KR102598979B1 - 내부에 단열부재가 적용된 케이싱 - Google Patents

내부에 단열부재가 적용된 케이싱 Download PDF

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    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides

Abstract

본 발명은 압축기 또는 터빈의 유로를 형성하는 케이싱에 관한 것으로, 유로의 외측을 형성하는 외부 케이싱, 유로의 내측을 형성하는 내부 케이싱, 및 외부 케이싱의 내부를 둘러싸는 단열부재를 포함함으로써 고온 및 고압 환경에서 구조적으로 안정적인 케이스를 설계할 수 있다.

Description

내부에 단열부재가 적용된 케이싱{casing with insulation pad inside}
본 발명은 단열부재가 적용된 압축기 또는 터빈의 유로를 형성하는 케이싱에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단열부재를 유로 내부에 적용하여 외부와의 온도차를 줄여 열응력을 감소시키는 케이싱에 관한 것이다.
가스 터빈은, 압축기와 연소기와 터빈에 의해 구성되어 있고, 공기 취입구로부터 도입된 공기가 압축기에 의해 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기가 되고, 연소기에 의해, 이 압축 공기에 대해 연료를 공급하여 연소시키고, 고온·고압의 연소 가스가 터빈을 구동시키고, 이 터빈에 연결된 발전기를 구동시킨다.
이와 같이 구성된 가스 터빈은, 최근, 고출력화 및 고효율화가 요구되고 있어, 유도되는 연소 가스의 온도는 점점 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 일반적으로는, 냉각 통로를 형성하고, 공기나 증기 등의 냉각 매체를 이 냉각 통로에 흐르게 함으로써, 냉각시키면서, 내열성을 확보함과 함께, 연소 가스의 고온화를 도모하고, 출력 및 효율을 높이도록 하고 있다.
저압 및 고온 가스를 이용하는 경우 케이싱의 두게를 얇게 설계하고, 얇은 두께로 인해 단면의 온도차가 작고, 고압 및 저온 가스를 이용하는 경우, 케이스 두께를 설계하고, 온도가 낮으므로 단면의 온도차가 작다. 하지만, 고압 및 고온의 환경에서는 고압이므로 케이스 두께를 두껍게 설계하며, 케이스 단면을 따라 생성되는 온도 구배(thermal gradient)에 의한 열응력(thermal stress)에 의해 허용치 이상의 응력이 발생하는 문제가 있다.
한국등록특허공보 제10-0332765호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단열부재를 유로 내부에 적용하여 외부와의 온도차를 줄여 열응력을 감소시키는 케이싱을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 압축기 또는 터빈의 유로를 형성하는 케이싱은, 상기 유로의 외측을 형성하는 외부 케이싱; 상기 유로의 내측을 형성하는 내부 케이싱; 및 상기 외부 케이싱의 내부를 둘러싸는 단열부재를 포함한다.
또한, 상기 단열부재 상부에 형성되어 상기 유로를 통과하는 유체와 상기 단열부재의 접촉을 차단하는 라이너를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단열부재는, 상기 유로의 소정 부분에만 형성되거나, 상기 유로 전체에 형성될 수 있고, 세라믹 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 단열부재를 고정하는 제 1 고정부 또는 상기 내부 케이싱을 고정하는 제 2 고정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 케이싱은, 상기 유로를 통과하는 유체의 온도에 따라 팽창할 수 있다.
또한, 상기 유로의 측면을 형성하는 인렛 케이싱을 더 포함하고, 상기 인렛 케이싱과 상기 내부 케이싱은 서로 분리되어 형성될 수 있고, 상기 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이에 위치하여, 상기 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이를 접촉 밀착하는 메탈링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 케이싱의 외부를 둘러싸는 단열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면 고온 및 고압 환경에서 구조적으로 안정적인 케이스를 설계할 수 있다. 또한, 열응력을 감소시켜 상대적으로 가격이 저렴한 소재 적용이 가능하여 원가를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 케이싱이 형성하는 유로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 내부 케이싱과 인렛 케이싱이 서로 분리되어 있는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 내부 케이싱의 팽창시 이동을 나타낸 도면이다.
도 5는 내부 케이싱과 인렛 케이싱이 서로 결합된 형태에서 받는 압력을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인렛 케이싱과 내부 케이싱이 받는 압력을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱(casing)은 압축기 또는 터빈의 유로를 형성하는데 이용된다. 압축기의 임펠러 및 디퓨저를 통과하여 압축된 공기 또는 연소된 가스 등 유체가 통과하는 유로를 형성함에 있어서, 고온 및 고압의 유체가 통과시 열에 의해 열응력이 발생한다. 이때, 유로를 형성하는 케이싱 내부와 외부의 온도차이에 의해 생성되는 온도 구배에 의해 열응력이 해당 케이싱의 허용치 이상의 응력이 발생하여 케이싱에 균열이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱은 단열부재를 이용하여 케이싱에 발생할 수 있는 지나친 열응력을 방지하여 고온 및 고압 환경에서도 구조적으로 안정적인 케이싱을 설계할 수 있다.
상기와 같이, 고온 및 고압 환경에서 구조적으로 안정적인 케이싱을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱은 도 1과 같이 내부 케이싱(120), 외부 케이싱(130), 및 단열부재(140)를 포함하여 형성되며, 인렛 케이싱(160), 라이너(150), 또는 고정부(170, 180)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
유로를 형성하는 본 발명의 실시예에 따른 케이싱은 도 2와 같이 구현될 수 있다. 유로를 형성함에 있어서, 내부 케이싱(120), 외부 케이싱(130), 및 단열부재(140)로 구성된다.
외부 케이싱(130)은 상기 유로의 외측을 형성한다. 외부 케이싱(130)은 유로를 감싸는 케이싱으로 일면은 유로를 형성하고 반대면은 외부면을 형성한다. 고압을 견디기 위하여, 외부 케이싱(130)은 소정의 두께를 가지게 되며, 다른 케이싱보다 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 외부 케이싱의 유로를 형성하는 일면은 유로를 통과하는 유체의 온도에 영향을 많이 받고 외부면을 형성하는 반대면은 영향이 적고, 대기와 접하기 때문에 온도가 상대적으로 낮게 되어 온도 구배가 발생한다. 외부 케이싱의 두께가 두꺼울수록 온도 구배가 크게 나타나며, 온도가 높은 내부와 온도가 낮은 외부 간에 팽창하려는 정도가 달라지게 되어, 열응력이 크게 발생한다. 구조물의 한 부분이 가열되어 고르지 못한 온도분포가 발생하면 온도가 높은 부분의 자유 열팽창량은 온도가 낮은 부분의 자유 열팽창량 보다 크기 때문에 고온부와 저온부에서의 팽창에 차이가 발생하여 마치 외부의 힘이 작용한 것과 같은 상태가 되며, 이 때 발생하는 응력을 열응력이라고 한다. 열응력에 의해 외부 케이싱에 큰 힘이 가해지면 외부 케이싱에 균열이 발생할 수 있는바, 열응력을 줄여줄 필요가 있다.
외부 케이싱(130)의 온도분포 차를 줄여서 외부 케이싱(130)의 열응력을 줄이기 위해 단열부재(140)를 이용한다. 단열부재(140)는 상기 외부 케이싱의 내부를 둘러싸는 형태로 구현된다. 고온의 유체로부터 외부 케이싱(130)으로 전달되는 열을 단열부재(140)가 막아줌으로써, 외부 케이싱(130)에 발생하는 열응력을 줄일 수 있다.
단열부재(140)는 상기 유로의 소정 부분에만 형성될 수 있다. 단열부재(140)를 효율적으로 이용하기 위하여, 고온의 유체에 의한 영향을 많이 받아 균열 등이 발생할 수 있는 부분에만 단열부재를 적용할 수 있다. 도 2와 같이, 외부 케이싱(130)에 열응력이 많이 발생할 수 있는바, 외부 케이싱(130)에 해당하는 부분만 단열부재(140)를 적용할 수 있다. 또는 유로를 통과하는 유체의 온도에 따라 발생하는 열응력이 유로를 형성하는 케이싱이 견딜 수 있는 응력의 크기보다 큰 부분에 단열부재(140)를 적용할 수 있다. 이때, 소정의 여유를 두어, 미리 설정된 온도 이상으로 올라갈 수 있는 부분에 단열부재(140)를 적용할 수 있다. 단열부재(140)가 적용되는 부분에는 응력을 강한 정도가 작은 소재를 사용할 수 있기 때문에, 사용할 수 있는 소재의 다양성이 커질 수 있다.
또는, 단열부재(140)를 상기 유로 전체에 형성될 수 있다. 고온의 유체가 유로를 통과할 때, 유로 전체에 열이 가해지는바, 단열부재(140)를 상기 유로 전체에 적용할 수 있다. 단열부재(140)를 유로 전체에 형성하는 경우, 고온으로 인한 유로를 형성하는 케이싱의 변형을 방지할 수 있어, 전체 케이싱의 구조를 안정적으로 설계 운용할 수 있다.
단열부재(140)를 유로의 소정 부분에만 형성하는 경우, 유로 전체에 형성하는 경우보다, 단열부재(140) 적용을 최소화하여 제작에 용이하며, 단열부재(140)에서 발생하는 이물질 등에 의한 영향을 줄일 수 있다. 즉, 단열부재(140)의 적용이 필요한 부분에만 적용하기 위하여, 시뮬레이션이나 사용자의 설정을 통해 최적의 위치를 도출할 수 있다.
단열부재(140)는 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 폴리스티렌 등 단열이 되는 다른 종류의 단열소재를 이용할 수도 있다.
단열부재(140)를 외부 케이싱(130)에 적용함에 있어서, 단열부재 상부에 형성되어 상기 유로를 통과하는 유체와 상기 단열부재의 접촉을 차단하는 라이너(150)를 더 포함할 수 있다. 라이너(Liner)는 단열부재(140)를 보고하기 위한 것으로, 단열부재(140)에 형성되어, 유로를 통과하는 유체가 단열부재(140)에 직접 닿는 것을 방지하고, 단열부재(140)에서 발생하는 이물질이 유체에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 단열부재(140)의 형상을 유지할 수 있다. 고온 및 고압의 유체가 유로를 통과할 때 높은 온도와 높은 압력이 단열부재(140)에 가해져 단열부재에 변형이 발생하거나, 단열부재(140)로부터 이물질이 떨어져 나올 수 있다. 따라서, 고온과 고압에 강한 라이너(150)를 단열부재(140) 상부에 형성하여, 단열부재(140)에서 발생하는 이물질을 차단하고, 단열부재(140)의 변형을 방지할 수 있다. 라이너(150)는 금속으로 형성될 수도 있고, 고온과 고압에 강하고, 형태가 유지될 수 있는 다른 종류의 소재로 형성될 수도 있다.
단열부재(140)를 적용함에 있어서, 단열부재를 고정하는 제 1 고정부(170)를 더 포함할 수 있다. 단열부재(140)는 외부 케이싱(130)으로 전달되는 열을 막는 역할을 하는 것으로, 외부 케이싱(130)에 고정될 수 있도록 제 1 고정부(170)로 고정시킬 수 있다.
내부 케이싱(120)은 유로(110)의 내측을 형성한다. 내부 케이싱(120)은 유로의 내측에 형성되어 대기와 접촉하지 않는다. 유로의 내측을 형성함으로 인해 고온 및 고압의 유체에 영향을 받으나, 대기와 접촉하지 않는바, 온도분포가 외부 케이싱에 비해 안정적인바, 열응력에 의한 균열이 발생하지 않는다. 다만, 내부 케이싱(120)은 상기 유로를 통과하는 유체의 온도에 따라 팽창할 수 있다. 고온의 유체가 유로를 통과하면서 내부 케이싱(120)에 열을 전달하게 되고, 내부 케이싱(120)은 온도에 따라 팽창할 수 있다.
유로를 형성함에 있어서, 외부 케이싱(130)과 내부 케이싱(120) 뿐만 아니라, 인렛 케이싱(160)를 더 포함할 수 있다.
인렛 케이싱(160)은 유로(110)의 측면을 형성하며, 인렛 케이싱(160)과 내부 케이싱(120)은 서로 분리되어 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 내부 케이싱(120)은 유로를 통과하는 유체의 온도에 따라 팽창하게 되는데, 인렛 케이싱(160)과 내부 케이싱(120)을 분리하여 형성함으로써 내부 케이싱(120)의 팽창에 의해 다른 케이싱 부분은 영향을 끼치지 않도록 할 수 있다. 즉, 내부 케이싱(120)은 인렛 케이싱(160)과 분리되어 팽창을 할 수 있어, 자유도를 가지게 된다. 팽창정도가 큰 내부 케이싱(120)에 자유도를 줌으로써 보다 안정적인 구조로 케이싱을 설계 운용할 수 있다. 이는 해당 부분에 단열부재를 적용하지 않을 수 있게 되며, 이로 인해 단열부재의 사용을 최소화할 수 있다.
내부 케이싱(120)과 인렛 케이싱(160)은 도 3과 같이, 분리되어 형성되며, 내부 케이싱(120)에 팽창할 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 유로에 고온의 유체가 통과하면, 내부 케이싱은 고온에 의해 도 4와 같이 팽창하게 되고, 인렛 케이싱(160)과 분리되어 형성되어 있기 때문에, 내부 케이싱(120)만 팽창하여 인렛 케이싱(160)에 영향을 주는 것을 최소화할 수 있다.
내부 케이싱(120)과 인렛 케이싱(160)이 분리되어 형성되더라도 유로를 형성하기 때문에, 인렛 케이싱(160)과 내부 케이싱(120) 사이에 유체가 빠져나갈 틈이 있으면 안된다. 따라서, 인렛 케이싱(160)과 내부 케이싱(120)이 밀착되도록 형성되어야 한다. 이를 위하여, 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이에 위치하여, 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이를 접촉 밀착하는 메탈링(오링)을 더 포함할 수 있다. 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이에 공차를 주고, 메탈링을 끼워넣음으로써 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이로 유체가 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 메탈링은 압축되는 소재로 형성될 수 있다. 내부 케이싱(120)이 팽창하는 경우, 내부 케이싱(120)이 팽창하는 만큼 메탈링이 압축되어 인렛 케이싱에 힘이 가해지는 것을 방지하여 안정적인 구조를 유지할 수 있다.
단열부재(140)는 외부 케이싱 뿐만 아니라 인렛 케이싱(160)에도 적용할 수 있다. 내부 케이싱(120)은 팽창이 가능하도록 구현되고, 인렛 케이싱(160)은 온도에 의해 팽창되는 정도를 줄이기 위하여, 인렛 케이싱(160) 내부를 둘러싸도록 단열부재(140)를 형성할 수 있다.
내부 케이싱과 인렛 케이싱을 분리하여 형성하지 않는 경우과 내부 케이싱과 인렛 케이싱을 분리하여 형성하는 경우, 분리 형성되는 부분에 대한 압력을 비교한 결과는 도 5 내지 도 7과 같다. 도 5는 내부 케이싱과 인렛 케이싱이 서로 결합된 형태에서 받는 압력을 나타낸 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인렛 케이싱과 내부 케이싱이 받는 압력을 나타낸 도면이다.
내부 케이싱과 인렛 케이싱을 분리하여 형성하지 않는 경우에 해당 위치(510)에서의 압력은 600 MPa이나, 내부 케이싱과 인렛 케이싱을 분리하여 형성하는 경우 인렛 케이싱의 해당 위치(610)에서의 압력은 140 MPa이고, 내부 케이싱의 해당 위치(710)에서의 압력은 100 MPa로 내부 케이싱과 인렛 케이싱을 분리하여 형성하지 않는 경우보다 내부 케이싱과 인렛 케이싱을 분리하여 형성하는 경우 해당 위치에서의 압력이 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다.
내부 케이싱(120)은 인렛 케이싱(160)과 분리되어 형성되는바, 내부 케이싱(120)을 고정하기 위한 제 2 고정부(180)를 더 포함할 수 있다. 제 2 고정부(180)는 유체가 유로로 유입되는 통로를 형성할 수 있으며, 유체가 전면부로 유출되는 것을 방지하기 위하여, 실(Seal)이 형성될 수 있다.
외부 케이싱(130)의 온도 구배를 줄이기 위하여, 외부 케이싱(130)의 외부를 둘러싸는 단열부를 더 포함할 수도 있다. 온도가 낮은 대기와 외부 케이싱 외부와의 접촉을 차단함으로써 외부 케이싱의 내부와 외부의 온도차를 줄일 수 있는바, 온도 구배를 줄여 열응력을 줄일 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 케이싱
110: 유로
120: 내부 케이싱
130: 외부 케이싱
140: 단열부재
150: 라이너
160: 인렛 케이싱
170: 제 1 고정부
180: 제 2 고정부

Claims (11)

  1. 압축기 또는 터빈의 유로를 형성하는 케이싱에 있어서,
    상기 유로의 외측을 형성하는 외부 케이싱;
    상기 유로의 내측을 형성하는 내부 케이싱;
    상기 외부 케이싱의 내부를 둘러싸는 단열부재; 및
    상기 외부 케이싱의 내측에서 상기 단열부재와 내부 케이싱의 단부에 배치되어 상기 유로의 측면을 형성하는 인렛 케이싱을 포하하고,
    상기 내부 케이싱은 상기 유로를 통과하는 유체의 온도가 증가함에 따라서 상기 인렛 케이싱 방향으로 팽창 가능하도록 배치되는 케이싱.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열부재 상부에 형성되어 상기 유로를 통과하는 유체와 상기 단열부재의 접촉을 차단하는 라이너를 더 포함하는 케이싱.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열부재는,
    상기 유로의 소정 부분에만 형성되는 것을 특징으로 하는 케이싱.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열부재는,
    상기 유로 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 케이싱.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열부재는,
    세라믹 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 케이싱.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열부재를 고정하는 제 1 고정부를 더 포함하는 케이싱.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 케이싱을 고정하는 제 2 고정부를 더 포함하는 케이싱.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인렛 케이싱과 상기 내부 케이싱은 서로 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 케이싱.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이에 위치하여, 상기 인렛 케이싱과 내부 케이싱 사이를 접촉 밀착하는 메탈링을 더 포함하는 케이싱.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 케이싱의 외부를 둘러싸는 단열부를 더 포함하는 케이싱.
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