KR20000011450A - 중공형에어포일 - Google Patents

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KR20000011450A
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레비스 스테픈 이
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Abstract

본 발명에 따르면, 선단부와, 후단부 및 상기 흡입 측부와 가압 측부를 벽을 포함하는 중공형 에어포일이 제공된다. 내면과 외면을 갖는 벽은 제 1 캐비티와 제 2 캐비티를 둘러싸며, 이들은 흡입 측부와 가압 측부 사이에 연장되는 리브에 의해서 서로 분리된다. 제 1 캐비티는 선단부와 연속된다. 에어포일은 제 1 캐비티안에 벽 내면에 부착된 냉각 유량 스플릿터와, 리브에 배치된 적어도 하나의 미터링 오리피스를 더 포함한다. 미터링 오리피스는 냉각 유량 스플릿터와 거의 나란히 정렬되어, 미터링 오리피스를 통과하는 냉각 공기가 유량 스플릿터를 만나게 한다. 유량 스플릿터는 냉각 공기 유량을 분할하여 벽 내면을 따라 배향한다.

Description

중공형 에어포일{A COOLABLE AIRFOIL FOR A GAS TURBINE ENGINE}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진용 고정자 베인과 회전자 블레이드에 관한 것으로, 특히 내부 냉각장치를 갖는 고정자 베인과 회전자 블레이드에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진의 터빈부에 있어서, 코어 가스는 복수개의 고정자 베인과 회전자 블레이드 스테이지를 통해 이동한다. 각각의 고정자 베인 또는 회전자 블레이드는 그 외벽으로 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 캐비티를 갖는 에어포일을 가진다. 외벽의 흡입 측부와 가압 측부는 에어포일 선단부와 종단부 사이로 연장된다. 고정자 베인 에어포일은 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 스팬방향으로 연장되며 회전자 블레이드 에어포일은 플랫폼과 블레이드 팁 사이에서 스팬방향으로 연장된다.
에어포일의 선단부에 부딪히는 고온 코어 가스(공기와 연소산물을 함유함)는 에어포일의 흡입 측부와 가압 측부 둘레로 발산하거나 또는 선단부에 충돌한다. 코어 가스의 유속이 0(즉, 충돌점)이 되는 선단부를 따르른 점은 정체점으로 불린다. 에어포일의 선단부를 따르른 모든 스팬방향의 위치에 정체점이 있으며, 이들 점들이 모아져 정체선으로 불린다. 공기는 에어포일의 선단부에 부딪힌 후 에어포일의 양측 둘레로 방향이 전환된다.
터빈부를 통과한 코어 가스보다 저온 및 고압상태인 압축기 스테이지의 이송 냉각 공기가 에어포일을 냉각하는데 사용된다. 보다 저온인 압축기 공기는 열전달 매체로 사용되며 압력차는 냉각 공기가 고정자 또는 회전자 스테이지를 통과하는데 필요한 에너지를 제공한다. 필름 냉각 및 내부 대류성/충돌 포집 냉각방법이 널리 알려진 에어포일 냉각 방법이다. 필름 냉각은 고정자 또는 회전자 에어포일의 외면을 따라 이동하는 필름을 형성하는, 내부 캐비티로부터 이송된 냉각 공기에 관련있다. 냉각 공기의 필름은 열 에너지를 에어포일로부터 멀리 전달하여 냉각이 더 균일하게 일어나게 하며 에어포일을 통과 고온 코어 가스로부터 단열시킨다. 그러나, 당해 기술분야의 숙련자들은 필름 냉각이 가스 터빈의 난류 환경에서 달성되어 유지되는 것이 어렵다는 것을 알 수 있을 것이다.
다른 한편으로, 대류 냉각법은 "핀(pins, fins)"과 같은 열전달 표면을 갖는 꾸불꾸불한 통로를 통과하는 냉각 공기를 이용하여 에어포일로부터 이를 통과하는 냉각 공기로의 열전달을 증가시킨다. 대류 냉각법으로 또한 냉각 공기가 미터링 구멍을 통해서 분사되어 피냉각 벽면상에 충돌하는 충돌 냉각법이 보편적이다. 이 충돌 냉각법의 장점은 충돌 영역에 국소 냉각을 제공하며, 바람직한 결과를 선택적으로 달성할 수 있다는 것이다. 충돌 냉각법의 단점은 충돌에 의해서 제공되는 대류 냉각이 비교적 소표면적으로 제한된다는 것이다. 결과적으로, 많은 냉각 장치가 넓은 면적을 냉각하는데 필요하다.
따라서, 현재 유효한 에어포일보다 가능한 더 효율적인 냉각을 제공하는 내부 냉각 기구를 갖고, 에어포일의 외벽의 외측부를 따른 필름 냉각을 촉진하며 쉽게 제조될 수 있는 에어포일이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 고효율의 내부 냉각 기구를 갖는 에어포일을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에어포일의 외면을 따른 필름 냉각을 촉진하는 내부 냉각 기구를 갖는 에어포일을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 쉽게 제조될 수 있는 냉각 특성이 향상된 에어포일을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 선단부, 후단부 및 흡입 측부와 가압 측부를 갖는 벽을 갖는 중공형 에어포일이 제공된다. 내면과 외면을 갖는 벽은 제 1 캐비티와 제 2 캐비티를 둘러싸는데 이들은 흡입 측벽부와 가압 측벽부 사이로 연장되는 리브에 의해서 서로 분리된다. 에어포일은 제 1 캐비티내의 벽 내면에 부착된 냉각 유량 스플릿터와, 리브에 배치된 적어도 하나의 미터링 오리피스를 더 가진다. 미터링 오리피스는 냉각 유량 스플릿터와 실질적으로 정렬되어 있기 때문에 미터링 오리피스를 통과하는 냉각 공기가 유량 스플릿터와 충돌한다. 유량 스플릿터는 냉각 공기 유량을 나누어주며 나뉘어진 유량을 벽 내면을 따라 배향한다.
본 발명에 따른 장점은 고효율의 내부 냉각 기구를 갖는 에어포일이 제공된다는 것이다. 본 발명에 따른 에어포일의 내부 냉각 기구는 선단부에 인접한 벽의 내면을 따라 냉각 공기를 배향함으로써 선단부에 인접한 벽으로부터 대류성 열전달을 증가시킨다. 냉각 공기의 배향 흐름의 열전달율은 냉각 공기가 불규칙하게 충돌하여 산란되는 충돌 냉각법에 의한 열전달율보다 더 크다.
또한 내부 냉각 기구는 필요에 따라 냉각 공기 유량을 분할함으로써 대류 냉각의 효율을 증가시킨다. 예컨대, 벽을 냉각하는데 필요한 필수조건이 정체선의 흡입 측부상에서 더 많으면, 유량 스플릿터가 벽의 흡입 측부의 내면을 따라 적절한 양의 냉각 공기를 배향하기 위해서 배치된다. 따라서, 냉각 공기의 체적은 필요에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 냉각 공기가 소용돌이 또는 "와류"로 유량 스플릿터의 양측에 배향되어 대류성 열전달율을 향상할 수 있다는 것이다. 종래의 "와류 챔버"는 보통 소용돌이를 발생하기 위해서 냉각 공기가 접선방향으로 공급되는 캐비티를 보통 이용한다. 본 발명에 따르면 캐비티로 접선방향으로 도입되는 내부 장치를 가갖는에어포일을 제조할 필요가 없으며 또한 하나 보다는 오히려 두개의 소용돌이가 형성되게 한다. 흡입 측부와 가압 측부상의 냉각 공기 소용돌이는 유량 스플릿터와 캐비티의 기하형상을 통해서 조절되어 이들 영역에 필요한 필수조건을 만족시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 본 발명에 따른 냉각 특성이 향상된 에어포일이 경량 형태로 쉽게 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예는 내부에 배치된 유량 스플릿터와 거의 나란히 정렬되는 선단부를 따라 트렌치를 결합한다. 트렌치와 유량 스플릿터의 결합에 의해서 벽 두께를 거의 일정하게 할 수 있으며 무게를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이들 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예의 상세한 설명에 의해서 명백해질 것이다.
도 1은 회전자 블레이드의 도면,
도 2는 회전자 블레이드 또는 고정자 베인에 사용되는 에어포일의 단면도,
도 3은 회전자 블레이드 또는 고정자 베인에 사용되는 에어포일의 부분 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 중공형 에어포일 18 : 선단부
20 : 후단부 22 : 에어포일 벽
24 : 흡입 측부 26 : 가압 측부
30 : 제 1 캐비티 32 : 제 2 캐비티
34 : 제 1 리브 44 : 냉각 유량 스플릿터
50 : 미터링 오리피스
Ⅰ. 장치
도 1을 참조하면, 가스 터빈 엔진에 사용되는 회전자 블레이드(10)는 중공형 에어포일(12), 루트(14), 이들 사이에 배치된 플랫폼(16)을 가진다. 중공형 에어포일(12)은 전방부("선단부")(18)와 종단부("후단부")(20), 흡입 측부(24)와 가압 측부(26)를 갖는 벽(22)을 포함한다. 에어포일(12)은 플랫폼(16)과 블레이드 팁(28) 사이에서 스팬방향으로 연장된다. 루트(14)는 냉각 공기의 중공형 에어포일(12)까지의 상향이동 통로용으로 적어도 하나의 내부 냉각 공기 도관(도시안함)을 포함한다.
도 2와 도 3을 참고하면, 에어포일 벽(22)은 제 1 리브(34)에 의해서 서로 분리되어 있는 제 1 캐비티(30)와 제 2 캐비티(32)를 둘러싼다. 부가의 리브(36)가 제 2 캐비티(32)를 후반부의 부가 캐비티(38)와 분리한다. 벽(22)은 내면(40)과 외면(42)을 가진다. 제 1 캐비티(30)는 선단부(18)와 연속된다. 제 1 캐비티(30)안에서 벽 내면(40)으로부터 밖으로 연장되는 냉각 유량 스플릿터(44)는 피크(48)에서 교차되는 한쌍의 표면(46)을 가지는데 이 표면은 벽 내면(40)으로 발산된다. 복수개의 미터링 오리피스(50)는 제 1 캐비티(30)와 제 2 캐비티(32) 사이의 제 1 리브(34)에 배치된다. 각각의 미터링 오리피스(50)는 냉각 유량 스플릿터(44)와 거의 나란히 정렬되어서 미터링 오리피스(50)를 통과하는 냉각 공기 유량과 유량 스플릿터(44)가 만나게 한다.
선단부(18)는 에어포일(12)의 벽 외면(42)을 따라 필름 냉각을 형성하도록 배향된 냉각 오리피스(52)를 가진다. 냉각 오리피스(52)는 종래 기술에 널리 공지된 바와 같이 샤워 헤드 조립체에 배열될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 트렌치(54)는 선단부(18)을 따라 스팬방향으로 연장되는 벽(22)에 배치된다. 트렌치(54)와 유량 스플릿터(44)는 각각 벽 외면(42)과 벽 내면(40)상에 거의 나란하게 서로 정렬된다. 유량 스플릿터(44)와 트렌치(54)를 나란히 정렬하면 유량 스플릿터(44) 근처의 벽 두께 편차가 최소화된다. 도시된 실시예에 있어서, 냉각 오리피스(56)는 유량 스플릿터(44)를 갖는 벽(22)을 통해서 트렌치(54)로 스팬방향으로 연장된다. 결과적으로 냉각 공기가 트렌치(54)로부터 벗어나게 유동하여 에어포일(12)의 흡입 측부(24)와 가압 측부(26)를 따라 필름 냉각을 형성한다. 제 2 실시예에 있어서(도 3), 제 1 캐비티(30)와 제 2 캐비티(32)로 분리하는 제 1 리브(34)는 궁형으로 이루어져 제 1 캐비티(30) 내부에 냉각 공기 소용돌이(58)가 유량 스플릿터(44)의 일측부 또는 양측부상에 형성되는 것을 촉진한다.
Ⅱ. 작동
에어포일(12)이 사용되는 동안, 냉각 공기는 에어포일(12)로 도입되어, 예컨대 블레이트 루트(14)를 거쳐서 중공형 에어포일(12)내의 제 2 캐비티(32)를 직접 또는 간접적으로 통과한다. 제 2 캐비티(32)내부의 냉각 공기의 일부는 결과적으로 제 1 리브(34)에 배치된 미터링 오리피스(50)를 통해서 제 1 캐비티(30)를 통과하여 벽(22)의 내면(40)으로부터 밖으로 연장된 유량 스플릿터(44)와 만난다. 유량 스플릿터(44)에 대해서 각각의 미터링 오리피스(50)를 위치설정하면 미터링 오리피스(50)를 통과한 몇 퍼센트의 냉각 공기가 가 유량 스플릿터(44)의 특정 측부를 통과하는 지를 알 수 있다. 유량 스플릿터(44)의 중앙에서 벗어나 미터링 오리피스(50)를 위치설정하면, 냉각 공기 유량의 50% 이상이 유량 스플릿터(44)의 일측부를 따라 이동하며 냉각 공기 유량의 50% 미만이 유량 스플릿터(44)의 반대편 측부를 따라 이동한다.
벽(22)의 내면(40)을 따라 통과하는 냉각 공기는 대류를 통해 벽(22)을 냉각하며 벽(22)의 일부에 배치된 냉각 오리피스(40)로 이송된다. 제 1 캐비티(30)안에 발생된 소용돌이(58)(도 3)가 내벽면(40)을 따른 냉각 공기의 흐름을 촉진하며 결과적으로 벽(22)의 일부를 대류에 의해 냉각한다.
트렌치(54)를 갖는 실시예에 있어서, 냉각 공기의 일부가 벽(22)에 배치된 냉각 오리피스(56)로 도입되며 결과적으로 선단부(18)를 따라 트렌치(54)를 통과한다. 일단 트렌치(54)에서, 냉각 공기가 확산되어 트렌치(54)를 따라 스팬방향으로 분배된다. 트렌치(54) 내부에서 냉각 공기가 분배되면 종래의 냉각 오리피스의 압력차에 관한 특성 문제가 최소화된다는 장점을 가진다. 예컨대, 냉각 오리피스를 가로지르는 압력차는 국소 내부 캐비티압과 오리피스에 인접한 국소 코어 가스압의 함수이다. 이들 압력은 모두 시간의 함수로서 변한다. 코어 가스압이 크고 내부 캐비티압이 종래 기구의 특정 냉각 오리피스에 인접하여 작다면, 바람직하지 못한 고온 코어 가스 유입이 나타날 수 있다. 오리피스(56)로부터의 냉각 공기가 트렌치(54) 내부에 수집 분포되기 때문에, 본 발명에 따르면 바람직하지 못한 유입이 일어날 가능성이 최소화되므로 임의의 저압대가 발생될 기회를 감소시킨다. 마찬가지로, 트렌치(54) 내부의 냉각 공기의 분배에 의해서 종래 기구의 냉각 공기를 코어 가스로 분사할 수도 있는 냉각 공기압의 스파이크를 피하고 오히려 냉각 공기의 필름을 하향으로 부가할 수 있다.
샤워헤드 및/또는 트렌치(54)를 거쳐 선단부를 따라 이송되는 냉각 공기는 결과적으로 에어포일(12)의 외면(42)을 따라 통과하는 냉각 공기 필름을 형성한다. 이 필름의 바람직하지 못한 침식작용(난류와 다른 요인에 의함)이 거의 즉각적으로 시작됨으로써 에어포일(12)을 냉각 및 단열하는 필름의 성능에 악역향을 미친다. 필름 침식을 감소시키기 위해서, 냉각 공기가 필름을 보강하는 냉각 공기를 제공할 수 있는 여러줄의 분산형 냉각 오리피스를 위치설정하는 것이 공지되어 있다. 종래기술이 안고 있는 문제점은 캐비티내부의 냉각 공기가 벽[즉, 흡입 측부(24) 또는 가압 측부(26)]를 향하여 가압되지 않으며 벽부(24, 26)의 냉각 조건에 상관없이 모든 벽부(24, 26)를 벗어나 쉽게 이송될 수 있다는 것이다. 일 벽부(24, 26)의 냉각 조건이 다른 것보다 더 크면, "고온" 벽부를 통과하는 적절한 냉각 공기 유량을 유지하여 "저온" 벽부를 통과하는 냉각 공기 유량의 여분이 발생하게 할 수 있다. 필요한 것보다 더 많은 양의 냉각 공기를 사용하지 않게 하기 위해서, 본 발명에 따른 유량 스플릿터(44)는 각 벽부를 따라 적절한 냉각 공기 흐름을 제공함으로써 에어포일(12)의 냉각 효율을 향상시킨다.
본 발명이 바람직한 실시예에 관하여 도시 및 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 보호범위를 벗어남없이 그 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 있을 수도 있다는 것을 당해 기술분야의 숙련자들은 알 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명에 따른 가장 바람직한 형태는 회전자 블레이드 에어포일의 형태로 설명되었다. 본 발명은 그러나 도 2와 도 3에 도시될 수 있는 바와 같은 고정자 베인 에어포일에 마찬가지로 적용가능하다.
본 발명에 따르면 에어포일의 내부 냉각 기구가 선단부에 인접한 벽의 내면을 따라 냉각 공기를 배향함으로써 선단부에 인접한 벽으로부터 대류성 열전달을 증가시키는 고효율의 내부 냉각 기구를 갖는 에어포일이 제공될 수 있으며, 그 열전달율이 냉각 공기가 불규칙하게 충돌하여 산란되는 충돌 냉각법에 의한 열전달율보다 더 크게 할 수 있으며, 내부 냉각 기구는 필요에 따라 냉각 공기 유량을 분할함으로써 대류 냉각의 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 선단부와 후단부를 갖는 중공형 에어포일에 있어서,
    흡입 측부와, 가압 측부와, 내면 및 외면을 갖는 벽으로서, 상기 벽은 흡입 측부와 가압 측부 사이에서 연장되는 리브에 의해서 서로 분리되는 제 1 캐비티와 제 2 캐비티를 둘러싸며, 상기 제 1 캐비티는 상기 선단부와 연속되는 벽과,
    상기 제 1 캐비티 내부의 상기 내면에 부착된 냉각 유량 스플릿터와,
    상기 리브에 배치된 적어도 하나의 미터링 오리피스로서, 상기 냉각 유량 스플릿터와 거의 나란히 정렬되어 상기 미터링 오리피스를 통과하는 냉각 공기가 상기 유량 스플릿터와 만나게 하는 적어도 하나의 미터링 오리피스를 포함하며,
    상기 유량 스필릿터는 상기 냉각 공기를 분할하여 상기 벽의 내면을 따라 배향하는 중공형 에어포일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유량 스플릿터는 상기 선단부와 거의 나란히 정렬되며, 이를 따라 스팬방향으로 연장되는 중공형 에어포일.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선단부와 거의 나란히 정렬되고 선단부를 따라 스팬방향으로 연장되는, 상기 벽에 배치된 트렌치를 더 포함하는 중공형 에어포일.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 트렌치와 상기 제 1 캐비티 사이에 연장되고, 상기 벽내부에 배치되어 상기 내부 캐비티와 상기 트렌치 사이에 냉각 공기 통로를 제공하는 복수개의 냉각 오리피스를 더 포함하는 중공형 에어포일.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각 오리피스는 상기 유량 스플릿터를 통해 연장되는 중공형 에어포일.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 리브는 궁형으로 이루어짐으로써 상기 제 1 캐비티안에 냉각 공기 소용돌이의 형성을 촉진하는 중공형 에어포일.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 벽에 배치되고, 상기 선단부에 거의 나란히 정렬되고, 이를 따라 스팬방향으로 연장되는 트렌치를 더 포함하는 중공형 에어포일.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 벽에 배치되고, 상기 트렌치와 상기 제 1 캐비티 사이에 연장됨으로써 상기 내부 캐비티와 상기 트렌치 사이에 냉각 공기 통로를 제공하는 복수개의 냉각 오리피스를 더 포함하는 중공형 에어포일.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각 오리피스는 상기 유량 스플릿터를 통해서 연장되는 중공형 에어포일.
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