KR101232056B1 - 가스터빈의 노즐 블레이드 - Google Patents

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김중석
이우상
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Abstract

본 발명은 상부의 쉬라우드(Shroud)와 하부의 루트 어태치먼트(Root Attachment) 사이에 에어포일(Airfoil)이 마련되는 가스터빈의 노즐 블레이드를 구성함에 있어서, 상기 에어포일을 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)을 사용하여 형성한 것이다.

Description

가스터빈의 노즐 블레이드 {Nozzle Blade for a Gas Turbine}
본 발명은 가스터빈의 노즐 블레이드(Nozzle Blade)에 관한 것으로, 더 자세하게는 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)을 사용하여 에어포일 형상(Airfoil Shape)을 구성한 것에 관한 것이다.
도 1에는 본 발명이 관계하는 가스터빈의 노즐 블레이드의 사시도가 도시되어 있다.
일반적으로 가스터빈의 노즐 블레이드(100; Nozzle Blade)는 도 1과 같이 상부의 쉬라우드(110; Shroud)와 하부의 루트 어태치먼트(130; Root Attachment) 사이에 에어포일(120; Airfoil)이 마련되는 형태로 구성된다.
종래에 있어서 상기 가스터빈의 노즐 블레이드는 스플라인(Spline) 등의 에스-곡선(S-Curve) 방식으로 구성된 에어포일 형상(Airfoil Shape)을 갖는 것이 주로 사용되었다.
그러나 상기 에스-곡선 방식의 에어포일 형상을 갖는 종래의 가스터빈 노즐 블레이드는 유동의 박리(Separation), 유동의 재부착(Reattachment) 현상을 효율적으로 저감하지 못하고, 형상 손실과 압력 손실이 많게 되는 문제가 있었다.  
본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 고온의 유체가 작용하는 가스터빈의 노즐 블레이드의 유동의 박리(Separation), 유동의 재부착(Reattachment) 현상을 효율적으로 저감할 수 있도록 함은 물론 형상 손실(Profile Loss)과 압력 손실(Pressure Loss)을 최소화할 수 있도록 하는 가스터빈의 노즐 블레이드를 제공하는 데에 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드는 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)을 사용하여 에어포일 형상을 구성한 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 상부의 쉬라우드(Shroud)와 하부의 루트 어태치먼트(Root Attachment) 사이에 에어포일(Airfoil)이 마련되는 가스터빈의 노즐 블레이드를 구성함에 있어서, 상기 에어포일을 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)을 사용하여 형성한 것이다.
본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드에 있어서는 코팅되지 않은 에어포일을 아래의 표 1의 베지어 곡선의 카티션 좌표(Cartesian Coordinate)를 사용하여 형성할 수 있다.
[표 1]
Figure 112010084416132-pat00001
Figure 112010084416132-pat00002
Figure 112010084416132-pat00003
Figure 112010084416132-pat00004
Figure 112010084416132-pat00005
Figure 112010084416132-pat00006
Figure 112010084416132-pat00007
Figure 112010084416132-pat00008
Figure 112010084416132-pat00009
Figure 112010084416132-pat00010
Figure 112010084416132-pat00011
상기 표 1의 카티션 좌표의 x,y,z은 어떤 방향으로나 ± 7mm의 범위를 가지며, z 방향의 각 레이어(Layer)는 선형으로 부드럽게 연결된다.
상기 표 1의 카티션 좌표는 스택킹 축(Stacking Axis)에 대하여 ±  5° 회전 안에 존재하며, 특정 값의 함수로 1 : 0,5 ~ 1 : 2 범위 안에서 스케일 업(Scale up) 되거나 스케일 다운(Scale down)된다.
그리고 상기 표 1의 좌표는 ±  0.5mm의 제작 공차를 가지며, 생크(Shank)는 z 방향으로 선형적으로 확장된다.
상기 표 1의 좌표 사이의 레이어(layer)는 x,y 방향으로, 스택킹 축(Stacking axis)은 엔진 축 기준으로 ± 8°의 값을 갖는다.
본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드에 의하면 유동의 박리(Separation), 유동의 재부착(Reattachment) 현상을 기존 대비 80% 이상 감소시킬 수 있으며, 형상 손실(Profile loss), 압력 손실(Pressure loss) 등을 30 % 이상 감소시킬 수 있게 되어 가스터빈의 성능 향상에 크게 기여할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 1에는 본 발명이 관계하는 가스터빈의 노즐 블레이드의 사시도
이하 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 기술 내용을 첨부도면에 의거하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드는 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)을 사용하여 쉬라우드(110; Shroud)와 루트 어태치먼트(130; Root Attachment) 사이의 에어포일(120; Airfoil)을 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드의 에어포일 형상을 구성하는 데에 사용되는 베지어 곡선(Bezier Curve)은 큐빅 스플라인 곡선의 특별한 형태로서 최소한의 점을 가지고도 복잡한 형태를 만들어 낼 수 있는 것으로, 불규칙한 곡선을 표현하기 위해 수학적으로 만든 곡선으로, 탄젠트 집합으로 곡선과 직선이 부드럽게 만나게 하는 장점을 지닌 곡선이다.
상기 베지어 곡선은 프랑스의 수학자 베지어(Bezier P.)에 의해 만들어진 다항식 곡선의 하나이며, 아우트라인 문자, 스플라인 곡선, 포스트스크립트 등 문자 데이터와 도형을 그릴 때의 자유 곡선은 이 베지어 곡선이 사용되고 있다.
한편 베지어 곡선은 제어점(control point)이라고 하는 몇 개의 점으로 만들어지며, 최초의 제어점인 기점에서 시작하여 최후의 제어점인 종점에서 끝나고, 기점과 종점 사이에 찍힌 제어점이 곡선 모양을 결정하는데, 곡선은 제어점 위를 통과하는 것은 아니다.
기점에서 시작한 곡선은 인접한 제어점 방향으로 진행하는데, 그 옆에 있는 제어점의 영향을 받아 최초의 제어점 위를 지나가지 않고 다음의 제어점 방향에 곡선이 작성된다. 결국 하중(荷重) 평균이 채용되는 것이며, 이와 같이 하여 매끄러운 곡선이 작성된다.
기점과 종점을 포함한 제어점의 개수가 많을수록 복잡한 곡선을 만들 수 있는 데, 계산에 시간이 걸리므로 많은 것은 사용할 수 없다.
본 발명은 상부의 쉬라우드(110; Shroud)와 하부의 루트 어태치먼트(130; Root Attachment) 사이에 에어포일(120; Airfoil)이 마련되는 가스터빈의 노즐 블레이드(100)를 구성함에 있어서, 상기 에어포일을 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)을 사용하여 형성한 것이다.
표 1에는 본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드의 코팅되지 않은 에어포일의 형상을 구성하기 위한 베지어 곡선의 카티션 좌표(Cartesian Coordinate)가 제시되어 있으며, 이 카티션 좌표의 x,y,z은 어떤 방향으로나 ± 7mm의 범위를 가지며, z 방향의 각 레이어(Layer)는 선형으로 부드럽게 연결된다.
   hub   좌표  Shroud   좌표
   x  y  z  x  y  z
1    0.05   28.87    0.04 -  0.56   29.04   27.43
2    0.67   28.55    0.01    0.12   28.68   27.38
3    1.28   28.22 -  0.02    0.78   28.31   27.36
4    1.89   27.88 -  0.04    1.43   27.92   27.34
5    2.48   27.51 -  0.06    2.08   27.52   27.32
6    3.07   27.13 -  0.07    2.71   27.09   27.29
7    3.64   26.73 -  0.08    3.33   26.65   27.28
8    4.21   26.33 -  0.09    3.94   26.19   27.26
9    4.76   25.91 -  0.09    4.54   25.72   27.24
10    5.31   25.47 -  0.09    5.13   25.24   27.22
11    5.84   25.02 -  0.09    5.71   24.74   27.20
12    6.36   24.56 -  0.10    6.27   24.22   27.20
13    6.87   24.08 -  0.10    6.83   23.70   27.21
14    7.37   23.60 -  0.10    7.36   23.16   27.21
15    7.86   23.10 -  0.09    7.90   22.62   27.22
16    8.34   22.60 -  0.09    8.42   22.06   27.22
17    8.81   22.08 -  0.08    8.93   21.50   27.23
18    9.27   21.55 -  0.07    9.43   20.92   27.23
19    9.72   21.02 -  0.06    9.91   20.33   27.23
20   10.15   20.47 -  0.05   10.39   19.74   27.24
21   10.58   19.92 -  0.04   10.85   19.13   27.24
22   10.99   19.36 -  0.04   11.30   18.52   27.24
23   11.39   18.79 -  0.03   11.74   17.89   27.25
24   11.79   18.22 -  0.03   12.18   17.27   27.25
25   12.17   17.64 -  0.02   12.60   16.63   27.25
26   12.55   17.05 -  0.02   13.01   15.99   27.25
27   12.92   16.46 -  0.02   13.41   15.34   27.25
28   13.28   15.86 -  0.01   13.81   14.69   27.25
29   13.62   15.25 -  0.00   14.20   14.04   27.25
30   13.97   14.65    0.00   14.57   13.37   27.25
31   14.30   14.04 -  0.00   14.95   12.71   27.24
32   14.64   13.42 -  0.01   15.31   12.04   27.24
33   14.95   12.80 -  0.02   15.66   11.36   27.24
34   15.27   12.18 -  0.02   16.01   10.68   27.23
35   15.58   11.56 -  0.02   16.35   10.00   27.22
36   15.88   10.93 -  0.03   16.68    9.32   27.21
37   16.18   10.30 -  0.03   17.01    8.63   27.20
38   16.47    9.67 -  0.03   17.33    7.94   27.18
39   16.75    9.03 -  0.05   17.65    7.24   27.17
40   17.04    8.39 -  0.07   17.96    6.55   27.16
41   17.32    7.75 -  0.08   18.27    5.85   27.14
42   17.59    7.11 -  0.10   18.57    5.15   27.13
43   17.86    6.47 -  0.12   18.87    4.45   27.11
44   18.13    5.83 -  0.14   19.16    3.75   27.08
45   18.40    5.18 -  0.15   19.46    3.04   27.05
46   18.66    4.54 -  0.18   19.75    2.34   27.02
47   18.92    3.89 -  0.21   20.03    1.63   26.99
48   19.17    3.24 -  0.24   20.31    0.92   26.96
49   19.43    2.59 -  0.27   20.59    0.22   26.94
50   19.68    1.94 -  0.30   20.87 -  0.49   26.91
51   19.93    1.29 -  0.32   21.15 -  1.20   26.87
52   20.18    0.64 -  0.35   21.42 -  1.91   26.84
53   20.43 -  0.01 -  0.39   21.69 -  2.62   26.80
54   20.68 -  0.66 -  0.43   23.80 -  1.34   27.11
55   22.56    0.16 -  0.16   23.63 -  0.41   27.15
56   22.41    1.01 -  0.11   23.47    0.51   27.21
57   22.26    1.86 -  0.05   23.30    1.44   27.27
58   22.10    2.70    0.01   23.13    2.36   27.33
59   21.95    3.55    0.05   22.96    3.29   27.37
60   21.79    4.40    0.09   22.78    4.21   27.41
61   21.64    5.24    0.13   22.61    5.14   27.44
62   21.48    6.09    0.17   22.44    6.06   27.47
63   21.32    6.93    0.21   22.26    6.99   27.51
64   21.16    7.78    0.24   22.08    7.91   27.56
65   21.00    8.63    0.26   21.90    8.84   27.57
66   20.83    9.47    0.28   21.71    9.76   27.59
67   20.66   10.32    0.31   21.51   10.68   27.60
68   20.48   11.16    0.32   21.31   11.60   27.62
69   20.30   12.00    0.33   21.10   12.52   27.63
70   20.11   12.84    0.34   20.89   13.44   27.64
71   19.92   13.68    0.35   20.66   14.35   27.64
72   19.71   14.52    0.35   20.43   15.27   27.63
73   19.50   15.35    0.35   20.18   16.17   27.63
74   19.28   16.19    0.34   19.92   17.08   27.62
75   19.05   17.02    0.34   19.65   17.98   27.61
76   18.81   17.84    0.33   19.37   18.88   27.58
77   18.55   18.67    0.31   19.07   19.77   27.55
78   18.28   19.49    0.29   18.75   20.66   27.53
79   18.01   20.30    0.27   18.42   21.54   27.50
80   17.71   21.11    0.25   18.06   22.41   27.47
81   17.39   21.91    0.21   17.69   23.28   27.45
82   17.06   22.71    0.18   17.30   24.13   27.40
83   16.72   23.49    0.14   16.88   24.98   27.36
84   16.35   24.27    0.10   16.43   25.80   27.31
85   15.96   25.04    0.07   15.97   26.62   27.26
86   15.55   25.80    0.02   15.47   27.42   27.20
87   15.11   26.54 -  0.04   14.96   28.21   27.14
88   14.66   27.27 -  0.09   14.41   28.97   27.09
89   14.18   27.98 -  0.13   13.84   29.72   27.04
90   13.69   28.69 -  0.18   13.24   30.44   27.00
91   13.17   29.37 -  0.23   12.60   31.13   26.96
92   12.62   30.04 -  0.27   11.93   31.79   26.92
93   12.05   30.68 -  0.32   11.22   32.42   26.89
94   11.45   31.30 -  0.36   10.48   32.99   26.85
95   10.82   31.89 -  0.41    9.70   33.53   26.82
96   10.17   32.45 -  0.45    8.90   34.02   26.78
97    9.49   32.97 -  0.50    8.07   34.46   26.75
98    8.78   33.46 -  0.53    7.21   34.84   26.76
99    8.05   33.91 -  0.55    6.32   35.16   26.75
100    7.28   34.31 -  0.57    5.42   35.42   26.76
101    6.50   34.66 -  0.59    4.49   35.61   26.79
102    5.69   34.96 -  0.59    3.56   35.74   26.82
103    4.86   35.20 -  0.58    2.62   35.80   26.85
104    4.02   35.39 -  0.56    1.68   35.78   26.92
105    3.17   35.51 -  0.55    0.75   35.70   26.97
106    2.31   35.59 -  0.51 -  0.18   35.55   27.05
가스터빈의 노즐 블레이드는 1000℃ 이상의 고온의 유체에 노출되기 때문에 노즐 블레이드의 소재(Ni based)를 보호하기 위해 특수한 물질로 코팅을 하게 되며, 코팅을 하게 되면 노즐 블레이드 두께가 더 두꺼워지므로 익형 형상이 다소 변하게 되어 코팅 전, 후의 카티션 좌표가 변경된다.
상기 카티션 좌표에서 z 방향은 노즐 블레이드의 높이 방향을 의미하며, 레이어(Layer)는 노즐 블레이드를 생성하기 위해 설계하는 층을 의미한다.
상기 표 1의 좌표는 에어포일의 허브(Hub; 아랫면)의 레이어(layer)와 쉬라우드(Shroud; 윗면)의 레이어의 좌표이다.
상기 표 1의 좌표는 스택킹 축(Stacking Axis)에 대하여 ±  5° 회전 안에 존재하는 것이다.
상기에서 스택킹(Stacking)은 설계한 레이어(Layer)를 쌓아가서 에어포일을 만들어가는 적층 과정을 의미하며, 스택킹 축(Stacking Axis)은 각 레이어를 적층할 때의 기준 축을 의미한다.
상기 표 1의 좌표는 특정 값의 함수로 1 : 0,5 ~ 1 : 2 범위 안에서 스케일 업(Scale up) 되거나 스케일 다운(Scale down)될 수 있다.
즉, 발전 용량이나 항공기의 크기에 따라 가스터빈의 용량 및 크기가 달라지게 되므로 다른 구성부위와 함께 에어포일의 크기를 증가시키거나 감소시켜 사용한다.
본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드는 디스크(Disk)에 고리(annular) 형태로 설치되어 터빈 휠(Turbine Wheel)을 구성한다.
표 1의 좌표를 통해 형성되는 에어포일의 리딩 엣지(121; Leading Edge)와 트레일링 엣지(122; Trailng Edge)는 원 또는 타원의 형태로 부드럽게 연결된다.
표 1의 좌표는 ±  0.5mm의 제작 공차를 가질 수 있고, 0.025 mm 정도의 코팅을 할 수 있으며, 생크(Shank)는 z 방향으로 선형적으로 확장된다.
상기 생크(Shank)는 루트 어태치먼트의 하부에 마련되는 사각형 부분(concave 부위)을 의미하고, 대개 윗부분이 작고 아랫부분은 크게 되어 사다리꼴을 형성하게 된다.
한편 표 1의 좌표 사이의 레이어(layer)는 x,y 방향으로, 스택킹 축(Stacking axis)은 엔진 축 기준으로 ± 8°의 값을 갖는다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드와 같이 5차 이상의 베지어 곡선을 이용하여 에어포일 형상을 구성할 경우 기존의 스플라인(Spline) 등의 에스 곡선(S-Curve) 방식이나 4차 이하의 베지어 곡선으로는 구현할 수 없는 에어포일 형상을 구현할 수 있다.
본 발명의 가스터빈의 노즐 블레이드는 유동의 박리(Separation), 유동의 재부착(Reattachment) 현상을 기존 대비 80% 이상 감소시킬 수 있으며, 형상 손실(Profile loss), 압력 손실(Pressure loss) 등을 30 % 이상 감소시킬 수 있게 되어 가스터빈의 성능 향상에 크게 기여할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100 : 노즐 블레이드
110 : 쉬라우드
120 : 에어포일
121 : 리딩 엣지
122 : 트레일링 엣지
130 : 루트 어태치먼트

Claims (7)

  1. 상부의 쉬라우드(Shroud)와 하부의 루트 어태치먼트(Root Attachment) 사이에 에어포일(Airfoil)이 마련되는 가스터빈의 노즐 블레이드를 구성함에 있어서, 상기 에어포일을 5차 이상의 베지어 곡선(Bezier Curve)의 카티션 좌표(Cartesian Coordinate)를 사용하여 형성하며, 상기 카티션 좌표의 x,y,z 방향은 어떤 방향으로나 미리설정된 고정된 범위를 가지며, 상기 카티션 좌표의 z 방향의 각 레이어(Layer)는 선형으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 코팅되지 않은 에어포일을 아래의 표 1의 베지어 곡선의 카티션 좌표(Cartesian Coordinate)를 사용하여 형성한 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
    [표 1]
    Figure 112010084416132-pat00012

    Figure 112010084416132-pat00013

    Figure 112010084416132-pat00014

    Figure 112010084416132-pat00015

    Figure 112010084416132-pat00016

    Figure 112010084416132-pat00017

    Figure 112010084416132-pat00018

    Figure 112010084416132-pat00019

    Figure 112010084416132-pat00020

    Figure 112010084416132-pat00021

    Figure 112010084416132-pat00022
  3. 제2항에 있어서, 상기 표 1의 카티션 좌표의 x,y,z은 어떤 방향으로나 ± 7mm의 범위를 가지며, z 방향의 각 레이어(Layer)는 선형으로 부드럽게 연결되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 표 1의 카티션 좌표는 스택킹 축(Stacking Axis)에 대하여 ±  5° 회전 안에 존재하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
  5. 제2항에 있어서, 상기 표 1의 좌표는 특정 값의 함수로 1 : 0,5 ~ 1 : 2 범위 안에서 스케일 업(Scale up) 되거나 스케일 다운(Scale down)되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
  6. 제2항에 있어서, 상기 표 1의 좌표는 ±  0.5mm의 제작 공차를 가지며, 생크(Shank)는 z 방향으로 선형적으로 확장되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
  7. 제2항에 있어서, 상기 표 1의 좌표 사이의 레이어(layer)는 x,y 방향으로, 스택킹 축(Stacking axis)은 엔진 축 기준으로 ± 8°의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 노즐 블레이드.
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