KR102084162B1

KR102084162B1 - 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR102084162B1
Application number: KR1020180112231A
Authority: KR
Inventors: 송진우
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2038-09-19

Abstract

본 발명은, 가스터빈의 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 것으로서, 케이싱; 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인; 상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체; 및 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함하는 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 터빈 베인의 반경방향 내측 단부와 보조조립체의 사이에 가압구조체를 개재함으로써, 터빈 베인의 반경방향 외측 단부와 내측 단부 간에 상대적인 변위가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 터빈 베인에 과도한 응력이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

Description

터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈{Turbine stator, turbine and gas turbine including the same}

본 발명은 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가스터빈의 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 터빈 스테이터, 터빈 블레이드의 회전을 통해 동력을 발생시키는 터빈 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.

가스터빈은 타이로드(Tie rod)를 더 포함한다. 상기 타이로드는, 압축기 블레이드가 외주면에 결합되는 압축기 디스크와, 터빈 블레이드가 외주면에 결합되는 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 설치된다. 이에 따라 상기 타이로드는, 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, 터빈 베인 중 가장 전단부에 위치한 1단 터빈 베인은, 반경방향 외측 단부가 케이싱에 결합되고, 내측 단부가 케이싱에 조립된 보조조립체에 결합된다. 그리고 상기 1단 터빈 베인은, 터빈의 부품 중에서 연소기에서 생성된 고온 고압의 연소가스와 가장 먼저 접하게 된다.

이때, 가스터빈의 작동 중 또는 정지 시, 상기 1단 터빈 베인은 반경방향 외측 단부와 내측 단부 간에 온도차가 발생된다. 따라서 종래의 가스터빈에 의하면, 상기 1단 터빈 베인의 외측 단부와 내측 단부 간에 상대적인 변위가 발생되고, 이로 인해 터빈 베인에 과도한 응력이 발생된다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 1단 터빈 베인의 반경방향 외측 단부와 내측 단부 사이에 상대적인 변위가 발생되는 것을 방지하는 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 터빈 스테이터는, 가스터빈의 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 것으로서, 케이싱; 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인; 상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체; 및 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 가스터빈의 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 것으로서, 가스터빈의 연소기와 연통하며, 내부로 연소가스가 유동하는 스테이터; 및 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하며, 상기 스테이터는, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인과, 상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체와, 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함하는 터빈이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 외부로부터 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를, 외부로부터 공급받은 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되, 상기 터빈은, 가스터빈의 연소기와 연통하며, 내부로 연소가스가 유동하는 스테이터와, 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하며, 상기 스테이터는, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인과, 상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체와, 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함하는 가스터빈이 제공된다.

상기 1단 베인은, 상기 케이싱에 결합되는 아우터 슈라우드와, 상기 아우터 슈라우드에 결합되는 에어포일과, 상기 에어포일의 내측 단부에 결합되는 이너 슈라우드와, 상기 이너슈라우드의 내측면에 형성되는 돌출부와, 상기 돌출부로부터 상기 보조조립체 측으로 돌출되는 결합돌기를 포함하며, 상기 가압구조체는, 상기 돌출부 측의 면에 상기 결합돌기가 삽입되는 결합홈이 형성될 수 있다.

상기 보조조립체는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 안착홈이 형성되며, 상기 가압구조체는, 상기 안착홈의 내면에 안착될 수 있다.

상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면에 안착돌기가 돌출 형성되며, 상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 안착돌기의 내측에 안착될 수 있다.

상기 가압구조체는, 상기 1단 베인의 내측 단부와 대향하는 측의 면에 결합홈이 형성된 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며 상기 고정부재를 상기 케이싱의 축 방향으로 가압하는 가압부재를 포함할 수 있다.상기 가압구조체는, 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 가압부재를 더 포함하며, 상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때, 상기 안착홈의 폭은, 상기 가압구조체의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.

상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면으로부터 돌출되되, 단부가 상기 가압부재 측으로 절곡된 절곡편이 형성되며, 상기 가압부재는, 상기 보조조립체 측의 단부가 상기 1단 베인 측을 향하도록 절곡 형성되어 상기 절곡편에 삽입될 수 있다.

상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 압축된 상태로 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재될 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 터빈 베인의 반경방향 내측 단부와 보조조립체의 사이에 가압구조체를 개재함으로써, 터빈 베인의 반경방향 외측 단부와 내측 단부 간에 상대적인 변위가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 터빈 베인에 과도한 응력이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈의 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 Ⅱ 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 Ⅲ 부분을 확대하여 도시한 본 발명의 제1실시예에 따른 가압구조체의 단면도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 Ⅲ 부분을 확대하여 도시한 본 발명의 제2실시예에 따른 가압구조체의 단면도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 Ⅲ 부분을 확대하여 도시한 본 발명의 제3실시예에 따른 가압구조체의 단면도이다.

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 터빈 스테이터, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(11), 연소기(12) 및 터빈(100)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(10)의 상류 측에는 압축기(11)가 배치되고 하류 측에는 터빈(100)이 배치된다. 그리고 압축기(11)와 터빈(100) 사이에는 연소기(12)가 배치된다.

압축기는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈은 터빈 케이싱 내부에 터빈 베인과 터빈 로터를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인과 터빈 로터 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈에서 발생된 회전토크를 상기 압축기로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(13)가 배치된다. 상기 토크튜브(13)는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크는 중심부가 상기 타이로드에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타 측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기에서는 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 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈으로 공급된다. 터빈으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(100)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(100)에도 압축기의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터(110)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터 역시, 터빈 디스크와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드를 포함한다. 상기 터빈 블레이드의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(1100;이하, 케이싱이라 한다)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인이 구비되며, 상기 터빈 베인(1200;이하, 베인이라 한다)은 터빈 블레이드를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱과 터빈 베인 역시, 상기 터빈 로터와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(1000)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 베인(1200)은, 아우터 슈라우드(1210), 에어포일(1220), 이너슈라우드(1230), 돌출부(1240) 및 결합돌기(1250)를 포함한다. 상기 아우터 슈라우드(1210)는, 상기 케이싱(1100)의 내주면에 결합된다. 상기 에어포일(1220)은 상기 아우터 슈라우드(1210)에 결합된다. 상기 이너슈라우드(1230)는 상기 에어포일(1220)의 내측 단부에 결합된다. 상기 돌출부(1240)는 상기 이너슈라우드의 내측면에서 내측으로 돌출 형성된다. 상기 결합돌기(1250)는, 상기 돌출부(140)로부터 상기 터빈 로터(110)의 축 방향을 따라 돌출 형성된다.

상기 토크튜브(13)의 반경방향 외측에는, 상기 케이싱(1100)에 결합되어 고정되는 튜브링(14)이 설치된다. 그리고 상기 연소기(12)로부터 상기 터빈(100)으로 공급된 연소가스의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가장 상류 측에 배치된 베인(1200;이하, 1단 베인이라 한다)은, 그 이너슈라우드(1230)가 보조조립체(1300)에 의해 상기 튜브링(14)에 고정된다. 이에 따라 상기 1단 베인(1200)은, 상기 보조조립체(1300) 및 상기 튜브링(14)을 통해 상기 케이싱(1100)에 대하여 고정 배치된 상태를 유지하게 된다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 스테이터(1000)에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)의 사이에는, 가압구조체(1400)가 개재된다. 상기 가압구조체(1400)는, 상기 보조조립체(1300)에 지지된 상태에서, 상기 1단 베인(1200)의 돌출부(1240)를 상기 케이싱(1100)의 축 방향으로 가압한다. 이를 위하여, 상기 가압구조체(1400)는, 고정부재(1410) 및 가압부재(1420)를 포함한다.

상기 고정부재(1410)는, 상기 1단 베인(1200)의 돌출부(1240)와 대향하는 측의 면에 결합홈(1411)이 형성된다. 그리고 상기 고정부재(1410)는, 상기 결합홈(1411)에 상기 결합돌기(1250)가 삽입되도록 상기 돌출부(1240)에 안착된다. 상기 가압부재(1420)는, 일단이 상기 고정부재(1410) 중 상기 결합홈(1411)이 형성되지 않은 측의 면에 결합되고, 타단이 상기 보조조립체(1300)에 접하도록 배치된다. 그리고 상기 가압부재(1420)는, 상기 고정부재(1410)를 상기 케이싱(1100)의 축 방향으로 가압한다. 이때, 상기 가압구조체(1400)는, 상기 가압부재(1420)에 예하중(Pre-load)이 가해진 상태로 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)의 사이에 개재된다. 즉, 상기 가압구조체(1400)는, 상기 가압부재(1420)가 탄성복원력을 받지 않는 중립점을 기준으로 하였을 때, 상기 터빈 로터(110)의 축 방향으로 압축된 상태로 설치된다.

종래와 같이 상기 1단 베인(1200)과 상기 보조조립체(1300) 사이에 상기 가압구조체(1400)가 설치되지 않은 경우, 상기 1단 터빈 베인(1200)은 상기 결합돌기(1250)가 상기 보조조립체(1300)에 직접 접촉되도록 설치된다. 따라서 종래의 가스터빈에 의하면, 상기 1단 터빈 베인(1200)이 상기 보조조립체(1300)에 대하여 상기 터빈 로터(110)의 반경방향을 따라 슬라이딩 가능하게 지지될 수는 있으나, 상기 1단 터빈 베인(1200)이 상기 보조조립체(1300)에 대하여 상기 터빈 로터(110)의 축 방향으로 움직일 수 있도록 지지되지는 않아, 상기 1단 터빈 베인(1200)의 축 방향 움직임에 대해 댐핑(Damping) 효과를 줄 수는 없다는 한계가 있다. 또한, 종래의 가스터빈에 의하면, 상기 연소기(12)로부터 공급받은 연소가스에 의해 상기 1단 베인(1200)의 외측 단부와 내측 단부에 변위차가 발생하는 경우, 상기 결합돌기(1250)와 상기 보조조립체(1300) 사이에 틈새가 발생하여, 상기 케이싱(1100)으로 유입된 연소가스가 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)의 사이로 유입되는 문제가 있다.

하지만 본 발명과 같이 상기 1단 터빈 베인(1200)의 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300) 사이에 상기 가압구조체(1400)가 미리 압축되어 설치되는 경우, 상기 가압구조체(1400)는 상기 돌출부(1240)에 대하여 상기 터빈 로터(110)의 축 방향으로 예하중을 가한 상태가 되므로, 유입된 연소가스에 의해 상기 1단 터빈 베인(1200)이 열팽창을 하거나 진동을 하게 되더라도, 상기 가압구조체(1400)가 상기 1단 터빈 베인(1200)의 축 방향 움직임에 대해 댐핑 효과를 주어 상기 1단 터빈 베인(1200)의 진동을 상쇄시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 경우, 상기 가압구조체(1400)가 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)의 사이에서 상기 터빈 로터(110)의 축 방향으로 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)를 가압하는 상태를 유지하므로, 상기 1단 터빈 베인(1200)의 열 팽창 등을 이유로 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)의 사이 거리가 벌어지더라도, 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)의 사이를 보다 기밀하게 밀폐시킬 수 있다.

상기 가압부재(1420)는, 상기 터빈 로터(110)의 축 방향을 기준으로 하였을 때, 압축된 후의 길이가 원래의 길이 대비 60 내지 80%이 되도록 압축될 수 있다. 만약 상기 가압부재(1420)가 원래의 길이 대비 60% 미만이 되도록 압축되는 경우, 상기 가압구조체(1400)가 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)에 대하여 과도하게 큰 탄성 복원력을 가하여 부품에 손상을 입히게 된다. 반대로 상기 가압부재(1420)가 원래의 길이 대비 80 내지 100%로 압축되는 경우, 상기 가압구조체(1400)가 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)에 대하여 충분한 탄성 복원력을 가하지 못하여, 상기 돌출부(1240)를 상기 보조조립체(1300)에 대하여 충분히 지지하지 못함은 물론, 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300) 사이의 기밀성을 효과적으로 유지할 수 없다. 따라서 상기 가압부재(1420)는, 상기 터빈 로터(110)의 축 방향을 기준으로 하였을 때, 압축된 후의 길이가 원래의 길이 대비 60 내지 80%이 되도록 압축된다고 할 수 있다.

한편, 상기 1단 베인(1200)은, 반경방향 외측 단부가 상기 케이싱(1100)에 결합되고, 내측 단부가 상기 보조조립체(1300)에 결합된다. 그리고 상기 1단 터빈 베인(1200)은, 터빈(100)의 부품 중에서 연소기에서 생성된 고온 고압의 연소가스와 가장 먼저 접하게 된다. 이때, 가스터빈(10)의 작동 중 또는 정지 시, 상기 1단 터빈 베인(1200)은 반경방향 외측 단부와 내측 단부 간에 온도차가 발생된다. 따라서 종래의 가스터빈에 의하면, 상기 1단 터빈 베인의 외측 단부와 내측 단부 간에 상대적인 변위가 발생되고, 이로 인해 상기 에어포일(1220)과 상기 아우터 슈라우드(1210)가 결합되는 지점에서 과도한 응력이 발생되는 문제가 있었다.

하지만 본 발명과 같이 예하중이 가해진 가압구조체(1400)를 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300)에 개재하는 경우, 상기 가압구조체(1400)는 상기 돌출부(1240)에 대하여 축 방향의 힘을 가하게 된다. 이 경우, 상기 연소기(12)로부터 공급받은 연소가스에 의해 상기 1단 베인(1200)의 외측과 내측 단부 간에 온도차가 발생하더라도, 상기 가압구조체(1400)에 의해 상기 1단 베인(1200)의 내측 단부가 가압됨에 따라, 상기 1단 베인(1200)의 내측 단부가 고정 배치된 상태를 유지하도록 할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)에 의하면, 상기 1단 베인(1200)의 외측 단부와 내측 단부 간에 변위차가 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 에어포일(1220)과 상기 아우터 슈라우드(1210)가 결합되는 지점에서 과도한 응력이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

상기 가압구조체(1400)는, 상기 보조조립체(1300)에 안착되되, 상기 케이싱(1100)의 반경방향을 따라 슬라이딩 가능하게 안착된다. 이를 위하여, 상기 보조조립체(1300)는, 상기 돌출부(1240) 측의 면에 안착홈(1310)이 형성된다. 상기 안착홈(1310)은, 상기 케이싱(1100)의 반경방향을 따라 형성된다. 그리고 상기 가압구조체(1400)는, 상기 안착홈(1310)의 내면에 안착된다.

이때, 상기 케이싱(1100)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 안착홈(1310)의 폭은, 상기 가압부재(1420)의 폭보다 더 크게 형성된다. 이 경우, 상기 가압구조체(1400)는, 상기 가압부재(1420)가 상기 안착홈(1310)에 안착된 상태에서, 상기 케이싱(1100)의 반경방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치된다.

이와 같이 상기 가압구조체(1400)가 상기 보조조립체(1300)에 슬라이딩 가능하게 설치되는 경우, 가스터빈(10)의 작동 중, 상기 연소기(12)로부터 공급받은 연소가스의 유동에 따라 상기 1단 터빈 베인(1200)에 발생될 수 있는 진동, 더욱 상세하게는, 상기 터빈 로터(110)의 반경방향 기준 내외방향을 따라 발생되는 진동을 상기 가압구조체(1400)가 흡수할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)에 의하면, 상기 가압구조체(1400)가 상기 터빈 로터(110)의 축 방향을 따라 발생될 수 있는 상기 1단 터빈 베인(1200)의 진동은 물론, 상기 터빈 로터(110)의 반경방향을 따라 발생될 수 있는 상기 1단 터빈 베인(1200)의 진동을 모두 상쇄시켜, 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)의 전체 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.

상기 가압부재(1420)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고정부재(1410) 측 단부에서 상기 보조조립체(1300) 측 단부로 갈수록, 상기 터빈 로터(110)의 반경방향 기준 내측에서 외측으로 절곡되었다가 다시 외측에서 내측으로 절곡되는 것을 반복하는 지그재그 형상으로 형성된다. 그리고 상기 가압부재(1420)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 절곡되는 부분이 직각을 이루도록 형성되되, 상기 보조조립체(1300) 측 단부는 상기 터빈 로터(110)의 반경방향 기준 외측을 향하여 절곡되도록 형성된다. 상기 가압부재(1420)의 상기 보조조립체(1300) 측 절곡 단부는, 상기 안착홈(1310)의 내면에 안착되어, 반경방향 내외로 슬라이딩 가능하게 지지된다. 이와 같이 상기 가압부재(1420)가 지그재그 형상으로 형성되는 경우, 상기 돌출부(1240)에 대하여 상기 터빈 로터(110)의 축 방향으로 가해지는 댐핑 효과를 보다 향상시킬 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)에 관해 설명하도록 한다. 이때, 본 발명의 제1실시예와 차이가 있는 부분에 대해서만 중점적으로 서술하도록 한다.

도 4를 참조하면, 상기 보조조립체(1300)는, 상기 가압구조체(1400) 측의 면에 안착돌기(1320)가 돌출 형성된다. 그리고 상기 가압구조체(1400)는, 상기 가압부재(1420)가 상기 케이싱(1100)의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 안착돌기(1320)의 내측에 안착되도록 배치된다. 이에 따라 상기 가압구조체(1400)는, 상기 케이싱(1100)의 반경방향을 따라, 상기 보조조립체(1300)에 대하여 슬라이딩 가능하도록 설치된다.

이 경우, 가스터빈(10)의 작동 중, 상기 연소기(12)로부터 공급받은 연소가스의 유동에 따라 상기 1단 터빈 베인(1200)에 발생될 수 있는 진동, 더욱 상세하게는, 상기 터빈 로터(110)의 반경방향 기준 내외방향을 따라 발생되는 진동을 상기 가압구조체(1400)가 흡수할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)에 의하면, 상기 가압구조체(1400)가 상기 터빈 로터(110)의 축 방향을 따라 발생될 수 있는 상기 1단 터빈 베인(1200)의 진동은 물론, 상기 터빈 로터(110)의 반경방향을 따라 발생될 수 있는 상기 1단 터빈 베인(1200)의 진동 모두 상쇄시켜, 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)의 전체 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)에 관해 설명하도록 한다. 이때, 본 발명의 제1실시예와 차이가 있는 부분에 대해서만 중점적으로 서술하도록 한다.

도 5를 참조하면, 상기 보조조립체(1300)의 상기 돌출부(1240) 측의 면에는, 상기 돌출부(1240) 측을 향하여 돌출되되 단부가 상기 터빈 로터(110)의 반경방향 내측을 향하여 절곡된 절곡편(1330)이 형성된다. 그리고 상기 가압부재(1420)는, 상기 터빈 로터(110)의 반경방향 외측으로 절곡된 상기 보조조립체(1300) 측 단부가, 상기 절곡편(1330)의 내부로 삽입된다.

이 경우, 상기 절곡편(1330)은 상기 가압부재(1420)에 대하여 걸림쇠의 역할을 하게 된다. 즉, 상기 1단 터빈 베인(1200)의 열 팽창 등의 이유로 인해 상기 돌출부(1240)와 상기 보조조립체(1300) 사이의 틈새가 벌어지더라도, 상기 가압부재(1420)는 단부가 상기 절곡편(1330)에 걸려져 있는 상태를 유지하므로, 상기 가압구조체(1400)가 상기 보조조립체(1300)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 가스터빈(10)에 의하면, 상기 가압부재(1420)를 과도하게 압축시키지 않더라도 상기 가압구조체(1400)가 상기 보조조립체(1300)에 안착되어 효과적으로 지지되도록 할 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈 스테이터(1000), 터빈(100) 및 이를 포함하는 가스터빈(10)에 의하면, 터빈 베인(1200)의 반경방향 내측 단부와 보조조립체(1300)의 사이에 가압구조체(1400)를 개재함으로써, 터빈 베인(1200)의 반경방향 외측 단부와 내측 단부 간에 상대적인 변위가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 터빈 베인(1200)에 과도한 응력이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

10 : 가스터빈 11 : 압축기
12 : 연소기 13 : 토크튜브
14 : 튜브링 100 : 터빈
1000 : 터빈 스테이터 1100 : 터빈 케이싱
1200 : 터빈 베인 1300 : 보조조립체
1400 : 가압구조체

Claims

가스터빈의 연소기로부터 공급받은 연소가스가 내부로 통과하는 터빈 스테이터에 있어서,
케이싱;
상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인;
상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체; 및
상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함하되,
상기 1단 베인은, 상기 케이싱에 결합되는 아우터 슈라우드와, 상기 아우터 슈라우드에 결합되는 에어포일과, 상기 에어포일의 내측 단부에 결합되는 이너 슈라우드와, 상기 이너슈라우드의 내측면에 형성되는 돌출부와, 상기 돌출부로부터 상기 보조조립체 측으로 돌출되는 결합돌기를 포함하며,
상기 가압구조체는, 상기 돌출부 측의 면에 상기 결합돌기가 삽입되는 결합홈이 형성된 터빈 스테이터.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 안착홈이 형성되며,
상기 가압구조체는, 상기 안착홈의 내면에 안착되는 터빈 스테이터.
청구항 1에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면에 안착돌기가 돌출 형성되며,
상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 안착돌기의 내측에 안착되는 터빈 스테이터.
청구항 1에 있어서,
상기 가압구조체는, 상기 1단 베인의 내측 단부와 대향하는 측의 면에 결합홈이 형성된 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며 상기 고정부재를 상기 케이싱의 축 방향으로 가압하는 가압부재를 포함하는 터빈 스테이터.
청구항 3에 있어서,
상기 가압구조체는, 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 가압부재를 더 포함하며,
상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때, 상기 안착홈의 폭은, 상기 가압구조체의 폭보다 더 크게 형성된 터빈 스테이터.
청구항 5에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면으로부터 돌출되되, 단부가 상기 가압부재 측으로 절곡된 절곡편이 형성되며,
상기 가압부재는, 상기 보조조립체 측의 단부가 상기 1단 베인 측을 향하도록 절곡 형성되어 상기 절곡편에 삽입되는 터빈 스테이터.
청구항 1에 있어서,
상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 압축된 상태로 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 터빈 스테이터.
가스터빈의 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈에 있어서,
가스터빈의 연소기와 연통하며, 내부로 연소가스가 유동하는 스테이터; 및
상기 스테이터의 내부에 설치되며, 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하며,
상기 스테이터는,
케이싱과,
상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인과,
상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체와,
상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함하되,
상기 1단 베인은, 상기 케이싱에 결합되는 아우터 슈라우드와, 상기 아우터 슈라우드에 결합되는 에어포일과, 상기 에어포일의 내측 단부에 결합되는 이너 슈라우드와, 상기 이너슈라우드의 내측면에 형성되는 돌출부와, 상기 돌출부로부터 상기 보조조립체 측으로 돌출되는 결합돌기를 포함하며,
상기 가압구조체는, 상기 돌출부 측의 면에 상기 결합돌기가 삽입되는 결합홈이 형성된 터빈.
삭제
청구항 9에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 안착홈이 형성되며,
상기 가압구조체는, 상기 안착홈의 내면에 안착되는 터빈.
청구항 9에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면에 안착돌기가 돌출 형성되며,
상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 안착돌기의 내측에 안착되는 터빈.
청구항 9에 있어서,
상기 가압구조체는, 상기 1단 베인의 내측 단부와 대향하는 측의 면에 결합홈이 형성된 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며 상기 고정부재를 상기 케이싱의 축 방향으로 가압하는 가압부재를 포함하는 터빈.
청구항 11에 있어서,
상기 가압구조체는, 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 가압부재를 더 포함하며,
상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때, 상기 안착홈의 폭은, 상기 가압구조체의 폭보다 더 크게 형성된 터빈.
청구항 13에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면으로부터 돌출되되, 단부가 상기 가압부재 측으로 절곡된 절곡편이 형성되며,
상기 가압부재는, 상기 보조조립체 측의 단부가 상기 1단 베인 측을 향하도록 절곡 형성되어 상기 절곡편에 삽입되는 터빈.
청구항 9에 있어서,
상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 압축된 상태로 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 터빈.
외부로부터 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기;
상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를, 외부로부터 공급받은 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함하되,
상기 터빈은,
가스터빈의 연소기와 연통하며, 내부로 연소가스가 유동하는 스테이터와,
상기 스테이터의 내부에 설치되며, 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 로터를 포함하며,
상기 스테이터는,
케이싱과,
상기 케이싱의 내주면에 설치되며, 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi stage)으로 배치되는 복수개의 베인과,
상기 복수개의 베인 중 1단 베인의 내측 단부에 설치되며, 상기 1단 베인을 상기 케이싱에 고정시키는 보조조립체와,
상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 상기 1단 베인을 가압하고, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 상기 보조조립체에 대하여 슬라이딩 가능하게 설치되는 가압구조체를 포함하며,
상기 1단 베인은, 상기 케이싱에 결합되는 아우터 슈라우드와, 상기 아우터 슈라우드에 결합되는 에어포일과, 상기 에어포일의 내측 단부에 결합되는 이너 슈라우드와, 상기 이너슈라우드의 내측면에 형성되는 돌출부와, 상기 돌출부로부터 상기 보조조립체 측으로 돌출되는 결합돌기를 포함하며,
상기 가압구조체는, 상기 돌출부 측의 면에 상기 결합돌기가 삽입되는 결합홈이 형성된 가스터빈.
삭제
청구항 17에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 케이싱의 반경방향을 따라 안착홈이 형성되며,
상기 가압구조체는, 상기 안착홈의 내면에 안착되는 가스터빈.
청구항 17에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면에 안착돌기가 돌출 형성되며,
상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때의 상기 안착돌기의 내측에 안착되는 가스터빈.
청구항 17에 있어서,
상기 가압구조체는, 상기 1단 베인의 내측 단부와 대향하는 측의 면에 결합홈이 형성된 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되며 상기 고정부재를 상기 케이싱의 축 방향으로 가압하는 가압부재를 포함하는 가스터빈.
청구항 19에 있어서,
상기 가압구조체는, 고정부재와, 상기 고정부재와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 가압부재를 더 포함하며,
상기 케이싱의 반경방향을 기준으로 하였을 때, 상기 안착홈의 폭은, 상기 가압구조체의 폭보다 더 크게 형성된 가스터빈.
청구항 21에 있어서,
상기 보조조립체는, 상기 가압구조체 측의 면으로부터 돌출되되, 단부가 상기 가압부재 측으로 절곡된 절곡편이 형성되며,
상기 가압부재는, 상기 보조조립체 측의 단부가 상기 1단 베인 측을 향하도록 절곡 형성되어 상기 절곡편에 삽입되는 가스터빈.
청구항 17에 있어서,
상기 가압구조체는, 상기 케이싱의 축 방향을 따라 압축된 상태로 상기 1단 베인의 내측 단부와 상기 보조조립체의 사이에 개재되는 가스터빈.