KR102000830B1 - 가스 터빈 블레이드 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈 블레이드가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 출구부(120)의 길이 방향 중앙을 따라 돌출된 다수개의 돌기(130)를 포함하며, 상기 돌기(130)에는 냉각 공기가 유입되는 개구 홀(150)이 형성되고, 상기 개구 홀(150)은 상기 출구부(120) 또는 출구부(120)의 내측벽(121, 122)을 향해 개구되되, 상기 내측벽(121, 122)은, 상기 냉각채널(110)의 길이 방향을 중심으로 양 방향에서 서로 마주보는 제1 내측벽(121) 및 제2 내측벽(122)을 포함하고, 인접한 서로 다른 돌기(130)에 형성된 개구 홀(150)은, 각각 상기 제1 내측벽(121) 및 제2 내측벽(122)을 바라보도록 서로 반대 방향으로 개구된다.

Description

가스 터빈 블레이드{Gas Turbine Blade}
본 발명은 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 터빈 블레이드를 향해 이동된 고온의 핫 가스와 혼합되어 터빈 블레이드의 막 냉각을 실시하기 위한 가스 터빈 블레이드에 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 가스터빈 블레이드는 표면에 대한 냉각을 위한 막 냉각법이 일반적으로 사용하고 있으며 이에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1을 참조하면, 터빈 블레이드는 표면으로 공급되는 핫 가스로부터 냉각을 위해 상기 터빈 블레이드 표면에 다수개의 막 냉각부(7)가 형성된다.
상기 막 냉각 부(7)는 터빈 블레이드의 내부에서 공급된 냉각공기가 유입되도록 원형으로 이루어진 유입구(7a)와, 상기 유입구(7a)의 연장된 단부에서 좌우 대칭 형태로 외측을 향해 확장된 확장부(7b)를 포함한다.
상기 유입구(7a)는 단면을 잘라서 정면에서 바라볼 때 원형 단면으로 형성되므로 상기 확장부(7b)에서 다량의 냉각 공기를 터빈 블레이드의 표면으로 공급하기 위해 특정 확산각(α)으로 연장된다. 상기 확산각(α)은 증가될수록 상기 확장부(2b)의 내부에서 불균일하게 박리(separation) 현상이 발생되었다.
이 경우 블레이드 표면으로 분사되는 냉각 공기의 유동이 일정하게 공급되지 못하고 불 균일하게 분사되는 현상이 발생되고, 이로 인해 상기 블레이드 표면의 냉각 효과가 저하되는 문제점이 유발되었다.
또한 상기 유입구(7a)가 원형 단면이므로 후프 응력이 발생되어 특정 위치에서 응력 집중으로 인한 변형이 발생되거나 크랙이 발생되는 문제점이 유발되었다.
대한민국공개특허 제10-2015-0008749호
본 발명의 실시 예들은 가스 터빈 블레이드에 구비된 막 냉각부의 내부에 돌기를 형성하여 냉각 성능을 향상시킨 가스 터빈 블레이드를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 출구부(120)의 길이 방향 중앙을 따라 돌출된 다수개의 돌기(130)를 포함하며, 상기 돌기(130)에는 냉각 공기가 유입되는 개구 홀(150)이 형성되고, 상기 개구 홀(150)은 상기 출구부(120) 또는 출구부(120)의 내측벽(121, 122)을 향해 개구되되, 상기 내측벽(121, 122)은, 상기 냉각채널(110)의 길이 방향을 중심으로 양 방향에서 서로 마주보는 제1 내측벽(121) 및 제2 내측벽(122)을 포함하고, 인접한 서로 다른 돌기(130)에 형성된 개구 홀(150)은, 각각 상기 제1 내측벽(121) 및 제2 내측벽(122)을 바라보도록 서로 반대 방향으로 개구되는 것을 특징으로 한다.
상기 돌기(130)는 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간에서 일정 높이로 돌출된다.
상기 돌기(130)는 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간 중 중앙 에서 상기 출구부(120)로 갈수록 외측을 향해 방사 형태로 배치된다.
상기 돌기(130)는 상기 막 냉각부(100)의 내측 하면 배치되거나, 내측 하면과 상면에 서로 마주 보며 배치되는 어느 하나의 배치 관계로 이루어진다.
상기 출구부(120)의 마주보는 내측벽을 따라 서로 마주보며 배치된 보조 돌기(130a)를 더 포함한다.
상기 돌기(130)는 상기 출구부(120)로 갈수록 돌출된 높이가 증가하는 것을 특징으로 한다.
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상기 돌기(130)와 이웃하여 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간에 복수개의 홈부(140)가 구비된다.
상기 홈부(140)는 상기 출구부(120)를 향해 타원 형태로 형성된다.
상기 홈부(140)는 원주 방향에 냉각 공기의 내부 유입을 안내하기 위해 상기 출구부(120)의 표면에서 상기 홈부(140)로 연장된 가이드 홈(142)이 형성된다.
상기 가이드 홈(142)은 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120) 방향으로 연장 형성된다.
상기 홈부(140)에는 내측 원주 방향에 나선 형태로 형성된 와류 발생 홈(144)이 형성된다.
상기 홈부(140)는 내측 중앙에 형성된 가이드 홈부(146)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각채널(110)은 원형의 실린더 형태로 상기 출구부(120)를 향해 연장되고, 상기 출구부(120)는 상기 냉각채널(110)의 후단부에서 외측을 향해 확산각(α)을 갖고 타원 형태로 연장된다.
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 압력면(33a)과 흡입면(33b)에 각각 위치된 것을 특징으로 한다.
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)를 구성하는 리딩 엣지(34)에서 트레일링 엣지(35) 사이에 이르는 구간에 서로 다른 간격으로 배치되어 막 냉각을 도모한다.
본 실시 예에 따른 터빈 블레이드(33)에 막 냉각부(100)가 구비된 가스 터빈을 제공한다.
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)를 구성하는 복수 개의 단위블레이드 중 1단 터빈 블레이드와 2단 터빈 블레이드에 각각 구비된 것을 특징으로 한다.
본 실 시 예는 상기 막 냉각부(100)가 터보장치 또는 터빈 장치 중의 어느 하나 또는 모두에 적용시켜 제작하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 출구부에 구비된 다수개의 돌기 통해 열 전달 성능을 향상시킬 수 있고 이를 통해 터빈 블레이드의 표면에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 막 냉각부를 경유하는 냉각 공기 중의 일부를 홈부에 유입시켜 돌기와 함께 이중으로 냉각을 실시할 수 있어 냉각 성능이 향상된다.
도 1은 종래의 터빈 블레이드에 형성된 막 냉각부를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 터빈 블레이드가 설치된 가스 터빈의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드와 막 냉각부를 확대 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 막 냉각부에 구비된 돌기의 다른 실시 예를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기의 다른 배치 상태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기와 보조 돌기를 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기의 다른 배치 상태를 도시한 사시도.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 막 냉각부의 내부를 따라 이동하는 냉각 공기의 흐름을 도시한 도면.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기에 개구 홀이 형성된 상태를 도시한 도면.
도 12 내지 도 13은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기와 홈부의 배치 상태를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 홈부와 가이드 홈을 도시한 도면.
도 15는 도 14의 종 단면도.
도 16은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 와류 발생 홈
도 17은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가이드 홈부를 갖는 홈부를 도시한 단면도.
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 블레이드(33)(도 3 참조)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(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 블레이드(33)에 문제가 발생하게 되고, 상기 터빈 블레이드(33)의 온도가 국부적으로 상승하면서 열응력(thermal Stress)이 발생 되며, 상기 열응력이 장시간 지속되면 크리프(creep) 현상으로 인해 터빈 블레이드(33)의 파괴까지 이어질 수 있다.
전술한 터빈 블레이드(33)에서 발생되는 문제점들을 보완하기 위해 상기 터빈 블레이드(33)의 내부에 냉각공기가 공급된다. 상기 냉각공기는 터빈 블레이드(33)의 내부에 형성된 유로를 따라 유동하면서 냉각을 실시하고 있으며 이하에서는 본 발명 구성에 대해 설명한다.
본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 고온의 핫 가스가 터빈 블레이드(33)의 외주면으로 공급될 때 상기 외주면에 대한 안정적인 냉각이 필요하게 된다. 이 경우 본 발명은 터빈 블레이드(33)의 내부로 공급된 냉각 공기를 상기 터빈 블레이드(33)의 외주면으로 공급할 수 있는 막 냉각부(100)를 통해 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 대한 막 냉각을 실시하고자 한다.
이를 위해 본 발명은 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서부터 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간에 다수개가 형성된 막 냉각부(100)가 구비된다. 상기 막 냉각부(100)는 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(33)의 내측으로부터 공급된 후에 표면으로 분사되면서 막 냉각을 도모하기 위해 구비된다.
상기 막 냉각부(100)는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33) 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 출구부(120)의 길이 방향 중앙을 따라 돌출된 다수개의 돌기(130)를 포함한다.
참고로 상기 출구부(120)는 내부에 서로 마주보는 내측벽(121, 122)이 형성된다.
상기 냉각채널(110)은 냉각 공기가 유입되도록 터빈 블레이드(33)의 내측에 일단이 연결되고, 타단은 터빈 블레이드(33)의 외측을 향해 연장되며 원형의 단면 형태로 형성되나, 타원 형태로 형성되는 것도 가능할 수 있다.
본 실시 예에 의한 출구부(120)는 상기 냉각채널(110)의 후단부에서 확산각(α)을 갖고 폭 방향에서 타원 형태로 연장된다.
상기 냉각채널(110)은 원형의 실린더 형태로 상기 출구부(120)를 향해 연장되고, 상기 확산각(α)은 15도 이상의 각도가 유지된다.
상기 확산각은 출구부(120)를 따라 이동하는 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면으로 이동되기 이전에 불필요한 박리 현상의 발생을 억제하고 안정적인 이동을 유도하기 위해 전술한 각도가 유지된다.
본 실시 예에 의한 냉각채널(110)은 상기 확산각(α)이 15도 이상 40도 이내의 범위에서 최적의 상태로 냉각 공기의 이동 흐름을 안정적으로 유도하여 막 냉각 효과를 유발할 수 있다.
상기 막 냉각부(100)는 터빈 블레이드(33)의 외주면을 따라 이동하는 고온의 핫 가스와 혼합되면서 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 대한 막 냉각을 도모한다.
또한 막 냉각부(100)는 상기 출구부(120)를 통해 향해 냉각 공기가 공급될 때 표면적을 통한 열교환과, 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 안정적으로 확산되면서 핫 가스가 가지고 있는 고온을 소정의 온도로 하강 시켜 냉각을 도모한다.
상기 돌기(130)는 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간에서 일정 높이로 돌출될 수 있다. 상기 돌기(130)의 돌출 높이는 냉각채널(110)의 직경에 따라 가변된다.
돌기(130)는 원형 단면 다각 단면 또는 U자 단면 중의 어느 하나 또는 복합으로 구성 가능하며 도면에 도시된 형태로 한정하지 않는다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(130)는 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간 중 중앙에서 상기 출구부(120)로 갈수록 외측을 향해 방사 형태로 배치된다.
돌기(130)는 냉각 공기와의 접촉을 통해 열전달을 통한 냉각 효과 상승이 주 목적이나, 상기 냉각 공기의 이동 흐름을 일정하게 유지하는 것도 상당히 중요하다고 할 수 있다.
특히 냉각 채널(110)에서 출구부(120) 구간은 냉각 공기의 이동에 따른 난류가 발생되는데, 돌기(130)의 배치 상태에 따라 가변 된다. 본 실시 예는 일 예로 상기 돌기(130)를 불규칙하게 배열하지 않고 냉각 공기의 이동 안정성을 고려하여 출구부(120)로 갈수록 외측을 향해 방사 형태로 배치시킨다.
이 경우 냉각 공기는 상기 돌기(130)와 직접적인 접촉 또는 미 접촉 되는 경우에도 이동 흐름이 화살표로 도시된 바와 같이 가이드 된다.
특히 냉각 공기는 돌기(130)와 접촉에 따른 열전달과 이웃한 돌기(130)로 이동이 안정적으로 이루어질 경우 출구부(120)를 경유하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 안정적으로 이동된다.
따라서 본 실시 예는 출구부(120)로 이동하는 냉각 공기의 유동 안전성 향상과 돌기(130)와의 열전달을 동시에 향상시켜 터빈 블레이드(33)에 대한 전체적인 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
첨부된 도 5를 참조하면, 본 실시 예는 돌기(130)가 상기 막 냉각부(100)의 내측 하면에 배치되거나, 내측 하면과 상면에서 서로 마주보며 배치되는 어느 하나의 배치 관계로 구성될 수 있다.
상기 돌기(130)가 막 냉각부(100)의 내측 하면에만 배치될 경우 또는 내측 하면과 상면에 각각 배치될 경우 최적의 냉각 효율이 유발되는 조건에서 배치된다.
예를 들어 돌기(130)가 막 냉각부(100)의 내측 하면과 상면에 각각 배치될 경우 냉각 공기의 이동 속도는 저하되나, 열전달에 따른 막 냉각부(100)의 냉각 효과는 향상된다.
이 경우 막 냉각부(100)는 냉각 공기의 유속이 빠르게 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되지 않아도 되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면 리딩 엣지(34)를 제외한 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예는 출구부(120)의 마주보는 내측벽(121,122)을 따라 서로 마주보며 배치된 보조 돌기(130a)를 더 포함한다. 상기 보조 돌기(130a)는 돌기(130)와 함께 내측벽(121, 122)에서 냉각 공기와 열교환을 통해 막 냉각부(100)의 냉각 효율 향상을 도모한다.
상기 보조 돌기(130a)는 돌기(130) 보다 작게 형성되는데, 일 예로 상기 돌기(130) 크기 보다 30%작은 크기로 형성되어 냉각 공기와 접촉시 박리 현상이 최소화 되고, 상기 출구부(120)까지 이동에 따른 이동 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다.
첨부된 도 7을 참조하면, 돌기(130)는 상기 출구부(120)로 갈수록 돌출된 높이가 증가한다. 돌기(130)가 출구부(120)에서 돌출 높이가 증가되는 이유는 냉각채널(110)을 경유한 냉각 공기의 상기 출구부(120)까지 안정적으로 이동되기 위해서이다.
이 경우 냉각 공기는 냉각채널(110)을 통과한 직후에 돌기(130)와 직접적으로 접촉되는 경우에도 저항이 적게 발생되므로 터빈 블레이드(33)의 표면까지 냉각 공기를 이동시키는데 유리해진다.
또한 돌기(130)의 표면적이 증가되어 냉각 효율도 향상되므로 막 냉각부(100)의 냉각 효율 향상에도 도모할 수 있다.
첨부된 도 8 내지 도 9를 참조하면, 냉각 공기는 출구부(120)의 내부 영역에서 이동할 때 일정한(uniform)한 유동 흐름이 이루어지는 것이 가장 바람직하나, 상기 출구부(120)는 내측벽(121, 122)에서 냉각 공기의 이동 속도가 제로(zero)에 가깝게 유지되므로 내측벽(121, 122)으로 이동한 냉각 공기의 이동 속도 및 점성과, 폭 방향(W) 중앙을 따라 이동하는 냉각 공기의 이동 속도 및 점성의 차이가 발생된다.
상기 냉각 공기의 상이한 이동 속도로 인해 상기 폭 방향 중앙을 따라 이동하는 냉각 공기는 출구부(120)의 내측에서 전방을 향해 직진 이동하지 못하고 상대적으로 속도가 느린 내측벽(121, 122)을 향해 이동하면서 박리 현상이 발생될 수 있다. 본 발명은 이러한 박리 현상을 최소화 하기 위해 보조 돌기(130a)가 구비된다.
냉각 공기는 상기 보조 돌기(130a)와 접촉될 경우 작은 소용돌이 흐름인 에디 현상(eddy phenomenon)이 발생된다. 상기 에디 현상은 상기 출구부(120)의 내측벽(121, 122)을 따라 이동하는 냉각 공기의 불필요하게 발생되는 박리를 예방하여 냉각 공기의 안정적인 이동을 도모할 수 있다.
또한 냉각 공기가 상기 출구부(120)를 통과하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 이동될 경우 열전달 성능도 향상시켜 상기 터빈 블레이드(33)에 대한 전체적인 냉각 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 에디 현상은 냉각 공기에 상당히 큰 소용돌이 흐름을 유발하는 박리 현상과 다르게 상기 내측벽(121, 122)에서 상기 냉각 공기에 작은 소용돌이를 유발하는데, 상기 소용돌이는 냉각공기의 전체적인 유동 흐름에 영향을 유발하는 유동 흐름이 아닌 상기 내측벽(121, 122)에서 도면에 도시된 바와 같은 형태로 상기 냉각 공기의 유동 흐름 방향을 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙으로 유도한다.
특히 냉각 공기는 보조 돌기(130a) 주위에서 작은 소용돌이가 발생되고, 상기 이격된 보조 돌기(130a) 사이에서는 소용 돌이의 정도가 약해지는 것을 알 수 있다.
본 실시 예에 의한 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 압력면(33a)과 흡입면(33b)에 각각 위치되며 상기 위치는 고온의 핫 가스가 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 이동되는 위치에 해당된다.
상기 압력면(33a)과 흡입면(33b)은 냉각 공기가 화살표로 도시된 바와 같이 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 이동되면서 막 냉각 효과가 안정적으로 유지되어 상기 터빈 블레이드(33)의 막냉각을 도모할 수 있다.
일 예로 본 실시 예는 상기 막 냉각부(100)가 상기 터빈 블레이드(33)를 구성하는 리딩 엣지(34)에서 트레일링 엣지(35) 사이에 이르는 구간에 서로 다른 간격으로 배치되어 막 냉각을 도모할 수 있다.
상기 막 냉각부(100)는 터빈 블레이드(33)의 압력면(33a)과 흡입면(33b)에서 고온으로 유지되는 구간에 다수개가 집중 배치되고, 상대적으로 저온으로 유지되는 구간에는 배치된 개수가 감소될 수 있다.
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)를 구성하는 복수 개의 단위 블레이드 중 1단 터빈 블레이드와 2단 터빈 블레이드에 각각 구비되는데, 상기 1,2단 터빈 블레이드는 연소기를 경유한 고온의 핫 가스와 직접 또는 간접적으로 접촉이 발생되는 위치에 해당된다.
이 경우 상기 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 따라 이동하는 핫 가스의 이동 궤적과 온도 분포에 따라 냉각 상태가 상이해질 수 있으나 본 실시 예는 일 예로 압력면(33a)과 흡입면(33b)에 배치 간격 또는 분포를 상이하게 하여 터빈 블레이드(33)의 표면에 대한 막 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.
따라서 터빈 블레이드(33)는 고온의 핫 가스와 접하는 표면에 대한 막 냉각 효과가 향상되므로 장기간 사용시에도 변형을 예방할 수 있다.
첨부된 도 10 내지 도 11을 참조하면, 터빈 블레이드는 다수개의 돌기(130)에 냉각 공기가 공급되도록 상기 돌기(130)의 정면에 개구 홀(150)이 형성될 수 있다.
본 실시 예는 돌기(130)에 개구 홀(150)을 형성하여 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하고 이를 통해 상기 냉각 공기의 안정적인 유동 흐름과 열전달 성능 향상을 동시에 도모하고자 한다.
본 실시 예에 의한 돌기(130)는 상기 개구 홀(150)이 상기 출구부(120)를 향하도록 개구된다. 참고로 상기 개구 홀(150)의 개구된 면적은 별도의 시뮬레이션 또는 유동 해석을 통해 최적화된 크기로 개구될 수 있다.
이 경우 냉각 공기의 이동에 따른 저항이 감소되므로 터빈 블레이드(33)의 표면으로 다량의 냉각 공기를 보다 안정적으로 공급할 수 있다.
본 실시 예에 의한 개구 홀(150)은 상기 출구부(120) 또는 출구부(120)의 내측벽(121, 122)을 향해 개구될 수 있다.
이 경우 일부의 냉각 공기는 상기 내측벽(121, 122)을 향해 확산된 상태로 이동하므로 일정 크기를 갖는 개구 홀에 비해 보다 많은 량의 냉각 공기가 상기 내측벽(121, 122)을 향해 이동된다. 따라서 상기 내측벽(121, 122)에서의 열전달 효율이향상될 수 있어 터빈 블레이드의 냉각 성능 향상을 도모할 수 있다.
첨부된 도 12 내지 도 13을 참조하면, 본 실시 예는 전술한 돌기(130)와 이웃하여 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간에 복수개의 홈부(140)가 구비된다.
상기 홈부(140)는 냉각공기의 일부를 내부로 유입시켜 열전달을 통한 냉각 효율 향상을 도모하기 위해 형성되며 개수와 배치는 도면에 도시된 형태로 반드시 한정하지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로 상기 홈부(140)는 돌기(130) 사이마다 배치되거나, 돌기(130)와 이격되어 배치될 수 있다.
상기 홈부(140)는 일 예로 상기 출구부(120)를 향해 타원 형태로 형성되는데, 길이와 폭은 특별히 한정하지는 않는다.
첨부된 도 14 내지 도 15를 참조하면, 홈부(140)는 원주 방향에 냉각 공기의 내부 유입을 안내하기 위해 상기 출구부(120)의 표면에서 상기 홈부(140)로 연장된 가이드 홈(142)이 형성된다.
상기 가이드 홈(142)은 냉각 공기가 홈부(140)의 내측 영역을 향해 곧바로 이동되기 어려운 것을 고려하여 일부의 냉각 공기를 상기 홈부(140)로 유도하는 역활을 한다.
그리고 상기 가이드 홈(142)으로 유도된 냉각 공기는 홈부(140)의 내측 영역에서 와류 형태로 유동하는 이동 흐름을 유발하여 소정의 시간 동안 냉각 공기 중의 일부를 상기 홈부(140)의 내측에 머무르게 된다.
냉각 공기는 홈부(140)에서 출구부(120)를 향해 곧바로 이동되지 않고 나선 형태 또는 소용 돌이 형태로 유동이 발생되므로 접촉에 따른 열교환이 이루어진다.
본 실시 예는 돌기(130)에 의한 냉각과 홈부(140)에 의한 냉각이 이중으로 이루어지면서 한정된 영역에서 냉각성능을 향상시키고, 이를 통해 막 냉각부(100)의 냉각 효율을 향상시켜 터빈 블레이드(33)에 대한 냉각을 효율적으로 실시할 수 있다.
가이드 홈(142)은 냉각 공기의 이동 방향을 기준으로 도면 기준으로 냉각채널(110)에서 출구부(120) 방향으로 위치된다. 개수는 1개 이상 또는 복수개로 구성되며 단면 형상은 원형 또는 다각형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 구성된다.
일 예로 가이드 홈(142)은 홈부(140)의 측면 위치에 위치되므로 홈부(140)로 유입된 냉각 공기는 측면에서 나선 형태의 이동 흐름이 발생된다.
첨부된 도 16을 참조하면, 본 실시 예에 의한 홈부(140)에는 내측 원주 방향에 나선 형태로 형성된 와류 발생 홈(144)이 형성된다. 상기 와류 발생 홈(144)은 홈부(140)로 유입된 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하고 냉각 공기가 홈부(140)의 외측으로 즉시 이동되지 못하도록 유도하여 일정 시간 동안 냉각 공기를 상기 와류 발생 홈(144)을 따라 이동시켜 열전달에 따른 냉각을 도모할 수 있다.
첨부된 도 17을 참조하면, 홈부(140)는 내측 중앙에 형성된 가이드 홈부(146)를 더 포함하고, 상기 가이드 홈부(146)는 유입된 냉각 공기의 일부를 외측으로 즉시 빠져나가지 않도록 할 수 있다.
상기 가이드 홈부(146)는 냉각 공기가 일정 시간 동안 머무르게 하여 해당 위치에서 열전달에 따른 냉각 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 가이드 홈부(146)는 단면 형상이 원형 또는 타원형 중의 어느 한 형태로 구성되나 다른 형태로 변경되는 것도 가능할 수 있다.
터빈 블레이드(33)는 상기 가이드 홈부(146)가 출구부(120)의 전단까지 배치되므로 터빈 블레이드(33)의 표면으로 이동된 냉각 공기에 의한 냉각과, 상기 가이드 홈부(146)에 의한 냉각이 더해져 보다 효율적인 냉각이 이루어진다.
따라서 다수개의 터빈 블레이드(33)는 돌기(130)에 의한 냉각과 홈부(140) 및 가이드 홈부(146)에 의한 냉각을 통해 냉각 효율 향상과 장기간 작동에 따른 터빈의 안정성도 동시에 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 터빈 블레이드(33)에 막 냉각부(100)가 구비된 가스 터빈을 제공한다. 가스 터빈은 압축기와 연소기와 터빈을 포함하고, 상기 터빈 블레이드(33)에 막 냉각부(100)가 구비되며 전술한 돌기(130)의 구성 및 효과에 의해 터빈 블레이드(33)에 대한 냉각이 안정적으로 이루어진다.
본 실 시 예는 상기 막 냉각부(100)가 터보장치 또는 터빈 장치 중의 어느 하나 또는 모두에 적용시켜 제작하는 방법을 제공할 수 있다.
33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
100 : 막 냉각부
110 : 냉각채널
120 : 출구부
121, 122 : 측벽
130 : 돌기
140 : 홈부
142 : 가이드 홈
144 : 와류 발생 홈
146 : 가이드 홈부
150: 개구 홀

Claims (20)

  1. 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33); 및
    상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되,
    상기 막 냉각부(100)는 상기 출구부(120)의 길이 방향 중앙을 따라 돌출된 다수개의 돌기(130)를 포함하며,
    상기 돌기(130)에는 냉각 공기가 유입되는 개구 홀(150)이 형성되고,
    상기 개구 홀(150)은 상기 출구부(120) 또는 출구부(120)의 내측벽(121, 122)을 향해 개구되되,
    상기 내측벽(121, 122)은, 상기 냉각채널(110)의 길이 방향을 중심으로 양 방향에서 서로 마주보는 제1 내측벽(121) 및 제2 내측벽(122)을 포함하고,
    인접한 서로 다른 돌기(130)에 형성된 개구 홀(150)은, 각각 상기 제1 내측벽(121) 및 제2 내측벽(122)을 바라보도록 서로 반대 방향으로 개구되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기(130)는 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간에서 일정 높이로 돌출된 가스 터빈 블레이드.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기(130)는 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간 중 중앙 에서 상기 출구부(120)로 갈수록 외측을 향해 방사 형태로 배치된 가스 터빈 블레이드.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기(130)는 상기 막 냉각부(100)의 내측 하면 배치되거나, 내측 하면과 상면에 서로 마주 보며 배치되는 어느 하나의 배치 관계로 이루어진 가스 터빈 블레이드.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 출구부(120)의 마주보는 내측벽을 따라 서로 마주보며 배치된 보조 돌기(130a)를 더 포함하는 가스 터빈 블레이드.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기(130)는 상기 출구부(120)로 갈수록 돌출된 높이가 증가하는 가스 터빈 블레이드.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기(130)와 이웃하여 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120)의 구간에 복수개의 홈부(140)가 구비된 가스 터빈 블레이드.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 홈부(140)는 상기 출구부(120)를 향해 타원 형태로 형성된 가스 터빈 블레이드.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 홈부(140)는 원주 방향에 냉각 공기의 내부 유입을 안내하기 위해 상기 출구부(120)의 표면에서 상기 홈부(140)로 연장된 가이드 홈(142)이 형성된 가스 터빈 블레이드.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 가이드 홈(142)은 상기 냉각채널(110)에서 상기 출구부(120) 방향으로 연장 형성된 가스 터빈 블레이드.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 홈부(140)에는 내측 원주 방향에 나선 형태로 형성된 와류 발생 홈(144)이 형성된 가스 터빈 블레이드.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 홈부(140)는 내측 중앙에 형성된 가이드 홈부(146)를 더 포함하는 가스 터빈 블레이드.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각채널(110)은 원형의 실린더 형태로 상기 출구부(120)를 향해 연장되고, 상기 출구부(120)는 상기 냉각채널(110)의 후단부에서 외측을 향해 확산각(α)을 갖고 타원 형태로 연장된 가스 터빈 블레이드.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 압력면(33a)과 흡입면(33b)에 각각 위치된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)를 구성하는 리딩 엣지(34)에서 트레일링 엣지(35) 사이에 이르는 구간에 서로 다른 간격으로 배치되어 막 냉각을 도모하는 가스 터빈 블레이드.
  18. 제1항 내지 제6항, 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 가스 터빈 블레이드를 포함하는 가스 터빈.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)를 구성하는 복수 개의 단위 블레이드 중 1단 터빈 블레이드와 2단 터빈 블레이드에 각각 구비된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드.
  20. 제1 항에 따른 가스 터빈 블레이드가 터보장치 또는 터빈 장치 중의 어느 하나 또는 모두에 적용시켜 제작하는 방법.
KR1020170115646A 2017-09-11 2017-09-11 가스 터빈 블레이드 KR102000830B1 (ko)

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