KR20210008432A - 가스터빈의 스트럿 구조체, 이를 포함하는 배기 디퓨저 및 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈의 스트럿 구조체, 이를 포함하는 배기 디퓨저 및 가스터빈에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 스트럿 구조체는,
가스터빈의 내부 케이싱과 외부 케이싱 사이에 형성되는 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체로서, 내부 케이싱에 하단이 연결 형성되고, 외부 케이싱에 상단이 연결 형성되는 스트럿 하우징; 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 일단에 형성되며, 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브를 포함한다.

Description

가스터빈의 스트럿 구조체, 이를 포함하는 배기 디퓨저 및 가스터빈 {Strut structure of gas turbine, exhaust diffuser and gas turbine comprising it}

본 발명은 가스터빈의 스트럿 구조체, 이를 포함하는 배기 디퓨저 및 가스터빈에 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. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

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

터빈은 터빈 케이싱 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 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0064754호 (명칭: 가스터빈의 냉각 블레이드)

본 발명은 스트럿 표면에 배기 가스가 충돌하면서 발생하는 배기 가스에 의한 스트럿의 유동 박리 생성을 지연시키고 배기 디퓨저 내부의 압력 손실을 줄여줄 수 있는 가스터빈의 스트럿 구조체, 이를 포함하는 배기 디퓨저 및 가스터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 스트럿 구조체는,

가스터빈의 내부 케이싱과 외부 케이싱 사이에 형성되는 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체로서, 내부 케이싱에 하단이 연결 형성되고, 외부 케이싱에 상단이 연결 형성되는 스트럿 하우징; 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 일단에 형성되며, 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 스트럿 구조체에 있어서, 내부 케이싱의 상면에는 하부 이너 필렛이 형성되고, 외부 케이싱의 하면에는 상부 이너 필렛이 형성되며, 상부 이너 필렛과 하부 이너 필렛은 스트럿 하우징에 부분적으로 삽입되며, 스트럿 하우징에 삽입되지 않은 부분이 스크럿 그루브를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 스트럿 구조체에 있어서, 스트럿 하우징의 하단은 하부 이너 필렛을 거쳐서 내부 케이싱에 연결 형성되고, 스트럿 하우징의 상단은 상부 이너 필렛을 거쳐서 외부 케이싱에 연결 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 스트럿 구조체에 있어서, 스크럿 그루브는 하부 이너 필렛 또는 상부 이너 필렛 중 적어도 어느 하나에 형성되는 그루브 패턴 또는 돌출 패턴을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 스트럿 구조체에 있어서, 스크럿 그루브는 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 어느 하나를 내측으로 절곡하거나 또는 절삭하여 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 배기 디퓨저는,

터빈에 구비된 타이로드를 감싸는 베어링 하우징이 내부에 형성된 내부 케이싱; 내부 케이싱과 이격 형성되며, 그 사이의 공간에 배기가스가 유동하는 환형의 배기 유로가 형성되는 외부 케이싱; 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체를 포함하며, 스크럿 구조체는, 내부 케이싱에 하단이 연결 형성되고, 외부 케이싱에 상단이 연결 형성되는 스트럿 하우징; 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 일단에 형성되며, 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 배기 디퓨저에 있어서, 내부 케이싱의 상면에는 하부 이너 필렛이 형성되고, 외부 케이싱의 하면에는 상부 이너 필렛이 형성되며, 상부 이너 필렛과 하부 이너 필렛은 스트럿 하우징에 부분적으로 삽입되며, 스트럿 하우징에 삽입되지 않은 부분이 스크럿 그루브를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 배기 디퓨저에 있어서, 스트럿 하우징의 하단은 하부 이너 필렛을 거쳐서 내부 케이싱에 연결 형성되고, 스트럿 하우징의 상단은 상부 이너 필렛을 거쳐서 외부 케이싱에 연결 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 배기 디퓨저에 있어서, 스크럿 그루브는 하부 이너 필렛 또는 상부 이너 필렛 중 적어도 어느 하나에 형성되는 그루브 패턴 또는 돌출 패턴을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 배기 디퓨저에 있어서, 스크럿 그루브는 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 어느 하나를 내측으로 절곡하거나 또는 절삭하여 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 배기 디퓨저에 있어서, 배기가스가 스트럿 하우징의 장축과 나란해지는 방향으로 유동하도록 가이드하는 배기가스 가이드부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈은,

유입되는 공기를 압축하는 압축기; 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 연소 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 연소 가스 경로 상에서 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈; 및, 터빈 블레이드를 회전시킨 후, 연소가스를 배기하는 배기 디퓨저를 포함한다. 배기 디퓨저는, 터빈에 구비된 타이로드를 감싸는 베어링 하우징이 내부에 형성된 내부 케이싱; 내부 케이싱과 이격 형성되며, 그 사이의 공간에 배기가스가 유동하는 환형의 배기 유로가 형성되는 외부 케이싱; 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체를 포함한다. 스크럿 구조체는, 내부 케이싱에 하단이 연결 형성되고, 외부 케이싱에 상단이 연결 형성되는 스트럿 하우징; 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 일단에 형성되며, 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 내부 케이싱의 상면에는 하부 이너 필렛이 형성되고, 외부 케이싱의 하면에는 상부 이너 필렛이 형성되며, 상부 이너 필렛과 하부 이너 필렛은 스트럿 하우징에 부분적으로 삽입되며, 스트럿 하우징에 삽입되지 않은 부분이 스크럿 그루브를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 스트럿 하우징의 하단은 하부 이너 필렛을 거쳐서 내부 케이싱에 연결 형성되고, 스트럿 하우징의 상단은 상부 이너 필렛을 거쳐서 외부 케이싱에 연결 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 스크럿 그루브는 하부 이너 필렛 또는 상부 이너 필렛 중 적어도 어느 하나에 형성되는 그루브 패턴 또는 돌출 패턴을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 스크럿 그루브는 스트럿 하우징의 상단과 하단 중 적어도 어느 하나를 내측으로 절곡하거나 또는 절삭하여 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 배기가스가 스트럿 하우징의 장축과 나란해지는 방향으로 유동하도록 가이드하는 배기가스 가이드부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 스트럿 표면에 배기 가스가 충돌하면서 발생하는 배기 가스에 의한 스트럿의 유동 박리 생성을 지연시키고 배기 디퓨저 내부의 압력 손실을 줄여줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체를 포함하는 배기 디퓨저가 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체가 도시된 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체가 도시된 정면도이다.
도 6은 성능 비교를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체와 종래의 일반적인 형태의 스트럿 구조체가 함께 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체가 도시된 측면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체가 도시된 정면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 디퓨저가 도시된 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

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 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1)은 압축기(10), 연소기(20), 터빈(30)을 포함한다. 압축기(10)는 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 역할을 하며, 압축된 공기를 연소기 측으로 전달한다. 압축기(10)는 방사상으로 설치된 다수의 압축기 블레이드를 구비하며, 터빈(30)의 회전으로부터 생성된 동력의 일부를 전달받아 압축기 블레이드가 회전하며, 블레이드의 회전에 의해 공기가 압축되면서 연소기(20) 측으로 이동한다. 블레이드의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다.

압축기(10)에서 압축된 공기는 연소기(20)로 이동하여 환형으로 배치된 복수의 연소 챔버와 연료 노즐 모듈을 통해 연료와 혼합하여 연소된다. 연소로 인해 발생된 고온의 연소 가스는 터빈(30)으로 배출되며, 연소 가스에 의해 터빈이 회전하게 된다.

터빈(30)은 터빈 로터 디스크(300)를 축방향으로 결합하는 센터 타이로드(400)를 통해 다단으로 배열된다. 터빈 로터 디스크(300)는 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(100)를 포함한다. 터빈 블레이드(100)는 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(300)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 블레이드(100)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(200)이 구비되어, 터빈 블레이드(100)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 터빈(30)은 터빈 베인(200)과 터빈 블레이드(100)가 가스 터빈(1)의 축 방향을 따라 n개씩 교대로 배열될 수 있다. 고온의 연소가스는 축 방향을 따라 터빈 베인(200) 및 터빈 블레이드(100)를 통과하고 터빈 블레이드(100)를 회전시킨다.

도 3에 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드(100)를 회전시킨 후, 연소가스는 배기 디퓨저(1000: 1100 ~ 1400)를 통해 외부로 배기될 수 있다. 또는 복합발전 시스템인 경우, 배기 디퓨저(1000)를 통해 배기되는 연소가스는 열교환기를 거쳐 스팀터빈으로 유입되어 또 다른 발전에 사용하게 된다. 본 명세서에서, 배기 디퓨저(1000)를 통해 배기되는 연소가스는 배기가스라고도 한다.

이 경우 가스터빈에서 스팀터빈으로 유입될 때, 배기가스의 유압 및 유속이 중요한 인자가 된다. 즉, 스팀터빈으로 유입시 배기가스는 일정 압력 이상 유지되어야 하고, 만약 그 압력 이하일 경우에는 원활한 스팀터빈의 작동을 위해 압력회복이 필수적으로 요구된다.

종래 가스터빈의 배기 디퓨저를 구성하는 스트럿은, 배기가스가 스트럿에 충돌하면 배기가스에 의해 스트럿 표면이 박리되는 유동 박리 현상이 발생하고, 이 유동 박리 현상에 의해 배기 디퓨저의 내부 압력 손실이 발생하였다.

본 발명은, 스트럿의 형상을 변형하여 배기가스에 의한 스트럿 표면의 유동 박리 현상을 줄이고, 그 결과 배기 디퓨저의 내부 압력 손실을 줄일 수 있는 스트럿 구조체를 제시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체를 포함하는 배기 디퓨저가 도시된 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체가 도시된 측면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체가 도시된 정면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체를 포함하는 배기 디퓨저(1000)는, 내부 케이싱(1100)과, 외부 케이싱(1200)과, 스트럿 하우징(1300)과, 스트럿 그루브(1400)를 포함한다.

내부 케이싱(1100) 내부에는 터빈에 구비된 타이로드(400)를 감싸는 베어링 하우징(1110)이 형성된다. 베어링 하우징(1110)은 원통 형태로 타이로드(400)를 감싸며 축 방향을 따라 소정의 길이로 연장된다. 베어링 하우징(1110)은 타이로드(400)의 외측과 구름 접촉 상태로 회전하는 베어링이 내부에 구비되어 있으며, 베어링은 회전하는 타이로드(400)의 마찰을 감소하고 하중을 지지하여 타이로드(400)의 안정적인 회전과 작동을 도모한다.

외부 케이싱(1200)은 내부 케이싱(1100)과 소정 거리로 이격 형성된다. 내부 케이싱(1100)과 외부 케이싱(1200) 사이의 환형 공간은 터빈 블레이드(100)를 회전시킨 배기가스가 유동하는 배기유로(F)를 형성한다.

한편, 베어링 하우징(1110)의 외측 원주 방향에는 다수개의 파워 스트럿(PS, power strut)이 방사 형태로 배치된다. 파워 스트럿(PS)에 의해 내부 케이싱(1100)과 외부 케이싱(1200)은 상호 간에 간격을 유지하면서 지지된다.

파워 스트럿(PS)은 타이로드(400)의 축 방향을 기준으로 후방에서 바라볼 때 베어링 하우징(1110)의 외측에서 연직 방향으로 연장된다. 파워 스트럿(PS)은 횡 방향으로 단면을 잘라서 위에서 바라보면 베어링 하우징(1110)의 축 방향으로 연장된 장축을 갖는 타원 형태로 형성되고, 내부가 빈 공간으로 형성된다.

내부 케이싱(1100)의 상면에는 하부 이너 필렛(1410, inner fillet)이 형성되고, 외부 케이싱(1200)의 하면에는 상부 이너 필렛(1420)이 형성된다. 하부 이너 필렛(1410)과 상부 이너 필렛(1420)은 스트럿 하우징(1300)에 삽입된다. 이때, 하부 이너 필렛(1410)과 상부 이너 필렛(1420)의 일부는 스트럿 하우징(1300)에 삽입되지 않고, 배기유로(F)에 노출되도록 형성된다.

스트럿 하우징(1300)은 파워 스트럿(PS)의 외주면과 소정 거리 이격되어 파워 스트럿(PS)의 외주면을 감싸도록 형성된다. 스트럿 하우징(1300)의 전체 형상은 파워 스트럿(PS)의 외주면 형상과 대응되는 형상으로 형성된다. 스트럿 하우징(1300)의 하단은 하부 이너 필렛(1410)을 거쳐서 내부 케이싱(1100)에 연결 형성되고, 스트럿 하우징(1300)의 상단은 상부 이너 필렛(1420)을 거쳐서 외부 케이싱(1200)에 연결 형성된다. 스트럿 하우징(1300)은 고온의 배기가스에 파워 스트럿(PS)이 노출되는 것을 방지하여 파워 스트럿(PS)을 보호한다.

하부 이너 필렛(1410)과 상부 이너 필렛(1420)의 외주면 크기는 스트럿 하우징(1300)의 외주면 크기보다 작은 크기로 형성된다. 따라서, 스트럿 하우징(1300)에 삽입되지 않은 부분의 상하부 이너 필렛(1410, 1420)과 스트럿 하우징(1300)의 상하단부는 단차를 형성하게 되고, 이 단차는 스트럿 그루브(1400)를 형성한다. 그 결과, 스트럿 그루브(1400)는 스트럿 하우징(1300)의 선단(1301)과 후단(1302)을 연결하는 형태로 형성된다. 스트럿 하우징(1300)과 스트럿 그루브(1400)는 본 발명의 스트럿 구조체를 형성한다.

물론, 본 발명에서 스트럿 그루브(1400)가 반드시 이너 필렛(1410, 1420)과 스트럿 하우징(1300)의 결합으로 생기는 것에 한정되는 것은 아니다. 스트럿 그루브(1400)는 스트럿 하우징(1300)의 상단 및/또는 하단을 내측으로 절곡하거나, 또는 내측으로 절삭하여 형성될 수 있다.

상기와 같이 형성되는 본 발명의 스트럿 구조체를 포함하는 배기 디퓨저에서의 배기가스의 흐름을 설명한다.

터빈 블레이드(100)를 회전시킨 후, 배기되는 배기가스는 배기 디퓨저(1000)를 통해 또 다른 발전시스템으로 배기될 수 있다.

배기가스가 스터럿 하우징(1300)의 선단(1301)에 수직으로 유동할 경우, 즉, 타원형의 스터럿 하우징(1300)의 장축과 평행한 방향으로 유동할 경우, 선단(1301)에 부딪힌 배기 가스는 분기되어 스터럿 하우징(1300)의 표면을 따라 흐르게 되어, 유동 박리의 발생이 지연된다.

그러나, 배기가스는 스터럿 하우징(1300)의 선단(1301)에 수직으로 유동하는 것이 아니며, 실질적으로 소정의 각도, 예를 들어, 스터럿 하우징(1300)의 장축과 대략 20 내지 30도의 각도를 가지면서 선단(1301)에 부딪힌다. 이 경우, 배기 가스는 스터럿 하우징(1300)의 표면을 따라 흐르지 못하고 표면에서 이탈하면서 속도가 느려지고 경계층이 발달하게 된다. 이 경계층 발달로 인해 유동 박리가 발생하고 압력 손실이 발생한다.

본 발명의 스트럿 구조체는, 스트럿 하우징의 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브(1400)를 구비하는데, 스터럿 하우징(1300)의 선단(1301)으로 소정의 각도로 유동하는 배기가스의 일부는 스트럿 그루브(1400)의 보텍스(vortex) 발생을 통한 난류 효과로 인해 경계층 발달이 지연된다. 이와 같이 경계층 발달이 지연됨으로서 유동 박리 발생을 저감시킬 수 있게 되고, 압력 손실을 줄일 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체와 종래의 일반적인 형태의 스트럿 구조체가 함께 도시된 도면이다.

도 6의 (a)는 스트럿 그루브가 형성되지 않은 종래의 일반적인 스트럿 구조체이며, 도 6의 (b)는 스터럿 하우징(1300)의 상하단에 아우터 필렛(outer fillet)을 형성한 스트럿 구조체로 스트럿 그루브가 형성되지 않은 형태이다.

도 6의 (c)와 (d)는 스트럿 그루브가 형성된 본 발명의 스트럿 구조체이며, 특히, (d)는 스터럿 하우징(1300)의 상하단에 이너 필렛(inner fillet)을 삽입하여 스트럿 그루브를 형성한 스트럿 구조체이다.

각각의 스트럿 구조체를 모델링하여 시뮬레이션한 결과는 다음 [표 1]과 같다.

	(a)	(b)	(c)	(d)
Static Pressure Recovery	0.752	0.753	0.779	0.784
Pressure Loss [%]	3.51	3.46	3.25	3.07

상기 [표 1]을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트럿 그루브가 형성된 스트럿 구조체의 압력 손실률은 각각 3.25%, 3.07%로, 스트럿 그루브가 형성되지 않은 스트럿 구조체의 압력 손실률 3.51%, 3.46% 보다 낮음을 알 수 있다. 특히, 스터럿 하우징(1300)의 상하단에 이너 필렛(inner fillet)을 삽입하여 스트럿 그루브를 형성한 스트럿 구조체의 경우, 압력 손실률이 가장 낮아서, 가장 바람직한 실시 형태임을 알 수 있다.

다음으로, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체를 설명한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈의 스트럿 구조체는, 스트럿 하우징(2300)과, 스트럿 그루브(2400)를 포함한다.

스트럿 하우징(2300)에 대한 설명은 전술한 일 실시예의 스트럿 하우징(1300)과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

하부 이너 필렛(2410)과 상부 이너 필렛(2420)은 스트럿 하우징(2300)의 내주면에 삽입되되, 그 일부는 배기유로(F)에 노출되도록 삽입되고, 노출된 부분이 스트럿 그루브(2400)를 형성한다.

스트럿 그루브(2400)는 스트럿 하우징(2300)의 선단(2301)과 후단(2302)을 연결하는 형태로 형성된다. 스트럿 그루브(2400)는 스트럿 패턴(2401, 2402)을 더 포함한다. 즉, 스트럿 그루브(2400)는 하부 이너 필렛(2410)과 상부 이너 필렛(2420)에 추가적으로 도 8과 같은 그루브 패턴(2401) 또는 도 9와 같은 돌출 패턴(2402)을 더 포함한다. 그루브 패턴(2401) 또는 돌출 패턴(2402)은 스트럿 하우징(2300)의 선단(2301)과 후단(2302)을 연결하는 형태로 형성된다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트럿 구조체는, 스트럿 하우징의 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브(2400)를 구비하며, 추가적으로 그루브 패턴(2401) 또는 돌출 패턴(2402)을 더 포함하므로, 스터럿 하우징(2300)의 선단(2301)으로 소정의 각도로 유동하는 배기가스의 일부는 스트럿 그루브(2400)의 보텍스(vortex) 발생을 통한 난류 효과에 더하여 그루브 패턴(2401) 또는 돌출 패턴(2402)에 의한 난류 효과가 추가되어 경계층 발달을 더욱 지연시킬 수 있게 된다.

다음으로, 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 대퓨저를 설명한다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 디퓨저가 도시된 도면으로, 전술한 실시예들의 스트럿 구조체를 포함한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈의 배기 디퓨저(3000: 3100 ~ 3500)는, 내부 케이싱(3100)과, 외부 케이싱(3200)과, 스트럿 하우징(3300)과, 스트럿 그루브(3400)와, 배기가스 가이드부재(3500)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈의 배기 디퓨저(3000)에서 내부 케이싱(3100)과, 외부 케이싱(3200)과, 스트럿 하우징(3300)과, 스트럿 그루브(3400)는 전술한 실시예의 내부 케이싱(1100), 외부 케이싱(1200), 스트럿 하우징(1300, 2300)과, 스트럿 그루브(1400, 2400)과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

배기가스 가이드부재(3500)는 스트럿 하우징(3300)으로 유동하는 배기가스의 유동 방향을 가이드하는 부재이다. 배기가스 가이드부재(3500)는 배기가스의 유동 방향을 타원형의 스터럿 하우징(3300)의 장축과 나란해지는 방향으로 유동하도록 가이드한다. 여기서, "나란해지는 방향"이라 함은, 스터럿 하우징(2300)의 장축과 대략 20 내지 30도의 각도를 가지면서 스트럿 하우징(3300)의 선단(3301)에 부딪히는 배기가스의 유동 흐름 각도를 더욱 좁혀서 더 작은 각도로 유동하도록 가이드하는 것을 의미한다.

이러한 배기가스 가이드부재(3500)는 내부 케이싱(3100)의 외주면(상면)과 외부 케이싱(3200)의 내주면(하면) 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다. 배기가스 가이드부재(3500)는 소정의 높이를 갖는 판형 부재로 내부 케이싱(3100)의 외주면과 외부 케이싱(3200)의 내주면에 원주 방향으로 소정 간격으로 다수개 배치될 수 있다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 대퓨저는, 배기가스의 유동 방향을 타원형의 스터럿 하우징(3300)의 장축과 나란해지는 방향으로 유동하도록 가이드함으로서 배기 가스가 스터럿 하우징(3300)의 표면을 따라 흐르도록 하여 경계층 발달을 지연시킬 수 있게 된다. 따라서 유동 박리 발생을 지연시키고 압력 손실을 저감시킬 수 있게 된다.

또한, 스트럿 하우징(3300)의 선단과 후단을 연결하는 형태로 형성된 스트럿 그루브(3400)를 구비하여, 스터럿 하우징(3300)의 선단(3301)으로 소정의 각도로 유동하는 배기가스의 일부는 스트럿 그루브(3400)의 보텍스(vortex) 발생을 통한 난류 효과로 인해 경계층 발달이 지연된다. 이와 같이 경계층 발달이 지연됨으로서 유동 박리 발생을 저감시킬 수 있게 되고, 압력 손실을 줄일 수 있게 된다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1 : 가스 터빈 10 : 압축기
20 : 연소기 30 : 터빈
100 : 터빈 블레이드 200 : 터빈 베인
300 : 터빈 로터 디스크 400 : 센터 타이로드
1000, 3000 : 배기 디퓨저
1100, 3100 : 내부 케이싱
1200, 3200 : 외부 케이싱
1300, 2300, 3300 : 스트럿 하우징
1400, 2400, 3400 : 스트럿 그루브
3500 : 배기가스 가이드부재

Claims (14)

1. 가스터빈의 내부 케이싱과 외부 케이싱 사이의 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체로서,
   상기 내부 케이싱의 상면에 형성된 하부 이너 필렛 또는 상기 외부 케이싱의 하면에 형성된 상부 이너 필렛;
   상기 하부 이너 필렛과 상부 이너 필렛 중 적어도 어느 하나의 일부가 삽입되는 스트럿 하우징;
   상기 스트럿 하우징에 삽입되지 않고 노출된 부분으로 형성된 스트럿 그루브;
   를 포함하는 가스터빈의 스트럿 구조체.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 스트럿 하우징에 삽입되지 않고 노출된 부분의 상부 및 하부 이너 필렛과 상기 스트럿 하우징의 상하단부는 단차를 형성하고, 상기 단차가 상기 스트럿 그루브를 형성하는 가스터빈의 스트럿 구조체.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스트럿 하우징의 하단은 상기 하부 이너 필렛을 거쳐서 상기 내부 케이싱에 연결 형성되고, 상기 스트럿 하우징의 상단은 상기 상부 이너 필렛을 거쳐서 상기 외부 케이싱에 연결 형성되는 가스터빈의 스트럿 구조체.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부 이너 필렛과 상기 상부 이너 필렛의 외주면 크기는 상기 스트럿 하우징의 외주면 크기보다 작은 크기로 형성되는 가스터빈의 스트럿 구조체.
   
5. 터빈에 구비된 타이로드를 감싸는 베어링 하우징이 내부에 형성된 내부 케이싱;
   상기 내부 케이싱과 이격 형성되며, 그 사이의 공간에 배기가스가 유동하는 환형의 배기 유로가 형성되는 외부 케이싱;
   상기 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체를 포함하며,
   상기 스크럿 구조체는,
   상기 내부 케이싱의 상면에 형성된 하부 이너 필렛 또는 상기 외부 케이싱의 하면에 형성된 상부 이너 필렛;
   상기 하부 이너 필렛과 상부 이너 필렛 중 적어도 어느 하나의 일부가 삽입되는 스트럿 하우징;
   상기 스트럿 하우징에 삽입되지 않고 노출된 부분으로 형성된 스트럿 그루브;
   를 포함하는 가스터빈의 배기 디퓨저.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 스트럿 하우징에 삽입되지 않고 노출된 부분의 상부 및 하부 이너 필렛과 상기 스트럿 하우징의 상하단부는 단차를 형성하고, 상기 단차가 상기 스트럿 그루브를 형성하는 가스터빈의 배기 디퓨저.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 스트럿 하우징의 하단은 상기 하부 이너 필렛을 거쳐서 상기 내부 케이싱에 연결 형성되고, 상기 스트럿 하우징의 상단은 상기 상부 이너 필렛을 거쳐서 상기 외부 케이싱에 연결 형성되는 가스터빈의 배기 디퓨저.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 하부 이너 필렛과 상기 상부 이너 필렛의 외주면 크기는 상기 스트럿 하우징의 외주면 크기보다 작은 크기로 형성되는 가스터빈의 배기 디퓨저.
   
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 배기가스가 상기 스트럿 하우징의 장축과 나란해지는 방향으로 유동하도록 가이드하는 배기가스 가이드부재를 더 포함하는 가스터빈의 배기 디퓨저.
   
10. 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    상기 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 상기 연소 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 상기 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈; 및,
    상기 터빈 블레이드를 회전시킨 후, 연소가스를 배기하는 배기 디퓨저를 포함하고,
    상기 배기 디퓨저는,
    터빈에 구비된 타이로드를 감싸는 베어링 하우징이 내부에 형성된 내부 케이싱;
    상기 내부 케이싱과 이격 형성되며, 그 사이의 공간에 배기가스가 유동하는 환형의 배기 유로가 형성되는 외부 케이싱;
    상기 환형의 배기유로에 형성되는 스트럿 구조체를 포함하며,
    상기 스크럿 구조체는,
    상기 내부 케이싱의 상면에 형성된 하부 이너 필렛 또는 상기 외부 케이싱의 하면에 형성된 상부 이너 필렛;
    상기 하부 이너 필렛과 상부 이너 필렛 중 적어도 어느 하나의 일부가 삽입되는 스트럿 하우징;
    상기 스트럿 하우징에 삽입되지 않고 노출된 부분으로 형성된 스트럿 그루브;
    를 포함하는 가스터빈.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 스트럿 하우징에 삽입되지 않고 노출된 부분의 상부 및 하부 이너 필렛과 상기 스트럿 하우징의 상하단부는 단차를 형성하고, 상기 단차가 상기 스트럿 그루브를 형성하는 가스터빈.
    
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 스트럿 하우징의 하단은 상기 하부 이너 필렛을 거쳐서 상기 내부 케이싱에 연결 형성되고, 상기 스트럿 하우징의 상단은 상기 상부 이너 필렛을 거쳐서 상기 외부 케이싱에 연결 형성되는 가스터빈.
    
13. 청구항 10에 있어서,
    상기 하부 이너 필렛과 상기 상부 이너 필렛의 외주면 크기는 상기 스트럿 하우징의 외주면 크기보다 작은 크기로 형성되는 가스터빈.
    
14. 청구항 10에 있어서,
    상기 배기가스가 상기 스트럿 하우징의 장축과 나란해지는 방향으로 유동하도록 가이드하는 배기가스 가이드부재를 더 포함하는 가스터빈.

Images