KR102495162B1 - 유동 인듀서를 갖는 커버 플레이트 및 터빈 블레이드들을 냉각하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈 엔진은 원주방향으로 분포된 디스크 홈들(122)을 갖는 회전자 디스크(120), 및 터빈 블레이드들(140)을 포함한다. 각각의 터빈 블레이드(140)는 디스크 홈(122)의 블레이드 장착 섹션(124)에 삽입되는 블레이드 루트(144)를 포함한다. 시일 플레이트들(200)은 회전자 디스크(120)의 후방 측 둘레에 부착된다. 유동 인듀서 조립체(300)는 회전자 디스크(120)를 등지는 측에서 각각의 시일 플레이트(200)에 통합된다. 유동 인듀서 조립체(300)는, 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체로서 주변 공기를 디스크 캐비티로 몰아가 이 주변 공기가 블레이드 루트로부터 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 회전자 디스크의 그리고 회전자 디스크와 함께 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들로서 기능하도록 구성된다.

Description

유동 인듀서를 갖는 커버 플레이트 및 터빈 블레이드들을 냉각하기 위한 방법
[0001] 본 발명은 일반적으로, 주변 공기(ambient air)를 사용하여, 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)의 터빈 블레이드(blade)들, 특히, 가스 터빈 엔진의 마지막 스테이지(stage) 터빈 블레이드들을 냉각하기 위한 유동 인듀서(inducer) 조립체 및 방법에 관한 것이다.
[0002] 산업용 가스 터빈 엔진은 통상적으로, 공기를 압축하기 위한 압축기, 압축 공기를 연료와 혼합하고 혼합물을 점화하기 위한 연소기, 기계 동력을 생성하기 위한 터빈 섹션(section) 및 기계 동력을 전력으로 변환하기 위한 발전기를 포함한다. 터빈 섹션은 회전자 디스크(disk) 상에 부착되는 복수의 터빈 블레이드들을 포함한다. 터빈 블레이드들은 회전자 디스크를 따라 축방향으로 이격된 열(row)들로 배열되고, 회전자 디스크의 주변부에 원주방향으로 부착된다. 터빈 블레이드들은 연소기로부터의 점화된 고온 가스에 의해 구동되고, 터빈 블레이드들에 있는 냉각 통로들을 통해 냉각 유체와 같은 냉각제를 사용하여 냉각된다.
[0003] 통상적으로, 압축기 공기를 블리딩(bleeding)함으로써, 냉각 유체가 공급될 수 있다. 그러나, 압축기로부터 공기를 블리딩하는 것은 터빈 엔진 효율을 감소시킬 수 있다. 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 제3 스테이지 터빈 블레이드들의 높은 작동 압력들에 기인하여, 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 제3 스테이지 터빈 블레이드들을 냉각하기 위해 압축기 공기를 블리딩하는 것이 요구될 수 있다. 마지막 스테이지 터빈 블레이드들은 최저 압력 하에서 작동하며, 주변 공기가 마지막 스테이지 터빈 블레이드들을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 요구되는 경계 조건들을 달성하기 위해 마지막 스테이지 터빈 블레이드들을 충분히 냉각하기 위하여, 충분한 양(amount)의 주변 공기를 마지막 스테이지 터빈 블레이드의 냉각 통로들로 가져오기 위한 효율적인 유동 인듀서 시스템(system)이 필요하다. 마지막 스테이지 터빈 블레이드들을 충분히 냉각하기 위해 마지막 스테이지 터빈 블레이드의 냉각 통로들로 충분한 양의 주변 공기를 포획하기 위한 쉽고 간단한 시스템을 제공할 필요가 있다.
본원 발명의 배경기술로는 US6,065,932A(2000.05.23.공개)가 있다.
[0004] 간략히 설명하면, 본 발명의 양상들은 가스 터빈 엔진, 가스 터빈 엔진의 회전자 디스크에 부착되도록 구성된 시일 플레이트(seal plate), 및 가스 터빈 엔진의 터빈 블레이드들을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.
[0005] 양상에 따르면, 가스 터빈 엔진이 제시된다. 가스 터빈 엔진은 원주방향으로 분포된 복수의 디스크 홈(groove)들을 포함하는 회전자 디스크를 포함한다. 각각의 디스크 홈은 블레이드 장착 섹션 및 디스크 캐비티(cavity)를 포함한다. 가스 터빈 엔진은 복수의 터빈 블레이드들을 포함한다. 각각의 터빈 블레이드는 디스크 홈의 블레이드 장착 섹션에 삽입되는 블레이드 루트(root)를 포함한다. 가스 터빈 엔진은 회전자 디스크의 후방 측 둘레(aft side circumference)에 부착되는 복수의 시일 플레이트들을 포함한다. 각각의 시일 플레이트는 상부 시일 플레이트 벽 및 하부 시일 플레이트 벽을 포함한다. 상부 시일 플레이트 벽은 블레이드 루트를 커버(cover)하도록 구성된다. 가스 터빈 엔진은 복수의 유동 인듀서 조립체들을 포함한다. 각각의 유동 인듀서 조립체는 회전자 디스크를 등지는(facing away) 측에서 각각의 시일 플레이트에 통합된다. 유동 인듀서 조립체는, 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체를 디스크 캐비티로 몰아가(drive) 이 냉각 유체가 블레이드 루트로부터 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 회전자 디스크의 그리고 이 회전자 디스크와 함께 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들(paddle)로서 기능하도록 구성된다.
[0006] 양상에 따르면, 가스 터빈 엔진의 회전자 디스크에 부착되도록 구성된 시일 플레이트가 제시된다. 가스 터빈 엔진은 원주방향으로 분포된 복수의 디스크 홈들을 포함하는 회전자 디스크를 포함한다. 각각의 디스크 홈은 블레이드 장착 섹션 및 디스크 캐비티를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드는 디스크 홈의 블레이드 장착 섹션에 삽입되는 블레이드 루트를 포함한다. 시일 플레이트는 회전자 디스크의 후방 측에 부착된다. 시일 플레이트는 블레이드 루트를 커버하도록 구성된 상부 시일 플레이트 벽을 포함한다. 시일 플레이트는 하부 시일 플레이트 벽을 포함한다. 시일 플레이트는 회전자 디스크를 등지는 측에서 시일 플레이트에 통합되는 유동 인듀서 조립체를 포함한다. 유동 인듀서 조립체는, 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체를 디스크 캐비티로 몰아가 이 냉각 유체가 블레이드 루트로부터 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 회전자 디스크의 그리고 이 회전자 디스크와 함께 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들로서 기능하도록 구성된다.
[0007] 양상에 따르면, 가스 터빈 엔진의 터빈 블레이드들을 냉각하는 방법이 제시된다. 가스 터빈 엔진은 원주방향으로 분포된 복수의 디스크 홈들을 포함하는 회전자 디스크를 포함한다. 각각의 디스크 홈은 블레이드 장착 섹션 및 디스크 캐비티를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드는 디스크 홈의 블레이드 장착 섹션에 삽입되는 블레이드 루트를 포함한다. 방법은, 회전자 디스크의 후방 측 둘레에 복수의 시일 플레이트들을 부착하는 단계를 포함한다. 각각의 시일 플레이트는 상부 시일 플레이트 벽 및 하부 시일 플레이트 벽을 포함한다. 상부 시일 플레이트 벽은 블레이드 루트를 커버하도록 구성된다. 방법은, 시일 플레이트들에 복수의 유동 인듀서 조립체들을 부착하는 단계를 포함한다. 각각의 유동 인듀서 조립체는 회전자 디스크를 등지는 측에서 각각의 시일 플레이트에 통합된다. 유동 인듀서 조립체는, 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체를 디스크 캐비티로 몰아가 이 냉각 유체가 블레이드 루트로부터 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 회전자 디스크의 그리고 이 회전자 디스크와 함께 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들로서 기능하도록 구성된다.
[0008] 위에서 그리고 이하에 설명된 본 출원의 다양한 양상들 및 실시예들은 명시적으로 설명되는 조합들에서 사용될 뿐만 아니라 다른 조합들에서도 사용될 수 있다. 본 설명을 읽고 이해할 때, 수정들이 당업자에게 일어날 것이다.
[0009] 본 출원의 예시적인 실시예들이 첨부된 도면들에 대하여 더욱 상세히 설명된다. 도면들에서:
[0010] 도 1은 본 발명의 실시예들이 통합될 수 있는 마지막 스테이지를 도시하는, 가스 터빈 엔진의 일부분의 개략적인 사시도를 예시하고;
[0011] 도 2 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 유동 인듀서 조립체들의 개략적인 사시도들을 예시하고;
[0012] 도 8은 도 7에 도시된 본 발명의 실시예가 통합되는 마지막 스테이지를 도시하는, 가스 터빈 엔진의 일부분의 개략적인 사시도를 예시하며; 그리고
[0013] 도 9는 도 8에 도시되는 잠금 플레이트의 개략적인 사시도를 예시한다.
[0014] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통인 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다.
[0015] 본 발명의 양상들에 관한 상세한 설명이 첨부된 도면들에 대하여 이하에 설명된다.
[0016] 도 1은 축류 방향(axial flow direction)에 대하여 후방 측에서 바라본 마지막 스테이지를 도시하는, 가스 터빈 엔진(100)의 일부분의 개략적인 사시도를 예시한다. 가스 터빈 엔진(100)은 본 발명의 실시예들에 따른 유동 인듀서 조립체(300)를 포함한다. 도 1에서 예시되는 바와 같이, 가스 터빈 엔진(100)은 마지막 스테이지 회전자 디스크(120), 및 이 회전자 디스크(120)의 외부 둘레를 따라 부착되는 복수의 마지막 스테이지 터빈 블레이드들(140)을 포함한다. 복수의 시일 플레이트들(200)이 마지막 스테이지 회전자 디스크(120)의 후방 측 둘레에 부착된다. 시일 플레이트(200)는 고온 가스가 회전자 디스크(120)의 후방 측으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 시일 플레이트들(200)은 회전자 디스크(120)에 고정된다. 회전자 디스크(120)는 가스 터빈 엔진(100)의 작동 동안 화살표(R)에 의해 표시된 방향으로 회전할 수 있고, 이는 터빈 블레이드들(140) 그리고 이 터빈 블레이드들(140)과 함께 시일 플레이트들(200)을 동일한 방향(R)으로 회전시킨다. 명확성 목적을 위해, 하나의 터빈 블레이드(140) 및 하나의 시일 플레이트(200)가 회전자 디스크(120)로부터 제거된다.
[0017] 도 1을 참조하면, 회전자 디스크(120)는 복수의 디스크 홈들(122)을 포함한다. 각각의 디스크 홈(122)은 블레이드 장착 섹션(124) 및 디스크 캐비티(126)를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드(140)는 플랫폼(142), 및 이 플랫폼(142)으로부터 아래쪽으로 반경방향으로 연장되는 블레이드 루트(144)를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드(140)는, 블레이드 루트(144)를 회전자 디스크 홈(122)의 블레이드 장착 섹션(124)에 삽입함으로써, 회전자 디스크(120)에 부착된다. 디스크 캐비티(126)는 블레이드 루트(144)와 디스크 홈(122)의 최하부(bottom) 사이에 형성된다. 각각의 시일 플레이트(200)는 상부 시일 플레이트 벽(220) 및 하부 시일 플레이트 벽(240)을 포함한다. 시일 아암(arm)(230)이 상부 시일 플레이트 벽(220)과 하부 시일 플레이트 벽(240) 사이에서 바깥쪽으로 축방향으로 연장될 수 있다. 상부 시일 플레이트 벽(220)은 블레이드 루트(144)를 커버한다. 유동 인듀서 조립체(300)가 하부 시일 플레이트 벽(240)에 부착된다. 유동 인듀서 조립체(300)는 디스크 홈(122)의 디스크 캐비티(126)와 정렬된다.
[0018] 엔진 작동 동안, 마지막 스테이지 터빈 블레이드들(140)의 회전은, 원심력에 기인하여, 냉각 유동 화살표(130)에 의해 표시된 바와 같이, 냉각 유체를 디스크 홈(120)의 디스크 캐비티(126)로 몰아가기(drive) 위한 펌핑 힘(pumping force)을 생성한다. 냉각 유체는 터빈 블레이드(140)를 냉각하기 위해 블레이드 루트(144)로부터 터빈 블레이드(140)의 내부에 들어가 터빈 블레이드(140)에 있는 개구들을 통해 가스 터빈 엔진(100)의 가스 경로로 빠져 나간다. 냉각 유체는 주변 공기일 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 시일 플레이트(200) 상에 배열되는 유동 인듀서 조립체(300)는, 마지막 스테이지 터빈 블레이드(140)를 충분히 냉각하기 위해, 디스크 캐비티(126)에 들어가는 주변 공기를 유도하기 위한 추가적인 몰아가는 힘(driving force)을 제공한다. 유동 인듀서 조립체(300)와 시일 플레이트(200)는 통합된 단일 피스(piece)로서 제조될 수 있다.
[0019] 도 2 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 통합된 유동 인듀서 조립체(300)를 갖는 시일 플레이트(200)의 개략적인 사시도들을 예시한다.
[0020] 도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 통합된 유동 인듀서 조립체(300)를 갖는 시일 플레이트(200)의 개략적인 사시도를 예시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시일 플레이트(200)는 상부 시일 플레이트 벽(220) 및 하부 시일 플레이트 벽(240)을 포함한다. 시일 아암(230)이 상부 시일 플레이트 벽(220)과 하부 시일 플레이트 벽(240) 사이에서 바깥쪽으로 축방향으로 연장된다. 시일 플레이트(200)는, 회전자 디스크(120)를 향하는(facing to) 상부 시일 플레이트 벽(220)의 측면(side)에서 변위되는 후크(hook)(202)를 가질 수 있다. 후크(202)는 회전자 디스크(120)에 부착되는 U-형상을 가질 수 있다. 시일 플레이트(200)는, 회전자 디스크(120)를 향하는 하부 시일 플레이트 벽(240)의 측면으로부터 돌출되는 돌출부(204)를 가질 수 있다. 돌출부(204)는 회전자 디스크(120)에 부착되는 더브테일(dovetail) 형상을 가질 수 있다. 후크(202) 및 돌출부(204)는 시일 플레이트(200)를 회전자 디스크(120)에 고정시킨다. 시일 플레이트(200)는 하부 시일 플레이트 벽(240)을 축방향으로 관통하는 어퍼처(aperture)(242)를 갖는다. 어퍼처(242)는, 시일 아암(230) 아래로 일정 반경방향 거리를 두고 하부 시일 플레이트 벽(240)에 위치될 수 있다. 어퍼처(242)는, 조립 후에 디스크 홈(122)의 디스크 캐비티(126)와 정렬될 수 있다. 어퍼처(242)는 일반적으로, 디스크 캐비티(126)와 유사한 형상을 가질 수 있다.
[0021] 도 2에서 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 유동 인듀서 조립체(300)가 회전자 디스크(120)를 등지는 측에서 시일 플레이트(200)에 통합되어서, 바깥쪽으로 축 방향으로 연장된다. 유동 인듀서 조립체(300)는, 도 1에 도시된 회전자 디스크(120)의 회전 방향(R)에 대하여 하류 측에서 어퍼처(242)를 따라 반경방향으로 부착되는 만곡된 플레이트(310)를 포함할 수 있다. 만곡된 플레이트(310)는 어퍼처(242)의 접선 방향(tangential direction)으로 어퍼처(242)와 블렌딩될(blended) 수 있다. 만곡된 플레이트(310)는 어퍼처(242)와 유사한 곡률을 가질 수 있다. 가스 터빈 엔진(100)의 작동 동안, 회전자 디스크(120)의 그리고 이 회전자 디스크(120)와 함께 시일 플레이트(200)의 회전은, 터빈 블레이드들(140)을 냉각하기 위해, 터빈 블레이드들(140)의 회전에 의해 유발되는 원심력에 부가하여 가스 터빈 엔진(100)의 외측으로부터의 주변 공기와 같은 냉각 공기(130)를 어퍼처(242) 및 디스크 캐비티(126)로 추가로 유도하여 이 냉각 공기(130)가 블레이드 루트들(144)로부터 터빈 블레이드들(140)의 내부들에 들어가게 하는 패들로서, 유동 인듀서 조립체(300)의 만곡된 플레이트(310)가 기능되게 한다. 만곡된 플레이트(310)는 국자 형상을 가질 수 있다.
[0022] 유동 인듀서 조립체(300)의 치수들은 터빈 블레이드들(140)을 충분히 냉각하기 위한 냉각 요건을 달성하도록 설계될 수 있다. 유동 인듀서 조립체의 치수들은 만곡된 플레이트(310)의 반경방향 높이, 만곡된 플레이트(310)의 축방향 길이 등을 포함할 수 있다. 만곡된 플레이트(310)의 반경방향 높이는 어퍼처(242)의 반경방향 높이 미만이거나, 또는 어퍼처(242)의 반경방향 높이와 동일하거나, 또는 어퍼처(242)의 반경방향 높이를 초과할 수 있다. 예시 목적을 위해, 도 2 및 도 3은 상이한 반경방향 높이들을 갖는 만곡된 플레이트들(310)을 도시한다. 도 2에서 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 만곡된 플레이트(310)의 반경방향 높이는 어퍼처(242)의 반경방향 높이와 동일하다. 도 2에서 예시된 바와 같이, 만곡된 플레이트(310)는, 어퍼처(242)의 최저 지점으로부터 시작하여 어퍼처(242)의 최고 지점에서 끝나는 것으로, 하류 측에서 어퍼처(242)를 따라 부착된다.
[0023] 도 3에서 예시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 만곡된 플레이트(310)의 반경방향 높이는 어퍼처(242)의 반경방향 높이를 초과한다. 도 3에서 예시된 바와 같이, 만곡된 플레이트(310)는, 어퍼처(242)의 최저 지점으로부터 시작하여 시일 아암(230)에서 끝나는 것으로, 하류 측에서 어퍼처(242)를 따라 부착된다. 그러한 실시예는 또한, 기계적 강도를 증가시키는 것, 진동을 감소시키는 것 등과 같이, 유동 인듀서 조립체(300)의 기계적 특성들을 개선시킬 수 있다. 만곡된 플레이트(310)가, 어퍼처(242)의 최저 지점 아래에 있거나 또는 어퍼처(242)의 최저 지점 위에 있는 반경방향 지점에서 시작하여, 하류에서 어퍼처(242)를 따라 부착될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 만곡된 플레이트(310)가, 어퍼처(242)의 최고 지점 아래에 있거나 또는 어퍼처(242)의 최고 지점과 시일 아암(230) 사이에 있는 반경방향 지점에서 끝나는 것으로, 하류 측에서 어퍼처(242)를 따라 부착될 수 있다는 것이 이해된다.
[0024] 만곡된 플레이트(310)의 축방향 길이는 반경 방향을 따라 변화할 수 있다. 도 2 및 도 3에서 예시된 예시적인 실시예들에 따르면, 만곡된 플레이트(310)의 축방향 길이는 하부 부분에서 더 짧고 상부 부분에서 더 길 수 있다. 예컨대, 하부 시일 플레이트 벽(240)으로부터의 만곡된 플레이트(310)의 최대 축방향 길이는, 만곡된 플레이트(310)의 최상부 구역 근처에 있는 만곡된 플레이트(310)의 상부 부분에 위치될 수 있다.
[0025] 도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 통합된 유동 인듀서 조립체(300)를 갖는 시일 플레이트(200)의 개략적인 사시도를 예시한다. 상이한 사시도 방향에서 본 유동 인듀서 조립체(300)가 또한, 도 4에서 예시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 유동 인듀서 조립체(300)는, 어퍼처(242)의 최저 지점의 반경방향 위치에서 하부 시일 플레이트 벽(240)으로부터 바깥쪽으로 축방향으로 연장되는, 하부 시일 플레이트 벽(240)에 부착된 플로어(floor) 플레이트(320)를 포함할 수 있다. 플로어 플레이트(320)는 시일 플레이트(200)의 시일 아암(230)에 평행할 수 있다. 유동 인듀서 조립체(300)는, 플로어 플레이트(320)로부터 위쪽으로 반경방향으로 연장되는, 내측벽(330) 및 외측벽(340)을 포함할 수 있다. 내측벽(330) 및 외측벽(340)은 플로어 플레이트(320)와 시일 아암(230) 사이에 반경방향으로 부착될 수 있다. 내측벽(330)과 외측벽(340)은 서로 이격되고 어퍼처(242)의 2 개의 원주방향 측들에 부착되어서, 부분적인 환형 형상을 형성한다. 내측벽(330)은 상류 측에서 어퍼처(242)에 부착될 수 있다. 외측벽(340)은 하류 측에서 어퍼처(242)에 부착될 수 있다. 내측벽(330)과 외측벽(340)은 2 개의 만곡된 플레이트들일 수 있다. 외측벽(340)의 호(arc) 길이가 내측벽(330)의 호 길이보다 더 길어서, 회전자 디스크(120)의 회전 방향(R)을 향하는 입구(350)가 형성된다. 가스 터빈 엔진(100)의 작동 동안, 회전자 디스크(120)의 그리고 이 회전자 디스크(120)와 함께 시일 플레이트(200)의 회전은, 터빈 블레이드들(140)을 냉각하기 위해, 터빈 블레이드들(140)의 회전에 의해 유발되는 원심력에 부가하여 가스 터빈 엔진(100)의 외측으로부터의 주변 공기와 같은 냉각 공기(130)를, 입구(350)를 통해 유동 인듀서 조립체(300)로, 어퍼처(242) 및 디스크 캐비티(126)로 유동하게 추가로 유도하여 이 냉각 공기(130)가 블레이드 루트들(144)로부터 터빈 블레이드들(140)의 내부들에 들어가게 하는 패들로서, 유동 인듀서 조립체(300)가 기능되게 한다.
[0026] 도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 통합된 유동 인듀서 조립체(300)를 갖는 시일 플레이트(200)의 개략적인 사시도를 예시한다. 상이한 사시도 방향에서 본 유동 인듀서 조립체(300)가 또한, 도 5에서 예시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 플로어 플레이트(320)는 외측벽(340)에서 측방향으로 연장된다. 수직(vertical) 플레이트(342)가 플로어 플레이트(320)의 연장된 영역에서 외측벽(340)에 부착되고, 플로어 플레이트(320)로부터 위쪽으로 반경방향으로 연장된다. 수직 플레이트(342)는 플로어 플레이트(320)와 시일 아암(230) 사이에 부착될 수 있다. 외측벽(340)과 수직 플레이트(342)는 Y-형상으로서 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 유동 인듀서 조립체(300)의 구성은, 기계적 강도를 증가시키는 것, 진동을 감소시키는 것 등과 같이, 유동 인듀서 조립체(300)의 기계적 특성들을 개선시킬 수 있다.
[0027] 도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 통합된 유동 인듀서 조립체(300)를 갖는 시일 플레이트(200)의 개략적인 사시도를 예시한다. 상이한 사시도 방향에서 본 유동 인듀서 조립체(300)가 또한, 도 6에서 예시된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플로어 플레이트(320)는 외측벽(340)에서 측방향으로 연장된다. 플로어 플레이트(320)는 또한, 내측벽(330)에서 측방향으로 연장되고, 하부 시일 플레이트 벽(240)에 부착된다. 도 6에 도시된 유동 인듀서 조립체(300)의 구성은, 기계적 강도를 증가시키는 것, 진동을 감소시키는 것 등과 같이, 유동 인듀서 조립체(300)의 기계적 특성들을 개선시킬 수 있다.
[0028] 유동 인듀서 조립체(300)의 치수들은 터빈 블레이드들(140)을 충분히 냉각하기 위한 냉각 요건을 달성하도록 설계될 수 있다. 유동 인듀서 조립체(300)의 치수들은, 내측벽(330) 및 외측벽(340)의 반경방향 높이들, 내측벽(330)과 외측벽(340) 사이의 원주방향 거리, 회전자 디스크(120)의 회전 방향(R)에 대한 입구(350)의 배향 등을 포함할 수 있다. 내측벽(330) 및 외측벽(340)의 반경방향 높이들은 플로어 플레이트(320)와 시일 아암(230) 사이의 반경방향 거리에 의해 정의될 수 있다. 플로어 플레이트(320)는, 도 4-도 6에서 예시된 바와 같이, 어퍼처(242)의 최저 반경방향 지점의 반경방향 위치에서 하부 시일 플레이트 벽(240)에 부착될 수 있다. 플로어 플레이트(320)가 어퍼처(242)의 최저 반경방향 지점 아래의 반경방향 위치에서 하부 시일 플레이트 벽(240)에 부착될 수 있다는 것이 이해된다. 내측벽(330) 및 외측벽(340)은 어퍼처(242)의 상류 가장자리(edge) 및 하류 가장자리에 위치되거나, 또는 어퍼처(242)의 상류 가장자리 및 하류 가장자리로부터 더 멀리 떨어져 위치될 수 있다. 입구(350)의 배향은 회전 방향(R)에 직각(perpendicularly)일 수 있고, 이는, 회전 방향(R)에 대하여 90°보다 더 작거나 또는 더 큰 각도를 갖는 입구(350)의 배향과 비교할 때, 더 많은 냉각 공기를 유동 인듀서 조립체(300)로 몰아갈 수 있다.
[0029] 도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 통합된 유동 인듀서 조립체(300)를 갖는 시일 플레이트(200)의 개략적인 사시도를 예시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 아래쪽으로 반경방향으로 연장되는 루트(244)가 하부 시일 플레이트 벽(240)에 부착된다. 루트(244)는 더브테일 형상을 가질 수 있다. 유동 인듀서 조립체(300)가 회전자 디스크(120)를 등지는 측에서 루트(244)에 통합되어서, 바깥쪽으로 축 방향으로 연장된다. 유동 인듀서 조립체(300)는 만곡된 플레이트(310)를 포함할 수 있다. 만곡된 플레이트(310)는 국자 형상을 가질 수 있다. 만곡된 플레이트(310)는 도 2-도 3에서 예시된 구성과 유사한 구성을 가질 수 있으며, 이는 이로써 상세히 설명되지 않는다.
[0030] 도 8은 도 7에 도시된 본 발명의 실시예가 통합되는, 축류 방향에 대하여 후방 측에서 바라본 마지막 스테이지를 도시하는, 가스 터빈 엔진(100)의 일부분의 개략적인 사시도를 예시한다. 명확성 목적을 위해, 하나의 터빈 블레이드(140) 및 하나의 시일 플레이트(200)가 회전자 디스크(120)로부터 제거된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 시일 플레이트(200)는 회전자 디스크(120)에 부착된다. 루트(244)는 디스크 홈(122)으로 변위된다. 만곡된 플레이트(310)는, 조립 후에 회전자 디스크(120)의 회전 방향(R)에 대하여 하류 측에서 디스크 캐비티(126)를 따라 반경방향으로 있다. 가스 터빈 엔진(100)의 작동 동안, 회전자 디스크(120)의 그리고 이 회전자 디스크(120)와 함께 시일 플레이트(200)의 회전은, 터빈 블레이드들(140)을 냉각하기 위해, 터빈 블레이드들(140)의 회전에 의해 유발되는 원심력에 부가하여 주변 공기와 같은 냉각 공기(130)를 디스크 캐비티(126)로 추가로 유도하여 이 냉각 공기(130)가 블레이드 루트들(144)로부터 터빈 블레이드들(140)의 내부들에 들어가게 하는 패들로서, 유동 인듀서 조립체(300)의 만곡된 플레이트(310)가 기능되게 한다. 잠금 플레이트(246)가 시일 플레이트(200)를 회전자 디스크(120)에 고정하기 위해 디스크 슬롯(slot)(128)에 삽입될 수 있다. 도 9는 잠금 플레이트(246)의 개략적인 사시도를 예시한다.
[0031] 양상에 따르면, 제안된 유동 인듀서 조립체(300)는 가스 터빈 엔진(100)의 터빈 블레이드들(140)의 마지막 스테이지를 충분히 냉각하기 위한 냉각 유체(130)로서 주변 공기를 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 가스 터빈 엔진(100)의 작동 동안, 회전자 디스크(120)의 그리고 이 회전자 디스크(120)와 함께 시일 플레이트(200)의 회전은, 터빈 블레이드들(140)을 냉각하기 위해 냉각 공기(130)로서 가스 터빈 엔진(100)의 외측으로부터의 충분한 양의 주변 공기를 회전자 디스크(120)의 디스크 캐비티들(120)로 몰아가 이러한 주변 공기가 블레이드 루트들(144)로부터 터빈 블레이드들(140)의 내부들에 들어가게 하는 패들로서, 유동 인듀서 조립체(300)가 기능되게 한다. 제안된 유동 인듀서 조립체(300)는, 터빈 블레이드들(140)의 마지막 스테이지를 냉각하기 위해 압축기 공기를 블리딩하는 것을 없애고, 이는 터빈 엔진 효율을 증가시킨다.
[0032] 양상에 따르면, 제안된 유동 인듀서 조립체(300)는 시일 플레이트(200)의 통합된 피스로서 제조될 수 있다. 시일 플레이트(200) 및 통합된 유동 인듀서 조립체(300)는, 고온 가스가 회전자 디스크(120)로 유입되는 것을 방지하며, 동시에, 요구되는 경계 조건을 달성하기 위해 터빈 블레이드들(140)의 마지막 스테이지를 충분히 냉각하기 위한 충분한 주변 공기를 몰아가기 위한 경량 설계를 제공한다. 시일 플레이트(200) 및 통합된 유동 인듀서 조립체(300)는 최소 비용으로 터빈 블레이드들(140)의 마지막 스테이지의 충분한 냉각을 제공한다.
[0033] 본 발명의 교시들을 통합하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세히 도시 및 설명되었지만, 당업자들은, 이들 교시들을 계속해서 통합하는 많은 다른 다양한 실시예들을 용이하게 고안할 수 있다. 본 발명은, 도면들에서 예시되거나 또는 설명에서 제시된 구성요소들의 어레인지먼트(arrangement) 및 구성의 예시적인 실시예 세부사항들로 본 발명의 적용이 제한되지 않는다. 본 발명은, 다른 실시예들이 가능하며, 다양한 방식들로 수행되거나 또는 실시될 수 있다. 또한, 본원에서 사용된 어법 및 전문용어가 설명의 목적을 위한 것이고, 제한하는 것으로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 본원에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는" 그리고 이들의 변형들의 사용은, 그 앞에 열거된 항목들 및 이들의 등가물들 뿐만 아니라 부가적인 항목들을 포괄하는 것으로 여겨진다. 달리 특정되거나 또는 제한되지 않는 한, "장착된", "연결된", "지지된" 및 "커플링된(coupled)"이란 용어들, 그리고 이들의 변형들은 광범위하게 사용되고, 직접적인 그리고 간접적인 장착들, 연결들, 지지들 및 커플링(coupling)들을 포괄한다. 추가로, "연결된" 및 "커플링된"은, 물리적인 또는 기계적인 연결들 또는 커플링들로 제한되지 않는다.
100: 가스 터빈 엔진
120: 회전자 디스크
122: 디스크 홈
124: 블레이드 장착 섹션
126: 디스크 캐비티
128: 디스크 슬롯
130: 냉각 유동
140: 터빈 블레이드
142: 블레이드 플랫폼
144: 블레이드 루트
200: 시일 플레이트
202: 시일 플레이트 후크
204: 시일 플레이트 돌출부
220: 상부 시일 플레이트 벽
230: 시일 아암
240: 하부 시일 플레이트 벽
242: 하부 시일 플레이트 벽에 있는 어퍼처
244: 시일 플레이트 루트
246: 잠금 플레이트
300: 유동 인듀서 조립체
310: 국자 형상을 갖는 만곡된 플레이트
320: 플로어 플레이트
330: 내측벽
340: 외측벽
342: 수직 벽
350: 냉각 유체 입구

Claims (20)

  1. 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)으로서,
    블레이드 장착 섹션(blade mounting section) 및 디스크 캐비티(cavity)를 포함하는 디스크 홈(disk groove)을 포함하는 회전자 디스크;
    상기 디스크 홈의 상기 블레이드 장착 섹션에 삽입되는 블레이드 루트(root)를 포함하는, 터빈 블레이드;
    축류 방향(axial flow direction)에 대하여 상기 회전자 디스크의 후방 측(aft side) 상에 위치된 시일 플레이트(seal plate)로서, 상기 시일 플레이트는 상부 시일 플레이트 벽 및 하부 시일 플레이트 벽을 포함하고, 상기 상부 시일 플레이트 벽은 상기 블레이드 루트를 커버(cover)하도록 구성되는, 시일 플레이트; 및
    상기 축류 방향에 대하여 상기 회전자 디스크의 후방 측(aft side) 상에 위치된 유동 인듀서 조립체(flow inducer assembly)를 포함하고,
    상기 유동 인듀서 조립체는 상기 회전자 디스크를 등지는(facing away) 측에서 상기 시일 플레이트에 통합되며,
    상기 유동 인듀서 조립체는 반경 방향으로 상기 디스크 캐비티와 정렬되고, 상기 디스크 캐비티는 상기 디스크 홈과 상기 블레이드 루트의 반경 방향 내부 표면 사이의 빈 공간이고,
    상기 하부 시일 플레이트 벽은 상기 디스크 캐비티와 정렬되도록 구성되는 어퍼처(aperture)를 포함하고,
    상기 유동 인듀서 조립체는, 상기 하부 시일 플레이트 벽에 통합되고 상기 하부 시일 플레이트 벽으로부터 수직으로 축방향으로 연장되는, 만곡된 플레이트를 포함하고,
    상기 만곡된 플레이트는, 상기 회전자 디스크의 회전 방향에 대하여 하류 측에서 상기 어퍼처의 둘레를 따라 반경 방향으로 위치되며,
    상기 유동 인듀서 조립체는, 상기 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체를 상기 디스크 캐비티로 유도하여 상기 냉각 유체가 상기 블레이드 루트로부터 상기 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 상기 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 상기 회전자 디스크의 그리고 상기 회전자 디스크와 함께 상기 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들(paddle)로서 기능하도록 구성되는,
    가스 터빈 엔진.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 만곡된 플레이트는 국자 형상(scoop shape)을 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 유체의 소스(source)는 주변 공기(ambient air)를 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 만곡된 플레이트의 축 방향 길이는 상기 반경 방향을 따라 변하는,
    가스 터빈 엔진.
  5. 가스 터빈 엔진으로서,
    블레이드 장착 섹션 및 디스크 캐비티를 포함하는 디스크 홈을 포함하는 회전자 디스크;
    상기 디스크 홈의 상기 블레이드 장착 섹션에 삽입되는 블레이드 루트를 포함하는, 터빈 블레이드;
    축류 방향에 대하여 상기 회전자 디스크의 후방 측 상에 위치된 시일 플레이트로서, 상기 시일 플레이트는 상부 시일 플레이트 벽 및 하부 시일 플레이트 벽을 포함하고, 상기 상부 시일 플레이트 벽은 상기 블레이드 루트를 커버하도록 구성되는, 시일 플레이트; 및
    상기 축류 방향에 대하여 상기 회전자 디스크의 후방 측 상에 위치된 유동 인듀서 조립체를 포함하고,
    상기 유동 인듀서 조립체는 상기 회전자 디스크를 등지는 측에서 상기 시일 플레이트에 통합되며,
    상기 유동 인듀서 조립체는, 상기 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체를 상기 디스크 캐비티로 유도하여 상기 냉각 유체가 상기 블레이드 루트로부터 상기 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 상기 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 상기 회전자 디스크의 그리고 상기 회전자 디스크와 함께 상기 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들로서 기능하도록 구성되고,
    상기 하부 시일 플레이트 벽은 상기 디스크 캐비티와 정렬되도록 구성되는 어퍼처를 포함하고,
    상기 유동 인듀서 조립체는 적어도 상기 어퍼처의 최저 반경방향 지점인 반경방향 위치에서 상기 하부 시일 플레이트 벽으로부터 축방향으로 연장되는 플로어 플레이트(floor plate)를 포함하고,
    상기 유동 인듀서 조립체는, 상기 회전자 디스크의 회전 방향에 대하여, 상류 측에서 상기 어퍼처의 둘레를 따라 그리고 하류 측에서 상기 어퍼처의 둘레를 따라 각각 반경방향으로 통합되는, 내측벽 및 외측벽을 포함하며,
    상기 내측벽 및 상기 외측벽은 상기 플로어 플레이트로부터 반경방향 위쪽으로 연장되는,
    가스 터빈 엔진.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 내측벽은 만곡된 플레이트를 포함하고, 상기 외측벽은 만곡된 플레이트를 포함하고, 만곡된 상기 내측벽 및 만곡된 상기 외측벽은, 상기 회전자 디스크의 회전 방향을 향하는 냉각 유체 입구를 형성하도록 구성되는,
    가스 터빈 엔진.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 외측벽의 호(arc) 길이가 상기 내측벽의 호 길이보다 더 긴,
    가스 터빈 엔진.
  8. 가스 터빈 엔진으로서,
    블레이드 장착 섹션 및 디스크 캐비티를 포함하는 디스크 홈을 포함하는 회전자 디스크;
    상기 디스크 홈의 상기 블레이드 장착 섹션에 삽입되는 블레이드 루트를 포함하는, 터빈 블레이드;
    축류 방향에 대하여 상기 회전자 디스크의 후방 측 상에 위치된 시일 플레이트로서, 상기 시일 플레이트는 상부 시일 플레이트 벽 및 하부 시일 플레이트 벽을 포함하고, 상기 상부 시일 플레이트 벽은 상기 블레이드 루트를 커버하도록 구성되는, 시일 플레이트; 및
    상기 축류 방향에 대하여 상기 회전자 디스크의 후방 측 상에 위치된 유동 인듀서 조립체를 포함하고,
    상기 유동 인듀서 조립체는 상기 회전자 디스크를 등지는 측에서 상기 시일 플레이트에 통합되며,
    상기 유동 인듀서 조립체는, 상기 터빈 블레이드를 냉각하기 위해서 냉각 유체를 상기 디스크 캐비티로 유도하여 상기 냉각 유체가 상기 블레이드 루트로부터 상기 터빈 블레이드의 내부에 들어가게 하기 위해, 상기 가스 터빈 엔진의 작동 동안, 상기 회전자 디스크의 그리고 상기 회전자 디스크와 함께 상기 시일 플레이트의 회전에 기인하여, 패들로서 기능하도록 구성되고,
    상기 하부 시일 플레이트 벽은 반경방향 아래쪽으로 연장되는 루트(root)를 포함하고,
    상기 루트는 조립 후에 상기 디스크 홈으로 변위되도록(displaced) 구성되고,
    상기 유동 인듀서 조립체는 상기 루트로부터 축방향으로 연장되는,
    가스 터빈 엔진.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 유동 인듀서 조립체는 만곡된 플레이트를 포함하고, 상기 만곡된 플레이트는, 상기 회전자 디스크에 부착된 후에 상기 회전자 디스크의 회전 방향에 대하여 하류 측에서 상기 디스크 캐비티를 따라 반경방향으로 위치되는,
    가스 터빈 엔진.
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