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KR-20260061921-A - POWER UNIT WITH RADIAL TURBINE

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Abstract

본 개시는 가이드 슬롯을 구비함으로써 연소실로부터 공급된 고온 고압 유체가 고정체 및 회전체 사이의 틈으로 유입되는 것을 차단하는 방사형 터빈을 구비한 동력 장치에 관한 발명이다. 본 개시의 실시예들은 터빈 휠이 구비된 터빈을 포함하며, 상기 터빈 휠은 원주 방향으로 이격되어 있는 복수 개의 스캘럽(scallop) 및 상기 복수 개의 스캘럽 중 인접한 두 스캘럽 사이에 있으며 반경 방향으로 연장되는 복수 개의 가이드 슬롯을 포함하는 방사형 터빈을 구비한 동력 장치를 개시한다.

Inventors

  • 전신영
  • 김동현
  • 임병권
  • 강지문

Assignees

  • 한화에어로스페이스 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (6)

  1. 터빈 휠이 구비된 터빈;을 포함하며, 상기 터빈 휠은 원주 방향으로 이격되어 있는 복수 개의 스캘럽(scallop); 및 상기 복수 개의 스캘럽 중 인접한 두 스캘럽 사이에 있으며 반경 방향으로 연장되는 복수 개의 가이드 슬롯;을 포함하는, 방사형 터빈을 구비한 동력 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 터빈에 축 방향으로 연결되는 압축기; 및 상기 터빈을 원주 방향으로 감싸는 연소실;을 더 포함하며, 상기 압축기로부터 저온 유체가 공급되어 상기 가이드 슬롯을 따라 상기 터빈 휠의 반경 방향으로 유동함으로써 상기 연소실에서 생성된 고온 고압 유체를 차단하는, 방사형 터빈을 구비한 동력 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 터빈 휠은 상기 압축기를 바라보는 제1 면;을 포함하고, 상기 가이드 슬롯은 상기 제1 면에서 돌출되며 반경 방향으로 연장되는 한 쌍의 돌출부;를 포함하는, 방사형 터빈을 구비한 동력 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 돌출부의 돌출된 높이는 상기 돌출부의 폭의 0.5배 내지 1.5배인, 방사형 터빈을 구비한 동력 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 한 쌍의 돌출부 사이의 간격은 상기 돌출부의 폭의 10배 내지 15배인, 방사형 터빈을 구비한 동력 장치.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 한 쌍의 돌출부 사이의 간격은 상기 복수 개의 스캘럽 중 인접한 두 스캘럽 사이의 간격의 60% 내지 80%인, 방사형 터빈을 구비한 동력 장치.

Description

방사형 터빈을 구비한 동력 장치 {POWER UNIT WITH RADIAL TURBINE} 본 개시는 방사형 터빈을 구비한 동력 장치에 관한 것이다. 본 개시는 가이드 슬롯을 구비함으로써 연소실로부터 공급된 고온 고압 유체가 고정체 및 회전체 사이의 틈으로 유입되는 것을 차단하는 방사형 터빈을 구비한 동력 장치에 관한 것이다. 도 1은 종래의 방사형 터빈을 구비한 동력 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 종래의 방사형 터빈에서 스캘럽(scallop)이 포함된 터빈 휠의 일 면을 나타낸 도면이다. 도 3은 스캘럽이 포함된 터빈 휠을 구비하는 종래의 방사형 터빈의 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 방사형 터빈을 구비한 동력 장치는 압축기(10), 연소실(20) 및 방사형 터빈(radial turbine)(40)을 포함할 수 있다. 한편, 도 2를 참조하면, 항공기의 보조 동력 장치(APU) 등에 사용되는 방사형 터빈(40)은 터빈 휠의 구조적인 결함을 방지하기 위해 스캘럽(41)을 구비하는 경우가 많다. 종래의 방사형 터빈을 구비한 동력 장치는 연소실(20)에서 공급된 고온 고압 유체(HF)가 고정체 및 회전체 사이의 틈으로 유입되는 것을 차단하기 위해 압축기(10)로부터 저온 유체(LF)를 공급받아 고정체 및 회전체 사이의 틈으로 유동하게 하였다. 그러나, 도 3을 참조하면, 스캘럽(41)이 구비된 방사형 터빈(40)의 경우, 저온 유체(LF)가 터빈 휠의 팁(tip) 부분까지 유동하지 못하고 스캘럽(41)으로 빠져버리게 됨으로써(LFa), 고온 고압 유체(HF) 중 일부가 유입(HFa)되는 문제가 발생하였다. 유입된 고온 고압 유체(HFa)는 터빈 휠의 손상을 유발하고 터빈(40)의 성능을 저하시키는 문제가 있었다. 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다. 도 1은 종래의 방사형 터빈을 구비한 동력 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 종래의 방사형 터빈에서 스캘럽(scallop)이 포함된 터빈 휠의 일 면을 나타낸 도면이다. 도 3은 스캘럽이 포함된 터빈 휠을 구비하는 종래의 방사형 터빈의 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 방사형 터빈을 구비한 동력 장치를 나타낸 도면이다. 도 5는 본 개시의 실시예들에 따른 터빈 휠의 제1 면을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 개시의 실시예들에 따른 방사형 터빈을 구비한 동력 장치에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 도 5의 Ⅰ 방향에서 터빈 휠을 바라본 모습을 나타낸 것으로서, 본 개시의 실시예들에 따른 가이드 슬롯을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 이하의 실시예에서, X축, Y축 및 Z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, X축, Y축 및 Z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다. 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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. 이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다. 이하 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 개시의 실시예에 따른 방사형 터빈을 구비한 동력 장치(1)에 대해 설명한다. 도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 방사형 터빈을 구비한 동력 장치(1)를 나타낸 도면이다. 동력 장치는 동력을 발생시키는 장치를 말한다. 일 실시예로, 동력 장치는 가스 터빈(gas turbine)을 포함할 수 있다. 터빈(turbine)은 고온 고압 유체의 열 에너지를 운동 에너지로 변환시킬 수 있다. 방사형 터빈(radial turbine)은 고온 고압 유체가 반경 방향(R)을 기준으로 외측에서 내측으로 유동하면서 에너지의 형태를 변환할 수 있다. 방사형 터빈은 제작이 용이하며 팽창비가 우수하고 소형 기관에 주로 사용될 수 있다. 방사형 터빈을 구비한 동력 장치(1)는 보조 동력 장치(APU: Auxiliary Power Unit)를 포함할 수 있다. 보조 동력 장치는 보조적으로 필요한 동력을 공급할 수 있다. 일 실시예로, 보조 동력 장치는 엔진을 시동하거나, 전기 및 공기조화 등에 사용될 수 있다. 다만, 이는 예시일 뿐 방사형 터빈을 구비한 동력 장치(1)는 이에 한정되지 않는다. 방사형 터빈을 구비한 동력 장치(1)는, 도 4를 참조하면, 압축기(100), 연소실(200), 인터 스테이지 실(300) 및 터빈(400)을 포함할 수 있다. 압축기(100)는 유체를 압축하여 고압의 유체를 후술할 연소실(200)로 제공하는 역할을 할 수 있다. 압축기(100)는 후술할 터빈(400)에 축 방향(A)으로 연결될 수 있다. 압축기(100)는 압축기 휠(110)을 구비할 수 있다. 압축기 휠(110)은 반경 방향(R)을 기준으로 내측에서 외측으로 저온 유체(LF)가 유동하면서 압축될 수 있다. 압축기(100)를 지나면서 압축된 저온 유체(LF)는 후술할 연소실(200)로 공급될 수 있다. 한편, 압축기(100)를 통과한 저온 유체(LF)의 일부는 고정체 및 회전체 사이의 틈으로 공급될 수 있다. 이에 관한 설명은 후술한다. 연소실(200)은 압축된 유체를 연료와 함께 연소하여 고온 고압 유체(HF)를 발생시키는 역할을 할 수 있다. 도 4를 참조하면, 연소실(200)은 터빈(400)을 원주 방향(P)으로 감쌀 수 있다. 연소실(200)에서 생성된 고온 고압 유체(HF)는 후술할 터빈(400)에 공급될 수 있다. 인터 스테이지 실(inter stage seal)(300)은 압축기(100) 및 후술할 터빈(400) 사이에 배치될 수 있다. 인터 스테이지 실(300)은 연소실(200)에서 생성된 고온 고압 유체(HF)가 터빈(400)에서 압축기(100)로 유출되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 인터 스테이지 실(300)은 고정체에 포함될 수 있다. 터빈(400)은 연소실(200)에서 생성된 고온 고압 유체(HF)의 열에너지를 운동 에너지로 변환시키는 역할을 할 수 있다. 터빈(400)은 전술한 방사형 터빈을 포함할 수 있다. 터빈(400)은 터빈 휠(410)을 구비할 수 있다. 터빈 휠(410)은 반경 방향(R)을 기준으로 외측에서 내측으로 유동하는 고온 고압 유체(HF)에 의해 회전하면서 동력을 발생할 수 있다. 도 5는 본 개시의 실시예들에 따른 터빈 휠(410)의 제1 면(S)을 나타낸 도면이다. 터빈 휠(410)은 스캘럽(411) 및 가이드 슬롯(413)을 포함할 수 있다. 스캘럽(scallop)(411)은, 도 5를 참조하면, 터빈 휠(410)의 팁(tip) 부분에 오목하게 들어간 형상을 포함할 수 있다. 스캘럽(411)은 터빈 휠(410)의 무게를 감소시킬 수 있다. 스캘럽(411)은 극 관성 모멘트를 감소시켜 터빈(400)의 응답 속도를 증가시킬 수 있다. 스캘럽(411)은 축 추력(axial thrust)를 감소시킬 수 있다. 이와 같이 스캘럽(411)은 터빈 휠(410)의 구조적인 결함을 최소화할 수 있다. 다만, 스캘럽(411)의 목적 및 효과는 이에 한정되지 않는다. 도 5를 참조하면, 스캘럽(411)은 복수 개일 수 있다. 복수 개의 스캘럽(411)은 원주 방향(P)으로 이격될 수 있다. 한편, 터빈 휠(410)은 제1 면(S)을 포함할 수 있다. 제1 면(S)은 압축기(100)를 바라볼 수 있다. 제1 면(S)은