KR20210023541A

KR20210023541A - 베인과 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈

Info

Publication number: KR20210023541A
Application number: KR1020190103868A
Authority: KR
Inventors: 정영진; 서준혁; 이성룡; 최재우
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2021-03-04
Also published as: KR102478173B9; KR102478173B1; KR102411655B1; KR20210056979A; US11655714B2; US20210054742A1

Abstract

본 발명의 베인은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면, 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면, 및 제1면 및 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고, 센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 센터 타이로드에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.

Description

베인과 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈 {VANE AND COMPRESSOR AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}

본 발명은 베인과 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈에 관한 것이다. 구체적으로, 구조 안정성을 높이고 공력 성능을 향상시키기 위한 베인과 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

한편, 압축기에서 압축된 공기가 베인을 가압함에 따라 베인에는 응력(Stress, 스트레스)이 발생한다. 이로 인해, 베인의 구조적 안정성을 높이고, 베인의 공력 성능을 향상시키기 위하여 베인의 형상에 대한 연구가 진행되어 왔다.

유럽 특허출원공개 제3,343,024호 (공개일: 2018. 07. 04.)

본 발명은 높은 구조적 안정성과, 높은 공력 성능을 만족하는 압축기 베인, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면, 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면, 및 제1면 및 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고, 센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 센터 타이로드에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 센터 타이로드에 가장 인접한 단부 부분에서 하우징에 가까운 영역으로 높이가 변화하면서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값은 작아졌다가 커질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이는, 센터 타이로드에 가장 인접하게 배치되는 제1 영역, 제1 영역보다 센터 타이로드에서 더 멀리 배치되는 제2 영역, 및 하우징에 가장 인접하게 배치되는 제3 영역으로 구분될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제1 영역은 센터 타이로드에서 가장 인접한 부분에서부터 전체 높이의 25%까지의 영역일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제2 영역은 제1 영역과 인접하며, 전체 높이의 75%까지의 영역일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이고, 제2 변화율이 제1 변화율 및 제3 변화율보다 작은 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제3 변화율은 제2 변화율보다 큰 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제1면은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 볼록하게 형성되고, 제2면은 제1면의 반대 방향을 향하여 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제1면 및 제2면 곡선의 돌출방향은, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 중 적어도 하나의 영역에서 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제1면 및 제2면이 이루는 단면은 폐곡선을 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리는, 센터 타이로드로부터 이격된 높이에 따라 변화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베인에서, 제1면, 제2면 및 두 접선을 포함하는 복수의 프로파일(profile)이 구비되고, 프로파일이 적층되어 형성되는 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축기는, 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드, 블레이드가 장착되는 로터 디스크, 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드, 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인, 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징을 포함하고, 베인은, 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면, 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면, 및 제1면 및 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고, 로터 디스크에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 로터 디스크에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서, 베인은 하우징에서 돌출되고, 베인의 단부는 로터 디스크에 가깝게 배치되며, 베인은 로터 디스크에 가장 인접하게 배치되는 제1 영역, 제1 영역보다 로터 디스크에서 더 멀리 배치되는 제2 영역, 및 하우징에 가장 인접하게 배치되는 제3 영역으로 구분될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서, 제1 영역은의 단부에서 베인의 전체 높이의 25%인 영역이고, 제2 영역은, 제1 영역의 끝지점에서 베인의 전체 높이의 75%인 영역이며, 제3 영역은의 나머지 부분일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이고, 제1 변화율이 제3 변화율보다 큰 값을 가지고, 제3 변화율은 제2 변화율보다 큰 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서, 베인은, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 중 적어도 하나의 영역에서, 제1면은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 볼록하게 형성되고, 제2면은 제1면의 반대 방향을 향하여 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드, 블레이드가 장착되는 로터 디스크, 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드, 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인, 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징을 포함한다. 베인은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면, 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면, 및 제1면 및 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고, 로터 디스크에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 로터 디스크에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 베인은 하우징에서 돌출되고, 베인의 단부는 로터 디스크에 가깝게 배치되며, 베인은, 로터 디스크에 가장 인접하게 배치되는 제1 영역, 제1 영역보다 로터 디스크에서 더 멀리 배치되는 제2 영역, 및 하우징에 가장 인접하게 배치되는 제3 영역으로 구분될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이고, 제1 변화율이 제3 변화율보다 큰 값을 가지고, 제3 변화율은 제2 변화율보다 큰 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 베인의 단면의 두께의 길이를 코드(Chord)의 길이로 나눈 값이 높이에 따라 비선형적으로 변화함으로써, 구조 안정성과 높은 공력 성능을 만족시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 베인의 단면의 두께의 길이를 코드(Chord)의 길이로 나눈 값의 제1 영역에서의 제1 변화율이 제2 영역에서의 제2 변화율보다 크고, 제3 영역에서의 제3 변화율이 제2 영역에서의 제2 변화율보다 커짐으로써, 베인에 작용하는 스트레스(Stress)가 작아 구조 안정성이 높아질 수 있고 공력 성능이 향상되어 가스 터빈의 공력 성능을 향상시킬 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 압축기의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 베인의 각 높이에서의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 베인의 높이에 따른 두께 대비 코드(Chord)값과 일반적인 압축기 베인의 높이에 따른 두께 대비 코드값을 나타낸 그래프이다.

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 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 단면을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시킨다. 터빈(1300)은 내부에 터빈 블레이드(1310)가 장착되며, 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드(1310)가 회전하게 된다.

압축기(1100)는 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 블레이드(1130), 베인(1140), 하우징(1150), 인테이크(1160), 디퓨저(1170)를 포함한다.

로터 디스크(1110)에는 블레이드(1130)가 장착되며, 로터 디스크(1110)를 관통하여 센터 타이로드(1120)가 위치한다. 로터 디스크(1110)는 센터 타이로드(1120)의 회전에 따라 회전하여 블레이드(1130)를 회전시킨다. 로터 디스크(1110)는 복수개 일 수 있다.

복수의 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 로터 디스크(1110)의 외주부에는 복수 개의 돌기(미도시)가 형성될 수 있고, 인접한 로터 디스크(1110)와 함께 회전하도록 결합되는 플랜지(1111)가 형성될 수 있다.

복수 개의 로터 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 공기 이동 유로(1112)가 형성될 수 있다. 공기 이동 유로(1112)를 통해 압축기(1100)의 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드(1310)를 냉각시킬 수 있다.

일 실시예에서는 로터 디스크(1110)에 무게 밸런싱을 위한 밸런싱 부재가 부착될 수도 있다. 밸런싱 부재는 예를 들어 추가 될 수 있다. 밸런싱 부재가 부착됨에 따라 로터 디스크(1110)의 회전 안정성을 높여줄 수 있다.

센터 타이로드(1120)는 로터 디스크(1110)를 관통하여 위치하며, 로터 디스크(1110)를 정렬한다. 센터 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달 받아서 로터 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.

센터 타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 센터 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 로터 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 로터 디스크(1110)들이 밀착되게 한다.

블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합된다. 블레이드(1130)는 복수 개일 수 있으며, 다단으로 형성될 수 있다. 블레이드(1130)에는 로터 디스크(1110)에 체결되기 위한 도브 테일(1131)이 형성될 수 있으며, 로터 디스크(1110)에는 도브 테일(1131)이 삽입되기 위한 슬롯(1113)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 블레이드(1130)와 로터 디스크(1110)가 도브 테일 방식으로 결합되지만, 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있다.

블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 베인(1140)로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다. 일 실시예에서 복수의 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

하우징(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 하우징(1150)은 내부에 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 블레이드(1130), 베인(1140) 등을 수용한다.

하우징(1150)에는 다단의 압축기 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.

압축기(1100)의 입구에는 인테이크(1160)가 위치한다. 인테이크(1160)는 외부 공기를 압축기(1100) 내부로 유입시킨다. 압축기(1100)의 출구에는 압축된 공기를 확산 이동시키는 디퓨저(1170)가 배치된다. 디퓨저(1170)는 압축기(1100)에서 압축된 공기가 연소기(1200)에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(static pressure)으로 전환시킨다. 디퓨저(1170)를 통과한 압축 공기는 연소기(1200)로 유입된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인을 나타낸 도면이다. 도 5는 도 4에 도시된 베인의 각 높이에서의 단면을 나타낸 도면이다. 한편, 도 4는 설명의 편의를 위해 베인과 연결된 하우징의 도시를 생략하였다.

도 4를 참조하면, 베인(1140)은 단면적이 서로 다른 베인의 상단(1140h), 베인의 하단(1140t)을 포함한다. 이때, 베인의 상단(1140h)은 하우징과 연결된다. 즉, 베인(1140)은 하우징의 내측면에서 돌출되어 배치될 수 있다. 베인의 하단(1140t)은 센터 타이로드(1120)에 가깝게 배치된다. 즉, 베인의 하단(1140t)은 로터 디스크(1110)에 가깝게 배치된다. 베인의 상단(1140h)은 슈라우드(Shroud)와 인접하게 배치될 수 있다. 그리고, 베인의 하단(1140t)은 허브(Hub)일 수 있다.

베인(1140)의 측면은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면(1141), 제1면(1141)의 반대 방향을 향하는 제2면(1142), 및 제1면(1141) 및 제2면(1142)이 만나는 두 접선(1143)을 포함한다.

제1면(1141)은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되어, 공기는 제1면(1141)의 표면을 따라 압축기의 후단부로 압축되며 이동된다. 이때, 압축된 공기가 베인(1140)의 제1면(1141)을 가압함에 따라 베인(1140)에는 응력(Stress, 스트레스)이 발생한다.

제2면(1142)은 상술한 제1면(1141)의 반대 방향으로 대향되게 배치된다. 압축된 공기가 압축기의 후단부로 흘러가며 공력 성능을 높이기 위하여, 제2면(1142)은 베인(1140)의 높이에 따라 볼록하거나 오목하게 형성될 수 있다.

접선(1143)은 제1면(1141)과 제2면(1142)이 만나는 지점에 배치된다. 접선(1143)은 베인(1140)의 높이에 따른 제1면(1141) 및 제2면(1142)의 형상에 따라 직선이 아닌 곡선으로 형성될 수도 있다.

베인(1140)은 세 영역으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 센터 타이로드(1120)에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향으로 순차적으로 제1 영역(1140a1), 제2 영역(1140a2) 및 제3 영역(1140a3)이 배치될 수 있다. 이때, 설명의 편의상 베인의 하단(1140t)측의 단부를 베인의 최소 높이점(h0)이라고 할 수 있고, 베인의 상단(1140h)측의 단부를 베인의 최대 높이점(h3)이라고 할 수 있다.

제1 영역(1140a1)은 센터 타이로드(1120)에 가장 인접하게 배치될 수 있다. 즉, 제1 영역(1140a1)은 베인의 최소 높이점(h0)에서 시작된다. 제2 영역(1140a2)은 제1 영역(1140a1)보다 센터 타이로드(1120)에서 더 멀리 배치될 수 있다. 그리고, 제3 영역(1140a3)은 하우징에 가장 인접하게 배치된다.

도 5는 도 4에 도시된 베인(1140)의 각 영역에서의 단면을 도시한 도면이다.

도 5의 (a)를 참조하여 베인(1140)의 단면에서의 두께(t) 및 코드(c)를 정의하면 다음과 같다. 베인(1140)의 단면에서 제1면(1141) 및 제2면(1142) 사이의 최대 이격 거리를 해당 단면에서의 두께(Thickness, t)라고 할 수 있다. 그리고, 베인(1140)의 단면에서 두 접선(1143) 중 어느 하나의 접선(1143)에서 다른 접선(1143)까지의 거리를 코드(Chord, c)라고 할 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에서, 베인(1140)의 어느 단면에서 두께(t)를 코드(c)로 나눈 값의, 베인(1140)의 높이에 따른 변화율은 비선형적으로 변화한다. 즉, 센터 타이로드(1120)에 가장 인접한 베인(1140)의 단부 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 베인(1140)의 높이 중, 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면(1141) 및 제2면(1142) 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선(1143) 중 어느 하나의 접선(1143)에서 다른 접선(1143)까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 센터 타이로드(1120)에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화한다.

이때, 베인(1140)의 어느 일 단면에서 두께(t)를 코드(c)로 나눈 값의, 베인(1140)의 높이에 따른 변화율은 베인의 최소 높이점(h0)에서 베인의 최대 높이점(h3)까지 작아졌다가 다시 커질 수 있다. 즉, 센터 타이로드(1120)에 가장 인접한 단부 부분에서 하우징에 가까운 영역으로 높이가 변화하면서, 제1면(1141) 및 제2면(1142) 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선(1143) 중 어느 하나의 접선(1143)에서 다른 접선(1143)까지의 거리로 나눈 값은 작아졌다가 커질 수 있다.

이때, 제1 영역(1140a1)의 높이는 베인의 전체 높이(h)의 약 25%일 수 있다. 구체적으로, 제1 영역(1140a1)의 높이는 센터 타이로드(1120)에서 가장 인접한 부분인 베인의 최소 높이점(h0)에서부터 베인의 전체 높이(h)의 25%까지의 영역일 수 있다. 한편, 상술한 것과 달리, 설계 등의 이유로 제1 영역(1140a1)의 높이는 베인의 전체 높이(h)의 20 에서 30%가 될 수 있다.

제2 영역(1140a2)의 높이는 베인의 전체 높이(h)의 약 75%일 수 있다. 구체적으로, 제2 영역(1140a2)의 높이는 제1 영역(1140a1) 높이에서부터 베인의 전체 높이(h)의 75%까지의 영역일 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(1140a1) 높이(h1)가 베인의 전체 높이(h)의 25%인 경우, 제2 영역(1140a2)의 높이(h2)는 베인의 전체 높이(h)의 25%에서 시작하여 베인의 전체 높이(h)의 75%까지일 수 있다. 한편, 상술한 것과 달리, 설계 등의 이유로 제2 영역(1140a2)의 높이(h2)는 베인의 전체 높이(h)의 70 에서 80%가 될 수도 있다.

그리고, 제3 영역(1140a3)은 제2 영역(1140a2)의 높이에서부터 베인의 최대 높이점(h3)일 수 있다.

도 5의 (a)는 제1 영역(1140a1)에서의 단면을 나타낸 도면이고, 도 5의 (b)는 제2 영역(1140a2)에서의 단면을 나타낸 도면이며, 도 5의 (c)는 제3 영역(1140a3)에서의 단면을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1면(1141) 및 제2면(1142)이 이루는 단면은 폐곡선을 이룰 수 있다. 구체적으로 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제1면(1141)은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 볼록하게 형성될 수 있고, 제2면(1142)은 제1면(1141)의 반대 방향을 향하여 오목하게 형성될 수 있다.

또한, 제1면(1141)의 곡선의 돌출방향은 제1 영역(1140a1), 제2 영역(1140a2) 및 제3 영역(1140a3)에서 공통되게 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 볼록하게 형성될 수 있다.

그리고, 제2면(1142)의 곡선의 돌출방향은 제1 영역(1140a1), 제2 영역(1140a2) 및 제3 영역(1140a3) 중 적어도 하나의 영역에서 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2면(1142)의 곡선의 돌출방향이 제1 영역(1140a1) 및 제2 영역(1140a2)에서는 제1면(1141)의 반대 방향을 향하여 오목하게 형성되고, 제2면(1142)의 곡선의 돌출방향 제3 영역(1140a3)에서는 적어도 일부가 볼록하게 형성될 수 있다.

또한, 베인(1140)의 높이에 따른 베인(1140) 단면의 코드(c)의 값은 변할 수 있다. 즉, 센터 타이로드(1120)에 가장 인접한 부분에서 시작하여 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 두 접선(1143) 중 어느 하나의 접선(1143)에서 다른 접선(1143)까지의 거리는 센터 타이로드(1120)로부터 이격된 높이에 따라 변화할 수 있다. 구체적으로, 베인(1140)의 높이가 높아짐에 따라 코드(c)의 값은 커질 수 있다.

즉, 베인의 최대 높이점에 가까운 지점에서의 베인(1140)의 단면의 코드(c)의 값이, 베인의 최대 높이점에서 먼 지점에서의 베인(1140)의 단면의 코드(c)의 값보다 클 수 있다. 이는 베인(1140)이 하우징에 가까워질수록 두꺼워질 수 있기 때문이다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 베인(1140)의 단면의 두께(t)의 길이를 코드(c)의 길이로 나눈 값이 높이에 따라 비선형적으로 변화함으로써, 베인(1140)의 구조 안정성과 높은 공력 성능을 만족시킬 수 있다.

한편, 베인(1140)은 제1면(1141), 제2면(1142) 및 두 접선(1143)을 포함하는 복수의 프로파일(1140p, profile)을 구비할 수 있다. 즉, 베인(1140)이 단면방향으로 서로 분절되고 서로 결합가능한 복수의 프로파일(1140p)을 구비할 수 있다. 그리고, 베인(1140)은 상술한 프로파일(1140p)이 적층되어 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 단면방향으로 서로 분절되고 서로 결합가능한 복수의 프로파일(1140p)이, 베인(1140)의 높이방향으로 서로 적층되어 하나의 베인(1140)을 이룰 수 있다. 이때, 복수의 프로파일(1140p)은 각각 단면에서의 제1면(1141)과 제2면(1142) 사이의 두께(t) 및 코드(c)가 다를 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 베인의 높이에 따른 두께 대비 코드(Chord)값과 일반적인 압축기 베인의 높이에 따른 두께 대비 코드값을 나타낸 그래프이다.

도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 베인(1140)의 높이에 따른 두께(t) 대비 코드(c)의 값을 나타낸 그래프이고, 도 6의 (b)는 압축기 베인(1140)의 높이에 따른 두께(t) 대비 코드(c)의 값을 나타낸 그래프이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 그래프의 가로축은 두께(t)의 값을 코드(c)의 값으로 나눈 값이다. 이를 두께(t)-코드(c)비 라고 표현할 수 있다. 그리고, 그래프의 세로축은 베인(1140)의 높이이다. 이때, 베인의 최소 높이점이 0%이고, 베인의 최대 높이점이 100%이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 베인(1140)의 높이에 따른 두께(t) 대비 코드(c)의 값을 나타낸 그래프를 참조하면, 베인의 최소 높이점에서 두께(t)-코드(c)비는 대략 0.2보다 작은 값을 갖는다.

제1 영역(1140a1), 제2 영역(1140a2) 및 제3 영역(1140a3)의 각 영역에서 두께(t)-코드(c)비의 베인(1140) 높이에 따른 변화율은 각각 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이라 할 수 있다. 즉, 베인(1140)의 제1 영역(1140a1), 제2 영역(1140a2) 및 제3 영역(1140a3)의 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 제1면(1141) 및 제2면(1142) 사이의 최대 이격 거리를, 두 접선(1143) 중 어느 하나의 접선(1143)에서 다른 접선(1143)까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이다. 그리고, 제2 변화율이, 제1 변화율 및 제3 변화율보다 작은 값을 가질 수 있다.

구체적으로, 제1 영역(1140a1)의 높이인 a지점에서는 두께(t)-코드(c)비가 대략 0.25의 값을 갖는다. 제1 영역(1140a1)에서 가로축인 두께(t)-코드(c)비는 약 0.05가 증가했으며, 세로축인 베인(1140)의 높이는 약 25%가 증가했으므로, 제1 영역(1140a1)에서의 그래프의 평균기울기는 대략 5(=0.25/0.05)의 값을 가질 수 있다.

그리고, 제2 영역(1140a2)의 높이인 b지점에서는 두께(t)-코드(c)비가 대략 0.9의 값을 갖는다. 제2 영역(1140a2)에서 가로축인 두께(t)-코드(c)비는 약 0.7가 증가했으며, 세로축인 베인(1140)의 높이는 약 50%가 증가했으므로, 제2 영역(1140a2)에서의 그래프의 평균기울기는 대략 0.7(=0.5/0.7)의 값을 가질 수 있다.

그리고, 제3 영역(1140a3)의 높이 지점에서는 두께(t)-코드(c)비가 대략 1의 값을 갖는다. 제3 영역(1140a3)에서 가로축인 두께(t)-코드(c)비는 약 0.1이 증가했으며, 세로축인 베인(1140)의 높이는 약 25%가 증가했으므로, 제3 영역(1140a3)에서의 그래프의 평균기울기는 대략 2.5(=0.25/0.1)의 값을 가질 수 있다. 즉, 제2 영역(1140a2)과, 제1 영역(1140a1) 및 제3 영역(1140a3)의 평균기울기의 차이는 약 4배에서 8배 사이일 수 있다.

즉, 제2 영역(1140a2)의 제2 변화율이 제1 변화율 및 제3 변화율보다 작은 값을 가질 수 있다. 그리고, 제1 변화율이 제3 변화율보다 더 클 수 있다. 다만, 설계 등의 이유로 제3 변화율이 제1 변화율과 비슷하거나, 더 클 수도 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 베인(1140)의 단면의 두께(t)의 길이를 코드(c)의 길이로 나눈 값의 제1 영역(1140a1)에서의 제1 변화율이 제2 영역(1140a2)에서의 제2 변화율보다 크고, 제3 영역(1140a3)에서의 제3 변화율이 제2 영역(1140a2)에서의 제2 변화율보다 커짐으로써, 베인(1140)에 작용하는 응력(스트레스, Stress)가 작아져 베인(1140)의 구조 안정성이 높아질 수 있고 공력 성능이 향상되어 가스 터빈의 공력 성능을 향상시킬 수 있다.

반면에, 도 6의 (b)를 참조하면, 두께(t)-코드(c)비인 가로축의 변화에 따라 세로축인 베인의 높이의 변화가 일정하다. 즉, 베인의 높이가 높아지면서 두께(t)-코드(c)비가 일정하게 증가하게 된다. 구체적으로, 베인의 높이에 따라 두께(t)-코드(c)비가 선형적으로 증가하거나, 감소하게 된다. 이러한 구조에서는 베인의 두께(t)-코드(c)비가 비선형적으로 변화하는 베인에 비하여 구조응력이 증가하게 되며, 공력 성능에 대한 효율도 낮다.

도 6의 (a)에 따르는 베인을 대상으로 구조 안정성 및 공력 성능을 실험한 결과, 베인에 가해지는 응력의 평균값은 138.29 MPa, 응력 최대값은 1143.9Mpa이고, 공력 성능(효율)은 92.802%이다. 그리고, 도 6의 (b)에 따르는 베인을 대상으로 구조 안정성 및 공력 성능을 실험한 결과, 베인에 가해지는 응력의 평균값은 141.85Mpa, 응력 최대값은 1183.4Mpa이고, 공력 성능(효율)은 92.786%이다.

즉, 도 6의 (a)를 따르는 베인의 응력 평균값, 응력 최대값이 도 6의 (b)를 따르는 베인에 비하여 더 줄어들었으며, 공력 성능(효율)은 향상되었다. 구체적으로, 베인의 효율이 약 0.016% 상승되었으며, 이에 따라 압축기 효율이 0.016% 상승할 수 있다. 이 경우, 가스 터빈 전체 효율은 약 0.0053%정도 향상된다. 이를 전력 소비 효율 측면으로 환산할 경우, 가스 터빈이나 복합발전의 경제 수명이 20년 내지 30년 동안 약 5억원에서 8억원에 가까운 금액을 절감할 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
1100 : 압축기
1200 : 연소기
1300 : 터빈
1140 : 베인
1140p : 프로파일
1140h : 베인의 상단
1140t : 베인의 하단
1140a1 : 제1영역
1140a2 : 제2영역
1140a3 : 제3영역
1141 : 제1면
1142 : 제2면
1143 : 접선
1143a : 제1 접선
1143b : 제2 접선
t : 베인 단면의 두께
c : 베인 단면의 길이
h : 베인의 전체 높이
h0 : 베인의 최소 높이점
h1 : 제1 영역의 높이
h2 : 제2 영역의 높이
h3 : 베인의 최대 높이점

Claims

압축기 내부에 배치되고, 압축기의 하우징으로부터 돌출되는 베인에 있어서,
상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면;
상기 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면; 및
상기 제1면 및 상기 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고,
센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 상기 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 상기 센터 타이로드에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 베인.
제1 항에 있어서,
상기 센터 타이로드에 가장 인접한 단부 부분에서 상기 하우징에 가까운 영역으로 높이가 변화하면서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값은 작아졌다가 커지는, 베인.
제2 항에 있어서,
센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 상기 하우징으로 향하는 방향의 높이는,
상기 센터 타이로드에 가장 인접하게 배치되는 제1 영역;
상기 제1 영역보다 상기 센터 타이로드에서 더 멀리 배치되는 제2 영역; 및
상기 하우징에 가장 인접하게 배치되는 제3 영역으로 구분되는, 베인.
제3 항에 있어서,
상기 제1 영역은,
상기 센터 타이로드에서 가장 인접한 부분에서부터 전체 높이의 25%까지의 영역인, 베인.
제4 항에 있어서,
상기 제2 영역은,
상기 제1 영역과 인접하며, 전체 높이의 75%까지의 영역인, 베인.
제3 항에 있어서,
상기 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이고,
상기 제2 변화율이, 상기 제1 변화율 및 제3 변화율보다 작은 값을 가지는, 베인.
제6 항에 있어서,
상기 제3 변화율은 상기 제2 변화율보다 큰 값을 가지는, 베인.
제3 항에 있어서,
상기 제1면은 상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 볼록하게 형성되고,
상기 제2면은 상기 제1면의 반대 방향을 향하여 오목하게 형성되는, 베인.
제8 항에 있어서,
상기 제1면 및 제2면 곡선의 돌출방향은,
상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역 중 적어도 하나의 영역에서 형성되는, 베인.
제9 항에 있어서,
상기 제1면 및 제2면이 이루는 단면은 폐곡선을 이루는, 베인.
제1 항에 있어서,
상기 센터 타이로드에 가장 인접한 부분에서 시작하여 상기 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리는,
상기 센터 타이로드로부터 이격된 높이에 따라 변화하는, 베인.
제1 항에 있어서,
상기 제1면, 상기 제2면 및 상기 두 접선을 포함하는 복수의 프로파일(profile)이 구비되고,
상기 프로파일이 적층되어 형성되는 형성되는, 베인.
회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드;
상기 블레이드가 장착되는 로터 디스크;
상기 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드;
상기 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인;
상기 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징;을 포함하고,
상기 베인은,
상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면;
상기 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면; 및
상기 제1면 및 상기 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고,
상기 로터 디스크에 가장 인접한 부분에서 시작하여 상기 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 상기 로터 디스크에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제13 항에 있어서,
상기 베인은 상기 하우징에서 돌출되고,
상기 베인의 단부는 상기 로터 디스크에 가깝게 배치되며,
상기 베인은,
상기 로터 디스크에 가장 인접하게 배치되는 제1 영역;
상기 제1 영역보다 상기 로터 디스크에서 더 멀리 배치되는 제2 영역; 및
상기 하우징에 가장 인접하게 배치되는 제3 영역으로 구분되는, 압축기.
제14 항에 있어서,
상기 제1 영역은, 상기 베인의 단부에서 상기 베인의 전체 높이의 25%인 영역이고,
상기 제2 영역은, 상기 제1 영역의 끝지점에서 상기 베인의 전체 높이의 75%인 영역이며,
상기 제3 영역은, 상기 베인의 나머지 부분인, 압축기.
제15 항에 있어서,
상기 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이고,
상기 제1 변화율이 상기 제3 변화율보다 큰 값을 가지고, 상기 제3 변화율은 상기 제2 변화율보다 큰 값을 가지는, 압축기.
제14 항에 있어서,
상기 베인은,
상기 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 중 적어도 하나의 영역에서,
상기 제1면은 상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 볼록하게 형성되고,
상기 제2면은 상기 제1면의 반대 방향을 향하여 오목하게 형성되는, 압축기
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 회전되는 터빈을 포함하고,
상기 압축기는,
회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드;
상기 블레이드가 장착되는 로터 디스크;
상기 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드;
상기 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인;
상기 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징을 포함하며,
상기 베인은,
상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1면;
상기 제1면의 반대 방향을 향하는 제2면; 및
상기 제1면 및 상기 제2면이 만나는 두 접선을 포함하고,
상기 로터 디스크에 가장 인접한 부분에서 시작하여 상기 하우징으로 향하는 방향의 높이 중 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이, 상기 로터 디스크에서 가장 인접한 부분으로부터 떨어진 높이에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈
제18 항에 있어서,
상기 베인은 상기 하우징에서 돌출되고,
상기 베인의 단부는 상기 로터 디스크에 가깝게 배치되며,
상기 베인은,
상기 로터 디스크에 가장 인접하게 배치되는 제1 영역;
상기 제1 영역보다 상기 로터 디스크에서 더 멀리 배치되는 제2 영역; 및
상기 하우징에 가장 인접하게 배치되는 제3 영역으로 구분되는, 가스 터빈.
제19 항에 있어서,
상기 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역 각각의 어느 일 높이에서의 단면에서, 상기 제1면 및 제2면 사이의 최대 이격 거리를, 상기 두 접선 중 어느 하나의 접선에서 다른 접선까지의 거리로 나눈 값의 높이에 따른 변화율이 제1 변화율, 제2 변화율 및 제3 변화율이고,
상기 제1 변화율이 상기 제3 변화율보다 큰 값을 가지고, 상기 제3 변화율은 상기 제2 변화율보다 큰 값을 가지는, 가스 터빈.