KR102219495B1 - 케이싱 마모 표시기를 포함하는 터빈 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어 덕트(3)의 벽을 형성하는 내측벽(3i)을 가진 케이싱(7), 및 상기 케이싱(7)을 통과하여 상기 덕트(3)로 이어져서 내시경을 위한 통로를 형성하는 하나 이상의 개구(7r)를 포함하는 터빈 엔진에 관한 것으로서, 터빈 엔진의 작동 동안에, 상기 개구(7r)는 내측벽(3i)이 연장되는 단부-표면 부분(8s)을 가진 스토퍼(8)에 의해 닫히며, 케이싱의 내측벽에 대한 마모 상태를 표시하는 마모 표시기가 개구(8)의 에지 영역에서 케이싱의 내측벽(3i) 또는 스토퍼(8)와 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수단에 의하면, 검사가 용이하여 측정 장치를 사용할 필요가 없다.

Description

케이싱 마모 표시기를 포함하는 터빈 엔진{TURBOMACHINE COMPRISING A CASING WEAR INDICATOR}
본 발명은 터빈 엔진 분야 특히 가스 터빈 엔진 압축기, 특히 원심 압축기 분야에 관한 것이다. 본 발명은 간단하게 탐지되어야 하는 터빈 엔진의 특정 부분들의 마모 상태를 표시할 수 있는 수단을 제공한다.
헬리콥터 로터의 블레이드(blade)를 구동시키기 위해 사용되는 가스 터빈 엔진은 궤적(trajectory) 부분 위로 반경류(radial-flow) 또는 축류(axial-flow) 에어 덕트(air duct)를 가지도록 형성된다.
예를 들어, 공지의 엔진은 직렬로 배열된(in series) 2개의 원심 압축기의 조립체(assembly)에 의해 형성된 제1 로터, 및 동력 샤프트(power shaft)를 구동시키기 위해 제1 로터의 터빈의 하류에 있는(downstream) 제2 자유 터빈 로터를 포함하는데, 상기 조립체는 축류 터빈(axial turbine)에 의해 구동된다.
공지의 엔지의 또 다른 예는 3-스테이지 축류 압축기 및 원심 압축기의 조립체에 의해 형성된 제1 로터, 및 동력 샤프트를 구동시키고 제1 로터의 터빈으로부터 나온 가스를 수용하는 2중 터빈(double turbine)에 의해 형성된 제2 로터를 포함하는데, 상기 조립체는 2개의 축류 터빈에 의해 구동되고 직렬로 배열된다.
이러한 타입의 항공기가 먼지 또는 모래가 많은 환경에서 사용되기 때문에, 공기가 공급될 때 함께 유입되는 고체 입자들로 인해 엔진은 매우 많이 마모된다.
마모가 많이 되는 부분들을 특별히 주의해야 되며 이에 따라 필요 시에 조절(intervention)되어야 한다.
위에서 설명한 엔진 타입에서, 에어 덕트는 전체적으로 마모되기 쉬운데, 특히 에어 덕트의 블레이드 뿐만 아니라 정적 부분(static part), 가령, 2-원심 압축기의 엘보우(elbow) 또는 축류 압축기 상에 블레이드 끝단(tip)을 향하는 마모성 코팅(abradable coating)이 있거나 또는 없는 축류-원심 압축기의 케이싱이 마모되기 쉬우며, 상기 엘보우는 제1 스테이지(stage)의 디퓨저(diffuser)의 배출 영역이다.
본 발명은 에어 덕트에 유입되는 입자들에 의해 야기되는 마모의 상태가 탐지되고 정량화될(quantified) 수 있게 하는 수단에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 엔진이 제거될 필요가 없는 수단에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 마모가 많이 되지 않으며 그 때문에 간단한 모니터링이 필요로 하는 에어 덕트의 특정 영역들에 관한 것이다. 이는, 예를 들어, 마모성 재료 코팅을 가진 디퓨저의 하류에 있는 엘보우의 내측벽(inner wall) 또는 축류 로터(axial rotor)의 블레이드의 끝단을 향하는 이러한 코팅이 없는 케이싱에 관한 것이다.
본 출원인이 2011년 10월 7일에 출원한 특허출원 FR 1159071은 마모 상태를 측정하기 위해 마커(marker)가 구비된 원심 압축기에 관한 것이다. 이 형상(configuration)에 따르면, 내측면 위에서 마모성 코팅으로 덮혀진 압축기의 임펠러(impeller)의 커버(cover)는, 실질적으로 중간 부분에서, 마모성 재료 내에서 주어진 깊이로 보어(bore) 형태로 기계가공된 마커(machined marker)를 포함한다. 마모의 진행상태(progress)는 내시경(endoscopy)에 의한 검사로 추적된다(tracked). 내시경이 압축기 내에 삽입되어 내시경의 작동 단부가 마커의 이미지 신호(image signal)를 제공하기 위해 마커를 향하도록 위치된다. 내시경 신호는 마커의 개수 및 마커의 위치에서의 마모 상태로 따르는데, 상기 내시경 신호는 처리되어(processed), 마모된 부분을 수리하고 교체하기 위해 엔진을 제거해야 하는지에 관한 결정에 대한 기준(criterion)을 제공한다. 이렇게 표시되는 마모 상태에 관한 문제점에도 불구하고, 그 외의 다른 특허출원, 가령, FR 2938651 또는 FR 2946267이 출원되었는데, 이들은 압축기 휠(compressor wheel)의 블레이드 위에 또는 휠 자체 위에 제공된 마모 표시기에 관한 것이다.
이제, 임펠러 커버(impeller cover)에 진행되는 마모 진행상태를 모니터링하기 위한 방법에 대해 보완적인 방식으로, 임의의 모니터링 장치를 사용할 필요 없이, 단지 직접 관찰함으로써, 에어 덕트의 특정 부분들에 진행되는 마모가 탐지될 수 있도록 하는 수단이 제안된다.
본 발명에 따르면, 유체 덕트(fluid duct)를 형성하는 내측벽(inner wall)을 가진 케이싱(casing)을 포함하는 터빈 엔진(turbine engine)이 제공되는데, 상기 케이싱은 상기 덕트로 이어져서 내시경을 위한 통로를 형성하는 하나 이상의 개구(opening)를 포함하며, 터빈 엔진의 작동 동안에, 상기 개구는 케이싱의 내측벽이 연장되는 단부-표면 부분(end-surface portion)을 가진 스토퍼(stopper)에 의해 닫히고(closed), 케이싱의 내측벽에 대한 마모 상태를 표시하는 마모 표시기(wear indicator)가 스토퍼의 근처에서 케이싱의 내측벽 또는 스토퍼와 결합된다(associated).
본 발명으로 인해, 임의의 장치를 사용할 필요 없이 간단하게, 직접적으로 접근될 수 없으며 미리 엔진을 해체하고 제거해야 할 필요가 있는 터빈 엔진의 영역에서 마모 상태를 모니터링할 수 있다. 마모 표시기의 상태에 따라, 수리하기 위해 터빈 엔진을 해체해야 하는지 아닌지 결정하는 것도 용이하다.
한 실시예에 따르면, 마모 표시기는 스토퍼의 단부-표면 부분 내에 기계가공되는 보어(bore)의 형태로 구성된다. 상기 실시예는 스토퍼의 상기 표면 부분이 케이싱의 내측벽과 수평으로 배열될 때(flush) 적합하다. 스토퍼는 케이싱과 동일한 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에 따르면, 마모 표시기는 케이싱 내에서 개구를 통해 외부로부터 볼 수 있고 내측벽 내에 기계가공되어 내시경 통로를 형성하는 노치(notch)이다. 상기 실시예에 따르면, 스토퍼는 에어 덕트와 수평으로 배열될 수 없다.
보어의 깊이(depth)는 영역의 수용가능한 마모 경우에 마모에 의해 제거되어야 하는 내측벽 폭(width)에 상응하도록 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 보어가 더 이상 보이지 않게 될 때, 상기 부분을 수리해야 하는 시간이다.
본 발명은, 특히, 마모 표시기를 가진 내시경을 위한 통로를 형성하는 개구가 압축기 스테이지(compressor stage)의 배출부(outlet)에서 디퓨저(diffuser)의 하류에 있는(downstream) 엘보우(elbow) 내에 위치되는 원심 압축기를 제안한다.
또한, 본 발명은 내시경을 위한 통로를 형성하는 개구가 압축기의 로터의 블레이드의 끝단(tip)을 향하는 마모성 재료 코팅(abradable material coating)에 근접하게 위치되는 축류 압축기 또는 압축기의 축방향 부분(axial part)을 제안한다.
도 1은 본 발명에 따른 2-원심 가스 터빈 엔진의 도면;
도 2는 도 1의 엔진의 한 부분을 절단하여 상기 엔진의 축을 따라 접선방향 단면을 도시한 도면으로서, 제1 디퓨저의 하류에 있는 에어 덕트의 엘보우 영역에서 내시경 스토퍼(endoscopy stopper)를 보여주고;
도 3은 엔진의 축을 따라 접선방향 단면을 절단하여 내부로부터 바라본 도면으로서, 보어를 가진 케이싱 상의 위치에 있는 내시경 스토퍼가 본 발명의 제1 실시예의 마모 표시기를 형성하며;
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마모 표시기를 가진 내시경 스토퍼의 영역에서 도 1의 엔진의 압축기를 도시한 도면;
도 5는 스토퍼가 없는 도 4의 도면;
도 6은 본 발명에 따른 축류 및 원심 압축기를 포함하는 가스 터빈 엔진을 도시한 도면이다.
도 1은 헬리콥터 로터의 블레이드를 구동시키기 위한 공지의 가스 터빈 엔진(1)을 도시한다. 상기 엔진은 2-원심 압축기(bi-centrifugal compressor)를 가진 가스 제너레이터(gas generator)를 형성하는 부분을 포함하는데, 상기 2-원심 압축기는 각각 동축 터빈(6)에 견고하게 연결된 2개의 압축 임펠러(2 및 4)를 가진다. 케이싱(casing) 내부에 있는 에어 덕트(3)는 환형이며(annular) 공기를 안내하는(guide) 공기 유입구(3a)로부터 압축기(2)의 축방향 유입구(axial inlet)로 연장된다. 압축기에 의해 압축되는 공기는 디퓨저(3b)를 통해 반경 방향으로 안내된다(guided radially). 그 뒤, 에어 덕트는 엘보우(3c)를 형성하여, 공기가 제2 압축 임펠러(4)의 축방향 유입구에 도달할 때까지 공기가 엔진의 축을 향해 안내될 수 있다. 그 뒤, 공기는 터빈(6)에 고온의 가스를 공급하는 연소 챔버(5)까지 안내된다. 가스는 로드(load)를 구동시키기 위해 동력 인출 샤프트(take-off shaft)에 견고하게 연결된 제2 로터의 터빈(9) 내에서 팽창된다. 에어 덕트는 케이싱(7)의 내측벽(3i)을 포함하는 2개의 동축벽(coaxial wall)들에 의해 형성된다.
도 1의 엔진의 케이싱(7)의 한 부분을 절단한 단면도인 도 2는 디퓨저(3b)의 하류에 있는 에어 덕트의 엘보우(3c)를 도시한다. 상기 엘보우는 디퓨저로부터 시작하는 공기 흐름을 엔진의 축을 향하도록 발산시키는(diverting) 기능을 가진다. 엘보우(3c) 영역에서 케이싱(7) 내에 반경방향 개구(7r)가 형성된다. 이 개구는 에어 덕트 안으로 이어지고(lead) 내시경(도시되지 않음)이 그 사이를 통과할 수 있게 하여, 에어 덕트의 내측면을 검사할 수 있도록 사용될 수 있다. 상기 개구(7r)는 일반적으로 스토퍼(8)에 의해 닫히는데, 이는 도 2의 단면에서 볼 수 있다. 상기 스토퍼는 상기 개구를 채우고 엔진의 작동 동안 공기가 배출되는 것을 방지하기 위해 개구(7r) 내에서 조절되는 바디(8f)를 포함하는데, 상기 바디는 횡단방향의 고정 플레이트(8v)에 견고하게 연결되며 상기 고정 플레이트에 의해 스토퍼는 케이싱(7)에 볼트고정된다. 맞은편 단부에서, 스토퍼(8)의 바디는 연속성(continuity)을 보장하기 위해 내측벽(3i)에 형태가 형성되는(shaped) 단부-표면 부분(8s)을 가진다.
본 발명에 따르면, 스토퍼 위에 마모 표시기(wear indicator)가 배열된다. 상기 마모 표시기는 스토퍼의 표면 부분(8s)에서 기계가공되는(machined) 보어(8l)로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 보어의 형태는 원형, 난형(oval) 또는 그 외의 다른 임의의 형태로 구성될 수 있다. 보어(8l)는 도 3에서 볼 수 있다. 보어의 깊이는 내측벽(3i)의 마모 포텐셜(erosion potential)에 상응한다. 따라서, 해당 부분의 마모 상태를 체크하는 것은 매우 쉽다. 스토퍼(8)가 제거되어 보어가 더 이상 보일 수 없는 경우에는, 이는 마모 포텐셜이 모두 사용되었다는(used up) 것을 표시한다. 따라서, 해당 부분은 수리되어야 하거나 심지어 교체되어야 한다.
단부-표면 부분(8s)이 케이싱의 내측벽(3i)과 수평으로 배열(flush)되지 않는 경우, 마모 표시기로서 상기 보어에 의해 제공된 표시는 덜 정확할 것이다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위하여, 마모 표시기는 개구의 에지(edge) 영역에서 케이싱의 내측벽(3i) 내에 배열된다. 이러한 해결책은 도 4 및 5에 도시된다.
도 4는 스토퍼의 단부-표면 부분(8s)이 내측벽(3i)에 대해 약간 철회된(slightly retracted) 것을 보여준다. 마모 표시기를 개구(7r)의 에지 위에서 내측벽 안에 노치(3s) 형태로 형성하는 것은, 이러한 방법으로 철회되는 스토퍼의 단부에 의해 영향을 받을 수 없다는 것을 의미한다. 스토퍼가 제거되고 나면, 상기 노치(3s)는 케이싱의 외부로부터 볼 수 있는데 이는 상기 노치가 개구(7r) 안으로 이어지기 때문이다. 상기 해결책은 도 5에 도시된다. 이전 경우에서와 같이, 내측벽(3i) 안의 노치의 깊이는 상기 벽의 마모 포텐셜에 상응한다. 육안으로 또는 내시경을 이용해서도 노치(3s)가 더 이상 보이지 않으면, 이것은 내측벽의 마모 포텐셜이 모두 사용되었다는 것을 의미한다. 이는 수리가 필요하다는 것을 표시해준다.
내측벽의 마모는 엔진의 축 주위에서 대칭으로 발생되지 않으며, 이는 항공기(aircraft) 위의 엔진 위치 또는 공기 유입구의 형태에 따른다. 따라서, 대부분 마모에 의해 영향을 받을 수 있는 영역 내에 내시경을 통과시키도록 개구를 제공하는 것이 적절하다. 또한, 내시경을 위한 개구의 접근성(accessibility)도 고려되어야 한다.
도 6은 축류 및 원심 압축기를 포함하는 가스 터빈 엔진(10)을 도시한 도면인데, 제1 압축기 스테이지(121)는 축류이다(axial). 제1 스테이지(121)를 둘러싸는 케이싱(17)이 내시경이 통과하는 개구를 가지는 한, 본 발명은 상기 영역에서 케이싱의 내측벽의 마모 상태를 모니터링하도록 사용되는 것이 바람직하다. 이 해결책은 상기 도면에 도시되지 않지만, 원심 압축기의 하류에 있는 엘보우 영역에 있는 케이싱의 내측벽에 대해 기재된 해결책으로부터 쉽게 유도될 수 있다.

Claims (9)

  1. 에어 덕트(3)의 벽을 형성하는 내측벽(3i)을 가진 케이싱(7), 및 상기 케이싱(7)을 통과하여 상기 덕트(3)로 이어져서 내시경을 위한 통로를 형성하는 하나 이상의 개구(7r)를 포함하는 터빈 엔진으로서, 터빈 엔진의 작동 동안에, 상기 개구(7r)는 내측벽(3i)이 연장되는 단부-표면 부분(8s)을 가진 스토퍼(8)에 의해 닫히는 터빈 엔진에 있어서,
    케이싱(7)의 내측벽(3i)에 대한 마모 상태를 표시하는 마모 표시기가 개구(7r)의 에지 영역에서 케이싱의 내측벽(3i) 또는 스토퍼(8)와 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 마모 표시기는 스토퍼(8)의 단부-표면 부분(8s) 내에 기계가공되는 보어(8l)의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보어는 원형 또는 난형(oval)인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  4. 제2항에 있어서, 스토퍼의 단부-표면 부분(8s)은 케이싱의 내측벽(3i)과 수평으로 배열되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 마모 표시기는 케이싱 내에서 외부로부터 개구(7r)를 통해 볼 수 있고 내측벽(3i) 내에 기계가공되는 노치(3s)인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 마모 표시기는 스토퍼(8)의 단부-표면 부분(8s) 내에 기계가공되는 보어(8l)의 형태로 구성되거나 혹은 마모 표시기는 케이싱 내에서 개구(7r)를 통해 외부로부터 볼 수 있고 내측벽(3i) 내에 기계가공되는 노치(3s)이며, 노치(3s) 또는 보어(8l)의 깊이는 케이싱의 전체 내측벽 두께로부터 마모에 의해 제거되어야 하는 케이싱의 내측벽 두께에 상응하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  7. 제1항에 따른 터빈 엔진을 형성하는 원심 압축기에 있어서,
    마모 표시기를 가진 내시경을 위한 통로를 형성하는 개구는 압축기 스테이지(compressor stage)의 배출부(outlet)에서 디퓨저의 하류에 있는 엘보우(3c) 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  8. 제1항에 따른 터빈 엔진을 형성하는 2-원심 압축기에 있어서,
    상기 개구(7r)는 제1 압축기 스테이지의 배출부에서 디퓨저의 하류에 있는 엘보우 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 2-원심 압축기.
  9. 제1항에 따른 터빈 엔진을 형성하는 축류 압축기에 있어서,
    마모 표시기를 가진 내시경을 위한 통로를 형성하는 개구는 로터의 블레이드의 끝단(tip)을 향하는 마모성 재료 코팅에 근접하게 위치되는 것을 특징으로 하는 축류 압축기.
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