KR20060048114A - 스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법, 터빈블레이드 및 스팀 터빈 로터 휠 - Google Patents

Abstract

스팀 터빈 로터 휠(42) 조립체의 블레이드(24) 제조 방법은 복수의 포켓(30, 32)을 구비한 에어포일 부분(28)을 형성하는 단계와 요구되는 온도 성능의 기능으로서 선택된 1개 이상의 충전물 재료(40, 38)로 포켓을 채우는 단계를 포함한다.

Description

스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법, 터빈 블레이드 및 스팀 터빈 로터 휠{HYBRID TURBINE BLADE AND RELATED METHOD}

도 1은 복류-저압 터빈(double-flow low pressure turbine)의 개략도,

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 부분적으로 완전한 하이브리드 블레이드(hybrid blade)의 사시도,

도 3은 복수의 터빈 블레이드가 설치된 터빈 휠(turbine wheel)의 개략적인 측면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 복류 저압 터빈 14 : 로터

16, 18 : 휠 24 : 블레이드

26 : 생크(shank) 28 : 에어포일

30, 32 : 포켓(pocket) 34 : 웨브(web) 또는 리브(rib)

38 : 고온 충전물 재료 40 : 저온 충전물 재료

42 : 터빈 로터 휠

본 발명은 일반적으로 스팀 터빈 버킷(steam turbine buckets) (또는 블레이드)에 관한 것으로, 특히 블레이드의 에어포일 부분의 상이하게 선택된 영역에서 상이한 소정의 온도 성능을 제공하도록 설계된 복합 블레이드(composite blade)에 관한 것이다.

터빈 버킷 또는 블레이드에서, 원심 하중은 작동 속도, 블레이드의 질량, 그리고 질량이 위치하는 엔진 중심선으로부터의 반경의 함수이다. 블레이드의 질량이 증가함에 따라, 일정한 재료의 허용 응력(allowable stress)을 초과하지 않고 질량을 지탱할 수 있도록 보다 낮은 반경 방향 높이에서 물리적 영역 또는 단면 영역이 증가해야 한다. 보다 낮은 스팬(lower span)에서 블레이드의 이러한 단면 영역의 증가는 기부(root)에서 과도한 유동 방해를 일으켜서, 그에 따라 성능을 저하시킨다. 블레이드 중량은 더 큰 디스크 응력의 원인이 되어, 잠재적으로 신뢰도를 떨어뜨리게 된다.

몇몇 종래의 미국 특허는 금속 및 중합체 충전물 재료(polymer filler material)의 조합으로서 에어포일을 구성함으로써 에어포일의 중량을 감소시키는 소위 "하이브리드" 블레이드 설계에 관한 것이다. 특히, 에어포일 윤곽을 변경시키지 않는 방법으로 1개 또는 그 이상의 포켓이 에어포일 부분 내에 형성되고 중합체 충전물 재료로 채워진다. 이러한 종래의 특허는 미국 특허 제 6,139

,278 호, 제 6,042,338 호, 제 5,931,641 호 및 제 5,720,597 호를 포함한 다. 또한 2003년 4월 16일자로 미국에 출원된 계류중이며 공동 소유의 미국 특허 출원번호 제 10/249,518 호도 참조바란다. 미국 특허 출원번호 제 10/249,518 호는 포켓 형상이 각 블레이드 그룹의 댐핑 특성(damping characteristics)을 바꾸도록 변경된 하이브리드 블레이드를 개시한다.

그러나, 하이브리드 스팀 터빈 블레이드의 사용에 관한 다른 문제점은, 사용시 이러한 블레이드가 겪게 되는 온도 함수로서의 비용과 관련이 있다. 예를 들어, 복류 스팀 터빈에서, 부분적인 하중 및 최고 속도 조건 동안 최종 스테이지의 블레이드 팁(blade tip) 영역에서 심각한 가열 편향(windage heating)이 존재한다. 블레이드 후방의 후드(hood) 영역은 콘덴서(condenser)로 향하는 배기 유동(exhaust flow)을 냉각시키기 위한 물 분사 시스템(water spray system)을 갖는다. 그러나, 심지어 물 분사 작동 중에도, 냉각 유동은 블레이드 팁 근처의 가열된 영역으로 이동하지 않고, 그에 따라 블레이드 팁의 냉각은 최소로 된다. 이러한 조건 동안 블레이드 팁은 400℉ 를 초과할 수 있다. 표준 작동 중에, 블레이드 온도는 겨우 약 150℉ 에 이른다. 따라서, 하이브리드 버킷 응용에 고려되는 현재의 중합체[우레탄(urethanes) 및/또는 고무(rubber)] 대부분은 300℉ 보다 낮은 온도에서 사용하도록 제한되어 있다. 약간 높은 온도에서 이용할 수 있는 중합체가 있지만, 그 비용은 저온 중합체의 비용보다 무려 5배 정도일 수 있다.

본 발명은 하이브리드 블레이드 개념을, 요구되는 온도 성능의 함수로서 단 일 블레이드 또는 버킷에서의 다중 충전물의 사용을 포함하는 것까지 확장시킨 것이다. 일반적으로, 고온 재료는 반경 방향 최외측 포켓에 사용된다. 그에 따라, 더 적은 비용의 재료가 다른 영역, 예를 들어, 블레이드 에어포일의 반경 방향 내측 또는 하부에 선택될 수 있는 반면에, 보다 고가의 고온 성능 재료는 에어포일 팁의 한정된 영역에서만 사용되도록 선택될 수 있다. 이러한 구성에 대한 비용면의 이점은 보다 작은 체적의 충전물이 블레이드의 반경 방향 외측 부분에 요구된다는 사실에 의해 더 커지게 된다.

따라서, 보다 넓은 측면에서, 본 발명은 복수의 포켓을 구비한 에어포일 부분을 형성하는 단계와, 요구되는 온도 성능의 함수로서 선택된 1개 이상의 충전물 재료로 상기 포켓을 채우는 단계를 포함하는 스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법에 관한 것이다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 요구되는 온도 성능의 함수로서 선택된 각기 상이한 중합체 충전물 재료로 채워진 복수의 포켓이 형성된 에어포일 부분을 갖는 터빈 블레이드에 관한 것이다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 휠의 원주 둘레에 고정된 블레이드의 열(row)을 포함하는 스팀 터빈 로터 휠에 관한 것으로, 각각의 블레이드는 요구되는 온도 성능의 함수로서 선택된 각기 상이한 중합체 충전물 재료로 채워진 복수의 포켓을 갖는다.

본 발명은 하기에 도시된 도면을 참조하여 자세히 설명될 것이다.

도 1은 터빈 케이싱(12), 로터(14), 및 2개의 터빈 섹션(16, 18) 내의 복수의 휠을 포함하는 복류 저압 터빈(10)의 개략도를 도시한다. 점선으로 원이 그려져 있는 영역(20, 22)은 부분 하중 상태 중에 가장 큰 가열 편향을 겪게 된다고 밝혀진 최종 스테이지 블레이드의 반경 방향 최외측 영역을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 보다 고온의 충전물 재료(적어도 400℉의 성능)가 블레이드의 반경 방향 외측 포켓에 사용된다. 도 2는, 예를 들어, 생크 부분(26)과 에어포일 부분(28)을 갖는 블레이드(24)를 도시한다. 반경 방향 내측 및 외측 포켓(30, 32)은 에어포일 부분(28)의 압력측(pressure side)에 형성되고, 상대적으로 넓은 웨브 또는 리브(34) 및 미드-스팬 댐퍼(mid-span damper)(36)에 의해 분리된다. 주어진 예에 있어서, 고온 충전물 재료(38)는 포켓(32)을 채우는 데 사용되고, 저온 충전물 재료(40)는 포켓(30)을 채우는 데 사용된다. 몇몇 스테이지는 에어포일 부분의 외측의 10% 내지 15%만 고온 충전물 재료를 필요로 할 수도 있지만, 몇몇의 경우에는, 특정한 터빈 설계용 테스트 데이터에 근거해서 결정될 수 있다. 2개 이상의 중합체 재료는 같은 수의 포켓에 가장 높은 고온 재료에서 가장 낮은 저온 재료로 연속적으로 사용될 수 있다.

도 3은 터빈 로터 휠(42)에 설치된 블레이드(24)의 열을 개략적으로 도시하며, 블레이드(24)는 본원에 기술된 바와 같은 복수의 충전물 재료(38, 40)를 이용한다.

충전물 재료(38, 40)는 공지된 우레탄, 고무 화합물(rubber compounds) 또는 상이한 온도 성능을 갖는 유리나 세라믹과 같은 다른 재료를 구비하는 중합체 혼합물을 포함할 수도 있다. 에어포일 부분(28)의 금속 표면에 충전물 재료를 접합하기 위한 선택은, 자가 점착(self adhesion), 충전물 재료(38, 40)와 에어포일 부분(28)의 금속 표면 사이의 점착, 접착제 접합(adhesive bonding)[접착성 필름 또는 페이스트(paste)], 및 용융 접합(fusion bonding)을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.

상이한 충전물 재료를 이용하면 절감된 비용으로 하이브리드 버킷의 온도 성능을 향상시킬 수 있다. 충전물 재료의 온도 특성과 일정한 임의의 스테이지에서 블레이드의 온도 성능 요건에 근거하여, 버킷 상의 특정 위치에 대해 각각의 사용 재료가 적용된다. 버킷 상의 한정된 위치에 보다 고가의, 고온 재료를 사용함으로써 하이브리드 블레이드의 다지인은 특히 높은 편향(windage) 조건을 겪는 블레이드에 대해 매우 적합하게 된다.

본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 생각되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허 청구의 정신과 범위 내에서 다양한 변형 및 등가의 구성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 하이브리드 블레이드 개념을 요구되는 온도 성능의 함수로서 단일 블레이드 또는 버킷에 다중 충전물의 사용을 포함하는 것까지 확장시킨다. 상이한 충전물 재료를 이용하여 절감된 비용으로 하이브리드 버킷의 온도 성능을 향상시킬 수 있다. 또, 버킷 상의 한정된 위치에 보다 고가의, 고온 재료를 사용함으로써 하이브리드 블레이드의 디자인은 특히 높은 편향(windage) 조건을 겪는 블레이드에 대해 매우 적합하게 된다.

Claims (10)

1. 스팀 터빈 로터 휠(steam turbine rotor wheel)(42) 조립체의 블레이드(blade)(24) 제조 방법에 있어서,

   복수의 포켓(pocket)(30, 32)을 구비한 에어포일 부분(28)을 형성하는 단계와,

   요구되는 온도 성능의 함수로서 선택된 하나 이상의 충전물 재료(filler material)(40, 38)로 상기 포켓을 채우는 단계를 포함하는

   스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 포켓이 반경 방향 외측 포켓(32) 및 반경 방향 내측 포켓(30)을 포함하고, 상기 반경 방향 외측 포켓(32) 내의 충전물 재료(38)의 온도 성능이 상기 반경 방향 내측 포켓(30) 내의 충전물 재료(40)의 온도 성능보다 더 큰

   스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 더 큰 온도 성능이 적어도 400℉ 성능을 포함하는

   스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 충전물 재료(38, 40)가 중합체를 포함하는

   스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 충전물 재료(38, 40)가 우레탄 중합체를 포함하는

   스팀 터빈 로터 휠 조립체의 블레이드 제조 방법.
6. 터빈 블레이드(24)에 있어서,

   요구되는 온도 성능의 함수로서 선택된 각기 상이한 중합체 충전물 재료(40, 38)로 채워진 복수의 포켓(30, 32)이 형성된 에어포일 부분(28)을 갖는

   터빈 블레이드.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 복수의 포켓 중 반경 방향 최외측 포켓(32)이 상기 복수의 포켓 중 다른 포켓보다 더 높은 온도 성능을 갖는

   터빈 블레이드.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 복수의 포켓(30, 32)이 반경 방향 외측 포켓 및 반경 방향 내측 포켓을 포함하고, 상기 반경 방향 외측 포켓 내의 충전물 재료의 온도 성능이 상기 반경 방향 내측 포켓 내의 충전물 재료의 온도 성능보다 더 큰

   터빈 블레이드.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 중합체 충전물 재료가 우레탄 중합체를 포함하는

   터빈 블레이드.
10. 스팀 터빈 로터 휠에 있어서,

    휠의 원주 둘레에 고정된 블레이드(24)의 열(row)을 포함하고,

    각각의 블레이드(24)는 요구되는 온도 성능의 함수로서 선택된 각기 상이한 중합체 충전물 재료(40, 38)로 채워진 복수의 포켓(30, 32)을 갖는

    스팀 터빈 로터 휠.

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