KR102120097B1 - 가스 터빈의 고정 베인 노즐 - Google Patents

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데이비드 글렌 터너
찰스 매튜 라우
리 라이언 너트
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Abstract

고온 가스 에너지를 운동 형태로 전환하는 복수의 베인 세그먼트, 개의 인접한 세그먼트 사이에 배치되는 고정 실, 및 2개의 인접한 베인 세그먼트 간의 갭을 통해 고온 가스가 누설되는 것을 방지하도록 2개의 인접한 베인 세그먼트 사이에 배치되는 허니콤 실 요소를 포함하는 가스 터빈의 고정 노즐 조립체가 제공된다. 여기에서, 고정 실과 허니콤 실 요소는 서로 대향한다. 또한, 베인 세그먼트 각각은 에어포일형 베인 및 에어포일형 베인의 대향측에 배치되는 외벽과 내벽을 포함하고, 고정 실과 허니콤 실 요소는 외벽과 내벽 중 적어도 하나에 설치된다.

Description

가스 터빈의 고정 베인 노즐{STATIONARY VANE NOZZLE OF GAS TURBINE}
본 발명의 예시적 실시예들은 가스 터빈의 고정 베인 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개의 인접한 베인 세그먼트 사이에 배치되어 고온의 가스가 두 인접한 베인 세그먼트 사이에서 누설되는 것을 방지하는 허니콤 실 요소를 구비한 가스 터빈의 고정 베인 노즐에 관한 것이다.
터빈은 증기나 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계 장치로, 증기를 이용하는 증기 터빈, 고온의 연소 가스를 이용하는 가스 터빈 등을 포함한다.
가스 터빈은 연소 가스의 흐름에서 에너지를 추출하는 회전식 동력 기관이다. 가스 터빈은 압축기, 터빈, 및 연소 챔버를 포함한다. 압축기에 의해 가압된 압축 공기는 연료와 혼합된 후에 그 혼합물이 연소되어, 고온 고압의 연소 가스는 팽창되고 터빈은 팽창력에 의해 구동된다. 에너지는 샤프트를 통해 토크로서 전달되거나, 추력이나 압축 공기의 형태로 얻어진다. 이러한 에너지는 항공기, 발전기 등을 구동하는데 사용될 수 있다.
압축기에는 공기 유입구가 제공되어 그를 통해 공기가 압축기로 공급되고, 복수의 압축기 베인과 블레이드는 압축기 하우징에 교대로 배치된다. 연소기는 압축기에 의해 압축된 압축 공기에 연료를 공급하고 이를 버너로 점화하여 고온 고압의 연소 가스를 생성한다.
복수의 터빈 베인과 터빈 블레이드는 터빈의 하우징에 교대로 배치된다. 뿐만 아니라, 압축기, 연소기, 터빈, 및 배기관의 중심을 관통하는 로터도 그 내부에 제공된다.
로터의 양단은 베어링에 의해 회전가능하게 지지된다. 복수의 디스크는 로터에 고정되고 블레이드는 로터에 연결된다. 동시에, 예를 들어 발전기의 구동 샤프트는 배기 챔버의 단부에 연결된다.
가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복 기구를 구비하지 않으므로, 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰 부분이 없어 윤활의 소비가 극히 적다. 또한, 가스 터빈은 왕복 기계의 특징인 진폭이 크게 감소되어 고속 회전 운동이 가능하다는 점에서 유리하다.
가스 터빈의 열역학적 사이클은 브레이튼 사이클을 따르는 것이 이상적이다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 가열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열을 포함하는 4개의 상으로 이루어진다. 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후, 정압 환경에서 연료가 연소되어 열에너지를 방출한다. 그 후, 고온의 연소 가스는 팽창되어 운동에너지로 변환되고, 잔여 에너지를 갖고 있는 배기 가스는 대기로 방출된다. 이와 유사하게, 브레이튼 사이클은 4개의 과정, 즉 압축, 가열, 팽창, 및 방열로 이루어진다.
가스 터빈의 작동을 간략히 설명한다. 압축기에서 압축된 공기는 연료와 혼합되고 연소되어 고온의 연소 가스를 생성하고, 생성된 연소 가스는 터빈 블레이드로 분사된다. 분사된 연소 가스는 터빈 베인과 블레이드를 통과하여 터빈 블레이드에 회전력을 발생시키고, 이에 따라 터빈 블레이드에 결합된 로터를 회전시킨다.
터빈 효율을 향상시키기 위해서 연소 가스의 누설을 줄이는 것이 중요하다. 구체적으로, 인접한 베인 세그먼트 사이에 갭이 형성될 수 있다. 갭은 연소 가스의 누설 경로일 수 있고, 이러한 누설을 방지하기 위해 갭을 밀봉할 필요가 있다.
본 발명은 연소 가스의 누설을 보다 방지할 수 있는 가스 터빈의 고정 베인 노즐을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체로서 고온 가스 에너지를 운동 형태로 전환하는 복수의 베인 세그먼트와; 2개의 인접한 세그먼트 사이에 배치되는 고정 실과; 상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 간의 갭을 통해 고온 가스가 누설되는 것을 방지하도록 상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 사이에 배치되고 상기 고정 실과 대향하는 허니콤 실 요소를 포함할 수 있고, 상기 고정 노즐 조립체는 원형 형상을 갖을 수 있다.
또한, 상기 복수의 베인 세그먼트 각각은 에어포일형 베인과; 상기 에어포일형 베인의 일측에 배치되는 외벽과; 상기 에어포일형 베인의 타측에 배치되는 내벽을 포함할 수 있고, 상기 에어포일형 베인은 상기 외벽과 내벽에 고정될 수 있다.
또한, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 일단부에 설치될 수 있고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 타단부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공할 수 있고 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배킹 스트립이 상기 베인 세그먼트의 타단에 결합되도록 상기 배킹 스트립은 측면에 슬롯을 갖을 수 있다.
또한, 상기 고정 실을 상기 허니콤 실 요소에 용이하게 결합하기 위하여 상기 고정 실은 상기 허니콤 실 요소와 접촉하는 단부에 챔퍼링된 에지나 반구형 에지를 갖을 수 있다.
또한, 상기 허니콤 실 요소는 H-214 합금, Hast-X 합금, 및 L-605 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 일단부에 설치될 수 있고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 타단부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공할 수 있으며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배킹 스트립이 상기 베인 세그먼트의 타단에 결합되도록 상기 배킹 스트립은 T 형상을 갖고 측면에 슬롯을 갖을 수 있다.
또한, 상기 고정 실을 상기 허니콤 실 요소에 용이하게 결합하기 위하여 상기 고정 실은 상기 허니콤 실 요소와 접촉하는 단부에 챔퍼링된 에지를 갖을 수 있다.
또한, 상기 고정 실을 상기 허니콤 실 요소에 용이하게 결합하기 위하여 상기 고정 실은 상기 허니콤 실 요소와 접촉하는 단부에 반구형 에지를 갖을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 외부로부터 받은 공기를 압축하는 압축기와; 상기 압축기의 하류에 배치될 수 있고, 상기 압축기로부터 공급된 압축 공기를 연료와 혼합하고, 그 혼합물을 일정한 압력에서 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 생성하는 연소기와; 고정 노즐 조립체 및 터빈 블레이드를 구비할 수 있고, 상기 연소기에서 생성된 고온 고압의 연소 가스가 공급되는 터빈과; 상기 압축기와 터빈에 연결되어 상기 터빈에서 발생된 회전력을 상기 압축기에 전달해서, 상기 압축기의 회전을 발생시키는 회전 샤프트를 포함할 수 있고. 상기 고정 노즐 조립체는 고온 가스 에너지를 운동 형태로 전환하는 복수의 베인 세그먼트와; 2개의 인접한 세그먼트 사이에 배치되는 고정 실과; 상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 간의 갭을 통해 고온 가스가 누설되는 것을 방지하도록 상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 사이에 배치될 수 있고 상기 고정 실과 대향하는 허니콤 실 요소를 포함할 수 있고, 상기 고정 노즐 조립체는 원형 형상을 갖을 수 있다.
또한, 상기 복수의 베인 세그먼트 각각은 에어포일형 베인과; 상기 에어포일형 베인의 일측에 배치되는 외벽과; 상기 에어포일형 베인의 타측에 배치되는 내벽을 포함할 수 있고, 상기 에어포일형 베인은 상기 외벽과 내벽에 고정될 수 있다.
또한, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 일단부에 설치될 수 있고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 타단부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공할 수 있으며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배킹 스트립이 상기 베인 세그먼트의 타단에 결합되도록 상기 배킹 스트립은 측면에 슬롯을 갖을 수 있다.
또한, 상기 고정 실을 상기 허니콤 실 요소에 용이하게 결합하기 위하여 상기 고정 실은 상기 허니콤 실 요소와 접촉하는 단부에 챔퍼링된 에지나 반구형 에지를 갖을 수 있다.
또한, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 일단부에 더 설치될 수 있고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 타단부에 더 설치될 수 있다.
나아가, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공할 수 있으며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 가스 터빈의 고정 노즐 조립체는, 연소 가스의 누설을 줄여서 터빈 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 이러한 및/또는 다른 양태, 특징, 및 이점은 첨부한 도면과 함께 다음의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명백해지고 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 전체 구조를 나타낸 도면이고;
도 2는 가스 터빈의 고정 노즐 조립체를 나타낸 도면이고;
도 3 및 4는 고정 노즐 조립체를 구성하는 베인 세그먼트를 나타낸 도면이고;
도 5는 고정 노즐 조립체를 구성하기 위한 베인 세그먼트의 조립체를 나타낸 도면이고;
도 6은 고정 실과 조인트 슬롯으로 서로 결합된 2개의 인접한 베인 세그먼트를 나타낸 도면이고;
도 7은 고정 실과 조인트 슬롯으로 서로 결합된 2개의 인접한 베인 세그먼트를 나타낸 사시도이고;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 실과 허니콤 실 요소로 서로 결합된 2개의 인접한 베인 세그먼트를 나타낸 도면이고;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 실과 허니콤 실 요소로 서로 결합된 2개의 인접한 베인 세그먼트를 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 예시적 실시예들을 보다 상세하게 설명할 것이다. 도면에서 구성요소에 부여된 참조 부호와 관련하여, 동일한 구성요소들이 다른 도면에 도시되어 있더라도, 이들은 가능한 동일한 참조 부호들에 의해 지칭된다는 것을 유념해야 할 것이다. 또한, 예시적 실시예들의 설명에 있어서, 잘 알려진 관련 구조나 기능의 상세한 설명이 본 발명의 모호한 해석을 유발할 것으로 여겨지면 이러한 설명은 생략될 것이다.
그러나, 개시된 특정 예시적 실시예들로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니라는 것을 이해하여야 한다. 그 반대로, 예시적 실시예들은 그 범위에 포함되는 모든 변형, 균등물, 및 대체물을 포함할 것이다. 도면 전체에 걸쳐서 유사한 부호들은 유사한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위한 것으로, 이는 한정되게 의도되지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다" "포함하는", "구비하다", "구비하는", "갖고", 및/또는 "갖는" 용어는 명세서상에 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 소자, 및/또는 구성요소의 존재를 지칭하려는 것이지, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 소자, 구성요소, 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는 것으로 또한 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 구성요소를 설명하기 위하여 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등과 같은 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어들 각각은 해당 구성요소의 본질, 순서, 또는 차례를 정의하는데 사용되지 않고, 그 해당 구성요소를 다른 구성요소(들)와 단지 구별하는데 사용된다. 본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합", 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 직접적으로 연결, 결합, 또는 접속될 수 있을 지라도, 제1 및 제2 구성요소 사이에 제3 구성요소가 "연결", "결합" 및 "접속"될 수도 있다는 것을 유념하여야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용된 기술 및 과학적 용어를 포함하는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해되는 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 안되고 관련 기술의 문맥에서 그 의미와 일관되는 의미로 해석될 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 예시적 실시예들을 상세하게 설명할 것이다. 그 구성 및 효과는 다음의 설명으로부터 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 전체 구조를 도시하고 있고, 도 2는 가스 터빈의 고정 노즐 조립체를 도시하고 있다. 도 3 및 4는 고정 노즐 조립체를 구성하는 베인 세그먼트를 나타낸 도시하고 있는데 반해, 도 5는 고정 노즐 조립체를 이루기 위해 베인 세그먼트를 조립하기 위한 방식을 도시하고 있다. 도 6 및 7은 고정 실과 조인트 슬롯으로 서로 결합된 2개의 인접한 베인 세그먼트를 나타낸 도면이고, 도 8 및 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 실과 허니콤 실 요소로 서로 결합된 2개의 인접한 베인 세그먼트를 나타낸 도면이다.
가스 터빈(100)은 하우징(102) 및 디퓨저(106)를 포함한다. 디퓨저(106)는 하우징(102)의 후방에 설치되어 가스 터빈(100)을 통과한 연소 가스를 배출한다. 가스 터빈(100)은 압축기와 디퓨저(106) 사이의 부분에 배치되는 연소기(104)를 더 포함하고, 이러한 연소기(104)는 압축 공기를 공급받아 공기를 연소시킨다.
공기의 흐름 방향을 기준으로, 압축기 섹션(110)은 하우징(102)의 상류에 위치되고, 터빈 섹션(120)은 그의 하류에 위치된다. 토크 튜브(130)는 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120) 사이에 배치되고, 토크 전달 부재로서 역할을 하여 터빈 섹션(120)에서 발생된 토크를 압축기 섹션(110)으로 전달한다.
압축기 섹션(110)은 복수의 압축기 로터 디스크(140)를 포함하고, 이들은 축 방향을 따라 서로 분리되지 않도록 타이 볼트(150)로 체결된다.
구체적으로, 압축기 로터 디스크(140)의 중앙부를 관통해 삽입되는 타이 볼트(150)에 의해 압축기 로터 디스크(140)는 축 방향을 따라 정렬되어 있다. 인접한 압축기 로터 디스크(140)의 대향면은 타이 볼트(150)에 의해 서로 밀착되고, 이에 따라 압축기 로터 디스크(140)는 서로 상대 회전할 수 없다.
압축기 로터 디스크(140)는 그의 외주면에 결합되는 복수의 블레이드(144)를 갖는다. 압축기 블레이드(144)는 방사상으로 배치되고, 각각은 압축기 로터 디스크(140)에 체결되는 루트부(146)를 갖는다.
베인은 각각의 압축기 로터 디스크(140) 사이에 배치되고 하우징에 고정된다. 압축기 로터 디스크와 달리, 하우징에 고정된 베인은 회전할 수 없다. 베인은 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하고 하류 측에 위치되는 다른 로터 디스크의 블레이드로 압축 공기를 안내하는 역할을 한다.
루트부(146)는 탄젠셜 타입이나 액시얼 타입으로 체결될 수 있다. 루트부(146)는 가스 터빈에서 요구되는 구조에 따라 선택된 체결 타입을 통해 체결될 수 있다. 체결 타입은 도브테일 형태 또는 전나무 형태를 포함할 수 있다. 체결 타입은 이에 한정되는 것은 아니고 다른 체결구, 예를 들어, 키 또는 볼트로 변경될 수 있다.
타이 볼트(150)는 복수의 압축기 로터 디스크(140)의 중앙부를 관통해 배치된다. 타이 볼트(150)의 일단은 최상류측에 위치된 압축기 로터 디스크의 내부에 체결되어, 타단은 토크 튜브(130)의 내부에 고정된다.
타이 볼트(150)는 가스 터빈에 따라 다양한 구조를 포함할 수 있으므로, 타이 볼트(150)의 형상은 도 1에 도시된 형상으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 타이 볼트가 도 1에 도시된 바와 같이 로터 디스크의 중앙부를 관통해 배치될 수 있거나, 또는 복수의 타이 볼트가 로터 디스크의 원주 상에 배치될 수 있다. 이러한 두 구조가 함께 사용될 수 있다.
연소기(104)는 압축 공기를 연료와 혼합하고 연료 혼합물을 연소시켜 높은 에너지를 갖는 고온 고압의 연소 가스를 생성하여, 등압 연소 과정을 통해 연소기와 터빈의 내열 한도까지 연소 가스의 온도를 증가시킨다.
가스 터빈의 연소 시스템은 셀 형태로 형성된 케이싱 내에 복수의 연소기를 포함할 수 있다. 각 연소기는 연료 분사 노즐 등을 갖는 버너, 연소 챔버를 구성하는 연소기 라이너, 및 연소기와 터빈 간의 연결부로서 역할을 하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.
구체적으로, 라이너는 연료 분사 노즐에 의해 분사된 연료가 압축기에 의해 가압된 압축 공기와 혼합되고 연료와 압축 공기의 혼합물이 연소될 수 있는 연소 공간을 제공한다. 연소기 라이너는 연료 혼합물이 연소되는 연소 공간을 제공하기 위한 화염 튜브, 및 화염 튜브를 둘러싸면서 링 형태의 공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 연료 분사 노즐은 연소기 라이너의 전단에 결합되고, 점화 플러그가 라이너의 측벽에 결합될 수 있다.
고압 고온의 연소 가스를 터빈 측으로 전달하기 위하여 트랜지션 피스가 연소기 라이너의 후단에 연결된다. 고온의 연소 가스로 인한 손상으로부터 트랜지션 피스를 보호하기 위하여 트랜지션 피스의 외벽은 압축기로부터 공급되는 압축 공기에 의해 냉각된다.
연소기에서 나온 고온 고압의 연소 가스는 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 고온 고압의 연소 가스는 팽창되어 그 결과 터빈의 회전 블레이드에 구동력 또는 반동력을 가하게 되고, 이에 의해 터빈 블레이드에 토크를 발생시킨다. 터빈 블레이드는 토크 튜브(130)에 결합되므로, 발생된 토크는 압축기 섹션(110)으로 전달될 수 있다. 또한, 압축기의 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용될 수 있다.
터빈 섹션(120)은 기본적으로 압축기 섹션(110)과 유사한 구조를 갖는다. 터빈 섹션(120)은 압축기 섹션(110)의 압축기 로터 디스크(140)와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)를 포함한다. 그러므로, 터빈 로터 디스크(180)의 각각은 방사상으로 배치된 복수의 터빈 로터 블레이드(184)를 포함할 수 있다. 또한, 터빈 로터 블레이드(184)는 도브테일형 부품 등을 통해 터빈 로터 디스크(180)에 결합될 수 있다.
더 나아가, 하우징에 고정되는 터빈 스테이터(또는 터빈 베인)는 터빈 로터 디스크(180)의 터빈 로터 블레이드(184) 사이에 배치되고 블레이드를 통과하는 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 스테이터에는 복수의 베인 세그먼트가 제공될 수 있다.
터빈 스테이터는 하우징을 형성하는 터빈 쉘, 터빈 로터 블레이드(184)용 회전 공간을 제공하면서 로터 블레이드와 하우징 간의 갭을 최소화하는 슈라우드, 및 복수의 베인 세그먼트가 원주 방향을 따라 연속적으로 배치된 고정 노즐 조립체(160)를 포함할 수 있다. 도 2는 예시적인 고정 노즐 조립체(160)를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 노즐 조립체(160)는 그의 축을 중심으로 원형이나 환형 형상을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고정 노즐 조립체(160)에는 복수의 베인 세그먼트(170)가 제공될 수 있다. 도 3 및 4는 베인 세그먼트(170)를 도시하고 있다. 또한, 베인 세그먼트(170) 각각은 에어포일형 베인(171), 베인의 일측에 위치되고 냉각 공기 유로를 갖는 외벽(172), 및 베인의 타측에 위치되고 냉각 공기 유로를 갖는 내벽(173)을 더 포함할 수 있다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 베인 세그먼트(170)는 복수의 베인(171)을 구비할 수 있다. 통상적인 가스 터빈은 3단식 또는 4단식의 터빈 스테이터를 구비할 수 있다. 터빈 스테이터의 고정 노즐을 형성하는 베인 세그먼트(170) 각각은 상이한 개수의 에어포일형 베인(171)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 제1단 고정 노즐은 2개의 에어포일형 베인(171)을 갖는 베인 세그먼트(170)를 포함할 수 있고, 제2단 고정 노즐은 3개의 에어포일형 베인(171)을 갖는 베인 세그먼트(170)를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 제3단 고정 노즐은 4개의 에어포일형 베인(171)을 갖는 베인 세그먼트(170)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 노즐 조립체를 형성하는 베인 세그먼트(170)는 이러한 에어포일형 베인(171)의 개수에 한정되지 않고, 각 단계에서 고정 노즐의 효율을 증가시키도록 변경될 수 있다.
고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 복수의 베인 세그먼트(170)를 연결함으로써 고정 노즐 조립체가 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 베인 세그먼트(170)는 인접한 베인 세그먼트(170)에 원주 방향을 따라 순차적으로 결합될 수 있다. 따라서, 고정 노즐 조립체(160)는 베인 세그먼트(170)를 조합하여 환형 형태로 형성될 수 있다.
복수의 베일 세그먼트(170)는 고정 노즐 조립체의 중심으로부터 동일한 간격으로 배치되는 것이 바람직할 수 있고, 이들은 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 균일한 간격으로 서로 이격되게 구성될 수 있다.
가스 터빈의 터빈 섹션(120)은, 고온 고압의 연소 가스가 통과함에 따라, 연소 가스의 열 에너지를 터빈의 회전 에너지로 전환하여, 터빈 디스크의 회전을 발생시킨다. 터빈 회전은 가스 터빈의 전단에 위치된 압축기의 회전을 유발하여 전기 에너지를 생성하도록 공기를 압축하고 발전기를 구동시킨다.
베인 세그먼트(170) 중 하나가 다른 베인 세그먼트(170)에 결합될 때, 고온 고압의 연소 가스는 2개의 인접한 베인 세그먼트(170) 간의 갭을 통해 누설될 수 있다. 이러한 고온 고압의 연소 가스의 누설은 터빈 효율을 감소시키므로, 고온 고압의 연소 가스가 갭을 통해 누설되는 것을 방지하기 위하여 2개의 베인 세그먼트(170) 사이에 충분한 실링이 요구된다.
전술한 바와 같이, 터빈 섹션의 베인 세그먼트(170)는 일정 간격의 갭을 두고 서로 이격되어 있고, 고온 고압의 연소 가스와의 접촉으로 인해 열 팽창이 일어나기 때문에 이러한 갭을 버트 갭(butt gap; 174)이라고 한다. 버트 갭은 베인 세그먼트(170)가 열 팽창으로 인해 팽창될 때 인접한 베인 세그먼트(170)와의 마찰을 방지할 수 있다. 그러나, 열 팽창이 일어나지 않거나 충분하지 않다면 버트 갭을 통한 연소 가스의 누설은 필연적으로 발생되어, 터빈 효율의 감소를 초래한다.
인접한 베인 세그먼트(170) 사이에서 가스 누설을 억제하는데 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 노즐 조립체는 일측에서 베인 세그먼트(170)에 제공되는 고정 실(176)을 더 포함할 수 있고, 타측에서 베인 세그먼트(170)에 조인트 슬롯(175)이 위치될 수 있고, 이러한 실과 슬롯은 서로 대향하도록 설치될 수 있어서, 연소 가스의 누설을 방지한다.
대안적으로, 인접한 베인 세그먼트(170) 사이에서 누설을 억제하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 노즐 조립체(160)는 일측에서 베인 세그먼트(170)에 고정되는 고정 실(176), 고정 실(176)과 대향하면서 타측에서 베인 세그먼트(170)에 부착되는 허니콤 실 요소(177), 및 허니콤 실 요소(177)를 지지하며 허니콤 실 요소(177)용 설치 공간을 제공하는 배킹 스트립(178)을 더 포함할 수 있다. 도 8은 2개의 인접한 베인 세그먼트(170) 간의 갭을 통해 연소 가스가 누설되는 것을 억제하기 위하여 2개의 베인 세그먼트(170), 즉 고정 실(176), 허니콤 실 요소(177), 및 배킹 스트립(178)을 갖는 Side-A 및 Side-B를 도시하고 있다.
여기에서, 고정 실이 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 베인 세그먼트의 외벽의 일단에 설치되는 경우, 허니콤 실 요소는 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 베인 세그먼트의 외벽의 타단에 설치될 수 있다. 이와 유사하게, 고정 실은 베인 세그먼트의 내벽의 일단에 설치될 수 있고, 허니콤 실 요소는 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 베인 세그먼트의 내벽의 타단에 설치될 수 있다.
2개의 인접한 베인 세그먼트(170)가 서로 결합될 때, 고정 실(176)은 허니콤 실 요소(177)와 접촉한다. 그러므로, 2개의 인접한 베인 세그먼트(170) 간의 갭을 통한 연소 가스의 누설은, 두 인접한 베인 세그먼트(170)가 서로 이격되어 있더라도, 고정 실(176)과 허니콤 실 요소(177)를 결합시킴으로써 억제될 수 있다.
인접한 베인 세그먼트(170)가 열 팽창으로 인해 팽창하는 경우, 일측에서 베인 세그먼트(170)에 설치된 고정 실(176)과 타측에서 베인 세그먼트(170)에 부착된 허니콤 실 요소(177)는 더 가까워질 수 있다. 그러므로, 2개의 인접한 베인 세그먼트(170) 간의 실링은 더욱 견고하게 유지될 수 있으면서 인접한 베인 세그먼트(170)는 여전히 서로 이격되어 있을 수 있다.
2개의 인접한 베인 세그먼트(170)가 서로 결합될 때 두 인접한 베인 세그먼트 간의 갭을 통해 연소 가스가 누설되는 것을 억제하기 위하여 고정 실(176), 허니콤 실 요소(177), 및 배킹 스트립(178)은 베인 세그먼트(170)의 외벽(172) 또는 내벽(173)에 설치되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 노즐 조립체(160)에서, 고정 실(176), 허니콤 실 요소(177), 및 배킹 스트립(178)은 베인 세그먼트(170)의 외벽(172)과 내벽(173) 양자에 설치될 수 있다.
도 9를 참조하면, 2개의 인접한 베인 세그먼트(170)가 서로 결합되는 경우, 두 인접한 베인 세그먼트(170)가 외벽(172)과 내벽(173)에서 서로 접하는 것을 알 수 있다. 베인(171)은 고온 고압의 연소 가스를 안내하여 다음 단의 터빈 로터 블레이드로 전달하기 때문에 베인(171)은 서로 이격되게 설치된다. 도 2에 도시된 바와 같은 고정 노즐 조립체(160)에서, 베인은 서로 이격된 것으로 도시되어 있다.
여기에서, 베인(171) 자체가 서로 이격되어 있으면서 2개의 인접한 베인 세그먼트(170) 간의 갭을 통해 연소 가스가 누설되는 것을 억제하기 위하여 고정 실(176), 허니콤 실 요소(177), 및 배킹 스트립(178)은, 바람직하게는, 베인 세그먼트(170)의 외벽(172)과 내벽(173)에 설치될 필요가 있다. 이러한 방식으로, 베인과 고온 고압의 연소 가스의 접촉을 최대화할 수 있고, 그 결과 연소 가스의 열 에너지는 보다 효율적인 방식으로 터빈의 회전 에너지로 더 많이 전환될 수 있다.
배킹 스트립(178)이 베인 세그먼트(170)에 고정될 수 있게 배킹 스트립(178)은 T 형상을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 세그먼트(170)의 외벽(172)과 내벽(173)에는 배킹 스트립(178)을 수용할 수 있는 슬롯 홈이 제공될 수 있다.
전술한 바와 같이, 고정 노즐 조립체(160)에 포함된 고정 실(176)의 일단은 일측에서 베인 세그먼트(170)에 고정되고, 고정 실(176)의 타단은 허니콤 실 요소(177)와 결합된다. 고정 실(176)과 허니콤 실 요소(177)를 용이하게 결합하기 위하여, 고정 실(176)에는 고정 실(176)이 허니콤 실 요소(177)에 결합되는 부분에 챔퍼링된 에지(179)가 제공될 수 있다. 2개의 인접한 베인 세그먼트(170)가 서로 결합될 때, 일측에서 베인 세그먼트(170) 상의 고정 실(176)은 타측에서 베인 세그먼트(170) 상의 허니콤 실 요소(177)에 묻히도록 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 고정 실(176)의 챔퍼링된 에지(179)에 의해 고정 실(176)은 허니콤 실 요소(177)와 더 용이하게 결합된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 실(176)의 단부는 챔퍼링된 에지(179)로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 고정 실(176)에는 고정 실(176)이 허니콤 실 요소(177)에 결합되는 부분에 반구형 에지(179a)가 제공될 수 있다. 고정 실(176)과 허니콤 실 요소(177) 간의 갭을 통해 연소 가스가 누설되는 것을 억제하면서 고정 실(176)을 허니콤 실 요소(177)와 보다 용이하게 결합하기 위하여 고정 실의 형상을 다양한 다른 형상으로 변경할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
허니콤 실 요소(177)는 고온 및 산화에 대한 저항성을 갖도록 니켈 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 허니콤 실 요소(177)는 H-214 합금, Hast-X 합금, 또는 L-605 합금으로 이루어질 수 있다. 허니콤 실 요소(177)의 재료는 이에 한정되는 것은 아니고, 허니콤 실 요소(177)는 다양한 다른 재료로 이루어질 수 있다.
고정 노즐 조립체를 예시적 실시예들을 통해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 명세서에서 개시된 기본 사상에 따라 가장 넓은 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 본 발명의 범위 내로 해석되어야 하는 개시된 예시적 실시예들을 조합하거나 대체함으로써 전술하지 않은 형태의 패턴을 구현할 수 있다. 더 나아가, 다양한 수정 및 변형이 청구범위의 사상이나 범위로부터 벗어남이 없이 이러한 예시적 실시예들에 대해 용이하게 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
100 : 가스 터빈 102 : 하우징
104 : 연소기 106 : 디퓨저
110 : 압축기 섹션 120 : 터빈 섹션
130 : 토크 튜브 140 : 로터 디스크
144 : 압축기 블레이드 146 : 루트부
150 : 타이 볼트 180 : 터빈 로터 디스크
184 : 터빈 로터 블레이드

Claims (20)

  1. 가스 터빈의 고정 노즐 조립체로서,
    고온 가스 에너지를 운동 형태로 전환하는 복수의 베인 세그먼트;
    2개의 인접한 세그먼트 사이에 배치되는 고정 실; 및
    상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 간의 갭을 통해 고온 가스가 누설되는 것을 방지하도록 상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 사이에 배치되고 상기 고정 실과 대향하는 허니콤 실 요소를 포함하고,
    상기 고정 실을 상기 허니콤 실 요소에 용이하게 결합하기 위하여 상기 고정 실은 상기 허니콤 실 요소와 접촉하는 단부에 챔퍼링된 에지나 반구형 에지를 갖고,
    상기 고정 실의 단부는 상기 허니콤 실 요소에 묻히도록 결합하며,
    상기 인접한 베인 세그먼트의 열팽창에 따라 상기 인접한 베인 세그먼트 간의 갭이 작아지면, 상기 고정 실의 단부가 상기 허니콤 실 요소에 묻히는 깊이가 깊어지고,
    상기 고정 노즐 조립체는 원형 형상을 갖는,
    가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 베인 세그먼트 각각은,
    에어포일형 베인;
    상기 에어포일형 베인의 일측에 배치되는 외벽; 및
    상기 에어포일형 베인의 타측에 배치되는 내벽을 포함하고,
    상기 에어포일형 베인은 상기 외벽과 내벽에 고정되는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 일단부에 설치되고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 타단부에 설치되는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공하며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함하는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배킹 스트립이 상기 베인 세그먼트의 타단에 결합되도록 상기 배킹 스트립은 측면에 슬롯을 갖는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 상기 허니콤 실 요소는 H-214 합금, Hast-X 합금, 및 L-605 합금 중 어느 하나로 이루어지는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  8. 제3항에 있어서, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 일단부에 설치되고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 타단부에 설치되는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공하며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함하는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 배킹 스트립이 상기 베인 세그먼트의 타단에 결합되도록 상기 배킹 스트립은 T 형상을 갖고 측면에 슬롯을 갖는, 가스 터빈의 고정 노즐 조립체.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 외부로부터 받은 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기의 하류에 배치되고, 상기 압축기로부터 공급된 압축 공기를 연료와 혼합하고, 그 혼합물을 일정한 압력에서 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 생성하는 연소기;
    고정 노즐 조립체 및 터빈 블레이드를 구비하고, 상기 연소기에서 생성된 고온 고압의 연소 가스가 공급되는 터빈; 및
    상기 압축기와 터빈에 연결되어 상기 터빈에서 발생된 회전력을 상기 압축기에 전달해서, 상기 압축기의 회전을 발생시키는 회전 샤프트를 포함하고,
    상기 고정 노즐 조립체는,
    고온 가스 에너지를 운동 형태로 전환하는 복수의 베인 세그먼트;
    2개의 인접한 세그먼트 사이에 배치되는 고정 실; 및
    상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 간의 갭을 통해 고온 가스가 누설되는 것을 방지하도록 상기 2개의 인접한 베인 세그먼트 사이에 배치되고 상기 고정 실과 대향하는 허니콤 실 요소를 포함하고,
    상기 고정 실을 상기 허니콤 실 요소에 용이하게 결합하기 위하여 상기 고정 실은 상기 허니콤 실 요소와 접촉하는 단부에 챔퍼링된 에지나 반구형 에지를 갖고,
    상기 고정 실의 단부는 상기 허니콤 실 요소에 묻히도록 결합하며,
    상기 인접한 베인 세그먼트의 열팽창에 따라 상기 인접한 베인 세그먼트 간의 갭이 작아지면, 상기 고정 실의 단부가 상기 허니콤 실 요소에 묻히는 깊이가 깊어지고,
    상기 고정 노즐 조립체는 원형 형상을 갖는,
    발전용 가스 터빈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 베인 세그먼트 각각은,
    에어포일형 베인;
    상기 에어포일형 베인의 일측에 배치되는 외벽; 및
    상기 에어포일형 베인의 타측에 배치되는 내벽을 포함하고,
    상기 에어포일형 베인은 상기 외벽과 내벽에 고정되는, 발전용 가스 터빈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 일단부에 설치되고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 외벽의 타단부에 설치되는, 발전용 가스 터빈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공하며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함하는, 발전용 가스 터빈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 배킹 스트립이 상기 베인 세그먼트의 타단에 결합되도록 상기 배킹 스트립은 측면에 슬롯을 갖는, 발전용 가스 터빈.
  18. 삭제
  19. 제15항에 있어서, 상기 고정 실은 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 일단부에 더 설치되고, 상기 허니콤 실 요소는 상기 고정 노즐 조립체의 원주 방향을 따라 상기 베인 세그먼트의 내벽의 타단부에 더 설치되는, 발전용 가스 터빈.
  20. 제19항에 있어서, 상기 허니콤 실 요소용 설치 공간을 제공하며 상기 허니콤 실 요소가 고정되는 배킹 스트립을 더 포함하는, 발전용 가스 터빈.
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