KR20210115581A - 터빈 베인 지지체 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 터빈 베인의 자유단을 지지하는 U-링 지지체에 관한 것으로서, 원주방향을 따라 서로 대향하는 오목면을 이루는 한 쌍의 후크 부재와, 상기 한 쌍의 후크 부재 아래쪽으로 반경방향을 따라 연장된 슬라이딩 부재를 구비하고, 상기 슬라이딩 부재에는 원주방향을 따라 슬라이딩 홈이 형성되며, 이에 따라 상기 슬라이딩 홈 바깥으로 배치되는 상부 측벽을 구비하는 U-링 상부체; 및 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 홈에 끼워지는 제1 슬라이딩 돌기와, 상기 슬라이딩 부재의 상부 측벽 반대편 측면을 둘러싸면서 접촉하는 제2 슬라이딩 돌기를 구비하여 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재를 수용하는 슬라이딩 공간을 형성하는 U-링 하부체;를 포함한다.

Description

터빈 베인 지지체 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리{Turbine Vane Support Body and Turbine Vane Assembly Having the Same}

본 발명은 터빈기관, 예를 들어 가스터빈에 구비되는 터빈 베인의 자유단을 지지하는 지지체 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리에 관한 것이다.

터빈기관이란 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. 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 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스를 생성한다.

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.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈 측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

이처럼 가스터빈에서는 터빈에서 동력이 발생하는데, 유체기계로서의 공력성능이 중요한 것은 물론, 작동 유체가 고온의 연소가스이기에 내열, 냉각성능 역시 중요하다. 터빈에 요구되는 각종 성능을 만족하기 위한 여러 설계 인자는 서로 영향을 미칠 수 있는데, 예를 들어 공력 성능을 높이기 위한 설계가 내열, 냉각성능에는 불리하게 작용할 수 있다.

한국공개특허 제10-2010-0064754호 (2010.06.15 공개)

본 발명은 터빈 베인의 에어 포일에 작용하는 공력에 의한 응력을 완화하면서도 터빈 베인의 내열 및 냉각성능을 약화시키지 않고, 로터와의 간극을 양호하게 유지할 수 있는 터빈 베인 지지체 및 이를 포함하는 터빈 베인 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 터빈 베인의 자유단을 지지하는 U-링 지지체에 관한 것으로서, 원주방향을 따라 서로 대향하는 오목면을 이루는 한 쌍의 후크 부재와, 상기 한 쌍의 후크 부재 아래쪽으로 반경방향을 따라 연장된 슬라이딩 부재를 구비하고, 상기 슬라이딩 부재에는 슬라이딩 홈이 형성되며, 이에 따라 상기 슬라이딩 홈 바깥으로 배치되는 상부 측벽을 구비하는 U-링 상부체; 및 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 홈에 끼워지는 제1 슬라이딩 돌기와, 상기 슬라이딩 부재의 상부 측벽 반대편 측면을 둘러싸면서 접촉하는 제2 슬라이딩 돌기를 구비하여 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재를 수용하는 슬라이딩 공간을 형성하는 U-링 하부체;를 포함한다.

그리고, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 U-링 상부체의 상부 측벽을 관통하는 핀 체결구멍이 형성되고, 상기 U-링 하부체의 제1 슬라이딩 돌기 안쪽에는 핀 가이드 홈이 형성되며, 상기 핀 체결구멍에 고정되는 헤드부와, 상기 핀 가이드 홈에 접촉하여 반경방향을 따라 이동하는 가이드 단부를 구비하는 센터링 핀을 포함한다.

그리고, 상기 U-링 하부체의 슬라이딩 공간에는 원주방향을 따라 미들 가이드 돌기가 형성되고, 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재에는 상기 미들 가이드 돌기가 끼워지는 미들 가이드홈이 형성될 수 있다.

여기서, 상기 미들 가이드 돌기의 폭은 상기 제1 가이드 돌기의 폭보다 크고, 상기 미들 가이드 돌기의 높이는 상기 제1 가이드 돌기의 높이보다 작을 수 있다.

그리고, 하나의 상기 U-링 하부체는 복수의 상기 U-링 상부체를 수용할 수도 있다.

한편, 본 발명은 터빈 베인 어셈블리로서, 로터에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드와, 상기 아우터 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일과, 상기 에어 포일의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드와, 상기 이너 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈을 포함하고, 상기 페데스탈에는 원주방향 외측을 따라 후크 돌기가 형성된 터빈 베인;과, 원주방향을 따라 상기 후크 돌기가 끼워지는 오목면을 구비하는 한 쌍의 후크 부재와, 상기 한 쌍의 후크 부재 아래쪽으로 반경방향을 따라 연장된 슬라이딩 부재를 구비하고, 상기 슬라이딩 부재에는 원주방향을 따라 슬라이딩 홈이 형성되며, 이에 따라 상기 슬라이딩 홈 바깥으로 배치되는 상부 측벽을 구비하는 U-링 상부체; 및 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 홈에 끼워지는 제1 슬라이딩 돌기와, 상기 슬라이딩 부재의 상부 측벽 반대편 측면을 둘러싸면서 접촉하는 제2 슬라이딩 돌기를 구비하여 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재를 수용하는 슬라이딩 공간을 형성하는 U-링 하부체;를 포함하는 터빈 베인 어셈블리를 제공한다.

이러한 터빈 베인 어셈블리에 있어서, 하나의 상기 U-링 상부체에 대해 복수 개인 상기 터빈 베인의 각 후크 돌기가 결합하되, 상기 복수 개의 터빈 베인 사이의 경계면은 상기 U-링 상부체 안쪽에 위치한다.

그리고, 하나의 상기 U-링 상부체에는 적어도 하나 이상의 상기 터빈 베인이 완전히 결합할 수도 있다.

그리고, 상기 터빈 베인의 신축에 따라, 상기 터빈 베인에 결합한 상기 U-링 상부체는 상기 U-링 하부체에 대해 반경방향을 따라 슬라이딩 이동할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 베인 지지체는 터빈 베인에 작용하는 굽힘 응력을 부담함으로써 터빈 베인을 구조적으로 보호할 수 있다.

이러한 본 발명의 터빈 베인 지지체는 특히 싱글 에어 포일 구조에 적용하기에 적합할 수 있으며, 이에 따라 굽힘 응력에 대한 내구성을 향상시키는 동시에 각각의 터빈 베인에 대한 냉각 홀의 설계 및 가공을 용이하게 하고, 또한 고열 환경에 놓인 터빈 베인에 열 차폐 피막을 형성하기 쉽게 함으로써 전체 가스터빈의 성능과 효율, 내구성 향상에 도움을 준다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈 베인이 적용될 수 있는 터빈기관의 일례를 도시한 도면.
도 2는 로터를 둘러싸는 터빈 베인과 U-링의 결합 구조를 도시한 도면.
도 3은 터빈 베인의 굽힘 응력을 고려한 종래의 멀티 에어 포일의 일례를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 U-링 지지체와 터빈 베인의 결합구조를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 결합구조를 상세히 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 U-링 지지체의 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 결합구조를 상세히 도시한 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 터빈 베인 어셈블리를 도시한 도면.
도 9는 도 8의 터빈 베인 어셈블리에 대한 다른 실시형태를 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 통과한 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.

그리고, 도 2는 로터(400)를 둘러싸는 터빈 베인(300)과 U-링(500)의 결합 구조를 도시한 도면이다. 가스터빈(100)의 길이방향 중심에는 회전축인 로터(400)가 위치하고, 로터(400)를 둘러싸도록 동심을 이루면서 원주방향을 따라 빙 둘러서 복수 개의 터빈 베인(300)이 배치된다. 각각의 터빈 베인(300)은, 로터(400)에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드(310)와, 아우터 슈라우드(310)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일(320)과, 상기 에어 포일(320)의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드(330), 그리고 이너 슈라우드(330)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈(340)을 포함한다.

터빈 베인(300)의 아우터 슈라우드(310)는 터빈의 케이싱에 대해 고정되고, 터빈 베인(300)의 에어 포일(320)은 연소가스의 흐름을 바꿔서 터빈 블레이드에 적절한 각도로 진입하도록 유도한다. 그리고, 터빈 베인(300)의 길이는 가스터빈(100)의 운전에 따라 열을 받아 팽창하거나 식으면서 수축하게 되는데, 이러한 열변형을 적절히 유도하도록 로터(400)와 터빈 베인(300) 사이에 동심을 이루도록 배치되면서 터빈 베인(300) 말단의 페데스탈(340)과 접촉하는 U-링(500)을 구비한다. 터빈 베인(300)은 U-링(500)에 대해 구속되어 있지 않으며, 이에 따라 터빈 베인(300) 말단의 페데스탈(340)은 U-링(500)의 슬라이드 면에 접촉한 상태로서 미끄러지는 운동을 할 수 있다. 이외에 U-링(500)의 내주면에는 라비린스 실과 같은 실링 수단을 구비할 수 있으며, U-링(500)에 의해 로터(400)에 대한 반경방향 간극이 최소화되기 때문에 회전하는 로터(400)에 대한 기밀성이 향상되어 가스터빈의 효율을 향상하는 역할도 한다.

그런데, 터빈 베인(300)은 고정되어 있는 상태에서 에어 포일(320)을 흐르는 연소 가스의 압력을 받게 된다. 즉, 에어 포일(320)의 압력면에서 흡입면을 향하는 방향으로 힘을 받게 되는데, 아우터 슈라우드(310)가 고정된 상태에서 에어 포일(320)에 압력이 작용함에 따라 터빈 베인(300)에는 굽힘 응력이 발생하게 된다. 특히나 터빈 베인(300)의 말단이 U-링(500)에 접촉하는 구조에서는 응력이 더욱 커지게 된다. 터빈 베인(300)에 지속적으로 작용하는 굽힘 응력은 아우터 슈라우드(310)와 에어 포일(320)의 경계면에서의 크랙 발생, 에어 포일(320)의 변형, 페데스탈(340)과 U-링(500) 사이의 마모나 변형, 이로 인한 기밀성 악화 등의 여러 문제를 가져온다. 따라서, 터빈 베인(300)에 작용하는 굽힘 응력을 완화할 수 있는 설계가 필요하다.

도 3은 터빈 베인(300)에 작용하는 굽힘 응력을 완화하기 위한 한 가지 방안으로서의 멀티 에어 포일의 개략적인 구성을 보여준다. 멀티 에어 포일은 한 쌍의 아우터 슈라우드(310)와 이너 슈라우드(330)에 대해 여러 개의 에어 포일(320)을 연이어 인접 형성한 것이다. 이렇게 멀티 에어 포일을 구성하게 되면, 인접한 에어 포일(320)은 서로 압력면과 흡입면이 마주보는 배치이기에, 에어 포일(320) 사이에서 서로 반대되는 방향으로 작용하는 굽힘 응력이 상쇄되는 효과가 발생한다. 또한, 아우터 슈라우드(310)와 이너 슈라우드(330)의 크기 자체가 커짐에 따라 구조적으로 강건해지고, 이에 따라 굽힘 응력에 대한 내구성이 강해진다.

이와 같이, 터빈 베인(300)을 멀티 에어 포일로 구성하는 것은 굽힘 응력에 대한 충분한 방어가 될 수 있지만, 반대급부로서 다른 문제점이 발생한다. 여러 개의 에어 포일(320)이 한 쌍의 아우터 슈라우드(310)와 이너 슈라우드(330)와 일체로 주조방식으로 제조되기에 터빈 베인(300) 표면 곳곳에 마련되어야 할 냉각 홀의 가공이 제한되고 어려워진다. 또한, 터빈 베인(300)에 열 차폐 피막(TBC, Thermal Barrier Coating)을 적용하기도 어려워진다. 따라서, 터빈 베인(300)을 싱글 에어 포일로 구성하면서도 굽힘 응력 문제를 완화할 수 있는 방안이 더 바람직할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 터빈 베인 어셈블리를 보여준다. 본 발명은 터빈 베인(300)의 자유단에 결합하는 지지체로서 U-링을 포함하며, 특히 본 발명에서의 U-링(500)은 U-링 상부체(510)와 U-링 하부체(520)의 두 개 구조체로 구성되고, U-링 하부체(520)에 대해 U-링 상부체(510)가 반경방향을 따라 오르내리는 슬라이딩 이동할 수 있도록 구성되어 있다.

먼저, U-링 상부체(510)에 대해 설명하면, 원주방향을 따라 서로 대향하는 오목면(513)을 이루는 한 쌍의 후크 부재(512)와, 한 쌍의 후크 부재(512) 아래쪽으로 반경방향을 따라 연장된 슬라이딩 부재(514)를 구비한다. 후크 부재(512)는 터빈 베인(300)의 자유단에 결합하기 위한 구성이고, 슬라이딩 부재(514)는 U-링 하부체(520)에 접촉하면서 슬라이딩 운동을 하는 구성이다. 슬라이딩 부재(514)에는 후크 부재(512) 쪽을 향하여(도면에서 위쪽으로서, 반경방향 바깥쪽을 향함) 원주방향을 따라 슬라이딩 홈(515)이 형성되며, 이에 따라 슬라이딩 홈(515) 바깥으로 상부 측벽(516)이 형성된다.

그리고, U-링 하부체(520)는, U-링 상부체(510)의 슬라이딩 이동을 위하여, U-링 상부체(510)의 슬라이딩 홈(515)에 끼워지는 제1 슬라이딩 돌기(521)와, 슬라이딩 부재(514)의 상부 측벽(516) 반대편 측면을 둘러싸면서 접촉하는 제2 슬라이딩 돌기(523)를 구비한다. 따라서, 도 4에 도시된 것처럼 U-링 하부체(520)의 제1 슬라이딩 돌기(521)와 제2 슬라이딩 돌기(523) 사이에는 U-링 상부체(510)의 슬라이딩 부재(514)가 수용되는 슬라이딩 공간이 형성되며, 제1 슬라이딩 돌기(521) 바깥으로는 U-링 상부체(510)의 상부 측벽(516)이 노출되면서 슬라이딩 공간 안에는 슬라이딩 부재(514)의 나머지 부분이 모두 수용된다.

이와 같은 U-링 상부체(510)와 U-링 하부체(520)의 결합은 모두 반경방향을 따라 이루어지며, 따라서 U-링 상부체(510)는 U-링 하부체(520)에 대해 반경방향으로는 구속되지 않아 그 방향으로 슬라이딩 이동을 할 수 있게 된다. 슬라이딩 이동시의 미끄러짐 접촉은 슬라이딩 홈(515)과 제1 슬라이딩 돌기(521) 사이, 그리고 슬라이딩 부재(514)의 상부 측벽(516) 반대편 측면과 제2 슬라이딩 돌기(523) 사이에서 일어난다.

또한, U-링 상부체(510)와 U-링 하부체(520) 사이의 결합은 반경방향만이 아니라 원주방향으로도 구속되어 있지 않으므로, 이 원주방향으로의 미끄러짐을 제한하여야 더욱 정확히 반경방향을 따른 U-링 상부체(510)의 이동이 유도될 수 있다. 이를 위해, 본 발명은 U-링 상부체(510)의 상부 측벽(516)을 관통하는 핀 체결구멍(517)을 형성하고, U-링 하부체(520)의 제1 슬라이딩 돌기(521) 안쪽에는 핀 가이드 홈(522)을 형성하며, 이들 핀 체결구멍(517)과 핀 가이드 홈(522)에 센터링 핀(530)을 삽입한다. 센터링 핀(530)은 U-링 상부체(510)의 핀 체결구멍(517)에 고정되는 헤드부(532)와, U-링 하부체(520)의 핀 가이드 홈(522)에 접촉하여 반경방향을 따라 이동하는 가이드 단부(534)를 구비한다.

센터링 핀(530)은 핀 체결구멍(517)에 단단히 체결되어 U-링 상부체(510)에 대해 일체를 이루며, 핀 가이드 홈(522)은 반경방향의 장홈의 형태를 이루고 있어 여기에 끼워진 가이드 단부(534)는 반경방향으로만 움직일 수 있다. 즉, U-링 상부체(510)에 대해 일체를 이루는 센터링 핀(530)이 U-링 하부체(520)의 핀 가이드 홈(522)을 따라 반경방향으로만 이동할 수 있기 때문에, U-링 상부체(510)는 원주방향으로 미끄러지지 않고 정확히 반경방향을 따라 이동하게 된다.

그리고, 터빈 베인(300)에 의한 굽힘 응력을 받는 U-링 상부체(510)가 U-링 하부체(520) 쪽에 가까워질수록, 즉 U-링 상부체(510)의 변위가 커질수록 접촉 면적이 커지기 때문에 제1 슬라이딩 돌기(521)와 제2 슬라이딩 돌기(523)에 가해지는 힘도 강해지고, 이로 인한 변형이나 피로파괴 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에서는 U-링 하부체(520)의 슬라이딩 공간에는 원주방향을 따라 미들 가이드 돌기(524)를 형성하고, U-링 상부체(510)의 슬라이딩 부재(514)에는 상기 미들 가이드 돌기(524)가 끼워지는 미들 가이드 홈(518)을 추가로 구비하고 있으며, 이러한 실시형태는 도 6과 도 7에 도시되어 있다.

미들 가이드 돌기(524)와 미들 가이드 홈(518)은 U-링 상부체(510)가 U-링 하부체(520) 쪽에 가까워졌을 때를 고려한 것이므로, 미들 가이드 돌기(524)의 높이는 제1 가이드 돌기의 높이보다 작다. 또한, 제1 슬라이딩 돌기(521)와 제2 슬라이딩 돌기(523)에 가해지는 힘이 강해졌을 때를 대비하는 것이기에, 강성을 보강하기 위한 것이므로, 미들 가이드 돌기(524)의 폭을 제1 가이드 돌기의 폭보다 충분히 크게 하여 충분한 강성을 확보하는 것이 바람직할 것이다. 그리고, 미들 가이드 돌기(524)와 미들 가이드 홈(518)은 센터링 핀(530)의 강성을 보충해주는 역할도 한다.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 터빈 베인 어셈블리의 전체적인 구성을 보여준다. 터빈 베인(300)은 로터(400)에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드(310)와, 아우터 슈라우드(310)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일(320)과, 에어 포일(320)의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드(330)와, 이너 슈라우드(330)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈(340)을 포함하고, 페데스탈(340)에는 원주방향 외측을 따라 후크 돌기(342)가 형성되어 있다. 페데스탈(340)의 후크 돌기(342)는 U-링 상부체(510)에 구비된 후크 부재(512)의 오목면(513)에 슬라이딩 방식으로 결합한다. 개개의 터빈 베인(300)과 U-링 상부체(510)의 결합 구조는 도 4 내지 도 7에 잘 나타나 있다.

U-링 상부체(510)와 U-링 하부체(520)로 이루어진 U-링은 중앙의 로터(400)에 대해 동심을 이루는 원형의 링 형태를 이룬다. 각각 복수 개로 이루어진 U-링 상부체(510)와 U-링 하부체(520)는 원주방향을 따라 정렬 및 결합함으로써 하나의 링을 이루며, 따라서 U-링 상부체(510)와 U-링 하부체(520)는 정해진 곡률을 따르는 곡면을 이루고 있다. U-링 하부체(520)는 로터(400)에 대해 거의 일정한 간극을 이루는 고정체이며, U-링 상부체(510)는 여기에 결합한 터빈 베인(300)의 열 팽창 또는 냉각시의 수축에 따른 길이변화를 U-링 하부체(520)에 대한 반경방향의 슬라이딩 이동으로 흡수한다. 즉, U-링 상부체(510)는 터빈 베인(300)의 길이변화가 U-링 하부체(520)에 영향을 미치지 않도록 하고 있으며, 이로써 U-링 하부체(520)는 로터(400)와의 간극이 거의 일정하게 유지됨으로써 양호한 기밀성을 발휘하게 된다.

또한, 본 발명의 U-링 지지체(500)는 터빈 베인(300)에 작용하는 굽힘 응력을 분담하는 역할도 함께 수행한다. 터빈 베인(300)에 있어서 연소 가스의 압력은 에어 포일(320)의 압력면에서 흡입면을 따르는 방향으로 작용하게 되며, 터빈 베인(300)의 아우터 슈라우드(310)는 고정단을 이루기 때문에 결국 연소 가스의 압력에 의해 터빈 베인(300)은 굽힘 응력이 발생하게 된다. 굽힘 응력은 에어 포일(320)의 스팬 방향을 기준으로 하여, 한쪽으로는 반경방향 내측을 향하고 다른 쪽으로는 반경방향 내측을 향한다. 따라서, 인접한 터빈 베인(300)을 따라간다면, 에어 포일(320)을 경계로 하여 굽힘 응력의 방향이 교대로 반전된다. 터빈 베인(300)에 작용하는 굽힘 응력은 피로 파괴의 주요한 원인이 되므로 이에 대한 적절한 대응이 필요하다.

본 발명에서는 하나의 U-링 상부체(510)에 대해 복수 개인 터빈 베인(300)의 각 후크 돌기(342)가 결합하도록 하면서, 복수 개의 터빈 베인(300) 사이의 경계면은 U-링 상부체(510) 안쪽에 위치하도록 구성하고 있다. 도 8에서의 부분 확대도를 보면, U-링 상부체(510)와 터빈 베인(300)이 엇갈리게 배치되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 곧 하나의 U-링 상부체(510)에는 적어도 두 개 이상의 터빈 베인(300)이 그 일부라도 함께 결합하게 된다는 것을 의미한다.

전술한 바와 같이, 인접한 터빈 베인(300)들은 에어 포일(320)을 경계로 하여 굽힘 응력의 방향이 교대로 반전되며, 따라서 터빈 베인(300) 사이의 경계면 사이에 작용하는 반대방향의 힘을 U-링 상부체(510)가 부담함으로써 터빈 베인(300)의 이너 슈라우드(330) 측에 작용하는 굽힘 응력을 부담하게 된다.

또한, 터빈 베인(300)과 U-링 상부체(510)는 후크 돌기(342)와 후크 부재(512)의 오목면(513)이 끼워지는 구조로 결합하는데, 이러한 터빈 베인(300)의 후크 돌기(342)는 굽힘 응력에 대한 저항성을 증가시키는 구조로 작용하여 터빈 베인(300)의 강건성을 향상시키는 역할도 한다.

그리고, 터빈 베인(300)과 U-링 상부체(510), U-링 하부체(520)의 개수는 반드시 일대일 관계에 있을 필요는 없다. 예를 들어, 도 9와 같이, 도 8에 비해 U-링 상부체(510)의 개수를 절반으로 줄일 수도 있으며, 이처럼 하나의 U-링 상부체(510)가 3개 이상의 터빈 베인(300)과의 결합에 관계할 수 있다. 즉, 하나의 U-링 상부체(510)에 적어도 하나 이상의 터빈 베인(300)이 완전히 결합할 수 있다. 또한, 고정체를 이루는 U-링 하부체(520)는 하나가 복수의 U-링 상부체(510)를 수용할 수도 있다. 특히, 복수의 U-링 하부체(520)가 조립되면 고속으로 회전하는 로터(400)에 대해 정확히 동심을 이루면서 일정한 간극을 유지해야 하므로, U-링 하부체(520)의 개수는 이를 고려하여 적절히 선택될 필요가 있다.

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 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

300: 터빈 베인 310: 아우터 슈라우드
320: 에어 포일 330: 이너 슈라우드
340: 페데스탈 342: 후크 돌기
400: 로터 500: U-링(U-링 지지체)
510: U-링 상부체 512: 후크 부재
513: 오목면 514: 슬라이딩 부재
515: 슬라이딩 홈 516: 상부 측벽
517: 핀 체결구멍 518: 미들 가이드 홈
520: U-링 하부체 521: 제1 슬라이딩 돌기
522: 핀 가이드 홈 523: 제2 슬라이딩 돌기
524: 미들 가이드 돌기 530: 센터링 핀
532: 헤드부 534: 가이드 단부

Claims (15)

1. 원주방향을 따라 서로 대향하는 오목면을 이루는 한 쌍의 후크 부재와, 상기 한 쌍의 후크 부재 아래쪽으로 반경방향을 따라 연장된 슬라이딩 부재를 구비하고, 상기 슬라이딩 부재에는 원주방향을 따라 슬라이딩 홈이 형성되며, 이에 따라 상기 슬라이딩 홈 바깥으로 배치되는 상부 측벽을 구비하는 U-링 상부체; 및
   상기 U-링 상부체의 슬라이딩 홈에 끼워지는 제1 슬라이딩 돌기와, 상기 슬라이딩 부재의 상부 측벽 반대편 측면을 둘러싸면서 접촉하는 제2 슬라이딩 돌기를 구비하여 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재를 수용하는 슬라이딩 공간을 형성하는 U-링 하부체;
   를 포함하는 U-링 지지체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 U-링 상부체의 상부 측벽을 관통하는 핀 체결구멍이 형성되고,
   상기 U-링 하부체의 제1 슬라이딩 돌기 안쪽에는 핀 가이드 홈이 형성되며,
   상기 핀 체결구멍에 고정되는 헤드부와, 상기 핀 가이드 홈에 접촉하여 반경방향을 따라 이동하는 가이드 단부를 구비하는 센터링 핀을 포함하는 U-링 지지체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 U-링 하부체의 슬라이딩 공간에는 원주방향을 따라 미들 가이드 돌기가 형성되고,
   상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재에는 상기 미들 가이드 돌기가 끼워지는 미들 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 U-링 지지체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 미들 가이드 돌기의 폭은 상기 제1 가이드 돌기의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 U-링 지지체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 미들 가이드 돌기의 높이는 상기 제1 가이드 돌기의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는 U-링 지지체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   하나의 상기 U-링 하부체는 복수의 상기 U-링 상부체를 수용하는 것을 특징으로 하는 U-링 지지체.
7. 로터에 대해 반경방향 외측에 위치하는 아우터 슈라우드와, 상기 아우터 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 에어 포일과, 상기 에어 포일의 자유단에 위치하는 이너 슈라우드와, 상기 이너 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 페데스탈을 포함하고, 상기 페데스탈에는 원주방향 외측을 따라 후크 돌기가 형성된 터빈 베인;
   원주방향을 따라 상기 후크 돌기가 끼워지는 오목면을 구비하는 한 쌍의 후크 부재와, 상기 한 쌍의 후크 부재 아래쪽으로 반경방향을 따라 연장된 슬라이딩 부재를 구비하고, 상기 슬라이딩 부재에는 원주방향을 따라 슬라이딩 홈이 형성되며, 이에 따라 상기 슬라이딩 홈 바깥으로 배치되는 상부 측벽을 구비하는 U-링 상부체; 및
   상기 U-링 상부체의 슬라이딩 홈에 끼워지는 제1 슬라이딩 돌기와, 상기 슬라이딩 부재의 상부 측벽 반대편 측면을 둘러싸면서 접촉하는 제2 슬라이딩 돌기를 구비하여 상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재를 수용하는 슬라이딩 공간을 형성하는 U-링 하부체;
   를 포함하는 터빈 베인 어셈블리.
8. 제7항에 있어서,
   상기 U-링 상부체의 상부 측벽을 관통하는 핀 체결구멍이 형성되고,
   상기 U-링 하부체의 제1 슬라이딩 돌기 안쪽에는 핀 가이드 홈이 형성되며,
   상기 핀 체결구멍에 고정되는 헤드부와, 상기 핀 가이드 홈에 접촉하여 반경방향을 따라 이동하는 가이드 단부를 구비하는 센터링 핀을 포함하는 터빈 베인 어셈블리.
9. 제8항에 있어서,
   상기 U-링 하부체의 슬라이딩 공간에는 원주방향을 따라 미들 가이드 돌기가 형성되고,
   상기 U-링 상부체의 슬라이딩 부재에는 상기 미들 가이드 돌기가 끼워지는 미들 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
10. 제9항에 있어서,
    상기 미들 가이드 돌기의 폭은 상기 제1 가이드 돌기의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
11. 제10항에 있어서,
    상기 미들 가이드 돌기의 높이는 상기 제1 가이드 돌기의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
12. 제7항에 있어서,
    하나의 상기 U-링 상부체에 대해 복수 개인 상기 터빈 베인의 각 후크 돌기가 결합하되, 상기 복수 개의 터빈 베인 사이의 경계면은 상기 U-링 상부체 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
13. 제12항에 있어서,
    하나의 상기 U-링 상부체에는 적어도 하나 이상의 상기 터빈 베인이 완전히 결합하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
14. 제7항에 있어서,
    상기 터빈 베인의 신축에 따라, 상기 터빈 베인에 결합한 상기 U-링 상부체는 상기 U-링 하부체에 대해 반경방향을 따라 슬라이딩 이동하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
15. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 상기 U-링 하부체는 복수의 상기 U-링 상부체를 수용하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
    

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