KR20160101876A

KR20160101876A - 터빈 블레이드, 터빈 블레이드 세트 및 터빈 블레이드용 퍼트리 루트

Info

Publication number: KR20160101876A
Application number: KR1020160018353A
Authority: KR
Inventors: 이고르 칩카이킨; 스테판 안드레아스 레츠코; 마르코 람밍거
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2016-08-26
Also published as: US20160237833A1; US10227882B2; EP3059394A1; CN105888736B; JP2016156378A; CN105888736A; EP3059394B1

Abstract

터빈 블레이드는 에어포일(11) 및 퍼트리 루트(12)를 포함한다. 퍼트리 루트는 길이 방향(ℓ), 퍼트리 루트의 2개의 측면들 사이로 연장하는 횡단 방향, 및 루트 베이스(13)로부터 에어포일 팁을 향해 연장하는 폭 방향(s)을 가진다. 퍼트리 루트는 각각의 측면 상에 배열되는 적어도 하나의 길이 방향 홈을 포함하고, 상기 길이 방향 홈은 길이 방향을 따라 연장하며 길이 방향을 규정한다. 퍼트리 루트는 2개의 측면들 사이에서 측정되는 루트 두께를 가지며, 상기 폭은 폭 방향을 따라 변한다. 퍼트리 루트는 폭 방향으로 연장하는 적어도 2개의 채널(31, 32, 33)을 포함하고, 상기 채널들 각각은 길이 방향을 따라 측정되는 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3)를 가지며, 루트는 추가로 각각의 쌍의 이웃하는 채널들 사이에 개재되는 웨브(34, 35)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 웨브들 각각은 길이 방향을 따라 측정되는 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)를 가진다. 각각의 웨브에 대해, 2개의 이웃하는 채널들 각각에서의 웨브-대-채널 비는 0.5보다 크거나 이와 동일하도록 선택되고, 적어도 루트 폭이 퍼트리 루트의 부하 지지부(26)에서 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 0.85보다 작거나 또는 이와 동일하다. 본 개시의 다른 양태에서 모든 웨브 길이들(ℓ4, ℓ5)의 합과 모든 채널 길이들(ℓ1, ℓ2, ℓ3)의 합 사이의 비로서 규정되는 전체 웨브-대-채널 비는 0.3보다 크거나 또는 이와 동일하고, 적어도 루트 폭이 퍼트리 루트의 부하 지지부(26)에서 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 0.6보다 작거나 또는 이와 동일하다.

Description

터빈 블레이드, 터빈 블레이드 세트 및 터빈 블레이드용 퍼트리 루트{TURBINE BLADE, SET OF TURBINE BLADES, AND FIR TREE ROOT FOR A TURBINE BLADE}

본 개시는 청구항 제1항의 전제에 따른 터빈 블레이드에 관한 것이다. 본 개시는 또한 터빈 블레이드들의 세트에 관한 것이다. 본 개시는 또한 퍼트리 루트(fir tree root) 및 퍼트리 루트들의 세트에 관한 것이다.

터빈 블레이드를 퍼트리 블레이드 루트를 사용하여 로터 샤프트에 부착하는 것은 알려져 있다. 그러한 블레이드 루트는 루트 베이스에서 시작하여, 다수의 교번하는 돌기들 및 홈들을 포함한다. 그러한 루트는 샤프트 내부의 대응 슬롯 내에 활주식으로 수용된다. 예를 들어 원심력을 통해 부하(load)를 받을 때, 루트는 돌기들의 상향하는, 즉 에어포일(airfoil)을 향하는 베어링 표면들과 관련되어 있다.

블레이드의 에어포일은 통상 블레이드 푸트(foot)의 길이 방향에서 블레이드의 중심 영역에 배치된다. 따라서 에어포일의 원심 부하가 상기 중심 영역에 강하게 작용하며, 그 결과 길이 방향을 따라 푸트를 구부리는 휨 변형율(bending strain)을 초래한다. 에어포일과 블레이드 루트 사이의 열팽창 차이는 상기 휨에 기여한다.

통상적으로, 가스 터빈의 블레이드는 차갑다. 냉각제 유동이 에어포일의 길이 방향 위치에서 블레이드 루트의 개구 및 채널을 통해 중공 블레이드 에어포일 내로 도입된다. 그러나 이러한 채널의 존재로 인하여 부하 시에 블레이트 루트의 탄성 변형이 채널들이 배치되어 있는 영역으로 더욱 확장된다. 즉, 휨 변위가 발생되는 영역에서, 베어링 표면이 샤프트의 그 대응 부분에 더 강하게 가압된다. 이것은 블레이드 루트에서뿐만 아니라 냉각제 채널의 영역에 있는 샤프트의 대응 형태부(features)에서 지역적으로 발생하는 응력을 강화시킨다. 그 다음에, 피로가 빨리 발생할 수 있으며 부품들이 더 빈번하게 교체될 필요가 있을 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 기술에 알려진 하나의 가능성은 재료의 기계적 특성을 향상시키기 위해 부착 영역에서 샤프트를 냉각시키는 것이다. 그러나 이것은 효율 및 출력을 감소시키는 냉각 공기를 소비하며, 공간, 복합성, 비용 및 수명과 같은 다른 제약사항으로 인하여 용이하게 실시될 수 없다.

본 개시의 목적은 블레이드 루트뿐만 아니라 샤프트 부착 영역에서 응력을 감소시키는 블레이드-샤프트 계면(interface)을 제공하는 것이다.

본 개시의 다른 목적은 부하를 부하 지지 부재에 더욱 균등하게 분배하는 블레이드-샤프트 계면을 제공하는 것이다.

본 개시의 더 특정한 목적은 상술한 상황을 개선하며 구성부품의 수명을 연장하는 블레이드-샤프트 계면을 제공하는 것이다.

다른 효과들 중에서, 이러한 목적들은 아래 설명에 비추어 통상의 기술자에게 아주 명백하게 나타나며, 블레이드 루트를 보강하기 위해 블레이드 루트의 채널들 사이에 개재되는 복수의 웨브를 제공하고, 하나 이상의 채널의 길이 방향 연장과 관련되어 있는 하나 이상의 웨브(web)의 길이 방향 연장으로서 정의되는 웨브 대 채널 비를 양호하게 규정된 특정 범위 내에서 유지하도록 상기 웨브들을 치수화하는 것으로서 달성되고, 상기 비는 한편으로 충분한 보강 효과를 제공하며 그리고 다른 한편으로 필요한 냉각제의 양을 에어포일로 공급하기에 충분한 채널 단면을 제공하며, 상기 조건들은 적어도, 루트 폭이 퍼트리 루트의 부하 지지부(load bearing section)에서의 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 성취된다. 숙련자에게는 아주 명백하지만, 주의할 점은, 본원의 문맥에서의 폭은 횡단 방향(crosswise direction)에서의 범위를 의미한다는 것이며, 이것은 이하에 설명될 것이다. 또한, 길이 방향 연장(lengthwise extension)은 그 의미가 마찬가지로 아주 명백하게 나타날 것이며, 이하에 더 상세히 규정될 것이다. 상술한 바와 같이, 퍼트리 루트는, 에어포일을 가리키는, 교대로 배열된 돌기들 및 홈들의 베어링 표면상에서 엔진의 작동 중에 원심력에 의해 유발되는 부하를 지탱한다. 따라서 퍼트리 루트의 부하 지지부는 보는 바와 같이 루트 베이스에서 시작하여 제1 돌기를 지나간다는 것을 이해해야 한다. 이러한 돌기들 및 특히 에어포일을 가리키는 표면들 또는 상단 표면들이 퍼트리 루트의 실제적인 부하 지지 부착 형태부를 제공한다는 것을 인식할 것이다. 다시 말하면, 루트 베이스와 상기 제1 또는 바닥 베이스 사이에 배치되는 루트의 섹션(section)은 본질적으로 응력을 받지 않으며, 따라서 본 개시가 고려하는 목적이 될 필요가 없다. 다른 한편, 제1 또는 바닥 돌기와 에어포일 사이에 배치되는 루트 부분은 루트의 부하 지지부를 대표하며, 여기서 본원에 설명되는 형태부들이 활용된다.

상기 필요조건을 충족하는 터빈 블레이드가 청구항 제1항 및 제7항에 기재되어 있다.

본 개시에 따른 터빈 블레이드는 에어포일 및 퍼트리 루트를 포함한다. 퍼트리 루트는 길이 방향, 상기 퍼트리 루트의 2개의 측면들(lateral sides) 사이로 연장하는 횡단 방향, 및 루트 베이스로부터 에어포일 팁을 향해 연장하는 폭(span) 방향을 가진다. 퍼트리 루트는 각각의 측면 상에 배열되는 적어도 하나의 길이 방향 홈을 포함하고, 상기 길이 방향 홈은 상기 길이 방향을 따라 연장하며 상기 길이 방향을 규정한다. 주의해야 할 것은, 퍼트리 루트가 폭 방향에서 볼 때 길이 방향을 따라 휘거나 구부러질 수 있다는 것이다. 즉, 길이 방향은 폭 방향을 따라 바라볼 때 곡선을 따라 연장할 수 있다. 그러나 당연히, 퍼트리 루트는 또한 직선으로 연장할 수 있으며 결과적으로 이 경우에 길이 방향은 직선을 따라 연장한다. 퍼트리 루트는 2개의 측면들 사이에서 측정되는 루트 폭 또는 횡단 방향 범위를 가지며, 상기 폭은 본원의 서두에서 설명한 바와 같이 돌기들 및 홈들의 교번 배치로 인하여 폭 방향을 따라 변한다. 퍼트리 루트는 본 개시에 따라서, 폭 방향으로 연장하는 적어도 2개의 내부 채널들을 포함하고, 특히 채널들은 블레이드 루트의 베이스에서 개방되며 냉각제를 에어포일로 공급하기 위해 에어포일 내부에 제공된 냉각 채널들과 유체 소통한다. 상기 채널들 각각은 길이 방향을 따라 측정되는 채널 길이를 가진다. 루트는 추가로 각각의 쌍의 이웃하는 채널들 사이에 개재되는 웨브를 포함하고, 상기 적어도 하나의 웨브들 각각은 길이 방향을 따라 측정되는 웨브 길이를 가진다. 본 개시의 제1 양태에서, 채널들 사이에 개재되어 있는 각각의 웨브에 대해, 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각에서의 채널 길이 사이의 지역적 웨브-대-채널 비는 0.5보다 크거나 이와 동일하고, 그리고 적어도 루트 폭이 퍼트리 루트의 부하 지지부에서 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 0.85보다 작거나 또는 이와 동일하다. 다시 말하면, 각각의 웨브에 대해 어떠한 이웃하는 채널의 길이 방향 범위는 웨브의 길이 방향 범위를 100% 보다 많이 초과하지 않으며, 따라서 탄성 변형이 효과적으로 실행되는 레버를 제한하지 않으며 따라서 루트의 최대 전체 변형을 감소시키며 결과적으로 부착 형태부들의 최대 전체 변형을 감소시킨다. 다른 양태에서, 모든 웨브 길이들의 합과 모든 채널 길이들의 합 사이의 비로서 규정되는 전체 웨브-대-채널 비는 0.3보다 크거나 이와 동일하고, 그리고 적어도 루트 폭이 퍼트리 루트의 부하 지지부에서 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 0.6보다 작거나 또는 이와 동일하다. 이 조건들은 특히 각각의 웨브에 대해 지역적 웨브-대-채널 비에서뿐만 아니라 하나의 동일한 실시예에서 전체 웨브-대-채널 비에서 충족될 수 있음을 이해해야 한다.

본 개시의 여전히 다른 양태에서, 각각의 채널 길이와 최소 부하 지지용 루트 폭 또는 횡단 방향 범위 사이의 비는 1.0보다 크거나 또는 이와 동일하고, 및 1.4보다 적거나 또는 이와 동일하다. 최소 부하 지지용 루트 폭 또는 횡단 범위와 채널 폭 또는 횡단 방향 범위 사이의 비는, 기계적 완전성뿐 아니라 제조 허용오차를 고려하여 최소 벽 두께를 유지하기 위하여 3.0보다 크거나 또는 이와 동일하게 될 수 있다.

어떠한 양호하게 규정된 웨브-대-채널 비를 특징으로 하는, 웨브들을 배열하는 기술적 효과는 우선적으로 전체 재료 단면을 강화함에 있어서 재료 강도를 첨가하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 이것은, 명백히, 단순한 해법으로서 본 개시에 제공된 적어도 2개의 채널의 단면과 동등한 단면을 갖는 하나의 단일 채널을 제공하여 달성될 수 있다. 그때 재료는 간단하게 퍼트리 루트의 길이 방향 단부 섹션에 첨가된다. 사실, 채널은 일정한 단면을 제공할 필요가 았으며, 따라서 간단하게 재료를 첨가하는 것이 실행될 수 없거나, 또는 단지 매우 제한된 범위에서만 가능하다. 이 경우에 루트는 길이 방향 단부에서 강화될 것이며, 한편 작은 재료가 루트의 길이 방향 중심에 제공될 것이다. 다음에, 부하 시에 단위 재료당 변형율이 루트의 이러한 길이 방향 중심부에서 높고, 이에 따라 큰 레버를 따라 높은 탄성 변형을 초래한다. 인식하는 바와 같이, 변형된 지역에서의 퍼트리 루트의 영역들은 샤프트에 제공된 대응 형태부들과 더욱 강하게 접촉하게 된다. 샤프트에 제공된 대응 베어링 표면들과 상호작용에 따라서, 이것은 변형된 영역에서 주로 견디는 퍼트리 루트 부착 형태부를 따라 불균일한 부하 분배를 초래하며, 피크 응력을 유발하며, 결과적으로 적은 재료가 제공되어 있는 루트 영역에서 응력을 더욱 집중시킨다. 또한, 이것은 샤프트 대응 부착 형태부에서 응력을 지역적으로 강화시킨다. 따라서 블레이드 루트뿐만 아니라 샤프트는 빠른 피로를 받게 된다. 대조적으로, 이것은 본 발명의 중요한 양태로서 채널들 사이에 개재된 웨브들을 갖는 다수, 적어도 2개의 채널을 제공하는 것이다. 즉, 재료가 길이 방향에서 퍼트리 루트의 중심 영역에 제공되며, 이에 의하여 퍼트리 루트를 보강한다. 부하로 인한 변형은 더 짧은 레버를 따라 효과적으로 실행되며, 따라서 전체 변형이 감소되고, 부하가 베어링 부착 형태부를 따라 더욱 균일하게 분포되고, 결과적으로 피크 응력을 회피하거나 적어도 상당하게 감소시키게 된다. 따라서 전체 재료 단면이 위에서 설명한 단순한 해법에 비하여 일정하게 유지되면서도, 구성부품의 수명이 상당히 증가된다.

웨브-대-채널 비에 대해 규정된 범위는 임의로 선택되지 않고, 한편으로 냉각제 유동을 위해 상당히 큰 단면을 제공하면서 강성도(stiffness)가 상당히 증가되도록 선택된다는 것을 이해해야 한다.

지역적 웨브-대-채널 비의 범위는 어떤 실시예에서 0.53보다 크거나 동일하며 0.85보다 작거나 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 더 특정한 실시예에서, 지역적 웨브-대-채널 비는 0.55보다 크거나 동일하게 될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서 지역적 웨브-대-채널 비는 0.8보다 작거나 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 여전히 다른 특정한 실시예에서, 지역적 웨브-대-채널 비는 0.55보다 크거나 동일하며 0.8보다 작거나 동일할 수 있다. 전체 웨브-대-채널 비의 범위는 어떤 실시예에서 0.35보다 크거나 동일하며 0.6보다 작거나 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 더 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 0.4보다 크거나 동일하게 될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서 전체 웨브-대-채널 비는 0.55보다 작거나 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 여전히 다른 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 0.4보다 크거나 동일하며 0.55보다 작거나 동일할 수 있다. 이러한 제한된 범위들은 아래에 설명되는 본 개시에 따른 블레이드의 추가 양태 및 실시예에 적용될 수 있다.

돌기들 및 홈들의 교번 배열로 인하여, 홈 베이스들은 루트의 폭 방향을 따라서 하나 이상의 위치에 제시될 수 있다. 부하 지지용 루트 폭은 홈 베이스의 특정한 폭 방향 위치에서 최소가 될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 따라서 본 개시의 추가 양태에서, 전체 웨브-대-채널 비는 적어도 홈 베이스의 폭 방향 위치에서 0.3보다 크거나 동일하며 0.6보다 작거나 동일하다. 여전히 본 개시의 추가 양태에서, 각 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 지역적 웨브-대-채널 비는 적어도 홈 베이스의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 동일하며 0.85보다 작거나 동일하게 될 수 있다.

본 개시에 따른 터빈 블레이드의 추가 실시예에서, 루트는 각 측면 상에 배열되는 적어도 2개의 홈을 포함할 수 있다. 그때 각 측면 상의 바닥 홈은, 홈이 루트 베이스에 가장 근접하는 것으로서 규정될 수 있다. 본 개시의 양태에서, 전체 웨브-대-채널 비는 적어도 바닥 홈 베이스들 중 하나의 폭 방향 위치에서 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일하다. 유사하게, 각각의 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 지역적 웨브-대-채널 비는 적어도 바닥 홈 베이스들 중 하나의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 동일하며 0.85보다 작거나 동일하게 될 수 있다.

더구나, 본 개시에 따른 터빈 블레이드의 더 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 각각의 홈 베이스의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일하며, 및/또는 각각의 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 비는 각각의 홈 베이스의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일하다.

본 개시에 따른 터빈 블레이드의 또 다른 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 제각기 상기 루트 내에서 또는 상기 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 전체 채널 범위를 따라 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일하며, 및/또는 각각의 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 지역적 웨브-대-채널 비는 제각기 상기 루트 내에서 또는 상기 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 전체 채널 범위를 따라 0.5보다 크거나 동일하며 0.85보다 작거나 동일하게 될 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 루트의 부하 지지부는 보는 바와 같이 루트 베이스 또는 바닥 돌기로부터 제1 퍼트리 루트 돌기를 지나서 배치된다. 결과적으로, 바닥 돌기와 루트 베이스 사이의 영역이 부하 지지되지 않으며, 및/또는 최소 부하 지지용 루트 폭이 루트 베이스부터 보이는 바닥 돌기를 지나서 폭 방향 위치에 배치된다. 어느 경우에도, 최소 부하 지지용 루트 폭은 폭 방향으로 루트 베이스로부터 일정 거리에 있다. 채널들은 따라서 베이스에서 입구 팬 섹션들을 구성할 수 있고, 상기 입구 팬 섹션들은 채널들의 덕트 섹션보다 단면이 더 크고, 덕트 섹션의 단면으로 원활하게 전이된다. 이것은 한편으로, 채널들 내로 향하는 냉각제의 더욱 원활한 유동을 달성하도록 작용하며, 다른 한편으로 로터 샤프트 냉각제 덕트와 루트에 제공된 채널 사이의 계면에서 로터 샤프트에 있는 블레이드 루트의 허용오차 및 열로 인한 변위를 경감하도록 작용할 수 있다. 따라서 본 개시의 하나의 양태에서, 터빈 블레이드는, 채널들 중 적어도 하나는 루트 베이스에서 입구 팬 섹션 및 덕트 섹션을 포함하고, 전체 웨브-대-채널 비는 제각기 루트 내에서 또는 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 전체 덕트 섹션 범위를 따라 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 한다. 여전히 다른 양태에서, 본 개시에 따른 터빈 블레이드는, 채널들 중 적어도 하나는 루트 베이스에서 입구 팬 섹션 및 덕트 섹션을 포함하고, 각각의 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 비는 제각기 루트 내에서 또는 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 전체 덕트 섹션 범위를 따라 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 한다.

터빈은 보통 에어포일 길이가 다른 블레이드를 갖는 다수의 터빈 스테이지를 포함하고, 에어포일의 길이는, 압축된 작동 유체가 팽창하는 경로를 따라 하나의 터빈 스테이지에서부터 이어지는 터빈 스테이지로 증가한다. 제1 터빈 스테이지에서 더 높은 작동 유체의 온도로 인하여 더 많은 냉각이 요구되는 반면에, 이어지는 터빈 스테이지에서 작동 유체는 낮은 온도를 가지며, 그러나 더 긴 에어포일은 더 무거워질 수 있고 따라서 브레이드 루트상의 기계적 부하가 이전 터빈 스테이지의 블레이드에 비하여 증가된다. 따라서 위에 설명된 바와 같은 터빈 블레이드들의 세트가 개시되며, 여기서 상기 세트는 에어포일 길이들이 다른 에어포일들을 포함하는 적어도 2개의 블레이드를 포함하고, 전체 웨브-대-채널 비 및/또는 웨브 길이와 이웃하는 채널들의 채널 사이의 비 중 적어도 하나는, 더 작은 에어포일 길이를 갖는 블레이드에 비해 더 큰 에어포일 길이를 갖는 블레이드에서 더 크다. 즉, 비교적 높은 작동 유체 온도를 갖는 터빈 스테이지에서 사용되도록 만들어지는, 더 짧은 에어포일 길이의 블레이드의 루트는 비교적 큰 냉각제 채널들을 구비하며, 따라서 비교적 큰 냉각제 유동을 제공한다. 비교적 낮은 작동 유체 온도를 갖는 터빈 스테이지에서 사용하도록 만들어지는, 더 긴 에어포일 길이의 블레이드의 루트는 비교적 작은 냉각제 채널들 및 더 긴 웨브들을 구비하며, 따라서 더 높은 기계적 부하를 지탱하기 위해 강성도의 증가를 제공한다.

또한 웨브들이 개재된 다수의 냉각제 채널들을 구성하는, 상술한 바와 같은 블레이드를 위한 퍼트리 루트가 개시되고, 여기서 전체 웨브-대-채널 비 및/또는 각각의 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 비는 폭 방향에서 적어도 위에 규정된 위치들 중 하나에서 위에 규정된 범위들 중 하나의 범위 내에 있다.

여전히 위에서 설명된 바와 같은 블레이드들의 세트를 위한 퍼트리 루트들의 세트가 또한 개시되고, 여기서 전체 웨브-대-채널 비 및/또는 각각의 웨브에 대해 웨브 길이와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이 사이의 비 중 적어도 하나는 의도한 에어포일 길이에 의존하여 변한다.

상술한 다른 실시예들, 또는 그 형태부들 각각은 서로 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 여기에 개시되는 본 발명의 추가의 변화 및 실시예는 위의 설명과 아래의 도면에 비추어 숙련자에게 용이하게 명백히 나타날 것이다.

본 개시의 주제는 이제 첨부 도면에 도시된 선택된 예시적 실시예를 이용하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 에어포일 및 퍼트리 루트를 포함하는 블레이드.
도 2는 로터 샤프트에 수용된 퍼트리 루프를 포함하는 블레이드의 다른 사시도.
도 3은 본 개시에 따른 블레이드의 퍼트리 루트의 예시적 실시예의 단면.
도면들은 크게 개략적으로 도시되고, 가르침을 필요로 하지 않는 세부사항들은 이해 및 설명의 용이함을 위해 생략되어 있음을 이해해야 한다. 또한 도면들은 단지 선택된 예시적 실시예만을 도시하며, 도시되지 않은 실시예는 여기에 청구된 주체의 범위 내에 포함될 것임을 이해해야 한다.

본 개시의 가르침을 실시하기 위한 실례 모드들

도 1은 에어포일(11) 및 퍼트리 루트(12)를 포함하는 터빈 블레이드(1)의 예시적 실시예를 도시한다. 블레이드 및 루트는 길이 방향(ℓ) 및 폭 방향(s)을 따라 연장한다. 횡단 방향(b)은 이 도면에서 보이지 않고 도 2에 도시되어 있다. 블레이드 푸트(12)는 베이스(13)를 포함한다. 또한, 홈 베이스들(14, 15, 16)을 갖는 홈들이 푸트의 측면 상에 배치되며 길이 방향을 따라 연장한다.

도 2는 길이 방향을 따라 도면 방향에서 로터 샤프트(2)에 수용된 퍼트리 루트(12)를 갖는 블레이드(1)의 개략도를 도시한다. 이 도면에서, 블레이드(1)는 폭 방향(s) 및 횡단 방향(b)을 따라 연장한다. 명백히, 퍼트리 루트(12)는 측면들(20, 21)을 포함한다. 측면들 각각에는, 홈 베이스들(14, 15, 16)을 갖는 홈들 및 돌기들(17, 18, 19)이 교대로 배치된다. 블레이드 루트는 로터 샤프트의 대응 슬롯 내에 활주식으로 수용된다. 작동 시에, 원심력이 폭 방향(s)을 따라 블레이드 루터로부터 블레이드 팁에 작용한다. 부하는 베어링 표면들(22, 23, 24)에서 견딘다. 명백히, 제1 돌기 아래, 또는 다시 말하면, 제1 또는 바닥 돌기(17)와 베이스(13) 사이의 루트의 섹션(25)은 부하를 지탱하지 않으며, 반면에 블레이드 루트의 섹션(26)은 부하를 지탱한다. 루트 폭(w)은 측면들(20,21) 사이에서 횡단 방향으로 따라 측정되고, 돌기들 및 홈들의 교번 배열로 인하여 폭 방향을 따라 변화한다. 이 실시예에서 최소 부하 지지용 루트 폭은 하부 또는 바닥 홈 베이스(14), 즉 루트 베이스(13)에 가장 가까운 홈 베이스에 위치된다. 명백히, 재료에 대한 변형율이 이러한 최소 부하 지지용 루트 폭에서 높을 것이다. 추가의 임계적 단면들이 홈 베이스들(15, 16)의 위치에 놓일 것이다. 홈 베이스들에서의 응력들이 노치 효과로 인하여 더 강화될 수 있다.

예를 들어 가스 터빈의 터빈 블레이드와 같이 높은 열적 부하를 받는 터빈 블레이드는 자주, 또는 실제로 대부분 내부 냉각제 덕트 및 형태부를 구비하고 있다. 이때 냉각제 채널은 샤프트로부터 에어포일로 냉각제를 공급하기 위해 블레이드 루트에 제공될 수 있다. 블레이드 루트에서 냉각제 채널이 존재하는 것은 구조물을 약화시키는 것이 명백하다. 이러한 냉각제 채널은 보통 블레이드 루트의 길이 방향 중심부에 제공된다. 따라서, 블레이드 루트는 중간 섹션에서 기계적으로 더 연성이 되고, 부하 시에 길이 방향을 따라 구부러지거나 휘는(buckle) 경향이 있다. 블레이드 루트의 이러한 탄성 변형으로 인하여, 부하가 베이링 표면들(22, 23, 24)뿐만 아니라 샤프트에 제공된 대응 베어링 표면들의 길이 방향 범위를 따라 불균일하게 분포된다.

따라서 본 개시는 블레이드 루트에 단일 냉각제 채널을 제공하지 않고, 대신에 블레이드 루트의 길이 방향 중심부를 강화하는, 웨브들이 개재된 다수의 냉각제 채널을 제공하는 것을 제안한다. 이것은 도 3에 단면도로 도시되어 있다. 블레이드 루트(12)는 이러한 예시적 실시예에서, 3개의 냉각제 채널들(31, 32, 33)을 구비한다. 웨브들(34, 35)은 냉각제 채널들 사이에 개재되어 있다. 냉각제 채널들(31, 32, 33)은 에어포일(11)에 제공된 내부 냉각용 형태부에 냉각제를 공급하는 작용을 한다. 냉각제 채널들(31, 32, 33)은 베이스(13)에 배치되는 입구 팬 섹션들(36, 37, 38)을 구비한다. 상기 입구 팬 섹션들은 블레이드 루트(12)의 비-부하 지지부(non-load bearing section)(25)에 제공되며, 폭 방향으로 연장하는 냉각제 채널들의 덕트 섹션들과 원활하게 합쳐지며 에어포일(11)을 향해 이어진다. 제1 채널(31) 덕트 섹션은 채널 길이를 규정하는 길이 방향 범위 ℓ1을 가진다. 제2 채널(32) 덕트 섹션은 각자의 채널 길이를 규정하는 길이 방향 범위 ℓ2를 가진다. 제3 채널(33) 덕트 섹션은 각자의 채널 길이를 규정하는 길이 방향 범위 ℓ3을 가진다. 제1 웨브(34)는 각자의 웨브 길이를 규정하는 길이 방향 범위 ℓ4를 가진다. 제2 웨브(35)는 각자의 웨브 길이를 규정하는 길이 방향 범위 ℓ5를 가진다. 웨브들의 존재로 인하여, 휨 변형율이 효과를 발휘하는 레버는 비교가능한 단면의 하나의 단일 채널에 비하여 상당히 감소되며, 블레이드 루트는 작동 중에 원심 부하로 인한 휨에 저항한다.

이러한 예시적 실시예에서 (ℓ4+ℓ5)/(ℓ1+ℓ2+ℓ3)에 의하여 규정한 바와 같은 전체 웨브-대-채널 비를 일정 범위 내에서 유지하는 것이 유리하다는 것을 알게 되었다. 상기 비는 본 개시에 따라서 0.3보다 크거나 이와 동일하며 0.6보다 작거나 이와 동일하게 되도록 선택된다. 다른 실시예에서 전체 웨브-대-채널 비들의 범위는 0.35보다 크거나 이와 동일하며 0.6보다 작거나 이와 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 더 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 0.4보다 크거나 이와 동일할 수 있다. 또 다른 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 0.55보다 작거나 이와 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 여전히 다른 특정한 실시예에서, 전체 웨브-대-채널 비는 0.4보다 크거나 이와 동일하고 0.55보다 작거나 이와 동일할 수 있다. 이러한 조건들은 입구 팬 섹션들이 루트의 비-부하 지지부에 배치되기 때문에, 입구 팬 섹션에서 성취되지 않도록 할 필요가 있다. 그러나 이러한 조건들은 본 개시에 따라서, 적어도 횡단 방향에서 2개의 측면들 사이에서 측정된 루트 폭이 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 채널들의 덕트 섹션들에서 성취된다. 본 개시의 다른 양태에서, 웨브들(34, 35) 각각에 대해 웨브 길이와 각각 이웃하는 채널의 길이는 0.5보다 크거나 이와 동일하며 0.85보다 작거나 이와 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 또한, 상기 비는 0.53보다 크거나 이와 동일하며 0.85보다 작거나 이와 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 더 특정한 실시예에서, 지역적 웨브-대-채널 비는 0.55보다 크거나 이와 동일할 수 있다. 또 다른 특정한 실시예에서 지역적 웨브-대-채널 비는 0.8보다 작거나 이와 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 여전히 다른 특정한 실시예에서, 지역적 웨브-대-채널 비는 0.55보다 크거나 이와 동일하며 0.8보다 작거나 이와 동일하게 될 수 있다. 즉, 각각의 비 ℓ4/ℓ1, ℓ4/ℓ2, ℓ5/ℓ2, ℓ5/ℓ3는 특정된 범위들 중 하나가 되도록 선택된다.

더 나아가서, 각 채널 길이 (ℓ1, ℓ2, 및 ℓ3)와 도 2에 w로 표시된 최소 부하 지지용 루트 폭 또는 횡단 방향 범위 사이의 비는 1.0보다 크거나 이와 동일하며 1.4보다 작거나 이와 동일하게 될 수 있다. 최소 부하 지지용 루트 폭 또는 횡단 방향 범위와 각 채널에 대한 채널 폭 또는 횡단 방향 범위 사이의 비는, 기계적 완전성뿐 아니라 제조 허용오차를 고려하여 최소 벽 두께를 유지하기 위하여 3.0보다 크거나 이와 동일할 수 있다.

본 개시의 주제가 예시적 실시예를 이용하여 설명되어 있지만, 이것들은 어쨋든 청구하는 주제의 범위를 제한할 의도는 없다는 이해할 것이다. 청구범위는 여기에 명백하게 도시하거나 설명하지 않은 실시예들을 포함하며, 본 개시의 가르침을 실시하기 위한 예시적 모드로 개시된 실시예를 벗어나는 실시예들은 청구범위에 의해 여전히 커버될 것으로 이해해야 한다.

1 블레이드
2 로터 샤프트
11 에어포일
12 퍼트리 루트
13 루트 베이스
14 홈 베이스
15 홈 베이스
16 홈 베이스
17 돌기
18 돌기
19 돌기
20 측면
21 측면
22 베어링 표면
23 베어링 표면
24 베어링 표면
25 비-부하 지지부
26 부하 지지부
31 냉각제 채널
32 냉각제 채널
33 냉각제 채널
34 웨브
35 웨브
36 입구 팬 섹션
37 입구 팬 섹션
38 입구 팬 섹션
ℓ1 채널 길이
ℓ2 채널 길이
ℓ3 채널 길이
ℓ4 웨브 길이
ℓ5 웨브 길이
b 횡단 방향
ℓ 길이 방향
s 폭 방향
w 루트 폭

Claims

에어포일(11) 및 퍼트리 루트(fir tree root;12)를 포함하는 터빈 블레이드(1)로서, 상기 퍼트리 루트는 길이 방향(ℓ), 상기 퍼트리 루트의 2개의 측면들(20, 21) 사이로 연장하는 횡단 방향(b), 및 루트 베이스(13)로부터 에어포일 팁을 향해 연장하는 폭 방향(s)을 가지며, 상기 퍼트리 루트는 각각의 측면(20, 21) 상에 배열되는 적어도 하나의 길이 방향 홈(14, 15, 16)을 포함하고, 상기 길이 방향 홈은 상기 길이 방향을 따라 연장하며 상기 길이 방향을 규정하고, 상기 퍼트리 루트는 2개의 측면들 사이에서 측정되는 루트 두께(w)를 가지며, 상기 폭은 상기 폭 방향을 따라 변하고, 상기 퍼트리 루트는 상기 폭 방향으로 연장하는 적어도 2개의 채널들(31, 32, 33)을 포함하고, 상기 채널들 각각은 상기 길이 방향을 따라 측정되는 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3)를 가지며, 상기 루트는 각각의 쌍의 이웃하는 채널들 사이에 개재되는 웨브(34, 35)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 웨브들 각각은 상기 길이 방향을 따라 측정되는 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)를 가지는, 상기 터빈 블레이드에 있어서,
각각의 웨브(34, 35)에 대해, 상기 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)와 2개의 이웃하는 채널들 각각의 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3) 사이의 지역적 웨브-대-채널 비(ℓ4/ℓ1; ℓ4/ℓ2; ℓ5/ℓ2; ℓ5/ℓ3)는 적어도 상기 루트 폭(w)이 상기 퍼트리 루트의 부하 지지부에서 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
각각의 웨브(34, 35)에 대해 상기 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)와 2개의 이웃하는 채널들(31, 32, 33) 각각의 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3) 사이의 지역적 웨브-대-채널 비(ℓ4/ℓ1; ℓ4/ℓ2; ℓ5/ℓ2; ℓ5/ℓ3)는 적어도 홈 베이스(14, 15, 16)의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 루트는 각각의 측면 상에 배열되는 적어도 2개의 홈들(14, 15, 16)을 포함하고, 각 측면 상의 바닥 홈(14)은 상기 루트 베이스(13)에 가장 근접하고, 각각의 웨브(34, 35)에 대해 상기 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)와 2개의 이웃하는 채널들(31, 32, 33) 각각의 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3) 사이의 지역적 웨브-대-채널 비(ℓ4/ℓ1; ℓ4/ℓ2; ℓ5/ℓ2; ℓ5/ℓ3)는 적어도 상기 바닥 홈 베이스(14)들 중 하나의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 웨브(34, 35)에 대해 상기 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)와 2개의 이웃하는 채널들(31, 32, 33) 각각의 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3) 사이의 지역적 웨브-대-채널 비(ℓ4/ℓ1; ℓ4/ℓ2; ℓ5/ℓ2; ℓ5/ℓ3)는 적어도 상기 홈 베이스들(14, 15, 16) 각각의 폭 방향 위치에서 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 웨브(34, 35)에 대해 상기 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)와 2개의 이웃하는 채널들(31, 32, 33) 각각의 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3) 사이의 지역적 웨브-대-채널 비(ℓ4/ℓ1; ℓ4/ℓ2; ℓ5/ℓ2; ℓ5/ℓ3)는 제각기 상기 루트 내에서 또는 상기 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 전체 채널 범위를 따라 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널들(31, 32, 33) 중 적어도 하나는 상기 루트 베이스(13)에서 입구 팬 섹션(36, 37, 38) 및 덕트 섹션을 포함하고, 각각의 웨브(34, 35)에 대해 상기 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)와 2개의 이웃하는 채널들(31, 32, 33) 각각의 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3) 사이의 지역적 웨브-대-채널 비(ℓ4/ℓ1; ℓ4/ℓ2; ℓ5/ℓ2; ℓ5/ℓ3)는 제각기 상기 루트 내에서 또는 상기 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 전체 덕트 범위를 따라 0.5보다 크거나 이와 동일하고 0.85보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
에어포일(11) 및 퍼트리 루트(12)를 포함하는 터빈 블레이드(1)로서, 상기 퍼트리 루트는 길이 방향(ℓ), 상기 퍼트리 루트의 2개의 측면들(20, 21) 사이로 연장하는 횡단 방향(b), 및 루트 베이스(13)로부터 에어포일 팁을 향해 연장하는 폭 방향(s)을 가지며, 상기 퍼트리 루트는 각각의 측면(20, 21) 상에 배열되는 적어도 하나의 길이 방향 홈(14, 15, 16)을 포함하고, 상기 길이 방향 홈은 상기 길이 방향을 따라 연장하며 상기 길이 방향을 규정하고, 상기 퍼트리 루트는 상기 2개의 측면들 사이에서 측정되는 루트 두께(w)를 가지며, 상기 폭은 상기 폭 방향을 따라 변하고, 상기 퍼트리 루트는 상기 폭 방향으로 연장하는 적어도 2개의 채널들(31, 32, 33)을 포함하고, 상기 채널들 각각은 상기 길이 방향을 따라 측정되는 채널 길이(ℓ1, ℓ2, ℓ3)를 가지며, 상기 루트는 각각의 쌍의 이웃하는 채널들 사이에 개재되는 웨브(34, 35)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 웨브들 각각은 상기 길이 방향을 따라 측정되는 웨브 길이(ℓ4, ℓ5)를 가지는, 상기 터빈 블레이드에 있어서,
모든 웨브 길이들(ℓ4, ℓ5)의 합과 모든 채널 길이들(ℓ1, ℓ2, ℓ3)의 합 사이의 비로서 규정되는 전체 웨브-대-채널 비는, 적어도 상기 루트 폭(w)이 상기 퍼트리 루트의 부하 지지부(26)에서 최소 부하 지지용 루트 폭이 되는 위치에서 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제7항에 있어서,
상기 전체 웨브-대-채널 비는 적어도 홈 베이스(14, 15, 16)의 폭 방향 위치에서 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 루트는 각각의 측면 상에 배열되는 적어도 2개의 홈들을 포함하고, 각 측면 상의 바닥 홈(14)은 상기 루트 베이스(13)에 가장 근접하고, 상기 전체 웨브-대-채널 비는 적어도 상기 바닥 홈 베이스(14)들 중 하나의 폭 방향 위치에서 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루트는 각각의 측면 상에 배열되는 적어도 2개의 홈들을 포함하고, 각 측면 상의 바닥 홈(14)은 상기 루트 베이스(13)에 가장 근접하고, 상기 전체 웨브-대-채널 비는 적어도 상기 바닥 홈 베이스(14)들 각각의 폭 방향 위치에서 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전체 웨브-대-채널 비는 제각기 상기 루트 내에서 또는 상기 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 상기 전체 채널 범위를 따라 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널들(31, 32, 33) 중 적어도 하나는 상기 루트 베이스에서 입구 팬 섹션(36, 37, 38) 및 덕트 섹션을 포함하고, 상기 전체 웨브-대-채널 비는, 제각기 상기 루트 내에서 또는 상기 루트의 부하 지지부 내에서 적어도 본질적으로 상기 전체 덕트 범위를 따라 0.3보다 크거나 이와 동일하고 0.6보다 작거나 또는 이와 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 터빈 블레이드들의 세트로서, 상기 세트는 상이한 에어포일 길이들의 에어포일들을 포함하는 적어도 2개의 블레이드들을 포함하는 터빈 블레이드들의 세트에 있어서,
전체 웨브-대-채널 비 및/또는 웨브 길이와 이웃하는 채널들의 길이 사이의 비 중 적어도 하나는 더 작은 에어포일 길이를 갖는 블레이드보다 더 큰 에어포일 길이를 갖는 블레이드에서 더 큰 것을 특징을 하는 터빈 블레이드들의 세트.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 블레이드를 위한 퍼트리 루트.
제13항에 따른 블레이드들의 세트를 위한 퍼트리 루트들의 세트.