KR20040095671A - 터빈 버킷 및 터빈 - Google Patents

Abstract

제 2 단 버킷(22)은 표 Ⅰ에 나타내진 X, Y, Z의 직각 좌표값에 따른 에어포일 프로파일(23)을 가지며, X, Y 및 Z 값은 인치 단위로 표시되었다. Z는 엔진의 중심선을 관통하는 평면에서부터 수직하게 측정한 인치 단위의 거리이다. X 및 Y는 매끈한 연속적인 호로 연결되었을 때 각각의 거리(Z)에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 거리이다. 거리(Z)에서 규정된 프로파일 섹션들은 서로 매끈하게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성한다. X 및 Y 거리, 그리고 선택적으로는 Z 거리는 동일 상수 또는 수의 함수로서 축척될 수 있어, 버킷에 대해 에어포일 섹션을 확대 또는 축소할 수 있다. X, Y 및 Z 거리에 의해 주어진 공칭 에어포일은 ±0.016 인치의 포락선내에 놓인다.

Description

터빈 버킷 및 터빈{SECOND STAGE TURBINE BUCKET AIRFOIL}

본 발명은 가스 터빈 단용 터빈 버킷, 특히 제 2 단 터빈 버킷 에어포일 프로파일에 관한 것이다.

터빈 버킷, 특히 그들의 에어포일의 설계 및 구조에 있어서 최적화된 공기역학적 효율, 그리고 공기역학적 및 기계적인 버킷 하중을 포함한 많은 고려 사항이 있다. 또한, 버킷 에어포일의 설계는 팁 슈라우드를 갖는 버킷 에어포일과 관련하여 감재적인 부정합 또는 결합 문제를 고려해야만 한다. 알 수 있는 바와 같이, 터빈에 있어서 특정 버킷에는 버킷 팁 슈라우드가 제공되며, 이 버킷 팁 슈라우드는 전연 및 후연을 따라서 원주방향으로 서로 결합한다. 일반적으로, 슈라우드는 시일을 장착하며, 이 시일은 고정 슈라우드와 협력하여 버킷 에어포일의 양 측면상의 고압 영역과 저압 영역 사이에서 바이패스하는 고온 가스를 시일한다. 또한 슈라우드가 길고 가느다란 버킷에 제공되고 이 슈라우드를 서로 결합시킴으로써 버킷 에어포일에 강성을 부여한다. 그러나, 공냉식 버킷에 있어서, 차등 열 성장(differential thermal growth) 및 비틀림은 때때로 슈라우드간의 열악한 결합에 영향을 미친다. 즉, 슈라우드의 일 에지는 인접한 슈라우드의 대향 에지의 반경방향 내측에 있을 수 있다. 인접한 슈라우드간에 이상적인 결합이 이루어지지 않을 경우, 불리한 하중은 접촉 지점에 보다 큰 응력을 야기한다. 접촉 불량 또는 최소 접촉이 발생한 경우, 슈라우드를 사용하여 높은 싸이클의 피로를 회피하기 위해 진동을 감쇠시키는 것의 장점은 최소화되거나 잃게 된다. 최적의 팁 슈라우드 결합보다 작은 결합은 팁 슈라우드 크리프 수명(creep life)에 악영향을 미치고 부품 수명을 감소시킨다. 에어포일을 구비한 단일 버킷의 파손은 전체 터빈의 중단을 야기함을 알 수 있다. 이러한 것은 시간을 소비하며 터빈 사용자에 대한 운전 정지 비용을 포함해 고가의 수리 비용이 든다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 특유한 터빈 버킷 에어포일 프로파일, 바람직하게는 가스 터빈의 제 2 단의 공냉식 팁 슈라우드 에어포일이 제공된다. 버킷 에어포일 프로파일은 실질적으로 슈라우드간의 양호한 결합을 야기하여 매우 향상된 부품 수명 및 감소된 수리 비용을 가능케 한다. 또한, 에어포일은 국부적인 크리프를 감소시키고 결과적인 에어포일에 있어서 향상된 HCF 마진을 가능하게 한다. 버킷 에어포일 프로파일은 특정한 지점들의 궤적으로 규정되어 필요한 효율, 하중 및 팁 슈라우드 결합 요구치를 만족시킨다. 이러한 특정한 지점들의 궤적은 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 에어포일 프로파일을 규정하며 하기의 표 Ⅰ의 X, Y 및 Z 직각 좌표로 표시된다. 표 Ⅰ에 나타내진 좌표값에 대한 점들은 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 내에서 버킷 에어포일의 여러 섹션의 저온, 즉 실온 프로파일에 대한 것이다. X, Y 및 Z 좌표는 길이 차원, 예를 들면 인치 단위로 주어졌다. X 및 Y 좌표값은 각각의 Z 위치에서 서로 매끈하게 연결되어 매끈한 연속적인 아치형 에어포일 프로파일 섹션을 형성한다. Z 좌표는 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 거리이다. 각각의 Z 거리에서 각기 규정된 에어포일 프로파일 섹션은 인접한 에어포일 프로파일 섹션과 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성한다.

각각의 버킷 에어포일이 사용중 가열되는 경우, 프로파일은 응력 및 온도에 의해 변형됨을 알 수 있다. 따라서, 저온 또는 상온 프로파일은 제조를 위해 X, Y 및 Z 좌표가 주어진다. 제조된 버킷 에어포일 프로파일이 하기의 표에 의해 주어진 공칭 에어포일 프로파일과 상이할 수 있기 때문에, 공칭 프로파일을 따라서 표면 위치에 수직한 방향으로 공칭 프로파일로부터 ±0.016 인치의 거리는 피복 공정을 포함하며, 이러한 버킷 에어포일에 대한 프로파일 포락선을 규정한다. 이러한 설계는 기계적인 및 공기역학적인 기능을 손상시킴이 없이 진동에 강하다.

이 에어포일은 유사한 터빈 디자인에 도입되기 위해 기하학적으로 확대 또는 축소될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 인치 단위로 하기에 주어진 공칭 에어포일 프로파일의 X 및 Y 좌표는 동일 상수 또는 수의 함수이다. 즉, 인치 단위인 X 및Y, 그리고 선택적으로 Z 좌표값은 동일 상수 또는 수가 곱해지거나 나누어져, 에어포일 섹션 형상을 유지한채 확대된 또는 축소된 버킷 에어포일 프로파일을 제공한다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일을 구비하는 터빈 버킷이 제공되며, 이 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성한다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일을 구비하는 터빈 버킷이 제공되며, 이 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 피복되지 않은 공칭 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하고, X 및 Y 거리는 동일 상수의 함수로서 축척가능하여 확대된 또는 축소된 버킷 에어포일을 제공한다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 다수의 버킷을 갖는 터빈휠을 구비하는 터빈이 제공되며, 각각의 버킷은 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일을 구비하고, 이 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈축의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성한다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 다수의 버킷을 갖는 터빈 휠을 구비하는 터빈이 제공되며, 각각의 버킷은 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일을 구비하고, 이 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하며, X 및 Y 거리는 동일 상수의 함수로써 축척되어 버킷 에어포일을 확대 또는 축소시킬 수 있다.

도 1은 버킷 및 버킷 에어포일을 이용하는 제 2 단 터빈 휠을 구비하는 터빈의 일반적인 개략도,

도 2는 반경방향 내측에서 보았을 때 버킷 에어포일에 형성된 슈라우드의 단부도,

도 3은 버킷의 바람직한 실시예의 측면도,

도 4a 내지 도 4k는 도 3에 다양하게 표시된 선을 따라서 취한 대표적인 단면도,

도 5는 도 3에 도시된 것과 유사하지만 그의 배면측을 취한 버킷의 측면도,

도 6은 터빈 휠에서 나타날 경우 버킷을 전연에서 보았을 때의 축방향 도면,

도 7은 버킷의 사시도,

도 8은 오정렬 상태인 인접한 슈라우드 사이의 결합을 나타내는 사시도,

도 9는 오결합된 슈라우드, 즉 슁글 슈라우드(shingled shrouds)의 개략적인 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 터빈 12 : 로터

14 : 제 1 단 로터 휠 16 : 제 2 단 로터 휠

18 : 제 3 단 로터 휠 20, 22, 24 : 터빈 버킷

23 : 에어포일 프로파일 26, 28, 30 : 고정자 베인

32 : 플랫폼 34 : 섕크

36 : 더브테일 38 : 슈라우드

40 : 시일 42 : 커터 치형부

도 1을 참조하면, 터빈(10)의 일부가 도시되어 있으며, 본원에 규정된 바와 같은 에어포일 프로파일(23)을 갖는 제 2 단 터빈 버킷(22)이 사용될 수 있다. 터빈(10)은 로터의 여러 단의 각각의 고정자 베인(26, 28, 30)과 관련해 버킷(20, 22, 24)을 갖는 제 1, 제 2 및 제 3 단 로터 휠(14, 16, 18)을 구비하는 로터(12)를 포함한다. 제 3 단 터빈이 도시되어 있음을 알 수 있다.

제 2 단은 로터 휠(16)을 포함하고, 버킷(22)은 상류측 고정자 베인(28)과 축방향 대향식으로 로터 휠(16)상에 장착된다. 다수의 버킷(22)은 제 2 단 휠(16)을 중심으로 원주방향으로 서로 이격되고, 본 실시예에 있어서 제 2 단 휠(16)에 장착된 92개의 버킷이 존재한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제 2 단의 버킷(22)이 도시되어 있다. 각각의 버킷(22)은 플랫폼(32)상에 장착된 버킷 에어포일(30)을 구비하고, 이 버킷은 섕크(34)와 더브테일(36)을 더 구비한다. 슈라우드(38)는 에어포일(30)의 팁에 인접하고, 시일(40)과 커터 치형부(cutter tooth)(42)를 장착한다. 슈라우드(38)는 터빈의 고정형 케이싱 부품을 형성하는 고정된 슈라우드에 대해 반경방향 대향측에 놓인다. 시일(40)은 터빈의 고온 가스 경로에 놓인 에어포일의 양 측면상의 고압 영역과 저압 영역 사이에 시일을 제공한다. 각 슈라우드상의 커터 치형부(42)는 고정된 슈라우드에 보다 넓은 홈을 형성하여 약간의 누출 유동이 시일(40)을 지나도록 한다.

도 2, 도 8 및 도 9를 참조하면, 슈라우드(38)는 인접한 슈라우드의 후연 및 전연과 각기 결합하는 원주방향의 전연 및 후연을 갖는다. 슈라우드는 서로 기계적으로 연결되지 않지만, 결합을 유지하도록 형성된다. 인접한 슈라우드의 전연과 후연이 부정합 결합될 수 있으며, 다른 것들중 이러한 무정합은 부품 수명에 악영향을 미친다. 예를 들면, 슈라우드는 서로에 대해 슁글(shingle)인 경향을 가질 수 있다. 즉, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 일 슈라우드의 후연은 인접한 슈라우드의 전연의 위에 놓이거나 아래에 놓일 수 있으며, 않좋은 결과를 갖는다. 버킷 에어포일은 슈라우드 결합에 있어서 특정한 효과를 가지며, 본 발명의 에어포일 프로파일은 국부적인 크리프를 감소시키고 에어포일에 있어서 높은 사이클 피로 마진을 증가시키며, 결과적으로 부품 수명을 향상시킨다.

표 Ⅰ에 주어진 X, Y 및 Z값의 직각 좌표계는 에어포일(30)의 프로파일을 규정한다. 다른 단위의 치수가 사용될 수 있지만, X, Y 및 Z 좌표용 좌표값은 표 Ⅰ에 인치 단위로 표시되어 있다. 직각 좌표계는 수직 관계인 X, Y 및 Z 축을 갖는다. Z 축은 터빈 로터의 회전축을 관통하는 평면에 수직하게 연장하고, X 및 Y 값을 갖는 평면에 수직하게 연장한다. 표 Ⅰ에서 Z에 대한 좌표값은 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리를 나타낸다. X 축은 터빈 로터 중심선과 평행한 방향으로 연장하고, Y 축은 접선 방향으로 연장한다.

X, Y 평면에 수직한 Z 방향의 소정 위치에서의 X 및 Y 좌표값을 규정함으로써, 에어포일(40)의 프로파일은 확정될 수 있다. X 및 Y 값을 매끈한 연속적인 아치형으로 연결시킴으로써, 각각의 Z 거리에서의 각각의 프로파일 섹션이 결정된다. Z 거리 사이의 여러 표면 위치의 표면 프로파일은 인접한 프로파일 섹션을 서로 매끈하게 연결시켜 규정함으로써 에어포일 형상을 형성한다. 이러한 값은 주위의 비작동 또는 고온이 아닌 조건에서의 에어포일 프로파일을 나타내고, 피복되지 않은 에어포일을 나타낸다.

표 Ⅰ의 값은 에어포일의 프로파일을 규정하기 위해 3차원 형상을 규정 및 나타내고 있다. 에어포일의 실제 프로파일에 있어서 고려되어야만 하는 제조 공차 뿐만 아니라 피복이 존재한다. 따라서, 표 Ⅰ에 주어진 프로파일에 대한 값은 공칭 에어포일에 대한 것이다. 따라서, 대체로 ±제조 공차, 즉 피복 두께를 포함한 ±값이 하기의 표 Ⅰ에 주어진 X 및 Y값에 부가될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 에어포일 프로파일을 따라서 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.016 인치의 거리는 특정한 버킷 에어포일 설계 및 터빈에 대해 에어포일 프로파일 포락선을 규정한다.

하기의 표 Ⅰ에 주어진 좌표값은 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위의 바람직한 공칭 프로파일 포락선을 제공한다.

[표 1]

상기 표에 나타내진 에어포일은 다른 유사한 터빈 설계에 사용할 수 있도록기하학적으로 확대 또는 축소될 수 있음을 알 수 있다. 결과적으로, 표 Ⅰ에 나타내진 좌표값은 축척될 수 있어 에어포일 섹션 형상이 변하지 않은채로 유지된다. 표 Ⅰ의 좌표의 축척된 예는 동일 상수 또는 수로 곱하거나 나누어진 X, Y 및 선택적으로 Z 좌표값으로 나타나질 수 있다.

본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예와 관련하여 상술되었지만, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되지 않고, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에서 각종 변형 및 동등한 구성을 포함하도록 의도되었음을 알 수 있다.

본 발명에 있어서, 버킷 에어포일 프로파일은 실질적으로 슈라우드간의 양호한 결합을 야기하여 매우 향상된 부품 수명 및 감소된 수리 비용을 가능케 하고; 에어포일은 국부적인 크리프를 감소시키고 결과적인 에어포일에 있어서 향상된 HCF 마진을 가능케 하며; 버킷 에어포일 프로파일은 특정한 지점들의 궤적으로 규정되어 필요한 효율, 하중 및 팁 슈라우드 결합 요구치를 만족시키게 됩니다.

Claims (13)

1. 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일(23)을 구비하는 터빈 버킷(22)에 있어서,

   상기 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 프로파일을 가지며; 여기서 Z는 상기 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고; X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 상기 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

   터빈 버킷.
2. 제 1 항에 있어서,

   터빈의 제 2 단 부품을 형성하는

   터빈 버킷.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 에어포일 형상은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.016 인치내의 포락선에 놓이는

   터빈 버킷.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 에어포일은 상기 에어포일의 팁에 인접한 슈라우드(38)를 포함하는

   터빈 버킷.
5. 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일(23)을 구비하는 터빈 버킷(22)에 있어서,

   상기 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 피복되지 않은 공칭 에어포일 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하고, X 및 Y 거리는 동일 상수의 함수로서 축척가능하여 확대된 또는 축소된 버킷 에어포일을 제공하는

   터빈 버킷.
6. 제 5 항에 있어서,

   터빈의 제 2 단 부품을 형성하는

   터빈 버킷.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 에어포일 형상은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.016 인치내의 포락선에 놓이는

   터빈 버킷.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 에어포일은 상기 에어포일의 팁에 인접한 슈라우드(38)를 포함하는

   터빈 버킷.
9. 다수의 버킷(22)을 갖는 터빈 휠을 구비하는 터빈에 있어서,

   각각의 상기 버킷은 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일(23)을 구비하고, 상기 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈축의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

   터빈.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 터빈 휠은 상기 터빈의 제 2 단을 포함하는

    터빈.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 터빈 휠은 상기 터빈의 제 2 단을 포함하고, 각각의 상기 에어포일 형상은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.016 인치내의 포락선에 놓이는

    터빈.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 터빈 휠은 상기 터빈의 제 2 단을 포함하고, 상기 터빈 휠은 92개의 버킷을 구비하며, X는 터빈의 회전축과 평행한 거리를 나타내는

    터빈.
13. 다수의 버킷(22)을 갖는 터빈 휠(16)을 구비하는 터빈에 있어서,

    각각의 상기 버킷은 에어포일 형상을 갖는 버킷 에어포일(23)을 구비하고, 상기 에어포일은 표 Ⅰ에 개시된 X, Y 및 Z의 직각 좌표값에 따라 에어포일 높이의 10% 내지 90% 스팬 범위에서 공칭 프로파일을 가지며, 여기서 Z는 터빈의 회전축을 관통하는 평면에 수직한 인치 단위의 거리이고, X 및 Y는, 매끄러운 연속적인 호로 연결되었을 때, 각각의 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션들은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하며, X 및 Y 거리는 동일 상수의 함수로써 축척되어 버킷 에어포일을 확대 또는 축소시킬 수 있는

    터빈.