KR101146158B1 - 가스 터빈용 피냉각 블레이드 또는 베인 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈용 피냉각 블레이드 또는 베인 (10) 은 블레이드 또는 베인 루트 (12) 및 블레이드 또는 베인 섕크 (25) 로 부터 시작하여 반경방향으로 신장된 주 블레이드 또는 베인부 (11) 를 갖고, 또한 전연부 (19) 및 후연부 (20) 을 가지며, 상기 주 블레이드 또는 베인부 (11) 의 내부에는 반경방향으로 형성된 복수의 냉각 덕트 (13, 14, 15) 가 유동가능하게 직렬로 연결되어 있고, 그 중에서 제 1 냉각 덕트 (13) 는 전연부 (19) 를 따라 배치되고, 제 2 냉각 덕트 (15) 는 후연부 (20) 를 따라 배치되며, 상기 제 1 및 제 2 냉각 덕트에서 냉각 매체의 주 스트림의 유동 방향은 블레이드 또는 베인 루트 (12) 로부터 시작하는 설치 반경방향이며, 제 1 냉각 덕트 (13) 의 하류 단부는 제 1 전환 영역 (17), 제 1 및 제 2 냉각 덕트 (13, 15) 사이에 있는 제 3 냉각 덕트 (14) 및 제 2 전환 영역 (18) 을 통해 제 2 냉각 덕트 (15) 의 유입측 단부와 유체 소통 연결되며, 제 1 수단 (22, 23) 이 제공되며, 이 수단을 통해 외부로부터 추가 냉각매체 스트림이 상기 제 3 냉각 덕트 (14) 로부터 제 2 냉각 덕트 (15) 로 흐르는 냉각 매체의 가열된 주 스트림에 추가된다.
상기 제 1 수단은 블레이드 또는 베인 (10) 을 통해 횡방향으로 나있고, 제 2 전환 영역 (18) 와 연통하는 보어 (22, 23) 를 포함할 수 있다.

Description

가스 터빈용 피냉각 블레이드 또는 베인{COOLED BLADE OR VANE FOR A GAS TURBINE}
본발명은 가스 터빈 기술 분야에 관한 것이다. 본발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 가스 터빈용 피냉각 블레이드 (blade) 또는 베인 (vane) 에 관한 것이다.
이러한 유형의 블레이드 또는 베인은 미국특허공보 US-A 4,278,400 에 개시되어 있다.
현대의 고효율 가스 터빈은 커버 스트립이 제공되고 작동중에 1200K 보다 높은 온도 및 6 바아 (bar) 보다 큰 압력의 고온 가스에 노출되는 블레이드 또는 베인을 사용한다.
도 1 은 이러한 유형의 커버 스트립을 가진 블레이드 또는 베인의 기본 형상을 도시한다. 이 블레이드 또는 베인 (10) 은 바닥 방향을 향해 블레이드 또는 베인 섕크 (25) 를 경유하여 블레이드 또는 베인 루트 (12) 에 통합되어 있는 블레이드 또는 베인부 (11) 를 포함한다. 상단부에서 상기 주 블레이드 또는 베인부 (11) 는 커버 스트립부 (21) 에 통합되어 있고, 블레이드 또는 베인의 완전한 링형상인 상기 커버 스트립부는 다른 블레이드 또는 베인의 커버 스트립부와 함께 연속적인 환형의 커버 스트립을 형성한다. 주 블레이드 또는 베인부 (11) 는 고온 가스가 흐르는 전연부 (leading edge, 19) 와 후연부 (trailing edge, 20) 를 갖는다. 전환 영역 (17, 18) 에 의해 유동이 가능하게 서로 연결되고, 여러번 방향전환되어 구불구불한 경로를 형성하는 복수의 반경방향 냉각 덕트 (13, 14 및 15) 가 주 블레이드 또는 베인부 (11) 의 내부에 배치된다. (냉각 덕트 (13, 14 15) 에 그려진 유동 화살표 참고)
구불구불한 형상으로 직렬로 연결된 냉각 덕트 (13, 14, 15) 를 통해 냉각 매체가 한번 통과하기 때문에, 냉각 매체의 온도는 냉각 덕트를 통해 흐르면서 증가하고, 후연부 (20) 의 최종 냉각 덕트 (15) 에서 온도가 최대가 된다. 따라서, 어떤 작동 조건에서, 블레이드 또는 베인 (10) 의 후연부 (20) 는 냉각 매체와 블레이드 또는 베인 재료 또는 금속에 대해 과도하게 고온이 된다. 결과적으로 블레이드 또는 베인의 축방향 길이에 걸쳐 금속 온도의 불균일이 발생하고, 이 때문에 고온 크립성과 이에 기인한 후연부 (20) 의 변형이 발생할 수도 있다. 도 1 에 도시된 커버 스트립을 가진 블레이드 또는 베인의 후연부 변형의 부차적인 영향으로 커버 스트립부 (21) 가 축방향, 반경방향 및 원주 방향으로 기울어지게 된다. 커버 스트립부 (21) 가 기울어지면 각각의 커버 스트립부 사이에 틈새가 위로 열려, 고온 가스가 커버 스트립 공동 (cavity) 에 들어가게 된다. 이 때문에 커버 스트립재 금속의 온도가 상승되고, 커버 스트립의 크립이 발생되어, 결국 커버 스트립이 고온 파손된다.
위에서 설명한 미국특허공보 US-A 4,278,400 에는 냉각 팁 및 전연부에 미세하게 분포된 냉각 개구를 가진 블레이드 또는 베인을 냉각하기 위한 매체를 다중 공급하는 것이 이미 제안되어 있다. (막 냉각) 이젝터 (ejector) 가 주 냉각 스트립에 90°로 전환된 단부에서 주 냉각 스트림의 유동방향에 대해 횡으로 배치되고, 이 이젝터는 더 저온인 추가적인 냉각 매체 스트림을 후연부를 따라 형성된 냉각 덕트 안으로 주입한다. 상기 이젝터에는 루트내에 반경방향으로 형성된 덕트를 통해 냉각 매체가 공급된다. 증가된 속도로 이젝터의 노즐 밖으로 흐르는 냉각 매체는 압력이 감소되어 가열된 냉각 매체가 전연부의 냉각 덕트로부터 후연부의 냉각 덕트 안으로 흡인된다. 전연부를 따라 흐르는 냉각 매체의 약 45% 가 후연부에 있는 냉각 개구를 통해 나온다. 40% 는 이젝터에 흡인되며, 나머지는 블레이드 또는 베인 팁에 있는 냉각 개구를 통해 방출된다.
위와 같은 공지된 냉각 매체의 다중 공급 방법은 여러가지 결점을 가지고 있는데, 즉 전연부에 있는 냉각 덕트의 입구를 통해 단일 공급되는 구성에 비해 이젝터는 냉각 덕트에서의 압력 조건 및 유동 조건을 크게 변화시킨다. 특히, 후연부에서의 막 냉각을 위해 흘러나가는 냉각 매체와 이젝터에 의해 흡인되는 냉각 매체 사이에 평형을 찾아야 하고, 그 다음 이 평형을 설정하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 블레이드 또는 베인 냉각의 완전히 새로운 설계가 요구되고, 이는 오직 필요조건을 어렵게 변경함으로써 가능하다. 이젝터 원리 및 이와 관련된 압력 감소는 전연부의 막 냉각이 없고 피냉각 커버 스트립을 갖는 블레이드 또는 베인에는 부적절하다.
따라서, 본발명의 목적은 종래의 블레이드 또는 베인의 결점을 피할 수 있고 피냉각 커버 스트립을 갖고 전연부의 막 냉각이 없는 블레이드 또는 베인에 적용가능하며, 또한 기존의 블레이드 또는 베인 형상에 대해서도 추가적인 큰 구조 변경 없이도 용이하게 실현가능한 냉각 매체가 다중 공급되는 가스 터빈용 피냉각 블레이드 또는 베인을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1 의 구성으로 달성될 수 있다. 본발명의 핵심 사상은 블레이드 또는 베인 또는 블레이드 또는 베인 섕크를 통해 횡방향으로 형성되어 전환 영역과 직접적으로 또는 간접적으로 연통하는 보어 (bore) 를 통해 추가 스트림이 공급된다는 것이다. 코어 개구를 통해 공급되는 추가 스트림의 압력 및 온도는 이 경우 주 냉각 입구에 유입하는 주스트림의 압력 및 온도와 같다. 보어를 통해 추가 스트림이 공급되면 두 스트림의 혼합물이 얻어지고, 이리하여 블레이드 또는 베인의 후연부에 대한 냉각이 현저하게 개선된다.
상기 보어는 전환 영역으로 직접 연통될 수 있다. 그러나, 상기 보어는 전환 영역 아래에서 반경방향으로 형성되어 그 전환 영역과 연통하는 덕트 안으로 개방될 수도 있다.
본발명의 바람직한 제 1 실시형태는 반경방향으로 배향된 코어 개구가 블레이드 또는 베인 루트에 제공되고, 보어가 블레이드 또는 베인 섕크를 통해 형성되어 코어 개구 안으로 개방되어 있는 것을 특징으로 한다.
본발명의 바람직한 제 2 실시형태에 따르면, 유동 방향으로 위쪽으로 비스듬하게 형성되어 서로 대향하는 2개 이상의 보어가 제공되고, 각각의 보어는 수직선에 대해 30° ~ 90°각도를 이룬다. 특히, 이 보어는 반경방향 및 축방향으로 엇갈리게 배치되고, 보어는 규정된 내경을 가지며, 보어의 내경 (d) 과 보어 사이의 축방향 거리 (x) 사이에는 0 < x/d < 3, 보어 사이의 반경방향 거리 (y) 와 상기 내경 (d) 사이에는 1 < y/d < 4 , 상부 보어와 제 2 내부 전환 영역 (18) 사이의 거리 (l) 와 내경 (d) 사이에는 1 < l/d < 4 이다.
기존의 블레이드 또는 베인에서 냉각 매체의 다중 공급을 실현하기 위해서는, 바람직한 제 2 실시형태에 따라, 추가 스트림의 부가에도 불구하고 냉각 매체의 주스트림이 제 1 냉각 덕트를 통과할 때 실질적으로 변하지 않게 유지시키는 제 2 수단이 있으면 특히 유리하다. 이는 특히, 상기 제 2 수단이 주 냉각 입구와 제 2 전환 영역 사이에 배치되는 추가의 배출 구멍을 포함하는 구성으로 달성되며, 이 배출 구멍을 통해 주냉각 매체 스트림의 일부가 나가게 된다. 이와 관련하여 다른 개선된 구성에 따라, 블레이드 및 베인이 상단부에서 커버 스트립부를 갖고, 상기 추가의 배출 구멍이 상기 커버 스트립부에 배치된 보어인 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 또한 커버 스트립에 대한 냉각이 현저하게 개선된다.
다른 실시형태는 종속항에 나타나 있다.
본발명에 대해 도면을 참조하여 예시적인 실시형태를 기초로 보다 자세하게 설명하도록 한다.
도 1 은 냉각 매체가 다중 공급되고 피냉각된 커버 스트립을 가진 본발명의 바람직한 실시형태에 따른 피냉각 가스 터빈 블레이드를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 2 는 추가 냉각 매체 스트림을 공급하는 보어를 갖는 도 1 의 블레이드 또는 베인의 루트 영역의 확대도이다.
도 3 및 4 는 각각 도 2 의 단면에 수직인 도 2 의 블레이드 또는 베인의 루트의 단면도 및 추가 냉각매체 스트림을 공급하기 위한 두 보어중 하나의 단면도이다.
도 5 는 도 1, 2 에 도시된 블레이드 및 베인의 커버 스트립부를 위에서 본 평면도이다.
도 6 ~ 8 은 도 5 의 평행한 단면 A-A, B-B 및 C-C 를 따른, 도 1, 2 의 블레이드 또는 베인의 커버 스트립의 다양한 단면도이다.
냉각 매체가 다중 공급되는 본발명에 따른 피냉각 가스 터빈 블레이드 또는 베인의 바람직한 일실시형태가 도 1 ~ 4 에 도시되어 있다. 냉각 매체의 주 스트림은 블레이드 또는 베인 섕크 (25) 영역에 있는 주 냉각 입구 (16) 를 통해 아래에서부터 냉각 덕트 (13) 로 들어가고, 일부는 커버 스트립부 (21) 의 개구 (도 5 ~ 8 의 보어 27 ~ 29) 를 통해 다시 나가고, 다른 일부는 후연부 (20) 를 통해 다시 나간다 (도 1 에서 커버 스트립부 (21) 및 후연부 (20) 에 그려진 도 1 의 화살표 참조).
추가 냉각매체는 블레이드 또는 베인 섕크 (25) 및 블레이드 또는 베인 루트안에 있는 코어 개구 (24) 를 통해 두 보어 (22, 23) 에 의해 공급된다. 도 2 ~ 4 에서 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 상기 보어 (22, 23) 는 반경방향 및 축방향으로 엇갈리게 배치되고, 서로 대향되도록 배치된다. (도 3, 4 참조) 보어 (22, 23) 는 수직선에 대해 30° ~ 90°의 각도로 경사져 있으며, 유동 방향으로 윗방향으로 (외부로부터 내측으로) 비스듬하게 형성되어 있다. 보어 (22, 23) 는 상기 블레이드 또는 베인 루트 (12) 안의 코어 개구 (24) 에서 끝난다. 따라서, 상기 보어는 주조 코어를 지지 및 제거하는 역할을 하고 따라서 이미 존재하는 블레이드 또는 베인 (10) 의 일영역에 만들어진다. 만약, 코어 개구가 존재하지 않는다면, 즉 상기 전환 영역 (18) 이 외부와 연결되지 않는다면, 상기 보어 (22, 23) 는 윗방향으로 더 나아가 전환 영역 (18) 안으로 직접 연통될 수 있다. 또한, 상기 보어를 전환 영역에 연결하는 반경방향으로 배치되는 석영 로드 (rod) 를 코어 개구 대신에 제공하는 것도 고려할 수 있다.
냉각 매체의 다중 공급의 목적은 더 저온인 냉각 매체를 블레이드 또는 베인 (10) 의 후연부 영역안으로 직접 도입시키기 위한 것이다. 이런 도입은 주 냉각 입구 (16) 를 통해 공급되는 냉각 매체의 주 스트림에 대한 방해 또는 차단이 가능한 최소한으로 되도록 이루어진다. 상기 보어 (22, 23) 의 직경 (d) 과 보어 (22, 23) 사이의 축방향 거리 (x) 사이에는 0 < x/d < 3 인 것이 바람직하다. (도 2 참조) 보어 (22, 23) 사이의 반경방향 거리 (y) 와 상기 직경 (d) 사이에는 1 < y/d < 4 인 것이 바람직하다. (도 2 참조) 상부 보어 (22) 와 제 2 내부 전환 영역 (18) 사이의 거리 (l) 와 직경 (d) 사이에는 1 < l/d < 4 인 것이 바람직하다. (도 2 참조)
더 낮은 온도의 냉각 매체의 이런 공급에 더하여, 블레이드 또는 베인 (10) 의 커버 스트립부 (21) 에 보어 (27, 28, 29) 가 더 제공된다. (도 5 ~ 8 참조) 이 추가 보어 (27, 28, 29) 의 목적은 보어 (23, 24) 를 통해 추가 냉각 매체가 공급됨에도 불구하고 전방 냉각 덕트 (13) 에서의 냉각 매체의 질량 유동이 실질적으로 변하지 않고 유지되게 하기 위한 것이다. 동시에, 보어 (27, 28, 29) 를 통해 나가는 냉각 매체는 상기 커버 스트립부를 적극적으로 냉각시키는 역할도 한다. 커버 스트립부 (21) 의 냉각 보어 (27, 28, 29) 는 내경이 0.6mm ~ 4mm 인 것이 바람직하다. 3개 보어 (27, 28, 29) 모두는 커버 스트립 공동의 주 스트림에 불균일한 분류 (jet) 침투가 일어나도록 상기 커버 스트립부 (21) 에 배치되고 그 치수가 정해진다.
냉각 매체는 냉각 매체의 두 공급 위치에서, 즉 주 냉각 입구 (16) 및 보어 (22, 23) 에서 압력과 온도가 동일하다. 따라서, 주 냉각 매체 스트림은 압력 및 유동속도가 실질적으로 변하지 않으면서 전환 영역 (18) 내에서 추가 스트림과 혼합된다. 전환 영역 (18) 에서 주 스트림은 약 135°로 반향 전환된다. 그 다음, 주 스트림이 이미 약 90°로 방향 전환된 전환 영역 (18) 의 일지점에서 유리하게 공급된다. 만약, 냉각 매체의 다중 공급이 없는 블레이드 또는 베인의 경우에 냉각 매체를 공급 및 방출하는 보어 (22, 23) 및 보어 (27 ~ 29) 를 도 1 에 따라 블레이드 또는 베인 루트 (12) 영역과 커버 스트립부 (21) 에 제공하면 후연부 (20) 영역에서의 냉각은 주 냉각 스트림 없이도 현저하게 개선되며, 따라서 블레이드 또는 베인의 나머지 부분의 냉각이 변경된다. 또한, 커버 스트립부 (21) 가 적극적으로 냉각된다.
만약, 블레이드 또는 베인에 냉각 매체 스트림이 나갈때 통과하는 커버 스트립이 없다면, 제 2 전환 영역 (18) 에서 혼합되는 추가 스트림을 고려하여 제 2 냉각 덕트 (15) 의 단면을 확장할 필요가 있다.
(도면 부호의 설명)
10 블레이드 또는 베인
11 주 블레이드 또는 베인부
12 블레이드 또는 베인 루트
13, 14, 15 냉각 덕트
16 주 냉각 입구
17, 18 전환 영역
19 전연부
20 후연부
21 커버 스트립부
22, 23 보어
24 코어 개구
25 블레이드 또는 베인 섕크
27 ~ 29 보어
d 보어 (22, 23) 의 내경
l 상부 보어 (22) 와 제 2 전환 영역 사이의 거리
y 보어 (22, 23) 사이의 반경방향 거리
x 보어 (22, 23) 사이의 거리

Claims (14)

  1. 설치 반경방향 및 설치 축방향을 갖는 가스 터빈용 피냉각 블레이드 (10) 로서, 이 블레이드 (10) 는 블레이드 루트 (12) 및 블레이드 섕크 (25) 로부터 시작하여 반경방향으로 신장된 주 블레이드부 (11) 를 갖고, 상기 주 블레이드 부는 전연부 (19) 및 후연부 (20) 를 가지며, 상기 주 블레이드부 (11) 안에는 반경방향으로 형성된 복수의 냉각 덕트 (13, 14, 15) 가 유동가능하게 직렬로 연결되어 있고, 그 중에서 제 1 냉각 덕트 (13) 는 전연부 (19) 를 따라 배치되고, 제 2 냉각 덕트 (15) 는 후연부 (20) 를 따라 배치되며, 상기 제 1 및 제 2 냉각 덕트에서 냉각 매체의 주 스트림의 유동 방향은 블레이드 루트 (12) 로부터 시작하는 설치 반경방향이며, 제 1 냉각 덕트 (13) 의 하류 단부는 제 1 전환 영역 (17), 제 1 및 제 2 냉각 덕트 (13, 15) 사이에 있는 제 3 냉각 덕트 (14) 및 제 2 전환 영역 (18) 을 통해 제 2 냉각 덕트 (15) 의 유입측 단부와 유체 소통 연결되며, 제 1 수단 (22, 23) 이 제공되며, 이 수단을 통해 외부로부터 추가 냉각매체 스트림이 상기 제 3 냉각 덕트 (14) 로부터 제 2 냉각 덕트 (15) 로 흐르는 냉각 매체의 가열된 주 스트림에 추가되는 상기 가스터빈용 피냉각 블레이드 (10) 에 있어서,
    상기 제 1 수단은 상기 블레이드 섕크를 통해 횡방향으로 형성되어 있는 보어 (22, 23) 를 포함하고, 이 보어는 제 2 전환 영역 (18) 과 유체 소통연결되고
    설치 반경방향으로 배향된 코어 개구 (24) 가 상기 블레이드 루트 (12) 에 배치되고, 상기 보어 (22, 23) 는 블레이드 섕크 (25) 를 통해 형성되고, 상기 코어 개구 (24) 안으로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보어 (22, 23) 는 2개 이상이고 서로 대향하도록 배치되고, 이 보어의 개구는 블레이드 내부에서 블레이드 헤드를 향해 있고, 각각의 보어는 설치 반경방향에 대해 30°~ 90° 사이의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 보어 (22, 23) 는 설치 반경방향 및 설치 축방향으로 서로에 대해 오프셋되어 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 보어 (22, 23) 는 소정의 내경 (d) 을 가지며, 보어 (22, 23) 사이의 반경방향 거리 (y) 와 상기 내경 (d) 사이에는 1 < y/d < 4 이고, 상기 보어 (22, 23) 의 내경 (d) 과 보어 (22, 23) 사이의 축방향 거리 (x) 사이에는 0 < x/d < 3 인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  6. 제 5 항에 있어서, 상부 보어 (22) 와 제 2 내부 전환 영역 (18) 사이의 거리 (l) 와 내경 (d) 사이에는 1 < l/d < 4 인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  7. 제 1 항에 있어서, 추가 스트림의 부가에도 불구하고 냉각 매체의 주 스트림이 제 1 냉각 덕트 (13) 를 통과할 때 변하지 않게 유지시키는 제 2 수단 (27 ~ 29) 이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 수단은 주 냉각 입구 (16) 와 제 2 전환 영역 (18) 사이에 배치된 추가 배출 구멍 (27 ~ 29) 을 포함하고, 이 구멍을 통해 냉각 매체의 주 스트림중의 일부가 나가고, 상기 주 냉각 입구 (16) 는 블레이드 섕크 영역 (25) 에 위치한 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 블레이드 (10) 는 상단부에서 커버 스트립부 (21) 를 가지며, 상기 추가 배출 구멍은 상기 커버 스트립부 (21) 에 배치된 보어 (27 ~ 29) 인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 커버 스트립부에는 3개 이상의 보어 (27 ~ 29) 가 제공되고, 이 보어의 내경이 0.6mm ~ 4mm 인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 냉각 덕트 (15) 는 혼합되는 추가 스트림에 대응하여 넓어진 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전환 영역은 제 2 냉각 덕트로 직접 연통되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 덕트는 상기 제 1 전환 영역으로 직접 연통되고, 상기 제 1 전환 영역은 제 3 냉각 덕트로 직접 연통되며, 상기 제 3 냉각 덕트는 상기 제 2 전환 영역으로 직접 연통되고, 상기 제 2 전환 영역은 제 2 냉각 덕트로 직접 연통되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 블레이드의 복수의 냉각 덕트의 수는 3 개인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 피냉각 블레이드.
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