KR102363922B1 - 터빈 베인, 그리고 이를 포함하는 터빈 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일 내부의 공동부에 구비된 적어도 둘 이상의 냉각 채널이 사행 유로를 형성하는 터빈 베인에 관한 것으로서, 상기 냉각 채널은 상기 공동부 안에서 반경방향을 따라 연장된 복수의 이격된 격벽에 의해 형성되고, 상기 냉각 채널의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 유로 벤딩부는 상기 터빈 에어포일과 플랫폼의 경계면을 기준으로 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하며, 상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 다공성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

터빈 베인, 그리고 이를 포함하는 터빈{TURBINE VANE AND TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 터빈 베인 및 이를 포함하는 터빈에 관한 것으로서, 고온 환경에 노출되는 터빈 베인의 구조 수명을 향상할 수 있는 새로운 구조의 터빈 베인 및 이를 포함하는 터빈에 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, 터빈은 몇 개의 스테이지에 걸쳐 회전하는 터빈 블레이드 사이에 터빈 베인이 고정 배치되는 복잡한 구조로 인해 냉각 설계가 더욱 어려운 점이 많다.

터빈 베인에는 고온의 열 응력 환경으로부터 이를 보호하고자 수많은 냉각 홀과 냉각 슬롯이 형성되어 있으며, 그 내부에는 압축 공기가 흐르는 유로가 길이방향(반경 방향)을 따라 구불구불하게 형성되어 있다. 이런 유로를 사행 유로(Serpentine Cooling Path)라 부르며, 사행 유로를 흐르는 압축 공기는 터빈 베인 곳곳을 냉각하는 한편 냉각 홀과 냉각 슬롯과도 연결되어 터빈 베인에 대해 충돌 냉각과 필름 냉각을 일으키게 된다.

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 베인에 있어서는, 그 내면에서는 충돌 냉각을 일으키고, 고온의 연소 가스가 흐르는 외면에서는 필름 냉각을 일으키는 복합적인 냉각을 수행하고 있으며, 이를 통해 고온 환경에서 터빈 베인을 보호할 수 있게 된다.

이와 같은 복잡한 냉각 구조를 구현하기 위해, 터빈 베인의 내부 공동부에는 반경방향을 따라 복수의 격벽이 형성되어 사행 유로를 구성하고, 터빈 베인의 표면에는 사행 유로와 연통하는 냉각 홀과 냉각 슬롯을 형성해야 한다. 그런데 터빈 베인 내부의 격벽은 어느 한쪽이 열려있어야 연속하는 냉각 유로를 이루게 되는데, 이 열려있는 격벽의 개방단은 전도를 통한 방열량이 적기 때문에 열이 집중하기 쉽고, 이에 따라 열 응력이 쌓여 구조적으로 취약한 것으로 평가된다. 이와 같이 격벽의 열 응력 구조 성능이 떨어지면 전체 터빈 베인의 수명에 영향을 미치며, 격벽은 터빈 베인 내부에 일체로 만들어지기 때문에 그 수선도 어렵기에 격벽의 열 응력 구조 성능을 개선한 필요가 있다.

미국등록특허 제7,572,102호 (2009.08.11 등록)

본 발명은 터빈 베인의 내부에서 사행 유로를 구성하는 격벽의 열 응력 구조 성능을 개선하고, 이에 따라 터빈 베인 전체의 구조 수명을 향상하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일 내부의 공동부에 구비된 적어도 둘 이상의 냉각 채널이 사행 유로를 형성하는 터빈 베인에 관한 것으로서, 상기 냉각 채널은 상기 공동부 안에서 반경방향을 따라 연장된 복수의 이격된 격벽에 의해 형성되고, 상기 냉각 채널의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 유로 벤딩부는 상기 터빈 에어포일과 플랫폼의 경계면을 기준으로 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하며, 상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 다공성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 유로 벤딩부는 내측 플랫폼 및/또는 외측 플랫폼 안쪽에 위치한다.

특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 상기 플랫폼의 안쪽에 위치한다.

그리고, 상기 유로 벤딩부가 이루는 원주면의 곡률 중심은 상기 격벽 위에 위치할 수 있다.

그리고, 상기 플랫폼에 대해 반경 방향을 따라 연장 형성된 돌출부를 구비하고, 상기 유로 벤딩부는 상기 돌출부 안에 위치할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 격벽의 개방단은 그 단면이 물방울 형태를 이루도록 확장될 수 있다.

그리고, 상기 유로 벤딩부는 상기 격벽의 단면 형태에 대응하는 말굽 형태를 이룰 수 있다.

그리고, 상기 격벽의 개방단에는 관통 홀이 형성될 수도 있고, 이때 상기 관통 홀은 상기 플랫폼의 안쪽에 위치할 수 있다.

그리고, 다공성 재질로 이루어진 상기 격벽의 개방단은 그 표면에 엠보싱이 형성될 수 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 베인은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일 내부의 공동부에 구비된 적어도 둘 이상의 냉각 채널이 사행 유로를 형성하고, 상기 냉각 채널은 상기 공동부 안에서 반경방향을 따라 연장된 복수의 이격된 격벽에 의해 형성되며, 상기 냉각 채널의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 유로 벤딩부는 상기 터빈 에어포일과 플랫폼의 경계면을 기준으로 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하고, 이때 상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 다공성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터빈기관을 제공한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 베인은, 유로 벤딩부가 플랫폼 안쪽으로 들어간 만큼 격벽의 개방단을 플랫폼 안쪽으로 더 연장할 수 있고, 이를 통해 격벽의 개방단이 터빈 에어포일 표면을 지나는 고온의 연소가스 흐름으로부터 벗어나 상대적으로 두꺼운 플랫폼 안에서 열적인 보호를 받게 됨으로써 격벽의 열 응력 구조 성능을 개선하고 그 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 터빈 베인은 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단이 다공성 재질로 이루어진다. 이와 같이, 격벽의 개방단이 다공성 재질로 이루어짐에 따라 개방단 내부의 통기성이 향상됨으로써 열 방출이 촉진되는 것은 물론 개방단 내부에 머무르는 냉각유체가 열 경계층을 형성함으로써 격벽의 개방단에 열 충격이 누적되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 터빈기관의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 터빈 베인의 외형을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 "A-A" 선을 따라 절개한 단면도.
도 4는 도 3의 "B-B" 선을 따라 절개한 단면도.
도 5는 본 발명의 터빈 베인에 대한 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 터빈 베인에 대한 또 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 "C-C" 선을 따라 절개한 단면도.

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 터빈기관으로서 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 터빈 베인(300)의 일 실시형태가 도시되어 있다. 터빈 베인(300)은 전체적으로 내측 슈라우드(320)와 외측 슈라우드(310), 그리고 내측 슈라우드(320)와 외측 슈라우드(310) 사이를 연결하도록 연장된 터빈 에어포일(330)을 포함한다. 여기서, 내측과 외측은 회전 중심축을 이루는 로터에 대한 반경방향의 내측과 외측을 의미한다. 즉, 내측 슈라우드(320)는 로터에 근접하는 쪽의 터빈 베인(300)의 일 단부를 구성하고, 외측 슈라우드(310)는 그 반대방향의 일 단부를 구성한다. 대부분의 경우, 외측 슈라우드(310)는 터빈 베인(300)의 고정단을 이루고, 내측 슈라우드(320)는 자유단을 이루게 된다.

터빈 에어포일(330)은 익형 단면 형상을 가지며, 반경방향을 따라 길게 연장된 곡면판으로 형성되어 있다. 터빈 에어포일(330)은 연소가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 에지(332)와, 하류측에 배치되는 트레일링 에지(334)가 모서리로 형성되어 있으며, 또한 리딩 에지(332)와 트레일링 에지(334)를 연결하는 압력면(336)과 흡입면(338)이 대향 형성되어 있다. 터빈 에어포일(330)은 볼록한 곡면을 이루는 흡입면(338)과 오목한 곡면을 이루는 압력면(336)에 대해 연소가스가 각각 흐를 때 발생하는 속도차에 의한 압력차이를 만듦으로써 회전력을 만든다.

터빈 에어포일(330)의 표면에는 다수의 냉각 홀(340)이 형성되는데, 냉각 홀(340)은 터빈 에어포일(330) 내부의 공동부에 구비된 냉각 채널(400)과 연통되어 냉각 유체(예컨대, 압축공기)를 터빈 에어포일(330)의 표면에 공급한다.

내측 슈라우드(320)와 외측 슈라우드(310)는 터빈 베인(300)을 지지하고 냉각 유체의 기밀을 유지하는 역할을 한다. 내측 슈라우드(320)는 터빈 에어포일(330)과 연결되어 이를 지지하는 편판 형태의 내측 플랫폼(322)을 구비하며, 내측 플랫폼(322)의 다른 면에는 내측 후크(324)가 돌출되어 있다. 내측 후크(324)는 링 세그먼트와 같은 구성품이 결합하여 터빈 블레이드 사이에서 기밀을 유지하도록 하는 체결요소로서 구비된다. 외측 슈라우드(310)도 내측 슈라우드(320)와 유사하게, 외측 플랫폼(312)과 외측 후크(314)를 구비한다. 외측 슈라우드(310)의 외측 후크(314)는 터빈 베인(300)을 터빈 케이싱에 대해 고정하는 역할을 한다.

도 3은 도 2의 터빈 베인(300)을 "A-A 선"을 따라 절개한 단면도로서, 터빈 베인(300) 내부의 공동부 구성을 잘 보여준다. 터빈 에어포일(330) 내부의 공동부에는 적어도 둘 이상의 냉각 채널(400)이 형성되어 있으며, 이들 냉각 채널(400)은 서로 연결되어 있다. 특히, 냉각 유체가 터빈 베인(300) 전체를 가능한 고르게 냉각할 수 있도록, 냉각 채널(400)은 구불구불한 사행 유로를 형성하고 있다. 여기서, 도 3은 터빈 베인(300)의 일 실시형태를 도시하고 있을 뿐이며, 냉각 채널(400)의 구조는 매우 다양한 방식으로 설계될 수 있다.

도 3의 실시형태에서, 냉각 유체는 외측 슈라우드(310)의 중앙 부분에 마련된 입구(350)를 통해 유입되며, 이 입구(350)는 내측 슈라우드(320)로부터 뻗어올라온 제1 격벽(442)에 의해 양 갈래로 분기된다. 분기된 냉각 유체는 리딩 에지(332)를 향하는 제1 냉각 채널(430)과 제2 냉각 채널(432)로 이어지는 전방 채널(410)을 흐르는 흐름과, 트레일링 에지(334)를 향하는 제3 냉각 채널(434)과 제4 냉각 채널(436)로 이어지는 후방 채널(420)을 흐르는 흐름으로 나뉘어진다.

도 3은 참조하여 도시된 냉각 채널(400)의 구조를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

전방 채널(410)은 제1 냉각 채널(430)과 제2 냉각 채널(432)로 이루어진다. 제1 채널은 내측 슈라우드(320)로부터 연장된 제1 격벽(442)과, 외측 슈라우드(310)에서부터 연장된 제2 격벽(444)에 의해 형성된다. 제1 격벽(442)의 개방단(이하, 슈라우드와 연결되지 않는 격벽의 끝을 개방단이라 지칭함)은 외측 슈라우드(310) 안쪽까지 연장되어 입구(350)를 두 개의 영역으로 분할한다. 물론, 각각의 분할된 입구(350) 영역은 전방 채널(410)과 후방 채널(420)로 이어지는 것이다.

제2 냉각 채널(432)은 외측 슈라우드(310)로부터 연장된 제2 격벽(444)과 리딩 에지(332)의 벽면에 의해 형성된다. 제2 격벽(444)의 개방단은 내측 슈라우드(320)와 떨어져 있고, 제1 냉각 채널(430)과 제2 냉각 채널(432)은 제2 격벽(444)의 개방단 부분에서 연결된다. 제1 격벽(442)과 제2 격벽(444)은 서로 이격되어 반대방향에서 연장되어 있으므로, 제1 냉각 채널(430)과 제2 냉각 채널(432)은 사행 유로를 구성하게 된다. 즉, 제1 냉각 채널(430)을 흐르는 냉각 유체는 제2 격벽(444)의 개방단 부분을 통과하며 제2 냉각 채널(432)로 이어지면서 그 흐름이 반대방향으로 반전하게 된다.

제2 냉각 채널(432)은 외측 슈라우드(310)의 리딩 에지(332) 쪽으로 치우쳐 마련된 출구(360)로 연결된다. 물론, 외측 슈라우드(310)의 입구(350)와 출구(360)는 서로 분리되어 있다. 따라서, 제1 냉각 채널(430)과 제2 냉각 채널(432)로 이루어진 전방 채널(410)은, 입구(350)로 유입된 냉각 유체가 내측 슈라우드(320) 쪽으로 흐르다가 제2 격벽(444)의 개방단에서 방향을 전환하여 다시 외측 슈라우드(310) 쪽으로 흐르면서 터빈 에어포일(330)의 리딩 에지(332) 영역을 냉각한 후 외측 슈라우드(310)의 출구(360)로 나가게 된다. 전방 채널(410)을 흐르는 냉각 유체의 일부는 연통된 냉각 홀(340)을 통해 터빈 에어포일(330)의 표면을 흐르면서 필름 냉각을 수행하게 된다.

후방 채널(420)은 제3 냉각 채널(434)과 제4 냉각 채널(436)로 이루어지는데, 도시된 실시형태에서는 후방 채널(420)은 전방 채널(410)과 거울대칭 형태를 이루고 있다. 즉, 제3 냉각 채널(434)은 제1 격벽(442)과 제3 격벽(446)에 의해 형성되고, 제4 냉각 채널(436)은 제3 격벽(446)과 제4 격벽(448)에 의해 형성되며, 제3 격벽(446)과 제4 격벽(448)은 서로 이격되어 반대방향에서 연장되어 있다.

다만, 차이가 있다면, 전방 채널(410)과는 다르게, 제4 격벽(448)과 트레일링 에지(334)의 벽면 사이에 제5 냉각 채널(438)이 더 형성되어 있다. 제5 냉각 채널(438)을 흐르는 냉각 유체는 외측 슈라우드(310)로부터 내측 슈라우드(320)를 향하여 흐르며, 트레일링 에지(334)를 따라 연이어 형성된 냉각 슬롯(335)을 통해 일부분씩 점차로 배출된다. 다시 말해, 후방 채널(420)은 터빈 에어포일(330)의 중앙 부분에서부터 트레일링 에지(334) 사이를 냉각하는 역할을 담당하며, 외측 슈라우드(310) 또는 내측 슈라우드(320)에 출구가 있는 것이 아니라 트레일링 에지(334)의 전체에 걸쳐 형성된 냉각 슬롯(335)을 출구로 삼고 있다. 이 때문에, 후방 채널(420)은 냉각 슬롯(335)에 대해 별도로 제5 냉각 채널(438)을 구비하고 있으며, 제5 냉각 채널(438)이 있기에 제4 냉각 채널(436)에서 충분히 터빈 에어포일(330)을 냉각할 수 있게 된다.

도 3을 좀더 상세히 살펴보면, 냉각 채널(400)의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 지점이 여러 곳에 만들어지는데, 이를 유로 벤딩부(460)라 부르기로 한다. 여기서, 유로 벤딩부(460)는 터빈 에어포일(330)과 플랫폼(312, 322)의 경계면(파선으로 표시)을 기준으로 플랫폼(312, 322)의 안쪽에 위치하고 있다. 예컨대, 외측 슈라우드(310) 쪽에 위치한 유로 벤딩부(460)는 외측 플랫폼(312) 안쪽에 위치하고, 내측 슈라우드(320) 쪽에 위치한 유로 벤딩부(460)는 내측 플랫폼(322) 안쪽에 위치한다.

도 2를 참조하면, 외측 슈라우드(310)에는 외측 플랫폼(312) 바깥으로, 외측 후크(314) 사이에 외측 돌출부(316)가 형성되어 있다. 외측 돌출부(316)는 외측 플랫폼(312) 안쪽으로 유로 벤딩부(460)를 형성하기 위한 두께 내지 공간을 만들며, 복수의 격벽(440)은 도 4의 "B-B" 단면도에 나타난 것처럼 터빈 에어포일(330)의 압력면(336)과 흡입면(338) 사이를 가로질러 연장되기 때문에 복수 개 격벽(440)의 단부가 이루는 형태는 터빈 에어포일(330)의 익형 단면 형태를 이루게 된다. 따라서, 외측 돌출부(316) 역시 터빈 에어포일(330)의 익형 단면을 연장한 형태로 만드는 것이 적절할 수 있다.

마찬가지로, 내측 슈라우드(320)에는 내측 플랫폼(322) 바깥으로, 내측 후크(324) 사이에 내측 돌출부(326)가 형성되어 있으며, 내측 돌출부(326)는 내측 플랫폼(322) 안쪽으로 유로 벤딩부(460)를 형성할 수 있는 여유 두께를 만든다. 내측 돌출부(326) 역시 터빈 에어포일(330)의 익형 단면을 연장한 형태로 만들 수 있다.

이와 같이, 유로 벤딩부(460)를 터빈 에어포일(330)과 플랫폼(312, 322)의 경계면을 기준으로 플랫폼(312, 322)의 안쪽에 형성하면, 일차적으로는 냉각 채널(400)의 유로길이를 늘릴 수 있고 내측/외측 슈라우드(320, 310)를 좀더 효과적으로 냉각할 수 있다. 여기서 나아가, 이러한 유로 벤딩부(460)의 구조는 터빈 베인(300)의 내부에서 사행 유로를 구성하는 격벽(440)의 열 응력 구조 성능을 개선할 수 있게 한다.

도 3을 보면, 유로 벤딩부(460)가 플랫폼(312, 322) 안쪽으로 들어간 만큼, 격벽(440)의 개방단이 플랫폼(312, 322) 안쪽으로 더 연장될 수 있는 여유가 만들어진다. 열려있는 격벽(440)의 개방단은 전도를 통한 방열량이 적기 때문에 열이 집중하기 쉽고, 이에 따라 열 응력이 쌓여 구조적으로 취약한 것으로 평가되며, 격벽(440)의 열 응력 구조 성능이 떨어지면 전체 터빈 베인(300)의 수명에 나쁜 영향을 미치게 된다. 그렇기에, 유로 벤딩부(460)가 플랫폼(312, 322) 안쪽으로 들어간 만큼 격벽(440)의 개방단을 플랫폼(312, 322) 안쪽으로 더 연장하면, 격벽(440)의 개방단은 터빈 에어포일(330) 표면을 지나는 고온의 연소가스 흐름으로부터 벗어나 상대적으로 두꺼운 플랫폼(312, 322) 안에서 열적인 보호를 받게 된다. 이를 통해, 격벽(440)의 열 응력 구조 성능을 개선하고 그 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 3의 실시형태에 따르면, 사행 유로에서 유로 벤딩부(460)를 구획하는 격벽(440)의 개방단은 다공성 재질로 이루어져 있다. 즉, 격벽(440)의 전체 길이 중에서 플랫폼(312, 322) 안쪽으로 들어간 격벽(440)의 개방단 부분은 다공성의 이종 재질로 이루어져 있다. 이와 같이 격벽(440)의 개방단 부분을 다공성 재질로 구성하게 되면, 개방단 내부에 통기성이 생성됨으로써 열 방출이 촉진되는 순기능이 발생한다.

또한, 다공성 재질인 개방단 내부에 냉각유체가 지속적으로 머무르게 되어 열 경계층이 형성됨으로써 격벽(440)의 개방단에 열 충격이 누적되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 두꺼운 플랫폼 안에 격벽(440)의 개방단이 위치함에 따라 구조적으로 열적인 보호를 받는 한편, 다공성 재질인 격벽(440)의 개방단이 열 방출의 촉진과 열 충격 누적의 억제 효과라는 복합적인 작용을 통해 그 수명이 현저히 향상된다.

또한, 도 3을 참조하면, 다공성 재질로 이루어진 격벽(440)의 개방단은 그 표면에 엠보싱(462)이 형성되어 있다. 이 엠보싱(462)은 개방단의 표면적을 늘리고 그 주변에서의 난류 생성을 촉진함으로써 열 방출 효율을 더욱 증가시키는 역할을 한다.

여기서, 격벽(440)의 개방단을 다공성의 이종 재질로 구성하는 방법은 여러 가지로 강구될 수 있다. 예를 들면, 외측 돌출부(316)와 내측 돌출부(326) 부분을 일종의 뚜껑과 같은 분리 구조로 만들면 유로 벤딩부(460)를 구획하는 격벽(440)의 개방단은 맨 끝에 있어 외부에 바로 노출되어 쉽게 접근 가능하므로, 격벽(440)의 개방단 부분만을 다공성 재질로 만들 수 있다. 또는, 3D 프린팅 기술을 이용하여 터빈 베인(300)을 제작한다면 더욱 쉽게 격벽(440)의 개방단 부분만을 다공성 재질로 구성할 수 있을 것이다.

한편, 유로 벤딩부(460)는 냉각유체의 흐름이 가능한 부드럽게 전환되도록 하기 위해 곡면을 이루고 있다. 예를 들어, 유로 벤딩부(460)는 원주면의 곡면을 이룰 수 있다. 이럴 경우에는, 유로 벤딩부(460)를 이루는 원주면의 곡률 중심이 격벽(440) 위에 위치하도록 할 수 있다. 원주면의 곡률 중심이 격벽(440) 위에 위치함에 따라 격벽(440)이 유로 벤딩부(460)의 대칭 중심에 위치함으로써, 냉각 유체의 흐름이 그 상류와 하류에서 격벽(440)의 개방단에 균일하게 부딪힐 수 있어 고른 냉각 효과를 얻을 수 있다. 물론, 이 경우에도 격벽(440)의 개방단은 플랫폼(312, 322) 안쪽으로 들어와 있어야 할 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 터빈 베인(300)의 다른 실시형태를 도시하고 있으며, 전술한 도 3 및 도 4의 실시형태와 차이가 있는 구성을 중심으로 설명할 것이다. 다만 도 5는 사행 유로의 구조에 있어서도 차이가 있는데, 이는 본 발명의 터빈 베인(300)이 그 기본적인 구성을 유지하면서 다양한 형태의 사행 유로를 구비할 수 있음을 보여주기 위한 것이다.

도 5의 실시형태는 격벽(440)의 개방단이 그 형태에 있어 단면이 물방울 형태를 이루도록 확장되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 물방울 형태라 함은 원형 단면이나 타원형 단면 등을 포괄하는 것으로 이해되어야 하며, 평판 형태인 격벽(440)이 그 개방단 부분에서 곡면으로 부풀어 있는 것으로 볼 수 있다. 물방울 단면 형태로 확장된 격벽(440)의 개방단은 그만큼 두께가 두꺼워짐에 따라 열 응력 구조가 개선되는 효과가 있다. 또한, 격벽(440)을 따라 흐르는 냉각 유체는 개방단 부분에서 격벽(440)의 표면에 변곡이 생김에 따라 난류 성분이 발생하게 되고, 이를 통해 격벽(440) 개방단에 대한 열 전달량이 증대되는 효과도 얻을 수 있다.

그리고, 격벽(440)의 개방단이 물방울 단면 형태를 이루도록 확장되는 것에 따라, 유로 벤딩부(460)도 격벽(440)의 단면 형태에 대응하는 말굽 형태를 이루도록 할 수 있다. 이를 통해, 격벽(440)의 개방단만이 아니라 유로 벤딩부(460) 전체에 결쳐 변곡면을 형성함으로써 냉각 유체 흐름에 전반적으로 난류 성분을 만들 수 있다. 또한, 여기에는 격벽(440)의 개방단이 확장된만큼 유로 벤딩부(460)의 유로도 확장함으로써 그 유동면적이 국부적으로 좁아지지 않도록 하려는 목적도 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 터빈 베인(300)의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 7은 도 6의 "C-C" 선을 따라 절개한 단면도이다.

도 6 및 도 7의 실시형태는 격벽(440)의 개방단에 관통 홀(450)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 관통 홀(450)은 유로 벤딩부(460)를 흘러가는 냉각 유체의 일부가 바로 격벽(440)을 가로질러 가도록 하는 일종의 우회로를 형성한다. 따라서, 격벽(440)의 관통 홀(450)을 통과하는 냉각 유체에 의해 격벽(440)은 그 내부까지 좀더 직접적으로 냉각되는 효과를 얻게 되며, 이로써 격벽(440)의 열 응력 성능은 더욱 개선된다.

나아가 격벽(440)의 관통 홀(450)은 플랫폼(312, 322)의 안쪽에 위치하는 것이 더욱 바람직할 수 있는데, 관통 홀(450)은 격벽(440)의 내구성을 약화시킬 수 있으므로 고온의 연소가스 흐름으로부터 벗어난 플랫폼(312, 322) 안쪽에 관통 홀(450)을 형성함이 적합할 수 있는 것이다. 예를 들어, 유로 벤딩부(460)가 원주면의 곡면을 이루면서 그 곡률 중심이 격벽(440) 위에 위치할 때 관통 홀(450)을 곡률 중심을 지나는 지점에 형성하는 것이다. 관통 홀(450)은 도 7에 도시된 것과 같이 복수 개가 열을 이루도록 배열될 수 있다.

위와 같은 구조를 가진 본 발명의 터빈 베인(300)은 도 1과 같은 터빈기관에 적용할 수 있다. 터빈기관은 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 내부에 터빈 블레이드와 터빈 베인(300)이 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전하는 터빈을 포함한다. 전술한 바와 같이, 터빈 베인(300)은 리딩 에지(332), 트레일링 에지(334), 상기 리딩 에지(332)와 트레일링 에지(334)를 연결하는 압력면(336)과 흡입면(338)을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일(330)을 구비하고, 터빈 에어포일(330) 내부의 공동부에는 적어도 둘 이상의 냉각 채널(400)이 사행 유로를 형성하고 있다.

여기에서, 냉각 채널(400)은 공동부 안에서 반경방향을 따라 연장된 복수의 이격된 격벽(440)에 의해 형성되며, 냉각 채널(400)의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 유로 벤딩부(460)는 터빈 에어포일(330)과 플랫폼(312, 322)의 경계면을 기준으로 플랫폼(312, 322)의 안쪽에 위치하게 된다. 또한, 유로 벤딩부(460)를 구획하는 격벽(440)의 개방단은 다공성 재질로 이루어지게 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 베인 310: 외측 슈라우드
312: 외측 플랫폼 314: 외측 후크
316: 외측 돌출부 320: 내측 슈라우드
322: 내측 플랫폼 324: 내측 후크
326: 내측 돌출부 330: 터빈 에어포일
332: 리딩 에지 334: 트레일링 에지
335: 냉각 슬롯 336: 압력면
338: 흡입면 340: 냉각 홀
350: 입구 360: 출구
400: 냉각 채널 410: 전방 채널
420: 후방 채널 430: 제1 냉각 채널
432: 제2 냉각 채널 434: 제3 냉각 채널
436: 제4 냉각 채널 438: 제5 냉각 채널
440: 격벽 442: 제1 격벽
444: 제2 격벽 446: 제3 격벽
448: 제4 격벽 450: 관통 홀
460: 유로 벤딩부 462: 엠보싱
F: 터빈 에어포일과 플랫폼의 경계면

Claims (20)

1. 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일 내부의 공동부에 구비된 적어도 둘 이상의 냉각 채널이 사행 유로를 형성하는 터빈 베인에 있어서,
   상기 냉각 채널은 상기 공동부 안에서 반경방향을 따라 연장된 복수의 이격된 격벽에 의해 형성되고,
   상기 냉각 채널의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 유로 벤딩부는 상기 터빈 에어포일과 플랫폼의 경계면을 기준으로 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하며,
   상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 다공성 재질이고,
   상기 유로 벤딩부는 내측 플랫폼 및 외측 플랫폼 안쪽에 위치하며,
   상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하고, 또한 상기 격벽의 개방단에 형성된 관통 홀은 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 유로 벤딩부가 이루는 원주면의 곡률 중심은 상기 격벽 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 플랫폼에 대해 반경 방향을 따라 연장 형성된 돌출부를 구비하고, 상기 유로 벤딩부는 상기 돌출부 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 격벽의 개방단은 그 단면이 물방울 형태를 이루도록 확장되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 유로 벤딩부는 상기 격벽의 단면 형태에 대응하는 말굽 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 1에 있어서,
    다공성 재질로 이루어진 상기 격벽의 개방단은 그 표면에 엠보싱이 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
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,
    상기 터빈 베인은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상의 터빈 에어포일을 구비하고, 상기 터빈 에어포일 내부의 공동부에 구비된 적어도 둘 이상의 냉각 채널이 사행 유로를 형성하고,
    상기 냉각 채널은 상기 공동부 안에서 반경방향을 따라 연장된 복수의 이격된 격벽에 의해 형성되며,
    상기 냉각 채널의 사행 유로에서 냉각 유체의 흐름 방향이 반전되는 유로 벤딩부는 상기 터빈 에어포일과 플랫폼의 경계면을 기준으로 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하고,
    상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 다공성 재질이며,
    상기 유로 벤딩부는 내측 플랫폼 및 외측 플랫폼 안쪽에 위치하고,
    상기 사행 유로에서 상기 유로 벤딩부를 구획하는 격벽의 개방단은 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하며, 또한 상기 격벽의 개방단에 형성된 관통 홀은 상기 플랫폼의 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
12. 삭제
13. 삭제
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 유로 벤딩부가 이루는 원주면의 곡률 중심은 상기 격벽 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
15. 청구항 11에 있어서,
    상기 플랫폼에 대해 반경 방향을 따라 연장 형성된 돌출부를 구비하고, 상기 유로 벤딩부는 상기 돌출부 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
16. 청구항 11에 있어서,
    상기 격벽의 개방단은 그 단면이 물방울 형태를 이루도록 확장되는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 유로 벤딩부는 상기 격벽의 단면 형태에 대응하는 말굽 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈기관.
18. 삭제
19. 삭제
20. 청구항 11에 있어서,
    다공성 재질로 이루어진 상기 격벽의 개방단은 그 표면에 엠보싱이 형성된 것을 특징으로 하는 터빈기관.

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