KR102162969B1 - 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는, 리딩 에지, 트레일링 에지, 측벽의 볼록한 흡입측벽, 측벽의 오목한 압력측벽, 상단면의 팁 영역을 포함하는 블레이드 몸체; 상기 블레이드 몸체의 팁 영역에서 상방으로 연장되는 스퀼러 팁; 상기 블레이드 몸체의 내부 캐비티에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 제1냉각채널; 및 상기 내부 캐비티에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 제2냉각채널을 포함하고, 상기 제1냉각채널 또는 제2냉각채널은 중간에 지름이 확장된 확장부를 포함한다.

Description

터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈{Turbine blade and gas turbine comprising the same}

본 발명은 터빈 블레이드 및 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 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

미국 등록특허공보 제6224336호

본 발명은 블레이드 상단부에 확장부와 필름홀을 구비하는 냉각채널을 형성하여 블레이드 상단부를 효과적으로 냉각할 수 있는 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는, 리딩 에지, 트레일링 에지, 측벽의 볼록한 흡입측벽, 측벽의 오목한 압력측벽, 상단면의 팁 영역을 포함하는 블레이드 몸체; 상기 블레이드 몸체의 팁 영역에서 상방으로 연장되는 스퀼러 팁; 상기 블레이드 몸체의 내부 캐비티에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 제1냉각채널; 및 상기 내부 캐비티에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 제2냉각채널을 포함하고, 상기 제1냉각채널 또는 제2냉각채널은 중간에 지름이 확장된 확장부를 포함한다.

상기 제1냉각채널은, 상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과, 상기 확장부에서 상기 스퀼러 팁의 상단 방향으로 연장되는 연장홀과, 상기 연장홀의 일측면에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함할 수 있다.

상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어질 수 있다.

상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 입구측 냉각홀과 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 외측으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다.

상기 제2냉각채널은, 상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과, 상기 확장부에서 상기 팁 영역에 평행하게 좌우로 연장되는 한 쌍의 연장홀과, 상기 한 쌍의 연장홀의 일측면에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함할 수 있다.

상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어질 수 있다.

상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 상측으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다.

상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 상기 스퀼러 팁을 따라 소정 간격으로 복수개가 배치될 수 있다.

상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 각각 복수개가 상기 스퀼러 팁의 길이 방향으로 연속적으로 서로 연통되도록 형성될 수 있다.

상기 제1냉각채널의 흡입측 스퀼러 팁에 형성된 출구측 필름홀은 출구의 하부 단면이 라운드지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 공기를 압축시키기 위한 압축기; 상기 압축기로부터 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기의 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하고, 상기 터빈 블레이드는, 리딩 에지, 트레일링 에지, 측벽의 볼록한 흡입측벽, 측벽의 오목한 압력측벽, 상단면의 팁 영역을 포함하는 블레이드 몸체; 상기 블레이드 몸체의 팁 영역에서 상방으로 연장되는 스퀼러 팁; 상기 블레이드 몸체의 내부 캐비티에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 제1냉각채널; 및 상기 내부 캐비티에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 제2냉각채널을 포함하고, 상기 제1냉각채널 또는 제2냉각채널은 중간에 지름이 확장된 확장부를 포함한다.

상기 제1냉각채널은, 상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과, 상기 확장부에서 상기 스퀼러 팁의 상단 방향으로 연장되는 연장홀과, 상기 연장홀의 일측면에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함할 수 있다.

상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어질 수 있다.

상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 입구측 냉각홀과 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 외측으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다.

상기 제2냉각채널은, 상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과, 상기 확장부에서 상기 팁 영역에 평행하게 좌우로 연장되는 한 쌍의 연장홀과, 상기 한 쌍의 연장홀의 일측면에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함할 수 있다.

상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어질 수 있다.

상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 상측으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다.

상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 상기 스퀼러 팁을 따라 소정 간격으로 복수개가 배치될 수 있다.

상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 각각 복수개가 상기 스퀼러 팁의 길이 방향으로 연속적으로 서로 연통되도록 형성될 수 있다.

상기 제1냉각채널의 흡입측 스퀼러 팁에 형성된 출구측 필름홀은 출구의 하부 단면이 라운드지게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 블레이드 상단부에 확장부와 필름홀을 구비하는 냉각채널을 형성하여 블레이드 상단부를 효과적으로 냉각할 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 도 2의 터빈 로터 디스크를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에서 A-A 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 터빈 블레이드의 다른 실시예에 따른 냉각 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 터빈 블레이드의 또 다른 실시예에 따른 냉각 구조를 나타내는 단면도이다.
도 8은 터빈 블레이드의 또 다른 실시예에 따른 냉각 구조를 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. 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 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 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(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.

도 3을 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 3에서, 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 3에서, 상기 블레이드부의 표면에는 다수의 필름 쿨링홀(1344)이 형성되는데, 상기 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 블레이드는 리딩 에지, 트레일링 에지, 압력면, 흡입면, 팁 영역을 포함하여 형성되는 것이 일반적이다. 블레이드의 팁 영역은 케이싱 내주면과의 사이에 상대운동을 가능하게 하는 팁 간극(tip gap)이 존재한다.

인접하는 블레이드와 통로 사이의 압력차 때문에 팁 간극을 통하여 블레이드의 압력면(pressure surface) 쪽에서 흡입면(suction surface) 쪽으로 강한 2차유동이 발생하는데, 이 유동을 팁 누설 유동(tip-leakage flow)이라고 한다.

이와 같은 팁 누설 유동은 팁 간극을 통과한 뒤 흡입면을 따라 나선형 형태로 돌면서 하류로 이동한다. 팁 간극 근처에서 발생하는 팁 누설 와류(tip-leakage vortex) 등의 3차원 유동은 압력손실을 크게 증가시켜 터빈 단의 효율을 저하시킨다. 이 팁 누설 유동에 의한 압력손실은 누설 유량에 비례하여 증가하며, 이것은 대략 전체 압력손실의 30% 정도를 차지한다고 알려져 있다.

이러한 팁 누설 유동에 의한 압력손실을 줄이기 위해 현재 사용되는 고압터빈용 동익은 주로 스퀼러 팁(squealer tip)을 채용하고 있다. 스퀼러 팁은 함몰팁(recessed tip)이라고도 불리며, 팁의 가장자리에 울타리 형태의 돌출부가 있고 그 내부에 함몰된 빈 공간이 존재한다.

전면에 스퀼러 팁이 형성된 터빈 블레이드의 경우 평면팁을 가지는 터빈 블레이드와 비교하여 팁 누설 유동을 감소시키게 된다.

그런데, 터빈 블레이드의 상단부를 냉각하기 위해 팁 영역과 스퀼러 팁에는 터빈 블레이드의 내부 캐비티로부터 연결되는 냉각홀이 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4에서 A-A 선을 따라 자른 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드(100)는, 블레이드 몸체, 스퀼러 팁(161), 제1냉각채널(170), 제2냉각채널(180)을 포함한다.

블레이드 몸체는 에어포일(airfoil) 형상의 몸체로서, 리딩 에지(110), 트레일링 에지(120), 볼록한 흡입측벽(130), 오목한 압력측벽(140), 팁 영역(160)을 포함한다. 팁 영역(160)은 블레이드 몸체의 상단면을 구성한다. 블레이드 몸체의 내부에는 흡입측벽(130), 압력측벽(140), 팁 영역(160)에 의해 둘러싸이는 캐비티(150)가 형성된다.

스퀼러 팁(squealer tip, 161)은 블레이드 몸체의 팁 영역(160)에서 상방으로 연장되어 형성되는 것으로서, 팁 영역(160)의 상면에 스퀼러 림(squealer rim)을 형성하도록 형성될 수 있다.

스퀼러 팁(161)은 흡입측벽(130) 쪽 측벽의 위에 형성되는 흡입측 팁레일(163)과 압력측벽(140) 쪽 측벽의 위에 형성되는 압력측 팁레일(164)로 구성될 수 있다.

도면부호 '105'는 로터의 일부를 나타낸 것으로서 상기한 터빈 로터 디스크(1320)에 결합되는 플랫폼부(1341)에 해당한다.

제1냉각채널(170)은 블레이드 몸체의 내부 캐비티(150)에서 스퀼러 팁(161)의 외측면으로 연결된다. 제1냉각채널(170)은 흡입측벽(130) 및 흡입측 팁레일(163)과 압력측벽(140) 및 압력측 팁레일(164)에 각각 서로 대칭되도록 형성될 수 있다. 또한, 제1냉각채널(170)은 블레이드 몸체의 양측벽 상부에 리딩 에지(110)와 트레일링 에지(120) 사이에 복수개가 서로 소정 간격으로 형성될 수 있다.

제2냉각채널(180)은 내부 캐비티(150)에서 팁 영역(160)의 상면으로 연결된다. 제2냉각채널(180)은 캐비티(150)의 하면 중앙에 하나의 유입 구멍이 형성되고, 캐비티(150)의 상면에 복수의 유출 구멍이 형성된다.

상기 제1냉각채널(170) 및/또는 제2냉각채널(180)은 각각 중간에 지름이 확장된 확장부(174, 184)를 포함한다. 이 확장부(174, 184)는 도 5의 단면도를 기준으로 볼 때, 팁 영역(160)의 상하 두께보다 작은 지름을 가진 구 형태로 이루어질 수 있다.

제1냉각채널(170)은 내부 캐비티(150)에서 확장부(174)로 연결되는 입구측 냉각홀(172)과, 확장부(174)에서 스퀼러 팁(161)의 상단 방향으로 연장되는 연장홀(176)과, 연장홀(176)의 일측면에서 스퀼러 팁(161)의 외측면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀(178)을 포함할 수 있다.

입구측 냉각홀(172)은 캐비티(150)의 모서리 부위에서 외측 상방으로 경사지게 형성되어 확장부(174)로 연결될 수 있다. 입구측 냉각홀(172)은 원형 단면 형태로 이루어질 수 있다. 입구측 냉각홀(172)의 내경은 확장부(174)의 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성될 수 있다. 반대로 말하면, 확장부(174)는 입구측 냉각홀(172) 내경의 2배 이상의 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

연장홀(176)은 확장부(174)의 상면에서 상방으로 연장 형성되고, 연장홀(176)의 상단은 막혀 있는 형태로 형성될 수 있다. 연장홀(176)은 도 5의 단면도를 기준으로 볼 때, 흡입측 팁레일(163) 및 압력측 팁레일(164)의 가로방향 두께의 중앙 부위에 배치될 수 있다. 연장홀(176)은 원형 단면 형태로 이루어지고, 입구측 냉각홀(172)과 유사한 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

출구측 필름홀(178)은 연장홀(176)의 일측면, 즉 외측면에서 스퀼러 팁(161)의 외측면으로 연결된다. 흡입측 팁레일(163)에 형성된 제1냉각채널(170)의 출구측 필름홀(178)은 도 5의 단면도를 기준으로, 연장홀(176)의 외측면(우측면)에서 수평방향으로 복수개가 형성될 수 있다. 압력측 팁레일(164)에 형성된 제1냉각채널(170)의 출구측 필름홀(178)은 연장홀(176)의 외측면(좌측면)에서 수평방향으로 복수개가 형성될 수 있다. 도 5에서 출구측 필름홀(178)은 3개씩 형성되어 있으나, 흡입측 팁레일(163)의 두께와 높이 등에 따라 2~6개가 형성될 수 있다. 출구측 필름홀(178)의 내경은 연장홀(176) 내경의 1/2 이하로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 출구측 필름홀(178)의 내경은 입구측 냉각홀(172) 내경의 1/2 이하로 형성될 수 있다.

입구측 냉각홀(172)과 연장홀(176)은 확장부(174)의 중심을 향하도록 연결될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 입구측 냉각홀(172)과 연장홀(176)은 확장부(174)의 중심을 향하지 않고 일측으로 치우쳐서 연결될 수도 있다.

제2냉각채널(180)은 내부 캐비티(150)에서 확장부(184)로 연결되는 입구측 냉각홀(182)과, 확장부(184)에서 팁 영역(160)에 평행하게 좌우로 연장되는 한 쌍의 연장홀(186)과, 한 쌍의 연장홀(186)의 일측면에서 팁 영역(160)의 상면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀(188)을 포함할 수 있다.

확장부(184)는 팁 영역(160)의 좌우방향 중앙 부위에 상하방향 두께의 중간 부위에 형성될 수 있다.

입구측 냉각홀(182)은 팁 영역(160)의 중앙 부위 하면에서 상방으로 확장부(184)로 연결된다. 입구측 냉각홀(182)은 원형 단면 형태로 이루어질 수 있다. 입구측 냉각홀(182)의 내경은 확장부(184)의 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성될 수 있다. 반대로 말하면, 확장부(184)는 입구측 냉각홀(182) 내경의 2배 이상의 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

연장홀(186)은 확장부(184)에서 팁 영역(160)에 평행하게 좌우로 한 쌍이 연장 형성되고, 한 쌍의 연장홀(186)의 타단은 막혀 있는 형태로 형성될 수 있다. 연장홀(186)은 도 5의 단면도를 기준으로 볼 때, 팁 영역(160)의 두께방향 중앙 부위에 배치될 수 있다. 연장홀(186)은 원형 단면 형태로 이루어지고, 입구측 냉각홀(182)과 유사한 내경을 갖도록 형성될 수 있다.

출구측 필름홀(188)은 한 쌍의 연장홀(186)의 상측면에서 팁 영역(160)의 상면으로 연결된다. 출구측 필름홀(188)은 우측의 연장홀(186)의 상측면에서 상방으로 3개가 형성되고, 좌측의 연장홀(186)의 상측면에서 상방으로 3개가 형성될 수 있다. 출구측 필름홀(188)은 연장홀(186)의 크기와 길이 등에 따라 일측의 연장홀(186)에 2~6개가 형성될 수 있다. 출구측 필름홀(188)의 내경은 연장홀(186) 내경의 1/2 이하로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 출구측 필름홀(188)의 내경은 입구측 냉각홀(182) 내경의 1/2 이하로 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 제1냉각채널(170)과 제2냉각채널(180)은 스퀼러 팁(160)을 따라 소정 간격으로 복수개가 배치될 수 있다. 즉, 제1냉각채널(170)과 제2냉각채널(180)은 블레이드 몸체의 리딩 에지(110)와 트레일링 에지(120) 사이에 소정 간격으로 복수개가 형성될 수 있다.

이와 달리, 제1냉각채널(170)과 제2냉각채널(180)은 각각 복수개가 스퀼러 팁(161)의 길이 방향으로 연속적으로 서로 연통되도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기한 확장부(174, 184)만 연통되도록 연속적으로 형성될 수도 있고, 확장부(174, 184)와 연장홀(176, 186)이 연통되도록 연속적으로 형성될 수도 있으며, 입구측 냉각홀(172, 182)과 확장부(174, 184)와 연장홀(176, 186)이 모두 연통되도록 연속적으로 형성될 수도 있다. 후자의 경우에도 복수의 출구측 필름홀(178, 188)은 블레이드 몸체의 측벽에 평행한 수평방향으로 서로 소정 간격 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 6은 터빈 블레이드의 다른 실시예에 따른 냉각 구조를 나타내는 단면도이다. 본 실시예의 경우, 입구측 냉각홀(172)과 연장홀(176, 186)은 확장부(174, 184)의 중심을 기준으로 외측으로 치우친 원주면에 연결된다.

제1냉각채널(170)의 경우, 입구측 냉각홀(172)은 확장부(174)의 중심에서 외측 하부 쪽으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다. 이때, 입구측 냉각홀(172)은 하방으로 볼록하게 형성될 수 있다.

이와 반대로, 입구측 냉각홀(172)은 확장부(174)의 중심에서 내측 상부 쪽으로 치우친 원주면에 연결될 수도 있다. 이때, 입구측 냉각홀(172)은 상방으로 볼록하게 형성될 수 있다.

이렇게 형성되는 입구측 냉각홀(172)은 냉각 공기가 확장부(174) 내부에서 와류(vortex)를 형성하도록 유도함으로써 냉각 효율을 더 높일 수 있다.

연장홀(176)도 확장부(174)의 중심을 기준으로 외측으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다. 즉, 연장홀(176)은 흡입측벽(130)과 압력측벽(140)의 외측면에 가까이 배치될 수 있다.

제2냉각채널(180)의 경우, 한 쌍의 연장부(186)는 확장부(184)의 중심을 기준으로 상방으로 치우친 원주면에 연결될 수 있다. 그래서, 한 쌍의 연장부(186)는 팁 영역(160)의 상면에 가까이 배치될 수 있다.

연소 가스는 터빈 블레이드의 팁 영역(160)을 가열하게 되므로, 팁 영역(160)의 상면의 온도가 그 아래보다 더 높아지게 된다. 상기 한 쌍의 연장부(186)가 팁 영역(160)의 상면에 가까이 배치됨으로써, 팁 영역(160)의 상면을 더 많이 냉각할 수 있다.

도 7은 터빈 블레이드의 또 다른 실시예에 따른 냉각 구조를 나타내는 단면도이다.

본 실시예의 경우, 제1냉각채널(170)의 흡입측 스퀼러 팁(161, 163)에 형성된 출구측 필름홀(178)은 출구의 하부 단면이 라운드지게 형성될 수 있다.

즉, 흡입측 팁레일(163)에 형성되는 제1냉각채널(170)의 출구측 필름홀(178)은 그 출구의 하부 단면이 하방으로 라운드지게 형성될 수 있다.

출구측 필름홀(178)을 통해 유출되는 냉각 공기는 흡입측벽(130)의 외측면, 즉 흡입면으로 배출될 때 연소 가스에 의해 흡입면에 평행한 방향으로 유동 방향이 바뀌게 된다. 출구측 필름홀(178)의 출구 하부 단면이 라운드져서 출구가 하방으로 더 커지게 됨으로써, 이를 통해 나오는 냉각 공기가 흡입측벽(130)의 외측면을 따라 하방으로 유동하는 비율을 더 높일 수 있어서, 필름 냉각 효율을 더 높일 수 있다.

도 8은 터빈 블레이드의 또 다른 실시예에 따른 냉각 구조를 나타내는 단면도이다.

본 실시예의 경우, 한 쌍의 제1냉각채널(170) 중 흡입측벽(130)에 형성되는 복수의 제1냉각채널(170) 중 일부는 제3냉각채널(190)로 대체될 수 있다. 즉, 흡입측벽(130)에 형성되는 복수의 냉각채널은 제1냉각채널(170)과 제3냉각채널(190)이 교대로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 터빈 블레이드는 단면 위치에 따라 도 5의 단면 형태와 도 8의 단면 형태가 반복적으로 형성될 수 있다. 또한, 흡입측벽(130)에 형성되는 복수의 제1냉각채널(170)과 복수의 제3냉각채널(190)은 4:1 내지 1:4의 비율로 형성될 수도 있다.

제3냉각채널(190)은 도 5를 참조하여 설명한 입구측 냉각홀(172)이 흡입측 팁레일(163)의 외측면까지 연통되도록 형성될 수 있다. 즉, 입구측 냉각홀(172)과 유사한 직경의 제3냉각채널(190)이 상기한 확장부(174) 없이 일정한 내경으로 경사지게 형성될 수 있다.

제3냉각채널(190)의 출구는 내경이 하방으로 점점 커져서 그 단면이 라운드지게 형성될 수 있다. 즉, 제3냉각채널(190)의 출구 하부 단면에는 라운드부(192)가 형성될 수 있다.

제3냉각채널(190)의 출구측에 라운드부(192)를 구비함으로써, 필름 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드에 의하면, 블레이드 상단부에 확장부와 필름홀을 구비하는 냉각채널을 형성하여 블레이드 상단부를 효과적으로 냉각할 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
1341: 플랫폼부 1342: 루트부
1343: 블레이드부 1344: 필름쿨링홀
1400: 디퓨져 1450: 고정너트
1500: 토크튜브 유닛 1600: 타이로드
100: 터빈 블레이드 105: 로터
110: 리딩 에지 120: 트레일링 에지
130: 흡입측벽 140: 압력측벽
150: 캐비티
160: 팁 영역(스퀼러 포켓) 161: 스퀼러 팁
163: 흡입측 팁레일 164: 압력측 팁레일
170: 제1냉각채널 172: 입구측 냉각홀
174: 확장부 176: 연장홀
178: 출구측 필름홀 179: 라운드부
180: 제2냉각채널 182: 입구측 냉각홀
184: 확장부 186: 연장홀
188: 출구측 필름홀
190: 제3냉각채널 192: 라운드부

Claims (24)

1. 리딩 에지, 트레일링 에지, 측벽의 볼록한 흡입측벽, 측벽의 오목한 압력측벽, 상단면의 팁 영역을 포함하는 블레이드 몸체;
   상기 블레이드 몸체의 팁 영역의 양측 가장자리에서 상방으로 연장되는 스퀼러 팁;
   상기 블레이드 몸체의 내부 캐비티에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 제1냉각채널; 및
   상기 팁 영역에서 양측 가장자리의 스퀼러 팁 사이의 중간에 상기 내부 캐비티로부터 상면으로 연결되는 제2냉각채널을 포함하고,
   상기 제1냉각채널 또는 제2냉각채널은 중간에 지름이 확장된 확장부를 포함하는 터빈 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1냉각채널은,
   상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과,
   상기 확장부에서 상기 스퀼러 팁의 상단 방향으로 연장되는 연장홀과,
   상기 연장홀의 일측면에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
3. 제2항에 있어서,
   상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
4. 제3항에 있어서,
   상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
5. 제2항에 있어서,
   상기 입구측 냉각홀과 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 외측으로 치우친 원주면에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2냉각채널은,
   상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과,
   상기 확장부에서 상기 팁 영역에 평행하게 좌우로 연장되는 한 쌍의 연장홀과,
   상기 한 쌍의 연장홀의 일측면에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
7. 제6항에 있어서,
   상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
8. 제7항에 있어서,
   상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
9. 제6항에 있어서,
   상기 한 쌍의 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 상측으로 치우친 원주면에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
10. 제2항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 상기 스퀼러 팁을 따라 소정 간격으로 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
11. 제2항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 각각 복수개가 상기 스퀼러 팁의 길이 방향으로 연속적으로 서로 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
12. 제2항에 있어서,
    상기 제1냉각채널의 흡입측 스퀼러 팁에 형성된 출구측 필름홀은 출구의 하부 단면이 라운드지게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
13. 공기를 압축시키기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기의 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하고,
    상기 터빈 블레이드는,
    리딩 에지, 트레일링 에지, 측벽의 볼록한 흡입측벽, 측벽의 오목한 압력측벽, 상단면의 팁 영역을 포함하는 블레이드 몸체;
    상기 블레이드 몸체의 팁 영역의 양측 가장자리에서 상방으로 연장되는 스퀼러 팁;
    상기 블레이드 몸체의 내부 캐비티에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 제1냉각채널; 및
    상기 팁 영역에서 양측 가장자리의 스퀼러 팁 사이의 중간에 상기 내부 캐비티로부터 상면으로 연결되는 제2냉각채널을 포함하고,
    상기 제1냉각채널 또는 제2냉각채널은 중간에 지름이 확장된 확장부를 포함하는 가스 터빈.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1냉각채널은,
    상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과,
    상기 확장부에서 상기 스퀼러 팁의 상단 방향으로 연장되는 연장홀과,
    상기 연장홀의 일측면에서 상기 스퀼러 팁의 외측면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
15. 제14항에 있어서,
    상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
16. 제15항에 있어서,
    상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
17. 제14항에 있어서,
    상기 입구측 냉각홀과 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 외측으로 치우친 원주면에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
18. 제13항에 있어서,
    상기 제2냉각채널은,
    상기 내부 캐비티에서 상기 확장부로 연결되는 입구측 냉각홀과,
    상기 확장부에서 상기 팁 영역에 평행하게 좌우로 연장되는 한 쌍의 연장홀과,
    상기 한 쌍의 연장홀의 일측면에서 상기 팁 영역의 상면으로 연결되는 복수의 출구측 필름홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
19. 제18항에 있어서,
    상기 확장부는 상기 입구측 냉각홀 내경의 2배 이상의 내경을 가진 구 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
20. 제19항에 있어서,
    상기 출구측 필름홀은 상기 입구측 냉각홀 내경의 1/2 이하의 내경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
21. 제18항에 있어서,
    상기 한 쌍의 연장홀은 상기 확장부의 중심을 기준으로 상측으로 치우친 원주면에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
22. 제14항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 상기 스퀼러 팁을 따라 소정 간격으로 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
23. 제14항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1냉각채널과 상기 제2냉각채널은 각각 복수개가 상기 스퀼러 팁의 길이 방향으로 연속적으로 서로 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
24. 제14항에 있어서,
    상기 제1냉각채널의 흡입측 스퀼러 팁에 형성된 출구측 필름홀은 출구의 하부 단면이 라운드지게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.

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