KR100561129B1 - 터빈 블레이드 - Google Patents

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KR100561129B1
KR100561129B1 KR1020040004051A KR20040004051A KR100561129B1 KR 100561129 B1 KR100561129 B1 KR 100561129B1 KR 1020040004051 A KR1020040004051 A KR 1020040004051A KR 20040004051 A KR20040004051 A KR 20040004051A KR 100561129 B1 KR100561129 B1 KR 100561129B1
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클러스위스로에이.
펑크스탠리제이.
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

터빈 블레이드 팁 플레넘은 냉각 통로 네트워크로부터의 냉각 공기를 극도의 열을 받는 냉각 영역으로 우선적으로 지향 또는 전환시키는 수단을 갖는다.
터빈 블레이드, 팁 플레넘, 에어포일, 선단 에지, 후미 에지, 덮개판

Description

터빈 블레이드 {TURBINE BLADE}
도1은 본 발명의 원리에 따른 터빈 블레이드의 도면.
도2는 도1의 블레이드 주조물의 팁의 도면.
도3은 도1의 블레이드의 팁 구획부를 위한 덮개판의 도면.
도4는 도1의 블레이드의 압력측부의 후미 에지 팁부의 부분도.
도5는 도1의 블레이드의 팁의 도면.
도6은 도1의 블레이드의 팁의 선단부의 도면.
도7은 도1의 블레이드의 팁 구획부의 후미부의 부분도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
40 : 터빈 블레이드
46 : 플랫폼
48 : 팁
50 : 덮개판
60 : 선단 에지
62 : 후미 에지
본 발명은 터빈 기계류에 관한 것으로서, 특히 냉각된 터빈 블레이드에 관한 것이다.
터빈 블레이드의 제조 및 설계에 있어서 열 처리는 중요한 고려 사항이다. 블레이드는 통상 냉각 통로 네트워크와 함께 형성된다. 통상적인 네트워크는 블레이드 플랫폼을 통해 냉각 공기를 수용한다. 냉각 공기는 에어포일을 통한 나선형 경로를 관통하는데, 적어도 일부는 에어포일 내의 개구를 통해 블레이드로부터 배출된다. 이러한 개구는 에어포일의 압력 측면 및 흡입 측면을 따라 배치된 (예컨대 "필름 구멍"과 같은) 구멍과, 선단 에지 및 후미 에지에서의 이러한 측면들의 연결부(junction)에서의 구멍들을 포함할 수 있다. 추가적인 개구들이 블레이드 팁에 위치할 수 있다. 통상적 제조 기술에서, 블레이드의 주요 부분은 주조(casting) 및 기계 가공 공정에 의해 형성된다. 냉각 통로 네트워크의 적어도 주요 부분을 형성하도록 주조 공정 중에 희생 코어가 사용된다. 블레이드 팁에서 코어의 적절한 지지는, 주조물의 팁 부분을 통해 돌출하며 코어가 제거되었을 때 관련 구멍들을 남기는 코어의 부분들과 관련이 있다. 따라서, 코어에 의해 남겨진 구멍을 적어도 부분적으로 차단하도록 판이 삽입될 수 있는, 팁 포켓을 갖는 주조물을 형성하는 것은 공지되어 있다. 이것은 원하는 성능을 얻기 위해 팁을 통한 유동의 분포와 체적을 맞춤하는 것을 허용한다. 이러한 구조의 예들은 미국 특허 제3,533,712호, 제3,885,886호, 제3,982,851호, 제4,010,531호, 제4,073,599호 및 제5,564,902호에 개시되어 있다. 이러한 많은 블레이드에 있어서, 판은 주조물 팁 포켓 내에 만입되어 블레이드 팁 포켓 또는 블레이드 플레넘을 남긴다.
본 발명의 일 태양은 네트워크의 선단 에지 브랜치로부터의 냉각 공기를 플레넘을 형성하는 림의 압력측부를 따라 우선적으로 지향 또는 전환시키는 수단을 구비한 플레넘을 제공하는 것이다. 이것은 주조물의 선단 포트를 단지 부분적으로만 차단하는 팁 판에 의해 달성될 수 있다. 판은 포트를 통한 유동을 압축측부(압력측부)를 따라 우선적으로 지향하도록 위치된 선단 에지를 구비할 수 있다. 판의 선단 에지는 에어포일 단면의 국부 평균선에 대하여 전방으로 기울어질 수 있다. 판은 평균선의 압력측부 상에서보다 평균선의 흡입측부 상에서 포트의 더 많은 영역을 차단할 수 있다. 블레이드 팁 포켓의 압력측부를 따르는 판의 전방으로의 길이는 흡입측부를 따르는 판의 전방으로의 길이보다 길 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 후미 통로로부터의 유동을 압력측부로 우선적으로 지향시키기 위한 수단이 블레이드에 제공된다. 이것은 인접한 압력측부를 따라 연장되지 않고 후미 포트의 흡입측부를 따라 연장되는 플레이트 후미부를 구비함으로써 달성될 수 있다. 흡입측부에 따른 후미부는 그 전방부보다 돌출할 수 있다. 압력측부에 따른 후미부는 그 전방부보다 만입될 수 있다.
다른 태양에 있어서, 팁 플레넘의 벽은 간극에서의 응력 집중의 감소를 위한 수단과 함께 일측부(예컨대, 압력측부) 상에 측부 후미 에지 간극을 갖을 수 있다. 이것은 열 응력 및 기계적 응력을 경감하기에 효과적인 곡률 반경을 간극의 선단 내측 코너부에 구비함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 일 이상의 실시예의 세부 사항은 첨부 도면 및 다음의 상세한 설명에서 제시된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점들은 상세한 설명, 도면, 및 청구범위로부터 명백할 것이다.
여러 도면들에서 유사한 도면 번호 및 지시 부호는 유사한 요소를 가리킨다.
도1은 내측 플랫폼(46)에서의 기단 루트(44)로부터 말단 팁(48)까지 길이를 따라 연장되는 에어포일(42)을 갖는 터빈 블레이드(40)를 도시한다. 많은 개수의 이러한 블레이드는 병렬로 조립되며, 블레이드의 각각의 내측 플랫폼은 유동 경로의 내측부와 경계를 이루는 링을 형성한다. 예시적 실시예에서, 블레이드의 주요부는 (예컨대, 주조물과 같은) 금속 합금으로 일체로 형성된다. 주조물은 분리 덮개판(50)이 내부에 고정되는 팁 구획부와 함께 형성된다.
에어포일은 선단 에지(60)로부터 후미 에지(62)로 연장된다. 선단 에지 및 후미 에지는 압력측부(압력면)(64) 및 흡입측부(흡입면)(66)를 분리한다. 블레이드를 냉각하기 위해, 플랫폼의 (도시되지 않은) 포트에 연결된 냉각 통로 네트워크가 블레이드에 제공된다. 예시적 통로 네트워크는 에어포일을 따라 통상 길이 방향으로 연장되는 일련의 공동을 포함한다. 맨 앞의 공동은 선단 에지에 통상 평행하게 연장되는 선단 에지 공동으로서 인정된다. 맨 뒤의 공동은 후미 에지에 통상 평행하게 연장되는 후미 에지 공동으로서 인정된다. 이러한 공동들은 그 길이를 따라 하나의 단부(및/또는 지점) 또는 두 개의 단부(및/또는 지점)에서 연결될 수 있다. 네트워크는 높은 외부 온도로부터 압력면(64) 및 흡입면(66)을 추가로 냉각시키고 절연시키기 위해 압력면(64) 및 흡입면(66)으로 연장되는 구멍을 더 포함할 수 있다. 이러한 구멍들 중에는, 후미 에지에 인접한 지점과 후미 에지 공동 사이에 연장되는 일련의 후미 에지 구멍(80)이 있을 수 있다.
예시적 실시예에서, 블레이드의 주요부는 주조 및 기계 가공에 의해 형성된다. 주조는 통로 네트워크를 형성시키기 위해 희생 코어를 사용하여 진행된다. 예시적 주조 공정에 따라 전술한 주조물 팁 구획부(100)를 갖는 주조물이 형성된다(도2). 주조물 팁 구획부는 주조물 팁 구획부의 기부를 형성하는 외측 표면(103)을 갖는 웨브(102)를 갖는다. 외측 표면(103)은, 에어포일의 압력면 및 흡입면 상에 압력측 벽부(105) 및 흡입측 벽부(106)를 갖는 벽 구조로 된 림(104) 아래에 있다. 웨브(102)는 선단 에지로부터 후미 에지까지 일련의 개구(110, 112, 114, 116, 118, 120)와 함께 형성된다. 이러한 개구들은 지지를 위해 외측 몰드에 장착된 희생 코어의 일부분들에 의해 형성될 수 있다. 개구는 통로 네트워크와 연통한다. 개구는 블레이드로부터 냉각 공기 손실에 대한 바람직하지 못한 경로를 나타낸다. 따라서, 개구의 일부 또는 전체를 덮개판(50)으로 완전히 또는 부분적으로 차단하는 것이 유리하다(도3). 덮개판은 내측 표면(130) 및 외측 표면(132)을 갖는다(도4). 내측 표면(130)은 웨브 표면(103)에 대해 편평하게 놓이고, 외측 표면(132)은 림(104) 아래로 만입(함몰)되어 블레이드 팁 포켓 또는 구획부를 남긴다. 작동시에, (다음에 기술되는 바와 같이 만입의 대상이 되는) 림은 (예컨대, 약 0.25㎝(0.1인치)의 간극을 가지고) 인접 보호덮개(shroud)의 안쪽에 매우 근접하게 된다.
덮개판(50)은 애초에 에어포일의 압력측부의 외형과 통상 관련된 제1 주연부(압력측 주연부)(140)와 에어포일의 흡입측부와 통상 관련된 제2 주연부(흡입측 주연부)(142)를 갖는 주연부를 포함하여 형성된다. 예시적인 덮개판 재료는 니켈계 초합금(예컨대, 0.076㎝(0.03인치) 두께의 UNS N06625)이다. (다음에 기술되는 분리의 대상이 되는) 제1 주연부(140) 및 제2 주연부(142)는 압력측 벽부(105) 및 흡입측 벽부(106))의 내부 표면에 인접하여 팁 구획부 내에 엄밀하게 끼워맞춤되는 크기이다. 예시적 실시예에서, 제1 주연부(140) 및 제2 주연부(142)는 항상 선단 에지로 연장되지는 않는다. 그들은 예시적 실시예에서 선단 에지로부터 압력측부 및 흡입측부 모두를 따라 만입되는 연결부(144)에서 종결한다. 후미 에지 쪽으로, 제1 및 제2 주연부들은 후미 주연부(146)에 의해 연결된다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 제1 주연부(140)의 후미 만입부(148)는 그 나머지 부분보다 약간 만입되고, 제2 주연부(142)의 후미 돌출부(150)는 그 나머지 부분보다 약간 돌출한다. 덮개판은 개구(160, 162, 164)를 더 포함한다.
덮개판을 주조물 팁 구획부 내의 정위치에 배치하고 제1 주연부(140) 및 제2 주연부(142)의 부분을 따라 주조물에 용접함으로써, 덮개판이 설치된다. 특히, 도시된 실시예에서, 덮개판은 통상 제1 주조물 개구(110)로부터 뒤쪽으로 후미 만입부(148) 및 후미 돌출부(150)의 바로 앞까지 주조물에 레이저 용접된다. 그런 다음, 제2 주연부(142)의 선단부를 따라 그리고 후미 돌출부(150)를 따라 흡입측부 상에 필렛 용접(예컨대, MIG 용접 또는 TIG 용접)된다. 돌출부의 돌출은 국부적으로 지지되지 않은 판과 흡입측 벽부(106) 사이의 용접 브릿지에 도움이 된다.
예시적 실시예에서, 이렇게 설치되면, 덮개판의 선단부(180)(도6)는 선단 개구(110)를 부분적으로 덮고, 따라서 선단 에지 공동이 블레이드 팁 구획부 또는 플레넘과 연통하는 것이 부분적으로 차단된다. 예시적 실시예에서, 개구(110)의 후미 말단은 국부적 평균선(520)에 거의 수직이다. 개구(110)를 덮는 대부분의 선단부(180)는 평균선의 흡입측부 상의 개구 부분을 덮고, 압력측부 상의 개구 영역보다 흡입측부 상의 개구 영역을 더 큰 비율로 덮는다. 차단의 특성은 포트의 기하학적 형상 및 에어포일 섹션에 의해 영향을 받을 것이다. 예시적 실시예에서, 중심선의 흡입측부에서 판에 의해 차단된 선단 포트의 영역은 압력측부에서 판에 의해 차단된 영역의 2 내지 6배(또는, 보다 엄밀하게는 4 내지 5배)이다.
선단부(180)의 형상은 변할 수 있다. 예시적 실시예에서, 덮개판 주연부(144)는 거의 직선이고, 선단 방향으로 압력측부 상의 중심선(520)과 90°보다 작은 각도(θ)를 형성한다. 이러한 경사로 인해, 제2 주연부(142, 흡입측 주연부)는 제1 주연부(140, 압력측 주연부)보다 선단 에지쪽으로 더 가깝게 연장된다. 이러한 배열의 결과는 압력측부 상에 대한 향상된 냉각을 위해 선단부(180)가 압력측부 쪽으로 공기 유동을 우선적으로 지향시키는 것이다. 압력측부가 보다 큰 냉각을 필요로 하므로, 이러한 것에 의해 보다 효과적으로 공기 유동을 사용하게 된다.
예시적 실시예에서, 제2 웨브 개구(112) 및 제1 덮개판 개구(160)는 실질적으로 동일(coextensive)하지만, 덮개판이 나머지 웨브 개구들을 실질적으로 또는 보다 현저하게 차단할 수 있다. 예시적 실시예에서, 덮개판 개구(162, 164)는 웨브 개구(114, 116)와 정렬되어 있지만 실질적으로 더 작으며 따라서 이러한 개구들을 통한 공기 유동을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 예시적 실시예에서, 덮개판은 웨브 개구(118)를 실질적으로 밀봉하며, 다음에서 더 상세히 기술되는 바와 같이 후미 웨브 개구(120) 위로 부분적으로 연장된다. 개구(112)를 통한 유동을 비교적 적게 제한함으로써, 냉각 공기가 후미 에지쪽으로 더 도입되기보다는 팁 구획부의 더 큰 부분을 따라 유동할 것으로 기대될 수 있으므로, 냉각 공기를 효율적으로 사용하게 된다.
도7은 주조물의 후미 개구(120)를 부분적으로 덮은 덮개판의 후미부(190)를 도시한다. 구체적으로, 후미부(190)는 개구의 선단 흡입 측부를 덮는데, 후미 만입부(148)는 이러한 개구의 흡입측 주연부로부터 이격되어 있다. 이러한 배치는 다시 후미 에지 공동으로부터의 공기를 개구(120)를 통해 압력측부를 따라 우선적으로 지향시킨다.
도4는 후미 에지(62) 쪽으로 실질적으로 계속하여 연장되는 흡입측 벽부(106)를 또한 도시한다. 압력측 벽부(105)는 그렇게 온전하게 연장되지는 않는다. 압력측 벽부(105)는 지점(200)까지 온전하게 연장되며, 그 후미 에지까지는 흡입측 벽부(106)의 인접 영역보다 만입된다. 예시적인 실시예에서, 지점(200)은 후미 에지 앞으로 거리(540)에 위치한다. 예시적인 실시예에서, 압력측 벽부(105)는 후미 에지 공동의 후미 에지 말단의 후방으로 사라진다. 압력측 벽부(105)는 거리(542)만큼 흡입측 벽부(106)를 따라 림(104)에 대하여 만입된 기부 표면(202)과 병합한다. 예시적인 거리(542)는 림 표면(104)에 대한 웨브 표면(103)의 만입부와 거의 동일할 수 있다. 예시적인 압력측 벽부(105)의 후미부는 표면(202)으로의 연속적으로 굴곡되는 오목 전이부(204)를 갖는다. 이러한 전이부는 곡률 반경 또는 곡률 반경들을 갖고, 직각 전이부와는 달리 열/기계적 응력 집중을 감소시킬 만큼 충분히 크므로, 그에 따라 쪼개짐의 가능성을 감소시킨다. 예시적인 반경은 거리(542)의 0.4 내지 1.0배 (보다 엄밀하게는 0.6 내지 0.8배) 사이이다. 예시적인 수치 범위는 0.25㎝(0.100인치) 및 0.76㎝(0.300인치) 사이이다.
이제까지 본 발명의 일 이상의 실시예들이 기술되었다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 개조가 이뤄질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 많은 세부 사항들이 적용예마다 구체적일 것이다. 본 발명의 원리가 현재 적용예에 가해진 범위까지, 또는 보다 구체적으로 현재 블레이드의 개조예로서, 이러한 적용예 또는 현재 블레이드의 특징은 그 실시예에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 다른 실시예들은 후속하는 청구범위의 범주 내에 있다.
본 발명의 터빈 블레이드는 극도의 열을 받는 냉각 영역으로 냉각 공기를 우선적으로 지향 또는 전환시키는 수단을 가지므로, 효과적으로 냉각이 가능하다.

Claims (16)

  1. 내부 냉각 통로 네트워크와, 복수개의 포트를 거쳐 냉각 통로 네트워크와 연통하는 본체 팁 포켓을 구비한 에어포일 본체와,
    블레이드 팁 플레넘을 남기기 위해 본체 팁 포켓 내에 만입되어 고정되고, 복수개의 포트 중 적어도 일부를 적어도 부분적으로 차단하며, 본체 팁 포켓의 벽의 선단 에지부의 흡입측부보다는 본체 팁 포켓의 벽의 선단 에지부의 압력측부를 따라 우선적으로 공기 유동을 지향시키기 위한 수단을 갖는 적어도 하나의 판을 포함하는 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수단은, 복수개의 포트 중 하나의 선단 포트를 부분적으로 차단하고, 선단 포트를 통한 유동을 본체 팁 포켓의 벽의 선단 에지부의 압력측부를 따라 우선적으로 지향시키도록 위치되는 판의 선단 에지를 포함하는 블레이드.
  3. 제2항에 있어서, 판의 선단 에지는 에어포일 단면의 국부적 평균에 대하여 전방으로 기울어진 블레이드.
  4. 제2항에 있어서, 평균선의 흡입측부 상에서 판에 의해 차단된 선단 포트의 영역은 평균선의 압력측부 상에서 판에 의해 차단된 선단 포트의 영역의 2 내지 6배인 블레이드.
  5. 제2항에 있어서, 평균선의 흡입측부 상에서 판에 의해 차단된 선단 포트의 영역은 평균선의 압력측부 상에서 판에 의해 차단된 선단 포트의 영역의 4 내지 5배인 블레이드.
  6. 제1항에 있어서, 블레이드 팁 포켓의 벽의 압력측부를 따르는 판 전방으로의 길이는 블레이드 팁 포켓의 벽의 흡입측부를 따르는 판 전방으로의 길이의 1.1 내지 4.0배인 블레이드.
  7. 제1항에 있어서, 블레이드 팁 포켓의 벽의 압력측부를 따르는 판 전방으로의 길이는 블레이드 팁 포켓의 벽의 흡입측부를 따르는 판 전방으로의 길이의 1.5 내지 2.0배인 블레이드.
  8. 제1항에 있어서, 내부 냉각 통로 네트워크의 후미 통로로부터의 유동을 본체 팁 포켓의 벽의 압력측부로 우선적으로 전환하는 수단을 더 포함하는 블레이드.
  9. 제1항에 있어서, 벽은 압력측부 후미 에지 간극을 가지고, 블레이드는 간극에서의 응력 집중을 제한하는 수단을 더 포함하는 블레이드.
  10. 내부 냉각 통로 네트워크와, 복수개의 포트를 거쳐 냉각 통로 네트워크와 연통하는 본체 팁 포켓을 구비한 에어포일 본체와,
    본체 팁 포켓 내에 고정되어 있으며, 팁에 인접하여 블레이드 팁 포켓을 남기기 위해 팁에 만입되고 복수개의 포트 중 적어도 일부 포트를 적어도 부분적으로 차단하며, 내부 냉각 통로 네트워크의 후미 통로로부터의 유동을 본체 팁 표면의 벽의 흡입측부보다는 본체 팁 포켓의 벽의 압력측부로 우선적으로 전환시키기 위한 수단을 갖는 블레이드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수단은 복수개의 포트 중 적어도 하나의 포트를 부분적으로 차단하고, 상기 적어도 하나의 포트를 통한 유동을 본체 팁 포켓의 벽의 압력측부를 따라 우선적으로 지향시키도록 위치된 판의 후미부를 포함하는 블레이드.
  12. 제11항에 있어서, 흡입측부를 따르는 판의 후미부는 그 전방부보다 돌출하는 블레이드.
  13. 제11항에 있어서, 압력측부를 따르는 판의 후미부는 그 전방부보다 만입된 블레이드.
  14. 플랫폼과,
    플랫폼의 루트로부터 팁까지의 길이를 따라 연장되고, 압력측부와 흡입측부를 분리하는 선단 에지 및 후미 에지를 가지며, 냉각 통로 네트워크를 가지고, 상기 냉각 통로 네트워크와 연통하는 팁 포켓을 갖는 에어포일을 포함하고,
    상기 팁 포켓은 압력측부와 흡입측부의 적어도 일부분을 따라 벽에 의해 경계를 이루고 있고, 상기 벽은 압력측부 및 흡입측부 중 제1측부의 후미 에지부에서 간극을 가지며, 상기 간극은 일정 길이와 깊이를 가지고, 벽은 간극에서 후미 단부를 갖는데, 벽은 간극의 선단 내측 코너에서의 곡률 반경이 0.25㎝(0.100인치) 및 0.76㎝(0.300인치) 사이인 블레이드.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1측부는 압력측부인 블레이드.
  16. 제14항에 있어서, 에어포일은 플랫폼과 일체로 형성된 에어포일 본체와,
    팁 포켓의 하부를 형성하고, 팁에 만입되어 있으며, 에어포일 본체에 용접된 적어도 하나의 판을 포함하는 블레이드.
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