KR20210018383A - 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈 Download PDF

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KR20210018383A
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김영춘
한도원
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은, 가스터빈의 내부에 설치되어 회전하는 것으로서, 압축기 디스크; 상기 압축기 디스크로부터 후방(Rearward)으로 이격되도록 설치되는 것으로서, 기저부와, 상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하는 터빈 디스크; 상기 압축기 디스크와 터빈 디스크의 사이에 설치되는 토크튜브 디스크; 상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 및 상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크를 포함하되, 상기 가압디스크는, 상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와, 상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와, 상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

Description

로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈{Rotor assembly and gas turbine including the same}
본 발명은 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가스터빈의 내부에 설치되어 회전하는 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다.
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.
압축기 디스크와 터빈 디스크의 사이에는 토크튜브 디스크가 배치된다. 토크튜브 디스크는 터빈 디스크에서 발생된 토크를 압축기 디스크로 전달한다.
가스터빈은 타이로드(Tie rod), 타이너트(Tie nut), 가압디스크를 더 포함한다. 상기 타이로드는, 압축기 블레이드가 외주면에 결합되는 압축기 디스크와, 터빈 블레이드가 외주면에 결합되는 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 설치된다. 상기 가압디스크는, 터빈 디스크의 후단에 설치되어 터빈 디스크를 압축기 디스크 측으로 가압한다. 상기 타이너트는, 상기 가압디스크를 타이로드에 체결시킨다. 이에 따라 상기 타이로드, 타이너트 및 가압디스크는, 압축기 디스크와 터빈 디스크가 가스터빈의 내부에서 서로 고정될 수 있도록 한다.
이와 같은 가스터빈은, 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에, 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적다. 따라서 가스터빈은, 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되며, 고속운동이 가능하여 고용량의 전력을 생성할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 가스터빈의 운전 조건(시동운전, 정격운전, 정지운전)에 따라, 압축기 디스크, 토크튜브 디스크 및 터빈 디스크의 온도 조건이 변하게 된다. 그리고 이 경우, 가스터빈의 시동 전 타이로드와 타이너트에 작용하는 하중이 가스터빈의 운전 중 변하게 되어, 가압디스크에 의한 체결력 및 가압력이 변화되는 문제가 있다.
가압디스크의 체결력이 필요 이상으로 증가하는 경우, 서로 인접하는 부품(압축기 디스크, 토크튜브 디스크 및 터빈 디스크)들 사이에서 손상이 발생되며, 반대로 가압디스크의 체결력이 필요 이하로 감소하는 경우, 부품들 사이에서 토크의 전달이 원활하게 이루어지지 않게 된다. 따라서 상기 가압디스크에 의한 체결력은, 가스터빈의 운전 중 일정하게 유지되어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 가스터빈의 운전 중 가압디스크에 의한 체결력이 일정하게 유지되도록 하는 로터 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 가스터빈의 내부에 설치되어 회전하는 것으로서, 압축기 디스크; 상기 압축기 디스크로부터 후방(Rearward)으로 이격되도록 설치되는 것으로서, 기저부와, 상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하는 터빈 디스크; 상기 압축기 디스크와 터빈 디스크의 사이에 설치되는 토크튜브 디스크; 상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 및 상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크를 포함하되, 상기 가압디스크는, 상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와, 상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와, 상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 로터 조립체가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 외부 공기가 내부를 통과하는 압축기 케이싱과, 상기 압축기 케이싱의 내측에 배치되며 다단(Multi-stage)으로 배치되는 압축기 디스크와, 상기 압축기 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 흡입된 공기를 회전을 통해 압축시키는 압축기 블레이드를 포함하는 압축기; 상기 압축기로부터 발생된 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되는 터빈 케이싱과, 상기 터빈 케이싱의 내측에 배치되며 다단으로 배치되는 터빈 디스크와, 상기 터빈 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 연소가스가 통과됨에 따라 회전하는 터빈 블레이드를 포함하는 터빈; 상기 압축기 디스크 중 가장 후단(Rear-stage)에 배치된 것과, 상기 터빈 디스크 중 가장 전단(Front-stage)에 배치된 것의 사이에 설치되며, 상기 터빈 디스크에서 발생된 토크를 상기 압축기 디스크로 전달하는 토크튜브 디스크; 상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 및 상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크를 포함하되, 상기 터빈 디스크는, 기저부와, 상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하며, 상기 가압디스크는, 상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와, 상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와, 상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 가스터빈이 제공된다.
본 발명에 따른 가스터빈은, 상기 압축기 디스크의 최전방에 배치되어 상기 압축기 디스크를 터빈 디스크 측으로 가압하며, 타이로드의 일단이 삽입되는 압축기 체결수단과, 상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 더 포함한다.
상기 가압부는, 상기 타이로드의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 기저부와 상기 연장부의 길이를 합한 만큼, 상기 타이로드로부터 이격되도록 배치된다.
상기 가압부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 연결부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 지지부의 상기 연장부 측 전면(Front-surface)은, 각각 곡면으로 연결된다.
상기 연결부는, 외주면이 상기 연결부의 내주면 측으로 만입된 곡면 형상으로 형성된다.
상기 가압디스크는, 상기 지지부의 전면으로부터 전방으로 돌출되며, 상기 기저부와 대향하도록 배치되는 돌출부를 더 포함한다.
상기 가압부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 연결부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 지지부의 상기 연장부 측 전면(Front-surface)과, 상기 돌출부의 외주면은, 각각 곡면으로 연결된다.
본 발명에 따른 로터 조립체 및 가스터빈에 의하면, 가압디스크가 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되는 가압부와, 가압부의 후방에 배치되며 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와, 가압부와 지지부의 사이를 연결하며 가압부의 후방에서 타이로드 측으로 휘어져 지지부의 외측에 연결되는 연결부를 포함하는 구조로 설계됨으로써, 가압디스크가 압축기 디스크, 토크튜브 디스크 및 터빈 디스크의 축 방향 변화에 대응하여 탄성 변형되도록 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 로터 조립체 및 가스터빈에 의하면, 이러한 가압디스크의 탄성 변형을 통해 압축기 디스크, 토크튜브 디스크 및 터빈 디스크의 축 방향 변화를 상쇄시킬 수 있으며, 가압디스크에 의한 체결력 및 가압력이, 가스터빈의 작동 중에도 초기 설계값 그대로 유지되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스터빈의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 로터 조립체만을 별도로 도시한 것으로서, 본 발명의 제1실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 A 부분의 확대도이다.
도 4는 도 1에서 로터 조립체만을 별도로 도시한 것으로서, 본 발명의 제2실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 B 부분의 확대도이다.
도 6은 도 1에서 로터 조립체만을 별도로 도시한 것으로서, 본 발명의 제3실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 C 부분의 확대도이다.
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 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(1000)의 상류 측에는 압축기(1100)가 배치되고 하류 측에는 터빈(1300)이 배치된다. 그리고 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 연소기(1200)가 배치된다.
압축기(1100)는 압축기 케이싱(1111) 내부에 압축기 베인(1112)과 압축기 로터(1120)를 수용하며, 터빈(1300)은 터빈 케이싱(1311) 내부에 터빈 베인(1312)과 터빈 로터(1320)를 수용한다. 이러한 압축기 베인(1112)과 압축기 로터(1120)는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인(1312)과 터빈 로터(1320) 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(1100)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(1300)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.
한편, 압축기(1100)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터(1120)와, 터빈(1300)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터(1320) 사이에는, 터빈(1300)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(1400)가 배치된다. 즉, 상기 토크튜브(1400)는, 상기 압축기 디스크(1121) 중 가장 후단(Rear-stage)에 배치된 것과, 상기 터빈 디스크(321) 중 가장 전단(Front-stage)에 배치된 것의 사이에 설치된다. 그리고 상기 토크튜브(1400)는, 상기 터빈 디스크(1321)에서 발생된 토크를 상기 압축기 디스크(1121)로 전달한다. 상기 토크튜브(1400)는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크(1410)로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브(1400)는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크(1410)로 구성될 수도 있다.
상기 압축기 로터(1120)는, 압축기 디스크(1121)와 압축기 블레이드(1122)를 포함한다. 상기 압축기 케이싱(1111)의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크(1121)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크(1121)들은 타이로드(Tie rod; 1420)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크(1121)는 중심부가 상기 타이로드(1420)에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크(1121)는 대향하는 면이 상기 타이로드(1420)에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.
상기 압축기 디스크(1121)의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드(1122)가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드(1122)의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱(1111)의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인(1112)이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인(1112)은 상기 압축기 디스크(1121)와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드(1122)를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드(1122)로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱(1111)과 압축기 베인(1112)은, 상기 압축기 로터(1120)와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터(1110)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.
상기 타이로드(1420)는 상기 복수개의 압축기 디스크(1121)와, 후술할 터빈 디스크(1321)의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기(1100)의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크(1121) 내에 체결된 후, 최전단부 측 압축기 디스크(1121)의 전단에 배치된 압축기 체결수단(1430)에 삽입되며, 타 측 단부는 타이너트(Tie nut; 1440)에 의해 체결된다.
상기 타이로드(1420)의 형태는 가스터빈(1000)에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드(1420)가 압축기 디스크(1121)와 터빈 디스크(1321)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드(1420)가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
도시되지는 않았으나, 가스터빈(1000)의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기(1200) 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.
상기 연소기(1200)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.
가스터빈의 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(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 터빈(1300)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(1300)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드(1322)에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브(1400)를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
상기 터빈(1300)은 기본적으로는 압축기(1100)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(1300)에도 압축기(1100)의 압축기 로터(1120)와 유사한 복수개의 터빈 로터(1320)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(1320) 역시, 터빈 디스크(1321)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(1322)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(1322)의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(11311)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인(1312)이 구비되며, 상기 터빈 베인(1312)은 터빈 블레이드(1322)를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱(1311)과 터빈 베인(1312) 역시, 상기 터빈 로터(1320)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(1310)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.
이하부터는, 도 2 및 도 3 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 로터 조립체(10)에 관해 상세히 설명하도록 한다.
상기 로터 조립체(10)는, 상술한 압축기 디스크(1121), 터빈 디스크(1321), 토크튜브 디스크(1410), 타이로드(1420), 압축기 체결수단(1430), 타이너트(1440)를 포함하며, 여기에 가압디스크(100)를 더 포함한다.
상기 가압디스크(100)는, 상기 터빈 디스크(1321) 중 가장 후단부에 배치된 것의 후방에 설치된다. 그리고 상기 가압디스크(100)는, 상기 타이로드(1420)의 외주면에 설치되며, 상기 터빈 디스크(1321)에 체결되어, 상기 터빈 디스크(1321)를 상기 압축기 디스크(1121) 측으로 가압한다. 상기 가압디스크(100)의 후방에는, 상기 타이너트(1440)가 배치된다. 상기 타이너트(1440)는, 상기 타이로드(1420)를 감싸도록 설치되며, 상기 가압디스크(100)를 상기 터빈 디스크(1321)에 체결시킨다.
상기 압축기 디스크(1121)의 최전단부에는, 상기 압축기 체결수단(1430)이 상기 압축기 디스크(1121)를 지지하고 있다. 따라서 상기 타이로드(1420)의 일단에 배치된 상기 압축기 체결수단(1430)과, 상기 타이로드(1420)의 타단에 배치된 상기 가압디스크(100) 및 상기 타이너트(1440)에 의해, 상기 압축기 디스크(1121), 상기 터빈 디스크(1321) 및 상기 토크튜브 디스크(1410)는 서로 맞물려 체결된 상태를 유지하게 된다. 상기 압축기 체결수단(1430), 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410), 터빈 디스크(1321), 가압디스크(100), 타이너트(1440)의 각 접촉면 사이에는, 각각이 체결될 수 있도록 나사산(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 터빈 디스크(1321)는, 기저부(1323), 연장부(1324) 및 체결부(1325)를 포함한다. 상기 기저부(1323)는, 상기 타이로드(1420)의 반경방향 외측에 배치된다. 상기 연장부(1324)는, 상기 타이로드(1420)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 기저부(1323)의 외측으로 연장 형성된다. 상기 체결부(1325)는, 상기 연장부(1324)의 외측에 설치되며, 외측에 상기 터빈 블레이드(1322)가 결합된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압축기 디스크(1121) 역시 이러한 터빈 디스크(1321)와 유사한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 가압디스크(100)는, 가압부(110), 지지부(120) 및 연결부(130)를 포함한다. 상기 가압부(110)는, 상기 타이로드(1420)로부터 반경방향 외측으로 이격되도록 배치되어, 최후단부에 배치된 터빈 디스크(1321)의 체결부(1323)에 체결된다. 상기 지지부(120)는, 상기 가압부(110)의 후방에 배치되며, 상기 타이로드(1420)의 외주면에 배치된다. 상기 연결부(130)는, 상기 가압부(110)와 상기 지지부(120)의 사이를 연결하는 것으로서, 상기 가압부(110)의 후방에서 상기 타이로드(1420) 측으로 휘어져, 상기 타이로드(1420)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 지지부(120)의 외측에 연결된다. 따라서 상기 가압디스크(100)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 최후단부 측의 터빈 디스크(1321)의 기저부(1323) 및 연장부(1324) 측에, 단면이 부채꼴 형상으로 형성된 빈 공간, 즉 캐비티(101)가 형성된다. 한편, 상기 가압디스크(100)는, 상기 타이로드(1420)의 강성과 동일한 강성을 나타내도록 형성될 수 있다.
가스터빈(1000)의 작동 중, 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)는 축 방향으로 변형될 수 있다. 즉, 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)는, 가스터빈(1000)의 시동 또는 정격운전 시에는 열을 받아 축 방향으로 열팽창을 할 수도 있고, 가스터빈(1000)의 정지운전 시에는 냉각되어 축 방향으로 열수축을 할 수도 있다. 또는, 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)는, 가스터빈(1000)의 시동 또는 정격운전 시에는 회전수가 증가함에 따라 축 방향으로 받는 추력이 증가하여 축 방향 간격이 서로 증가할 수도 있고, 가스터빈(1000)의 정지운전 시에는 회전수가 감소함에 따라 축 방향으로 받는 추력이 감소하여 축 방향 간격이 서로 감소될 수도 있다.
여기서, 상기 가압디스크(100)가 상술한 구조로 설계되는 경우, 상기 가압디스크(100)가 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)의 축 방향 변화에 대응하여 탄성 변형되도록 할 수 있다. 즉, 상기 가압디스크(100)는, 가압부(110)가 연결부(130)를 통해 지지부(120)에 지지된 상태에서, 상기 터빈 디스크(1321)의 체결부(1325)에 체결되어 상기 체결부(1325)를 가압하는 상태이므로, 상기 가압디스크(100)는 상기 가압부(110)가 상기 지지부(120)에 지지된 상태에서 전후로 탄성 변형이 가능한 구조가 된다. 따라서 본 발명에 따른 로터 조립체(10) 및 가스터빈(1000)에 의하면, 이러한 가압디스크(100)의 탄성 변형을 통해 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)의 축 방향 변화를 상쇄시킬 수 있으며, 상기 가압디스크(100)에 의한 체결력 및 가압력이, 가스터빈의 작동 중에도 초기 설계값 그대로 유지되도록 할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 가압부(110)는, 상기 타이로드(1420)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 기저부(1323)와 상기 연장부(1324)의 길이를 합한 만큼, 상기 타이로드(1420)로부터 반경방향 외측으로 이격되도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 가압디스크(100)는, 오로지 상기 가압부(110)만이 상기 터빈 디스크(1321)의 체결부(1325)에 접하도록 설계될 수 있는 것이다. 이에 따라 상기 가압디스크(100)는, 상기 가압부(110)가 상기 지지부(120)에 의해 지지된 상태에서 축 방향으로 탄성 변형됨에 따라, 상기 체결부(1325)의 축 방향의 변화량을 상쇄시키도록 할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 가압부(110)의 상기 타이로드(1420) 측 내주면과, 상기 연결부(130)의 상기 타이로드(1420) 측 내주면과, 상기 지지부(120)의 상기 연장부(1324) 측 전면(Front-surface)은, 각각 곡면으로 연결될 수 있다. 따라서 상기 가압디스크(100)는, 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)의 축 방향 변화에 대응하여 보다 효과적으로 탄성 변형이 이루어지도록 할 수 있다.
이하부터는, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 및 제3실시예에 따른 로터 조립체에 관해 설명하도록 한다. 이때, 본 발명의 제1실시예와 차이가 있는 부분에 대해서만 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 로터 조립체(20)에서, 가압디스크(200)는, 가압부(210), 지지부(220), 연결부(230)를 포함한다. 이때, 상기 연결부(230)는, 그 외주면이 내주면 측으로 만입된 곡면 형상으로 형성된다. 즉, 상기 연결부(230)는, 내주면이 외측으로 만입된 곡면 형상으로 형성되며, 외주면이 내측으로 만입된 곡면 형상으로 형성된다. 이 경우, 상기 가압디스크(200)는, 상기 가압디스크(200)는, 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)의 축 방향 변화에 대응하여 보다 효과적으로 탄성 변형이 이루어지도록 할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 로터 조립체(30)에서, 가압디스크(300)는, 가압부(310), 지지부(320), 연결부(330)를 포함하며, 여기에 돌출부(340)를 더 포함한다. 상기 돌출부(340)는, 상기 지지부(320)의 전면으로부터 전방으로 돌출되며, 최후단부에 배치된 터빈 디스크(1321)의 기저부(1323)와 대향하도록 배치된다. 그리고 상기 가압부(310)의 상기 타이로드(1420) 측 내주면과, 상기 연결부(330)의 상기 타이로드(1420) 측 내주면과, 상기 지지부(320)의 상기 연장부(1324) 측 전면(Front-surface)과, 상기 돌출부(340)의 외주면은, 각각 곡면으로 연결된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 가압디스크(300)는 상기 가압부(310)의 전방으로 돌출되어 상기 체결부(1325)와 접하는 보조돌기(350)를 더 포함하며, 상기 가압부(310)와 돌출부(340)는 전방 측 단부가 상기 타이로드(1420)의 반경방향을 기준으로 각각 동일선상에 배치된다.
이 경우, 본 발명의 제1,2실시예와는 다르게, 캐비티(301)가 상기 가압부(310)의 내측 및 상기 돌출부(340)의 외측에 형성된다. 그리고 상기 캐비티(301)는, 부채꼴 형상이 아닌 반원 형상으로 형성된다. 이에 따라 상기 가압디스크(300)는, 상기 가압부(310)가 상기 지지부(320) 및 상기 돌출부(340)에 의해 지지된 상태에서, 상기 체결부(1325)에 체결되어 상기 체결부(1325)를 가압하게 되므로, 상기 압축기 디스크(1121), 토크튜브 디스크(1410) 및 터빈 디스크(1321)의 축 방향 변화에 대응하여 보다 효과적으로 탄성 변형이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7에서는 상기 돌출부(340)가 도 4 및 도 5에 나타낸 본 발명의 제2실시예에 추가된 것으로 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 상기 돌출부(340)는 도 2 및 도 3에 나타낸 본 발명의 제1실시예에 추가되도록 설계될 수도 있다고 할 것이다.
10,20,30 : 로터 조립체 100,200,300 : 가압디스크
110,210,310 : 가압부 120,220,320 : 지지부
130,230,330 : 연결부 140,240,340 : 돌출부
1000 : 가스터빈 1100 : 압축기
1200 : 연소기 1300 : 터빈
1400 : 토크튜브 1410 : 토크튜브 디스크
1420 : 타이로드 1430 : 압축기 체결수단
1440 : 타이너트

Claims (12)

  1. 가스터빈의 내부에 설치되어 회전하는 로터 조립체에 있어서,
    압축기 디스크;
    상기 압축기 디스크로부터 후방(Rearward)으로 이격되도록 설치되는 것으로서, 기저부와, 상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하는 터빈 디스크;
    상기 압축기 디스크와 터빈 디스크의 사이에 설치되는 토크튜브 디스크;
    상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 및
    상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크를 포함하되,
    상기 가압디스크는,
    상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와,
    상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와,
    상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부와,
    상기 지지부의 전면으로부터 전방으로 돌출되며, 상기 기저부와 대향하도록 배치되는 돌출부와,
    상기 가압부의 전방으로 돌출되어 상기 체결부와 접하는 보조돌기를 포함하며,
    상기 가압부와 돌출부는, 전방 측 단부가 상기 타이로드의 반경방향을 기준으로 각각 동일선상에 배치되는 로터 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크는, 상기 타이로드의 축 방향을 따라 각각 복수개로 구비되며,
    상기 압축기 디스크의 최전방에 배치되어 상기 압축기 디스크를 터빈 디스크 측으로 가압하며, 타이로드의 일단이 삽입되는 압축기 체결수단과,
    상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 더 포함하는 로터 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압부는, 상기 타이로드의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 기저부와 상기 연장부의 길이를 합한 만큼, 상기 타이로드로부터 이격되도록 배치되는 로터 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 연결부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 지지부의 상기 연장부 측 전면(Front-surface)은, 각각 곡면으로 연결되는 로터 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결부는, 외주면이 상기 연결부의 내주면 측으로 만입된 곡면 형상으로 형성된 로터 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 연결부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 지지부의 상기 연장부 측 전면(Front-surface)과, 상기 돌출부의 외주면은, 각각 곡면으로 연결되는 로터 조립체.
  7. 외부 공기가 내부를 통과하는 압축기 케이싱과, 상기 압축기 케이싱의 내측에 배치되며 다단(Multi-stage)으로 배치되는 압축기 디스크와, 상기 압축기 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 흡입된 공기를 회전을 통해 압축시키는 압축기 블레이드를 포함하는 압축기;
    상기 압축기로부터 발생된 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기;
    상기 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과되는 터빈 케이싱과, 상기 터빈 케이싱의 내측에 배치되며 다단으로 배치되는 터빈 디스크와, 상기 터빈 디스크의 반경방향 외측에 결합되며 연소가스가 통과됨에 따라 회전하는 터빈 블레이드를 포함하는 터빈;
    상기 압축기 디스크 중 가장 후단(Rear-stage)에 배치된 것과, 상기 터빈 디스크 중 가장 전단(Front-stage)에 배치된 것의 사이에 설치되며, 상기 터빈 디스크에서 발생된 토크를 상기 압축기 디스크로 전달하는 토크튜브 디스크;
    상기 압축기 디스크, 터빈 디스크 및 토크튜브 디스크를 관통하도록 설치되는 타이로드; 및
    상기 터빈 디스크의 후방에 설치되며, 상기 타이로드의 외주면에 설치되고, 상기 터빈 디스크에 체결되어 상기 터빈 디스크를 상기 압축기 디스크 측으로 가압하는 가압디스크를 포함하되,
    상기 터빈 디스크는,
    기저부와,
    상기 기저부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 연장부와,
    상기 연장부의 반경방향 외측에 설치되는 체결부를 포함하며,
    상기 가압디스크는,
    상기 타이로드로부터 반경방향 외측으로 이격되며, 상기 체결부를 가압하는 가압부와,
    상기 가압부의 후방에 배치되며, 상기 타이로드의 외주면에 배치되는 지지부와,
    상기 가압부와 상기 지지부의 사이를 연결하며, 상기 가압부의 후방에서 상기 타이로드 측으로 휘어져 상기 지지부의 외측에 연결되는 연결부와,
    상기 지지부의 전면으로부터 전방으로 돌출되며, 상기 기저부와 대향하도록 배치되는 돌출부와,
    상기 가압부의 전방으로 돌출되어 상기 체결부와 접하는 보조돌기를 포함하며,
    상기 가압부와 돌출부는, 전방 측 단부가 상기 타이로드의 반경방향을 기준으로 각각 동일선상에 배치되는 가스터빈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 압축기 디스크의 최전방에 배치되어 상기 압축기 디스크를 터빈 디스크 측으로 가압하며, 타이로드의 일단이 삽입되는 압축기 체결수단과,
    상기 가압디스크의 후방에 배치되어 상기 타이로드의 타단에 체결되며, 상기 가압디스크를 상기 터빈 디스크에 체결시키는 타이너트를 더 포함하는 가스터빈.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 가압부는, 상기 타이로드의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 기저부와 상기 연장부의 길이를 합한 만큼, 상기 타이로드로부터 이격되도록 배치되는 가스터빈.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 가압부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 연결부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 지지부의 상기 연장부 측 전면(Front-surface)은, 각각 곡면으로 연결되는 가스터빈.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 연결부는, 외주면이 상기 연결부의 내주면 측으로 만입된 곡면 형상으로 형성된 가스터빈.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 가압부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 연결부의 상기 타이로드 측 내주면과, 상기 지지부의 상기 연장부 측 전면(Front-surface)과, 상기 돌출부의 외주면은, 각각 곡면으로 연결되는 가스터빈.
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