KR100405881B1 - 로터조립체용슈라우드와,가스터빈로터조립체용슈라우드및현수장치 - Google Patents

로터조립체용슈라우드와,가스터빈로터조립체용슈라우드및현수장치 Download PDF

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Abstract

케이스내에 배치된 로터 조립체용 슈라우드가 제공된다. 슈라우드는 서스펜션 장치, 제어 링 및 블레이드 외부 공기 시일을 포함한다. 서스펜션 장치는 제어링과 케이스 사이에 배치된다. 제어 링은 본체와 제 1 부착 기구를 포함한다. 블레이드 외부 공기 시일은 제 2 부착 기구를 포함한다. 제 1 및 제 2 부착 기구는 블레이드 외부 공기 시일을 제어 링에 고정하도록 협동한다

Description

로터 조립체용 슈라우드와, 가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드 및 현수 장치 {SHROUD FOR ROTOR ASSEMBLY, SHROUD FOR GAS TURBINE ROTOR ASSEMBLY AND SUSPENSION APPARATUS}
본 발명은 터빈 엔진 로터 조립체에 관한 것으로, 특히 블레이드 외부 팁 시일 장치에 관한 것이다.
통상적인 가스 터빈 엔진은 공동의 종방향 축선을 따라 배치된 팬, 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 팬 및 압축기 섹션은 엔진으로 공기를 보내어, 공기의 온도 및 압력을 증가시킨다. 연료가 작동 공기에 첨가되며 연소기내에서 연소된다. 연소에 의하여 코어 가스 유동체의 온도가 증가된다. 증가 정도는 연소기내에 첨가되는 연료량을 포함하는 몇몇 인자에 따라 좌우된다. 결과적으로 연소 생성물 및 이후에 코어 가스 유동체로 간주되는 어떤 비연소된 공기는 터빈에 동력을 주며 엔진 추력을 발생시킨다.
대부분의 경우에, 터빈은 각각 로터 조립체와 적어도 하나의 고정 베인 조립체를 구비한 몇몇 스테이지를 포함한다. 코어 가스 유동체는 로터 조립체를 회전시키며, 이에 따라 로터 조립체가 엔진의 어느 장소에서나 작동 가능해진다. 로터 조립체의 전방 및/또는 후방에 배치된 고정 베인 조립체는 코어 가스 유동체가 로터 조립체에 들어가고 및/또는 나오는 것을 안내한다.
소정 고도의 정상 상태 조건하에서, 엔진의 동력 설정은 연소기내로 분사된 연료의 특정 유량과 관련되어 있다. 연소된 연료의 체적에 대해 생성된 추력의 레벨은 동력 설정시에 엔진의 ＂추력 연료소비율(thrust specific fuel consumption)＂로 간주될 수도 있다. 반면에 과도적인 주기동안, 엔진이 제 1 정상 상태 동력 설정으로부터 제 2 정상 상태 동력 설정까지 가속되는 경우, 동일한 레벨의 추력을유지하기 위하여 연료 추가가 요구된다. 따라서, 엔진의 효율 뿐만 아니라 엔진의 추력 연료소비율도 감소된다.
엔진 효율을 감소시키는 중요한 요인은 엔진내, 예를 들면 터빈 로터 조립체의 블레이드 팁과 이를 감싸고 있는 슈라우드 사이의 상이한 열적 증가이다. 로터 조립체 블레이드의 팁과 슈라우드 사이로 통과하는 코어 가스 유동체는 로터 조립체를 회전시키지 않으며 그에 따라 터빈내에서 행해지는 작동에 첨가되지 않는다. 이 바람직하지 못한 추가 간극은 급속한 가속중에 가장 현저하다. 반면에, 대폭적인 감속은 슈라우드가 로터 조립체와 보다 급속히 접촉하도록 하며 로터 블레이드와 슈라우드 사이의 간섭을 유발한다. 그러므로, 성능을 위하여 블레이드 팁과 슈라우드 사이의 간극을 최소화하며, 로터 조립체와 슈라우드의 열 팽창 및 수축에 적합하도록 간극을 유지하기 위한 장력이 있다.
가스 터빈 엔진을 동력원으로 하는 성능이 좋은 항공기는 엔진의 동력 설정시의 변경에 빠르게 응답하는 엔진을 필요로 한다. 통상적으로 동력 설정 변경은 최대 허용가능한 변경을 결정하기 위한 방법이 변화할지라도, 엔진내 연료 유량을 변경함으로써 성취된다. 몇몇 제어 기구에서, 터빈 엔진에 의하여 생성된 동력은 엔진의 터빈내 코어 가스 유동체 온도에 의하여 제한된다. 코어 가스 유동체 온도는 요소의 유효 수명을 허용가능한 레벨 아래로 감소시키는 온도에 터빈 요소를 노출하는 것을 방지하기 위한 제한 인자로서 사용된다. 연료 유량 및 이에 따른 추력은 터빈 온도 제어 방법하에서 최대 터빈 온도에 도달될 때까지 증가된다.
이 방법의 단점은 과도적인 스테이지동안 최대 가능한 추력은 이용될 수도없다는 것이다. 대폭적인 가속중, 예를 들면 최대 허용가능한 터빈 온도가 도달될 때까지 연료 유동은 상당히 증가될 수도 있다. 그러나 연료가 최대 허용가능한 온도에 도달하는데 걸리는 시간은 로터 조립체 열적 증가가 슈라우드의 열적 증가를 ＂따라잡는＂데 걸리는 시간보다 짧다. 그 결과로써, 슈라우드와 로터 블레이드 팁 사이의 간극이 커진다. 이로부터 초래하는 비효율성이 최대 이용가능한 추력이 생성되는 엔진이 정상 상태에 도달할 때까지 이용가능한 추력을 감소시킨다. 최대 동력을 필요로 할때와 최대 동력이 이용가능해진 후 사이의 시간 주기는 성능 지연을 나타낸다. 당해 업계의 숙련자라면 최대 이용가능한 동력의 지연이 성능이 좋은 항공기에 심각한 손상이 됨을 알 수 있을 것이다.
이 바람직하지 못한 지연을 방지하기 위하여, 다른 제어 방법이 동력 설정의 최대 허용가능한 변경을 제한하도록 공기 입구와 터빈 배기관에 걸친 압력차를 사용한다. 연소기내 연료 유량 증가는 터빈 배기관내 압력을 증가시키며 이에 따라 압력차가 발생한다. 그 결과로써, 최대 가능한 추력은 거의 즉각적으로 이용가능하다. 이 방법의 단점은 과도적인 주기동안 최대 동력과 관련된 소정의 압력차까지의 연료 유량 증가가 터빈 요소의 소정의 유효 수명과 관련된 최대 허용가능한 온도를 초과하여 터빈내 코어 가스 유동체 온도를 증가시키는 것이다. 실제 온도가 최대 허용가능한 터빈 온도를 초과하기까지의 연장 및 노출 지속은 터빈이 과도적인 상태로부터 정상 상태까지 변경하는 속도에 따라 좌우된다. 그러므로, 터빈 요소의 성능과 수명은 터빈 로터 조립체와 슈라우드의 열적 증가 특성에 좌우된다.
본 발명의 목적은 로터 조립체의 블레이드 팁과 조립체 슈라우드상의 시일이 개선된 로터 블레이드 외부 팁 시일 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 로터 조립체내 열 팽창을 수용하는 로터 블레이드 외부 팁 시일 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 터빈 엔진의 효율을 증가시키는 로터 블레이드 외부 팁 시일 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 로터 조립체의 내구성을 향상시킨 로터 블레이드 외부 팁 시일 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 케이스내에 배치된 로터 조립체용 슈라우드가 제공된다. 슈라우드는 서스펜션 수단, 제어 링 및 블레이드 외부 공기 시일을 포함한다. 서스펜션 수단은 제어 링과 케이스 사이에 배치된다. 제어 링은 본체와 제 1 부착 수단을 포함한다. 블레이드 외부 공기 시일은 제 2 부착 수단을 포함한다. 제 1 및 제 2 부착 수단은 블레이드 외부 공기 시일을 제어 링에 고정하도록 협동한다.
본 발명의 일 실시예에서, 본체는 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 서스펜션 수단은 후프 및 스프링 수단을 포함하며, 스프링 수단은 각각 길이, 폭 및 두께를 가진 다수의 외팔보형 판스프링을 포함한다. 각각의 판스프링은 길이방향으로 대체로 후프에 평행하게 연장하며, 제어링은 외팔보형 판스프링을 체결한다.
본 발명의 장점은 로터 조립체의 블레이드 팁과 조립체 케이스 사이의 시일이 향상된 것이다. 본 발명의 슈라우드의 열적 응답은 로터 조립체의 열적 응답에 맞춰진다. 그 결과로써, 열적 응답의 불일치는 최소화되거나 제거되며 보다 균일한 갭이 제공된다.
본 발명의 다른 장점은 엔진의 효율이 증가된 것이다. 본 발명에 의하여 블레이드 팁과 슈라우드 사이의 갭에 제공된 균일성은 보다 작은 갭의 전개를 허용함으로써 엔진의 효율을 증가시킨다. 또한 본 발명은 특정 캡을 일치하게 유지함으로써 효율을 증기시킨다. 슈라우드의 열적 응답은 로터 조립체의 열적 응답에 맞춰져 슈라우드와 로터 조립체 사이의 갭의 변동을 최소로 하거나 제거한다.
본 발명의 또다른 장점은 로터 조립체의 내구성이 개선된 것이다. 본 발명은 슈라우드와 로터 조립체 사이의 보다 균일한 갭을 제공하여 슈라우드와 로터 조립체 사이의 접촉을 방지한다. 슈라우드와 로터 조립체 사이의 접촉은 너무 이른마모 또는 파손을 유발할 수 있다. 또한 바람직하지 못한 온도에 노출된 터빈 요소가 최소로 되기 때문에 압력차 방법에 의하여 제어된 엔진내에서 내구성이 향상된다.
본 발명의 또다른 장점은 터빈 온도 제어 방법에 의하여 제어된 엔진 성능 개선이다. 로터 조립체와 슈라우드의 맞춰진 열적 응답은 이 사이의 갭 변화를 최소로 한다. 따라서 코어 가스 유동체가 최대 허용가능한 온도에 도달할 때와 로터 조립체와 슈라우드의 열적 응답이 균일해지는데 걸리는 시간 사이의 주기는 최소로 되며 최소화된 시간 주기와 관련된 비효율성도 최소로 된다.
본 발명의 이러한 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면에 도시된 바와 같은 최상의 실시예의 보다 상세한 설명으로 인하여 분명해질 것이다.
도 1은 터빈 섹션의 개략적인 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 슈라우드(shroud)의 확대도,
도 3은 슈라우드의 일부 사시도,
도 4는 슈라우드내 서스펜션 수단의 개략적인 다이아그램,
도 5는 제 1 및 제 2 열적 영역에 대한 시간 대 열적 응답의 차이를 예시한 그래프.
＊도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＊
16 : 슈라우드 18 : 로터 조립체
20, 22 : 베인 조립체 24 : 베인
26, 28, 30 : 베인 지지체 32 : 디퓨저 케이스
34 : 블레이드 50 : 서스펜션 수단
52 : 제어 링 62 : 스프링 수단
장치의 설명
도 1을 참조하면, 가스 터빈 엔진이 공동 종방향 축선(14)을 따라 배치된 팬(도시하지 않음), 압축기(도시하지 않음), 연소기(10) 및 터빈(12)을 구비하며 터빈(12)내를 시일하기 위한 슈라우드(16)를 포함한다. 터빈(12)은 전방 고정 베인 조립체(20)와 후방 고정 베인 조립체(22) 사이에 배치된 로터 조립체(18)를 포함한다. 각각의 베인 조립체(20, 22)는 내부 베인 지지체(26) 둘레에 원주방향으로 배치된 다수의 베인(24)을 포함한다. 각각의 조립체(20, 22)의 베인(24)은 내부 베인 지지체(26)와 외부 베인 지지체(28, 30) 사이로 연장된다. 외부 베인 지지체(28, 30)는 디퓨저 케이스(32)에 부착된다. 명료성을 위하여, 본 명세서에 기술된 전방 베인 조립체(20) 및 후방 베인 조립체(22)의 외부 베인 지지체(28, 30)는 각각 전방 외부 베인 지지체(28) 및 후방 외부 베인 지지체(30)로 간주한다. 도 2에 도시된 바와 같은 전방 외부 베인 지지체(28)는 다수의 제 1 배출 구멍(31), 다수의 제 2 배출 구멍(33), 제 1 레그(35) 및 제 2 레그(37)를 포함한다. 제 1 배출 구멍(31)의 단면적은 제 2 배출 구멍(33)의 단면적보다 실질적으로 작다. 제 1 레그(35) 및 제 2 레그(37)는 디퓨저 케이스(32)와 함께 환형부(39)를 형성한다.
로터 조립체(18)는 디스크(36) 둘레에 원주형으로 배치된 다수의 블레이드(34)를 포함하며, 각각의 블레이드(34)는 루트부(38)와 에어포일(40)을 구비한다. 디스크(36)는 허브(42)와 림(44)과, 이 허브와 림 사이로 연장되는 웨브(46)를 포함한다. 루트부(38)는 디스크(36)의 림내에 수납되며, 에어포일(40)은 반경방향 외부로 연장한다. 각각의 에어포일(40)의 외부 반경방향 표면(48)은 블레이드 팁으로 간주될 수도 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 슈라우드(16)는 로터 조립체(18)의 디퓨저 케이스 (32)와 블레이드 팁(48) 사이에서 반경방향으로 그리고 전방 외부 베인 지지체(28)와 후방 외부 베인 지지체(30) 사이에서 축방향으로 환형부(49)에 배치된다. 전방 외부 베인 지지체(28)와 후방 외부 베인 지지체(30) 사이에 슈라우드(16)를 배치함으로써 양 베인 조립체(20, 22)로 인한 슈라우드(16)의 하중은 최소로되거나 제거된다. 슈라우드(16)는 서스펜션 수단(50), 제어 링(52) 및 블레이드 외부 공기 시일(54)을 포함한다. 서스펜션 수단(50)은 외부 반경방향 표면(58)과 내부 반경방향 표면(60)을 구비한 후프(56)와, 내부 반경방향 표면(60)에 부착된 스프링 수단 (62)을 포함한다. 서스펜션 수단(50)은 외부 반경방향 표면(58)과 디퓨저 케이스 (32) 사이에 강제 끼워맞춰서 디퓨저 케이스(32)내에 고정된다. 스프링 수단(62)은 각각 길이(66), 폭(68)(도 2에 도시) 및 두께(70)를 갖는 다수의 외팔보형 판스프링(leaf : 64)을 포함한다. 판스프링(64)은 내부 반경방향 표면(60)으로부터 후프(56)의 원주부 둘레로 45˚마다 동일한 방향으로 외부로 연장한다. 각각의 판스프링(64)은 후프(56)로부터 반경방향 내부로 거리(72)만큼(도 3에 도시) 갈라져, 내부 반경방향 표면(60)에 인접하여 길이방향으로 연장한다. 판스프링(64)은 반경방향 스프링 정수(KR), 축방향 스프링 정수(KA) 및 원주방향 스프링 정수(KC)로 표시 될 수도 있다. 3개의 스프링 정수 크기는 상이한 응용에 적합하도록 변경될 수도 있다. 최상의 조건에서, 반경방향 스프링 정수는 축방향 스프링 정수보다 신축적이며, 축방향 스프링 정수는 원주방향 스프링 정수보다 신축적이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제어 링(52)은 외부 반경방향 표면(76) 및 내부 반경방향 표면(78)과, 전방 표면(80) 및 후방 표면(82)과, 블레이드 외부 공기 시일(54)(도 2에 도시)을 부착하기 위한 제 1 부착 수단(84)과, 전방 표면(80)및 후방 표면(82)으로부터 외부로 연장되는 다수의 보스(86)를 구비한 본체를 포함한다. 서스펜션 수단(50)의 판스프링(64)과 일치하도록 이격된 제어 링(52)의 원주부 둘레에 대응 구멍(88)(도 3에 도시)이 배치된다. 대응 구멍(90)은 내부 반경방향 표면(78)에 배치되며 구멍(88)은 대응 구멍(90)과 외부 반경방향 표면(76)사이로 연장한다. 서스펜션 수단(50)의 외팔보형 판스프링(64)에 제어 링(52)을 부착시키도록 너트와 볼트 조립체(73)가 구멍(88)내에 수납된다. 제 1 부착 수단(84)은 내부 반경방향 표면(78)으로부터 외부로 연장되는 다수의 전방 플랜지(92) 및 후방 플랜지(94)를 포함한다. 플랜지(92, 94)는 옆으로 향한 U자형 내부 반경방향 표면(78)을 형성하도록 형성되며, 기술되는 바와 같이 블레이드 외부 시일(54)을 수납하기 위한 개방 슬롯(96)을 구비한다.
또한 제어 링(52)은 제 1 열적 영역(98) 및 제 2 열적 영역(100)을 포함한다. 열적 영역(98, 100)은 상이한 속도로 팽창 및 수축하므로 서로 구별된다. 다시말해, 제 1 온도의 정상 상태 치수로부터 제 2 온도의 정상 상태 치수로 제어 링 (52)을 변경시키는데 필요한 시간 주기동안, 제 1 열적 영역(98)은 제 2 열적 영역 (100)이 정상 상태 치수에 도달하기전에 정상 상태 치수에 도달한다. 본 발명에서의 몇몇 특징은 2개의 열적 영역(98, 100)내에서 열적 응답의 차이를 발생하도록 한다. 이러한 특징부는 ① 상이한 기하학적 형성으로 되는 것; ② 하나의 영역이 다른 영역보다 절연되는 것; ③ 2개의 영역 사이의 열 에너지의 유동을 억제하기 위한 수단이 설치되어 있는 것이다.
제 2 열적 영역(100)보다 실질적으로 부피가 적고 비교적 얇은 제 1 열적 영역(98)을 형성함으로써 제 1 특징이 성취된다. 그 결과, 열 에너지가 제 2 열적 영역(100)에 침투하는 시간보다 짧은 시간에 제 1 열적 영역(98)에 열 에너지가 침투한다.
도 2를 참조하면, 각각 제어 링(52)의 제 2 열적 영역(100)의 전방 및 후방에 배치된 전방 열적 차폐물(102) 및 후방 열적 차폐물(104)을 사용함으로써 제 2 특징이 성취된다. 열적 차폐물(102, 104)은 전방 표면 및 후방 표면을 따라 제어링에 의하여 수납된 다수의 탭(도시하지 않음)에 의하여 제어 링(52)에 고정된다. 제어 링(52)으로부터 외부로 연장하고 있는 보스(86)는 제어 링(52)의 각각의 측면 상의 열적 차폐물(102, 104) 사이에 갭(106)을 유지한다.
열적 영역(98, 100) 사이의 열 에너지의 유동을 억제하기 위한 수단(108)을 제공함으로써 제 3 특징이 성취된다. 열적 영역(98, 100) 사이에서의 열 에너지 유동을 억제하기 위한 수단(108)은 제어 링(52)의 전방 표면(80) 및 후방 표면(82)사이로 연장되는 다수의 구멍(110)을 포함한다. 구멍(110) 사이의 텐돈(tendon ; 112)이 2개의 열적 영역(98, 100)을 연결한다. 구멍(110)은 공기 또는 다른 절연 재료를 포함한다.
또한, 2개의 열적 영역(98, 100)내의 상이한 열적 응답은 상이한 열적 특성을 갖는 제 1 및 제 2 재료를 제 1 열적 영역(98)에 제 1 재료를 그리고 제 2 열적 영역(100)에 제 2 재료를 사용함으로써 생설될 수도 있다.
블레이드 외부 공기 시일(54)은 본체와 제 2 부착 수단(103)을 포함한다. 제 2 부착 수단(103)은 블레이드 외부 공기 시일을 고정하기 위하여 제 1 부착 수단(84)의 전방 플랜지(92) 및 후방 플랜지(94)와 협동하는 다수의 플랜지(105)를 포함한다.
장치의 작동
엔진의 작동중, 팬(도시하지 않음) 또는 압축기(도시하지 않음)로부터 나온 공기는 슈라우드를 엔진을 통과하여 유동하는 코어 가스의 온도 보다 낮은 온도로 유지하기 위하여 디퓨저 케이스(32)를 통하여 슈라우드(16)로 통과한다. 그러나 배출 공기는 비교적 차갑다. 배출 공기는 팬만에 의하여 또는 팬과 압축기 모두에 의하여 작동되며, 그에 따라 엔진이 들어가는 공기보다 압력 및 온도가 높다. 보다 상세히 설명하면, 배출 공기의 온도 및 압력은 엔진 속도를 좌우한다. 엔진 속도 증가는 팬 및 압축기내 공기로 전해지는 작업량 및 배출 공기의 온도 및 압력을 증가시킨다. 반대로 엔진 속도 감소는 배출 공기의 온도 및 압력 뿐만 아니라 배출 공기의 작업량도 감소시킨다. 따라서 배출 공기가 슈라우드(16) 요소를 얼마만큼 가열 또는 냉각할 것인지는 엔진의 동력 설정 변경량 및 동력 설정 변경 방향에 따라 좌우된다.
도 2를 참조하면, 가속시에 팬 및/또는 압축기 섹션에 의하여 증가된 온도 및 압력에 사용된 공기는 배출되어 디퓨저 케이스(32)를 통과한다. 슈라우드(16)를 수용하고 있는 환형부(49)에 들어가기 전에, 배출 공기는 전방 외부 베인 지지체(28)내에 배치된 다수의 제 1 배출 구멍(31)을 통하여 통과한다. 제 1 배출 구멍(31)의 단면적은 제 1 배출 구멍(31)에 걸쳐 상당한 압력차를 생성하도록 충분히 작다. 압력차는 배출 공기가 전방 외부 베인 지지체(28)에 의하여 형성된 환형부 (39)로 비교적 높은 속도로 제 1 배출 구멍(31)을 통과하도록 유도한다. 이로부터, 배출 공기는 다수의 제 2 배출 구멍(33)을 통하여 슈라우드(16)를 수용하고 있는 환형부(49)내로 통과한다. 제 2 배출 구멍(33)의 단면적은 제 2 배출 구멍(33)에 걸쳐 전혀 압력차가 거의 또는 전혀 생성되지 않도록 충분히 크다. 그러므로, 전방 외부 베인 지지체(28)에 의하여 형성되는 환형부(39)와 결합하는 제 1 배출 구멍(31) 및 제 2 배출 구멍(33)은 ① 디퓨저 케이스(32)내 배출 공기와 슈라우드 (16)를 감싸고 있는 환형부(49)내 배출 공기 사이의 압력차 제공하기 위해, ② 슈라우드(16)를 감싸고 있는 환형부(49)로 들어가는 배출 공기의 속도를 감소시키기 위한 디퓨저로써 작용한다. 배출 공기의 속도 감소는 공기와 슈라우드 요소 사이의 대류 열전달을 감소시킨다.
슈라우드(16)를 감싸고 있는 환형부(49)로 들어간 후, 공기는 전방 열적 차폐물(102) 및 후방 열적 차폐물(104)에 의하여 제어 링(52)의 제 2 열적 영역(100)및 서스펜션 수단(50)으로부터 편향된다. 열적 차폐물(102, 104)은 공기와 제어 링(52) 사이의 직접적인 대류 열전달을 방지한다. 또한, 열적 차폐물(102, 104)은 전방 표면(80) 및 후방 표면(82)을 따라 갭(106)을 유지하며, 갭(106)에 배치된 절연 재료를 보호한다.
제 1 열적 영역(98)에 인접한 환형부(49)로 직접 들어가는 공기 또는 제 1 열적 영역(98)을 향하여 제 2 열적 영역(100)으로부터 편향된 환형부(49)내 공기는 제어 링(52)의 제 1 열적 영역(98)에 자유롭게 접근한다. 그 결과, 제 1 열적 영역(98)은 비교적 높은 속도로 주로 대류에 의해 열 에너지는 전달된다. 대조적으로, 열적 차폐물(102, 104)에 의하여 공기로부터 절연된 제 2 열적 영역(100)과, 열적 차폐물(102, 104) 사이의 절연 매체와, 2개의 열적 영역 사이의 열 전달 방지 수단(108)은 배출 공기로부터 보호되며, 비교적 낮은 열전달 속도를 갖는다. 실제로, 열 에너지는 주로 전도에 의해 열적 차폐물(102, 104) 및 보스(86) 또는 절연 매체를 통해서 또는 열적 영역(98, 100) 사이로 연장되는 구멍(110) 사이의 텐돈 (112)을 통해서 제 2 열적 영역(100)으로 전달된다. 텐돈(112)은 열 에너지의 전도를 위한 2개의 열적 영역(98, 100) 사이의 가장 짧은 경로를 제공하며, 2개의 영역(98, 100) 사이의 구멍(110)내의 공기 또는 다른 절연 재료는 열에너지의 전도를 방지한다.
도 5에는 제 1 및 제 2 열적 영역 사이의 열적 응답의 차이가 도시되어 있다. 제 1 열적 영역(98)은 기동부터 아이들 지점까지 또는 아이들 지점으로부터 최대 동력까지, 배출 가스에 의하여 나타나는 정상 상태 온도에 도달한다. 또한어느 정도 시간이 경과한 후에, 제 2 열적 영역은 정상 상태 온동 도달한다. 각각의 열적 영역이 정상 상태 온도에 도달할 때까지의 시간이 어느 정도 걸리는 가와, 특정 온도에서의 치수는 실제의 적용을 위한 설계 기준이 된다. 간섭을 방지하며 블레이드 팁(48)과 블레이드 외부 공기 시일(54) 사이의 갭이 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 최소로 유지되도록 로터 조립체의 열적 응답과 슈라우드의 열적 응답을 조화시키는 것이 목표이다. 따라서, 로터 조립체(18)에 대한 온도/시간 또는 반경 치수/시간 그래프는 도 5에 도시된 그래프와 유사하다.
감속의 경우에 있어서, 배출 공기가 초기에 슈라우드(16)보다 냉각되어 열 흡수장치로서 작동하여 슈라우드(16)로부터 열을 제거하는 것을 제외하고는 가속에 대해 기술된 과정과 동일하다. 가속과 동일한 방식으로, 제어 링(52)의 열적 영역 (98,100)은 간섭 조건을 방지하도록 슈라우드의 수축(팽창에 대립되는)을 더디게 하도록 작용한다. 어느 정도 시간이 경과된 후에, 슈라우드(16)로부터 배출 공기로의 열전달 속도는 제로로 되며, 슈라우드(16)는 정상 상태 온도가 된다.
블레이드 간극 제어에 중요한 특징이 있지만, 로터 조립체(18)의 열적 응답과 슈라우드의 열적 응답을 조화시키는 것은 자체적으로 블레이드 팁(48)과 블레이드 외부 공기 시일(54) 사이에 적당한 간극이 항상 유지되게 하는 것을 보장한다. 반면에, 슈라우드(16)의 열적 특성을 로터 조립체(18)의 열적 특성에 조화시키는 것은 가열 및 냉각 사이클이 슈라우드(16)의 원주변 둘레에서 균일하게 되게 한다. 실제로, 슈라우드(16) 및 디퓨져 케이스(32)의 가열 및 냉각은 불균일하게 되며, 그에 따라 로터 조립체(18)의 동심성이 결여된다. 또한, 통상적으로 항공기, 특히성능이 좋은 항공기에 장착된 가스 터빈 엔진은 조정중 중력의 영향을 받는다. 중력 및 베인 조립체의 하중이 디퓨져 케이스(32) 및/또는 디퓨저 케이스에 장착된 블레이드 간극 제어 시스템을 순간적으로 서로에 대해 원주를 벗어나거나 중심에서 벗어나게 가압할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제를 ① 베인 지지체(28, 30)와 독립적으로, 전방 외부 베인 조립체(28) 및 후방 베인 조립체(30) 사이의 환형부(49)에 슈라우드(16)를 장착하는 것에 의해, ② 스프링 수단(62)을 구비한 서스펜션 수단(50)을 제공하는 것에 의해 해결한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 베인 지지체에 독립적으로 전방 외부 베인 지지체(28)와 후방 외부 베인 지지체(30) 사이의 환형부(49)에 슈라우드 (16)를 장착함으로써 베인 지지체(28, 30)상의 하중이 본 발명의 슈라우드(16)보다는 디퓨저 케이스(32)에 직접적으로 전달되는 것이 가능해진다. 그 결과, 슈라우드(16)는 로터 조립체(18)의 균일한 또는 불균일한 편향 모두에 및/또는 로터 조립체(18)의 하중에 보다 효과적으로 응답한다.
서스펜션 수단(50)의 스프링 수단(62)은 제어 링(52) 및 블레이드 외부 공기 시일(54)을 반경방향으로, 축방향으로 및 원주방향으로 현수시킴으로써 균일한 또는 불균일한 하중 모두에 적응한다. 제어 링(52)의 반경방향 팽창 또는 수축은 외 팔보형 판스프링(64)의 두께방향 편향을 수용한다. 제어 링(52)의 반경방향 편향 또는 수축이 불균일하거나, 디퓨저 케이스(32)가 원주를 벗어나 변형된다면, 서스펜션 수단(50)의 원주변 둘레에 배치된 외팔보형 판스프링(64)은 블레이드 팁(48)과 블레이드 외부 공기 시일(54) 사이의 갭상에서의 편심의 영향을 최소화하거나제거하도록 적절히 편향된다. 도 4에는 균일한 또는 불균일한 하중을 허용하는 스프링 수단(62)의 반경방향 스프링 성분(KR)의 원주방향 분포가 도시되어 있다.
디퓨저 케이스(32)의 비틀림에 의하여, 또는 중력에 의하여 슈라우드(16)에 전달된 축방향 힘은 외팔보형 판스프링(64)의 폭방향 편향에 의하여 수용된다. 또한, 외팔보형 판스프링(64)의 폭방향 편향은 블레이드 외부 공기 시일(54)을 적소에 유지하도록 편향력을 제공한다. 후방 외부 베인 지지체 시일 조립체(116)와 블레이드 외부 공기 시일(54) 사이의 간섭 끼워맞춤은 전방향 축방향력을 제어 링 (52)에 가해, 제어 링(52)은 외팔보형 판스프링(64)의 축방향 스프링 성분(KA-지면에 대해서 수직방향으로 도시된)의 원주방향 분포가 도시되어 있다.
제어 링(52)상에 작용하는 원주방향 힘은 외팔보형 판스프링(64)의 길이방향 편향에 의하여 수용된다. 서스펜션 수단(50)의 대향하는 면에 배치된 외팔보형 판 스프링(64)은 원주방향 힘이 슈라우드(16)에 가해지는 경우 제어 링(52)이 로터 조립체(18)와 동심으로 유지되도록 한다. 항공기 조종중, 슈라우드(16)는 파일롯트에 의하여 수행되는 조종에 응답하여 특정 방향의 중력 하중을 받는다. 도 4에서 개략적으로 볼 수 있는 서스펜션 수단(50)의 원주변 둘레 외팔보형 판스프링(64)의 균일한 분포는 적어도 2개의 외팔보형 판스프링(64)(KC)이 중력 방햐에 상관없이 제어 링(52)을 한쪽에서는 압축된 상태로 그리고 다른 한쪽에서는 신장된 상태로 지지한다.
본 발명이 보다 상세한 실시예에 대해 기술 및 도시하고 있지만, 당해 업계의 숙련자라면 형성의 다양한 변경 및 이의 상세한 사항이 본 발명의 정신 및 영역을 벗어남이 없이 이루어질 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 슈라우드 (16)의 서스펜션 수단(50)은 8개의 외팔보형 판스프링(64)을 구비하는 것으로 기술되어 있다. 다른 실시예는 8개 이상의 또는 미만의 외팔보형 판스프링(64)을 가질 수도 있다. 다른 예를 들면, 스프링 수단(62)은 서스펜션 수단(50)에 부착되는 것으로 기술되어 있다. 다른 실시예에서는, 제어 링(52)상에 스프링 수단(62)을 포함하거나 디퓨저 케이스(32)와 제어 링(52) 사이에 스프링 수단을 독립적으로 배치하는 것이 좋다. 또다른 예를 들면, 열적 영역(98, 100) 사이의 열 에너지의 유동을 방지하기 위한 수단(108)은 제어 링(52)의 전방 표면(80) 및 후방 표면(82) 사이로 연장되는 다수의 구멍(110)으로 가장 잘 기술되어 있다. 다른 실시예에서, 상기 수단은 2개의 영역 사이에 고정된 절연 재료일 수도 있다. 또다른 예를 들면, 전방 외부 베인 지지체(28)는 배출 구멍(31, 33)을 포함하며, 슈라우드(16)를 감싸고 있는 환형부(49)로 들어가는 배출 공기용 디퓨저로서 작용하도록 하는 것을 가능하게 하는 환형부(39)를 형성된다. 다른 실시예에서는, 전방 외부 베인 지지체와 독립적인 디퓨저를 구비하는 것이 좋을 수도 있다.
본 발명의 가장 좋은 형식이 가스 터빈 엔진의 터빈 섹션내의 로터 조립체 (18)를 감싸고 있는 슈라우드(16)의 예를 사용하여 기술되어 있다. 또한 다른 실시예에서, 슈라우드(16)는 가스 터빈 엔진의 압축기 섹션에 배치된 로터 조립체 또는 로터 조립체와 슈라우드 사이의 시일이 불량한 곳을 흐르는 고온 유체에 노출된 다른 로터 조립체의 원주변 둘레에 설치될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 로터 조립체의 블레이드 팁과 조립체의 슈라우드상의 시일이 개선되어 열 팽창이 수용되며 터빈 엔진 효율이 증가되고 로터 조립체의 내구성이 향상된다.

Claims (26)

  1. 케이스내에 배치된 로터 조립체용 슈라우드에 있어서,
    내부 반경방향 표면, 전방 및 후방 표면, 및 상기 내부 반경방향 표면으로부터 벗어나 연장되는 제 1 부착 수단을 구비하며, 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역을 가진 본체를 구비하는 제어 링과,
    상기 케이스내의 상기 제어 링을 유연하게 현수시키기 위한 것으로 상기 제어 링이 부착되는 현수 수단과,
    제 2 부착 수단을 구비한 블레이드 외부 공기 시일을 포함하며,
    상기 제 1 부착 수단 및 제 2 부착 수단은 협력하여 상기 블레이드 외부 공기 시일을 상기 제어 링에 부착시키는
    로터 조립체용 슈라우드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 링을 유연하게 현수시키기 위한 상기 현수 수단이 상기 케이스내에 고정되고, 내부 반경방향 표면을 구비한 후프와, 상기 제어 링 및 상기 후프 내부 반경방향 표면에 부착된 스프링 수단을 포함하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 다수의 외팔보형 판스프링을 포함하며, 상기 각 판스프링이 길이, 폭 및 두께를 가지며, 상기 각 외팔보형 판스프링은 상기 후프에 실질적으로 평행하게 길이방향으로 연장되며, 상기 제어 링은 상기 외팔보형 판스프링에 체결되는
    로터 조립체용 슈라우드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 각 외팔보형 판스트링은 반경방향 스프링 정수, 축방향 스프링 정수 및 원주방향 스프링 정수를 포함하며, 상기 반경방향 스프링 정수가 상기 축방향 스프링 정수보다 신축적이며, 상기 축방향 스프링 정수는 상기 원주방향 스프링 정수보다 신축적인
    로터 조립체용 슈라우드.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역중 하나가 다른 하나보다 상이한 속도로 팽창 및 수축하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 링이 상기 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역 사이의 열 에너지전달을 방지하기 위한 수단을 더 포함하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  7. 제 6 항에 있어서.
    상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이의 열 에너지 전달을 방지하기 위한 상기 수단이 상기 제어 링의 상기 전방 표면과 후방 표면 사이로 연장되는 다수의 구멍을 포함하며, 상기 구멍은 상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이에 배치되는
    로터 조립체용 슈라우드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 링의 상기 전방 표면과 후방 표면을 따라서 상기 제 2 열적 영역에 인접하여 배치된 열적 차폐물을 더 포함하며, 상기 열적 차폐물은 상기 제 2 열적 영역으로의 또는 상기 제 2 열적 영역으로부터의 열 에너지의 전달을 방지하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열적 차폐물과 상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면 사이에 배치된 절연 수단을 더 포함하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면으로부터 벗어나 연장되는 다수의 보스를 더 포함하며, 상기 보스는 상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면으로부터 상기 열적 차폐물을 분리하며, 상기 절연 수단은 상기 열적 차폐물과 상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면 사이에 배치되는
    로터 조립체용 슈라우드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 링이 상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이의 열 에너지의 전달을 방지하기 위한 수단을 더 포함하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이의 열 에너지의 전달을 방지하기 위한 상기 수단이 상기 제어 링의 상기 전방 표면과 후방 표면 사이로 연장되는 다수의 구멍을 포함하며, 상기 구멍은 상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이에 배치되는
    로터 조립체용 슈라우드.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면을 따라서 상기 제 2 열적 영역에 인접하여 배치된 열적 차폐물을 더 포함하며, 상기 열적 차폐물은 상기 제 2 열적 영역으로의 또는 제 2 열적 영역으로부터의 열 에너지의 전달을 방지하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 열적 차폐물과 상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면 사이에 배치된 절연 수단을 더 포함하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면으로부터 벗어나 연장되는 다수의 보스를 더 포함하며, 상기 보스는 상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면으로부터 상기 열적 차폐물을 분리하며, 상기 절연 수단은 상기 열적 차폐물과 상기 제어 링의 상기 전방 표면 및 후방 표면 사이에 배치되는
    로터 조립체용 슈라우드.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역중 하나가 다른 하나보다 상이한 속도로 팽창 및 수축하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 열적 영역은 상기 제 2 열적 영역이 팽창 및 수축하는 속도보다 빠른 속도로 팽창 및 수축하여, 상기 제어 링을 제 1 온도의 정상 상태 치수로부터 제 2 온도의 정상 상태 치수까지 변경하는데 필요한 시간 주기 동안, 상기 제 1 열적 영역은 상기 제 2 열적 영역이 정상 상태 크기에 도달하기 전에 정상 상태 치수에 도달하는
    로터 조립체용 슈라우드.
  18. 케이스내에 배치된 가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드에 있어서,
    내부 반경방향 표면, 전방 및 후방 표면, 및 상기 내부 반경방향 표면으로부터 벗어나 연장되는 제 1 부착 수단을 구비하며, 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역을 가진 본체를 구비하는 제어 링과,
    상기 케이스내의 상기 제어 링을 유연하게 현수시키기 위한 것으로 상기 제어 링이 부착되는 현수 수단과,
    제 2 부착 수단을 구비한 블레이드 외부 공기 시일을 포함하며,
    상기 제 1 부착 수단 및 제 2 부착 수단은 협력하여 상기 블레이드 외부 공기 시일을 상기 제어 링에 부착시키는
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어 링을 유연하게 현수시키기 위한 상기 현수 수단이 상기 케이스내에 고정되고, 내부 반경방향 표면을 구비한 후프와, 상기 제어 링 및 상기 후프 내부 반경방향 표면에 부착된 스프링 수단을 포함하는
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 다수의 외팔보형 판스프링을 포함하며, 상기 각 판스프링이 길이, 폭 및 두께를 가지며, 상기 각 외팔보형 판스프링은 상기 후프에 실질적으로 평행하게 길이방향으로 연장되며, 상기 제어 링은 상기 외팔보형 판스프링에 체결되는
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 각 외팔보형 판스프링은 반경방향 스프링 정수, 축방향 스프링 정수 및 원주방향 스프링 정수를 포함하며, 상기 반경방향 스프링 정수가 상기 축방향 스프링 정수보다 신축적이며, 상기 축방향 스프링 정수는 상기 원주방향 스프링 정수보다 신축적인
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제어 링이 상기 제 1 열적 영역 및 제 2 열적 영역 사이의 열 에너지 전달을 방지하기 위한 수단을 더 포함하는
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이의 열 에너지 전달을 방지하기 위한 상기 수단이 상기 제어 링의 상기 전방 표면과 후방 표면 사이로 연장되는 다수의 구멍을 포함하며, 상기 구멍은 상기 제 1 열적 영역과 제 2 열적 영역 사이에 배치되는
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제어 링의 상기 전방 표면과 후방 표면을 따라서 상기 제 2 열적 영역에 인접하여 배치된 열적 차폐물을 더 포함하며, 상기 열적 차폐물은 상기 제 2 열적 영역으로의 또는 상기 제 2 열적 영역으로부터의 열 에너지의 전달을 방지하는
    가스 터빈 로터 조립체용 슈라우드.
  25. 케이스내의 블레이드 외부 공기 시일을 신축적으로 현수시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 블레이드 외부 공기 시일을 부착시키기 위한 수단을 구비한 제어 링과,
    상기 케이스내에 고정되고 내부 반경방향 표면을 구비한 후프와,
    상기 제어 링 및 상기 후프 내부 반경방향 표면에 부착되고, 각각 길이, 폭 및 두께를 가진 외팔보형 판스프링을 포함하며,
    상기 각 외팔보형 판스프링은 상기 후프에 실질적으로 평행하게 길이방향으로 연장되며, 상기 제어 링은 상기 외팔보형 판스프링에 체결되는
    현수 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 각 외팔보형 판스프링은 반경방향 스프링 정수, 축방향 스프링 정수 및 원주방향 스프링 정수를 포함하며, 상기 반경방향 스프링 정수가 상기 축방향 스프링 정수보다 신축적이며, 상기 축방향 스프링 정수는 상기 원주방향 스프링 정수보다 신축적인
    현수 장치.
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