KR101369067B1 - 터보 기계의 터빈 로터 주위에 링 섹터를 부착하는 장치 - Google Patents

터보 기계의 터빈 로터 주위에 링 섹터를 부착하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터보 기계에서 터빈 로터(18) 주위에 링 섹터(20)를 부착하는 장치에 관한 것으로, 각각의 링 섹터의 상류측 단부에는 환형 잠금 부재(50)에 의해 환형 케이싱 레일(48) 상에서 유지될 수 있는 원주 림(44)이 마련되어 있고, 그 하류측 단부에는 레일(48)이 크게 마모된 경우 잠금 부재(50)로부터 링 섹터(20)의 상류측 원주 림(44)이 이탈되는 것을 방지하도록 터빈의 고정 요소(38)에 대하여 축방향으로 압박될 수 있는 압박부(70)가 마련되어 있다.

Description

터보 기계의 터빈 로터 주위에 링 섹터를 부착하는 장치{A DEVICE FOR ATTACHING RING SECTORS AROUND A TURBINE ROTOR OF A TURBOMACHINE}
도 1은 선행 기술에 따른 링 섹터 부착 장치의 개략적인 축방향 부분 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 링 섹터 부착 장치의 개략적인 축방향 부분 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 터빈
12, 13 : 가이드 베인 요소
16 : 케이싱
18 : 로터
20 : 링 섹터
본 발명은 특히 항공기의 터보 제트 또는 터보 프로펠러 등과 같은 터빈 기계에서 터빈 로터 주위에 링 섹터를 부착하는 장치에 관한 것이다.
터보 기계의 터빈은 각각 터빈의 케이싱에 의하여 지지된 고정 블레이드의 환형 어레이로 형성된 가이드 베인 요소(guide vane element)와, 터빈의 케이싱에 원주 방향으로 단대단(end-to-end) 부착된 링 섹터로 형성되며 원통형 또는 절두 원뿔형인 엔벨로프 안에서 상기 가이드 베인 요소의 하류에 회전 장착되는 로터를 구비하는 복수의 단을 구비한다.
링 섹터는 그 상류측 단부에 원주 림을 구비하는데, 이 원주 림은 환형 케이싱 레일의 반경방향 내부 환형 홈에 작은 축방향 공극을 갖는 상태로 맞물리고, 링 섹터의 원주 림 및 케이싱 레일 상에 상류측으로부터 축방향으로 맞물리는 C형 단면의 환형 잠금 부재에 의하여 상기 홈에 반경방향으로 유지된다. 이들 섹터는 그 원주 림이 레일 홈 각각의 상류측 면 및 하류측 면에 접함으로써 축방향으로 유지된다.
링 섹터의 림은 잠금 부재 및 케이싱 레일에 비하여 덜 휘어져 있다. 즉, 링 섹터의 림은 케이싱 레일 및 잠금 부재의 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 가지므로, 레일 홈의 바닥과 잠금 부재 사이에 링 섹터의 림을 일정한 반경방향 프리스트레스(prestress)를 갖도록 장착하여 홈에서 링 섹터 림의 축방향 이동을 제한할 수 있다.
작동시 케이싱 및 링 섹터의 열팽창 차이는, 케이싱 레일 및 링 섹터 림 사이의 점 접촉 구역에서 인가되는 이러한 반경방향 프리스트레스의 증가를 초래한다. 그러나, 이러한 프리스트레스는 상기 접촉 구역에 있어서 케이싱 및 링 섹터 림의 마모에 의하여 시간에 따라 점차로 소실된다. 반경방향 프리스트레스가 제로일 경우, 링 섹터의 림은 케이싱 홈에서 축방향 이동하여, 케이싱 홈의 상류측 면 및 하류측 면과의 마찰에 의해 마모될 수 있다.
이러한 마모가 소정 값을 초과할 경우, 링 섹터의 림은 홈에서 하류측으로 이동함으로써 잠금 부재로부터 이탈되며, 그 결과 링 섹터가 터빈 축을 향해 기울어지고, 링 섹터와 터빈 로터 사이에 접촉이 일어나서, 링 섹터 및 로터의 파손을 초래할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제에 대하여 간단하고 효율적이며 경제적인 해결 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은 터보 기계에서 터빈 로터 주위에 링 섹터를 부착하는 장치로서, 각각의 링 섹터는 내측면에 부착된 마모성 재료의 블록을 지지하는 절두 원뿔형 벽을 구비하며, 그 상류측 단부에 원주 림을 구비하는데, 이 원주 림은 환형 케이싱 레일의 반경방향 내부 환형 홈에 맞물리고, 링 섹터의 원주 림 및 케이싱 레일 상에 상류측으로부터 축방향으로 맞물리는 C형 단면의 환형 잠금 부재에 의하여 상기 홈에 반경방향으로 유지되는 것이다. 각각의 링 섹터는 그 하류측 단부에 링 섹터의 마모성 재료 블록 및 절두 원뿔형 벽에 끼워져 부착되는 부분을 구비하는데, 이 부분은 벽의 상류측 림이 잠금 부재로부터 이탈되는 것을 방지하도록 터빈의 고정 요소에 대하여 축방향으로 압박될 수 있는 것이며, 이 압박부 및 고정 요소 사이의 축방향 공극은 벽의 상류측 림이 잠금 부재 상에서 지지되는 면의 축방향 길이보다 작다.
본 발명에 따르면, 각각의 링 섹터의 하류측 단부에 마련된 압박부는, 링 섹터의 상류측 림이 케이싱 레일의 홈에서 후퇴하는 가능성을 제한하여, 이 림이 잠금 부재로부터 이탈하는 것을 방지한다.
케이싱 레일의 마모가 큰 경우에도, 링 섹터는 상류측에서는 케이싱 레일의 대응 면에서 압박되는 상류측 림에 의하여, 그리고 하류측에서는 고정 요소에서 압박되는 압박부에 의하여 축방향으로 유지된다.
압박부는 고정 요소 상에서 반경방향으로 압박될 수 있는 수단을 구비하는 것이 유리하다.
따라서, 각각의 링 섹터는 고정 요소에서 축방향 및 반경방향으로 유지된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 압박부는 용접 또는 납땜에 의하여 벽의 하류측 단부 및 마모성 재료 블록에 부착된다.
경제적인 관점에서, 상기 압박부는 링 섹터 상에 있는 것이 유리한데, 이는 링 섹터의 제조용 몰드를 변경할 필요가 없기 때문이다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 케이싱 레일의 마모와 무관하게 링 섹터를 케이싱 레일에 연결시킬 수 있다.
압박부 및 고정 요소 사이의 축방향 공극은, 잠금 부재 상에 있어서 링 섹터의 상류측 림에 대한 지지면의 축방향 길이보다 작다. 이로써, 링 섹터의 최대 후퇴 위치는 고정 요소 상에 있어서 압박부의 축방향 압박에 의하여 정해질 수 있다. 압박부 및 고정 요소 사이의 축방향 공극은 예컨대 약 0.3 내지 1.2 mm이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 압박부는 F형 단면을 갖고, 하류 방향으로 연장되는 원통형 부분에 2개의 림을 구비하는데, 이들 림 중 하나는 링 섹터의 벽 의 반경방향 내측면에 부착되고, 다른 하나는 고정 요소의 원통형 림의 반경방향 외측면에 반경방향으로 압박될 수 있다.
터보 기계의 고정 요소는 링 섹터의 하류측에 위치하는 터빈의 가이드 베인 요소로 구성되는 것이 유리하다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 장치를 적어도 하나 구비하는, 항공기의 터보 제트 또는 터보 프로펠러와 같은 터보 기계 및 터보 기계의 터빈에 관한 것이다.
끝으로, 본 발명은, 내측면에 부착된 마모성 재료의 블록을 지지하는 절두 원뿔형 벽을 구비하며, 그 상류측 단부에 케이싱에 대한 연결용 림을 구비하는 터보 기계 터빈용 링 섹터에 관한 것으로, 이 링 섹터는 그 하류측 단부에 링 섹터의 마모성 재료 블록 및 절두 원뿔형 벽에 끼워져 부착되는 축방향 및 반경방향 압박부를 구비한다.
압박부는 링 섹터의 벽의 하류측 단부 및 마모성 재료 블록에 용접 또는 납땜으로 부착되는 것이 바람직하다.
첨부 도면을 참조로 하여 비제한적 예로서 주어진 이하의 상세한 설명을 읽으면, 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 본 발명의 다른 특징, 상세 사항 및 이점이 더 명백히 드러날 것이다.
도 1에 부분적으로 도시된 터빈(10)은 복수 개의 단을 구비하며, 이들 단은 각각 터빈의 케이싱(16)에 의해 지지된 고정 블레이드(14)의 환형 어레이로 형성된 가이드 베인 요소(12, 13)와, 상기 가이드 베인 요소(12, 13)의 하류측에 장착되는 로터(18)를 구비하는데, 이 로터는 터빈의 케이싱(16)에 의하여 원주 방향으로 단대단 지지되는 링 섹터(20)로 형성되며 실질적으로 절두 원뿔형인 엔벨로프 안에서 회전하는 것이다.
가이드 베인 요소(12, 13)는 각각 외부 회전벽(22) 및 내부 회전벽(도시 생략)을 구비하는데, 이들 회전벽은 그 사이에 터빈내 가스 유동의 환형 흐름을 한정하고, 그 사이에 블레이드(14)가 반경방향으로 연장되어 있다. 가이드 베인 요소의 부착 수단은 상류 방향으로 배향되어 있는 외부 원통형 림(24)을 적어도 하나 구비하는데, 이들 림은 하류 방향으로 배향된 케이싱(16)의 환형 홈(26)에 맞물린다.
로터(18)는 터빈 샤프트(도시 생략)에 의해 지지된다. 로터는 각각 외부 링(28) 및 내부 링(도시 생략)을 구비하며, 각 로터의 외부 링(28)은 외부 환형 리브(30)를 구비하며 링 섹터(20)가 약간의 공극을 두고 외부를 둘러싸고 있다.
각각의 링 섹터(20)는 절두 원뿔형 벽(32)과, 상기 벽(32)의 반경방향 내측면에 용접 및/또는 납땜에 의하여 부착된 마모성 재료 블록(34)을 구비하는데, 상기 블록(34)은 허니컴 타입의 것이며, 링 섹터(20)와 로터 사이의 반경방향 공극을 최소화하도록 로터의 리브(30) 상에서 마찰에 의하여 마모된다.
링 섹터(20)의 하류측 단부는, 한편으로는 링 섹터의 하류에 위치하는 가이드 베인 요소(13)의 외벽(22)에 있어서 상류 방향으로 배향된 원통형 림(38)에 의해, 다른 한편으로는 가이드 베인 요소가 연결되어 있는 케이싱의 원통형 림(39)에 의해 한정되는 환형 공간(36)에, 상류측으로부터 맞물린다.
링 섹터(20)는 그 하류측 단부에서, 그 벽(32)의 반경방향 외향 압박에 의해 케이싱의 림(39)의 반경방향 내측 원통형 표면에 유지되고, 그리고 그 마모성 재료 블록(34)의 반경방향 내향 압박에 의해 가이드 베인 요소의 원통형 림(38)의 반경방향 외측 원통형 표면에 유지된다.
링 섹터의 벽(32)은 각각 그 하류측 단부에, 축방향에 있어서 하류 방향으로 연장되고 하류측 가이드 베인 요소(13)의 대응 공동(42)에 맞물려서 링 섹터(20)가 터빈의 축을 중심으로 회전하는 것을 방지하도록 되어 있는 러그(40)를 구비한다.
또한, 링 섹터(20)의 절두 원뿔형 벽(32)은 그 상류측 단부에 상류 방향으로 배향된 원통형 원주 림(44)을 구비하는데, 이 원통형 림은 케이싱(16)의 환형 레일(48)의 반경방향 내측 환형 홈에 약간의 축방향 공극을 두고 맞물리는 것이다. 이들 원주 림(44)은 잠금 부재(50)에 의해 상기 홈에 반경방향으로 유지되는데, 이 잠금 부재는 링 섹터의 상류측 원주 림(44)과 케이싱의 환형 레일(48)에 상류측으로부터 맞물리며 C형 단면의 분할 링으로 형성되는 것이다.
잠금 부재(50)는 각각 하류 방향으로 연장되는 반경방향 외측 및 반경방향 내측의 2개의 원통형 분기부(52 및 54)를 구비하는데, 이들 분기부는 상류측 단부에서 반경방향 벽(56)에 의해 서로 연결되어 있고, 각각 링 섹터(20)의 원주 림(44) 및 레일(48)의 반경방향 외측 원통형 표면에 대해 압박된다.
도시된 예에서, 잠금 부재(50)는, 링 섹터(20)의 상류에 위치하는 가이드 베인 요소(12) 외벽(22)의 반경방향 환형 림(58)에서 반경방향 벽(56)이 축방향으로 압박됨으로써, 축방향에 있어서 상류 방향으로 이동하는 것이 방지된다.
레일(48) 및 잠금 부재(50)의 곡률 반경은 링 섹터(20)의 원주 림(44)의 곡률 반경보다 작으며, 그 결과 레일의 홈(46) 안에 링 섹터의 원주 림(44)을 소정의 반경방향 프리스트레스를 갖도록 장착할 수 있어, 이들 링 섹터는 각각 잠금 부재의 반경방향 내측 분기부(54) 및 홈의 바닥에서 국부적으로 압박된다.
작동시, 링 섹터(20)의 원주 림(44)은 축방향으로 진동하며, 레일 홈(46)의 상류측 면 및 하류측 면과의 마찰에 의해 마모된다.
홈(46)의 하류측 면이 [점선(60)으로 도시된 바와 같이] 심하게 마모된 경우, 원주 림(44)은 잠금 부재의 반경방향 내측 분기부(54) 상에서 활주하여 하류 방향으로 이동할 수 있고, 잠금 부재로부터 이탈될 수 있으며, 그 결과 특히 로터(18)의 환형 리브(30)와 접촉하게 되는 링 섹터의 마모성 재료 블록(34)의 파손을 야기할 수 있다.
이러한 문제에 대한 간단한 해결책을, 본 발명은 각각의 링 섹터의 하류측 단부에 끼워져 부착되는 압박부를 통하여 제공할 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서, 압박부(70)는 F형 단면을 가지며, 하류 방향으로 배향된 원통형 부분에 2개의 림(72 및 74)을 구비하고, 반경방향 외측 및 반경방향 내측에 각각 위치하는 상기 림은 반경방향 벽(76)에 의해 그 상류측 단부에서 서로 연결된다.
외측 림(72)의 반경방향 외측면은 링 섹터 벽(32)의 반경방향 내측면의 하류측 단부에 용접 또는 납땜으로 압박 및 부착되며, 반경방향 벽(76)은 링 섹터(20)의 마모성 재료 블록(34)의 반경방향 면에 용접 또는 납땜으로 압박 및 부착된다.
각각의 링 섹터는 그 하류측 단부에서, 압박부(70)의 내측 림(74)의 반경방향 압박에 의해 하류측 가이드 베인 요소의 원통형 림(38) 상에, 그리고 벽(32)의 반경방향 압박에 의해 케이싱(16)의 원통형 림(39)의 반경방향 내측면 상에 반경방향으로 유지된다.
도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 링 섹터의 상류측 단부는 축방향으로 유지되며, 링 섹터의 하류측 단부는 상기 압박부의 반경방향 벽(76)이 축방향에 있어서 하류 방향으로 압박됨으로써, 하류측 가이드 베인 요소(13)의 원통형 림(38)의 상류측 단부 상에 축방향으로 유지된다.
레일 홈(46)의 하류측 면의 마모가 큰 경우, 압박부(70)의 반경방향 벽(76)이 가이드 베인 요소의 원통형 림(38) 상에 축방향으로 압박되어 링 섹터의 원주 림(44)의 후퇴 가능성을 제한함으로써 이들 링 섹터의 원주 림(44)이 잠금 부재(50)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위하여, 압박부(70)의 반경방향 벽(76)은 링 섹터의 원주 림(44)이 잠금 부재(50) 상에서 압박되는 축방향 길이(80)보다 짧은 축방향 공극(78)을 두고 가이드 베인 요소(13)의 원통형 림(38)으로부터 분리되어 있다. 이러한 축방향 공극은 예컨대 약 0.3 내지 1.2 mm의 범위 내의 값이다.
또한, 케이싱 레일(48)이 마모되지 않거나 약간 마모된 경우에, 링 섹터(20)는 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 즉 각각 레일 홈(46)의 상류측 면 및 하류측 면에서 링 섹터의 원주 림(44)이 축방향으로 압박됨으로써, 케이싱(16)에서 축방향으로 유지된다.
홈에 있어서 상류 방향으로 배향된 면이 [점선(82)으로 도시된 바와 같이] 심하게 마모되거나 완전히 소실된 경우에는, 압박부(70)의 반경방향 벽(76)이 하류측 가이드 베인 요소의 원통형 림(38) 상에서 축방향으로 압박됨으로써, 링 섹터(20)가 축방향에 있어서 하류 방향으로 유지된다.
압박부(70)는 선행 기술의 기존의 링 섹터의 하류측 단부에 끼워져 부착될 수 있다. 이를 위해서는, 링 섹터의 마모성 재료 블록(34)의 하류측 단부를 제거하고, 그 대신 반경방향 및 축방향 압박부(70)를 용접 또는 납땜으로 부착하는 것으로 충분하다.
변형례에서, 압박부는 가이드 베인 요소의 상류측 림(38) 상에 축방향 압박 수단만을 구비하며, 링 섹터는 선행 기술의 경우와 같이 블록(34)이 상기 상류측 림 상에서 반경방향으로 압박됨으로써, 그 하류측 단부에서 반경방향 내측을 향해 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 각 링 섹터의 하류측 단부에 마련된 압박부가 케이싱 레일의 홈에서 링 섹터의 상류측 림이 후퇴하는 가능성을 제한하여, 케이싱 레일의 마모가 큰 경우에도, 링 섹터의 림이 잠금 부재로부터 이탈하는 것을 방지하고, 이러한 이탈로 야기되는 링 섹터 및 로터의 파손을 회피할 수 있다.

Claims (11)

  1. 터보 기계에서 터빈 로터 주위에 링 섹터(20)를 부착하는 장치이며,
    각각의 링 섹터(20)는, 내측면에 부착된 마모성 재료의 블록(34)을 지지하는 절두 원뿔형 벽(32)을 포함하고,
    환형 케이싱 레일(48)의 반경방향 내부 환형 홈에 맞물리고, 링 섹터의 원주 림 및 케이싱 레일 상에 상류측으로부터 축방향으로 맞물리는 C형 단면의 환형 잠금 부재(50)에 의해 상기 홈에 반경방향으로 유지되는, 원주 림(44)을 절두 원뿔형 벽의 상류측 단부에 포함하고,
    각각의 링 섹터(20)는, 링 섹터의 마모성 재료 블록 및 절두 원뿔형 벽(32)에 동시에 부착되는 압박부(70)를 링 섹터의 하류측 단부에 포함하며,
    상기 압박부는 벽의 상류측 원주 림(44)이 잠금 부재로부터 이탈되는 것을 방지하도록 터빈의 고정 요소에 대해 축방향으로 압박될 수 있고,
    압박부와 고정 요소 사이의 축방향 공극(78)의 길이는 잠금 부재(50)에 대한 벽(32)의 상류측 원주 림(44)의 지지면의 축방향 길이(80)보다 짧은 것인 링 섹터 부착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 압박부(70)는 고정 요소 상에서 반경방향으로 압박될 수 있는 수단을 구비하는 것인 링 섹터 부착 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압박부(70)는 벽(32)의 하류측 단부 및 마모성 재료 블록에 용접 또는 납땜으로 부착되는 것인 링 섹터 부착 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압박부(70)와 고정 요소 사이의 축방향 공극(78)은 0.3 내지 1.2 mm인 것인 링 섹터 부착 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압박부(70)는 F형 단면을 갖는 것인 링 섹터 부착 장치.
  6. 제5항에 있어서, 압박부(70)는 하류 방향으로 연장되는 원통 부분에 2개의 림(72, 74)을 포함하고, 이들 림 중 하나의 림(72)은 링 섹터(20)의 벽(32)의 반경방향 내측면에 부착되고, 이들 림 중 다른 하나의 림(74)은 고정 요소의 원통형 림(38)의 반경방향 외측면에 대해 반경방향으로 압박될 수 있는 것인 링 섹터 부착 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정 요소는 터빈의 가이드 베인 요소(13)의 일부를 형성하는 것인 링 섹터 부착 장치.
  8. 제1항 또는 제2항의 링 섹터 부착 장치를 적어도 하나 포함하는 항공기의 터보 제트 또는 터보 프로펠러와 같은 터보 기계.
  9. 터보 기계 터빈용 링 섹터(20)이며,
    내측면에 부착된 마모성 재료의 블록(34)을 지지하는 절두 원뿔형 벽(32)을 포함하고,
    케이싱(16)에 연결되는 원주 림(44)을 절두 원뿔형 벽의 상류측 단부에 포함하며,
    링 섹터의 마모성 재료 블록 및 절두 원뿔형 벽에 동시에 부착되는 축방향 및 반경방향으로 작용하는 압박부(70)를 링 섹터의 하류측 단부에 포함하는 것인 링 섹터.
  10. 제9항에 있어서, 압박부(70)는 링 섹터의 벽(32)의 하류측 단부 및 마모성 재료 블록에 용접 또는 납땜으로 부착되는 것인 링 섹터.
  11. 제1항 또는 제2항의 링 섹터 부착 장치를 적어도 하나 포함하는 터보 기계의 터빈.
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