KR20240026652A - 로터 및 이를 포함하는 터보머신 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 디스크슬롯이 형성된 디스크; 상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드; 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단; 및 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 리프팅수단과 접하도록 배치되고, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함하는 로터 및 이를 포함하는 터보머신을 제공한다.

Description

로터 및 이를 포함하는 터보머신{Rotor and Turbo-machine comprising the same}

본 발명은 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발전을 위한 동력을 생성하는 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 관한 것이다.

터보머신이란, 터보머신을 통과하는 유체(특히, 기체)를 통해, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 장치를 의미한다. 따라서 터보머신은 통상 발전기와 함께 설치되어 사용된다. 이러한 터보머신에는, 가스터빈(Gas turbine), 스팀터빈(Steam turbine), 풍력터빈(Wind power turbine) 등이 해당될 수 있다. 가스터빈은 압축공기와 천연가스를 혼합하여 연소시켜 연소가스를 생성하고, 이와 같이 생성된 연소가스를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 스팀터빈은 물을 가열하여 생성되는 증기를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 풍력터빈은 풍력을 발전용 동력으로 전환시키는 장치이다.

터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈을 포함한다. 압축기는 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과 압축기 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 압축기는 압축기 입구 스크롤 스트럿(Compressor inlet scroll strut)을 통해 외부의 공기를 흡입한다. 이렇게 흡입된 공기는 압축기의 내부를 통과하면서 상기 압축기 베인과 압축기 블레이드에 의해 압축된다. 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합시킨다. 또한 연소기는 압축공기와 혼합된 연료를 점화기로 점화하여 고온고압의 연소가스를 생성한다. 이와 같이 생성된 연소가스는 터빈으로 공급된다. 터빈은 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 터빈은 연소기에서 생성된 연소가스를 공급받아 내부로 통과시킨다. 터빈의 내부를 통과하는 연소가스는 터빈 블레이드를 회전시키게 되고, 터빈의 내부를 완전히 통과하게 된 연소가스는 터빈 디퓨저를 통해 외부로 토출되게 된다.

터보머신 중 증기터빈에 대해 살펴보면, 증기터빈은 증발기와 터빈을 포함한다. 상기 증발기는 외부로부터 공급받은 물을 가열하여 증기를 생성한다. 상기 터빈은 가스터빈에서의 터빈과 마찬가지로 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 다만, 증기터빈에서의 터빈은 연소가스가 아닌 상기 증발기에서 생성된 증기를 내부로 통과시켜, 터빈 블레이드를 회전시킨다.

더욱 상세하게는, 터빈은, 터빈 디스크와 터빈 블레이드를 포함한다. 터빈 디스크는 원판 형상으로 형성된 것으로, 외주면에 상기 터빈 디스크의 원주방향을 따라 복수개의 터빈 디스크 슬롯이 형성된다. 상기 터빈 블레이드는 터빈디스크 슬롯에 설치되는 것으로, 루트부재, 플랫폼, 에어포일을 포함한다. 루트부재는, 상기 터빈디스크 슬롯에 삽입된다. 상기 플랫폼은, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 결합된다. 상기 에어포일은, 상기 플랫폼의 반경방향 외측에 결합되며, 유동하는 가스(연소가스 또는 증기)에 의해 회전한다. 상기 터빈디스크 슬롯은 내벽이 굴곡진 형상(예를 들면, Fir-tree 형상)으로 형성되며, 상기 루트부재 역시 상기 터빈디스크 슬롯의 내벽 형상에 대응하여 외면이 굴곡진 형상으로 형성될 수 있다.

한편, 상기 루트부재와 터빈디스크 슬롯 사이에는 갭이 형성된다. 이러한 갭은 상기 루트부재와 터빈 디스크의 조립성을 향상시키기 위함이며, 터보머신의 작동 중 각 부품이 열팽창을 하는 것을 고려한 것이기도 하다.

터보머신의 가동 중에는 블레이드가 원심력에 의해 디스크에 밀착하게 되어 디스크와 블레이드 사이에 움직임이 발생하지 않으나, 터보머신의 가동이 정지되는 중에는 로터가 저속으로 회전을 하며 블레이드에 가해지는 원심력이 약해져 블레이드와 디스크 사이에 갭이 발생하고 그에 따른 블레이드와 디스크 사이의 상대적 움직임이 발생하게 된다. 따라서 블레이드와 디스크 사이에서 상대적 움직임이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 터보머신에는 블레이드를 디스크에 밀착시키는 별도의 밀착구조물이 구비된다. 상기 밀착구조물로서 상기 블레이드와 디스크 사이에 장착되는 루트스프링이 사용되는데, 로터가 저속으로 회전할 때 순간적으로 루트스프링에 부하가 가해지면서 루트스프링에 변형이 일어나고, 이에 루트스프링이 손상되는 문제가 있다.

공개특허 2019-0047974호 버킷의 체결 구조 및 이를 포함하는 증기터빈(2019. 05. 09 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 터보머신의 작동 중 블레이드와 디스크를 서로 밀착시키면서 동시에 루트스프링에 가해지는 부하를 저감시키는 로터 및 이를 포함하는 터보머신을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은, 디스크슬롯이 형성된 디스크; 상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드; 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단; 및 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 리프팅수단과 접하도록 배치되고, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함하고, 상기 지지수단은, 상기 리프팅 수단의 내부 일측으로 배치되는 외측지지부와, 상기 외측지지부의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 리프팅 수단의 내부 타측에 안착되는 내측지지부와, 상기 외측지지부와 내측지지부를 연결하는 연결지지부를 포함하는 로터를 제공한다.

상기 리프팅수단은, 상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하고, 반경방향 내측으로 상기 지지수단의 외측지지부가 접하는 접촉부와, 상기 접촉부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격되는 한 쌍의 연장부를 포함하며, 상기 지지수단은, 상기 한 쌍의 연장부의 사이에 배치될 수 있다.

상기 리프팅수단은, 상기 한 쌍의 연장부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 반경방향 내측으로 갈수록 사이 간격이 줄어드는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함하며, 상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부의 반경방향 외측에 안착될 수 있다.

상기 연결지지부는, 상기 외측지지부 및 내측지지부보다 원주방향 폭이 작을 수 있다.

상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부와의 접촉 부위에 챔퍼면(Chamfer surface)이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 디스크슬롯이 형성된 디스크; 상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드; 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단; 및 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 리프팅수단과 접하도록 배치되고, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함하고, 상기 지지수단은, 한 쌍으로 구비되며, 상기 리프팅수단을 사이에 두고 원주방향을 따라 서로 이격 배치되며, 각각 리프팅 수단과 상기 디스크슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 지지수단의 상기 리프팅수단 측 대향면에는, 제1굴곡면과, 상기 제1굴곡면의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 제1굴곡면보다 곡률이 큰 제2굴곡면이 형성되는 로터를 제공한다.

상기 리프팅수단은, 상기 쿨링캐비티의 반경방향 내측 부위에 접하는 접촉부와, 상기 접촉부로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격 배치되는 한 쌍의 연장부를 포함할 수 있다.

상기 리프팅수단은, 상기 한 쌍의 연장부의 반경방향 외측 단부로부터 서로 마주보는 방향으로 휘어지도록 연장되며, 상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 연장부는, 상기 접촉부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되어, 상기 제1 굴곡면과 접하는 한 쌍의 제1연장부와, 상기 한 쌍의 제1연장부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되며, 반경방향 외측으로 갈수록 사이 간격이 증가하며, 상기 제2굴곡면과 접하는 한 쌍의 제2연장부를 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 지지수단은, 반경방향 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다.

본 발명은, 내부로 통과되는 유체를 가이드하는 스테이터; 및 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터;를 포함하되, 상기 로터는, 디스크슬롯이 형성된 디스크와, 상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와, 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단과, 상기 리프팅수단에 설치되며, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함지지수단을 포함하고, 상기 지지수단은, 상기 리프팅 수단의 내부 일측으로 배치되는 외측지지부와, 상기 외측지지부의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 리프팅 수단의 내부 타측에 안착되는 내측지지부와, 상기 외측지지부와 내측지지부를 연결하는 연결지지부를 포함하는 터보머신을 제공한다.

상기 리프팅수단은, 상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하고, 반경방향 내측으로 상기 지지수단의 외측지지부가 접하는 접촉부와, 상기 접촉부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격되는 한 쌍의 연장부를 포함하며, 상기 지지수단은, 상기 한 쌍의 연장부의 사이에 배치될 수 있다.

상기 리프팅수단은, 상기 한 쌍의 연장부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 반경방향 내측으로 갈수록 사이 간격이 줄어드는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함하며, 상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부의 반경방향 외측에 안착될 수 있다.

상기 연결지지부는, 상기 외측지지부 및 내측지지부보다 원주방향 폭이 작을 수 있다.

상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부와의 접촉 부위에 챔퍼면(Chamfer surface)이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 내부로 통과되는 유체를 가이드하는 스테이터; 및 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터;를 포함하되, 상기 로터는, 디스크슬롯이 형성된 디스크와, 상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와, 상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단과, 상기 리프팅수단에 설치되며, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함지지수단을 포함하고, 상기 지지수단은, 한 쌍으로 구비되며, 상기 리프팅수단을 사이에 두고 원주방향을 따라 서로 이격 배치되며, 각각 리프팅 수단과 상기 디스크슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 지지수단의 상기 리프팅수단 측 대향면에는, 제1굴곡면과, 상기 제1굴곡면의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 제1굴곡면보다 곡률이 큰 제2굴곡면이 형성되는 터보머신을 제공한다.

상기 리프팅수단은, 상기 쿨링캐비티의 반경방향 내측 부위에 접하는 접촉부와, 상기 접촉부로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격 배치되는 한 쌍의 연장부를 포함할 수 있다.

상기 리프팅수단은, 상기 한 쌍의 연장부의 반경방향 외측 단부로부터 서로 마주보는 방향으로 휘어지도록 연장되며, 상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 연장부는, 상기 접촉부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되어, 상기 제1 굴곡면과 접하는 한 쌍의 제1연장부와, 상기 한 쌍의 제1연장부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되며, 반경방향 외측으로 갈수록 사이 간격이 증가하며, 상기 제2굴곡면과 접하는 한 쌍의 제2연장부를 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 지지수단은, 반경방향 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다.

본 발명에 따른 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 의하면, 디스크슬롯에 형성된 쿨링캐비티에 리프팅수단이 설치되고 지지수단이 상기 리프팅수단에 설치되어 상기 리프팅수단을 지지함으로써, 리프팅수단을 이용하여 블레이드와 디스크를 서로 밀착시킴과 동시에 로터가 저속으로 회전하는 등의 이유로 리프팅수단에 부하가 가해질 시에 이러한 부하를 지지수단이 흡수하도록 하여 리프팅수단에 변형이 일어나거나 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 터보머신 중 가스터빈을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 터빈 로터의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대 도시한 정면도로서, 디스크슬롯에 루트부재가 삽입된 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 리프팅수단 및 지지수단의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 리프팅수단 및 지지수단의 정면도이다.

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 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 이때, 본 발명에 따른 터보머신은 가스터빈인 것으로 가정하여 설명할 것이나, 이는 일 예에 불과하며, 본 발명에 따른 터보머신은 가스터빈이 아닌 증기터빈에 해당될 수도 있음은 물론이라 할 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(11), 연소기(12) 및 터빈(13)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(10)의 상류 측에는 압축기(11)가 배치되고 하류 측에는 터빈(13)이 배치된다. 그리고 압축기(11)와 터빈(13) 사이에는 연소기(12)가 배치된다.

압축기(11)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(13)은 터빈 케이싱(15) 내부에 터빈 베인(16)과 터빈 로터(100)를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인(16)과 터빈 로터(100) 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(11)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(13)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기(11)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(13)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터(100) 사이에는, 터빈(13)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(11)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크는 중심부가 상기 타이로드에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타 측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Deswirler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기(12)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스의 온도를 높이게 된다.

가스터빈(10)의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀(Cell) 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 노즐과, 연소실을 형성하는 라이너(Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션피스(Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너의 전단에는 연료를 분사하는 노즐이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

상기 라이너 환형유로에는, 라이너의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 상기 라이너와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스는, 상기 트랜지션피스의 내부 공간을 감싸는 트랜지션피스 환형유로가 형성되며, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 상기 트랜지션피스 환형유로를 따라 흐르는 압축공기에 의해 외벽부가 냉각된다.

한편, 상기 연소기(12)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(13)으로 공급된다. 터빈(13)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(13)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드(120)에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(13)은 기본적으로는 압축기(11)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(13)에도 압축기(11)의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터(100)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(100) 역시, 터빈 디스크(110)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(120)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(120)의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(15)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인(16)이 구비되며, 상기 터빈 베인(16)은 터빈 블레이드(120)를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱(15)과 터빈 베인(16) 역시, 상기 터빈 로터(10)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(14)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 터빈 디스크(110)는 그 외주면에 복수개의 터빈 디스크 슬롯(111)이 형성된다. 도 2에서는 상기 터빈 디스크(110)의 일부만을 도시하고 있으며, 실제로 상기 터빈 디스크(110)는 원판 형상으로 형성될 수 있다. 터빈 블레이드(120)는 상기 터빈 디스크(110)의 반경방향 외측에 설치되는 것으로서, 상기 터빈 디스크 슬롯(111)에 삽입되는 루트부재(121)와, 상기 루트부재(121)의 반경방향 외측에 결합되는 플랫폼(Platform; 122)과, 상기 플랫폼(122)의 반경방향 외측에 결합되어 연소가스에 의해 회전하는 에어포일(Airfoil; 123)을 포함한다.

상기 플랫폼(122)은 상기 에어포일(123)을 상기 루트부재(121)에 고정시킨다. 또한, 상기 플랫폼(122)은 이웃한 플랫폼(122)과 그 측면이 서로 접하여 터빈 블레이드(120)들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다. 이때, 본 실시예에서는 상기 플랫폼(122)이 평면 형상으로 형성되어 있으나, 상기 플랫폼(122)의 형상은 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 플랫폼(122)의 저면에는 상기 디스크 슬롯(111)에 체결되는 루트부재(121)가 구비된다. 상기 루트부재(121)는, 상기 디스크 슬롯(111)에 형성된 굴곡면의 형태와 상응하도록 형성되는데, 이는 상용되는 가스터빈(10)의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다.

상기 루트부재(121)의 체결방식은, 상기 터빈 디스크 슬롯(111)에 상기 터빈 디스크(110)의 외주면의 접선 방향을 따라 삽입되는 탄젠셜 타입(tangential type)과, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 터빈 디스크 슬롯(111)에 상기 터빈 디스크의 축방향을 따라서 삽입되는 액셜 타입(axial type)이 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드(120)를 터빈 디스크(110)에 체결할 수 있다.

상기 플랫폼(122)의 상부면에는 에어포일(123)이 구비된다. 상기 에어포일(123)은 가스터빈(10)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소가스의 흐름 방향을 기준으로 상류 측에 배치되는 리딩 엣지(Leading edge)와 하류 측에 배치되는 트레일링 엣지(Trailing edge)를 갖는다.

여기서, 상기 압축기 블레이드와는 달리, 터빈 블레이드(120)는 고온고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 상기 연소가스의 온도는 1700℃에 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 가스터빈(10)은, 상기 압축기의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈 블레이드(120)로 공급하는 추기유로를 갖게 된다.

상기 추기유로는 상기 케이싱 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 압축기 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 상기 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 상기 에어포일(123)의 표면에는 다수의 필름쿨링홀(Film cooling hole; 미도시)이 형성될 수 있는데, 상기 필름쿨링홀들은 상기 에어포일(123)의 내부에 형성되는 냉각유로(미도시)와 연통되어 압축공기를 상기 에어포일의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.

이하, 설명의 편의를 위하여, 도면부호 C는 상기 터빈 디스크(110)의 원주방향이라 하며, 도면부호 R은 상기 터빈 디스크(110)의 반경방향이라 하고, 도면부호 X는 상기 터빈 디스크(110)의 회전 중심이 되는 축의 방향이라 한다. 여기서, 도면부호 X는 도 1에 도시된 타이로드의 길이방향이기도 하다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 터빈 디스크슬롯(111)은, 굴곡캐비티(112)와 쿨링캐비티(113)를 포함한다. 상기 굴곡캐비티(112)는 상기 터빈 블레이드(120)의 루트부재(121)와 체결되는 부분으로서, 도브테일 또는 전나무(Fir-tree) 형상의 내벽을 갖는다. 상기 쿨링캐비티(113)는, 상기 굴곡캐비티(112)의 반경방향(R) 내측에 배치되며, 냉각공기(상기 압축기(11)로부터 추기된 압축공기 등)가 유입된다.

상기 루트부재(121)는, 상기 터빈 디스크슬롯(111) 중 굴곡캐비티(112)에 삽입된다. 그리고 상기 루트부재(121)의 반경방향(R) 내측 단부에는, 냉각공기가 유입되는 공급홀(미도시)이 형성된다. 상기 루트부재(121)의 반경방향(R) 내측 단부와 상기 터빈 디스크슬롯(111)의 반경방향(R) 내측 부위와의 사이에는 상기 쿨링캐비티(113)가 존재하는데, 상기 쿨링캐비티(113)를 통해 상기 터빈 디스크(111)의 내부로 유입된 냉각공기는, 공급홀을 통해 상기 터빈 블레이드(120)의 내부로 유입되어 순환하면서 상기 터빈 블레이드(120)를 냉각시키게 된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 터빈 로터(100)는, 리프팅수단(130,230)과 지지수단(140,240)을 더 포함한다.

상기 리프팅수단(130,230)은, 상기 쿨링캐비티(113)에 설치되며, 상기 루트부재(121)를 반경방향 외측으로 가압한다.

상기 지지수단(140,240)은, 상기 쿨링캐비티(113)에 설치되며, 상기 리프팅수단(130,230)과 접하도록 배치되고, 상기 리프팅수단(130,230)을 지지한다.

따라서 본 발명은, 리프팅수단(130,230)을 이용하여 터빈 블레이드(120)와 터빈 디스크(110)를 서로 밀착시킴과 동시에, 로터(100)가 저속으로 회전하는 등의 이유로 리프팅수단(130,230)에 부하가 가해질 시에 이러한 부하를 지지수단(140,240)이 흡수하도록 하여 리프팅수단(130,230)에 변형이 일어나거나 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에서, 상기 리프팅수단(130)은, 접촉부(131), 한 쌍의 연장부(132), 한 쌍의 벤딩부(133)를 포함하며, 상기 지지수단(140)은, 외측지지부(141), 내측지지부(142), 연결지지부(143)를 포함한다.

상기 접촉부(131)는, 원주방향(C)을 따라 연장된 형상으로 형성되며, 상기 루트부재(121)의 반경방향(R) 내측 부위에 접한다. 상기 한 쌍의 연장부(132)는, 상기 접촉부(131)로부터 반경방향(R) 내측으로 연장되며, 원주방향(C)을 따라 서로 이격되도록 배치된다. 상기 한 쌍의 벤딩부(133)는, 상기 한 쌍의 연장부(132)로부터 각각 반경방향(R) 내측으로 연장되며, 상기 쿨링캐비티(133)의 내측 부위에 안착된다. 그리고 상기 한 쌍의 벤딩부(133)는, 반경방향(R) 내측으로 갈수록 사이 간격이 줄어들도록, 내측으로 갈수록 상기 한 쌍의 연장부(132)로부터 각각 절곡되어 연장된다.

상기 지지수단(140)은, 상기 한 쌍의 연장부(132)의 사이, 그리고 상기 접촉부(131)와 상기 한 쌍의 벤딩부(133)의 사이에 배치된다.

상기 외측지지부(141)는, 상기 접촉부(131)의 내측에 배치된다.

상기 내측지지부(142)는, 상기 한 쌍의 벤딩부(133)의 외측에 안착된다. 이때, 상기 내측지지부(142)는, 상기 한 쌍의 벤딩부(133)와의 접촉 부위에 챔퍼면(Chamfer surface; 144)이 형성될 수 있다.

상기 연결지지부(143)는, 상기 외측지지부(141)와 내측지지부(142)를 연결한다. 이때, 상기 연결지지부(143)는, 상기 외측지지부(141) 및 내측지지부(142)보다 원주방향(C) 폭이 작게 형성될 수 있다.

이와 같은 형상으로 지지수단(140)이 설계되는 경우, 상기 리프팅수단(130)의 내부에서 상기 지지수단(140)이 상기 리프팅수단(130)을 지지함은 물론, 상기 지지수단(140)과 상기 리프팅수단(130) 사이의 틈새를 통해 냉각공기가 유입되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1실시예에 의하면, 터빈 로터(100)가 저속으로 회전하여 순간적으로 터빈 블레이드(120)에 의해 리프팅수단(130)에 부하가 가해지는 경우, 상기 지지수단(140)이 이와 같은 부하를 흡수함으로써, 상기 리프팅수단(130)이 과도하게 변형되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에서, 상기 리프팅수단(230)은, 접촉부(231), 한 쌍의 연장부(232), 한 쌍의 벤딩부(233)를 포함하며, 상기 지지수단(240)은, 상기 리프팅수단(230)을 사이에 두고 원주방향(C)으로 이격 배치되는 한 쌍으로 구비된다.

상기 접촉부(231)는, 상기 쿨링캐비티(113)의 반경방향(R) 내측 부위에 접하도록 배치된다. 상기 한 쌍의 연장부(232)는, 상기 접촉부(231)로부터 반경방향(R) 외측으로 연장되며, 원주방향(C)을 따라 서로 이격되도록 배치된다.

이때, 상기 한 쌍의 연장부(232)는, 한 쌍의 제1연장부(234)와 한 쌍의 제2연장부(234)를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 제1연장부(234)는, 상기 접촉부(231)로부터 각각 외측으로 연장된다. 상기 한 쌍의 제2연장부(235)는, 상기 한 쌍의 제1연장부(234)로부터 각각 외측으로 연장되며, 외측으로 갈수록 사이 간격이 증가하도록 벌어지는 형상으로 형성된다.

상기 한 쌍의 벤딩부(233)는, 상기 한 쌍의 제2연장부(235)의 반경방향(R) 외측 단부로부터 서로 마주보는 방향으로 휘어지도록 연장되며, 상기 루트부재(121)의 반경방향(R) 내측 부위에 접한다.

한편, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 접촉부(231)는 반경방향(R) 내측으로 볼록한 판형이며, 상기 한 쌍의 제2연장부(235)는 원주방향(C) 외측으로 볼록한 판형이며, 상기 한 쌍의 벤딩부(233)는 반경방향(R) 외측으로 볼록한 판형으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 한 쌍의 지지수단(240)은, 상기 리프팅수단(230)을 사이에 두고 원주방향(C)으로 이격 배치되며, 각각 상기 한 쌍의 연장부(232)와 상기 쿨링캐비티(113)의 내벽 사이에 배치된다.

상기 지지수단(240)은, 상기 리프팅수단(230) 측 대향면에, 제1굴곡면(241)과 제2굴곡면(242)이 형성된다. 상기 제1굴곡면(241)은, 상기 제1연장부(234)와 접하도록 배치된다. 상기 제2굴곡면(242)은, 상기 제1굴곡면(241)의 반경방향(R) 외측에 배치되며, 상기 제2연장부(232)와 접하고, 상기 제1굴곡면(241)보다 곡률이 크게 형성된다. 한편, 상기 한 쌍의 지지수단(240)은, 반경방향(R) 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 방향으로 연장된다.

본 발명의 제2실시예에서의 리프팅수단(230)은 제1실시예에서의 리프팅수단(130)과는 반대방향으로 힘을 받기 때문에, 제2실시예에서의 지지수단(240)은 리프팅수단(230)의 내부가 아닌 외부, 즉, 리프팅수단(230)과 쿨링캐비티(113)의 내벽 사이에 설치된다.

이와 같은 형상으로 지지수단(240)이 설계되는 경우, 상기 리프팅수단(230)이 터빈 블레이드(120)를 터빈 디스크(110)에 밀착시킴과 동시에, 상기 리프팅수단(230) 내부공간을 통해 냉각공기가 유입되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 의하면, 터빈 로터(100)가 저속으로 회전하여 순간적으로 터빈 블레이드(220)에 의해 리프팅수단(230)에 부하가 가해지는 경우, 상기 지지수단(240)이 이와 같은 부하를 흡수함으로써, 상기 리프팅수단(230)이 과도하게 변형되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.

10 : 터보머신(가스터빈) 100 : 터빈 로터
110 : 터빈 디스크 113 : 쿨링캐비티
120 : 터빈 블레이드 130,230 : 리프팅수단
140,240 : 지지수단

Claims (20)

1. 디스크슬롯이 형성된 디스크;
   상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드;
   상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단; 및
   상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 리프팅수단과 접하도록 배치되고, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함하고,
   상기 지지수단은,
   상기 리프팅 수단의 내부 일측으로 배치되는 외측지지부와,
   상기 외측지지부의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 리프팅 수단의 내부 타측에 안착되는 내측지지부와,
   상기 외측지지부와 내측지지부를 연결하는 연결지지부를 포함하는 로터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 리프팅수단은,
   상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하고, 반경방향 내측으로 상기 지지수단의 외측지지부가 접하는 접촉부와,
   상기 접촉부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격되는 한 쌍의 연장부를 포함하며,
   상기 지지수단은, 상기 한 쌍의 연장부의 사이에 배치되는 로터.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 리프팅수단은,
   상기 한 쌍의 연장부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 반경방향 내측으로 갈수록 사이 간격이 줄어드는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함하며,
   상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부의 반경방향 외측에 안착되는 로터.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 연결지지부는, 상기 외측지지부 및 내측지지부보다 원주방향 폭이 작은 로터.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부와의 접촉 부위에 챔퍼면(Chamfer surface)이 형성된 로터.
6. 디스크슬롯이 형성된 디스크;
   상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드;
   상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단; 및
   상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 리프팅수단과 접하도록 배치되고, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함하고,
   상기 지지수단은, 한 쌍으로 구비되며, 상기 리프팅수단을 사이에 두고 원주방향을 따라 서로 이격 배치되며, 각각 리프팅 수단과 상기 디스크슬롯의 내벽 사이에 배치되며,
   상기 지지수단의 상기 리프팅수단 측 대향면에는,
   제1굴곡면과,
   상기 제1굴곡면의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 제1굴곡면보다 곡률이 큰 제2굴곡면이 형성된 로터.
7. 청구항 6 있어서,
   상기 리프팅수단은,
   상기 쿨링캐비티의 반경방향 내측 부위에 접하는 접촉부와,
   상기 접촉부로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격 배치되는 한 쌍의 연장부를 포함하는 로터.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 리프팅수단은,
   상기 한 쌍의 연장부의 반경방향 외측 단부로부터 서로 마주보는 방향으로 휘어지도록 연장되며, 상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함하는 로터.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 한 쌍의 연장부는,
   상기 접촉부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되어, 상기 제1 굴곡면과 접하는 한 쌍의 제1연장부와,
   상기 한 쌍의 제1연장부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되며, 반경방향 외측으로 갈수록 사이 간격이 증가하며, 상기 제2굴곡면과 접하는 한 쌍의 제2연장부를 포함하는 로터.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 한 쌍의 지지수단은, 반경방향 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 방향으로 연장되는 로터.
11. 내부로 통과되는 유체를 가이드하는 스테이터; 및
    상기 스테이터의 내부에 설치되며, 상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터;를 포함하되,
    상기 로터는,
    디스크슬롯이 형성된 디스크와,
    상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,
    상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단과,
    상기 리프팅수단에 설치되며, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함지지수단을 포함하고,
    상기 지지수단은,
    상기 리프팅 수단의 내부 일측으로 배치되는 외측지지부와,
    상기 외측지지부의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 리프팅 수단의 내부 타측에 안착되는 내측지지부와,
    상기 외측지지부와 내측지지부를 연결하는 연결지지부를 포함하는 터보머신.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 리프팅수단은,
    상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하고, 반경방향 내측으로 상기 지지수단의 외측지지부가 접하는 접촉부와,
    상기 접촉부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격되는 한 쌍의 연장부를 포함하며,
    상기 지지수단은, 상기 한 쌍의 연장부의 사이에 배치되는 터보머신.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 리프팅수단은,
    상기 한 쌍의 연장부로부터 반경방향 내측으로 연장되며, 반경방향 내측으로 갈수록 사이 간격이 줄어드는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함하며,
    상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부의 반경방향 외측에 안착되는 터보머신.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 연결지지부는, 상기 외측지지부 및 내측지지부보다 원주방향 폭이 작은 터보머신.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 내측지지부는, 상기 한 쌍의 벤딩부와의 접촉 부위에 챔퍼면(Chamfer surface)이 형성된 터보머신.
16. 내부로 통과되는 유체를 가이드하는 스테이터; 및
    상기 스테이터의 내부에 설치되며, 상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터;를 포함하되,
    상기 로터는,
    디스크슬롯이 형성된 디스크와,
    상기 디스크슬롯에 삽입되며 상기 디스크의 반경방향을 기준으로 상기 디스크슬롯의 내측 부위와의 사이에 쿨링캐비티를 형성하는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 배치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,
    상기 쿨링캐비티에 설치되며, 상기 루트부재를 반경방향 외측으로 가압하는 리프팅수단과,
    상기 리프팅수단에 설치되며, 상기 리프팅수단을 지지하는 지지수단을 포함지지수단을 포함하고,
    상기 지지수단은, 한 쌍으로 구비되며, 상기 리프팅수단을 사이에 두고 원주방향을 따라 서로 이격 배치되며, 각각 리프팅 수단과 상기 디스크슬롯의 내벽 사이에 배치되며,
    상기 지지수단의 상기 리프팅수단 측 대향면에는,
    제1굴곡면과,
    상기 제1굴곡면의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 제1굴곡면보다 곡률이 큰 제2굴곡면이 형성되는 터보머신.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 리프팅수단은,
    상기 쿨링캐비티의 반경방향 내측 부위에 접하는 접촉부와,
    상기 접촉부로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 디스크의 원주방향을 따라 서로 이격 배치되는 한 쌍의 연장부를 포함하는 터보머신.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 리프팅수단은,
    상기 한 쌍의 연장부의 반경방향 외측 단부로부터 서로 마주보는 방향으로 휘어지도록 연장되며, 상기 루트부재의 반경방향 내측 부위에 접하는 한 쌍의 벤딩부를 더 포함하는 터보머신.
19. 청구항 17에 있어서,
    상기 한 쌍의 연장부는,
    상기 접촉부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되어, 상기 제1 굴곡면과 접하는 한 쌍의 제1연장부와,
    상기 한 쌍의 제1연장부로부터 각각 반경방향 외측으로 연장되며, 반경방향 외측으로 갈수록 사이 간격이 증가하며, 상기 제2굴곡면과 접하는 한 쌍의 제2연장부를 포함하는 터보머신.
20. 청구항 17에 있어서,
    상기 한 쌍의 지지수단은, 반경방향 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 방향으로 연장되는 터보머신.

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