KR102000838B1

KR102000838B1 - 가스 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR102000838B1
Application number: KR1020170125161A
Authority: KR
Inventors: 안윤호
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-07-16
Also published as: KR20190036208A

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 출구부(120)에는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 외측으로 확장되고, 상기 냉각 공기의 확산 이동을 도모하기 위해 내측에서 서로 마주보며 외측을 향해 복수회 확장된 확장부(150)를 포함하고, 상기 확장부(150)는 상기 막 냉각부(100)에 구비된 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 확장되는 제1 확장부(152)와, 상기 제1 확장부(152)에서 외측을 향해 확장되는 제2 확장부(154)를 포함하며, 상기 제1 확장부(152)는 상기 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 제1 각도(α1)와, 제1 길이(L1)로 확장되고, 상기 제2 확장부(154)는 외측을 향해 제2 각도(α2)와, 제2 길이(L2)로 확장되며, 상기 제1 각도(α1)는 상기 제2 각도(α2) 보다 큰 각도로 형성되어, 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제1 각도(α1)로 확산된 상기 냉각 공기의 흐름은, 상기 제2 확장부(154)에서 상기 제2 각도(α2)로 확산되며 안정화되고, 상기 제1 길이(L1)는 상기 제2 길이(L2) 보다 길게 연장되고, 상기 제2 확장부(154)는 상기 출구부(120)의 확장된 전체 길이(L)의 2L/3위치에서 확장된다.

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 실시할 때 발생되는 유동 박리를 최소화 시킨 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.

또한 냉각 공기는 상기 확장부(7b)를 따리 이동하면서 내측벽면에서 유동이 불안정해지면서 유동 박리로 인한 유동 흐름이 불안정해지면서 터빈 블레이드의 표면으로 분사되는 냉각 공기가 표면에 밀착되지 못하는 문제점이 유발되어 이에 대한 대책이 필요하게 되었다.

대한민국공개특허 제10-2015-0008749호

본 발명의 실시 예들은 가스 터빈 블레이드에 구비된 막 냉각부의 내부를 확장 시켜 터빈 블레이드로 분사되는 냉각 공기량의 증가와 박리 발생을 최소화 시켜냉각 성능 향상과 유동 안정성을 동시에 향상시킨 가스 터빈 블레이드를 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 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 출구부(120)에는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 외측으로 확장되고, 상기 냉각 공기의 확산 이동을 도모하기 위해 내측에서 서로 마주보며 외측을 향해 복수회 확장된 확장부(150)를 포함하고, 상기 확장부(150)는 상기 막 냉각부(100)에 구비된 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 확장되는 제1 확장부(152)와, 상기 제1 확장부(152)에서 외측을 향해 확장되는 제2 확장부(154)를 포함하며, 상기 제1 확장부(152)는 상기 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 제1 각도(α1)와, 제1 길이(L1)로 확장되고, 상기 제2 확장부(154)는 외측을 향해 제2 각도(α2)와, 제2 길이(L2)로 확장되며, 상기 제1 각도(α1)는 상기 제2 각도(α2) 보다 큰 각도로 형성되어, 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제1 각도(α1)로 확산된 상기 냉각 공기의 흐름은, 상기 제2 확장부(154)에서 상기 제2 각도(α2)로 확산되며 안정화되고, 상기 제1 길이(L1)는 상기 제2 길이(L2) 보다 길게 연장되고, 상기 제2 확장부(154)는 상기 출구부(120)의 확장된 전체 길이(L)의 2L/3위치에서 확장된다.
상기 제1 각도(α1)는 45도 또는 45도 이하의 각도인 것을 특징으로 한다.
상기 막 냉각부(100)에는 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)로 확장이 이루어지는 변경점과 마주보며 이격된 위치에서 상기 출구부(120)로 이동되는 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하기 위한 가이드 부(200)가 구비된다.
상기 가이드 부(200)는 상기 출구부(120)의 폭 방향을 기준으로 좌측에 위치된 제1 가이드 부(210); 상기 출구부(120)의 폭 방향을 기준으로 우측에 위치된 제2 가이드 부(220)을 포함한다.
상기 제1,2 가이드 부(210, 220)는 플레이트 형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나의 형태로 이루어진다.
상기 제1,2 가이드 부(210, 220)는 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다.
상기 막 냉각부(100)에는 상기 확장부(150)를 따라 홈부(140)가 형성된다.
상기 홈부(140)는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어진다.
상기 홈부(140)는 상기 확장부(150)에 가로 및 세로 방향으로 행렬 배열된다.
상기 홈부(140)는 상기 막 냉각부(100)의 상하 내측 바닥면과 좌우 측벽에 모두 형성된다.
상기 홈부(140)는 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)로 갈수록 깊이가 증가된다.

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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 냉각을 실시할 수 있어 냉각 성능이 향상과 유동 박리 발생을 최소화 할 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 막 냉각부를 확대 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 막 냉각부에 홈부가 형성된 상태를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 A-A선 단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드에 구비된 막 냉각부를 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 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.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드와 막 냉각부를 확대 도시한 사시도 이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 막 냉각부에 홈부가 형성된 상태를 도시한 도면 이며, 도 5는 도 4의 A-A선 단면도 이다.

첨부된 도 3 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.

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 갖도록 구성된다. 그리고 상기 출구부(120)에는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 외측으로 확장된 확장부(150)가 구비된다.

확장부(150)는 냉각 공기가 냉각채널(110)에서 출구부(120)를 경유하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사될 때 상기 출구부(120)의 폭이 상기 확장부(150)의 확장된 각도만큼 증가된다.

이 경우 냉각 공기는 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 분사되는 분사각이 상기 확장부(150)의 확장된 각도만큼 확산되게 공급될 수 있으므로 막 냉각부(100)의 한정된 레이 아웃을 유지하면서도 상기 터빈 블레이드(330)의 표면 냉각 효과를 최대로 유지시킬 수 있다.

이 경우 터빈 블레이드(33)는 표면에 대한 막 냉각 효과가 향상되고 전체적인 냉각 효율이 향상된다.

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 확장부(150)는 상기 막 냉각부(100)에 구비된 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 확장되는 제1 확장부(152)와, 상기 제1 확장부(152)에서 외측을 향해 확장되는 제2 확장부(154)를 포함한다.

본 실시 예는 냉각 공기가 출구부(120)를 경유하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되는 동안 모두 2번의 외측으로 확산 이동될 수 있어 기존에 비해 확산되는 각도가 증가된다.

제1 확장부(152)는 제2 확장부(154)에서 필요로 하는 확장각도까지 한 번에 확장되지 않고 소정의 각도로 우선 확장되고, 상기 제2 확장부(154)에서 최종 적으로 최적의 각도로 확장되므로 원하는 확장각도를 용이하게 확장시킬 수 있다.

또한 출구부(120)는 한 번에 확장되지 않고 복수로 확장되므로 상기 확장부(150)를 경유하는 냉각 유체의 안정적인 이동 흐름이 유지되므로 이동에 불리한 불필요한 난류 발생이 억제되고 터빈 블레이드(33)의 표면으로 냉각 공기를 확산시켜 공급할 수 있다.

상기 제1 확장부(152)는 상기 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 제1 각도(α1)와, 제1 길이(L1)로 연장된다. 일 예로 상기 제1 각도(α1)는 45도 또는 45도 이하의 각도로 확장된다

상기 제1 각도(α1)는 최대 45도 각도가 유지되는 것이 바람직한데, 상기 냉각 공기가 상기 냉각채널(110)을 경유하여 상기 제1 확장부(152)로 이동될 때 급격한 확장으로 인한 유동 불안정성을 최소화 하기 위해 전술한 각도로 유지된다.

다른 실시 예로는 제1 각도(α1)가 45도 이하의 각도가 유지될 수 있으며, 상기 제2 확장부(154)에서 한번 더 확장 되므로 상기 제1 확장부(152)에서 급격한 확장은 최소화 하는 것이 바람직하다.

상기 제1 각도(α1)는 제2 확장부(154)의 제2 각도(α2) 보다 큰 각도가 유지된다. 제2 확장부(154)는 제1 확장부(152)를 경유한 냉각 공기를 추가적으로 소정의 각도로 확산시키는 역할이므로 급격히 증가된 경사각도로 확장되지 않는다.

따라서 제1 확장부(152)의 제1 각도(α1)가 제2 각도(α2) 보다 크게 구성되는 것이 냉각 공기의 이동 측면에서 유리해진다.

상기 제1 확장부(152)는 상기 제1 각도(α1)와 함께 제1 길이(L1)로 연장되는데, 상기 제1 길이(L1)는 후술할 후술할 제2 확장부(154)의 제2 길이(L2) 보다 길게 연장된다.

냉각 공기는 상기 제1 확장부(152)에서 안정적으로 확산 및 이동이 이루어져야 상기 제2 확장부(154)를 향해 용이하게 이동될 수 있다. 만약 상기 제1 확장부(152)에서 유동 흐름이 불안정해지거나 불필요한 난류 발생으로 유동이 불안정해 질 경우 터빈 블레이드(33)의 표면으로 냉각 공기가 불안정하게 공급될 수 있다.

예를 들면 상기 제1 길이(L1)가 제2 확장부(154)의 제2 길이(L2)보다 상대적으로 길게 연장될 경우 상기 출구부(120)를 향해 이동하는 냉각 공기의 이동 안전성이 향상될 수 있다. 즉 냉각 공기는 난류 흐름 보다는 층류 흐름 또는 층류 흐름에 가깝게 유동 흐름이 안정화된 상태로 상기 출구부(120)를 향해 이동될 수 있다.

냉각 공기가 난류가 아닌 층류로 출구부(120)까지 이동될 경우 상기 출구부(120)의 내부에서는 이동 흐름이 안정화된 상태로 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 배출된다. 이 경우 터빈 블레이드(33)는 고온의 핫 가스와 냉각 공기가 서로 간에 혼합되면서 냉각이 이루어지고 상기 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면에서 불규칙한 이동 흐름이 발생되지 않고 일정하게 이동하면서 냉각이 이루어진다.

따라서 터빈 블레이드(33)에 대한 냉각 효율이 향상될 수 있고 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에서 이동하는 냉각 공기의 이동 흐름도 안정화될 수 있다.

본 실시 예에 의한 제2 확장부(154)는 전술한 제1 확장부(152)의 단부에서 도면에 도시된 바와 같이 외측을 향해 제2 각도(α2)와, 제2 길이(L2)로 연장된다.

상기 제2 각도(α2)는 전술한 제1 확장부(152)의 제1 각도(α1) 보다 작은 각도로 경사진다. 상기 제2 확장부(154)는 제1 확장부(152)를 경유한 냉각 공기를 터빈 블레이드(33)의 표면으로 확산시켜 분사시키는 역할을 하므로 급격하게 확장 각도가 증가할 경우 냉각 공기의 불안정한 유동을 유발시킬 수 있으므로 제1 각도(α1) 보다 작은 각도로 확장되어 냉각 공기의 분사 방향만 가이드 하는 것이 유지할 수 있다.

상기 제2 확장부(154)는 제2 길이(L2)로 연장되되, 상기 제1 길이(L1) 보다 짧은 길이로 연장된다. 냉각 공기는 제1 확장부(152)에서 확장과 함께 이동 방향이 유도된 후에 상기 제2 확장부(154)에서 추가 확장과 최종 이동 방향이 유도된다.

따라서 제2 확장부(154)는 제1 확장부(152) 보다 길게 연장되기 보다는 도면에 도시된 길이로 연장되는 것이 냉각 공기의 안정적인 이동에 유리해진다.

본 실시 예에 의한 제2 확장부(154)는 일 예로 상기 출구부(120)의 연장된 전체 길이(L)의 2L/3위치에서 확장된다. 상기 위치는 냉각 공기가 제1 확장부(152)에서 확장과 이동 방향이 안정적으로 이루어지기 가장 최적의 위치에 해당된다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 실시 예는 막 냉각부(100)에 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)로 확장이 이루어지는 변경점과 마주보며 이격된 위치에서 상기 출구부(120)로 이동되는 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하기 위한 가이드 부(200)가 구비된다.

상기 가이드 부(200)는 냉각 공기가 출구부(120)를 따라 이동될 때 상기 변경점에서 이동 흐름이 불안정해지는 현상을 최소화 하기 위해 구비된다.

상기 가이드 부(200)는 플레이트 형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나의 형태로 이루어지며, 구체적인 두께와 라운드 진 곡률은 특정 수치로 한정하지 않는다.

상기 가이드 부(200)는 상기 출구부(120)의 폭 방향을 기준으로 좌측에 위치된 제1 가이드 부(210)와, 상기 출구부(120)의 폭 방향을 기준으로 우측에 위치된 제2 가이드 부(220)을 포함한다.

냉각 공기는 출구부(120)의 내부 영역을 따라 이동되므로 상기 제1,2 가이드 부(210, 220)가 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다.

일 예로 가이드 부(200)는 높이가 상기 냉각채널(110)과 출구부(120)의 내측 높이와 동일하게 연장되며 출구부(120)의 내부를 특정 영역으로 구획하여 냉각 공기의 안정적인 이동을 도모한다.

상기 제1 가이드 부(210)는 상기 냉각채널(110)를 통해 출구부(120)로 이동하는 냉각 공기 중의 일부를 상기 출구부(120)의 좌측면으로 공급하여 변경점에서 냉각 공기의 유동이 불균일하게 발생되는 현상을 최소화 하고 상기 냉각 공기의 이동 방향을 좌측면으로 유도하여 안정적인 이동을 가이드 할 수 있다.

제2 가이드 부(220)는 상기 냉각채널(110)를 통해 출구부(120)로 이동하는 냉각 공기 중의 일부를 상기 출구부(120)의 우측면으로 공급하여 변경점에서 냉각 공기의 유동이 불균일하게 발생되는 현상을 최소화 하고 상기 냉각 공기의 이동 방향을 우측면으로 유도하여 안정적인 이동을 가이드 할 수 있다.

첨부된 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 막 냉각부(100)에는 확장부(150)를 따라 홈부(140)가 형성된다. 상기 홈부(140)는 냉각공기의 일부를 내부로 유입시켜 열 전달을 통한 터빈 블레이드(33)의 냉각 효율 향상을 도모하기 위해 형성되며 개수와 배치는 도면에 도시된 형태로 반드시 한정하지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

홈부(140)는 일 예로 상기 출구부(120)를 향해 원형 또는 타원 형태로 형성되는데, 길이와 폭은 특별히 한정하지는 않는다.

일 예로 상기 홈부(140)는 상기 확장부(150)에 가로 및 세로 방향으로 행렬 배열된다. 여기서 행렬 배열의 의미는 가로 및 세로 방향으로 규칙성을 갖고 배열되는 것을 의미한다.

홈부(140)는 냉각 공기 중의 일부가 내측으로 유입된 후에 소정의 시간 동안 회전하다가 이동된다. 냉각 공기는 소정 시간 동안 홈부(140)에서 딜레이되면서 열 교환이 이루어진 이후에 터빈 블레이드(33)의 표면으로 이동된다.

냉각 공기는 전술한 확장부(150)에서 이동과 동시에 박리가 부분적으로 발생될 수 있는데, 상기 확장부(150)에 홈부(140)가 형성됨으로써 박리 현상을 최소한으로 억제하고 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되는 주 흐름을 안정적으로 유지할 수 있다.

따라서 막 냉각부(100)의 내측을 경유하는 냉각 공기의 이동 흐름을 안정화 시킬 수 있고 터빈 블레이드(33)의 냉각 효율 향상을 동시에 도모할 수 있다.

본 실시 예에 의한 홈부(140)는 상기 막 냉각부(100)의 상하 내측 바닥면과 좌우 측벽에 모두 형성된다. 이 경우 위치에 따라 홈부(140)의 깊이가 변화되거나 직경이 변화되거나 배치 관계가 변화 될 수 있으며 박리가 주로 발생되는 특정 위치에 집중적으로 배치될 수 있다.

일 예로 홈부(140)는 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)로 갈수록 깊이가 증가될 수 있다. 냉각 공기는 직경이 일정한 곳을 이동할 경우와 본 실시 에와 같이 확장각이 변화되는 제1 확장부(152)에서 제2 확장부(154)로 이동될 경우 박리로 인해 유동이 불안정해지는 현상이 발생된다.

본 실시 에는 이러한 현상을 최소화 하기 위해 전술한 구성으로 이루어져 박리 발생을 최소화 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예는 가스 터빈 블레이드(33)에 확장부(150)가 구비된 가스 터빈을 제공하며, 상기 확장부(150)는 냉각 공기를 공급하는 다른 구성에 적용시켜 사용될 수 있다.

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

첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 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)에 구비된 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 확장되는 제1 확장부(152)와, 상기 제1 확장부(152)의 연장된 단부에서 상기 출구부(120)를 향해 수평하게 연장된 연장부(153)와, 상기 연장부(153)에서 외측을 향해 확장되는 제2 확장부(154)를 포함한다.

본 실시 예는 전술한 제1 실시 예와 달리 제1 확장부(152)와 제2 확장부(154) 사이에 연장부(153)가 수평하게 연장된다. 상기 연장부(153)는 냉각 공기가 제1 확장부(152)에서 제2 확장부(154)로 확장되면서 발생되는 불안정한 유동 흐름을 안정화 시키기 위해 형성된다.

상기 연장부(153)는 제1,2 확장부(152, 154)의 연장 길이 보다 짧은 제3 길이(L3)로 연장되는데, 상기 출구부(120)의 전체 길이가 한정적이고 제1,2 확장부(152, 154)의 각도를 고려하여 위와 같이 구성된다.

연장부(153)는 냉각 공기의 이동 안정성과 유동 박리가 최소화 되기 위해 구비되는데, 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)으로 급격히 확장될 때 발생되는 박리 현상을 감소시켜 터빈 블레이드(33)의 표면으로 냉각 공기를 안정적으로 공급할 수 있다.

본 실시 예에 의한 확장부(150)는 상기 막 냉각부(100)에 구비된 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 확장되는 제1 확장부(152)와, 상기 제1 확장부(152)에서 외측을 향해 확장되는 제2 확장부(154) 및 상기 제1 확장부(152)와 제2 확장부(154) 사이에 연장부(153)가 구비된다.

또한 냉각 공기가 제1 확장부(152)에서 제2 확장부(154)로 이동될 때 연장부(153)를 경유한 후에 이동되므로 박리로 인한 유동이 불안정해지는 현상이 감소될 수 있다.

상기 연장부(153)에는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어진 홈부(140)가 형성된다. 홈부(140)는 일 예로 상기 출구부(120)를 향해 원형 또는 타원 형태로 형성되는데, 길이와 폭은 특별히 한정하지는 않는다.

33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
100 : 막 냉각부
110 : 냉각채널
120 : 출구부
121, 122 : 측벽
140 : 홈부
150 : 확장부
152 : 제1 확장부
154 : 제2 확장부
200 : 가이드 부
210 : 제1 가이드 부
220 : 제2 가이드 부

Claims

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 출구부(120)에는 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 외측으로 확장되고, 상기 냉각 공기의 확산 이동을 도모하기 위해 내측에서 서로 마주보며 외측을 향해 복수회 확장된 확장부(150)를 포함하고,
상기 확장부(150)는 상기 막 냉각부(100)에 구비된 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 확장되는 제1 확장부(152)와, 상기 제1 확장부(152)에서 외측을 향해 확장되는 제2 확장부(154)를 포함하며,
상기 제1 확장부(152)는 상기 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 외측을 향해 제1 각도(α1)와, 제1 길이(L1)로 확장되고, 상기 제2 확장부(154)는 외측을 향해 제2 각도(α2)와, 제2 길이(L2)로 확장되며,
상기 제1 각도(α1)는 상기 제2 각도(α2) 보다 큰 각도로 형성되어,
상기 제1 확장부(152)에서 상기 제1 각도(α1)로 확산된 상기 냉각 공기의 흐름은, 상기 제2 확장부(154)에서 상기 제2 각도(α2)로 확산되며 안정화되고,
상기 제1 길이(L1)는 상기 제2 길이(L2) 보다 길게 연장되고, 상기 제2 확장부(154)는 상기 출구부(120)의 확장된 전체 길이(L)의 2L/3위치에서 확장되는 가스 터빈 블레이드.
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제1 항에 있어서,
상기 제1 각도(α1)는 45도 또는 45도 이하의 각도인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 블레이드.
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제1 항에 있어서,
상기 막 냉각부(100)에는 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)로 확장이 이루어지는 변경점과 마주보며 이격된 위치에서 상기 출구부(120)로 이동되는 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하기 위한 가이드 부(200)가 구비된 가스 터빈 블레이드.
제9 항에 있어서,
상기 가이드 부(200)는 상기 출구부(120)의 폭 방향을 기준으로 좌측에 위치된 제1 가이드 부(210);
상기 출구부(120)의 폭 방향을 기준으로 우측에 위치된 제2 가이드 부(220)을 포함하는 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 제1,2 가이드 부(210, 220)는 플레이트 형태 또는 라운드 진 형태 중의 어느 하나의 형태로 이루어진 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 제1,2 가이드 부(210, 220)는 상기 출구부(120)의 폭 방향 중앙을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 막 냉각부(100)에는 상기 확장부(150)를 따라 홈부(140)가 형성된 가스 터빈 블레이드.
제13 항에 있어서,
상기 홈부(140)는 원형 또는 타원형 중의 어느 하나의 형태로 이루어진 가스 터빈 블레이드.
제13 항에 있어서,
상기 홈부(140)는 상기 확장부(150)에 가로 및 세로 방향으로 행렬 배열된 가스 터빈 블레이드.
제13 항에 있어서,
상기 홈부(140)는 상기 막 냉각부(100)의 상하 내측 바닥면과 좌우 측벽에 모두 형성된 가스 터빈 블레이드.
제13 항에 있어서,
상기 홈부(140)는 상기 제1 확장부(152)에서 상기 제2 확장부(154)로 갈수록 깊이가 증가되는 가스 터빈 블레이드.
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