KR20230039941A

KR20230039941A - 링 세그먼트, 이를 포함하는 회전 기계

Info

Publication number: KR20230039941A
Application number: KR1020210122910A
Authority: KR
Inventors: 장윤창
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-22
Also published as: KR102698469B1

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 링 세그먼트는 블레이드를 수용하는 케이싱에 장착되며, 상기 케이싱의 내벽과 마주하는 차폐벽, 상기 차폐벽에서 상기 터빈 케이싱을 향하여 돌출되어 상기 터빈 케이싱에 결합되는 제1 후크부와 제2 후크부, 상기 제1 후크부와 상기 제2 후크부 사이에 형성된 메인 캐비티, 상기 차폐벽의 내부에 형성되며 냉각 공기가 이동하는 복수의 냉각 유로가 형성된 유로 레이어, 일방향으로 이어지며, 냉각 공기가 이동하는 제1 사이드 채널, 상기 제1 사이드 채널에서 상기 차폐벽의 두께 방향으로 이격되며 상기 제1 사이드 채널에서 냉각 공기를 공급 받는 제2 사이드 채널, 제2 사이드 채널과 연결되어 상기 차폐벽의 외부로 냉각 공기를 배출하는 복수의 사이드 분사홀을 포함할 수 있다.

Description

링 세그먼트, 이를 포함하는 회전 기계{RING SEGMENT AND ROTARY MACHINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 링 세그먼트, 및 이를 포함하는 회전 기계에 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 분사된다. 분사된 연소 가스가 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 터빈의 로터가 회전하게 된다.

로터를 회전시키는 고온 고압의 연소가스의 누설을 방지하고 결과적으로 가스터빈의 효율이 증대되도록 터빈의 내부에는 링 세그먼트가 설치된다. 링 세그먼트는 블레이드를 수용하는 터빈 케이싱 내에 설치되어 회전하는 블레이드 외곽을 둘러싸도록 위치한다. 이 때, 터빈 케이싱의 내부공간에 대향하는 링 세그먼트의 일면은 고온 고압의 연소가스에 노출되어 높은 열부하가 발생될 수 있고, 열부하에 의해 링 세그먼트의 파손이 발생할 수 있다. 이러한 링 세그먼트는 열부하에 의한 파손을 방지하기 위해 복수의 냉각유로가 내부에 형성되는데, 열부하에 의한 파손을 방지하기 위하여 냉각 효율을 향상시키는 냉각구조의 연구개발이 지속되고 있다.

KR 2153065B1 (2020.09.01)

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 냉각 성능이 향상된 링 세그먼트 및 회전 기계를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널은 상기 차폐벽의 측방향으로 상기 냉각 유로들의 외측에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 사이드 채널과 상기 제2 사이드 채널은 상기 제1 후크부와 교차하는 방향으로 이어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 사이드 채널이 종단면은 외측단의 폭이 내측단의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널의 종단면은 외측단의 폭이 내측단의 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 사이드 채널의 단면은 외측에서 내측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하도록 형성되고, 상기 제2 사이드 채널의 단면은 외측에서 내측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 차폐벽에는 상기 메인 캐비티와 상기 제1 사이드 채널을 연결하는 복수의 사이드 냉각홀과 상기 제1 사이드 채널과 상기 제2 사이드 채널을 연결하는 사이드 연결홀이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 사이드 채널은 사이드 냉각홀과 연결된 외면, 상기 외면과 이격되어 마주하는 내면, 상기 내면과 외면을 연결하는 제1 내측면과 상기 외면과 내면을 연결하며 상기 내면에 대하여 경사지게 형성된 제2 내측면을 포함하고, 상기 사이드 연결홀은 상기 제2 내측면에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 사이드 연결홀은 굽어진 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널의 길이방향 중앙에는 폭일 일정한 균일부가 형성되고, 상기 제2 사이드 채널의 길이방향 양쪽 가장자리에는 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 테이퍼부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널은 중앙에서 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 사이드 채널의 중앙 부분의 폭은 길이방향 외측 단부의 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 사이드 채널은 중앙에서 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널은 상기 차폐벽의 측방향으로 상기 제1 사이드 채널보다 더 외측에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 사이드 분사홀은 상기 차폐벽의 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 사이드 분사홀은 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 가변 홀과 상기 가변 홀의 길이방향 단부에 연결되며 균일한 내경을 갖고 공기를 외부로 분사하는 안내 홀을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 회전 기계는 회전 가능한 로터 디스크, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 블레이드, 상기 블레이드를 수용하는 케이싱, 상기 케이싱에 결합되며 상기 블레이드의 외측에 위치하는 복수의 링 세그먼트를 포함하며, 상기 링 세그먼트는, 상기 케이싱의 내벽과 마주하는 차폐벽, 상기 차폐벽에서 상기 터빈 케이싱을 향하여 돌출되어 상기 터빈 케이싱에 결합되는 제1 후크부와 제2 후크부, 상기 제1 후크부와 상기 제2 후크부 사이에 형성된 메인 캐비티, 상기 차폐벽의 내부에 형성되며 냉각 공기가 이동하는 복수의 냉각 유로가 형성된 유로 레이어, 일방향으로 이어지며, 냉각 공기가 이동하는 제1 사이드 채널, 상기 제1 사이드 채널에서 상기 차폐벽의 두께 방향으로 이격되며 상기 제1 사이드 채널에서 냉각 공기를 공급 받는 제2 사이드 채널, 제2 사이드 채널과 연결되어 상기 차폐벽의 외부로 냉각 공기를 배출하는 복수의 사이드 분사홀을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널은 상기 차폐벽의 측방향으로 상기 냉각 유로들의 외측에 위치할 수 있따.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널의 길이방향 양쪽 가장자리에는 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 테이퍼부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 링 세그먼트, 회전 기계에 의하면 유로 레이어, 제1 사이드 채널, 제2 사이드 채널, 및 사이드 분사홀이 형성되므로 유로 레이어에서 유로 냉각을 수행하고, 제1 사이드 채널과 제2 사이드 채널에서 충격 냉각을 수행하므로 냉각 효율이 향상될 수 있다. 특히 제1 사이드 채널과 제2 사이드 채널이 열적으로 취약한 부분을 효율적으로 냉각할 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 링 세그먼트를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트를 잘라 본 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 차폐판을 잘라 본 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트를 잘라 본 종단면도이다.
도 7은 도 6에서 A1을 확대하여 본 도면이다.
도 8는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 사이드 채널, 제2 사이드 채널, 및 사이드 분사홀을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 사이드 채널, 제2 사이드 채널, 및 사이드 분사홀을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 사이드 분사홀을 도시한 도면이다.

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 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 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) 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 1을 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 센터 타이로드(1120)와 로터 디스크의 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 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 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.

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(1400)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 로터 디스크(1310)와 터빈 케이싱(1800)과 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)과 터빈 블레이드(1400)를 감싸는 복수의 링 세그먼트(1600)를 포함한다.

로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)이 삽입된다. 터빈 케이싱(1800)은 원뿔대 형상의 관으로 이루어지며, 터빈 케이싱(1800) 내에 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)과 링 세그먼트(1600)가 수용된다.

터빈 블레이드(1400)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 베인(1500)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트를 잘라 본 절개 사시도이다.

링 세그먼트(1600)는 터빈 케이싱(1800) 내벽에 장착되며, 복수의 링 세그먼트(1600)는 터빈 케이싱(1800)의 둘레방향(x축 방향)을 따라 연속적으로 배치되어 고리 형상을 이룬다.

본 실시예에서는 링 세그먼트(1600)가 터빈(1300)에 장착되는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 링 세그먼트(1600)는 압축기(1100) 등의 회전 기계에 장착될 수도 있다. 여기서 회전 기계라 함은 회전하는 블레이드를 갖는 장치를 의미하며, 압축기, 터빈 등을 포함하는 개념이다.

고리 형상을 이루는 링 세그먼트(1600)들은 터빈 블레이드(1400)의 외측에서 터빈 블레이드(1400)를 감싸며, 연소가스의 누설을 방지한다. 또한, 터빈(1300) 중심축의 길이방향(y축 방향)으로 링 세그먼트(1600)들은 베인(1500)과 교대로 배치되며, 링 세그먼트(1600)는 베인(1500)의 외측 슈라우드 사이에 삽입되어 베인(1500)과 마주한다.

링 세그먼트(1600)는 차폐벽(1611), 제1 후크부(1612), 제2 후크부(1613), 메인 캐비티(CA), 냉각 공간(1620), 유로 레이어(PL1)를 포함할 수 있다. 차폐벽(1611)은 사각판으로 이루어지며 제1 후크부(1612)와 제2 후크부(1613)는 차폐벽(1611)의 외면에서 터빈 케이싱(1800)을 향하여 터빈(1300)의 반경방향(z축 방향)으로 돌출되어 터빈 케이싱(1800)에 형성된 홈에 삽입된다.

또한, 차폐벽(1611)은 터빈 베인(1500)을 향하는 제1 측면(S1)과 제2 측면(S2), 이웃하는 링 세그먼트를 향하는 제3 측면(S3)과 제4 측면(S4)을 포함할 수 있다. 제1 측면(S1)과 제2 측면(S2)은 제1 후크부(1612)와 평행한 방향(x축 방향)으로 이어지고, 제3 측면(S3)과 제4 측면(S4)은 제1 측면(S1)과 교차하는 방향(y축 방향)으로 이어진다.

메인 캐비티(CA)는 제1 후크부(1612)와 제2 후크부(1613) 사이에 형성되며 냉각을 위한 공기가 메인 캐비티(CA)로 공급된다. 제1 후크부(1612)의 외측에는 보조 후크(1618)가 형성될 수 있다.

보강 돌기부(1615)는 차폐벽(1611)에서 돌출되며 제1 후크부(1612)에서 제2 후크부(1613)를 향하는 방향으로 이어져 형성된다. 차폐벽(1611)에는 2개의 보강 돌기부(1615)가 형성되며 보강 돌기부(1615)는 차폐벽(1611)의 양쪽 측단에서 돌출된다. 보강 돌기부(1615)는 제1 후크부(1612)에서 제2 후크부(1613)까지 이어져 제1 후크부(1612)와 제2 후크부(1613)를 연결할 수 있다. 메인 캐비티(CA)는 제1 후크부(1612), 제2 후크부(1613), 보강 돌기부(1615)들에 의하여 둘러싸여 형성된다.

차폐벽(1611)의 내부에는 냉각 공간(1620), 유로 레이어(PL1), 충돌 시트(1628)가 형성될 수 있다. 냉각 공간(1620)은 차폐벽(1611) 내부에 형성되며, 메인 캐비티(CA)로부터 공기를 전달받아 냉각 공기를 저장한다. 냉각 공간(1620)은 웨브(1625)에 의하여 제1 냉각 공간(1621)과 제2 냉각 공간(1622)으로 분리되는데, 웨브(1625)는 제1 후크부(1612)의 길이방향으로 이어져 형성된다. 차폐벽(1611)에는 메인 캐비티(CA)에서 냉각 공간(1620)으로 냉각 공기를 전달하는 복수의 충격 홀(1627)이 형성된다. 웨브(1625)는 유로 레이어(PL1)까지 이어져 형성되어 냉각 유로(1630)를 분할할 수 있다.

냉각 공간(1620)과 상기 유로 레이어(PL1) 사이에는 냉각 공간(1620)으로 유입된 공기에 의하여 냉각되는 충돌 시트(1628)가 형성된다. 충격 홀(1627)을 통해서 냉각 공간(1620)으로 유입된 공기는 충돌 시트(1628)를 충격하여 충돌 시트(1628)를 냉각시킨다.

냉각 공간(1620)은 제1 후크부(1612)와 제2 후크부(1613) 사이에 위치하며, 유로 레이어(PL1)보다 차폐벽(1611)의 두께 방향으로 외측에 위치한다. 냉각 공간(1620)은 직사각경의 횡단면을 가질 수 있다. 제1 후크부(1612)와 제2 후크부(1613) 사이에서 제1 두께(CT1)를 갖도록 형성되고, 제1 후크부(1612)와 제2 후크부(1613)의 옆쪽은 제1 두께(CT1)보다 작은 제2 두께(CT2)를 갖도록 형성된다. 냉각 공간(1620)은 제1 두께(CT1)를 갖는 부분에 위치된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 유로 레이어(PL1)에는 냉각 공간(1620)에서 냉각 공기를 전달받으며 냉각 공기가 이동하는 복수의 냉각 유로(1630)가 형성된다. 냉각 유로(1630)는 제1 후크부(1612)의 길이방향과 교차하는 방향(y축 방향)으로 이어져 형성될 수 있다.

유로 레이어(PL1)와 냉각 공간(1620)은 차폐벽(1611)의 두께 방향으로 이격되며, 유로 레이어(PL1)는 냉각 공간(1620)의 내측에 위치한다. 또한, 유로 레이어(PL1)는 냉각 공간(1620)보다 더 넓게 형성되며, 제1 측면(S1)에서 제2 측면(S2)까지 이어져 형성될 수 있다.

유로 레이어(PL1)에는 차폐벽(1611)의 제1 측면(S1)으로 공기를 배출하는 복수의 제1 냉각 유로(1630a)와 제1 측면(S1)과 반대방향을 향하는 제2 측면(S2)으로 공기를 배출하는 복수의 제2 냉각 유로(1630b)가 형성된다. 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)는 웨브(1625)에 의하여 분리될 수 있다. 여기서 냉각 유로(1630)는 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)를 포함하는 개념이다. 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)에서 냉각 공기는 서로 반대 방향으로 이동하면서 차폐벽을 냉각하게 된다.

차폐벽(1611)에는 제1 냉각 유로(1630a)들과 상기 제1 냉각 공간(1621)을 연결하는 복수의 제1 통로(1651)와 제2 냉각 유로(1630b)들과 제2 냉각 공간(1622)을 연결하는 복수의 제2 통로(1652)가 형성된다. 제1 통로(1651)와 제2 통로(1652)는 웨브(1625)를 사이에 두고 이격되며, 웨브(1625)와 인접하게 배치될 수 있다. 이에 따라 제1 냉각 공간(1621)과 제2 냉각 공간(1622)으로 유입된 공기는 웨브(1625)와 충돌 시트(1628)를 냉각한 이후에 제1 통로(1651) 또는 제2 통로(1652)를 통해서 냉각 유로로 공급될 수 있다. 또한, 복수의 제1 통로들(1630a)은 웨브(1625)의 길이방향으로 이격 배치될 수 있으며, 복수의 제2 통로들(1630b)은 웨브(1625)의 길이방향으로 이격 배치될 수 있다

제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)는 동일한 구조로 이루어지며, 대칭되게 배치된다. 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)는 폭이 높이보다 더 큰 구조로 이루어지며, 바람직하게는 균일한 높이를 갖는 중앙 부분과 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 외측 부분을 포함하는 단면을 가질 수 있다. 여기서 외측 부분은 호형으로 이어질 수 있다.

제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)는 오복부와 볼록부가 교대로 형성되어 구불구불한 구조로 이루어질 수 있다. 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)는 물결파 형태로 이어지거나, 정현파 형태로 이어질 수 있다. 이와 같이 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)가 구불구불하게 이어져 형성되면, 냉각 공기의 접촉 면적 및 체류 시간이 증가하여 냉각 효율이 향상될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 제1 냉각 유로(1630a)는 제1 통로(1651)에서 차폐벽(1611)의 제2 측면(S2)을 향하여 이어진 제1 중간 유로(1631)와 제1 중간 유로(1631)에서 차폐벽(1611)의 제1 측면(S1)으로 이어지며 냉각 공기를 배출하는 제1 배출 유로(1632)와 제1 중간 유로(1631)와 제1 배출 유로(1632)를 연결하면 호형으로 만곡된 제1 연결 유로(1633)를 포함할 수 있다.

또한, 제2 냉각 유로(1630b)는 제2 통로(1652)에서 차폐벽(1611)의 제1 측면(S1)을 향하여 이어진 제2 중간 유로(1634)와 제2 중간 유로(1634)에서 차폐벽의 제2 측면(S2)으로 이어지며 냉각 공기를 배출하는 제2 배출 유로(1636)와 제2 중간 유로(1634)와 제2 배출 유로(1636)를 연결하면 호형으로 만곡된 제2 연결 유로(1635)를 포함할 수 있다.

이에 따라 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)는 보다 적은 양의 공기를 이용하여 차폐벽(1611)을 효율적으로 냉각할 수 있으며, 이에 따라 냉각 공기의 소모량이 감소되어 터빈(1300)의 전체적인 효율이 향상될 수 있다.

한편, 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)의 길이방향 외측 가장자리에는 내측보다 더 작은 단면적을 갖는 스로틀 구간(TH1)이 형성된다. 이와 같이 스로틀 구간(TH1)이 형성되면 제1 냉각 유로(1630a)와 제2 냉각 유로(1630b)에서 냉각 공기를 보다 강하게 분사하여 냉각 효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 연소 가스의 누설을 안정적으로 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 링 세그먼트를 잘라 본 종단면도이고, 도 7은 도 6에서 A1을 확대하여 본 도면이며, 도 8는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 사이드 채널, 제2 사이드 채널, 및 사이드 분사홀을 도시한 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면, 차폐벽(1611)의 내부에는 일방향으로 이어진 제1 사이드 채널(1641)과 제1 사이드 채널(1641)보다 차폐벽(1611)의 두께 방향으로 더 내측에 위치하며 제1 사이드 채널(1641)에서 냉각 공기를 공급 받는 제2 사이드 채널(1643)과 제2 사이드 채널(1643)과 연결되어 차폐벽(1611)의 외부로 냉각 공기를 배출하는 복수의 사이드 분사홀(1645)이 형성될 수 있다.

제1 사이드 채널(1641)과 제2 사이드 채널(1643)은 제1 후크부(1612)와 교차하는 방향으로 이어져 형성되며, 사이드 분사홀(1645)은 제1 후크부(1612)와 평행하게 이어져 형성될 수 있다. 한편, 제1 사이드 채널(1641)은 차폐벽(1611)의 측방향으로 냉각 공간(1620)보다 더 외측에 위치하며, 제2 사이드 채널(1643)은 차폐벽(1611)의 측방향으로 냉각 유로(1630)들 보다 더 외측에 위치할 수 있다.

제1 사이드 채널(1641)의 종단면은 외측단의 폭이 내측단의 폭보다 더 크게 형성되고, 외측에서 내측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다. 제1 사이드 채널(1641)은 공급 채널과 연결된 외면(1641a), 외면(1641a)과 이격되어 마주하는 내면(1641b), 내면(1641b)과 외면(1641a)을 연결하는 제1 내측면(1641c)과 외면(1641a)과 내면(1641b)을 연결하며 내면에 대하여 경사지게 형성된 제2 내측면(1641d)을 포함할 수 있다. 제1 내측면(1641c)은 외면(1641a) 및 내면(1641b)에 수직으로 이어질 수 있다.

또한, 제1 사이드 채널(1641)은 메인 캐비티(CA)와 사이드 냉각홀(1647)을 매개로 연결되어 메인 캐비티(CA)에서 냉각 공기를 전달 받으며, 사이드 냉각홀(1647)은 외면(1641a)과 연결된다. 여기서 사이드 냉각홀(1647)은 제1 내측면(1641c)과 인접하게 배치될 수 있다.

제1 사이드 채널(1641)과 제2 사이드 채널(1643)은 사이드 연결홀(1642)을 매개로 서로 연결되며, 사이드 연결홀(1642)은 굽어져 형성되며, 경사진 제2 내측면(1641d)에 연결된다. 사이드 연결홀(1642)은 호형으로 이어져 형성될 수 있다. 이에 따라 제1 사이드 채널(1641)로 통해서 유입된 공기는 제1 사이드 채널(1641) 내부를 냉각한 후에 경사진 제2 내측면(1641d)에 의해 안내되어 사이드 연결홀(1642)을 통해서 배출될 수 있다.

이에 따라 사이드 냉각홀(1647)을 통해서 유입된 냉각 공기는 제1 사이드 채널(1641)의 내면을 충격하여 냉각한 후에 경사진 제2 측면(S2)에 형성된 사이드 연결홀(1642)을 통해서 제2 사이드 채널(1643)로 이동한다.

제2 사이드 채널(1643)의 종단면은 외측단의 폭이 내측단의 폭보다 더 작게 형성되며, 외측에서 내측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다. 제2 사이드 채널(1643)은 외측이 내측보다 좁은 마름모꼴의 단면을 가질 수 있다. 이에 따라 상부에서 공급된 냉각 공기가 내측으로 퍼지면서 제2 사이드 채널(1643)을 전체적으로 냉각할 수 있다.

또한, 제2 사이드 채널(1643)의 길이방향 양쪽 단부의 폭(W12)은 제2 사이드 채널(1643)의 길이방향 중앙의 폭(W11)보다 더 작게 형성되는데, 제2 사이드 채널(1643)의 길이방향 양쪽 가장자리에는 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 테이퍼부(1643b)가 형성될 수 있다. 또한, 테이퍼부(1643b) 사이에는 폭이 일정한 균일부(1643a)가 형성될 수 있다.

복수의 사이드 분사홀(1645)은 제2 사이드 채널(1643)의 측면에 연결되어 제2 사이드 채널(1643)에서 공급된 냉각 공기를 제3 측면(S3)으로 배출한다. 제3 측면(S3)은 제1 측면(S1) 및 제2 측면(S2)과 교차하는 방향으로 이어진다. 사이드 분사홀(1645)을 통해서 분사되는 공기는 터빈 베인(1500)과의 사이로 연소가스가 유입되는 방지하면서 냉각을 수행한다.

사이드 분사홀(1645)은 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성되며, 이에 따라 사이드 분사홀(1645)을 통해서 강한 압력과 빠른 속도로 공기가 분사되어 냉각 효율이 향상되고, 연소가스의 누설을 안정적으로 방지할 수 있다.

또한, 제2 사이드 채널(1643)의 길이방향 양쪽 가장자리에 테이퍼부(1643b)가 형성되므로 테이퍼부(1643b)가 형성된 영역에서 공기들이 빠른 속도로 분사되어 양측 가장자리의 고온 영역을 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 차폐벽(1611)의 내부에 냉각 공간(1620)과 유로 레이어(PL1)가 차폐벽(1611)의 두께 방향으로 이격 형성되므로 충격 냉각과 유로 냉각을 동시에 수행하여 냉각 효율이 향상되고, 차폐벽(1611)의 무게가 감소될 수 있다.

또한, 제1 사이드 채널(1641)과 제2 사이드 채널(1643)이 사이드 연결홀(1642)을 매개로 폭포 형태로 연결되므로 두번의 충격 냉각을 통해서 상대적으로 고온인 링 세그먼트(1600)의 가장자리를 효율적으로 냉각할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 링 세그먼트에 대해서 설명한다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 사이드 채널, 제2 사이드 채널, 및 사이드 분사홀을 도시한 도면이다.

도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 링 세그먼트는 제1 사이드 채널(2641)과 제2 사이드 채널(2643)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 링 세그먼트와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

차폐벽(2611)의 내부에는 제1 사이드 채널(2641), 제2 사이드 채널, 사이드 분사홀(2645), 사이드 연결홀(2642)이 형성된다.

제1 사이드 채널(2641)과 제2 사이드 채널(2643)은 평행한 방향으로 이어지며, 사이드 분사홀(2645)은 제1 사이드 채널(2641)과 교차하는 방향으로 이어져 형성될 수 있다.

제1 사이드 채널(2641)은 길이방향 중앙의 폭(W23)이 길이방향 외측 단부의 폭(W24)보다 더 작게 형성되며, 길이방향 중앙에서 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 사이드 채널(2641)에는 냉각 공기를 공급하는 복수의 사이드 냉각홀(2647)이 연결된다.

제1 사이드 채널(2641)과 제2 사이드 채널(2643)은 사이드 연결홀(2642)을 매개로 서로 연결되며, 사이드 연결홀(2642)은 호형으로 이어져 형성될 수 있다.

제2 사이드 채널(2643)의 길이방향 양쪽 단부의 폭(W22)은 제2 사이드 채널(2643)의 길이방향 중앙의 폭(W21)보다 더 작게 형성되는데, 제2 사이드 채널(2643)은 길이방향 중앙에서 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

복수의 사이드 분사홀(2645)은 제2 사이드 채널(2643)의 측면에 연결되어 제2 사이드 채널(2643)에서 공급된 냉각 공기를 배출한다. 사이드 분사홀(2645)은 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 제2 실시예에 따르면, 제1 사이드 채널(2641)은 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성되고, 제2 사이드 채널(2643)은 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하돌록 형성되므로 상대적으로 고온인 외측 영역에서 많은 양의 공기들이 빠른 속도로 분사되어 냉각 효율이 향상될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 링 세그먼트에 대해서 설명한다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 사이드 분사홀을 도시한 도면이다.

도 10를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 링 세그먼트는 사이드 분사홀을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 링 세그먼트와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

복수의 사이드 분사홀(3640)은 제2 사이드 채널과 연결되어 차폐벽의 외부로 냉각 공기를 배출한다. 사이드 분사홀(3640)은 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 가변 홀(3641)과 가변 홀(3641)의 단부에 연결되며 균일한 내경을 갖고 공기를 외부로 분사하는 안내홀(3642)을 포함할 수 있다. 가변 홀(3641)을 지나면서 공기의 이동 속도는 증가하며, 안내홀(3642)을 지나면서 공기의 유동이 균일화되어 분사될 수 있다. 이에 따라 냉각 효율이 더욱 향상될 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
1130: 압축기 블레이드
1140: 베인
1150: 하우징
1170: 토크 튜브
1200: 연소기
1300: 터빈
1310: 로터 디스크
1400: 터빈 블레이드
1500: 베인
1600: 링 세그먼트
1611: 차폐벽
1612: 제1 후크부
1613: 제2 후크부
1615: 보강 돌기부
1620: 냉각 공간
1625: 웨브
1621: 제1 냉각 공간
1622: 제2 냉각 공간
1627: 충격 홀
1628: 충돌 시트
1641, 2641: 제1 사이드 채널
1642, 2642: 사이드 연결홀
1643, 2643: 제2 사이드 채널
1645, 2645, 3640: 사이드 분사홀
1647, 2647: 사이드 냉각홀
1630: 냉각 유로
1630a: 제1 냉각 유로
1630b: 제2 냉각 유로
1631: 제1 중간 유로
1632: 제1 배출 유로
1633: 제1 연결 유로
1634: 제2 중간 유로
1635: 제2 연결 유로
1636: 제2 배출 유로
1651: 제1 통로
1652: 제2 통로
1800: 터빈 케이싱
3641: 가변 홀
3642: 안내홀

Claims

블레이드를 수용하는 케이싱에 장착되는 링 세그먼트에 있어서,
상기 케이싱의 내벽과 마주하는 차폐벽;
상기 차폐벽에서 상기 터빈 케이싱을 향하여 돌출되어 상기 터빈 케이싱에 결합되는 제1 후크부와 제2 후크부;
상기 제1 후크부와 상기 제2 후크부 사이에 형성된 메인 캐비티;
상기 차폐벽의 내부에 형성되며 냉각 공기가 이동하는 복수의 냉각 유로가 형성된 유로 레이어;
일방향으로 이어지며, 냉각 공기가 이동하는 제1 사이드 채널;
상기 제1 사이드 채널에서 상기 차폐벽의 두께 방향으로 이격되며 상기 제1 사이드 채널에서 냉각 공기를 공급 받는 제2 사이드 채널;
상기 제2 사이드 채널과 연결되어 상기 차폐벽의 외부로 냉각 공기를 배출하는 복수의 사이드 분사홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 제2 사이드 채널은 상기 차폐벽의 측방향으로 상기 냉각 유로들의 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널과 상기 제2 사이드 채널은 상기 제1 후크부와 교차하는 방향으로 이어진 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널이 종단면은 외측단의 폭이 내측단의 폭보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제4 항에 있어서,
상기 제2 사이드 채널의 종단면은 외측단의 폭이 내측단의 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제6 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널의 단면은 외측에서 내측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하도록 형성되고, 상기 제2 사이드 채널의 단면은 외측에서 내측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제11 항에 있어서,
상기 차폐벽에는 상기 메인 캐비티와 상기 제1 사이드 채널을 연결하는 복수의 사이드 냉각홀과 상기 제1 사이드 채널과 상기 제2 사이드 채널을 연결하는 사이드 연결홀이 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제7 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널은 사이드 냉각홀과 연결된 외면, 상기 외면과 이격되어 마주하는 내면, 상기 내면과 외면을 연결하는 제1 내측면과 상기 외면과 내면을 연결하며 상기 내면에 대하여 경사지게 형성된 제2 내측면을 포함하고, 상기 사이드 연결홀은 상기 제2 내측면에 연결된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제8 항에 있어서,
상기 사이드 연결홀은 굽어진 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 제2 사이드 채널의 길이방향 중앙에는 폭일 일정한 균일부가 형성되고, 상기 제2 사이드 채널의 길이방향 양쪽 가장자리에는 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 테이퍼부가 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 제2 사이드 채널은 중앙에서 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제11 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널의 중앙 부분의 폭은 길이방향 외측 단부의 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제11 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널은 중앙에서 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 사이드 채널은 상기 차폐벽의 측방향으로 상기 제1 사이드 채널보다 더 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 사이드 분사홀은 상기 차폐벽의 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성된 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
제1 항에 있어서,
상기 사이드 분사홀은 외측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 가변 홀과 상기 가변 홀의 길이방향 단부에 연결되며 균일한 내경을 갖고 공기를 외부로 분사하는 안내 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 링 세그먼트.
회전 가능한 로터 디스크, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 블레이드, 상기 블레이드를 수용하는 케이싱, 상기 케이싱에 결합되며 상기 블레이드의 외측에 위치하는 복수의 링 세그먼트를 포함하는 회전 기계으로서,
상기 링 세그먼트는,
상기 케이싱의 내벽과 마주하는 차폐벽;
상기 차폐벽에서 상기 터빈 케이싱을 향하여 돌출되어 상기 터빈 케이싱에 결합되는 제1 후크부와 제2 후크부;
상기 제1 후크부와 상기 제2 후크부 사이에 형성된 메인 캐비티;
상기 차폐벽의 내부에 형성되며 냉각 공기가 이동하는 복수의 냉각 유로가 형성된 유로 레이어;
일방향으로 이어지며, 냉각 공기가 이동하는 제1 사이드 채널;
상기 제1 사이드 채널에서 상기 차폐벽의 두께 방향으로 이격되며 상기 제1 사이드 채널에서 냉각 공기를 공급 받는 제2 사이드 채널;
상기 제2 사이드 채널과 연결되어 상기 차폐벽의 외부로 냉각 공기를 배출하는 복수의 사이드 분사홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
제17 항에 있어서,
상기 제2 사이드 채널은 상기 차폐벽의 측방향으로 상기 냉각 유로들의 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
제17 항에 있어서,
상기 제2 사이드 채널의 길이방향 양쪽 가장자리에는 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 테이퍼부가 형성된 것을 특징으로 하는 회전 기계.
제19 항에 있어서,
상기 제1 사이드 채널의 중앙 부분의 폭은 길이방향 외측 단부의 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 회전 기계.