KR101609562B1 - 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈 블레이드의 냉각유로 내면 입구로부터 외부 익형(airfoil)이 시작되기 전까지의 영역에, 상기 냉각유로로 유입되는 냉매를 균일하게 분산시켜 유입시키는 요철 형상의 유동안내수단이 구비된 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드에 관한 것으로써, 특히, 터빈 블레이드 냉각유로의 입구에서 발생하는 유동 박리 영역을 가능한 짧은 거리 내에서 감소시키고, 이에 따라 냉각을 필요로 하는 영역에서 최대한 균일한 유동장이 형성될 수 있도록 상기 냉각유로의 입구쪽에 유동안내수단을 형성함으로써 터빈 블레이드의 전체 냉각효율을 향상시킬 수 있는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드에 관한 것이다.

Description

유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드{TURBINE BLADE WITH FLOW GUIDE}

본 발명은 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈 브레이드의 냉매가 유입되는 냉각유로의 입구단에 오목부나 볼록부와 같은 요철 형태의 유동안내수단을 구비하여 냉각유로로 유입되는 냉매를 균일하게 분산시켜 공급함으로써 냉각 효율을 높일 수 있는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드에 관한 것이다.

도 1 및 도 2는 일반적으로 냉매가 유입되는 터빈 블레이드의 냉매 유출입경로를 도식적으로 나타낸 도면이다.

가스터빈엔진은 압축기를 통해 압축된 공기가 연소기를 통해 고온고압의 연소가스로 전환되어 이 연소가스가 터빈을 통해 팽창, 터빈 블레이드를 회전시키고 배출됨으로써 필요한 출력을 얻는 엔진이다.

이때, 가스터빈의 출력(성능) 및 효율은 터빈의 입구온도 (연소기의 출구 온도)가 증가함에 따라 향상되므로, 터빈입구온도는 지속적으로 증가하여 왔으며 현재 1,600℃를 상회하는 수준에 있다.

이는 터빈의 재료 한계온도를 훨씬 상회하는 값이며, 터빈 재료를 보호하기 위하여 다양한 냉각방식이 적용된다.

도 3은 터빈 블레이드의 냉각유체 공급방식을 도식화한 것이다.

일반적으로 가스터빈엔진에서의 터빈 냉각은 도 3에서 제시된 바와 같이, 압축기에서 추출된 압축공기가 흐를 수 있는 유로를 가공하고 압축공기가 터빈 구성품(노즐 및 블레이드 등)으로 공급되도록 하여, 블레이드 내부에서 압축공기에 의한 대류 열전달을 이용하여 블레이드 자체의 온도를 낮추는 방식을 갖는다.

도 4는 냉각유로의 단면을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 도 7은 회전하는 터빈 블레이드로 공급되는 냉각유동의 거동을 예시적으로 나타낸 도면이다.

터빈 블레이드는 일반적으로 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 사각 형태의 냉각유로를 블레이드 내부에 가공하며, 터빈 블레이드의 허브 측에서 압축공기가 유입되어 2회 혹은 3회의 회전부를 통과한 후 터빈 블레이드의 외부로 배출되는 형태를 갖는다.

이때, 유동은 블레이드의 압력면과 흡입면 측 내벽을 냉각한다.

따라서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드는 가스터빈 구조 상 회전하는 디스크에 장착되어 고속으로 회전을 하며, 냉각유체는 가스터빈의 중심부에서 반경방향으로 공급되는 형태를 갖는다.

이때, 터빈 블레이드의 회전속도는 대형 발전용 가스터빈의 경우 3,000~3,600rpm이며, 중소형 산업용 가스터빈 및 항공용 가스터빈은 수만 rpm 정도의 회전수를 갖는다.

이 경우 터빈 블레이드로 공급되는 냉각유체와 터빈 블레이드 간에는 회전에 기인한 상대운동이 존재하며, 이로 인하여 터빈 블레이드 냉각유로 입구로 유입되는 냉각유체는 터빈 블레이드 냉각유로의 한 쪽(터빈 블레이드의 경우 압력면)으로 쏠리는 현상이 발생하게 된다.

따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각유로 입구에서 불필요한 입구 압력손실은 물론 불균일한 유동 유입에 따라 터빈 블레이드의 전체적인 냉각성능이 떨어지게 된다.

또한, 온도가 10℃ 내려갈 때마다 2년 정도의 기기 수명이 연장되므로, 냉각 효율을 높이기 위한 연구는 꾸준이 진행되고 있는 실정이다.

한편, 터빈 블레이드의 냉각기술은 등록특허 제10-1317443호에 소개된 바 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 터빈 블레이드 냉각유로의 입구에서 발생하는 유동 박리 영역을 가능한 짧은 거리 내에서 감소시키고, 이에 따라 냉각을 필요로 하는 영역에서 최대한 균일한 유동장이 형성될 수 있도록 상기 냉각유로의 입구쪽에 유동안내수단을 형성함으로써 터빈 블레이드의 전체 냉각효율을 향상시킬 수 있는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드는 가스터빈엔진의 터빈부에 장착되는 터빈 블레이드에 관한 것으로, 상기 터빈 블레이드의 냉각유로 내면 입구로부터 외부 익형(airfoil)이 시작되기 전까지의 영역에는, 상기 냉각유로로 유입되는 냉매를 균일하게 분산시켜 유입시키는 유동안내수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유동안내수단은, 상기 냉각유로의 내측면에 오목부와 볼록부 형태의 요철 형상으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 냉각유로 내측의 입구 표면에 요철 형상의 유동안내수단을 구비함으로써, 냉각유로의 입구에 유입되는 냉매가 어느 한쪽으로 치우치지 않고 고르게 분산되어 냉각유로 내부로 제공되도록 할 수 있다.

또한, 터빈 블레이드 냉각유로의 입구에서 발생하는 유동 박리 영역을 가능한 짧은 거리 내에서 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 냉각을 필요로 하는 영역에서 최대한 균일한 유동장이 형성되므로 터빈 블레이드의 전체적인 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 일반적으로 냉매가 유입되는 터빈 블레이드의 냉매 유출입경로를 나타낸 도면,
도 3은 일반적인 터빈 블레이드의 냉각유체 공급방식을 나타낸 도면,
도 4는 일반적인 냉각유로의 단면을 개략적으로 나타낸 도면,
도 5 내지 도 7은 일반적으로 회전하는 터빈 블레이드로 공급되는 냉각유동의 거동을 예시적으로 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 개략적인 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 유동안내수단의 설치영역을 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 냉매가 유입되는 입구에서 바라본 유동안내수단의 설치영역을 나타낸 도면,
도 11은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 냉각유로의 단면을 개략적으로 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 유동안내수단이 'V'자 형태로 배열된 상태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 입구 유동 조건에 따른 냉각유로 내의 유동 및 냉각효과를 나타낸 도면,
도 14 및 도 15는 일반적인 냉각유로 내의 유동 및 냉각효과를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 개략적인 사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 유동안내수단(100)의 설치영역을 나타낸 도면이다.

즉, 본 발명의 핵심을 도 9를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

지금까지는 냉각유로(12)의 냉각시 허브(11)를 기준으로 허브(11)의 상부만을 냉각하여 왔다.

또한, 허브(11)의 하부는 냉각할 필요성이 없었으므로 항상 허브(11)의 상부에 대해서만 냉각효율을 높이기 위한 연구가 꾸준하게 진행되어 왔다.

이에 따라, 냉각유로(12)의 내부로 유입된 냉매가 냉각유로(12) 전체로 균일하게 전달되도록 하기 위한 연구도 허브(11)의 상부 구조에 대해서만 논의되어 왔다.

그러나, 본 발명은 허브(11)의 하부에 유동 안내부를 구성하고, 이를 통해 허브(11)의 상부로 유입되는 냉매가 최초 유입시부터 냉각유로(12)의 내부로 전체적으로 균일하게 분산되도록 함으로써 터빈 블레이드(10)의 전체적인 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 기술이다.

즉, 본 발명은 가스터빈엔진의 터빈부에 장착되는 터빈 블레이드(10)에 관한 것으로, 터빈 블레이드(10)의 냉각유로 내면 입구로부터 외부 익형(airfoil)이 시작되기 전까지의 영역에는, 냉각유로(12)로 유입되는 냉매를 균일하게 분산시켜 유입시키는 유동안내수단(100)을 구비한다.

도 8은 냉각유로(12) 내부에 유동안내수단(100)이 형성된 상태와 유동안내수단(100)의 적용범위를 개념적으로 나타낸 도면이며, 이를 보다 구체적으로 도 9에 도시하였다.

도 9를 참조하면, 유동안내수단(100)을 허브(11)의 하부('A' 부분)에 적용함으로써, 터빈 블레이드(10) 냉각유로의 입구에서 발생하는 유동 박리 영역을 가능한 짧은 거리 내에서 감소시키고 이에 따라 냉각을 필요로 하는 영역에서 최대한 균일한 유동장이 형성될 수 있도록 하는 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 냉매가 유입되는 입구에서 바라본 유동안내수단(100)의 설치영역을 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 냉각유로(12)의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 유동안내수단(100)이 'V'자 형태로 배열된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 유동안내수단(100)은 냉각유로(12)의 내측면 중 압력면(회전 반대방향 면)과 압력면의 좌우측 면에 형성된다.

즉, 냉매가 유입되어 실제로 접촉되는 면과 접촉 후 냉매가 확산되어 진행되는 면에 유동안내수단(100)을 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 유동안내수단(100)을 설치시 냉각유로의 입구에서 발생하는 유동 박리 영역을 가능한 짧은 거리 내에서 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 냉각을 필요로 하는 영역에서 최대한 균일한 유동장이 형성될 수 있도록 하는 것이다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 유동안내수단(100)은 냉각유로(12)의 내측면에 오목부와 볼록부 형태의 요철 형상으로 구성하는 것이 바람직하다.

오목부와 볼록부는 단면이 만곡, 굴곡 및 절곡지게 형성할 수 있으며, 상기 형상으로만 한정하는 것은 바람직하지 않다.

요철 형상은 냉각유로(12)의 내부에 홈을 형성하거나, 냉각유로(12)의 내부에 돌출부를 형하는 두 가지 타입으로 구성할 수 있다.

냉각유로(12)는 터빈 블레이드(10)의 형상, 주조 제작 등 여러 가지 요인에 의하여 형상의 변형이 쉽지 않기 때문에 냉각유로(12) 내에 미세한 그루부(groove) 혹은 요철을 설치함으로써 제작성 영향요소를 최소화하고 효과를 얻는 것이 바람직하다.

요철 형상은 기존 냉각유로(12)의 내부에 오목한 홈을 형성하여 구성하거나, 볼록한 돌출부를 형성하여 구성할 수 있으며, 두 가지 경우 모두 결과적으로는 요철 형상으로 구성되므로 본 명세서에는 요철 형상을 나타낸 하나의 도면(홈을 형성한 경우)만을 첨부하였다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 요철 형상은 'V'자 형태로 배열할 수 있다.

터빈 블레이드(10) 냉각유로(12)의 입구부 영역에 빗살 형태의 groove 혹은 요철을 설치하여, 냉각유체의 유입시 한 쪽으로 쏠린 유체를 반대 측 영역으로 유도하는 기능을 갖도록 한다.

도면상에는 하부면(압력면)에만 홈(요철) 형상을 구성한 것으로 도시되었으나, 미도시된 양 측면에도 각각 홈(요철)이 구성된 것으로 보는 것이 바람직하다.

한편, 도 11 및 도 12를 기준으로, 도 11의 'A'는 오목부 또는 볼록부의 높이를 나타낸 것이고, 도 12의 'A'는 오목부 또는 볼록부의 사이 간격을 나타낸 것이며, 도 12의 'B'는 오목부 또는 볼록부의 폭을 나타낸 것이고, 도 12의 'C'는 오목부 또는 볼록부의 형성각도를 나타낸 것이다.

따라서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 오목부와 볼록부의 설치 각도는 냉매가 유입되는 방향을 기준으로 30~60도 각도로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 오목부의 깊이, 오목부의 폭, 볼록부의 높이 및 볼록부의 폭은, 냉각유로 단면의 수력직경의 15% 이내로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 오목부 사이의 간격 및 볼록부 사이의 간격은 오목부의 깊이의 8~12배로 구성하는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명에 따른 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드의 일실시예에 의한 입구 유동 조건에 따른 냉각유로(12) 내의 유동 및 냉각효과를 나타낸 도면이고, 도 14 및 도 15는 일반적인 냉각유로(12) 내의 유동 및 냉각효과를 나타낸 도면이다.

일반적인 종래의 냉각유로(12)에 냉매를 유입시킬 경우 도 15에 도시된 바와 같이, 온도 분포가 불균일하게 나타났으며, 도 14는 종래의 냉각유로(12)로 시험한 결과 중 가장 좋은 상태의 온도분포를 나타낸 것이다.

그러나, 본 발명과 같이 냉각유로(12)의 입구부에 유동안내수단(100)을 형성할 경우 도 13에 도시된 바와 같이, 전체적으로 균일하게 온도가 분포되면서 터빈 블레이드(10)의 전체적인 냉각효율이 향상되는 것을 알 수 있었다.

10 : 터빈 블레이드 11 : 허브
12 : 냉각유로
100 : 유동안내수단

Claims (11)

1. 가스터빈엔진의 터빈부에 장착되는 터빈 블레이드에 관한 것으로,
   상기 터빈 블레이드의 냉각유로 내면 입구로부터 외부 익형(airfoil)이 시작되기 전까지의 영역에는, 상기 냉각유로로 유입되는 냉매를 균일하게 분산시켜 유입시키는 유동안내수단이 구비되고,
   상기 유동안내수단은 상기 냉각유로의 내측면 중 압력면(회전 반대방향 면)과 상기 압력면의 좌우측 면에 오목부와 볼록부 형태의 요철 형상으로 구성되며,
   상기 오목부와 상기 볼록부의 설치 각도는 냉매가 유입되는 방향을 기준으로 30~60도 각도로 형성되고,
   상기 오목부의 깊이, 상기 오목부의 폭, 상기 볼록부의 높이 및 상기 볼록부의 폭은 상기 냉각유로 단면의 수력직경의 15% 이내이며,
   상기 오목부 사이의 간격은 상기 오목부의 깊이의 8~12배이고,
   상기 볼록부 사이의 간격은 상기 오목부의 깊이의 8~12배인 것을 특징으로 하는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드.
   
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3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 요철 형상은,
   'V'자 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 오목부와 상기 볼록부는,
   단면이 만곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 오목부와 상기 볼록부는,
   단면이 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 오목부와 상기 볼록부는,
   단면이 절곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 유동 안내부를 갖는 터빈 블레이드.
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