KR101942209B1 - 터빈 블레이드용 고정 장치를 갖는 블레이드 체결 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈 블레이드용 고정 장치(2)에 관한 것으로서; 상기 고정 장치(2)는 터빈 블레이드가 반경방향으로 그리고 축방향으로 이동되는 것을 방지하며, 터빈 블레이드의 근부(3)의 오목부(17) 내로 연장되며 그리고 블레이드가 축방향으로 이동되는 것을 방지하는 돌출부(15)를 포함하는 보유 부재(10)를 특징으로 한다.

Description

터빈 블레이드용 고정 장치를 갖는 블레이드 체결 기구

본 발명은 적어도 하나의 터빈 블레이드(turbine blade), 및 터빈 블레이드를 축방향으로 그리고 반경방향으로 고정하기 위한 고정 장치를 포함하는 로터에 관한 것으로서, 로터는 블레이드 홈(blade groove)을 포함하며 그리고 터빈 블레이드는 터빈 블레이드 근부(turbine blade root)를 포함하고, 블레이드 홈 및 터빈 블레이드 근부는 블레이드 홈에 맞춰지며, 고정 장치는 블레이드 홈과 터빈 블레이드 근부 사이에 배열되는 보유 부재를 갖는다.

블레이드 체결 기구는 로터 블레이드를 연속 유동 기구, 특히 증기 터빈의 로터에 체결하는데 통상 사용된다. 로터의 비교적 높은 회전으로 인해, 로터에 배열된 로터 블레이드는 큰 원심력을 받게 된다. 따라서, 터빈 블레이드의 터빈 블레이드 근부는 큰 힘을 견뎌야 하며 그리고 블레이드 홈 내에서 반경방향 외향으로 힘을 받는다. 원심력 이외에도, 높은 진동 부하가 다른 문제를 야기하고 기계적 손상과 재료 피로를 유발할 수 있다. 블레이드 홈 내부에서의 증기 충돌 또는 진동으로 인한 블레이드 근부의 부식과 순회 운동이 다른 문제를 야기한다. 터빈 블레이드 근부를 블레이드 홈 내부에 고정하기 위해, 예컨대 금속 쐐기, 스프링 링 또는 밀봉 부재와 같은 다양한 해결책이 공지되어 있다. 금속 쐐기가 축방향과 반경방향 양쪽 모두에서 블레이드 홈 내부에서의 관련된 블레이드 근부의 체결을 달성하지만, 대형 로터 블레이드의 경우에는 회전 중에 그런 금속 쐐기로 반경방향으로 충분한 보유력을 발생시키는 것이 어렵다. 또한, 금속 쐐기는 증기 매체 내에서의 장기간 작동 중에는 부식 작용이 일어나게 되어 분해를 어렵게 만든다.

축방향 나사형 로터 블레이드가 공지되어 있으며 , 이는 예컨대 증기 터빈 같은 터보기계에서 작동 응력 때문에 터빈 블레이드의 축방향 작동력을 흡수하고 블레이드를 그 축방향 위치에 유지하는 구조체를 필요로 한다. 그런 고정 기구는 또한 축방향 고정 기구로 지칭된다. 그런 축방향 고정 기구의 경우, 서로에 대해 중첩된 방식으로 형성되는 2개의 절결부가 통상 배열되어 있다. 그러나, 절결부의 중첩은 응력을 증가시키는 경우가 많아 터보기계 구조에서의 사용이 제한된다.

본 발명의 목적은 블레이드 및 관련된 블레이드 홀더의 정확하고 견고한 보유가 장기간의 작동 중에 보장되는 연속 유동 기계의 블레이드 체결 기구를 제공하는 것이다.

그런 목적은 적어도 하나의 터빈 블레이드, 및 터빈 블레이드를 축방향으로 그리고 반경방향으로 고정하기 위한 고정 장치를 포함하는 로터에 의해 달성되는데, 로터는 블레이드 홈을 포함하며 그리고 터빈 블레이드는 터빈 블레이드 근부를 포함하고, 블레이드 홈 및 터빈 블레이드 근부는 블레이드 홈에 맞춰지고, 고정 장치는 블레이드 홈과 터빈 블레이드 근부 사이에 배열되는 보유 부재를 갖고, 보유 부재는 터빈 블레이드 근부의 오목부 내에 배열되는 돌출부를 갖고, 돌출부는 축방향으로의 보유 부재의 변위가 방지되는 방식으로 오목부 내에 결합되며, 고정 장치는 로터로부터 반경방향으로 작용하는 힘을 터빈 블레이드에 인가하는 포스 스프링(force spring)을 갖는다.

따라서, 본 발명은 로터와 터빈 블레이드 근부 사이의 공간 내에 고정 장치를 배열하는 것을 제시한다. 상기 공간은 바람직하게는 로터 내에 배열된다. 이에 따라, 공간에 의해 형성된 절결부는 회전축을 향해 반경방향 내향으로 변위된다. 그 결과, 로터에 인가되는 힘이 보다 양호하게 분포된다.

유리한 개선예가 종속항에 제공되어 있다.

일 개선예에서, 보유 부재는 블레이드 근부에 직접 통합된다. 이 경우, 보유 부재는 축방향에서 보면 블레이드 근부의 전단에서 또는 바람직하게는 블레이드 근부의 후단에서 별개로 반경방향 내향으로 형성된다. 여기서, 전단 및 후단에서의 별개의 형성은 축방향 오목부로 인해 가능하며, 이 축방향 오목부는 변경된 블레이드의 축방향 삽입을 가능케 한다.

유리한 제1 개선예에서, 고정 장치는 보유 부재의 제2 오목부와 로터 오목부 내에 배열되는 판을 가지며, 판은 축방향으로의 판의 변위가 방지되는 방식으로 제2 오목부와 로터 오목부 내에 결합된다.

이에 따라, 보유 부재의 축방향으로의 능동적 변위가 효과적인 방식으로 방지된다. 이 경우, 판이 로터 오목부와 보유 부재의 제2 오목부 내에 배열됨으로써 보유 부재의 축방향으로의 변위에 대한 장벽을 형성한다.

유리한 개선예에서, 포스 스프링은 블레이드 홈과 보유 부재 사이에 배열된다.

상기 포스 스프링은 로터로부터의 힘을 터빈 블레이드 근부에 인가한다. 운송 및 작동 중에는, 특히 낮은 회전 속도의 경우에는, 반경방향으로 작용하는 힘을 터빈 블레이드 근부에 인가하는 것이 중요하다. 그 결과, 마찰 효과로 인해 축방향으로의 터빈 블레이드의 변위가 추가로 방지된다. 특정한 회전 속도 이상에선, 반경방향으로 터빈 블레이드에 작용하는 원심력이 매우 커서 포스 스프링으로 인한 스프링 힘의 영향이 무시될 수 있다.

유리하게는, 포스 스프링은 블레이드 홈과 블레이드 근부 사이에서 보유 부재 옆에 배열된다.

이는 단순한 수단에 의해 구현될 수 있는 특히 단순하고 건설적인 해결책이다.

다른 유리한 개선예에서, 블레이드 근부는 축방향으로 볼 때 배열되어 있는 전단, 및 축방향으로 볼 때 전단에 대향하게 배열된 후단을 가지며, 보유 부재는 전단으로부터 후단까지 연장된다.

여기서, 본 발명은 이제 유리하게는 보유 부재가 전단으로부터 후단까지 연장되는 그런 축방향 치수가 되는 방식으로 보유 부재를 개선할 것을 제안한다.

다른 유리한 개선예에선, 제1 고정 판이 전단에 배열되고 그리고 제2 고정 판이 후단에 배열된다.

이는 하나의 축방향 및 대향하는 축방향 양쪽 모두로의 보유 부재의 축방향 변위를 효과적인 방식으로 방지한다.

다른 유리한 개선예에선, 제1 포스 스프링이 전단에 배열되고 그리고 제2 포스 스프링이 후단에 배열된다.

그 결과, 특히 시동 중에 또는 운송 중에 발생하는 힘과 진동의 대칭 분포가 추가로 최소화될 수 있다.

다른 유리한 개선예에서, 돌출부는 (회전축에 대해) 원주방향으로 세장형 디자인으로 되어 있다.

세장형 디자인은 일반적으로 비교적 단순한 생산 공정이며, 여기서 비용 절감을 가져온다.

돌출부는 유리하게는 직사각형 단면으로 되어 있다.

다른 유리한 개선예에서, 돌출부는 원통으로 형성되며 그리고 맹공(blind bore)으로 형성된 오목부 내에 결합된다. 이는 돌출부의 세장형 디자인에 대한 대안을 제시한다. 국부적인 결합력이 돌출부로서 형성된 원통이 그 내부에 결합되는 유리하게 여기에 제안된 맹공에 작용한다.

로터 오목부와 제2 오목부는 바람직하게는 반경방향으로 중첩(one above the other) 배열된다.

반경방향으로 중첩 배열되게 배향된 결과, 판의 기울어짐이 효과적인 방식으로 방지된다. 본 발명의 상술된 특징, 구성요소 및 이점과 이들이 달성되는 방식은 도면과 함께 보다 상세히 설명되는 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 참조하면 보다 명확하고 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 이하에 기술되어 있다. 상기 도면은 예시적인 실시예를 대표적으로 도시하는 것이라기보다는, 설명을 위한 방편으로서 개략적으로 그리고/또는 약간 왜곡된 형태로 도시되어 있다. 도면에서 직접적으로 식별할 수 없는 교시에 대한 추가사항에 관하여서는 관련 종래 기술을 참조한다.

도 1은 고정 장치의 사시도이다.
도 2는 고정 장치의 제1 변경예의 단면도이다.
도 3은 도 2의 제1 변경예에 따른 보유 부재의 사시도이다.
도 4는 도 3의 보유 부재의 다른 사시도이다.
도 5는 판의 사시도이다.
도 6은 제2 변경예에 따른 고정 장치의 단면도이다.
도 7은 도 6의 제2 변경예에 따른 보유 부재의 사시도이다.
도 8은 도 7의 보유 부재의 다른 사시도이다.
도 9는 판의 사시도이다.
도 10은 제3 변경예에 따른 고정 장치의 단면도이다.
도 11은 제3 변경예에 따른 보유 부재의 사시도이다.
도 12는 제3 변경예를 위한 도 11에 따른 보유 부재의 다른 사시도이다.
도 13은 제3 변경예를 위한 판의 도면이다.
도 14는 제4 변경예에 따른 고정 장치의 단면도이다.
도 15는 제4 변경예에 따른 고정 장치의 일부분의 단면도이다.

도 1은 고정 장치(1)를 도시한다. 도 1에 따르면, 로터(2)와 터빈 블레이드 근부(3)의 일부가 도시되어 있다. 명료함을 위해, 터빈 블레이드의 블레이드 에어포일(blade airfoil)은 도시되어 있지 않다. 로터는 블레이드 홈(4)을 갖는다. 상기 블레이드 홈(4)은 로터의 회전축(5)에 평행한 방식으로 형성되는 블레이드 홈(4)일 수도 있다. 또한, 블레이드 홈(4)은 추후에 축방향(7)으로 전단에 배열되는 만곡된 블레이드 홈(4)일 수도 있다.

회전축(5)과 축방향(7)은 서로 평행하게 배열된다. 로터(2)는 임의의 회전 속도로 회전축(5)을 중심으로 회전된다. 터빈 블레이드는 터빈 블레이드 근부(3)와 블레이드 홈(4) 사이에 가능한 작은 유격이 존재하도록 블레이드 홈(4) 내에 맞춰진다. 고정 장치(8)가 없다면, 터빈 블레이드가 축방향(7)으로 자유롭게 변위될 가능성이 있다.

로터(2)와 터빈 블레이드는 터보기계, 예컨대 증기 터빈의 부품일 수도 있다. 연속 유동 기계의 시동 중에는 원심력이 여전히 비교적 작으며, 운송 중에는 원심력이 전혀 존재하지 않는다. 따라서, 터빈 블레이드가 축방향(7)으로 변위될 가능성이 있다. 이는 고정 장치(8)로 방지된다. 특정한 회전 주파수 이상에선, 원심력이 매우 커서 터빈 블레이드가 블레이드 홈(4) 내에서 소위 지탱면(9; bearing flank)에 대해 가압되어 안정적인 위치를 획득한다. 특정한 회전 주파수 이상에선, 축방향 변위가 어렵다. 고정 장치(8)에 의해, 축방향(7) 및 반경방향으로의 터빈 블레이드의 변위가 효과적인 방식으로 방지된다. 고정 장치(8)는 보유 부재(10)를 포함한다. 도 1 내지 도 5는 보유 부재(10)의 제1 디자인을 도시한다. 보유 부재(10)는 블레이드 홈(4)과 터빈 블레이드 근부(3) 사이에 배열된다. 보유 부재(10)는 전단(6)에 배열되는 전방 측부(11)를 포함한다. 전방 측부(11)에 대향하는 측부에 후방 측부(12)가 배열된다(도 2에서만 볼 수 있음). 보유 부재(10)는 상측부(13) 및 하측부(14)를 갖는다. 상측부(13)는 하측부(14)에 대향하게 배열된다. 상측부(13)는 도 2에 도시된 바와 같이 터빈 블레이드 근부(3)의 하측부에 대해 지지된다. 이 경우 전방 측부(11)와 전단(6)은 동일 평면에 있다. 보유 부재(10)의 하측부(14)는 회전축(5)의 방향을 향한다.

보유 부재는 본 발명의 제1 변경예에 따라 원주방향(16)으로 세장형 디자인으로 되어 있는 돌출부(15)를 상측부(13)에 갖는다. 돌출부(15)는 직사각형 단면으로 되어 있다. 돌출부(15)는 상측부(13) 전체에 걸쳐 형성되며 그리고 터빈 블레이드 근부(3)의 오목부(17) 내로 연장된다. 이 경우 오목부(17)는 돌출부(15)에 대해 상보적인 디자인으로 되어 있다. 이는 오목부(17)도 또한 세장형 디자인 및 직사각형 단면으로 되어 있다는 것을 의미한다.

돌출부가 오목부(17) 내에 배열되는 경우, 보유 부재는 더 이상 축방향(7)으로 변위될 수가 없기 때문에, 축방향(7)으로의 보유 부재(10)의 변위가 방지된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 포스 스프링(18)이 그 내부에 배열되는 공간이 하측부(14)와 로터(2) 사이에 배열된다. 포스 스프링(18)은 로터(2)로부터 보유 부재(10)로 그리고 그후 최종적으로 터빈 블레이드 근부(3)로의 힘을 초래한다. 상기 힘은 보유 부재(10)가 오목부(17)에서 이탈되는 것을 방지한다. 추가적인 고정을 위해, 고정 장치(8)는 로터 오목부(20)와 제2 오목부(21) 내에 결합되는 판(19)을 가지며, 그런 판(19)의 축방향(7)으로의 변위는 방지된다. 제2 오목부(21)는 보유 부재(10)에 배열된다. 이 경우 판(19)은 측면에서 가압된다. 판(19)은 원주방향(16)을 향하는 방식으로 형성된다.

도 2는 보유 부재(10) 및 전체 고정 장치(8)의 상기 제1 변경예의 단면도이다. 도 3 및 도 4는 보유 부재의 제1 변경예에 따른 보유 부재(10)의 사시도이다. 도 5는 원주방향(16)으로 형성되는 판(19)을 도시한다. 판은 제2 오목부(21) 내로 연장되는 판 상측부(22)를 갖는다. 판 하측부(23)는 로터 오목부(20) 내로 연장된다.

도 6 내지 도 9는 고정 장치(8)의 제2 변경예를 도시한다.

제1 변경예의 고정 장치(8)와 제2 변경예에 따른 고정 장치(8)의 차이점은 돌출부(15)가 세장형 디자인이 아니라 원통(24)으로 형성되며 그리고 터빈 블레이드 근부(3)의 맹공(25) 내로 연장된다는 점이다. 이 경우, 원통(24)은 도 1에 따른 돌출부(15)와 유사한 동작 모드를 갖는데, 즉 축방향(7)으로의 변위가 방지된다.

도 7 및 도 8은 변경예 2에 따른 보유 부재(10)의 사시도이다.

도 9는 변경예 2를 위해 설계된 판(19)을 도시하며, 변경예 1과 변경예 3에 따른 판(19)은 동일하다.

판(19)은 원주방향(16)으로 둘러싸는 방식으로 배열되며 그리고 이 경우에는 세그먼트화된 방식으로 형성된다. 이는 판(19)이 개별 세그먼트로 구성되어 있다는 것을 의미한다. 판(19)은 로터 오목부(20)와 제2 오목부 내에 형상 끼워맞춤 방식으로 배열된다. 판(19)은 둘러싸고 있는 홈의 밀링가공된 개구를 통해 원주방향 위치에 삽입되어 그 최종 위치까지 밀어 넣어지며, 그리고 마지막 세그먼트의 삽입 후에, 세그먼트들은 점 용접에 의해 구획부에서 서로 접합된다. 포스 스프링(18)은 터빈 블레이드가 예컨대, 운송 중에 정지 상태로 로터(2)에 대해 지지되는 것을 보장하는 기능을 한다. 포스 스프링(18)은 예컨대 디스크 스프링으로 설계된다. 그러나, 포스 스프링(18)은 또한 클램핑 부재로 설계될 수 있다.

도 10 내지 도 13은 고정 장치(8)의 제3 변경예를 도시한다. 제3 변경예는 보유 부재(10)와 포스 스프링(18)이 축방향(7)으로 서로 옆에 배열되는 것을 특징으로 한다. 이는 포스 스프링(18)이 로터(2)에 직접 그리고 터빈 블레이드 근부(3)에 직접 배열되며 그리고 힘이 로터(2)로부터 터빈 블레이드 근부(3)로 직접 전달된다는 것을 의미한다. 보유 부재(10)는 축방향(7)으로 포스 스프링(18) 옆에 배열된다. 보유 부재(10)는 마찬가지로 돌출부(15) 및 제2 오목부(21)를 갖는다. 제1 변경예에 따르면, 돌출부(15)는 세장형 디자인으로 되어 있을 수도 있다. 또한, 제2 변경예에 따르면, 돌출부(15)는 원통으로 형성될 수도 있다. 도 10은 제3 변경예에 따른 고정 장치(8)의 단면도이다. 도 11 및 도 12는 보유 부재(10)의 사시도이다. 도 13은 판(19)의 사시도이다.

도 14 및 도 15는 고정 장치(8)의 제4 변경예를 도시한다. 제4 변경예에 따른 고정 장치(8)는 보유 부재(10)가 이제는 터빈 블레이드 근부(3)의 전단(6)으로부터 터빈 블레이드 근부의 후단까지 형성되는 것을 특징으로 한다. 이는 보유 부재(10)가 전단(6)으로부터 후단까지 전체적으로 배열된다는 것을 의미한다. 보유 부재(10)는 마찬가지로 오목부(17) 내에 결합되는 돌출부(15)를 갖는다. 또한, 마찬가지로 제2 오목부(21)와 로터 오목부(20) 내에 결합되는 판(19)이 마련된다. 포스 스프링(18)이 마찬가지로 보유 부재(10)와 로터(2) 사이에 배열된다.

본 발명은 바람직한 예시적인 실시예로 보다 구체적으로 예시되고 상세히 개시되어 있지만, 본 발명은 개시된 예에 제한되지 않으며, 다른 변경예가 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 본 명세서로부터 안출될 수 있다.

Claims (18)

1. 로터(2)이며,
   적어도 하나의 터빈 블레이드, 및
   터빈 블레이드를 축방향으로 그리고 반경방향으로 고정하기 위한 고정 장치(1)를 포함하고,
   로터(2)는 블레이드 홈(4)을 포함하며 그리고
   터빈 블레이드는 터빈 블레이드 근부(3)를 포함하고,
   터빈 블레이드 근부(3)는 블레이드 홈(4)에 맞춰지고,
   고정 장치(1)는 블레이드 홈(4)과 터빈 블레이드 근부(3) 사이에 배열되는 보유 부재(10)를 갖고,
   보유 부재(10)는 터빈 블레이드 근부(3)를 향하는 표면을 갖고,
   상기 표면은 터빈 블레이드 근부(3)에 대해 지지되고,
   보유 부재(10)는 터빈 블레이드 근부(3)의 오목부(17) 내에 배열되는 돌출부(15)를 상기 표면에 가지며, 돌출부(15)는 축방향(7)으로의 보유 부재(10)의 변위가 방지되는 방식으로 오목부(17) 내에 결합되고,
   고정 장치(1)는 로터(2)로부터 반경방향으로 작용하는 힘을 터빈 블레이드에 인가하는 포스 스프링(18)을 갖는, 로터에 있어서,
   고정 장치(1)는 보유 부재(10)의 제2 오목부(21)와 로터 오목부(20) 내에 배열되는 판(19)을 가지며,
   판(19)은 축방향(7)으로의 판(19)의 변위가 방지되는 방식으로 제2 오목부(21)와 로터 오목부(20) 내에 결합되는 것을 특징으로 하는, 로터(2).
2. 제1항에 있어서, 포스 스프링은 별개의 구성요소로 설계되는, 로터(2).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 오목부(17)는 돌출부(15)에 대해 상보적인 디자인으로 되어 있는, 로터(2).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 돌출부는 직사각형 단면으로 되어 있는, 로터(2).
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 포스 스프링(18)은 블레이드 홈(4)와 보유 부재(10) 사이에 배열되는, 로터(2).
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 포스 스프링(18)은 블레이드 홈(4)와 블레이드 근부(3) 사이에서 보유 부재(10) 옆에 배열되는, 로터(2).
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 블레이드 근부(3)는 축방향(7)에서 볼 때 배열되어 있는 전단(6), 및 축방향(7)에서 볼 때 전단(6)에 대향하게 배열된 후단을 가지며,
   보유 부재(10)는 전단(6)으로부터 후단까지 연장되는, 로터(2).
8. 제1항에 있어서, 제1 고정 판이 전단(6)에 배열되고 그리고 제2 고정 판이 후단에 배열되는, 로터(2).
9. 제1항에 있어서, 제1 포스 스프링(18)이 전단(6)에 배열되고 그리고 제2 포스 스프링이 후단에 배열되는, 로터(2).
10. 제1항, 제2항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 돌출부(15)는 로터(2)의 회전축(5)에 대해 배향되는 원주방향으로 세장형 디자인으로 되어 있는, 로터(2).
11. 제1항, 제2항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 로터 오목부(20)와 제2 오목부(21)는 반경방향으로 중첩 배열되는, 로터(2).
12. 제1항, 제2항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 장치(1)는 로터(2)의 장치 오목부 내에 배열되는, 로터(2).
13. 제1항, 제2항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 포스 스프링(18)은 디스크 스프링으로 설계되는, 로터(2).
14. 제1항, 제2항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 보유 부재(10)는 터빈 블레이드 근부(3)의 부품인, 로터(2).
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