KR102153065B1 - 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트는 터빈 블레이드의 팁 외측에 배치되는 링 세그먼트로서, 터빈 블레이드에 대향하는 세그먼트 본체; 및 세그먼트 본체 내부에 일 방향으로 배치되며, 내부를 흐르는 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 내부 냉각 채널에 와류를 발생시켜 와류 효과의 극대화를 통해 열전달 성능을 향상시킬 수 있으며, 직교류 효과(Cross flow effect)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈{RING SEGMENT AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.
이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.
대한민국 등록특허 제 10-1623303호 (명칭: 가스터빈용 블레이드 링 세그먼트)
본 발명의 일측면은 내부 냉각 채널에 와류를 발생시켜 와류 효과의 극대화를 통해 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트는 터빈 블레이드의 팁 외측에 배치되는 링 세그먼트로서, 터빈 블레이드에 대향하는 세그먼트 본체; 및 세그먼트 본체 내부에 일 방향으로 배치되며, 내부를 흐르는 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 냉각 채널은 소정 반경을 갖는 볼록한 곡면이 일 방향을 따라 연속적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 냉각 채널은 세그먼트 본체 내부에 나선형으로 형성되는 내벽을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 냉각 채널은 내벽을 따라 나선형으로 배치되는 스트립을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 냉각 채널은 세그먼트 본체 외부에서 냉각 유체가 유입되는 복수의 유입홀; 및 냉각 유체가 냉각 채널 내부에서 세그먼트 본체의 외부로 유출되는 복수의 유출홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 복수의 유입홀 및 유출홀은 각각 냉각 채널의 일 방향을 따라서 일렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트에 있어서, 유입홀이 이루는 열과 유출홀이 이루는 열은 냉각 채널 내부에서 서로 대향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 유입되는 공기를 압축하는 압축기; 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 연소 가스가 지나는 연소 가스 경로를 둘러싸는 링 세그먼트와, 연소 가스 경로 상에서 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 연소 가스 경로 상에서 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈;을 포함한다. 여기서, 링 세그먼트는 터빈 블레이드의 팁 외측에 배치되며, 터빈 블레이드에 대향하는 세그먼트 본체; 및 세그먼트 본체 내부에 일 방향으로 배치되며, 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 터빈 베인은 리딩 에지와 트레일링 에지가 형성된 에어포일; 및 에어포일 양단에 배치되어 에어포일을 지지하는 내측 및 외측 슈라우드;를 포함한다. 여기서, 외측 슈라우드는, 외측 슈라우드 내부에 일 방향으로 배치되며, 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각 채널은 소정 반경을 갖는 볼록한 곡면이 일 방향을 따라 연속적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각 채널은 세그먼트 본체 내부에 나선형으로 형성되는 내벽을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각 채널은 내벽을 따라 나선형으로 배치되는 스트립을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각 채널은 세그먼트 본체 외부에서 냉각 유체가 유입되는 복수의 유입홀; 및 냉각 유체가 냉각 채널 내부에서 세그먼트 본체의 외부로 유출되는 복수의 유출홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 복수의 유입홀 및 유출홀은 각각 냉각 채널의 일 방향을 따라서 일렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 유입홀이 이루는 열과 유출홀이 이루는 열은 냉각 채널 내부에서 서로 대향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 내부 냉각 채널에 와류를 발생시켜 와류 효과의 극대화를 통해 열전달 성능을 향상시킬 수 있으며, 직교류 효과(Cross flow effect)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트의 일부를 절단하여 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인의 일부를 절단하여 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트 또는 터빈 베인에 형성된 냉각 채널의 다양한 변형예를 나타내는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 링 세그먼트 및 이를 포함하는 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.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1)은 압축기(10), 연소기(20), 터빈(30)을 포함한다. 압축기(10)는 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 역할을 하며, 압축된 공기를 연소기 측으로 전달한다. 압축기(10)는 방사상으로 설치된 다수의 압축기 블레이드를 구비하며, 터빈(30)의 회전으로부터 생성된 동력의 일부를 전달받아 압축기 블레이드가 회전하며, 블레이드의 회전에 의해 공기가 압축되면서 연소기(20) 측으로 이동한다. 블레이드의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다.
압축기(10)에서 압축된 공기는 연소기(20)로 이동하여 환형으로 배치된 복수의 연소 챔버와 연료 노즐 모듈(22)을 통해 연료와 혼합하여 연소된다. 연소로 인해 발생된 고온의 연소 가스는 터빈(30)으로 배출되며, 연소 가스에 의해 터빈이 회전하게 된다.
터빈(30)은 터빈 로터 디스크를 축방향으로 결합하는 센터 타이로드를 통해 다단으로 배열된다. 터빈 로터 디스크는 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(300)를 포함한다. 터빈 블레이드(300)는 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 블레이드(300)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(200)이 구비되어, 터빈 블레이드(300)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 터빈(30)은 터빈 베인(200)과 터빈 블레이드(300)가 가스 터빈(1)의 축 방향을 따라 n개씩 교대로 배열될 수 있다. 고온의 연소가스는 축 방향을 따라 터빈 베인(200) 및 터빈 블레이드(300)를 통과하고 터빈 블레이드(300)를 회전시킨다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트의 일부를 절단하여 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인의 일부를 절단하여 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트는 세그먼트 본체(110) 및 냉각 채널(120)을 포함한다.
링 세그먼트(100)는 터빈 블레이드(300)의 팁 외측에 배치되며, 터빈(30)에서 연소 가스가 지나는 경로를 형성하며 고온 고압의 연소 가스가 누설되는 것을 방지한다.
링 세그먼트(100)는 터빈 블레이드(300)를 수용하는 터빈 케이싱 내에 설치되어 회전하는 터빈 블레이드(300)의 외곽을 둘러싸도록 위치하고, 이 때 케이싱의 내부 공간에 대향하는 링 세그먼트(100)의 일면은 고온 고압의 연소 가스에 노출되어 높은 열부하가 발생될 수 있고, 열부하에 의해 블레이드 링 세그먼트의 파손이 발생할 수 있다. 이러한 링 세그먼트(100)는 열부하에 의한 파손을 방지하기 위해 복수의 냉각 채널이 내부에 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 세그먼트 본체(110)는 터빈 블레이드(300)에 대향하며, 일면이 연소 가스가 지나는 경로를 형성하며 연소 가스에 노출된다. 세그먼트 본체(110)의 타면에는 케이싱(400)과 결합하도록 후크부(130)이 형성되어 있다.
냉각 채널(120)은 세그먼트 본체(110) 내부에 일 방향으로 배치되며, 내부를 흐르는 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성될 수 있다.
냉각 채널(120)은 링 세그먼트(100)뿐 아니라 도 5에 도시된 바와 같이, 터빈 베인(200)에서 형성될 수 있다. 터빈 베인(200)은 에어포일(210) 및 내측 및 외측 슈라우드(212, 214)를 포함한다.
에어포일(210)은 리딩 에지(2101)와 트레일링 에지(2102)가 형성되어 있으며, 리딩 에지(2101)는 에어포일(210)에서 유동하는 유체를 맞이하는 앞 부분의 끝단을 의미하며, 트레일링 에지(2102)는 에어포일(210)의 뒷 부분의 끝단을 의미한다. 에어포일(210)은 리딩 에지(2101) 및 트레일링 에지(2102)를 연결하여 형성되는 압력면(pressure side)과 흡입면(suction side)를 구비하며, 유동하는 유체는 압력면에 압력을 가한다.
내측 및 외측 슈라우드(212, 214)는 에어포일(210) 양단에 배치되어 에어포일(210)을 지지하며, 각각 플랫폼부 및 루트부를 포함할 수 있다. 터빈 베인(200)은 내측 슈라우드(212)가 가스 터빈의 내측 회전축을 향하는 방향으로, 외측 슈라우드(214)가 가스 터빈의 외부를 향하는 방향으로 배치된다.
외측 슈라우드(214)의 플랫폼부(2141)는 판면이 에어포일(210)을 향하도록 판상으로 형성되며, 루트부(2142)는 플랫폼부(2141)의 외측 판면, 즉 에어포일(110)과 접하는 판면의 반대면 상에 배치되며, 플랫폼부(2141)로부터 외측으로 연장형성된다.
냉각 유체는 압축기(10)에서 연결된 외부 냉각 유로(미도시)를 따라 터빈 케이싱을 통해 외측 슈라우드로 유입될 수 있는데, 이 때 내부에 형성된 냉각 채널(220)을 지나면서 터빈 베인(200)을 냉각할 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 세그먼트 또는 터빈 베인에 형성된 냉각 채널의 다양한 변형예를 나타내는 도면이다.
냉각 채널(120)은 세그먼트 본체(110) 외부에서 냉각 유체가 유입되는 복수의 유입홀(122); 및 냉각 유체가 냉각 채널 내부에서 세그먼트 본체(110)의 외부로 유출되는 복수의 유출홀(124)을 포함할 수 있다.
복수의 유입홀(122) 및 유출홀(124)은 각각 냉각 채널(120)의 연장 방향을 따라서 일렬로 배열될 수 있으며, 유입홀(122)이 이루는 열과 유출홀(124)이 이루는 열은 냉각 채널(120) 내부에서 서로 대향하여 배치될 수 있다.
냉각 유체는 외부에서 유입홀(122)을 통해 냉각 채널(120)로 유입되어 냉각 채널(120)의 구조에 의해 와류가 형성되면서 냉각 채널(120)을 지나고, 유출홀(124)을 통해 빠져 나간다.
와류를 발생시킴으로써 냉각 채널(120) 내에 열전달 성능을 향상시킬 수 있다. 와류가 생성되지 않으면, 냉각 채널(120)을 흐르는 냉각 유체에서 흐름이 서로 직각이 이루어 교차하면서 흐르는 직교류 효과(Cross flow effect)가 발생하면서 유체의 흐름이 원활히 이루어지지 않을 수 있다.
냉각 채널(120)은 소정 반경을 갖는 볼록한 곡면이 일 방향을 따라 연속적으로 배열되는 형태(120a)로 형성될 수 있다. 즉, 냉각 채널(120a)은 도 6에 도시된 바와 같이 구형(球形)이 냉각 채널의 연장방향으로 중첩되면서 배열되는 형태로 형성될 수 있다.
이 때, 각각의 유입홀(122) 및 유출홀(124)은 각 구형의 볼록한 곡면마다 한 쌍이 대향하여 배치되어, 냉각 유체가 유입홀(122)로 유입된 후 볼록한 곡면에 의해 와류를 형성한 후 유출홀(124)를 통해 빠져나갈 수 있다.
또는, 도 7에 도시된 바와 같이 세그먼트 본체(110) 내부에 나선형으로 형성되는 내벽을 갖는 형태(120b)로 형성될 수 있다. 이 때 각각의 유입홀(122) 및 유출홀(124)은 각 나선형의 볼록한 곡면마다 한 쌍이 대향하여 배치되어, 냉각 유체가 유입홀(122)로 유입된 후 볼록한 곡면에 의해 와류를 형성한 후 유출홀(124)를 통해 빠져나갈 수 있다.
또한, 냉각 채널(120)은 도 8에 도시된 바와 같이 원통형 내벽을 따라 나선형으로 배치되는 스트립(126a)을 포함하는 형태(120c)로 형성되거나, 도 9에 도시된 바와 같이 원통형 내벽에 나선형 홈(126b)이 형성된 형태(120d)로 형성될 수 있다.
이 때 각각의 유입홀(122) 및 유출홀(124)은 스트립(126a)과 스트립 사이, 또는 나선형 홈(126b)와 나선형 홈 사이에 한 쌍이 대향하여 배치되어, 냉각 유체가 유입홀(122)로 유입된 후 볼록한 곡면에 의해 와류를 형성한 후 유출홀(124)를 통해 빠져나갈 수 있다.
냉각 채널(120)은 이와 같이 다양한 형태로 변형되어, 채널 내부에서 와류를 발생킴으로써 터빈(30)의 구성요소들을 효율적으로 냉각시킬 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.
1 : 가스 터빈 10 : 압축기
20 : 연소기 30 : 터빈
100 : 링 세그먼트 110 : 세그먼트 본체
120 : 냉각 채널 122 : 유입홀
124 : 유출홀 300 : 터빈 블레이드
400 : 케이싱

Claims (15)

  1. 터빈 블레이드의 팁 외측에 배치되는 링 세그먼트로서,
    상기 터빈 블레이드에 대향하는 세그먼트 본체; 및
    상기 세그먼트 본체 내부에 일 방향으로 배치되며, 내부를 흐르는 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함하며,
    상기 냉각 채널은 구형이 상기 냉각 채널의 연장방향으로 중첩되면서 배열된 형태로 형성되며,
    상기 세그먼트 본체 외부에서 냉각 유체가 유입되는 복수의 유입홀, 및 상기 냉각 유체가 상기 냉각 채널 내부에서 상기 세그먼트 본체의 외부로 유출되는 복수의 유출홀을 더 포함고,
    각각의 상기 유입홀 및 상기 유출홀은 각 구형의 볼록한 곡면마다 한 쌍이 대향하여 배치된 링 세그먼트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유입홀 및 유출홀은,
    각각 냉각 채널의 일 방향을 따라서 일렬로 배열되는 링 세그먼트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유입홀이 이루는 열과 상기 유출홀이 이루는 열은 상기 냉각 채널 내부에서 서로 대향하여 배치되는 링 세그먼트.
  8. 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 상기 연소 가스가 지나는 연소 가스 경로를 둘러싸는 링 세그먼트와, 상기 연소 가스 경로 상에서 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 상기 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈;을 포함하고,
    상기 링 세그먼트는,
    상기 터빈 블레이드의 팁 외측에 배치되며,
    상기 터빈 블레이드에 대향하는 세그먼트 본체; 및
    상기 세그먼트 본체 내부에 일 방향으로 배치되며, 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함하며,
    상기 냉각 채널은 구형이 상기 냉각 채널의 연장방향으로 중첩되면서 배열된 형태로 형성되며,
    상기 세그먼트 본체 외부에서 냉각 유체가 유입되는 복수의 유입홀, 및 상기 냉각 유체가 상기 냉각 채널 내부에서 상기 세그먼트 본체의 외부로 유출되는 복수의 유출홀을 더 포함고,
    각각의 상기 유입홀 및 상기 유출홀은 각 구형의 볼록한 곡면마다 한 쌍이 대향하여 배치된 가스 터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터빈 베인은,
    리딩 에지와 트레일링 에지가 형성된 에어포일; 및
    상기 에어포일 양단에 배치되어 에어포일을 지지하는 내측 및 외측 슈라우드;를 포함하고,
    상기 외측 슈라우드는,
    상기 외측 슈라우드 내부에 일 방향으로 배치되며, 냉각 유체가 와류를 형성하도록 일 방향을 따라 굴곡이 형성되는 냉각 채널;을 포함하는 가스 터빈.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 유입홀 및 유출홀은,
    각각 냉각 채널의 일 방향을 따라서 일렬로 배열되는 가스 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유입홀이 이루는 열과 상기 유출홀이 이루는 열은 상기 냉각 채널 내부에서 서로 대향하여 배치되는 가스 터빈.
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