KR101699887B1 - 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각유체가 내부로 유입된 후 외부로 배출되어 냉각되는 구조를 가진 가스터빈 블레이드에 있어서, 상기 블레이드 내·외벽 사이에 형성되는 냉각유로와, 상기 냉각유로의 일측에 관통 형성되어 상기 냉각유체가 상기 냉각유로로 유입되게 하는 슬롯과, 상기 냉각유로의 타측에 상기 냉각유체가 냉각유로에서 외부로 배출되게 관통 형성되는 배출구로 이루어진 내·외벽 냉각통로;와, 상기 냉각유로에 복수 개가 설치되는 핀-휜(pin-fin);과, 상기 핀-휜 사이에 연결되어 통과되는 냉각유체의 와류를 발생되게 하는 립(rib);으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드{Gas turbine blade with pin-fin and rib turbulator between inner and outer walls}

본 발명은 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드에 관한 것으로, 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조에 의해 냉각유체의 말굽와류를 발생하도록 하여 냉각효율을 높인 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드에 관한 기술이다.

산업용, 발전용 및 항공용 가스터빈의 효율을 증대시키기 위해 터빈 입구의 온도를 증대시키는 방법과 터빈 입구의 압력을 고압으로 유지하는 방법으로 가스터빈을 개발하고 있다. 최근에 발전용 가스터빈의 경우 가스터빈의 입구온도를 1700℃ 이상으로 고온으로 유지하는 기술들이 개발되고 있다.

이와 같이 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드를 보호하기 위해 내부냉각과 외부냉각 방식을 택하고 있다.

내부냉각의 경우, 베인과 블레이드의 내부유로에 핀-휜(pin-fin)을 설치하거나 립(rib turbulator)을 설치하여 내부를 냉각하고 외부냉각의 경우, 주유로(외부유로)를 냉각하기 위해 베인 또는 블레이드에 실린더형(cylinderical type)의 막냉각 홀(film cooling hole) 또는 팬형의(fan-shaped type)의 막냉각 홀을 설치하여 베인과 블레이드 표면에 냉각막을 형성시켜 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드의 표면을 보호하는 방식을 택하고 있다.

종래의 발명에 사용되고 있는 가스터빈의 냉각구조는 도 1의 가스터빈의 사시도를 참조하면, 블레이드(10)의 주유로(외부유로)의 냉각방식인 실린더형의 막냉각 홀(12) 또는 팬형의 막냉각 홀은 내부에서 외부로 냉각공기가 유출될 때 급축소와 급확대의 구조로 되어 있기 때문에 압력손실이 크게 발생하게 되는 단점이 있다.

또한 통상적으로 냉각유로는 3 통로(3 passages)로 구성되어 있기 때문에 통로를 통과하면서 압력강하가 발생한다. 압력강하로 인해 내각유로의 압력이 주유로(외부유로)의 압력보다 낮아지면 막냉각 홀을 통해 냉각유체가 유출되지 않기 때문에 막냉각이 발생하지 않게 되어 베인 또는 블레이드가 고온의 연소가스로부터 보호를 받지 못하는 단점이 있다.

KR 10-2015-0011710 A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 내부유로로 유입되는 냉각공기의 압력손실을 최소화하고 냉각공기의 유동을 난류화하여 압력손실을 최소화하며, 열전달을 촉진시킬 수 있는 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 냉각유체가 내부로 유입된 후 외부로 배출되어 냉각되는 구조를 가진 가스터빈 블레이드에 있어서, 상기 블레이드 내·외벽 사이에 형성되는 냉각유로와, 상기 냉각유로의 일측에 관통 형성되어 상기 냉각유체가 상기 냉각유로로 유입되게 하는 슬롯과, 상기 냉각유로의 타측에 상기 냉각유체가 냉각유로에서 외부로 배출되게 관통 형성되는 배출구로 이루어진 내·외벽 냉각통로;과, 상기 냉각유로에 복수 개가 설치되는 핀-휜(pin-fin);과, 상기 핀-휜 사이에 연결되어 통과되는 냉각유체의 와류를 발생되게 하는 립(rib);으로 구성되되, 상기 핀-휜은 상기 냉각유로 사이에서 길이방향의 행과 높이방향의 열을 따라 배열되되, 이웃한 열에 대하여 상호 어긋나게 배치되고, 상기 립은 동일한 열에서 연결되며, 상기 립은 상기 핀-휜보다 상대적으로 높이가 낮게 형성되어 냉각유체가 타고 넘을 수 있으며, 상기 립은 상기 핀-휜에서 냉각유체 이동방향을 따라 돌출되게 형성되되, 상기 핀-휜의 양단에서 경사져 중앙부가 꺾여진 'V'자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드.

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상기 핀-휜은, 원통 또는 익형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

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상기 배출구에는, 다공질 흡음재(porous material)가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

우선, 블레이드의 압력면과 흡입면의 내·외벽 사이에 냉각유로를 설치함으로써 블레이드의 경량화가 가능할 뿐만 아니라 고속 회전하는 블레이드에 작용하는 원심력도 경감이 가능하다.

핀-휜의 기저면에서 말굽와류 그리고 V형 립 후면에서의 종방향 와류의 생성으로 블레이드의 냉각성능향상이 향상된다.

종래와 달리 유로입구를 설치함으로써 압력손실을 최소화할 수 있다.

핀-휜의 형상을 공력특성을 고려해 익형 형상으로 설치할 경우, 냉각유로내의 유동에 의한 추가적인 압력손실 최소화가 가능하다.

도 1은 종래의 가스터빈 블레이드의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드의 형상을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드가 수평으로 절단되어 평면을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 2의 블레이드의 핀-휜과 결합된 립 구조 상세도이다.
도 5는 핀에 의해 냉각유체의 말굽와류를 도시한 도이다.
도 6은 립에 의한 종방향 와류를 도시한 도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드의 형상을 나타낸 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명인 가스터빈 블레이드는 냉각유체가 내부로 유입되어 외부로 배출되어 냉각되는 구조를 가진 가스터빈 블레이드에 있어서, 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조에 의해 열전달 성능을 향상시킨 것이 주요 특징이다.

본 발명의 이러한 열전달 성능을 향상시키기 위해서 블레이드(10) 내·외벽 사이에는 내·외벽 냉각통로(20)와, 핀-휜(pin-fin,30)과, 립(rib,40)으로 구성되어 이루어지며, 본 발명은 블레이드의 압력면(pressure side)과 흡입면(suction side)의 내 외벽 사이인 내·외벽 냉각통로(20)에 형성된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드가 수평으로 절단되어 평면을 나타낸 도이다.

먼저, 상기 내·외벽 냉각통로(20)는 블레이드(10)의 내부(14)에 유입된 냉각유체가 블레이드의 내·외벽 사이를 통과하면서 대류열전달을 위해 배출할 수 있도록 공간을 제공한다.

내·외벽 냉각통로(20)의 구성은 상기 블레이드(10) 내·외벽 사이에 형성되는 냉각유로(22)와, 상기 냉각유로(22)의 일측에 내부로 유입된 냉각유체가 내·외벽 사이에 개구되어 냉각유체가 유입되게 관통 형성된 슬롯(24)과, 상기 냉각유로(22)의 타측에 냉각유로(22)에서 외부로 배출되게 관통 형성되는 배출구(26)로 이루어진다.

여기서, 상기 내·외벽 냉각통로(20)의 슬롯(24)은 종래의 방식인 실린더형의 막냉각 홀 또는 팬형의 막냉각 홀과 달리 스팬방향(블레이드의 높이 방향)으로 길게 형성되어 냉각유로로 유입되는 냉각공기의 압력손실을 최소화하는 구조로 되어있다.

상기 핀-휜(30)은 상기 내·외벽 냉각통로(20)의 냉각유로(22)에 복수 개가 설치되어 상기 블레이드(10)의 내·외벽 사이에 위치하게 된다.

상기 핀-휜(30)은 복수 개가 설치되는데 상기 내·외벽 냉각통로(20)의 냉각유로 사이에서 길이방향의 행과 높이방향의 열을 따라 배열되고, 상기 립(40)은 동일한 열에서 연결된다.

상기 핀-휜(30)이 복수 개로 설치되어 배열되는 이유는 그 사이에 와류를 유도하는 립(40)이 형성되기 위해서이다.

상기 핀-휜(30)과 립(40)을 설명하면, 상기 핀-휜은, 이웃한 열에 대하여 상호 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다. 핀-휜과 결합된 V 형 립(V-type rib turbulator)을 주유동 방향으로 엇갈림 배열하여 내부유로로 유입되는 냉각유체의 압력손실을 최소화할 수 있다.

블레이드(10)의 내부공간에 유입된 냉각유체는 내·외벽 냉각통로(20)의 슬롯(24)으로 진입하여 핀-휜(30)의 충돌과 립(40)에 충돌 통과시 블레이드의 외측과 열전도가 이루어지고, 상기 내·외벽 냉각통로(20)의 배출구(26)로 배출되게 된다.

여기서, 상기 내·외벽 냉각통로(20) 배출구(26)에는 다공질 흡음재(porous material,50)가 구비되어 있기 때문에 배출구(26)에서는 다공질 흡음재의 공극을 통과하는 냉각공기의 유동을 난류화하여 열전달을 촉진시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드의 핀-휜과 결합된 립 구조 상세도이다.

도 4를 참조하면, 그리고, 상기 핀-휜(30)은 도면에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성되는데, 블레이드의 사용환경에 따라 익형으로 형성되게 하여 냉각유로내의 냉각유체의 유동에 의한 추가적인 압력손실 최소화를 할 수 있다.

상기 립은, 상기 핀-휜에서 냉각유체 이동방향을 따라 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는데, 본 발명에서 상기 립은 상기 핀-휜의 양단에서 경사져 'V'자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하여 일자 '-'형으로 연결되는 것보다 냉각유체 접촉면적을 높이고 와류생성을 높이도록 하였다.

본 발명에서는 립의 형상을 'V'자 외에도, 설계조건에 따라 '∪'자 형으로도 할 수 있으며 냉각유체 흐름에 맞게 돌출되도록 다양한 형상으로 실시할 수 있다.

여기서, 립(40)은 핀-휜(30)보다 높이가 낮게 되어 냉각유체가 타고 넘을 수 있을 정도의 높이로 형성된다.

상기 립(40)은 중앙부에서 꺾여진 'V'자 형상이 되어 립(40)을 거친 냉각유체는 종방향 와류를 형성할 수 있으며 이를 도 6에 도시하였다.

상기의 구조에 따라 본 발명의 특징과 효과를 요약하면 다음과 같고, 도 5와 6을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 핀에 의해 냉각유체의 말굽와류를 도시한 도이고, 도 6은 립에 의한 종방향 와류를 도시한 도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 사용된 핀-휜(30)의 경우 벽면과 핀-휜이 이루는 기저면에서 냉각공기가 유입되게 되면 핀-휜 주위에 말굽와류(horseshoe vortex)가 발생해 내부유로 벽면의 열전달을 촉진함과 동시 핀-휜이 엇갈림 배열이 되어 있기 때문에 이로 인한 열전달 향상도 동시에 획득할 수 있는 특징이 있다.

뿐만 아니라 도 6에서 핀-휜과 일체로 되어 있는 경사진 립(40) 구조를 가진 경우, V형 립의 상류측에서 유입된 냉각공기가 V형 립 구조의 립 전면부를 통과할 때 V형 립 전면부의 압력이 V형 립 후면부의 압력보다 높은 압력으로 유지되기 때문에 압력차로 인해 V형 립을 통과할 때 V형 립의 경사면을 따라 종횡방향 와류(longitudinal vortex)가 발생하여 V형 립이 설치된 벽면의 열전달이 촉진되는 효과가 있다.

추가적으로 본 발명은 블레이드의 압력면과 흡입면의 내·외벽 사이에 냉각유로를 설치함으로써 종래의 블레이드보다 경량화가 가능할 뿐만 아니라 이로 인해 고속 회전하는 블레이드에 작용하는 원심력이 상대적으로 감소함으로 블레이드의 수명(life time)이 증가하는 장점도 있다.

이상과 같이 본 발명은 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드를 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

10: 블레이드 20: 내·외벽 냉각통로
22: 냉각유로 24: 슬롯
26: 배출구 30: 핀-휜
40: 립 50: 다공질 흡음재

Claims (7)

1. 냉각유체가 내부로 유입된 후 외부로 배출되어 냉각되는 구조를 가진 가스터빈 블레이드에 있어서,
   상기 블레이드 내·외벽 사이에 형성되는 냉각유로와, 상기 냉각유로의 일측에 관통 형성되어 상기 냉각유체가 상기 냉각유로로 유입되게 하는 슬롯과, 상기 냉각유로의 타측에 상기 냉각유체가 냉각유로에서 외부로 배출되게 관통 형성되는 배출구로 이루어진 내·외벽 냉각통로;과,
   상기 냉각유로에 복수 개가 설치되는 핀-휜(pin-fin);과,
   상기 핀-휜 사이에 연결되어 통과되는 냉각유체의 와류를 발생되게 하는 립(rib);으로 구성되되,
   상기 핀-휜은 상기 냉각유로 사이에서 길이방향의 행과 높이방향의 열을 따라 배열되되, 이웃한 열에 대하여 상호 어긋나게 배치되고, 상기 립은 동일한 열에서 연결되며,
   상기 립은 상기 핀-휜보다 상대적으로 높이가 낮게 형성되어 냉각유체가 타고 넘을 수 있으며,
   상기 립은 상기 핀-휜에서 냉각유체 이동방향을 따라 돌출되게 형성되되, 상기 핀-휜의 양단에서 경사져 중앙부가 꺾여진 'V'자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드.
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4. 제1항에 있어서,
   상기 핀-휜은,
   원통 또는 익형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드.
5. 삭제
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7. 제1항에 있어서,
   상기 배출구에는,
   다공질 흡음재(porous material)가 구비된 것을 특징으로 하는 블레이드 내·외벽 사이에 핀-휜과 결합된 립 구조를 갖는 가스터빈 블레이드.

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