KR19990063131A - 중공형 에어포일 - Google Patents

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Abstract

중공형 에어포일은 본체, 트렌치 및 트렌치내에 배치된 다수의 냉각 구멍을 포함한다. 본체는 전단부와 후단부 사이에서 익현방향으로 연장되며, 외측 반경방향 표면과 내측 반경방향 표면 사이에서 익장방향으로 연장되며, 공동을 둘러싸는 외벽을 포함한다. 트렌치는 전단부를 따라 외벽내에 배치되며, 익장방향으로 연장된다.

Description

중공형 에어포일
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진용 냉각식 로터 블레이드 및/또는 스테이터 베인에 관한 것으로, 특히 전단부를 냉각시키고 로터 블레이드 또는 스테이터 베인의 표면을 따라 막 냉각을 설정하는 장치에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진의 터빈 섹션에 있어서, 코어 가스는 다수의 스테이터 베인 및 로터 블레이드 단을 통하여 이동한다. 각각의 스테이터 베인 또는 로터 블레이드는 외벽으로 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 내측 공동을 갖는 에어포일을 구비한다. 외벽의 흡입 및 압축 측면은 에어포일의 전단부 및 후단부 사이에 연장된다. 스테이터 베인 에어포일은 내측 플랫폼과 외측 플랫폼 사이에서 익장방향(spanwise)으로 연장되고, 로터 블레이드 에어포일은 플랫폼과 블레이드 팁 사이에서 익장방향으로 연장된다.
에어포일의 전단부에 부딪치는 고온 코어 가스(공기 및 연소 생성물을 포함함)는 에어포일의 흡입 및 압축력 측면 주위로 분산되거나, 또는 전단부상에 충돌할 것이다. 코어 가스 유동의 속도가 영(zero)(즉, 충돌점)이 되는 전단부를 따르는 점은 정체점(stagnation point)이라고 불린다. 에어포일의 전단부를 따르는 모든 익장방향 위치에 정체점이 존재하며, 집합적으로 이러한 정체점은 정체선이라고 불린다. 에어포일의 전단부상에 충돌하는 공기는 게속해서 에어포일의 양 측면 주위로 전환된다.
통상적으로 터빈 섹션을 통과하는 코어 가스보다 낮은 온도 및 높은 압력에서 압축기 단에서 배출되는 냉각 공기는 에어포일을 냉각시키도록 사용된다. 저온 압축기 공기는 열 전달 매체로 제공하며, 압력의 차이는 냉각 공기가 스테이터 또는 로터 단을 통과하는데 필요한 에너지를 제공한다.
대부분의 경우에, 스테이터 또는 로터 에어포일의 표면을 따라서 막 냉각을 설정하는 것이 바람직하다. 에어포일의 표면을 따라서 이동하는 냉각 공기의 막은 열 에너지를 에어포일로부터 멀리 전달하고, 냉각의 균일성(uniformity)을 증가시키며, 통과되는 고온 코어 가스로부터 에어포일을 격리시킨다. 그러나, 당업자라면 가스 터빈의 난류 환경에서 막 냉각(film cooling)을 설정 및 유지하기가 어렵다는 것을 주지할 것이다. 대부분의 경우에, 막 냉각 공기는 에어포일의 외벽을 통해 연장되는 냉각 구멍의 외부로 배출된다. 배출(bled)이라는 용어는 냉각 공기를 에어포일의 내측 공동의 외부로 움직이게 하는 압력의 작은 차이를 나타낸다. 냉각 공기 막을 설정하기 위한 구멍을 이용하는데 따른 문제점중 하나는 구멍을 가로지르는 압력 차이에 대한 막의 감도(sensitivity)이다. 구멍을 가로지르는 압력 차이가 너무 크면, 냉각 공기의 막 형성을 촉진하기 보다는 통과하는 코어 가스 공기내로 공기의 분출이 야기될 것이다. 압력 차이가 너무 작으면, 구멍을 통과하는 냉각 공기의 유동이나 고온 코어 가스의 유입량은 무시해도 좋을 것이다. 이러한 두가지 경우는 막 냉각 효과에 악영향을 미친다. 막 냉각을 설정하는 장치를 사용함에 따른 다른 문제점은 냉각 공기가 연속선을 따르기 보다는 에어포일의 익장을 따르는 별개의 지점으로부터 분배된다는 것이다. 구멍 사이의 갭과 이러한 갭의 바로 하류의 영역은 구멍 및 구멍의 바로 하류의 공간에 있는 것보다 소량의 냉각 공기에 노출됨으로써 보다 열 저하되기 쉽다. 막 냉각을 설정하는 장치를 이용함에 따른 다른 문제점은 구멍을 수반하는 응력 집중이다. 막 냉각 효과는 구멍이 밀집되게 채워지고 에어포일의 외측면에 대해 작은 각도로 기울어지는 경우에 증가되는 것이 일반적이다. 그러나, 기울어지고 밀집되게 채워진 구멍은 응력 집중을 일으킨다.
에어포일의 전단부를 따라서 적절한 냉각을 제공하고, 에어포일의 양 측면상에서 전단부의 하류에 균일하고 내구성 있는 냉각 공기 막을 형성하며, 또 에어포일 벽내에 응력 집중을 최소화시키는 장치가 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 전단부를 따른 냉각이 개선된 에어포일을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에어포일의 양 측면상의 전단부의 하류에 균일하고 내구성 있는 막 냉각을 설정하는 전단부 냉각 장치를 상기 에어포일에 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에어포일 벽 내부의 응력 집중을 최소화시키는 전단부 냉각 장치를 에어포일에 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 중공형 에어포일은 본체, 트렌치 및 상기 트렌치내에 배치된 다수의 냉각 구멍을 포함한다. 본체는 전단부와 후단부 사이에서 익현방향(chordwise)으로 연장되고, 외측 반경방향 표면과 내측 반경방향 표면 사이에서 익장방향(spanwise)으로 연장되며, 공동을 둘러싸는 외벽을 포함한다. 트렌치는 전단부를 따라 외벽내에 배치되며 익장방향으로 연장된다.
본 발명의 이점은 전단부의 하류의 균일하고 내구성 있는 막 냉각이 에어포일의 양 측면상에 제공된다는 것이다. 냉각 공기는 양 측면상의 트렌치 외부로 배출되어 전단부의 하류에 연속적인 막 냉각을 형성한다. 트렌치는 냉각 구멍의 냉각 손실 특성을 최소화함으로써 막 성장 및 유지를 위한 다량의 냉각 공기를 제공한다.
본 발명의 다른 이점은 응력이 전단부 및 전단부의 바로 하류의 영역을 따라서 최소화된다는 것이다. 응력을 최소화시킬 수 있는 한가지 특성은 전단부를 따라 연속적으로 연장된 냉각 공기의 트렌치이다. 트렌치는 비냉각 영역에 의해 분리된 별개의 냉각점을 제거함으로써 그와 관련된 열 유도 응력을 제거한다. 또한, 트렌치는 전단부를 따라서 냉각 공기를 분배함에 의해 응력을 최소화시킨다. 냉각 공기는 양 측면상의 트렌치 외부로 배출되며 전단부의 하류에 연속적인 막 냉각을 일으킨다. 연속적인 막은 냉각 구멍의 사이 및 냉각 구멍의 하류의 비냉각 영역을 제거함으로써, 그와 관련된 열 유도 응력을 제거한다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진용 터빈 로터 블레이드의 개략적인 사시도,
도 2는 단일의 트렌치를 갖는 도 1에 도시된 로터 블레이드의 에어포일부의 부분 단면도로서, 여기에 도시된 에어포일의 부분 단면도는 스테이터 베인의 에어포일을 나타냄,
도 3은 다수의 트렌치를 갖는 도 2에 도시된 에어포일의 부분 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
16 : 에어포일 20 : 내측 공동
30 : 트렌치 32 : 베이스
34 : 측벽 36 : 냉각 구멍
도 1을 참조하면, 가스 터빈 엔진 터빈 로터 블레이드(10)는 루트부(12), 플랫폼(14), 에어포일(16) 및 블레이드 팁(18)을 포함한다. 에어포일(16)은 외벽(22)에 의해 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 내측 공동(20)(도 2 및 도 3 참조)을 포함하며, 내측 공동중 적어도 하나는 에어포일(16)의 전단부(24)에 인접한다. 외벽(22)의 흡입 측면(26) 및 압축 측면(28)은 에어포일(16)의 전단부(24)와 후단부(29) 사이에서 익현방향(27)으로 연장되고, 플랫폼(14)과 블레이드 팁(18) 사이에서 익장방향(31)으로 연장된다. 전단부(24)는 에어포일(16)의 흡입 측면(26) 및 압축 측면(28)과 조화되는 매끄러운 만곡 형상부를 갖는다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 베이스(32) 및 한 쌍의 측벽(34)을 갖는 트렌치(30)는 전단부(24)를 따라서 에어포일(16)의 외벽(22)내에 배치된다. 도 3은 다수의 트렌치(30)를 갖는 실시예를 도시한 것이다. 각각의 트렌치(30)는 에어포일(16) 전단부(24)의 거의 전체의 익장방향(31)(도 1에 도시됨)으로 연장된다. 다수의 냉각 구멍(36)이 트렌치(30)내에 배치되며, 내측 공동(20)과 트렌치(30) 사이에서 연장된다. 냉각 구멍(36)의 형상과 트렌치(30)내의 구멍 위치는 적용예에 따라 변화될 것이다. 그러나, 대부분의 경우에, 냉각 구멍(36)은 익장방향(31)에 걸쳐 트렌치(30)의 베이스(32)내에 균일하게 분포된다. 바람직한 실시예에 있어서, 냉각 구멍(36)은 확산부(38)를 포함한다.
본 발명의 동작에 있어서, 압축기 단(도시되지 않음)에서 통상적으로 배출되는 냉각 공기는 본 기술 분야에 공지된 수단에 의해 로터 블레이드(10)(또는 스테이터 베인)의 에어포일(16)내로 전달된다. 에어포일(16)의 전단부(24)에 근접한 내측 공동(20)내에 배치되는 냉각 공기는 에어포일(16)의 내벽(22)을 통해 흐르는 코어 가스보다 저온 및 고압이다. 에어포일 외벽(22)을 가로지르는 압력 차이는 내측 냉각 공기를 냉각 구멍(36)내에 강제로 유입시키며, 이어서 전단부(24)를 따라서 외벽(22)내에 위치된 트렌치(30)내로 통과시킨다. 냉각 구멍(36)을 빠져나간 냉각 공기는 이미 트렌치(30)내의 냉각 공기내로 확산되며 트렌치(30)내에 분배된다. 냉각 구멍(36)이 확산부(38)를 포함하는 바람직한 실시예에 있어서, 확산부(38)는 냉각 공기의 확산 및 분배를 증가시킴으로써 트렌치(30)내의 균일성을 증가시킨다.
트렌치(30)내에 냉각 공기를 분배하는 것의 이점중 하나는 통상의 냉각 구멍의 특징인 압력 차이 문제가 최소화되는 것이다. 예를 들면, 냉각 구멍(36)을 가로지르는 압력의 차이는 국부적인 내측 공동(22) 압력과 구멍(36)에 인접한 국부적인 코어 가스 압력에 작용한다. 이러한 양자의 압력은 시간에 대한 함수로서 변화된다. 종래의 설계에서 특정 냉각 구멍에 인접한 코어 가스 압력이 높고 내측 공동 압력이 낮으면, 바람직하지 않은 고온 코어 가스 유입이 발생할 수 있다. 본 발명은 모든 구멍(36)으로부터 냉각 공기가 트렌치(30)내에 집단적으로 분배되기 때문에 바람직하지 않은 유입의 기회를 최소화함으로써, 임의의 저압 영역이 발생될 기회를 감소시킨다. 마찬가지로, 트렌치(30)내의 냉각 공기의 분배는 종래의 설계에 있어서 냉각 공기를 냉각 공기 하류의 막에 첨가시키기 보다는 코어 가스내로 분출시키게 될 냉각 공기 압력 스파이크(spikes)를 방지한다.
냉각 공기는 계속해서 트렌치(30)의 양쪽 익장방향을 따라서 균일한 방식으로 트렌치(30)를 나간다. 나가는 유동은 하류로 연장되는 트렌치(30)의 양측면상에 냉각 공기의 막을 형성한다. 다수의 트렌치(30)의 경우에, 에어포일(16)의 정체점(40)의 하류에 위치된 트렌치(30)를 나가는 냉각 공기는 주로 트렌치(30)의 하류 측면상에서 유출될 수도 있다. 이러한 경우에, 상류 트렌치(30)로부터 발생되는 막 냉각은 주로 2개의 인접한 트렌치(30) 사이에 에어포일(16)의 외벽(22)을 냉각시킨다.
본 발명은 상세한 실시예에 따라 도시하고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명의 형상 및 세부사항이 다양하게 변형될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 도 2 및 도 3은 에어포일의 일부 단면도를 도시한 것이다. 에어포일(16)은 스테이터 베인 또는 로터 블레이드의 것일 수도 있다.
본 발명의 장치는 전단부를 따라서 균일하고 내구성이 있는 막 냉각을 설정하며, 에어포일 벽 내부의 응력 집중을 최소화시켜 개선된 냉각을 제공한다.

Claims (6)

  1. 중공형 에어포일에 있어서,
    전단부와 후단부 사이에 익현방향으로 연장되고, 외측 반경방향 표면과 내측 반경방향 표면 사이에서 익장방향으로 연장되며, 공동을 둘러싸는 외벽을 구비한 본체와,
    상기 전단부를 따라 상기 외벽내에 배치되며 익장방향으로 연장되는 트렌치와,
    상기 트렌치내에 배치되며 상기 외벽을 통해서 연장되는 다수의 냉각 구멍을 포함하는
    중공형 에어포일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트렌치는
    제 1 측벽과,
    제 2 측벽과,
    상기 제 1 측벽과 상기 제 2 측벽 사이에 연장되는 베이스를 포함하며,
    상기 냉각 구멍은 상기 베이스내에 배치되며 상기 외벽을 통해서 연장되는
    중공형 에어포일.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공형 에어포일은 다수의 상기 트렌치를 포함하는
    중공형 에어포일.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공형 에어포일은 다수의 상기 트렌치를 포함하는
    중공형 에어포일.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공형 에어포일은 스테이터 베인의 일부인
    중공형 에어포일.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공형 에어포일은 로터 베인의 일부인
    중공형 에어포일.
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