KR102031980B1

KR102031980B1 - 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조

Info

Publication number: KR102031980B1
Application number: KR1020180000168A
Authority: KR
Inventors: 안드리 이예브도신; 김상록; 고로샥 유리
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-10-14
Also published as: KR20190082501A

Abstract

개시되는 발명은 로터 디스크의 원주면을 따라 형성된 결합 슬롯의 음형 굴곡부와, 블레이드의 루트부에 형성된 대응하는 양형 굴곡부가 서로 끼워져 결합하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 관한 것으로서, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선이 상기 로터 디스크의 반지름 선에 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 관한 것이다.

Description

로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조{Blade engaging structure for rotor disk of gas turbine}

본 발명은 가스터빈 또는 증기터빈을 포함하는 터빈기관의 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 로터 디스크의 결합 슬롯과 블레이드의 루트부가 도브테일 또는 전나무 형태의 대응하는 굴곡부가 서로 끼워져 결합하는 구조에 있어서 블레이드 루트부의 정압면과 부압면에 각각 발생하는 최대 스트레스의 편차를 줄일 수 있는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충돌력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로서 증기를 이용하면 증기 터빈, 연소가스를 이용하면 가스터빈이라고 한다.

가스터빈의 열 사이클은 브레이튼 사이클(Brayton cycle)이며, 압축기와 연소기, 터빈으로 구성된다. 가스터빈의 작동원리는 먼저 대기의 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 연소가스를 만들어서 터빈을 동작시키고, 배기가스를 대기중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 이루어지는 것이다.

가스터빈의 압축기는 대기로부터 공기를 흡입하여 연소기에 연소용 공기를 공급하는 역할을 하며, 단열압축 과정을 거치므로 공기의 압력과 공기온도가 올라가게 된다.

연소기에서는 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 내며, 효율을 올리기 위해 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다.

가스터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환시킨다. 터빈에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는데 이용된다.

가스터빈은 주요 구성부품에 왕복운동이 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복운동 기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

이와 같이, 압축기에서는 유체(공기)에 에너지를 공급하여 고압으로 압축을 하고, 이와는 반대로 터빈에서는 연소가스의 에너지를 받아 회전 운동으로 변환하는 유체역학적 운동이 일어나는데, 공통적으로는 유체와 회전 날개, 다시 말해 에어포일 형상을 가진 블레이드의 회전 운동을 통해 에너지의 변환이 일어난다. 그런데, 블레이드의 회전 운동 중에는 유체에 힘을 가함에 따른 반력(반작용)이나 유체로부터 직접 받는 힘에 의해 로터 디스크에 결합한 블레이드의 루트부에 스트레스가 발생하게 된다.

압축기건 터빈이건, 통상적으로 로터 디스크에는 도브테일 또는 전나무 형태의 굴곡부가 형성된 결합 슬롯이 구비되고, 블레이드의 루트부에는 대응하는 형태의 굴곡부가 마련되어 있으며, 이 로터 디스크의 결합 슬롯에 블레이드의 루트부를 끼워넣어 블레이드를 고정하는 구조를 채택하는 경우가 매우 많다. 결국, 유체의 운동에 의해 블레이드의 루트부에 발생하는 스트레스는 도브테일 또는 전나무 형태의 굴곡부에 작용하게 되므로, 장시간의 가스터빈 운전 중에도 블레이드 고정 구조의 건전성과 안전을 위해서는 굴곡부에 작용하는 최대 스트레스가 안전계수를 고려한 항복 스트레스 미만이 되도록 설계하여야 한다.

그런데, 블레이드의 에어포일 형상으로 인해, 에어포일의 정압면(Pressure Side)과 부압면(Suction Side) 측에 발생하는 최대 스트레스에는 큰 편차가 발생한다. 다시 말해, 블레이드 루트부의 굴곡면에 발생하는 최대 스트레스는 에어포일 형상을 기준으로 한 정압면과 부압면의 양 측면에서 서로 다르게 나타나며, 정압면 쪽에서 부압면을 향하는 방향으로 힘이 작용하기 때문에 부압면 쪽에서 더 높은 최대 스트레스가 존재한다.

블레이드 루트부의 정압면과 부압면에 각각 다르게 존재하는 최대 스트레스의 편차는 작을수록 좋다. 즉, 양 측면에 대한 평균값이 아니라 부압면 쪽으로 치우친 스트레스의 최대값을 기준으로 하여 안전 설계를 해야 하기 때문에, 과도한 최대 스트레스의 편차는 어쩔 수 없이 블레이드를 고가의 소재로 제작해야만 하는 바람직하지 못한 상황을 만들 수 있고, 또한 여러 제약 조건으로 인해 충분한 안전계수를 확보하지 못하게 되면 과도상태에서 순간적·국부적으로 항복 스트레스를 초과함에 따라 루트부의 굴곡면에 회복하지 못할 항복 변형이 일어남으로써 블레이드 고정 구조에 큰 악영향을 미치게 된다.

미국등록특허 제9,695,698호 (2017.07.04 등록)

본 발명은 로터 디스크의 결합 슬롯과 블레이드의 루트부가 도브테일 또는 전나무 형태의 대응하는 굴곡부가 서로 끼워져 결합하는 구조에 있어서, 블레이드 루트부의 정압면과 부압면에 각각 발생하는 최대 스트레스의 편차를 줄일 수 있는 새로운 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 로터 디스크의 원주면을 따라 형성된 결합 슬롯의 음형 굴곡부와, 블레이드의 루트부에 형성된 대응하는 양형 굴곡부가 서로 끼워져 결합하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 관한 것으로서, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선이 상기 로터 디스크의 반지름 선에 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 관한 것이다.

특히, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선에 대해 한쪽 방향으로 이동한 것으로 구성할 수 있으며, 그 일 실시형태에 따르면 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선과 평행을 이루게 된다.

그리고, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선에 대해 상기 블레이드의 정압면 쪽으로 이동한 것으로 구성할 수 있다.

여기서, 상기 블레이드는 압축기 블레이드 또는 터빈 블레이드 중의 적어도 어느 하나일 수 있다.

그리고, 상기 결합 슬롯은 상기 로터 디스크의 원주면 상에 축 방향으로 형성된 액셜 타입일 수 있다.

그리고, 상기 결합 슬롯은 상기 로터 디스크의 원주면을 따라 복수 개가 이격 형성되어 있고, 상기 각각의 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선에 대해 동일하게 한쪽 방향으로 이동한 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선에 대해 상기 블레이드의 정압면 쪽으로 평행하게 이동하고, 이에 따라 상기 루트부의 정압면과 부압면 상의 각 최대 스트레스의 편차가 감소하게 된다.

한편, 본 발명은 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 연료를 연소시키고, 상기 연소기에서 생성된 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 동작시켜 동력을 생산하는 가스터빈으로서, 상기 압축기는 상기 터빈에서 생산한 동력 중의 일부를 이용하여 동작하도록 상기 압축기 및 터빈에 각각 구비된 로터는 토크가 전달될 수 있도록 서로 연결되고, 상기 압축기와 터빈에 각각 구비된 블레이드는 로터 디스크의 원주면을 따라 형성된 결합 슬롯의 음형 굴곡부와, 상기 블레이드의 루트부에 형성된 대응하는 양형 굴곡부가 서로 끼워져 고정되며, 상기 압축기와 터빈의 각 로터 디스크 중의 적어도 어느 하나의 로터 디스크에 있어서, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선이 상기 로터 디스크의 반지름 선에 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 가스터빈을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 의하면, 로터 디스크 상에 형성되는 결합 슬롯의 반경방향 중심선을 로터 디스크의 반지름 선에 대해 이동시키는 설계에 의해, 블레이드 루트부의 정압면과 부압면에 각각 발생하는 최대 스트레스의 편차를 줄일 수 있게 된다.

이와 같이, 블레이드 루트부의 정압면과 부압면에 각각 발생하는 최대 스트레스의 편차를 줄임으로써 본 발명은 블레이드의 루트부 설계시 안전 계수의 기준이 되는 최대 스트레스를 낮출 수 있고, 이에 따라 블레이드 소재의 선택 폭이 넓어지는 등 설계 자유도가 향상되고, 항복 변형에 대한 충분한 안전을 확보하여 블레이드 자체는 물론 가스터빈 전체에 대한 신뢰성과 내구성을 개선하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스 터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 도 1 중 터빈 로터 디스크를 도시한 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조를 설명하기 위한 도면.
도 4는 결합 슬롯의 반경방향 중심선과 로터 디스크의 반지름 선이 일치하는 경우에 루트부의 정압면과 부압면에 발생하는 최대 스트레스를 분석한 도면.
도 5는 결합 슬롯의 반경방향 중심선을 로터 디스크의 반지름 선에 대해 이동시켰을 경우에 루트부의 정압면과 부압면에 발생하는 최대 스트레스를 분석한 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되어 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조가 적용될 수 있는 가스터빈(100)의 일반적인 구성을 보여준다. 이하에서는, 가스터빈(100)의 일반적인 구성에서부터 시작하여, 본 발명의 블레이드 고정 구조가 적용될 수 있는 로터 디스크로서 터빈 로터 디스크(180)를 하나의 예로서 설명한 후, 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다. 다만, 여기서 주의할 점은, 본 발명은 터빈 로터 디스크(180)만이 아니라 압축기 로터 디스크(140)에도 적용될 수 있다는 것이다. 이는 압축기 로터 디스크(140) 및 터빈 로터 디스크(180)에 블레이드(144, 184)를 결합하는 구조 자체는 매우 유사하기 때문이다.

가스터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 상기 하우징(102)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 하여 설명하면, 상기 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 상기 압축기 섹션(110)과 상기 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션(120)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(110)으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(130)가 배치되어 있다.

압축기 섹션(110)에는 복수 개(예를 들어, 14매)의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 타이로드(150)가 관통한 상태로서 축 방향을 따라서 서로 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되고, 이로써 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징(102)에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있으며, 이는 루트부(146)가 로터 디스크 상에 형성되는 방향을 기준으로 하여 분류한 것이다. 루트부(146)의 체결방식은 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

타이로드(150)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(130) 내에서 고정된다.

타이로드(150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

연소기(104)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 연소기 라이너(이하, 간략히 "라이너"라 함)는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합하며, 측벽에는 점화플러그가 결합한다.

한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

그리고, 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리부에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 발생하고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 전술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 유효 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어 있으며, 베인은 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.

도 2는 도 1의 가스터빈 중에서 특히 터빈 로터 디스크를 도시한 분해 사시도이다.

도 2를 참조하면, 터빈 로터 디스크(180)는 대략 원판 형태를 이루고 있고, 그 외주부에는 복수 개의 결합 슬롯(180a)이 형성되어 있다. 상기 결합 슬롯(180a)은 도브테일 또는 전나무(fir-tree) 형태의 굴곡면을 갖도록 형성된다. 도 2는 결합 슬롯(180a)에 전나무 형태의 굴곡면이 형성된 실시형태를 보여주고 있다.

이러한 결합 슬롯(180a)에 터빈 블레이드(184)가 체결된다. 도 2에서, 터빈 블레이드(184)는 대략 중앙부에 평판 형태의 플랫폼부(184a)를 갖는다. 상기 플랫폼부(184a)는 이웃한 터빈 블레이드의 플랫폼부(184a)와 그 측면이 서로 접하여 블레이드들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다. 플랫폼부(184a)의 저면에는 루트부(184b)가 형성된다. 루트부(184b)는 상술한 로터 디스크(180)의 결합 슬롯(180a)에 끼워져서 결합하는데, 루트부(184b)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 결합 슬롯에 형성된 굴곡부의 형태와 상응하도록 형성된다. 도 2는 루트부(184b)가 로터 디스크(180)의 축방향을 따라서 삽입되는, 소위 액셜 타입(axial-type)의 형태를 보여준다.

플랫폼부(184a)의 상부면에는 블레이드부(184c)가 형성된다. 블레이드부(184c)는 가스터빈의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 설계되는데, 전형적으로는 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지를 갖는다.

여기서, 압축기 섹션의 블레이드와는 달리, 터빈 섹션의 블레이드는 고온고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 연소 가스의 온도는 1700℃ 달할 정도의 고온이기 때문에, 터빈 섹션의 블레이드에 대해서는 냉각 수단이 필요하게 된다. 이를 위해서, 압축기 섹션의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 터빈 섹션측 블레이드로 공급하는 냉각 유로를 갖추게 된다.

냉각 유로는 하우징 외부에서 연장되거나(외부 유로), 로터 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 도 2에서, 블레이드부의 표면에는 다수의 필름 쿨링홀(184d)이 형성되는데, 상기 필름쿨링홀(184d)들은 블레이드부(184c)의 내부에 형성되는 쿨링 유로(미도시)와 연통되어 냉각 공기를 블레이드부(184c)의 표면에 공급함으로써 필름 냉각이 이루어지게 한다.

도 3은 본 발명 특유의 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 로터 디스크(200)의 원주면을 따라 형성된 결합 슬롯(200a)에, 블레이드(210)의 루트부(210b)를 끼워서 고정하는 방식의 블레이드 고정 구조에 적용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 압축기 로터 디스크(140)에 압축기 블레이드(144)를 결합하는 구조나, 터빈 로터 디스크(180)에 터빈 블레이드(184)를 결합하는 구조나, 양자는 모두 기본적으로 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)의 음형 및 양형 굴곡부를 서로 끼워서 결합함으로써 회전하는 블레이드(144, 184)가 강한 원심력 아래에서도 안정적으로 로터 디스크(140, 180)에 고정되는 구조를 채택할 수 있다는 점에서 공통점이 있다.

따라서, 이하에서는 압축기 로터 디스크(140)와 터빈 로터 디스크(180)를 통칭하여 로터 디스크(200)으로 통칭하고, 아울러 압축기 블레이드(144)와 터빈 블레이드 역시 블레이드(210)로 통칭하여 설명하기로 한다.

도 3에는 간략히 로터 디스크(200)의 원주면을 따라 도브테일 형태인 두 개의 결합 슬롯(200a)이 형성된 것으로 도시하고 있으며, 그 중 하나의 결합 슬롯(200a)에는 블레이드(210)가 끼워져 고정된 상태를 예시적으로 나타내고 있다. 결합 슬롯(200a)의 내면은 도브테일 또는 전나무 형태의 음형 굴곡부(200b)를 형성하고 있으며, 이에 대응하는 양형 굴곡부는 블레이드(210)의 루트부(210b)에 마련된다. 참고로, 도면부호 210a 및 210c는 각각 블레이드(210)의 플랫폼부(210a)와 에어포일 형태인 블레이드부(210c)를 지시하는 것이다.

도 3을 참조하며, 본 발명의 블레이드 고정 구조는 로터 디스크(200)에 가공, 형성되는 결합 슬롯(200a)의 배치에 특징이 있음을 확인할 수 있다. 즉, 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)을 기준으로 할 때, 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')은 상기 반지름 선(C)에 일치하지 않고 어긋나 있다. 다시 말해, 결합슬롯의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 이동(shift)해 있으며, 이와 같이 중심이 이동한 결합 슬롯(200a)에 고정되는 블레이드(210)의 길이방향 역시 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 일치하지 않게 된다.

결합슬롯의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 이동하는 양상은 여러 가지가 있을 수 있는데, 본 발명에서는 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 한쪽 방향으로 이동한 것으로 구성하였다. 여기서, 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 한쪽 방향이란, 로터 디스크(200)를 축 방향으로 바라보았을 때, 반지름 선(C)에 대해 시계 반향 또는 반시계 방향 중의 어느 한쪽 방향임을 의미하는 것이다. 또한, 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 한쪽 방향으로 이동했다는 것은, 해당 결합 슬롯(200a)이 형성된 지점을 중심으로 하는 반원 상에서 결합슬롯의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)을 가로지르지 않는다는 의미를 내포하고 있다.

이와 같이, 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 한쪽 방향으로 이동하였을 때 양 중심선(C') 사이의 거리(d)는 반드시 일정할 필요는 없으며, 최대 스트레스의 편차를 감소시킨다는 설계 조건에 맞춰 양 중심선(C') 사이의 거리(d)는 일정하거나 또는 선형적으로 변하도록 적절히 조절될 수 있다. 도 3은 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)과 평행을 이루는 실시형태를 일례로서 보여주고 있다.

결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')이 이동하는 거리(d)는 로터 디스크(200)의 크기(직경), 해소해야 할 최대 스트레스의 편차 수준, 블레이드(210)의 길이, 굴곡부의 형상 구조 등에 따라 적절히 설계될 필요가 있다. 다만, 대략적으로는, 수 밀리미터에서 수십 밀리미터 범위 안의 비교적 작은 수준으로 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')을 이동시켜도 충분한 효과를 얻을 수 있다고 정의할 수 있다. 오히려 적정 수준을 초과하는 결합 슬롯(200a) 중심선(C')의 이동은 고속 회전체인 로터 디스크(200)의 동적 특성과 블레이드(210)에서 일어나는 공력 특성에 악영향을 미칠 가능성이 크기 때문에 피하는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에서는, 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 블레이드(210)의 정압면(P) 쪽으로 이동한 것으로 구성하였으며, 그 결과를 도 4 및 도 5로서 비교, 검증하였다.

도 4는 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')과 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)이 일치하는 종래의 통상적인 블레이드 고정 구조에 대한 스트레스 해석을 등고선으로 표현한 것이다. 블레이드(210)의 루트부(210b) 영역에서 최대 스트레스가 나타나는데, 루트부(210b)의 정압면(P)과 부압면(S)을 각각 도시한 도 4의 (a) 및 (b)에 수치로 표시된 것처럼, 정압면(P) 보다 부압면(S)의 루트부(210b)에서 더 높은 수준의 최대 스트레스가 존재하였다. 즉, 루트부(210b)의 정압면(P)에서의 최대 스트레스는 1217.1 MPa인 반면, 부압면(S)에서의 최대 스트레스는 1343.3 MPa로서, 그 편차는 126.2 MPa 수준이다.

도 5는 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')을 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 블레이드(210)의 정압면(P) 쪽으로 이동시킨 블레이드 고정 구조에 대한 스트레스 해석을 등고선으로 표현하였다. 역시, 블레이드(210)의 루트부(210b) 영역에서 최대 스트레스가 나타나며, 정압면(P)보다 부압면(S)의 루트부(210b)에서 더 높은 수준의 최대 스트레스가 존재하는 것은 동일하였다. 그렇지만, 루트부(210b)의 정압면(P)에서의 최대 스트레스는 1283.0 MPa이고, 부압면(S)에서의 최대 스트레스는 1317.6 MPa로서, 그 편차가 34.6 MPa 수준으로 떨어졌으며, 도 4의 종래 경우에 비해 약 73%의 최대 스트레스 편차 감소 효과가 나타났다. 이는 루트부(210b)의 정압면(P)에서의 최대 스트레스는 올라가고, 부압면(S)에서의 최대 스트레스는 낮아진 이중 효과에 의해 감소 효과가 극대화된 덕분이다.

여기서 주목할 점은, 도 4의 경우 루트부(210b) 영역에서의 정압면(P)과 부압면(S)의 최대 스트레스 평균값은 1280.2 MPa이고, 도 5의 본 발명의 경우에는 그 최대 스트레스 평균값이 1300.3 MPa로서, 전체적인 최대 스트레스 수준은 본 발명에서 다소 올라갔지만, 그럼에도 루트부(210b)에서의 최대 스트레스의 절대값과 편차는 본 발명의 경우 모두 개선되었다는 것이다. 블레이드(210) 설계시 루트부(210b)의 안전 계수는 최대 스트레스의 절대값을 기준으로 하기 때문에 본 발명의 경우 설계 여유도가 향상되었으며, 정압면(P)과 부압면(S)의 각 최대 스트레스의 격차가 현저히 감소하였기 때문에 가스터빈의 운전시 블레이드(210)의 내구성과 신뢰성, 안정성 역시 본 발명이 개선된 결과를 나타낸다. 설계자의 입장에서는 미소한 최대 스트레스 평균값보다는 최대 스트레스의 절대값과 편차의 감소가 더욱 바람직한 것으로 받아들여지며, 이러한 점에서 본 발명은 종래기술에 비해 상당히 개선된 효과를 도출한 것이다.

구체적인 실시형태에 있어서는, 도 3에 도시된 것처럼, 본 발명은 특히 결합 슬롯(200a)이 로터 디스크(200)의 원주면 상에 축 방향으로 형성된 액셜 타입(axial type)인 경우에 적용하기가 용이하다. 이론적, 설계적으로는 원주방향을 따라 연속적으로 굴곡부가 형성되는 탄젠셜 타입(tangential type)의 결합 슬롯에도 적용하는 것이 가능하지만, 현실에 있어서는 탄젠셜 타입인 결합 슬롯의 구조가 복잡해지고 추가적인 기구가 요구되기 때문에 액셜 타입인 경우에 비해 불리한 점이 있기 때문이다.

이상의 설명은 하나의 결합 슬롯(200a)을 기준으로 하여 설명하였지만, 로터 디스크(200)의 원주면을 따라 복수 개가 이격 형성된 각 결합 슬롯(200a)에 대해 동일하게 적용하는 것이 가능함은 자명하다. 따라서, 복수 개의 결합 슬롯(200a)은 각각의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 동일하게 한쪽 방향으로 이동하도록 설계된다. 도 3의 실시형태를 기준으로 한다면, 모든 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')은 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 대해 블레이드(210)의 정압면(P) 쪽으로 평행하게 이동하고, 이에 따라 각 블레이드(210)에 있어 루트부(210b)의 정압면(P)과 부압면(S) 상의 최대 스트레스의 편차와 절대값이 모두 감소하게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 블레이드 고정 구조는 가스터빈의 압축기와 터빈에 각각 구비된 블레이드(210)에 대해 모두 적용이 가능하다. 가스터빈은 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 연료를 연소시키고, 상기 연소기에서 생성된 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 동작시켜 동력을 생산하는데, 압축기와 터빈의 각 로터 디스크(140, 180) 중의 적어도 어느 하나의 로터 디스크(200)에 대해 각 결합 슬롯(200a)의 반경방향 중심선(C')이 로터 디스크(200)의 반지름 선(C)에 일치하지 않도록 설계함으로써 전술한 개선 효과를 구현할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 가스터빈 140: 압축기 로터 디스크
144: 압축기 블레이드 180: 터빈 로터 디스크
184: 터빈 블레이드 200: 로터 디스크
200a: 결합 슬롯 200b: 음형 굴곡부
210: 블레이드 210a: 플랫폼부
210b: 루트부 210c: 블레이드부
C: 로터 디스크의 반지름 선
C': 결합 슬롯의 반경방향 중심선
d: 이동 거리
P: 정압면 S: 부압면

Claims

로터 디스크의 원주면을 따라 복수 개가 이격 형성된 결합 슬롯의 음형 굴곡부에 대해, 각 블레이드의 루트부에 형성된 대응하는 양형 굴곡부가 서로 끼워져 결합하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조에 있어서,
상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선에 대해 상기 블레이드의 한쪽 방향인 정압면 쪽으로 동일하게 이동하고, 이에 따라 상기 블레이드 사이의 간격을 균일하게 유지하면서 상기 루트부의 정압면과 부압면 상의 각 최대 스트레스의 편차가 감소하는 것을 특징으로 하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조.
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제1항에 있어서,
상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선이 상기 로터 디스크의 반지름 선과 평행을 이루는 것을 특징으로 하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조.
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제1항에 있어서,
상기 블레이드는 압축기 블레이드 또는 터빈 블레이드인 것을 특징으로 하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조.
제1항에 있어서,
상기 결합 슬롯은 상기 로터 디스크의 원주면 상에 축 방향으로 형성된 액셜 타입인 것을 특징으로 하는 로터 디스크에 대한 블레이드 고정 구조.
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공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 연료를 연소시키고, 상기 연소기에서 생성된 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 동작시켜 동력을 생산하는 가스터빈에 있어서,
상기 압축기는 상기 터빈에서 생산한 동력 중의 일부를 이용하여 동작하도록 상기 압축기 및 터빈에 각각 구비된 로터는 토크가 전달될 수 있도록 서로 연결되고,
상기 압축기와 터빈에 각각 구비된 복수 개의 블레이드는 로터 디스크의 원주면을 따라 복수 개가 이격 형성된 결합 슬롯의 음형 굴곡부에 대해, 상기 블레이드의 루트부에 형성된 대응하는 양형 굴곡부가 서로 끼워져 고정되며,
상기 압축기와 터빈의 각 로터 디스크 중의 적어도 어느 하나의 로터 디스크에 있어서, 상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선은 상기 로터 디스크의 반지름 선에 대해 상기 블레이드의 한쪽 방향인 정압면 쪽으로 동일하게 이동하고, 이에 따라 상기 블레이드 사이의 간격을 균일하게 유지하면서 상기 루트부의 정압면과 부압면 상의 각 최대 스트레스의 편차가 감소하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
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제9항에 있어서,
상기 결합 슬롯의 반경방향 중심선이 상기 로터 디스크의 반지름 선과 평행을 이루는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
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제9항에 있어서,
상기 결합 슬롯은 상기 로터 디스크의 원주면 상에 축 방향으로 형성된 액셜 타입인 것을 특징으로 하는 가스터빈.
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