KR20220078706A - 2개의 로터 디스크들 사이에 배열된 로터 구성 요소를 구비한 로터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 로터 블레이드들이 각각 고정되는 2개의 인접한 로터 디스크(01, 11)들을 구비한 가스 터빈의 로터에 관한 것이며, 로터 디스크(01, 11)들 사이에는 환형 로터 구성 요소(21)가 배열되고, 이러한 환형 로터 구성 요소는 각각의 로터 디스크(01, 11)의, 주연부에 걸친 각각 하나의 고정 돌출부(04, 14)가 맞물리는, 주연부에 걸친 환형 홈(24, 34)들을 마주 놓인 단부들에 포함한다. 이 경우, 로터의 정지 상태에서, 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 외부 플랭크(25)가 가압력 하에 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 외부 플랭크(05)에 접촉하고, 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 내부 플랭크(26)와 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 내부 플랭크(06) 사이에 유격이 존재하는 것이 제공된다.
Description
본 발명은, 환형 로터 구성 요소가 그 사이에 배열되는 서로 연결된 2개 이상의 로터 디스크들을 포함하는 가스 터빈의 로터에 관한 것이다.
종래 기술로부터는, 서로 연결된 로터 디스크들을 구비한 가스 터빈에서 사용하기 위한 로터들의 다양한 실시예들이 공지되어 있으며, 로터 디스크들 사이에는 가스 터빈을 관류하는 가열 기체로부터 로터의 내부 영역을 차폐시키기 위한 환형 로터 구성 요소가 배열된다. 이 경우, 2개의 로터 디스크들은 각각 외주연에 분포된 상태로 복수의 로터 블레이드들을 포함한다. 2열의 로터 블레이드들 사이에는 고정식 하우징에 각각 고정되어 있는, 주연부에 분포된 상태로 배열된 1열의 가이드 블레이드들이 위치한다. 이 경우, 가이드 블레이드들과 로터 블레이드들 사이에는 로터의 회전으로 인해 필연적으로 간극이 존재한다. 기본적으로, 이러한 간극은 가이드 블레이드들의 반경 방향 내부의 영역으로 가열 기체가 유입되는 것을 가능하게 한다. 로터 내부로부터의 가열 기체를 저지하기 위하여, 몇몇 가스 터빈들에서는 2개의 인접한 로터 디스크들 사이에 환형 로터 구성 요소가 배열된다. 이를 위해, 이러한 로터 구성 요소는 로터 디스크의 양측에 장착된다.
기본적으로, 이러한 로터 구성 요소의 유일한 과제는 가열 기체의 침투를 방지하는 것이다. 일반적으로, 다른 기능은 존재하지 않는다. 이에 상응하게, 통상적인 방식으로 로터 구성 요소의 장착은 간단하게 유지되고, 축방향으로 연장되는 환형 견부만이, 상응하는 환형 홈에 맞물린다.
2개의 로터 디스크들 사이의 로터 구성 요소의 위치를 보장하기 위하여, 일반적으로 로터 구성 요소는 압입 끼워 맞춤에 의해 각각의 로터 디스크의 양측에 장착된다. 이 경우, 통상적으로 로터 구성 요소는 압입 끼워 맞춤의 지점에서 로터 디스크에 대하여 로터 축을 향한 측면에 배열된다. 이는 특히, 원심력이 발생할 때 로터 구성 요소가, 그와는 달리 육중하게 형성되는 로터 디스크보다 더 큰 변형을 받게된다는 것에 기인한다.
종래 기술로부터의 통상적인 실시예가 적합한 것으로 입증되었음에도 불구하고, 압입 끼워 맞춤의 구성에 따라 그리고 가스 터빈의 가열 또는 가스 터빈의 냉각 시의 가능한 탄성 변형에 따라, 로터 디스크들 및 로터 구성 요소에서의 상이한 열 팽창이 발생할 수 있다. 경우에 따라, 이러한 열 팽창은 압입 끼워 맞춤부 내의 압축 응력이 상실되는 일을 야기할 수 있다. 그에 비해, 로터의 회전으로 인해 원심력이 발생할 때의 변형과, 제공된 압입 끼워 맞춤의 조합은, 허용 불가능할 정도로 높을 수도 있는 압축 응력을 유도할 수 있다.
따라서, 본 발명의 과제는, 가스 터빈의 가열 및 냉각 시에도 로터 구성 요소 또는 로터 디스크에서의 허용 가능한 응력의 초과없이 로터 구성 요소의 위치를 보장하는 것이다.
제시된 과제는 청구항 제1항의 교시에 따른 본 발명에 따른 일 실시예의 로터를 통해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속항들의 대상이다. 로터의 조립 방법은 청구항 제10항에 기재되어 있다.
일반적 유형의 로터는 우선, 가스 터빈에서의 사용을 위해 쓰여진다. 그러나, 그 와는 무관하게, 이러한 실시예의 로터를 다른 터보 기계에서, 예를 들어 증기 터빈에서 사용하는 것도 마찬가지로 가능하다.
적어도, 로터는 제1 로터 디스크와, 제1 로터 디스크와 직접적으로 고정 연결되는 제2 로터 디스크를 포함한다. 이 경우, 로터 디스크들은 외주연에 분포된 상태로, 각각의 로터 디스크를 각각 축방향으로 관통하는 복수의 블레이드 유지 홈들을 각각 갖는다. 이 경우, 블레이드 유지 홈들은 로터 블레이드들의 수용에 사용된다.
또한, 제1 로터 디스크는 블레이드 유지 홈들의 반경 방향 하부에, 제2 로터 디스크를 향해 축방향으로 연장되는, 주연부에 걸친 제1 고정 돌출부를 포함한다. 유사하게, 제2 로터 디스크는 블레이드 유지 홈들의 반경 방향 하부에, 제1 로터 디스크를 향해 축방향으로 연장되는, 주연부에 걸친 제2 고정 돌출부를 포함한다.
블레이드 유지 홈들의 영역 내의 그리고/또는 블레이드 유지 홈들의 반경 방향 하부의 2개의 로터 디스크들 사이에는 환형 로터 구성 요소가 배열된다. 이러한 로터 구성 요소는, 섹션별로 로터 구성 요소 내부에 위치한 로터 또는 2개의 로터 디스크들의 섹션들을 둘러싼다. 로터 디스크들에 대해 로터 구성 요소를 중심 설정하고, 그와 동시에 고정하기 위하여, 로터 구성 요소는 한쪽 축방향 단부에서, 주연부에 걸친 축방향 개방된 제1 환형 홈과, 축방향으로 그에 마주 놓이는 상태로, 주연부에 걸친 축방향 개방된 제2 환형 홈을 포함한다. 이 경우, 제1 로터 디스크의 제1 고정 돌출부는 제1 환형 홈에 맞물리고, 제2 로터 디스크의 제2 고정 돌출부는 제2 환형 홈에 맞물린다.
본 발명에 따라, 로터가 실질적으로 실온을 갖는 로터의 정지 상태에서 제1 고정 돌출부의 외주연에 가압력이 제공됨으로써, 허용 불가능할 정도로 높은 응력이 발생하는 일없이 로터 구성 요소의 규정된 위치가 보장된다. 이에 상응하게, 제1 환형 홈의 제1 홈 외부 플랭크는 가압력 하에 제1 고정 돌출부의 제1 돌출부 외부 플랭크에 접촉한다. 그에 비해, 실온의 정지 상태에서 반경 방향으로 마주 놓인 상태로 제1 환형 홈의 제1 홈 내부 플랭크와 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 내부 플랭크 사이에 유격이 존재하는 것이 필요하다.
로터가 전체적으로 실온을 갖는 로터의 정지 상태일 때, 반경 방향 외부에 위치한 측면에서 제1 로터 디스크의 고정 돌출부에 대해 압입 끼워 맞춤부가 본 발명에 따라 배열됨으로써, 원심력이 발생할 때 압축 응력이 허용 불가능하게 상승하는 것이 방지된다.
이 경우, 실온에서의 로터 정지 상태일 때 제2 로터 디스크와 로터 구성 요소의 연결이 실질적으로 무응력 상태인 경우가 특히 바람직하다. 이를 위해, 제2 환형 홈의 제2 홈 외부 플랭크와 제2 고정 돌출부의 제2 돌출부 외부 플랭크 사이에 유격이 존재하고, 제2 환형 홈의 제2 홈 내부 플랭크와 제2 고정 돌출부의 제2 돌출부 내부 플랭크 사이에 유격이 존재하는 것이 필요하다.
가스 터빈의 시동 시의 로터의 회전과, 그에 수반되는 로터 구성 요소 및 로터 디스크들의 팽창을 고려하여, 로터 디스크들 사이의 로터 구성 요소의 고정 및 발생하는 압축 응력과 관련하여 바람직하게 조정을 실행하는 것은, 로터의 제1 회전수에서의 제1 전이 상태에서 제1 로터 디스크로부터 제2 로터 디스크로의 고정 상태 변경이 실행되는 경우에 특히 바람직하다. 이 경우, 제1 회전수는 로터가 목적한 바 대로 작동되는 공칭 회전수보다 더 낮다. 이러한 제1 전이 상태에서는, 제1 돌출부 외부 플랭크에 대한 제1 홈 외부 플랭크의 접촉이 감소되지 않은 채로 존재하며, 또한 제2 돌출부 내부 플랭크에 대한 제2 홈 내부 플랭크의 접촉이 제공된다. 이와는 대조적으로, 제1 홈 내부 플랭크와 제1 돌출부 내부 플랭크 사이의 유격과, 제2 홈 외부 플랭크(35)와 제2 돌출부 외부 플랭크 사이의 유격이 감소되지 않은 채로 유지된다.
이 경우, 바람직하게 제1 회전수는 공칭 회전수의 0.2배보다 크다. 그에 비해, 제1 회전수가 공칭 회전수의 0.6배보다 작은 구성이 제공될 것이다. 제1 전이 상태의 구성을 위해서는, 로터 디스크들뿐만 아니라 로터 구성 요소도, 실온에 대략 상응하거나 실온보다 높지만 작동 온도로부터는 멀리 떨어져 있는 대략 동일한 온도를 갖는 것으로 가정될 수 있다.
마주 놓인 고정 돌출부들 및 환형 홈들의 직경을 상응하게 설정함으로써, 바람직하게 가스 터빈의 시동 시의 로터 디스크들에 대한 로터 구성 요소의 위치가 보장될 수 있다. 회전수의 증가와, 로터 디스크들에 대한 로터 구성 요소의 상대적으로 더 큰 팽창에 의하여, 제1 돌출부 외부 플랭크와 제1 홈 외부 플랭크 사이의 가압력은 감소하고, 제2 홈 내부 플랭크와 제2 돌출부 내부 플랭크 사이의 접촉이 생성된다. 이와 관련하여, 제1 로터 디스크에 대한 로터 구성 요소의 고정으로부터 제2 로터 디스크에 대한 로터 구성 요소의 고정으로의 제1 전이 상태의 변경이 실행된다.
또한, 로터의 제2 회전수에서의 제2 전이 상태에서 로터 구성 요소의 고정이 제2 로터 디스크에 의해 담당되는 경우가 바람직하다. 이 경우, 제2 회전수는 터보 기계의 제1 회전수보다는 높지만 공칭 회전수보다는 낮다. 이에 상응하게, 제2 홈 내부 플랭크와 제2 돌출부 내부 플랭크 사이에 가압력이 존재한다. 그에 비해, 또 다른 접촉면들 사이에는, 즉 제1 홈 외부 플랭크와 제1 돌출부 외부 플랭크 사이 그리고 제1 홈 내부 플랭크와 제1 돌출부 내부 플랭크 사이 그리고 제2 홈 외부 플랭크와 제2 돌출부 외부 플랭크 사이에는 유격이 존재한다.
제2 전이 상태의 구성을 위하여, 바람직하게는, 공칭 회전수의 적어도 0.8배에 상응하는 제2 회전수가 가정될 수 있다.
제2 전이 상태에서 구성 요소들은 제2 전이 온도를 갖는다. 모든 구성 요소들의 가열이 나타남과 함께 가스 터빈이 시동될 때, 통상적으로 로터 구성 요소는 더 낮은 질량으로 인하여, 더 육중한 로터 디스크보다 훨씬 더 신속하게 가열된다. 이에 상응하게, 제2 전이 온도는, 로터 구성 요소가 대략 작동 온도에 도달된 반면, 로터 디스크들은 작동 온도에 비해 훨씬 더 낮은, 예를 들어 약 30%만큼 더 낮은 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
2개의 로터 디스크들 사이에 로터 구성 요소를 확실히 장착하기 위해서뿐만 아니라, 로터 구성 요소를 로터 디스크들에 지지하기 위해서도, 목적하는 공칭 회전수일 때 로터 구성 요소의 양측에서 지지가 실행되는 경우가 특히 바람직하다. 이를 위해, 제1 홈 내부 플랭크는 가압력 하에 제1 돌출부 내부 플랭크에 접촉하고 제2 홈 내부 플랭크는 가압력 하에 제2 돌출부 내부 플랭크에 접촉하는 것이 필요하다. 그에 비해, 반경 방향 외부에 위치한 곳에는 간극이 존재하고, 즉 제1 홈 외부 플랭크와 제1 돌출부 외부 플랭크 사이의 간극과, 제2 홈 외부 플랭크와 제2 돌출부 외부 플랭크 사이의 간극이 존재한다. 이에 따라, 양측에서 로터 구성 요소의 확실한 위치 뿐만 아니라 원심력의 하중 수용도 보장된다.
제1 환형 홈의 직경이 제1 고정 돌출부의 직경에 대해 적절한 비율로 설정되는 경우, 로터 내에 로터 구성 요소가 바람직하게 조립되는 것이 가능해진다. 이 경우, 로터 구성 요소가 조립을 위해 적어도 100℃ 및 최대 200℃의 조립 온도로 가열되는 반면, 로터 디스크들은 실온을 갖는 경우가 특히 바람직하다. 온도 상승으로 인해 로터 구성 요소가 상응하게 팽창하는 것을 고려하여, 제1 환형 홈의 요구되는 치수가 제1 고정 돌출부에 비례하여 결정될 수 있다. 이 경우, 조립 온도에서 제1 홈 외부 플랭크와 제1 돌출부 외부 플랭크 사이의 가압력이, 실온에서의 두 구성 요소들 사이의 가압력의 최대 10%에 상응하는 경우가 바람직하다. 이 경우, 조립 온도에 의하여, 고정 돌출부 및 환형 홈의 직경이 상응하게 구성될 때, 실온에서 존재하는 중첩부가 실질적으로 해제되는 것이 특히 바람직하다.
그에 비해, 조립 온도에서 제1 홈 외부 플랭크와 제1 돌출부 외부 플랭크 사이에 유격이 생성될 경우에는, 반경 방향 내부에 위치한 측면에 주목할 만한 중첩부가 생성되지 않는 것에 유념해야 한다. 이에 상응하게, 이러한 경우 제1 홈 내부 플랭크와 제1 돌출부 내부 플랭크 사이의 가압력은, 실온에서 제1 홈 외부 플랭크와 제1 돌출부 외부 플랭크 사이에 존재하는 가압력의 최대 10%일 수 있다. 조립 온도에서도 제1 홈 내부 플랭크와 제1 돌출부 내부 플랭크 사이의 유격이 유지되는 것이 각각의 경우에 바람직하다.
로터 구성 요소의 바람직한 일 구성에서, 이러한 로터 구성 요소는, 블레이드 유지 홈들 또는 블레이드 유지 홈들 내에 고정된, 로터 블레이드들의 블레이드 루트들이 적어도 섹션별로 커버될 수 있도록 하는 커버 섹션을 포함한다. 이를 위해, 커버 섹션이 원주 방향으로 그리고 반경 방향으로 연장되는 것이 필요하다. 이 경우, 커버 섹션은 제1 환형 세그먼트 홈의 반경 방향 외부에 배열된다. 이 경우, 커버 섹션이 지지면에 의해 블레이드 유지 홈들 사이의 영역에서 제1 로터 디스크의 단부면에 축방향으로 접촉하는 것이 또한 제공된다.
축방향으로 마주 놓이도록 로터 구성 요소가 양측에 각각 하나의 커버 섹션을 포함하는 것이 특히 바람직한 방식으로 제공될 수 있다.
적어도, 지지면이 가압력 하에 커버 섹션의 탄성 변형 시에 단부면에 접촉하는 경우가 또한 바람직하다. 이에 따라, 터보 기계의 작동 시에 정지 상태로부터 작동 온도에서의 공칭 회전수에 이르기까지 각각의 경우에 단부면에 대한 지지면의 접촉이 제공되도록 보장될 수 있다.
조립력의 상승을 방지하면서 지지면과 단부면 사이의 바람직한 가압력을 달성하기 위하여, 로터 구성 요소가 100℃ 내지 200℃의 조립 온도로 가열됨과 더불어, 로터 구성 요소와 특히 커버 섹션의 변형이 수반됨으로써, 고정 돌출부에 대한 환형 홈의 영역에서의 로터 구성 요소의 목적하는 위치에서, 지지면과 단부면 사이의 가압력이 실온에서의 가압력에 최대 10%에 상응하는 것이 바람직하게 제공될 수 있다. 특히 커버 섹션이 지지면의 영역에서 축방향으로 변형되는 이러한 상태는 한편으로는, 축방향 단부에 배열된 커버 섹션을 갖도록 로터 구성 요소가 구성됨으로써 촉진된다. 또한, 2개의 환형 홈들 사이의 중간 영역에서 더 얇은 재료 두께를 갖는 구성은 원하는 변형과 관련하여 바람직한 효과를 미친다. 다른 한편으로, 바람직하게는 제1 환형 홈의 영역에서의 목표로 하는 온도 상승을 통해, 원하는 효과가 촉진될 수 있다.
로터 구성 요소의 상응하는 구성, 특히 로터 구성 요소의 가능한 조립 온도를 고려하여 제1 환형 홈 및 제2 환형 홈의 직경과, 지지면과 단부면 사이의 중첩부를 설정하는 것은, 한편으로는 너무 큰 힘 소모가 없는 조립을 가능하게할 뿐만 아니라, 작동 시 로터 디스크들 사이에서의 로터 구성 요소의 확실한 위치도 보장한다.
또한, 제1 로터 디스크에 로터 구성 요소가 조립될 때, 제1 고정 돌출부의 제1 돌출부 단부면과 제1 환형 홈의 제1 홈 바닥부 사이의 자유로운 제1 팽창 간격이 유지되는 경우가 바람직하다. 이 경우, 제1 팽창 간격은 적어도 0.5mm이다. 그에 반해, 제1 팽창 간격이 5mm을 초과하는 경우가 불리할 수 있다. 특히 적어도 1mm 및 최대 2.5mm의 제1 팽창 간격이 특히 바람직하다.
마찬가지로, 제2 고정 돌출부의 제2 돌출부 단부면과 제2 환형 홈의 제2 홈 바닥부 사이에 제2 팽창 간격이 존재하는 것이 제공될 수 있다. 이 경우, 제2 팽창 간격은 제1 팽창 간격의 최대 0.2배에 상응할 것이다.
2개의 인접한 로터 디스크들 사이에서의 로터 구성 요소의 고정과 관련한, 로터 구성 요소의 신규 유형의 구성은 로터의 조립을 위한 신규 방법을 유도한다.
우선, 제1 로터 디스크가 제공될 수 있다. 이 경우, 수직 배향된 로터 축에 의해 제1 로터 디스크가 수평으로 장착되는 것이 바람직하다.
이때 또는 그 이후에 로터 구성 요소는 적어도 100℃의 조립 온도로 가열되어야 한다. 이 경우, 200℃의 온도가 초과되어서는 안된다.
이제, 로터 구성 요소를 제1 로터 디스크에 장착하는 것이 실행된다. 이를 위해, 로터 구성 요소는, 제1 환형 홈이 제1 고정 돌출부 위에 위치하도록 제1 로터 디스크 상에 놓여져야 한다. 이에 따라, 로터 구성 요소는 지지면이 로터 디스크의 단부면에 접촉할 때까지 제1 로터 디스크 상에 가압될 수 있다.
로터 구성 요소의 탄성 변형과 함께 제1 로터 디스크 상으로 로터 구성 요소가 추가적으로 슬라이딩됨으로써, 로터 디스크에 대한 로터 구성 요소의 설정 위치에 도달되고, 이러한 설정 위치는 제1 환형 홈의 제1 홈 바닥부와 제1 고정 돌출부의 제1 돌출부 단부면 사이의 사전 규정된 제1 팽창 간격을 통해 규정된다.
이제, 로터 구성 요소가 냉각될 수 있으며, 그 동안 로터 구성 요소는 제1 로터 디스크에 대한 위치로 유지되어야 한다.
마지막으로, 제2 로터 디스크는 동시적으로 제1 로터 디스크와 로터 구성 요소 상에 놓여지거나 가압될 수 있다. 이 경우, 제2 환형 홈에 대한 제2 고정 돌출부의 맞물림이 실행된다.
하기 도면들에는 본 발명에 따른 회전자에 대한 예시적인 일 실시예가 도시되어 있다.
도 1은 2개의 로터 디스크들 사이의 로터 구성 요소를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 제1 고정 돌출부와 제1 환형 홈 사이의 압입 끼워 맞춤부를 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 제2 고정 돌출부와 제2 환형 홈 사이의 유격을 상세하게 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 가스 터빈의 시동 시에 로터 디스크에 대한 로터 구성 요소의 변위를 도시한 도면들이다.
도 8 내지 도 11은 제1 로터 디스크 상에서의 로터 구성 요소의 조립을 도시한 도면들이다.
도 2는 제1 고정 돌출부와 제1 환형 홈 사이의 압입 끼워 맞춤부를 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 제2 고정 돌출부와 제2 환형 홈 사이의 유격을 상세하게 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 가스 터빈의 시동 시에 로터 디스크에 대한 로터 구성 요소의 변위를 도시한 도면들이다.
도 8 내지 도 11은 제1 로터 디스크 상에서의 로터 구성 요소의 조립을 도시한 도면들이다.
도 1에는 로터 디스크(01 및 11)들 사이에서의 로터 구성 요소(21)의 설치가 단면도에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우, 로터 디스크(01, 11)들은 각각 외주연에 분포된 상태로, 각각의 로터 디스크(01, 11)를 축방향으로 관통하는 블레이드 유지 홈(02, 12)들을 포함한다. 블레이드 유지 홈(02, 12)들은 로터 블레이드들을 수용하기 위한 것이다. 각각의 로터 디스크(01, 11)들은 다시, 로터 축(10)의 주연부에 걸친 고정 돌출부(04, 14)를 각각 갖는다. 도시된 바와 같이, 고정 돌출부(04, 14)들은 각각 마주 놓인 로터 디스크에 대해 축방향으로 연장된다. 2개의 로터 디스크(01, 11)들 사이에 위치한 로터 구성 요소(21)는 로터 디스크(01, 11)들 사이의 중간 공간을 커버한다. 고정을 위해, 로터 구성 요소(21)는 축방향으로 마주 놓인 측면들에 각각 하나의 환형 홈(24, 34)을 포함하고, 이러한 환형 홈(24, 34)에는 각각의 고정 돌출부(04, 24)가 맞물린다. 또한, 로터 구성 요소(21)의 하나의 축방향 단부에서 커버 섹션(22)을 볼 수 있으며, 이러한 커버 섹션(22)은 원주 방향으로 그리고 반경 방향으로 연장된다. 이 경우, 이러한 커버 섹션(22)은 제1 로터 디스크 내의 블레이드 유지 홈(02)들을 커버한다.
도 2에는 이제 제1 고정 돌출부(04)와 제1 환형 홈(24) 사이의 압입 끼워 맞춤이 상세하게 도시되어 있다. 인식성을 높이기 위해 로터 구성 요소(21)는 축방향으로 오프셋된 상태로 도시되어 있다. 제1 로터 디스크는 제1 고정 돌출부(04)에서, 반경 방향 외부에 위치한 측면에 제1 돌출부 외부 플랭크(05)를 포함한다. 반경 방향으로 마주 놓인 측면에는 제1 돌출부 내부 플랭크(06)가 위치한다. 제1 고정 돌출부(04)의 자유 단부에는 제1 돌출부 단부면(07)이 위치한다. 이와 유사하게, 로터 구성 요소(21)는 제1 환형 홈(24)에서, 반경 방향 외부에 위치한 측면에 제1 홈 외부 플랭크(25)와, 반경 방향 내부에 위치한 측면에 제1 홈 내부 플랭크(26)를 포함한다. 제1 돌출부 단부면(07)에 마주 놓이도록, 환형 홈(24)에는 제1 홈 바닥부(27)가 위치한다. 상온에서 로터가 정지 상태일 때 또는 로터의 조립 이후에는 제1 돌출부 외부 플랭크(05)와 제1 홈 외부 플랭크(25) 사이에 압입 끼워 맞춤이 존재한다. 이는 2개의 상응하는 구성 요소(01, 21)들 사이의 기하학적 중첩부(08)에 의해 발생한다. 반면, 반경 방향으로 마주 놓인 내부 측면에는 제1 돌출부 내부 플랭크와 제1 홈 내부 플랭크 사이에 유격(28)이 존재한다.
도 3에는 제2 로터 디스크(11)와 로터 구성 요소(21) 간의 조립이 상세히 도시되어 있으며, 도 2와 유사하게 로터 구성 요소(21)는 오프셋된 상태로 도시되어 있다. 또한, 제2 로터 디스크(11)가 어느 정도 블레이드 유지 홈(12) 및 제2 고정 돌출부(14)와 함께 나타난다. 이러한 제2 고정 돌출부(14)는 반경 방향 외부에 위치한 측면에 제2 돌출부 외부 플랭크(15)와, 반경 방향으로 그에 마주 놓이는 상태로 제2 돌출부 내부 플랭크(16)와, 그리고 단부측에 제2 돌출부 단부면(17)을 포함한다. 이를 위해, 로터 구성 요소(21)에는 제2 환형 홈(34)에서, 반경 방향 외부에 위치한 측면에 제2 홈 외부 플랭크(35)와, 그에 마주 놓이는 상태로 제2 홈 내부 플랭크(36)와, 그리고 제2 돌출부 단부면(17)에 마주 놓이는 상태로 제2 홈 바닥부(27)가 위치한다. 이 경우, 정지 상태에서 또는 조립 이후에는 제2 고정 돌출부(14)와 제2 환형 홈(34) 사이에서, 반경 방향 외부에 위치한 측면에 뿐만 아니라 반경 방향 내부에 위치한 측면에도 유격(09, 29)이 존재하는 것을 볼 수 있다.
도 4 내지 도 7의 하기 연속 도면들에는, 공칭 회전수(ωN)로 회전수가 상승되고 작동 온도(TN)로 온도가 상승되는 가스 터빈의 시동 시의, 고정 돌출부(04, 14)들에 조립된 로터 구성 요소(21)의 상태가 도시되어 있다.
도 4에는 정지 상태 또는 조립 이후의 상태가 상술한 바와 같이 도시되어 있다. 제1 로터 디스크(01)에서, 반경 방향 외부에 위치한 측면에는 중첩부(08)로 인한 압입 끼워 맞춤이 존재하는 반면, 반경 방향 내부에 위치한 측면에는 유격(28)이 존재한다. 마찬가지로, 제2 고정 돌출부(14)의 양 측면들에는 자유 유격(09, 29)이 존재한다.
도 5는 이제, 가스 터빈의 시동 시의 제1 전이 상태를 도시한다. 이제 로터가 운동 상태로 전환되면, 제1 회전수(ω1)에 도달되는데, 이러한 제1 회전수(ω1)는 여전히 공칭 회전수(ωN)보다 훨씬 더 낮으며, 로터 디스크(01, 14)들 및 로터 구성 요소의 구성 요소 온도(T01, 11, 21)들은 약간 상승될 수 있지만, 여전히 작동 온도(TN)로부터 멀리 떨어져 있다. 제1 전이 상태에서 제2 돌출부 내부 플랭크(16)에 대한 제2 홈 내부 플랭크(36)의 접촉이 실행되는 것이 중요하다. 구성 요소(01, 11, 21)들의 온도(T01, 11, 21)에 따라 그리고 정지 상태에서의 기존 유격(29)에 따라, 이러한 접촉은 다양한 회전수들에서 실행되고, 유격(29)은 바람직하게는, 공칭 회전수(ωN)의 약 0.3배에서 접촉을 유도하는 값으로 설정된다.
구성 요소들의 온도가 상승하고 회전수가 증가함에 따라, 제2 고정 돌출부(14)와 로터 구성 요소(21) 사이의 가압력은 반경 방향 내부에 위치한 측면에서 상승하는 반면, 제1 고정 돌출부(04)와 로터 구성 요소(21) 사이의 가압력은 반경 방향 외부에 위치한 측면에서 감소한다. 도 6에 도시된 제2 전이 상태에서, 이제 반경 방향 외부에 위치한 측면에서 제1 고정 돌출부(04)와 로터 구성 요소(21) 사이에 유격이 발생한다. 즉, 제1 돌출부 외부 플랭크(05)와 제1 홈 외부 플랭크(25) 사이에 자유 공간이 존재한다. 이러한 상태에서, 제2 회전수(ω2)는 제1 전이 상태에서의 제1 회전수(ω1)와 공칭 회전수(ωN) 사이에 있고, 제2 회전수(ω2)는 공칭 회전수(ωN)의 약 0.6배에 상응할 수 있다. 로터 디스크(01, 11)들에 비해 더 낮은 로터 구성 요소(21)의 질량으로 인해, 이러한 로터 구성 요소는 가스 터빈의 시동 시에 더 신속하게 가열된다. 이에 상응하게, 로터 디스크(01, 11)들의 구성 요소 온도(T01, 11)는 로터 구성 요소의 구성 요소 온도(T21)보다 훨씬 낮고, 이러한 구성 요소 온도(T21)는 작동 온도(TN)에 점차 접근한다.
도 7은 공칭 회전수(ωN)와 작동 온도(TN)에 도달되었을 때의 상태를 도시한다. 회전수의 증가에 따른 제2 전이 상태로부터 시작하여, 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 내부 플랭크(26)에 대한 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 내부 플랭크(06)의 접촉이 실행된다.
하기 도 8 내지 도 11에는 제1 로터 디스크(01) 상의 로터 구성 요소(21)의 조립이 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 경우, 바람직한 조립을 위하여 로터 디스크(01)가 여기에 도시된 바와 같이 수평으로 배향되지 않고 수직으로 배향되고, 그에 상응하게 로터 구성 요소(21)는 로터 디스크(01) 위에 위치한다는 점에 유의해야 한다. 상술한 바와 같이, 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 외부 플랭크(05)와 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 외부 플랭크(25) 사이에 중첩부(08)가 존재하므로, 압입 끼워 맞춤이 발생한다. 또한, 커버 섹션(22)은 지지면(23)에 의하여 가압력 하에 로터 디스크(01)의 단부면(03)에 접촉한다. 이는 바람직한 조립을 위하여 로터 구성 요소(21)의 가열을 필요로 한다.
이를 위해, 도 8은 로터 디스크(01) 및 그 위에 위치한 로터 구성 요소(21)의 상태를 도시하며, 로터 구성 요소(21)는 사전에 100℃ 내지 200℃의 온도로 가열되었다. 이 경우, 한편으로는 제1 홈 외부 플랭크(25)의 직경이 적어도 대략적으로 제1 돌출부 외부 플랭크(05)의 직경으로 확대됨으로써, 과도하게 큰 힘없이 제1 고정 돌출부(04) 상으로 로터 구성 요소(21)가 슬라이딩되는 것이 가능해진다.
그러나, 로터 구성 요소(21)의 특수 성형을 통하여 가열 시에 추가적인 효과가 달성된다. 이는, 커버 섹션(22)이 제1 로터 디스크(01)로부터 멀어지는 방향으로 변형된다는 점에서 로터 구성 요소(21)의 변형이다. 그에 상응하게, 단부면(03)과 지지면(23) 사이의 간격은 실온에서의 상태와는 대조적으로 확대된다.
이를 위해, 도 9는 단부면(03)에 대한 지지면(23)의 접촉에까지 이르도록 로터 구성 요소(21)가 생성된 이후의 로터 디스크(01) 상의 로터 구성 요소(21)의 위치를 도시한다. 이 경우, 제1 돌출부 단부면(07)과 제1 홈 바닥부(27) 사이에 확대된 팽창 간격(33')이 남아있다.
후속적으로, 사전에 규정된 팽창 간격(33)에 도달될 때까지 제1 로터 디스크(01)의 제1 고정 돌출부(04)에 대한 로터 구성 요소(21)의 추가적인 가압이 실행된다(도 10 참조). 이 경우, 추가적으로 커버 섹션(22)이 변형되고, 지지면(23)과 단부면(03) 사이의 초기 가압력이 생성된다.
도 11에는 이제, 도 10에 도시된 바와 같은 설정 위치로부터 시작하여 로터 구성 요소(21)가 다시 냉각될 때의 상태가 도시되어 있다. 이 경우, 팽창 간격(33)이 일정하게 유지되는 것에 주의해야 한다. 커버 섹션(22)의 온도에 기인한 변형은 이제, 단부면(23)과 단부면(03) 사이의 가압력에 의한 기하학적으로 기인한 변형으로서 남아 있다. 여기 도 11에는 로터 구성 요소(21)와 로터 디스크(01) 사이의 중첩부(13)를 갖는 이론적인 상태가 도시되어 있다.
01
제1 로터 디스크
02 제1 블레이드 유지 홈
03 단부면
04 제1 고정 돌출부
05 제1 돌출부 외부 플랭크
06 제1 돌출부 내부 플랭크
07 제1 돌출부 단부면
08 중첩부
09 유격
10 로터 축
11 제2 로터 디스크
12 제2 블레이드 유지 홈
13 중첩부
14 제2 고정 돌출부
15 제2 돌출부 외부 플랭크
16 제2 돌출부 내부 플랭크
17 제2 돌출부 단부면
21 로터 구성 요소
22 커버 섹션
23 지지면
24 제1 환형 홈
25 제1 홈 외부 플랭크
26 제1 홈 내부 플랭크
27 제1 홈 바닥부
28 유격
29 유격
33 팽창 간격
34 제2 환형 홈
35 제2 홈 외부 플랭크
36 제2 홈 내부 플랭크
37 제2 홈 바닥부
02 제1 블레이드 유지 홈
03 단부면
04 제1 고정 돌출부
05 제1 돌출부 외부 플랭크
06 제1 돌출부 내부 플랭크
07 제1 돌출부 단부면
08 중첩부
09 유격
10 로터 축
11 제2 로터 디스크
12 제2 블레이드 유지 홈
13 중첩부
14 제2 고정 돌출부
15 제2 돌출부 외부 플랭크
16 제2 돌출부 내부 플랭크
17 제2 돌출부 단부면
21 로터 구성 요소
22 커버 섹션
23 지지면
24 제1 환형 홈
25 제1 홈 외부 플랭크
26 제1 홈 내부 플랭크
27 제1 홈 바닥부
28 유격
29 유격
33 팽창 간격
34 제2 환형 홈
35 제2 홈 외부 플랭크
36 제2 홈 내부 플랭크
37 제2 홈 바닥부
Claims (12)
- 외주연에 분포된 상태로, 로터 디스크(01)를 축방향으로 관통하는 복수의 제1 블레이드 유지 홈(02)들과, 로터 축을 향한 측면에서 제1 블레이드 유지 홈(02)들 하부에 배열된, 축방향으로 연장되는, 주연부에 걸친 제1 고정 돌출부(04)를 포함하는 제1 로터 디스크(01)와;
제1 로터 디스크(01)와 고정 연결되고, 외주연에 분포된 상태로, 로터 디스크(11)를 축방향으로 관통하는 복수의 제2 블레이드 유지 홈(12)들과, 로터 축을 향한 측면에서 제2 블레이드 유지 홈(12)들 하부에 배열된, 축방향으로 연장되는, 주연부에 걸친 제2 고정 돌출부(14)를 포함하는 제2 로터 디스크(11)와;
일 측면에서, 주연부에 걸친 축방향 개방된 제1 환형 홈(24)과, 마주 놓인 측면에서, 주연부에 걸친 축방향 개방된 제2 환형 홈(34)을 포함하는, 주연부에 걸친 환형 로터 구성 요소(21)이며, 제1 고정 돌출부(04)는 제1 환형 홈(24)에 맞물리고 제2 고정 돌출부(14)는 제2 환형 홈(34)에 맞물리는, 주연부에 걸친 환형 로터 구성 요소(21);를 구비한 로터, 특히 가스 터빈에 있어서,
정지 상태에서,
- 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 외부 플랭크(25)는 가압력 하에 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 외부 플랭크(05)에 접촉하고,
- 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 내부 플랭크(26)와 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 내부 플랭크(06) 사이에는 유격이 존재하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제1항에 있어서,
또한, 정지 상태에서,
- 제2 환형 홈(34)의 제2 홈 외부 플랭크(35)와 제2 고정 돌출부(14)의 제2 돌출부 외부 플랭크(15) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제2 환형 홈(34)의 제2 홈 내부 플랭크(36)와 제2 고정 돌출부(14)의 제2 돌출부 내부 플랭크(16) 사이에는 유격이 존재하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제2항에 있어서,
목적하는 공칭 회전수보다 더 낮은 제1 회전수에서의, 특히 공칭 회전수의 0.2배 내지 0.6배의 제1 회전수를 갖는 제1 전이 상태에서,
- 제1 홈 외부 플랭크(25)는 제1 돌출부 외부 플랭크(05)에 접촉하고,
- 제1 홈 내부 플랭크(26)와 제1 돌출부 내부 플랭크(06) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제2 홈 외부 플랭크(35)와 제2 돌출부 외부 플랭크(15) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제2 홈 내부 플랭크(36)는 제2 돌출부 내부 플랭크(16)에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제3항에 있어서,
제1 회전수보다 더 높고, 목적하는 공칭 회전수보다 더 낮은 제2 회전수에서의, 특히 공칭 회전수의 적어도 0.8배의 제2 회전수를 갖는 제2 전이 상태에서,
- 제1 홈 외부 플랭크(25)와 제1 돌출부 외부 플랭크(05) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제1 홈 내부 플랭크(26)와 제1 돌출부 내부 플랭크(06) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제2 홈 외부 플랭크(35)와 제2 돌출부 외부 플랭크(15) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제2 홈 내부 플랭크(36)는 가압력 하에 제2 돌출부 내부 플랭크(16)에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
목적하는 공칭 회전수에서,
- 제1 홈 외부 플랭크(25)와 제1 돌출부 외부 플랭크(05) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제1 홈 내부 플랭크(26)는 가압력 하에 제1 돌출부 내부 플랭크(06)에 접촉하고,
- 제2 홈 외부 플랭크(35)와 제2 돌출부 외부 플랭크(15) 사이에는 유격이 존재하고,
- 제2 홈 내부 플랭크(36)는 가압력 하에 제2 돌출부 내부 플랭크(16)에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제1항 또는 제5항에 있어서,
적어도 100℃ 및 최대 200℃의 로터 구성 요소(21)의 조립 온도에서,
- 제1 홈 외부 플랭크(25)와 제1 돌출부 외부 플랭크(05) 사이의 가압력은 실온에서의 가압력의 최대 10%에 상응하고,
- 제1 홈 내부 플랭크(26)와 제1 돌출부 내부 플랭크(06) 사이의 가압력은 실온에서의 제1 홈 외부 플랭크(25)와 제1 돌출부 외부 플랭크(05) 사이의 가압력의 최대 10%에 상응하고, 특히 제1 홈 내부 플랭크(26)와 제1 돌출부 내부 플랭크(06) 사이에 유격이 존재하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
로터 구성 요소(21)는 원주 방향으로 그리고 반경 방향으로 연장되는 커버 섹션(22)을 포함하고, 커버 섹션(22)은 적어도 섹션별로 제1 블레이드 유지 홈(02)들을 커버하고, 지지면(23)에 의해 블레이드 유지 홈(02)들 사이의 영역에서 제1 로터 디스크의 단부면(03)에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제7항에 있어서,
지지면(23)은 가압력 하에 커버 섹션(22)의 탄성 변형 시에 단부면(03)에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제8항에 있어서,
적어도 100℃ 및 최대 200℃의 로터 구성 요소(21)의 조립 온도에서, 단부면(03)에 대한 지지면(23)의 가압력은 실온에서의 가압력의 최대 10%에 상응하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
로터의 조립 이후에는 적어도 로터의 가열 이전에 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 단부면(07)과 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 바닥부(27) 사이에 자유로운 제1 팽창 간격이 존재하고, 제1 팽창 간격은 적어도 0.5mm 및 최대 5mm, 특히 적어도 1mm 및 최대 2.5mm인 것을 특징으로 하는, 로터. - 제10항에 있어서,
제2 고정 돌출부(14)의 제2 돌출부 단부면(17)과 제2 환형 홈(34)의 제2 홈 바닥부(37) 사이에 자유로운 제2 팽창 간격 또는 접촉부가 존재하고, 제2 팽창 간격은 제1 팽창 간격의 최대 0.2배에 상응하는 것을 특징으로 하는, 로터. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 로터의 조립 방법으로서,
- 제1 로터 디스크(01)를 제공하는 단계;
- 로터 구성 요소(21)를 적어도 100℃ 및 최대 200℃의 조립 온도로 가열하는 단계;
- 지지면(23)과 단부면(03)의 접촉에 의해 로터 구성 요소(21)를 제1 로터 디스크(01) 상에 놓고 그리고/또는 가압하는 단계;
- 제1 고정 돌출부(04)의 제1 돌출부 단부면(07)과 제1 환형 홈(24)의 제1 홈 바닥부(27) 사이의 사전 규정된 팽창 간격에 도달될 때까지 제1 로터 디스크(01) 상으로 로터 구성 요소(21)를 추가적으로 슬라이딩하는 단계;
- 로터 구성 요소(21)를 냉각함과 동시에, 제1 로터 디스크(01)와 로터 구성 요소(21)를 결합하는 단계;
- 제2 로터 디스크(11)를 동시적으로 제1 로터 디스크(01)와 로터 구성 요소(21) 상에 놓고 그리고/또는 가압하는 단계;를 갖는, 로터의 조립 방법.
Applications Claiming Priority (3)
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| US62/916,811 | 2019-10-18 | ||
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