KR101704292B1 - 가스 터빈의 에어포일 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 가스 터빈의 에어포일은 외부 표면에 막 냉각 구조를 가지고, 상기 에어포일의 내부에 형성되며 냉각 공기를 안내하는 냉각 유로, 상기 냉각 유로를 향해 관통하도록 상기 에어포일의 외부 표면에 형성되는 적어도 하나의 막냉각홀 및 상기 막냉각홀의 단부 주위를 감싸는 형상의 돌출부를 포함할 수 있다.

Description

가스 터빈의 에어포일{AIRFOIL OF GAS TURBINE}

아래의 실시예들은 가스 터빈의 에어포일에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진은 압축기를 통해 압축된 공기가 연소기를 통해 고온 고압의 연소가스로 전환되어 이 연소가스가 터빈을 통해 팽창, 터빈 블레이드를 회전시키고 배출됨으로써 필요한 출력을 얻는 엔진이다. 이때 가스 터빈의 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.

막냉각(film cooling)은 가스 터빈 엔진에서 고온용 부품인 터빈 노즐 및 블레이드를 냉각하기 위하여 사용되는 기술이다. 막냉각은 가스터빈의 압축기 단에서 추출된 압축 공기를 터빈 노즐 혹은 블레이드 내부에 구성된 유로로 공급하고, 외부의 연소가스와 접촉하는 터빈 노즐 혹은 블레이드 표면에 일렬 이상의 구멍을 가공하여 그 구멍을 통해 압축공기를 분사하는 냉각방식을 의미한다.

이와 같이 막냉각은 공기를 분사함으로써 외부 표면에 일종의 단열막을 형상하여 고온의 가스로부터 노즐 혹은 블레이드를 보호하며, 압축공기 유체가 공급되는 터빈 노즐/블레이드 내부 유로 상의 막냉각홀 인접 내부 영역, 막냉각홀 내부 표면에서의 대류 열전달을 통해 금속 모재 자체의 온도를 낮추는 역할을 한다.

노즐 혹은 블레이드 내부에서 압축공기가 막냉각홀을 통해 외부로 배출될 때 막냉각홀 내부에서는 막냉각홀을 지나는 유동에 의해 대류 열전달이 발생하며, 표면에서의 대류 열전달과 연계하여 금속 모재 내부에서는 열전도에 의한 냉각이 이루어진다. 따라서 막냉각홀을 지나는 유동에 의한 유효 열전달을 증가시키는 것이 노즐 혹은 블레이드 금속 모재 전체의 온도를 낮추는데 필요하다.

막냉각홀로 유입되는 냉각 공기는 급격한 면적 축소에 따라 막냉각홀 입구에서 유동 박리(separation)가 발생하며 일정 길이(통상 홀 직경의 1배 이내) 이후 재부착(reattachment) 후 발달하다가 외부로 배출된다. 유동 박리는 열전달을 낮추는 악영향을 끼치기 때문에 홀 내부에서의 대류 열전달을 저하시킨다.

금속 모재의 두께를 증가시키는 경우, 상기의 문제를 일부 보완할 수 있으나 이는 중량, 비용 등과 관련되어 있으므로, 가스터빈 특히 항공용 가스터빈의 경우 구조적으로 안정화될 수 있는 최소한의 두께를 갖도록 설계/제작하는 것이 일반적이다. 따라서 대류 냉각에 의한 효과를 극대화하기 위해서는 별도의 형상 구현이 필요하다.

또한, 막냉각홀을 통해 빠져나가는 냉각공기의 유량은 막냉각홀의 송출계수(discharge coefficient), 막냉각홀 전후의 압력비(내부 냉각공기 압력과 외부 고온가스 압력의 비)에 의해 결정된다. 압력비가 높은 경우는 동일한 형상의 막냉각홀에 대해서 보다 많은 냉각공기가 빠져나가게 된다.

노즐 및 블레이드의 냉각설계 시에는 전체적으로 균일한 냉각이 되도록 설계하는 것이 일반적인데, 가스 터빈 노즐 및 블레이드는 외부 표면에서의 압력분포가 3차원적이며 매우 불균일한 분포를 갖는다. 이에 따라 특정 영역(suction side surface, endwall downstream 영역 등)에서는 설계자가 의도하지 않는 높은 압력비로 인하여 과다한 냉각공기가 배출되는 현상이 발생한다.

한국 특허 2012-0070152호에는 가스터빈의 노즐 블레이드에 관하여 개시되어 있다.

일 실시예에 따른 목적은 막냉각홀의 입구에서 전열 면적(wetted area)을 증가시키고, 유동 박리영역을 상대적으로 축소하여 막냉각홀 내부에서의 열전달을 극대화시키기 위해 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일을 제공하는 것이다.

막냉각홀 주변의 열전도에 의한 냉각효과를 극대화하여 터빈 노즐 혹은 블레이드의 금속온도를 낮추기 위해 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일을 제공하는 것이다.

또한, 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일을 내/외부 압력비를 낮춰 유량조절을 필요로 하는 영역에 적용하여 원하는 압력비로 조절함과 동시에 냉각효과를 극대화하는 것을 목표로 한다.

일 실시예에 따른 가스 터빈의 에어포일은 외부 표면에 막 냉각 구조를 가지고, 상기 에어포일의 내부에 형성되며 냉각 공기를 안내하는 냉각 유로, 상기 냉각 유로를 향해 관통하도록 상기 에어포일의 외부 표면에 형성되는 적어도 하나의 막냉각홀 및 상기 막냉각홀의 단부 주위를 감싸는 형상의 돌출부를 포함할 수 있다.

상기 돌출부는 상기 에어포일의 내측에 형성되며 상기 냉각 유로를 향하는 방향으로 연장될 수 있다.

상기 돌출부의 두께(너비)는 상기 막냉각홀의 직경의 0.1 내지 1배이며, 상기 돌출부의 높이는 상기 막냉각홀의 직경의 0.5 내지 1.5배일 수 있다.

상기 막냉각홀은 상기 에어포일의 외부 표면에 대하여 수직한 방향으로 형성될 수 있다.

상기 돌출부는 상기 막냉각홀의 단부에서 상기 냉각 유로로 향하는 방향으로 두께(너비)가 일정한 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

상기 돌출부는 상기 막냉각홀의 단부에서 상기 냉각 유로로 향하는 방향으로 두께(너비)가 점차 줄어드는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 돌출부의 단면은 반원의 형상 또는 사다리꼴의 형상일 수 있다.

상기 막냉각홀은 상기 에어포일의 외부 표면에 대하여 경사지도록 형성될 수 있다.

상기 돌출부는 상기 막냉각홀의 단부에서 상기 냉각 유로로 향하는 방향으로 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.

상기 에어포일은 터빈 노즐 또는 터빈 블레이드의 에어포일일 수 있다.

일 실시예에 따른 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일은 막냉각홀의 입구에서 전열 면적(wetted area)을 증가시키고, 유동 박리영역을 상대적으로 축소하여 막냉각홀 내부에서의 열전달을 극대화 시킬 수 있다.

돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일은 막냉각홀 주변의 열전도에 의한 냉각효과를 극대화하여 터빈 노즐 혹은 블레이드의 금속온도를 낮출 수 있다.

또한, 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일을 내/외부 압력비를 낮춰 유량조절을 필요로 하는 영역에 적용하여 원하는 압력비로 조절함과 동시에 냉각효과를 극대화 시킬 수 있다.

도1은 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일을 나타낸다.
도2 및 도3은 각각 도1의 A 및 B부분을 확대한 모습을 나타낸다.
도4는 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일의 막냉각홀 주위에서 발생하는 유동 및 열전달 특성을 나타낸다.
도5는 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일의 각 구성의 일 실시예 따른 치수를 나타낸다.
도6 내지 도9는 일 실시예에 따른 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일을 나타낸다.
도10 및 도11은 돌출부를 포함하지 않은 가스 터빈의 에어포일과 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일의 전산 해석 결과를 나타낸다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.

다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 가스 터빈의 에어포일의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 가스 터빈의 에어포일의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 가스 터빈의 에어포일의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도1은 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일을 나타내고, 도2 및 도3은 각각 도1의 A 및 B부분을 확대한 모습을 나타낸다. 도4는 돌출부를 포함하는 가스 터빈의 에어포일의 막냉각홀 주위에서 발생하는 유동 및 열전달 특성을 나타내며, 도5는 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일의 각 구성의 일 실시예 따른 치수를 나타낸다. 또한, 도6 내지 도9는 일 실시예에 따른 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일을 나타낸다. 도10 및 도11은 돌출부를 포함하지 않은 가스 터빈의 에어포일과 돌출부를 포함한 가스 터빈의 에어포일의 전산 해석 결과를 나타낸다.

도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 가스 터빈의 에어포일(10)은 외부 표면에 막 냉각 구조를 가지고, 에어포일(10)의 내부에 형성되며 냉각 공기를 안내하는 냉각 유로(100), 냉각 유로(100)를 향해 관통하도록 에어포일(10)의 외부 표면에 형성되는 적어도 하나의 막냉각홀(200) 및 막냉각홀(200)의 단부 주위를 감싸는 형상의 돌출부(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 에어포일(10)은 터빈 노즐 또는 터빈 블레이드의 에어포일일 수 있다.

도2 및 도3을 참조하면, 각각은 도1의 A 및 B 부분을 확대한 모습을 나타낸 것으로, 에어포일(10)의 외부 표면에는 하나 이상의 막냉각홀(200)이 구비될 수 있다. 에어포일(10)의 내측에 위치된 막냉각홀(200)의 단부 주위를 감싸는 돌출부(300)는 에어포일(10)의 내측에 형성되며 냉각 유로(100)를 향하는 방향으로 연장될 수 있다.

이하에서는 도4를 참조하여, 돌출부(300)를 포함하는 가스 터빈의 에어포일(10)의 막냉각홀(200) 주위에서 발생하는 유동 및 열전달 특성을 설명한다.

에어포일(10)의 막냉각홀(200)의 단부에 구비된 돌출부(300)를 포함함으로써, 막냉각홀(200)의 입구에 해당하는 돌출부(300)에서 막냉각홀(200)로 공급되는 냉각 유체에 대해 전열 면적(wetted area)을 증가시킬 수 있다. 그리하여, 유동 박리영역을 상대적으로 축소시키고 막냉각홀(200) 내부에서의 열전달을 극대화시킬 수 있다. 이를 통하여 막냉각홀(200) 주변의 열전도에 의한 냉각효과를 극대화 시킬 수 있다.

이를 터빈 노즐 혹은 블레이드의 금속온도를 낮춰 냉각효과를 극대화 시킬 수 있고, 돌출부(300)를 포함하는 가스 터빈의 에어포일(10)을 내/외부 압력비를 낮춰 유량조절을 필요로 하는 영역에 적용하여 원하는 압력비로 조절함과 동시에 냉각효과를 극대화 시킬 수 있다.

즉, 에어포일(10)의 내측에서 막냉각홀(200)의 단부 주위를 감싸는 돌출구조를 형성함으로써, 막냉각홀(200)의 유로를 확장할 수 있다. 그리하여 냉각 유체에 의한 유효 열전달 영역을 확장시킬 수 있고, 이로 인하여 내부 금속 모재의 냉각을 극대화 시킬 수 있다. 이때, 냉각은 전도 및 대류 냉각에 의하여 이루어 질 수 있다.

또한, 가스 터빈의 에어포일(10)의 표면에는 열차폐코팅(thermal barrier coating; 400)이 구비될 수 있다. 일반적으로 신뢰성 및 수명 향상을 위하여 에어포일(10)의 외부 표면에 세라믹 재질의 열차폐코팅(thermal barrier coating, TBC)을 적용한다. 열차폐코팅 재료는 금속모재(Ni-based Superalloy)에 비해 열전도율이 약 1/10 수준이며, 녹는점이 매우 높기 때문에 가스터빈 작동환경 상에서 금속모재의 온도를 약 50℃ 낮춰주는 역할을 한다. 일반적으로 열차폐코팅의 두께는 약 200~400μm이다.

도5를 참조하여 돌출부(300)를 포함한 가스 터빈의 에어포일(10)의 각 구성의 일 실시예 따른 치수를 설명한다. 에어포일(10)의 막냉각홀의 직경(d)에 대하여 돌출부(300)의 두께(너비)는 막냉각홀(200)의 직경(d)의 0.1 내지 1배 사이일 수 있다. 또한, 돌츨부(300)의 높이는 막냉각홀(200)의 직경(d)의 0.5 내지 1.5배일 수 있다. 다만, 이는 바람직한 일 실시예를 나타낸 것뿐이며, 돌출부(300)의 두께(너비) 및 높이의 치수가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도6 내지 도9를 참조하여, 일 실시예에 따른 돌출부(300)를 포함한 가스 터빈의 에어포일(10)의 실시 형상을 설명한다.

도6을 참조하면, 막냉각홀(200)은 에어포일(10)의 외부 표면에 대하여 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 이에 대하여, 돌출부(300)는 에어포일(10)의 내측에 위치한 막냉각홀(200)의 단부에서 냉각 유로(100)로 향하는 방향으로 두께(너비)가 일정한 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

도7 및 도8을 참조하면, 막냉각홀(200)은 에어포일(10)의 외부 표면에 대하여 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 이에 대하여, 돌출부(300)는 에어포일(10)의 내측에 위치한 막냉각홀(200)의 단부에서 냉각 유로(100)로 향하는 방향으로 두께(너비)가 점차 줄어드는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 돌출부(300)의 단면은 반원의 형상 또는 사다리꼴의 형상일 수 있다.

도9를 참조하면, 막냉각홀(200)은 에어포일(10)의 외부 표면에 대하여 경사지도록 형성될 수 있다. 이 때, 막냉각홀(200)은 에어포일(10)의 외부 표면에서 냉각 유로(100)를 향할수록 에어포일(10)의 끝단면에 가까워지는 형태의 분사 각도로 경사진 형상을 가질 수 있다. 또한, 막냉각홀(200)은 에어포일(10)의 외부 표면에서 냉각 유로(100)를 향할수록 에어포일(10)의 끝단면에서 멀어지는 형태의 분사 각도로 경사진 형상을 가질 수도 있다.

이에 대하여, 돌출부(300)는 에어포일(10)의 내측에 위치한 막냉각홀(200)의 단부에서 냉각 유로(100)로 향하는 방향으로 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.

도10 및 도11를 참조하여, 돌출부(300)를 포함하지 않은 가스 터빈의 에어포일과 돌출부(300)를 포함한 가스 터빈의 에어포일의 전산 해석 결과를 설명한다.

도10의 (a) 및 (b)는 각각 열차폐코팅(400)이 적용되지 않은 금속 모재에 대하여 돌출부(300)를 포함하지 않은 막냉각홀을 적용한 모델 및 일 실시예에 따라 돌출부(300)를 포함한 막냉각홀(200)을 적용한 모델에 대한 전산해석 결과이다. 온도범위가 1,300K~1,400K에 이루어진 것으로, 돌출부(300)를 포함하지 않은 도10의 (a)에서 보다 돌출부(300)를 포함한 도10의 (b)에서 막냉각홀(200) 내부 및 그 인접영역에서의 냉각효과가 뛰어남을 알 수 있다. 즉, 돌출부(300)를 포함하지 않은 도10의 (a)에서 보다 돌출부(300)를 포함한 도10의 (b)에서 금속 모재 내부의 온도가 전체적으로 저감됨을 알 수 있다.

도11의 (a) 및 (b)는 각각 열차폐코팅(400)이 적용된 금속 모재에 대하여 돌출부(300)를 포함하지 않은 막냉각홀을 적용한 모델 및 일 실시예에 따라 돌출부(300)를 포함한 막냉각홀(200)을 적용한 모델에 대한 전산해석 결과이다. 이 때 열차폐코팅은 200μm가 적용되었고, 온도범위는 1,300K~1,400K에서 이루어 졌다. 이 경우에도, 돌출부(300)를 포함하지 않은 도11의 (a)에서 보다 돌출부(300)를 포함한 도11의 (b)에서 막냉각홀(200) 내부 및 그 인접영역에서의 냉각효과가 뛰어남을 알 수 있다.

이와 같은, 돌출부(300)를 포함하는 가스 터빈의 에어포일(10)을 이용하여 막냉각홀(200)의 입구에서 전열 면적(wetted area)을 증가시키고, 유동 박리영역을 상대적으로 축소하여 막냉각홀(200) 내부에서의 열전달을 극대화 시킬 수 있다.

그리하여, 막냉각홀(200) 주변의 열전도에 의한 냉각효과를 극대화하여 터빈 노즐 혹은 블레이드의 금속온도를 낮출 수 있고, 돌출부(300)를 포함하는 가스 터빈의 에어포일(10)을 내/외부 압력비를 낮춰 유량조절을 필요로 하는 영역에 적용하여 원하는 압력비로 조절함과 동시에 냉각효과를 극대화 시킬 수 있다.

이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 가스 터빈의 에어포일
100 : 냉각 유로
200 : 막냉각홀
300 : 돌출부
400 : 열차폐코팅

Claims (9)

1. 외부 표면에 막 냉각 구조를 가진 가스 터빈의 에어포일에 있어서,
   상기 에어포일의 내부에 형성되며 냉각 공기를 안내하는 냉각 유로;
   상기 냉각 유로를 향해 관통하도록 상기 에어포일의 외부 표면에 형성되는 적어도 하나의 막냉각홀; 및
   상기 막냉각홀의 단부 주위를 감싸는 형상의 돌출부;
   를 포함하고,
   상기 돌출부의 두께는 상기 막냉각홀의 직경의 0.1 내지 1배이며, 상기 돌출부의 높이는 상기 막냉각홀의 직경의 0.5 내지 1.5배인, 가스 터빈의 에어포일.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 에어포일의 내측에 형성되며 상기 냉각 유로를 향하는 방향으로 연장되는, 가스 터빈의 에어포일.
   
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   상기 막냉각홀은 상기 에어포일의 외부 표면에 대하여 수직한 방향으로 형성되고, 상기 돌출부는 상기 막냉각홀의 단부에서 상기 냉각 유로로 향하는 방향으로 두께가 일정한 원기둥 형상인, 가스 터빈의 에어포일
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 막냉각홀은 상기 에어포일의 외부 표면에 대하여 수직한 방향으로 형성되고, 상기 돌출부는 상기 막냉각홀의 단부에서 상기 냉각 유로로 향하는 방향으로 두께가 점차 줄어드는 형상인, 가스 터빈의 에어포일.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 돌출부의 단면은 반원의 형상일 수 있는, 가스 터빈의 에어포일.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 돌출부의 단면은 사다리꼴의 형상일 수 있는, 가스 터빈의 에어포일.
   
8. 제2항에 있어서,
   막냉각홀은 상기 에어포일의 외부 표면에 대하여 경사지도록 형성되고,
   상기 돌출부는 상기 막냉각홀의 단부에서 상기 냉각 유로로 향하는 방향으로 사다리꼴 형상으로 형성되는, 가스 터빈의 에어포일.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 에어포일은 터빈 노즐 또는 터빈 블레이드의 에어포일인, 가스 터빈의 에어포일.

Images