KR102284507B1

KR102284507B1 - 로터 및 이를 포함하는 터보머신

Info

Publication number: KR102284507B1
Application number: KR1020200023081A
Authority: KR
Inventors: 주재민
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2021-08-02
Anticipated expiration: 2040-02-25

Abstract

본 발명은, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크; 상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드; 및 상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지를 포함하는 로터 및 이를 포함하는 터보머신을 제공한다.

Description

로터 및 이를 포함하는 터보머신{rotor and turbo-machine comprising the same}

본 발명은 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 발전을 위한 동력을 생성하는 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 관한 것이다.

터보머신이란, 터보머신을 통과하는 유체(특히, 기체)를 통해, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 장치를 의미한다. 따라서 터보머신은 통상 발전기와 함께 설치되어 사용된다. 이러한 터보머신에는, 가스터빈(Gas turbine), 스팀터빈(Steam turbine), 풍력터빈(Wind power turbine) 등이 해당될 수 있다. 가스터빈은 압축공기와 천연가스를 혼합하여 연소시켜 연소가스를 생성하고, 이와 같이 생성된 연소가스를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 스팀터빈은 물을 가열하여 생성되는 증기를 이용하여 발전을 위한 동력을 생성하는 장치이다. 풍력터빈은 풍력을 발전용 동력으로 전환시키는 장치이다.

터보머신 중 가스터빈에 대해 살펴보면, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈을 포함한다. 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.

터보머신 중 증기터빈에 대해 살펴보면, 증기터빈은 증발기와 터빈을 포함한다. 상기 증발기는 외부로부터 공급받은 물을 가열하여 증기를 생성한다. 상기 터빈은 가스터빈에서의 터빈과 마찬가지로 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 다만, 증기터빈에서의 터빈은 연소가스가 아닌 상기 증발기에서 생성된 증기를 내부로 통과시켜, 터빈 블레이드를 회전시킨다.

한편 종래의 터보머신은, 터빈 블레이드의 루트부재와, 루트부재가 삽입되는 디스크의 슬롯 사이에 웨지(Wedge)가 개재된다. 상기 웨지는, 터빈 블레이드를 반경방향 외측으로 리프팅시켜, 가스터빈 가동 중에 터빈 블레이드에서 발생될 수 있는 진동을 최소화하는 역할을 한다. 이때, 종래의 터보머신에 의하면, 이러한 웨지가 냉각공기의 흐름을 막아, 로터의 원활한 냉각을 방해한다는 문제가 있다.

US 공개특허 제2015/0176417호(발명의 명칭 : Blade ring for a turbomachine)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 터빈 블레이드의 루트부재와 디스크의 슬롯 사이에 웨지를 설치하더라도, 냉각공기의 흐름을 막지 않고 로터의 원활한 냉각을 도모할 수 있는 로터 및 이를 포함하는 터보머신을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크; 상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드; 및 상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지를 포함하는 로터를 제공한다.

또한, 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터를 포함하되, 상기 로터는, 상기 스테이터의 내부에 설치되며, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크와, 상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지를 포함하는 터보머신을 제공한다.

상기 슬롯은, 상기 디스크의 축방향을 따라 형성되며, 상기 쿨링캐비티는, 상기 디스크의 축방향을 따라 상기 웨지를 관통하도록 형성된다.

상기 웨지는, 상기 루트부재의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 디스크의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비된다.

상기 루트부재는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크의 축방향 일측에 삽입홈이 형성되며, 상기 웨지는, 반경방향 외측 일부가 상기 삽입홈에 삽입된다.

상기 웨지는, 상기 슬롯의 중심부로부터 상기 디스크의 축방향 일측으로 향할수록, 반경방향 외측 면이 내측 면을 기준으로 외측으로 경사진 형상으로 형성된다.

상기 로터는, 상기 웨지와 상기 루트부재의 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 더 포함한다.

상기 루트부재는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크의 축방향 일측에 삽입홈이 형성되며, 상기 시트는, 시트본체와, 상기 시트본체의 상기 웨지 측 단부에 결합되며, 상기 삽입홈에 삽입되도록 상기 시트본체에 대하여 반경방향 외측으로 경사를 이루고, 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 경사부재를 포함한다.

상기 로터는, 상기 시트본체의 반경방향 내측 면에 결합되며, 상기 슬롯의 중심부에 배치되는 블록을 더 포함한다.

상기 로터는, 상기 웨지와 상기 슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 더 포함한다.

상기 웨지는, 상기 디스크의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비되며, 상기 로터는, 상기 시트의 반경방향 외측 면에 결합되며, 상기 한 쌍의 웨지 사이에 배치되는 블록을 더 포함한다.

상기 시트는, 단부가 상기 웨지 측으로 절곡된 후, 상기 쿨링캐비티로 삽입되도록 절곡되어 상기 쿨링캐비티의 내벽에 안착된다.

상기 블록은, 상기 디스크의 축방향을 따라 관통되는 보조캐비티가 형성된다.

본 발명에 따른 로터 및 이를 포함하는 터보머신에 의하면, 웨지에 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성됨으로써, 냉각공기가 쿨링캐비티를 따라 원활하게 유동하도록 하여 터빈 로터가 효과적으로 냉각되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 시트(Sheet)의 단부가 웨지의 쿨링캐비티로 삽입되도록 절곡됨으로써, 웨지가 디스크의 슬롯으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 터보머신 중 가스터빈을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 터빈 로터의 분해사시도이다.
도 3은 도 2에서 디스크의 슬롯에 시트와 웨지가 삽입된 모습을 도시한 것으로서, 본 발명에 제1실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에서 디스크의 축방향을 따라 터빈 로터가 절단된 모습을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 웨지의 사시도이다.
도 6은 도 3에 나타낸 시트의 사시도로서, 단부가 웨지를 감싸도록 절곡되기 전의 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 본 발명의 제2실시예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에서 도시된 시트 및 블록의 사시도로서, 단부가 웨지를 감싸도록 절곡되기 전의 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 제2실시예를 기준으로 하여 터빈 로터를 조립하는 과정을 나타낸 도면이다.

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 및 이를 포함하는 터보머신에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 이때, 본 발명에 따른 터보머신은 가스터빈인 것으로 가정하여 설명할 것이나, 이는 일 예에 불과하며, 본 발명에 따른 터보머신은 가스터빈이 아닌 증기터빈에 해당될 수도 있음은 물론이라 할 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)은 압축기(11), 연소기(12) 및 터빈(13)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(10)의 상류 측에는 압축기(11)가 배치되고 하류 측에는 터빈(13)이 배치된다. 그리고 압축기(11)와 터빈(13) 사이에는 연소기(12)가 배치된다.

압축기(11)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(13)은 터빈 케이싱(15) 내부에 터빈 베인(16)과 터빈 로터(100)를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인(16)과 터빈 로터(100) 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(11)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(13)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기(11)의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈(13)의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터(100) 사이에는, 터빈(13)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(11)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 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 연소기(12)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.

가스터빈(10)의 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(12)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(13)으로 공급된다. 터빈(13)으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈(13)의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드(120)에 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(13)은 기본적으로는 압축기(11)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(13)에도 압축기(11)의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터(100)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(100) 역시, 터빈 디스크(110)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(120)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(120)의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(15)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인(16)이 구비되며, 상기 터빈 베인(16)은 터빈 블레이드(120)를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 상기 터빈 케이싱(15)과 터빈 베인(16) 역시, 상기 터빈 로터(10)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(14)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 2를 참조하면, 터빈 디스크(110)는 원판 형상으로서 그 외주면에 복수개의 터빈 디스크 슬롯(111)이 형성된다. 터빈 블레이드(120)는 상기 터빈 디스크(110)의 반경방향 외측에 설치되는 것으로서, 상기 터빈 디스크 슬롯(111)에 삽입되는 루트부재(121)와, 상기 루트부재(121)의 반경방향 외측에 결합되는 플랫폼(Platform; 123)과, 상기 플랫폼(123)의 반경방향 외측에 결합되어 연소가스에 의해 회전하는 에어포일(Airfoil; 124)을 포함한다.

상기 플랫폼(123)은 상기 에어포일(124)을 상기 루트부재(121)에 고정시킨다. 또한, 상기 플랫폼(123)은 이웃한 플랫폼(123)과 그 측면이 서로 접하여 터빈 블레이드(120)들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다. 이때, 도 2에서는 상기 플랫폼(123)이 평면 형상인 것으로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 상기 플랫폼(123)의 형상은 다양하게 형성될 수 있다.

상기 플랫폼(123)의 저면에는 상기 디스크 슬롯(111)에 체결되는 루트부재(121)가 구비된다. 상기 루트부재(121)는, 상기 디스크 슬롯(111)에 형성된 굴곡면의 형태와 상응하도록 형성되는데, 이는 상용되는 가스터빈(10)의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다.

상기 루트부재(121)의 체결방식은, 상기 터빈 디스크 슬롯(111)에 상기 터빈 디스크(110)의 외주면의 접선 방향을 따라 삽입되는 탄젠셜 타입(tangential type)과, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 터빈 디스크 슬롯(111)에 상기 터빈 디스크의 축방향을 따라서 삽입되는 액셜 타입(axial type)이 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드를 터빈 디스크에 체결할 수 있다.

상기 플랫폼(123)의 상부면에는 에어포일(124)이 구비된다. 상기 에어포일(124)은 가스터빈(10)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소가스의 흐름 방향을 기준으로 상류 측에 배치되는 리딩 엣지(Leading edge)와 하류 측에 배치되는 트레일링 엣지(Trailing edge)를 갖는다.

여기서, 상기 압축기 블레이드와는 달리, 터빈 블레이드(120)는 고온고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 상기 연소가스의 온도는 1700℃에 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 상기 압축기의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈 블레이드(120)로 공급하는 추기유로를 갖게 된다.

상기 추기유로는 상기 케이싱 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 압축기 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 상기 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 상기 에어포일의 표면에는 다수의 필름쿨링홀(Film cooling hole; 미도시)이 형성될 수 있는데, 상기 필름쿨링홀들은 상기 에어포일의 내부에 형성되는 냉각유로(미도시)와 연통되어 압축공기를 상기 에어포일의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.

이하부터는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 로터(100)에 관해 설명하도록 한다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 로터(100)는, 웨지(130) 및 시트(140)를 더 포함한다.

상기 웨지(130)는, 상기 슬롯(111)의 내벽과 상기 루트부재(121)의 사이에 개재되며, 내부에 쿨링캐비티(Cooling cavity; 131)가 관통 형성된다. 더욱 상세하게는, 상기 웨지(130)는, 상기 루트부재(121)의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 디스크(110)의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비된다. 그리고 상기 쿨링캐비티(131)는, 상기 디스크(110)의 축방향을 따라 상기 웨지(130)를 관통하도록 형성된다. 여기서, 상기 디스크(110)의 축방향이란, 상기 디스크(110)의 회전중심이 되는 가상의 회전축을 의미하며, 이는 상기 타이로드의 길이방향과도 일치한다고 할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 루트부재(121)는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크(110)의 축방향 일측과 타측에 각각 삽입홈(122)이 형성된다. 상기 한 쌍의 삽입홈(122)은, 상기 슬롯(111)의 중심부로부터 각각 상기 디스크(110)의 축방향 일측과 타측으로 향할수록, 반경방향 외측으로 경사진 형상으로 형성된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 한 쌍의 웨지(130)는, 각각 반경방향 외측 일부가 상기 한 쌍의 삽입홈(122)에 각각 삽입된다. 그리고 상기 한 쌍의 웨지(130)는, 각각 반경방향 외측의 면이, 대향하는 상기 한 쌍의 삽입홈(122)의 내벽 부위의 형상에 대응하여 경사진 형상으로 형성된다. 즉, 상기 한 쌍의 웨지(130)는, 각각 상기 슬롯(111)의 중심부로부터 상기 디스크(110)의 축방향 일측과 타측으로 향할수록, 반경방향 외측의 면이 내측의 면을 기준으로 외측으로 경사진 형상으로 형성된다.

도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 시트(140)는, 상기 한 쌍의 웨지(130)와 상기 루트부재(121)의 사이에 배치되며, 상기 디스크(110)의 축방향 일측 단부와 타측 단부가 각각 상기 한 쌍의 웨지(130)를 감싸도록 절곡된다. 더욱 상세하게는, 상기 시트(140)는, 시트본체(141)와 한 쌍의 경사부재(142)를 포함한다. 상기 시트본체(141)는, 판형으로 형성되며, 상기 한 쌍의 웨지(130)의 사이, 즉 상기 슬롯(11)의 중심부에 배치된다. 상기 한 쌍의 경사부재(142)는, 상기 디스크(110)의 축방향 기준 상기 시트본체(141)의 일측 단부와 타측 단부에 결합되며, 상기 한 쌍의 웨지(130)와 상기 루트부재(121)의 사이에 배치된다. 그리고 상기 한 쌍의 경사부재(142)는, 상기 한 쌍의 삽입홈(122)에 각각 삽입되도록, 상기 시트본체(141)로부터 반경방향 외측으로 경사를 이루도록 배치된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 한 쌍의 경사부재(142)는, 각각 단부가 상기 한 쌍의 웨지(130)를 감싸도록 반경방향 내측으로 절곡된다. 더욱 상세하게는, 상기 한 쌍의 경사부재(142)는, 각각 단부가 반경방향 내측으로 절곡된 다음, 상기 한 쌍의 웨지(130)의 각각의 쿨링캐비티(131)로 삽입되도록 절곡되어, 상기 쿨링캐비티(131)의 내벽에 안착된다. 즉, 상기 한 쌍의 경사부재(142)는, 상기 디스크(110)의 축방향 기준 상기 한 쌍의 웨지(130)의 일측 단부와 타측 단부를 모두 덮도록 절곡되는 것이 아니라, 상기 쿨링캐비티(131)가 각각 외부와 연통된 상태를 유지하도록, 일부만을 덮도록 절곡되는 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 터빈 로터(100) 및 이를 포함하는 가스터빈(10)에 의하면, 웨지(130)에 쿨링캐비티(Cooling cavity; 131)가 형성됨으로써, 냉각공기가 쿨링캐비티(131)를 따라 원활하게 유동하도록 하여 터빈 로터(100)가 효과적으로 냉각되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 시트(Sheet; 140)의 단부가 웨지(130)의 쿨링캐비티(131)로 삽입되도록 절곡됨으로써, 웨지(130)가 디스크(110)의 슬롯(111)으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

이하부터는, 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제2 내지 제4실시예에 대해 설명하도록 한다. 이때, 본 발명의 다른 실시예와 비교하여 차이가 있는 부분에 대해서만 설명하도록 한다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 로터(200)는, 도 3 내지 도 6에 개시된 본 발명의 제1실시예와 비교하였을 때, 블록(150)을 더 포함한다. 상기 블록(150)은, 상기 시트본체(141)의 반경방향 내측면에 결합되며, 상기 슬롯(111)의 중심부, 즉 상기 한 쌍의 웨지(130)의 사이에 배치된다. 이때, 상기 블록(150)은, 상기 디스크(110)의 축방향을 따라 보조캐비티(151)가 관통 형성된다.

이에 따라 본 발명의 제2실시예에 의하면, 상기 슬롯(111)의 중심부에 블록(150)이 개재됨에 따라, 가스터빈의 작동 중 상기 시트본체(141)에 진동이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 상기 블록(150)에도 보조캐비티(151)가 형성됨으로써, 상기 쿨링캐비티(131)와 함께 냉각공기의 유동이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 로터(300)는, 도 3 내지 도 6에 개시된 본 발명의 제1실시예와 비교하였을 때, 시트(240)가 상기 웨지(130)와 루트부재(121)의 사이에 배치되는 것이 아니라, 상기 웨지(130)와 상기 슬롯(111)의 내벽 사이에 배치된다. 그리고 상기 시트(240)는, 시트본체(141) 및 경사부재(142)를 포함하는 구조가 아니라, 판형의 단일 형상으로 형성된다.

이때, 상기 시트(240)는, 일측 단부와 타측 단부가 각각 상기 웨지(130)를 감싸도록 반경방향 외측으로 절곡 형성된다. 그리고 상기 시트(240)는, 각 단부가 상기 쿨링캐비티(131)의 내부로 삽입되도록 절곡되어, 상기 쿨링캐비티(131)의 내벽 중 반경방향 내측 부위에 안착된다.

이와 같은 본 발명의 제3실시예에 의하면, 웨지(130)에 쿨링캐비티(Cooling cavity; 131)가 형성됨으로써, 냉각공기가 쿨링캐비티(131)를 따라 원활하게 유동하도록 하여 터빈 로터(100)가 효과적으로 냉각되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 시트(Sheet; 240)의 단부가 웨지(130)의 쿨링캐비티(131)로 삽입되도록 절곡됨으로써, 웨지(130)가 디스크(110)의 슬롯(111)으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 로터(400)는, 도 9에 개시된 본 발명의 제3실시예와 비교하였을 때, 블록(250)을 더 포함한다. 상기 블록(250)은 상기 시트(240)의 반경방향 외측면에 결합되며, 상기 슬롯(111)의 중심부에 배치된다. 그리고 상기 블록(250)은, 상기 디스크(110)의 축방향을 따라 보조캐비티(151)가 관통 형성된다.

이에 따라 본 발명의 제4실시예에 의하면, 상기 슬롯(111)의 중심부에 블록(250)이 개재됨에 따라, 가스터빈의 작동 중 상기 시트(240)에 진동이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 상기 블록(250)에도 보조캐비티(251)가 형성됨으로써, 상기 쿨링캐비티(131)와 함께 냉각공기의 유동이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

이하부터는, 도 11 내지 도 14를 참조하여, 본 발명에 따른 터빈 로터의 조립과정에 대해 설명하도록 한다. 이때, 터빈 로터의 조립과정은 본 발명의 제2실시예를 기준으로 설명하도록 한다.

도 11을 참조하면, 실시자는 우선 디스크(110)의 슬롯(111)에 루트부재(121)를 삽입한다.

다음으로 도 12를 참조하면, 실시자는 상기 슬롯(111) 중 상기 루트부재(121)의 반경방향 내측 부위로 블록(150)이 결합된 상태의 시트(140)를 삽입한다.

그 후, 도 13을 참조하면, 실시자는 상기 경사부재(142)의 반경방향 내측 부위로 웨지(130)를 삽입한다. 이때, 상기 웨지(130)를 상기 슬롯(111)에 삽입하면서, 상기 경사부재(142)는 상기 웨지(130)의 반경방향 외측면의 경사진 형상에 의하여 반경방향 외측으로 절곡된 후 상기 루트부재(121)의 반경방향 내측 단부에 형성된 삽입홈(122)으로 삽입된다.

마지막으로, 도 14를 참조하면, 실시자는 상기 시트(140)의 단부를 상기 웨지(130)의 쿨링캐비티(131)로 삽입하도록 절곡시킴으로써, 터빈 로터의 조립을 완료하게 된다.

한편, 상술한 본 발명에 따른 로터(100,200,300,400)의 경우, 증기터빈에도 설치될 수 있다. 즉, 증기터빈은, 외부로부터 공급받은 물을 증발시키는 증발기와, 상기 증발기로부터 공급받은 증기를 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈을 포함한다. 그리고 증기터빈용 터빈은, 스테이터와, 상기 스테이터의 내부에 설치되는 것으로서 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 로터(100,200,300,400)를 포함할 수 있다. 다만, 이 경우, 증기터빈에서 터빈의 내부로 통과되는 기체는, 연소가스가 아닌 증기가 된다.

10 : 터보머신(가스터빈) 11 : 압축기
12 : 연소기 13 : 터빈
14 : 스테이터 100,200,300,400 : 로터
110 : 디스크 120 : 블레이드
130 : 웨지 140,240 : 시트
150,250 : 블록

Claims

외주면에 슬롯이 형성된 디스크;
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드;
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지; 및
상기 웨지와 상기 루트부재의 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 시트는, 단부가 상기 웨지 측으로 절곡된 후, 상기 쿨링캐비티로 삽입되도록 절곡되어 상기 쿨링캐비티의 내벽에 안착되는 로터.
청구항 1에 있어서,
상기 슬롯은, 상기 디스크의 축방향을 따라 형성되며,
상기 쿨링캐비티는, 상기 디스크의 축방향을 따라 상기 웨지를 관통하도록 형성된 로터.
청구항 1에 있어서,
상기 웨지는, 상기 루트부재의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 디스크의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비되는 로터.
청구항 1에 있어서,
상기 루트부재는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크의 축방향 일측에 삽입홈이 형성되며,
상기 웨지는, 반경방향 외측 일부가 상기 삽입홈에 삽입되는 로터.
청구항 4에 있어서,
상기 웨지는, 상기 슬롯의 중심부로부터 상기 디스크의 축방향 일측으로 향할수록, 반경방향 외측 면이 내측 면을 기준으로 외측으로 경사진 형상으로 형성된 로터.
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외주면에 슬롯이 형성된 디스크;
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드;
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지; 및
상기 웨지와 상기 루트부재의 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 루트부재는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크의 축방향 일측에 삽입홈이 형성되며,
상기 시트는,
시트본체와,
상기 시트본체의 상기 웨지 측 단부에 결합되며, 상기 삽입홈에 삽입되도록 상기 시트본체에 대하여 반경방향 외측으로 경사를 이루고, 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 경사부재를 포함하고,
상기 시트본체의 반경방향 내측 면에 결합되며, 상기 슬롯의 중심부에 배치되는 블록을 더 포함하며,
상기 블록은, 상기 디스크의 축방향을 따라 관통되는 보조캐비티가 형성된 로터.
외주면에 슬롯이 형성된 디스크;
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드;
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지; 및
상기 웨지와 상기 슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 시트는, 단부가 상기 웨지 측으로 절곡된 후, 상기 쿨링캐비티로 삽입되도록 절곡되어 상기 쿨링캐비티의 내벽에 안착되는 로터.
외주면에 슬롯이 형성된 디스크;
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드;
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지; 및
상기 웨지와 상기 슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 웨지는, 상기 디스크의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비되며,
상기 시트의 반경방향 외측 면에 결합되며, 상기 한 쌍의 웨지 사이에 배치되는 블록을 더 포함하고,
상기 블록은, 상기 디스크의 축방향을 따라 관통되는 보조캐비티가 형성된 로터.
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케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 베인을 포함하는 스테이터와,
상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터를 포함하되,
상기 로터는,
상기 스테이터의 내부에 설치되며, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크와,
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지와,
상기 웨지와 상기 루트부재의 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 시트는, 단부가 상기 웨지 측으로 절곡된 후, 상기 쿨링캐비티로 삽입되도록 절곡되어 상기 쿨링캐비티의 내벽에 안착되는 터보머신.
청구항 13에 있어서,
상기 슬롯은, 상기 디스크의 축방향을 따라 형성되며,
상기 쿨링캐비티는, 상기 디스크의 축방향을 따라 상기 웨지를 관통하도록 형성된 터보머신.
청구항 13에 있어서,
상기 웨지는, 상기 루트부재의 반경방향 내측에 배치되며, 상기 디스크의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비되는 터보머신.
청구항 13에 있어서,
상기 루트부재는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크의 축방향 일측에 삽입홈이 형성되며,
상기 웨지는, 반경방향 외측 일부가 상기 삽입홈에 삽입되는 터보머신.
청구항 16에 있어서,
상기 웨지는, 상기 슬롯의 중심부로부터 상기 디스크의 축방향 일측으로 향할수록, 반경방향 외측 면이 내측 면을 기준으로 외측으로 경사진 형상으로 형성된 터보머신.
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케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 베인을 포함하는 스테이터와,
상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터를 포함하되,
상기 로터는,
상기 스테이터의 내부에 설치되며, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크와,
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지와,
상기 웨지와 상기 루트부재의 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 루트부재는, 반경방향 내측 단부 중, 상기 디스크의 축방향 일측에 삽입홈이 형성되며,
상기 시트는,
시트본체와,
상기 시트본체의 상기 웨지 측 단부에 결합되며, 상기 삽입홈에 삽입되도록 상기 시트본체에 대하여 반경방향 외측으로 경사를 이루고, 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 경사부재를 포함하고,
상기 로터는, 상기 시트본체의 반경방향 내측 면에 결합되며, 상기 슬롯의 중심부에 배치되는 블록을 더 포함하며,
상기 블록은, 상기 디스크의 축방향을 따라 관통되는 보조캐비티가 형성된 터보머신.
케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 베인을 포함하는 스테이터와,
상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터를 포함하되,
상기 로터는,
상기 스테이터의 내부에 설치되며, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크와,
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지와,
상기 웨지와 상기 슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 시트는, 단부가 상기 웨지 측으로 절곡된 후, 상기 쿨링캐비티로 삽입되도록 절곡되어 상기 쿨링캐비티의 내벽에 안착되는 터보머신.
케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되는 베인을 포함하는 스테이터와,
상기 스테이터의 내부로 통과되는 유체에 의해 회전하는 로터를 포함하되,
상기 로터는,
상기 스테이터의 내부에 설치되며, 외주면에 슬롯이 형성된 디스크와,
상기 디스크의 슬롯에 삽입되는 루트부재와, 상기 루트부재의 반경방향 외측에 설치되는 에어포일을 포함하는 블레이드와,
상기 슬롯의 내벽과 상기 루트부재의 사이에 개재되며, 쿨링캐비티(Cooling cavity)가 형성된 웨지와,
상기 웨지와 상기 슬롯의 내벽 사이에 배치되며, 상기 디스크의 축방향 일측 단부가 상기 웨지를 감싸도록 절곡되는 시트를 포함하며,
상기 웨지는, 상기 디스크의 축방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 한 쌍으로 구비되며,
상기 로터는, 상기 시트의 반경방향 외측 면에 결합되며, 상기 한 쌍의 웨지 사이에 배치되는 블록을 더 포함하고,
상기 블록은, 상기 디스크의 축방향을 따라 관통되는 보조캐비티가 형성된 터보머신.
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