KR20150070966A

KR20150070966A - 로터 어셈블리에 축방향으로 삽입되는 버킷을 고정하는 시스템과 그 방법

Info

Publication number: KR20150070966A
Application number: KR1020140181363A
Authority: KR
Inventors: 로버트 에드워드 딜렌바흐; 라비찬드란 팔루르 네어; 더글라스 아서 루페
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-06-25
Also published as: JP6475486B2; KR102284468B1; DE102014118014A1; US9624780B2; US20150167471A1; CH709040A2; JP2015117698A; CN104712374A; CN104712374B

Abstract

로터 휠의 외주면에 원주방향으로 배치된 복수의 도브테일 슬롯을 가지는 로터 휠을 포함하는 로터 휠 어셈블리가 개시된다. 로터 휠은 또한 외주면에 형성된 복수의 노치를 가진다. 로터 휠 어셈블리는, 일체형 커버, 에어포일, 도브테일, 그리고 제1 면과 이에 대향하는 제2 면을 가지는 플랫폼을 포함하는 적어도 하나의 버킷을 구비한다. 플랫폼의 제1 면은 키홈을 포함한다. 키홈은 플랫폼의 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 대향 테이퍼면을 가진다. 또한, 로터 휠 어셈블리는, 플랫폼의 제1 면과 실질적으로 평행한 제1 면과 이 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 제2 면을 가지며 제2 면이 테이퍼면에 실질적으로 평행한 것인 웨지 키를 더 구비한다.

Description

로터 어셈블리에 축방향으로 삽입되는 버킷을 고정하는 시스템과 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SECURING AXIALLY INSERTED BUCKETS TO A ROTOR ASSEMBLY}

본 발명은 대체로 터빈 엔진에 관한 것으로, 더 상세히는 버킷을 터빈 엔진의 로터 휠 어셈블리에 고정하는 데 사용되는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

가스 터빈과 증기 터빈 등의 적어도 일부 공지의 터빈 엔진들은 축방향 진입 버킷(axially entry bucket), 즉 로터 휠에 형성된 쌍을 이루는 도브테일 슬롯(dovetail slot)에, 대략 로터 샤프트에 대해 평행하게, 버킷을 밀어넣음으로써 로터 휠에 결합되는 로터 블레이드를 사용한다. 일부 공지의 버킷들은 로터 휠에 형성된 도브테일 슬롯에 맞춰지는 반경방향 내측으로 돌출되는 도브테일(dovetail)을 포함한다. 로터 휠의 도브테일 슬롯들은 로터 휠의 주위에 원주방향으로 서로 이격 배치되어 있다.

일부 공지의 터빈 엔진들은 버킷들의 진동 반응을 감쇠시키고 버킷의 고유 진동수를 증가시키기 위해 원주방향으로 인접한 버킷들 사이에 일체형 커버가 연장되어 있다. 각 버킷은, 여기되었을 때 공진하는 고유 진동수를 가지고 있다. 버킷이 공진하면 버킷 내의 응력이 증가 또는 감소할 수 있다. 시간의 경과에 따라 이 진동 응력은 버킷에 재료 피로(material fatigue)에 기인한 파괴를 야기할 수 있다. 버킷 내의 진동 응력의 크기는 감소될 수 있으며, 버킷의 수명은 고유 진동수를 증가시키거나 및/또는 이들 부품의 진동 반응을 감쇠시킴으로써 연장될 수 있다. 그러나 도브테일의 동적 응력을 감소시키고 튜닝(tuning) 및 주파수 검증을 위한 정지 조립상태 진동 시험(standing assembled vibration test)의 정확한 데이터를 얻을 수 있도록, 버킷을 원주방향에 대해 버킷 플랫폼에 긴밀하게 결합하여 고유 진동수를 증가시키는 것이 바람직하다.

일체로 차폐된 버킷을 사용하는 적어도 일부 공지의 터빈 엔진에서, 버킷은 로터 휠의 외주의 홈(groove) 내에 위치한 키(key)와 버킷 측면의 인입부(recesses)를 사용해 도브테일 슬롯 내에 고정될 수 있다. 폐쇄 버킷(closure bucket)은 일반적으로 서로 대향하여 연장되는 도브테일들을 포함하는 도브테일 세그먼트(dovetail segment)를 사용하여 로터 휠에 고정될 수 있다. 로터 휠은 도브테일 세그먼트를 수납하는 일반적인 도브테일 슬롯을 구비할 수 있다. 그러나 폐쇄 버킷이 도브테일 대신 도브테일 세그먼트의 도브테일을 수납하는 도브테일 슬롯을 구비할 수도 있다. 그러나 버킷이 도브테일 시스템을 사용하여 로터 휠 주위에 결합되므로, 첫번째 버킷 및 마지막으로 조립된 버킷에 이웃하는 버킷의 일체형 커버가 폐쇄 버킷의 삽입을 방해할 수 있다. 그 결과 적어도 일부 공지의 터빈 엔진에서는 폐쇄 버킷을 삽입하는 동안 적어도 일부 버킷을 축방향으로 이동시켜야 하므로 키가 사용될 수 없다.

이런 공지의 터빈 엔진에서는 조립 이후에 버킷이 로터 휠 상에서 축방향으로 이동하지 못하도록 트위스트 락(twist locks)이 사용될 수 있다. 트위스트 락은 도브테일의 바닥에 형성된 채널에 삽입된다. 폐쇄 버킷을 삽입하기 전에 이 트위스트 락이 해제될 수 있어 폐쇄 버킷에 인접한 버킷들이 선택적으로 떨어져 이동될 수 있도록 한다. 폐쇄 버킷이 로터 휠 내로 삽입된 후, 트위스트 락은 로터 휠 상에서 축방향으로 버킷이 이동하지 않도록 재체결될 수 있다.

그러나 트위스트 락을 사용하면 터빈 엔진에 관련된 비용이 증가되고 로터 휠 어셈블리에 유발되는 작동 응력이 증가될 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 트위스트 락은 버킷 플랫폼에서 원주방향으로 긴밀한 체결이 불가능하여 버킷의 고유 진동수를 증가시킬 수 없거나 및/또는 도브테일에서의 동적 응력을 저감시킬 수 없다.

본 발명의 목적은, 버킷을 터빈 엔진의 로터 휠 어셈블리에 고정하는 데 사용되는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

일 양태에 있어서, 로터 휠 어셈블리가 제공된다. 이 로터 휠 어셈블리는, 로터 휠의 외주면에 원주방향으로 배치된 복수의 도브테일 슬롯을 가지는 로터 휠을 구비한다. 또한 이 로터 휠은 그 외주면에 형성된 복수의 노치(notch)들을 포함한다. 추가적으로, 로터 휠 어셈블리는, 일체형 커버, 에어포일(airfoil), 도브테일, 및 플랫폼을 가지는 적어도 하나의 버킷을 구비한다. 플랫폼은 제1 면과 이에 대향하는 제2 면을 가진다. 제1 면은 거기에 형성된 키홈(keyway)을 가진다. 이 키홈은 플랫폼의 제1 면에 대해 제1 경사각으로 배향되는 대향 테이퍼면을 가진다. 또한 로터 휠 어셈블리는, 플랫폼의 제1 면에 실질적으로 평행하게 배향되는 제1 면과 이에 대향하며 제1 면에 대해 제1 경사각으로 배향되어 테이퍼면에 실질적으로 평행한 제2 면을 가지는 웨지 키(wedge key)를 더 구비한다.

다른 양태에 있어서, 터보 엔진이 제공된다. 이 터보 엔진은 회전축을 가지는 회전 가능한 샤프트(shaft)를 구비한다. 이 터빈 엔진은 또한 회전 가능한 샤프트 주위에 원주방향으로 연장되는 케이싱(casing)을 구비한다. 이 케이싱은 회전 가능한 샤프트의 길이를 따라 작동 유체를 연통시키도록 구성된 적어도 하나의 통로를 형성한다. 터빈 엔진은 또한, 회전 가능한 샤프트의 일부에 부착되어 함께 회전하는 로터 휠 어셈블리를 더 구비한다. 로터 휠 어셈블리는 작동 유체를 팽창시키도록 구성된다. 로터 휠 어셈블리는, 로터 휠의 외주에 원주방향으로 배치된 복수의 도브테일 슬롯들을 가지는 로터 휠을 구비한다. 로터 휠은 또한 그 외주면에 형성된 복수의 노치들을 포함한다. 뿐만 아니라, 로터 휠 어셈블리는 회전축 주위에 원주상 어레이로 배치된 복수의 버킷들을 구비한다. 각 버킷은 복수의 도브테일 슬롯 중의 대응 슬롯에 결합되도록 구성된 도브테일, 플랫폼, 에어포일, 그리고 버킷과 일체로 형성된 일체형 커버를 포함한다. 플랫폼은 제1 면과 이에 대향하는 제2 면을 가진다. 제1 면은 제1 면에 형성된 키홈을 가진다. 키홈은 플랫폼의 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 대향 테이퍼면을 가진다. 뿐만 아니라, 로터 휠 어셈블리는, 플랫폼의 제1 면과 실질적으로 평행한 제1 면과 이에 대향하며 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되어 테이퍼면과 실질적으로 평행한 제2 면을 가지는 웨지 키를 구비한다.

또 다른 양태에 있어서, 로터 휠 어셈블리의 조립 방법이 제공된다. 이 로터 휠 어셈블리는 복수의 버킷과, 로터 휠의 외주에 원주방향으로 이격 배치된 복수의 도브테일 슬롯을 가지는 로터 휠을 구비한다. 각 버킷은 도브테일, 플랫폼, 에어포일, 그리고 일체형 커버를 가진다. 또한, 상기 방법은 제1 버킷의 도브테일을 제1 도브테일 슬롯에 삽입하여 제1 버킷을 로터 휠에 결합하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 웨지 키를 사용하여 제1 버킷을 로터 휠에 고정하는 단계를 포함한다. 추가적으로, 상기 방법은, 제2 버킷의 도브테일을 웨지 키에 근접하게 제1 도브테일 슬롯에 인접한 제2 도브테일 슬롯에 삽입하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 로터 휠 어셈블리를 작동 속도까지 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 웨지 키를 사용하여 제1 버킷을 제2 버킷에 결합하는 단계를 포함하는데, 여기서 제1 버킷과 웨지 키 사이에, 그리고 제2 버킷과 웨지 키 사이에 마찰 접촉력이 발생된다.

이와 같은 구성에 따라, 본 발명에 의하면, 축방향 진입 버킷을 사용하는 종래의 터빈들과 대조적으로, 축방향 진입 버킷의 조립에 소요되는 시간과 문제점을 감소시키고 도브테일 폐쇄 삽입재와 관련된 작동 응력의 감소 및 비용의 절감을 촉진하며, 버킷의 고유 진동수를 향상시켜 도브테일 내의 동적 응력을 저감시키기 위한 버킷 플랫폼에서의 결합을 가능하게 하고 튜닝 및 진동수 검증 목적의 정지 조립상태 검증 시험 데이터의 정확한 취득을 가능하게 하는 장치, 시스템, 및 방법이 제공된다.

도 1은 예시적인 증기 터빈 엔진의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 증기 터빈 엔진에 사용될 수 있는 예시적인 로터 휠 어셈블리의 일부의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 증기 터빈 엔진의 로터 휠 조립체의 부분 측면도로서, X-Z 평면에 실질적으로 직교하는 방향에서 본 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 로터 휠 어셈블리에 사용될 수 있는 예시적인 버킷을 X-Z 평면에 실질적으로 직교하는 방향에서 본 부분 측면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 단면선 5-5를 따라 취한 버킷의 단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 로터 휠 어셈블리에 사용될 수 있는 예시적인 웨지 키의 측면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 웨지 키의 단부도이다.
도 8은 로터 휠 어셈블리의 조립 중에 웨지 키가 한 쌍의 버킷 사이에 삽입된 상태를 나타내는, 도 2에 도시된 로터 휠 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 9는 작동 속도까지 로터 휠 어셈블리를 회전시킨 이후에 한 쌍의 버킷 사이의 웨지 키를 도시하는, 도 2에 도시된 로터 휠 어셈블리의 부분 단면도이다.

여기서 사용될 때 용어 '축방향' 또는 '축방향으로'는 터빈 엔진의 길이방향 축선에 대략 평행하게 연장되는 방향 및 배향을 지칭한다. 또한, 용어 '반경방향' 또는 '반경방향으로'는 터빈 엔진의 길이방향 축선에 대략 직교하여 연장되는 방향 및 배향을 지칭한다. 추가적으로, 여기서 사용될 때 용어 '원주방향' 또는 '원주방향으로'는 터빈 엔진의 길이방향 축선 주위에서 원주방향으로 연장되는 방향 및 배향을 지칭한다.

도 1은 예시적인 증기 터빈 엔진의 개략도이다. 도 1이 예시적인 증기 터빈 엔진을 나타내고 있지만, 여기 설명된 버킷 키 체결 시스템(bucket keying system)과 방법은 임의의 특정한 유형의 터빈 엔진에 한정되지 않는다. 당업계의 통상의 지식을 가진 자라면 여기서 설명하는 버킷 키 체결 시스템과 방법을, 여기 설명된 것 이외의 장치, 시스템, 방법 등을 가능하게 하는 임의의 적절한 구성으로 가스 터빈 엔진을 비롯한 임의의 회전식 기계에 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

예시적인 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 단일 흐름(single-flow) 증기 터빈 엔진이다. 대안으로, 증기 터빈 엔진(10)은 저압 터빈 엔진, 대향 흐름 고압 증기 터빈 엔진 및 중간압 증기 터빈 엔진의 조합, 이중 흐름 증기 터빈 엔진 및/또는 다른 증기 터빈 방식 등 제한 없는 임의의 유형의 증기 터빈일 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 발명은 증기 터빈 엔진에만 사용되도록 제한된 것이 아니며 가스 터빈 엔진 등 다른 터빈 시스템에도 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 예시적 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 회전 가능한 샤프트(14)에 결합된 복수의 터빈 스테이지(turbine stage; 12)를 구비한다. 케이싱(16)은 축방향으로 상반부(18)와 하반부(도시 안 됨)로 분할된다. 상반부(18)는 고압(HP) 증기 인입구(20)와 저압(LP) 증기 배출구(22)를 구비한다. 샤프트(14)는 케이싱(16)을 관통하여 중심축(24)을 따라 연장되며, 각각 샤프트(14)의 양 대향 단부(30)에 회전 가능하게 결합된 단부 패킹부(end packing portion; 26, 28)에 대체로 인접하여 위치하는 베어링에 의해 지지된다. 샤프트(14) 주위에서 케이싱(16)의 밀봉을 촉진하도록, 복수의 밀봉 부재(31, 34, 36)가 회전 가능한 샤프트의 단부(30)와 케이싱(16) 사이에 결합된다.

예시적인 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 케이싱(16)의 내측 쉘(inner shell; 44)에 결합된 스테이터부(stator component; 42)를 더 구비한다. 밀봉 부재(34)가 스테이터부(42)에 결합된다. 케이싱(16), 내측 쉘(44), 및 스테이터부(42)는 샤프트(14)와 밀봉 부재(34) 주위로 원주방향으로 각각 연장된다. 예시적 실시예에서, 밀봉 부재(34)는 스테이터부(42)와 샤프트(14) 사이에 복잡한 밀봉 경로를 형성한다. 샤프트(14)는 고압 고온 증기(40)가 증기 채널(46)을 경유하여 통과하게 되는 복수의 터빈 스테이지(12)를 구비한다. 터빈 스테이지(12)는 복수의 유입 노즐(48)을 구비한다. 증기 터빈 엔진(10)은, 증기 터빈 엔진(10)이 여기 설명된 대로 작동하도록 하는 한, 임의의 갯수의 유입 노즐(48)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 증기 터빈 엔진(10)은 도 1에 도시된 것보다 많거나 적은 유입 노즐(48)을 구비할 수 있다. 터빈 스테이지(12)는 또한 복수의 터빈 블레이드(turbine blade), 즉 버킷(38)을 구비한다. 증기 터빈 엔진(10)은, 증기 터빈 엔진(10)이 여기 설명된 대로 작동하도록 하는 한, 임의의 갯수의 버킷(38)을 구비할 수 있다. 증기 채널(46)은 일반적으로 케이싱(16)을 관통한다. 증기(40)는 고압 증기 유입구(20)를 통해 증기 채널(46)로 진입하여 터빈 스테이지(12)를 통해 샤프트(14)를 따라 흐른다.

작동 중에는, 고압 고온의 증기(40)가 보일러(도시 안 됨) 등의 증기 공급원으로부터 터빈 스테이지(12)로 도입되는데, 이때 터빈 스테이지(12)에 의해 열에너지는 기계적 회전 에너지로 변환된다. 더 상세히는, 증기(40)가 고압 증기 유입구(20)로부터 케이싱(16)을 통해 도입되며, 여기서 샤프트(14)에 결합된 복수의 터빈 블레이드, 즉 버킷(38)을 타격하면 샤프트(14)가 중심축(24)에 대해 회전하게 된다. 증기(40)는 저압 증기 배출구(22)에서 케이싱(16)으로부터 배출된다. 다음으로, 증기(40)는 보일러(도시 안됨)로 유도되어 재가열될 수 있거나, 예를 들어 응축기(도시 안 됨) 등 시스템의 다른 구성부로 유도된다.

도 2는 증기 터빈 엔진(10)(도 1에 도시)에 사용될 수 있는 예시적인 로터 휠 어셈블리(50)의 일부의 사시도이다. 예시적 실시예에서, 로터 휠 어셈블리(50)는, 로터 휠(52)의 외주에 거의 등간격으로 배치되도록 형성된 복수의 축방향 진입 도브테일 슬롯(54)을 가지는 로터 휠(52)을 구비한다. 각 도브테일 슬롯(54)은 중심선(55)으로 대략 표시한 바와 같이 중심축(24)(도 1에 도시)에 거의 평행하게 배향된다. 중심축(24)은 로터 휠(52)의 회전축에 해당한다. 대안으로, 도브테일 슬롯(54)은, 증기 터빈 엔진(10)이 여기 설명된 대로 기능하도록 하는 한, 로터 휠(52)에서 중심축(24)에 대해 임의의 각도로 배향될 수 있다. 예시적 실시예에서, 각 도브테일 슬롯(54)은 대략 V형이며 축방향으로 연장되는 일련의 원주방향 돌기(56)와 홈(58)을 구비한다. 예시적 실시예에서, 각 도브테일 슬롯(54)은 거의 대칭이며, 로터 휠(52)의 외주로부터 반경방향 내측을 향해 연장된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 로터 휠(52)은 증기(40)가 로터 휠 어셈블리(50)를 통해 유동함에 따라 화살표(R)로 표시된 방향으로 회전한다. 중심축(24)은 좌표계(도 1에 도시)의 Z축에 거의 평행한데, 증기(40)의 주된 흐름 방향은 일반적으로 Z축을 따른다.

예시적 실시예에서, 각 버킷(38)은 기부(root portion), 즉 도브테일(60), 플랫폼(62), 에어포일(64), 그리고 일체형 커버(66)를 구비한다. 좌표계를 참조하여, 로터 휠 어셈블리(50)의 회전 방향에 대해 각 버킷(38)의 가장 앞 측면을 선행단(leading side; 65)으로 지칭한다. 각 버킷(38)의 원주방향 반대측 측면, 즉 Y축의 양의 방향에 대해 가장 뒷 측면을 후행단(trailing side; 63)으로 지칭한다.

예시적 실시예에서, 도브테일(60)은 각 도브테일 슬롯(54)에 실질적으로 상보적인 형상으로 형성되며, 축방향으로 연장되어 각각의 도브테일 슬롯(54)과 맞물리는 일련의 원주방향 돌기(68)와 홈(70)을 구비한다. 예시적 실시예에서, 도브테일 슬롯(54)과 도브테일(60)은 각각 증기 터빈 엔진(10)(도 1에 도시)의 중심축(24)에 거의 평행하여, 각 버킷(38)의 도브테일(60)을 축방향으로 각 도브테일 슬롯(54)에 삽입하면 버킷(38)이 로터 휠(52)에 결합될 수 있다. 조립되고 나면, 버킷(38)은 로터 휠(52)의 외주에 원주방향으로 연장되는 버킷들의 어레이(array)를 형성하게 된다.

도 3은 증기 터빈 엔진(10)(도 1에 도시)의 로터 휠 어셈블리(50)를 X-Z 평면에 실질적으로 직교하는 방향에서 본 부분 측면도이다. 더 구체적으로, 도 3은 버킷(38)의 후행단(63)에서 본 확대 부분 측면도로서 버킷(38)을 로터 휠(52)에 체결하는 데 사용되는 예시적인 웨지 키(72)를 도시하고 있다. 예시적 실시예에서, 버킷(38)은 플랫폼(62)의 후행단면(76)에 형성된 키홈(74)을 구비한다. 키홈(74)은 후행단면(76)으로부터 키홈 면(108)까지 연장된다. 후행단면(76)은 로터 휠(52)에 대해 원주방향을 향하고, 중심선(24)을 포함하여 로터 휠(52)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 반경방향 평면에 거의 평행하다. 예시적 실시예에서, 키홈(74)은 일반적으로 Z축에 해당하는 축방향으로 플랫폼(62) 내에 중심을 가지며, 플랫폼(62)의 저면(78)을 통해 연장된다. 로터 휠(52)은, 로터 휠(52)의 외주면(82)에 형성되어 각 도브테일 슬롯(54)들 사이로 연장되는 대응 노치(notch; 80)를 구비한다. 노치(80)는 저면(116), 전방 에지(118)와 후방 에지(120)로 한정된다. 노치(80)는 외주면(82) 쪽으로 개방된다. 또한, 노치(80)는 대략 직사각형이고, 키홈(74)과 대체로 정렬되며, 즉 키홈(74)과 노치(80)가 Z축 방향으로 거의 유사한 길이를 가진다.

도 4는 로터 휠 어셈블리(50)(도 2에 도시)의 버킷(38)을 X-Z 평면에 거의 수직으로 본 부분 측면도이다. 이 예시적 실시예에서, 키홈(74)은, 각각 중심선(24)에 거의 직교하는 방향을 가지는 전방 에지(84)와 후방 에지(86), 중심선(24)에 거의 평행한 상부 에지(88), 상부 에지(88)와 후방 에지(86) 간에 연장되는 경사 에지(90)를 가진다. 대안으로, 키홈(74)이 경사 에지(90)를 가지지 않을 수 있고 이에 따라 상부 에지(88)가 전방 에지(84)와 후방 에지(86) 사이에 연장될 수 있다. 이 예시적 실시예에서, 경사 에지(90)는 후방 에지(86)에 대해 각도(α)로 배향된다. 각도(α)는 약 30° 내지 약 90°사이인데, 90°는 상술한 바와 같이 경사 에지(90)가 제거된 상태를 의미한다. 대안으로, 각도(α)는 키홈(74)이 여기 설명된 대로 작동되게 하는 한, 임의의 각도로 형성될 수 있다. 경사 에지(90)는 웨지 키(72)가 적절한 방향으로 조립되도록 보장하는 수단의 제공을 촉진하고 플랫폼(62)의 후행단(63)에서 간극(clearance)을 제공하는 역할을 한다. 각 키홈의 에지(84, 86, 88, 90)들 간의 각 교차점에는, 버킷(38)의 플랫폼(62)의 응력점을 감소시키도록 하는 아치형 모서리(arcuate corner; 92)가 형성된다. 대안으로, 키홈(74)은 키홈(74)이 여기 설명된 대로 작동할 수 있도록 하는 한, 임의의 형상일 수 있다.

도 5는 단면선 5-5를 따라 취한 버킷(38)의 단면도이다. 이 예시적 실시예에서, 키홈(74)은 플랫폼(62)의 후행단면(76)을 통해 키홈 면(108)까지 연장된다. 키홈 면(108)은 Z축을 따라 축방향으로 연장되며 후행단면(76)에 대해 각도(θ)로 경사진다. 각도(θ)로 경사진 키홈 면(108)은 웨지 키(72)와 로킹 테이퍼(locking taper)를 형성한다. 예시적 실시예에서, 각도(θ)는 약 1° 내지 약 15°이다. 대안으로, 각도(θ)는 키홈(74)이 여기 설명된 대로 작동하는 한, 임의의 각도로 형성될 수 있다.

도 6은 로터 휠 어셈블리(50)(도 2에 도시)에 사용되기 위한 웨지 키(72)의 측면도이다. 이 예시적 실시예에서, 웨지 키(72)는 대략 키홈(74)에 상보적인 형상을 가지는데, 즉 웨지 키(72)는 서로 거의 평행한 전방 에지(94)와 후방 에지(96), 전방 에지(94) 및 후방 에지(96)와 거의 직교하게 배향되는 상부 에지(98)와 하부 에지(110), 그리고 상부 에지(88)와 후방 에지(86) 간에 연장되는 경사 에지(100)를 구비한다. 대안으로, 웨지 키(72)는, 경사 에지(100)를 구비하지 않을 수 있고, 이에 따라 상부 에지(98)가 전방 에지(94)와 후방 에지(96) 간에 연장될 수도 있다. 예시적 실시예에서, 경사 에지(100)는 후방 에지(86)에 대해 각도(β)로 형성된다. 각도(β)는 대략 키홈(74)의 각도(α)와 동일하여 약 30° 내지 약 90° 사이가 된다. 이 각이 90°가 되면 상술한 바와 같이 경사 에지(100)가 제거된 상태가 된다. 대안으로, 각도(β)는, 웨지 키(72)가 여기 설명된 대로 작동하는 한, 임의의 각도로 형성될 수 있다. 이 예시적 실시예에서, 에지(94, 96, 98, 100, 110)들의 각 교차점은, 웨지 키(72)가 키홈(74)에 미끄럼 결합되기 쉽도록 모떼기면(chamfer; 102)을 구비한다. 대안으로, 키홈(74)이 여기 설명된 대로 작동하는 한, 키홈(74)은 임의의 형상을 가질 수 있다. 이 예시적 실시예에서, 웨지 키(72)는, 웨지 키(72)가 키홈(74) 및 노치(80) 내에서 수직으로 이동할 수 있게 하면서 웨지 키(72)가 키 홈(74) 및 노치(80)에 실질적으로 정렬되도록 하는 폭(104)과 높이(106)를 가진다.

도 7은 웨지 키(72)의 단부도이다. 이 예시적 실시예에서, 웨지 키(72)는 전면(112)와 후면(114)을 갖는다. 후면(114)은 전면(112)에 대해 각도(σ)로 형성된다. 예시적 실시예에서, 각도(σ)로 경사진 후면(114)은 키홈(74)와 로킹 테이퍼(locking taper)를 형성한다. 이에 따라, 각도(σ)는 각도(θ)와 대략 동일하다. 예시적 실시예에서, 각도(σ)는 약 1° 내지 약 15° 사이가 된다. 대안으로, 각도(σ)는 웨지 키(72)가 여기에 설명된 대로 작동하도록 하는 한, 임의의 각도로 형성될 수 있다.

도 8은 로터 휠 어셈블리(50)를 조립하는 동안 웨지 키(72)가 한 쌍의 버킷(38) 사이에 삽입된 상태를 나타내는 로터 휠 어셈블리(50)의 부분 단면도이다. 도 2, 도 3 및 도 8을 참조하면, 작동 중에 버킷(38)은 키홈(74)이 노치(80)에 정렬되도록 로터 휠(52)의 도브테일 슬롯(54)에 삽입된다. 특히 노치(80)의 전방 에지(118)와 키홈(74)의 전방 에지(84)가 정렬되어 X-Z 평면(도 3에 도시)에서 보았을 때 양자는 실질적으로 동일선상에 있다. 또한 노치(80)의 후방 에지(120)와 키홈(74)의 후방 에지(86)도 X-Z 평면에서 보았을 때 실질적으로 동일선상에 있도록 정렬된다. 웨지 키(72)가 버킷(38)의 키홈(74)에 적어도 부분적으로 삽입된다. 웨지 키(72)는 또한 로터 휠(52)의 노치(80)에 적어도 부분적으로 삽입된다. 키홈(74)과 노치(80)에 삽입된 후, 웨지 키(72)는 축방향(Z축)과 반경방향(X축)의 양방향으로 파지됨으로써 버킷(38)의 로터 휠(52)에 대한 포지티브(positive)한 축방향 고정을 제공하게 된다. 후속 버킷(38)이 대응 도브테일 슬롯(54)에 삽입되면, 웨지 키(72)는 원주방향(Y축)으로 파지된다. 이러한 예시적 실시예에서, 웨지 키(72)의 후면(114)은 대응 키홈 면(108)에 맞춰져 노치(80)의 저면(116) 상에 안착된다. 이 위치는 웨지 키(72)의 반경방향 내측 위치라고 지칭할 수 있다. 웨지 키(72)의 반경방향 내측 위치에서, 웨지 키(72)의 전면(112)과 인접 버킷(38)의 선행단면(124) 사이에 갭(gap; 122)이 형성된다. 이 갭(122)은 인접한 버킷(38)의 조립을 가능하게 한다.

도 9는 로터 휠 어셈블리(50)를 작동 속도까지 회전시킨 이후의, 한 쌍의 버킷(38) 사이에 위치하는 웨지 키(72)를 나타내는, 로터 휠 어셈블리(50)의 부분 단면도이다. 이러한 예시적 실시예에서, 로터 휠 어셈블리(50)를 작동 속도로 회전시키는 동안 발생되는 원심력에 의해 웨지 키(72)가 반경방향 외측 위치로 이동된다. 웨지 키(72)의 반경방향 외측 위치에서, 웨지 키(72)의 전면(112)이 인접 버킷(38)의 선행단면(124)과 맞춰져 갭(122)이 제거된다. 웨지 키(72)의 반경방향 외측 위치는 웨지 키(72)와 인접 버킷(38)의 선행단면(124)과 후행단면(76) 간에 긴밀한 결합을 형성한다. 키홈 면(108)의 각도(θ)와 웨지 키(72)의 대응 각도(σ)는 로킹 테이퍼의 형성을 촉진함으로써, 로터 휠 어셈블리(50)가 더 이상 회전하지 않을 때 웨지 키(72)를 인접 버킷(38)들 사이의 반경방향 외측 위치에 견고하게 결합시키게 된다. 키홈 면(108)과 웨지 키(72) 사이에 형성된 로킹 테이퍼는, 웨지 키(72)의 후면(114)과 대응하는 키홈 면(108) 사이에 마찰 접촉력(F1)을 발생시킨다. 또한, 웨지 키(72)의 전면(112)과 인접 버킷(38)의 선행단면(124) 사이에도 마찰 접촉력(F2)이 발생된다. 이 마찰 접촉력(F1, F2)들이 웨지 키(72)를 인접 버킷(38)들 사이의 반경방향 외측 위치에 결합시킨다. 웨지 키(72)를 반경방향 외측 위치에 결합시키면, 로터 휠 어셈블리(50)가 정지하더라도 버킷(38)이 반경방향 외측 위치에 위치하게 할 수 있게 되어, 버킷의 도브테일(60)과 로터 휠의 도브테일 슬롯(54)이 긴밀한 결합을 유지할 수 있다.

플랫폼(62)을 인접 버킷(38)에 결합시키면 작동에 있어서 버킷(38)의 고유 진동수의 증가를 향상시킬 수 있다. 버킷의 고유 진동수를 증가시키면 버킷(38)의 도브테일(60)에서 발생되는 동적 응력의 감소를 개선할 수 있고, 로터 휠 어셈블리(50)가 정지해 있는 동안 조립상태 진동 시험을 로터 휠 어셈블리 상에서 수행할 수 있게 된다. 증기 터빈 엔진(10)이 정지해 있는 동안 조립상태 진동 시험이 가능해지면, 휠 박스(wheel box) 또는 스핀셀(spin-cell) 진동 시험을 실시할 필요성이 줄어들어 증기 터빈 엔진(10)의 경비가 절감될 수 있고 제조 시간이 단축될 수 있게 된다. 일체로 차폐된 버킷과 함께 웨지 키(72)를 사용하면, 로터 휠 어셈블리(50)가 정지한 상태에서도, 로터 휠 어셈블리(50)의 작동 속도에서 존재하는 기본적 경계조건이 가능해져, 증기 터빈 엔진(10)을 튜닝 및 검증할 목적의 정지 조립상태 진동 시험(standing assembled vibration test)이 가능하게 된다.

여기 설명된 시스템과 방법들은 터빈에 도입되는 작동 응력을 실질적으로 저감시키고 튜닝과 검증 목적의 정지 조립상태 진동 시험을 가능하게 하는 축방향 진입 버킷 키 체결 시스템을 제공함으로써 터빈 엔진의 성능 향상을 촉진시킨다. 특히 로킹 테이퍼를 가지는 웨지 키가 테이퍼진 키홈을 가지는 버킷과 함께 조합되어 설명된다. 그러므로 축방향 진입 버킷을 사용하는 공지의 터빈들과 대조적으로, 여기 설명된 장치, 시스템, 및 방법은 축방향 진입 버킷의 조립에 소요되는 시간과 문제점을 감소시키고 도브테일 폐쇄 삽입재와 관련된 작동 응력과 비용의 절감을 촉진하며, 버킷의 고유 진동수를 향상시켜 도브테일 내의 동적 응력을 저감시키도록 버킷 플랫폼에서의 결합을 가능하게 하고 튜닝과 진동수 검증 목적의 정지 조립상태 진동 시험 데이터의 정확한 취득을 가능하게 한다.

여기 기술된 방법과 시스템은 본 명세서에 설명된 특정한 실시예들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 각 시스템의 구성부들 및/또는 각 방법의 단계들은 여기 설명된 다른 구성부들 및/또는 단계들과 독립적이며 별개로 사용 및/또는 구현될 수 있다. 또한 각 구성부 및/또는 단계도 역시 다른 어셈블리나 방법과 함께 사용 및/또는 구현될 수 있다.

이상에서 본 발명이 여러 가지 특정한 실시예들을 통해 설명되었으나 당업계의 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 요지와 청구범위의 범위 내에서 변경을 가해 본 발명을 구현할 수 있음도 알 수 있을 것이다.

10 : 증기 터빈 엔진
38 : 버킷
50 : 로터 휠 어셈블리
52 : 로터 휠
54 : 도브테일 슬롯
60 : 도브테일
72 : 웨지 키

Claims

로터 휠로서, 로터 휠의 외주면 주위에 원주방향으로 이격된 복수의 도브테일 슬롯과 외주면에 형성된 복수의 노치를 포함하는 로터 휠;
일체형 커버, 에어포일, 도브테일, 그리고 제1 면과 이에 대향하는 제2 면을 포함하는 플랫폼을 포함하는 적어도 하나의 버킷으로서, 제1 면은 제1 면에 형성된 키홈(keyway)을 가지며, 이 키홈은 플랫폼의 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 대향 테이퍼면을 포함하는 것인 적어도 하나의 버킷; 및
플랫폼의 제1 면과 실질적으로 평행하게 배향되는 제1 면과 이 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 제2 면을 가지며, 제2 면은 테이퍼면에 실질적으로 평행한 것인 웨지 키
를 포함하는 로터 휠 어셈블리.
제1항에 있어서, 복수의 노치들 각각은 키홈의 축방향 길이와 거의 동일한 축방향 길이를 갖는 것인 로터 휠 어셈블리.
제1항에 있어서, 로터 휠이 회전축을 가지며, 복수의 도브테일 슬롯이 축방향 진입 도브테일 슬롯을 가져 각 도브테일 슬롯이 회전축에 실질적으로 평행하게 연장되는 것인 로터 휠 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 웨지 키는, 웨지 키가 키홈에 미끄럼 결합 가능하도록 크기가 정해진 축방향 폭을 가지는 것인 로터 휠 어셈블리.
제4항에 있어서, 웨지 키는 키홈과 복수의 노치 중 임의의 하나의 노치에 동시에 미끄럼 결합되도록 구성되는 것인 로터 휠 어셈브리.
제1항에 있어서, 제1 각도의 값이 약 1° 내지 약 15°인 것인 로터 휠 어셈블리.
회전축을 가지는 회전 가능한 샤프트;
이 회전 가능한 샤프트 주위에서 원주방향으로 연장되며, 작동 유체가 회전가능한 샤프트의 길이를 따라 이동하도록 구성된 적어도 하나의 통로를 형성하는 케이싱; 및
회전 가능한 샤프트의 일부에 결합되어 함께 회전하며, 작동 유체를 팽창시키도록 구성된 로터 휠 어셈블리
를 구비하며, 이 로터 휠 어셈블리는,
로터 휠로서, 이 로터 휠의 외주면에 원주방향으로 이격된 복수의 도브테일 슬롯, 그리고 상기 외주면에 형성된 복수의 노치를 포함하는 로터 휠;
회전축 주위에 원주방향의 어레이로 배치되는 복수의 버킷으로서, 복수의 버킷 중의 각 버킷이 복수의 도브테일 슬롯 중의 각 슬롯과 결합하도록 된 도브테일과, 에어포일과, 각 버킷에 일체로 형성된 일체형 커버와, 제1 면 및 이에 대향하는 제2 면을 가지는 플랫폼을 구비하며, 제1 면은 이 제1 면에 형성된 키홈을 가지며, 이 키홈은 플랫폼의 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 대향 테이퍼면을 포함하는 것인 복수의 버킷; 그리고
플랫폼의 제1 면에 실질적으로 평행한 제1 면과 제1 면에 대해 제1 각도로 배향된 대향하는 제2 면을 갖는 적어도 하나의 웨지 키로서, 제2 면이 테이퍼면과 실질적으로 평행한 것인 적어도 하나의 웨지 키
를 구비하는 것인 터빈 엔진.
제7항에 있어서, 복수의 도브테일 슬롯이 회전축에 대해 제2 각도로 배향되는 것인 터빈 엔진.
제8항에 있어서, 복수의 도브테일 슬롯은, 제2 각도가 약 0°가 되도록 축방향 진입 도브테일 슬롯을 포함하는 것인 터빈 엔진.
제7항에 있어서, 웨지 키의 제2 면이 복수의 버킷 중의 해당 버킷의 테이퍼면에 맞물리도록 구성되고, 동시에 웨지 키의 저면이 복수의 노치 중의 해당 노치의 저면에 맞물리도록 구성되어, 복수의 버킷 중의 인접 버킷들이 복수의 도브테일 슬롯 중 인접하는 각각의 슬롯에 결합될 수 있는 것인 터빈 엔진.
제7항에 있어서, 웨지 키의 제2 면이 복수의 버킷 중의 해당 버킷의 테이퍼면에 맞물리도록 구성되고, 웨지 키의 제1 면이 복수의 버킷 중의 인접하는 각각의 슬롯의 제2 면에 짝을 이루도록 구성되는 것인 터빈 엔진.
제11항에 있어서, 제1 각도는 웨지 키와 복수의 버킷 중의 해당 버킷 간의 로킹 테이퍼(locking taper)가 가능하도록 구성되어, 복수의 버킷 중의 해당 버킷의 플랫폼이 복수의 버킷 중의 인접하는 각 버킷의 플랫폼에 결합됨으로써 각 버킷들의 고유 진동수의 상승을 촉진하는 것인 터빈 엔진.
제12항에 있어서, 제1 각도의 값이 약 1° 내지 약 15°인 것인 터빈 엔진.
제7항에 있어서, 적어도 한 웨지 키는 키홈 중의 하나와 복수의 노치 중의 하나에 동시에 미끄럼 결합되도록 구성되는 것인 터빈 엔진.
복수의 버킷과, 로터 휠의 주위에 원주방향으로 이격 배치된 복수의 도브테일 슬롯을 가지는 로터 휠을 구비하는 로터 휠 어셈블리로서, 복수의 버킷 중의 각 버킷은 도브테일; 플랫폼; 에어포일; 및 일체형 커버를 갖는 것인 로터 휠 어셈블리를 조립하는 방법에 있어서,
제1 버킷의 도브테일의 제1 도브테일 슬롯 내로의 삽입을 포함하여, 제1 버킷을 로터 휠에 결합하는 단계와,
웨지 키를 사용하여 제1 버킷을 로터 휠에 고정하는 단계와,
제2 버킷의 도브테일의, 제1 도브테일 슬롯에 인접하며 웨지 키에 인접하는 제2 도브테일 슬롯 내로의 삽입을 포함하여, 제2 버킷을 로터 휠에 결합하는 단계와,
로터 휠 어셈블리를 작동 속도까지 회전시키는 단계와,
웨지 키를 사용하여 제1 버킷을 제2 버킷에 결합하는 단계로서, 제1 버킷과 웨지 키 간에, 그리고 제2 버킷과 웨지 키 간에 형성되는 마찰 접촉력이 발생되는 것인 단계
를 포함하는 로터 휠 어셈블리 조립 방법.
제15항에 있어서, 웨지 키를 사용하여 제1 버킷을 로터 휠에 고정하는 단계는, 제1 버킷의 플랫폼에 형성된 키홈 내로 웨지 키를 삽입하는 것을 포함하는 것인 로터 휠 어셈블리 조립 방법.
제16항에 있어서, 제1 버킷의 플랫폼이 제1 면을 포함하고, 이 제1 면은 제1 면에 형성된 키홈을 가지며, 키홈은 제1 면에 대해 제1 각도로 배향되는 대향 테이퍼면을 포함하는 것인 로터 휠 어셈블리의 조립 방법.
제17항에 있어서, 제1 버킷을 제2 버킷에 결합하는 단계는, 플랫폼의 제1 면에 실질적으로 평행한 제1 면과 대향 테이퍼면에 실질적으로 평행한 제2 면을 가지는 웨지 키를 사용하는 것을 포함하는 것인 로터 휠 어셈블리의 조립 방법.
제15항에 있어서, 제1 버킷을 제2 버킷에 결합하는 단계는, 제1 버킷의 플랫폼을 제2 버킷의 플랫폼에 결합하여 제1 버킷과 제2 버킷의 고유 진동수의 증가를 촉진시키는 것을 포함하는 것인 로터 휠 어셈블리의 조립 방법.
제15항에 있어서,
로터 휠 어셈블리의 작동 속도를 정지 조건으로 감속시켜 튜닝 및 진동수 검증에 사용될 로터 휠 어셈블리의 정지 진동 시험 데이터를 취득하는 단계
를 더 포함하는 로터 휠 어셈블리의 조립 방법.