KR100871195B1 - 터빈 버킷과 터빈 - Google Patents

Abstract

표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 의해 실질적으로 결정되는 에어포일 윤곽을 갖는 제 1 스테이지 버킷(10)이 제공된다. Z는, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이자 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또한 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고, X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이다. X, Y, Z 값은 확대형 또는 축소형 버킷 에어포일을 제공하도록 동일한 상수 또는 수의 함수로서 증감될 수 있다.

Description

터빈 버킷과 터빈{FIRST-STAGE HIGH PRESSURE TURBINE BUCKET AIRFOIL}

본 발명은 독일 에너지국과의 수임 계약 번호 제 DE-FC21-95MC31176 호에 따른 정부 지원으로 안출된 것이다. 따라서, 독일 정부는 본 발명에 대해 일부 권리를 갖는다.

본 발명은 가스 터빈 스테이지용 터빈 버킷에 관한 것으로, 특히 제 1 스테이지의 터빈 버킷 에어포일의 윤곽(profile)에 관한 것이다.

차세대 가스 터빈의 최근 개발 경향은 연소 온도를 높이고 다양한 터빈 구성 요소들의 냉각을 개선시키는 것이다. 본 출원인의 가스 터빈 디자인에서는, 증기와 공기 냉각의 조합을 이용하여 약 60% 조합 사이클 효율을 충족시키는 고출력 터빈의 개발이 추진되고 있다. 터빈 버킷, 특히 제 1 터빈 스테이지의 버킷에 대한 디자인과 구조에는 최적화된 공기 역학적 효율과, 최적화된 공기 역학적 및 기계적 버킷 부하가 요구된다. 추가로, 고압 터빈의 스테이지 사이의 상호 작용 역시 변수 중의 하나이다.

발명의 요약

본 발명의 일 실시예에 따르면, 바람직하게는 제 1 스테이지인 터빈 스테이지용의 독창적인 터빈 버킷 에어포일의 윤곽이 제공되며, 상기 윤곽은 부하 요건에서 필요한 효율을 달성하기 위한 독창적인 궤적의 점들에 의해 규정되며, 이로써 터빈 성능이 개선된다. 뒤에 첨부된 표 I의 X, Y, Z 좌표에 의해 주어지는 공칭 윤곽이 이 독창적인 궤적의 점들을 규정한다는 점을 이해할 것이다. 표 I에 주어진 좌표들은 버킷의 몇몇 단면의 상온, 즉 실온에서의 윤곽에 대한 것이다. 규정된 각 단면은 인접한 단면과 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성한다. 또한, 사용시에 버킷이 과열되면 응력과 온도의 영향으로 윤곽이 변화한다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 상온 또는 실온 윤곽은 제조를 위한 목적에서 X, Y, Z 좌표로 주어진다. 제조된 버킷 에어포일의 윤곽은 하기의 표에 주어진 공칭 에어포일 윤곽과 다를 수 있으므로, 공칭 윤곽으로부터 공칭 윤곽을 따라 임의의 표면 위치에 직각인 방향으로 ±0.100인치(±2.54 mm)인 임의의 코팅 처리를 포함하는 거리가 이 디자인에 대한 윤곽 엔빌로프를 규정한다.

또한, 에어포일은 다른 유사한 터빈 디자인에 도입되도록 기하적으로 확대 또는 축소될 수 있음을 이해할 것이다. 결과적으로, 하기에 주어진 공칭 에어포일 윤곽의 X, Y, Z 좌표는 동일한 상수 또는 수의 함수이다. 즉, 표에 주어진 X, Y, Z 좌표 값을 동일한 상수 또는 수로 곱하거나 나누면, 에어포일의 단면 윤곽이 유지된 상태에서 버킷 에어포일 윤곽의 확대형 또는 축소형이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 버킷 에어포일로서, 임의의 버킷 표면 위치에 직각인 방향으로 ±0.100인치(±2.54 mm) 내에 그 외부 윤곽이 들어오는 버킷 에어포일을 갖는 터빈 버킷에 있어서, 상기 버킷 에어포일은 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 가지며, Z는, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이자 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고, X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는 터빈 버킷이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 버킷 에어포일 형상으로서, 임의의 에어포일 표면 위치에 직각인 방향으로 ±0.100인치(±2.54 mm) 내에 있는 엔빌로프의 버킷 에어포일 형상을 갖는 터빈 버킷에 있어서, 상기 에어포일은 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 가지며, Z는, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이자 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고, X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는 터빈 버킷이 제공된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 가지는 터빈 버킷에 있어서, Z는, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이자 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고, X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하고, X, Y, Z 값은 확대형 또는 축소형 버킷 에어포일을 제공하도록 동일한 상수 또는 수의 함수로서 증감되는 터빈 버킷이 제공된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 임의의 버킷 에어포일 표면 위치에 직각인 방향으로 ±0.100인치(±2.54 mm) 내에 있는 엔빌로프의 에어포일 형상을 각각 갖는 복수의 버킷을 구비하는 터빈 휠을 포함하는 터빈에 있어서, 상기 에어포일은 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 가지며, Z는, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이자 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고, X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는 터빈이 제공된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 각각 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 각각 갖는 복수의 버킷을 구비하는 터빈 휠을 포함하는 터빈에 있어서, Z는, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이자 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고, X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하고, X, Y, Z 값은 확대형 또는 축소형 버킷을 제공하도록 동일한 상수 또는 수의 함수로서 증감되는 터빈이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 에어포일, 섕크 및 도브테일을 포함하는 터빈 버킷을 도시하는 측면도,

도 2는 도 1의 터빈 버킷의 사시도,

도 3은 반경 방향 내측에서 본 버킷을 도시하는 확대 평면도,

도 4는 버킷의 사시도,

도 5는 버킷의 정면도,

도 6은 도 5에 도시된 버킷의 확대도,

도 7은 버킷의 에어포일 윤곽을 개략적으로 도시하는 도면,

도 8은 버킷을 구비한 제 1 스테이지 터빈 휠을 포함하는 터빈을 개략적으로 도시하는 도면.

이제, 도면 중에 특히 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 터빈 블레이드가, 섕크(14)에 의해 지지된 플랫폼(12) 상에 장착되어 있는 에어포일(10)을 포함하는 것으로, 도시되어 있다. 섕크(14)의 반경 방향 내측 단부에는 블레이드를 터빈 휠(도시되지 않음)에 결합시키기 위한 도브테일(16)이 지지되어 있다. 에어포일(10), 플랫폼(12) 및 도브테일(16)은 집합적으로 버킷이라 지칭되며 참조 부호(17)에 의해 포괄적으로 표시된다. 각각의 에어포일(10)은 흡입측(18)과 압력측(20)으로 구성된 복합적인 만곡부를 갖는다. 종래 기술에서처럼, 도브테일(16)은 터빈 휠에 있는 도브테일 개구부에 정합된다는 점과, 바람직하게는 60개인 복수의 버킷이 휠과 터빈 로터 축 둘레에 원주 방향으로 서로 이격되어 있다는 점을 이해할 것이다. 추가로, 섕크(14)의 축 방향 전방 및 후방 측에는 휠 공간 밀봉체(22), 즉 엔젤 윙이 형성되어 있다. 바람직하게, 에어포일(10)을 포함하는 버킷은 도시되지 않은 내부의 냉각 경로(cooling passage), 특히 증기 냉각 경로와 일체로 주조된다.

도 2를 참조하면, 뒤에 나올 표 I에 기재된 X, Y, Z 값에 대한 데카르트 좌표 시스템이 도시되어 있다. 데카르트 좌표 시스템은 서로 직각인 X, Y, Z 축을 가지며, 여기서 Z축은 터빈 로터의 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각인 평면에 직각으로, 즉 X와 Y 값을 포함하는 평면에 직각으로 연장된다. Z 거리는 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작한다. Z 축은 터빈 로터 중심선, 즉 회전축에 평행하게 놓인다. X, Y 평면에 직각인 Z 방향에서 선택된 위치에서의 X, Y 좌표 값을 규정함으로써, 에어포일(10)의 윤곽이 확인될 수 있다. X와 Y 값을 매끄럽고 연속적인 원호로 연결함으로써, Z 거리에서의 각각의 단면 윤곽이 고정된다. Z 거리 사이에서의 다양한 표면 위치에서의 표면 윤곽들이 서로 매끄럽게 연결되어 에어포일을 형성한다. 하기의 표 I에 기재되어 있는 값은 인치로 표시되어 있고, 대기(ambient) 환경, 비작동 또는 비고온 조건에서의 에어포일 윤곽을 나타내며, 비코팅 에어포일에 대한 것이다. 데카르트 좌표 시스템에서 전형적으로 사용되는 바와 같이, Z 축에는 양의 값이 부여되고, X와 Y 좌표에는 각각 양 및 음의 값이 부여된다.

표 I의 값들은 소수점 넷째 자리까지 생성 및 표시되어 있으나, 제조 한계라는 관점에서 보면, 실제로 에어포일의 윤곽을 결정하여 에어포일을 형성하는 데에는 소수점 셋째 자리까지가 유효한 것으로 여겨진다. 또한, 에어포일의 실제 윤곽에 있어서 반드시 고려되어야 할 사항으로 전형적인 제조 공차와 코팅이 있다. 따라서, 표 I에 주어진 값들은 공칭 에어포일의 윤곽에 대한 것이다. 따라서, 하기의 표 I에 주어진 X, Y 값에는 전형적인 ±제조 공차, 즉 양 또는 음의 값과 코팅 두께가 더해진다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 에어포일 윤곽을 따라 임의의 표면 위치에 직각인 방향으로 ±0.100인치(±2.54 mm)인 거리가 본 발명의 버킷 디자인과 터빈에 대한 에어포일 외부 윤곽을 규정한다.

하기의 표 I에 주어진 좌표 값들이 바람직한 공칭 외부 윤곽을 제공한다.

[표 I]
1 인치 ≒ 25.4 mm

상기 표에 기재되어 있는 에어포일은 다른 유사한 터빈 디자인에서의 사용을 위해 기하적으로 확대 또는 축소될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 결과적으로, 표 1에 나타낸 좌표 값은 에어포일 단면 형상이 변하지 않고 유지되도록 확대 또는 축소될 수 있다. 표 1의 좌표의 확대형 또는 축소형은 동일한 상수 또는 숫자에 의해 곱하여지거나 나누어진 X, Y 그리고 선택적으로는 Z 좌표 값(Z 값이 인치 단위로 변환된 후)으로 표시될 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명에서 규정된 에어포일을 갖는 터빈 버킷이 활용될 수 있는 터빈이 도시되어 있다. 도시된 터빈에서, 터빈 로터(40)는 버킷을 장착하는 로터 휠(42)을 포함하는데, 이 버킷은 스테이터 베인과 협동하여 로터의 각종 스테이지를 형성한다. 특히, 제 1 스테이지(46)는 제 1 스테이지 로터 휠(44)을 포함하며, 이 제 1 스테이지 로터 휠(44) 상에는 본 발명의 에어포일(10)을 갖는 버킷(17)이 제 1 스테이지 스테이터 베인(48)에 대향하여 장착되어 있다. 복수의 에어포일(10)이 제 1 스테이지 휠(44) 둘레에 원주 방향으로 서로 이격되어 있다는 것과, 제 1 스테이지 휠(44) 상에는 60개의 버킷이 장착되어 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 간주된 것과 연계하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 반대로 첨부된 청구범위의 사상 및 범위에 포함되는 다양한 변형 및 동등 구성을 커버하는 것으로 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (4)

1. 임의의 에어포일 표면 위치에 직각인 방향으로 ±0.100인치(2.54 mm) 내에 있는 엔빌로프의 버킷 에어포일(10)을 갖는 터빈 버킷(17)에 있어서,

   상기 에어포일(10)은 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 가지며,

   Z 값은, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이면서 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또한 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고,

   X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

   터빈 버킷.
2. 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 에어포일 윤곽(10)을 갖는 터빈 버킷(17)에 있어서,

   Z 값은, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이면서 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고,

   X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하고,

   X, Y, Z 값은 확대형 또는 축소형 버킷 에어포일을 제공하도록 동일한 상수 또는 수의 함수로서 증감되는

   터빈 버킷.
3. 임의의 버킷 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치(2.54 mm) 내에 있는 엔빌로프의 에어포일(10)을 각각 갖는 복수의 버킷(17)을 구비하는 터빈 휠(44)을 포함하는 터빈에 있어서,

   상기 에어포일은 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 윤곽을 가지며,

   Z 값은, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이면서 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고,

   X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

   터빈.
4. 소수점 셋째 자리까지만 의미가 있는 표 I에 기재된 데카르트 좌표 값 X, Y, Z에 실질적으로 따르는 비코팅 공칭 에어포일 윤곽(10)을 각각 갖는 복수의 버킷(17)을 구비하는 터빈 휠(44)을 포함하는 터빈에 있어서,

   Z 값은, 터빈 중심선으로부터 방사되는 반경에 직각이면서 X, Y 값을 포함하는 평면으로부터의 수직 거리이며, 또 상기 에어포일의 반경 방향 최내측의 공기 역학적 섹션에서 X, Y 평면 내의 0에서 시작되고,

   X와 Y는 각각의 거리 Z에서의 에어포일 윤곽을 규정하는 좌표이며, Z 거리에서의 윤곽은 서로 매끄럽게 결합되어 완전한 에어포일 형상을 형성하고,

   X, Y, Z 값은 확대형 또는 축소형 버킷을 제공하도록 동일한 상수 또는 수의 함수로서 증감되는

   터빈.

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