KR101974738B1 - 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

가스 터빈이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 연결된 앤드 월(38); 및 상기 앤드 월(38)에 형성되고 상기 리딩 엣지(34)를 향해 냉각 공기를 분사 시켜 2차 유동(secondary flow)을 방지하는 분사부(300)를 포함한다.

Description

가스 터빈 {Gas Turbine}

본 발명은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 터빈 베인의 막 냉각이 불리한 리딩 엣지에서 효율적인 냉각을 위한 가스 터빈에 관한 것이다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기부에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다.

이러한 터빈을 구성하기 위해서 외주면에 복수의 터빈 블레이드가 배열되는 복수의 터빈 로터 디스크를 다단으로 구성하여 상기 고온, 고압의 연소 가스가 터빈 블레이드를 통과시키도록 하는 구성이 널리 사용되고 있다.

이와 같이 사용되는 가스터빈의 터빈 베인은 표면에 대한 냉각을 위한 막 냉각법이 일반적으로 사용하고 있으며 이에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 터빈 베인은 표면으로 공급되는 핫 가스가 도면에로부터 도시된 바와 같이 이동된다.

핫 가스는 터빈 베인(3)으로 이동하여 리딩 엣지(3a)에서 화살표로 도시된 바와 같이 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름이 발생된다. 상기 이차 볼텍스(secondary vortex) 흐름은 압력면(3d)과 흡입면(3b)에서 도면의 화살표로 도시된 바와 같은 와류 형태의 이동 흐름이 앤드월(3c)을 따라 발생된다.

일 예로 압력면(3d)에서는 터빈 베인(3)의 표면에서 외측으로 이격된 이동 흐름이 유발되는데, 이와 같은 이동 흐름은 막 냉각 효율에 불리하게 작용한다.

터빈 베인(3)은 표면의 막 냉각 성능이 일정하게 유지되는 것이 유리하나, 전술한 바와 같은 이동 흐름이 발생될 경우 터빈 베인(3)의 표면으로 분사된 냉각 공기가 박리되면서 상기 터빈 베인(3)의 표면 온도가 상승하고, 이로 인해 열응력이 집중되거나 열피로 인한 변형이 발생될 수 있다.

따라서 터빈 베인(3)이 구비된 가스 터빈의 효율 향상을 위해 핫 가스의 이동을 안정화 시킬 수 있는 기술 개발을 요구하고 있는 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2015-0008749호

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인에서 발생하는 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름을 최소화 시켜 막 냉각 성능을 향상시킨 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈은 가스 터빈에 구비되고 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34)가 형성된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 연결된 앤드 월(38); 및 상기 앤드 월(38)에 형성되고 상기 리딩 엣지(34)를 향해 냉각 공기를 분사 시켜 상기 리딩 엣지(34)와 충돌된 핫 가스가 상기 리딩 엣지(34)에서 후방을 향해 연장 형성된 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 따라 분기되면서 발생되는 2차 유동(secondary flow)을 방지하기 위한 분사부(300)를 포함하되, 상기 분사부(300)는 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에서 연장된 라운드 부(37)를 바라보며 위치되고, 상기 리딩 엣지(34)의 정면 중 상기 라운드 부(37) 또는 상기 라운드 부(37)와 인접한 리딩 엣지(34)를 향해 개구된 제1 분사부(310)와, 상기 리딩 엣지(34)의 일측면을 향해 개구된 제2 분사부(320)와, 상기 리딩 엣지(34)의 타측면을 향해 개구된 제3 분사부(330)를 포함하며, 상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 정면을 기준으로 좌우 대칭으로 배치되고, 상기 핫 가스는 상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)에서 분사된 냉각 공기에 의해 기류 흐름이 변화되어 상기 흡입면(33b)과 상기 압력면(33a)의 표면을 따라 이동하는 흐름으로 변경되고,
상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)를 향해 직경이 감소되는 노즐 형태로 이루어져 분사 속도가 증가되며,
상기 분사부(300)는 상기 리딩 엣지(34)에서 1차로 이동 흐름이 변경된 핫 가스에 대해 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 냉각 공기를 추가로 분사하기 위해 앤드 월(38)에 구비된 보조 분사부(350)를 더 포함하고,
상기 보조 분사부(350)는 상기 리딩 엣지(34)에서 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 2S/3위치에 해당되는 구간에 위치된다.
상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 정면을 기준으로 좌측과 우측으로 직교 되는 위치까지 소정의 간격으로 배치된다.
상기 제1 분사부(310)는 상기 리딩 엣지(34)의 전방을 향해 서로 어긋나게 배치된다.
상기 제2 내지 제3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 전방과 이웃한 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 서로 어긋나게 배치된다.
상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)를 향해 상기 앤드 월(38)의 내측에서 서로 다른 경사각으로 경사지게 배치된다.
상기 경사각은 5도 ~ 50도 중에 선택되는 임의 의 경사각 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 분사부(310)는 상기 허브(31) 및 팁(32)과 인접한 리딩 엣지(34)의 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기를 분사하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 허브(31) 및 팁(32)과 인접한 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기를 분사한다.
상기 보조 분사부(350)는 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 경사지게 위치된다.

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본 발명의 실시 예들은 터빈 베인에서 발생되는 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름을 약화시켜 핫 가스의 안정적인 이동 흐름을 유도할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 리딩 엣지와 흡입면과 압력면에서의 냉각 성능을 안정하여 유지시키고, 터빈 베인의 공력 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 터빈 베인을 따라 이동하는 핫 가스의 이동 흐름을 도시한 사시도.
도 2는 본 실시 예에 의한 터빈 베인이 설치된 가스 터빈의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인의 리딩 엣지와 분사부를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인에 구비된 제1 분사부의 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인에 구비된 보조 분사부를 도시한 사시도.

본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2를 참조하면, 가스 터빈은 외형을 이루는 케이싱(10)이 구비되고, 케이싱(10)의 후측(도 2 기준 우측)에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저가 구비된다.

그리고 상기 디퓨저의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(11)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(10)의 전방에 압축기 섹션(12)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(30)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(12)과 상기 터빈 섹션(30)의 사이에는 상기 터빈 섹션(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(12)으로 전달하는 토크튜브(14)가 구비된다.

상기 압축기 섹션(12)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크들은 타이로드(15)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크 중앙을 상기 타이로드(15)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크의 외주면에는 복수 개의 블레이드가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드는 도브 테일부를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크에 체결된다.

도브 테일부의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 도브 테일외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

상기 타이로드(15)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브에 고정된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.

하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(11)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연소기는 연료 분사 노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다.

상기 트랜지션피스는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

상기 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리부에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 일반적으로 터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.

터빈에서 얻은 기계적 에너지는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다.

이를 위해, 상기 터빈 섹션(30)에는 복수의 터빈 로터 디스크가 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크는 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크와 유사한 형태를 갖는다.

상기 터빈 로터 디스크 역시 이웃한 터빈 로터 디스크와 결합되기 위한 구비한 플랜지를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 베인(33)을 포함한다. 상기 터빈 베인(33) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크에 결합될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(12)에서 압축되고, 연소기(11)에서 연소된 후, 터빈 섹션(30)으로 이동되어 터빈을 구동하고, 디퓨저를 통해 대기중으로 배출된다.

가스터빈의 효율을 증가시키기 위한 방법 중 대표적인 것은 터빈 섹션(30)으로 유입되는 가스의 온도를 높이는 것이나, 이 경우 상기 터빈 섹션(30)의 입구 온도가 증가하게 되는 현상이 발생된다.

또한 터빈 섹션(30)에 구비된 터빈 베인(33)에 문제가 발생하게 되고, 상기 터빈 베인(33)의 온도가 국부적으로 상승하면서 열응력(thermal Stress)이 발생 되며, 상기 열응력이 장시간 지속되면 크리프(creep) 현상으로 인해 터빈 베인(33)의 파괴까지 이어질 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈에 대해 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 참고로 첨부된 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 터빈 베인의 리딩 엣지와 분사부를 도시한 도면이다.

첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈은 고온의 핫 가스가 터빈 베인(33)의 외주면으로 공급될 때 상기 외주면에 대한 안정적인 냉각이 필요하게 된다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈은 가스 터빈에 구비되고 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34)가 형성된 터빈 베인(33)과, 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 연결된 앤드 월(38) 및 상기 앤드 월(38)에 형성되고 상기 리딩 엣지(34)를 향해 냉각 공기를 분사 시켜 2차 유동(secondary flow)을 방지하는 분사부(300)를 포함한다.

본 실시 예는 터빈 베인(33)으로 공급된 핫 가스가 리딩 엣지(34)와 충돌 후 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 따라 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름이 유발되고, 제1,2 앤드 월(38a, 38b)에서 패시지 볼텍스(passage vortex)로 인한 공력 성능의 손실을 최소화 하기 위해 분사부(300)가 형성된다.

상기 분사부(300)는 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에서 연장된 라운드 부(37)를 바라보며 위치된다.

터빈 베인(33)은 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34)와, 상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a)과, 상기 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함한다.

또한 상기 앤드 월(38)은 상기 허브(31)와 연결된 제1 앤드 월(38a)과, 상기 팁(32)과 연결된 제2 앤드월(38b)을 포함한다. 상기 앤드 월(38)은 내부에 냉각 공기가 유입되므로 상기 분사부(300)를 통해 냉각 공기를 리딩 엣지(34)로 공급할 수 있다.

상기 리딩 엣지(34)는 핫 가스가 터빈 베인(33)으로 공급될 경우 고온의 온도가 지속적으로 유지되는 곳으로, 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)으로 이동하는 핫 가스의 이동 경로에 영향을 미친다.

예를 들어 핫 가스가 리딩 엣지(34)를 경유한 후에 터빈 베인(33)의 흡입면(33b)과 압력면(33a)으로 밀착되는 이동 경로가 유지되고, 상기 터빈 베인(33)에 구비된 막 냉각부(100)의 막 냉각으로 냉각될 경우 상기 터빈 베인(33)은 핫 가스의 안정적인 이동 흐름과 냉각 효율이 동시에 향상될 수 있다.

본 실시 예는 이를 위해 분사부(300)를 구비하여 핫 가스가 리딩 엣지(34)에서 분기되면서 발생되는 이차 볼텍스(secondary vortex)의 문제점이 최소화되도록 상기 리딩 엣지(34)의 정면 중 라운드 부(37) 또는 상기 라운드 부(37)와 인접한 리딩 엣지(34)를 향해 개구된 제1 분사부(310)와, 상기 리딩 엣지(34)의 일측면을 향해 개구된 제2 분사부(320)와, 상기 리딩 엣지(34)의 타측면을 향해 개구된 제3 분사부(330)를 포함한다.

상기 제1 분사부(310)는 제1,2 앤드 월(38a, 38b)의 내측과 연통된 복수개의 통로로 구성된다. 핫 가스는 리딩 엣지(34)와 접촉된 후에 각각 제1 앤드 월(38a)와 제2 앤드 월(38b)을 향해 화살표로 도시된 방향으로 이동된다.

핫 가스는 리딩 엣지(34)와 충돌 직후 이동 흐름이 나선 형태로 변형되어 흡입면(33b)과는 밀착되고, 압력면(33a)과는 멀어지는 방향으로 이동되므로, 상기 분사부(300)에서 분사된 냉각 공기를 이용하여 나선 형태의 볼텍스 흐름을 약화시키고, 상기 제1,2 앤드 월(38a, 38b)의 표면 또는 라운드 부(37)를 따라 이동하는 이동 흐름으로 유도한다.

이를 위해 상기 제1 분사부(310)는 상기 리딩 엣지(34)의 전방을 향해 서로 어긋나게 배치된다. 제1 분사부(310)는 다양한 배치 상태가 가능한데 일 예로 냉각 공기가 서로 중첩되지 않도록 개구된 위치가 서로 다르게 개구된다.

핫 가스는 리딩 엣지(34)와 접촉 후 허브(31)를 향해 하강되는 이동 흐름(a 방향)과 상기 팁(32)을 향해 상승하는 이동 흐름(b 방향)으로 변화되어 상기 허브(31)를 향해 제1 앤드 월(38a) 방향으로 하강되는 이동 흐름과, 상기 팁(32)을 향해 제2 앤드 월(38b) 방향으로 이동하는 이동 흐름으로 각각 변경된다.

본 실시 예는 제1 앤드 월(38a)로 이동된 핫 가스를 향해 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)에서 분사된 냉각 공기에 의해 하강되는 기류 흐름을 약화시켜 압력면(33a)을 따라 a1과 a2의 이동 궤적이 발생되는 흐름으로 변경시킨다.

그리고 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)에서 분사된 냉각 공기에 의해 제2 앤드 월(38b)로 이동된 핫 가스에 의해 상승되는 기류 흐름을 약화시켜 압력면(33a)을 따라 a3과 a4의 이동 궤적이 발생되는 흐름으로 변경시킨다.

핫 가스는 리딩 엣지(34)로 도달되기 이전과 상기 분사부(300)에 의해 이동 방향과 흐름이 변경된 이후에 상기 흡입면(33b)과, 압력면(33a)에 밀착된 이동 흐름으로 변경되므로 터빈 베인(33)의 막 냉각 효과가 상승되고, 제1,2 앤드 월(38a, 38b)에서 패시지 볼텍스(passage vortex)로 인한 공력 성능의 손실이 최소화된다.

본 실시 예에 의한 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 정면을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다. 상기 제2 분사부(320)는 리딩 엣지(34)와 이웃한 흡입면(33b))을 향해 경사지게 배치되고, 제3 분사부(330)는 리딩 엣지(34)와 이웃한 압력면(33a)를 향해 경사지게 배치된다.

상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 정면을 기준으로 좌측과 우측으로 직교 되는 위치까지 소정의 간격으로 배치된다. 핫 가스는 리딩 엣지(34)와 충돌 후 a위치에서 a1과 a3 위치로 각각 분기되어 이동하므로 상기 위치에 냉각 공기를 분사시켜 핫 가스의 이동 방향을 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 표면으로 전환시켜 불필요한 2차 유동 흐름을 최소화 하는 것이 바람직하다.

상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 전방 및 상기 리딩 엣지(34)의 전방과 이웃한 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 서로 어긋나게 배치된다. 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 분사 방향이 서로 간에 중첩되기 보다는 서로 다른 방향을 향해 개구되어 있어 핫 가스의 흐름을 변경시키는데 유리할 수 있다.

이 경우 냉각 공기는 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)에서 분사된 후에 화살표 방향으로 각각 분사되므로 다양한 방향에서 핫 가스의 이동 흐름을 변경시켜 전술한 효과를 유도할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)를 향해 상기 앤드 월(38)의 내측에서 서로 다른 경사각으로 경사지게 배치된다. 일 예로 상기 경사각은 5도 ~ 50도 중에 선택되는 임의 의 경사각 중의 어느 하나일 수 있다.

경사각은 분사 위치에 따라 5도 또는 최대 50도까지 변화 가능하며 핫 가스의 이동 방향에 따라 변화 될 수 있다.

일 예로 제1 분사부(310)는 제1 경사각으로 경사지고, 상기 제2,3 분사부(320, 330)는 제2 경사각으로 경사질 수 있다.

상기 제1 분사부(310)는 상기 허브(31) 및 팁(32)과 인접한 리딩 엣지(34)의 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기를 분사하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 분사부(310)는 복수개의 단위 분사부로 구성되며 각각의 위치를 서로 다르게 구성하여 핫 가스의 이동 기류를 약하게 유도할 수 있다.

또한 상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 허브(31) 및 팁(32)과 인접한 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기를 분사할 수 있다.

핫 가스는 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 따라 이동할 때 서로 다른 이동 흐름이 유발되므로 최적의 이동 흐름을 유도하기 위해 전술한 바와 같이 각기 서로 다른 위치로 냉각 공기가 분사되도록 구성할 경우 2차 볼텍스의 이동 흐름을 약화 시켜 터빈 베인(33)의 막 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)를 향해 직경이 감소되는 노즐 형태로 이루어질 수 있다. 이 경우 냉각 공기는 리딩 엣지(34)를 향해 분사 속도가 증가되므로 핫 가스의 2차 볼텍스에 의한 기류 흐름을 약화시키는데 유리해 진다.

제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 모드 직경이 감소되거나, 특정 위치에 위치된 단위 분사부만 직경이 감소되도록 구성될 수 있다.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 분사부(300)는 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 냉각 공기를 분사하기 위해 앤드 월(38)에 구비된 보조 분사부(350)를 포함한다.

상기 보조 분사부(350)는 전술한 분사부(300)의 구성과 유사한데, 리딩 엣지(34)에서 1차로 이동 흐름이 변경된 핫 가스가 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 따라 이동될 때 2차로 냉각 공기를 분사하여 패시지 볼텍스(passage vortex)로 인한 공력 성능의 손실을 최소화 할 수 있다.

특히 터빈 베인(33)은 압력면(33a)에서 핫 가스의 이동 흐름이 불안정해지므로 상기 보조 분사부(350)를 이용하여 냉각 공기를 추가로 분사할 경우 상기 압력면(33a)에 밀착된 이상적인 이동 흐름을 유도할 수 있다.

상기 보조 분사부(350)는 흡입면(33b)에 서도 압력면(33a)과 동일한 작용 효과가 야기 되므로 2차 볼텍스의 이동 흐름을 약화 시켜 터빈 베인(33)의 막 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 보조 분사부(350)는 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 경사지게 위치될 수 있다. 보조 분사부(350)의 경사각은 특별히 한정하지 않으나 라운드 부(37)를 향해 경사질 수 있다.

상기 보조 분사부(350)는 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 2S/3위치에 해당되는 구간에 위치된다.

일 예로 굴곡구간(S)은 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 S/3위치에 해당되는 제1 굴곡구간(S1)과, 상기 제1 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2)과 상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함한다.

상기 제2 굴곡구간(S2)은 흡입면(33b)과 압력면(33a)에 해당되는 곳인데, 이 중에서 상기 압력면(33a)은 터빈 베인(33)의 내측을 향해 유선형으로 라운드진 구간에 해당된다. 상기 제2 굴곡구간(S2)은 막 냉각부(100)에 의한 막 냉각 효과가 상대적으로 낮아 보조 분사부(350)가 구비되어 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.

특히 상기 위치는 핫 가스가 압력면(33a)의 표면을 따라 이동될 때 상기 압력면(33a)의 표면에 밀착되지 못하는 이동 흐름이 발생되는 구간으로 상기 위치에 보조 분사부(350)가 위치되어 냉각 공기를 추가로 분사할 경우 안정적인 막 냉각을 유도할 수 있어 터빈 베인(33)의 냉각 효율 향상을 유도할 수 있다.

33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
38 : 앤드 월
38a : 제1 앤드 월
38b : 제2 앤드 월
100 : 막 냉각부
300 : 분사부
310, 320, 330 : 제1,2,3 분사부
S : 굴곡구간
S1, S2, S3 : 제1 ~ 제3 굴곡구간

Claims (15)

1. 가스 터빈에 구비되고 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34)가 형성된 터빈 베인(33);
   상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 연결된 앤드 월(38); 및
   상기 앤드 월(38)에 형성되고 상기 리딩 엣지(34)를 향해 냉각 공기를 분사 시켜 상기 리딩 엣지(34)와 충돌된 핫 가스가 상기 리딩 엣지(34)에서 후방을 향해 연장 형성된 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 따라 분기되면서 발생되는 2차 유동(secondary flow)을 방지하기 위한 분사부(300)를 포함하되,
   상기 분사부(300)는 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에서 연장된 라운드 부(37)를 바라보며 위치되고, 상기 리딩 엣지(34)의 정면 중 상기 라운드 부(37) 또는 상기 라운드 부(37)와 인접한 리딩 엣지(34)를 향해 개구된 제1 분사부(310)와, 상기 리딩 엣지(34)의 일측면을 향해 개구된 제2 분사부(320)와, 상기 리딩 엣지(34)의 타측면을 향해 개구된 제3 분사부(330)를 포함하며,
   상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 정면을 기준으로 좌우 대칭으로 배치되고,
   상기 핫 가스는 상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)에서 분사된 냉각 공기에 의해 기류 흐름이 변화되어 상기 흡입면(33b)과 상기 압력면(33a)의 표면을 따라 이동하는 흐름으로 변경되고,
   상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)를 향해 직경이 감소되는 노즐 형태로 이루어져 분사 속도가 증가되며,
   상기 분사부(300)는 상기 리딩 엣지(34)에서 1차로 이동 흐름이 변경된 핫 가스에 대해 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 냉각 공기를 추가로 분사하기 위해 앤드 월(38)에 구비된 보조 분사부(350)를 더 포함하고,
   상기 보조 분사부(350)는 상기 리딩 엣지(34)에서 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 2S/3위치에 해당되는 구간에 위치된 가스 터빈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 정면을 기준으로 좌측과 우측으로 직교 되는 위치까지 소정의 간격으로 배치된 가스 터빈.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 분사부(310)는 상기 리딩 엣지(34)의 전방을 향해 서로 어긋나게 배치된 가스 터빈.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 내지 제3 분사부(320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)의 전방과 이웃한 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 서로 어긋나게 배치된 가스 터빈.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3 분사부(310, 320, 330)는 상기 리딩 엣지(34)를 향해 상기 앤드 월(38)의 내측에서 서로 다른 경사각으로 경사지게 배치된 가스 터빈.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 경사각은 5도 ~ 50도 중에 선택되는 임의 의 경사각 중의 어느 하나인 가스 터빈.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분사부(310)는 상기 허브(31) 및 팁(32)과 인접한 리딩 엣지(34)의 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기를 분사하는 가스 터빈.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 제2,3 분사부(320, 330)는 상기 허브(31) 및 팁(32)과 인접한 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 서로 다른 위치를 향해 냉각 공기를 분사하는 가스 터빈.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1 항에 있어서,
    상기 보조 분사부(350)는 상기 흡입면(33b)과 압력면(33a)을 향해 경사지게 위치된 가스 터빈.
15. 삭제

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