KR20020074214A - 로터 블레이드 디스크 플랜지와 그에 따른 레이아웃 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 환기(27,29)를 가능하게 하도록 터빈 블레이드(4) 디스크(3)를 덮는 플랜지(10)에 관한 것으로서, 디스크(3) 반대쪽에 있는 플랜지 표면(24)에, 실(seal) 역활을 하는 리커들(23)을 구비하는 래버린스 실(20)을 포함하며, 디스크의 유연한 웨브(14)의 무게중심을 오프셋시키고 원심력이 작용하는 경우 디스크(3)로 향하는 웨브(14)의 변형을 증진시키며 디스크(3)의 압력 플레이트(16)와 베어링 페이스(15)의 접촉을 강화하도록, 리커들(23)의 커터들(37)이 축방향으로 경사지고, 축방향 또는 반경방향으로 비정렬 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 웨브의 외면(14)과 디스크(3)를 결합시키는 후크가 필요 없게 된다.

Description

로터 블레이드 디스크 플랜지와 그에 따른 레이아웃{Bladed rotor disc side-plate and corresponding arrangement}

반응기 터빈은, 연소실로부터 나와서 터빈을 교차하여 흐르는 가스의 열을 견딜 수 있도록, 특히 첫 터빈 단계에서, 종종 냉각되어야만 한다. 냉각시스템은, 연소실 상류에 위치하는 기계 부분으로부터 가장 차가운 가스를 흘러나오게 하여 터빈의 노출층으로 불어넣는 환기방식에 의해 개발되어 왔다. 어떤 특별한 레이아웃에서는, 로터에 고정된 플랜지가, 블레이드 루트 하방에서, 환기되어야 할 회전 디스크를 덮는다. 그리고 가스는, 블레이드들 사이에 디스크 외면을 교차하는 구멍에 들어갈 때까지, 디스크와 플랜지 사이로 불어진다. 그리하여 디스크, 무엇보다도 외면의 가장 뜨거운 부분이 잘 환기되게 된다.

플랜지는, 로터에 고정된 허브와, 디스크에 인접한 자유외면과의 사이로 연장되어, 환기가스의 어떠한 누출도 방지하기 위하여 디스크와 나란한 상태로 유지되어야만 한다. 통상적인 개념에서는, 기계의 작동에 의하여 생성된 원심력은, 디스크로부터 플랜지가 분리되게 함으로써 플랜지를 변형시키게 되어 실(seal)을 파괴시키게 되며, 이것을 교정하기 위해서는 플랜지 가장자리를 맞물리게 하는, 디스크 상의 후크를 필요로 한다. 그러나, 후크는 디스크의 제조단가를 높이고 깨지기 쉬운 단점을 가지고 있다.

디스크 상의 후크에 의해 가장자리가 유지되는 플랜지 조립체는, 문서 US 4,466,239에서 기술된다. 그곳에서 플랜지는 실제적으로 평평하다.

원심력의 영향에 대한 분석은 플랜지의 형상을 상세히 기술하는 것으로 이끈다. 일반적으로 축 평면상에 플랜지 단면에 대한 주 굴곡 지역이 있으며, 그 위치가 원심력의 영향하에서, 플랜지의 모든 부분이 감수해야 할 지라도, 플랜지 조립체의 거동의 큰 원인이 된다. 이 지역은, 그 하방으로는 플랜지가 거의 변형될 수 없고, 그 상방으로는 유연성 혹은 회전축으로부터의 거리 때문에 훨씬 더 변형되는, 피봇과 비슷하다. 따라서 플랜지에 대한 통상적인 형상은, 로터가 고정되는 평평한 허브로부터 연장된 관 슬리브 형태의 아암과, 다음으로 이어진 거의 평평한 웨브를 포함한다. 아암은 거의 웨브처럼 얇게 만들어짐으로써 경량화 된다; 주 굴곡 지역은 그 때, 웨브 측으로 펼쳐짐으로써 변형되는, 아암 상에 있기 쉽다; 그 때 이것은 디스크로부터 물러나면서 기울게 된다.

특허 WO-99 32761이 다른 레이아웃을 제안하는 이유가 이 때문이다; 여기서 플랜지는, 반드시 슬리브를 제거시키고, 허브 다음에 매우 딱딱하고 불룩한 부분과, 디스크로부터 물러나면서 경사진, 점진적으로 얇은 웨브를 반드시 포함한다. 굴곡 지역은 디스크로부터 물러나면서 경사진다. 주 굴곡 지역은 그 때 웨브에 위치한다. 게다가, 플랜지는, 디스크 반대쪽에 있는 측면으로부터 돌출되며 주 굴곡지역의 상방의, 웨브의 외면 부근에 있는 플라이웨이트를 구비한다: 원심력은, 플라이웨이트를 포함하는 부분의 경사를 감소시킴으로써 플랜지를 펼치는 결과를 야기하여, 플랜지의 자유단이 디스크를 향하여 압박하게 한다. 그리하여 유지 후크는 필요 없게 된다. 그럼에도 불구하고, 플라이웨이트는 플랜지에 대하여 상당한 여분의 무게를 제공하게 된다.

본 발명은 로터 블레이드 디스크 플랜지와 터보 엔진에서의 그 레이아웃에 관한 것이다.

본 발명은 이제 아래에서 다음의 도면들을 참고하여 전체적으로 그의 특징과 장점을 포함하여 설명되어질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 플랜지 배치의 특별한 실시 예이고,

도 2는 플랜지의 변형 실시 예를 도시한 도면이다.

그리하여 본 발명에 따르면, 원심력의 작용 하에서 플랜지를 기울이는 유사한 효과를, 이러한 효과를 생성하는 특별한 부품 없이, 얻는 것이 목적이다. 플랜지를 따라 밀봉을 형성하기 위하여 터보 반응기에서 종종 발견되는 소위 래버린스 실의 리커를 대신 이용하는 것이 제안된다.

래버린스 실의 리커는, 리커의 지지부에 연결되는 부분 또는 슬리브의 부분과, 조인트에 의해 연결된 타 부분에 고정되는, 쉽게 마모되는(마모 가능한) 재질의 크라운을 파고들어 밀봉을 형성하며 자유단을 향하여 테이퍼진 커터 부분을 포함한다. 리커의 커터들이 외부를 향하여 반경방향 바깥으로 정렬되는 일반적인 구조와는 달리, 여기에서는 그것들이 디스크로부터 물러나면서 축방향으로 경사지게 된다. 이것은, 그것들을 중심으로부터 벗어나게 하여 플랜지의 가장자리에서, 원심력에 의해 생성되며 디스크를 향하는 틸팅 모멘트를 증가시킨다. 게다가, 리커들이 중심으로부터 벗어나는 것을 증가시키고 웨브 상으로 원심력의 효과를 분산시킴으로써 원심력의 전체 효과를 조정하기 위하여, 리커들의 커터 부분의, 축방향 및 반경방향으로의 비정렬 배치가 채용된다. 이러한 비정렬 배치는 또한 리커 제작을 수월하게 하는 것임이 아래에서 보여질 것이다.

요약하면, 그것의 가장 일반적인 형태의 발명은, 로터에 고정되는 허브와, 디스크에 인접한 외면을 가지며 디스크의 일 측을 덮는 웨브를 구비하는 로터 블레이드 디스크 플랜지에 관계하는 것으로서, 디스크 반대쪽에 있는 웨브의 일 측면 상에, 로터의 축방향 쪽으로 경사지고 플랜지로부터 테이퍼진 단부 쪽으로 멀어지는 커터 부분을 구비하는, 래버린스 실의 리커들을 포함하며, 상기 리커들의 커터 부분은 서로 축방향과 반경방향으로 비정렬 배치되며, 웨브와 리커들은, 축단면에서, 플래지의 주 굴곡 지역을 통과하는 반경선에 의해 디스크로부터 분리된 관성중심을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 플랜지의 웨브는, 로터로부터 원심력이 가해질 때 구부려질 수 있도록 충분히 가느다랗고 큰 반경방향 폭을 가지는 것으로 특징되는, 디스크를 덮고 있는 이 플랜지의 외면이다. 그리하여 그것은, 주 굴곡 지역과, 플랜지의 가장자리만큼 멀리 떨어져 있는, 주 굴곡 지역 상부에 위치하는 지역을 포함한다.

리커를 가지는 웨브의 부분은, 원심력의 영향으로 웨브를 곧게 하도록 촉진하고 디스크 상에서 플랜지의 외면이 유지되는 것을 강화하도록, 디스크로부터 디스크에 인접한 외면 쪽으로 물러나면서 로터의 축방향으로 경사질 수 있다.

본 발명에 따른, 이차적이지만 그럼에도 불구하고 유용한 레이아웃은, 환기를 효율적으로 가능하게 하는, 필요한 방향으로 웨브의 굴곡을 강화하거나 조정하게 하는 것을 가능하게 한다.

그림 1에서 로터는, 일반참조(1)로 주어지고, 연소실(6)으로부터 막 내려온 가스 순환 기류(5) 쪽으로 연장된 일련의 블레이드(4)를 구비하는 디스크(3)를 갖는 단면(2)을 포함한다. 가스 순환 기류(5)는 블레이드(4)와 디스크(3)를 고온으로 가열한다. 단면(2)은, 로터의 다른 단면에 볼트 결합되는 클램프들(7,8)에서 끝난다. 그러나 플랜지(10)의 내부 부분을 구성하는 허브(9)는, 단면(2)에 인접한 로터 단면의 클램프(7)와, 클램프(11) 사이에서, 볼트(12)의 고정으로 유지된다. 플랜지는, 허브(9) 다음에, 아암(13)으로 연장되고 나서, 연소실(6)을 향하는, 디스크(3)의 표면 대부분을 덮으며 플랜지의 효과적인 부분을 형성하는 웨브(14)로 연장된다; 웨브(14)의 외면은 구속되어 있지 않으며, 디스크(3)의 압력판(16) 상에 베어링 페이스(15)가 놓여 있는 형상이다. 두껍고 매우 단단한 엘보우 조인트(45)는, 접촉을 위하여 압력판(16)을 향하여 경사진 엔드(15) 근처를 제외하고는 거의 평평한 웨브 (14)와, 거의 관 형상의 아암(13)을 연결한다. 웨브(14)의 평평한 형상은, 필요한 변형을 제공하는 점에서 실제적으로 이로운 것으로 보인다; 그림 2에서 명확히 보이는 바와 같이, 디스크(3)로부터 물러나면서 기울어진 형상은 훨씬 더 좋은 결과를 제공할 수 있다.

고정자 부분(17)은 디스크(10)의 전방으로 연장되어 디스크(10)와 함께 챔버(18)의 경계를 정한다; 단순한 래버린스 실(19)은 로터(1) 측에서 챔버(18)의 경계를 정하고, 복잡한 래버린스 실(20)은 가스 기류 측에서 챔버(18)의 경계를 정한다. 단순한 래버린스 실(19)은, 허브(9) 상에 설치되며 커터에서 테이퍼진 원형의 리커(21)와, 리커(21)의 부근에서 고정자 부분(17)에 고정되며, 일반적으로 다른 마모 가능한 재질 또는 하니컴의 형상으로 형성되는 마모가능한 재질의 크라운(22)을 포함한다. 그리하여. 그 기술에서 알려진 것처럼, 기계의 작동 동안, 특별히 로터(1)에서 생성되는 열 팽창은, 리커(21)가 마모 가능한 재료의 크라운(22)으로 들어가게 하여 그곳에 그루브를 파게 한다; 단순한 레버린스 실(19)을 건너는 가스가 지나게 되는 꼬불꼬불한 경로와 조합되어 가스의 흐름을 현저히 감소시키는, 리커와, 마모 가능한 크라운(22)의 그루브의 베이스와의 작용이 최소한 유지된다.

복잡한 레버린스 실(20)은, 유사한 방식으로(여기에는 3개 있다) 디스크(3)로부터 방향 전환된 웨브(14)의 표면(24)에 설치되는 리커(23)와, 반경방향으로 서로 계속되는 마모 가능한 재료의 크라운들(25)을 포함한다. 리커(23)는 이 실시 예에서 각 크라운(25)과 연결된다. 반면에 하나의 크라운(22)은 다른 실(19)의 리커들에 공통된다. 그러나 밀봉작용의 강화는, 두 경우에 있어서 복수의 리커를 구성함으로써 얻어진다. 게다가 복잡한 실(20)의 리커(23)의 단부도 축방향으로 엇갈리게 배치되어 있다.

가스는, 단부만이 도시되어 있는 기계에 의해 불어진다; 이것은, 직경이 길이보다 훨씬 적으며, 챔버(18)로 곧바로 개구되어 있는 튜브(26)이다. 반응기의 다른 부분으로부터 나오며 화살표(27)에 의해 지시되는 경로를 지나 챔버(18)로 들어가면서 확장되는 가스는, 로터와 함께 회전하게 된다. 그리고 그것의 온도는 현저히 감소된다. 블레이드(4)의 부근에서 디스크(3)의 깊숙한 곳을 환기시키는 구멍(30)으로 들어가기 전에 디스크의 외면을 스치게 하는, 화살표(29)에 의해 지시되는 원심력 기류가 일어나기 전에, 통로(28)를 통해 플랜지(10)의 웨브(14)를 통과할 수 있다.

간단한 래버린스 실(19) 부근을 통과하고 플랜지(10)와 디스크(3)의 베이스 사이를 통과하는, 챔버(10)의 내부에서 화살표(32,33)로 지시되는 방향전환기류를 생성하기 위하여, 보조 구멍(31)이 만들어지는 것이 바람직하다. 그 때, 실(19)에 의해 챔버(18)로부터 분리되어 있는 서브 고정자 캐비티(34) 내에 존재하는 더 뜨거운 가스의 존재에도 불구하고 허브(9)는 그 자체로서 환기된다.

어떤 구조에서는, 이러한 서브 고정자 캐비티(34)에 존재하는 가스가 그럼에도 불구하고 상당히 차가울 수 있으며 그 때에는 보조구멍(31)은 필요하지 않을 것이다; 서브 고정자 캐비티(34)에 있는 가스가 디스크(3)와 플랜지(10)의 환기에 공헌하도록, 허브(9)를 교차하는 로터 단면(2)과, 플랜지(10)의 커넥팅 아암(13) 사이에 구비되는 공간으로 캐비티(34)가 직접 연결되게 하는 구멍(35)에 의해 보조구멍(31)이 대체되게 하여, 보조 구멍(31)을 폐지하는 것이 가능하다.

복잡한 래버린스 실(20)의 주 기능은, 블레이드(4)에 인접해 있으며, 뜨거운가스로 가득 찬 가스 기류(36) 하에 있는 개비티로부터 챔버(18)를 단열시키는 것이다. 그럼에도 불구하고, 그것은, 로터(1)가 회전할 때 생성되는 원심력의 영향하에서 플랜지(10)의 웨브(14)의 이로운 변형에도 이바지한다: 리커가, 실린더 형상의 슬리브에 의해 지지부에 연결되고 완전히 반경방향을 향하는 커터를 구비하는, 통상의 상황과 반대로, 리커(23)의 커터(37) 부분은, 로터의 축 XX방향으로 가파르게 경사되어 있고 거의 슬리브(38)의 연장부에 위치한다. 그것은 리커(23)의 무게중심을 웨브(14)로부터 물러난 지점으로 이동시킨다. 그 때 리커(23)에 가해지는 원심력은, 디스크(3)를 향하여 보다 강하게 웨브(14)를 밀어 압력 플레이트(16)와 베어링 페이스(15) 사이의 접촉을 강화하게 하는 효과를 가진다. 만약 웨브(14), 혹은 최소한 리커(23)를 갖는 부분이 축 XX방향으로 검사될 때 디스크(3)로부터 멀어지게 축방향으로 경사되어 있다면, 이러한 안쪽으로 굽히는 효과는 강화될 수 있다. 웨브(14)에 생성되는 원심력은, 디스크(3)에 더 근접해 있는 커넥팅 아암(13)과의 교차점을 피봇으로 하여 웨브를 꼿꼿이 세우는 경향이 있다.

여기서, 주 피봇팅 지역, 참조번호 46은, 매우 두꺼운 엘보(45)와 웨브 사이의 변이부에 있게 된다. 리커(23)의 각각은 원심력이 작용하는 경우에 바르게 펴지는 경향이 있어, 그것이 부착되어 있는 곳에서 웨브(14)에 틸팅 모멘트를 가한다. 이 모멘트의 정도와 웨브의 변형에 대한 효과는, 리커(23)의 무게와 그 반경, 웨브(14)의 국부적인 두께와 그 경사도에 의존한다. 반경방향으로의 리커(23)의 간격 배치는 전체적으로 웨브(14)의 굴곡을 조정하는 중요한 수단이 된다; 동일한 방법으로, 주 굴곡 지역(46)에 매우 근접하게 위치한, 펼쳐지는 표면 지역과 통로 28의 수는 웨브(14)의 유연성에 큰 영향을 미친다.

아암(13) , 그것의 길이, 그것의 강성과 웨브(14)와 연결되는 그것의 형상에 대한 유익한 설계도 베어링 페이스(15)의 접촉에 영향을 미칠 수 있다. 그것이 보조구멍(31)을 구비하고 있으며 또한 얇다면, 그것의 단면이 보조의 굴곡 지역(47)을 가지며, 아암(13) 이 웨브(14)보다 더 딱딱하고 더 작은 직경을 가지기 때문에 일반적으로 매우 민감하지 않아, 그것은 원심력의 효과에 의해 펴질 수 있다. 이 지역(47) 부근의 굴곡은 디스크(3)로부터 웨브(14)를 물러나게 하는 효과를 가지는 것을 주목해야 한다: 그 때 그것은 불리한 것이지만 합당하다면 허용될 수 있다.

리커(23)의 커터(37)들이 다른 반경선 상에서 위치할 뿐만 아니라 축 XX를 따라서 다른 곳에 설치되고 여기서 정렬되지 않는 것이 훨씬 더 유익하다. 왜냐하면 이러한 레이아웃은 플라즈마 토치 혹은 다른 수단으로 그것을 경화함으로써 더욱 쉽게 제조될 수 있기 때문이다. 그러한 비정렬은 그림 2에서 보다 명확하다; 게다가, 외부 그룹(37)은 여전히 하나의 리커(23)를 구비하고 중간 그룹(38) 과 내부 그룹(39) 각 각은 두개를 구비한다하더라도, 래버린스 실은 앞의 실시 예에서처럼 세 가지 그룹의 리커(23)을 포함한다; 37, 38, 그리고 39의 각각은 여전히 마모 가능한 재료의 크라운(25) 각각에 연결된다. 동일한 반경의 보조적인 리커들을 추가시키면 동일한 수의 마모 가능한 재료의 크라운에 대하여 밀봉이 강화된다.

기류 화살표 40과 41을 따라가는, 예를 들면 후자에, 플랜지(10) 예를 들면 통로(28)로부터 온 환기 가스가 아암(13) 의 내부를 통과하여 로터 캐비티(50)로 흡입되도록 클램프(7)와 허브(9) 사이의 접합부에 그루브(42)를 생성함으로써, 아암(13)과 로터 단면(2) 사이의 환기를 확실히 할 수 있다는 것을 보여준다.

마지막으로, 그림 2는 주 굴곡 지역(46)을 통하여 통과하는 반경선(48)을 도시한다: 이 지역(46)(웨브(14)에 거의 일치하는) 상방에 있는 플랜지(10) 부분의 관성중심(49)이, 이 반경선(48)에 대하여 디스크(3)의 다른 편에 명확히 위치하는 것이 분명히 보여질 수 있다. 그것은 필요한 방향으로 굴곡하기 위한 조건이다; 그리고 디스크(3)로부터 멀어질 때 웨브(14)의 경사도가 명백해진다.

Claims (8)

1. 디스크에 인접한 외면을 가지고 디스크(3)의 일면을 덮는 웨브(14)와, 로터(1)에 고정되는 허브(9)를 구비하는 로터 블레이드 디스크 플랜지에 있어서,

   디스크 반대쪽에 있는 웨브의 일 측면(24) 상에, 로터의 축 방향 쪽으로 경사지고 플랜지(10)로부터 테이퍼진 단부 쪽으로 멀어지는 커터 부분을 구비하는, 래버린스 실(20)의 복수개 리커들(23)을 포함하며, 상기 리커들의 커터 부분은 서로 축방향 및 반경방향으로 비정렬 배치되고, 웨브와 리커들은, 축단면에서, 플랜지의 주 굴곡 지역(46)을 통과하는 반경선(48)에 의해 디스크로부터 분리된 관성중심(49)을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드 디스크 플랜지.
2. 제 1항에 있어서,

   리커들을 가지는 웨브의 부분이, 디스크에 인접한 외면 쪽에서 디스크로부터 멀어지면서 로터의 축방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 플랜지.
3. 제1항 또는 제2항의 플랜지를 포함하는 플랜지 레이아웃에 있어서,

   래버린스 실의 리커(23)의 보조 부분(25)을 가지며, 디스크 반대쪽에 있는 웨브의 측면 전방에 위치하는 고정자 부분(17), 플랜지(10)와 고정자 부분(17) 사이에 구비되는 챔버(18) 안으로 유입되는 차가운 가스를 부는 수단(26), 디스크(3) 쪽으로 차가운 가스를 통과시키는 통로(28)가 형성된 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜지 레이아웃.
4. 제3항에 있어서,

   통로(28)는 플랜지의 주 굴곡 지역을 가로질러 형성되는 것을 특징으로 하는 플랜지 레이아웃.
5. 제4항에 있어서,

   부는 수단은 챔버 내의 주입 튜브에서 끝나는 것을 특징으로 하는 플랜지 레이아웃.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   허브(9)와 웨브(14) 사이에 구비되는, 플랜지의 관 부분(13)을 교차하는 통로(31)를 포함하며, 다른 래버린스 실(19)이 고정자 부분(17)과 플랜지의 허브(9) 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 플랜지 레이아웃.
7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   디스크의 고정을 위한 클램프(7)와, 플랜지의 허브(9)와의 접촉 이음을 통하여 형성되는, 가스 후송을 위한 그루브들(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜지 레이아웃.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   래버린스 실은, 리커 이외에 마모 가능한 재료(22,25)의 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜지 레이아웃.