KR20150015389A - 개선된 밀봉부를 갖는 터빈 블레이드 및 터빈 - Google Patents
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Abstract
본원은 터빈의 회전자 배열체 내부에서 고온 작용 매체가 회전자 열 차폐물(7)을 통하여 공간 영역으로부터 유동하는 공간 영역을 분리시키기 위한 상기 회전자 열 차폐물(7)과 가스 터빈 블레이드(1)를 구비한 터빈에 관한 것이다. 상기 회전자 열 차폐물(7)은 축방향 열 차폐물 섹션(14)을 형성하고 실질적으로 회전자(6)의 표면과 평행하게 배열되는 플랫폼과, 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 상류 단부에서 방사상 열 차폐물 섹션(15)을 포함하고, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 표면으로부터 멀리 상기 고온 가스를 향하는 방향으로 연장된다. 또한, 상기 터빈은 상기 플랫폼(2)의 하류 단부, 및/또는 상기 블레이드 발형상체(4)의 하류 단부, 및 상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)에 의해서 제한되는 블레이드 후방 캐비티(16)를 포함한다.
본원은 또한 가스 터빈 블레이드(1) 및 그러한 터빈에 대해서 설계된 회전자 열 차폐물(7)에 관한 것이다.
본원은 또한 가스 터빈 블레이드(1) 및 그러한 터빈에 대해서 설계된 회전자 열 차폐물(7)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가스 터빈 이동 블레이드, 특히 개선된 밀봉선을 갖는 플랫폼 언더컷(platform undercut)을 구비한 가스 터빈 블레이드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 언더컷을 차폐하기 위한 터빈 열 차폐물과 상기 열 차폐물을 포함하는 터빈-블레이드 조합에 관한 것이다.
가스 터빈 블레이드들은 고온 연소 가스들에 노출되고 결과적으로 높은 열적 응력들을 겪게 된다. 상기 블레이드들을 냉각시키고 열적 응력을 감소시키기 위한 방법들이 당기술에 공지되어 있다. 통상적으로, 압축기로부터 방출된 고압 공기는 블레이드 루트(blade root) 저부 부분으로부터 공기 냉각된 블레이드의 내부로 도입된다. 고압 공기는 생크 부분(shank portion), 플랫폼 및 날개부를 냉각시킨 후에 블레이드 면에 제공된 미세 구멍들로부터 또는 블레이드 팁 부분에 제공된 미세 구멍들로부터 유동한다. 또한, 미세 구멍들은 블레이드의 블레이드 후미 에지 부분에 제공될 수 있고, 고압 공기는 상기 블레이드 후미 에지 부분을 통하여 유동해서 상기 블레이드의 후미 에지를 냉각시킨다. 미세 구멍들은 냉각을 위하여 플랫폼 표면 상에 제공될 수 있다. 따라서, 고압 공기는 이동 블레이드의 금속 온도를 냉각시킨다.
고도로 냉각된 가스 터빈 블레이드는 고온을 겪게 되어서 고온 날개부의 계면과 플랫폼의 비교적 더 냉각된 생크 부분에서 부조화된다. 이들 높은 온도차는 플랫폼에서 열적 변형을 생성하고, 이는 날개부의 것들과 호환될 수 없다. 열적 응력들 이외에도 큰 원심력이 작동 중에 블레이드에 작용하여 블레이드에 응력들을 부가한다. 날개부가 생크 및 플랫폼의 변위를 추종하도록 강제실행될 때, 날개부, 특히 얇은 후미 에지 영역에서 큰 열적 응력들이 발생한다. 이들 높은 열적 응력들은 일시적인 엔진 동작 뿐 아니라 안정된 상태, 전체 속도, 전체 부하 조건들 중에 나타나고, 크랙형성 시초 및 진행을 유발할 수 있다. 이들 크랙들은 잠재적으로 결국에는 구성요소의 비극적인 파손을 유발할 수 있다.
US 5 947 687호는 터빈 블레이드의 플랫폼의 후미 측부 상에 홈을 구비한 가스 터빈 이동 블레이드(도 1 내지 도 3)를 개시하며, 상기 홈은 일시적인 작동 조건들 즉, 터빈의 시동 및 정지 중에 발생하는 플랫폼 및 날개부 후미 에지의 부착 지점에서 높은 열적 응력을 억제하도록 설계된다. 이 홈은 플랫폼의 전체 길이를 따라서, 블레이드의 압력 측부(통상적으로 오목 곡률을 가짐)로부터 흡인 측부(통상적으로 볼록 곡률을 가짐)로 상기 터빈의 원주를 따라서, 통상적으로 터빈의 회전 평면과 평행하게 연장된다. 작동 중에, 플랫폼의 후미 에지와 후속 베인 플랫폼 또는 블레이드의 하류에 있는 열 차폐물 사이에는 효과적인 밀봉부가 없다. 상기 홈은 통상적으로 냉각 공기에 의해서 정화되는 간극에 대해서 개방되고, 터빈의 고온 가스 경로를 향한다. 정화 유동이 차단되거나 또는 고온 가스측의 압력 분배가 의도한 바와 같이 되지 않으면, 고온 가스는 간극을 통하여 흡인되어서 홈의 국부적인 과열과 블레이드 발형상체(foot) 뿐 아니라 터빈 회전자의 잠재적인 과열을 유발할 수 있다.
상기 홈 밑에서 터빈 블레이드는 회전자에 연결된다. 기계적인 연결은 예를 들어 구멍난 톱니형 에지들이 다중 부하 지탱면들을 제공하는 상태에서, 테이퍼진 형태를 갖는 전나무 재목으로 실행될 수 있다. 블레이드 캐비티들의 발형상체들 밑에 또는 사이에 블레이드에 대한 가압 냉각 공기의 공급이 이루어진다. 상기 블레이드의 축방향 하류 단부에서 상기 캐비티들은 예를 들어 하나의 블레이드 발형상체로부터 원주 방향으로 이웃 블레이드 발형상체를 지나서 연장되는, 반턱이음판(shiplap) 즉, 중첩부에 의해서 폐쇄될 수 있다. 반턱이음판은 수리작업의 어려움으로 인하여, 블레이드들 특히 개별 블레이드들의 조립 및 분해를 가능하게 한다. 또한, 반턱이음판은 중첩부가 실제로 기계적인 가요성을 갖지 않을 때 제한된 밀봉 기능을 가진다.
예를 들어, EP1079070호로부터 공지된 터빈 열 차폐물은 공간 영역을 분리하기 위한 장치이고 고온 작용 매체가 상기 장치를 통하여 가스 터빈의 회전자 배열체 내부에서 양호하게는 냉각가능한 공간 영역으로부터 유동한다. 이러한 열 차폐물 배열체는 하나 뒤에 다른 하나가 축방향으로 배열되는 적어도 2개의 회전자 디스크들을 구비하고, 이 회전자 디스크들은 적어도 하나의 연결 영역에 의해서 서로에 대해서 고정식으로 연결되고 적어도 방사상 원주방향 에지들의 영역에서 서로로부터 이격되어 있다. 열 차폐물 배열체는 또한 시트형 설계이고, 2개의 인접 회전자 디스크들 사이에 배열되며 2개의 연결 에지들을 구비하고, 열 차폐물이 인접 회전자 디스크들의 원주방향 에지들의 영역에서 각각의 경우에 상기 2개의 연결 에지들을 따라 작동 연결되고 2개의 회전자 디스크들 사이에서 회전자측에서 연장되는 중간 공간을 덮는다. 열 차폐물 배열체는 그 직경에 있는 가스 터빈의 내부에 제공된 고온 가스 통로를 회전자를 대면하게 성형하고 회전자의 구조적 부분들을 과열로부터 보호하는 작용을 한다.
공지된 열 차폐물 설계 및 이러한 열 차폐물을 갖는 터빈은 플랫폼의 밑에 있는 블레이드 발형상체의 축방향 하류 단부의 정화작업을 필요로 한다. 사용된 정화 공기는 터빈 출력 및 효율에서 중요한 영향을 미친다. 또한 정화 공기 공급부에서의 임의의 기계적 결함 또는 변화는 불충분한 국부적 정화작용을 유발하여 결과적으로 블레이드 또는 회전자 디스크 유지 블레이드의 하류 단부의 국부적인 과열을 유발할 수 있다.
본원의 목적은 블레이드, 열 차폐물 및 블레이드 후미 에지 부분에서 큰 응력을 회피하고 블레이드 발형상체의 하류 단부 뿐 아니라 회전자 디스크 유지 블레이드의 안전하고 효율적인 냉각을 보장하는, 블레이드-열 차폐물 배열체를 포함하는 터빈을 제안하는 것이다.
일 실시예에 따라서, 가스 터빈 블레이드는 후미 에지 측부, 압력 측부, 흡인 측부 및 선단 에지 측부를 구비한 플랫폼; 상기 블레이드 플랫폼에 연결된 날개부, 및 상기 플랫폼의 후미 에지 측부에 형성된 제 1 홈을 포함한다. 상기 제 1 홈은 상기 블레이드 압력 측부와 상기 블레이드 흡인 측부 사이에서 연장된다. 상기 제 1 홈은 상기 날개부의 후미 에지의 루트(root) 밑에서 축방향으로 연장된다. 상기 후미 에지의 루트는 상기 날개부의 후미 에지가 플랫폼과 교차하는 위치에 있다(상기 루트는 국부적인 응력을 감소시키기 위하여 후미 에지와 플랫폼 사이의 변이부에서 둥글게 형성될 수 있다). 상기 블레이드는 상기 제 1 홈보다 상기 날개부를 대면하는 플랫폼 표면에 더 인접한 상기 블레이드 플랫폼의 후미 에지 측부에 형성된 후미 에지 측부 밀봉 홈을 추가로 포함하고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈은 상기 블레이드 압력 측부와 상기 블레이드 흡인 측부 사이에서 연장되고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈의 축방향 깊이는 상기 제 1 홈의 깊이보다 작다.
다른 유형의 밀봉 홈들은 공지되어 있다. 밀봉 홈은 밀봉부를 유지하기에 적합한 임의의 기하학적 배열체이다. 이는 예를 들어 밀봉부를 삽입하기 위한 연속 노치(notch)일 수 있다. 이는 표면에서 연장되는 필릿(fillet) 또는 탑재부(ride), 플랜지 및 필릿의 조합물로 형성될 수 있다. 밀봉부는 하나의 홈 또는 복수의 홈들에 의해서 유지될 수 있다. 예를 들어 스트립 밀봉부과 같은 많은 밀봉부 유형들에 대해서 홈이 양 부분들 사이에 제공되어야 하고 상기 양 부분들 사이의 간극은 밀봉되어야 한다.
통상적으로, 블레이드는 (날개부로부터 멀리 향하는 측부에 있는) 플랫폼 밑의 발형상체를 추가로 포함한다. 발형상체 및 플랫폼은 또한 하나의 통합 설계일 수 있다.
압력 측부 및 흡인 측부는 각각 블레이드의 (즉, 또한 날개부의 각각의 압력 측부 및 흡인 측부에 있는 플랫폼의) 측부들이다.
구체적으로, 상기 제 1 홈은 블레이드 부하에 의해서 생성된 응력선 안으로 진입하는 축방향 깊이를 갖는다.
더 구체적으로, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈은 블레이드 부하에 의해서 생성된 응력선 안으로 진입하지 않는 축방향 깊이를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따라서, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈은 스트립 밀봉부를 유지하도록 구성될 수 있다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 블레이드는 상기 제 1 홈 위에서 주요 밀봉부를 수용하기 위한, 상기 플랫폼의 압력 측부 상에 있는 그리고/또는 상기 플랫폼의 흡인 측부 상에 있는 상기 플랫폼의 후미 에지로 연장되는 밀봉 홈을 포함한다. 상기 플랫폼의 압력 측부 상에 있는 그리고/또는 흡인 측부 상에 있는 상기 주요 밀봉부를 위한 밀봉 홈은 상기 플랫폼의 선단 에지를 향하여 연장될 수 있다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 블레이드는 상기 주요 밀봉 홈으로부터 상기 제 1 홈 밑에서 방사상 내향으로 연장되는 후방 밀봉부를 수용하기 위한, 상기 플랫폼의 압력 측부 상에 있는 그리고/또는 상기 플랫폼의 흡인 측부 상에 있는 밀봉 홈을 포함한다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 블레이드는 하부 밀봉부를 수용하기 위한, 상기 제 1 홈 밑에 있는 상기 블레이드의 발형상체의 후미 에지 측부에 형성된 하부 밀봉 홈을 포함한다. 상기 하부 밀봉 홈은 상기 압력 측부와 상기 흡인 측부 사이에서 연장된다. 축방향으로 연장되는 상기 하부 밀봉 홈의 깊이는 상기 제 1 홈의 깊이보다 작다.
상기 블레이드 이외에, 상술한 블레이드와 조합시에 터빈을 조립하기에 적합한 열 차폐물도 본 발명의 대상이다. 이러한 터빈은 하나 뒤에 다른 하나가 축방향으로 배열되는 적어도 2개의 회전자 디스크들을 구비한다. 블레이드는 회전자 디스크에 부착되고 열 차폐물은 회전자를 덮는 2개의 터빈 스테이지들 사이의 링형 구조를 형성하도록 배열될 수 있다.
공간 영역을 분리시키기 위한 가스 터빈 회전자 열 차폐물로서, 캐비티 냉각제가 관통하여 유동하는 가스 터빈의 회전자 배열체 내부에서 고온 작용 매체가 상기 가스 터빈 회전자 열 차폐물을 통하여 공간 영역으로부터 유동하고, 상기 가스 터빈 회전자 열 차폐물이 플랫폼을 포함하고, 상기 플랫폼은 축방향 열 차폐물 섹션을 형성하고 실질적으로 회전자의 표면과 평행하게 배열된다. 일 실시예에 따라서, 상기 회전자 열 차폐물은 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 일 단부에 배열된 방사상 열 차폐물 섹션을 포함하고, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 상기 축방향 섹션으로부터 멀리 상기 고온 가스 측부를 향하는 방향으로 연장된다.
본문에서, 실질적으로 평행한 방향은 예를 들어 최대 30°또는 그 이상의 범위에 있을 수 있다. 통상적으로, 20°미만 또는 10°미만일 수 있다. 이 제한값은 본원의 대상인 축방향 터빈을 방사상 터빈으로부터 구별하는 기능을 한다.
일 실시예에 따라서, 상기 축방향 열 차폐물 섹션과 상기 방사상 열 차폐물 섹션 사이의 각도는 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 표면으로부터 멀리 상기 고온 가스 측부를 향하는 방향으로 30°초과, 양호하게는 60°초과이다. 상기 열 차폐물의 고온 가스 측부는 설치될 때 그리고 작동 시에 가스 터빈의 고온 가스 유동에 더 인접한 열 차폐물의 측부이다. 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 고온 가스 측부는 통상적으로 고온 가스에 직접 노출되지 않고 내부 베인 플랫폼에 의해서 고온 가스로부터 보호된다. 통상적으로, 내부 베인 플랫폼과 열 차폐물 사이의 공간은 냉각 유체로 정화된다.
이 본문에서, 축방향 연장부는 엔진에 설치될 때 상기 가스 터빈의 축과 평행한 방향으로 상기 열 차폐물의 또는 상기 블레이드의 연장부이다. 방사상 연장부는 엔진에 설치될 때 상기 가스 터빈의 축과 직각인 방향으로 상기 열 차폐물의 또는 상기 블레이드의 연장부이다.
다른 실시예에 따라서, 회전자 열 차폐물의 상기 축방향 열 차폐물 섹션은 축방향 플랫폼 밀봉부를 수용하기 위한, 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 압력 측부 상에 그리고/또는 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 흡인 측부 상에 있는 밀봉 홈을 포함한다. 엔진에 설치될 때, 축방향 열 플랫폼 밀봉부는 인접 회전자 열 차폐물들의 축방향 열 차폐물 섹션들 사이의 간극을 밀봉하기 위해 사용된다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 방사상 열 차폐물 밀봉부를 수용하기 위한, 상기 방사상 열 차폐물 섹션의 압력 측부 상에 그리고/또는 상기 방사상 열 차폐물 섹션의 흡인 측부 상에 있는 밀봉 홈을 포함한다. 인접 회전자 열 차폐물들의 방사상 열 차폐물 섹션들 사이의 간극은 방사상 열 차폐물에 의해서, 열 차폐물들의 설치 상태에서 밀봉될 수 있다. 축방향 및 방사상 밀봉 홈들은 또한 하나의 조합된 밀봉부를 수용하기 위해 축방향 열 차폐물 섹션으로부터 방사상 열 차폐물 섹션으로 연장되는 밀봉 홈을 형성하도록 조합된다.
블레이드 및 열 차폐물들 이외에, 그러한 블레이드 및 밀봉부를 포함하는 터빈이 개시된다. 이러한 터빈은 후미 에지 측부, 압력 측부, 흡인 측부 및 선단 에지 측부를 구비한 플랫폼, 상기 블레이드 플랫폼에 연결된 날개부, 상기 플랫폼의 후미 에지 측부에 형성된 제 1 홈을 포함한다. 상기 제 1 홈은 원주 방향으로 상기 압력 측부와 상기 흡인 측부 사이에서 연장된다. 상기 제 1 홈은 상기 날개부의 후미 에지의 루트 밑에서 축방향으로 연장된다. 상기 날개부의 루트는 상기 날개부의 후미 에지가 상기 플랫폼과 교차하는 위치에 있다.
또한, 이러한 터빈은 상기 가스 터빈의 회전자 배열체 내부에서 고온 작용 매체가 관통하여 공간 영역으로부터 유동하는 공간 영역을 분리시키기 위한 가스 터빈 회전자 열 차폐물을 포함한다. 상기 회전자 열 차폐물은 축방향 열 차폐물 섹션을 형성하는 플랫폼을 포함한다. 상기 열 차폐물 섹션은 회전자의 표면에 대한 경사에서 실질적으로 회전자의 표면과 평행하게 배열되거나 또는 곡률을 가질 수 있고 회전자 측부 상에서 고온 가스 유동 경로를 한정한다.
이 본문에서, 회전자 배열체는 적어도 하나의 회전자 디스크를 가진다. 통상적으로, 회전자 배열체는 축방향으로 하나가 다른 것 뒤에 배열되는 2개의 회전자 디스크들을 가진다.
제 1 실시예에 따라서, 상기 회전자 열 차폐물은 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 상류 단부에서 방사상 열 차폐물 섹션을 포함하고, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 축방향 연장부의 표면으로부터 먼 방향으로 연장된다. 상기 블레이드 발형상체의 하류 단부, 상기 플랫폼의 하류 단부, 및 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 블레이드 후방 캐비티를 제한하였다. 이 후방 블레이드 캐비티는 캐비티 냉각제에 의해서 공급될 수 있다.
상기 후방 블레이드 캐비티는 상기 블레이드 플랫폼 밑에서 연장되기 때문에, (상기 날개부가 상기 플랫폼으로부터 안으로 연장되는) 상기 플랫폼 위에서 인접 플랫폼들 사이로부터 고온 가스 유동으로의 냉각제 누설에 대해 밀봉하는 밀봉부의 길이는 감소한다. 대응하게, 상기 냉각제 소모량이 감소되는데, 이는 상기 후방 블레이드 캐비티 안으로 유동하는 냉각제는 상기 열 차폐물을 냉각시키기 위하여 그리고/또는 상기 열 차폐물 영역 또는 다른 구성요소들 하류부의 정화를 위하여 사용될 수 있기 때문이다.
일 실시예에 따라서, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 축방향 연장부의 표면으로부터 먼 방향으로 30°초과, 양호하게는 60°초과의 각도로 연장된다.
일 실시예에서, 상기 블레이드는 상기 제 1 홈보다 상기 날개부를 대면하는 플랫폼 표면에 더 인접한 상기 블레이드 플랫폼의 후미 에지 측부에 형성된 후미 에지 측부 밀봉 홈을 포함한다. 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈은 상기 압력 측부와 상기 흡인 측부 사이에서 연장되고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈의 축방향 깊이는 상기 제 1 홈의 축방향 깊이보다 작다.
다른 실시예에서, 상기 터빈은 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈과 상기 방사상 열 차폐물 섹션 사이에 배열된 상부 밀봉부를 포함한다. 상기 밀봉부는 상기 후방 블레이드 캐비티를 제한하여 상기 고온 가스 유동 경로로의 캐비티 냉각제의 누설을 감소시킬 수 있다.
또다른 실시예에서, 상기 터빈의 블레이드는 플랫폼의 압력 측부 상에 그리고/또는 상기 플랫폼의 흡인 측부 상에 있는 후방 밀봉부를 수용하기 위한 밀봉 홈과 상기 제 1 홈 밑에서 방사상 내향으로 연장되는 후방 밀봉부를 포함한다. 상기 후방 밀봉부는 하나의 터빈 열의 인접 블레이드들 사이에서 블레이드 후방 캐비티를 향하여 형성된 공간을 밀봉한다. 이 공간은 작동 중에 냉각제로 가압된다. 작동 중에, 상기 블레이드에는 블레이드 냉각제가 공급되고 상기 열 차폐물 캐비티에는 상기 공간으로부터 캐비티 냉각제가 공급될 수 있다. 상기 후방 밀봉부는 상기 블레이드의 하류 단부에서 밀봉하는 2개의 스테이지로 안내되는 상기 블레이드 후방 캐비티에 대한 누설을 효과적으로 감소시킨다.
상기 후방 밀봉부는 통상적으로 상기 플랫폼으로부터 내향으로 연장되는 "플로리다 스타일의 밀봉부"로 칭하는 곡선형 밀봉부이다. 상기 플랫폼에서 상기 후방 밀봉부는 상기 플랫폼의 주요 밀봉부에 대한 접선방향일 수 있다. 상기 밀봉부의 내향 단부는 통상적으로 상기 블레이드 발형상체의 하류 단부에 있다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 블레이드는 하부 밀봉부를 수용하기 위해 상기 제 1 홈 밑에 있는 상기 블레이드의 발형상체의 후미 에지 측부에 또는 상기 플랫폼의 후미 에지 측부에 형성된 하부 밀봉 홈과, 상기 방사상 열 차폐물 섹션과 상기 하부 밀봉 홈 사이에 배열된 하부 밀봉부를 포함한다. 상기 밀봉부는 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 방사상 내향으로 배열된 열 차폐물 캐비티로부터 상기 블레이드 후방 캐비티를 분리시킨다. 상기 하부 밀봉부는 상기 블레이드 후방 캐비티로부터 상기 고온 가스를 향한 임의의 밀봉부들이 실패할 경우에 추가 안전성을 제공한다. 비록 이러한 실패 후에 상기 열 차폐물 캐비티는 열 차폐물의 냉각을 보장하도록 충분히 밀봉될 것이다. 이러한 실패의 경우에, 상기 블레이드 후방 캐비티는 상기 하부 밀봉부 및 상기 후방 밀봉부를 가로지르는 누설량의 증가에 의해서 정화된다. 이 실시예에 대해서, 상기 열 차폐물은 하부 밀봉부를 수용하기 위하여 상기 축방향 열 차폐물 섹션의 전방 단부에 또는 상기 방사상 열 차폐물 섹션의 상류 단부에 형성된 하부 밀봉부를 포함할 수 있다.
후방 블레이드 캐비티를 갖는 개시된 터빈은 고온 가스로부터 블레이드의 하류 단부를 분리시키고 누설을 감소시킬 수 있다. 전나무 재목 및 회전자는 밀봉선 밑에 있다. 상기 블레이드 발형상체의 하류 단부는 개별 밀봉부들에 의해서 밀봉될 수 있으므로, 반턱이음판이 필요하지 않다. 따라서, 개별 블레이드들의 용이한 조립 및 분해가 가능하다. 또한, 날개부 후미 에지에서의 응력이 감소된다.
본원의 그 특성 뿐 아니라 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 일렬 또는 터빈 블레이들의 상면도.
도 2는 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자 및 열 차폐물의 단면 뿐 아니라 열 차폐물을 대면하는 베인의 단면을 갖는 터빈의 절취도.
도 3은 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자의 단면 뿐 아니라 열 차폐물 및 후방 블레이드 캐비티의 단면을 갖는 터빈의 절취도.
도 4는 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자의 단면 뿐 아니라 열 차폐물, 후방 블레이드 캐비티 및 후방 밀봉부의 단면을 갖는 터빈의 절취도.
도 5는 추가 하부 밀봉부를 갖는 터빈의 절취도.
도 1은 일렬 또는 터빈 블레이들의 상면도.
도 2는 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자 및 열 차폐물의 단면 뿐 아니라 열 차폐물을 대면하는 베인의 단면을 갖는 터빈의 절취도.
도 3은 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자의 단면 뿐 아니라 열 차폐물 및 후방 블레이드 캐비티의 단면을 갖는 터빈의 절취도.
도 4는 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자의 단면 뿐 아니라 열 차폐물, 후방 블레이드 캐비티 및 후방 밀봉부의 단면을 갖는 터빈의 절취도.
도 5는 추가 하부 밀봉부를 갖는 터빈의 절취도.
도 1은 일렬 또는 터빈 블레이드들의 단면의 상면도를 도시한다. 각 블레이드(1)는 플랫폼(2)에 부착된 날개부(3)를 포함한다. 날개부는 선단 에지, 후미 에지, 오목형 압력 측부 및 볼록형 흡인 측부를 구비한다. 상기 플랫폼의 대응 측부는 선단 에지 측부(9), 후미 에지 측부(10), 압력 측부(29) 및 흡인 측부(30)를 포함한다. 상기 블레이드(1)의 발형상체(4)는 블레이드를 회전자에 고정하기 위하여 플랫폼 밑에 있다. 이 도면에서, 발형상체(4)의 후방 단부가 도시되어 있다.
도 1의 예에서, 인접 블레이드(1)의 플랫폼(2)의 압력 측부(29) 및 흡인 측부(30)는 플랫폼(2)의 연장부를 따라서 선단 에지 측부(9)로부터 후미 에지 측부(10)를 향하는 각각의 평행한 직선 표면들이다. 그러나, 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)는 한 블레이드의 플랫폼은 이웃 블레이드의 방향으로 연장된다. 대응하는 이웃 블레이드는 소위 반턱이음판을 형성하기 위하여 밑에서(도시생략) 플랫폼(2) 및 발형상체(4)의 중첩을 허용하는 간극을 가진다. 모든 표준 블레이드(31)는 반턱이음판(28)을 가진다. 단지 하나의 폐쇄 블레이드(32)는 반턱이음판(28)을 갖지 않으며, 이는 추가적인 누설을 유도할 수 있다.
도 2는 터빈 블레이드(1)의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자(6) 및 열 차폐물(7)의 단면을 갖는 터빈의 절취도를 도시한다. 열 차폐물(7) 위에 그리고 블레이드(2)의 하류에는, 터빈 베인(34)(단지 부분적으로 도시됨)이 배열되어 있다. 상기 베인의 내부 플랫폼 및 열 차폐물(7) 사이에 있는 간극에서의 누설을 감소시키기 위하여, 벌집형체(35)가 열 차폐물(7)에 대면하게 베인에 부착될 수 있다.
블레이드(1)는 플랫폼(2)에 부착된 날개부(3) 및 발형상체(4)를 포함한다. 상기 발형상체(4)의 일부는 블레이드를 회전자에 고정하기 위하여 전나무 재목(5)으로서 설계될 수 있다. 냉각제가 냉각제 공급부(8)를 통하여 블레이드(1)로 공급된다. 상기 냉각제의 일부는 블레이드 냉각제(26)로서 블레이드(1)에 공급되고 상기 냉각제의 다른 일부는 블레이드의 하류에 있는 열 차폐물 캐비티(25)로 캐비티 냉각제(27)로서 공급된다. 상기 캐비티 냉각제(27)의 유동은 스로틀 러그(24)에 의해서 제어될 수 있다. 열 차폐물 캐비티에 대한 그리고 상기 열 차폐물(7) 위의 플랫폼(2) 하류 영역에서의 냉각제 공급부(8)의 비제어 손실량은 반턱이음판(28)에 의해서 제한된다. 상기 플랫폼(2) 위에서 고온 가스 유동 경로에 대한 냉각제의 손실량은 인접 블레이드(1)의 플랫폼들(2) 사이의 간극을 밀봉하는 주요 밀봉부(17)에 의해서 제한된다. 상기 블레이드의 상류 단부에서 비제어된 냉각제 유동은 상기 회전자(6)로부터 플랫폼(2)의 내부 측부로 연장되는 인접 블레이드들(1)의 발형상체(4)의 전방 단부들 사이에 개재된 로킹 플레이트에 의해서 제한될 수 있다.
캐비티 냉각제(27)의 손실량은 인접 열 차폐물(7)의 축방향 열 차폐물 섹션들(14) 사이의 간극을 밀봉하는 축방향 플랫폼 밀봉부(21)에 의해서 제한된다.
도 3은 터빈 블레이드의 측면 및 블레이드를 유지하는 회전자의 단면 뿐 아니라 열 차폐물의 단면을 갖는 본 개시물의 제 1 실시예를 도시한다. 도 3은 도 2에 기초하지만 단순화를 위하여 절취된 베인 단면은 생략된다. 도 3의 블레이드는 반턱이음판을 갖지 않는다.
날개부(3)의 후미 에지에서의 응력들을 감소시키기 위하여, 제 1 홈(11)은 각자 발형상체(4)의 후미 에지 측부(10)의 외부에 있는 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)의 "절취부"이다. 상기 홈은 전나무 재목(5) 위의 위치로부터 플랫폼(2)으로 축방향으로 연장된다. 축방향의 홈은 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)로부터 날개부(3)의 후미 에지의 상류 위치까지 연장된다. 결과적으로, 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)는 발형상체(4)에 강직하게 연결되지 않으므로 더욱 가요성이 있다. 열적 연장부의 차이들은 날개부 후미 에지에서의 응력들을 낮추도록 유도한다.
도 3의 열 차폐물은 도 2의 열 차폐물에 기초한다. 이는 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 상류 단부에서 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 외면으로부터 개시되는 방사상 열 차폐물 섹션(15)을 포함하고, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 방사상 외향으로 연장된다.
상기 블레이드(1)의 발형상체(4) 및 플랫폼(2)의 후방 단부를 보호하기 위하여, 블레이드 후방 캐비티(16)는 블레이드(1)의 하류에 배열된다. 이는 열 차폐물(7)의 방사상 열 차폐물 섹션(15)에 의해서 하류 측부를 향하여 둘러싸인다. 고온 가스 측부를 (방사상 외향으로) 향하는 누설을 제어하기 위하여 상부 밀봉부(19)는 방사상 열 차폐물 섹션(15)의 외부 단부와 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10) 사이에 배열될 수 있다.
실시예에 제시된 바와 같이, 방사상 열 차폐물 섹션(15)은 블레이드(1)의 열 차폐물(2)과 평행하고 나란하게 정렬되는 상류 방향으로 방사상 외부 단부에 비틀림부(kink)를 가질 수 있다. 이 비틀림부는 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)와 열 차폐물(7) 사이의 간극을 연결한다. 또한, 이는 상부 밀봉부(19)를 더욱 잘 유지하도록 작용한다.
도 4는 도 3에 기초하는 추가 한정 구성을 도시한다. 도 3에 도시된 예에 추가하여, 이 예는 발형상체(4)의 하류 단부에 배열되는 후방 밀봉부(33)를 포함한다. 상기 후방 밀봉부는 블레이드로부터 열 차폐물 캐비티(25)로의 그리고 특히 블레이드 후방 캐비티(16)로의 누설을 제어하기 위하여 플랫폼 밑에서 주요 밀봉부(17)로부터 전나무 재목(5)을 향하여 방사상 내향으로 연장된다.
도 5는 도 4에 기초하는 다른 예를 도시한다. 이 예에서, 블레이드 후방 캐비티(16)는 발형상체(4)와 열 차폐물(7) 사이에서 연장되는 하부 밀봉부(22)에 의해서 열 차폐물 캐비티(25)로부터 분리된다. 이 예에서, 이는 축방향 열 차폐물 섹션(14)과 블레이드 발형상체(4) 사이에서 연장되지만, 또한 방사상 열 차폐물 섹션(15)과 블레이드 발형상체(4) 사이에서도 연장될 수 있다.
통상적으로, 열 차폐물 캐비티(25)와 블레이드 후방 캐비티(16)의 설계 압력은 실질적으로 동일하거나 또는 서로 매우 가깝다. 예를 들어, 이들은 전체 압력에서 10% 미만 또는 5% 미만의 차이를 갖는다. 2개의 캐비티들은 독립 냉각제 공급부를 갖는다. 이러한 설계를 위하여, 하부 밀봉부(22)는 블레이드 후방 캐비티(16)를 밀봉하는 다른 밀봉부의 경우가 실패할 경우에 안전 구성부로서 주로 작용한다.
모든 설명된 장점들은 단지 특정 조합들에 국한되지 않고 본 발명의 범주 내에서 다른 조합으로 또는 단독으로 사용될 수 있다. 다른 가능성도 선택적으로 예상할 수 있다. 예를 들어, 추가의 냉각제 공급부는 회전자(6)로부터 직접 열 차폐물 캐비티(25)로 또는 블레이드(1)로부터 블레이드 후방 캐비티로 지향될 수 있다. 상류 단부 또는 하류 단부로부터의 추가 또는 다른 냉각제 공급부는 냉각제가 회전자를 예를 들어 관찰 블레이드 영역을 통과하지 않는 것으로 예상된다.
작동 중에 원심력으로 인한 큰 국부적인 응력을 감소시키기 위하여 제 1 홈(11)은 또한 도면에 도시된 것보다 작은 깊이를 가질 수 있어서 블레이드 부하에 의해서 유발된 응력선으로 연장되지 않을 수 있다. 이러한 제 1 홈은 열적 응력을 감소시킬 목적으로 작용한다.
열 차폐물 캐비티의 방사상 외측에 있는 블레이드 후방 캐비티의 배열은 실패 감소 설계를 유도한다. 만약, 고온 가스 측부를 향한 밀봉부들 중 하나 즉, 방사상 열 차폐물 밀봉부(20) 또는 상부 밀봉부(19)가 실패하면, 잔여 밀봉부들 즉, 후방 밀봉부(33) 및 하부 밀봉부(22)를 가로지르는 압력차는 증가하고 충분한 냉각제 유동이 블레이드 후방 캐비티로 진입하여 정화하고 그에 의해서 고온 가스 흡입을 회피한다.
1. 블레이드
2. 플랫폼
3. 날개부
4. 발형상체
5. 전나무 재목
6. 회전자
7. 회전자 열 차폐물
8. 냉각제 공급부
9. 선단 에지 측부
10. 후미 에지 측부
11. 제 1 홈
12. 후미 에지 측부 밀봉 홈
13. 회전축
14. 축방향 열 차폐물 섹션
15. 방사상 열 차폐물 섹션
16. 블레이드 후방 캐비티
17. 주요 밀봉부
18. 후방 밀봉부
19. 상부 밀봉부
20. 방사상 열 차폐물 밀봉부
21. 축방향 플랫폼 밀봉부
22. 하부 밀봉부
23. 로킹플레이트
24. 스로틀 러그
25. 열 차폐물 캐비티
26. 블레이드 냉각제
27. 캐비티 냉각제
28. 반턱이음판
29. 압력 측부
30. 흡인 측부
31. 표준 블레이드
32. 폐쇄 블레이드
33. 후방 밀봉부
34. 베인
35. 벌집형체
2. 플랫폼
3. 날개부
4. 발형상체
5. 전나무 재목
6. 회전자
7. 회전자 열 차폐물
8. 냉각제 공급부
9. 선단 에지 측부
10. 후미 에지 측부
11. 제 1 홈
12. 후미 에지 측부 밀봉 홈
13. 회전축
14. 축방향 열 차폐물 섹션
15. 방사상 열 차폐물 섹션
16. 블레이드 후방 캐비티
17. 주요 밀봉부
18. 후방 밀봉부
19. 상부 밀봉부
20. 방사상 열 차폐물 밀봉부
21. 축방향 플랫폼 밀봉부
22. 하부 밀봉부
23. 로킹플레이트
24. 스로틀 러그
25. 열 차폐물 캐비티
26. 블레이드 냉각제
27. 캐비티 냉각제
28. 반턱이음판
29. 압력 측부
30. 흡인 측부
31. 표준 블레이드
32. 폐쇄 블레이드
33. 후방 밀봉부
34. 베인
35. 벌집형체
Claims (15)
- 후미 에지 측부(10), 압력 측부(29), 흡인 측부(30) 및 선단 에지 측부(9)를 구비한 플랫폼(2); 상기 블레이드 플랫폼(2)에 연결된 날개부(3), 및 상기 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)에 형성된 제 1 홈(11)을 포함하는 가스 터빈 블레이드(1)로서, 상기 제 1 홈(11)이 상기 압력 측부(29)와 상기 흡인 측부(30) 사이에서 연장되고, 상기 제 1 홈(11)이 상기 날개부(3)의 후미 에지의 루트(root) 밑에서 축방향으로 연장되는, 상기 가스 터빈 블레이드(1)에 있어서,
상기 블레이드(1)는 상기 제 1 홈(11)보다 상기 날개부(3)를 대면하는 플랫폼 표면에 더 인접한 상기 블레이드 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)에 형성된 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)을 포함하고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)은 상기 압력 측부(29)와 상기 흡인 측부(30) 사이에서 연장되고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)의 축방향 깊이는 상기 제 1 홈(11)의 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 홈(11)은 블레이드 부하에 의해서 생성된 응력선 안으로 진입하는 축방향 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)은 스트립 밀봉부를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 블레이드(1)는 상기 제 1 홈(11) 위에서 주요 밀봉부(17)를 수용하기 위한, 상기 플랫폼(3)의 압력 측부(29) 상에 있는 그리고/또는 상기 플랫폼(2)의 흡인 측부(30) 상에 있는 상기 플랫폼(2)의 후미 에지로 연장되는 밀봉 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 블레이드(1)는 상기 제 1 홈(11) 밑에서 방사상 내향으로 연장되는 후방 밀봉부(33)를 수용하기 위한, 상기 플랫폼(2)의 압력 측부(29) 상에 있는 그리고/또는 상기 플랫폼(2)의 흡인 측부(30) 상에 있는 밀봉 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 블레이드(1)는 하부 밀봉부(22)를 수용하기 위한, 상기 제 1 홈(11) 밑에 있는 상기 블레이드(1)의 발형상체(4)의 후미 에지 측부에 형성된 하부 밀봉 홈을 포함하고, 상기 하부 밀봉 홈은 상기 압력 측부(29)와 상기 흡인 측부(30) 사이에서 연장되고, 축방향으로 연장되는 상기 하부 밀봉 홈의 깊이는 상기 제 1 홈(11)의 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드(1). - 공간 영역을 분리시키기 위한 가스 터빈 회전자 열 차폐물(7)로서, 캐비티 냉각제(27)가 통하여 유동하는 가스 터빈의 회전자(6) 배열체 내부에서 고온 작용 매체가 상기 가스 터빈 회전자 열 차폐물을 통하여 공간 영역으로부터 유동하고, 상기 가스 터빈 회전자 열 차폐물이 플랫폼을 포함하고, 상기 플랫폼은 축방향 열 차폐물 섹션(14)을 형성하고 실질적으로 회전자(6)의 표면과 평행하게 배열되는, 상기 가스 터빈 회전자 열 차폐물(7)에 있어서,
상기 회전자 열 차폐물(7)은 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 일 단부에 배열된 방사상 열 차폐물 섹션(15)을 포함하고, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 표면으로부터 멀리 상기 고온 가스 측부를 향하는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 회전자 열 차폐물(7). - 제 7 항에 있어서,
상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)은 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 표면으로부터 멀리 상기 고온 가스 측부를 향하는 방향으로 30°초과, 양호하게는 60°초과의 각도로 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 회전자 열 차폐물(7). - 제 7 항에 있어서,
상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)은 설치 상태에서 인접 회전자 열 차폐물들(7) 사이의 간극을 밀봉하기 위해 축방향 플랫폼 밀봉부(21)를 수용하기 위한, 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 압력 측부(29) 상에 그리고/또는 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 흡인 측부(30) 상에 있는 밀봉 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 회전자 열 차폐물(7). - 제 7 항에 있어서,
상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)은 설치 상태에서 인접 회전자 열 차폐물들(7) 사이의 간극을 밀봉하기 위해 방사상 열 차폐물 밀봉부(20)를 수용하기 위한, 상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)의 압력 측부(29) 상에 그리고/또는 상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)의 흡인 측부(30) 상에 있는 밀봉 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 회전자 열 차폐물(7). - 후미 에지 측부(10), 압력 측부(29), 흡인 측부(30) 및 선단 에지 측부(9)를 구비한 플랫폼(2); 상기 블레이드 플랫폼(2)에 연결된 날개부(3), 상기 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)에 형성된 제 1 홈(11) 및 터빈의 회전자 배열체 내부에서 고온 작용 매체가 회전자 열 차폐물(7)을 통하여 공간 영역으로부터 유동하는 공간 영역을 분리시키기 위한 상기 회전자 열 차폐물을 포함하는 블레이드(1)를 구비한 터빈으로서, 상기 제 1 홈(11)이 상기 압력 측부(29)와 상기 흡인 측부(30) 사이에서 연장되고, 상기 제 1 홈(11)이 상기 날개부(3)의 후미 에지의 루트 밑에서 축방향으로 연장되고, 상기 회전자 열 차폐물(7)이 플랫폼을 포함하고, 상기 플랫폼은 축방향 열 차폐물 섹션(14)을 형성하고 실질적으로 회전자(6)의 표면과 평행하게 배열되는, 상기 터빈에 있어서,
상기 회전자 열 차폐물(7)은 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 상류 단부에서 방사상 열 차폐물 섹션(15)을 포함하고, 상기 방사상 열 차폐물 섹션은 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 표면으로부터 멀리 상기 고온 가스 측부를 향하는 방향으로 연장되는 것과,
블레이드 후방 캐비티(16)가 상기 플랫폼(2)의 하류 단부, 및/또는 상기 블레이드 발형상체(4)의 하류 단부, 및 상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)에 의해서 제한되는 것을 특징으로 하는 터빈. - 제 11 항에 있어서,
상기 블레이드(1)는 상기 제 1 홈(11)보다 상기 날개부(2)를 대면하는 플랫폼 표면에 더 인접한 상기 블레이드 플랫폼(2)의 후미 에지 측부(10)에 형성된 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)을 포함하고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)은 상기 압력 측부(29)와 상기 흡인 측부(30) 사이에서 연장되고, 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)의 축방향 깊이는 상기 제 1 홈(11)의 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 터빈. - 제 11 항에 있어서,
상기 터빈은 상기 후미 에지 측부 밀봉 홈(12)과 상기 방사상 열 차폐물 섹션(15) 사이에 배열된 상부 밀봉부(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈. - 제 11 항에 있어서,
상기 블레이드(1)는 상기 플랫폼(3)의 압력 측부(29) 상에 그리고/또는 상기 플랫폼(3)의 흡인 측부(30) 상에 있는 후방 밀봉부(33)를 수용하기 위한 밀봉 홈과 상기 블레이드 후방 캐비티(16)를 향하여 하류 단부에 있는 하나의 터빈 열의 인접 블레이드들(1) 사이에 형성된 공간을 밀봉하기 위한, 상기 제 1 홈(11) 밑에서 방사상 내향으로 연장되는 후방 밀봉부(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈. - 제 11 항에 있어서,
상기 블레이드(1)는 하부 밀봉부(22)를 수용하기 위한, 상기 제 1 홈(11) 밑에 있는 상기 블레이드(1)의 발형상체(4)의 후미 에지 측부에 또는 상기 플랫폼(2)의 후미 에지 측부에 형성된 하부 밀봉 홈과, 열 차폐물 캐비티(25)로부터 상기 축방향 열 차폐물 섹션(14)의 방사상 내향으로 배열된 상기 블레이드 후방 캐비티(16)를 분리시키기 위해 상기 방사상 열 차폐물 섹션(15)과 상기 하부 밀봉 홈 사이에 배열된 하부 밀봉부(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
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