KR102000256B1

KR102000256B1 - 로터 블레이드 팁 부의 실링 구조

Info

Publication number: KR102000256B1
Application number: KR1020170164188A
Authority: KR
Inventors: 이창호
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-07-15
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: KR20190064891A

Abstract

본 발명은 가스터빈에 구비되는 로터 디스크의 원주방향을 따라 결합하고, 반경 방향에 직교하는 단면이 에어 포일 형상을 이루는 복수 개의 로터 블레이드에 관한 것으로서, 상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 로터 블레이드의 반경 방향에 대해 직교하는 방향을 따르는 슬라이딩 결합을 통해 탈착 가능하게 장착되는 브러시 시일이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

로터 블레이드 팁 부의 실링 구조{Sealing structure of rotor blade tip portion}

본 발명은 로터 블레이드 팁 부의 실링 구조에 관한 것으로서, 특히 로터 블레이드의 팁 부에 교체가 용이하도록 브러시 시일을 장착하는 구조에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 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. 외부로부터 도입된 공기는 복수 단으로 이루어진 회전하는 압축기 블레이드를 거치면서 점차로 압축되어 목표로 하는 압력까지 상승한다.

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.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 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.

가스터빈의 효율에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 근래의 가스터빈 개발에서는 연소기에서의 연소 효율 향상, 터빈 입구 온도의 상승을 통한 열역학적 효율의 향상, 압축기와 터빈에서의 공력 효율 향상 등 다양한 방면으로 연구가 진행되고 있다.

여기서, 압축기와 터빈에서의 공력 효율 향상 측면에서 중요하게 다루어지는 것이 압축기 블레이드와 터빈 블레이드 팁 부에서의 간극 제어 내지는 누설 가스량의 감소이다. 고온 환경에서의 열팽창 및 회전 운동시의 접촉을 고려하여 부득이하게 블레이드 팁 부와 케이싱 내면 사이에는 일정한 간극을 형성할 수밖에 없다. 그러나, 이 간극을 통해 빠져나가는 가스(압축기에서는 공기, 터빈에서는 연소가스)는 유효일(effective work)에는 전혀 영향을 미치지 못하고 때에 따라서는 악영향을 주는 손실로 작용한다.

따라서, 블레이드 팁 부에서의 누설 가스 제어는 가스터빈에서의 중요한 설계 요소이며, 또한 고온·고압 환경에서 안정적으로 작동하고 유지·보수 측면에서도 유리한 기술을 개발할 필요성이 높다.

미국등록특허 제5,752,802호 (1998.05.19 동륵)

본 발명은 가스터빈의 블레이드 팁 부에서의 누설 가스 제어에 효과적이면서도 유지·보수가 편리하고, 고온·고압 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 로터 블레이드 팁 부의 실링 구조를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

여기서, 상기 브러시 시일은, 상면에 복수의 브리슬이 구비되고 양 측면으로 슬라이드 돌기가 각각 형성된 베이스 플레이트를 포함하고, 상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 한 쌍의 슬라이드 돌기가 치합되는 한 쌍의 슬라이드 홈이 형성된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 베이스 플레이트는 직선 형태의 평판이고, 상기 로터 블레이드의 팁 부 상면에는 상기 베이스 플레이트에 대응하는 형태의 삽입 홈이 구비된다.

그리고, 상기 삽입 홈은 상기 에어 포일 형상의 단면에 대해 리딩 에지부로부터 상기 베이스 플레이트의 길이가 최대가 되는 방향으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 베이스 플레이트는 곡선 형태의 평판이고, 상기 로터 블레이드의 팁 부 상면에는 상기 베이스 플레이트에 대응하는 형태의 삽입 홈이 구비된다.

여기서, 상기 베이스 플레이트는 곡률반경이 일정한 원호 형태의 평판이고, 상기 삽입 홈은 상기 에어 포일 형상의 단면에 대해 리딩 에지부로부터 상기 베이스 플레이트의 길이가 최대가 되는 방향으로 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 베이스 플레이트는 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일 형상에 대응하는 형태의 평판이고, 상기 로터 블레이드의 팁 부의 모서리를 따라 상기 슬라이드 홈이 구비된다.

여기서, 상기 슬라이드 홈은 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일에 있어 최대 두께 지점에서 시작하여 트레일링 에지까지 연장 형성될 수 있다.

상기 로터 블레이드는 압축기 로터 블레이드 또는 터빈 블레이드일 수 있는데, 상기 베이스 플레이트가 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일 형상에 대응하는 형태의 평판인 터빈 블레이드인 경우에는 상기 베이스 플레이트의 에어 포일 형태에 있어 정압면과 음압면에는 상기 터빈 블레이드 내측의 중공부와 연통하는 복수 개의 냉각 홀이 각각 관통 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 베이스 플레이트의 정압면과 음압면에 각각 형성되는 냉각 홀에 있어, 상기 정압면에 형성되는 냉각 홀은 반경 방향 중심선과 평행하고, 상기 음압면에 형성되는 냉각 홀은 반경 방향 중심선으로부터 발산하는 방향으로 경사를 이루도록 구성될 수 있다.

한편, 본 발명은 가스터빈의 상류측에 위치한 압축기 섹션에 대해 하류 측에 위치한 터빈 섹션의 회전토크를 전달하는 토크 튜브를 구비하고, 중심축에 대해 반경 방향으로 연장 형성된 로터 디스크를 상기 압축기 섹션 및 터빈 섹션에 각각 구비하며, 상기 로터 디스크의 원주방향을 따라 결합하고 반경 방향에 직교하는 단면이 에어 포일 형상을 이루는 복수 개의 로터 블레이드를 포함하는 가스터빈용 로터 어셈블리로서, 상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 로터 블레이드의 반경 방향에 대해 직교하는 방향을 따르는 슬라이딩 결합을 통해 탈착 가능하게 장착되는 브러시 시일이 구비되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 로터 어셈블리를 제공한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 로터 블레이드는 교체가 손쉽도록 장착되는 브러시 시일을 구비함으로써 블레이드 팁 부에서의 누설 가스 제어에 효과적이면서도 유지·보수가 간편해지는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 별도로 제작되기 때문에 가공하기에 용이한 브러시 시일에 최적의 각도로 냉각 홀을 형성함으로써 고온·고압 환경에서도 브러시 시일이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 된다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스 터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로터 블레이드를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 로터 블레이드를 도시한 도면.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 도 2 및 도 3의 로터 블레이드에 대한 평면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 로터 블레이드를 도시한 도면.
도 6은 도 5의 로터 블레이드에 대한 평면도.
도 7은 도 5의 로터 블레이드 팁 부에 냉각 홀이 형성된 실시형태를 도시한 단면도.
도 8은 도 7의 로터 블레이드가 복수 개 배치된 상태를 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 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 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 ?과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크 튜브(130)가 배치되어 있다.

압축기 섹션(110)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 타이로드(150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 고정되어 있어 회전하지 않으며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

타이로드(150)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크 튜브(130) 내에서 고정된다.

타이로드(150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.

연소기(104)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션과 그 구조가 유사하다. 즉, 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)를 포함한다. 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.

도 2부터 도 8까지의 도면은 가스터빈의 회전축, 즉 로터에 방사상으로 배치되는 본 발명에 따른 로터 블레이드(1000)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 로터 블레이드(1000)라 함은 압축기 섹션에 배치되는 압축기 로터 블레이드와, 터빈 섹션에 배치되는 터빈 블레이드를 모두 아우르는 것임에 유의할 필요가 있다. 이하, 각 도면에 도시된 구성에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 로터 블레이드(1000)의 제1 실시형태를 도시하고 있다. 로터 블레이드(1000)는 가스터빈에 구비되는 로터 디스크의 원주방향을 따라 복수 개가 열을 이루며 결합하고, 반경 방향에 직교하는 단면이 에어 포일 형상을 이루는 회전날개를 지칭한다. 전술한 바와 같이, 압축기 로터 블레이드는 외부에서 도입된 공기를 수 개의 단을 거치면서 목표로 하는 압력까지 압축하는 공력 수단이고, 터빈 블레이드는 연소가스를 팽창시키는 가운데 고온·고압 에너지의 일부를 회전 동력으로 변환하는 공력 수단이다.

여기서, 압축기와 터빈에서의 공력 효율 향상 측면에서 중요하게 다루어지는 것이 압축기 블레이드와 터빈 블레이드 팁 부(1100)에서의 간극 제어 내지는 누설 가스량의 감소이다. 고온 환경에서의 열팽창 및 회전 운동시의 접촉을 고려하여 부득이하게 로터 블레이드(1000) 팁 부(1100)와 케이싱 내면 사이에는 일정한 간극을 형성할 수밖에 없는데, 이 간극을 통해 빠져나가는 가스는 공력 효율을 떨어뜨리는 손실로 작용한다.

따라서, 로터 블레이드(1000) 팁 부(1100)에서의 누설 가스 제어가 필요해지는데, 본 발명에서는 로터 블레이드(1000)의 반경 방향에 대해 직교하는 방향을 따르는 슬라이딩 결합을 통해 탈착 가능하게 장착되는 브러시 시일(2000)을 구비함으로써 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)에서의 가스 누설을 감소시키고자 한다.

특히, 본 발명에서는 브러시 시일(2000)을 슬라이딩 결합을 통해 탈착 가능하게 장착한 구조로 구성하고 있음에 특징이 있다. 브러시 시일(2000)은 상대 회전하는 물체 중의 어느 한쪽에 탄력을 가진 브리슬(bristle, 2100) 집합을 배치하는 한편 마주보는 다른 쪽의 표면에 브리슬(2100)이 탄력적으로 접촉하도록 함으로써 간극을 밀봉하는 공지의 기술이다. 그런데, 브러시 시일(2000)은 탄력을 가진 브리슬(2100)이 힘을 가하면서 상대방의 표면에 회전 접촉하는 구조이기 때문에 장시간 사용시 필연적으로 마모가 발생하고 브리슬(2100)의 탄력이 떨어져 기밀 성능이 열화되기 쉬운 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)에 대해 브러시 시일(2000)을 슬라이딩 결합 구조를 통해 탈착 가능하게 만듦으로써 유지·보수시에 로터 블레이드(1000)에 대한 별도의 수정작업이나 가공 없이 간단하고 효율적으로 교체할 수 있도록 구성하였다.

여기서, 로터 블레이드(1000)의 반경 방향에 대해 직교하는 방향을 따라 슬라이딩 결합이 이루어지도록 한 것은 로터 블레이드(1000)가 고속으로 회전함에 따라 발생하는 원심력에 대항하여 안정적으로 브러시 시일(2000)의 고정 상태가 유지되도록 하기 위한 것이다.

브러시 시일(2000)의 구조를 설명한다면, 브러시 시일(2000)은 그 상면(도면 기준)에 복수의 브리슬(2100)이 구비되고 양 측면으로는 슬라이드 돌기(2210)가 각각 형성된 베이스 플레이트(2200)를 포함하고 있다. 이에 대응하여 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)에는 브러시 시일(2000)의 슬라이드 돌기(2210)가 치합되는 한 쌍의 슬라이드 홈(1120)이 형성되어 있으며, 슬라이드 홈(1120)에 슬라이드 돌기(2210)를 끼워 밀어넣음으로써 간단하게 브러시 시일(2000)을 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)에 장착할 수 있다. 물론 브러시 시일(2000)의 분리는 결합의 역순으로 하면 되며, 슬라이드 홈(1120)과 돌기(2210)를 반대로, 즉 브러시 시일(2000)에는 슬라이드 홈(1120)을 만들고 로터 블레이드(1000)에는 슬라이드 돌기(2210)를 만드는 것도 당연히 가능하다.

도 2는 이런 브러시 시일(2000)의 구성에 대한 제1 실시형태를 보여주는데, 제1 실시형태는 베이스 플레이트(2200)가 직선 형태의 평판이고, 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100) 상면에는 베이스 플레이트(2200)의 직선 형태에 대응하는 삽입 홈(1110)이 구비되어 있다. 로터 블레이드(1000)의 에어 포일 단면 형태로 인해 리딩 에지(LE)에서부터 트레일링 에지(TE)까지 완전하게 직선 형태인 브러시 시일(2000)이 가로지르지 못할 수도 있지만, 간극의 일부라도 브러시 시일(2000)이 가로막는다면 상당한 기밀 효과를 거둘 수 있다.

좀더 바람직한 구조로는, 도 4의 (a)에 도시된 것과 같이, 삽입 홈(1110)이 에어 포일 형상의 단면에 대해 리딩 에지(LE)부로부터 시작하여 베이스 플레이트(2200)의 길이가 최대가 되는 방향으로 직선으로 연장 형성되는 것이라 할 수 있다. 리딩 에지(LE)부터 시작하여 가능한 길게 브러시 시일(2000)을 배치하는 것이 기밀성능을 가장 우수하게 하는 방안이라 할 수 있기 때문이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸 것인데, 베이스 플레이트(2200)가 곡선 형태의 평판이고, 이에 대응하여 삽입 홈(1110) 역시 동일한 곡선을 이룬다는 것에서 제1 실시형태와 차이가 있다.

여기서, 곡선을 이루는 베이스 플레이트(2200)는 곡률반경(R)이 일정한 원호 형태의 평판으로 구성됨으로써 슬라이드 돌기(2210)와 슬라이드 홈(1120) 사이에서 부드럽게 슬라이딩 결합이 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 4의 (b)에 도시된 것처럼, 곡선 형태인 삽입 홈(1110) 역시 에어 포일 형상의 단면에 대해 리딩 에지(LE)부로부터 베이스 플레이트(2200)의 길이가 최대가 되는 방향으로 형성되는 것이 좀더 바람직하다 할 수 있을 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 제3 실시형태를 도시하고 있다. 이 제3 실시형태는 베이스 플레이트(2200)를 로터 블레이드(1000) 팁 부(1100)의 에어 포일 형상에 대응하는 형태의 평판으로 구성하는 것이다. 이에 따라, 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)에는 삽입 홈(1110) 없이 팁 부(1100)의 모서리를 따라 대응하는 슬라이드 홈(1120)이 구비된다. 도 6은 브러시 시일(2000)을 도시한 평면도로서, 에어 포일의 정압면(PS)과 음압면(SS)에 각각 슬라이드 돌기(2210)가 구비되어 있다.

로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)를 기준으로 할 때, 도 6의 브러시 시일(2000)이 끼워지는 슬라이드 홈(1120)은 로터 블레이드(1000) 팁 부(1100)의 에어 포일에 있어 최대 두께 지점에서 시작하여 트레일링 에지(TE)까지 연장 형성될 수 있다. 여기서, 에어 포일의 최대 두께 지점에서부터 슬라이딩 결합이 이루어지도록 하는 것은 에어 포일 형태인 브러시 시일(2000)의 삽입이 시작되는 입구를 가장 크게 확보하면서 슬라이딩 접촉 면적 또한 균일하면서도 크게 확보할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 도 6에 도시된 최대 두께 선에 대해 비스듬하게 슬라이딩 결합 입구를 만든다면 에어 포일의 정압면(PS)과 음압면(SS) 각각에 대한 슬라이딩 접촉 면적이 어느 한쪽으로 치우쳐 고정력에 편차가 생기게 되고, 이로 인해 브러시 시일(2000)의 장착 상태가 불량해질 우려가 생긴다.

그리고, 브리슬(2100)은 에어 포일의 중심선이라 할 수 있는 캠버 선(CL)을 따라 베이스 플레이트(2200) 전체를 가로지르도록 구비될 수 있다. 이는 제1 및 제2 실시형태와는 달리 베이스 플레이트(2200)가 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)를 덮는 커버 구조를 가지기 때문에 복합적인 곡선으로 이루어진 에어 포일 형태 때문에 브리슬(2100)의 길이가 제한될 필요가 없기 때문이다.

도 7 및 도 8은 제3 실시형태에 대한 변형 실시형태인데, 특히 도시된 실시형태는 로터 블레이드(1000)가 터빈 블레이드인 경우를 상정한 것이다.

터빈 블레이드는 고온인 연소가스를 작동 유체로 하여 회전하기 때문에 특히 냉각이 중요하다. 브러시 시일(2000)의 입장에서도, 내열 성능이 우수한 브리슬(2100)을 사용한다고 하더라도 터빈 블레이드가 고속으로 회전하면서 케이싱 내주면과 마찰을 일으키기 때문에 브러시 시일(2000)이 없는 경우에 비해 팁 부(1100)의 냉각을 더욱 강화할 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명은 베이스 플레이트(2200)를 터빈 블레이드 팁 부(1100)의 에어 포일 형상에 대응하는 형태인 평판으로 구성하는 한편, 베이스 플레이트(2200)의 에어 포일 형태에 있어 정압면(PS)과 음압면(SS)에 각각 냉각 공기가 흐르는 터빈 블레이드 내측의 중공부와 연통하는 복수 개의 냉각 홀(2300,2310)을 관통 형성한다.

이에 따라, 베이스 플레이트(2200)의 상면에 구비된 브리슬(2100)의 양옆으로 냉각 공기가 분출되어 브리슬(2100)에 고온의 연소 가스가 직접 접촉하는 것을 감소시키는 한편 연소 가스에 비해 상대적으로 차가운 냉각 공기가 브리슬(2100)에 쌓이는 열을 식히게 된다.

여기서, 베이스 플레이트(2200)의 정압면(PS)과 음압면(SS)에 각각 냉각 홀(2300,2310)을 형성함에 있어, 정압면에 형성되는 냉각 홀(2300)은 반경 방향 중심선과 평행하게 관통 형성하고, 음압면에 형성되는 냉각 홀(2310)은 반경 방향 중심선으로부터 발산하는 방향(즉, 중심선으로부터 퍼지는 방향)으로 경사를 이루도록 구성될 수도 있다.

이와 같이, 음압면 냉각 홀(2310)을 외측으로 향하게 경사지게 형성하면, 도 8에 도시된 것과 같이, 서로 인접한 터빈 블레이드의 정압면(PS) 측 브리슬(2100)의 냉각을 더욱 강화하는 효과를 얻을 수 있다. 에어 포일 형태에 있어서 정압면(PS)의 압력이 더 높기 때문에 연소 가스의 침투를 좀더 강하게 억제할 필요가 있고, 음압면(SS)의 압력은 상대적으로 낮기 때문에 음압면 냉각 홀(2310)을 비스듬하게 만드는 것이 냉각 공기의 도달 거리 및 강도에 있어 정압면 냉각 홀(2300)을 비스듬하게 만드는 경우에 비해 크기 때문에 이와 같이 구성하는 것이 유리하다.

이상의 설명과 같은 구성을 가진 본 발명의 로터 블레이드(1000)는 압축기 로터 블레이드와 터빈 블레이드 양자 모두에 적용될 수 있으며, 이를 통해 본 발명은 가스터빈의 상류측에 위치한 압축기 섹션에 대해 하류 측에 위치한 터빈 섹션의 회전토크를 전달하는 토크 튜브를 구비하고, 중심축에 대해 반경 방향으로 연장 형성된 로터 디스크를 압축기 섹션 및 터빈 섹션에 각각 구비하며, 로터 디스크의 원주방향을 따라 결합하고 반경 방향에 직교하는 단면이 에어 포일 형상을 이루는 복수 개의 로터 블레이드(1000)를 포함하는 가스터빈용 로터 어셈블리로서, 로터 블레이드(1000)의 팁 부(1100)에 브러시 시일(2000)이 탈착 가능하게 장착되는 가스터빈용 로터 어셈블리를 제공할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 압축기가 아닌 터빈의 블레이드를 도브테일 조인트 방식으로 결합할 때에도 본 발명이 적용될 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000: 로터 블레이드 1100: 팁 부
1110: 삽입 홈 1120: 슬라이드 홈
2000: 브러시 시일 2100: 브리슬
2200: 베이스 플레이트 2210: 슬라이드 돌기
2300: 정압면 냉각 홀 2310: 음압면 냉각 홀
LE: 리딩 에지 TE: 트레일링 에지
PS: 정압면 SS: 음압면

Claims

가스터빈에 구비되는 로터 디스크의 원주방향을 따라 결합하고, 반경 방향에 직교하는 단면이 에어 포일 형상을 이루는 복수 개의 로터 블레이드에 있어서,
상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 로터 블레이드의 반경 방향에 대해 직교하는 방향을 따르는 슬라이딩 결합을 통해 탈착 가능하게 장착되는 브러시 시일이 구비되고,
상기 브러시 시일은 상면에 복수의 브리슬이 구비되고 양 측면으로 슬라이드 돌기가 각각 형성된 베이스 플레이트를 포함하고, 상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 한 쌍의 슬라이드 돌기가 치합되는 한 쌍의 슬라이드 홈이 형성되며,
상기 베이스 플레이트는 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일 형상에 대응하는 형태의 평판이고, 상기 슬라이드 홈은 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일에 있어 최대 두께 지점에서 시작하여 트레일링 에지까지 상기 로터 블레이드의 팁 부의 모서리를 따라 구비되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
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제1항에 있어서,
상기 로터 블레이드는 압축기 로터 블레이드 또는 터빈 블레이드인 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 로터 블레이드는 터빈 블레이드이고, 상기 베이스 플레이트의 에어 포일 형태에 있어 정압면과 음압면에는 상기 터빈 블레이드 내측의 중공부와 연통하는 복수 개의 냉각 홀이 각각 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
제10항에 있어서,
상기 베이스 플레이트의 정압면과 음압면에 각각 형성되는 냉각 홀에 있어, 상기 정압면에 형성되는 냉각 홀은 반경 방향 중심선과 평행하고, 상기 음압면에 형성되는 냉각 홀은 반경 방향 중심선으로부터 발산하는 방향으로 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
가스터빈의 상류측에 위치한 압축기 섹션에 대해 하류 측에 위치한 터빈 섹션의 회전토크를 전달하는 토크 튜브를 구비하고, 중심축에 대해 반경 방향으로 연장 형성된 로터 디스크를 상기 압축기 섹션 및 터빈 섹션에 각각 구비하며, 상기 로터 디스크의 원주방향을 따라 결합하고 반경 방향에 직교하는 단면이 에어 포일 형상을 이루는 복수 개의 로터 블레이드를 포함하는 가스터빈용 로터 어셈블리에 있어서,
상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 로터 블레이드의 반경 방향에 대해 직교하는 방향을 따르는 슬라이딩 결합을 통해 탈착 가능하게 장착되는 브러시 시일이 구비되고,
상기 브러시 시일은 상면에 복수의 브리슬이 구비되고 양 측면으로 슬라이드 돌기가 각각 형성된 베이스 플레이트를 포함하고, 상기 로터 블레이드의 팁 부에는 상기 한 쌍의 슬라이드 돌기가 치합되는 한 쌍의 슬라이드 홈이 형성되며,
상기 베이스 플레이트는 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일 형상에 대응하는 형태의 평판이고, 상기 로터 블레이드의 팁 부의 모서리를 따라 상기 슬라이드 홈이 구비되며,
상기 로터 블레이드는 터빈 블레이드이고, 상기 베이스 플레이트의 에어 포일 형태에 있어 정압면과 음압면에는 상기 터빈 블레이드 내측의 중공부와 연통하는 복수 개의 냉각 홀이 각각 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 로터 어셈블리.
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제12항에 있어서,
상기 슬라이드 홈은 상기 로터 블레이드 팁 부의 에어 포일에 있어 최대 두께 지점에서 시작하여 트레일링 에지까지 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 로터 어셈블리.
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제12항 또는 제19항에 있어서,
상기 베이스 플레이트의 정압면과 음압면에 각각 형성되는 냉각 홀에 있어, 상기 정압면에 형성되는 냉각 홀은 반경 방향 중심선과 평행하고, 상기 음압면에 형성되는 냉각 홀은 반경 방향 중심선으로부터 발산하는 방향으로 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 로터 어셈블리.