KR102117430B1 - 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈 - Google Patents

블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 블레이드의 표면에 쿨링필름을 형성하여 블레이드를 냉각하기 위해, 블레이드 표면에 냉각유체를 분사하는 가스홀의 내부 또는 외부 주변부에 대향핀과 같은 와류완화수단을 배치하여 와류 발생을 완화시킴으로써, 냉각유체가 효율적으로 쿨링필름을 형성하여 블레이드의 표면을 냉각 보호할 수 있는 효과가 있다.

Description

블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈{Structure for Improving Cooling Performance of Blade and Blades and Gas Turbines having the same}
본 발명은 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블레이드의 표면에 쿨링필름을 형성하여 블레이드를 냉각하기 위해, 블레이드의 표면에 냉각유체를 분사하는 가스홀의 내부 또는 외부 주변부에 대향핀과 같은 와류완화수단을 배치하여 와류 발생을 완화시킴으로써, 냉각유체가 효율적으로 쿨링필름을 형성하여 블레이드의 표면을 냉각 보호할 수 있도록 한 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈에 관한 것이다.
일반적으로 터빈(turbine)은 가스(gas), 스팀(steam) 등 유체의 열에너지를 기계에너지인 회전력으로 변환하는 동력발생 장치로, 유체에 의해 축회전되도록 복수 개의 회전익(bucket)을 포함하는 로터(rotor)와, 로터의 둘레를 감싸며 설치되고 복수 개의 고정익(diaphram)이 구비된 케이싱(casing)을 포함하고 있다.
여기서, 가스터빈은 압축기 섹션와 연소기 및 터빈 섹션을 포함하여 구성되고, 압축기 섹션의 회전에 의해 외부 공기가 흡입, 압축된 후 연소기로 보내지고, 연소기에서 압축공기와 연료의 혼합에 의해 연소가 이루어진다. 연소기에서 발생된 고온·고압의 가스는 터빈 섹션을 통과하면서 터빈의 로터를 회전시켜 발전기를 구동시킨다.
가스터빈의 압축기 섹션과 터빈 섹션은 하나의 로터로 연결되어 있고, 로터의 외주면에는 복수의 단으로 로터디스크가 장착된다. 로터디스크의 원주방향 외주면을 따라서는 복수의 블레이드가 장착된다.
통상 블레이드는 고온의 환경에서 작동되므로, 블레이드의 열손상을 방지하기 위해 블레이드의 표면은 지속적을 냉각시켜 주어야 한다.
이를 위해 도 1에서와 같이 블레이드(10)상에는 냉각유체가 흐르는 내부유로(미도시)와 연결된 복수의 가스홀(20)이 가공된다. 가스홀(20)에서 분사되는 냉각유체는 블레이드(10)의 표면을 따라 유동하며 쿨링필름(cooling film)을 형성하며 블레이드를 냉각시키게 된다.
그런데 저온가스인 냉각유체가 가스홀(20)에서 분사될 때, 동일방향으로 유동하고 있는 고온가스인 작동유체와 혼합이 이뤄지는 과정에서 Z 영역의 화살표와 같이 와류(V1)가 발생한다. 이러한 와류(V1)는 냉각유체의 흐름을 저해하여 블레이드(10)의 표면에 쿨링필름이 효과적으로 형성되지 못하게 한다. 이는 블레이드 표면의 냉각성능을 저하시키는 문제를 야기한다.
국내특허 등록번호:10-1839656
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 블레이드의 표면에 쿨링필름을 형성하여 블레이드를 냉각하기 위해, 블레이드의 표면에 냉각유체를 분사하는 가스홀의 내부 또는 외부 주변부에 대향핀과 같은 와류완화수단을 배치하여 와류 발생을 완화시킴으로써, 냉각유체가 효율적으로 쿨링필름을 형성하여 블레이드의 표면을 냉각 보호할 수 있도록 한 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈에 관한 것으로, 블레이드의 표면을 냉각하기 위해 상기 블레이드의 표면으로 냉각유체를 분사하도록, 상기 블레이드의 내부유로와 연결되며 상기 블레이드 표면에 배치되는 가스홀;과 상기 블레이드의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 상기 가스홀에서 분사되는 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류와 반대방향의 와류를 형성하여 서로 상충시켜 와류가 완화되도록, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 와류완화수단;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 와류완화수단은, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 대향핀 형태이고, 상기 냉각유체의 유동방향을 변화시켜 반대방향의 와류를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 상기 가스홀의 주변부에 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 한 쌍으로 배치되되, 유체의 유동방향을 기준으로 서로 반대방향으로 경사지게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 하부면에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 하부면에서 유체의 유동방향을 기준으로 서로 멀어지도록 경사지게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 상부면에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 상부면에서 유체의 유동방향을 기준으로 서로 접근하도록 경사지게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 사각 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭 단면적이 증가하는 사각 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이 단면적이 증가하는 삼각 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭 단면적이 증가하는 삼각 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이 단면적이 증가하는 사다리꼴 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭 단면적이 증가하는 사다리꼴 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 삼각판 형상인 대향핀의 제3 면은 V 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 삼각판 형상인 대향핀의 제2 면은 V 형상일 수 있다.
본 발명인 블레이드는 내부에는 냉각유체가 흐르는 내부유로가 형성되며, 표면에는 상기 블레이드의 냉각성능 향상 구조가 배치될 수 있다.
본 발명인 가스터빈은 케이싱;과 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;과 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기;과 상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및 상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;를 포함하되, 상기 압축기 섹션 또는 상기 터빈 섹션에는 상기 블레이드가 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 블레이드을 냉각하기 위해 냉각유체를 분사하는 가스홀의 내부 또는 외부 주변부에 대향핀과 같은 와류완화수단을 배치함으로써, 블레이드의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 가스홀에서 분사되는 냉각유체간에 상호작용으로 발생되는 와류에 대해 반대방향의 와류를 유도하여 서로 상충되도록 하였다. 이는 냉각유체가 안정적으로 블레이드의 표면을 유동할 수 있도록 하고, 확산력을 높여 블레이드 표면의 냉각효율을 향상시키게 된다.
또한 블레이드 표면에 배치되는 가스홀의 배치 개수를 종래보다 줄일 수 있어, 블레이드 자체의 강도를 높일 수 있고, 가스홀 가공 비용을 절감할 수 있는 부가적인 효과도 있다.
도 1은 종래 작동유체와 냉각유체간의 상호작용으로 와류가 발생되는 상태를 도시한 도면.
도 2a는 가스터빈의 일반 구조를 나타낸 도면.
도 2b는 블레이드의 표면에 복수의 가스홀이 배치된 구조를 나타낸 도면.
도 3a는 본 발명인 와류완화수단의 제1 실시예를 나타낸 평면도.
도 3b는 도 3a에 게시된 본 발명인 와류완화수단의 제1 실시예를 나타낸 사시도.
도 3c는 본 발명인 와류완화수단의 제1 실시예에 따른 와류 발생 완화상태를 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명인 와류완화수단의 제2 실시예를 나타낸 평면도.
도 4b는 도 4a에 게시된 본 발명인 와류완화수단의 제2 실시예를 나타낸 사시도.
도 4c는 본 발명인 와류완화수단의 제2 실시예에 따른 와류 발생 완화상태를 나타낸 도면.
도 5a는 본 발명인 와류완화수단의 제3 실시예를 나타낸 평면도.
도 5b는 도 5a에 게시된 본 발명인 와류완화수단의 제3 실시예를 나타낸 사시도.
도 5c는 본 발명인 와류완화수단의 제3 실시예에 따른 와류 발생 완화상태를 나타낸 도면.
도 6은 종래기술과 본 발명의 각 실시예간의 냉각유체 확산상태를 비교하여 나타낸 도면.
도 7은 도 6에 게시된 종래기술과 본 발명의 각 실시예간의 단면 속도벡터를 비교하여 나타낸 도면.
도 8 내지 도 11은 대향핀의 다양한 형태를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈(1)의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 2a를 참조하면, 가스터빈은 기본적으로 외관을 형성하는 케이싱(casing;2), 공기를 압축하는 압축기 섹션(compressor section;4), 공기를 연소하는 연소기(combuster;5), 연소된 가스를 이용하여 발전하는 터빈섹션(turbine section;6), 배기가스를 배출하는 디퓨져(diffuser;7) 및 압축기섹션(4)과 터빈섹션(6)을 연결하여 회전동력을 전달하는 로터(rotor;3)를 포함하여 구성될 수 있다.
열역학적으로 가스터빈의 상류측에 해당하는 압축기 섹션(compressor section)으로는 외부의 공기가 유입되어 단열압축 과정을 거치게 된다. 압축된 공기는 연소기 섹션(combuster section)으로 유입되어 연료와 혼합되어 등압연소 과정을 거치고, 연소가스는 가스터빈의 하류측에 해당하는 터빈 섹션(turbine section)으로 유입되어 단열팽창 과정을 거치게 된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(2)의 전방에 압축기 섹션(4)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(6)이 구비된다.
상기 압축기 섹션(4)과 상기 터빈 섹션(6)의 사이에는 상기 터빈 섹션(6)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(4)로 전달하는 토크튜브(3b)이 구비된다.
상기 압축기 섹션(4)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(4a)이 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a)들은 타이로드(3a)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.
상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a) 중앙을 상기 타이로드(3a)이 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지(미도시)가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.
상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(blade;100)(또는 bucket으로 지칭)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(100)은 도브 테일부(미도시)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(4a)에 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 압축기 블레이드(100)을 압축기 로터 디스크(4a)에 체결할 수 있다.
이때 케이싱(2) 중 압축기 섹션(4)의 내주면에는 상기 압축기 블레이드(100)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.
상기 타이로드(3a)은 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(4a)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크(4a) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(3b)에 고정된다.
상기 타이로드(3a)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.
하나의 타이로드(3a)이 압축기 로터 디스크(4a)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드(3a)이 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 디퓨저의 다음 위치에 가이드깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.
상기 연소기(5)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기(5) 및 터빈 섹션(6)의 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기(5)은 셀 형태로 형성되는 케이싱(2) 내에 다수가 배열될 수 있다.
한편, 일반적으로 터빈 섹션(6)에서는 연소기(5)에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 섹션(6)의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.
터빈 섹션(6)에서 얻은 기계적 에너지는 압축기 섹션(4)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.
상기 터빈 섹션(6)에는 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(6)에는 복수의 터빈 로터 디스크(6a)이 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크(6a)은 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크(4a)과 유사한 형태를 갖는다.
상기 터빈 로터 디스크(6a) 역시 이웃한 터빈 로터 디스크(6a)과 결합되기 위한 구비한 플랜지(미도시)를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(100)(또는 bucket으로 지칭)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(100) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(6a)에 결합될 수 있다.
이때 케이싱(2) 중 터빈 섹션(6)의 내주면에는 상기 터빈 블레이드(100)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(4)에서 압축되고, 연소기(5)에서 연소된 후, 터빈 섹션(6)로 이동되어 발전 구동하고, 디퓨저(7)을 통해 대기중으로 배출된다.
여기서, 상기 토크튜브(3b), 압축기 로터 디스크(4a), 압축기 블레이드(100), 터빈 로터 디스크(6a), 터빈 블레이드(100), 타이로드(3a) 등은 회전 구성요소로서 일체로 로터(3) 또는 회전체라고 지칭될 수 있다. 그리고 케이싱(2), 베인(vane;미도시), 다이아프램(diaphram;미도시) 등은 비회전 구성요소로서 일체로 스테이터(stator) 또는 고정체라고 지칭될 수 있다.
가스터빈에 대한 일반적인 한 형태의 구조는 상기와 같으며, 이하에서는 이러한 가스터빈에 적용되는 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 3a는 본 발명인 와류완화수단(200)의 제1 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 3b는 도 3a에 게시된 본 발명인 와류완화수단(200)의 제1 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 4a는 본 발명인 와류완화수단(200)의 제2 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 게시된 본 발명인 와류완화수단(200)의 제2 실시예를 나타낸 사시도이다.
우선 도 2b를 참고하면, 본 발명이 적용되는 가스홀(120)은 블레이드(100)의 표면에 복수개가 배치된다. 복수개의 가스홀(120)에서 분사되는 냉각유체는 블레이드(100)의 표면을 타고 흐르면서, 블레이드의 표면에 쿨링필름을 형성함으로써, 고온 환경에서 작동하는 블레이드를 냉각하며 열손상으로부터 보호하게 된다.
도 3a 및 도 3b를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에서는 블레이드(100)의 냉각성능 향상 구조는 가스홀(120) 및 와류완화수단(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 가스홀(120)은 블레이드(100)의 표면를 냉각하기 위해 상기 블레이드(100)의 표면으로 냉각유체를 분사하도록, 상기 블레이드(100)의 내부유로와 연결되며 상기 블레이드(100) 표면에 배치될 수 있다. 상기 가스홀(120)은 블레이드(100) 표면에 복수개가 배치될 수 있다.
상기 가스홀(120)의 출구부는 블레이드(100)의 표면으로 넓게 냉각유체가 분사될 수 있도록, 점차 단면적이 확장되는 형상으로 구현될 수 있다.
상기 와류완화수단(200)은 상기 블레이드(100)의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 상기 가스홀(120)에서 분사되는 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류와 반대방향의 와류를 형성하기 위해 상기 가스홀(120)의 주변부에 배치될 수 있다.
여기서 상기 와류완화수단(200)에 의해 발생되는 반대방향의 와류에 의해 작동유체와 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류간에 서로 상충이 일어나 와류는 완화된다.
본 발명에서 상기 와류완화수단(200)은 상기 가스홀(120)의 주변부에 배치되는 대향핀(210) 형태일 수 있다. 여기서 상기 대향핀(210)은 상기 냉각유체의 유동방향을 변화시켜 반대방향의 와류를 형성하도록 제공될 수 있다.
상기 대향핀(210)은 상기 가스홀(120)의 주변부에 복수개가 배치될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는 상기 대향핀(210)은 한 쌍으로 배치되되, 유체의 유동방향을 기준으로 서로 반대방향으로 경사지게 배치될 수 있다.
그리고 상기 대향핀(210)은 상기 가스홀(120)의 출구부 내측 하부면(120a)에 배치되되, 유체의 유동방향을 기준으로 서로 멀어지도록 경사지게 배치될 수 있다.
도 3c를 참고하면, 냉각유체가 가스홀(120)의 출구부에서 배출될 때, 가스홀(120)의 출구부 하부면(120a)에 배치된 상기 대향핀(210)에서 유동의 방해를 받으며 상기 대향핀(210)을 넘어서 유동하게 된다.
이때 Z 영역상에 반대방향의 와류(V2)가 발생되게 된다. 이는 작동유체와 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 본래의 와류(V1)과 반대방향으로 형성되어 있어, 전반적으로 와류는 상충되어 완화되게 된다. 와류 완화에 따라 블레이드(100) 표면에서의 냉각유체의 흐름은 안정화되고 블레이드(100) 표면에 쿨링필름을 원활하게 형성되어 블레이드(100)의 냉각은 효과적으로 이뤄지게 된다.
다음 도 4a 및 도 4b를 참고하면, 도 3a 및 도 3b에 게시된 상기 대향핀(210)의 길이, 폭 또는 크기를 유체의 유동방향을 기준으로 신장한 제2 실시예의 구성을 볼 수 있다.
본 발명의 제2 실시예는 설계자가 상기 대향핀(210)의 길이, 폭 또는 크기를 조절하여, Z 영역에서 발생되는 반대방향의 와류(V2) 발생의 크기 또는 범위를 조절할 수 있음을 나타낸다. 예를 들어 제1 실시예에 비해 제2 실시예에서는 상기 대항핀의 길이, 폭 또는 크기를 확장하면, 반대방향의 와류(v2)는 상대적으로 크기 또는 범위가 확대될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 와류 발생 완화 효과는 도 4c에 게시되어 있으며, 이는 도 3c와 유사한 결과를 나타내고 있다.
다음, 도 5a는 본 발명인 와류완화수단(200)의 제3 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 5b는 도 5a에 게시된 본 발명인 와류완화수단(200)의 제3 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 5a 및 도 5b를 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에서는 제1,2 실시예와 달리 상기 대향핀(210)은 상기 가스홀(120)의 출구부 내측 상부면(120b)에 배치되되, 유체의 유동방향을 기준으로 서로 접근하도록 경사지게 배치될 수 있다.
도 5c를 참고하면, 냉각유체가 가스홀(120)의 출구부에서 배출될 때, 가스홀(120)의 출구부 상부면(120b)에 배치된 상기 대향핀(210)에서 유동의 방해를 받으며 상기 대향핀(210)을 넘어서 유동하게 된다.
이때 Z 영역상에 반대방향의 와류(V3)가 발생되게 된다. 이는 작동유체와 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 본래의 와류(V1)과 반대방향으로 형성되어 있어, 전반적으로 와류는 상충되어 완화되게 된다. 와류 완화에 따라 블레이드(100) 표면에서의 냉각유체의 흐름은 안정화되고 원활하게 쿨링필름이 형성됨으로써, 블레이드(100) 표면의 냉각은 효과적으로 수행되게 된다.
여기서 도 3c는 가스홀(120)의 내측 하부면(120a)을 기준으로 본래의 와류(V1) 방향을 도시한 것이고, 도 5c는 가스홀(120)의 내측 상부면(120b)을 기준으로 본래의 와류(V1) 방향을 도시한 것으로, 서로 동일 방향으로 와류를 형성하고 있다.
따라서 도 3c에 도시된 반대방향의 와류(V2)와 도 5c에 도시된 반대방향의 와류(V3) 또한, 가스홀(120)의 내측 하부면(120a) 또는 상부면(120b)에서 바라봄에 따라 서로 다른 방향으로 보이나, 실제적으로는 서로 동일 방향으로 와류(V2,V3)를 형성하고 있다.
한편, 도 6은 종래기술과 본 발명의 각 실시예간의 냉각유체 확산상태를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6에 게시된 종래기술과 본 발명의 각 실시예간의 단면 속도벡터를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6(a) 및 도 7(a)는 종래 기술에 따른 블레이드(100) 표면에서의 냉각유체의 분포 및 A-A’ 단면 속도벡터를 나타낸 것이다.
그리고 도 6(b) 및 도 7(b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 블레이드(100) 표면에서의 냉각유체의 분포 및 B-B’ 단면 속도벡터를 나타낸 것이다. 도 6(c) 및 도 7(c)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 블레이드(100) 표면에서의 냉각유체의 분포 및 C-C’ 단면 속도벡터를 나타낸 것이다. 도 6(d) 및 도 7(d)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 블레이드(100) 표면에서의 냉각유체의 분포 및 D-D’ 단면 속도벡터를 나타낸 것이다.
도 6(a)와 도 6(b) 내지 도 6(d)를 비교하면, 가스홀(120)에 대향핀(210)이 배치되지 않은 종래기술인 도 6(a)보다는 가스홀(120)에 대향핀(210)이 배치된 본 발명인 도 6(b) 내지 도 6(c)에서 가스홀(120)에서 분사되는 냉각유체의 유동폭이 확대된 것을 확인할 수 있다.
도 6(a)에서 냉각유체의 유동폭은 X0 임에 비해, 도 6(b)에서는 냉각유체의 유도폭이 X1으로 확장되었으며, 도 6(c)에서는 냉각유체의 유도폭이 X2으로 확장되었고, 도 6(d)에서는 냉각유체의 유도폭이 X3으로 확장되었다. 즉 블레이드(100) 표면상에서 냉각유체의 유동폭이 확장되어 쿨링필름을 형성할 수 있는 범위가 증대된 것이다.
이와 같은 유동폭 확장은 가스홀(120)의 출구부에서의 와류가 완화됨에 따른 것이다.
여기서 붉은색 영역은 냉각유체의 유동속도가 상대적으로 높음을 나타내고, 노랑색, 녹색, 푸른색 영역으로 갈수록 냉각유체의 유동속도가 상대적으로 낮음을 나타낸다.
즉 도 6(a)에서는 가스홀의 출구부에서 와류가 강하게 발생하여 냉각유체가 확산되지 못하고 중앙측으로 집중되고 있고, 또한 붉은 색 영역이 많아 냉각유체가 빠르게 유동하므로 유동방향으로 갈수록 확산이 상대적으로 적게 이뤄져 유동 폭 X0는 좁게 형성된다. 이는 블레이드(100) 표면에 쿨링필름을 형성할 수 있는 영역이 상대적으로 작음을 의미한다.
그에 비해 도 6(b) 내지 도 6(d)에서는 노란색, 녹색 영역이 도 6(a)에 비해 상대적으로 많이 형성된 것을 볼 수 있다. 이는 가스홀(120)의 출구부에서 와류가 약화되어 냉각유체가 가스홀(120)의 출구부에서부터 고르게 확산되기 때문에 전반적으로 유동속도가 낮아진 것이다. 이러한 유동속도가 낮게 형성됨에 따라 냉각유체는 확산이 잘 되어, 유동방향으로 갈수록 유동 폭 X0에 비해 상대적으로 넓게 유동 폭 X1,X2,X3가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
즉 블레이드(100) 표면의 쿨링필름을 형성할 수 있는 영역이 상대적으로 커졌음을 의미한다.
이는 종래 블레이드에서 필요시되는 가스홀 갯수보다 본 발명의 블레이드에서 필요시되는 가스홀 갯수는 상대적으로 적어질 수 있다. 그만큼 블레이드의 표면에서 가스홀의 가공 갯수가 줄어들므로 이는 블레이드의 강성 향상 및 가공비용 절감에도 도움을 준다.
한편 도 7(a)와 도 7(b) 내지 도 7(d)를 살펴하면, 여기서 냉각유체의 속도벡터는 붉은색으로 갈수록 속도는 높아지고, 붉은색에서 노랑색, 녹색, 푸른색으로 갈수록 속도는 낮아지는 것을 나타낸다.
도 7(a)를 살펴보면, 종래와 같이 가스홀(120)의 출구부에 대향핀(210)이 배치되지 않은 경우, 블레이드(100)의 표면을 따라 흐르는 작동유체와 가스홀(120)에서 분사되는 냉각유체간에 와류 발생이 상대적으로 크다.
도 7(a)에서 속도 벡터를 살펴보면, 가스홀(120)의 출구부 중앙측은 푸르색을 띠고, 가스홀(120)의 출구부 양측은 속도 벡터를 확인하면 알 수 있듯이 와류가 좁고 강하게 휘오리 치고 있는 형상으로 분포되어 있다.
이는 가스홀(120)의 출구부에서 냉각유체가 고르게 확산되는 것이 와류에 의해 방해받고 있음을 나타낸다.
즉 가스홀(120)의 출구부 양측에서는 강한 와류 발생으로 인해 냉각유체의 유동이 원활하지 않고, 가스홀(120)의 출구부 중앙측에서는 냉각유체의 흐름이 푸른색을 띠는 것과 같이 낮은 속도로 형성되어 전반적으로 가스홀(120)에서 분사되는 냉각유체는 고르게 확산 유동할 수 없게 되는 것이다.
이러한 불균일적인 유동은 도 6(a)에서와 같이 냉각유체는 블레이드(100) 표면에서 고르게 확산되지 못하고, 그 유동폭 X0는 상대적으로 좁게 형성되어 블레이드의 냉각성능은 저하되게 된다.
이에 반해 도 7(b) 내지 도 7(d)에서는, 도 7(a)에 비해 와류 발생이 완화되어 가스홀(120)의 출구부 주변부에서 푸른색, 녹색, 노랑색 영역의 속도벡터가 비교적 고르게 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 7(b) 내지 도 7(d)를 살펴보면, 가스홀(120)의 출구부에서 푸른색, 녹색, 노랑색 영역의 속도벡터가 비교적 넓게 고르게 분포하고 있으며, 와류는 도 7(a)에서에 비해 넓게 순환하고 있는 모습으로 속도벡터가 형성되어 있다.
이는 가스홀(120)에서 분사되는 냉각유체가 대향핀(210)을 통과하는 과정에서 반대방향의 와류를 형성하고, 이는 본래의 와류와 상충되며 전반적인 와류 발생을 완화시킴에 따라, 냉각유체의 유동 방해가 상대적으로 약해졌음을 의미한다.
이와 같은 결과로, 도 6(b) 내지 도 6(d)에서와 같이 냉각유체는 가스홀(120)의 출구부에서 분사될 때 확산 유동이 고르게 잘 되어, 그 유동폭은 확장되고 블레이드(100)의 냉각성능도 향상되게 되는 것이다.
한편, 도 8 내지 도 11은 대향핀(210)의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
우선 도 8(a)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 사각 기둥 형상일 수 있다. 이 경우 사각기둥의 높이(H)와 폭(P)는 일정한 크기로 유지된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 사각기둥 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 이때 한 쌍의 대향핀(210)은 가스홀(120)의 출구부에 서로 경사지게 배치되어 있어, 대향핀(210)을 넘어 유동한 냉각유체는 반대방향의 와류를 형성하기 된다.
다음 도 8(b)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭(P) 단면적이 증가하는 사각 기둥 형상일 수 있다. 이 경우 사각기둥의 높이(H)는 일정하게 유지되나, 폭(P)는 유체의 유동방향으로 갈수록 커지게 된다. 특히 폭(P) 단면적이 상대적으로 작은 한 쌍의 대향핀(210)의 중앙측 전면부에서는 냉각유체가 제2 면(213) 짧은 거리로 넘어 유동할 수 있다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 폭(P)이 변화되는 사각기둥 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 이때 한 쌍의 대향핀(210)은 가스홀(120)의 출구부에 서로 경사지게 배치되어 있어, 대향핀(210)을 넘어 유동한 냉각유체는 반대방향의 와류를 형성하기 된다.
다음 도 8(c)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이(H) 단면적이 증가하는 삼각 기둥 형상일 수 있다. 이 경우 삼각기둥의 높이(H)는 유체의 유동방향으로 갈수록 커지고, 폭(P)는 일정한 크기로 유지된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각기둥 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다.
한 쌍의 대향핀(210)은 가스홀(120)의 출구부에 서로 경사지게 배치되어 있어, 대향핀(210)을 넘어 유동한 냉각유체는 반대방향의 와류를 형성하기 된다.
이때 높이(H)가 상대적으로 낮게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 중앙측을 통과한 냉각유체에 의한 반대방향의 와류 형성보다, 높이(H)가 상대적으로 높게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 가장자리측을 통과한 냉각유체가 큰 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
설계자는 삼각기둥의 대향핀(210) 높이(H)를 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 8(d)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이(H) 및 폭(P) 단면적이 증가하는 삼각 기둥 형상일 수 있다. 이 경우 삼각기둥의 높이(H) 및 폭(P)은 유체의 유동방향으로 갈수록 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각기둥 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다.
한 쌍의 대향핀(210)은 가스홀(120)의 출구부에 서로 경사지게 배치되어 있어, 대향핀(210)을 넘어 유동한 냉각유체는 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
이때 높이(H) 및 폭(P)이 상대적으로 작게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 중앙측을 통과한 냉각유체에 의한 반대방향의 와류 형성보다, 높이(H) 및 폭(P)가 상대적으로 높게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 가장자리측을 통과한 냉각유체가 큰 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
설계자는 삼각기둥의 대향핀(210) 높이(H) 및 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이거나, 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추거나, 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 9(a) 및 도 9(c)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이 단면적이 증가하는 사다리꼴 기둥 형상일 수 있다. 이 경우 사다리꼴 기둥의 높이(H)는 유체의 유동방향으로 갈수록 커지고, 폭(P)는 일정한 크기로 유지된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 사다리꼴 기둥 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다.
한 쌍의 대향핀(210)은 가스홀(120)의 출구부에 서로 경사지게 배치되어 있어, 대향핀(210)을 넘어 유동한 냉각유체는 반대방향의 와류를 형성하기 된다.
이때 높이(H)가 상대적으로 낮게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 중앙측을 통과한 냉각유체에 의한 반대방향의 와류 형성보다, 높이(H)가 상대적으로 높게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 가장자리측을 통과한 냉각유체가 큰 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
설계자는 사다리꼴 기둥의 대향핀(210) 높이(H)를 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 9(b) 및 도 9(d)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이(H) 및 폭(P) 단면적이 증가하는 사디리꼴 기둥 형상일 수 있다. 이 경우 사다리꼴 기둥의 높이(H) 및 폭(P)은 유체의 유동방향으로 갈수록 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 사다리꼴 기둥 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다.
한 쌍의 대향핀(210)은 가스홀(120)의 출구부에 서로 경사지게 배치되어 있어, 대향핀(210)을 넘어 유동한 냉각유체는 반대방향의 와류를 형성하기 된다.
이때 높이(H) 및 폭(P)이 상대적으로 작게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 중앙측을 통과한 냉각유체에 의한 반대방향의 와류 형성보다, 높이(H) 및 폭(P)가 상대적으로 높게 형성된 한 쌍의 대향핀(210)의 가장자리측을 통과한 냉각유체가 큰 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
설계자는 사다리꼴 기둥의 대향핀(210) 높이(H) 및 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이거나, 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추거나, 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 10(a)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭(P) 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있다. 이 경우 삼각판의 높이(H)는 일정하게 유지되고, 폭(P)는 점차 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각판 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 그리고 제3 면(215)의 후측에서 다시 하방향으로 유동하며 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
설계자는 삼각판 형상의 대향핀(210)의 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 10(b)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭(P) 및 높이(H) 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있다. 이 경우 삼각판의 높이(H) 및 폭(P)는 유체의 유동방향으로 갈수록 점차 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각판 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 그리고 제3 면(215)의 후측에서 다시 하방향으로 유동하며 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
이때 삼각판 형상의 대향핀(210) 중앙측은 높이(H)가 낮아 상대적으로 제2 면(213)으로 냉각유체의 흐름 전환이 용이하고, 대향핀(210)의 제3 면(215)으로 갈수록 높이(H)가 증가하게 경사져 있어, 냉각유체는 제2 면(213)의 상부에서 부드럽게 흐름을 이어가며, 제3 면(215)으로 진입할 수 있다.
여기서 설계자는 삼각판의 대향핀(210) 높이(H)와 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이거나, 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추거나, 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 10(c)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭(P) 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있으며, 상기 삼각판의 제3 면(215)은 유체의 유동방향에 대해 V 형상일 수 있다. 이 경우 삼각판의 높이(H)는 일정하게 유지되고, 폭(P)는 점차 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각판 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 그리고 제3 면(215)의 후측에서 다시 하방향으로 유동하며 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
이때 제3 면(215)은 V 형상으로 되어 있어, 한 쌍의 대향핀(210)이 서로 경사지게 배치된 것과 유사한 효과를 나타낼 수 있다. 즉 각각 한 쌍의 대향핀(210)을 넘어 유동하는 냉각유체간의 간섭으로 V 형상인 제3 면(215)에서 반대방향의 와류 형성에 도 10(a) 및 도 10(b)에 게시된 제3 면(215) 형상에 비해, 상대적으로 크게 발생하게 된다.
여기서 설계자는 제3 면(215)의 V 형상의 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 10(d)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭(P) 및 높이(H) 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있으며, 상기 삼각판의 제3 면(215)은 유체의 유동방향에 대해 V 형상일 수 있다. 이 경우 삼각판의 높이(H) 및 폭(P)는 유체의 유동방향으로 갈수록 점차 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각판 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 그리고 제3 면(215)의 후측에서 다시 하방향으로 유동하며 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
이때 삼각판 형상의 대향핀(210) 중앙측은 높이(H)가 낮아 상대적으로 제2 면(213)으로 냉각유체의 흐름 전환이 용이하고, 대향핀(210)의 제3 면(215)으로 갈수록 높이(H)가 증가하게 경사져 있어, 냉각유체는 제2 면(213)의 상부에서 부드럽게 흐름을 이어가며, 제3 면(215)으로 진입할 수 있다.
또한 제3 면(215)은 V 형상으로 되어 있어, 한 쌍의 대향핀(210)이 서로 경사지게 배치된 것과 유사한 효과를 나타낼 수 있다. 즉 각각 한 쌍의 대향핀(210)을 넘어 유동하는 냉각유체간의 간섭으로 V 형상인 제3 면(215)에서 반대방향의 와류 형성에 도 10(a) 및 도 10(b)에 게시된 제3 면(215) 형상에 비해, 상대적으로 크게 발생하게 된다.
여기서 설계자는 제3 면(215)의 V 형상의 높이(H) 및 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이거나, 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추거나, 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 11(a)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭(P) 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있으며, 상기 삼각판의 제2 면(213)은 상하방향에 대해 V 형상이고, 제3 면(215)은 유체의 유동방향에 대해 V 형상일 수 있다. 이 경우 삼각판의 높이(H)는 일정하게 유지되고, 폭(P)는 점차 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각판 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 그리고 제3 면(215)의 후측에서 다시 하방향으로 유동하며 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
이때 제2 면(213)은 V 형상으로 되어 있어, 삼각판의 양측에 형성된 제1 면(211)을 넘어 유동하는 냉각유체는 제2 면(213)에서 V 형상을 따라 유체의 유동방향에 대해 중앙측으로 서로 모아지는 경사방향으로 유동하게 된다.
또한 제3 면(215)도 역시 V 형상으로 되어 있어, 한 쌍의 대향핀(210)이 서로 경사지게 배치된 것과 유사한 효과를 나타낼 수 있다. 즉 제2 면(213)에서 중앙측으로 모아지며 경사지게 유동하는 냉각유체는 제3 면(215)에서 반대방향의 와류 형성을 발생시키게 된다.
여기서 설계자는 제2 면(213) 또는 제3 면(215)의 V 형상의 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
다음 도 11(b)를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 대향핀(210)은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 높이(H) 및 폭(P) 단면적이 증가하는 삼각판 형상일 수 있으며, 상기 삼각판의 제2 면(213)은 상하방향에 대해 V 형상이고, 제3 면(215)은 유체의 유동방향에 대해 V 형상일 수 있다. 이 경우 삼각판의 높이(H)와 폭(P)는 점차 커지게 된다.
가스홀(120)의 출구부로 배출되는 냉각유체는 상기된 삼각판 형상의 대향핀(210)의 제1 면(211)에서 흐름에 방해를 받고 제2 면(213) 방향으로 흐름이 전환되며 대향핀(210)을 타고 넘어가게 된다. 그리고 제3 면(215)의 후측에서 다시 하방향으로 유동하며 반대방향의 와류를 형성하게 된다.
이때 제2 면(213)은 V 형상으로 되어 있어, 삼각판의 양측에 형성된 제1 면(211)을 넘어 유동하는 냉각유체는 제2 면(213)에서 V 형상을 따라 유체의 유동방향에 대해 중앙측으로 서로 모아지는 경사방향으로 유동하게 된다.
또한 제3 면(215)도 역시 V 형상으로 되어 있어, 한 쌍의 대향핀(210)이 서로 경사지게 배치된 것과 유사한 효과를 나타낼 수 있다. 즉 제2 면(213)에서 중앙측으로 모아지며 경사지게 유동하는 냉각유체는 제3 면(215)에서 반대방향의 와류 형성을 발생시키게 된다.
여기서 설계자는 제2 면(213) 또는 제3 면(215)의 V 형상의 높이(H) 및 폭(P)을 조절하여 반대방향의 와류 형성 크기나 범위를 조절할 수 있다. 예를 들어 높이(H)의 증가비율을 더 높이거나, 폭(P)의 증가비율을 더 높이면 반대방향의 와류는 더 강하게 생성될 수 있고, 반대로 높이(H)의 증가비율을 더 낮추거나, 폭(P)의 증가비율을 더 낮추면 반대방향의 와류는 더 약하게 생성될 수 있다.
이상의 사항은 블레이드의 냉각성능 향상 구조와 이를 포함하는 블레이드 및 가스터빈의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
100:블레이드
120:가스홀
120a:가스홀 내측 하부면
120b:가스홀 내측 상부면
200:와류완화수단
210:대향핀
211:제1 면
213:제2 면
215:제3 면
P:폭
H:높이

Claims (20)

  1. 블레이드를 냉각하기 위해 상기 블레이드의 표면에 냉각유체를 분사하도록, 상기 블레이드의 내부유로와 연결되며 상기 블레이드 표면에 배치되는 가스홀;
    상기 블레이드의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 상기 가스홀에서 분사되는 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류와 반대방향의 와류를 형성하여 서로 상충시켜 와류가 완화되도록, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 와류완화수단;을 포함하고,
    상기 와류완화수단은, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 대향핀 형태이고, 상기 냉각유체의 유동방향을 변화시켜 반대방향의 와류를 형성하고,
    상기 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 하부면에 한 쌍으로 배치되되, 유체의 유동방향을 기준으로 서로 반대방향으로 경사지게 배치되고,
    상기 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 하부면에서 상기 가스홀의 출구부 내측 상부면으로 갈수록 서로 접근하는 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 하부면에서 유체의 유동방향을 기준으로 서로 멀어지도록 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  7. 블레이드를 냉각하기 위해 상기 블레이드의 표면에 냉각유체를 분사하도록, 상기 블레이드의 내부유로와 연결되며 상기 블레이드 표면에 배치되는 가스홀;
    상기 블레이드의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 상기 가스홀에서 분사되는 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류와 반대방향의 와류를 형성하여 서로 상충시켜 와류가 완화되도록, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 와류완화수단;을 포함하고,
    상기 와류완화수단은, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 대향핀 형태이고, 상기 냉각유체의 유동방향을 변화시켜 반대방향의 와류를 형성하고,
    상기 대향핀은 한 쌍으로 배치되되, 유체의 유동방향을 기준으로 서로 반대방향으로 경사지게 배치되고,
    상기 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 상부면에 배치되고,
    상기 복수의 대향핀은 상기 가스홀의 출구부 내측 상부면에서 유체의 유동방향을 기준으로 서로 접근하도록 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  8. 삭제
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  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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  15. 블레이드를 냉각하기 위해 상기 블레이드의 표면에 냉각유체를 분사하도록, 상기 블레이드의 내부유로와 연결되며 상기 블레이드 표면에 배치되는 가스홀;
    상기 블레이드의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 상기 가스홀에서 분사되는 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류와 반대방향의 와류를 형성하여 서로 상충시켜 와류가 완화되도록, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 와류완화수단;을 포함하고,
    상기 와류완화수단은, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 대향핀 형태이고, 상기 냉각유체의 유동방향을 변화시켜 반대방향의 와류를 형성하고,
    상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 일정 높이를 유지하며, 점차 폭 단면적이 증가하는 삼각판 형상인 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  16. 블레이드를 냉각하기 위해 상기 블레이드의 표면에 냉각유체를 분사하도록, 상기 블레이드의 내부유로와 연결되며 상기 블레이드 표면에 배치되는 가스홀;
    상기 블레이드의 표면을 따라 유동하는 작동유체와 상기 가스홀에서 분사되는 냉각유체간의 간섭으로 인해 발생되는 와류와 반대방향의 와류를 형성하여 서로 상충시켜 와류가 완화되도록, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 와류완화수단;을 포함하고,
    상기 와류완화수단은, 상기 가스홀의 주변부에 배치되는 대향핀 형태이고, 상기 냉각유체의 유동방향을 변화시켜 반대방향의 와류를 형성하고,
    상기 대향핀은 유체의 유동방향을 기준으로 점차 폭 단면적 및 높이 단면적이 증가하는 삼각판 형상이고,
    상기 삼각판 형상인 대향핀의 제2 면은 V 형상이고, 상기 삼각판 형상인 대향핀의 제3 면은 V 형상인 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 삼각판 형상인 대향핀의 제3 면은 V 형상인 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 삼각판 형상인 대향핀의 제2 면은 V 형상인 것을 특징으로 하는 블레이드의 냉각성능 향상 구조.
  19. 내부에는 냉각유체가 흐르는 내부유로가 형성되며, 표면에는 제1항, 제7항, 제15항 또는 제16항 중 어느 하나의 항의 블레이드의 냉각성능 향상 구조가 배치된 블레이드.
  20. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;
    상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기;
    상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및
    상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;를 포함하되,
    상기 압축기 섹션 또는 상기 터빈 섹션에는 제19항의 블레이드가 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.








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