KR102126852B1 - 터빈 베인 및 링세그먼트와 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인은, 리딩 에지와 트레일링 에지를 포함하는 에어포일을 형성하는 측벽; 상기 측벽의 내면과 갭을 형성하도록 상기 측벽의 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및 상기 측벽으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고, 상기 가이드는 상기 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내한다.
본 발명의 터빈 베인에 의하면, 측벽과 인서트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 인서트 홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 가이드 구조를 구비하여 냉각 성능을 향상할 수 있다.

Description

터빈 베인 및 링세그먼트와 이를 포함하는 가스 터빈{Turbine vane and ring segment and gas turbine comprising the same}

본 발명은 터빈 베인 및 링세그먼트와 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.

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

이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

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

터빈은 터빈 하우징 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 4행정 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 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성하고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

미국 등록특허공보 제8444376호

본 발명은 터빈 베인의 측벽과 인서트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 인서트 홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 하여 냉각 성능을 향상할 수 있는 가이드 구조를 구비하는 터빈 베인을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 터빈 베인의 엔드월 또는 터빈 링세그먼트의 오목부 바닥면과 씬플레이트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 냉각홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 가이드 구조를 구비하는 터빈 베인 또는 터빈 링세그먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인은, 리딩 에지와 트레일링 에지를 포함하는 에어포일을 형성하는 측벽; 상기 측벽의 내면과 갭을 형성하도록 상기 측벽의 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및 상기 측벽으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고, 상기 가이드는 상기 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 가이드는 상기 인서트의 표면에 접촉될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 복수의 인서트 홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 인서트 홀은 다음 열의 인서트 홀과 엇갈리도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되는 상류단부와, 상기 인서트 홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 하나의 행의 가이드의 하류단부와 다음 행의 가이드의 하류단부 사이의 거리는 인서트 홀의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 하나의 열의 가이드의 상류단부와 다음 열의 가이드의 상류단부 사이의 갭 유동 방향으로의 거리는 인서트 홀의 지름의 3~10배가 되도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 가이드는 상기 상류단부에 일체로 연결되고 갭 유동 방향에 수직으로 배치되는 충돌부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 인서트 홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 상류충돌부는 평면 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 상류충돌부는 갭 유동의 상류측으로 볼록 또는 오목한 곡면 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인은, 터빈 베인의 내측 단부와 외측 단부에 결합되는 엔드월; 상기 엔드월 몸체부의 베인 반대쪽에 형성된 오목부; 상기 오목부에 바닥면으로부터 갭을 형성하도록 결합되고 복수의 냉각홀이 형성된 씬플레이트; 및 상기 오목부의 바닥면으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고, 상기 가이드는 상기 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 복수의 냉각홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 냉각홀은 다음 열의 냉각홀과 엇갈리도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 냉각홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 하나의 행의 가이드의 하류단부와 다음 행의 가이드의 하류단부 사이의 거리는 냉각홀의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서, 상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 링세그먼트는, 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되는 링세그먼트 몸체부; 상기 링세그먼트 몸체부의 터빈 블레이드 반대쪽에 형성된 오목부; 상기 오목부에 바닥면으로부터 갭을 형성하도록 결합되고 복수의 냉각홀이 형성된 씬플레이트; 및 상기 오목부의 바닥면으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고, 상기 가이드는 상기 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 링세그먼트에서, 상기 복수의 냉각홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 냉각홀은 다음 열의 냉각홀과 엇갈리도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 링세그먼트에서, 상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 냉각홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 링세그먼트에서, 하나의 행의 가이드의 하류단부와 다음 행의 가이드의 하류단부 사이의 거리는 냉각홀의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 링세그먼트에서, 상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 내부에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈을 포함하고, 상기 터빈 베인은, 리딩 에지와 트레일링 에지를 포함하는 에어포일을 형성하는 측벽; 상기 측벽의 내면과 갭을 형성하도록 상기 측벽의 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및 상기 측벽으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고, 상기 가이드는 상기 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내한다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 터빈 베인의 측벽과 인서트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 인서트 홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 가이드 구조를 구비하여 냉각 성능을 향상할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 터빈 베인의 엔드월 또는 터빈 링세그먼트의 오목부 바닥면과 씬플레이트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 냉각홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 가이드 구조를 구비하여 냉각 성능을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 4는 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것으로서, 충돌 제트 및 갭 유동의 흐름 및 방향을 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인의 측벽과 인서트 사이의 갭 유동 방향을 보여주는 단면도이다.
도 8은 가이드의 다른 실시예들을 나타내는 단면도이다.
도 9는 가이드의 또다른 실시예들을 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인 및 엔드월을 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 링세그먼트를 나타내는 단면도이다.

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. 이 때, 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이고, 도 4는 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 블레이드(1110)를 회전시키며, 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.

압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 환형으로 배치되는 복수의 연소 챔버(1210)와 연료 노즐 모듈(1220)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 하우징(1010)을 구비하고 있고, 하우징(1010)의 후측에는 터빈을 통과한 연소 가스가 배출되는 디퓨져(1400)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨져(1400)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1200)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(1010)의 상류측에 압축기 섹션(1100)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(1100)과 터빈 섹션(1300)의 사이에는 터빈 섹션(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(1100)으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브 유닛(1500)이 배치되어 있다.

상기 압축기 섹션(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1120)들은 타이로드(1600)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 회전축을 구성하는 타이로드(1600)가 대략 중앙을 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 대향하는 면이 상기 타이로드(1600)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 로터 디스크(1120)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(1110)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(1110)는 도브테일부(1112)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(1120)에 체결된다.

상기 각각의 로터 디스크(1120)의 사이에는 상기 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

상기 도브테일부(1112)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 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

상기 타이로드(1600)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(1120) 및 터빈 로터 디스크(1320)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 상기 타이로드(1600)는 하나 또는 복수의 타이로드로 구성될 수 있다. 상기 타이로드(1600)의 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 상기 타이로드(1600)의 타측 단부는 고정 너트(1450)에 의해 체결된다.

상기 타이로드(1600)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 2에 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 디퓨져(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.

상기 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소 가스 온도를 높이게 된다.

가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 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 연소 가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소 가스의 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 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소 가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(1300)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(1300)에도 압축기의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(1320)가 구비된다. 따라서, 상기 터빈 로터 디스크(1320) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1340)를 포함한다. 터빈 블레이드(1340) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1320)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(1320)의 블레이드(1340)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(1330)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.

상기 터빈 베인(1330)의 내측 단부와 외측 단부에 결합된 엔드월(endwall)에 의해, 터빈 베인(1330)은 하우징 내에 고정적으로 장착된다. 반면에, 상기 하우징 내측에 회전하는 터빈 블레이드(1340)의 외측 단부와 마주보는 위치에는 링세그먼트(300)가 터빈 블레이드(1340)의 외측 단부와 소정의 간극을 형성하도록 장착된다.

도 4를 참조하면, 상기 터빈 로터 디스크(1320)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수 개의 결합 슬롯(1322)이 형성되어 있다. 상기 결합 슬롯(1322)은 전나무(fir-tree) 형태의 굴곡면을 갖도록 형성된다.

상기 결합 슬롯(1322)에 터빈 블레이드(1340)가 체결된다. 도 4에서, 상기 터빈 블레이드(1340)는 대략 중앙부에 평판 형태의 플랫폼부(1341)를 갖는다. 상기 플랫폼부(1341)는 이웃한 터빈 블레이드의 플랫폼부(1341)와 그 측면이 서로 접하여 블레이드들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다.

상기 플랫폼부(1341)의 저면에는 루트부(1342)가 형성된다. 상기 루트부(1342)는 상술한 로터 디스크(1320)의 결합 슬롯(1322)에 상기 로터 디스크(1320)의 축방향을 따라서 삽입되는, 액셜 타입(axial-type)의 형태를 갖는다.

상기 루트부(1342)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 상기 결합 슬롯에 형성된 굴곡부의 형태와 상응하도록 형성된다. 여기서, 상기 루트부의 결합구조는 반드시 전나무 형태를 가질 필요는 없고, 도브테일 형태를 갖도록 형성될 수도 있다.

상기 플랫폼부(1341)의 상부면에는 블레이드부(1343)가 형성된다. 상기 블레이드부(1343)는 가스 터빈의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지를 갖는다.

여기서, 상기 압축기의 블레이드와는 달리, 터빈의 블레이드는 고온고압의 연소 가스와 직접 접촉하게 된다. 상기 연소 가스의 온도는 1700℃℃에 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각 수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 상기 압축기의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 터빈측 블레이드로 공급하는 냉각 유로를 갖게 된다.

상기 냉각 유로는 상기 하우징 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 도 4에서, 상기 블레이드부의 표면에는 다수의 필름쿨링홀(1344)이 형성될 수 있는데, 이 필름쿨링홀(1344)들은 상기 블레이드부(1343)의 내부에 형성되는 쿨링 유로(미도시)와 연통되어 냉각 공기를 상기 블레이드부(1343)의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.

한편, 상기 터빈의 블레이드부(1343)는 상기 하우징의 내부에서 연소 가스에 의해 회전하게 되며, 블레이드부가 원활하게 회전할 수 있도록 상기 블레이드부(1343)의 끝단과 상기 하우징의 내면 사이에는 간극이 존재하게 된다. 다만, 상술한 바와 같이 상기 간극을 통해 연소 가스가 누설될 수 있으므로, 이를 차단하기 위한 실링 수단을 필요로 하게 된다.

터빈 블레이드와 터빈 베인은 공히 에어포일 형태로서, 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면, 압력면으로 구성된다. 터빈 블레이드와 터빈 베인의 내부는 냉각 시스템을 형성하는 복잡한 미로 구조를 포함한다. 블레이드와 베인 내의 냉각 회로는 터빈 엔진의 압축기로부터의 냉각 유체, 예를 들어 공기를 수용하며, 블레이드와 베인 캐리어에 결합되도록 이루어진 블레이드와 베인의 단부를 통해 유체가 통과한다. 냉각 회로는 통상 비교적 균일한 온도에서 터빈 블레이드와 베인의 모든 면들을 유지할 수 있도록 설계된 다수의 유동 경로를 포함하며, 이들 냉각 회로를 통과하는 유체의 적어도 일부는 베인의 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면, 압력면의 개구들을 통해 배출된다.

블레이드와 베인 내의 냉각 회로 중 충돌 냉각 회로는, 내부의 챔버에 측벽과 소정 간격으로 이격되는 인서트가 삽입되고, 이 인서트에 형성된 복수의 인서트 홀을 통해 냉각 유체가 유입되어 측벽의 내면을 냉각시킨다. 이렇게 인서트를 통과하는 냉각 유체, 특히 냉각 공기를 충돌 제트(impingement jet)라고 하며, 충돌 제트가 측벽 내면을 냉각시키는 작용을 충돌 냉각(impingement cooling)이라고 한다.

또한, 충돌 제트는 인서트를 통해 인서트와 측벽 사이의 갭으로 흘러들어가서 베인을 냉각시키고 컷백을 향해 유동하는 갭 유동 및 측벽의 필름 홀을 통해 베인을 빠져나가면서 측벽을 냉각시키는 유동으로 나뉘고, 이러한 유동에 의한 냉각을 필름 냉각(film cooling)이라고 한다.

그런데, 첫번째 인서트 홀로 유입된 공기는 컷백 방향으로 유동(갭 유동)하다가 두번째 인서트 홀로 유입되는 공기와 마주치게 되면서 서로의 유동을 방해하게 되는데, 이는 세번째와 네번째 인서트 홀로 갈수록 더 심해진다. 따라서, 하류로 갈수록 냉각 성능이 크게 떨어지게 되는 문제가 발생한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인을 나타내는 단면도이고, 도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것으로서, 충돌 제트 및 갭 유동의 흐름 및 방향을 보여주는 단면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드 또는 베인의 측벽과 인서트 사이의 갭 유동 방향을 보여주는 단면도이다.

터빈 베인(100)은, 리딩 에지와 트레일링 에지를 포함하는 에어포일의 형태를 형성하는 측벽(120), 유입되는 냉각 유체가 흐르는 경로를 구획하는 파티션(130), 측벽(120) 내에 측벽의 내면(122)과 간격을 두고 설치되는 인서트(150), 측벽(120)과 인서트(150) 사이에 설치된 복수의 가이드(160)를 포함한다.

측벽(120)에는 복수의 필름 홀(121)이 하류 쪽으로 약간 기울어져서 관통 형성된다. 측벽(120)이 형성하는 에어포일의 트레일링 에지에는 컷백(140, cut-back)이 형성된다.

파티션(130)과 측벽(120)에 의해 둘러싸이는 공간은 리딩 에지에 가까운 제1 유입 챔버(102)와 트레일링 에지에 가까운 제2 유입 챔버(104)로 구획된다.

인서트(150)에는 복수의 인서트 홀(151)이 마주보는 측벽(120)의 내면에 수직하게 관통 형성된다.

유입 챔버(102, 104)를 통해 유입된 냉각 유체, 즉 냉각 공기는 인서트 홀(151)을 통해 측벽(120)과 인서트(150) 사이의 갭(G)에 유입되면서 측벽(120)을 냉각한다.

또한, 갭(G)에 유입된 냉각 공기는 필름 홀(121)들을 통과하면서 직접 측벽(20)을 냉각한다. 이러한 유동에 의한 냉각을 필름 냉각(film cooling)이라고 한다.

복수의 필름 홀(121)은 측벽(120)의 리딩 에지와 압력면 및 흡입면의 상류측에 형성될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 순서대로 제1 필름 냉각 유동(111), 제2 필름 냉각 유동(112), 제3 필름 냉각 유동(113)을 형성한다.

상기 복수의 인서트 홀(151) 사이의 간격은 블레이드 또는 베인(100)의 부위별로 냉각의 필요도가 다르므로, 부위마다 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 제1 필름 냉각 유동(111)이 가장 많이 통과하는 것으로 표시된 리딩 에지 부위는 가장 고온의 공기와 접촉하므로, 냉각의 필요성이 가장 높은바, 필름 홀(121)들 간의 간격이 가장 좁은 것이 바람직하다.

마찬가지로, 각 유체를 1차적으로 통과시키는 인서트(150)의 인서트 홀(151)도 리딩 에지 부위에 더 많이 분포될 수 있다.

상기 인서트(150)와 측벽(120) 사이의 갭(G)에 흐르는 갭 유동(115) 중 일부는 필름 냉각 유동(111, 112, 113)으로 빠져나가고, 나머지는 컷백(140)으로 빠져나가 배출된다.

갭 유동(115)은 리딩 에지에서 트레일링 에지로 냉각 유체가 흐르는데, 리딩 에지에 가까운 부위부터 복수의 인서트 홀(150)이 서로 소정 간격으로 이격되도록 배치되고, 리딩 에지로부터 제2 인서트 홀(150)부터는 인서트 홀(150)의 바로 앞 상류에 가이드(160)가 배치된다.

도 6은 충돌 제트(114) 및 갭 유동(115)의 흐름 및 방향을 보여준다. 충돌 제트(114)는 인서트 홀(151)들을 통해 갭(G)으로 유입된다. 리딩 에지와 가장 가까운 제1 인서트 홀(151a)에서 유입되어 블레이드 또는 베인을 냉각하고 트레일링 에지 방향으로 흐르는 갭 유동(115)은 제2 인서트 홀(151b)에서 유입되는 충돌 제트와 만나기 전에 가이드(160)를 먼저 만난다. 따라서, 상기 충돌 제트(114)와 갭 유동(115)은 서로 충돌하지 않고 가이드(160) 뒤에서 합쳐진다.

이때, 가이드(160)는 인서트 홀(151)을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 인서트 홀(151)을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내할 수 있다.

가이드(160)는 측벽(120)으로부터 연장되어 인서트(150)의 표면에 접촉하도록 형성될 수 있다. 즉, 가이드(160)의 제1단부(161)는 측벽(120)에 연결되고, 제2단부(162)는 인서트(150)에 연결되므로, 인서트(150)의 열을 측벽(120)으로 전도시킴으로써 바깥으로 발산할 수 있다. 또한, 갭(G)을 통해 흐르는 냉각 유체가 가이드(160)와 부딪침으로써 전달되는 열도 전도에 의해 바깥으로 전달될 수 있다.

복수의 인서트 홀(151)은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 인서트 홀(151)은 다음 열의 인서트 홀(151)과 엇갈리도록 배열될 수 있다.

도 7을 기준으로, 복수의 인서트 홀이 배열된 최하측 행을 제1행이라 하고 그 위의 행을 제2행이라 할 수 있다. 또한, 최좌측 열을 제1열이라 하고 그 우측 열을 제2열이라 할 수 있다. 이에 따라, 좌측부터 각 열에 배열된 인서트 홀(151)들을 제1 인서트 홀(151a), 제2 인서트 홀(151b), 제3 인서트 홀(151c), 제4 인서트 홀(151d), 제5 인서트 홀(151e), 제6 인서트 홀(151f)이라 하였고, 복수의 행(152)은 최하측 행에서부터 제1행(152a), 제2행(152b), 제3행(152c),,, 등이라 할 수 있다.

제1 인서트 홀(151a)과 제2 인서트 홀(151b)은 동일한 제1행(152a)에 배치되어 있으나, 그 다음의 제3 인서트 홀(151c)은 제2 인서트 홀(151b)과 엇갈리도록 제2행(152b)에 배치되고, 그 다음의 제4 인서트 홀(151d)은 다시 엇갈려서 제1행(152a)에 배치될 수 있다.

복수의 가이드(160)는 이렇게 배열된 복수의 인서트 홀(151) 사이에 각각 배치되되, 제2열에 있는 제2 인서트 홀(151b)부터 그 인서트 홀(151)의 바로 앞 상류에 배치될 수 있다.

도 7에서와 같이, 6열의 인서트 홀(151)들이 배열되는 경우, 5열의 가이드(160)들이 배열되게 된다.

이러한 가이드(160)는 갭 유동(115)의 상류에 배치되는 상류단부(163)와, 인서트 홀(151)의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변(164)과, 측변에서 인서트 홀(151)의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부(165)를 포함할 수 있다.

측변(164)은 직사각형 플레이트 형태로 이루어지고, 한 쌍의 측변(164)이 만나는 상류측 꼭지점이 상류단부(163)를 구성하며, 각 측변(164)의 하류측 단부가 하류단부(165)를 구성한다.

하나의 행의 가이드(160)의 하류단부(165)와 다음 행의 가이드(160)의 하류단부(165) 사이의 거리(D1)는 인서트 홀(151)의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열될 수 있다.

즉, 인접하는 두 가이드(160)의 하류단부(165) 외측 사이의 틈은 인서트 홀(151) 내경의 1/3 내지 3배가 되도록 배열될 수 있다. 바람직하게는 두 가이드 사이의 상기 틈의 길이는 대략 인서트 홀 지름의 절반 정도로 형성될 수 있다.

상기 두 가이드(160)의 하류단부 사이의 거리(D1)가 인서트 홀(151) 지름의 1/3 미만이면 제작하기가 어렵고, 상기 거리(D1)가 인서트 홀(151) 지름의 3배 초과이면 충돌 후 냉각 공기가 모이도록 하는 안내 효과가 떨어져서 갭 유동 방향으로의 냉각 효과가 떨어지게 된다.

또한, 하나의 행의 가이드(160)의 상류단부(163)와 다음 행의 가이드의 상류단부(163) 사이의 거리(D2)는 인서트 홀(151)의 지름의 3~10배가 되도록 배열될 수 있다.

그리고, 하나의 열의 가이드(160)의 상류단부(163)와 다음 열의 가이드의 상류단부(163) 사이의 갭 유동 방향으로의 거리(D3)는 인서트 홀(151)의 지름의 3~10배가 되도록 배열될 수 있다.

바람직하게는 한 열의 상류단부(163)와 다음 열의 상류단부(163) 사이의 거리(D3)가 인서트 홀(151) 지름의 약 4배 정도로 배열될 수 있다.

상기 거리(D2)와 거리(D3)가 인서트 홀(151) 지름의 3배 미만이면 복수의 가이드(160)를 배치할 공간이 너무 좁아지게 된다. 상기 거리(D2)와 거리(D3)가 인서트 홀(151) 지름의 10배 초과이면 단위 면적당 충돌 냉각을 위한 인서트 홀(151)의 배치 개수가 감소하여 충분히 냉각할 수가 없게 된다.

도 7을 참조하여 냉각 유체의 유동을 설명한다.

제1 인서트 홀(151a)을 통해 유입된 냉각 공기는 측벽(120)에 충돌한 다음 하류 쪽으로 흐르고, 가이드(160)의 상류단부(163)에 충돌하면서 갭 유동(115)이 분리된 다음, 측변(164)을 따라 안내되어 두 하류단부(165) 사이의 틈으로 안내된 후, 이어서 다음 열의 가이드(160)의 상류단부(163)에 충돌하게 된다.

가이드(160)의 바로 다음에 있는 제2 인서트 홀(151b)을 통해 유입된 냉각 공기는, 상기한 두 하류단부(165) 사이의 틈으로 안내된 냉각 공기와 간섭되지 않고, 곧바로 다음에 있는 두 하류단부(165) 사이의 틈으로 유동될 수 있다.

이와 같이, 제2열에 있는 인서트 홀(151)부터 그 바로 앞에 갭 유동을 막고 분리하여 안내하는 가이드(160)를 각각 배열함으로써, 갭 유동 유체가 충돌 냉각 유동 유체와 간섭하여 서로 유동을 방해하는 것을 방지할 수 있다.

도 8을 참조하여 가이드의 다른 실시예들을 설명한다.

도 8(a)에 도시된 바와 같이, 가이드(160)는 상류단부(163)에 일체로 연결되고 갭 유동(115) 방향에 수직으로 배치되는 충돌부(167)를 더 포함할 수 있다. 이 충돌부(167)는 갭 유동(115) 방향에 수직으로 배치되는 평면 플레이트 또는 볼록한 곡면 플레이트 형태로 이루어질 수 있다. 그래서, 가이드(160)는 그 단면이 전체적으로 "K"자 모양으로 이루어질 수 있다.

도 8(b) 또는 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 가이드(160)는 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부(167)와, 상류충돌부의 상하단부에서 인서트 홀(151)의 갭 유동(115) 방향의 좌우 사선으로 연장되어 인서트 홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변(164)과, 측변에서 인서트 홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부(165)를 포함할 수 있다.

도 8(b)의 경우, 상류충돌부(167)는 평면 형태로 이루어진 것을 나타낸다.

도 8(c)의 경우, 상류충돌부(167)는 갭 유동(115)의 상류측으로 볼록한 곡면 형태로 이루어진 것을 나타낸다.

상기한 충돌부 또는 상류충돌부(167)는 갭 유동 유체가 가이드(160)에 충돌하는 면적을 늘림으로써, 가이드(160)의 열 전도를 통해 열 발산을 촉진할 수 있도록 한다.

도 9는 가이드의 또다른 실시예들을 나타내는 사시도이다.

상기 가이드(160)는 상류충돌부(167)의 높이가 한 쌍의 측변(164)의 높이보다 더 높게 형성될 수 있다. 다시 말해서, 상류충돌부(167)의 높이는 한 쌍의 측변(164)의 높이의 1.5~3배로 형성될 수 있다.

도 9(a)는 도 7에 도시된 가이드(160)의 실시예에서 상류충돌부(167)는 인서트(150)에 접하도록 높게 형성되고, 한 쌍의 측변(164)은 상류충돌부(167) 높이의 대략 절반 정도로 형성될 수 있다.

도 9(b)는 도 8(b)에 도시된 가이드(160)의 실시예에서 평면 형태인 상류충돌부(167)는 높게 형성되고, 한 쌍의 측변(164)은 상류충돌부(167) 높이의 대략 절반 정도로 낮게 형성된 것이다.

도 9(c)는 도 8(c)에 도시된 가이드(160)의 실시예에서 갭 유동의 상류측으로 볼록한 곡면 형태인 상류충돌부(167)는 높게 형성되고, 한 쌍의 측변(164)은 상류충돌부(167) 높이의 대략 절반 정도로 낮게 형성된 것이다.

도 9(d)는 가이드(160)에서 갭 유동의 상류측으로 오목한 곡면 형태인 상류충돌부(167)는 높게 형성되고, 한 쌍의 측변(164)은 상류충돌부(167) 높이의 대략 절반 정도로 낮게 형성된 것이다.

가이드(160)의 상류충돌부(167)와 한 쌍의 측변(164) 모두가 인서트(150)에 접하도록 높게 형성되는 경우, 냉각 공기가 충돌 후에 과도하게 압력이 강하되어 유동이 방해될 수 있다. 그래서, 상류충돌부(167)는 높게 형성하되 한 쌍의 측변(164)은 상대적으로 낮게 형성함으로써 냉각 공기의 유동에 있어서 과도한 압력 강하를 방지할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인 및 엔드월을 나타내는 단면도이다.

터빈 베인(100)의 내측 단부와 외측 단부에는 엔드월(200)이 각각 결합되고, 외측 단부에 결합된 엔드월(200)은 터빈 케이싱의 내주면에 고정적으로 장착된다.

복수의 터빈 베인(100)에 대해 복수의 엔드월(200)이 원주방향으로 배열된다.

두 엔드월(200) 몸체부(210) 사이에는 연소 가스가 유동하는 공간이 형성된다.

엔드월(200) 몸체부(210)의 터빈 베인(100) 반대쪽에는 오목부(220)가 형성된다.

이 오목부(220)에는 바닥면으로부터 갭을 형성하도록 결합되고 복수의 냉각홀(240)이 형성된 씬플레이트(thin plate, 230)가 구비된다. 이 씬플레이트(230)는 오목부(220)의 양측면에 용접되어 결합될 수 있다.

오목부(220)에는 그 바닥면으로부터 연장되어 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드(260)가 구비된다. 상기 냉각홀(240)을 통해 유입되는 공기는 오목부(220)의 바닥면에 충돌한 다음 도 10의 지면방향으로 유동하면서 엔드월(200)을 냉각할 수 있다.

상기 가이드(260)는 냉각홀(240)을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 냉각홀(240)을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내할 수 있다.

상기 터빈 베인(100)의 내부에 삽입되는 인서트와 측벽 사이의 충돌 냉각 유동을 안내하는 가이드(160)의 배열과 형태 등에 관한 상술한 실시예들은 엔드월(200)의 가이드(260)에도 그대로 적용될 수 있다. 그래서, 가이드(260)를 포함하는 엔드월(200)의 다양한 실시예들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 링세그먼트를 나타내는 단면도이다.

링세그먼트(300)는 터빈 하우징 내측에 회전하는 터빈 블레이드(1340)의 외측 단부와 마주보는 위치에 고정적으로 장착된다.

링세그먼트(300) 몸체부(310)는 복수의 터빈 블레이드를 둘러싸도록 복수개가 분할가능하되 원주방향으로 연속적으로 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착된다.

링세그먼트(300) 몸체부(310)의 터빈 블레이드 반대쪽에는 오목부(320)가 형성된다.

이 오목부(320)에는 바닥면으로부터 갭을 형성하도록 결합되고 복수의 냉각홀(340)이 형성된 씬플레이트(330)가 구비된다. 이 씬플레이트(330)는 오목부(320)의 양측면에 용접되어 결합될 수 있다.

오목부(320)에는 그 바닥면으로부터 연장되어 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드(360)가 구비된다. 상기 냉각홀(340)을 통해 유입되는 공기는 오목부(320)의 바닥면에 충돌한 다음 도 11의 지면방향으로 유동하면서 링세그먼트(300)를 냉각할 수 있다.

상기 가이드(360)는 냉각홀(340)을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 냉각홀(340)을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내할 수 있다.

상기 터빈 베인(100)의 내부에 삽입되는 인서트와 측벽 사이의 충돌 냉각 유동을 안내하는 가이드(160)의 배열과 형태 등에 관하여 상술한 실시예들은 링세그먼트(300)의 가이드(360)에도 그대로 적용될 수 있다. 그래서, 가이드(360)를 포함하는 링세그먼트(300)의 다양한 실시예들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 터빈 베인 또는 터빈 링세그먼트에 의하면, 측벽과 인서트 사이 또는 오목부와 씬플레이트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 인서트 홀 또는 냉각홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 가이드 구조를 구비하여 냉각 성능을 향상할 수 있다.

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, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000: 가스터빈 1010: 하우징
1100: 압축기 1110: 압축기 블레이드
1112: 도브테일부 1120: 압축기 로터 디스크 유닛
1130: 압축기 냉각공기 공급유로 1200: 연소기
1300: 터빈 1320: 터빈 로터 디스크
1330: 터빈 베인 1340: 터빈 블레이드
1400: 디퓨져 1450: 고정너트
1500: 토크튜브 유닛 1600: 타이로드
100: 터빈 베인
102, 104: 유입 챔버 111, 112, 113: 필름 냉각 유동
114: 충돌 제트 115: 갭 유동
120: 측벽 121: 필름 홀
122: 내면 130: 파티션
140: 컷백 150: 인서트
151: 인서트 홀 152: 행
160: 가이드 161: 제1단부
162: 제2단부 163: 상류단부
164: 측변 165: 하류단부
167: 충돌부
200: 베인 엔드월
210: 몸체부 220: 오목부
230: 씬플레이트 240: 냉각홀
260: 가이드
300: 터빈 링세그먼트
310: 몸체부 320: 오목부
330: 씬플레이트 340: 냉각홀
360: 가이드

Claims (22)

1. 리딩 에지와 트레일링 에지를 포함하는 에어포일을 형성하는 측벽;
   상기 측벽의 내면과 갭을 형성하도록 상기 측벽의 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및
   상기 측벽으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고,
   상기 가이드는 상기 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내하고,
   상기 복수의 인서트 홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 인서트 홀은 다음 열의 인서트 홀과 엇갈리도록 배열되며,
   상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 인서트 홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함하고,
   상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드는 상기 인서트의 표면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   하나의 행의 가이드의 하류단부와 다음 행의 가이드의 하류단부 사이의 거리는 인서트 홀의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
6. 제5항에 있어서,
   하나의 열의 가이드의 상류단부와 다음 열의 가이드의 상류단부 사이의 갭 유동 방향으로의 거리는 인서트 홀의 지름의 3~10배가 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 상류충돌부는 평면 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
10. 제1항에 있어서,
    상기 상류충돌부는 갭 유동의 상류측으로 볼록 또는 오목한 곡면 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
11. 삭제
12. 터빈 베인의 내측 단부와 외측 단부에 결합되는 엔드월;
    상기 엔드월의 몸체부의 베인 반대쪽에 형성된 오목부;
    상기 오목부에 바닥면으로부터 갭을 형성하도록 결합되고 복수의 냉각홀이 형성된 씬플레이트; 및
    상기 오목부의 바닥면으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고,
    상기 가이드는 상기 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내하고,
    상기 복수의 냉각홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 냉각홀은 다음 열의 냉각홀과 엇갈리도록 배열되며,
    상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 냉각홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함하고,
    상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제12항에 있어서,
    하나의 행의 가이드의 하류단부와 다음 행의 가이드의 하류단부 사이의 거리는 인서트 홀의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
16. 삭제
17. 터빈 블레이드를 둘러싸도록 배치되고 터빈 케이싱 내주면에 장착되는 링세그먼트 몸체부;
    상기 링세그먼트 몸체부의 터빈 블레이드 반대쪽에 형성된 오목부;
    상기 오목부에 바닥면으로부터 갭을 형성하도록 결합되고 복수의 냉각홀이 형성된 씬플레이트; 및
    상기 오목부의 바닥면으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고,
    상기 가이드는 상기 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 냉각홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내하고,
    상기 복수의 냉각홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 냉각홀은 다음 열의 냉각홀과 엇갈리도록 배열되며,
    상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 냉각홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 냉각홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함하고,
    상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성되는 것을 특징으로 하는 링세그먼트.
18. 삭제
19. 삭제
20. 제17항에 있어서,
    하나의 행의 가이드의 하류단부와 다음 행의 가이드의 하류단부 사이의 거리는 인서트 홀의 지름의 1/3~3배가 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 링세그먼트.
21. 삭제
22. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    내부에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈을 포함하고,
    상기 터빈 베인은,
    리딩 에지와 트레일링 에지를 포함하는 에어포일을 형성하는 측벽;
    상기 측벽의 내면과 갭을 형성하도록 상기 측벽의 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및
    상기 측벽으로부터 연장되어 상기 갭을 통한 냉각 유체의 유동을 안내하는 복수의 가이드를 포함하고,
    상기 가이드는 상기 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체가 다음 인서트 홀을 통해 유입되는 냉각 유체의 유동과 간섭되지 않도록 안내하고,
    상기 복수의 인서트 홀은 복수의 행과 열을 형성하도록 배열되고, 하나의 열의 인서트 홀은 다음 열의 인서트 홀과 엇갈리도록 배열되며,
    상기 가이드는, 갭 유동의 상류에 배치되어 냉각 유체가 충돌하는 상류충돌부와, 상기 상류충돌부의 상하단부에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향의 좌우 사선으로 연장되어 상기 인서트 홀의 상류측부를 감싸도록 배치되는 한 쌍의 측변과, 상기 측변에서 상기 인서트 홀의 갭 유동 방향 좌우에 배치되는 하류단부를 포함하고,
    상기 상류충돌부의 높이는 상기 한 쌍의 측변의 높이의 1.5~3배로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.

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