KR20120107466A - 터빈 엔진을 위한 터빈 블레이드 고정부 - Google Patents

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KR20120107466A
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크리스토프 헤르만 리히터
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 전나무형 루트를 갖도록 형성된 블레이드 루트(1)를 포함하는 터빈 블레이드 고정부에 관한 것이며, 상기 블레이드 루트는 앵커 고정 톱니부(5)의 높이(H)가 블레이드 캐스팅 끝단(12)을 향해 증가하는 방식으로 블레이드 캐스팅 끝단(12)을 향하도록 형성되는 앵커 고정 톱니부(5)를 포함한다.

Description

터빈 엔진을 위한 터빈 블레이드 고정부{TURBINE BLADE FASTENING FOR A TURBINE ENGINE}
본 발명은 블레이드 루트와, 블레이드 에어 포일과, 블레이드 그루브를 포함하는 터빈 블레이드 고정부에 관한 것이며, 블레이드 루트는 블레이드 그루브 내에 배치되며, 블레이드 루트는 회전자 내의 상응하는 리세스에 장착하기 위해 형성된 2개 이상의 앵커 고정 톱니부를 포함한다.
터빈 엔진, 특히 증기 터빈에서, 유동 매체의 에너지는 회전자의 회전 에너지로 변환된다. 이를 위해, 회전자는 유동 매체의 열 에너지가 회전자의 회전 에너지로 변환되도록 형성된 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 증기 터빈에서 유동 매체는 수증기이다.
또한, 터빈 엔진은 회전자 상에 배치된 터빈 블레이드와 더불어, 하우징에 배치된 터빈 블레이드도 포함한다. 회전자 상에 배치된 터빈 블레이드는 터빈 회전자 블레이드로 불리고, 하우징에 배치된 터빈 블레이드는 터빈 고정자 블레이드로 불린다. 터빈 회전자 블레이드는 블레이드 루트를 포함하고, 이러한 블레이드 루트를 통해 터빈 회전자 블레이드는 회전자에 고정된다. 이를 위해, 블레이드 루트는 회전자 내부의 상응하는 리세스에 맞물리도록 형성된다. 이 경우, 리세스의 내부 윤곽은 블레이드 루트의 외부 윤곽에 상응한다. 기본적으로, 2개의 블레이드 루트 형태, 즉 전나무 형태 및 도브 테일 형태가 공지되어 있다.
전나무 형태에서의 블레이드 루트의 단면 윤곽은 파도 형태의 윤곽을 특징으로 하는, 터빈 회전자 블레이드의 회전 방향으로 전방에 위치한 영역과 회전 방향으로 후방에 위치한 영역을 포함한다. 이러한 파도 형태의 윤곽의 돌출부들은 2 영역들에서 복수의 앵커 고정 톱니부들을 형성한다. 터빈 회전자 블레이드는 블레이드 루트에 의해 회전자 내부의 상응하는 리세스에 삽입된다. 이를 위해, 회전자는 블레이드 루트에 상응하는 파도 형태의 윤곽을 포함한다.
터빈 회전자 블레이드를 포함하는 회전자는 작동시에 예를 들어 50㎐ 또는 60㎐의 비교적 높은 주파수로 회전한다. 증기 터빈이 상응하는 적용예를 위해 더 높은 회전수로 작동되는 것도 공지되어 있다. 작동중에 높은 온도와 빠른 회전수가 발생할 때 과도한 열적 부하 및 기계적 부하가 발생한다. 특히, 터빈 회전자 블레이드의 블레이드 루트에는 기계적으로 심한 부하가 가해진다. 터빈 회전자 블레이드의 작동중 발생하는 진동이 블레이드 루트에 전달되고, 터빈 블레이드 루트 내의 균열 또는 회전자 내 상응하는 리세스 내의 균열을 야기할 수 있다. 이러한 균열이 발생하는 경우에는 균열 성장을 통해 균열이 추가로 확산되고, 이러한 터빈 블레이드가 작동 도중에 회전자로부터 분리되어 예를 들어 하우징 내의 손상을 일으킨다면, 최악의 경우 전체 터빈 엔진 내의 손상을 야기할 수 있는 확률이 높다.
균열이 발생할 때라도 이러한 균열 성장이 최소화되는 블레이드 루트 형태를 갖는 것이 요구될 수 있을 것이다.
이러한 점에서, 본 발명의 목적은 균열의 균열 성장이 지연되는 블레이드 루트 고정부를 제공하는 것이다.
상기 목적은 블레이드 루트와, 블레이드 에어 포일과, 블레이드 그루브를 포함하는 터빈 블레이드 고정부에 의해 달성되며, 블레이드 루트는 블레이드 그루브 내에 배치되며, 블레이드 루트는 회전자 내의 상응하는 리세스에 장착하기 위해 형성된 2개 이상의 앵커 고정 톱니부를 포함하며, 이러한 앵커 고정 톱니부의 높이는 블레이드 루트 끝단을 향해 증가한다.
바람직한 개선예들은 종속항에 제시되어 있다.
본 발명은 전나무형 루트를 위한 공지된 블레이드 루트 형태로부터 변화시키는 개념을 기초로 한다. 현재, 앵커 고정 톱니부는 앵커 고정 톱니부의 높이가 블레이드 루트 끝단을 향해 감소하도록 형성되어 있다. 이 경우, 앵커 고정 톱니부의 높이는 원주 방향의 공간 확장부를 의미한다. 선행 기술에 따른 블레이드 루트 형태에서, 앵커 고정 톱니부는 파도 형태의 윤곽으로 형성된다. 이 경우, 앵커 고정 톱니부의 높이는 앵커 고정 톱니부로부터 앵커 고정 톱니부로 높이가 블레이드 루트 끝단을 향해 감소되는 방식으로 변화하므로, 블레이드 루트 끝단의 마지막 앵커 고정 톱니부는 가장 낮은 높이를 갖고, 회전자 표면 부근에 위치한 첫째 앵커 고정 톱니부는 가장 높은 높이를 갖는다.
본 발명은 완전히 다른 형태에 기초하며, 이러한 형태에 따라 여기서 높이는 기존에서와 같이 앵커 고정 톱니부로부터 앵커 고정 톱니부로 변화하면서도 앵커 고정 톱니부의 높이가 블레이드 루트 끝단으로 증가한다. 이로 인해, 블레이드 끝단에 배치된 앵커 고정 톱니부는 가장 높은 높이를 갖고, 회전자 표면에 가장 가깝게 위치한 앵커 고정 톱니부는 가장 낮은 높이를 갖게 된다.
계산에 따라, 이러한 블레이드 루트 형태는 한 위치에 균열이 발생할 때, 존재하는 균열 주변의 응력을 감소시키는 대체 응력 경로가 블레이드 루트 내에 발생하는 효과를 유도한다. 이로 인해, 균열 주변의 응력은 감소되며, 균열 외부 영역의 응력은 증가한다. 따라서, 균열의 영향을 받지않는 앵커 고정 톱니부의 부하는 상승한다. 균열에서의 응력이 최소화되므로, 균열의 추가 성장이 거의 완전히 방지되거나 최소화된다.
바람직한 일 개선예에서, 앵커 고정 톱니부는 앵커 고정 톱니부 끝단을 갖고, 앵커 고정 톱니부 끝단들은 실질적으로 끝단 직선을 따라 배치된다.
이와 같이 새로운 형태는 파도 형태의 윤곽을 특징으로 하며, 앵커 고정 톱니부는 파고점에 준하는 형태를 갖고, 앵커 고정 톱니부들 사이에는 파곡이 형성된다. 앵커 고정 톱니부는 자신의 끝단에 앵커 고정 톱니부 끝단을 가지며, 개별 앵커 고정 톱니부의 앵커 고정 톱니부 끝단은 끝단 직선을 따라 배치된다.
바람직한 추가의 일 개선예에서, 앵커 고정 톱니부들 사이에는 각각 하나의 앵커 고정 톱니부의 골(trough) 끝단이 형성되며, 앵커 고정 톱니부의 골 끝단들은 실질적으로 골 직선을 따라 배치된다. 이는 각각 앵커 고정 톱니부들 사이에 배치된 앵커 고정 톱니부의 골 끝단은 골 직선상에 위치한 가상의 선을 따라 배치됨을 의미한다.
이러한 형태로 인해, 균열이 블레이드 루트 내에 발생하자마자 여분의 응력 경로가 발생한다.
바람직한 추가의 일 개선예에서, 끝단 직선은 골 직선에 대해 2° 내지 10°, 특히 1° 내지 12°의 각도하에 배치된다. 이러한 각도 범위에서 응력 분포는 작동중에 최적화된다.
바람직한 추가의 일 개선예에서, 앵커 고정 톱니부들의 길이는 블레이드 끝단을 향해 증가된다. 이 경우에도 선행 기술의 기존 형태와는 대조적으로, 앵커 고정 톱니부들의 길이는 이러한 길이가 블레이드 루트 끝단으로 증가되는 방식으로 변화한다. 선행 기술에 설명된 바와 같이, 대개 앵커 고정 톱니부들의 길이는 블레이드 루트 끝단을 향해 축소된다. 따라서, 이와 같이 얻어진 블레이드 루트 형태는 복수의 앵커 고정 톱니부들을 갖고, 이러한 앵커 고정 톱니부들의 크기는 회전자 표면에서부터 블레이드 루트 끝단으로 확대된다.
바람직한 추가의 일 개선예에서, 앵커 고정 톱니부는 앵커 고정 톱니부의 골 끝단과 앵커 고정 톱니부 끝단 사이에 에지를 갖고, 앵커 고정 톱니부의 골 끝단과 에지 사이에는 내부 노치 반경이 형성되고, 에지와 앵커 고정 톱니부 끝단 사이에는 외부 노치 반경이 형성되며, 외부 노치 반경은 내부 노치 반경보다 크다.
새로운 블레이드 루트 형태에서, 힘은 가능한, 균열이 발생하는 경우에 균열 성장이 저지되는 형태로 블레이드 루트 내에서 작용해야 한다. 특히 노치 반경 내에서는 기계적인 응력이 본 발명에 따라 높으므로, 본 발명에 따라 외부 노치 반경은 내부 노치 반경보다 작다.
바람직한 추가의 일 개선예에서, 상기 에지와 블레이드 그루브 내의 상응하는 지지 에지 사이에는 지지 에지 유격이 형성되고, 이러한 지지 에지 유격은 블레이드 루트 끝단에 가장 가까운 앵커 고정 톱니부에서 최소화되는데, 즉 이는 장착시 처음에 이러한 위치에서 앵커 고정 톱니부는 블레이드 그루브에 접하고 지지 에지 유격은 블레이드 에어 포일을 향해 증가함을 의미한다.
본 발명은 실시예에 의해 도면에서 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 선행 기술에 따른 블레이드 루트 형태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 블레이드 루트 고정부를 도시한 도면이다.
도 1에는 블레이드 루트(1) 및 자세히 도시되지 않은 블레이드 에어 포일을 포함하는 터빈 블레이드의 일부가 도시되어 있다. 도 1에 따른 블레이드 루트(1)는 소위 전나무 형태를 갖도록 형성되고, 선행 기술을 형성한다. 이러한 블레이드 루트(1)는 회전 방향(화살표 2)으로 전방에 위치한 영역(3)과, 회전 방향으로 후방에 위치한 영역(4)을 포함한다. 도 1에 따른 블레이드 루트(1)는 전방 영역(3) 뿐만 아니라 후방 영역(4)에도 3개의 앵커 고정 톱니부(5)를 포함한다. 앵커 고정 톱니부(5)는 회전자 내부의 자세히 도시되지 않은 상응하는 윤곽 리세스에 맞물림으로써, 터빈 블레이드는 블레이드 루트(1)를 통해 회전자에 고정된다.
도 1에 도시된 블레이드 루트(1)는 실질적으로 대칭으로 형성되고, 즉 전방 영역(3) 및 후방 영역(4)에서 앵커 고정 톱니부들(5)의 윤곽은 실질적으로 동일하게 형성된다. 앵커 고정 톱니부(5)는 회전자 내의 상응하는 리세스에 장착되기 위해 형성된다. 각각의 앵커 고정 톱니부(5)는 높이(H)를 갖는다. 앵커 고정 톱니부(5)는 상승하는 에지(6), 앵커 고정 톱니부 끝단(7), 및 하강하는 에지(8)를 포함한다. 따라서, 블레이드 루트(1)의 윤곽은 파도 형태로 나타날 수 있으며, 각각의 앵커 고정 톱니부 끝단(7) 사이에는 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)이 배치된다. 개별 앵커 고정 톱니부(5)의 앵커 고정 톱니부 끝단들(7)은 도 1에 선택된 예에서 끝단 직선(10) 상에 선으로 위치한다. 이에 반해, 앵커 고정 톱니부들(5) 사이의 각각의 골들의 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)은 골 직선(11)을 따라 선상에 놓인다.
앵커 고정 톱니부(5)의 높이(H)는 제1 근사치로서 측정될 수 있으며, 이는 앵커 고정 톱니부 끝단(7)과 골 직선(11) 사이의 가장 짧은 간격이다. 선행 기술에 따라, 앵커 고정 톱니부(5)의 높이(H)는 블레이드 루트 끝단(12) 쪽으로 감소한다.
도 2에는 본 발명에 따라 형성된 블레이드 루트(1)가 도시되어 있다. 명확한 도시를 위해, 전방 영역(3)의 블레이드 루트(1)의 윤곽만이 도시되어 있다. 후방 영역(4)은 이에 상응하게 대칭으로 형성될 수 있을 것이다. 도 1에 도시된, 선행 기술에 따른 블레이드 루트(1)와의 차이는 무엇보다도 앵커 고정 톱니부(5)의 높이(H)가 블레이드 끝단(12)을 향해 증가한다는 점이다.
도 2에 도시된 앵커 고정 톱니부(5)의 형상은 실질적으로 사다리꼴로 이루어지며, 즉 상승하는 에지(6)와 하강하는 에지(8)는 직선으로 형성된다. 앵커 고정 톱니부 끝단(7)과 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)은 도 2에 도시된 바와 같이 일직선상에 놓인다. 대안적인 실시예에서 앵커 고정 톱니부는 도 1에 도시된 바와 같이 파도 형태로 형성될 수 있다. 도 2에 따른 선택된 실시예에서, 높이(H)는 대략 앵커 고정 톱니부 끝단(7)이 위치한 직선의 중심으로부터 골 직선(11)을 향해 측정된다. 마찬가지로 높이(H)는 양호하게 전방 전환 영역(13)에서 측정되거나, 후방 전환 영역(14)으로부터 골 직선(11)을 향해 측정될 수 있을 것이다.
도 2에 따른 블레이드 루트(1)는 도 2에 자세히 도시되지 않은 전나무형 루트로서 형성된다. 앵커 고정 톱니부 끝단들(7)은 실질적으로 끝단 직선(10)에 평행하게 형성된 앵커 고정 톱니부 에지(15) 상에 위치한다. 도 2에 따른 실시예에서 앵커 고정 톱니부 에지(15)는 끝단 직선(10) 상에 위치한다. 골 직선(11)과 끝단 직선(10)은 서로 2° 내지 10° 사이에 위치한 각도(α) 하에 배치된다. 각도(α)를 명확하게 도시하기 위해, 도 2에는 끝단 직선(10)에 평행하게 배치된 보조 직선(30)이 도시되어 있다. 각도(α)는 대안적인 실시예에서 1° 내지 12° 사이의 각도를 가질 수 있다. 블레이드 루트(1)는 회전자(19)의 회전축에 대해 형성된 단부측 블레이드 루트 끝단(12)을 포함한다. 블레이드 루트(1)는 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 나타나는 연장부를 따라 연이어 배치된 2개 이상의 앵커 고정 톱니부들(5)을 포함한다.
또한 앵커 고정 톱니부들(5)의 높이(H)와 더불어, 앵커 고정 톱니부들(5)의 길이(L)는 블레이드 끝단(12)을 향해 변화한다. 도 2에 따라, 앵커 고정 톱니부들(5)의 길이(L)는 상승하는 에지(6)와 골 직선(11) 사이의 인터페이스에서부터, 그리고 하강하는 에지(8)와 골 직선(11) 사이의 인터페이스에서부터 측정된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 앵커 고정 톱니부들(5)의 길이는 블레이드 끝단(12)을 향해 증가된다.
전방 전환 영역(13) 및/또는 후방 전환 영역(14)은 반경에 의해 라운딩될 수 있다.
블레이드 루트(1)는 회전자(19) 내에 블레이드 그루브(18)로 끼워진다. 이는 각각의 앵커 고정 톱니부(5)의 에지(6)가 지지 에지(20)에 접함을 의미한다.
앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)과 앵커 고정 톱니부 끝단(7) 사이에는 에지(6)가 형성된다. 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)과 에지(6) 사이에는 내부 노치 반경(16)이 형성된다. 또한, 에지(6)와 앵커 고정 톱니부 끝단(7) 사이에는 외부 노치 반경(17)이 형성되며, 외부 노치 반경(17)은 내부 노치 반경(16)보다 작다. 이로 인해 응력 경로가 최적으로 분포된다. 따라서, 전환 영역(14)에는 본 발명에 따라 상이한 외부 노치 반경(17) 또는 내부 노치 반경(16)이 형성된다. 제1 변형예에서 외부 노치 반경(17)은 내부 노치 반경(16)보다 작다. 제2 변형예에서 외부 노치 반경(17)은 내부 노치 반경(16)보다 클 수 있다.
또한, 외부 노치 반경(17)은 블레이드 끝단(12)을 향해 확대되도록 형성된다. 이는 외부 노치 반경(17)이 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 앵커 고정 톱니부(5)로부터 앵커 고정 톱니부(5)로 확대됨을 의미한다. 마찬가지로, 내부 노치 반경(16)은 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 앵커 고정 톱니부(5)로부터 앵커 고정 톱니부(5)로 확대되도록 형성된다.
대안적인 실시예에서, 내부 노치 반경(16)은 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 앵커 고정 톱니부(5)로부터 앵커 고정 톱니부(5)로 축소되도록 형성될 수 있다. 마찬가지로, 대안적인 일 실시예에서, 외부 노치 반경(17)은 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 앵커 고정 톱니부(5)로부터 앵커 고정 톱니부(5)로 축소되도록 형성될 수 있다.
또한, 블레이드 루트(1)는 에지(6)가 블레이드 그루브(18) 내의 상응하는 지지 에지(20)에 접하도록 형성된다. 따라서, 에지(6)와 지지 에지(20) 사이에는 지지 에지 유격(21, 22, 23)이 형성된다. 응력 경로를 최적으로 분포하기 위해, 블레이드 루트(1)의 장착시 처음에 지지 에지 유격(21)은 블레이드 루트 끝단(12)에 가장 가까운 앵커 고정 톱니부(5)가 지지 에지(20)에 바로 접하도록 형성된다. 이는 에지(6)와 지지 에지(20) 사이에 접촉이 존재함을 의미한다. 이러한 변형예에서 블레이드 루트(1)는 지지 에지 유격(22 및 23)이 더욱 커지도록 형성된다. 이는 블레이드 루트 끝단(12)으로부터, 블레이드 에어 포일을 향해 형성된 앵커 고정 톱니부(5)의 지지 에지 유격(22 및 23)이 증가됨을 의미한다.
대안적인 일 실시예에서, 지지 에지 유격(22 및 23)은 동일하게 형성된다.
추가의 대안적인 실시예에서, 지지 에지 유격(23)은 실질적으로 지지 에지 유격(23)이 존재하지 않도록 형성된다. 이는 장착시, 지지 에지 유격(23)에 대해 상응하는 앵커 고정 톱니부(5)가 접촉함을 의미한다. 지지 에지 유격(22 및 21)은 이러한 대안적인 실시예에서 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 증가한다.
추가의 대안적인 일 실시예에서, 지지 에지 유격(22)에 대해 상응하는 앵커 고정 톱니부(5)는 접촉하며, 지지 에지 유격(21 및 23)은 0이 아니다.

Claims (10)

  1. 블레이드 루트(1)와, 블레이드 에어 포일과, 블레이드 그루브(18)를 포함하는 터빈 블레이드 고정부이며, 블레이드 루트(1)는 블레이드 그루브(18) 내에 배치되며, 블레이드 루트(1)는 회전자 내의 상응하는 리세스에 장착하기 위해 형성된 2개 이상의 앵커 고정 톱니부(5)를 포함하며, 블레이드 루트(1)는 회전자의 회전축에 대해 형성된 단부측 블레이드 루트 끝단(12)을 포함하며, 블레이드 루트(1)는 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 나타나는 연장부를 따라 연이어 배치된 2개 이상의 앵커 고정 톱니부들(5)을 포함하는 터빈 블레이드 고정부에 있어서,
    상기 앵커 고정 톱니부(5)의 높이(H)는 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 증가하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 고정부.
  2. 제1항에 있어서, 블레이드 루트(1)는 전나무 루트 형태로 형성되는, 터빈 블레이드 고정부.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 앵커 고정 톱니부들(5)은 각각 하나의 앵커 고정 톱니부 끝단(7)을 갖고, 앵커 고정 톱니부 끝단들(7)은 실질적으로 끝단 직선(10)을 따라 배치되는, 터빈 블레이드 고정부.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 블레이드 루트(1)는 앵커 고정 톱니부들(5) 사이에 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)을 가지며, 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)은 실질적으로 골 직선(11)을 따라 배치되는, 터빈 블레이드 고정부.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 끝단 직선(10)과 골 직선(11)은 서로 2° 내지 10°의 각도(α) 하에 배치되는, 터빈 블레이드 고정부.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 앵커 고정 톱니부들(5)의 길이(L)는 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 증가되는, 터빈 블레이드 고정부.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 앵커 고정 톱니부(5)는 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)과 앵커 고정 톱니부 끝단(7) 사이에 에지(6)를 갖고, 에지(6)와 앵커 고정 톱니부 끝단(7) 사이에는 외부 노치 반경(17)이 형성되며, 앵커 고정 톱니부의 골 끝단(9)과 앵커 고정 톱니부 끝단(7) 사이에는 내부 노치 반경(16)이 형성되고, 외부 노치 반경(17)은 내부 노치 반경(16)보다 작은, 터빈 블레이드 고정부.
  8. 제7항에 있어서, 외부 노치 반경(17)은 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 확대되는, 터빈 블레이드 고정부.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 내부 노치 반경(16)은 블레이드 루트 끝단(12)을 향해 확대되는, 터빈 블레이드 고정부.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에지(6)와 블레이드 그루브(18) 내의 상응하는 지지 에지(20) 사이에는 지지 에지 유격(21)이 형성되며, 블레이드 루트 끝단(12)에 가장 가까운 앵커 고정 톱니부(5)에는 상기 지지 에지 유격(21)이 실질적으로 존재하지 않고, 추가 에지(6)와 상응하는 지지 에지(20) 사이의 지지 에지 유격(21)은 블레이드 에어 포일을 향해 증가하는, 터빈 블레이드 고정부.
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