KR102114681B1

KR102114681B1 - 핀-핀 배열을 포함하는 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR102114681B1
Application number: KR1020180114222A
Authority: KR
Inventors: 김기백
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-05-25
Also published as: US20200095870A1; DE102019120394A1; KR20200034443A; US11313238B2; CN110939486A; CN110939486B

Abstract

개시되는 발명은 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드가 플랫폼으로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 상기 터빈 블레이드의 내부에는 냉각 공기가 유동하는 냉각유로가 적어도 하나 이상 형성되어 있고, 상기 트레일링 에지를 따라 상기 냉각유로와 연결되는 트레일링 에지 슬롯이 형성되며, 상기 트레일링 에지 슬롯과 연결된 냉각유로 상에는 상기 압력면과 흡입면에 대해 양단이 각각 연결된 복수 개의 핀-핀으로 이루어진 핀-핀 배열이 구비되며, 상기 핀-핀 배열을 이루는 복수 개의 핀-핀 중에서, 상기 냉각유로의 내측 벽면과 상기 플랫폼의 상면 연장선이 교차하는 모서리 영역에 배치된 일부 핀-핀은 상기 압력면과 흡입면에 대해 연결되는 챔퍼부 또는 필렛부가 그 외의 다른 핀-핀에 비해 더 큰 것을 특징으로 한다.

Description

핀-핀 배열을 포함하는 터빈 블레이드{Turbine blade having pin-fin array}

본 발명은 가스 터빈의 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 터빈 블레이드의 트레일링 에지 부분에 배치된 핀-핀 배열을 이용하여 트레일링 에지의 기계적 강도를 개선한 터빈 블레이드에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.

이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 외부로부터 도입된 공기는 복수 단으로 이루어진 회전하는 압축기 블레이드를 거치면서 점차로 압축되어 목표로 하는 압력까지 상승한다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스 터빈의 효율에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 근래의 가스 터빈 개발에서는 연소기에서의 연소 효율 향상, 터빈 입구 온도의 상승을 통한 열역학적 효율의 향상, 압축기와 터빈에서의 공력 효율 향상 등 다양한 방면으로 연구가 진행되고 있다.

발전용 산업 가스 터빈의 등급(class)은 터빈 입구 온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)로 구분할 수 되는데, 현재 G 등급과 H 등급의 가스 터빈이 선두 자리를 차지하고 있으며, 가장 최신의 가스 터빈은 J 등급에 도달한 예도 발견된다. 가스 터빈의 등급이 높을수록 효율과 터빈 입구 온도는 모두 올라가는데, H 등급의 가스 터빈은 터빈 입구 온도가 1,500℃에 달하기 때문에 그만큼 내열소재의 개발과 냉각기술의 발전이 요구된다.

터빈 입구 온도가 갈수록 올라가는 현실에서, 터빈 블레이드의 내열 성능을 확보하기 위한 다양한 냉각구조가 적용되고 있다. 터빈 블레이드의 냉각구조에서는 그 내부로 도입된 냉각공기를 배출하는 과정에서 충돌 냉각을 일으키는 한편 표면에 필름 냉각을 형성하기 위한 다양한 형태의 출구가 여러 군데 배치된다. 그런데, 에어포일 형태를 가진 블레이드의 구조상 트레일링 에지 부분이 가장 얇아 구조적으로 불리한데, 거기다 트레일링 에지를 따라 냉각공기 배출용의 슬롯을 길게 형성하면 더더욱 트레일링 에지의 구조적 강도가 문제가 된다.

터빈 블레이드는 블레이드가 유동하는 연소가스에 의해 변동하는 동적 압력을 계속 받고 있으며, 여기에 연소가스의 고온에 노출되어 있기 때문에 재료 물성은 열화되어 기계적 강도가 떨어질 수밖에 없다. 이런 문제는 형태적으로 가장 강도가 약한 트레일링 에지에서 심각하게 나타나게 되므로, 이에 대한 개선은 설계에서 항상 중요시되고 있다.

한국등록특허 제10-1580490호(2015.12.21 등록)

본 발명은 터빈 블레이드의 트레일링 에지에 있어서, 그 냉각성능과 설계의 변경은 크게 줄이면서도 그 기계적 강도는 향상시킬 수 있는 터빈 블레이드의 새로운 구조를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드가 플랫폼으로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 상기 터빈 블레이드의 내부에는 냉각 공기가 유동하는 냉각유로가 적어도 하나 이상 형성되어 있고, 상기 트레일링 에지를 따라 상기 냉각유로와 연결되는 트레일링 에지 슬롯이 형성되며, 상기 트레일링 에지 슬롯과 연결된 냉각유로 상에는 상기 압력면과 흡입면에 대해 양단이 각각 연결된 복수 개의 핀-핀으로 이루어진 핀-핀 배열이 구비되며, 상기 핀-핀 배열을 이루는 복수 개의 핀-핀 중에서, 상기 냉각유로의 내측 벽면과 상기 플랫폼의 상면 연장선이 교차하는 모서리 영역에 배치된 일부 핀-핀은 상기 압력면과 흡입면에 대해 연결되는 챔퍼부 또는 필렛부가 그 외의 다른 핀-핀에 비해 더 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 모서리 영역에 배치된 챔퍼부 또는 필렛부가 더 큰 일부 핀-핀은, 그 외의 다른 핀-핀과 몸체의 지름은 동일하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 블레이드와 플랫폼의 연결면을 따라 필렛이 형성되어 있고, 상기 필렛이 상기 블레이드와 연결되는 경계선을 기준으로 할 때, 상기 필렛 경계선에 가장 가까우면서 상기 냉각유로 내측 벽면에 가장 가까운 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제1 순위 핀-핀인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 순위 핀-핀의 바로 위에 배치된 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제2 순위 핀-핀인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 순위 핀-핀의 바로 아래에 배치된 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제3 순위 핀-핀인 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 제1 내지 제3 순위 핀-핀이 이루는 제1 열에 대해 상기 트레일링 에지 쪽에 더 가깝게 배치된 제2 열의 핀-핀 중에서, 상기 제1 순위 핀-핀 및 상기 필렛 경계선에 가장 가까운 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제4 순위 핀-핀인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제4 순위 핀-핀의 바로 위에 배치된 상기 제2 열의 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제5 순위 핀-핀인 것을 특징으로 한다.

위와 같이, 상기 제1 순위 핀-핀에 인접한 1∼4개의 핀-핀의 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명은 터빈 블레이드의 내부에 형성된 냉각유로와 연결되는 트레일링 에지 슬롯 상에 배치되고, 압력면과 흡입면에 대해 양단이 각각 연결된 복수 개의 핀-핀으로 이루어진 핀-핀 배열 구조에 있어서, 상기 핀-핀 배열을 이루는 복수 개의 핀-핀 중에서, 상기 냉각유로의 내측 벽면과 플랫폼의 상면 연장선이 교차하는 모서리 영역에 배치된 일부 핀-핀은 상기 압력면과 흡입면에 대해 연결되는 챔퍼부 또는 필렛부가 그 외의 다른 핀-핀에 비해 더 큰 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조를 제공한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 핀-핀 배열 구조에 의하면, 트레일링 에지 슬롯과 연결된 냉각유로 상에 위치한 전체 핀-핀 배열 중에서 안쪽 모서리 영역의 일부 핀-핀에 대해서만 그 지지구조를 변경함으로써 트레일링 에지 영역의 기계적 강도를 강화하는 것이 가능하다.

특히, 본 발명은 기존의 핀-핀 배열 중에서 안쪽 모서리 영역의 일부 핀-핀만 그 지지구조를 변경하는 것이기 때문에 필요한 설계 변경의 양이 많지 않으며, 기존의 핀-핀 배열 자체는 그대로 유지하기 때문에 냉각성능에 미치는 영향 또한 매우 제한적이다.

따라서, 본 발명은 기존에 이미 설계가 끝난 터빈 블레이드에도 손쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스 터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예가 적용되는 터빈 블레이드의 내부 냉각구조를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 터빈 블레이드에 포함된 핀-핀의 지지구조를 도시한 단면도.
도 4는 도 2의 냉각유로 안쪽에서 트레일링 에지를 향해 핀-핀 배열을 바라본 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 핀-핀 배열이 적용된 터빈 블레이드의 내부 냉각구조를 도시한 도면.
도 6은 도 5의 터빈 블레이드에 포함된 핀-핀의 지지구조를 도시한 단면도.
도 7은 도 5의 냉각유로 안쪽에서 트레일링 에지를 향해 핀-핀 배열을 바라본 사시도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스 터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 ?과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크 튜브(130)가 배치되어 있다.

압축기 섹션(110)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 타이로드(150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 고정되어 있어 회전하지 않으며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스 터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

타이로드(150)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크 튜브(130) 내에서 고정된다.

타이로드(150)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 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(deswirler)라고 한다.

연소기(104)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.

가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 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 점화기가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는 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.

라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션과 그 구조가 유사하다. 즉, 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)를 포함한다. 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 터빈 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 터빈 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.

이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 리딩 에지(186), 트레일링 에지(187), 상기 리딩 에지(186)와 트레일링 에지(187)를 연결하는 압력면(188)과 흡입면(189)을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드(185)가 플랫폼(190)으로부터 자유단인 팁 부(192)까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드(184)에 관한 것이다. 터빈 블레이드(184)의 전체적인 구조는 도 2 및 도 4를 참조하여 확인할 수 있다.

도 2에 도시된 것처럼, 터빈 블레이드(184)의 내부에는 냉각 공기가 유동하는 냉각유로(196)가 적어도 하나 이상 형성되어 있다. 도시된 실시예는 리딩 에지(186) 영역, 중앙 영역, 트레일링 에지(187) 영역에 대해 각각 분리되어 냉각공기가 흐르는 3개의 냉각유로(196)가 형성된 터빈 블레이드(184)의 예를 도시하고 있다. 그렇지만, 하나의 냉각유로(196)가 사행유로를 형성하며 블레이드(185) 전체 영역을 통과하거나, 두 개나 네 개의 분리된 냉각유로(196)가 형성되는 실시형태 등 냉각유로(196)의 구조는 매우 다양하게 존재한다.

냉각유로(196)의 개수가 몇 개이든, 요즈음 다수의 냉각유로(196) 구조는 트레일링 에지 슬롯(198)과 연결되는 형태를 가진 것이 많이 발견된다. 트레일링 에지 슬롯(198)은 트레일링 에지(187)를 따라 블레이드(185)의 스팬 방향을 따라 하나로 길게 또는 여러 개가 분산 형성된 냉각공기의 분출 통로를 말한다. 트레일링 에지 슬롯(198)은 냉각공기의 분출을 통해 기계적 강도가 취약한 트레일링 에지(187)를 냉각한다.

그리고, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 트레일링 에지 슬롯(198)과 연결된 냉각유로(196) 상에는 블레이드(185)의 압력면(188)과 흡입면(189)에 대해 양단이 각각 연결된 복수 개의 핀-핀(pin-fin, 210)으로 이루어진 핀-핀 배열(pin-fin array, 200)이 구비될 수 있다. 각각의 핀-핀(210)은 압력면(188)과 흡입면(189)의 내부 표면에 대해 그 몸체(212)가 챔퍼부(213){도 3의 (a) 참조} 또는 필렛부(214){도 3의 (b) 참조}로 연결된다. 이는 핀-핀 배열(200)이 주조(鑄造)로서 터빈 블레이드(184)와 일체로 형성되기 때문에, 용탕이 핀-핀(210)까지 잘 진입하여 채워져야 하는 한편 주형 탈형시 핀-핀(210)이 파손되는 것을 막기 위해서이다. 구조적으로도 챔퍼부(213)와 필렛부(214)는 응력 분산의 효과가 있기 때문에 각 핀-핀(210)의 지지구조에 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 형성하는 것이 유리하다.

핀-핀(210)의 본래 역할을 냉각공기 흐름에 복잡한 난류를 형성함으로써 냉각 효과를 상승시키기 위함이다. 본 발명은 여기서 더 나아가, 전체 핀-핀 배열(200) 중의 일부 핀-핀(210-1∼210-5)을 트레일링 에지(187)의 구조적 강도를 보강하는데 활용하고자 한다.

터빈 블레이드(184)를 기구학적으로 보자면, 터빈 블레이드(184)의 플랫폼(190) 아래쪽 구조는 터빈 로터 디스크(180, 도 1 참조)에 대해 단단히 고정되어 있기 때문에 플랫폼(190) 위쪽으로 반경방향을 따라 연장된 블레이드(185)는 일종의 캔틸레버 구조로 취급할 수 있다. 그런데, 블레이드(185)는 에어포일 단면 형상을 가지기 때문에 중앙 부분이 더 두껍다. 이 때문에 블레이드(185)에 연소가스의 압력이 작용하여 휨이 발생하면 고정단에 해당하는 플랫폼(190) 근방의 블레이드(185) 중앙 부분에 응력이 집중된다. 이 집중된 응력이 블레이드(185)의 구조적 강건성에 나쁜 영향을 미치며, 특히 두께가 얇은 트레일링 에지(187) 쪽에 민감하게 작용하게 된다.

본 발명은 이러한 블레이드(185)의 응력 특성을 고려하여, 안쪽 모서리 영역의 일부 핀-핀(210-1∼210-5)에 대해 압력면(188)과 흡입면(189)과 연결된 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 다른 핀-핀(210)에 비해 더 크게 형성하고 있다. 도 5 내지 도 7을 참조하여 이에 대해 보다 상세히 설명한다. 참고로 본 발명을 도시하고 있는 도 5 내지 도 7은 각각 종래 구조를 도시하고 있는 도 2 내지 도 4에 대응하는 것으로서, 서로 대응하는 도면을 비교하면 본 발명에 대해 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

다른 핀-핀(210)에 비해 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)가 더 크게 형성되는 핀-핀(210-1∼210-5)의 위치에 대해 개략적으로 안쪽 모서리라 표현했지만, 이를 좀더 구체적으로 나타낸다면 냉각유로(196)의 내측 벽면(197)과 상기 플랫폼(190)의 상면 연장선(191)이 교차하는 모서리 영역이 바로 위에서 언급한 안쪽 모서리 영역이며, 이 영역(이하, 간략히 "안쪽 모서리 영역"으로 칭하더라도, 내측 벽면(197)과 상기 플랫폼(190)의 상면 연장선(191)이 교차하는 모서리 영역을 의미하는 것임)에 배치된 일부 핀-핀(210-1∼210-5)의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 다른 것보다 더 크게 형성한 것이다.

냉각유로(196)의 내측 벽면(197)은 냉각유로(196)의 가장 안쪽을 경계 짓는 기준으로서, 블레이드(185)의 코드 방향 중앙 부분에 응력이 집중되기 때문에 핀-핀(210)의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 더 크게 형성할 필요성이 높기 때문에 하나의 기준선이 된다.

그리고, 냉각유로(196)의 내측 벽면(197)과 함께 플랫폼(190)의 상면 연장선(191)이 또 하나의 기준선이 되는데, 이는 플랫폼(190) 상면 아래로는 구조적으로 두껍고 단단하기 때문에 그 자체로서 응력을 견디는데 별다른 문제가 없기 때문이다.

여기서, 도 6에 도시된 것처럼, 안쪽 모서리 영역에 배치된 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)가 더 큰 일부 핀-핀(210)은, 그 외의 다른 핀-핀(210)과 몸체(212)의 지름(d)은 동일하게 유지된다. 핀-핀 배열(200)을 지나는 냉각공기의 유량 대부분은 핀-핀의 몸체(212) 쪽(유동공간의 중앙영역)을 지나기 때문에, 핀-핀(120)의 지름(d)을 바꾸지만 않으면 일부 핀-핀(210)의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 더 크게 하더라도 냉각공기의 유동은 크게 변하지 않는다. 다시 말해, 냉각성능에는 별다른 변화를 일어나지 않기 때문에, 전체 핀-핀 배열(200)을 새로 설계할 필요가 없어진다.

이에 비해, 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 더 크게 만들더라도 그 증가하는 부피는 별로 크지 않기 때문에 유동공간을 그리 감소시키지 않는다. 반면 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)가 커지면 핀-핀(210)이 압력면(188)과 흡입면(189)에 결합하는 면적이 커지는 만큼 핀-핀(210)이 블레이드(185)의 양쪽 면을 지탱하는 힘은 커진다. 따라서, 안쪽 모서리 영역의 일부 핀-핀(210)의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 상대적으로 크게 만드는 것은 플랫폼(190) 상면의 블레이드(185) 중앙 영역에 집중하는 응력에 대항하는데 큰 도움이 된다. 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)의 확장 크기는 인접한 다른 핀-핀(210)의 챔퍼부(213), 필렛부(214)에 간섭을 일으키지 않는 한도에서 결정하면 된다.

여기서, 안쪽 모서리 영역의 일부 핀-핀(210-1∼210-5)의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 상대적으로 크게 만듦에 있어 그 효과를 고려하여 어떤 핀-핀을 우선적으로 그 대상으로 할지 순위를 정하는 것이 좋다. 이는 설계를 변경해야 할 핀-핀의 개수를 상황에 따라 선택할 때, 정해진 우선 순위에 맞춰 적절한 개수의 핀-핀을 선택함으로써 최소 설계변경으로도 최대의 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

제1 순위의 핀-핀(210-1), 다시 말해 핀-핀의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)를 상대적으로 크게 할 때 반드시 포함되어야 할 핀-핀은, 블레이드(185)와 플랫폼(190)의 연결면을 따라 형성된 필렛(193)이 블레이드(185)와 연결되는 경계선(194)을 기준으로 하여 상기 필렛 경계선(194)에 가장 가까우면서 냉각유로(196) 내측 벽면(197)에 가장 가까운 핀-핀이다. 필렛(193)은 그 살 두께만큼 블레이드(185)의 강도를 보강한다. 따라서, 플랫폼(190)의 상면 연장선(191)보다 더 위쪽에 있는 필렛 경계선(194)을 기준으로 하여 이 필렛 경계선(194)에 가장 가까우면서 가장 안쪽에 있는 핀-핀(210-1)을 제1 순위로 정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 제2 순위 핀-핀(210-2)은 제1 순위 핀-핀(210-1)의 바로 위에 배치된 또 하나의 핀-핀이다. 필렛 경계선(194) 아래쪽은 플랫폼(190)에 가깝기 때문에 구조적으로 상대적 여유가 있기 때문에 제1 순위 핀-핀(210-1)의 바로 위의 핀-핀(210-2)을 제2 순위로 정한 것이다. 그리고 이에 따라, 제1 순위 핀-핀(210-1)의 바로 아래에 배치된 또 하나의 핀-핀이 제3 순위 핀-핀(210-3)로 선정된다.

제1 내지 제3 순위 핀-핀(210-1, 210-2, 210-3)는 가장 안쪽의 제1 열을 이루는데, 그 다음으로는 선이 아닌 면의 개념으로 넓게 보강하기 위해 제1 열에 대해 트레일링 에지(187) 쪽에 가깝게 배치된 제2 열의 핀-핀을 대상으로 하는 것이 바람직하다.

제2 열상에 위치하는 제4 순위 핀-핀(210-4)은 제1 순위 핀-핀(210-1) 및 필렛 경계선(194)에 가장 가까운 하나의 핀-핀이다. 제1 열과 제2 열의 핀-핀은 대개 반 피치(인접한 핀-핀 사이의 거리)만큼 어긋나게 배치되어 난류 발생을 더욱 촉진하게 되는데, 이럴 경우 제1 순위 핀-핀(210-1)에 가장 가까운 제2 열의 핀-핀은 등거리로 두 개가 있을 수 있다. 이럴 경우에는, 역시 필렛 경계선(194)을 기준으로 여기에 가장 가까운 제2 열의 핀-핀을 제4 순위 핀-핀(210-4)으로 선정하는 것이 효율적이다.

제5 순위 핀-핀(210-5)은, 제2 순위 핀-핀(210-2)을 선정한 이유와 동일한 근거로서, 제4 순위 핀-핀(210-4)의 바로 위에 배치된 제2 열의 핀-핀으로 정하면 된다.

이와 같이, 최우선으로 선정된 제1 순위 핀-핀(210-1)에 인접한 1∼4개의 핀-핀(210-2∼210-5)의 챔퍼부(213) 또는 필렛부(214)가 더 크게 형성되는 여러 실시형태가 만들어질 수 있으며, 이처럼 트레일링 에지 슬롯(198)과 연결된 냉각유로(196) 상에 위치한 전체 핀-핀 배열(200) 중에서 안쪽 모서리 영역의 일부 핀-핀(210-1∼210-5)에 대해서만 그 지지구조를 변경함으로써 별다른 냉각성능의 열화 없이 트레일링 에지(187) 영역의 기계적 강도를 강화하는 것이 가능해진다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

184: 터빈 블레이드 185: 블레이드
186: 리딩 에지 187: 트레일링 에지
188: 압력면 189: 흡입면
190: 플랫폼 191: 플랫폼의 상면 연장선
192: 팁 부 193: 필렛
194: 필렛 경계선 196: 냉각유로
197: 내측 벽면 198: 트레일링 에지 슬롯
200: 핀-핀 배열 210: 핀-핀
212: 몸체 213: 챔퍼부
214: 필렛부 210-1: 제1 순위 핀-핀
210-2: 제2 순위 핀-핀 210-3: 제3 순위 핀-핀
210-4: 제4 순위 핀-핀 210-5: 제5 순위 핀-핀

Claims

리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 블레이드가 플랫폼으로부터 자유단인 팁 부까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 블레이드에 있어서,
상기 터빈 블레이드의 내부에는 냉각 공기가 유동하는 냉각유로가 적어도 하나 이상 형성되어 있고,
상기 트레일링 에지를 따라 상기 냉각유로와 연결되는 트레일링 에지 슬롯이 형성되며,
상기 트레일링 에지 슬롯과 연결된 냉각유로 상에는 상기 압력면과 흡입면에 대해 양단이 각각 연결된 복수 개의 핀-핀으로 이루어진 핀-핀 배열이 구비되며,
상기 핀-핀 배열을 이루는 복수 개의 핀-핀 중에서, 상기 냉각유로의 내측 벽면과 상기 플랫폼의 상면 연장선이 교차하는 모서리 영역에 배치된 일부 핀-핀은 상기 압력면과 흡입면에 대해 연결되는 챔퍼부 또는 필렛부가 그 외의 다른 핀-핀에 비해 더 크고,
상기 모서리 영역에 배치된 챔퍼부 또는 필렛부가 더 큰 일부 핀-핀은, 그 외의 다른 핀-핀과 몸체의 지름은 동일한 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
삭제
제1항에 있어서,
상기 블레이드와 플랫폼의 연결면을 따라 필렛이 형성되어 있고, 상기 필렛이 상기 블레이드와 연결되는 경계선을 기준으로 할 때, 상기 필렛 경계선에 가장 가까우면서 상기 냉각유로 내측 벽면에 가장 가까운 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제1 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제3항에 있어서,
상기 제1 순위 핀-핀의 바로 위에 배치된 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제2 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제4항에 있어서,
상기 제1 순위 핀-핀의 바로 아래에 배치된 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제3 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제5항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 순위 핀-핀이 이루는 제1 열에 대해 상기 트레일링 에지 쪽에 더 가깝게 배치된 제2 열의 핀-핀 중에서, 상기 제1 순위 핀-핀 및 상기 필렛 경계선에 가장 가까운 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제4 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제6항에 있어서,
상기 제4 순위 핀-핀의 바로 위에 배치된 상기 제2 열의 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제5 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제3항에 있어서,
상기 제1 순위 핀-핀에 인접한 1∼4개의 핀-핀의 챔퍼부 또는 필렛부도 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
터빈 블레이드의 내부에 형성된 냉각유로와 연결되는 트레일링 에지 슬롯 상에 배치되고, 압력면과 흡입면에 대해 양단이 각각 연결된 복수 개의 핀-핀으로 이루어진 핀-핀 배열 구조에 있어서,
상기 핀-핀 배열을 이루는 복수 개의 핀-핀 중에서, 상기 냉각유로의 내측 벽면과 플랫폼의 상면 연장선이 교차하는 모서리 영역에 배치된 일부 핀-핀은 상기 압력면과 흡입면에 대해 연결되는 챔퍼부 또는 필렛부가 그 외의 다른 핀-핀에 비해 더 크고,
상기 모서리 영역에 배치된 챔퍼부 또는 필렛부가 더 큰 일부 핀-핀은, 그 외의 다른 핀-핀과 몸체의 지름은 동일한 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.
삭제
제9항에 있어서,
상기 플랫폼으로부터 반경방향으로 연장된 블레이드와 상기 플랫폼의 연결면을 따라 필렛이 형성되어 있고, 상기 필렛이 상기 블레이드와 연결되는 경계선을 기준으로 할 때, 상기 필렛 경계선에 가장 가까우면서 상기 냉각유로 내측 벽면에 가장 가까운 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제1 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.
제11항에 있어서,
상기 제1 순위 핀-핀에 인접한 1∼4개의 핀-핀의 챔퍼부 또는 필렛부도 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.
제11항에 있어서,
상기 제1 순위 핀-핀의 바로 위에 배치된 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제2 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.
제13항에 있어서,
상기 제1 순위 핀-핀의 바로 아래에 배치된 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제3 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.
제14항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 순위 핀-핀이 이루는 제1 열에 대해 상기 트레일링 에지 쪽에 더 가깝게 배치된 제2 열의 핀-핀 중에서, 상기 제1 순위 핀-핀 및 상기 필렛 경계선에 가장 가까운 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제4 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.
제15항에 있어서,
상기 제4 순위 핀-핀의 바로 위에 배치된 상기 제2 열의 또 하나의 핀-핀은 상기 챔퍼부 또는 필렛부가 더 크게 형성되어야 할 제5 순위 핀-핀인 것을 특징으로 하는 핀-핀 배열 구조.