈(100)의 운전에 따라 열을 받아 팽창하거나 식으면서 수축하게 되는데, 이러한 열변형을 적절히 유도하도록 로터(400)와 터빈 베인(300) 사이에 동심을 이루도록 배치되면서 터빈 베인(300) 말단의 페데스탈(340)과 접촉하는 U-링(500)을 구비한다. 터빈 베인(300)은 U-링(500)에 대해 구속되어 있지 않으며, 이에 따라 터빈 베인(300) 말단의 페데스탈(340)은 U-링(500)의 슬라이드 면(510)에 접촉한 상태로서 미끄러지는 운동을 할 수 있다. 이외에 U-링(500)의 내주면에는 라비린스 실과 같은 실링 수단을 구비할 수 있으며, U-링(500)에 의해 로터(400)에 대한 반경방향 간극이 최소화되기 때문에 회전하는 로터(400)에 대한 기밀성이 향상되어 가스터빈의 효율을 향상하는 역할도 한다.

그런데, 터빈 베인(300)은 고정되어 있는 상태에서 에어 포일(320)을 흐르는 연소 가스의 압력을 받게 된다. 즉, 에어 포일(320)의 압력면에서 흡입면을 향하는 방향으로 힘을 받게 되는데, 아우터 슈라우드(310)가 고정된 상태에서 에어 포일(320)에 압력이 작용함에 따라 터빈 베인(300)에는 굽힘 응력이 발생하게 된다. 특히나 터빈 베인(300)의 말단이 U-링(500)에 접촉하는 구조에서는 응력이 더욱 커지게 된다. 터빈 베인(300)에 지속적으로 작용하는 굽힘 응력은 아우터 슈라우드(310)와 에어 포일(320)의 경계면에서의 크랙 발생, 에어 포일(320)의 변형, 페데스탈(340)과 U-링(500) 사이의 마모나 변형, 이로 인한 기밀성 악화 등의 여러 문제를 가져온다. 따라서, 터빈 베인(300)에 작용하는 굽힘 응력을 완화할 수 있는 설계가 필요하다.

도 3은 터빈 베인(300)에 작용하는 굽힘 응력을 완화하기 위한 한 가지 방안으로서의 멀티 에어 포일의 개략적인 구성을 보여준다. 멀티 에어 포일은 한 쌍의 아우터 슈라우드(310)와 이너 슈라우드(330)에 대해 여러 개의 에어 포일(320)을 연이어 인접 형성한 것이다. 이렇게 멀티 에어 포일을 구성하게 되면, 인접한 에어 포일(320)은 서로 압력면과 흡입면이 마주보는 배치이기에, 에어 포일(320) 사이에서 서로 반대되는 방향으로 작용하는 굽힘 응력이 상쇄되는 효과가 발생한다. 또한, 아우터 슈라우드(310)와 이너 슈라우드(330)의 크기 자체가 커짐에 따라 구조적으로 강건해지고, 이에 따라 굽힘 응력에 대한 내구성이 강해진다.

이와 같이, 터빈 베인(300)을 멀티 에어 포일로 구성하는 것은 굽힘 응력에 대한 충분한 방어가 될 수 있지만, 반대급부로서 다른 문제점이 발생한다. 여러 개의 에어 포일(320)이 한 쌍의 아우터 슈라우드(310)와 이너 슈라우드(330)와 일체로 주조방식으로 제조되기에 터빈 베인(300) 표면 곳곳에 마련되어야 할 냉각 홀의 가공이 제한되고 어려워진다. 또한, 터빈 베인(300)에 열 차폐 피막(TBC, Thermal Barrier Coating)을 적용하기도 어려워진다. 따라서, 터빈 베인(300)을 싱글 에어 포일로 구성하면서도 굽힘 응력 문제를 완화할 수 있는 방안이 더 바람직할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 터빈 베인(300)과 U-링(500)의 결합구조를 축 방향에서 바라본 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 터빈 베인(300)을 도시한 도면이다. 본 발명의 터빈 베인(300) 역시 로터(400)에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드(310)와, 아우터 슈라우드(310)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일(320), 에어 포일(320)의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드(330), 그리고 이너 슈라우드(330)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈(340)을 포함하는 기본적인 구조는 유사하지만, U-링(500)의 슬라이드 면(510)에 접촉하는 페데스탈(340)이 응력 상쇄 효과를 발생하도록 설계되었다는 점에서 차이가 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 있어서 한 쌍의 페데스탈(340)은 각각, 이너 슈라우드(330)로부터 연장되는 제1 페데스탈(341)과, 제1 페데스탈(341)로부터 연장되되 원주방향을 따라 오프셋되는 제2 페데스탈(342)을 포함하고 있으며, 이러한 제2 페데스탈(342)의 오프셋 설계에 따라 제2 페데스탈(342)은 제1 페데스탈(341)에 대해 원주방향을 따라 돌출부(350)와 함몰부(352)가 대향하는 구조를 가지게 된다. 여기서, 하나의 페데스탈(340)을 제1 페데스탈(341)과 제2 페데스탈(342)로 구분한 것은 형태적, 기능적 차이에 따른 것일 뿐이며, 제1 페데스탈(341)에 대해 제2 페데스탈(342)이 전혀 별개의 구성임을 뜻하는 것은 아니다. 오히려 제1 페데스탈(341)과 제2 페데스탈(342)을 일체로 형성하는 것이 더 일반적이고 바람직할 것이다.

제2 페데스탈(342)이 제1 페데스탈(341)에 대해 원주방향을 따라 오프셋되어 있다는 것은, 제1 페데스탈(341)의 양 측면에 대해 한쪽으로는 제2 페데스탈(342)이 돌출부(350)를 이루고 있고, 다른 쪽으로는 함몰부(352)를 이루는 구조를 이룸을 말한다. 모든 터빈 베인(300)의 제2 페데스탈(342)이 이러한 구조를 가진다면, 어느 한 터빈 베인(300)의 제2 페데스탈(342)에 있는 돌출부(350)와 함몰부(352)는 인접한 다른 터빈 베인(300)의 제2 페데스탈(342)에 있는 함몰부(352)와 돌출부(350)에 각각 맞물리게 된다. 이는 도 5에 나타난 어느 인접한 두 개의 터빈 베인(300)이 정렬된 상태를 보면 알 수 있다.

다시 말한다면, 터빈 베인(300)에 구비된 제2 페데스탈(342)의 돌출부(350)와 함몰부(352)는 인접한 다른 터빈 베인(300)의 제2 페데스탈(342)의 함몰부(352)와 돌출부(350)에 대해 각각 상보하는 형태를 가지는 것이다. 물론 하나의 터빈 베인(300)에 구비된 돌출부(350)와 함몰부(352)가 서로 상보하는 형태를 가지는 실시형태도 가능하지만 이는 모든 터빈 베인(300)이 동일한 사양을 가지고 있는 경우에 한정되는 것이므로, 일반화된 조건으로는 인접한 터빈 베인(300) 사이를 기준으로 하는 것이 더욱 정확하다고 볼 수 있다.

여기서, 제2 페데스탈(342)의 돌출부(350)와 함몰부(352)는 임의로 배치되는 것은 아니며, 굽힘 응력의 작용방향을 기준으로 설정되는 것이다. 함몰부(352)를 기준으로 한다면, 제2 페데스탈(342)의 함몰부(352)는 이너 슈라우드(330)에 작용하는 굽힘 응력이 반경방향 내측으로 향하는 쪽에 위치한다. 반대로 돌출부(350)를 기준으로 한다면, 제2 페데스탈(342)의 돌출부(350)는 이너 슈라우드(330)에 작용하는 굽힘 응력이 반경방향 외측으로 향하는 쪽에 위치한다. 이는 인접한 터빈 베인(300) 사이에서 서로 맞물린 돌출부(350)와 함몰부(352)의 접촉면에서 응력 상쇄 작용이 일어나도록 특정되는 배치이며, 이에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 터빈 베인(300)에 의한 응력 상쇄 원리를 도시한 도면이다. 도 6은 인접한 터빈 베인(300) 사이에서 서로 맞물린 제2 페데스탈(342)의 돌출부(350)와 함몰부(352) 부분을 확대 도시하고 있으며, 또한 여기에 작용하는 굽힘 응력을 화살표로 표시하고 있다. 굽힘 응력은 에어 포일(320)의 스팬 방향을 기준으로 하여, 한쪽으로는 반경방향 내측을 향하고 다른 쪽으로는 반경방향 내측을 향한다. 즉, 인접한 터빈 베인(300)의 이너 슈라우드(330)와 페데스탈(340)이 굽혀지면서 서로 접촉하면서 굽힘 응력이 작용하게 되며, 이러한 굽힘에 의해 이너 슈라우드(330)의 원주방향 양 측면에는 서로 반대 방향의 힘이 작용하게 된다.

이러한 힘의 작용 상태에 있을 때, 인접한 터빈 베인(300) 사이의 돌출부(350)와 함몰부(352) 사이에도 서로 반대방향의 힘이 작용하고 있다. 즉, 제2 페데스탈(342)의 함몰부(352)에서는 반경방향 내측으로 힘이 작용하고, 제2 페데스탈(342)의 돌출부(350)에서는 반경방향 외측으로 힘이 작용한다. 따라서, 돌출부(350) 위로 함몰부(352)가 중첩된 본 발명의 터빈 베인(300)은 그 접촉면을 향해 반대되는 힘이 작용하여 서로 상쇄되는 효과가 발생하고, 이를 통해 굽힘 응력을 감소시킬 수 있다. 이러한 응력 상쇄 효과를 얻으려면, 도 6에 나타나 것과 같이, 함몰부(352)에서는 반경방향 내측으로 힘이 작용해야 하도록 배치되어야 한다. 만일 이와 반대되는 배치라면, 돌출부(350)와 함몰부(352)의 경계면 사이에서 서로 멀어지는 쪽의 반대방향의 힘이 작용하고, 이렇게 되면 돌출부(350)와 함몰부(352)의 경계면 사이에 충분한 접촉압력이 만들어지지 않아 응력 상쇄의 효과는 나타나지 못한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제2 페데스탈(342)의 돌출부(350)와 함몰부(352)는 각각 반경방향을 따르는 제1 면(353)과, 원주방향을 따르는 제2 면(354)을 구비하는 단차를 이루는 형태이다. 여기서, 반경방향의 접촉면을 이루는 제2 면(354)은 경사를 이루는 것으로 도시되어 있다. 응력 상쇄 효과만을 생각한다면, 돌출부(350)와 함몰부(352)에서 가해지는 반대방향의 힘이 작용하는 제2 면(354)은 힘의 작용방향에 대해 90°를 이루는 것이 힘의 분력 없어 가장 효과적일 것이다.

그렇지만, 터빈 베인(300)의 조립은 원주방향을 따라 이루어지는 것이기 때문에 제2 면(354)에 경사가 없다면 조립시 90° 모서리 부분에서 접촉이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 면(354)에는 약간의 경사를 형성하고, 그 기울기 방향은 인접한 터빈 베인(300)이 원주방향을 따라 서로 접근하였을 때 각각의 돌출부(350)와 함몰부(352)가 반경방향을 따라 서로 맞물릴 수 있도록 형성하고 있다(기울기 방향이 도면과 반대라면 서로 결속할 수 없다). 다만, 제2 면(354)의 경사가 최대 45°를 넘어가면 응력 상쇄 효과가 급감하므로, 인접한 터빈 베인(300)끼리 접촉하는 제2 면(354)의 접촉 각도는 접선에 대해 5∼45° 범위에 있는 것이 바람직하다.

그리고, 인접한 터빈 베인(300)의 각 이너 슈라우드(330)와 페데스탈(340)은 제2 페데스탈(342)의 제2 면(354)에서는 접촉하고, 이외의 다른 면, 예를 들어 제2 페데스탈(342)의 제1 면(353)이나, 제1 페데스탈(341)의 측면, 이너 슈라우드(330)의 측면에서는 간극을 이루도록 하는 것이 바람직하다. 제2 페데스탈(342)의 제1 면(353)이나 제1 페데스탈(341)의 측면 등은 응력 상쇄 효과에 기여하는 바가 거의 없고 오히려 굽힘 응력을 증가시킬 뿐만 아니라, 터빈 베인(300)이 열을 받아 팽창했을 때 반경방향으로는 U-링(500)에 대해 슬라이드하여 별문제가 없지만 원주방향으로는 서로 팽창했을 때의 여유 공간이 필요하기 때문이다.

또한, 도 6에 나타나 바와 같이, 제2 페데스탈(342)은 그 전체가 U-링(500)의 슬라이드 면(510) 위에 놓일 수 있는 적절한 높이를 가지도록 할 수 있다. 제1 페데스탈(341) 구간은 U-링(500)에 대한 반경방향 슬라이드를 위한 여유 공간을 가질 필요가 있지만, 굽힘 응력이 집중적으로 작용하는 제2 페데스탈(342)은 그 전체가 U-링(500)의 슬라이드 면(510) 위에 접촉하여 있도록 함으로써 응력 작용에 의한 어긋남이나 변형을 억제하는 것이 적절하다.

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, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

300: 터빈 베인 310: 아우터 슈라우드
320: 에어 포일 330: 이너 슈라우드
340: 페데스탈 341: 제1 페데스탈
342: 제2 페데스탈 350: 돌출부
352: 함몰부 353: 제1 면
354: 제2 면 400: 로터
500: U-링 510: 슬라이드 면

Claims (17)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 로터를 둘러싸도록 동심을 이루면서 원주방향을 따라 배치되는 복수 개의 터빈 베인을 포함하는 터빈 베인 어셈블리에 있어서,
   각각의 터빈 베인은,
   상기 로터에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드;
   상기 아우터 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일;
   상기 에어 포일의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드; 및
   상기 이너 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈;
   을 포함하고,
   상기 한 쌍의 페데스탈은 각각,
   상기 이너 슈라우드로부터 연장되는 제1 페데스탈과, 상기 제1 페데스탈로부터 연장되되 원주방향을 따라 오프셋되는 제2 페데스탈을 포함하고,
   이에 따라, 상기 제2 페데스탈은 상기 제1 페데스탈에 대해 원주방향을 따라 돌출부와 함몰부를 대향 형성하며,
   상기 로터와 터빈 베인 사이에 동심을 이루도록 배치되고, 상기 터빈 베인의 페데스탈과 접촉하는 U-링을 포함하고,
   상기 제2 페데스탈의 돌출부와 함몰부는 인접한 다른 터빈 베인의 제2 페데스탈의 함몰부와 돌출부에 각각 접촉하되, 상기 제2 페데스탈의 함몰부는 상기 이너 슈라우드에 작용하는 굽힘 응력이 반경방향 내측으로 향하는 쪽에 위치하며,
   상기 제2 페데스탈은 상기 U-링의 슬라이드 면 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 페데스탈의 돌출부와 함몰부는 인접한 다른 터빈 베인의 제2 페데스탈의 함몰부와 돌출부에 대해 각각 상보하는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
13. 삭제
14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 페데스탈의 돌출부와 함몰부는 각각 반경방향을 따르는 제1 면과, 원주방향을 따르는 제2 면을 구비하고, 상기 제2 면은 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 면의 경사는, 인접한 터빈 베인이 원주방향을 따라 서로 접근하였을 때 각각의 돌출부와 함몰부가 반경방향을 따라 서로 맞물릴 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
16. 제15항에 있어서,
    인접한 터빈 베인의 각 이너 슈라우드와 페데스탈은 상기 제2 페데스탈의 제2 면에서 접촉하고, 이외의 다른 면에서는 간극을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
17. 제16항에 있어서,
    인접한 터빈 베인끼리 접촉하는 상기 제2 면의 접촉 각도는 접선에 대해 5∼45° 범위에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
    

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