KR20210139200A - 가스 터빈용 디스크 가압 장치, 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

가스 터빈용 디스크 가압 장치, 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈용 디스크 가압 장치는 가스 터빈의 타이 로드에 결합되어 압축기 디스크와 터빈 디스크를 가압하며, 상기 디스크 가압 장치는 상기 터빈 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합된 압착 디스크와 상기 압착 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합되어 상기 압착 디스크를 전압으로 가압하는 고정부재를 포함하고, 상기 압착 디스크는 상기 터빈 디스크와 맞닿아 상기 터빈 디스크를 가압하는 디스크 지지부와, 상기 타이 로드와 결합된 타이 결합부와, 상기 디스크 지지부를 더 포함하고, 상기 디스크 지지부와 상기 완충부가 만나는 내면은 호형으로 만곡 형성될 수 있다.

Description

가스 터빈용 디스크 가압 장치, 및 이를 포함하는 가스 터빈{DISC PRESSING DEVICE, AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 가스 터빈용 디스크 가압 장치, 및 이를 포함하는 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.
압축기, 연소기, 및 터빈은 타이 로드를 매개로 결합된다. 타이 로드에는 압축기 디스크, 토크 튜브, 터빈 디스크가 결합되며, 타이 로드는 기 설정된 압력으로 이들을 가압한 상태에서 지지한다.
그런데, 기동, 운전, 정지를 반복하는 과정에서 온도가 변함에 따라 열팽창과 수축으로 타이 로드에 가해지는 인장력이 변하며 이에 따라 타이 로드의 체결력이 저하되거나, 타이 로드 또는 너트가 손상되는 문제가 발생한다. 체결력이 저하되면 가스 터빈의 운정을 정지하고 너트를 일정한 압력으로 다시 체결해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 열팽창과 열수축에 의하여 타이 로드에 가해지는 응력의 변화를 완충할 수 있는 디스크 가압 장치와 가스 터빈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈용 디스크 가압 장치는 가스 터빈의 타이 로드에 결합되어 압축기 디스크와 터빈 디스크를 가압하며, 상기 디스크 가압 장치는 상기 터빈 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합된 압착 디스크와 상기 압착 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합되어 상기 압착 디스크를 전압으로 가압하는 고정부재를 포함하고, 상기 압착 디스크는 상기 터빈 디스크와 맞닿아 상기 터빈 디스크를 가압하는 디스크 지지부와, 상기 타이 로드와 결합된 타이 결합부와, 상기 디스크 지지부를 더 포함하고, 상기 디스크 지지부와 상기 완충부가 만나는 내면은 호형으로 만곡 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 최소 두께는 상기 디스크 지지부와 상기 타이 결합부의 최소 두께보다 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 외면은 상기 타이 결합부에 대하여 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 외측에는 호형으로 만곡된 외측 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 내측에는 호형으로 만곡된 내측 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압착 디스크는 상기 디스크 지지부의 선단에서 돌출되어 상기 터빈 디스크와 맞닿는 가압 돌기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 타이 결합부의 내측에는 전방으로 돌출되어 상기 타이 로드를 감싸는 보조 지지부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 보조 지지부는 상기 터빈 디스크에서 이격될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압착 디스크의 강성(stiffness)은 상기 타이 로드의 강성의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기, 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈, 상기 압축기 및 상기 터빈을 관통하도록 설치된 타이 로드, 상기 타이 로드에 결합되어 압축기 디스크와 터빈 디스크를 가압하는 디스크 가압 장치를 포함하고, 상기 디스크 가압 장치는 상기 터빈 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합된 압착 디스크와 상기 압착 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합되어 상기 압착 디스크를 전압으로 가압하는 고정부재를 포함하고, 상기 압착 디스크는 상기 터빈 디스크와 맞닿아 상기 터빈 디스크를 가압하는 디스크 지지부와, 상기 타이 로드와 결합된 타이 결합부와, 상기 디스크 지지부를 더 포함하고, 상기 디스크 지지부와 상기 완충부가 만나는 내면은 호형으로 만곡 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 최소 두께는 상기 디스크 지지부와 상기 타이 결합부의 최소 두께보다 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 외면은 상기 타이 결합부에 대하여 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 외측에는 호형으로 만곡된 외측 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 완충부의 내측에는 호형으로 만곡된 내측 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압착 디스크는 상기 디스크 지지부의 선단에서 돌출되어 상기 터빈 디스크와 맞닿는 가압 돌기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 타이 결합부의 내측에는 전방으로 돌출되어 상기 타이 로드를 감싸는 보조 지지부가 형성되고, 상기 보조 지지부는 상기 터빈 디스크에서 이격될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압착 디스크의 강성(stiffness)은 상기 타이 로드의 강성의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 가압 장치, 및 가스 터빈에 의하면 압착 디스크가 완충부를 포함하므로 타이 로드에 가해지는 압력을 일정한 수준으로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 타이 로드와 이에 결합된 디스크들을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 타이 로드와 이에 결합된 디스크들을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 타이 로드와 이에 결합된 디스크들을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
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.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200), 간극 조절 장치(1400), 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1, 및 도 2를 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 디스크(1160)에 고정되어 타이 로드(1120)와 터빈 디스크(1310)의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기(1110)의 베인(1140)은 케이싱(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 베인(1140)은 전단의 압축기(1110)의 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 토크 튜브(1170)에 의하여 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다. 압축기(1100)는 타이 로드(1120)에 결합된 압축기 로터(1180)와 프론트 샤프트(1190)를 더 포함할 수 있다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
한편, 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈(1300)의 터빈 블레이드(1320)에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브(1170)를 거쳐 압축기(1100)로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용된다.
터빈(1300)은 복수의 터빈 디스크(1310)와 터빈 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1320)와 터빈 블레이드(1320)를 실링하는 리테이너를 포함한다. 터빈 블레이드(1320)는 도브테일 등의 방식으로 터빈 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 디스크(1310)에는 하우징에 고정되는 베인이 구비되며, 베인은 터빈 블레이드(1320)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 타이 로드(1120)의 후방에는 터빈 디스크(1310)와 디스크(1160)를 가압 지지하는 디스크 가압 장치(1700)가 설치된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 타이 로드와 이에 결합된 디스크들을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 디스크 가압 장치(1700)는 타이 로드(1120)에 결합되어 디스크(1160)와 터빈 디스크(1310)를 가압하며, 압착 디스크(1500)와 고정부재(1600)를 포함할 수 있다.
고정부재(1600)는 타이 로드(1120)에 결합되어 압착 디스크(1500)를 전방으로 가압하며, 너트로 이루어질 수 있다. 고정부재(1600)와 타이 로드(1120)는 나사 결합되며, 고정부재(1600)의 전면은 압착 디스크(1500)와 맞닿는다. 고정부재(1600)에는 약 1000t 이상이 압력이 적용될 수 있으므로 고정부재(1600)가 타이 로드(1120)에 안정적으로 결합되어야 압력을 지지할 수 있다.
압착 디스크(1500)는 터빈 디스크(1310)의 후방에서 타이 로드(1120)에 결합되며, 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 전방으로 가압한다. 압착 디스크(1500)는 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 압착 디스크(1500)에는 타이 로드(1120)가 삽입되는 장착 홀(1540)이 형성될 수 있다.
압착 디스크(1500)는 터빈 디스크(1310)와 맞닿는 디스크 지지부(1510), 타이 로드(1120)에 결합되는 타이 결합부(1520), 디스크 지지부(1510)와 타이 결합부(1520) 사이에 위치하는 완충부(1530), 및 디스크 지지부(1510)에서 돌출되어 터빈 디스크(1310)와 맞닿는 가압 돌기(1560)를 포함할 수 있다.
타이 결합부(1520)는 원판으로 이루어지며, 타이 결합부(1520)의 중앙에 장착 홀(1540)이 형성될 수 있다. 디스크 지지부(1510)는 완충부(1530)에서 전방으로 돌출되며 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 디스크 지지부(1510)는 타이 로드(1120)의 외면에서 이격되어 타이 로드(1120)를 감싸도록 설치되며, 가압 돌기(1560)는 디스크 지지부(1510)의 선단에서 전방으로 돌출된다. 가압 돌기(1560)는 디스크 지지부(1510)의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있으며, 터빈 디스크(1310)에 형성된 돌기와 맞닿아 가압력을 전달할 수 있다. 디스크 지지부(1510)와 완충부(1530)가 만나는 내면은 호형으로 만곡되어 응력이 집중되는 것을 방지한다.
완충부(1530)는 타이 결합부(1520)에서 외측으로 확장되며 완충부(1530)의 외면은 타이 결합부(1520)의 후면에 대하여 경사지게 형성될 수 있다. 이에 따라 완충부(1530)의 외주면은 대략 원뿔대 형상으로 이루어질 수 있다.
완충부(1530)는 탄성적으로 변형 가능하게 형성될 수 있다. 완충부(1530)가 탄성적으로 변형되면 열팽창에 의하여 타이 로드(1120)에 작용하는 응력의 증가를 완충할 수 있다. 완충부(1530)의 최소 두께(T3)는 디스크 지지부(1510)의 최소 두께(T1)와 타이 결합부(1520)의 최소 두께(T2)보다 더 작게 형성되며, 이에 따라 완충부(1530)는 기 설정된 가압력에 의하여 탄성적으로 변형될 수 있다.
다만, 타이 로드(1120)의 축방향 압력에 대한 압착 디스크(1500)의 강성(stiffness)은 타이 로드(1120)의 강성보다 더 크게 형성되며 압착 디스크(1500)의 강성은 타이 로드(1120)의 강성(stiffness)의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 종래에는 압착 디스크(1500)의 강성이 타이 로드(1120)의 강성 보다 매우 크게 형성하였으나, 본 실시예에 따르면 압착 디스크(1500)의 강성을 감소시켜서 압착 디스크(1500)가 탄성적으로 변형될 수 있다. 압착 디스크(1500)의 강성이 타이 로드(1120)의 강성의 1.1배 보다 더 작으면 압착 디스크(1500)가 손상되는 문제가 있으며, 압착 디스크(1500)의 강성이 타이 로드(1120)의 강성의 1.5배 보다 더 크면 압착 디스크(1500)가 충분히 탄성 변형되지 못하여 고정부재(1600)의 체결력이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 의하면 가스 터빈(1000)의 열 팽창 시에 압착 디스크(1500)가 탄성적으로 변형되어 타이 로드(1120) 및 고정부재(1600)가 파손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 고정부재(1600)의 체결력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
터빈 디스크(1310) 및 디스크(1160)의 열팽창에 의하여 타이 로드(1120)에 가해지는 응력은 3000t에서 3100t으로 변할 수 있으며, 이러한 압력이 반복적으로 고정부재(1600)에 그대로 전달되면 시간의 경과에 따라 고정부재(1600) 또는 타이 로드(1120)가 파손되거나 고정부재(1600)와 타이 로드(1120)의 결합이 느슨해지는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 타이 로드(1120)에 가해지는 응력은 가스 터빈의 크기와 종류에 따라 달라질 수 있다.
타이 로드(1120)에 작용하는 인장력은 최초 항복 응력의 50% 수준으로 고정부재(1600)와 체결되며, 인장력은 구동 초기에는 원심력에 의하여 항복 응력의 45%로 감소하다가 열팽창이 발생하면 항복 응력의 65%까지 증가한다. 이러한 과정에서 최초 압착 디스크(1500)에 작용하는 응력은 압착 디스크(1500)의 항복 응력의 33%~45%이며, 압착 디스크(1500)게 작용하는 최대 응력은 압착 디스크(1500)의 항복 응력의 43%~59%로 이루어질 수 있다. 이에 따라 압착 디스크(1500)는 항복 응력의 33%~59%인 응력이 작용할 때 탄성적으로 변형될 수 있도록 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이 본 제1 실시예에 따르면 압착 디스크(1500)가 탄성 변형되면서 열팽창에 따른 변위를 흡수하므로 고정부재(1600) 및 타이 로드(1120)에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있다. 또한, 완충부(1530)가 디스크 지지부(1510)와 타이 결합부(1520) 사이에 위치하므로 디스크 지지부(1510)가 후방으로 밀리면서 용이하게 응력을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 타이 로드와 이에 결합된 디스크들을 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 가스 터빈은 디스크 가압 장치(2700)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 가스 터빈과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
디스크 가압 장치(2700)는 타이 로드(1120)에 결합되어 디스크(1160)와 터빈 디스크(1310)를 가압하며, 압착 디스크(2500)와 고정부재(1600)를 포함할 수 있다. 고정부재(1600)는 타이 로드(1120)에 결합되어 압착 디스크(2500)를 전방으로 가압하며, 너트로 이루어질 수 있다. 고정부재(1600)와 타이 로드(1120)는 나사 결합되며, 고정부재(1600)의 전면은 압착 디스크(2500)와 맞닿는다.
압착 디스크(2500)는 터빈 디스크(1310)의 후방에서 타이 로드(1120)에 결합되며, 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 전방으로 가압한다. 압착 디스크(2500)는 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 압착 디스크(2500)에는 타이 로드(1120)가 삽입되는 장착 홀(2540)이 형성될 수 있다.
압착 디스크(2500)는 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 가압하는 디스크 지지부(2510)와, 타이 로드(1120)에 결합되는 타이 결합부(2520)와, 디스크 지지부(2510)와 타이 결합부(2520) 사이에 위치하는 완충부(2530)와, 디스크 지지부(2510)에서 돌출되어 터빈 디스크(1310)와 맞닿는 가압 돌기(2560)를 포함할 수 있다.
타이 결합부(2520)는 원판으로 이루어지며, 타이 결합부(2520)의 중앙에 장착 홀(2540)이 형성될 수 있다. 디스크 지지부(2510)는 완충부(2530)에서 전방으로 돌출되며 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 디스크 지지부(2510)는 타이 로드(1120)의 외면에서 이격되어 타이 로드(1120)를 감싸도록 설치되며, 가압 돌기(2560)는 디스크 지지부(2510)의 선단에서 전방으로 돌출된다. 가압 돌기(2560)는 디스크 지지부(2510)의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있으며, 터빈 디스크(1310)에 형성된 돌기와 맞닿아 가압력을 전달할 수 있다. 디스크 지지부(2510)와 완충부(2530)가 만나는 내면은 호형으로 만곡되어 가압력이 집중되는 것을 방지한다.
디스크들의 열팽창될 때, 완충부(2530)는 탄성적으로 변형되어 타이 로드(1120) 및 고정부재(1600)에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있다. 또한, 완충부(2530)는 타이 결합부(2520)에서 외측으로 확장되며 완충부(2530)의 외측에는 호형으로 만곡된 외측 홈부(2570)가 형성된다. 외측 홈부(2570)는 디스크 지지부(2510) 및 타이 결합부(2520) 사이에 위치한다.
완충부(2530)의 최소 두께(T3)는 디스크 지지부(2510)의 최소 두께(T1)와 타이 결합부(2520)의 최소 두께(T2)보다 더 작게 형성되며, 이에 따라 완충부(2530)는 기 설정된 가압력에 의하여 탄성적으로 변형될 수 있다.
본 제2 실시예와 같이 완충부(2530)의 외면에 호형으로 만곡된 외측 홈부(2570)가 형성되면, 보다 용이하게 완충부(2530)가 탄성 변형될 수 있으며, 디스크 지지부(2510)는 후방으로 이동할 수 있다. 이에 따라 디스크들의 열팽창 시에 압착 디스크(2500)가 변형되어 타이 로드(1120) 및 고정부재(1600)에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 타이 로드와 이에 결합된 디스크들을 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 가스 터빈은 디스크 가압 장치를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 가스 터빈과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
디스크 가압 장치(3700)는 타이 로드(1120)에 결합되어 디스크(1160)와 터빈 디스크(1310)를 가압하며, 압착 디스크(3500)와 고정부재(1600)를 포함할 수 있다. 고정부재(1600)는 타이 로드(1120)에 결합되어 압착 디스크(3500)를 전방으로 가압하며, 너트로 이루어질 수 있다. 고정부재(1600)와 타이 로드(1120)는 나사 결합되며, 고정부재(1600)의 전면은 압착 디스크(3500)와 맞닿는다.
압착 디스크(3500)는 터빈 디스크(1310)의 후방에서 타이 로드(1120)에 결합되며, 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 전방으로 가압한다. 압착 디스크(3500)는 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 압착 디스크(3500)에는 타이 로드(1120)가 삽입되는 장착 홀(3540)이 형성될 수 있다.
압착 디스크(3500)는 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 가압하는 디스크 지지부(3510)와, 타이 로드(1120)에 결합되는 타이 결합부(3520)와, 디스크 지지부(3510)와 타이 결합부(3520) 사이에 위치하는 완충부(3530)와, 디스크 지지부(3510)에서 돌출되어 터빈 디스크(1310)와 맞닿는 가압 돌기(3560)와 타이 로드(1120)를 감싸는 보조 지지부(3550)를 포함할 수 있다.
타이 결합부(3520)는 원판으로 이루어지며, 타이 결합부(3520)의 중앙에 장착 홀(3540)이 형성될 수 있다. 보조 지지부(3550)는 타이 결합부(3520)의 내측에는 전방으로 돌출되어 타이 로드(1120)를 감싸도록 형성된다. 보조 지지부(3550)는 관 형상으로 이루어질 수 있으며, 타이 로드(1120)에 맞닿아 압착 디스크(3500)가 흔들리지 않도록 지지한다.
보조 지지부(3550)의 선단은 터빈 디스크(1310)에서 기 설정된 간격으로 이격되며, 보조 지지부(3550)와 터빈 디스크(1310) 사이의 간격은 압착 디스크(3500)가 탄성적으로 변형되는 길이보다 더 크게 형성될 수 있다. 이에 따라 보조 지지부(3550)는 완충부(3530)가 탄성적으로 변형되는 것을 방해하지 않으며, 완충부(3530)가 지나치게 변형되는 경우에는 터빈 디스크(1310)와 맞닿도록 형성되어 압착 디스크가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
디스크 지지부(3510)는 완충부(3530)에서 전방으로 돌출되며 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 디스크 지지부(3510)는 보조 지지부(3550)의 외면에서 이격되어 타이 로드(1120)를 감싸도록 설치되며, 가압 돌기(3560)는 디스크 지지부(3510)의 선단에서 전방으로 돌출된다. 가압 돌기(3560)는 디스크 지지부의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있으며, 터빈 디스크(1310)에 형성된 돌기와 맞닿아 가압력을 전달할 수 있다. 디스크 지지부(3510)와 완충부(3530)가 만나는 내면은 호형으로 만곡되어 가압력이 집중되는 것을 방지한다.
완충부(3530)는 타이 결합부(3520)에서 외측으로 확장되며 완충부(3530)의 외면에는 호형으로 만곡된 외측 홈부(3570)가 형성되며, 외측 홈부(3570)는 디스크 지지부(3510) 및 타이 결합부(3520)가 연결되는 부분에 위치할 수 있다. 또한, 완충부(3530)의 내면에는 호형으로 만곡된 내측 홈부(3580)가 형성될 수 있다. 내측 홈부(3580)는 보조 지지부(3550)와 디스크 지지부(3510)를 연결하며 대략 반원의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
완충부(3530)의 최소 두께(T3)는 디스크 지지부(3510)의 최소 두께(T1)와 타이 결합부(3520)의 최소 두께(T2)보다 더 작게 형성되며, 이에 따라 완충부(3530)는 기 설정된 가압력에 의하여 탄성적으로 변형될 수 있다.
본 제3 실시예와 같이 완충부의 외면에 호형으로 만곡된 외측 홈부(3570)가 형성되면, 보다 용이하게 완충부(3530)가 탄성 변형될 수 있다. 완충부(3530)가 탄성 변형되면 디스크 지지부(3510)가 후방으로 이동하여 타이 로드(1120) 및 고정부재(1600)에 가해지는 응력을 감소될 수 있다. 또한, 보조 지지부(3550)가 형성되면 압착 디스크(3500)가 탄성적으로 변형되면서도 타이 로드(1120)에 대하여 흔들리지 않고 안정적으로 결합될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스터빈에 대해서 설명한다. 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 압착 디스크를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 가스 터빈은 압착 디스크(4500)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 가스 터빈과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
압착 디스크(4500)는 터빈 디스크(1310)의 후방에서 타이 로드(1120)에 결합되며, 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 전방으로 가압한다. 압착 디스크(4500)는 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 압착 디스크(4500)에는 타이 로드(1120)가 삽입되는 장착 홀(4540)이 형성될 수 있다.
압착 디스크(4500)는 터빈 디스크(1310)와 맞닿아 터빈 디스크(1310)를 가압하는 디스크 지지부(4510)와, 타이 로드(1120)에 결합되는 타이 결합부(4520)와, 디스크 지지부(4510)와 타이 결합부(4520) 사이에 위치하는 완충부(4530)와, 디스크 지지부(4510)에서 돌출되어 터빈 디스크(1310)와 맞닿는 가압 돌기(4560)와, 타이 로드를 감싸는 보조 지지부(4550)를 포함할 수 있다.
타이 결합부(4520)는 원판으로 이루어지며, 타이 결합부(4520)의 중앙에 장착 홀(4540)이 형성될 수 있다. 보조 지지부(4550)는 타이 결합부(4520)의 내측에는 전방으로 돌출되어 타이 로드(1120)를 감싸도록 형성된다. 보조 지지부(4550)는 관 형상으로 이루어질 수 있으며, 타이 로드(1120)에 맞닿아 압착 디스크(4500)가 반경방향으로 흔들리지 않도록 지지한다.
보조 지지부(4550)의 선단은 터빈 디스크(1310)에서 기 설정된 간격으로 이격되며, 보조 지지부(4550)와 터빈 디스크(1310) 사이의 간격은 압착 디스크(4500)가 탄성적으로 변형되는 길이보다 더 크게 형성될 수 있다. 이에 따라 보조 지지부(4550)는 완충부(4530)가 탄성적으로 변형되는 것을 방해하지 않으며, 완충부(4530)가 지나치게 변형되는 것을 방지할 수 있다.
디스크 지지부(4510)는 완충부(4530)에서 전방으로 돌출되며 원형으로 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 디스크 지지부(4510)는 보조 지지부(4550)의 외면에서 이격되어 타이 로드(1120)를 감싸도록 설치되며, 가압 돌기(4560)는 디스크 지지부(4510)의 선단에서 전방으로 돌출된다. 가압 돌기(4560)는 디스크 지지부(4510)의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있으며, 터빈 디스크(1310)에 형성된 돌기와 맞닿아 가압력을 전달할 수 있다. 디스크 지지부(4510)와 완충부(4530)가 만나는 내면은 호형으로 만곡되어 가압력이 집중되는 것을 방지한다.
완충부(4530)는 타이 결합부(4520)에서 외측으로 확장되며 완충부(4530)의 외측에는 타이 결합부(4520)의 후면에 대하여 경사진 경사면(4570)이 형성될 수 있다. 또한, 경사면(4570)에는 호형으로 만곡된 외측 홈부(4590)가 형성될 수 있다. 또한, 완충부(4530)의 내면에는 호형으로 만곡된 내측 홈부(4580)가 형성될 수 있다. 내측 홈부(4580)는 보조 지지부(4550)와 디스크 지지부(4510)를 연결하며 대략 반원의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
완충부(4530)의 최소 두께(T3)는 디스크 지지부(4510)의 최소 두께(T1)와 타이 결합부(4520)의 최소 두께(T2)보다 더 작게 형성되며, 이에 따라 완충부(4530)는 기 설정된 가압력에 의하여 탄성적으로 변형될 수 있다.
본 제4 실시예와 같이 완충부(4530)의 외측에 경사면(4570)과 외측 홈부(4590)가 형성되므로, 보다 용이하게 완충부(4530)가 탄성 변형될 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: 가스 터빈 1100: 압축기
1120: 타이 로드 1130: 블레이드
1140: 베인 1150: 케이싱
1151: 스트럿 1160: 압축기 디스크
1170: 토크 튜브 1120: 타이 로드
1200: 연소기 1300: 터빈
1310: 터빈 디스크 1320: 터빈 블레이드
1500, 2500, 3500: 압착 디스크 1510, 2510, 3510: 디스크 지지부
1520, 2520, 3520: 타이 결합부 1530, 2530, 3530: 완충부
1560, 2560, 3560: 가압 돌기 1600, 2600, 3600: 고정부재
1700, 2700, 3700: 디스크 가압 장치
2570, 3570, 4590: 외측 홈부 3550, 4550: 보조 지지부
3580, 4580: 내측 홈부

Claims (17)

  1. 가스 터빈의 타이 로드에 결합되어 압축기 디스크와 터빈 디스크를 가압하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치에 있어서,
    상기 디스크 가압 장치는 상기 터빈 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합된 압착 디스크와 상기 압착 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합되어 상기 압착 디스크를 전압으로 가압하는 고정부재를 포함하고,
    상기 압착 디스크는 상기 터빈 디스크와 맞닿아 상기 터빈 디스크를 가압하는 디스크 지지부와, 상기 타이 로드와 결합된 타이 결합부와, 상기 디스크 지지부를 더 포함하고, 상기 디스크 지지부와 상기 완충부가 만나는 내면은 호형으로 만곡된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 완충부의 최소 두께는 상기 디스크 지지부와 상기 타이 결합부의 최소 두께보다 더 작은 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 완충부의 외면은 상기 타이 결합부에 대하여 대하여 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 완충부의 외측에는 호형으로 만곡된 외측 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 완충부의 내측에는 호형으로 만곡된 내측 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 압착 디스크는 상기 디스크 지지부의 선단에서 돌출되어 상기 터빈 디스크와 맞닿는 가압 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 타이 결합부의 내측에는 전방으로 돌출되어 상기 타이 로드를 감싸는 보조 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 보조 지지부는 상기 터빈 디스크에서 이격된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 압착 디스크의 강성(stiffness)은 상기 타이 로드의 강성의 1.1배 내지 1.5배로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 디스크 가압 장치.
  10. 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기, 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈, 상기 압축기 및 상기 터빈을 관통하도록 설치된 타이 로드, 상기 타이 로드에 결합되어 압축기 디스크와 터빈 디스크를 가압하는 디스크 가압 장치를 포함하고,
    상기 디스크 가압 장치는 상기 터빈 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합된 압착 디스크와 상기 압착 디스크의 후방에서 상기 타이 로드에 결합되어 상기 압착 디스크를 전압으로 가압하는 고정부재를 포함하고,
    상기 압착 디스크는 상기 터빈 디스크와 맞닿아 상기 터빈 디스크를 가압하는 디스크 지지부와, 상기 타이 로드와 결합된 타이 결합부와, 상기 디스크 지지부를 더 포함하고, 상기 디스크 지지부와 상기 완충부가 만나는 내면은 호형으로 만곡된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 완충부의 최소 두께는 상기 디스크 지지부와 상기 타이 결합부의 최소 두께보다 더 작은 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 완충부의 외면은 상기 타이 결합부에 대하여 대하여 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 완충부의 외측에는 호형으로 만곡된 외측 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 완충부의 내측에는 호형으로 만곡된 내측 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 압착 디스크는 상기 디스크 지지부의 선단에서 돌출되어 상기 터빈 디스크와 맞닿는 가압 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 타이 결합부의 내측에는 전방으로 돌출되어 상기 타이 로드를 감싸는 보조 지지부가 형성되고,
    상기 보조 지지부는 상기 터빈 디스크에서 이격된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 압착 디스크의 강성(stiffness)은 상기 타이 로드의 강성의 1.1배 내지 1.5배로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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