KR100733174B1 - 냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법과 갭 형성방법 - Google Patents

냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법과 갭 형성방법 Download PDF

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Abstract

냉각 통로(10)내의 열전달 및 냉각 효율을 향상시키기 위한 방법은, 상기 통로내에 다수의 난류형성 링(14)을 형성하는 단계로서, 상기 링은 통로내의 냉각 유동 방향과 실질적으로 직교하는 방향으로 내측으로 돌출하는, 단계와, 패턴화된 전극(16)을 사용하여 상기 난류형성 링 중 하나 또는 그 이상에 적어도 하나의 갭(22)을 형성하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 갭은 유동 방향과 실질적으로 평행하게 연장하는, 단계를 포함한다.

Description

냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법과 갭 형성 방법{METHOD FOR ENHANCING HEAT TRANSFER INSIDE A TURBULATED COOLING PASSAGE}
도 1은 종래의 난류형성 냉각 통로의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 패턴화된 전극의 개략적 측면도.
도 3은 도 2의 전극이 그 내에 삽입된, 도 1과 유사한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 열전달 향상 갭을 갖는 난류형성 냉각 통로의 부분 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 냉각 통로 12: 가공 구성부품
14: 난류형성 링 16: 전극
18: 전기 절연 코팅 20: 노출(비절연) 부분
22: 갭
본 발명은 노즐 또는 버킷과 같은 터빈 구성부품내의 냉각 통로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전달 및 그에 따른 냉각 효율을 향상시키는 난류형성 냉각 통로에 관한 것이다.
가스 터빈 효율은 고온 가스 경로를 따라 유동하여 터빈 블레이드를 구동시키는 터빈 가스의 온도에 정비례한다. 가스 터빈은 통상적으로 2700℉ 정도의 작동 온도를 갖는다. 이러한 높은 온도에 견디기 위해, 버킷은 진보된 재료로 제조되며 통상적으로 냉각 매체, 통상적으로 압축기 방출 공기를 버킷을 통해 유동시키기 위한 매끄러운 구멍 냉각 통로를 포함한다. 통로는 또한 통상적으로 반경방향 내측 버킷 루트로부터 반경방향 외측 버킷 팁으로 연장한다. 매끄러운 구멍 통로가 사용되고 있지만, 내부 열전달 계수를 향상시키기 위해 많은 가스 터빈 버킷에 난류 촉진부 예컨대 난류형성부가 또한 사용되고 있다. 열전달 향상은 동일한 냉각 유동 속도에 대해 매끄러운 구멍 통로에 비해 2.5배 높을 수 있다. 난류형성부는 통상적으로 냉각 통로의 내측 표면을 따른 내부 릿지 또는 거친 표면을 포함하며 통상적으로 세라믹 코어를 사용하여 냉각 통로내에 주조된다. 그러나, 현재 사용되는 많은 터빈에 있어서, 많은 버킷이 주조 공정에 의해 형성된 매끄러운 내측벽 표면을 갖는 내부 냉각 통로를 가지므로 난류형성부에 의해 얻을 수 있는 향상된 냉각 효과를 얻지 못한다. 많은 발전 터빈 버킷은 터빈 에어포일 내측에 반경방향 냉각 유동 통로를 형성하도록 원형의 둥근 구멍이 천공된 성형 튜브 전기화학적 가공을 사용한다(Shaped Tube Electrochemical Machining: STEM). STEM은 300:1과 같은 높은 종횡비를 갖는 전도성 재료내의 작고 깊은 구멍을 비접촉 천공하는데 사용된다. 종횡비는 구멍의 길이 또는 깊이 대 특정한 적용에 있어서 수 밀리미터 정도로 작을 수 있는 구멍의 최대 측방향 치수 예컨대 직경의 비이다. STEM 공정은 중간 공간내에서 흐르는 전해질을 통해 전극과 가공물 사이의 전류의 유동을 사용하여, 전해질 용해에 의해 스톡을 제거한다.
냉각 통로내의 릿지 또는 환상의 난류형성 링은, 본 명세서에 참조로 인용 합체되는 미국 특허 출원 제 09/388,579 호(발명의 명칭: Electromechanical Machining Process, Electrode Therefor and Turbine Bucket With Turbulated Cooling Passages")에 기재된 바와 같이 STEM 천공 공정 동안 형성될 수 있다. 이들 원형 난류형성 링은 냉각 유동 방향에 수직하게 통로내로 돌출하여 난류 와동(vortex)을 발생시켜 냉각 통로내의 열전달을 향상시킨다. 통상적으로, 소정 기간 현장에서 사용한 후에는, 링 사이의 표면에 냉각 공기로부터의 먼지가 축적되어 바람직하지 못한 절연층을 형성되고 그에 따라 냉각 효율이 감소된다. 열전달을 더욱 향상시키고 또한 STEM 천공된 난류형성 냉각 통로내의 먼지 축적을 감소시켜 냉각 효율을 유지할 수 있는 개선된 특징부를 갖는 것이 요망된다.
본 발명의 방법에 있어서, 기형성된 난류형성 링은 부가적 공기 경로를 제공하며 링 사이의 정체 유동 영역을 방지하는 축방향으로 배향된 갭을 구비하도록 변형된다.
STEM 공정을 사용하여 갭을 형성하기 위해, 존재하는 반경방향 냉각 통로보 다 약간 작은 단면을 갖는 전극이 선택된다. 전극은 전체 외부 표면상에 절연 유전재 또는 코팅을 갖는다. 코팅의 일부는 그 뒤 소망의 갭 패턴을 형성하도록 예컨대 레이저 박리 기술을 이용하여 제거된다. 갭 사이의 축방향 간격은 냉각 통로내의 난류형성 링 사이의 간격과 동일하다. 원주방향으로, 각 링에 대해 적어도 두 개의 갭이 제공된다. 갭은 인접한 링 사이에서 정렬되거나 또는 오프셋될 수 있다. 난류형성 링내에 다수의 축방향으로 배향된 갭을 생성하도록 패턴화된 전극은 그 뒤 STEM 공정을 사용하여 존재하는 냉각 통로내측에 위치된다. 보다 상세하게는, 패턴화된 전극은 전해질 및 전극과 가공물(버킷) 사이의 전류의 인가와 협력하여 난류형성부 링의 인접한 부분으로부터 금속을 용해시켜 링내에 축방향 갭을 형성한다. 전술된 바와 같이, 이들 갭은 부가의 공기 경로를 제공하여 공기가 갭의 에지를 통과할 때 부가의 난류 와동이 발생되어 파편의 축적을 감소시키면서 표면 열전달 및 그에 따른 냉각 효율을 향상시킨다.
따라서, 본 발명의 보다 넓은 관점에 있어서, 본 발명은 냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 냉각 통로내에 다수의 난류형성 링을 형성하는 단계로서, 이 링은 통로내의 냉각 유동 방향과 실질적으로 수직하게 내측으로 돌출하는, 상기 링 형성 단계와, 패턴화된 전극을 사용하여 난류형성 링의 하나 또는 그 이상에 적어도 하나의 갭을 형성하는 단계로서, 적어도 하나의 갭은 유동 방향에 평행하게 연장하는, 상기 갭 형성 단계를 포함한다.
다른 관점에 있어서, 본 발명은 가공물내의 냉각 통로 내측의 반경방향 내측으로 돌출하는 난류형성 링내에 갭을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은, (a) 비절연 부분에 의해 차단되는 전기 절연재를 그 위에 갖는 전극을 통로내에 위치시켜 관형 링내의 갭의 의도된 위치에 대체로 대향되게 전극의 외측 표면주위에 전극의 비절연 부분의 패턴을 생성하는 단계와, (b) 전극과 냉각 통로의 내측 표면 사이로 냉각 통로를 통해 전해질을 유동시키고, 전극과 가공물 사이에 전류를 통과시켜 난류형성 링내에 갭을 형성하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 가공 구성부품(12)(예를 들면, 고압 터빈 노즐 또는 버킷)내의 냉각 통로(10)는 버킷(또는 다른 구성부품)이 주조될 때 통상적으로 매끄러운 구멍으로 형성된다. 그 뒤, 통로는 실질적으로 통로의 전체 길이를 따라 축방향으로 이격된 관계로 다수의 환상 릿지 또는 난류형성 링(14)을 포함하도록 재형성된다. 난류형성 링(14)은 통로내에 형성되어 난류형성 링을 그들 사이에 두는 환상 그루브를 발생시키는 패턴화된 전극에 의해 STEM 천공 공정동안 형성될 수 있다. 달리 말하면, 최초의 통로 직경은 실질적으로 난류형성 링의 내측 직경과 동일하다. 상기 미국 특허 출원 제 09/388,579 호에서는, 난류형성 링과 갭이 단일 단계에서 형성된다. 본 발명은 STEM 천공 공정을 이용하여 링내에 갭을 갖지 않는 기존의 난류형성 통로를 개량할 수 있는 개선을 제공한다.
도 2는 사전에 형성된 난류형성 링(14)내에 축방향으로 배향되고 원주방향으로 배열된 갭을 형성하도록 설계된 전극(16)을 도시한다. 상세하게 설명하면, 전극(16)은 통로(10)의 직경보다 약간 작고 특히 난류형성 링(14)의 내경보다 작은 외경을 갖는 중공의 원통형 튜브이다. 예시적 실시예에 있어서, 전극의 외경은 난류형성 링(14)의 내경보다 약 0.005인치 작다. 전극(16)은 그 전체 길이에 걸쳐 유전체 또는 전기적 절연 코팅(18)을 구비한다. 코팅(18)의 일부는 예컨대 레이저 박리 방법에 의해 선택적으로 제거되어 도 2에 도시된 바와 같은 소망 갭 패턴을 생성한다. 전극의 노출된(즉, 비절연된) 부분(20)의 형상, 크기 및 축방향 간격은 난류형성 링(14)내의 소망 갭(22)에 대응한다. 상세하게 설명하면, 비절연 갭 부분은 전극(16)과 난류형성 링 사이로 지나는 전해질 및 전극과 버킷 사이의 전류 인가와 협동하여 전극상의 노출된 부분(20)에 바로 인접한 난류형성 링(14)으로부터 금속 재료를 제거하여 갭(22)(도 4 참조)을 형성한다. 원주방향으로, 난류형성 링(14)마다 적어도 하나 바람직하게는 두 개의 갭(22)을 갖는 것이 바람직하며, 갭(22)은 인접한 난류형성부 사이에서 정렬되거나 오프셋될 수 있다.
본 발명에 따르면, 갭(22)은 부가적 공기 경로를 제공하여 난류형성부 사이의 정체 유동 영역의 형성을 방지한다. 공기가 갭(22)을 통해 흐를 때, 부가적 난류 와동이 발생되어 표면 열전달을 향상시킬 것이다. 갭(22)은 또한 난류형성 링 사이의 먼지 축적을 감소시켜 냉각 효율을 유지할 것이다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 양호한 실시예라고 간주되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 커버하도록 의 도됨을 이해하여야 한다.

Claims (10)

  1. 냉각 통로(10)내의 열전달 및 냉각 효율을 향상시키는 방법에 있어서,
    상기 통로내에 다수의 난류형성 링(14)을 형성하는 단계로서, 상기 링은 통로내의 냉각 유동 방향에 실질적으로 수직하게 내측으로 돌출하는, 상기 난류형성 링 형성 단계와,
    패턴화된 전극(16)을 이용하여 상기 난류형성 링 중 하나 또는 그 이상에 적어도 하나의 갭(22)을 형성하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 갭(22)은 상기 유동 방향에 평행하게 연장하는, 상기 갭 형성 단계를 포함하는
    냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 갭(22)은 둘 또는 그 이상의 갭으로 이루어진
    냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 갭(22)은 상기 다수의 난류형성 링(14) 각각에 형성되는
    냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류형성 링(14) 및 상기 갭(22)은 전기화학적 가공에 의해 형성되는
    냉각 통로내의 열전달 및 냉각 효율 향상 방법.
  5. 가공물(12)의 냉각 통로(10)내의 반경방향 내측으로 돌출하는 난류형성 링(14)내에 갭(22)을 형성하는 방법에 있어서,
    전기 절연 재료(18)를 그 위에 구비하고, 상기 전기 절연 재료(18)가 비절연 부분(20)에 의해 차단되어서, 상기 난류형성 링 내의 의도한 갭의 위치에 거의 대향하여 외측 표면 주위에 비절연 부분(20)의 패턴을 생성하는 전극(16)을 상기 냉각 통로(10)내에 배치하는 단계와,
    상기 전극과 냉각 통로의 내측 표면 사이로 상기 냉각 통로를 통해 전해질을 유동시키는 단계와,
    상기 전극과 가공물 사이에 전류를 흘려 상기 난류형성 링(14)내에 상기 갭(22)을 형성하는 단계를 포함하는
    갭 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 갭(22)은 둘 또는 그 이상의 갭으로 이루어진
    갭 형성 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    적어도 하나의 갭(22)이 상기 다수의 난류형성 링(14)의 각각에 형성되는
    갭 형성 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 난류형성 링(14) 및 상기 갭(22)은 전기화학적 가공에 의해 형성되는
    갭 형성 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각 통로(10)는 가스 터빈 노즐 구성부품(12)내에 배치되는
    갭 형성 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각 통로(10)는 가스 터빈 버킷 구성부품(12)내에 배치되는
    갭 형성 방법.
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