KR101667827B1 - 블레이드를 축 방향으로 지지하기 위한 시스템을 갖춘 터빈휠 - Google Patents

블레이드를 축 방향으로 지지하기 위한 시스템을 갖춘 터빈휠 Download PDF

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Abstract

복수의 블레이드(20)들과, 그 원주에 장착된 블레이드들을 갖는 디스크(12)를 갖춘 회전자(10)를 구비하되, 각 블레이드가, 디스크의 원주 내로 개방되는 하우징(14)에 결합되면서 디스크의 대향하는 측면들 사이에 축 방향으로 연장하는 부착부재(26)를 갖는 플랫폼(24)에 고정된 기저부를 갖는 날개(22)를 갖추고, 하우징이 톱니(16)를 형성하는 디스크의 부위들에 의하여 서로 분리되도록 된 회전자(10), 및 디스크 상에 블레이드들을 보유지지하도록 되면서 디스크의 한쪽 측면에 대하여 위치된 축 방향 보유지지 플레이트(40)를 포함한다. 디스크의 다른쪽 측면에서 디스크의 톱니는, 반경 방향으로 돌출하는 돌출부(28)의 부위들을 갖추고 또 블레이드들의 플랫폼들 아래에 형성된 돌출부(28)의 부위들에 대하여 가압하는 접촉부를 형성하며, 디스크의 제2측면 옆에 위치된 부착부재들의 측면들에 대하여 저지되는 한편, 그 원주에서 블레이드들의 부착부재들 및 디스크의 측면들은 실질적으로 디스크의 각각의 한 쪽 상에서 동일한 평면에 위치된다.

Description

블레이드를 축 방향으로 지지하기 위한 시스템을 갖춘 터빈휠{A turbine wheel with a system for retaining blades axially}
본 발명은 일반적으로 가스터빈에서의 터빈휠에 관한 것으로, 특히 휠에 갖춰진 축 방향으로 보유지지하는 블레이드들에 관한 것이다. 본 발명의 적용분야는 특히 산업용 가스터빈 또는 가스터빈 항공기용 엔진 분야이다.
터빈휠에서, 디스크의 원주에 블레이드(blade)들이 장착되는바, 각 블레이드는, 디스크의 원주 내로 개방하고 또 디스크의 2개의 대향면 사이에 연장하는 슬롯 또는 하우징에 축 방향으로 결합되는 부착부재에 고정된 기저부(foot)의 날개(airfoil)를 갖는다.
블레이드들을 위한 축 방향 보유지지장치들은, 디스크에서 블레이드 부착부재(attachment member)의 접촉표면 부위들과 하우징들 사이에서 원심력에 의하여 발생되는 압력에도 불구하고 진동 또는 열효과에 기인하는 임의의 축 방향 이동을 방지하기 위하여 필요하다.
공지의 축 방향 보유지지장치들은, 회전자(rotor)에 의해 갖춰진 플레이트들을 이용하고, 또 블레이드 부착부재들의 상류(전방) 및 하류(후방) 측면에 대하여 가압한다.
국제특허문서 WO 99/50534 과 WO 99/30008로, 상류 측에서 블레이드들의 부착부재에 대하여 가압하는 하나의 플레이트를 사용하고, 또 하류 측에서 디스크에 형성된 연속적인 원주방향 접촉부(abutment)를 사용하고 또 하류 측에서 블레이드들의 플랫폼(platform)들 아래에 형성된 돌출부(relief)의 부위들에 대하여 가압하는 것이 또한 공지되어 있다. 전체 크기를 줄이기 위하여, 부착부재들의 길이(축 방향으로)는 하우징들의 길이보다 짧게 될 수 있고, 부착부재들의 하류 측면은 디스크의 하류 측면보다 후퇴된다. 그러나 블레이드의 날개의 후방에지(trailing edge)는 부착부재에 대하여 외팔보로 뻗고, 이 부재는 자체를 취약하게 하는 굽힘응력들을 받게 된다.
본 발명의 목적은, 블레이드들의 부착부재들에 과도한 하중을 유발하지않고 최소한의 전체 크기를 갖는 블레이드들을 축 방향으로 보유지지하기 위한 시스템을 구비하는 터빈휠을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈휠은:
복수의 블레이드들과;
대향하는 측면들을 갖추고 또 그 원주에 장착된 블레이드들을 갖는 디스크를 구비하되, 각 블레이드가, 대향하는 측면들을 갖는 부착부재를 갖춘 플랫폼에 고정되고 또 디스크의 원주 내로 개방되는 하우징에 결합된 기저부를 갖는 날개를 갖추고, 하우징이 톱니(teeth)를 형성하는 디스크의 부위들에 의하여 서로 분리되도록 된 회전자; 및
디스크 상에 블레이드들을 보유지지하도록 되되, 블레이드들이 보유지지 플레이트에 의하여 디스크의 상류 및 하류 측면들의 제1측면에 축 방향으로 보유지지되고 또 디스크의 원주로부터 반경 방향으로 돌출하고 또 블레이드들의 플랫폼들 아래에 형성된 돌출부에 대하여 가압되는 돌출부의 부위에 의하여 디스크의 다른 또는 제2측면에서 축 방향으로 보유지지되는 축 방향 보유지지장치;를 포함하고,
상기 터빈휠에서, 블레이드들의 부착부재들을 위한 하우징들이 디스크들의 대향하는 측면들 사이에서 전체 거리에 걸쳐 축 방향으로 연장하고, 또 디스크의 제2측면에서, 블레이드들은 디스크의 톱니 상에 형성된 돌출부의 부위에 대하여 축 방향으로 가압하는 블레이드들의 플랫폼들 아래에 형성된 돌출부의 부위들에 의하여 축 방향으로 보유지지가 되며, 축 방향 압력은 디스크의 제2측면에 위치된 부착부재들의 측면들에 대하여 저지되고, 또 그 원주에서 블레이드들의 부착부재들 및 디스크의 측면들은 디스크의 각각의 한 쪽 상에서 실질적으로 동일한 평면에 위치된다.
그래서, 유리하게, 축 방향 전체 크기가 최소화되고 또 각 날개의 베이스에서의 후방에지가 블레이드의 부착부재에 대하여 상당히 외팔보로 뻗을 필요가 없다.
바람직하기에는, 블레이드와 디스크의 대응하는 톱니 사이의 축 방향 압력이, 날개의 흡입 쪽과 또 날개의 기저부 아래에서 실질적으로 같은 높이에 적용된다.
바람직하기에는, 보유지지 플레이트는, 디스크의 톱니의 측면들 또는 블레이드들의 부착부재의 측면들에 축 방향 압력을 가한다. 보유지지 플레이트는 유리하게, 디스크의 톱니의 바닥부들 또는 블레이드들의 부착부재의 바닥부들에 대해서만 가압하기 위하여 한정된 반경 방향 치수를 갖는다.
축 방향 압력은 유리하게, 회전자와 인접한 고정자 사이의 반경 방향 틈새를 침범하지않고서 블레이드들과 회전자 사이에 제공 및 유지될 수 있다.
유리하게, 보유지지 플레이트는 그 원주에 추가적인 두께를 갖고서 외팔보 형태의 질량을 형성한다. 그리하여, 회전하는 동안에, 플레이트가 개방되고 또 플레이트로부터 압력손실이 유발되는 것을 회피하는 것이 가능하다.
보유지지 플레이트는, 디스크의 톱니의 측면들 또는 블레이드들의 부착부재들의 측면들에 미리 가해진 응력(prestress)으로 압력을 가할 수 있다.
보유지지 플레이트는 회전자에 장착될 수 있으면서, 보유지지 분할링에 의하여 축 방향으로 고정된다.
유리하게, 검사하고자 하는 보유지지 분할링을 시각적으로 위치시키는 것이 가능하도록, 검사창을 형성하는 적어도 하나의 개구부가 회전자에 형성된다.
본 발명은 본 발명에 따른 터빈휠을 포함하는 터보기계를 또한 제공한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여서 된 이하의 기재를 읽음으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에서 터빈휠의 부분적인 축 방향 반쪽 단면도이다.
도 2는, 도 1의 터빈휠의 블레이드의 사시도이다.
도 3과 4는, 블레이드들이 도 1의 터빈휠의 디스크에 어떻게 장착되는지를 나타내는 부분적인 사시도들이다.
도 5와 6은, 도 1의 터빈휠의 보유지지 플레이트의 2가지 실시예들의 개략적인 사시도들이다.
도 1은, 가스터빈에서 터빈 회전자(10), 예컨대 고압(HP)터빈 회전자를 나타낸다. 회전자(10)는 그 원주에 복수의 블레이드(20)를 갖춘 디스크(12)에 고정된다.
블레이드(20)(또한 도 2-4 참조)들의 각각은, 터빈을 통과하는 가스흐름을 위한 환상(annular) 통로(30)내에 연장하는 날개(22)를 포함하고, 이 통로는 블레이드들의 선단(tip)에 인접한 터빈링(도시 안 됨)에 의하여 외부에 형성된다.
각 블레이드(20)는, 이 블레이드를 디스크(20)에 연결하는 역할을 하는 부착부재(26: 또는 삽입부(tang))를 갖춘 플랫폼(24)에 고정된 자신의 기저부를 갖는다. 도시된 예에서, 부착부재는 전나무 형상의 프로파일을 갖는다. 블레이드들의 플랫폼(24)은 내부 쪽에 통로(30)를 형성한다.
부착부재(26)는, 디스크(10)의 원주로 개방되고 그 주위로 분배된 상보적인(complementary) 형태의 하우징(14: 또는 슬롯)에 축 방향으로 결합된다. 하우징(14)은, 디스크의 상류(또는 전방) 측면(12a)과 하류(또는 후방) 측면(12b)사이에 전체 거리에 걸쳐 축 방향으로 연장하고, 또 이들은 디스크의 톱니(16)에 의하여 서로 분리된다. 여기서, "상류" 및 "하류"란 용어들은 터빈을 매개하여 가스흐름의 유동방향에 대하여 사용된다.
하류에서, 블레이드(20)들은, 플랫폼(24)들의 바닥부들에 형성된 스터드 형태의 돌출부의 부위(28)들과 디스크의 톱니(16)의 하류 쪽으로부터 돌출하는 스터드 형태의 접촉부(abutment) 또는 정지부(18)들 사이에 가압식으로 접촉함으로써 축 방향으로 보유지지된다. 스터드 형태의 부위(28)들은 부착부재(26)들의 길이방향 측면들 중의 하나로부터 원주방향으로 연장하고 또 이들은 부착부재(26)들의 하류 측면들에 대하여 저지된다. 돌출부의 부위(28)들과 접촉부(18)들 사이의 접촉은, 날개들의 기저부 아래에서 날개(22)의 흡입 쪽들과 실질적으로 같은 높이에 유리하게 위치된다. 하나 이상의 돌출부의 부위(28)들, 예컨대 원주방향 정렬에서 돌출부의 2개 부위들은, 스터드 형태의 접촉부(18)에 대하여 가압되기 위하여 블레이드(20)의 플랫폼(24)의 바닥면에 형성될 수 있다. 마찬가지로, 블레이드(20)의 플랫폼(24)의 바닥면에 갖춰진 스터드 형태의 돌출부의 부위(28)는, 디스크의 대응하는 톱니, 예컨대 원주방향 정렬된 2개의 톱니(16)들에 형성된 복수의 접촉부(18)에 대하여 가압될 수 있다.
도 3과 4에 도시된 바와 같이, 부착부재(26)들은 하우징(14)을 따라 모두 연장하고, 또 부착부재들의 상류 및 하류 측면(26a, 26b)들은 디스크(12)의 원주에서 각각 상류 및 하류 측면(12a, 12b)들과 실질적으로 동일한 평면에 있다. 그래서, 날개(22)의 바닥 단부에서 후방에지(BF)들은, 블레이드들의 부착부재(26)들에 대하여 실질적으로 외팔보 형태로 되지않고, 부착부재(26)들 상에서 그 하류 쪽에 과부하가 발생하지 않는다.
상류에서, 블레이드의 축 방향 보유지지는 플레이트(40)에 의하여 얻어진다. 도 5의 실시예에서, 플레이트(40)들은, 디스크(12)의 상류 측면(12a)에 접촉하지 않고, 부착부재(26)들의 상류 측면(12a)에 대하여 돌출하고 또 측방향으로 가압하는 톱니(42)가 구비된다.
도 6의 실시예에서, 플레이트(40)는, 톱니(16)의 높이에서 디스크(12)의 상류 측면(12a)에 대하여 측방향으로 가압하는 연속적인 돌출하는 원주 림(rim: 46)을 갖는다. 플레이트(40)는, 회전자의 톱니(16)에 대하여 톱니(42)의 지지압력을 확보하기 위하여 축 방향의 미리 가해진 응력으로 장착될 수 있다. 자연적으로, 부착부재(26)들과 톱니(16)의 축 방향 치수들은, 상류 쪽에서, 부착부재(26)들이 그 톱니(16)의 높이에서 디스크(12)의 상류 측면(12a)의 평면으로부터 돌출하지 않도록 된다.
유리하게, 플레이트(40)는, 톱니(16) 또는 부착부재(26)들의 바닥부위들에 대하여만 가압하도록 된다. 플레이트(40)의 반경 방향 크기는 제한되고, 그리하여 터빈휠로부터 상류에 노즐의 베인(36)들을 갖춘 고정자(34)와 작동 중의 잠재적인 접촉을 회피할 수 있게 한다.
그리하여, 블레이드(20)들과 디스크(12) 사이의 축 방향 압력을 얻고 또 플레이트(40)에 의하여 이 압력을 유지하는 것은, 디스크와 상류 또는 하류에 인접한 고정자 사이의 임의의 축 방향 틈새를 침범하지 않게, 즉 상기의 축 방향 틈새의 크기를 결정하지 않게 된다.
또한, 유리하게, 보유지지 플레이트(40)는 그 원주에 추가적인 두께부(41)를 갖추고서, 톱니(16) 또는 부착부재(26)들에 대하여 가압하는 그 측면으로부터 벗어나는 외팔보 형태의 질량을 형성한다. 이는 회전에 의해 야기된 변형의 영향으로 톱니(16) 또는 부착부재(26)들에 대한 압력 손실로써, 플레이트 개구부의 원주부위를 피하게 된다.
도 1에 도시된 예에서, 축 방향 보유지지 플레이트(40)는 회전자(10) 상에 장착되면서, 회전자에 형성된 환상 홈(10a) 및 플레이트(40)의 내부면에 형성된 환상 홈(40a)에 결합된 분할링(44)에 의하여 축 방향으로 고정지지된다. 조립시, 분할링(44)은 홈(10a)에 위치하게 되고 또 홈 내부로 후퇴되어 플레이트(40)가 가압상태로 장착되도록 한다. 작동시, 원심력이 분할링(44)을 플레이트의 홈(40a)에 고정지지하여, 축 방향으로 이동하는 것을 방지한다.
검사창(10b)을 구성하는 하나 이상의 통로 또는 홈들이 회전자(10)에 반경 방향으로 유리하게 형성되어, 회전자의 반경 방향 측면(10c)에 첫 번째로 개방되고 또 홈(10a)에 두 번째로 개방된다. 선택적으로 내시경을 사용하지만, 검사창(10b)은 분할링(44)의 적절한 위치선정을 확인하는 역할을 한다.
회전자(10)상에서 축 방향 차단을 하면서 플레이트(40)를 장착하는 다른 방법, 예컨대 베이오넷(bayonet)장착이 채택될 수 있다.
블레이드들의 축 방향 보유지지 수단의 배열들은 반대로 될 수 있는바, 디스크의 톱니의 상류 측면들에 형성된 접촉부들이 블레이드들의 플랫폼들에 형성된 스터드들 및 하류 쪽에 위치된 보유지지 플레이트와 협동하도록 되고, 또 톱니의 하류 측면들 또는 블레이드들의 부착부재들에 대하여 압력을 가하도록 된다.

Claims (12)

  1. 복수의 블레이드(20)들과;
    대향하는 측면들을 갖추고 또 그 원주에 장착된 블레이드들을 갖는 디스크(12)를 구비하되, 각 블레이드가, 대향하는 측면들을 갖는 부착부재(26)를 갖춘 플랫폼(24)에 고정되고 또 디스크의 원주 내로 개방되는 하우징(14)에 결합된 기저부를 갖는 날개(22)를 갖추고, 하우징이 톱니(16)를 형성하는 디스크의 부위들에 의하여 서로 분리되도록 된 회전자(10); 및
    디스크 상에 블레이드들을 보유지지하도록 되되, 블레이드들이 보유지지 플레이트에 의하여 디스크의 상류 및 하류 측면들의 제1측면에 축 방향으로 보유지지되고 또 디스크의 원주로부터 반경 방향으로 돌출하고 또 블레이드들의 플랫폼들 아래에 형성된 돌출부(28)에 대하여 가압되는 돌출부의 부위에 의하여 디스크의 다른 또는 제2측면에서 축 방향으로 보유지지되는 축 방향 보유지지장치;를 포함한 터빈휠에 있어서,
    상기 블레이드들의 부착부재(26)들을 위한 하우징들이, 디스크(12)들의 대향하는 측면들 사이에서 전체 거리에 걸쳐 축 방향으로 연장하고, 또 디스크의 제2측면에서, 블레이드들은 디스크의 톱니(16) 상에 형성된 돌출부(18)의 부위에 대하여 축 방향으로 가압하는 블레이드들의 플랫폼들 아래에 형성된 돌출부(28)의 부위들에 의하여 축 방향으로 보유지지되며, 축 방향 압력은 디스크의 제2측면에 위치된 부착부재들의 측면들에 대하여 저지되고, 또 블레이드들의 부착부재(26)들 및 디스크(12)의 측면들은 그 원주에서 실질적으로 동일한 평면에 위치되고,
    보유지지 플레이트(40)는, 부착부재(26)들의 측면들에 대하여 축 방향 압력을 가하고,
    보유지지 플레이트(40)는, 디스크(12)의 상류 측면(12a)에 접촉하지 않고, 부착부재(26)들의 상류 측면(12a)에 대하여 돌출하고 또 측방향으로 가압하는 톱니(42)가 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈휠.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 축 방향 압력은, 회전자(10)와 인접한 고정자 사이의 반경 방향 틈새를 침범하지않고서 블레이드(20)들과 디스크(12) 사이에 제공되고 유지되는 것을 특징으로 하는 터빈휠.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보유지지 플레이트(40)는, 그 원주에 추가적인 두께부(41)를 갖고서 외팔보 형태의 질량을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈휠.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보유지지 플레이트(40)는, 보유지지 분할링(44)에 의하여 축 방향으로 이동하는 것이 방지됨으로써 회전자(10)에 장착되는 것을 특징으로 하는 터빈휠.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 검사하고자 하는 보유지지 분할링(44)을 시각적으로 위치시키는 것이 가능하도록, 검사창(10b)을 형성하는 적어도 하나의 개구부가 회전자(10)에 형성된 것을 특징으로 하는 터빈휠.
  12. 제1항, 제8항, 제9항, 제10항, 제11항 중 어느 한 항에 따른 터빈휠을 포함하는 터보기계.












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