KR101875692B1 - 가스터빈 냉각을 위한 직물형태의 내부 유로 구조를 포함하는 가스터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 냉각을 위한 직물형태의 내부유로 구조를 포함하는 가스터빈 블레이드를 제공한다.
특히, 본 발명은 익형(air foil)의 블레이드 바디 및 상기 블레이드 바디 내부에 포함되며 블레이드 팁과 루트 사이를 잇는 복수 개의 내부 냉각 유로를 포함하며, 상기 복수 개의 내부 냉각 유로의 형상은 유로가 압력면 및 흡입면에 직접적으로 닿을 수 있도록 냉각 유체 흐름 방향을 따라 상하로 반복적으로 꺾인 구조인 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드에 관한 것이다.
이와 같은 구성을 통하여, 냉각 유체가 단순히 흐르면서 열 교환하던 종래의 냉각 방식을 넘어서 유로가 상호 교차하는 방식을 취함으로써, 유동의 전단력(Shear stress)을 이용한 2차 와류(Secondary flow) 생성으로 열 전달 성능을 강화하여 종래 방식이 갖던 내부 유로 내부에서 열 전달이 고르게 이루어지지 않던 문제점을 해결할 수 있다.

Description

가스터빈 냉각을 위한 직물형태의 내부 유로 구조를 포함하는 가스터빈 블레이드{A gas turbine blade comprising an inner flow path structure in the form of a fabric for cooling a gas turbine}

본 발명은 가스터빈 블레이드 냉각을 통하여 블레이드 표면에 발생하는 열 부하를 방지하여 블레이드 파손방지 및 신뢰성 확보를 목적으로 하는 발명으로서, 더욱 상세하게는 가스터빈 블레이드 내부에 설치되는 냉각유로의 형상을 직물형태로 배치하여 블레이드를 냉각하는 내부 냉각 유로 구조 및 그 제작방법에 관한 것이다.

가스터빈은 발전, 항공 분야에 걸쳐 다양하게 사용되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈을 가동시키는 열기관을 말하며, 일반적으로 압축기와 연소기, 터빈으로 이루어진다.

가스터빈의 작동과정은 압축기를 이용하여 공기를 압축하고, 압축된 공기를 연소실로 이동시켜 연료를 분산하여 연소시키며, 이때 생긴 고온, 고압의 가스를 터빈에 뿜어내면서 팽창시켜 터빈을 회전시키는 과정으로 구성된다.

상기와 같은 가스터빈의 열효율은 압축기와 터빈의 효율이 좋을수록, 압축압력이 높을수록, 그리고 터빈으로 들어가는 유입 가스(Inlet gas)의 온도가 높을수록 높아진다.

열효율 상승을 위하여 가스터빈 블레이드는 필연적으로 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 블레이드 내부에 복수 개의 원통형 냉각유로를 포함하는 가스터빈 블레이드에 관하여 도시한 사시도이다.

도면을 통하여 알 수 있듯이, 종래에는 가스터빈 블레이드 내부의 냉각유로의 형상을 원통형 또는 장방형으로 제작하였는데, 이에 따르면 냉각 유체가 내부 유로로 들어가는 입구 및 나가는 입구 부분에서는 열 전달계수가 높아 냉각 효과가 있으나, 입구와 출구 사이의 중간 유로 부분에는 열 전달계수가 낮아 냉각이 잘 이루어지지 않았다.

따라서 종래의 냉각 방식에 의하면 유로의 출구 및 입구 부분에만 냉각 효율이 높고 블레이드 전반에 걸친 고른 냉각이 어려워, 블레이드 내부에 냉각 유로를 설치하였음에도 냉각이 효과적으로 이뤄지지 않는 영역이 존재하게 된다.

즉, 종래에는 블레이드 내부에 다수의 냉각유로를 배치하더라도 여전히 블레이드 손상에 대한 우려가 있었다.

가스터빈 블레이드 냉각과 관련된 선행기술 중 한국공개특허 (KR 2015-0037408)는 냉각효율 향상을 위하여 유로에 변경을 가했다는 차이가 있으나, 후술할 본 발명과 달리 유로의 구조를 변화시키는 것이 아닌 유로 내부에 요철을 구비하는 방식을 개시하고 있어 본 발명과는 차이가 있다.

또한, 한국공개특허 (KR 2008-0123348)의 경우에도, 블레이드의 흡입면과 압력면의 내측을 따라 냉각 유동이 흐르는 다수의 유로를 배치한다는 점은 본 발명과 유사성이 있으나, 해당 특허 역시도 유로의 구조 자체를 변경시키는 내용은 포함하지 않고 있다.

아울러, 한국공개특허(KR 2015-0063915) 에서도 미세유로를 배치하는 점에 대하여만 기재하고 있을 뿐 유로의 형상을 변경시킨다는 기재는 하지 않은바, 종래의 기술들에서는 냉각 유로의 형상을 변화시키거나, 구조 자체를 변경시켜 냉각효율을 향상시키려는 논의는 많지 않았던 것이 현실이다.

1. 한국공개특허 KR 2015-0037408, 발명의 명칭 : “향상된 냉각성능을 갖는 교차 요철이 설치된 가스터빈 블레이드” 2. 한국공개특허 KR 2008-0123348 , 발명의 명칭 : “가스터빈의 냉각 블레이드” 3. 한국공개특허 KR 2015-0063915, 발명의 명칭 : “최외곽 유로를 포함하는 가스터빈 베인 및 블레이드”

본 발명은 가스터빈 블레이드의 냉각 성능을 향상시켜 열 부하에 따른 블레이드의 손상을 방지하고 신뢰성을 확보하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 내부 냉각 유로를 교차시켜 배치함에 따라 발생하는 2차 유동(Secondary flow)을 통하여 종래의 내부 냉각 유로를 통한 냉각 기술의 냉각 효율이 고르지 못한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 가스터빈에 적용되는 블레이드로서, 블레이드 바디는 냉각 유체가 유동할 수 있는 복수 개의 내부 냉각 유로를 포함하고 있으며, 상기 내부 냉각 유로의 형상은 블레이드의 외곽 모양이 소정 비율로 축소된 형상이고, 상기 내부 냉각 유로는 블레이드 측면 및 인서트 사이인 블레이드 내부에 위치하여, 냉각 유체가 블레이드의 전연(Leading edge) 방향부터 후연(Trailing edge) 방향으로 유동할 수 있도록 형성되며, 제1 내부 냉각 유로는 냉각 유체의 유동 진행 방향을 기준으로 30 내지 60° 사이의 각도를 이루며 점진적으로 상승 또는 하강을 반복하면서 꺾이도록 형성되고, 제2 내부 냉각 유로는 냉각 유체의 유동 진행 방향을 기준으로 30 내지 60° 사이의 각도를 이루며 점진적으로 하강 또는 상승을 반복하면서 꺾이도록 형성되며, 상기 제1 내부 냉각 유로와 제2 내부 냉각 유로는 유동면 사이의 각도가 수직이 될 수 있도록 상호 교차되며 배치됨으로써, 전단력에 의해 2차 유동을 유발할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드를 제공한다.

특히, 상기 내부 냉각 유로에 있어서 냉각 유체의 진행방향을 x축, 유로의 폭 방향을 y축, 유로가 상하로 상승 및 하강하는 방향을 z축이라고 할 때, 각 내부 냉각 유로는 x-y평면상에 45각도 방향으로 형성되어 냉각 유체는 유동입구를 기준으로 대각선으로 유동하게 되고, z축 방향으로 유로가 상승 또는 하강하며 반복적으로 꺾이며 직물 구조 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부 냉각 유로는 일정한 두께로 형성되며, 유로의 단면은 원형 또는 사각형인 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 내부 냉각 유로가 상하로 꺾이는 부위는 라운딩 처리되어 굴곡지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

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바람직하게, 상기 복수 개의 내부 냉각 유로는 유로 사이의 교차되어 접하는 부위에서 유로끼리 서로 연결될 수 있도록 형성되어, 하나의 내부 냉각 유로를 통하여 유입된 냉각 유체가 교차하는 다른 내부 냉각 유로를 통하여도 흐를 수 있는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 가스터빈 블레이드 내부에 복수 개의 냉각유로를 포함하며, 상기 복수 개의 내부 냉각 유로는 상승 및 하강을 반복하며 꺾이면서 유동면이 서로 수직을 이루도록 교차 배치된다. 이 뿐만 아니라, 냉각 유로의 접촉 영역에서 유로 사이가 연결될 수 있도록 오픈된 형태를 갖는다. 이를 통하여 서로 수직 방향으로 흐르는 냉각 유동에 의해 냉각 유체에는 전단력(Shear stress)가 작용하고, 전단력에 의하여 2차 와류(Secondary flow)가 발생하여 블레이드 전반적으로 고른 냉각 효과를 가질 수 있다.

도 1은 종래의 블레이드 내부에 복수 개의 원통형 냉각유로를 포함하는 가스터빈 블레이드에 관하여 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 가스터빈 블레이드를 블레이드 팁과 평행한 방향으로 절단한 단면도이다.
도 3은 내부 냉각 유로의 축 방향에 대하여 도시한 도면이다.
도 4는 하나의 내부 냉각 유로만을 간략하게 도시한 단면도이다. 특히, 도 4 (a)는 냉각 유로가 꺾인 부위가 각이 진 형상, 그리고 도 4 (b)는 상기 꺾인 부위가 라운딩 처리되어 굴곡진 형상에 대해 도시한 단면도이다.
도 5는 복수 개의 내부 냉각 유로의 형상에 대해 도시한 도면이다. 특히 도 5 (a)는 종래의 내부 냉각 유로의 형상을, 도 5 (b)는 본 발명의 직물 형상으로 내부 냉각 유로가 서로 교차하며 형성되는 것을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 내부 냉각 유로가 교차하며 배치하는 형상을 보다 상세하게 도시한 사시도이다.
도 7은 씨실과 날실 구조의 직물형상을 나타낸 도면이다.
도 8은 내부 냉각 유로를 절단한 단면도이다. 특히, 도 8 (a)는 종래의 내부 냉각 유로에 관한, 그리고 도 8 (b)는 본 발명의 상호 교차하는 내부 냉각 유로에 관해 도시한 단면도이다.
도 9는 내부 냉각 유로를 통하여 냉각 유체의 흐름을 도시한 사시도이다. 특히 도 9 (a)는 냉각 유체가 종래의 내부 냉각 유로를 흐르는 것에 대하여, 도 9 (b) 는 냉각 유체가 본 발명의 교차하는 내부 냉각 유로를 흐르는 것에 대하여 도시한 사시도이다.
도 10은 변형될 수 있는 내부 냉각 유로의 형상들에 대하여 도시한 도면이다.
도 11은 내부 냉각 유로 내의 열 전달계수의 분포를 나타낸 도면이다. 특히, 도 11 (a)는 종래의 내부 냉각 유로의 열 전달계수 분포를, 도 11 (b)는 본 발명의 교차하는 내부 냉각 유로의 열 전달계수 분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 종래의 냉각 기술과 본 발명의 냉각 기술의 냉각성능을 비교한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 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.

도 1은 종래의 블레이드 내부에 복수 개의 원통형 냉각유로를 포함하는 가스터빈 블레이드에 관해 도시한 사시도이다.

먼저, 가스터빈 블레이드의 명칭을 명확히 하고자 하기의 내용에서 익형(air foil)의 블레이드 바디가 휠 또는 드럼 등에 부착되는 영역을 블레이드 루트(11), 루트와 평행한 상단 부위를 블레이드 팁, 흡입면(12) 및 압력면(13)으로 구성되는 영역을 블레이드 측면(14), 그리고 블레이드 표면을 최외각 가장자리로 하며 블레이드 팁 쪽에 있는 영역을 블레이드 팁 표면(15)이라고 칭하겠다.

종래의 블레이드 파손을 방지하기 위한 방법은 크게 2가지 정도 방식으로 나뉜다.

하나의 방법은 도면에는 도시하지 않았으나 블레이드 팁 표면(15) 또는 블레이드 측면(14)에 막냉각홀을 배치하여 주 유동을 냉각하여 가스터빈 블레이드의 파손을 방지하는 방법이다. 다른 하나의 방법은 도 1과 같이 원통형 또는 장방형의 냉각 유로(20)를 블레이드 바디 내부에 배치하여, 내부 냉각 유로를 따라 냉각 유체가 이동하면서 진행되는 열 교환을 통하여 블레이드를 냉각하는 방법이다.

본 출원은 위의 냉각 방법 중 두 번째 방법인 내부 냉각 유로(20)를 배치하여 블레이드를 냉각하는 발명에 관한 것이다. 본 발명은 가스터빈 블레이드의 일실시예로써, 블레이드 바디(10)는 냉각 유체가 유동할 수 있는 복수 개의 내부 냉각 유로(20)를 포함하고 있으며, 상기 내부 냉각 유로의 형상은 블레이드의 외곽 모양이 소정 비율로 축소된 형상이고, 상기 내부 냉각 유로(20)는 블레이드 측면(14) 및 인서트(30) 사이인 블레이드 내부(31)에 위치하여, 블레이드의 전연(Leading edge) 방향부터 후연(Trailing edge) 방향으로 형성되며, 제1 내부 냉각 유로와 제 2 내부 냉각 유로가 각각 씨실과 날실의 역할을 수행하며 직물 구조 형상으로 상호 교차하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 복수 개의 내부 냉각 유로(20)는 블레이드의 전연(Leading edge) 부분을 냉각한 냉각 유체가 유로 내로 들어올 수 있도록 전연 방향을 유동 입구(23)로, 후연 방향은 유동 출구(24)가 되도록 위치한다.

또한, 상기 복수 개의 냉각 유로는 Pin-fin 구조로 배치되어 블레이드를 전체적으로 냉각시킬 수 있다.

냉각 유로의 형상이 상하 반복적으로 꺾인다는 표현의 의미는 블레이드 팁과 루트 방향으로 상하 운동을 의미하는 것이 아니라, 흡입면(12) 또는 압력면(13)을 향하여 상승 또는 하강하는 것을 의미한다.

아울러, 상기 블레이드는 블레이드 팁 표면(15)에 블레이드 측면(14)을 최 외각으로 하며 반경 방향으로 뻗어져 나가며 형성되는 스퀼러 팁(Squealer tip)을 포함할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 가스터빈 블레이드를 블레이드 팁 표면과 평행한 방향으로 절단한 단면도이다.

도 2를 참조할 때, 블레이드 내부에 설치된 금속 재질의 인서트(30)를 기준으로 블레이드 측면(14) 방향을 블레이드 측면부 내부(31) 그리고 측면 반대방향을 인서트 내부(32)라고 칭한다.

이 때, 상기 내부 냉각 유로(20)는 블레이드 측면부 내부(31) 영역에 상기 언급한 바와 같이 블레이드 전연을 입구 방향, 블레이드 후연을 출구 방향으로 하여 적어도 하나 이상 배치된다.

내부 냉각 유로는 일정한 두께로 형성되며, 유로의 단면인 유동면(21)은 원형 또는 사각형인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라 다각형의 유로도 가능할 것이다.

블레이드 내부(31)에 배치되는 상기 내부 냉각 유로(20)의 개수는 블레이드의 크기에 따라 달라지므로 구체적인 숫자를 정하는 것은 아니나, 전체적으로 고르게 냉각할 수 있도록 블레이드 측면(14)을 감쌀 수 있을 정도의 개수는 포함하는 것이 바람직하다.

도 3은 내부 냉각 유로의 축 방향에 대하여 도시한 도면이다.

내부 냉각 유로(20)를 기준으로 냉각 유체의 진행방향을 x축, 유로의 폭 방향을 y축, 유로가 상하로 상승 및 하강하는 방향을 z축으로 정한다.

이 때, 각 내부 냉각 유로(20)는 x-y평면상에 45각도 방향으로 형성되어 냉각 유체는 유동입구(22)를 기준으로 대각선으로 유동하게 되고, z축 방향으로 유로가 상승 또는 하강하며 반복적으로 꺾이며 직물 구조 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

도 4는 하나의 내부 냉각 유로만을 간략하게 도시한 단면도이다. 특히, 도 4 (a)는 냉각 유로가 꺾인 부위가 각이 진 형상, 그리고 도 4 (b)는 상기 꺾인 부위가 라운딩 처리되어 굴곡진 형상에 대해 도시한 단면도이다.

내부 냉각 유로(20)의 형상은 유체 흐름 방향을 따라서 1차 함수와 같이 점차적으로 상승하다가 유체 흐름 방향과 평행한 방향을 일정 거리 유지하고, 다시 1차 함수 형상으로 점차적으로 하강을 반복하는 형상으로 설계될 수 있다.

상기 내부 냉각 유로(20)의 형상이 유체 흐름 방향과 평행한 방향을 일정 거리를 유지하였다가 상승 또는 하강하는 이유는 후술할 내용으로, 내부 냉각 유로끼리 교차 시 유로 사이가 연결되기 위한 공간을 마련하기 위함이다.

또한, 내부 냉각 유로(20)가 상하로 반복하면서 꺾일 때, 도 4 (b)와 같이 꺾이는 부위는 냉동 유동에 의해 해당 영역에 작용되는 스트레스(Stress)를 분산시킬 수 있도록 라운딩 처리되어 굴곡진 형상으로 설계될 수 있다.

이 때, 상승 또는 반복하는 높이는 일정하게 유지되며, 유로의 정 중앙을 기준으로 하였을 때 최대 상승 또는 하강하는 위치는 중앙에서 동일한 길이만큼 떨어지도록 설계되는 것이 바람직하다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라서 냉각 유체가 흡입면(12) 또는 압력면(13)에 충돌하는 효과를 극대화 하고자 최대 상승 폭이 최대 하강 폭보다 더 높게 설계하는 것도 가능하다.

또한, 내부 냉각 유로(20)의 냉각 유체의 유동 진행 방향을 기준으로 점차적으로 상승 또는 하강하는 각도는 다양한 각도로 변경될 수 있다.

다만, 냉각 유체가 내부 냉각 유로(20)를 정체 없이 원활하게 흐를 수 있도록 상기 각도 조건은 30 내지 60인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 냉각 유체가 냉각 유로 입구에서 출구까지 도달할 수 있다면 실시예에 따라 각도를 달리할 수 있다.

도 5는 복수 개의 내부 냉각 유로의 형상에 대해 도시한 도면이다. 특히 도 5 (a)는 종래의 내부 냉각 유로의 형상을, 도 5 (b)는 본 발명의 직물 형상으로 내부 냉각 유로가 서로 교차하며 형성되는 것을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 내부 냉각 유로가 교차하며 배치하는 형상을 보다 상세하게 도시한 사시도이다.

먼저, 도 5 (b)를 참조하면 알 수 있듯이 본 발명은 상기 블레이드 바디(10) 내부에 배치되는 복수 개의 내부 냉각 유로(20)가 종래의 냉각 유로와 달리 유로끼리 서로 교차하며 배치되는 것을 특징으로 한다.

특히 각 유로의 냉각 유체가 흐르는 단면을 유동면(21)이라고 할 때, 도 6과 같이 교차하는 영역에서 각 유로(20)의 유동면(21)이 이루는 각도가 수직이 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 다만, 유동면(21) 사이의 각도가 항상 수직인 것에 한정되는 것은 아니며 내부 냉각 유로들은 비스듬하게 교차하도록 배치될 수도 있다.

위의 냉각 유로(20)가 교체하며 배치되는 것을 보다 구체적으로 설명하면, 내부 냉각 유로는 각 내부 냉각 유로가 씨실과 날실의 역할을 수행하며 직물 구조 형태로 교차할 수 있다.

도 7은 씨실과 날실 구조의 직물형상을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하며 용어를 설명하면, 씨실(Weft)은 위사(緯絲) 라고도 칭하며, 후술할 날실과 상대적인 개념으로 베틀에서 가로방향의 실을 의미한다. 아울러, 날실(warp)은 씨실과 상대적인 개념으로 옷감을 짤 때 세로 방향에 놓인 실을 의미하고, 씨실과 날실이 겹쳐져서 직물 구조를 이룰 수 있다.

도 8은 내부 냉각 유로를 절단한 단면도이다. 특히, 도 8 (a)는 종래의 내부 냉각 유로에 관한, 그리고 도 8 (b)는 본 발명의 상호 교차하는 내부 냉각 유로에 관해 도시한 단면도이다.

도 9는 내부 냉각 유로를 통하여 냉각 유체의 흐름을 도시한 사시도이다. 특히 도 9 (a)는 냉각 유체가 종래의 내부 냉각 유로를 흐르는 것에 관한, 도 9 (b) 는 냉각 유체가 본 발명의 교차하는 내부 냉각 유로를 흐르는 것에 대하여 도시한 사시도이다.

복수 개의 내부 냉각 유로(20)는 유로 사이의 교차되어 접하는 부위에서 유로끼리 서로 연결될 수 있도록 연결된 형태로 형성된다.

즉, 위와 같은 연결된 형태를 통하여 유로 사이가 오픈되어 하나의 내부 냉각 유로를 통하여 유입된 냉각 유체는 교차하는 다른 내부 냉각 유로를 통하여도 흐를 수 있다.

내부 냉각 유로(20)끼리 서로 연결되어 흐를 수 있게 설계됨에 따라, 하나의 내부 냉각 유로를 통하여 흐르는 냉각 유체와 교차 부위에서의 다른 유로를 통하여 흐르는 냉각 유체는 상기 언급한 것과 같이 유동 방향 사이의 각도가 수직이 되도록 흐른다.

따라서, 수직 방향의 유동에 의하여 각각의 냉각 유체는 전단력(Shear stress)를 받게 되고 이에 따라 2차 와류(Secondary flow)가 발생한다. 상기 2차 와류를 통하여 내부 냉각 유로 전체적으로 열 교환 성능이 상승하며, 이를 통해 종래의 내부 냉각 유로 중앙 부위에서는 열 교환이 잘 일어나지 않았던 문제점을 해결할 수 있다.

도 10은 변형될 수 있는 내부 냉각 유로의 형상들에 대하여 도시한 도면이다.

본 발명의 내부 냉각 유로(20)가 교차하는 형상은 앞서 언급한 것과 같이 1차 함수처럼 점차적으로 상승 또는 하강하는 것이 일반적이나, 실시예에 따라 도 9와 같이 내부 냉각 유로의 단면이'ㅜ' 또는 'ㅗ' 형상이 되도록 설계할 수 있다.

물론, 위와 같이 형상을 변형은 사용 분야에 따라 달라지는 것이며, 내부 냉각 유로(20)끼리 교차하는 부위는 연결되어 전단력에 의한 2차 유동을 통하여 냉각 효율을 높일 수 있는 점은 동일하다.

도 11은 내부 냉각 유로 내의 열 전달계수의 분포를 나타낸 도면이다. 특히, 도 11 (a)는 종래의 내부 냉각 유로의 열 전달계수 분포를, 도 11 (b)는 본 발명의 교차하는 내부 냉각 유로의 열 전달계수 분포를 나타내는 도면이다.

도 11을 통하여 알 수 있듯이, 종래에는 냉각 유동의 입구 부분에서는 열 전달계수가 높으나 출구로 갈수록 열 전달계수가 낮아지므로 블레이드 전반에 걸친 고른 냉각이 어렵다. 다만, 본 발명의 교차하는 내부 냉각 유로는 앞서 언급한 바와 같이 2차 유동을 통하여 블레이드 전체적으로 높은 열 전달계수를 갖게 되므로 종래에 비하여 냉각 효율이 향상될 수 있다.

도 12는 종래의 냉각 기술과 본 발명의 냉각 기술의 냉각성능을 비교한 도면이다.

도 12의 그래프에 기재된 Nu는 넛셀수(Nutsselt number)의 약자로 전도 열 전달 대비 대류 열 전달 비율을 나타내는 지수이다.

······ 식 (1)

식 (1)에서 h는 대류 열 전달계수, L은 특정길이, k는 전도 열 전달계수를 의미하며, 간단하게 Nu 값이 높을수록 열 전달계수가 높다고 볼 수 있다.

상기 표에 따르면 종래의 단순한 내부 냉각 유로 형상에 비하여, 본 발명과 같은 교차하는 내부 냉각 유로 배치를 하였을 때 Nu이 약 4배 가량 높은 것을 통하여 열 전달 측면에서 효과가 증가하였음을 확인할 수 있다.

다만, 종래에 비하여 압력손실이 더욱 발생하는데 압력손실과 열 전달을 동시에 고려하기 위하여 냉각성능(Thermal performance)를 통하여 비교할 수 있다.

······ 식 (2)

식 (2)를 통하여 종래의 내부 냉각 유로 형상과 본 발명의 내부 냉각 유로 형상에 따른 냉각성능을 비교하였을 때, 기존에 비하여 약 27% 가량 상승함을 확인할 수 있다.

즉, 도 12의 그래프 및 위의 냉각성능 지표를 통하여 본 발명이 종래의 냉각 방식에 비하여 냉각 성능이 우수함을 확인할 수 있을 것이다.

본 발명은 블레이드 내부에 제 1 내부 냉각 유로와 제 2 내부 냉각 유로가 씨실과 날실 역할을 수행하며 직물 구조 형상으로 배치되는 가스터빈 블레이드에 있어서, 블레이드 측면부 내부(31)에 위치하며, 직물 구조 형상을 취하며 유로가 교차되어 접하는 부위가 서로 연결될 수 있는 특징을 지닌 복수 개의 내부 냉각 유로(20)는 로스트 왁스 주조법(Lost wax casting process)를 통하여 형성하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드 제조방법을 제공할 수 있다.

로스트 왁스 주조법(Lost wax casting process)는 인베스트먼트 주조법이라고도 불리며, 파라핀이나 납 등의 왁스를 모형으로 제작하고 그 주위를 주형 재료로 채운 후 가열하여 왁스를 제거하고 흘려내어 조형하는 방법을 말한다.

로스트 왁스 주조법을 이용하여 조형하는 경우, 주조 비용은 비싸다는 장점은 있으나 복잡한 형상 내지 치수 정밀도가 높은 주물을 얻을 수 있다는 장점이 있어 일반적으로 가스터빈 블레이드 제조에 사용되는 방식이다.

본 발명에서는 절삭 가공 등 다양한 방법으로 제조할 수 있겠으나, 다만 본 발명의 직물 형상으로 상호 교차되고, 접하는 부위가 서로 연결될 수 있는 유로(20)가 복잡한 구조인 바, 일실시예로 파라핀 또는 납 등으로 제작된 복수 개의 와이어 형상의 왁스를 이용하여 상하로 꺾으면서 교차시켜 씨실과 날실의 직물형상 유로의 구조를 만든다.

그 후, 블레이드 제작에 사용되는 내열 합금 등의 주물 재료를 채운 후 마지막으로 가열을 통해 왁스를 제거하여 본 발명의 복잡한 유로 구조를 제작할 수 있다.

또한, 복잡한 형상을 제조하기 위하여 3D 프린터를 이용하여 상기 직물 형상의 유로 구조를 제작할 수도 있다. 다만, 본 발명에서 언급한 제조방법에 한정되는 것은 아니며, 직물형상의 구조를 형성할 수 있다면 어떠한 방법이든 무관하다.

또한, 상기 내부 냉각 유로(20)는 블레이드 측면부 내부(31)에 배치되므로, 유로가 설치되는 내벽 공간을 확보하기 위하여 금속 재질의 인서트를 삽입하는 과정을 더 포함할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 블레이드 바디
11 : 블레이드 루트
12 : 흡입면
13 : 압력면
14 : 블레이드 측면
15 : 블레이드 팁 표면
20 : 내부 냉각 유로
21 : 유동면
23 : 유동 입구
24 : 유동 출구
30 : 인서트
31 : 블레이드 측면부 내부
32 : 인서트 내부

Claims (9)

1. 가스터빈에 적용되는 블레이드로서,
   블레이드 바디(10)는 냉각 유체가 유동할 수 있는 복수 개의 내부 냉각 유로(20)를 포함하고 있으며,
   상기 내부 냉각 유로의 형상은 블레이드의 외곽 모양이 소정 비율로 축소된 형상이고,
   상기 내부 냉각 유로(20)는 블레이드 측면(14) 및 인서트(30) 사이인 블레이드 내부(31)에 위치하여, 냉각 유체가 블레이드의 전연(Leading edge) 방향부터 후연(Trailing edge) 방향으로 유동할 수 있도록 형성되며,
   제1 내부 냉각 유로는 냉각 유체의 유동 진행 방향을 기준으로 30 내지 60° 사이의 각도를 이루며 점진적으로 상승 또는 하강을 반복하면서 꺾이도록 형성되고,
   제2 내부 냉각 유로는 냉각 유체의 유동 진행 방향을 기준으로 30 내지 60° 사이의 각도를 이루며 점진적으로 하강 또는 상승을 반복하면서 꺾이도록 형성되며,
   상기 제1 내부 냉각 유로와 제2 내부 냉각 유로는 유동면(21) 사이의 각도가 수직이 될 수 있도록 상호 교차되며 배치됨으로써, 전단력에 의해 2차 유동을 유발할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 내부 냉각 유로(20)에 있어서 냉각 유체의 진행방향을 x축, 유로의 폭 방향을 y축, 유로가 상하로 상승 및 하강하는 방향을 z축이라고 할 때,
   각 내부 냉각 유로(20)는 x-y평면상에 45각도 방향으로 형성되어 냉각 유체는 유동입구(22)를 기준으로 대각선으로 유동하게 되고,
   z축 방향으로 유로가 상승 또는 하강하며 반복적으로 꺾이며 직물 구조 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 내부 냉각 유로(20)는 일정한 두께로 형성되며, 유로의 단면(21)은 원형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 내부 냉각 유로(20)가 상하로 꺾이는 부위는 라운딩 처리되어 굴곡지도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 복수 개의 내부 냉각 유로(20)는 유로 사이의 교차되어 접하는 부위에서 유로끼리 서로 연결될 수 있도록 형성되어,
   제 1 내부 냉각 유로를 통하여 유입된 냉각 유체가 교차하는 제 2 냉각 유로를 통하여도 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
   
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