KR20060048029A - 터빈 블레이드와 결합하는 시일 댐퍼 조립체 - Google Patents

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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

터빈 블레이드용 댐퍼 시일 조립체는 양쪽 모두 가스가 흐르지 않는 방사상 최외각 통로면에 접촉하는 시일 및 댐퍼를 포함한다. 상기 시일은 소성 변형 가능한 소재로 제조되고 상기 댐퍼의 함몰부 내에 결합한다. 상기 댐퍼는 작동 중에 발생하는 진동 에너지를 흡수하는 단단한 소재로 제조된다. 댐퍼 내에 함몰부는 상기 댐퍼 및 시일 양쪽 모두가 가스가 흐르지 않는 방사상 최외각 통로면에 위치하도록 한다.
댐퍼, 댐퍼 시일 조립체, 루트, 터빈 블레이드, 시일, 마찰면, 공동, 핑거, 함몰부

Description

터빈 블레이드와 결합하는 시일 댐퍼 조립체 {TURBINE BLADE NESTED SEAL DAMPER ASSEMBLY}
도1은 인접한 터빈 블레이드 조립체의 사시도.
도2는 터빈 블레이드 내에 있는 댐퍼 시일 조립체의 측면도.
도3은 댐퍼 시일 조립체의 분해도.
도4는 댐퍼 시일 조립체의 사시도.
도5는 댐퍼 시일 조립체 배치의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 터빈 조립체 12 : 블레이드
14 : 루트 16 : 플랫폼
18 : 안쪽면 20 : 바깥면
30 : 시일 34 : 댐퍼
38 : 함몰부 44 : 핑거
미국 정부는 미국 해군이 승인한 계약 No. N00019-02-C-3003에 의하여 본 발 명에 대한 권리를 갖는다.
본 출원은 일반적으로 터빈 시일과 댐퍼 조립체에 관한 것이고, 특히 결합된 시일과 댐퍼 조립체에 관한 것이다.
종래의 가스 터빈 엔진은 터빈 로터의 주연에 부착된 복수의 터빈 블레이드를 갖는 터빈 조립체를 포함한다. 각 블레이드는 터빈 작동 중에 이동 및 팽창을 수용할 수 있도록 인접한 터빈 블레이드로부터 간격이 떨어져 있다. 상기 터빈 블레이드는 로터에 부착된 루트, 플랫폼 그리고 플랫폼으로부터 방사상으로 바깥쪽을 향해 뻗어있는 블레이드를 포함한다.
문제는 고온의 가스가 터빈 블레이드의 플랫폼 아래로 침투했을 때 발생한다. 시일은 플랫폼 상부에서 고온 가스가 인접한 터빈 블레이드 사이에서 누출되는 것을 방지한다. 이는 플랫폼 하부의 구성요소들이 대체로 고온 기체로 인하여 상승한 온도에서 장기간 동안 작동하도록 설계되지 않았기 때문이다. 상기 시일은 전형적으로 인접한 터빈 블레이드 사이에서 플랫폼의 안쪽면에 결합된 금속판이다. 상기 시일은 플랫폼의 안쪽면과 정합되고, 터빈 블레이드의 플랫폼 하부로 고온 가스가 침투하는 것을 방지하기 위하여 전형적으로 가요성이다. 전형적으로, 상기 시일은 터빈 블레이드의 플랫폼의 안쪽면인 방사상의 날개 끝에 대향하여 배치되어 있다.
시일 이외에도 잠재적인 손상 진동을 분산시키기 위하여 인접한 터빈 블레이드 사이에 댐퍼를 포함하는 것이 일반적인 실무이다. 댐퍼는 전형적으로 터빈 블레이드에서 진동을 분산시킬 수 있도록 충분한 부피와 강도를 제공할 수 있는 크기 이다. 터빈 블레이드의 진동은 마찰 접촉을 통하여 댐퍼와 터빈 블레이드 플랫폼의 안쪽면 사이로 전달된다. 댐퍼는 플랫폼 안쪽면의 방사상 최외각부에 위치했을 때 최대 이득 및 완충작용을 제공한다.
불행히도, 댐퍼와 시일 양쪽은 플랫폼의 안쪽면에 대향하여 위치했을 때 최대 이득으로 작동한다. 살펴본 바와 같이, 시일이나 댐퍼 어느 한쪽만 바로 안쪽면 가까이 인접하게 두는 것이 가능하다.
현재 알려진 해결책은 시일과 댐퍼 양쪽 모두로서 작동하는 단일부를 제공하는 것이다. 그러한 장치는 댐퍼와 시일 양쪽에 바람직한 위치를 제공한다. 그러나, 시일 및 댐퍼의 소재 특성은 별개의 기능들을 모두 수행하기 위하여 절충되어야 한다. 즉 시일 소재는 필요한 완충 특성을 제공하기 위하여 바라는 만큼 가요성이 아니고, 댐퍼 소재는 시일에 어느 정도 가요성을 제공하기 위하여 가장 유리한 완충 특성을 제공하지 못한다. 적절한 완충 특성과 적절한 시일 특성간의 절충물은 양쪽 기능 모두에서 최대의 작동 성능에는 미치지 못하는 성능을 보여준다.
따라서, 댐퍼와 시일에 가장 유리한 배치를 제공하면서 각 기능에 대하여 가장 유리한 소재를 활용하는 시일과 댐퍼 조립체를 개발하는 것이 바람직하다.
본 발명은 시일이 댐퍼와 결합되어서 시일과 댐퍼 양쪽 모두가 터빈 블레이드의 안쪽 최외각면에 배치된 터빈 블레이드용 댐퍼-시일 조립체이다.
댐퍼-시일 조립체는 고온 가스가 인접한 터빈 블레이드 사이의 갭으로 침투하는 것을 방지하는 시일을 포함한다. 시일은 플랫폼의 안쪽면과 접하고 고온 가 스의 흐름을 방지하기 위하여 갭을 연결한다. 댐퍼는 시일이 결합된 함몰부를 포함한다. 함몰부의 각 측면에서 댐퍼는 터빈 블레이드의 제일 안쪽면과 접촉하는 면을 포함한다. 댐퍼의 면은 작동 중에 터빈 블레이드가 발생하는 진동 에너지를 흡수하는 마찰 접촉을 제공한다.
댐퍼-시일 조립체는 터빈 블레이드의 공동(cavity)에 결합되어서 댐퍼와 시일 양쪽은 모두 안쪽면과 인접한다. 댐퍼와 시일 양쪽이 공동 내에 방사상 최외각 지점에 위치하면 가장 유리하다.
본 발명의 댐퍼-시일 조립체는 시일과 댐퍼 양쪽에 최적의 배치를 제공하는 동시에 시일과 댐퍼용으로 개별적인 소재의 사용을 제공한다. 시일은 고온 가스의 침입을 차단하도록 바람직한 밀봉을 제공하는 소성 변형 가능한 소재를 포함하고, 댐퍼는 작동 중에 발생하는 진동 에너지를 흡수하는데 필요한 고밀도의 단단한 구조를 제공한다.
따라서, 본 발명의 댐퍼-시일 조립체는 각 기능에 가장 유익한 소재와 가장 유리한 댐퍼와 시일의 배치를 제공한다.
상기한 것과 본 발명의 그 밖의 특징들은 후술하는 상세한 설명과 도면을 통하여 가장 잘 알 수 있다.
도1을 참조하면, 터빈 조립체(10)는 복수의 인접한 터빈 블레이드(12)를 포함한다. 각 터빈 블레이드(12)는 터빈 로터(도시되지 않음)의 방사상 슬롯에 맞는 루트(14)를 포함한다. 루트(14)의 방사상 바깥쪽은 플랫폼(16)이다. 플랫폼(16) 은 바깥쪽면(18)과 안쪽면(20)을 포함한다. 안쪽면(20)은 바깥쪽면(18)의 방사상 내부에 위치한다. 에어포일(22)은 플랫폼(16)에서 상부로 뻗어있다.
고온 가스(24)는 에어포일(22) 둘레와 바깥쪽면(18)의 상부로 흐른다. 갭(26)은 인접한 터빈 블레이드(12) 사이에서 축방향으로 뻗어있다. 갭(26)은 터빈 블레이드(12)들의 접촉을 방지한다. 댐퍼-시일 조립체(28)는 고온 가스(24)가 갭(26)을 침투하고 플랫폼(16)의 아래쪽으로 침투하는 것을 방지하는 시일(30)을 포함한다. 시일(30)은 인접한 터빈 블레이드(12)들 사이에 형성된 공동(32) 내에 위치한다. 시일(30)은 고온 가스의 흐름을 방지하기 위하여 플랫폼(16)의 안쪽면(20)에 접하고 갭(26)을 연결한다. 터빈 블레이드(12)의 공동(32)은 댐퍼-시일 조립체(28)를 정렬하고 배치하는 넙(36)(nub)을 포함한다.
도2를 참조하면, 댐퍼-시일 조립체(28)는 터빈 블레이드(12)의 공동(32)에 결합하여 댐퍼(34)와 시일(30)은 양쪽 모두 안쪽면(20)에 인접하여 있다. 댐퍼(34)와 시일(30) 양쪽은 공동(32)에 방사상 최외각 지점에 위치하는데 이는 가장 유리한 위치이다. 상기 방사상 위치에서 댐퍼(34)는 안쪽면(20)과 접하며 마찰 접촉한다. 댐퍼(34)와 안쪽면(20) 사이의 마찰 접촉은 작동 중에 발생한 진동 에너지를 흡수하고 분산시킨다. 댐퍼(34)의 축방향 배치는 실질적으로 진동-완충 성능을 최대화한다. 바람직하게, 댐퍼(34)는 진동-완충 성능을 최대화하게 위하여 공동(32)에 위치한다. 댐퍼(34)는 최전방 위치에 도시되어 있다. 댐퍼(34)는 최전방 위치에 도시되어 있긴 하지만, 본 발명의 공개로 당업자는 그 밖의 댐퍼(34) 구조가 본 발명의 사상의 범위 내에 있다는 것을 알 것이다.
도3 및 도4를 참조하면, 시일(30)은 댐퍼(34)의 함몰부(38)와 결합한다. 함몰부(38)는 시일(30)과 댐퍼(34)의 양쪽의 일부가 플랫폼(16)의 안쪽면(20)에 접하도록 한다. 함몰부(38)는 댐퍼(34)의 상부면을 따라 축방향으로 뻗어있다. 시일(30)은 댐퍼(34)와 결합하고 시일(30)과 댐퍼(34)를 함께 고정하는 핑거(44)를 포함한다. 댐퍼(34) 사이의 접합부는 댐퍼(34)와 인접한 터빈 블레이드(12) 사이의 갭(26)에 대하여 시일을 배치하는 것이다.
댐퍼(34)는 몸체부(50)와 시일(30)의 전방부를 지지할 수 있게 몸체부(50)의 전방으로 뻗어있는 시일 보유 아암(52)을 포함한다. 댐퍼(34)는 함몰부(38)의 양측에 배치된 마찰면(46)을 포함한다. 마찰면(46)은 시일(30)과 함께 공통 평면을 따라 안쪽면(20)과 마찰 접촉한다. 댐퍼(34)는 댐퍼-시일 조립체(28)를 안쪽면(20)에 배치하고 고정하는 공동(32)에 대응하는 보유 구조(54)를 포함한다. 댐퍼(34)의 양측에서 몸체(50)로부터 돌출되어 있는 정렬 구조(56)도 포함한다. 보강부(58)는 댐퍼(34)의 양측에서 마찰면(46)을 연장한 것이다. 보강부(58)는 마찰면(46)을 강화하고 보강한다.
댐퍼(34)는 작동 중에 발생한 열과 원심 하중에 의하여 소성 변형하지 않는 소재로 제조한다. 더욱이 댐퍼(34)에 활용되는 상기 소재는 열용량 이외에도 바람직한 진동 완충 특성을 제공하는 것을 선택한다. 댐퍼(34)는 플랫폼(16)의 안쪽면(20)에서 원심 하중을 받는다. 비록 댐퍼(34)의 바람직한 구조는 도시되어 있지만, 본 발명의 공개로 당업자는 댐퍼(34)의 구성 및 특징이 상이해도 본 발명의 사상의 범위 내에 있고 응용의 특정 필요조건에 의존한다는 것을 알 수 있을 것이다.
시일(30)은 바람직하게는 댐퍼(34)의 보유 아암(52)에 접합하는 전방부(60)를 포함하는 얇은 금속판이다. 핑거(44)는 댐퍼(34)와 접합하고 함몰부(38)에 결합된 시일(30)을 붙들고 있다. 터빈 블레이드(12)에서 고온 가스(24)의 침입을 차단할 수 있는 원하는 밀봉을 제공하기 위하여 시일(30)은 안쪽면(20)에 결합하여야 하므로 바람직하게는 가요성이다. 후방부(62)는 축방향에서 후방으로 뻗어있고, 축방향으로 뻗어있는 갭(26)의 구조와 결합하여 밀봉할 수 있도록 안쪽으로 뻗어있다. 시일(30)에 활용되는 소재는 특정 용도와 관련된 압력과 온도를 견디고 약간의 소성 변형을 허용할 수 있는 것을 선택한다. 시일(30)은 안쪽면(20)에 결합하도록 열과 원심 하중에 의하여 소성 변형한다. 소성 변형은 고온 가스(24)의 침입에 차단할 수 있는 바람직한 밀봉을 제공한다.
도5를 참조하면, 댐퍼-시일 조립체(28)는 인접한 터빈 블레이드(12)로 구분된 공동(32) 내에 도시되어 있다. 마찰면(46)은 안쪽면(20)과 접촉하고 있다. 댐퍼(34)는 터빈 블레이드(12)의 가스가 없는 출구측의 방사상 최외각부에서 최대 성능을 낸다. 터빈 블레이드(12)의 댐퍼(34)와 안쪽면(20) 사이의 마찰 접촉은 작동 중에 발생한 진동을 완충한다. 시일(30)은 안쪽면(20)의 축방향 갭(26)을 따라서 배치된다. 함몰부(38)는 댐퍼(34)에 유리한 최외각 방사상 위치를 제공하는 동시에 전체 축방향 갭(26)을 따라 인접한 터빈 블레이드(12)의 안쪽면(20)을 따라 시일이 연속적으로 접촉하게 한다.
본 발명의 댐퍼-시일 조립체(28)는 시일(30)과 댐퍼(34) 양쪽에 최적의 배치를 제공하면서 시일(30)과 댐퍼(34)용으로 별개의 소재를 사용한다. 시일(30)은 고온 가스(24)의 침입을 방지할 수 있는 원는 밀봉을 할 수 있는 소성 변형 소재를 사용하고, 댐퍼(34)는 작동 중에 발생한 진동 에너지를 흡수하는데 필요한 고밀도의 단단한 구조를 사용한다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예는 개시되었지만, 당업자는 어떤 변경들이 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 인정할 것이다. 그런 이유로 본 발명의 범위와 내용을 정하도록 후술하는 청구항을 고찰하여야 한다.
본 발명은 시일이 댐퍼와 결합되어서 시일과 댐퍼 양쪽 모두가 터빈 블레이드의 안쪽 최외각면에 배치되도록 한다. 시일은 고온 가스가 인접한 터빈 블레이드 사이의 갭으로 침투하는 것을 방지하고, 댐퍼는 작동 중에 터빈 블레이드가 발생하는 진동 에너지를 흡수하는 마찰 접촉을 제공한다. 본 발명의 댐퍼-시일 조립체는 터빈 블레이드의 공동에 결합되어서 댐퍼와 시일 양쪽이 모두 안쪽면과 인접한다. 댐퍼와 시일 양쪽이 공동 내에 방사상 최외각 지점에 위치하면서 가장 좋은 효과를 낸다. 본 발명은 시일과 댐퍼 양쪽에 최적의 배치를 제공하는 동시에 시일과 댐퍼용으로 개별적인 소재의 사용을 가능하게 하여 각각 시일과 댐퍼로서 좋은 성능을 나타낸다. 시일은 고온 가스의 침입을 차단하도록 바람직한 밀봉을 제공하는 소성 변형 가능한 소재를 사용하고, 댐퍼는 작동 중에 발생하는 진동 에너지를 흡수하는데 필요한 고밀도의 단단한 구조를 사용한다.

Claims (30)

  1. 서로 간격이 떨어져 있고 바깥면의 방사상 내부에 있는 안쪽면을 포함하는 복수의 터빈 블레이드와,
    상기 안쪽면에 인접하여 배치된 부분을 포함하는 댐퍼와,
    상기 댐퍼와 결합하고 상기 안쪽면에 인접하여 배치된 시일을 포함하는 터빈 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 댐퍼는 상기 시일이 결합되어 있는 함몰부를 포함하는 터빈 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시일은 상기 댐퍼에 결합하는 탭부를 포함하는 터빈 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 댐퍼는 상기 복수의 터빈 블레이드에 대하여 상기 댐퍼를 정렬시키는 정렬 구조를 포함하는 터빈 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 정렬 구조는 바깥쪽으로 돌출된 넙을 포함하는 터빈 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 각 터빈 블레이드는 전방부와 후방부를 포함하고 상기 안쪽면 및 바깥쪽면은 상기 전방부와 후방부 사이에 뻗어있으며, 상기 댐퍼는 상기 전방부에 인접하여 배치된 터빈 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 시일은 얇은 금속판을 포함하는 터빈 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 댐퍼는 성형된 덩어리를 포함하는 터빈 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 댐퍼 및 상기 시일은 방사상으로 최외각 위치에 배치된 터빈 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 인접한 터빈 블레이드들은 상기 댐퍼와 시일이 배치되어 있는 공동을 형성하는 터빈 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 댐퍼는 상기 공동의 최전방부에 배치된 터빈 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 각 터빈 블레이드는 상기 공동 내에 상기 댐퍼를 배치하는 정렬 구조를 포함하는 터빈 조립체.
  13. 터빈 블레이드의 안쪽면과 접하는 접촉면을 포함하는 댐퍼와,
    터빈 블레이드의 안쪽면과 접하고 상기 댐퍼와 결합한 시일을 포함하는 터빈 블레이드용 댐퍼 시일 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 댐퍼는 상기 시일이 결합한 함몰부를 포함하는 댐퍼 시일 조립체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 접촉면에 의해 상기 댐퍼를 가로질러 형성된 평면을 포함하고, 상기 시일의 표면은 상기 평면 내에 배치된 댐퍼 시일 조립체.
  16. 제13항에 있어서, 상기 댐퍼는 터빈 블레이드의 안쪽면에 일치하는 보유 구조를 포함하는 댐퍼 시일 조립체.
  17. 제13항에 있어서, 상기 시일의 표면과 상기 댐퍼의 상기 접촉면은 터빈 블레이드의 방사상 최외각의 가스가 흐르지 않는 통로측에 접하는 댐퍼 시일 조립체.
  18. 몸체와 상기 몸체로부터 뻗어있고 함몰부에 의해 서로 분리되는 적어도 두 개의 마찰면을 포함하는 댐퍼와,
    돌출된 핑거를 갖는 전방부와 상기 핑거와 적어도 부분적으로 공통 방향으로 돌출된 후방부를 포함하는 시일을 포함하는 댐퍼 시일 조립체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 시일은 상기 댐퍼와 결합하는 탭부를 포함하는 댐퍼 시일 조립체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 시일은 상기 몸체의 상기 함몰부에 결합되도록 구성된 댐퍼 시일 조립체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 마찰면과 상기 시일의 표면은 공통 평면을 형성하는 댐퍼 시일 조립체.
  22. 몸체와,
    상기 몸체로부터 뻗어있고 함몰부에 의해 서로 분리되는 적어도 두 개의 마찰면을 포함하는 댐퍼.
  23. 제22항에 있어서, 상기 몸체에서 종방향으로 뻗어있는 적어도 한 개의 핑거를 포함하는 댐퍼.
  24. 제22항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 마찰면은 상기 몸체를 따라 종방향으로 뻗어있는 댐퍼,
  25. 제22항에 있어서, 상기 몸체로부터 횡방향으로 뻗어있는 적어도 한 개의 돌 출부를 포함하는 댐퍼.
  26. 제22항에 있어서, 상기 몸체의 양측에 배치된 적어도 두 개의 돌출부를 포함하는 댐퍼.
  27. 돌출된 핑거를 포함하는 전방부와,
    상기 핑거와 적어도 부분적으로 공통 방향으로 돌출된 후방부를 포함하는 시일.
  28. 제27항에 있어서, 평면을 형성하는 몸체부를 포함하고, 상기 핑거는 돌출되어 상기 평면과 적어도 부분적으로 교차하는 시일.
  29. 제28항에 있어서, 공통측의 상기 몸체부로부터 교차하며 돌출된 적어도 두 개의 핑거를 포함하는 시일.
  30. 제29항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 핑거는 서로 간격이 떨어져 있는 시일.
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