KR100227052B1 - 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드 - Google Patents

테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드 Download PDF

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윌모트조오지브라운
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드폴 루이스 에이
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Abstract

회전자의 축선에 대하여 평행한 X-X 축을 가지며 ; 루트의 중앙선 반경에 의해 규정되는 루트 중앙선을 갖는 루트부와, 상기 루트부와 연결되는 플랫포옴부와, 상기 플랫포옴부와 연결되고 전단, 후단, 볼록형 흡입측면, 오목형 가압측면 및 소정 윤곽의 정점을 갖는 에어포일부를 포함하고 : 상기 플랫포옴부는 오목면과, 볼록면과, 상기 에어포일부의 전단에 수직방향 인접한 제 1 단부와, 상기 에어포일부의 후단에 수직방향 인접한 제 2 단부를 구비하고 ; 상기 오목면은 소정의 경사각으로 상기 루트 중심선 반경쪽으로 경사져서 원호형 경사면을 형성하고, 상기 플랫포옴부의 제 2 단부에 경사진 파단평면을 가지며 ; 상기 파단 평면은 상기 오목면과 동일한 소정의 경사각을 갖고 X-X축을 향하여 경사지는, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터어빈 블레이드.

Description

테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드
제1도는 종래기술에 따른 증기 터빈 블레이드의 측면도,
제2도는 제1도의 증기 터빈 블레이드의 단면도,
제3도는 제1도의 증기 터빈 블레이드의 평면도,
제4도는 상기 증기 터빈 블레이드의 플랫포옴부상에 놓인 제1도의 F-F선 단면도로서, 블레이드의 X-X축과 Y-Y축을 도시하는 도면,
제5도는 제1도의 장부단면 T-T에 대한 도면으로서, 블레이드의 X-X 축 및 Y-Y축과 관련하여 각 섹션의 형상을 표시하기 위해서 도면부호(1-22)로 표시된 것으로 스플라이 축간 지점을 도시하는 도면,
제6도는 본 발명에 따른 증기 터빈 블레이드의 단면도,
제7도는 제6도에 따른 증기 터빈 블레이드 측면도,
제8도는 제7도의 R-R선 단면도,
제9도는 제6도의 에어포일부의 정점부의 확대도로서 제12도의 PT-PT선 단면도,
제10도는 제7도에 도시된 각종 단면을 표시한 도면,
제11도는 제6도에 따른 증기 터빈 블레이드의 전형적인 단면도로서, 블레이드 치수를 표시하기 위해서 각 지점이 넘버링되었고 게이징을 도시할 목적으로 일 열의 인접한 2개의 블레이드를 추가로 도시하는 도면,
제12도는 제7도의 증기 터빈 블레이드의 T-T선 단면도,
제13도는 X-X축과 Y-Y축상에서 플랫포옴부상에 놓인 기부단면의 평면도,
제13a도는 상기 플랫포옴부에 관한 루트부의 단면도,
제14도는 제6도에 따른 증기 터빈 블레이드의 루트부의 단면도,
제15도는 본 발명에 따른 루트와 홈을 도시하는 확대단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
42 : 블레이드 44 : 루트부
45 : 플랫포옴부 46 : 오목면
46b : 볼록면 48 : 에어포일부
50 : 회전자 52 : 파단평면
56 : 정점
본 발명은 증기 터빈 블레이드에 관한 것으로, 특히 기존의 터빈 회전자의 개장용으로서 설계된 자립식의 혼합된 동조형 블레이드(a freestanding mixed tuned blade)에 관한 것이다.
증기 터빈은 다수 열의 회전 블레이드 및 고정 블레이드를 구비한다. 이 고정 블레이드는 터빈 회전자를 둘러싸고 있는 고정 실린더에 장착되며, 회전 블레이드는 회전자에 다수 열로 장착되어 그 회전자와 함께 회전한다.
어떤 소정열의 블레이드는 항상 동일하다. 대부분의 블레이드는 대응하는 장착 구조체내에 블레이드를 장착하기 위하여 이용되는 루트부, 플랫포옴부 및 에어포일부를 구비한다.
루트부의 공지된 유형 중에서는 회전자의 측면 진입 홈내로 압입되도록 설계된 것이 있다. 이 홈의 전반적인 형상은 원호형상이므로, 측면 진입 블레이드의 루트부도 원호형상을 갖는다. 상기 측면진입 블레이드의 범주내에 있는 루트 형상중 하나의 유형으로서는 그 루트부의 형상이 전나무의 역형상과 다소 유사하다는 이유 때문에 전나무(fir tree)(크리스마스 트리)로 알려져 있는 것이 있다. 이러한 유형의 루트부에 있어서는, 회전자 홈내에 제공되는 네트 및 러그의 내부에 압입되는 대응하는 일련의 교호형 네크 및 러그가 제공된다.
이러한 루트부의 설계는 네크나 러그의 형상에 있어서 어떤 부분이 약간 변화되기라도 하면 전체 루트부에 부과되는 응력분포가 대폭 변화될 수도 있어서, 과학적 정밀성이 요구된다. 블레이드의 에어포일부를 설계하는 것 또한 대단히 어렵다. 대부분의 증기 터빈 회전자 블레이드의 에어포일부는 전단, 후단, 오목형 가압측면, 볼록형 흡입측면 및 루트부 반대쪽의 말단부의 정점을 구비한다. 특정 터빈에 있어서, 특정한 일 열의 회전자 블레이드에서 공통적인 에어포일부 형상은 다른 모든 열의 에어포일부 형상과 다르다. 마찬가지로, 상이한 설계를 갖는 2개의 터빈도 동일형상의 에어포일부를 공유하지 않는다. 에어포일부 형상의 구조적 차이는 공기역학적 특성, 응력 패턴, 작동온도 및 에어포일부의 고유진동수에 있어서 상당한 변화를 초래한다.
새로이 통용되는 발전용 증기 터빈의 터빈 에어포일부 즉, 에어포일(airfoil)의 개발에 있어서는 그 완성에 수년이 걸릴 수도 있다. 새로운 증기 터빈의 회전 블레이드를 설계하는 경우, 블레이드 개발자는 작동되는 소정의 흐름영역을 고려하게 된다. 이 흐름영역은 무엇 보다도 입구각 및 출구각(일열에 있는 회전 블레이드들 사이를 관통하는 증기에 대한 것임), 게이징(gauging) 및 속도비에 의해 결정된다. 게이징이란 드로트(throat)대 피치의 비를 말하는 것으로서, 드로트는 일회전자 블레이드의 후단과 인접 블레이드의 부압측면사이의 직선거리를 말하고, 피치는 인접한 회전 블레이드의 후단들 사이의 거리를 말한다.
상기 흐름영역변수는 특정 열의 회전자 블레이드의 길이를 비롯한 여러가지 요인에 따라 달라진다. 본질적으로 블레이드의 길이는 증기 터빈의 설계단계의 초기에 설정되는 것으로, 증기 터빈의 전체 출력과 특정단계, 즉 특정 열의 블레이드의 출력의 함수이다.
회전 블레이드 설계의 또 다른 중요한 인자는 회전속도의 고조파 전반을 통해 파괴적인 공진 주파수가 발생되지 않도록 블레이드를 동조시키는 데에 있다.
따라서 터빈의 회전 블레이드를 설계하고 제작하는 과정에 있어서는 블레이드의 공진 주파수를 동조시켜서 공진을 최소화시키는 것이 대단히 중요하다. 상기 회전속도의 고조파는 다음의 예시에 의해 가장 잘 나타난다. 전형적인 화석 연료 가동형 증기 터빈에 있어서, 회전자는 3600rpm, 즉 60cps로 회전한다. 1cps는 1Hz와 동일하고 단순한 조파운동은 원형 운동의 각 주파수라는 말로 기술될 수 있기 때문에 60cps의 회전속도는 60Hz의 제1고주파와, 120Hz의 제2고주파, 180Hz의 제3고조파 및 240Hz의 제4고조파 등을 발생시킨다. 전형적으로 블레이드 설계자는 제7고조파(420Hz)까지의 주파수를 고려한다. 60Hz의 간격으로 발생되는 일련의 고조파의 주파수는 회전 블레이드에 작용하는 여기력의 진동에 대한 정상 모드의 주파수 특성을 나타낸다. 회전 블레이드 진동의 고유 주파수가 일련의 고조파의 주파수, 즉 회전 속도의 고조파와 일치한다면 파괴적인 공진의 고조파 주파수중 하나 또는 그 이상에 나타날 수 있다.
일련의 주파수에서 여기력이 발생될 수 있다고 한다면, 블레이드 설계자는 일련의 고조파의 주파수에서 또는 그중 어느 하나의 근방에서 블레이드의 고유 공진 주파수가 발생되지 않도록 해야만 한다. 이러한 것은 회전 블레이드의 진동이 일 방향으로만 진행된다면 쉬운 작업이다. 그러나 회전 블레이드는 무한한 방향으로 진동할 수 있다. 각 방향의 진동은 상이한 고유 공진 주파수를 가질 것이다. 블레이드의 다방향성 자연 진동은 진동 모드로서 언급하고자 한다. 블레이드 설계자는 일련의 결속된 회전 블레이드에 대하여 적어도 일곱개의 상이한 모드, 즉 적어도 일곱 방향의 진동을 고려한다. 각 모드의 진동은 소정의 회전 블레이드에 대하여 소정의 방향으로 상이한 고유 공진 주파수를 설정한다.
제1모드의 진동은 회전자의 회전 방향과 접선을 이루는 방향의 진동으로서, 회전 블레이드 군을 상호 연결하는데 이용되는 2개의 가압 와이어 중 낮은 위치에 의하여 상당한 영향을 받는다. 보다 낮은 가압 와이어의 위치를 낮추면 제1모드 진동의 공진 주파수는 증가되기 쉽다. 제2모드의 진동은 회전자의 축방향과 접선을 이루는 진동이다. 보다 낮은 가압 와이어의 위치는 상기 제2모드 주파수에 역효과를 나타내어, 보다 낮은 와이어가 제1모드의 주파수의 상승을 저하시킬때 제2모드의 주파수가 저하되도록 한다. 제3모드의 진동은 와이어를 갖는 블레이드군의 축방향으로 치환되는 X방향의 진동이다. 이 제3모드의 진동은 매군당 블레이드수에 따라 크게 달라지며; 그 주파수는 군에 블레이드를 추가함으로써 저하될 수 있다. 제4모드의 진동은 동상 진동(an in-phase vibration)으로서, 최외각의 가압 와이어의 위치에 따라 크게 달라진다. 최외각의 가압 와이어를 이동시키면, 제4모드의 주파수가 저하된다.
자립식 블레이드에 있어서, 첫번째 두 모드의 모드 형상은 동일하다. 제3 및 제4모드의 모드 형상은 X 형상은 아니지만 왜곡형상이다.
상기 제3또는 제4모드를 넘어선 모드의 진동은 점점 더 복잡해진다. 이 모드들은 많은 요인에 따라 달라지는 상이한 모드 형상을 갖는 바, 이 요인들은 본원에 상세히 열거되기에는 너무나 많다.
결속된 회전 블레이드를 동조시킬 때 첫번째 3개의 모드에 대해 블레이드를 동조시키는 것이 중요하다. 상술한 바 있던 3600rpm에서 동작하는 화석연료 가동형 증기 터빈의 경우를 생각해 보면, 회전 블레이드의 고유 공진 주파수 60Hz간격의 주파수를 피하여 동조되어야 한다. 예를들면 제2고조파는 120Hz에서 발생되고 제3고조파는 180Hz에서 발생되는 것을 들 수 있다. 기본적인 동조 방법으로서는 두개의 고조파 사이의 중간점에 가능한 한 가까운 것, 다시 말해서 120과 180Hz의 중간정도, 즉 150Hz의 주파수를 갖도록 블레이드를 동조시키는 것이 있다. 제1모드의 진동이 상기 제2와 제3모드의 고조파사이로 제공되는 고유 공진 주파수를 갖는 회전 블레이드를 제공하는 것도 통상적인 방법이다. 따라서 제1모드이 진동이 150Hz 또는 그 근방의 주파수를 갖도록 블레이드를 동조시키는 것이 바람직하다.
제2 및 제3모드 진동의 주파수는 상기와 유사하게 2개의 계속되는 고조파 사이의 중간점에 가능한 한 가깝게 동조된다. 그러나 주파수 검사는 보통 제7모드의 진동 이후에도 진행된다. 제4모드의 진동과 관련하여서는 제7고조파(420Hz)근방의 주파수가 기대될 수도 있다. 그러므로 최외각 가압 와이어는 제4모드 진동의 공진 주파수가 제7고조파의 충분히 위에서 형성될 수 있도록 위치되어야 한다.
새로운 증기 터빈을 설계하는 터빈 설계자는 어떠한 진동 모드의 공진 주파수도 회전속도의 고조파와 관련된 주파수와 일치되지 않도록 터빈 블레이드를 동조시켜야 한다. 때때로 이러한 동조는 터빈의 성능이나 효율과 교환되기도 한다. 예를들어 특정 모드에서 소망하는 공진 주파수를 얻기 위해서 블레이드에 대한 설계변경이 이뤄질 수도 있다. 이러한 변경의 예로써, 속도비의 변경이나 에어포일의 피치 또는 폭의 변경등과 같은 터빈내 다른 곳에서의 바람직하지 않은 변경이 필요할 수도 있다.
더구나, 블레이드 설계자는 공력탄성적 불안정(aeroelastic instability)이라고 불리는 비동기식 진동도 방지시켜야 한다. 상기 불안정의 예로는 비실속 플러터(unistalled flutter), 실속 플러터 및 버피팅(buffeting)을 들수 있다. 이러한 현상은 자립식 블레이드에서 보다 많이 성행되는 것이다. 자립식 블레이드에서 공력탄성적 불안정을 완화시키기 위해서, 설계자는 인접한 블레이드들의 제1모드가 약간 다른 진동수에서 진동될 수 있도록 일 열의 블레이드의 동조를 혼합한다.
이전의 구식 터빈에서 출력을 증가시키기 위해 개선되었던 상황과 다른 문제가 발생된다. 구식 터빈의 출력 증가는 하나 또는 그 이상의 블레이드의 길이를 증가시키고, 이 보다 커진 블레이드의 길이 전체를 수용하기 위해서 그 열 둘레의 실린더에 구멍을 뚫음으로써 행해질 수도 있다. 회전자상에 제공되는 측방향 진입홈을 변경하는 것이 거의 불가능하므로 개장된 블레이드는 기존의 블레이드와 동일한 루트부를 이용한는 것이 통상적이다.
에어포일의 재설계 공정은 새로운 블레이드와 설계의 것과 유사한 방법을 따른다. 블레이드의 길이 및 흐름영역 변수가 주어진다면, 블레이드 설계자가 복수개의 기본 블레이드 단면을 형성시킬 수 있다. 종래기술의 블레이드의 예는 제1도내지 제4도에 도시된다. 제1도를 참조하면 A-A내지 G-G의 기본단면이 설정된다. 이 단면은 6개의 블레이드 전개부로 구성되는 바, 제1전개부는 A-A 내지 B-B단면이고, 제2전개부는 B-B내지 C-C단면이며, 제3전개부는 C-C 내지 D-D단면등으로 계속된다. 블레이드의 상기 에어포일 단면들은 에어포일을 관통하는 기본 횡단면으로 구성된다. 각 단면은 일련의 넘버링된 좌표점을 평활한 연속곡선으로 연결시킴으로써 형성된다. 이러한 좌표점은 제3도 및 제4도에 도시된 바와 같이 X-X축 및 Y-Y축을 기준으로 형성된다. 제4도에는 그것의 전형적인 단면인 F-F단면이 도시된다. 또한 블레이드 단면에 대한 루트부의 관계를 도시하기 위해서 루트부의 단면이 교차된다. 각 횡단면사이의 표면은 각 단면의 동일하게 넘버링된 좌표점을 연결하는 일련의 직선에 의해 발생되는 규정된 표면이다. 예를들어 제5도에는 장부 단면(이 장부는 일군의 인접 블레이드들을 상호 연결시키기 위하여 이용되는 보호판을 부착하기 위해 사용되는 블레이드의 부품임)이 도시된다. 상기 장부 단면은 기본 단면 중 하나는 아니나, 블레이드 설계의 발생방식을 도시하기 위하여 본원에 나타낸다. 이하의 표1에 있어서, 상기 블레이드 단면 치수는 제5도에 도시되어 있는 점들에 관한 블레이드 단면 치수에 대하여 특정화된다. 예를들어 제5도의 점(1)은 장부단면에 대하여 횡방향(X방향)으로 -0.320인치(8.128mm)와 수직방향(Y방향)으로 -0.973인치(24.714mm)의 좌표에 규정된다.
따라서, 장부의 경우 점(1)의 좌표는 -0.320, -0.973인치(8.128, 24.714)이다.
[표 1]
제1도 내지 제5도에 도시된 블레이드는 L-1R 열에 이용하기 위하여 웨스팅하우스 BB73 터빈(Westinghouse BB73 turbine)용으로 설계된 것이다. 에어포일부(32), 루트부(34) 및 플랫포옴부(36)를 갖는 블레이드(30)는 가압 와이어(38)에 의해서 그것의 인접 블레이드에 고정된다. 상기 장부(40)는 블레이드(30)를 보호판(도시되지 않음)을 통해 그것의 인접 블레이드에 연결하기 위하여 이용된다.
제1도 내지 제5도에 도시되는 블레이드 웨스팅 하우스 일렉트릭 코오포레이숀(Westinghouse Electric Corporation)에 의해 시판용으로 제조되는 것으로서, 제 TS-1253A 및 1254A호로 지정되었다. 도면에 도시된 바와같이, 이러한 블레이드는 와이어에 의해 결속되고 보호판에 의해 고정되어 있으므로, 전술한 바와같은 동조 효과를 발생시켰다.
제1도 내지 제5도에 도시되어 있는 블레이드를 개장용으로 재설계함에 있어서는 가압 와이어나 장부와 같은 취약한 결합부들을 제거시키고, 블레이드의 속도 순환 능력을 상승시키며 강도를 증가시키고 공력탄성적 불안정을 방지하기 위한 필요가 존재한다. 더욱이 이 재설계는 동일한 회전자 홈을 이용하여 회전자의 가공을 최소화시킴으로써 이루어져야 한다.
본 발명의 목적은 강도가 증가되고 가압 와이어 및 장부와 같은 취약한 결합구조를 갖지 않으며 속도 순환 능력이 증가되고 공력탄성적 불안정을 갖지 않는 개장된 블레이드를 제공하는데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이전에 존재하는 블레이드와 동일한 홈을 이용하는 개장용 블레이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은 회전자의 축선에 대하여 평행한 X-X축을 가진 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드(a freestanding mixed tuned taper-twisted steam turbine blade)로서, 루트의 중앙선 반경에 의해 규정되는 루트 중앙선을 갖는 루트부와, 상기 루트부와 연결되는 플랫포옴부와, 상기 플랫포옴부와 연결되고 전단, 후단, 볼록형 흡입측면, 오목형 가압측면 및 소정 윤곽의 정점을 갖는 에어포일부를 포함하고; 상기 플랫포옴부는 오목면과, 볼록면과, 상기 에어포일부의 전단에 수직방향 인접한 제1단부와, 상기 에어포일부의 후단에 수직방향 인접한 제2단부를 구비하고; 상기 오목면은 소정의 경사각으로 상기 루트 중심선 반경쪽으로 경사져서 원호형 경사면을 형성하고, 상기 플랫포옴부의 제2단부에 형성된 경사진 파단평면을 가지며; 상기 파단 평면은 상기 오목면과 동일한 소정의 경사각을 갖고 X-X축을 향하여 경사지는, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드를 제공한다.
상기 소정의 경사각은 약 15°인 것이 바람직하다.
본 발명의 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 블레이드의 상기 특징 및 잇점은 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조하면 더욱 명백해질 것이다.
제6도 및 제7도를 참조하면, 일괄하여 도면부호(42)로 나타내는 본 발명에 따른 증기 터빈 블레이드가 도시되는 바, 이 블레이드(42)는 루트부(44)와 플랫포옴부(46) 및 에어포일부(48)를 구비하고 있다. 제7도에는 A-A내지 J-J선을 따라 취한 기본 에어포일 단면이 도시되는 바, 플랫포옴으로부터 그 단면까지의 거리는 오른쪽에는 인치단위로 표시되고 그 옆의 괄호내에는 밀리미터 단위로 표시될것이다. J-J단면은 기저단면이고 T-T단면은 정점 단면이다. 상기 정점 단면은 소망하는 동조효과를 발생시킬 수 있는 윤곽을 갖는다(제9도 및 제12도에 더욱 상세히 도시됨). 이 블레이드는 혼합된 동조형 블레이드인 바, 그 말은 지정된 열에 있어서, 예를들어 L-1R열이 120개의 블레이드를 갖는 BB73에 대하여, 그 블레이드들은 2개의 다른 윤곽의 정점 길이중 하나를 갖고, 이 2개의 상이한 길이는 인접 블레이드에 대해서 교호적이므로, 이 블레이드의 절반은 2개의 길이중 한 길이를 갖고 다른 절반은 또다른 길이를 갖는 것을 말한다. 확정형 정점 단면으로 이어지는 윤곽 정점 길이에 있어서의 변화(동조의 목적으로 제1모드에 대해 제2모드를 낮춤)는 제1모드의 블레이드 자체의 주파수에 대해 가능한 주파수의 최대 변화를 발생시킨다.(블레이드 자체의 정지주파수는 블레이드가 회전자로부터 탈거된 상태에서 그 블레이드의 공진 주파수를 시험함으로써 결정되나; 블레이드 자체의 회전 주파수는 회전자부가 진동되지 않는 상태에서 블레이드의 공진주파수를 시험함으로써 결정됨). 이로써 0.305인치에 가까운 윤곽 정점 길이가 보다 긴 길이용으로 제공된다면, 그 열 둘레로 특정 블레이드를 연속시키는 추가의 도움없이도 혼합 동조 요건이 충족될 것이다. 바람직한 실시예의 윤곽 정점 길이는 0.075인치(1.905mm)에서 0.200 내지 0.305인치(5.08mm 내지 7.747mm)로 설정된다. 이것은 그 결과 그 열의 블레이드 4Hz의 제1모드 블레이드 자체의 주파수 분리를 발생시키며 그로써, 공력탄성적 불안정이 제거된다. 다시 말해서 0.200내지 0.305인치(5.08mm 내지 7.747mm)의 윤곽을 갖는 보다 긴 길이의 윤곽 정점을 갖는 블레이드는 0.075인치(1.905mm)의 윤곽을 갖는 보다 짧은 길이의 윤곽 정점을 갖는 블레이드보다 약 4Hz높은 주파수를 갖는다. 이와 동시에 제1 및 제2모드의 디스크 시스템 주파수(회전자가 블레이드와 함께 진동될 때의 블레이드 주파수) 및 제2모드의 블레이드 자체의 주파수에 대한 동조요건은 규정된 지침내에서 설정되었다.
제1 및 제2모드 진동의 동조요건을 충족시키는데 있어서의 정점 윤곽의 영향은 제1도 내지 제5도에 도시되어 있는 종래기술의 블레이드와 비교해 볼때 에어포일단면의 재설계의 결과에 있다. 특히, 본 발명의 에어포일부는 이하의 표Ⅱ에 표시된 좌표점을 갖는다.
[표 2]
확장된 정점 단면은 질량 조절을 통해 제1모드 및 제2모드의 양자를 낮추었지만, 실질적으로는 제1모드에 대하여 제2모드를 낮추었다. 양 모드는 하측 단면을 강화시킴으로써 블레이드 디스크 시스템 주파수의 정확한 크기까지 동일한 양이 상승되었다. 게다가(강성 제어를 제공하는)보강된하측단면은 진동에 대한 저항력의 증가를 추가시켰다. 더욱이, 루트에 대한 진동저항력의 증가(속도순환 이외의 다른것)는 루트의 네트 윤곽을 변경시킴으로써(최상측 네크 등에서 반경을 증가시킴으로써)달성된다. 상기 진동 저항력은 제3 및 제4모드와 같은 비동조 모드에 대하여 필요하다. 더욱이, 보강된 하측단면 덕분에 제3 및 제4모드의 주파수가 보다 높아지며, 이러한 특징은 상기 하측 단면 및 루트에 대한 저항력에 있어서의 추가 증가와 관련될 수 있다.
표 Ⅱ의 좌표점은 에어포일 형상을 규정하는 바, 이 에어포일의 형상은 많은 실질적인 방식에 있어서 표Ⅰ에 기재된 에어포일과 상이하다. 블레이드 에어포일은 14.57인치(370.07mm)의 높이를 갖지만, 플랫포움은 전형적인 블레이드보다 반경 방향으로 상당한 더 두껍다(또 다른 특징은 이후에 기재될 것이다) 상기 에어포일부의 하측 단면(기저부로부터 ⅜지점까지 즉J-J내지 F-F)과 보다 적은 스태거각을 따른 ⅛단면(8-H)은 제1및 제2주파수의 양자를 동일양으로 상승시킨다. 이것은 블레이드 구조 전체의 강성제어를 제공한다. 이와 아울러, 정점 근방의 단면(⅞지점 및 정점단면에 대응하는 B-B 및 A-A단면)은 확장되어 질량 조절에 의해 제1및 제2모드의 주파수의 양자를 저하시킨다. 그러나, 제2모드의 주파수는 에어포일 치수의 변화에 의해서 제1모드의 주파수보다 더욱 낮아지며, 그 결과 제2모드의 주파수가 제1모드의 주파수에 대하여 낮아졌는바, 이것은 제1 및 제2모드의 양자에 대한 동조 요구와 충족되기에 필수적인 것이었다. 결과적으로, 상기 윤곽의 정점 길이에 있어서의 변화는 제1모드의 블레이드 자체의 주파수에 대하여 가능한 주파수의 최대 변화를 발생시켰으며, 따라서 상술한 바와같이 블레이드열 둘레로 특정 블레이드를 연속되게 하는 도움 없이도 혼합형 동조 조건이 충족되게 되었다.
이러한 동조의 난점은 매우 가요성이 큰 일체형 디스크, 즉 회전자에 의해 야기되는 큰 범위에 대한 것으로서, 이것은 제2모드의 디스크 시스템 주파수와 제2모드의 블레이드 자체의 주파수 사이에서 주파수의 대영역 분포를 발생시켰다. 이것은 이러한 제2모드의 주파수를 정밀하게 설계하는 것이 매우 중요해지도록 만들었으며 또한 제1모드의 주파수(시스템 주파수)의 설계에 변화를 초래하였다.
따라서, 제6도 및 제7도에 도시된 블레이드는 제1도 내지 제5도에 도시된 블레이드를 대체하는 개장용으로서 설계되었다. 제6도 및 제7도의 블레이드는 자립식으로서, 이말은 전술한 블레이드에서와 같은 결속이나 감싸는 것이 없다는 것을 말한다. 제6도 및 제7도에 도시된 블레이드 루트부(44)는 최상측 루트네크(44a)의 반경이 상이하다는 점을 제외하곤 전술한 블레이드의 네크와 동일하다. 특히, 그 반경은 제14도에 도시된 경우 0.0625인치(1.5875mm)로 부터 0.0850인치(2.159mm)로 증가되었다. 게다가 플랫포옴의 하측에 대한 반경은 0.180인치(4.572mm)로 증가되었으며, 양 반경의 중심들을 연결하는 라인은 지지면(44b)과 평행하다. 이렇게 반경이 보다 커지면, 루트의 네크(44a)에서 응력 집중이 감소되므로 루트의 강도가 증가되고 속도 순환능력도 증가된다.
제14도의 확대도로서 루트 중심선(RCL)의 우측에 있는 원(B)을 도시하는 제15도를 참조하면, 회전자(50)는 루트부(44)와 결합하는 홈을 갖는 바, 지지면(44b)은 최상측 네크(44a)에서 회전자(50)와 루트부(44)사이의 표면접촉영역이다. 상기 지지면(44b)은 거의 평면이며, 상술한 바와 같이 0.085인치(2.159mm)의 반경 R1과 0.18인치의 반경 R2의 각 중심(C1)(C2)사이를 연결하는 라인과 평행하다. 더욱이 상기 지지면(44b)에 대한 0.085인치(2.159mm)의 반경 R1의 접접(T1)은 대응하는 스티플(steeple)반경의 접점에 대하여 편위되지 않으므로, 접점(T1)은 양자에 공통된다. 이러한 특징은 독특한 것으로서, 새로운 0.085인치(2.159mm)의 반경이 대응하는 개장형 스티플 반경(이 스티플이라는 말은 회전자의 홈 형상을 말한다)보다 상당히 크기 때문에 가능하다. 이러한 효과는 최상측 루트 단면에서 가능했던 것보다 약간 더 크고 두꺼운 루트 네크를 제공함으로써, 적어도 정상 응력 및 주파수를 발생시키는 데에 있다. 따라서 전술한 블레이드와 비교해 보면, 제14도에 도시된 최상측 루트 네크는 전술한 루트위치보다 약간 더 작고 더 얇다.
본 발명이 제1도 내지 제5도에 도시되어 있는 전술한 블레이드와 구별되는 본 발명의 또다른 특징은 플랫포옴의 형상에 있다. 제6도, 제8도 및 제13도를 참조하면, 상기 플랫포옴부(46)는 오목면(46a)과 볼록면(46b)을 갖는다. 상기 플랫포옴의 15°경사져 있는 오목면은 수직 플랫포옴각이라 불린다 . 상기 볼록면(46b)은 12°의 각도 방향으로 경사진다. 오목면이 루트 중심선 반경 (R3)을 향하여 경사져 있다고 말하여질 때, 이 말의 의미는 오목면의 상면 및 저면의 양자는 반경(R3)에 의해 형성된 루트 중심과 평행하며 그것과 동심이라는 것을 뜻한다. 이것은 제13도에 도시될 수 있다. 본 발명에 따른 플랫포옴의 또다른 중요한 태양은 에어포일부(48)의 후단(54)에 파단평면(52)이 형성된다는 데에 있다. 이 파단평면은 제7도에 도시된다. 상기 파단평면(52)은 수직 플랫포옴각과 동일한 15°의 각도로 경사지며 X-X축을 향하여 기울어진다. 그것의 15°경사면은, 예를들면 15°로 각진 플랫포옴 절단기를 1.984인치(50.394mm)의 치수에서 곧바르게 작동시킴으로써 수행된다. 따라서, 파단평면(52)의 상면 및 저면은 X-X축에 평행한 선형이지만, 오목면(46a)의 상면(46c) 및 저면(46d)은 루트 중심선(반경(R3)에 의해 형성됨)과 평행하고 그것과 동심이므로 곡선이다. 상기 파단평면(52)은 플랫포옴의 말단에서 에어포일부(48)의 후단(54)의 아래에 놓이며 돌출부 감소효과를 갖는 바, 이 효과는 속도 순환 능력을 향상시킨다. 상기 돌출부는 제6도에서와 같이 플랫포옴의 말단 상접면에서 최상측 루트 네크(44a)와 오목면(46a)사이의 거리로 타나낼 수 있다. 전술한 블레이드에 있어서는 돌출부가 0.868인치(22.047mm)인 반면, 본 발명의 돌출부는 0.246인치(6.248mm)이다. 따라서 상기 돌출부는 플랫포옴부의 오목면의 후단에서 외측 접선방향으로 연장되는 플랫포옴부(46)의 저면(46e)으로서 규정된다.
속도순환능력을 증가시키기 위해서 오목면(46a)에 대응하는 15°의 수직 플랫포옴각은 플랫포옴의 수직방향 평균 무게 중심이 도시된 바와 같이 X-Y스택킹축에 대하여 스택되도록 한다. 이러한 각이 없다면 플랫포옴의 무게중심이 음의 수직방향에 있게 될 것이므로, 루트 네크(44a)의 오목형 후단에 인장강도가 추가되어 속도순환능력이 감소될 것이다. 플랫포옴이 0.984인치(24.079mm)에서 비교적 두꺼우므로 이러한 설계의 플랫포옴의 스택킹은 중요한 특징이다.
또한, 제13도에는 평행한 만곡형 점선(45a)(45b)으로 도시된 바와 같이 루트부의 상측 치형부재 또는 러그가 도시되는 바, 플랫포옴과 에어포일에 대한 루트의 상대위치가 도시된다. 또한, 피봇중심과 반경길이는 바람직한 실시예에 대하여 각기 곡선으로 도시된다.
제9도를 참조하면, 에어포일부의 윤곽 정점(56)은 0.200내지 0.305인치(5.08mm 내지 7.747mm)의 길이(TH)를 갖는다. 그 열의 다른 모든 블레이드는 0.075인치(1.905mm)의 윤곽길이(TH)를 가질 것이다. 상기 길이는 에어포일부의 말단으로부터 측정되므로, 양 윤곽길이에 있어서 블레이드의 길이 전체는 14.57인치(370.07mm)로 남는다.
도면 전체를 통하여 Z-Z축은 X-X축과 Y-Y축이 이루는 평면과 수직하는 것으로서 X-X축과 Y-Y축의 교점에서 반경방향으로 형성된다. 본 발명에 따른 블레이드의 또다른 특징은 최대의 단면 두께 및 게이징과 관련하여 이하의 도표에 표시된다.
당업자라면 본 발명의 여러가지 변경예 및 응용예를 명백히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진실한 정신 및 범위내에 포함되는 그러한 모든 변경예 및 응용예의 보호 범위는 이하의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (10)

  1. 회전자의 축선에 대하여 평행한 X-X축을 가진 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드(a freestanding mixed tuned taper-twisted steam turbine blade)로서, 루트의 중앙선 반경에 의해 규정되는 루트 중앙선을 갖는 루트부(44)와, 상기 루트부(44)와 연결되는 플랫포옴부(46)와, 상기 플랫포옴부(46)와 연결되고 전단, 후단(54), 볼록형 흡입측면, 오목형 가압측면 및 소정 윤곽의 정점을 갖는 에어포일부(48)를 포함하고; 상기 플랫포옴부(46)는 오목면(46a)과, 볼록면(46b)과, 상기 에어포일부(48)의 전단에 수직방향 인접한 제1단부와, 상기 에어포일부(48)의 후단(54)에 수직방향 인접한 제2단부를 구비하고; 상기 오목면(46a)은 소정의 경사각으로 상기 루트 중심선 반경쪽으로 경사져서 원호형 경사면을 형성하고, 상기 플랫포옴부(46)의 제2단부에 형성된 경사진 파단평면(52)을 가지며; 상기 파단 평면(52)는 상기 오목면(46)과 동일한 소정의 경사각을 갖고 X-X축을 향하여 경사지는 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 경사각은 15°인, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플랫포옴부(46)는 0.948인치(24.08mm)의 두께를 갖는 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 루트부(44)는 최상측 네트(an upper-most neck)를 갖고, 상기 플랫포옴은 약 0.246인치(6.25mm)의 최상측 네크에 대하여 돌출부를 갖는 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 루트부(44)는 상기 플랫포옴의 저면(46d)(46e)과 최상측 러그의 지지면(44b)사이에 최상측 네크(44a)를 구비하고 있으며, 상기 최상측 네크(44a)는 상기 지지면(44b)에 접하는 제1반경과, 상기 제1반경에 인접하며 상기 플랫포옴부(46)의 저면(46d)(46e)에 접하는 제2반경에 의해 형성되는 곡면을 갖는, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1반경은 0.085인치(2.16mm)이고 상기 제2반경은 0.180인치(4.57mm)인 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1반경은 제1중심을 갖고 상기 제2반경은 제2중심을 가지며,
    상기 제1중심과 제2중심을 연결하는 라인은 상기 제1러그의 지지면(44b)과 평행한, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1반경은 대응하는 스티플 반경의 접점에 대하여 편위되지 않으므로 상기 접점이 양자에 대해 공통되는, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윤곽의 정점은 그것이 속한 열의 블레이드의 절반에 대하여 제1길이를 갖고 그 열의 블레이드의 나머지 절반에 대해서는 제2길이를 가지며, 이 블레이드는 그 열내에서 상기 윤곽의 정점 길이가 교호적이 되도록 배열되어 혼합 동조를 달성하는, 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
  10. 제9에 있어서,
    상기 윤곽의 정점의 제1길이는 0.075인치(1.90mm)이고 상기 윤곽의 정점의 제2길이는 0.305인치(7.747mm)인 테이퍼지고 비틀린 자립식의 혼합된 동조형 증기 터빈 블레이드.
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