KR100785541B1 - 가스 터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

가스 터빈 이동 블레이드는 하부가 홈으로 절단된 플랫폼을 구비한다. 이 홈은 플랫폼의 오목한 측면으로부터 후연부측까지 연장되며, 홈은 플랫폼에서 종단된다. 홈은 응력 선에 진입하는 깊이를 가짐으로써, 부하 경로 방향을 후연부로부터 멀리 변화시킨다. 홈의 위치 및 깊이는 일시적 엔진 작동중 뿐만아니라 안정상태, 최고 속도, 최고 부하 조건에서 가스 터빈의 공랭식 이동 블레이드의 블레이드 후연부와 플랫폼의 결합부에서 발생하는 높은 열응력 및 기계적 응력을 감소시킨다.

Description

가스 터빈 블레이드{GAS TURBINE BLADE WITH PLATFORM UNDERCUT}

도 1은 종래 기술의 터빈 블레이드의 사시도,

도 2는 종래 기술의 터빈 블레이드를 도시한 정면도,

도 3은 도 2에 도시된 종래 기술의 터빈 블레이드의 우측면도,

도 4는 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 바람직한 실시예를 도시한 정면도,

도 5는 도 4에 도시된 터빈 블레이드의 우측면도,

도 6은 도 4의 A-A 선을 따라 절단한 본 발명의 터빈 블레이드의 단면도,

도 7은 종래 기술의 터빈 블레이드의 응력 선을 도시한 정면도,

도 8은 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 바람직한 실시예의 응력 선을 도시한 정면도,

도 9는 본 발명의 터빈 블레이드의 다른 바람직한 실시예의 입면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

8, 38 : 플랫폼 10, 40 : 윤곽부

16, 46 : 홈 18, 48 : 후연부

20, 50 : 오목한 측면 24, 54 : 볼록한 측면

52 : 전연부 60 : 캠버 선

본 발명은 가스 터빈 이동 블레이드에 관한 것으로, 특히 열 응력의 완화가 향상된 플랫폼 언더컷(platform undercut)을 갖는 가스 터빈 블레이드에 관한 것이다.

버킷(bucket)으로도 지칭되는 가스 터빈 블레이드는 고온 연소 가스에 노출되므로 높은 열 응력을 받는다. 블레이드를 냉각시키고 열응력을 감소시키는 방법이 기술분야에 공지되어 있다. 도 1 내지 도 3은 종래 기술의 공랭식 이동 블레이드의 일례를 도시한 것이다. 압축기로부터 방출된 고압 공기(2)는 블레이드 밑 바닥부(4)로부터 공랭식 블레이드의 내부로 도입된다. 섕크부(6), 플랫폼(8) 및 블레이드 윤곽부(또는 에어포일)(10)를 냉각시킨 후의 고압 공기는 블레이드 면에 제공된 구멍(12)의 외부로 흐르거나 블레이드의 끝 부분에 제공된 미세 구멍(14)의 외부로 흐른다. 또한, 미세 구멍(12)은 블레이드 후연부(13)에도 제공되어 있고, 이 미세 구멍을 통해 고압 공기가 흘러 블레이드의 후연부를 냉각시킨다. 따라서, 고압 공기가 이동 블레이드의 금속 온도를 냉각시킨다.

가스 터빈 버킷은 고온 에어포일과 버킷 플랫폼의 비교적 저온 섕크부의 경계면에서 상당히 급격한 온도 부조화를 겪는다. 이러한 높은 온도차는 버킷 플랫폼에 에어포일의 열 변형과 조화되지 않는 열 변형을 발생시킨다. 종래 기술에서, 에어포일은 그것보다 경도가 큰 버킷 플랫폼에 부착되어 있다. 에어포일이 강제적으로 섕크 및 플랫폼의 변위를 따르면, 에어포일, 특히 얇은 후연부에 높은 열 응력이 발생한다. 이러한 높은 열응력은 안정상태, 최고 속도, 최고 부하 상태 뿐만아니라 일시적 엔진 작동 중에도 존재하고, 크랙(crack)의 개시 및 전파로 이어질 수 있다. 이러한 크랙은 잠재적으로는 결국 부품의 파손으로 이어질 수 있다.

미국 특허 제 5,947,687 호는 터빈 블레이드의 후연부측 플랫폼(18)에 홈(16)을 갖는 가스 터빈 이동 블레이드(도 1 내지 도 3)를 개시하고 있는데, 이 홈은 과도적인 작동 상태, 즉 터빈의 시동 및 정지시에 발생하는 에어포일 후연부 및 플랫폼의 부착 지점에서의 높은 열 응력을 억제하도록 설계되어 있다. 그러나, 홈의 깊이는 에어포일상의 부하에 의해 야기되는 플랫폼의 응력 선에 진입하지 않는다. 홈이 응력 선에 진입하지 않기 때문에, 에어포일의 후연부를 통한 부하의 경로에 영향을 미치지 않으므로 홈은 큰 응력을 받지 않는다. 또한, 이 홈은 터빈의 회전면에 평행한 터빈의 원주를 따라 블레이드의 오목한 측면(20)으로부터 볼록한 측면(24)까지 플랫폼의 전체 길이를 따라 연장되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 홈은 블레이드의 고유진동수에 영향을 미침으로써, 잠재적으로는 블레이드에 추가의 기계적 진동 응력을 유발한다.

따라서, 에어포일과 섕크 사이의 부조화로 인해 발생하는 열응력 및 기계적 응력을 감소시키는 것에 의해 에어포일의 루트 후연부 영역에 크랙이 시작될 가능성을 감소시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 에어포일의 평균 캠버 선(camber line)에 대해 소정 각도로 버킷 플랫폼에 홈이 도입되며, 이 홈은 플랫폼의 오목한 측면에서 시작하고 버킷 섕크 커버 플레이트의 후연부측의 플랫폼에서 끝나는, 가스 터빈 이동 블레이드를 제공한다. 변형예에 있어서, 홈의 단면은 원형, 타원형 또는 단일 반경이나 복합 반경을 갖는 정방형, 장방형 또는 2개 이상의 평면에 의해 홈이 규정되는 다각형일 수도 있다. 이 홈은 블레이드에 직면하는 부하에 의해 야기되는 플랫폼의 응력선에 진입하고 그리고 부하 경로의 방향을 후연부로부터 멀리 변화시키는 깊이를 갖는다.

본 발명의 홈의 위치 및 깊이에 의해, 에어포일의 루트 후연부에서 기계적 응력 및 열응력이 감소되고, 홈에서 보다 높은 응력을 받는 상태가 된다. 재료의 피로 강도가 큰 저온 금속 온도의 영역에 홈이 위치되기 때문에, 부품의 이 영역의 피로 가능성이 증가할 수 있다. 또한, 이 홈은 에어포일의 부하 경로 내로 절단하는 것에 의해 후연부의 기계적 응력을 감소시키고, 그에 따라, 그 영역의 피로 수명에 있어서 큰 이점을 갖는다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 터빈 블레이드(30)는 블레이드 루트부(34)와, 섕크부(36)와, 블레이드 플랫폼(38)과, 블레이드 윤곽부(또는 에어포일)(40)를 구비한다. 플랫폼은 후연부측(48)과, 오목한 측면(50)과, 전연부측(52)과, 볼록한 측면(54)을 가지며, 이 측면들은 블레이드 윤곽부(40)에 대한 위치에 따라 명명된 것이다. 플랫폼(38)에는 홈(46)이 제공되며, 이 홈(46)은 플랫폼(38)의 오목한 측면(50)으로부터 후연부측(48)까지 연장되며, 여기에서 홈(46)이 끝난다.

도 6에 도시된 바와 같이, 홈(46)의 바람직한 방위는 에어포일(40)의 후연부(43)에서 평균 캠버 선(60)으로부터 약 90°의 각도로 되어 있다. 도 7에 도시된 종래 기술의 터빈 블레이드(28)는 블레이드(28)와 만나는 응력 선(26)과, 에어포일 루트 후연부(18)를 따른 응력 분포를 포함하는 블레이드 부하를 갖는다. 도 8에 도시된 바와 같이, 홈(46)은 블레이드(30)와 만나는 부하 또는 블레이드 부하에 의해 야기되는 터빈 블레이드(30)의 응력선(70)[홈(46)에 의해 변경된 후의 상태로 도시됨]에 진입하는 깊이(68)를 갖는다. 따라서, 홈의 위치 및 깊이에 의해, 에어포일 루트 후연부(48)는 기계적 응력 및 열응력이 감소된 상태로 되고 홈(46)은 높은 변형력이 가해진 상태로 된다. 홈(46)이 재료의 피로 강도가 큰 저온 금속 온도의 영역에 위치하기 때문에, 부품의 이 영역에서의 피로 적응성의 증가가 가능하다. 이 홈(46)은 에어포일의 부하 경로 내로 절단하는 것에 의해 후연부의 기계적 응력의 감소를 추가로 제공하며, 따라서 그 영역의 피로 수명에 있어서 큰 이점을 갖는다. 또한, 홈(46)은 플랫폼의 오목한 측면(50)에서 시작되고 버킷 섕크 커버판(56)의 후연부(48)에서 끝나도록 경사져 있다. 이러한 홈의 방위는 블레이드의 오목한 측면으로부터 볼록한 측면까지 완전히 연장된 홈보다 블레이드의 고유진동수에 상당히 적은 영향을 미치며, 그것에 의해 에어포일의 기계적 진동 응력을 증가시킬 가능성을 더욱 감소시킨다.

변형 실시예에 있어서, 홈(46)은 다수의 형상중 임의의 형상을 취할 수 있고, 그에 따라 홈의 단면은 원형, 타원형, 정방형, 장방형 또는 홈이 둘 이상의 평면에 의해 규정되는 다각형(그것에 한정되지는 않음)일 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 홈의 형상은 타원형 단면을 갖는다. 도 9에 도시된 바와 같은 가장 바람직한 실시예에 있어서, 타원형 홈(46)은 높이 5.6 인치의 에어포일(40)을 기초로 0.237 인치의 주 치수(62)와 0.160 인치의 부 치수(64)를 갖는다. 본 실시예에서 홈(46)으로부터 블레이드 플랫폼(38)의 상부(39)까지의 바람직한 반경방향 거리(66)는 0.085 인치이며, 깊이(68)는 1.050 인치이다. 홈(46)의 깊이(68)는 응용예의 상세에 따라 정해지고, 홈과 에어포일 후연부측(48) 사이의 부하의 분포를 제어한다. 깊이(68)를 증가시킬수록 후연부의 응력은 감소하고 반대로 홈의 응력은 증가한다.

본 발명의 바람직한 형태를 설명하였지만, 당업자들은 하기의 청구범위에 의해 서술되는 본 발명의 개념의 범위 내에서 그것을 변형시킬 수 있을 것이다.

본 발명은 에어포일의 루트 후연부의 기계적 및 열응력을 감소시키며 피로 수명이 향상된다.

Claims (8)

1. 응력선(70)을 포함하는 가스 터빈 블레이드(30)로서, 블레이드 후연부측(48)과, 블레이드의 볼록한 측면(54)과, 블레이드의 오목한 측면(50)과, 블레이드 전연부측(52)을 구비하는 블레이드 플랫폼(38)과,

   상기 블레이드 플랫폼(38)에 결합된 블레이드 윤곽부(40)와,

   상기 블레이드 플랫폼(38)의 상기 블레이드 후연부측(48)에 형성된 홈(46)을 포함하며,

   상기 홈(46)은 상기 블레이드의 오목한 측면(50)에서 시작하고 상기 블레이드 후연부(43)에서 끝나는 가스 터빈 블레이드에 있어서,

   상기 홈(46)은 적어도 상기 응력선(70)까지 연장되는 깊이(68)를 가지며, 상기 홈(46)의 단부는 실질적으로 대칭인 원형 단면을 갖는

   가스 터빈 블레이드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 홈(46)은 상기 블레이드 윤곽부의 후연부(43)의 평균 캠버 선(60)에 대해 소정의 각도를 갖는

   가스 터빈 블레이드.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 각도는 90°인

   가스 터빈 블레이드.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 홈(46)은 블레이드 부하에 의해 형성되는 응력 선내로 진입하는 깊이(68)를 갖는

   가스 터빈 블레이드.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 홈(46)은 실질적으로 타원형 단면을 갖는

   가스 터빈 블레이드.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 홈(46)은 타원형 단면을 가지며, 상기 블레이드 윤곽부(40)의 후연부의 평균 캠버선(60)에 대해 90°의 각도로 상기 블레이드의 오목한 측면(50)으로부터 상기 블레이드의 후연부(43)까지 연장되는

   가스 터빈 블레이드.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 홈(46)은 블레이드 부하에 의해 형성된 응력 선 내로 진입하는 깊이(68)를 갖는

   가스 터빈 블레이드.

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