KR101188494B1 - 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크 및 압축기용 디스크로터 - Google Patents

가스 터빈용 디스크 로터의 디스크 및 압축기용 디스크로터 Download PDF

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Abstract

가스 터빈용 디스크 로터의 디스크는 중앙부(22), 중간부(24), 외측부(28), 일련의 타이 로드용 일련의 축방향 관통 구멍(27) 및 대응하는 일련의 베인을 수용하는 일련의 슬롯(50)을 포함하며, 중앙부(22)는 중앙의 축방향 관통 구멍(23), 제 1 단부에 위치된 제 1 칼라(30) 및 중앙부(22)의 제 2 단부에 위치된 제 2 칼라(40)를 구비한다. 일련의 구멍(27)은 로터의 높은 역학적 특성과 함께 충분한 유효 수명을 얻도록 디스크의 외측부(28) 내에 위치 설정된다.

Description

가스 터빈용 디스크 로터의 디스크 및 압축기용 디스크 로터{DISK OF A DISK ROTOR FOR A GAS TURBINE}
본 발명은 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크, 특히 가스 터빈의 축류 압축기(axial compressor)용 디스크 로터의 디스크에 관한 것이다.
현재의 가스 터빈에 사용되는 디스크 로터의 회전역학적 안정성(rotodynamic stability)으로 인해 휨 및 비틀림 관성 특성(flexural and torsional inertia characteristics)에 대해 엄격히 제한되는 구조체가 요구된다.
공학 설계에서의 어려움 중 하나는 높은 동역학적 특성(dynamic charateristics), 특히 휨 및 비틀림 관성에 대한 요구와 높은 피로 응력 사이클(stress cycles)에 견딜 수 있는 강한 구조체에 대한 요구를 조정하는 것이다.
이유는 로터는 일련의 타이 로드(tie rod)에 의해 축방향으로 구속되는 일련의 디스크로 이루어지며, 일련의 타이 로드는 그들의 구조체가 응력을 회피하도록 최대 응력 영역에서 먼 일련의 구멍 내에 삽입된다.
이들 영역은 각각의 디스크의 구조체를 격렬하게 진동시키는 각각의 일련의 베인을 수용하기 위한 일련의 슬롯이 있는 외측 형상부에 의해 구성된다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 휨 및 비틀림 관성과 같은 디스크 로터의 높은 역학적 특성을 허용하는 동시에, 디스크 로터 자체의 충분한 유효 수명(useful life)을 가능하게 하도록 강하고 안정된 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크를 제공하는 것이다.
다른 목적은 높은 안전 수준과 함께 디스크 로터 자체의 충분한 유효 수명을 허용하는 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크를 제공하는 것이다.
다른 목적은 감소된 응력 집중 레벨(stress concentration level)을 갖는 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 강하고 신뢰성 있는 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이들 목적은 청구항 1에 기재한 바와 같은 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크를 제공함으로써 성취된다.
본 발명의 다른 특성은 종속항에 특정되어 있다.
본 발명에 따른 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크의 특성 및 이점은 개략적인 도면을 참조하여 하기의 예시적이고 비제한적인 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 터빈용 디스크 로터의 일련의 디스크의 바람직 한 실시예의 우측면도,
도 2는 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 도 1의 단면도,
도 3은 도 2의 상세도,
도 4는 도 2의 상세도,
도 5는 도 1의 디스크의 상부로부터 본 도면,
도 6은 Ⅵ-Ⅵ선에 따른 도 1의 단면도,
도 7은 Ⅶ-Ⅶ선에 따른 도 5의 단면도,
도 8은 Ⅷ-Ⅷ선에 따른 도 7의 단면도.
도면을 참조하면, 가스 터빈, 특히 축류 압축기용 디스크 로터의 디스크(20)가 도시되어 있으며, 상기 디스크 로터는 일련의 타이 로드에 의하여 축방향으로 구속되는 일련의 디스크(20) 및 일련의 디스크(20)의 각각을 위한 일련의 베인을 포함한다.
상기 디스크(20)는 중앙부(22), 중간부(24) 및 외측부(28)를 갖는다.
외측부(28)는 실질적으로 절두원추형이고, 기부 표면(31) 및 외측 형상 표면(29)을 구비한다.
디스크(20)의 외측부(28)는 단일 세트의 디스크(20)를 형성하도록 각각의 일련의 타이 로드용 일련의 축방향 관통 구멍(27)(바람직하게는 원형)을 포함한다.
일련의 구멍(27)은 외측부(28)의 기부 표면(31) 상에 위치된다.
또한, 일련의 구멍(27)은 기부 표면(31) 상에 놓인 디스크의 축과 동축인 원주(61)를 따라 서로로부터 동일한 거리에 위치 설정된다.
일련의 구멍(27)이 외측부(28) 내에 있기 때문에 높은 동역학적 특성을 갖는 디스크가 얻어진다.
상기 디스크는 각각의 일련의 베인을 수용하기 위한 일련의 슬롯(50)을 포함하며, 일련의 슬롯(50)은 외측부(28)의 외측 표면(29)을 따라 동일 거리로 위치 설정된다.
중앙부(22)는 중앙 축방향 관통 구멍(23)과, 중앙부(22)의 제 1 단부에 제 1 기부 칼라(30)와, 중앙부(22)의 제 2 단부에 제 2 기부 칼라(40)를 갖는다.
제 1 기부 칼라(30) 및 제 2 기부 칼라(40)는 고정밀도로 일련의 디스크(20)를 축방향으로 중심 설정하는 수형 커플링 및 암형 커플링을 각각 구비한다.
상기 수형 커플링 및 암형 커플링은 적어도 2개의 디스크(20)를 간섭에 의해 강제하는 동시에 그들의 중심 설정을 가능하게 한다.
제 1 기부 칼라(30)는 기부 표면(32)과, 보다 큰 직경을 갖는 외측 표면(34)과, 구멍(23)과 동일한 직경을 갖는 내측 표면을 구비한 실질적으로 실린더이다.
중간부(24)는 제 1 기부 표면(25)과, 조인트에 의해 제 3 외측부(28)에 연결된 제 2 기부 표면(26)을 포함한다.
기부 표면(32)은 베벨(bevel)(38)에 의해 외측 표면(34)에 연결되고, 또한 외측 표면(34)은 릴리프(relief)(36)에 의해 중간부(24)의 제 1 기부 표면(25)에 연결되는 것이 바람직하다.
제 2 칼라(40)는 중앙부(22)의 제 2 단부에 대응하여 또 다른 디스크(20)의 수형 커플링 각각을 위한 암형 커플링으로서 작동하는 중앙 구멍(23)에 대해 확대된 원통형 섹션을 갖는 실질적으로 원통형 링이다.
제 2 칼라(40)는 제 1 내측 기부 표면(42)과 내측 표면(44) 및 외측 기부 표면(45)과 외측 표면(47)을 포함한다.
제 1 내측 기부 표면(42)은 릴리프(46)에 의해 내측 표면(44)에 연결되고, 또한 내측 표면(44)은 베벨에 의해 제 2 외측 기부 표면(45)에 연결되는 것이 바람직하다.
제 1 내측 기부 표면(42)은 내측 표면(44)과 함께 릴리프(46)와 베벨(48) 및 제 2 칼라(40)의 확대된 원통형 섹션을 형성한다.
내측 표면(44)은 또 다른 디스크(20)의 부분(30)의 외측 표면(34) 각각과 간섭에 의해 결합되어, 하나의 디스크를 다른 디스크에 삽입함으로써 제 1 칼라(30)의 기부 표면(32)을 제 2 칼라(40)의 제 1 내측 기부 표면(42)과 결합할 수 있다.
이로써, 일련의 디스크(20)의 모든 디스크를 결합가능하여, 일련의 디스크(20)의 축방향 중심 설정을 고정밀도로 얻고, 이러한 타입의 수형/암형 커플링이 존재하지 않는 경우에 대해 그리고 베벨(34, 44) 및 릴리프(36, 46)의 존재로 인해 보다 양호한 관성 특성을 형성하는 극도의 중심을 유지한다.
외측 표면(47)은 조인트에 의해 중간부(24)의 제 2 기부 표면(26)에 또한 제 2 외측 기부 표면(45)에 연결된다. 외측부(28)가 큰 응력을 받기 때문에, 터빈의 작동시에 베인에 의해 야기된 기계적 및 열적 응력이 강해지지 않도록 일련의 구멍(27)을 위치 설정하는 것이 중요하다.
디스크(20)는 일련의 베인용 일련의 슬롯(50)의 슬롯 총 개수와 동일한 일련의 구멍(27)의 구멍 총 개수를 갖는 것이 바람직하다.
다수의 시험 및 분석이 행해졌으며, 이는 구멍에 대한 베인의 상대 위치가 극도로 중요하다는 것을 밝혔다.
일련의 구멍(27)은 각각 축방향 관통 구멍으로서, 디스크(20)의 축에 평행한 반면, 슬롯(50)은 2가지 방향, 즉 축방향 및 수직방향으로 디스크 자체의 축에 대해 경사져 있다.
지점(80)은 일련의 베인 중 디스크(20) 상에 관련 베인을 중심 설정하기 위한 기준으로서, 각각의 슬롯에 대해 규정된다.
지점(80)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 표면(29)의 연장선(슬롯(50)의 개구측의 점선)과 디스크(20)의 중간 측단면에서 슬롯(50)의 축(82)의 교차점에 의해 얻어진다.
도 1을 참조하면, 구멍(27)의 중심과 인접한 슬롯의 지점(80)의 위치 사이의 각도 기준을 나타내는 각도(83)를 관찰하는 것이 가능하다.
각도(83)는 2° 내지 10°, 바람직하게는 4° 내지 8°의 범위를 갖는다.
도 7을 참조하면, 이러한 방식으로 구멍에 대해 슬롯을 위치 설정함으로써, 충분히 저항력이 있는 섹션이 얻어져서, 반복 응력(cyclic stress)에 대한 양호한 저항성 및 결과적으로 구성요소의 충분한 유효 수명이 가능함을 알 수 있다.
이와 동시에, 바람직하게 원주(61)의 직경을 디스크(20)의 직경에 근접하게, 즉 도 1에 도시된 바와 같이 디스크(20)의 직경보다 작게 그리고 중간부(24)의 직경보다 더 큰 범위로 하면서, 디스크(20)의 외측부(28) 내에 일련의 구멍(27)의 위치를 설정하기 때문에, 로터의 높은 휨 및 비틀림 관성 특징이 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 따른 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크가 상술한 목적을 성취함을 알 수 있다.
본 발명의 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크에 다수의 변경 및 변형예가 적용될 수 있으며, 발명의 개념에 모두 포함된다.
또한, 실제로 그들의 치수 및 구성요소로서 사용되는 재료는 기술적 요구에 따라 변경될 수 있다.

Claims (10)

  1. 가스 터빈용 디스크 로터의 디스크에 있어서,
    중앙 축 관통 구멍을 구비하는 중앙부로서, 상기 중앙부의 제 1 단부에 제 1 칼라가 위치되며 상기 중앙부의 제 2 단부에 제 2 칼라가 위치되는, 중앙부와,
    상기 중앙부 둘레에 배치되는 중간부와,
    상기 중간부 둘레에 배치되는 외측부로서, 일련의 타이 로드를 수용하도록 구성된 일련의 축방향 관통 구멍과, 대응하는 일련의 베인을 수용하도록 구성된 일련의 슬롯을 구비하는, 상기 외측부를 포함하고,
    상기 일련의 축방향 관통 구멍은 로터의 높은 동역학적 특성 및 동시에 로터의 충분한 유효 수명을 얻도록 상기 디스크의 상기 외측부에 위치 설정되고,
    상기 슬롯 각각은 대응하는 베인을 배치하기 위한 기준 지점을 갖고, 슬롯의 기준 지점과 상기 일련의 구멍 중 가장 가까운 구멍의 중심 점 사이의 각도는 2° 내지 10° 이고, 상기 기준 지점은 (i) 상기 디스크의 중간 측단면에서 슬롯의 중앙 축과 (ii) 외측부의 표면의 연장선과의 교차점에 의해서 정의되고, 슬롯의 상기 축은 상기 디스크의 축방향으로부터 반경 방향이고, 상기 중심 점은 상기 중앙 축 관통 구멍으로부터 상기 디스크의 측단면에서 가장 인접한 구멍의 중심을 통과하여 연장하는 반경 방향 선에 의해서 정의되는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일련의 구멍은 상기 외측부의 기부 표면 상에 위치된 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 일련의 구멍들은 상기 기부 표면 상에 놓이는 원주를 따라 서로로부터 동일한 거리에 위치 설정되며, 상기 원주는 상기 디스크의 축 방향과 동축인 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 칼라는 베벨(bevel)과 릴리프(relief)를 포함하고,
    상기 제 2 칼라는 베벨과 릴리프를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크는 상기 일련의 베인용 일련의 슬롯의 총 개수와 동일한 상기 일련의 구멍의 개수를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도(83)는 4° 내지 8°의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 원주의 직경은 상기 디스크의 직경보다 작고 상기 중간부의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는
    가스 터빈용 디스크 로터의 디스크.
  9. 압축기용 디스크 로터에 있어서,
    제 1 항에 따른 일련의 디스크와,
    일련의 타이 로드와,
    일련의 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축기용 디스크 로터.
  10. 삭제
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