KR20240005937A - 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 균형을 맞추는 방법 및 균형 잡힌 터빈 휠 - Google Patents

배기 가스 터빈의 터빈 휠의 균형을 맞추는 방법 및 균형 잡힌 터빈 휠 Download PDF

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슈테판 젠
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터보 시스템즈 스위츠랜드 엘티디.
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Abstract

본 발명은 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 균형을 맞추는 방법, 및 균형 잡힌 터빈 휠(10)을 설명한다. 배기 가스 터빈 휠은, 유체 유동 영역으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되고 재료의 제거에 의해서 생성된 함몰부(13) 및 마킹 칼라(16)를 가지는, 허브 후방 벽(15)을 갖는다.

Description

배기 가스 터빈의 터빈 휠의 균형을 맞추는 방법 및 균형 잡힌 터빈 휠
본 개시내용은 규정된 형상 및 위치의 질량-제거 영역을 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 허브 후방 벽 내에 생성하는 것에 의해서 배기 가스 터빈의 터빈 휠을 균형을 맞추는 방법, 및 배기 가스 터빈을 위한 균형 잡힌 터빈 휠에 관한 것이다.
배기 가스 터빈은 배기 가스 내의 에너지를 이용하기 위해서 사용된다. 배기 가스 스트림으로부터 에너지를 추출하기 위해서, 배기 가스 스트림 내에 위치되고 유체-기계적으로 최적화된 형상을 가지는 배기 가스 터빈의 터빈 휠이 사용된다. 터빈 휠은 여기에서 샤프트 상에 배열되고 그에 의해서 회전 축을 중심으로 회전 가능하도록 장착된다.
배기 가스 터빈의 터빈 휠의 빠른 회전 속력 및 배기 가스 트랙트(exhaust gas tract) 내의 그 위치로 인해서, 터빈 휠은 큰 열적 및 기계적 부하를 받는 배기 가스 터빈의 구성요소이다. 무엇보다도, 배기 가스 터빈의 터빈 휠 내의 기계적 부하는 매우 크고, 대부분 빠른 회전 속력 및 그와 연관된 원심력으로부터 초래된다. 터빈 휠의 원형성을 방해하고 잠재적으로 부가적인 부하를 생성할 수 있는, 터빈 휠의 원주에 걸친 질량 분포의 편차는 여기에서 중요한 역할을 한다. 그에 따라, 구조적 수단 및 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 후속 가공 모두로, 불균형으로 알려진, 원주에 걸쳐 균일하지 않게 분포된 질량에 적극적으로 대응한다.
종래 기술에서, 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 불균형을 줄이기 위해서, 일반적으로 균형 림(balancing rim)이 허브 후방 벽에 제공된다. 균형 림은 허브 후방 벽에서 원주방향으로 연장되는 볼록 비드의 형태를 취한다. 균형을 잡는 프로세스 중에, 균형 림은 규정된 방식으로 제거될 수 있고, 그에 따라 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 원주방향으로 균일한 질량 분포를 달성할 수 있다. 여기에서, 평면형 연마 프로세스를 이용하여 균형 림을 제거하는 것이 공지되어 있다.
그러나, 균형을 잡는 프로세스를 위해서 제공되는 균형 림은 많은 측면에서 단점을 갖는다. 이는, 비제한적으로, 배기 가스 터빈의 터빈 휠 내의 부가적인 구성요소(그에 따라 질량)를 제공, 설계, 및 계산하는 것, 생산 프로세스에서 요구되는 부가적인 가공 단계, 그리고 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 내부 하중 분포 및 응력에 미치는 부정적인 영향을 포함한다. 부가적인 원심력 및 균형 림의 불리한 특성을 생성하는, 고속으로 회전하는 배기 가스 터빈의 터빈 휠에 질량을 부가적으로 적용하는 것은 배기 가스 터빈의 터빈 휠 내의 기계적 응력에 유해하다. 따라서, 균형 림은 또한 사이클링 용량, 그리고 여기에서 특히, 저-사이클 용량으로도 공지된, 저-사이클 피로와 관련된 사이클링 용량에 불리한 영향을 미친다.
전술한 내용을 고려할 때, 전술한 단점을 적어도 부분적으로 감소시킬 수 있는 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 균형을 맞추는 방법, 및 상응하는 균형 잡힌 터빈 휠이 필요하다. US 2020/392 848 A1은, 러그(lug)를 갖는 허브, 샤프트 연결 부분을 갖는 후방 디스크, 회전 축, 및 배기 가스 유동 채널을 형성하기 위해서 허브로부터 연장되는 블레이드를 갖는, 배기 가스 터보차저 휠을 설명한다. US 8 936 439 B3은 터빈 휠을 설명하고, 이러한 터빈 휠은 샤프트 주위에 배열되고, 분리부가 위에 배열된 후방 측면, 분리부와 샤프트 사이에 배열된 내부 언더컷(inner undercut), 및 후방 측면에 할당된 분리부와 외부 원주 사이의 외부 언더컷을 갖는다.
이러한 목적은 청구범위 제1항에 따른 터빈 휠의 균형을 맞추는 방법에 의해서 달성된다. 목적은 또한 제8항에 따른 터빈 휠, 및 제12항에 따른 배기 가스 터빈에 의해서 달성된다. 추가적인 실시형태, 수정, 및 개선이 이하의 설명 및 첨부된 청구항들로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라, 배기 가스 터빈용 터빈 휠의 균형을 맞추기 위한 방법이 제공된다. 터빈 휠은 그 회전 축을 중심으로 회전될 수 있고, 허브, 및 허브에 부착되고 유체 유동 영역 내에 배열된 복수의 터빈 블레이드를 갖는다. 허브는, 유체 유동 영역으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되고 회전 축을 중심으로 동심적으로 연장되는 마킹 비드를 갖는, 허브 후방 벽을 갖는다. 이러한 방법은:
- 타원형 재료-제거 도구를 마킹 비드 옆의 질량-제거 위치에서 터빈 휠에 대해서 이동시키는 단계;
- 재료-제거 도구로 마킹 비드 옆의 허브 후방 벽의 허브 재료를 제거하고 마킹 비드를 온전히 남기는 것에 의해서 터빈 휠의 균형을 맞추기 위해서 허브 후방 벽 내에, 회전 축에 대해서 비대칭적인 질량-제거 오목부를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따라, 터빈 휠이 배기 가스 터빈을 위해서 제공되고, 터빈 휠은 그 회전 축을 중심으로 회전될 수 있고, 허브, 및 허브에 부착되고 유체 유동 영역 내에 배열되는 복수의 터빈 블레이드를 가지며, 허브는 유체 유동 영역으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는 허브 후방 벽을 갖는다. 터빈 휠의 균형을 맞추기 위해서, 회전 축에 대해서 비대칭적인 질량-제거 오목부가 허브 후방 벽 내에 제공된다. 질량-제거 오목부는 타원형 세그먼트 형태의 횡단면 윤곽을 갖는 허브 후방 벽 내의 오목한 함몰부로서 구성되며, 횡단면 윤곽은 회전 축을 포함하는 횡단면 평면(Z-Z) 내에서 형성된다. 허브 후방 벽은 회전 축에 대해서 동심적으로 연장되는 마킹 비드를 더 가지며, 마킹 비드 및 질량-제거 오목부는 반경방향으로 중첩되지 않고 서로 인접한다.
질량-제거 오목부가 허브 후방 벽 내의 오목한 함몰부로서 구성되기 때문에, 본 발명의 바람직한 양태에 따라, 허브 후방 벽 상에서 균형 림은 요구되지 않는다. 특히, 균형을 맞춘 후에, 허브 후방 벽은 회전적으로 비대칭적인 볼록한 돌출부를 가지지 않을 수 있다. 따라서, 허브의 회전 질량 및 관성이 감소될 수 있다. 감소된 관성은 회전자의 보다 양호한 가속 거동에 기여할 수 있다. 타원형 세그먼트 형태의 질량-제거 오목부의 횡단면 윤곽으로 인해서, 허브 상의 응력이 더 감소될 수 있고 부가적인 부하를 피할 수 있다.
청구범위에 의해서 규정되는 보호 범위를 제한하지 않는 실시형태를 참조하여, 본 발명을 이하에서 더 구체적으로 설명한다.
첨부 도면은 실시형태를 도시하고, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면의 요소들은 서로 상대적인 것이고 반드시 실제 축척인 것은 아니다. 동일한 참조 부호는 유사한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 일 실시형태에 따른 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15)의 상면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 터빈 휠(10)의 횡단면 평면(Z-Z)을 따른 반경방향 횡단면을 도시한다.
도 3은 개별적인 (부분적인) 구성요소의 기하형태적 치수와 함께 도 2에서와 같은 반경방향 횡단면을 도시한다.
도 4는 도 2의 횡단면의 상세도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 방법의 수행 중의, 터빈 휠(10)의 횡단면 평면(Z-Z)을 따른 반경방향 횡단면을 도시한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 일 실시형태에 따른 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)을 이제 설명한다. 터빈 휠(10)은 그 회전 축(11)을 중심으로 회전될 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15)의 개략적 상면도를 도시한다. 본원에서 설명되는 방법을 이용하여 터빈 휠(10)의 균형을 맞췄다. 도면은 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15)의 반경방향 외부 림 상에서 스캘럽(scallop)(물결 모양 에지)을 갖는 허브 후방 벽(15)의 설계를 도시한다. 스캘럽을 갖는 설계는 절대적으로 필수적인 것이 아니고, 대안적으로 허브 후방 벽은 또한 예를 들어 원형일 수 있다.
반경방향으로 허브(12)의 외측에서, 도면은, 허브(12)에 부착되고 유체 유동 영역(14) 내에 배열된 복수의 터빈 블레이드를 개략적으로 도시한다.
허브 후방 벽(15)은, 회전 축(11)을 중심으로 회전 대칭적으로 그리고 회전 축(11)에 대해서 동심적으로 배열된 마킹 비드(16)를 더 갖는다. 마킹 비드(16)는 허브 후방 벽(15) 상의 임의의 반경방향 위치에, 바람직하게 허브 후방 벽(15)의 반경방향 외부 절반부 내에, 특히 바람직하게 반경방향 외부 1/3 내에 배열될 수 있다. 마킹 비드는 여기에서 허브 후방 벽(15)의 기부 표면 위에서 돌출부를 형성하고, 그에 따라 축방향으로 기부 표면을 넘어서 돌출할 수 있다.
또한, 허브 후방 벽(15)은 질량-제거 오목부(13)를 갖는다. 질량-제거 오목부(13)는 회전 축(11)의 주위에서 연장되는 원호로서 구성된다. 따라서, 질량-제거 오목부(13)는, 시각적 기준으로서의 역할을 하는 마킹 비드(16)에 대해서 동심적으로 연장된다. 질량-제거 오목부(13)는 회전 대칭적이 아니고, 각도적으로(angularly), 원주방향으로, 허브 후방 벽의 부분만을, 최대로 180°의 각도 영역을, 즉 최대로 허브 후방 벽(15)의 절반을 덮는다. 질량-제거 오목부(13)는 터빈 휠(10)의 균형을 맞추기 위한 역할을 하고, 그 치수는 결정된 불균형에 따라 달리 구성된다.
질량-제거 오목부(13)는, 반경방향으로 마킹 비드(16)의 외측에서, 마킹 비드(16)에 바로 인접하여 연장된다. 질량-제거 오목부(13)는 허브 후방 벽(15)의 반경방향 외부 절반부 내에서, 바람직하게 반경방향 외부 1/3에서 연장된다. 마킹 비드(16)는 질량-제거 오목부(13)로부터 반경방향으로 이격될 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 터빈 휠(10)의 횡단면도를 도시하고, 횡단면 평면(Z-Z)은 회전 축(11)을 포함한다. 도면은, 허브(12)를 갖는, 회전 축(11)을 중심으로 회전될 수 있는 터빈 휠(10)을 도시한다. 허브(12)의 전방 측면 상에는 터빈 휠(10)의 유체 유동 영역(14)이 위치되고, 유체 유동 영역(14) 내에서 허브(12) 상에 배열된 터빈 블레이드는 도시되어 있지 않다. 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽 및 마킹 비드(16)의 횡단면 윤곽을 허브 후방 벽(15)에서 확인할 수 있다.
도 3은 일부 기하형태적 치수가 마킹된 도 2에서와 동일한 횡단면도를 도시한다. F는 터빈 휠(10)의 후방 벽의 직경을 나타낸다. 비-원형 후방 벽에서, 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 직경(F)은 축을 통해서 연장되는 가장 작은 직경으로, 즉 허브 후방 벽의 반경방향 최내측 범위에 대해서 정의된다. 스캘럽이 도 1에 도시된 바와 같이 제공되는 경우, 직경(F)은 그에 따라 허브(12)의 반경방향 최내측 (가장 작은) 직경을 지칭한다. 도 1의 실시형태에서, 이는 횡단면 평면(Z-Z) 내의 반경이다. 대안적인 실시형태(미도시)에서, 스캘럽은 존재하지 않고, 허브 후방 벽은 일정 직경(F)의 원형이다.
도 3은 또한 허브 후방 벽(15)의 부분들, 그리고 특히 그 내부에 제공된 질량-제거 오목부(13)의 기하형태적 치수 및 관계를 도시한다. 질량-제거 오목부(13)는 타원의 세그먼트로서 횡단면이 설계되고, H는 타원의 큰 반-축(large semi-axis)을 나타내고, B는 타원의 작은 반-축을 나타낸다. 질량-제거 오목부(13)의 침투 깊이(C)는 허브 후방 벽(15) 내로의 타원의 침투 깊이를 구성한다. C는 여기에서 더 정확하게 질량-제거 오목부(13)가 없는 허브 후방 벽(15)의 윤곽에 대한 가장 깊은 침투 깊이로서 정의된다. 질량-제거 오목부(13)가 없는 이러한 윤곽은, 횡단면(Z-Z)에 대향되는 허브 후방 벽(15)의 측면 상의 횡단면과 같은, 질량-제거 오목부가 없는 허브 후방 벽의 일부의 횡단면으로부터, 즉 도 1의 축(11)을 중심으로 하는 거울 이미지로서 명백하다.
또한, 도 3은 마킹 비드(16)를 도시한다. 달리 특정되지 않는 한, 마킹 비드(16)에 관한 모든 위치 데이터는 마킹 비드(16)의 정점을 기준으로 한다. 따라서, 마킹 비드 정점 직경(G)은 예를 들어 마킹 비드(16)의 정점의 직경으로 정의된다. 마킹 비드(16), 또는 보다 정확하게 그 정점은 질량-제거 오목부(13)로부터 반경방향으로 이격되고, D는 마킹 비드(16)의 정점과 질량-제거 오목부(13)의 가장 가까운(여기에서: 반경방향 내부) 한계 사이의 반경방향 거리를 나타낸다. 마킹 비드(16)의 정점과 질량-제거 오목부(13)의 가장 먼(여기에서: 반경방향 외부) 한계 사이의 반경방향 거리는 E로 표시된다. 질량-제거 오목부(13)는 반경방향 내부 한계로부터 반경방향 외부 한계까지 반경방향 범위(A)를 갖는다. 타원형 질량-제거 오목부(13)는 타원에 의해서 형성되고, 타원은 큰 반-축(H) 및 작은 반-축(B)을 갖는다. 질량-제거 오목부(13)의 침투 깊이는 C로 마킹되어 있다. 또한, F는 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 후방 벽의 직경을 나타낸다.
도 4는 도 2 및 도 3의 상세도를 도시하고, 마킹 비드(16)의 확대도 및 거리(D)를 사이에 갖는 질량-제거 오목부(13)의 가장 가까운 (반경방향 내부) 한계를 포함한다. 곡률 반경(K, L, M)은 마킹 비드(16)를 기하형태적으로 규정한다. K는 마킹 비드(16)의 정점과 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 내부 한계 사이의 전환부의 오목 곡률 반경을 나타내고, L은 마킹 비드(16)의 정점에서의 전환부의 볼록 곡률 반경을 나타내며, M은 마킹 비드(16)의 정점으로부터 마킹 비드(16)의 반경방향 내측에 있는 허브 후방 벽(15)의 영역까지의 전환부의 오목 곡률 반경을 나타낸다. 곡률 반경(L)은 또한 L=0일 수 있고, 이는 날카로운 에지에 상응한다.
도 4는 마킹 비드(16)가 허브 후방 벽(15) 내에서 그리고 그에 대해서 볼록 돌출부로서 생성된 것을 더 도시하고, 마킹 비드(16)는 곡률 반경(K, L, M)에 의해서 기하형태적으로 규정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도 2 및 도 3에 도시된 - 질량-제거 오목부(13)를 제외한 - 허브 후방 벽의 모든 요소는 도면에서 회전 축(11)을 중심으로 연장된다.
도 5는 배기 가스 터빈을 위한 또는 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 균형을 맞추는 방법을 도시한다. 방법의 시작 지점은 도 1 내지 도 4의 터빈 휠(10)이고, 아직 질량-제거 오목부(13)는 없다. 방법에 따라, 먼저 공지된 방식으로, 예를 들어 회전하는 터빈 휠(10)의 불균형을 평가하는 것에 의해서, 불균형을 결정한다.
결정된 터빈 휠(10)의 불균형에 따라, 질량-제거 오목부(13)에 대한 재료-제거 프로파일을 결정한다. 이러한 재료-제거 프로파일은 재료를 어떻게 제거하여야 하는지를 나타내고, 예를 들어 생성하고자 하는 질량-제거 오목부(13)의 각도 범위(시작 및 종료 각도) 및 침투 깊이에 의해서 매개변수화될 수 있다. 재료-제거 프로파일 및 결과적인 질량-제거 오목부(13)는 불균형을 보상하기 위해서 회전 축(11)에 대해서 비대칭적이다.
이어서, 도 5에 도시된 타원형 재료-제거 도구(20)로, 질량-제거 오목부(13)를 재료-제거 프로파일에 따라 허브 후방 벽 내에 만든다. 도구(20)와 허브 후방 벽(15)의 상대적인 이동에 의해서, 즉 예를 들어 도구(20)를 정지적인 허브 후방 벽(15)에 대해서 이동시키는 것에 의해서, 질량이 질량-제거 위치에서 제거된다. 타원형 재료-제거 도구(20)의 형상 및 이동은 질량-제거 오목부(13)의 형태를 규정한다.
도구(20)의 이동 및 그에 따른 질량-제거 오목부(13)의 위치는 여기에서 마킹 비드(16)에 대해서 배향되고, 즉 마킹 비드(16)의 옆에서 이를 따라 배향되고, 마킹 비드(16)는 온전히 남는다. 따라서, 마킹 비드는 허브 후방 벽(15) 내의 규정된 지점에서 질량-제거 오목부(13)를 생산하기 위한 정확한 배향을 가능하게 한다. 따라서, 프로세스 중에, 기계적으로 심한 부하를 받거나 최대의 기계적 응력을 받는 허브 후방 벽(15)의 반경방향 내부 영역(반경방향으로 마킹 비드(16)의 내측)이 부정적인 영향을 받지 않도록 보장할 수 있다. 또한, 균형 맞춤 후에 시각적 감사를 할 수 있다. 마킹 비드(16)보다 반경방향으로 더 작은 영역에서 균형을 맞추는 것은 터빈 휠(10)의 저-사이클 피로와 관련하여 기계적 한계로 이어질 수 있다. 바람직하게, 마킹 비드(16)로부터의 도구(20)의 반경방향 거리는 이동 중에 변화되지 않는다.
타원형 재료-제거 도구(20)는 여기에서 타원형 연마 헤드를 갖는 연마 도구로서 개략적으로 도시되어 있고, 타원형 연마 비드는 예를 들어 반경방향으로 연장되는 축을 중심으로 회전된다. 또한, 대안적인 실시형태에서, 다른 가능한 경사 회전 축이 가능하다. 구형 연마 헤드와 같은 구형 재료-제거 도구의 경우, 회전 축은 자유롭게 변경될 수 있다.
방법은 선택적으로 적어도 1번의 (남은) 불균형의 추가적인 결정, 및 전술한 단계에 따른 질량-제거 오목부(13)의 적응 또는 부가를 포함할 수 있다.
추가적인 상세 내용, 가능한 변경 및 일반적인 양태에 관한 설명
본 발명의 가능한 변경 및 일반적인 선택적 양태를 이하에서 설명한다. 여기에서, 배제되지 않는 한, 임의의 양태가 본 발명의 임의의 다른 양태와 조합될 수 있다. 양태는 또한 지정된 실시형태이며, 전술한 도면에 도시된 요소를 참조하는 참조 부호에 의해 부분적으로 설명되나, 임의의 추가적인 양태에서 도시된 실시형태로 제한되지는 않는다.
배기 가스 터빈을 위한 또는 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 균형을 맞추는 방법의 양태를 먼저 이하에서 설명한다. 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)은 그 회전 축(11)을 중심으로 회전 가능하게 장착되고 회전된다. 터빈 휠(10)은 허브(12), 및 허브(12)에 부착되고 유체 유동 영역(14) 내에 배열된 복수의 터빈 블레이드를 갖는다. 유체 유동 영역(14)은, 유체, 특히 배기 가스가 터빈 블레이드 상에서 유동하여 일을 하는, 영역이다. 허브(12)는 또한 유체 유동 영역(14)으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는 허브 후방 벽(15)을 갖는다. 그에 따라, 허브 후방 벽(15)은 유체 유동 영역(14)으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는, 즉 이에 대향되는 허브(12)의 측면 상에 배열된다. 그러나, 이는 유체가 허브 후방 벽(15)을 또한 코팅할 수 있다는 가능성을 배제하지 않는다. 허브 후방 벽(15)은 바람직하게 터빈 블레이드를 가지지 않고/않거나, 바람직하게 (예를 들어, 반경방향 평면으로부터 최대 40°의 각도 편차를 가지고) 반경방향으로 연장될 수 있다. 허브 후방 벽(15)은 회전 축(11)을 중심으로 동심적으로 연장되는 마킹 비드(16)를 갖는다.
일반적인 양태에 따라, 질량은 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15) 내의 마킹 비드(16) 옆의 질량-제거 위치에서 타원형 재료-제거 도구에 의해서 제거된다.
질량은 타원형 재료-제거 도구와 허브 후방 벽(15)의 상대적인 이동에 의해서 질량-제거 위치에서 제거된다. 타원형 재료-제거 도구가 이동될 수 있고 허브 후방 벽(15)은 정지적으로 유지될 수 있거나, 허브 후방 벽(15)이 이동되고 타원형 재료-제거 도구가 정지적으로 유지될 수 있거나, 타원형 재료-제거 도구 및 허브 벽(15)의 동시적인 이동이 발생될 수 있거나, 이들의 임의의 조합이 가능하다. 바람직하게, 타원형 재료-제거 도구는 적어도 깊이 방향으로 이동된다. 마킹 비드(16)는, 타원형 재료-제거 도구가 자유롭게 이동 가능한 도구이고 예를 들어 인간의 손에 의해서 유지되고 안내되는 경우에 특히 유리하다.
임의의 유형 및 조합의 타원형 재료-제거 도구 및 허브 후방 벽(15)의 상대적인 이동에서, 재료-제거 도구의 (상대적인) 이동은 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15)에 배열된 마킹 비드(16)로 배향된다.
배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 균형을 맞추기 위해, 타원형 재료-제거 도구로 회전 축(11)에 대해서 비대칭적인 질량-제거 오목부(13)를 생성하는 것에 의해서, 허브 후방 벽(15) 내의 질량-제거 위치에서 질량이 제거된다. 질량-제거 오목부(들)(13)의 위치(들)는 상대적으로 마킹 비드(16)의 옆으로 배향되고, 마킹 비드(16)는 온전히 남는다. 따라서, 마킹 비드의 정점을 포함하는 마킹 비드(16)의 가장 돌출한 부분은 터치가 없이 그리고 가공되지 않고 유지된다.
타원형 재료-제거 도구는 타원 형태로 구성된 도구 가공 기하형태를 갖는다. 따라서, 도구는 타원형 세그먼트 내에서 재료를 허브 후방 벽으로부터 제거하기 위한 타원형으로 형성된 재료-제거 도구 헤드를 갖는다. 도구 가공 기하형태를 나타내는 타원은 3개의 반-축(H, B 및 Y)에 의해서 규정된다. H 및 B는 질량-제거 오목부(13)의 결과적인 횡단면 윤곽의 도 3에 도시된 반-축들을 나타내고, Y는 도구 가공 기하형태를 나타내는 타원의 이러한 2개의 반-축에(그리고 그에 따라 도 5의 도면 평면에) 직각으로 연장되는 추가적인 반-축이다. 회전 도구 헤드에서, 회전 축(R) 주위에서 직각으로 연장되는 2개의 반-축들은 바람직하게 동일하고, 즉 축방향 회전 도구 헤드에서 Y = H이고; 반경방향 회전 도구 헤드에서 Y = B이다.
타원형 재료-제거 도구의 일 실시형태에서, 도구 가공 기하형태를 나타내는 타원은, 3개의 반-축(H, B, Y) 중 적어도 2개가 동일한 길이방향 범위를 갖는, 구성을 갖는다. 타원형 재료-제거 도구의 추가적인 실시형태에서, 도구 가공 기하형태를 나타내는 타원은, 모든 3개의 반-축(H, B, Y)이 동일한 길이방향 범위를 갖는, 구성을 갖는다. 일 양태에 따라, 도구는 도구 가공 기하형태에 상응하는 타원 형태를 갖는 회전 도구 헤드를 가질 수 있다. 도구 헤드가 회전되는 경우, 회전 축은 바람직하게 반-축들 중 하나이고, 적어도 다른 2개의 반-축들은 동일하다.
3개의 모든 반-축들(H, B, Y)이 동일한 길이방향 범위를 갖는 경우, 도구 가공 기하형태는 볼(ball)이고, 즉 이는 구형 재료-제거 도구(예를 들어, 구형 헤드를 갖는 도구)이다. 이러한 구형 재료-제거 도구는, 적어도 각도 범위 내에서, 허브 후방 벽에 대한 도구의 각도 배향이 중요하지 않다는 장점을 가지며, 이는 - 특히 자유 이동 가능 도구에서 - 도구의 핸들링을 용이하게 한다.
타원형 재료-제거 도구는 재료 제거에 의해서 가공할 수 있는 임의의 도구일 수 있다. 일반적으로, 그러나 비제한적으로, 이는 선삭 도구, 드릴링 도구, 카운터싱크 도구, 마찰 도구, 밀링 도구, 평면 가공 도구, 슬롯 가공 도구, 브로칭 도구(broaching tool), 톱질 도구, 파일링 도구, 래스핑 도구(rasping tool), 브러시 연마 도구, 스크래핑 도구, 치즐링 도구, 연마 도구(회전 도구 포함 또는 제외), 벨트 샌딩 도구, 호닝 도구(honing tool), 래핑 도구(lapping tool), 또는 슬라이딩 가공 도구이다.
일 실시형태에서, 타원형 재료-제거 도구는 타원형 연마 헤드를 갖는 연마 도구, 예를 들어 구형 연마 헤드를 갖는 구형 연마 도구이다.
일 양태에 따라, 질량-제거 오목부(13)는 타원형 재료-제거 도구에 의해서 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 허브 후방 벽(15) 내에 생성된다. 일 양태에 따라, 가공은 허브 후방 벽(15)의 원 섹터를 따라서 그리고 축(11)을 중심으로 하는 원의 원호를 따라서 원주방향으로 이루어 진다. 바람직하게, 가공은 원호를 따라서 링 세그먼트 또는 원 세그먼트 내에서 발생된다. 추가적인 양태에 따라, 가공은 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15) 상에서 임의의 1-차원적인 프로파일을 따라서 이루어질 수 있다.
일 양태에 따라, 질량-제거 오목부(13)는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 연속적인 원 세그먼트로서 제공될 수 있다. 더 일반적으로, 질량-제거 오목부(13)는 원의 원호를 따라 연속적인, 세그먼트와 유사한, 중단된 또는 단속적인 스폿 가공으로서 제공될 수 있다. 타원형 재료-제거 도구 및 허브 후방 벽(15)의 상대적인 이동이 따라서 발생되는 원호는, 이러한 원호가 허브 후방 벽(15) 내의 마킹 비드(16)의 옆에서 연장되도록, 허브 후방 벽(15) 내의 마킹 비드(16)에 대해서 배향된다.
일 양태에 따라, 방법은 먼저 터빈 휠(10)의 불균형을 결정하는 단계를 포함한다. 결정된 터빈 휠(10)의 불균형에 따라, 질량-제거 오목부(13)에 대한 재료-제거 프로파일이 생성된다. 이러한 재료-제거 프로파일은 허브 후방 벽(15)의 원 세그먼트를 따른 1-차원적인 프로파일일 수 있고, 원호를 따라서 허브 후방 벽(15) 내의 마킹 비드(16)까지 연장될 수 있다. 재료-제거 프로파일은 어떻게 재료를 제거하여야 하는지를 나타낸다. 가능한 실시형태는 연속적인, 세그먼트와 유사한, 중단된 및/또는 단속적인 스폿 재료-제거 프로파일을 포함한다. (연속적인 또는 단속적인) 각도-의존적 침투 깊이를 갖는 임의의 프로파일을 사용할 수 있다. 일 양태에 따라, 프로파일은 최대 각도 범위 및/또는 최대 침투 깊이에 의해서 제한된다. 추가적인 양태에 따라, 질량-제거 오목부(13)에 대한 재료-제거 프로파일은 또한, 터빈 휠(10)의 불균형의 사전 결정이 없이, 생성될 수 있다.
일 실시형태에 따라, 재료-제거 프로파일은 예를 들어 허브 후방 벽(15) 상의 (환형) 중간 위치, 원호를 따른 각도 영역, 질량-제거 오목부(13)의 원호를 따른 길이방향 범위, 및/또는 (일정한 또는 각도-의존적인) 재료-제거 깊이(C)를 포함할 수 있다. 특히, 각각의 각도 영역에 걸쳐 변화되는 재료-제거 깊이(C)가 질량-제거 오목부(13)에 대해서 그리고 그에 따라 예를 들어 생성되는 런-아웃(run-out)에 대해서 설정될 수 있다. 또한, 이러한 방식으로, 다수의 질량-제거 오목부(13)를 위한 재료-제거 프로파일이 제공될 수 있다.
제공되는 재료-제거 프로파일로, 질량-제거 오목부(13)가 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 허브 후방 벽(15) 내에 만들어 진다. 일 양태에 따라, 터빈 휠의 불균형은 질량-제거 오목부(13)의 생성에 의해서 감소된다.
질량-제거 오목부(13)를 최적의 방식으로 생성하기 위해서, 일 양태에 따라 제거가 없는 허브 테스트 기하형태(removal-free hub test geometry)가 규정된다. 제거가 없는 허브 테스트 기하형태는, 허브 후방 벽(15) 내에서 어떠한 재료의 제거도 없는, 허브(12), 특히 허브 후방 벽(15)의 구성이다.
추가적인 양태에 따라(예를 들어 추가적인 허브 테스트 기하형태로서), 최대로 제거된 허브 테스트 기하형태가 허브 후방 벽(15) 내의 최대 허용 재료 제거에 대한 허브 테스트 기하형태로서 규정될 수 있다. 허브 후방 벽(15) 내의 최대 허용 재료 제거는, 예를 들어, 일반적으로 요구되는 제거, 재료-제거 위치에서의 최소의 허용되는 남은 허브 벽 두께, 재료-제거 위치에서의 생산 프로세스 및 생산 가능성, 및/또는 재료-제거 위치에 대한 구조적-기계적 요건과 같은 조건으로부터 미리 규정된다.
일 양태에 따라, 제1 허브 품질 매개변수가 최대로 제거된 허브 테스트 기하형태로부터, 즉 허브 후방 벽(15) 내의 최대 허용 재료 제거를 고려하여 계산된다. 바람직하게, 허브 기하형태는, 제1 허브 품질 매개변수를 이용하여 결정된 허브 최적화 변수를 최적화하는 것에 의해서 최적화된다.
일 양태에 따라, 제2 허브 품질 매개변수가 제거가 없는 허브 테스트 기하형태로부터, 즉 허브 후방 벽(15) 내의 최대 허용 재료 제거를 고려하지 않고 계산된다. 바람직하게, 허브 최적화 변수는 이어서 제2 허브 품질 매개변수를 이용하여, 예를 들어 제1 또는 제2 허브 품질 매개변수를 이용하여 결정된 각각의 가수(summand)의 합에 의해서 추가적으로 결정된다.
(제1 또는 제2) 허브 품질 매개변수는 예를 들어 이하의 목록으로부터 선택된 적어도 하나의 매개변수를 포함할 수 있다: 기계적 응력, 기계적 주 응력, 기계적 정상 응력, 기계적 전단 응력, 기계적 사이클-최적화 변수, 특히 사이클-피로 인자(예를 들어, 저-사이클에서의 피로에 대한 시뮬레이션된 사이클 용량), 노치를 갖는 막대의 충격 인자, 형상 계수, 지지 번호(support number), 힘 흐름, 질량-제거 오목부(13)의 기하형태적 설계, 미리 규정된 총 목표 제거로부터의 편차. 허브 최적화 변수는 예를 들어 이러한 매개변수의 표준(예를 들어, L2 표준, 즉 스퀘어(square)), 또는 가능하게는 다수의 매개변수에 대한 이러한 표준들의 가중된 합을 포함할 수 있다. 특히, 허브 최적화 변수는 그에 따라 제거가 없는 및/또는 최대로 제거된 허브 테스트 기하형태에 대한 저-사이클 피로에 대한 시뮬레이션된 사이클 용량의 증가에서 불이익을 야기할 수 있다.
최적화는 바람직하게 반복적으로 수행된다. 바람직하게, 허브 테스트 기하형태를 규정하는 매개변수는, 허브 최적화 변수의 최적화에 도달하기 위해서, 반복적으로 변화된다.
일 양태에 따라, 최대 허용 재료 제거를 규정하는 매개변수가 반복적으로 변화되는 경우, 최대 허용 재료 제거의 형상이 최적화될 수 있다. 허브 최적화 변수는 이러한 경우에 충분히 큰 최대 허용 재료 제거를 보장하는 항(term), 또는 미리 규정된 총 목표 제거로부터의 편차에 불이익을 주는 항을 또한 포함할 수 있다.
허브 후방 벽 기하형태는 허브 품질 매개변수로서 인용된 적어도 하나의 매개변수로 최적화된다.
바람직하게, 허브 기하형태 최적화는, 하나 초과의 허브 품질 매개변수가 사용되는, 다중-요인 최적화이다. 바람직하게, 허브 기하형태는, 다수의 허브 품질 매개변수를 이용하여 결정된 허브 최적화 변수를 최적화하는 것에 의해서 최적화된다. 최적화는 바람직하게 반복적으로 수행된다. 바람직하게, 허브 테스트 기하형태로부터의 재료 제거는 반복적으로 변화되고, 결과적으로 몇 개의 허브 품질 매개변수가 계산되고 기존의 유사한 허브 품질 매개변수와 비교된다. 허브 품질 매개변수들의 비교 및 최적화는 이에 적합한 임의의 형태의 수학적 최적화 절차로 이루어 질 수 있다. 허브 테스트 기하형태로부터의 재료 제거의 반복적인 변화는 재료를 제거하지 않은 허브 테스트 기하형태에 의해서, 그리고 최대 허용 재료 제거의 허브 테스트 기하형태에 의해서 제한된다.
설명된 방법을 이용하여 생산된, 배기 가스 터빈을 위한 또는 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 추가적인 양태를 이제 이하에서 설명한다. 터빈 휠(10)은 그 회전 축(11)을 중심으로 회전 가능하게 장착되고 회전된다. 터빈 휠(10)은 허브(12), 및 허브(12)에 부착되고 유체 유동 영역(14) 내에 배열된 복수의 터빈 블레이드를 갖는다. 허브(12)는 또한 유체 유동 영역(14)으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는 허브 후방 벽(15)을 갖는다. 허브 후방 벽(15)은, 터빈 휠(10)의 균형을 맞추기 위해서, 회전 축(11)에 대해서 비대칭적인 질량-제거 오목부(13)를 포함한다. 질량-제거 오목부(13)는 허브 후방 벽(15) 내에서 오목한 함몰부로서 형성되고, 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽은 타원형 세그먼트의 형태이다. 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽은 회전 축(11)을 포함하는 횡단면 평면(Z-Z) 내에서 형성된다. 허브 후방 벽(15)은 또한 회전 축(11)을 중심으로 동심적으로 연장되는 마킹 비드(16)를 가지며, 마킹 비드(16) 및 질량-제거 오목부(13)는 반경방향으로 중첩되지 않고 인접한다. 다시 말해서, 질량-제거 오목부(13)는 마킹 비드(16)의 피크와 중첩되지 않고, 그에 따라 피크는 허브 후방 벽의 원주 방향으로 연속적으로 주위에서 연장된다.
일 양태에 따른 질량-제거 오목부(13)는 회전 축(11)을 포함하는 횡단면 평면(Z-Z) 내에서 횡단면 윤곽을 갖는다. 횡단면 윤곽은 타원형이고, 즉 타원 세그먼트에 의해서 형성된다. 이러한 타원 세그먼트를 나타내는 타원은 타원의 제1(예를 들어, 큰) 반-축(H) 및 제2(예를 들어, 작은) 반-축(B)에 의해서 규정된다. 타원의 제1 반-축(H)은 반경방향으로 연장될 수 있고, 제2 반-축(B)은 축방향으로 연장될 수 있다. 바람직하게, 타원의 제1 반-축(H) 및 제2 반-축(B)은 동일한 길이방향 범위를 가지고, 그에 의해서 회전 축(11)을 포함하는 횡단면 평면(Z-Z) 내의 횡단면 윤곽은 원 세그먼트의 기하형태적 형태를 갖는다.
바람직하게, 횡단면 윤곽에 대해서 본원에서 주어진 정의는 회전 축(11)을 포함하는 복수의 횡단면 평면(Z-Z) 및 질량-제거 오목부(13)의 일부에, 특히 바람직하게, 적어도, 질량-제거 오목부(13)의 총 각도 영역의 적어도 절반 또는 심지어 적어도 80%를 덮는 연속적인 각도 영역 내에서 임의의 이러한 횡단면 평면에 적용된다. 다수의 질량-제거 오목부(13)의 경우, 본원에서 주어진 정의는 바람직하게 모든 질량-제거 오목부(13)에 적용된다.
일 양태에 따른 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽은 최소 곡률 반경(Krmin)을 갖는다. 기본 타원의 최소 곡률 반경은 비율(Kemin = ((B*B)/H))에 의해서 추정될 수 있고, 여기에서 H는 타원의 큰(여기에서: 제1) 반-축이고, B는 타원의 작은(여기에서: 제2) 반-축이다. 곡률 반경은 일반적으로 비율(Krmin/F ≥ 0.03 및/또는 Kemin/F ≥ 0.03)을 만족시켜야 하고, 여기에서 F는 터빈 휠(10)의 직경이다. 타원의 큰 반-축(H) 및 작은 반-축(B)이 동일한 길이를 가질 때, 그에 따라 원형(즉, 원 세그먼트-형상) 횡단면 윤곽, 결과적으로 R/F ≥ 0.03이고, 여기에서 R은 원형 횡단면 윤곽의 반경이다. 타원의 큰 반-축(H) 및 작은 반-축(B)이 동일한 길이를 가질 때, 큰 반-축(H) 및 작은 반-축(B)은 서로 상응하고 또한 큰 반-축(H) 및 작은 반-축(B)은 원형 횡단면 윤곽의 반경(R)에 상응한다.
일 양태에 따라, 질량-제거 오목부(13)는 C > 0 및/또는 C < 0.6*B, 바람직하게 C < 0.5*B, 및 특히 바람직하게 C < 0.4*B의 침투 깊이(C)를 가지고, 여기에서 B는 타원의 제2 (축방향 및/또는 작은) 반-축이다.
질량-제거 오목부(13)는 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15) 내에 그리고 허브 후방 벽(15) 내에 또한 존재하는 마킹 비드(16)의 옆에 위치된다. 일 양태에 따른 질량-제거 오목부(13) 및/또는 마킹 비드(16)는 허브 후방 벽(15) 내의 임의의 원주방향 위치 및 반경방향 위치에 만들어 질 수 있고, 이들 2개는 서로의 옆에 있고, 즉 추가적인 기능적 표면 특징부가 그 사이에 없다.
바람직하게, 질량-제거 오목부(13) 및/또는 마킹 비드(16)는 (직경(F)에 대해서) 허브 후방 벽(15)의 반경방향 외부 절반 내에, 바람직하게 적어도 부분적으로 반경방향 외부 1/3 내에 만들어 진다. 바람직하게, 질량-제거 오목부(13)는 (완전히) 마킹 비드(16)의 반경방향 외측에 배치된다. 일 양태에 따라, 마킹 비드(16) 내의 허브 후방 벽(15)의 영역은 질량-제거 오목부(13)를 가지지 않고/않거나 완전히 회전 대칭적이다. 일 양태에 따라, 마킹 비드(16)는 질량-제거 오목부(13)를 위한(즉, 예를 들어, 마킹 비드(16)의 반경방향 외측의) 영역의 마킹을 가능하게 하고/하거나, 질량-제거 오목부(13)를 위해서 제공되지 않은(즉, 예를 들어, 마킹 비드(16)의 반경방향 내측의) 영역의 마킹을 보장한다. 마킹 비드(16)로 인해서, 질량-제거 오목부(13)가 제공된 영역 내에만 만들어 지도록 또는 이러한 영역의 외측에 만들어 지지 않도록 보장할 수 있고, 이러한 것을 용이하게 확인할 수 있다. 이러한 것은, 특히 허브 후방 벽 기하형태가 그에 제공되는 질량-제거 오목부(13)를 위해서 최적화되는 경우에, 유용하다.
질량-제거 오목부(13)를 생성하기 위해서, 일 양태에 따라, 재료를 제거할 수 있는 임의의 도구를 이용할 수 있다. 일반적으로, 그러나 비제한적으로, 이는 선삭 도구, 드릴링 도구, 카운터싱크 도구, 마찰 도구, 밀링 도구, 평면 가공 도구, 슬롯 가공 도구, 브로칭 도구, 톱질 도구, 파일링 도구, 래스핑 도구, 브러시 연마 도구, 스크래핑 도구, 치즐링 도구, 연마 도구(회전 도구 포함 또는 제외), 벨트 샌딩 도구, 호닝 도구, 래핑 도구, 또는 슬라이딩 가공 도구이다.
바람직하게, 재료-제거 도구는 타원형 연마 헤드를 갖춘 연마 도구이다. 일반적으로, 이러한 연마 도구는 구형 연마 헤드를 가지고, 결과적으로 구형 연마 헤드를 갖춘 구형 연마 도구이다. 타원형 연마 헤드를 갖춘 재료-제거 도구는 또한, 질량-제거 오목부(13)의 생성 중에 터빈 휠(10)과 접촉하는 재료-제거 도구의 부분만이 타원형 형태를 갖도록, 형성될 수 있다.
일 양태에 따라, 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 균형을 맞추기 위한 질량-제거 오목부(13)는 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15)의 원형 섹터 내에 그리고 원주방향으로 원호를 따라 만들어 진다. 바람직하게, 가공은 원호를 따라서 링 세그먼트 또는 원 세그먼트 내에서 실행된다. 예는, 비제한적으로, 원호를 따른 연속적이고 세그먼트와 유사한 중단된 또는 단속적인 스폿 가공을 포함한다.
배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15)은 마킹 비드(16)를 가지고, 이러한 마킹 비드(16)는 회전 축(11)에 대해서 회전 대칭적이고 회전 축(11)을 중심으로 동심적으로 연장된다.
허브 후방 벽(15) 내의 마킹 비드(16)는, 일 양태에 따라, 회전 축(11)을 포함하는 횡단면 평면(Z-Z) 내에 위치되는 횡단면 윤곽을 갖는다. 마킹 비드(16)의 횡단면 윤곽은 볼록하고 허브 후방 벽(15)에 대해서 상승된다.
일 양태에 따라, 마킹 비드(16)는, 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15) 내에 또한 포함되는 질량-제거 오목부(13)로부터 거리(D)만큼 반경방향으로 이격된다. 바람직하게, E = A + D 및 E ≤ (F-G)/2 그리고 G/F ≥ 0.5이고, 여기에서 A는 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 범위(질량-제거 오목부(13)의 반경방향 내부 한계와 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 외부 한계 사이의 반경방향 거리)이고, D는 마킹 비드(16)와 질량-제거 오목부(13)의 반경방향으로 더 가까운(여기에서: 반경방향 내부의) 한계 사이의 반경방향 거리이고, E는 마킹 비드(16)와 질량-제거 오목부(13)의 반경방향으로 더 먼(여기에서: 반경방향 외부) 한계 사이의 반경방향 범위이고, F는 배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 후방 벽의 직경이고, G는 마킹 비드(16)의 직경, 즉 허브 후방 벽(15) 상에서 원주방향 마킹 비드(16)에 의해서 형성되는 원의 직경이다. 여기에서, 달리 특정되지 않는 한, 마킹 비드의 반경방향 위치는 항상 그 피크에 의해서 규정된다. 다수의 질량-제거 오목부(13)의 경우, 마킹 비드(16)로부터의 개별적인 반경방향 거리(D)가 결정될 수 있고, 각각의 질량-제거 오목부(13)에 적용될 수 있다. 일반적으로, 동일한 반경방향 거리(D)가 모든 질량-제거 오목부(13)에 대해서 선택되고 적용된다. 질량-제거 오목부(13)와 마킹 비드(16) 사이의 최소 반경방향 거리(D)는 바람직하게 0 < D < 0.05*F, 특히 바람직하게 0 < D < 0.025*F이다.
일 양태에 따라, (바람직하게 회전 대칭적인) 마킹 비드(16)의 횡단면 윤곽은 정점, 정점에 대한 반경방향 내부 측면부(flank), 및 정점에 대한 반경방향 외부 측면부를 갖는다. 반경방향 내부 측면부는 오목 곡률 반경(M)을 가지고, 반경방향 외부 측면부는 오목 곡률 반경(K)을 가지며, 정점은 볼록 곡률 반경(L)을 갖는다. 곡률 반경이 일정하지 않은 경우, 이러한 변수는 가장 작은 곡률 반경을 각각 나타낸다. 다시 말해서, K는 마킹 비드(16)의 정점과 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 내부 한계 사이의 전환부의 (가장 작은) 곡률 반경을 나타내고, L은 마킹 비드(16)의 정점에서의 (가장 작은) 볼록 곡률 반경이고, M은 마킹 비드(16)의 정점으로부터 마킹 비드(16)의 반경방향 내측에 있는 허브 후방 벽(15)의 영역까지의 전환부의 (가장 작은) 곡률 반경이다. 일 양태에 따라, K > 0, L ≥ 0, 및/또는 M > 0이다. 또한, 바람직하게 K/F < 0.07, M/F < 0.07, L/K < 0.15, 및/또는 L/M < 0.1이다.
일 양태에 따라, 전체 반경방향 영역 내의 허브 후방 벽(15)의 표면은, 적어도 마킹 비드(16)의 반경으로부터 질량-제거 오목부(13)의 최외측 반경까지, 가공된 표면이고, 다시 말해서 예를 들어 주조에 의해서 직접적으로 얻어지는 표면보다 더 큰 평활도 및 정밀도를 갖는다.
배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)의 허브 후방 벽(15) 내의 마킹 비드(16)는 임의의 반경방향 위치에 만들어 질 수 있다. 바람직하게, 마킹 비드(16)는 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 내측에 위치된다.
일 양태에 따라, 터빈 휠의 불균형은, 질량-제거 오목부(13)가 없는 회전 대칭적인 허브를 갖는 상응하는 (이론적인) 터빈 휠의 불균형보다 작다. 일 양태에 따라, 터빈 휠의 저-사이클 피로 용량은, 질량-제거 오목부(13)가 없는 회전 대칭적인 허브를 갖는 상응하는 (이론적인) 터빈 휠의 사이클 용량보다 작지 않거나, 기껏해야 그보다 2% 더 작다.
배기 가스 터빈의 터빈 휠(10)에 대한 전술한 모든 양태는 임의의 설계의 배기 가스 터빈, 바람직하게 반경방향 배기 가스 터빈 또는 혼합-유동 배기 가스 터빈(대각선 방향 배기 가스 터빈으로도 지칭됨)에 관한 것이다. 반경방향 배기 가스 터빈에서, 터빈 휠(10)은 반경방향 터빈 휠로서 구성된다. 혼합-유동 배기 가스 터빈에서, 터빈 휠(10)은 혼합-유동(대각선 방향) 배기 가스 터빈 휠로서 구성되고, 즉 축방향 및 반경방향 구성요소 모두와의 유입 접선(inlet tangent)이 대각선 방향으로 연장되는 허브 전방 벽을 갖는 배기 가스 터빈으로서 구성된다.
일 양태에 따라, 배기 가스 터빈은 내연 기관으로부터의 배기 가스에 의해서 구성되도록 구성된다. 일 양태에 따라, 배기 가스 터빈은 터보차저를 위해서 제공된다. 터보차저에서, 배기 가스 터빈은 공통 샤프트 상에 배열된 압축기 휠을 구동하여, 흡인 유체의 압력, 밀도, 및 엔탈피를 높이고, 그에 따라 장입 압력(charge pressure) 그리고 일반적으로 내연 기관의 효율을 높인다. 대안적으로 또는 부가적으로, 배기 가스 터빈은 또한 다른 에너지 사용자, 예를 들어 발전기 및/또는 구동 샤프트를 구동할 수 있다. 일 양태에 따라, 내연 기관으로부터의 배기 가스에 의해서 구동되는 배기 가스 터빈, 및 배기 가스 터빈을 갖춘 터보차저를 갖는, 내연 기관이 제공된다.
본 발명의 추가적인 양태에서, 배기 가스 터빈은, 본 발명의 제2 양태의 임의의 특징을 만족시키는 터빈 휠(10)을 구비한다. 배기 가스 터빈은 임의의 유형의 배기 가스에 의해서 구동될 수 있다. 또한, 배기 가스 터빈의 모든 설계, 예를 들어 반경방향 배기 가스 터빈 또는 혼합-유동 배기 가스 터빈이 고려될 수 있다. 또한, 예를 들어 압축기 휠, 발전기 또는 구동 샤프트와 같은, 배기 가스 터빈 샤프트 상의 모든 가능한 소비체가 고려될 수 있다. 바람직하게, 배기 가스 터빈은 배기 가스 터보차저이다.
10 배기 가스 터빈의 터빈 휠
11 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 회전 축
12 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 허브
13 질량-제거 오목부
14 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 유체 유동 영역
15 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 허브 후방 벽
16 마킹 비드
20 타원형 재료-제거 도구
A 타원형 질량-제거 오목부의 반경방향 내부 한계로부터 타원형 질량-제거 오목부의 반경방향 외부 한계까지의 타원형 질량-제거 오목부의 반경방향 범위
B 타원형 질량-제거 오목부의 제2(작은) 반-축
C 재료-제거 깊이
D 마킹 비드로부터 타원형 질량-제거 오목부의 반경방향 내부 한계까지의 반경방향 거리
E 마킹 비드로부터 타원형 질량-제거 오목부의 반경방향 외부 한계까지의 반경방향 거리
F 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 후방 벽의 직경
G 마킹 비드의 직경
H 타원형 질량-제거 오목부의 제1(큰) 반-축
K 마킹 비드의 정점과 질량-제거 오목부의 반경방향 내부 한계 사이의 전환부의 곡률 반경
L 마킹 비드의 정점에서의 곡률 반경
M 마킹 비드의 정점으로부터 마킹 비드의 반경방향 내측의 허브 후방 벽까지의 전환부의 곡률 반경
X 마킹 비드를 확대 도시한 도 2의 상세도
Y 도구 가공 헤드를 규정하는 타원의 제3 반-축
Z-Z 회전 축을 포함하는 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 섹션

Claims (12)

  1. 배기 가스 터빈용 터빈 휠(10)의 균형을 맞추는 방법이며, 상기 터빈 휠(10)은 그 회전 축(11)을 중심으로 회전될 수 있고, 허브(12) 및 상기 허브(12)에 부착되고 유체 유동 영역(14) 내에 배열되는 복수의 터빈 블레이드를 가지며, 상기 허브는, 상기 유체 유동 영역(14)으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는 그리고 상기 회전 축(11)을 중심으로 동심적으로 연장되는 마킹 비드(16)를 갖는, 허브 후방 벽(15)을 가지며,
    상기 방법은:
    - 타원형 재료-제거 도구를 상기 마킹 비드(16) 옆의 질량-제거 위치에서 상기 터빈 휠(10)에 대해서 이동시키는 단계;
    - 상기 재료-제거 도구로 상기 마킹 비드(16) 옆의 상기 허브 후방 벽(15)의 허브 재료를 제거하고 상기 마킹 비드(16)를 온전히 남기는 것에 의해서 상기 터빈 휠(10)의 균형을 맞추기 위해서 상기 허브 후방 벽(15) 내에, 상기 회전 축(11)에 대해서 비대칭적인 질량-제거 오목부(13)를 생성하는 단계를 포함하는, 배기 가스 터빈용 터빈 휠(10)의 균형을 맞추는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재료-제거 도구는 타원형 연마 헤드를 갖는 연마 도구, 바람직하게 구형 연마 헤드를 갖는 구형 연마 도구인, 배기 가스 터빈용 터빈 휠(10)의 생산 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 질량-제거 오목부(13)는 상기 회전 축(11)을 중심으로 원주방향으로 링 세그먼트를 따라서 만들어 지는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 터빈 휠의 불균형을 결정하는 단계;
    - 상기 결정된 불균형에 따라, 상기 질량-제거 오목부(13)에 대한 재료-제거 프로파일을 설정하는 단계; 및
    - 상기 설정된 재료-제거 프로파일로 상기 질량-제거 오목부(13)를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제거가 없는 허브 테스트 기하형태를 규정하는 단계; 및
    - 제거가 없는 허브 테스트 기하형태의 허브 후방 벽으로부터 최대 제거량을 뺀, 최대 제거 허브 테스트 기하형태를 상기 규정된 제거가 없는 허브 테스트 기하형태로서 이용하여, 제1 허브 품질 매개변수를 계산하는 단계;
    - 바람직하게, 제거가 없는 허브 테스트 기하형태와 최대 제거 허브 테스트 기하형태 사이에서 허브 테스트 기하형태를 반복적으로 변경하는 것에 의해서, 제1 허브 품질 매개변수를 이용하여 계산된, 허브 최적화 변수의 최적화에 의해서 허브 기하형태를 최적화하는 단계를 더 포함하고,
    상기 허브 후방 벽(15)에서의 상기 허브 재료의 제거는 상기 최대 제거량에 의해서 제한되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 허브 품질 매개변수는 이하의 목록: 기계적 응력, 기계적 사이클 최적화 변수, 사이클 피로 표시자로부터 선택된 적어도 하나의 매개변수를 포함하는, 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    - 허브 테스트 기하형태로부터 허브 후방 벽 재료를 제거하지 않은 상기 규정된 허브 테스트 기하형태를 이용하여 제2 허브 품질 매개변수를 계산하는 단계;
    - 바람직하게, 제거가 없는 허브 테스트 기하형태와 최대 제거 허브 테스트 기하형태 사이에서 허브 테스트 기하형태를 반복적으로 변경하는 것에 의해서, 제1 및 제2 허브 품질 매개변수를 이용하여 계산된, 허브 최적화 변수의 최적화에 의해서 상기 허브 기하형태를 최적화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 배기 가스 터빈용 터빈 휠(10)이며, 상기 터빈 휠(10)은 그 회전 축(11)을 중심으로 회전될 수 있고
    - 허브(12); 및
    - 상기 허브(12)에 부착되고 유체 유동 영역(14) 내에 배열되는 복수의 터빈 블레이드를 가지며, 상기 허브는 상기 유체 유동 영역(14)으로부터 멀어지는 쪽으로 대면되는 허브 후방 벽(15)을 가지며,
    상기 터빈 휠(10)의 균형을 맞추기 위해서, 상기 회전 축(11)에 대해서 비대칭적인 질량-제거 오목부(13)가 상기 허브 후방 벽(15) 내에 제공되고,
    상기 질량-제거 오목부(13)는 타원형 세그먼트 형태의 횡단면 윤곽을 갖는 허브 후방 벽(15) 내의 오목한 함몰부로서 구성되며, 상기 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽은 상기 회전 축(11)을 포함하는 횡단면 평면(Z-Z) 내에 형성되며,
    상기 허브 후방 벽(15)은 또한 상기 회전 축(11)에 대해서 동심적으로 연장되는 마킹 비드(16)를 가지며, 상기 마킹 비드(16) 및 상기 질량-제거 오목부(13)는 반경방향으로 중첩되지 않고 서로 인접하는, 터빈 휠(10).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 질량-제거 오목부(13)는 이하의 특성(a) 내지 특성(g):
    (a) 상기 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽이 원 세그먼트의 형태를 가지는 특성;
    (b) 상기 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽이 0.03*F 초과의 최소 곡률 반경을 가지고, F는 터빈 휠(10)의 후방 벽의 직경인, 특성;
    (c) 상기 질량-제거 오목부(13)의 횡단면 윤곽이 조건(((B*B)/H)/F ≥ 0.03)을 만족시키고, 여기에서 H는 상기 질량-제거 오목부(13)의 타원형 횡단면 윤곽의 큰 반-축이고, B는 상기 질량-제거 오목부(13)의 타원형 횡단면 윤곽의 작은 반-축이고, F는 상기 터빈 휠(10)의 후방 벽의 직경인, 특성;
    (d) 상기 질량-제거 오목부(13)가 적어도 부분적으로 상기 허브 후방 벽(15)의 반경방향 외부 절반부 내에 배열되는 특성;
    (e) 상기 질량-제거 오목부(13)가 재료-제거 도구, 바람직하게 연마 도구에 의해서 생성되는 특성;
    (f) 상기 질량-제거 오목부(13)가 상기 축의 주위에서 원주방향으로 연장되는 링 세그먼트를 따라서 연장되는 특성;
    (g) 상기 질량-제거 오목부(13)가 연속적인 라인으로서, 연속적인 라인의 부분들의 시퀀스로서, 또는 단속적인 스폿 오목부의 시퀀스로서 연장되는 특성
    중 적어도 하나를 가지는, 터빈 휠(10).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 마킹 비드(16)는 이하의 특성(i) 내지 특성(iv):
    (i) 마킹 비드(16)가 상기 횡단면 평면 내에서 상승되고 볼록한 특성;
    (ii) 상기 마킹 비드(16)가 상기 회전 축(11)에 대해서 회전 대칭적인 특성;
    (iii) 상기 마킹 비드(16)가 부등식(E ≤ (F - G)/2 및/또는 G/F > 0.5)에 따라 배열되고, 여기에서 A는 상기 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 내부 단부로부터 상기 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 외부 단부까지의 상기 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 범위이고, D는 상기 질량-제거 오목부(13)로부터의 상기 마킹 비드(16)의 정점의 반경방향 거리이고, E = A + D는 상기 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 외부 한계로부터의 상기 마킹 비드(16)의 정점의 반경방향 거리이고, F는 상기 터빈 휠(10)의 직경이고, G는 상기 마킹 비드(16)의 정점에 의해서 형성되는 원의 직경인 특성;
    (iv) 상기 마킹 비드(16)가 상기 질량-제거 오목부(13)의 반경방향 내측에 배열되는 특성
    중 적어도 하나를 가지는, 터빈 휠(10).
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 휠이 반경방향 배기 가스 터빈용 반경방향 터빈 휠, 또는 혼합-유동 배기 가스 터빈용 혼합-유동 터빈 휠인, 터빈 휠(10).
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 터빈 휠(10)을 갖는, 배기 가스 터빈, 바람직하게 배기 가스 터보차저.
KR1020237042557A 2021-05-18 2022-05-18 배기 가스 터빈의 터빈 휠의 균형을 맞추는 방법 및 균형 잡힌 터빈 휠 KR20240005937A (ko)

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