KR20150043132A - 터빈 어셈블리 - Google Patents

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KR20150043132A
KR20150043132A KR20130122190A KR20130122190A KR20150043132A KR 20150043132 A KR20150043132 A KR 20150043132A KR 20130122190 A KR20130122190 A KR 20130122190A KR 20130122190 A KR20130122190 A KR 20130122190A KR 20150043132 A KR20150043132 A KR 20150043132A
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cooling
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조종재
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삼성테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명은 터빈 어셈블리를 개시한다. 본 발명은, 허브와, 상기 허브의 외주면에 설치되는 동익과, 상기 허브 및 상기 동익이 내부에 배치되는 케이스 및 상기 케이스에 설치되며, 상기 허브 및 상기 동익의 회전으로 인한 상기 동익의 팁(Tip)의 접선속도와 예각을 형성하도록 상기 동익의 팁 영역으로 유체를 분사하는 쿨링젯유닛을 포함한다.

Description

터빈 어셈블리{Turbine assembly}
본 발명은 어셈블리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 터빈 어셈블리에 관한 것이다.
터빈은 압축기에 의해 공기를 압축하고 연료를 연소시켜 압축된 공기를 가열한 다음 터빈을 통해 공기를 팽창시킴으로써 동력을 발생시키는 장치이다. 주로 산업용 가스 터빈 또는 항공기용 엔진 등에 사용된다.
최근에는 터빈의 효율을 증가시키기 위하여 터빈으로 유입되는 가스의 온도(Turbine Inlet Temperature: TIT)가 지속적으로 상승되는 추세에 있는데, 이로 인하여 터빈 블레이드의 효과적 냉각방법이 부각되고 있다.
도 4는 종래의 터빈 블레이드(230) 냉각방법을 도시한 개념도이다.
종래의 터빈 블레이드(230)의 냉각방법은 블레이드(230) 내부에 사행유로(뱀형상의 유로)를 설치하고, 터빈 블레이드(230)의 단부를 통해서 상기 사행유로를 통과한 냉각유체(C)를 터빈의 내부로 분사하는 것이다.
터빈의 블레이드(230)를 통과한 냉각유체(C)는 블레이드(230) 팁(TIP)을 통과하여 케이스(250) 내부공간으로 유입된다. 압축기에서 일부 추출된 냉각유체(C)는 허브(210)를 통과하여 블레이드(230)의 내부 유로로 유입한다. 냉각유체(C)가 내부 유로를 통과하면서 블레이드와 열교환이 발생하므로, 블레이드(230)의 온도가 하강하면서 냉각유체(C)의 온도는 상승한다. 온도가 상승된 냉각유체(C)는 블레이드(230) 팁(TIP) 영역의 유출부를 통해서 케이스(250)의 내부공간으로 유출된다.
상기와 같이 일반적인 블레이드의 냉각방법은 일본공개특허 제1996-144704호(발명의 명칭 : 가스터빈 냉각 동익)에 구체적으로 개시되어 있다
일반적으로 터빈 블레이드의 냉각에 사용되는 냉각유체(C)는 가스 터빈의 압축기로부터 추출된 압축된 유체를 이용하여 냉각된다. 압축기에 의해 압축된 압축 유체는 가스 터빈의 연소기에서 사용하기 위해 생성되는 것이므로, 터빈 블레이드의 냉각을 위해 압축기로부터 추출되는 압축 유체의 양을 증가시킨다면 가스 터빈의 전체 효율이 저하된다. 따라서 냉각유체(C)의 양을 감소시켜 가스 터빈의 효율을 상승시키고, 터빈 블레이드를 효과적으로 냉각하는 방법이 대두되고 있다.
일본공개특허 제1996-144704호
본 발명의 실시예들은 냉각 효율이 향상된 터빈 어셈블리를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 허브와, 상기 허브의 외주면에 설치되는 동익과, 상기 허브 및 상기 동익이 내부에 배치되는 케이스 및 상기 케이스에 설치되며, 상기 허브 및 상기 동익의 회전으로 인한 상기 동익의 팁(Tip)의 접선속도와 예각을 형성하도록 상기 동익의 팁 영역으로 유체를 분사하는 쿨링젯유닛을 포함하는 터빈 어셈블리를 제공한다.
또한, 상기 쿨링젯유닛은, 상기 케이스 내부에 형성되는 유로 및 상기 유로를 통과하는 유체가 상기 동익의 팁 영역으로 유입되는 유입부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 예각은 20°이상 80°이하 사이의 각도일 수 있다.
또한, 상기 유입부는 복수개 구비되며, 상기 복수개의 유입부는 상기 허브를 중심으로 상기 케이스의 내주면에 방사형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 동익은 복수의 단으로 형성되며, 상기 각 쿨링젯유닛은 상기 동익의 각 단에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 터빈 어셈블리 내부공간으로　유입되는　냉각유체가 입사각도를 가지게 하여, 동익의 온도를 낮추어 냉각유량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 어셈블리를 보여주는 단면도이다.
도 2은 도 1의 A부분을 확대한 확대도이다.
도 3는 냉각유체의 속도와 동익의 팁(Tip)의 속도에 대한 속도 삼각형(Velocity triangle)을 보여주는 개념도이다.
도 4는 종래의 터빈 블레이드 냉각방법을 도시한 개념도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 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, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 어셈블리(100)를 보여주는 단면도이다. 도 2은 도 1의 A부분을 확대한 확대도이다.
도 1과 도 2 를 참조하면, 터빈 어셈블리(100)는 허브(110), 동익(130), 케이스(150) 및 쿨링젯유닛(Cooling Jet Unit, 170)를 포함할 수 있다.
허브(110)는 터빈 어셈블리(100)의 출력축으로서, 동익(130)으로부터 회전력을 전달받는다. 허브(110)는 케이스(150)에 설치된 베어링(120)에 의해서 지지된다. 즉, 허브(110)는 유체가 허브(110)의 축방향으로 이동시 유체가 가진 에너지가 동익(130)에 전달되고 허브(110)는 회전할 수 있다.
동익(130)은 유선형의 만곡된 표면을 구비하며, 허브(110)의 외주면에 배치된다. 복수개의 동익(130)은 허브(110)의 외주면 일주하면서 일정간격의 열을 지니며 배치되어 하나의 단을 형성할 수 있다. 또한, 복수의 동익(130)이 형성한 하나의 단은 터빈 어셈블리(100)의 입구부(151)에서 방출부(152)를 향하면서 허브(110)의 축방향으로 복수개 형성될 수 있다. 다만, 상기와 같이 하나의 단을 형성하는 동익(130)의 개수는 제한이 없으며, 복수의 동익(130)에 의해서 형성되는 하나의 단의 개수도 제한이 없다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 복수개의 동익(130)이 하나의 단을 형성하고, 하나의 단이 4개 배열된 복수개의 단으로 이루어진 터빈 어셈블리(100)를 중심으로 설명하기로 한다.
동익(130)의 중심거리는 동익(130) 중 케이스(150)의 후방 쪽에 더 가까이 배치되는 동익(130) 일수록 더 커지게 된다. 즉, 허브(110)의 중심으로부터 동익(130)의 반경 방향 단부까지의 거리는 케이스(150)의 후방 쪽으로 갈수록 커지게 된다. 그 이유는 터빈 어셈블리(100)의 하류 쪽으로 갈수록 내부에 설치된 동익(130)의 크기를 점점 더 크게 하여 가스와 부딪히는 면적을 증가시킴으로써, 터빈 어셈블리(100)의 하류 쪽으로 갈수록 가스가 더 팽창되어 낮은 압력을 가지더라도 터빈 어셈블리(100)의 상류 쪽의 회전력과 하류 쪽의 회전력을 가급적 동일하게 유지시키기 위해서이다. 다만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 설계의 필요에 따라 상기 설계 규칙을 일부 지키지 않을 수도 있다.
동익(130)의 구성은 일반적인 다단 터빈에 사용되는 주지/관용의 동익(130) 기술이 사용될 수 있으므로, 그 상세한 구조 및 배치에 대한 설명은 여기서 생략한다.
케이스(150)는 복수개의 프레임 및 플레이트로 형성되어 터빈 어셈블리(100)의 바디를 형성하며 터빈 어셈블리(100)의 외관을 형성할 수 있다. 또한, 케이스(150)는 유체가 유동하는 내부공간을 형성하고 그 내부공간에는 허브(110), 동익(130) 이 배치될 수 있다.
케이스(150)의 전방에는 연소기(미도시)로부터 고온 고압의 유체를 유입하는 입구부(151)가 형성되어 있고, 케이스(150)의 후방에는 팽창된 유체가 방출되는 방출부(152)가 형성되어 있다.
고정익(160)은 복수의 동익(130)으로 형성된 동익단 사이의 케이스(150)의 내부공간에 배치될 수 있다. 이때 고정익(160)은 복수의 동익단을 감싸는 형태로 케이스(150)의 내주면에 배치될 수 있다.
복수개의 고정익(160)은 케이스(150)의 내주면 일주하면서 일정간격의 열을 지니며 배치되어 하나의 단을 형성할 수 있다. 또한, 복수의 고정익(160)이 형성한 하나의 단은 터빈의 입구부(151)에서 방출부(152)를 향하면서 허브(110)의 축방향으로 복수개 형성할 수 있다. 다만, 상기와 같이 하나의 단을 형성하는 고정익(160)의 개수는 제한이 없으며, 복수의 고정익(160)에 의해서 형성되는 하나의 단의 개수도 제한이 없다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 복수개의 고정익(160)이 하나의 단을 형성하고, 하나의 단이 4개 배열된 복수개의 단으로 이루어진 터빈 어셈블리(100)를 중심으로 설명하기로 한다.
고정익(160)의 구성은 일반적인 다단 터빈 어셈블리(100)에 사용되는 주지/관용의 고정익(160)이 사용될 수 있으므로, 그 상세한 구조 및 배치에 대한 설명은 여기서 생략한다.
쿨링젯유닛(170)은 케이스(150)의 내주면을 따라 배치될 수 있다. 쿨링젯유닛(170)은 냉각유체(coolant,C)가 유동할 수 있는 유로(172)와 냉각유체(C)가 케이스(150) 내부공간으로 유입되는 유입부(171)를 구비할 수 있다.
유로(172)는 압축기로부터 추출된 냉각유체(C)가 유입부(171)를 통해서 케이스(150)의 내부공간으로 유출되게 한다. 유로(172)는 냉각유체(C)를 케이스(150)를 따라서 유동할 수 있도록 케이스(150)의 외주면과 내주면의 사이에 형성될 수 있다. 또한 유로(172)는 고정익(160)을 냉각하기 위해서 유로(172)의 일부는 고정익(160) 내부에 형성될 수 있다.
유로(172)는 하나의 유로(172)에 하나의 유입부(171)가 대응하게 설치될 수 있다. 또한 유로는 메인유로(Main Stream)와 상기 메인유로에서 분기되는 각 서브유로를 구비할 수 있다. 이때 상기 각 서브유로는 유입부(171)와 대응하게 설치 될 수 있다.
유입부(171)는 유로(172)와 케이스(150)의 내부공간이 만나는 위치에 형성된다. 유입부(171)는 고정익단 사이에 케이스(150)의 내주면에 배치될 수 있다. 유입부(171)는 고정익단 사이에 형성되는 동익(130)의 팁(TIP) 영역의 상부에 배치될 수 있다. 이는 냉각유체(C)를 동익(130)의 팁(TIP)영역에 분사하여 냉각효과를 최대화하기 위함이다.
유입부(171)는 복수개로 구비될 수 있다. 상세하게, 복수개의 유입부(171)는 케이스(150)의 내주면 일주하면서 일정간격의 열을 지니며 배치되어 하나의 단을 형성할 수 있다. 또한, 복수의 유입부(171)가 형성한 하나의 단은 터빈 어셈블리(100)의 입구부(151)에서 방출부(152)를 향하면서 허브(110)의 축방향으로 복수개 형성할 수 있다. 다만, 상기와 같이 하나의 단을 형성하는 유입부(171)의 개수는 제한이 없으며, 복수의 유입부(171)에 의해서 형성되는 하나의 단의 개수도 제한이 없다.
유입부(171)는 동익(130)의 회전에 따른 동익(130) 팁(TIP)의 접선속도의 방향(이하 X방향)과 냉각유체(C)가 예각을 형성하면서 유입되도록 입사각도(θ)를 가질 수 있다.(도 3 참조)
즉, 입사각도(θ)는 X 방향과 냉각유체(C)의 유입방향이 0°초과 90°미만 사이의 각도 중 어느 하나로 선택되는 각도를 가질 수 있다. 또한 냉각유체(C)가 터빈 어셈블리(100)의 내부영역으로 유입시에 동익(130)에 팁(TIP)영역으로 유입되기 위해서 입사각도(θ)는 20°이상 80°이하의 각도를 형성할 수 있다. 이는 후술하듯이 냉각유체(C)의 절대속도(C TIP )의 크기와 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 크기의 차이가 크게 하여 냉각효과를 상승하기 위함이다.
터빈 어셈블리(100)에 유체가 통과하여 동력을 생산하는 방법 및 동익(130)의 온도 상승원리에 대해 검토하면 다음과 같다.
유체는 압축기(미도시)에서 압축된 상태로 연소기(미도시)를 통과한다. 그 다음에는 터빈 어셈블리(100)의 입구부(151)를 통해서 케이스(150)의 내부공간에 유입된다. 유입된 고온 고압의 유체는 동익(130)에 부딪히면서 유체가 가진 에너지를 동익(130)에 전달한다. 동익(130)은 에너지를 전달받아서 허브(110)를 회전시켜 동력을 생산하게 된다. 이때, 고온 고압의 유체와 동익(130)의 에너지 전달과정에서 동익(130)의 온도는 증가한다.
도 3는 냉각유체(C)의 속도와 동익(130)의 팁(Tip)의 속도에 대한 속도삼각형(Velocity triangle)을 보여주는 개념도이다.
도3을 참조하면, 회전하는 동익(130)의 팁(Tip)의 회전속도는 회전하는 동익(130)의 팁(Tip) 접선속도의 방향(X 방향)으로 형성된다. 상기 회전속도는 U TIP 으로 표현될 수 있다.
냉각유체(C)는 유입부(171)를 따라 입사각도(θ)를 지니면서 동익(130)의 팁(Tip) 영역으로 유입된다. 냉각유체(C)의 절대속도는 C TIP 로 표현될 수 있다. 냉각유체(C)는 유입부(171)의 입사각도(θ)를 지니며 유입되므로 U TIP 와 C TIP 가 이루는 각도는 유입부(171)의 입사각도(θ)와 동일하게 형성될 수 있다.
동익(130) 팁(TIP)의 상대속도는 유입부(171)에서 분사되는 냉각유체(C)의 입사각도(θ)에 의해서 X 방향의 반대방향으로 형성된다. 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도는 V TIP 로 표현될 수 있다.
즉, 상기의 속도삼각형은 V TIP + U TIP = C TIP 로 표현될 수 있다.
냉각효과가 향상되는 이유는 아래의 수학식1에 기초하여 검토하면 다음과 같다.
Figure pat00001
수학식 1은 동익(130)의 온도와 동익(130)의 속도에 관한 등엔트로피 관계식이다. T T 는 동익(130)의 표면에서 고온 고압의 유체에 의해서 형성되는 전온도이다. T S 는 정지상태인 유체가 터빈 어셈블리(100)의 내부공간에서 설정 스테틱(Static) 온도이다. V TIP 는 동익(130)의 팁(TIP)의 상대속도이며, C 는 케이스(150)의 재질, 유입부(171)를 지나는 냉각유체(C)의 온도, 유입부(171)를 지나는 냉각유체(C)의 압력에 의해서 특정되는 상수이다.
도 4는 종래의 터빈 블레이드(230) 냉각방법을 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 터빈 블레이드(230)의 냉각방식은 냉각유체(C)가 블레이드(230)의 표면을 통해 분사되면서 블레이드(230)을 냉각할 수 있다. 이때, 냉각유체(C)는 블레이드(230)의 팁(TIP) 영역에서 포인트(POINT) 분사 되므로 V TIP 과 C TIP 의 크기와 방향은 동일하다.
상기 도 3의 속도삼각형(Velocity triangle)을 검토하면, 냉각유체(C)는 입사각도(θ)를 지니며 유입되므로 V TIP 은 C TIP 보다 속도의 크기가 작다.
따라서 냉각유체(C)가 동일한 C TIP 으로 케이스(150)의 내부공간으로 유입시에는, 본 발명의 일실시예의 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 크기는 종래기술의 블레이드(230) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 크기보다 작다. 수학식1에 의해, V TIP 2 의 크기가 작아지므로, 본 발명의 일실시예에 따른 동익(130)의 표면에 고온 고압의 유체에 의해서 형성되는 전온도(T T )는 종래의 블레이드(230)의 표면에 고온 고압의 유체에 의해서 형성되는 전온도(T T ) 보다 작아진다.
동익(130)의 T T 가 감소하면, 동익(130)의 냉각량이 줄어든다. 따라서, 터빈 어셈블리(100)의 냉각량이 줄어들므로 터빈 어셈블리(100)의 효율이 증가할 수 있다.
또한, 터빈 어셈블리(100)의 동력생산량이 증가한다. 상세하게, 냉각유체(C)는 압축기로부터 유체의 일부를 분기하여 사용되므로, 냉각유체(C)의 유량이 줄어들면 케이스(150)의 내부공간으로 유입되는 유체의 양이 증가하게 된다. 케이스(150)의 내부공간으로 유입되는 유체의 양이 증가할 경우 동익(130)에 전달되는 에너지의 양이 증가하므로 터빈 어셈블리(100)의 발전효율이 증가한다.
동익(130)의 회전시에 동익(130)의 팁(TIP)과 케이스(150)의 내주면 사이의 공간으로 누설 유동(Leakage Flow)이 발생한다. 상기 누설유동이 발생하면 허브(110)의 축방향으로 이동하는 유량이 감소되어 손실일이 증가한다.
상기 누설유동은 동익(130)의 회전에 의해 발생되므로 상기 누설유동의 이동방향은 상기 X축 방향으로 형성된다. 본 발명의 일실시예에 따를 때 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 X축 방향 상대속도 성분(V X , TIP )은 상기 누설유동의 이동방향과 반대방향으로 형성된다. 따라서 동익(130) 팁(TIP)의 X축 방향 상대속도 성분(V X , TIP )과 누설유동 유속이 상호 간섭을 일으키므로 누설유동의 양을 감소시킨다.(도 3 참조)
냉각유체(C)가 20°이상 80°이하의 입사각도(θ)가 형성되면, 냉각유체(C)의 절대속도(C TIP )의 크기와 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 크기의 차이를 크게 하여 냉각효과를 상승시키기 위해서는 할 수 있다. 냉각유체(C)가 80° 이상의 입사각도(θ)를 가지고 케이스(150)의 내부공간으로 유입되는 경우에는 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 크기와 냉각유체(C)의 절대속도(C TIP )의 크기 차이가 작아 터빈 어셈블리(100)의 냉각효과가 작아질 수 있다. 냉각유체(C)가 20°이하의 입사각도(θ)를 가지고 케이스(150)의 내부공간으로 유입되는 경우에는 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 X축 방향 상대속도 성분(V X , TIP )이 줄어든다. 동익(130) 팁(TIP)의 상대속도(V TIP )의 X축 방향 상대속도 성분(V X , TIP )이 줄어들면 누설유동의 유속과의 상호 간섭이 줄어들어 누설유동의 양이 증가할 수 있다.
냉각유체(C)가 입사각도(θ)를 가지면서 터빈 어셈블리(100)의 내부공간으로 유입시에는 동익(130)의 T T 가 감소하므로 냉각량이 감소하여 터빈 어셈블리(100)의 효율이 증가할 수 있다.
또한, 냉각유체(C)의 양이 감소하고 케이스(150)의 내부공간으로 유입되는 유체의 양이 증가하여 동력생산량이 증가할 수 있다.
또한, 누설유동의 양을 감소하여 동익(130)과 에너지를 교환하는 유체의 양을 최대화하여 동력생산량이 증가할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 터빈 어셈블리
110 : 허브
120 : 베어링
130 : 동익
150 : 케이스
160 : 고정익
170 : 쿨링젯유닛
171 : 유입부
172 : 유로

Claims (5)

  1. 허브;
    상기 허브의 외주면에 설치되는 동익;
    상기 허브 및 상기 동익이 내부에 배치되는 케이스; 및
    상기 케이스에 설치되며, 상기 허브 및 상기 동익의 회전으로 인한 상기 동익의 팁(Tip)의 접선속도와 예각을 형성하도록 상기 동익의 팁 영역으로 유체를 분사하는 쿨링젯유닛;을 포함하는 터빈 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 쿨링젯유닛은,
    상기 케이스 내부에 형성되는 유로; 및
    상기 유로를 통과하는 유체가 상기 동익의 팁 영역으로 유입되는 유입부를 포함하는 터빈 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 예각은 20°이상 80°이하 사이의 각도인 터빈 어셈블리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유입부는 복수개 구비되며,
    상기 복수개의 유입부는 상기 허브를 중심으로 상기 케이스의 내주면에 방사형으로 형성되는 터빈 어셈블리.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 동익은 복수의 단으로 형성되며,
    상기 각 쿨링젯유닛은 상기 동익의 각 단에 배치되는 터빈 어셈블리.
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