KR20200126773A - 터빈의 실링 모듈 및 이를 포함하는 발전용 터빈 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 터빈의 실링 모듈은 고정체의 내주면에 배치되고 실링부, 슈라우드 및 래버린스 시일을 포함한다. 실링부는 고정체의 내주면에 배치된다. 실링부는 복수의 중공을 포함한다. 실링부는 원주방향으로 연장된다. 슈라우드는 일면이 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드의 선단부를 감싼다. 슈라우드는 실링부를 향해 돌출되는 래버린스 시일을 포함한다. 래버린스 시일은 대향면의 회전체의 축방향으로의 너비(L)가 실링부의 중공을 형성하는 복수의 면 중 서로 대향하는 어느 두 면이 이루는 거리 중에서 회전체의 축방향으로 가장 긴 거리인 중공폭(W)의 길이와 같거나 길게 이루어진다.
본 발명의 터빈의 실링 모듈에 의하면, 터빈에서 발생하는 공기의 누설 유동을 저감시킬 수 있으며, 실링부와 슈라우드 사이에 적정의 간극을 확보하는 동시에 가스 터빈의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

터빈의 실링 모듈 및 이를 포함하는 가스 터빈 {SEALING MODULE OF TURBINE AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}

본 발명은 터빈의 실링 모듈 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 로터가 회전하게 된다.

가스터빈의 효율을 향상시키기 위해 다양한 시도가 이루어지고 있으며, 연소가스의 누설량을 줄이는 것도 그 중 하나이다. 즉, 터빈의 단부와 하우징 사이에 간극이 형성되는데, 간극은 연소가스의 누설이 이루어지는 주된 경로 중 하나이다. 따라서, 상기와 같은 누설을 차단하기 위한 실링 모듈을 필요로 하게 된다.

본 발명은 연소기에서 터빈으로 유입되는 공기의 누설 유동을 저감시킬 수 있는 터빈의 실링 모듈과 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈은 실링부, 슈라우드 및 래버린스 시일을 포함한다. 실링부는 고정체의 내주면에 배치된다. 실링부는 복수의 중공을 포함한다. 실링부는 원주방향으로 연장된다. 슈라우드는 일면이 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드의 선단부를 감싼다. 슈라우드는 실링부를 향해 돌출되는 래버린스 시일을 포함한다. 래버린스 시일은 대향면의 회전체의 축방향으로의 너비(L)가 실링부의 중공을 형성하는 복수의 면 중 서로 대향하는 어느 두 면이 이루는 거리 중에서 회전체의 축방향으로 가장 긴 거리인 중공폭(W)의 길이와 같거나 길게 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 래버린스 시일은 래버린스 시일의 대향면의 너비(L)와 중공폭(W)의 비인 L/W가 1 내지 3이 되도록 이루어 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 슈라우드는 축방향을 따라 서로 이격되어 2 이상 배치되는 래버린스 시일을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 슈라우드는 제1 래버린스 시일, 및 제1 래버린스 시일과 축방향을 따라 서로 이격되는 제2 래버린스 시일을 포함하고, 제1 래버린스 시일 및 제2 래버린스 시일의 축방향 중심간 거리인 피치(P)와 중공폭(W)과의 비인 P/W는 2.5 내지 7 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 제1 래버린스 시일 및 제2 래버린스 시일 사이에 제1 래버린스 시일 및 제2 래버린스 시일의 두께보다 두께가 얇은 홈이 형성되며, 홈의 너비(D)와 중공폭(W)의 비인 D/W는 0.5 내지 5.6 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 슈라우드는, 래버린스 시일의 대향면과 홈의 바닥면의 높이 차(Tb)는 2L/5 이상 4L/5 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 실링부는, 복수의 중공의 단면이 삼각형, 사각형, 원형 및 육각형 중 적어도 하나가 되도록 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 실링부는 허니콤 시일일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 허니콤 시일의 중공의 단면이 정육각형일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 슈라우드의 타면은 슈라우드의 두께가 가장 얇은 바닥면, 슈라우드의 두께가 가장 두꺼우며, 래버린스 시일이 돌출되어 실링부를 대향하는 대향면 및 바닥면과 대향면을 연결하는 돌출면을 포함하고, 바닥면과 돌출면의 하부는 곡면으로 이어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 대향면과 돌출면의 상부는 소정의 각도를 이루며 만날 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈은 실링부, 슈라우드 및 래버린스 시일을 포함한다. 실링부은 고정체의 내주면에 배치된다. 실링부는 복수의 중공을 포함한다. 실링부는 원주방향으로 연장된다. 슈라우드는 일면이 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드의 선단부를 감싼다. 슈라우드는 실링부를 향해 돌출되어 실링부를 대향하는 대향면을 포함하는 래버린스 시일을 포함한다. 래버린스 시일은 대향면의 폭이 축방향과 교차되는 가상의 면에 포함되는 실링부의 면을 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 커버하도록 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 대향면은 축방향과 교차하고, 축방향으로 이격된 2 이상의 가상의 면에 포함되는 실링부의 면을 원주방향을 따라 2 이상 커버하도록 이루어 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 슈라우드는 축방향을 따라 서로 이격되어 2 이상 배치되는 래버린스 시일을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈에서 제1 래버린스 시일 및 제1 래버린스 시일과 축방향으로 이격되는 제2 래버린스 시일의 중심간 축방향으로의 이격 구간에는, 축방향과 교차되고 축방향으로 서로 이격되는 가상의 면에 포함되는 실링부의 면이 2개 내지 7개가 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한다. 연소기는 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시킨다. 터빈은 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전한다. 터빈은 실링부, 슈라우드, 래버린스 시일을 포함한다. 실링부는 고정체의 내주면에 배치되고, 복수의 중공을 포함하며 원주방향으로 연장된다. 슈라우드는 일면이 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드의 선단부를 감싼다. 슈라우드는 실링부를 향해 돌출되어 실링부를 대향하는 대향면을 포함하는 래버린스 시일을 포함한다. 래버린스 시일은 대향면이 축방향과 교차하는 가상의 면에 포함되는 실링부의 면을 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 커버하도록 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서 래버린스 시일은, 향면의 너비(L)와, 실링부의 중공을 형성하는 복수의 면 중 서로 대향하는 어느 두 면이 이루는 거리 중에서 회전체의 축방향으로 가장 긴 거리인 중공폭(W)의 비인 L/W가 1 내지 3이 되도록 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서 슈라우드는 축방향을 따라 서로 이격되어 2 이상 배치되는 래버린스 시일을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서 제1 래버린스 시일 및 제1 래버린스 시일과 축방향으로 이격되는 제2 래버린스 시일의 중심간 축방향으로의 이격 구간에는, 축방향과 교차되고 축방향으로 서로 이격되는 가상의 면에 포함되는 실링부의 면이 2개 내지 7개가 배치될 수 있다.

본 발명은 실링부와 슈라우드 사이에 적정의 간극을 확보하여 터빈에서 발생하는 공기의 누설 유동을 저감시킬 수 있으며 이에 따라, 가스 터빈의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 일부를 개략적으로 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 5는 터빈의 실링 모듈의 밀폐성능의 변화를 설명하기 위하여 터빈의 실링 모듈의 다양한 실험례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 4a의 터빈 실링 모듈을 확대한 개념도이다.
도 7은 터빈의 실링 모듈에서 래버린스 시일의 홈의 너비와 대향면의 너비의 비에 따른 밀폐성능의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 실링부를 도시한 평면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 압축기 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1110)를 회전시키며, 압축기 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 압축기 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 압축기 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.

압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 환형으로 배치되는 복수의 연소 챔버(1210)와 연료 노즐 모듈(1220)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 하우징(1010)을 구비하고 있고, 하우징(1010)의 후측에는 터빈을 통과한 연소 가스가 배출되는 디퓨져(1400)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨져(1400)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1200)가 배치된다.

이하에서는 본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 방향을 정의한다. 도 2를 참고하면, 축방향(Da)은 타이로드(1600)와 평행한 방향이다. 반경방향(Dr)은 축방향(Da)과 서로 수직하게 교차하는 방향이다. 그리고, 원주방향(Dc)은 축방향(Da)을 중심으로 회전하는 방향이며, 압축기 블레이드(1110) 및/또는 터빈 블레이드(1340)가 회전하는 방향이다. 원주방향(Dc)은 블레이드가 회전하는 방향을 따라, 하우징(1010)의 내주면을 따르는 방향이라고 볼 수 있다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(1010)의 상류측에 압축기 섹션(1100)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(1100)과 터빈 섹션(1300)의 사이에는 터빈 섹션(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(1100)으로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브 유닛(1500)이 배치되어 있다.

압축기 섹션(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)들은 타이로드(1600)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 회전축을 구성하는 타이로드(1600)가 대략 중앙을 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 대향하는 면이 타이로드(1600)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

압축기 로터 디스크(1120)의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드(1110)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 압축기 블레이드(1110)는 도브테일부(1112)를 구비하여 압축기 로터 디스크(1120)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(1120)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 베인은 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

도브테일부(1112)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스 터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

타이로드(1600)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(1120) 및 터빈 로터 디스크(1320)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 타이로드(1600)는 하나 또는 복수의 타이로드로 구성될 수 있다. 타이로드(1600)의 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타이로드(1600)의 타측 단부는 고정 너트(1450)에 의해 체결된다.

타이로드(1600)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 2에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨져(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.

연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소 가스 온도를 높이게 된다.

가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소 가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소 가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소 가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

터빈(1300)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 터빈(1300)에도 압축기의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(1320)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(1320) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1340)를 포함한다. 터빈 블레이드(1340) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1320)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(1320)의 터빈 블레이드(1340)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.

도 3을 참조하면, 터빈 로터 디스크(1320)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수 개의 결합 슬롯(1322)이 형성되어 있다. 결합 슬롯(1322)은 전나무(fir-tree) 형태의 굴곡면을 갖도록 형성된다.

결합 슬롯(1322)에 터빈 블레이드(1340)가 체결된다. 도 3에서, 터빈 블레이드(1340)는 대략 중앙부에 평판 형태의 플랫폼부(1341)를 갖는다. 플랫폼부(1341)는 이웃한 터빈 블레이드의 플랫폼부(1341)와 그 측면이 서로 접하여 블레이드들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다.

플랫폼부(1341)의 저면에는 루트부(1342)가 형성된다. 루트부(1342)는 상술한 로터 디스크(1320)의 결합 슬롯(1322)에 로터 디스크(1320)의 축방향을 따라서 삽입되는, 액셜 타입(axial-type)의 형태를 갖는다.

루트부(1342)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 결합 슬롯에 형성된 굴곡부의 형태와 상응하도록 형성된다. 여기서, 루트부의 결합구조는 반드시 전나무 형태를 가질 필요는 없고, 도브테일 형태를 갖도록 형성될 수도 있다.

플랫폼부(1341)의 상부면에는 블레이드부(1343)가 형성된다. 블레이드부(1343)는 가스 터빈의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지를 갖는다.

여기서, 압축기의 블레이드와는 달리, 터빈의 블레이드는 고온고압의 연소 가스와 직접 접촉하게 된다. 연소 가스의 온도는 1700℃에 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각 수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 압축기의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 터빈측 블레이드로 공급하는 냉각 유로를 갖게 된다.

냉각 유로는 하우징 외부에서 연장되거나(외부 유로), 로터 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 도 3에서, 블레이드부의 표면에는 다수의 필름 쿨링홀(1344)이 형성되는데, 필름쿨링홀(1344)들은 블레이드부(1343)의 내부에 형성되는 쿨링 유로(미도시)와 연통되어 냉각 공기를 블레이드부(1343)의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.

한편, 터빈의 블레이드부(1343)는 하우징의 내부에서 연소 가스에 의해 회전하게 되며, 블레이드부가 원활하게 회전할 수 있도록 블레이드부(1343)의 끝단과 하우징의 내면 사이에는 간극이 존재하게 된다. 다만, 상술한 바와 같이 간극을 통해 연소 가스가 누설될 수 있으므로, 이를 차단하기 위한 실링 모듈을 필요로 하게 된다.

터빈 베인과 터빈 블레이드는 공히 에어포일 형태로서, 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면, 압력면으로 구성된다. 터빈 베인과 터빈 블레이드의 내부는 냉각 시스템을 형성하는 복잡한 미로 구조를 포함한다. 베인과 블레이드 내의 냉각 회로는 터빈 엔진의 압축기로부터의 냉각 유체, 예를 들어 공기를 수용하며, 베인과 블레이드 캐리어에 결합되도록 이루어진 베인과 블레이드의 단부를 통해 유체가 통과한다. 냉각 회로는 통상 비교적 균일한 온도에서 터빈 베인과 블레이드의 모든 면들을 유지할 수 있도록 설계된 다수의 유동 경로를 포함하며, 이들 냉각 회로를 통과하는 유체의 적어도 일부는 베인의 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면, 압력면의 개구들을 통해 배출된다.

베인과 블레이드 내부에는 냉각 회로를 구성하는 복수의 냉각 채널이 구비되고, 복수의 냉각 채널 입구측에는 미터링 플레이트가 구비된다. 미터링 플레이트에는 각 냉각 채널의 입구에 대응하는 냉각홀이 하나씩 형성된다.

한편, 터빈의 블레이드부(1343)는 하우징의 내부에서 연소가스에 의해 회전하게 되며, 블레이드부(1343)가 원활하게 회전할 수 있도록 블레이드부(1343)의 끝단과 하우징의 내면 사이에는 간극이 존재하게 된다. 다만, 상술한 바와 같이 간극을 통해 연소가스가 누설될 수 있으므로, 이를 차단하기 위한 실링 모듈(수단)을 필요로 하게 된다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 일부를 개략적으로 도시한 일부 절개 사시도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 터빈의 실링 모듈은 실링부(100), 슈라우드(200) 및 슈라우드(200)의 일측에서 돌출되는 래버린스 시일(210)을 포함한다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 터빈(1300)은 연소가스에 의한 유동을 매개로 회전축(A)에 대해 고속으로 회전하는 터빈 블레이드(1340)를 포함하고, 유동의 누설은 터빈 블레이드(1340)의 자유 단부와 하우징(1010) 사이의 간극 부위에서 이루어진다. 즉, 연소 후 배출되는 연소가스의 유동은 터빈 블레이드(1340)를 거쳐 배출되는 주 유동(C), 터빈 블레이드(1340)와 하우징(1010) 사이의 간극 부위를 향하는 누설 유동(D)으로 크게 구분될 수 있다.

연소가스의 누설 유동(D)은 기관의 효율을 결정짓는 데 큰 요소로 작용하기 때문에, 터빈 블레이드(1340)의 자유단부에 위치한 슈라우드(200)는 외측면에 하우징(1010)의 내주면을 향해 돌출된 래버린스 시일(210)을 일체로 형성하게 된다. 래버린스 시일(210)은 실링부(100)를 향해 돌출되어 실링부(100)를 대향하는 대향면을 포함한다.

슈라우드(200)는 일면이 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드(1340)의 선단부를 감싸며, 슈라우드(200)의 타면은 실링부(100)를 향해 돌출되는 래버린스 시일(210)을 포함한다. 래버린스 시일(210)은 슈라우드(200)의 축방향(Da)을 따라 서로 이격되어 배치되어 2 이상 구비될 수 있다. 래버린스 시일(210)은 실링부(100)와의 사이에서 적정한 간극을 유지할 수 있도록 한다.

한편, 슈라우드(200)에는 어느 하나의 래버린스 시일(210)과 이와 인접한 래버린스 시일(210) 사이에 래버린스 시일(210)의 두께보다 두께가 얇은 홈이 형성될 수 있다. 홈은 래버린스 시일(210)과 실링부(100) 사이를 통과한 누설 유동(D)이 머물러 재순환 유동을 일으킬 수 있는 공간을 제공할 수 있다.

하우징(1010)의 내주면에는 래버린스 시일(210)과의 사이의 적정의 간극을 설정하기 위한 실링부(100)가 설치된다. 래버린스 시일(210)은 슈라우드(200)의 외측면에서 실링부(100)에 가까워지는 방향으로 돌출되어 실링부(100)와의 사이에 적정의 간극을 확보하게 된다.

슈라우드(200)의 일면은 블레이드의 단부를 감쌈으로써, 블레이드의 단부를 보호함과 동시에, 슈라우드(200)의 타면에는 래버린스 시일(210)을 구비함으로써 실링부(100)와의 간극을 좁힘으로써 누설 유동(D)을 효과적을 저감시킬 수 있다.

그런데, 터빈(1300)에서 래버린스 시일(210)과 실링부(100) 사이의 공간으로 확보되는 간극은 고속으로 회전하는 터빈 블레이드(1340)를 포함하는 슈라우드(200)와 고정부재에 해당하는 하우징(1010)의 실링부(100) 사이의 직접적인 접촉을 방지함으로써 부품의 손상을 방지하는 순기능 외에, 적정 이상의 간극이 설정될 경우 과도한 연소가스의 누설을 초래하여 기관의 전체 효율에 악영향을 미치게 되는 역기능을 동시에 초래하기 때문에, 적정 수준의 간극 확보는 가스 터빈의 설계에 있어 매우 중요한 인자로 작용하게 된다.

예컨대, 간극이 너무 좁게 설정되면, 가스 터빈의 초기 운용에서 누설 손실을 줄여 기관의 효율을 높이는 데 기여할 수는 있으나, 엔진의 작동시간이 늘어날수록 로터와 스테이터 사이의 열변형에 의한 러빙(rubbing)의 발생 위험을 가중시켜 극단적인 경우 접촉에 따른 부품의 손상으로 귀결되는 문제를 야기하게 된다.

일례로, 래버린스 시일(210)이 없는 스퀼러(squealer) 타입의 터빈 블레이드(1340)에서는 하우징(1010)과의 사이에 형성되는 간극 부위를 통해 누설 유동(D)이 수반되어 기관의 효율을 크게 저하시키는 반면에, 래버린스 시일(210)을 갖춘 터빈 블레이드(1340)의 경우에는 하우징(1010)과의 간극 부위에서 발생하는 누설 유동(D)은 줄일 수 있으나, 구조적인 안정성에 대한 문제와 함께 부품의 수명을 고려한 측면에서 한계를 갖게 된다.

이외에도, 하우징에 고정되는 베인(스테이터)과 회전축 사이에서의 누설을 차단하기 위한 실링 모듈을 필요로 하며, 이에는 상술한 레버런스 시일 외에 브러시 시일 등의 실링 모듈도 활용될 수 있다.

허니콤 시일과 래버린스 시일(210) 사이의 간극뿐만 아니라, 허니콤 시일의 폭과 래버린스 시일(210)의 너비와의 관계가 누설 유동(D)을 효과적으로 줄일 수 있는 중요한 인자로 작용하게 된다.

도 5는 터빈의 실링 모듈의 밀폐성능의 변화를 설명하기 위하여 터빈의 실링 모듈의 다양한 실험례를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5의 (a)는 다양한 실험례 중에서 비교의 대상이 되는 터빈의 실링 모듈의 베이스(base) 예이다. 도 5의 (b)는 래버린스 시일의 너비(L)가 베이스 대비 2배이고, 래버린스 시일 사이의 간격인 피치(P)는 허니콤 시일의 중공폭(W)의 7배인 예이다. 도 5의 (c)는 래버린스 시일의 너비(L)가 베이스 대비 4배이고, 래버린스 시일 사이의 간격인 피치(P)는 허니콤 시일의 중공폭(W)의 7배인 예이다. 도 5의 (d)는 래버린스 시일의 너비(L)가 허니콤 시일의 전체를 덮는 예이다. 도 5의 (e)는 홈의 지름(D)는 중공폭(W)과 동일하고, 피치(P)는 중공폭(W)의 3.5배인 예이다. 도 5의 (f)는 도 5의 (e)와 동일한 홈의 지름(D)을 갖지만, 홈의 깊이가 2배이고 피치(P)는 중공폭(W)의 3.5배인 예이다. 도 5의 (g)는 홈의 지름(D)이 중공폭(W)의 절반이며, 피치(P)는 중공폭(W)의 2.5배인 예이다.

먼저 도 5의 (b)는 도 5의 (a)(이하, 베이스)와 비교하여 누설량이 14.5% 감소하게 된다. 그리고, 도 5의 (c)는 베이스 대비 누설량이 18.4% 감소하게 된다. 즉, 래버린스 시일의 너비(L)가 넓어지면 밀폐성능이 향상되는 것을 알 수 있다.

하지만, 도 5의 (d)와 같이 래버린스 시일의 너비(L)가 중공폭(W)과 대비하여 과도하게 넓어지는 경우, 허니콤 시일과의 접촉면적이 과도하게 넓어져서 터빈의 실제 운전에 문제가 발생할 수 있다.

도 5의 (e)는 래버린스 시일들 사이에 중공폭(W)과 같은 길이의 지름(D)을 갖는 홈이 형성되는 예이다. 도 5의 (e)의 예는 베이스 대비 약 30.6%의 누설량 감소가 일어난다. 다만, 도 5의 (e)의 예와 다른 조건들은 동일하지만 홈의 깊이가 홈의 지름(D)의 2배인 도 5의 (f)의 경우, 베이스 대비 약 30%의 누설량 감소가 일어난다. 즉, 홈의 깊이가 홈의 지름(D)보다 깊어지는 것에 대해서 누설 유동의 감소가 미미한 것을 알 수 있다.

도 5의 (f)는 홈의 지름(D)이 중공폭(W)의 절반인 예이다. 이 예는 베이스 대비 약 28.5%의 누설량 감소를 보였다. 이는, 도 5의 (e)보다 누설 유동의 감소가 낮은 수치로서, 홈의 지름(D)이 중공폭(W)과 대비하여 적정의 지름을 가질 때 누설 유동의 감소 효과가 증가하는 것을 알 수 있다.

이에 대해서 아래의 더욱 구체적인 예들을 통해 알아본다.

도 6은 도 4a의 터빈 실링 모듈을 확대한 개념도이다. 이때, 도 6의 E 부분은 실링부의 모습을 평면적으로 표현한 것으로, 실제로 배치되는 부분이 아니라 발명의 이해를 돕기 위하여 부가적으로 도시된 부분이다. 도 6의 도면 중앙 부분에 도시된 실링부(100)는, 도면 상단의 E에서 B라인으로 절단한 모습을 나타내는 단면도이다.

도 6을 참조하면, 슈라우드(200)와 실링부(100)가 서로 대향되며 배치되며, 실링부(100)는 슈라우드(200)의 대향되게 배치된다. 실링부(100)는 허니콤 시일(Honeycomb Seal)이며, 단면이 정육각형으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 실링부(100)의 중공(112)은 다양한 형상으로 이루어질 수도 있다.

실링부(100)는 일정한 공간을 형성하여 중공(112)을 이루는 복수의 면(110)을 포함한다. 이때, 복수의 면 중 서로 대향하는 어느 두 면이 이루는 거리 중에서 축방향(Da)으로 가장 긴 거리를 중공폭(W)이라 한다. 실링부(100)의 복수의 면이 이루는 중공(112)의 형태에 따라 중공폭(W)은 달라질 수 있다. 중공폭(W)의 길이는 대략 1mm에서 2mm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 다양한 길이로 존재할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 실링부(100)의 제1 면(1101)과 서로 대향하는 제2 면(1102)이 축방향(Da)으로 이루는 거리는 해당 중공(112)이 이루는 축방향(Da)으로의 최대 이격거리이며, 이것이 중공폭(W)이 된다. 이러한 중공폭(W)과 래버린스 시일(210)의 대향면(204)의 너비(L)에 관계에 따라 터빈의 실링 모듈의 밀폐성능이 상승할 수 있으며, 이에 대해서는 후에 자세하게 기술한다.

슈라우드(200)는 일면(201)이 블레이드의 상단을 감싸고 있으며, 타면은 실링부(100)를 대향한다. 구체적으로 슈라우드(200)의 타면은 슈라우드(200)의 두께가 가장 얇은 바닥면(205), 슈라우드(200)의 두께가 가장 두꺼우며, 래버린스 시일(210)이 돌출되어 실링부(100)를 대향하는 대향면(204), 및 바닥면(205)과 대향면(204)을 연결하는 돌출면(203)을 포함한다.

슈라우드(200)의 바닥면(205)과 돌출면(203)의 하부는 곡면으로 이어질 수 있다. 바닥면(205)과 돌출면(203)의 하부가 각지게 만나는 경우, 홈(220) 내부에 유입된 연소가스가 홈(220) 내부에서 회전하며 재순환 유동을 만드는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 바닥면(205)과 돌출면(203)의 하부가 서로 곡면으로 이어짐으로써, 홈(220) 내부에 누설 유동의 재순환 유동이 활발하게 일어날 수 있다.

또한, 슈라우드(200)의 대향면(204)과 돌출면(203)의 상부가 곡면으로 이루어진 경우에 해당 곡면을 따라 누설 유동이 쉽게 통과할 수 있기 때문에 대향면(204)과 돌출면(203)의 상부는 소정의 각도를 이루며 만날 수 있다. 즉, 대향면(204)과 돌출면(203)이 만나는 부분의 단면은 서로 꼭지점을 이룰 수 있다. 이를 통해, 래버린스 시일(210)과 실링부(100) 사이를 통과하는 누설 유동이 저감될 수 있다. 다만, 실링부(100)의 형상 및 래버린스 시일(210)과의 배치를 고려하여 연소가스의 흐름과 누설 유동의 유동을 조절하기 위해 대향면(204)과 돌출면(203)의 상부가 곡면으로 이어질 수도 있다.

래버린스 시일(210)은 대향면(204)의 축방향(Da)으로의 너비(L)가 실링부(100)의 중공폭(W)의 길이와 같거나 길게 이루어진다. 도 6을 참조하면, 실링부(100)의 중공폭(W)보다 래버린스 시일(210)의 대향면(204)의 너비(L)가 더 길다. 래버린스 시일(210)의 대향면(204)의 너비(L)가 중공폭(W)의 길이와 같거나 길게 이루어짐으로써, 래버린스 시일(210)의 대향면(204)에 의해 실링부(100)의 중공(112)은 밀폐되는 효과를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 터빈의 실링 모듈의 연소가스에 대한 밀폐성능이 향상될 수 있다.

래버린스 시일(210)의 대향면(204)의 너비(L)는 상술한 중공폭(W)과의 비가 L/W가 1 내지 3이 되도록 형성될 수 있다. 즉, 대향면(204)의 너비(L)는 중공폭(W)과 같거나, 중공폭(W)의 3배의 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, L/W가 1.3 내지 2.2의 범위 내에서 밀폐성능이 가장 뛰어날 수 있다.

대향면(204)의 너비(L)가 중공폭(W)의 길이보다 작으면, 래버린스 시일(210)의 대향면(204)이 중공폭(W)을 커버하지 못하므로, 연소가스가 래버린스 시일(210)과 실링부(100)의 면(110) 사이로 통과할 수 있어 누설 유동이 증가할 수 있다. 또한, 대향면(204)의 너비(L)가 중공폭(W)의 길이의 3배보다 길게 형성되면, 대향면(204)과 실링부(100) 사이의 접촉영역이 증가에 따라, 터빈의 가동 시 접촉이 발생될 우려가 있으며, 이에 따른 구조적인 안정성에 대한 문제와 함께 부품의 수명에 악영향을 줄 수 있다.

축방향(Da)을 따라 서로 이격되는 어느 하나의 래버린스 시일(210)과 이와 인접한 래버린스 시일(210) 사이의 축방향(Da)의 중심간 거리인 피치(P)와 중공폭(W)과의 비인 P/W는 2.5 내지 7일 수 있다. 즉, 피치(P)는 중공폭(W)의 2.5배 이상 7배 이하인 것이 바람직하다.

도 6을 참조하면, 제1 래버린스 시일(2101)과 제2 래버린스 시일(2102) 사이의 축방향(Da)의 중심간 거리인 피치(P)는 중공폭(W)의 6배와 7배 사이이다. 피치(P)의 길이가 중공폭(W)의 길이의 2.5배보다 좁으면, 래버린스 시일(210)과 실링부(100)가 접촉되는 부위가 넓어져서 운행상 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 피치(P)의 길이가 중공폭(W)의 길이의 7배보다 길면, 홈(220)의 길이가 너무 길어져서 밀폐성능이 저하로 인한 누설 유동이 증가될 수 있다.

또한, 홈(220)의 너비(D)와 중공폭(W)의 비인 D/W는 0.5 내지 5.6 인 것이 바람직하다. 즉, 홈(220)의 너비(D)가 중공폭(W)의 길이의 절반 이상이고, 중공폭(W)의 길이의 5.6배보다 작은 것이 바람직하다. 홈(220)의 너비(D)가 중공폭(W)의 길이의 절반보다 작으면, 래버린스 시일(210)과 실링부(100)가 접촉되는 부위가 넓어져서 운행상 문제가 발생할 수 있다. 또한, 홈(220)의 너비(D)가 중공폭(W)의 길이의 5.6배보다 크면, 홈(220)의 길이가 너무 길어져서 누설 유동이 발생하기가 쉬워진다.

래버린스 시일(210)의 대향면(204)과 홈(220)의 바닥면(205)의 높이 차(Tb)는 대향면(204)의 너비(L)의 2/5 이상 4/5 이하인 것이 바람직하다. 구체적으로, 슈라우드(200)의 홈(220)의 두께(Tg)와 래버린스 시일(210)의 두께(Tt)의 차이를 대향면(204)과 홈(220)의 바닥면(205)의 높이 차(Tb)는 대향면(204)의 너비(L)의 2/5 이상이며, 4/5 이하인 것이 바람직하다. 대향면(204)과 바닥면(205)의 높이 차(Tb)가 2L/5보다 작으면 홈(220)의 공간이 좁으므로, 홈(220)으로 유입된 연소가스가 충분한 재순환 유동을 일으킬 공간이 부족할 수 있다. 그리고, 대향면(204)과 바닥면(205)의 높이 차(Tb)가 4L/5 이상이면, 홈(220) 내부로 유입된 연소가스가 유동을 일으키기 보다 홈(220) 내부에서 머무르는 경향이 상대적으로 커지므로 재순환 유동율이 떨어질 수 있다.

래버린스 시일(210)은, 대향면(204)이 축방향(Da)과 수직한 가상의 면에 포함되는 실링부(100)의 면을 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 커버하도록 이루어질 수 있다. 즉, 실링부(100)의 면을 포함하는 축방향(Da)과 수직한 적어도 하나의 가상의 면은 래버린스 시일(210)의 대향면(204)을 통과한다.

실링부(100)의 복수의 면 중 일부는 축방향(Da)과 수직한 가상의 면(Pr)에 포함된다. 구체적으로 도 6을 참조하면, 실링부(100)의 제2 면(1102)은 축방향(Da)과 수직한 제1 가상면(Pr1)에 포함된다. 그리고, 제1 래버린스 시일(2101)의 대향면(204)은 축방향(Da)과 수직한 제1 가상면(Pr1)에 포함되는 실링부(100)의 제2 면(1102)을 커버한다.

실링부(100)는 원주방향(Dc)을 따라 연장되므로 제2 면(1102)은 원주방향(Dc)을 따라 반복될 수 있고, 실링부(100)의 제1 래버린스 시일(2101)도 원주방향(Dc)을 따라 연장되므로, 제1 래버린스 시일(210)의 대향면(204)은 제1 가상면(Pr1)에 포함되는 실링부(100)의 제2 면(1102)을 원주방향(Dc)을 따라 커버한다.

또한, 래버린스 시일(210)의 대향면(204)은 축방향(Da)으로 이격된 2 이상의 가상의 면에 포함되는 실링부(100)의 면을 원주방향(Dc)을 따라 2 이상 커버하도록 이루어질 수도 있다. 도 6을 참조하면, 실링부(100)의 복수의 면 중 제1 면(1101)은 제2 가상면(Pr2)에 포함되고, 제2 면(1102)는 제1 가상면(Pr1)에 포함된다. 그리고, 제1 래버린스 시일(2101)의 대향면(204)은 제1 가상면(Pr1) 및 제2 가상면(Pr2)을 커버(포함)한다.

한편, 하나의 래버린스 시일(210)의 중심과 이와 인접한 래버린스 시일(210)의 중심의 축방향의 이격 구간에는, 축방향(Da)과 교차되고 축방향(Da)으로 서로 이격되는 가상의 면에 포함되는 실링부(100)의 면이 2개 내지 7개가 배치될 수 있다. 구체적으로 도 6을 참조하면, 제1 래버린스 시일(2101)의 중심과 제2 래버린스 시일(2102)의 중심의 축방향(Da)의 이격 거리(P) 내에는 축방향(Da)으로 서로 이격되는 복수의 가상의 면(Pr2 ~ Pr8)에 포함되는 실링부(100)의 면이 7개 포함된다.

상술한 바와 같이 래버린스 시일(210)의 대향면(204)이 축방향과 수직한 가상의 면에 포함되는 실링부(100)의 면을 1 이상 커버하거나, 인접한 래버린스 시일(210)의 중심사이의 구간에 축방향(Da)과 교차되고 축방향(Da)으로 서로 이격되는 가상의 면에 포함되는 실링부(100)의 면이 2개 내지 7개가 배치됨으로써, 터빈의 실링 모듈은 실링부(100)와 슈라우드(200) 사이의 적절한 밀폐효과를 나타낼 수 있다. 이뿐만 아니라, 상술한 터빈의 실링 모듈은 실링부(100)와 슈라우드(200) 사이의 과도한 접촉이 일어나는 것을 방지할 수 있어, 운행상의 문제점이 일어나는 것을 저감시킬 수 있다.

도 7은 터빈의 실링 모듈에서 래버린스 시일의 홈의 너비와 대향면의 너비의 비에 따른 밀폐성능의 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 7은, 도 5의 (a)에서 나타난 베이스와 비교하였을 때 D/L의 변화에 따라 베이스 대비 누설량의 감소율(밀폐성능이 향상되는 것)을 나타내는 것이다.

도 7을 참조하면, 래버린스 시일의 홈의 너비(D)와 대향면의 너비(L)의 비인 D/L값이 1.5에서 3.5를 갖는 것이 바람직하다.

구체적으로, 홈의 너비(D)가 좁아질수록 밀폐성능은 감소하고, 홈의 너비(D)가 넓어질수록 밀폐성능은 증가하였다. 다만, D/L이 3.5에서 최적의 밀폐성능을 보였으며, D/L이 3.5를 넘는 구간에서 터빈의 실링 모듈의 밀폐성능은 다시 감소하였다. 이러한 결과를 참조하였을 때, D/L은 1.5에서 3.5일 때 밀폐성능이 가장 향상되는 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다. 이때, 도 8의 E는 실링부(100')의 모습을 평면적으로 표현한 것으로, 실제로 배치되는 부분이 아니라 발명의 이해를 돕기 위하여 부가적으로 도시된 부분이다. 도 8의 도면 중앙 부분에 도시된 실링부(100')는, 도면 상단의 E에서 B라인으로 절단한 모습을 나타내는 단면도이다.

도 8을 참고하면, 실링부(100')는 중공(112')을 이루는 정육각형의 꼭지점이 축방향(Da)을 방향의 B라인을 따라 일렬로 배치된다. 이때, 실링부(100')의 중공폭(W)은 제1 꼭지점(1141')에서 제2 꼭지점(1142')에 이르는 거리로서, 중공부의 축방향(Da)으로의 최대 이격거리이다.

래버린스 시일(210')의 대향면(204')에 의해 실링부(100')의 중공(112')이 임시적으로 밀폐되는 효과를 통해 터빈의 밀폐성능이 향상되도록, 슈라우드(200')의 제1 래버린스 시일(2101')의 너비(L)는 실링부(100')의 중공폭(W)보다 길게 형성된다. 다만, 도면에 도시된 바와 달리, 슈라우드(200')의 래버린스 시일(210')은 3 이상으로 구비되며, 축방향(Da)을 따라 이격되어 배치될 수도 있다.

또한, 도면에 도시된 바와 달리, 실링부(100')는 축방향(Da)으로 서로 다른 중공폭(W)을 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 래버린스 시일(210')의 너비(L)도 이에 대응되게 서로 다른 너비(L)를 가질 수 있다. 구체적으로, 실링부(100')는 연소가스가 흘러가는 방향을 따라서 더 긴 중공폭(W)을 가지거나, 더 짧은 중공폭(W)을 갖도록 형성될 수 있으며, 래버린스 시일(210')도 이에 대응되어 더 긴 너비(L)를 가지거나, 더 짧은 너비(L)를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 터빈의 실링 모듈은 실링부(100')의 중공폭(W)에 따라 상술한 실시예에서 설명한 바와 같은 조건에 부합하는 래버린스 시일(210')의 대향면(204')의 너비(L) 및 래버린스 시일(210') 사이의 거리를 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 터빈의 실링 모듈의 밀폐성능이 향상될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈의 실링 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다. 이때, 도 9의 E는 실링부(100'')의 모습을 평면적으로 표현한 것으로, 실제로 배치되는 부분이 아니라 발명의 이해를 돕기 위하여 부가적으로 도시된 부분이다. 도 9의 도면 중앙 부분에 도시된 실링부(100'')는, 도면 상단의 E에서 B라인으로 절단한 모습을 나타내는 단면도이다.

도 9를 참조하면, 슈라우드(200'')는 축방향(Da)을 따라 서로 이격되는 4개의 래버린스 시일(2101'', 2012'', 2013'', 2014'')이 구비된다. 제1 래버린스 시일(2101'')과 제2 래버린스 시일(2102'') 사이에는 소정의 지름(D)을 갖는 홈(220'')이 형성된다. 이때, 홈의 지름(D)는 중공폭(W)의 2.5배 이상 3.5배 이하인 바람직하다.

또한, 상술한 실시예에서의 설명과 같이 래버린스 시일(210) 사이의 거리인 피치 및 중공폭(W)과 래버린스 시일(210)의 너비(L) 사이의 관계를 충족하도록 홈(220'')의 지름(D)이 결정될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 터빈의 실링 모듈은 상술한 실시예들 보다 래버린스 시일(210)들 사이에 폭과 깊이가 좁은 홈을 구비함으로써, 래버린스 시일(210)과 실링부(100) 사이의 밀폐 영역을 증가시킬 수 있으며 이에 따라, 터빈의 실링 모듈의 밀폐성능이 향상될 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 실링부를 도시한 평면도로서, 도 10의 (a) 내지 (e)는 서로 다른 형상의 중공부 단면을 갖는 서로 다른 실시예에 다른 실링부를 도시한 평면도이다.

터빈의 실링 모듈의 실링부들(100a, 100b, 100c, 100d, 100e)는 복수의 중공의 단면이 삼각형, 사각형, 원형 및 육각형 중 적어도 하나가 되도록 이루어질 수 있다.

도 10의 (a)를 참조하면, 실링부(100a)는 중공이 삼각형을 이루도록 형성되는 복수의 면을 포함한다. 구체적으로 복수의 면(115)은 중공이 삼각형이 되도록 이루어지며, 이때 삼각형은 정삼각형일 수 있다. 이때 실링부(100a)의 중공폭(W)은 삼각형이 축방향(Da)을 따라 이루는 가장 넓은 폭이 될 수 있다. 같은 길이의 면을 갖는 정육각형의 중공폭(W)을 갖는 허니콤 시일보다 중공이 정삼각형을 이룰 때 상대적으로 좁은 중공폭(W)을 가지므로, 누설 유동을 효과적으로 줄일 수 있다.

한편, 실링부(100a)의 중공 정삼각형 6개의 합은 육각형을 이룰 수 있다. 구체적으로 6개의 삼각형의 외형이 이루는 면(110a)은 정육각형을 이루며, 이러한 정육각형 면(110a)은 삼각형을 이루는 면(115)보다 래버린스 시일을 향해 더 길게 돌출되어 형성될 수도 있다. 이 경우, 정육각형 면(110a)이 이루는 중공 내부에 삼각형을 이루는 면(115)이 이루는 중공이 추가적으로 형성되며, 중공 내부를 밀폐하는 효과가 상승하여 터빈의 실링 모듈의 누설 유동을 더 효과적으로 줄일 수 있다.

도 10의 (b)를 참조하면, 실링부(100b)의 복수의 면은 사각형의 중공을 형성하도록 이루어질 수 있다. 이러한 예에서 중공폭(W)은 인접한 두 면(1101b, 1102b)이 이루는 축방향(Da)으로의 이격거리이다. 이때의 사각형은 도시된 것과 달리 직사각형으로 형성될 수도 있다.

도 10의 (c)를 참조하면, 실링부(100c)의 복수의 면은 원형의 중공을 형성하도록 이루어질 수 있다. 이러한 예에서 중공폭(W)은 원형의 중공의 축방향(Da)으로의 이격거리, 즉 지름의 길이이다.

도 10의 (d)를 참조하면, 실링부(100d)의 복수의 면은 축방향(Da)으로 길게 형성된 육각형의 중공을 형성하도록 이루어질 수 있다. 이러한 예에서 중공폭(W)은 제1 꼭지점(1141d)와 제2 꼭지점(1142d)가 이루는 축방향(Da)으로의 최대 이격거리이다.

도 10의 (e)를 참조하면, 실링부(100e)의 복수의 면은 원주방향(Dc)을 따라 길게 형성된 육각형의 중공을 형성하도록 이루어질 수 있다. 이러한 예에서 중공폭(W)은 육각 중공의 제1 면(1101e)과 제2 면(1102e)이 이루는 축방향(Da)으로의 최대 이격거리이다.

도 10의 (d)와 도 10의 (e)를 비교하면, 같은 크기의 중공의 크기를 가지더라도, 중공의 배치에 따라 중공폭(W)이 서로 달라질 수 있으며, 이에 따라 래버린스 시일의 대향면의 너비 또한 중공폭(W)에 대응되어 달라질 수 있다.

한편, 상술한 실시예에 나타난 것과 같이 실링부(100)의 중공은 상술한 서로 다른 실시예들에 따른 하나의 형상을 가진 실링부(100)로 구성되는 것이 아니라, 상술한 실시예들 중 2 이상의 형상이 복합적으로 이루어 질 수 있다.

또한, 래버린스 시일(210)의 축방향(Da)으로의 길이와 실링부(100)의 중공폭(W) 사이의 관계에 따라 누설 유동(D)을 저감할 수 있는 밀폐능력이 더 향상될 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000: 가스터빈 1010: 하우징
1100: 압축기 1110: 압축기 블레이드
1112: 도브테일부 1120: 압축기 로터 디스크 유닛
1130: 압축기 냉각공기 공급유로 1200: 연소기
1300: 터빈 1320: 터빈 로터 디스크
1340: 터빈 블레이드 1400: 디퓨져
1450: 고정너트 1500: 토크튜브 유닛
1600: 타이로드 100: 실링부
110: 실링부의 면 112: 실링부의 중공
200: 슈라우드 201: 일면
203: 돌출면 204: 대향면
205: 바닥면 210: 래버린스 시일
220: 홈 Da: 축방향
Dr: 반경방향 Dc: 원주방향
W: 실링부의 중공폭 L: 래버린스 시일의 너비
Pv1, Pv2: 가상면 Tt: 래버린스 시일 두께
Tg: 홈 두께

Claims (19)

1. 고정체의 내주면에 배치되고, 복수의 중공을 포함하며 원주방향으로 연장되는 실링부; 및
   일면은 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드의 선단부를 감싸는 슈라우드;를 포함하며,
   상기 슈라우드는,
   상기 실링부를 향해 돌출되고, 상기 대향면의 상기 회전체의 축방향으로의 너비(L)가 상기 실링부의 중공을 형성하는 복수의 면 중 서로 대향하는 어느 두 면이 이루는 거리 중에서 상기 회전체의 축방향으로 가장 긴 거리인 중공폭(W)의 길이보다 같거나 길게 이루어지는 래버린스 시일을 포함하는 터빈의 실링 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 래버린스 시일은,
   상기 래버린스 시일의 대향면의 너비(L)와 상기 중공폭(W)의 비인 L/W가 1 내지 3이 되도록 이루어지는 터빈의 실링 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 슈라우드는,
   상기 축방향을 따라 서로 이격되어 2 이상 배치되는 상기 래버린스 시일을 포함하는 터빈의 실링 모듈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 슈라우드는 제1 래버린스 시일, 및 상기 제1 래버린스 시일과 상기 축방향을 따라 서로 이격되는 제2 래버린스 시일을 포함하고,
   상기 제1 래버린스 시일 및 상기 제2 래버린스 시일의 상기 축방향 중심간 거리인 피치(P)와 상기 중공폭(W)과의 비인 P/W는 2.5 내지 7인 터빈의 실링 모듈.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 래버린스 시일 및 제2 래버린스 시일 사이에 상기 제1 래버린스 시일 및 제2 래버린스 시일의 두께보다 두께가 얇은 홈이 형성되며,
   상기 홈의 너비(D)와 중공폭(W)의 비인 D/W는 0.5 내지 5.6인 터빈의 실링 모듈.
6. 제5항에 있어서,
   상기 슈라우드는,
   상기 래버린스 시일의 대향면과 상기 홈의 바닥면의 높이 차(Tb)는 2L/5 이상 4L/5 이하인 터빈의 실링 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 실링부는,
   상기 복수의 중공의 단면이 삼각형, 사각형, 원형 및 육각형 중 적어도 하나가 되도록 이루어지는 터빈의 실링 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 실링부는 허니콤 시일(Honeycomb Seal)인 터빈의 실링 모듈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 허니콤 시일의 중공의 단면이 정육각형인 터빈의 실링 모듈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 슈라우드의 타면은,
    상기 슈라우드의 두께가 가장 얇은 바닥면;
    상기 슈라우드의 두께가 가장 두꺼우며, 상기 래버린스 시일이 돌출되어 상기 실링부를 대향하는 대향면; 및
    상기 바닥면과 상기 대향면을 연결하는 돌출면을 포함하고,
    상기 바닥면과 상기 돌출면의 하부는 곡면으로 이어지는 터빈의 실링 모듈.
11. 제10항에 있어서,
    상기 대향면과 상기 돌출면의 상부는 소정의 각도를 이루며 만나는 터빈의 실링 모듈.
12. 고정체의 내주면에 배치되고, 복수의 중공을 포함하며 원주방향으로 연장되는 실링부; 및
    일면은 회전체의 외주면상에 결합되는 터빈 블레이드의 선단부를 감싸는 슈라우드;를 포함하며,
    상기 슈라우드는,
    상기 실링부를 향해 돌출되어 상기 실링부를 대향하는 대향면을 포함하고, 상기 대향면의 폭이 상기 축방향과 교차되는 가상의 면에 포함되는 상기 실링부의 면을 상기 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 커버하도록 이루어지는 래버린스 시일을 포함하는 터빈의 실링 모듈.
13. 제12항에 있어서,
    상기 대향면은,
    상기 축방향과 교차하고, 상기 축방향으로 이격된 2 이상의 가상의 면에 포함되는 상기 실링부의 면을 상기 원주방향을 따라 2 이상 커버하도록 이루어지는 터빈의 실링 모듈.
14. 제12항에 있어서,
    상기 슈라우드는,
    상기 축방향을 따라 서로 이격되어 2 이상 배치되는 상기 래버린스 시일을 포함하는 터빈의 실링 모듈.
15. 제14항에 있어서,
    제1 래버린스 시일 및 상기 제1 래버린스 시일과 축방향으로 이격되는 제2 래버린스 시일의 중심간 축방향으로의 이격 구간에는, 상기 축방향과 교차되고 상기 축방향으로 서로 이격되는 가상의 면에 포함되는 상기 실링부의 면이 2개 내지 7개가 배치되는 터빈의 실링 모듈.
16. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈;을 포함하며,
    상기 터빈은,
    고정체의 내주면에 배치되고, 복수의 중공을 포함하며 원주방향으로 연장되는 실링부; 및
    일면은 회전체의 외주면상에 결합되는 상기 터빈 블레이드의 선단부를 감싸는 슈라우드;를 포함하며,
    상기 슈라우드는,
    상기 실링부를 향해 돌출되어 상기 실링부를 대향하는 대향면을 포함하고, 상기 대향면이 상기 축방향과 교차하는 가상의 면에 포함되는 상기 실링부의 면을 상기 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 커버하도록 이루어지는 래버린스 시일을 포함하는 가스 터빈.
17. 제16항에 있어서,
    상기 래버린스 시일은,
    상기 대향면의 너비(L)와, 상기 실링부의 중공을 형성하는 복수의 면 중 서로 대향하는 어느 두 면이 이루는 거리 중에서 상기 회전체의 축방향으로 가장 긴 거리인 중공폭(W)의 비인 L/W가 1 내지 3이 되도록 이루어지는 가스 터빈.
18. 제17항에 있어서,
    상기 슈라우드는,
    상기 축방향을 따라 서로 이격되어 2 이상 배치되는 상기 래버린스 시일을 포함하는 가스 터빈.
19. 제18항에 있어서,
    제1 래버린스 시일 및 상기 제1 래버린스 시일과 축방향으로 이격되는 제2 래버린스 시일의 중심간 축방향으로의 이격 구간에는, 상기 축방향과 교차되고 상기 축방향으로 서로 이격되는 가상의 면에 포함되는 상기 실링부의 면이 2개 내지 7개가 배치되는 가스 터빈.

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