KR20150109281A - 냉각 보어 입구들을 갖는 로터 샤프트 - Google Patents

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KR20150109281A
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스테펜 홀츠하오이세르
카를로스 시몬-델가도
카를 베르거
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

본 발명은 로터 샤프트의 로터 축 둘레로 회전하도록 구성된 상기 로터 샤프트에 관한 것이다. 로터 샤프트는 상기 로터 샤프트(100) 내의 상기 로터 축(110)에 대해 동심으로 또는 준 동심으로 구성된 로터 캐비티(120), 및 상기 로터 샤프트(100)의 내부로부터 상기 로터 샤프트의 외부로 방사상으로 또는 준 방사상으로 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들(130)을 포함한다. 상기 각각의 냉각 보어(130)는 보어 입구 위치(160) 및 원위 보어 출구 부분(134)을 갖고, 각각의 보어 입구 위치(160)는 상기 로터 캐비티(120)와 인접하도록 구성된다. 상기 냉각 보어 입구 위치의 적어도 하나의 측면 또는 부분 측면에, 2개의 인접한 냉각 보어들(130) 사이의 벽 두께를 최소화하도록, 비대칭 에지 필릿(150)이 제공된다.

Description

냉각 보어 입구들을 갖는 로터 샤프트{ROTOR SHAFT WITH COOLING BORE INLETS}
본 발명은 회전하는 기계의 분야에 관한 것이고, 더 구체적으로, 터보 기계류, 특히, 가스 또는 증기 터빈을 위한 로터 샤프트에 관한 것이다. 로터 샤프트는 로터 샤프트 내의 로터 축에 대해 동심으로 또는 준 동심으로(quasi-concentrically) 구성된 로터 캐비티, 및 로터 샤프트의 내부로부터 로터 샤프트의 외부로 방사상으로 또는 준 방사상으로(quasi-radially) 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들을 포함한다. 각각의 냉각 보어는 보어 입구 위치 및 원위 보어 출구 부분을 갖는다. 각각의 보어 입구 위치는 로터 캐비티와 인접하도록 구성된다.
기본적으로, 압축기, 가스 터빈, 증기 터빈 및 다른 열 기계는 높은 열 및 기계적 응력들을 받기 쉽다. 따라서, 이러한 열 및 기계적 응력들을 감소시키는 것이 필수적이다.
가스 터빈에서, 로터 블레이드와 같은, 다양한 다른 부품들 중 로터 샤프트 및 고정자 날개는 높은 열 및 기계적 응력들에 노출된다. 임계 위치는 그 중에서도 로터 샤프트의 로터 캐비티들 내의 냉각 보어 입구들일 수 있다. 일반적으로, 로터 캐비티들은 로터 샤프트의 내부에 구성되고, 냉각 보어 입구들은 이러한 로터 캐비티들의 외부 원주 상에 배열된다. 냉각 보어들은 주로 로터 샤프트의 내부로부터 방사 방향으로 연장한다. 이러한 냉각 보어들 및 로터 캐비티들이 고려된다면, 로터 캐비티들에서 발생하는 응력들은 로터 캐비티들의 단면 윤곽에 결정적으로 의존한다.
냉각 보어들은 보통 냉각 보어들이 로터 캐비티들로부터 연장하는 영역에서 로터 샤프트의 기계적 약화를 야기하고, 이는 높은 열 및 기계적 응력들의 경우에서 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 열 및 기계적 응력들의 영향을 감소시키기 위해서 이미 고려되었던 복수의 조치들이 있다:
보어 직경들의 감소 및 더 높은 단계의 실현을 위한 압축기 내의 블리드(bleed) 위치의 변화. 하지만 이 영향은 냉각 공기 압력을 증가시키고 따라서 유동의 요구되는 단면을 감소시킨다. 그와 같은 결점들로 인해, 이것은 부정적인 실행 영향을 야기하고 또한 이것은 냉각 공기 온도를 증가시킨다.
SAF 시스템의 변화, 예를 들어, 하부 대신에 블레이드의 전방에 대한 블레이드 공급의 변화. 그와 같은 결점들로 인해, 이것은 로터 및/또는 로터 블레이드 및/또는 고정자 날개들의 재설계를 요구한다. 또한, 압력 손실은 다른 설치에 의해 회복되어야 한다.
로터의 내부 방사상 압축기는 로터 캐비티 벽 상에 리브들의 형태로 제공된다. 내부 리브들은 원주 방향으로 공기 유동을 가속화하고 따라서 그 스월(swirl)을 증가시킨다. 그와 같은 결점들로 인해, 이것은 체적비에 대해 매우 낮은 면을 갖는 로터 디스크가 매우 느린 열 거동을 하는 동안, 리브들이 체적비에 대해 매우 높은 면을 갖고 따라서 매우 빠른 열 거동을 한다. 이것은 로터 디스크그 내로 매우 높은 열 응력을 도입할 수 있어, 이러한 리브들의 디자인이 어렵게 된다.
요약하자면, 많은 수의 큰 구멍들이 이웃한 보어들 사이의 얇은 기존의 벽 두께 때문에 제한된 로터 수명을 초래한다고 말할 수 있다. 또한, 냉각 보어의 입구에서 냉각 공기의 상대 속도의 큰 변화가 재순환 때문에 요구되는 더 큰 보어 직경 및 압력 손실을 초래한다.
본 발명은 논의된 결점들을 극복하면서, 일부 추가의 이점들을 제공하여, 본 발명의 모든 이점들을 포함하도록 의도되는 본 개시물의 하나 이상의 양태들의 기본적인 이해를 제공하기 위해서 다음의 간략한 요약에 나타낸, 가스 터빈, 증기 터빈 또는 일반적으로 터보 기계류의 개선된 로터 샤프트를 설명한다.
이 요약은 본 발명의 광범위한 개요는 아니다. 본 발명의 중요하거나 또는 중대한 요소들을 식별하지 않거나 또는 본 개시물의 범주를 설명하지 않도록 의도된다. 오히려, 이 요약의 유일한 목적은 이후에 나오는 더 상세한 설명에 대한 서두로서 간략한 형태로 본 발명의 일부 개념들, 본 발명의 양태들 및 이점들을 나타내는 것이다.
본 발명의 목적은 관련되어 사용되는 기계 또는 터빈이 작동 조건에 있는 동안 로터 샤프트 상에서 발생하는 열 및 기계적 응력들의 영향을 감소시킨다는 면에서 구성될 수 있는 개선된 로터 샤프트를 제작하는 것이다.
또한, 본 발명의 로터 샤프트가 단일 부분 또는 복수의 부분으로 구성되는지에 관한 사실에 관계없이, 본 발명의 로터 샤프트는 열 및 기계적 응력들의 영향을 견디거나 또는 감소시키는 목적을 갖는다.
본 발명의 또 다른 목적은 효과적이고 경제적인 방식으로 사용하는데 편리한, 개선된 로터 샤프트를 제작하는 것이다. 다양한 다른 목적들 및 본 발명의 특징들은 다음의 상세한 설명 및 청구항들로부터 분명해질 것이다.
독립항의 특징적인 항들에 따라 요약하자면, 본 발명의 단계의 주요 양태들은 냉각 보어 입구 위치의 적어도 하나의 측면 또는 부분 측면에 2개의 인접한 냉각 보어들 사이의 벽 두께를 최소화하기 위해서 비대칭 에지 필릿이 제공된다는 제 1 실시예를 포함한다.
하나의 양태에서, 상술된 다른 목적들은 발전소의 가스 터빈 엔진을 위한 개선된 로터 샤프트에 의해 성취될 수 있다. 로터 샤프트는 로터 샤프트의 로터 축에 대해 회전하도록 구성된다. 로터 샤프트는 로터 샤프트 내의 로터 축에 대해 동심으로 또는 준 동심으로 구성된 로터 캐비티를 포함한다. 본 발명이 동심인 캐비티 구성으로 엄격히 제한되지 않는다는 것이 이해되어야한다.
로터 샤프트는 또한 로터 샤프트의 내부로부터 로터 샤프트의 외부로 방사상으로 또는 준 방사상으로 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들을 포함한다. 본 발명이 방사상 구성으로 엄격히 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 각각의 냉각 보어는 보어 입구 부분 및 원위 보어 출구 부분을 포함한다. 각각의 보어 입구 부분들은 로터 캐비티와 인접하도록 구성된다. 보어 자체(입구 부분 및 출구 부분 사이)는 일정한 보어 직경을 갖는 "수직" 직선 보어이다.
하나의 실시예에서, 로터 샤프트는 단일 부분 구성일 수 있거나 또는 다른 실시예에서, 적어도 하나의 용접 심을 따라 조립되도록 용접된 2개 이상의 부분 구성일 수 있다. 로터 샤프트는 또한 함께 볼트 접합될 수 있다.
또한, 본 발명은 로터의 캐비티에 냉각 보어의 입구에서 비대칭 에지 필릿을 도입한다. 냉각 공기는 중앙 또는 준 중앙, 또는 다른 배치된 보어를 통해 로터 캐비티 내로 유동하고 냉각 공기를 로터 블레이드를 향해 안내하는 냉각 공기 보어들에 진입한다.
냉각 공기의 회전 속도는 오직 로터 캐비티에서만 느리다. 캐비티로부터 냉각 보어들로의 이동에서, 보어 입구에서 재순환 영역들 및 압력 손실을 야기하는 냉각 공기의 회전 속도는 상당히 증가한다.
비대칭 에지 필릿의 도입은 로터 캐비티로부터 냉각 보어들로의 더 부드러운 이동을 허용하고 따라서 보어 입구에서의 유동 조건들을 개선한다. 냉각 구멍들의 개시된 입구 디자인은 공기를 가압하기 위한 것이 아니라 로터 디스크를 통해 공기를 안내하도록 사용된다.
재순환 영역은 감소되고, 따라서, 냉각 보어 입구 내의 효과적인 유동 단면이 증가된다. 이것은 최대 속도를 작은 값들로 제한하고 압력 손실을 상당히 감소시킨다.
그런 이유로, 냉각 보어 직경은 냉각 공기 속도 및 압력 손실이 동일하게 유지되거나 또는 약간 증가되는 동안 감소될 수 있다.
많은 수의 냉각 보어들 때문에, 이 위치에서 로터 수명을 제한하는 이웃한 보어들 사이의 잔류 벽 두께는 얇다. 최소 벽 두께를 가능한 한 두껍게 유지하기 위해서, 에지 필릿은 보어들의 하나의 측면 상에만 적용되고 따라서 비대칭이고, 다른 측면은 필릿 없이 기본적으로 유지되고, "기본적으로"가 "근본적으로"를 의미하진 않는데, 즉, 좁은 범위에서, 필릿 없이 사용 가능한 측면에는 지배적인 기본 비대칭을 희생하지 않고서 감소된 에지 필릿이 제공될 수 있다.
비대칭에 대해서, 에지 필릿을 포함하는 측면은 로터의 회전 방향으로 보어의 정면에 적용된다.
본 발명의 특징들은 추가의 방식으로 로터 수명을 최적화하기 위해서 추가의 특징과 결합될 수 있다:
로터 샤프트는 로터 샤프트 내의 로터 축에 대해 동심으로 구성된 로터 캐비티 및 로터 샤프트의 내부로부터 로터 샤프트의 외부로 방사상으로 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들을 포함한다. 각각의 냉각 보어는 보어 입구 부분 및 원위 보어 출구 부분을 갖고, 각각의 보어 입구 부분은 로터 캐비티와 인접하도록 구성된다. 또한, 로터 캐비티는 위치에서 둘레가 일직선이 되도록 구성된 단면 프로파일을 포함하고 반면에 각각의 보어 입구 부분은 로터 캐비티와 인접하여, 로터 캐비티의 주요 단면 프로파일을 가로질러 적어도 열 및 기계적 응력들을 감소시킨다.
게다가, 로터 샤프트는 단일 부분 구성으로 구성될 수 있거나 또는 로터 샤프트는 하나의 용접된 심을 따라 조립되도록 용접된 2개 이상의 부분들로 구성된다.
보어의 비대칭 측면과 관련 있는 에지 필릿은 이상적으로 냉각 보어 직경의 지수 0.3 내지 0.7 사이의 반경을 갖는 둥근 필릿으로 제작된다. 제작 한계 때문에, 둥근 필릿은 사이에서 균일한 각이 진 스텝들을 갖는 3개 이상의 챔퍼들과 비슷할 수 있다. 필릿이 챔퍼들과 비슷한 경우에, 에지 필릿의 전체 폭(w) 및 전체 깊이(d)는 또한 냉각 보어 직경의 지수 0.3 및 0.7 사이에 있다.
따라서, 본 발명의 최종 목적은 입구에서 유동 조건들을 개선하고, 따라서, 입구 압력 손실을 감소시켜서, 주어진 질량 유동에 대해 작은 보어 직경을 허용하기 위해, 로터 디스크 내로의 회전 냉각 보어의 입구에서의 비대칭 에지 필릿의 도입으로 구성된다. 따라서, 로터 수명에 대해 유리한, 이웃한 보어들 사이의 잔류 벽 두께가 개선된다.
본 발명을 특징짓는 다양한 특징들과 함께, 본 개시물의 다른 양태들과 함께 상술된 설명들은 본 개시물에서 독특함을 갖고서 언급된다. 본 개시물의 더 나은 이해를 위해서, 작동 이점들, 사용들, 참조가 본 개시물의 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부된 도면들 및 설명문에서 언급되어야한다.
본 개시물의 이점들 및 특징들은 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명 및 청구항들을 참조하여 더 잘 이해될 것이고, 도면에서 유사한 요소들은 유사한 부호들로 식별된다.
도 1은 가스 터빈의 로터 샤프트의 사시 측면도.
도 2는 도 1을 따른 로터 샤프트를 통한 길이 방향 부분을 나타내고, 복수의 냉각 보어들을 갖는 로터 캐비티에 관한 예를 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 부분(Ⅲ-Ⅲ)을 따른 종래의 로터 캐비티를 통해 냉각 보어들의 비대칭 구성을 갖는 발명의 실시예를 도시한, 로터 캐비티의 부분도.
도 4는 도 2의 부분적인 부분(Ⅳ-Ⅳ)을 따른 냉각 보어들의 비대칭 구성을 나타낸 도면.
도 1은 가스 터빈의 블레이딩 없이, 로터 샤프트(100)의 사시 측면도를 나타내고, 도 2와 함께 설명될 것이다. 로터 축(110)에 대해 회전 대칭인 로터 샤프트(100)는 압축기 부분(101) 및 터빈 부분(102)으로 세분된다. 가스 터빈 돔 내부의 2개의 부분들(101 및 102) 사이에 연소 챔버가 배열될 수 있고, 연소 챔버로 압축기 부분(101) 내에 압축된 공기가 유입되고 연소 챔버로부터 고온 가스가 터빈 부분(102)을 통해 유동한다. 축 방향으로 나란히 배열된 터빈 부분(102)은 복수의 로터 디스크들(103)을 갖고, 로터 디스크들에서 대응하는 이동 블레이드들의 수용을 위한 축 방향으로 배향된 수용 슬롯들이 형성되어 원주에 분포된다. 블레이드들의 블레이드 루트들(root)은 전나무 형태의 단면 윤곽에 의해 포지티브 연결에 의한 종래의 방식으로 수용 슬롯들에 보유된다. 로터 캐비티(도 2 참조)는 중앙 냉각 공기 공급부로부터 로터 캐비티로 그리고 복수의 냉각 보어들(도 2 참조)로 냉각 공기를 공급하도록 로터 샤프트(100) 내에서 축 방향으로 이어지는 중앙 냉각 공기 공급부(104)에 연결될 수 있다.
기본적으로, 도 2에 따르면, 로터 샤프트는 로터 샤프트 내의 로터 축에 대해 동심으로 구성된 로터 캐비티 및 로터 샤프트의 내부로부터 로터 샤프트의 외부로 방사상으로 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들을 포함한다. 각각의 냉각 보어는 보어 입구 부분 및 원위 보어 출구 부분을 갖고, 각각의 보어 입구 부분은 로터 캐비티와 인접하도록 구성된다. 또한, 로터 캐비티는 위치에서 둘레가 일직선이 되도록 구성된 단면 프로파일을 포함하고 반면에 각각의 보어 입구 부분은 로터 캐비티와 인접하여, 로터 캐비티의 주요 단면 프로파일을 가로질러 적어도 열 및 기계적 응력들을 감소시킨다.
도 2와 관련하여, 로터 캐비티(120)는 도 1 및 도 2를 따라, 로터 샤프트(100) 내의 로터 축(110)에 대해 동심으로 구성된다. 또한, 복수의 냉각 보어들(130)은 로터 샤프트(100)의 내부로부터 로터 샤프트(100)의 외부로 방사상으로 외향으로 연장하는 방식으로 구성된다. 각각의 냉각 보어(130)는 보어 입구 부분(132) 및 원위 보어 출구 부분(134)을 포함한다. 각각의 보어 입구 부분(132)은 로터 캐비티(120)와 인접하도록 구성된다. 용어 "인접하다"는 보어 입구 부분(132)이 만나는 로터 캐비티(120) 및 보어 입구 부분(132)이 동일한 평면을 공유한다는 것을 의미하도록 규정된다. 하나의 부분에서, 로터 캐비티(120)는 중앙 냉각 공기 공급부(140)로부터 로터 캐비티(120)로 그리고 복수의 냉각 보어들(130)로 냉각 공기를 공급하도록 로터 샤프트(100) 내에서 축 방향으로 이어지는 중앙 냉각 공기 공급부(104)에 연결될 수 있다. 다른 부분에서, 공기는 캐비티로 다르게 전달될 수 있다. 복수의 냉각 보어들(130)로부터의 냉각 공기는 냉각을 위해 블레이드들 및 블레이드 루트들(103) 사이의 로터 샤프트(100)의 외부에 도달한다.
도 3은 도 2의 단면도(Ⅲ-Ⅲ)에 따라 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예는 로터 캐비티(120) 내에 냉각 보어(130)의 입구 위치에서의 비대칭 에지 필릿(150)을 도입한다. 냉각 공기는 달리 배치된 보어를 통해 로터 캐비티 내로 유동하고 냉각 공기를 로터 블레이드들(도 2 참조)을 향해 안내하는 냉각 공기 보어들에 진입한다.
냉각 공기의 회전 속도는 로터 캐비티에서 매우 느리다. 캐비티로부터 냉각 보어들로의 이동에서, 보어 입구 위치(160)에서의 재순환 영역들 및 압력 손실을 초래하는 냉각 공기의 회전 속도가 상당히 증가한다.
비대칭 에지 필릿(150)의 도입은 로터 캐비티(120)로부터 냉각 보어들(130)로의 더 부드러운 이동을 허용하고 따라서 보어 입구 위치에서의 유동 조건들을 개선한다.
재순환 영역들이 감소되고, 따라서, 냉각 보어 입구 위치(160)에서 효과적인 유동 단면이 증가된다. 이것은 마하수(Mach-number)를 작은 값으로 제한하고 압력 손실을 상당히 감소시킨다.
그런 이유로, 냉각 보어 직경(D)(도 4 참조)은 냉각 공기 속도 및 압력 손실이 동일하게 유지되거나 또는 약간 증가되는 동안 감소될 수 있다.
많은 수의 냉각 보어들(130) 때문에, 이 위치에서 로터 수명을 제한하는 이웃한 보어들 사이의 잔류 벽 두께(L)(도 4 참조)만이 얇다. 최소 벽 두께를 가능한 한 두껍게 유지하기 위해서, 에지 필릿(150)은 보어들의 하나의 측면 상에만 적용되고 따라서 최소 벽 두께를 가능한 한 두껍게 유지하기 위해서, 다른 측면이 에지 필릿 없이 기본적으로 남아있는 동안 비대칭이고, 즉, 냉각 보어 입구(160)의 원주 영역의 적어도 하나의 측면 또는 부분 측면에는 2개의 인접한 냉각 보어들 사이의 에지 필릿 하류의 벽 두께를 최소화하도록, 비대칭 에지 필릿(150)이 제공된다.
비대칭에 대해, 에지 필릿(150)을 포함하는 측면은 로터의 회전 방향으로 냉각 보어(130)의 정면에 적용된다.
보어(130)의 비대칭 측면과 관련된 에지 필릿(150)은 이상적으로 밀링(mill)되고, 각각의 다른 제작이 냉각 보어 직경(D)의 지수들 0.3 내지 0.7 사이의 반경(R)(아이템 170)을 갖는 둥근 필릿으로서 가능하다. 냉각 보어(130)는 보어 출구 부분(134) 및 보어 출구 부분(134)으로의 방향으로 위치되는 보어 입구 위치(160)의 제 1 단부 사이의 구역에서 일정한 냉각 보어 직경(D)을 포함한다. 상술된 바와 같이, 보어 입구 위치(160)의 반대의 제 2 단부는 로터 캐비티(120)와 인접한다.
제작 한계 때문에, 둥근 필릿은 사이에서 균일한 각이 진 스텝들을 갖는 3개 이상의 밀링된 챔퍼들과 비슷할 수 있다. 필릿이 챔퍼들과 비슷한 경우에, 에지 필릿의 전체 폭(w)(도 4 참조) 및 전체 깊이(d)는 또한 냉각 보어 직경(D)의 지수 0.3 및 0.7 사이에 있다.
따라서, 본 발명의 최종 목적은 입구에서 유동 조건들을 개선하고, 따라서, 입구 압력 손실을 감소시켜서, 주어진 질량 유동에 대해 작은 보어 직경을 허용하기 위해, 로터 디스크 내로의 회전 냉각 보어의 입구에서의 비대칭 에지 필릿의 도입으로 구성된다. 따라서, 로터 수명에 대해 유리한, 이웃한 보어들 사이의 잔류 벽 두께가 개선된다.
도 4는 최소 벽 두께를 많은 수의 냉각 보어들(130)에 대해 가능한 한 두껍게 유지하기 위해서, 도 2의 단면(Ⅳ-Ⅳ)을 따라 본 발명의 실시예를 나타내고, 에지 필릿(150)은 보어들의 하나의 측면 또는 부분 측면 상에만 적용되고 따라서 최소 벽 두께를 가능한 한 두껍게 유지하기 위해서, 다른 측면이 에지 필릿 없이 기본적으로 유지되는 동안 비대칭이다.
보어(130)의 비대칭 측면에 관한 에지 필릿(도 3의 설명 참조)은 이상적으로 냉각 보어 직경들(D)의 지수들 0.3 내지 0.7 사이의 반경을 갖는 둥근 필릿으로서 밀링된다. 제작 한계 때문에, 둥근 필릿은 사이에서 균일한 각이 진 스텝들을 갖는 3개 이상의 밀링된 챔퍼들과 비슷할 수 있다. 필릿이 챔퍼들과 비슷한 경우에, 에지 필릿의 전체 폭(w) 및 전체 깊이(d)(도 4 참조)는 또한 냉각 보어 직경(D)의 지수 0.3 및 0.7 사이에 있다.
본 발명의 개선된 로터 샤프트는, 특히 설명된 실시예들 둘 다에 대해, 다양한 범위들에서 유리하다. 로터 샤프트는 관련되어 사용되는 기계 또는 터빈이 작동 조건에 있는 동안 로터 샤프트 상에서 발생하는 열 및 기계적 응력들의 영향을 감소시킨다는 면에서 구성될 수 있다. 또한, 본 개시물의 로터 샤프트가 단일 부분 또는 복수의 부분으로 구성되는지에 관한 요인에 관계없이, 본 개시물의 로터 샤프트는 온도 및 원심력 또는 축력의 영향을 견디거나 또는 감소시키는데 유리하다. 이러한 단면 프로파일을 갖는 개선된 로터 샤프트는 논의된 위치에서 종래의 로터의 2 내지 5배만큼 증가될 전체 수명 주기를 나타낼 수 있다. 본 개시물의 로터 샤프트는 또한 보어 입구의 영역에서의 작용 응력을 10 내지 40%만큼 감소시키는데 유리하다. 작용 응력은 기계적 및 열 응력의 혼합물이다. 또한, 로터 샤프트는 효과적이고 경제적인 방식으로 사용하기에 편리하다. 본 개시물의 다양한 이점들 및 특징들은 첨부된 청구항들 및 상술된 설명으로부터 분명해진다.
본 발명이 무엇이 현재 제일 실용적이고 바람직한 실시예로 고려되는지와 관련하여 설명되는 동안, 본 발명이 개시된 실시예(들)로 제한되지 않지만, 대조적으로, 첨부된 청구항들의 정신 및 범주 내에 포함된 다양한 수정들 및 등가 장치들을 포함하도록 의도되고, 이 범주가 법 하에서 허용되는 바와 같이 모든 이러한 수정들 및 등가 구조를 포함하기 위해서 가장 넓은 해석이 허용된다는 것이 이해된다. 또한, 선호되는, 바람직하게 선호되거나 또는 유리하게 상기 설명에 쓰인 단어의 사용이 설명된 특징이 더 바람직할 수 있다는 것을 나타내는 동안, 그럼에도 불구하고, 필수적이지 않을 수 있고 동일한 것이 부족한 임의의 실시예가 본 발명의 범주 내에서 고려될 수 있으며, 범주가 후속되는 청구항들에 의해 규정된다는 것을 이해해야 한다. 청구항 판독시에, 부정관사("a", "an"), "적어도 하나" 및 "적어도 일부"와 같은 단어가 사용될 때, 청구항에 반하여 특히 달리 언급이 없는 한, 청구항을 오직 하나의 아이템으로 제한하려는 의도는 없다. 또한, 언어 "적어도 일부" 및/또는 "일부"가 사용될 때, 아이템이 대조적으로 특히 달리 언급이 없는 한, 일부 및/또는 전체 아이템을 포함할 수 있다.
100: 로터 샤프트
101: 압축기 부분
102: 터빈 부분
103: 로터 디스크들
104: 중앙 냉각 공기 공급부
110: 로터 축
120: 로터 캐비티
130: 냉각 보어들
132: 보어 입구 부분
134: 보어 출구 부분
150: 에지 필릿
160: 보어 입구 위치
170: 반경이 있는 챔퍼

Claims (7)

  1. 로터 샤프트의 로터 축(110) 둘레로 회전하도록 구성된 상기 로터 샤프트(100)로서,
    상기 로터 샤프트(100) 내의 상기 로터 축(110)에 대해 동심으로 또는 준 동심으로(quasi-concentrically) 구성된 로터 캐비티(120)와,
    상기 로터 샤프트(100)의 내부로부터 상기 로터 샤프트의 외부로 방사상으로 또는 준 방사상으로(quasi-radially) 외향으로 연장하는 복수의 냉각 보어들(130)을 포함하고,
    상기 각각의 냉각 보어(130)는 보어 입구 위치(160) 및 원위 보어 출구 부분(134)을 갖고, 상기 냉각 보어(130)는 상기 보어 출구 부분(134)으로의 방향에 위치되는 상기 보어 입구 위치(160)의 제 1 단부 및 상기 보어 출구 부분(134) 사이의 구역에서 일정한 냉각 보어 직경(D)을 포함하고,
    상기 각각의 보어 입구 위치(160)는 제 2 단부에서 상기 로터 캐비티(120)와 인접하도록 구성되고,
    상기 냉각 보어 입구(160)의 원주 영역의 적어도 하나의 측면 또는 부분 측면에, 2개의 인접한 냉각 보어들(130) 사이의 에지 필릿 하류의 벽 두께를 최소화하도록, 상기 비대칭 에지 필릿(150)이 제공되는 로터 샤프트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 보어 입구(160)에는 상기 냉각 보어(130)의 유동 용량을 향상시키기 위해서 비대칭 에지 필릿(150)이 제공되는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 보어(130)의 상기 비대칭 에지 필릿(150)은 냉각 보어 직경(D)의 지수들 0.3 내지 0.7 사이의 반경을 갖는 둥근 필릿으로 제작되는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각 보어(130)의 상기 비대칭 필릿(150)은 밀링 가공되는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 에지 필릿(150)의 챔퍼는 냉각 보어 직경(D)의 지수들 0.3 및 0.7 사이의 전체 깊이(d) 및 전체 폭(w)을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 에지 필릿(150)의 챔퍼는 균일하거나 또는 점진적으로 각이 진 스텝들을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터 샤프트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 샤프트(100)는 가스 또는 증기 터빈 또는 터보 기계류의 부재인 것을 특징으로 하는 로터 샤프트.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11965653B2 (en) * 2021-06-23 2024-04-23 General Electric Company Dilution air inlets with notched tip and slotted tail for combustor

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE697045C (de) 1937-09-19 1940-10-04 Holzwarth Gasturbinen G M B H Fluessigkeitsgekuehltes Turbinenlaufrad, insbesondere fuer Verpuffungsbrennkraftturbinen, mit mehrer
US2657902A (en) * 1947-12-17 1953-11-03 Packard Motor Car Co Turbine rotor for turbojet engines
US4102603A (en) 1975-12-15 1978-07-25 General Electric Company Multiple section rotor disc
US4203705A (en) 1975-12-22 1980-05-20 United Technologies Corporation Bonded turbine disk for improved low cycle fatigue life
FR2552817B1 (fr) 1978-11-27 1988-02-12 Snecma Perfectionnements au refroidissement des rotors de turbines
US4344738A (en) * 1979-12-17 1982-08-17 United Technologies Corporation Rotor disk structure
DE4324034A1 (de) 1993-07-17 1995-01-19 Abb Management Ag Gasturbine mit gekühltem Rotor
US5704764A (en) 1996-10-07 1998-01-06 Westinghouse Electric Corporation Turbine inter-disk cavity cooling air compressor
DE59710425D1 (de) 1997-12-24 2003-08-14 Alstom Switzerland Ltd Rotor einer Strömungsmaschine
DE19852604A1 (de) 1998-11-14 2000-05-18 Abb Research Ltd Rotor für eine Gasturbine
US7059825B2 (en) * 2004-05-27 2006-06-13 United Technologies Corporation Cooled rotor blade
EP1705339B1 (de) * 2005-03-23 2016-11-30 General Electric Technology GmbH Rotorwelle, insbesondere für eine Gasturbine
EP1975372A1 (en) 2007-03-28 2008-10-01 Siemens Aktiengesellschaft Eccentric chamfer at inlet of branches in a flow channel
JP4981709B2 (ja) 2008-02-28 2012-07-25 三菱重工業株式会社 ガスタービン及びディスク並びにディスクの径方向通路形成方法
CH699996A1 (de) * 2008-11-19 2010-05-31 Alstom Technology Ltd Verfahren zum bearbeiten eines gasturbinenläufers.
US20130280093A1 (en) * 2012-04-24 2013-10-24 Mark F. Zelesky Gas turbine engine core providing exterior airfoil portion

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