KR102477473B1

KR102477473B1 - 세그먼트 조절 장치, 이를 포함하는 터빈

Info

Publication number: KR102477473B1
Application number: KR1020200119952A
Authority: KR
Inventors: 이예브도신 안드리; 아나톨리 이브첸코; 탁영관
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-12-13
Also published as: KR20220037248A; KR102477473B9; KR20220165718A; KR102499616B1

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 세그먼트 조절 장치는 가스 터빈의 터빈 블레이드와 링 세그먼트 사이의 간격을 조절하는 장치로서, 상기 링 세그먼트에 결합된 세그먼트 홀더, 상기 세그먼트 홀더에 결합되어 상기 세그먼트 홀더를 이동시키는 구동 링크, 상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 외측으로 가압하는 보상 스프링, 상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 이동시키는 엑츄에이터를 포함하고, 상기 세그먼트 홀더는 터빈 케이싱의 둘레 방향으로 이어지며, 복수의 상기 링 세그먼트와 결합될 수 있다.

Description

세그먼트 조절 장치, 이를 포함하는 터빈{SEGMENT CONTROL DEVICE, TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 터빈에 적용되는 세그먼트 조절 장치, 및 이를 포함하는 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 터빈의 로터가 회전하게 된다.

로터를 회전시키는 고온 고압의 연소가스의 누설을 방지하고 결과적으로 가스터빈의 효율이 증대되도록 터빈의 내부에는 링 세그먼트가 설치된다. 링 세그먼트는 블레이드를 수용하는 터빈 케이싱 내에 설치되어 회전하는 블레이드 외곽을 둘러싸도록 위치한다.

링 세그먼트와 블레이드는 적절한 간격을 유지해야 하는데, 구동 초기의 과도구간에서는 링 세그먼트와 블레이드의 간격이 증가되어야 하며, 정상상태(steady state)에서는 링 세그먼트와 블레이드 사이의 간격이 감소되어야 한다. 이러한 문제 때문에 최적의 링 세그먼트와 블레이드 사이의 간격을 최적화시키기 어려운 문제가 있다. 특히 터빈 케이싱 내부는 압축기에서 공급된 공압이 적용된 상태이므로 링 세그먼트를 이동시키기 위해서는 아주 큰 힘이 필요한 문제가 있다.

미국 특허출원공개공보 US2017/0044922호(2017.02.16.)

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 링 세그먼트를 용이하게 이동시킬 수 있는 세그먼트 조절 장치 및 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 형성된 홈으로 이루어진 실린더와 상기 실린더에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤을 포함하며, 상기 피스톤은 상기 터빈 케이싱의 내압에 의하여 외측으로 가압되도록 설치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 고정되어 상기 실린더를 밀봉하는 커버를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 세그먼트 홀더의 하부에는 링 세그먼트들의 후크가 삽입되는 내측 홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 세그먼트 홀더의 외측에는 상기 구동 링크가 삽입되는 외측 홈과, 외면에서 폭방향으로 돌출된 플랜지가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 세그먼트 홀더는 베인을 지지하는 베인 캐리어에 형성된 장착 홈에 삽입되고, 상기 플랜지는 상기 베인 캐리어에 대하여 반경 방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 엑츄에이터는 상기 베인 캐리어에 형성된 홈으로 이루어진 실린더와, 상기 실린더에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤과, 상기 베인 캐리어에 고정되어 상기 실린더를 밀봉하는 커버를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 세그먼트 조절 장치는 상기 가스 터빈의 구동 초기에는 상기 링 세그먼트를 외측으로 이동시키고, 상기 가스 터빈의 온도가 기 설정된 정상 상태로 상승한 경우에는 상기 링 세그먼트를 내측으로 이동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 구동 링크는 상기 세그먼트 홀더에 결합된 제1 막대부와 상기 제1 막대부에 결합되며 상기 터빈의 길이방향으로 이어진 제1 힌지축, 상기 제1 힌지 축을 매개로 상기 제1 막대부에 결합된 제2 막대부, 상기 제2 막대부에 결합되며 상기 터빈의 둘레 방향으로 이어진 제2 힌지 축, 상기 제2 힌지 축을 매개로 상기 제2 막대부에 결합되며, 상기 엑츄에이터에 고정된 제3 막대부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 구동 링크는 상기 세그먼트 홀더에 결합된 제1 막대부와 상기 제1 막대부의 길이방향 단부에 형성되며 구형으로 이루어진 볼 지지부와, 상기 볼 지지부를 수용하며 상기 볼 지지부에 회전 가능하게 결합된 볼 수용부와 상기 볼 수용부에 결합되며 상기 엑츄에이터에 고정된 제2 막대부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 터빈은 회전 가능한 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드, 회전하지 않도록 고정 설치된 터빈 베인, 상기 터빈 베인을 외측에서 지지하는 베인 캐리어, 상기 베인 캐리어를 감싸는 터빈 케이싱, 상기 터빈 블레이드의 외측에 위치하여 기체의 누설을 차단하는 복수의 링 세그먼트, 상기 링 세그먼트를 상기 터빈 케이싱의 반경 방향으로 이동시키는 세그먼트 조절 장치를 포함하며, 상기 세그먼트 조절 장치는, 상기 링 세그먼트에 결합된 세그먼트 홀더, 상기 세그먼트 홀더에 결합되어 상기 세그먼트 홀더를 이동시키는 구동 링크, 상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 외측으로 가압하는 보상 스프링, 및 상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 이동시키는 엑츄에이터를 포함하고, 상기 세그먼트 홀더는 터빈 케이싱의 둘레 방향으로 이어지며, 복수의 상기 링 세그먼트와 결합되어 상기 링 세그먼트들을 동시에 이동시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 형성된 홈으로 이루어진 실린더와 상기 실린더에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤을 포함하며, 상기 피스톤은 상기 터빈 케이싱의 내압에 의하여 외측으로 가압되도록 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 고정되어 상기 실린더를 밀봉하는 커버를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 세그먼트 홀더의 하부에는 링 세그먼트들의 후크가 삽입되는 하부 홈이 형성되고, 상기 세그먼트 홀더의 상부에는 상기 구동 링크가 삽입되는 상부 홈과, 외측으로 확장된 상부 플랜지가 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 세그먼트 홀더는 상기 베인 캐리어에 형성된 장착 홈에 삽입되고, 상기 상부 플랜지는 상기 베인 캐리어에 대하여 반경 방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 엑츄에이터는 상기 베인 캐리어에 형성된 홈으로 이루어진 실린더와, 상기 실린더에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤과, 상기 베인 캐리어에 고정되어 상기 실린더를 밀봉하는 커버를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 세그먼트 조절 장치는 상기 가스 터빈의 구동 초기에는 상기 링 세그먼트를 외측으로 이동시키고, 상기 가스 터빈의 온도가 기 설정된 정상 상태로 상승한 경우에는 상기 링 세그먼트를 내측으로 이동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 구동 링크는 상기 세그먼트 홀더에 결합된 제1 막대부와 상기 제1 막대부에 결합되며 상기 터빈의 길이방향으로 이어진 제1 힌지축, 상기 제1 힌지 축을 매개로 상기 제1 막대부에 결합된 제2 막대부, 상기 제2 막대부에 결합되며 상기 터빈의 둘레 방향으로 이어진 제2 힌지 축, 상기 제2 힌지 축을 매개로 상기 제2 막대부에 결합되며, 상기 엑츄에이터에 고정된 제3 막대부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 구동 링크는 상기 세그먼트 홀더에 결합된 제1 막대부와 상기 제1 막대부의 길이방향 단부에 형성되며 구형으로 이루어진 볼 지지부와, 상기 볼 지지부를 수용하며 상기 볼 지지부에 회전 가능하게 결합된 볼 수용부와 상기 볼 수용부에 결합되며 상기 엑츄에이터에 고정된 제2 막대부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 상기 세그먼트 홀더와 상기 베인 캐리어 사이에는 복수의 판 스프링이 설치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 세그먼트 조절 장치 및 터빈은 링 세그먼트를 용이하게 이동시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 세그먼트 조절 장치를 터빈의 길이방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세그먼트 홀더와 링 세그먼트를 터빈의 반경 방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트가 외측으로 가압된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트가 내측으로 가압된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈의 내부가 도시된 도면이다.

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.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1, 및 도 2에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기에서는, 압축기 블레이드(1130)는 센터 타이로드(1120)와 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 토크 튜브(1170)에 의하여 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다.

한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 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.

한편, 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈(1300)의 터빈 블레이드(1330)에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브(1170)를 거쳐 압축기(1100)로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용된다.

터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1330)와 회전하지 않도록 고정된 터빈 베인(1320), 터빈 블레이드(1330)의 외측에 배치된 링 세그먼트(1350)와 링 세그먼트(1350)를 이동시키는 세그먼트 조절 장치(1400)를 포함할 수 있다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드(1330)이 삽입된다. 터빈 블레이드(1330)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 터빈 베인(1320)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1330)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 블레이드(1330)의 외측에는 실링을 위한 링 세그먼트(1350)가 설치될 수 있다. 복수의 링 세그먼트(1350)는 터빈(1300)의 둘레방향으로 연속적으로 배치되어, 링 형상을 이룬다. 링 세그먼트(1350)는 터빈 블레이드(1330)에서 이격되어 미세한 간격을 유지하며, 압력이 누설되는 것을 방지한다. 또한, 링 세그먼트(1350)는 터빈 베인(1320)과 교대로 배치된다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 세그먼트 조절 장치를 터빈의 길이방향으로 잘라 본 부분 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세그먼트 홀더와 링 세그먼트를 터빈의 반경 방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.

링 세그먼트(1350)는 터빈 블레이드(1330)와 마주하는 바디 플레이트(1352)와 바디 플레이트(1352)에서 외측으로 돌출된 2개의 후크(1351)를 포함할 수 있다. 후크(1351)는 바디 플레이트(1352)에서 외측으로 돌출되며, 세그먼트 조절 장치(1400)와 결합된다.

세그먼트 조절 장치(1400)는 세그먼트 홀더(1410), 구동 링크(1420), 보상 스프링(1430), 엑츄에이터(1450)를 포함할 수 있다. 세그먼트 홀더(1410)는 터빈 케이싱(1370)의 둘레 방향으로 이어져 형성되어 복수의 상기 링 세그먼트(1350)와 결합된다. 이에 따라 세그먼트 홀더(1410)는 복수의 링 세그먼트(1350)를 동시에 이동시킬 수 있다.

세그먼트 홀더(1410)는 호형으로 이어진 막대 형상으로 이루어지며, 세그먼트 홀더(1410)의 내측에 후크(1351)가 삽입되는 내측 홈()이 형성된다. 내측 홈()에는 복수의 링 세그먼트(1350)의 후크(1351)가 결합될 수 있다.

세그먼트 홀더(1410)의 외측에는 구동 링크(1420)가 삽입되는 외측 홈(1414)이 형성되며, 하나의 세그먼트 홀더(1410)에는 하나의 구동 링크(1420)가 결합될 수 있다. 이에 따라 복수의 링 세그먼트(1350)가 동시에 이동할 수 있다. 세그먼트 홀더(1410)의 측면에는 폭방향으로 돌출된 플랜지(1413)가 형성된다. 플랜지(1413)는 터빈 베인(1320)을 지지하는 베인 캐리어(1360)에 결합될 수 있다.

터빈(1300)은 터빈 베인(1320)을 감싸는 베인 캐리어(1360)와 베인 캐리어(1360)에서 간격을 두고 베인 캐리어(1360)를 감싸는 터빈 케이싱(1370)을 더 포함할 수 있다. 터빈 케이싱(1370)과 베인 캐리어(1360) 사이에는 압축기에서 압축된 공기가 공급될 수 있다. 터빈 케이싱(1370) 내부로 공급된 압축 공기는 링 세그먼트(1350)를 내측으로 가압할 뿐만 아니라 링 세그먼트(1350) 내부로 공급되어 링 세그먼트(1350)를 냉각한다.

베인 캐리어(1360)에는 터빈 베인(1320)이 삽입되는 복수의 홈이 형성될 수 있다. 또한, 베인 캐리어(1360)에는 플랜지(1413)가 삽입되는 장착 홈(1361)이 형성된다. 플랜지(1413)는 장착 홈(1361)에 삽입되되, 베인 캐리어(1360)에 대하여 반경 방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치된다. 이에 따라 세그먼트 홀더(1410)는 베인 캐리어(1360)에 대하여 터빈의 반경 방향으로 이동할 수 있다.

세그먼트 홀더(1410)의 내면과 베인 캐리어(1360)의 외면 사이에는 충돌 방지를 위한 복수의 판 스프링(1470)이 설치될 수 있다. 복수의 판 스프링(1470)은 세그먼트 홀더(1410)의 길이방향으로 이격 배치되며, 세그먼트 홀더(1410)의 이동 시에 세그먼트 홀더(1410)와 베인 캐리어(1360)가 충돌하는 것을 방지하면서 세그먼트 홀더(1410)를 탄성적으로 지지한다.

구동 링크(1420)는 세그먼트 홀더(1410)와 엑츄에이터(1450)를 연결하며, 세그먼트 홀더(1410)를 이동시킨다. 구동 링크(1420)는 세그먼트 홀더(1410)에 결합된 제1 막대부(1421)와 제1 막대부(1421)에 결합되며 터빈(1300)의 길이방향으로 이어진 제1 힌지 축(1422), 제1 힌지 축(1422)을 매개로 제1 막대부(1421)에 결합된 제2 막대부(1423), 제2 막대부(1423)에 결합되며 터빈(1300)의 둘레 방향으로 이어진 제2 힌지 축(1424), 제2 힌지 축(1424)을 매개로 제2 막대부(1423)에 결합되며, 엑츄에이터(1450)에 고정된 제3 막대부(1425)를 포함할 수 있다. 제1 힌지 축(1422)과 제2 힌지 축(1424)이 설치되면 진동 및 미세 오차에도 불구하고 구동 링크(1420)는 세그먼트 홀더(1410)를 방사방향으로 정확하게 이동시킬 수 있다.

보상 스프링(1430)은 구동 링크(1420) 또는 엑츄에이터(1450)를 외측으로 가압하도록 설치된다. 보상 스프링(1430)의 일측 단부는 베인 캐리어(1360)에 지지되고, 타측 단부는 구동 링크(1420)에 형성된 돌출턱(1429)에 지지될 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 보상 스프링(1430)은 엑츄에이터(1450)의 피스톤(1452)을 가압하도록 설치될 수도 있다.

엑츄에이터(1450)는 터빈 케이싱(1370)에 내에 형성된 실린더(1451)와 실린더(1451)에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤(1452)과 실린더(1451)에 결합되어 실린더(1451)를 밀봉하는 커버(1453)를 포함할 수 있다. 실린더는 터빈 케이싱(1370)에 형성된 홈으로 이루어질 수 있다.

피스톤(1452)은 실린더(1451) 내에서 실린더(1451)의 높이 방향으로 이동 가능하도록 설치되며, 실린더(1451) 내부의 압력 변화에 따라 이동할 수 있다. 피스톤(1452)은 구동 링크(1420)와 연결되어 구동 링크(1420)를 이동시킨다. 피스톤(1452)의 내면은 터빈 케이싱(1370)의 내부 공간을 향하도록 배치되며 이에 따라 피스톤(1452)은 터빈 케이싱(1370)의 내압에 의하여 외측으로 가압되도록 설치된다.

커버(1453)는 터빈 케이싱(1370)의 외면에 고정되어 실린더(1451)를 밀봉하며, 커버(1453)에는 실린더(1451) 내부의 압력을 조절하는 제어부(1460)가 설치될 수 있다. 제어부(1460)는 커버(1453)에 연결되어 피스톤(1452)의 외면에 가해지는 압력을 제어하며 밸브를 포함할 수 있다.

제어부(1460)는 가스 터빈(1000)의 구동 초기에는 링 세그먼트(1350)를 외측으로 이동시키고, 가스 터빈(1000)의 온도가 기 설정된 정상 상태로 상승한 경우에는 링 세그먼트(1350)를 내측으로 이동시킨다. 여기서 정상 상태의 온도는 터빈의 크기와 설계 정도에 따라 다양한 온도로 설정될 수 있다. 제어부(1460)는 링 세그먼트(1350)를 수mm 이동시킬 수 있으며, 예를 들어 1mm~3mm 이동시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트가 외측으로 가압된 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트가 내측으로 가압된 상태를 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 링 세그먼트(1350)에 작용하는 힘 중에서 외측으로 가압하는 힘은 터빈 케이싱(1370)의 내압으로 피스톤(1452)이 외측으로 가압되는 힘과 보상 스프링(1430)의 가압력의 합한 값이 된다. 한편, 링 세그먼트(1350)에 내측으로 가압하는 힘은 터빈 케이싱(1370) 내부의 압축 공기가 링 세그먼트(1350)의 쿨링 홀을 지나면서 형성하는 가압력으로 이루어진다.

엑츄에이터에 의한 힘이 0인 경우에는 외측으로 가압되는 힘이 내측으로 가압되는 힘보다 더 커서 링 세그먼트는 외측으로 가압된다. 이에 따라 링 세그먼트(1350)와 터빈 블레이드(1330)의 팁 사이의 간격은 증가한다.

한편, 실린더(1451) 내부에 기 설정된 압력이 작용하면 피스톤(1452)이 터빈의 중심을 향하여 가압되어 외부로 작용하는 힘보다 내부로 작용하는 힘이 더 커지며 링 세그먼트(1350)가 내측으로 이동하여 링 세그먼트(1350)와 터빈 블레이드(1330)의 팁 사이의 간격은 감소한다.

터빈(1300)의 구동 초기에는 링 세그먼트(1350)와 터빈 블레이드(1330) 사이의 간격이 증가되어야 하고, 터빈(1300)이 정상 상태에서 운전하는 경우에는 링 세그먼트(1350)와 터빈 블레이드(1330) 사이의 간격이 감소되어야 한다.

본 제1 실시예에 따르면 세그먼트 조절 장치(1400)가 설치되어 터빈(1300)의 구동 조건에 따라서 링 세그먼트(1350)가 용이하게 이동할 수 있다. 또한, 피스톤(1452)이 터빈 케이싱(1370)의 내압에 의하여 외측으로 가압되도록 설치되므로 내측으로 작용하는 힘과 외측으로 작용하는 힘의 차이가 작아서 작은 압력으로도 링 세그먼트(1350)를 용이하게 이동시킬 수 있다. 또한, 보상 스프링(1430)이 설치되어 보다 용이하게 링 세그먼트(1350)를 이동시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈의 내부가 도시된 도면이다.

도 7을 참조하여 설명하면, 세그먼트 조절 장치(2400)는 세그먼트 홀더(2410), 구동 링크(2420), 보상 스프링(2430), 엑츄에이터(2450)를 포함할 수 있다. 세그먼트 홀더(2410)는 터빈 케이싱(2370)의 둘레 방향으로 이어져 형성되어 복수의 링 세그먼트(2350)와 결합되어 링 세그먼트(2350)를 지지하면서 링 세그먼트(2350)를 이동시킨다. 세그먼트 홀더(2410)는 상기한 제1 실시예에 따른 세그먼트 홀더와 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 링 세그먼트(2350)는 터빈 블레이드(2330)의 팁에서 이격되어 가스의 누설을 방지한다.

터빈(2300)은 터빈 베인을 지지하는 베인 캐리어(2360)와 베인 캐리어(2360)에서 간격을 두고 베인 캐리어(2360)를 감싸는 터빈 케이싱(2370)을 더 포함할 수 있다. 터빈 케이싱(2370)과 베인 캐리어(2360) 사이에는 압축기에서 압축된 공기가 공급될 수 있다. 세그먼트 홀더(2410)는 베인 캐리어(2360)에 형성된 장착 홈(2361)에 삽입된다. 또한 베인 캐리어(2360)에는 실린더(2451)가 형성될 수 있다.

구동 링크(2420)는 세그먼트 홀더(2410)와 엑츄에이터(2450)를 연결하며, 세그먼트 홀더(2410)를 이동시킨다. 구동 링크(2420)는 일체로 형성될 수 있다. 보상 스프링(2430)은 엑츄에이터(2450)를 외측으로 가압하도록 설치된다. 보상 스프링(2430)의 일측 단부는 베인 캐리어(2360)에 지지되고, 보상 스프링(2430)의 타측 단부는 엑츄에이터(2450)의 피스톤(2452)을 가압하도록 설치될 수 있다.

엑츄에이터(2450)는 실린더(2451)와 실린더(2451)에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤(2452)과 실린더에 결합되어 실린더(2451)를 밀봉하는 커버(2453)를 포함할 수 있다. 실린더(2451)는 베인 캐리어(2360)에 형성된 홈으로 이루어질 수 있다. 피스톤(2452)은 실린더(2451) 내에서 이동 가능하도록 설치되며, 실린더(2451) 내부의 압력 변화에 따라 이동할 수 있다. 피스톤(2452)은 구동 링크(2420)와 연결되어 구동 링크(2420)를 이동시킨다.

커버(2453)는 베인 캐리어(2360)의 외면에 고정되어 실린더(2451)를 밀봉하며, 커버(2453)에는 실린더(2451) 내부의 압력을 조절하는 제어부(2460)가 설치될 수 있다. 제어부(2460)는 커버(2453)에 연결되어 피스톤(2452)의 외면에 가해지는 압력을 제어하며 밸브를 포함할 수 있다.

제어부(2460)는 가스 터빈(2000)의 구동 초기에는 링 세그먼트(2350)를 외측으로 이동시키고, 가스 터빈(2000)의 온도가 기 설정된 정상 상태로 상승한 경우에는 링 세그먼트(2350)를 내측으로 이동시킨다.

본 제2 실시예에 따르면 세그먼트 조절 장치(2400)가 설치되어 터빈(2300)의 구동 조건에 따라서 링 세그먼트(2350)가 용이하게 이동할 수 있다. 또한, 보상 스프링(2430)이 설치되어 보다 용이하게 링 세그먼트(2350)를 이동시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈의 내부가 도시된 도면이다.

본 제3 실시예에 따른 터빈은 링 세그먼트(1350)를 이동시키는 세그먼트 조절 장치(3400)를 더 포함하며, 세그먼트 조절 장치(3400)는 구동 링크(3420)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

구동 링크(3420)는 세그먼트 홀더(1410)와 엑츄에이터(1450)를 연결하며, 세그먼트 홀더(1410)를 이동시킨다. 구동 링크(3420)는 세그먼트 홀더(1410)에 결합된 제1 막대부(3421)와 제1 막대부(3421)의 길이방향 단부에 형성되며 구형의 홈을 갖는 볼 수용부(3422)와, 볼 수용부(3422)에 삽입되며 구형으로 이루어진 볼 지지부(3423)와 볼 지지부(3423)에 결합되며 엑츄에이터(1450)에 고정된 제2 막대부(3423)를 포함할 수 있다. 볼 지지부(3423)는 볼 수용부(3422)에 회전 가능하게 결합된다.

보상 스프링(1430)은 구동 링크(3420)를 외측으로 가압하도록 설치되며, 제1 막대부(3421)에는 외측으로 돌출되어 보상 스프링(1430)과 맞닿는 돌출턱가 형성될 수 있다.

본 제3 실시예와 같이 구동 링크(3420)가 볼 지지부(3423)와 볼 수용부(3422)를 포함하면 진동 및 미세 오차에도 불구하고 구동 링크(3420)는 세그먼트 홀더(1410)를 방사방향으로 정확하게 이동시킬 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: 가스 터빈 1100: 압축기
1120: 센터 타이로드 1130: 압축기 블레이드
1140: 압축기 베인 1170: 토크 튜브
1200: 연소기 1300: 터빈
1310: 로터 디스크 1320: 터빈 베인
1330: 터빈 블레이드 1350: 링 세그먼트
1400: 세그먼트 조절 장치 1410: 세그먼트 홀더
1420: 구동 링크 1430: 보상 스프링
1450: 엑츄에이터

Claims

가스 터빈의 터빈 블레이드와 링 세그먼트 사이의 간격을 조절하는 링 세그먼트 이동 장치에 있어서,
상기 링 세그먼트에 결합된 세그먼트 홀더;
상기 세그먼트 홀더에 결합되어 상기 세그먼트 홀더를 이동시키는 구동 링크;
상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 외측으로 가압하는 보상 스프링;
상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 이동시키는 엑츄에이터;
를 포함하고,
상기 세그먼트 홀더는 터빈 케이싱의 둘레 방향으로 이어지며, 복수의 상기 링 세그먼트와 결합되며,
상기 구동 링크는 상기 세그먼트 홀더에 결합된 제1 막대부와 상기 제1 막대부에 결합되며 상기 터빈의 길이방향으로 이어진 제1 힌지축, 상기 제1 힌지 축을 매개로 상기 제1 막대부에 결합된 제2 막대부, 상기 제2 막대부에 결합되며 상기 터빈의 둘레 방향으로 이어진 제2 힌지 축, 상기 제2 힌지 축을 매개로 상기 제2 막대부에 결합되며, 상기 엑츄에이터에 고정된 제3 막대부를 포함하고,
상기 제1 힌지축과 상기 제2 힌지축은 교차하는 방향으로 이어지며,
상기 세그먼트 홀더의 하부에는 상기 링 세그먼트들의 후크가 삽입되는 내측 홈이 형성되고, 상기 보상 스프링과 상기 엑츄에이터 사이에 상기 제1 힌지축과 상기 제2 힌지축이 위치하는 것을 특징으로 하는 세그먼트 조절 장치.
제1 항에 있어서,
엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 형성된 홈으로 이루어진 실린더와 상기 실린더에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤을 포함하며,
상기 피스톤은 상기 터빈 케이싱의 내압에 의하여 외측으로 가압되도록 설치된 것을 특징으로 하는 세그먼트 조절 장치.
제2 항에 있어서,
상기 엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 고정되어 상기 실린더를 밀봉하는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세그먼트 조절 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 세그먼트 홀더의 외측에는 상기 구동 링크가 삽입되는 외측 홈과, 외면에서 폭방향으로 돌출된 플랜지가 형성된 것을 특징으로 하는 세그먼트 조절 장치.
제5 항에 있어서,
상기 세그먼트 홀더는 베인을 지지하는 베인 캐리어에 형성된 장착 홈에 삽입되고, 상기 플랜지는 상기 베인 캐리어에 대하여 반경 방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 세그먼트 조절 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 가스 터빈의 구동 초기에는 상기 링 세그먼트를 외측으로 이동시키고, 상기 가스 터빈의 온도가 기 설정된 정상 상태로 상승한 경우에는 상기 링 세그먼트를 내측으로 이동시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세그먼트 조절 장치.
삭제
삭제
회전 가능한 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드, 회전하지 않도록 고정 설치된 터빈 베인, 상기 터빈 베인을 외측에서 지지하는 베인 캐리어, 상기 베인 캐리어를 감싸는 터빈 케이싱, 상기 터빈 블레이드의 외측에 위치하여 기체의 누설을 차단하는 복수의 링 세그먼트, 상기 링 세그먼트를 상기 터빈 케이싱의 반경 방향으로 이동시키는 세그먼트 조절 장치를 포함하는 터빈에 있어서,
상기 세그먼트 조절 장치는,
상기 링 세그먼트에 결합된 세그먼트 홀더;
상기 세그먼트 홀더에 결합되어 상기 세그먼트 홀더를 이동시키는 구동 링크;
상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 외측으로 가압하는 보상 스프링; 및
상기 구동 링크에 결합되어 상기 구동 링크를 이동시키는 엑츄에이터;
를 포함하고,
상기 세그먼트 홀더는 터빈 케이싱의 둘레 방향으로 이어지며, 복수의 상기 링 세그먼트와 결합되며,
상기 구동 링크는 상기 세그먼트 홀더에 결합된 제1 막대부와 상기 제1 막대부에 결합되며 상기 터빈의 길이방향으로 이어진 제1 힌지축, 상기 제1 힌지 축을 매개로 상기 제1 막대부에 결합된 제2 막대부, 상기 제2 막대부에 결합되며 상기 터빈의 둘레 방향으로 이어진 제2 힌지 축, 상기 제2 힌지 축을 매개로 상기 제2 막대부에 결합되며, 상기 엑츄에이터에 고정된 제3 막대부를 포함하고,
상기 제1 힌지축과 상기 제2 힌지축은 교차하는 방향으로 이어지며,
상기 세그먼트 홀더의 하부에는 상기 링 세그먼트들의 후크가 삽입되는 내측 홈이 형성되고, 상기 보상 스프링과 상기 엑츄에이터 사이에 상기 제1 힌지축과 상기 제2 힌지축이 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제11 항에 있어서,
엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 형성된 홈으로 이루어진 실린더와 상기 실린더에서 이동 가능하도록 설치된 피스톤을 포함하며,
상기 피스톤은 상기 터빈 케이싱의 내압에 의하여 외측으로 가압되도록 설치된 것을 특징으로 하는 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 엑츄에이터는 상기 터빈 케이싱에 고정되어 상기 실린더를 밀봉하는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제11 항에 있어서,
상기 세그먼트 홀더의 외측에는 상기 구동 링크가 삽입되는 외측 홈과, 외면에서 폭방향으로 돌출된 플랜지가 형성된 것을 특징으로 하는 터빈.
제14 항에 있어서,
상기 세그먼트 홀더는 상기 베인 캐리어에 형성된 장착 홈에 삽입되고, 상기 플랜지는 상기 베인 캐리어에 대하여 반경 방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 터빈.
삭제
제11 항에 있어서,
상기 세그먼트 조절 장치는 가스 터빈의 구동 초기에 상기 링 세그먼트를 외측으로 이동시키고, 상기 가스 터빈의 온도가 기 설정된 정상 상태로 상승한 경우에 상기 링 세그먼트를 내측으로 이동시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
삭제
삭제
제11 항에 있어서,
상기 세그먼트 홀더와 상기 베인 캐리어 사이에는 복수의 판 스프링이 설치된 것을 특징으로 하는 터빈.