KR101654530B1 - 가스 터빈용 에어포일, 블레이드 및 베인 - Google Patents

가스 터빈용 에어포일, 블레이드 및 베인 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어포일 및 플랫폼 사이에 배치된 복합 필릿을 포함하는 가스 터빈용 에어포일에 관한 것으로서, 상기 복합 필릿은 제 1 원호 및 제 2 원호로 구성되고, 상기 제 1 원호의 제 1 단부는 상기 에어포일의 외면에 접선방향으로 인접하고, 상기 제 1 원호의 제 2 단부는 상기 제 2 원호의 제 1 단부와 접선방향으로 인접하며, 상기 제 2 원호의 제 2 단부는 상기 플랫폼의 표면에 접선방향으로 인접하고, 하기 식이 만족되고:
0.15 ≤ R1/s ≤0.45, 및
0.09 ≤ a/s ≤ 0.27,
여기서, R1은 상기 제 1 원호의 반경을 나타내고, s는 상기 에어포일의 코드 길이를 나타내며, a는 상기 제 1 원호의 제 1 단부가 상기 에어포일의 외면과 인접하는 지점과 상기 에어포일의 외면의 연장부를 따른 방향으로의 상기 플랫폼의 상면 사이의 거리를 나타낸다. 본 발명에 의해서, 블레이드/베인의 구조가 최적화되고 그 작업 수명이 연장된다.

Description

가스 터빈용 에어포일, 블레이드 및 베인{AIRFOIL FOR GAS TURBINE, BLADE AND VANE}
본 발명은 가스 터빈용 에어포일, 특히 에어포일 및 플랫폼 사이의 복합 필릿(compound fillet)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가스 터빈용 블레이드 및 베인에 관한 것이다.
가스 터빈은 통상적으로 플랫폼으로부터 반경방향으로 연장되는 에어포일들을 포함하는 복수의 블레이드들/베인들이 회전자 디스크 주위로 원주방향으로 끼워지고 분배되는 적어도 하나의 회전자 조립체를 포함한다. 작동 중에, 원심력은 회전 블레이드에서 원주방향의 림 응력(rim stress)을 발생시킨다. 베인들에 대해서는, 가스 압력 및 진동도 역시 응력을 발생시킬 수 있다. 이들 응력들은 플랫폼 및 에어포일 사이의 변이부에 집중된다. 이 응력 집중은 플랫폼/에어포일 연결 부분에서 필릿들에 의해서 최소화될 수 있다. 그러나 적당한 응력 경감은 단지 적절한 크기 및 형상의 필릿으로 달성될 수 있다.
일반적으로, 최종 디자인 단계에서 필릿을 플랫폼 표면에 접선방향으로 결합하게 할 수 있도록 에어포일 및 플랫폼 에지 사이에 공간이 충분하지 않다는 것을 발견했을 때 플랫폼의 크기를 감소시키거나 또는 대안으로 블레이드/베인의 재가공을 회피하는 것이 바람직하다. 따라서, 기계적 통일성에 대한 절충없이 플랫폼 표면 공간을 적게 요구하는 곡선들의 다수의 섹션들로 구성되는 복합 필릿을 제공하는 것이 바람직하다.
터빈 블레이드를 위한 복합 필릿은 EP2184442A1호에 개시되어 있고, 상기 복합 필릿은 플랫폼 결합부에 대한 에어포일을 덮고 제 1 원호(arc) 및 제 2 원호를 포함하도록 구성된다. 제 1 원호는 에어포일 표면에 대하여 접선방향인 제 1 단부를 갖는다. 제 1 단부를 갖는 제 2 원호는 제 1 원호의 제 2 단부에 접선방향으로 인접하고 제 2 단부는 플랫폼 형태 표면과 인접하다. 제 1 원호의 반경은 제 2 원호의 반경보다 크다. 또한, 다른 복합 필릿이 또한 상기 문헌에 개시되어 있고, 이는 제 1 원호 및 제 2 원호를 포함하고 제 2 원호는 플랫폼 표면에 비접선방향으로 인접하다.
블레이드/베인 에어포일의 표면과 에어포일의 일단부에 있는 플랫폼 사이의 한 종류의 변이부가 GB2353826A호에 개시되어 있고, 이는 다른 반경들의 적어도 2개의 곡선들을 포함하고, 에어포일의 표면에 최인접한 곡선의 반경은 플랫폼에 최인접한 곡선의 반경보다 크다. 상기 변이부는 직선 섹션에 의해서 분리된 다른 반경들의 2개의 곡선들을 포함하거나 또는 타원형 섹션을 형성할 수 있다.
가스 터빈용 냉각 이동 블레이드는 US6190128B1호에 개시되어 있고, 이는 타원형 곡선 표면에 의해서 형성된 프로파일의 베이스 부분과 직선 표면 부분을 가지며, 상기 직선 표면 부분은 열 응력이 큰 블레이드의 중심 부분에 제공된다.
상기 기술된 공보들에는 다른 복합 필릿들이 제안되고 있지만, 블레이드/베인의 응력 경감 용량을 개선하기 위하여 복합 필릿의 변수들을 최적화하는데 있어 개선할 여기가 많이 있다.
본 발명의 목적은 작업 수명을 연장하기 위하여 응력 경감을 위한 구조를 최적화할 수 있는, 블레이드 및/또는 베인을 위한 에어포일을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 형태에서, 에어포일 및 플랫폼 사이에 배치된 복합 필릿(compound fillet)을 포함하는 가스 터빈용 에어포일이 제안되며, 상기 복합 필릿은 제 1 원호(arc) 및 제 2 원호로 구성되고, 상기 제 1 원호의 제 1 단부는 상기 에어포일의 외면에 접선방향으로 인접하고, 상기 제 1 원호의 제 2 단부는 상기 제 2 원호의 제 1 단부와 접선방향으로 인접하며, 상기 제 2 원호의 제 2 단부는 상기 플랫폼의 표면에 접선방향으로 인접하고, 하기 식이 만족되고:
0.15 ≤ R1/s ≤0.45, 및
0.09 ≤ a/s ≤ 0.27,
여기서, R1은 상기 제 1 원호의 반경을 나타내고, s는 상기 에어포일의 코드 길이를 나타내며, a는 상기 제 1 원호의 제 1 단부가 상기 에어포일의 외면과 인접하는 지점과 상기 에어포일의 외면의 연장부를 따른 방향으로의 상기 플랫폼의 상면 사이의 거리를 나타낸다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 하기 식이 추가로 만족되고:
0.024 ≤ R2/s ≤0.072,
여기서, R2는 상기 제 2 원호의 반경을 나타낸다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 본 발명에 따른 에어포일을 포함하는 가스 터빈용 블레이드가 제안된다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 본 발명에 따른 에어포일을 포함하는 가스 터빈용 베인이 제안된다.
본 발명에 의해서, 에어포일의 구조, 에어포일을 포함하는 블레이드 및/또는 에어포일을 포함하는 베인은 응력 경감 능력이 개선되고 블레이드 및/또는 베인의 작동 중에 조기 크랙의 생성이 방지된다.
본 발명의 목적, 장점 및 다른 형태는 첨부된 도면과 함께 단지 예시적인 목적으로 주어진 양호한 실시예의 하기 비제한성 설명을 읽을 때 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드를 위한 에어포일의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드를 위한 에어포일의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 베인을 위한 에어포일의 개략적인 단면도.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드(100)를 위한 에어포일(110)의 개략적인 단면도를 도시한다. 블레이드(100)는 외면(112)을 갖는 에어포일(110), 및 상면(122)을 갖는 플랫폼(120)을 포함한다. 복합 필릿(130)은 에어포일(110) 및 플랫폼(120) 사이에 배치된다. 일반적으로, 블레이드(100)의 프로파일은 대칭 구조를 나타낸다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 에어포일(110)의 일 측부는 단순성 및 명료성을 목적으로 판독되고 기술될 것이다. 복합 필릿(130)은 반경(R1) 및 중심(O1)을 갖는 제 1 원호(132)와, 반경(R2) 및 중심(O2)을 갖는 제 2 원호(134)를 포함하고, 제 1 원호(132)는 지점(A)에서 에어포일(110)의 외면(112)의 제 1 단부(133)에 접선방향으로 인접하고, 제 2 원호(134)는 지점(B)에서 플랫폼(120)의 상면(122)의 제 2 단부(137)에 접선방향으로 인접하고, 제 1 원호(132)의 제 2 단부(135) 및 제 2 원호(134)의 제 1 단부(136)는 서로에 대해 접선방향으로 인접하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 길이는 에어포일의 외면(112)의 연장 방향으로 지점(A) 및 플랫폼(120) 사이의 거리를 지시한다. 즉 제 1 원호(132)의 제 1 단부(133)는 에어포일(110)의 외면(112)에 인접하는 지점(A)과 에어포일(110)의 외면(112)의 연장부를 따른 방향으로 플랫폼(120)의 상면(122) 사이의 거리를 나타내는 것으로 규정되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파선으로 나타내는 에어포일(110)의 외면(112)의 연장부, 및 또한 파선으로 나타낸 플랫폼(120)의 상면(122)의 연장부는 지점(C)에서 교차한다. 이 경우에, 길이는 길이(AC)를 나타낸다.
도 2는 블레이드(100) 또는 베인(200)(도 3에 도시됨)의 에어포일(110)의 단면도를 도시하고, 여기서 s는 블레이드(100) 또는 베인(200)의 코드를 나타낸다. 당업자는 용어 "코드(chord)"를 당기술에 언급된 일반적인 의미로 이해해야 한다. 즉, 블레이드/베인의 코드는 코드 라인으로의 블레이드/베인의 직각 돌출 길이를 지칭하며, 상기 코드 라인은 2차원의 블레이드/베인 단면이 평탄면 상의 볼록 측부로 놓여지는 경우에, 블레이드/베인의 전방 섹션 및 후방 섹션이 상기 표면과 접촉하는 지점들 사이의 라인을 지칭한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 에어포일(110)은 하기 식을 만족시키도록 구성된다:
0.15 ≤ R1/s ≤0.45, 및 (1)
0.09 ≤ a/s ≤ 0.27. (2)
본 발명의 다른 가능한 실시예에 따라서, 에어포일은 상기 식(1) 및 (2)이 아닌, 하기 식을 만족시키도록 추가로 구성된다:
0.024 ≤ R2/s ≤0.072. (3)
본 발명의 실시예들에 따라서 상기 식(1),(2) 및 (3)을 만족시키는 에어포일(110)은 블레이드가 고온 및 고압 하에 고속으로 작동할 때 응력 경감 용량을 최적화시킨 블레이드를 제공할 수 있다. 따라서, 블레이드의 작업 수명은 상당히 연장된다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 베인(200)을 위한 에어포일(210)의 개략적인 절취도를 도시한다. 베인(200)은 외면(212)을 갖는 에어포일(210), 및 상면(222)을 갖는 플랫폼(220)을 포함한다. 복합 필릿(230)은 에어포일(210) 및 플랫폼(220) 사이에 배치된다. 복합 필릿(230)은 반경(R1) 및 중심(O1)을 갖는 제 1 원호(232)와, 반경(R2) 및 중심(O2)을 갖는 제 2 원호(234)를 포함하고, 제 1 원호(232)는 지점(A)에서 에어포일(210)의 외면(212)의 제 1 단부(233)에 접선방향으로 인접하고, 제 2 원호(234)는 지점(B)에서 플랫폼(220)의 상면(222)의 제 2 단부(237)에 접선방향으로 인접하고, 제 1 원호(232)의 제 2 단부(235) 및 제 2 원호(234)의 제 1 단부(236)는 서로에 대해 접선방향으로 인접하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 길이는 에어포일의 외면(212)의 연장 방향으로 지점(A) 및 플랫폼(220) 사이의 거리를 지시한다. 즉 제 1 원호(232)의 제 1 단부(233)는 에어포일(210)의 외면(212)에 인접하는 지점(A)과 에어포일(210)의 외면(212)의 연장부를 따른 방향으로 플랫폼(220)의 상면(222) 사이의 거리를 나타내는 것으로 규정되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 파선으로 나타내는 에어포일의 외면(212)의 연장부, 및 또한 파선으로 나타낸 플랫폼(220)의 상면(222)의 연장부는 지점(C)에서 교차한다. 이 경우에, 길이는 길이(AC)를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 베인(200)의 축은 일반적으로 임의의 각도 만큼 플랫폼에 대해서 각도가 형성된다. 따라서, 에어포일(210)의 좌측 및 우측 상의 복합 필릿(230)은 서로에 대해서 형상이 다르다. 본 발명의 실시예들에 따라서, O1 및 O2가 서로 상이하다는 것을 제외하고, R1, R2, a 및 s가 양 측부들에서 채택되는 것으로 규정되어 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 본 발명은 가스 터빈의 양자의 블레이드들 및 베인들에 광범위하게 적용될 수 있다. 당업자는 본 발명의 일반적인 개념은 가스 터빈에서 사용된 양자의 블레이드 및 베인을 모두 포괄하는 것으로 의도된 것을 이해해야 한다. 본 목적은 작업 수명을 연장시키고 고속 회전, 고온 및/또는 고압에 의해서 발생된 응력으로 인한 조기 크랙을 방지하기 위하여, 블레이드 및/또는 베인의 구조를 최적화하는 것이다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시예들과 연계하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들에 국한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 본원에 기술되지 않았지만, 본 발명의 정신 및 범주 내에 있는, 임의의 변형, 변경, 대체 또는 동등 장치들을 합체하도록 변형될 수 있다. 추가로, 본 발명의 여러 실시예들이 기술되었지만, 본 발명의 형태들은 기술된 실시예들의 단지 일부만을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해서 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범주에 의해서 제한되어야 한다.
100 블레이드
110 에어포일
112 에어포일의 외면
120 플랫폼
122 플랫폼의 상면
130 복합 필릿
132 제 1 원호
133 제 1 원호의 제 1 단부
134 제 2 원호
135 제 1 원호의 제 2 단부
136 제 2 원호의 제 1 단부
137 제 2 원호의 제 2 단부
O1 제 1 원호의 중심
R1 제 1 원호의 반경
O2 제 2 원호의 중심
R2 제 2 원호의 반경
A 제 1 원호가 에어포일에 접선방향으로 인접하는 지점
B 제 2 원호가 플랫폼에 접선방향으로 인접하는 지점
C 에어포일의 표면의 연장부 및 플랫폼의 연장부의 교차부
200 베인
210 에어포일
212 에어포일의 외면
220 플랫폼
222 플랫폼의 상면
230 복합 필릿
232 제 1 원호
233 제 1 원호의 제 1 단부
234 제 2 원호
235 제 1 원호의 제 2 단부
236 제 2 원호의 제 1 단부
237 제 2 원호의 제 2 단부
O1 제 1 원호의 중심
R1 제 1 원호의 반경
O2 제 2 원호의 중심
R2 제 2 원호의 반경
A 제 1 원호가 에어포일에 접선방향으로 인접하는 지점
B 제 2 원호가 플랫폼에 접선방향으로 인접하는 지점
C 에어포일의 표면의 연장부 및 플랫폼의 연장부의 교차부

Claims (4)

  1. 가스 터빈용 에어포일로서,
    상기 에어포일 및 플랫폼 사이에 배치되는 복합 필릿(compound fillet)을 포함하고,
    상기 복합 필릿은 제 1 원호(arc)와 제 2 원호로 구성되고, 상기 제 1 원호의 제 1 단부는 상기 에어포일의 외면에 접선방향으로 인접하며, 상기 제 1 원호의 제 2 단부는 상기 제 2 원호의 제 1 단부와 접선방향으로 인접하며, 상기 제 2 원호의 제 2 단부는 상기 플랫폼의 상면에 접선방향으로 인접하는, 상기 가스 터빈용 에어포일에 있어서,
    상기 에어포일의 응력 경감 용량(capacity)을 최적화하기 위해 하기 식이 만족되고:
    0.15 ≤ R1/s ≤0.45, 및
    0.09 ≤ a/s ≤ 0.27,
    여기서, R1은 상기 제 1 원호의 반경을 나타내고, s는 상기 에어포일의 코드(chord) 길이를 나타내며, a는 상기 제 1 원호의 제 1 단부가 상기 에어포일의 외면과 인접하는 지점과 상기 에어포일의 외면의 연장부를 따른 방향으로의 상기 플랫폼의 상면 사이의 거리를 나타내는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈용 에어포일.
  2. 제 1 항에 있어서, 하기 식이 추가로 만족되고:
    0.024 ≤ R2/s ≤0.072,
    여기서, R2는 상기 제 2 원호의 반경을 나타내는, 가스 터빈용 에어포일.
  3. 가스 터빈용 블레이드로서, 상기 블레이드는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 에어포일을 포함하는, 가스 터빈용 블레이드.
  4. 가스 터빈용 베인으로서, 상기 베인은 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 에어포일을 포함하는, 가스 터빈용 베인.
KR1020140062820A 2013-06-05 2014-05-26 가스 터빈용 에어포일, 블레이드 및 베인 KR101654530B1 (ko)

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