KR102468297B1 - 향상된 댐핑 성능을 갖는 터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드부가 플랫폼부로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 상기 플랫폼부의 축 방향 제1 측면을 따라 돌출된 단턱을 이루도록 형성된 제1 단턱부와, 상기 플랫폼부의 축 방향 제2 측면을 따라 함몰된 단턱을 이루도록 형성된 제2 단턱부를 포함하고, 상기 제1 단턱부와 제2 단턱부는 상보하는 형상을 이루는 제1 댐핑부; 및 상기 블레이드부의 스팬 방향 중간 영역에서, 상기 압력면에서 축 방향을 따라 돌출된 제1 스너버와, 상기 흡입면에서 축 방향을 따라 돌출된 제2 스너버를 포함하는 제2 댐핑부;를 포함하는 터빈 블레이드를 제공한다.

Description

향상된 댐핑 성능을 갖는 터빈 블레이드{TURBINE BLADE HAVING IMPROVED DAMPING PERFORMANCE}

본 발명은 가스터빈의 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 터빈 블레이드에 발생하는 다양한 모드의 진동을 효과적으로 감쇠할 수 있는 댐핑 구조를 구비한 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 발생하는 진동을 피하기는 어렵다. 예를 들면, 고온의 연소가스 흐름에 변동이 생겼을 때, 이 연소가스 유동의 변화가 터빈 블레이드에 진동을 발생시키게 된다. 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 피로수명을 개선하기 위해, 일반적으로 인접한 터빈 블레이드의 플랫폼 아래로 그 사이에 댐퍼 핀을 마련하여 진동 에너지를 마찰에 의해 손실시키고 운전 중 진동의 진폭을 감소시킨다.

댐퍼 핀을 사용하면 터빈 블레이드의 플랫폼 영역에서 어느 정도는 진동을 소산할 수는 있지만, 반경방향으로 길게 연장한 블레이드부에서의 진동 문제까지 해결하기는 어렵다. 또한, 댐퍼 핀을 넣기 위한 포켓을 별도로 가공해야 한다는 점과, 포켓에는 댐퍼 핀이 움직일 수 공간이 필요하기에 연소 가스의 밀봉에 불리한 점이 따른다. 아울러, 댐퍼 핀은 터빈 블레이드의 축 방향을 따라 설치되는데, 이렇게 댐퍼 핀의 주 방향이 결정됨에 따라 터빈 블레이드의 복잡한 진동 모드 전체에 대해 효과적인 댐핑 특성을 확보하는 것이 어렵다는 한계가 있다.

한국등록특허 제10-1338722호 (2013.12.02 등록)

본 발명은 터빈 블레이드에 발생하는 복잡한 진동 모드 전반에 걸쳐 효과적으로 댐핑 작용을 수행할 수 있는 댐핑부를 구비하는 터빈 블레이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드부가 플랫폼부로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드로서, 상기 플랫폼부의 축 방향 제1 측면을 따라 돌출된 단턱을 이루도록 형성된 제1 단턱부와, 상기 플랫폼부의 축 방향 제2 측면을 따라 함몰된 단턱을 이루도록 형성된 제2 단턱부를 포함하고, 상기 제1 단턱부와 제2 단턱부는 상보하는 형상을 이루는 제1 댐핑부; 및 상기 블레이드부의 스팬 방향 중간 영역에서, 상기 압력면에서 축 방향을 따라 돌출된 제1 스너버와, 상기 흡입면에서 축 방향을 따라 돌출된 제2 스너버를 포함하는 제2 댐핑부;를 포함하는 터빈 블레이드를 제공한다.

상기 제1 단턱부의 저면과 상기 제2 단턱부의 상면은, 상기 터빈 블레이드의 반경방향을 따라 서로 대응하는 높이에 위치한다.

그리고, 상기 제1 스너버는 상기 압력면의 상기 리딩 에지에 인접하게 배치되고, 상기 제2 스너버는 상기 흡입면의 상기 트레일링 에지에 인접하게 배치될 수 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 스너버 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루고, 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이룰 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 흡입면에 위치한 제2 스너버의 하면이 볼록한 곡면을 이룬다.

또한, 상기 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 각각 그 곡면이 연장된 방향이 축 방향을 따를 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 팁 부에는, 상기 압력면에서 돌출된 제3 스너버와, 상기 흡입면에서 돌출된 제4 스너버를 포함하는 제3 댐핑부가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 제3 및 제4 스너버 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루고, 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이룰 수 있으며, 일 실시형태에 따르면 상기 흡입면에 위치한 제4 스너버의 하면이 볼록한 곡면을 이룬다.

그리고, 상기 제3 댐핑부의 상기 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 각각 그 곡면이 연장된 방향이 상기 팁 부의 두께 방향을 따를 수 있다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 제1 터빈 블레이드 및 상기 제1 터빈 블레이드와 동일한 구조를 가지며, 상기 제1 터빈 블레이드에 대해 원주방향을 따라 인접 배치되는 제2 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조를 제공하며, 여기서 상기 제1 터빈 블레이드의 제1 단턱부와 상기 제2 터빈 블레이드의 제2 단턱부가 상호 접촉하여 원주방향을 주된 방향으로 하는 상기 제1 댐핑부의 댐핑 작용을 일으키는 한편, 상기 제1 터빈 블레이드의 제1 스너버와 상기 제2 터빈 블레이드의 제2 스너버가 상호 접촉하여 축 방향을 주된 방향으로 하는 상기 제2 댐핑부의 댐핑 작용을 일으킨다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 및 제2 터빈 블레이드의 조립 중에 상기 제1 댐핑부 및 제2 댐핑부에서의 접촉 상태가 이루어진다.

또는, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 제1 및 제2 터빈 블레이드의 회전에 의해 발생하는 원심력에 의해 상기 제1 댐핑부 및 제2 댐핑부에서의 접촉 상태가 이루어지게 된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 블레이드는 플랫폼부와 블레이드부, 나아가 팁 부에 대해 서로 진동 감쇠 모드가 다른 댐핑부를 각각 구비함으로써, 터빈 블레이드에 발생하는 복잡한 진동 모드 전반에 걸쳐 효과적으로 댐핑 작용을 수행하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 터빈 블레이드는 플랫폼부와 블레이드부에서 인접한 다른 터빈 블레이드와 상호 접촉하는 댐핑 구조를 구비함으로써 전체 강성이 증가하게 되고, 이를 통해 자려진동에 기인하는 플러터 현상을 억제하는데에도 효과를 발휘한다.

그리고, 본 발명은 별도의 댐퍼 핀 구조를 적용하지 않고도 효과적으로 터빈 블레이드에 발생하는 진동을 흡수, 소산할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈 블레이드가 적용될 수 있는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 터빈 블레이드의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 터빈 블레이드의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 터빈 블레이드에 구비되는 제1 댐핑부의 연결 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 터빈 블레이드에 구비되는 제2 댐핑부의 연결 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 터빈 블레이드에 구비되는 제3 댐핑부의 연결 구조를 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 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 6을 참조하여 본 발명의 터빈 블레이드(184)에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 터빈 블레이드(184)의 전반적인 구조를 보여주기 위해, 가스터빈(100)의 축 방향(AX)이 도면의 앞쪽에 보이는 방향으로 도시하고 있다.

터빈 블레이드(184)는 리딩 에지(190)와 트레일링 에지(192), 그리고 리딩 에지(190)와 트레일링 에지(192)를 연결하는 압력면(194)과 흡입면(196)을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드부(185)가 플랫폼부(186)로부터 자유단인 팁 부(189)까지 반경 방향으로 연장되어 있다. 본 발명은 연소가스가 작용하는 힘에 의해 터빈 블레이드(184)에 발생하는 다양한 모드의 진동을 효과적으로 감쇠하기 위한 댐핑 구조에 관한 것으로서, 각각의 터빈 블레이드(184)는 동일한 형태를 이루고 있다. 이러한 댐핑 효과는 인접한 터빈 블레이드(184) 사이의 상호 작용에 의해 발생하는데, 먼저 하나의 터빈 블레이드(184)에 대해 그 구조를 설명한 후에 인접한 두 개의 터빈 블레이드(184-1, 184-2)를 대상으로 하여 댐핑 작용에 대해 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 터빈 블레이드(184)에는 제1 댐핑부(300) 및 제2 댐핑부(400)의 두 가지 댐핑부를 구비하고 있으며, 제1 댐핑부(300)는 터빈 로터 디스크에 인접한 플랫폼부(186)에, 그리고 제2 댐핑부(400)는 블레이드부(185)의 스팬 방향 중간 영역에 위치하고 있다.

제1 댐핑부(300)는 플랫폼부(186)의 축 방향(AX) 제1 측면(186-1)을 따라 돌출된 단턱을 이루도록 형성된 제1 단턱부(310)와, 플랫폼부(186)의 축 방향(AX) 제2 측면(186-2)(제1 측면에 대향하는 측면)을 따라 함몰된 단턱을 이루도록 형성된 제2 단턱부(320)를 포함한다. 제1 단턱부(310)와 제2 단턱부(320)는 상보하는 형상, 즉 제1 단턱부(310)의 돌출된 단턱과 제2 단턱부(320)의 함몰된 단턱이 서로 쌍을 이루는 양형과 음형의 형태를 이룬다.

특히, 제1 단턱부(310)의 저면과 제2 단턱부(320)의 상면은, 터빈 블레이드(184)의 반경방향(RD)을 따라 서로 대응하는 높이에 위치한다. 이는 후술할 인접한 터빈 블레이드(184) 사이에서 제1 댐핑부(300)의 진동 감쇠 작용을 일으키기 위한 구조로서, 이에 대해서는 뒤에서 상술한다. 또한, 제1 단턱부(310)의 저면과 제2 단턱부(320)의 상면의 반경방향(RD) 높이가 서로 대응한다는 것은 반드시 동일함을 의미하는 것은 아니며, 제1 단턱부(310)의 저면과 제2 단턱부(320)의 상면이 가스터빈(100)이 정지되어 있거나 또는 운전시에 접촉 상태를 이룰 수 있을 정도의 인접한 거리에 있음도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2 댐핑부(400)는 블레이드부(185)의 스팬 방향 중간 영역에 위치하며, 압력면(194)에서 축 방향(AX)을 따라 돌출된 제1 스너버(410)와, 흡입면(196)에서 축 방향(AX)을 따라 돌출된 제2 스너버(420)를 포함한다. 블레이드부(185)의 익형 단면 구조상 압력면(194)과 흡입면(196)은 서로 대향하는 면이기에, 도 5에 나타난 것과 같이, 제1 스너버(410)와 제2 스너버(420)는 축 방향(AX)을 따르는 것은 같지만 그 돌출되는 방향은 서로 반대이다.

그리고, 도 3은 본 발명의 다른 실시형태로서, 제3 댐핑부(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 제3 댐핑부(500)는 터빈 블레이드(184)의 팁 부(189)에 구비되며, 제2 댐핑부(400)와 유사하게, 압력면(194)에서 돌출된 제3 스너버(510)와, 흡입면(196)에서 돌출된 제4 스너버(520)를 포함한다. 역시, 제3 스너버(510)와 제4 스너버(520)는 서로 반대방향으로 돌출된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈 블레이드(184)는 각각의 터빈 블레이드(184-1, 184-2)가 동일한 형태를 이루고 있으며, 터빈 블레이드(184)에서 발생하는 진동의 감쇠, 즉 댐핑 효과는 인접한 터빈 블레이드(184) 사이의 상호 작용에 의해 발생한다.

도 4는 터빈 블레이드(184)의 제1 댐핑부(300)를 도시한 것이다. 도 4는 터빈 블레이드(184)를 반경-축 항향(RD-AX)의 평면(서로 직교하는 반경방향과 축 방향이 이루는 평면, 이하 동일한 개념으로 단면 방향을 설명함)을 따라 절개한 단면도이며, 원주방향(TN)을 따라 서로 인접한 두 개의 터빈 블레이드(184-1, 184-2)가 도시되어 있다. 도시된 상태는 터빈 블레이드(184)의 루트부(188)에 형성된 도브테일 가공부가 터빈 로터 디스크에 끼워진 상태에 해당하며, 도 4의 좌측 터빈 블레이드(184)는 제1 터빈 블레이드(184-1)라 하고, 우측의 터빈 블레이드(184)는 제2 터빈 블레이드(184-2)라 부르기로 한다.

물론, 터빈 로터 디스크에는 이보다 훨씬 많은 개수의 터빈 블레이드(184)가 결합한다. 따라서, 도 4에 도시되지는 않았지만, 제2 터빈 블레이드(184-2) 우측에도 또 하나의 터빈 블레이드(184)가 배치될 것이며, 이 도시되지 않은 터빈 블레이드(184)에 대해 현재 도시된 제2 터빈 블레이드(184-2)는 제1 터빈 블레이드(184-1)의 역할을 할 것임을 이해할 필요가 있다. 즉, 아래 설명의 제1 및 제2 터빈 블레이드(184-1, 184-2) 사이의 결합 구조는 인접한 다른 터빈 블레이드(184)에 대해 동일하게 확장되는 것으로 이해하면 된다.

도 4로 돌아오면, 제1 댐핑부(300)는 제1 터빈 블레이드(184-1)의 제1 단턱부(310)와 제2 터빈 블레이드(184-2)의 제2 단턱부(320)가 상호 접촉하면서 댐핑 작용을 일으킨다. 즉, 제1 단턱부(310)의 돌출된 단턱과 제2 단턱부(320)의 함몰된 단턱이 서로 쌍을 이루는 양형과 음형의 형태를 이루고, 제1 단턱부(310)의 저면과 제2 단턱부(320)의 상면이 터빈 블레이드(184)의 반경방향(RD)을 따라 서로 대응하는 높이에 위치함에 따라, 제1 단턱부(310)의 저면과 제2 단턱부(320)의 상면 사이에서 마찰에 의한 진종 감쇠 효과가 발생한다.

제1 댐핑부(300)는 터빈 블레이드(184)의 플랫폼부(186)에 위치하는데, 플랫폼부(186)는 터빈 로터 디스크에 단단히 결합하는 루트부(188)에 가깝기 때문에 축 방향(AX)이나 반경방향(RD)보다는 터빈 로터 디스크가 회전하는 방향인 원주방향(TN)을 따르는 진동이 발생하는 경향이 강하다. 따라서, 제1 댐핑부(300)는 원주방향(TN)의 진동을 제1 터빈 블레이드(184-1)의 제1 단턱부(310)와 제2 터빈 블레이드(184-2)의 제2 단턱부(320) 사이에서 발생하는 마찰을 통해 감소시키는 역할을 주로 담당하게 된다.

도 5는 제2 댐핑부(400)의 결합구조를 설명하기 위해, 원주-축 방향(TN-AX) 단면으로 터빈 블레이드(184)를 도시한 것이다. 제2 댐핑부(400)는, 제1 터빈 블레이드(184-1)의 제1 스너버(410)와 제2 터빈 블레이드(184-2)의 제2 스너버(420)가 상호 접촉하며, 이를 통해 축 방향(AX)을 주된 방향으로 하는 상기 제2 댐핑부(400)의 댐핑 작용을 일으킨다.

각 터빈 블레이드(184)의 제1 스너버(410)와 제2 스너버(420)는 각각 압력면(194)과 흡입면(196)으로부터 시작하여 축 방향(AX)으로 돌출된다. 이에 따라, 제1 스너버(410)와 제2 스너버(420)는 대략 축 방향(AX)을 따라 평행하지만, 그 돌출되는 방향은 서로 반대가 된다. 따라서, 도 5에 도시된 것과 같이, 제1 터빈 블레이드(184-1)의 제1 스너버(410)와 제2 터빈 블레이드(184-2)의 제2 스너버(420)가 축 방향(AX)을 따라 서로 마주보게 정렬시키는 것이 가능하고, 이렇게 서로 마주보는 제1 터빈 블레이드(184-1)의 제1 스너버(410)와 제2 터빈 블레이드(184-2)의 제2 스너버(420)가 상호 마찰을 일으킴으로써 댐핑 작용을 발생하게 된다.

터빈 블레이드(184)의 블레이드부(185)는 플랫폼부(186)에서 반경방향(RD)으로 연장되면서 점차로 익형 단면이 비틀리는 형태를 취하게 된다. 블레이드부(185)의 길이가 길어질수록 비틀리는 정도가 커지는 것이 보통인데, 이러한 비틀림에 의해 터빈 블레이드(184)에는 원주방향(TN)과 축 방향(AX)의 진동이 가장 지배적으로 발생한다. 원주방향(TN)의 진동은 전술한 플랫폼부(186)의 제1 댐핑부(300)를 통해 효과적으로 감쇠할 수 있지만, 플랫폼부(186)에서의 축 방향(AX) 변위는 매우 제한적이기 때문에 제1 댐핑부(300)에 의해 축 방향(AX) 진동까지 감소시키는 것은 어렵고 비효율적이다.

따라서, 본 발명의 터빈 블레이드(184)는 블레이드부(185)의 스팬 방향 중간 영역에 제2 댐핑부(400)를 구비하고, 제1 터빈 블레이드(184-1)의 제1 스너버(410)와 제2 터빈 블레이드(184-2)의 제2 스너버(420)가 축 방향(AX)을 따라 상호 접촉하도록 함으로써 축 방향(AX) 진동을 효과적으로 감쇠하도록 구성되어 있다.

또한, 길이가 긴 터빈 블레이드(184)에서 문제가 되는 것 중의 하나로서 자려진동에 의한 플러터(flutter) 현상인데, 플러터 현상을 방지하는데는 터빈 블레이드(184)의 강성(stiffness)을 증가시키는 것이 유용하다. 이러한 점에서, 터빈 블레이드(184)의 플랫폼부(186)에 위치하는 제1 댐핑부(300)와, 블레이드부(185)의 스팬 방향 중간 영역에 위치하는 제2 댐핑부(400)는 터빈 블레이드(184)의 강성을 증대하는 구조이기에, 본 발명의 터빈 블레이드(184)는 플러터 현상을 억제함에도 유리하다.

그리고, 실시형태에 따라서는, 제1 스너버(410)는 압력면(194)의 리딩 에지(190)에 인접하게 배치하고, 제2 스너버(420)는 흡입면(196)의 트레일링 에지(192)에 인접하게 배치될 수 있다. 이와 같이 제1 스너버(410)와 제2 스너버(420)를 멀리 떨어지게 배치하면, 제2 댐핑부(400)가 블레이브부의 익형 단면 양쪽을 넓은 범위에서 접촉 지지하는 구조를 이루게 됨으로써 블레이드부(185)의 강성을 더욱 강화시키게 된다.

아울러, 제1 스너버(410) 및 제2 스너버(420) 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루고, 이에 대응하여 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이루도록 접촉면의 형상을 구성할 수도 있다. 접촉면이 곡면을 이룸으로써 접촉면적이 확장되어 진동 감쇠 효과가 상승하며, 또한 각 터빈 블레이드(184)의 블레이드부(185)가 비틀려서 상대 변위가 발생할 때 부드럽고 원활한 이동을 유도함으로써 과도한 응력이 집중되는 것을 방지하는데 유용하다.

여기서, 제1 스너버(410) 및 제2 스너버(420) 중에서, 흡입면(196)에 위치한 제2 스너버(420)의 하면이 볼록한 곡면을 이루는 것, 다시 말해 제2 스너버(420)가 제1 스버너 위쪽에 위치하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 블레이드부(185)의 압력면(194)에 고압이 작용함에 따라 압력면(194)에서 흡입면(196)을 향하는 방향으로 힘이 작용하게 되고, 이에 따라 압력면(194)의 제1 스너버(410)가 흡입면(196)의 제2 스너버(420) 쪽으로 변형하게 되고 제2 스너버(420)는 이와는 반대로 변형하게 되므로, 제2 스너버(420)가 제1 스버너 위쪽에 위치하는 것이 충분한 마찰력을 확보하는데 유리하기 때문이다. 물론, 제1 스너버(410)의 상면과 제2 스너버(420)의 하면이 평면을 이루는 경우에도 이러한 상하 배치관계를 갖을 수 있다.

또한, 제1 스너버(410)와 제2 스너버(420)에 형성된 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 그 연장된 방향이 축 방향(AX)을 따를 수 있으며, 이를 통해 제1 스너버(410)와 제2 스너버(420)의 주된 마찰 방향을 축 방향(AX)으로 유도함으로써 보다 확실하게 축 방향(AX) 진동을 억제하는데 도움이 된다.

제1 댐핑부(300)와 제2 댐핑부(400)에서의 접촉은 터빈 블레이드(184)의 조립 중에 이미 이루어지거나, 또는 조립시에는 약간의 반경방향(RD) 간극이 존재하지만 가스터빈(100)을 운전하여 제1 및 제2 터빈 블레이드(184-1, 184-2)가 회전하면 이때 발생하는 원심력에 의해 접촉 상태가 완성될 수도 있다. 터빈 블레이드(184)를 터빈 로터 디스크에 조립하면 도브테일 조인트에는 미세한 틈이 있기에 별 다른 작업을 하지 않는다면, 운전 중에 접촉 상태가 이루어질 수 있다. 반면에 터빈 블레이드(184)의 조립 중에 미리 제1 댐핑부(300)와 제2 댐핑부(400)의 접촉을 만들려면, 터빈 블레이드(184)와 터빈 로터 디스크의 결합 부위에 웨지(wedge)를 삽입하여 간극을 없애는 방법이 사용될 수 있다.

그리고, 도 6은 터빈 블레이드(184)의 팁 부(189)에 구비되는 제3 댐핑부(500)를 원주-축 방향(TN-AX) 단면으로 도시한 것이다. 제3 댐핑부(500)의 구성은 제2 댐핑부(400)와 유사하다. 제3 스너버(510) 및 제4 스너버(520) 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루고, 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이룰 수 있으며, 압력면(194)에서 흡입면(196)을 쪽으로 작용하는 압력을 고려하여 흡입면(196)에 위치한 제4 스너버(520)의 하면을 볼록한 곡면을 이루도록 할 수 있다.

여기서, 제3 댐핑부(500)의 역할은 비틀림 진동에 대한 감쇠를 목적으로 할 수 있다. 터빈 블레이드(184)의 팁 부(189)는 비틀린 블레이드부(185)의 가장 말단에 위치하기에, 블레이드부(185)에 작용하는 비틀림이 가장 증폭되는 부분이기도 하다. 따라서, 제3 댐핑부(500)에 대해서는, 제3 스너버(510)와 제4 스너버(520)의 볼록한 곡면과 오목한 곡면의 연장된 방향이 팁 부(189)의 두께 방향을 따르도록 함으로써 비틀림 진동을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다. 즉, 팁 부(189)는 제2 댐핑부(400)가 형성된 블레이드부(185)의 중간 영역에서보다 익형 단면이 더 비틀려 있기 때문에 제3 스너버(510)와 제4 스너버(520)가 팁 부(189)의 두께 방향을 따라 형성되면 축 방향(AX)과 원주방향(TN)의 중간쯤으로 연장되므로, 비틀림 진동을 감쇠할 수 있는 방향으로 마찰면을 형성하게 된는 것이다.

그리고, 제1 및 제2 댐핑부(300, 400) 외에 제3 댐핑부(500)를 추가하면, 이로써 터빈 블레이드(184)의 강성이 더욱 증가하게 되므로, 이를 통해 플러터 현상을 억제하는데 유리하기도 하다.

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: 터빈 블레이드 184-1: 제1 터빈 블레이드
184-2: 제2 터빈 블레이드 185: 블레이드부
186: 플랫폼부 186-1: 제1 측면
186-2: 제2 측면 188: 루트부(도브테일)
189: 팁 부 190: 리딩 에지
192: 트레일링 에지 194: 압력면
196: 흡입면 300: 제1 댐핑부
310: 제1 단턱부 320: 제2 단턱부
400: 제2 댐핑부 410: 제1 스너버
420: 제2 스너버 500: 제3 댐핑부
510: 제3 스너버 520: 제4 스너버
AX: 축 방향 RD: 반경방향
TN: 원주방향

Claims (20)

1. 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드부가 플랫폼부로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드에 있어서,
   상기 플랫폼부의 축 방향 제1 측면을 따라 돌출된 단턱을 이루도록 형성된 제1 단턱부와, 상기 플랫폼부의 축 방향 제2 측면을 따라 함몰된 단턱을 이루도록 형성된 제2 단턱부를 포함하고, 상기 제1 단턱부와 제2 단턱부는 상보하는 형상을 이루는 제1 댐핑부; 및
   상기 블레이드부의 스팬 방향 중간 영역에서, 상기 압력면에서 축 방향을 따라 돌출된 제1 스너버와, 상기 흡입면에서 축 방향을 따라 돌출된 제2 스너버를 포함하는 제2 댐핑부;를 포함하고,
   상기 제1 스너버는 상기 압력면의 상기 리딩 에지에 인접하게 배치되며, 상기 제2 스너버는 상기 흡입면의 상기 트레일링 에지에 인접하게 배치되고,
   상기 제1 스너버 및 상기 제2 스너버 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루고, 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이루며,
   상기 제2 스너버는 상기 제1 스너버의 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 단턱부의 저면과 상기 제2 단턱부의 상면은, 상기 터빈 블레이드의 반경방향을 따라 서로 대응하는 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 흡입면에 위치한 상기 제2 스너버의 하면이 볼록한 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
6. 제5항에 있어서,
   상기 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 각각 그 곡면이 연장된 방향이 축 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
7. 제1항에 있어서,
   상기 팁 부에는, 상기 압력면에서 돌출된 제3 스너버와, 상기 흡입면에서 돌출된 제4 스너버를 포함하는 제3 댐핑부가 구비되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제3 및 제4 스너버 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루고, 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
9. 제7항에 있어서,
   상기 흡입면에 위치한 제4 스너버의 하면이 볼록한 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
10. 제9항에 있어서,
    상기 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 각각 그 곡면이 연장된 방향이 상기 팁 부의 두께 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
11. 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드부가 플랫폼부로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 제1 터빈 블레이드로서,
    상기 플랫폼부의 축 방향 제1 측면을 따라 돌출된 단턱을 이루도록 형성된 제1 단턱부와, 상기 플랫폼부의 축 방향 제2 측면을 따라 함몰된 단턱을 이루도록 형성된 제2 단턱부를 포함하고, 상기 제1 단턱부와 제2 단턱부는 상보하는 형상을 이루는 제1 댐핑부; 및
    상기 블레이드부의 스팬 방향 중간 영역에서, 상기 압력면에서 축 방향을 따라 돌출된 제1 스너버와, 상기 흡입면에서 축 방향을 따라 돌출된 제2 스너버를 포함하는 제2 댐핑부;
    를 포함하는 제1 터빈 블레이드; 및
    상기 제1 터빈 블레이드와 동일한 구조를 가지며, 상기 제1 터빈 블레이드에 대해 원주방향을 따라 인접 배치되는 제2 터빈 블레이드;를 포함하고,
    상기 제1 스너버는 상기 압력면의 상기 리딩 에지에 인접하게 배치되며, 상기 제2 스너버는 상기 흡입면의 상기 트레일링 에지에 인접하게 배치되고,
    상기 제1 스너버 및 상기 제2 스너버 중에서 어느 한 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루며, 다른 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이루고,
    상기 제2 스너버는 상기 제1 스너버의 위쪽에 위치하며,
    상기 제1 터빈 블레이드의 제1 단턱부와 상기 제2 터빈 블레이드의 제2 단턱부가 상호 접촉하여 원주방향을 주된 방향으로 하는 상기 제1 댐핑부의 댐핑 작용을 일으키는 한편, 상기 제1 터빈 블레이드의 제1 스너버와 상기 제2 터빈 블레이드의 제2 스너버가 상호 접촉하여 축 방향을 주된 방향으로 하는 상기 제2 댐핑부의 댐핑 작용을 일으키는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터빈 블레이드의 조립 중에 상기 제1 댐핑부 및 제2 댐핑부에서의 접촉 상태가 이루어지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터빈 블레이드의 회전에 의해 발생하는 원심력에 의해 상기 제1 댐핑부 및 제2 댐핑부에서의 접촉 상태가 이루어지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
14. 삭제
15. 삭제
16. 제11항에 있어서,
    상기 흡입면에 위치한 상기 제2 스너버의 하면이 볼록한 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
17. 제16항에 있어서,
    상기 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 각각 그 곡면이 연장된 방향이 축 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
18. 제11항에 있어서,
    상기 팁 부에는, 상기 압력면에서 돌출된 제3 스너버와, 상기 흡입면에서 돌출된 제4 스너버를 포함하는 제3 댐핑부가 구비되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
19. 제18항에 있어서,
    상기 제3 스너버의 상면은 오목한 곡면을 이루고, 상기 제4 스너버의 하면은 볼록한 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
20. 제19항에 있어서,
    상기 볼록한 곡면과 오목한 곡면은 각각 그 곡면이 연장된 방향이 상기 팁 부의 두께 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 댐핑 구조.
    

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