KR20000047689A - 반경방향 진동 감쇠 댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 댐퍼의 형상을 블레이드와 블레이드를 지지하는 디스크를 누르는 적어도 두 개의 레그를 갖도록 하여, 댐퍼를 통해 반경방향으로 전달된 반경방향 진동을 그라운딩하고 또한 댐퍼의 무게중심을 블레이드와의 접촉점으로부터 오프셋시킴으로써 반경방향으로 자극된 진동을 감쇠시키는 터빈 로터의 블레이드용 댐퍼를 제공한다.

Description

반경방향 진동 감쇠 댐퍼{OFFSET CENTER OF GRAVITY RADIAL DAMPER}

본 발명은 회전하는 기계류용 댐퍼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로켓 엔진용 터보-펌프의 블레이드나 또는 가스 터빈 엔진의 터빈 블레이드용 댐퍼에 관한 것으로, 상기 댐퍼는 무게중심이 접촉점으로부터 오프셋되도록 형성되어 마찰 저항이 생성되어 블레이드와 그라운드 사이에서 반경방향으로 발생하는 진동을 감쇠하도록 작용한다.

항공 기술 분야의 숙련자들은, 특히 로켓 엔진용 터보-펌프의 터빈 로터내의 블레이드 또는 제트 엔진의 터빈 블레이드에 대해 댐퍼를 제공하는 것이 통상적임을 인식할 것이다. 이러한 댐퍼는 당해 하드웨어가 겪는 열악한 환경에 의해 발생된 심한 진동을 줄이는 작용을 한다. 통상적으로, 보다 통상적인 댐핑 방법중 하나는 댐퍼를 블레이드간에 댐핑을 제공하도록 하는 것이다. 그러나, 블레이드 대 블레이드 댐퍼가 갖는 문제점은, 댐핑이 소수의 특정 모드의 진동 운동에 대해서만 조절할 수 있고 다른 모드의 진동 운동은 감쇠시키지 못한다는 것이다. 블레이드 대 블레이드 댐퍼에서는 블레이드간에 마찰 저항이 발생되지만, 본 발명에 따른 댐퍼 유형에서는 마찰 저항이, 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 블레이드와 그라운드 사이에 발생된다. 항공 분야에서 사용되는 다른 댐퍼는 블레이드와 블레이드를 지지하는 디스크 사이에 마찰 저항을 발생시키도록 작용하는 댐퍼로서, 상기 디스크는 본질적으로 댐퍼를 지지하는 블레이드이다. 이러한 유형의 댐퍼에 있어서, 댐핑이 블레이드와 시스템내에서 그라운드된 하드웨어 사이에 발생한다. 통상적으로 이러한 댐핑 방법은 주로 축방향 및 원주방향으로 발생하는 진동과 관련된다.

블레이드 대 블레이드 댐핑의 예가 1989년 10월 10일자로 브라운 등에 허여되어 유나이티드 테크놀로지스사에 양도된 발명의 명칭이 "Turbine Rotor Retention System"인 미국 특허 제 4,872,810 호에 개시되어 있다. 블레이드와 댐핑을 그라운드하는 디스크 또는 블레이드 사이에 발생된 댐핑의 예가 1993년 4월 27일자로 스푸나(Szpunar) 등에 허여된 발명의 명칭이 "Fan Blade Damper"인 미국 특허 제 5,205,713 호에 개시되어 있는 바, 상기 특허는 블레이드의 플랫폼에 대해 반응되어 정적 결정 형태(statically determinant fashion)로 댐퍼가 장착되는 터빈 디스크에 전달되는 댐퍼를 개시하고 있다. 다른 유형의 댐퍼에 있어서, 무게 중심이 접촉점으로부터 오프셋되어 있으며, 이러한 유형의 댐퍼는 1991년 10월 1일자로 로버트에 허여된 발명의 명칭이 "Device For Damping Vibration in Turbo machinery Blade"인 미국 특허 제 5,052,890 호에 개시되어 있다. 상기 모든 특허는 블레이드 대 블레이드 또는 블레이드 대 디스크에서의 진동 운동에 반응하는 유형으로서, 댐퍼가 블레이드의 플랫폼에 작용하여 반응이 디스크내에서 일어날 수 있으며 이러한 모든 시스템에 있어서 댐핑은 원주방향 및/또는 축방향으로 일어날 수 있다.

본 발명에 의해 해결될 필요가 있는 문제는, 시스템의 개개의 부품에 대한 주기적이며 댐핑될 필요가 있는 로드의 많은 소스가 있는 로켓 엔진의 터보 펌프 또는 가스 터빈 엔진 펌프의 터빈내에 발생되는, 반경방향으로의 진동 운동이 있다는 것이다. 회전하는 터빈 블레이드는 요동하는 로드에 의해 야기되는 진동적 자극을 받는다. 이들 진동적 자극은 블레이드에 정적 응력 및 동적 응력을 야기하며, 이것은 블레이드의 피로 파손 및 궁극적으로는 완전한 파손을 유발할 수 있다. 댐퍼는 블레이드와 댐퍼의 운동중 마찰을 발생시키는 작용을 하며, 이 마찰은 열을 일으켜서 진동에 의해 발생된 에너지를 소산시킴으로써 그 결과 주기적 응력을 감소시킨다.

즉, 본 발명에 따르면, 댐핑이 진동 자극동안 반경방향으로의 운동의 크기를 줄이므로 회전하는 기계류의 설계자들은 높은 사이클 피로를 방지하는데 본 댐핑 기술을 이용한다.

두 개의 인접한 블레이드 또는 블레이드와 디스크에 대해 하드웨어의 질량체 또는 작은 조각을 제공하고, 회전하는 기계류의 원심력을 이용하여 블레이드/블레이드 또는 블레이드/디스크의 작동 표면에 대해 하드웨어를 가압하는 것이 일반적이다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 당업자라 함)가 아는 바와 같이, 이러한 유형의 블레이드/블레이드 또는 블레이드/디스크 댐퍼는 원주방향 및/또는 축방향의 진동을 줄이는데 효과적이다. 그러나, 바로 위 구문에서 언급된 댐퍼의 유형은 반경방향으로 감쇠시키지 않으므로 반경방향 부하에 부수하여 일어나는 진동 운동은 줄어들지 않는다.

로켓 엔진에 사용되는 연료 펌프의 시험 테스트에 있어서, 지금까지 알려진 유형의 댐퍼 즉, 블레이드 대 블레이드 댐퍼를 사용하는 경우 터빈 블레이드의 크랙킹 및 궁극적인 파손이 일어남이 판명되었다.

반경방향 운동에 저항하여 블에이드 대 블레이드 댐핑이외의 블레이드 대 그라운드 댐핑을 달성하는 댐퍼를 제공함으로써, 상기 문제점을 줄일 수 있음을 발견하였다. 댐퍼는 주변 하드웨어에 형성된 반경방향 리세스 또는 슬롯내에 결합되기에 적합한 적절한 기하학적 형상인 작은 질량 또는 금속 하드웨어이며, 댐퍼의 무게 중심이 인접한 부품과 접촉하는 부분(블레이드 또는 블레이드 플랫폼)에 대해 오프셋된다. 회전하는 기계류의 빠른 회전속도 동안, 본 발명의 댐퍼는 반경방향 외측으로 힘을 받아 터빈 블레이드를 가압한다. 슬롯내의 측벽에 대해 야기된 반응력은 반경방향으로 발생하는 진동을 줄이는 작용을 한다. 이러한 본 발명의 댐퍼는 반경방향으로의 진동 운동을 댐핑하는데 유용하지만, 다른 방향으로의 진동 운동을 처리하는 다른 댐퍼의 사용을 배제하는 것은 아니다.

본 발명의 목적은 반경방향으로 발생하는 진동을 줄이는 개선된 댐퍼를 제공하는 것으로, 상기 댐퍼는 블레이드로부터 그라운드로 부하를 전달하도록 형성된다.

본 발명의 특징은 댐퍼가 구조체의 공동내에 자유롭게 결합되며 블레이드와 블레이드를 지지하는 디스크의 플랫폼 사이에서 작용하도록 배향된다는 것이다.

본 발명의 특징은 2스테이지 터빈 로터를 지지하는 디스크내에 장착된 인접한 블레이드의 인접한 플랫폼 사이에 댐퍼를 포함하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 2스테이지 로터의 터빈 블레이를 지지하는 디스크내에 형성된 전나무 슬롯을 제공하여 블레이드중 하나와 디스크에 지지된 내측 스테이지 블레이드 스페이서 사이에 자유롭게 이동하는 댐퍼를 삽입하는 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 명백하게 될 것이다.

도 1은 로켓 엔진용 터보 펌프의 2-스테이지 터빈 블레이드를 도시하는 부분 입면도,

도 2는 통상적인 원주방향 및 축방향 댐퍼, 인터스테이지 블레이드 스페이서 및 2-스테이지 터빈 로터의 디스크내에 장착된 본 발명의 댐퍼를 도시하는 부분 사시도,

도 3은 디스크내에 장착된 본 발명의 댐퍼를 도시하는 부분 단면도,

도 4는 댐퍼, 블레이드 및 디스크에 작용하는 힘을 개략적으로 나타내는 도 3의 부분도.

도면의 주요 부분에 대한 설명

10: 터빈 섹션 14, 16: 터빈 블레이드

18: 터빈 디스크 22: 인터스테이지 스페이서

24: 원주방향 스페이서 36: 댐퍼

42: 플랫폼 44: 슬롯

46: 레그 CG: 무게중심

본 발명의 양호한 실시예는 로켓 엔진용 터보 펌프내의 2 스테이지 터빈 로터에 대해 기술되었지만, 본 발명은 예를 들면 터빈의 압축기 블레이드/디스크 및/또는 가스 터빈 엔진의 압축기 로터내의 다른 유형의 회전 기계류에 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 이러한 회전 기계류의 회전 하드웨어상에 가해지는 반경방향 부하를 감쇠할 것이 요구되는 회전 기계류에 특히 유용함을 이해할 것이다.

본 발명의 이해를 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명이 특히 유용한 로켓 엔진(도시안됨)용 터보 펌프내의 터빈 섹션(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 터빈 섹션은 터빈 디스크(18)에 지지된 원주방향으로 이격된 다수 쌍의 터빈 블레이드(14, 16)를 포함하는 2 스테이지 터빈으로 이루어진다. 작동 매체는 먼저 언주방향으로 이격된 다수 쌍의 스테이터 베인(20) 사이의 공간을 통해 터빈 블레이드(14) 사이로 흐르며, 그 뒤 터빈 블레이드(16) 사이로 흐른다. 이들 터빈 블레이드는 축방향 흐름 유형으로, 고온의 작동 매체를 수용하여 그로부터 에너지를 추출하여 펌프(도시안됨)를 구동한다. 인터스테이지 스페이서(22)가 터빈 블레이드(14, 16) 사이에 배치된다. 인터스테이지 스페이서(22)는 디스크(18)에 장착되어 그에 의해 지지되는 다수의 원주방향 스페이서(24)로부터 형성된 세그먼트형 링을 포함하고, 각각의 스페이서는 블레이드(14, 16) 사이에서 연장한다. 스페이서 세그먼트는 축방향으로 이격된 다수의 뾰족한 돌기(25)를 포함하는데, 이 돌기(25)는 이러한 유형의 회전 기계류에 통상적으로 사용되는 고온 가스를 밀봉하는 작용을 하는 래버린스 실(labyrinth seal)의 일부를 형성한다. 디스크(18)는 축방향으로 이격된 다수의 쌍이 원주방향으로 이격된 전나무형 슬롯(26, 28)을 포함한다. 스페이서(24)는 슬롯(26, 28)의 단부에 인접한 디스크의 측벽을 지지하는 단부 플랜지(30, 32)를 포함하여, 블레이드가 보유되어 우연히 슬롯으로부터 축방향으로 미끄러져 나가지 않도록 한다. 플랜지(30)는 댐퍼(34, 36)를 수용하는 다수의 리세스를 갖도록 형성된다. 댐퍼(34)는 축방향 및 원주방향으로 발생하는 진동을 감쇠시키는 작용을 하는 주지된 유형의 것이며 이들은 본 발명의 일부를 구성하지 않는다. 본 발명은 특히 반경방향으로 발생하는 진동을 감쇠시키는 문제에 관한 것으로, 특히 상기 문제를 해결한 해결책에 관한 것으로 이는 댐퍼의 독특한 디자인과 적절한 삽입이다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 플랜지(30)내에 형성된 리세스(38)는 블레이드 루트(root)(40)와 플랫폼(42)에 인접하며, 플랫폼(42)의 일부가 리세스(38)를 연장하여 중첩된다. 이후에 보다 상세히 기재하는 바와 같이, 댐퍼(36)는 리세스 또는 포켓(38)내에 위치된다. 도 3의 부분도인 도 4를 참조하면, 댐퍼(36) 중 하나만이 도시되어 있다. 도 3과 같이, 도 4는 도 1의 4-4선을 따라 취한 단면도이며 댐퍼(36)가 반경방향 슬롯(44)내로 결합되어 블레이드(4)의 플랫폼(42) 밑에 놓이며 플랫폼(42)의 하측을 지지하는 작동 상태하에 있음을 도시하고 있다. 댐퍼(36)는 또한 인터스테이지 블레이드 스페이서(22)의 반경방향 슬롯(44)내에 형성된 레그(46)를 지지한다. 댐퍼(36)는 슬롯(44)내에 이동이 자유롭게 결합되며 플랫폼(42)의 하측 및 레그(46)의 측면을 또한 인터스테이지 블레이드 스페이서(22)내에 형성된 반경방향 슬롯(44)의 측벽 표면을 지지하는 비교적 구근상의 표면(50)을 갖는 대체로 Y자형이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 터빈 로터의 회전동안, 댐퍼(36)는 원심 부하에 의해, 상방으로 힘을 받아 도면에 도시된 바와 같이 표면을 지지 및 가압한다.

댐퍼(36)는 그 무게중심(CG)이 접촉점(A)으로부터 오프셋되도록 기하학적 형상을 갖는다. 참조부호(μF1, μF2)로 표시된 댐퍼(36)에 대해 작용하는 반경방향 힘의 결과, 댐퍼(36)가 회전하여 참조부호(F1, F2)로 표시된 힘을 발생시킨다. 도시된 바와 같은 레그(46)가 주변 하드웨어내로 가공된 반경방향 슬롯(44)내에 설치될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 반경방향 슬롯(44)은, 이것이 블레이드(14)의 플랫폼(42) 밑에 놓이는 한, 블레이드 부착부의 전방 또는 후방에 형성될 수 있다. 댐퍼(36)의 회전은 레그(46)에 의해 억제되어 댐퍼와 슬롯 사이의 접촉점에 접선방향의 부하를 발생시킨다. 블레이드(14)가 반경방향으로 이동하도록 하기 위해, 댐퍼는 접선방향 부하로부터 발생된 마찰에 대해 작동하면서 미끄럼운동하여야 한다. 블레이드(14)의 반경방향 운동동안의 이러한 마찰 비빔(frictional scrubbing)은 블레이드의 요동 운동으로부터의 에너지의 많은 양을 열 에너지로 전환하며, 이러한 열 에너지는 냉각된 터보 펌프의 고온의 가스상 작동 매체에 노출된 로터의 가열된 부분을 유지하는데 통상적으로 사용되는 유체를 통과시킴으로써 제거된다. 이러한 운동 에너지의 열 에너지로의 전환 결과, 터빈 블레이드의 운동의 진폭이 보다 작아지며 그 결과 주기적 응력이 보다 작아진다.

본 명세서에 기재된 이러한 구조체의 실제 실험적 테스트에 있어서, 본 발명을 적용한 연료 펌프에서는, 본 발명의 댐퍼를 사용하지 않은 경우 발생된 터빈 블레이드의 크래킹 및 이들의 궁극적 파손이 발생되지 않았다. 본 발명은 회전하는 기계류의 내구성을 향상시켰으며, 조립 및 분해가 용이하고 전체 터보 펌프 구조에 댐퍼이외의 다른 부가적 부품을 요구하지 않는 비교적 저가의 구성요소를 필요로한다.

본 발명이 상세한 실시예에 관하여 도시되고 기술되었지만, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 특허청구범위의 사상 및 범위로부터 일탈됨없이 다양한 변경 및 변형이 행해질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (9)

1. 터빈 로터의 블레이드에 발생되기 쉬운 반경방향 진동을 감쇠시키기 위한 댐퍼에 있어서,

   상기 댐퍼는 대체적으로 Y자형인 부재이며, 상기 터빈은 디스크와, 상기 디스크내에 지지된 원주방향으로 이격된 다수의 블레이드를 구비하며, 상기 댐퍼는 상기 디스크 부근에 형성된 반경방향 슬롯내에 이동이 자유롭게 장착되며, 상기 대체적으로 Y자형인 부재의 일 부분은 상기 블레이드를 지지하며, 상기 Y자형 부재의 한 레그는 상기 반경방향 슬롯을 형성하는 벽을 지지하며, 상기 부분은 상기 로터가 회전할 때 상기 디스크에 인접한 상기 블레이드를 반경방향으로 지지하며, 이에 의해 상기 블레이드를 자극하는 반경방향으로의 진동이 상기 댐퍼를 통해 상기 디스크로 전달되어 상기 Y자형 부재의 한 레그 사이에 마찰을 일으켜 상기 진동을 감쇠시키는

   댐퍼.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 블레이드는 상기 블레이드로부터 측방향으로 연장하는 플랫폼을 포함하며, 상기 Y자형 부재의 부분은 상기 플랫폼의 밑면을 반경방향으로 지지하는

   댐퍼.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 댐퍼는 금속재로 제조되는

   댐퍼.
4. 제 3 항에 있어서,

   블레이드 스페이서를 더 포함하며, 상기 블레이드 스페이서는 상기 플랫폼과 상기 디스크 사이에 규정된 공간내에 배치되며, 상기 블레이드 스페이서는 상기 플랫폼 아래에 있으며 그로부터 이격된 반경방향으로 연장하는 레그를 포함하며, 상기 댐퍼는 상기 슬롯에 인접한 상시 블레이드 스페이서내에 형성된 슬롯내에 배치되며, 이에 의해 상기 댐퍼는 상기 플랫폼을 반경방향으로 지지하며, 상기 레그를 접선방향으로 지지하며 또한 상기 슬롯의 벽을 접선방향으로 지지하는

   댐퍼.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 댐퍼는 상기 슬롯내에서 회전이 자유로운

   댐퍼.
6. 2-스테이지 터빈에 관련된 댐퍼에 있어서,

   상기 2-스테이지 댐퍼는 디스크와, 상기 디스크내에 장착된 원주방향으로 이격된 제 1 열의 블레이드와, 상기 디스크내에 장착되며 상기 제 1 열의 블레이드로부터 축방향으로 이격된, 원주방향으로 이격된 제 2 열의 블레이드와, 상기 제 1 열의 블레이드와 상기 제 2 열의 블레이드 사이에 상기 디스크내에 장착되어 인접한 상기 제 1 열의 블레이드와 상기 디스크 사이에 공간을 제공하는 스페이서와, 상기 각각의 블레이드상의 플랫폼 및 상기 공간에 걸쳐 연장하는 상기 제 1 열의 블레이드내의 적어도 하나의 플랫폼과, 상기 스페이서로부터 상기 플랫폼을 향해 연장하며 상기 플랫폼으로부터 이격된 레그를 포함하며, 상기 댐퍼는 상기 레그에 인접한 상기 스페이서내에 형성된 슬롯내에 배치되고 상기 플랫폼 밑에 놓이며, 상기 댐퍼는 대체적으로 Y형상을 가지며 상기 디스크가 회전할 때 그 일부분이 상기 플랫폼을 반경방향으로 지지하며, 상기 댐퍼의 무게중심이 상기 Y형 부재의 부분이 상기 플랫폼을 지지하는 접합부로부터 이격되며, 상기 댐퍼의 일 레그는 상기 슬롯을 형성하는 벽을 접선방향으로 지지하며 상기 댐퍼는 상기 블레이드가 받는 진동에 의해 반경방향으로 자극될 때 회전하는 경향이 있으며, 이에 의해 상기 댐퍼는 상기 슬롯내에서 회전하여 상기 댐퍼와 상기 슬롯의 벽 사이에 마찰을 일으킴으로써 상기 진동에 의해 발생된 에너지를 소산시키는

   댐퍼.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 Y자형 댐퍼의 다른 부분은 상기 레그를 접선방향으로 지지하는

   댐퍼.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 스페이서내에 장착되어 또한 상기 플랫폼을 지지하며, 상기 Y자형 부재로부터 원주방향으로 이격되어 상기 블레이드의 진동이 원주방향 및 축방향으로 발생할 때 그에 의해 생성된 에너지를 소산시키는

   댐퍼.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 Y자형 댐퍼는 금속재로 제조되는

   댐퍼.