KR20110030701A - 터빈 날개 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

여진력에 기인하는 진동을 감쇠시키는 동시에, 조립이나 분해를 용이하게 할 수 있는 터빈 날개 및 가스 터빈을 제공한다. 익형부(12)의 단부에 배치된 슈라우드부(13)와, 슈라우드부(13)에 대하여 슬라이드 이동 가능한 동시에 착탈 가능하게 되고, 슈라우드부(13)와의 사이에 공간을 형성하는 단부 하우징(14)과, 공간에 배치되어 슈라우드부(13)와 단부 하우징(14)을 이격시키는 방향으로 압박하는 동시에, 슈라우드부(13)와 상대 이동 가능하게 배치된 탄성부(15)와, 탄성부(15)와 단부 하우징(14)의 사이에 배치되고, 슈라우드부(13)에 접근 및 이격 가능하게 된 압박부(16)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

터빈 날개 및 가스 터빈{TURBINE BLADE AND GAS TURBINE}
본 발명은, 터빈 날개 및 가스 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 터빈의 압축기에 있어서의 정익에는, 슈라우드가 별개의 부재로 설치된 캔틸레버 타입의 정익이나 슈라우드가 일체로 설치된 슈라우드 부착 타입의 정익 등이 사용되고 있다.
슈라우드 부착 타입의 정익은, 캔틸레버 타입의 정익에 비해 익형부의 선단으로부터 공기 등이 누설되기 어려우며, 또한, 슈라우드의 내주에, 정익과 로터의 사이에서의 공기 등의 누설을 억제하는 로터 시일 구조를 형성할 수 있다. 이로 인해 슈라우드 부착 타입의 정익은 누설 공기량을 적당량으로 삭감할 수 있기 때문에, 성능적으로 유리하게 되어 있다.
상술한 슈라우드 부착 타입의 정익은, 익형부(프로파일부)의 내측 및 외측의 단부에 슈라우드부라고 불리는 원주 형상의 기부가 설치되어 있다.
익형부와 슈라우드부간의 고정은, 슈라우드부에 설치한 삽입구에 익형부로부터 돌출된 삽입부를 삽입하는 테논 타입의 고정 방법이나, 상술한 삽입구에, 익형부로부터 넓어지게 형성된 삽입 플랜지부를 삽입하는 포크촙 타입의 고정 방법을 들 수 있다.
이들 테논 타입의 고정 방법이나 포크촙 타입의 고정 방법에서는, 삽입부 또는 삽입 플랜지부를 삽입구에 기계적으로 삽입하여 고정해도 되고, 브레이징이나 용접에 의해 고정해도 된다. 이와 같이 하여 정익의 슈라우드부가 링 형상으로 조립된다.
또한, 익형부와 슈라우드부를 일체 구조로 하여 성형하는 경우나 가공하는 경우도 있다.
일반적으로 슈라우드부는, 링 형상으로 조립된 상태에서의 둘레 방향으로의 열팽창을 흡수하거나, 슈라우드부의 가공성이나 조립성을 향상시키거나, 슈라우드부 등의 메인터넌스성의 향상을 도모하기 위해서, 원주 방향에 복수로 분할되어 있다. 예를 들어, 슈라우드 부착 타입의 정익의 경우에는, 슈라우드부가 정익마다 분할되어 있다.
또한, 슈라우드부에는, 회전하는 로터축과의 사이에 래버린스 시일이나 허니콤 시일 등의 시일 구조가 형성되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
이 시일 구조는, 가공의 용이성이나 보수의 용이성을 고려하여, 익형부 또는 슈라우드부와 별개 구조로서 형성되고, 형성 후에 익형부 또는 슈라우드부와 조합하는 구성이어도 좋다.
슈라우드부와 시일 구조를 조합하는 구성으로는, 특허 문헌 1에 기재된 구조 이외에, 슈라우드부에 설치된 홈 구조에 시일 구조가 끼워 맞추어지는 구성을 예시할 수 있다.
한편, 정익은, 가스 터빈의 압축기 내부에서의 공기 또는 가스의 흐름장 내에서 정익의 고유 진동수와 일치하는 주파수 또는 회전수의 정수배의 주파수를 갖는 여진력이 더해지면, 정익의 익형부나 슈라우드부가 크게 흔들린다고(진동 응답한다고) 알려져 있다.
상술한 여진력으로는, 회전하는 동익의 후류 흐름(웨이크)에 의한 여진력이나 간섭 흐름(포텐셜)에 의한 여진력 등을 예시할 수 있다.
상술한 진동 응답에 의해 정익에 작용하는 응력이, 정익을 구성하는 재료의 피로 강도를 초과해서 커지면, 정익에 피로 균열이 발생할 우려가 있으며, 피로 균열에 의해 정익이 파손될 우려가 있다.
이 때문에, 익형부나 슈라우드부에 대해서는, 진동 응답이 발생하였어도 피로 균열을 일으키지 않는 체격 강도를 갖게 하는 설계가 행해지는 동시에, 정익의 고유 진동수를 정익에 작용하는 것으로 예상되는 여진 주파수로부터 어긋나게 하는, 바꾸어 말하면 이조(離調)시킬 필요가 있다.
한편, 최근 가스 터빈의 고출력화, 고성능화, 비용의 저감 등에 수반하여 프로파일부에 있어서의 날개 프로파일 폭(익현)의 확대나 날개 길이(스팬)의 확대 등, 프로파일부의 대형화가 진행되고 있다.
이와 같이 프로파일부가 대형화되면, 익형부에 작용하는 공기력 또는 가스력이 커지고, 익형부의 밑동부, 바꾸어 말하면, 익형부와 슈라우드부의 접속부에 가해지는 하중 또는 모멘트가 증가한다. 이 하중 또는 모멘트의 증가를 견디기 위해서 익형부의 밑동부에 형성되는 필릿 형상의 곡률 반경 R을 대경화하여 충분한 강도를 확보할 필요가 있다.
이에 반해, 공기역학의 관점에서, 익형부의 밑동부에 형성되는 필릿 형상의 곡률 반경 R을 소경화하고자 하는, 익형부의 밑동부의 충분한 강도 확보와는 반대의 요구도 있다.
프로파일부는, 회전 구동됨으로써 가스를 포함하는 공기 등을 압축하는 한편, 흐름장 내에서 공기(가스를 포함) 저항을 받는다. 따라서, 이 공기 저항을 감소시키기 위하여, 프로파일 형상의 최적화나, 프로파일부에 있어서의 전방 둘레의 직경이나, 후방 둘레의 직경의 소경화가 꾀해지는 동시에, 프로파일부에 있어서의 익형의 두께 자체의 박육화가 꾀해지고 있다.
그러나, 상술한 소경화나 박육화는, 정익의 강도, 특히 공진 응답에 대한 강도를 저하시키는 요인이 된다. 이 때문에, 프로파일부의 설계에 있어서는, 프로파일부의 강도를 확보하기 위하여 상술한 소경화나 박육화에 제약이 따르고 있다.
그 밖에도, 정익이 여진력과 공진을 일으켜서 파괴되는 것을 피하기 위하여, 복수의 정익이 조합된 정익 링 전체적인 고유 진동수를 여진원의 주파수로부터 어긋나게 하는, 즉 일치하지 않게 하는 이조 설계가 행해지고 있다.
그러나, 상술한 고유 진동수는, 프로파일부의 형상이나 슈라우드부의 형상 등에 의존하기 때문에, 고유 진동수와 여진원의 주파수의 이조를 우선시키면, 정익의 공력 특성을 희생시켜 정익의 설계를 해야만 하는 경우가 많다.
특허 문헌 1에는, 정익에 의한 상대 이동을 구속하기 위해서, 파형의 판 스프링에 의해 정익을 압박하는 기술이 제안되어 있다.
또한, 정익에서의 진동 응답을 저감하기 위해서, 스프링을 이용한 마찰력을 사용한 진동 감쇠(댐핑)에 의해, 정익에서의 진동 응답에 의한 진동을 감쇠하는 기술도 알려져 있다.
구체적으로는, 내주측에 배치된 슈라우드 링과 시일을 유지하는 시일 홀더와의 사이에 도넛 링 형상의 스프링을 삽입하여, 슈라우드 링에 스프링을 압접시킨 구조에 의해, 정익의 진동을 감쇠시키는 구조가 알려져 있다.
이렇게 함으로써, 프로파일부와 연접된 슈라우드부가 공진에 의해 진동 변형되면, 슈라우드부와 스프링이 미끄럼 이동하여, 슈라우드부와 스프링의 사이에 마찰력이 작용한다. 그러면, 슈라우드부와 스프링의 미끄럼 이동면에 있어서 진동에너지가 마찰에너지(열에너지)로 변환되어 정익의 진동이 감쇠된다.
특허 문헌 1:일본 특허 출원 공개 2002-276304호 공보
그러나, 정익 등의 날개 체격이 커지면, 진동에 의한 진동 에너지도 상대적으로 커지기 때문에, 정익의 진동을 감쇠시키는 기구에 있어서의 감쇠력도 크게 할 필요가 있다. 예를 들어, 상술한 스프링을 슈라우드 링에 압접시키는 구조의 경우에는, 마찰에 의한 충분한 감쇠력을 얻기 위해서 스프링력을 높게 할 필요가 있다.
이와 같은 상황에서, 시일 홀더 링과 슈라우드 링이 레일 형상의 끼움 결합 구조에 의해 조립되는 경우에는, 시일 홀더 링와 슈라우드 링의 조립이나 분해가 어려워진다는 문제가 있었다.
즉, 상술한 스프링에 의한 압력이 시일 홀더 링와 슈라우드 링에 작용하는 동시에, 스프링과 시일 홀더 링의 사이 또는 스프링과 슈라우드 링의 사이에 작용하는 마찰력이 작용하기 때문에, 시일 홀더 링와 슈라우드 링을 슬라이드시킬 때에 필요한 힘이 증대되어, 조립이나 분해가 어려워진다는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌 1에 기재된 구성에서는, 상술한 스프링의 교환을 고려한 구조로 되어 있지 않기 때문에, 장기간의 사용에 의한 마모로 스프링이 손상된 경우에, 상술한 바와 같이 스프링력을 향상시킨 스프링을 교환하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 여진력에 기인하는 진동을 감쇠시키는 동시에, 시일 홀더 링과 슈라우드 링의 조립이나 분해, 및 스프링 등의 탄성 부재의 교환을 용이하게 할 수 있는 터빈 날개 및 가스 터빈을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 제1의 형태에 관한 터빈 날개는, 익형부의 단부에 배치된 슈라우드부와, 상기 슈라우드부에 대하여 슬라이드 이동 가능한 동시에 착탈 가능하게 되고, 상기 슈라우드부와의 사이에 공간을 형성하는 단부 하우징과, 상기 공간에 배치되어 슈라우드부와 단부 하우징을 이격시키는 방향으로 압박하는 동시에, 상기 슈라우드부와 상대 이동 가능하게 배치된 탄성부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1의 형태에 관한 터빈 날개에 따르면, 익형부 및 슈라우드부가 진동해서 단부 하우징에 대하여 슬라이드 이동하면, 슈라우드부를 단부 하우징으로부터 이격하는 방향으로 압박하고 있었던 탄성부와 슈라우드부가 상대 이동, 즉, 탄성부와 슈라우드부가 미끄럼 이동한다. 그로 인해, 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지는, 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부 및 슈라우드부의 진동이 감쇠된다. 또한, 탄성부를 단부 하우징과 함께 슈라우드부로부터 슬라이드 이동시켜 착탈시킴으로써, 탄성부를 용이하게 교환할 수 있다.
제1의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 슈라우드부는, 복수의 상기 익형부의 각각에 독립적으로 배치되고, 복수의 상기 슈라우드부에 대하여, 하나의 상기 단부 하우징이 착탈 가능하게 되어 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 복수의 익형부의 각각에 슈라우드부를 독립적으로 배치하고 있기 때문에, 복수의 슈라우드부가 일체로 형성되고 있는 경우에 비해, 각각의 익형부 및 슈라우드부는 탄성부에 대하여 상대 이동하기 쉽다. 바꾸어 말하면, 슈라우드부와 탄성부의 사이의 미끄럼 이동 거리가 길어진다. 그로 인해, 보다 많은 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지가 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부 및 슈라우드부의 진동이 보다 감쇠되기 쉽다.
제1의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 탄성부는, 복수의 상기 슈라우드부가 배열되는 방향을 따라서 연장되는 동시에, 대략 파형으로 형성된 판 스프링이며, 상기 판 스프링의 정상부가 상기 슈라우드부 또는 상기 단부 하우징과 접촉되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이 구성에 따르면, 탄성부를 파 형상으로 형성된 판 스프링으로 함으로써, 다른 스프링을 사용한 경우에 비해 슈라우드부에 대하여 보다 큰 압박력을 부가할 수 있다.
또한, 판 스프링의 각 정상부를 각각 슈라우드부에 접촉시킴으로써, 하나의 판 스프링에 대하여 복수의 슈라우드부가 미끄럼 이동된다.
제1의 형태에 관한 터빈 날개에 있어서, 상기 탄성부와 상기 단부 하우징의 사이에 배치되고, 상기 슈라우드부에 접근 및 이격 가능하게 된 압박부가 더 설치되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이 구성에 따르면, 압박부를 슈라우드부에 접근시킴으로써 탄성부의 압축량이 조정되기 때문에, 탄성부가 슈라우드부를 압박하는 힘이 조정된다. 즉, 탄성부와 슈라우드부의 사이의 마찰력이 조정되기 때문에, 익형부 및 슈라우드부에 있어서의 진동의 감쇠량이 조정된다.
또한, 압박부를 슈라우드부에 접근시킴으로써, 탄성부에 의한 압박력은 슈라우드부 및 압박부에 의해 수용된다. 바꾸어 말하면, 단부 하우징에 탄성부의 압박력은 작용하지 않는다. 이 때문에, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
제1의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 복수의 슈라우드부 및 상기 하나의 단부 하우징에 의해 형성되는 상기 공간에, 하나의 상기 압박부가 배치되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이 구성에 따르면, 복수의 익형부 및 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 하나로 하고 있기 때문에, 복수의 익형부 및 슈라우드부의 각각에 대하여 단부 하우징을 배치하는 경우에 비해, 터빈 날개의 상류측과 하류측의 사이에 관한 시일성이 높아진다.
제1의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 탄성부는, 복수의 상기 슈라우드부가 배열되는 방향을 따라서 연장되는 동시에, 대략 파형으로 형성된 판 형상의 스프링이며, 상기 스프링의 정상부가 상기 슈라우드부 또는 상기 압박부와 접촉되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이 구성에 따르면, 탄성부를 파 형상으로 형성된 판 형상의 스프링으로 함으로써, 다른 스프링을 사용한 경우에 비해 슈라우드부에 대하여 보다 큰 압박력을 부가할 수 있다.
또한, 스프링의 각 정상부를 각각 슈라우드부에 접촉시킴으로써, 하나의 스프링에 대하여 복수의 슈라우드부가 미끄럼 이동된다.
제1의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 복수의 상기 스프링은 거의 병행하게 배열되어 배치되는 동시에, 하나의 상기 스프링의 정상부에 대하여 다른 상기 스프링의 정상부가 어긋나게 배치되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이 구성에 따르면, 하나의 스프링에 있어서의 정상부의 배치 간격이 슈라우드부의 배치 간격보다 넓은 경우에도, 모든 슈라우드부에 대하여 스프링을 접촉시킬 수 있다. 즉, 하나의 스프링의 정상부와 접촉하지 않는 슈라우드부에 대해서는, 다른 스프링의 정상부를 접촉시킴으로써, 모든 슈라우드부에 대하여 스프링을 접촉시킬 수 있다.
제1의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 압박부에는, 상기 압박부를 상기 슈라우드부에 접근시켜서 상기 탄성부를 압축하는 압축부가 설치되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이 구성에 따르면, 압축부에 의해 압박부를 슈라우드부에 접근시킬 수 있다. 그로 인해, 탄성부의 압축량이 조정되고, 탄성부가 슈라우드부를 압박하는 힘이 조정된다. 즉, 탄성부와 슈라우드부의 사이의 마찰력이 조정되기 때문에, 익형부 및 슈라우드부에 있어서의 진동의 감쇠량이 조정된다.
또한, 압박부를 슈라우드부에 접근시킴으로써, 탄성부에 의한 압박력은 슈라우드부 및 압박부에 의해 수용되어진다. 이 때문에, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 제2의 형태에 관한 터빈 날개는, 익형부의 단부에 배치된 슈라우드부와, 상기 슈라우드부에 대하여 슬라이드 이동이 가능한 동시에 착탈 가능하게 되고, 상기 슈라우드부와의 사이에 공간을 형성하는 단부 하우징과, 상기 공간에 배치되고, 상기 슈라우드부와 상기 단부 하우징을 이격시키는 방향으로 압박하는 탄성부와, 상기 탄성부와 상기 슈라우드부의 사이에 배치되고, 상기 슈라우드부에 접근 및 이격 가능하게 되는 동시에, 상기 슈라우드부와 상대 이동이 가능하게 배치된 마찰부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제2의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 따르면, 익형부 및 슈라우드부가 진동해서 단부 하우징에 대하여 슬라이드 이동하면, 탄성부에 의해 슈라우드부에 압박되어 있었던 마찰부와 슈라우드부가 상대 이동, 즉, 마찰부와 슈라우드부가 미끄럼 이동한다. 그로 인해, 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지는, 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어 익형부 및 슈라우드부의 진동이 감쇠된다.
한편, 마찰부를 단부 하우징에 접근시킴으로써, 탄성부에 의한 압박력은 마찰부 및 단부 하우징에 의해 수용되어진다. 바꾸어 말하면, 슈라우드부에 탄성부의 압박력은 작용하지 않는다. 이 때문에, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
제2의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 슈라우드부는, 복수의 상기 익형부의 각각에 독립적으로 배치되고, 복수의 상기 슈라우드부에 대하여 하나의 상기 단부 하우징이 착탈 가능하게 되고, 상기 복수의 슈라우드부 및 상기 하나의 단부 하우징에 의해 형성되는 상기 공간에, 하나의 상기 슈라우드부에 대하여 하나의 상기 마찰부가 배치되어 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 복수의 익형부의 각각에 슈라우드부를 독립적으로 배치하고 있기 때문에, 복수의 슈라우드부가 일체로 형성되어 있는 경우에 비해, 각각의 익형부 및 슈라우드부는 마찰부에 대하여 상대 이동하기 쉽다. 바꾸어 말하면, 슈라우드부와 마찰부의 사이의 미끄럼 이동 거리가 길어진다.
이 때문에, 보다 많은 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지가 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부 및 슈라우드부의 진동이 보다 감쇠되기 쉽다.
한편, 복수의 익형부 및 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 하나로 하고 있기 때문에, 복수의 익형부 및 슈라우드부의 각각에 대하여 단부 하우징을 배치하는 경우에 비해, 터빈 날개의 상류측과 하류측의 사이에 관한 시일성이 높아진다.
제2의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 탄성부는, 복수의 상기 슈라우드부가 배열되는 방향을 따라서 연장되는 동시에, 대략 파형으로 형성된 판 형상의 스프링이며, 상기 스프링의 정상부가 상기 마찰부 또는 상기 압박부와 접촉되어 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 탄성부를 파 형상으로 형성된 스프링으로 함으로써, 다른 스프링을 사용한 경우에 비해 슈라우드부에 대하여 보다 큰 압박력을 부가할 수 있다.
한편, 스프링의 각 정상부를 각각 슈라우드부에 접촉시킴으로써, 하나의 스프링에 의해 복수의 마찰부가 슈라우드부에 압박되어진다.
제2의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 마찰부에는, 상기 마찰부로부터 상기 단부 하우징을 향해서 연장되고, 상기 단부 하우징을 관통해서 돌출되는 동시에, 상기 마찰부를 상기 단부 하우징에 접근시켜 상기 탄성부를 압축하는 압축부가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 압축부가 마찰부로부터 단부 하우징을 관통해서 돌출되어 있기 때문에, 압축부 및 마찰부는, 단부 하우징에 대하여 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능한 동시에, 당해 접근 및 이격되는 방향에 대하여 교차하는 방향으로의 이동은 구속된다. 그로 인해, 슈라우드부와 마찰부의 사이에서 확실하게 미끄럼 이동시킬 수 있다.
제2의 형태에 관한 상술한 터빈 날개에 있어서, 상기 마찰부에 있어서의 상기 슈라우드부와 접촉하는 면에는, 상기 단부 하우징이 슬라이드 이동하는 방향에 대하여 교차하는 방향으로 연장되는 릴리프 홈이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 릴리프 홈을 설치함으로써, 마찰부에 있어서의 슈라우드부와 접촉하는 면은 릴리프 홈을 사이에 두고 2개로 나뉘며, 각각의 면이 슈라우드부와 접촉한다. 그로 인해, 슈라우드부와 마찰부가 미끄럼 이동하여도, 상술한 2개의 면에 있어서 슈라우드부와 마찰부가 안정적으로 접촉하여, 편측 접촉 등의 문제 발생이 방지된다.
본 발명에 관한 가스 터빈은, 상술한 것 중 어느 하나의 터빈 날개가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 가스 터빈에 따르면, 본 실시 형태의 터빈 날개가 설치되어 있기 때문에, 터빈 날개의 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지는 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부 및 슈라우드부의 진동이 감쇠된다.
상기 제1의 형태에 관한 터빈 날개가 설치된 가스 터빈에 있어서는, 압박부를 슈라우드부에 접근시킴으로써, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
상기 제2의 형태에 관한 터빈 날개가 설치된 가스 터빈에 있어서는, 마찰부를 단부 하우징에 접근시킴으로써, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 제1의 형태에 관한 터빈 날개 및 가스 터빈에 따르면, 슈라우드부를 단부 하우징으로부터 이격하는 방향으로 압박하고 있었던 탄성부와 슈라우드부가 상대 이동, 즉, 탄성부와 슈라우드부가 미끄럼 이동하기 때문에, 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지는, 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환된다. 그 결과, 익형부 및 슈라우드부의 진동을 감쇠시킬 수 있는 효과를 발휘한다.
또한, 압박부를 슈라우드부에 접근시킴으로써, 탄성부에 의한 압박력은 슈라우드부 및 압박부에 의해 수용되어지기 때문에, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 조립이나 분해를 용이하게 할 수 있는 효과를 발휘한다.
또한, 탄성부를 단부 하우징과 함께 슈라우드부로부터 슬라이드 이동시켜 착탈시킴으로써, 탄성부를 용이하게 교환할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명의 제2의 형태에 관한 터빈 날개 및 가스 터빈에 따르면, 마찰부와 슈라우드부가 미끄럼 이동하기 때문에, 익형부 및 슈라우드부의 진동에 관한 에너지는 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부 및 슈라우드부의 진동을 감쇠할 수 있는 효과를 발휘한다.
또한, 마찰부를 단부 하우징에 접근시킴으로써, 탄성부에 의한 압박력은 마찰부 및 단부 하우징에 의해 수용되어지기 때문에, 슈라우드부에 대하여 단부 하우징을 슬라이드 이동시키는 경우나 단부 하우징을 착탈시키는 경우에, 슈라우드부와 단부 하우징의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태 또는 제3 실시 형태에 관한 가스 터빈의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 터빈의 압축부에 있어서의 로터 디스크 및 정익의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 3은, 도 2의 정익에 있어서의 시일 홀더 근방의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 4는, 도 3의 스프링의 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
도 5는, 도 3의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치시 또는 제거시의 상태를 설명하는 모식도이다.
도 6은, 도 3의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치 후의 상태를 설명하는 모식도이다.
도 7은, 도 3의 스프링의 또 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
도 8은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 터빈의 압축부에 있어서의 로터 디스크 및 정익의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 9는, 도 8의 정익에 있어서의 시일 홀더 근방의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 10은, 도 9의 스프링의 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
도 11은, 도 9의 댐핑 플레이트의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 12는, 도 9의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치시 또는 제거시의 상태를 설명하는 모식도이다.
도 13은, 도 9의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치 후의 상태를 설명하는 모식도이다.
도 14는, 도 9의 스프링의 또 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
도 15는, 도 9의 시일 홀더의 다른 구성을 설명하는 모식도이다.
도 16은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 가스 터빈의 압축부에 있어서의 로터 디스크 및 정익의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 17은, 도 16의 정익에 있어서의 시일 홀더 근방의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 18은, 도 17의 스프링의 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
도 19는, 도 17의 스프링의 또 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
도 1은, 하기에 서술하는 제1 실시 형태 또는 제3 실시 형태에 관한 가스 터빈의 구성을 설명하는 모식도이다.
가스 터빈(1)에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 압축부(2), 연소부(3), 터빈부(4), 회전축(5)가 설치되어 있다.
압축부(2)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 공기를 흡입해서 압축하고, 압축된 공기를 연소부(3)에 공급하는 것이다. 압축부(2)에는, 회전축(5)을 통해 터빈부(4)로부터 회전 구동력이 전달되고, 회전 구동됨으로써 압축부(2)는 공기를 흡입해서 압축한다.
또한, 압축부(2)로는, 공지의 구성을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다.
연소부(3)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 외부로부터 공급된 연료와 공급된 압축 공기를 혼합하고, 혼합기체를 연소시켜서 고온 가스를 생성하고, 생성된 고온 가스를 터빈부(4)에 공급하는 것이다.
또한, 연소부(3)로는, 공지의 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다.
터빈부(4)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 공급된 고온 가스로부터 회전 구동력을 추출하여, 회전축(5)을 회전 구동하는 것이다.
또한, 터빈부(4)로는, 공지의 구성을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다.
<제1 실시 형태>
본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 터빈에 대해서, 도 1~도 7을 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 본원 발명의 터빈 날개를 가스 터빈(1)의 압축부(2)에 있어서의 6단 정익~9단 정익에 적용해서 설명한다.
도 2는, 본 실시 형태에 관한 가스 터빈의 압축부에 있어서의 로터 디스크 및 정익의 구성을 설명하는 모식도이다.
압축부(2)에는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 가스 터빈(1)의 케이싱(6)에 설치되는 정익(터빈 날개)(10)과, 회전축(5)에 의해 회전 구동되는 원판 형상의 로터 디스크(도시하지 않음)의 원주면에 배치되는 동익이 설치되어 있다.
정익(10)과 동익은, 회전축(5)에 있어서의 둘레 방향에 등간격으로 배열되어 배치되어 있는 동시에, 회전축(5)의 축선 방향에 교대로 배열되어 배치되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 특징인 정익(10)에 대해서 설명한다.
도 3은, 도 2의 정익에 있어서의 시일 홀더 근방의 구성을 설명하는 단면도이다.
정익(10)은, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 외측 슈라우드부(11), 익형부(12), 내측 슈라우드부(슈라우드부)(13), 시일 홀더(단부 하우징)(14), 스프링(탄성부)(15), 스페이서(압박부)(16), 허니콤 시일(17)이 설치되어 있다.
외측 슈라우드부(11)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 압축부(2)에 있어서의 유체가 흐르는 유로의 벽면의 일부를 구성하는 부재이다. 또한, 외측 슈라우드부(11)는, 익형부(12)에 있어서의 직경 방향 외측의 단부에 배치된 만곡한 판 형상의 부재이며, 복수의 익형부(12)에 대하여 하나의 외측 슈라우드부(11)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 외측 슈라우드부(11)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것이며, 그 내주면에 복수의 익형부(12)가 접속된 것이다.
외측 슈라우드부(11)의 형상이나 익형부(12)와의 접속 방법으로는, 공지의 형상이나 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다.
익형부(12)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 회전축(5)의 직경 방향으로 연장되는 단면이 날개 형상으로 형성된 부재로서, 회전축(5)에 의해 회전 구동되는 동익과 함께 공기 등의 유체를 압축하여 연소부(3)를 향해 보내주는 것이다.
익형부(12)에는, 주위의 유체의 흐름에 있어서의 상류 측단부인 전방 둘레(LE)와, 하류 측단부인 후방 둘레(TE), 볼록 형상으로 만곡한 면인 부압면, 오목 형상으로 만곡한 면인 정압면이 설치되어 있다.
내측 슈라우드부(13)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 외측 슈라우드부(11)와 마찬가지로, 압축부(2)의 내부에 있어서의 유체가 흐르는 유로의 일부를 구성하는 것이다. 또한, 내측 슈라우드부(13)는, 익형부(12)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부에 배치된 만곡한 판 형상의 부재이며, 하나의 익형부(12)에 대하여 하나의 내측 슈라우드부(13)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(13)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것으로, 그 외주면에 익형부(12)가 접속된 것이다.
내측 슈라우드부(13)에 있어서의 전방 둘레(LE) 및 후방 둘레(TE)측의 단부에는, 둘레 방향(도 3의 종이면에 대하여 수직 방향)으로 연장되어, 시일 홀더(14)와 끼움 결합되는 끼움 결합홈(13A)이 형성되어 있다.
시일 홀더(14)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 내측 슈라우드부(13)의 내주측(도 3의 하측)에 설치되어, 내측 슈라우드부(13)와 함께 스프링(15) 및 스페이서(16)를 내부에 수납하는 공간을 형성하는 동시에, 허니콤 시일(17)을 지지하는 부재이다.
시일 홀더(14)는, 외측 슈라우드부(11)와 마찬가지로, 복수의 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)에 대하여 하나의 시일 홀더(14)가 배치되어 있다.
시일 홀더(14)에는, 전방 둘레(LE)측 및 후방 둘레(TE)측에 있어서 직경 방향을 따라 연장하는 한 쌍의 측벽부(14S)와, 한 쌍의 측벽부(14S)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부를 연결하는 저판부(14B)가 설치되어 있다.
바꾸어 말하면, 시일 홀더(14)에는, 둘레 방향 외측(도 3의 상측)을 향해 개방된 홈부가 형성되어 있다.
측벽부(14S)에 있어서의 직경 방향 외측의 단부에는, 시일 홀더(14)의 내측을 향해 돌출되는 동시에 둘레 방향으로 연장되어, 내측 슈라우드부(13)의 끼움 결합홈(13A)과 끼움 결합되는 돌출부(14A)가 형성되어 있다.
저판부(14B)에는, 스페이서(16)와 함께 스프링(15)을 압박하는 압축 볼트(압축부)(18)가 삽입 관통되는 관통 구멍(14H)이 형성되어 있다. 관통 구멍(14H)은, 저판부(14B)에 있어서의 한 쌍의 측벽부(14S)의 각각으로부터 동일하게 이격된 위치에 형성되며, 둘레 방향(도 3의 종이면에 대하여 수직 방향)으로 소정의 간격을 두고 복수 형성되어 있다.
스프링(15)은, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 내측 슈라우드부(13)와, 스페이서(16) 및 시일 홀더(14)를 이격하는 방향으로 압박하는 탄성 부재이다. 또한, 스프링(15)은, 내측 슈라우드부(13)와 미끄럼 이동함으로써, 정익(10) 즉 익형부(12)나 내측 슈라우드부(13)의 진동을 감쇠시키는 것이다.
이와 같이 스프링(15)에 의해 내측 슈라우드부(13)와 시일 홀더(14)를 이격시키는 방향으로 압박함으로써, 끼움 결합홈(13A)과 돌출부(14A)가 눌려져 밀착되어, 내측 슈라우드부(13)와 시일 홀더(14)의 사이의 시일성을 확보할 수 있다.
스프링(15)은, 대략 직사각형으로 형성한 판 스프링을 거의 파형으로 형성한 것이며, 스프링(15)의 스프링력은, 판 스프링의 판 두께를 조절함으로써 조절되어 있다. 스프링(15)을 구성하는 재료로는, 가스 터빈(1)의 운전시, 즉, 스프링(15)이 고온으로 되어도 필요한 스프링 특성을 유지할 수 있는 재료가 바람직하다.
스프링(15)은, 내측 슈라우드부(13)와 시일 홀더(14)에 의해 형성된 공간, 보다 구체적으로는, 내측 슈라우드부(13)와 스페이서(16)의 사이에 배치되어 있다. 또한, 전방 둘레(LE)측에 하나, 후방 둘레(TE)측에 하나, 총 2개의 스프링(15)이 평행하게 늘어서 배치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 상기 2개의 스프링(15)이 동일한 위상으로 배치되어 있는 예, 바꾸어 말하면, 2개의 스프링(15)의 정상부가 동일한 위치에서 내측 슈라우드부(13)나 스페이서(16)와 접촉하는 예에 적용하여 설명한다.
도 4는, 스프링의 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
또한, 2개의 스프링(15)을 상술한 바와 같이 동일한 위상으로 배치해도 좋고, 도 4에 도시하는 바와 같이 다른 위상으로 배치해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 4에 도시하는 스프링(15)의 배치에서는, 하나의 스프링(15)의 정상부가 내측 슈라우드부(13)에 접촉하고 있는 장소에서, 다른 스프링(15)의 정상부는 스페이서(16)와 접촉하고 있다.
이와 같이 함으로써, 하나의 스프링(15)에 있어서의 정상부의 배치 간격이 내측 슈라우드부(13)의 배치 간격보다 넓은 경우에도, 모든 내측 슈라우드부(13)에 대하여 스프링(15)을 접촉시킬 수 있다. 즉, 하나의 스프링(15)의 정상부와 접촉하지 않는 내측 슈라우드부(13)에 대해서는, 다른 스프링(15)의 정상부를 접촉시킴으로써, 모든 내측 슈라우드부(13)에 대하여 스프링(15)을 접촉시킬 수 있다.
스프링(15)의 형상은, 파형의 진폭(직경 방향에 관한 정상부에서 정상부까지의 거리)이, 내측 슈라우드부(13)의 내주면에서 스페이서(16)의 외주면까지의 거리보다 길고, 또한, 각 내측 슈라우드부(13)의 내주면에 대하여 스프링(15)의 정상부가 접촉하도록 결정되어 있다.
보다 구체적으로는, 스프링(15)의 파형에 있어서의 진폭은, 정익(10)의 진동을 감쇠시키는 마찰력, 즉 스프링력을 발생시키기 위해서 필요한 스프링(15)의 압축량에 기초하여 결정되어 있다. 스프링(15)의 파형에 있어서의 파장(둘레 방향에 관한 정상부에서 정상부까지의 거리)은, 내측 슈라우드부(13)의 배치 간격, 즉 피치에 기초하여 결정되어 있다.
스페이서(16)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 압축 볼트(18)와 함께 스프링(15)을 내측 슈라우드부(13)를 향해 압박하는 것으로, 시일 홀더(14)의 저판부(14B)와 스프링(15)의 사이에 배치되는 것이다.
스페이서(16)는, 시일 홀더(14)와 마찬가지로, 복수의 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)에 대하여 하나의 스페이서(16)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 스페이서(16)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것으로, 그 내주면에 있어서 스프링(15)과 접촉하는 것이다.
스페이서(16)에는, 압축 볼트(18)가 삽입 관통되는 삽입 관통 구멍(16H)이 형성되어 있다.
허니콤 시일(17)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 로터(21)에 설치된 시일 핀(22)과 함께, 정익(10)과 로터(21)의 사이를 흐르는 유체의 누설을 억제하는 것이다.
허니콤 시일(17)로는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다.
다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 정익(10)의 조립 방법에 대해서 설명한다.
도 5는, 도 3의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치시 또는 제거시의 상태를 설명하는 모식도이다.
우선, 내측 슈라우드부(13)에 있어서의 내주면측에 스프링(15) 및 스페이서(16)를 배치하고, 압축 볼트(18)를 스페이서(16)의 삽입 관통 구멍(16H)을 통해 내측 슈라우드부(13)에 나사 결합시킨다. 그리고, 압축 볼트(18)를 또한 내측 슈라우드부(13)에 틀어넣음으로써, 스페이서(16)를 내측 슈라우드부(13)에 접근시켜 스프링(15)을 압축한다.
이때, 내측 슈라우드부(13)의 내주면에서 스페이서(16)의 외주면까지의 거리를, 내측 슈라우드부(13)의 내주면에서 시일 홀더(14)의 저판부(14B)의 외주면까지의 거리보다 짧게 한다.
그 후, 시일 홀더(14)를 내측 슈라우드부(13)에 끼움 결합시킨다. 구체적으로는, 내측 슈라우드부(13)에 있어서의 끼움 결합홈(13A)에 시일 홀더(14)의 돌출부(14A)가 끼움 결합된다. 이때, 시일 홀더(14)는 내측 슈라우드부(13)에 대하여 둘레 방향으로 슬라이드 이동하면서 끼움 결합된다.
도 6은, 도 3의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치 후의 상태를 설명하는 모식도이다.
그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, 시일 홀더(14)의 관통 구멍(14H)을 통해, 압축 볼트(18)를 내측 슈라우드부(13)로부터 제거하여 시일 홀더(14)의 설치가 완료된다.
시일 홀더(14)의 제거는, 상술한 공정을 역순으로 행함으로써 행해진다.
또한, 압축 볼트(18)는, 상술한 바와 같이, 정익(10)으로부터 완전하게 제거해도 좋고, 스프링(15)에 소정의 압축량을 부여한 상태로 정익(10)에 남겨져도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 정익(10)에 있어서의 진동의 감쇠 방법에 대해서 설명한다.
가스 터빈(1)이 운전되면, 압축부(2)를 흐르는 유체 등의 영향에 의해 정익(10)에 진동이 발생한다. 구체적으로는, 정익(10)의 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)가 둘레 방향으로 흔들리는 진동이 발생한다.
상술한 바와 같이 내측 슈라우드부(13)가 진동하면, 내측 슈라우드부(13)에 압박되어진 스프링(15)의 정상부와 내측 슈라우드부(13)의 내주면의 사이에서 미끄럼 이동이 발생한다. 내측 슈라우드부(13)와 스프링(15)의 사이에는, 스프링(15)에 의한 압박력과, 내측 슈라우드부(13)와 스프링(15)의 사이의 마찰 계수에 따른 마찰력이 작용한다.
상술한 미끄럼 이동에 의해 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)의 진동에너지는 열에너지 등의 마찰에너지로 변환되어, 정익(10)에 있어서의 진동이 감쇠된다.
상기의 구성에 따르면, 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)가 진동해서 시일 홀더(14)에 대하여 슬라이드 이동하면, 내측 슈라우드부(13)를 시일 홀더(14)로부터 이격하는 방향으로 압박하고 있었던 스프링(15)과 내측 슈라우드부(13)가 상대 이동, 즉, 스프링(15)과 내측 슈라우드부(13)가 미끄럼 이동한다. 그로 인해, 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)의 진동에 관한 에너지는, 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)의 진동을 감쇠시킬 수 있다.
또한, 스페이서(16)를 내측 슈라우드부(13)에 접근시킴으로써, 스프링(15)의 압축량이 조정되기 때문에, 스프링(15)이 내측 슈라우드부(13)를 압박하는 힘이 조정된다. 즉, 스프링(15)과 내측 슈라우드부(13)의 사이의 마찰력이 조정되기 때문에, 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)에 있어서의 진동의 감쇠량을 조정할 수 있다.
한편, 스프링(15)을 시일 홀더(14)와 함께 내측 슈라우드부(13)로부터 슬라이드 이동시켜 착탈시킴으로써, 스프링(15)을 용이하게 교환할 수 있다. 이 때문에, 스프링(15)이 장기간의 사용에 의한 마모로 손상되어도, 간단하게 스프링(15)을 교환할 수 있다.
또한, 스프링(15)은, 시일 홀더(14) 및 내측 슈라우드부(13)에 의해 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있기 때문에, 가령 스프링(15)이 파손되어도 당해 공간으로부터 튀어 나와 익형부(12)에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 스페이서(16)을 내측 슈라우드부(13)에 접근시킴으로써, 스프링(15)에 의한 압박력은 내측 슈라우드부(13) 및 스페이서(16)에 의해 수용되어진다. 바꾸어 말하면, 시일 홀더(14)에 스프링(15)의 압박력이 작용하지 않는다. 이 때문에, 내측 슈라우드부(13)에 대하여 시일 홀더(14)를 슬라이드 이동시키는 경우나 시일 홀더(14)를 착탈시키는 경우에, 내측 슈라우드부(13)와 시일 홀더(14)의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
복수의 익형부(12)의 각각에 내측 슈라우드부(13)를 독립적으로 배치하고 있기 때문에, 복수의 내측 슈라우드부(13)가 일체로 형성되어 있는 경우에 비해, 각각의 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)는 스프링(15)에 대하여 상대 이동하기 쉽다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(13)와 스프링(15)의 사이의 미끄럼 이동 거리가 길어진다.
그로 인해, 보다 많은 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)의 진동에 관한 에너지가 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)의 진동이 보다 감쇠되기 쉽다.
한편, 복수의 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)에 대하여 시일 홀더(14)를 하나로 하고 있기 때문에, 복수의 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)의 각각에 대하여 시일 홀더(14)를 배치하는 경우에 비해, 정익(10)의 상류측과 하류측의 사이에 관한 시일성을 높게 할 수 있다.
스프링(15)을 파 형상으로 형성된 판 형상의 스프링으로 함으로써, 다른 스프링을 사용한 경우에 비해, 내측 슈라우드부(13)에 대하여 보다 큰 압박력을 부가할 수 있다.
한편, 스프링(15)의 각 정상부를 각각 내측 슈라우드부(13)에 접촉시킴으로써, 하나의 스프링(15)에 대하여 복수의 내측 슈라우드부(13)를 미끄럼 이동시킬 수 있다.
압축 볼트(18)에 의해 스페이서(16)를 내측 슈라우드부(13)에 접근시킬 수 있다. 그로 인해, 스프링(15)의 압축량이 조정되어, 스프링(15)이 내측 슈라우드부(13)를 압박하는 힘이 조정된다. 즉, 스프링(15)과 내측 슈라우드부(13)의 사이의 마찰력이 조정되기 때문에, 익형부(12) 및 내측 슈라우드부(13)에 있어서의 진동의 감쇠량을 조정할 수 있다.
한편, 스페이서(16)를 내측 슈라우드부(13)에 접근시킴으로써, 스프링(15)에 의한 압박력은 내측 슈라우드부(13) 및 스페이서(16)에 의해 수용되어진다. 그로 인해, 내측 슈라우드부(13)에 대하여 시일 홀더(14)를 슬라이드 이동시키는 경우나 시일 홀더(14)를 착탈시키는 경우에, 내측 슈라우드부(13)와 시일 홀더(14)의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
도 7은, 도 3의 스프링의 또 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
또한, 상술한 실시 형태와 같이, 2개의 스프링(15)을 내측 슈라우드부(13)와 스페이서(16)의 사이에 배치해도 좋고, 도 7에 도시한 바와 같이, 4개의 스프링(15)을 내측 슈라우드부(13)와 스페이서(16)의 사이에 배치해도 좋으며, 스프링(15)의 수를 특별히 한정하는 것은 아니다.
또한, 상술한 실시 형태와 같이, 압축 볼트(18)를 내측 슈라우드부(13)에 나사 결합시켜, 스페이서(16)를 내측 슈라우드부(13)를 향해 압박해도 좋고, 압박 스프링(15)을 시일 홀더(14)에 나사 결합시켜, 압박 스프링(15)의 선단을 스페이서(16)에 눌러댐으로써 스페이서(16)를 내측 슈라우드부(13)를 향해 압박해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
상술한 실시 형태와 같이, 스페이서(16)를 시일 홀더(14)와 내측 슈라우드부(13)의 사이에 남긴 상태로 가스 터빈(1)의 운전을 행해도 좋고, 스페이서(16)를 시일 홀더(14)와 내측 슈라우드부(13)의 사이로부터 제거하여 가스 터빈(1)의 운전을 행해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
상술한 실시 형태와 같이, 압축 볼트(18)에 의해 스프링(15)의 압축량을 조정하여, 스프링(15)에 의한 스프링력을 조정해도 좋고, 스페이서(16)의 판 두께만을 조정함으로써, 압축 볼트(18)을 제거한 상태에서도 스프링(15)에 의한 스프링력을 조정해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
<제2 실시 형태>
본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 터빈에 대해서, 도 1 및 도 8~도 15를 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 본원 발명의 터빈 날개를 가스 터빈(1)의 압축부(2)에 있어서의 1단 정익~4단 정익에 적용해서 설명한다.
도 8은, 본 실시 형태에 관한 가스 터빈의 압축부에 있어서의 로터 디스크 및 정익의 구성을 설명하는 모식도이다.
압축부(2)에는, 도 1 및 도 8에 도시한 바와 같이, 가스 터빈(1)의 케이싱(6)에 설치되는 정익(터빈 날개)(110)과, 회전축(5)에 의해 회전 구동되는 원판 형상의 로터 디스크(도시하지 않음)의 원주면에 배치되는 동익이 설치되어 있다.
정익(110)과 동익은, 회전축(5)에 있어서의 둘레 방향에 등간격으로 배열되어 배치되어 있는 동시에, 회전축(5)의 축선 방향에 교대로 배열되어 배치되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 특징인 정익(110)에 대해서 설명한다.
도 9는, 도 8의 정익에 있어서의 시일 홀더 근방의 구성을 설명하는 단면도이다.
정익(110)은, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 외측 슈라우드부(111)와, 익형부(112), 내측 슈라우드부(슈라우드부)(113), 시일 홀더(단부 하우징)(114), 스프링(탄성부)(115), 댐핑 플레이트(마찰부)(116), 허니콤 시일(117)이 설치되어 있다.
외측 슈라우드부(111)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 압축부(2)에 있어서의 유체가 흐르는 유로의 벽면의 일부를 구성하는 부재이다. 또한, 외측 슈라우드부(111)는, 익형부(112)에 있어서의 직경 방향 외측의 단부에 배치된 만곡한 판 형상의 부재이며, 복수의 익형부(112)에 대하여 하나의 외측 슈라우드부(111)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 외측 슈라우드부(111)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것으로, 그 내주면에 복수의 익형부(112)가 접속된 것이다.
외측 슈라우드부(111)의 형상이나 익형부(112)와의 접속 방법으로는 공지의 형상이나 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
익형부(112)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 회전축(5)의 직경 방향으로 연장되는 단면이 날개 형상으로 형성된 부재로서, 회전축(5)에 의해 회전 구동되는 동익과 함께 공기 등의 유체를 압축하여 연소부(3)를 향해 보내주는 것이다.
익형부(112)에는, 주위의 유체의 흐름에 있어서의 상류 측단부인 전방 둘레(LE)와, 하류 측단부인 후방 둘레(TE), 볼록 형상으로 만곡한 면인 부압면, 오목 형상으로 만곡한 면인 정압면이 형성되어 있다.
내측 슈라우드부(113)는, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 외측 슈라우드부(111)와 마찬가지로, 압축부(2)의 내부에 있어서의 유체가 흐르는 유로의 일부를 구성하는 것이다. 또한, 내측 슈라우드부(113)는, 익형부(112)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부에 배치된 만곡한 판 형상의 부재이며, 하나의 익형부(112)에 대하여 하나의 내측 슈라우드부(113)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(113)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것으로, 그 외주면에 익형부(112)가 접속된 것이다.
내측 슈라우드부(113)에 있어서의 전방 둘레(LE) 및 후방 둘레(TE)측의 단부에는, 둘레 방향(도 9의 종이면에 대하여 수직 방향)으로 연장되어 시일 홀더(114)와 끼움 결합되는 끼움 결합홈(113A)이 형성되어 있다.
시일 홀더(114)는, 도 9에 도시한 바와 같이, 내측 슈라우드부(113)의 내주측(도 9의 하측)에 설치되어, 내측 슈라우드부(113)와 함께 스프링(115) 및 댐핑 플레이트(116)를 내부에 수납하는 공간을 형성하는 동시에, 허니콤 시일(117)을 지지하는 부재이다.
시일 홀더(114)는, 외측 슈라우드부(111)와 마찬가지로, 복수의 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)에 대하여 하나의 시일 홀더(114)가 배치되어 있다.
시일 홀더(114)에는, 전방 둘레(LE)측 및 후방 둘레(TE)측에 있어서 직경 방향을 따라 연장되는 한 쌍의 측벽부(114S)와, 한 쌍의 측벽부(114S)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부를 연결하는 저판부(114B)가 설치되어 있다.
바꾸어 말하면, 시일 홀더(114)에는, 둘레 방향 외측(도 9의 상측)을 향해 개방된 홈부가 형성되어 있다.
측벽부(114S)에 있어서의 직경 방향 외측의 단부에는, 시일 홀더(114)의 내측을 향해 돌출되는 동시에 둘레 방향으로 연장되어, 내측 슈라우드부(113)의 끼움 결합홈(113A)과 끼움 결합되는 돌출부(114A)가 형성되어 있다.
저판부(114B)에는, 댐핑 플레이트(116)와 함께 스프링(115)을 압박하는 압축 볼트(압축부)(118)가 삽입 관통되는 관통 구멍(114H)이 설치되어 있다. 관통 구멍(114H)은, 저판부(114B)에 있어서의 한 쌍의 측벽부(114S)의 각각으로부터 동일하게 이격된 위치에 설치되고, 둘레 방향(도 9의 종이면에 대하여 수직 방향)에 소정의 간격을 두고 복수 설치되어 있다.
스프링(115)은, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 내측 슈라우드부(113) 및 댐핑 플레이트(116)와 시일 홀더(114)를 이격하는 방향으로 압박하는 탄성 부재이다. 또한, 스프링(115)은, 댐핑 플레이트(116)와 함께 정익(110) 즉 익형부(112)나 내측 슈라우드부(113)의 진동을 감쇠시키는 것이다.
이와 같이 스프링(115)에 의해 내측 슈라우드부(113)와 시일 홀더(114)를 이격시키는 방향으로 압박함으로써, 끼움 결합홈(113A)과 돌출부(114A)가 눌려져 밀착되어, 내측 슈라우드부(113)와 시일 홀더(114)의 사이의 시일성을 확보할 수 있다.
스프링(115)은, 대략 직사각형으로 형성한 판 스프링을 거의 파형으로 형성한 것이며, 스프링(115)의 스프링력은, 판 스프링의 판 두께를 조절함으로써 조절되어 있다. 스프링(115)을 구성하는 재료로는, 가스 터빈(1)의 운전시, 즉, 스프링(115)이 고온으로 되어도 필요한 스프링 특성을 유지할 수 있는 재료가 바람직하다.
스프링(115)은, 내측 슈라우드부(113)와 시일 홀더(114)에 의해 형성된 공간, 보다 구체적으로는, 댐핑 플레이트(116)와 시일 홀더(114)의 사이에 배치되어 있다. 또한, 전방 둘레(LE)측에 하나, 후방 둘레(TE)측에 하나, 총 2개의 스프링(115)이 평행하게 배열되어 배치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 상기 2개의 스프링(115)이 동일한 위상으로 배치되어 있는 예, 바꾸어 말하면, 2개의 스프링(115)의 정상부가 동일한 위치에서 댐핑 플레이트(16)나 시일 홀더(114)와 접촉하는 예에 적용해서 설명한다.
도 10은, 도 9의 스프링의 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
또한, 2개의 스프링(115)을 상술한 바와 같이 동일한 위상으로 배치해도 좋고, 도 10에 도시하는 바와 같이 다른 위상으로 배치해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 10에 도시하는 스프링(115)의 배치에서는, 하나의 스프링(115)의 정상부가 댐핑 플레이트(116)에 접촉하고 있는 장소에서, 다른 스프링(115)의 정상부는 시일 홀더(114)와 접촉하고 있다.
이와 같이 함으로써, 하나의 스프링(115)에 있어서의 정상부의 배치 간격이, 내측 슈라우드부(113) 및 댐핑 플레이트(116)의 배치 간격보다 넓은 경우에도, 모든 댐핑 플레이트(116)에 대하여 스프링(115)을 접촉시킬 수 있다. 즉, 하나의 스프링(115)의 정상부와 접촉하지 않는 댐핑 플레이트(116)에 대해서는, 다른 스프링(115)의 정상부를 접촉시킴으로써, 모든 댐핑 플레이트(116)에 대하여 스프링(115)을 접촉시킬 수 있다.
스프링(115)의 형상은, 파형의 진폭(직경 방향에 관한 정상부에서 정상부까지의 거리)이, 댐핑 플레이트(116)의 외주면에서 시일 홀더(114)의 내주면까지의 거리보다 길며, 또한, 각 댐핑 플레이트(116)의 내주면에 대하여 스프링(115)의 정상부가 접촉하도록 결정되어 있다.
보다 구체적으로는, 스프링(115)의 파형에 있어서의 진폭은, 정익(110)의 진동을 감쇠시키는 마찰력, 즉 스프링력을 발생시키기 위해서 필요한 스프링(115)의 압축량에 기초하여 결정되어 있다. 스프링(115)의 파형에 있어서의 파장(둘레 방향에 관한 정상부에서 정상부까지의 거리)은, 내측 슈라우드부(113) 및 댐핑 플레이트(116)의 배치 간격, 즉 피치에 기초하여 결정되어 있다.
댐핑 플레이트(116)는, 도 9에 도시한 바와 같이, 스프링(15)에 의해 내측 슈라우드부(113)의 내주면에 압박되어지는 것으로, 내측 슈라우드부(113)와 스프링(115)의 사이에 배치되는 것이다.
댐핑 플레이트(116)는, 내측 슈라우드부(113)와 마찬가지로, 복수의 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 각각에 대하여 하나의 댐핑 플레이트(116)가 배치되어 있다.
도 11은, 도 9의 댐핑 플레이트의 구성을 설명하는 모식도이다.
댐핑 플레이트(116)에는, 압축 볼트(118)가 나사 결합되는 볼트 구멍(116H)과, 내측 슈라우드부(113)와 대향하는 면에 형성된 릴리프 홈(116G)이 설치되어 있다.
볼트 구멍(116H)은, 댐핑 플레이트(116)의 대략 중앙에 형성된 암나사 구멍이며, 압축 볼트(118)가 나사 결합되는 것이다.
압축 볼트(118)에 있어서의 한쪽의 단부가 댐핑 플레이트(116)의 볼트 구멍(116H)에 나사 결합되어 있다. 압축 볼트(118)에 있어서의 다른 쪽의 단부는, 시일 홀더(114)의 관통 구멍(114H)에 삽입 관통되어 있다. 압축 볼트(118)의 다른 쪽의 단부에는, 압축 볼트(118)와 함께 스프링(115)을 압축하는 너트(압축부)(119)가 나사 결합된다.
릴리프 홈(116G)은, 도 9 및 도 11에 도시한 바와 같이, 댐핑 플레이트(116)에 있어서의 내측 슈라우드부(113)와 대향하는 면(도 9 및 도 11의 상측의 면)에 형성된 홈이다. 또한, 릴리프 홈(116G)은, 회전축(5)이 연장하는 방향(도 9의 종이면에 대하여 수직한 방향)을 따라 연장되는 홈, 바꾸어 말하면, 댐핑 플레이트(116)와 내측 슈라우드부(113)가 미끄럼 이동하는 방향에 대하여 교차하는 방향, 보다 바람직하게는 직교하는 방향으로 연장되는 홈이다.
이와 같이 릴리프 홈(116G)을 형성함으로써, 댐핑 플레이트(116)에 있어서의 내측 슈라우드부(113)와 접촉하는 면은 릴리프 홈(116G)을 사이에 두고 2개로 나뉘며, 각각의 면이 내측 슈라우드부(113)와 접촉한다. 그로 인해, 내측 슈라우드부(113)와 댐핑 플레이트(116)가 미끄럼 이동해도, 상술한 2개의 면에 있어서 내측 슈라우드부(113)와 댐핑 플레이트(116)가 안정적으로 접촉하여, 편측 접촉 등의 문제 발생이 방지된다.
허니콤 시일(117)은, 도 9에 도시한 바와 같이, 로터(21)에 설치된 시일 핀(122)과 함께 정익(110)과 로터(21)의 사이를 흐르는 유체의 누설을 억제하는 것이다.
허니콤 시일(117)로는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 정익(110)의 조립 방법에 대해서 설명한다.
도 12는, 도 9의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치시 또는 제거시의 상태를 설명하는 모식도이다.
우선, 시일 홀더(114)에 있어서의 내부에 스프링(115) 및 댐핑 플레이트(116)를 배치하고, 압축 볼트(118)의 다른 쪽의 단부를 시일 홀더(114)의 관통 구멍(114H)에 삽입 관통한다. 그리고, 압축 볼트(118)의 다른 쪽의 단부에 너트(119)를 나사 결합하고, 댐핑 플레이트(116)를 시일 홀더(114)의 저판부(114B)에 접근시켜 스프링(115)을 압축한다.
이때, 저판부(114B)의 외주면에서 댐핑 플레이트(116)의 외주면까지의 거리를, 저판부(114B)의 외주면에서 내측 슈라우드부(113)의 내주면까지의 거리보다 짧게 한다.
그 후, 시일 홀더(114)를 내측 슈라우드부(113)에 서로 끼움 결합시킨다. 구체적으로는, 내측 슈라우드부(113)에 있어서의 끼움 결합홈(113A)에, 시일 홀더(114)의 돌출부(114A)가 끼움 결합된다. 이때, 시일 홀더(114)는 내측 슈라우드부(113)에 대하여 둘레 방향으로 슬라이드 이동하면서 끼움 결합된다.
도 13은, 도 9의 정익에 있어서의 시일 홀더의 설치 후의 상태를 설명하는 모식도이다.
그리고, 도 13에 도시한 바와 같이, 너트(119)를 압축 볼트(118)로부터 제거하고, 댐핑 플레이트(116)를 내측 슈라우드부(113)에 접촉시킴으로써, 시일 홀더(114)의 설치가 완료된다.
시일 홀더(114)의 제거는, 상술한 공정을 역순으로 행함으로써 행해진다.
또한, 압축 볼트(118)는, 상술한 바와 같이, 댐핑 플레이트(116)에 설치한 채로도 좋고, 댐핑 플레이트(116)로부터 제거해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 정익(110)에 있어서의 진동의 감쇠 방법에 대해서 설명한다.
가스 터빈(1)이 운전되면, 압축부(2)를 흐르는 유체 등의 영향에 의해 정익(110)에 진동이 발생한다. 구체적으로는, 정익(110)의 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)이 둘레 방향으로 흔들리는 진동이 발생한다.
상술한 바와 같이 내측 슈라우드부(113)가 진동하면, 내측 슈라우드부(113)에 압박되어진 댐핑 플레이트(116)와 내측 슈라우드부(113)의 내주면의 사이에서 미끄럼 이동이 발생한다. 내측 슈라우드부(113)와 댐핑 플레이트(116)의 사이에는, 스프링(115)에 의한 압박력과, 내측 슈라우드부(113)와 댐핑 플레이트(116)의 사이의 마찰 계수에 따른 마찰력이 작용한다.
상술한 미끄럼 이동에 의해 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 진동에너지는 열에너지 등의 마찰에너지로 변환되어, 정익(110)에 있어서의 진동이 감쇠된다.
상기의 구성에 따르면, 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)가 진동해서 시일 홀더(114)에 대하여 슬라이드 이동하면, 스프링(115)에 의해 내측 슈라우드부(113)에 압박되어 있었던 댐핑 플레이트(116)와 내측 슈라우드부(113)가 상대 이동, 즉, 댐핑 플레이트(116)와 내측 슈라우드부(113)가 미끄럼 이동한다. 그로 인해, 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 진동에 관한 에너지는, 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 진동을 감쇠할 수 있다.
한편, 댐핑 플레이트(116)를 시일 홀더(114)에 접근시킴으로써, 스프링(115)에 의한 압박력은 댐핑 플레이트(116) 및 시일 홀더(114)에 의해 수용되어진다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(113)에 스프링(115)의 압박력이 작용하지 않는다. 그로 인해, 내측 슈라우드부(113)에 대하여 시일 홀더(114)를 슬라이드 이동시키는 경우나 시일 홀더(114)을 착탈시키는 경우에, 내측 슈라우드부(113)와 시일 홀더(114)의 접촉면에 작용하는 마찰력을 작게 하여, 슬라이드 이동이나 착탈을 용이하게 할 수 있다.
또한, 스프링(115)을 시일 홀더(114)와 함께 내측 슈라우드부(113)로부터 슬라이드 이동시켜 착탈시킴으로써, 스프링(115)을 용이하게 교환할 수 있다. 그로 인해, 스프링(115)이 장기간의 사용에 의한 마모로 손상되어도, 간단하게 스프링(115)을 교환할 수 있다.
또한, 스프링(115)은, 시일 홀더(114) 및 내측 슈라우드부(113)에 의해 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있기 때문에, 가령 스프링(115)이 파손되어도 당해 공간으로부터 튀어 나와 익형부(112)에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.
복수의 익형부(112)의 각각에 내측 슈라우드부(113)를 독립적으로 배치하고 있기 때문에, 복수의 내측 슈라우드부(113)가 일체로 형성되어 있는 경우에 비해, 각각의 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)는 댐핑 플레이트(116)에 대하여 상대 이동하기 쉽다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(113)와 댐핑 플레이트(116)의 사이의 미끄럼 이동 거리가 길어진다.
그로 인해, 보다 많은 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 진동에 관한 에너지가, 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 진동이 보다 감쇠되기 쉽다.
한편, 복수의 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)에 대하여 시일 홀더(114)를 하나로 하고 있기 때문에, 복수의 익형부(112) 및 내측 슈라우드부(113)의 각각에 대하여 시일 홀더(114)를 배치하는 경우에 비해, 정익(110)의 상류측과 하류측의 사이에 관한 시일성이 높아진다.
스프링(115)을 파 형상으로 형성된 스프링으로 함으로써, 다른 스프링을 사용한 경우에 비해, 내측 슈라우드부(113)에 대하여 보다 큰 압박력을 부가할 수 있다.
한편, 스프링(115)의 각 정상부를 각각 댐핑 플레이트(116)에 접촉시킴으로써, 하나의 스프링에 의해 복수의 댐핑 플레이트(116)가 내측 슈라우드부(113)에 압박되어진다.
압축 볼트(118)가 댐핑 플레이트(116)로부터 시일 홀더(114)를 관통해서 돌출되어 있기 때문에, 압축 볼트(118) 및 댐핑 플레이트(116)는, 시일 홀더(114)에 대하여 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능한 동시에, 당해 접근 및 이격되는 방향에 대하여 교차하는 방향, 즉 회전축(5)의 둘레 방향으로의 이동은 구속된다. 그로 인해, 내측 슈라우드부(113)와 댐핑 플레이트(116)의 사이에서 확실하게 미끄럼 이동시킬 수 있다.
도 14는, 도 9의 스프링의 또 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
또한, 상술한 실시 형태와 같이, 2개의 스프링(115)을 댐핑 플레이트(116)와 시일 홀더(114)의 사이에 배치해도 좋고, 도 14에 도시한 바와 같이, 4개의 스프링(115)을 댐핑 플레이트(116)와 시일 홀더(114)의 사이에 배치해도 좋으며, 스프링(115)의 수를 특별히 한정하는 것은 아니다.
도 15는, 도 9의 시일 홀더의 다른 구성을 설명하는 모식도이다.
또한, 상술한 실시 형태와 같이, 시일 홀더(114)에 허니콤 시일(117)을 배치하고, 로터(21)에 시일 핀(122)을 배치해도 좋고, 도 15에 도시한 바와 같이, 시일 홀더(114)에 시일 핀(122)을 배치하고, 로터(21)의 시일 핀(122)과 대향하는 위치에 단차를 형성한 래버린스 시일로 하여도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
상술한 실시 형태와 같이, 압축 볼트(118) 및 너트(119)에 의해 스프링(115)의 압축량을 조정하여, 스프링(115)에 의한 스프링력을 조정해도 좋고, 댐핑 플레이트(116)의 판 두께만을 조정함으로써, 너트(119)를 제거한 상태에서도 스프링(115)에 의한 스프링력을 조정해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
<제3 실시 형태>
본 발명의 제3 실시 형태에 관한 가스 터빈에 대해서, 도 1 및 도 16~도 19를 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 본원 발명의 터빈 날개를 가스 터빈(1)의 압축부(2)에 있어서의 1단 정익~3단 정익, 5단 정익~17단 정익, 혹은, 10단 정익~14단 정익에 적용하여 설명한다.
도 16은, 본 실시 형태에 관한 가스 터빈의 압축부에 있어서의 로터 디스크 및 정익의 구성을 설명하는 모식도이다.
압축부(2)에는, 도 1 및 도 16에 도시한 바와 같이, 가스 터빈(1)의 케이싱(6)에 설치되는 정익(터빈 날개)(210)과, 회전축(5)에 의해 회전 구동되는 원판 형상의 로터 디스크(도시하지 않음)의 원주면에 배치되는 동익이 설치되어 있다.
정익(210)과 동익은, 회전축(5)에 있어서의 둘레 방향에 등간격으로 배열되어 배치되어 있는 동시에, 회전축(5)의 축선 방향에 교대로 배열되어 배치되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 특징인 정익(210)에 대해서 설명한다.
도 17은, 도 16의 정익에 있어서의 시일 홀더 근방의 구성을 설명하는 단면도이다.
본 실시 형태에서는, 정익(210)을 피치가 고정된 정익, 바꾸어 말하면, 압축부(2)의 내부를 흐르는 유체의 흐름에 대하여, 받음각이 고정된 정익에 적용하여 설명한다.
정익(210)은, 도 16 및 도 17에 도시한 바와 같이, 외측 슈라우드부(211)와, 익형부(212), 내측 슈라우드부(슈라우드부)(213), 시일 홀더(단부 하우징)(214), 스프링(탄성부)(215), 허니콤 시일(217)이 설치되어 있다.
외측 슈라우드부(211)는, 도 16에 도시한 바와 같이, 압축부(2)에 있어서의 유체가 흐르는 유로의 벽면의 일부를 구성하는 부재이다. 또한, 외측 슈라우드부(211)는, 익형부(212)에 있어서의 직경 방향 외측의 단부에 배치된 만곡한 판 형상의 부재이며, 복수의 익형부(212)에 대하여 하나의 외측 슈라우드부(211)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 외측 슈라우드부(211)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것으로, 그 내주면에 복수의 익형부(212)가 접속된 것이다.
외측 슈라우드부(211)의 형상이나 익형부(212)와의 접속 방법으로는, 공지의 형상이나 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
익형부(212)는, 도 16에 도시한 바와 같이, 회전축(5)의 직경 방향으로 연장되는 단면이 날개 형상으로 형성된 부재로서, 회전축(5)에 의해 회전 구동되는 동익과 함께 공기 등의 유체를 압축하여, 연소부(3)를 향해 보내주는 것이다.
익형부(212)에는, 주위의 유체의 흐름에 있어서의 상류 측단부인 전방 둘레(LE)와, 하류 측단부인 후방 둘레(TE), 볼록 형상으로 만곡한 면인 부압면, 오목 형상으로 만곡한 면인 정압면이 설치되어 있다.
내측 슈라우드부(213)는, 도 16 및 도 17에 도시한 바와 같이, 외측 슈라우드부(211)와 마찬가지로, 압축부(2)의 내부에 있어서의 유체가 흐르는 유로의 일부를 구성하는 것이다. 또한, 내측 슈라우드부(213)는, 익형부(212)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부에 배치된 만곡한 판 형상의 부재이며, 하나의 익형부(212)에 대하여 하나의 내측 슈라우드부(213)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(213)는, 원통 형상의 부재를 복수로 분할한 것으로, 그 외주면에 익형부(212)가 접속된 것이다.
내측 슈라우드부(213)에 있어서의 전방 둘레(LE) 및 후방 둘레(TE)측의 단부에는, 둘레 방향(도 17의 종이면에 대하여 수직 방향)으로 연장되어, 시일 홀더(214)와 끼움 결합되는 끼움 결합홈(213A)이 설치되어 있다.
시일 홀더(214)는, 도 17에 도시한 바와 같이, 내측 슈라우드부(213)의 내주측(도 17의 하측)에 설치되어, 내측 슈라우드부(213)와 함께 스프링(215)을 내부에 수납하는 공간을 형성하는 동시에, 허니콤 시일(217)을 지지하는 부재이다.
시일 홀더(214)는, 외측 슈라우드부(211)와 마찬가지로, 복수의 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)에 대하여 하나의 시일 홀더(214)가 배치되어 있다.
시일 홀더(214)에는, 전방 둘레(LE)측 및 후방 둘레(TE)측에 있어서 직경 방향을 따라 연장되는 한 쌍의 측벽부(214S)와, 한 쌍의 측벽부(214S)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부를 연결하는 저판부(214B)가 설치되어 있다.
바꾸어 말하면, 시일 홀더(214)에는, 둘레 방향 외측(도 17의 상측)을 향해 개방된 홈부가 형성되어 있다.
측벽부(214S)에 있어서의 직경 방향 외측의 단부에는, 시일 홀더(214)의 내측을 향해 돌출되는 동시에 둘레 방향으로 연장되어, 내측 슈라우드부(213)의 끼움 결합홈(213A)과 끼움 결합되는 돌출부(214A)가 형성되어 있다.
스프링(215)은, 도 16 및 도 17에 도시한 바와 같이, 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)를 이격하는 방향으로 압박하는 탄성 부재이다. 또한, 스프링(215)은, 내측 슈라우드부(213)와 미끄럼 이동함으로써, 정익(210) 즉 익형부(212)나 내측 슈라우드부(213)의 진동을 감쇠시키는 것이다.
이와 같이 스프링(215)에 의해 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)를 이격시키는 방향으로 압박함으로써, 끼움 결합홈(213A)과 돌출부(214A)가 눌려져 밀착되어, 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)의 사이의 시일성을 확보할 수 있다.
스프링(215)은, 대략 직사각형으로 형성한 판 스프링을 거의 파형으로 형성한 것이며, 스프링(215)의 스프링력은, 판 스프링의 판 두께를 조절함으로써 조절되어 있다. 스프링(215)을 구성하는 재료로는, 가스 터빈(1)의 운전시, 즉, 스프링(215)이 고온으로 되어도 필요한 스프링 특성을 유지할 수 있는 재료가 바람직하다.
스프링(215)은, 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)에 의해 형성된 공간, 보다 구체적으로는, 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)의 사이에 배치되어 있다. 또한, 전방 둘레(LE)측에 하나, 후방 둘레(TE)측에 하나, 총 2개의 스프링(215)이 평행하게 배열되어 배치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 상기 2개의 스프링(215)이 동일한 위상으로 배치되어 있는 예, 바꾸어 말하면, 2개의 스프링(215)의 정상부가 동일한 위치에서 내측 슈라우드부(213)나 시일 홀더(214)와 접촉하는 예에 적용하여 설명한다.
도 18은, 도 17의 스프링의 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
또한, 2개의 스프링(215)을 상술한 바와 같이 동일한 위상으로 배치해도 좋고, 도 18에 도시하는 바와 같이 다른 위상으로 배치해도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 18에 도시하는 스프링(215)의 배치에서는, 하나의 스프링(215)의 정상부가 내측 슈라우드부(213)에 접촉하고 있는 장소에서, 다른 스프링(215)의 정상부는 시일 홀더(214)와 접촉하고 있다.
이와 같이 함으로써, 하나의 스프링(215)에 있어서의 정상부의 배치 간격이, 내측 슈라우드부(213)의 배치 간격보다 넓은 경우에도, 모든 내측 슈라우드부(213)에 대하여 스프링(215)을 접촉시킬 수 있다. 즉, 하나의 스프링(215)의 정상부와 접촉하지 않는 내측 슈라우드부(213)에 대해서는, 다른 스프링(215)의 정상부를 접촉시킴으로써, 모든 내측 슈라우드부(213)에 대하여 스프링(215)을 접촉시킬 수 있다.
스프링(215)의 형상은, 파형의 진폭(직경 방향에 관한 정상부에서 정상부까지의 거리)이, 내측 슈라우드부(213)의 내주면에서 시일 홀더(214)의 외주면까지의 거리보다 길고, 또한, 각 내측 슈라우드부(213)의 내주면에 대하여 스프링(215)의 정상부가 접촉하도록 결정되어 있다.
보다 구체적으로는, 스프링(215)의 파형에 있어서의 진폭은, 정익(210)의 진동을 감쇠시키는 마찰력, 즉 스프링력을 발생시키기 위해서 필요한 스프링(215)의 압축량에 기초하여 결정되어 있다. 스프링(215)의 파형에 있어서의 파장(둘레 방향에 관한 정상부에서 정상부까지의 거리)은, 내측 슈라우드부(213)의 배치 간격, 즉 피치에 기초하여 결정되어 있다.
허니콤 시일(217)은, 도 17에 도시한 바와 같이, 로터(21)에 설치된 시일 핀(222)과 함께 정익(210)과 로터(21)의 사이를 흐르는 유체의 누설을 억제하는 것이다.
허니콤 시일(217)로는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 정익(210)에 있어서의 진동의 감쇠 방법에 대해서 설명한다.
가스 터빈(1)이 운전되면, 압축부(2)를 흐르는 유체 등의 영향에 의해 정익(210)에 진동이 발생한다. 구체적으로는, 정익(210)의 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)가 둘레 방향으로 흔들리는 진동이 발생한다.
상술한 바와 같이 내측 슈라우드부(213)가 진동하면, 내측 슈라우드부(213)에 압박되어진 스프링(215)의 정상부와 내측 슈라우드부(213)의 내주면의 사이에서 미끄럼 이동이 발생한다. 내측 슈라우드부(213)와 스프링(215)의 사이에는, 스프링(215)에 의한 압박력과, 내측 슈라우드부(213)와 스프링(215)의 사이의 마찰 계수에 따른 마찰력이 작용한다.
상술한 미끄럼 이동에 의해 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)의 진동에너지는 열에너지 등의 마찰에너지로 변환되어, 정익(210)에 있어서의 진동이 감쇠된다.
상기의 구성에 따르면, 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)가 진동해서 시일 홀더(214)에 대하여 슬라이드 이동하면, 스프링(215)과 내측 슈라우드부(213)가 상대 이동, 즉, 스프링(215)과 내측 슈라우드부(213)가 미끄럼 이동한다. 그로 인해, 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)의 진동에 관한 에너지는 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)의 진동을 감쇠할 수 있다.
한편, 스프링(215)을 시일 홀더(214)와 함께 내측 슈라우드부(213)로부터 슬라이드 이동시켜 착탈시킴으로써, 스프링(215)을 용이하게 교환할 수 있다. 그로 인해, 스프링(215)이 장기간의 사용에 의한 마모로 손상되어도, 간단하게 스프링(215)을 교환할 수 있다.
또한, 스프링(215)은, 시일 홀더(214) 및 내측 슈라우드부(213)에 의해 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있기 때문에, 가령 스프링(215)이 파손되어도 당해 공간으로부터 튀어 나와 익형부(212)에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.
복수의 익형부(212)의 각각에 내측 슈라우드부(213)를 독립적으로 배치하고 있기 때문에, 복수의 내측 슈라우드부(213)가 일체로 형성되어 있는 경우에 비해, 각각의 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)는 스프링(215)에 대하여 상대 이동하기 쉽다. 바꾸어 말하면, 내측 슈라우드부(213)와 스프링(215)의 사이의 미끄럼 이동 거리가 길어진다.
그로 인해, 보다 많은 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)의 진동에 관한 에너지가 미끄럼 이동에 의한 열에너지(마찰에너지)로 변환되어, 익형부(212) 및 내측 슈라우드부(213)의 진동을 보다 감쇠시킬 수 있다.
도 19는, 도 17의 스프링의 또 다른 배치 예를 설명하는 모식도이다.
또한, 상술한 실시 형태와 같이, 2개의 스프링(215)을 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)의 사이에 배치해도 좋고, 도 19 도시한 바와 같이, 4개의 스프링(215)을 내측 슈라우드부(213)와 시일 홀더(214)의 사이에 배치해도 좋으며, 스프링(215)의 수를 특별히 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경할 수 있다.
예를 들어, 상기의 실시 형태에 있어서는, 본 발명의 터빈 날개를 가스 터빈의 압축부에 있어서의 정익에 적용하여 설명했지만, 가스 터빈의 터빈부에 있어서의 정익에 적용할 수도 있다.
1 : 가스 터빈
10, 110, 210 : 정익(터빈 날개)
12, 112, 212 : 익형부
13, 113, 213 : 내측 슈라우드부(슈라우드부)
14, 114, 214 : 시일 홀더(단부 하우징)
15, 115, 215 : 스프링(탄성부)
16 : 스페이서(압박부)
18 : 압축 볼트(압축부)
116 : 댐핑 플레이트(마찰부)
116G : 릴리프 홈
118 : 압축 볼트(압축부)
119 : 너트(압축부)

Claims (14)

  1. 익형부의 단부에 배치된 슈라우드부와,
    상기 슈라우드부에 대하여 슬라이드 이동 가능한 동시에 착탈 가능하게 되고, 상기 슈라우드부와의 사이에 공간을 형성하는 단부 하우징과,
    상기 공간에 배치되어 슈라우드부와 단부 하우징을 이격시키는 방향으로 압박하는 동시에, 상기 슈라우드부와 상대 이동 가능하게 배치된 탄성부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  2. 제1항에 있어서, 상기 슈라우드부는, 복수의 상기 익형부의 각각에 독립적으로 배치되고, 복수의 상기 슈라우드부에 대하여 하나의 상기 단부 하우징이 착탈 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄성부는, 복수의 상기 슈라우드부가 배열되는 방향을 따라 연장되는 동시에, 대략 파형으로 형성된 판 스프링이며, 상기 판 스프링의 정상부가 상기 슈라우드부 또는 상기 단부 하우징과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄성부와 상기 단부 하우징의 사이에 배치되고, 상기 슈라우드부에 접근 및 이격 가능하게 된 압박부가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 슈라우드부 및 상기 하나의 단부 하우징에 의해 형성되는 상기 공간에, 하나의 상기 압박부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 탄성부는, 복수의 상기 슈라우드부가 배열되는 방향을 따라 연장되는 동시에, 대략 파형으로 형성된 판 형상의 스프링이며, 상기 스프링의 정상부가 상기 슈라우드부 또는 상기 압박부와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 상기 스프링은 거의 병행하게 배열되어 배치되는 동시에, 하나의 상기 스프링의 정상부에 대하여 다른 상기 스프링의 정상부가 어긋나게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압박부에는, 상기 압박부를 상기 슈라우드부에 접근시켜 상기 탄성부를 압축하는 압축부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  9. 익형부의 단부에 배치된 슈라우드부와,
    상기 슈라우드부에 대하여 슬라이드 이동 가능한 동시에 착탈 가능하게 되고, 상기 슈라우드부와의 사이에 공간을 형성하는 단부 하우징과,
    상기 공간에 배치되고, 상기 슈라우드부와 상기 단부 하우징을 이격시키는 방향으로 압박하는 탄성부와,
    상기 탄성부와 상기 슈라우드부의 사이에 배치되고, 상기 슈라우드부에 접근 및 이격 가능하게 되는 동시에, 상기 슈라우드부와 상대 이동 가능하게 배치된 마찰부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  10. 제9항에 있어서, 상기 슈라우드부는, 복수의 상기 익형부의 각각에 독립적으로 배치되고, 복수의 상기 슈라우드부에 대하여 하나의 상기 단부 하우징이 착탈 가능하게 되고, 상기 복수의 슈라우드부 및 상기 하나의 단부 하우징에 의해 형성되는 상기 공간에, 하나의 상기 슈라우드부에 대하여 하나의 상기 마찰부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 탄성부는, 복수의 상기 슈라우드부가 배열되는 방향을 따라 연장되는 동시에, 대략 파형으로 형성된 판 형상의 스프링이며, 상기 스프링의 정상부가 상기 마찰부 또는 상기 압박부와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰부에는, 상기 마찰부로부터 상기 단부 하우징을 향해 연장되고, 상기 단부 하우징을 관통해서 돌출되는 동시에, 상기 마찰부를 상기 단부 하우징에 접근시켜 상기 탄성부를 압축하는 압축부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰부에 있어서의 상기 슈라우드부와 접촉하는 면에는, 상기 단부 하우징이 슬라이드 이동하는 방향에 대하여 교차하는 방향으로 연장되는 릴리프 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈 날개.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 터빈 날개가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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