KR102008606B1 - 터빈 날개 및 그것을 구비한 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 터빈 날개의 냉각 성능을 더 향상시키는 것이다.
본 발명에 관한 터빈 날개(15)는 냉각 공기(35)가 흐르는 냉각 유로(23c)에 면하는 제1 벽면(38)과, 작동 유체(6)가 흐르는 작동 유체 유로(17)에 면하는 제2 벽면(27a)과, 냉각 유로(23c)와 작동 유체 유로(17)를 연통하는 연통 구멍(36)과, 연통 구멍(36)의 제1 벽면(38)에 개구되는 개구부(39)의 냉각 공기(35)의 흐름 방향의 하류측에 마련되고, 제1 벽면(38)으로부터 냉각 유로(23c)측으로 돌출되는 돌출부(37)를 구비하고, 돌출부(37)는 제1 벽면(38)으로부터 냉각 공기(35)의 흐름 방향과 역방향으로 냉각 유로(23c)측에 오름 경사로 형성된 경사부(37A)와, 냉각 유로(23c)측에 볼록 형상으로 형성되고, 제1 개구부(39)에 호상으로 연결되는 곡부(37B)를 구비한다.

Description

터빈 날개 및 그것을 구비한 가스 터빈 {TURBINE BLADE AND GAS TURBINE THEREWITH}
본 발명은 터빈 날개 및 그것을 구비한 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈의 터빈 날개는 고온의 연소 가스에 노출된다. 그로 인해, 터빈 날개를 냉각하고, 고온의 연소 가스에 의한 터빈 날개의 고온 산화나 두께 감소 손상을 억제할 필요가 있다. 터빈 날개를 냉각하는 방법으로서, 날개 표면에 필름 냉각 구멍을 형성하고, 날개 내부의 냉각 유로를 흐르는 냉각 공기를 필름 냉각 구멍으로부터 분출시켜 날개 표면을 타고 가게 함으로써 냉각 공기의 냉각막을 형성하고, 고온의 연소 가스로부터 터빈 날개로의 열의 유입을 억제하는 것이 있다.
일반적으로, 필름 냉각 구멍으로부터 분출된 냉각 공기는 연소 가스와 혼합하여 혼합 손실이 발생한다. 이에 의해, 터빈의 열효율이 저하될 수 있다. 그로 인해, 필름 냉각 구멍의 압력이 낮은 출구측의 형상을 고안하여, 냉각 효율을 향상시키고 냉각 공기의 유량을 삭감하는 것이 이루어져 왔다. 냉각 효율을 향상시킴으로써, 터빈 날개의 냉각에 요하는 냉각 공기의 유량을 삭감할 수 있고, 터빈의 열효율을 향상시킬 수 있다.
그런데, 필름 냉각 구멍의 압력이 높은 입구측(냉각 유로측)에는 냉각 공기 플리넘으로부터의 흐름의 불균일에 기인하여, 유동장에 박리 영역이 발생할 수 있다. 필름 냉각 구멍의 입구측에 박리 영역이 발생하면, 냉각 공기의 흐름이 불균일해져 필름 냉각 구멍 내에서 냉각 공기의 흐름이 편류가 된다. 그렇게 하면, 필름 냉각 구멍으로부터 분출되는 냉각 공기의 흐름의 방향이 변화되고, 냉각 공기가 날개 표면을 따라 흐르기 어려워지기 때문에, 터빈 날개의 냉각 효율이 저하된다. 이에 대해, 필름 냉각 구멍의 입구측에 테이퍼부를 마련하고, 필름 냉각 구멍으로의 냉각 공기의 흐름을 촉진하여 터빈 날개의 냉각 효율의 저하를 억제하는 것이 있다(특허문헌 1 등을 참조).
일본 특허 공개 제2010-216471호 공보
근년, 가스 터빈의 효율을 향상시키기 위해, 연소 가스의 온도를 상승시키는 경향이 있다. 그로 인해, 터빈 날개를 세부에 걸쳐서 냉각하여, 터빈 날개의 냉각 효율을 더 향상시키는 것이 바람직하다. 그러나, 특허문헌 1에서는 필름 냉각 구멍의 입구측을 직경 확장하여 테이퍼부를 마련하고 있기 때문에, 터빈 날개의 강도를 확보하는 등의 이유로부터, 터빈 날개의 두께가 얇은 부분에는 적용하기 어렵고, 터빈 날개의 냉각 효율을 더 향상시키는 것은 곤란하다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 터빈 날개의 냉각 효율을 더 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 터빈 날개는 냉각 공기가 흐르는 냉각 유로에 면하는 제1 벽면과, 작동 유체가 흐르는 작동 유체 유로에 면하는 제2 벽면과, 상기 냉각 유로와 상기 작동 유체 유로를 연통하는 연통 구멍과, 상기 연통 구멍의 상기 제1 벽면에 개구되는 개구부의 상기 냉각 공기의 흐름 방향의 하류측에 마련되고, 상기 제1 벽면으로부터 상기 냉각 유로측으로 돌출되는 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 터빈 날개의 냉각 성능을 더 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 터빈 날개를 적용한 가스 터빈의 일 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 동익의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2의 화살표 III-III에 의한 화살표 단면도이다.
도 4는 도 3의 점선으로 둘러싼 영역 A의 확대도이다.
도 5는 연통 구멍을 제3 냉각 유로측에서 본 확대도이다.
도 6은 도 5의 화살표 VI-VI에 의한 화살표 단면도이다.
도 7은 도 5의 화살표 VII-VII에 의한 화살표 단면도이다.
도 8은 도 5의 화살표 VIII-VIII에 의한 화살표 단면도이다.
도 9는 돌출부 및 제2 곡부를 형성하는 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 10은 비교예에 관한 연통 구멍의 확대도이다.
도 11은 압축기 효율의 향상 효과를 설명하기 위한 도면이다.
(구성)
1. 가스 터빈
도 1은 본 실시 형태에 관한 터빈 날개를 적용한 가스 터빈의 일 구성예를 도시하는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 가스 터빈(100)은 압축기(1), 연소기(2) 및 터빈(3)을 구비하고 있다.
압축기(1)는 흡기부(도시하지 않음)를 통해 흡입된 공기(4)를 압축하여 고압의 압축 공기(연소용 공기)(5)를 생성하고, 연소기(2)에 공급한다. 연소기(2)는 압축기(1)로부터 공급된 압축 공기(5)와 연료 계통(도시하지 않음)으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소하고, 고온의 연소 가스(작동 유체)(6)를 발생시켜 터빈(3)에 공급한다. 터빈(3)의 터빈 로터(8)(후술함)는 연소기(2)로부터 공급된 연소 가스(6)가 팽창됨으로써 회전 구동된다. 본 실시 형태에서는, 터빈 로터(8)는 압축기(1)의 압축기 로터(도시하지 않음)와 연결되어 있고, 터빈(3)에서 얻어지는 회전 동력에 의해 압축기(1)가 구동된다. 또한, 본 실시 형태에서는 터빈 로터(8)에 부하 기기로서 발전기(도시하지 않음)가 연결되어 있고, 터빈(3)에서 얻어지는 회전 동력으로부터 압축기(1)를 구동하기 위한 동력을 뺀 동력이 발전기에서 전력으로 변환된다. 터빈 로터(8)를 구동한 연소 가스(6)는 터빈 배기로서 대기에 방출된다.
2. 터빈
터빈(3)은 정지체(7)와, 정지체(7)에 대하여 회전하는 회전체를 구성하는 터빈 로터(8)를 구비하고 있다.
정지체(7)는 케이싱(9) 및 고정익(터빈 날개)(10)을 구비하고 있다.
케이싱(9)은 터빈(3)의 외주벽을 형성하는 원통상의 부재이다. 케이싱(9) 내에 고정익(10) 및 터빈 로터(8)가 수용되어 있다.
고정익(10)은 케이싱(9)의 내주벽(9a)에 터빈 로터(8)의 주위 방향을 따라 복수 설치되어 있다. 고정익(10)은 외주측 엔드월부(고정익 외주측 엔드월부)(11), 날개형부(고정익 날개형부)(12) 및 내주측 엔드월부(고정익 내주측 엔드월부)(13)를 구비하고 있다. 외주측 엔드월부(11)는 터빈 로터(8)의 주위 방향으로 연장되는 원통상의 부재이다. 외주측 엔드월부(11)는 케이싱(9)의 내주벽(9a)에 지지되어 있다. 날개형부(12)는 외주측 엔드월부(11)의 내주면으로부터 터빈 로터(8)의 직경 방향 내측을 향해 연장되어 있다. 본 실시 형태에서는, 날개형부(12)는 내부에 냉각 유로(도시하지 않음)를 갖고 있다. 이하, 터빈 로터(8)의 직경 방향 내측, 직경 방향 외측을 간단히 「직경 방향 내측」, 「직경 방향 외측」이라고 한다. 내주측 엔드월부(13)는 터빈 로터(8)의 주위 방향으로 연장되는 원통상의 부재이다. 내주측 엔드월부(13)는 외주측 엔드월부(11)의 직경 방향 내측에 설치되어 있다. 내주측 엔드월부(13)의 외주면에는 날개형부(12)가 접속되어 있다. 즉, 날개형부(12)는 외주측 엔드월부(11)와 내주측 엔드월부(13) 사이에 고정되어 있다.
터빈 로터(8)는 터빈축부(14) 및 동익(터빈 날개)(15)을 구비하고 있다.
터빈축부(14)는 터빈(3)의 회전축(중심축)(43)을 따라 연장되어 있다. 터빈축부(14)는 터빈 디스크(16)를 구비하고 있다. 터빈 디스크(16)는 터빈축부(14)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 연장되어 있다. 터빈 디스크(16)는 내부에 중공부(22)(후술함)를 갖고 있다.
동익(15)은 터빈 디스크(16)의 외주면에 터빈 로터(8)의 주위 방향을 따라 복수 설치되어 있다. 동익(15)은 연소 가스 유로(작동 유체 유로)(17)를 흐르는 연소 가스(6)에 의해, 터빈축부(14)와 함께 회전축(43)을 중심으로 회전한다. 고정익(10)과 동익(15)은 연소 가스(6)의 흐름 방향으로 교대로 설치되어 있다. 즉, 연소 가스 유로(17)의 입구로부터 연소 가스(6)의 흐름 방향의 하류측을 향해, 고정익(10), 동익(15), 고정익(10), 동익(15)…이 되도록, 고정익과 동익이 교대로 설치되어 있다. 연소 가스 유로(17)의 입구로부터, 연소 가스(6)의 흐름 방향에 인접하는 1조의 고정익(10)과 동익(15)은 날개 단락을 구성하고 있다. 이하, 연소 가스(6)의 흐름 방향의 상류측, 하류측을 간단히 「연소 상류측」, 「연소 하류측」이라고 한다.
3. 동익
도 2는 본 실시 형태에 관한 동익의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 동익(15)은 내주측 엔드월부(동익 내주측 엔드월부)(18) 및 날개형부(동익 날개형부)(19)를 구비하고 있다.
내주측 엔드월부(18)는 연소 가스 유로(17)를 사이에 두고 케이싱(9)의 내주벽(9a)과 대향하도록 터빈 디스크(16)에 설치되어 있다. 내주측 엔드월부(13)의 외주면 및 내주측 엔드월부(18)의 외주면(18a)과 케이싱(9)의 내주벽(9a) 및 외주측 엔드월부(11)의 내주면 사이에 형성되는 환상의 공간에 의해, 연소 가스 유로(17)가 구성되어 있다. 즉, 연소 가스 유로(17)의 내주벽은 내주측 엔드월부(13)의 외주면 및 내주측 엔드월부(18)의 외주면(18a)으로 형성되고, 외주벽은 케이싱(9)의 내주벽(9a) 및 외주측 엔드월부(11)의 내주면으로 형성되어 있다.
날개형부(19)는 내주측 엔드월부(18)의 외주면(18a)으로부터 직경 방향 외측을 향해 연장되어 있다. 날개형부(19)의 외주부(직경 방향 외측의 단부)와 케이싱(9)의 내주벽(9a) 사이에는 간극(20)이 형성되어 있다.
날개형부(19)는 내부에 냉각 유로(23)를 갖고 있다. 냉각 유로(23)는 개구부(냉각 공기 입구부)(21)를 통해 터빈 디스크(16)의 내부에 형성된 중공부(22)와 연통하고 있다. 날개형부(19)는 냉각 유로(23)를 흐르는 냉각 공기에 의해 내측으로부터 냉각된다. 본 실시 형태에서는, 냉각 유로(23)는 제1 냉각 유로(23a), 제2 냉각 유로(23b) 및 제3 냉각 유로(23c)를 갖고 있다. 제1 냉각 유로(23a)는 냉각 유로(23)에 있어서의 연소 하류측의 부분을 구성하고 있다. 제1 냉각 유로(23a)는 개구부(21)로부터 직경 방향 외측을 향해 연장되어 있다. 제1 냉각 유로(23a)에는 핀 핀(pin fin)(25)이 복수 마련되어 있다. 핀 핀(25)은 제1 냉각 유로(23a)를 흐르는 냉각 공기에 혼란을 발생시키는 것이다. 제2 냉각 유로(23b)는 냉각 유로(23)에 있어서의 제1 냉각 유로(23a)의 연소 상류측의 부분을 구성하고 있다. 제2 냉각 유로(23b)는 제1 냉각 유로(23a)의 타단측(직경 방향 외측)의 단부에 연통하고, 제1 냉각 유로(23a)의 일단측으로부터 직경 방향 내측을 향해 연장되어 있다. 제3 냉각 유로(23c)는 냉각 유로(23)에 있어서의 제2 냉각 유로(23b)의 연소 상류측을 구성하고 있다. 제3 냉각 유로(23c)는 제2 냉각 유로(23b)의 일단측(직경 방향 내측)에 연통하고, 제2 냉각 유로(23b)의 일단측으로부터 직경 방향 외측을 향해 연장되어 있다. 제2 냉각 유로(23b) 및 제3 냉각 유로(23c)에는 핀(26)이 복수 설치되어 있다. 핀(26)은 제2 냉각 유로(23b) 및 제3 냉각 유로(23c)를 흐르는 냉각 공기와 날개형부(19)의 열 변환을 촉진하는 것이다. 제3 냉각 유로(23c)의 타단측(직경 방향 외측)은 개구부(냉각 공기 출구부)(42)를 통해 연소 가스 유로(17)에 연통하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 냉각 유로(23)를 제1 냉각 유로(23a), 제2 냉각 유로(23b) 및 제3 냉각 유로(23c)로 구성하고, 날개형부(19)를 대류 냉각에 의해 냉각하는 경우를 예시하고 있지만, 다른 냉각 수단을 사용하여 날개형부(19)를 냉각해도 된다.
도 3은 도 2의 화살표 III-III에 의한 화살표 단면도이다. 이하, 도 3에 도시하는 날개형부(19)의 단면을 날개형부 단면이라고 적절히 기재한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 날개형부(19)는 날개의 배측에 위치하는 정압면(압력면)(27b), 정압면(27b)에 대향하여 날개의 등측에 위치하는 부압면(27a), 날개 전방연(28a) 및 날개 후방연(28b)을 갖고 있다. 정압면(27b)과 부압면(27a)으로부터 동등한 거리에 있는 점을 날개 전방연(28a)으로부터 날개 후방연(28b)까지 연결한 선을 날개 중심선(30)이라고 정의한 경우, 정압면(27b)은 날개 중심선(30)에 대하여 볼록 형상으로 형성되고, 부압면(27a)은 날개 중심선(30)에 대하여 오목 형상으로 형성되어 있다. 날개형부(19)는 날개 두께[정압면(27b)과 부압면(27a)의 날개 중심선(30)에 직교하는 방향에 있어서의 거리]가 날개 전방연(28a)으로부터 중앙을 향함에 따라 점차 커지고, 그 후, 날개 후방연(28b)을 향함에 따라 점차 작아지도록 형성되어 있다.
도 4는 도 3의 점선으로 둘러싼 영역 A의 확대도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 날개형부(19)는 필름 냉각 구멍(연통 구멍)(36) 및 돌출부(37)를 구비하고 있다.
연통 구멍(36)은 제3 냉각 유로(23c)와 연소 가스 유로(17)를 연통하는 구멍부이다. 연통 구멍(36)은 제3 냉각 유로(23c)의 외주면을 구성하고 제3 냉각 유로(23c)에 면하는 벽면(제1 벽면)(38)에 개구되는 개구부(제1 개구부)(39)와, 날개형부(19)의 연소 가스 유로(17)에 면하는 부압면(제2 벽면)(27a)에 개구되는 개구부(제2 개구부)(40)를 구비하고 있다. 제1 개구부(39)는 제3 냉각 유로(23c)를 흐르는 냉각 공기(동익 냉각 공기)(35)가 유입되는 입구부, 제2 개구부(40)는 연통 구멍(36)을 흐르는 냉각 공기(35)가 유출되는 출구부를 구성하고 있다. 본 실시 형태에서는, 연통 구멍(36)은 날개형부(19)의 날개 길이 방향(도 4의 지면에 대하여 수직 방향)으로 복수 마련되어 있다.
연통 구멍(36)은 제2 개구부(40)가 제1 개구부(39)에 대하여 연소 하류측으로 어긋나도록 경사져서 형성되어 있다. 구체적으로, 연소 가스의 흐름 방향에 있어서 제2 개구부가 제1 개구부와 일치하는 경우에 있어서의 제1 개구부 및 제2 개구부의 중심을 연결하여 얻어지는 연통 구멍의 중심축을 기준 중심축 X라고 정의하면, 본 실시 형태에서는 제1 개구부(39) 및 제2 개구부(40)의 중심을 연결하여 얻어지는 연통 구멍(36)의 중심축 Y가 기준 중심축 X에 대하여 연소 하류측으로 경사져 있다. 이에 의해, 본 실시 형태에서는 연통 구멍(36)의 제1, 제2 개구부(39, 40)는 타원 형상으로 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 연통 구멍(36)의 경사 각도(기준 중심축 X와 중심축 Y가 이루는 각도) N은 연통 구멍(36)으로부터 연소 가스 유로(17)로 분출된 냉각 공기(35)가 가능한 한 날개형부(19)의 날개 표면을 따르도록 설정되어 있다.
돌출부(37)는 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 냉각 공기(35)의 흐름 방향의 하류측[도 4에 예시하는 구성에서는, 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 연소 하류측]에 마련되어 있다. 이하, 냉각 공기(35)의 흐름 방향의 상류측, 하류측을 간단히 「냉각 상류측」, 「냉각 하류측」이라고 적절히 기재한다. 돌출부(37)는 제1 벽면(38)으로부터 제3 냉각 유로(23c)측으로 돌출되도록 형성되어 있고, 돌출부(37)의 제1 벽면(38)으로부터 가장 먼 부분(이하, 「정상부」라고 적절히 기재함)에 있어서의 날개형부(19)의 부압면(27a)으로부터의 길이 L1이 날개형부(19)의 부압면(27a)으로부터 제1 벽면(38)까지의 길이 L보다 크게 되어 있다. 이에 의해, 제3 냉각 유로(23c)에 있어서의 돌출부(37)가 설치되어 있는 부분의 유로 면적은 돌출부(37)가 설치되어 있지 않은 부분의 유로 면적보다 작아진다. 즉, 제3 냉각 유로(23c)는 돌출부(37)가 설치되어 있는 부분에서 교축되어 있다. 돌출부(37)는 경사부(37A) 및 곡부(37B)를 구비하고 있다.
경사부(37A)는 제1 벽면(38)으로부터 냉각 공기(35)의 흐름 방향과 역방향으로(냉각 상류측을 향해), 제3 냉각 유로(23c)측으로 오름 경사로 형성되어 있다. 이에 의해, 경사부(37A)에서는 날개형부(19)의 부압면(27a)으로부터의 길이 L2가 냉각 공기(35)의 흐름 방향과 역방향으로 진행함에 따라 커진다. 경사부(37A)는 곡부(37B)와 제1 벽면(38)을 원활하게 접속하고 있다.
곡부(37B)는 제3 냉각 유로(23c)측에 볼록 형상으로 형성되고, 경사부(37A)로부터 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)까지를 호상으로 연결하고 있다. 즉, 곡부(37B)는 경사부(37A)로부터 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)까지를 원활하게 연결하는 곡률을 갖도록 형성되어 있다.
도 5는 연통 구멍(36)을 제3 냉각 유로(23c)측에서 본 확대도, 도 6은 도 5의 화살표 VI-VI에 의한 화살표 단면도, 도 7은 도 5의 화살표 VII-VII에 의한 화살표 단면도, 도 8은 도 5의 화살표 VIII-VIII에 의한 화살표 단면도이다.
도 5, 6에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 돌출부(37)는 제1 개구부(39)의 에지부와 제1 개구부(39)를 둘러싸는 타원 F'로 형성되는 영역 W(후술하는) 중 경계선 B1, B2로 획정되어 이루어지는 영역 W1에 마련되어 있다.
도 5, 7에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 에지부에 제1 벽면(38)으로부터 제1 개구부(39)까지를 원활하게 연결하는 곡부(제2 곡부)(41)가 형성되어 있다. 제2 곡부(41)는 제3 냉각 유로(23c)측에 볼록 형상으로 형성되어 있다. 제2 곡부(41)는 제1 개구부(39)의 주위 방향에 있어서, 돌출부(37)에 인접하여 마련되어 있다. 구체적으로, 제2 곡부(41)는 영역 W 중 영역 W1에 대하여 제1 개구부(39)의 주위 방향으로 인접하는 영역 W2, W3에 마련되어 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 돌출부(37)와 제2 곡부(41)는 제1 벽면(38)과 동일 평면 상에서 접하도록 형성되어 있다. 즉, 제1 벽면(38)으로부터 돌출부(37)의 정상부까지의 길이를 높이 h1(도 6을 참조), 제1 벽면(38)으로부터 제2 곡부(41)의 제1 개구부(39)측의 단부까지의 길이를 높이 h2(도 7을 참조)라고 한 경우, 제1 개구부(39)의 주위 방향에 있어서, 돌출부(37)는 제2 곡부(41)측으로 진행함에 따라 높이 h1이 점차 작아지고, 제2 곡부(41)는 돌출부(37)측으로 진행함에 따라 높이 h2가 점차 작아지도록 형성되어 있다.
도 9는 돌출부(37) 및 제2 곡부(41)를 형성하는 수순을 도시하는 흐름도이다. 이하, 돌출부(37) 및 제2 곡부(41)를 형성하는 수순에 대하여, 도 5, 9를 참조하여 설명한다.
ㆍ 스텝 S1
연통 구멍(36)을 흐르는 냉각 공기(35)의 요동 폭에 기초하여, 기준 각도 M을 설정한다. 냉각 공기(35)의 요동 폭은 연통 구멍(36)의 중심축에 대한 냉각 공기(35)의 흐름 방향의 편차의 정도를 나타내는 지표이다. 기준 각도 M은 연통 구멍(36)을 제3 냉각 유로(23c)측에서 본 경우에 있어서, 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)에 있어서의 장축 C를 기준으로 한 주위 방향의 각도이고, 냉각 공기(35)의 요동 폭에 기초하여 설정되는 설정값이다. 기준 각도 M은, 예를 들어 45°로 설정할 수 있다. 이하, 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)에 있어서의 장축 C를 연통 구멍 장축이라고 적절히 기재한다.
ㆍ 스텝 S2
연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 에지부에 접하고, 연통 구멍 장축 C와 이루는 각도가 스텝 S1에서 설정한 기준 각도 M이 되는 직선(접선) A1, A2를 결정한다.
ㆍ 스텝 S3
직선 A1, A2와 연통 구멍 장축 C의 냉각 공기(35)의 흐름 방향의 역방향으로 연장되는 연장선의 교점인 기준점 O를 결정한다.
ㆍ 스텝 S4
직선 A1, A2와 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 에지부의 접점 S, P를 결정한다.
ㆍ 스텝 S5
직선 A1, A2에 내접하고, 그 장축 C'의 연장선이 기준점 O를 지나고 또한 연통 구멍 장축 C와 일치하는 타원 F'을 결정한다.
ㆍ 스텝 S6
직선 A1, A2와 타원 F'의 접점 R, Q를 결정한다.
ㆍ 스텝 S7
접점 Q를 시점으로 하고, 시계 방향으로 접점 P, S를 경유하고, 접점 R을 종점으로 하는 곡선 G1과, 접점 R을 시점으로 하고, 타원 F'을 따라 시계 방향으로 연장되고, 접점 Q를 종점으로 하는 곡선 G2로 둘러싸인 영역으로부터 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)를 제외한 영역 W를 결정한다. 또한, 영역 W의 크기는 날개형부(19)의 날개 길이 방향에 인접하는 연통 구멍(36)에 대응하는 영역 W와 간섭하지 않는 정도라면 한정되지 않는다.
ㆍ 스텝 S8
영역 W를 제1 영역 W1, 제2 영역 W2 및 제3 영역 W3으로 구분하여 결정한다. 본 실시 형태에서는 제1 영역 W1의 면적이 제2, 제3 영역 W2, W3의 면적보다 크고, 제2, 제3 영역 W2, W3의 면적이 동등해지도록 구분한다.
ㆍ 스텝 S9
제1 영역 W1에 돌출부(37)를 형성하고, 제2, 제3 영역 W2, W3에 제2 곡부(41)를 형성한다. 돌출부(37) 및 제2 곡부(41)를 형성하는 방법으로서는, 예를 들어, 돌출부(37)를 구비하는 날개형부(19)를 정밀 주조로 제작하는 방법이 있다.
(동작)
날개형부(19)를 냉각하는 냉각 공기(35)의 동작에 대하여, 도 2를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 압축기(1)(도 1을 참조)의 중간단이나 출구로부터 압축 공기의 일부를 추기하여, 냉각 공기라고 하고 있다. 압축기(1)로부터 추기된 압축 공기는 터빈 로터(8)의 터빈축부(14)에 형성된 구멍부(도시하지 않음)를 통해 터빈축부(14)의 내부에 냉각 공기로서 유입된다. 터빈축부(14)의 내부를 흐르는 냉각 공기의 일부는 도 2의 화살표(31, 32)에 나타낸 바와 같이, 동익(15)과 그 연소 상류측 및 연소 하류측에 인접하는 고정익(10) 사이에 형성된 간극(33, 34)을 통해 연소 가스 유로(17)에 유입되고, 연소 가스(6)에 합류한다. 한편, 터빈축부(14)의 내부를 흐르는 냉각 공기의 일부는 냉각 공기(35)로서 터빈 디스크(16)의 중공부(22)에 유입된다. 중공부(22)를 흐르는 냉각 공기(35)는 터빈 디스크(16)를 내측으로부터 냉각하면서, 개구부(21)를 통해 제1 냉각 유로(23a)에 유입된다. 제1 냉각 유로(23a)에 유입된 냉각 공기(35)는 제1 냉각 유로(23a)를 직경 방향 외측(도 2의 상측 방향)을 향해 흐른다. 제1 냉각 유로(23a)를 흐르는 냉각 공기(35)는 제1 냉각 유로(23a)의 직경 방향 외측의 단부에 있어서 그 흐름이 직경 방향 내측(도 2의 하향)으로 전향하고, 제2 냉각 유로(23b)에 유입된다. 제2 냉각 유로(23b)에 유입된 냉각 공기(35)는 제2 냉각 유로(23b)를 직경 방향 내측을 향해 흐른다. 제2 냉각 유로(23b)를 흐르는 냉각 공기(35)는 제2 냉각 유로(23b)의 직경 방향 내측의 단부에 있어서 그 흐름이 직경 방향 외측으로 전향하고, 제3 냉각 유로(23c)에 유입된다. 제3 냉각 유로(23c)에 유입된 냉각 공기(35)는 제3 냉각 유로(23c)를 직경 방향 외측을 향해 흐른다. 제3 냉각 유로(23c)를 흐르는 냉각 공기(35)는 개구부(42)를 통해 연소 가스 유로(17)에 유출되고, 연소 가스(6)에 합류한다.
이어서, 제3 냉각 유로(23c)로부터 연통 구멍(36)을 통해 연소 가스 유로(17)에 분출되는 냉각 공기(35)의 동작에 대하여, 도 4를 참조하여 설명한다.
제3 냉각 유로(23c)를 흐르는 냉각 공기(35) 중, 제1 벽면(38)의 근방을 흐르는 냉각 공기(35)는 돌출부(37)의 곡부(37B)에 있어서의 냉각 상류측의 벽면에 충돌하여 감속한다. 감속한 냉각 공기(35)는 곡부(37B)의 표면을 따라 전향하여 연통 구멍(36)으로 유도된다. 연통 구멍(36)으로 유도된 냉각 공기(35)는 연통 구멍(36) 내를 흘러 연소 가스 유로(17)에 분출된다. 연소 가스 유로(17)에 분출된 냉각 공기(35)는 날개형부(19)의 표면을 타고 가도록 흐름 냉각막을 형성한다. 한편, 제1 벽면(38)의 근방을 흐르는 냉각 공기(35) 중 연통 구멍(36)에 유입되지 않은 냉각 공기(35)는 곡부(37B)의 표면을 따라 냉각 하류측으로 흐른다. 여기서, 제3 냉각 유로(23c)의 돌출부(37)가 설치되어 있는 부분의 유로 면적은 돌출부(37)가 설치되어 있지 않은 부분의 유로 면적보다 작게 되어 있다. 그로 인해, 곡부(37B)의 표면을 따라 냉각 하류측으로 흐르는 냉각 공기(35)는 가속되어 경사부(37A)의 표면을 따라 흐른다.
(효과)
(1) 도 10은 비교예에 관한 연통 구멍의 확대도이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 비교예에 관한 연통 구멍(236)에서는, 제1 개구부(239)의 냉각 하류측에, 제1 벽면(238)으로부터 제3 냉각 유로(223c)측으로 돌출되는 돌출부가 설치되어 있지 않다. 그로 인해, 비교예에 관한 연통 구멍(236)에서는 냉각 공기 플리넘으로부터의 흐름의 불균일에 기인하여, 제1 개구부(239)측에 박리 영역(200)이 형성될 수 있다. 연통 구멍(236) 내의 제1 개구부(239)측에 박리 영역(200)이 형성되면, 연통 구멍(236)을 흐르는 냉각 공기(동익 냉각 공기)(235)에 대하여 박리 영역(200)이 장해물과 같이 작용하기 때문에, 연통 구멍(236) 내에서 냉각 공기(235)의 흐름이 편류가 된다. 이에 의해, 연통 구멍(236) 내에 있어서의 냉각 공기(235)의 유속이 증가하고, 연통 구멍(236)으로부터 연소 가스 유로(217)에 분출된 냉각 공기(235)가 날개 표면을 흐르기 어려워져 냉각 효율이 저하된다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 도 4에 도시한 바와 같이 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 냉각 하류측에, 제1 벽면(38)으로부터 제3 냉각 유로(23c)측으로 돌출되는 돌출부(37)를 설치하고 있다. 그로 인해, 제3 냉각 유로(23c)를 흐르는 냉각 공기(35) 중 제1 벽면(38)의 근방을 흐르는 냉각 공기(35)를 돌출부(37)의 벽면에 충돌시켜 감속시키고, 연통 구멍(36)으로 유도할 수 있다. 이에 의해, 연통 구멍(36) 내에서 박리 영역이 형성되어 발달하는 것을 억제할 수 있고, 연통 구멍(236) 내에서 냉각 공기(235)의 흐름이 편류가 되는 것을 회피하고, 연통 구멍(236) 내에서 냉각 공기(235)의 유속이 과도하게 증가하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 연통 구멍(36)으로부터 연소 가스 유로(17)에 분출된 냉각 공기(35)를 날개 표면을 타고 가게 하여 냉각막을 형성할 수 있고, 고온의 연소 가스로부터 동익으로의 열의 유입을 억제하여 냉각 효율을 더 향상시킬 수 있다.
(2) 본 실시 형태에서는, 날개형부(19)의 제1 벽면(38)에, 제1 벽면(38)으로부터 제3 냉각 유로(23c)측으로 돌출되는 돌출부(37)를 마련하고 있다. 그로 인해, 터빈 날개의 강도를 확보하면서 날개형부(19)의 두께가 얇은 부분에도 적용할 수 있다. 이에 의해, 동익(15)을 세부에 걸쳐서 냉각할 수 있고, 냉각 효율을 더 향상시킬 수 있다.
(3) 도 10에 도시한 바와 같이, 비교예에 관한 연통 구멍(236)에서는 냉각 공기(235)의 일부가 제3 냉각 유로(223c)로부터 연통 구멍(236) 내에 유입되기 때문에, 제1 벽면(238)에 있어서의 제1 개구부(239)의 냉각 하류측에서는, 냉각 공기(235)의 유량이 제1 개구부(239)의 냉각 상류측보다 적어진다. 이에 의해, 제1 벽면(238)에 있어서의 제1 개구부(239)의 냉각 하류측을 흐르는 냉각 공기(235)의 유속이 냉각 상류측에 비해 느려진다. 그 결과, 제1 벽면(238)에 있어서의 제1 개구부(239)의 냉각 하류측에서 냉각 공기(235)의 정체가 발생할 가능성이 있다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 도 4에 도시한 바와 같이 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 냉각 하류측에, 제1 벽면(38)으로부터 제3 냉각 유로(23c)측으로 돌출되는 돌출부(37)를 마련하고 있다. 그로 인해, 제1 벽면(38)의 근방을 흐르는 냉각 공기(35) 중 연통 구멍(36)에 유입되지 않은 냉각 공기(35)를 돌출부(37)에서 가속시킬 수 있다. 이에 의해, 제1 벽면(38)에 있어서의 돌출부(37)의 냉각 하류측을 흐르는 냉각 공기(35)의 유속이 느려지는 것을 억제할 수 있고, 제1 벽면(238)에 있어서의 돌출부(37)의 냉각 하류측에서 냉각 공기(235)의 정체가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(4) 도 11은 압축기 효율의 향상 효과를 설명하기 위한 도면이다. 종축은 압축비, 횡축은 단수를 나타내고 있다. 도 11에 있어서, 점 D는 돌출부(37)가 설치되어 있지 않은 경우의 추기 단수(압축 공기를 추기하는 단수), 점 E는 돌출부(37)가 마련되어 있는 경우의 추기 단수를 나타내고 있다.
연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 냉각 하류측에, 제1 벽면(38)으로부터 제3 냉각 유로(23c)측으로 돌출되는 돌출부(37)를 마련하면, 연통 구멍(36) 내에 박리 영역이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 연통 구멍(36) 내의 전체 압력 손실을 삭감할 수 있다. 이에 의해, 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)측과 제2 개구부(40)측의 압력차를 작게 할 수 있다. 그로 인해, 돌출부(37)가 설치되어 있지 않은 경우와 동일 정도의 유량의 냉각 공기(35)를 더 적은 압력차로 연통 구멍(36)으로부터 연소 가스 유로(17)측으로 분출시킬 수 있다. 이상으로부터, 도 11에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 압축기의 단수가 더 낮은 측으로부터 압축 공기를 추기할 수 있고(즉, 점 D보다도 추기 단수가 낮은 점 E로부터 추기할 수 있음), 그만큼 압축기 효율을 향상시킬 수 있다.
<기타>
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상술한 실시 형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상술한 실시 형태의 구성의 일부를 삭제하는 것도 가능하다.
상술한 실시 형태에서는 동익(15)의 날개형부(19)에 연통 구멍(36)을 형성하고, 연통 구멍(36)의 제1 개구부(39)의 냉각 하류측으로 돌출부(37)를 설치한 구성을 예로 들어 설명했다. 그러나, 본 발명의 본질적 효과는 터빈 날개의 냉각 성능을 더 향상시키는 것이고, 이 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 동익(15)의 내주측 엔드월부(18)에 연통 구멍(36)을 형성하고, 그 개구부의 냉각 하류측에 돌출부(37)를 설치해도 된다. 또한, 고정익(10)의 외주측 엔드월부(11), 날개형부(12) 및 내주측 엔드월부(13)에 연통 구멍(36)을 형성하고, 그 개구부의 냉각 하류측에 돌출부(37)를 마련해도 된다. 이것들의 경우라도, 상술한 실시 형태와 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 상술한 실시 형태에서는 연통 구멍(36)을 날개형부(19)의 제3 냉각 유로(23)와 연소 가스 유로(17)를 연통하도록 형성한 구성을 예로 들어 설명했다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통 구멍(36)을 날개형부(19)의 제1, 제2 냉각 유로(23a, 23b)와 연소 가스 유로(17)를 연통하도록 형성한 구성으로 해도 된다. 이 경우라도, 상술한 실시 형태와 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 상술한 실시 형태에서는 연통 구멍(36)을 날개형부(19)의 날개 중심선(30)의 연장 방향으로 하나 형성한 구성을 예로 들어 설명했다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통 구멍(36)을 날개형부(19)의 날개 중심선(30)의 연장 방향으로 복수 형성한 구성으로 해도 된다. 이 경우라도, 상술한 실시 형태와 동일한 효과가 얻어진다.
6 : 연소 가스(작동 유체)
15 : 동익(터빈 날개)
17 : 연소 가스 유로(작동 유체 유로)
23 : 냉각 유로
27a : 제2 벽면
35 : 동익 냉각 공기(냉각 공기)
36 : 연통 구멍
37 : 돌출부
38 : 제1 벽면
39 : 제1 개구부(개구부)

Claims (5)

  1. 냉각 공기가 흐르는 냉각 유로에 면하는 제1 벽면과,
    작동 유체가 흐르는 작동 유체 유로에 면하는 제2 벽면과,
    상기 냉각 유로와 상기 작동 유체 유로를 연통하는 연통 구멍과,
    상기 연통 구멍의 상기 제1 벽면에 개구되는 개구부의 상기 냉각 공기의 흐름 방향의 하류측에 마련되고, 상기 제1 벽면으로부터 상기 냉각 유로측으로 돌출되는 돌출부와,
    상기 개구부의 주위 방향에 있어서 상기 돌출부에 인접하여 마련되고, 상기 제1 벽면으로부터 상기 개구부에 원활하게 연결되는 제2 곡부를 구비하고,
    상기 돌출부와 상기 제2 곡부는 상기 제1 벽면과 동일 평면 상에서 접하도록 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 터빈 날개.
  2. 제1항에 있어서, 상기 돌출부는 상기 제1 벽면으로부터 상기 냉각 공기의 흐름 방향과 역방향으로 상기 냉각 유로측에 오름 경사로 형성된 경사부와, 상기 냉각 유로측에 볼록 형상으로 형성되고, 상기 개구부에 호상으로 연결되는 곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 날개.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 개구부는 타원 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 날개.
  5. 제1항에 기재된 터빈 날개를 갖는 날개 단락을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
KR1020180009803A 2017-03-15 2018-01-26 터빈 날개 및 그것을 구비한 가스 터빈 KR102008606B1 (ko)

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