KR101906948B1 - 터빈용 날개 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터빈용 날개에 관한 것이다. 본 발명은, 바디부와, 상기 바디부 내부에 형성되어 압축 공기가 유동하는 메인 유로부와, 상기 메인 유로부와 연결되며, 상기 메인 유로부의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되는 연결 유로부와, 상기 바디부 내부에 형성되고, 상기 연결 유로부로부터 연결되어 확장되며, 상기 연결 유로부로부터 분사되는 상기 압축 공기가 충돌하는 면이 형성되는 충돌부와, 상기 바디부 내부에 형성되고, 상기 충돌부와 연결되어 상기 충돌부 내부의 상기 압축 공기를 상기 바디부의 표면으로 안내하는 안내유로부와, 상기 안내유로부에 설치되는 핀부를 포함한다.

Description

터빈용 날개{Airfoil for a turbin}
본 발명은 터빈용 날개에 관한 것이다.
터빈용 날개는 터빈에 다양한 곳에 사용될 수 있다. 예를 들면, 터빈용 날개는 회전축에 설치되는 블레이드를 포함할 수 있다. 또한, 터빈용 날개는 블레이드를 감싸도록 설치되는 케이스에 고정되도록 설치되는 베인을 포함할 수 있다. 상기와 같은 베인과 블레이드는 서로 대향하도록 설치될 수 있으며, 서로 교번하여 엇갈리도록 설치될 수 있다.
상기와 같은 블레이드와 베인은 연소된 후 온도가 상승한 연소가스가 통과함에 따라 열적 스트레스를 받게 된다. 이때, 터빈용 날개는 연소가스에 의하여 표면 온도가 상승하게 되고, 표면 온도의 상승은 터빈용 날개 표면의 열적 스트레스를 증가시킬 수 있다. 특히 터빈용 날개 표면의 열적 스트레스가 증가하는 경우 터빈용 날개는 완전히 파손되거나 크랙 등이 발생할 수 있다. 이때, 상기와 같이 터빈용 날개가 파손되는 경우 케이스 내부에서 터빈용 날개가 날아가거나 다른 구성요소들과 충돌하여 대형 사고를 유발할 수 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 터빈용 날개에는 터빈용 날개의 표면 온도가 상승하는 것을 방지하기 위하여 다양한 방법을 사용하고 있다. 구체적으로 터빈용 날개의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위한 기술은 일본공개특허공보 제2006-329202호(발명의 명칭 : 가스 터빈 엔진용 터빈 블레이드 시스템, 출원인 : UNITED TECHNOL CORP)에 구체적으로 개시되어 있다.
일본공개특허공보 제2006-329202호
본 발명의 실시예들은 터빈용 날개를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 바디부와, 상기 바디부 내부에 형성되어 압축 공기가 유동하는 메인 유로부와, 상기 메인 유로부와 연결되며, 상기 메인 유로부의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되는 연결 유로부와, 상기 바디부 내부에 형성되고, 상기 연결 유로부로부터 연결되어 확장되며, 상기 연결 유로부로부터 분사되는 상기 압축 공기가 충돌하는 면이 형성되는 충돌부와, 상기 바디부 내부에 형성되고, 상기 충돌부와 연결되어 상기 충돌부 내부의 상기 압축 공기를 상기 바디부의 표면으로 안내하는 안내유로부와, 상기 안내유로부에 설치되는 핀부를 포함하는 터빈용 날개를 제공할 수 있다.
또한, 상기 안내유로부는 상기 충돌부 내부의 압축 공기를 적어도 한번 절곡시켜 상기 바디부의 표면으로 안내할 수 있다.
또한, 상기 바디부의 표면에 형성되는 상기 안내유로부의 토출부는 슬롯 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 바디부를 효과적으로 냉각시킴으로써 터빈용 날개의 수명을 최대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 터빈용 날개가 설치된 가스 터빈용 블레이드의 단을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 터빈용 날개를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 3의 B부분을 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 연결 유로부, 충돌부, 안내유로부 및 핀부를 보여주는 사시도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 터빈용 날개가 설치된 가스 터빈용 블레이드의 단을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 터빈용 날개를 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A선을 따라 취한 단면도이다. 도 4는 도 3의 B부분을 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 5는 도 4에 도시된 연결 유로부, 충돌부, 안내유로부 및 핀부를 보여주는 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 터빈용 날개(100)는 터빈(미도시)에 설치되는 고정익과 동익을 포함할 수 있다. 이때, 상기 고정익은 일반적인 베인을 구비할 수 있으며, 동익은 일반적인 블레이드를 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 터빈용 날개(100)가 동익 중 블레이드인 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
터빈용 날개(100)는 바디부(110) 및 바디부(110)와 연결되는 지지부(120)을 포함할 수 있다. 이때, 바디부(110)는 유선형의 단면을 가지며, 공기의 흐름의 상류 측에 위치한다. 바디부(110)는 공기의 흐름에 따라 고온의 공기와 가장 먼저 접촉하는 전연부(111)와, 공기의 흐름의 하류측에 위치하는 후연부(112) 및 전연부(111)와 후연부(112)를 연결하며 유선형의 만곡된 표면을 형성하는 중간표면(113)을 구비한다.
또한, 바디부(110)는 블레이드 높이(Span, 이하 스팬 방향)에 따라 후술하는 지지부(120)와 연결되는 연결부(114)와 바디부의 팁(TIP)부(115)를 구비한다. 바디부(110)의 연결부(114)에서의 냉각유체의 압력은 바디부(110)의 팁부(115)에서의 냉각유체의 압력보다 높다.
지지부(120)는 바디부(110)를 지지하는 역할을 수행하고, 바디부(110)의 연결부(114)와 결합한다. 복수의 지지부(120)는 허브(2)의 외주면을 따라 배치되어 블레이드 단(1)을 형성한다.
지지부(120)는 허브(2)와 지지부(120) 중 어느 하나에 홀을 구비하고 상기 홀에 대응하는 허브(2)와 지지부(120) 중 다른 하나에 돌출부를 구비하여 상기 홀과 상기 돌출부를 삽입 결합하여 고정할 수 있다. 또한 지지부(120)는 인접한 지지부(120)와 조립시에 견고하게 고정될 수 있도록 도브 테일(dove tail)을 구비할 수 있다.
지지부(120)의 내부에는 유입구(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 유입구에서는 압축기(미도시)에서 일부 분기된 냉각유체가 지지부(120)로 유입될 수 있다. 또한 상기 유입구는 바디부(110)의 메인 유로부(116)와 연결되어 냉각유체가 후술할 메인 유로부(116)로 유입되도록 할 수 있다.
상기 유입구는 하나의 상기 유입구를 지지고 각각의 메인 유로부(116)로 분기되는 형태를 구비 할 수 있다. 또한 상기 유입구는 메인 유로부(116)의 개수와 같은 개수를 구비하여 각각의 독립적인 유로를 형성할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 하나의 상기 유입구가 각각의 메인 유로부(116)와 연결되어 냉각유로를 형성하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
한편, 터빈용 날개(100)는 바디부(110) 내부에 형성되며, 상기 유입구와 연결되어 압축 공기가 유동하는 메인 유로부(116)를 포함할 수 있다. 이때, 메인 유로부(116)는 바디부(110)의 내부에 관통되도록 형성될 수 있다. 또한, 메인 유로부(116)는 바디부(110)의 길이 방향 즉, 바디부(110)의 연결부(114)로부터 바디부(110)의 팁 방향으로 형성될 수 있다. 상기와 같은 메인 바디부(110)는 상기에 한정되는 것은 아니며, 바디부(110) 내부에 다양한 방향으로 형성될 수 있다.
터빈용 날개(100)는 바디부(110) 내부에 형성되어 메인 유로부(116)와 연결되는 연결 유로부(117)를 포함할 수 있다. 이때, 연결 유로부(117)의 단면적은 메인 유로부(116)의 단면적보다 작게 형성될 수 있다.
터빈용 날개(100)는 연결 유로부(117)와 연결되며, 내부에 공간이 확장되는 충돌부(118)를 포함할 수 있다. 이때, 충돌부(118)의 내부 공간의 단면적은 연결 유로부(117)의 단면적보다 크게 형성될 수 있다. 특히 충돌부(118)는 연결 유로부(117)의 출구로부터 분사되는 압축 공기가 충돌하는 면이 형성될 수 있다.
터빈용 날개(100)는 충돌부(118)와 연결되어 충돌부(118) 내부의 압축 공기를 바디부(110)의 외면으로 안내하는 안내유로부(119)를 포함할 수 있다. 이때, 안내유로부(119)는 적어도 한번 절곡되도록 형성될 수 있다. 또한, 안내유로부(119)의 토출부(119a)는 슬롯 형태로 형성되어 바디부(110)의 표면으로 압축 공기를 분사할 수 있다.
터빈용 날개(100)는 안내유로부(119)에 설치되는 핀부(130)를 포함할 수 있다. 이때, 핀부(130)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 핀부(130)는 안내유로부(119)의 내부를 구획하도록 격벽 형태로 형성될 수 있다. 또한, 핀부(130)는 안내유로부(119)의 일면으로부터 돌출되도록 형성되는 돌기 형태일 수 있다. 이때, 핀부(130)는 상기에 한정되는 것은 아니며, 안내유로부(119)를 형성하는 바디부(110)의 표면의 형태, 거칠기 등을 가변함으로써 형성되는 모든 구조 및 장치를 구비할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 핀부(130)는 안내유로부(119)의 내부를 구획하는 격벽 형태로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
상기와 같이 형성되는 터빈용 날개(100)의 작동을 살펴보면, 터빈용 날개(100)는 터빈 어셈블리에 설치될 수 있다. 이때, 터빈 어셈블리는 압축기, 연소기 및 터빈을 포함할 수 있다. 구체적으로 압축기에서 압축된 공기를 연소기에 공급하여 연료와 혼합한 후 연료를 연소시킨 연소가스를 터빈에 공급하여 터빈의 블레이드를 회전시킴으로써 전기 등을 생성할 수 있다.
상기와 같은 작업이 진행되는 동안 터빈 내부의 블레이드 또는 베인의 표면 온도는 상승할 수 있다. 이때, 블레이드 또는 베인의 표면 온도가 상승하는 것을 방지하기 위하여 압축기에서 압축된 공기의 일부를 블레이드 또는 베인의 내부로 공급하여 블레이드 또는 베인의 표면 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 압축기로부터 공급되는 압축 공기는 터빈용 날개(100)의 지지부(120)를 통하여 바디부(110) 내부로 유입될 수 있다. 구체적으로 압축 공기는 지지부(120)에 형성된 상기 유입구를 통하여 메인 유로부(116)로 유동할 수 있다.
상기와 같이 메인 유로부(116)로 유동하는 압축 공기는 메인 유로부(116)를 통하여 연결 유로부(117)로 이동할 수 있다. 이때, 연결 유로부(117)는 복수개 구비되며, 복수개의 연결 유로부(117)는 메인 유로부(116)와 연결되어 다양한 방향으로 압축 공기를 안내할 수 있다.
상기와 같이 연결 유로부(117)로 이동한 압축 공기는 충돌부(118)로 분사될 수 있다. 이때, 충돌부(118)에는 적어도 한 개 이상의 연결 유로부(117)와 연결될 수 있다.
상기와 같이 연결 유로부(117)에서 분사된 압축 공기는 충돌부(118) 내부의 공간으로 분사되면서 충돌부(118)의 내면과 충돌할 수 있다. 특히 충돌부(118)와 연결 유로부(117)가 연결되는 부분과 충돌부(118)와 안내유로부(119)가 연결되는 부분은 서로 일정 각도를 형성함으로써 충돌부(118)로 분사된 압축 공기가 안내유로부(119)로 갈때까지 시간이 다소 소요될 수 있다.
따라서 연결 유로부(117)에서 분사된 압축 공기는 충돌부(118)의 내면에 충돌함으로써 바디부(110)의 열을 일부 흡수할 수 있다.
한편, 충돌부(118) 내부의 압축 공기는 다시 안내유로부(119)로 이동할 수 있다. 이때, 압축 공기는 안내유로부(119) 내부에 배치되는 핀부(130)와 충돌하거나 핀부(130) 사이로 이동함으로써 핀부(130)와 열교환할 수 있다. 특히 핀부(130)는 바디부(110)의 열 일부를 압축 공기에 전달함으로써 바디부(110)의 온도 상승을 방지할 수 있다.
상기와 같이 핀부(130)와 열교환하는 압축 공기는 안내유로부(119)를 통하여 바디부(110)의 표면으로 분사될 수 있다. 이때, 안내유로부(119)의 토출부(119a)는 상기에서 설명한 바와 같이 슬롯 형태로 형성됨으로써 이물질에 의하여 토출부(119a)가 막히는 것을 방지할 수 있다. 또한, 안내유로부(119)는 복수개 형성될 수 있으며, 안내유로부(119)의 토출부(119a)는 인접한 다른 안내유로부(119)의 토출부(119a)와 연결되는 것도 가능?.
상기와 같이 안내유로부(119)로부터 토출되는 압축 공기는 바디부(110)의 표면을 따라 이동할 수 있다. 이때, 압축 공기는 바디부(110)의 표면에 공기 필름을 형성함으로써 바디부(110)와 연소가스가 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기와 같은 연결 유로부(117), 충돌부(118), 안내유로부(119) 및 핀부(130)는 바디부(110)의 전연부(111), 중간표면(113) 및 팁부(115)에 배치될 수 있다.
따라서 터빈용 날개(100)는 압축 공기의 유동에 따라서 압축 공기와 바디부(110) 사이의 원활할 열교환을 유도함으로써 바디부(110)의 표면 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 터빈용 날개(100)는 바디부(110)의 표면의 냉각을 효과적으로 수행함으로써 터빈용 날개(100)의 사용 수명을 연장시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 터빈용 날개
110: 바디부
116: 메인 유로부
117: 연결 유로부
118: 충돌부
119: 안내유로부
120: 지지부
130: 핀부

Claims (4)

  1. 바디부;
    상기 바디부 내부에 형성되어 압축 공기가 유동하는 메인 유로부;
    상기 메인 유로부와 연결되며, 상기 메인 유로부의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되는 연결 유로부;
    상기 바디부 내부에 형성되고, 상기 연결 유로부로부터 연결되어 확장되며, 상기 연결 유로부로부터 분사되는 상기 압축 공기가 충돌하는 면이 형성되는 충돌부;
    상기 바디부 내부에 형성되고, 상기 충돌부와 연결되어 상기 충돌부 내부의 상기 압축 공기를 상기 바디부의 표면으로 안내하는 안내유로부; 및
    상기 안내유로부에 설치되는 핀부;를 포함하고,
    상기 바디부는 공기의 흐름에 따라 공기와 가장 먼저 접촉하는 전연부, 공기의 흐름의 하류측에 위치하는 후연부, 전연부 및 후연부를 연결하는 중간표면 및 팁부를 포함하고,
    상기 연결유로부, 상기 충돌부, 상기 안내유로부 및 상기 핀부는 상기 전연부, 상기 중간표면 및 상기 팁부에 배치되며,
    상기 바디부의 표면에 형성되는 상기 안내유로부의 토출부는 슬롯 형태로 형성되고,
    상기 연결 유로부는 복수개 구비되며,
    상기 복수개의 연결 유로부는 상기 충돌부와 연결되고,
    상기 연결유로부의 단면적은 상기 메인유로부의 단면적보다 작은 터빈용 날개.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안내유로부는 상기 충돌부 내부의 압축 공기를 적어도 한번 절곡시켜 상기 바디부의 표면으로 안내하는 터빈용 날개.
  3. 삭제
  4. 삭제
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