KR20170035334A - 가스 터빈 베인 - Google Patents

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KR20170035334A
KR20170035334A KR1020160120537A KR20160120537A KR20170035334A KR 20170035334 A KR20170035334 A KR 20170035334A KR 1020160120537 A KR1020160120537 A KR 1020160120537A KR 20160120537 A KR20160120537 A KR 20160120537A KR 20170035334 A KR20170035334 A KR 20170035334A
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KR1020160120537A
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마르크 비드메르
헤르베르트 브란들
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안살도 에네르기아 스위질랜드 아게
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Abstract

본 발명은 일반적으로 가스 터빈을 위한 가이드 베인에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 베인 플랫폼 및 베인 캐리어 사이의 계면에서 응력 감소를 유도하는 개선된 가요성을 갖는 혁신적인 가이드 베인을 제공한다. 본 발명에 따라서, 가이드 베인 및 가이드 베인 캐리어 사이에 단지 원주방향 라인 접촉 또는 점 접촉을 제공하는 새로운 개념이 개발되었다.

Description

가스 터빈 베인{GAS TURBINE VANE}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈을 위한 가이드 베인에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 베인 플랫폼 및 베인 캐리어 사이의 계면에서 응력 감소를 유도하는 개선된 가요성을 갖는 혁신적인 가이드 베인을 제공한다.
널리 공지된 바와 같이, 가스 터빈용 표준 구성은 위에 설치된 블레이드들에 의해서 안내된 회전 샤프트를 둘러싸는 베인 캐리어 또는 외부 케이싱에 견고하게 연결된 복수의 베인들을 포함한다. 특히, 각각의 베인은 교대로 외부 케이싱 안으로 보유되는 베인 플랫폼에 연결되는 에어포일을 포함한다. 고온 연소 가스들이 회전 샤프트를 구동시키기 위하여 케이싱을 통과할 때, 베인들은 고온을 경험한다.
일반적으로, 베인은 외팔보 방식으로 외경에 있는 외부 케이싱에 또는 내경에 있는 외부에 고정될 수 있다(후자 디자인은 록킹 베인으로서 공지되어 있다).
도 1에 있어서, 종래 기술에 따른 외팔보 디자인에서 고정자 베인(100)이 개략적으로 도시되어 있고, 상기 베인(100)은 베인 캐리어(105)에 교대로 설치된 선단 에지 후크(102) 및 후미 에지 후크(101)를 포함하는 베인 플랫폼(104)에 설치된 에어포일(103)을 포함한다. 축방향 및 원주방향 고정구는 선단 또는 후미 에지 후크(102,101) 상에서 작동할 수 있다.
다음 도 2에 있어서, 종래 기술에 따른 "록킹 베인" 구성에서 고정자 베인(200)이 도시되어 있다. 이 경우에, 베인(200)은 베인 캐리어 수용 부분(205) 안으로 끼워진 외부 단일 후크(201)를 포함하는 베인 플랫폼(204) 상에 설치된 에어포일(203)을 포함한다. 후크(201)는 외부 축방향, 원주방향 및 방사방향 지지를 제공하고 축방향, 방사방향 및 원주방향 베인 부하를 베인 캐리어(205) 안으로 병진이동시킨다.
추가로, 베인(200)은 내부 축방향 지지를 제공하는 내부 구조 구성요소(208)에 의해서 내경(202)에서 축방향으로 지지된다. 구성요소(202)는 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이 베인 캐리어(205) 안으로 끼워진다. 베인(200)은 에어포일(203)에 인가된 축방향 가스 부하에 의해서 외부 및 내부 축방향 베인 캐리어 지지부(205,208)를 향하여 눌러진다.
변이 모드에서 가스 터빈 엔진의 구조 부분의 상이한 열팽창으로 인하여, 베인(200)의 외부 및 내부 축방향 베인 캐리어 지지부(205,208)는 서로에 대해서 축방향으로 변화된다.
이는 베인(200)이 도 3에 도시된 베인 캐리어(205)에 대해서 기울어지게 한다. 또한, 베인 자체의 열적 응력으로 인하여, 후크(201)는 임의의 방향으로 굽혀질 수 있다.
일반적으로, 종래 기술의 교시에 따라서, 베인(200)은 외측부 상의 원통형 공간 및 내측부 상의 평면을 갖는 원주방향 후크(201)를 제공한다. 베인 캐리어(205)에 있는 수용 홈은 도 4에 도시된 바와 같이, 외측부에서 표면 접촉(206) 및 내측부에서 축방향 선 접촉(207)을 생성하는 외부 및 내부 원통형 표면을 제공한다. 베인 캐리어(205)의 수용 홈 내에서 원주방향으로 후크(201)의 원하지 않는 기울어짐을 방지하기 위하여, 베인 후크(201) 및 베인 캐리어(205) 사이의 틈새는 통상적으로 가능하게 작게 유지된다.
특히, 록킹 타입의 베인들에 대해서는, 종래 기술의 여러 단점들이 있다.
먼저, 후크의 열적 변형(예를 들어, 굽혀짐)으로 인해 베인은 홈 내부에 끼워질 수 있다. 이는 베인 또는 캐리어 안으로 큰 힘을 도입하고, 이는 결과적으로 수명을 감소시킨다.
이러한 문제에 대한 가능한 부분 해결방안은 틈새를 증가시키는 것일 수 있지만, 이는 원주방향으로의 베인의 상당한 기울어짐을 허용할 수 있다. 더우기, 베인은 축방향 선 접촉 및 표면 접촉이 가능하지 않은 상대적인 외부 및 내부 지지 이동들을 보상하기 위하여 후크를 약 몇도(최대 +/-5°) 만큼 자유 회전시킬 것이다.
본 발명의 목적은 실질적으로 독립 청구항 1에 규정된 가스 터빈 가이드 베인을 제공함으로써 상술한 기술적 문제들을 해결하는 것이다.
더우기, 본 발명은 또한 실질적으로 독립 청구항 8에 규정된 가이드 베인 캐리어를 제공하는 것이다.
양호한 실시예들은 대응 종속 청구항에 규정되어 있다.
단지 예시적이고 비제한적 목적을 위하여 하기 상세한 설명에 기술될 양호한 실시예에 따라서, 본 해결방안은 베인 플랫폼 및 상기 베인 플랫폼에 연결된 베인 에어포일을 포함하는 가스 터빈용 가이드 베인을 제공하고, 상기 베인 플랫폼은 상기 가스 터빈의 원주 방향으로 연장되고 가이드 베인 캐리어 홈에 수용되도록 구성되는 세장형 후크를 포함하고, 상기 가이드 베인은 상기 세장형 후크의 외측부의 원위 단부들에 위치하고 상기 가이드 베인 캐리어 홈에 접대하도록 배열된 제 1 돌출 패드 및 제 2 돌출 패드를 추가로 포함하고, 상기 돌출 패드들은 둥근 형상을 가진다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 가이드 베인은 상기 세장형 후크의 내측부의 원위 단부들에 위치하고 상기 가이드 베인 캐리어에 대해서 접대하도록 배열된 제 3 돌출 패드 및 제 4 돌출 패드를 추가로 포함하고, 상기 내측부는 상기 세장형 후크의 상기 외측부 반대편에 있다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 제 3 돌출 패드 및 상기 제 4 돌출 패드는 실질적인 평탄 형상을 가진다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 제 1 돌출 패드 및 상기 제 2 돌출 패드는 상기 세장형 후크의 전체 원주방향 길이의 5% 내지 25% 범위에서 선택되는 길이(L)에 대해서 상기 세장형 후크의 원주방향을 따라 각각 연장된다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 길이(L)는 상기 세장형 후크의 전체 원주방향 길이의 10% 내지 15% 하위 범위에서 선택된다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 길이(L)는 상기 세장형 후크의 전체 원주방향 길이의 12.5%이다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 세장형 후크는 상기 외측부 상에 위치한 슬롯을 포함하고, 상기 슬롯은 방사상 로킹 핀을 수용하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양호한 형태에 따라서, 가스 터빈의 원주방향으로 연장되고 가이드 베인의 베인 플랫폼의 대응 세장형 후크를 수용하도록 구성된 홈을 포함하는 가스 터빈용 가이드 베인 캐리어가 제공되고, 상기 홈은 각각의 원위 단부들에 있는 상부 내부면 상에 위치한 제 1 접촉 부분 및 제 2 접촉 부분을 포함하고, 상기 상부 내부면은 상기 세장형 후크의 외측부 반대편에 있고, 상기 제 1 접촉 부분 및 상기 제 2 접촉 부분은 축방향을 따른 단면에서 실질적인 평탄면을 가진다.
본 발명의 양호한 형태에 따라서, 상기 가이드 베인은 하부 원위 단부들에 있는 하부 내부면 상에 위치한 제 3 접촉 부분 및 제 4 접촉 부분을 추가로 포함하고, 상기 하부 원위 단부들은 상기 상부 원위 단부들 반대편에 있고 상기 하부 내부면은 상기 세장형 후크의 내측부 반대편에 있고, 상기 제 3 접촉 부분 및 상기 제 4 접촉 부분은 실질적인 둥근면을 가진다.
그러므로, 가이드 베인 및 가이드 베인 캐리어 사이에 단지 원주방향 라인 접촉 또는 점 접촉을 제공하는 새로운 개념이 개발되었다.
상기 후크는 끼임없이 후크의 굽혀짐을 가능하게 하는 중간 부분에서 캐리어 홈보다 얇게 설계된다. 상기 후크의 원주방향 단부들에서, 패드들은 캐리어와의 지역적 접촉을 제공하기 위하여 내측부 및 외측부 상에 위치한다.
외부 패드들은 축방향으로 둥근 형상을 가지며 역시 엔진 중심 주위에 회전 대칭된다. 이는 외부 패드들 및 외부면의 선형 접촉을 제공한다.
내부 패드들은 평탄하고 캐리어 홈 내부면에 접선방향이다. 그러나, 캐리어 홈 내부면은 축방향으로 둥글게 성형된다. 이는 축방향 및 원주 방향으로 접선방향의 교차점에서 내부 패드 및 캐리어의 점 접촉을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따라서, 상기 가이드 베인은 후크 주위에서 기울어져서 접촉 위치에서 제한된 틈새를 가지고 후크의 원주방향 단부들에서 규정된 접촉을 유지하도록 허용된다. 이러한 제한된 틈새는 원주방향으로 베인의 기울기를 최소화하도록 요구된다.
상기 캐리어에서 베인의 원주방향 로킹을 위하여, 방사상 핀은 후크의 중심에 있는 슬롯과 결합된다. 통상적으로, 상기 핀은 임의의 축방향 또는 방사상 부하를 지탱하지 않고 단지 원주방향 부하를 캐리어에 전달한다.
본 발명의 상술한 목적 및 부수적인 장점은 첨부된 도면을 연계하여 하기 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1 내지 도 4는 종래 기술에 따른 대응 가이드 베인 캐리어에 끼워진 다른 종류의 가이드 베인을 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 가이드 베인의 후크 요소의 사시도를 도시한다.
도 7 및 도 8은 가스 터빈의 축방향과 직각인 평면을 따라 가이드 베인 캐리어 안으로 삽입된 가이드 베인의 단면을 도시한다.
도 9는 가이드 베인 캐리어 안으로 삽입될 때의 본 발명에 따른 후크 요소의 상세사항을 도시한다.
도 5에 있어서, 본 발명에 따른 가스 터빈용 가이드 베인(1)이 도시되어 있다. 가이드 베인(1)은 에어포일(3)이 연결되는, 도면부호 "2"로 표시된 베인 플랫폼을 포함한다. 베인 플랫폼(2)은 가스 터빈의 원주방향(C)을 따라 연장되는 세장형 후크(4)를 포함한다. 베인 플랫폼(2)은 세장형 후크(4)를 수용하도록 구성된 원주방향 홈을 구비한 가이드 베인 캐리어(미도시) 안으로 수용되도록 구성된다. 복수의 가이드 베인(1)은 그 다음 방사 방향(R)을 따라서 복수의 에어포일(3)을 배치하고 가스 터빈의 가이드 베인 스테이지를 구성하기 위하여, 원주방향(C)을 따라서 베인 캐리어 홈 안으로 연속으로 삽입된다. 복수의 스테이지들은 그 다음 도면에서 축(A)에 의해서 표시된 가스 터빈의 축방향을 따라서 형성된다.
세장형 후크(4)는 세장형 후크(4)의 외측부(41)의 각각의 원위 단부들(411,412)에 위치하는 제 1 돌출 패드(42) 및 제 2 돌출 패드(43)를 추가로 포함한다. 본 발명의 일 형태에 따라서, 돌출 패드들(42,43)은 실질적인 둥근 형상을 가진다.
양호한 실시예에 따라서, 돌출 패드들(42,43)의 둥근 형상은 약 40mm의 곡률 반경을 가진다.
다음 도 6을 참조하면, 상이한 각도에서 세장형 후크(4)를 도시하고, 외측부(41)에 반대편에 있는 세장형 후크의 내측부(44)를 도시한다. 특히, 세장형 후크(4)는 세장형 후크(4)의 내측부(44)에 위치하고 베인 캐리어 홈(미도시)을 향하여 접대하도록 배열되는 제 3 돌출 패드(45) 및 제 4 돌출 패드(46)를 포함한다. 돌출 패드들(45,46)은 내측부(44)의 각각의 원위 단부들(441,442)에 위치한다. 돌출 패드들(45,46)은 실질적인 평탄 형상을 가지며 기하학적으로 평행육면체의 형성과 연계되어 있다.
도 7에 있어서, 가이드 베인 캐리어 홈(5) 안으로 삽입된 원주방향(C)을 따라 연장되는, 세장형 후크(4)의 방사상 평면을 따른 섹션이 도시되어 있다. 도면에서, 세장형 후크(4)의 외측부(41)는 홈(5)의 상부 내부면(51)을 향하고, 세장형 후크(4)의 내측부(44)는 홈(5)의 하부 내부면(56)을 향하는 것이 도시되어 있다.
캐리어 홈(5)은 상부 내부면(51)의 각각의 원위 단부들(511,512) 상에 위치한 제 1 접촉 부분(52) 및 제 2 접촉 부분(53)을 포함한다. 접촉 부분(52,53)은 세장형 후크(4)의 돌출 패드들(42,43)를 향하여 각각 접대한다.
유사하게, 캐리어 홈(5)은 하부 내부면(56)의 각각의 원위 단부들(561,562) 상에 위치하는 제 3 접촉 부분(54) 및 제 4 접촉 부분(55)을 포함한다. 캐리어 홈의 접촉 부분(54,55)은 각각 돌출 패드들(45,46)을 향하여 접대한다.
다음 도 8에 있어서, 아직 가이드 베인 캐리어 홈(5) 안으로 삽입된 세장형 후크(4)가 도시되어 있다. 양호한 기하학적 형태에 따른, 돌출 패드들(42,43)은 세장형 후크(4)의 전체 원주방향 길이(H)의 5% 내지 25% 범위에서 선택되는 길이(L)에 대한 원주방향(C)으로 각각 연장된다. 더욱 양호하게는, 길이(L)는 세장형 후크(4)의 전체 길이(H)의 10% 내지 15% 하위 범위 중에서 선택된다. 더욱 양호하게는, 길이(L)는 실질적으로 전체 길이(H)의 12.5%와 동일하다.
아직 도 8에 있어서, 세장형 후크(4)는 방사상 핀(60)을 수용하도록 구성되는 외측부(41) 상에 위치한 슬롯(48)을 포함한다. 방사상 핀(60)은 그 다음 캐리어 홈(5)의 상부 내부면에 위치한 대응 슬롯 안으로 삽입된다. 핀(60)은 베인 플랫폼이 캐리어 홈(5)을 따라서 원주방향으로 활주하는 것을 방지할 때 로킹 기능을 가진다.
마지막 도 9를 참조할 때, 캐리어 홈(5) 안으로 삽입된 세장형 후크(4)의 측방향 섹션이 도시되어 있다. 특히, 도면은 접촉 부분(52)을 향하여 접대하는 둥근 돌출 패드(42) 및 접촉 부분(54)을 향하여 접대하는 평탄한 돌출 패드(46)를 도시한다.
유리하게는, 홈(5) 및 후크(4) 사이의 선형 원주방향 접촉을 이루기 위하여, 상부 내부면(51) 상에 위치하고 둥근 패드(42)와 접촉하는 접촉 부분(52)은 축방향을 따라 단면도에서 실질적인 평탄면을 가진다. 더욱 특히, 접촉 부분(52)과 대응하는 홈의 곡률 반경은 축방향을 따라 일정하다.
더우기, 평탄 돌출 패드(46)와 접촉하고 하부 내부면(56) 상에 위치한 접촉 부분(54)은 실질적인 둥근 표면을 가진다.
동일 기하학적 형태는 돌출 패드들(43,46)(도 9에서 도시되지 않음)에 대해서 각각 접대하는 접촉면(53,55)에 대해서 적용된다.
본 발명은 양호한 실시예들과 연계하여 충분히 기술되었지만, 본 발명의 범주 내에서 변형이 도입될 수 있고, 본원은 상기 실시예들이 아닌 하기 청구범위의 내용에 의해서 제한된다는 것은 자명한 사실이다.

Claims (11)

  1. 베인 플랫폼(2) 및 상기 베인 플랫폼(2)에 연결된 베인 에어포일(3)을 포함하는 가스 터빈용 가이드 베인(1)으로서, 상기 베인 플랫폼(2)은 상기 가스 터빈의 원주 방향으로 연장되고 가이드 베인 캐리어 홈(5)에 수용되도록 구성되는 세장형 후크(4)를 포함하고, 상기 가이드 베인(1)은 상기 세장형 후크(4)의 외측부(41)의 원위 단부들(411,412)에 위치하고 상기 가이드 베인 캐리어 홈(5)에 접대하도록 배열된 제 1 돌출 패드(42) 및 제 2 돌출 패드(43)를 추가로 포함하는, 상기 가이드 베인(1)에 있어서,
    상기 돌출 패드들(42,43)은 둥근 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 가이드 베인(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세장형 후크(4)의 내측부(44)의 원위 단부들(441,442)에 위치하고 상기 가이드 베인 캐리어 홈(5)에 대해서 접대하도록 배열된 제 3 돌출 패드(45) 및 제 4 돌출 패드(46)를 추가로 포함하고, 상기 내측부(44)는 상기 세장형 후크(4)의 상기 외측부(41) 반대편에 있는, 가이드 베인(1).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 돌출 패드(45) 및 상기 제 4 돌출 패드(46)는 실질적인 평탄 형상을 갖는, 가이드 베인(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돌출 패드(42) 및 상기 제 2 돌출 패드(43)는 상기 세장형 후크(4)의 전체 원주방향 길이의 5% 내지 25% 범위에서 선택되는 길이(L)에 대해서 상기 세장형 후크(4)의 원주방향을 따라 각각 연장되는, 가이드 베인(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 길이(L)는 상기 세장형 후크(4)의 전체 원주방향 길이의 10% 내지 15% 하위 범위에서 선택되는, 가이드 베인(1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 길이(L)는 상기 세장형 후크(4)의 전체 원주방향 길이의 12.5%인, 가이드 베인(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장형 후크(4)는 상기 외측부(41) 상에 위치한 슬롯(48)을 포함하고, 상기 슬롯(48)은 방사상 로킹 핀(60)을 수용하도록 구성되는, 가이드 베인(1).
  8. 가스 터빈의 원주방향으로 연장되고 가이드 베인(1)의 베인 플랫폼(2)의 대응 세장형 후크(4)를 수용하도록 구성된 홈(5)을 포함하는, 가스 터빈용 가이드 베인 캐리어(11)로서, 상기 홈(5)은 각각의 상부 원위 단부들(511,512)에 있는 상부 내부면(51) 상에 위치한 제 1 접촉 부분(52) 및 제 2 접촉 부분(53)을 포함하고, 상기 상부 내부면(51)은 상기 세장형 후크(4)의 외측부(41) 반대편에 있는, 상기 가이드 베인 캐리어(11)에 있어서,
    상기 제 1 접촉 부분(52) 및 상기 제 2 접촉 부분(53)은 실질적인 평탄면을 갖는 것을 특징으로 하는 가이드 베인 캐리어(11).
  9. 제 8 항에 있어서,
    하부 원위 단부들(513,514)에 있는 하부 내부면(56) 상에 위치한 제 3 접촉 부분(54) 및 제 4 접촉 부분(55)을 추가로 포함하고, 상기 하부 원위 단부들(513,514)은 상기 상부 원위 단부들(511,512) 반대편에 있고 상기 하부 내부면(56)은 상기 세장형 후크(4)의 내측부(44) 반대편에 있고,
    상기 제 3 접촉 부분(54) 및 상기 제 4 접촉 부분(55)은 실질적인 둥근면을 갖는 것을 특징으로 하는 가이드 베인 캐리어(11).
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 따른 가이드 베인 캐리어(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 가이드 베인(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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