KR20030077023A - 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁을 구비한 터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

세그먼트가 형성된 스퀼러 팁(35)을 구비한 터빈 블레이드(9)가 제공된다. 스퀼러 팁(35)의 세그먼트 또는 슬롯(46, 48, 50)은 최대 응력의 영역에 배치되고, 스퀼러 팁(35)의 균열 및 에어호일(22)로 균열의 진전을 감소시킨다. 슬롯(46, 48, 50)은 바람직하게 베이스 합금보다 연성인 내식성 재료로 충전된다.

Description

세그먼트가 형성된 스퀼러 팁을 구비한 터빈 블레이드{TURBINE BLADE WITH PRE-SEGMENTED SQUEALER TIP}

연소 터빈 발전 장치는 일반적으로 컴프레서 조립체, 연소기 조립체 및 터빈 조립체의 세개의 메인 조립체를 가지고 있다. 천이 섹션은 연소기 조립체와 터빈 조립체 사이에 배치되어 있다. 작동시에, 주위의 공기가 엔진내로 흡입되고 컴프레서 조립체에 의해서 압축된다. 압축된 공기는 연료와 혼합되는 연소기 조립체내로 보내지고, 압축된 공기-연료 혼합물은 점화되어 가열된 작동 가스를 생성한다. 가열된 작동 가스는 천이 섹션을 통과하여 터빈 조립체내로 진행한다.

엔진의 터빈 스테이지 및 컴프레서는 장착된 복수의 터빈 블레이드 또는 공동의 회전축을 포함하고 있다. 각각의 블레이드는 로터 디스크에 고정되어 있고 블레이드 림에 아주 근접하여 존재하는 팁에 도달하는 에어호일과 더불어 반경방향으로 밖으로 뻗어 있다. 컴프레서 및 터빈 스테이지는, 공기를 압축하고 고속의 가스로부터 기계적인 힘을 얻기 위하여 회전축에 장착된 터빈 블레이드와 상호작용하며 비구동식 터빈 블레이드를 포함하고 있는 하나 이상의 고정 베인 또는 스테이터를 각각 추가적으로 포함하고 있다. 따라서 터빈 블레이드와 베인은 기계적, 열적 및 회전의 응력 요인을 포함할 수 있는 높은 응력 상황에 노출된다. 많은 경우에, 천이 상태 동안의 높은 온도 기울기(gradients) 때문에 터빈 블레이드 팁에서의 열적 응력은 가장 중요하다.

더 큰 엔진 효율을 제공하기 위해서 보다 높은 온도가 요구되는데, 작동 온도를 제한하는 인자에는 블레이드 또는 다른 구성요소의 재료 및 이들 구성요소에 냉각 수단을 제공할 수 있는 능력이 포함된다. 따라서 블레이드는 냉각 매질이 통과될 수 있는 중공 채널을 포함하도록 주조된다. 이들 중공 채널은 블레이드의 코어를 형성한다. 중공 캐비티는 연소 엔진의 작동시에 냉각 공기를 수용하므로써 블레이드에 냉각 효과를 제공하고 작동 온도를 제어한다.

블레이드의 코어 섹션은 팁 근처에 주위를 둘러싸는 주변 랜드를 가진 단부 캡을 포함하고 있는데, 외부면은 에어호일의 연장부를 형성하고 내부면은 그루브를 형성한다. 일반적으로 에어호일의 랜드 부분은 스퀼러 팁이라 한다. 스퀼러 팁은 보편적으로 제 1 및 제 2 스테이지 터빈 블레이드에 존재하며 블레이드의 팁에서 고온 가스의 손실을 감소시키고 효율을 증가시키기 위하여 사용된다. 스퀼러 팁은 블레이드와 블레이드를 둘러싸는 링 세그먼트 사이의 거리를 최소화하여 고온 가스의 손실을 감소시키도록 설계된다.

그러나, 에어호일의 내부 캐비티내의 냉각 공기가 팁에 도달하지 못하기 때문에 스퀼러 팁은 냉각되기 어렵다. 일반적으로 설계된 터빈 블레이드를 분석한결과 스퀼러 팁은 사용하는 동안 균열이 발생되는 경향이 있다. 이들 균열은 반경 방향에 존재하며 서서히 진전된다. 약간의 반경방향의 팁 균열은 용인될 수 있지만, 반경방향의 팁 균열 한계에 도달되면 블레이드는 정기적으로 교체되어야 한다. 만약 균열이 내부 냉각 채널에 도달하면, 냉각 공기는 그곳을 통하여 누출되어 블레이드의 냉각에 불리하게 작용한다.

고성능 고온 섹션 터빈 구성요소의 높은 비용 때문에, 교체하기보다는 이러한 구성요소를 수리하여 블레이드 팁과 각각의 블레이드의 수명을 가능한 연장하는 것이 바람직하다. 스퀼러 팁에서 균열의 예방은 궁극적으로 에어호일내로 이들 균열의 진전을 방지할 수 있다. 이것은 매우 바람직한데, 왜냐하면 코어 캐비티내에 도달한 균열을 가진 블레이드의 수리는 많은 비용이 소요되기 때문이다. 이들 균열을 방지하기 위한 다양한 방법이 존재한다.

미국특허 제5,902,093호에는 냉각 공기를 보내서 작동시에 블레이드를 냉각하기 위해 에어호일 안쪽으로 뻗은 냉각 회로를 포함하고 있는 에어호일이 개시되어 있다. 이 발명의 냉각 방법은 반경방향 균열의 진전을 방지하도록 의도된 것이다.

미국특허 제5,972,424호에는 열적 배리어 코팅 시스템으로 코팅된 가스 터빈 엔진 구성요소를 수리하기 위한 방법이 개시되어 있다. 코팅은 세라믹 최상부코팅에서 형성된 균열이 블레이드 내로 진전되는 것을 방지하도록 의도된 것이다.

미국특허 제5,733,102호 및 5,660,523호는 블레이드의 내부로부터 단부 캡을 통하여 냉각 공기의 통과를 허용하는 냉각 구멍을 가진 단부 캡을 구비한 터빈 블레이드 스퀼러 팁에 관한 것이다. 미국특허 제5,733,102호의 발명은 연소 가스에 대항하는 단열성을 제공하기 위하여 스퀼러 팁의 바깥쪽에 열적 배리어 코팅을 선택적으로 제공한다.

스퀼러 팁의 최대 응력의 영역에서 반경방향의 균열의 예방을 위한 적합한 방법을 제공하고, 그리고 에어호일의 몸체내로 이러한 균열의 진전를 방지하는 것이 요구된다.

본 발명은 스퀼러 팁을 갖고 있는 터빈 블레이드에 관한 것이며, 보다 상세하게는 최대 응력의 위치에 세그먼트 또는 슬롯을 구비한 터빈 블레이드 스퀼러 팁에 관한 것이다.

도 1 은 연소 가스 터빈 엔진의 개략적인 도면이다.

도 2 는 블레이드의 단부 캡에 슬롯을 구비한 스퀼러 팁을 갖고 있는 터빈 블레이드의 사시도이다.

도 3 은 본 발명의 실시예에서 슬롯의 위치를 나타내는 터빈 블레이드의 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁의 평면도이다.

도 4 는 상이한 위치의 슬롯을 갖고 있는 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁의 추가적인 실시예의 평면도이다.

도 5 는 스퀼러 팁의 단부 벽의 슬롯을 나타내는 부분측면도이다.

본 발명은 반경방향 팁 균열에 민감한 위치에서 블레이드 스퀼러 팁에 응력 완화를 제공하므로써 상술한 문제를 해결한다. 응력 완화는 작동중에 높은 열적 응력을 받게 될 것으로 결정된 영역에, 제조하는 동안에 블레이드에 가공되는 세그먼트 또는 슬롯에 의해서 제공된다. 이와 같이 세그먼트 또는 슬롯을 갖고 있는 스퀼러 팁 블레이드는, 세그먼트 또는 슬롯을 갖고 있지 않은 유사한 블레이드보다 더 긴 시간동안 사용될 수 있다. 게다가, 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁(pre-segmented squealer tip) 블레이드는 수리를 받게 되더라도, 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁을 갖고 있지 않은 블레이드보다 수리 범위가 작아진다. 본 발명은 비용 감소 뿐만 아니라 가스 터빈 운전 정지의 시간 및 비용의 감소와 높은 생산성을 나타내며, 블레이드 수리 이후에 보다 많은 블레이드를 다시 사용할 수 있다. 본 발명은 또한 사용시에 에어호일(airfoil)내에 용인할 수 없은 균열 진전의 위험을 감소시킨다.

본 발명의 목적은 균열의 생성 및 진전을 억제할 수 있는 터빈 블레이드에세크먼트가 형성된 스퀼러 팁을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 최대 응력의 영역에 배치된 슬롯을 갖고 있는 터빈 블레이드의 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 손상된 터빈 블레이드의 수리 비용을 감소시키는 터빈 블레이드의 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은 상세한 설명, 도면 및 청구범위로부터 명확해질 것이다.

본 발명은 첨부된 도면과 바람직한 실시예의 설명을 통하여 이해될 것이다.

본 발명은 확장된 축에 형성된 로터 디스크에 고정되도록 설계된 루트(root)로부터 팁까지 반경방향으로 뻗은 에어호일을 갖는 연소 터빈용 블레이드를 제공한다. 팁은 그 단부에 가공된 하나 이상의 슬롯을 가지고 있고, 이들 슬롯은 팁의 최대 응력 지점에 위치된다. 또한 본 발명은 팁에서 커다란 응력 요인을 경험하는 블레이드를 편입한 다른 종류의 터빈에 적용할 수 있다.

당해 기술분야에 공지되어 있고 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연소 터빈은 컴프레서 조립체(2), 복수의 연소기 조립체(3), 각각의 연소기 조립체를 위한 천이 섹션(4) 및 터빈 조립체(5)를 포함하고 있다. 유동 경로(10)는 컴프레서(2), 연소기 조립체(3), 천이 섹션(4) 및 터빈 조립체(5)를 통하여 놓여 있다. 터빈 조립체(5)는 중앙 축(6)에 의해서 컴프레서 조립체(2)에 기계적으로 연결된다. 일반적으로, 외부 케이싱(7)이 복수의 연소기 조립체(3) 및 천이 섹션(4)을 둘러싸고 있다. 외부 케이싱(7)은 압축 공기 플리넘(8)을 생성한다. 연소기 조립체(3)와 천이 섹션(4)은 중앙 축(6)에 대하여 둘레방향으로 압축 공기 플리넘(8)내에 배치된다.

작동시에, 컴프레서 조립체(2)는 주위 공기를 흡입하여 압축한다. 압축 공기는 유동 경로(10)를 통하여 케이싱(7)에 의해 형성된 압축 공기 플리넘(8)으로 이동한다. 압축 공기 플리넘(8)내의 압축 공기는, 압축 공기가 연료와 혼합되고 점화되어 작동 가스를 생성하는 연소기 조립체(3)로 들어간다. 작동 가스는 연소기 조립체(3)로부터 천이 섹션(4)을 통과하여 터빈 조립체(5)로 진행한다. 터빈 조립체(5)에서 작동 가스는 축(6)과 고정 베인(11)에 부착되는 일련의 회전가능한 블레이드(9)를 통하여 팽창된다. 작동 가스가 터빈 조립체(5)를 통과할 때, 블레이드(9)와 축(6)은 회전하여 기계적인 힘을 생성한다. 터빈 조립체(5)의 축은 전기를 만드는 발전기에 연결된다.

도 2는 참조번호 9로 표시된 터빈 엔진 중공 로터 블레이드를 도시한다. 블레이드(9)는 에어호일(22) 및 엔진(도시생략)의 로터(도시생략)에 에어호일(22)을 장착하는 베이스(15)를 포함하고 있다. 베이스(15)는 에어호일(22)을 견고하게 장착하는 플랫폼(25) 및 로터에 블레이드(22)를 부착하기 위한 도브 테일 루트(20)를 갖고 있다.

외부 단부(30)에 블레이드(9)의 에어호일(22)은 스퀼러 팁(35)을 갖고 있다. 스퀼러 팁(35)은 블레이드(9)의 중공부의 코어의 외부 단부(30)를 폐쇄하는 단부 캡(40), 캐비티(41)를 형성하도록 단부 캡(40)으로부터 돌출하고 외주면(22A)을 따라 뻗은 단부벽(45)을 포함하고 있다. 스퀼러 팁(35)의 단부 캡(40)에는 최대 응력의 영역에 위치된 슬롯(46, 48, 50)이 구비되어 있다.

블레이드를 제작하기 이전의 블레이드의 초기 설계시에 PATRAN, ANSYS 또는 유사한 다른 상용 프로그램등의 유한 3차원 응력 분석 컴퓨터 프로그램을 이용한 세부적인 응력 분석은 작동시에 높은 열적 응력이 발생될 수 있는 영역을 정확하게 나타낸다. 블레이드 치수, 재료 및 블레이드의 다른 특성을 지정한 블레이드의 컴퓨터 모델이 만들어진다. 블레이드의 여러 섹션에서 경험하게 되는 온도 뿐만 아니라, 가스의 굽힘 부하 및 원심력 부하 등의 경계 조건이 또한 모델에 입력된다. 블레이드의 팁 영역에 특히 유의하여 모델의 응력 분석이 실행된다. 이러한 분석은 출력으로서, 팁 영역에서의 높은 응력의 영역을 나타내는 윤곽 플롯을 제공한다. 높은 응력은 블레이드의 베이스 합금 항복 응력의 80% 또는 그 이상의 열적응력을 갖는 영역 또는 위치로서 정의된다.

초기 분석후에, 컴퓨터 모델은 높은 응력으로 확인된 영역의 팁에 몇개의 슬롯을 포함하도록 변경될 수 있다. 이 슬롯에 기인한 응력의 감소를 측정하기 위하여 분석은 재실행된다. 만약 응력 감소의 정도가 원하는 것보다 적으면, 추가적인 슬롯이 모델에 작성될 수 있고 다시 분석을 실행한다. 따라서 최적의 슬롯 갯수 및 간격을 결정하기 위하여 분석하는 동안 반복적인 프로세스가 이용된다. 게다가, 슬롯은 블레이드의 사용기간 동안에 균열이 발생되는 팁의 영역에 위치될 수 있다.

스퀼러 팁의 슬롯은 분석에 의해 측정된 높은 응력의 영역에 EDM, 워터 제트, 기계적인 그라인딩 또는 당업자에게 공지된 다른 임의의 방법을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의해서 블레이드의 제작시에 가공될 수 있다. 슬롯의 간격 및 수는 블레이드의 타입 및 높은 열적 응력 영역의 위치, 그리고 분석에 의해 측정될 때 예상되는 응력의 감소에 의존하게 된다. 슬롯은 스퀼러 팁의 깊이에 상응하는 최대 깊이로 가공되지만 단부 캡(40)의 외부면에 상응하는 높이를 넘어서지는 않는다. 그러므로 깊이는 특정 블레이드를 위한 스퀼러 팁 높이에 의존한다. 슬롯의 폭은 대략 0.010 내지 0.025 inch, 보다 바람직하게는 대략 0.020 inch의 범위이다. 바람직한 폭은 제조 기술 및 능력 뿐만 아니라 응력 분석의 결과에 의존한다. 높은 응력의 영역을 보다 많이 가진 블레이드는, 높은 응력의 영역을 보다 적게 가진 블레이드보다 더 많은 슬롯의 배치를 필요로 한다. 슬롯의 간격은 반드시 동일해야 하는 것은 아니며, 블레이드 및 스퀼러 팁 형상, 제조 능력 및 분석 결과에의해 결정된다.

바람직하게, 노치를 채우고 작동 가스 바이패스를 최소화하기 위하여 MCrAlY 또는 다른 재료와 같은 내산화성 및 내식성 충전재가 사용될 수 있다. MCrAlY는 베이스 합금보다 연성이고 베이스 합금보다 더 높은 열적 응력을 견딜 수 있다. 이러한 충전재는 또한 스퀼러 팁에 유연성을 제공하고, 균열의 생성 및 진전에 저항하는 팁의 능력을 증가시킨다. 충전재는 또한 블레이드 팁의 가동 유체 가스의 손실에 대한 배리어를 제공한다. MCrAlY 코팅은 플라즈마 스프레이, 저압 플라즈마 스프레이, HVOF 및 적절한 다른 방법 등의 일반적으로 인정된 임의의 산업표준 방법을 사용하여 피복될 수 있다.

슬롯은 높은 응력이 발생될 수 있는 블레이드의 스퀼러 팁의 임의의 위치에 가공될 수 있다. 예를 들면, 어떤 블레이드는 도 3과 같이 블레이드의 고압측에서 높은 응력을 경험할 수 있다. 도 3은 스퀼러 팁(35)의 단부벽(45)에 슬롯(46, 48, 50)을 갖고 있는 본 발명을 구현한 가상의 블레이드(9)의 평면도를 도시한다.

다른 블레이드는 도 4에 도시된 슬롯의 형상을 가질 수 있는데, 최대 응력의 지점은 블레이드의 저압측에서 나타난다. 도 4는 본 발명의 세그먼트가 형성된 스퀼러 팁의 추가적인 실시예를 예시하는 것으로, 스퀼러 팁(35)의 단부벽(45)에 슬롯(52-72)을 갖고 있는 가상의 블레이드(9)의 평면도이다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 슬롯의 배치에 대한 변경이 가능하며, 이것은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주된다.

도 5는 MCrAlY와 같은 연성의 내식성 재료로 충전된 슬롯의 측면도를 도시한다. MCrAlY 또는 유사한 재료를 사용하여 슬롯을 충전한 후에, 블레이드는 열적 배리어 코팅으로 코팅될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예가 상세하게 설명되었지만, 본 발명의 관점에서 다양한 변경 및 대안이 개발될 수 있다는 것은 당업자에 의해서 이해될 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 예시적인 것이며 첨부된 청구범위 및 모든 등가물에 주어지는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims (17)

1. 로터 축(6)에 고정되도록 설계된 루트(20)로부터 팁(35)까지 반경방향으로 뻗은 에어호일(22)을 포함하고 있고, 팁(35)은 그 단부에 가공된 하나 이상의 슬롯(48)을 갖고 있고, 상기 슬롯(48)은 팁의 최대 응력의 지점에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯은 베이스 합금보다 연성인 높은 내산화성 및 내식성 재료로 충전되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
3. 제 2 항에 있어서, 내산화성 및 내식성 재료는 MCrAlY인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 내산화성 및 내식성 재료와 상기 베이스 합금 사이에 접합이 생성되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 접합은 상기 베이스 합금 위의 상기 내산화성 및 내식성 재료를 스프레이 코팅하므로써 생성되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯은 폭이 약 0.010 내지 0.025 inch 인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯은 폭이 약 0.020 inch 인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
8. 제 1 항에 있어서, 터빈 블레이드는 연소 가스 터빈 블레이드인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
9. 블레이드(9)를 포함하고 있는 터빈 엔진으로서, 상기 블레이드(9)는 로터 축(6)에 고정되도록 설계된 루트(20)로부터 팁(35)까지 반경방향으로 뻗은 에어호일(22)을 포함하고 있고, 팁(35)은 그 단부에 가공된 하나 이상의 슬롯(48)을 갖고 있고, 상기 슬롯(48)은 팁의 최대 응력의 지점에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 슬롯은 베이스 합금보다 연성인 높은 내산화성 및 내식성 재료로 충전되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
11. 제 10 항에 있어서, 내산화성 및 내식성 재료는 MCrAlY인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 내산화성 및 내식성 재료와 상기 베이스 합금 사이에 접합이 생성되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 접합은 상기 베이스 합금 위의 상기 내산화성 및 내식성 재료를 스프레이 코팅하므로써 생성되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
14. 제 9 항에 있어서, 상기 슬롯은 폭이 약 0.010 내지 0.025 inch 인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
15. 제 9 항에 있어서, 상기 슬롯은 폭이 약 0.020 inch 인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
16. 제 9 항에 있어서, 터빈 엔진은 연소 가스 터빈 엔진인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
17. 제 9 항의 터빈 엔진을 편입시킨 것을 특징으로 하는 발전 장치.