KR20210017501A - 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 케이싱; 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어; 상기 에어챔버에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인; 및 상기 에어챔버에 수용되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 충돌가열수단을 이용하여 베인캐리어의 내벽에 선택적으로 압축공기를 분사함으로써, 가스터빈의 시동 또는 정지 시 베인캐리어의 열팽창률을 보다 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 터빈 블레이드와 베인캐리어 사이의 팁 클리어런스가 최적으로 유지되도록 할 수 있다.

Description

스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈{Stator, turbine and gas turbine including the same}

본 발명은 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되는 스테이터와, 내부로 통과되는 연소가스에 의해 동력이 발생되는 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다.

압축기는 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과 압축기 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 압축기는 압축기 입구 스크롤 스트럿(Compressor inlet scroll strut)을 통해 외부의 공기를 흡입한다. 이렇게 흡입된 공기는 압축기의 내부를 통과하면서 상기 압축기 베인과 압축기 블레이드에 의해 압축된다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합시킨다. 또한 연소기는 압축공기와 혼합된 연료를 점화기로 점화하여 고온고압의 연소가스를 생성한다. 이와 같이 생성된 연소가스는 터빈으로 공급된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 터빈은 연소기에서 생성된 연소가스를 공급받아 내부로 통과시킨다. 터빈의 내부를 통과하는 연소가스는 터빈 블레이드를 회전시키게 되고, 터빈의 내부를 완전히 통과하게 된 연소가스는 터빈 디퓨저를 통해 외부로 토출되게 된다.

가스터빈은 타이로드(Tie rod)를 더 포함한다. 상기 타이로드는, 압축기 블레이드가 외주면에 결합되는 압축기 디스크와, 터빈 블레이드가 외주면에 결합되는 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 설치된다. 이에 따라 상기 타이로드는, 압축기 디스크와 터빈 디스크가 가스터빈의 내부에서 서로 고정될 수 있도록 한다.

이와 같은 가스터빈은, 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에, 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적다. 따라서 가스터빈은, 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되며, 고속운동이 가능하여 고용량의 전력을 생성할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 가스터빈의 시동 또는 정지 시, 터빈 블레이드는 터빈 내부에 존재하는 연소가스에 의해 열팽창을 함에 반해, 터빈의 케이싱과 베인 사이에 배치되는 베인캐리어는 연소가스로부터 충분한 열을 받지 못해 터빈 블레이드에 비해 열팽창을 작게 한다.

따라서 종래의 가스터빈에 의하면, 터빈 블레이드의 열팽창률에 비해 베인캐리어의 열팽창률이 낮게 유지되므로, 베인캐리어와 터빈 블레이드 단부 사이의 팁 클리어런스가 매우 작게 유지됨은 물론, 심할 경우 터빈 블레이드 단부가 베인캐리어의 내주면에 닿아 그 사이에서 마모가 발생되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 베인캐리어와 터빈 블레이드 사이의 팁 클리어런스가 최적으로 유지되도록 하는 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 케이싱; 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어; 상기 에어챔버에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인; 및 상기 에어챔버에 수용되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 스테이터가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 스테이터; 및 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 통과되는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하되, 상기 스테이터는, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어와, 상기 베인케리어의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인과, 상기 에어챔버에 수용되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 터빈이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 외부로부터 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기와 외부로부터 공급받은 연료를 혼합한 후, 이를 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 발생된 연소가스를 공급받으며, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈;을 포함하되, 상기 터빈은, 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 스테이터와, 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 통과되는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하고, 상기 스테이터는, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어와, 상기 베인케리어의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인과, 상기 에어챔버에 수용되며, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 가스터빈이 제공된다.

본 발명에 따른 가스터빈은, 일단이 상기 압축기에 연결되고 타단이 상기 터빈 측에 배치되며, 상기 압축기로부터 추기된 압축공기를 상기 터빈으로 공급하는 추기유로를 더 포함하며, 상기 스테이터는, 상기 추기유로의 타단에 연결되며, 상기 에어챔버를 가로지르도록 설치되고, 상기 충돌가열수단에 연결되어 상기 압축기로부터 추기된 압축공기를 상기 충돌가열수단으로 공급하는 제1공급관과, 상기 제1공급관으로부터 분기되며, 상기 에어챔버로 압축공기를 공급하는 제2공급관을 더 포함한다.

상기 제1공급관은, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 정렬되며, 상기 충돌가열수단은, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 정렬되고, 상기 충돌가열수단은, 내주면에 상기 제1공급관으로부터 공급받은 압축공기가 분사되는 충돌가열홀이 형성된다.

상기 스테이터는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 충돌가열수단을 관통하며, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽과 접하도록 배치되고, 속이 빈 형상으로 형성된 관통부재를 더 포함하며, 상기 베인캐리어는, 상기 관통부재와 연통되며, 상기 에어챔버에 존재하는 압축공기를 상기 베인의 반경방향 외측 단부로 공급하는 연통유로가 형성된다.

상기 스테이터는, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에 수형(Male-type)으로 설치되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생돌기를 더 포함한다.

상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에는, 암형(Female-type)으로 형성되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생홈이 형성된다.

본 발명에 따른 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 충돌가열수단을 이용하여 베인캐리어의 내벽에 선택적으로 압축공기를 분사함으로써, 가스터빈의 시동 또는 정지 시 베인캐리어의 열팽창률을 보다 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 터빈 블레이드와 베인캐리어 사이의 팁 클리어런스가 최적으로 유지되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈의 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 A 부분의 확대도로서, 충돌가열수단이 설치되지 않은 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에서 충돌냉각수단이 설치된 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 B 부분의 확대도로서, 본 발명의 제1실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 충돌가열홀로부터 압축공기가 분사되는 방향을 따라 바라본 베인캐리어의 내벽을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 3에 나타낸 B 부분의 확대도로서, 본 발명의 제2실시예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1)은 압축기(2), 연소기(3) 및 터빈(10)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(1)의 상류 측에는 압축기(2)가 배치되고 하류 측에는 터빈(10)이 배치된다. 그리고 압축기(2)와 터빈(10) 사이에는 연소기가 배치된다.

압축기(2)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(10)은 터빈 케이싱(110) 내부에 터빈 베인(130)과 터빈 로터(11)를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인(130)과 터빈 로터(11) 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(2)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(10)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기(2)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(10)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터(11) 사이에는, 터빈(10)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크는 중심부가 상기 타이로드에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타 측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기(3)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀(Cell) 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 노즐과, 연소실을 형성하는 라이너(Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션피스(Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너의 전단에는 연료를 분사하는 노즐이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

상기 라이너 환형유로에는, 라이너의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 상기 라이너와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스는, 상기 트랜지션피스의 내부 공간을 감싸는 트랜지션피스 환형유로가 형성되며, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 상기 트랜지션피스 환형유로를 따라 흐르는 압축공기에 의해 외벽부가 냉각된다.

한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈으로 공급된다. 터빈으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(10)은 기본적으로는 압축기(2)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(10)에도 압축기의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터(11)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(11) 역시, 터빈 디스크(12)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(13)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(13)의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(110)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인(130)이 구비되며, 상기 터빈 베인(130)은 터빈 블레이드(13)를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱(110)과 터빈 베인(130) 역시, 상기 터빈 로터와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(100)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 압축기(2)와 상기 터빈(10) 사이에는, 추기유로(4)가 설치된다. 상기 추기유로(4)는, 일단이 상기 압축기(2)의 내부와 연결되고 타단이 상기 터빈(10) 측을 향한다. 그리고 상기 추기유로(4)는, 상기 압축기(2)로부터 추기된 압축공기를 상기 터빈(10)으로 공급한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 터빈 스테이터(100; 이하, ‘스테이터’라 한다)는, 베인캐리어(120), 충돌가열수단(140), 제1공급관(150), 제2공급관(160) 관통부재(170)를 포함한다. 상기 베인캐리어(120)는, 상기 터빈 케이싱(110; 이하, ‘케이싱’이라 한다)과 상기 터빈 베인(130; 이하, ‘베인’이라 한다)의 사이에 배치된다. 상기 베인캐리어(120)는, 상기 케이싱(110)의 내주면에 장착되되, 상기 케이싱(110)의 내주면과의 사이에 에어챔버(111)를 형성한다. 상기 베인캐리어(120)의 내주면에는, 상기 베인(130)이 장착된다. 상기 베인캐리어(120)에는, 상기 케이싱(110)의 반경방향을 따라 연통유로(121)가 형성된다. 상기 연통유로(121)는 반경방향 외측 부위가 상기 에어챔버(111)와 연통되고, 반경방향 내측 부위가 상기 베인(130)을 향하도록 형성된다.

상기 충돌가열수단(140)은, 속이 빈 플레이트 형상의 부재로서, 상기 에어챔버(111)에 수용된다. 더욱 상세하게는, 상기 베인캐리어(120)는, 상기 케이싱(110)의 원주방향을 따라 보았을 때(즉, 도 2 및 도 3을 기준으로 하였을 때), 그 외주면에 U자형의 홈(Groove)이 형성된다. 상기 U자형의 홈을 포함하여 상기 케이싱(110)과 상기 베인캐리어(120) 사이의 공간이 모두 상기 에어챔버(111)가 되는 것인데, 상기 충돌가열수단(140)은 이러한 상기 U자형의 홈에 설치된다. 그리고 상기 충돌가열수단(140)은, 상기 케이싱(110)의 축 방향(또는 상기 타이로드의 길이 방향)을 따라 정렬된다. 이에 따라 상기 에어챔버(111)는, 상기 케이싱(110)의 반경방향을 기준으로 하였을 때, 상기 충돌가열수단(140)의 외측 부분과 내측 부분이 완전히 분리된다.

도 4를 참조하면, 상기 충돌가열수단(140)의 내측에는 복수개의 충돌가열홀(141)이 형성된다. 상기 충돌가열수단(140)의 내부로 유입된 압축공기는, 가스터빈(1)의 시동 또는 정지 시, 상기 복수개의 충돌가열홀(141)을 통해 상기 베인캐리어(120)의 내벽(즉, 상기 U자형 홈의 내벽)으로 분사된다. 통상, 가스터빈(1)의 시동 또는 정지 시에는, 상기 베인캐리어(120)의 온도보다 터빈 블레이드(13)의 온도가 더 높다. 또한, 상기 압축기(2)에서 압축된 압축공기의 온도는, 연소가스보다는 낮지만 상온보다는 훨씬 높다. 따라서 상기 충돌가열홀(141)을 통해 상기 베인캐리어(120) 측으로 압축공기가 분사되는 경우, 분사된 압축공기가 상기 베인캐리어(120)의 내벽에 충돌하여 상기 베인캐리어(120)의 내벽을 가열하게 된다. 이 경우, 가스터빈(1)의 시동 또는 정지 시, 상기 베인캐리어(120) 역시 상기 터빈 블레이드(13)와 함께 열팽창을 하게 되며, 결과적으로 터빈 블레이드(13)와 상기 베인캐리어(120) 사이의 팁 클리어런스가 최적의 수준으로 유지되게 된다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 제1공급관(150)은, 상기 추기유로(4)의 타단에 연결되며, 상기 케이싱(110)의 반경방향을 따라 상기 에어챔버(111)를 가로지르도록 설치된다. 그리고 상기 제1공급관(150)은, 상기 충돌가열수단(140)에 연결되어, 상기 압축기(2)로부터 추기된 압축공기를 상기 충돌가열수단(140)의 내부로 공급한다. 상기 제2공급관(160)은, 상기 제1공급관(150)으로부터 분기되며, 상기 에어챔버(111)로 압축공기를 공급한다. 더욱 상세하게는, 상기 제2공급관(160)은, 상기 에어챔버(111) 중, 상기 케이싱(110)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 충돌가열수단(140)의 외측에 존재하는 부분으로 압축공기를 공급한다.

상기 관통부재(170)는, 속이 빈 관 형상의 부재로서, 상기 케이싱(110)의 반경방향을 따라 상기 충돌가열수단(140)을 관통하도록 설치된다. 그리고 상기 관통부재(170)는, 상기 충돌가열홀(141)로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어(120)의 내벽과 접하도록 배치된다. 이와 같이 상기 관통부재(170)가 배치됨에 따라, 상기 에어챔버(111) 중 상기 케이싱(110)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 충돌가열수단(140)의 내측 공간은, 상기 관통부재(170)의 내부 공간과 외부 공간으로 완전히 분리된다. 이때, 상기 관통부재(170)는, 내부가 상기 연통유로(121)와 연통되도록 설치된다. 따라서 상기 제2공급관(160)을 통해 상기 에어챔버(111)로 공급된 압축공기는, 상기 관통부재(170)를 통해 상기 연통유로(121)로 공급된 후, 상기 베인(130)으로 공급된다.

상기 스테이터(100)에서의 압축공기의 유동 경로에 관해 정리하면 다음과 같다. 제1경로에 의하면, 상기 추기유로(4)를 통해 상기 제1공급관(150)으로 공급된 압축공기는, 상기 충돌가열수단(140) 및 상기 충돌가열홀(141)을 통해 상기 베인캐리어(120)의 내벽으로 공급된다. 즉, 상기 제1경로는, 상기 베인캐리어(120)를 가열하여 열팽창을 시키기 위한 것이다. 제2경로에 의하면, 상기 추기유로(4)를 통해 상기 제2공급관(150)으로 공급된 압축공기는, 상기 에어챔버(111)로 공급된 후, 상기 관통부재(170) 및 상기 연통유로(121)를 따라 상기 베인(130)으로 공급된다. 상기 베인(130)은 연소가스와 지속적으로 접촉된 상태를 유지하므로, 연소가스보다 상대적으로 온도가 낮은 압축공기에 의해 냉각될 필요가 있다. 따라서 상기 제2경로는, 상기 베인(130)을 냉각시켜, 상기 베인(130)이 열손상을 입는 것을 방지하기 위함이라고 할 수 있다.

한편, 상기 제1공급관(150) 및 상기 제2공급관(161)에는, 각각 제1밸브(151) 및 제2밸브(161)가 설치될 수 있다. 가스터빈(1)이 시동 또는 정지 운전을 하는 경우에는, 상기 터빈 블레이드(13)는 연소가스에 의해 충분히 열팽창을 함에 반해, 상기 베인캐리어(120)는 연소가스와 충분히 접촉되지 않아 상기 터빈 블레이드(13)보다는 열팽창을 덜하게 된다. 따라서 가스터빈(1)의 시동 또는 정지 운전 시, 상기 제2밸브(161)는 상기 제2공급관(160)을 폐쇄시켜 상기 베인(130)으로 불필요하게 압축공기가 공급되는 것을 방지하며, 상기 제1밸브(151)는 상기 제1공급관(150)을 개방시켜 상기 베인캐리어(120)를 열팽창시킨다. 반대로 가스터빈(1)이 정상상태 운전을 하는 경우에는, 상기 터빈 블레이드(13)와 상기 베인캐리어(120)의 열팽창률이 서로 비슷하게 유지됨에 반해, 고온의 연소가스와 지속적으로 접촉됨에 따라 상기 베인(130)의 표면은 열손상을 입을 가능성이 커지게 된다. 따라서 가스터빈(1)의 정상상태 운전 시, 상기 제1밸브(151)는 상기 제1공급관(150)을 폐쇄시켜 상기 베인캐리어(120)의 내벽으로 불필요하게 압축공기가 분사되는 것을 방지하고, 상기 제2밸브(161)는 상기 제2공급관(160)을 개방시켜 상기 베인(130)으로 다량의 압축공기가 공급되어 상기 베인(130)을 냉각시키도록 할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 충돌가열홀(141)로부터 분사된 압축공기가 저촉되는 상기 베인캐리어(120)의 내벽 부위에는, 복수개의 와류발생돌기(122)가 설치될 수 있다. 상기 와류발생돌기(122)는, 수형(Male-type)으로 설치되는 것으로서, 상기 베인캐리어(120)의 내벽 부위로부터 돌출되도록 형성된다. 그리고 상기 와류발생돌기(122)는, 상기 케이싱(110)의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치된다.

이때, 상기 와류발생돌기(122)는, 도 5에 도시된 바와 같이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도 5의 (a)를 참조하면, 상기 와류발생돌기(122)는, 상기 케이싱(110)의 축 방향을 기준으로 기울어진 사선 형상으로 형성될 수 있다. 도 5의 (b),(c)를 참조하면, 상기 와류발생돌기(122)는, 상기 케이싱(110)의 축 방향을 기준으로 V자, W자로 굴곡진 형상으로 형성될 수 있다. 도 5의 (d),(e),(f)를 참조하면, 상기 와류발생돌기(122)는, 도 5의 (a),(b),(c)에 도시된 형상에서, 상기 케이싱(110)의 축 방향을 기준으로 좌측의 것과 우측의 것이, 상기 케이싱(110)의 축방향을 따라 서로 이격된 형상으로 형성될 수 있다.

이와 같은 형상으로 형성된 와류발생돌기(122)는, 상기 충돌가열홀(141)을 통해 상기 베인캐리어(120)의 내벽으로 압축공기가 분사된 압축공기의 유동에 와류를 형성시킨다. 이에 따라 상기 와류발생돌기(122)는, 압축공기로부터 상기 베인캐리어(120)의 내벽으로 열전달이 보다 효과적으로 일어나도록 한다.

도 6을 참조하면, 상기 베인캐리어(120)의 내벽에는, 상기 와류발생돌기(122) 대신 암형(Female-type)의 복수개의 와류발생홈(123)이 형성될 수 있다. 상기 복수개의 와류발생홈(123)은, 상기 케이싱(110)의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치된다. 이러한 상기 복수개의 와류발생홈(123)은, 상기 충돌가열홀(141)로부터 분사되는 압축공기와 접촉되는 상기 베인캐리어(120)의 내벽의 면적이 증가하는 효과를 가져온다. 따라서 상기 와류발생홈(123)은, 압축공기로부터 상기 베인캐리어(120)의 내벽으로 열전달이 보다 효과적으로 일어나도록 한다.

1 : 가스터빈 2 : 압축기
3 : 연소기 4 : 추기유로
10 : 터빈 11 : 터빈 로터
12 : 터빈 디스크 13 : 터빈 블레이드
100 : 터빈 스테이터 110 : 터빈 케이싱
120 : 베인 캐리어 130 : 터빈 베인
140 : 충돌가열수단 150 : 제1공급관
160 : 제2공급관 170 : 관통부재

Claims (18)

1. 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 케이싱;
   상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어;
   상기 에어챔버에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인; 및
   상기 에어챔버에 수용되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 스테이터.
2. 청구항 1에 있어서,
   압축기와 연결된 추기유로와 연결되며, 상기 에어챔버를 가로지르도록 설치되고, 상기 충돌가열수단에 연결되어 압축기로부터 추기된 압축공기를 상기 충돌가열수단으로 공급하는 제1공급관과,
   상기 제1공급관으로부터 분기되며, 상기 에어챔버로 압축공기를 공급하는 제2공급관을 더 포함하는 스테이터.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1공급관은, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 정렬되며,
   상기 충돌가열수단은, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 정렬되고,
   상기 충돌가열수단은, 내주면에 상기 제1공급관으로부터 공급받은 압축공기가 분사되는 충돌가열홀이 형성된 스테이터.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 충돌가열수단을 관통하며, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽과 접하도록 배치되고, 속이 빈 형상으로 형성된 관통부재를 더 포함하며,
   상기 베인캐리어는, 상기 관통부재와 연통되며, 상기 에어챔버에 존재하는 압축공기를 상기 베인의 반경방향 외측 단부로 공급하는 연통유로가 형성된 스테이터.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에 수형(Male-type)으로 설치되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생돌기를 더 포함하는 스테이터.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에는, 암형(Female-type)으로 형성되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생홈이 형성된 스테이터.
7. 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 스테이터; 및
   상기 스테이터의 내부에 설치되며, 통과되는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하되,
   상기 스테이터는,
   케이싱과,
   상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어와,
   상기 베인케리어의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인과,
   상기 에어챔버에 수용되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 터빈.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 스테이터는,
   압축기와 연결된 추기유로의 타단에 연결되며, 상기 에어챔버를 가로지르도록 설치되고, 상기 충돌가열수단에 연결되어 압축기로부터 추기된 압축공기를 상기 충돌가열수단으로 공급하는 제1공급관과,
   상기 제1공급관으로부터 분기되며, 상기 에어챔버로 압축공기를 공급하는 제2공급관을 더 포함하는 터빈.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제1공급관은, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 정렬되며,
   상기 충돌가열수단은, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 정렬되고,
   상기 충돌가열수단은, 내주면에 상기 제1공급관으로부터 공급받은 압축공기가 분사되는 충돌가열홀이 형성된 터빈.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 스테이터는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 충돌가열수단을 관통하며, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽과 접하도록 배치되고, 속이 빈 형상으로 형성된 관통부재를 더 포함하며,
    상기 베인캐리어는, 상기 관통부재와 연통되며, 상기 에어챔버에 존재하는 압축공기를 상기 베인의 반경방향 외측 단부로 공급하는 연통유로가 형성된 터빈.
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 스테이터는, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에 수형(Male-type)으로 설치되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생돌기를 더 포함하는 터빈.
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에는, 암형(Female-type)으로 형성되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생홈이 형성된 터빈.
13. 외부로부터 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기;
    상기 압축기로부터 공급받은 압축공기와 외부로부터 공급받은 연료를 혼합한 후, 이를 연소시키는 연소기;
    상기 연소기로부터 발생된 연소가스를 공급받으며, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈;을 포함하되,
    상기 터빈은,
    상기 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되며, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 스테이터와,
    상기 스테이터의 내부에 설치되며, 통과되는 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하고,
    상기 스테이터는,
    케이싱과,
    상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 상기 케이싱과의 사이에 에어챔버를 형성하는 베인캐리어와,
    상기 베인케리어의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되는 복수개의 베인과,
    상기 에어챔버에 수용되며, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 상기 베인캐리어의 내벽으로 분사하는 충돌가열수단을 포함하는 가스터빈.
14. 청구항 13에 있어서,
    일단이 상기 압축기에 연결되고 타단이 상기 터빈 측에 배치되며, 상기 압축기로부터 추기된 압축공기를 상기 터빈으로 공급하는 추기유로를 더 포함하며,
    상기 스테이터는,
    상기 추기유로의 타단에 연결되며, 상기 에어챔버를 가로지르도록 설치되고, 상기 충돌가열수단에 연결되어 상기 압축기로부터 추기된 압축공기를 상기 충돌가열수단으로 공급하는 제1공급관과,
    상기 제1공급관으로부터 분기되며, 상기 에어챔버로 압축공기를 공급하는 제2공급관을 더 포함하는 가스터빈.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1공급관은, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 정렬되며,
    상기 충돌가열수단은, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 정렬되고,
    상기 충돌가열수단은, 내주면에 상기 제1공급관으로부터 공급받은 압축공기가 분사되는 충돌가열홀이 형성된 가스터빈.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 스테이터는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 충돌가열수단을 관통하며, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽과 접하도록 배치되고, 속이 빈 형상으로 형성된 관통부재를 더 포함하며,
    상기 베인캐리어는, 상기 관통부재와 연통되며, 상기 에어챔버에 존재하는 압축공기를 상기 베인의 반경방향 외측 단부로 공급하는 연통유로가 형성된 가스터빈.
17. 청구항 15에 있어서,
    상기 스테이터는, 상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에 수형(Male-type)으로 설치되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생돌기를 더 포함하는 가스터빈.
18. 청구항 15에 있어서,
    상기 충돌가열홀로부터 분사된 압축공기가 접촉되는 상기 베인캐리어의 내벽에는, 암형(Female-type)으로 형성되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 복수개의 와류발생홈이 형성된 가스터빈.

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