KR20090121276A

KR20090121276A - 터빈 휠

Info

Publication number: KR20090121276A
Application number: KR1020097015528A
Authority: KR
Inventors: 페터 슈엘렌베르크; 디르크 헤르텔
Original assignee: 에이비비 터보 시스템즈 아게
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-11-25
Also published as: ATE509188T1; EP2122128A1; CN101617102A; JP5102315B2; EP2122128B1; JP2010519455A; EP1961918A1; WO2008101994A1; KR101442868B1; CN101617102B

Abstract

터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드 (10) 들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부는 2 개의 영역, 즉 비용 효과적으로 기계 가공될 수 있는 접촉 영역 (18) 과, 임의적으로 복잡한 주조된 나머지 영역 (19) 으로 분할되어 있다. 상기 접촉 영역에서는 가동 블레이드 단부 (13) 들 사이에 힘이 전달된다. 이행부의 상기 나머지 영역은 각각 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트(12) 들 사이의 갭 (19) 을 구비하며, 따라서 이 영역에서는 가동 블레이드들 사이에 접촉이 생기지 않는다.

가동 블레이드, 슈라우드 세그먼트, 접촉 영역, 갭.

Description

터빈 휠 {TURBINE WHEEL}

본 발명은 터보 기계, 특히 과급된 내연기관을 위한 배기가스 터보차저의 분야에 관한 것이다.

본 발명은 다수의 가동 블레이드 (moving blades) 를 구비한 터빈 휠에 관한 것으로, 상기 가동 블레이드들은 각각 그들의 자유 단부에 슈라우드 세그먼트들 (shroud segments) 을 구비하며, 본 발명은 또한 터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 2 개의 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부 (transition) 에 관한 것이다.

열 (thermal) 터보 기계의 축류 터빈, 예컨대 가스 터빈 또는 배기가스 터보차저의 터빈은 다수의 가동 블레이드를 구비하며, 상기 가동 블레이드들은 허브 (hub) 상에 배치되어 있고, 상기 허브는 샤프트를 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있다. 가동 블레이드들은 그들의 방사상 외부 자유 단부에 주로 덮개띠 - 전문 용어로 '슈라우드 (shroud)' 라고 불리운다 - 를 구비한다. 슈라우드는 개별 세그먼트들로 이루어져 있으며, 상기 세그먼트들은 각각 하나의 가동 블레이드와 통합적으로 연결되어 있다.

상기 세그먼트들은 조립시에는 블레이드들의 토션 초기 응력으로 인해 또는 가동시에는 원심력의 영향하에 블레이드들의 자연적인 언와인딩 (unwinding) 으로 인해 서로 조여진다. 슈라우드의 기능은 간극 손실을 최소화하여 열역학적 효율을 개선시키는 것이며, 또한 그의 댐핑 및 보강 작용을 통해 진동 거동을 최적화하는 것이다.

이웃하여 배치된 2 개의 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부의 디자인은 열역학, 내구성, 표면 압착, 조립 용이성 및 제조와 관련하여 여러 기준에 따라 수행된다. 이때, 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부의 최적의 형태는 상기 언급된 디자인 기준들로 인해 자주 너무 복잡하며, 따라서 고가의 제조 방법으로만 제조될 수 있다. 이는, 예컨대 일차원 연삭공정으로 가공될 수 있는 간단한 면들과 비교할 때, 주조된 가동 블레이드들의 제조시 비용이 훨씬 많이 들게 한다.

예컨대, 가스 터빈의 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부의 형태는 US 5,593,282 의 도 4 에 도시되어 있다.

EP 1 724 441 에는 터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부가 공개되어 있으며, 상기 이행부는 접촉 영역과 갭 영역으로 분할되어 있고, 상기 접촉 영역과 상기 갭 영역은 방사상으로 동일한 높이에 배치되어 있다.

본 발명의 목적은, 열역학, 내구성, 표면 압착, 조립 용이성 및 제조와 관련한 요구들이 충족될 수 있도록 터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부를 디자인하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따르면, 터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 이행부는 2 개의 영역, 즉 비용 효과적으로 기계 가공될 수 있는 접촉 영역과, 임의적으로 복잡한 주조된 나머지 영역으로 분할된다. 이때, 슈라우드는 방사상 방향에서, 즉 블레이드 높이의 위에서 바라볼 때 2 개의 평면으로 분할되어 있다. 방사상 외부 상부 평면은 접촉 영역에서 블레이드들의 사이를 기계적으로 결합시키는 기능을 맡는다. 이웃한 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들은 이 영역에서 접촉한다.

슈라우드의 하부 평면은 흐름을 안내하는 기능, 특히 블레이드 팁 (blade tip) 에서의 넘쳐 흐름을 저지시키는 기능을 맡는다. 이 영역에서 슈라우드는 흐름 방향으로 볼 때 바람직하게는 접촉 영역에서보다 더 넓다. 이 평면에서, 이웃하여 배치된 가동 블레이드들로의 이행부는 흐름 및 조립 용이성을 고려할 때 일반적으로 접촉 영역에서와는 달리 배향되어 있다 (oriented). 이 평면에서는 압력 끼워맞춤식 연결이 필요하지 않기 때문에, 슈라우드 세그먼트들의 표면의 조형 (shaping) 은 주조 기술로 실현될 수 있다. 주조 허용오차를 보상하기 위해, 이 접촉영역은 헐거운 끼워맞춤으로 디자인될 수 있다.

축방향에서 바람직하게는 슈라우드의 중앙 영역에 배치되어 있는 접촉 영역에서는, 가동 블레이드 단부들 사이에 힘전달이 행해진다. 이행부의 나머지 영역은 각각 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 갭 (gap) 을 구비하며, 따라서 이 영역에서는 가동 블레이드들 사이에 접촉이 생기지 않는다.

본 발명에 따르면, 접촉 영역에는 간단한 표면 기하형상이 갖춰지며, 따라서 상기 접촉 영역은 간단하게 기계 가공될 수 있다. 이에 반해, 갭의 영역에서는, 이행부는 보다 복잡한, 특히 비선형 (non-linear) 표면 연장부를 구비할 수 있으며, 상기 표면 연장부는 바람직하게는 이미 주조 주형에서 주조 블랭크 (cast blank) 의 제조시 형성된다. 접촉에 필요치 않은 슈라우드의 내부 영역은 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 힘전달에 기여하지 않는다. 그의 기능은 본질적으로, 블레이드 팁을 넘쳐 흐름에 의한 열역학적 손실을 감소시키는 데에 있다.

접촉 영역에서의 표면의 각위치 (angular position) 는 본질적으로 기계학 및 조립 용이성의 주변 조건들에 의해 정해져 있다. 접촉면들은 치수 안정성에 대한 높은 요구로 인해 기계 가공되어야만 한다 (예컨대 연삭되어야만 한다). 비용 효과적으로 가공하기 위해 상기 접촉면들은 평탄한 면으로서 실시될 수 있다.

그 밖의 장점은 종속항에 기재되어 있다.

이하, 터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트들 사이의 본 발명에 따른 이행부의 실시형태를 도면을 참조로 설명한다.

도 1 은 축에 대해 비스듬히, 방사상 바깥쪽으로, 본 발명에 따라 나란히 늘어선 가동 블레이드들의 등각 투상도이며,

도 2 는 축에 대해 비스듬히, 방사상 안쪽으로, 도 1 에 따른 가동 블레이드 그룹의 등각 투상도이고,

도 3 은 축방향에서, 도 1 에 따른 가동 블레이드 그룹의 등각 투상도이며,

도 4 는 축에 대해 수직으로, 방사상 안쪽으로, 도 1 에 따른 가동 블레이드 그룹의 등각 투상도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 가동 블레이드

11 : 블레이드 몸체

12 : 슈라우드 - 내부 영역

13 : 슈라우드 - 외부 영역

14 : 블레이드 루트

15 : 접촉면

16 : 갭 영역에서의 표면 연장부

18 : 접촉 영역

19 : 갭 영역

도 1 은 터보차저의 축류 터빈의 가동 블레이드 (10) 들의 일부를 나타낸다. 가동 블레이드들은 블레이드 루트 (blade root, 14) 와 함께 블레이드 캐리어, 즉 터빈 휠의 허브 안에 배치되어 있다. 터빈 휠의 허브는 샤프트 상에 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있다. 여기에서 사용되는 개념들 '방사상', '축방향' 및 '원주 방향으로' 는 이 축에 관한 것이다. 일반적으로 블레이드 루트는 전나무 모양으로 형성되어 있으며, 축방향에서 상응하여 형성된 그루브 안으로 밀어 넣어지고, 축방향에서 안전하게 되어 있다. 가동 블레이드는 공기역학적으로 모양을 갖춘 블레이드 몸체 (11) 를 구비하며, 상기 블레이드 몸체는 흐름, 즉 뜨거운 배기 가스에 노출되어 있다. 가동 블레이드들은 그들의 방사상 외부 자유 단부에, 축방향에서 적어도 섹션별로 블레이드 몸체보다 돌출하는 슈라우드를 구비한다. 슈라우드는 많은 짧은 세그먼트 (12) 들로 분할되어 있으며, 상기 세그먼트들은 각각 하나의 가동 블레이드와 통합적으로 연결되어 있다. 본 발명에 따라 디자인된 가동 블레이드들의 슈라우드는 방사상으로, 축방향에서 연장되는 세그먼트들의 외부에, 축방향으로 보다 짧게 형성된 제 2 영역 (13) 을 구비하며, 상기 영역은 개별 가동 블레이드들 상호간의 연결에 사용된다. 방사상 내부 슈라우드 영역의 기능은 본질적으로, 블레이드 팁을 넘쳐 흐름으로 인한 열역학적 손실을 감소시키는 것이다.

도 1 에 나타나 있듯이, 슈라우드 세그먼트 (12) 들의 방사상 내부 영역에는, 각각 서로 이웃하여 배치된 2 개의 슈라우드 세그먼트들의 사이에 갭 (gap, 19) 이 존재한다. 이에 반해, 도 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 방사상 외부 슈라우드 세그먼트들은 빈틈이 없이 서로 압착되어 있다. 그러므로, 본 발명에 따르면 슈라우드 세그먼트들의 이행부는 접촉 영역 (contact region) 과 갭 영역 (gap region) 으로 분할되어 있다.

상기 접촉 영역에서, 각 슈라우드 세그먼트는 - 원주 방향으로 두 단부에 - 간단하게 기계 가공될 수 있는 접촉면 (15) 을 구비한다. 이 접촉면은 바람직 하게는 평탄한 개별 표면이거나 또는 몇 개의 평탄한 면들로 이루어져 있다. 그러므로, 각 가동 블레이드의 접촉 영역은 간단한 기하학적 모양 덕택에 간단한 방식으로 기계 가공될 수 있다 (예컨대 연삭되거나 또는 밀링된다).

이에 반해, 상기 갭 영역에서 표면 (16) 은 임의적으로 복잡한 모양을 구비할 수 있으며, 따라서 예컨대 흐름 기술적으로 최적화된 이행부가 형성될 수 있다. 이행부의 이 영역은 이미 가동 블레이드의 주조시 그의 최종적인 형태로 제조될 수 있다. 주조시 조형 (shaping) 은 복잡한 이행부를 추후에 기계를 사용하여 제조하는 것보다 비용이 훨씬 적게 든다. 존재하는 갭 덕택에, 복잡한 주조 조형때 생기는, 제공된 표면 연장부에서의 편차가 허용될 수 있으며, 따라서 일반적으로 이 영역의 추후 가공이 완전히 생략될 수 있다.

도 3 은 축방향에서 가동 블레이드들의 그룹을 나타낸다. 축방향으로 돌출하는 슈라우드 세그먼트 (12) 들 사이의 갭 (19) 을 분명히 볼 수 있다.

도 4 는 방사상 바깥쪽으로부터 방사상 안쪽으로 바라본 가동 블레이드와 슈라우드를 나타낸다. 또다시 축방향 외부 슈라우드 세그먼트 (12) 들 사이의 갭 (19) 을 볼 수 있으며, 또한 원주 방향으로 단단히 서로 압착된 슈라우드의 내부 영역 (13) 을 볼 수 있다.

Claims

터빈 휠로서, 상기 터빈 휠은 다수의 가동 블레이드 (10) 를 포함하며, 상기 가동 블레이드들은 축을 중심으로 회전 가능한 허브 상에 배치되어 있고, 상기 가동 블레이드들은 각각 그들의 방사상 외부 단부에 슈라우드 세그먼트 (12, 13) 들을 구비하며, 상기 슈라우드 세그먼트들은 원주 방향으로 나란히 늘어선 링 모양의 슈라우드를 형성하고, 이때, 이웃하여 배치된 2 개의 가동 블레이드들 사이의 이행부는 슈라우드의 영역에서 접촉 영역 (18) 과 갭 영역 (19) 으로 분할되어 있으며, 이때 상기 접촉 영역 (18) 에서는 각 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트 (13) 들이 원주 방향으로 서로 압착되어 있고 상기 갭 영역 (19) 에서는 원주 방향으로 각 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트 (12) 들의 사이에 갭이 존재하는 터빈 휠에 있어서, 원주 방향으로 방사상 외부에 놓여 있는 슈라우드가 원주 방향으로 압착된 슈라우드 세그먼트 (12) 들로 인해 생기도록, 또한 방사상으로 (radially) 그것의 내부에는 원주 방향으로 갭들에 의해 분리된 슈라우드가 연장 (extend) 되도록, 접촉 영역 (18) 은 방사상으로 갭 영역 (19) 의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈 휠.
제 1 항에 있어서, 상기 가동 블레이드들은 접촉 영역 (18) 에는 기계 가공된 접촉면 (15) 을 구비하며 갭 영역 (19) 에서는 기계적으로 처리되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 터빈 휠.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가동 블레이드들은 접촉 영역 (18) 에는 평탄한 접촉면 (15) 을 구비하며 갭 영역 (19) 에는 비선형 표면 연장부 (16) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 휠.
상기 항들 중 어느 한 항에 따른 터빈 휠을 포함하는, 배기가스 터보차저의 터빈.
제 4 항에 따른 터빈을 포함하는 배기가스 터보차저.
터빈 휠의 서로 이웃하여 배치된 2 개의 가동 블레이드 (10) 들의 슈라우드 세그먼트 (12, 13) 들 사이의 이행부로서, 상기 이행부는 접촉 영역 (18) 과 갭 영역 (19) 으로 분할되어 있으며, 이때 상기 접촉 영역 (18) 에서는 각 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트 (13) 들이 서로 압착되어 있고 상기 갭 영역 (19) 에서는 각 가동 블레이드들의 슈라우드 세그먼트 (12) 들의 사이에 갭이 존재하는 이행부에 있어서, 접촉 영역 (18) 은 방사상으로 갭 영역 (19) 의 외부에 배치되며, 따라서, 원주 방향으로 방사상 외부에 놓여 있는 슈라우드는 원주 방향으로 압착된 슈라우드 세그먼트 (12) 들로 인해 생기며, 또한 방사상으로 그것의 내부에는 원주 방향으로 갭들에 의해 분리된 슈라우드가 연장되는 것을 특징으로 하는 이행부.