KR102632386B1 - 가스 터빈용 로터 및 가스 터빈용 로터의 표면 가공위치 선정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 터빈용 로터에 관한 것이다. 본 발명에 의한 가스 터빈용 로터는 고압 가스의 압력 작용에 의해 터빈의 스테이터에 대해 회전되는 것으로, 상기 스테이터와 인접한 위치에서 간격을 두고 동축 상에 배치되고 상기 스테이터의 중심축선을 따라 회전되는 로테이팅 본체; 및 상기 로테이팅 본체의 원주방향을 따라 방사형으로 배열되는 복수의 블레이드들;을 포함하되, 상기 각 블레이드는, 상기 로테이팅 본체와 연결되는 부위를 허브라 하고, 그 허브에 대해 반경방향 외측으로 연장되어서 상기 중심축선에서 가장 멀리 위치한 부위를 쉬라우드라 명명할 때, 리딩 엣지의, 상기 쉬라우드 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 형성된 난류 억제홈부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 터빈용 로터 및 가스 터빈용 로터의 표면 가공위치 선정 방법{Gas turbine rotor and surface processing location selection method of the gas turbine rotor}

본 발명은 가스 터빈용 로터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스 터빈에 채용되는 블레이드의 표면 가공을 통해 효율을 증가시킬 수 있도록, 구조가 개선된 가스 터빈용 로터에 관한 것이다.

가스터빈의 출력 및 효율은 가스터빈 입구 유동 조건, 가스터빈 블레이드 형상 등에 의해 민감하게 변화한다. 가스터빈 입구의 온도 압력이 증가할수록 가스터빈 출력이 상승하지만, 기술적 한계로 가스터빈 블레이드 파손 등의 위험이 발생할 수 있다.

따라서, 정해진 가스터빈 입구 온도 및 압력 등의 조건하에 가스터빈 블레이드 형상을 최적화하여 가스터빈 내 열/유동 특성을 변화시켜 가스터빈 출력을 증가시키는 것이 효율적인 방안이다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2020-0100846호 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-2108351호 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-2000256호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가스 터빈에 채용되는 블레이드의 표면 가공을 통해 효율을 증가시킬 수 있게 하는 가스 터빈용 로터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스 터빈에 채용되는 블레이드의 표면 가공 위치를 선정할 수 있게 하는 가스 터빈용 로터의 표면 가공위치 선정 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 가스 터빈용 로터는 고압 가스의 압력 작용에 의해 터빈의 스테이터에 대해 회전되는 것으로, 상기 스테이터와 인접한 위치에서 간격을 두고 동축 상에 배치되고 상기 스테이터의 중심축선을 따라 회전되는 로테이팅 본체; 및 상기 로테이팅 본체의 원주방향을 따라 방사형으로 배열되는 복수의 블레이드들;을 포함하되, 상기 각 블레이드는, 상기 로테이팅 본체와 연결되는 부위를 허브라 하고, 그 허브에 대해 반경방향 외측으로 연장되어서 상기 중심축선에서 가장 멀리 위치한 부위를 쉬라우드라 명명할 때, 리딩 엣지의, 상기 쉬라우드 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 형성된 난류 억제홈부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 난류 억제홈부는, 상기 리딩 엣지의 전체 길이 중 80 내지 99%에 해당하는 범위에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 난류 억제홈부는, 상기 블레이드에 가스 압력이 작용하는 면을 프레셔 사이드(Pressure side)라 하고 반대측 면을 썩션 사이드(suction side)라 명명할 때, 상기 프레셔 사이드 측에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 난류 억제홈부는, 상기 리딩 엣지의 TOP 부분으로 갈수록 점진적으로 홈의 깊이가 깊어지는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 가스 터빈용 로터의 표면 가공위치 선정 방법은 블레이드의 로테이팅 본체와 연결되는 부위를 허브라 하고, 그 허브에 대해 반경방향 외측으로 연장되어서 상기 중심축선에서 가장 멀리 위치한 부위를 쉬라우드라 명명하고, 상기 블레이드에 가스 압력이 작용하는 면을 프레셔 사이드(Pressure side)라 하고 반대측 면을 썩션 사이드(suction side)라 명명할 때,상기 프레셔 사이드 및 썩션 사이드 각각의 TOP 부분과 MIDDLE 부분에, 각각 상기 난류 억제홈부를 동일한 부피로 상기 난류 억제홈부를 형성하는 단계; 상기 프레셔 사이드의 TOP부분(제1케이스), 프레셔 사이드의 MIDDLE 부분(제2케이스), 상기 썩션 사이드의 TOP부분(제3케이스) 및 썩션 사이드의 MIDDLE 부분(제4케이스) 각각의 경우, 동일한 가스 압력 및 온도 조건에서 양력(lift;양의 값)과 항력(drag;음의 값)의 합을 연산하는 단계; 및 상기 연산 단계에서의 연산 결과, 가장 큰 값을 상기 난류 억제홈부의 형성 위치로 선정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부분 가스유동 해석상기 프레셔 사이드의 중간 부위 리딩 엣지의, 상기 쉬라우드 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 형성된 난류 억제홈부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 가스 터빈용 로터는, 블레이드 리딩 엣지의 슈라우드 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 난류 억제홈부가 형성되도록 구성됨으로써, 블레이드의 상기 TOP부분에서의 가스 유동 특성을 개선할 수 있게 됨에 따라, 가스 터빈 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 하는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터의 스테이터에 대한 배치관계를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 Ⅱ부분 확대도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도.
도 4는 본 발명 일실시예의 평면도.
도 5는 도 4의 Ⅴ부분을 측면에서 보인 측면도.
도 6 및 도 7은 본 발명 일실시예의 실험데이터를 설명하기 위한 도면들.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터의 표면 가공위치 선정 방법의 구성을 설명하기 위한 블럭도.
도 9는 본 발명 일실시예의 난류 억제홈부 선정을 위한 서로 다른 케이스별 유동 특성을 설명하기 위한 도면.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터의 스테이터에 대한 배치관계를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ부분 확대도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이며, 도 4는 본 발명 일실시예의 평면도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ부분을 측면에서 보인 측면도이며, 도 6 및 도 7은 본 발명 일실시예의 실험데이터를 설명하기 위한 도면들이다.

도 1 내지 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터(2)는 고압 가스의 압력 작용에 의해 터빈의 스테이터(1)에 대해 회전되는 것으로, 로테이팅 본체(21)와 복수의 블레이드(22)들을 포함하되, 상기 각 블레이드(22)에 난류 억제홈부(22a)가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 로테이팅 본체(21)는 상기 스테이터(1)와 인접한 위치에서 간격을 두고 동축 상에 배치되고 상기 스테이터(1)의 중심축선을 따라 회전된다.

상기 각 블레이드(22)는, 상기 로테이팅 본체(21)의 원주방향을 따라 방사형으로 배열되고 가스 이동경로 상에 배치되어서, 가스의 압력 작용에 의해 회전이 이루어지게 된다.

도 2에 잘 도시된 바와 같이, 이러한 블레이드(22)의 상기 로테이팅 본체(21)와 연결되는 부위를 허브(H)라 하고, 그 허브(H)에 대해 반경방향 외측으로 연장되어서 상기 중심축선에서 가장 멀리 위치한 부위를 쉬라우드(S)라 명명할 때, 본 실시예에에 채용된 블레이드(22)는 리딩 엣지(E)의 상기 쉬라우드(S) 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 형성된 난류 억제홈부(22a)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 리딩 엣지(E)의 TOP 부분은 가스 터빈의 통 형사의 본체(B)와 갭(도 5 참조;G)을 형성하는 부분이다. 도 3 및 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(22)의 가스 압력이 작용하는 부분을 프레셔 사이드(PS;Pressure side)라 하고, 반대측을 썩션 사이드(SS;Suntion side)라 명명할 때, 일반적으로 상기 갭을 통과하는 가스 흐름 때문에 상기 썩션 사이드(SS) 측에 난류가 형성됨으로써 가스 유동 특성을 저해하게 된다. 그러나, 본 실시예는 상기 블레이디의 리딩 엣지(E) TOP 부분에 난류 억제홈부(22a)가 형성되도록 하여 가스 유동 특성을 개선하였다.

결국, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 가스 터빈용 로터(2)는, 블레이드(22) 리딩 엣지(E)의 슈라우드 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 난류 억제홈부(22a)가 형성되도록 구성됨으로써, 블레이드(22)의 상기 TOP 부분에서의 가스 유동 특성을 개선할 수 있게 됨에 따라, 도 6에 잘 도시된 바와 같이 기준 레퍼런스와 비교할 때 Aerodynamic and total-to-total efficiency를 더욱 향상시킬 수 있게 하는 장점을 가진다.

이와 같이 본 실시예의 장점을 설명하기 위해 사용된 Aerodynamic characteristic은 가스터빈 가동에서의 중요한 변수 중 하나이므로, 블레이드(22) 가공 위치에 따른 가스터빈 성능을 추정하기 위해 aerodynamic 및 total-to-total efficiency를 분석하였다.

상기 Aerodynamic characteristic은 가스터빈 가동에서의 중요한 변수 중 하나이므로, 블레이드(22) 가공 위치에 따른 가스터빈 성능을 추정하기 위해 aerodynamic 및 total-to-total efficiency를 분석하였다.

이 효율은 아래의 식으로 계산하였다.

는 aerodynamic efficiency, 은 양력(Lift), 은 항력(Drag), 는 total-to-total efficiency, 는 토크(Torque), 는 각속도, 는 질량유량, 는 이상기체의 비열, 는 ratio of specific heat, 는 outlet mass-averaged total pressure, 와 는 각각 터빈 Inlet에서의 평균 온도와 평균 압력을 나타낸다.

그리고, 본 실시예 채용된 난류 억제홈부(22a)는, 상기 리딩 엣지(E)의 전체 길이 중 80 내지 99%(상기 TOP 부분)에 해당하는 범위에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 난류 억제홈부(22a)는, 도 7의 실험 데이터로 확인되는 바와 같이, 상기 블레이드(22)에 가스 압력이 작용하는 면을 프레셔 사이드(PS)(Pressure side)라 하고 반대측 면을 썩션 사이드(SS)(suction side)라 명명할 때, 상기 프레셔 사이드(PS) 측에 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 도 7은 본 실시예에 채용된 블레이드(22)와 기준 레퍼런스 간의 항력(Drag), 양력(Lift), 출구압력(Pressure outlet) 및 토크(Torque)를 나타낸 도면이다.

가스 터빈의 효율은 블레이드(22) 가공 위치에 따라 달라지고, 그에 따른 aerodynamic과 total-to-total efficiency는 같은 경향성을 지닌다. 기준 블레이드(22)와 비교했을 때, 다른 가공 위치에서는 효율이 감소했지만, 가공위치가 Top-PS인 경우 효율이 상승했다. Aerodynamic efficiency는 양력과 항력에 큰 영향을 받고, Total-to-total efficiency는 토크와 outlet 압력에 큰 영향을 받는다.

기준 블레이드(22)에 비해 가공위치가 Top-PS, SS일 때 항력이 낮아졌고, 양력(lift)은 증가하였다. 다른 가공 위치에서는 기준 블레이드(22)보다 항력이 높아졌고, 양력은 낮아졌다. 또한, 출구압력은 기준 블레이드(22)에 비해 모두 증가했다. 이것은 가공위치가 Top-PS인 경우 aerodynamic efficiency가 증가했음을 의미한다.

그리고, 토크와 출구압력은 total-to-total efficiency에 직접적인 영향을 미친다. 기준 블레이드(22)와 비교했을 때 다른 가공 위치에서는 토크의 값이 낮아졌지만, 가공위치가 Top-PS일 때 토크가 증가하였다. 출구압력은 블레이드(22)를 가공한 경우에 모두 증가했다. 그러나 출구압력보다 토크가 효율에 더 큰 영향을 미친다. 이를 통해, Top-PS위치를 가공했을 때 total-to-total efficiency가 가장 크게 증가했음을 알 수 있다.

한편, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 난류 억제홈부(22a)는, 상기 리딩 엣지(E)의 TOP 부분으로 갈수록 점진적으로 홈의 깊이가 깊어지도록 하여, 고압의 가스가 상기 블레이드(22)가 설치되는 통 형상의 터빈 본체와 블레이드(22) 사이로 원활하게 이동할 수 있게 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터(2)의 표면 가공위치 선정 방법을 도 8 및 도 9를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 터빈용 로터(2)의 표면 가공위치 선정 방법의 구성을 설명하기 위한 블럭도이고, 도 9는 본 발명 일실시예의 난류 억제홈부(22a) 선정을 위한 서로 다른 케이스별 유동 특성을 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예의 설명에 앞서 블레이드(22) 각 부분에 대한 명칭을 설명하면 다음과 같다.

상기 블레이드(22)의 로테이팅 본체(21)와 연결되는 부위를 허브(H)라 하고, 그 허브(H)에 대해 반경방향 외측으로 연장되어서 상기 중심축선에서 가장 멀리 위치한 부위를 쉬라우드(S)라 명명하고, 상기 블레이드(22)에 가스 압력이 작용하는 면을 프레셔 사이드(PS)(Pressure side)라 하고 반대측 면을 썩션 사이드(SS)(suction side)라 명명하기로 한다.

도 8에 잘 도시된 바와 같이, 본 실시예는 가스 터빈 효율 향상을 위한 블레이드(22) 표면 가공 위치의 선정 방법에 관한 것으로, 블레이드(22)의 표면 가공예를 여러 케이스로 나누어서 난류 억제홈부(22a)를 형성하는 단계(S1), 상기 각 케이스의 가스 유동 특성에 관한 양력과 항력의 합을 연산하는 단계(S2) 및 연산 결과에 기초하여 난류 억제홈부(22a)의 형성 위치를 선정하는 단계(S3)를 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 난류 억제홈부(22a) 형성 단계(S1)에서는, 상기 프레셔 사이드(PS) 및 썩션 사이드(SS) 각각의 TOP 부분과 MIDDLE 부분에, 각각 상기 난류 억제홈부(22a)를 동일한 부피로 상기 난류 억제홈부(22a)를 형성시킨다.

상기 연산 단계(S2)에서는 상기 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분(제1케이스), 프레셔 사이드(PS)의 MIDDLE 부분(제2케이스), 상기 썩션 사이드(SS)의 TOP부분(제3케이스) 및 썩션 사이드(SS)의 MIDDLE 부분(제4케이스) 각각의 경우, 동일한 가스 압력 및 온도 조건에서 양력(lift;양의 값)과 항력(drag;음의 값)의 합을 연산하게 된다.

상기 난류 억제홈부(22a) 형성 위치 선정 단계(S3)에서는, 상기 연산 결과 가장 큰 값을 상기 난류 억제홈부(22a)의 형성 위치로 선정하게 된다.

본 실시예에서는 상기 제1케이스에 해당하는 상기 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분의 양력과 항력의 합이 가장 크기 때문에, 상기 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분(Top-PS)을 난류 억제홈부(22a)의 형성 위치로 형성하였다.

상기 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분(Top-PS)에서 효율이 높은 이유에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 9에 잘 도시된 바와 같이, 기준 레퍼런스 케이스를 보면 허브(H)의 리딩 엣지(E) 근처에서 작은 circulation이 발생하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 본 실시예에서와 같이 상기 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분(Top-PS)을 난류 억제홈부(22a)게 형성된 경우에는 circulation이 발생하지 않는다.

기준 레퍼런스 케이스와 본 실시예의 큰 차이는 블레이드(22)의 Mid-span(MIDDLE 부분)에서 나타난다. 즉, MIDDLE 부분 가공 케이스의 경우, 리딩 DPT지에 큰 circulation zone이 발생한다. 그러므로, MIDDLE 부분 가공 케이스는 유동 박리(separation)가 리딩 DPT지 근처에서 일어나고, 이에 따라 썩션 사이드(SS)에서 난류가 발생하게 된다. 이는 MIDDLE 부분 가공 케이스에서 더 큰 drag와 낮은 lift를 야기한 결과에 기인한 것이다.

기준 레퍼런스 케이스와 비교하여, 본 실시예와 같이 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분(Top-PS) 가공 케이스의 경우에는, 블레이드(22) Mid-span(MIDDLE 부분)의 리딩 엣지(E) 부근에서 circulation zone이 나타나지 않는다. 이로 인해 유동 박리가 리딩 엣지(E)로부터 멀리 떨어진 곳에서 일어남에 따라, 결국 난류가 유동이 나가는 곳에서 발하게 되며 이는 블레이드(22)의 큰 lift와 낮은 drag를 야기한다.

Total-to-total efficiency는 torque에 큰 영향을 받고, torque는 블레이드(22)에 작용하는 lift와 drag force의 합에 영향을 받는다. 그 결과 위에서 언급한 바와 같이, 프레셔 사이드(PS)의 TOP부분(Top-PS)의 총 합이 기준 case보다 크고, 다른 가공 부위의 경우보다 상당히 크게 나타난다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1:스테이터 2:로터
21:로테이팅 본체 22:블레이드
22a:난류 억제홈부 B:통 형상의 본체
E:리딩 엣지 H:허브
S:쉬라우드 PS:프레셔 사이드
SS:썩션 사이드

Claims (1)

1. 고압 가스의 압력 작용에 의해 터빈의 스테이터에 대해 회전되는 가스 터빈용 로터에 채용된 블레이드의 난류 억제홈부 가공위치를 선정하기 위한 방법에 관한 것으로,
   상기 블레이드의 로테이팅 본체와 연결되는 부위를 허브라 하고, 그 허브에 대해 반경방향 외측으로 연장되어서 상기 스테이터의 중심축선에서 가장 멀리 위치한 부위를 쉬라우드라 명명하고, 상기 블레이드에 가스 압력이 작용하는 면을 프레셔 사이드(Pressure side)라 하고 반대측 면을 썩션 사이드(suction side)라 명명할 때,
   상기 프레셔 사이드 및 썩션 사이드 각각의 TOP 부분과 MIDDLE 부분에, 각각 상기 난류 억제홈부를 동일한 부피로 상기 난류 억제홈부를 형성하는 단계;
   상기 프레셔 사이드의 TOP부분(제1케이스), 프레셔 사이드의 MIDDLE 부분(제2케이스), 상기 썩션 사이드의 TOP부분(제3케이스) 및 썩션 사이드의 MIDDLE 부분(제4케이스) 각각의 경우, 동일한 가스 압력 및 온도 조건에서 양력(lift;양의 값)과 항력(drag;음의 값)의 합을 연산하는 단계; 및
   상기 연산하는 단계에서의 연산 결과, 가장 큰 값을 상기 난류 억제홈부의 형성 위치로 선정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부분 가스유동 해석상기 프레셔 사이드의 중간 부위 리딩 엣지의, 상기 쉬라우드 측에 가깝게 위치한 TOP 부분에 형성된 난류 억제홈부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 로터의 표면 가공위치 선정 방법.