KR20210092532A

KR20210092532A - 볼트-너트 조립 구조, 너트의 제조방법, 볼트-너트 조립 구조가 적용된 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR20210092532A
Application number: KR1020200006049A
Authority: KR
Inventors: 강주형; 임용현
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-07-26
Also published as: KR102294821B1

Abstract

본 발명은 머리부와, 상기 머리부의 일면으로 돌출되고 둘레면에 나사산이 형성되는 몸체부를 포함하는 볼트와, 상기 볼트와 체결되며, 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되는 너트를 포함하고, 상기 볼트에 장력이 인가되는 경우, 장력에 의하여 변형되는 몸체부의 나사산과 상기 너트의 나사홈이 결합되도록 상기 너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경은 상기 몸체부의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 볼트-너트 조립 구조를 제공한다.
따라서, 장력에 의해 변형되는 볼트의 나사산과 결합되는 너트 나사홈의 유효경을 볼트 나사산의 유효경보다 크게 형성함으로써 볼트의 나사산이 변형되더라도 볼트와 너트의 조립을 원활하게 수행할 수 있다.

Description

볼트-너트 조립 구조, 너트의 제조방법, 볼트-너트 조립 구조가 적용된 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈{Bolt-NutAssembly Structure, manufacturing method of nut, rotor assembly with bolt-nut assembly structure and gas turbine including the same}

본 발명은 볼트-너트 조립 구조, 너트의 제조방법, 볼트-너트 조립 구조가 적용된 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물 및 기기의 결합 시 사용되는 볼트-너트의 조립 구조와 이에 사용되는 너트의 제조방법, 볼트-너트 조립 구조가 적용된 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.

한국 등록특허 제10-1175937호에 기재된 배경기술을 참조하면, 일반적으로 볼트 및 너트는 짝을 이루어 각종 기계부품을 기계구조물에 결합하기 위해 사용되는 기계요소로서, 볼트 및 너트의 자리면과 죔부 사이에는 풀림방지를 위해 와셔가 함께 사용되기도 한다. 이러한 볼트의 종류로는 육각 볼트, 죔 볼트, 특수 볼트, 나비 볼트 등이 있으며, 특히 머리모양이 육각형인 육각 볼트는 각종 부품을 결합하는데 널리 쓰이는 대표적인 체결수단으로 볼 수 있다.

가스터빈 로터를 조립하는 경우, 볼트에 너트를 일부 조립 후, 볼트에 인장응력을 가하고, 볼트가 인장된 상태에서 너트를 체결하여야 한다. 상기 너트는 볼트에 인장응력이 가해지기 전후에 모두 볼트의 트래드에 조립될 수 있어야 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래에 사용되고 있는 볼트(1) 및 너트(3)의 결합 및 조립 구조는 볼트(1)에 장력이 인가되는 경우 장력에 의하여 볼트(1)의 몸체부(2)가 늘어나면서 볼트의 나사산(3)이 변형될 경우에는 볼트(1)의 나사산(3)의 폭(w1)이 볼트(1)의 나사산(3)이 결합되는 너트(5) 나사홈(6)의 폭(w2)보다가 크게 변형되어 오버랩(o)되는 부위가 발생하여 오버랩(o)되는 부위에 의해 장력으로 변형된 볼트가 너트와 결합 및 조립이 원활히 수행되지 못하는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 볼트의 몸체부가 장력에 의해 변형되더라도 볼트와 너트를 원활하게 조립할 수 있도록 하는 볼트-너트 조립 구조와 이에 적용되는 너트의 제조 방법 및 볼트-너트 조립 구조가 적용된 로터 조립체와 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 머리부와, 상기 머리부의 일면으로 돌출되고 둘레면에 나사산이 형성되는 몸체부를 포함하는 볼트와, 상기 볼트와 체결되며, 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되는 너트를 포함하고, 상기 볼트에 장력이 인가되는 경우, 장력에 의하여 변형되는 몸체부의 나사산과 상기 너트의 나사홈이 결합되도록 상기 너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경은 상기 몸체부의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 볼트-너트 조립 구조를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 볼트-너트 조립 구조에 있어서, 상기 너트 나사홈의 유효경과 상기 볼트 나사산의 유효경 차이(D)는 [수학식 1]을 만족할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, D는 너트 나사홈과 볼트 나사산의 유효경 차이(mm), L은 너트의 축방향 길이(mm), ε는 장력으로 인한 볼트의 변형률, α는 볼트의 나사산 각도/2 이다.

상기 너트 나사홈의 유효경은 나사홈의 바깥지름과 골지름의 평균값일 수 있고, 상기 볼트 나사산의 유효경은 나사산의 바깥지름과 골지름의 평균값일 수 있다.

또한, 본 발명은 장력에 의해 몸체부의 길이가 변형되는 볼트에 결합되는 나사홈이 내측면에 형성되는 너트를 제조하기 위한 너트의 제조 방법에 있어서, 장력에 의해 변형되지 않은 몸체부에 형성된 볼트 나사산의 유효경을 결정하는 단계; 변형되지 않은 상기 볼트 나사산과 결합되는 너트 나사홈의 유효경을 결정하는 단계; 및 상기 볼트 나사산의 유효경보다 큰 나사홈의 유효경을 가지도록 내측면에 나사홈을 형성하는 단계를 포함하는 너트의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 너트의 제조 방법에 있어서, 상기 너트 나사홈의 유효경과 상기 볼트 나사산의 유효경 차이(D)는 [수학식 1]을 만족할 수 있다.

[수학식 1]

또한, 본 발명은 가스터빈의 내부에 설치되어 회전하는 로터 조립체에 있어서, 압축기 디스크; 상기 압축기 디스크로부터 후방으로 이격되도록 설치되는 것으로서, 기저부와, 상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하는 터빈 디스크; 상기 압축기 디스크와 터빈 디스크 사이에 설치되는 토크튜브 디스크; 상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크; 및 상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 포함하되, 상기 타이로드의 타단 둘레면에는 나사산이 형성되고, 상기 타이너트의 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되며, 상기 타이로드에 장력이 인가되는 경우, 장력에 의하여 변형되는 나사산과 상기 나사홈이 결합되도록 상기 타이너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경은 상기 타이로드 타단 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 로터 조립체를 제공한다.

또한, 본 발명은 외부 공기가 내부를 통과하는 압축기 케이싱과, 상기 압축기 케이싱의 내측에 배치되며 다단(Multi-stage)으로 배치되는 압축기 디스크와, 상기 압축기 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 흡입된 공기를 회전을 통해 압축시키는 압축기 블레이드를 포함하는 압축기; 상기 압축기로부터 발생된 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되는 터빈 케이싱과, 상기 터빈 케이싱의 내측에 배치되며 다단으로 배치되는 터빈 디스크와, 상기 터빈 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 연소가스가 통과됨에 따라 회전하는 터빈 블레이드를 포함하는 터빈; 상기 압축기 디스크 중 가장 후단(Rear-stage)에 배치된 것과, 상기 터빈 디스크 중 가장 전단(Front-stage)에 배치된 것의 사이에 설치되며, 상기 터빈 디스크에서 발생된 토크를 상기 압축기 디스크로 전달하는 토크튜브 디스크; 상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크; 및 상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 포함하되, 상기 타이로드의 타단 둘레면에는 나사산이 형성되고, 상기 타이너트의 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되며, 상기 타이로드에 장력이 인가되는 경우, 장력에 의하여 변형되는 나사산과 상기 나사홈이 결합되도록 상기 타이너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경은 상기 타이로드 타단 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈을 제공한다.

본 발명에 따른 볼트-너트 조립 구조, 너트의 제조방법, 볼트-너트 조립 구조가 적용된 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈은 장력에 의하여 볼트가 변형되더라도 볼트와 너트의 조립을 원활하게 수행할 수 있다.

또한, 가압디스크가 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되는 가압부와, 가압부의 후방에 배치되며 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와, 가압부와 지지부의 사이를 연결하며 가압부의 후방에서 타이로드 측으로 휘어져 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 구조로 설계됨으로써, 가압디스크가 압축기 디스크, 토크튜브 디스크 및 터빈 디스크의 축 방향 변화에 대응하여 탄성 변형되도록 할 수 있다. 이러한 가압디스크의 탄성 변형을 통해 압축기 디스크, 토크튜브 디스크 및 터빈 디스크의 축 방향 변화를 상쇄시킬 수 있으며, 가압디스크에 의한 체결력 및 가압력이, 가스터빈의 작동 중에도 초기 설계값 그대로 유지되도록 할 수 있다.

도 1은 장력에 의해 변형되지 않은 볼트와 너트가 결합된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 볼트가 장력에 의해 변형 시 나사산이 너트의 나사홈에서 오버랩된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트-너트 조립 구조에 의한 볼트의 나사산과 너트의 나사홈이 결합된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 종래의 너트 나사홈의 유효경 대비 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 너트 나사홈의 유효경이 확대된 상태를 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트를 제조하기 위한 단계를 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트-너트 조립 구조가 적용된 가스터빈의 단면도이다.
도 7은 도 6에서 로터 조립체만을 별도로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트-너트 조립 구조(100)는 볼트(120)와, 너트(140)를 포함한다. 상기 볼트(120)는 머리부(미도시)와, 몸체부(121)를 포함하고, 상기 몸체부(121)는 상기 머리부(미도시)의 일면으로 돌출되며, 그 둘레면에는 나사산(123)이 형성된다.

상기 볼트(120)는 상기 너트(140)와 체결되고, 상기 너트(140)의 내측면에는 상기 나사산(123)과 결합되는 나사홈(142)이 형성된다. 상기 너트(140)의 내측면에 형성되는 나사홈(142)의 유효경(D1)은 장력에 의해 변형되는 볼트(120)의 몸체부(122) 둘레면에 형성되는 나사산(123)의 유효경(D2) 보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 나사홈(142)의 유효경(D1)은 상기 너트(140)의 내측면에 형성되는 나사홈(142)의 바깥지름(142a)과 골지름(142b)의 평균값이고, 상기 몸체부(122)의 둘레면에 형성되는 나사산(123)의 유효경(D2)은 나사산(123)의 바깥지름(123a)과 골지름(123b)의 평균값이며, 상기 너트(140)) 나사홈(142)의 유효경(D1)과 상기 볼트(120) 나사산(123)의 유효경(D2)의 차이(D)는 [수학식 1]을 만족하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

상기 너트(140)의 축방향 길이는 별도의 계측수단을 이용하여 측정하고, 상기 볼트(120)의 변형률은 계측수단을 이용하여 측정한 장력으로 인해 볼트(120)의 늘어난 길이를 변형되기 전의 볼트(120)의 길이로 나눔으로써 계산할 수 있으며, 볼트(120)의 나사산 각도는 각도기를 이용하여 측정할 수 있다.

일 예로, 상기 너트(140)의 축방향 길이가 350mm, 장력으로 인한 볼트(120)의 변형률이 0.0017, 상기 볼트(120)의 나사산(123)의 각도가 60ㅀ일 경우, 상기의 수치를 [수학식 1]에 대입하면 상기 너트(140) 나사홈(142)의 유효경(D1)과 상기 볼트(120) 나사산(123)의 유효경(D2)의 차이(D)는 1.03057 보다 큰 것이 바람직하다.

상기 나사홈(142)의 유효경(D1)을 상기 나사산(123)의 유효경(D2)에 비해 1.03057 보다 크게 형성함으로써 장력으로 인해 변형되기 전의 나사산(123) 및 장력으로 인해 나사산(123)이 변형되더라도 변형된 나사산(123)이 유효경이 증대된 나사홈(142)의 내에 위치하게 됨으로써 상기 볼트(120)의 상기 너트(140)의 조립이 원활하게 된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 너트의 제조 방법은 장력에 의해 변형되지 않은 몸체부에 형성된 볼트 나사산의 유효경을 결정하는 단계(S10)와, 변형되지 않은 볼트 나사산과 결합되는 너트 나사홈의 유효경을 결정하는 단계(S20)와, 볼트 나사산의 유효경보다 큰 나사홈의 유효경을 가지도록 너트의 내측면에 나사홈을 형성하는 단계(S30)를 포함한다.

도 5를 참조하면, 장력에 의해 변형되지 않은 몸체부(121)에 형성된 볼트(20) 나사산(123)의 유효경(D2)을 결정하는 단계(S10)와, 변형되지 않은 볼트(20) 나사산(123)의 유효경(D2)과 결합되는 너트(140) 나사홈(142)의 유효경(D1)을 결정하는 단계(S20)는 별도의 계측수단에 의해 상기 나사산(123)의 유효경(D2)와 상기 나사홈(142)의 유효경(D1)이 측정됨으로써 결정되고, 상기 나사산(123)의 유효경(D2)를 결정하는 단계(S10)와 상기 나사홈(142)의 유효경(D1)을 결정하는 단계(S20)를 거친 후, 볼트(120) 나사산(123)의 유효경(D2) 보다 큰 나사홈(142)의 유효경(D1)을 가지도록 너트(140)의 내측면에 나사홈(142)을 형성하는 단계(S30)를 수행하게 된다.

상기 너트(140)의 내측면에 나사홈(142)을 형성하는 단계(S30)에서는 별도의 탭 가공기(미도시)를 이용하여 상기 너트(140)의 내측면에 나사홈(142)을 형성하며, 상기 너트(140)의 내측면에 나사홈(142)를 형성 시 너트의 나사홈 유효경(D1)과 볼트의 나사산 유효경(D2)의 차이(D)는 [수학식 1]를 만족하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

상기 너트(140)의 축방향 길이가 350mm, 장력으로 인한 볼트(120)의 변형률이 0.0017, 상기 볼트(120)의 나사산(123)의 각도가 60ㅀ일 경우, 상기의 수치를 [수학식 1]에 대입하면 상기 너트(140) 나사홈(142)의 유효경(D1)과 상기 볼트(120) 나사산(123)의 유효경(D2)의 차이(D)는 1.03057 보다 큰 것이 바람직하다.

따라서, 장력에 의해 변형되는 볼트(120)의 나사산(123)과 결합되는 너트(140) 나사홈(142)의 유효경(D1)을 볼트(120) 나사산(123)의 유효경(D2) 보다 크게 형성함으로써 볼트(120)의 나사산(123)이 변형되더라도 볼트(120)와 너트(140)의 조립을 원활하게 수행할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트-너트 조립 구조가 적용된 가스터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함한다. 기체 (압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(1000)의 상류 측에는 압축기(1100)가 배치되고 하류 측에는 터빈(1300)이 배치된다. 그리고 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 연소기(1200)가 배치된다.

압축기(1100)는 압축기 케이싱(1111) 내부에 압축기 베인(1112)과 압축기 로터(1120)를 수용하며, 터빈(1300)은 터빈 케이싱(1311) 내부에 터빈 베인(1312)과 터빈 로터(1320)를 수용한다. 이러한 압축기 베인(1112)과 압축기 로터(1120)는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인(1312)과 터빈 로터(1320) 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(1100)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(1300)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기(1100)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터(1120)와, 터빈(1300)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터(1320) 사이에는, 터빈(1300)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(1400)가 배치된다. 즉, 상기 토크튜브(1400)는, 상기 압축기 디스크(1121) 중 가장 후단(Rear-stage)에 배치된 것과, 상기 터빈 디스크(321) 중 가장 전단(Front-stage)에 배치된 것의 사이에 설치된다. 그리고 상기 토크튜브(1400)는, 상기 터빈 디스크(1321)에서 발생된 토크를 상기 압축기 디스크(1121)로 전달한다. 상기 토크튜브(1400)는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크(1410)로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브(1400)는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크(1410)로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터(1120)는, 압축기 디스크(1121)와 압축기 블레이드(1122)를 포함한다. 상기 압축기 케이싱(1111)의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크(1121)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크(1121)들은 타이로드(Tie rod; 1420)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크(1121)는 중심부가 상기 타이로드(1420)에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크(1121)는 대향하는 면이 상기 타이로드(1420)에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크(1121)의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드(1122)가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드(1122)의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱(1111)의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인(1112)이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인(1112)은 상기 압축기 디스크(1121)와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드(1122)를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드(1122)로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱(1111)과 압축기 베인(1112)은, 상기 압축기 로터(1120)와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터(1110)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드(1420)는 상기 복수개의 압축기 디스크(1121)와, 후술할 터빈 디스크(1321)의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기(1100)의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크(1121) 내에 체결된 후, 최전단부 측 압축기 디스크(1121)의 전단에 배치된 압축기 체결수단(1430)에 삽입되며, 타 측 단부는 타이너트(Tie nut; 1440)에 의해 체결된다.

상기 타이너트(1440)가 체결되는 상기 타이로드(1420)의 타 측 단부 둘레면에는 나사산(1422)이 형성되고, 상기 타이너트(1440)의 내측면에는 상기 나사산(1422)와 결합되는 나사홈(1442)이 형성되며, 상기 타이로드(1420)에 장력이 인가되는 경우, 장력에 의해 변형되는 나사산(1422)과 상기 나사홈(1442)이 결합되도록 상기 타이너트(1440)의 내측면에 형성되는 나사홈(1442)의 유효경은 나사산(1422)의 유효경보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 타이로드(1420)에 형성되는 나사산(1422)과 상기 타이너트(1440)에 내측면에 형성되는 나사홈(1422)의 유효경의 차이는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트-너트 조립 구조(100)에서 설명된 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 타이로드(1420)의 형태는 가스터빈(1000)에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 6에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드(1420)가 압축기 디스크(1121)와 터빈 디스크(1321)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드(1420)가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

상기 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 터빈(1300)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(1300)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드(1322)에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브(1400)를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(1300)은 기본적으로는 압축기(1100)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(1300)에도 압축기(1100)의 압축기 로터(1120)와 유사한 복수개의 터빈 로터(1320)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(1320) 역시, 터빈 디스크(1321)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(1322)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(1322)의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(11311)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인(1312)이 구비되며, 상기 터빈 베인(1312)은 터빈 블레이드(1322)를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱(1311)과 터빈 베인(1312) 역시, 상기 터빈 로터(1320)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(1310)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

이하부터는, 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 로터 조립체(10)에 관해 상세히 설명하기로 한다.

상기 로터 조립체(10)는, 상술한 압축기 디스크(1121), 터빈 디스크(1321), 토크튜브 디스크(1410), 타이로드(1420), 압축기 체결수단(1430), 타이너트(1440)를 포함하며, 여기에 가압디스크(20)를 더 포함한다.

상기 가압디스크(20)는, 상기 터빈 디스크(1321) 중 가장 후단부에 배치된 것의 후방에 설치된다. 그리고 상기 가압디스크(100)는, 상기 타이로드(1420)의 외주면에 설치되며, 상기 터빈 디스크(1321)에 체결되어, 상기 터빈 디스크(1321)를 상기 압축기 디스크(1121) 측으로 가압한다. 상기 가압디스크(20)의 후방에는, 상기 타이너트(1440)가 배치된다. 상기 타이너트(1440)는, 상기 타이로드(1420)를 감싸도록 설치되며, 상기 가압디스크(20)를 상기 터빈 디스크(1321)에 체결시킨다.

상기 압축기 디스크(1121)의 최전단부에는, 상기 압축기 체결수단(1430)이 상기 압축기 디스크(1121)를 지지하고 있다. 따라서 상기 타이로드(1420)의 일단에 배치된 상기 압축기 체결수단(1430)과, 상기 타이로드(1420)의 타단에 배치된 상기 가압디스크(20) 및 상기 타이너트(1440)에 의해, 상기 압축기 디스크(1121), 상기 터빈 디스크(1321) 및 상기 토크튜브 디스크(1410)는 서로 맞물려 체결된 상태를 유지하게 된다. 상기 압축기 체결수단(1430), 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410), 터빈 디스크(1321), 가압디스크(20), 타이너트(1440)의 각 접촉면 사이에는, 각각이 체결될 수 있도록 나사산(미도시)이 형성될 수 있다.

상기 터빈 디스크(1321)는, 기저부(1323), 연장부(1324) 및 체결부(1325)를 포함한다. 상기 기저부(1323)는, 상기 타이로드(1420)의 반경방향 외측에 배치된다. 상기 연장부(1324)는, 상기 타이로드(1420)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 기저부(1323)의 외측으로 연장 형성된다. 상기 체결부(1325)는, 상기 연장부(1324)의 외측에 설치되며, 외측에 상기 터빈 블레이드(1322)가 결합된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 압축기 디스크(1121) 역시 이러한 터빈 디스크(1321)와 유사한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 가압디스크(20)는, 가압부(22), 지지부(24) 및 연결부(26)를 포함한다. 상기 가압부(22)는, 상기 타이로드(1420)로부터 반경방향 외측으로 이격되도록 배치되어, 최후단부에 배치된 터빈 디스크(1321)의 체결부(1323)에 체결된다. 상기 지지부(24)는, 상기 가압부(22)의 후방에 배치되며, 상기 타이로드(1420)의 외주면에 배치된다. 상기 연결부(26)는, 상기 가압부(22)와 상기 지지부(24)의 사이를 연결하는 것으로서, 상기 가압부(22)의 후방에서 상기 타이로드(1420) 측으로 휘어져, 상기 타이로드(1420)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 지지부(24)의 외측에 연결된다. 따라서 상기 가압디스크(20)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 최후단부 측의 터빈 디스크(1321)의 기저부(1323) 및 연장부(1324) 측에, 단면이 부채꼴 형상으로 형성된 빈 공간, 즉 캐비티(21)가 형성된다. 한편, 상기 가압디스크(20)는, 상기 타이로드(1420)의 강성과 동일한 강성을 나타내도록 형성될 수 있다.

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 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 로터 조립체 20 : 가압디스크
100 : 볼트-너트 조립 구조 120 : 볼트
121 : 몸체부 123 : 나사산
140 : 너트 142 : 나사홈
1000 : 가스터빈 1100 : 압축기
1200 : 연소기 1300 : 터빈
1400 : 토크튜브 1410 : 토크튜브 디스크
1420 : 타이로드 1430 : 압축기 체결수단
1440 : 타이너트

Claims

머리부와, 상기 머리부의 일면으로 돌출되고 둘레면에 나사산이 형성되는 몸체부를 포함하는 볼트와,
상기 볼트와 체결되며, 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되는 너트를 포함하고,
상기 볼트에 장력이 인가되는 경우 장력에 의하여 변형되는 몸체부의 나사과 상기 너트의 나사홈이 결합되도록, 상기 너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경이 상기 몸체부의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 볼트-너트 조립 구조.
청구항 1에 있어서
상기 너트 나사홈의 유효경과 상기 볼트 나사산의 유효경 차이(D)는 [수학식 1]을 만족하는 볼트-너트 조립 구조.
[수학식 1]

여기서, D는 너트 나사홈과 볼트 나사산의 유효경 차이(mm), L은 너트의 축방향 길이(mm), ε는 장력으로 인한 볼트의 변형률, α는 볼트의 나사산 각도/2 이다.
청구항 2에 있어서,
상기 너트 나사홈의 유효경은 나사홈의 바깥지름과 골지름의 평균값이고, 상기 볼트 나사산의 유효경은 나사산의 바깥지름과 골지름의 평균값인 것을 특징으로 하는 볼트-너트 조립 구조.
장력에 의해 몸체부의 길이가 변형되는 볼트에 결합되는 나사홈이 내측면에 형성되는 너트를 제조하기 위한 너트의 제조 방법에 있어서,
장력에 의해 변형되지 않은 몸체부에 형성된 볼트 나사산의 유효경을 결정하는 단계;
변형되지 않은 상기 볼트 나사산과 결합되는 너트 나사홈의 유효경을 결정하는 단계; 및
상기 볼트 나사산의 유효경보다 큰 나사홈의 유효경을 가지도록 너트의 내측면에 나사홈을 형성하는 단계를 포함하는 너트의 제조 방법.
청구항 4에 있어서
상기 너트 나사홈의 유효경과 상기 볼트 나사산의 유효경 차이(D)는 [수학식 1]을 만족하는 너트의 제조방법.
[수학식 1]

여기서, D는 너트 나사홈과 볼트 나사산의 유효경 차이(mm), L은 너트의 축방향 길이(mm), ε는 장력으로 인한 볼트의 변형률, α는 볼트의 나사산 각도/2 이다.
가스터빈의 내부에 설치되어 회전하는 로터 조립체에있어서,
압축기 디스크;
상기 압축기 디스크로부터 후방으로 이격되도록 설치되는 것으로서, 기저부와, 상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하는 터빈 디스크;
상기 압축기 디스크와 터빈 디스크 사이에 설치되는 토크튜브 디스크;
상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드;
상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크; 및
상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 포함하되,
상기 타이로드의 타단 둘레면에는 나사산이 형성되고, 상기 타이너트의 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되며,
상기 타이로드에 장력이 인가되는 경우 장력에 의하여 변형되는 나사산과 상기 나사홈이 결합되도록, 상기 타이너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경은 상기 타이로드 타단 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 로터 조립체.
청구항 6에 있어서
상기 가압디스크는,
상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와,
상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와,
상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 로터 조립체.
청구항 6에 있어서
상기 타이너트 나사홈의 유효경과 상기 타이로드의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경 차이는 [수학식 1]을 만족하는 로터 조립체.
[수학식 1]

여기서, D는 너트 나사홈과 볼트 나사산의 유효경 차이(mm), L은 너트의 축방향 길이(mm), ε는 장력으로 인한 볼트의 변형률, α는 볼트의 나사산 각도/2 이다.
청구항 8에 있어서
상기 타이너트 나사홈의 유효경은 나사홈의 바깥지름과 골지름의 평균값이고, 상기 타이로드의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경은 나사산의 바깥지름과 골지름의 평균값인 것인 것을 특징으로 하는 로터 조립체.
외부 공기가 내부를 통과하는 압축기 케이싱과, 상기 압축기 케이싱의 내측에 배치되며 다단(Multi-stage)으로 배치되는 압축기 디스크와, 상기 압축기 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 흡입된 공기를 회전을 통해 압축시키는 압축기 블레이드를 포함하는 압축기;
상기 압축기로부터 발생된 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기;
상기 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되는 터빈 케이싱과, 상기 터빈 케이싱의 내측에 배치되며 다단으로 배치되는 터빈 디스크와, 상기 터빈 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 연소가스가 통과됨에 따라 회전하는 터빈 블레이드를 포함하는 터빈;
상기 압축기 디스크 중 가장 후단(Rear-stage)에 배치된 것과, 상기 터빈 디스크 중 가장 전단(Front-stage)에 배치된 것의 사이에 설치되며, 상기 터빈 디스크에서 발생된 토크를 상기 압축기 디스크로 전달하는 토크튜브 디스크;
상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드;
상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크; 및
상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 포함하되,
상기 타이로드의 타단 둘레면에는 나사산이 형성되고, 상기 타이너트의 내측면에는 상기 나사산과 결합되는 나사홈이 형성되며,
상기 타이로드에 장력이 인가되는 경우, 장력에 의하여 변형되는 나사산과 상기 나사홈이 결합되도록 상기 타이너트의 내측면에 형성되는 나사홈의 유효경은 상기 타이로드 타단 둘레면에 형성된 나사산의 유효경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
청구항 10에 있어서
상기 가압디스크는,
상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와,
상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와,
상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 가스터빈.
청구항 10에 있어서
상기 타이너트 나사홈의 유효경과 상기 타이로드의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경 차이는 [수학식 1]을 만족하는 가스터빈.
[수학식 1]

여기서, D는 너트 나사홈과 볼트 나사산의 유효경 차이(mm), L은 너트의 축방향 길이(mm), ε는 장력으로 인한 볼트의 변형률, α는 볼트의 나사산 각도/2 이다.
청구항 12에 있어서
상기 타이너트 나사홈의 유효경은 나사홈의 바깥지름과 골지름의 평균값이고, 상기 타이로드의 둘레면에 형성된 나사산의 유효경은 나사산의 바깥지름과 골지름의 평균값인 것인 것을 특징으로 하는 가스터빈.