KR0146702B1 - 터어빈 로터의 리텐션 장치 - Google Patents

터어빈 로터의 리텐션 장치

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KR0146702B1
KR0146702B1 KR1019890018436A KR890018436A KR0146702B1 KR 0146702 B1 KR0146702 B1 KR 0146702B1 KR 1019890018436 A KR1019890018436 A KR 1019890018436A KR 890018436 A KR890018436 A KR 890018436A KR 0146702 B1 KR0146702 B1 KR 0146702B1
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데이비드 브라운 웨슬레이
클라렌스 힐 에드워드
토머스 버셀론 피터
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스테판 이. 리바이스
유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

터어빈 로터를 댐핑하는 것은 일단부에서 인접한 블레이드의 네트에 형성된 포켓가 디스크와 TOBI 로터 시일간의 공간사이에 구속된 중량부재와, 타단부에서 전방으로 연장하는 블레이드 러그에 의해 이뤄진다. 곡선 플레이트인 깃털형 시일은 중량부재의 상부에 끼워맞춰지며, 블레이드 포켓폼의 전후방 하측상에 형성된 너브사이에 구속된다. 디스크 캐비티에서의 디스크의 림의 전방면은 단부가 개방되어 있고 후방면은 차단되어 있다. 이러한 조립체는 각각의 블레이드를 제거할 수 있게 하고, 이 조립체의 나머지 부품을 분해할 필요없이 단일 림 캐비티 커버를 제거함으로써 후방면에서 볼 수 있게 한다. 반전된 링 지지체는 TOBI 로터 시일에 의해 이전에 취해졌던 부하를 경감시키는 축방향 부하를 취함으로써 중량을 감소시켜 설치할 수있다.

Description

터어빈 로터의 리텐션 장치
제 1 도는 블레이드의 정면도
제 2 도는 댐퍼의 사시도
제 3 도는 디스크, 블레이드, TOBI 시일, 로터 및 리텐션 장치를 도시하는 일부절결 정면도
제 4 도는 댐퍼전체를 도시하는 제 3 도의 4-4선 단면도
제 5 도는 인터스테이지 시일의 사시도
제 6 도는 림과 조립 로터의 일부에 대한 배면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 블레이드 20 : 플랫포옴
26 : 댐퍼 24 : 포켓
34 : TOBI 로터시일 36 : 디스크
본 발명은 가스터어빈 엔진에 관한 것으로, 특히 터어빈 로터의 디스크 림 구조와, 블레이드, 시일 및 댐퍼의 리텐션 장치에 관한 것이다.
진보된 형태의 엔진을 탑재한 고속 항공기의 출현에 따라, 각종 부품, 특히 터어빈 로터 블레이드의 고속 사이클 피로수명을 연장하기위해서는, 고속으로 인해 발생하는 진동응력을 감쇠시킬수 있는 댐퍼기법을 채용하는 것이 필요하게 되었다. 전나무형(fir tree)취부장치를 이용해서 블레이드를 디스크에 고정시키는 터어빈 로터에 있어서는, 블레이드사이의 공간부에서 블레이드기단 및 디스크 취부영역에 댐퍼를 부착시켜 두고 있었다. 이러한 유형의 댐퍼는 예를들면 1980년 1월 8일자로 씨.제이. 넬슨(C.J.Nelson)에게 허여된 터어빈 블레이드 댐퍼라는 명칭의 미합중국 제 4,182,598호, 1978 년 7월 18일자로 제이.알. 헤스(J.R.Hess) 및 에이취. 에프. 아스풀룬드(H.F. Asplun d)에게 허여된 터어보머시너리 로터용 인터블레이드 댐퍼 및 시일이라는 명칭의 미합중국 특허 제 4,101,245호, 1984년 6월 19일자로 알.에이. 슈와쯔만(R.A.Schwarzmann) 및 에이취.제이.릴리브리쥐(H.J. Lillibrige)에게 허여된 블레이드간의 진동댐퍼라는 명칭의 제이.알.헤스(J.R.Hess) 및 제이.알. 코즐린(J.R.Kozlin)에게 허여된 터어빈블레이드 댐퍼 캐비티의 시일링 장치라는 명칭의 미합중국 특허 제 3,887,298호에 개시되어 있으며, 이들 미합중국 특허는 모두 본원의 출원인인 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션에게 양도된바 있다.
상술한 특허에 예시된 각각의 실시예에서는 댐핑 수단에 관하여 개시하고는 있으나, 이들은 모두 디스크/ 블레이드 조립체의 하나 이상의 블레이드를 다른 블레이드 또는 부품으로 교환하거나, 블레이드, 댐퍼 및/또는 시일을 설치함에 있어 상당히 복잡한 구조의 분해조립수단을 필요로 한다.
본 발명자들은, 스냅링을 이용해서 블레이드를 디스크에 고정하도록 된 독특한 림 구조를 채용하면 터어빈 로터 부품의 리텐션 장치를 개량할수 있다는 사실을 발견하였다. 이를 위해서는, 디스크의 후방과 일체형의 후크에 의해 지지되는 스냅링으로 블레이드 후방의 리텐션을 행하고, 디스크의 전방과 일체형의 러그에 의해 지지되는 역방향 스냅링으로 블레이드 전방의 리텐션을 행한다.
이러한 구조에 있어서, 블레이드의 축방향 리텐션은 지금까지 관용적으로 사용되어온 TOBI (Tamgential On Board Injector)로터 시일대신에 스냅링으로 행하게 된다.
종래의 설계기법을 이용해서 축방향 부하를 흡수할 수 있는 리텐션장치를 설계하려면 장치의 중량이 과도하게 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 역 방향 스냅링은 다음과 같은 잇점을 제공한다.
(1) 스냅링 홈을 형성 시키기가 용이하다.
(2)종래의 리텐션 장치에 비해 중량이 가볍다.
(3) 스냅링을 충분히 지지하여 내구성, 누설제어특성 및 수명을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 블레이드를 분해하는 일없이 부품의 분해조립을 용이하게 행할 수 있는 접근이 용이한 댐퍼 및 인터스테이지 플랫포옴 시일에 관한 것이기도 하다.
따라서, 각각의 블레이드의 로터를 손상시키거나 그것의 강성을 변화시키는 일 없이도 분해조립할 수 있다.본 발명에 의하면, 터어빈의 보수특성 및 조립특성이 상당히 개선될 뿐만 아니라 기계설비의 요건이 완화되고 림 어셈블리의 복잡성이 감소된다.
본 발명의 목적은 가스터어빈 엔진용 터어빈 로터의 디스크에 블레이드를 고정시키기위한 개선된 리텐션 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 특징중 하나는, 블레이드의 모든 축방향 진동 부하를 흡수할수 있는 디스크 러그에 의해 충분히 지지된 역 방향 스냅링을 이용해서, 블레이드를 엔진의 가스통로 방향에 대하여 전방에 고정시킨 점에 있다.
이에 의하면 스냅링 홈을 형성시키기가 용이하고, 로터의 중량을 감소시킬수 있으며, 리텐션 장치의 내구성 및 수명을 개선할 수있다.
본 발명의 다른 특징은, 인접 블레이드의 네크에 형성된 캐스트포켓과, 각 블레이드의 전방에 형성된 연장러그와, TOBI 로터시일의 외측플랜지와의 사이에 디스크 림 캐비티를 구획하고, 여기에 프리플로팅 댐퍼를 구속 시켜서 고정한 점에 있다.
본 발명의 또다른 특징은, 플랫포옴의 저면에서 당해 플랫포옴사이의 간극을 가로질러 배치되는 인터플랫포옴시일의 지지수단을 제공하는 점에 있다. 플랫포옴의 저면에 형성된 돌기 및 플랫포옴후방의 버팀벽은, 디스크의 선단이나 후단에 분해조립할수 있는 시일에 대한 리텐션 및 배향장치로서의 역할을 한다. 이와같은 댐퍼 및 시일의 리텐션장치는 부품에 대한 접근이 용이하므로 각각의 블레이드에 대한 개별적인 분해조립이 가능하다.
이상에서 언급한 특징 및 장점과 기타 본 발명의 특징 및 장점은 이하의 설명과 첨부된 도면을 참조하면 명백히 이해할수 있을 것이다.
발명에 대한 이해를 증진하기 위하여 도면의 제 1 도 내지 제 6 도를 참조하면서 설명을 진행하기로 한다.
공지된 바와같이, 가스터어빈 엔진의 터어빈은 엔진축에 고정된 디스크를 구비하고 있으며, 이 디스크는 반경방향으로 연장된 복수개의 터어빈 블레이드를 지지하고 있다.
터어빈 블레이드는 디스크의 원주면상에 등간격으로 배열되어서 당해 디스크의 전나무형 브로우치에 지지된다. 블레이드(10) 그 자체는, 제 1 도에 도시된 바와같이, 통상의 전나무형 단면부(14)를 가지는 기단부(12)로 구성되며, 상기 전나무형 단면부는 블레이드(10)의 네크(16)에서 반경방향으로 연장되는것으로서 디스크의 전나무형 브로우치내에 삽입될 수 있는 형상을 가진다. 디스크의 림에 인접한 블레이드(10)의 네크(16)에 형성된 요입부(18)는 플랫포옴(20)의 바로 아래에서 캐키티를 구획한다. 플랫포옴(20)은 블레이드(10)의 에어포일(22)로 부터 원주방향 및 축방향으로 연장되며, 디스크의 림위에 놓여 있다. 다음에 인접한 블레이드의 플랫포옴은 상대편의 플랫포옴과 축방향으로 연장한 간극을 두고 마주보고 있으며, 상기 간극은 후술하는 시일링 장치에 의해서 밀폐된다.
제 1 도로 부터 알수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 블레이드(10)에는 댐퍼(26)(제 2 도 참조)의 외경을 수용하기에 적합한 포켓(24)이 형성되어 있다. 각각의 블레이드는 네크의 앞면과 뒷면에 동일한 형상의 포켓을 가지고 있다. 댐퍼(26)의 양측돌기(28)(30)는 이들 포켓내에 끼워지며, 이들 포켓은 제 3 도 및 제 4 도로부터 알수 있는바와 같이 댐퍼(26)의 축방향 및 원주방향위치를 설정한다. 댐퍼(26)의 내측다리(32)는 디스크(36)와 환형 TOBI 로터시일(34) 사이에 협지된다. 상기 로터시일(34)은 공지의 방법으로 디스크(36)에 고정시키거나 디스크(36)가 부착된 축과 공통인 축상에 스플라인식으로 조립한다. 본 명세서에서는 TOBI 로터시일(34)과 디스크(36)가 동일한 속도로 회전한다는 점만 밝혀두면 충분한 것으로 생각된다. TOBI 로터시일(34)의 외경에는, 디스크(36)의 측면을 지지하는 뒷면(42)을 가진 림(40)이 달려있으나, 블레이드에 의해 발생되는 부하를 흡수하도록 설계되어 있지는 않다. 림으로부터는 뒷면(42)과 간격을 두고 반경방향으로 환상부(44)가 연장되어 있으며, 이 환상부(44)는 디스크(36)의 끝면(46) 및 블레이드(10)의 전나무형 단면부(14)의 러그(50)측면에 형성된 돌출부(48)와 협동하여 댐퍼(26)의 내측다리를 수용하기 위한 포켓을 구획한다. TOBI 로터시일과 블레이드 러그의 돌출부에 의해 형성된 상기 포켓은 댐퍼(26)의 내경에 대한 축방향 및 원주방향 위치를 설정하게 된다. 이러한 리텐션 방법에 의하면, 댐퍼는 효과적인 댐핑동작에 제한을 받는 일없이 포켓 베이스(77)상에 자유롭게 안착되어 블레이드의 진동에너지를 분산시킬수 있게 되며, 또한 댐퍼가 로터에서 이탈되거나 그것에 쇄정되는 일도 없다. 상기 댐퍼(26)는 중앙연장부(27)를 포함하는 형상으로 되어 있다. 중앙연장부(27)는 적당한 위치에서 소망하는 원심력을 얻기에 충분한 질량을 제공하게되며, 상기 원심력은 마찰력 성분과 협력하여 블레이드에 의해 발생되는 진동응력을 감쇠시킨다.
위에서도 설명한 바와같이, 플랫포옴(20)사이의 간극은 비교적 얇고 대략 편평한 부재(52)에 의해서 시일링 되는바, 상기 시일부재(52)는 플랫포옴의 저면에 부합하는 형상을 가지는 것으로서, 플랫포옴으로부터 반경방향아래로 연장된 시일핑거(53)와 앞쪽가장자리의 돌기(54)와 뒤쪽 가장자리의 돌기(56)에 의해서 플랫포옴의 저면에 구속되어 있게된다. 상기 시일부재(52)(제 3도 참조)는 디스크(36)의 앞쪽에서 시일핑거(53)와 플랫포옴(20)사이의 간극을 통해 조립하게 되는데, 그것이 뒤쪽 가장자리의 돌기(56)와 당접할때까지 플랫포옴의 저면에 따라 밀어넣는다. 뒤쪽 가장자리의 돌기(56)는 시일부재(52)가 블레이드의 후방에서 이탈되는 것을 방지한다. 이와 같이 시일부재(52)를 뒤쪽 가장자리의 돌기에 대고 밀게되면, 당해 시일부재(52)는 그것의 선단에서 바깥쪽으로 작용하는 설치압력에 의해서 플랫포옴(20)의 내면에 밀착된다. 마찬가지로, 앞쪽 가장자리의 돌기(54)는 시일부재(52)가 플랫포옴(20)의 전방에서 이탈되는 것을 방지한다.
시일부재(52)의 분리작업은 비교적 간단하다. 즉, 블레이드의 플랫포옴사이로 공구를 밀어 넣으면, 시일부재(52)의 선단이 휘어지면서 앞쪽가장자리의 돌기(54)를 벗어나게 되고, 이때 작업자는 시일부재(52)를 잡고 용이하게 분리시킬수 있는 것이다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 시일부재(52) 및 댐퍼(26)를 상술한 방식으로 리테이닝 시키면, 기계설비의 요건이 완화될 뿐만 아니라 림 어셈블리가 종래의 것에 비해 단순화되기 때문에, 각각의 블레이드를 개별적으로 설치 및 분리할수 있고, 터어빈을 정비하는데에 필요한 노력을 크게 절감 할 수 있다.
위에서 설명한 바와같이, 블레이드(10)를 디스크(36)에 고정시키기 위한 본 고안의 리텐션장치는, 블레이드의 모든 부하가 TOBI 로터시일(34)에 의해서 흡수되지 않고 오히려 참조번호(70)으로 일괄해서 표기한 스냅링 어셈블리에 의해서 흡수되도록 설계되어 있다. 상기 스냅링 어셈블리에 있어서, 완전한 홈형상의 단면(70)을 가지는 환상으로 이격배치된 러그(72)는 각 디스크 러그(99)의 앞면과 일체로 형성된다. 상보형의 홈(74)에는 스냅링(76)이 끼워져서 블레이드(10)의 전나무형 기단부(14)의 측면을 밀고 있게 된다. 스냅링은 홈(74)의 상부에 놓여진 TOBI 로터시일(34)의 림(40)에 의해서 리테이팅되며, 회전블레이드(10)에 의해 인가되는 부하를 지탱할수 있도록 설계된다. 도면으로 부터 명백한 바와같이, 상기 홈(74)은 터어빈 엔진의 중심선으로부터 바깥쪽을 향해 있게 되는데, 일반적으로 슬롯이나 홈이 엔진의 중심선쪽으로 향해 배향되는 점을 감안하면 이것은 뒤집힌 것으로 보인다. 이와같이 홈을 뒤집어서 배향하면, 그 성형작업이 용이하므로 홈의 성형 특성이 개선되고, 중량이 감소되며, 스냅링이 블레이드의 모든 원주면을 지지하게 되므로 어셈블리의 수명을 연장할 수 있다.
본 발명에 의하면, 블레이드 기단부와 디스크 림의 결합부위에 인접해 있는 유휴공간은 디스크(36)의 뒷면에 지지된 복수개의 개별적인 시일 플레이트(80)(제 3 도 및 제 6 도 참조)를 이용해서 시일링한다. 각각의 시일 플레이트는 블레이드(10)의 기단부에 인접한 공간내에 삽입될수 있는 형상을 가지며, 디스크(36)의 러그(99) 뒷면과 일체화된 후크(82)에 의해서 리테이닝 된다. 후크의 슬롯은 완전히 분리된 형태의 스냅링(86)을 지지하고 있으며, 상기 스냅링은 각각의 시일 플레이트(80)를 밀고 있다. 이러한 장치는 블레이드(10)의 항공역학적인 추력부하를 지탱함과 아울러, 림의 유휴공간을 시일링한다. 댐퍼(26)를 분해하고자하는 경우, 상기 스냅링(86)과 시일 프레이트(80)는 해제하지 않아도 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는, 트림 밸러스 작업에서 처럼 댐퍼(26) 또는 TOBI 로터시일(34)을 분해하지 않더라도, 스냅링(86)과 시일플레이트(80)만 떼어내면 림의 유휴공간이나 냉각공기 공급 통로(100)가 들여다 보이는 것이 바람직하다. 시일 플레이트는 최경량으로 설계되므로, 전나무형 브로우치의 각도가 0로 되도록하여, 즉 전나무형 슬롯이 디스크면(46)에 대하여 직각을 이루도록 설치하는 것이 바람직하다.
그러나, 당업자라면 알수 있는 바와같이, 본 발명은 브로우치 각도가 0이상인 경우에도 적용할수 있다는 점을 이해하여야 할 것이다.
상술한 림구조에 의하면, 블레이드를 개별적으로 설치 및 분해 할 수 있고, 블레이드간의 댐퍼가 가능하며, 돌출 네크 블레이드의 플랫포옴을 시일링 할수 있다. 또한, 본 발명은 종래의 림구조에 비해 고속사이클의 피로수명을 연장할수 있을 뿐만아니라 중량을 감소시킬수 있다.
이상에서는, 구체적인 실시예에 의거하여 본 발명을 도시하고 설명하였으나, 당업자라면 특허청구의 범위에 기재된 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 형식적인 사항 및 세부적인 사항에 대하여 다양하게 변경실시하는 것도 가능하다는 점을 이해할수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 디스크와, 이 디스크의 림으로부터 반경방향으로 연장되고 그것의 원주면상에 지지된 복수개의 블레이드와, 조립위치에서 내경 및 외경과 양측벽을 가지는 중량요소로 이루어진 댐퍼를포함하는 것으로 터어빈의 회전에 의해 발생하는 과도한 진동을 흡수하기 위한 수단과, 상기 중량요소의 양측벽을 그 외경부에서 수용할수 있는 크기로 상기 각 블레이드의 네크에 형성된 대향 포켓과, 상기 디스크에 인접하고 상기 블레이드의 네크부근에서 반경방향으로 연장되어 상기 중량요소의 내경부를 구속하기 위한 캐비티를 구획하는 TOBI 로터시일과, 상기 TOBI 로터시일을 향하여 축방향으로 연장되어 상기 중량요소의 내경부상에 놓여지는 상기 블레이드상의 러그를 포함하고, 상기 중량요소가 그것의 조립위치에서 인접블레이드 사이에 운동가능하게 구속되어 상기 터어빈에서 발생하는 진동에 의한 에너지를 흡수하도록된 터어빈으로 이루어진 가스터어빈 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중량요소는 앞면과 뒷면을 포함하고, 상기 중량요소의 중앙에 배치된 연장부는 특정위치에서 소정량의 중량을 상기 중량요소에 부가하여 상기 회전 터어빈에 의해 발생하는 에너지를 흡수하도록 된 가스 터어빈 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 포켓이 상기 블레이드내에 일체로 주조된 가스 터어빈 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 조립 블레이드에 인접한 기단부의 앞면에 당접하는 앞면과 상기 러그에 당접하여 상기 터어빈의 축방향 부하중 일부를 흡수하는 뒷면을 가지는 리테이닝 링을 수용하기 위하여, 상기 링의 앞면에 돌출되고 홈이 형성된 환상으 역방향 러그를 더 포함하는 가스터어빈 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 디스크의 각 러그의 뒷면에 돌출되어 트랙을 구획하는후크와, 상기 디스크의 상기 러그사이에 형성된 상보형 윤곽부에 조립되어 디스크 림 캐비티의 뒷면을 시일링하기 위한 복수개의 윤곽형성 플레이트 부재와, 상기 트랙에 지지되어 상기 플레이트 부재를 지지함으로써 상기 림의 앞면을 통해 상기 림 캐비티내로 유입되는 냉각공기의 흐름을차단하는 분할 링 수단을 더 포함하는 가스터어빈 엔진.
  6. 댐퍼와 인터 플랫포옴 시일이 조합된 터어빈을 가지는 가스 터어빈 엔진에서 있어서, 디스크와, 이 디스크의 림으로 부터 반경방향으로 연장되고 그것의 원주면상에 지지된 복수개의 블레이드와, 조립위치에서 내경 및 외경과 양측벽을 가지는 중량요소로 이루어진 댐퍼를 포함하는 것으로 터어빈의 회전에 의해 발생하는 과도한 진동을 흡수하기 위한 수단과, 상기 중량요소의 양측벽을 그 외경부에서 수용할수 있는 크기로 상기 각 블레이드의 네크에 형성된 대향 포켓과, 상기 디스크에 인접하고 상기 블레이드의 네크부근에서 반경 방향으로 연장되어 상기 중량요소의 내경부를 구속하기 위한 캐비티를 구획하는 TOBI 로터시일과, 상기 TOBI 로터시일을 향하여 축방향으로 연장되어 상기 중량요소의 내경부상에 놓여지는 상기 블레이드상의 러그를 포함하고, 상기 중량요소가 그것의 조립위치에서 인접 블레이드사이에 운동 가능하게 구속되어 상기 터어빈 에서 발생하는 진동에 의한 에너지를 흡수하도록 하며, 상기 각각의 블레이드는 상기 디스크의 림 표면위에 뻗어있는 플랫포옴을 가지며, 상기 인터플랫포옴 시일은, 인접 플랫포옴의 저면에 끼워져서 당해 인접플랫포옴사이의 축방향 간극을 시일링하도록 양단이 휘어진 비교적 편평한 사각형 플레이트 부재와, 상기 플레이트 부재를 수용 및 리테이닝 하기위하여 상기 플랫포옴 저면의 전후방에 형성된 돌기와, 상기 플레이트 부재가 상기 댐퍼의 상면위에서 미끄럼운동 할수 있도록 간극을 규정하는 상기 포켓의 상측벽에 의해 구획되는 선반으로 구성된 가스터어빈 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 중량요소는 앞면과 뒷면을 포함하고, 상기 중량요소의 중앙에 배치된 축방향 연장부는 특정위치에서 소정량의 중량을 상기 중량요소에 부가하여 상기 회전 터어빈에 의해 발생하는 에너지를 흡수하도록 된 가스터어빈 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 포켓이 상기 블레이드내에 일체로 주조된 가스 터어빈 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 조립 블레이드에 인접한 기단부의 앞면에 당접하는 앞면과 상기 러그에 당접하여 상기 터어빈의 축방향 부하중 일부를 흡수하는 뒷면을 가지는 리테미닝 리을 수용하기 위하여, 상기 링의 앞면에 돌출되고 홈이 형성된 환상의 역방향 러그를 더 포함하는 가스터어빈 엔진.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 디스크의 각 러그의 뒷면에 돌출되어 트랙을 구획하는 후크와, 상기 디스크의 상기 러그시이에 형성된 상보형 윤곽부에 조립되어 디스크 림 캐비티의 뒷면을 시일링하기 위한 복수개의 윤곽형성 플레이트 부재와, 상기 트랙에 지지되어 상기 플레이트 부재를 지지함으로써 상기 림의 앞면을 통해 상기 림 캐비티내로 유입되는 냉각공기의 흐름을 차단하는 분할 링 수단을 더 포함하는 가스 터어빈 엔진.
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