KR100398007B1

KR100398007B1 - 가스터빈엔진

Info

Publication number: KR100398007B1
Application number: KR1019970701285A
Authority: KR
Inventors: 브루스 브이 라이언
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2003-11-14
Also published as: DE69506890D1; WO1996007018A1; US5456576A; KR970705694A; DE69506890T2; EP0781371A1; JP3877330B2; EP0781371B1; JPH10505144A

Abstract

가스 터빈 엔진(100)은 루트(33)와 팁(34)과 압력면(32)과 흡입면(30)을 가지는 다수의 로터 블레이드(24)를 포함하고 있다. 로터 블레이드(24)는 엔진 케이스(11)에 둘러싸여 있다. 가변 위치 엔진 케이스 라이너(50)는 엔진 케이스(11)의 반경 방향 내측과 로터 블레이드 팁(34)의 반경 방향 외측에 놓인다. 라이너(50)와 엔진 케이스(11) 사이에 놓인 바이어싱 수단(60)은 라이너(50)를 엔진 케이스(11)로부터 반경 방향 내측으로 강제한다. 로터 블레이드(24)의 팁(34)은 블레이드(24)의 회전 방향에 대해 라이너(50)에 대해 가압 공기를 편향하도록 압력면(32) 상에서 기울어진다. 가스 터빈 엔진(10)의 다른 작동 조건동안, 라이너(50)는 라이너(50)와 로터 블레이드(24)의 팁(34) 사이의 작은 팁 간극(70)을 갖도록 자신의 위치가 조정된다.

Description

가스 터빈 엔진 {DYNAMIC CONTROL OF TIP CLEARANCE}

종래의 가스 터빈 엔진은 케이스에 둘러싸여 있으며 압축기, 연소기 및 터빈을 포함하고 있다. 공기는 엔진 단면에 대해 축방향으로 흐른다. 압축기에서 압축된 공기는 연료와 혼합되며 이것은 연소기에서 연소한 후 터빈에서 팽창되며, 그것으로 인해 터빈을 돌리고 압축기를 구동한다.

압축기는 회전하는 에어포일 또는 로터 블레이드의 교호 열(alternating row)과 정지된 에어포일 또는 베인을 포함하고 있다. 각각의 로터 블레이드는 블레이드의 루트부로부터 팁까지 연장하는 전연(leading edge)과 후연(trail edge) 그리고 압력면과 흡입면을 갖는다. 각각의 로터 블레이드는 로터 디스크 상에 고정되어 있다. 각 에어포일의 열 또는 스테이지(stage)는 공기의 압축에 기여한다. 따라서 블레이드 후연의 각 스테이지에서 떠나는 공기압은 블레이드 전연의 각 스테이지에 들어오는 공기압보다 높다. 또한, 블레이드의 압력면은 흡입면보다 고압을 가진다.

압축기 로터 블레이드의 팁과 엔진 케이스 사이에 상대적으로 큰 팁 간극이존재할 때 문제가 발생한다. 팁 간극은 블레이드의 압력면으로부터의 고압 공기가 블레이드의 저압 흡입면쪽으로 누출되며, 누출된 공기의 고압은 다시 압축되어야만하기 때문에 누출은 가스 터빈 엔진 성능에 있어 비효율성을 주며, 그곳에서 종래보다 많은 일을 수행하는 압축기가 요구된다.

팁 간극의 크기는 가스 터빈 엔지의 작동 조건에 따라 변하며, 엔진 케이스 및 로터 조립체의 팽창 및 수축의 양과 비율의 차와 연관이 있다. 엔진 케이스의 팽창과 수축은 압력과 온도의 함수임에 반하여, 로터 및 블레이드 조립체의 팽창 및 수축은 원심력 및 압축기 내부에 있는 로터와 디스크의 온도에 의해 영향이 미친다. 또는, 엔진 케이스와 로터 조립체는 상이한 물질로 제조되며, 각 물질은 다른 팽창계수를 갖는다. 로터 조립체 및 엔진 케이스의 비교 질량은 엔진 작동의 전이(transient) 스테이지 동안, 팁 간극에 있어 변동에 대해 다른 기여 요소이다. 따라서, 로터 조립체는 엔진 케이스보다 많은 질량을 가지며, 로터 조립체는 엔진 케이스를 가열하는 것보다 로터 조립체를 가열하는 시간이 더 걸린다. 결과적으로, 엔진 케이스는 로터 조립체보다 빨리 팽창된다.

가스 터빈 엔진이 작동할 때, 로터는 원심력에 기인해 거의 즉각적으로 팽창되며, 팁 간극을 감소시킨다. 따라서, 엔진 케이스는 압력의 증가로 팽창되며, 이에 의해 팁 간극이 증가한다. 압력의 증가로 인한 엔진 케이스의 팽창량은 로터 조립체의 팽창량과 다르다. 계속해서, 엔진 케이스는 온도 증가로 인해 열 팽창이 가해지며, 따라서 팁 간극이 증가한다. 로터와 블레이드 조립체는 또한 온도의 증가로 인해 열적으로 팽창하며, 팁 간극을 줄인다. 로터 조립체가 엔진 케이스보다무겁기 때문에, 로터 조립체의 열 팽창 비율은 엔진 케이스의 열 팽창 비율보다 느리며, 따라서 로터는 가열하는데 보다 많은 시간이 걸린다. 그러므로, 블레이드의 팁과 엔진 케이스 사이의 팁 간극은 비균일하게 변하며, 저압 공기 영역으로의 고압 공기의 누출을 허용하는 상대적으로 큰 갭을 종종 초래하며, 따라서 엔진이 비효율적으로 된다.

팁 간극을 최소화하기 위한 시도에 있어서, 종래의 가스 터빈 엔진은 엔진 케이스 내부에 마모 가능한 라이너를 사용한다. 로터 블레이드의 팁을 마모 가능한 라이너와 접촉하도록 하며, 그곳으로부터 물질을 잘라낸다. 어떤 작동점에 있어서 팁 간극은 0이지만, 다른 모든 작동 과정에서는, 로터 블레이드의 팁과 라이너 사이에는 마모에 의한 물질의 제거로 발생한 갭이 있으며, 고압 공기의 저압 공기 영역 내로의 원하지 않는 누출이 일어난다. 마모 가능한 라이너에 있어 추가적인 문제점은 심한 착륙 또는 비행기가 선회하는 동안 로터가 엔진 케이스와 다르게 편향된다. 그 결과, 로터 블레이드는 마모 가능한 라이너로부터 추가적인 물질을 잘라내며, 그것은 팁 간극을 영구적으로 크게 한다.

팀 간극을 최소화하기 위해 사용되는 다른 접근 방법으로는 보다 큰 질량 로터와 블레이드 조립체의 효과적인 열 팽창 비율에 보다 밀접하게 근접하도록 보다 큰 질량 엔진 케이스를 제조하는 것이다. 비록 이러한 방법은 가스 터빈 엔지의 몇몇 작동 조건 동안 팁 간극을 최소화하였지만, 아이들(idle)에서 팁 간극을 증가시킨다. 또한, 이러한 방법은 엔진의 전체 무게를 증가시켜서 바람직하지 못하다.

팁 간극을 감소시키기 위해 사용된 다른 방법은 엔진 케이스와 로터 조립체사이의 열적 불일치를 제거하는 것이다. 이러한 효과는 로터와 블레이드 조립체의 열 팽창 및 수축을 엔진 케이스의 열 팽창 및 수축과 서로 관련되도록 고온 또는 저온 공기를 펌핑함으로써 얻어진다. 이러한 과정과 관련해서는 많은 결점이 있다. 1 차적으로, 상기 과정은 열 팽창과 수축을 제어하기 위한 비싸고 복잡한 하드웨어를 필요로 한다. 2 차적으로, 추가적인 하드웨어는 무게 패널티를 초래한다. 마지막으로, 상기 접근 방법은 엔진으로부터 고온 및 저온 공기를 빼내야 하며, 그것은 비효율성을 초래한다.

따라서, 현재는 여전히 로터 블레이드의 팁과 엔진 케이스 라이너 사이의 팁 간극을 효과적으로 최소화해야 할 필요가 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 가스 터빈 엔진의 전반적인 효율을 높이기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스 터빈 엔진 작동의 모든 스테이지에 걸쳐 엔진 케이스와 로터 블레이드의 팁 사이의 팁 간극을 최소화하기 위한 것이다.

본 발명에 따르면, 가스 터빈 엔진은 엔진 케이스의 반경 방향 내측 및 로터 블레이드 팁의 반경 방향 외측에 놓인 다양한 위치 엔진 케이스를 포함하고 있으며, 그것은 다른 엔진 작동 조건 동안 자신의 위치를 바꾸며, 따라서 모든 엔진 작동 조건에서, 로터 블레이드의 팁과 엔진 케이스 라이너 사이의 팁 간극은 최소화된다. 가스 터빈 엔진은 각 블레이드 압력면의 팁에 기울어진 표면을 가지는 다수의 로터 블레이드를 포함하고 있다. 기울어진 또는 경사진 표면은 고압 공기를 라이너 쪽으로 편향시키며, 이에 의해 라이너의 반경 방향 외측으로 작용하는 힘의결과로 라이너는 동압에 노출된다. 블레이드의 팁에 근접한 라이너를 유지하기 위해, 라이너와 엔진 케이스에 놓인 바이어싱 수단으로 라이너는 반경 방향 내측으로 힘을 받는다. 따라서, 최소의 팁 간극이 로터 블레이드의 팁과 라이너 사이에 유지되도록 라이너는 로터 블레이드의 팁에 대해 자신의 위치를 변화시킨다.본 발명에 따라서, 중요한 무게 페널티 및 복잡한 하드웨어의 추가 없이 가스 터빈 엔진 작동의 모든 스테이지를 통해 최소의 팁 간극이 유지된다.

본 발명의 다른 목적과 이점은 예로든 실시예의 자세한 설명과 첨부된 도면에 비추어 명백해 진다.

본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것이며, 특히 압축기 케이스와 로터 블레이드의 팁 사이의 간극에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 사용된 가스 터빈 엔진의 간략화 되고 부분적으로 절단된 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 도1의 로터 블레이드의 확대된 등각도,

도 3은 도 2의 로터 블레이드 확대된 평면도,

도 4는 도 3의 로터 블레이드의 회전방향에서 4-4 선을 따라 취한 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 조정 가능한 엔진 케이스 라이너를 갖는 압축기 횡단면의 확대된 등각도,

도 6은 도 5의 간략화된 횡단면도,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조정 가능한 엔진 케이스 라이너를 갖는 압축기 횡단면의 확대된 등각도.

도 1을 참조하면, 가스 터빈 엔진(10)은 엔진 케이스(11)에 둘러싸여 있으며, 압축기(12), 연소기(14) 및 터빈(16)을 포함하고 있다. 공기(20)는 엔진(10)의 압축기(12), 연소기(14) 및 터빈(16)을 통해 축방향으로 흐른다. 압축기(12)에서 압축된 공기(20)는 연료와 혼합되며 그것은 연소기(14)에서 연소된 후 터빈(16)에서 팽창하며, 그 곳에서 터빈(16)을 회전시키며 압축기(12)를 구동시킨다. 압축기(12)는 정지된 에어포일 또는 베인(22) 및 회전하는 에어포일 또는 로터 블레이드(24)의 다수의 교호 열을 포함하고 있다. 로터 블레이드(24)는 로터 디스크(26)에 고정되어 있다. 각 에어포일의 열 또는 스테이지는 공기(20)의 압축에 기여한다.

도 2를 참조하면, 각 로터 블레이드(24)는 로터 블레이드의(24)의 루트부(33)로부터 팁(34)까지 그리고 전연(36)에서 후연(38)까지 연장하는 흡입면(30) 및 압력면(32)을 갖는다. 또한 도 3과 도 4에 도시된 것처럼, 각 로터 블레이드(24)의 각 팁(34)은 대체로 흡입면(30)에 인접한 평평한 팁 표면(43)과 압력면(32) 상에 경사진 또는 기울어진 표면(44)을 포함한다. 전연(36) 또는 후연(38)을 모따기하지 않고 대체로 경사진 표면(44)은 블레이드 팁의 전장에 걸쳐 연장한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 엔진 케이스(11)는 엔진 케이스 라이너의 반경 방향 내측에 놓인 다수의 가변 위치 엔진 케이스 라이너(50)를 포함하고 있다. 각각의 라이너(50)는 내측면(55)과, 외측면(56)과, 원주방향으로 팽창 및 엔진(10)이 전후방향으로 연장하며 원주방향으로 이어지는 전후방 에지(58)를 포함한다. 두개인접 라이너(50)의 라이너 단부(57)는 서로 Z자형 조인트(59)와 중첩되도록 대향 관계에서 단차형성되어 있다. 조인트(59)는 인접한 라이너(50) 사이에서 접촉된다.

엔진 케이스(11)와 라이너(50) 사이에 놓인 다수의 스프링(60)은 각 라이너를 엔진 케이스(11)로부터 멀어지게 하고 블레이드(24)쪽으로 향하게 한다. 스프링(60)은 조인트(59)에서 라이너에 힘을 가한다. 라이너(50)의 반경 방향 내측 운동은 케이스(11) 둘레에서 원주방향으로 움직이는 다수의 정지부(62)에 의해 한정된다. 정지부(62)는 라이너(50)의 전후방 에지(58)를 지지하며 반경 방향 내측 운동을 제한한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 팁(34)의 평평한 팁 표면(43)과 라이너(50)의 내측면(55)은 그 사이에 팁 간극(70)을 규정한다. 가스 터빈 엔진(10)의 모든 작동 조건 동안, 블레이드(24)의 평평한 팁 표면(43)과 라이너(50)의 내면측(55) 사이의 팁 간극(70)은 최소화되어야 한다. 가스 터빈 엔진(10)이 작동하지 않을 때, 팁 간극(70)은 최소화되며, 대략0.0508㎜ 내지 0.1270㎜ 이다. 라이너(50)는 정지부(62)에 대해 안착되도록 스프링(60)에 의해 가압된다. 엔진(10)이 작동하기 시작할 때, 도 3 및 도 5에 화살표(75)로 나타낸 것처럼, 블레이드(24)는 시계방향으로 회전한다. 블레이드(24)의 압력면(32)상의 공기압은 증가하며 흡입면(30)에서의 공기압보다 커진다. 속도가 증가함에 따라, 다른 시간과 비율로, 블레이드와 라이너의 팽창 수축은 증가된다. 압축기(12) 내의 압력이 축적됨에 따라, 블레이드의 압력면(32)과 팁(34)에서의 압력도 축적된다. 경사진 표면(44)은 공기를 라이너(50)쪽으로 편향시켜, 그곳에서 동압을 만들어 라이너(50)를 노출시킨다. 동압에 의해 발생된 반경 방향 외측으로의 힘이 가해지는 라이너(50)는 엔진 케이스(11)를 향해 반경 방향 외측으로 이동하며, 이에 의해 스프링(60)을 극복하고 가압한다. 스프링(60)이 가압됨에 따라, 블레이드(24)가 라이너(50)의 내측면(55)과 접촉함이 없이 회전하도록 하면서, 라이너(50)는 반경 방향 외측으로 움직이며, 로터 블레이드(24)의 팁(34)과 라이너(50)의 내측면(55) 사이에 큰 팁 간극(70)을 갖지 않는다.

상기 과정은 반복적이며 자체 교정된다. 팁 간극(70)이 너무 작으면, 팁(34)과 라이너(50) 사이에 고압 공기를 누출하기 위한 경로가 없으며, 경사진 표면(44)과 라이너(50)의 내측면(55) 사이의 압력은 상승하며, 이에 의해 스프링(60)을 극복하여 라이너(50)를 반경 방향 외측으로 가압합니다. 만약 팁 간극(70)이 너무 크다면, 경사진 표면(44)과 라이너(50) 사이의 고압 공기는 로터 블레이드(24)의 저압 흡입면(30)쪽으로 누출된다. 고압 공기가 누출됨에 따라, 경사진 표면(44)과 라이너(50) 사이의 공기압은 감소되고 스프링(60)은 라이너(50)를 반경 방향 내측으로 가압하여, 팁 간극(70)을 감소시킨다. 따라서, 블레이드(24)의 팁(34)에 대해 라이너(50)의 위치는 연속적으로 재조정되며, 이로 인해 실질적으로 일정한 최소의 팁 간극(70)을 유지한다.

블레이드의 회전방향에 관한 경사진 표면(44)의 치수와 각도는 압축기(12) 내부에 있는 로터 블레이드(24)의 각 스테이지에서 변한다. 경사진 표면의(44)의 치수와 각도는 또한 압축기(12)와 스프링(60)의 특성에 따라 달라진다. 비록 가장좋은 실시예는 대체로 평평한 팁 표면(43)을 가지는 것으로 로터 블레이드(24)가 설명되었지만, 평평한 팁 표면(43)은 본 발명의 필수는 아니다. 평평한 팁 표면(43)은 날카로운 팁처럼 라이너(50)와 접촉해서 빨리 마모되지 않는 이점을 가지고 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 라이너(50)의 위치는 에어포일(24) 모양을 바꾸고 경사를 포함하지 않음으로서 조정될 수 있다. 에어포일 팁(34)이 회전방향에 대해 기울어지도록 에어포일(24)을 기울이거나 자신의 모양을 바꾸는 것은 경사진 표면(44)과 동일한 결과를 제공한다. 회전방향에 대해 기울어진 에어포일(24)의 팁(34)은 경사진 표면(44)과 동일한 방법으로 고압 공기를 라이너(50)쪽으로 편향시킨다.

더욱이, 비록 본 발명의 상기 기술한 실시예가 바이어싱 방법으로 스프링(60)을 설명했지만, 도 7에 도시된 것처럼, 높은 압축기 스테이지로부터 가압 공기를 빼내서 라이너(50)와 엔진 케이스(11) 사이의 파이프(80)를 통해 펌핑하는 것과 같은 다른 바이어싱 방법이 사용될 수 있다. 라이너(50)의 반경 방향 외측과 라이너(50)의 반경 방향 내측의 압력 차이는 라이너 조정을 수행할 수 있다.

비록 본 발명이 예시적인 실시예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 종래 기술에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 정신과 범위를 벗어남이 없이, 많은 변형과 삭제 및 첨가될 수 있다. 예로, 라이너 단부(57)는 Z자형 에지 대신에 직선 에지를 가질 수 있다. 또한 라이너(50)의 내측면(55)은 매끄럽게 또는 마모 가능하게 제조될 수 있다.

Claims

엔진 케이스에 둘러싸여 있으며, 각각이 루트부 및 팁과, 압력면 및 흡입면을 구비한 복수의 로터 블레이드를 포함하는 가스 터빈 엔진에 있어서,

복수의 가변 위치 엔진 케이스 라이너들은상기 엔진 케이스의 반경 방향 내측과 상기 로터 블레이드의 상기 팁의 반경 방향 외측에 배치되고, 상기 복수의 엔진 케이스 라이너들은 상기 엔진 케이스 내에서 탄성적으로 지지되고 그 내부에서 반경 방향으로의 이동이 가능하며,

상기 각 로터 블레이드는 상기 로터 블레이드의 상기 압력면상에서 로터 블레이드의 회전방향에 대해서 경사진 표면을 구비하여, 고압 공기가 상기 경사진 표면으로부터 반경 방향 외측으로 편향되어 상기 가변 위치 엔진 케이스 라이너를 반경 방향 외측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제1항에 있어서, 바이어싱 수단은 상기 엔진 케이스와 상기 각각의 라이너 사이에 배치되며, 상기 바이어싱 수단은 상기 라이너를 상기 엔진 케이스로부터 반경 방향 내측을 강제하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제2항에 있어서, 상기 바이어싱 수단이 스프링인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제2항에 있어서, 상기 바이어싱 수단이 펌핑된 공기인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제1항에 있어서, 복수의 정지부들은 상기 라이너의 반경 방향 내측에 위치되며, 상기 복수의 정지부는 상기 라이너의 반경 방향 내측 운동을 제한하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제1항에 있어서, 상기 각 라이너들은 Z자형 조인트에서 인접한 라이너와 정합하여, 모든 작동 스테이지 동안에 임의의 2개의 인접한 라이너들이 서로에 대해 중첩되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제1항에 있어서, 상기 로터 블레이드는 그 흡입면상에 실질적으로 평평한 팁 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
제1항에 있어서, 상기 로터 블레이드는 전연과 후연을 가지며, 상기 경사진 표면은 상기 전연과 후연 전까지만 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
엔진 케이스에 둘러싸여 있으며, 루트부 및 팁과, 압력면 및 흡입면을 구비한 복수의 로터 블레이드를 포함하는 가스 터빈 엔진에 있어서,

복수의 가변 엔진 케이스 라이너들은 상기 엔진 케이스의 반경 방향 내측과상기 로터 블레이드의 상기 팁의 반경 방향 외측에 배치되고, 상기 복수의 엔진 케이스 라이너는 상기 엔진 케이스에 의해 탄성적으로 지지되며, 상기 복수의 엔진 케이스 라이너들은 모든 작동 조건 동안에 팁 간극을 최소화하도록 상기 로터 블레이드의 상기 팁에 대하여 그 위치를 조정하며,

상기 각 로터 블레이드가 상기 로터 블레이드의 상기 압력면상에서 로터 블레이드의 회전방향에 대해서 경사진 표면을 구비하여, 고압 공기가 상기 경사진 표면으로부터 반경 방향 외측으로 편향되어 상기 가변 위치 엔진 케이스 라이너를 반경 방향 외측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.