KR101378252B1 - 터빈 블레이드, 터빈 로터, 및 가스 터빈 에어포일을냉각시키기 위한 방법 - Google Patents

터빈 블레이드, 터빈 로터, 및 가스 터빈 에어포일을냉각시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

팁 슈라우드(120, 220)의 부분, 주로 에어포일과 팁 슈라우드 사이의 필릿(fillet) 그리고 슈라우드 에지를 냉각시키기 위해, 사행 냉각 회로(130, 131, 132, 133, 231, 233)가 가스 터빈 블레이드 내에 형성된다.

Description

터빈 블레이드, 터빈 로터, 및 가스 터빈 에어포일을 냉각시키기 위한 방법{SERPENTINE COOLING CIRCUIT AND METHOD FOR COOLING TIP SHROUD}
도 1은 팁 슈라우드(tip shroud)를 갖는 통상적인 터빈 블레이드를 나타내는 개략적인 사시도,
도 2는 슈라우드 스캘러핑(scalloping)을 나타내는, 통상적인 팁 슈라우드의 개략적인 평면도,
도 3은 본 발명을 구현하는 사행 냉각 회로를 갖는 팁 슈라우드의 실시예를 나타내는 개략적인 평면도,
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 취한 본 발명의 예시적인 실시예를 나타내는 개략적인 단면도,
도 5는 도 3의 선 5-5를 따라 취한 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 나타내는 개략적인 단면도.
본 발명은 예컨대 항공기 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈 등과 같은 터빈용 블레이드에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 터빈 블레이드 팁 슈라우드(tip shroud)의 냉각에 관한 것이다. 비제한적인 예로서, 본 발명 및 그 배경기술을 가스 터빈과 관련하여 설명한다.
가스 터빈은 전형적으로 압축 공기를 생성하는 압축기 섹션으로 구성된다. 연료는 압축 공기의 일부분과 혼합되고 하나 이상의 연소실에서 연소되어 고온의 압축 가스를 생성한다. 고온의 압축 가스는 회전축 동력을 생성하기 위해 터빈 섹션에서 팽창된다. 터빈 섹션은 전형적으로 고정 베인(노즐) 및 회전 블레이드(버킷)의 다수의 교호하는 열(row)로 구성된다. 회전 블레이드의 각각은 에어포일(airfoil) 부분 및 루트(root) 부분을 갖고, 블레이드는 루트에 의해 로터에 고정된다.
블레이드가 연소실로부터 배출되는 고온 가스에 노출되기 때문에, 유용한 설계 수명 사이클을 얻기 위해 냉각 방법들이 요구된다. 전통적으로, 블레이드 냉각은 압축기로부터 압축 공기의 일부분을 추출하여 터빈 섹션으로 지향시킴으로서 연소실을 바이패스하는 방식으로 수행된다. 터빈 섹션으로의 도입 후에, 냉각 공기는 블레이드의 에어포일에 형성되는 통로를 관통하여 유동한다. 종종, 반경방향 통로가 제공되어 블레이드 팁에서 냉각 공기를 반경방향 외측으로 배출시킨다.
다수의 회전하는 에어포일에 있어서, 일체적인 팁 슈라우드가 블레이드의 반경방향 외측 단부에서 사용되어 고온 가스가 통과해야 하는 통로의 외면을 형성한 다. 슈라우드를 에어포일의 일부로 함으로써, 엔진 성능이 향상된다. 그러한 이유로, 전체 외면이 팁 슈라우드로 덮이는 것이 바람직하다. 그러나, 회전하는 에어포일 상의 일체적인 슈라우드에는, 회전 속도를 경유하여 인가되는 기계적인 힘에 기인하여, 매우 큰 응력이 발생된다. 높은 응력과 높은 온도 환경의 조합에 기인하여, 블레이드의 잔여부의 전체 유효 수명을 통하여 효과적으로 작동하는 슈라우드를 설계하는 것은 하나의 도전적인 부분이 되고 있다. 이러한 도전을 해결하기 위한 두 개의 방법은 응력을 낮추거나 그리고/또는 온도를 낮추는 것이다.
응력을 낮추기 위한 통상적인 방법은 돌출되는 슈라우드의 일부분을 제거[슈라우드를 스캘럽(scallop)]하여 인가되는 하중을 감소시키는 것이다. 그러나, 팁 슈라우드 커버리지(coverage)를 줄이는 것은 엔진 성능에 위해 요소(detriment)로 작용한다. 부가하여 또는 변형적으로, 블레이드 팁에서 배출되는 냉각 공기는 슈라우드의 반경방향 외측을 향하는 표면 상으로 유동되어 막 냉각(film cooling) 수단을 제공한다.
본 발명은, 일차적으로 그리고 제한적이지 않은 의미로 에어포일 및 팁 슈라우드 사이의 필릿(fillet)에서 사행 냉각을 제공함으로써 블레이드 팁 슈라우드를 더욱 효과적으로 냉각시키는 방안을 제시한다. 본 발명은 또한 그러한 사행 회로를 이용하여 팁 슈라우드를 냉각시키는 방법을 제공한다.
그러므로, 본 발명은 터빈 블레이드 내에서 구현될 수 있고, 터빈 블레이드는, 상기 블레이드를 터빈 로터에 고정시키기 위한 루트와; 상기 루트로부터 종방향으로 연장되는 에어포일과; 상기 에어포일을 관통하여 연장되고, 냉각 유체 유동을 수용하기 위한 유입구를 갖는 적어도 하나의 에어포일 냉각 통로와; 상기 에어포일로부터 외측으로 돌출되고 반경방향 내측을 향하는 표면 및 반경방향 외측을 향하는 표면을 갖는 슈라우드; 및 상기 슈라우드의 적어도 일부분을 관통하여 전후로 연장되도록 마련되고, 상기 에어포일 냉각 통로로부터 냉각 유체를 수용하기 위해 상기 에어포일 냉각 통로와 유체 연통되며, 사용된 냉각 유체가 슈라우드로부터 배출될 수 있도록 하기 위한 적어도 하나의 출구 개구를 갖는, 적어도 하나의 사행 냉각 통로를 구비하며, 상기 유입구를 관통하여 상기 에어포일 냉각 통로에 의해 수용된 상기 냉각 유체의 적어도 제 1 부분이, 상기 사행 냉각 통로 내로 관통하여 유동하고 상기 적어도 하나의 출구 개구를 관통하여 배출된다.
본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적은, 첨부한 도면을 참조로 하여 이하에 주어지는 본 발명의 현재 바람직한 예시적인 실시예의 더욱 상세한 설명을 면밀하게 검토함으로써 더욱 완전하게 이해되고 인식될 수 있다.
팁 슈라우드 상에서 유동하도록 블레이드 팁에서 외부로 개방되는 냉각 통로를 갖는 전형적인 블레이드를 도 1에 개략적으로 도시한다. 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 각 터빈 블레이드(10)는 에어포일(12) 및 루트(14)로 구성된다. 에어포일은 전연(leading edge) 및 후연(trailing edge)을 갖는다. 일반적으로 오목한 표면 및 일반적으로 볼록한 흡입 표면이 에어포일의 대향 측부에서 상기 전연과 후연 사이에서 연장된다. 도시한 예에서, 블레이드 루트(14)는 생크(16), 및 블레이드를 로터에 고정시키기 위해 상기 로터 상의 대응되는 더브테일 홈에 계합되는 더브테일(dovetail)(18)로 구성된다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 슈라우드(20)는 에어포일(12)의 팁(tip)에 형성되고 에어포일로부터 외측으로 연장된다. 슈라우드는 그러므로 반경방향 내측 및 반경방향 외측을 향하는 표면을 가지며 터빈 섹션을 관통하여 유동하는 고온의 압축 가스에 노출된다. 각각의 슈라우드는 지지면(22, 24)을 갖고, 이 지지면(22, 24) 상에서 각각의 슈라우드는 근접한 블레이드의 슈라우드와 접촉되어 블레이드 진동을 억제한다. 또한, 배플(26)이 전형적으로는 슈라우드로부터 반경방향 외측으로 연장되어 각각의 블레이드 열 둘레에서 고온 가스의 누출을 방지한다. 특정의 통상적인 버킷 블레이드 구조에 있어서는, 다수의 냉각 공기 통로가 블레이드를 관통하여 블레이드 팁 내로 반경방향 외측으로 연장된다. 다른 통상적인 버킷 블레이드 구조에 있어서는, 에어포일 내에 사행 통로가 마련된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 냉각 공기 통로는 (반경방향이든 사행이든) 통상적으로 출구 구멍(28)에서 종결되며, 이러한 출구 구멍(28)은 냉각 공기가 슈라우드의 반경방향 외면에서 배출되도록 한다. 아홉 개의 구멍(28)을 도 2에 도시하였지만, 더욱 많은 또는 더욱 적은 수의 통로가 이용될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 팁 슈라우드의 더욱 완전하고 효과적인 냉각을 제공하기 위해, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 사행 회로(130, 131, 132, 133, 231, 233)가 팁 슈라우드(120, 220) 내에 형성된다. 통상적인 방식으로, 공기가 예컨대 더브테일 또는 생크(shank) 구역 근처에서 블레이드 내로 도입되어 생크를 관통하여 에어포일 내로 그리고 에어포일을 따라 상기 팁 슈라우드(120)를 향하여 유동한다. 도시한 예에서, 중앙 냉각 챔버(134, 234)가, 사행 회로(들)를 경유하여 슈라우드를 관통하는 분배를 위한 냉각 유체(공기) 수용부로서, 에어포일(112, 212)의 반경방향 외측 단부에 마련된다. 변형예로서, 에어포일을 따라서 연장되는 다수의 통로가 상기 슈라우드 내에서 각각의 사행 회로에 각각 결합될 수 있다.
냉각 공기는 냉각제 수용부로부터 또는 각각의 냉각제 통로(들)로부터, 사행 회로(들)로 그리고 사행 회로(들)를 관통하여 유동한다. 상기 사행 회로(130, 131, 132, 133, 231, 233)는 각각 특정 개수의 전후로 이어지는 부분을 가질 수 있으며, 이러한 전후로 이어지는 부분에서 냉각제는 제 1 방향으로 유동하고 그리고나서 방향을 바꾸어 다른 방향으로 유동하며, 이러한 다른 방향은 직경방향으로 대향되는 방향(180°)일 수 있거나 또는 150°(30°)나 120°(60°)와 같이 더 작은 각도를 이루는 방향일 수 있다. 팁 슈라우드 내의 냉각 회로는 열 전달을 향상시키거나 압력 손실을 감소시키기 위해 각각의 회로 내에, 도면부호(136)로 개략적으로 도시한 바와 같이, 터블레이터(turbulator) 또는 방향전환 베인(turning vanes)과 같은 부가적인 특징부를 가질 수 있다. 사행 회로는 주로 팁 슈라우드의 평면 내에 배치된다. 냉각제가 각각의 회로를 관통한 그 횡단을 완료하면, 냉각제는 슈라우드로부터 하나 이상의 개구(또는 구멍)(128)를 관통하여 주 가스 경로로 배출된다.
도 3에는 (도 4 및 도 5와 관련하여) 네 개의 사행 회로(130, 131, 132, 133, 231, 233)를 갖는 실시예를 개략적으로 도시한다. 그러므로, 도시한 바와 같이, 냉각 매체는 에어포일로부터 팁 슈라우드 중앙 냉각 챔버(134, 234) 내로 유동하고, 팁 슈라우드 중앙 냉각 챔버(134, 234)는 순차적으로 네 개의 사행 회로의 각각에 상기 냉각 매체를 공급한다. 상기한 바와 같이, 상기 중앙 챔버는 필요하지 않을 수 있으며, 냉각 매체는 에어포일 냉각 통로(들)로부터 특정의 또는 모든 팁 슈라우드 사행 회로 내로 직접적으로 유동할 수 있다. 부가적으로, 특정 개수의 중앙 챔버가 특정 개수의 팁 슈라우드 사행 회로에 냉각 매체를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 블레이드가 주조된 후에 형성되는 에어포일 냉각 특징부를 갖는 블레이드에 대해서는, 중앙 챔버가 주조 시에는 개방된 상태로 유지되고 에어포일 냉각 특징부가 형성된 후에는 예컨대 단부 플레이트/캡에 의해 또는 간단하게는 특정의 단부 캡을 사용하지 않으면서 용접에 의해 개방부를 폐쇄시키는 방식으로 밀봉되는 것이, 제조상 편리하다.
도 4 및 도 5에는 도 3의 팁 슈라우드의 두 개의 예시적인 단면을 개략적으로 도시한다. 도 4에 있어서, 구멍(138)은 사행 회로를 중앙 챔버에 연결시키기 위해 제공된다. 상기 구멍은 사행 회로를 중앙 챔버에 단순히 연결시키기 위해서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 각각의 회로 내로의 유동량을 계량하도록 구성될 수 있다. 도 5의 변형적인 구성에 있어서, 중앙 챔버는 사행 회로에 완전히 개방된다. 도 4 및 도 5 실시예 모두는 공통의 인베스트먼트-주조 코어(investment-casting core)에 의해 마련될 수 있다. 블레이드를 성형하는 인베스트먼트-주조시 제조를 더욱 용이하게 하기 위해 사행 회로(들)에 특징부가 부가될 수 있다. 예컨대, 상기 코어는 사행 회로의 길이를 따른 다양한 지점에서 부품의 상부 또는 에지를 프린트 아웃(print out)할 수 있다. 코어 프린트 아웃(140)은 블레이드를 성형하는 공정시 코어를 보강하는 역할을 한다. 코어 프린트 아웃(140)은 주조 후 밀봉되거나 또는 개방된 상태로 남겨질 수 있고, 개방된 상태로 남겨지는 경우 코어 프린트 아웃(140)은 추출 구멍(bleed hole)이 된다. 추출 구멍은 근접한 구역에 대한 국부적인 대류 냉각을 제공하지만, 사행 회로 내의 하류에서 냉각제의 양을 감소시키는데, 이는 열 전달 관점에서 장점이 될 수도 있고 되지 않을 수도 있다.
에어포일이 사행 회로를 통합하는 경우, 슈라우드 사행 회로는 에어포일 사행 회로에 연결될 수 있다. 예컨대 상기한 바와 같이 반경방향으로 드릴링된 냉각 구멍을 이용하는 사행 냉각 기능을 갖지 않는 블레이드에 있어서는, 슈라우드의 사행 회로는 중앙 챔버에 연결되거나 상기 반경방향 냉각 구멍에 직접적으로 연결될 수 있다. 중앙 챔버를 형성하는 것은 상기 반경방향 냉각 구멍의 형성에 도움이 되지만, 사용 전에 밀봉되어야만 한다. 변형적으로, 슈라우드의 사행 회로는 상기 부품에 주조될 수 있고, 반경방향 구멍은 상기 사행 회로와 교차되도록 부품을 관통해 드릴링될 수 있다. 드릴링된 관통 구멍의 상부는 그리고나서 밀봉되어 냉각제가 슈라우드로부터 배출되기 전에 상기 사행 회로(들)를 통과하도록 할 수 있다. 부가적인 특징부로서, 사행 회로로부터 배출되는 소모된 냉각 공기는 추가적인 냉각 최적화를 위해 유리한 방식으로 위치될 수 있다. 예컨대, 사행 회로(들)로의 출구(들)는 근접한 블레이드 팁 슈라우드 사이의 계면(122, 124)을 냉각시키도록 배치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라 사행으로 냉각되는 팁 슈라우드의 장점은 블레이드의 무게가 따라서 감소된다는 데에 있다. 이 점과 관련하여, 열 전달 목적을 위해, 슈라우드 냉각 공기의 속도는 꽤 높게 유지되어야 한다. 낮은 냉각제 유동 및 중공 팁 슈라우드를 갖는 블레이드에 대해, 이것은 일차적으로는 냉각제가 유동하는 채널의 크기를 감소시킴으로써 달성된다. 이에 따라, 더욱 많은 슈라우드 금속이 사용되거나 또는 더욱 작은 전체 크기를 갖는 슈라우드가 사용되게 된다. 일반적으로, 슈라우드 금속이 더 많이 사용되면 버킷 무게가 더욱 커지며, 더욱 작은 전체 크기를 갖는 슈라우드 즉 스캘러핑된 슈라우드는 엔진 성능을 감소시킨다. 본 발명에서와 같은 사행 회로(들)를 제공함으로써, 적은 양의 냉각 공기가 비교적 작은 채널을 관통하여 다수회에 걸쳐서 통과하게 된다. 이에 따라, 유사한 스캘러핑 정도를 갖는 중실 팁에 비교할 때, 냉각제 속도가 유지되면서 팁 슈라우드 내에서의 공기의 체적은 증가되고 블레이드 무게는 감소된다.
최종적으로, 상기 부품에 일체화되는 즉 주조되는 사행 회로(들)를 형성함으로써, 부품의 구조적인 일체성에 현저한 장점들이 제공된다. 실제로, 팁 슈라우드와 블레이드의 주 본체 사이의 조인트를 창출하기 위해 어떠한 공정도 필요치 않게 된다. 그러한 조인트는 블레이드의 잔여부의 유효 수명을 위해 기계적인 일체성을 보장하기 위하여 수행되는 검사를 어렵게 한다.
본 발명을 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예라고 간주되는 것에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 설명한 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 다양한 개조물 및 등가 배열을 포함하도록 의도된 것이라는 점을 이해할 수 있다. 예컨대, 팁 슈라우드의 냉각이 특별히 참조되었지만, 본 명세서에 기재된 기술은 블레이드의 팁에 배치되지 않는 슈라우드에도 사용될 수 있다. 이 점과 관련하여, 특정의 블레이드는 에어포일의 대략 중간 길이 정도에 배치되어 각 블레이드를 근접한 블레이드에 연결시키는 슈라우드를 가지며, 본 명세서에 기재된 냉각 통로는 이러한 슈라우드에 적용될 수 있다.
본 발명에 따라, 블레이드 팁 슈라우드를 더욱 효과적으로 냉각시키는 방안 및 방법이 제공된다.

Claims (10)

  1. 블레이드를 터빈 로터에 고정시키기 위한 루트(14)와,
    상기 루트로부터 종방향으로 연장되는 에어포일(112, 212)과,
    상기 에어포일을 관통하고, 냉각 유체의 유동을 수용하기 위한 유입구를 갖는 적어도 하나의 에어포일 냉각 통로와,
    상기 에어포일로부터 외측으로 돌출되고, 반경방향 내측을 향하는 표면 및 반경방향 외측을 향하는 표면을 갖는 슈라우드(120, 220)와,
    상기 슈라우드의 적어도 일부분을 관통하여 전후로 연장되도록 형성되고, 상기 에어포일 냉각 통로로부터 냉각 유체를 수용하도록, 상기 에어포일 냉각 통로와 유체 연통되며, 사용된 냉각 유체를 상기 슈라우드로부터 배출시키기 위한 적어도 하나의 출구 개구(128)를 갖는 적어도 하나의 사행 냉각 통로(serpentine cooling passage)(130, 131, 132, 133, 231, 233)를 포함하며,
    상기 에어포일 냉각 통로의 상기 유입구를 통해서 상기 에어포일 냉각 통로에 의해 수용된 상기 냉각 유체의 적어도 제 1 부분은, 상기 사행 냉각 통로로 유입해서, 상기 사행 냉각 통로를 관통하고, 상기 적어도 하나의 출구 개구를 통해 유출되며,
    상기 슈라우드는, 인접하는 블레이드의 슈라우드와 결합하는 지지면(122, 124)을 가지며, 상기 적어도 하나의 출구 개구(128)는 상기 지지면에 인접하여 배치되며,
    상기 슈라우드는 적어도 하나의 중앙 냉각 챔버(134, 234)를 포함하고, 상기 중앙 냉각 챔버는, 상기 적어도 하나의 에어포일 냉각 통로와 유체 연통되고 또한 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로와 유체 연통되어 있고,
    상기 사행 냉각 통로내에, 터블레이터(turbulator) 및 방향전환 베인(turning vanes) 중 적어도 하나가 배치되어 있는
    터빈 블레이드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 냉각 챔버는, 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로와의 사이의 격벽 내의 적어도 하나의 유동 개구(138)를 경유하여, 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로와 유체 연통되어 있는
    터빈 블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 냉각 챔버는 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로와 개방 유체 연통되는
    터빈 블레이드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈라우드에 다수의 사행 냉각 통로가 형성되어 있는
    터빈 블레이드.
  7. 제 1 항에 기재의 터빈 블레이드의 열을 구비하는 터빈 로터.
  8. 가스 터빈 에어포일(112, 212)에 대해서 수직한 평면으로 연장되는 관련된 평탄한 슈라우드(120, 220)를 갖는 가스 터빈 에어포일(112, 212)을 냉각하는 방법에 있어서,
    a) 상기 에어포일에 적어도 하나의 에어포일 냉각 통로를 마련하는 단계와,
    b) 상기 슈라우드에, 상기 슈라우드의 적어도 일부분을 왕복하도록 통과하는 적어도 하나의 사행 냉각 통로(130, 131, 132, 133, 231, 233)를 마련하는 단계와,
    c) 상기 적어도 하나의 에어포일 냉각 통로에 냉각 공기를 공급하는 단계와,
    d) 상기 슈라우드 내의 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로에 상기 냉각 공기를 반송하는 단계와,
    e) 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로에 상기 냉각 공기를 통과시켜, 상기 슈라우드를 통해서 배출하는 단계와,
    f) 상기 슈라우드에, 상기 적어도 하나의 에어포일 냉각 통로와 유체 연통하고 또한 상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로와 유체 연통하는 적어도 하나의 중앙 냉각 챔버(134, 234)를 마련하는 단계와,
    g) 상기 사행 냉각 통로 내에, 터블레이터 및 방향전환 베인 중 적어도 하나가 배치하는 단계를 포함하며,
    단계 e)는, 상기 슈라우드에, 상기 슈라우드의 주변 에지에서 개방된 적어도 하나의 냉각 공기 배출 구멍(128)을 마련하는 것에 의해 실행되는
    가스 터빈 에어포일을 냉각시키기 위한 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 사행 냉각 통로는, 상기 에어포일이 형성될 때에 인베스트먼트-주조(investment cast)되는
    가스 터빈 에어포일을 냉각시키기 위한 방법.
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