KR102000836B1

KR102000836B1 - 가스 터빈

Info

Publication number: KR102000836B1
Application number: KR1020170125156A
Authority: KR
Inventors: 방명환
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-07-16
Also published as: KR20190036203A

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 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38); 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 구비된 라운드 냉각부(200)를 포함한다.

Description

가스 터빈{Gas Turbine}

본 발명은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 터빈 베인의 막 냉각이 불리한 위치에서 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 터빈은 내부에 구비된 터빈 베인의 표면에 대한 냉각을 위한 막 냉각법이 일반적으로 사용하고 있으며 이에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 터빈 베인은 표면으로 공급되는 핫 가스로부터 냉각을 위해 상기 터빈 베인의 표면에 다수개의 막 냉각부(7)가 형성된다.

상기 막 냉각 부(7)는 터빈 베인의 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 터빈 베인(3)은 앤드 월(3b)과 연결되는 부분에 필렛(fillet)(3a)이 형성되는데, 상기 필렛(3a)은 라운드지게 연장된다. 상기 터빈 베인(3)은 필렛(3a) 부분으로 고온의 열기가 집중되면서 스팟(spot)이 형성되고 이로 인해 열 응력이 집중되는 문제점이 발생 되었다.

대한민국공개특허 제10-2015-0008749호

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인에 구비된 라운드 부가 열피로 인한 문제점이 발생되지 않도록 냉각을 도모하기 위한 터빈 베인을 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38); 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 구비된 라운드 냉각부(200)를 포함하되,
상기 라운드 냉각부(200)는 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(210)과, 상기 냉각 채널(210)을 통해 유입된 냉각 공기가 배출되는 출구부(220)를 포함하고, 상기 냉각채널(210)은 외측 길이 방향을 따라 권취된 보조 냉각부(300)를 더 포함한다.

상기 라운드 냉각부(200)는 상기 허브(31)와 상기 팁(32)을 연결하는 라운드 부(37)에서 경사지게 배치된다.

상기 냉각채널(210)은 상기 라운드 부(37)의 내측에 위치되고, 상기 출구부(220)는 상기 라운드 부(37)의 외측에 위치된다.

상기 냉각채널(210)은 5도 이상 45도 이하의 각도 중 선택되는 임의의 경사 각도 중의 어느 하나의 경사각으로 배치된다.

상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 연장된 연장 경로에서 외측으로 분기된 분기 냉각채널(215)을 더 포함한다.

상기 분기 냉각채널(215)은 상기 냉각채널(210)의 직경보다 작은 직경으로 형성된다.

상기 분기 냉각채널(215)은 상기 냉각채널(210)과 연결되는 연결 부위에서 응력이 집중되지 않도록 라운드 진 응력 분산부(222)가 형성된다.

상기 냉각채널(210)은 외측 길이 방향을 따라 권취된 보조 냉각부(300)를 포함한다.

상기 보조 냉각부(300)는 스파이럴(Spiral) 형태로 형성된다.

상기 보조 냉각부(300)는 상기 출구부(220)로 갈수록 반경이 증가된다.

상기 터빈 베인(33)은 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34); 상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면과 압력면(33a); 상기 연장된 흡입면과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함하고, 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 상기 허브(31)와 상기 팁(32)의 임의의 구간에만 상기 라운드 냉각부(200)가 배치된다.

상기 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); 상기 제1 굴곡구간(S1)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2); 상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함하고, 상기 라운드 냉각부(200)는 상기 제2 굴곡구간(S2) 또는 상기 제1,2 굴곡구간(S1, S2)에 모두 형성된다.

상기 라운드 냉각부(200)는 상기 제1 굴곡구간(S1) 보다 상기 제2 굴곡구간(S2)에 집중 배치된다.

상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 포함하되, 상기 라운드 냉각부(200)의 냉각채널(210)이 상기 막 냉각부(100)의 냉각채널(110) 보다 길게 연장된다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38); 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(210)과, 상기 냉각채널(210)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(220)가 구비된 라운드 냉각부(200)가 구비되되, 상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 유선형으로 연장되고, 상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)에 단부가 연통된 제1 냉각채널(210a)과, 상기 제1 냉각채널(210a)과 소정의 각도를 이루며 상기 출구부(220)에 연통된 제1 냉각채널(210a)과 같은 위치에 연통된 제2 냉각채널(210b)을 포함하되, 상기 제1,2 냉각채널(210a, 210b)은 서로 대칭으로 배치되어 상기 출구부(220)와 연통된 것을 특징으로 한다.

상기 라운드 냉각부(200)는 복수개가 한 쌍으로 이루어져 상기 라운드 부(37)에 배치된다.

삭제

상기 냉각채널(210)은 원통 형태 또는 다각 형태 중에서 선택되는 어느 하나의 형태로 이루어진다.

상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 복수개로 이루어져 냉각공기가 상기 출구부(220)를 향해 각각 공급된다.

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인의 냉각이 불리한 곳으로 냉각 공기를 용이하게 공급하여 냉각을 도모할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인의 라운드 부에 대한 냉각 효율을 향상시켜 열피 또는 열 집중으로 인한 변형을 최소화 시킬 수 있다.

도 1은 종래의 터빈 베인에서 핫 가스에 의해 스팟이 발생되는 상태를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 가스 터빈의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈에 구비된 터빈 베인을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 라운드 냉각부를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 라운드 냉각부의 다른 실시 예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 터빈 베인에 구비된 라운드 냉각부를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 라운드 냉각부의 다른 실시 예를 도시한 도면.

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)(도 3 참조)를 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.

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.

이 경우 본 발명은 터빈 베인(33)의 내부로 공급된 냉각 공기를 상기 터빈 베인(33)의 외주면으로 공급할 수 있는 막 냉각부(100)를 통해 상기 터빈 베인(33)의 표면에 대한 막 냉각을 실시할 수 있고, 라운드 부(37)에서 핫 스팟(hot spat)으로 인한 열집중이 발생되는 것을 방지하기 위해 구성된다.

일 예로 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38)과, 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100) 및 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 구비된 라운드 냉각부(200)를 포함한다.

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 막 냉각부(100)의 냉각채널(110)과 상기 라운드 냉각부(200)를 향해 핫 스팟이 발생되지 않도록 냉각을 위한 냉각 공기가 안정적으로 공급된다.

상기 터빈 베인(33)은 라운드 부(37)를 매개로 앤드 월(38)과 연결되며, 본 실시 예는 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 도모하기 위해 상기 라운드 냉각부(200)가 구비된다.

상기 라운드 냉각부(200)는 상기 허브(31)와 상기 팁(32)을 연결하는 라운드 부(37)에서 경사지게 배치된다. 이와 같이 배치되는 이유는 냉각 공기가 상기 라운드 냉각부(200)를 통해 터빈 베인(33)의 표면으로 분사될 때 상기 라운드 부(37)와 최대한 근접한 위치에 위치시켜 냉각 효과를 향상시키기 위해서이다.

이 경우 상기 라운드 부(37)는 냉각 공기와 접촉이 이루어져 표면 냉각을 통한 막 냉각 효과가 유발되므로 핫 스팟으로 인한 열집중이 최소화 되고 안정적인 냉각이 유지된다.

상기 라운드 냉각부(200)는 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(210)과, 상기 냉각 채널(210)을 통해 유입된 냉각 공기가 배출되는 출구부(220)를 포함한다. 그리고 상기 냉각채널(210)은 상기 라운드 부(37)의 내측에 위치되고, 상기 출구부(220)는 상기 라운드 부(37)의 외측에 위치된다.

상기 냉각채널(210)은 냉각 공기가 유입되는 통로로서 상기 라운드 부(37)를 경유하여 냉각 공기가 이동될 경우 열전도를 통한 냉각 효과가 유발된다. 즉 상기 라운드 부(37)에 상기 냉각채널(210)이 위치되므로 냉각채널(210)의 주변으로 열이 전도되어 라운드 부(37)의 표면 온도를 하강시켜 냉각을 실시할 수 있다.

본 실시 예에 의한 냉각채널(210)은 5도 이상 45도 이하의 각도 중 선택되는 임의의 경사 각도 중의 어느 하나의 경사각으로 배치된다. 바람직 하게는 도면에 도시된 경사각으로 배치되나 반드시 한정하지 않으며 다양한 경사각으로 배치될 수 있다.

라운드 냉각부(200)는 상기 출구부(220)를 통해 터빈 라운드 부(37) 또는 냉각 상기 라운드 부(37)와 인접한 터빈 베인(37)의 표면으로 냉각 공기가 공급될 때 표면적을 통한 열교환과, 확산을 통한 열교환을 통해 냉각을 도모할 수 있다.

본 실시 예에 의한 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 연장된 연장 경로에서 외측으로 분기된 분기 냉각채널(215)을 더 포함한다.

상기 냉각채널(210)은 냉각 공기가 유입되는 메인 통로로 역할을 하고, 상기 분기 냉각채널(215)은 복수개가 외측으로 분기된다.

상기 분기 냉각채널(215)은 라운드 부(37)와의 접촉 면적 증가를 통한 냉각 효율 향상을 위해 복수개로 구성되며, 외측으로 연장된 방향과 형태는 도면에 도시된 형태로 반드시 한정하지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

일 예로 분기 냉각채널(215)은 출구부(220)로 갈수록 외측으로 연장된 길이가 길게 구성되는 것도 가능할 수 있다. 상기 분기 냉각채널(215)은 상기 냉각채널(210)의 직경보다 작은 직경으로 형성되는 것도 가능하며 냉각 공기가 유입된 후에 상기 출구부(220)로 이동되도록 상기 출구부(220)를 향해 경사지게 구성될 수 있다.

본 실시 예에 의한 분기 냉각채널(215)은 상기 냉각채널(210)과 연결되는 연결 부위에서 응력이 집중되지 않도록 라운드 진 응력 분산부(222)가 형성된다.

상기 응력 분산부(222)는 냉각 공기가 상기 분기 냉각채널(215)로 이동될 때 접촉과 동시에 가해지는 응력 집중으로 인한 변형을 최소화 하기 위해 형성된다.

상기 연결 부위는 일 예로 뾰족한 형태 보다는 상기 응력 분산부(222)와 같이 라운드 지는 것이 집중 응력을 분산시키는데 유리할 수 있으며 냉각 공기가 이동할 때 국부적으로 응력이 집중되는 현상이 최소화 된다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 냉각채널(210)은 외측 길이 방향을 따라 권취된 보조 냉각부(300)를 포함한다. 상기 보조 냉각부(300)는 냉각채널(210)을 따라 이동하는 냉각 공기의 표면적 증가를 위해 나선 형태로 출구부(220)를 향해 스파이럴(Spiral) 형태로 형성된다.

상기 보조 냉각부(300)는 상기 출구부(220)로 갈수록 반경이 증가될 수 있으며 이 경우 상기 냉각채널(210)에서 출구부(220)의 연결 부위까지 연장된다.

상기 연결 부위는 상기 출구부(220)로 직경이 확장되는 곳으로 구조적인 강성 보강과 지지 능력 향상을 위해 상기 보조 냉각부(300)의 반경이 증가되도록 구성된다.

본 실시 예에 의한 터빈 베인(33)은 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34)와, 상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면과 압력면(33a)과, 상기 연장된 흡입면과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함하고, 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 상기 허브(31)와 상기 팁(32)의 임의의 구간에만 상기 라운드 냉각부(200)가 배치된다.

라운드 냉각부(200)는 허브(31)와 팁(32)의 전 구간중 모든 구간에 구비되지 않고 특정 구간에만 배치된다. 다만 보다 효율적인 냉각 효과를 위해 허브(31)와 팁(32)의 전 구간에 배치되는 것도 가능할 수 있다.

상기 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(S1)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 포함하고, 상기 라운드 냉각부(200)는 상기 제2 굴곡구간(S2) 또는 상기 제1,2 굴곡구간(S1, S2)에 모두 형성된다.

상기 제2 굴곡구간(S2)은 흡입면과 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 상기 라운드 냉각부(200)가 배치되어 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.

상기 라운드 냉각부(200)는 상기 제1 굴곡구간(S1) 보다 상기 제2 굴곡구간(S2)에 집중 배치된다. 상기 제2 굴곡구간(S2)은 냉각 공기가 터빈 베인(33)의 표면으로 분사가 용이하지 않은 구간으로 허브(31) 및 팁(32)과 연결된 라운드 부(37)에 대한 안정적인 냉각을 위해 집중 배치됨으로써 냉각 공기의 열전도를 통한 냉각 효율 향상을 도모할 수 있다.

본 실시 예에 의한 막 냉각부(100)는 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 포함하되, 상기 라운드 냉각부(200)의 냉각채널(210)이 상기 막 냉각부(100)의 냉각채널(110) 보다 길게 연장된다.

이와 같이 구성되는 이유는 상기 라운드 부(37)에 대한 열집중 현상을 최소화 하기 위해 상기 라운드 냉각부(200)를 경유하는 냉각채널(210)의 길이를 연장하여 냉각 공기의 이동 길이를 연장시켜 열전달 면적을 증가시켜 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각 효과를 도모할 수 있다.

상기 막 냉각부(100)는 냉각 공기가 상기 터빈 베인(33)의 내측으로부터 공급된 후에 표면으로 분사되면서 막 냉각을 도모하기 위해 구비된다.

상기 냉각채널(110)은 원형의 실린더 형태로 상기 출구부(120)를 향해 연장되고, 상기 확장각은 15도 이상의 각도가 유지된다.

상기 확장각은 출구부(120)를 따라 이동하는 냉각 공기가 터빈 베인(33)의 표면으로 이동되기 이전에 불필요한 박리 현상의 발생을 억제하고 안정적인 이동을 유도하기 위해 전술한 각도가 유지된다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 6을 참조하면, 가스 터빈은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33)과, 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38)과, 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100) 및 상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(210)과, 상기 냉각채널(210)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(220)가 구비된 라운드 냉각부(200)가 구비되되, 상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 유선형으로 연장된 것을 특징으로 한다.

상기 전술한 제1 실시 예와 다르게 2개가 한 쌍으로 이웃하여 라운드 부(37)에 위치된다. 이 경우 상기 라운드 냉각부(200)를 통해 경유하는 냉각 공기량이 증가되고, 열전달을 통한 라운드 부(37)의 냉각 면적이 증가되어 냉각 효율이 향상될 수 있다.

특히 상기 라운드 냉각부(200)는 표면 온도가 높은 라운드 부(37)의 특정 위치에 위치되면 냉각 효과가 향상된다.

상기 라운드 냉각부(200)는 상기 허브(31)와 상기 팁(32)을 연결하는 라운드 부(37)에서 경사지게 배치된다. 상기 라운드 냉각부(200)는 일 예로 5도 이상 45도 이하의 각도 중 선택되는 임의의 경사 각도 중의 어느 하나의 경사각으로 배치된다. 바람직 하게는 도면에 도시된 경사각으로 배치되나 반드시 한정하지 않으며 다양한 경사각으로 배치될 수 있다.

첨부된 도 7을 참조하면, 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 연장된 제1 냉각채널(210a)과, 상기 제1 냉각채널(210a)과 소정이 각도로 이루며 연장된 제2 냉각채널(210b)를 포함한다.

본 실시 예에 의한 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 복수개로 이루어져 냉각공기가 상기 출구부(220)를 향해 각각 공급된다. 일 예로 냉각채널(210)은 출구부(220)를 향해 듀얼로 냉각채널(210)이 구성되므로 보다 많은 냉각 공기를 터빈 베인(33)의 표면 또는 라운드 부(37)로 공급하여 막 냉각을 실시할 수 있다.

상기 제1 냉각채널(210a)과 제2 냉각채널(210b)은 소정의 각도로 경사지며 출구부(220)에서 합류된다.

상기 냉각채널(210)은 원통 형태 또는 다각 형태 중에서 선택되는 어느 하나의 형태로 이루어지며 전술한 형태 이외로도 구성될 수 있다.

33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
100 : 막 냉각부
110 : 냉각채널
120 : 출구부
200 : 라운드 냉각부
210 : 냉각채널
220 : 출구부
S : 굴곡구간
S1, S2, S3 : 제1~3 굴곡구간

Claims

가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33);
상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38);
상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및
상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 구비된 라운드 냉각부(200)를 포함하되,
상기 라운드 냉각부(200)는 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(210)과, 상기 냉각 채널(210)을 통해 유입된 냉각 공기가 배출되는 출구부(220)를 포함하고, 상기 냉각채널(210)은 외측 길이 방향을 따라 권취된 보조 냉각부(300)를 더 포함하는 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 라운드 냉각부(200)는 상기 허브(31)와 상기 팁(32)을 연결하는 라운드 부(37)에서 경사지게 배치된 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 냉각채널(210)은 상기 라운드 부(37)의 내측에 위치되고, 상기 출구부(220)는 상기 라운드 부(37)의 외측에 위치된 가스 터빈.
제3 항에 있어서,
상기 냉각채널(210)은 5도 이상 45도 이하의 각도 중 선택되는 임의의 경사 각도 중의 어느 하나의 경사각으로 배치된 가스 터빈.
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제1 항에 있어서,
상기 보조 냉각부(300)는 스파이럴(Spiral) 형태로 형성된 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 보조 냉각부(300)는 상기 출구부(220)로 갈수록 반경이 증가되는 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 터빈 베인(33)은 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34);
상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면과 압력면(33a);
상기 연장된 흡입면과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함하고,
상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 상기 허브(31)와 상기 팁(32)의 임의의 구간에만 상기 라운드 냉각부(200)가 배치된 가스 터빈.
제11 항에 있어서,
상기 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);
상기 제1 굴곡구간(S1)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2);
상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함하고,
상기 라운드 냉각부(200)는 상기 제2 굴곡구간(S2) 또는 상기 제1,2 굴곡구간(S1, S2)에 모두 형성된 가스 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 라운드 냉각부(200)는 상기 제1 굴곡구간(S1) 보다 상기 제2 굴곡구간(S2)에 집중 배치된 가스 터빈.
제3 항에 있어서,
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 포함하되,
상기 라운드 냉각부(200)의 냉각채널(210)이 상기 막 냉각부(100)의 냉각채널(110) 보다 길게 연장된 가스 터빈.
가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33);
상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에 외측으로 연장된 라운드 부(37)를 매개로 연결된 앤드 월(38);
상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 상기 냉각 채널(110)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및
상기 라운드 부(37)에 대한 냉각을 위해 상기 터빈 베인(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(210)과, 상기 냉각채널(210)을 통해 유입된 공기가 배출되는 출구부(220)가 구비된 라운드 냉각부(200)가 구비되되,
상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)를 향해 유선형으로 연장되고,
상기 냉각채널(210)은 상기 출구부(220)에 단부가 연통된 제1 냉각채널(210a)과, 상기 제1 냉각채널(210a)과 소정의 각도를 이루며 상기 출구부(220)에 연통된 제1 냉각채널(210a)과 같은 위치에 연통된 제2 냉각채널(210b)을 포함하되,
상기 제1,2 냉각채널(210a, 210b)은 서로 대칭으로 배치되어 상기 출구부(220)와 연통된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제15 항에 있어서,
상기 라운드 냉각부(200)는 복수개가 한 쌍으로 이루어져 상기 라운드 부(37)에 배치된 가스 터빈.
제15 항에 있어서,
상기 라운드 냉각부(200)는 상기 허브(31)와 상기 팁(32)을 연결하는 라운드 부(37)에서 경사지게 배치된 가스 터빈.
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