KR102062594B1 - 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 베인 캐리어 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열에 의해 균일하게 변형하는 베인 케리어 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어는, 내주면에 복수의 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체; 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및 각 몸체의 외주면에 배치되며, 반경 방향으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 베인 캐리어가 상대적으로 균일하게 열변형하여 변형에 의한 부품의 파손을 방지할 수 있고, 베인 캐리어의 고유 진동수를 조절하여 공진을 회피함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈{VANE CARRIER, COMPRESSOR AND GAS TURBINE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열에 의해 균일하게 변형하는 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 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 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
압축기로 흡입된 공기는 압축기에서 단열압축 과정을 거치게 되면서 공기의 압력뿐 아니라 온도가 상승하게 된다. 또한 압축 공기와 연료가 혼합하여 연소기에서 발생한 연소 가스는 고온으로 터빈으로 배출된다. 이러한 고온의 가스에 의해 압축기나 터빈을 구성하는 부품들은 열에 의해 불균일하게 변형되거나 파손되는 문제점이 발생하였다.
미국 등록특허 제8920109호
본 발명의 일측면은 상대적으로 균일하게 열변형하는 구조를 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 일측면은 공진을 회피할 수 있는 구조를 갖는 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어는, 내주면에 복수의 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체; 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및 각 몸체의 외주면에 배치되며, 반경 방향으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어에 있어서, 각 변형 방지부재는, 몸체가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어에 있어서, 변형 방지부재는 체결부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어에 있어서, 변형 방지부재는 체결부보다 반경 방향으로 낮은 높이로 돌출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어에 있어서, 변형 방지부재는 체결부와 동일한 재질 및 질량으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어에 있어서, 변형 방지부재는, 몸체가 이루는 환형의 중심점을 지나는 축 방향을 따라 형성된 분리 홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어에 있어서, 변형 방지부재는 몸체 및 체결부와 일체형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기는, 복수의 압축기 블레이드가 장착되어 다단으로 배열되는 압축기 디스크와, 압축기 디스크를 축 방향으로 관통하여 배치되며, 회전에 의해 압축기 디스크를 회전시키는 타이로드와, 다단으로 배열된 블레이드와 교대로 다단으로 배열되는 압축기 베인을 지지하는 베인 캐리어와, 압축기 디스크, 타이로드 및 베인 케리어를 수용하는 케이싱을 포함한다. 여기서 베인 캐리어는, 내주면에 복수의 압축기 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체; 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및 각 몸체의 외주면에 배치되며, 반경 방향으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에 있어서, 각 변형 방지부재는, 몸체가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치될 수 있다.
또한, 각 몸체는 상하 방향으로 각각 배치되어 체결부가 수평 방향으로 나란히 배치되며, 각 변형 방지 부재는 수직방향으로 대향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에 있어서, 변형 방지부재는 체결부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에 있어서, 변형 방지부재는, 몸체가 이루는 환형의 중심점을 지나는 축 방향으로 형성된 분리 홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈을 포함한다. 여기서, 압축기는, 복수의 압축기 블레이드가 장착되어 다단으로 배열되는 압축기 디스크와, 압축기 디스크를 축 방향으로 관통하여 배치되며, 회전에 의해 압축기 디스크를 회전시키는 타이로드와, 다단으로 배열된 블레이드와 교대로 다단으로 배열되는 압축기 베인을 지지하는 베인 캐리어와, 압축기 디스크, 타이로드 및 베인 케리어를 수용하는 케이싱을 포함한다. 여기서, 베인 캐리어는, 내주면에 복수의 압축기 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체; 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및 각 몸체의 외주면에 배치되며, 반경 방향으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 각 변형 방지부재는, 몸체가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 각 몸체는 상하 방향으로 각각 배치되어 체결부가 수평 방향으로 나란히 배치되며, 각 변형 방지 부재는 수직방향으로 대향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 변형 방지부재는 체결부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에 있어서, 변형 방지부재는, 몸체가 이루는 환형의 중심점을 지나는 축 방향으로 형성된 분리 홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 베인 캐리어가 상대적으로 균일하게 열변형하여 변형에 의한 부품의 파손을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따르면 베인 캐리어의 고유 진동수를 조절하여 공진을 회피함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어가 복수개 나열된 것을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 IV - IV 선에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어를 나타내는 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어를 다양한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어의 열변형 정도를 시뮬레이션한 결과이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 압축기(10), 압축기로부터 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(20) 및 연소기에서 발생한 연소 가스로 회전력을 발생시키는 터빈(30)을 포함한다. 본 명세서에서는 연료 또는 공기 흐름의 선후를 기준으로 상류 및 하류를 규정하도록 한다.
가스 터빈의 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 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다. 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
가스 터빈의 압축기(10)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분으로서, 연소기(20)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 역할을 한다. 흡입된 공기는 압축기(10)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(10)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
가스 터빈을 구성하는 압축기(10)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressor)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계될 수 있는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 대형 가스 터빈은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 다단 축류형 압축기가 적용되는 것이 일반적이다.
압축기(10)는 터빈(30)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(10)의 회전축과 터빈(30)의 회전축은 직결된다.
압축기(10)는 압축기 디스크(110), 타이로드(120), 압축기 블레이드(130), 압축기 베인(140) 및 압축기 케이싱(150)을 포함한다.
압축기 디스크(110)에는 압축기 블레이드(130)가 장착되며, 압축기 디스크(110)를 관통하여 타이로드(120)가 위치한다. 압축기 디스크(110)는 타이로드(120)의 회전에 따라 회전하여 압축기 블레이드(130)를 회전시킨다.
압축기 디스크(110)는 복수개로 구성될 수 있는데, 복수의 압축기 디스크(110)들은 타이로드(120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 압축기 디스크(110)들은 타이로드(120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 압축기 디스크(110)의 외주부에는 복수 개의 돌기(미도시)가 형성될 수 있고, 인접한 압축기 디스크(110)와 함께 회전하도록 결합되는 플랜지(미도시)가 형성될 수 있다.
복수 개의 압축기 디스크(110) 중 적어도 어느 하나에는 압축기 디스크 냉각유로(112)가 형성될 수 있다. 압축기 디스크 냉각유로(112)를 통해 압축기(100)의 압축기 블레이드(130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(30) 측으로 이동되어 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
타이로드(120)는 압축기 디스크(110)를 관통하여 위치하며, 압축기 디스크(110)를 정렬한다. 타이로드(120)는 터빈(30)에서 발생된 토크를 전달 받아서 압축기 디스크(110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(100)와 터빈(30) 사이에는 터빈(30)에서 발생된 회전 토크를 압축기(100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(180)가 배치될 수 있다.
타이로드(120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(180)에 삽입된다. 타이로드(120)의 타측 단부는 토크튜브(180) 내에서 가압 너트(미도시)와 체결된다. 가압 너트는 토크튜브(180)를 압축기 디스크(110) 측으로 가압하여 각각의 압축기 디스크(110)들이 서로 밀착되도록 한다.
압축기 블레이드(130)는 압축기 디스크(110)의 외주면을 따라 방사상으로 결합된다. 압축기 블레이드(130)는 축 방향을 따라 정렬된 압축기 디스크(110)에 의해 다단으로 형성될 수 있다. 압축기 블레이드(130)에는 압축기 디스크(110)에 체결되기 위한 압축기 블레이드 루트부재가 형성될 수 있으며, 압축기 디스크(110)에는 압축기 블레이드 루트부재가 삽입되기 위한 압축기 디스크 슬롯이 형성될 수 있다.
압축기 블레이드(130)는 압축기 디스크(110)의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기 베인(140)은 전단의 압축기 블레이드(130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(130) 측으로 가이드한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기 베인(140)은 압축기 케이싱(150) 또는 후술할 베인 캐리어(200)에 장착된다. 압축기 베인(140)은 다단을 형성하며, 압축기 베인(140)이 이루는 단은 축 방향에서 볼 때 압축기 블레이드(130)가 이루는 단과 교대로 배열될 수 있다.
압축기 케이싱(150)은 압축기(100)의 외형을 형성한다. 압축기 케이싱(150)은 내부에 압축기 디스크(110), 타이로드(120), 압축기 블레이드(130), 압축기 베인(140) 등을 수용한다.
압축기 케이싱(150)에는 다단의 압축기 블레이드(130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(30) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.
압축기(100)의 입구에는 인테이크(160)가 위치한다. 인테이크(160)는 외부 공기를 압축기(100) 내부로 유입시킨다. 압축기(100)의 출구에는 압축된 공기를 확산 이동시키는 압축기 디퓨저(170)가 배치된다. 압축기 디퓨저(170)는 압축기(100)에서 압축된 공기가 연소기(20)에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(static pressure)으로 전환시킨다. 압축기 디퓨저(170)를 통과한 압축 공기는 연소기(20)로 유입된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어가 복수개 나열된 것을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 IV - IV 선에 따른 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어를 나타내는 사시도이다.
베인 캐리어(200)는 압축기 베인(140)을 지지하며, 압축기 케이싱(150)에 고정된다. 베인 캐리어(200)는 한 쌍의 몸체(210 : 210a, 210b), 체결부(220 : 220a, 220b) 및 변형 방지부재(230, 230a)를 포함한다.
베인 캐리어(200)는 외주면이 압축기 케이싱(150)에 체결되어 고정된다. 베인 캐리어(200 : 201, 202, 203)는 환형(環形)는 이루며, 다단의 베인(140)을 수용하고 이에 대응하여 복수개가 축 방향으로 배열될 수 있다. 본 명세서에서 축 방향은 환형의 중심점을 지나는 중심축(CL)과 나란한 방향을, 반경 반향은 환형의 반경에 나란한 방향을, 원주 방향은 환형의 원주와 나란한 방향을 의미한다.
각 몸체(210a, 210b)는 반환형(半環形)으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이룬다. 내주면에는 압축기 베인(140)이 환형으로 배열될 수 있도록 내주면 둘레를 따라 적어도 하나의 환형 슬롯(212)이 형성되어 있다. 환형 슬롯(212)은 베인 캐리어(200)의 모델이나 조립 위치에 따라 1개 또는 복수개가 축 방향으로 나란하게 배열될 수 있다. 본 실시예에서는 베인 캐리어(200)에 복수개의 환형 슬롯(212)이 형성된 것을 예시로 하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
체결부(220)는 반환형의 몸체(210)가 결합되는 각 말단 부분 외주면에 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성된다. 체결부(220)는 몸체(210)와 일체로 형성될 수 있으며 동일한 재질로 형성될 수 있다.
서로 다른 몸체(210a, 210b)에 배치된 체결부(220a, 220b)끼리 결합함으로써 반환형의 몸체(210a, 210b)가 환형으로 결합한다. 체결부(220)는 볼트와 같은 체결부재로 체결될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 두 몸체를 단단히 고정할 수 있는 다양한 체결부재에 의해 체결될 수 있다.
베인 캐리어(200)는 한 쌍의 몸체(210a, 210b)가 상부 및 하부로 배치되며, 상측 몸체(210a)는 상측 베인 케이싱(150)에, 하측 몸체(210b)는 하측 베인 케이싱(150)에 고정될 수 있다. 이 경우 몸체 양단의 체결부(220a, 220b)는 수평방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어를 다양한 변형예를 나타내는 도면이다.
변형 방지부재(230)는 베인 캐리어의 몸체(210)가 열에 의해 변형되는 것을 방지하는 수단으로서, 각 몸체(210a, 210b) 외주면에 적어도 하나 이상 배치된다. 변형 방지부재(230)는 각 몸체의 외주면에서 반경 방향으로 돌출 형성된다.
각 변형 방지부재(230)는 몸체(210)가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 각 몸체마다 1개의 변형 방지부재(230)가 몸체(210)의 중간 부분에 배치되어 중심점을 기준으로 서로 마주보는데, 변형 방지부재(230)의 개수 및 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 한 쌍의 몸체(210a, 210b)가 상부 및 하부로 배치되는 경우, 각 변형 방지부재(230)는 수직 방향으로 대향하여 배치될 수 있다.
압축기(10) 내에 고온의 공기가 흐르면서 베인 캐리어(200)를 지난다. 이 때, 고온에 의해 몸체(210)가 열 팽창하게 되는데, 몸체(210)는 체결부(220)가 배치된 부분에서 체결부(220)의 크기와 질량 때문에 상대적으로 덜 팽창하고 체결부가 없는 부분이 상대적으로 더 팽창하여, 결국 베인 캐리어(200)는 전체적으로 타원형으로 불균일하게 열변형하게 된다.
몸체(210) 외주면에 변형 방지부재(230)가 배치됨으로써, 이러한 불균일한 열변형을 방지할 수 있다. 열 팽창시 체결부(210)와 균형을 맞추기 위해 변형 방지부재(230)는 체결부(220)와 동일한 재질 및 질량으로 형성될 수 있다.
한편, 진동에 의한 영향력을 최소화하기 위해 변형 방지부재(230)는 몸체(210)와 일체형으로 형성될 수 있다. 또한 변형 방지부재(230)는 베인 캐리어(200)를 압축기 케이싱(150)과 조립할 때에 압축기 케이싱(150)과 간섭되는 것을 피하기 위해 체결부(220)보다 반경 방향으로 낮은 높이로 돌출되는 것이 바람직하다.
변형 방지부재(230)는 일정 크기와 질량을 가지고 형성되는데, 압축기의 모델과 구조, 온도 조건, 몸체(210) 및 체결부(220)의 두께와 재질 등에 따라 그 크기와 형상이 조정될 수 있다.
또한 변형 방지부재(230)는 베인 캐리어(200)의 형상과 질량에 변형을 줌으로써 베인 캐리어(200)의 고유 진동수를 조절할 수 있고, 이를 통해 공진 회피까지 할 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이 몸체(210)가 이루는 환형의 중심점을 지나는 축 방향(CL)을 따라 형성된 분리 홈(232a)을 포함할 수 있다. 분리 홈(232a)은 베인 캐리어(200)를 압축기 케이싱(150)에 조립시에 용이하게 얼라인먼트(alignment)를 맞출 수 있다.
변형 방지부재(230)는 도 6b에 도시된 바와 같이 체결부(220)와 대응되는 형상으로 형성될 수 있고, 또한 동일한 재질과 질량으로 형성될 수 있다. 변형 방지부재(230)가 이와 같이 형성되면, 변형 방지부재(230) 및 체결부(220)에 미치는 열에 의한 영향이 균일하므로 보다 균일하게 몸체(210)가 열 변형할 수 있다.
또는 몸체(210)가 다시 절반으로 분리되어 도 6c에 도시된 바와 같이 4분의 1 호를 갖는 분리형 몸체(210a-1, 210a-2)를 갖고, 분리형 몸체(210a-1, 210a-2)는 일단에는 체결부(210a)가 형성되고, 타단에는 변형 방지부재(230)이 각각 형성될 수 있다. 이 때 대향하는 변형 방지부재(230) 역시 이들을 체결하는 체결부재에 의해 조립될 수 있다.
몸체(210)의 외주면에는 원주 방향을 따라 플랜지(240)가 환상으로 형성될 수 있다. 플랜지(240)는 압축기 케이싱(150)의 내면에 형성된 홈에 끼워져 케인 배리어(200)가 고정되도록 한다. 변형 방지부재(230)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 플랜지(240)와 접하여 배치될 수 있다. 변형 방지부재(230)는 축방향으로 연장형성될 수 있는데, 이 경우 플랜지 축방향 전후로 연장될 수 있다.
연소기(20)는 압축기(10)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어낸다. 연소기(20)는 압축기(10)의 하류에 배치되며, 회전축을 중심으로 환형으로 배치되는 복수개의 버너 모듈을 포함한다.
한편, 연소기(20)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(30)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈 블레이드에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기된다. 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브(180)를 거쳐 압축기(10) 측으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
터빈(30)은 기본적으로는 압축기(10)의 구조와 유사하다. 즉, 터빈(30)에도 압축기(10)의 압축기 디스크(110)와 유사한 복수의 터빈 디스크가 구비된다. 터빈 디스크 역시 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드를 포함한다. 터빈 블레이드는 복수 개일 수 있으며, 다단으로 형성될 수 있다. 터빈 디스크의 블레이드의 사이에도 터빈 케이싱에 고정되는 터빈 베인이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.
터빈(30)에서도 압축기(10)에서와 마찬가지로 터빈 베인이 베인 캐리어에 의해 고정될 수 있으며, 상술한 베인 캐리어(200)의 특징은 압축기에서뿐만 아니라 터빈(30)에서도 동일한 원리로 작용될 수 있다. 즉, 터빈(30)에 사용되는 베인 캐리어(200)의 형상, 구조 등 기술적 특징은 상술한 압축기에 사용되는 베인 캐리어와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
도 7a 및 도 7b는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어의 열변형 정도를 시뮬레이션한 결과이다.
도 7a는 변형 방지부재가 구비되지 않은 종래의 베인 캐리어로 가스터빈을 가동했을 때 베인 캐리어의 단면의 열변형 정도를 시뮬레이션한 결과이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어로 가스터빈을 가동했을 때 열변형 정도를 시뮬레이션한 결과이다.
베인 캐리어의 열에 의한 변형량은 실제 배인 캐리어의 크기에 비해 매우 작으므로, 배인 캐리어 해석 모델의 각 node 점에서 변형량만을 추출하여 그래프를 생성하였다. Line 1은 변형량을 0으로 가정한 베인 캐리어의 단면을 나타내는 선이고, Line 2는 Line 1의 반지름을 일정 숫자로 나누어(Normalization) 변형량을 나타내는 선이다.
종래의 베인 캐리어는 도 7a에 도시된 바와 같이, 좌우 방향의 체결부(220)로 인해 상하 방향으로 열변형을 하여 원형의 단면이 상하 방향으로 연장된 타원 형상으로 변형된 것을 알 수 있다.
반면 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 캐리어는 상하 방향의 변형 방지부재(230)가 상하 방향으로의 열변형을 억제하여, 원형의 단면이 중심점을 기준으로 사방으로 균일하게 열팽창하기 때문에 열변형 후에도 거의 원형 단면 그대로를 유지할 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 : 압축기 20 : 연소기
30 : 터빈
110 : 압축기 디스크 120 : 타이로드
130 : 압축기 블레이드 140 : 압축기 베인
150 : 압축기 케이싱 160 : 인테이크
170 : 압축기 디퓨저 180 : 토크튜브
200 : 베인 캐리어 210 : 몸체
220 : 체결부 230 : 변형 방지부재
240 : 플랜지

Claims (15)

  1. 가스 터빈에 포함된 베인을 지지하는 베인 캐리어로서,
    내주면에 복수의 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체;
    상기 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및
    상기 각 몸체의 외주면에서 반경 방향으로 돌출되어 형성되고, 상기 환형의 중심으로부터 상기 체결부가 상기 몸체의 외주면에서 돌출되기 시작하는 수준과 동일한 수준에서 돌출되며, 상기 체결부의 반경 방향으로의 높이보다 같거나 낮은 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;
    를 포함하는 베인 캐리어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 변형 방지부재는,
    상기 몸체가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치되는 베인 캐리어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변형 방지부재는 상기 체결부와 대응되는 형상으로 형성되는 베인 캐리어.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변형 방지부재는 상기 체결부와 동일한 재질 및 질량으로 형성되는 베인 캐리어.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변형 방지부재는, 상기 몸체가 이루는 환형의 중심점을 지나는 축 방향을 따라 형성된 분리 홈을 포함하는 베인 캐리어.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 변형 방지부재는 상기 몸체 및 상기 체결부와 일체형으로 형성되는 베인 캐리어.
  8. 복수의 압축기 블레이드가 장착되어 다단으로 배열되는 압축기 디스크와,
    상기 압축기 디스크를 축 방향으로 관통하여 배치되며, 회전에 의해 상기 압축기 디스크를 회전시키는 타이로드와,
    상기 다단으로 배열된 블레이드와 교대로 다단으로 배열되는 압축기 베인을 지지하는 베인 캐리어와,
    상기 압축기 디스크, 상기 타이로드 및 상기 베인 케리어를 수용하는 케이싱을 포함하며,
    상기 베인 캐리어는,
    내주면에 상기 복수의 압축기 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체;
    상기 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및
    상기 각 몸체의 외주면에서 반경 방향으로 돌출되어 형성되고, 상기 환형의 중심으로부터 상기 체결부가 상기 몸체의 외주면에서 돌출되기 시작하는 수준과 동일한 수준에서 돌출되며, 상기 체결부의 반경 방향으로의 높이보다 같거나 낮은 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;
    를 포함하는 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각 변형 방지부재는,
    상기 몸체가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치되는 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각 몸체는 상하 방향으로 각각 배치되어 체결부가 수평 방향으로 나란히 배치되며,
    상기 각 변형 방지 부재는 수직방향으로 대향하여 배치되는 압축기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 변형 방지부재는 상기 체결부와 대응되는 형상으로 형성되는 압축기.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 변형 방지부재는, 상기 몸체가 이루는 환형의 중심점을 지나는 축 방향으로 형성된 분리 홈을 포함하는 압축기.
  13. 유입되는 공기를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기와,
    상기 연소기에서 연소된 가스로 동력을 발생시키는 터빈을 포함하며,
    상기 압축기는,
    복수의 압축기 블레이드가 장착되어 다단으로 배열되는 압축기 디스크와,
    상기 압축기 디스크를 축 방향으로 관통하여 배치되며, 회전에 의해 상기 압축기 디스크를 회전시키는 타이로드와,
    상기 다단으로 배열된 블레이드와 교대로 다단으로 배열되는 압축기 베인을 지지하는 베인 캐리어와,
    상기 압축기 디스크, 상기 타이로드 및 상기 베인 케리어를 수용하는 케이싱을 포함하며,
    상기 베인 캐리어는,
    내주면에 상기 복수의 압축기 베인이 배열되며, 반환형으로 형성되어 결합에 의해 환형을 이루는 한쌍의 몸체;
    상기 한쌍의 몸체가 결합되는 각 말단 부분의 외주면에서 반경 반향으로 돌출되어 형성되며, 한쌍의 몸체를 결합하는 각 체결부; 및
    상기 각 몸체의 외주면에서 반경 방향으로 돌출되어 형성되고, 상기 환형의 중심으로부터 상기 체결부가 상기 몸체의 외주면에서 돌출되기 시작하는 수준과 동일한 수준에서 돌출되며, 상기 체결부의 반경 방향으로의 높이보다 같거나 낮은 적어도 하나 이상의 변형 방지부재;
    를 포함하는 가스 터빈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각 변형 방지부재는,
    상기 몸체가 이루는 환형의 중심점을 기준으로 서로 대향하며 대칭으로 배치되는 가스 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 각 몸체는 상하 방향으로 각각 배치되어 체결부가 수평 방향으로 나란히 배치되며,
    상기 각 변형 방지 부재는 수직방향으로 대향하여 배치되는 가스 터빈.
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