KR102668653B1

KR102668653B1 - 터빈용 에어포일, 이를 포함하는 터빈

Info

Publication number: KR102668653B1
Application number: KR1020210145024A
Authority: KR
Inventors: 주현우
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2024-05-22

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 에어포일은 냉각공기가 이동하는 복수의 냉각유로, 상기 냉각유로들이 연결된 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며, 상기 압력면에 고정된 제1 유동 가이드, 및 상기 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며 상기 흡입면에 고정된 제2 유동 가이드를 포함할 수 있다.

Description

터빈용 에어포일, 이를 포함하는 터빈{AIRFOIL FOR TURBINE, TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 터빈용 에어포일, 이를 포함하는 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

최근에는 터빈의 효율을 증가시키기 위하여 터빈으로 유입되는 가스의 온도(Turbine Inlet Temperature: TIT)가 지속적으로 상승하는 추세에 있는데, 이로 인하여 터빈 블레이드의 내열처리 및 냉각의 중요성이 부각되고 있다.

터빈의 에어포일을 냉각하기 위한 방법으로는 필름 쿨링과 인터널 쿨링 방식이 있다. 필름 쿨링 방식은 에어포일의 외면에 코팅막을 형성하여 외부에서 블레이드로 열전달을 막는 방식이다. 필름 쿨링 방식에 의하면 블레이드에 도포되는 내열도료가 블레이드의 내열 특성 및 기계적 내구성을 결정된다.

인터널 쿨링 방식은 냉각유체와 에어포일의 열교환을 통해서 에어포일을 냉각하는 방식이다. 일반적으로 에어포일은 가스터빈의 압축기로부터 추출된 압축된 냉각 공기를 이용하여 냉각한다.

에어포일의 내부에는 냉각 공기의 이동을 위한 유로를 형성하는 복수의 격벽이 설치된다. 또한 에어포일의 내부에는 유로를 연결하는 통로가 형성되는데, 통로에는 냉각 공기의 이동을 가이드하기 위한 유동 가이드가 설치될 수 있다.

유동 가이드의 일측 단부는 흡입면에 고정되고, 타측 단부는 압력면에 고정되는데, 압력면과 흡입면의 온도 차이에 의하여 유동 가이드가 구조적으로 취약해지는 문제가 발생할 수 있다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0082944호

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 구조적 강도가 향상된 에어포일, 및 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드는 상기 압력면에 결합된 제1 고정단과 상기 흡입면에서 이격된 제1 자유단을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 유동 가이드는 상기 흡입면에 고정된 제2 고정단과 상기 압력면에서 이격된 제2 자유단을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드는 상기 제1 고정단에서 상기 제1 자유단으로 갈수록 두께가 점진적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 부분적으로 중첩 배치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드가 중첩된 부분에서 상기 제2 유동 가이드는 제1 유동 가이드보다 더 외측에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 상기 제1 유동 가이드의 길이방향으로 간격을 두고 이격될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 호형으로 만곡될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드 사이의 간격은 냉각공기의 이동방향으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 유동 가이드의 두께는 상기 제2 유동 가이드를 향하여 갈수록 짐전적으로 증가할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 터빈은 회전 가능한 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드 사이에 배치된 복수의 터빈 베인을 포함하며, 상기 터빈 베인은 흡입면과 압력면을 갖는 에어포일, 상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드, 및 상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드를 포함하고, 상기 에어포일은 냉각공기가 이동하는 복수의 냉각유로, 상기 냉각유로들이 연결된 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며, 상기 압력면에 고정된 제1 유동 가이드, 및 상기 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며 상기 흡입면에 고정된 제2 유동 가이드를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 에어포일, 터빈에 의하면 제1 유동 가이드는 압력면에 고정되고, 제2 유동 가이드는 흡입면에 고정되므로 흡입면과 압력면의 온도 차이로 인하여 유동 가이드의 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어포일을 두께 방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 베인을 높이방향으로 잘라 본 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈 베인을 높이방향으로 잘라 본 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어포일을 두께 방향으로 잘라 본 부분 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.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 센터 타이로드(1120)와 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 토크 튜브(1170)에 의하여 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다.

한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 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.

한편, 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈(1300)의 터빈 블레이드(1400)에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브(1170)를 거쳐 압축기(1100)로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용된다.

터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)을 포함한다.

로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)이 삽입된다. 터빈 블레이드(1400)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 베인(1500)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인을 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 종단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어포일을 두께 방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 터빈 베인(1500)은 내측 슈라우드(1520), 외측 슈라우드(1530), 및 내측 슈라우드(1520)와 외측 슈라우드(1530) 사이에 위치하는 에어포일(1510)을 포함한다.

에어포일(1510)은 날개 형상의 곡면판으로 이루어질 수 있으며, 가스 터빈(1000)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성될 수 있다. 에어포일(1510)은 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지(LE)와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지(TE)를 구비할 수 있다.

또한, 에어포일(1510)에는 외측방으로 볼록한 곡면을 이루며 돌출된 흡입면(S1)과 흡입면(S1) 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면(S2)이 형성된다.

내측 슈라우드(1520)는 터빈(1300)의 내부 구조물에 결합되며 에어포일(1510)의 내측 단부에 배치되어 에어포일(1510)을 지지한다. 내측 슈라우드(1520)는 에어포일(1510)의 내측 에 결합된 내측 플랫폼(1522) 및 내측 플랫폼(1522)의 아래로 돌출된 내측 후크(1524)를 포함한다. 내측 플랫폼(1522)에는 냉각유로(C11)와 이어진 입구(E11)가 형성되며, 입구(E1)를 통해서 냉각용 공기가 에어포일(1510)로 유입될 수 있다. 본 실시예에서는 내측 플랫폼(1522)에 2개의 입구(E11)가 형성된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

외측 슈라우드(1530)는 반경 반향 외측에 설치된 베인 캐리어(미도시)에 결합되며 에어포일(1510)의 외측 단부에 배치되어 에어포일(1510)을 지지한다. 외측 슈라우드(1530)는 에어포일(1510)의 외측단에 결합된 외측 플랫폼(1532) 및 외측 플랫폼(1532)의 위로 돌출되어 베인 캐리어에 결합되는 외측 후크(1534)를 포함한다.

에어포일(1510)은 외형을 이루는 외벽(1570), 외벽(1570)의 내부에 형성된 냉각유로들(C11), 분할판들(1512), 다공판(1550)을 포함할 수 있다. 냉각유로들(C11)은 입구(E1)와 연결되어 냉각용 공기를 공급받는다.

에어포일(1510)의 표면에는 다수의 쿨링홀(1511)이 형성되는데, 쿨링홀(1511)들은 에어포일(1510)의 내부에 형성되는 냉각유로(C11)와 연통되어 냉각 공기를 에어포일(1510)의 표면에 공급한다.

에어포일(1510)의 후방에 배치된 냉각유로(C11)와 트레일링 엣지(TE) 사이에는 다공판(1550)이 설치될 수 있다. 다공판(1550)은 후방에 배치된 냉각유로(C11)의 높이 방향으로 이어진다. 다공판(1550)에는 복수의 홀(1551)이 형성되며, 다공판(1550)과 트레일링 엣지(TE) 사이의 공간은 에어포일(1510)의 높이 방향으로 이격된 격벽(1560)에 의하여 분할될 수 있다. 격벽(1560)의 한쪽 단부는 다공판(1550)에 연결되고, 격벽(1560)의 다른쪽 단부는 트레일링 엣지(TE)에 연결될 수 있다.

에어포일(1510)은 냉각유로(C11)와 연결되어 냉각유로(C11)의 공기를 배출시키되 트레일링 엣지(TE)의 높이 방향으로 이격 형성된 복수의 후단 쿨링 슬롯(1581)과, 후단 쿨링 슬롯(1581) 사이에 형성되어 후단 쿨링 슬롯(1581)을 분할하는 분할 돌기(1582)를 더 포함할 수 있다. 다공판(1550)을 통과하여 냉각유로(C11)로 유입된 공기들은 후단 쿨링 슬롯(1581)을 통해서 배출된다. 또한, 다공판(1550)과 트레일링 엣지(TE) 사이에는 냉각을 위한 복수의 냉각 돌기(1583)가 형성될 수 있다.

분할판들(1512)은 에어포일의 내부에서 내측단 또는 외측단에 고정되며, 다른 부분은 내벽에서 이격되어 냉각유로들(C11)을 연결하며, 냉각공기의 유동방향이 전환되는 유로 연결부(1540)가 형성된다. 냉각공기는 유로 연결부(1540)에서 유동방향이 전환되어 다른 냉각유로를 따라 이동하게 된다. 즉, 내측에서 외측으로 이동하는 냉각공기는 유로 연결부(1540)에서 유동 방향이 전환되어 외측에서 내측으로 이동할 수 있으며, 외측에서 내측으로 이동하는 냉각공기는 유로 연결부(1540)에서 유동 방향이 전환되어 내측에서 외측으로 이동할 수 있다.

에어포일(1510)에서 냉각공기의 유동이 전환되는 부분인 유로 연결부(1540)에는 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)가 설치될 수 있다. 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)는 호형으로 만곡 형성되어 냉각공기의 이동을 안내하며, 와류의 발생을 최소화한다. 에어포일(1510)의 내부에는 복수의 유로 연결부(1540)가 형성될 수 있으며, 각각의 유로 연결부(1540)에 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)가 설치될 수 있다.

제1 유동 가이드(1610)는 압력면(S2)에만 고정되고, 제2 유동 가이드(1620)는 흡입면(S1)에만 고정될 수 있다. 제1 유동 가이드(1610)는 압력면(S2)에 결합된 제1 고정단(1612)과 흡입면(S1)에서 이격된 제1 자유단(1614)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 유동 가이드(1620)는 흡입면(S1)에 결합된 제2 고정단(1622)과 압력면(S2)에서 이격된 제2 자유단(1624)을 포함할 수 있다.

이에 따라 제1 유동 가이드(1610)는 압력면(S2)에서 열을 전달받으며, 제2 유동 가이드(1620)는 흡입면(S1)에서 열을 전달받으므로 흡입면(S1)과 압력면(S2)의 온도 차이에 의하여 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)는 부분적을 중첩 배치되고, 중첩된 부분에서 제2 유동 가이드(1620)는 제1 유동 가이드(1610)보다 반경방향(z축 방향)으로 더 외측에 배치될 수 있다.

제1 유동 가이드(1610)는 냉각공기의 유동방향을 기준으로 상류측에 위치하고, 제2 유동 가이드(1620)는 냉각 공기의 유동 방향을 기준으로 하류측에 위치할 수 있으며, 제1 유동 가이드(1610)의 길이방향으로 후방에 위치한 부분과 제2 유동 가이드(1620)의 길이방향으로 전방에 위치한 부분이 중첩될 수 있다.

제1 유동 가이드(1610)는 냉각유로에서 유로 연결부(1540)로 이어져 냉각공기가 유로 연결부(1540)로 유입되는 것을 안내하며, 제2 유동 가이드(1620)는 유로 연결부(1540)에서 냉각유로(C11)로 이어져 냉각공기가 유로 연결부(1540)에서 냉각유로(C11)로 이동하는 것을 안내할 수 있다.

이와 같이 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)가 중첩되게 형성되면, 냉각공기가 압력 손실 없이 자연스럽게 하나의 냉각유로(C11)에서 다른 냉각유로(C11)로 이동할 수 있다.

제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)는 외측 슈라우드(1530)와 인접하게 배치될 수 있을 뿐만 아니라 내측 슈라우드(1520)와 인접하게 배치될 수도 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 종단면도이다.

도 6을 참조하여 설명하면, 터빈 블레이드(1400)는 날개 형상의 에어포일(1410)과 에어포일(1410)의 하부에 결합된 플랫폼부(1420) 및 플랫폼부(1420)의 아래로 돌출되어 로터 디스크에 결합되는 루트부(1430)를 포함한다. 에어포일(1410)은 날개 형상의 곡면판으로 이루어질 수 있으며, 가스 터빈(1000)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성될 수 있다.

플랫폼부(1420)는 에어포일(1410)과 루트부(1430) 사이에 위치하며 대략 사각판 또는 사각기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 플랫폼부(1420)는 이웃한 터빈 블레이드(1400)의 플랫폼부(1420)와 그 측면이 서로 접하여 터빈 블레이드들(1400) 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다.

루트부(1430)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 로터 디스크(1310)의 슬롯에 형성된 굴곡부의 형태와 대응하도록 형성된다. 여기서, 루트부(1430)의 결합구조는 반드시 전나무 형태를 가질 필요는 없고, 도브 테일 형태를 갖도록 형성될 수도 있다. 루트부(1430)의 하단에는 냉각 공기의 공급을 위한 복수의 유입구(E12)가 형성될 수 있다.

에어포일(1410)은 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지(LE)와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지(TE)를 구비할 수 있다. 또한, 에어포일(1410)에는 외측방으로 볼록한 곡면을 이루며 돌출된 흡입면과 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면이 형성된다. 에어포일(1410)의 흡입면과 압력면의 압력차가 발생하여 블레이드(1400)가 회전하게 된다.

에어포일(1410)의 표면에는 다수의 쿨링홀(1411)이 형성되는데, 쿨링홀(1411)들은 에어포일(1410)의 내부에 형성되는 냉각유로(C12)와 연통되어 냉각 공기를 에어포일(1410)의 표면에 공급한다.

에어포일(1410)은 외형을 이루는 외벽(1470), 외벽(1470)의 내부에 형성된 냉각유로들(C12), 분할판들(1412), 격벽(1460), 및 다공판(1450)을 포함할 수 있다.

에어포일(1410)은 냉각유로(C12)와 연결되어 냉각유로(C12)의 공기를 배출시키되 트레일링 엣지(TE)의 높이 방향으로 이격 형성된 복수의 후단 쿨링 슬롯(1481)과, 후단 쿨링 슬롯(1481) 사이에 형성되어 후단 쿨링 슬롯(1481)을 분할하는 분할 돌기(1482)를 더 포함할 수 있다. 다공판(1450)을 통과하여 냉각유로(C12)로 유입된 공기들은 후단 쿨링 슬롯(1481)을 통해서 배출된다. 또한, 다공판(1450)과 트레일링 엣지(TE) 사이에는 냉각을 위한 복수의 냉각 돌기(1483)가 형성될 수 있다.

분할판들(1412)은 에어포일(1410)의 내부에서 내측단 또는 외측단에 고정되며, 다른 부분은 내벽에서 이격되어 냉각유로들(C12)을 연결하는 유로 연결부(1440)가 형성된다. 냉각공기는 유로 연결부(1440)에서 유동방향이 전환되어 다른 냉각유로(C12)를 따라 이동하게 된다. 즉, 내측에서 외측으로 이동하는 냉각공기는 유로 연결부(1440)에서 유동 방향이 전환되어 외측에서 내측으로 이동할 수 있으며, 외측에서 내측으로 이동하는 냉각공기는 유로 연결부(1440)에서 유동 방향이 전환되어 내측에서 외측으로 이동할 수 있다.

에어포일(1410)에서 냉각공기의 유동이 전환되는 부분인 유로 연결부(1440)에는 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)가 설치될 수 있다. 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)는 호형으로 만곡 형성되어 냉각공기의 이동을 안내하며, 와류의 발생을 최소화한다. 제1 유동 가이드(1610)는 압력면(S2)에만 고정되고, 제2 유동 가이드(1620)는 흡입면(S1)에만 고정될 수 있다. 이러한 제1 유동 가이드(1610)와 제2 유동 가이드(1620)는 터빈 베인(1500)에 설치된 제1 유동 가이드(1610) 및 제2 유동 가이드(1620)와 동일한 구조로 이루어지므로 중복 설명은 생략한다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 베인에 대해서 설명한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 베인을 높이방향으로 잘라 본 종단면도이다.

도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 제1 유동 가이드(1710)와 제2 유동 가이드(1720)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

에어포일(1510)에서 냉각공기의 유동이 전환되는 부분인 유로 연결부(1540)에는 제1 유동 가이드(1710)와 제2 유동 가이드(1720)가 설치될 수 있다. 제1 유동 가이드(1710)와 제2 유동 가이드(1720)는 호형으로 만곡 형성되어 냉각공기의 이동을 안내하며, 와류의 발생을 최소화한다.

제1 유동 가이드(1710)는 압력면에만 고정되고, 제2 유동 가이드(1720)는 흡입면에만 고정될 수 있다. 또한, 제1 유동 가이드(1710)와 제2 유동 가이드(1720)는 제1 유동 가이드(1710)의 길이방향으로 간격을 두고 이격 배치될 수 있다. 또한, 제1 유동 가이드(1710)의 두께(T21)는 제2 유동 가이드(1720)를 향하여 갈수록 점진적으로 증가하고, 제2 유동 가이드(1720)의 두께(T22)는 제1 유동 가이드(1710)를 향하여 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제1 유동 가이드(1710)와 제2 유동 가이드(1720)가 서로 다른 면에 고정되어 열응력에 의한 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 유동 가이드(1710)와 제2 유동 가이드(1720)가 냉각 공기의 흐름을 안정적으로 유도할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈 베인에 대해서 설명한다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈 베인을 높이방향으로 잘라 본 종단면도이고, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어포일을 두께 방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 제1 유동 가이드(1810)와 제2 유동 가이드(1820)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

에어포일(1510)에서 냉각공기의 유동이 전환되는 부분인 유로 연결부(1540)에는 제1 유동 가이드(1810)와 제2 유동 가이드(1820)가 설치될 수 있다. 제1 유동 가이드(1810)와 제2 유동 가이드(1820)는 호형으로 만곡 형성되어 냉각공기의 이동을 안내하며, 와류의 발생을 최소화한다.

제1 유동 가이드(1810)는 압력면(S2)에만 고정되고, 제2 유동 가이드(1820)는 흡입면(S1)에만 고정될 수 있다. 제1 유동 가이드(1810)는 압력면(S2)에 결합된 제1 고정단(1812)과 흡입면에서 이격된 제1 자유단(1814)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 유동 가이드(1820)는 흡입면(S1)에 결합된 제2 고정단(1822)과 압력면(S2)에서 이격된 제2 자유단(1824)을 포함할 수 있다.

또한, 제1 유동 가이드(1810)와 제2 유동 가이드(1820)는 부분적을 중첩 배치되고, 중첩된 부분에서 제2 유동 가이드(1820)는 제1 유동 가이드(1810)보다 반경방향(z축 방향)으로 더 외측에 배치될 수 있다.

제1 유동 가이드(1810)는 냉각공기의 유동방향을 기준으로 상류측에 위치하고, 제2 유동 가이드(1820)는 냉각 공기의 유동 방향을 기준으로 하류측에 위치할 수 있다. 또한, 제1 유동 가이드(1810)와 제2 유동 가이드(1820) 사이의 간격(G31)은 냉각공기의 이동방향으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다. 이에 따라 냉각 공기는 제1 유동 가이드(1810)와 제2 유동 가이드(1820) 사이의 공간으로 용이하게 유입되어 제2 유동 가이드(1820)에 의하여 안내될 수 있다.

또한, 제1 유동 가이드(1810)는 제1 고정단(1812)에서 제1 자유단(1814)으로 갈수록 두께(T31)가 점진적으로 감소하도록 형성되며, 제2 유동 가이드(1820)는 제2 고정단(1822)에서 제2 자유단(1824)으로 갈수록 두께(T32)가 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다. 이에 따라 제1 유동 가이드(1810) 및 제2 유동 가이드(1820)가 자유단을 갖더라도 구조적인 강도를 유지할 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: 가스 터빈
1100: 압축기
1130: 압축기 블레이드
1140: 베인
1150: 하우징
1170: 토크 튜브
1200: 연소기
1300: 터빈
1310: 로터 디스크
1400: 터빈 블레이드
1410, 1510: 에어포일
1411, 1511: 쿨링홀
1412, 1512: 분할판
1450, 1550: 다공판
1460, 1560: 격벽
1420: 플랫폼부
1430: 루트부
1470, 1570: 외벽
1500: 베인
1520: 내측 슈라우드
1522: 내측 플랫폼
1524: 내측 후크
1530: 외측 슈라우드
1532: 외측 플랫폼
1534: 외측 후크
1610, 1710, 1810: 제1 유동 가이드
1612, 1812: 제1 고정단
1614, 1814: 제1 자유단
1620, 1720, 1820: 제2 유동 가이드
1622, 1822: 제2 고정단
1624, 1824: 제2 자유단

Claims

흡입면과 압력면을 갖는 에어포일에 있어서,
냉각공기가 이동하는 복수의 냉각유로;
상기 냉각유로들이 연결된 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며, 상기 압력면에 고정된 제1 유동 가이드; 및
상기 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며 상기 흡입면에 고정된 제2 유동 가이드;
를 포함하며,
상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 상기 제1 유동 가이드의 길이방향으로 간격을 두고 이격되고,
상기 제1 유동 가이드의 두께는 상기 제2 유동 가이드를 향하여 갈수록 짐전적으로 증가하고, 상기 제2 유동 가이드의 두께는 상기 제1 유동 가이드를 향하여 갈수록 짐전적으로 증가하며,
상기 제1 유동 가이드의 두께는 상기 제2 유동 가이드와 마주하는 부분에서 최대가 되고, 상기 제2 유동 가이드의 두께는 상기 제1 유동 가이드와 마주하는 부분에서 최대가 되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
제1 항에 있어서,
상기 제1 유동 가이드는 상기 압력면에 결합된 제1 고정단과 상기 흡입면에서 이격된 제1 자유단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
제2 항에 있어서,
상기 제2 유동 가이드는 상기 흡입면에 고정된 제2 고정단과 상기 압력면에서 이격된 제2 자유단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
제2 항에 있어서,
상기 제1 유동 가이드는 상기 제1 고정단에서 상기 제1 자유단으로 갈수록 두께가 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
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제1 항에 있어서,
상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 호형으로 만곡된 것을 특징으로 하는 에어포일.
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회전 가능한 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드 사이에 배치된 복수의 터빈 베인을 포함하는 터빈에 있어서,
상기 터빈 베인은,
흡입면과 압력면을 갖는 에어포일;
상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드; 및
상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드;
를 포함하고,
상기 에어포일은,
냉각공기가 이동하는 복수의 냉각유로;
상기 냉각유로들이 연결된 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며, 상기 압력면에 고정된 제1 유동 가이드; 및
상기 유로 연결부에 위치하여 냉각공기의 이동을 안내하며 상기 흡입면에 고정된 제2 유동 가이드;
를 포함하며,
상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 상기 제1 유동 가이드의 길이방향으로 간격을 두고 이격되고,
상기 제1 유동 가이드의 두께는 상기 제2 유동 가이드를 향하여 갈수록 짐전적으로 증가하고, 상기 제2 유동 가이드의 두께는 상기 제1 유동 가이드를 향하여 갈수록 짐전적으로 증가하며,
상기 제1 유동 가이드의 두께는 상기 제2 유동 가이드와 마주하는 부분에서 최대가 되고, 상기 제2 유동 가이드의 두께는 상기 제1 유동 가이드와 마주하는 부분에서 최대가 되는 것을 특징으로 하는 터빈.
제11 항에 있어서,
상기 제1 유동 가이드는 상기 압력면에 결합된 제1 고정단과 상기 흡입면에서 이격된 제1 자유단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 제2 유동 가이드는 상기 흡입면에 고정된 제2 고정단과 상기 압력면에서 이격된 제2 자유단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제12 항에 있어서,
상기 제1 유동 가이드는 상기 제1 고정단에서 상기 제1 자유단으로 갈수록 두께가 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 터빈.
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제11 항에 있어서,
상기 제1 유동 가이드와 상기 제2 유동 가이드는 호형으로 만곡된 것을 특징으로 하는 터빈.
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