KR100225242B1 - 터어빈 로터 블레이드 - Google Patents

Abstract

터빈 로터 블레이드에 있어서, 상기 에어포일부의 상기 후단부가 상기 베이스부에서 상기 최외각 루트 목부에 반경방향으로 인접하게 위치되어 있으므로, 루트 균열의 발생원인이 되는 후단부 돌출익을 최소화 시킨다.

Description

터빈 로터 블레이드

제1도는 종래의 한 터빈 블레이드의 베이스부의 단면도로서, 후연 호버행(trailing edge overhang)을 나타낸 도면.

제2도는 종래의 다른 터빈 블레이드의 베이스부의 단면도로서, 루트부의 단면도를 나타낸 도면.

제3도는 종래의 터빈 블레이드의 다양한 단면과 함께 그 루트부의 단부를 나타낸 도면.

제4도는 본 발명에 따른 터빈 블레이드 및 그 루트부의 측면도.

제5도는 제4도의 터빈 블레이드의 단면도.

제6도는 제4도의 터빈 블레이드의 각 부분의 단면도.

제7도는 제6도의 좌측에서 본 루트부의 단면도.

제8도는 제4도의 Z-Z선 단면도.

제9도는 제4도의 블레이드의 후연과 루트 목부의 상대적인 위치를 도시하는 베이스부의 단면도.

제10도는 제4도의 터빈 블레이드의 대표적인 부분의 기준점을 도시하는 참조도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20, 36 : 전연 22, 38 : 후연

24, 40 : 흡입면 26, 42 : 압력면

28, 46 : 루트부 32 : 터빈 블레이드

34 : 에어포일부 44 : 플랫폼부

48 : 루트 목부 48a : 최상측 루트 목부

50 : 아치면 50a : 아치 측부

본 발명은 터빈 블레이드에 관한 것으로, 특히, 개선된 기계적 신뢰도를 갖는 자유 기립형(free standing) 터빈 블레이드에 관한 것이다.

증기 터빈은 저압, 중압 및/또는 고압 증기 터빈 요소의 조합을 포함할 수 있으며, 이들은 서로 연결되어 단일 출력을 제공한다. 각각의 증기 터빈은 로터를 포함하며, 상기 로터는 홈 내에 장착된 다수의 회전 블레이드를 갖는다. 통상, 소정 열(row)의 블레이드는 서로 동일하다. 각각의 열들이 서로 이격된 상태에서, 어떤 열의 회전 블레이드는 상기 로터의 외면으로부터 방사상 외측으로 연장된다. 한 열의 회전 블레이드는 형상에 있어서 다른 열과는 다르며; 특히 주목해야 할 것은 열이나 스테이지(stage)의 회전 블레이드의 길이가 로터의 어느 지점에 위치하느냐에 따라 변화한다는 것이다.

열과는 관계없이, 각각의 회전 블레이드는 포일부 및 베이스부를 갖는바, 상기 포일부는 상기 로터로부터 방사상 외측으로 연장되는 부분이며, 상기 베이스부는 상기 블레이드가 상기 로터에 장착되는 부분이다. 상기 베이스부는 루트(root) 및 플랫폼을 포함하며, 상기 루트는 열의 각각의 블레이드용으로 제공된 장착 홈 내에 삽입되며, 상기 플랫폼은 상기 포일부의 기단부에서 일체로 형성된다. 상기 포일부는 말단부에 팁(tip)을 가지며, 상기 포일부는 상기 기단부에서 말단부까지 비틀린 형상을 가질 수도 있고 또는 평행한 측면 형상을 가질 수도 있다. 때때로, 슈라우드(shrouds)가 상기 팁부분에 분리형 또는 일체형 부품으로서 제공되기도 한다.

고정형 실린더가 상기 로터를 중심으로 동축상에 지지 되며 그 내면상에 장착된 다수의 고정 블레이드를 갖는다. 상기 실린더가 상기 로터에 조립될 때, 상기 고정 블레이드는 여러 줄의 열(row)을 이루어 정열 되지만, 회전 블레이드의 열들과는 서로 번갈아서 정열된다. 모든 고정 블레이드가 다같이 포일부를 갖지만, 한 열의 고정 블레이드의 형상은 다른 열의 블레이드의 형상과는 다르다. 몇 개의 고정 블레이드는 루트 및 플랫폼을 포함하는 베이스부를 갖는다. 그러나, 다른 고정 블레이드는 루트나 플랫폼이 없는 블레이드 링 내에 직접 용접된 포일부를 갖는다.

각각의 고정 블레이드의 루트는 측부 절결부(side notch)를 구비할 수도 있으며, 상기 루트가 상기 홈 내에 삽입되는 경우, 상기 측부 절결부는 환형 요부와 나란하게 정렬된다. 상기 측부 절결부 및 환형 요부는 실린더 및 루트가 공유하는 공간을 규정한다. 상기 공간을 코킹 물질(caulking material)로 충전하는 경우, 상기 실린더 및 루트는 상호 접속된다.

상기 로터 블레이드 장착용으로 상기 로터내에 제공된 로터 블레이드 홈은 통상 고정 블레이드용으로 제공된 장착 홈보다 구조적으로 더 복잡하다. 더욱이, 회전 블레이드 및 로터의 루트부는 고정 블레이드의 대응 루트부보다 훨씬 큰 응력을 받게 된다.

몇몇의 터빈은 로터내에 형성된 측면-진입(side-entry) 홈이라 불리는 홈 내에 장착된 터빈 로터 블레이드를 갖는다. 로터 블레이드가 장착되는 경우, 상기 로터 블레이드는 로터를 중심으로 원주방향을 따라 배치되는 열내의 상기 로터로부터 방사상 외측으로 연장된다. 측면-진입 홈의 장치는 한열을 구성하는 다수의 로터 블레이드를 장착하기 위한 단일의 환형 홈 대신에 등간격으로 이격된 일련의 측면-진입 홈을 가지며, 상기 등간격으로 이격된 일련의 각 측면-진입 홈은 상기 열의 각각의 로터 블레이드를 따로따로 장착하도록 제공되는 것이다. 상기 측면-진입 홈이 통상 등간격으로 이격된다 하더라도, 때때로, 그 간격은 인접한 블레이드의 조립을 용이하게 하도록 변경된다.

통상의 측면-진입 홈은, 홈의 바닥을 향해 내측으로 테이퍼진 개구처럼, 로터의 외면에서 시작된다. 일련의 파형부가 상기 개구와 상기 홈의 바닥 사이에서 상기 홈의 반대쪽 측벽과 대칭적으로 형성된다, 대응 터빈 블레이드의 전형적인 루트부는 상기 홈의 형상과 실질적으로 동일한 형상을 갖는다. 상기 파형부는 일련의 상호 체결단을 제공한다. 또한, 파형 측벽은 상기 루트부가 상기 로터에 대하여 방사상으로 상기 홈내로 삽입되는 것을 가능하게 한다. 상기 로터 홈 및 블레이드 루트부의 결과적인 형상은 때때로 전도된 크리스마스 트리 또는 뾰족탑 모양으로 일컬어진다.

측면-진입 홈에 있어서, 루트부는 터빈 로터축에 대체로 평행한 홈 내로 밀어지게 되므로 상호 연결이 이루어질 수 있다. 루트부와 홈의 공차는 매우 정밀하므로, 접촉면에 대한 루트부의 외형공차는 루트부의 외형에 따라 통상 1/10000 inch ~ 1/50000 inch 의 범위를 갖는다. 접촉면에 대한 홈의 외형공차는 상기 홈의 형상에 따라 통상 약 6/10000 inch ~ 8/10000 inch의 범위를 갖는다. 기본적으로 상기 루트부와 홈 사이의 최대 간극은 아주 작으므로 상기 루트부와 홈간의 정확한 결합이 요구된다.

일단 특정의 디자인이 개발되고 나면, 로터 블레이드 루트부 및 홈의 형상을 변화시키는 것은 대체로 어렵다. 이것은 몇 개월 심지어 몇까지의 세심한 계산을 통해야만 특정의 디자인에 도달할 수 있기 때문이다. 때때로, 로터 블레이드 루트부 및 홈의 형상의 약간의 변화는 블레이드 또는 로터의 기능이나 성능에 예기치 못한 감소를 발생시키기도 한다. 상기 루트부와 홈간의 공차가 임계한도에 도달한다면, 둘 중 하나 혹은 둘 다의 형상 변화는 통상의 지식을 벗어나게 될 것이다.

보통, 측면-진입 로터 블레이드 루트부는 상기 루트부의 형상과 거의 동일한 형상을 갖는 홈 내에 결합된다. 이것은 유동 유체의 누출과 연관된 손실을 최소화하기 위한 것이다. 예외적인 현상이 가끔 고온 적용상태에서 발생하게 되는데, 이 경우 루트부의 바닥부와 홈의 바닥부 간에 간격이 발생되어 냉매가 통과할 수 있는 통로를 제공하게 된다.

크리스마스 트리형 블레이드 루트부 및 그 대응 장착 홈은 각기 포일부 및 로터 몸체에 가장 가까운 위치에서 가장 넓은 폭을 가지며, 그 대향 단부에서 가장 좁은 폭을 갖는다. 이것은 부하를 블레이드에서 로터로 전달 가능한 물질을 가장 효과적으로 활용하기 위한 것이며, 또한 응력 집중 효과를 최소화시키는 역할을 하는 여유 있는 필릿 반경을 제공하기 위한 것이다.

동력 발생장치는 시간이 지남에 따라 터빈 블레이드의 교체를 필요로 하게 될 것이다. 사용자는 블레이드를 보다 높은 성능 특성을 갖는 블레이드로 교체하여 동력 발생장치의 성능을 높여줄 것을 자주 요구한다, 현재 시장 추세는 사용중인 장치에서 블레이드를 교체하여 수명을 연장하고, 향상된 열성능 효과를 얻고, 신뢰도를 향상시키는 것을 중요시하고 있다. 따라서, 더욱 향상된 신뢰도와 성능을 갖춘 현대식 터빈 설계의 개선이 요구된다.

현재 사용되는 자유 기립형 블레이드는 주기적인 부하 동작 중에 루트 목부에서 균열이 발생된다는 것이 관측되었다. 이러한 루트부의 균열은 반복되는 운전 및 정지 사이클에 의해 발생된다. 루트부의 균열을 발생시키는 주 원인중의 하나는 상기 루트 목부에 대한 후연 오버행(overhang)이다. 후연 오버행은 제1도에 거리(A)로 도시되어 있으며, 상기 거리(A)는 베이스부에서 블레이드의 후연(10)과 최상 루트 목부에 의해 규정된 루트부의 어떤 지역의 외형선(12) 간의 거리이다. 이러한 지역은 또한 단면 및 측면을 포함하는 조합도인 제2도에 도시되어 있다. 제2도에 루트부(14) 및 최상측 루트 목부(16)가 도시되어 있다. 제2도는 제1도와는 약간 다른 형상의 블레이드를 도시하는 것으로서, 후연 오버행을 조금 더 뚜렷하게 도시한다.

제3도는 블레이드의 A-A, E-E, J-J 및 M-M 부분 뿐만 아니라, 블레이드의 특정 부분에 대한 플랫폼(18)이 관계를 나타내는 베이스의 Q-Q 부분을 도시하는 복합도이다.

여러 개의 부분들이 베이스부(Q-Q)에서 팁부(A-A)까지 나아가는 블레이드의 외형을 도시하고 있다. 각각의 부분은 블레이드의 기본 요소를 도시하고 있는데, 그것들은 전연(20), 후연(22), 볼록한 흡입면(24) 및 오목한 압력면(26)이다. 루트부(28)는 Q-Q부분의 좌측에 수직 대칭면을 중심으로 상기 루트부(28)를 둘로 나누는 루트 중심선을 갖게 도시되어 있다. 비록 제3도에는 후연(22)이 플랫폼(18)의 모서리로부터 멀리 떨어지지 않은 것으로 도시되어 있으나, 최상측 루트 목부(30)에 대한 위치는 본 발명에 있어서는 중요한 위치로서 고려된다.

본 발명의 주 목적은 반복되는 운전 및 정지 사이클 조건하에서 터빈 블레이드의 루트부중 목부분에서 균열이 발생하지 않는 개선된 열 성능 및 신뢰도를 갖는 터빈 블레이드를 제공하는데 있다.

이러한 목적으로 볼 때, 본 발명은 전연, 후연, 흡입면, 압력면, 일단부에 있는 팁부 및 다른 대향단부에 있는 베이스부를 갖는 에어포일부와; 에어포일부가 그것에서 연장되는 플랫폼부와; 상기 플랫폼부로부터 상기 에어포일부와는 반대방향으로 연장되며, 최상측 루트 목부를 포함하는 다수의 루트 목부를 갖는 루트부를 포함하는 터빈 로터 블레이드에 있어서: 상기 베이스부에서 상기 에어포일부의 후연이 최외측 루트 목부에 반경방향으로 인접하게 위치되어 후연 오버행을 최소로 한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드를 제공한다.

본 발명은 첨부된 도면에 단지 예로써 도시된, 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명을 보면 보다 쉽게 이해될 것이다.

이제 제4도부터 제9도까지 참조해 보면, 본 발명의 터빈 블레이드(32)는 전연(36), 후연(38), 흡입면(40), 압력면(42), 팁부(A-A) 및 베이스부(Q-Q)를 갖는 에어포일부(34)를 포함한다. 제6도에는 에어포일부(34)가 반경 방향으로 나아갈 때의 에어포일부(34)의 형상을 설명하도록 여러 개의 다른 부분 (D-D), (G-G), (K-K), (L-L) 및 (N-N)이 도시되어 있다.

플랫폼부(44)는 에어포일부(34)가 그것에서 연장되는 베이스를 제공한다. 루트부(46)는 상기 플랫폼부(44)로부터 상기 에어포일부(34)의 반대방향으로 연장되며, 최상측 루트 목부(48a)를 포함하는 다수의 루트 목부(48)를 갖는다.

제9도에 도시된 바와 같이, 상기 최상측 루트 목부는 아치면(arcuatearea)(50)을 규정하며, 상기 아치면의 아치 측부는 상기 목부의 양측을 형성하는 곡선의 정점에 의해 규정되고, 반면에 상기 아치면(50)의 선형 측부는 상기 루트부(46)의 단부면에 의해 규정된다. 상기 베이스 단면(Q-Q)에서 상기 에어포일부의 후연(38)은 상기 최상측 루트 목부(48a)에 수직으로 인접하여 정확하게 위치되어 후연 오버행(trailing edge overhang)을 최소화한다. 특히, 제9도에 도시된 바와 같이, 상기 후연(38)은 상기 아치면(50)의 아치 측부(50a) 위에 놓여있다. 제9도는 제1도 및 제2도와 대조를 이루는바, 제1도 및 제2도에서 상기 후연은 상기 외형선(12)의 아치 측부를 넘어 연장된다.

제4도 내지 제9도에 도시된 터빈 블레이드는 32 inch(812.8mm)의 에어포일부를 갖는 것으로서, 이것은 기존의 28.5 inch(723.9mm)의 보강지지 블레이드(lashed blade)를 대체하기 위해 설계된 것이다. 본 발명에 따라 제조된 블레이드는 자유 기립형(free standing), 즉, 비보강 블레이드형(nonlached)으로서, 비슷하게 설계된 다른 어떤 블레이드보다 폭이 넓은 루트에 부착된다. 최상측 루트 목부의 폭은 약 1.56 inch (39.624mm)이다. 블레이드의 루트부의 크기를 크게 하면, 지지 응력(bearing stress)을 감소시키게 되어 균열을 방지한다. 또한, 연장된 길이, 각도, 구조는 열역학적 성능을 현저하게 향상시킨다.

모든 비조율된 진동 모우드에 대하여 계산된 상기 블레이드의 강도가 제3도에 도시된 종래 블레이드보다 높도록 블레이드의 단면을 설계하면 블레이드의 기계적 신뢰도가 향상된다, 더욱이, 상기 블레이드는 폭이 가장 넓고 깊이가 가장 깊은 루트에 부착되므로, 접지 지지표면이 증가되어, 지지 응력이 감소된다. 주기적인 동작에 견뎌내는 지지 응력을 높게 하면 상기 지지표면에 손상을 입히며 균열을 발생시킨다.

상기 블레이드가 기존의 28.5 inch 보강 지지 블레이드 보다 약 3.545 inch(90.043mm) 정도 길기 때문에, 잔류 손실은 감소되고, 그에 수반되는 블레이드 성능은 증가될 것이다.

본 발명의 다른 특징이 제6도에 도시되어 있는바, 상기 블레이드의 여러 부분을 평탄한 또는 직선형 배면형상을 갖는 것으로서, 이것은 후연(38)으로부터 흡입면(40)을 따라 연장되는 부분을 의미하여, 상기 표면은 X-축 좌표에 대하여 비교적 평행한 면이다. 이러한 직선형 배면 구조는 천음속 유동(transonic flow) 작동 중에 유동손실을 감소시키게 되어, 기존의 만곡형 배면 설계를 개선하게 된다.

제10도는 본 발명의 터빈 블레이드중 에어포일부의 대표적인 단면의 기준점을 도시하는 참조도면이다. 번호가 매겨진 기준점은 전연 및 후연에 대한 점 뿐 아니라 흡입면 및 압력면을 따라가는 점을 나타낸다. 기준점(2)은 기준점(1)에 대한 흡입면의 평면부의 끝을 나타내며, 기준점(1)은 후연에서 평면부가 시작되는 부분이다. 거리 L-F REF는 기준점(1 ,2) 사이의 평면부의 길이이다. 이 길이는 이하의 도표에 나타난 바와 같이 베이스부에서 팁부로 가면서 일정하게 증가된 것으로 도시되어 있다.

NPA각도 REF(NA ANGLE REF)는 흡입면의 평면부와 수직선 사이의 각도로서, 상기 수직선은 후연에 접선방향으로 그어지고 Y축과 평행한 선을 말한다. NA 각도의 값은 베이스부에서 팁부로 가면서 일정하게 감소되며, 팁부는 약4°정도의 미소각을 갖는 것으로 도시되어 있다.

참조부호 PA(MAX. THKS)는 각각의 블레이드부의 최대 두께를 말한다. 도표를 보면, 최대 두께는 베이스부에서 바로 인접부 부분으로 갈 때는 증가되나, 그 지점에서 팁부로 갈수록 감소된다.

참조부호(TE DIA, LE DIA)는 각각 후연 직경 및 전연 직경을 의미한다. 도표를 보면, 후연 두께는 베이스부에서 팁부로 갈수록 감소된다. 전연 직경도 마찬가지로 감소된다.

SA 블레이드간 거리는 베이스부에서 L-L부 까지는 증가되나, L-L부에서 팁부까지는 감소되는 것으로 도시되어 있다.

[표 1]

Claims (6)

1. 전연과, 후연과, 흡입면과, 압력면과, 일단부에 있는 팁부와, 다른 대향단부에 있는 베이스부를 갖는 에어포일부와; 상기 에어포일부가 그것에서 연장되는 플랫폼부와; 상기 플랫폼부로부터 상기 에어포일부와는 반대 방향으로 연장되며, 최상측 루트 목부를 포함하는 다수의 루트 목부를 갖는 루트부를 구비하는 터빈 로터 블레이드에 있어서, 상기 베이스부에서 상기 에어포일부의 후연이 최외측 루트 목부에 반경방향으로 인접하게 위치되어 후연 오버행(trailing edge overhang)을 최소로 한 것을 특징으로 하는 터빈 로터 블레이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 후연이 상기 최외측 루트 목부위에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터 블레이드.
3. 제1항에 있어서, 상기 에어포일부의 상기 흡입면이 상기 후연으로부터 연장되는 평평한 배면부를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 로터 블레이드.
4. 제3항에 있어서, 상기 평평한 배면부가 상기 베이스부에서 상기 팁부로 가면서 증가되는 상대적인 길이를 갖는 터빈 로터 블레이드.
5. 제4항에 있어서, 로터축에 수직인 평면에 대한 상기 평평한 배면부의 팁부 각도는 4°정도인 것을 특징으로 하는 터빈 로터 블레이드.
6. 제1항에 있어서, 상기 최상측 루트 목부가 4cm 정도의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 로터 블레이드.