KR102307577B1 - 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조에 관한 것으로서, 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일의 내부에 적어도 하나 이상의 냉각 채널을 구비하는 터빈 날개; 및 상기 냉각 채널의 유입구에 설치되고, 상기 냉각 채널과 연통하는 미터링 홀이 형성된 미터링 플레이트;를 포함하고, 상기 미터링 홀은, 상기 냉각 채널마다 그 중앙부에 배치되는 메인 미터링 홀과, 상기 메인 미터링 홀 주변에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 미터링 홀을 포함하고, 상기 보조 미터링 홀 개개의 유동 단면적은 상기 메인 미터링 홀의 유동 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조{Internal Cooling Structure for Turbine Blade of Turbine Engine}

본 발명은 터빈기관에 구비되는 터빈 날개의 내부 냉각구조에 관한 것이다.

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

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 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 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스를 생성한다.

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

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

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

가스터빈의 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.

가스터빈의 효율에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 근래의 가스터빈 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 가스터빈의 등급(class)은 터빈 입구 온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)로 구분할 수 되는데, 현재 G 등급과 H 등급의 가스터빈이 선두 자리를 차지하고 있으며, 가장 최신의 가스터빈은 J 등급에 도달한 예도 발견된다. 가스터빈의 등급이 높을수록 효율과 터빈 입구 온도는 모두 올라가는데, H 등급의 가스터빈은 터빈 입구 온도가 1,500℃에 달하기 때문에 그만큼 내열소재의 개발과 냉각기술의 발전이 요구된다.

내열 설계는 가스터빈 전반에 걸쳐 필요한데, 고온의 연소 가스가 발생하고 유동하는 연소기와 터빈에서 특히 중요하다. 가스터빈의 냉각은 압축기에서 만들어진 압축 공기를 이용하는 공랭식인데, 터빈의 경우 몇 개의 스테이지에 걸쳐 회전하는 터빈 블레이드 사이에 터빈 베인이 고정 배치되는 복잡한 구조로 인해 냉각 설계가 더욱 어려운 점이 많다.

터빈 블레이드와 터빈 베인(이하에서는, 이들을 통칭하여 "터빈 날개"라 부름)의 경우를 보자면, 고온의 열 응력 환경으로부터 터빈 날개를 보호하고자 수많은 냉각 홀과 냉각 슬롯이 형성되어 있는데, 터빈 날개의 냉각은 크게 충돌 냉각과 필름 냉각으로 나누어 볼 수 있다. 충돌 냉각은 고압의 압축 공기가 고온 부재 표면에 직접 충돌하여 냉각을 일으키는 것이고, 필름 냉각은 고온 환경에 노출된 부재 표면에 열전도율이 매우 낮은 공기층을 얇게 형성함으로써 냉각과 함께 고온 환경으로부터의 열전달을 억제하는 것이다. 터빈 날개에서도, 터빈 날개 내면에서는 충돌 냉각을 일으키고, 고온의 연소 가스가 흐르는 터빈 날개 외면에서는 필름 냉각을 일으키는 복합적인 냉각을 수행하고 있으며, 이를 통해 고온 환경에서 터빈 날개를 보호할 수 있게 된다.

그런데, 터빈 날개 내면에서 충돌 냉각을 일으키고 표면에서 필름 냉각을 형성하기 위해서는 터빈 날개 내부의 공동부에 압축 공기가 유동하는 냉각 채널을 만들어줘야 한다. 그리고, 터빈 날개 안쪽으로 압축 공기를 도입할 때에는 강한 제트 기류를 만드는 것이 냉각 효율을 향상시키기에, 터빈 날개의 유동 입구에는 유동 단면적을 제한하는 미터링 플레이트를 설치하여 압축 공기의 유속을 증가시킨다.

이때, 미터링 플레이트는 냉각 채널의 중앙 영역으로 미터링 홀을 배치하는데, 이로 인해 터빈 날개의 리딩 에지 쪽에는 유동 정체 영역이 발생하여 냉각 성능이 부족해지는 현상이 발생한다. 또한, 터빈 날개의 에어포일이 시작되는 기부(基部)에는 응력 분산을 위한 필렛이 형성될 경우가 많은데, 필렛으로 인해 두께가 두꺼워짐에 따라 필렛 냉각이 어려워지며, 필렛의 부족한 냉각은 열 응력에 의한 조기 피로 현상을 유발하기도 한다.

미국등록특허 제8,591,189호 (2013.11.26 등록)

본 발명은 터빈 날개에 있어서, 냉각 성능이 국부적으로 부족한 영역이 발생하는 것을 억제할 수 있는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조에 관한 것으로서, 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일의 내부에 적어도 하나 이상의 냉각 채널을 구비하는 터빈 날개; 및 상기 냉각 채널의 유입구에 설치되고, 상기 냉각 채널과 연통하는 미터링 홀이 형성된 미터링 플레이트;를 포함하고, 상기 미터링 홀은, 상기 냉각 채널마다 그 중앙부에 배치되는 메인 미터링 홀과, 상기 메인 미터링 홀 주변에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 미터링 홀을 포함하고, 상기 보조 미터링 홀 개개의 유동 단면적은 상기 메인 미터링 홀의 유동 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 메인 미터링 홀과 보조 미터링 홀은 서로 분리되어 형성된다.

또는, 상기 메인 미터링 홀과 적어도 어느 하나 이상의 보조 미터링 홀 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿으로 연결될 수 있다.

그리고, 상기 보조 미터링 홀은 복수 개가 구비되고, 상기 보조 미터링 홀 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿으로 연결될 수 있다.

그리고, 상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀에 대해 상기 리딩 에지 쪽으로 편중되게 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀 주변을 둘러싸도록 상기 압력면 또는 흡입면을 따라 더 배치될 수 있다.

또한, 상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀 주변을 둘러싸면서 상기 리딩 에지와 압력면 및 흡입면을 따라 배치될 수 있다.

여기서, 상기 메인 미터링 홀의 유동 단면은 직사각형 모양을 이룰 수 있다.

그리고, 상기 보조 미터링 홀은 원 또는 타원 모양을 이룰 수 있다.

또는, 상기 보조 미터링 홀은 상기 터빈 에어포일의 표면 곡률을 따르는 장 홀의 형태를 이룰 수도 있다.

한편, 본 발명은 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;와, 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 터빈;을 포함하는 터빈기관으로서, 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 중의 적어도 어느 하나의 터빈 날개는, 상기 냉각 채널의 유입구에 설치되고, 상기 냉각 채널과 연통하는 미터링 홀이 형성된 미터링 플레이트;를 포함하고, 상기 미터링 홀은, 상기 냉각 채널마다 그 중앙부에 배치되는 메인 미터링 홀과, 상기 메인 미터링 홀 주변에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 미터링 홀을 포함하고, 상기 보조 미터링 홀 개개의 유동 단면적은 상기 메인 미터링 홀의 유동 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 지닌 본 발명의 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조에 따르면, 미터링 플레이트에 구비되는 미터링 홀을 메인 미터링 홀과 보조 미터링 홀의 복합적인 조합으로 구성함으로써 유동 정체 영역이 발생하기 쉬운 터빈 날개의 리딩 에지 및/또는 두께가 두꺼운 필렛의 냉각 성능을 양호하게 유지할 수 있게 된다.

특히, 터빈기관의 터빈 날개는 고온 환경에 지속적으로 노출되는 부품이기에 터빈 날개를 양호하게 냉각할 수 있음에 따라 터빈기관의 유지보수 간격과 수명을 연장시키는데 도움을 주며, 이를 통해 터빈기관의 운용에 긍정적인 결과를 가져온다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 터빈기관의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3 내지 도 9는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조를 형성하는 미터링 플레이트의 다양한 실시형태를 도시한 도면.

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 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 통과한 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 가스터빈의 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 가스터빈에 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.

가스터빈의 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 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 터빈기관용 터빈 날개(300)의 내부 냉각구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 터빈기관용 터빈 날개(300)의 내부 냉각구조에 대해 상세히 설명한다.

여기서, 본 발명의 대상이 되는 것은 터빈기관용 터빈 날개(300)로서, 터빈 날개(300)는 터빈 섹션(120)에 구비되는 동익인 터빈 블레이드와 정익인 터빈 베인의 양자를 통칭하는 것이다. 즉, 본 발명은 터빈 섹션(120)에 구비되는 날개 형태의 공역학적 부품에 두루 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

터빈 날개(300)는 리딩 에지(312)와 트레일링 에지(314), 그리고 리딩 에지(312)와 트레일링 에지(314)를 연결하는 압력면(316)과 흡입면(318)을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일(310)을 구비한다. 터빈 에어포일(310)은 고온·고압의 유체의 흐름을 유도하거나 이로부터 동력을 추출하는 역할을 한다. 그리고, 터빈 에어포일(310)의 내부에는 적어도 하나 이상의 냉각 채널(320)이 구비된다. 냉각 채널(320)은 냉각용 유체(예를 들어, 압축 공기)가 흐르는 유로로서, 도 2에서는 냉각 채널(320)이 두 개가 형성되는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 물론, 냉각 채널(320)의 개수나 형태, 유로 구조 등은 다양한 실시형태로 구현된다.

냉각 채널(320)의 유입구에는 미터링 플레이트(400)가 구비된다. 미터링 플레이트(400)는 냉각 채널(320)별로 냉각용 유체를 분배하고, 냉각 채널(320)로 도입되는 냉각용 유체의 속도를 올려서 충분한 충돌 냉각 효과를 가져오기 위한 목적으로 설치된다. 미터링 플레이트(400)에는 냉각용 유체의 유동을 설계한 대로 제한하기 위한 미터링 홀(410)이 형성되어 있다.

본 발명에 있어서, 미터링 홀(410)은 냉각 채널(320)마다 그 중앙부에 배치되는 메인 미터링 홀(412)과, 메인 미터링 홀(412) 주변에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 미터링 홀(414)을 포함하는 것으로 구성된다. 보조 미터링 홀(414)은 기본적으로 터빈 날개(300)에서 냉각성능이 부족해지기 쉬운 영역에 대해 냉각용 유체를 분배하기 위해 형성되는 보조적인 통로의 역할을 한다. 특히, 보조 미터링 홀(414) 개개의 유동 단면적은 메인 미터링 홀(412)의 유동 단면적보다 작게 설계되는데, 이는 터빈 날개(300)의 전체적인 냉각을 담당하는 메인 미터링 홀(412)은 넓게 확보하면서, 국부적인 냉각을 담당하는 보조 미터링 홀(414)은 적절한 유량이 충분한 유속을 가지도록 하기 위함이다.

그리고, 도 3은 미터링 플레이트(400)의 일 실시형태를 도시한 것인데, 이 실시형태는 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)이 구조적으로 서로 분리되어 형성되어 있는 것이다.

그렇지만, 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)은 반드시 물리적으로 분리되어 있을 필요는 없으며, 어떤 유동적 효과를 만들기 위해 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)은 물리적으로 연결되어 있을 수도 있다. 즉, 하나의 연결된 유동 단면을 형성하는 경우에도, 미터링 홀(410)의 위치나 유동 단면적 등으로부터 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)을 구별할 수도 있는 것이다.

예를 들면, 도 4의 미터링 플레이트(400)를 보면, 메인 미터링 홀(412)과 하나의 보조 미터링 홀(414) 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿(420)으로 연결되어 있다. 또한, 도 5에 따르면, 복수 개인 보조 미터링 홀(414)이 각각 메인 미터링 홀(412)과 슬릿(420)으로 연결되어 있다. 즉, 메인 미터링 홀(412)과 적어도 어느 하나 이상의 보조 미터링 홀(414) 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿(420)으로 연결된 실시형태이다.

이처럼 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414) 사이를 유동 단면의 폭이 가장 좁은 슬릿(420)으로 연결하면, 슬릿(420)을 통과하는 가장 빠른 유속의 냉각용 유체가 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)의 각 유동 사이를 교란하고, 이들 사이에 난류를 형성하게 된다. 냉각용 유체에 만들어진 난류는 열 전달 효과를 상승시키는데, 특히 냉각 성능을 보충하기 위해 만들어진 보조 미터링 홀(414)의 유동에 생성된 난류는 냉각에 취약한 영역의 국부 냉각 성능을 크게 향상시키는 효과를 가져온다.

이와 유사하게, 복수 개의 보조 미터링 홀(414) 사이를 슬릿(420)이 연결할 수도 있으며, 이는 도 6에 도시되어 있다. 보조 미터링 홀(414) 사이의 슬릿(420)은 각 보조 미터링 홀(414)의 유동 사이에 난류 발생을 촉진하고, 이로써 냉각에 취약한 영역의 국부 냉각 성능을 끌어올리게 된다. 또한, 도시되지는 않았지만, 보조 미터링 홀(414)들 사이, 그리고 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414) 사이에 모두 슬릿(420)을 형성하는 형태 역시 가능하며, 마치 그물망과 같이 형성된 슬릿(420) 영역의 유동은 국부 냉각에 유익한 영향을 미친다.

본 발명에 있어서, 터빈 날개(300)의 여러 영역 중 냉각 성능에 취약한 부분으로는 두 영역에 관심을 두고 있다. 하나는 메인 미터링 홀(412)이 냉각 채널(320)의 중앙 영역에 배치됨에 따라 터빈 날개(300)의 리딩 에지(312) 쪽에 유동 정체 영역이 발생하는 부분이다. 그리고, 다른 하나는 터빈 날개(300)의 터빈 에어포일(310)이 시작되는 기부(基部)에는 응력 분산을 위한 필렛이 형성됨으로써 그만큼 두께가 두꺼워짐에 따라 필렛 냉각이 어려워지는 부분이다.

본 발명은 이러한 점을 고려하여, 보조 미터링 홀(414)을 메인 미터링 홀(412)에 대해 리딩 에지(312) 쪽으로 편중되게 배치하는 실시형태를 제안하고 있다. 예를 들어, 도 4 내지 도 6에 도시된 미터링 플레이트(400)의 구성이 여기에 해당한다.

또한, 본 발명은 필렛 냉각을 고려하여, 보조 미터링 홀(414)이 메인 미터링 홀(412) 주변을 둘러싸도록 터빈 에어포일(310)의 압력면(316) 및/또는 흡입면(318)을 따라 배치하는 실시형태를 제시하고 있다. 필렛은 터빈 에어포일(310)의 기부를 따라 빙 둘러 형성되기에, 이를 고려하여 보조 미터링 홀(414)은 메인 미터링 홀(412) 주변을 둘러싸는 형태를 취하게 된다. 다만, 터빈 에어포일(310)의 트레일링 에지(314) 부분에는 보조 미터링 홀(414)을 배치하고 있지 않은데, 이는 트레일링 에지(314) 자체가 아주 얇은 두께를 가짐에 따라 필렛의 크기 역시 작기 때문에 별도의 보조 미터링 홀(414)을 배치하는 것의 실익이 적기 때문이다.

도 7은 터빈 날개(300)의 리딩 에지(312)와 필렛 양쪽을 모두 고려한 보조 미터링 홀(414)의 배치를 도시한 것이며, 보조 미터링 홀(414)은 메인 미터링 홀(412) 주변을 둘러싸면서 터빈 에어포일(310)의 리딩 에지(312)와 압력면(316) 및 흡입면(318)을 따라 빙 둘러 배치되어 있다. 여기서, 도 7에는 슬릿(420)의 구성은 나타나 있지 않은데, 물론 도 7의 실시형태에도 슬릿(420)이 추가될 수 있다.

그리고, 도 8 및 도 9는 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)의 형태에 대한 다양한 실시형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 메인 미터링 홀(412)의 유동 단면은 직사각형 모양을 이루고 있다. 이는 가능한 개개 냉각 채널(320)의 단면 형태에 대해 단순하면서도 유사하게 메인 미터링 홀(412)의 형태를 만드는 것을 고려한 것이다.

이에 비해, 보조 미터링 홀(414)의 형태는 좀 더 다양하게 만들 수 있다. 보조 미터링 홀(414)이 담당하는 영역은 국부적으로 한정되어 있기에 많은 유량이 필요 없기에 형태가 덜 제한적이기 때문이다. 보조 미터링 홀(414)의 형태는 도 3 등과 같이 원 모양일 수 있으며, 또는 도 8과 같이 타원 모양을 이룰 수 있다. 또한, 도 9와 같이, 보조 미터링 홀(414)은 터빈 에어포일(310)의 표면 곡률을 따르는 장 홀의 형태를 이룰 수도 있으며, 이런 장 홀 형태는 냉각 성능이 열악한 부위의 넓은 영역에 걸쳐 골고루 냉각용 유체를 분산시키는 효과를 가져온다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 구성의 미터링 플레이트(400)를 포함하는 터빈기관을 제공한다. 터빈기관은 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기, 그리고 내부에 터빈 블레이드와 터빈 베인이 장착되고, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전하는 터빈을 포함한다. 전술한 바와 같이, 터빈 블레이드와 터빈 베인을 터빈 날개(300)로 통칭할 때, 터빈 블레이드와 터빈 베인 중의 적어도 어느 하나에 대해서는 전술한 미터링 플레이트(400)가 구비되며, 미터링 플레이트(400)에 구비되는 미터링 홀(410)을 메인 미터링 홀(412)과 보조 미터링 홀(414)의 복합적인 조합으로 구성함으로써 유동 정체 영역이 발생하기 쉬운 터빈 날개(300)의 리딩 에지(312) 및/또는 두께가 두꺼운 필렛의 냉각 성능을 양호하게 유지할 수 있게 된다.

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.

300: 터빈 날개 310: 터빈 에어포일
312: 리딩 에지 314: 트레일링 에지
316: 압력면 318: 흡입면
320: 냉각 채널 400: 미터링 플레이트
410: 미터링 홀 412: 메인 미터링 홀
414: 보조 미터링 홀 420: 슬릿

Claims (20)

1. 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일의 내부에 적어도 하나 이상의 냉각 채널을 구비하는 터빈 날개; 및
   상기 냉각 채널의 유입구에 설치되고, 상기 냉각 채널과 연통하는 미터링 홀이 형성된 미터링 플레이트;를 포함하고,
   상기 미터링 홀은, 상기 냉각 채널마다 그 중앙부에 배치되는 메인 미터링 홀과, 상기 메인 미터링 홀 주변에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 미터링 홀을 포함하고,
   상기 보조 미터링 홀 개개의 유동 단면적은 상기 메인 미터링 홀의 유동 단면적보다 작으며,
   상기 메인 미터링 홀과 적어도 어느 하나 이상의 보조 미터링 홀 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿으로 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 보조 미터링 홀은 복수 개가 구비되고, 상기 보조 미터링 홀 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿으로 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
5. 제1항에 있어서,
   상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀에 대해 상기 리딩 에지 쪽으로 편중되게 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀 주변을 둘러싸도록 상기 압력면 또는 흡입면을 따라 더 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
7. 제1항에 있어서,
   상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀 주변을 둘러싸면서 상기 리딩 에지와 압력면 및 흡입면을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
8. 제1항에 있어서,
   상기 메인 미터링 홀의 유동 단면은 직사각형 모양을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
9. 제1항 또는 제8항에 있어서,
   상기 보조 미터링 홀은 원 또는 타원 모양을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
10. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 상기 터빈 에어포일의 표면 곡률을 따르는 장 홀의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관용 터빈 날개의 내부 냉각구조.
11. 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 터빈;을 포함하며,
    여기서, 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 중의 적어도 어느 하나의 터빈 날개는,
    리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일의 내부에 적어도 하나 이상의 냉각 채널을 구비하며,
    상기 냉각 채널의 유입구에 설치되고, 상기 냉각 채널과 연통하는 미터링 홀이 형성된 미터링 플레이트를 포함하고,
    상기 미터링 홀은, 상기 냉각 채널마다 그 중앙부에 배치되는 메인 미터링 홀과, 상기 메인 미터링 홀 주변에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 미터링 홀을 포함하며,
    상기 보조 미터링 홀 개개의 유동 단면적은 상기 메인 미터링 홀의 유동 단면적보다 작고,
    상기 메인 미터링 홀과 적어도 어느 하나 이상의 보조 미터링 홀 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿으로 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제11항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 복수 개가 구비되고, 상기 보조 미터링 홀 사이는 유동 단면의 폭이 더 좁은 슬릿으로 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
15. 제11항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀에 대해 상기 리딩 에지 쪽으로 편중되게 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
16. 제15항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀 주변을 둘러싸도록 상기 압력면 또는 흡입면을 따라 더 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
17. 제11항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 상기 메인 미터링 홀 주변을 둘러싸면서 상기 리딩 에지와 압력면 및 흡입면을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
18. 제11항에 있어서,
    상기 메인 미터링 홀의 유동 단면은 직사각형 모양을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
19. 제11항 또는 제18항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 원 또는 타원 모양을 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
20. 제11항 또는 제18항에 있어서,
    상기 보조 미터링 홀은 상기 터빈 에어포일의 표면 곡률을 따르는 장 홀의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
    
    
    
    

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