KR100542122B1 - 가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로 - Google Patents

가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로는 버킷(10)의 도브테일(22)내에 축방향 공급 및 리턴 통로(24, 60)를 구비한다. 제 1 반경방향 외부 공급 통로(28, 32)는 냉각 매체를 전연에 인접한 통로에 또 그것을 따라서 제공하고, 그 다음 에어포일내에 사행형으로 정렬된 통로를 통하여 에어포일 선단부(19)에 인접한 챔버(46)에 제공한다. 제 2 반경방향 공급 통로(30)는 반경방향 리턴 통로(60) 위로 교차하여 냉각 매체를 에어포일 섹션의 후연(20)을 따라서 한쌍의 통로(52, 54)에 또 그것을 따라서 공급한다. 사행형 통로의 마지막 통로와 한쌍의 통로(52, 54)는 사용한 냉각 매체를 분할된 리턴 통로(56, 58)를 따라서 리턴 통로로 반경방향 내측으로 리턴시키기 위해 챔버(46)내에서 서로간에 연통되어 있다. 이러한 방식으로, 전단 및 후연은 최고압 최저온의 냉각 매체를 사용하여 냉각된다.

Description

가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로{A COOLING CIRCUIT FOR AND METHOD OF COOLING A GAS TURBINE BUCKET}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 터빈 버킷용 폐쇄 회로 냉각 시스템의 단면도,
도 2는 대향 방향에서 바라본 도 1과 유사한 도면,
도 3은 본 발명의 버킷의 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 버킷 12 : 에어포일 섹션
14 : 플랫폼부 16 : 생크
18 : 전연 20 : 후연
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로 및 버킷의 냉각 방법에 관한 것이다.
가스 터빈 버킷은 버킷을 냉각하기 위하여 압축기 추출 공기가 일반적으로 사용되고, 사용한 냉각 공기는 전형적으로 고온 가스 스트림으로 배기된다. 증기와 같은 냉각 매체를 갖는 버킷의 내부 폐쇄 회로 냉각의 출현으로 인하여, 가스 터빈 열역학적 효율이 실질적으로 개선되었다. 증기를 사용하는 폐쇄 내부 냉각 회로의 전형적인 예시는 본 발명의 출원인의 미국 특허 제 5,536,143 호에 설명 및 개시되어 있다. 상기 특허에서, 예를 들면, 각각 제 1 단 버킷은 버킷 도브테일내에 냉각 증기 공급 통로를 구비하고, 냉각 증기는 버킷의 후연을 따라서 공급되고, 일련의 사행형(蛇行形) 통로를 통해 후연을 따라 최종 통로를 통과하고 도브테일내의 리턴 통로를 통해 리턴된다. 또한 상기 특허에는 버킷의 후연을 따라서 한쌍의 평행한 통로가 개시되어 있고, 그중 하나의 통로가 냉각 증기를 수용하고, 다른 통로는 냉각 증기의 리턴용이다. 또한 하나의 통로는 냉각 증기를 사행형 통로에 공급하고, 이 경우 냉각 증기는 사행형으로 버킷의 전연을 향하여 유동하여 복귀한다. 그러나, 보다 높은 가스 터빈 온도와, 그에 따라 보다 높은 열역학적 효율이 성취될 때 냉각의 증가가 특히 요망된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 터빈의 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로가 제공되어 증가된 열역학적 효율을 제공한다. 특히, 이러한 회로는, 예를 들면 증기 통로인 냉각 매체 공급 통로를 구비하고, 그것은 증기 공급 매니폴드와 연통되어 있는 각 버킷의 도브테일을 따라서 축방향으로 연장된다. 제 1 및 제 2 반경방향 연장 증기 공급 통로는 축방향 연장 공급 통로와 연통되도록 놓여 있다. 제 1 공급 통로는 버킷의 에어포일 섹션의 전연에 바로 인접한 제 1 통로를 따라서 반경방향 외측으로 연장된다. 버킷 선단부와 인접하여서 제 1 통로는 반경방향 내부 유동을 위해 약 180°전향한다. 그 다음 이러한 제 2 통로는 에어포일 섹션의 루트부에서 반경방향 외부 유동을 위해 약 180°로 전향한다. 다수의 사행형 통로는 루트부 전향부와 선단부 전향부 사이에서 냉각 증기를 반경방향 외측으로, 그 다음 내측으로 유동하도록 제공하고, 마지막 사행형 통로는 챔버내에서 에어포일 섹션의 선단부에 인접하여 종료한다. 제 2 공급 통로는 버킷의 도브테일 및 생크를 통하여 반경방향 외측으로 연장되고, 반경방향 외측 통로와 연통되며, 바람직하게는 버킷의 에어포일 섹션의 후연을 따라서 연장되는 2개의 반경방향 외측 통로와 연통되어 있다. 따라서 공급 냉각 증기는 후연에 인접하는 2개의 대체로 평행한 반경방향 외측 연장 통로를 통하여 반경방향 외측으로 제 2 공급 통로를 따라서 유동하고, 에어포일 섹션 선단부에 인접한 챔버내로 들어간다. 사행형 통로와 2개의 후연 통로로부터의 사용한 냉각 증기는 버킷 도브테일내에서 축방향 리턴 통로와 연통되어 있는 반경방향 내부 리턴 통로를 통하여 버킷의 에어포일 섹션에서 분할된 통로를 따라서 챔버로부터 반경방향 내측으로 유동한다. 후자의 축방향 리턴 통로는 로터내에서 사용한 냉각 증기 리턴 매니폴드와 연통되어 있다.
전술한 장치에 따르면, 냉각 증기는 버킷의 에어포일 섹션의 전연 및 후연에 바로 인접한 2개의 독립적인 평행한 경로를 따라서 공급된다. 버킷의 전연 및 후연이 가장 냉각되기 어렵기 때문에, 냉각 증기는 냉각이 가장 요구되는 버킷의 부분에 공급된다. 전연 및 후연을 통하여 유동하는 냉각 증기는 저온 및 고압에서 그들 에지에 공급됨으로써, 냉각 효과가 향상된다. 또한 냉각 증기는 버킷의 에어포일 섹션의 중간 부분을 냉각하기 위하여 사행형 통로를 경유하여 공급된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 생크와, 반경방향 선단부와, 전연 및 후연을 갖는 에어포일 섹션을 구비한 가스 터빈 버킷에서, 냉각 매체를 상기 버킷을 통하여 유동시키는 폐쇄 내부 냉각 회로에 있어서, 대체로 반경방향 외측으로 배향된 제 1 및 제 2 냉각 매체 공급 통로와; 대체로 반경방향 내측으로 배향된 사용한 냉각 매체 리턴 통로와; 버킷의 에어포일 섹션내에서 사행형으로 서로 연속적으로 연결 및 정렬되는 대체로 반경방향으로 연장된 다수의 내부 통로로서, 상기 사행형 통로중 제 1 통로는 상기 버킷의 전연과 인접하여 연장되고, 상기 제 1 공급 통로와 연통되어 냉각 매체를 수용함으로써, 상기 제 1 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동시키는, 상기 다수의 내부 통로와; 상기 버킷의 후연에 인접하여 연장되고, 상기 냉각 매체를 수용하여 상기 제 2 공급 통로와 연통되어, 상기 하나의 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동시키는 적어도 하나의 통로와; 상기 버킷의 선단부에 인접하여 공동의 챔버내에서 개방하는 적어도 하나의 사행형 통로와; 상기 챔버에서 상기 리턴 통로로 사용한 냉각 매체를 연통시키기 위한, 상기 에어포일 섹션내의 리턴 통로를 포함하는 폐쇄 내부 냉각 회로가 제공된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 생크와, 반경방향 선단부와, 전연 및 후연을 갖는 에어포일 섹션과, 폐쇄 내부 냉각 회로를 구비한 가스 터빈 버킷에서, 상기 가스 터빈 버킷을 냉각시키는 방법에 있어서, 상기 버킷의 에어포일 섹션의 전연 및 후연에 인접한 대체로 반경방향 외측으로 배향된 한쌍의 통로를 따라 냉각 매체를 공급하여 상기 전연 및 후연을 냉각시키는 단계와, 상기 냉각 매체를 통로중 하나로부터 다수의 직렬 연결된 사행형 통로를 따라 유동시켜서 상기 버킷의 전연과 후연 사이의 에어포일 섹션의 부분을 냉각시키는 단계와, 상기 사행형 통로로부터의 유동을 상기 에어포일 섹션의 선단부에 인접한 챔버내로 배향하는 단계와, 상기 한쌍의 통로중 다른 하나로부터의 냉각 매체의 유동을 상기 챔버내로 배향하는 단계와, 사용한 냉각 매체를 상기 챔버로부터 상기 버킷의 도브테일내의 리턴 통로로 대체로 반경방향 내측으로 유동시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 버킷 냉각 방법이 제공된다.
도 1을 참조하면, 터빈 유동 경로내의 고온 연소 가스로부터 생크(16)를 차폐시키는 플랫폼부(14)에 부착되고 그 일부를 형성하는 에어포일 섹션(12)을 구비하는 터빈 버킷(10)을 도시하고 있다. 에어포일 섹션(12)은 각기 전연 및 후연(18, 20)과, 선단부(19)를 구비한다. 또한 통상의 방식으로 휠스페이스 캐비티(wheelspace cavity)를 밀봉하기 위하여 앤젤 윙(21)(angel wing)이 생크(16)의 축방향 대향 측면을 따라서 장착된다. 버킷(10)은 생크(16)와 함께 일체로 형성된 통상의 도브테일(22)에 의해서 터빈 로터 휠에 부착된다. 본 발명의 내부 폐쇄 냉각 회로는 특히 제 1 단 버킷에 적용가능하지만, 본 발명의 원리를 구현하는 냉각 증기는 다른 단의 버킷에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
냉각 매체 축방향 공급 통로(24)는 도브테일(22)중 일 단부를 따라서 입구 개구(26)를 구비하여, 스풀리(spoolie)(도시하지 않음)를 경유하여 입구 개구(26)에 결합된 매니폴드(도시하지 않음)로부터의 냉각 매체, 예컨대 증기를 수용한다. 물론 버킷(10)의 어레이는 로터의 축을 중심으로 서로에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 로터 휠상에 배치된다. 제 1 및 제 2 반경방향 공급 통로(28, 30)는 각기 축방향 공급 통로(24)와 연통되어 있다. 제 1 반경방향 공급 통로(28)는 에어포일 섹션(12)의 대향 벽부 사이로 연장된 리브에 의해 형성된 일련의 사행형으로 정렬된 통로(34, 36, 38, 40, 42, 44)의 제 1 통로(32)와 연통되어 반경방향 외측으로 연장된다. 특히, 각각의 반경방향 통로는 냉각 매체를 반경방향 내측으로 또는 외측으로 유동하도록 버킷(10)의 에어포일 섹션(12)내에서 내측으로 연장된다. 예를 들면, 제 1 통로(32)는 전연(18)을 따라서 반경방향 외측으로 냉각 매체를 유동하도록 한다. 에어포일 섹션(12)의 선단부에서, 통로는 약 180°전향되어 통로(34)를 따라서 반경방향 내측으로 유동한다. 통로(34)의 루트부에서, 유동 통로는 냉각 매체를 반경방향 외측 통로(36)를 따라서 반경방향 외측으로 유동하도록 약 180°전향한다. 선단부에서, 통로(36)는 냉각 매체를 통로(38)를 따라서 반경방향 내측으로 유동하도록 전향한다. 통로(38)의 루트부에서, 유동 통로는 냉각 매체를 통로(40)를 따라서 반경방향 외측으로 유동하도록 전향한다. 선단부에서, 통로(40)는 냉각 매체를 통로(42)를 따라서 반경방향 내측으로 유동하도록 전향한다. 통로(42)의 루트부에서, 통로는 냉각 매체를 사행형 통로의 최종 통로(44)를 따라서 반경방향 외측으로 유동하도록 약 180°전향한다. 마지막 통로는 냉각 매체를 에어포일 섹션(12)의 선단부에 인접한 챔버(46)내로 유동하도록 반경방향 외측으로 유동하도록 한다.
축방향 공급 통로(24)와 연통되는 제 2 반경방향 공급 통로(30)는 리턴 통로(50)와 교차해서, 에어포일 섹션(12)의 루트부에서 하나의, 바람직하게는 2개의 반경방향 연장 통로(52, 54)와 연통된다. 도면에 도시되는 바와 같이, 통로(52, 54)는 에어포일 섹션(12)의 후연(20)을 따라서 배치된다. 냉각 매체는 챔버(46)내로 에어포일 섹션(12)의 선단부에 인접한 통로(52, 54)를 빠져나간다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 챔버(46)는 사행형 통로의 마지막 통로(44)로부터의 사용한 냉각 매체, 또한 후연을 따라서 연장되는 한쌍의 통로(52, 54)로부터의 사용한 냉각 매체를 수용하는 것을 이해할 수 있다. 챔버(46)의 사용한 냉각 매체는 각기 한쌍의 나란한 리턴 통로(56)를 따라서 유동하고, 사용한 냉각 매체는 반경방향 리턴 통로(50)내로 유동한다. 반경방향 리턴 통로(50)는 로터에 의해서 지지되는 리턴 매니폴드(도시하지 않음)와 연통되는 축방향 리턴 통로(60)내의 도브테일(22)내에서 종료한다. 도시된 바와 같이, 제 1 반경방향 공급 통로(28)는 버킷(10)의 선단부에 존재하는 한편, 제 2 반경방향 또는 교차 통로(30)는 제 1 반경방향 공급 통로(28)와 반경방향 리턴 통로(50) 사이로 연장되고, 그 리턴 통로(50)를 교차해서 에어포일 섹션(12)의 후연에 도달한다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 터뷸레이터(turbulators)(70)는 각각의 사행형 통로(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)에 사용된다. 터뷸레이터는 버킷(10)의 에어포일 섹션의 벽으로부터 돌출한 리브를 포함한다. 전연 통로(32)내의 터뷸레이터는 버킷의 반경에 대해서 대체로 수직으로 연장되는 한편, 전연 통로(32) 이외의 다른 사행형 통로내에서의 터뷸레이터는 경사진 터뷸레이터를 갖는다. 따라서, 경사진 터뷸레이터(70)는 에어포일 섹션(12)의 내벽 표면으로부터 내측으로 그리고 리브(74) 사이로 연장되고, 이 리브(74)는 에어포일 섹션(12)의 대향 벽에 구조적인 지지를 제공한다. 한편, 터뷸레이터(70)는 대체로 층류 유동 패턴을 야기시키며, 이에 의해 유동내에 난류를 제공하며 냉각 효과를 향상시킨다. 또한, 도 1에 도시되는 바와 같이, 볼 납땜(ball brazing)은 제조시에 구조적인 지지를 제공하기 위하여 제조 공정에 사용된다. 또한, 이용된 볼은 루트부 전향부에서 사행형 통로의 반경방향 내부 단부를 밀폐시키는 역할을 한다.
본 발명은 가장 실질적이고 바람직한 실시예인 것으로 간주되는 것과 연계하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위의 정신 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 동등한 장치를 포함한다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 가스 터빈의 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로에 증가된 열역학적 효율을 제공한다.

Claims (12)

  1. 생크(16)와, 반경방향 선단부(19)와, 전연(18)과 후연(20)을 갖는 에어포일 섹션(12)을 구비한 가스 터빈 버킷에서, 냉각 매체를 상기 버킷을 통하여 유동시키는 폐쇄 내부 냉각 회로에 있어서,
    대체로 반경방향 외향의 제 1 및 제 2 냉각 매체 공급 통로(28, 30)와;
    대체로 반경방향 내향의 사용한 냉각 매체 리턴 통로(50)와;
    상기 버킷의 에어포일 섹션내에서 서로 직렬로 접속되고 사행형(蛇行形)으로 정렬된 다수의 반경방향 연장 내부 통로(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)로서, 상기 사행형 통로중 제 1 통로(32)가 상기 버킷의 전연과 인접하여 연장되고 상기 제 1 공급 통로와 연통되어 있어, 냉각 매체를 공급받아 상기 제 1 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동시키는, 상기 다수의 내부 통로(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)와;
    상기 사행형 통로내의 터뷸레이터와;
    상기 버킷의 후연에 인접하여 연장되고 상기 제 2 공급 통로와 연통되어 있어, 상기 냉각 매체를 공급받아서, 상기 적어도 하나의 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동시키는 적어도 하나의 통로(52)와;
    사용한 냉각 매체를 상기 챔버로부터 상기 리턴 통로에 연통시키기 위한 상기 에어포일 섹션내의 리턴 통로(56)를 포함하며;
    상기 사행형 통로중 적어도 하나의 통로(44)와 상기 적어도 하나의 통로(52)는 상기 버킷의 선단부에 인접한 공동의 챔버(46)내로 개방되며;
    상기 제 2 공급 통로는 부분적으로 상기 리턴 통로의 전방으로 연장되고, 상기 리턴 통로와 교차해서 냉각 매체를 상기 후연에 인접한 하나의 통로에 공급하며;
    상기 버킷은 도브테일을 구비하며, 상기 버킷의 상기 도브테일내의 축방향으로 개구된 통로(24)가 상기 제 1 및 제 2 공급 통로와 연통하여, 상기 제 1 및 제 2 공급 통로에 냉각 매체를 공급하고, 상기 버킷의 섕크내의 축방향 개구가 상기 리턴 통로와 연통하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 후연에 인접하여 연장되는 다른 통로(54)를 더 포함하고, 상기 통로(54)는 상기 제 2 공급 통로와 연통되어 있어, 상기 냉각 매체를 공급받아 반경방향 외측으로 유동시키고, 상기 다른 통로는 상기 공동 챔버내로 개방되는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
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  10. 삭제
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