KR101841835B1 - 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치 - Google Patents

Abstract

가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 블레이드의 원심 응력을 지지하기 위해 내측에 와이어 부를 설치하여 원심 방향에서 발생되는 응력을 안정적으로 지지하고자 한다.

Description

가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치{Centrifugal stress support structure of a gas turbine blade}

본 발명은 고속으로 회전하는 터빈 블레이드의 원심응력을 최소화하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈 블레이드의 내측 중 회전에 따른 원심 응력이 상대적으로 취약한 위치에 와이어를 설치하여 사용하기 위한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치에 관한 것이다.

일반적으로 가스터빈은 다수개의 블레이드가 구비되고, 상기 블레이드는 케이싱에 회전 가능하게 설치되는 로터 또는 로터 휠에 원주방향을 따라 설치된다.

로터는 케이싱에 회전가능하게 설치되는데, 상기 케이싱(미도시)은 상부케이싱과 하부케이싱으로 분리 및 조립가능하게 결합되어 내부에 로터와 버켓 조립체를 수용하고, 외부의 충격요소나 이물질로부터 내부 구성요소를 차단하거나 보호하는 기능을 수행한다. 로터는 회전축 역할을 하고, 로터의 양단부가 베어링에 의해 회전가능하게 지지될 수 있다.

블레이드는 루트부를 구성하는 도브테일이 구비되고, 상기 도브테일의 상면에 평판 형태로 이루어진 플랫폼이 형성된다.

그리고 상기 플랫폼의 상부에 에어 포일 형태의 블레이드가 구비되며, 상기 블레이드는 내부 냉각을 위해 냉각유로가 형성되어 있어 냉각 공기가 내측으로 공급된다.

또한 고온의 핫 가스(Hot Gas)는 상기 블레이드를 향해 공급될 경우 리딩엣지에서부터 트레일링 엣지를 따라 이동하고, 상기 블레이드는 고속으로 회전된다.

이 경우 블레이드가 고속 회전할 경우 원심응력(centrifugal force)으로 인해 응력이 집중되는 위치에서 균열이 발생되거나, 변형이 발생될 수 있는 문제점이 유발되었다.

또한 고온의 핫 가스와 원심응력이 복합적으로 블레이드에 가해질 경우 블레이드 바디 자체만으로 전술한 온도 조건과 응력 조건을 견뎌내야 하므로 고가의 소재를 이용하여 상기 블레이드를 제작해야 하므로 비용적인 문제도 동시에 수반되어 이에 대한 대책이 필요하게 되었다.

미국등록특허 US 8,366,378

본 발명의 실시 예들은 가스터빈 블레이드가 고속 회전하면서 발생되는 원심응력을 최소화 하기 위해 와이어를 설치하되, 원심응력이 발생되는 특정 위치 또는 구조적인 보강이 필요한 위치에 설치한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 루트부(Root Part)의 상부에 위치된 터빈 블레이드; 및 일단이 상기 터빈 블레이드의 내측 상단에 고정되고, 타단이 상기 터빈 블레이드의 내측 하단에 고정되어 상기 터빈 블레이드의 고속 회전에 따른 원심 방향 응력을 지지하기 위한 와이어 부를 포함하되, 상기 와이어 부는 상기 터빈 블레이드의 내측 중 일단이 상기 터빈 블레이드 팁(Tip)의 반경 방향 내측 상단에 고정되고, 타단이 터빈 블레이드의 내측 하단에 고정되며, 상기 팁의 내측으로부터 길이 방향을 기준으로 일정 구간에 해당되는 부분의 직경(d1)이 다른 구간에 해당되는 직경(d2) 보다 최소 10% 이상 최대 20% 이내의 범위에서 두껍게 형성된다.
상기 와이어 부는 상기 에어포일 벽의 리딩엣지 위치에 구비된 제1 와이어; 상기 에어포일 벽의 트레일링 엣지 위치에 구비된 제2 와이어; 상기 리딩엣지와 트레일링 엣지 사이에 구비된 제3 와이어를 포함한다.
상기 제1 내지 제3 와이어는 고강도 와이어 또는 리퀴드 메탈 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 부는 열팽창 계수가 서로 상이한 이종재질로 이루어져 상기 터빈 블레이드 회전시에만 텐션력이 발생되는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 부는 고강도 와이어와 스프링의 조합으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 스프링은 코일 스프링 또는 판 스프링 중의 어느 하나가 선택적으로 사용된다.
상기 스프링은 상기 고강도 와이어의 연장된 구간 중 루트부와 인접한 위치에 위치된다.
상기 스프링은 적어도 1개로 구성된다.

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본 발명의 실시 예들은 가스 터빈 블레이드의 원심 응력에 대한 지지 성능이 향상되고 이를 통해 균열 또는 변형으로 인한 문제점이 발생되지 않아 구조적인 안전성도 동시에 확보할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 가스 터빈이 고온의 온도 조건과 회전에 의한 작동 조건에서도 안정적으로 작동 가능하여 가스 터빈의 효율 증가와 고장 및 수리로 인한 가동 중지 상태를 사전에 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치의 와이어 부를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치에 구비된 스프링을 도시한 도면.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치의 구성에 대해 도면을 참조하명 설명한다. 첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치의 종 단면도 이다.

첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시 에에 의한 가스터빈 블레이드의 원심응력 저감장치(1)는 상기 가스터빈 블레이드(20)가 고속으로 회전하면서 다수개의 단위 블레이드(미도시)의 원심 방향에서 발생되는 응력 변형을 최소화 하기 위해 내측에 와이어 부(100)를 설치한다.

가스터빈 블레이드(20)는 내부에 냉각을 위한 냉각유로(2a)가 구비되고, 상기 냉각유로(2a)를 따라 다수개의 립(rib)이 배치된다. 상기 냉각유로(2a)에는 냉각공기가 공급되고 상기 립(rib)을 경유하여 열전도를 통한 냉각이 이루어진다.

가스터빈 블레이드(20)는 소정의 속도로 회전할 경우 원심력이 발생되고, 상기 원심력과 평형을 이루기 위한 저항력이 발생되는데 이를 원심 응력(centrifugal stress)이라 한다.

상기 원심 응력은 다수개의 터빈 블레이드(20)에서 모두 발생되는데 이러한 원심 응력에 따른 대부분의 지지 보강은 블레이드 바디와 후술할 와이어 부(100)를 통해 분할된 상태로 지지된다.

가스터빈 블레이드(20)는 루트부(22)의 상면에 판 형태의 플랫폼(26)이 구비되고, 상기 플랫폼(26)의 상면에 블레이드(2)가 구비된다.

상기 블레이드(2)는 핫 가스의 이동 방향을 기준으로 리딩엣지(24)와 트레일링 엣지(25)가 형성되고, 상기 리딩 엣지(24)와 트레일링 엣지(25) 사이가 유선형의 에어포일 형태로 구성된다.

와이어 부(100)는 터빈 블레이드(20)의 냉각유로에 배치되는데, 상기 터빈 블레이드(20)의 내측 중 일단이 상기 터빈 블레이드(20) 팁(Tip)(21)의 반경 방향 내측 상단에 고정되고, 타단이 터빈 블레이드(20)의 내측 하단에 고정되어 상기 터빈 블레이드(20)의 고속 회전에 따른 원심 방향 응력을 지지하기 위해 구비된다.

상기 와이어 부(100)의 배치 위치는 설치의 용이성을 위해 냉각유로에 배치되는데, 이 경우 작업자가 상기 냉각유로의 내부를 육안으로 확인하고 정 위치에 상기 와이어 부(100)를 고정할 때 보다 용이하도록 냉각 유로에 배치하는 것이 바람직하다. 다만 터빈 블레이드(20)의 안전성 또는 원심 방향에서의 응력 분산과 작업의 용이성 다른 위치에 고정되는 것도 가능할 수 있다.

상기 와이어 부(100)는 터빈 블레이드(20)가 회전하면서 단독으로 원심 응력을 지지하기 보다는, 상기 와이어 부(100)가 일정 부분 지지할 수 있도록 하여 고가의 터빈 블레이드(20)에 대한 안정적인 작동과 장기간 사용하는 경우에도 내구성을 향상시켜 고장 및 수리로 인한 문제점을 사전에 예방할 수 있다.

또한 터빈 블레이드(20)의 가동 수명이 연장되어 가스 터빈의 사용 년 수가 증가될 수 있어 비용 절감에 따른 경제적 효과도 동시에 향상된다.

참고로 와이어 부(100)에서는 터빈 블레이드(20)가 회전할 경우 길이 방향으로 원심 응력이 발생되면서 상기 터빈 블레이드(20)에만 가해지는 원심 응력 중의 일부를 지지하게 된다.

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와이어 부(100)는 일 예로 상기 에어포일 벽(23)의 리딩엣지(24) 위치에 구비된 제1 와이어(110)와, 상기 에어포일 벽(23)의 트레일링 엣지(25) 위치에 구비된 제2 와이어(120), 상기 리딩엣지(24)와 트레일링 엣지(25) 사이에 구비된 제3 와이어(130)를 포함한다.

상기 제1 내지 제3 와이어(110, 120, 130)는 고강도 와이어 또는 리퀴드 메탈 중의 어느 하나가 선택적으로 사용된다. 고강도 와이어는 메탈 구성으로 이루어진 일반 와이어에 비해 인장 강도가 상대적으로 향상되므로 터빈 블레이드(20)의 회전에 의해 발생되는 원심 응력으로 인한 지지력이 향상된다.

리퀴드 메탈은 철보다 몇 배 더 강하고 현재 제일 강하다는 티타늄보다 3배 이상 강하며 금속과 달리 부식이 전혀 없는 것으로 알려져 있으며, 전자파를 차단하는 성능이 있고, 플라스틱처럼 금형 틀에 따라 자유자재로 성형이 가능한 장점을 가지고 있다.

또한 방향성이 없기 때문에 뛰어난 인성과 높은 강도 및 연성을 가지고 있으며, 자기 비등방성(anisotropy)(물질의 물리적 성질이 방향에 따라 다른 특성) 이 없고, 전기 저항도 작은 특성을 가지고 있다.

또한 리퀴드 메탈은 고체 상태에서 비정질 원자구조를 유지하므로 취약부분이나 결절포인트가 없어 강도와 탄성이 매우 높고, 고온에서 플라스틱처럼 자유로운 모양 형성이 가능하며 강도 대비 두께가 얇은 특징을 가지고 있다.

이와 같은 특징을 갖는 리퀴드 메탈을 이용하여 와이어 부(100)를 구성할 경우 고온의 온도 조건 및 반복되는 원심 응역으로 인한 변형이 최소화 되고, 상기 터빈 블레이드(20)의 바디에만 가해지는 원심 응력을 분산시킴과 동시에 안정적으로 지지할 수 있다.

와이어 부(100)는 설치를 위해 상단과 하단이 터빈 블레이드(20)에 용접되는 방식으로 고정되나, 다른 방식으로도 다양하게 고정 가능할 수 있다.

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본 발명의 다른 실시 예에 의한 와이어 부(100)는 상기 팁(21)의 내측으로부터 길이 방향을 기준으로 일정 구간에 해당되는 부분의 직경(d1)이 다른 구간에 해당되는 직경(d2)에 비해 상대적으로 두껍게 형성된다.

상기 와이어 부(100)는 팁(21)과 인접한 부분의 경우 단부가 고정된 상태이고, 터빈 블레이드(20)가 회전시 발생되는 원심응력이 증가되는 위치에 해당된다. 이 경우 와이어 부(100) 또한 길이 방향을 기준으로 상기 팁(21)과 근접된 위치의 직경(d1)이 다른 부분의 직경(d2)에 비해 굵게 이루어지도록 하여 상기 위치에 원심응력이 집중되는 경우에도 안전하게 사용할 수 있다.

와이어 부(100)는 d1의 직경에 따른 d2의 직경비율이 상기 d2보다 10~20%증가된 직경비를 갖는 것이 바람직하다.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 와이어 부(100)는 열팽창 계수가 서로 상이한 이종재질로 이루어져 상기 터빈 블레이드 회전시에만 텐션력이 발생된다. 와이어 부(100)는 제작시 두 개의 와이어를 한 개의 와이어로 제작하거나, 열 팽창 계수가 상이한 와이어를 길이 방향 중 특정 구간에 배치하여 전체적인 인장 강도를 조절할 수 있다.

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이 경우 단일 인장 강도가 유지되는 와이어에 비해 온도 상태에 따라 원주 방향에서 발생되는 변형율이 달라질 수 있어 가스 터빈(2)의 작동 상태에 따라 변화되는 원심응력에 안정적으로 대응할 수 있다.

와이어 부(100)가 이와 같이 이종 재질로 구성될 경우 이종재질이 길이 변화가 이루어지기 이전에 와이어 부(100)의 길이와, 특정 온도에서부터 이종재질이 열 팽창될 경우 와이어 부(100)의 길이 방향에서의 길이가 변화된다.

이 경우 가스터빈 블레이드(20)는 다양한 온도 조건 또는 회전 속도에 따라 변화되는 상이한 원심응력에 따라 와이어부(100)의 길이가 가변될 수 있어 상기 블레이드(2)의 구조적 안정성 향상과 수명 증가를 동시에 도모할 수 있다.

또한 가스터빈이 작동되면서 블레이드(2)에 원심력이 팁(21) 또는 루트부(22) 중의 어느 위치에 집중되는 경우에도 이로 인한 변형(크랙, 갈라짐) 발생을 최소화 할 수 있어 안정성 향상과 고장 발생으로 인한 문제점을 사전에 예방할 수 있다.

특히 가스터빈이 수십 년간 작동되면서 다수개의 블레이드(2)는 회전에 따른 원심응력으로 인해 변형이 발생될 수 있으나, 전술한 이종재질로 구성된 와이어 부(100)를 사용할 경우 원심응력으로 인한 변형 발생이 최소화 될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 와이어 부의 다양한 설치 위치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 4을 참조하면, 와이어 부(100)는 고강도 와이어와 스프링(30)의 조합으로 구성 가능한데, 이 경우 상기 스프링(30)은 코일 스프링 또는 판 스프링 중의 어느 하나가 선택적으로 사용된다.

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예를 들어 코일 스프링이 사용될 경우 터빈 블레이드(20)가 회전하면서 발생되는 원심응력에 따라 전술한 실시 예들에 비해 상기 코일 스프링이 탄성 변형될 수 있는 조건이 보다 자유로워지므로 보다 용이하게 텐션(tension)을 통한 응력 감소 효과가 유발된다.

특히 코일 스프링은 와이어 부(100)의 길이 방향에서 발생되는 인장 응력에 따라 신장이 손쉽게 이루어지므로, 상기 터빈 블레이드(20)의 회전 속도가 급격히 가변되는 경우에도 이를 안정적으로 지지할 수 있다.

특히 터빈 블레이드(20)가 서로 다른 속도로 작동되거나, 초기 워밍 업에 따른 회전 속도와, 정상 상태에 따른 회전 속도가 상이할 경우에 발생되는 다양한 원심응력에 상관 없이 상기 스프링(30)에 의해 안정적으로 지지할 수 있어 작동 안정성이 향상된다.

상기 스프링(30)은 상기 고강도 와이어의 연장된 구간 중 루트부(22)와 인접한 위치에 위치된다.
상기 스프링(30)은 적어도 1개 또는 복수개로 구성된다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

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20 : 터빈 블레이드
21 : 팁
22 : 루트부
23 : 에어포일 벽
24 : 리딩엣지
25 : 트레일링 엣지
25 : 플랫폼
30 : 스프링
100 : 와이어 부
110 : 제1 와이어
120 : 제2 와이어
130 : 제3 와이어

Claims (20)

1. 루트부(Root Part)의 상부에 위치된 터빈 블레이드; 및
   일단이 상기 터빈 블레이드의 내측 상단에 고정되고, 타단이 상기 터빈 블레이드의 내측 하단에 고정되어 상기 터빈 블레이드의 고속 회전에 따른 원심 방향 응력을 지지하기 위한 와이어 부를 포함하되,
   상기 와이어 부는 상기 터빈 블레이드의 내측 중 일단이 상기 터빈 블레이드 팁(Tip)의 반경 방향 내측 상단에 고정되고, 타단이 터빈 블레이드의 내측 하단에 고정되며, 상기 팁의 내측으로부터 길이 방향을 기준으로 일정 구간에 해당되는 부분의 직경(d1)이 다른 구간에 해당되는 직경(d2) 보다 최소 10% 이상 최대 20% 이내의 범위에서 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
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4. 제1 항에 있어서,
   상기 와이어 부는,
   에어포일 벽의 리딩엣지 위치에 구비된 제1 와이어;
   상기 에어포일 벽의 트레일링 엣지 위치에 구비된 제2 와이어;
   상기 리딩엣지와 트레일링 엣지 사이에 구비된 제3 와이어를 포함하는 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3 와이어는,
   고강도 와이어 또는 리퀴드 메탈 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
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8. 제1 항에 있어서,
   상기 와이어 부는,
   열팽창 계수가 서로 상이한 이종재질로 이루어져 상기 터빈 블레이드 회전시에만 텐션력이 발생되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
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12. 제1 항에 있어서,
    상기 와이어 부는,
    고강도 와이어와 스프링의 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 스프링은,
    코일 스프링 또는 판 스프링 중의 어느 하나가 선택적으로 사용되는 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
    
14. 제12 항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 고강도 와이어의 연장된 구간 중 루트부와 인접한 위치에 위치된 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치
15. 제12 항에 있어서,
    상기 스프링은 적어도 1개로 구성된 가스터빈 블레이드의 원심응력 지지장치.
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