KR102376903B1

KR102376903B1 - 블레이드와 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈

Info

Publication number: KR102376903B1
Application number: KR1020200096051A
Authority: KR
Inventors: 서준혁; 이성룡; 최재우; 정영진
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-07-31
Also published as: KR20220015700A

Abstract

개시되는 발명은 압축기 내부에 배치되고, 압축기의 로터 디스크에 하단이 고정되어 반경방향으로 연장된 블레이드에 관한 것으로서, 상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;과, 상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및 상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고, 상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 적어도 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 한다.

Description

블레이드와 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈{BLADE, COMPRESSOR AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}

본 발명은 블레이드와 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 구조 안정성을 높이고 공력 성능을 향상시키기 위한 블레이드와 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소기에서 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 되고, 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 이후 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출되고, 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

기스 터빈에서 압축기와 가스 터빈은 각각 정익과 동익을 구비한 유체 기계에 해당한다. 보통 정익은 베인이라 부르고 동익은 블레이드라 부르는데, 압축기에서 압축기 블레이드는 작동 유체인 공기가 흘러가는 방향이 정격 회전수에서 공력 성능이 최적이 되는 프로파일을 가지도록 설계된다. 이 과정에서 블레이드는 유체의 동적 압력을 받아 지속적으로 응력(Stress, 스트레스)이 발생한다. 이러한 응력에 대한 내구성을 확보하기 위해 블레이드의 구조적 안정성을 높이는 것이 중요한데, 블레이드의 공력 성능까지도 함께 고려하여 양자를 적절히 양립시킬 수 있는 설계가 요구된다.

유럽 특허출원공개 제3,343,024호 (2018.07.04 공개)

본 발명은 높은 구조적 안정성과, 높은 공력 성능을 만족하는 압축기 블레이드, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 압축기 내부에 배치되고, 압축기의 로터 디스크에 하단이 고정되어 반경방향으로 연장된 블레이드에 관한 것으로서, 상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;과, 상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및 상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고, 상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 적어도 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 하는 블레이드를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 블레이드는, 상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 어느 일 높이까지의 제1 영역; 및 상기 블레이드의 어느 일 높이에서 상기 블레이드 상단으로 향하는 제2 영역;을 포함하고, 상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 작은 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 영역은 상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드 전체 높이의 75% 까지의 영역일 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 블레이드는, 상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 제1 높이까지의 제1 영역;과, 상기 블레이드의 제1 높이에서 시작하여 상기 블레이드의 제2 높이까지의 제2 영역; 및 상기 블레이드의 제2 높이에서 시작하여 상기 블레이드 상단까지의 제3 영역;을 포함하고, 상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율 및 상기 제3 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제3 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 작은 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 변화율과 제3 변화율은 대등한 값을 가질 수 있다.

그리고, 상기 제1 높이는 상기 블레이드 전체 높이의 25% 지점일 수 있고, 상기 제2 높이는 상기 블레이드 전체 높이의 75% 지점일 수 있다.

상기 블레이드의 어느 일 단면의 상기 두 접선 사이의 거리인 코드 값은, 상기 블레이드의 높이 방향을 따라 변화할 수 있다.

그리고, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 접선끼리 연결한 선은 곡선을 이룰 수 있다.

그리고, 상기 제1 면, 상기 제2 면 및 상기 두 접선을 포함하는 복수의 단면 프로파일(profile)이 높이 방향을 따라 적층되어 상기 블레이드가 형성될 수 있다.

한편 본 발명은, 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드;와, 상기 블레이드가 장착되는 로터 디스크;와, 상기 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드;와, 상기 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인;과, 상기 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징;을 포함하는 압축기로서, 여기서 상기 블레이드는, 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;과, 상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및 상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고, 상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 적어도 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 하는 압축기를 제공한다.

또한, 본 발명은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;와, 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전되는 터빈을 포함하는 가스 터빈으로서, 상기 압축기는, 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드;와, 상기 블레이드가 장착되는 로터 디스크;와, 상기 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드;와, 상기 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인;과, 상기 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징을 포함하며, 상기 블레이드는, 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;과, 상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및 상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고, 상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 적어도 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 블레이드 단면의 두께 길이를 코드 길이로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 높이에 따라 비선형적으로 변화함으로써, 구조적 안정성과 높은 공력 성능을 만족시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 블레이드 하단에서 시작하여 블레이드 상단으로 향하여 높이가 변하면서 두께/코드 비의 변화율이 작다가 커지는 영역을 포함함으로써, 블레이드에 작용하는 스트레스가 작아져 구조적 안정성을 높일 수 있고 공력 성능이 향상되어 가스 터빈 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드가 적용될 수 있는 가스 터빈의 내부를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드가 적용될 수 있는 압축기의 단면을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 블레이드를 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 도시된 압축기 블레이드의 전반적인 단면 형태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 블레이드의 높이 방향에 따른 두께/코드 비의 변화율에 대한 실시예를 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드가 적용될 수 있는 가스 터빈의 내부를 도시한 도면, 도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈의 단면을 개략적으로 도시한 도면, 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드가 적용될 수 있는 압축기의 단면을 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 블레이드(1130)가 적용되는 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 목표로 하는 압력까지 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시킨다. 터빈(1300)은 내부에 터빈 블레이드(1310)가 장착되며, 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드(1310)가 회전하게 된다.

압축기(1100)는 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 블레이드(1130), 베인(1140), 하우징(1150), 인테이크(1160), 디퓨저(1170)를 포함한다.

로터 디스크(1110)에는 블레이드(1130)가 장착되며, 로터 디스크(1110)를 관통하여 센터 타이로드(1120)가 위치한다. 로터 디스크(1110)는 센터 타이로드(1120)의 회전에 따라 함께 회전하고, 이에 따라 블레이드(1130)가 회전한다. 로터 디스크(1110)는 압축기(1100)의 단(Stage) 수에 대응하여 복수 개가 구비될 수 있다.

복수의 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 견고히 체결된다. 각각의 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 로터 디스크(1110)의 외주부에는 복수 개의 돌기(미도시)가 형성될 수 있고, 인접한 로터 디스크(1110)와 함께 회전하도록 결합되는 플랜지(1111)가 형성될 수 있다.

복수 개의 로터 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 공기 이동 유로(1112)가 형성될 수 있다. 공기 이동 유로(1112)를 통해 압축기(1100)의 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드(1310)를 냉각시킬 수 있다.

일 실시예에서 로터 디스크(1110)에는 무게 균형을 위한 밸런싱 부재(미도시)가 부착될 수도 있다. 밸런싱 부재는 예를 들어 추가 될 수 있으며, 밸런싱 부재가 부착됨에 따라 로터 디스크(1110)의 회전 안정성을 높여줄 수 있다.

센터 타이로드(1120)는 로터 디스크(1110)를 관통하여 위치하며, 로터 디스크(1110)를 정렬한다. 센터 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달 받아서 로터 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.

센터 타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 로터 디스크(1110) 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 센터 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 로터 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 로터 디스크(1110)들이 밀착되게 한다.

블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합된다. 블레이드(1130)는 복수 개일 수 있으며, 다단으로 형성될 수 있다. 블레이드(1130)에는 로터 디스크(1110)에 체결되기 위한 도브 테일이 형성될 수 있고, 로터 디스크(1110)에는 도브 테일이 삽입되기 위한 슬롯이 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서는 블레이드(1130)와 로터 디스크(1110)가 도브 테일 방식으로 결합되지만, 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있다.

블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 베인(1140)로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다. 일 실시예에서 복수의 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입각 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회동 가능하도록 구성될 수 있다.

하우징(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 하우징(1150)은 내부에 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 블레이드(1130), 베인(1140) 등을 수용한다.

하우징(1150)에는 다단의 압축기 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.

그리고, 압축기(1100)의 입구에는 인테이크(1160)가 위치한다. 인테이크(1160)는 외부 공기를 압축기(1100) 내부로 유입시킨다. 압축기(1100)의 출구에는 압축된 공기를 확산 이동시키는 디퓨저(1170)가 배치된다. 디퓨저(1170)는 압축기(1100)에서 압축된 공기가 연소기(1200)에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(Static Pressure)으로 전환시킨다. 디퓨저(1170)를 통과한 압축 공기는 연소기(1200)로 유입된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 블레이드를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 압축기 블레이드의 전반적인 단면 형태를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 4는 설명과 이해의 편의를 위해 압축기 블레이드와 연결된 로터 디스크의 도시를 생략하였으며, 이하에서는 압축기 블레이드를 간력히 블레이드라 칭하기로 한다.

도 4를 참조하면, 블레이드(1130)는 길이 방향을 따라 단면적, 특히 두께(t)가 변하는 형태를 이루는데, 블레이드(1130)는 고정단을 이루는 블레이드 하단(1130t)과, 자유단을 이루는 블레이드 상단(1130h)을 포함한다. 즉, 블레이드 하단(1130t)은 로터 디스크(1110)에 고정 설치되어 고정단을 이루고, 블레이드 상단(1130h)은 하우징(1150)에 인접한 자유단을 이룬다. 이에 따라, 블레이드(1130)는 외팔보 형태로서 공기의 압력에 의해 굽힘 응력이 발생한다. 이하에서는, 블레이드(1130)의 어느 일 지점의 위치를 블레이드 하단(1130t)에 대한 높이로 설명한다.

블레이드(1130)의 측면은 압축기(1100) 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면(1131), 제1 면(1131)의 반대 방향을 향하는 제2 면(1132), 그리고 제1 면(1131)과 제2 면(1132)이 만나는 두 접선(1133)을 포함한다.

제1 면(1131)은 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되어 흡입면을 형성하고, 공기는 제1 면(1131)의 표면을 따라 압축기의 후단부로 압축되며 이동된다.

제2 면(1132)은 제1 면(1131)의 반대 방향으로 대향되게 배치되어 압력면을 형성하는데, 제1 면(1131)과 제2 면(1132) 사이에 발생하는 압력차에 의해 블레이드(1130)에는 응력이 발생한다.

제1 면(1131)과 제2 면(1132)이 압축기 내부로 유입되는 공기에 대해 이루는 각도에 의해 공력 성능이 영향을 받으며, 때문에 이를 고려한 블레이드 프로파일(1130p)의 설계가 요구된다.

접선(1133)은 제1 면(1131)과 제2 면(1132)이 만나는 선을 의미하며, 제1 접선(1133a)과 제2 접선(1133b)의 두 개가 형성된다. 접선(1133)은 블레이드(1130)의 높이에 따른 제1 면(1131)과 제2 면(1132)의 형상과 각도에 따라 직선만이 아니라 곡선의 형태를 이룰 수 있다. 두 개의 접선(1133)은 각각 공기 흐름을 마주보는 리딩 에지와, 그 반대편의 트레일링 에지를 이룬다.

본 발명에 따른 블레이드(1130)는 길이 방향을 따르는 두께의 변화율을 기준으로 두 영역 내지 세 영역으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 블레이드 하단(1130t)에서 시작하여 블레이드 상단(1130h)으로 방향을 따라 순차적으로 제1 영역(1130a), 제2 영역(1130b), 나아가 제3 영역(1130c)으로 나누어볼 수 있다.

이때, 설명의 편의상 블레이드 하단(1130t)측을 블레이드의 최소 높이점(h0)이라 하고, 블레이드 상단(1130h)측을 블레이드의 최대 높이점(h3)이라고 한다.

제1 영역(1130a)은 로터 디스크(1110)에 가장 인접하게 위치하는 영역이다. 즉, 제1 영역(1130a)은 블레이드의 최소 높이점(h0)에서 시작된다. 이어지는 제2 영역(1130b)은 제1 영역(1130a)보다 로터 디스크(1110)에서 더 멀리 위치하고, 제3 영역(1130c)은 하우징(1150)에 가장 인접하게 위치한다.

블레이드(1130)의 단면 형태를 도시한 도 5를 참조하여 이하에서 설명하는 블레이드(1130)의 두께에 대해 정의하면 다음과 같다. 본 발명에서는 블레이드(1130)의 단면 두께(t)를 코드(c)에 대한 비율로서 정의한다.

블레이드(1130) 단면에서의 두께(t)는 제1 면(1131)과 제2 면(1132) 사이의 최대 이격 거리를 해당 단면에서의 두께(Thickness, t)라고 정의한다. 그리고, 블레이드(1130)의 단면에서 두 접선(1133) 중 제1 접선(1133a)에서 제2 접선(1133b)까지의 거리를 코드(Chord, c)라고 정의한다.

여기서, 본 발명에 따른 블레이드(1130)는 어느 단면에서 그 두께(t)를 코드(c)로 나눈 값은, 블레이드(1130)의 높이를 따라가면서 그 변화율이 비선형적으로 변화한다. 즉, 본 발명은 블레이드 하단(1130t)에서 시작하여 블레이드 상단(1130h)으로 향하는 높이 방향을 따라 블레이드(1130)의 어느 일 단면의 제1 면(1131)과 제2 면(1132) 사이의 최대 이격 거리(두께)를 두 접선(1133) 사이의 거리(코드)로 나눈 값의 변화율이 높이에 따라 비선형의 형태를 이룬다. 이하에서는 블레이드(1130)의 어느 일 단면의 제1 면(1131)과 제2 면(1132) 사이의 최대 이격 거리(두께)를 두 접선(1133) 사이의 거리(코드)로 나눈 값을 "두께/코드 비"라 부르기로 한다.

블레이드(1130)의 높이 방향을 따른 두께/코드 비의 변화율은 다양한 형태를 가질 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드(1130)는 블레이드 하단(1130t)에서 시작하여 블레이드 상단(1130h)으로 향하여 높이가 변하면서 두께/코드 비의 변화율이 동일한 음의 기울기 방향을 유지하는 가운데 작았다가 커지는 영역을 포함한다. 즉, 블레이드의 최소 높이점(h0)에서 블레이드의 최대 높이점(h3)으로 진행하면서, 적어도 하나의 영역에서 두께/코드 비의 변화율이 작았다가 커지게 된다.

본 발명에 따른 블레이드(1130)의 두께/코드 비의 변화에 대해 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 블레이드(1130)는 두께/코드 비가 최소 높이점(h0)에서 블레이드의 최대 높이점(h3)으로 진행하면서, 두께/코드 비의 변화율이 동일한 음의 기울기 방향을 유지하는 가운데 작다가 커지게 된다. 즉, 블레이드(1130)의 높이 방향을 따라 두께/코드 비의 변화율이 서로 다른 두 개의 영역으로 나누어질 수 있다.

도 6의 (a)를 참조하면, 제1 영역(1130a)은 최소 높이점(h0)에서 시작하여 블레이드 전체 높이(h)의 약 75% 지점까지로 정의할 수 있다. 즉, 블레이드 하단(1130t)에서 시작하여 블레이드 전체 높이(h)의 약 75% 지점인 제1 높이(h1)까지의 영역이 제1 영역(1130a)에 해당한다. 한편, 상술한 것과 달리, 상세 설계의 과정에서 제1 영역(1130a)의 제1 높이(h1)는 블레이드 전체 높이(h)의 70% 에서 80% 사이에서 조정될 수도 있다.

제2 영역(1130b)은 블레이드 전체 높이(h)의 약 75% 지점에서부터 시작하여 블레이드 상단(1130h), 즉 블레이드 전체 높이(h)의 100% 지점까지로 정의할 수 있다. 물론, 제1 영역(1130a)의 변화에 따라, 제2 영역(1130b)은 블레이드 전체 높이(h)의 70% 에서 80% 사이의 지점에서 시작할 수도 있다.

도 6의 (a)의 그래프는, X축은 두께/코드 비, Y축은 블레이드 전체 높이(h)의 백분율을 표시한다. 여기서, Y축의 0%는 블레이드 하단(1130t), 100%는 블레이드 상단(1130h)을 의미한다.

이러한 좌표축의 정의를 참조하면, 블레이드(1130)의 높이 방향에 따른 두께/코드 비의 변화율은 항상 동일한 음의 기울기 방향을 유지하는 가운데 제1 영역(1130a)이 제2 영역(1130b)보다 더 작다. 즉, 블레이드 하단(1130t)에서부터 시작하여 블레이드 상단(1130h)으로 갈수록 두께/코드 비의 변화율이 작다가 커지게 되고, 그 경계는 제1 영역(1130a)과 제2 영역(1130b)의 경계인 제1 높이(h1)가 된다. 블레이드(1130)의 높이 방향에 따른 두께/코드 비의 변화율은 그래프의 기울기에 해당하는 것이고, 따라서 제1 영역(1130a)과 제2 영역(1130b)에서의 두께/코드 비가 이루는 궤적의 기울기는 대체로 도 6의 (a)와 같은 형태를 이룬다.

참고로, 두께/코드 비의 변화율(기울기)가 아닌 두께/코드 비의 값을 보면, 제1 영역(1130a)에서부터 제2 영역(1130b)으로 갈수록, 다시 말해 블레이드 하단(1130t)에서부터 시작하여 블레이드 상단(1130h)으로 갈수록 감소하고 있다. 따라서, 블레이드(1130)의 높이가 커질수록 각 단면에서의 코드(c) 값이 점차로 작아지므로, 블레이드(1130)의 두께는 블레이드 상단(1130h)으로 가면서 점차로 얇아진다고 볼 수 있다.

한편, 도 6의 (b)는 본 발명의 블레이드에 대한 다른 실시예를 보여준다. 도 6의 (b)에 도시된 블레이드(1130)는 두께/코드 비가 최소 높이점(h0)에서 블레이드의 최대 높이점(h3)으로 진행하면서, 두께/코드 비의 변화율은 모두 음의 기울기 방향을 유지하는 가운데 서로 다른 세 개의 영역으로 나누어질 수 있다. 도 6의 (b)의 그래프 역시, X축은 두께/코드 비, Y축은 블레이드 전체 높이(h)의 백분율을 표시한다. 여기서, Y축의 0%는 블레이드 하단(1130t), 100%는 블레이드 상단(1130h)을 의미한다.

제1 영역(1130a)은 최소 높이점(h0)에서 시작하여 블레이드 전체 높이(h)의 약 25% 지점인 제1 높이(h1)까지로 정의할 수 있다. 즉, 블레이드 하단(1130t)에서 시작하여 블레이드 전체 높이(h)의 약 25% 지점까지의 영역이 제1 영역(1130a)에 해당한다. 한편, 상술한 것과 달리, 상세 설계의 과정에서 제1 영역(1130a)의 제1 높이(h1)는 블레이드 전체 높이(h)의 20% 에서 30% 사이에서 조정될 수도 있다.

제2 영역(1130b)은 블레이드 전체 높이(h)의 약 25% 지점인 제1 높이(h1)에서부터 시작하여 블레이드 전체 높이(h)의 약 75% 지점인 제2 높이(h2)까지의 영역에 해당한다. 제1 영역(1130a)의 변화에 따라, 제2 영역(1130b)은 블레이드 전체 높이(h)의 20% 에서 30% 사이의 지점에서 시작할 수도 있으며, 상세 설계의 과정에서 제2 영역(1130b)의 제2 높이(h2)는 블레이드 전체 높이(h)의 70% 에서 80% 사이의 지점까지 연장될 수 있다.

제3 영역(1130c)은 블레이드 전체 높이(h)의 약 75% 지점인 제2 높이(h2)에서 시작하여 블레이드 상단(1130h), 즉 블레이드 전체 높이(h)의 100% 지점까지로 정의할 수 있다. 물론, 제2 영역(1130b)의 변화에 따라, 제3 영역(1130c)은 블레이드 전체 높이(h)의 70% 에서 80% 사이의 지점에서 시작할 수도 있다.

제1 영역(1130a) 내지 제3 영역(1130c)에 걸친 두께/코드 비의 변화율을 보면, 제1 영역(1130a)에서의 제1 변화율에 비해 제2 영역(1130b)에서의 제2 변화율이 더 작고, 제2 영역(1130b)의 제2 변화율보다 제3 영역(1130c)에서의 제3 변화율이 더 크다. 즉, 블레이드(1130)의 높이 방향을 따라 두께/코드 비의 변화율이 작아졌다가 다시 커지는 2단계의 변화 형태를 이룬다. 여기서, 반드시 그럴 필요는 없지만, 제1 변화율과 제3 변화율은 거의 대응하는 유사한 값을 가질 수 있다.

이러한 도 6의 (b)의 실시예에 따른 블레이드(1130)는, 블레이드 상단(1130h)과 블레이드 하단(1130t)에 인접한 양 끝쪽의 영역보다 블레이드(1130) 높이의 대략 25∼75% 범위의 영역에서 그 두께가 더 급격히 얇아지는 형태를 이룬다고 할 수 있다.

그리고, 블레이드(1130)의 높이에 따른 블레이드(1130) 단면의 코드(c) 값은 변할 수 있다. 즉, 블레이드 하단(1130t)에서 시작하여 블레이드 상단(1130h)으로 향하는 방향의 어느 일 높이의 단면에서, 두 접선(1133) 중 어느 하나의 접선(1133)에서 다른 접선(1133)까지의 거리는 로터 디스크(1110)로부터 이격된 높이에 따라 변화할 수 있다. 구체적으로, 블레이드(1130)의 높이가 높아짐에 따라 코드(c)의 값은 작아질 수 있다.

즉, 블레이드의 최대 높이점에 가까운 지점에서의 블레이드 단면의 코드(c) 값은, 블레이드의 최대 높이점(h3)에서 먼 지점에서의 블레이드(1130) 단면의 코드(c) 값보다 작을 수 있다. 이는 블레이드 상단(1130h)의 자유단에 가까워질수록 블레이드(1130)의 폭을 좁혀서 무게를 줄이는 것이 외팔보 형태인 블레이드(1130)에 작용하는 힘(원심력, 항력 등)을 감소하는데 유리하기 때문이다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 블레이드(1130) 단면의 두께(t) 길이를 코드(c) 길이로 나눈 값이 높이에 따라 비선형적으로 변화함으로써, 블레이드(1130)의 구조적 안정성과 높은 공력 성능을 만족시킬 수 있다.

한편, 블레이드(1130)는 그 단면을 정의하는 제1 면(1131), 제2 면(1132) 및 두 접선(1133)에 대한 복수의 프로파일(1130p)을 구비할 수 있다. 즉, 블레이드(1130)가 높이 방향을 따라 서로 분절되고 서로 결합가능한 복수의 프로파일(1130p)을 구비할 수 있다. 블레이드(1130)는 상술한 복수의 프로파일(1130p)이 높이 방향을 따라 적층되어 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 높이 방향을 따라 서로 분절되고 서로 결합가능한 복수의 프로파일(1130p)이, 블레이드(1130)의 높이 방향으로 서로 적층되어 하나의 블레이드(1130)를 이룰 수 있다. 이때, 복수의 프로파일(1130p)은 각각 단면에서의 제1 면(1131)과 제2 면(1132) 사이의 두께(t) 및 코드(c)가 다를 수 있으며, 특히 두께/코드 비의 변화율은 도 6의 (a) 또는 (b)와 같은 형태를 이룬다.

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.

1000: 가스 터빈
1100: 압축기
1200: 연소기
1300: 터빈
1130: 블레이드
1140: 베인
1130p: 프로파일
1130h: 블레이드 상단
1130t: 블레이드 하단
1130a: 제1 영역
1130b: 제2 영역
1130c: 제3 영역
1131: 제1 면
1132: 제2 면
1133: 접선
t: 블레이드 단면의 두께
c: 블레이드 단면의 길이
h: 블레이드의 전체 높이
h0: 블레이드의 최소 높이점
h1: 제1 영역의 높이
h2: 제2 영역의 높이
h3: 블레이드의 최대 높이점

Claims

압축기 내부에 배치되고, 압축기의 로터 디스크에 하단이 고정되어 반경방향으로 연장된 블레이드에 있어서,
상기 압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;
상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및
상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고,
상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 동일한 음의 기울기 방향을 가지되 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 하는 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 블레이드는,
상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 어느 일 높이까지의 제1 영역; 및
상기 블레이드의 어느 일 높이에서 상기 블레이드 상단으로 향하는 제2 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 작은 것을 특징으로 하는 블레이드.
제2항에 있어서,
상기 제1 영역은 상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드 전체 높이의 75% 까지의 영역인 것을 특징으로 하는 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 블레이드는,
상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 제1 높이까지의 제1 영역;
상기 블레이드의 제1 높이에서 시작하여 상기 블레이드의 제2 높이까지의 제2 영역; 및
상기 블레이드의 제2 높이에서 시작하여 상기 블레이드 상단까지의 제3 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율 및 상기 제3 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제3 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 큰 것을 특징으로 하는 블레이드.
제4항에 있어서,
상기 제1 변화율과 제3 변화율은 대등한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 블레이드.
제4항에 있어서,
상기 제1 높이는 상기 블레이드 전체 높이의 25% 지점인 것을 특징으로 하는 블레이드.
제4항에 있어서,
상기 제2 높이는 상기 블레이드 전체 높이의 75% 지점인 것을 특징으로 하는 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 블레이드의 어느 일 단면의 상기 두 접선 사이의 거리인 코드 값은, 상기 블레이드의 높이 방향을 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 블레이드의 어느 일 단면의 접선끼리 연결한 선은 곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 블레이드.
제9항에 있어서,
상기 제1 면, 상기 제2 면 및 상기 두 접선을 포함하는 복수의 단면 프로파일(profile)이 높이 방향을 따라 적층되어 상기 블레이드가 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드.
회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드;
상기 블레이드가 장착되는 로터 디스크;
상기 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드;
상기 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인;
상기 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징;을 포함하고,
상기 블레이드는,
압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;
상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및
상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고,
상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 동일한 음의 기울기 방향을 가지되 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 하는 압축기.
제11항에 있어서,
상기 블레이드는,
상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 어느 일 높이까지의 제1 영역; 및
상기 블레이드의 어느 일 높이에서 상기 블레이드 상단으로 향하는 제2 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 작은 것을 특징으로 하는 압축기.
제12항에 있어서,
상기 제1 영역은 상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드 전체 높이의 75% 까지의 영역인 것을 특징으로 하는 압축기.
제11항에 있어서,
상기 블레이드는,
상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 제1 높이까지의 제1 영역;
상기 블레이드의 제1 높이에서 시작하여 상기 블레이드의 제2 높이까지의 제2 영역; 및
상기 블레이드의 제2 높이에서 시작하여 상기 블레이드 상단까지의 제3 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율 및 상기 제3 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제3 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 큰 것을 특징으로 하는 압축기.
제14항에 있어서,
상기 제1 변화율과 제3 변화율은 대등한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
제14항에 있어서,
상기 제1 높이는 상기 블레이드 전체 높이의 25% 지점인 것을 특징으로 하는 압축기.
제14항에 있어서,
상기 제2 높이는 상기 블레이드 전체 높이의 75% 지점인 것을 특징으로 하는 압축기.
외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전되는 터빈을 포함하고,
상기 압축기는,
회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단으로 이동시키는 블레이드;
상기 블레이드가 장착되는 로터 디스크;
상기 로터 디스크를 관통하여 배치되는 센터 타이로드;
상기 블레이드에 의해 이동된 압축 공기를 후단으로 가이드하는 베인;
상기 베인이 장착되며 외형을 이루는 하우징을 포함하며,
상기 블레이드는,
압축기 내부로 유입되는 공기를 향하는 방향으로 배치되는 제1 면;
상기 제1 면의 반대 방향을 향하는 제2 면; 및
상기 제1 면 및 상기 제2 면이 만나는 두 접선을 포함하고,
상기 블레이드의 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 상단으로 향하는 높이 방향을 따라, 상기 블레이드의 어느 일 단면의 제1 면과 제2 면 사이의 최대 이격 거리인 두께를 상기 두 접선 사이의 거리인 코드로 나눈 값으로 정의되는 두께/코드 비의 변화율이 동일한 음의 기울기 방향을 가지되 하나의 경계에서 작다가 커지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제18항에 있어서,
상기 블레이드는,
상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 어느 일 높이까지의 제1 영역; 및
상기 블레이드의 어느 일 높이에서 상기 블레이드 상단으로 향하는 제2 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 작은 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제18항에 있어서,
상기 블레이드는,
상기 블레이드 하단에서 시작하여 상기 블레이드의 제1 높이까지의 제1 영역;
상기 블레이드의 제1 높이에서 시작하여 상기 블레이드의 제2 높이까지의 제2 영역; 및
상기 블레이드의 제2 높이에서 시작하여 상기 블레이드 상단까지의 제3 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제1 변화율 및 상기 제3 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제3 변화율이, 상기 제2 영역에서의 두께/코드 비의 변화율인 제2 변화율보다 큰 것을 특징으로 하는 가스 터빈.