KR20170015248A - 가스 터빈 엔진의 로터 조립체 - Google Patents

Abstract

터빈 휠로부터 고온의 열이 로터 조립체의 다른 구성품으로 전달되는 것을 최대한 차단할 수 있는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체가 개시된다. 로터 조립체는 터빈 휠, 내부를 관통하는 회전 지지축과 스터드 볼트에 의해 터빈 휠에 결합되는 압축기 임펠러, 회전 지지축의 외경부에 끼워지며 양면이 터빈 휠과 압축기 임펠러에 압착되는 쓰러스트 베어링 칼라, 압축기 임펠러의 전방에서 스터드 볼트 및 압축기 임펠러에 체결되는 연장축, 연장축 전방에 결합되는 부하 장치 연결을 위한 축 커플링을 포함한다. 스터드 볼트는 압축기 임펠러 내부에 형성된 너트 체결부에서 체결용 너트에 체결된다.

Description

가스 터빈 엔진의 로터 조립체 {ROTOR ASSEMBLY OF GAS TURBINE ENGINE}

본 발명은 가스 터빈 엔진의 로터 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈휠과 압축기 임펠러를 동축으로 체결하여 조립하는 구조에 관한 것이다.

마이크로 가스 터빈 엔진은 일반적으로 공기를 압축하는 단단(Single Stage) 원심식 압축기 임펠러와, 압축된 공기에 연료를 분사하여 연소시키는 연소실과, 연소된 가스가 통과하며 회전 동력을 발생시키는 단단 구심형 터빈 휠 등으로 구성된다.

터빈 휠에서 만들어진 회전 동력의 일부는 직간접적으로 체결된 발전기 등의 부하를 위해 사용되고, 나머지는 압축기 임펠러에서 공기를 압축하는데 사용된다. 대부분의 경우, 발전기 등의 부하 장치는 커플링 또는 기어 박스 등을 통해 간접적으로 체결되며, 터빈 휠과 압축기 임펠러는 하나의 축으로 조립되어 회전 동력을 직접적으로 전달하게 된다. 이때, 터빈 휠, 압축기 임펠러, 및 회전 지지축 등으로 구성되어 일체로 회전하는 조립체를 로터 조립체라고 표현한다.

한편, 터빈 휠은 고온의 연소 가스가 직접적으로 부딪히면서 가열되므로, 운전 중에는 높은 범위까지 온도가 상승한다. 이때, 터빈 휠에 접촉되어 있는 부품들로 고온의 열이 전달되는데, 이러한 열 전달로 인하여 터빈 휠 및 압축기 임펠러를 지지하고 있는 회전 지지축이 열 팽창을 하게 된다. 이는 고속으로 회전하는 로터 조립체의 불안정을 야기할 수 있다.

본 발명은 터빈 휠로부터 고온의 열이 로터 조립체의 다른 구성품으로 전달되는 것을 최대한 차단할 수 있는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 로터 조립체를 구성하는 구성품들의 온도 상승으로 인해 열팽창이 되었을 때에도 로터 조립체의 체결력이 충분히 작용하도록 하여 구성품들 사이의 유격 발생을 억제하며, 진동을 방지할 수 있는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 터빈 휠과 압축기 임펠러 및 회전 지지축의 조립이 용이하고, 발전기와 같은 부하 장치를 연결하기 위한 축 커플링의 체결이 용이한 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체는 터빈 휠, 압축기 임펠러, 쓰러스트 베어링 칼라, 연장축, 및 축 커플링을 포함한다. 터빈 휠은 연소 가스에 의해 고속으로 회전한다. 압축기 임펠러는 내부를 관통하는 회전 지지축과 스터드 볼트에 의해 터빈 휠에 결합되고, 터빈 휠과 함께 회전하여 흡입 공기를 가속 및 압축한다. 쓰러스트 베어링 칼라는 터빈 휠과 압축기 임펠러 사이에서 회전 지지축의 외경부에 끼워지며, 양면이 터빈 휠과 압축기 임펠러에 압착된다. 연장축은 압축기 임펠러의 전방에서 스터드 볼트 및 압축기 임펠러에 체결된다. 축 커플링은 부하 장치 연결을 위한 것으로서 연장축의 전방에 결합된다. 스터드 볼트는 압축기 임펠러의 내부에 형성된 너트 체결부에서 체결용 너트에 체결된다.

터빈 휠과 압축기 임펠러 각각은 그 후방에 회전 지지축을 수용하는 보스부와 제1 보스부를 각각 구비할 수 있다. 쓰러스트 베어링 칼라는 회전 지지축과 수직을 이루며 양면이 보스부와 제1 보스부에 압착될 수 있다.

회전 지지축은 스터트 볼트를 수용하는 회전 지지축 중공부를 포함할 수 있다. 스터드 볼트의 일측 단부는 회전 지지축 중공부에서 회전 지지축에 체결될 수 있고, 스터트 볼트의 타측 단부는 압축기 임펠러의 전방에 구비된 제2 보스부의 외측으로 돌출될 수 있다.

연장축은 제2 보스부의 외측으로 돌출된 스터드 볼트를 수용하는 스터드 볼트 수용부와, 내부 격벽에 의해 스터드 볼트 수용부와 분리된 축 커플링 연결부를 포함할 수 있으며, 제2 보스부에 체결될 수 있다.

연장축의 둘레에 압축기측 래디얼 베어링과, 오일 입자를 방사상으로 튕겨내는 오일 디플렉터가 설치될 수 있다. 연장축은 축 커플링 연결부를 둘러싸는 전방측 부분을 직경이 작은 래디얼 베어링 지지부로 형성하여 압축기측 래디얼 베어링의 직경을 줄일 수 있다.

터빈 휠에 회전 지지축이 조립되고, 스터드 볼트의 일측 단부가 회전 지지축에 체결된 이후, 스터드 볼트는 항복점 내에서 당겨져 길이가 늘어난 상태에서 체결용 너트에 체결될 수 있다.

회전 지지축의 표면 일부는 터빈 휠의 보스부, 제1 보스부, 및 압축기 임펠러와 이격되어 회전 지지축 단열 구간을 형성할 수 있다. 스터드 볼트의 표면 일부는 회전 지지축과 이격되어 스터드 볼트 단열 구간을 형성할 수 있다.

적어도 하나의 조립용 핀이 터빈 휠의 보스부와 회전 지지축을 관통하고 열박음 또는 용접에 의해 고정될 수 있다. 회전 지지축과 제1 보스부는 각각 스플라인 구간을 형성하여 상호 체결될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 고온 운전중 열팽창에 상관없이 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 강하게 체결된 상태로 유지하여 로터 조립체의 굽힘과 진동을 최소화할 수 있다. 또한, 조립이 용이하며, 부하 장치로 동력을 전달하기 위한 축 커플링의 연결이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 분해도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 단면도이다.
도 5는 제1 비교예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 단면도이다.
도 6은 제2 비교예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 단면도이다.

먼저, 마이크로 가스 터빈 엔진의 통상적인 구성과 작동 원리를 설명하면 다음과 같다. 공기 흡입 덕트(1)를 통해 외부로부터 흡입된 공기는 원심식 압축기 임펠러(30)의 입구로 유입되고, 고속 회전에 의해 발생한 원심력의 작용으로 가속되어 압축기 임펠러(30)의 원주 방향으로 고속으로 배출된다.

압축기 임펠러(30)에서 배출된 고속의 공기는 디퓨져(3) 구간을 통과하면서 속력이 압력으로 전환된다. 디퓨저(3) 구간을 통과한 공기는 압축 공기 챔버(4)를 지나 연통된 공간에 설치된 연소실(5)로 유입된다. 부호 2는 압축기 쉬라우드를 나타낸다.

연소실(5)에서는 유입된 압축 공기와 연료가 혼합되어 연소되고, 연소 가스는 터빈 스크롤(6)로 공급되어 터빈 노즐(7)을 통과하며, 가속된 힘으로 터빈 휠(20)을 회전시키며 외부로 배출된다. 이때, 터빈 휠(20)의 유입 온도는 일반적으로 900℃ 내지 1,100℃의 범위 내에서 결정될 수 있다. 부호 8은 터빈 쉬라우드를 나타내고, 부호 13은 터빈측 베어링 하우징을 나타낸다.

보다 구체적으로, 고온의 연소 가스는 터빈 휠(20) 후면(도 1을 기준으로 우측면)의 틈으로 유입될 수 있으며, 이는 터빈 휠(20)의 효율을 저하시키고, 터빈 휠(20) 온도를 더욱 상승시킬 수 있다. 한편, 정격 운전 시 터빈 휠(20) 출구의 배기 가스 온도는 일반적으로 600℃ 내지 700℃의 범위일 수 있다. 따라서, 터빈 휠(20)은 정격 운전 시, 최소한 600℃ 이상의 고온으로 가열되어 회전할 수 있다.

한편, 압축기 임펠러(30)의 경우, 가스 터빈 엔진의 특성에 따라 다양할 수 있지만, 일반적으로 마이크로 가스 터빈 엔진의 경우 압축비가 3:1 내지 5:1 정도의 범위 내에서 결정될 수 있다. 따라서 압축기 임펠러(30) 출구의 압축 공기 온도는 대기 조건 및 압축기 임펠러(30)의 효율에 따라 바뀔 수 있으나, 통상적으로 150℃ 내지 300℃의 범위 내에 있을 수 있다.

이와 같이, 로터 조립체의 각 부품들의 운전 중 온도 편차가 크기 때문에, 열팽창에 따른 변화는 이러한 부품들을 조립함에 있어 가장 중요한 요인이 될 수 있다. 아울러, 고속 회전하는 터빈 휠(20)을 지지하고, 터빈 휠(20)에서 얻어지는 회전 동력을 압축기 임펠러(30)와 기타 부하 장치에 전달하기 위해서는 터빈 휠(20)을 지지하는 회전 지지축(50)이 필요하다.

마이크로 가스 터빈 엔진의 경우, 회전 지지축(50)에 압축기 임펠러(30)를 직결하여 로터 조립체의 구성을 단순화하는 경우가 대부분이다. 다만, 터빈 휠(20), 회전 지지축(50), 및 압축기 임펠러(30)는 베어링의 종류, 베어링 위치 등의 조건에 따라 다양한 조합으로 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스 터빈 엔진은 부하 장치 연결 등의 조건에 맞추어, 단단(single stage) 구심형 터빈 휠(20) - 터빈측 래디얼 베어링(9) - 쓰러스트 베어링 칼라(40) - 단단 원심형 압축기 임펠러(30) - 압축기측 래디얼 베어링(10)의 순서로 구성될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 1에서 부호 11은 쓰러스트 베어링을 나타내고, 부호 12는 씰(seal)을 나타내며, 부호 14는 압축기측 베어링 하우징을 나타낸다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스 터빈 엔진은, 발전기 등의 부하 장치를 로터 조립체에 체결하여 사용할 수 있다. 이때, 로터 조립체의 회전력을 부하 장치에 전달하기 위해서 축 커플링(82)(도 2 참조)이 사용될 수 있다.

축 커플링(82)의 형태는 다양하지만, 최소 100마력 이상의 동력 및 최소 30,000RPM 이상의 높은 속도를 전달하기에 적합한 형태가 바람직하다. 축 커플링(82)은 일반적으로 축의 양끝 단부가 스플라인 형태로 가공될 수 있고, 또는 스플라인 형태로 홈이 가공된 상대 축에 일정한 유격을 가지고 체결되는 형태이며, 본 발명의 실시예에서도 이러한 축 커플링(82)을 적용하여 설명할 수 있다.

도 5 및 도 6은 각각 제1 비교예 및 제2 비교예에 의한 가스 터빈 엔진의 로터 조립체 단면도를 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6에 개시된 바와 같이, 제1 비교예 및 제2 비교예에 의한 로터 조립체는 하기와 같은 특징이 있다.

터빈 휠(20)은 일반적으로 니켈을 주 성분으로 한 특수합금강으로 주조될 수 있다. 또한, 회전 지지축(50)은 터빈 휠(20)에 용접 또는 열박음 후, 핀 고정 등의 방식으로 체결될 수 있다. 회전 지지축(50)에 쓰러스트 베어링 칼라(40)를 끼워서 터빈 휠(20)의 보스부(21) 등에 밀착시킨 후, 다시 압축기 임펠러(30)를 삽입하여 조립할 수 있다.

이때, 쓰러스트 베어링 칼라(40)와 압축기 임펠러(30)는 적정한 강도로 압착하여 조립할 필요가 있다. 즉, 고속 회전 시, 회전 지지축(50)이 굽어지면서 각 부품 간 밀착면에 유격이 생기는 것을 방지하기 위해, 회전 지지축(50)의 굽어짐이 최소화 될 수 있도록 강한 힘으로 쓰러스트 베어링 칼라(40)와 압축기 임펠러(30)를 압착하여 회전 지지축(50)에 체결하여야 하기 때문이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 압착 체결을 위하여 제1 비교예의 경우, 터빈 휠(20)이 회전 지지축(50)과 용접 또는 조립 등의 방법에 의해 일체로 조립되었다. 또한, 중심에 중공이 형성된 쓰러스트 베어링 칼라(40) 및 압축기 임펠러(30)를 회전 지지축(50)의 바깥에 끼우고, 압축기 임펠러(30) 후면(도 5를 기준으로 좌측면)의 제1 보스부(31)로 하여금 쓰러스트 베어링 칼라(40)를 압착하여 이를 고정하였다.

마지막으로 압축기 임펠러(30) 전면(도 5를 기준으로 우측면)의 제2 보스부(35)를 벗어난 구간의 회전 지지축(50) 외경에 가공된 나사 탭에 너트(36)를 체결하였다. 이로써 회전 지지축(50)을 중심으로 터빈 휠(20)의 보스부(21)와 쓰러스트 베어링 칼라(40), 및 압축기 임펠러(30)를 고정하였다.

그러나, 이러한 방식은 나사 탭과 너트(36)의 체결력에 전적으로 의존하게 될 수 있다. 따라서, 가스 터빈 운전 시 열팽창에 의한 회전 지지축(50)의 축 방향 길이 증가량이 회전 지지축(50) 구간에 조립된 터빈 휠(20)의 보스부(21), 쓰러스트 베어링 칼라(40), 및 압축기 임펠러(30) 등의 열팽창에 의한 축 방향 길이 증가량보다 크게 되는 경우, 회전 지지축(50)에 형성된 나사 탭과 너트(36)가 쓰러스트 베어링 칼라(40) 및 압축기 임펠러(30)를 압착시키지 못하게 된다. 이는 운전 중 로터 조립체의 굽힘, 진동, 및 불균형을 유발하게 되어 심각한 손상을 야기할 수 있다.

제2 비교예에 의한 로터 조립체는 도 6에 도시된 바와 같다. 보다 구체적으로, 회전 지지축(50)의 압축기 임펠러(30) 측 단부의 중심에 중공을 만들고 나사 탭(501)을 형성하며, 스터드 볼트(70)가 압축기 임펠러(30) 전면의 제2 보스부(35)를 관통하여 나사 탭(501)에 체결되었다. 스터드 볼트(70)의 반대측(도 6을 기준으로 우측)에는 압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35)를 압착하면서 회전 지지축(50)을 강하게 당겨서 너트(36)를 체결할 수 있도록 외경에 나사 탭이 형성될 수 있다.

스터드 볼트(70) 조립 시, 스터드 볼트(70)의 항복점 한계 내에서 스터드 볼트(70)의 단부를 유압자키 등을 이용하여 압축기 임펠러(30)의 제1 보스부(31)를 기준면으로 스터드 볼트(70)를 당겨 길이를 늘린 후 너트(36)를 체결하였다. 이러한 방식으로 조립한 로터 조립체는 고온에서의 운전 시, 회전 지지축(50)이 외측 구성품들보다 열 팽창량이 큰 경우에도, 미리 당겨 놓은 범위 내에서는 열 팽창량만큼 길이가 줄어들기 때문에 최소한 요구되는 압착 강도를 유지할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 전술한 바와 같이, 로터 조립체에서 발생된 동력을 발전기와 같은 부하 장치로 전달하기 위해서는, 로터 조립체와 부하 장치를 연결하여 동력을 전달하기 위한 축 커플링이 필요하다.

전술한 제1비교예에 의한 단점을 보완하기 위해, 제2비교예에서 축 커플링을 적용하기 위해서는 스터드 볼트(70)의 부하 장치 측 끝단부(도 6을 기준으로 우측 단부) 중심에 축 커플링이 연결될 수 있는 스플라인이 구성된 중공을 형성할 수 있어야 한다. 보다 구체적으로, 100마력 이상의 축 동력을 전달하기 위해서는 재질 등 여러 가지 변수를 감안하여도 스플라인의 외경을 기준으로 최소 10mm 이상을 유지해야 하며, 더 큰 축 동력에 대해서는 보다 큰 외경을 필요로 한다.

또한, 로터 조립체의 축 방향 길이를 줄이고, 축 커플링의 진동을 최소화 하기 위해 래디얼 베어링 중 하나가 압축기 임펠러(30)의 전면부에 구성될 수 있어야 한다. 이 경우, 너트 체결부와 압축기 임펠러(30) 사이에 베어링부를 삽입해야 하나, 베어링부의 외경이 작을 경우 베어링부 중심을 관통하는 스터드 볼트(70)의 직경 역시 작아질 수 밖에 없다.

그리고, 베어링부의 외경이 작으면 너트(36) 체결 시 너트(36)가 압착할 수 있는 단면 역시 작아질 수 있으므로, 충분한 힘으로 회전 지지축(50)에 삽입된 부품들을 압착할 수 없게 된다.

따라서 베어링부의 외경은 커질 수 밖에 없으며, 로터 조립체의 회전 지지에 필요한 적정 외경을 초과하게 될 가능성이 높고, 이는 회전 시 동력 손실로 이어질 수 있다. 더구나, 압축기 임펠러(30)로부터 너트(36)의 체결 위치가 멀어지면 멀어질수록 로터 조립체의 굽힘 현상은 더 커지므로, 압축기 임펠러(30)에 최대한 가깝게 너트(36)를 체결하는 것이 요구된다.

이하, 도 1 내지 도 3b를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터 조립체에 대해 설명하고, 도 4를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터 조립체에 대해 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 분해도이이고, 도 3a와 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 단면도이다. 도 3a와 도 3b는 같은 도면이며, 편의상 부호를 나누어 표기하였다.

도 1 내지 도 3b를 참고하면, 연소 가스의 배기 방향과 반대되는 터빈 휠(20)의 뒷면(도면을 기준으로 우측면)에 일정한 길이로 원통형의 돌출 형상을 가진 보스(Boss)부(21)가 형성될 수 있다. 그리고 터빈 휠(20)의 보스(Boss)부(21)에 회전 지지축(50)이 삽입되어 조립될 수 있다. 회전 지지축(50)은 그 외경부가 터빈 휠(20)의 보스부(21) 내경부와 밀착하여 중심을 지지할 수 있다.

다만, 터빈 휠(20)로부터 고온의 열이 전달되지 않도록 회전 지지축(50)의 외경부 일부만 터빈 휠(20) 보스부(21)의 내경부와 접촉하여 회전 지지축 지지 구간(54)을 형성하고, 외경부 나머지는 터빈 휠(20) 보스부(21)의 내경부와 이격되어 회전 지지축 단열 구간(55)을 형성할 수 있다. 또한, 터빈 휠(20) 보스부(21)에 끼워진 회전 지지축(50)의 일단부에 있어서도, 그 가장자리만 터빈 휠(20)과 접촉하여 회전 지지축 지지 구간(54)을 형성하고, 중앙 부분은 터빈 휠(20)과 이격되어 회전 지지축 단열 구간(55)을 형성할 수 있다.

터빈 휠(20)에서 얻은 회전 동력을 압축기 임펠러(30) 및 연결된 부하 장치에 전달하기 위해, 터빈 휠(20)의 회전 토크가 회전 지지축(50)에 전달될 수 있어야 한다. 아울러, 터빈 휠(20)로부터 회전 지지축(50)이 이탈되는 것을 방지할 수 있어야 한다. 이러한 역할은 하나 또는 그 이상의 조립용 핀(57)에 의해서 이뤄질 수 있다. 조립용 핀(57)은 터빈 휠(20) 보스부(21)와 회전 지지축(50)을 관통하여 삽입될 수 있으며, 삽입된 이후 이탈하지 않도록 열박음 또는 용접에 의해 고정될 수 있다. 도면에서 부호 23은 조립용 홀을 나타낸다.

고온에서의 운전 시, 열팽창을 최소화 하기 위해, 회전 지지축(50)은 열팽창율이 낮은 티타늄합금강으로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 터빈 휠 (20) 보스부(21)의 일정 구간은 터빈측 래디얼 베어링부(9)(도 1 참조)를 형성할 수 있다. 도면에서 부호 22는 터빈측 래디얼 베어링 지지부를 나타낸다. 이 때, 베어링은 다양한 방식의 베어링이 적용될 수 있으나, 제1실시예에서는 일례로 슬리브 베어링을 적용하였다. 베어링이 접촉하는 래디얼 베어링부 구간에는 마찰에 대비하여, 강도 향상을 위해 고주파 열처리 등의 표면 경화 처리를 할 수 있다.

터빈 휠(20)과 회전 지지축(50)이 조립된 상태에서, 중심에 중공이 형성된 쓰러스트 베어링 칼라(40)를 회전 지지축(50) 바깥에 끼울 수 있다. 쓰러스트 베어링 칼라(40)의 내경부는 회전 지지축(50)에 접촉하여 중심을 잡아주고, 터빈 휠(20) 측 방향의 측면(도면을 기준으로 좌측면)은 터빈 휠(20) 보스부(21)에 면접촉하여 쓰러스트 베어링 칼라(40)는 회전 지지축(50)을 기준으로 정확히 직각을 유지할 수 있다.

또한, 압축기 임펠러(30)는 압축기 임펠러(30)와 쓰러스트 베어링 칼라(40) 사이의 구간에 공기씰, 오일씰 등의 씰(12)을 위치시키기 위하여 뒷면으로 긴 제1 보스부(31)를 구비할 수 있다. 압축기 임펠러(30)는 주로 5축 가공에 의해 제작되므로, 가공 소재 및 가공 시간을 줄이기 위해서 5축 가공 전의 압축기 임펠러(30) 중간 가공품에 별도 소재의 제1 보스부(31)를 용접한 후, 최종 가공하는 것이 용이할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 압축기 임펠러(30)의 제1 보스부(31)를 가공하기 위해서, 중량을 최소화 하면서도 원심력에 견딜 수 있는 강도를 가진 티타늄합금강을 사용하는 것이 바람직하다.

압축기 임펠러(30) 및 제1 보스부(31)는 모두 중심부에 중공을 형성할 수 있다. 회전 지지축(50)의 회전 동력이 압축기 임펠러(30)에 전달될 수 있도록 회전 지지축(50)의 스플라인 구간(53)은 제1 보스부(31)의 스플라인 구간에 체결될 수 있다. 이때, 스플라인이 원심력이 크게 작용하는 임펠러(30) 구간에 위치하는 경우, 고속 회전시 스플라인으로부터 크랙이 발생할 수 있어 위험하므로, 스플라인 구간(53)은 제1 보스부(31) 구간에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 회전 지지축(50)이 압축기 임펠러(30)의 중심을 지지하되, 열전달을 최소화 하고 조립 시 삽입을 용이하게 하기 위하여 둘 이상의 회전 지지축 지지 구간(54)이 형성될 수 있다. 그 중 하나는 쓰러스트 베어링 칼라(40)와 만나는 제1 보스부(31)의 일측 단부에 형성될 수 있고, 다른 하나는 임펠러 중공부(32)와 만나는 회전 지지축(50)의 타측 단부에 위치하여 회전 지지축(50)이 압축기 임펠러(30)의 중심을 견고하게 지지해 줄 수 있다. 또한, 제1 보스부(31)의 단부는 쓰러스트 베어링 칼라(40)의 측면과 면접촉하여 회전 지지축(50)에 정확히 직각을 유지할 수 있다.

한편, 회전 지지축(50)의 압축기 임펠러(30) 방향 단부에는 스터드 볼트(70) 체결부로 기능하는 회전 지지축 중공부(51)가 형성될 수 있다. 회전 지지축 중공부(51)의 길이는 로터 조립체를 구성하는 부품들의 축방향 열팽창, 스터드 볼트(70)의 항복점, 터빈 휠(20) 및 압축기 임펠러(30)에 작용하는 축 방향 부하 등의 여러 가지 조건들에 의해 결정될 수 있다. 다만, 최소한의 체결력 확보를 위해서 회전 지지축(50) 길이의 대략 1/3 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35)에는 회전 지지축(50)의 직경보다 큰 직경의 중공으로 만들어진 너트 체결부(33)가 형성될 수 있다. 너트 체결부(33)의 길이는 너트 및 와셔를 충분히 수용할 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있다. 특히, 회전 지지축(50)에 압축기 임펠러(30)가 조립된 상태에서, 회전 지지축(50)의 단부가 너트 체결부(33)의 바닥면에 미치치 못하도록 구성될 수 있다. 그러면 회전 지지축(50)의 열팽창 시, 너트가 체결력을 잃어버리는 경우가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

스터드 볼트(70)는 회전 지지축(50)의 터빈 휠(20) 방향 중공의 단부에 형성된 나사탭(52)에 체결될 수 있도록 회전 지지축(50) 삽입 측의 단부에 나사탭(52)을 형성할 수 있다. 이때, 고속 회전 시 진동이 발생하지 않으면서 열전단을 최소화 할 수 있도록 스터드 볼트(70)의 외경부 일부만 회전 지지축(50)의 내경부와 접촉하여 스터드 볼트 지지 구간(71)을 형성하고, 외경부 나머지는 회전 지지축(50)의 내경부와 이격되어 스터드 볼트 단열 구간(72)을 형성할 수 있다.

또한, 스터드 볼트(70)는 회전 지지축(50)에서 벗어난 구간에 나사탭을 형성하여 체결용 너트(80)가 체결될 수 있도록 하며, 터빈 휠(20) 반대 방향의 단부 역시 나사탭을 형성하여 조립 시 유압자키 등으로 체결 후, 압축기 임펠러(30)의 제1 보스부(31)에 지지하여 스터드 볼트(70)의 항복점 아래에서 스터드 볼트(70)를 강하여 당겨 길이를 늘린 후 체결용 너트(80)를 체결할 수 있도록 한다. 도면에서 부호 81은 스터드 볼트 체결용 와셔를 나타낸다.

압축기측 래디얼 베어링(10), 축 커플링(82) 연결부(62), 씰(12) 등을 구성하기 위해서, 연장축(60)을 압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35)에 체결할 수 있다. 연장축(60)은 복수의 연장축 조립용 볼트(64)를 이용하여 압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35)에 체결될 수 있다. 또한, 연장축(60)은 내부 격벽을 중심으로 일측에 스터드 볼트(70)를 수용하기 위한 공간인 스터드 볼트 수용부(61)를 형성하고, 반대측에 축 커플링(82) 연결을 위한 공간인 축 커플링 연결부(62)를 형성할 수 있다. 축 커플링 연결부(62)에는 스플라인이 구성될 수 있다.

연장축(60)을 정확히 압축기 임펠러(30)의 중심과 일치시키기 위한 돌출부가 압축기 임펠러(30)의 너트 체결부(33)에 삽입되도록 구성될 수 있다. 이 경우 연장축(60) 조립 시 연장축(60)의 중심과 회전 지지축(50)의 중심 및 압축기 임펠러(30)의 중심을 일치시킬 수 있다. 압축기 임펠러(30)에 가까운 위치부터 공기, 유증기, 및 오일 누설을 방지하기 위한 씰(12)이 구성될 수 있다.

그 다음으로 압축기 임펠러(30)의 전방(도면을 기준으로 우측 방향)에 래디얼 베어링(10)이 형성되어 로터 조립체를 지지할 수 있다. 특히, 래디얼 베어링(10)의 직경을 줄이기 위해 연장축(60)은 직경이 작은 래디얼 베어링 지지부(65)를 포함할 수 있으며, 래디얼 베어링 지지부(65)에 오일 디플렉터(58)가 설치될 수 있다. 래디얼 베어링 지지부(65)는 축 커플링 연결부(62)를 둘러싸는 연장축(60)의 전방측 부분이다.

오일 디플렉터(58)는 베어링에서 비산되는 오일이 임펠러 흡입부로 넘어가는 것을 막기 위하여 원심력에 의해 오일 입자를 방사상으로 튕겨내는 작용을 한다. 터빈측 래디얼 베어링(9)과 마찬가지로 압축기측 래디얼 베어링(10) 역시 표면 경화 처리를 하여 마찰부에 대한 경도를 높일 수 있다. 도면에서 부호 63은 연장축의 임펠러 조립부를 나타내고, 부호 59는 오일 디플렉터 조립용 볼트를 나타낸다.

전술한 구성을 바탕으로 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

상온에서의 조립 시, 터빈 휠(20)과 회전 지지축(50)이 일체로 조립된 상태에서 회전 지지축(50) 외측에 쓰러스트 베어링 칼라(40)와 압축기 임펠러(30)를 끼우고, 스터드 볼트(70)를 회전 지지축(50)에 삽입하여 체결할 수 있다.

유압자키 등을 이용하여 압축기 임펠러(30) 제1 보스부(31)의 일단면을 바닥면으로 하여 스터드 볼트(70)를 항복점 내에서 당겨서 스터드 볼트(70)의 길이가 늘어난 상태에서 압축기 임펠러(30)의 너트 체결부(33)에 와셔와 너트를 삽입하여 체결할 수 있다. 이 상태에서 유압자키를 제거한 후, 연장축(60)을 너트 체결부(33)에 삽입하고 압축기 임펠러(30) 제2 보스부(35)에 복수의 연장축 조립용 볼트(64)를 체결하여 연장축(60)을 체결한다.

가스 터빈 엔진이 시동되어 로터 조립체가 회전하기 시작하면, 대기 조건, 가스 터빈 엔진의 특성 등에 따라 다르지만 일반적으로 터빈 휠(20)은 연소 가스에 의해 가열되어 정격 운전 시 최소 600℃ 이상의 고온에 이르게 되고, 압축기 임펠러(30) 역시 압축열에 의하여 150℃ 이상의 고온에 이르게 된다. 터빈 휠의 보스부(21)는 베어링 윤활 오일에 의해 냉각될 수 있고, 터빈 휠(20)로 전달되는 열의 일부는 회전 지지축(50)으로 전달된다.

상기한 바와 같이, 회전 지지축(50)과 압축기 임펠러(30)는 티타늄합금강으로 제작될 수 있고, 터빈 휠(20)의 보스부(21)는 니켈합금강으로 제작될 수 있으며, 쓰러스트 베어링 칼라(40)는 일반 탄소합금강으로 제작될 수 있다.

따라서 스터드 볼트(70)를 고려하지 않고, 고온 운전 시 열팽창으로 인한 로터 조립체의 체결력 변화만 고려했을 때, 회전 지지축(50) 구간에 해당하는 터빈 휠(20) 보스부(21), 쓰러스트 베어링 칼라(40), 및 압축기 임펠러(30)의 열팽창 길이의 총합이 회전 지지축(50)의 열팽창 길이보다 큰 경우, 로터 조립체의 체결력이 더 강해질 수 있다. 반면, 터빈 휠(20) 보스부(21), 쓰러스트 베어링 칼라(40), 및 압축기 임펠러(30)의 열팽창 길이의 총합이 회전 지지축(50)의 열팽창 길이보다 작은 경우, 체결력이 약해져서 로터 조립체의 안정성이 문제가 될 수 있다.

기본적으로 회전 지지축(50)으로의 열전달을 최소화 하고 열팽창율이 작은 티타늄합금강으로 회전 지지축(50)을 제작하여 회전 지지축(50)의 외경에 조립된 부품들보다 축 방향 열 팽창량이 최소화 될 수 있도록 구성하였다. 다만, 가스 터빈 엔진은 다양한 대기 조건 및 부하 조건 하에서 운용되므로, 변수 또한 다양하기 때문에 회전 지지축(50)의 열 팽창량이 다른 부품들의 열 팽창량의 총합보다 작지 않을 수 있다.

따라서, 스터드 볼트(70)는 항복점 아래에서 길이가 늘어난 상태로 체결용 너트(80)에 체결되어 있고, 회전 지지축(50)의 열 팽창량이 회전 지지축(50)의 외경에 조립된 부품들의 열 팽창량 보다 더 커진다 해도 상온에서 늘려놓은 길이 한계 내에서는 여전히 상기 부품들을 압착한 상태로 유지해 줄 수 있다.

특히, 전술한 바와 같이 압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35) 내부에 너트 체결부(33)를 구성함으로써, 고속 회전 시 원주 방향으로 부하를 많이 받는 압축기 임펠러(30)에 최대한 가까운 위치에서 압축기 임펠러(30)를 체결해 줄 수 있다. 따라서 회전 시 굽힘을 최소화 할 수 있다. 또한, 종래 기술과 같이 축의 단부에 너트가 위치할 경우 공기씰, 오일씰, 베어링 설치 등의 한계로 인해 너트의 체결면 단면적이 작아질 수 밖에 없다. 이에 반해, 본 실시예는 압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35) 내부에 너트 체결부(33)가 위치하므로 너트 체결력을 충분히 지지할 수 있는 단면적을 확보할 수 있다.

압축기 임펠러(30)의 제2 보스부(35)에 별도의 연장축(60)을 체결함으로써, 상기와 같은 너트 체결부(33) 위치에 따른 긍정적인 효과를 모두 가질 수 있고, 로터 조립체 원주 방향 부하에 적정한 수준의 작은 직경을 가지는 압축기측 래디얼 베어링(10)을 구성할 수 있다. 동시에 연장축(60)의 단부에 축 커플링(82) 연결을 위한 스플라인을 가진 축 커플링 연결부(62)를 구비할 수 있다. 이때, 축 커플링 연결부(62)를 통해 윤활 오일이 너트 체결부(33)로 넘어가는 것을 방지하기 위하여 연장축(60)의 스터드 볼트 수용부(61)와 축 커플링 연결부(62)는 격벽을 사이에 두고 분리되어야 한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체 구성과 작동 원리는 하기와 같다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈 엔진의 로터 조립체를 도시한 단면도이다.

도 4를 참고하면, 제2 실시예에 따른 로터 조립체는, 터빈 휠(20)의 보스부(21)가 주조에 의해 일체형으로 제작되지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 터빈 휠(20)만 주조로 제작하고, 별도로 가공된 보스부(21)를 터빈 휠(20)에 용접한 다음 최종 가공을 할 수 있다. 마찬가지로, 압축기 임펠러(30)만 주조로 제작하고, 별도로 가공된 제1 보스부(31)를 압축기 임펠러(30)에 용접한 다음 최종 가공을 할 수 있다. 상기 특징을 제외하고는 모두 제1 실시예와 동일하다.

보스부(21)를 터빈 휠(20)에 용접하는 경우, 하기와 같은 효과를 가질 수 있다. 첫째, 터빈 휠(20)의 길이가 짧아짐으로써 주조가 용이해질 수 있다. 둘째, 터빈 휠(20)과 보스부(21)의 용접 시 중심부에 공동부(25)를 형성하므로, 터빈 휠(20)로부터 보스부(21)로의 열전달을 감소시킬 수 있다. 셋째, 보스부(21)의 소재로서 일반 탄소합금강을 사용할 수 있으므로, 니켈합금강에 비해 경도를 더욱 강화할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 공기 흡입 덕트 2: 압축기 쉬라우드
3: 압축기 디퓨져 4: 압축 공기 챔버
5: 연소실 6: 터빈 스크롤
7: 터빈 노즐 8: 터빈 쉬라우드
9: 터빈측 래디얼 베어링 10: 압축기측 래디얼 베어링
11: 쓰러스트 베어링 12: 씰
13: 터빈측 베어링 하우징 14: 압축기측 베어링 하우징
20: 터빈 휠 21: 터빈 휠 보스부
22: 터빈측 래디얼 베어링 지지부 23: 터빈 휠 조립용 홀
30: 압축기 임펠러 31: 제1 보스부
32: 임펠러 중공부 33: 너트 체결부
40: 쓰러스트 베어링 칼라 50: 회전 지지축
51: 회전지지축 중공부 52: 나사탭
53: 스플라인 구간 54: 회전 지지축 지지 구간
55: 회전 지지축 단열 구간 56: 회전 지지축 핀 조립용 홀
57: 회전 지지축 조립용 핀 58: 오일 디플렉터
59: 오일 디플렉터 조립용 볼트 60: 연장축
61: 연장축 스터드 볼트 수용부 62: 연장축 축 커플링 연결부
63: 연장축 임펠러 조립부 64: 연장축 조립용 볼트
65: 연장축 래디얼 베어링 지지부 70: 스터드 볼트
71: 스터드 볼트 지지 구간 72: 스터드 볼트 단열 구간
80: 스터드 볼트 체결용 너트 81: 스터드 볼트 체결용 와셔
82: 축 커플링

Claims (9)

1. 연소 가스에 의해 고속으로 회전하는 터빈 휠,
   내부를 관통하는 회전 지지축과 스터드 볼트에 의해 상기 터빈 휠에 결합되고, 상기 터빈 휠과 함께 회전하여 흡입 공기를 가속 및 압축하는 압축기 임펠러,
   상기 터빈 휠과 상기 압축기 임펠러 사이에서 상기 회전 지지축의 외경부에 끼워지며, 양면이 상기 터빈 휠과 상기 압축기 임펠러에 압착되는 쓰러스트 베어링 칼라,
   상기 압축기 임펠러의 전방에서 상기 스터드 볼트 및 상기 압축기 임펠러에 체결되는 연장축, 및
   상기 연장축의 전방에 결합되는 부하 장치 연결을 위한 축 커플링
   을 포함하며,
   상기 스터드 볼트는 상기 압축기 임펠러의 내부에 형성된 너트 체결부에서 체결용 너트에 체결되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 터빈 휠과 상기 압축기 임펠러 각각은 그 후방에 상기 회전 지지축을 수용하는 보스부와 제1 보스부를 각각 구비하고,
   상기 쓰러스트 베어링 칼라는 상기 회전 지지축과 수직을 이루며 양면이 상기 보스부와 상기 제1 보스부에 압착되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 회전 지지축은 상기 스터트 볼트를 수용하는 회전 지지축 중공부를 포함하며,
   상기 스터드 볼트의 일측 단부는 상기 회전 지지축 중공부에서 상기 회전 지지축에 체결되고, 상기 스터트 볼트의 타측 단부는 상기 압축기 임펠러의 전방에 구비된 제2 보스부의 외측으로 돌출되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 연장축은 상기 제2 보스부의 외측으로 돌출된 상기 스터드 볼트를 수용하는 스터드 볼트 수용부와, 내부 격벽에 의해 스터드 볼트 수용부와 분리된 축 커플링 연결부를 포함하며, 상기 제2 보스부에 체결되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연장축의 둘레에 압축기측 래디얼 베어링과, 오일 입자를 방사상으로 튕겨내는 오일 디플렉터가 설치되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 연장축은 상기 축 커플링 연결부를 둘러싸는 전방측 부분을 직경이 작은 래디얼 베어링 지지부로 형성하여 상기 압축기측 래디얼 베어링의 직경을 줄이는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
7. 제3항에 있어서,
   상기 터빈 휠에 상기 회전 지지축이 조립되고, 상기 스터드 볼트의 일측 단부가 상기 회전 지지축에 체결된 이후, 상기 스터드 볼트는 항복점 내에서 당겨져 길이가 늘어난 상태에서 상기 체결용 너트에 체결되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
8. 제3항에 있어서,
   상기 회전 지지축의 표면 일부는 상기 터빈 휠의 보스부, 상기 제1 보스부, 및 상기 압축기 임펠러와 이격되어 회전 지지축 단열 구간을 형성하고,
   상기 스터드 볼트의 표면 일부는 상기 회전 지지축과 이격되어 스터드 볼트 단열 구간을 형성하는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.
9. 제2항에 이어서,
   적어도 하나의 조립용 핀이 상기 터빈 휠의 보스부와 상기 회전 지지축을 관통하고 열박음 또는 용접에 의해 고정되며,
   상기 회전 지지축과 상기 제1 보스부는 각각 스플라인 구간을 형성하여 상호 체결되는 가스 터빈 엔진의 로터 조립체.

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