KR102205571B1 - 터빈 로터 디스크에 대한 터빈 블레이드의 고정 및 실링 구조 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 터빈 디스크 어셈블리에 관한 것으로서, 하부 후크가 형성된 터빈 로터 디스크;와, 상기 터빈 로터 디스크의 외주면에 설치되고, 상기 하부 후크에 대해 반경방향 외측에 배치되는 상부 후크를 포함하는 터빈 블레이드; 및 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크 사이에 형성된 냉각 유로를 밀폐하되 상기 상부 후크와 상기 하부 후크에 지지되는 리테이너;를 포함하고, 상기 리테이너는, 상기 냉각 유로를 밀폐하도록 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크에 대해 밀착하는 실링 플레이트;와, 상기 실링 플레이트에 밀착하면서 상기 상부 후크와 상기 하부 후크의 반경방향 턱에 대해 축 방향으로 지지되는 고정 세그먼트; 및 상기 고정 세그먼트와 상기 실링 플레이트를 관통하여 상기 터빈 블레이드에 형성된 나사 홀에 결합하여 상기 고정 세그먼트와 상기 실링 플레이트를 고정하는 스크루;를 포함한다.

Description

터빈 로터 디스크에 대한 터빈 블레이드의 고정 및 실링 구조{Fixing and sealing structure between turbine blade and turbine rotor disk}

본 발명은 터빈 로터 디스크에 대한 터빈 블레이드의 고정 및 실링 구조에 관한 것으로서, 특히 액셜 타입의 터빈 블레이드를 터빈 로터 디스크에 대해 고정하는 동시에 냉각공기의 누출을 방지하는 구조에 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.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

여기서, 터빈 블레이드는 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크의 원주면을 따라 방사상으로 결합하여 연소 가스의 흐름을 회전 운동으로 전환한다. 터빈 블레이드를 터빈 로터 디스크에 대해 축 방향으로 결합하는 액셜 타입의 경우에는 삽입된 터빈 블레이드가 축 방향으로 이동 내지 이탈하는 것을 방지하기 위한 리테이너가 설치되고 있으며, 리테이너는 터빈 로터 디스크와 터빈 블레이드 사이에 형성된 냉각공기의 유로를 밀폐하여 냉각공기의 누출을 억제하는 기능도 수행한다.

종래에는 리테이너를 터빈 블레이드 또는 로터 로터 디스크의 측면에 억지끼워 맞춤하여 고정시키거나 복잡한 구조의 결속부재를 이용하여 결속시키고 있는데, 이는 조립을 위해 준비해야 할 부재가 다수 필요하며, 조립 과정 및 분해 과정이 매우 복잡하여 작업 효율성이 현저히 낮다는 문제점이 있다. 특히 하나의 터빈 블레이드를 교체할 필요가 있는 경우에도 복잡한 과정을 거쳐야 하므로 작업 효율이 매우 낮다는 단점이 있다.

미국등록특허 제9,803,485호 (2017.10.31 등록)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 구조를 가지면서 손쉽게 장착 및 분해를 할 수 있는 터빈 로터 디스크에 대한 터빈 블레이드의 고정 및 실링 구조를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리는 하부 후크가 형성된 터빈 로터 디스크;와, 상기 터빈 로터 디스크의 외주면에 설치되고, 상기 하부 후크에 대해 반경방향 외측에 배치되는 상부 후크를 포함하는 터빈 블레이드; 및 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크 사이에 형성된 냉각 유로를 밀폐하되 상기 상부 후크와 상기 하부 후크에 지지되는 리테이너;를 포함하고, 상기 리테이너는, 상기 냉각 유로를 밀폐하도록 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크에 대해 밀착하는 실링 플레이트;와, 상기 실링 플레이트에 밀착하면서 상기 상부 후크와 상기 하부 후크의 반경방향 턱에 대해 축 방향으로 지지되는 고정 세그먼트; 및 상기 고정 세그먼트와 상기 실링 플레이트를 관통하여 상기 터빈 블레이드에 형성된 나사 홀에 결합하여 상기 고정 세그먼트와 상기 실링 플레이트를 고정하는 스크루;를 포함한다.

여기서, 상기 상부 후크와 상기 하부 후크가 형성하는 축 방향 입구의 높이에 비해 상기 고정 세그먼트의 높이가 더 크되, 상기 고정 세그먼트의 하단이 상기 하부 후크의 모서리에 접촉했을 때 상기 고정 세그먼트의 상단은 상기 상부 후크의 지지상태에서 이탈하게 된다.

그리고, 상기 고정 세그먼트의 하단이 상기 하부 후크의 모서리에 접촉한 상태에서 상기 고정 세그먼트의 상단이 상기 입구의 바깥으로 빠지도록 상기 고정 세그먼트를 기울일 수 있도록 하는 공간이 상기 하부 후크의 축 방향 내측에 형성된다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 하부 후크의 축 방향 내측에 형성된 공간은 축 방향 내측으로 기울어진 경사면을 형성할 수 있다.

그리고, 상기 경사면의 상단은 상기 실링 플레이트가 안착되는 좌면이 형성되고, 상기 실링 플레이트는 상기 좌면과 상기 상부 후크의 반경방향 내측 모서리에 지지될 수 있다.

한편, 상기 스크루는 헤드부 및 상기 헤드부보다 지름이 작은 나사산부를 포함하고, 상기 실링 플레이트에 형성된 제1 관통 홀의 지름은 상기 나사산부의 지름에 대응하고, 상기 고정 세그먼트에 형성된 제2 관통 홀의 지름은 상기 헤드부의 지름에 대응할 수 있다.

이에 따라, 상기 스크루는 상기 헤드부와 나사산부 사이의 단차면이 상기 실링 플레이트를 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크에 대해 밀착시키게 된다.

그리고, 상기 스크루는 상기 고정 세그먼트를 축 방향으로 지지하지는 못하지만, 상기 고정 세그먼트가 상기 상부 후크와 상기 하부 후크 안에서 반경방향으로 이동하는 것은 억제하게 된다.

그리고, 상기 스크루가 상기 터빈 블레이드에 형성된 나사 홀에 결합한 상태에서, 상기 고정 세그먼트의 상단은 상기 상부 후크의 반경방향 외측 모서리에 밀착하지만, 상기 고정 세그먼트의 하단은 상기 하부 후크의 반경방향 외측 모서리에는 밀착하지 않으면서 하부 후크의 턱에 의해 축 방향으로 지지되는 상태에 있을 수 있다.

아울러 상기 스크루의 헤드부는 상기 고정 세그먼트의 제2 관통 홀 안에 매몰되어 있을 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 터빈 로터 디스크는 상기 터빈 블레이드의 상부 후크와 이어지는 제2 상부 후크를 더 구비할 수 있다.

그리고, 상기 리테이너는 상기 터빈 블레이드에 대해 일대일로 설치될 수 있다.

그리고, 상기 실링 플레이트의 원주방향 폭은 상기 고정 세그먼트의 원주방향 폭보다 작을 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 터빈 블레이드에 대해 설치되는 각각의 리테이너는 동일 사양인 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 실시형태에 따라서는, 상기 실링 플레이트에 대해 상기 고정 세그먼트가 밀착한 상태에서 상기 고정 세그먼트가 반경방향을 따라 미끄러짐 이동을 할 수 있도록 상기 실링 플레이트와 상기 고정 세그먼트의 접촉면에 표면 가공 또는 표면 처리가 이루어질 수 있다.

한편, 상기 냉각 유로는 반경방향에 있어서 상기 터빈 로터 디스크의 좌면과 상기 터빈 블레이드의 나사 홀 사이에 위치할 수 있다.

그리고, 실시형태에 따라서는, 상기 고정 세그먼트는 상기 스크루가 매립되는 제2 관통 홀의 주변으로 반경방향을 가로질러 형성된 돌출부를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 리테이너가 상기 상부 후크와 상기 하부 후크에 설치되었을 때, 상기 고정 세그먼트의 돌출부는 상기 상부 후크와 상기 하부 후크를 초과하지 않는 높이로 형성될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 디스크 어셈블리는 3개 부품으로 이루어진 리테이너를 특수한 공구 없이 설치, 분해할 수 있기 때문에 작업성이 매우 우수하다는 장점이 있다.

또한, 리테이너를 설치할 상부 후크와 하부 후크의 구조가 단순한 원형의 도랑이고 리테이너를 축 방향으로 삽입하기 위한 슬롯 등의 특별한 구조가 없기 때문에 선반 작업으로도 형성할 수 있어 제작성이 뛰어나며, 특히 내열성능이 우수하지만 경도가 높은 재질로 터빈 디스크 어셈블리를 제작할 경우에도 가공량이 많지 않기 때문에 제작에 더욱 유리해진다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 터빈 로터 디스크와 터빈 블레이드를 도시한 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리를 축 방향에서 바라본 도면.
도 4는 도 3의 A-A 절개선을 따른 단면도.
도 5는 터빈 로터 디스크에 대해 터빈 블레이드가 결합했을 때의 상부 후크와 하부 후크의 구조를 도시한 도면.
도 6은 도 5의 상부 후크와 하부 후크에 결합하는 리테이너의 부품을 도시한 도면.
도 7은 터빈 로터 디스크에 대한 터빈 블레이드의 고정 및 실링 구조를 도시한 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리에서 리테이너를 분해하는 일련의 과정을 도시한 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 통과한 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 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 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.

이하, 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리(1000), 특히 터빈 로터 디스크(180)에 대한 터빈 블레이드(184)의 고정 및 실링 구조를 중심으로 하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리(1000)를 축 방향에서 바라본 도면이고, 도 4는 도 3의 A-A 절개선을 따른 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리(1000)는 하부 후크(181)가 형성된 터빈 로터 디스크(180)와, 상부 후크(185)를 구비하는 터빈 블레이드(184), 그리고 터빈 블레이드(184)와 터빈 로터 디스크(180)의 상부 후크(185)와 하부 후크(181) 사이에 설치되는 리테이너(300)를 포함한다.

도시된 터빈 디스크 어셈블리(1000)는 터빈 로터 디스크(180)의 결합 슬롯(180a)에 대해 터빈 블레이드(184)의 루트부(184b)가 축 방향으로 삽입되는 액셜 타입인데(도 2 참조), 터빈 블레이드(184)가 축 방향으로 삽입되기 때문에 반대로 빠져나오는 것을 막을 필요가 있다. 리테이너(300)는 이를 위한 구성으로서, 터빈 블레이드(184)가 결합 슬롯(180a)에 대해 축 방향으로 움직이는 것을 억제한다. 또한, 본 발명에서는 리테이너(300)가 터빈 블레이드(184)와 터빈 로터 디스크(180) 사이에 형성된 냉각 유로(C)를 밀폐하는 역할도 한다.

도 4에서, 터빈 블레이드(184)는 우측에서 좌측으로 삽입되는 것으로서 상부 후크(185)와 하부 후크(181) 사이에 설치되는 리테이너(300)가 터빈 블레이드(184)를 고정하고 있다. 또한, 터빈 블레이드(184)의 루트부(184b) 하방에 형성된 냉각 유로(C)도 리테이너(300)가 밀폐하고 있음을 확인할 수 있다. 이하, 상부 후크(185) 및 하부 후크(181)에 대한 리테이너(300)의 고정 구조를 상세히 설명한다.

도 5는 터빈 로터 디스크(180)에 대해 터빈 블레이드(184)가 결합했을 때의 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 구조를 도시한 도면이다. 로터 디스크에는 원주방향을 따라 기다란 고랑을 형성하는 하부 후크(181)가 형성되어 있으며, 터빈 블레이드(184)에는 하부 후크(181)에 대해 반경방향 외측에 배치되는 상부 후크(185)가 형성되어 있다. 상부 후크(185)도 원주방향의 고랑을 형성하고 있고, 따라서 터빈 로터 디스크(180)에 대해 터빈 블레이드(184)가 결합하면 위 아래에서 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 턱이 반경방향으로 돌출된 일정 공간이 마련된다.

상부 후크(185)와 하부 후크(181)로 만들어진 공간에는 도 6에 도시된 리테이너(300)가 설치된다. 리테이너(300)는 실링 플레이트(310), 고정 세그먼트(320), 스크루(330)의 3개 부품으로 구성되어 있다. 도 7의 단면도는 상부 후크(185)와 하부 후크(181)에 대해 리테이너(300)의 각 부품이 설치된 구조를 잘 보여주고 있다.

실링 플레이트(310)는 냉각 유로(C)를 밀폐하도록 터빈 블레이드(184)와 터빈 로터 디스크(180)에 대해 밀착한다. 그리고, 고정 세그먼트(320)는 실링 플레이트(310)의 외측으로 밀착하면서 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 반경방향 턱에 대해 축 방향으로 지지되며, 스크루(330)는 고정 세그먼트(320)와 실링 플레이트(310)를 관통하여 터빈 블레이드(184)에 형성된 나사 홀(186)에 나사 결합한다.

도 7을 자세히 보면, 상부 후크(185)와 하부 후크(181)가 형성하는 축 방향 입구의 높이에 비해 고정 세그먼트(320)의 높이가 더 큰데, 고정 세그먼트(320)의 하단이 하부 후크(181)의 모서리에 접촉했을 때 고정 세그먼트(320)의 상단은 상부 후크(185)의 지지상태에서 이탈할 수 있는 정도만큼만 더 크다(도 8 참조). 이와 같이 고정 세그먼트(320)의 높이를 설계하면, 고정 세그먼트(320)의 반경방향 위치를 바꿈에 따라 고정 세그먼트(320)가 실링 플레이트(310)를 압박하여 고정하거나, 또는 축 방향을 따라 상부 후크(185)와 하부 후크(181)로부터 분리하는 것이 가능해진다.

그리고, 고정 세그먼트(320)의 하단이 하부 후크(181)의 모서리에 접촉한 상태에서, 고정 세그먼트(320)의 상단이 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 입구에서 바깥으로 빠지도록 고정 세그먼트(320)를 기울일 수 있도록 하는 여유 공간(S)이 하부 후크(181)의 축 방향 내측에 형성된다(도 8 참조). 하부 후크(181)의 축 방향 내측에 형성된 공간(S)은 축 방향 내측으로 기울어진 경사면(182)을 형성할 수 있으며, 이 경사면(182)의 각도는 고정 세그먼트(320)의 상단이 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 입구에서 바깥으로 빠지는 최소 각도 이상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 경사면(182)의 상단에는 실링 플레이트(310)가 안착되는 좌면(183)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 실링 플레이트(310)는 좌면(183)과 상부 후크(185)의 반경방향 내측 모서리에 지지된다. 이에 따라, 실링 플레이트(310)의 하단이 경사면(182) 상단의 좌면(183)에 위치하기 때문에 고정 세그먼트(320)가 기울어질 때 실링 플레이트(310)와 간섭이 발생하는 일이 방지된다.

스크루(330)는 헤드부(332) 및 상기 헤드부(332)보다 지름이 작은 나사산부(334)를 포함하는데, 실링 플레이트(310)에 형성된 제1 관통 홀(312)의 지름은 나사산부(334)의 지름에 대응하고, 고정 세그먼트(320)에 형성된 제2 관통 홀(322)의 지름은 헤드부(332)의 지름에 대응한다. 따라서, 스크루(330)는 헤드부(332)와 나사산부(334) 사이의 단차면이 실링 플레이트(310)를 터빈 블레이드(184)와 터빈 로터 디스크(180)에 대해 밀착시키는 힘을 작용하게 된다.

반면, 고정 세그먼트(320)에 형성된 제2 관통 홀(322)의 지름은 헤드부(332)의 지름에 대응하기 때문에, 스크루(330)는 고정 세그먼트(320)를 축 방향으로 지지하지는 못한다. 그러나, 스크루(330)의 헤드부(332)는 고정 세그먼트(320)가 상부 후크(185)와 하부 후크(181) 안에서 반경방향으로 이동하는 것은 억제한다. 따라서, 스크루(330)가 터빈 블레이드(184)에 형성된 나사 홀(186)에 결합한 상태에서, 고정 세그먼트(320)의 상단은 상부 후크(185)의 반경방향 외측 모서리에 밀착하고, 고정 세그먼트(320)의 하단은 하부 후크(181)의 반경방향 외측 모서리에는 밀착하지 않지만 하부 후크(181)의 턱에 의해 축 방향으로 지지되어 있기 때문에, 반경방향의 이동이 억제된 고정 세그먼트(320)는 상부 후크(185)와 하부 후크(181)에 대해 고정 상태를 이루게 된다.

이와 같이, 고정 세그먼트(320)와 실링 플레이트(310)를 관통하여 터빈 블레이드(184)의 나사 홀(186)에 결합한 스크루(330)는, 그 고정작용에 있어 차이가 있기는 하지만, 고정 세그먼트(320)와 실링 플레이트(310) 양자를 고정하게 된다. 그리고, 실링 플레이트(310)는 스크루(330) 자체의 고정력과 고정 세그먼트(320)가 압박하는 힘 두 가지를 함께 받아 터빈 블레이드(184)와 터빈 로터 디스크(180) 사이에 형성된 냉각 유로(C)를 치밀하게 밀봉하게 된다. 도시된 실시형태에서는, 냉각 유로(C)가 반경방향에 있어서 터빈 로터 디스크(180)의 좌면(183)과 터빈 블레이드(184)의 나사 홀(186) 사이에 위치하고 있으며, 이에 따라 실링 플레이트(310)의 강한 밀착에 의해 냉각공기의 유출이 효과적으로 억제된다.

그리고, 실시형태에 따라서는, 터빈 로터 디스크(180)에 터빈 블레이드(184)의 상부 후크(185)와 이어지는 제2 상부 후크(185')가 구비될 수 있다. 터빈 로터 디스크(180)의 제2 상부 후크(185')는 인접한 터빈 블레이드(184)들의 상부 후크(185)를 연결하게 되며, 이에 따라 하부 후크(181)와 마찬가지로 상부 후크(185)도 원주면을 따라 하나로 이어진 도랑을 형성하여 고정 세그먼트(320)의 지지력을 더욱 상승시키는데 기여하게 된다.

그리고, 도 3에 도시된 것처럼, 리테이너(300)는 터빈 블레이드(184)에 대해 일대일로 설치될 수 있다. 이렇게 리테이너(300)와 터빈 블레이드(184)를 일대일로 대응시키면, 어떤 하나의 터빈 블레이드(184)를 분리할 때 대응하는 하나의 리테이너(300)만 탈거하면 되기에 유지, 보수의 측면에서 편리하다. 또한, 복수 개의 터빈 블레이드(184)에 대해 설치되는 각각의 리테이너(300)를 동일 사양으로 구성하는 것도 가능하다.

여기서, 리테이너(300)와 터빈 블레이드(184)를 일대일로 대응시키면, 하나의 리테이너(300)만 탈거할 때 인접한 다른 리테이너(300)에 의해 안쪽의 실링 플레이트(310)를 탈거하기 곤란한 경우가 발생할 수 있다(변형이 발생한 경우 등). 이를 예방하기 위해, 실링 플레이트(310)의 원주방향 폭을 고정 세그먼트(320)의 원주방향 폭보다 조금 작게 만들어 실링 플레이트(310)를 좀더 쉽게 탈거할 수 있게 할 수 있다.

또한, 실링 플레이트(310)에 대해 고정 세그먼트(320)가 밀착한 상태에서 고정 세그먼트(320)가 반경방향을 따라 쉽게 미끄러짐 이동을 할 수 있도록, 실링 플레이트(310)와 고정 세그먼트(320)의 접촉면에 표면 가공(경면 가공 또는 반경방향의 미세 그루브 가공)을 하거나, 또는 표면 처리(코팅 처리 등)를 할 수도 있다.

그리고, 고정 세그먼트(320)에는 스크루(330)가 매립되는 제2 관통 홀(322)의 주변으로 반경방향을 가로질러(예를 들어, 원주방향) 구비되는 돌출부(324)를 형성할 수 있으며, 이 돌출부(324)를 이용하여 고정 세그먼트(320)를 반경방향으로 이동시키는 힘을 쉽게 가할 수 있다. 돌출부(324)를 형성함에 있어서는, 리테이너(300)가 상부 후크(185)와 하부 후크(181)에 설치되었을 때 고정 세그먼트(320)의 돌출부(324)가 상부 후크(185)와 하부 후크(181)를 초과하지 않는 높이를 가지도록 하는 것이 다른 주변 요소와의 간섭이나 충돌을 방지하는데 유리하다.

아울러, 스크루(330)의 헤드부(332)가 고정 세그먼트(320)의 제2 관통 홀(322) 안에 매몰(예를 들어, 돌출부 안에 매립)되도록 함으로써, 추후 리테이너(300)의 탈거에 이상이 없도록 스크루(330)의 헤드부(332)를 보호할 수도 있다.

도 8은 본 발명에 따른 터빈 디스크 어셈블리(1000)에서 리테이너(300)를 분해하는 일련의 과정을 도시한 도면으로서, 이상에서 설명한 리테이너(300)의 구조, 특히 상부 후크(185)와 하부 후크(181)에 대해 장착되는 리테이너(300)의 구조를 참조하면 쉽게 이해할 수 있다.

리테이너(300)를 분해하려면, 제일 먼저는 고정 세그먼트(320)와 실링 플레이트(310) 양자를 고정하는 스크루(330)를 터빈 블레이드(184)에 형성된 나사 홀(186)로부터 분리한다.

스크루(330)를 분리하면, 제한되었던 고정 세그먼트(320)의 반경방향 이동이 가능해지며, 이로써 고정 세그먼트(320)의 하단이 하부 후크(181)의 모서리에 접촉하도록 움직일 수 있다.

고정 세그먼트(320)의 하단이 하부 후크(181)의 모서리에 접촉한 상태에서 고정 세그먼트(320)의 상단이 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 입구 바깥으로 빠지도록 고정 세그먼트(320)를 기울일 수 있으며, 상부 후크(185)의 지지에서 벗어난 고정 세그먼트(320)의 상단을 기울어진 상태 그대로 잡아당기면 고정 세그먼트(320) 전체를 상부 후크(185)와 하부 후크(181)로부터 분리할 수 있다.

고정 세그먼트(320)가 분리되면 그보다 높이가 작은 실링 플레이트(310)는 아주 쉽게 빼낼 수 있으며, 이와 같은 간단한 조작으로 리테이너(300)를 분리하면 터빈 블레이드(184)를 축 방향으로 분리할 수 있게 된다.

도 8은 터빈 디스크 어셈블리(1000)에서 리테이너(300)를 분해하는 과정을 보여주는데, 리테이너(300)의 설치는 당연히 도 8의 역순으로 진행하면 된다.

이처럼, 본 발명의 터빈 디스크 어셈블리(1000)는 3개 부품으로 이루어진 리테이너(300)를 특수한 공구 없이 설치, 분해할 수 있기 때문에 작업성이 매우 우수하다.

또한, 리테이너(300)를 설치할 상부 후크(185)와 하부 후크(181)의 구조가 단순한 원형의 도랑이고 리테이너(300)를 축 방향으로 삽입하기 위한 슬롯 등의 특별한 구조가 없기 때문에 선반 작업으로도 형성할 수 있어 제작성이 뛰어나며, 특히 내열성능이 우수하지만 경도가 높은 재질(예를 들어, 인코넬 합금)로 터빈 디스크 어셈블리(1000)를 제작할 경우에도 가공량이 많지 않기 때문에 제작에 더욱 유리해진다는 이점이 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.

1000: 터빈 디스크 어셈블리 180: 터빈 로터 디스크
181: 하부 후크 182: 경사면
183: 좌면 185': 제2 상부 후크
184: 터빈 블레이드 184b: 루트부
185: 상부 후크 186: 나사 홀
300: 리테이너 310: 실링 플레이트
312: 제1 관통 홀 320: 고정 세그먼트
322: 제2 관통 홀 324: 돌출부
330: 스크루 332: 헤드부
334: 나사산부
S: 공간 C: 냉각 유로

Claims (18)

1. 하부 후크가 형성된 터빈 로터 디스크;
   상기 터빈 로터 디스크의 외주면에 설치되고, 상기 하부 후크에 대해 반경방향 외측에 배치되는 상부 후크를 포함하는 터빈 블레이드; 및
   상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크 사이에 형성된 냉각 유로를 밀폐하되 상기 상부 후크와 상기 하부 후크에 지지되는 리테이너;
   를 포함하고,
   상기 리테이너는,
   상기 냉각 유로를 밀폐하도록 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크에 대해 밀착하는 실링 플레이트;
   상기 실링 플레이트에 밀착하면서 상기 상부 후크와 상기 하부 후크의 반경방향 턱에 대해 축 방향으로 지지되는 고정 세그먼트; 및
   상기 고정 세그먼트와 상기 실링 플레이트를 관통하여 상기 터빈 블레이드에 형성된 나사 홀에 결합하여 상기 고정 세그먼트와 상기 실링 플레이트를 고정하는 스크루;
   를 포함하고,
   상기 스크루는 헤드부 및 상기 헤드부보다 지름이 작은 나사산부를 포함하고, 상기 실링 플레이트에 형성된 제1 관통 홀의 지름은 상기 나사산부의 지름에 대응하고, 상기 고정 세그먼트에 형성된 제2 관통 홀의 지름은 상기 헤드부의 지름에 대응하며,
   이에 따라, 상기 스크루는, 상기 헤드부와 나사산부 사이의 단차면이 상기 실링 플레이트를 상기 터빈 블레이드와 상기 터빈 로터 디스크에 대해 밀착시키는 한편, 상기 고정 세그먼트를 축 방향으로 지지하지는 못하지만 상기 고정 세그먼트가 상기 상부 후크와 상기 하부 후크 안에서 반경방향으로 이동하는 것은 억제하는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부 후크와 상기 하부 후크가 형성하는 축 방향 입구의 높이에 비해 상기 고정 세그먼트의 높이가 더 크되, 상기 고정 세그먼트의 하단이 상기 하부 후크의 모서리에 접촉했을 때 상기 고정 세그먼트의 상단은 상기 상부 후크의 지지상태에서 이탈하는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,
   상기 고정 세그먼트의 하단이 상기 하부 후크의 모서리에 접촉한 상태에서 상기 고정 세그먼트의 상단이 상기 입구의 바깥으로 빠지도록 상기 고정 세그먼트를 기울일 수 있도록 하는 공간이 상기 하부 후크의 축 방향 내측에 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
4. 제3항에 있어서,
   상기 하부 후크의 축 방향 내측에 형성된 공간은 축 방향 내측으로 기울어진 경사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
5. 제4항에 있어서,
   상기 경사면의 상단은 상기 실링 플레이트가 안착되는 좌면이 형성되고, 상기 실링 플레이트는 상기 좌면과 상기 상부 후크의 반경방향 내측 모서리에 지지되는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 스크루가 상기 터빈 블레이드에 형성된 나사 홀에 결합한 상태에서, 상기 고정 세그먼트의 상단은 상기 상부 후크의 반경방향 외측 모서리에 밀착하지만, 상기 고정 세그먼트의 하단은 상기 하부 후크의 반경방향 외측 모서리에는 밀착하지 않으면서 하부 후크의 턱에 의해 축 방향으로 지지되는 상태에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
10. 제1항에 있어서,
    상기 스크루의 헤드부는 상기 고정 세그먼트의 제2 관통 홀 안에 매몰되는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
11. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 로터 디스크는 상기 터빈 블레이드의 상부 후크와 이어지는 제2 상부 후크를 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
12. 제1항에 있어서,
    상기 리테이너는 상기 터빈 블레이드에 대해 일대일로 설치되는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
13. 제12항에 있어서,
    상기 실링 플레이트의 원주방향 폭은 상기 고정 세그먼트의 원주방향 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
14. 제12항에 있어서,
    상기 복수 개의 터빈 블레이드에 대해 설치되는 각각의 리테이너는 동일 사양인 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
15. 제9항에 있어서,
    상기 실링 플레이트에 대해 상기 고정 세그먼트가 밀착한 상태에서 상기 고정 세그먼트가 반경방향을 따라 미끄러짐 이동을 할 수 있도록 상기 실링 플레이트와 상기 고정 세그먼트의 접촉면에 표면 가공 또는 표면 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
16. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 반경방향에 있어서 상기 터빈 로터 디스크의 좌면과 상기 터빈 블레이드의 나사 홀 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
17. 제1항에 있어서,
    상기 고정 세그먼트는 상기 스크루가 매립되는 제2 관통 홀의 주변으로 반경방향을 가로질러 형성된 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
18. 제17항에 있어서,
    상기 리테이너가 상기 상부 후크와 상기 하부 후크에 설치되었을 때, 상기 고정 세그먼트의 돌출부는 상기 상부 후크와 상기 하부 후크를 초과하지 않는 높이를 가진 것을 특징으로 하는 터빈 디스크 어셈블리.
    

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