KR20170085127A

KR20170085127A - 베인을 포함하는 터보 기계 및 그러한 터보 기계를 조립하는 방법

Info

Publication number: KR20170085127A
Application number: KR1020177016917A
Authority: KR
Inventors: 토마스 윌리엄 반데푸트
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-07-21
Also published as: US9995166B2; KR102429194B1; EP3221564B1; JP2017535719A; JP6843046B2; RU2700807C2; WO2016081107A1; RU2017116634A; RU2017116634A3; US20160146038A1; EP3221564A1

Abstract

터보 기계용 베인은 압력 표면 및 압력 표면에 대향하는 흡입 표면을 포함한다. 압력 표면과 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정한다. 베인은 또한 제1 단부를 포함한다. 제1 단부는 원위 부분, 근위 부분, 압력 표면 제1 부분, 및 흡입 표면 제1 부분을 포함한다. 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 폭이 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가된다.

Description

베인을 포함하는 터보 기계 및 그러한 터보 기계를 조립하는 방법{TURBOMACHINE INCLUDING A VANE AND METHOD OF ASSEMBLING SUCH TURBOMACHINE}

본 개시의 분야는 전반적으로 터보 기계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파워 터빈의 제1 스테이지에 가변적인 기하 형태 베인을 포함하는 터보 기계 및 가변적인 기하 형태 베인을 포함하는 터보 기계를 조립하는 방법에 관한 것이다.

적어도 몇몇의 공지된 터보 기계는, 연소기, 연소기의 상류측에 연결된 압축기, 터빈, 및 압축기와 터빈 사이에 회전 가능하게 연결된 로터 조립체를 포함하는 터빈 엔진이다. 몇몇의 공지된 로터 조립체는 로터 샤프트, 및 터빈 입구와 터빈 출구 사이에 가스 유동로가 형성되도록 로터 샤프트에 연결되는 복수 개의 터빈 블레이드 조립체를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드 조립체는 로터 디스크로부터 외측을 향해 연장되는 복수 개의 원주 방향으로 이격된 터빈 블레이드를 포함한다.

적어도 몇몇의 공지된 터빈 엔진은 인접한 터빈 블레이드 조립체들 사이에서 배향된 복수 개의 고정식 베인 조립체를 포함한다. 각각의 베인 조립체는 터빈 케이싱으로부터 로터 조립체를 향해 연장되는 복수 개의 원주 방향으로 이격된 베인을 포함한다. 각각의 베인은 연소 가스를 인접한 터빈 블레이드를 향해 전달하여 터빈 블레이드를 회전시키도록 배향된다. 연소 가스가 베인에 충돌할 때에, 연소 가스 유동 에너지의 적어도 일부가 베인에 전달된다. 이 유동 에너지의 손실은 로터 조립체를 회전시키고 유효 일을 생성하는 데에 이용 가능한 연소 가스 유동 에너지를 감소시키고, 이에 따라 터빈의 작동 효율을 떨어뜨린다.

몇몇의 공지된 고정식 베인 조립체는 로터 조립체를 향해 유동하는 연소 가스의 단면적의 조절을 용이하게 하는 가변적인 기하 형태 베인 조립체이다. 각각의 가변적인 기하 형태 베인 조립체는 조절 가능한 복수 개의 원주 방향으로 이격된 가변적인 기하 형태 베인들을 포함한다. 한가지 유형의 가변적인 기하 형태 베인은 가변적인 기하 형태 베인을 통해 연장되는 피봇 축선을 중심으로 피봇한다. 피봇을 용이하게 하기 위해, 가변적인 기하 형태 베인은 가변적인 기하 형태 베인의 각 단부에 여유 공간을 두고 터빈 케이싱과 로터 조립체에 피봇 가능하게 연결된다. 연소 가스가 가변적인 기하 형태 베인에 충돌할 때에, 연소 가스의 적어도 일부는 가변적인 기하 형태 베인의 단부 위에서 유동하고 이 여유 공간을 통과한다. 단부 위에서의 유동은 베인에 전달되는 연소 가스 유동 에너지의 양을 증가시킨다. 추가적으로, 여유 공간을 통과하는 유동은 팁 와류 및 혼합 손실을 발생시킨다. 팁 와류 및 혼합 손실은 터빈의 작동 효율을 감소시킨다.

일 양태에서, 터보 기계용 베인이 제공된다. 베인은 압력 표면 및 압력 표면에 대향하는 흡입 표면을 포함한다. 압력 표면과 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정한다. 베인은 또한 제1 단부를 포함한다. 제1 단부는 원위 부분, 근위 부분, 압력 표면 제1 부분, 및 흡입 표면 제1 부분을 포함한다. 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 폭이 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가된다.

다른 양태에서, 터보 기계가 제공된다. 터보 기계는 적어도 하나의 회전 가능한 요소 및 적어도 하나의 회전 가능한 요소 둘레에서 적어도 부분적으로 원주 방향으로 연장되는 케이싱을 포함한다. 케이싱은 유동로를 적어도 부분적으로 획정한다. 터보 기계는 또한 유동로를 가로질러 연장되는 베인을 포함한다. 베인은 압력 표면 및 압력 표면에 대향하는 흡입 표면을 포함한다. 압력 표면과 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정한다. 베인은 또한 원위 부분, 근위 부분, 압력 표면 제1 부분, 및 흡입 표면 제1 부분을 포함하는 제1 단부를 포함한다. 원위 부분은 케이싱으로부터 떨어져 있도록 케이싱에 연결된다. 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 폭이 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가된다.

다른 양태에서, 터보 기계를 조립하는 방법이 제공된다. 방법은 회전 가능한 요소를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제1 케이싱 부재를 제2 케이싱 부재에 연결하는 단계를 포함한다. 제1 케이싱 부재와 제2 케이싱 부재는 유동로를 적어도 부분적으로 획정한다. 방법은 또한 플레어형 베인을 형성하는 단계를 포함한다. 플레어형 베인은 압력 표면 및 압력 표면에 대향하는 흡입 표면을 포함한다. 압력 표면과 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정한다. 플레어형 베인은 또한 근위 부분, 압력 표면 제1 부분, 제1 원위 표면을 갖는 원위 부분, 및 흡입 표면 제1 부분을 포함하는 제1 단부를 포함한다. 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 압력 표면 제1 부분과 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 폭이 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가된다. 방법은 제1 원위 표면이 제1 케이싱 부재로부터 떨어져 있고 베인이 베인을 통과하는 피봇 축선을 중심으로 피봇하도록 제1 단부를 제1 케이싱 부재에 피봇 가능하게 연결하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 이러한 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태 및 장점은, 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호가 동일한 부분을 나타내는 것인 첨부 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명을 읽을 때 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 예시적인 터보 기계의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 터보 기계에 사용될 수 있는 예시적인 가변적인 기하 형태 베인 조립체의 일부의 단면도이다.
도 3은 대안의 예시적인 가변적인 기하 형태 베인의 사시도이다.
도 4는 선 4-4를 따라 취한 도 3에 도시된 가변적인 기하 형태 베인의 단면도이다.
달리 나타내지 않는다면, 본 명세서에 제공된 도면은 본 개시의 실시예의 특징부를 예시하도록 의도된다. 이들 특징부는 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 광범위한 시스템에 적용될 수 있는 것으로 보인다. 따라서, 도면은 본 명세서에 개시된 실시예의 실행에 요구될 당업자에 의해 공지된 종래의 모든 특징을 포함하도록 의도되지 않는다.

아래의 명세서 및 청구범위에서, 아래의 의미를 갖도록 정의되는 다수의 용어를 참조할 것이다.

단일 형태는 문맥에서 명백하게 달리 지적되지 않는 한 복수의 언급을 포함한다.

"선택적" 또는 "선택적으로"는, 그 다음에 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생하지 않을 수 있고, 설명은 이벤트가 발생하는 상황과 이벤트가 발생하지 않는 상황을 포함한다.

본 명세서와 청구범위 전반에 걸쳐 사용되는 근사 표현들은 관련된 기본적인 기능에서의 변화를 초래하는 일 없이 허용 가능하게 변형될 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하도록 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략", 및 "실질적으로" 등의 용어나 용어들에 의해 수정되는 값은 특정된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 몇몇 상황에서, 근사 표현은 값을 측정하는 기구의 정밀도에 대응할 수 있다. 여기서 그리고 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐서, 범위 제한은 결합 및/또는 상호 교환될 수 있고, 그러한 범위는 확인되며 문맥 또는 표현이 달리 나타내지 않는다면 그 안에 포함되는 하위 범위들을 모두 포함한다.

본 명세서에 설명되는 예시적인 방법 및 시스템은, 가변적인 기하 형태 베인의 제1 단부와 터보 기계 케이싱 사이의 여유 공간을 통과하는 연소 가스의 유동을 감소시키는 가변적인 기하 형태 베인을 제공함으로써 공지된 터보 기계의 적어도 몇몇의 단점을 극복한다. 보다 구체적으로, 본 명세서에 설명되는 실시예는 사이에 폭을 획정하는 압력 표면과 흡입 표면을 갖는 적어도 하나의 가변적인 기하 형태 베인을 포함하는 터보 기계를 제공한다. 폭은 제1 단부에서 최대 폭으로 증가된다. 제1 단부의 최대 폭으로 인해, 가변적인 기하 형태 베인은 제1 단부 위에서 유동하고 제1 단부와 터보 기계 케이싱 사이의 여유 공간을 통과하는 연소 가스의 양을 감소시킨다. 추가적으로, 제1 단부의 최대 폭은 연소 가스 경로의 중앙을 향해 유동을 방향 전환시켜 터보 기계의 일 추출을 증가시킨다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "상류"라는 용어는 가스 터빈 엔진의 전방 또는 유입 단부를 지칭하고, "하류"라는 용어는 가스 터빈 엔진의 후방 또는 노즐 단부를 지칭한다.

도 1은 예시적인 터보 기계의 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 터보 기계는 가스 터빈 엔진(10)이다. 대안으로, 터보 기계는, 제한 없이, 증기 터빈 엔진, 원심 압축기, 및 터보차저를 비롯하여 임의의 다른 터빈 엔진 및/또는 회전 기계이다. 예시적인 실시예에서, 터빈 엔진(10)은, 흡기 섹션(12), 흡기 섹션(12)의 하류에 연결된 압축기 섹션(14), 압축기 섹션(14)의 하류에 연결된 연소기 섹션(16), 연소기 섹션(14)의 하류에 연결된 터빈 섹션(18), 및 배기 섹션(20)을 포함한다. 터빈 섹션(18)은 압축기 섹션(14)에 그리고 제한하지 않지만, 발전기 및 기계적 구동 장치 용례와 같은 부하(도시 생략)에 회전 가능하게 연결된다.

작동 시에, 제1 흡기 섹션(12)은 공기를 압축기 섹션(14)을 향해 보낸다. 압축기 섹션(14)은 공기를 보다 높은 압력 및 온도로 압축하고 압축된 공기를 연소기 시스템(16) 및 터빈 섹션(18)으로 방출한다. 연소기 시스템(16)은 압축기 섹션(14)에 연결되고 압축기 섹션(14)으로부터 압축된 공기의 적어도 일부를 받아들인다. 예시적인 실시예에서, 연소기 시스템(16)은 연료를 압축된 공기와 혼합시키고 점화시켜 터빈 섹션(18)로 유동하는 연소 가스를 발생시킨다. 연소 가스는 터빈 섹션(18)로 보내지고, 가스 스트림의 열 에너지는 터빈 섹션(18)이 압축기 섹션(14) 및/또는 부하(도시 생략)를 구동시킬 수 있도록 기계적 회전 에너지로 변환된다. 최종적으로, 터빈 섹션(18)은 배기 가스를 배기 섹션(20)으로 보내고 배기 가스를 주위 분위기로 방출한다.

예시적인 실시예에서, 터빈 섹션(18)은 유체 입구(26)와 유체 출구(28) 사이에서 연장되는 케이싱(24)을 포함하는 터빈 조립체(22)를 포함한다. 케이싱(24)은 유체 입구(26)와 유체 출구(28) 사이에서 연장되는 캐비티(32)를 획정하는 내표면(30)을 포함한다. 터빈 조립체(22)는 또한 중앙 축선(A-A)을 따라 연장되고 로터 샤프트(38)를 통해 압축기 섹션(14)에 연결되는 로터 조립체(34)를 포함한다. 변형예에서, 터빈 엔진(10)은 제2 샤프트(도시 생략)를 통해 압축기 섹션(14)에 연결되는 고압 터빈 조립체(도시 생략)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 로터 조립체(34)는 캐비티(32) 내에 위치 걸정되고 케이싱(24)에 대해 배향되어, 연속 가스 경로(40)가 로터 조립체(34)와 케이싱(24) 사이에 적어도 부분적으로 획정된다. 연속 가스 경로(40)는 유체 입구(26)로부터 유체 출구(28)로 연장된다.

로터 조립체(34)는 로터 샤프트(38)에 연결되는 복수 개의 터빈 블레이드 조립체를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드 조립체(42)는 로터 샤프트(38)로부터 반경 방향으로 외측을 향해 연장되고 중앙 축선(A-A)을 중심으로 회전하는 복수 개의 터빈 블레이드(44)를 포함한다. 각각의 터빈 블레이드(44)는 연소 가스 경로(40)의 일부를 통해 적어도 부분적으로 연장된다. 작동 시에, 연소 가스 경로(40)는 터빈 블레이드(44)와 접촉함으로써, 터빈 블레이드 조립체(42)가 회전하게 한다.

가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)는 가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)가 로터 샤프트(38)를 둘러싸도록 케이싱 내표면(30)에 연결된다. 가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)는 연소 가스를 터빈 블레이드 조립체(42)를 향해 보내도록 위치 설정되어 연소 가스가 터빈 블레이드 조립체(42)를 회전시킨다. 가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)는 연소 가스 경로(40)의 단면적의 조절을 용이하게 하여 작동 조건이 변화할 때에 터빈 엔진(10)의 최적의 종횡비를 유지한다.

도 2는 가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)의 일부의 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)는 복수 개의 베인(50)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 베인(50)은 연소 가스 경로(40)의 단면적을 조절하도록 각각 위치 설정 가능한 가변적인 기하 형태 베인(56)이다. 변형예에서, 모든 베인(50)이 위치 설정 가능한 것은 아니다. 예시적인 실시예에서, 각각의 가변적인 기하 형태 베인(56)은 각각의 가변적인 기하 형태 베인(56)을 통해 연장되는 피봇 축선(C-C)을 중심으로 피봇한다. 가변적인 기하 형태 베인(56)은 피봇에 의해 연소 가스 경로(40)의 유효 단면적을 조절한다. 피봇에 의해, 가변적인 기하 형태 베인(56)은 가변적인 기하 형태 베인(56)이 연소 가스의 방향과 관련하여 가변적인 기하 형태 베인(56)이 갖는 각도를 조절한다. 조절된 각도는 가변적인 기하 형태 베인(56)과 다른 표면 사이의 개방 영역, 즉 스로트 영역을 변경시키고, 이는 다시 터빈 엔진(10)의 작동점을 변경시킨다. 변형예에서, 가변적인 기하 형태 베인(56)은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능하기에 적절한 임의의 방식으로 연소 가스 경로(40)의 단면적을 조절한다. 예시적인 실시예에서, 가변적인 기하 형태 베인(56)은 피봇을 용이하게 하도록 각 단부에 여유 공간(58, 60)을 갖는다. 각각의 여유 공간(58, 60)은 베인 높이의 약 0.6% 내지 1.3%인 것이 적절하다. 변형예에서, 각각의 여유 공간(58, 60)은 가변적인 기하 형태 베인(56)이 피봇되게 하기에 충분한 임의의 측정치를 갖는다.

각각의 가변적인 기하 형태 베인(56)은 케이싱(24; 도 1에 도시됨)에 피봇 가능하게 연결되는 제1 원위 표면(52)과, 로터 조립체(34; 도 1에 도시됨)에 피봇 가능하게 연결되는 제2 원위 표면(54)을 포함한다. 제1 원위 표면(52)은 가변적인 기하 형태 베인(56)이 피봇될 때에 제1 원위 표면(52)과 내표면(30; 도 1에 도시됨) 사이의 여유 공간(58)이 일정하게 유지되도록 내표면(30)과 일치하는 윤곽을 갖는다. 유사하게, 제2 원위 표면(54)은 가변적인 기하 형태 베인(56)이 피봇될 때에 제2 원위 표면과 표면(62) 사이의 여유 공간(60)이 일정하게 유지되도록 로터 조립체(34)의 표면(62)과 일치하는 윤곽을 갖는다. 변형예에서, 제1 원위 표면(52)과 제2 원위 표면(54)은 가변적인 기하 형태 베인(56)이 피봇될 때에 여유 공간(58, 60)이 변화하도록 하는 윤곽을 갖는다.

도 3은 예시적인 가변적인 기하 형태 베인(100)의 사시도이다. 도 4는 선 4-4를 따라 취한 가변적인 기하 형태 베인(100)의 단면도이다. 가변적인 기하 형태 베인(100)은, 특히 가변적인 기하 형태 베인(100)이 일측에서만 플레어형이라는 점을 제외하고는 도 1 및 도 2에 도시된 가변적인 기하 형태 베인(56)과 유사하다. 가변적인 기하 형태 베인(100)은 압력 표면(102), 압력 표면(102)에 대향하는 흡입 표면(104), 제1 단부(106), 제2 단부(108), 및 제1 단부(106)아 제2 단부(108) 사이에서 연장되는 중간 부분(110)을 포함한다. 제1 단부(106)는 제1 단부 원위 부분(112), 제1 단부 근위 부분(114), 압력 표면 제1 부분(116), 및 흡입 표면 제1 부분(118)을 포함한다. 제2 단부(108)는 제2 단부 원위 부분(120), 제2 단부 근위 부분(122), 압력 표면 제2 부분(124), 및 흡입 표면 제2 부분(126)을 포함한다. 중간 부분(110)은 압력 표면 중간 부분(128)과 흡입 표면 중간 부분(130)을 포함한다. 중간 부분(110)은 제1 단부 근위 부분(114)과 제2 단부 근위 부분(122)에 연결된다. 예시적인 실시예에서, 제1 단부(106), 제2 단부(108), 및 중간 부분(110)은 일체형으로 형성된다. 변형예에서, 제1 단부(106), 제2 단부(108), 및 중간 부분(110)은 가변적인 기하 형태 베인(100)이 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 방식으로 함께 형성되고 연결된다. 예시적인 실시예에서, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 피봇 축선(C-C)을 중심으로 피봇한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "축방향"은 피봇 축선(C-C)에 평행한 방향을 의미한다.

가변적인 기하 형태 베인(100)은, 제한하지 않지만, 플라스틱, 금속, 및 가요성 또는 유연성 재료를 비롯한 임의의 갯수의 재료로 적절하게 제조된다. 예컨대, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 열가소성 또는 열경화성 플라스틱 재료 및/또는 금속으로부터 부품을 제조하는 데에 사용되는 몰딩, 성형, 압출 및/또는 3차원 인쇄 프로세스에 의해 형성된다. 대안으로, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 가요성 또는 유연성 재료를 강성 재료에 부착시키는 것과 같이 재료들의 조합으로 제조된다. 그러나, 변형예에서, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 가변적인 기하 형태 베인(100)이 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 작동되게 할 수 있는 금속 등의 임의의 적절한 재료로 구성된다.

예시적인 실시예에서, 압력 표면(102) 및 흡입 표면(104)은 그 사이에 베인 폭(131)을 획정한다. 가변적인 기하 형태 베인(100)은 제1 단부(106)와 제2 단부(108)에서 폭이 증가되고, 즉 가변적인 기하 형태 베인(100)은 플레어형 형상을 갖는다. 가변적인 기하 형태 베인(100)의 플레어형 형상은 가변적인 기하 형태 베인(100)이 터빈 조립체(22; 도 1에 도시됨)에 포함될 때에 제1 단부(106)와 제2 단부(108) 위에서 그리고 표면(도시 생략)과 가변적인 기하 형태 베인(100) 사이의 여유 공간을 통해 유동하는 연소 가스의 양을 감소시킨다. 변형예에서, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 일단부에서만 플레어형이다.

예시적인 실시예에서, 압력 표면 제1 부분(116)은 축방향에서 흡입 표면 제1 부분(118)으로부터 멀어지게 경사짐으로써, 베인 폭은 제1 단부 근위 부분(114)에서의 제1 단부 최소 폭(132)으로부터 제1 단부 원위 부분(112)에서의 제1 단부 최대 폭(134)으로 증가된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "경사"라는 의미는 한 표면이 다른 표면에 대해서 각도를 이룬다는 것이며, 즉 표면들이 축방향으로 평행하지 않다는 것이다. 예컨대, 예시적인 실시예에서, 압력 표면 제1 부분(116)은 흡입 표면 제1 부분(118)에 대해 각도를 이룬다. 흡입 표면 제1 부분(118)은 흡입 표면 중간 부분(130)과 실질적으로 동일 평면 상에 있다. 변형예에서, 압력 표면 제1 부분(116)과 흡입 표면 제1 부분(118)은 베인 폭이 증가하도록 서로 멀어지게 경사진다. 대안으로, 흡입 표면 제1 부분(118)이 압력 표면 제1 부분(116)으로부터 멀어지게 경사지고 압력 표면 제1 부분(116)은 압력 표면 중간 부분(128)과 실질적으로 동일 평면 상에 있다.

예시적인 실시예에서, 압력 표면 중간 부분(128)과 흡입 표면 중간 부분은 축방향에서 실질적으로 평행한다. 흡입 표면 제1 부분(118)은 흡입 표면 중간 부분(130)과 동일 평면 상에 있고, 흡입 표면 제1 부분(118)은 또한 축방향에서 압력 표면 중간 부분(128)과 실질적으로 평행한다. 대조적으로, 압력 표면 제1 부분(116)은 압력 표면 중간 부분(128)과 각도(θ)를 형성한다. 하나의 적합한 실시예에서, 각도(θ)는 약 140°내지 약 165°의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 각도(θ)는 약 155°이다. 변형예에서, 압력 표면 제1 부분(116)은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 가변적인 기하 형태 베인(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 각도(θ)를 압력 표면 중간 부분(128)과 형성한다.

예시적인 실시예에서, 축방향에서, 압력 표면 제2 부분(116)은 흡입 표면 제2 부분(118)으로부터 멀어지게 경사짐으로써, 베인 폭은 제2 단부 근위 부분(122)에서의 제2 단부 최소 폭(136)으로부터 제2 단부 원위 부분(120)에서의 제2 단부 최대 폭(138)으로 증가된다. 흡입 표면 제2 부분(126)은 흡입 표면 중간 부분(130)과 동일 평면 상에 있다. 변형예에서, 압력 표면 제2 부분(124)과 흡입 표면 제2 부분(126)은 베인 폭이 증가하도록 서로 멀어지게 경사진다. 대안으로, 흡입 표면 제2 부분(126)이 압력 표면 제2 부분(124)으로부터 멀어지게 경사지고 압력 표면 제2 부분(124)은 압력 표면 중간 부분(128)과 동일 평면 상에 있다.

예시적인 실시예에서, 압력 표면 제2 부분(124)은 압력 표면 중간 부분(128)과 각도(β)를 형성한다. 하나의 적합한 실시예에서, 각도(β)는 약 140°내지 약 165°의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 각도(β)는 약 155°이다. 변형예에서, 압력 표면 제2 부분(124)은 압력 표면 중간 부분(128)과 임의의 각도(β)를 형성한다.

예시적인 실시예에서, 제1 단부 최소 폭(132)은 제2 단부 최소 폭(136)과 대략 동일하고 제1 단부 최대 폭(134)은 제2 단부 최대 폭(138)보다 크다. 변형예에서, 제1 단부 최소 폭(132)은 제2 단부 최소 폭(136)과 동일하지 않고 및/또는 제1 단부 최대 폭(134)은 제2 단부 최대 폭(138)보다 작거나 동일하다. 예시적인 실시예에서, 압력 표면 중간 부분(128)과 흡입 표면 중간 부분(130)은 중간 부분(110) 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 중간 부분 폭(140)을 획정한다. 변형예에서, 중간 부분 폭(140)은 변화한다. 예시적인 실시예에서, 중간 부분 폭(140)은 제1 단부 최소 폭(132)과 제2 단부 최소 폭(136) 각각과 대략 동일하다.

제1 단부 원위 부분(112)은 압력 표면 제1 부분(116)과 압력 표면 제2 부분(124) 사이에서 연장되는 제1 원위 표면(142)을 포함한다. 제1 원위 표면(142)은 압력 표면 제1 부분(116)과 각도(α)를 형성하고 흡입 표면 제1 부분(118)과 90°를 형성한다. 제1 원위 표면(142)은 압력 표면 중간 부분(128)에 실질적으로 수직이고 압력 표면 부분(116)의 기울기는 제1 단부 기단 부분(114)으로부터 제1 단부 원위 부분(112)까지 실질적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 각도(α)의 측정치는 예시적인 실시예에서 각도(θ)에서 90°를 뺀 측정치와 대략 동일하다. 하나의 적합한 실시예에서, 각도(α)는 약 50°내지 약 75°의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 각도(α)는 약 65°이다. 변형예에서, 제1 원위 표면(142)은 압력 표면 제1 부분(116) 및 흡입 표면 제1 부분(118)과 임의의 각도를 형성한다.

예시적인 실시예에서, 제2 단부 원위 부분(120)은 압력 표면 제2 부분(124)과 제1 단부 원위 표면(142)에 대향하는 흡입 표면 제2 부분(126) 사이에 연장되는 제2 원위 표면(144)을 포함한다. 제2 단부 원위 부분(120)은 흡입 표면 제2 부분(126)과 90° 각도를 형성한다. 게다가, 제2 단부 원위 부분(120)은 압력 표면 제2 부분(124)과 각도(ε)를 형성한다.

예시적인 실시예에서, 각도 θ, β, α 및 ε은 가변적인 기하 형태 베인(100)을 따라 변화한다. 구체적으로, 각도 θ, β, α 및 ε은 선단 에지(146)에서 측정된 최소 각도로부터 후단 에지(148)에서 측정된 최대 각도로 증가한다. 따라서, 가변적인 기하 형태 베인(100)의 플레어는 선단 에지(146)로부터 후단 에지(148)로 감소된다. 변형예에서, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능하기에 적절한 임의의 방식으로 일정하게 유지되고 및/또는 변화한다. 예시적인 실시예에서, 압력 표면 제1 부분(116), 압력 표면 중간 부분(128), 및 압력 표면 제2 부분(124)이 후단 에지(148)에서 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 각도 θ 및 β는 대략 180 °로 증가한다.

피봇 축선(C-C)을 가로지르는 방향에서, 압력 표면(102)과 흡입 표면(104)은 서로를 향해 기울어져서 압력 표면(102)과 흡입 표면(104)이 후단 에지(148)에서 만난다. 따라서, 압력 표면(102)과 흡입 표면(104)은 가변적인 기하 형태 베인(100) 위에서 공기 유동을 용이하게 하는 에어포일을 형성하도록 만곡된다. 선단 에지(146)에서 후단 에지(148)로의 플레어의 감소는 압력 표면(102)과 흡입 표면(104) 사이의 감소하는 폭에 비례하며; 그러므로, 후단 에지(148)에 가까운 감소된 플레어는 선단 에지(146)에서의 플레어와 실질적으로 동일한 효과를 갖는다. 변형예에서, 압력 표면(102)과 흡입 표면(104)은 서로를 향해 기울어져 있지 않다.

도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 터빈 엔진(10)을 조립하는 예시적인 방법은 연소 가스 경로(40)가 로터 조립체(34)와 케이싱(24) 사이에 획정되도록 케이싱(24)을 로터 조립체(34)에 연결하는 단계를 포함한다. 연속 가스 경로(40)는 유체 입구(26)와 유체 출구(28) 사이에서 연장된다. 예시적인 방법은 압력 표면(102), 압력 표면(102)에 대향하는 흡입 표면(104), 및 제1 단부(106)를 갖는 가변적인 기하 형태 베인(100)을 형성하는 단계를 더 포함한다. 가변적인 기하 형태 베인(100)은 제1 단부(106)에서 폭이 증가되어 가변적인 기하 형태 베인(100)이 플레어형 형상을 갖는다.

제1 단부(106)는 제1 원위 표면(142)이 케이싱(24)으로부터 떨어져 있도록 케이싱(24)에 피봇 가능하게 연결된다. 게다가, 가변적인 기하 형태 베인(100)은 제2 원위 표면(144)이 로터 조립체(34)로부터 떨어져 있도록 로터 조립체(34)에 피봇 가능하게 연결된다. 제1 원위 표면(142)은 가변적인 기하 형태 베인(100)의 피봇 운동 중에 제1 원위 표면(142)과 케이싱(24) 사이의 여유 공간(58)이 일정하게 유지되도록 케이싱(24)과 정렬된다. 예시적인 방법은 복수 개의 가변적인 기하 형태 베인(100)을 케이싱(24)에 연결하여 가변적인 기하 형태 베인 조립체(48)를 형성하는 단계를 더 포함한다.

전술한 연소기 시스템은, 터보 기계에 베인과 터보 기계 케이싱 사이의 여유 공간을 통과하는 연소 가스의 유동을 감소시키는 가변적인 기하 형태 베인을 제공함으로써 공지된 터빈 엔진의 적어도 몇몇의 단점을 극복한다. 따라서, 연소 가스 경로 내에서 발생되는 유동 손실이 감소되고, 이에 따라 가스 에너지의 손실을 감소시키며 터빈 엔진의 효율을 증가시킨다. 증가된 효율은 연소되는 연료를 최소화시키고 터빈 엔진의 작동 비용을 감소시킨다.

본 명세서에 설명된 방법, 시스템, 및 장치의 예시적인 기술적 효과는, (a) 가변적인 기하 형태 베인의 제1 단부와 터보 기계 케이싱 사이의 여유 공간을 통과하는 연소 가스의 유동을 감소시키는 것; (b) 터보 기계에서 일 추출을 증가시키기 위해 연소 가스 경로의 중앙을 향해 유동을 방향 전환시키는 것; (c) 가변적인 기하 형태 베인에 가해지는 연소 가스 유동 에너지의 양을 감소시키는 것; 및 (d) 팁 와류 및 혼합 손실의 발생을 감소시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.

가변적인 기하 형태 베인을 포함하는 터보 기계 및 터보 기계의 작동 방법의 예시적인 실시예를 상세하게 전술하였다. 방법 및 장치는 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 제한되지 않고, 오히려 시스템의 구성요소들 및/또는 방법의 단계들은 본 명세서에 설명된 다른 구성요소 및/또는 단계와 독립적으로 그리고 별개로 이용될 수 있다. 예컨대, 방법 및 장치는 또한 다른 연소 시스템 및 방법과 조합하여 사용될 수 있고, 본 명세서에 설명된 터빈 엔진만으로 실시하도록 제한되지 않는다. 오히려, 예시적인 실시예는 많은 다른 연소 시스템 용례와 관련하여 구현되고 이용될 수 있다.

본 개시의 다양한 실시예의 특정한 특징부가 몇몇 도면에는 도시되고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이것은 편의를 위한 것일 뿐이다. 더욱이, 상기 설명에서 "일 실시예"라는 언급은 개시된 특징부를 또한 통합하는 추가 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되도록 의도되지 않는다. 본 개시의 원리에 따라, 도면의 임의의 특징부는 임의의 다른 도면의 임의의 특징부와 조합하여 참조 및/또는 주장될 수 있다.

이상 기술된 설명은, 예를 이용하여 최선의 방식을 비롯한 실시예를 개시하고 있으며, 또한 당업자가, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 이용하도록 하는 것 그리고 임의의 통합된 방법을 수행하도록 하는 것을 비롯하여 실시예를 실시할 수 있도록 한다. 본 개시의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 착안 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이들 예에서 본원 청구범위의 문어적 어구와 상이하지 않은 구조 요소가 마련된다면, 또는 이들 예에서 청구범위의 문어적 어구와 미미한 차이를 갖는 등가의 구조 요소가 마련된다면, 본원의 청구범위에 속하도록 의도된다.

Claims

터보 기계용 베인으로서,
압력 표면;
상기 압력 표면에 대향하는 흡입 표면으로서, 상기 압력 표면과 상기 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정하는 것인 흡입 표면; 및
제1 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는,
원위 부분;
근위 부분;
압력 표면 제1 부분; 및
흡입 표면 제1 부분을 포함하며, 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 상기 폭이 상기 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 상기 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가되는 것인 터보 기계용 베인.
제1항에 있어서, 제2 단부를 더 포함하고, 상기 제2 단부는,
원위 부분;
근위 부분;
압력 표면 제2 부분; 및
흡입 표면 제2 부분을 포함하며, 상기 압력 표면 제2 부분과 상기 흡입 표면 제2 부분 중 적어도 하나는 상기 압력 표면 제2 부분과 상기 흡입 표면 제2 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 상기 폭이 상기 제2 단부 근위 부분에서의 제2 단부 최소 폭으로부터 상기 제2 단부 원위 부분에서의 제2 단부 최대 폭으로 증가되는 것인 터보 기계용 베인.
제2항에 있어서, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 연장되는 중간 부분을 더 포함하고, 상기 중간 부분은 상기 제1 단부 근위 부분 및 상기 제2 단부 근위 부분에 연결되는 것인 터보 기계용 베인.
제3항에 있어서, 상기 압력 표면과 상기 흡입 표면은 상기 중간 부분 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 중간 부분 폭을 획정하고, 상기 중간 부분 폭은 상기 제1 단부 최소 폭 및 상기 제2 단부 최소 폭과 동일한 것인 터보 기계용 베인.
제4항에 있어서, 상기 제1 단부 최대 폭은 상기 제2 단부 최대 폭과 동일한 것인 터보 기계용 베인.
제2항에 있어서, 상기 제1 단부 최대 폭은 상기 제2 단부 최대 폭보다 큰 것인 터보 기계용 베인.
제3항에 있어서, 상기 중간 부분은 압력 표면 중간 부분을 포함하고, 상기 압력 표면 제1 부분은 상기 압력 표면 중간 부분과 약 140°내지 약 165°의 각도를 이루는 것인 터보 기계용 베인.
제1항에 있어서, 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 모두가 기울어져 있는 것인 터보 기계용 베인.
제2항에 있어서, 상기 제1 단부 원위 부분과 상기 제2 단부 원위 부분 모두는 터보 기계에 피봇 가능하게 연결되는 것인 터보 기계용 베인.
제9항에 있어서, 상기 제1 단부 원위 부분은 제1 원위 표면을 포함하고, 상기 제1 원위 표면은 터보 기계의 내표면과 일치하는 윤곽을 가짐으로써 상기 베인이 피봇될 때에 상기 제1 원위 표면과 상기 내표면 사이의 여유 공간이 일정하게 유지되는 것인 터보 기계용 베인.
제10항에 있어서, 상기 제2 단부 원위 부분은 제2 원위 표면을 포함하고, 상기 제2 원위 표면은 터보 기계의 제2 내표면과 일치하는 윤곽을 가짐으로써 상기 베인이 피봇될 때에 상기 제2 원위 표면과 상기 제2 내표면 사이의 여유 공간이 일정하게 유지되는 것인 터보 기계용 베인.
터보 기계로서,
적어도 하나의 회전 가능한 요소;
상기 적어도 하나의 회전 가능한 요소 둘레에서 적어도 부분적으로 원주 방향으로 연장되고, 유동로를 적어도 부분적으로 획정하는 케이싱; 및
상기 유동로를 가로질러 연장되는 베인을 포함하고, 상기 베인은,
압력 표면;
상기 압력 표면에 대향하는 흡입 표면으로서, 상기 압력 표면과 상기 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정하는 것인 흡입 표면; 및
제1 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는,
제1 단부 원위 부분이 상기 케이싱으로부터 떨어져 있도록 상기 케이싱에 연결되는 원위 부분;
근위 부분;
압력 표면 제1 부분; 및
흡입 표면 제1 부분을 포함하며, 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 상기 폭이 상기 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 상기 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가되는 것인 터보 기계.
제12항에 있어서, 상기 베인은 제2 단부를 더 포함하고, 상기 제2 단부는,
제2 단부 원위 부분이 상기 케이싱으로부터 떨어져 있도록 상기 케이싱에 연결되는 원위 부분; 및
근위 부분을 포함하는 것인 터보 기계.
제13항에 있어서, 상기 베인은 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 연장되는 중간 부분을 더 포함하고, 상기 중간 부분은 상기 제1 단부 근위 부분 및 상기 제2 단부 근위 부분에 연결되는 것인 터보 기계.
제13항에 있어서, 상기 제2 단부는,
압력 표면 제2 부분; 및
흡입 표면 제2 부분을 더 포함하며, 상기 압력 표면 제2 부분과 상기 흡입 표면 제2 부분 중 적어도 하나는 상기 압력 표면 제2 부분과 상기 흡입 표면 제2 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 상기 폭이 상기 제2 단부 근위 부분에서의 제2 단부 최소 폭으로부터 상기 제2 단부 원위 부분에서의 제2 단부 최대 폭으로 증가되는 것인 터보 기계.
제14항에 있어서, 상기 베인은 상기 제1 단부로부터 상기 베인을 통해 상기 제2 단부로 연장되는 피봇 축선을 중심으로 피봇되는 것인 터보 기계.
제12항에 있어서, 상기 베인은 높이를 갖고, 상기 제1 단부 원위 부분은 상기 높이의 약 0.6% 내지 약 1.3%의 거리만큼 상기 케이싱으로부터 떨어져 있는 것인 터보 기계.
제13항에 있어서, 상기 베인은 높이를 갖고, 상기 제2 단부 원위 부분은 상기 높이의 약 0.6% 내지 약 1.3%의 거리만큼 상기 케이싱으로부터 떨어져 있는 것인 터보 기계.
터보 기계를 조립하는 터보 기계의 조립 방법으로서,
회전 가능한 요소를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제1 케이싱 부재를 제2 케이싱 부재에 연결하는 단계로서, 상기 제1 케이싱 부재와 제2 케이싱 부재는 유동로를 적어도 부분적으로 획정하는 것인 단계;
플레어형 베인을 형성하는 단계로서, 상기 플레어형 베인은,
압력 표면;
상기 압력 표면에 대향하는 흡입 표면으로서, 상기 압력 표면과 상기 흡입 표면은 그 사이에 폭을 획정하는 것인 흡입 표면; 및
제1 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는,
제1 원위 표면을 갖는 원위 부분;
근위 부분;
압력 표면 제1 부분; 및
흡입 표면 제1 부분을 포함하며, 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나는 상기 압력 표면 제1 부분과 상기 흡입 표면 제1 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 상기 폭이 상기 근위 부분에서의 제1 단부 최소 폭으로부터 상기 원위 부분에서의 제1 단부 최대 폭으로 증가되는 것인 단계; 및
제1 원위 표면이 제1 케이싱 부재로부터 떨어져 있고 베인이 베인을 통과하는 피봇 축선을 중심으로 피봇하도록 제1 단부를 제1 케이싱 부재에 피봇 가능하게 연결하는 단계
를 포함하는 터보 기계의 조립 방법.
제19항에 있어서, 상기 플레어형 베인을 형성하는 단계는 제2 단부를 포함하는 플레어형 베인을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 단부는,
제2 원위 표면을 갖는 원위 부분;
근위 부분;
압력 표면 제2 부분; 및
흡입 표면 제2 부분을 포함하며, 상기 압력 표면 제2 부분과 상기 흡입 표면 제2 부분 중 적어도 하나는 상기 압력 표면 제2 부분과 상기 흡입 표면 제2 부분 중 다른 하나로부터 멀어지게 기울어짐으로써, 상기 폭이 상기 제2 단부 근위 부분에서의 제2 단부 최소 폭으로부터 상기 제2 단부 원위 부분에서의 제2 단부 최대 폭으로 증가되는 것인 터보 기계의 조립 방법.
제20항에 있어서,
제2 원위 표면이 제2 케이싱 부재로부터 떨어져 있고 베인이 피봇 축선을 중심으로 피봇하도록 베인을 제2 케이싱 부재에 연결하는 단계
를 더 포함하는 터보 기계의 조립 방법.
제19항에 있어서,
상기 제1 원위 표면과 제1 케이싱 부재 사이의 여유 공간이 베인의 피봇 운동 중에 일정하도록 제1 원위 표면을 제1 케이싱 부재와 정렬시키는 단계
를 더 포함하는 터보 기계의 조립 방법.
제19항에 있어서,
복수 개의 플레어형 베인을 제1 케이싱 부재에 연결하는 단계
를 더 포함하는 터보 기계의 조립 방법.
제19항에 있어서,
상기 압력 표면 제1 부분 및 상기 흡입 표면 제1 부분 중 적어도 하나의 경사 부분이 상기 제1 케이싱 부재와 약 50° 내지 약 75°를 이루도록 상기 제1 단부를 제1 케이싱 부재와 정렬시키는 단계
를 더 포함하는 터보 기계의 조립 방법.