KR100880293B1 - 버켓 에어포일을 포함한 터빈 버켓과, 터빈 휠을 포함한터빈 - Google Patents

버켓 에어포일을 포함한 터빈 버켓과, 터빈 휠을 포함한터빈 Download PDF

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Abstract

제 4 스테이지 터빈 버켓(28)은 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 에어포일 프로파일을 구비하며, X 및 Y 값은 인치 단위이며, Z 값은 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치의 Z 거리로 변환가능하다. X 및 Y 값은 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션(48)을 규정하는 인치 단위의 거리이다. 각 Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성한다. X 및 Y 거리는 동일한 정수 또는 숫자의 함수로서 축척가능하여 버켓을 위한 확대 또는 축소된 에어포일 섹션을 제공한다. X, Y 및 Z 거리에 의해 주어진 공칭 에어포일은 에어포일의 표면에 수직 방향으로 ±0.150인치(±0.381cm)의 포락선내에 놓여 있다.

Description

버켓 에어포일을 포함한 터빈 버켓과, 터빈 휠을 포함한 터빈{AIRFOIL SHAPE FOR A TURBINE BUCKET}
도 1은 가스 터빈의 다중 스테이지를 통한 고온 가스 경로의 개략도로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제 4 스테이지 버켓 에어포일을 도시한 도면,
도 2는 팁 슈라우드로부터 반경방향 내측으로 본 버켓의 도면,
도 3 및 도 4는 180° 대향 각도로부터 본 버켓의 사시도,
도 5는 버켓 에어포일의 흡입측으로부터 본 버켓의 측면도,
도 6은 버켓 에어포일의 압력 에지측 및 후연측으로부터 본 사시도,
도 7 및 도 8은 각각 버켓 에어포일 후연 및 전연으로부터 본 버켓의 단부 사시도,
도 9는 버켓 에어포일의 프로파일 단면의 사시도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 고온 가스 경로 12 : 가스 터빈
14 : 노즐 16 : 버켓
17 : 터빈 로터 휠 28 : 제 4 스테이지 휠
32 : 로터 38 : 버켓 에어포일
46 : 슈라우드 48 : 프로파일 섹션
본 발명은 가스 터빈의 스테이지의 버켓용 에어포일에 관한 것이며, 특히 제 4 스테이지 터빈 버켓 에어포일 프로파일에 관한 것이다.
전체 개선된 효율 및 에어포일 부하를 포함하는 디자인 목표에 부합시키기 위해서 가스 터빈의 고온 가스 경로의 각 스테이지에 대해서 많은 시스템 요구조건이 충족되어야 한다. 특히, 터빈 섹션의 제 4 스테이지 버켓은 그 특정 스테이지에 대해서 작동 요구조건을 충족하여야 하며, 또한 효율적으로 제조할 수 있어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 터빈의 성능을 개선한 가스 터빈의 버켓, 특히 제 4 스테이지 버켓용의 독특한 에어포일 형상(airfoil shape)이 제공된다. 본 발명의 에어포일 형상은 공기역학적 효율과, 제 4 단 스테이지 에어포일의 공기역학적 및 기계적 부하를 개선한다. 버켓 에어포일 프로파일은 필요한 효율 및 부하 요구조건을 성취하기 위해서 독특한 점의 궤적(unique loci of points)에 의해 규정되며, 이에 의해 개선된 터빈 성능이 얻어진다. 이들 독특한 점의 궤적은 공칭 에어포일 프로파일을 규정하며, 하기의 표 I의 X, Y 및 Z 데카르트 좌표에 의해 표시된다. 표 I에 도시된 좌표 값에 대한 점은 터빈 중심선과, 그 길이를 따라 다양한 단면에서 저온, 즉 실온 버켓 에어포일에 대한 것이다. 양의 X, Y 및 Z 방향은 각각 터빈 배기쪽의 후방에서 볼 때 터빈 로터 중심선에 대해 축방향으로 평행하고, 후방에서 볼 때 엔진 회전의 방향에 접선방향으로 평행하고, 버켓 팁을 향해 반경방향 외측으로 평행하다. X 및 Y 좌표는 예를 들면 인치 단위의 거리 치수로 주어지며, 부드러운 연속적인 에어포일 단면을 형성하기 위해서 각 Z 위치에서 부드럽게 연결된다. Z 좌표는 0 내지 1의 무차원 형태로 주어진다. 표 I의 무차원 Z 값을 예를 들면 인치 단위의 에어포일 높이 치수에 곱함으로써, 버켓의 에어포일 형상, 즉 프로파일이 구해진다. X 및 Y 평면에서 각각 규정된 에어포일 단면은 Z 방향에서의 인접한 에어포일 단면을 부드럽게 연결하여 완전한 에어포일 형상을 형성한다.
각 버켓 에어포일이 사용시에 가열될 때, 프로파일은 응력 및 온도로 인해서 변형된다. 따라서, 저온 또는 실온 프로파일은 제조 목적을 위해서 X, Y 및 Z 좌표에 의해 주어진다. 제조된 버켓 에어포일 프로파일이 하기의 표에 주어진 공칭 에어포일 프로파일과 상이할 수 있기 때문에, 임의의 코팅 공정을 포함하여, 공칭 프로파일을 따라 임의의 표면 위치에 직교하는 방향에서 공칭 프로파일로부터 ± 0.150인치(±0.381cm)의 거리는 이러한 버켓 에어포일에 대한 프로파일 포락선(envelope)을 규정한다. 에어포일 형상은 버켓의 기계적 및 공기역학적 성능을 손상시킴이 없이 이러한 변형에 강건하다.
또한, 에어포일은 유사한 터빈 디자인에 도입하기 위해서 기하학적으로 확대 및 축소될 수 있다. 따라서, 하기에 주어진 공칭 에어포일 프로파일의 인치 단위의 X 및 Y 좌표는 동일한 정수 또는 숫자의 함수일 수 있다. 즉, 인치의 X 및 Y 좌표는 에어포일 단면 형상을 유지하면서 버켓 에어포일 프로파일의 확대 또는 축소 변형을 제공하도록 동일한 정수 또는 숫자를 곱하거나 나눌 수 있다. 유사하게, 인치로 변환될 때 Z 좌표 값은 동일하게 유지되거나, 축척가능하도록 X 및 Y 좌표와 동일하거나 상이한 숫자가 곱해질 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 에어포일 형상(airfoil shape)을 갖는 버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓에 있어서, 상기 에어포일이 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 공칭 프로파일을 구비하며, Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는, 버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅 공칭 에어포일 프로파일을 갖는 버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓에 있어서, Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하며, X 및 Y 값은 확대 또는 축소된 에어포일을 제공하도록 동일한 정수 또는 숫자의 함수로서 축척가능한, 버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 복수의 버켓을 구비하는 터빈 휠을 포함하는 터빈에 있어서, 상기 각 버켓이 에어포일 형상을 갖는 에어포일을 포함하며, 상기 에어포일이 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 공칭 프로파일을 구비하며, Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는, 터빈 휠을 포함한 터빈이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 복수의 버켓을 구비하는 터빈 휠을 포함하는 터빈에 있어서, 상기 각 버켓이 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅 공칭 에어포일 프로파일을 갖는 에어포일을 포함하며, Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하며, X 및 Y 값은 확대 또는 축소된 에어포일을 제공하도록 동일한 정수 또는 숫자의 함수로서 축척가능한, 터빈 휠을 포함하는 터빈이 제공된다.
이제 도면을 참조하면, 특히 도 1을 참조하면, 복수의 터빈 스테이지를 포함하는 가스 터빈(12)의 고온 가스 경로(10)가 도시되어 있다. 제 4 스테이지가 도시되어 있다. 예를 들면 제 1 스테이지는 원주방향으로 이격된 복수의 노즐(14) 및 버켓(16)을 포함한다. 노즐은 하나가 다른 하나로부터 원주방향으로 이격되어 있으며, 로터의 축을 중심으로 고정되어 있다. 제 1 스테이지 버켓(16)은 물론 터빈 로터 휠(17)상에 장착되어 있다. 또한, 터빈(12)의 제 2 스테이지가 도시되어 있으며, 원주방향으로 이격된 복수의 노즐(18)과, 터빈 로터 휠(19)상에 장착되고 원주방향으로 이격된 복수의 버켓(20)을 포함한다. 제 3 스테이지는 터빈 로터 휠(25)상에 장착된 원주방향으로 이격된 복수의 노즐(22) 및 버켓(24)을 포함한다. 제 4 스테이지는 터빈 로터 휠(29)상에 장착된 원주방향으로 이격된 복수의 노즐(26) 및 버켓(28)을 포함한다. 노즐 및 버켓은 터빈의 고온 가스 경로에 놓여 있으며, 고온 가스 경로(10)를 통한 고온 가스의 흐름 방향은 화살표(30)로 표시되어 있다. 버켓 및 터빈 휠 뿐만 아니라 부수적인 부분이 터빈 로터(32)를 형성한다.
버켓, 예를 들면 제 4 스테이지 버켓(28)은 로터(32)의 일부분을 형성하는 휠(29)과 같은 관련 로터 휠상에 장착된다. 제 4 스테이지 버켓(28)을 포함하는 각 버켓은 관련 로터 휠상의 상보적인 형상의 맞물림 도브테일(도시하지 않음)과 접속시키기 위한 오프축 또는 경사진 축방향 입구 도브테일(34)(도 3 및 도 4)을 구비한다. 물론, 버켓은 축방향 입구 도브테일을 구비할 수 있다. 또한, 각 버켓(28)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 버켓 에어포일(38), 플랫폼(38) 및 생크부(40)를 구비한다. 따라서, 버켓의 각각, 예를 들면 버켓(28)은 에어포일의 형상에서 버켓 루트부(42)로부터 팁 슈라우드(46)에 인접한 버켓 팁(44)까지 임의의 단면에서 버켓 에어포일 프로파일 섹션(48)을 구비하며, 이 섹션의 사시도 도 9에 도시되어 있다. 제 4 스테이지 터빈 버켓의 이러한 바람직한 실시예에 있어서, 88개의 버켓이 있다.
각 제 4 스테이지 버켓 에어포일(36)의 에어포일 형상을 형성하기 위해서, 스테이지 요구조건에 부합하고 그리고 에어포일이 제조될 수 있게 하는 공간내의 독특한 점의 세트 또는 궤적(unique set or loci of points)이 있다. 이러한 독특한 궤적은 스테이지 효율에 대한 요구조건을 충족시키며, 터빈이 효율, 안전 및 원활한 방법으로 작동될 수 있게 하는 공기역학적 부하와 기계적인 부하 사이의 반복에 의해 이뤄질 수 있다. 버켓 에어포일 프로파일을 한정하는 궤적은 터빈의 회전축에 대한 점의 세트를 포함한다. 하기의 표 I에 주어진 X, Y 및 Z 값의 데카르트 좌표계는 그 길이를 따라 다양한 위치에서 버켓 에어포일의 프로파일을 한정한다. X 및 Y 좌표의 좌표값은 표 I에서 인치 단위로 설정되어 있지만, 값이 적절하게 변경되는 경우 다른 치수의 단위가 사용될 수 있다. Z 값은 0 내지 1까지 무차원 형태로 표 I에 설정되어 있다. Z 값을 Z 좌표 값, 예를 들면 인치 단위로 변환하기 위해서, 표에 주어진 무차원 Z 값은 인치 단위의 에어포일의 높이가 곱해진다. 데카르트 좌표계는 직교 관계의 X, Y 및 Z 축을 구비하며, X 축은 터빈 로터 중심선에 대해서 평행하다. 즉, 회전축 및 양의 X 좌표 값은 터빈의 후방, 즉 배기 단부를 향해 축방향이다. 양의 Y 좌표 값은 후방에서 볼 때 로터의 회전 방향에서 접선방향으로 연장되고, 양의 Z 좌표 값은 버켓 팁을 향해 반경방향 외측이다.
X, Y 평면에 수직인 Z 방향에서 선택된 위치에서 X 및 Y 좌표값을 한정함으로서, 버켓 에어포일의 프로파일 단면, 예를 들면 에어포일의 길이를 따라 각 Z 거리에서 도 9에 도시된 전형적인 프로파일 섹션(48)이 확정될 수 있다. X 및 Y 값을 매끄러운 연속 원호로 연결함으로써, 각 거리(Z)에서 각 프로파일 섹션(48)이 결정된다. 거리 Z 사이의 다양한 표면 위치의 에어포일 프로파일은 인접한 프로파일 섹션(48)을 서로 부드럽게 연결하여 에어포일 프로파일을 형성함으로써 결정된다. 이들 값은 대기에서 비작동 또는 비고온 상태에서 에어포일 프로파일을 나타내며, 비코팅된 에어포일에 대한 것이다.
표 I의 값은 에어포일의 프로파일을 결정하기 위해 소수점 셋째자리까지 나타내고 있다. 에어포일의 실제 프로파일에서는 전형적인 제조 허용오차 뿐만 아니라 코팅도 고려되어야 한다. 따라서, 표 I에 주어진 프로파일에 대한 값은 공칭 에어포일에 대한 것이다. 따라서, 임의의 코팅 두께를 포함한 통상의 ± 제조 허용오차, 즉 ±값은 하기의 표 I에 주어진 X 및 Y 값에 더해진다. 따라서, 에어포일 프로파일을 따르는 임의의 표면 위치에 수직 방향으로 ±0.150 인치(±0.381cm)의 거리는 이러한 특정 버켓 에어포일 디자인 및 터빈에 대한 에어포일 프로파일 포락선을 규정하는데, 즉 공칭 저온 또는 실온에서 실제 에어포일 표면상의 측정된 점과, 동일한 온도에서 하기 표 I에 주어진 이들 점의 이상적인 궤적 사이의 편차의 범위를 규정한다. 버켓 에어포일 디자인은 기계적 및 공기역학적 기능을 손상시킴이 없이 이러한 다양한 범위에서 강고하게 된다.
하기의 표 I에 주어진 좌표 값은 바람직한 공칭 프로파일 포락선을 제공한다.
표 I [단, (1인치 ≒ 2.54cm)]
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이러한 제 4 스테이지 터빈 버켓 에어포일의 바람직한 실시예에 있어서, 에어포일의 전연에서 허브 반경(hub radius)은 39.521 인치(100.383cm)이다. 그러나, Z=0 좌표 값은 예를 들면 에어포일의 전연에서 40.635 인치(103.213cm)의 허브 반경으로 측정되었다. 즉, Z=0 좌표 값은 허브로부터 외측의 반경을 따라 1.114 인치(2.830cm)이다. Z=0 으로부터 Z=1 까지 에어포일 버켓의 높이는 22.211 인치(56.416cm)이다.
또한, 상술한 표에 개시된 에어포일은 다른 유사한 터빈 디자인에서 사용하기 위해 기하학적으로 축소 또는 확대될 수 있다. 따라서, 표 I에서 설정된 좌표 값은 에어포일 프로파일 형상이 변경되지 않고 유지되도록 확대 또는 축소될 수 있다. 표 I에서의 좌표의 확대 및 축소된 변형은 정수를 곱하거나 나누어진 표 I의 X 및 Y 좌표로 표현될 수 있다. 유사하게, 인치 단위로 변환된 Z 좌표 값은 동일하게 유지되거나, 축척가능하도록 X 및 Y 좌표와 동일하거나 상이한 수로 곱해질 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.
본 발명에 따르면, 가스 터빈의 성능을 개선한 가스 터빈의 제 4 스테이지 버켓용의 독특한 에어포일 형상이 제공되어, 본 발명의 에어포일 형상은 공기역학적 효율과, 제 4 단 스테이지 에어포일의 공기역학적 및 기계적 부하가 개선된다.

Claims (20)

  1. 에어포일 형상(airfoil shape)을 갖는 버켓 에어포일(36)을 포함하는 터빈 버켓(28)에 있어서,
    상기 에어포일이 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 공칭 프로파일을 구비하며, 상기 Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, 상기 X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션(48)을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는
    버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓.
  2. 제 1 항에 있어서,
    터빈의 제 4 스테이지의 일부를 형성하는
    버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어포일 형상은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직 방향으로 ±0.381㎝(±0.150인치)내의 포락선에 놓여 있는
    버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓.
  4. 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅 공칭 에어포일 프로파일을 갖는 버켓 에어포일(36)을 포함하는 터빈 버켓(28)에 있어서,
    상기 Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션(48)을 규정하는 인치 단위의 거리이며, Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하며, 상기 X 및 Y 값은 확대 또는 축소된 에어포일을 제공하도록 동일한 정수 또는 숫자의 함수로서 축척가능한
    버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓.
  5. 제 4 항에 있어서,
    터빈의 제 4 스테이지의 일부를 형성하는
    버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 에어포일 형상은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직 방향으로 ±0.381㎝(±0.150인치)내의 포락선에 놓여 있는
    버켓 에어포일을 포함하는 터빈 버켓.
  7. 복수의 버켓(28)을 구비하는 터빈 휠(29)을 포함하는 터빈(12)에 있어서,
    상기 각 버켓이 에어포일 형상을 갖는 에어포일(36)을 포함하며, 상기 에어포일이 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 공칭 프로파일을 구비하며, 상기 Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션(48)을 규정하는 인치 단위의 거리이며, 상기 Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는
    터빈 휠을 포함한 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    터빈의 제 4 스테이지의 일부를 형성하는
    터빈 휠을 포함한 터빈.
  9. 복수의 버켓(28)을 구비하는 터빈 휠(29)을 포함하는 터빈(12)에 있어서,
    상기 각 버켓이 실질적으로 표 I에 기재된 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅 공칭 에어포일 프로파일을 갖는 에어포일(36)을 포함하며, 상기 Z 값은 0 내지 1의 무차원 값으로서, 상기 Z 값에 인치 단위의 에어포일의 높이를 곱하여 인치 단위의 Z 거리로 변환가능하며, X 및 Y는 매끄러운 연속 원호로 연결할 경우 각 Z 거리에서 에어포일 프로파일 섹션(48)을 규정하는 인치 단위의 거리이며, 상기 Z 거리에서의 프로파일 섹션은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하며, X 및 Y 값은 확대 또는 축소된 에어포일을 제공하도록 동일한 정수 또는 숫자의 함수로서 축척가능한
    터빈 휠을 포함하는 터빈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 터빈 휠이 터빈의 제 4 스테이지를 포함하는
    터빈 휠을 포함하는 터빈.
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