KR102032309B1 - 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드의 충돌 냉각을 갖는 이중 셸프 스퀼러 팁 - Google Patents

스펜타인 냉각된 터빈 블레이드의 충돌 냉각을 갖는 이중 셸프 스퀼러 팁 Download PDF

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Abstract

터빈 블레이드는 리딩 에지, 트레일링 에지, 스퀼러 팁 플로어, 및 냉각 회로를 터빈 블레이드 내에 형성하도록 배치된 하나 이상의 벽을 포함하며, 하나 이상의 벽은 냉각제가 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 배출되는 하나 이상의 충돌 홀을 갖는 충돌 셸프을 형성한다.

Description

스펜타인 냉각된 터빈 블레이드의 충돌 냉각을 갖는 이중 셸프 스퀼러 팁{DOUBLE SHELF SQUEALER TIP WITH IMPINGEMENT COOLING OF SERPENTINE COOLED TURBINE BLADES}
본 실시 예는 가스터빈의 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 충돌 홀을 갖는 충돌 셸프를 형성하는 하나 이상의 벽이 구비된 이중 셸프 스퀼러 팁에 관한 것이다.
예를 들어, 가스 터빈에 사용되는 것과 같은 연소기는 압축된 공기를 연료와 혼합하고, 고온, 고압 가스를 하류로 배출한다. 그 후, 가스에 저장된 에너지는, 예를 들어, 고온 고압 가스가 터빈 내에서 팽창함에 따라 작동하도록 전환되어, 전기를 생성하는 발전기와 같은 부착된 장치를 구동하기 위해 샤프트를 회전시킨다. 샤프트는 팽창하는 핫(hot) 가스가 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)로 진행함에 따라 압력 불균형을 생성하여 샤프트를 회전시키기 위해 터빈 블레이드를 터닝(turning)시키도록 형상화된 복수의 터빈 블레이드를 갖는다.
도 1은 가스 터빈(20)을 도시한다. 연소기(10)에 공급되는 공기는 가스 터빈(20)의 공기 흡입 섹션(30)을 통해 수용되고, 압축 섹션(40)에서 압축된다. 그 후, 압축된 공기는 공기 경로(60)를 통해 헤드엔드(50)에 공급된다. 공기는 연료와 혼합되고, 노즐(70)의 팁(tip)에서 연소되며, 생성된 고온, 고압 가스는 하류로 공급된다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 생성된 가스는 가스의 에너지가 터빈 블레이드(95)에 연결된 터닝 샤프트(90)에 의해 작업하도록 변환되는 터빈 섹션(80)에 공급된다.
매우 높은 가스 경로 온도에 노출된 터빈 블레이드를 냉각시키는 하나의 효과적인 방법은 블레이드 내에 스펜타인 통로(serpentine passage)를 생성하는 것이다. 생성된 내부 냉각 회로는 블레이드의 에어포일(airfoil) 및 이의 표면 주위의 다양한 막 냉각 홀(film cooling hole)을 통해 일반적으로 압축기 블리드로부터 추출된 냉각제를 채널링한다.
하나의 타입의 에어포일은 연소 가스에 대한 방사상 내부 흐름 경로를 형성하는(도시되지 않은) 블레이드 플랫폼에서의 루트(root)로부터 방사상 외부 캡 또는 블레이드 팁 섹션으로 연장되고, 에어 포일의 리딩 에지로부터 트레일링 에지로 축 방향으로 연장되는 대향 압력면 및 흡입면을 포함한다.
냉각 회로는 압력면과 흡입면 사이의 에어포일 내부로 연장되고, 블레이드 팁 섹션에 의해 이의 최상부에서 경계가 정해진다. 냉각제가 냉각 통로를 통해 흐름에 따라, 열은 블레이드로부터 추출되어 부품을 냉각시킨다.
도 2a는 종래의 스퀼러 팁 설계를 갖는 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드(95)의 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 라인 A-A를 따른 단면도이다. 도시된 바와 같이, 스퀼러 팁(100)은 스퀼러 팁 플로어(110)를 갖는다. 냉각제가 스펜타인 벽(130)에 의해 규정된 냉각 회로(120)를 통해 흐름에 따라, 터빈 블레이드(95) 상에 축적된 열은 냉각제로 전달되고, 가열된 공기는 트레일링 에지(140) 상의 개구를 통해 배출된다.
그러나, 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드의 트레일링 에지 팁 영역은 가스 경로 이동 효과로 인해 리딩 에지 중간 스팬에서 기인하는 핫 가스가 블레이드의 압력면 상의 영역을 둘러싸기 때문에 매우 높은 열 부하를 받게 된다.
이러한 높은 열 부하는 매우 높은 코팅/금속 온도를 야기하여 조기 코팅 실패 및 기질 산화로 이어질 수 있다. TBC라고도 알려진 단열 코팅(thermal barrier coating)은 일반적으로 제 1 러브(rub) 후에 팁에서 국부적으로 제거되기 때문에, 이점이 제한적이다. 더욱이, 이러한 영역에 막 홀(film hole)을 부가하는 것은 막 홀이 블레이드의 냉각 공동부(cavity)로 관통하도록 막 홀을 구성하기가 어렵기 때문에 냉각 이점이 제한적이다.
본 발명의 일 실시예에서, 터빈 블레이드는 리딩 에지, 트레일링 에지, 스퀼러 팁 플로어, 및 터빈 블레이드 내에 냉각 회로를 형성하도록 배치된 하나 이상의 벽을 포함하며, 하나 이상의 벽은 냉각제가 터빈 블레이드를 냉각시키도록 배출되는 하나 이상의 충돌 홀을 갖는 충돌 셸프를 형성한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 터빈 블레이드의 충돌 셸프는 터빈 블레이드 내에 스펜타인 냉각 회로를 형성하도록 배치된 하나 이상의 벽, 및 냉각제가 터빈 블레이드를 냉각시키도록 배출되는 하나 이상의 충돌 홀을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예는 터빈 블레이드에 있어서, 리딩 에지; 트레일링 에지; 스퀼러 팁 플로어; 및 상기 터빈 블레이드 내에 냉각 회로를 형성하도록 배치되고, 냉각제가 상기 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 배출되는 하나 이상의 충돌 홀을 갖는 충돌 셸프를 형성하는 하나 이상의 벽을 포함한다.
상기 스퀼러 팁 플로어는 상기 하나 이상의 충돌 홀로부터 배출된 상기 냉각제가 배기되는 하나 이상의 벤트 홀을 포함한다.
상기 냉각 회로를 형성하도록 배치된 상기 하나 이상의 벽은 상기 냉각제를 상기 하나 이상의 충돌 홀로 안내하도록 구성된 턴어라운드 섹션을 포함한다.
상기 턴어라운드 섹션은 상기 터빈 블레이드의 트레일링 에지에 형성된다.
상기 충돌 셸프 및 상기 스퀼러 팁 플로어는 미리 결정된 각도에서 배치된다.
상기 충돌 셸프 및 상기 스퀼러 팁 플로어는 서로 병렬인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예는 터빈 블레이드의 충돌 셸프에 있어서, 상기 터빈 블레이드 내에 스펜타인 냉각 회로를 형성하도록 배치된 하나 이상의 벽; 및 냉각제가 상기 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 배출되는 하나 이상의 충돌 홀을 포함한다.
상기 냉각제를 상기 하나 이상의 충돌 홀로 안내하도록 구성된 턴어라운드 섹션을 더 포함한다.
상기 턴어라운드 섹션은 상기 터빈 블레이드의 트레일링 에지에 형성된다.
상기 충돌 셸프는 상기 터빈 블레이드의 스퀼러 팁 플로어에 대해 미리 정해진 각도에서 배치된다.
상기 하나 이상의 충돌 홀은 상기 하나 이상의 충돌 홀로부터 배출된 상기 냉각제를 상기 스퀼러 팁 플로어에 형성된 하나 이상의 벤트 홀로 지향하도록 구성되는,
상기 충돌 셸프 및 상기 스퀼러 팁 플로어는 서로 병렬인 것을 특징으로 한다.
상기 하나 이상의 충돌 홀은 상기 하나 이상의 충돌 홀로부터 배출된 상기 냉각제를 상기 스퀼러 팁 플로어 상에 형성된 하나 이상의 벤트 홀로 지향하도록 구성된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈을 도시한다.
도 2a는 종래의 스퀼러 팁 설계를 갖는 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 라인 A-A를 따른 단면도이다.
도 3a는 예시적인 실시예에 따른 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드의 단면 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 라인 B-B를 따른 단면도이다.
도 3c는 도 3a의 라인 C-C를 따른 단면도이다.
충돌 냉각을 갖는 이중 셸프 스퀼러 팁의 다양한 실시예가 설명된다. 그러나, 다음의 설명은 단지 본 개시(disclosure)의 장치 및 방법을 설명하는데 예시적인 것임을 이해해야 한다. 따라서, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 합리적이고 예측 가능한 임의의 수의 수정, 변경 및/또는 대체가 고려된다. 설명 및 일관성을 위해, 동일한 참조 번호는 도면에서 동일한 구성 요소에 대한 것이다.
도 3a는 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드(300)의 예시적인 실시예의 단면 평면도이다. 도 3b는 도 3a의 라인 B-B를 따른 단면도이다. 도 3c는 도 3a의 라인 C-C를 따른 단면도이다. 예시적인 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드(300)는 스퀼러 팁 플로어(320) 및 충돌 셸프(330)을 갖는 스퀼러 팁(310)을 포함한다. 충돌 셸프(330)는 충돌 셸프(330)의 길이를 따른 복수의 충돌 홀(340) 및 후미 팁 턴어라운드 섹션(aft tip turnaround section)(350)을 포함한다.
참고로 상기 충돌 홀(340)은 인핀지 먼트 홀(Impingement hole)을 의미한다.
스펜타인 벽(370)에 의해 규정된 냉각 회로(360)를 통해 흐르는 냉각제(예를 들어, 냉각된 공기)는 후미 팁 턴어라운드 섹션(350)에 의해 스퀼러 팁 플로어(320)의 최하부 표면상에 형성된 트레일링 에지 공동부에 의해 충돌 홀(340)을 통해 강제로 배출된다.
추가의 예시적인 실시예에서, 스퀼러 팁 플로어(320)는 복수의 벤트 홀(vent hole)(390)을 포함한다. 따라서, 이러한 영역의 개선된 냉각은 충돌 홀(340) 및 벤트 홀 둘 다에 대한 국부적 대류 효과와 함께 충돌 타겟 표면상의 충돌 열 전달에 기인할 것이다. 더욱이, 스펜타인 냉각된 터빈 블레이드(300)의 트레일링 팁 영역에서의 코팅 및 기질 산화 수명이 향상될 것이다.
예시적인 실시예에서, 스퀼러 팁 플로어(320) 및 충돌 셸프(330)는 서로 병렬로 배치될 수 있다. 그러나, 스퀼러 팁 플로어(320)와 충돌 셸프(330) 사이의 각도는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수있다.
다른 예시적인 실시예에서, 후미 팁 턴어라운드 섹션(350)은 트레일링 에지(380)를 통해 순환하는 흐름을 차단하고, 충돌 홀(340)을 통해 공기를 강제로 배출하기 위해 캐스트 인(cast-in) 재료 또는 다른 타입의 방해물을 부가함으로써 형성될 수 있다. 그러나, 후미 팁 턴어라운드 섹션(350)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 충돌 셸프와 일체로 형성될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 충돌 홀을 갖는 중간 셸프 또는 셸프들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 충돌 셸프(330)와 스퀼러 팁 플로어(320) 사이에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예의 이점 중 일부는 유지 보수 간격(maintenance interval) 동안 낙진율(fallout rate)을 감소시킨 터빈 블레이드의 설계 수명 및 신뢰성의 향상, 궁극적으로 유닛의 강제 정지를 초래하는 치명적인 고장으로 이어지는 조기 코팅 실패 및 예상된 기질 산화의 방지, 및 핫 가스 경로 구성 요소의 수명 개선으로 인한 서비스 계약의 수익성의 증가를 포함한다.
또한, 본 개시는 가스 터빈의 터빈 블레이드에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 고열 환경에서의 다른 서펜타인 냉각된 블레이드는 본 개시의 이점을 실현할 수 있다.
더욱이, 충돌 홀 및 벤트 홀의 형상, 크기 및 두께는 본 명세서에 개시된 것에 한정되지 않는다. 부가적으로, 상이한 크기, 두께 및 형상을 갖는 충돌 및 벤트 홀의 임의의 조합은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 조합될 수 있다. 또한, 충돌 및 벤트 홀은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상이한 간격에서 또는 다양한 다공성(즉, 면적당 홀의 수)으로 서로 등거리로 배치될 수 있다.
본 개시의 폭 및 범위는 상술한 예시적인 실시예 중 어느 것에 의해 제한되지 않아야 하며, 다음의 청구 범위 및 이의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 더욱이, 상술한 이점 및 특징은 설명된 실시예에 제공되지만, 상술한 이점의 일부 또는 전부를 달성하는 프로세스 및 구조로 청구 범위의 적용을 제한하지 않아야 한다.
부가적으로, 본 명세서의 섹션 표제는 37 CFR 1.77에 따른 제안과의 일관성을 위해 제공되거나 조직적 큐(cue)를 제공하기 위해 제공된다. 이러한 표제는 본 개시에서 발급할 수 있는 모든 청구 범위에 설명된 발명을 제한하거나 특성을 부여하지 않아야한다. 더욱이, "배경(Background)"에서의 기술에 대한 설명은 기술이 본 개시에서 임의의 발명의 선행 기술이라는 것을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
"간단한 요약(Brief Summary)"은 본 명세서에서 발견된 청구 범위에 설명된 발명의 특성으로서 간주되지 않는다. 더욱이, 본 개시에서 단수의 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 개시에서 청구된 하나의 신규성만이 있음을 주장하는데 사용되지 않아야 한다. 본 개시와 관련된 다수의 청구 범위의 제한에 따라 다수의 발명이 제시될 수 있으며, 청구 범위는 이에 따라 보호되는 발명 및 이의 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 청구항의 범위는 명세서의 관점에서 자신의 장점으로 고려되어야 하지만, 본 명세서에 설명된 표제로 제한되지 않아야 한다.

Claims (13)

  1. 터빈 블레이드에 있어서,
    리딩 에지;
    트레일링 에지;
    스퀼러 팁 플로어; 및
    상기 터빈 블레이드 내에 냉각 회로를 형성하도록 배치되고, 냉각제가 상기 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 배출되는 하나 이상의 충돌 홀을 갖는 충돌 셸프를 형성하는 하나 이상의 벽;을 포함하되,
    상기 스퀼러 팁 플로어는 상기 충돌 홀로부터 배출된 상기 냉각제가 배기되는 하나 이상의 벤트 홀;을 포함하고,
    상기 충돌셸프는 상기 냉각제를 상기 하나 이상의 충돌 홀로 안내하도록 구성된 턴어라운드 섹션;을 포함하고,
    상기 턴어라운드 섹션은 상기 터빈 블레이드의 트레일링 에지에 형성되고,
    상기 턴어라운드 섹션의 일측에는 스펜타인 벽이 상기 충돌셸프에 병렬되게 연결되고, 상기 턴어라운드 섹션의 타측에 연결된 상기 충돌셸프에서는 상기 충돌홀이 상기 스펜타인 벽에 대향되는 위치에 하나 이상 배치되는, 터빈 블레이드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 셸프 및 상기 스퀼러 팁 플로어는 미리 결정된 각도로 배치되는, 터빈 블레이드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 충돌 셸프 및 상기 스퀼러 팁 플로어는 서로 병렬인, 터빈 블레이드.
  7. 터빈 블레이드의 충돌 셸프(shelf)에 있어서,
    상기 터빈 블레이드 내에 스펜타인 냉각 회로를 형성하도록 배치된 하나 이상의 벽;
    냉각제가 상기 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 배출되는 하나 이상의 충돌 홀; 및
    상기 냉각제를 상기 하나 이상의 충돌 홀로 안내하도록 구성된 턴어라운드 섹션;을 포함하고,
    상기 턴어라운드 섹션은 상기 터빈 블레이드의 트레일링 에지에 형성되고,
    상기 턴어라운드 섹션의 일측에는 스펜타인 벽이 상기 충돌 셸프의 벽에 병렬되게 연결되고, 상기 턴어라운드 섹션의 타측에 연결된 상기 충돌셸프의 벽에서는 상기 충돌홀이 상기 스펜타인 벽에 대향되는 위치에 하나 이상 배치되는, 터빈 블레이드의 충돌 셸프.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 충돌 셸프는 상기 터빈 블레이드의 스퀼러 팁 플로어에 대해 미리 정해진 각도로 배치되는, 터빈 블레이드의 충돌 셸프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 충돌 홀은 상기 하나 이상의 충돌 홀로부터 배출된 상기 냉각제를 상기 스퀼러 팁 플로어에 형성된 하나 이상의 벤트 홀로 지향하도록 구성되는, 터빈 블레이드의 충돌 셸프.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 충돌 셸프 및 상기 스퀼러 팁 플로어는 서로 병렬인, 터빈 블레이드의 충돌 셸프.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 충돌 홀은 상기 하나 이상의 충돌 홀로부터 배출된 상기 냉각제를 상기 스퀼러 팁 플로어 상에 형성된 하나 이상의 벤트 홀로 지향하도록 구성되는, 터빈 블레이드의 충돌 셸프.
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