KR100571465B1

KR100571465B1 - 가스터빈내의입구기류난류를최소화하기위한장치

Info

Publication number: KR100571465B1
Application number: KR1019980055809A
Authority: KR
Inventors: 라조스 에이치 호바스; 와클로 아이 수로우카
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2006-07-25
Also published as: DE69830225D1; KR19990063168A; JPH11264326A; EP0924389B1; US6045325A; EP0924389A3; EP0924389A2; DE69830225T2

Abstract

가스 터빈 엔진의 입구 가이드 베인용 시일 및 그의 사용 방법은 종축이 규정된 종방향 연장 관상부와, 리브부 및 보유 형상부를 구비하는 장부촉부를 포함한다. 리브부는 관상부와 일체로 형성되며 상기 종축에 평행하게 연장되고, 또 상기 리브부는 종축으로부터 반경 방향의 외향으로 연장된다. 보유 형상부는 리브부와 일체로 형성되고 상기 종축을 향하여 경사져 있다.

Description

가스 터빈 내의 입구 기류 난류를 최소화하기 위한 장치{Apparatus for Minimizing Inlet Airflow Turbulence in a Gas Turbine Engine}

본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 엔진에 유입되는 기류(airflow)의 흐름을 지향시키기 위한 선택적으로 위치설정가능한 입구 가이드 베인(inlet guide vane)을 구비한 가스 터빈 엔진의 압축기에 관한 것이다.

도1에 도시된 유형과 같은 항공기용 가스 터빈 엔진에 있어서, 가스 터빈 엔진(14)에 유입되는 공기(12)를 압축시키기 위해 압축기(10)가 사용된다. 최대의 효율을 위해 압축기(10)의 상류 말단(16)에 유입되는 기류(12)는 엔진(14)의 종축(20)에 대해 정확한 방위에서 압축기(10)의 팬 블레이드(fan blade)(18)에 접촉하여야 한다. 정확한 방위는 엔진(14)의 구조 및 엔진의 작동 상태에 의해 결정된다. 다수의 상이한 작동 상태에서 성능을 최적화하기 위해서, 다수의 가스 터빈 엔진은 유입 공기(12)가 압축기 블레이드(18)의 제1단(stage)에 접촉하는 각도를 선택적으로 제어하는 기구를 포함한다.

도1에 도시된 바와 같이, 가스 터빈 엔진(14)은 환상 프레임에 의해 적절하게 지지되는 하나 또는 그 이상의 로터 샤프트(rotor shaft)(22)를 포함한다. 통상적으로, 팬 블레이드(18)는 그의 선단부가 팬 입구 케이스(fan inlet case)에 지지된 팬 샤프트(22)에 결합된다. 팬 입구 케이스는 환상 외측 케이싱(24)과 내측 슈라우드(26) 및 그들 사이에서 연장된 다수의 원주방향 이격 스트러트(28)를 구비한다. 스트러트(28)는 내측 슈라우드(26)와 케이싱(24)에 대해 고정된다.

스트러트(28)는 엔진 입구(30)에 유입되는 기류(12)를 팬 블레이드(18)에 도달하기 전에 인접 스트러트(28) 사이에 효과적으로 지향시키도록 공기역학적 형상으로 이루어진다. 그러한 스트러트(28)는 이하 "스트러트 에어포일(strut airfoil)"로 언급하기로 한다. 그의 하우징이 팬 입구 케이스의 내측 슈라우드(26)에 부착된 베어링(36)은 회전 팬 샤프트(22)를 지지한다. 팬 샤프트(22)로부터의 부하가 내측 슈라우드(26)와 스트러트 에어포일(28)을 통해 환상 케이싱(24)에 전달된다.

팬 블레이드 상의 공기 접촉 각도는 엔진(14)의 작동 상태에 따라 변화되므로, 선택적으로 위치설정가능한 플랩(32)이 압축기 블레이드(18)의 상류에 배치되어 유입 기류(12)를 압축기의 팬 스테이지(18)로 지향시킨다. 그러한 플랩(32)은 이하 "플랩 에어포일(flap airfoil)"로 언급하기로 한다. 도2에 도시된 바와 같이, 각 플랩 에어포일(32)은 유입 기류(12)에 대해 스트러트 에어포일(28)중 하나의 바로 하류에 위치된다. 이러한 플랩 에어포일(32)은 기준축을 중심으로 회전가능하며, 그러한 회전은 유입 공기가 압축기(10)의 팬 스테이지(18)의 블레이드에 충돌하는 각도를 변화시킨다. 동시에, 스트러트 에어포일(28)과 그의 바로 하류의 플랩 에어포일(32)은 입구 가이드 베인을 형성한다.

최적의 엔진 작동 효율 및 안정성을 위해서, 전체의 엔진 작동 상태에서 스트러트 에어포일(28)과 그의 바로 하류에 있는 플랩 에어포일(32) 사이에서 완만한 기류 변화가 발생되는 것이 중요하다. 그러나, 종래 기술의 소정의 구조에 있어서, 입구 가이드 베인은 플랩 에어포일의 임의의 회전 위치에서 기류에 난류를 도입한다. 이러한 난류는 입구 가이드 베인의 바로 하류에 있는 팬의 블레이드에 "플러터(flutter)"로 공지된 불완전한 로터 블레이드 진동을 유발하기에 충분하다. 심한 경우에 있어서, 이러한 플러터는 팬 블레이드에 손상을 입히고 그 사용 수명을 단축시키거나 또는 엔진의 작동을 제한할 수도 있다. 당업자가 용이하게 이해 할 수 있는 바와 같이, 항공기의 비행중에 정상적인 엔진 작동을 악화시킬수 있는 임의의 조건을 피해야 한다.

따라서, 공기가 입구 가이드 베인을 통해 팬으로 흐를 때, 기류내로 도입되는 난류의 양을 최소화시키는 수단이 필요하다.

본 발명의 목적은 스트러트 에어포일과 플랩 에어포일 사이의 간격부에 배치하여 간격부를 통한 공기의 흐름을 방지하기 위한 입구 가이드 베인용 시일(seal)을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스 터빈 엔진의 팬에 유입되는 기류의 난류를 방지하는 방법을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은 입구 가이드 베인용 시일을 제공하는 바, 상기 시일은 종축이 규정된 종방향 연장 관상부와, 리브부(rib portion) 및 보유 형상부 (retaining feature)를 포함하는 장부촉부(dovetail portion)를 구비한다. 리브부는 관상부와 일체로 되어 있고 종축에 평행하게 연장되며, 또 리브부는 종축으로부터 반경 방향의 외측으로 연장된다. 보유 형상부는 리브부와 일체로 되어 있고 종축을 향해 경사져 있다. 본 발명은 가스 터빈 엔진의 팬 블레이드에 플러터를 방지하기 위해 시일을 사용하는 방법을 추가로 제공한다.

본 발명의 전술한 것 및 기타의 특징 및 이점은 하기의 명세서와 첨부 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.

입구 가이드 베인을 통해 흐르는 공기는 입구 가이드 베인의 압축 측면으로부터 입구 가이드 베인의 흡입 측면으로 흐르는 경향이 있다. 본 발명자는 이러한 경향이 입구 가이드 베인을 통해 흐르는 공기를 입구 가이드 베인의 스트러트 에어포일과 플랩 에어포일 사이의 간격부를 통해 흐르게 하기에 충분하다는 것을 발견하였다. 본 발명자는 간격부를 통과하는 이러한 공기의 흐름이 입구 가이드 베인의 흡입 측면으로부터 기류의 분리를 유발하여, 팬 블레이드에 유입되는 기류내로 난류를 도입한다는 것을 추가로 발견하였다. 이러한 난류는 소정의 엔진 작동 상태에서 팬의 블레이드에 플러터를 유발하여 결국 파손을 야기할 수 있다.

본 발명의 입구 가이드 베인(100)은 도3에서 가스 터빈 엔진의 입구에 도시 되어 있다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 입구는 내측 슈라우드(26) 및 상기 내측 슈라우드(26)로부터 반경 방향의 외측으로 이격된 환상 케이싱(24)을 포함한다. 다수의 입구 가이드 베인(100)이 내측 슈라우드(26)로부터 케이싱(24)으로 반경 방향으로 연장된다.

각 입구 가이드 베인은 스트러트 에어포일(28) 및 플랩 에어포일(32) 양자를 구비한다. 바람직하게는 내측 슈라우드(26)의 원주 둘레에 균일하게 이격된 스트러트 에어포일(28)은 환상 케이싱(24)을 내측 슈라우드(26)에 이격 관계로 구조적으로 지지한다. 따라서, 각각의 스트러트 에어포일(28)은 내측 슈라우드(26) 및 케이싱(24)에 단단하게 고정된다. 종래 기술에서와 같이, 스트러트 에어포일(28)은 상기 스트러트 에어포일(28) 주변의 입구(30)에 유입되는 공기를 편향시키는 공기 역학적 형상으로 되어 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 각 스트러트 에어포일(28)의 바로 하류에 플랩 에어포일(32)이 위치된다.

각각의 스트러트 에어포일(28)은 내측 슈라우드(26)에 인접한 스트러트 제1단부(42)와, 상기 제1 단부(42)에 대해 이격 관계에 있고 환상 케이싱(24)에 인접해 있는 스트러트 제2 단부(44)를 갖는다. 추가로, 각각의 스트러트 에어포일(28)은 스트러트 선단부면(46)과 스트러트 후단부면(48)을 갖는다. 도3 및 도4 에 도시된 바와 같이, 제1 스트러트 에어포일면(50) 및 제2 스트러트 에어포일면(52)은 스트러트 선단부면(46)으로부터 스트러트 후단부면(48)으로, 또 스트러트 제1 단부 (42)로부터 스트러트 제2 단부(44)로 연장되며, 도4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 스트러트 에어포일면(50, 52)은 서로간에 이격 관계에 있다.

다시 도3을 참조하면, 각각의 플랩 에어포일(32)은 내측 슈라우드(26)에 인접한 플랩 제1 단부(54)와, 상기 제1 단부(54)에 이격 관계에 있고 또 환상 케이싱(24)에 인접해 있는 플랩 제2 단부(56)를 갖는다. 추가로, 각각의 플랩 에어포일(32)은 플랩 선단부면(58) 및 플랩 후단부면(60)을 갖는다. 도3 및 도4를 참조하면, 제1 및 제2 플랩 에어포일면(62, 64)은 플랩 선단부면(58)으로부터 플랩 후단부면(60)으로, 또 플랩 제1 단부(54)로부터 플랩 제2 단부(56)로 연장되며, 제 4 도에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 플랩 에어포일면(62, 64)은 서로간에 이격 관계에 있다.

각각의 플랩 에어포일(32)은 그의 바로 상류에 있는 스트러트 에어포일(28)에 대해 기준 축(66)을 중심으로 회전가능하다. 이러한 기준 축(66) 또는 "트러니 언 축(trunion axis)"은 스트러트 에어포일(28)에 대해 고정된다. 각 플랩 에어포일(32)의 선단부면(58)은 그의 바로 상류에 있는 스트러트 에어포일(28)의 후단부면(48)에 이격 관계로 위치되어 그사이에 간격부(70)를 규정한다.

도4에 도시된 바와 같이, 입구 가이드 베인 시일(72)이 각 입구 가이드 베인의 간격부(70)내에 배치되고, 바람직하게는 그의 스트러트 에어포일(28)의 후단부면(48)상에 고정된다. 각 입구 가이드 베인(100)의 시일(72)은 스트러트 에어포일(28)의 후단부면(48)으로부터 그것에 근접한 플랩 에어포일(32)의 선단부면(58)으로 연장됨으로써, 간격부(70)를 통한 공기의 흐름을 방지한다. 도5에 도시된 바와 같이, 시일(72)은 종방향 연장 관상부(80) 및 장부촉부(82)를 구비하며 종축(84)이 관상부(80)의 길이를 따라 연장된다. 관상부(80)는 제1표면 및 제2 표면(86, 88)을 포함하며, 상기 제1 표면 및 제2 표면(86, 88)양자는 도6에 도시된 바와 같이 종축(84)에 대해 이격된 관계에 있다. 제2 표면(88)은 종축(84)에 대해 제1 표면(86)으로부터 반경 방향의 외측에 배치되며, 또 제2 표면(88)은 상표명 테프론(Teflon)과 같은 윤활제로 피복된다. 본 명세서에 사용된 용어 "윤활제 (lubricious material)"는 플랩 에어포일의 선단부면(58)과 접촉할 때 0.04 이하의 마찰계수를 갖는 재료를 의미한다.

장부촉부(82)는 관상부(80)와 일체로 되어있는 리브부(90)와, 도7에 도시된 바와 같이 시일(72)을 스트러트 에어포일(28)의 후단부면(48)에 고정하기 위한 보유 형상부(92)를 구비한다. 바람직하게는, 보유 형상부(92)는 도5에 도시된 바와 같은 테이퍼진 와셔(tapered washer)이다. 리브부(90)는 종축(84)에 평행한 관상부(80)를 따라 연장되며, 또한 리브부(90)는 종축(84)으로부터 반경 방향의 외향으로 연장된다. 관상부(80) 및 리브부(90)는 실리콘 고무와 같은 탄성중합체 재료로 제조된다. 내구성을 위해서, 관상부(80)는 제1 표면(86)과 제2 표면(88) 사이에 매립된 보강 파이버 메쉬(96)를 구비한다. 도5 내지 도7에 도시된 바와 같이, 보유 형상부(92)는 리브부(90)와 일체로 형성되고, 또 종축(84)을 향하여 테이퍼져 있다. 티탄 또는 알루미늄과 같은 강성 재료로 제조되는 보유 형상부(92)는 시일(72)의 리브부(90)내에 매립되는 것이 바람직하다.

도8에 도시된 바와 같이, 스트러트 에어포일의 후단부면(48)은 스트러트 에어포일(28)의 선단부면(46)으로부터 이격된 방향으로 경사진 보유 슬롯(102)을 구비한다. 상기 보유 슬롯(102)은 후단부면(48)의 길이를 따라 연장되며, 장부촉부(82)는 스트러트 에어포일(28)의 단부(42,44)중 하나로부터 상기 슬롯내로 활주하여야 한다. 슬롯(102)의 폭은 보유 형상부(92)의 폭보다 약간 더 크므로, 일단 장부촉부(82)가 그 내부에 수납되면, 보유 형상부(92)를 스트러트 에어포일(28)의 단부(42, 44)중 하나의 외부로 활주시키는 것에 의해서 시일을 스트러트 에어포일(28)로부터 분리할 수 있다.

작동시에, 입구 가이드 베인(100)을 지나 흐르는 공기는 각 플랩 에어포일(32)과 그의 바로 상류에 있는 스트러트 에어포일(28) 사이의 간격부(70)를 통과하는 것이 방지된다. 그에 따라, 입구 가이드 베인의 흡입 측면상에 분리를 야기시키는 전술한 기구가 배제됨으로써, 그러한 분리로부터 발생될 수 있는 난류가 방지된다. 따라서, 입구 가이드 베인의 바로 하류에 있는 팬 블레이드는 전술한 플러터 및 관련된 엔진 손상을 야기시키는 유형의 기류 왜곡(airflow distortion)에 지배되지 않는다.

본 발명의 방법 및 시일은 입구 가이드 베인에서 기류 분리의 원인을 제거하는 것에 의해 팬 유입 기류의 난류를 최소화한다. 그에 따라, 본 발명의 방법 및 시일은 소정의 엔진 작동 상태에서 가스 터빈 엔진의 팬상에 플러터가 발생될 수 있는 해로운 효과를 방지한다.

본 발명은 그의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 당업자는 그의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 형태 및 세부를 다양하게 변화시키고 생략할 수도 있다는 사실을 이해하여야 한다.

본 발명의 기술 구성에 의하면, 공기가 입구 가이드 베인을 통해 팬으로 흐를 때, 입구 가이드 베인용 시일은 스트러트 에어포일과 플랩 에어포일 사이의 간격부를 통한 공기의 흐름을 방지하여 기류내로 도입되는 난류의 양을 최소화시킨다.

도1은 종래 기술의 가스 터빈 엔진의 개략도.

도2는 종래 기술의 가이드 베인의 단면도.

도3은 입구 가이드 베인을 도시한 엔진 입구의 부분 단면도.

도4는 본 발명의 시일 합체시킨 입구 가이드 베인의 단면도.

도5는 본 발명의 시일의 측면도.

도6은 도5의 6-6선을 따라 절단한 본 발명의 시일의 단면도.

도7은 도5의 7-7선을 따라 절단한 본 발명의 시일의 단면도.

도8은 도6과 유사한 것으로, 플랩 에어포일의 설치 전에 스트러트 에어포일의 보유 슬롯에 자유 상태로 보유된 본 발명의 시일을 도시한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 압축기 14 : 가스 터빈 엔진

24 : 환상 케이싱 26 : 내측 슈라우드

28 : 스트러트 에어포일 32 : 플랩 에어포일

70 : 간격 72 : 시일

80 : 관상부 84 : 종축

82 : 장부촉부 90 : 리브부

92 : 보유 형상부 100 : 입구 가이드 베인

Claims

가스 터빈 엔진의 가변 입구 가이드 베인용 시일이며,

내부에 한정된 종축을 가지며 종방향으로 연장된 관상부와,

리브부와 보유 형상부를 포함하는 것으로, 상기 리브부는 상기 관상부와 일체로 되어 있고 상기 종축에 평행하게 연장되며, 상기 리브부는 상기 종축으로부터 반경 방향 외향으로 연장되는 장부촉부를 포함하며,

상기 보유 형상부는 상기 리브부와 일체로 되어 있고 상기 종축을 향하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 시일.
제1항에 있어서, 상기 관상부는 상기 종축에 대해 이격된 제1 및 제2 표면을 가지며, 상기 제2 표면은 상기 종축에 대해 상기 제1 표면으로부터 반경 방향 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 시일.
제2항에 있어서, 상기 관상부 및 상기 리브부는 탄성중합체 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 시일.
제3항에 있어서, 상기 관상부는 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 그 내부에 매립된 보강 파이버 메쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 시일.
제4항에 있어서, 상기 관상부의 제2 표면은 윤활제로 피복되는 것을 특징으로 하는 시일.
제5항에 있어서, 상기 윤활제는 상표명 테프론(Teflon)인 것을 특징으로 하는 시일.
제6항에 있어서, 상기 탄성중합체 재료는 실리콘 고무인 것을 특징으로 하는 시일.
제7항에 있어서, 상기 보유 형상부는 상기 리브부 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 시일.
제8항에 있어서, 상기 보유 형상부는 강성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 시일.
제9항에 있어서, 상기 보유 형상부는 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 시일.
가스 터빈 엔진의 팬에 유입되는 공기의 난류를 방지하기 위한 방법이며,

엔진 입구를 제공하는 단계와,

상기 각각의 입구 가이드 베인에 시일을 제공하는 단계를 포함하며,

상기 엔진 입구는 내측 슈라우드와, 상기 내측 슈라우드로부터 반경 방향 외측으로 이격된 환상 케이싱과, 상기 내측 슈라우드로부터 상기 케이싱으로 반경 방향으로 연장된 다수의 입구 가이드 베인을 가지며,

상기 각각의 입구 가이드 베인은 스트러트 에어포일 및 플랩 에어포일을 포함하고, 상기 각각의 입구 가이드 베인의 스트러트 에어포일은 상기 플랩 에어포일과 이격 관계로 배치되어 그 사이에 간격부를 형성하며, 상기 각각의 입구 가이드 베인의 플랩 에어포일은 상기 스트러트 에어포일에 대한 기준축에 대해 회전가능하고,

상기 시일은 상기 입구 가이드 베인의 간격부 내에 배치되고 상기 스트러트 에어포일로부터 상기 플랩 에어포일로 연장되어, 상기 간격부를 통한 상기 공기의 흐름을 방지하는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 시일은

종방향 연장 축이 규정된 종방향 연장 관상부와,

리브부와 보유 형상부를 구비한 것으로, 상기 리브부는 상기 관상부와 일체로 되어 있고 상기 종축에 평행하게 연장되며, 상기 리브부는 상기 종축으로부터 반경 방향 외향으로 연장된 장부촉부를 포함하며,

상기 보유 형상부는 상기 리브부와 일체로 되어 있고 상기 종축을 향하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 관상부는 상기 종축과 이격 관계에 있는 제1 표면 및 제2 표면을 포함하며, 상기 제2 표면은 상기 종축에 대해 상기 제1 표면으로부터 반경 방향 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 관상부 및 상기 리브부는 탄성중합체 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 관상부는 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에서 그 내부에 매립된 보강 파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 관상부의 제2 표면은 윤활제로 피복되는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 윤활제는 상표명 테프론인 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 탄성중합체 재료는 실리콘 고무인 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 보유 형상부는 상기 리브부 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 보유 형상부는 강성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 보유 형상부는 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 공기의 난류를 방지하는 방법.