KR101368331B1

KR101368331B1 - 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브, 이를 구비한 냉각장치 및 가스터빈 블레이드

Info

Publication number: KR101368331B1
Application number: KR1020130028599A
Authority: KR
Inventors: 김광용; 문미애; 박민정
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-02-28

Abstract

본 발명은 리브의 단면 형상을 비대칭형으로 하여 높은 열전달 및 냉각성능을 구현할 수 있는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브, 이를 구비한 냉각장치 및 가스터빈 블레이드에 관한 것이다.
이를 위해 냉각유체의 유입방향과 수직을 이루어 냉각유로의 내벽면에 소정 간격으로 다수 형성되는 리브의 형상에 있어서, 상기 냉각유로의 내벽으로부터 소정 높이로 수직 형성된 전면부; 상기 전면부의 끝단으로부터 상기 냉각유로의 길이방향으로 일정 폭을 가지도록 형성된 상면부; 상기 상면부의 끝단으로부터 상기 전면부의 높이보다 작은 높이로 수직 형성된 제1 후면부; 및 상기 제1 후면부의 끝단으로부터 상기 제1 후면부와 둔각을 이루며 상기 냉각유로의 내벽까지 경사지게 형성된 제2 후면부를 포함한 비대칭 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브가 제공된다.

Description

일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브, 이를 구비한 냉각장치 및 가스터빈 블레이드{Asymmetric rib for cooling passage, Gas turbine blade and cooling apparatus having the same}

본 발명은 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브, 이를 구비한 냉각장치 및 가스터빈 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리브의 단면 형상을 비대칭형으로 하여 높은 열전달 및 냉각성능을 구현할 수 있는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브, 이를 구비한 냉각장치 및 가스터빈 블레이드에 관한 것이다.

일반적으로 가스터빈 엔진은 엔진효율을 향상시키기 위해 대략 1,500 ~ 1,700℃의 고온에서 작동되도록 설계되고 있다. 그리고, 열효율을 더욱 높이기 위해 터빈입구의 온도를 연평균 20℃씩 꾸준히 상승시켜 설계하는 추세이다.

그러나, 가스터빈 입구에서의 온도상승은 가스터빈 블레이드의 열부하를 가중시키고, 이로 인해 블레이드의 수명을 단축시키는 결과를 초래하는 문제점이 있다.

한편, 냉각기술을 통해 가스터빈 블레이드의 표면온도를 10℃만 낮추어도 그 수명을 2배까지 증가시킬 수 있는 것으로 보고되어 있으며, 이러한 이유로 고온으로부터 가스터빈 블레이드를 보호하기 위한 다양한 냉각기술에 대하여 연구가 지속되어 왔다. 그 중 하나가 블레이드 내부 냉각기술이다.

이와 같은 블레이드 냉각기술로는 대류냉각(Convection Cooling), 충돌 냉각(Impingement Cooling), 막냉각(Film Cooling) 등이 있다. 대류냉각에 기초한 내부유로 냉각기술은 블레이드 내부에 형성된 냉각유로에 압축기로부터 추출한 냉각유체를 주입하여 강제 대류시킴으로써 고온의 블레이드 표면을 냉각시키는 기술이다.

통상적으로 내부유로 냉각기술은 대류 열전달을 증진시키기 위해 내부유로 벽면에 리브(Rib), 핀-휠(Pin-Fin), 딤플(Dimple), 돌출(Protrusion) 등의 유동간섭물(Turbulator)을 설치하고 있다. 이러한 유동간섭물은 내부유로 벽면의 경계층을 교란시키고, 난류의 발생을 촉진함으로써 열전달을 증진시키는 역할을 수행하게 된다.

특히, 리브는 열전달 면적을 넓히는 방법으로 냉각효율을 증대시킬 뿐만 아니라 그 형상이 단순하여 제작이 용이하기 때문에 가스터빈 블레이드를 포함한 다양한 분야에서 폭넓게 적용되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 사각 단면의 리브가 냉각유로에 적용된 일례를 나타내는 사시도이다. 종래기술에 따른 일반적인 리브 형상은 도 1에 도시된 바와 같이 사각 단면을 가지고 있다. 이와 같은 사각 단면의 리브는 가스터빈 블레이드의 내부 냉각유로(1)의 내벽면(2)에 냉각유체의 유입방향(화살표)과 수직을 이루도록 하여 일정 간격(p)으로 다수 배치된다. 이때, 사각 단면의 리브는 일정 폭(e)과 높이(h)를 가지고 있다.

이와 관련된 종래기술로서 대한민국 공개특허 제2002-089137호와 제2011-0079075호가 있다. 전자는 냉각유로에 복합각도를 갖는 사각 단면의 경사요철을 형성시킨 것이고, 후자는 냉각유로에 사각 또는 반원의 단면을 가진 나선형태의 리브를 연속적으로 형성시킨 것이다. 이와 같은 종래기술은 리브의 단면이 사각 또는 반원 형태의 대칭형이라는 점에 공통점이 있으며, 열전달 효율을 증진시키기 위해 리브의 배열 구조를 개선한 것이다.

한편, 가스터빈 블레이드의 냉각유로에 유입되는 냉각유체는 압축기로부터 추출한 고압의 공기가 주로 사용되고 있다. 즉, 과도한 양의 압축공기 사용은 가스터빈 엔진의 효율이 크게 저하되는 요인이 되고 있다. 따라서 냉각유로의 냉각효율을 개선하고, 가스터빈 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해 리브의 배열구조에 관한 연구뿐만 아니라 리브의 단면 형태에 관한 연구개발도 필요한 실정이다.

한국공개특허 제2002-0089137호 한국공개특허 제2011-0079075호

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 냉각유로의 유동간섭물인 리브의 단면 형상을 비대칭형으로 하여 높은 열전달 및 냉각성능을 구현할 수 있는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브, 이를 구비한 냉각장치 및 가스터빈 블레이드를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브는,

냉각유체의 유입방향과 수직을 이루어 냉각유로의 내벽면에 소정 간격으로 다수 형성되는 리브의 형상에 있어서, 상기 냉각유로의 내벽으로부터 소정 높이로 수직 형성된 전면부; 상기 전면부의 끝단으로부터 상기 냉각유로의 길이방향으로 일정 폭을 가지도록 형성된 상면부; 상기 상면부의 끝단으로부터 상기 전면부의 높이보다 작은 높이로 수직 형성된 제1 후면부; 및 상기 제1 후면부의 끝단으로부터 상기 제1 후면부와 둔각을 이루며 상기 냉각유로의 내벽까지 경사지게 형성된 제2 후면부를 포함한 비대칭 단면을 가진다.

본 발명에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브는 상기 전면부가 상기 냉각유체의 유입방향을 바라보도록 상기 냉각유로에 배치될 수 있고, 이와 달리 상기 제1 및 제2 후면부가 상기 냉각유체의 유입방향을 바라보도록 상기 냉각유로에 배치되는 것도 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브는 상기 전면부와 상기 제2 후면부를 연결하고, 상기 냉각유로의 내벽면과 접하는 하면부가 더 구비될 수 있다.

이때, 상기 리브의 폭에 대한 상기 전면부의 높이의 비율은 0.25 ~ 2.00인 것이 바람직하다.

또한, 상기 리브의 폭에 대한 상기 상면부의 폭의 비율은 0.10 ~ 0.90인 것이 바람직하다.

또한, 상기 전면부의 높이에 대한 상기 제1 후면부의 높이의 비율은 0.10 ~ 0.90인 것이 바람직하다.

또한, 상기 리브의 폭에 대한 상기 리브 사이의 간격의 비율은 1.0 ~ 15.0인 것이 바람직하다.

나아가, 상기 냉각유로는 폭에 대한 높이의 비율이 0.25 ~ 4.00인 사각형의 유로 단면을 가지며, 본 발명에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브가 적어도 1개의 내벽면에 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 냉각유로가 원형의 유로 단면을 가지는 경우 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 내벽면 둘레를 따라 형성되는 것도 가능하다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 상술한 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브가 구비된 냉각장치 또는 가스터빈 블레이드에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭형 리브는 전면부, 상면부, 제1 후면부, 제2 후면부 및 하면부를 구비한 비대칭 형상의 단면을 가짐으로써 냉각유로에 유입되는 냉각유체가 리브의 후류에서 높은 열전달 성능을 유지하게 할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브는 종래의 사각 단면의 리브와 비교하여 같은 양의 냉각유체가 공급됨에도 불구하고 현저히 향상된 냉각성능을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브는 우수한 냉각효율을 가지고 있어 1,500℃ 이상의 고온에서 작동되는 가스터빈 블레이드의 수명을 연장시킬 수 있다. 그리고, 냉각유로에 공급되는 냉각유체의 양을 줄임으로써 가스터빈 엔진의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

나아가, 본 발명에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브는 가스터빈 블레이드 분야뿐만 아니라 산업 전분야의 각종 냉각장치에 사용되는 다양한 형태와 크기를 갖는 냉각유로에 활용 가능한 이점이 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 사각 단면의 리브가 냉각유로에 적용된 일례를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브의 단면 형상을 나타내는 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 냉각유로에 적용된 일례를 나타내는 사시도.
도 4는 사각 단면 리브의 유동방향 국부 누셀트수 분포를 실험값과 계산값으로 비교한 그래프.
도 5는 사각 단면의 리브와 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 냉각유로에 적용된 상태에서의 유선 분포를 나타낸 도면.
도 6은 사각 단면의 리브와 비대칭형 리브의 열전달면에서의 국부 누셀트수 분포를 나타낸 도면.
도 7은 사각 단면의 리브와 비대칭형 리브의 유동방향 국부 누셀트수 분포를 비교한 그래프.
도 8은 레이놀즈수 변화에 따른 사각 단면의 리브와 비대칭형 리브의 열전달면에서의 면적 평균 누셀트수 분포를 나타낸 그래프.
도 9는 리브 사이의 간격변화에 따른 사각 단면의 리브와 비대칭형 리브의 열전달면에서의 면적 평균 누셀트수 분포를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브의 단면 형상을 나타내는 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 냉각유로에 적용된 일례를 나타내는 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브(6)(이하, '비대칭형 리브'로 약술함)는 도 2에 도시된 바와 같이 전면부(10), 상면부(20), 제1 후면부(32), 제2 후면부(34) 및 하면부(40)를 구비하여 비대칭의 단면 형상을 가진다.

이때, 비대칭형 리브(6)는 구리, 알루미늄과 같은 열전도도가 높은 금속 또는 기타 화학적 반응물 등 다양한 재료로 제작될 수 있다. 그리고, 비대칭형 리브(6)는 판재를 절곡하여 방법 등으로 중공을 가지도록 제작될 수 있으며, 속이 꽉찬 형태로 제작되는 것도 가능하다.

비대칭형 리브(6)는 도 3에 도시된 바와 같이 냉각유로(1)의 내벽면(2)에 부착하는 방법으로 냉각유로에 적용될 수 있다. 이와 달리, 판재를 절곡하여 다수의 리브를 형성하는 것과 같이 다수의 리브(4)와 냉각유로(1)의 열전달면(Heated Surface)을 일체로 제작하는 것도 가능하다.

전면부(10)는 도 3에 도시된 화살표 방향으로 유입되는 냉각유체가 충돌하는 면으로써, 냉각유로(1)의 내벽면(2)으로부터 일정 높이(h)를 가지도록 수직 형성된다.

상면부(20)는 상기 전면부(10)에 충돌한 냉각유체가 후방으로 넘어가는 면으로써, 전면부(10)의 끝단으로부터 냉각유로의 길이방향으로 일정 폭(s)을 가지도록 형성된다.

제1 후면부(32)는 상기 상면부(20)의 끝단으로부터 상기 전면부(10)의 높이(h)보다 작은 높이(d)로 수직 형성된다.

제2 후면부(34)는 상기 제1 후면부(32)의 끝단으로부터 제1 후면부(32)와 둔각(α)을 이루며 냉각유로(1)의 내벽까지 경사지게 형성된다.

하면부(40)는 냉각유로(1)의 내벽면과 접하는 면으로써, 상기 전면부(10)와 상기 제2 후면부(34)를 연결하여 비대칭형 리브(6)는 하면부(40)에 대응하는 폭(e)을 가지게 된다. 이때, 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)가 중공을 가진 형태로 제작되는 경우 하면부(40)가 구비되지 않을 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭형 리브(6)는 리브의 폭(e)에 대한 전면부(10)의 높이(h)의 비율(h/e)이 0.25 ~ 2.00을 가지도록 제작되는 것이 바람직하다. 이때, 도 2는 h/e값이 1임을 나타내고 있다.

그리고, 비대칭형 리브(6)는 리브의 폭(e)에 대한 상면부(20)의 폭(s)의 비율(s/e)이 0.10 ~ 0.90을 가지도록 제작되는 것이 바람직하다. 도 2에 의하면 s/e값이 0.50임을 나타내고 있다.

그리고, 비대칭형 리브(6)는 전면부(10)의 높이(h)에 대한 제1 후면부(32)의 높이(d)의 비율(d/h)이 0.10 ~ 0.90을 가지도록 제작되는 것이 바람직하다. 도 2에 의하면 d/h값이 0.50임을 나타내고 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 일부 측면이 비대칭인 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)는 도 3에 도시된 바와 같이 냉각유로(1)의 내벽면(2)에 냉각유체의 유입방향(화살표 방향)과 수직으로 일정한 간격(p)으로 배치된다. 이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 리브의 폭(e)에 대한 리브 사이의 간격(p)의 비율(p/e)은 1.0 ~ 15.0인 것이 바람직하다. 즉, 비대칭형 리브(6)를 단일 냉각유로 내에 배치되는 경우라 하더라도 열부하 등을 계산하여 p/e값을 변화시켜 일정한 간격(p)으로 배치할 수 있다. 이와 달리, 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)는 상기 p/e값의 범위 내에서 리브 사이의 간격(p)을 다양하게 하여 배치함으로써 가스터빈 등의 다양한 종류의 냉각유로에 적용될 수 있음을 밝혀둔다.

한편, 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)는 도 3에 도시된 바와 같이 직사각형의 유로 단면을 가진 냉각유로(1)에 있어서 4개의 내벽면(2) 중에 하나에만 배치될 수 있다. 이와 달리, 비대칭형 리브(6)가 서로 대향하는 2개의 내벽면(2)에 배치되는 것도 가능하고, 서로 인접하는 2개의 내벽면에 배치되는 것도 가능하다. 나아가 비대칭형 리브(6)가 4개의 내벽면(2) 전부에 배치되는 것도 가능하다.

이때, 비대칭형 리브(6)가 상기와 같이 다수의 내벽면에 배치되는 경우 다른 내벽면(2)에 배치되는 비대칭형 리브(6)들이 나란하게 배치될 수 있다. 이 경우 비대칭형 리브(6)들이 일정 간격으로 엇갈리게 배치되거나, 혹은 다양한 간격을 두고 엇갈리게 배치되는 것도 가능하다.

( 변형예 1)

도 10은 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 냉각유로에 적용된 변형예를 나타내는 사시도이다. 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)는 도 10에서와 같이 제1 및 제2 후면부(32, 34)가 냉각유체의 유입방향(화살표 방향)을 바라보도록 냉각유로에 배치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 후면부(32, 34)가 냉각유체와 충돌하는 면이 되도록 비대칭형 리브(6)를 배치하는 것이다.

( 변형예 2)

본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)는 도 3에 도시된 직사각형의 유로 단면을 가지는 냉각유로(1) 뿐만 아니라 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형 등의 사각형의 유도 단면을 가지는 냉각유로에 적용될 수 있다.

또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)는 원형의 유로 단면을 가지는 냉각유로에 적용되는 경우 그 내벽면 둘레를 따라 일정 간격(p)으로 배치되거나, 간격(p)을 다양하게 하여 배치될 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 9를 참조한 실험예를 통해 본 발명에 따른 냉각유로용 비대칭 리브의 작용 및 효과에 대하여 설명하기로 한다.

( 실험예 )

실험을 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)가 사각형의 유로 단면을 가지는 냉각유로(1)의 4개의 내벽면(2) 중 하나에 부착되도록 설계하였다. 이때, 냉각유로(1)의 폭(W)은 51.0mm, 높이(H)는 25.5mm, 길이(L)는 268mm로 제작하였다. 그리고 비대칭형 리브(6)는 10개를 부착하였다.

본 발명에 따른 비대칭형 리브(6)와 종래 사각 단면의 리브의 냉각성능을 비교하기 위하여, 내부 냉각유로의 유동장과 온도장에 대한 수치해석을 수행하였다. 3차원 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 방정식(Reynolds-averaged Navier-Stokes equation)을 풀기 위해 정렬 격자계를 채택한 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-11.0을 사용하였으며, 육면체 격자를 구성하여 수치해석을 수행하였다. 또한, 유동장 및 온도장을 해석하기 위한 난류 모델로는 Reynolds stress model with the SSG pressure-strain 난류모델을 사용하였다. 그리고, 냉각유체로 공기(ideal gas, air)를 적용하고, 경계조건으로는 입구에 일정속도를 지정하였으며 출구에는 정압력 조건을 주었다. 또한, 열전달면인 냉각유로의 내벽면과 리브의 표면에는 일정한 열유속조건과 점착조건을 사용하였고, 그 외의 표면에는 단열조건과 함께 점착조건을 적용하였다.

그리고, 레이놀즈수(Reynolds number, Re)의 변화에 따른 면적평균인 누셀트수(Nusselt number)를 계산하여 열전달면에서의 냉각성능을 평가하였다. 이때, 레이놀즈수(Re)와 누셀트수(Nu)는 다음과 같이 정의된다.

상기 수학식 1과 수학식 2에서 U는 냉각유체의 냉각유로 입구에서의 속도, D_h는 수력직경, ρ는 냉각유체의 밀도, μ는 점성계수, q₀는 열전달면에 주어진 열유속, k_f는 열확산계수, T_w는 단열벽면의 온도를 의미한다.

도 4는 사각 단면 리브의 유동방향 국부 누셀트수 분포를 실험값과 계산값으로 비교한 그래프이다. 여기서 레이놀즈수(Re)는 30,000을 적용하였다. 그리고, x축의 x/D_h는 무차원화된 유동방향을 나타내고, y축의 Nu/Nu₀ _는국부 누셀트수를 나타낸다.

이에 의하면 수치해석의 계산값이 실험값과 매우 작은 오차범위 내에서 일치하는 것을 나타내고 있다. 이로 인해 상기 수학식에 의한 수치해석의 타당성에 대한 신뢰도가 매우 높다는 것을 알 수 있다.

도 5는 사각 단면의 리브와 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 냉각유로에 적용된 상태에서의 유선 분포를 나타낸 도면이다. 구체적으로 도 1 및 도 3에 도시된 세 번째와 네 번째 리브 사이의 유선 분포를 나타내고 있다. 이에 의하면 본 발명의 비대칭형 리브(b)가 사각 단면의 리브(a)에 비해 리브 후류에서 발생하는 재순환 영역의 면적이 좁은 것을 확인할 수 있다. 즉, 비대칭형 리브(b)를 지난 냉각유체는 사각 단면의 리브(a)에 비해 하향류가 강화되어 열전달면인 냉각유로의 내벽면에 빠르게 재부착하게 됨에 따라 열전달 효율이 증대되어 냉각효율의 상승을 가져오게 되는 것이다.

도 6은 사각 단면의 리브와 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 열전달면에서의 국부 누셀트수 분포를 나타낸 도면이다. 여기서 레이놀즈수(Re)는 30,000을 적용하였으며, 사각 단면의 리브(a)와 비대칭형 리브(b)의 세 번째와 네 번째 리브 사이에 해당하는 열전달면에서의 국부 누셀트수(Nu/Nu₀) 분포를 나타낸다. 이에 의하면 본 발명에 따른 비대칭형 리브(b)는 종래 사각 단면의 리브(a)와 비교하여 리브 후류에서 발생하는 재부착점의 위치가 보다 상류에서 발생함에 따라 높은 국부 누셀트수 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 사각 단면의 리브와 본 발명에 따른 비대칭형 리브의 유동방향 국부 누셀트수 분포를 비교한 그래프이다. 여기서 레이놀즈수(Re)는 30,000을 적용하였으며, 사각 단면의 리브에 비해 본 발명의 비대칭형 리브에서 유동방향으로의 국부 누셀트수(Nu/Nu₀)가 더 높은 값을 가진다는 것을 알 수 있다. 그리고, 본 발명의 비대칭형 리브에 의한 열전달 강화효과는 내부 냉각유로의 후류로 갈수록 더욱 강화된다는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 레이놀즈수 변화에 따른 사각 단면의 리브와 본 발명에 따른 비대칭형 리브의 열전달면에서의 면적 평균 누셀트수 분포를 나타낸 그래프이다. 여기서 레이놀즈수(Re)는 5,000에서 50,000으로 변화하는 경우를 나타내고, 이에 의하면 같은 레이놀즈수의 경우 사각 단면의 리브와 비교하여 본 발명의 비대칭형 리브가 더 높은 면적 평균 누셀트수(

)를 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 모든 레이놀즈수(Re)에서 사각 단면의 리브보다 본 발명에 따른 비대칭형 리브의 냉각성능이 우수함을 의미한다.

도 9는 리브 사이의 간격변화에 따른 사각 단면의 리브와 비대칭형 리브의 열전달면에서의 면적 평균 누셀트수 분포를 나타낸 그래프이다. 리브 사이의 간격변화를 나타내는 p/e값이 10.0(a), 7.5(b), 5.0(c)으로 변화할 때를 나타내고 있다. 이에 의하면 본 발명에 따른 비대칭형 리브와 사각 단면 리브의 비교시 p/e값이 5.0일 때 y축의 면적 평균 누셀트수(

)가 비교적 높고, x축의 레이놀즈수(Re)가 높아짐에 따라 y축의 면적 평균 누셀트수(

)가 높아지는 것을 알 수 있다.

도 4를 참조한 상기 실험결과에 의하면 본 발명의 비대칭형 리브가 부착된 내부 냉각유로는 유입되는 냉각유체가 리브 후류에서 높은 열전달 성능을 유지하도록 한다. 이에 따라 같은 양의 냉각유체가 공급됨에도 불구하고 기존 사각 단면의 리브와 비교하여 현저히 향상된 냉각성능을 내게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 비대칭형 리브가 가스터빈 블레이드에 적용되는 경우 1,500℃ 이상의 고온에서 작동되는 가스터빈 블레이드의 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 터빈엔진의 효율을 상승시킬 수 있게 된다. 나아가, 비대칭형 리브는 산업 전분야의 각종 냉각장치에 사용되는 다양한 형태와 크기를 갖는 냉각유로에 적용될 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

1 : 냉각유로
2 : 내벽면
4 : 사각 단면의 리브
6 : 비대칭형 리브
10 : 전면부
20 : 상면부
32 : 제1 후면부
34 : 제2 후면부
40 : 하면부

Claims

냉각유체의 유입방향과 수직을 이루어 냉각유로의 내벽면에 소정 간격으로 다수 형성되는 리브의 형상에 있어서,
상기 냉각유로의 내벽으로부터 소정 높이로 수직 형성된 전면부;
상기 전면부의 끝단으로부터 상기 냉각유로의 길이방향으로 일정 폭을 가지도록 형성된 상면부;
상기 상면부의 끝단으로부터 상기 전면부의 높이보다 작은 높이로 수직 형성된 제1 후면부; 및
상기 제1 후면부의 끝단으로부터 상기 제1 후면부와 둔각을 이루며 상기 냉각유로의 내벽까지 경사지게 형성된 제2 후면부를 포함한 비대칭 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 전면부가 상기 냉각유체의 유입방향을 바라보도록 상기 냉각유로에 배치되는 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 후면부가 상기 냉각유체의 유입방향을 바라보도록 상기 냉각유로에 배치되는 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 전면부와 상기 제2 후면부를 연결하고, 상기 냉각유로의 내벽면과 접하는 하면부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 리브의 폭에 대한 상기 전면부의 높이의 비율은 0.25 ~ 2.00인 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 리브의 폭에 대한 상기 상면부의 폭의 비율은 0.10 ~ 0.90인 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 전면부의 높이에 대한 상기 제1 후면부의 높이의 비율은 0.10 ~ 0.90인 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 리브의 폭에 대한 상기 리브 사이의 간격의 비율은 1.0 ~ 15.0인 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 냉각유로는 폭에 대한 높이의 비율이 0.25 ~ 4.00인 사각형의 유로 단면을 가지며,
적어도 1개의 내벽면에 형성된 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항에 있어서,
상기 냉각유로는 원형의 유로 단면을 가지며,
내벽면 둘레를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브가 구비된 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 일부 측면이 비대칭인 냉각유로용 리브가 구비된 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.