KR102000837B1

KR102000837B1 - 가스 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR102000837B1
Application number: KR1020170125160A
Authority: KR
Inventors: 이지연
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-07-16
Also published as: KR20190036207A

Abstract

가스 터빈 블레이드가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33); 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성된 돌기(200)를 포함하고, 상기 돌기(200)에는 상기 출구부(120)를 바라보며 상대면에 개구된 개구 홀(206)이 형성되고, 상기 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 경사지게 연장되고, 상기 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 직경이 감소되어, 상기 개구 홀(206)을 거친 상기 냉각 공기는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 유동하며, 상기 돌기(200) 사이에는 홈부(300)가 형성되고, 상기 홈부(300)는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어지고, 상기 홈부(300)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 깊이가 증가되며, 상기 홈부(300) 및 상기 돌기(200)는 방사상으로 배치되며, 상기 홈부(300)를 지나는 냉각 공기는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 밀착되어 유동한다.

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 확장각(α)으로 연장된다. 상기 확장각(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 냉각부를 경유한 냉각 공기의 안정적인 이동과 타빈 블레이드 표면에서의 냉각 효율 향상을 위한 가스 터빈 블레이드를 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33); 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성된 돌기(200)를 포함하고, 상기 돌기(200)에는 상기 출구부(120)를 바라보며 상대면에 개구된 개구 홀(206)이 형성되고, 상기 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 경사지게 연장되고, 상기 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 직경이 감소되어, 상기 개구 홀(206)을 거친 상기 냉각 공기는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 유동하며, 상기 돌기(200) 사이에는 홈부(300)가 형성되고, 상기 홈부(300)는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어지고, 상기 홈부(300)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 깊이가 증가되며, 상기 홈부(300) 및 상기 돌기(200)는 방사상으로 배치되며, 상기 홈부(300)를 지나는 냉각 공기는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 밀착되어 유동한다.

상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙에 위치된다.

상기 터빈 블레이드(33)는 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34); 상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a); 상기 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함하고, 상기 터빈 블레이드(33)는 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 돌기(200)가 형성된다.

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 돌기(200)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된다.

상기 돌기(200)는 상기 터빈 블레이드(33)의 허브(31)와 팁(32)에 이르는 구간에서 서로 다른 길이로 돌출된다.

상기 돌기(200)는 원형 형태 또는 다각형 형태 또는 반원형 형태 또는 사다리꼴 형태 중의 어느 한 형태로 이루어진다.

상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 일정 간격으로 복수개가 연속 배치된다.

상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 돌출 높이가 증가되는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 제1 이격 거리(L1)로 이격된 곳에 복수개의 단위 돌기로 이루어진 중앙 돌기부(200a); 상기 중앙 돌기부(200a)를 기준으로 서로 마주보며 이격되고 상기 출구부(120)에서 외측으로 확장된 확장각(α)과 대응되는 각도로 경사지게 배치된 측면 돌기부(200b)를 포함한다.

삭제

본 실시 예에 따른 가스 터빈 블레이드(33) 표면에 돌기(200)가 구비된 가스터빈을 제공한다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33); 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 상기 출구부(120)의 외측으로 이격된 터빈 블레이드(33)의 표면에 형성된 홈부(3000); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성되고 상기 홈부(3000)를 경유한 냉각 공기를 유도하는 돌기(2000)를 포함하고, 상기 홈부(3000)는 상기 돌기(2000)와 이웃하여 배치되되, 상기 홈부(3000)는 상기 돌기(2000)로 갈수록 깊이가 깊어지고, 이웃한 상기 홈부(3000) 및 상기 돌기(2000)는 상기 냉각 공기의 이동 방향 상에 서로 번갈아가며 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 돌기(2000)는 상기 냉각 공기의 이동 방향과 반대 방향을 향해 돌출된다.

상기 돌기(2000)는 일 방향으로 길게 연장된 타원 형태로 이루어진다.

상기 돌기(2000)는 선단부에서 후단부로 갈수록 폭이 감소되는 에어포일 형태인 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 실시 예들은 출구부의 외측에 구비된 다수개의 돌기를 통해 열 전달 성능을 향상시킬 수 있고 이를 통해 터빈 블레이드의 표면에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 돌기와 홈부의 조합을 통해 냉각 공기의 이동 안정성 향상과 터빈 블레이드의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

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 돌기를 도시한 사시도.
도 4 내지 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기가 허브에서 팁까지 서로 다른 크기로 구성된 상태를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의해 돌기의 다른 실시 예를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기에 개구 홀이 형성된 상태를 도시한 사시도.
도 7은 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기에 형성된 개구 홀의 다양한 실시 예를 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기의 또 다른 실시 예를 도시한 사시도.
도 10은 도 9에 도시된 돌기와 홈부의 단면도.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드를 도시한 사시도.
도 12는 도 11에 도시된 돌기와 홈부의 단면도.
도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 돌기의 다른 실시 예를 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.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드에 대해 보다 상세하게 설명한다. 참고로 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드와 돌기를 도시한 사시도 이고, 도 4 내지 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기가 허브에서 팁까지 서로 다른 크기로 구성된 상태를 도시한 사시도 이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의해 돌기의 다른 실시 예를 도시한 사시도 이다.

첨부된 도 2 내지 도 5를 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.

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 확장각(α)을 갖고 폭 방향에서 타원 형태로 연장된다.

상기 냉각채널(110)은 원형의 실린더 형태로 상기 출구부(120)를 향해 연장되고, 상기 확장각(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 확장각(α)이 15도 이상 40도 이내의 범위에서 최적의 상태로 냉각 공기의 이동 흐름을 안정적으로 유도하여 막 냉각 효과를 유발할 수 있다.

가스 터빈 블레이드는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33)와, 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100) 및 상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성된 돌기(200)를 포함한다.

본 실시 예에 의한 돌기(200)는 출구부(120)의 내측에 위치되지 않고 출구부(120)를 경유한 냉각 공기와의 이동 방향을 표면으로 유도하고, 이와 동시에 냉각을 도모하기 위해 구비된다.

이를 위해 상기 돌기(200)는 일 예로 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙에 위치된다. 상기 돌기(200)가 출구부(120)의 전방에 위치되는 이유는 냉각 공기가 상기 출구부(120)를 경유하여 도면에 도시된 바와 같이 배출된 후에 박리로 인한 터빈 블레이드(33) 표면과의 밀착력이 약해지는 현상을 예방하기 위해서이다.

냉각 공기는 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 이동할 때 밀착되어 이동하는 것이 안정적인 냉각 성능 유지에 유리하다. 예를 들면 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면에서 멀어지거나 표면을 따라 이동하지 못할 경우 불필요한 와류가 발생될 수 있다.

터빈 블레이드(33)는 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.

그리고 상기 터빈 블레이드(33)는 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 돌기(200)가 형성된다.

상기 돌기(200)는 터빈 블레이드(33)의 표면에 모두 형성되지 않고 굴곡구간(S)에만 형성되는데, 상기 굴곡구간(S)은 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사된 후에 전부 밀착되어 이동되지 못하고 부분적으로 이격되는 구간에 해당된다.

냉각 공기는 이상적으로 터빈 블레이드(33)의 표면에 밀착되어 상기 리딩 엣지(34)에서부터 상기 트레일링 엣지(35)까지 이동되는 것이 바람직하나 실제로는 상기 굴곡구간(S)에서 이동이 불안정해지는 현상이 발생된다.

일 예로 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 돌기(200)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된다.

상기 제2 굴곡구간(S2)은 압력면(33a)에 해당되는 곳으로 터빈 블레이드(33)의 내측을 향해 유선형으로 라운드진 구간에 해당된다.

본 실시 예에 의한 돌기(200)는 제2 구간(S2)에 형성되어 냉각 공기의 안정적인 이동을 도모하여 터빈 블레이드(33)의 냉각 효율 향상을 도모하고자 한다.

돌기(200)는 원형 형태 또는 다각형 형태 또는 반원형 형태 또는 사다리꼴 형태 중의 어느 한 형태로 이루어진다.

돌기(200)는 전술한 형태 이외에도 다른 형태로도 변경 가능하며 냉각 공기와의 열교환 성능이 향상되도록 복합으로 구성되는 것도 가능할 수 있다.

예를 들면 원형과 다각형이 복합 배치되거나, 원형과 반원형이 복합 배치되도록 구성되는 것도 가능하며 도면에 도시된 형태로 반드시 한정하지 않는다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(200)는 상기 터빈 블레이드(33)의 허브(31)와 팁(32)에 이르는 구간에서 서로 다른 길이로 돌출된다. 실제 터빈 블레이드(200)는 회전시 상기 허브(31)에서 냉각 공기의 이동 속도와 상기 팁(32)에서 냉각 공기의 이동 속도가 상이 해진다.

일 예로 터빈 블레이드(33)가 회전되는 조건에서 표면을 따라 이동하는 냉각 공기의 이동 속도는 허브(31)와 팁(32)에서 각각 상이한데, 상기 허브(31) 보다 상기 팁(32)이 형성된 위치에서의 냉각 공기가 빠르게 이동한다.

본 실시 예는 이러한 터빈 블레이드(33)의 위치별 차이점을 고려하여 상기 팁(32)에서 상기 허브(31)로 갈수록 돌기(200)의 돌출 길이가 증가되게 구성될 수 있다.

이 경우 돌기(200)는 냉각 공기와의 접촉 면적 증가로 인해 열전달 면적이 증가되어 냉각 효율 향상에 보다 유리해 진다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 일정 간격으로 복수개가 연속 배치된다. 돌기(200)는 서로 간에 이격된 간격을 특별히 한정하지 않으나 이웃한 다른 막 냉각부와의 간격을 고려하여 특정 개수로 배치된다.

돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 돌출 높이가 증가된다. 냉각 공기는 돌기(200)를 경유하면서 이동 방향과 이동 흐름이 변화된다. 냉각 공기가 돌기(200)를 따라 이동하면서 터빈 블레이드(33)의 표면에서 이격되지 않으려면 출구부(120)와 인접된 곳에 위치된 돌기(200)의 높이가 출구부(120)에서 멀어질수록 증가되는 것이 냉각 공기가 박리되지 않고 안정적으로 이동될 수 있다.

이 경우 냉각 공기는 돌기(200)를 경유하면서 접촉력이 일정하게 유지되면서 제2 구간(S2)을 따라 이동된다.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(200)에는 상기 출구부(120)를 바라보며 상대면에 개구된 개구 홀(206)이 형성된다. 상기 개구 홀(206)은 냉각 공기 중의 일부가 유입되는 공간을 제공한다.

상기 냉각 공기는 돌기(200)를 경유하면서 이동 방향과 흐름이 변화되지 않고 안정적으로 이동하는 것이 가장 바람직 하다. 이를 위해 상기 개구 홀(206)은 냉각 공기가 직접 내측을 경유하도록 이동 경로를 가이드 하여 이동 방향으로 안정적인 이동을 도모하고 접촉 면적 증가에 따른 열교환 성능을 향상시킬 수있다.

첨부된 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 경사지게 연장된다. 상기 개구 홀(206)은 15도 각도 또는 그 이하의 각도에서 경사질 수 있으나 전술한 각도로 반드시 한정하지 않는다.

이와 같이 개구 홀(206)이 형성될 경우 냉각 공기는 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 일부가 이동하고 나머지 일부는 돌기(200)를 경유하여 이동되므로 냉각 공기의 이동 방향이 제2 구간(S2)에서 밀착되게 유지된다.

첨부된 도 8을 참조하면, 본 실시 예에 의한 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 직경이 감소될 수 있으며, 이 경우 냉각 공기의 이동 속도가 증가되어 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사된다.

냉각 공기는 이동 속도가 저하될 경우 터빈 블레이드(33)의 표면에 밀착된 상태로 이동되지 못할 수 있으므로 안정적인 이동을 위해 냉각 공기의 이동 속도는 감소되지 않는 것이 바람직 하다.

첨부된 도 9 내지 도 10을 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 제1 이격 거리(L1)로 이격된 곳에 복수개의 단위 돌기로 이루어진 중앙 돌기부(200a)와, 상기 중앙 돌기부(200a)를 기준으로 서로 마주보며 이격되고 상기 출구부(120)에서 외측으로 확장된 확장각(α)과 대응되는 각도로 경사지게 배치된 측면 돌기부(200b)를 포함한다.

상기 중앙 돌기부(200a)는 출구부(120)를 통과한 냉각 공기가 화살표 방향으로 이동되도록 이동 방향을 a위치로 가이드 된다. 냉각 공기는 터빈 블레이드(33)의 표면에 돌기(200)가 구비된 경우 접촉에 따른 열교환과, 이동 방향이 특정 위치로 보다 용이하게 가이드 된다.

측면 돌기부(200b)는 상기 출구부(120)를 통과한 냉각 공기 중 중앙이 아닌 내측면 위치에서 통과된 냉각 공기가 b, c위치로 이동되도록 가이드 한다.

특히 본 실시 예는 상기 측면 돌기부(200b)에 의해 냉각 공기가 출구부(120)를 통과한 이후에 서로 간에 혼합되는 현상이 감소하고 상기 측면 돌기부(200b)의 배치된 상태를 따라 안정적으로 이동될 수 있다.

즉 측면 돌기부(200b)는 냉각 공기와 접촉되면서 이동 방향을 특정 위치로 가이드 하는 역할과, 상기 냉각 공기의 확산 이동되는 범위를 특정 범위로 한정시켜 냉각 공기의 박리 현상을 최소화 하고, 압력 강하로 인한 유동 불안정 현상을 최소화 할 수 있다.

따라서 냉각 공기는 안정적인 이동과 터빈 블레이드(33)의 표면 냉각을 동시에 도모할 수 있다.

본 실시 예에 의한 중앙 돌기부(200a)와 상기 측면 돌기부(200b) 사이에는 홈부(300)가 형성된다. 상기 홈부(300)는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어진다.

상기 홈부(300)는 냉각 공기 중의 일부가 내측으로 유입된 후에 소정의 시간 동안 회전하다가 외측으로 이동된다. 냉각 공기는 소정 시간 동안 홈부(300)에서 딜레이되면서 열 교환이 이루어진 이후에 터빈 블레이드(33)의 표면으로 이동된다.

냉각 공기는 출구부(120)를 통과하여 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 이동하면서 특정 위치에서 부분적으로 발생될 수 있는데, 상기 홈부(300)에 의해 냉각 공기의 저항을 감소시키고 박리로 인한 냉각 공기의 이탈을 예방할 수 있다.

따라서 막 냉각부(100)의 내측을 경유하는 냉각 공기의 이동 흐름을 안정화 시킬 수 있고 터빈 블레이드(33)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 홈부(300)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 깊이가 증가될 수 있다. 홈부(300)의 깊이는 수치적으로 한정하지는 않으나 출구부(120)를 기준으로 전술한 구성으로 이루어진다.

냉각 공기는 홈부(300)를 경유하면서 이동 궤적이 점선의 화살표로 도시된 바와 같이 표면에서 박리되지 않고 밀착된 상태의 이동 흐름이 나타난다.

따라서 냉각 공기는 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 안정적으로 이동된다.

본 실시 예에 따른 가스 터빈 블레이드(33)는 표면에 돌기(200)가 구비된 가스터빈을 제공한다. 돌기(200)는 막 냉각부(100)의 내부가 아닌 외측에 구비된다.

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

첨부된 도 11 내지 도 12를 참조하면, 본 실시 예는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33)와, 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)와, 상기 출구부(120)의 외측으로 이격된 터빈 블레이드(33)의 표면에 형성된 홈부(3000) 및 상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성되고 상기 홈부(3000)를 경유한 냉각 공기를 유도하는 돌기(2000)를 포함한다.

본 실시 예는 홈부(3000)는 상기 출구부(120)와 상기 돌기(2000) 사이에 위치되며, 상기 돌기(2000)로 이동되는 냉각 공기의 박리 현상을 예방한다.

그리고 상기 터빈 블레이드(33)는 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 돌기(2000)가 형성된다.

상기 돌기(2000)는 터빈 블레이드(33)의 표면에 모두 형성되지 않고 굴곡구간(S)에만 형성되는데, 상기 굴곡구간(S)은 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면에 전부 밀착되지 못하고 부분적으로 이격되는 구간에 해당된다.

냉각 공기는 이상적으로 터빈 블레이드(33)의 표면에 밀착되어 상기 리딩 엣지(34)에서부터 상기 트레일링 엣지(35)까지 이동되지 못하고 굴곡구간(S)에서 이동이 불안정해지는 현상이 발생된다.

일 예로 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 돌기(2000)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된다.

홈부(3000)는 위치에 따라 냉각 공기의 안정적인 이동과 열교환 성능에 영향을 미치는데, 본 실시 예는 냉각 공기가 돌기(2000)로 이동되기 까지 이동 안전성을 향상시킨 실시 예에 해당된다.

특히 냉각 공기는 출구부(120)를 통과한 직후 터빈 블레이드(33)의 표면과 상기 출구부(120)가 개구된 각도 차이에도 불구하고 상기 홈부(3000)에 의해 터빈 블레이드(33)의 표면을 따라 돌기(2000)가 위치된 곳까지 안정적으로 이동된다.

따라서 본 실시 예에 의한 홈부(3000)는 출구부(120)를 통과한 직후 터빈냉각 블레이드(33)의 표면을 따라 이동하는 공기의 안정적인 이동을 통해 이동 안정성 향상과 터빈 블레이드(33)의 냉각 효율 향상을 도모할 수 있다.

상기 홈부(3000)는 상기 돌기(2000)와 이웃하여 배치되되, 상기 돌기(2000)로 갈수록 깊이가 깊어지게 구성된다. 이와 같이 구성되면 냉각 공기가 돌기(2000)까지 이동될 때 박리로 인한 이탈 현상이 예방되고 이동 안정성이 향상된다.

특히 냉각 공기는 출구부(120)에서 멀어질수록 박리 발생이 증가되므로 전술한 바와 같이 홈부(3000)를 구성하여 안정적인 냉각 공기의 이동을 도모할 수 있다.

상기 돌기(2000)는 상기 냉각 공기의 이동 방향과 반대 방향을 향해 돌출된다. 이 경우 돌기(2000)는 터빈 블레이드(33)의 표면에서 직각으로 돌출되지 않고 45도 이하의 각도로 경사지게 돌출되므로 냉각 공기와의 충돌로 인한 불필요한 와류 발생을 최소화 할 수 있다.

냉각 공기는 돌기(2000)와 접촉후 계속해서 이동하므로 저항에 의한 유동 박리를 최소화 하는 것이 안정적인 이동에 유리해지므로 위와 같이 구성한다.

첨부된 도 13을 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(2000)는 일 방향으로 길게 연장된 타원 형태로 이루어진다. 이 경우 냉각 공기는 상기 돌기(2000)의 표면을 따라 이동될 때 박리로 인한 현상이 최소화 되고, 외주면을 따라 최대한 밀착된 이동 흐름이 나타난다.

돌기(2000)는 돌출되는 길이는 감소시키고 타원 형태로 형성될 경우 냉각 공기와의 접촉과 동시에 돌기(2000)의 형상에 의해 표면을 따라 이동하는 궤적이 나타난다.

상기 냉각 공기는 돌기(2000)에 의해 이동 방향 변경과 접촉 및 열전달이 동시에 이루어지므로 제2 구간(S2)에서의 안정적인 이동과 냉각을 달성할 수 있다.

일 예로 상기 돌기(200)는 선단부에서 후단부로 갈수록 폭이 감소되는 에어포일 형태로 구성될 수 있으며, 형태에 따른 세부적인 치수는 생략한다.

33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
100 : 막 냉각부
110 : 냉각채널
120 : 출구부
121, 122 : 측벽
200, 2000 : 돌기
S : 굴곡구간
S1, S2, S3 : 제1~3 굴곡구간
3000 : 홈부

Claims

가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33);
상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100); 및
상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성된 돌기(200)를 포함하고,
상기 돌기(200)에는 상기 출구부(120)를 바라보며 상대면에 개구된 개구 홀(206)이 형성되고,
상기 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 경사지게 연장되고,
상기 개구 홀(206)은 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 직경이 감소되어, 상기 개구 홀(206)을 거친 상기 냉각 공기는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 유동하며,
상기 돌기(200) 사이에는 홈부(300)가 형성되고,
상기 홈부(300)는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어지고,
상기 홈부(300)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 깊이가 증가되며,
상기 홈부(300) 및 상기 돌기(200)는 방사상으로 배치되며,
상기 홈부(300)를 지나는 냉각 공기는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 밀착되어 유동하는 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙에 위치된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(33)는 핫 가스가 유입되는 선단부를 바라보는 리딩 엣지(34);
상기 리딩 엣지(34)에서 후단부를 향해 각각 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a);
상기 연장된 흡입면(33b)과 압력면(33a)의 단부에 형성된 트레일링 엣지(35)를 포함하고,
상기 터빈 블레이드(33)는 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 돌기(200)가 형성된 가스 터빈 블레이드.
제3 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 돌기(200)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(200)는 상기 터빈 블레이드(33)의 허브(31)와 팁(32)에 이르는 구간에서 서로 다른 길이로 돌출된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(200)는 원형 형태 또는 다각형 형태 또는 반원형 형태 또는 사다리꼴 형태 중의 어느 한 형태로 이루어진 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 일정 간격으로 복수개가 연속 배치된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 멀어질수록 돌출 높이가 증가되는 가스 터빈 블레이드.
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제1 항에 있어서,
상기 돌기(200)는 상기 출구부(120)에서 제1 이격 거리(L1)로 이격된 곳에 복수개의 단위 돌기로 이루어진 중앙 돌기부(200a);
상기 중앙 돌기부(200a)를 기준으로 서로 마주보며 이격되고 상기 출구부(120)에서 외측으로 확장된 확장각(α)과 대응되는 각도로 경사지게 배치된 측면 돌기부(200b)를 포함하는 가스 터빈 블레이드.
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타이로드(15)에 의해서 축방향으로 이격되지 않도록 체결되는 복수 개의 압축기 로터 디스크가 구비되어 압축공기를 형성하는 압축기 섹션(12);과
연료 분사 노즐 등을 포함하는 버너와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너 그리고 상기 연소기 라이너와 연결되는 트랜지션 피스를 포함하여 상기 압축기 섹션(12)으로부터 유입된 압축공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 고온 고압의 연소가스를 만들어내는 연소기;와
가스 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 로터 디스크를 복수 개 구비하여 상기 연소기에서 나온 고온 고압의 연소가스의 팽창을 통해 기계적인 에너지를 생성하는 터빈 섹션(30);을 포함하고,
상기 가스 터빈 블레이드는 제1항 내지 제8항 및 제12항 중 어느 한 항에 따르는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33);
상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100);
상기 출구부(120)의 외측으로 이격된 터빈 블레이드(33)의 표면에 형성된 홈부(3000); 및
상기 터빈 블레이드(33)의 표면 중 상기 출구부(120)와 마주보며 이격된 위치에 형성되고 상기 홈부(3000)를 경유한 냉각 공기를 유도하는 돌기(2000)를 포함하고,
상기 홈부(3000)는 상기 돌기(2000)와 이웃하여 배치되되, 상기 홈부(3000)는 상기 돌기(2000)로 갈수록 깊이가 깊어지고,
이웃한 상기 홈부(3000) 및 상기 돌기(2000)는 상기 냉각 공기의 이동 방향 상에 서로 번갈아가며 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드.
제17 항에 있어서,
상기 돌기(2000)는 상기 냉각 공기의 이동 방향과 반대 방향을 향해 돌출된 가스 터빈 블레이드.
제17 항에 있어서,
상기 돌기(2000)는 일 방향으로 길게 연장된 타원 형태로 이루어진 가스 터빈 블레이드.
제17 항에 있어서,
상기 돌기(2000)는 선단부에서 후단부로 갈수록 폭이 감소되는 에어포일 형태인 가스 터빈 블레이드.
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