KR20020005747A - 터보 엔진의 회전자용 밀봉 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 회전축(15)을 따라 연장되는 회전자(25)를 갖는 터보 머신(1), 특히 가스 터빈에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 상기 회전자(25)는 회전자(25)의 외부 방사 방향 경계면에 의해 제한된 둘레면(31), 수용 구조(33) 및 제 1 이동 블레이드(13A) 및 제 2 이동 블레이드(13B)를 포함하며, 상기 제 2 이동 블레이드(13B)는 각각 하나의 블레이드 하단부(43A, 43B) 및 블레이드 플랫폼(17A, 17B)을 갖는다. 상기 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A) 및 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B)은 서로 인접하며, 상기 블레이드 플랫폼(17A, 17B)과 둘레면(31) 사이에 중간 챔버(49)가 형성된다. 상기 둘레면(31) 위에서 중간 챔버(49) 내에 밀봉 시스템(51)이 제공되며, 상기 밀봉 시스템은 래비린스 밀봉 시스템을 갖는다.
Description
터보 머신, 예컨대 터빈 또는 압축기의 회전가능한 이동 블레이드는 상이한 형성에 있어서 전체 둘레에 걸쳐 예컨대 이동 플레이트로 형성된 회전자 샤프트의 둘레면에 고정된다. 여기서, 이동 블레이드는 통상적으로 블레이드 판, 블레이드 플랫폼 및 고정 구조를 갖는 블레이드 하단부를 포함하며, 상기 고정 구조는 이에 상응하여 상보적으로 형성된, 예컨대 주변 그루우브 또는 축방향 그루우브로서 제조된 리세스에 의해 회전자 샤프트의 둘레면에 매칭되도록 수용되어, 이러한 방식으로 이동 블레이드를 고정한다. 구조상으로 볼 때 이동 블레이드가 회전 샤프트 내로 삽입된 후에 서로 인접한 각각의 영역들을 통해 갭이 형성되며, 상기 갭은 터빈 작동시 냉각재 또는 회전자를 구동시키는 고온 활성 유체의 누출 흐름을 야기한다. 이러한 갭은 예컨대 원주 방향으로 인접한 이동 블레이드의 서로 인접해있는2개의 블레이드 플랫폼 사이, 그리고 회전자 샤프트의 둘레면과 상기 둘레면에 방사 방향으로 인접한 블레이드 플랫폼 사이에 나타난다. 냉각재, 예컨대 냉각 공기가 가스 터빈의 흐름 채널로 누출되는 것과 같은 누출 흐름을 제한하기 위해서는 이때 나타나는 온도 및 회전 시스템에 가해지는 큰 원심력에 의한 기계적 부하에 대해 안정적인 적합한 밀봉이 강력하게 추구된다.
제 DE 198 10 567 A1호에는 가스 터빈의 이동 블레이드용 밀봉 플레이트가 공지되어 있다. 이동 블레이드에 공급되는 냉각 공기가 흐름 채널 내로 누출될 경우에는 특히 가스 터빈의 효율이 감소될 수 있다. 인접한 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼 간의 갭 내로 삽입되는 밀봉 플레이트는 냉각 공기가 배출됨으로 해서 나타나는 누출 흐름을 막아야만 한다. 밀봉은 언급된 밀봉 플레이트 이외에도 블레이드 플랫폼과 인접한 2개의 이동 블레이드 사이에 제공된 상이한 로킹 핀에 의해 이루어진다. 이에 따라, 인접한 블레이드 플랫폼으로부터 냉각 공기가 배출되는 것에 대항하는 소정의 밀봉 작용을 달성하기 위해서는 다수의 밀봉 부재가 필요하다.
제 US 특허 공보 5, 599, 170호에는 가스 터빈의 이동 블레이드에 대한 밀봉 컨셉이 공지되어 있다. 축을 중심으로 회전가능한 이동 플레이트 내에서 이동 플레이트의 둘레면에 고정된, 서로 인접하게 배치된 2개의 이동 블레이드에 의해 방사 방향으로 연장되는 갭 및 축방향으로 연장되는 갭이 형성된다. 밀봉 부재는 방사 방향 갭 및 축방향 갭을 동시에 밀봉한다. 이를 위해, 상기 밀봉 부재는 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼으로 형성된 공동부 내로 삽입된다. 상기 밀봉 부재는제 1 밀봉면 및 제 2 밀봉면을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 밀봉면은 축방향 및 방사 방향 갭에 인접한다. 또한 상기 밀봉 부재는 방사 방향에 대해 기울어지도록 연장되는 전단면을 갖는다. 상기 전단면은 공동부 내에 배치된 이동 반동 부재의 부분면으로서 형성된 반동면에 직접 인접한다. 밀봉 작용은 이동 블레이드의 회전에 따라 이동 반동 부재에 작용하는 원심력에 의해 달성된다. 상기 반동 부재는 기울어진 전단면에 밀봉 부재에 방사 방향으로 분력을 야기하는 힘을 전달하며, 이때 제 1 밀봉면은 축방향 갭을 밀봉하며, 상기 밀봉 부재에 작용하는 축방향 분력에 의해 제 2 밀봉면은 방사 방향 갭을 밀봉한다. 이와 같은 밀봉 컨셉으로는, 이동 플레이트의 둘레면을 따라 이동 플레이트의 둘레면과 상기 둘레면에 방사 방향으로 인접한 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼 사이에 형성된 갭을 통해 가스 터빈의 흐름 채널 내로 냉각 공기가 배출되는 것을 막을 수 없다.
또한 예컨대 제 DE 198 10 567 A1호 및 US 특허 공보 제 5, 599, 170호에 공지되어 있는 것과 유사하게, 하나 또는 다수의 밀봉 부재를 복잡하게 배치시킴으로써, 터보 머신에서 또한 예컨대 가열 가스 또는 증기와 같은 고온 흐름 활성 유체가 갭 영역 및 회전자의 중간 챔버 내로 유입되는 것을 막을 수 있다. 상기와 같은 활성 유체의 유입에 의해 이동 블레이드가 크게 손상될 수 있다. 이러한 위험을 줄이기 위해서는 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼의 활성 유체측에서 통상적으로 다수의 밀봉 부재가 블레이드 플랫폼 내로 삽입된다.
제 EP 0 761 930 A1호 및 제 GB 905, 582호에는 각각 터빈 회전자를 갖는 터보 머신이 공지되어 있다. 상기 문서들에서 터빈 회전자는 플레이트 구조로 형성되고 서로에 대해 축방향으로 인접하게 배치된 개별 회전자 플레이트로 이루어진다. 상기 회전자 플레이트의 둘레에는 이동 블레이드가 배치되며, 상기 이동 블레이드는 각각의 블레이드 하단부에 의해 각각 회전자 플레이트 내의 축방향 그루우브 내에, 예컨대 축방향 잔나무형 그루우브 또는 해머헤드 그루우브 내에 고정된다. 회전자 플레이트의 정면에 고정 설치된 고정 플레이트에 의해 블레이드 하단부 그루우브 영역에서 이동 블레이드의 축방향 고정이 이루어진다. 정면에 설치된 고정 플레이트에 의해 또한 활성 유체, 예컨대 가열 가스가 블레이드 하단부 그루우브 영역에 유입되는 것에 대한 확실한 밀봉 작용이 달성될 수 있다. 그러나, 무엇보다도 고정 플레이트는 이동 블레이드의 축방향 고정을 위해 사용된다.
본 발명은 회전축을 따라 연장되는 회전자용 밀봉 시스템을 갖는 터보 머신, 특히 가스 터빈에 관한 것이며, 상기 회전자는 제 1 이동 블레이드 및 상기 회전자의 원주 방향으로 볼 때 제 1 이동 블레이드에 인접한 제 2 이동 블레이드를 갖는다.
도 1은 압축기, 연소실 및 터빈을 갖춘 가스 터빈의 절반부에 대한 단면도이고,
도 2는 회전자의 이동 플레이트의 단면에 대한 조망도이며,
도 3은 이동 블레이드가 삽입되어 있는 이동 플레이트의 단면에 대한 조망도이고,
도 4는 밀봉 시스템을 갖는 이동 블레이드의 측면도이며,
도 5A 내지 5D는 도 4에 도시된 밀봉 부재의 제 1 부분 밀봉 부재의 상이한 조망도이고,
도 6A 내지 6D는 도 4에 도시된 밀봉 부재의 제 2 부분 밀봉 부재에 대한 상이한 조망도이며,
도 7은 밀봉 부재를 갖는 회전자의 단면에 대한 축방향 평면도이고,
도 8은 도 7에 대해 대안적으로 형성된 밀봉 부재를 갖는 회전자의 단면에 대한 축방향 평면도이며,
도 9는 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 이동 블레이드의 측면도이고,
도 10은 도 9에 대해 대안적으로 형성된, 래비린스 밀봉 시스템의 이동 블레이드의 측면도이며,
도 11은 삽입된 이동 블레이드 및 갭 밀봉 부재를 갖는 이동 플레이트의 단면에 대한 조망도이고,
도 12는 도 11의 절단선 XII-XII을 따라 절단된 단면에 대한 조망도이며,
도 13은 주변 그루우브를 갖는 회전자 샤프트의 조망도이고,
도 14는 주변 그루우브 및 삽입된 이동 블레이드를 갖는 회전자의 단면에 대한 조망도이며,
도 15는 도 14에 대해 대안적으로 형성된, 이동 블레이드가 고정된 회전자의 단면에 대한 조망도이다.
각각의 도면에서 동일한 부호는 동일한 의미를 갖는다.
본 발명의 목적은 제 1 이동 블레이드 및 회전자의 원주 방향으로 볼 때 상기 제 1 이동 블레이드에 인접한 제 2 이동 블레이드를 갖는, 회전축을 따라 연장되는 회전자를 갖는 매우 효율적인 터보 머신용 밀봉 시스템을 제공하는데 있다. 상기 밀봉 시스템은 특히 갭 영역과 회전자의 중간 챔버를 통한 누출 흐름을 효과적으로 확실히 제한해야만 하고, 이때 나타나는 열에 의한 부하 및 기계적 부하에 대해 안정적이여만 한다. 부가로 밀봉 시스템은 가능한한 간단하게 제조될 수 잇고 상이한 회전자에서 사용될 수 있도록 형성되어야만 한다.
본 발명에 따르면 상기 목적은 회전자의 외부 방사 방향 경계면에 의해 제한되는 둘레면, 수용 구조, 그리고 제 1 블레이드 하단부 및 제 2 이동 블레이드를 가지며, 상기 제 2 이동 블레이드는 각각 하나의 블레이드 하단부 및 상기 블레이드 하단부에 인접한 블레이드 플랫폼을 가지며, 상기 제 1 이동 블레이드의 블레이드 하단부 및 제 2 이동 블레이드의 블레이드 하단부가 수용 구조 내로 삽입됨으로써, 제 1 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼 및 제 2 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼이 서로 인접하고, 상기 2개의 블레이드 플랫폼과 둘레면 사이에는 하나의 중간 챔버가 형성되며, 상기 둘레면 위의 중간 챔버 내에 밀봉 시스템이 제공되며, 밀봉 시스템은 적어도 하나의 래비린스 밀봉 시스템을 갖도록 형성된, 회전축을 따라 연장되는 회전자를 갖는 터보 머신, 특히 가스 터빈에 의해 달성된다.
본 발명은 터보 머신의 작동시 회전자가 고온 유동 활성 유체에 노출된다는 점에 관한 숙고로부터 출발한다. 고온 활성 유체는 팽창으로 인해 이동 블레이드에서의 작업을 수행하고 상기 이동 블레이드를 회전축을 중심으로 회전시킨다. 따라서, 이동 블레이드를 갖는 회전자는 특히 회전으로 인해 나타나는 원심력에 의해 열적 기계적으로 매우 큰 부하를 받는다. 회전자 및 특히 이동 블레이드를 냉각시키기 위해서는 냉각재, 예컨대 냉각 공기가 사용되며, 상기 냉각 공기는 통상적으로 적합한 냉각재 공급 라인에 의해 회전자로 공급된다. 여기서, 냉각재 및 고온 활성 유체에서의 누출 흐름, 소위 갭 손실은 중간 챔버 내에서 나타난다. 여기서, 중간 챔버는 회전자의 외부 방사 방향 경계면에 의해 제한된 둘레면으로 형성되고, 회전자의 원주 방향으로 인접 배치된 2개의 이동 블레이드의, 둘레면의 방사 방향 외부에 배치된 개별 플랫폼으로 형성된다. 이러한 누출 흐름은 냉각 효율 및 둘레면의 수용 구조 내에 배치된 이동 블레이드의 기계적인 설치 강도(평활화 및 크리이프 강도)에 매우 불리하게 작용한다. 이와 관련해서 볼 때 회전축(축방향 누출흐름), 예컨대 둘레면을 따라 방향지워진 누출 흐름이 매우 중요하다. 또한 방사 방향을 따라, 그리고 둘레면에 대해 수직으로 방향지워진, 회전축에 대해 수직인 누출 흐름(방사 방향 누출 흐름)도 관찰될 수 있다.
본 발명에 의해 터보 머신 내에서 제 1 이동 블레이드 및 회전자의 원주 방향으로 볼 때 상기 제 1 이동 블레이드에 인접한 제 2 이동 블레이드를 갖는 회전자를 누출 흐름에 대해 효과적으로 밀봉하기 위한 새로운 방법이 제시된다. 여기서는 축방향 누출 흐름 및 방사 방향 누출 흐름이 고려된다. 이는 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 밀봉 시스템이 회전자의 방사 방향 외부 경계면을 통한 둘레면 위의 중간 챔버 내에 배치됨으로써 달성된다. 상기와 같은 형성에 의해 밀봉 시스템은 2개의 블레이드 플랫폼과 둘레면 사이에 형성된 중간 챔버를 밀봉한다. 여기서, 상기 중간 챔버는 방사 방향 및 축방향으로, 그리고 회전자의 원주 방향으로 연장된다. 여기서는 통상적으로 갭의 축방향 연장이 통상적으로 우세하고, 상기 갭의 원주 방향으로의 연장은 방사 방향으로 연장되는 치수보다 더 크다. 중간 챔버의 정확한 구조는 서로 인접한 블레이드 플랫폼 및 원주면의 개별 형성에 의해 결정된다. 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 주어진 밀봉 시스템은 형태에 있어서 개별 구조에 개별적으로 매칭되고 제한될 누출 흐름에 관련된 요구들이 매칭될 수 있으며, 상기 래비린스 밀봉 시스템을 제공하는 것은 중간 챔버를 밀봉하는데 매우 효과적이다.
상기 래비린스 밀봉 시스템은 고온 활성 유체 및/또는 밀봉 시스템 내의 냉각재의 가능한한 효과적인 스로틀링 및 중간 챔버를 통한 축방향 누출 흐름(누출질량 흐름)의 억제에 의해 작동된다. 여기서, 래비린스 갭 밀봉 장치에서 통상적으로 나타나는 것과 같은 밀봉 갭을 통한 잔류 누출 흐름은 소위 임시 벡터의 고려하에 계산될 수 있다. 밀봉의 앞과 뒤의 동일한 유동 파라미터 및 래비린스 밀봉 시스템의 동일한 주 치수(밀봉 갭 직경, 밀봉 갭 폭, 밀봉의 축방향 전체 길이)에 있어서 관통 밀봉 장치로 지칭되는 래비린스 갭 밀봉 시스템은 소위 코움 그루우브 밀봉 시스템에 대하여 밀봉 갭을 통한 누출 흐름은 3.5 미만 보다 더 크다. 그러나, 래비린스 갭 밀봉 시스템은 코움 그루우브 밀봉 시스템에 대해 남아있는 밀봉 갭에 의해, 상기 래비린스 갭 밀봉 시스템 자체가 열적 및/또는 기계적으로 크게 유도된 회전자 내의 상대 팽창에 적합하다는 큰 장점을 갖는다.
종래의 밀봉 컨셉에 비해 제공되는 장점은 래비린스 밀봉 시스템이 둘레면에 배치된다는데 있다. 이를 통해, 래비린스 밀봉 시스템은 둘레면에 바로 인접하고 밀봉 작용이 제공될 수 있다. 이는 둘레면을 따라 축방향으로 누출 흐름이 나타나는 것을 막기 위해 매우 적합하다. 예컨대 고온 활성 유체, 예컨대 가스 터빈 내의 가열 가스가 중간 챔버 내로 유입되는 것이 미리 방지되고, 둘레면을 따라 중간 챔버 내에 나타나는 축방향 흐름이 감소된다. 이는 회전자의 재료, 특히 블레이드 플랫폼의 재료를 높은 온도로부터 보호하고 고온 활성 유체에서 가능한 산화 또는 부식을 막는다. 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 밀봉 시스템은 방사 방향으로 볼 때, 인접 블레이드 플랫폼에 바로 인접하고 밀봉 작용이 달성되도록 설계될 수 있다. 이러한 방식으로 축방향으로 나타나는 누출 흐름을 실제로 완전히 막을 수 있으며, 적어도 분명히 억제된다.
밀봉 시스템에 의해 고온 활성 유체 및/또는 중간 챔버 내의 냉각재의 누출 흐름을 막음으로써 이동 블레이드 고정 영역에서의 온도 변동이 피해진다. 여기서, 래비린스 밀봉 시스템은 밀봉 기능을 특히 효과적으로 나타낸다. 이를 통해, 온도차가 나타날 때 서로 인접한 회전자 성분의 열 팽창을 막음으로써 나타날 수 있는 열 응력은 감소된다. 따라서, 이동 블레이드의 블레이드 하단부 및 상기 이동 블레이드를 수용하고 고정시키는 회전자의 수용 구조는 매우 적은 공차에 의해 제조될 수 있다. 적은 공차는 바람직하게는 이동 블레이드의 기계적 설치 강도 및 회전자의 평활화에 작용한다. 특히 수용 구조 내에 블레이드 하단부를 고정시키기 위해 제공된 피팅(fitting)은 작은 갭을 가질 수 있기 때문에, 가능한 누출 흐름도 피팅에 의해 줄어든다.
부가의 장점은 밀봉 시스템의 간단한 제조 및 조립에 있다. 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 밀봉 시스템은 둘레면에 제공되기 때문에, 상기 밀봉 시스템이 이동 블레이드에 반드시 고정 커플링되는 것은 아니다. 따라서, 예컨대 이동 블레이드의 교체와 같은 이동 블레이드의 조립 또는 수리 작업은 복잡하지 않게 이루어질 수 있다. 밀봉 시스템은 이에 영향을 받지 않기 때문에 여러 번 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서 터보 머신 내에서 회전자는 둘레면 및 수용 구조를 포함하는 이동 플레이트를 가지며, 상기 둘레면은 제 1 둘레면 에지 및 회전축을 따라 상기 제 1 둘레면 에지에 마주놓인 제 2 둘레면 에지를 가지며, 상기 수용 구조는 제 1 이동 플레이트 그루우브 및 상기 이동 플레이트의 원주 방향으로 볼 때 제 1 이동 플레이트 그루우브에 대해 이격된 제 2 이동 플레이트 그루우브를 가지며,상기 제 1 이동 블레이드의 블레이드 하단부는 제 1 이동 플레이트 그루우브 내로 삽입되고 제 2 이동 블레이드의 블레이드 하단부는 제 2 이동 플레이트 그루우브 내로 삽입된다.
따라서, 회전가능한 이동 블레이드의 고정은 상기 이동 블레이드가 터보 머신의 작동시 유동력 및 원심력에 의한, 그리고 블레이드 진동에 의한 블레이드 부하를 매우 안전하게 수용하고 이때 나타나는 힘이 이동 플레이트 및 최종적으로 전체 회전자로 전달될 수 있을 때 이루어진다. 이동 블레이드의 고정은 예컨대 축방향 그루우브에 의해 이루어질 수 있으며, 각각의 이동 블레이드는 특히 축방향으로 연장되는 이동 플레이트 그루우브 내에 고정된다. 예컨대 압축기의 축방향 압축기 이동 블레이드에서 부하가 적게 나타나기 위해서 예컨대 연미형 하단부 또는 라발형(laval) 하단부에 의해 이동 블레이드가 간단히 고정될 수 있다. 긴 이동 블레이드 및 이에 상응하는 큰 블레이드 원심력을 갖는 증기 터빈 최종단에 있어서 블레이드 하단부 이외에도 축방향 잔나무형 하단부가 사용된다. 축방향 잔나무형 하단부의 고정에 의해 바람직하게 가스 터빈 내의 이동 블레이드가 열에 의해 높은 부하를 받는다.
위에 언급된 바람직한 실시예에서 둘레면은 부분 영역으로서 제 1 둘레면 에지 및 제 2 둘레면 에지를 갖는다. 고온 유동 활성 유체, 특히 가스 터빈의 가열 가스의 흐름 방향에서 볼 때 예컨대 제 1 둘레면 에지는 흐름 상부로, 그리고 제 2둘레면 에지는 흐름 하부로 배치된다. 달성될 밀봉 작용에 대한 구조적 상태 및 요구에 따라 이러한 구조적인 배치에 의해 둘레면의 상이한 부분 영역에 밀봉 시스템이 형성되고 배치될 수 있게 된다.
바람직하게 밀봉 시스템은 제 1 둘레면 에지 및/또는 제 2 둘레면 에지에 배치된다. 여기서, 래비린스 밀봉 시스템은 제 1 둘레면 에지 및/또는 제 2 둘레면 에지 위에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 예컨대 흐름 상부에 배치된 제 1 둘레면 에지에 밀봉 시스템이 배치됨으로써 우선 고온 유동 활성 유체가 중간 챔버 내로 유입되는 것이 제한되기 때문에, 이동 블레이드가 손상되는 것을 막을 수 있다. 흐름 하부에 배치된 제 2 둘레면 에지에 밀봉 시스템을 배치시키는 것은 주로 냉각재, 예컨대 정해진 압력을 받는 중간 챔버 내의 냉각 공기가 제 2 둘레면 에지에 걸쳐 둘레면을 따라 축방향으로 흐름 채널 내로 배출되는 것을 막기 위해 사용된다. 고온 활성 유체가 흐름 방향으로 팽창되기 때문에, 고온 활성 유체의 압력은 흐름 방향으로 볼 때 연속으로 감소된다. 따라서, 확실한 압력을 받는 중간 챔버 내의 냉각재는 흐름 하부의 둘레면 에지에서 더 적은 주변 압력의 방향으로 중간 챔버로부터 배출된다. 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 밀봉 시스템이 제 1 둘레면 에지 및 제 2 둘레면 에지에 배치됨으로써 중간 챔버가 폐쇄되고 이에 따라 중간 챔버 내로 고온 활성 유체가 유입되는 것과 중간 챔버로부터 냉각재가 배출되는 것을 확실히 막을 수 있다.
바람직하게 둘레면에는 둘레면 중간 영역이 형성되며, 상기 둘레면 중간 영역은 축방향으로 볼 때 제 1 둘레면 에지 및 제 2 둘레면 에지에 의해 둘러싸이며, 밀봉 시스템은 둘레면 중간 영역 위에 적어도 부분적으로 배치된다. 여기서, 상기 래비린스 밀봉 시스템은 바람직하게 둘레면 중간 영역에 배치된다. 상기 둘레면중간 영역은 둘레면의 부분 영역을 형성한다. 따라서, 제 1 둘레면 에지 및 제 2 둘레면 에지와 함께 밀봉 시스템이 둘레면의 상이한 부분 영역에 배치될 상이한 가능성이 제공된다. 달성될 밀봉 작용에 대한 구조적인 상태 및 요구에 따라 적합한 해결책이 결정될 수 있으며, 상기 밀봉 시스템은 상이한 부분 영역에 배치된다. 이와 같이 밀봉 시스템이 배치될 때 상이한 부분 영역들의 결합도 생각될 수 있다. 따라서, 주어진 밀봉 시스템은 달성될 밀봉 작용에 대한 구체적인 요구들에 매칭되는 점에 관련해서 볼 때 매우 큰 유연성을 제공한다.
바람직하게 래비린스 밀봉 시스템을 갖는 밀봉 시스템은 원주 방향으로 연장되는 밀봉 부재를 갖는다. 중간 챔버는 방사 방향 및 축방향으로, 그리고 회전자의 원주 방향으로 연장된다. 회전자의 원주 방향을 따라 연장되는 중간 챔버 내의 밀봉 부재는 냉각재 및/또는 고온 활성 유체에서의 축방향 누출 흐름을 매우 효과적으로 막기에 특히 적합하다. 따라서, 예컨대 흐름 상부로 향한 축방향 누출 흐름, 예컨대 둘레면을 따라 확대되는 가스 터빈의 흐름 채널로부터 나온 가열 가스는 밀봉 부재에 의해 효과적으로 막아진다. 여기서, 누출 흐름은 중간 챔버 내의 방해물에 의해 지연되고 최종적으로 밀봉 부재의 누출 흐름이 나타나는 측면에서 정지된다(간단한 스로틀링). 밀봉 부재 및 상기 밀봉 부재에 축방향으로 연결된 갭의 일부의, 누출 흐름으로부터 떨어진 측면은 간단한 밀봉 부재에 의해 누출 매체, 예컨대 고온 활성 유체 또는 냉각재가 공급되는 것이 미리 효과적으로 보호된다. 또한 밀봉 부재의 작동은 래비린스 밀봉 시스템의 작동과 유사하기 때문에, 밀봉 작용이 강화된다.
원주 방향으로 연장되는 밀봉 부재에 의한 앞에 기술된 간단한 해결은 하나 또는 다수의 부가 밀봉 부재와 상기 밀봉 부재를 결합시킴으로써 더욱 개선된다. 바람직한 실시예에서 적어도 하나의 부가의 밀봉 부재가 제공되며, 상기 밀봉 부재는 원주 방향으로 연장되고 밀봉 부재에 대해 축방향으로 이격 배치된다. 밀봉 부재들의 다중 배치에 의해 중간 챔버 내의 누출 흐름은 크게 감소된다. 특히 예컨대 밀봉 부재는 제 1 둘레면 에지에 배치되고 부가의 밀봉 부재는 제 2 둘레면 에지에 배치될 수 있다. 그럼으로써, 흐름 상부 및 흐름 하부로 볼 때 축방향 누출 흐름에 대항하여 중간 챔버가 밀봉될 수 있다. 상기 중간 챔버는 특히 고온 활성 유체 및 흐름 채널의 높은 압력을 갖는 흐름 상부 영역, 그리고 낮은 압력을 갖는 흐름 하부 영역으로부터 고온 활성 유체가 유입되는 것을 매우 효과적으로 막는다. 동시에 밀봉된 중간 챔버는 냉각재, 예컨대 냉각 공기에 대해 적합하게 이용될 수 있다. 여기서, 상기 냉각재는 압력을 받으면서 중간 챔버로 공급되고 특히 열에 의해 매우 높은 부하를 받는 회전자, 블레이드 플랫폼 및 상기 블레이드 플랫폼에 방사 방향으로 인접한 블레이드 판의 효과적인 내부 냉각을 위해 사용된다. 압력을 받는 중간 챔버 내의 냉각재의 부가의 바람직한 사용예는 흐름 채널 내의 고온 활성 유체에 대항하는 차단 작용에 있다. 밀봉 부재의 구조적인 형성 및 중간 챔버 내의 냉각재의 압력의 선택에 의해, 냉각재와 고온 활성 유체 간의 압력 차이는 작지만 고온 활성 유체에 대항하는 차단 작용을 달성하기에는 충분히 높아진다. 이를 위해, 중간 챔버 내에 지배하는 냉각재의 압력은 고온 활성 유체의 흐름 상부의 압력 보다 좀 더 높아야만 한다. 밀봉 부재의 밀봉 작용이 크면 클수록, 경우에 따라 흐름 채널 내로 제공되는 냉각재의 잔류 누출 흐름은 더 적게 나타난다.
바람직하게 밀봉 시스템에서 적어도 래비린스 밀봉 시스템은 특히 이동 플레이트의 재료 제거에 의해 일체로 제조된다. 예컨대 간단한 래비린스 밀봉 시스템으로서 밀봉 시스템이 형성될 때 상기 래비린스 밀봉 시스템은 이미 이동 플레이트의 원주 방향으로 연장되면서, 서로에 대해 축방향으로 이격된 적어도 두 개의 밀봉 시스템으로 구현된다. 상기 밀봉 부재는 완전히 회전된 스로틀링 시이트에 의해 실행될 수 있다. 일체형 제조 방식은 래비린스 밀봉 시스템과 둘레면 사이에 부가의 연결 부재를 필요로 하지 않는다는 장점을 갖는다. 따라서, 방법 기술적으로 볼 때 첫 단계에서 이동 플레이트의 처리 및 래비린스 밀봉 시스템의 제조가 레이드(lathe)에서 실행될 수 있기 때문에, 매우 저가로 이루어진다. 또한 단지 하나의 재료 만이 사용되기 때문에, 이동 플레이트와 래비린스 밀봉 시스템 사이에 열에 의해 유도된 응력은 어떠한 작용도 하지 못한다. 이동 플레이트에 용접된 스로틀링 시이트 또는 둘레면의 그루우브 내로 삽입된 스로틀링 시이트에 의해 밀봉 부재의 대안적인 형성도 가능해진다.
바람직하게는 밀봉 부재는 방사 방향 외부 단부에서 밀봉 에지, 특히 날카로운 에지를 갖는다. 중간 챔버를 통한 잔류 누출 흐름은 결정적으로 실행가능한 밀봉 갭 폭에 의해, 예컨대 밀봉 부재의 방사 방향 외부 단부와 상기 밀봉 부재에 인접한 밀봉될 블레이드 플랫폼 간의 간격에 의해 영향을 받는다. 밀봉 갭 폭이 가능한한 작도록 제조하기 위해서는 밀봉 부재의 방사 방향 외부 단부를 날카롭게 한다. 여기서, 밀봉 에지 또는 날카로운 에지가 블레이드 플랫폼의 방사 방향 설치치수 보다 작은 치수로 제조됨으로써 밀봉 갭 브리지가 형성될 수 있다. 밀봉 에지 또는 날카로운 에지가 블레이드 플랫폼을 스쳐 지나감으로써, 밀봉 갭은 이동 블레이드가 수요 구조, 예컨대 이동 플레이트의 축방향 그루우브 내로 삽입될 때 브리지된다. 이러한 방식으로 밀봉 갭은 폐쇄되며, 개선된 밀봉이 달성되고 축방향 누출 흐름은 더욱 줄어든다. 따라서, 종래의 실시예에 비해 수용 구조 내의 이동 블레이드의 설치 치수는 더욱 줄어들 수 있다. 대략 0.3 내지 0.6mm의 지금까지 통상적이었던 최소 설치 치수는 새로운 컨셉에 의해 0.1 내지 0.2mm로 줄어들 수 있으며, 다시 말해 3분의 1이 된다.
바람직하게 래비린스 밀봉 시스템은 하나의 밀봉 부재 및/또는 부가의 밀봉 부재를 포함한다. 따라서, 밀봉 부재 및 부가의 밀봉 부재는 래비린스 밀봉 시스템의 구성 부품이다.
바람직하게 래비린스 밀봉 시스템은 래비린스 갭 밀봉 시스템으로서 형성된다. 바람직한 실시예에서 축방향으로 연장되는 갭의 밀봉을 위해 갭 밀봉 부재가 제공되며, 제 1 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼과 제 2 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼 사이에 갭이 형성되고 상기 갭은 중간 챔버와 흐름측으로 연결된다. 상기 갭 밀봉 부재에 의해, 갭을 통해 누출 흐름이 나타나는 것을 막을 수 있다. 이러한 누출 흐름은 방사 방향으로 이루어지고 여기서 중간 챔버로부터 갭을 통해 방사 방향 외부로, 그리고 갭을 통해 방사 방향 내부의 중간 챔버 내로 방향지워질 수 있다.
여기서, 상이한 실시예가 실행될 수 있다:
예컨대 갭에 터보 머신, 예컨대 압축기 또는 가스 터빈의 흐름 채널이 방사 방향 외부로 인접할 때, 갭 밀봉 부재에 의해 활성 유체, 예컨대 가열 가스가 가스 터빈 내로 유입되거나, 갭을 통해 방사 방향 내부의 중간 챔버 내로 유입되는 것이 막아진다. 이를 통해, 회전자, 특히 이동 블레이드는 중간 챔버 내에서 산화되거나 및/또는 부식되는 것으로부터 보호된다. 동시에 갭 밀봉 부재는 냉각재, 예컨대 냉각 공기가 중간 챔버로부터 갭을 통해 방사 방향 외부로 흐름 채널 내로 유입되는 것을 막는다. 대안적인 실시예에서 갭의 방사 방향 외부에는 공동부가 연결되며, 상기 공동부는 원주 방향으로 볼 때 서로 인접한 제 1 이동 블레이드 및 제 2 이동 블레이드로 형성된다(소위 이동 블레이드의 박스 디자인). 여기서, 갭 밀봉 부재는 한편으로는 중간 챔버로부터 갭을 통해 고온 활성 유체가 방사 방향 외부로 공동부 내로 유입되는 것을 막는다. 다른 한편으로는 갭 밀봉 부재에 의해 밀봉된 공동부에 냉각재, 예컨대 냉각 공기가 공급될 수 있다. 상기 냉각재는 공동부 내에서 압력을 받으며 예컨대 열에 의한 높은 부하를 받는 이동 블레이드의 효과적인 내부 냉각 또는 다른 냉각을 위해 사용된다. 공동부 내의 압력을 받는 냉각재의 부가의 바람직한 사용예는 흐름 채널 내의 고온 활성 유체에 대한 차단 작용이다.
바람직하게는 갭 밀봉 부재는 갭 밀봉 시이트로 제조되며, 상기 갭 밀봉 시이트는 갭 밀봉 에지를 가지며, 상기 갭 밀봉 에지는 원심력의 작용하에 갭 내로 삽입되어, 상기 갭을 폐쇄한다. 상기 갭 밀봉 부재가 갭 밀봉 시이트로 형성됨으로써 간단하고 저가의 해결이 이루어진다. 여기서, 예컨대 종축 및 횡축을 갖는얇은 재료 스트립으로서 형성될 수 있다. 여기서, 갭 밀봉 에지는 금속 스트립 중간에서 종축을 따라 연장되어, 간단한 방식으로 재료 스트립을 접음으로써 제조될 수 있다. 상기 갭 밀봉 부재는 바람직한 방식으로 중간 챔버 내에 배치된다. 그리고 나서, 터보 머신의 작동시 갭 밀봉 부재는 방사 방향 외부로 위치한 원심력에 의한 회전에 서로 인접한 블레이드 플랫폼에 대해 단단하게 가압되며, 갭 밀봉 에지는 갭 내로 삽입되어, 상기 갭을 효과적으로 밀봉한다.
바람직하게 상기 갭 밀봉 부재는 고열에 대해 안전한 재료, 특히 니켈 기초 합금 또는 코발트 기초 합금으로 제조된다. 이러한 합금들은 충분한 탄성 변형력을 갖는다. 상기 갭 밀봉 부재의 재료는 회전자의 재료에 매칭되도록 선택됨으로서, 불순물 또는 확산 위험이 피해진다. 또한 회전자, 특히 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼의 균일한 열 팽창 또는 수축이 보장된다.
바람직하게 갭 밀봉 부재는 밀봉 시스템에 방사 방향으로 인접한다. 갭 밀봉 부재와 둘레면에 배치된 밀봉 시스템, 특히 래비린스 밀봉 시스템과의 결합에 의해 고온 활성 유체 및/또는 냉각재에서의 누출 흐름에 대한 중간 챔버의 특히 효과적인 밀봉이 달성된다. 이를 통해, 특히 축방향으로 연장되는 갭의 밀봉을 위해 원심력의 작용하에서 갭 밀봉 부재의 밀봉 작용이 이루어진다. 이러한 결합에 있어서 밀봉 시스템은 축방향으로 향한 누출 흐름을 감소시키며, 갭 밀봉 부재는 방사 방향으로 향한 누출 흐름을 감소시킨다. 또한 이러한 기능적인 분리에 의해 상이한 회전자 구조에 플렉시블한 구조적 매칭이 가능해진다. 따라서, 갭 밀봉 부재 및 밀봉 시스템은 매우 효과적으로 보완된다.
부가의 바람직한 실시예에서 밀봉 부재는 둘레면 내의 리세스, 특히 그루우브 내로 삽입된다. 변형예에서 밀봉 부재는 반드시 래비린스 시스템의 일부가 되는 것은 아니지만, 정상 작동시 작용하는 원심력에 의해 또는 터보 머신의 과도 부하에 의해 밀봉 부재가 떨어지는 것에 대한 보호는 밀봉 부재가 적합한 리세스 내로 삽입됨으로써 달성된다. 또한 리세스에 의해 둘레면에는 바람직하게 리세스의 부분면으로서 형성된 밀봉면이 제조된다. 그루우브의 경우 이러한 밀봉면은 예컨대 그루우브 그라운드 위에 형성된다. 밀봉면이 삽입될 때 가능한한 양호한 밀봉 작용을 달성하기 위해 밀봉면은 이에 상응하여 더 작고 더 적합하게 정해진 조도로 제조된다. 예컨대 밀링 또는 회전 과정에 의한 둘레면의 재료 제거에 의해 그루우브를 제조한 후에 그루우브 그라운드에서 소정의 조도를 갖는 밀봉면이 폴리싱(polishing)에 의해 제조될 수 있다.
바람직하게 밀봉 부재는 방사 방향으로 이동된다. 이를 통해, 밀봉 부재는 원심력의 작용하에 방사 방향으로 회전자의 회전축으로부터 제거될 수 있다. 이러한 특성은 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼에서 매우 개선된 밀봉 작용을 달성하기 위해 사용된다. 여기서, 상기 밀봉 부재는 원심력의 작용하에 둘레면으로부터 방사 방향으로 이격된, 원주 방향으로 볼 때 서로에 대해 인접한 블레이드 플랫폼과 접촉되어, 상기 블레이드 플랫폼에 단단하게 가압된다. 이러한 밀봉 부재의 방사 방향으로의 이동은 리세스 및 밀봉 부재의 상응하는 치수에 의해 확정될 수 있다. 또한 밀봉 부재의 수리가 필요하거나 이동 블레이드가 고장날 때, 부가의 공구 없이, 그리고 밀봉 부재가 높은 부하 온도에 의해 산화 또는 부식에 의해 점착될 위험없이 원활하게 제거될 수 있고 경우에 따라서는 교체될 수 있다는 장점이 제공된다. 또한 리세스, 특히 그루우브 내로 삽입되는 밀봉 부재의 확실한 공차는 매우 유용하다. 왜냐하면, 이러한 공차에 의해 열 팽창이 허용되고 회전자 내의 열 응력이 감소되는 것이 피해지기 때문이다.
바람직하게 밀봉 부재는 제 1 부분 밀봉 부재 및 제 2 부분 밀봉 부재를 포함하며, 상기 제 1 부분 밀봉 부재 및 제 2 부분 밀봉 부재는 서로 맞물린다. 여기서, 상기 2개의 부분 밀봉 부재는 특별한 방식으로 중간 챔버 내의 상이하게 밀봉될 영역에 대한 부분적인 밀봉 작용을 수행하도록 형성될 수 있다. 중간 챔버 내에 제공된 이와 같이 상이한 영역들은 그루우브 그라운드, 제 1 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼, 또는 제 2 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼에 적합한 밀봉면으로 형성된다. 이러한 부분 밀봉 부재들은 하나의 밀봉 부재에 한 쌍의 부분 밀봉 부재가 배치됨으로써 보완되며, 한 쌍의 부분 밀봉 부재의 밀봉 작용은 하나의 부분 밀봉 부재의 밀봉 작용 보다 크다. 특히 중간 챔버 내에서 밀봉될 각각의 영역에 부분 밀봉 부재를 매칭시킴으로써, 한 쌍의 부분 밀봉 부재의 밀봉 작용은 일체형 밀봉 부재에 의한 밀봉 부재 보다 더 크게 구현될 수 있다.
바람직하게 제 1 부분 밀봉 부재 및 제 2 부분 밀봉 부재는 서로에 대해 상대적으로 원주 방향으로 이동된다. 이를 통해, 부분 밀봉 부재로 이루어진 매칭된 시스템이 제공된다. 원주 방향으로 볼 때 부분 밀봉 부재의 상대 운동에 의해 회전자의 열적 및/또는 기계적 부하에 따라, 부분 밀봉 부재가 서로에 대해 매칭되어 결합될 수 있다. 여기서, 부분 밀봉 부재로 이루어진 매칭된 시스템은 예컨대 원심력 및 법선력 및 지지력과 같은 외부 힘의 작용하에 밀봉 작용을 전개하기 위해 자체 조정되도록 형성될 수 있다. 또한 한 쌍의 부분 밀봉 부재로 이루어진 이동 부분에 의해 열적 또는 기계적으로 감소된 응력은 더욱 양호하게 보정된다.
바람직한 실시예에서 제 1 부분 밀봉 부재 및 제 2 부분 밀봉 부재는 각각 둘레면에 인접한 플레이트 밀봉 에지 및 블레이드 플랫폼에 인접한 플랫폼 밀봉 에지를 갖는다. 여기서, 각각의 플랫폼 밀봉 에지는 기능적으로 볼 때 플랫폼 부분 밀봉 에지로 분할될 수 있다. 예컨대 부분 밀봉 부재에서 제 1 플랫폼 부분 밀봉 에지 및 제 2 플랫폼 부분 밀봉 에지가 제공되며, 상기 제 1 플랫폼 부분 밀봉 에지는 제 1 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼에 배치되고 제 2 플랫폼 부분 밀봉 에지는 제 2 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼에 인접한다. 이러한 기능상의 분할에 의해 부분 밀봉 부재들은 수용 구조에 대한 제 1 이동 블레이드 및 제 2 이동 블레이드의 개별 설치 구조에 구조적으로 간단하게 매칭될 수 있다. 이에 상응하는 부분 밀봉 부재의 형성에 의해, 플레이트 밀봉 에지는 둘레면에 대항하여, 그리고 플랫폼 밀봉 에지는 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼에 대항하여 밀봉되며, 이때 매우 적합한 포지티브한 결합이 제조된다.
제 1 부분 밀봉 부재 및 제 2 부분 밀봉 부재가 밀봉 부재에 쌍으로 배치됨으로써 특히 효과적인 밀봉이 달성된다. 바람직하게는 제 1 부분 밀봉 부재 및 제 2 부분 밀봉 부재가 중첩되며, 제 1 부분 밀봉 부재의 플랫폼 밀봉 에지 및 플레이트 밀봉 에지는 제 2 부분 밀봉 부재의 플랫폼 밀봉 에지 및 플레이트 밀봉 에지에 인접한다. 이를 통해, 2개의 부분 밀봉 부재가 쌍으로 배치될 때 양호한 포지티브한 결합이 구현되고 후속해서 밀봉 부재에 의해 중간 챔버 내로 고온 활성 유체가 유입되거나 및/또는 흐름 채널 내로 냉각재가 배출되는 것에 대한 양호한 밀봉이 달성된다.
바람직하게는 밀봉 부재는 고열에 대해 안전한 재료, 특히 니켈 기초 합금 또는 코발트 기초 합금으로 제조된다. 또한 이러한 합금은 충분한 탄성 변형력을 갖는다. 따라서, 밀봉 부재의 재료는 불순물 또는 확산 위험을 피하기 위해, 그리고 회전자, 특히 이동 블레이드의 블레이드 플랫폼의 균일한 열 팽창을 보장하기 위해 회전자의 재료에 매칭되도록 선택된다.
바람직한 실시예에서 터보 머신에서 회전축을 따라 연장되는 회전자에 의해 주변 그루우브를 통하는 수용 구조가 제조되며, 이때 둘레면은 제 1 둘레면 및 상기 제 1 둘레면의 회전축을 따라 서로 마주놓인 제 2 둘레면을 가지며, 상기 제 2 둘레면은 각각 축방향으로 주변 그루우브에 인접하며, 제 1 둘레면 및/또는 제 2 둘레면의 중간 챔버 내에는 밀봉 시스템이 제공된다.
이동 블레이드의 고정에 의해 터보 머신의 작동시 유동력 및 원심력에 의한 블레이드 부하 및 블레이드 진동에 의한 블레이드 부하가 매우 안전하게 수용되어야만 하고 이때 나타나는 힘이 이동 플레이트 및 최종적으로 전체 회전자로 전달되어야만 한다. 이동 블레이드를 축방향 그루우브 내에 고정시키는 것 이외에도 특히 부하가 작거나 평균일 때 이동 블레이드가 주변 그루우브 내에 더욱 넓게 고정될 수 있다. 여기서, 각각의 부하에 따른 상이한 실시예가 공지되어 있다(I. Kosmorowski 및 G.Schramm, "Turbo Maschinen", ISBN 3-7785-1642-6, Ausgabe desDr.Alfred Huethig Verlag, Heidelberg, 1989, 113-117 페이지 참조). 약한 원심력 및 휨 모멘트를 갖는 짧은 이동 블레이드에 있어서 예컨대 간단하게 제조될 소위 해머 헤드 연결이 제조된다. 이동 블레이드가 길고 블레이드 원심력이 클 때 회전자의 플레이트 구조에서 특히 구조적 처리에 의해 주변 그루우브의 높이에서 제 1 둘레면 및 제 2 둘레면의 영역 내의 이동 플레이트가 휘어지는 것이 방지되어야만 한다. 이는 예컨대 주변 그루우브의 높이에서 더욱 단단하게 형성된 이동 플레이트에 의해, 고정된 해머 헤드 하단부에 의해, 또는 고정된 라이더(rider) 하단부에 의해 이루어진다. 그러나, 이동 플레이트에 더 적은 힘이 전달됨으로써 예컨대 주변이 잔나무형으로 고정될 수 있다. 어떠한 경우에라도 중간 챔버의 밀봉을 위해 제시된 컨셉은 회전자에서도 매우 플렉시블하게 매칭될 수 있는데, 이때 상기 회전자의 이동 블레이드는 주변 그루우브 내에 고정된다.
바람직하게는 터보 머신은 가스 터빈이다.
본 발명은 바람직하게 하기 도면에 도시된 실시예에 의해 더 자세히 설명된다. 도면은 부분적으로 개략화되고 간소화된다.
도 1에는 가스 터빈(1)의 절반에 대한 단면이 도시된다. 상기 가스 터빈(1)은 연소 가스용 압축기(3), 액체 또는 기체 연료용 버너(7)를 갖는 연소실(5), 그리고 압축기(3) 및 도 1에 도시되지 않은 제너레이터를 구동시키기 위한 터빈(9)을 갖는다. 상기 터빈(9) 내에서 고정시켜 놓은 가이드 블레이드(11) 및 회전가능한 이동 블레이드(13)는 가스 터빈(1)의 회전축(15)을 따라서 절반 단면에는 도시되지 않은 방사 방향으로 연장되는 링 위에 배치된다. 여기서, 회전축(15)을 따라 연속된, 가이드 블레이드(11)의 링(가이드 블레이드 링) 및 이동 블레이드(13)의 링(이동 블레이드 링)으로 이루어진 쌍은 터빈단이라고 표기된다. 각각의 가이드 블레이드(11)는 블레이드 플랫폼(17)을 가지며, 상기 블레이드 플랫폼(17)은 관련 가이드 블레이드(11)를 내부 터빈 하우징(19)에 고정시키기 위해 배치된다. 여기서, 상기 블레이드 플랫폼(17)은 터빈(9) 내의 벽 부재를 의미한다. 상기 블레이드 플랫폼(17)은 열 부하를 크게 받는 부품이며, 상기 부품은 터빈(9) 내의 흐름 채널(21)의 외부 경계를 형성한다. 상기 이동 블레이드(13)는 상응하는 블레이드 플랫폼(17)에 의해 가스 터빈(1)의 회전축(15)을 따라 배치된 터빈 회전자(23) 위에 고정된다. 여기서, 터빈 회전자(23)는 예컨대 도 1에 도시되지 않은, 이동 블레이드(13)를 수용하는 다수의 이동 플레이트로 형성될 수 있으며, 상기 이동 플레이트는 도시되지 않은 인장 로드(tension rod)에 의해 결합되어, 세래이션(serration)에 의해 열에 의한 팽창에 대해 저항하도록 회전축(15)의 중심에 배치된다. 상기 터빈 회전자(23)는 이동 플레이트(13)와 함께 터보 머신(1),특히 가스 터빈(1)의 회전자를 형성한다. 가스 터빈(1)의 작동시 공기(L)가 주변으로부터 흡입된다. 상기 공기(L)는 압축기(3)에서 압축되는 동시에 예열된다. 연소실(5)에서 공기(L)는 유체 또는 기체 연료와 혼합되고 연소된다. 우선 압축기(3)로부터 적합한 방출(27)에 의해 방출된 공기(L)의 부분은 터빈단을 냉각시키기 위한 냉각 공기(K)로서 사용되며, 예컨대 제 1 터빈단에서는 대략 750℃ 내지 1200℃의 터빈 유입 온도가 제공된다. 터빈(9) 내에서 하기에 가열 가스(A)로 표기되는 고온 활성 유체(A)의 팽창 및 냉각이 이루어지며, 상기 고온 활성 유체(A)는 터빈단을 통해 흐르고 여기서 회전자(25)를 회전시킨다.
도 2는 회전자(25)의 이동 플레이트(29)의 단면에 대한 조망도이다. 상기 이동 플레이트(29)는 회전자(25)의 회전축(15)을 따라 중심에 배치된다. 상기 이동 플레이트(29)는 가스 터빈(1)의 이동 블레이드(13)를 고정시키기 위한 수용 구조(33)를 갖는다. 상기 수용 구조(33)는 이동 플레이트(29) 내의 리세스(35), 특히 그루우브로 형성된다. 여기서, 상기 리세스(35)는 축방향 이동 플레이트 그루우브(37), 특히 축방향 잔나무형 그루우브로서 형성된다. 상기 이동 플레이트(29)는 이동 플레이트(29)의 방사 방향 외부 단부에 배치된 둘레면(31)을 갖는다. 상기 둘레면(31)은 회전자(25)의 방사 방향 외부 경계면에 의해, 즉 각각의 이동 플레이트(29)에 의해 제한된다. 여기서, 이렇게 제한된 둘레면(31)은 축방향 이동 플레이트 그루우브(37)로서 형성된 수용 구조(33)를 포함하지 않는다. 상기 둘레면(31)에는 제 1 둘레면 에지(39A) 및 제 2 둘레면 에지(39B)가 형성된다. 여기서, 상기 제 1 둘레면 에지(39A)는 회전축(15)을 따라 둘레면(31) 위의 제 2 둘레면 에지(39B)에 마주놓인다. 상기 둘레면(31) 위에 둘레면 중간 영역(41)이 형성되며, 상기 둘레면 중간 영역(41)은 축방향으로 볼 때 제 1 둘레면 에지(39A) 및 제 2 둘레면 에지(39B)에 의해 둘러싸인다.
도 3은 이동 블레이드(13A)가 삽입되어 있는 이동 플레이트(29)의 단면에 대한 조망도이다. 상기 이동 플레이트(29)는 전체에 걸쳐 그것의 둘레면(31)에 이르기까지 개방되는 이동 플레이트 그루우브(37A, 37B)를 가지며, 상기 이동 플레이트 그루우브(37A, 37B)는 회전자(25)의 회전축(15)에 대해 평행하게 연장되지만, 상기 회전축(15)에 대해 기울어지도록 제공될 수도 있다. 상기 이동 플레이트 그루우브(37A, 37B)에는 언더커트(59)가 제공된다. 이동 플레이트 그루우브(37A) 내로 이동 플레이트 그루우브(37A)의 삽입 방향(57)을 따라 블레이드 하단부(43A)를 갖는 이동 블레이드(13A)가 삽입된다. 상기 블레이드 하단부(43A)는 종측 리브(61)에 의해 이동 플레이트 그루우브(37A)의 언더커트(59)에 지지된다. 이러한 방식으로 이동 블레이드(13A)는 이동 플레이트(29)가 회전축(47)을 중심으로 회전할 때 이동 블레이드(13A)의 종축(47) 방향으로 나타나는 원심력에 대항하여 확실히 고정된다. 블레이드 하단부(43A)의 종축(47)을 따라 방사 방향 외부측으로 이동 플레이트(13A)는 넓게 형성된 영역, 소위 블레이드 플랫폼(17A)을 갖는다. 상기 블레이드 플랫폼(17A)은 플레이트측 베이스(63) 및 상기 플레이트측 베이스(63)에 마주놓인 외부측(65)을 갖는다. 상기 블레이드 플랫폼(17A)의 외부측(65)에는 이동 블레이드(13A)의 블레이드 판(45)이 존재한다. 회전자(25)의 작동에 필요한 가열 가스(A)가 상기 블레이드 판(45)을 지나가고, 여기서 이동 플레이트(29)에서 회전 모멘트가 생성된다. 회전자(25)의 온도가 높을 때 이동 블레이드(13A)의 블레이드 판(45)은 내부 냉각 시스템을 필요로 하며, 상기 내부 냉각 시스템은 도 3에 도시되지 않는다. 여기서, 냉각재(K), 예컨대 냉각 공기(K)는 이동 플레이트(29)를 통하는 도시되지 않은 공급 라인에 의해 이동 블레이드(13A)의 블레이드 하단부(43A) 내로 가이드되어, 상기 하단부(43A)로부터 나와 마찬가지로 도 3에 도시되지 않은 적합한 내부 냉각 시스템의 공급 라인에 이르게 된다. 블레이드 하단부(43A) 및 블레이드 플랫폼(17)의 영역에서 냉각재(K), 특히 냉각 공기(K)가 너무 일찍 배출되는 것을 막기 위해 밀봉 시스템(51)이 제공된다. 상기 밀봉 시스템(51)은 외부면(31)의 제 2 둘레면 에지(39B) 위에 배치된다. 상기 밀봉 시스템(51)은 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 연장되는 밀봉 부재(53)를 갖는다. 부가의 밀봉 부재(55)가 제공되고 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 볼 때 밀봉 부재(53)에 대해 축방향으로 이격되도록 연장된다. 상기 밀봉 부재(53) 및 부가의 밀봉 부재(55)는 각각 원주면(31) 내의 리세스(35), 특히 그루우브 내로 삽입된다. 상기 밀봉 시스템(51)은 중간 챔버(49)를 밀봉하며, 상기 중간 챔버(49)는 이동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A)과 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B), 그리고 둘레면(31) 사이에 형성된다. 이때, 상기 제 2 이동 블레이드(13B)는 파선으로 표시되고 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 볼 때 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A)에 대해 이격 배치된 제 2 이동 플레이트 그루우브(37B) 내로 삽입된다. 그럼으로써, 가열 가스(A)가 제 2 둘레면(39B)을 거쳐 축방향으로 중간 챔버(49) 내로 이르게 되고 블레이드 하단부(43A, 43B) 또는블레이드 플랫폼(17A, 17B)의 영역에 있는 이동 블레이드(13A, 13B)가 손상되는 것이 방지된다. 또한 제 2 둘레면(39B)위로 걸쳐있는 둘레면(31)을 따라 축방향으로 중간 챔버(49)로부터 냉각재(K)가 배출되는 것이 방지된다.
도 4는 밀봉 시스템(51)을 갖는 이동 블레이드(13)의 측면을 도시한다. 상기 밀봉 시스템(51)은 도 4에서 부분 섹션으로서 도시된다. 상기 밀봉 시스템(51)은 제 1 둘레면 에지(39A) 및 제 2 둘레면 에지(39B)의 중간 챔버(49) 내에 배치된다. 가열 가스(A)의 흐름 방향으로 볼 때 흐름 상부에는 제 1 둘레면 에지(39A)가 이동 플레이트(29)의 둘레면(31)에 배치되고 흐름 하부에는 제 2 둘레면 에지(39B)가 배치된다. 밀봉 시스템(51)이 흐름 상부에 제공된 제 1 둘레면 에지(39A)에 배치됨으로써 우선 유동 가열 가스(A)가 중간 챔버(49) 내로 유입되는 것이 제한된다. 이를 통해, 이동 블레이드(13) 및 둘레면(31) 영역 내의 이동 플레이트(29)가 손상되는 것이 방지된다. 밀봉 시스템(51)이 흐름 하부에 제공된 제 2 둘레면 에지(39B)에 배치됨으로써, 특히 냉각재(K), 예컨대 정해진 압력을 받는 중간 챔버(49) 내의 냉각 공기(K)가 제 2 둘레면 에지(39B) 위로 걸쳐있는 둘레면(31)을 따라 축방향으로 흐름 채널 내로 배출되는 것을 가능한한 효과적으로 막을 수 있게 된다. 회전자(25)의 작동시 가열 가스(A)는 흐름 방향으로 팽창된다. 이를 통해, 가열 가스(A)의 압력은 흐름 방향으로 연속적으로 감소된다. 따라서, 정해진 압력을 받는 중간 챔버(49) 내의 냉각재(K)가 적은 주변 압력의 방향으로 흐름 하부에 배치된 제 2 둘레면 에지(49B)에서 중간 챔버(49)로부터 배출된다. 제 1 둘레면 에지(39A) 및 제 2 둘레면 에지(39B)에 제공된 밀봉 시스템(51)은 양 ◎향에 따라중간 챔버(49)를 밀봉한다. 따라서, 이러한 형성에 의해 중간 챔버(49) 내로 가열 가스(A)가 유입되는 것에 대한, 그리고 중간 챔버(49)로부터 냉각재(K)가 배출되는 것에 대한 안전성이 높아진다.
제 1 둘레면 에지(39A)에서 밀봉 시스템(51)은 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 연장되는 밀봉 부재(53)를 갖는다. 여기서, 상기 밀봉 부재(53)는 둘레면(31) 내로 통합된 리세스(35), 특히 그루우브 내로 삽입된다. 제 2 둘레면 에지(39B)에서 밀봉 시스템(51)은 원주 방향으로 연장되는 밀봉 부재(53)를 갖는다. 부가의 밀봉 부재(55)는 제 2 둘레면 에지(39B)에 제공된다. 부가의 밀봉 부재(55)는 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 연장되어, 밀봉 부재(53)에 대해 축방향으로 이격 배치된다.
밀봉 시스템(51)이 하나 또는 다수의 밀봉 부재(53, 55)로 형성됨으로써, 특히 중간 챔버(49) 내에서 냉각재(K) 및/또는 가열 가스(A)의 축방향 누출 흐름을 더욱 효과적으로 막을 수 있게 된다. 따라서, 가스 터빈(1)의 흐름 채널로부터 흐름 상부로 향하는 축방향 누출 흐름, 예컨대 가열 가스(A)의 유입은 제 1 둘레면 에지(39)에 배치된 밀봉 시스템(51)에 의해 효과적으로 막아지는데, 이때 상기 흐름 채널은 제 1 둘레면 에지(39A)를 걸쳐 둘레면(31)을 따라 중간 챔버(49) 내로 유입된다. 이와 동시에 중간 챔버(49)로부터 나와 제 2 둘레면 에지(39B)를 따라 방향지워진 축방향 누출 흐름의 배출은 밀봉 부재(53, 55)의 형태로 된 방해물에 의해 확실히 막아진다.
밀봉 부재(53, 55)의 다중 배치에 의해 중간 챔버(49) 내에서 가능한 누출흐름이 매우 감소된다. 따라서, 밀봉된 중간 챔버(49)는 냉각재(K), 예컨대 냉각 공기(K)에 대해 양호하게 사용될 수 있다. 상기 냉각재(K)는 압력을 받을 수 있고 열적으로 높은 부하를 받는 회전자(25), 특히 블레이드 플랫폼(17) 및 종축(47)을 따라 블레이드 플랫폼에 인접해있는 블레이드 판(45)의 효과적인 내부 냉각을 위해 사용될 수 있다. 중간 챔버(49) 내에서 압력을 받는 냉각재(K)의 부가의 바람직한 사용예는 흐름 채널 내의 가열 가스(A)에 대한 차단 작용이다. 냉각재(K)의 차단 작용에 의해 중간 챔버(49) 내로 가열 가스(A)가 유입되는 것이 방지된다.
밀봉 부재(53, 55)는 각각 방사 방향으로 이동되어 리세스(35) 내에 배치됨으로써, 회전자(25)의 작동시 밀봉 부재(53, 55)에 원심력이 작용함에 따라 종래 기술에 비해 개선된 밀봉 작용이 달성된다. 원심력의 작용하에 밀봉 부재(53, 55)는 종축(47)에 대해 평행하게 방사 방향 상부로 이동된다. 여기서, 블레이드 플랫폼(17)의 플레이트측 베이스(63)는 중간 챔버(49)로부터의, 또는 중간 챔버(49) 내로의 축방향 누출 흐름에 대항하여 매우 효과적으로 밀봉된다. 밀봉 부재(53, 55)의 방사 방향 이동은 리세스(35) 및 밀봉 부재(53, 55)의 상응하는 형성에 의해 보장될 수 있다. 이를 통해, 밀봉 부재(53, 55)는 경우에 따른 수리를 위해, 또는 이동 블레이드(13)의 고장시 부가의 공구없이, 그리고 높은 작동 온도에서의 산화 또는 부식에 의해 밀봉 부재(53)가 점착될 위험없이 원활하게 제거되고 경우에 따라서는 교체될 수 있다.
또한 각각 리세스(35), 특히 그루우브 내로 삽입되는 밀봉 부재(53, 55)의 확실한 허용 오차가 매우 바람직하다. 이에 따라, 열 팽창이 허용됨으로써 열 응력이 유도되는 것이 방지된다. 밀봉 부재(53, 55)는 제 1 부분 밀봉 부재(67A) 및 제 2 부분 밀봉 부재(67B)를 갖는다. 상기 제 1 부분 밀봉 부재(67A) 및 제 2 부분 밀봉 부재(67B)는 서로 맞물린다. 상기 제 1 부분 밀봉 부재(67A) 및 제 2 부분 밀봉 부재(67B)는 쌍으로 배치됨으로써 특별한 방식으로 밀봉 부재(53, 55)로 보완되며, 쌍으로 제공된 부분 밀봉 부재(67A, 67B)의 밀봉 작용은 개별 부분 밀봉 부재(67A, 67B) 중 하나의 밀봉 작용 보다 크다. 중간 챔버(49) 내에서 밀봉될 각각의 영역에 부분 밀봉 부재(67A, 67B)가 특히 바람직하게 형성됨으로써, 쌍으로 배치될 경우 달성된 밀봉 작용은 일체형 밀봉 부재(53)에 의한 밀봉 작용 보다 크게 실현될 수 있다. 부분 밀봉 부재(67A, 67B)의 특히 바람직한 형성은 하기에서 도 5A 내이 5D에 의해, 그리고 도 6A 내지 6D에 의해 설명된다.
도 4에 도시된 밀봉 부재(53, 55)는 바람직한 실시예에서 서로 맞물리는 2개의 부분 밀봉 부재(67A, 67B)로 이루어진다. 도 5A 내지 5D에는 제 1 부분 밀봉 부재(67A)의 상이한 조망도가 도시된다.
도 5A는 제 1 부분 밀봉 부재(67A)를 조망한 것이다. 제 1 부분 밀봉 부재(67A)는 플레이트 밀봉 에지(69) 및 상기 플레이트 밀봉 에지(69)에 마주놓인 플랫폼 밀봉 에지(71)를 갖는다. 부분 밀봉 부재(67A)가 조립된 상태에서 플레이트 밀봉 에지(69)는 둘레면(31)에 인접하고, 플랫폼 밀봉 에지(71)는 블레이드 플랫폼(17)의 플레이트측 베이스(63)에 인접한다. 도 5B는 제 1 부분 밀봉 부재(67A)의 플레이트 밀봉 에지(71)를 조망한 것이고, 도 5C는 제 1 부분 밀봉 부재(67A)의 평면도이고, 도 5D는 측면도이다. 플랫폼 밀봉 에지(71)는 제 1 플랫폼부분 밀봉 에지(71A) 및 제 2 플랫폼 부분 밀봉 에지(71B)를 갖는다. 플랫폼 밀봉 에지(71)를 2개의 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A, 71B)로 분할함으로써, 제 1 부분 밀봉 에지(67A)는 이동 블레이드(13) 및 상기 이동 플레이트(29) 내에 부가의 이동 블레이드(13B)가 조립된 상태에 구조적으로 간단하게 매칭될 수 있다(도 3 및 도 4 참조).
이에 상응하는 방식으로 제 2 부분 밀봉 부재(67B)가 형성된다. 도 6A 내지 6D는 도 4에 도시된 밀봉 부재(53)의 제 2 부분 밀봉 부재(67B)에 대한 상이한 조망도이다. 제 1 부분 밀봉 부재(67A)와 유사하게 제 2 부분 밀봉 부재(67B)는 플레이트 밀봉 에지(69) 및 상기 플레이트 밀봉 에지(69)에 마주놓인 플랫폼 밀봉 에지(71)를 갖는다. 여기서, 상기 플랫폼 밀봉 에지(71)는 기능상으로 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A, 71B)로 분할된다. 따라서, 제 1 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A) 및 제 2 플랫폼 부분 밀봉 에지(71B)가 제공된다. 각각의 부분 밀봉 부재(67A, 67B)는 개별 무게 중심이 관련 부분 밀봉 부재(67A, 67B) 중 하나에 정확하게 배치된 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A, 71B)와 인접하게 배치되도록 형성된다. 이는 작은 재료 강도 영역 및 큰 재료 강도 영역을 갖는 개별 부분 밀봉 부재(67A, 67B)의 단계적인 구조적 형성에 의해 달성되며, 각각의 영역은 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A, 71B)에 정확하게 배치된다.
이와 같은 부분 밀봉 부재(67A, 67B)의 형성에 의해, 플레이트 밀봉 에지(69)가 둘레면(31)에 대항하여 양호하게 밀봉되고 플랫폼 밀봉 에지(71), 즉 각각의 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A, 71B)는 이동 블레이드(13)의 블레이드플랫폼(17)에 대항하여 밀봉되며, 포지티브한 결합 및 개선된 기계적 안정성이 제조된다. 제 1 부분 밀봉 부재(67A) 및 제 2 부분 밀봉 부재(67B)는 밀봉 부재(53)에 쌍으로 배치된다. 이를 통해, 매우 효과적인 밀봉이 달성된다. 부분 밀봉 부재(67A, 67B)는 삽입된 상태에서 서로 맞물리고 중첩되도록 형성되며, 제 1 부분 밀봉 부재(67A)의 플랫폼 밀봉 에지(71) 및 플레이트 밀봉 에지(69)는 제 2 부분 밀봉 부재(67B)의 플랫폼 밀봉 에지(71) 및 플레이트 밀봉 에지(69)에 인접한다. 여기서, 상기 부분 밀봉 에지(67A, 67B)는 각각 상이한 재료 강도를 갖는 영역들이 서로 접촉되도록 배치된다. 따라서, 양 부분 밀봉 부재(67A, 67B)가 쌍으로 배치됨으로써 매우 양호한 포지티브한 결합이 제조되고 하기에서 밀봉 부재(53)에 의해 가열 가스(A)가 중간 챔버(49) 내로 유입되거나 및/또는 흐름 채널 내로 냉각재(K)가 배출되는 것에 대한 양호한 밀봉이 달성된다(도 4 참조). 상기 부분 밀봉 부재(67A, 67B)는 예컨대 금속 밀봉 시이트로서 형성된다. 여기서, 고온에 대해 안정적이고 충분한 탄성 변형력을 갖는 재료가 선택된다. 적합한 재료로는 예컨대 니켈 기초 합금 또는 코발트 기초 합금이 사용된다. 따라서, 부분 밀봉 부재(67A, 67B)의 재료는 회전자(25)의 재료에 매칭될 수 있다. 이를 통해, 불순물 또는 확산 피해가 방지되고 회전자(25)의 무응력 열 팽창이 균일하게 이루어진다.
도 7은 밀봉 부재(53)를 갖는 회전자(25)의 단면에 대한 축방향 평면도이다. 회전자(25)는 이동 플레이트(29)를 갖는다. 이동 플레이트(29)는 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A) 및 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 볼 때 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A)에 대해 이격된 제 2 이동 플레이트 그루우브(37B)를 갖는다.상기 이동 플레이트(29) 내로 제 1 이동 블레이브(13A) 및 제 2 이동 블레이드(13B)가 삽입되며, 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 하단부(43A)는 이동 플레이트 그루우브(37A) 내로 삽입되고 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 하단부(43B)는 제 2 이동 플레이트 그루우브(37B) 내로 삽입된다. 여기서, 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A)은 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B)에 인접하고 블레이드 플랫폼(17A, 17B)과 원주면(31) 사이에는 중간 챔버(49)가 형성된다. 상기 원주면(31)의 중간 챔버(49) 내에는 밀봉 부재(53)가 제공된다. 상기 밀봉 부재(53)는 플레이트 밀봉 에지(69) 및 상기 플레이트 밀봉 에지(69)에 마주놓인 제 1 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A)와 제 2 플랫폼 부분 밀봉 에지(71B)를 갖는다. 상기 밀봉 부재(53)는 리세스(35), 특히 원주면(31)의 그루우브 내로 삽입된다. 여기서, 플레이트 밀봉 에지(69)는 원주면(31)에 인접한다. 제 1 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A)는 제 1 블레이드 플랫폼(17A)의 플레이트측 베이스(63)에 인접하며, 제 2 플랫폼 밀봉 에지(71B)는 제 2 블레이드 플랫폼(17B)의 플레이트측 베이스(63)에 인접한다. 여기서, 밀봉 부재(53)는 도 5A 내지 5D 및 도 6A 내지 6D에 설명된 바와 같이, 방사 방향 및 원주 방향으로 이동하는, 쌍으로 제공된 서로 맞물리는 2개의 부분 밀봉 부재(67A, 67B)로 제조된다. 이를 통해, 중간 챔버(49)의 특히 효과적인 밀봉이 가능해진다. 특히 중간 챔버(49)로부터의, 또는 중간 챔버(49) 내로의 축방향 누출 흐름이 효과적으로 막아진다. 여기서, 회전자(25)의 회전시 밀봉 부재(53)는 원심력의 작용하에 종축(47)에 대해 평행하게 방사 방향 외부로 회전자(25)의 회전축(15)으로부터 제거된다. 이러한 작용은 인접한 이동 블레이드(13A, 13B)의 서로 인접한 블레이드 플랫폼(17A, 17B)에서의 개선된 밀봉 작용을 달성하기 위해 사용된다. 밀봉 부재(53), 즉 도 7에 도시되지 않은 쌍으로 제공된 각각의 부분 밀봉 부재(67A, 67B)(도 5A 내지 5D 및 6A 내지 6D)는 원심력 작용하에 원주면(31)으로부터 방사 방향으로 이격된, 서로에 대해 원주 방향으로 인접한 블레이드 플랫폼(17A, 17B)과 접촉하며 플레이트측 베이스(63)에 고정 가압된다.
리세스(35), 특히 그루우브 및 밀봉 부재(53)의 상응하는 치수에 의해 충분한 방사 방향 이동성이 보장된다. 부가로 밀봉 부재(53)가 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 이동될 수 있다. 밀봉 부재(53), 특히 도 7에 도시되지 않은 부분 각각의 밀봉 부재(67A, 67B)(도 5A 내지 5D 및 도 6A 내지 6D 참조)는 예컨대 원심력, 법선력(法線力) 및/또는 지지력과 같은 모든 외부 힘이 작용하는 가운데 밀봉 작용을 나타내기 위해 자체 조정된다. 여기서, 종축(47)에 대한 플랫폼 부분 밀봉 에지(71A, 71B)의 기울기는 블레이드 플랫폼(17A, 17B)의 플레이트측 베이스(63)의 기울기와 일치한다. 이를 통해, 양호한 포지티브한 결합이 제조되고 종축(47)에 대한 기울기에 의해 밀봉 부재(53) 및 상기 밀봉 부재(53)에 인접한 플레이트측 베이스(63)에 대한 밀봉에 적합한 힘 분포가 달성된다. 구조상으로 볼 때 서로 인접한 플랫폼(17A, 17B) 사이에는 갭(73)이 형성될 수 있다. 상기 갭(73)은 흐름측으로 볼 때 중간 챔버(49)와 연결되며 경우에 따라서는 간단한 갭 밀봉 부재에 의해 밀봉될 수 있다(도 11 및 이에 대한 도면 설명 참조).
도 8에는 도 7에 대해 대안적으로 형성된 밀봉 부재(53)를 갖는 회전자(25)의 단면에 대한 축방향 평면도가 도시된다. 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A)은 상기 블레이드 플랫폼(17A)에 인접한 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B)에 대하여 방사 방향으로 변위된다. 원주 방향으로 인접해있는 블레이드 플랫폼(17A, 17B) 간의 오프셋(δ)은 구조상으로 볼 때, 이동 플레이트 그루우브(37A, 37B)가 회전자(25)의 회전축(15)에 대해 기울어질 때 통상적으로 나타난다. 밀봉 부재(53), 즉 도 7에 도시되지 않은 밀봉 부재(53)에 쌍으로 배치된 각각의 부분 밀봉 부재(67A, 67B)(도 5A 내지 5D 및 도 6A 내지 6D 참조)는 오프셋 밀봉 에지(75)를 가지며, 상기 오프셋 밀봉 에지(75)는 오프셋(δ)에 포지티브하게 밀봉된다. 따라서, 제시된 밀봉 컨셉은 밀봉 부재(53)의 상응하는 형성에 의해 상이한 회전자 구조 및 설치 치수에 플렉시블하게 매칭될 수 있다.
도 9는 이동 플레이트(29) 내에 제공된 이동 블레이드(13)의 측면도를 도시하며, 중간 챔버(49) 내에서 밀봉 시스템(51)은 둘레면(31)의 둘레면 중간 영역(41) 위에 배치된다. 여기서, 밀봉 시스템(51)은 래비린스 밀봉 시스템(51A), 특히 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)으로서 형성된다. 상기 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)은 둘레면 중간 영역(41) 위에서 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 연장되면서, 서로에 대해 축방향으로 이격된 다수의 밀봉 부재(53)로 형성된다. 여기서, 개별 밀봉 부재(53)는 각각 둘레면(41) 내로 삽입된 스로틀링 시이트(77A 내지 77E)에 의해 형성된다. 상이한 스로틀링 시이트(77A 내지 77E)에 의해 제조된 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)은 밀봉 시스템(51A)에서 유동 가열 가스(A) 및/또는 냉각재(K)가 가급적 효과적으로 스로틀링되고, 이러한 스로틀링에 의해 야기된 중간 챔버(43)를 통한 축방향 누출 흐름이 감소됨으로써 작동된다. 여기서, 스로틀링 시이트(77A)의 방사 방향 외부 단부(79)는 밀봉 갭(81)에 의해 블레이드 플랫폼(17)의 플레이트측 베이스(63)로부터 이격된다. 통상적으로 래비린스 갭 밀봉 장치(51A)에서 제공되는 것과 같은 밀봉 갭(81)을 통해 중간 챔버(49)를 통한 잔류 누출 흐름이 나타날 수 있다. 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)의 스로틀링 시이트(77A 내지 77E)가 이에 상응하여 형성되고 배치됨으로써 잔류 누출 흐름이 정해진 수치로 제한된다. 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)은 가능한 다른 래비린스 밀봉 시스템과 비교해 볼 때, 밀봉 갭(81)에 의해 회전자(25) 내에서 유도된 열적 및/또는 기계적 상대 팽창에 대한 공차가 달성된다는 장점을 갖는다.
도 9에 도시된 밀봉 시스템(51)의 대안적인 실시예가 도 10에 도시된다. 밀봉 시스템(51)은 이와 마찬가지로 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)으로서 형성되며, 상기 래비린스 밀봉 시스템(51A)은 특히 이동 플레이트(29)의 재료 제거에 의해 일체로 제조된다. 상기 래비린스 밀봉 시스템(51A)은 이동 플레이트(29)의 둘레면 중간 영역(41) 위에 배치된다. 상기 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)은 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 연장되어, 서로에 대해 축방향으로 이격된 다수의 밀봉 부재(53)를 갖는다. 상기 밀봉 부재(53)는 이동 플레이트(29)의 전체로부터 회전된 스로틀링 시이트(77A 내지 77D)로 제조된다. 이러한 제조 방법에 의해 래비린스 밀봉 시스템(51A)과 둘레면(31) 사이에는 부가의 연결 부재가 요구되지 않는다. 또한 방법 기술적으로 볼 때 이는 저가의 해결책이다. 또한 이동 플레이트(29)와 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A) 사이에는 열에 의해 유도된 응력이 작용하지 않는다. 왜냐하면, 단지 하나의 공구 만이 사용되기 때문이다. 상기 밀봉 부재(53)가 이동 플레이트에 용접된 스로틀링 시이트(77A)로 형성될 수도 있다. 밀봉 부재(53)는 외부 단부(79)에서 밀봉 에지(83), 특히 날카로운 에지를 갖는다. 밀봉 갭(81)은 밀봉 부재(53)의 방사 방향 외부 단부(79)를 날카롭게 만듦으로써 가능한한 적은 치수로 줄어들 수 있다. 중간 챔버(49)를 통한 잔류 누출 흐름은 더욱 감소된다. 여기서, 밀봉 에지(83) 또는 날카로운 에지가 블레이드 플랫폼(17)의 방사 방향 설치 치수 보다 작은 치수로 제조됨으로써 밀봉 갭 브리지도 실행될 수 있다. 밀봉 에지(83) 또는 날카로운 에지가 블레이드 플랫폼(17)의 플레이트측 베이스(63)에서 상승함으로써 밀봉 갭(81)은 이동 블레이드가 이동 플레이트(29) 내로 삽입될 때 브리지된다. 이러한 방식으로 밀봉 갭(81)은 실제로 완전히 폐쇄되고, 확실히 개선된 밀봉 작용이 달성되며, 그리고 중간 챔버(49) 내에서 유동 가열 가스(A) 또는 냉각재(K)에 의해 가능한 축방향 누출 흐름이 더욱 감소된다.
도 11은 이동 블레이드(13A)가 삽입되어 있는 이동 플레이트(29)의 단면에 대한 조망도이며, 이동 블레이드(13A)의 블레이드 하단부(43A)는 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A) 내로 삽입된다. 파선으로 표시된 제 2 이동 블레이드(13B)는 그것의 블레이드 하단부(43B)에 의해 제 2 이동 플레이트 그루우브(37B) 내로 삽입되고 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 볼 때 이동 블레이드(13A)에 대해 인접하게 배치된다. 둘레면(31)의 둘레면 중간 영역(41)에는 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)으로서 형성된 밀봉 시스템(51)이 배치된다. 상기 밀봉 시스템(51A)은 회전축(15)을 따라 서로에 대해 이격되어, 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 연장되는 다수의 밀봉 부재(53)로 제조된다. 이동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A)과 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B) 사이에는 축방향으로 연장되는 갭(73)이 형성되는데, 상기 갭(73)은 흐름측으로 볼 때 중간 챔버(49)와 연결된다. 갭(73)을 밀봉하기 위해 갭 밀봉 부재(85)가 제공된다. 상기 갭 밀봉 부재(85)는 간단한 방식으로 갭 밀봉 에지(87)를 갖는 적합한 갭 밀봉 시이트로 구현된다. 상기 갭 밀봉 에지는 원심력의 작용하에서 갭(73) 내로 삽입되어, 상기 갭(73)을 밀봉한다. 상기 갭 밀봉 부재(85)는 중간 챔버(49) 내에 배치되는데, 이때 상기 갭 밀봉 부재(85)는 방사 방향으로 볼 때 밀봉 시스템(51), 특히 래비린스 갭 밀봉 시스템(51A)에 인접한다. 갭 밀봉 부재(85)에 의해, 갭(73)을 통한 누출 흐름이 나타나는 것이 방지된다. 상기와 같은 갭(73)을 통한 누출 흐름은 방사 방향으로 방향지워지고, 중간 챔버(49)로부터 갭(73)을 통해 방사 방향 상부로, 그리고 갭(73)을 통해 중간 챔버(49)의 방사 방향 내부로 방향지워질 수 있다. 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 볼 때 서로 인접한 이동 블레이드(13A, 13B)의 플랫폼(17A, 17B)에 의해 공동부(97)가 형성된다. 상기 공동부(97)는 방사 방향 상부로 볼 때 갭(73)에 인접한다(이동 블레이드(13A, 13B)의 박스 디자인). 여기서, 갭 밀봉 부재(85)는 한편으로는 갭(73)을 통한 중간 챔버(49)로부터 나온 가열 가스(A)가 방사 방향 외부로 공동부(97) 내로 유입되는 것을 막는다. 다른 한편으로는 상기 갭 밀봉 부재(85)에 의해 밀봉된 공동부(97)에는 냉각재(K), 예컨대 냉각 공기(K)가 공급될 수 있다. 상기 냉각재(K)는 압력을 받으면서 공동부(97)로 공급되어, 상기 공동부(97)에서 열에 의해 높은 부하를 받는 이동 블레이드(13A, 13B)의 효과적인 내부 냉각을 위해, 또는 다른 냉각을 위해 사용된다. 또한 압력을 받는 공동부(97) 내 냉각재(K)의 흐름 채널 내 가열 가스(A)에 대한 차단 작용이 이용될 수 있다.
회전자(25)의 작동시 높은 온도를 견디기 위해, 그리고 가열 가스(A)의 산화 및 부식 특성에 대한 내구성을 갖기 위해, 고열에 대해 안정적인 재료, 특히 니켈 기초 합금 또는 코발트 기초 합금으로 이루어진 갭 밀봉 부재(85)가 제조된다.
도 12는 도 11에 도시된 절단선 XII-XII에 따라 절단된 단면을 도시한다. 갭 밀봉 부재(85)는 중간 챔버(49) 내에 배치되고 방사 방향으로 외부로 밀봉 부재(53)에 인접해있다. 회전자(25)의 작동시 갭 밀봉 부재(85)는 종축(47)을 따라 방사 방향 외부로 향한 원심력에 의한 회전에 따라 서로 인접한 플랫폼(17A, 17B)의 플레이트측 베이스(63)에 대해 가압되며, 갭 밀봉 에지(87)는 갭(73) 내로 삽입되어 상기 갭(73)을 폐쇄한다. 갭 밀봉 부재(85)와 둘레면(41) 위의 밀봉 시스템(51), 특히 래비린스 밀봉 시스템(51A)을 결합시킴으로써(도 11 참조), 가열 가스(A) 및/또는 냉각재(K)의 가능한 누출 흐름에 대항하여 중간 챔버(49)의 특히 효과적인 밀봉이 달성된다. 이러한 결합에 있어서 밀봉 시스템(51)은 축방향으로 향한 누출 흐름이 줄어들며, 갭 밀봉 부재(85)는 방사 방향으로 향한 누출 흐름이 줄어든다(도 11 참조). 이러한 방식으로 갭 밀봉 부재(85) 및 밀봉 시스템(51)은 매우 효과적으로 대체된다.
이동 플레이트(29)의 축방향으로 향한 이동 플레이트 그루우브(37) 내에 이동 블레이드(13)를 고정시키는 것과 더불어 다른 이동 블레이드 고정이 공지되어있다. 대안적인 이동 블레이드 고정에 대한 밀봉 시스템의 적용예는 하기 도 13 내지 15에 도시된다.
도 13은 회전축(15)을 따라 연장된 회전자(25)의 회전 샤프트(89)의 조망도이다. 수용 구조(33)는 서로에 대해 축방향으로 이격된, 회전자 샤프트(89)의 전체 주변에 걸쳐 연장되는 다수의 주변 그루우브(91)로 제조되며, 상기 주변 그루우브(91)는 둘레면(31) 내로 삽입된다. 여기서, 둘레면(31)은 제 1 둘레면(93) 및 상기 제 1 둘레면(93)의 회전축(15)을 따라 마주놓인 제 2 둘레면(95)을 갖는다. 상기 제 1 둘레면(93) 및 제 2 둘레면(95)은 각각 축방향으로 주변 그루우브(91)에 인접한다.
도 14에는 주변 그루우브(91) 및 삽입된 이동 블레이드(13)를 갖는 회전자(25)의 단면에 대한 개략적인 조망도가 도시된다. 상기 주변 그루우브(91)는 블레이드 하단부(43)를 수용하는 해머 헤드 그루우브로서 제조된다. 작은 원심력과 휨 모멘트를 갖는 길이가 짧은 이동 블레이드(13)를 위해 블레이드 고정부의 형태가 바람직하게 제공된다. 제 1 둘레면(93) 및 제 2 둘레면(95) 위에서 각각 하나의 밀봉 부재(53)가 중간 챔버(49) 내에 제공된다. 상기 밀봉 부재(53)는 회전자 샤프트(89)의 원주 방향으로 연장되어, 회전자 샤프트(89) 내의 리세스(35), 특히 그루우브 내로 삽입된다. 상기 밀봉 부재(53)는 방사 방향으로 이동되어 리세스(35) 내에 배치된다. 상기 회전자 샤프트(89)가 회전축(15)을 중심으로 회전할 때 밀봉 부재(53)는 원심력의 작용하에서 이동 블레이드(13)의 종축(47)을 따라 방사 방향 외부로 이동되어, 블레이드 플랫폼(17)의 플레이트측 베이스(63)에 가압된다. 이를 통해, 중간 챔버(49)가 밀봉된다. 여기서, 밀봉 부재(53)는 도 14에 도시되지 않은 서로 맞물리는 쌍으로 제공된 2개의 부분 밀봉 부재(67A, 67B)로 이루어질 수 있다(도 4, 도 5A 내지 5D, 및 도 6A 내지 6D 참조).
도 15는 도 14에 대해 대안적으로 형성된 이동 블레이드 고정 장치를 갖는 회전자(25)의 단면도이다. 여기서, 주변 그루우브(91)는 소위 잔나무형 주변 그루우브로 제조된다. 이에 상응하여, 상기 이동 블레이드(13)의 블레이드 하단부(43)는 잔나무형 하단부로 제조되며, 상기 잔나무형 하단부는 주변 그루우브(91), 특히 잔나무형 주변 그루우브 내로 삽입된다. 이와 같이 이동 블레이드(13)가 고정됨으로써 회전자(25)가 회전축(15)을 중심으로 회전할 때 회전자 샤프트(89)에 대한 매우 효과적인 힘 전달 및 특히 안전한 고정이 달성된다. 도 14와 유사하게 각각 제 1 둘레면(93) 및 제 2 둘레면(95)에서 중간 챔버(49) 내로 중간 챔버(49)를 밀봉하기 위한 밀봉 부재(53)가 제공된다.
앞에 제시된 중간 챔버(49)의 밀봉에 대한 컨셉은 주변 그루우브(91) 내에 고정된 이동 블레이드(13)를 갖는 회전자(25)에서도 매우 플렉시블하게 적용될 수 있다.
Claims (14)
- 회전자(25)의 방사 방향 외부 경계면에 의해 제한된 둘레면(31)과 수용 구조(33), 및 각각 하나의 블레이드 하단부(43A, 43B) 및 상기 블레이드 하단부(43A, 43B)에 인접한 블레이드 플랫폼(17A, 17B)을 갖는 제 1 이동 블레이드(13A)와 제 2 이동 블레이드(13B)를 포함하는, 회전축(15)을 따라 연장되는 회전자(25)를 가지며, 상기 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 하단부(43A) 및 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 하단부(43B)가 수용 구조(33) 내로 삽입됨으로써, 제 1 작동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A) 및 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B)은 서로 인접하고, 그리고 블레이드 플랫폼(17A, 17B)과 원주면(31) 사이에 중간 챔버(49)가 형성되도록 제공된 터보 머신(1), 특히 가스 터빈에 있어서,둘레면(31) 위의 중간 챔버(49) 내에는 밀봉 시스템(51)이 제공되며, 밀봉 시스템(51)은 적어도 하나의 래비린스 밀봉 시스템(51A)을 갖는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 1항에 있어서,상기 회전자(25)는 이동 플레이트(29)를 가지며, 상기 이동 플레이트(29)는 둘레면(31) 및 수용 구조(33)를 포함하며, 상기 둘레면(31)은 제 1 둘레면 에지(39A) 및 회전축(15)을 따라 상기 제 1 둘레면 에지(39A)에 마주놓인 제 2 둘레면 에지(39B)를 가지며, 상기 수용 구조(33)는 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A) 및 이동 플레이트(29)의 원주 방향으로 볼 때 상기 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A)에 대해 이격된 제 2 이동 플레이트 그루우브(37B)를 가지며, 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 하단부(43A)는 상기 제 1 이동 플레이트 그루우브(37A) 내로 삽입되고 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 하단부(43B)는 제 2 이동 플레이트 그루우브(37B) 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 2항에 있어서,상기 둘레면(31) 위에 둘레면 중간 영역(41)이 형성되며, 상기 둘레면 중간 영역(41)은 축방향으로 볼 때 제 1 둘레면 에지(39A) 및 제 2 둘레면 에지(39B)에 의해 둘러싸이며, 상기 밀봉 시스템(51)은 적어도 부분적으로 둘레면 중간 영역(41) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 1항, 2항 또는 3항에 있어서,상기 밀봉 시스템(51)은 원주 방향으로 연장되는 밀봉 부재(53)를 갖는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 4항에 있어서,적어도 하나의 부가의 밀봉 부재(55)가 제공되며, 상기 밀봉 부재(55)는 원주 방향으로 연장되어, 밀봉 부재(53)에 대해 축방향으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 4항 또는 5항에 있어서,상기 밀봉 부재(53) 및/또는 부가의 밀봉 부재(55)의 방사 방향 외부 단부(79)는 밀봉 에지(83), 특히 날카로운 에지를 갖는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 4항, 5항 또는 6항에 있어서,상기 래비린스 밀봉 시스템(51A)은 밀봉 부재(53) 또는 부가의 밀봉 부재(55)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 래비린스 밀봉 시스템(51A)은 래비린스 갭 밀봉 시스템으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 래비린스 밀봉 시스템(51A)은 특히 이동 플레이트(29)의 재료 제거에 의해 일체형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,축방향으로 연장되는 갭(73)을 밀봉하기 위한 갭 밀봉 부재(85)가 제공되며, 상기 갭(73)은 제 1 이동 블레이드(13A)의 블레이드 플랫폼(17A)과 제 2 이동 블레이드(13B)의 블레이드 플랫폼(17B) 사이에 형성되어, 중간 챔버(49)와 흐름측으로 연결되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 10항에 있어서,상기 갭 밀봉 부재(85)는 갭 밀봉 시이트로 제조되며, 상기 갭 밀봉 시이트는 갭 밀봉 에지(87)를 가지며, 상기 갭 밀봉 에지(87)는 원심력의 작용하에서 갭(73) 내로 삽입되어, 상기 갭(73)을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 10항 또는 11항에 있어서,상기 갭 밀봉 부재(85)는 고열에 대해 안전한 재료, 특히 니켈 기초 합금 또는 코발트 기초 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서,상기 갭 밀봉 부재(85)는 방사 방향으로 상기 밀봉 시스템(51)에 인접한 것을 특징으로 하는 터보 머신(1).
- 제 1항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서,상기 터보 머신(1)이 가스 터빈(1)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보머신(1).
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