KR19990062720A - 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지 - Google Patents

Abstract

가스 터빈 엔진용 로터 스테이지는 로터 디스크 및 복수개의 로터 블레이드를 포함한다. 로터 디스크는 회전 축선과 동심을 이루는 보어 및 외측 반경방향 표면을 포함한다. 로터 블레이드는 외측 반경방향 표면으로부터 반경방향 외측으로 연장하며, 외측 반경방향 표면 주위에 분포된다. 로터 블레이드중 적어도 하나는 인접한 로터 블레이드로부터 선택적으로 경사진다. 경사진 로터 블레이드는 로터 스테이지의 공기유동학적 댐핑을 증가시킨다.

Description

가스 터빈 엔진용 로터 스테이지

본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진 로터 조립체에 관한 것으로, 특히 로터 스테이지내에서 진동을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진내의 대부분의 통상의 로터 스테이지는 축선 주위로 회전하기 위한 디스크에 기계적으로 부착된 복수개의 로터 블레이드를 포함한다. 로터 블레이드는 통상적으로 디스크의 외측 반경방향 표면에 배치된 결합 슬롯내에 결합되는 전나무(fir-tree)형 또는 도브테일(dovetail)형 블레이드 루트를 구비한다. 기계적으로 부착된 로터 블레이드의 단점은 상당한 응력이 부착 슬롯에 인접한 하중(load)하에서 디스크내에 나타나는 것이다. 디스크 외측 직경을 증가시키면 인접한 슬롯 사이의 거리는 응력을 최소로하는데 조력한다. 불행하게도, 디스크 직경의 증가는 로터 스테이지의 전체적 크기 및 무게를 증가시킨다. 최근에는, 비교적 경량인 일체식 블레이드형 로터(integrally bladed rotors: IBR)가 보다 널리 이용된다. IBR의 블레이드는 디스크에 기계적으로 부착되기보다는 디스크와 함께 일체식으로(야금술적으로 부착된 블레이드를 포함함) 형성된다. 일체식 블레이드는 통상의 기계적인 부착 설계와 비교하여 블레이드의 하중을 이동하는데 보다 효과적이다. 그 결과, 로터 디스크의 크기 및 무게는 이점적으로 작아진다.

통상의 로터 스테이지는 진동 응답을 피하도록 자주 조정되며, 발생하는 임의의 진동 응답을 줄이도록 댐핑(damped)된다. 조정(turning)은 통상적으로 로터 스테이지의 고유 주파수(natural frequency)가 변하는 곳에서 조정되어 로터 스테이지의 작동 환경에서 나타나는 주기적인 강제 작용의 주파수를 피하는 것으로 알려진다. 댐핑(damping)은 일반적으로 주기적인 또는 비주기적인(임의의로 설명될 수 있음) 강제 작용에 의해 발생되는 진동 응답이 최소화되게 취해지는 조정으로 알려진다. 주기적인 강제 작용은 별개의 주파수에서 작동하며, 강제 작용의 주파수가 로터 블레이드의 고유 주파수와 일치하게 될 때 로터 블레이드내의 반향하는(resonant) 응답을 발생할 수 있다. 한편, 비주기적인 강제 작용은 특정 주파수에서 발생하지 않으나, 오히려 로터 블레이드가 비주기적 형태에서 응답(편향)하게 된다. 충분한 댐핑이 없을 경우에, 주기적인 및 비주기적인 자극 힘 모두는 동작 속도 범위에서 나타나는 모든 모드의 진동을 위한 높은 블레이드 진동 응답을 제공할 수 있다.

기계적, 공기유동학적 및 재료적 댐핑은 로터 스테이지에서 잠재적으로 이용되는 3개의 주요한 댐핑 유형으로 나타난다. 통상의 로터 스테이지와 IBR 등에 발생되는 재료적 댐핑은 3가지 유형중에서 가장 효과가 적으며, 일반적으로 그것만으로 로터 블레이드의 적절한 댐핑을 제공하지 못할 것이다. 한편, 기계적 댐핑은 3가지 유형중에서 최대의 효과를 나타내며, 몇몇의 상이한 방법에 의해 달성될 수 있다. 하나의 방법에 있어서, 진동 운동은 블레이드 루트와 디스크 슬롯 사이의 마찰, 즉 블레이드 루트 댐핑에 의해 댐핑된다. 다른 방법에 있어서, 마찰 장치는 로터 블레이드에 외측으로 또는 내측으로 부착되어 운동(motion)이 댐핑된다. 다른 예시에 있어서, 블레이드 대 블레이드 슈라우드(blade-to-blade shrouds)는 에너지가 블레이드 팁을 따라 사라지게 된다. 그러나, 이러한 기계적 댐핑의 예시는 IBR 블레이드의 일체식 특징으로 인해 최적의 IBR을 갖는데 실제적이지 않다. IBR 로터 블레이드와 디스크 사이의 분리형 댐퍼 장치 또는 인접한 IBR 로터 블레이드 사이의 장치는 모두 실제적이지 않다.

통상적으로 공기유동학적 댐핑은 로터 스테이지와 로터 스테이지를 통과하는 공기 사이에서 일(work)로 바뀌는 것으로 알려진다. 예를 들면, 로터 블레이드상의 공기에 의해 수행되는 네트 일(net work)은 공기중의 로터 블레이드에 의해 수행되는 일을 초과하게 되면, 공기는 블레이드에 에너지를 추가하게 된다. 이것은 불안정한 상태를 초래하며, 블레이드 진동은 피로에 대한 크기 및 궁극적인 결과로 시작 및/또는 증가할 수 있다. 한편, 공기중의 로터 블레이드에 의해 수행되는 네트 일은 로터 블레이드상의 공기에 의해 수행된 일을 초과하게 되면, 로터 블레이드는 에너지를 공기유동(airflow)내로 사라지게 한다. 로터 블레이드로부터 멀어지는 이러한 에너지 전달은 공기유동학적 댐핑의 바람직한 상태를 나타낸다.

따라서, 요구되는 것은 IBR에서 이용될 수 있고, 주기적인 강제 작용 및 비주기적인(임의의) 섭동(perturbations)을 댐핑하며, 중간 및 낮은 형상의 로터 블레이드에서 효과적으로 댐핑되는 로터 스테이지내의 진동 응답을 댐핑하기 위한 장치 및/또는 방법이다.

따라서, 본 발명의 목적은 댐핑 진동용 장치를 구비하는 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 IBR내에 이용될 수 있는 진동을 댐핑하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주기적 강제 작용 및 비주기적 섭동에 의해 발생되는 진동에 대해 효과적으로 진동을 댐핑하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 중간 및 낮은 형상비의 로터 브레이드에서 진동을 효과적으로 댐핑하는 진동 댐핑용 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지는 로터 디스크 및 복수개의 로터 블레이드를 포함한다. 로터 디스크는 회전 축선과 동심을 이루는 보어와 외측 반경방향 표면을 포함한다. 로터 블레이드는 외측 반경방향 표면으로부터 반경방향 외부로 연장하며 외측 반경방향 표면 주위에 분포된다. 로터 블레이드중 적어도 하나는 인접한 로터 블레이드로부터 선택적으로 경사진다. 경사진 로터 블레이드는 로터 스테이지의 공기유동학적 댐핑을 증가시킨다.

관찰자의 공기유동학적 댐핑 포인트로부터 로터 블레이드로 전달되는 에너지는 진동의 주기중에 블레이드에 의해 통과되는 공기중의 블레이드에 의해 수행되는 불안정한 일로 기술될 수 있으며, 다음의 수학식 1을 이용하게 된다.

여기서, 는 진동 운동을 받는 블레이드의 결과로서 시간의 영향으로 인해 임의의 포인트에서 로터 블레이드의 흡입 및 압력 측면 표면상에 작용하는 불안정한 공기 압력의 차이를 나타내며, W(x,y,z,t)는 시간의 영향에 따른 임의의 방향에서의 로터 블레이드 편향을 나타낸다. 일 수학식(work expression)은 시간 주기 T에 걸쳐 일치되며, 여기서 T는 하나의 블레이드 진동의 지속 시간과 동일하다. 사이클 당 양의 일(일 수학식의 양의 값에 의해 나타남)은 통과하는 공기에 의해 블레이드상에 수행되는, 즉 불안정한 상태의 일을 나타낸다. 사이클 당 음의 일(일 수학식의 음의 값에 의해 나타남)은 통과하는 공기에 따른 블레이드에 의해 수행되는, 즉 공기유동학적 댐핑의 소망하는 상태의 일을 나타낸다. 일 수학식의 제로(zero) 값은 중립 상태(neutral condition)로 불려지며, 즉 블레이드는 일을 받거나 수행하지 않게 된다.

공기유동학적 댐핑의 목적이 소정의 진동 운동을 댐핑하는 것이기 때문에, 상기 수학식 1에서의 편향 함수[W(x,y,z,t)]가 다르지 않은 것으로 고려될 수 있는 것으로 나타날 수 있다. 따라서, 공기유동학적 댐핑은 불안정한 압력 함수 를 조정하는 것에 의해 일을 보장하는 것이 달성될 수 있으며, 블레이드상에 수행되고 대향되는 블레이드에 의해 수행된다. 로터 블레이드상에 작용하는 불안정한 압력의 차이는 1) 로터 블레이드를 통과하는 공기와 2) 인접한 로터 블레이드 사이의 공기의 체적 및 3) 인접한 블레이드의 상대적 운동의 함수이다. 본 발명에 있어서, 인접한 로터 블레이드 사이의 공기의 불안정한 공기유동학적 특성은 인접한 로터 블레이드에 대해 적어도 하나의 로터 블레이드의 코드라인를 선택적으로 경사지게 함에 의해 조정되어 결과로서 생기는(resultant) 공기유동학적 댐핑을 증가시킨다.

본 발명의 이점은 공기유동학적 댐핑용 수단이 제공되는 것이다. 임의의 적용에 있어서, 공기유동학적 댐핑은 기계적 및/또는 재료적 댐핑을 증대하도록 이용될 수 있다. 기계적 및/또는 재료 댐핑이 제한되는(예컨대, IBR) 다른 적용에 있어서, 공기유동학적 댐핑의 주요 댐핑 수단으로 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 이점은 로터 스테이지 댐핑 장치가 주기적인 강제 작용 및 비주기적 섭동에 의해 발생되는 진동에 대해 효과적이라는 것이다. 본 발명의 선택적인 로터 블레이드 간격은, 블레이드가 주기적인 강제 작용이 비주기적인 섭동을 받는 것에 관계 없이, 로터 블레이드가 이를 통과하는 공기에 의해 일을 수행할 수 있다.

본 발명의 다른 이점은 중간 및 낮은 형상비의 로터 블레이드에서 진동이 효과적으로 댐핑될 수 있다는 것이다. 통상적으로 부착되거나 일체형으로 형성되는 중간 및 낮은 형상비의 로터 블레이드는 진동의 현 모드(chordal modes)에 특히 적절하다. 본 발명의 선택적인 로터 블레이드 간격은 로터 블레이드가 원리의 주기적 및 비주기적 섭동과 진동의 복잡한 현 모드에 의해 발생되는 편향을 댐핑할 수 있다.

본 발명의 다른 이점은 추가의 하드웨어, 내측 블레이드 장치 등이 요구되지 않는다는 것이다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 로터 블레이드를 선택적으로 경사지게 하는 것에 의해 댐핑을 제공한다. 당업자라면 명료성(simplicity)이 통상적으로 신뢰성과 동일하다는 것을 주지할 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 도시된 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 명료하게 될 것이다.

도 1은 가스 터빈 엔진의 개략적인 단면도,

도 2는 종래 기술에 따른 가스 터빈 로터 스테이지의 개략적인 사시도,

도 3은 종래 기술에 따른 로터 디스크로부터 외부로 연장되는 로터 블레이드의 직선 표시를 도시하며 로터 블레이드의 평행한 코드라인에 의해 증명되는 바와 같이 평행한 로터 블레이드 배향을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 로터 디스크로부터 외부로 연장되는 로터 블레이드의 직선 표시를 도시하며 로터 블레이드의 경사진 코드라인에 의해 증명되는 바와 같이 평행한 배향으로부터 경사진 로터 블레이드를 나타낸 도면.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가스 터빈 엔진 26 : 노즐

32 : 로터 스테이지 36 : 로터 블레이드

40 : 외측 반경방향 표면 42 : 평행한 코드라인

도 1을 참조하면, 가스 터빈 엔진(10)은 팬(12), 저압 압축기(14), 고압 압축기(16), 연소기(18), 저압 터빈(20), 고압 터빈(22), 오그멘터(24) 및 회전 축선(28)에 대해 대칭적으로 배치된 노즐(26)을 포함한다. 팬(12)은 노즐(26)의 전방에 있으며, 노즐은 팬(12)의 후미에 있다. 팬(12)과 저압 압축기(14)는 서로 연결되며, 저압 터빈(20)에 의해 구동된다. 고압 압축기(16)는 고압 터빈(22)에 의해 구동된다. 팬(12)에 의해 작동되는 공기는 코어 가스(core gas)로 저압 압축기(14)로 유입하거나 또는 바이패스 공기(bypass air)로 엔진 코어 외부의 통로(30)로 유입할 것이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 로터 스테이지(32)는 디스크(34) 및 복수개의 로터 블레이드(36)를 포함한다. 디스크(34)는 회전 축선(28)과 동심을 이루는 보어(38)(도 3) 및 외측 반경방향의 표면(40)을 포함한다. 로터 블레이드(36)는 외측 반경방향 표면(40)으로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 통상적인 부착 방법(예컨대, 전나무 또는 도브테일 루트 - 도시되지 않음)을 통해 디스크(34)에 부착될 수 있으며, 또는 일체식 블레이드형 로터(integrally bladed rotor: IBR)의 일부로서 일체식으로 부착될 수 있다. 각각의 로터 블레이드(36)는 로터 블레이드(36)의 선단(44)과 말단(46) 사이로 연장되는 코드라인(cordline)(42)을 구비한다.

도 2 및 도 3에 도시된 통상의 로터 스테이지(32)는 로터 디스크(34)의 원주방향 주위에 분포된 서로 동일하게 이격된 로터 블레이드(36)를 갖는다. 각각의 로터 블레이드(36)는 로터 블레이드(36)의 평행의 코드라인(42)에 의해 나타나는 바와 같이, 스테이지(32)내에 다른 로터 블레이드(36)와 함께 평행하게 배향된다. 본 발명에 있어서, 하나 또는 그 이상의 로터 블레이드(36)는 통상의 평행한 배향으로부터 선택적으로 경사져 공기유동학적 댐핑의 증가를 달성한다. 경사진 로터 블레이드(36)의 양은 모두는 아니지만 당해 적용상태에 좌우된다. 바람직한 적용에 있어서, 로터 블레이드(36)는 양쪽 방향으로[인접한 로터 블레이드(36)가 대향하게 경사진다면, 차이는 총 10˚가 될 수 있음] 통상의 평행한 배향으로부터 5˚위로 경사질 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 로터 블레이드(36)는 양쪽 방향으로 통상의 평행한 배향으로부터 단지 3˚경사진다. 도 4는 본 발명에 따른 양쪽 방향으로 통상의 평행한 배향으로부터 경사진 몇몇의 로터 블레이드(36)를 도시한 것이다. 경사 각도는 평행한 배향과 관련된 코드라인(42a) 위치와 경사진 로터 블레이드(36)와 관련된 코드라인(42b) 위치 사이로 연장된 α로 도시된다. 로터 스테이지(32)의 각각 로터 블레이드(36)의 최적의 경사(따라서 최적의 댐핑)는 적용 환경의 함수가 되며, 분석적으로 또는 경험적으로 결정될 수 있다.

어떤 적용에 있어서, 대부분의 로터 블레이드(36)는 평행한 배향으로 유지되며, 단지 소수의 로터 블레이드(36)만이 평행향 배향으로부터 경사진다. 다른 적용에 있어서, 대부분의 모든 로터 블레이드(36)는 평행한 배향으로부터 경사질 것이다.

본 발명은 상세한 실시예에 따라 도시하고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명의 형상 및 세부사항이 다양하게 변형될 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명은 공기유동학적 댐핑용 수단이 제공되며, 로터 스테이지 댐핑 장치가 주기적인 강제 작용 및 비주기적 섭동에 의해 발생되는 진동에 대해 효과적으로 제공되며, 중간 및 낮은 형상비의 로터 블레이드에서 진동이 효과적으로 댐핑될 수 있으며, 추가의 하드웨어, 내측 블레이드 장치 등을 요구하지 않는다.

Claims (11)

1. 회전 축선 주위로 회전하기 위한 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지에 있어서,

   상기 회전 축선과 동심을 이루는 보어와 외측 반경방향 표면을 갖는 로터 디스크와,

   상기 외측 반경방향 표면으로부터 반경방향 외측으로 연장되며 상기 외측 반경방향 표면 주위로 분포되며 각각 코드라인을 갖는 복수개의 로터 블레이드를 포함하며,

   상기 로터 블레이드중 적어도 하나는 인접한 상기 로터 블레이드에 대해 선택적으로 경사짐으로써 상기 로터 스테이지의 공기유동학적 댐핑을 증가시키는 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
2. 회전 축선 주위로 회전하기 위한 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지에 있어서,

   상기 회전 축선과 동심을 이루는 보어와 외측 반경방향 표면을 갖는 로터 디스크와,

   상기 외측 반경방향 표면으로부터 반경방향 외측으로 연장되며 상기 외측 반경방향 표면 주위로 분포되며 각각 코드라인을 갖는 복수개의 로터 블레이드를 포함하며,

   상기 로터 블레이드중 적어도 하나의 상기 코드라인은 인접한 상기 로터 블레이드의 상기 코드라인에 대해 선택적으로 경사짐으로써 상기 로터 스테이지의 공기유동학적 댐핑을 증가시키는 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 로터 브레이드중 적어도 하나의 상기 코드라인은 인접한 상기 로터 블레이드의 상기 코드라인으로부터 단지 10˚경사진 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 로터 블레이드중 적어도 하나의 상기 코드라인은 인접한 상기 로터 블레이드의 상기 코드라인으로부터 단지 5˚경사진 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 로터 스테이지는 일체식 블레이드형 로터인 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 로터 블레이드중 적어도 하나의 상기 코드 라인은 인접한 상기 로터 블레이드의 상기 코드라인으로부터 단지 3˚경사진 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 로터 스테이지는 일체식 블레이드형 로터인 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 로터 블레이드중 적어도 하나의 상기 코드라인은 상기 로터 블레이드의 평행한 배향으로부터 단지 5˚경사진 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 로터 스테이지는 일체식 블레이드형 로터인 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 로터 블레이드중 적어도 하나의 상기 코드라인은 상기 로터 블레이드의 상기 평행한 배향으로부터 단지 3˚경사진 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 로터 스테이지는 일체식 블레이드형 로터인 가스 터빈 엔진용 로터 스테이지.