KR102312980B1 - 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서, 터빈 케이싱 내측에 장착되고 내주면에 터빈 베인이 장착되는 베인 캐리어와, 터빈 블레이드를 둘러싸며 베인 캐리어의 축방향 일측면에 나사 결합되는 링 세그먼트를 포함하고, 링 세그먼트는 베인 캐리어에 대해 회전되어 반경방향으로 움직일 수 있다.

Description

터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈{Apparatus for controlling tip clearance of turbine blade and gas turbine compring the same}
본 발명은 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 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 연소가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소가스가 생성된다.
터빈은 터빈 하우징 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.
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 연소가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소가스가 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성하고, 이에 로터가 회전하게 된다.
이때 터빈 케이싱과 블레이드 사이에는 팁 클리어런스(Tip clearance)로 정의되는 간격이 형성된다. 팁 클리어런스가 적정 수준 이상으로 커지면 일을 하지 않고 터빈 케이싱과 블레이드 사이로 빠져나가는 연소가스의 양이 증가하여 가스터빈 전체의 효율이 감소한다. 반대로 팁 클리어런스가 적정 수준 이하로 작아지면 터빈 케이싱의 내벽을 블레이드가 긁게 되는 문제가 발생한다. 따라서 터빈의 팁 클리어런스를 적정한 수준에서 조절하는 것은 가스터빈의 성능을 향상시키는 것과 밀접한 관련이 있다.
등록특허공보 제10-1957590호
본 발명은 베인 캐리어와 링 세그먼트의 축방향 결합부에 나사부를 형성함으로써 고정된 베인 캐리어에 대해 링 세그먼트를 회전시켜 링 세그먼트를 반경방향으로 움직일 수 있는 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서, 터빈 케이싱 내측에 장착되고 내주면에 터빈 베인이 장착되는 베인 캐리어와, 터빈 블레이드를 둘러싸며 베인 캐리어의 축방향 일측면에 나사 결합되는 링 세그먼트를 포함하고, 링 세그먼트는 베인 캐리어에 대해 회전되어 반경방향으로 움직일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 링 세그먼트는 액추에이터에 의해 회전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 링 세그먼트는 공급되는 냉기에 의해 회전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 베인 캐리어는 축방향 일측면에 원주방향으로 홈 또는 리브 형태의 나사결합부를 포함하고, 링 세그먼트는 축방향 일측면에 베인 캐리어의 나사결합부에 결합되는 리브 또는 홈 형태의 나사결합부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 베인 캐리어와 링 세그먼트는 원주방향으로 복수의 세그먼트가 연결되어 형성되고, 하나의 링 세그먼트와 다음 링 세그먼트가 연결되는 단부에는 단차부가 형성되어 원주방향으로 소정 각도 회전되어도 단부끼리 겹치도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 링 세그먼트는 원주방향으로 8개의 세그먼트가 연결되어 형성되고, 각 링 세그먼트에는 액추에이터가 각각 연결되어 링 세그먼트마다 그 이동이 독립적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 링 세그먼트의 나사결합부는 베인 캐리어에 대해 소정 각도 회전될 때 링 세그먼트가 반경방향으로 1.2mm까지 움직이도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기, 터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전하는 터빈, 및 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치를 포함하고, 팁 클리어런스를 제어하는 장치는 터빈 케이싱 내측에 장착되고 내주면에 터빈 베인이 장착되는 베인 캐리어와, 터빈 블레이드를 둘러싸며 베인 캐리어의 축방향 일측면에 나사 결합되는 링 세그먼트를 포함하고, 링 세그먼트는 베인 캐리어에 대해 회전되어 반경방향으로 움직일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 링 세그먼트는 액추에이터에 의해 회전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 링 세그먼트는 공급되는 냉기에 의해 회전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 베인 캐리어는 축방향 일측면에 원주방향으로 홈 또는 리브 형태의 나사결합부를 포함하고, 링 세그먼트는 축방향 일측면에 베인 캐리어의 나사결합부에 결합되는 리브 또는 홈 형태의 나사결합부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 베인 캐리어와 링 세그먼트는 원주방향으로 복수의 세그먼트가 연결되어 형성되고, 하나의 링 세그먼트와 다음 링 세그먼트가 연결되는 단부에는 단차부가 형성되어 원주방향으로 소정 각도 회전되어도 단부끼리 겹치도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 링 세그먼트는 원주방향으로 8개의 세그먼트가 연결되어 형성되고, 각 링 세그먼트에는 액추에이터가 각각 연결되어 링 세그먼트마다 그 이동이 독립적으로 제어될 수 있다.
상기한 본 발명의 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 베인 캐리어와 링 세그먼트의 축방향 결합부에 나사부를 형성함으로써 고정된 베인 캐리어에 대해 링 세그먼트를 회전시켜 링 세그먼트를 반경방향으로 움직일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 4는 원주상에 배열된 복수의 링 세그먼트가 액추에이터에 의해 반경방향 내측으로 이동되는 것을 나타내는 개념도이다.
도 5는 베인 캐리어에 대해 링 세그먼트가 회전되면서 링 세그먼트가 반경방향 내측으로 이동되는 것을 설명하는 개념도이다.
도 6은 베인 캐리어와 링 세그먼트 두 쌍이 연결된 것을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에서 링 세그먼트가 베인 캐리어에 대해 각각 이동된 것을 나타내는 사시도이다.
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. 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 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 연소가스가 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 섹션(1100)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(1100)과 터빈 섹션(1300)의 사이에는 터빈 섹션(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(1100)으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브 유닛(1500)이 배치되어 있다.
압축기 섹션(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 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 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 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, 상기한 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(1322)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 체결될 수 있다.
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 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스 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 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 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 연소가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브를 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 압축기(1100)의 로터와 유사한 터빈 로터(1320)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터(1320)는 터빈 로터 디스크(1322)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(1324)를 포함한다. 터빈 블레이드(1324) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1322)에 결합될 수 있다.
아울러, 터빈 로터 디스크(1322)의 터빈 블레이드(1324)의 사이에도 터빈 케이싱(1312)에 고정되는 복수개의 터빈 베인(1314)이 구비되어, 터빈 블레이드(1324)를 통과한 연소가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 터빈 케이싱(1312)과 터빈 베인(1314) 역시, 회전체에 해당하는 터빈 로터(1320)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(110)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.
터빈 베인(1314)의 내측 단부와 외측 단부에 결합된 엔드월(endwall)인 베인 캐리어(200)에 의해, 터빈 베인(1314)은 하우징 내에 고정적으로 장착된다. 반면에, 하우징 내측에 회전하는 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부와 마주보는 위치에는 링 세그먼트(130)가 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부와 소정의 간극을 형성하도록 장착된다. 즉, 링 세그먼트(130)와 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부 사이의 간극이 팁 클리어런스(Tip clearance)를 형성한다.
한편, 터빈 블레이드(1324)는 고온 고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 연소가스에 의해 터빈 블레이드(1324)가 변형될 수 있으며, 터빈 블레이드(1324)의 변형에 의해 터빈(1300)이 파손될 수도 있다. 이러한 고온에 의한 변형을 방지하기 위해 압축기(1100)와 터빈(1300)의 사이에는 연소가스보다 상대적으로 온도가 낮은 압축기(1100) 내부의 공기 일부를 분기시켜 터빈 블레이드(1324)로 공급하는 분기유로(1800)가 형성될 수 있다.
분기유로(1800)는 압축기 케이싱 외부로 형성하거나, 압축기 로터 디스크(1120)를 관통하여 내부로 형성될 수 있다. 분기유로(1800)는 압축기(1100)로부터 분기된 압축공기를 터빈 로터 디스크(1322)의 내부로 공급할 수 있다. 터빈 로터 디스크(1322)의 내부로 공급된 압축공기는 반경방향 외측으로 흐르게 되며, 터빈 블레이드(1324)의 내부로 공급되어 터빈 블레이드(1324)를 냉각할 수 있다. 또한, 하우징(1010) 외부로 연결된 분기유로(1800)는 압축기(1100)로부터 분기된 압축공기를 터빈 케이싱(1312) 내부로 공급하여 터빈 케이싱(1312) 내부를 냉각할 수 있다. 분기유로(1800)는 중간에 밸브(1820)를 구비하여 압축공기를 선택적으로 공급할 수 있다. 또한, 분기유로(1800)에는 열교환기(미도시)를 연결하여 압축공기를 선택적으로 더 냉각시킨 다음 공급할 수도 있다.
도 4는 원주상에 배열된 복수의 링 세그먼트가 액추에이터에 의해 반경방향 내측으로 이동되는 것을 나타내는 개념도이고, 도 5는 베인 캐리어에 대해 링 세그먼트가 회전되면서 링 세그먼트가 반경방향 내측으로 이동되는 것을 설명하는 개념도이며, 도 6은 베인 캐리어와 링 세그먼트 두 쌍이 연결된 것을 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6에서 링 세그먼트가 베인 캐리어에 대해 각각 이동된 것을 나타내는 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치(100)는, 터빈 케이싱(1312) 내측에 장착되고 내주면에 터빈 베인(1314)이 장착되는 베인 캐리어(200)와, 터빈 블레이드(1324)를 둘러싸며 베인 캐리어(200)의 축방향 일측면에 나사 결합되는 링 세그먼트(110)를 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 베인 캐리어(200)와 링 세그먼트(110)는 축방향 일측면이 서로 나사 결합되어 있어서, 링 세그먼트(110)는 베인 캐리어(200)에 대해 회전되어 반경방향으로 움직일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 링 세그먼트(110)는 터빈 케이싱 내부에 복수개(예를 들어 8개)의 세그먼트가 원주상으로 배열될 수 있다. 각 링 세그먼트(110)는 액추에이터(300)에 의해 회전될 수 있다. 액추에이터(300)는 전기 모터 또는 유압 모터로 구성될 수 있다. 링 세그먼트(110)마다 각각 액추에이터(300)가 연결됨으로써 링 세그먼트(110)마다 팁 클리어런스가 독립적으로 제어될 수 있다. 도 4에서는 액추에이터(300)를 하나만 도시하였으나, 실제로는 원주방향으로 연결되는 8개의 링 세그먼트(110)에 8개의 액추에이터(300)가 하나씩 연결될 수 있다. 이렇게 링 세그먼트(110)마다 팁 클리어런스가 독립적으로 제어함으로써, 가스 터빈 작동 중에 링 세그먼트(110)들이 진원에서 타원으로 변형되는 것을 최소화할 수 있다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 하나의 베인 캐리어(200) 세그먼트와 링 세그먼트(110)가 접하고 있을 때, 축방향 측면을 "A면"이라 하고, 원주방향 측면을 "B면"이라 할 수 있다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 베인 캐리어(200)와 링 세그먼트(110) 사이에 있는 A면에는 원주방향으로 나사산이 형성되어 두 축방향 측면이 나사 결합될 수 있다. 그래서, 고정되어 있는 베인 캐리어(200)에 대해 링 세그먼트(110)를 원주방향으로 회전시키면, 링 세그먼트(110)는 반경방향으로도 회전 각도에 따른 피치만큼 이동될 수 있다.
복수의 링 세그먼트(110)를 독립적으로 제어하려면, 링 세그먼트(110)와 원주방향으로 접하고 있는 다른 링 세그먼트(110)는 원주방향으로의 상대적인 회전이 허용되어야 한다. 그래서, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 하나의 링 세그먼트(110-1)와 다음 링 세그먼트(110-2)가 연결되는 단부에는 단차부가 형성되어 소정 각도 회전되어도 단부끼리 겹치도록 배치될 수 있다.
한편, 링 세그먼트(110)는 압축기(1100)에서 압축된 압축공기를 분기유로(1800)를 통해 공급하거나 열교환기를 통과한 냉기를 공급함으로써 링 세그먼트(110)에 연결되는 부재(미도시)가 냉각됨에 따라 회전하도록 구성될 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 링 세그먼트(110)는 원주방향으로 구부러진 플레이트 형태의 본체부(112)와, 본체부(112)의 반경방향 외측면에서 외측으로 연장되었다가 축방향 외측으로 연장되는 장착리브부(114)를 포함할 수 있다. 베인 캐리어(200)도 원주방향으로 구부러진 플레이트 형태의 본체부(212)와, 본체부(212)의 반경방향 외측면에서 외측으로 연장되었다가 축방향 외측으로 연장되는 장착리브부(214)를 포함할 수 있다.
또한, 베인 캐리어(200)는 축방향 일측면에 원주방향으로 홈 또는 리브 형태의 나사결합부(220)를 포함하고, 링 세그먼트(110)는 축방향 일측면에 베인 캐리어(200)의 나사결합부(220)에 결합되는 리브 또는 홈 형태의 나사결합부(120)를 포함할 수 있다.
도 6에서 베인 캐리어(200)의 나사결합부(220)는 홈 형태를 가지고 링 세그먼트(110)의 나사결합부(120)는 돌출 리브 형태를 가지는 것이 도시되어 있으나, 베인 캐리어(200)의 나사결합부(220)는 돌출 리브 형태를 가지고 링 세그먼트(110)의 나사결합부(120)는 홈 형태를 가질 수도 있다.
베인 캐리어(200)의 나사결합부(220)와 링 세그먼트(110)의 나사결합부(120)는 매우 작은 피치를 가진 나사산이 형성될 수 있다. 구체적으로, 링 세그먼트(110)의 나사결합부(120)는 베인 캐리어(200)에 대해 소정 각도 회전될 때 링 세그먼트(110)가 반경방향으로 1.2mm까지 움직이도록 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 고정된 베인 캐리어(200)에 대해 링 세그먼트(110)가 소정 각도로 회전되면, 링 세그먼트(110)는 반경방향 내측으로 1.2mm까지 움직일 수 있다.
가스 터빈을 기동할 때에는 터빈 블레이드(1324)가 급속 가열되기 때문에 링 세그먼트(110)와 터빈 블레이드(1324) 사이의 팁 클리어런스가 작아지게 된다. 그래서, 기동시에는 링 세그먼트(110)를 회전시켜 반경방향 외측으로 이동시킴으로써, 터빈 블레이드(1324) 단부가 링 세그먼트(110)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
가스 터빈이 일정한 회전 속도로 작동되는 정상 상태에서는 팁 클리어런스가 커지게 되므로, 링 세그먼트(110)를 회전시켜 반경방향 내측으로 이동시킴으로써, 팁 클리어런스를 적정 간격으로 작게 유지할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스터빈 1010: 하우징
1100: 압축기 1110: 압축기 블레이드
1112: 도브테일부 1120: 압축기 로터 디스크 유닛
1130: 압축기 냉각공기 공급유로 1200: 연소기
1300: 터빈 1310: 터빈 스테이터
1312: 터빈 케이싱 1314: 터빈 베인
1320: 터빈 로터 1322: 터빈 로터 디스크
1324: 터빈 블레이드 1400: 디퓨져
1450: 고정너트 1500: 토크튜브 유닛
1600: 타이로드 1800: 분기유로
1820: 밸브
100: 팁 클리어런스 제어장치
110: 링 세그먼트 112: 본체부
114: 장착리브부 120: 나사결합부
200: 베인 캐리어 212: 본체부
214: 장착리브부 220: 나사결합부
300: 액추에이터

Claims (14)

  1. 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 터빈 케이싱 내측에 장착되고 내주면에 터빈 베인이 장착되는 베인 캐리어와,
    상기 터빈 블레이드를 둘러싸며 상기 베인 캐리어의 축방향 일측면에 나사 결합되는 링 세그먼트를 포함하고,
    상기 베인 캐리어는 축방향 일측면에 원주방향으로 홈 또는 리브 형태로 형성되되 반경방향으로 소정의 피치를 가진 나사결합부를 포함하며,
    상기 링 세그먼트는 축방향 일측면에 원주방향으로 리브 또는 홈 형태로 형성되되 반경방향으로 소정의 피치를 가지고 상기 베인 캐리어의 나사결합부에 결합되는 나사결합부를 포함하고,
    상기 링 세그먼트는 상기 베인 캐리어에 대해 상기 나사결합부를 따라 회전되어 반경방향으로 움직이는 팁 클리어런스 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링 세그먼트는 액추에이터에 의해 회전되는 팁 클리어런스 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 링 세그먼트는 공급되는 냉기에 의해 수축됨으로써 회전되는 팁 클리어런스 제어장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베인 캐리어와 상기 링 세그먼트는 원주방향으로 복수의 세그먼트가 연결되어 형성되고,
    하나의 링 세그먼트와 다음 링 세그먼트가 연결되는 단부에는 단차부가 형성되어 원주방향으로 소정 각도 회전되어도 단부끼리 겹치도록 배치되는 팁 클리어런스 제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 링 세그먼트는 원주방향으로 8개의 세그먼트가 연결되어 형성되고,
    각 링 세그먼트에는 액추에이터가 각각 연결되어 링 세그먼트마다 그 이동이 독립적으로 제어되는 팁 클리어런스 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 링 세그먼트의 나사결합부는 상기 베인 캐리어에 대해 소정 각도 회전될 때 링 세그먼트가 반경방향으로 1.2mm까지 움직이도록 형성되는 팁 클리어런스 제어장치.
  8. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈; 및
    상기 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치를 포함하고,
    상기 팁 클리어런스를 제어하는 장치는
    상기 터빈 케이싱 내측에 장착되고 내주면에 터빈 베인이 장착되는 베인 캐리어와,
    상기 터빈 블레이드를 둘러싸며 상기 베인 캐리어의 축방향 일측면에 나사 결합되는 링 세그먼트를 포함하고,
    상기 베인 캐리어는 축방향 일측면에 원주방향으로 홈 또는 리브 형태로 형성되되 반경방향으로 소정의 피치를 가진 나사결합부를 포함하며,
    상기 링 세그먼트는 축방향 일측면에 원주방향으로 리브 또는 홈 형태로 형성되되 반경방향으로 소정의 피치를 가지고 상기 베인 캐리어의 나사결합부에 결합되는 나사결합부를 포함하고,
    상기 링 세그먼트는 상기 베인 캐리어에 대해 상기 나사결합부를 따라 회전되어 반경방향으로 움직이는 가스 터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 링 세그먼트는 액추에이터에 의해 회전되는 가스 터빈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 링 세그먼트는 공급되는 냉기에 의해 수축됨으로써 회전되는 가스 터빈.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 베인 캐리어와 상기 링 세그먼트는 원주방향으로 복수의 세그먼트가 연결되어 형성되고,
    하나의 링 세그먼트와 다음 링 세그먼트가 연결되는 단부에는 단차부가 형성되어 원주방향으로 소정 각도 회전되어도 단부끼리 겹치도록 배치되는 가스 터빈.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 링 세그먼트는 원주방향으로 8개의 세그먼트가 연결되어 형성되고,
    각 링 세그먼트에는 액추에이터가 각각 연결되어 링 세그먼트마다 그 이동이 독립적으로 제어되는 가스 터빈.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 링 세그먼트의 나사결합부는 상기 베인 캐리어에 대해 소정 각도 회전될 때 링 세그먼트가 반경방향으로 1.2mm까지 움직이도록 형성되는 가스 터빈.
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