KR101677961B1 - 가스터빈 엔진의 터빈 디스크 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크는 보어홀이 형성되는 보어, 둘레를 따라 터빈 블레이드가 결합 가능한 결합홈이 형성되는 허브, 그리고 상기 보어와 상기 허브 사이에 구비되어 상기 보어와 상기 허브를 연결하는 웹을 포함하고, 상기 웹에는 상기 웹을 관통하고, 상기 보어홀과 연통되는 냉각유로가 형성된다. 본 발명에 의하면, 웹에는 웹의 일 측 및 타 측으로 유입된 공기가 웹 및 보어를 통과하여 보어홀로 배출되는 냉각유로를 형성함으로써 허브와 보어 사이의 온도구배를 최소화 하고, 또한 허브에는 터빈 블레이드와 접하는 부위에 공기층을 형성하는 복수 개의 딤플을 형성함으로써, 고온 가스로 인하여 높은 금속 온도를 가지는 터빈 블레이드로부터 터빈 디스크로의 열 전단을 낮추어 열응력의 발생을 최소화하여 터빈 디스크의 변형 또는 파손을 예방할 수 있다.

Description

가스터빈 엔진의 터빈 디스크{Turbine disk for gas turbine engine}
본 발명은 항공기의 가스터빈 엔진에 적용되는 터빈 디스크에 관한 것이다.
일반적으로 항공기용 엔진에 적용되는 가스터빈엔진은 고온 고압의 연소가스를 이용하여 압축기 구동 및 추력을 발생시키는데 사용된다.
이와 같은 가스터빈엔진에는 내측으로는 샤프트가 결합되고 외측으로는 다수의 블레이드가 결합되는 터빈 디스크가 구비되는데, 일반적으로 터빈 디스크의 외측에는 터빈 블레이드가 결합되는 홈이 형성되어 있다.
이러한 터빈 블레이드는 고온, 고압의 가스가 지나가므로 터빈 디스크의 외측은 고온에 노출되어 있으나 내측은 냉각 공기로 인하여 상대적으로 낮은 온도를 가지게 된다. 이러한 온도 구배는 열응력을 발생시키고 이에 더하여 회전력에 의한 원심력이 더해져 터빈 디스크의 구조 안정성을 해치는 문제점이 있었다.
한국 등록특허공보 제10-0398007호 (등록일 2003. 9. 1.)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 디스크에 추가 냉각 구조를 형성하여 디스크의 온도구배를 낮출 수 있는 가스터빈 엔진의 터빈 디스크를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크는 보어홀이 형성되는 보어, 둘레를 따라 터빈 블레이드가 결합 가능한 결합홈이 형성되는 허브, 그리고 상기 보어와 상기 허브 사이에 구비되어 상기 보어와 상기 허브를 연결하는 웹을 포함하고, 상기 웹에는 상기 웹을 관통하고, 상기 보어홀과 연통되는 냉각유로가 형성된다.
상기 냉각유로는 상기 웹의 원주방향을 따라 등 간격으로 이격되어 복수 개 형성될 수 있다.
상기 냉각유로는 상기 보어의 중심축으로부터 반경방향을 따라 상기 보어 및 상기 웹의 전 구간에 형성될 수 있다.
상기 냉각유로는 상기 웹의 일 측 및 타 측으로부터 공기가 유입되는 공기 유입구간, 상기 웹의 일 측 및 타 측으로부터 유입된 공기가 상기 보어 측으로 이동되며 하나로 합쳐지는 합류구간, 그리고 상기 합류구간에서 하나로 합쳐진 공기가 상기 보어홀 측으로 분출되는 분사구간을 포함할 수 있다.
상기 합류구간은 상기 보어의 반경방향에 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
상기 터빈 블레이드와 접촉되는 허브의 표면에는 단부로부터 내측으로 미리 정해진 깊이로 함몰된 복수 개의 딤플이 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 웹에는 웹의 일 측 및 타 측으로 유입된 공기가 웹 및 보어를 통과하여 보어홀로 배출되는 냉각유로를 형성함으로써 허브와 보어 사이의 온도구배를 최소화 하고, 또한 허브에는 터빈 블레이드와 접하는 부위에 공기층을 형성하는 복수 개의 딤플을 형성함으로써, 고온 가스로 인하여 높은 금속 온도를 가지는 터빈 블레이드로부터 터빈 디스크로의 열 전단을 낮추어 열응력의 발생을 최소화하여 터빈 디스크의 변형 또는 파손을 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크에 터빈 블레이드가 결합된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 절개한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크에 형성된 냉각유로의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 "A"부분을 확대한 확대도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크에 터빈 블레이드가 결합된 상태를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크를 나타낸 평면도이다. 또한, 도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 절개한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크에 형성된 냉각유로의 다양한 실시예를 나타낸 도면이며, 도 6은 도 1의 "A"부분을 확대한 확대도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 터빈 디스크(100)(이하 '가스터빈 엔진의 터빈 디스크(100)'라 함)는 축 방향을 따라 서로 다른 두께로 형성되는 보어(10), 허브(20) 및 웹(30)을 포함한다.
보어(10)는 가장 두꺼운 두께로 형성되며, 내측으로는 샤프트(미도시)와 결합 가능한 보어홀(11)이 형성된다.
허브(20)는 보어(10)로부터 반경방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 배치되며, 둘레를 따라 터빈 블레이드(200)가 결합 가능한 복수 개의 결합홈(21)이 형성된다.
웹(30)은 작은 두께로 형성되며, 보어(10)와 허브(20) 사이에 구비되어 보어(10)와 허브(20)를 서로 연결한다.
이때, 웹(30)에는 외부 공기가 유입되는 냉각유로(31)가 형성된다.
도 4를 참조하면, 웹(30)에는 웹(30)을 관통하고, 보어홀(11)과 연결되어 통하여 웹(30) 측으로부터 유입된 공기가 보어홀(11) 측으로 배출되는 냉각유로(31)가 형성된다.
냉각유로(31)는 웹(30)의 원주방향을 따라 등 간격으로 이격되어 복수 개 형성되고, 보어(10)의 중심축(CA)으로부터 보어(10)의 반경방향을 따라 보어(10) 및 웹(30)의 전 구간에 형성될 수 있다. 즉, 냉각유로(31)는 외부로부터 유입된 공기가 웹(30) 및 보어(10)의 전체 구간을 모두 통과하며 웹(30) 및 보어(10)를 냉각시킬 수 있도록, 보어(10)의 반경방향을 따라 보어(10) 및 웹(30)의 전 구간에 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 냉각유로(31)는 웹(30)의 일 측 및 타 측으로부터 공기가 유입되는 공기 유입구간(31a), 웹(30)의 일 측 및 타 측으로부터 유입된 공기가 보어(10) 측으로 이동하며 하나로 합쳐지는 합류구간(31b), 그리고 합류구간(31b)에서 하나로 합쳐진 공기가 보어홀(11) 측으로 분출되는 분사구간(31c)을 포함할 수 있다.
이때, 냉각유로(31)의 합류구간(31b)은 보어의 반경방향에 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 합류구간(31b)은 공기의 이동방향을 따라 유로의 폭이 점차 좁아지도록 보어의 중심축(CA)에 대하여 보어(20)의 반경방향으로 수직 배치되는 중심축에 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
즉, 냉각유로(31)는 상기와 같이 유입되는 공기의 흐름 또는 공기의 유속 등을 고려하여 다양한 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 분사구간(31c)도 보어의 반경방향에 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 허브(20)에는 터빈 블레이드(200)의 열전달을 최소화할 수 있는 구조가 적용될 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 터빈 블레이드(200)와 접촉되는 허브(20)의 표면, 즉 결합홈(21)이 형성된 허브(20)의 내면에는 단부로부터 내측으로 미리 정해진 깊이로 함몰된 복수 개의 딤플(dimple)(23)이 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 터빈 디스크(100)의 회전 시 원심력에 의해 터빈 블레이드(200)와 밀착되어 터빈 블레이드(200)의 하중을 지지하는 허브(20)의 일면에는 소정의 깊이를 갖는 복수 개의 딤플(23)이 형성되어 블레이드와 허브(20) 사이에 공기층을 형성할 수 있다.
이처럼 본 발명에 의하면, 웹(30)에는 웹(30)의 일 측 및 타 측으로 유입된 공기가 웹(30) 및 보어(10)를 통과하여 보어홀(11)로 배출되는 냉각유로(31)를 형성함으로써 허브(20)와 보어(10) 사이의 온도구배를 최소화 하고, 또한 허브(20)에는 터빈 블레이드(200)와 접하는 부위에 공기층을 형성하는 복수 개의 딤플(23)을 형성함으로써, 고온 가스로 인하여 높은 금속 온도를 가지는 터빈 블레이드(200)로부터 터빈 디스크(100)로의 열 전단을 낮추어 열응력의 발생을 최소화하여 터빈 디스크(100)의 변형 또는 파손을 예방할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100. 터빈 디스크
10. 보어
11. 보어홀
20. 허브
21. 결합홈 23. 딤플
30. 웹
31. 냉각유로
31a. 유입구간 31b. 합류구간
31c. 분사구간
CA. 보어의 중심축
200. 터빈 블레이드

Claims (6)

  1. 보어홀이 형성되는 보어(bore),
    둘레를 따라 터빈 블레이드가 결합 가능한 결합홈이 형성되는 허브(hub), 그리고
    상기 보어와 상기 허브 사이에 구비되어 상기 보어와 상기 허브를 연결하는 웹(web)을 포함하고,
    상기 웹에는 상기 웹을 관통하고, 상기 보어홀과 연통되는 냉각유로가 형성되며,
    상기 냉각유로는
    상기 웹의 일 측 및 타 측으로부터 공기가 유입되는 공기 유입구간,
    상기 웹의 일 측 및 타 측으로부터 유입된 공기가 상기 보어 측으로 이동되며 하나로 합쳐지는 합류구간, 그리고
    상기 합류구간에서 하나로 합쳐진 공기가 상기 보어홀 측으로 분출되는 분사구간
    을 포함하는 가스터빈 엔진의 터빈 디스크.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각유로는 상기 웹의 원주방향을 따라 등 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 가스터빈 엔진의 터빈 디스크.
  3. 제1항에서,
    상기 냉각유로는 상기 보어의 중심축으로부터 반경방향을 따라 상기 보어 및 상기 웹의 전 구간에 형성되는 터빈 엔진의 터빈 디스크.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 합류구간은 상기 보어의 반경방향에 대하여 경사지게 형성되는 가스터빈 엔진의 터빈 디스크.
  6. 제1항에서,
    상기 터빈 블레이드와 접촉되는 허브의 표면에는 단부로부터 내측으로 미리 정해진 깊이로 함몰된 복수 개의 딤플(dimple)이 형성되는 가스터빈 엔진의 터빈 디스크.
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