KR102000840B1

KR102000840B1 - 가스 터빈

Info

Publication number: KR102000840B1
Application number: KR1020170139307A
Authority: KR
Inventors: 김인겸
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-10-01
Also published as: KR20190046117A; US20200024991A1

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)에서 연결된 앤드 월(38); 및 상기 허브(31)에서부터 팁(32)에 이르는 전체 스팬(S) 중 구간 별로 상이한 에어 포일(airfoil)로 이루어진다.

Description

가스 터빈{Gas Turbine}

본 발명은 가스 터빈에 구비된 터빈 베인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 터빈 베인을 에어 포일 형태로 변경한 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 구성된 가스 터빈 중 터빈 베인에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

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

핫 가스는 터빈 베인(3)의 리딩 엣지(3a)를 경유하여 트레일링 엣지(3b)로 이동되는 동안 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름이 발생된다. 상기 이차 볼텍스(secondary vortex) 흐름은 압력면(3e)과 흡입면에서 와류 형태의 이동 흐름이 앤드월(3c)을 따라 발생된다.

이와 더불어 터빈 베인(3)은 앤드 월(3c)과 인접한 부위에 필렛(3d)이 형성되는데, 상기 필렛(3d)은 터빈 베인(3)이 앤드 월(3c)에 연결되기 위한 단순 구조로 핫 가스의 이동 안정성 향상과 이차 볼텍스의 감소를 위한 형상이 구현되지 않아 별다른 효과를 유발하지 못하는 실정이다.

따라서 터빈 베인(3)이 구비된 가스 터빈의 효율 향상을 위해 핫 가스의 이동을 안정화 시킬 수 있는 형상 구현이 시급하게 요구되고 있는 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2015-0008749호

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인의 전체 형상을 에어 포일 형태로 변경하여2차 볼텍스의 발생을 최소화 하여 핫 가스의 이동 안정성을 도모하기 위한 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면 가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33); 상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에서 연결된 앤드 월(38); 및 상기 허브(31)에서부터 팁(32)에 이르는 전체 스팬(S) 중 구간 별로 상이한 에어 포일(airfoil)로 이루어진다.

상기 터빈 베인(33)은 상기 허브(31)에서 상기 팁(32)을 향해 제1 길이로 연장된 제1 스팬(S1); 상기 제1 스팬(S1)에서 상기 팁(32)을 향해 제2 길이로 연장된 제2 스팬(S2); 상기 제2 스팬에서(S2)에서 상기 팁(32)까지 제3 길이로 연장된 제3 스팬(S3)을 포함하고, 상기 제1 스팬(S1)에서 상기 제3 스팬(S3)으로 갈수록 에어 포일의 최대 두께가 순차적으로 감소된다.

상기 터빈 베인(33)은 상기 제3 스팬(S3)에서 상기 제1 스팬(S1)으로 갈수록 리딩 엣지의 곡률이 증가된다.

상기 터빈 베인(33)은 상기 제3 스팬(S3)에서 상기 제1 스팬(S1)으로 갈수록 트레일링 엣지의 곡률이 감소된다.

상기 제1 스팬(S1)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제1 리딩 엣지(1La); 상기 제1 리딩 엣지(1La)에서 연장된 단부를 구성하는 제1 트레일링 엣지(1Ta); 상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제1 리딩 엣지(1La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제1 받음각(1aa); 상기 제1 리딩 엣지(1La)에서 상기 제1 트레일링 엣지(1Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제1 코드 길이(1CL); 상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제1 최대 두께(T1)를 포함한다.

상기 제1 받음각(1aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 한다.

상기 제1 코드 길이(1CL)는 200 ~ 250mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 한다.

상기 제1 최대 두께(T1)는 40 ~ 75mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 한다.

상기 제2 스팬(S2)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제2 리딩 엣지(2La); 상기 제2 리딩 엣지(2La)에서 연장된 단부를 구성하는 제2 트레일링 엣지(2Ta); 상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제2 리딩 엣지(2La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제2 받음각(2aa); 상기 제2 리딩 엣지(2La)에서 상기 제2 트레일링 엣지(2Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제2 코드 길이(2CL); 상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제2 최대 두께(T2)를 포함한다.

상기 제2 받음각(2aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 한다.

상기 제2 코드 길이(2CL)는 180 ~ 230mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 한다.

상기 제2 최대 두께(T2)는 36 ~ 69mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 한다.

상기 제3 스팬(S3)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제3 리딩 엣지(3La); 상기 제3 리딩 엣지(3La)에서 연장된 단부를 구성하는 제3 트레일링 엣지(3Ta); 상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제3 리딩 엣지(3La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제3 받음각(3aa); 상기 제3 리딩 엣지(3La)에서 상기 제3 트레일링 엣지(3Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제3 코드 길이(3CL); 상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제3 최대 두께(T3)를 포함한다.

상기 제3 받음각(3aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 한다.

상기 제3 코드 길이(3CL)는 180 ~ 200mm 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 제3 최대 두께(T3)는 36 ~ 60mm 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 터빈 베인(33)은 상기 가스 터빈의 제1 단 터빈에서 마지막 터빈까지 구비되되, 상기 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 최대 두께가 얇아 지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 코드 길이는 길어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들은 터빈 베인의 형상 변경에 의해 표면에서 발생되었던 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름을 약화시켜 핫 가스의 안정적인 이동 흐름을 유도할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 전체 스팬에서 에어 포일 형상이 구현되므로 흡입면과 압력면에서의 핫 가스의 이동 안정성능을 유지시키고, 터빈 베인의 공력 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 터빈 베인을 도시한 사시도.
도 2는 본 실시 예에 의한 터빈 베인이 설치된 가스 터빈의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 베인을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 베인의 에어 포일 형태를 일 예로 도시한 부분 사시도.
도 5는 도 3에 도시된 A-A선 단면도.
도 6은 도 3에 도시된 B-B선 단면도.
도 7은 도 3에 도시된 C-C선 단면도.
도 8은 본 발명과 종래의 터빈 베인의 횡 단면도를 중첩시켜 서로 비교 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)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 일 실시 예에 의한 가스 터빈에 대해 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 참고로 첨부된 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 베인을 도시한 사시도 이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 베인의 에어 포일 형태를 일 예로 도시한 부분 사시도 이며, 도 5는 도 3에 도시된 A-A선 단면도 이고, 도 6은 도 3에 도시된 B-B선 단면도 이며, 도 7은 도 3에 도시된 C-C선 단면도 이다.

첨부된 도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈은 고온의 핫 가스가 터빈 베인(33)의 형상에 관한 것으로 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에서 연결된 앤드 월(38) 및 상기 허브(31)에서부터 팁(32)에 이르는 전체 스팬(S) 중 구간 별로 상이한 에어 포일(airfoil)로 이루어진다.

특히 본 실시 예는 터빈 베인(33)으로 공급된 핫 가스가 경유할 때 발생되는 이차 볼텍스(secondary vortex)의 이동 흐름을 최소화 시켜 흡입면(LP)과 압력면(HP)에서의 불필요한 패시지 볼텍스(passage vortex)로 인한 공력 성능의 손실을 최소화 할 수 있다.

이를 위해 본 실시 예는 앤드월(38)의 허브(31)에서부터 팁(32)에 이르는 전체 스팬(S)이 에어 포일로 이루어지는데, 종래에 비해 리딩 엣지(La) 또는 트레일링 엣지(Ta) 또는 흡입면(LP)과 압력면(HP)의 위치에서 핫 가스의 이동이 서로 상이하게 나타난다.

본 실시 예는 앤드 월과 연결되는 허브(31) 또는 팁(32)의 연결 부위에 별도의 필렛을 형성하지 않고 에어 포일 형태로 구성되므로 낫 가스의 난류 이동을 최소화 시켜 안정적인 이동을 도모할 수 있다.

상기 터빈 베인(33)은 상기 허브(31)에서 상기 팁(32)을 향해 제1 길이로 연장된 제1 스팬(S1)과, 상기 제1 스팬(S1)에서 상기 팁(32)을 향해 제2 길이로 연장된 제2 스팬(S2)과, 상기 제2 스팬에서(S2)에서 상기 팁(32)까지 제3 길이로 연장된 제3 스팬(S3)을 포함하고, 상기 제1 스팬(S1)에서 상기 제3 스팬(S3)으로 갈수록 에어 포일의 최대 두께가 순차적으로 감소된다.

제1 내지 제3 스팬(S1, S2, S3)은 도면에 도시된 제1 내지 3 길이로 한정하지 않고 변동 가능하나, 통상적으로 제2 스팬(S2)의 길이가 제1,3 스팬(S1, S3)보다 길게 연장된다.

상기 터빈 베인(33)은 제1 스팬(S1)보다는 제3 스팬(S3)의 최대 두께가 감소하므로 핫 가스가 이동할 때 상기 허브(31)에서 상기 팁(32)으로 갈수록 압력면(HP)에서의 압력 분포가 증가하다가 감소된다.

이 경우 핫 가스는 상기 허브(31) 위치에 해당되는 제1,2 스팬(S1, S2)위치까지 압력이 증가하다가 상기 제3 스팬(S3)에서부터 압력이 하강되는 압력 분포 상태가 유지된다.

상기 압력면(HP)은 핫 가스가 이동할 때 이차 볼텍스로 인한 박리 현상이 가장 크게 발생되는 영역으로 본 실시 예와 같이 터빈 베인(33)을 구성할 경우 핫 가스의 이동에 따른 안정성을 향상시킬 수 있다.

본 실시 예는 종래의 터빈 베인(3)과 달리 표면이 에어 포일 형태로 구성되므로 핫 가스와 접촉시 유선형의 라운드 진 표면을 따라 동하는 이동 궤적이 유도된다.

그러나 종래의 터빈 베인(3)은 단순 면처리된 구성이므로 본 실시 예와 같이 핫 가스의 이동을 가이드 하기 어려운 차이점을 가지고 있다.

상기 터빈 베인(33)은 상기 제3 스팬(S3)에서 상기 제1 스팬(S1)으로 갈수록 리딩 엣지(La)의 곡률이 증가된다.

상기 리딩 엣지(La)는 허브(31)와 인접한 곳에 해당되고, 상기 위치는 냉각 공기가 트레일링 엣지(Ta)로 이동되는 이동 궤적을 초기에 가이드 하는 곳으로 터빈 베인(33)의 압력 분포와 함께 핫 가스의 안정적인 이동을 위해 제1 스팬(S1)으로 갈수록 리딩 엣지(La)의 곡률이 증가한다.

첨부된 도 3 또는 도 5를 참조하면, 본 실시 예는 제1 스팬(S1)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제1 리딩 엣지(1La)와, 상기 제1 리딩 엣지(1La)에서 연장된 단부를 구성하는 제1 트레일링 엣지(1Ta)와, 상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제1 리딩 엣지(1La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제1 받음각(1aa)과, 상기 제1 리딩 엣지(1La)에서 상기 제1 트레일링 엣지(1Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제1 코드 길이(1CL)와, 상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제1 최대 두께(T1)를 포함한다.

본 실시 예는 제1 내지 제3 스팬(S1, S2, S3)에 위치된 에어 포일이 도면에 도시된 바와 같은 형태로 이루어져 구성되며, 일 예로 상기 제1 스팬(S1)에 위치된 에어 포일은 제1 리딩 엣지(1La)와 제1 트레일링 엣지(1Ta)가 도면에 도시된 바와 같이 구성된다.

상기 제1 받음각(1aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도로 구성된다. 상기 제1 받음각(1aa)은 핫 가스가 제1 트레일링 엣지(1Ta)까지 이동하는 이동 방향을 결정하는 각도로서 허브(31)와 인접한 위치에서 전술한 각도로 구성할 경우 표면을 따라 이동하는 흐름이 안정화 될 수 있다.

상기 제1 코드 길이(1CL)는 200 ~ 250mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이로 구성된다. 상기 제1 코드 길이(1CL)는 핫 가스의 전체적인 이동을 가이드 할 때 흡입면(LP)과 압력면(HP)을 경유한 이후의 이동 흐름에 영향을 미치는 변수에 해당된다.

일 예로 핫 가스는 제1 리딩 엣지(1La)와 충돌 직후 이동 흐름이 나선 형태로 변형되어 흡입면(LP)과, 압력면(HP)에서 이격되지 않고 최대한 밀착되게 이동될 수 있으므로 불필요하게 발생되는 나선 형태의 볼텍스 흐름이 약화될 수 있다.

핫 가스는 터빈 베인(33)을 경유하면서 상기 제1 코드 길이(1CL)에 따라 제1 트레일링 엣지(1Ta) 까지 이동 흐름이 안정적으로 유지되므로 전술한 길이로 유지되는 것이 공력 성능 측면에서 유리할 수 있다.

상기 제1 최대 두께(T1)는 40 ~ 75mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이로 구성된다. 상기 제1 최대 두께(T1)는 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에 해당되는 두께에 따라 핫 가스의 이동 속도 및 이동 궤적이 변화하게 되며 최적의 이동 속도와 이동 궤적을 유지하기 위해 전술한 각도가 유지된다.

첨부된 도 3 또는 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 제2 스팬(S2)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제2 리딩 엣지(2La)와, 상기 제2 리딩 엣지(2La)에서 연장된 단부를 구성하는 제2 트레일링 엣지(2Ta)와, 상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제2 리딩 엣지(2La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제2 받음각(2aa)과, 상기 제2 리딩 엣지(2La)에서 상기 제2 트레일링 엣지(2Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제2 코드 길이(2CL)와, 상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제2 최대 두께(T2)를 포함한다.

상기 제2 스팬(S2)에 형성된 에어 포일은 제1 스팬(S1)에 형성된 에어 포일과 다른 구성으로 이루어지며, 터빈 베인(33)의 전체 스팬(S) 중 중간 위치에 해당된다.

상기 제2 스팬(S2)은 핫 가스가 제2 트레일링 엣지(2Ta) 까지 박리되는 현상이 최소화 되도록 가이드 하고, 안정적인 이동을 통해 터빈 베인(33)에서의 와류 발생을 최소화 할 수 있다.

상기 제2 받음각(2aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도로 구성된다. 상기 제2 받음각(2aa)은 핫 가스가 제2 트레일링 엣지(2Ta)까지 이동하는 이동 방향을 결정하는 각도로서 허브(31)와 인접한 위치에서 전술한 각도로 구성할 경우 표면을 따라 이동하는 흐름이 안정화 될 수 있다.

상기 제2 받음각(2aa)는 제1 받음각(1aa)과 동일한 받음각이 유지되나 서로 다른 받음각으로 구성되는 것도 가능할 수 있다.

상기 제2 코드 길이(2CL)는 180 ~ 230mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이로 구성된다. 상기 제2 코드 길이(2CL)는 핫 가스의 전체적인 이동을 가이드 할 때 흡입면(LP)과 압력면(HP)을 경유한 이후의 이동 흐름에 영향을 미치는 변수에 해당된다.

일 예로 핫 가스는 제2 리딩 엣지(2La)와 충돌 직후 이동 흐름이 나선 형태로 변형되어 흡입면(LP)과, 압력면(HP)에서 이격되지 않고 최대한 밀착되게 이동될 수 있으므로 불필요하게 발생되는 나선 형태의 볼텍스 흐름이 약화될 수 있다.

상기 제2 코드 길이(2CL)는 제1 코드 길이(1CL) 보다 짧게 구성되므로 핫 가스가 표면을 따라 이동하는 시간이 단축되므로 표면에서 유동 박리 또는 압력 변동으로 인한 문제점 발생이 감소된다.

핫 가스는 터빈 베인(33)을 경유하면서 상기 제2 코드 길이(2CL)에 따라 제2 트레일링 엣지(2Ta) 까지 이동 흐름이 안정적으로 유지되므로 전술한 길이로 유지되는 것이 공력 성능 측면에서 유리할 수 있다.

상기 제2 최대 두께(T2)는 36 ~ 69mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이로 구성된다. 제2 최대 두께(T2)는 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에 해당되는 두께에 따라 핫 가스의 이동 속도 및 이동 궤적이 변화하게 되며 최적의 이동 속도와 이동 궤적을 유지하기 위해 전술한 각도가 유지된다.

첨부된 도 3 또는 도 7을 참조하면, 본 실시 예의 제3 스팬(S3)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제3 리딩 엣지(3La)와, 상기 제3 리딩 엣지(3La)에서 연장된 단부를 구성하는 제3 트레일링 엣지(3Ta)와, 상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제3 리딩 엣지(3La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제3 받음각(3aa); 상기 제3 리딩 엣지(3La)에서 상기 제3 트레일링 엣지(3Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제3 코드 길이(3CL); 상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제3 최대 두께(T3)를 포함한다.

상기 제3 스팬(S3)에 형성된 에어 포일은 제2 스팬(S2)에 형성된 에어 포일과 다른 구성으로 이루어지며, 터빈 베인(33)의 전체 스팬(S) 중 팁(32)과 인접한 위치에 해당된다.

상기 제3 스팬(S3)은 핫 가스가 제3 트레일링 엣지(3Ta) 까지 박리되는 현상이 최소화 되도록 가이드 하고, 안정적인 이동을 통해 터빈 베인(33)에서의 와류 발생을 최소화 할 수 있다.

상기 제3 받음각(3aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도로 구성된다. 상기 제3 받음각(3aa)은 핫 가스가 제3 트레일링 엣지(3Ta)까지 이동하는 이동 방향을 결정하는 각도로서 허브(31)와 인접한 위치에서 전술한 각도로 구성할 경우 표면을 따라 이동하는 흐름이 안정화 될 수 있다.

본 실시 예에 의한 상기 제3 코드 길이(3CL)는 180 ~ 200mm 중에서 선택되는 어느 하나의 각도로 구성된다.

상기 제3 코드 길이(3CL)는 핫 가스의 전체적인 이동을 가이드 할 때 흡입면(LP)과 압력면(HP)을 경유한 이후의 이동 흐름에 영향을 미치는 변수에 해당된다.

일 예로 핫 가스는 제3 리딩 엣지(2La)와 충돌 직후 이동 흐름이 나선 형태로 변형되어 흡입면(LP)과, 압력면(HP)에서 이격되지 않고 최대한 밀착되게 이동될 수 있으므로 불필요하게 발생되는 나선 형태의 볼텍스 흐름이 약화될 수 있다.

핫 가스는 터빈 베인(33)을 경유하면서 상기 제3 코드 길이(3CL)에 따라 제3 트레일링 엣지(3Ta) 까지 이동 흐름이 안정적으로 유지되므로 전술한 길이로 유지되는 것이 공력 성능 측면에서 유리할 수 있다.

상기 제3 최대 두께(T3)는 36 ~ 60mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이로 구성된다.

제3 최대 두께(T3)는 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에 해당되는 두께에 따라 핫 가스의 이동 속도 및 이동 궤적이 변화하게 되며 최적의 이동 속도와 이동 궤적을 유지하기 위해 전술한 각도가 유지된다.

본 실시 예에 의한 터빈 베인(33)은 가스 터빈의 제1 단 터빈 에서 마지막 터빈까지 구비되되, 상기 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 최대 두께가 얇아 지도록 구성된다.

터빈 베인(33)은 단수별로 동일한 사양이 구성되거나, 전술한 바와 같이 구성 가능하며, 상기 제1 단 터빈 보다 마지막 터빈에서 최대 두께가 얇아 지면 핫 가스의 이동이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

이 경우 핫 가스는 터빈을 경유할 때 특정 단수에서 이동이 불안정해지지 않고 마지막 터빈까지 터빈 베인(33)을 경유하여 이차 볼텍스 또는 패시지 볼텍스의 발생이 최소화 되어 이동될 수 있다.

따라서 터빈은 공력 성능이 향상되고 터빈 베인(33)에서의 압력 손실을 감소시켜 핫 가스의 안정적인 이동을 도모할 수 있다.

상기 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 코드 길이는 길어지는데, 상기 코드길이의 증가는 핫 가스의 안정적인 이동을 도모하기 위해서이다.

핫 가스는 터빈 베인(33)을 경유할 때 리딩 엣지에서부터 트레일링 엣지까지 표면과 밀착되서 이동하는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 코드 길이가 마지막 터빈으로 갈수록 길어지는 것이 유리해 진다.

터빈은 각 단수별로 코드 길이를 증가시켜 핫 가스의 이동이 최적의 조건에서 이루어지도록 가이드 할 수 있으며, 상기 코드 길이의 증가율은 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 일정한 증가율로 구성될 수 있다.

일 예로 본 실시 예에 의한 터빈 베인(33)은 상기 제3 스팬(S3)에서 상기 제1 스팬(S1)으로 갈수록 트레일링 엣지(Ta)의 곡률이 감소되는데, 이는 위치에 따른 핫 가스의 이동 속도를 고려하여 위와 같이 구성된다.

첨부된 도 8을 참조하면, 본 실시 예에 의한 트레일링 엣지(Ta)는 종래의 터빈 베인(3)에 형성된 트레일링 엣지(3b)보다 길게 연장된다.

본 실시 예에 의한 터빈 베인(33)은 핫 가스가 표면을 따라 이동할 때 종래의 트레일링 엣지(3b) 보다 길게 연장되고 두께가 얇게 형성되므로 이동 안정성을 향상시키고, 상기 트레일링 엣지의 단부에서 와류 발생을 상대적으로 감소시킬 수 있다.

따라서 핫 가스가 이동될 때 불필요하게 와류가 발생되거나, 이동 경로가 원활하게 가이드 될 수 있다.

33 : 터빈 베인
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
38 : 앤드 월
38a : 제1 앤드 월
38b : 제2 앤드 월
S : 전체 스팬
S1, S2, S3 : 제1스팬, 제2 스팬, 제3 스팬

Claims

가스 터빈에 구비된 터빈 베인(33);
상기 터빈 베인(33)의 허브(31)와 팁(32)에서 연결된 앤드 월(38); 및
상기 허브(31)에서부터 팁(32)에 이르는 전체 스팬(S) 중 구간 별로 상이한 에어 포일(airfoil)로 이루어지되,
상기 터빈 베인(33)은 상기 허브(31)에서 상기 팁(32)을 향해 제1 길이로 연장된 제1 스팬(S1)과, 상기 제1 스팬(S1)에서 상기 팁(32)을 향해 제2 길이로 연장된 제2 스팬(S2)과, 상기 제2 스팬(S2)에서 상기 팁(32)까지 제3 길이로 연장된 제3 스팬(S3)을 포함하고,
상기 제1 스팬(S1)에서 상기 제3 스팬(S3)으로 갈수록 에어 포일의 최대 두께가 순차적으로 감소되며,
상기 제3 스팬(S3)에서 상기 제1 스팬(S1)으로 갈수록 트레일링 엣지의 곡률이 감소되는 가스 터빈.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 터빈 베인(33)은 상기 제3 스팬(S3)에서 상기 제1 스팬(S1)으로 갈수록 리딩 엣지의 곡률이 증가되는 가스 터빈.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 스팬(S1)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제1 리딩 엣지(1La);
상기 제1 리딩 엣지(1La)에서 연장된 단부를 구성하는 제1 트레일링 엣지(1Ta);
상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제1 리딩 엣지(1La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제1 받음각(1aa);
상기 제1 리딩 엣지(1La)에서 상기 제1 트레일링 엣지(1Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제1 코드 길이(1CL);
상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제1 최대 두께(T1)를 포함하는 가스 터빈.
제5 항에 있어서,
상기 제1 받음각(1aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제5 항에 있어서,
상기 제1 코드 길이(1CL)는 200 ~ 250mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제5 항에 있어서,
상기 제1 최대 두께(T1)는 40 ~ 75mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 제2 스팬(S2)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제2 리딩 엣지(2La);
상기 제2 리딩 엣지(2La)에서 연장된 단부를 구성하는 제2 트레일링 엣지(2Ta);
상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제2 리딩 엣지(2La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제2 받음각(2aa);
상기 제2 리딩 엣지(2La)에서 상기 제2 트레일링 엣지(2Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제2 코드 길이(2CL);
상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제2 최대 두께(T2)를 포함하는 가스 터빈.
제9 항에 있어서,
상기 제2 받음각(2aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제9 항에 있어서,
상기 제2 코드 길이(2CL)는 180 ~ 230mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제9 항에 있어서,
상기 제2 최대 두께(T2)는 36 ~ 69mm 중에서 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 제3 스팬(S3)에 형성된 에어 포일은 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지는 선단부에 형성된 제3 리딩 엣지(3La);
상기 제3 리딩 엣지(3La)에서 연장된 단부를 구성하는 제3 트레일링 엣지(3Ta);
상기 핫 가스가 상기 터빈 베인(33)으로 이동할 때 상기 제3 리딩 엣지(3La)와 상기 핫 가스 사이의 각도에 해당되는 제3 받음각(3aa);
상기 제3 리딩 엣지(3La)에서 상기 제3 트레일링 엣지(3Ta)에 이르는 길이에 해당되는 제3 코드 길이(3CL);
상기 에어 포일의 흡입면(LP)과 압력면(HP) 사이에서 가장 두꺼운 두께에 해당되는 제3 최대 두께(T3)를 포함하는 가스 터빈.
제13 항에 있어서,
상기 제3 받음각(3aa)은 0도 ~ 20도 중에 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제13 항에 있어서,
상기 제3 코드 길이(3CL)는 180 ~ 200mm 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제13 항에 있어서,
상기 제3 최대 두께(T3)는 36 ~ 60mm 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
제1 항에 있어서,
상기 터빈 베인(33)은 상기 가스 터빈의 제1 단 터빈 에서 마지막 터빈까지 구비되되,
상기 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 최대 두께가 얇아 지는 가스 터빈.
제17 항에 있어서,
상기 제1 단 터빈에서 상기 마지막 터빈으로 갈수록 코드 길이는 길어지는 가스 터빈.