KR20170089740A - 블레이드 조립체 - Google Patents

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KR20170089740A
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칼와이건트
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한화테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명은 블레이드 조립체를 개시한다. 본 발명은, 회전체와, 상기 회전체에 설치되며, 내부에 공간이 형성된 바디부와, 상기 공간에 배치되는 적어도 하나 이상의 진동저감부재를 포함한다.

Description

블레이드 조립체{Blade assembly}
본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 블레이드 조립체는 다양한 장치에 사용될 수 있다. 예를 들면, 블레이드 조립체는 압축기, 가스터빈, 증기 터빈 등에 설치되어 사용될 수 있다. 이러한 블레이드 조립체는 회전함으로써 내부의 유체의 유동을 발생시킬 수 있다. 이때, 블레이드 조립체의 회전에 따라서 블레이드 조립체가 변형될 수 있다.
이러한 블레이드 조립체는 회전체와 회전체와 연결되어 회전체의 회전시 같이 회전하는 바디부를 포함할 수 있다. 이때, 바디부는 익형으로 형성될 수 있으며, 회전체의 회전에 따라 회전함으로써 유체의 유동을 발생시킬 수 있다.
바디부는 상기와 같이 회전하는 경우 일정한 주파수를 갖도록 회전할 수 있으며, 이러한 주파수가 공진주파수의 정수배가 되는 경우 진공이 발생할 수 있다.
진공이 발생한 바디부는 길이 방향으로 각 부분이 가변할 수 있다. 이때, 바디부는 진공에 따라 동응력이 증가할 수 있으며, 이러한 동응력의 증가는 블레이드 조립체를 파손시키거나 수명을 단축시킬 수 있다.
예를 들면, 바디부는 동적 응력 레벨(dynamic stress level)에서 낮은 공차로 인하여 발생하는 원심력 또는 열적 힘으로부터 높은 레벨의 정전기가 발생할 수 있다. 많은 가스 또는/및 스팀 터빈이나 다른 압축기에서 가속하거나 감속할 수 있다. 이러한 경우 블레이드 어셈블리는 순간적으로 공진 범위를 통과하면서 동적 응력이 발생할 수 있다. 특히 블레이드 어셈블리는 블레이드 어셈블리의 공진 영역에 가까워지는 경우 파손이 발생하는 정도의 힘에 도달할 수 있다. 상기와 같은 경우 테스트 조건을 조절하는 조건하에서 공진 영역에 해당하는 동응력으로 인하여 몇초만에 블레이드 어셈블리의 파단이 발생할 수 있다.
이러한 파단을 방지하기 위하여 다양한 완충 장치에 대해서 개발되고 있다. 예를 들면, 이러한 블레이드 또는 블레이드와 연결되는 디스크의 완충 장치의 경우 공진에 근접한 영역에서 동응력을 감속하는 역할을 할 수 있다.
이러한 일반적인 블레이드 조립체는 한국공개특허 제2014-0012095호(발명의 명칭: 비확개형 압축기 블레이드, 출원인: 알스톰 트크놀러지 리미티드)에 구체적으로 개시되어 있다.
한국공개특허 제2014-0012095호
본 발명의 실시예들은 블레이드 조립체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 회전체와, 상기 회전체에 설치되며, 내부에 공간이 형성된 바디부와, 상기 공간에 배치되는 적어도 하나 이상의 진동저감부재를 포함하는 블레이드 조립체를 제공할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 공간은 상기 바디부의 리딩 에지(leading edge)에 인접하도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 공간은 상기 바디부의 회전 시 상기 바디부의 가변변위 중 최대점을 형성하는 상기 바디부 부분에 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 진동저감부재는 분말(powder) 형태일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 공간은 복수개 형성되며, 상기 바디부의 리딩에지로부터 트레일링 에지 측 방향으로 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 공간은 복수개 구비되며, 복수개의 공간은 상기 바디부의 원주 방향으로 이격되도록 배열될 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재는 상기 공간과 마찰 접촉할 수 있다.
또한, 마찰 접촉으로 발생하는 마찰력은 상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재의 속도와 상이한 상(Phase)를 갖을 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재는 상기 바디부의 회전 속도보다 작은 회전 속도를 갖을 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재는 공진 주파수에서 상기 바디부의 회전 속도보다 작은 회전 속도를 갖을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 회전하는 블레이드 조립체의 수명을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 조립체를 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 일부를 절단하여 보여주는 사시도이다.
도 3A 내지 도 3C는 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 수평 방향으로 본 단면도이다.
도 4A 내지 도 4C는 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 수직 방향으로 본 단면도이다.
도 5는 일반적인 블레이드의 회전 시 블레이드의 변위를 보여주는 개념도이다.
도 6은 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 주파수비에 따른 동응력비를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 스트레스 분포를 보여주는 도면이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 조립체를 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 일부를 절단하여 보여주는 사시도이다. 도 3A 내지 도 3C는 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 수평 방향으로 본 단면도이다. 도 4A 내지 도 4C는 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 수직 방향으로 본 단면도이다. 도 5는 일반적인 블레이드의 회전 시 블레이드의 변위를 보여주는 개념도이다. 도 6은 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 주파수비에 따른 동응력비를 보여주는 그래프이다. 도 7은 도 1에 도시된 블레이드 조립체의 스트레스 분포를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참고하면, 블레이드 조립체(100)는 회전체(110), 바디부(120), 진동저감부재(130)를 포함할 수 있다.
회전체(110)는 외부의 장치에 회전 가능하도록 설치되어 회전할 수 있다. 이때, 회전체(110)는 블레이드 조립체(100)가 설치되는 외부 장치에 따라 다양한 장치 또는 구조와 연결될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예로써 외부 장치가 압축기인 경우 회전체(110)는 모터 등과 같은 구동부에 연결될 수 있다. 다른 실시예로써, 외부 장치가 가스터빈인 경우 회전체(110)는 케이스 내부에 설치되어 연료의 연소로 발생하는 에너지에 의하여 회전할 수 있다. 또 다른 실시예로써 외부 장치가 증기터빈인 경우 회전체(110)는 외부에서 공급되는 증기의 에너지에 의하여 회전할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 외부 장치가 압축기인 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
바디부(120)는 회전체(110)의 외면에 고정되도록 연결될 수 있다. 이때, 바디부(120)는 회전체(110)와 연결되는 허브(121)와, 허브(121)에 연결되도록 형성되는 블레이드바디부(122)를 포함할 수 있다.
허브(121)는 회전체(110)에 일부가 십입되거나 회전체(110)의 일부가 허브(121)에 삽입되어 서로 연결될 수 있다.
블레이드바디부(122)는 익형으로 형성될 수 있다. 이때, 블레이드바디부(122)는 유체의 흐름 방향을 기준으로 유체와 가장 먼저 접촉하는 리딩 에지(122a,Leading edge)를 포함할 수 있다. 이때, 리딩 에지(122a)는 유선형 또는 곡면 형태로 형성되어 유체를 양 측으로 분할하도록 안내할 수 있다.
블레이드바디부(122)는 도 2에 도시된 바와 같이 리딩 에지(122a)의 양 측면에 형성되는 압력면(122b, pressure surface) 및 흡입면(122c, suction surface)를 포함할 수 있다. 이때, 압력면(122b)과 흡입면(122c)은 서로 대향할 수 있으며, 각각 리딩 에지(122a)의 측면으로부터 연장되어 끝단(예를 들면, 트레일링 에지(trailing edge))에서 서로 연결될 수 있다.
블레이드바디부(122)의 내부에는 적어도 한 개 이상의 공간(123)이 형성될 수 있다. 이때, 공간(123)은 구 형태, 원기둥 형태, 타원기둥 형태, 다각 기둥 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로 도 3A 내지 도 4C에 도시되어 잇는 것과 같이 블레이드바디부(122)는 적어도 하나 이상의 공간(123)을 포함할 수 있다. 블레이드바디부(122)는 원주 형태일 수 있으며, 공간(123)은 도 4C에 도시된 바와 같이 메트릭스(Matrix) 형태로 배열될 수 있다.
또한, 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 내부 전체에 형성되는 것이 아닌 블레이드바디부(122) 내부의 일부에만 형성될 수 있다. 이때, 공간(123)은 리딩 에지(122a)와 인접하도록 형성될 수 있다.
공간(123)은 복수개 형성될 수 있다. 이때, 복수개의 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 높이 방향(예를 들면, 원주 방향)으로 서로 이격되도록 형성될 수 있다. 또한, 복수개의 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 높이 방향과 수직한 블레이드바디부(122)의 길이 방향으로 서로 이격되도록 형성될 수 있다. 이때, 복수개의 공간(123) 중 일부는 블레이드바디부(122)의 중심과 리딩 에지(122a) 사이에 형성될 수 있다. 특히 블레이드바디부(122)의 중심을 기준으로 블레이드바디부(122)의 중심과 리딩에지 사이에 형성된 공간(123)의 개수의 합은 블레이드바디부(122)의 다른 부분에 형성되는 공간(123)의 개수의 합보다 클 수 있다. 즉, 복수개의 공간(123) 중 대부분은 블레이드바디부(122)의 중심을 기준으로 리딩 에지(122a) 측으로 편심되도록 형성될 수 있다.
공간(123)은 블레이드바디부(122)의 특정한 위치에 형성될 수 있다. 예를 들면, 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 회전 시 블레이드바디부(122)의 가변변위 중 최대점을 형성하는 블레이드바디부(122) 부분에 형성될 수 있다. 즉, 바디부(120)가 회전하는 경우 블레이드바디부(122)가 진동이나 유체와의 충돌로 인하여 휘어질 수 있다. 이때, 블레이드바디부(122)는 초기 위치에서 변위가 변할 수 있다. 이렇게 블레이드바디부(122)가 초기 위치에서 변위가 변하는 정도를 가변변위라 할 수 있다.
상기와 같은 가변변위의 형상은 도 5에서 도시된 것과 같다. 이때, 블레이드바디부(122)의 가변변위는 도 5에서와 같이 블레이드바디부(122)의 길이 방향을 따라 서로 상이한 크기를 가질 수 있다. 이러한 경우 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 가변변위가 최대가 되는 지점에 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5에서 블레이드바디부(122)의 A지점에 공간(123)이 형성될 수 있다. 이때, 복수개의 공간(123)은 A지점에 인접하도록 형성될 수 있다.
진동저감부재(130)는 공간(123) 내부에 배치될 수 있다. 이때, 진동저감부재(130)는 적어도 한 개 이상이 공간(123) 내부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 진동저감부재(130)는 볼 형태로 형성될 수 있다. 다른 실시예로써 진동저감부재(130)는 분말(Powder) 형태로 형성될 수 있다.
진동저감부재(130)는 다양한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 진동저감부재(130)는 금속, 세라믹 등과 같은 단단한 재질로 형성될 수 있다. 특히 진동저감부재(130)는 블레이드바디부(122)와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
한편, 상기와 같은 블레이드 조립체(100)의 경우 바디부(120)를 제조한 후 바디부(120)를 회전체(110)에 설치할 수 있다. 블레이드바디부(122) 내부의 공간(123)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 블레이드바디부(122)를 복수개의 조각으로 형성한 후 서로 접합하는 부분에 각각 홈을 형성하고 복수개의 조각을 서로 용접 등을 통하여 접합함으로써 블레이드바디부(122) 내부에 공간을 형성할 수 있다. 다른 실시예로써 블레이드바디부(122)를 DMLS(Direct Metal Laser Sintering)방식을 통하여 제조하면서 공간(123)을 형성하고, 공간(123) 내부에 진동저감부재(130)를 형성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 제조된 블레이드 조립체(100)는 회전함으로써 유체의 흐름을 발생시킬 수 있다. 이때, 블레이드 조립체(100)는 공간(123)과 진동저감부재(130)가 설치되지 않는 경우 도 5와 같이 블레이드바디부(122)의 길이 방향으로 블레이드바디부(122)가 휘어질 수 있다. 특히 블레이드바디부(122)는 블레이드바디부(122)의 길이 방향을 따라 가변변위가 서로 상이하게 형성될 수 있다.
상기와 같은 경우 블레이드바디부(122)는 블레이드바디부(122)의 가변변위가 최대가 되는 지점에서 가변변위가 증대될 수 있으며, 블레이드바디부(122)에 가해지는 동응력(dynamic stress)은 최소일 수 있다. 반면, 블레이드바디부(122)에 가해지는 동응력은 휘어짐이 발생하는 지점에서 최대일 수 있다. 이때, 블레이드바디부(122)의 회전수에 따라서 블레이드바디부(122)의 주파수가 블레이드바디부(122)의 공진주파수에 도달할 수 있다. 이러한 경우 블레이드바디부(122)는 공진으로 인하여 가변변위가 더 커질 수 있으며, 동응력이 증가함으로써 블레이드바디부(122)가 파손될 수 있다.
상기와 같은 공진에 의한 효과를 저감시키기 위하여 공간(123)을 형성하고, 공간(123) 내부에 진동저감부재(130)를 배치할 수 있다. 구체적으로 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 가변변위가 최대가 되는 블레이드바디부(122)의 내부 지점에 형성될 수 있다. 따라서 공간(123)은 블레이드바디부(122)의 회전 시 동응력이 최대가 되는 지점에 형성되지 않으면서 블레이드바디부(122)의 공진에 따른 블레이드바디부(122)의 가변변위를 최소화할 수 있다.
한편, 상기와 같이 형성된 공간(123) 내부에서의 진동저감부재(130)는 블레이드바디부(122)의 공진으로 인한 가변변위를 저감시킬 수 있다. 구체적으로 블레이드바디부(122)가 공진 영역 근접하여 회전하는 경우 진동저감부재(130)는 관성에 의하여 블레이드바디부(122)보다 늦게 회전할 수 있다. 이러한 경우 일정 질량(m)을 갖는 진동저감부재(130) 사이에는 마찰접촉이 발생할 수 있다. 이때, 마찰접촉으로 발생하는 마찰력(Ff)와 공진 시 각 진동저감부재(130)의 속도(
Figure pat00001
)는 서로 상이한 위상을 가짐으로써 하기와 같은 식이 성립하고, 진동저감부재(130) 사이의 마찰로 인하여 블레이드바디부(122)의 이동을 저감시킬 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
[수학식 2]
Figure pat00003
한편, 상기와 같은 블레이드바디부(122)의 경우 공간(123)과 진동저감부재(130)가 존재하지 않는 경우 블레이드바디부(122)는 공진으로 인하여 공진주파수에서 최대 동응력이 무한대로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따른 블레이드 조립체(100)의 경우 상기와 같이 공간(123) 내부의 진동저감부재(130)에 의하여 블레이드바디부(122)의 공진주파수에서 블레이드바디부(122)의 동응력을 저감시킬 수 있다. 예를 들면, 블레이드바디부(122)는 공진주파수에서 동응력이 갑자기 급증할 수 있다. 이러한 경우 블레이드바디부(122)가 수용 가능한 동응력을 초과하게 되고, 블레이드바디부(122)가 파손될 수 있다. 그러나 상기와 같이 공간(123)과 공간(123) 내부에 진동저감부재(130)를 배치함으로써 블레이드바디부(122)의 회전 시 공진주파수에서 동응력을 저감시켜 블레이드 조립체(100)가 파손되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 진동저감부재(130)는 블레이드 조립체(100)의 수명을 증대시킬 수 있다. 예를 들면, 상기와 같이 마찰 접촉이 발생하는 경우 마찰력은 진동저감부재(130)의 속도와 상이한 상(Phase)를 가질 수 있다. 이때, 진동저감부재(130)의 회전 속도는 블레이드바디부(122)의 회전속도와 상이해질 수 있다. 진동저감부재(130)의 회전 속도는 블레이드바디부(122)의 회전 속도보다 작을 수 있다. 이러한 경우 상기와 같은 공진 주파수에서 진동저감부재(130)의 회전 속도는 블레이드바디부(122)의 회전 속도보다 작을 수 있다.
특히 도 7에서 보는 바와 같이 동응력 해석 프로그램을 통하여 해석한 결과를 살펴보면, 공간(123) 내부의 진동저감부재(130)에 의하여 블레이드바디부(122)에 형성되는 동응력이 저감되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 진동저감부재(130)가 있는 경우 블레이드바디부(122)의 동응력은 진동저감부재(130)가 존재하지 않는 경우 진공주파수에서 블레이바디부(120)의 최대동응력의 1/5수준인 것을 확인할 수 있다.
적어도 하나 이상의 내부 공간에 적어도 일부분을 차지하도록 서로 다른 금속 파우더를 체운 블레이드 조립체(100)는 운동 에너지를 마찰로써 소멸시킬 수 있다. 특히 이러한 금속 파우더는서로 충돌함으로써 기계적 에너지를 열 에너지로 변환시킬 수 있다. 또한, 부분적인 열 에너지는 복사, 대류, 전도를 통하여 작동 유체와 열교환함으로써 살아질 수 있다.
따라서 블레이드 조립체(100)는 공진주파수에서 최대동응력을 저감시킴으로써 블레이드 조립체(100)의 파손이나 손상을 방지할 수 있다.
또한, 블레이드 조립체(100)는 블레이드바디부(122)의 최대가변변위를 최소화함으로써 블레이드바디부(122)의 변형에 따른 효율 저하를 방지할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100:

Claims (10)

  1. 회전체;
    상기 회전체에 설치되며, 내부에 공간이 형성된 바디부;
    상기 공간에 배치되는 적어도 하나 이상의 진동저감부재;를 포함하는 블레이드 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간은 상기 바디부의 리딩 에지(leading edge)에 인접하도록 배치되는 블레이드 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간은 상기 바디부의 회전 시 상기 바디부의 가변변위 중 최대점을 형성하는 상기 바디부 부분에 형성되는 블레이드 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동저감부재는 분말(powder) 형태인 블레이드 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간은 복수개 형성되며,
    상기 복수개의 공간 중 일부는 상기 바디부의 리딩에지로부터 트레일링 에지 측 방향으로 서로 이격되도록 형성된 블레이드 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간은 복수개 구비되며,
    복수개의 공간은 상기 바디부의 원주 방향으로 이격되도록 배열되는 블레이드 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재는 상기 공간과 마찰 접촉하는 블레이드 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    마찰 접촉으로 발생하는 마찰력은 상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재의 속도와 상이한 상(Phase)를 갖는 블레이드 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재는 상기 바디부의 회전 속도보다 작은 회전 속도를 갖는 블레이드 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 진동저감부재는 공진 주파수에서 상기 바디부의 회전 속도보다 작은 회전 속도를 갖는 블레이드 조립체.
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