KR20230055272A - 터보 머신 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 터보 머신은 고정된 복수의 베인들을 갖는 스테이터와 상기 베인들 사이에 배치되며 회전하는 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며, 상기 로터에는 상기 스테이터를 향하여 돌출된 제1 플랜지가 형성되고, 상기 스테이터에는 상기 로터를 향하여 돌출되되 상기 제1 플랜지와 마주하는 제2 플랜지가 형성되며, 상기 제1 플랜지에서 상기 제2 플랜지를 마주하는 면에는 제1 플랜지와 제2 플랜지 사이에서 냉각 공기의 압력을 조절하는 압력조절 돌기가 돌출 형성될 수 있다.

Description

터보 머신 및 이를 포함하는 가스 터빈{SEGMENT CONTROL DEVICE, TURBINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 터보 머신 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 분사된다. 분사된 연소 가스가 베인 및 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 터빈의 로터가 회전하게 된다.
한편, 증기 터빈은 증기를 발생시키는 보일러와 보일러에서 가열된 고온 고압의 증기에 의하여 회전하는 터빈을 포함한다. 터빈은 고온 고압의 증기에 의하여 회전하는 블레이드와 증기의 이동을 안내하는 베인을 포함할 수 있다.
가스 터빈의 터빈과 증기 터빈의 터빈은 터보 머신으로 이루어지며, 터보 머신은 로터와 스테이터를 포함하며, 로터는 블레이드를 포함하고, 스테이터는 베인을 포함한다.
복수의 블레이드와 베인은 로터의 원주방향으로 연이어 배치되되, 터보 머신의 길이방향으로 블레이드의 열과 베인의 열이 교대로 배치되어 다단 구조를 형성한다.
로터과 스테이터 사이에는 냉각 공기가 통과하는 간극이 형성되며, 이 간극에서 베인과 블레이드가 맞닿으면 로터 또는 스테이터가 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
냉각 공기는 로터와 스테이터에 균일하게 공급되어야 하는데, 스테이터와 로터 사이의 공간의 압력이 균일하지 못한 문제가 있다. 간극의 외측의 압력이 내측보다 큰 경우에는 고온의 유체가 휠스페이스 내부로 유입되는 문제가 있으며, 간극의 외측의 압력이 내측보다 작은 경우에는 휠스페이스 내부의 유체가 외부로 유출되는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 파손을 방지하면서 로터와 스테이터 사이를 안정적으로 실링할 수 있는 터보 머신 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 터보 머신은 고정된 복수의 베인들을 갖는 스테이터와 상기 베인들 사이에 배치되며 회전하는 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며, 상기 로터에는 상기 스테이터를 향하여 돌출된 제1 플랜지가 형성되고, 상기 스테이터에는 상기 로터를 향하여 돌출되되 상기 제1 플랜지와 마주하는 제2 플랜지가 형성되며, 상기 제1 플랜지에서 상기 제2 플랜지를 마주하는 면에는 제1 플랜지와 제2 플랜지 사이에서 냉각 공기의 압력을 조절하는 압력조절 돌기가 돌출 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 압력조절 돌기는 제1 압력조절 돌기와 상기 제1 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제2 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제3 압력조절 돌기를 포함하고, 상기 제1 압력조절 돌기, 상기 제2 압력조절 돌기, 상기 제3 압력조절 돌기는 막대형상으로 이어져 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기 사이에는 제1 냉각 채널이 형성되고, 상기 제2 압력조절 돌기와 상기 제3 압력조절 돌기 사이에는 제2 냉각 채널이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 크게 형성되고, 상기 제2 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널의 입구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 입구측 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널의 출구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 출구측 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되고, 상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 베인들은 상기 터보 머신의 원주방향으로 복수 개가 연이어 배열되고, 상기 베인들이 배치된 열에는 제1 영역과 상기 제1 영역보다 더 작은 압력을 갖는 제2 영역이 형성되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 교대로 배열되고, 상기 제1 냉각 채널은 상기 제1 영역으로 연결되고, 상기 제2 냉각 채널은 상기 제2 영역으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 압력조절 돌기는 상기 냉각 공기 하류측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 베인들은 상기 터보 머신의 원주방향으로 복수 개가 연이어 배열되고, 상기 베인들이 배치된 열에는 제1 영역과 상기 제1 영역보다 더 작은 압력을 갖는 제2 영역이 형성되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 교대로 배열되고, 상기 냉각 채널은 상기 제1 영역으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 압력조절 돌기는 상기 로터의 회전축 방향에 대하여 상기 로터의 회전 방향으로 경사지게 이어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 터보 머신을 포함하며, 상기 터보 머신은 고정된 복수의 베인들을 갖는 스테이터와 상기 베인들 사이에 배치되며 회전하는 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며, 상기 로터에는 상기 스테이터를 향하여 돌출된 제1 플랜지가 형성되고, 상기 스테이터에는 상기 로터를 향하여 돌출되되 상기 제1 플랜지와 마주하는 제2 플랜지가 형성되며, 상기 제1 플랜지에서 상기 제2 플랜지를 마주하는 면에는 제1 플랜지와 제2 플랜지 사이에서 냉각 공기의 압력을 조절하는 압력조절 돌기가 돌출 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 압력조절 돌기는 제1 압력조절 돌기와 상기 제1 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제2 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제3 압력조절 돌기를 포함하고, 상기 제1 압력조절 돌기, 상기 제2 압력조절 돌기, 상기 제3 압력조절 돌기는 막대형상으로 이어져 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기 사이에는 제1 냉각 채널이 형성되고, 상기 제2 압력조절 돌기와 상기 제3 압력조절 돌기 사이에는 제2 냉각 채널이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 크게 형성되고, 상기 제2 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널의 입구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 입구측 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널의 출구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 출구측 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되고, 상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 베인들은 상기 터보 머신의 원주방향으로 복수 개가 연이어 배열되고, 상기 베인들이 배치된 열에는 제1 영역과 상기 제1 영역보다 더 작은 압력을 갖는 제2 영역이 형성되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 교대로 배열되고, 상기 제1 냉각 채널은 상기 제1 영역으로 연결되고, 상기 제2 냉각 채널은 상기 제2 영역으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 압력조절 돌기는 상기 냉각 공기 하류측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 터보 머신 및 가스 터빈은 압력조절 돌기를 포함하므로 플랜지 사이의 압력을 용이하게 조절할 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 로터와 스테이터를 도시한 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터와 스테이터 사이의 압력 분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플랜지를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플랜지를 도시한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
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 1, 및 도 2에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기에서는, 압축기 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 압축기 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 블레이드(1330)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.
이러한 터빈(1300)은 연소 가스에 의하여 회전하는 터보 머신으로 이루어지며, 로터(1520)와 스테이터(1510)를 포함한다. 본 실시예에서는 터보 머신이 가스 터빈(100)의 터빈(1300)으로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 로터(1520)와 스테이터(1510)를 포함하는 다양한 장치로 이루어질 수 있다.
터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 블레이드(1330)를 포함하는 로터(1520)와 회전하지 않도록 고정된 베인(1320)을 포함하는 스테이터(1510)를 포함할 수 있다.
로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 블레이드(1330)이 삽입된다. 블레이드(1330)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 베인(1320)은 회전하지 않도록 고정되며 블레이드(1330)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터와 스테이터를 도시한 부분 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 부분 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터와 스테이터 사이의 압력 분포를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 스테이터(1510)에는 로터(1520)를 향하여 돌출된 제1 플랜지(1530)가 형성되고, 로터(1520)에는 스테이터(1510)를 향하여 돌출된 제2 플랜지(1540)가 형성된다. 제1 플랜지(1530)와 제2 플랜지(1540)는 서로 마주하도록 배치되며, 반경 방향으로 이격된다.
로터(1520)와 스테이터(1510)는 회전축 방향(x축 방향)으로 교대로 배치되는데, 제1 플랜지(1530)는 제2 플랜지(1540)보다 반경방향으로 더 외측에 배치될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 냉각 공기의 유동방향을 기준으로 베인(1320)이 상류측에 위치하는 경우에는 제1 플랜지(1530)가 제2 플랜지(1540)보다 반경방향으로 더 외측에 배치될 수 있으며, 베인(1320)이 블레이드(1330)의 하류측에 위치하는 경우에는 제1 플랜지(1530)가 제2 플랜지(1540)보다 반경방향으로 더 내측에 배치될 수 있다. 즉, 상류측에 배치된 플랜지가 하류측에 배치된 플랜지보다 더 외측에 위치할 수 있다.
제1 플랜지(1530)는 베인(1320)을 내측에서 지지하는 지지 링 또는 베인(1320)에 형성될 수 있으며, 제2 플랜지(1540)는 블레이드(1330)의 플랫폼 또는 로터 디스크(1170)에 형성될 수 있다.
제1 플랜지(1530)에서 제2 플랜지(1540)를 마주하는 면에는 냉각 공기의 이동을 안내하는 압력조절 돌기(1610)가 돌출 형성된다. 복수의 압력조절 돌기(1610)는 간격을 두고 원주방향(y축 방향)으로 이격 배치되며 제1 플랜지(1530)와 제2 플랜지(1540) 사이를 이동하는 냉각공기의 압력을 제어한다. 압력조절 돌기(1610)들 사이에는 냉각 공기가 이동하는 냉각 채널(1620)이 형성된다.
압력조절 돌기(1610)는 폭이 좁은 막대 형상으로 이루어질 수 있으며, 압력조절 돌기(1610)의 폭은 냉각 채널(1621, 1623)의 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(1610)는 제1 압력조절 돌기(1611)와 제1 압력조절 돌기(1611)에서 원주방향(y축 방향)으로 이격된 제2 압력조절 돌기(1612)와, 제2 압력조절 돌기(1612)에서 원주방향(y축 방향)으로 이격된 제3 압력조절 돌기(1613)를 포함할 수 있다. 제1 압력조절 돌기(1611)와 제3 압력조절 돌기(1613)는 터보 머신의 중심축과 평행하게 배치될 수 있다. 제2 압력조절 돌기(1612)는 제1 압력조절 돌기(1611) 및 제2 압력조절 돌기(1612)에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.
제1 압력조절 돌기(1611)와 제2 압력조절 돌기(1612) 사이의 간격은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되고, 제2 압력조절 돌기(1612)와 제3 압력조절 돌기(1613) 사이의 간격은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
제1 압력조절 돌기(1611)와 제2 압력조절 돌기(1612) 사이에는 제1 냉각 채널(1621)이 형성되고, 제2 압력조절 돌기(1612)와 제3 압력조절 돌기(1613) 사이에는 제2 냉각 채널(1623)이 형성될 수 있다. 제1 냉각 채널(1621)과 제2 냉각 채널(1623)은 교대로 배치될 수 있다.
제1 냉각 채널(1621)은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 크게 형성되고, 제2 냉각 채널(1623)의 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 작게 형성될 수 있다. 또한, 제1 냉각 채널(1621)의 입구측 폭은 제2 냉각 채널(1623)의 입구측 폭보다 더 크게 형성되며, 제1 냉각 채널(1621)의 출구측 폭은 제2 냉각 채널(1623)의 출구측 폭보다 더 작게 형성될 수 있다.
또한, 제1 냉각 채널(1621)은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 폭(W11)이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있으며, 제2 냉각 채널(1623)은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 폭(W12)이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다. 이에 따라 제1 냉각 채널(1621)의 출구측 압력은 증가하며, 제2 냉각 채널(1623)의 출구측 압력은 감소할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 스테이터(1510)와 로터(1520) 사이에는 플랜지들(1530, 1540) 외측의 압력이 내부공간(HS)의 압력보다 높은 고압 영역(P11)과 플랜지들(1530, 1540) 외측의 압력이 내부공간(HS)의 압력보다 낮은 저압 영역(P12)이 형성된다. 고압 영역(P11)은 베인(1320)의 트레일링 엣지의 하류측에 형성되며, 저압 영역(P12)은 흡입면과 압력면 사이의 유로 하류측에 형성된다. 고압 영역(P11)과 저압 영역(P12)은 교대로 형성되며, 고압 영역(P11) 사이에 저압 영역(P12)이 위치한다. 고압 영역(P11)에서는 외측에 위치하는 뜨거운 가스가 내부공간(HS)으로 유입되는 문제가 발생할 수 있다.
제1 냉각 채널(1621)의 출구는 저압 영역(P12)과 연결되며, 제2 냉각 채널(1623)의 출구는 상대적으로 압력이 높은 고압 영역(P11)과 연결될 수 있다. 이에 따라서, 제1 냉각 채널(1621)로 유입된 냉각 공기는 저압 영역의 압력을 상승시킬 수 있으며, 제2 냉각 채널(1623)로 유입된 냉각 공기는 낮은 압력으로 배출되어 고압 영역의 압력을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터보 머신에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2610)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 플랜지(1530)에는 복수의 압력조절 돌기(2610)가 간격을 두고 원주방향(y축 방향)으로 이격 배치되며, 압력조절 돌기(2610) 사이에는 냉각 공기가 이동하는 냉각 채널(2615, 2617)이 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2610)는 폭이 좁은 막대 형태로 이루어질 수 있으며, 압력조절 돌기(2610)의 폭은 냉각 채널(2615, 2617)의 폭보다 더 작게 형성될 수 있다. 제1 플랜지(2530)에는 원주방향(y축 방향)으로 이격된 제1 압력조절 돌기(2611)와 제2 압력조절 돌기(2612)와 제3 압력조절 돌기(2613)가 형성될 수 있다. 제1 압력조절 돌기(2611), 제2 압력조절 돌기(2612), 제3 압력조절 돌기(2613)는 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 터보 머신의 중심축에 대하여 로터의 회전 방향(y축 방향)으로 경사지게 형성될 수 있다.
제1 압력조절 돌기(2611)와 제3 압력조절 돌기(2613)는 평행하게 배치되며, 제2 압력조절 돌기(2612)는 제1 압력조절 돌기(2611)보다 터보 머신의 중심축에 대하여 더 큰 경사를 갖도록 경사지게 배치된다.
제1 압력조절 돌기(2611)와 제2 압력조절 돌기(2612) 사이의 간격은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되고, 제2 압력조절 돌기(2612)와 제3 압력조절 돌기(2613) 사이의 간격은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
제1 압력조절 돌기(2611)와 제2 압력조절 돌기(2612) 사이는 제1 냉각 채널(2615)이 형성되고, 제2 압력조절 돌기(2612)와 제3 압력조절 돌기(2613) 사이에는 제2 냉각 채널(2617)이 형성될 수 있다. 제1 냉각 채널(2615)과 제2 냉각 채널(2617)은 교대로 배치될 수 있다.
제1 냉각 채널(2615)은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 폭(W21)이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있으며, 제2 냉각 채널(2617)은 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 폭(W22)이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
제1 냉각 채널(2615)의 출구는 상대적으로 압력이 낮은 저압 영역과 연결되며, 제2 냉각 채널(2617)의 출구는 상대적으로 압력이 높은 고압 영역과 연결될 수 있다. 이에 따라서, 제1 냉각 채널(2615)로 유입된 냉각 공기는 저압 영역의 압력을 상승시키며, 제2 냉각 채널(2617)로 유입된 냉각 공기는 낮은 압력으로 배출되어 고압 영역의 압력을 감소시킬 수 있다. 또한, 제1 냉각 채널(2615)과 제2 냉각 채널(2617)에서 배출된 공기는 로터의 회전 방향으로 경사지게 배출되어 로터의 회전을 방해하지 않으면서 압력을 용이하게 균일화할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 터보 머신에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이고, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플랜지를 도시한 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2610)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2610)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 플랜지(1530)에는 복수의 압력조절 돌기(2621)가 간격을 두고 원주방향(y축 방향)으로 이격 배치되며, 압력조절 돌기(2621) 사이에는 냉각 공기가 이동하는 냉각 채널(2625)이 형성될 수 있다. 압력조절 돌기(2621)는 길이와 폭을 갖는 사각형의 단면을 가질 수 있다.
압력조절 돌기(2621)가 형성된 부분에서 제1 플랜지(1530)와 제2 플랜지(1540) 사이의 간극(G11)은 냉각 채널(2625)에서 제1 플랜지(1530)와 제2 플랜지(1540) 사이의 간극(G12) 보다 더 작게 형성된다.
압력조절 돌기(2621)가 형성된 부분은 저압 영역과 연결되며, 냉각 채널(2625)은 고압 영역과 연결될 수 있는데, 이에 따르면 고압 영역으로 높은 속도와 압력의 공기가 분사되어 뜨거운 가스가 플랜지들(1530, 1540) 사이를 통과하여 내부공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 터보 머신에 대해서 설명한다. 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이고, 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플랜지를 도시한 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2631)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2631)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 플랜지(1530)에는 본 실시예에 따른 제1 플랜지(1530)에는 복수의 압력조절 돌기(2631)가 간격을 두고 원주방향(y축 방향)으로 이격 배치되며, 압력조절 돌기(2631)는 길이와 폭을 갖는 사각형의 단면을 가질 수 있다.
압력조절 돌기(2631)는 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 축방향에 대하여 경사지게 형성되되, 로터의 회전 방향(y축 방향)으로 경사지게 형성될 수 있다. 압력조절 돌기(2631) 사이에는 냉각 공기가 이동하는 냉각 채널(2635)이 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2631)는 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 두께가 점진적으로 증가하는 가변부(2631a)와 가변부(2631a)의 하류측에 위치하며 균일한 두께를 갖는 균일부(2631b)를 포함할 수 있다.
압력조절 돌기(2631)가 형성된 부분은 저압 영역과 연결되며, 냉각 채널(2635)은 고압 영역과 연결될 수 있는데, 다량의 냉각 공기는 냉각 채널(2635)로 이동할 수 있으며, 냉각 채널(2635)에서 높은 속도와 압력의 공기가 분사되어 플랜지 사이로 고온의 가스가 유입되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 압력조절 돌기(2631)가 로터의 회전 방향으로 경사지게 형성되므로 분사되는 냉각 공기가 로터의 회전을 방해하지 않으면서 냉각 공기의 유동에 원주방향 속도 벡터가 추가되어 더욱 안정적으로 고온 가스의 유입을 차단할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제5 실시예에 따른 터보 머신에 대해서 설명한다. 도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 12를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2641)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 플랜지(1530)에는 복수의 압력조절 돌기(2641)가 간격을 두고 원주방향(y축 방향)으로 이격 배치되며, 압력조절 돌기(2641) 사이에는 냉각 공기가 이동하는 냉각 채널(2645)이 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2641)는 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성되며, 냉각 채널(2645)은 하류측으로 갈수록 폭(W31)이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다. 압력조절 돌기(2641)의 양측 측면은 볼록하게 만곡된 호형으로 이어질 수 있으며, 압력조절 돌기(2641)의 선단에는 엣지(2642)가 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2641)가 형성된 부분은 저압 영역과 연결되며, 냉각 채널(2645)은 고압 영역과 연결될 수 있는데, 이에 따르면 고압 영역으로 높은 속도와 압력의 공기가 분사되어 뜨거운 가스가 플랜지들 사이를 통과하여 내부공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 압력조절 돌기(2641)의 선단에 엣지(2642)가 형성되고, 압력조절 돌기(2641)의 측면이 호형으로 만곡 형성되면, 압력 손실을 최소화하면서 플랜지 사이의 압력을 조절할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제6 실시예에 따른 터보 머신에 대해서 설명한다. 도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 압력조절 돌기를 도시한 평면도이다.
도 13을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터보 머신은 압력조절 돌기(2651)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터보 머신과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 플랜지(1530)에는 복수의 압력조절 돌기(2651)가 간격을 두고 원주방향(y축 방향)으로 이격 배치되며, 압력조절 돌기(2651) 사이에는 냉각 공기가 이동하는 냉각 채널(2655)이 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2651)는 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있으며, 냉각 채널(2655)의 폭(W41)은 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2651)는 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 축방향에 대하여 경사지게 형성되되, 로터의 회전 방향(y축 방향)으로 경사지게 형성될 수 있다. 압력조절 돌기(2651)의 양측 측면은 볼록하게 만곡된 호형으로 이어질 수 있으며, 압력조절 돌기(2651)의 선단에는 엣지(2652)가 형성될 수 있다.
압력조절 돌기(2651)가 형성된 부분은 저압 영역과 연결되며, 냉각 채널(2655)은 고압 영역과 연결될 수 있는데, 이에 따르면 고압 영역으로 높은 속도와 압력의 공기가 분사되어 뜨거운 가스가 플랜지들 사이를 통과하여 내부공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 압력조절 돌기(2651)가 로터의 회전 방향으로 경사지게 형성되므로 냉각 공기가 로터의 회전을 방해하지 않으면서 냉각 공기의 유동에 원주방향 속도 벡터가 추가되어 더욱 안정적으로 고온 가스의 유입을 차단할 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: 센터 타이로드 1130: 압축기 블레이드
1140: 압축기 베인 1170: 토크 튜브
1200: 연소기 1300: 터빈
1310: 로터 디스크 1320: 베인
1330: 블레이드 1510: 스테이터
1520: 로터 1530: 제1 플랜지
1540: 제2 플랜지
1610, 2610. 2621, 2631, 2641, 2651: 압력조절 돌기
1625, 2635, 2645, 2655: 냉각 채널
1611, 2611: 제1 압력조절 돌기 1612, 2612: 제2 압력조절 돌기
1613, 2613: 제3 압력조절 돌기 1621, 2615: 제1 냉각 채널
1621, 2617: 제2 냉각 채널

Claims (20)

  1. 고정된 복수의 베인들을 갖는 스테이터와 상기 베인들 사이에 배치되며 회전하는 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 포함하는 터보 머신에 있어서,
    상기 로터에는 상기 스테이터를 향하여 돌출된 제1 플랜지가 형성되고, 상기 스테이터에는 상기 로터를 향하여 돌출되되 상기 제1 플랜지와 마주하는 제2 플랜지가 형성되며,
    상기 제1 플랜지에서 상기 제2 플랜지를 마주하는 면에는 제1 플랜지와 제2 플랜지 사이에서 냉각 공기의 압력을 조절하는 압력조절 돌기가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압력조절 돌기는 제1 압력조절 돌기와 상기 제1 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제2 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제3 압력조절 돌기를 포함하고,
    상기 제1 압력조절 돌기, 상기 제2 압력조절 돌기, 상기 제3 압력조절 돌기는 막대형상으로 이어져 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기 사이에는 제1 냉각 채널이 형성되고, 상기 제2 압력조절 돌기와 상기 제3 압력조절 돌기 사이에는 제2 냉각 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 크게 형성되고, 상기 제2 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널의 입구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 입구측 폭보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널의 출구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 출구측 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되고, 상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 베인들은 상기 터보 머신의 원주방향으로 복수 개가 연이어 배열되고,
    상기 베인들이 배치된 열에는 제1 영역과 상기 제1 영역보다 더 작은 압력을 갖는 제2 영역이 형성되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 교대로 배열되고,
    상기 제1 냉각 채널은 상기 제1 영역으로 연결되고, 상기 제2 냉각 채널은 상기 제2 영역으로 연결된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 압력조절 돌기는 상기 냉각 공기 하류측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 베인들은 상기 터보 머신의 원주방향으로 복수 개가 연이어 배열되고,
    상기 베인들이 배치된 열에는 제1 영역과 상기 제1 영역보다 더 작은 압력을 갖는 제2 영역이 형성되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 교대로 배열되고,
    상기 냉각 채널은 상기 제1 영역으로 연결된 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 압력조절 돌기는 상기 로터의 회전축 방향에 대하여 상기 로터의 회전 방향으로 경사지게 이어진 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  12. 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 터보 머신을 포함하는 가스 터빈으로서,
    상기 터보 머신은 고정된 복수의 베인들을 갖는 스테이터와 상기 베인들 사이에 배치되며 회전하는 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며,
    상기 로터에는 상기 스테이터를 향하여 돌출된 제1 플랜지가 형성되고, 상기 스테이터에는 상기 로터를 향하여 돌출되되 상기 제1 플랜지와 마주하는 제2 플랜지가 형성되며,
    상기 제1 플랜지에서 상기 제2 플랜지를 마주하는 면에는 제1 플랜지와 제2 플랜지 사이에서 냉각 공기의 압력을 조절하는 압력조절 돌기가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 압력조절 돌기는 제1 압력조절 돌기와 상기 제1 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제2 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기에서 원주방향으로 이격된 제3 압력조절 돌기를 포함하고,
    상기 제1 압력조절 돌기, 상기 제2 압력조절 돌기, 상기 제3 압력조절 돌기는 막대형상으로 이어져 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 압력조절 돌기와 상기 제2 압력조절 돌기 사이에는 제1 냉각 채널이 형성되고, 상기 제2 압력조절 돌기와 상기 제3 압력조절 돌기 사이에는 제2 냉각 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 크게 형성되고, 상기 제2 냉각 채널은 입구측 폭이 출구측 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널의 입구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 입구측 폭보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널의 출구측 폭은 상기 제2 냉각 채널의 출구측 폭보다 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되고, 상기 제1 냉각 채널의 폭은 상기 냉각 공기의 하류측으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 베인들은 상기 터보 머신의 원주방향으로 복수 개가 연이어 배열되고,
    상기 베인들이 배치된 열에는 제1 영역과 상기 제1 영역보다 더 작은 압력을 갖는 제2 영역이 형성되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 교대로 배열되고,
    상기 제1 냉각 채널은 상기 제1 영역으로 연결되고, 상기 제2 냉각 채널은 상기 제2 영역으로 연결된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 압력조절 돌기는 상기 냉각 공기 하류측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180072331A (ko) * 2016-12-21 2018-06-29 두산중공업 주식회사 가스유입 방지를 위한 실링부재를 포함하는 터빈.
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