KR101691095B1 - 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조 - Google Patents

가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조는 냉각 기체가 유입되는 제 1 유로, 냉각 기체가 유출되는 제 2 유로, 상기 제 1, 2 유로를 연결시키며, 내부에서 기체의 흐름 방향이 전환되는 곡관부, 및 상기 곡관부와 상기 제 1 유로가 만나는 지점부터 상기 곡관부와 제 2 유로가 만나는 지점에 걸쳐 설치되는 가이드베인을 포함한다.

Description

가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조{Structure of discrete guide vane in the internal cooling channel to control local cooling performance on internal surface}
본 발명은 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스터빈 블레이드의 곡관부 이후의 냉각 성능을 국소적으로 조절하여, 열부하의 편차에 따른 냉각 성능 조절을 통해 파손 방지 및 신뢰성을 확보할 수 있는 가이드 베인 구조에 관한 것이다.
발전, 항공 분야에 걸쳐 다양하게 사용되는 가스터빈은 그 효율을 높이기 위해 고온의 연소가스를 사용하게 된다. 이로 인해 가스터빈 블레이드는 고온의 연소가스에 노출되며, 고온에 의한 파손이 빈번하게 발생하는 부품이다. 이러한 가스터빈 블레이드의 파손 시, 기동 정지로 인한 손실뿐 아니라 안전성 면에서도 큰 위험이 따르게 된다. 그러므로 이러한 가스터빈 블레이드를 고온의 연소가스로부터 보호하기 위해 일반적으로 내부의 냉각유로를 설치하는 방법을 사용한다.
도 1은 종래의 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 것이다. 가스터빈 블레이드의 내부유로 내에는 유체가 급격한 회전을 하는 곡관부(18, 22)가 존재한다. 곡관부(18, 22)에는 유동이 잘 흐르도록 도와주는 가이드 베인(Guide Vane)이 설치될 수 있다.
도 2는 종래의 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(40) 구조를 적용하여 제 1, 2 유로의 내부 유동 형태를 실험한 결과를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 종래의 가이드 베인(40)은 'ㄴ'자 형태의 가이드베인(40)으로서 곡관부(300) 내부에 위치한다.
종래의 가이드 베인(40)은 곡관부를 기준으로 하여, 유동이 곡관부로 진입되는 제 1 유로뿐만 아니라 유동이 곡관부를 빠져나오는 제 2 유로에서도 흡입면과 압력면으로의 열전달이 대체로 대칭적으로 나타난다. 이로 인해, 블레이드 표면이 국소적으로 다른 온도분포가 존재할 때, 냉각되는 정도를 조절할 수 없다.
상기 기술한 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 블레이드 표면이 국소적으로 다른 온도분포가 존재할 때, 흡입면과 압력면이 냉각되는 정도를 조절할 수 있는 가이드베인 구조를 제시하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조는 냉각 기체가 유입되는 제 1 유로; 냉각 기체가 유출되는 제 2 유로; 상기 제 1, 2 유로를 연결시키며, 내부에서 기체의 흐름 방향이 전환되는 곡관부; 및 상기 곡관부와 상기 제 1 유로가 만나는 지점부터 상기 곡관부와 제 2 유로가 만나는 지점에 걸쳐 설치되는 가이드베인;을 포함하고,상기 가이드베인은 상기 제 1 유로와 상기 곡관부가 만나는 지점에 형성되는 제 1 절편부; 상기 제 2 유로와 상기 곡관부가 만나는 지점에 형성되는 제 2 절편부;를 포함하되, 상기 제 1 절편부 및 상기 제 2 절편부는 서로 단락되어 있고, 상기 제 1 절편부와 제 2 절편부의 서로 마주보는 양 끝단은 서로 어긋나게 위치하며, 상기 제 1 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 압력면에 접하는 경우에는 상기 제 2 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 흡입면에 접하고, 상기 제 1 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 흡입면에 접하는 경우에는 상기 제 2 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 압력면에 접하도록 배치되되, 상기 제 1 절편부와 제 2 절편부는 상기 가스터빈 블레이드의 압력면 또는 흡입면 측에서 바라볼 때, 전체적으로 "C"형을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 가이드베인(400)의 폭(w1)은 곡관부(300)의 폭(w2)의 0.45 ~ 0. 55 배로 형성되어, 가이드베인(400)의 폭(w1)이 곡관부(300)의 폭(w2)을 대체로 절반 정도 차지하는 것이 바람직하다.
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구체적으로는, 제 1 절편부의 일측면은 가스터빈 블레이드의 압력면에 접해 있고 상기 제 2 절편부의 일측면은 가스터빈 블레이드의 흡입면에 접해 있는 것이 바람직하다.
또는, 제 1 절편부의 일측면은 가스터빈 블레이드의 흡입면에 접해 있고 상기 제 2 절편부의 일측면은 가스터빈 블레이드의 압력면에 접해 있는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 가스터빈 블레이드의 외부 열부하가 압력면측에 높게 나타나는 경우는 상기 제 2 절편부의 일측면이 압력면에 접하여 설치되고, 가스터빈 블레이드의 외부 열부하가 흡입면측에 높게 나타나는 경우에는 상기 제 2 절편부의 일측면이 흡입면에 접하여 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조는 블레이드 표면이 국소적으로 다른 온도분포가 존재할 때, 흡입면과 압력면이 냉각되는 정도를 조절하여 가스터빈 블레이드의 전체적인 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인 구조를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인 구조를 적용하였을 때, 제 1, 2 유로의 내부 유동 형태를 도시한 것이다.
도 3 (a), (b), (c), (d)는 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인 구조를 도시한 것이다.
도 4 (a), (b), (c), (d)는 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인 구조를 적용하였을 때, 제 2 유로 내부 유동 형태를 도시한 것이다.
도 5는 종래 및 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인 구조를 적용하였을 때, 제 1 유로 및 제 2 유로의 열전달 분포를 도시한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
본 발명의 종래기술과의 비교/대조를 위한 보조요소로서 제 1, 2 유로에는 주 유동의 방향과 사선으로 요철(30)을 배치하여 이차적인 와류를 발생시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 가스터빈 블레이드 내부유로 및 가이드베인 구조에 대해서 상세히 설명한다.
도 3 (a), (b), (c), (d)는 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드 내부 곡관부(300) 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조는 냉각 기체가 유입되는 제 1 유로(100), 냉각 기체가 유출되는 제 2 유로(200), 상기 제 1, 2 유로를 연결시키며, 내부에서 기체의 흐름 방향이 전환되는 곡관부(300) 및 상기 곡관부(300)와 상기 제 1 유로(100)가 만나는 지점부터 상기 곡관부(300)와 제 2 유로(200)가 만나는 지점에 걸쳐 설치되는 가이드베인(400)을 포함한다.
도 2를 다시 참조하면, 종래기술의 'ㄴ'자형 가이드베인(40)은 그 폭이 곡관부(300)의 폭과 대략 동일하고 곡관부(300)에 끼워진 형태로 내설된다. 따라서, 제 1 유로에서 기체가 유입되면 제 1 유로에서 열전달이 대칭적으로 형성된 것과 마찬가지로, 제 2 유로에서의 유동형태 또한 열전달이 대칭적으로 형성된다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드베인(400)의 폭(w1)은 곡관부(300)의 폭(w2)보다 작을 수 있다. 가이드베인(400)의 폭(w1)이 곡관부(300)의 폭(w2) 보다 작으면, 추가적인 와류를 발생시킬 수 있고 유동의 형태를 비대칭적으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가이드베인(400)의 폭(w1)은 곡관부(300)의 폭(w2)의 0.45 ~ 0. 55 배로 형성되어, 가이드베인(400)의 폭(w1)이 곡관부(300)의 폭(w2)을 대체로 절반 정도 차지하는 것이 바람직하다.
도 3(a), (b)는 본 발명의 제 1, 2 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(400) 구조를 도시한 것이다.
제 1 실시예의 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(400) 구조는 가이드베인(400)이 일체의 C형으로 형성되며, 가이드베인(400)의 일측면은 가스터빈 블레이드의 압력면(20)에 접해 있는 것을 특징으로 한다.
제 2 실시예의 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(400) 구조는 가이드베인(400)이 일체의 C형으로 형성되며, 가이드베인(400)의 일측면은 가스터빈 블레이드의 흡입면(10)에 접해 있는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 여기서의 "C형"은 내부유로를 측면에서 보아 가이드베인(400)의 단면이 대략 알파벳 C의 형상을 가지는 것일 수 있다. 또, 여기서의 "일체(一體)"란 동일한 재질로 이루어진 "한 몸"을 의미할 수 있다.
도 3(c), (d)는 본 발명의 제 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(400) 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 제 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 가이드 베인은 제 1 유로(100)와 곡관부(300)가 만나는 지점에 형성되는 제 1 절편부(410) 및 제 2 유로(200)와 곡관부(300)가 만나는 지점에 형성되는 제 2 절편부(420)를 포함한다. 제 1 절편부(410) 및 제 2 절편부(420)는 서로 단락되어 있다.
제 3 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 가이드 베인의 제 1 절편부(410)의 일측면은 가스터빈 블레이드의 압력면(20)에 접해 있고 상기 제 2 절편부(420)의 일측면은 가스터빈 블레이드의 흡입면(10)에 접해 있는 것을 특징으로 한다.
제 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 가이드 베인의 제 1 절편부(410)의 일측면은 가스터빈 블레이드의 흡입면(10)에 접해 있고 상기 제 2 절편부(420)의 일측면은 가스터빈 블레이드의 압력면(20)에 접해 있는 것을 특징으로 한다.
도 4 (a), (b), (c), (d)는 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(400) 구조를 적용하였을 때, 제 2 유로(200) 내부 유동 형태를 도시한 것이다.
제 1 실시예(도 4a) 및 제 4 실시예(도 4d)의 경우, 제 2 유로(200) 내부에서 압력면(20)측에 형성된 대류 흐름의 크기가 흡입면(10)측에 형성된 대류 흐름의 크기보다 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, 제 2 실시예(도 4b) 및 제 3 실시예(도 4c)의 경우, 제 2 유로(200) 내부에서 흡입면(10)측에 형성된 대류 흐름의 크기가 압력면(20)측에 형성된 대류 흐름의 크기보다 큰 것을 확인할 수 있다.
즉, 외부 열부하가 압력면(20)측에 크게 걸리는 경우에는, 제 1, 4 실시예의 가이드 베인 구조를 적용하고 외부 열부하가 흡입면(10)측에 크게 걸리는 경우에는 제 2, 3 실시예의 가이드 베인 구조를 적용함으로써, 가스터빈 블레이드 전체 냉각 성능 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 종래 및 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부유로 및 가이드베인(400) 구조를 적용하였을 때, 제 1 유로(100) 및 제 2 유로(200)의 열전달 분포를 도시한 것이다.
가로축은 차례대로 종래의 가이드베인(400) 구조, 제 3 실시예, 제 4 실시예, 제 1 실시예, 제 2 실시예이며, 세로축은 대류의 정도를 나타내는 Nusselt 수의 비이다.
제 1 유로(100)의 경우, 유동이 곡관부(300)를 지나기 전이므로 종래의 경우뿐만 아니라 모든 실시예에서 흡입면(10)과 압력면(20)측에서 Nusselt 수의 비가 거의 유사하여, 압력면(20)과 흡입면(10)으로의 열전달이 대칭적인 것을 확인할 수 있다.
제 2 유로(200)의 경우, 종래의 경우는 흡입면(10)과 압력면(20)측에서 Nusselt 수의 비가 거의 유사하지만 제 1, 4 실시예의 경우는 압력면(20)측의 Nusselt 수의 비가 흡입면(10)의 그것보다 높게 도출되어 흡입면(10)측보다 압력면(20)측의 열전달이 더욱 활발한 것을 알 수 있다. 또한, 제 2, 3 실시예의 경우는 흡입면(10)측의 Nusselt 수의 비가 압력면(20)의 그것보다 높게 도출되어 압력면(20)측보다 흡입면(10)측의 열전달이 더욱 활발한 것을 알 수 있다.
상기 결과를 이용하여, 가스터빈 블레이드의 외부의 열부하가 압력면(20)측에 높게 나타는 경우는 제 1, 4 실시예의 가이드 베인 구조를 적용하고 외부의 열부하가 흡입면(10)측에 높게 나타나는 경우에는 제 2, 3 실시예의 가이드 베인 구조를 적용함으로써, 전체적인 가스터빈 블레이드의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다. 냉각 효율의 증대는 나아가 가스터빈 블레이드의 파손 방지 및 수명 향상에 도움이 될 수 있다.
발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10 : 흡입면 20 : 압력면
30 : 요철 40 : 종래 가이드 베인
100 : 제 1 유로 200 : 제 2 유로
300 : 곡관부 400 : 가이드베인
410 : 제 1 절편부 420 : 제 2 절편부

Claims (10)

  1. 냉각 기체가 유입되는 제 1 유로;
    냉각 기체가 유출되는 제 2 유로;
    상기 제 1, 2 유로를 연결시키며, 내부에서 기체의 흐름 방향이 전환되는 곡관부; 및
    상기 곡관부와 상기 제 1 유로가 만나는 지점부터 상기 곡관부와 제 2 유로가 만나는 지점에 걸쳐 설치되는 가이드베인;을 포함하고,
    상기 가이드베인은
    상기 제 1 유로와 상기 곡관부가 만나는 지점에 형성되는 제 1 절편부;
    상기 제 2 유로와 상기 곡관부가 만나는 지점에 형성되는 제 2 절편부;를 포함하되,
    상기 제 1 절편부 및 상기 제 2 절편부는 서로 단락되어 있고,
    상기 제 1 절편부와 제 2 절편부의 서로 마주보는 양 끝단은 서로 어긋나게 위치하며,
    상기 제 1 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 압력면에 접하는 경우에는 상기 제 2 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 흡입면에 접하고, 상기 제 1 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 흡입면에 접하는 경우에는 상기 제 2 절편부의 일측면이 가스터빈 블레이드의 압력면에 접하도록 배치되되,
    상기 제 1 절편부와 제 2 절편부는 상기 가스터빈 블레이드의 압력면 또는 흡입면 측에서 바라볼 때, 전체적으로 "C"형을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조

  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드베인의 폭(w1)은 상기 곡관부의 폭(w2)보다 작은 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드 내부 곡관부 이후의 냉각 성능 국소 조절을 위한 가이드 베인 구조
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