KR102111662B1 - 댐핑 장치를 구비하는 터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 터빈 블레이드의 댐핑 장치에 관한 것으로서, 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯; 및 상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀;을 포함하고, 상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

댐핑 장치를 구비하는 터빈 블레이드{Turbine blade having damping device}

본 발명은 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 터빈 로터 디스크 상에서 서로 인접하는 터빈 블레이드의 플랫폼 아래에 대면 형성된 댐퍼 슬롯 및 그 안에 구비되는 댐퍼 핀을 포함하는 터빈 블레이드에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 외부로부터 도입된 공기는 복수 단으로 이루어진 회전하는 압축기 블레이드를 거치면서 점차로 압축되어 목표로 하는 압력까지 상승한다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈이 4 행정 기관에 비해 진동이 적기는 하지만, 운전하는 동안 터빈 블레이드에 진동이 발생할 경우가 있다. 예를 들면, 고온의 연소가스 흐름에 변동이 생겼을 때, 이 연소가스 유동의 변화가 터빈 블레이드를 진동시키는 일이 있다. 따라서, 가스터빈의 설계, 특히 터빈의 설계에 있어서는 기본적으로 터빈 블레이드의 고유 진동수에서의 공진, 강제 응답이나 공력 탄성 불안정성(aero-elastic instabilities)에 의해 야기되는 동적 응력을 회피하거나 최소화하여 터빈 블레이드의 고 사이클 피로를 제어하는 것이 필요하다.

터빈 블레이드의 고 사이클 피로수명을 개선하기 위해, 일반적으로 인접한 터빈 블레이드의 플랫폼 아래로 댐퍼 슬롯을 형성하고 그 안에 댐퍼 핀을 배치한 댐핑 장치를 구비하여 진동 에너지를 마찰에 의해 손실시키고 운전 중 진동의 진폭을 감소시킨다. 댐퍼 핀은 일반적으로 원통형 또는 비대칭적인 다각형의 기둥 형태를 가진 것이 주로 사용된다.

그런데, 댐퍼 슬롯은 인접하는 터빈 블레이드 사이에 오목한 공간을 만들어놓은 것이기 때문에 댐퍼 슬롯을 통해 고압의 연소가스가 흘러들어오거나 냉각공기가 빠져나가는 등의 실링의 문제가 발생한다. 또한, 댐퍼 핀을 한쪽 터빈 블레이드 쪽에 끼워놓은 상태에서 다른 쪽 터빈 블레이드를 터빈 로터 디스크에 조립할 때 댐퍼 핀이 간섭을 일으키지 않아야 하고, 사양이 다른 댐퍼 핀을 적용하기 위해 댐퍼 슬롯을 전면적으로 새로 설계할 필요가 없는 것이 더욱 바람직하다.

아직까지는 이런 다양한 요구에 부합하는 댐핑 장치는 찾아보기가 힘들며, 이에 대한 개선이 필요하다.

한국등록특허 제10-1338722호 (2013.12.02 등록)

본 발명은 터빈 블레이드에 구비되는 댐핑 장치의 구조를 개선함으로써 종래에 비해 실링 성능은 향상시키면서 양호한 조립성을 구현하며, 다양한 사양의 댐퍼 핀을 손쉽게 적용할 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 터빈 블레이드의 댐핑 장치에 관한 것으로서, 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯; 및 상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀;을 포함하고, 상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 댐퍼 핀은 원통형 댐퍼 핀이고, 상기 원통형 댐퍼 핀의 지름이 상기 제1 슬롯의 깊이보다 더 큰 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 댐퍼 슬롯을 상기 축 방향에 수직한 단면상에서 보았을 때, 상기 댐퍼 슬롯이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름보다 상기 원통형 댐퍼 핀의 지름이 더 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 댐퍼 핀은 다각형 댐퍼 핀이고, 상기 제1 슬롯 안에 상기 다각형 댐퍼 핀의 적어도 두 면이 밀착하였을 때 상기 다각형 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이가 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작은 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 댐퍼 슬롯을 상기 축 방향에 수직한 단면상에서 보았을 때, 상기 댐퍼 슬롯이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름보다 상기 다각형 댐퍼 핀의 최대 폭이 더 큰 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 슬롯 및 제2 슬롯의 각 상면은 원심력의 방향을 향해 기울어진 경사면을 이룰 수 있다.

한편, 상기 원통형 댐퍼 핀을 그 길이방향에 수직한 원형 단면을 기준으로 하여 지름을 경계로 상기 원형 단면을 제1 반원영역와 제2 반원영역으로 나누었을 때, 제1 반원영역의 비중이 상기 제2 반원영역에 비해 낮고, 이에 따라 상기 댐퍼 핀의 무게중심은 상기 제2 반원영역으로 편심되어 있을 수 있다.

여기서, 상기 제1 반원영역에는 상기 댐퍼 핀의 재질에 비해 밀도가 낮은 저비중 영역이 형성되어 있다.

그리고, 상기 저비중 영역에 상기 댐퍼 핀의 재질에 비해 밀도가 낮은 물질이 충진되어 있거나, 또는 상기 저비중 영역이 중공부로 형성되어 있을 수 있다.

그리고, 상기 저비중 영역은 상기 제1 반원영역에서 상기 댐퍼 핀의 원주면 쪽으로 더 편중되게 분포되어 있을 수 있다.

한편, 본 발명은, 터빈 로터 디스크;와, 상기 터빈 로터 디스트의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드; 및 상기 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯과, 상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀을 포함하는 댐핑 장치;를 포함하고, 상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리를 제공한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 블레이드 댐핑 장치는 댐퍼 슬롯의 공간을 다양한 사양의 댐퍼 사양을 수용하도록 하면서도 수용공간의 크기를 효과적으로 감축하여 실링 효과를 향상시킬 수 있으며, 조립성에서도 문제가 없다.

또한, 본 발명은 원통형 댐퍼 핀은 물론 다각형 댐퍼 핀을 포함하는 다양한 형태의 댐퍼 핀을 적용할 때, 재밍의 위험은 억제하면서 충분한 진동에너지 소산 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 터빈 블레이드를 도시한 사시도.
도 3은 인접하는 터빈 블레이드 사이에 형성된 댐퍼 슬롯에 댐퍼 핀이 설치된 상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 댐핑 장치의 일 실시형태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 댐핑 장치의 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 6은 원통형 댐퍼 핀의 일 실시형태를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 원통형 댐퍼 핀을 길이방향에 수직한 방향으로 절개한 단면도.
도 8은 도 6의 원통형 댐퍼 핀이 가스터빈의 운전 중 댐퍼 슬롯 안에서 회전하지 않고 일정한 자세를 유지하는 상태를 설명하는 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 ?과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

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

압축기 섹션(110)에는 복수(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 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되어, 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 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 고정되어 있어 회전하지 않으며, 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 있다. 이는 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 토크 튜브(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.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.

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, 라이너는 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 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 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 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

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

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

터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션과 그 구조가 유사하다. 즉, 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. 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 터빈 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 터빈 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.

이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 제1 슬롯(190)이 보이는 방향으로 제1 터빈 블레이드(184)를 도시한 도면이다. 제1 터빈 블레이드(184)는 플랫폼(186)을 기준으로 상방으로는 연소가스로부터 유체역학적 힘을 받는 블레이드(에어포일, 185)가 길게 연장되어 있다. 플랫폼(186) 하방으로는 제1 슬롯(190)이 형성되어 있고 냉각공기의 유동 공간을 제공하는 생크(187)가 구비되며, 또한 생크(187) 아래로 연이어서 터빈 로터 디스크의 원주면에 결합하는 루트부(도브테일, 188)가 구비되어 있다.

제1 슬롯(190)은 가스 터빈의 축 방향(AX)을 따라 제1 터빈 블레이드(184)의 플랫폼(186) 아래에 형성되어 있으며, 도 3과 같이 터빈 로터 디스크 상에서 원주방향을 따라 인접해 있는 제2 터빈 블레이드(184')의 플랫폼(186) 아래에도 마주보는 제2 슬롯(190')이 형성되어 있다. 이처럼 인접하는 제1 및 제2 터빈 블레이드(184, 184')의 각 플랫폼(186) 아래로 서로 마주보는 오목한 제1 및 제2 슬롯(190, 190')이 가스터빈의 축 방향(AX)을 따라 형성되어 하나의 댐퍼 슬롯(195)을 이루고 있으며, 이 댐퍼 슬롯(195) 안에 댐퍼 핀(200)이 삽입 설치된다. 댐퍼 슬롯(195)과 댐퍼 핀(200)이 하나의 댐핑 장치를 구성하며, 가스터빈의 운전 중에는 댐퍼 핀(200)이 터빈 블레이드(184, 184')의 진동에 의해 댐퍼 슬롯(195)의 내주면에 마찰을 일으키게 되고, 이 마찰이 터빈 블레이드(184, 194')의 진동 에너지를 소산한다.

도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 댐핑 장치의 일 실시형태를 축 방향(AX)에 수직한 단면을 따라 도시한 것이다. 도 4는 원통형 댐퍼 핀(200')이 적용된 실시형태이고, 도 5는 다각형 댐퍼 핀(200")이 적용된 실시형태인데, 댐퍼 슬롯(195)의 형태는 양자 동일하다.

도시된 댐퍼 슬롯(195)과 댐퍼 핀(200)의 기하학적 관계를 보자면, 제1 슬롯 안에 밀착된 댐퍼 핀(200)은 제1 슬롯(190)의 입구로부터 그 일부가 돌출되어 있다. 다시 말해, 제1 슬롯(190)은 댐퍼 핀(200) 전체를 수용하지 못하는 정도의 얕은 깊이로 형성되어 있다. 그리고, 댐퍼 핀(200)이 제1 슬롯(190)의 입구로부터 돌출된 높이에 대해서는 제한 조건이 따르는데, 상기 돌출된 높이는 인접한 제1 터빈 블레이드(184)와 제2 터빈 블레이드(184') 사이의 간극 거리(S)보다는 작아야 한다는 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 실링 측면에서 보자면 댐퍼 슬롯(195)의 부피(단면 깊이)는 작을수록 유리하다. 종래의 댐핑 장치는 제1 슬롯 안에 댐퍼 핀이 충분히 들어가 제1 슬롯 입구에 돌출되지 않을 정도로 댐퍼 슬롯이 깊게 형성되어 있었고, 이 때문에 데드 스페이스가 커지면서 터빈 블레이드의 실링 측면에서 불리한 점이 있었다. 이에 비해, 본 발명은 댐퍼 핀(200)이 제1 슬롯(190)의 입구로부터 돌출될 정도로 제1 슬롯(190)이 얕은 깊이로 형성되어 있기 때문에 종래에 비해 실링 성능이 향상된다.

여기서, 본 발명은 댐퍼 핀(200)이 제1 슬롯(190)의 입구로부터 돌출된 높이가 인접한 제1 터빈 블레이드(184)와 제2 터빈 블레이드(184') 사이의 간극 거리(S)보다는 작아야 한다는 조건을 포함하고 있다. 이는 댐핑 장치의 조립성을 고려한 것으로서, 댐퍼 핀(200)을 제1 터빈 블레이드(184)의 제1 슬롯(190) 안에 안착시켜 놓고, 축 방향(AX)을 따라 제2 터빈 블레이드(184')의 루트부(미도시, 도 2 참조)를 터빈 로터 디스크(180, 도 1 참조)에 결합하더라도 돌출된 댐퍼 핀(200)이 제2 터빈 블레이드(184')에 대해 간섭을 일으키지 않게 된다. 제2 터빈 블레이드(184')의 조립시에 댐퍼 핀(200)은 제1 슬롯(190) 안에 임시로 부착되어 있으며, 가스터빈이 회전하면 진동 및/또는 원심력에 의해 부착 상태가 해제되어 댐퍼 슬롯(195) 안으로 댐퍼 핀(200)이 이동하게 된다.

도 4는 댐퍼 핀(200)으로서 원통형 댐퍼 핀(200')이 적용된 실시형태를 도시한다. 원통형 댐퍼 핀(200')의 지름(d)은 제1 슬롯(190)의 깊이보다 더 크고, 이에 따라 원통형 댐퍼 핀(200')의 일부분이 제1 슬롯(190)의 입구로부터 돌출된다. 물론 원통형 댐퍼 핀(200')이 돌출된 높이는 제1 터빈 블레이드(184)와 제2 터빈 블레이드(184') 사이의 간극 거리(S)보다 작다.

여기서, 도 4처럼 댐퍼 슬롯(195)을 축 방향(AX)에 수직한 단면상에서 보았을 때, 댐퍼 슬롯(195)이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름(D)보다 원통형 댐퍼 핀(200')의 지름(d)은 더 작다. 다시 말해, 원통형 댐퍼 핀(200')은 댐퍼 슬롯(195) 안에서 이동은 물론 회전도 자유로운 상태에 있다. 이처럼 원통형 댐퍼 핀(200')이 댐퍼 슬롯(195) 안에서 이동과 회전이 자유로운 상태에 있어야 댐퍼 핀(200')이 제1 및 제2 터빈 블레이드(184, 184') 사이에 끼어버리는 재밍(jamming)의 위험이 방지된다.

도 5는 댐퍼 핀(200)으로서 다각형 댐퍼 핀(200")이 적용된 실시형태를 보여준다. 다각형 댐퍼 핀(200")은 단면 형태가 원형이 아닌 여러 개의 면을 가진 다각형 및 이에 유사한 형태를 가진 댐퍼 핀을 의미한다. 다각형 댐퍼 핀(200") 역시 제1 슬롯(190) 안에 적어도 두 면이 밀착하였을 때, 다각형 댐퍼 핀(200")이 제1 슬롯(190)의 입구로부터 돌출된 높이는 제1 및 제2 터빈 블레이드(184, 184') 사이의 간극 거리(S)보다 작다.

다각형 댐퍼 핀(200")은 원통형 댐퍼 핀(200')과 비교할 때, 댐퍼 슬롯(195)의 상면에 대한 접촉면적이 훨씬 크기 때문에 마찰 작용에 의한 진동 에너지의 소산 효과가 훨씬 우수하다. 반면, 원통형 댐퍼 핀(200')에 비해 여러 개의 면과 모서리를 가진 형상으로 인해, 재밍의 위험은 더 높다.

본 발명은 다각형 댐퍼 핀(200")을 적용했을 때의 재밍 위험을 낮추고자, 댐퍼 슬롯(195)을 축 방향(AX)에 수직한 단면상에서 보았을 때, 댐퍼 슬롯(195)이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름(D)보다 다각형 댐퍼 핀(200")의 최대 폭(W)을 더 크게 형성하였다. 다각형 댐퍼 핀(200")의 최대 폭(W)이란 다각형 댐퍼 핀(200")의 모서리를 연결한 선 중 가장 긴 대각선의 길이, 다시 말해 다각형 댐퍼 핀(200")에서 가장 두꺼운 두께를 의미한다.

댐퍼 슬롯(195)의 수용공간에 대한 내접원의 지름(D)보다 다각형 댐퍼 핀(200")의 최대 폭(W)이 더 크기 때문에 다각형 댐퍼 핀(200")은 댐퍼 슬롯(195) 안에서 자유롭게 회전하지 못하며, 제1 슬롯(190) 안에 배치된 최초 상태에서 댐퍼 슬롯(195) 안으로 이동하는 약간의 자세 변경 정도의 회전 범위 안에서 원심력에 의해 댐퍼 슬롯(195)의 상면에 밀착된다. 이와 같이, 다각형 댐퍼 핀(200")의 회전과 자세 변경이 제한됨으로써 재밍의 위험성이 크게 감소한다.

그리고, 댐퍼 핀(200)이 원심력에 의해 접촉하게 되는 제1 슬롯(190) 및 제2 슬롯(190')의 각 상면은 원심력의 방향을 향해 기울어진 경사면을 이룰 수 있다. 원심력에 대해 수렴하는 방향으로 댐퍼 슬롯(195)의 상면이 우묵하게 들어가 있음에 의해 댐퍼 핀(200)의 안정적인 접촉이 이루어지게 된다.

한편, 원통형 댐퍼 핀(200')은 회전이 자유로운 형태이기 때문에 진동 에너지 소산 효과가 떨어지는 단점이 있다. 즉, 진동에너지의 일부가 마찰 작용으로 일어나지 않고 원통형 댐퍼 핀(200')의 회전 운동으로 변환됨으로써 충분한 진동 에너지 소산이 이루어지지 못하는 것이다. 본 발명은 이러한 원통형 댐퍼 핀(200')의 단점을 해소하기 위한 일 실시형태를 제시하며, 이에 대한 구성은 도 6 내지 도 8에 도시되어 있다.

도 6을 참조하여 본 발명에 따른 원통형 댐퍼 핀(200')의 구성을 살펴보면, 댐퍼 핀(200')의 길이방향에 수직한 원형 단면을 기준으로 하여, 지름을 경계로 상기 원형 단면을 제1 반원영역(210)와 제2 반원영역(220)으로 나누었을 때 제1 반원영역(210)의 비중이 제2 반원영역(220)에 비해 낮고, 이에 따라 댐퍼 핀(200')의 무게중심이 제2 반원영역(220)으로 편심되어 있다는 특징이 있다.

본 발명의 원통형 댐퍼 핀(200')은 마찰 면적의 손실을 없애고 재밍의 위험성을 줄이기 위해, 댐퍼 핀(200')이 전체 길이에 걸쳐 균일한 원형 단면을 이루고 있다. 따라서, 본 발명은 댐퍼 핀(200')의 형상 설계를 통해 무게중심의 편심을 만드는 구조가 아니며, 댐퍼 핀(200') 내부의 구조를 새로이 구성하여 무게중심의 편심을 만들고 있다.

이를 위해, 제1 반원영역(210)에는 댐퍼 핀(200')의 재질에 비해 밀도가 낮은 저비중 영역(230)이 형성되어 있다. 다시 말해, 제1 반원영역(210)의 적어도 일부에 밀도(비중)가 낮은 저비중 영역(230)을 형성함으로써, 제2 반원영역(220)에 비해 제1 반원영역(210)의 전체 비중이 낮아지도록 만들고 있다. 따라서, 댐퍼 핀(200') 전체의 무게중심은 원형 단면상에서 제2 반원영역(220) 쪽으로 이동하게 된다. 다시 말해, 원형 단면의 원 중심과 댐퍼 핀(200')의 무게중심이 일치하지 않게 되고, 무게중심은 제2 반원영역(220) 쪽으로 편심된다.

도 8은 본 발명에 따른 댐퍼 핀(200')이 가스터빈의 운전 중 댐퍼 슬롯(195) 안에서 회전하지 않고 일정한 자세를 유지하는 상태를 설명하는 도면이다.

도 8의 (a)는 가스터빈이 운전되지 않는 상태로서, 원통형 댐퍼 핀(200')은 임의의 자세로서 댐퍼 슬롯(195)의 바닥면에 뉘어있다. 이런 상태에서 가스터빈이 운전하여 일정 속도 이상으로 터빈 블레이드(184)가 회전하면, 도 8의 (b)와 같이 댐퍼 핀(200')은 원심력(CF)을 받아 댐퍼 슬롯(195)의 우묵한 상면에 밀착하게 된다. 도 8의 (b)와 같은 상태에서 댐퍼 핀(200')은 원심력(CF)에 의한 압박을 받으면서 댐퍼 슬롯(195) 표면과 강한 마찰을 일으켜 진동 에너지를 소산하게 된다.

원심력(CF)의 크기는 물체의 무게에 비례하는데, 도시된 원통형 댐퍼 핀(200')은 제1 반원영역(210)에 비해 제2 반원영역(220)의 비중이 크기 때문에 제2 반원영역(220)에 작용하는 원심력(CF)의 크기가 상대적으로 더 크다. 따라서, 댐퍼 핀(200')은 비중이 더 큰 제2 반원영역(220)이 원심력(CF)의 바깥쪽(반경방향 외측, 도면상에서 위쪽)으로 위치하려는 힘을 받게 된다. 그리고, 댐퍼 핀(200')에는 진동이 전달되고 있기 때문에, 댐퍼 핀(200')이 진동하는 가운데 원심력(CF)을 받게 됨으로써 제2 반원영역(220)이 반경방향 외측에 위치하도록 조금씩 회전하게 된다. 결국에는 제2 반원영역(220)이 반경방향 외측에 위치하면서 댐퍼 핀(200')의 무게중심과 원심력(CF)의 방향이 일치하는 방향으로 댐퍼 핀(200')이 자리 잡게 되며, 이 상태가 도 8의 (c) 상태이다.

도 8의 (c) 상태에서 댐퍼 핀(200')은 진동을 받기 때문에 조금씩 좌우로 회전하게 된다. 그런데, 댐퍼 핀(200')이 그 무게중심과 원심력(CF)의 방향이 일치하는 방향에서 어긋나게 되면, 원심력(CF)은 회전중심축에 대해 수직한 방향으로 작용하기 때문에, 무게중심이 어긋난 정도에 비례하여 도 8의 (c) 상태로 되돌아가려는 분력(分力)이 작용하게 된다. 다시 말해, 가스터빈의 운전 중에는 도 8의 (c) 상태를 중립상태로 하여, 무게중심이 편심된 원통형 댐퍼 핀(200')에 가해지는 원심력(CF)이 상기 중립상태로 되돌아가려는 복원력(RF)으로도 작용하게 된다.

따라서, 본 발명은 원통형 댐퍼 핀(200')이 회전이 자유롭다는 단점을 오히려 가스터빈의 운전 중에는 정해진 중립상태로 쉽게 되돌아가는 성질로 바꾸고 있으며, 이처럼 본 발명의 원통형 댐퍼 핀(200')은 가스터빈의 운전 중에는 회전이 잘 일어나지 않게 되기 때문에 마찰에 의한 진동 에너지의 소산 효과가 상승한다.

제1 반원영역(210)에 저비중 영역(230)을 형성하는 방법으로는, 제1 반원영역(210)에 길이방향의 구멍을 뚫어 중공부를 형성하거나, 또는 만들어진 중공부에 댐퍼 핀(200')의 재질에 비해 밀도가 낮은 물질을 충진하는 방식이 있다. 그리고, 중공부에 충진되는 저밀도 소재의 재질을 적절히 선택하면 댐퍼 핀(200')에 또 다른 기능을 부가할 수도 있다. 예를 들어, 가벼운 카본 소재를 중공부에 충진함으로써 열 전도 성능을 제고할 수 있으며, 열 전도성이 좋은 댐퍼 핀(200')은 터빈 블레이드(184)의 냉각에 도움을 줄 수 있다.

그리고, 도 7은 본 발명에 따른 원통형 댐퍼 핀(200')을 길이방향에 수직한 방향으로 절개한 단면도인데, 도 7의 (a)처럼 저비중 영역(230)은 원형 단면의 형태로 형성되거나, 도 7의 (b)처럼 구릉(丘陵) 모양으로 넓게 확장된 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 다만, 저비중 영역(230)은 제1 반원영역(210)에서 댐퍼 핀(200')의 원주면 쪽으로 더 편중되게 분포하는 것이 좋을 수 있다. 즉, 도 7의 (a)처럼 원형 단면의 형태의 저비중 영역(230)을 원주면 쪽에 더 가깝게 배치하거나, 도 7의 (b)처럼 구릉 형태의 저비중 영역(230)을 원주면 쪽으로 넓게 분포시키는 것이다. 이는 원심력은 댐퍼 핀(200')의 외측에 상대적으로 더 강하게 작용(원심력의 크기는 회전중심축과의 거리에 비례)하기 때문에, 제2 반원영역(220)의 원주면 쪽에 작용하는 원심력의 효과를 키운다는 측면에서 제1 반원영역(210)의 원주면 쪽이 가벼울수록 유리하기 때문이다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 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, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

184: 제1 터빈 블레이드 185: 블레이드(에어포일)
186: 플랫폼 187: 생크
188: 루트부(도브테일) 190: 제1 슬롯
184': 제2 터빈 블레이드 190': 제2 슬롯
195: 댐퍼 슬롯 200: 댐퍼 핀
200': 원통형 댐퍼 핀 210: 제1 반원영역
220: 제2 반원영역 230: 저비중 영역
200": 다각형 댐퍼 핀 AX: 축 방향
CF: 원심력 RF: 복원력
S: 터빈 블레이드 사이의 간극 거리
D: 댐퍼 슬롯의 수용공간에 대한 내접원의 지름
d: 원통형 댐퍼 핀의 지름
W: 다각형 댐퍼 핀의 최대 폭

Claims (20)

1. 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯; 및
   상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀;을 포함하고,
   상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작고,
   상기 댐퍼 핀은 원통형 댐퍼 핀으로서, 상기 원통형 댐퍼 핀의 지름이 상기 제1 슬롯의 깊이보다 더 크며,
   상기 원통형 댐퍼 핀의 길이방향에 수직한 원형 단면을 기준으로 하여 지름을 경계로 상기 원형 단면을 제1 반원영역와 제2 반원영역으로 나누었을 때, 상기 제1 반원영역의 비중이 상기 제2 반원영역에 비해 낮고, 이에 따라 상기 댐퍼 핀의 무게중심은 상기 제2 반원영역으로 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
2. 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯; 및
   상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀;을 포함하고,
   상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작고,
   상기 댐퍼 핀은 다각형 댐퍼 핀이고, 상기 제1 슬롯 안에 상기 다각형 댐퍼 핀의 적어도 두 면이 밀착하였을 때 상기 다각형 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이가 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작고,
   상기 댐퍼 슬롯을 상기 축 방향에 수직한 단면상에서 보았을 때, 상기 댐퍼 슬롯이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름보다 상기 다각형 댐퍼 핀의 최대 폭이 더 큰 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 댐퍼 슬롯을 상기 축 방향에 수직한 단면상에서 보았을 때, 상기 댐퍼 슬롯이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름보다 상기 원통형 댐퍼 핀의 지름이 더 작은 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 슬롯 및 제2 슬롯의 각 상면은 원심력의 방향을 향해 기울어진 경사면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 반원영역에는 상기 댐퍼 핀의 재질에 비해 밀도가 낮은 저비중 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 저비중 영역에 상기 댐퍼 핀의 재질에 비해 밀도가 낮은 물질이 충진되어 있거나, 또는 상기 저비중 영역이 중공부로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 저비중 영역은 상기 제1 반원영역에서 상기 댐퍼 핀의 원주면 쪽으로 더 편중되게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 장치.
11. 터빈 로터 디스크;
    상기 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드; 및
    상기 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯과, 상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀을 포함하는 댐핑 장치;를 포함하고,
    상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작고,
    상기 댐퍼 핀은 원통형 댐퍼 핀으로서, 상기 원통형 댐퍼 핀의 지름이 상기 제1 슬롯의 깊이보다 더 크며,
    상기 원통형 댐퍼 핀의 길이방향에 수직한 원형 단면을 기준으로 하여 지름을 경계로 상기 원형 단면을 제1 반원영역와 제2 반원영역으로 나누었을 때, 상기 제1 반원영역의 비중이 상기 제2 반원영역에 비해 낮고, 이에 따라 상기 댐퍼 핀의 무게중심은 상기 제2 반원영역으로 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
12. 터빈 로터 디스크;
    상기 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드; 및
    상기 복수 개의 터빈 블레이드 중 서로 인접하는 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드의 각 플랫폼 아래로 서로 마주보게 축 방향을 따라 구비된 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 의해 형성되는 댐퍼 슬롯과, 상기 댐퍼 슬롯 안에 배치되는 댐퍼 핀을 포함하는 댐핑 장치;를 포함하고,
    상기 제1 슬롯 안에 밀착된 상기 댐퍼 핀은 상기 제1 슬롯의 입구로부터 그 일부가 돌출되되, 상기 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이는 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작고,
    상기 댐퍼 핀은 다각형 댐퍼 핀이고, 상기 제1 슬롯 안에 상기 다각형 댐퍼 핀의 적어도 두 면이 밀착하였을 때 상기 다각형 댐퍼 핀이 상기 제1 슬롯의 입구로부터 돌출된 높이가 상기 제1 터빈 블레이드 및 제2 터빈 블레이드 사이의 간극 거리보다 작고,
    상기 댐퍼 슬롯을 상기 축 방향에 수직한 단면상에서 보았을 때, 상기 댐퍼 슬롯이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름보다 상기 다각형 댐퍼 핀의 최대 폭이 더 큰 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
13. 제11항에 있어서,
    상기 댐퍼 슬롯을 상기 축 방향에 수직한 단면상에서 보았을 때, 상기 댐퍼 슬롯이 형성하는 수용공간 안에 내접하는 원의 지름보다 상기 원통형 댐퍼 핀의 지름이 더 작은 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
14. 삭제
15. 삭제
16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 슬롯 및 제2 슬롯의 각 상면은 원심력의 방향을 향해 기울어진 경사면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
17. 삭제
18. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반원영역에는 상기 댐퍼 핀의 재질에 비해 밀도가 낮은 저비중 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
19. 제18항에 있어서,
    상기 저비중 영역에 상기 댐퍼 핀의 재질에 비해 밀도가 낮은 물질이 충진되어 있거나, 또는 상기 저비중 영역이 중공부로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
20. 제18항에 있어서,
    상기 저비중 영역은 상기 제1 반원영역에서 상기 댐퍼 핀의 원주면 쪽으로 더 편중되게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 어셈블리.
    

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