KR101141702B1 - 냉각성능이 개선된 터빈 휠 및 이를 구비하는 가스터빈장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압, 고온의 가스의 팽창력을 이용하여 터빈 휠을 고속으로 회전시키는 과정에서 터빈 휠에 발생하는 열을 효과적으로 방출함으로써, 터빈 휠의 파손을 방지하고, 신뢰성을 보장하는 것을 목적으로 하며,

이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 작동유체의 압력을 추력으로 변환시키는 날개차와 상기 날개차가 전면에 고정되고 상기 날개차에 의해 야기되는 추력을 전달받는 디스크를 구비하고, 상기 디스크에 전달된 추력이 회전력으로 변환되도록 상기 디스크의 중심부가 회전축에 의해 고정되며, 상기 디스크에 축적되는 열을 냉각시키기 위한 냉각유체가 상기 디스크의 회전에 따른 원심력에 의해 유도되도록 상기 디스크의 후면에 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 휠 및 상기 터빈 휠을 적용한 가스터빈장치를 제공한다.

Description

냉각성능이 개선된 터빈 휠 및 이를 구비하는 가스터빈장치{Gas turbine wheel and apparatus improved cooling performance}

도 1 은 본 발명의 가스터빈 장치를 설명하기 위한 개략도 이고,

도 2 는 본 발명의 터빈 휠의 전면 및 후면을 도시하는 사시도 이고,

도 3 은 본 발명의 가스터빈장치의 가스터빈 엔진부와 터빈 휠에 공급되는 냉각유체의 흐름을 도시한 단면도이고,

도 4 는 본 발명의 터빈 휠의 후면의 홈을 따라 이동하는 냉각유체의 흐름을 도시한 평면도 이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100: 가스터빈 장치

101: 가스터빈 전력변환부 102: 가스터빈 엔진부

151: 냉각유체 150: 작동유체

153: 확산유로

141: 터빈 휠 143: 날개차

142: 디스크 142c: 홈

본 발명은 냉각성능이 개선된 터빈 휠 및 상기 터빈 휠을 채용한 가스터빈장치에 관한 것이다.

일반적으로, 가스터빈은 압축기에서 압축되고, 연소기에서 연소과정을 거쳐 생성된 고온 고압의 작동유체가 팽창되어 출력을 발생시키면서 열에너지를 회전에너지로 변환시켜 압축기를 구동하고, 압축기에 압축된 고압의 가스를 연료전지에 공급하거나, 자동차의 출력을 증대시키기 위해 고압의 압축가스를 공급하는데 이용된다. 또한, 경우에 따라서는 터빈에서 발생하는 회전에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기생산장치로도 활용된다. 이러한 가스터빈장치는 열역학적 사이클인 브레이튼 사이클(Brayton Cycle)을 따라 구동되는 것이 일반적이다.

이러한 가스터빈은 상술한 바와 같이 고온 고압의 작동유체가 가스터빈의 터빈 휠을 충격하면서 작동유체의 압력을 회전력으로 변환시키는 장치이므로, 터빈 휠은 고온 가스에 노출되면서도, 높은 회전에 따른 원심력이 지속적으로 작용되기 때문에, 신뢰성 있는 가스터빈 장치의 구현을 위해서는 터빈 휠의 효율적 냉각이 필수적이다. 이러한 터빈 휠의 냉각을 위해서는 상대적으로 온도가 낮은 압축기의 압축된 작동유체의 일부인 냉각유체(일반적으로 공기임)를 추출하여 터빈 휠에 노출시킴으로써 터빈 휠을 냉각시킨다. 이때, 상기 냉각유체의 양이 많으면 많을수록 상기 터빈 휠의 열을 충분히 냉각시킬 수 있어 유리하나, 반면에, 상기 냉각유체는 그 압력과 온도가 터빈 휠에 공급되는 고온 고압의 작동유체보다 낮아, 상기 냉각유체의 차지하는 비율이 증대될수록 터빈 휠로부터 발생하는 유효일은 감소하고, 그에 따라 가스터빈장치의 효율은 저하된다. 따라서, 상기 냉각유체의 양을 증대시키지 않으면서도, 터빈 휠의 냉각을 원활하게 할 수 있도록 상기 터빈 휠을 제작하는 것은 매우 중요한 연구과제로 대두되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 터빈 휠의 냉각이 용이하게 달성될 수 있도록 냉각유체의 난류유동을 촉진시키고 냉각유체와 터빈 휠 사이의 접촉면적을 증대시킴과 동시에 그 접촉을 균일화함으로써 냉각효율을 증대시키며, 냉각유체의 터빈 입구로의 유동이 부드럽게 이루어져 소음 발생을 저감하여 터빈 휠의 냉각성능을 개선시키는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 작동유체의 압력을 추력으로 변환시키는 날개차와, 상기 날개차가 전면에 고정되고 상기 날개차에 의해 야기되는 추력을 전달받는 디스크를 구비하고, 상기 디스크에 전달된 추력이 회전력으로 변환되도록 상기 디스크의 중심부가 회전축에 의해 고정되며, 상기 디스크에 축적되는 열을 냉각시키기 위한 냉각유체가 상기 디스크의 회전에 따른 원심력에 의해 유도되도록 상기 디스크의 후면에 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 휠을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이때, 상기 터빈 휠이 구비하는 상기 디스크에 형성된 상기 홈은 상기 디스크의 회전에 따른 회전방향을 향해 배를 형성하는 곡률을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은, 외부의 작동유체가 유입되도록 소정의 흡입력을 발생시키고, 상기 작동유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 작동유체에 열을 공급하는 연소기와, 상기 연소기에서 생성되는 고온, 고압의 유체의 압력을 추력으로 변환시키는 날개차 및 상기 날개차가 전면에 고정되고 상기 날개차에 의해 야기되는 추력을 전달받는 디스크를 구비하고, 상기 디스크에 전달된 추력을 회전력으로 변환시키고 상기 회전력을 압축기에 전달하는 회전축에 의해 고정되며, 상기 디스크에 축적되는 열을 냉각시키기 위한 냉각유체가 상기 디스크의 회전에 따른 원심력에 의해 유도되도록 상기 디스크의 후면에 홈이 형성되는 터빈 휠을 구비하는 가스터빈장치를 제공하며, 이때, 상기 터빈 휠이 구비하는 상기 디스크의 후면에 형성된 홈은 상기 디스크의 회전에 따른 회전방향을 향해 배를 형성하는 곡률을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하기로 한다. 도 1에는 본 발명의 가스터빈장치(100)의 각 구성요소 및 각 구성요소의 결합에 따른 가스터빈장치(100)의 구동을 설명하기 위한 개략도가 도시되어 있다. 본 발명의 가스터빈장치(100)는 가스터빈 전력변환부(101)와 가스터빈 엔진부(102)을 구비한다. 이때, 상기 가스터빈 엔진부(102)는 공기필터(130), 압축기(123), 연소기(170), 연료 공급기(171), 터빈(141), 로터부(121), 스테이터부(122)를 구비한다. 한편, 상기 가스터빈 전력변환부(101)는 스위칭부(113), 센서부(111), 제어부(112), 시작신호인가부(117), 축전기(116)를 구비한다. 상기 가스터빈 엔진부 및 전력변환부의 의 각 구성요소의 연결 및 그 기능을 살펴보기 위해 상 기 가스터빈장치(100)의 구동에 관하여 살펴보기로 한다. 상기 공기필터(130)에서는 외부의 공기를 작동유체로 사용하기 위해 공기 중 불순물을 거른다. 이후, 상기 공기필터에서 걸러진 작동유체(150)는 상기 날개차(impeller, 미도시)를 구비하는 압축기 휠(미도시)을 구성요소로 하는 압축기(123)의 회전에 의해 발생한 흡입력으로 상기 압축기로 유입되고, 상기 압축기에서 상기 작동유체가 소정의 유동경로를 따라 회전 압축되면서 소정의 압력수준으로 압축된다. 이때, 압축된 고압의 작동유체는 연료전지(131)에 공급되어 연료전지의 산화 환원반응의 반응물로 활용된다. 이때, 상기 연료전지는 메탄올을 연료로 하여 열과 전기를 동시에 얻거나, 수소와 산소의 반응 등을 통해 전력을 얻는 장치이다. 이때, 상기 연료전지에서 발생하는 산화 환원반응은 발열반응이므로 상기 작동유체는 상기 산화 환원반응에서 열이 발생되고, 상기 발생된 열은 작동유체에 공급되어 작동유체를 가열시킨다. 그로 인해, 상기 작동유체는 고온 고압의 작동유체가 되어 배출된다. 그러나, 비록 연료전지에서 배출된 작동유체는 연료전지의 반응이 발열반응이므로, 온도가 증대된 상태이기는 하나, 일반적으로 상기 작동유체는 압축기를 구동하고, 후술하는 시동을 위한 전력을 얻기 위해서는 그 온도가 낮으므로, 상기 작동유체는 연소기(170)에 유입되어 가열된다. 이때, 상기 작동유체가 연소기에 유입되면, 연료 공급기(171)에서 소정의 연료가 공급되어 상기 연소기에서 작동유체와 혼합된다.(이하, 연료와 혼합된 작동유체도 작동유체라 칭하기로 함.) 이후, 연소기 내에 배치된 점화기(미도시)에 의해 상기 작동유체가 점화되어 연료가 연소된다. 이때, 상기 연료의 연소는 발열반응이므로, 연료의 연소에서 발생된 열이 상기 작동유체에 공급되고, 작동 유체가 고온, 고압의 특성을 갖게 된다. 이때, 상기 작동유체에 열을 공급하는데 이용되는 연료로는 가스상태의 연료 혹은 액체상태의 연료로서 미립자로 분무되는 디젤유, 가솔린 혹은 프로판 가스, 플레어 가스등이 사용될 수 있다. 이후, 연소기에서 배출된 고온 고압의 작동유체는 터빈(141)에 공급된다. 이때, 터빈에 유입되는 작동유체는 고온 고압의 상태이며, 이 작동유체가 터빈을 거치면서 팽창하여 일을 한다. 이때, 상기 일은 터빈에 구비된 터빈 휠(142)을 회전축(124)을 중심으로 고속 회전시키면서 회전에너지를 발생시키는 형태로 발현된다. 이때, 상기 회전축(124)은 상기 압축기(123)에 연결되어 회전에너지를 전달하고, 상기 회전에너지에 의해 상기 압축기가 구동된다. 그로 인해, 상기 압축기의 구동으로 상술한 연료전지에 압축된 작동유체를 지속적으로 공급할 수 있게 된다. 한편, 상기 회전축(124)은 상기 로터부에도 연결되는데, 상기 회전축에 의해 전달된 에너지는 상기 로터부에 구비되는 마그네틱(미도시)을 회전시킨다. 이때, 상기 마그네틱은 스테이터부(122)에 구비된 감겨진 도선에 전류를 흐르게 하고, 상기 전류가 가스터빈 전력변환부(101)에 전달된다. 한편, 상술한 바와 같이 상기 터빈(141)에는 고온 고압의 작동유체가 공급되어 상기 터빈에서 팽창되면서 회전에너지를 발생시키므로, 상기 터빈은 항상 고온에 노출된다. 이때, 상기 터빈 휠(142)은 고온의 상태에서 고속 회전하므로, 적절한 냉각이 수행되지 않으면 열변형에 의해 터빈이 파손되어 가스터빈장치의 구동이 불가능해진다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 압축기에서 압축된 작동유체 중 일부의 작동유체를 냉각유체(151)로 사용하여 상기 터빈을 냉각한다. 이때, 상기 압축기에서 배출된 작동유체는 고압이기는 하나, 연소 기를 통과한 작동유체에 비해 상대적으로 저온이므로, 터빈(141)을 냉각시키는 냉각유체로 활용될 수 있다. 이하, 상기 냉각유체에 의한 터빈 휠(142)의 냉각에 관하여는 후에 상세히 설명하기로 한다.

한편, 가스터빈 엔진부(102)에서 생산된 전류(110)는 스위칭부(113)를 거쳐 축전기(116)에 축전된다. 이때, 상술한 바와 같이 가스터빈에 작동유체가 공급되어 소정의 일을 생산하기 위해서는 압축기에서 발생한 흡입력에 의해 작동유체가 유입되어야 하며, 이때, 가스터빈 엔진부가 구동된 이후에는 압축기가 터빈에서 발생한 소정의 일에 의해 구동되므로, 지속적인 가스터빈 엔진부의 구동이 가능하나, 가스터빈 엔진부의 구동이 시작되는 시점에서는 터빈에서 압축기에 일을 공급할 수 없으므로 압축기에 외부에서 소정의 일이 공급되도록 해야 한다. 이를 위해 가스터빈 엔진부가 구동되기 시작하는 시점에서 압축기를 구동하기 위해서는 축전기에 축적된 전기에너지를 이용하여 압축기를 초기 구동하여 가스터빈 엔진부의 구동이 이루어지도록 한다. 이때, 가스터빈 엔진부를 시동시키기 위해서는 시작신호인가부(117)가 축전기(116)에 축적된 전기에너지인 전류를 상기 스테이터부(122)에 인가하여 마그테틱을 구비한 로터부가 회전되도록 함으로써 회전에너지를 발생시키고, 상기 회전에너지가 압축기에 전달되어 가스터빈 엔진부의 구동이 시작된다. 한편, 압축기의 구동을 제어하기 위해서 외부의 조건을 센싱하는 센서부(111)와 제어부(112)가 스위칭 시스템에 연결되어 상기 압축기가 제어 될 수 있다.

이하 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 가스터빈 장치의 터빈이 구비하는 터빈 휠(142)의 바람직한 실시예에 관하여 설명하기로 한다. 도 2에는 본 발명 의 터빈 휠(142)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 상기 터빈 휠(142)은 작동유체의 압력을 추력으로 변환시키는 복수의 날개차(143), 상기 날개차가 전면(144a)에 고정되고 상기 날개차에 의해 야기되는 추력을 전달받는 디스크(144)를 구비한다. 이때, 상기 날개차는 고온 고압이 작동유체가 날개차에 고속으로 충돌하며 전달받는 압력을 일방향으로 진행하려 하는 추력으로 변환시킨다. 이때, 상기 날개차는 상기 디스크에 고정되어 있기 때문에 날개차에 의해 변환된 추력은 디스크에 전달된다. 이때, 터빈 휠의 중심부(145)에 회전축이 고정되고, 상기 회전축이 트러스트 베어링(Thrust bearing, 162)과 저널 베어링(Journal bearing, 161)들에 의해 지지되면, 상기 날개차에 전달된 추력은 디스크를 터빈 휠의 중심부에 고정된 회전축을 중심으로 회전시키는 회전모멘트로 작용하게 되고, 상기 회전모멘트는 터빈 휠을 회전축을 중심으로 회전시키고, 상기 터빈 휠에 고정되는 회전축 또한 회전축과 함께 회전하여 회전에너지를 발생시킨다. 이때, 상기 회전축은 상기 터빈 휠의 중심부에 상기 터빈 휠의 중심부에 클램핑되어 고정되거나, 핀, 키 혹은 용접등의 여타의 결합수단에 의해 고정될 수 있다. 한편, 상기 터빈 휠은 고온 고압의 유체에 직접 노출되므로, 냉각이 필수적이다. 이를 위해 상기 터빈 휠에 구비되는 날개차(143)에 전달되어 디스크(144)로 전달되는 열과, 상기 디스크(144)에 직접 전달되는 열을 냉각시키기 위한 냉각유체가 상기 디스크의 회전에 따른 원심력에 의해 유도되도록 상기 디스크의 후면(144b)에는 소정의 홈(144c)이 구비된다. 한편, 상기 홈(144c)은 상기 디스크(144)의 회전에 따른 회전방향을 향해 배를 형성하는 곡률을 갖도록 형성되는 것이 냉각유체의 원활한 유동을 위해 바람직하다. 상기 홈 (144c)의 기능과 냉각유체의 전달에 대해서는 도 3 내지 도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명의 가스터빈 엔진부의 단면도와 가스터빈 엔진부에서의 작동유체 및 냉각유체의 유동로가 도시되어 있다. 날개차를 구비하는 압축기 휠의 회전으로 흡입력이 발생하여 작동유체(150)를 흡입하게 되면, 상기 작동유체는 압축기의 날개차를 따라 확산유로(153)로 유입된다. 이 작동유체는 상술한 바와 같이 열교환기(131) 및 연소기(170)을 거쳐 터빈 휠(142)에 공급된다. 이때, 작동유체를 흡입하기 위한 흡입력을 발생시키는 압축기의 회전력은 터빈 휠에 고정된 회전축(124)에 의해 전달된다. 이때, 상기 회전축은 저널 베이링(161)과 트러스트 베어링(162)에 의해 지지되므로 터빈 휠에 공급된 작동유체의 압력이 터빈 휠의 날개차를 때리면서 발생되는 추력이 회전력으로 변환된다. 이때, 로터부에 구비된 마그테틱이 회전하면서 스테이터부에 입사하는 자속을 시간에 따라 변화시키면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 스테이터부 감겨진 도선에 전류가 흐르게 되어 전기에너지가 발생된다. 압축기에 유입된 작동유체는 상술한 바와 같이 연료전지와 연소기를 거쳐 터빈에 공급되어야 하는데, 이론적으로는 압축기로 흡입되는 작동유체의 압력이 터빈에 공급되는 작동유체의 압력과 동일하지만, 연료전지와 연소기에서 존재하는 비가역성으로 인하여 압력강하가 발생하여 일반적으로 압축기에 흡입되는 작동유체의 압력이 터빈에 공급되는 작동유체에 비해 크다. 따라서, 터빈과 압축기 사이에 유체의 유동이 차단되지 않으면 작동유체가 연료전지와 연소기를 거치지 않고 터빈으로 공급되어 일을 발생시킬 수 없게 된다. 이를 위해 압축기와 터빈 사이에는 압축기와 터빈 사이의 직접적인 작동유체의 유동을 방지하기 위해 인터스테이지 실(Interstage seal, 157)이 배치된다. 이때, 인터스테이지 실에 의해 압축기에서 터빈으로의 작동유체의 직접유동이 차단되기는 하지만, 인터스테이지 실에는 소정의 공차가 존재하므로 공차가 형성된 부분에 소량의 유체가 누설될 수 있는 유로(157a)가 존재하게 된다. 한편, 압축기 날개차가 회전하면서 작동유체를 흡입하면 작동유체 중 일부는 날개차의 끝단(154)에 형성되는 공차로 인하여 형성되는 유로를 따라 인터스테이지 실(157)로 이동하고, 다시 인터스테이지 실에 존재하는 소정의 공차로 인해 형성되는 유로(157a)를 따라 터빈이 구비하는 터빈 휠(142)의 디스크 후면으로 상기 작동유체 중 일부의 유체가 유입된다. 즉, 압축기(123)와 터빈 휠(142) 사이에 형성되는 누설 유로(157a)를 통하여, 압축기(123)로 유입된 작동유체(150) 중 소량의 일부 작동유체(150)가 연소기(170)를 거치지 않고 터빈 휠(142)의 디스크(144)의 후면으로 유입된다. 이때, 상기 디스크 후면을 따라 유입된 작동유체는 터빈 휠에 공급되는 고온 고압의 작동유체에 비해 그 온도가 낮으므로 터빈 휠을 냉각시키는 냉각유체(이하, 상기 작동유체 중 일부의 유체로 터빈휠의 냉각을 위해 유입된 유체를 냉각유체라 함.)로 기능한다. 이후, 상기 냉각유체는 터빈 휠의 디스크 후면에 형성된 홈을 따라 날개차 허브(146) 또는 날개차 끝단(143a)를 거쳐 터빈 전면으로 이동하고, 이후, 상기 냉각 유체는 작동유체와 혼합되어 배출된다.

한편, 상기 냉각유체가 터빈 휠에서 발생한 열을 충분히 빼앗아 상기 터빈 휠을 냉각시키기 위해서는 터빈 휠의 후면에 상기 냉각유체가 충분한 접촉면적을 갖고 균일하게 접촉되어야 하며, 터빈 휠과 접촉되는 냉각유체가 난류(turbulent flow)형태로 터빈 휠과 접촉되는 것이 바람직하다. 이때, 터빈 휠을 냉각시키기 위한 냉각유체가 상술한 조건을 충족하지 못하면, 터빈 휠을 충분히 냉각시키지 못하 게 되고, 결국, 고속으로 회전하는 터빈 휠이 열에 의해 변형되거나 파손되어 가스터빈이 동작하지 못하게 된다. 이를 방지하기 위해서는 결과적으로 터빈 휠을 냉각시키는 냉각유체의 양을 증대시켜 상술한 문제점을 상쇄시켜야 한다. 그런데, 상술한 바와 같이 가스터빈장치는 터빈에 공급되는 고온 고압의 작동유체가 팽창하면서 한 일을 회전에너지로 전환시켜 압축기를 구동하고 전기에너지를 생산하는 장치이므로, 터빈에 공급되는 작동유체의 조건이 중요하다. 그런데, 터빈 휠에 공급되는 냉각유체의 양이 지나치게 많으면, 작동유체가 하는 순 일의 양이 줄어들게 되고, 결국, 터빈 휠에서 발생하는 회전에너지의 양이 줄어들어, 결과적으로 가스터빈 장치의 효율이 저하된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 본 발명의 터빈 휠(142)이 구비하는 디스크(144)의 후면(144b)에는 도 4에 예시되어 도시된 바와 같이 소정의 홈(144c)을 형성된다. 상술한 바와 같이 터빈 휠은 고온 고압의 작동유체에 의해 고속으로 회전하게 되는데, 이러한 회전력으로 인하여 강한 윈심력이 발생한다. 이때, 압축기의 날개차 끝단의 공차 및 인터스테이지 실의 공차로 인해 형성된 유로(이하 누설유로라 하기로 함)를 통해 유입된 냉각유체가 터빈 휠의 후면, 보다 상세하게는 디스크의 후면에 도달하게 되면, 터빈 휠의 고속의 회전력으로 인해 디스크의 후면에 도달한 냉각유체(151)는 터빈 휠의 원주방향으로 배출된다. 이때, 상기 디스크의 후면에는 홈(144c)이 형성되어 있으므로, 상기 냉각유체는 상기 홈을 따라 배출된다. 이때, 상기 홈은 유체의 유로 상에 거칠기와 같은 기능을 하여 레이놀드의 수(Reynolds number)를 증가시키고, 결국, 층류 형태로 흐를 수 있는 냉각유체를 난류형태로 전환시켜, 냉각유체의 분자의 움직임을 활발하게 하고, 그 로 인해, 냉각 유체의 분자가 디스크 후면과 열교환 하는 비율을 증대시켜 열을 빠른 속도로 흡수할 수 있게 한다. 또한, 디스크의 후면에 형성된 홈을 통해 냉각유체의 흐름이 유도되므로, 냉각유체가 디스크의 후면 전체에 균일하게 접촉하게 되고 결과적으로 열 교환 특성이 양호해 진다.

한편, 상기 터빈 휠은 고속으로 회전하기 때문에 상기 터빈 휠의 디스크 후면으로 공급되는 냉각유체가 원활히 배출되지 못하면 큰 소음과 진동이 발생하게 된다. 그러므로, 상기 냉각유체가 터빈 휠의 원주방향으로 원활히 배출되도록 상기 홈(144c)을 설계할 필요가 있다. 이때 상기 디스크의 회전방향을 향해 배(144d)를 형성하는 곡률을 갖도록 홈(144c)이 형성되고, 상기 홈을 따라 냉각유체가 이동하면, 냉각유체가 홈을 따라 부드럽게 배출되므로 냉각유체의 배출성능이 개선되고, 그에 따라 냉각유체의 배출시 발생하는 소음과 진동을 저감할 수 있게 된다. 따라서, 상기 홈은 상기 디스크의 회전에 따른 회전방향을 향해 배(144d)를 형성하는 곡률을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 터빈 휠의 회전력에 의해 상기 홈(144c)를 따라 배출된 냉각유체는 터빈 휠의 전면에 형성된 허브(146) 및 날개차(143)를 따라 이동하면서 상기 날개차 및 허브에서도 열을 흡수하여 냉각성능을 개선시킨다.

한편, 본 발명의 터빈 휠은 연료전지에 압축된 작동유체를 공급하는 가스터빈장치의 터빈을 실시예로 본 발명의 특징을 서술하였다. 그러나, 날개차 와 디스크를 구비하는 터빈 휠은 연료전지를 구동하는 가스터빈장치에만 그 용도가 한정되지는 않으며, 고압의 가스를 배출시켜 자동차의 출력을 증대시키는 자동차용 터보 차저(turbo charger)나, 전력 생산을 위한 가스터빈장치 등에도 사용될 수 있다. 이러한 장치들에서도 공통적으로 터빈 휠이 고온의 작업환경하에서 사용되므로, 터빈 휠의 방열성능을 개선시키기 위하여 디스크의 후면에 냉각유체가 회전에 따른 원심력에 의해 부드럽게 유도되어 냉각성능이 개선되도록 홈이 형성되어 상술한 기계장치의 신뢰성 및 효율을 증대시킬 수 있다. 따라서, 상기 터빈 휠의 용도는 가스터빈장치에 한정되지 않고, 고온의 작동환경하에서 작동하는 회전체에 공히 사용 가능하다.

본 발명은 고온 고압하에서 고속으로 회전되며 작동하는 터빈 휠의 후면에 소정의 홈을 형성하여 냉각유체의 유동로를 확보하여 냉각유체와 터빈 휠과의 균일한 접촉면적을 확보하고 이를 통해 냉각성능을 개선시킨다.

또한, 터빈 휠의 후면에 형성된 홈은 냉각유체의 레이놀즈 넘버를 증가시켜 층류로 유입될 수 있는 유체를 난류로 변환시켜 터빈 휠의 방열성능을 개선시켰다.

또한, 냉각유체가 터빈 휠의 후면에 형성된 홈을 따라 부드럽게 유입되어 배출될 수 있도록 함으로써 냉각유체의 유동에 의해 발생할 수 있는 진동과 소음을 저감하였다.

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 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이 다.

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3. 작동유체(150)가 유입되도록 소정의 흡입력을 발생시키고, 상기 작동유체(150)를 압축하는 압축기(123);

   상기 압축기(123)에 의해 압축된 작동유체(150)에 열을 공급하는 연소기(170);

   상기 연소기(170)에서 생성되는 고온, 고압의 유체의 압력을 추력으로 변환시키는 날개차(143) 및 상기 날개차(143)가 전면에 고정되고 상기 날개차(143)에 의해 야기되는 추력을 전달받는 디스크(144)를 구비하고, 상기 디스크(144)에 전달된 추력을 회전력으로 변환시키고 상기 회전력을 압축기(123)에 전달하는 회전축(124)에 의해 고정되며, 상기 디스크(144)에 축적되는 열을 냉각시키기 위한 냉각유체(151)가 상기 디스크(144)의 회전에 따른 원심력에 의해 유도되도록 상기 디스크(144)의 후면(144b)에 홈(144c)이 형성되는 터빈 휠(142); 및

   상기 압축기(123)로 유입되어 상기 압축기(123)를 통과한 상기 작동유체(150) 중 일부가 상기 연소기(170)를 거치지 않고 상기 터빈 휠(142)의 디스크(144)의 후면(144b)에 형성된 상기 홈(144c)으로 유입되도록, 상기 압축기(123)와 상기 터빈 휠(142) 사이에 형성되는 누설 유로(157a);를 구비하며,

   상기 누설 유로(157a)로 유입된 상기 일부의 작동유체(150)가,

   상기 디스크(144)의 후면(144b)에 형성된 상기 홈(144c)을 따라 이동하는 상기 냉각유체(151)인 것을 특징으로 하는 가스터빈장치.
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