KR100486055B1

KR100486055B1 - 에어포일및고정자날개

Info

Publication number: KR100486055B1
Application number: KR1019970046984A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 피 아네스; 제임스 에스 필립스
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2005-06-16
Also published as: US5716192A; DE69726519D1; EP0829619A1; KR19980024573A; DE69726519T2; JP3997575B2; EP0829619B1; JPH10148104A

Abstract

본 발명의 만곡형 에어포일은 압축 측벽과 흡입 측벽 사이에 배치된 다수의 통로를 포함한다. 압축 측벽과 흡입 측벽은 선단부와 후단부 사이에서 폭방향으로 연장되며, 그리고 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 다수의 통로는 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 말단벽을 각각 구비한 통로 모퉁이는 통로를 연결한다. 각 통로 모퉁이의 말단-벽은 압축 측벽 및 흡입 측벽 중 하나와 함께 예각 코너부를 형성하며, 제 1 필렛이 이 예각 코너부에 배치된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 각 리브 말단은 압축 측벽 및 흡입 측벽중 하나와 함께 제 2 예각 코너부를 형성하며, 제 2 필렛은 제 2 예각 코너부내에 배치된다.

Description

에어포일 및 고정자 날개 {COOLING DUCT TURN GEOMETRY FOR BOWED AIRFOIL}

본 발명은 중공형 에어포일에 관한 것으로, 특히 에어포일 내의 내부 냉각 덕트의 기하학적 구조에 관한 것이다.

대부분의 가스 터빈 에어포일에서 내부 냉각은 필수적이다. 냉각은 일반적으로 에어포일 내에 형성된 사행형 통로에 냉각 공기를 통과시킴으로써 이루어진다. 에어포일 내에서 익장방향(spanwise)으로 연장된 내부 통로들은 180ㅀ의 통로 전환부 또는 폭방향으로 연장된 통로에 의해서, 또는 이들 모두에 의해서 서로 간에 연결된다. 전형적으로는, 내부 통로는 나중에 제거되는 중실의 세라믹 코어를 이용한 주조에 의해 형성된다. 이 세라믹 코어는 압축측 패널과 흡인측 패널을 구비한 분할 다이(split die)를 이용하여 형성된다. "압축측" 및 "흡인측"은 각각 엔진을 통과하는 가스 유동을 향하는 에어포일의 측면과 또 이로부터 먼 에어포일의 측면을 각각 설명하기 위해 사용되는 기술 용어이다. 코어가 응고된 후에, 고형 코어를 해제시키기 위해 "당김선(pull line)"을 따라 반쪽 다이들을 분리한다. 이 "당김선"은 가상선을 언급하는 것으로, 이 가상선을 따라 반쪽 다이가 코어로부터 제거되도록 설계된다.

코어를 제조하는데 사용되는 다이 방법은 내부 통로의 기하학적 구조에 큰 영향을 미친다. 리브 말단부와 통로 전환부의 단부벽을 형성하는 코어의 표면들은 당김선에 실질적으로 평행하게 되도록 설계되어 왔다. 그 이유는 코어의 표면과 다이의 벽을 평행하게 하면 다이의 제거가 용이해지기 때문이다. 이러한 방법의 단점은 평행을 이루도록 설계된 내부 통로의 기하학적 구조가 특히 활모양 에어포일의 경우에 최적이 아닌 유동 특성을 갖는 내부 통로를 형성한다는 것이다.

따라서, 개선된 유동 특성을 갖는 활모양 에어포일의 내부 유동 통로 구조가 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 최적의 유동 특성을 갖는 내부 냉각 통로를 구비하는 에어포일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 에어포일을 균일하게 냉각시키는 것을 돕는 내부 냉각 통로를 구비하는 에어포일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용이하게 제조될 수 있는 개선된 내부 냉각 통로를 갖는 에어포일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 최적의 유동 특성을 갖는 냉각 통로를 제공하며 쉽게 제조될 수 있는 활모양 중공형 에어포일용 코어를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 압축 측벽과 흡인 측벽의 사이에 배치된 복수의 통로를 포함하는 활모양 에어포일이 제공된다. 압축 측벽 및 흡인 측벽은 전연과 후연 사이에서 폭방향으로 연장되고, 또 내측 플랫폼과 외측 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 통로들은 내측 플랫폼과 외측 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 리브 말단부를 각각 구비한 리브는 인접 통로들을 분리한다. 단부벽을 각각 구비한 통로 전환부는 통로들을 연결한다. 각 통로 전환부의 단부벽은 측벽 중의 하나와 함께 예각 코너부를 형성하며, 제1 필렛(fillet)이 예각 코너부 내에 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 리브 말단부는 측벽 중의 하나와 함께 제2 예각 코너부를 형성하며, 제2 필렛이 제2 예각 코너부 내에 배치된다.

본 발명의 이점은 활모양 익장 에어포일의 통로 전환부 내의 정체 유동 영역이 제거된다는 것이다. 측벽과 통로 전환부 및/또는 리브 말단부 사이에 형성된 예각 코너부에 필렛을 제공하면, 단부벽과 리브 말단부가 코어 다이의 당김선과 평행할 경우에 형성되는 예리한 코너부가 제거된다.

본 발명의 추가적인 이점은 코어로부터 반쪽 다이들의 분리가 용이하다는 것이다. 코어의 리브 말단부와 단부벽이 당김선과 실질적으로 평행한 종래 기술의 방법에 있어서는, 코어 다이가 분리되는 동안 코어를 따라 끌리는 것을 방지하기 위하여 약간의 여유각(relief angle)(≤3°)을 포함하는 것이 필요하다. 그 이유는, 코어 다이가 세라믹 코어의 연마 표면을 따라 끌리게 되면, 코어 다이의 표면이 마모되기 때문이다. 반면에, 본 발명은 리브 말단부의 일부분과 통로 전환부 단부벽 사이의 각도를 개방함으로써 분리를 용이하게 한다. 당업자라면 코어 다이가 매우 고가이므로 다이의 마모를 최소화하는 것이 명백하게 이롭다는 것을 인식할 것이다.

본 발명의 이들 목적 및 다른 목적과, 그 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 그것의 최선의 방식의 실시예의 상세한 설명에 비추어 명확해질 것이다.

도1 내지 도4를 참조하면, 고정자 조립체(도시 안됨)는 집합적으로 환형 구조체를 형성하는 복수의 날개 세그먼트(20)를 포함한다. 각 날개 세그먼트(20)는 에어포일(22), 내측 플랫폼(24), 외측 플랫폼(26)을 포함한다. 내측 플랫폼(24)과 외측 플랫폼(26)은 집합적으로 고정자 조립체를 통과하는 가스 경로의 반경방향 경계부를 제공한다. 각 에어포일(22)은 압축 측벽(28) 및 흡인 측벽(30)과, 복수의 통로(32)와, 통로 전환부(34)와, 압축 측벽(28)과 흡인 측벽(30) 사이의 에어포일(22) 내에 배치된 리브(36)를 포함한다. 압축 측벽(28)과 흡인 측벽(30)은 전연(38)과 후연(40) 사이에서 폭방향으로 연장되며, 또 내측 플랫폼(24)과 외측 플랫폼(26) 사이에서 익장방향으로 연장된다. 압축 측벽(28)과 흡인 측벽(30)간의 거리는 에어포일(22)의 두께를 형성한다. 압축 측벽(28)과 흡인 측벽(30)은 활모양으로 형성되거나, 또는 익장방향으로 만곡된다.

압축 측벽(28), 흡인 측벽(30) 및 리브(36)는 통로(32)를 위한 벽을 형성한다. 일부 실시예에 있어서, 전연(38) 및/또는 후연(40)이 또한 통로(32)를 위한 벽을 형성할 수도 있다. 모든 통로(32)는 내측 플랫폼(24)과 외측 플랫폼(26) 사이에서 익장방향으로 연장되므로, 압축 측벽(28) 및 흡인 측벽(30)과 동일한 활모양 경로를 따라 만곡된다. 통로 전환부(34)는 전연(38)으로부터 후연(40)까지 에어포일(22)의 폭을 가로질러 꼬불꼬불하게 휘어지도록 인접 통로(32)들을 연결한다. 전연(38)에 인접한 통로(32)는 전형적으로는 냉각 공기를 받아들이기 위한 입구(42)를 포함하며, 그리고 후연(40)에 인접한 통로(32)는 전형적으로는 냉각 공기를 가스 통로 내로 배출하기 위한 구멍(도시 안함)을 포함한다. 각 통로 전환부(34)는 인접한 통로(32)들 사이에서 폭방향으로 연장된 단부벽(44)을 포함한다. 에어포일(22)의 활모양 익장방향 형상으로 인하여 측벽(28, 30) 중 하나와 단부벽(44)의 사이에 제1 예각 코너부(41)가 형성된다. 제1 필렛(45)이 제1 예각 코너부(41)에 배치된다. 각 리브(36)는 말단 표면(46)을 포함하는데, 이 말단 표면을 통로 전환부(34)에 배치된 "리브 말단부"로도 칭한다. 에어포일(22)의 활모양 익장방향 형상으로 인하여 측벽(28, 30) 중 하나와 리브 말단부(46) 사이에 제2 예각 코너부(43)가 형성된다. 제2 필렛(48)이 제2 예각 코너부(43)에 배치된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및 제2 필렛(45, 48)의 노출된 에지는 실질적으로 측벽(28, 30)에 수직하다.

도6 및 도7을 참조하면, 각 에어포일(22)은 이 에어포일(22) 내의 통로(32)와 동일한 형상의 세라믹 코어(50)를 사용하는 인베스트먼트 주조(investment casting)에 의해서 형성된다. 이 코어(50)의 기하학적 구조는 중공형 에어포일(22) 내에 형성되는 통로(32)의 공동을 형성한다. 도6은 통로(32)의 사행 형상을 도시하는 코어(50)의 폭-익장방향의 입면도를 도시한 것이다. 도7은 통로 전환부(34)의 기하학적 구조를 도시하기 위해, 통로 전환부(34)를 형성하는 코어(50)의 두께-익장방향의 입면도를 도시한 것이다. 통로 전환부(34)의 단부벽(44)을 형성하는 코어(50)의 표면(52)은 제1 필렛(45)을 형성하는 표면(54)을 포함한다. 마찬가지로, 리브 말단부(46)를 형성하는 코어(50)의 표면(58)은 제2 필렛(48)을 형성하는 표면(60)을 포함한다.

본 발명을 보다 잘 이해하기 위해서, 구부러지지 않은 비만곡형 에어포일(22)(도8 내지 도10 참조) 내의 통로 전환부(34)의 단부벽(44)과 리브 말단부(46)를, 크게 구부러진 만곡형 에어포일(22)(도1 내지 도3 참조)의 것들과 비교하기로 한다. 비만곡형 에어포일(22)에 있어서는, 익장방향으로 연장된 통로(32)가 본질적으로 단일 평면 내에 있으며, 이 평면은 당김선(64)에 수직이다. 또한, 비만곡형 에어포일(22) 내의 단부벽(44) 및 리브 말단부(46)는 단부벽(44)과 리브 말단부(46)가 당김선(64)에 평행하므로, 이 평면에 수직을 이룬다. 그 결과, 단부벽(44)과 측벽(28, 30) 사이에, 그리고 리브 말단부(46)와 측벽(28, 30) 사이에 90ㅀ의 각도가 형성된다.

반면에, 만곡형 에어포일(22)에 있어서는, 당김선(64)에 평행하게 유지되는 리브 말단부(46) 및 단부벽(44)은, 통로(32)가 아치 형태의 경로(즉, "활모양")를 따르므로, 통로(32)의 측벽(28, 30)에 대해 기울어진다. 측벽(28, 30)과 단부벽(44)간의 기울어진 관계와, 그리고 측벽(28, 30)과 리브 말단부(46)간의 기울어진 관계는 통로 전환부(34)에 예각 코너부(41, 43)를 형성한다. 이 예각 코너부(41, 43)는 바람직하지 않은 유동 변칙성을 코너부 내에 조장하여 코너부에서의 순환을 감소시키며, 이러한 순환의 감소는 냉각이 최적으로 이루어지지 않도록 한다. 도3 내지 도5에 도시된 점선은 전술한 예각 코너부(41, 43)를 도시한다.

본 발명의 날개 세그먼트(20) 및 코어(50)는 예각 코너부(41, 43) 내에 필렛(45, 48)을 제공함으로써, 통로 전환부(34)에서 문제의 예각 코너부와 그에 따른 "고온점(hot spot)"을 제거한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 필렛(45) 및 제2 필렛(48)은 압축 측벽(28) 및 흡인 측벽(30)에 실질적으로 수직을 이룬다. 즉, 통로(32)를 통한 유동 방향(72)에 실질적으로 수직을 이룬다. 다른 실시예에 있어서, 필렛은 도5에 도시된 바와 같이, 측벽에 대해서 활모양의 형상을 가질 수도 있다.

본 발명이 그의 상세한 실시예에 대해서 도시되고 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 정신과 범위 내에서 본 발명의 형태 및 그 세부 사항에 대한 다양한 변경이 행해질 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명의 에어포일은 개선된 내부 냉각 통로를 구비하므로 최적의 유동 특성을 가지며 그리고 에어포일을 균일하게 냉각시키기에 적합하고 또 용이하게 제조될 수 있다.

도1은 활모양의 익장방향 형상을 갖는 단일의 날개의 개략 사시도.

도2는 도1에 도시된 날개의 개략 단면도.

도3은 도1에 도시된 날개의 개략 단면도.

도4는 도3의 섹션의 확대도.

도5는 도4와 마찬가지로 통로 전환부의 확대도이지만, 활모양의 형상을 갖는 필렛을 도시하는 도면.

도6은 활모양의 익장방향 형상을 갖는 중공 날개용의 주조 코어의 개략도.

도7은 도6에 도시된 코어의 개략 단면도.

도8은 직선형 익장방향 형상을 갖는 단일의 날개의 개략 사시도.

도9는 도8에 도시된 날개의 개략 단면도.

도10은 도8에 도시된 날개의 개략 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 날개 세그먼트 22: 에어포일

24, 26: 플랫폼 28: 압축 측벽

30: 흡인 측벽 38: 전연

40: 후연 45, 48: 필렛

50: 세라믹 코어 64: 당김선

Claims

에어포일에 있어서,

전연과 후연 사이에서 폭방향으로 연장되고, 반경방향 내측 표면과 반경방향 외측 표면 사이에서 익장방향으로 연장되며, 익장방향으로 만곡된 압축 측벽 및 흡인 측벽과,

상기 반경방향 내측 표면과 상기 반경방향 외측 표면 사이에서 익장방향으로 연장되고, 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 사이에 배치된 복수의 통로와,

상기 복수의 통로를 연결하며, 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 중 하나와 함께 제1 예각 코너부를 형성하는 단부벽을 구비하는 적어도 하나의 통로 전환부와,

상기 복수의 통로를 분리하며 리브 말단부를 갖는 리브와,

상기 제1 예각 코너부에 배치된 제1 필렛을 포함하는 에어포일.
제1항에 있어서, 상기 제1 필렛은 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 중 하나와 실질적으로 수직한 에어포일.
제1항에 있어서, 상기 제1 필렛은 활모양인 에어포일.
제1항에 있어서, 제2 필렛을 추가로 포함하며,

상기 리브 말단부가 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 중 하나와 함께 제2 예각 코너부를 형성하고,

상기 제2 필렛은 상기 제2 예각 코너부 내에 배치되는 에어포일.
제4항에 있어서, 상기 제2 필렛은 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 중 하나와 실질적으로 수직한 에어포일.
제4항에 있어서, 상기 제2 필렛은 활모양인 에어포일.
고정자 날개에 있어서,

전연과 후연 사이에서 폭방향으로 연장되고, 내측 플랫폼과 외측 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장되며, 익장방향으로 만곡된 압축 측벽 및 흡인 측벽과,

상기 내측 플랫폼과 상기 외측 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장되고, 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 사이에 배치된 복수의 통로와,

상기 복수의 통로를 연결하며, 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 중 하나와 함께 제1 예각 코너부를 형성하는 단부벽을 구비하는 적어도 하나의 통로 전환부와,

상기 복수의 통로를 분리하며 리브 말단부를 갖는 리브와,

상기 제1 예각 코너부에 배치된 제1 필렛을 포함하는 고정자 날개.
제7항에 있어서, 상기 제1 필렛은 상기 압축 측벽 및 상기 흡인 측벽 중 하나에 실질적으로 수직한 고정자 날개.
제7항에 있어서, 상기 제1 필렛은 활모양인 고정자 날개.
제7항에 있어서, 제2 필렛을 추가로 포함하고,

상기 리브 말단부가 상기 압축 측벽 및 상기 흡인 측벽 중 하나와 함께 제2 예각 코너부를 형성하고,

상기 제2 필렛은 상기 제2 예각 코너부 내에 배치되는 고정자 날개.
제10항에 있어서, 상기 제2 필렛은 상기 압축 측벽 및 상기 흡인 측벽 중 하나에 실질적으로 수직인 고정자 날개.
제10항에 있어서, 상기 제2 필렛은 활모양인 고정자 날개.
제10항에 있어서, 상기 제1 필렛은 상기 압축 측벽과 상기 흡인 측벽 중 하나에 실질적으로 수직인 고정자 날개.
제10항에 있어서, 상기 제1 필렛은 활모양인 고정자 날개.