KR101939866B1

KR101939866B1 - 블레이드 장치

Info

Publication number: KR101939866B1
Application number: KR1020147007253A
Authority: KR
Inventors: 우베 지버; 자샤 둥스; 엘리엇 그리핀; 마르쿠스 파우스; 슈테판 라이힐링; 후베르투스 미햐엘 빅거; 디르크 비스투바
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2019-01-17
Also published as: TW201326537A; CA2846053C; EP2723991A1; ES2558014T3; JP5922237B2; US20140234111A1; US9708919B2; EP2723991B1; WO2013026735A1; BR112014003884B1; BR112014003884B8; RU2014111052A; JP2014527594A; EP2562356A1; MX340744B; CA2846053A1; BR112014003884A2; KR20140068077A; CN104053858A; CN104053858B

Abstract

본 발명은, 블레이드 캐리어(56)와 블레이드 캐리어 내에 배치된 파지 홈부(58)를 포함하는 블레이드 장치(40)에 관한 것이며, 파지 홈부의 측벽부들(60)은 회전축(12)의 원주방향으로 연장되면서 언더컷부들(64)을 형성하기 위한 돌출부들(62)을 포함하고, 파지 홈부 내로는 터보 기계의 블레이드 링을 형성하기 위한 복수의 블레이드(25, 27)가 삽입되고, 각각의 블레이드(25, 27)는 베인(48) 외에도 고정을 위해 언더컷부들(64) 내로 맞물리는 블레이드 루트(50)를 포함하여, 블레이드 루트 하면(68)과 파지 홈부(58)의 홈 바닥부(70) 사이에 배치된 구성 부재(46)에 의해 돌출부들(62)에 압착된다. 특히 간편한 조립 및 분해를 가능하게 하는, 특히 확실하고 신뢰성 및 내구성이 있으면서 저마모성인 고정을 명시하기 위해, 각각의 구성 부재(46)는 판형으로 형성되고, 홈 바닥부(70)의 방향으로 베인(48)의 돌출부 내에, 베인(48)의 하부에 배치되어 압착하기 위한 하나 이상의 비드부(52, 55)를 포함하며, 구성 부재에 의해 압착되는 블레이드 루트(50)에 의해 파지 홈부(58)의 길이방향으로 부분적으로만 덮인다.

Description

블레이드 장치{BLADE ARRANGEMENT}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 블레이드 장치에 관한 것이다.

상기 유형의 블레이드 장치들은 광범위하게 가용한 종래 기술로부터 잘 공지되어 있다. 공지된 블레이드장치들은 압축기들의 가이드 블레이드 열들을 위해서 뿐 아니라 로터 블레이드 열들을 위해서도 이용되며, 블레이드 캐리어 내에는 열의 모든 블레이드를 수용하기 위한 원주방향 홈부가 제공된다. 원주방향 홈부 내 블레이드들의 고정은, 그에 상응하게 형성된 블레이드 루트들이 파지 홈부의 측벽부들로부터 돌출된 돌출부들을 뒤쪽에서 파지함으로써, 해머(hammer)형 또는 제비꼬리형 형태 결합에 의해 수행된다. 파지 홈부 내에 블레이드들을 유격 없이 저마모성으로 신뢰성 있게 고정하는 점을 수반하기 위해, 블레이드 루트 하면과 홈 바닥부 사이에, 페더 키(feather key) 형상의 하부구조들, 나선형 형태의 스프링 부재들, 또는 종방향 및 횡방향으로 홈이 형성된 클램핑 슬리브를 삽입하는 점이 공지되었다. 그에 따라, 블레이드와 홈부 사이에 반경 방향으로 존재하는 조립 및 제조 유격이 보상되며, 이는 간편한 제조 및 조립을 가능하게 한다. 문제는, 반경 방향의 유격이 홈부 원주방향의 공차를 보장할 때 어려움을 초래할 수 있다는 점이다. 그러므로 베인 선단(vane tip)과 이 베인 선단에 직접 대향하여 위치하는 채널 경계부 사이의 반경 방향 간극(radial gap)을 설정하기 위해, 프로파일 단부들은 연삭 마감되거나, 선삭을 통해 원하는 규격으로 가공되며, 그 사이 홈부 내에 조립된 블레이드들은 바깥쪽을 향해 압착되는 점이 공지되었다. 이를 별문제로 하고라도, 보통, 낮은 제조 비용의 조건에서 블레이드들과 하부구조들의 간편한 조립성 및 분해성을 달성하고자 하는 문제가 존재한다.

그러므로 본 발명의 과제는, 조립 및 분해가 간편하면서도, 원주방향 홈부 내에 블레이드들의 내구성 있고 동시에 신뢰성이 있으면서 확실한 고정이 보장되는 블레이드 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제는 청구항 제1항의 특징들에 따르는 블레이드 장치에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 구현예들은 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있는 종속 청구항들에 명시된다.

본 발명에 따라서, 각각의 구성 부재는 판형으로 형성되고, 홈 바닥부 방향의 베인의 돌출부 내에, 베인의 하부에 배치되어 홈부 내에 블레이드를 압착하기 위한 하나 이상의 비드부를 포함하며, 구성 부재에 의해 압착되는 블레이드 루트에 의해 파지 홈부의 길이방향으로 부분적으로만 덮인다. 본 발명에 따른 구성 부재에 의해, 이 구성 부재는, 국소적으로 탄성 작용하는 하부구조와 또 다른 국소 위치에서는 강성으로 작용하는 하부구조를 가능하게 하는 특히 적합한 형태를 보유할 수 있다. 또한, 구성 부재는 한편으로 특히 간단하게 제조되고 다른 한편으로는 동시에 특히 간편하게 조립 및 분해된다. 보강 작용은 하나의 비드부 또는 복수의 비드부에 의해 생성된다. 간편한 조립성 및 분해성은, 파지 홈부의 길이방향으로 관련 구성 부재가 이 구성 부재에 의해 압착되는 블레이드 루트에 의해 부분적으로만 덮이는 것을 통해 달성된다. 그에 따라 분해 공구가 특히 간단하게 도달할 수 있는 구성 부재의 섹션은 항상 돌출된다. 그 밖에도, 구성 부재의 판형 기하구조는 공간을 절약하는 설계 및 블레이드 장치를 가능하게 한다.

특히 바람직한 구현예에 따라서, 파지 홈부 내에서 각각 2개의 블레이드 사이에는 단일 부재 또는 다중 부재형 중간 피스가 삽입되며, 이 중간 피스는 블레이드 루트에 의해 덮이지 않는 구성 부재의 부분에 의해 돌출부들에 압착된다. 이 경우 동일한 개수의 블레이드, 중간 피스 및 구성 부재가 존재하며, 구성 부재들은 블레이드 루트 및 중간 피스의 종방향 연장부와 동일한 종방향 연장부를 포함한다. 구성 부재들의 조립은 중간 피스들 및 블레이드들에 대해 오프셋 되어 수행되며, 그럼으로써 구성 부재는 (파지 홈부의 길이방향에서 볼 때) 블레이드 루트의 하부를 완전하게 통과하여, 블레이드 루트에 인접한 2개의 중간 피스의 아래에까지 각각 부분적으로 연장된다. 그에 따라, 각각의 중간 피스는 2개의 구성 부재에 의해 파지 홈부의 돌출부들에 압착된다.

바람직하게는 구성 부재들은, 관련 중간 피스들이, 관련 구성 부재에 의해 돌출부들에 압착되는 블레이드 루트보다 더 적은 힘으로 돌출부들에 압착되는 방식으로 형성된다. 특히 그에 따라 구성 부재의 상이한 강성들이 다양한 요건들을 위해 특히 바람직하게 이용된다. 요컨대 중간 피스들의 조립을 위해, 구성 부재의 더 낮은 탄성력이 바람직하거나, 요구되지도 않는데, 그 이유는 작동 중에 높은 힘이 중간 피스에는 작용하지 않기 때문이다. 이에 반하여, 블레이드 캐리어에 견고하게 고정된 블레이드들은 작동 중에 유동력에 노출된다. 이는 블레이드 캐리어 상에 블레이드들의 더 신뢰성 있는 고정을 요구하며, 이는 더 큰 압착력을 필요로 하게 한다. 더 높은 압착력은 국소적으로 더 높은 구성 부재의 강성을 통해 달성된다. 상기 강성은 구성 부재 내에 배치된 비드부(들)에 의해 야기된다.

블레이드의 하부구조가 상대적으로 더 강성인 경우, 바람직하게는 상이하게 작용하는 기능 원리들이 조립과 후속 작동을 위해 이용될 수 있다. 한편으로, 조립 시 제조 공차의 보상을 위해 비드부의 국소적 재료 가소화가 제공된다. 다른 한편으로는, 결과적으로 작동력을 흡수하기 위해 잔여 탄성력의 이용이 제공된다. 이를 위해, 바람직하게는, 구성 부재를 위해, 최대 인장 강도(Rmax) 대 항복 강도(RP0.2)에 대한 특성수의 상대적으로 높은 비율을 특징으로 하는 재료가 이용되며(특성수: Ramx / RP0.2 > 1.5), 재료 선택 시 항복 강도는 동시에 작동력을 위해 충분히 높아야 한다.

구성 부재의 국소적으로 더 강성인 영역은 바람직하게는 비드부로서 구현된다. 특히 바람직하게는, 비드부는, 힘-경로 관계에서 굽은 특성 곡선이 제공되는 방식으로 형성된다. 그럼으로써 넓은 영역에 걸쳐서 작동력을 흡수하기 위한 잔여 탄성력이 보장된다. 이는, 구성 부재가 벽 두께(S)를 포함하고 비드부는 횡단면에 비드부 폭(b)을 보유할 뿐 아니라 반경(R2)을 보유한 2개의 볼록 섹션과, 현 길이(A)를 갖는 반경(R1)을 보유하면서 2개의 볼록 섹션 사이에 배치되는 하나의 오목 섹션을 포함하는, 제1 비드부 기하구조로 달성될 수 있으며, 이에 대해서는 하기 관계가 적용된다.

R1 > 1.5S,

3*R2 > R1 > 0.7R2 및

10b ~ 1.7b > a

유사한 특성을 갖는 제2 비드부 기하구조는, R > 5S이고, 3*R2 > R1이며, a < 0.9b일 때 달성된다.

유사한 특성을 갖는 제1의 양 비드부 기하구조들의 조합으로서의 제3 비드부 기하구조는 이중 비드부로서 지칭되는 2겹 비드부로 이어지며, 이 2겹 비드부는 추가로 확대된 탄성 영역을 포함한다.

바람직하게는, 비드부들은, 홈 바닥부 방향의 베인의 돌출부 내에서 베인의 하부에 배치되는 방식으로, 구성 부재 내에 배치된다. 달리 말하면, 구성 부재들은 원주방향 홈부를 따라 항상 블레이드들에 대해 오프셋 되어 배치되기 때문에, 비드부들은 원칙상 구성 부재의 내부 영역에, 또는 구성 부재의 가장자리 상에 배치된다. 이는 구성 부재들의 간편한 조립 및 분해를 허용한다.

추가로 바람직하게는, 구성 부재는 블레이드 루트에 의해 덮이지 않는 자신의 영역에 하나 이상의 개구부를 포함한다. 상기 개구부 내로는, 그 작동 위치로부터 구성 부재를 분해하기 위해, 분해 후크 또는 공구가 맞물릴 수 있다.

구성 부재의 간편한 조립성은, 파지 홈부의 홈 바닥부 내에, 또는 블레이드 루트 하면 내에 파지 홈부를 따라서 연장되는 홈부가 분해 홈부로서 배치될 때 달성된다. 분해 시, 분해 홈부에는 비교적 간편하게 슬라이딩 해머가 안착될 수 있고, 조립 시에는 램(ram)을 이용하여 블레이드와 홈부 사이로 구성 부재를 타격/압입하는 점이 단순화된다.

바람직하게는, 구성 부재는, 홈 바닥부[반경 방향 시축(axis of vision)] 방향의 베인의 돌출부 내에 실질적으로 직사각형인 외부 윤곽을 보유한다. 상기 돌출부에서 관련 구성 부재는, 구성 부재에 의해 압착되는 블레이드에 의해 반만 덮인다. 상기 유형으로 윤곽 형성된 구성 부재들은 특히 경제적이면서 간단하게 제조될 수 있다.

특히 바람직한 구현예에 따라, 구성 부재의 하나 이상의 종방향 테두리는 각지게 형성되며, 이 종방향 테두리는 상응하게 형성된 블레이드 루트 상에 예압된 상태로 안착된다. 중간 피스들이 블레이드 장치에서 이용되는 점에 한해, 각이 진 종방향 테두리들은 이에 상응하게 형성된 중간 피스들 상에도 예압된 상태로 안착될 수 있다. 이런 구현예로 인해, 블레이드들은 홈부 기하구조 및 블레이드 루트 기하구조를 바탕으로 정렬될 수 있을 뿐 아니라, 각각의 인접 구조 부재(블레이드 또는 중간 피스)에 의해서도 정렬될 수 있다. 이런 특징은 접촉 마모를 바람직하게 감소시킨다.

추가로 바람직하게는, 구성 부재는 하나 이상의 가장자리 상에, 국소적 보강을 위한, 그리고 가이드 홈부 내에서 구성 부재의 안내를 위한 하나 이상의 추가 비드부를 포함한다. 가장자리, 바람직하게는 횡방향 테두리 상의 상기 추가 비드부는 조립을 단순화할 수 있는데, 그 이유는 국소적 보강부 상에 블레이드 루트 하면과 홈 바닥부 사이로 구성 부재를 타격/삽입하기 위한 램(ram)이 안착될 수 있고, 이때 후속하여 타격 삽입 시 구성 부재가 국소적으로 굽힘 변형되지도 않기 때문이다.

특히 바람직한 실시예에 따라, 비드부는 내부 비드부로서 형성되고, 이 내부 비드부는 내부 비드부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 외부 비드부 내에 배치된다. 이처럼 이중 비드부로서도 지칭되는 실시예는, 구성 부재의 탄성 영역을 추가로 확대할 수 있게 한다. 똑같은 정도로, 상응하는 개수의 비드부가 안쪽에서 바깥쪽을 향해 거의 적층되거나 계층을 이루면서 배치되는 3겹 비드부 또는 n겹 비드부도 사용하는 것을 생각해볼 수 있다. 특히 바람직한 구현예에 따라, 블레이드 장치는 가스 터빈의 축 방향으로 관류될 수 있는 압축기 내에서 로터 블레이드 링을 위해, 그리고/또는 가이드 블레이드 링을 위해 이용된다. 이는, 가스 터빈의 신뢰성 있고 확실하면서도 특히 효율적인 작동을 보장하는데, 그 이유는 본 구현예에 의해 베인 선단과, 압축기의 유동 채널의 채널 벽부이면서 베인 선단에 대향하여 위치하는 상기 채널 벽부 사이의 반경 방향 간극이 특히 작게 형성될 수 있기 때문이다.

본 발명은 본 발명을 제한하지 않는 복수의 실시예에 따라 하기의 도면들의 설명에서 더 상세하게 설명된다. 여기서는 추가 특징들과 추가 장점들이 명시된다.

도 1은 가스 터빈을 절단하여 도시한 부분 종단면도이다.
도 2는 제1 구현예에 따르는 블레이드 장치의 일 부분을 도시한 평면도이다.
도 3은 절단선 III-III를 따라서 도 2에 따른 블레이드 장치를 절단하여 도시한 횡단면도이다.
도 4는 절단선 IV-IV를 따라서 도 2에 따른 블레이드 장치의 일부분을 절단하여 도시한 종단면도이다.
도 5와 도 6은 제2 및 제3 구현예에 대해 절단선 IV-IV와 유사하게 블레이드 장치를 각각 절단하여 도시한 횡단면도이다.
도 7은 제4 구현예에 따르는 블레이드 장치의 일부분을 (중간 피스들을 제외하고) 도시한 평면도이다.
도 8과 도 9는 절단선 III-III를 따라서 도 7에 따른 제4 구현예의 2가지 변형예를 각각 도시한 횡단면도이다.
도 10은 제5 구현예에 따르는 블레이드 장치의 일부분을 (중간 피스들을 제외하고) 도시한 평면도이다.
도 11과 도 12는 절단선 III-III를 따라서 도 7에 따른 제5 구현예의 2가지 변형예를 각각 도시한 횡단면도이다.
도 13은 힘-탄성 그래프이다.
도 14와 도 15는 서로 상이한 기하구조의 비드부들을 포함하는 구성 부재를 각각 절단하여 도시한 횡단면도이다.
도 16은 이중 비드부 형태의 비드부 기하구조를 절단하여 도시한 횡단면도이다.

도면들에서 동일한 특징들은 동일한 도면 부호로 표시되어 있다.

도 1에는, 고정식 가스 터빈(10)이 부분 종단면도로 도시되어 있다. 가스 터빈(10)은 내부에 회전축(12)을 중심으로 회전하는 방식으로 장착된 로터(14)를 포함하며, 이 로터는 터빈 로터로서도 지칭된다. 로터(14)를 따라서는 연속해서 흡기 하우징(16)과, 축 방향 터보 압축기(18)와, 상호 간에 회전 대칭으로 배치된 복수의 버너(22)를 포함한 도넛형 환형 연소실(20)과, 터빈 유닛(24)과, 배기가스 하우징(26)이 순서대로 배치된다.

축 방향 터보 압축기(18)는, 로터 블레이드 링들과 가이드 블레이드 링들로 이루어져 내부에 캐스케이드 방식으로 연속해서 배치되는 압축기 단들을 구비하여 환형으로 형성된 압축기 채널을 포함한다. 로터(14) 상에 배치된 로터 블레이드들(27)은 자신의 자유 단부 측 베인 선단(29)이 압축기 채널의 외부 채널 벽부(42)에 대향 하게끔 위치한다. 그 안쪽으로는, 외부 채널 벽부(42) 상에, 또는 압축기 가이드 블레이드 캐리어 상에 고정되는 가이드 블레이드들(25)이 똑같은 정도로 돌출된다. 압축기 채널은 압축기 배출구 디퓨저(36)를 경유하여 플레넘(38)(plenum) 내로 통해 있다. 플레넘 내부에는 연소 공간(28)을 포함한 환형 연소실(20)이 제공되며, 연소 공간은 터빈 유닛(24)의 환형 가열 가스 채널(30)과 연결된다. 터빈 유닛(24) 내에는 연이어 연결된 4개의 터빈 단(32)이 배치된다. 로터(14)에는 제너레이터 또는 가공 기계(각각 미도시)가 연결된다.

가스 터빈(10)의 작동 중에, 축 방향 터보 압축기(18)는 흡기 하우징(16)을 통해 압축할 매체로서 주변 공기(34)를 흡입하여 이 주변 공기를 압축한다. 압축된 공기는 압축기 배출구 디퓨저(36)를 통해 플레넘(38) 내로 안내되며, 이 플레넘으로부터 압축된 공기는 버너들(22) 내로 유입된다. 버너들(22)을 통해서는 연료도 연소 공간(28) 내에 도달한다. 연소 공간에서 연료는 압축된 공기가 가열 가스(M)에 추가되는 조건에서 연소된다. 이어서 가열 가스(M)는 가열 가스 채널(30) 내로 유입되고, 이 가열 가스 채널에서 가열 가스는 팽창하면서 터빈 유닛(24)의 터빈 블레이드들을 가동시킨다. 그 사이 릴리즈된 에너지는 로터(14)에 의해 흡수되어, 한편으로 축 방향 터보 압축기(18)의 구동을 위해, 그리고 다른 한편으로는 가공 기계 또는 전기 제너레이터의 구동을 위해 이용된다.

도 2에는, 2개의 블레이드(25, 27)만이 그 사이에 배치된 중간 피스(44)와 그 아래 배치된 2개의 구성 부재(46)와 함께 개략적으로 도시되어 있는, 블레이드 장치(40)의 일부분에 대한 평면도가 도시되어 있다. 블레이드들(25, 27)은 개략적으로 도시된 베인(48) 및 블레이드 루트(50)를 포함한다. 평면도는 가스 터빈(10)의 반경 방향의 방향으로, 다시 말하면 베인에서 블레이드 루트(50)의 방향으로 향해 있다. 도 2에는, 블레이드 캐리어 및 캐리어 내에 배치된 파지 홈부는 도시되어 있지 않다. 구성 부재들(46)은 직사각형 외부 윤곽을 보유하고 판형으로 형성된다. 일상 용어의 측면에서 구성 부재들은 박판 형태로서도 지칭된다. 제1 실시예(도 2)에서, 블레이드 장치의 블레이드들(25, 27) 및 블레이드 루트들(50)은 파지 홈부의 종방향 연장부 내지 원주방향(U)에 대해 경사져서 배치된다. 이런 포지셔닝은 로터 블레이드들에 대해 전형적인 포지셔닝이다.

각각의 구성 부재(46)는 2개의 비드부(52)와 각각 2개의 개구부(54)를 포함한다. 구성 부재들(46)은 원주방향(U)으로 그 길이가 블레이드 루트(50)와 중간 피스(44)를 합한 길이와 동일하다. 그러나 구성 부재들(46)은 관련 블레이드(25, 27)의 하부에서 중앙에 배치되며, 그럼으로써 2개의 인접한 구성 부재(46)는 각각 그 대향하는 단부들로 중간 피스(44)의 하부에서 중앙에서 종결된다.

도 3에는, 블레이드(25, 27)의 블레이드 루트(50)와 블레이드 캐리어(56)가 절단선 III-III를 따라서 절단되어 횡단면도로 도시되어 있다. 베인은 도 3에 (그리고 도 5, 도 6, 도 8, 도 9, 도 11 및 도 12에도) 도시되어 있지 않다. 블레이드 캐리어(56) 내에서는 파지 홈부(58)가 연장되며, 이 파지 홈부 내로는 블레이드들(25, 27), 상세하게는 블레이드들(25, 27)의 블레이드 루트들(50)이 형태 결합 방식으로 삽입된다. 형태 결합부를 형성하기 위해, 파지 홈부들(58)의 측벽부들(60)은 회전축(12)의 원주방향으로 연장되면서 언더컷부들(64)을 형성하기 위한 돌출부들(62)을 포함한다. 언더컷부(64) 내로는 그에 상응하게 형성된 해머형 루트 영역들(66)이 맞물린다.

블레이드 루트 하면(68)과 파지 홈부(58)의 홈 바닥부(70) 사이에는 구성 부재(46)가 고정된다. 또한, 홈 바닥부(70) 내에는 파지 홈부(58)를 따라서 연장되는 추가 분해 홈부(72)가 제공된다. 이 추가 홈부(72)는 분해 공구, 예컨대 슬라이딩 해머의 접근을 위해 이용된다.

구성 부재(46)의 벽 두께(S)(도 14)는 블레이드 루트 하면(68)과 홈 바닥부(70) 사이의 간극 크기보다 더 얇다. 구성 부재(46) 내에 딥드로잉 또는 압입을 통해 형성되는 비드부들(52)은 간극 크기 이상으로 구성 부재(46)의 높이(H)를 확대시키며, 그럼으로써 블레이드 루트(50)는 돌출부들(62)에 압착된다. 그 결과, 파지 홈부(58) 내에서 블레이드들(25, 27)의 명확하게 정의된 위치가 제공된다.

도 4에는, 도 2에 따른 구현예가 절단선 IV-IV를 따라서 절단되어 종단면도로 도시되어 있다. 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 블레이드 장치(40)의 실시예는 가스 터빈(10)의 압축기(12)의 로터 블레이드 링의 일부분이다. 그에 따라, 블레이드 캐리어(56)는 로터 디스크에 의해 형성되고 블레이드들(25, 27)은 로터 블레이드들로서 형성된다.

구성 부재들(46)은 실질적으로 평면이며, 그에 따라 파지 홈부(58)의 곡률을 따르지 않는다. 그럼으로써 구성 부재들(46)은 비드부들(52)이 배치되는 그 중앙 영역을 이용하여 상대적으로 더 큰 힘으로 블레이드 루트 하면(68)과 홈 바닥부(70)를 눌러 서로 이격시킨다. 횡방향 테두리들(82)에 인접한 구성 부재(46)의 섹션들은 구성 부재들(46)의 평면 구성과 만곡된 파지 홈부(58)를 바탕으로 상대적으로 더 적은 힘으로 중간 피스들(44)의 하면들 상에 탄력적으로 안착된다. 그 결과, 구성 부재(46)는 국소적으로 서로 상이한 강성을 바탕으로 서로 상이한 크기의 힘으로 파지 홈부(58)의 돌출부들(62) 쪽에 중간 피스들(44) 및 블레이드들(25, 27)을 압착시킨다.

블레이드 장치(40)의 제2 구현예는 도 5에 도시되어 있다. 도 5에는, 실질적으로 도 3에 따르는 횡단면도가 도시되어 있다. 이 경우, 도 5에서, 도 3에 대해 동일한 특징들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도 5의 설명에 대해서는 실질적으로 도 3의 설명이 참조된다. 그러나 제2 구현예에 따라서는 구성 부재(46)의 종방향 테두리들(74)이 파지 홈부(58)의 홈 개구부 쪽으로 휘어져 있다. 휘어진 종방향 테두리들(74)(도 2 비교)은 블레이드 루트 하면 측에 배치된 챔퍼부들(76) 상에 예압된 상태로 안착된다. 중간 피스들(44)은 블레이드들(25, 27)의 블레이드 루트들(50)과 유사한 방식으로 형성되기 때문에, 중간 피스(44)의 하부에 배치되는 구성 부재(46)의 종방향 테두리들(74)의 영역들도 예압된 상태로 상응하는 챔퍼부들 상에 안착된다. 구성 부재(46)의 휘어진 종방향 테두리들(74)뿐 아니라, 블레이드 루트들(50) 또는 중간 피스들(44) 상에 구성 부재(46)의 예압된 안착을 통해, 인접한 구조 부재들[블레이드 루트(50) 및 중간 피스(44)]의 마찰식 결합이 야기되며, 이 마찰식 결합은 인접한 부조 부재들의 정렬을 향상시키면서 부조 부재들 사이의 접촉 마모를 감소시킨다.

블레이드 장치(40)의 제3 구현예는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 도 6에도, 실질적으로 도 3과 동일한 횡단면이 도시되어 있으며, 그럼으로써 도 6에서 도 3과 동일한 특징들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도 3에 따르는 구현예와 달리, 도 6에 따르는 제3 구현예는 블레이드 루트 하면(68)에, 비교적 폭이 넓지만 낮은 깊이만을 가지며 파지 홈부(58)의 길이방향으로 연장되는 홈부(78)를 포함한다. 홈부(78)는 구성 부재(46)를 수용하기 위해 이용되며, 그럼으로써 홈부(78)의 홈 깊이는 실질적으로 구성 부재(46)의 벽 두께(S)에 상응한다. 구성 부재(46)의 종방향 테두리들(74)(도 2 비교)은 홈부(78)의 경사진 측벽부들 상에 안착된다. 블레이드 루트(50)에서와 동일한 크기로, 제3 구현예에 따르는 중간 피스들(44)의 경우에도 중간 피스들의 하면 상에 배치된 홈부(78)가 제공되며, 그럼으로써 구성 부재(46)의 종방향 테두리들(74)은 중간 피스(44)에 배치된 홈부(78)의 측벽부들 상에도 안착된다. 블레이드(25, 27) 및 중간 피스(44) 상에 구성 부재들(46)이 동시에 안착되는 것을 통해, 인접한 블레이드 링 구조 부재들의 결합이 수반되며, 이는 마모, 특히 접촉 마모를 감소시킨다. 본 발명에 따른 블레이드 장치(40)의 도 5에 따르는 제2 구현예와 도 6에 따르는 제3 구현예의 경우, 블레이드들은 로터 블레이드들(27)로서 형성된다.

도 8과 도 9에는, 도 3에 따르는 횡단면과 유사한 방식으로, 제4 구현예에 따르는 블레이드 장치(40)가 절단되어 횡단면도로 도시되어 있다. 상술한 구현예들과 달리, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 장치들은, 로터 블레이드 링들로서가 아니라, 가이드 블레이드 링들로서 형성된다. 이런 점에서, 파지 홈부(58) 및 블레이드 루트(50)의 횡단면 윤곽들은 극미하게만 서로 구별된다. 지금까지 기술한 구현예들에 대한 추가의 차이점은, 인접한 가이드 블레이드들(25) 사이에 중간 피스들(44)이 제공되지 않는다는 점이다. 그에 따라, 블레이드들(25)은, 도 7에 따른 도면에 도시된 것처럼, 평평하게, 그리고 블레이드 루트들(50)의 포지셔닝 없이 상호 간에 안착된다. 이 경우, 구성 부재들(46)은 한 쌍의 인접한 블레이드들(25)의 아래에 각각 절반만 배치된다. 그로 인해, 보강 비드부들(52)은 마찬가지로 구성 부재(46) 내 내부 영역에 배치되는 것이 아니라, 서로 대향하여 위치하는 구성 부재들(46)의 2개의 횡방향 테두리(82) 상에 배치된다. 그 밖의 점에서, 도 8에 따르는 제4 구현예의 제1 변형예는 구성 부재(46)의 각이 진 종방향 테두리들(74)을 포함하는 도 5에 따르는 제2 구현예와 유사하게 설계된다. 도 9에 도시된, 제4 구현예의 제2 변형예는, 구조적으로 실질적으로, 구성 부재(46)가 블레이드 루트 하면(68) 상에 배치된 홈부(78) 내에 대부분 잠겨 있는 도 6에 따르는 제3 구현예에 상응한다.

블레이드 장치(40)의 제5 구현예는 도 10에 따르는 평면도에 도시되어 있으며, 그리고 이에 대한 2개의 변형예 중 제1 변형예는 횡단면도로 도 11에, 그리고 제2 변형예는 횡단면도로 도 12에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 제5 구현예는 실질적으로 도 2에 도시된 제1 구현예를 기반으로 한다. 그러나 구성 부재(46)의 내부 영역에 배치된 비드부들(52)에 추가로 횡방향 테두리들(82) 상에 추가 비드부들(86)이 [도 7에 도시된 제4 구현예와 유사한 방식으로] 제공된다. 가장자리 상의 추가 비드부들(86)의 이용을 통해, 블레이드 루트 하면(68)과 홈 바닥부(70) 사이에 구성 부재(46)를 타격 삽입할 때, 구성 부재(46)의 굽힘 변형이나 좌굴(buckling)은 확실하게 방지된다. 그와 동시에, 추가 비드부들(86)은, 구성 부재들(46)의 정렬 또는 안내를 위해, 분해 홈부(72)(도 11) 내로, 또는 블레이드 루트 하면 측에 배치된 홈부(78)(도 12) 내로 맞물린다.

도 14와 도 15에는, 구성 부재(46)의 각각의 구현예가 도 2의 절단선 III-III를 따라서 절단되어 횡단면도로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 구성 부재(46)와 달리, 도 14와 도 15에는 하나의 비드부(52)만이 도시되어 있고 2개의 비드부(52)는 도시되어 있지 않다. 각각의 비드부(52)는 볼록하게 만곡된 2개의 섹션(X)과, 이 사이에 배치된 하나의 오목 섹션(V)을 포함한다. 볼록 섹션들(X)은 각각 반경(R2)을 보유하고, 오목 섹션들(V)은 반경(R1)을 보유한다. 또한, 오목 섹션(V)은 현 길이(a)를 보유하고, 비드부(52)는 비드부 폭(b)을 보유한다. 그 자체로, 상대적으로 더 높은 하중력과 더 높은 스프링 상수를 위한 소성 변형의 영역과 낮은 스프링 상수를 갖는 탄성 변형의 영역을 포함하는 비드부(52)를 획득하기 위해, 구성 부재의 2가지 실시예가 제안된다. 제1 실시예는,

R1 > 1.5*S이고, 3*R2 > R1 > 0.7*R2이며, 10*b ~ 1.7*b > a일 때 달성된다. 예시로서, 매개변수들은 하기 치수를 가질 수 있다:

R1 = 2㎜; R2 = 2㎜; S = 1㎜; a = 3.5㎜; b = ㎜.

구성 부재(46)의 제2 구현예에 따라서는,

R1 > 5*S이고,

3*R2 < R1이며,

a < 0.9*b이다.

예시로서 매개변수들은 하기의 치수를 가질 수 있다:

R1 = 20㎜; R2 = 2㎜; S = 1㎜; a = 6㎜; b = 10㎜.

도시된 구현예를 이용하여, 섹션(V)은 상대적으로 더 높은 하중력과 더 높은 스프링 상수를 갖는 소성 변형의 영역을 나타낼 수 있고, 섹션들(X)은 낮은 스프링 상수를 갖는 탄성 변형을 위한 영역들을 나타낼 수 있으며, 이는 도 13에도 도시되어 있다.

도 16에는, 특수한 비드부 기하구조를 절단한 횡단면도가 도시되어 있다. 특수한 비드부 기하구조란, 하나의 내부 비드부(55i)가 하나 이상의 비드부(55a)에 의해 둘러싸여 있는 다중 비드부(55)(multi-fold bead)이다. 다중 비드부(55)의 비드부들(55i, 55a)은 공통 중심(M)을 가지면서 거의 적층되거나 계층을 이루는 방식으로 배치된다. 도 16에 도시된 다중 비드부(55)는 2겹 비드부이며, 이중 비드부로도 명명된다. 이 경우, 이중 비드부는, 제1 (이 경우 외부) 비드부(55a)의 원칙상 오목한 섹션(Va) 내에 제2 (이 경우 내부) 비드부(55i)가 배치되는 것을 의미한다. 이런 비드부 조합은 1겹 비드부로서 지칭될 수 있는 상술한 기하구조들에 비해 추가로 증가된 탄성을 보유하며, 그럼으로써 블레이드 루트들(50)에 대해, 경우에 따라 중간 피스들(44) 및 파지 홈부(58)에 대해 상대적으로 더 큰 제조 공차가 허용될 수 있다. 이 경우, 도 16에 따르는 비드부 기하구조에 대한 치수는 예컨대 하기와 같다:

R20 = 20㎜; R1.2 = 2㎜; R2 = 2㎜; ba = 11㎜; aa = bi = 7.4㎜; R3 = 2㎜; ai = 3.2㎜.

전체적으로, 본 발명은, 블레이드 캐리어(56)와 이 블레이드 캐리어 내에 배치되는 파지 홈부(58)를 포함한 블레이드 장치(40)에 있어서, 파지 홈부의 측벽부들(60)은 회전축(12)의 원주방향으로 연장되면서 언더컷부들(64)을 형성하기 위한 돌출부들(62)을 포함하고, 파지 홈부 내로는 터보 기계의 블레이드 링을 형성하기 위한 복수의 블레이드(25, 27)가 삽입되고, 각각의 블레이드(25, 27)는 베인(48) 외에도 고정을 위해 언더컷부들(64) 내로 맞물리는 해머형 블레이드 루트(50)를 포함하여, 블레이드 루트 하면(68)과 파지 홈부(58)의 홈 바닥부(70) 사이에 배치된 구성 부재(46)에 의해 돌출부들(62)에 압착되는, 상기 블레이드 장치(40)에 관한 것이다. 특히 확실하고 신뢰성 및 내구성이 있으면서 저마모성인 고정을 제공하기 위해, 각각의 구성 부재(46)는, 판형으로 형성되고, 홈 바닥부(70)의 방향으로 베인(48)의 돌출부 내에, 베인(48)의 하부에 배치되어 압착하기 위한 하나 이상의 비드부(52)를 포함하며, 구성 부재에 의해 압착된 블레이드 루트(50)에 의해 파지 홈부(58)의 길이방향으로 부분적으로만 덮인다.

Claims

블레이드 캐리어(56)와, 블레이드 캐리어 내에 배치된 파지 홈부(58)를 포함하는 블레이드 장치(40)이며,
파지 홈부의 측벽부들(60)은 회전축(12)의 원주방향으로 연장되면서 언더컷부들(64)을 형성하기 위한 돌출부들(62)을 포함하고, 파지 홈부 내로는 터보 기계의 블레이드 링을 형성하기 위한 복수의 블레이드(25, 27)가 삽입되며,
각각의 블레이드(25, 27)는 베인(48) 외에도 고정을 위해, 언더컷부들(64) 내로 맞물리는 블레이드 루트(50)를 포함하여, 블레이드 루트 하면(68)과 파지 홈부(58)의 홈 바닥부(70) 사이에 배치된, 하나 이상의 비드부(52, 55)를 포함하는 판형 구성 부재(46)에 의해 돌출부들(62)에 압착되는, 상기 블레이드 장치에 있어서,
각각의 구성 부재(46)는 구성 부재에 의해 압착되는 블레이드 루트(50)에 의해 파지 홈부(58)의 길이방향으로 부분적으로만 덮이고,
파지 홈부(58) 내에서 2개의 블레이드(25, 27) 사이에 중간 피스(44)가 삽입되고, 중간 피스는 블레이드 루트(50)에 의해 덮이지 않는 구성 부재(46)의 부분에 의해 돌출부들(62)에 압착되는 것을 특징으로 하는, 블레이드 장치(40).
제1항에 있어서, 구성 부재(46)는 관련 블레이드 루트(50)보다 더 낮은 힘으로 관련 중간 피스(44)를 돌출부들(62)에 압착하는, 블레이드 장치(40).
제2항에 있어서, 블레이드 루트(50)에 의해 덮이는 구성 부재(46)의 영역은 관련 구성 부재(46)의 나머지 부분보다 부분적으로 더 강성으로 형성되는, 블레이드 장치(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구성 부재(46)는 관련 블레이드 루트(50)에 의해 덮이지 않는 자신의 영역에 분해를 위한 하나 이상의 개구부를 포함하는, 블레이드 장치(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 파지 홈부(58)의 홈 바닥부(70) 내에 또는 블레이드 루트 하면(68) 내에, 길이방향으로 연장되는 홈부(72, 78)가 배치되는, 블레이드 장치(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구성 부재(46)는 돌출부 내에 직사각형인 외부 윤곽을 보유하는, 블레이드 장치(40).
제6항에 있어서, 구성 부재(46)의 하나 이상의 종방향 테두리(74)는 각지게 형성되어, 상응하게 형성된 블레이드 루트들(50) 상에 예압된 상태로 안착되는, 블레이드 장치(40).
제7항에 있어서, 구성 부재(46)의 하나 이상의 종방향 테두리(74)는 각지게 형성되어, 상응하게 형성된 블레이드 루트(50) 상에, 그리고 상응하게 형성된 중간 피스(44) 상에 예압된 상태로 안착되는, 블레이드 장치(40).
제6항에 있어서, 구성 부재(46)의 하나 이상의 가장자리 상에 하나 이상의 추가 비드부(86)가 제공되는, 블레이드 장치(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구성 부재(46)는 벽 두께(s)를 보유하고, 비드부(52, 55, 86)는 횡단면에서 비드부 폭(b)을 보유할 뿐 아니라, 반경(R2)을 보유한 2개의 볼록 섹션(X)과, 현 길이(a)를 갖는 반경(R1)을 보유하면서 상기 2개의 볼록 섹션 사이에 배치되는 하나의 오목 섹션(V)을 포함하며, 이와 관련하여
R1 > 1.5*s,
3*R2 > R1 > 0.7*R2 및
10*b ~ 1.7*b > a가 적용되거나,
R1 > 5*s,
3*R2 < R1 및
a < 0.9*b가 적용되는, 블레이드 장치(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비드부는 다중 비드부로서 형성되는, 블레이드 장치(40).
제11항에 있어서, 다중 비드부(55)는 하나의 내부 비드부(55i)를 포함하고, 내부 비드부는 적어도 부분적으로 내부 비드부를 둘러싸는 하나 이상의 외부 비드부(55a) 내에 배치되는, 블레이드 장치(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따르는 블레이드 장치(40)로서 형성되는 로터 블레이드 링 및/또는 가이드 블레이드 링을 포함하는 가스 터빈(10)용 축 방향 압축기.
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