KR20170017062A - 가스터빈 압축기 - Google Patents

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KR20170017062A
KR20170017062A KR1020150110392A KR20150110392A KR20170017062A KR 20170017062 A KR20170017062 A KR 20170017062A KR 1020150110392 A KR1020150110392 A KR 1020150110392A KR 20150110392 A KR20150110392 A KR 20150110392A KR 20170017062 A KR20170017062 A KR 20170017062A
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inner circumferential
blade
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KR1020150110392A
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남삼식
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전축; 상기 회전축의 외주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치되고, 상기 회전축 방향으로 복수열로 설치되는 블레이드; 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치되고, 상기 회전축 방향으로 상기 블레이드와 각각 교차하도록 복수열로 설치되는 베인; 및 상기 블레이드와 마주하도록 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 그루브부;를 포함하고, 그루브부에 의해 가스터빈 압축기의 구동중에 팁 누설 와류와 충격파의 상호작용을 통해 발생하는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 진동과 소음을 감소시키고, 가스터빈 압축기의 작동 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 가스터빈 압축기에 관한 것이다.

Description

가스터빈 압축기{Compressor of gas turbine}
본 발명은 가스터빈 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블레이드와 마주하도록 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 그루브부에 의해 가스터빈 압축기의 구동중에 발생하는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 가스터빈 압축기의 안정성을 향상할 수 있는 가스터빈 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 발전소등에서 발전기를 회전시키기 위한 동력원 중의 하나로 가스터빈이 많이 사용되고 있다.
이러한 가스터빈은 압축기, 연소기, 및 터빈을 구비한다.
가스터빈은 축으로 연결되어 터빈에 의해 구동되는 압축기를 구비한다.
공기유입구로부터 유입된 공기가 압축기 내부에서 압축된다.
압축기에서 압축되는 압축공기가 연소시스템으로 유입되는데, 이러한 연소시스템은 1개 또는 다수의 연소기와 연소기 내부에 연료를 분사하는 연료노즐을 구비한다.
연소기에서 연료노즐을 통해 유입되는 연료와 압축공기가 함께 연소되고, 이에 따라 고온의 압축가스가 생성된다.
연소기에서 만들어지는 고온의 압축가스는 터빈으로 유입된다.
터빈으로 유입된 고온의 압축가스가 팽창하면서 터빈과 연결된 로터를 회전시켜 발전하게 되고, 터빈에서 생성되는 팽창가스는 외부로 방출되거나 열병합 발전시설을 거쳐 외부로 배출되게 된다.
일반적으로 가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱내에 다수가 배열된다.
가스터빈은 연소실에서 압축공기와 연료가 연소될 때 발생하는 고온 고압의 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 발전기의 구동에 필요한 회전력을 발생시킨다.
종래 가스터빈 압축기는 압축기의 구동중에 블레이드의 반경방향 외측단부와 압축기의 내주면 사이의 간극인 팁 간극이 존재한다.
이러한 팁 간극(tip clearance)을 통해 블레이드의 정압면에서 부압면 방향으로 작동유체의 주류적인 흐름과 다른 흐름인 클리어런스 플로우(cleance flow)가 발생한다.
또한, 가스터빈 압축기는 블레이드 사이에서 작동유체의 주류적인 흐름이 음속에 도달하는 천음속 구간을 포함하고, 천음속 구간에서 충격파(Shock wave)가 발생한다.
이처럼, 종래 가스터빈 압축기는 팁 간극 사이의 클리어런스 플로우에 따른 팁 누설 와류(Vortex)와 충격파(Shock wave)의 상호작용으로 인해 실속(stall) 또는 서지(surge)가 발생하여 압축기의 구동중에 진동이 증가하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 가스터빈 압축기는 실속이나 서지에 의해 가스터빈 압축기의 구동중에 소음이 증가하는 문제점이 있었다.
더욱이, 종래 가스터빈 압축기는 실속이나 서지 발생에 의해 가스터빈 엔진의 시동 구간에서 엔진 가속률을 감소시키는 문제점이 있었다.
게다가, 종래 가스터빈 압축기는 실속이나 서지에 따른 진동에 의해 압축기 부품의 수명이 감소되는 문제점이 있었다.
일본 특허공개공보 제2015-0078662호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 블레이드 사이의 작동유체의 흐름이 천음속에 도달하는 블레이드와 마주하도록 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 그루브부에 의해 가스터빈 압축기의 구동중에 팁 누설 와류와 충격파의 상호작용을 통해 발생하는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 진동과 소음을 감소시키고, 가스터빈 압축기의 작동 안정성, 신뢰성 및 효율을 향상시킬 수 있는 가스터빈 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 가스터빈 압축기는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전축; 상기 회전축의 외주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치되고, 상기 회전축 방향으로 복수열로 설치되는 블레이드; 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치되고, 상기 회전축 방향으로 상기 블레이드와 각각 교차하도록 복수열로 설치되는 베인; 및 상기 블레이드와 마주하도록 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 그루브부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기의 그루브부는 각각의 상기 블레이드의 반경방향 외측단부의 회전축 방향 길이에 대응하도록 상기 케이싱의 내주면에 회전축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 복수개로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기의 그루브부는 각각 상기 케이싱의 내주면에서 상기 케이싱의 외주면 방향으로 연장 형성되는 유입부; 및 상기 유입부와 연통되고 작동유체를 수용하도록 상기 케이싱의 내부에 형성되는 챔버부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기의 그루브부는 각각의 상기 블레이드 사이의 작동유체의 흐름이 천음속에 도달하는 블레이드와 마주하는 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기의 그루브부는 제1단 블레이드 또는 제2단 블레이드와 마주하는 상기 케이싱의 전단 내주면에 원주방향을 따라 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기의 그루브부의 유입부는 상기 유입부의 폭이 상기 유입부의 깊이보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기는 상기 그루브부와 상기 블레이드 사이의 간극을 측정하기 위해 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 팁 간극 측정유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기는 상기 케이싱 내부를 유동하는 작동유체의 동압을 측정하기 위해 상기 케이싱의 일부에 설치되는 동압측정유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기의 다른 실시예에서, 가스터빈 압축기는 상기 팁 간극 측정유닛에 의해 측정된 팁 간극과 상기 동압측정유닛에 의해 측정된 작동유체의 동압에 따라 상기 회전축을 축방향을 따라 이동시켜 상기 팁 간극을 조절하기 위한 팁 간극 조절유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 가스터빈 압축기는 블레이드 사이의 작동유체의 흐름이 천음속에 도달하는 블레이드와 마주하도록 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 그루브부에 의해 가스터빈 압축기의 구동중에 팁 누설 와류와 충격파의 상호작용을 통해 발생하는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 작동 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 가스터빈 압축기의 구동중에 발생하는 진동이나 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 가스터빈 엔진의 시동 구간에서 엔진의 가속률을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 의한 가스터빈 압축기는 진동 감소에 따라 압축기 부품의 수명을 증가시키고, 가스터빈 압축기의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 A부분의 상세도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 B부분의 상세도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 단면도를 나타내고, 도 2는 도 1의 A부분의 상세도를 나타내며, 도 3은 도 2의 B부분의 상세도를 나타낸다.
이하에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다. "회전축 방향"이라 함은 가스터빈의 로터와 같은 회전축의 길이방향을 의미하고, "반경방향"이라 함은 회전축의 중심에서 회전축의 외주면으로 향하는 방향 및 그 역방향을 의미한다. 또한, "원주방향"이란 회전축의 외측 둘레면 방향을 의미한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기를 설명한다. 도 1 내지 도 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기는 케이싱(100), 회전축(200), 블레이드(300), 베인(400), 및 그루브부(500)로 이루어진다.
케이싱(100)은 가스터빈 압축기의 외형을 형성한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 케이싱(100)은 대략 중앙이 관통된 원통형상으로 형성된다.
케이싱(100)의 내부에 후술하는 회전축(200)과 블레이드(300) 및 베인(400)이 설치된다.
회전축(200)이 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 회전축(200)은 가스터빈의 터빈의 회전축과 동일한 축선상에 위치하고, 터빈의 회전축과 연결부재 등을 통해 연결된다.
블레이드(300)가 회전축(200)의 외주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치된다. 또한, 블레이드(300)는 회전축의 방향으로 복수열로 설치된다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 블레이드(300)는 블레이드(300)의 반경방향 외측단부(310)는 케이싱의 내주면(120)과 소정 간격 이격되도록 형성된다. 즉, 소정의 팁 간극을 갖도록 회전축(200)의 외주면에 회전축 방향으로 복수열로 형성된다.
베인(400)이 케이싱의 내주면(120)에 원주방향을 따라 복수개로 설치된다. 또한, 베인(400)은 회전축 방향으로 복수열로 회전축의 외주면에 설치되는 블레이드(300)와 각각 교차하도록 복수열로 설치된다.
즉, 블레이드(300)와 베인(400)이 케이싱(100)의 내부에서 회전축 방향을 따라 서로 교차하도록 복수열로 설치된다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 베인(400)은 베인의 반경방향 내측단부가 회전축(200)과 소정 간격 이격되도록 형성된다.
이처럼, 블레이드(300)의 반경방향 외측단부(310)가 케이싱의 내주면(120)에 대해 소정의 팁 간극를 갖도록 설치되고, 베인(400)의 반경방향 내측단부가 회전축(200)과 소정 간격 이격되도록 형성됨에 따라 케이싱의 전단(130)의 공기유입구를 통해 유입된 공기가 블레이드(300)와 베인(400)에 의해 고온 고압으로 압축되면서 케이싱의 후단(140)으로 유동하게 된다.
도 1 및 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 그루브부(500)는 각각의 블레이드(300)의 반경방향 외측단부(310)와 소정의 팁 간극을 갖고 블레이드(300)의 반경방향 외측단부(310)의 축방향 길이에 대응하도록 케이싱의 내주면(120)에 축방향을 따라 소정 간격 이격되도록 복수개로 형성된다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 그루브부(500)는 각각 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator) 형상으로 형성된다.
도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 각각의 그루브부(500)는 유입부(510)와 챔버부(520)를 포함한다.
유입부(510)가 케이싱의 내주면(120)에서 케이싱의 외주면(110) 방향으로 소정의 깊이(H)와 폭(L)을 갖도록 연장 형성된다.
바람직하게는 유입부(510)의 폭(L)이 유입부의 깊이(H)보다 작게 형성된다.(L<H)
유입부(510)의 폭(L)이 유입부의 깊이(H)보다 크게 형성되는 경우에는 천음속 구간에서 챔버부(520)로 유입되는 작동유체가 감소되어 소정의 실속 마진(stall margin)을 달성할 수 없기 때문이다.
챔버부(520)는 케이싱(100)의 내부에 형성된다. 또한, 챔버부(520)의 일측이 유입부(510)와 연통된다.
즉, 챔버부(520)는 유입부(510)의 반경방향 외측단부에서 케이싱의 내주면(120)과 케이싱의 외주면(130) 사이에 형성된다.
도 2 및 도 3에서 챔버부(520)가 육면체 형상으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 소정의 부피를 갖는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 챔버부(520)는 필요에 따라 구형, 원통형상 등으로도 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브부(500)는 각각의 블레이드(300)와 베인(400) 사이의 작동유체인 유입 공기의 흐름이 천음속에 도달하는 블레이드(천음속동 블레이드)와 마주하는 케이싱의 내주면(120)에 원주방향을 따라 형성된다.
이에 따라, 가스터빈 압축기의 구동중에 팁 누설 와류와 충격파의 상호작용을 통해 발생하는 실속이나 서지 발생을 최소화하여 가스터빈 압축기의 구동시에 진동이나 소음을 저감하고, 가스터빈 압축기의 작동 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 그루브부(500)는 제1단 블레이드(310)와 마주하는 케이싱의 전단(130)의 내주면(120)에 원주방향을 따라 형성된다. 즉, 그루브부(500)가 회전축(200) 방향으로 1개만 형성된다.
또한, 도 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기의 그루브부(500)는 제1 단 블레이드(301) 및 제2 단 블레이드(302)와 마주하는 케이싱의 전단(130)의 내주면(120)에 원주방향을 따라 형성된다. 즉, 그루브부(500)가 회전축(200) 방향으로 2개가 형성된다.
그루부브(500)가 압축기 케이싱(100) 내부에서 천음속이 발생하는 제1단 블레이드(301) 또는 제1 단 블레이드(310)와 제2 단 블레이드(302)와 마주하독 케이싱의 전단(130)의 내주면(120)에 원주방향을 따라 형성됨에 따라, 가스터빈 압축기의 구동중에 팁 누설 와류와 충격파의 상호작용을 통해 발생하는 실속이나 서지 발생을 최소화하고 실속 마진을 증가시켜 실속지연을 통해 진동이나 소음을 저감하고, 가스터빈 엔진의 시동 구간에서 엔진 가속률을 증가시켜 압축기의 효율을 극대화하며, 가스터빈 엔진의 신뢰성과 품질을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기는 팁 간극 측정유닛(600) 및 동압측정유닛을 더 포함한다.
팁 간극 측정유닛(600)이 그루브부(600)와 블레이드(300) 사이의 팁 간극을 측정하기 위해 케이싱의 내주면(120)에 설치된다.
도 2에서 팁 간극 측정유닛(600)이 1개 설치된 것으로 도시되어 있으나, 바람직하게는 팁 간극 측정유닛(600)은 케이싱의 내주면(120)에 형성되는 그루브부(600)의 개수에 대응하도록 회전축 방향을 따라 케이싱의 내주면(120)에 복수개로 설치될 수 있다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 팁 간극 측정유닛(600)은 거리 측정 센서로 형성될 수 있다.
동압측정유닛(700)이 케이싱(100) 내부를 유동하는 작동유체의 동압을 측정하기 위해 케이싱(100)의 일부에 설치된다.
도 2에서 동압측정유닛(700)이 케이싱의 전단(130)에 1개 설치된 것으로 도시되어 있으나, 동압측정유닛(700)은 케이싱의 전단(130)과 후단(140)에 2개가 설치될 수 있다.
또한, 필료에 따라 동압측정유닛(700)은 회전축 방향으로 케이싱(100)에 3개 이상이 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가스터빈 압축기는 팁 간극 조절유닛을 더 포함할 수 있다.
팁 간극 조절유닛은 팁 간극 측정유닛(600)에 의해 측정된 팁 간극(블레이드의 반경방향 외측단부와 케이싱의 내주면 사이의 거리)과 동압측정유닛에 의해 측정된 작동유체의 동압에 따라 회전축(200)을 축방향을 따라 이동시켜 팁 간극을 조절하는 기능을 수행한다.
유압피스톤 또는 공압피스톤에 의해 회전축(200)을 수평방향으로 이동시켜 압축기에서 발생하는 실속과 서지를 최소화할 수 있는 팁 간극을 유지하여 가스터빈 압축기의 작동 안정성을 도모할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
100 : 케이싱, 110 : 외주면,
120 : 내주면, 130 : 전단,
140 : 후단, 200 : 회전축,
300 : 블레이드, 301 : 제1단 블레이드,
302 : 제2단 블레이드, 310 : 반경방향 외측단부,
320 : 반경방향 내측단부, 400 : 베인,
500 : 그루브부, 510 : 유입부,
520 : 챔버부, 600 : 팁 간극 측정유닛,
700 : 동압측정유닛, L : 유입부의 폭,
H : 유입부의 깊이.

Claims (9)

  1. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전축;
    상기 회전축의 외주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치되고, 상기 회전축 방향으로 복수열로 설치되는 블레이드;
    상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 복수개로 설치되고, 상기 회전축 방향으로 상기 블레이드와 각각 교차하도록 복수열로 설치되는 베인; 및
    상기 블레이드와 마주하도록 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 그루브부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그루브부는 각각의 상기 블레이드의 반경방향 외측단부의 회전축 방향 길이에 대응하도록 상기 케이싱의 내주면에 회전축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그루브부는 각각,
    상기 케이싱의 내주면에서 상기 케이싱의 외주면 방향으로 연장 형성되는 유입부; 및
    상기 유입부와 연통되고 작동유체를 수용하도록 상기 케이싱의 내부에 형성되는 챔버부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그루브부는 각각의 상기 블레이드 사이의 작동유체의 흐름이 천음속에 도달하는 블레이드와 마주하는 상기 케이싱의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그루브부는 제1단 블레이드 또는 제2 단 블레이드와 마주하는 상기 케이싱의 전단 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그루브부의 유입부는,
    상기 유입부의 폭이 상기 유입부의 깊이보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그루브부와 상기 블레이드 사이의 간극을 측정하기 위해 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 팁 간극 측정유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 케이싱 내부를 유동하는 작동유체의 동압을 측정하기 위해 상기 케이싱의 일부에 설치되는 동압측정유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 팁 간극 측정유닛에 의해 측정된 팁 간극과 상기 동압측정유닛에 의해 측정된 작동유체의 동압에 따라 상기 회전축을 축방향을 따라 이동시켜 상기 팁 간극을 조절하기 위한 팁 간극 조절유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 압축기.









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JP2015078662A (ja) 2013-10-17 2015-04-23 三菱重工業株式会社 圧縮機、及びガスタービン

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