KR102498837B1 - 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서, 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱; 케이싱의 외주면에 형성된 오목홈에 장착되고 외주면에 복수의 냉각핀부를 포함하는 더미 플랜지; 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브; 케이싱에 반경방향으로 이동가능하게 장착되고 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성된 캐리어 세그먼트; 및 캐리어 세그먼트의 내주면에 형성된 장착리브부에 장착된 링세그먼트를 포함하고, 캐리어 세그먼트는 더미 플랜지의 장착리브를 관통하여 삽입되는 고정핀에 의해 원주방향으로 고정되되 반경방향으로 이동가능하게 결합된다.

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.

미국특허공보 제9115595호

본 발명은 하나의 캐리어 세그먼트 내부에 간극 조절을 위한 냉기 공급 공간과 링세그먼트 냉각을 위한 냉기 공급 공간을 구획하여 독립적으로 형성하고, 캐리어 세그먼트를 케이싱에 원주방향으로 조립할 때 더미 플랜지의 장착리브를 통해 고정핀을 삽입하여 캐리어 세그먼트를 원주방향으로 고정하되 반경방향으로 이동가능하게 결합할 수 있는 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서, 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱; 케이싱의 외주면에 형성된 오목홈에 장착되고 외주면에 복수의 냉각핀부를 포함하는 더미 플랜지; 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브; 케이싱에 반경방향으로 이동가능하게 장착되고 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성된 캐리어 세그먼트; 및 캐리어 세그먼트의 내주면에 형성된 장착리브부에 장착된 링세그먼트를 포함하고, 캐리어 세그먼트는 더미 플랜지의 장착리브를 관통하여 삽입되는 고정핀에 의해 원주방향으로 고정되되 반경방향으로 이동가능하게 결합된다.

캐리어 세그먼트는 더미 플랜지를 통과하는 냉각공기에 의해 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브가 변형됨으로써 반경방향으로 이동될 수 있다.

캐리어 세그먼트 내부의 공간은 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 더미 플랜지를 통해서 유입되고 유입된 냉각공기를 베인 캐리어로 공급하는 제1공간과, 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기가 유입되고 유입된 냉각공기를 링세그먼트로 공급하는 제2공간을 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트는 단면이 직사각형 모양인 본체부와, 본체부의 일측면 상단 모서리에 형성되어 고정핀이 삽입되는 핀삽입홈과, 본체부의 외측면 하부에 돌출되어 케이싱의 장착홈에 삽입되어 장착되는 한 쌍의 측면리브부와, 본체부의 외측면 상부에 오목하게 형성되어 더미 플랜지의 한 쌍의 장착리브에 장착되는 한 쌍의 장착홈과, 본체부의 내주면에 형성되어 링세그먼트가 장착되는 한 쌍의 장착리브부를 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트는 본체부의 상면에 관통형성되어 더미 플랜지를 통과한 냉각공기를 제1공간으로 유입시키는 복수의 상면유입공과, 본체부의 일측면에 관통형성되어 제1공간으로 유입된 냉각공기를 베인 캐리어 쪽으로 유출시키는 복수의 측면유출공과, 본체부의 타측면에 관통형성되어 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기를 제2공간으로 유입시키는 복수의 측면유입공과, 본체부의 하면에 관통형성되어 제2공간으로 유입된 냉각공기를 링세그먼트 쪽으로 유출시키는 복수의 하면유출공을 더 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트는 본체부의 상면 테두리부에서 외측으로 연장되어 본체부의 외주면상에 상면홈을 형성하는 상부리브부를 더 포함하고, 핀삽입홈은 상부리브부의 상단 모서리에 형성될 수 있다.

더미 플랜지는 폭방향 양측에 케이싱의 오목홈에 장착되는 한 쌍의 지지리브부를 구비하는 곡면판부와, 곡면판부의 외주면에 형성된 복수의 냉각핀부와, 곡면판부에 관통형성된 복수의 냉각홀과, 곡면판부의 내주면에 형성되고 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 열변형되는 한 쌍의 장착리브를 포함할 수 있다.

더미 플랜지는 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 곡면판부의 폭방향 중심부가 반경방향 내측으로 변형되고 한 쌍의 장착리브가 벌어지도록 변형됨으로써, 캐리어 세그먼트가 반경방향 내측으로 이동될 수 있다.

더미 플랜지의 외주면에서 소정 거리 이격되게 장착되는 임핀지먼트 플레이트를 더 포함할 수 있다.

임핀지먼트 플레이트는 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 더미 플랜지의 외주면에 충돌 냉각하도록 형성된 복수의 냉각홀을 구비할 수 있다.

본 발명의 가스 터빈은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기; 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소가스에 의해 터빈 블레이드가 회전하는 터빈; 및 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치를 포함하고, 팁 클리어런스를 제어하는 장치는 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱; 케이싱의 외주면에 형성된 오목홈에 장착되고 외주면에 복수의 냉각핀부를 포함하는 더미 플랜지; 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브; 케이싱에 반경방향으로 이동가능하게 장착되고 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성된 캐리어 세그먼트; 및 기 캐리어 세그먼트의 내주면에 형성된 장착리브부에 장착된 링세그먼트를 포함하며, 캐리어 세그먼트는 더미 플랜지의 장착리브를 관통하여 삽입되는 고정핀에 의해 원주방향으로 고정되되 반경방향으로 이동가능하게 결합된다.

캐리어 세그먼트는 더미 플랜지를 통과하는 냉각공기에 의해 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브가 변형됨으로써 반경방향으로 이동될 수 있다.

캐리어 세그먼트 내부의 공간은 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 더미 플랜지를 통해서 유입되고 유입된 냉각공기를 베인 캐리어로 공급하는 제1공간과, 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기가 유입되고 유입된 냉각공기를 링세그먼트로 공급하는 제2공간을 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트는 단면이 직사각형 모양인 본체부와, 본체부의 일측면 상단 모서리에 형성되어 고정핀이 삽입되는 핀삽입홈과, 본체부의 외측면 하부에 돌출되어 케이싱의 장착홈에 삽입되어 장착되는 한 쌍의 측면리브부와, 본체부의 외측면 상부에 오목하게 형성되어 더미 플랜지의 한 쌍의 장착리브에 장착되는 한 쌍의 장착홈과, 본체부의 내주면에 형성되어 링세그먼트가 장착되는 한 쌍의 장착리브부를 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트는 본체부의 상면에 관통형성되어 더미 플랜지를 통과한 냉각공기를 제1공간으로 유입시키는 복수의 상면유입공과, 본체부의 일측면에 관통형성되어 제1공간으로 유입된 냉각공기를 베인 캐리어 쪽으로 유출시키는 복수의 측면유출공과, 본체부의 타측면에 관통형성되어 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기를 제2공간으로 유입시키는 복수의 측면유입공과, 본체부의 하면에 관통형성되어 제2공간으로 유입된 냉각공기를 링세그먼트 쪽으로 유출시키는 복수의 하면유출공을 더 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트는 본체부의 상면 테두리부에서 외측으로 연장되어 본체부의 외주면상에 상면홈을 형성하는 상부리브부를 더 포함하고, 핀삽입홈은 상부리브부의 상단 모서리에 형성될 수 있다.

더미 플랜지는 폭방향 양측에 케이싱의 오목홈에 장착되는 한 쌍의 지지리브부를 구비하는 곡면판부와, 곡면판부의 외주면에 형성된 복수의 냉각핀부와, 곡면판부에 관통형성된 복수의 냉각홀과, 곡면판부의 내주면에 형성되고 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 열변형되는 한 쌍의 장착리브를 포함할 수 있다.

더미 플랜지는 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 곡면판부의 폭방향 중심부가 반경방향 내측으로 변형되고 한 쌍의 장착리브가 벌어지도록 변형됨으로써, 캐리어 세그먼트가 반경방향 내측으로 이동될 수 있다.

더미 플랜지의 외주면에서 소정 거리 이격되게 장착되는 임핀지먼트 플레이트를 더 포함할 수 있다.

임핀지먼트 플레이트는 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 더미 플랜지의 외주면에 충돌 냉각하도록 형성된 복수의 냉각홀을 구비할 수 있다.

상기한 본 발명의 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 하나의 캐리어 세그먼트 내부에 간극 조절을 위한 냉기 공급 공간과 링세그먼트 냉각을 위한 냉기 공급 공간을 구획하여 독립적으로 형성할 수 있다.

또한, 캐리어 세그먼트를 케이싱에 원주방향으로 조립할 때 더미 플랜지의 장착리브를 통해 고정핀을 삽입하여 캐리어 세그먼트를 원주방향으로 고정하되 반경방향으로 이동가능하게 결합할 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 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 일부 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지(a)와 캐리어 세그먼트(b)를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 일부 절개 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지를 나타내는 상방 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지를 나타내는 정면 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지를 나타내는 하방 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지를 나타내는 측방 사시도이다.
도 12는 더미 플랜지의 장착리브 단부를 나타내는 일부 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 세그먼트를 나타내는 좌상방 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 세그먼트를 나타내는 우하방 사시도이다.
도 15는 본 발명의 팁 클리어런스 제어장치에서 냉각 공기의 유동을 나타내는 일부 단면도이다.

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(120)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 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 일부 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 일부 절개 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지(a)와 캐리어 세그먼트(b)를 나타내는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 일부 절개 사시도이다. 또한, 도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 플랜지를 나타내는 도면들이고, 도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 세그먼트를 나타내는 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치는 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치로서, 터빈 블레이드(1324)를 둘러싸는 케이싱(110), 케이싱의 외주면에 형성된 오목홈에 장착되고 외주면에 복수의 냉각핀부(124)를 포함하는 더미 플랜지(120), 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브(123), 케이싱에 반경방향으로 이동가능하게 장착되고 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성된 캐리어 세그먼트(140), 및 캐리어 세그먼트의 내주면에 형성된 장착리브부(151)에 장착된 링세그먼트(170)를 포함할 수 있다.

본 발명의 팁 클리어런스 제어장치는 터빈 블레이드 팁과 링세그먼트 사이의 간극을 조절하기 위해 특정 부품을 기계적으로 움직이는 것이 아니라, 냉각공기 공급량을 조절함으로써 부품의 열변형에 의해 상기 간극을 조절한다.

케이싱(110)은 터빈의 외관을 형성하되, 외주면에 형성된 오목홈(111)에 팁 클리어런스 제어장치의 각종 부품들이 장착될 수 있다.

더미 플랜지(120)는 케이싱(110)의 오목홈(111)에 장착되고 외주면에 돌출형성된 복수의 냉각핀부(124)와 관통형성된 복수의 냉각홀(122)을 포함하여 케이싱(110) 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 열변형될 수 있다.

더미 플랜지(120)의 내주면에는 한 쌍의 장착리브(123)가 형성되어 있어서, 이 한 쌍의 장착리브(123)에 캐리어 세그먼트(140)가 장착될 수 있다. 한 쌍의 장착리브(123)는 서로 벌어지도록 탄성적으로 변형되어 각 장착리브(123)의 내측 단부가 캐리어 세그먼트(140)의 양측면에 형성된 한 쌍의 장착홈(142)에 삽입되어 장착될 수 있다.

캐리어 세그먼트(140)는 더미 플랜지(120) 및 케이싱(110)에 반경방향으로 소정 거리 이동가능하게 장착될 수 있다. 캐리어 세그먼트(140)는 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성될 수 있다. 캐리어 세그먼트(140)의 내부 공간은 구획벽(155)에 의해 서로 다른 냉각공기가 유동하는 제1공간(153)과 제2공간(154)으로 구획될 수 있다.

링세그먼트(170)는 캐리어 세그먼트(140)의 내주면에 돌출형성된 한 쌍의 장착리브부(151)에 장착될 수 있다. 링세그먼트(170)는 캐리어 세그먼트(140)의 한 쌍의 장착리브부(151)에 원주방향으로 삽입되어 장착될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 캐리어 세그먼트(140)는 더미 플랜지(120)의 장착리브(123)를 관통하여 삽입되는 고정핀(180)에 의해 원주방향으로 고정되되 반경방향으로 이동가능하게 결합될 수 있다.

캐리어 세그먼트(140)는 양측면에 형성된 한 쌍의 장착홈(142)이 더미 플랜지(120)의 한 쌍의 장착리브(123)에 원주방향으로 삽입되어 장착될 수 있다. 이때, 캐리어 세그먼트(140)는 원주방향으로 복수개가 연속적으로 장착되므로, 일측 장착리브(123)에 형성된 고정핀홀(127)과 캐리어 세그먼트(140)의 일측벽에 형성된 핀삽입홈(145)에 고정핀(180)을 삽입함으로써, 캐리어 세그먼트(140)의 원주방향 위치를 고정할 수 있다.

고정핀(180)은 머리부가 고정핀홀(127)의 외측에 배치되고 본체부 끝단이 고정핀홀(127)을 통과하여 핀삽입홈(145)까지 삽입될 수 있다. 고정핀홀(127) 내주면에는 나사산이 형성되고 고정핀(180)의 본체부 외주면에도 나사산이 형성되어 고정핀(180)이 고정핀홀(127)에 체결되어 고정될 수도 있다.

캐리어 세그먼트(140)는 더미 플랜지(120)를 통과하는 냉각공기에 의해 더미 플랜지(120)의 내주면에 형성된 장착리브(123)가 변형됨으로써 반경방향으로 이동될 수 있다.

도 4에 도시된 더미 플랜지(120) 및 캐리어 세그먼트(140)의 형태는 특히 장착리브(123) 및 장착홈(142)의 형태에 있어서, 도 6에 도시된 더미 플랜지(120) 및 캐리어 세그먼트(140)와 다르다. 도 6에 도시된 형태가 더 구체화된 것이지만, 도 4에 도시된 형태도 본 발명에 포함될 수 있다.

캐리어 세그먼트(140) 내부의 공간은 케이싱(110) 외부에서 공급되는 냉각공기가 더미 플랜지(120)를 통해서 유입되고 유입된 냉각공기를 베인 캐리어(200)로 공급하는 제1공간(153)과, 케이싱(110) 내부를 통해 공급되는 냉각공기가 유입되고 유입된 냉각공기를 링세그먼트(170)로 공급하는 제2공간(154)을 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트(140)는 단면이 직사각형 모양인 본체부(141)와, 본체부의 일측면 상단 모서리에 형성되어 고정핀(180)이 삽입되는 핀삽입홈(145)과, 본체부의 외측면 하부에 돌출되어 케이싱(110)의 장착홈(117)에 삽입되어 장착되는 한 쌍의 측면리브부(152)와, 본체부의 외측면 상부에 오목하게 형성되어 더미 플랜지(120)의 한 쌍의 장착리브(123)에 장착되는 한 쌍의 장착홈(142)과, 본체부의 내주면에 형성되어 링세그먼트(170)가 장착되는 한 쌍의 장착리브부(151)를 포함할 수 있다.

캐리어 세그먼트(140)는 원주방향으로 8개가 장착될 수 있다. 그래서, 하나의 캐리어 세그먼트(140)는 중심축에 대해 약 45도의 각도로 형성될 수 있다.

본체부(141)는 단면이 직사각형 모양으로 형성되고 내부에 제1공간(153) 및 제2공간(154)이 형성되며 원주방향을 따라 구부러진 관체일 수 있다.

핀삽입홈(145)은 본체부(141)의 일측면 상단 모서리에 상면까지 개구되도록 형성될 수 있다. 그래서, 고정핀(180)이 캐리어 세그먼트(140)의 고정핀홀(127)을 통과하여 핀삽입홈(145)에 삽입되면, 캐리어 세그먼트(140)는 원주방향으로는 움직이지 않도록 고정되고 반경방향 내측으로는 자유롭게 움직일 수 있다. 따라서, 한 쌍의 장착리브(123)가 열변형되어 서로 벌어지면, 캐리어 세그먼트(140)가 반경방향 내측으로 이동될 수 있다.

한 쌍의 측면리브부(152)는 본체부(141)의 양측면 하부에 돌출형성될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 케이싱(110)의 오목홈 내측면에는 한 쌍의 장착홈(117)이 형성되어 있어서, 한 쌍의 측면리브부(152)가 한 쌍의 장착홈(117)에 원주방향으로 삽입되어 장착될 수 있다.

한 쌍의 장착홈(142)은 본체부(141)의 양측면 상부에 오목하게 형성될 수 있다. 한 쌍의 장착홈(142)에는 더미 플랜지(120)의 한 쌍의 장착리브(123)의 각 단부가 탄성적으로 삽입되어 장착될 수 있다.

한 쌍의 장착리브부(151)는 본체부(141)의 내주면에서 반경방향 내측으로 돌출 형성되어 링세그먼트(170)의 상부가 삽입되어 장착될 수 있다. 하나의 캐리어 세그먼트(140)에는 원주방향으로 3개의 링세그먼트(170)가 삽입되어 장착될 수 있다.

캐리어 세그먼트(140)는 본체부(141)의 상면에 관통형성되어 더미 플랜지(120)를 통과한 냉각공기를 제1공간(153)으로 유입시키는 복수의 상면유입공(147)과, 본체부(141)의 일측면에 관통형성되어 제1공간(153)으로 유입된 냉각공기를 베인 캐리어(200) 쪽으로 유출시키는 복수의 측면유출공(148)과, 본체부(141)의 타측면에 관통형성되어 케이싱(110) 내부를 통해 공급되는 냉각공기를 제2공간(154)으로 유입시키는 복수의 측면유입공(149)과, 본체부(141)의 하면에 관통형성되어 제2공간(154)으로 유입된 냉각공기를 링세그먼트(170) 쪽으로 유출시키는 복수의 하면유출공(150)을 더 포함할 수 있다.

복수의 상면유입공(147)은 본체부(141)의 상면에 3열 내지 5열로 배열될 수 있다. 도 13에 도시된 실시예에서 복수의 상면유입공(147)은 4열 6행으로 배열된 것이 예시적으로 도시되어 있다. 복수의 상면유입공(147)을 통해 유입되는 냉각공기는 제1공간(153)으로 유입된다.

복수의 측면유출공(148)은 본체부(141)의 하류측 측면에 관통형성되어 제1공간(153)으로 유입된 냉각공기를 베인 캐리어(200) 쪽으로 유출시킬 수 있다. 도 14에 도시된 실시예에서 복수의 측면유출공(148)은 본체부(141)의 우측면에 장착홈(142)의 아래에 3개가 원주방향으로 배열된 것이 예시적으로 도시되어 있다. 하나의 캐리어 세그먼트(140)에는 원주방향으로 3개의 링세그먼트(170)가 삽입되어 장착되는 것과 마찬가지로, 하나의 베인 캐리어(200)에는 원주방향으로 3개의 터빈 베인(1314)이 장착될 수 있기 때문이다.

복수의 측면유입공(149)은 본체부(141)의 상류측 측면에 관통형성되어 케이싱(110) 내부를 통해 공급되는 냉각공기를 제2공간(154)으로 유입시킬 수 있다. 도 13에 도시된 실시예에서 복수의 측면유입공(149)은 본체부(141)의 좌측면에 6개가 원주방향으로 배열된 것이 예시적으로 도시되어 있다. 이 복수의 측면유입공(149)은 복수의 측면유출공(148)보다 상대적으로 반경방향으로 더 내측에 배치될 수 있다. 압축기(1100)에 의해 압축되어 케이싱(110) 내부를 통해 공급되는 냉각공기는 복수의 측면유입공(149)을 통해 제2공간(154)으로 유입될 수 있다.

복수의 하면유출공(150)은 본체부(141)의 하면에 반경방향으로 관통형성되어 제2공간(154)으로 유입된 냉각공기를 링세그먼트(170) 쪽으로 유출시킬 수 있다. 도 14에 도시된 실시예에서 복수의 하면유출공(150)은 원주방향으로 3개가 배열된 것이 예시적으로 도시되어 있다. 하나의 캐리어 세그먼트(140)에는 원주방향으로 3개의 링세그먼트(170)가 삽입되어 장착되기 때문이다.

한편, 캐리어 세그먼트(140)는 본체부(141)의 상면 테두리부에서 외측으로 연장되어 본체부의 외주면상에 상면홈(144)을 형성하는 상부리브부(143)를 더 포함할 수 있다.

상부리브부(143)는 구부러진 직사각형 판재 형태인 캐리어 세그먼트(140)의 상면 테두리부에서 네 모서리 전부에서 반경방향 외측으로 연장되어 형성될 수 있다. 그래서, 캐리어 세그먼트(140)의 외주면에는 상부리브부(143)에 의해 네 방향으로 둘러싸이는 상면홈(144)이 형성될 수 있다. 또한, 상부리브부(143)는 폭방향 양측 모서리에서 연장되는 부위의 폭이 그 반경방향 내측의 본체부(141)의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다. 그래서, 캐리어 세그먼트(140)의 양측면에 형성된 장착홈(142)은 그 상측(반경방향 외측) 곡면이 하측(반경방향 내측) 곡면보다 더 길게 형성될 수 있다. 이에 따라, 캐리어 세그먼트(140)의 장착홈(142)이 더미 플랜지(120)의 장착리브(123)에 장착된 상태에서 반경방향으로 이동될 때 더욱 안정적으로 지지될 수 있다.

이 경우, 상기한 핀삽입홈(145)은 상부리브부(143)의 일측 상단 모서리에 형성될 수 있다. 핀삽입홈(145)은 상부리브부(143)의 원주방향 중앙 부위에 하나가 형성될 수 있다.

아울러, 도 13에 도시된 바와 같이 상부리브부(143)의 상면(외주면)에는 원주방향으로 제1씰삽입홈(146)이 형성되어, 도 6에 도시된 바와 같이 제1씰바(162)가 삽입될 수 있다. 제1씰바(162)는 고무줄과 같은 탄성 재질로 형성되어 더미 플랜지(120)의 내주면과 캐리어 세그먼트(140)의 외주면 사이를 밀봉할 수 있다.

또한, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 캐리어 세그먼트(140)의 원주방향 양측면에는 씰부재삽입홈(156)이 형성되어 있어서 도 7에 도시된 씰부재(160)가 삽입될 수 있다. 씰부재(160)는 캐리어 세그먼트(140)의 원주방향 양측면의 가장자리를 따라 배치되고, 원주방향으로 배치되는 두 캐리어 세그먼트(140) 사이에 원주방향 두께의 절반씩 삽입될 수 있다. 이에 따라, 씰부재(160)는 복수의 캐리어 세그먼트(140) 사이마다 장착되어 캐리어 세그먼트(140) 사이를 밀봉할 수 있다.

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 케이싱(110)의 내측면에도 씰삽입홈이 원주방향으로 길게 형성되어, 이 씰삽입홈에 제2씰바(164)가 삽입될 수 있다. 제2씰바(164)도 고무줄과 같은 탄성 재질로 형성되어 캐리어 세그먼트(140)의 측면과 케이싱(110)의 내측면 사이를 밀봉할 수 있다.

다음으로, 도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 더미 플랜지(120)는 폭방향 양측에 케이싱(110)의 오목홈에 장착되는 한 쌍의 지지리브부(125)를 구비하는 곡면판부(121)와, 곡면판부의 외주면에 형성된 복수의 냉각핀부(124)와, 곡면판부에 관통형성된 복수의 냉각홀(122)과, 곡면판부의 내주면에 형성되고 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 열변형되는 한 쌍의 장착리브(123)를 포함할 수 있다.

더미 플랜지(120)는 터빈 케이싱(110)에 원주방향으로 8개가 배치될 수 있다. 그래서, 각 더미 플랜지(120)는 터빈의 중심축에 대해 약 45도씩 배열될 수 있다.

곡면판부(121)는 소정의 곡률반경을 가진 곡면판으로서, 외주면에 냉각핀부(124)와 내주면에 장착리브(123)가 모두 일체로 형성될 수 있다. 곡면판부(121)의 폭방향, 즉 축방향 양측에는 외주면에서 반경방향 외측으로 연장되는 한 쌍의 지지리브부(125)가 형성될 수 있다. 각 지지리브부(125)의 외측면에는 돌출리브가 형성되어 케이싱(110)의 내측면에 형성된 그루브에 원주방향으로 삽입되어 장착될 수 있다.

복수의 냉각핀부(124)는 곡면판부(121)의 외주면에 2개 이상이 반경방향 외측으로 연장되도록 형성될 수 있다. 복수의 냉각핀부(124)는 케이싱(110) 외부로부터 공급되는 냉각공기의 열전달 효율을 높일 수 있다.

복수의 냉각홀(122)은 곡면판부(121)의 중앙부에, 즉 2개의 냉각핀부(124) 사이에 2열 내지 4열로 형성될 수 있다.

한 쌍의 장착리브(123)는 곡면판부(121)의 내주면에, 2개의 냉각핀부(124) 외측에서 반경방향 내측으로 연장될 수 있다. 한 쌍의 장착리브(123)의 내측 단부는 마주보는 방향으로 절곡되어 형성되고, 그 절곡된 단부는 곡면 형태로 형성될 수 있다.

도 6(a) 및 도 11에 도시된 바와 같이, 더미 플랜지(120)의 두 장착리브(123) 중 일측 장착리브(123)에는 중앙부에 고정핀홀(127)이 형성될 수 있다. 이 고정핀홀(127)을 통해 고정핀(180)이 삽입되어 캐리어 세그먼트(140)의 핀삽입홈(145)까지 삽입될 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 장착리브(123)의 하부는 서로 마주보는 내측으로 절곡되어 연장되는 연장부(123-1)를 포함할 수 있다. 연장부(123-1)의 반경방향 외측 모서리는 소정 곡률반경을 가진 상측곡면부(123-2)를 구비하고, 연장부(123-1)의 반경방향 내측 모서리는 소정 곡률반경을 가진 하측곡면부(123-3)를 구비할 수 있다. 상측곡면부(123-2)의 곡률반경은 하측곡면부(123-3)보다 더 작게 형성될 수 있다. 또한, 장착리브(123)의 연장부(123-1) 상면과 반경방향 본체부의 내측면 사이에는 경사부(123-4)가 일체로 형성될 수 있다. 그리고, 본체부의 반경방향 내측 모서리에는 모따기부(123-5)가 형성될 수 있다.

더미 플랜지(120)는 케이싱(110) 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 곡면판부(121)의 폭방향 중심부가 반경방향 내측으로 변형되고 한 쌍의 장착리브(123)가 벌어지도록 변형됨으로써, 캐리어 세그먼트(140)가 반경방향 내측으로 이동될 수 있다.

그리고, 더미 플랜지(120)의 외측에는 그 외주면에서 소정 거리 이격되게 장착되는 임핀지먼트 플레이트(130)를 더 포함할 수 있다. 임핀지먼트 플레이트(130)는 곡면판부(121)의 외주면, 냉각핀부(124)들의 외주면, 지지리브부(125)들의 외주면에서 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다. 그래서, 더미 플랜지(120)와 임핀지먼트 플레이트(130) 사이의 간격에 의해 형성되는 공간은 외부에서 냉각공기가 유입되어 유동하는 냉각공간을 형성할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 임핀지먼트 플레이트(130)는 케이싱(110) 외부에서 공급되는 냉각공기가 더미 플랜지(120)의 외주면에 충돌 냉각(impingement cooling)하도록 형성된 복수의 냉각홀을 구비할 수 있다.

임핀지먼트 플레이트(130)의 복수의 냉각홀은 더미 플랜지(120)의 곡면판부(121)를 향해 관통형성된 복수의 제1냉각홀(133)과, 더미 플랜지(120)의 각 냉각핀부(124)를 향해 관통형성된 복수의 제2냉각홀(135)을 포함할 수 있다.

복수의 제1냉각홀(133)은 임핀지먼트 플레이트(130)의 곡면판부(121)에 평행한 부위에 반경방향으로 관통형성될 수 있다. 복수의 제1냉각홀(133)은 임핀지먼트 플레이트(130)에서 더미 플랜지(120)의 두 냉각핀부(124) 사이에 3열 내지 5열로 형성될 수 있고, 냉각핀부(124)와 지지리브부(125) 사이에 1열로 형성될 수 있다.

복수의 제2냉각홀(135)은 임핀지먼트 플레이트(130)에서 두 냉각핀부(124) 양측 하부에 축방향으로 1열씩 형성될 수 있다.

케이싱(110) 외부에서 공급되는 냉각공기는 복수의 냉각홀을 통해 임핀지먼트 플레이트(130)와 더미 플랜지(120) 사이의 내부 공간으로 유입되면서 더미 플랜지(120)를 충돌 냉각하고, 더미 플랜지(120)의 복수의 냉각홀(122)을 통해 캐리어 세그먼트(140) 쪽으로 유출될 수 있다.

도 15는 본 발명의 팁 클리어런스 제어장치에서 냉각 공기의 유동을 나타내는 일부 단면도이다.

임핀지먼트 플레이트(130)와 더미 플랜지(120)와 캐리어 세그먼트(140)의 제1공간(153)을 거쳐 베인 캐리어(200)로 공급되는 냉각공기는, 압축기(1100)에서 압축된 공기가 케이싱(110) 외부로 연결된 유로를 거쳐 제1공간(153)으로 공급될 수 있다. 이 냉각공기는 별도의 열교환기를 거쳐 더 냉각된 다음 공급될 수도 있다. 제1공간(153)으로 유입된 냉각공기는 캐리어 세그먼트(140)의 측면유출공(148)과 케이싱(110)의 유출공(115)을 거쳐 다음 단의 베인 캐리어(200)를 냉각하도록 공급될 수 있다.

캐리어 세그먼트(140)의 제2공간(154)을 거쳐 링세그먼트(170)로 공급되는 냉각공기는, 압축기(1100)에서 압축된 공기가 케이싱(110) 내부로 연결된 유로 및 유입공(113)과 캐리어 세그먼트(140)의 측면유입공(149)을 거쳐 제2공간(154)으로 공급될 수 있다. 제2공간(154)으로 유입된 냉각공기는 캐리어 세그먼트(140)의 하면유출공(150)을 통해 링세그먼트(170)를 냉각하도록 공급될 수 있다.

제2공간(154)으로 공급되는 냉각공기의 온도는 제1공간(153)으로 공급되는 냉각공기보다 70~150℃ 높을 수 있다. 제2공간(154)으로 공급되는 냉각공기의 온도는 소정 범위에서 고정된 온도값을 가지므로, 제1공간(153)으로 공급되는 냉각공기의 온도를 열교환기 등에 의해 조절한 다음 공급할 수 있다.

본 발명의 팁 클리어런스 제어장치에 의하면, 하나의 캐리어 세그먼트 내부에 간극 조절을 위한 냉기 공급 공간과 링세그먼트 냉각을 위한 냉기 공급 공간을 구획하여 독립적으로 형성할 수 있다.

또한, 더미 플랜지와 캐리어 세그먼트를 통한 충돌 냉각에 의해 한 쌍의 장착리브의 변형량을 조절하여 캐리어 세그먼트와 링세그먼트를 반경방향으로 이동시킴으로써 팁 클리어런스를 조절할 수 있다.

그리고, 팁 클리어런스를 조절하기 위해 캐리어 세그먼트의 제1공간으로 유입된 냉각공기는 다음 단의 베인 캐리어로 공급되고, 캐리어 세그먼트의 제2공간으로 유입된 냉각공기는 링세그먼트 내부로 공급될 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
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
110: 케이싱 111: 오목홈
113: 유입공 115: 유출공
117: 장착홈 120: 더미 플랜지
121: 곡면판부 122: 냉각홀
123: 장착리브 123-1: 연장부
123-2: 상측곡면부 123-3: 하측곡면부
123-4: 경사부 123-5: 모따기부
124: 냉각핀부 125: 지지리브부
127: 고정핀홀 130: 임핀지먼트 플레이트
133: 제1냉각홀 135: 제2냉각홀
140: 캐리어 세그먼트 141: 본체부
142: 장착홈 143: 상부리브부
144: 상면홈 145: 핀삽입홈
146: 제1씰삽입홈 147: 상면유입공
148: 측면유출공 149: 측면유입공
150: 하면유출공 151: 장착리브부
152: 측면리브부 153: 제1공간
154: 제2공간 155: 구획벽
156: 씰부재삽입홈 160: 씰부재
162: 제1씰바 164: 제2씰바
170: 링세그먼트 180: 고정핀
200: 베인 캐리어

Claims (20)

1. 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서,
   상기 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱;
   상기 케이싱의 외주면에 형성된 오목홈에 장착되고 외주면에 복수의 냉각핀부를 포함하는 더미 플랜지;
   상기 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브;
   상기 케이싱에 반경방향으로 이동가능하게 장착되고 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성된 캐리어 세그먼트; 및
   상기 캐리어 세그먼트의 내주면에 형성된 장착리브부에 장착된 링세그먼트를 포함하고,
   상기 캐리어 세그먼트는 상기 더미 플랜지의 장착리브를 관통하여 삽입되는 고정핀에 의해 원주방향으로 고정되되 반경방향으로 이동가능하게 결합되며,
   상기 캐리어 세그먼트 내부의 공간은
   상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 상기 더미 플랜지를 통해서 유입되고 유입된 냉각공기를 베인 캐리어로 공급하는 제1공간과,
   상기 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기가 유입되고 유입된 냉각공기를 상기 링세그먼트로 공급하는 제2공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 캐리어 세그먼트는 상기 더미 플랜지를 통과하는 냉각공기에 의해 상기 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브가 변형됨으로써 반경방향으로 이동되는 팁 클리어런스 제어장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 캐리어 세그먼트는
   단면이 직사각형 모양인 본체부와,
   상기 본체부의 일측면 상단 모서리에 형성되어 상기 고정핀이 삽입되는 핀삽입홈과,
   상기 본체부의 외측면 하부에 돌출되어 상기 케이싱의 장착홈에 삽입되어 장착되는 한 쌍의 측면리브부와,
   상기 본체부의 외측면 상부에 오목하게 형성되어 상기 더미 플랜지의 한 쌍의 장착리브에 장착되는 한 쌍의 장착홈과,
   상기 본체부의 내주면에 형성되어 상기 링세그먼트가 장착되는 한 쌍의 장착리브부를 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 캐리어 세그먼트는
   상기 본체부의 상면에 관통형성되어 상기 더미 플랜지를 통과한 냉각공기를 상기 제1공간으로 유입시키는 복수의 상면유입공과,
   상기 본체부의 일측면에 관통형성되어 상기 제1공간으로 유입된 냉각공기를 베인 캐리어 쪽으로 유출시키는 복수의 측면유출공과,
   상기 본체부의 타측면에 관통형성되어 상기 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기를 상기 제2공간으로 유입시키는 복수의 측면유입공과,
   상기 본체부의 하면에 관통형성되어 상기 제2공간으로 유입된 냉각공기를 상기 링세그먼트 쪽으로 유출시키는 복수의 하면유출공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 캐리어 세그먼트는 상기 본체부의 상면 테두리부에서 외측으로 연장되어 상기 본체부의 외주면상에 상면홈을 형성하는 상부리브부를 더 포함하고,
   상기 핀삽입홈은 상기 상부리브부의 상단 모서리에 형성되는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
7. 제2항에 있어서,
   상기 더미 플랜지는
   폭방향 양측에 상기 케이싱의 오목홈에 장착되는 한 쌍의 지지리브부를 구비하는 곡면판부와,
   상기 곡면판부의 외주면에 형성된 복수의 냉각핀부와,
   상기 곡면판부에 관통형성된 복수의 냉각홀과,
   상기 곡면판부의 내주면에 형성되고 상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 열변형되는 한 쌍의 장착리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 더미 플랜지는 상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 상기 곡면판부의 폭방향 중심부가 반경방향 내측으로 변형되고 상기 한 쌍의 장착리브가 벌어지도록 변형됨으로써, 상기 캐리어 세그먼트가 반경방향 내측으로 이동되는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 더미 플랜지의 외주면에서 소정 거리 이격되게 장착되는 임핀지먼트 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 임핀지먼트 플레이트는 상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 상기 더미 플랜지의 외주면에 충돌 냉각하도록 형성된 복수의 냉각홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 팁 클리어런스 제어장치.
11. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스에 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 블레이드를 둘러싸는 케이싱;
    상기 케이싱의 외주면에 형성된 오목홈에 장착되고 외주면에 복수의 냉각핀부를 포함하는 더미 플랜지;
    상기 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브;
    상기 케이싱에 반경방향으로 이동가능하게 장착되고 내부에 냉각공기가 유동하는 공간이 형성된 캐리어 세그먼트; 및
    상기 캐리어 세그먼트의 내주면에 형성된 장착리브부에 장착된 링세그먼트를 포함하며,
    상기 캐리어 세그먼트는 상기 더미 플랜지의 장착리브를 관통하여 삽입되는 고정핀에 의해 원주방향으로 고정되되 반경방향으로 이동가능하게 결합되고,
    상기 캐리어 세그먼트 내부의 공간은
    상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 상기 더미 플랜지를 통해서 유입되고 유입된 냉각공기를 베인 캐리어로 공급하는 제1공간과,
    상기 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기가 유입되고 유입된 냉각공기를 상기 링세그먼트로 공급하는 제2공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
12. 제11항에 있어서,
    상기 캐리어 세그먼트는 상기 더미 플랜지를 통과하는 냉각공기에 의해 상기 더미 플랜지의 내주면에 형성된 장착리브가 변형됨으로써 반경방향으로 이동되는 가스 터빈.
13. 삭제
14. 제11항에 있어서,
    상기 캐리어 세그먼트는
    단면이 직사각형 모양인 본체부와,
    상기 본체부의 일측면 상단 모서리에 형성되어 상기 고정핀이 삽입되는 핀삽입홈과,
    상기 본체부의 외측면 하부에 돌출되어 상기 케이싱의 장착홈에 삽입되어 장착되는 한 쌍의 측면리브부와,
    상기 본체부의 외측면 상부에 오목하게 형성되어 상기 더미 플랜지의 한 쌍의 장착리브에 장착되는 한 쌍의 장착홈과,
    상기 본체부의 내주면에 형성되어 상기 링세그먼트가 장착되는 한 쌍의 장착리브부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
15. 제14항에 있어서,
    상기 캐리어 세그먼트는
    상기 본체부의 상면에 관통형성되어 상기 더미 플랜지를 통과한 냉각공기를 상기 제1공간으로 유입시키는 복수의 상면유입공과,
    상기 본체부의 일측면에 관통형성되어 상기 제1공간으로 유입된 냉각공기를 베인 캐리어 쪽으로 유출시키는 복수의 측면유출공과,
    상기 본체부의 타측면에 관통형성되어 상기 케이싱 내부를 통해 공급되는 냉각공기를 상기 제2공간으로 유입시키는 복수의 측면유입공과,
    상기 본체부의 하면에 관통형성되어 상기 제2공간으로 유입된 냉각공기를 상기 링세그먼트 쪽으로 유출시키는 복수의 하면유출공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
16. 제15항에 있어서,
    상기 캐리어 세그먼트는 상기 본체부의 상면 테두리부에서 외측으로 연장되어 상기 본체부의 외주면상에 상면홈을 형성하는 상부리브부를 더 포함하고,
    상기 핀삽입홈은 상기 상부리브부의 상단 모서리에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
17. 제12항에 있어서,
    상기 더미 플랜지는
    폭방향 양측에 상기 케이싱의 오목홈에 장착되는 한 쌍의 지지리브부를 구비하는 곡면판부와,
    상기 곡면판부의 외주면에 형성된 복수의 냉각핀부와,
    상기 곡면판부에 관통형성된 복수의 냉각홀과,
    상기 곡면판부의 내주면에 형성되고 상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 열변형되는 한 쌍의 장착리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
18. 제17항에 있어서,
    상기 더미 플랜지는 상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기에 의해 상기 곡면판부의 폭방향 중심부가 반경방향 내측으로 변형되고 상기 한 쌍의 장착리브가 벌어지도록 변형됨으로써, 상기 캐리어 세그먼트가 반경방향 내측으로 이동되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
19. 제17항에 있어서,
    상기 더미 플랜지의 외주면에서 소정 거리 이격되게 장착되는 임핀지먼트 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
20. 제19항에 있어서,
    상기 임핀지먼트 플레이트는 상기 케이싱 외부에서 공급되는 냉각공기가 상기 더미 플랜지의 외주면에 충돌 냉각하도록 형성된 복수의 냉각홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.

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