KR20180072429A - 토크 핀을 구비하는 로터 디스크의 토크 연결 구조 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 가스 터빈의 압축기에 구비되는 로터 축에 삽입 고정되는 복수 개의 로터 디스크 사이를 토크 연결하는 구조에 관한 것으로서, 상기 복수 개의 로터 디스크는 서로 인접하는 로터 디스크끼리 접촉되는 환형의 밀착면을 포함하고, 상기 밀착면을 반경 방향으로 가로지르도록 상기 인접하는 로터 디스크 각각에 형성되는 핀 홈이 구비되며, 상기 인접하는 로터 디스크가 밀착하여 형성되는 핀 홈에 삽입 고정되는 토크 핀을 포함한다.

Description

토크 핀을 구비하는 로터 디스크의 토크 연결 구조{Torque coupling structures of rotor disk having torque pin}

본 발명은 압축기의 로터 디스크 사이를 토크 연결하는 구조에 관한 것으로서, 인접하는 각 로터 디스크 사이에 형성된 환형의 밀착면을 가로질러 토크 핀을 설치함으로써 로터 축 상에 일렬로 배치된 모든 로터 디스크 사이로 토크가 전달될 수 있도록 하는 압축기 로터 디스크의 토크 연결 구조에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충돌력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로서 증기를 이용하면 증기 터빈, 연소가스를 이용하면 가스 터빈이라고 한다.

가스 터빈의 열 사이클은 브레이튼 사이클(Brayton cycle)이며, 압축기와 연소기, 터빈으로 구성된다. 가스 터빈의 작동원리는 먼저 대기의 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 연소가스를 만들어서 터빈을 동작시키고, 배기가스를 대기중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 이루어지는 것이다.

가스 터빈의 압축기는 대기로부터 공기를 흡입하여 연소기에 연소용 공기를 공급하는 역할을 하며, 단열압축 과정을 거치므로 공기의 압력과 공기온도가 올라가게 된다.

연소기에서는 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 내며, 효율을 올리기 위해 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다.

가스 터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환시킨다. 터빈에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는데 이용된다.

가스 터빈은 주요 구성부품에 왕복운동이 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복운동 기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

여기서, 압축기는 연소용과 냉각용으로 사용될 대기 중의 공기를 흡입하여 압축하는 회전기계이다. 압축기에는 고속으로 회전하는 로터 축이 베어링에 의해 지지되어 있으며, 로터 축에는 복수 개의 로터 디스크가 삽입되어 결합된다. 각각의 로터 디스크의 원주방향 외주면 상에는 복수 개의 블레이드가 배치되는데, 압축기로 흡입된 공기는 개개의 로터 디스크가 형성하는 블레이드 단(段)을 연속적으로 지나가면서 점점 고압으로 압축된다.

압축기의 로터 축에 삽입되는 로터 디스크는 서로 토크를 전달할 수 있도록 상호 연결 및 고정되어야 한다. 즉, 개개의 로터 디스크는 서로 토크 연결 구조를 이루어 마치 하나의 몸체처럼 움직여야 하는데, 압축기의 각 단에 배열된 블레이드 사이의 유체역학적 위치 관계가 정확히 유지되어야 계획하였던 수준의 공기 압축이 가능하기 때문이다.

로터 디스크 사이에 토크 연결 구조를 구현하기 위하여 종래에는 각각의 로터 디스크에 일체로 연장 형성된 토크 암을 용접이나 플랜지 이음으로 연결하는 방식을 많이 취하였다.

그러나, 각 로터 디스크 사이에 용접이나 플랜지 이음을 형성하는 것은 상당히 번거롭고 시간이 많이 소요되는 작업이기 때문에 이를 개선할 필요성이 있다.

일본공개특허 제2011-220330호 (2011.11.04 공개)

본 발명은 가스 터빈 압축기의 로터 축에 삽입 고정되는 복수 개의 로터 디스크 사이에 토크가 전달되도록 간편하게 연결할 수 있는 로터 디스크의 토크 연결 구조를 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 가스 터빈의 압축기에 구비되는 로터 축에 삽입 고정되는 복수 개의 로터 디스크 사이를 토크 연결하는 구조에 관한 것으로서, 상기 복수 개의 로터 디스크는 서로 인접하는 로터 디스크끼리 접촉되는 환형의 밀착면을 포함하고, 상기 밀착면을 반경 방향으로 가로지르도록 상기 인접하는 로터 디스크 각각에 형성되는 핀 홈이 구비되며, 상기 인접하는 로터 디스크가 밀착하여 형성되는 핀 홈에 삽입 고정되는 토크 핀을 포함한다.

그리고, 상기 토크 핀의 양단에는 어느 일 방향을 따라 연장된 고정 돌기가 구비되고, 상기 핀 홈의 반경 방향 양단에는 상기 고정 돌기에 대응하는 고정 홈이 형성된다.

여기서, 상기 고정 돌기는 사각 형상일 수 있다.

그리고, 상기 토크 핀의 단면 형상은 사각형 또는 원형일 수 있다.

그리고, 상기 밀착면은 상기 로터 디스크의 최외곽 측면을 따라 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 토크 핀과 핀 홈은 상기 로터 디스크의 원주 방향을 따라 등각도로 복수 개가 이격 배치된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 압축기 로터 디스크의 토크 연결 구조는 로터 디스크의 반경 방향을 가로지르도록 토크 핀을 삽입 설치하는 간단한 구조를 통해 토크 핀에 작용하는 전단력을 통해 인접한 로터 디스크 사이에 토크를 전달할 수 있다.

또한, 토크 핀이 반경 방향으로 이탈되지 않도록 하기 위해 구비되는 고정 돌기 구조를 통해 토크 핀의 회전을 방지할 수 있으며, 나아가 토크 핀의 단면을 사각형으로 만듦으로써 더욱 확실하게 토크 핀의 고정 상태가 항상 동일하게 유지되도록 할 수 있다.

그리고, 토크 핀이 설치되는 로터 디스크 사이의 밀착면을 로터 디스크의 최외곽 측면을 따라 형성함으로써 압축기 로터의 블레이드가 슈라우드(shrouded) 방식이든 캔틸레버 방식이든 간에 관계없이 토크 핀을 적용할 수 있고, 또한 로터 디스크 안쪽에 형성되는 공기 유로에도 영향을 받지 않고 매우 자유롭게 토크 핀을 설치할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압축기 로터 디스크의 토크 연결 구조에 사용되는 토크 핀의 일 실시형태를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 토크 핀이 로터 디스크의 토크 연결에 적용된 상태를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 토크 핀 연결 구조를 확대 도시한 도면.
도 4는 토크 핀의 다른 실시형태를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되어 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

종래에 로터 디스크 사이에 토크 연결 구조를 구현하기 위하여 각각의 로터 디스크에 일체로 연장 형성된 토크 암을 용접이나 플랜지 이음으로 연결하는 방식을 많이 취하였지만, 이는 각 로터 디스크 사이에 일일이 용접이나 플랜지 이음을 형성해야 하기 때문에 상당히 번거롭고 시간이 많이 소요되는 작업이다.

이 외에도 인접하는 로터 디스크 사이를 허스 커플링(Hirth coupling)이나 커빅 커플링(Curbic coupling)으로 연결하여 토크를 전달하는 방식을 취하기도 하였다. 허스 커플링과 커빅 커플링은 각각 로터 디스크의 표면에 원주 방향을 따라 삼각형 단면 또는 사다리꼴 단면의 이빨을 연이어 둥글게 형성하고, 서로 마주보는 로터 디스크의 이빨을 서로 맞물려 토크를 전달하는 연결 구조이다.

허스 커플링과 커빅 커플링은 전달하는 토크를 크게 할 수 있고 자동으로 조심이 이루어지는 장점이 있지만, 이빨을 가공하는데 시간과 비용이 많이 든다는 단점이 크다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점, 즉 로터 디스크 사이의 토크 연결 구조를 구현하는데 비용과 시간이 많이 든다는 문제점을 해결하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 압축기 로터 디스크의 토크 연결 구조에 사용되는 토크 핀의 일 실시형태를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 토크 핀이 로터 디스크의 토크 연결에 적용된 상태를 도시한 도면이며, 도 3은 도 2의 토크 핀 연결 구조를 확대 도시한 도면으로서, 이를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 가스 터빈의 압축기에 구비되는 로터 축(10)에 삽입 고정되는 복수 개의 로터 디스크(100) 사이를 토크 연결하는 구조에 관한 것으로서, 복수 개의 로터 디스크(100)는 서로 인접하는 로터 디스크(100)끼리 접촉되는 환형의 밀착면(110)을 포함하는 형상으로 만들어진다.

그리고, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 각 로터 디스크(100)에는 밀착면(110)을 반경 방향으로 가로지르는 핀 홈(120)이 형성되어 있다. 각 로터 디스크(100)에 형성된 핀 홈(120)은 도 1에 도시된 토크 핀(200)의 두께의 절반에 해당하는 깊이로 파여 있고, 따라서 인접하는 로터 디스크(100)가 핀 홈(120) 끼리 마주보도록 밀착되면 토크 핀(200)의 두께에 대응하는 공간을 가진 하나의 핀 홈(120)으로 완성된다.

이와 같이 두 개의 인접하는 로터 디스크(100)가 밀착되면, 밀착면(110)을 반경 방향으로 가로지르는 하나의 핀 홈(120)이 형성되고, 이 완성된 핀 홈(120)에 도 1의 토크 핀(200)이 끼워져 고정된다.

로터 축(10)에 모든 로터 디스크(100)가 삽입되면 로터 디스크(100)는 축 방향으로 밀착된 상태를 유지하게 되며, 이런 상태에서 토크 핀(200)은 인접하는 로터 디스크(100)의 밀착면(110)을 반경 방향으로 가로지르게 배치되어 있기 때문에 각 로터 디스크(100)가 회전하게 되면 로터 디스크(100)의 밀착면(110)을 따라 배치된 토크 핀(200)에 전단력이 작용하게 된다. 따라서, 토크 핀(200)은 자신에게 작용하는 전단력을 통해 인접한 로터 디스크(100) 사이에 토크를 전달하게 된다.

여기서, 로터 디스크(100)는 고속으로 회전하기 때문에 반경 방향으로 강한 원심력이 작용하게 되는데, 이 원심력은 토크 핀(200)을 밖으로 밀어내는 힘으로 작용하게 된다. 따라서, 토크 핀(200)을 원심력에 의해 빠지지 않는 구조로 만들 필요가 있다.

이를 위해 토크 핀(200)의 양단에는 어느 일 방향을 따라 연장된 고정 돌기(210)가 구비되며, 이에 대응하여 핀 홈(120)의 반경 방향 양단에는 고정 돌기(210)에 상보하는 형상의 고정 홈(122)이 형성된다. 이에 따라, 고정 돌기(210)가 원심력이 작용하더라도 토크 핀(200)이 빠지지 않도록 지탱할 수 있게 된다.

여기서, 원심력만을 생각한다면 토크 핀(200)의 양단이 아니라 반경 방향 내측 쪽에만 고정 돌기(210)를 형성하면 충분할 것이지만, 로터 축(10)이 감속할 경우에는 구심력에 의해 로터 디스크(100)의 안쪽으로 토크 핀(200)이 빠질 우려가 있기 때문에 토크 핀(200)의 양단에 고정 돌기(210)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 토크 핀(200) 양단의 고정 돌기(210)는 토크 핀(200)이 정확히 핀 홈(120)에 끼워지는 것을 확실히 보장하는 역할도 한다.

토크 핀(200)의 양단에 고정 돌기(210)가 구비되면 로터 디스크(100)가 밀착된 상태에서 핀 홈(120)에 끼울 수가 없으므로, 도 2 및 도 3과 같이, 어느 한쪽의 로터 디스크(100) 핀 홈(120)에 토크 핀(200)을 미리 끼워 넣은 상태에서 마주 보는 다른 로터 디스크(100)를 핀 홈(120)을 맞춰서 밀착시키는 방식으로 차례차례 조립할 필요가 있다.

고정 돌기(210)는 사각 형상으로 만드는 것이 좋은데, 삼각 형상은 양쪽 로터 디스크(100)에 대해 대칭을 이루도록 끼웠을 때 전단력의 작용에 충분히 견디기 어렵고, 육각이나 팔각 형성은 원형에 가까워 토크 핀(200)이 회전하려는 운동을 확실하게 억제하기 힘들기 때문이다.

도 4에 도시된 것과 같이, 고정 돌기(210)를 사각 형상으로 만들면 토크 핀(200)의 회전이 충분히 억제되므로 토크 핀(200)의 단면 형상을 원형(즉, 원기둥)으로 만드는 것도 가능하다. 토크 핀(200)의 회전을 확실히 방지한다는 측면으로 본다면 토크 핀(200)의 단면을 사각형으로 만들 수 있을 것이다.

또한, 로터 디스크(100) 사이에 작용하는 토크를 충분히 전달하기 위해서 토크 핀(200)과 핀 홈(120)을 로터 디스크(100)의 원주 방향을 따라 등각도로 복수 개 이격 배치하는 것이 바람직하다. 대형 가스 터빈의 경우에는 대략 12개 정도의 토크 핀(200)이 필요할 수 있다.

그리고, 로터 디스크(100)에 만들어지는 밀착면(110)은 로터 디스크(100)의 최외곽 측면을 따라 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이처럼 로터 디스크(100)의 최외곽 측면에 밀착면(110)을 만들면 로터 디스크(100)에 설치되는 블레이드가 슈라우드(shrouded) 방식이든 캔틸레버 방식이든 간에 관계없이 전술한 토크 핀(200)을 적용할 수 있으며, 또한 로터 디스크(100) 안쪽에 형성되는 공기 유로에 영향을 받지 않고 상당히 자유롭게 핀 홈(120)을 형성할 수 있다는 이점이 있기 때문이다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 로터 축 100: 로터 디스크
110: 밀착면 120: 핀 홈
122: 고정 홈 200: 토크 핀
210: 고정 돌기

Claims (6)

1. 가스 터빈의 압축기에 구비되는 로터 축에 삽입 고정되는 복수 개의 로터 디스크 사이를 토크 연결하는 구조에 있어서,
   상기 복수 개의 로터 디스크는 서로 인접하는 로터 디스크끼리 접촉되는 환형의 밀착면을 포함하고,
   상기 밀착면을 반경 방향으로 가로지르도록 상기 인접하는 로터 디스크 각각에 형성되는 핀 홈이 구비되며,
   상기 인접하는 로터 디스크가 밀착하여 형성되는 핀 홈에 삽입 고정되는 토크 핀을 포함하는 로터 디스크의 토크 연결 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 토크 핀의 양단에는 어느 일 방향을 따라 연장된 고정 돌기가 구비되고,
   상기 핀 홈의 반경 방향 양단에는 상기 고정 돌기에 대응하는 고정 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 로터 디스크의 토크 연결 구조.
3. 제2항에 있어서,
   상기 고정 돌기는 사각 형상인 것을 특징으로 하는 로터 디스크의 토크 연결 구조.
4. 제3항에 있어서,
   상기 토크 핀의 단면 형상은 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 로터 디스크의 토크 연결 구조.
5. 제1항에 있어서,
   상기 밀착면은 상기 로터 디스크의 최외곽 측면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 로터 디스크의 토크 연결 구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 토크 핀과 핀 홈은 상기 로터 디스크의 원주 방향을 따라 등각도로 복수 개가 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 로터 디스크의 토크 연결 구조.
   

Images