KR20150020102A - 터보 기계용 로터 샤프트 - Google Patents

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KR20150020102A KR20140104272A KR20140104272A KR20150020102A KR 20150020102 A KR20150020102 A KR 20150020102A KR 20140104272 A KR20140104272 A KR 20140104272A KR 20140104272 A KR20140104272 A KR 20140104272A KR 20150020102 A KR20150020102 A KR 20150020102A
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스테펜 홀츠호우서
다니엘 에크할트
세르게이 랴잔체프
토르스텐 윙게
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

로터 샤프트(100)는 로터 샤프트의 로터 축(110)에 대해 회전하도록 구성된다. 로터 샤프트(100)는 로터 샤프트(100) 내의 로터 축(110)에 대해 동심으로 구성된 로터 캐비티(120)를 포함한다. 로터 샤프트(100)는 추가로 블레이드(blade) 내의 내부 냉각 시스템 내로 냉각 공기를 공급하기 위해 로터 캐비티(120)로부터 방사상 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들(130)을 포함한다. 각각의 냉각 보어(130)는 보어 입구부(132)와 원위 보어 출구부(134)를 포함한다. 플래토(124) 내의 각각의 보어 입구부(132)의 단부들은 로터 캐비티(120)의 외주 윤곽(122) 위로 돌출한다. 따라서, 냉각 보어 입구들(132)은 낮은 응력 영역으로 이동되고 로터의 수명은 개선된다.

Description

터보 기계용 로터 샤프트{ROTOR SHAFT FOR A TURBOMACHINE}
본 발명은 높은 열 부하를 받는 터보 기계들, 특히 가스 터빈들의 기술 분야에 관한 것이고, 더 구체적으로, 본 발명은 이러한 터보 기계용 로터 샤프트에 관한 것이다.
압축기들, 가스 터빈들 또는 스팀 터빈들과 같은 터보 기계들의 부품들은 이러한 부품들의 수명을 감소시키는 높은 열 응력 및 기계 응력에 노출된다. 작업 동안 열 응력을 감소시키기 위해서, 이 부품들은 예를 들어, 스팀 또는 공기와 같은 냉각 매체에 의해 냉각된다.
가스 터빈들에서, 블레이드들은 냉각 공기에 의해 대류 냉각된다. 냉각 공기는 압축기로부터 분기되고 로터 샤프트 내의 중앙 냉각 공기 공급 보어 내로 향하게 된다. 이 중앙 보어로부터 냉각 공기는 로터 캐비티 및 복수의 개별 방사상으로 연장하는 냉각 보어들을 통해 블레이드들의 내부 냉각 채널들로 방사상 외향으로 향하게 된다.
EP 1705339호는 중앙 축 방향으로 연장하는 보어의 형태인 로터 샤프트 내부에 배치된 냉각 공기 공급부 및 중앙 냉각 공기 공급부로부터 본질적으로 방사 방향으로 외향으로 냉각될 블레이드들로 이어지는 복수의 개별 냉각 공기 덕트들을 구비하는 가스 터빈에 대한 로터 샤프트를 개시하고 있다. 이 냉각 공기 덕트들은 블레이드들의 내부 냉각 채널들 내에 냉각 공기를 공급한다. 바람직한 실시예에 따르면, 냉각 공기 덕트들은 로터 축에 대해 동심 배열된 캐비티들로부터 나온다. 이 구조의 임계 영역은 이 로터 캐비티들의 외주에서의 냉각 공기 덕트 입구들의 부분이다. 복수의 냉각 보어들은 로터 캐비티들의 곡선 외부 부분에서 시작한다. 냉각 보어들은 로터 캐비티들의 외주를 따라 대칭적으로 분포된다. 높게 요구되는 냉각 공기 질량 흐름 때문에, 냉각 공기 보어들의 수와 크기가 주어지고 개별 냉각 공기 보어들 사이에 매우 작은 잔류 벽 두께를 야기한다. 이것은 로터 샤프트 강도의 약화를 초래한다. 이 영역에서의 높은 작용 응력들 때문에 작은 벽 두께는 로터의 한정된 수명을 초래한다.
최소 벽 두께를 증가시키기 위해서, 냉각 보어들의 수 및/또는 크기는 변할 필요가 있다. 또는 대안적으로, 작용 기계(원심 블레이드 부하) 및 열 부하들은 감소될 필요가 있다. 그러나, 이 선택들은 모두 함께 블레이드 냉각 및/또는 엔진 성능 상에 부정적인 영향을 미친다.
따라서, 기계 응력들을 감소시키기 위한 그리고 열 부하 터보 기계 내의 로터 샤프트의 수명을 증가시킬 개선된 로터 샤프트 디자인이 필요하다.
본 발명의 목적은 복수의 방사상으로 연장하는 냉각 보어들을 구비한 가스 터빈과 같은 높은 열 부하를 받는 터보 기계용 로터 샤프트를 제공하는 것이고, 로터 샤프트는 특히 그 수명에 대해 최첨단이며 유리하다.
이 목적은 독립항에 따른 로터 샤프트에 의해 얻게 된다.
본 발명에 따른 로터 샤프트는 로터 샤프트 내부에 배치되고 로터 축에 대해 본질적으로 평행하게 연장하는 냉각 공기 공급부와, 로터 샤프트 내부의 로터 축에 대해 동심 배열되는 적어도 하나의 로터 캐비티로서, 상기 냉각 공기 공급부는 적어도 하나의 로터 캐비티에 대해 개방되는, 상기 적어도 하나의 로터 캐비티와, 적어도 하나의 로터 캐비티에 연결되고 로터 캐비티로부터 방사상 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들로서, 각각의 냉각 보어는 입구부와 원위 출구부를 갖고, 각각의 보어 입구부는 적어도 하나의 로터 캐비티의 외주에 인접하도록 구성되는, 상기 복수의 냉각 보어들을 적어도 포함한다. 이 로터 샤프트는 적어도 하나의 냉각 보어의 입구부가 로터 캐비티 벽의 외주 윤곽 위로 돌출하는 플래토(plateau)로서 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 수단의 유리한 효과는 냉각 보어들이 로터 캐비티 내에서 추가로 연장되고 냉각 보어 입구들이 원래의 캐비티 윤곽으로부터 낮은 응력 영역으로 멀리 이동된다는 것이다. 결과적으로, 로터의 기계 응력은 상당히 감소되고 로터의 감소된 기계 응력은 그 수명을 감소시키는 요인이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 냉각 보어의 입구부는 개별 플래토 상에 배열된다.
대안적인 실시예에 따르면, 복수의 냉각 보어들의 입구부들은 공통적으로 플래토 상에 배열된다.
추가의 실시예에 따르면, 원주 플래토는 로터 캐비티 및 이 원주 플래토 내의 모든 냉각 보어들의 단부의 입구부들 내에 형성된다.
원주 플래토의 이점은 용이한 제작에 있다.
방사상 외부에서 플래토는 상대적으로 작은 반경을 통해 원래의 윤곽으로부터 떨어져서 올려지고, 캐비티 벽 상에 스텝(step)을 형성한다.
이 도입된 스텝은 원래의 응력 분포의 임의의 변화들을 방지한다.
방사상 내부에서 로터 축에 대한 방향에서, 플래토는 캐비티 벽에 대해 평탄한 접선 전이부를 갖는다.
플래토 그 자체는 곡면을 가질 수 있다. 하지만 용이한 제작의 이유로 직선면을 가진 플래토가 선호된다. 직선 플래토의 표면은 냉각 보어들의 길이 방향 축에 대해 수직으로 정렬된다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들을 참조하여 다른 실시예들에 의해 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 로터 샤프트(블래이딩 없이)의 측면 사시도.
도 2는 내부 냉각 공기 덕트들을 구비한 영역에서 도 1의 로터 샤프트를 통해 길이 방향 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 로터 캐비티의 확대도.
유사한 부호 번호들은 몇몇의 실시예들의 설명을 통해 유사한 부분들을 지칭한다.
본 개시물의 완전한 이해를 위해, 도면들과 관련된 다음의 상세한 설명에 대한 참조가 행해진다.
도 1은 가스 터빈의 로터 샤프트(100)(도시되지 않은 블레이딩)의 측면 사시도를 나타낸다. 로터 축(110)에 대해 회전 대칭인 로터 샤프트(100)는 압축기부(11)와 터빈부(12)로 다시 분기된다. 가스 터빈 내의 2개의 부분들(11 및 12) 사이에서, 연소 챔버가 배열될 수 있고, 연소기부(11) 내에 압축된 공기가 도입되고 고온 가스가 터빈부(12)를 통해 흐른다. 로터 샤프트(100)는 용접에 의해 서로 연결되는 복수의 로터 디스크들(13)에 의해 조립될 수 있다. 터빈부(12)는 원주에 걸쳐 분포된 대응하는 이동 블레이드들의 수용을 위한 수용 슬롯들을 갖는다. 블레이드들의 블레이드 루트들은 전나무 형태의 단면 윤곽에 의한 양의 연결에 의해 관행 방법으로 수용 슬롯들 내에 유지된다.
높은 열 부하를 받는 터빈부(12)를 도시한 도 2에 따르면, 로터 샤프트(100)는 로터 축(110)에 대해 본질적으로 평행하게 이어지고 로터 캐비티(120)로 종결되는 냉각 공기 공급부(16)를 포함한다. 로터 캐비티(120)는 로터 샤프트(100) 내의 로터 축(110)에 대해 동심으로 구성된다. 복수의 냉각 보어들(130)은 로터 샤프트(100)에 연결된 (도시되지 않은) 개별 블레이드들의 내부 냉각 채널들 내로 냉각 공기를 공급하기 위해 로터 캐비티(120)로부터 로터 샤프트(100)의 외부로 방사상 외향으로 연장한다. 각각의 냉각 보어(130)는 보어 입구부(132)와 원위 보어 출구부(134)를 포함한다. 각각의 보어 입구부(132)는 로터 캐비티(120) 상에 인접하도록 구성된다. 용어 '인접하다'는 보어 입구부(132)와 보어 입구부(132)가 만나는 로터 캐비티(120)가 동일한 평면에서 만나고 공유하는 것을 의미하도록 규정된다. 로터 캐비티(120)는 냉각 공기를 로터 캐비티(120)로, 그리고 로터 캐비티(120)로부터 복수의 냉각 보어들(130)로 공급하는 중앙 냉각 공기 공급부(14)에 연결된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 환형의 로터 캐비티(120)는 캐비티 벽(123)에 의해 축 방향으로 그리고 원주 방향으로 제한된다. 참조 부호 140은 인접한 로터 디스크들(13) 사이의 용접 심을 나타낸다. 로터 캐비티(120)의 방사상 외부 부분으로부터(여기서 사용된 바와 같은 용어들 "방사상 외부", "방사상 내부", "방사상 외향으로"의 기준은 로터 축(110)임), 복수의 냉각 보어들(130)은 방사상 외향으로 연장한다. 냉각 보어들(130)의 입구들(132)은 원래의 캐비티 윤곽(122)으로부터 떨어져서 이동되고 추가의 재료의 플래토(124) 상에서 원래의 캐비티 윤곽으로부터 떨어져서 위치된다. 이상적으로, 재료는 각각의 개별 냉각 보어 입구(132) 주위에 플래토(124)를 형성하기 위해 각각의 냉각 보어 입구들(132) 주위에만 추가된다. 이에 의해 냉각 보어들(130)은 로터 캐비티(120) 내로 또한 연장되고 그 입구들(132)은 원래의 캐비티 윤곽(122)으로부터 떨어져서 이동된다. 바람직하게, 플래토(124)는 냉각 보어(130)의 길이 방향 축에 대해 수직으로 정렬된 직선면(125)을 갖는다. 그 방사상 내부 부분 상에서, 즉, 로터 축(110)에 대한 방향에서, 플래토(124)는 캐비티 벽(123)에 대해 평탄한 접선 전이부(126)를 갖고, 반면에 그 방사상 외부 부분 상에서, 캐비티 벽(123)으로부터 플래토(124)로의 전이부는 캐비티 벽(123)으로부터 플래토(124)로의 비교적 작은 전이 반경(127)을 가진 스텝에 의해 형성된다. 표현 "비교적 작은"은 전이 반경(126)과 비교할 때를 의미한다. 추가의 재료 때문에, 냉각 보어 입구들(132)은 또한 캐비티(120) 내로 그리고 원래의 윤곽(122)으로부터 떨어져서 이동된다. 도입된 스텝(127)은 원래의 응력 분포의 임의의 변화들을 방지한다. 따라서 냉각 보어 입구들(132)은 낮은 응력 영역으로 이동된다.
복수의 냉각 보어들(130)을 따라 복수의 개별 플래토들(124)을 형성하는 것 대신에, 로터 캐비티(120)의 전체 원주를 따라 동일한 높이의 연속적인 플래토(124)를 형성하는 것은 바람직한 대안이다. 이 실시예의 이점은 플래토의 용이한 제작이다.
본 개시물의 개선된 로터 샤프트는 다양한 범위들에서 유리하다. 로터 샤프트는 사용되는 관계가 운영 조건에 있는 기계 또는 터빈들이 있는 동안 열 및 기계 응력들의 상승의 효과를 감소시킨다는 면에서 적응할 수 있다. 또한, 본 개시물의 로터 샤프트가 단일 부분 또는 복수의 부분으로 형성되는지의 여부의 요인에 관계없이, 본 개시물의 로터 샤프트는 온도 및 원심력 또는 축력의 효과들에 저항하거나 감소시키는데 유리하다. 이러한 단면 프로파일을 가진 개선된 로터 샤프트는 논의된 위치에서 종래의 로터의 2 내지 5배만큼 증가될 전체 수명 사이클을 나타낼 수 있다. 본 개시물의 로터 샤프트는 또한 10 내지 40%만큼 보어 입구의 영역에서의 작용 응력들을 감소시키는데 유리하다. 작용 응력들은 기계 및 열 응력들의 혼합이다. 추가로 로터 샤프트는 효과적이고 경제적인 방식으로 사용하는데 편리하다. 본 개시물의 다양한 다른 이점들 및 특징들은 상술된 설명과 첨부된 청구항들로부터 명백해진다.
본 개시물의 특정한 실시예들의 상술한 설명들은 설명과 예시의 목적들로만 나타내었다. 설명들은 완전하거나 또는 본 개시물을 개시된 정확한 형태들로 제한하도록 의도되지 않고, 분명히 많은 수정들 및 변형들이 상기 교시에 비추어 가능하다. 실시예들은 본 개시물의 원리들 및 그 실제 적용을 잘 설명하고, 이에 의해 기술 분야의 숙련자들이 본 개시물을 잘 활용하게 하기 위해 선택되었고 설명되었으며 다양한 수정들을 가진 다양한 실시예들은 고려된 특정한 사용에 적합하다. 등가물들들의 생략 및 치환들은 상황이 방책을 제안하거나 제공할 수 있을 때 고려되지만, 이러한 것들은 본 개시물의 청구항들의 정신 또는 범주로부터 벗어나는 일 없이 적용 또는 실행을 포함하도록 의도된다는 것이 이해된다.
100: 로터 샤프트
110: 로터 축
120: 로터 캐비티
122: 냉각 보어 입구에서의 캐비티의 원래 윤곽
123: 캐비티 벽
124: 플래토
125: 플래토(124)의 표면
126: 캐비티 벽과 플래토 사이의 방사상 내부 전이부
127: 캐비티 벽과 플래토 사이의 방사상 외부 전이부
130: 복수의 냉각 보어들
132: 냉각 보어 입구
134: 냉각 보어 출구부
140: 용접 심
11: 압축부
12: 터빈부
13: 로터 디스크들
14: 중앙 냉각 공기 공급부

Claims (11)

  1. 가스 터빈과 같은 열 응력을 받는 터보 기계용 로터 샤프트(100)에 있어서,
    상기 로터 샤프트(100) 내부에 배치되고 상기 로터 축(110)에 대해 본질적으로 평행하게 연장하는 냉각 공기 공급부(16)와,
    상기 로터 샤프트(100) 내부의 상기 로터 축(110)에 대해 동심 배열되는 적어도 하나의 로터 캐비티(120)로서, 상기 냉각 공기 공급부(16)는 적어도 하나의 로터 캐비티(120)에 대해 개방되는, 상기 적어도 하나의 로터 캐비티(120)와,
    상기 적어도 하나의 로터 캐비티(120)에 연결되고 상기 로터 캐비티(120)로부터 방사상 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들(130)로서, 각각의 냉각 보어(130)는 입구부(132)와 원위 출구부(134)를 갖고, 각각의 보어 입구부(132)는 상기 적어도 하나의 로터 캐비티(120)의 외주에 인접하도록 구성되는, 상기 복수의 냉각 보어들(130)을 적어도 포함하고,
    상기 냉각 보어들(130)의 적어도 하나의 입구부(132)는 상기 로터 캐비티(120)의 상기 외주 윤곽(122) 위로 돌출하는 플래토(plateau; 124)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 보어들(130)의 각각의 입구부(132)는 상기 로터 캐비티(120)의 상기 외주 윤곽(122) 위로 돌출하는 개별 플래토(124)를 형성하는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 보어들(130)의 적어도 2개의 입구부들(132)은 공통적으로 플래토(124)를 형성하는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플래토(124)는 상기 로터 캐비티(120) 및 원주 플래토(124)에서 상기 냉각 보어들(130)의 단부의 모든 입구부들(132) 내에 연속적인 원주 플래토로서 형성되는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 플래토(124)는 직선면(125)을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 직선면(125)은 본질적으로 상기 냉각 보어(130)의 상기 길이 방향 축에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플래토(124)는 상기 로터 축(110)에 대한 방향에서 상기 캐비티 벽(123)에 대해 평탄한 접선 전이부(126)를 갖는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 플래토(124)의 방사상 외부는 상기 캐비티 벽(123)에 대해 스텝(step)을 형성하는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 캐비티 벽(123)으로부터 상기 플래토(124)로의 상기 스텝은 전이 반경(127)을 가진 둥근 에지로서 설계되는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 전이 반경(127)은 내부 전이부(126)에서의 반경보다 더 작은 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터 샤프트(100)는 용접에 의해 서로 연결된 복수의 로터 디스크들(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트(100).
KR20140104272A 2013-08-13 2014-08-12 터보 기계용 로터 샤프트 KR20150020102A (ko)

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EP13180249.8 2013-08-13
EP13180249 2013-08-13

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