KR20230119492A

KR20230119492A - 베인 팁 간극을 최소화할 수 있는 압축기 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR20230119492A
Application number: KR1020220015705A
Authority: KR
Inventors: 안드리 이예브도신; 코레핀 올렉시; 함동우
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2023-08-16

Abstract

본 발명은 캔틸레버 타입으로 제작 및 조립이 용이하면서도 베인의 팽창에 의해 베인이 디퓨저 또는 슈라우드 세그먼트에 충돌할 경우 탄성부재가 충격을 흡수하면서 압축됨에 따라 베인 팁 간극을 최소화할 수 있는 압축기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

Description

베인 팁 간극을 최소화할 수 있는 압축기 및 이를 포함하는 가스터빈{COMPRESSOR TO MINIMIZE VANE TIP CLEARANCE AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 압축기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베인의 팽창에 의해 베인이 디퓨저 또는 슈라우드 세그먼트에 충돌할 경우 탄성부재가 충격을 흡수하면서 압축됨에 따라 베인 팁 간극을 최소화할 수 있는 압축기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.

이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

일반적으로 가스터빈은 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다. 가스터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

이러한 가스터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈은 기본적인 요소로서 공기를 압축시키는 압축기, 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 연소시켜 연소가스를 생성시키는 연소기 및 연소기로부터 뿜어져 나온 고온 고압의 연소가스를 통해 날개를 회전시켜 전력을 발생시키는 터빈을 포함한다. 터빈으로 분사된 연소 가스가 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 터빈의 로터가 회전하게 된다.

압축기는 교대로 배치되는 다수의 압축기 블레이드와 다수의 압축기 베인을 포함하며, 압축기 블레이드는 가스터빈의 로터(회전축)와 함께 회전하는 반면, 압축기 베인은 압축기 블레이드로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 압축기 케이싱에 설치된다.

이때, 압축기 베인은, 대한민국 등록특허공보 제10-2026827호에 도시된 베인(170)과 같이 슈라우드 타입(shrouded type)이거나, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0130786호에 도시된 리테이닝 링(200) 및 베인(300)과 같이 캔틸레버 타입(cantilever type)일 수 있다.

슈라우드 타입은 베인의 반경방향 외부와 내부에 모두 리테이닝 링이 구비되는 것으로, 슈라우드 타입은 베인 팁 간극을 0으로 만들 수 있어 팁 간극을 통한 누설유동을 제거할 수 있으나 제작 비용 및 시간이 커지는 단점이 있다.

캔틸레버 타입은 베인의 반경방향 외부에만 리테이닝 링이 구비되는 것으로, 슈라우드 타입보다 제작 및 조립이 용이하나, 운전 시 내부구조와의 열팽창 차이에 의한 충돌을 방지하기 위해 일정한 값의 간극이 필요하여 누설유동이 발생될 수 있다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-2026827호(2019.09.24.등록) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0130786호(2018.12.10.공개)

본 발명은 캔틸레버 타입으로 제작 및 조립이 용이하면서도 베인의 팽창에 의해 베인이 디퓨저 또는 슈라우드 세그먼트에 충돌할 경우 탄성부재가 충격을 흡수하면서 압축됨에 따라 베인 팁 간극을 최소화할 수 있는 압축기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 케이싱;과, 상기 케이싱의 내측에 결합되는 리테이닝 링;과, 상기 리테이닝 링의 내주면에 유동 가능하게 체결되며, 상기 리테이닝 링의 원주방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 복수의 베인; 및 상기 복수의 베인 각각의 상기 리테이닝 링을 향하는 반경방향 외측에 배치되는 복수의 탄성부재;를 포함하는, 압축기를 제공한다.

실시 예에 따라, 상기 리테이닝 링의 내주면에는 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성되는 복수의 도브테일 홈부;가 구비되고, 상기 복수의 베인 각각은, 상기 도브테일 홈부와 체결되는 도브테일부; 및 상기 도브테일부로부터 상기 리테이닝 링의 반경방향으로 연장되는 날개부;를 포함하며, 상기 도브테일부가 상기 도브테일 홈부 내에서 유동 가능하도록 상기 도브테일 홈부의 높이는 상기 도브테일부의 높이보다 클 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 도브테일부는, 상기 날개부와 대향하는 바닥면; 및 상기 바닥면으로부터 상기 날개부를 향해 폭이 좁아지도록 경사지게 연장되는 한 쌍의 테이퍼면;을 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 복수의 베인 각각의 반경방향 외측에는 상기 탄성부재가 안착되기 위한 안착홈이 구비될 수 있다.

실시 예에 따라, 일단이 상기 리테이닝 링과 상기 베인 중 어느 하나에 고정되고, 타단이 상기 리테이닝 링과 상기 베인 중 나머지 하나에 유동 가능하게 배치되는 포지셔닝 부재;를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 포지셔닝 부재의 일단은 상기 리테이닝 링에 고정되고, 타단은 상기 베인에 형성된 홈부 내에 배치될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 리테이닝 링에는 상기 포지셔닝 부재가 관통하여 결합되는 결합홀이 형성될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 포지셔닝 부재는 스크류일 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 탄성부재는 상기 포지셔닝 부재의 외측에 위치될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 탄성부재는 스프링일 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 복수의 베인은 상기 케이싱의 내부 공간에 설치되는 로터 디스크의 단부를 마주보도록 고정되는 디퓨저 또는 상기 디퓨저에 설치되는 슈라우드 세그먼트를 마주볼 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 압축기의 운전 시 상기 베인의 팽창에 의해 상기 베인이 상기 디퓨저 또는 상기 슈라우드 세그먼트에 충돌하거나 힘을 가하게 되면, 상기 탄성부재가 힘을 흡수하면서 압축될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 압축기의 운전 시 상기 베인이 반경방향으로 팽창 가능한 최대 길이는, 상기 베인과 상기 디퓨저 또는 상기 슈라우드 세그먼트 사이의 거리와 상기 베인이 상기 리테이닝 링 내에서 유동 가능한 거리를 더한 것보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시 예는, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 상기의 압축기;와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기; 및 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;을 포함하는, 가스터빈을 제공한다.

본 발명에 따르면, 캔틸레버 타입으로 제작 및 조립이 용이하면서도 베인의 팽창에 의해 베인이 디퓨저 또는 슈라우드 세그먼트에 충돌할 경우 탄성부재가 충격을 흡수하면서 압축됨에 따라 베인 팁 간극을 최소화할 수 있다. 이로 인해 팁 간극을 통한 누설 유동을 최소화할 수 있어 공력성능을 최대로 올릴 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도,
도 2는 도 1에서 압축기 케이싱 및 베인 캐리어의 일부를 확대하여 도시한 사시도,
도 3은 도 1에서 리테이닝 링 및 압축기 베인이 결합된 상태로 분리하여 도시한 사시도,
도 4는 도 1의 가스터빈에서 압축기 끝단을 확대하여 도시한 단면도,
도 5는 도 4의 측단면도이다.

이하, 본 발명의 압축기 및 가스터빈에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

우선, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 구성을 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈(1)은, 크게 케이싱(100)과, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(200)와, 압축기(200)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(300)와, 연소기(300)로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈(400)을 포함할 수 있다.

케이싱(100)은, 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(120), 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(130) 및 터빈(400)이 수용되는 터빈 케이싱(140)을 포함할 수 있다. 여기서, 압축기 케이싱(120), 연소기 케이싱(130) 및 터빈 케이싱(140)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.

케이싱(100)의 내부에는 로터(중심축; 500)가 베어링에 의해 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 로터(500)에는 발전기(미도시)가 연동된다.

로터(500)는, 압축기 케이싱(120)에 수용되는 압축기 로터 디스크(520), 터빈 케이싱(140)에 수용되는 터빈 로터 디스크(540) 및 연소기 케이싱(130)에 수용되고 압축기 로터 디스크(520)와 터빈 로터 디스크(540)를 연결하는 토크 튜브(530)를 포함한다. 로터(500)는, 압축기 로터 디스크(520), 토크 튜브(530) 및 터빈 로터 디스크(540)를 체결하는 타이 로드(550)와 고정 너트(560)를 더 포함할 수 있다.

압축기 로터 디스크(520)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 압축기 로터 디스크(520)는 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 압축기 로터 디스크(520)는 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 각 압축기 로터 디스크(520)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(220)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

터빈 로터 디스크(540)는 압축기 로터 디스크(520)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 터빈 로터 디스크(540)는 복수로 형성되고, 복수의 터빈 로터 디스크(540)는 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 터빈 로터 디스크(540)는 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 각 터빈 로터 디스크(540)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(420)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

토크 튜브(530)는 터빈 로터 디스크(540)의 회전력을 압축기 로터 디스크(520)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 토크 튜브(530)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 압축기 로터 디스크(520)와 터빈 로터 디스크(540) 각각에는 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 토크 튜브(530)가 압축기 로터 디스크(520) 및 터빈 로터 디스크(540)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.

또한, 토크 튜브(530)는 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 토크 튜브(530)를 통과하여 터빈(400)으로 유동 가능하도록 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다. 이때, 토크 튜브(530)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.

타이 로드(550)는 복수의 압축기 로터 디스크(520), 토크 튜브(530) 및 복수의 터빈 로터 디스크(540)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 고정 너트(560)와 체결될 수 있다.

여기서, 고정 너트(560)는 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540)를 압축기(200) 측으로 가압하고, 이로 인해 복수의 압축기 로터 디스크(520), 토크 튜브(530) 및 복수의 터빈 로터 디스크(540)가 로터(500)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크(520), 토크 튜브(530) 및 복수의 터빈 로터 디스크(540)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.

한편, 본 실시예의 경우 하나의 타이 로드가 구비되고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있다.

압축기(200)는, 로터(500)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(220) 및 압축기 블레이드(220)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 압축기 케이싱(120)에 설치되는 압축기 베인(240)을 포함할 수 있다.

압축기 블레이드(220)는 복수로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드(220)는 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드(220)는 각 단마다 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. 압축기 블레이드(220)의 루트부(222)는 압축기 로터 디스크(520)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합된다. 루트부(222)는 압축기 블레이드(220)가 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태 또는 도브테일 형태 등으로 형성될 수 있다. 이때, 압축기 블레이드 결합 슬롯은 압축기 블레이드의 루트부(222)에 대응되도록 형성된다.

여기서, 압축기 로터 디스크(520)와 압축기 블레이드(220)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는 압축기 블레이드 루트부(222)가 전술한 바와 같이 압축기 블레이드 결합 슬롯에 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에서 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드 결합 슬롯은 압축기 로터 디스크(520)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.

압축기 베인(240)은 복수로 형성되고, 복수의 압축기 베인(240)은 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 압축기 베인(240)과 압축기 블레이드(220)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 압축기 베인(240)은 각 단마다 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(240) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

연소기(300)는 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 연소기 및 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다. 연소기(300)는 복수로 형성되고, 복수의 연소기(300)는 연소기 케이싱에 로터(500)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.

구체적으로, 각 연소기(300)는, 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너(Liner)와, 라이너의 후방에 위치하여 연소가스를 터빈(400)으로 안내하는 트랜지션 피스(Transition piece)를 포함한다. 라이너와 트랜지션 피스는 내부에 연소 챔버를 형성하고, 슬리브가 라이너와 트랜지션 피스를 둘러싸도록 배치되어 그 사이에 환형의 유동공간을 형성한다. 또한, 각 연소기(300)는, 압축기(200)로부터 공급받은 압축공기와 연료를 혼합하여 분사하기 위해 라이너의 전방에 구비되는 연료 분사 노즐과, 라이너의 연소 챔버에서 혼합된 압축공기와 연료가 착화되도록 라이너의 벽부에 구비되는 점화 플러그를 더 포함할 수 있다. 이후, 연소된 가스는 터빈(400)으로 배출되어 회전을 발생시킨다.

이때, 고온 및 고압의 연소가스에 노출되는 라이너와 트랜지션 피스를 냉각시키는 것은 연소기 내구성 증가를 위해 중요한 부분이다. 이를 위해, 슬리브에는 냉각홀이 형성되어 냉각홀을 통해 유입되는 압축공기가 수직으로 라이너와 트랜지션 피스의 외벽부와 충돌함에 따라 라이너와 트랜지션 피스를 냉각시키도록 한다. 구체적으로, 압축기(200)로부터 유입되는 압축공기는 슬리브에 형성된 냉각홀을 통해 환형공간으로 유입되어 라이너와 트랜지션 피스를 냉각시키고 환형공간을 따라 라이너의 전방으로 유동하게 되며, 연료 분사 노즐로 유입될 수 있다.

여기서, 압축기(200)와 연소기(300) 사이에는 연소기(300)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(De-swirler)가 형성될 수도 있다.

다음으로, 터빈(400)은 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다. 터빈(400)은, 로터(500)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(420) 및 터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 터빈 케이싱(140)에 고정 설치되는 터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.

터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 터빈 블레이드(420)는 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 터빈 블레이드(420)는 각 단마다 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. 터빈 블레이드(420)의 루트부(422)는 터빈 로터 디스크(540)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 루트부(422)는 전나무(fir-tree) 형태 또는 도브테일 형태 등으로 형성될 수 있다. 이때, 터빈 블레이드 결합 슬롯은 터빈 블레이드의 루트부(422)에 대응되도록 형성된다.

터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 터빈 베인(440)은 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 터빈 베인(440)과 터빈 블레이드(420)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 터빈 베인(440)은 각 단마다 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

여기서, 터빈(400)은 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다. 이를 위해, 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 터빈(400)으로 공급하기 위한 냉각 유로를 포함할 수 있다. 냉각 유로는 실시 예에 따라, 케이싱(100)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 로터(500)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다.

이때, 냉각 유로는 터빈 블레이드(420)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 터빈 블레이드 쿨링 유로는 터빈 블레이드(420)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 터빈 블레이드(420)의 표면에 공급됨으로써 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다. 터빈 베인(440) 역시 터빈 블레이드(420)와 유사하게 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 압축기는 일반적인 가스터빈은 물론, 공기와 연료의 연소가 이루어지는 제트 엔진까지 넓게 적용될 수 있다.

다음으로, 도 2 내지 5를 참고하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기(200), 특히 압축기에서 마지막 단의 압축기 베인(240)이 설치되는 구조를 살펴보도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 압축기(200)의 각 단에 배치되는 복수의 압축기 베인(240)은 리테이닝 링(230)의 내주면에 유동 가능하게 체결되며, 리테이닝 링(230)의 원주방향을 따라 서로 이격되어 배치된다. 이때, 복수의 압축기 베인(240)이 리테이닝 링(230)에 유동 가능하게 설치되는 구조는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.

각 단의 리테이닝 링(230)은 압축기 케이싱(120)의 내측에 직접적으로 또는 간접적으로 결합될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 압축기 케이싱(120)의 내측에 하나 이상의 베인 캐리어(vane carrier, 122)가 설치되며, 압축기의 전단에 배치되는 리테이닝 링(230)은 압축기 케이싱(120)의 내측에 직접적으로, 압축기의 후단에 배치되는 리테이닝 링(230)은 베인 캐리어(122)를 통해 압축기 케이싱(120)의 내측에 간접적으로 결합되고 있다. 이를 위해, 압축기 케이싱(120) 또는 베인 캐리어(122)의 내주면에는 리테이닝 링(230)이 결합되기 위한 결합홈부(124)가 형성될 수 있다. 리테이닝 링(230)은 결합홈부(124)에 끼워지며 결합될 수 있도록 결합홈부(124)에 대응하는 형상의 단면을 갖도록 형성된다.

리테이닝 링(230)의 내주면에는 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성되는 복수의 도브테일 홈부(232)가 구비된다. 또한, 복수의 압축기 베인(240) 각각은, 도브테일 홈부(232)와 체결되는 도브테일부(242) 및 도브테일부(242)로부터 리테이닝 링(230)의 반경방향으로 연장되는 날개부(244)를 포함한다.

구체적으로, 각각의 도브테일부(242)는, 날개부(244)와 대향하는 바닥면(242a) 및 바닥면(242a)으로부터 날개부(244)를 향해 서로 마주보며 뻗어나가되, 폭이 좁아지도록 서로를 향해 경사지게 연장되는 양측의 테이퍼면(242b)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 각 압축기 베인의 도브테일부(242)가 리테이닝 링의 도브테일 홈부(232)에 로터(500)의 축 방향으로 끼워지며 체결될 수 있고, 리테이닝 링(230)의 반경방향으로 이탈되지 않도록 고정될 수 있다.

이때, 도브테일 홈부(232)의 높이(h1)가 도브테일부(242)의 높이(h2)보다 크게 형성됨에 따라, 도브테일부(242)가 도브테일 홈부(232) 내에서 높이 방향으로 유동 가능하다. 특히, 기본 설치 시(steady state) 도브테일부(242)의 한 쌍의 테이퍼면(242b)이 도브테일 홈부(232)에 접촉한 상태에서, 도브테일부(242)의 반경방향 외측에, 즉 도브테일부(242)의 바닥면(242a)과 리테이닝 링(230) 사이에 공간부가 형성되는 것이 바람직하다.

복수의 압축기 베인(240)의 리테이닝 링(230)을 향하는 반경방향 외측에는 복수의 탄성부재(270)가 각각 배치된다. 본 실시 예에서 탄성부재(270)는 스프링(spring)으로 이루어진다. 또한, 본 실시 예에서 복수의 압축기 베인(240) 각각의 반경방향 외측에는, 즉 도브테일부(242)의 바닥면(242a)에는 탄성부재(270)가 안착되기 위한 안착홈(246)이 구비되고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서 압축기의 마지막 단에 배치되는 복수의 압축기 베인(240)의 반경방향 내측단부(팁)는 디퓨저(250)에 설치되는 슈라우드 세그먼트(260)를 대향한다. 본 실시 예에서는 디퓨저(250)의 압축기 로터 디스크(520)를 향하는 측에 슈라우드 세그먼트(260)가 설치됨에 따라 압축기의 마지막 단에 배치되는 복수의 압축기 베인(240)의 반경방향 내측단부가 슈라우드 세그먼트(260)를 대향하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 디퓨저(250)를 대향할 수도 있음은 물론이다.

디퓨저(250)는 토크튜브(530)의 반경방향 외측에 배치되되, 압축기 로터 디스크(520)의 단부를 마주보도록 일정간격 이격되어 고정된다. 즉, 압축기 로터 디스크(520)는 회전하는 반면 디퓨저(250)는 회전하지 않는다. 디퓨저(250)는 압축기(200)의 출구와 연소기(300)가 내부에 배치되는 연소기 케이싱(130)의 입구를 연결하여, 압축 공기를 압축기(200)로부터 연소기 케이싱(130)으로 안내하는 역할을 한다.

압축기 베인(240)의 반경방향 내측단부와 슈라우드 세그먼트(260)는 기본 설치 시 접촉한 상태이거나 그 사이에 최소한의 간극이 형성될 수 있다. 압축기 베인(240)의 반경방향 내측단부와 슈라우드 세그먼트(260) 사이에 최소한의 간극이 형성된 경우, 운전 시 온도 상승에 따라 압축기 베인(240)의 팽창에 의해 압축기 베인(240)이 슈라우드 세그먼트(260)에 충돌하더라도, 탄성부재(270)가 압축되면서 충격을 흡수하기 때문에 압축기 베인(240)이 충돌에 의해 마모되지 않으며 진동이 발생되지 않기 때문이다. 마찬가지로 압축기 베인(240)의 반경방향 내측단부와 슈라우드 세그먼트(260)가 맞닿은 상태로 설치된 경우에도, 운전 시 온도 상승에 따라 압축기 베인(240)의 팽창이 일어나 압축기 베인(240)이 슈라우드 세그먼트(260)에 힘을 가하게 되면 탄성부재(270)가 압축되면서 이를 흡수할 수 있다. 즉, 탄성부재(270)가 압축되면서 압축기 베인(240)이 높이 방향 상측으로 이동하게 되어 도브테일부(242)의 바닥면(242a)과 리테이닝 링(230) 사이에 공간부가 줄어들면서 충돌이 흡수될 수 있는 것이다. 이에 따라, 캔틸레버 타입으로 제작 및 조립이 용이하면서도 베인 팁 간극을 최소화할 수 있으며, 궁극적으로 팁 간극을 통한 누설 유동을 최소화할 수 있어 공력성능을 최대로 올릴 수 있다. 상기 간극은 운전 데이터 확인 후 최적상태로 보다 쉽게 조정될 수 있다.

더욱이, 일단이 리테이닝 링(230)과 압축기 베인(240) 중 어느 하나에 고정되고, 타단이 리테이닝 링(230)과 압축기 베인(240) 중 나머지 하나에 유동 가능하게 배치되는 포지셔닝 부재(280)가 더 구비될 수 있다. 본 실시 예에서는 포지셔닝 부재(280)의 일단이 리테이닝 링(230)에 고정되고, 타단이 압축기 베인(240)에 유동 가능하게 배치되고 있다. 이를 위해, 압축기 베인(240)의 도브테일부(242)에는, 보다 구체적으로 도브테일부(242)의 바닥면(242a)에는 높이 방향으로 연장되는 홈부(248)가 형성될 수 있으며, 포지셔닝 부재(280)의 타단이 홈부(248) 내에 배치될 수 있다. 본 실시 예에서 홈부(248)는 안착홈(246)의 중심에서 깊이 방향으로 더 음각지게 형성되고 있다. 이에 따라, 압축기 베인(240)이 탄성부재(270)의 압축, 인장과 함께 유동할 때 위치가 흔들리지 않고 유지될 수 있다.

본 실시 예에서 포지셔닝 부재(280)는 스크류(screw)로 이루어진다. 리테이닝 링(230)에는 포지셔닝 부재(280)가 관통하여 결합되는 결합홀(234)이 형성되며, 포지셔닝 부재(280)가 나사 결합에 의해 리테이닝 링(230)의 결합홀(234)에 결합될 수 있다. 이때, 탄성부재(270), 특히 본 실시 예에서 코일 스프링으로 이루어지는 탄성부재(270)는 포지셔닝 부재(280)의 외측에 감기도록 위치될 수 있다.

하지만, 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며 포지셔닝 부재(280)가 생략될 수 있음은 물론이다. 일 예로, 포지셔닝 부재가 구비되지 않고, 판 스프링으로 이루어지는 탄성부재가 복수의 압축기 베인(240)과 리테이닝 링(230) 사이에 설치되어 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.

또한, 상기에서 살펴본 바와 같이 압축기의 운전 시 온도 상승에 따라 압축기 베인(240)의 팽창이 일어날 때 탄성부재(270)가 압축되면서 압축기 베인(240)이 유동되어 슈라우드 세그먼트(260)로 가해지는 힘을 충분히 흡수할 수 있도록, 압축기 베인(240)이 반경방향으로 팽창 가능한 최대 길이는, 압축기 베인(240)과 슈라우드 세그먼트(260) 사이의 거리(간극)와 압축기 베인(240)이 리테이닝 링(230) 내에서 유동 가능한 거리를 더한 것보다 작은 것이 바람직하다. 본 실시 예에서 압축기 베인(240)이 리테이닝 링(230) 내에서 유동 가능한 거리는, 압축기 베인의 도브테일부(242)의 바닥면(242a)과 이와 마주보는 리테이닝 링(230) 사이의 거리 및 포지셔닝 부재(280)의 선단부와 홈부(248)의 선단부 사이의 거리 중 작은 값으로 정해질 수 있다. 만약, 압축기 베인의 도브테일부(242)의 바닥면(242a)과 이와 마주보는 리테이닝 링(230) 사이의 거리 및 포지셔닝 부재(280)의 선단부와 홈부(248)의 선단부 사이의 거리가 모두 동일한 경우에는 동일한 값으로 정해질 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1: 가스터빈 100: 케이싱
120: 압축기 케이싱 122: 베인 캐리어
124: 결합홈부 130: 연소기 케이싱
140: 터빈 케이싱 200: 압축기
220: 압축기 블레이드 222: 압축기 블레이드 루트부
230: 리테이닝 링 232: 도브테일 홈부
234: 결합홀 240: 압축기 베인
242: 도브테일부 242a: 바닥면
242b: 테이퍼면 244: 날개부
246: 안착홈 248: 홈부
250: 디퓨저 260: 슈라우드 세그먼트
270: 탄성부재 280: 포지셔닝 부재
300: 연소기 400: 터빈
420: 터빈 블레이드 422: 터빈 블레이드 루트부
440: 터빈 베인 500: 로터
520: 압축기 로터 디스크 530: 토크튜브
540: 터빈 로터 디스크 550: 타이로드
560: 고정너트

Claims

케이싱;
상기 케이싱의 내측에 결합되는 리테이닝 링;
상기 리테이닝 링의 내주면에 유동 가능하게 체결되며, 상기 리테이닝 링의 원주방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 복수의 베인; 및
상기 복수의 베인 각각의 상기 리테이닝 링을 향하는 반경방향 외측에 배치되는 복수의 탄성부재;를 포함하는, 압축기.
제1항에 있어서,
상기 리테이닝 링의 내주면에는 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성되는 복수의 도브테일 홈부;가 구비되고,
상기 복수의 베인 각각은, 상기 도브테일 홈부와 체결되는 도브테일부; 및 상기 도브테일부로부터 상기 리테이닝 링의 반경방향으로 연장되는 날개부;를 포함하며,
상기 도브테일부가 상기 도브테일 홈부 내에서 유동 가능하도록 상기 도브테일 홈부의 높이는 상기 도브테일부의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는, 압축기.
제2항에 있어서,
상기 도브테일부는, 상기 날개부와 대향하는 바닥면; 및 상기 바닥면으로부터 상기 날개부를 향해 폭이 좁아지도록 경사지게 연장되는 한 쌍의 테이퍼면;을 포함하는, 압축기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 베인 각각의 반경방향 외측에는 상기 탄성부재가 안착되기 위한 안착홈이 구비되는 것을 특징으로 하는, 압축기.
제1항에 있어서,
일단이 상기 리테이닝 링과 상기 베인 중 어느 하나에 고정되고, 타단이 상기 리테이닝 링과 상기 베인 중 나머지 하나에 유동 가능하게 배치되는 포지셔닝 부재;를 더 포함하는, 압축기.
제5항에 있어서,
상기 포지셔닝 부재의 일단은 상기 리테이닝 링에 고정되고, 타단은 상기 베인에 형성된 홈부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 압축기.
제6항에 있어서,
상기 리테이닝 링에는 상기 포지셔닝 부재가 관통하여 결합되는 결합홀이 형성되는 것을 특징으로 하는, 압축기.
제5항에 있어서,
상기 포지셔닝 부재는 스크류인 것을 특징으로 하는, 압축기.
제5항에 있어서,
상기 탄성부재는 상기 포지셔닝 부재의 외측에 위치되는 것을 특징으로 하는, 압축기.
제1항에 있어서,
상기 탄성부재는 스프링인 것을 특징으로 하는, 압축기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 베인은 상기 케이싱의 내부 공간에 설치되는 로터 디스크의 단부를 마주보도록 고정되는 디퓨저 또는 상기 디퓨저에 설치되는 슈라우드 세그먼트를 마주보는 것을 특징으로 하는, 압축기.
제11항에 있어서,
상기 압축기의 운전 시 상기 베인의 팽창에 의해 상기 베인이 상기 디퓨저 또는 상기 슈라우드 세그먼트에 충돌하거나 힘을 가하게 되면, 상기 탄성부재가 힘을 흡수하면서 압축되는 것을 특징으로 하는, 압축기.
제12항에 있어서,
상기 압축기의 운전 시 상기 베인이 반경방향으로 팽창 가능한 최대 길이는, 상기 베인과 상기 디퓨저 또는 상기 슈라우드 세그먼트 사이의 거리와 상기 베인이 상기 리테이닝 링 내에서 유동 가능한 거리를 더한 것보다 작은 것을 특징으로 하는, 압축기.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기; 및
상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;을 포함하는, 가스터빈.