KR102251740B1 - 가스 터빈용 압축기 로터 디스크 - Google Patents

가스 터빈용 압축기 로터 디스크 Download PDF

Info

Publication number
KR102251740B1
KR102251740B1 KR1020200144908A KR20200144908A KR102251740B1 KR 102251740 B1 KR102251740 B1 KR 102251740B1 KR 1020200144908 A KR1020200144908 A KR 1020200144908A KR 20200144908 A KR20200144908 A KR 20200144908A KR 102251740 B1 KR102251740 B1 KR 102251740B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rotor disk
dovetail slot
compressor
compressor rotor
dovetail
Prior art date
Application number
KR1020200144908A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200127148A (ko
Inventor
안드리 이예브도신
고로샥 유리
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR1020200144908A priority Critical patent/KR102251740B1/ko
Publication of KR20200127148A publication Critical patent/KR20200127148A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102251740B1 publication Critical patent/KR102251740B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/022—Blade-carrying members, e.g. rotors with concentric rows of axial blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/06—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising only axial stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/24—Rotors for turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

가스 터빈용 축류 압축기를 구성하는 압축기 로터 디스크에 대해 개시한다. 개시된 압축기 로터 디스크는 그 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성되어 있는데, 특히 상기 도브테일 슬롯에는 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하거나, 또는 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 제거된 절개부를 포함하면서 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 터빈용 압축기 로터 디스크{Compressor rotor disk for gas turbine}
본 발명은 가스 터빈의 압축기에 구비되는 압축기 로터 디스크에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 회전하는 압축기 로터 디스크의 원심 하중에 의한 응력 수준을 낮출 수 있는 새로운 구조의 압축기 로터 디스크에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈은 회전을 하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
가스 터빈은 회전형 동력 기관으로서, 압축기와 터빈은 하나의 축으로 연결되어 있으며, 상당히 빠른 속도로 회전, 예를 들어 발전용 가스 터빈의 경우에는 3,600RPM(교류 주파수가 60㎐인 경우)으로 회전하기 때문에 압축기와 터빈의 각 블레이드에 작용하는 원심력은 상당하게 된다. 특히, 가스 터빈이 대형화되면 회전체의 자체 중량(dead weight)이 커지기 때문에 이에 비례하여 원심력 또한 커져 압축기 로터 디스크의 원주면에 발생하는 스트레스가 상당히 문제가 된다.
압축기 로터 디스크에 발생한 스트레스는 피로 파괴의 주요한 원인이 되고, 이에 따른 파손은 가스 터빈의 운전을 상당 기간 중지시키고 보수 비용도 많이 들기 때문에 커다란 경제적 손실을 야기하고, 가스 터빈의 제품 신뢰성을 크게 악화시킨다.
한국등록특허 제10-1619753호 (2016.05.03 등록)
본 발명은 압축기 로터 디스크에 형성된 도브테일 슬롯에 작용하는 원심력에 의한 인장 응력과 최대 응력을 감소시킬 수 있는 압축기 로터 디스크를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명은 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성된 압축기 로터 디스크에 있어서, 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 제거된 절개부를 포함하고, 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 도브테일 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크의 축 방향을 따라 형성된다.
그리고, 상기 절개부는 상기 축 방향과 나란한 평면을 포함할 수 있으며, 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 축 방향 중앙을 중심으로 상기 볼록면의 일부가 절개된 것일 수 있다.
그리고, 상기 볼록면의 남은 부분과 상기 절개부의 경계는 곡면으로 연결되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 축 방향 중앙을 중심으로 하여 양측으로 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은, 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성된 압축기 로터 디스크; 및 플랫폼 위로 에어 포일 형태의 블레이드가 배치되고, 상기 플랫폼 아래로 상기 도브테일 슬롯에 끼워지는 도브테일 부재가 각각 구비된 복수 개의 압축기 블레이드;를 포함하고, 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하거나, 또는 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 제거된 절개부를 포함하면서 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성된 압축기 로터 디스크와, 플랫폼 위로 에어 포일 형태의 블레이드가 배치되고 상기 플랫폼 아래로 상기 도브테일 슬롯에 끼워지는 도브테일 부재가 각각 구비된 복수 개의 압축기 블레이드를 포함하고, 여기서 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하거나, 또는 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 제거된 절개부를 포함하면서 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크 조립체;와, 복수 개의 상기 압축기 로터 디스크 조립체를 축 방향을 따라 정렬시키는 센터 타이로드; 및 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크 조립체와 센터 타이로드를 수용하고, 압축기의 외형을 형성하는 압축기 하우징;을 포함하는 가스 터빈용 압축기를 제공한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 압축기 로터 디스크, 압축기 로터 디스크 조립체 및 가스 터빈용 압축기에 의하면, 압축기 로터 디스크의 외곽 원주면을 형성되는 각 도브테일 슬롯에 대해 반경 방향 외측의 볼록면의 일부를 제거한 절개부를 형성함에 따라 종래에 비해 절개부가 차지하는 부피만큼의 소재가 없어져서 그에 상응하는 자체중량 감소의 이득을 얻게 되고, 중량 감소의 이득만큼 원심력이 낮아져 응력 및 최대 응력의 저감 효과를 얻을 수 있다.
특히, 회전속도가 동일할 때 원심력의 크기는 질량뿐만 아니라 반경 길이에도 비례하므로, 본 발명은 로터 디스크의 반경 방향 외곽에 절개부를 형성함에 따라 원심력 감소 효과가 극대화된다.
따라서, 본 발명은 압축기 로터 디스크에 형성된 절개부에 의한 원심력 감소를 통해 도브테일 조인트에 작용하는 응력과 최대 응력 모두를 낮출 수 있어 내구성과 신뢰성을 향상시키며, 또한 절개부를 형성하는 만큼 도브테일 슬롯을 정밀하게 밀링 가공하는 부담이 줄어들기 때문에 가공비용도 절감하게 된다.
도 1은 축류 압축기를 구비하는 가스 터빈의 일 실시형태에 대해 그 내부를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈의 단면을 보여주는 도면.
도 3은 종래기술에 따른 압축기 로터 디스크의 구조를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 압축기 로터 디스크의 구조를 보여주는 도면.
도 5는 도 4의 A-A 절개선을 따라 도시한 단면도.
도 6은 도 4의 압축기 로터 디스크에 대한 측면도.
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 1은 본 발명에 따른 압축기 로터 디스크가 적용되는 축류 압축기를 구비하는 가스 터빈의 일 실시형태에 대해 그 내부를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈의 단면을 나타내는 단면도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 가스 터빈의 압축기에 대해 먼저 개략적으로 설명한 후, 본 발명의 압축기 로터 디스크에 대해 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시키며, 터빈(1300)은 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 회전하게 된다.
압축기(1100)는 압축기 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 스테이터(1140), 압축기 하우징(1150)을 포함한다.
압축기 로터 디스크(1110)는 압축기 블레이드(1130)를 고정하고, 센터 타이로드(1120)의 회전에 따라 회전하여 압축기 블레이드(1130)를 회전시킨다. 도시된 축류 압축기(1100)에는 복수 개의 압축기 로터 디스크(1110)가 연이어 배치되어 순차적으로 공기의 압축비를 상승시킨다.
복수 개로 형성된 압축기 로터 디스크(1110)들은 하나의 센터 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 압축기 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 복수 개의 압축기 로터 디스크(1110)는 그 외면에 복수 개의 돌기(미도시)가 형성되거나 플랜지(1111)가 형성되어 인접한 압축기 로터 디스크(1110)가 미끄러짐 없이 함께 회전하도록 결합한다.
복수 개의 압축기 로터 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 압축 공기 공급 유로가 형성될 수 있다. 압축 공기 공급 유로를 통해 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
센터 타이로드(1120)는 압축기 로터 디스크(1110)를 관통하여 정렬한다. 센터 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달받아서 압축기 로터 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.
센터 타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 센터 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 압축기 로터 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 압축기 로터 디스크(1110)들이 기밀하게 밀착되게 한다.
압축기 블레이드(1130)는 각 압축기 로터 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합된다. 압축기 블레이드(1130)는 복수 개가 구비되며, 다단으로 형성될 수 있다. 각각의 압축기 블레이드(1130)와 압축기 로터 디스크(1110)에는 상호 체결을 위한 도브테일(1131) 조인트가 형성된다.
본 실시예에서는 압축기 블레이드(1130)와 압축기 로터 디스크(1110)가 도브테일 방식으로 결합되지만, 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하면서 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 바로 후단의 스테이터(1140)로 이동시킨다.
스테이터(1140)는 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 다시 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다.
압축기 하우징(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 압축기 하우징(1150)은 내부에 압축기 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 스테이터(1140) 등을 수용한다.
압축기 하우징(1150)에는 다단의 압축기 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.
압축기(1100)의 출구에는 압축 공기를 확산 이동시키는 디퓨저가 배치된다. 디퓨저는 압축 공기가 연소기에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(static pressure)으로 전환시킨다.
도 3은 전술한 압축기 블레이드(1130)와 압축기 로터 디스크(1110)가 도브테일 방식으로 결합하는 종래의 구조를 상세히 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 종래의 도브테일 조인트 방식은 압축기 로터 디스크(1110)의 원주면, 즉 림부(1116)를 따라 복수 개의 도브테일 슬롯(1111)을 가공한다. 복수 개의 도브테일 슬롯(1111)은 회전체의 무게 균형을 고려하여 등각도로 가공되는 것이 일반적이다.
이에 대응하여, 압축기 블레이드(1130)의 플랫폼(1132) 아래로는 압축기 로터 디스크(1110)의 도브테일 슬롯(1111)에 상보하는 형상의 도브테일 부재(1131)로 가공하고, 플랫폼(1132) 위로는 공기를 압축하기 위한 공력 구조인 에어 포일 형태의 블레이드(1133)가 배치된다.
도브테일 슬롯(1111)은 반경 방향 내측으로는 오목면(1112)을 이루고, 이 오목면(1112)에 연속하여 반경 방향 외측으로는 볼록면(1113)을 이룬다. 이에 따라 도브테일 슬롯(1111) 안에는 반경 방향 중간 부분에 안쪽으로 돌출된 단턱 구조가 이루어지고, 도브테일 슬롯(1111)에 상보하는 형상인 압축기 블레이드(1130)의 도브테일 부재(1131)가 슬라이딩 방식으로 결합하면 단턱 구조가 맞물려서 원심력에 대한 반력이 작용함으로써 압축기 블레이드(1130)가 압축기 로터 디스크(1110)에 대해 고정된 상태를 유지하게 된다.
이러한 도브테일 조인트 방식은 전통적으로 압축기 로터 디스크(1110)와 압축기 블레이드(1130)의 결합 구조로 널리 사용되어 왔는데, 가스 터빈(1000)이 대형화됨에 따라 개선할 문제점이 생기고 있다.
가장 중요한 문제는 도브테일 조인트의 신뢰성, 다시 말해 파손되지 않고 가스 터빈(1000)의 수명까지 충분한 수명을 보장할 수 있어야 한다는 것이다. 가스 터빈(1000)이 대형화되면 압축기 로터 디스크(1110)와 압축기 블레이드(1130) 전체, 즉 압축기 로터 디스크 조립체(1145)의 크기와 무게가 늘어나게 되는데, 가스 터빈(1000)의 운전 속도는 소형이든 대형이든 큰 차이가 없다. 발전용 가스 터빈의 경우에는 교류 주파수 60㎐를 기준으로 3,600RPM 정속을 유지해야 한다.
회전체의 회전속도는 동일한데 무게가 늘어나면, 이에 비례하여 원심력이 증가하고, 이에 따라 도브테일 조인트에 발생하는 스트레스 또한 동일한 정도로 커진다. 압축기 로터 디스크(1110)의 도브테일 슬롯(1111) 관점에서 본다면, 원심력에 의한 인장 응력이 전체적으로 상승하고, 또한 최대 응력도 커진다. 도브테일 슬롯(1111)에 단단히 끼워지는 압축기 블레이드(1130)의 도브테일 부재(1131)는 도브테일 슬롯(1111)에 대해 원심력에 대한 반력으로 압축 응력이 작용하는데, 역시 마찬가지로 압축 응력 및 그 최대 응력이 커진다.
이처럼 도브테일 조인트에 작용하는 응력과 최대 응력은 가스 터빈(1000)이 운전되는 동안, 즉 압축기 로터 디스크 조립체(1145)가 회전하는 동안 항상 작용하기 때문에 이는 피로 파괴의 주요한 원인이 되고, 이에 따른 파손은 가스 터빈(1000)의 운전을 상당 기간 중지시키고 보수 비용도 많이 들기 때문에 커다란 경제적 손실을 야기하는 것은 물론 가스 터빈(1000)의 제품 신뢰성을 크게 악화시킨다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 압축기 로터 디스크 조립체(1145)에서 무게 비중이 큰 압축기 로터 디스크(1110)를 경량화함으로써 인장 응력과 최대 응력을 모두 낮추고자 하는 것이다. 이러한 목적을 가진 본 발명의 상세한 구성은 도 4 내지 도 6에 도시되어 있으며, 이를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는, 도 3의 종래기술과 비교하기 용이하도록, 본 발명에 따른 압축기 로터 디스크 조립체(1145)의 전체적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 4를 보면 쉽게 알 수 있듯이, 본 발명의 압축기 로터 디스크 조립체(1145)는 압축기 블레이드(1130)의 구조는 변경하지 않고 그대로 유지하는 가운데 압축기 로터 디스크(1110)의 도브테일 슬롯(1111) 구조를 개선한 것이다. 따라서, 이하에서는 개선된 압축기 로터 디스크(1110)의 구성을 중심으로 하여 본 발명에 대해 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압축기 로터 디스크(1110)는 원주면인 림부(1116)를 따라 복수 개의 도브테일 슬롯(1111)을 형성함에 있어, 도브테일 슬롯(1111)이 반경 방향 외측의 볼록면(1113)의 일부가 제거된 절개부(1115)를 포함하도록 구성하고 있다.
도시된 실시형태는 도브테일 슬롯(1111)은 압축기 로터 디스크(1110)의 축 방향을 따라 형성된 것(axial type)으로서, 이러한 실시형태에서는 절개부(1115)가 축 방향과 나란하게 형성된다. 도시되지는 않았지만, 만일 도브테일 슬롯(1111)이 원주면을 따라 빙 둘러 연속적으로 형성되는 구조(circumferential type)인 경우에 본 발명의 절개부(1115)가 적용된다면, 원주형 도브테일 슬롯을 가운데 두고 그 양옆으로 빙 둘러 절개부가 형성될 것이다.
이와 같이, 본 발명은 압축기 로터 디스크(1110)의 외곽 원주면을 형성되는 각 도브테일 슬롯(1111)에 대해 반경 방향 외측의 볼록면(1113)의 일부를 제거한 절개부(1115)를 형성하고 있다. 따라서, 종래에 비해 절개부(1115)가 차지하는 부피만큼의 소재가 없어지기 때문에 그에 상응하는 자체중량(dead weight) 감소의 이득을 얻게 되고, 중량 감소의 이득만큼 원심력은 낮아진다. 특히, 회전속도(각속도)가 동일할 때 원심력의 크기는 질량뿐만 아니라 반경 길이에도 비례(Fc=mrω2)하므로, 압축기 로터 디스크(1110)의 반경 방향 외곽에 절개부(1115)를 형성하는 것은 원심력 감소 효과를 극대화시킨다.
이처럼 본 발명의 압축기 로터 디스크(1110)는 절개부(1115)의 형성에 의한 원심력 감소를 통해 도브테일 조인트에 작용하는 응력과 최대 응력 모두를 낮출 수 있고, 이에 따라 압축기 로터 디스크 조립체(1145)의 내구성과 신뢰성을 향상시킨다. 부가적으로는 절개부(1115)를 형성하는 만큼 도브테일 슬롯(1111)을 정밀하게 밀링 가공하는 부담이 줄어들기 때문에 가공비용도 절감하게 된다.
절개부(1115)를 도브테일 슬롯(1111)의 볼록면(1113) 일부를 제거하는 방식으로 형성하는 한 절개부(1115) 자체의 형상이 크게 중요한 것은 아니라 할 것이다. 다만, 가공의 편의성과 비용, 무게 균형 등을 고려할 때 절개부(1115)가 축 방향과 나란한 평면을 포함하도록 하는 것이 바람직할 수 있다(axial type의 경우). 그리고, 도시된 것처럼, 볼록면(1113)의 남은 부분과 절개부(1115)의 경계를 곡면으로 연결(예를 들어, 필렛 가공)하는 것이 더욱 좋을 것이다. 이는 예리한 모서리에 응력이 집중하는 것을 완화하는데 효과적이기 때문이다.
여기서, 도브테일 슬롯(1111)의 볼록면(1113)의 "일부"를 제거하여 절개부(1115)를 형성한다는 것은 도브테일 슬롯(1111)의 일부는 볼록면(1113)과 오목면(1112)이 연속하는 종래의 도브테일 형상을 유지하고 있다는 것을 의미한다. 이와 같이 볼록면(1113)의 일부를 남겨 놓는 것은 압축기 블레이드(1130)의 도브테일 부재(1131)가 결합할 때 플랫폼(1132)이 접촉하는 최저한의 면적을 확보함으로써 흔들림 없이 부드럽게 끼워지도록 하고, 결합이 완성된 후의 정렬 상태를 유지하는데 도움이 되기 때문이다. 물론, 남아있는 볼록면(1113)이 압축기 블레이드(1130)를 지지하는데 기여하는 것은 당연하다.
절개부(1115)는 도브테일 슬롯(1111)의 축 방향 중앙을 중심으로 하여 양측(압축기를 기준으로 상류 및 하류 측)으로 볼록면(1113)의 일부를 절개할 수 있다. 즉, 도브테일 슬롯(1111)의 입구와 그 반대편 끝에 볼록면(1113)의 일부가 남도록 절개부(1115)를 형성하는 것이다. 입구에 볼록면(1113)의 일부를 남겨놓음으로써 압축기 블레이드(1130)의 도브테일 부재(1131)를 끼우는 초기부터 흔들림을 잡아줄 수 있으며, 양끝에서 압축기 블레이드(1130)의 플랫폼(1132)과 접촉함으로써 균형 잡힌 지지와 정렬 유지가 이루어진다. 도시된 실시형태는 절개부(1115)가 도브테일 슬롯(1111)의 축 방향 중앙을 중심으로 하여 양측으로 동일한 폭으로 형성되어 있는데, 이는 무게 균형을 고려한 것이다.
절개부(1115)를 얼마만큼의 부피로 만들 것인지는 압축기 블레이드(1130)를 견고하게 고정하는 것을 전제로 하는 설계 사항이다. 압축기 로터 디스크 조립체(1145)의 크기, 소재의 강도, 정격 운전속도, 압축비 및 이에 따른 공기의 단열상승 온도 등을 고려하여 절개부(1115)의 크기를 결정하여야 할 것이다.
다만, 절개부(1115)를 어느 정도의 깊이까지 형성할 것인지는 그 한계를 정할 수 있다. 도 5는 도 4의 "A-A" 절개선을 따라 도시한 단면도이다. 도 5에 잘 나타나 있듯이, 도브테일 슬롯(1111)의 단면 형상은 반경 방향 내측의 오목면(1112)에서 외측의 볼록면(1113)으로 연속적으로 변화하는 모양을 가진다. 오목면(1112)에서 볼록면(1113)으로 단면 형상이 변화하는 면을 따라가면 오목에서 볼록으로 변하는 경계점인 변곡점(1114)을 정할 수 있다. 이 변곡점(1114)을 기준으로 하여 반경 방향 내측의 오목면(1112)은 도브테일 부재(1131)의 볼록면(1113)과 밀착하여 지지력을 발생시키는 영역이다. 따라서, 절개부(1115)를 형성할 때 이 오목면(1112)을 침범하지 않도록 변곡점(1114)을 경계로 하여 그 반경 방향 외측의 일정 깊이까지만 가공하는 것이 하나의 설계 요구사항으로 설정될 수 있다.
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 것이다. 예를 들어, 압축기가 아닌 터빈의 블레이드를 도브테일 조인트 방식으로 결합할 때에도 본 발명이 적용될 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스 터빈 1100: 압축기
1110: 압축기 로터 디스크 1111: 도브테일 슬롯
1112: 오목면 1113: 볼록면
1114: 변곡점 1115: 절개부
1116: 림부 1120: 센터 타이로드
1130: 압축기 블레이드 1131: 도브테일 부재
1132: 플랫폼 1133: 블레이드
1145: 압축기 로터 디스크 조립체
1150: 압축기 하우징

Claims (20)

  1. 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성된 압축기 로터 디스크에 있어서,
    상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하고,
    상기 도브테일 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크의 축 방향을 따라 형성되어 있고, 상기 절개부는 상기 축 방향과 나란한 평면으로 이루어지며,
    또한 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 축 방향 중앙을 중심으로 하여 양측으로 동일한 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 볼록면의 남은 부분과 상기 절개부의 경계는 곡면으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크.
  7. 삭제
  8. 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성된 압축기 로터 디스크; 및 플랫폼 위로 에어 포일 형태의 블레이드가 배치되고, 플랫폼 아래로 상기 도브테일 슬롯에 끼워지는 도브테일 부재가 각각 구비된 복수 개의 압축기 블레이드;를 포함하고,
    상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하고, 상기 도브테일 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크의 축 방향을 따라 형성되어 있고, 상기 절개부는 상기 축 방향과 나란한 평면으로 이루어지며, 또한 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크 조립체.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 축 방향 중앙을 중심으로 하여 양측으로 동일한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크 조립체.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 볼록면의 남은 부분과 상기 절개부의 경계는 곡면으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크 조립체.
  15. 원주면을 따라 복수 개의 도브테일 슬롯이 형성된 압축기 로터 디스크와, 플랫폼 위로 에어 포일 형태의 블레이드가 배치되고 플랫폼 아래로 상기 도브테일 슬롯에 끼워지는 도브테일 부재가 각각 구비된 복수 개의 압축기 블레이드를 포함하고, 여기서 상기 도브테일 슬롯은 반경 방향 외측의 볼록면의 일부가 연속적으로 제거된 하나의 절개부를 포함하고, 상기 도브테일 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크의 축 방향을 따라 형성되어 있고, 상기 절개부는 상기 축 방향과 나란한 평면으로 이루어지며, 또한 상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 반경 방향 내측의 오목면에서 외측의 볼록면으로 단면 형상이 변화하는 변곡점을 경계로 하여 그 외측 볼록면의 일정 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 로터 디스크 조립체;
    복수 개의 상기 압축기 로터 디스크 조립체를 축 방향을 따라 정렬시키는 센터 타이로드; 및
    상기 복수 개의 압축기 로터 디스크 조립체와 센터 타이로드를 수용하고, 압축기의 외형을 형성하는 압축기 하우징;
    을 포함하는 가스 터빈용 압축기.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제15항에 있어서,
    상기 절개부는 상기 도브테일 슬롯의 축 방향 중앙을 중심으로 하여 양측으로 동일한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 압축기.
KR1020200144908A 2020-11-03 2020-11-03 가스 터빈용 압축기 로터 디스크 KR102251740B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200144908A KR102251740B1 (ko) 2020-11-03 2020-11-03 가스 터빈용 압축기 로터 디스크

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200144908A KR102251740B1 (ko) 2020-11-03 2020-11-03 가스 터빈용 압축기 로터 디스크

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170118037A Division KR102176954B1 (ko) 2017-09-14 2017-09-14 가스 터빈용 압축기 로터 디스크

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200127148A KR20200127148A (ko) 2020-11-10
KR102251740B1 true KR102251740B1 (ko) 2021-05-13

Family

ID=73549020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200144908A KR102251740B1 (ko) 2020-11-03 2020-11-03 가스 터빈용 압축기 로터 디스크

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102251740B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005226649A (ja) * 2004-02-10 2005-08-25 General Electric Co <Ge> タービンの第１段及び第２段のバケット及びロータホイール用の最新型のファーツリー及びブローチスロット形態

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4878810A (en) * 1988-05-20 1989-11-07 Westinghouse Electric Corp. Turbine blades having alternating resonant frequencies
EP1180196B1 (de) * 1999-05-14 2005-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Strömungsmaschine mit einem dichtsystem für einen rotor
US6457942B1 (en) * 2000-11-27 2002-10-01 General Electric Company Fan blade retainer
CH705822B1 (de) 2011-11-16 2016-01-29 Alstom Technology Ltd Axialverdichter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005226649A (ja) * 2004-02-10 2005-08-25 General Electric Co <Ge> タービンの第１段及び第２段のバケット及びロータホイール用の最新型のファーツリー及びブローチスロット形態

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200127148A (ko) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8137072B2 (en) Turbine blade including a seal pocket
US8708641B2 (en) Turbine blade and gas turbine
EP2216505A2 (en) Turbine coverplate systems
KR102176954B1 (ko) 가스 터빈용 압축기 로터 디스크
EP3460181A1 (en) Outer drum rotor assembly
EP2971693B1 (en) Gas turbine engine rotor disk-seal arrangement
KR20100106617A (ko) 가스 터빈 및 가스 터빈의 중간축 그리고 가스 터빈 압축기의 냉각 방법
US20160281732A1 (en) Impeller with offset splitter blades
KR102062594B1 (ko) 베인 캐리어, 이를 포함하는 압축기 및 가스 터빈
US5071312A (en) Turbines
KR102251740B1 (ko) 가스 터빈용 압축기 로터 디스크
WO2015129633A1 (ja) 遠心圧縮機およびディフューザ製造方法
JPH0324561B2 (ko)
US10480519B2 (en) Hybrid compressor
KR20200037669A (ko) 블레이드 일체형 탄성체를 이용한 블레이드 고정 구조 및 이를 포함하는 가스터빈
US7056094B2 (en) Rotor and a retaining plate for the same
JP2013249756A (ja) 圧縮機
US10519793B2 (en) Brush seal for a turbine engine rotor
KR102000281B1 (ko) 압축기 및 이를 포함하는 가스 터빈
KR101979113B1 (ko) 스페이서 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈
KR20200116736A (ko) 로터디스크 댐퍼 및 이를 포함하는 가스 터빈
KR102000360B1 (ko) 압축기 및 이를 포함하는 가스 터빈
JP2021535975A (ja) タービンブレード冷却用の流れ誘導部とタービンブレード冷却方法
JP2010151045A (ja) タービン翼およびガスタービン
KR20110016954A (ko) 축 방향 접촉부를 갖는 터빈엔진의 압축기 커버

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right