KR20000016687A - 가스터빈 베인의 트레일링 에지를 냉각시키기 위한 냉각채널의구조 - Google Patents

Abstract

가스터빈 베인의 트레일링 에지부분을 냉각하기 위한 장치. 2개의 방사상으로 연장된 통로는 트레일링 에지에 인접한 중간의 스판둘레에 형성된 플리넘으로 냉각유체를 향하게 하는 외부보호판에 연결되어 있다. 냉각유체통로의 2개의 배열은 플리넘으로부터 연장되어 있다. 하나의 배열은 외부보호판을 향하여 방사상외측으로 연장되는 한편 다른 배열은 내부보호판을 향하여 방사상 내측으로 연장된다. 플리넘은 냉각유체를 통로의 2개의 배열로 분포되어 냉각유체는 내부 및 외부보호판내에 형성된 매니폴드로 방사상 내측 및 외측으로 유동한다. 매니폴드는 소모된 냉각유체를 방출포트로 향하게 한다.

Description

가스터빈 베인의 트레일링 에지를 냉각시키기 위한 냉각채널의 구조

가스터빈은 터빈부에서 열로 원주방향으로 배열된 복수의 고정베인을 사용한다. 이러한 베인은 연소부로부터 방출되는 고온의 가스에 접하므로 이 베인의 냉각은 대단히 중요하다. 전형적으로 냉각은 냉각공기를 베인 에어포일내측에 형성된 공동부를 통하여 유동시킴으로써 달성된다.

하나의 해결방법에 의하면, 베인 에어포일의 냉각은 인서트를 둘러싸는 통로가 인서트와 에어포일의 벽사이에 형성되도록 에어포일 공동부의 각각에 하나이상의 관형상 인서트를 합체함으로써 달성된다. 이 인서트는 냉각공기를 이들 통로에 분포시키는 그 주위에 분포된 복수의 구멍을 가지고 있다.

다른 해결방법에 의하면, 각각의 에어포일 공동부는 S자배열(array)을 형성하는 복수의, 전형적으로는 3개의 방사상으로 연장된 통로를 포함하고 있다. 베인 외부보호판으로 공급된 냉각공기는 제1통로로 들어가 베인 내부보호판에 도달할 때까지 내측으로 유동한다. 냉각공기의 제1부분은 내부보호판을 통하여 베인에 있으며 로터디스크의 인접한 열사이에 위치된 공동부에 들어간다. 공동부내의 냉각공기는 디스크의 면을 냉각시키는 데 사용된다. 냉각공기의 제2부분은 방향이 반대이고 외부보호판에 도달할 때까지 제2통로를 통하여 방사상외측으로 유동하며 그 후 냉각공기의 제2부분은 다시 방향이 변경되며 제3통로를 통하여 방사상내측으로 유동한다. 베인의 트레일링 에지부분의 냉각은 트레일링 에지부분이 얇기 때문에 특히 어렵다. 전형적인 개방루프 냉각시스템에서, 냉각공기는에어포일의 트레일링 에지의 축방향으로 배치된 통로에 의해서 내부공동부로부터 고온의 가스유동통로내로 방출된다. 폐쇄루프시스시템에서 베인 에어포일의 트레일링 에지부분은 트레일링 에지둘레에 감겨있는 채널공기를 코드와이즈 방향(CHORD-WISE DIRECTION)으로 향하게 함으로써 냉각될 수 있다. 하지만, 이러한 해결방법은 두꺼운 트레일링 에지로 되며 이것은 공기학적으로 바람직하지 않고 제조비용을 증가시킨다.

다른 해결방법에 있어서, 냉가공기는 내부와 외부보호판사이에서 연장된 스판형 방사상구멍으로 향하며 여기에서 공기는 내부보호판으로부터 외부보호판으로 방사상외측으로 유동하거나 또는 외부보호판으로부터 내부보호판으로 방사상내측으로 유동한다. 하지만, 이러한 해결방법은 여러 가지 단점을 가지고 있다. 먼저, 냉각공기는 그 냉각효과가 부적당한 구멍의 끝에 도달되는 시간에 의해서 충분하게 가열되며 이에 따라 내부 또는 외부보호판에 인접한 트레일링 에지의 부분이 과열된다. 또한 구멍의 직경이 비교적 작으면, 구멍의 길이는 냉각공기에서의 바람직하지 않은 고압을 발생시킨다. 하지만, 구멍의 직경을 증가시킴으로써 압력강하를 감소시키는 것은 부적당한 두꺼운 트레일링 에지를 야기시킨다.

또한 스판형 방사상 구멍은 제조하기가 어렵다. 에어포일이 주조로 제조되면, 길고 작은 직경의 스판형 방사상구멍의 사용은 오래동안 지지될수 없어서 캐스팅코어를 약하게 한다. 또한 이러한 긴 냉각구멍은 벽의 두께오차를 유지하기가 어려워서 긴 리칭(leaching)시간을 초래한다. 그러므로 상기해결방법의 문제점을 극복하고 에어포일의 트레일링 에지부분을 냉각하기 위하여 냉각통로의 끝에 도달하는 시간에 의한 냉각유체의 가열과 유체에 의해서 발생된 압력강하 모두를 최소화하는 냉각장치를 제공하는 것은 바람직하다.

본 발명은 고정베인과 같은 가스터비에 사용되는 에어포일에 관한 것이다. 특히 본 발명은 개량된 냉각 공기유동통로를 가진 에어포일에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 가스터빈베인의 종단면도,

도 2는 도 1에 도시된 선 Ⅱ-Ⅱ의 횡단면도,

도 3은 도 1에 도시된 선 Ⅲ-Ⅲ의 횡단면도,

도 4는 플리넘의 근처에서 도 1에 도시된 베인의 트레일링 에지의 일부분의 개략도.

따라서 본 발명의 목적은 상기해결방법의 문제점을 극복하고 에어포일의 트레일링 에지부분을 냉각하기 위하여 냉각통로의 끝에 도달하는 시간에 의한 냉각유체의 가열과 유체에 의해서 발생된 압력강하 모두를 최소화하는 냉각장치를 제공하는 데 있다.

발명의 구성 및 작용

간단하게, 본 발명의 목적뿐만아니라 이러한 목적은 (ⅰ) 리딩에지와 트레일링 에지, (ⅱ) 제2끝으로부터 방사상외측으로 배치된 제1끝과 제2끝, (ⅲ) 제1과 제2측벽, (ⅳ) 제1통로가 에어포일을 향한 냉각유체의 유동을 수용하는 입구를 가지고 있으며 제1과 제2측벽사이에 형성된 제1통로, (ⅴ) 제1과 제2끝사이에 배치되고 제1통로와 유체연통상태로 있는 플리넘(plenum), (ⅵ) 플리넘과 유체 연통상태로 있고 플리넘으로부터 제1끝을 향하여 실질적으로 방사상방향으로 연장된 복수의 제2통로, (ⅶ) 플리넘과 유체연통상태로 있고 플리넘으로부터 제2끝을 향하여 실질적으로 방사상방향으로 연장된 복수의 제3통로를 포함하는 가스터빈용 에어포일로 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 플리넘은 에어포일의 트레일링 에지에 인접한 약 중간높이에 배치된다.

도면을 참조하여, 도 1 내지 도 4에는 가스터빈의 터빈부에 이용되는 본 발명에 따른 에어포일을 가지는 베인(1)이 도시된다. 이 베인(1)은 한쪽 끝에 내부보호판(2) 그리고 다른쪽 끝에 외부보호판(4)를 가지고 있는 에어포일(6)로 구성된다. 도 2에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 베인(1)의 에어포일 부분(6)은 리딩에지(8) 및 트레일링 에지(10)를 형성하기 위해서 합쳐지는 대향 측벽(9, 11)에 의하여 형성된다. 본 발명은 에어포일(6), 바람직하게는 트레일링 에지(10)에 인접한 에어포일 부분을 냉각시키는 장치에 관한 것이다.

에어포일(6)의 대부분은 중공으로 되어있다. 횡단으로 연장된 리브(48, 50, 52)는 에어포일(6)의 중공내부를 3개의 냉각공기 통로(32, 34, 36)로 분할한다. 제1 통로(32)는 냉각공기 공급통로이고 리딩에지(8)에 인접한 에어포일 부분 내에 형성된다. 제2 통로(34) 역시 냉각공기 공급통로이지만 트레일링 에지(6)의 근처에 형성된다. 내부보호판(2) 내의 통로(17)는 통로(32, 34)에 연결된다. 제3 통로(36)는 에어포일(6)의 중간 코드(mid chord) 영역에 형성된다.

도 1를 참조하면, 냉각유체 공급파이프(13)는 외부보호판(4)에 연결된다. 외부보호판(4)의 개구부(18)는 공급파이프(13)가 외부보호판 내에 형성된 통로(16)와 연통하도록 한다. 이 외부보호판 통로(16)는 에어포일(6) 내의 통로(32, 34)에 연결된다.

도 2 및 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 중요한 관점에 따라서, 공동부(42)은 플리넘으로서 작용하는 측벽(9, 11) 사이에 형성된다. 바람직하게 이 플리넘(42)은 대략 중간 높이에 그리고 에어포일(6)의 트레일링 에지(10)에 인접하여 위치된다. 리브(52) 내의 개구부(40)는 공급통로(34)와 플리넘(42)을 연결한다.

도 1 및 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 냉각유체구멍(38')의 제1 배열(array)은, 구멍에 대한 입구가 플리넘에 위치되고 출구가 매니폴드에 위치되는 상태로, 플리넘(42)으로부터 외부보호판(4) 내에 형성된 냉각유체 매니폴드(54)로 방사상 외측으로 연장되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 통로(58)는 통상 방사상방향에 수직으로 연장되어 있는 외부보호판(4) 내에 형성된다. 통로(58)는 외부보호판 내로 돌출하는 에어포일(6) 부분의 둘레에서 매니폴드(54)로부터 연장되어 있다. 개구부(46, 47)는 외부보호판(4) 내로 연장되어 있는 측벽(9, 11) 부분에 각각 형성된다. 이 개구부(46, 47)는 통로(58)가 방출통로(36)와 연통되도록 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 출구(30)는 방출통로(36) 내에 형성되고 리턴파이프(14)에 연결된다.

도 1, 2 및 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 바람직하게 냉각유체구멍(38')과 방사상으로 정렬된 냉각유체구멍(38")의 제2 배열은, 구멍에 대한 입구가 플리넘에 위치되고 출구가 매니폴드에 위치되는 상태로, 플리넘(42)으로부터 내부보호판(2) 내에 형성된 냉각유체 매니폴드(56)로 방사상 내측으로 연장되어있다. 외부보호판(4) 내의 통로(58)와 마찬가지로, 통로(도시생략)는 내부보호판 내로 돌출되는 에어포일(6) 부분의 둘레에서 매니폴드(56)로부터 연장되어 있는 내부보호판(2) 내에 형성된다. 개구부는, 외부보호판(4)에서의 개구(46, 47)와 마찬가지로, 개구부 중 하나(44)가 도 1에 도시된 바와 같이, 내부보호판(2) 내로 연장되어 있는 측벽(9, 11) 부분에 각각 형성된다. 이 개구부(44)는 내부보호판(2) 내의 통로가 방출통로(36)와 연통되도록 한다.

내부 및 외부보호판은, 트레일링 에지 냉각유체 매니폴드(54, 56)를 방출통로(36)에 연결시키는 것에 더하여, 보호판 자체의 냉각에 도움을 주는 냉각통로를 포함하고 있을 수 있다. 그렇지만, 이러한 보호판의 냉각은 본 발명의 일부가 아니며, 본 발명은 에어포일(6)의 냉각, 바람직하게는 트레일링 에지(10)에 인접한 에어포일 부분의 냉각에 관한 것이다.

바람직한 실시예에서 가스터빈의 압축기부로부터 부는 압축공기(20)인 냉각유체는, 작동시, 도 1에 도시된 바와 같이, 공급파이프(13)에 의하여 베인 외부보호판(4)으로 향한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 베인(1)은 폐쇄루프 냉각공기 시스템의 부분인 냉각통로를 가지고 있다. 따라서, 본질적으로 베인(1)으로 공급되는 모든 냉각공기는 냉각시스템으로 복귀된다.

개구부(18)를 통하여 유동하여 외부보호판(4) 내의 통로(16)로 들어갈 때, 이 냉각공기(20)는 2개의 스트림(22, 24)으로 나뉘어진다. 제1 냉각공기 스트림(22)은 트레일링 에지 공급통로(34)를 통하여 플리넘(42)으로 방사상 내측으로 유동하고, 그렇게 하면서 에어포일(6)의 측벽(9, 11) 부분을 냉각시킨다.

제2 냉각공기 스트림(24)은 리딩에지 공급통로(32)를 통하여 방사상 내측으로 유동하여 에어포일(6)의 리딩에지(8) 부분을 냉각시킨다. 그 다음에 내부보호판(2) 내의 통로(17)는 냉각공기(24)를 통로(32)로부터 통로(34)로 향하게 하며, 여기에서 냉각공기는 플리넘(42)으로 방사상 외측으로(즉, 외부보호판(4)를 향하여) 유동한다. 플리넘(42)에서, 냉각공기 스트림(22, 24)은 합쳐지고 그 다음에 트레일링 에지 냉각구멍(38)에 의하여 다수의 작은 스트림으로 나뉘어진다. 도 2 및 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 이 플리넘은 에어포일(6)의 트레일링 에지(10)를 향하여 축선방향으로 연장됨에 따라 테이퍼진다. 그러한 테이퍼링은 냉각구멍(38) 사이의 균일한 유동분산을 위하여 필수적인 면적감소를 제공한다.

냉각공기(22, 24)의 결합된 유동의 일부분(28)은 플리넘(42)으로부터 구멍(38')을 통하여 매니폴드(54)로 방사상 외측으로(즉, 외부보호판(4)를 향하여) 유동하며, 이에 따라 플리넘(42) 상에 위치되는 트레일링 에지(10)에 인접한 에어포일(6)의 대략 상반부분의 활발한 냉각을 제공한다. 냉각공기(28)의 개별적인 스트림은 매니폴드(54)에서 모이고, 그 다음에 도 3에 도시된 바와 같이, 통로(58)에 의하여 개구부(46, 47)로 향하게 된다. 이 냉각공기(28)는 개구부(46, 47)로부터 방출통로(36)로 들어가, 도 1에 도시된 바와 같이, 방출파이프(14)로 방사상 외측으로 유동한다.

마찬가지로, 냉각공기(22, 24)의 결합된 유동의 일부분(26)은 플리넘(42)으로부터 구멍(38")을 통하여 매니폴드(56)로 방사상 내측으로 유동하며, 이에 따라 플리넘(42) 아래의 트레일링 에지(10)에 인접한 에어포일(6)의 대략 하반부분의 활발한 냉각을 제공한다. 냉각공기(26)의 개별적인 스트림은 매니폴드(56)에서 모이고, 그 다음에 외부보호판(4)에 관하여 상기 설명된 바와 같이, 내부보호판 통로에 의하여 개구부(44)로 향하게 된다. 이 냉각공기(26)는 개구부(44)로부터 방출통로(36)로 들어가 방출파이프(14)로 방사상 외측으로 유동하고, 그렇게 하면서 에어포일(6)의 측벽(9, 11)의 중간 코드 부분을 냉각시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 방출파이프(14)는 냉각공기(29)를 터빈으로 되돌아가 재순환시키기 위하여 냉각기로 향하게 한다.

본 발명은 전통적인 에어포일 냉각 설계를 능가하는 수많은 장점을 가지고 있다. 우선, 내부보호판로부터 외부보호판로 연장되어 있는 넓은 폭의 구멍에 비하여, 냉각공기 통로(38)의 길이가 사실상 절반으로 줄어들어, 예를 들어 공기 또는 스팀인 냉각제가 보호판에 도달될 때까지 과열될 기회가 줄어든다. 또한, 통로(38)를 통한 압력강하도 감소되어, 최소 직경의 구멍(38)의 사용을 허용하게 된다. 작은 직경의 구멍은 공기역학적인 장점을 가지는 얇은 트레일링 에지(10)의 사용을 허용한다. 또한 냉각구멍이 길게 놓여지지 않으므로 에어포일(6)은 제조하기 쉽게 된다.

본 발명이 가스터빈에서의 고정베인용 에어포일에 관하여 설명되었지만, 본 발명은 또한 다른 타입의 구성요소에도 적용될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 압축공기를 채용한 폐쇄루프 냉각시스템을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 또한 스팀과 같은 다른 타입의 냉각유체를 사용하는 시스템 뿐만 아니라 보다 전통적인 개방루프 시스템에도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특징으로부터 벗어남 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있으며, 따라서 상기된 명세서보다는 첨부된 청구항에 대하여 참조가 이루어진다.

Claims (17)

1. 터빈기계용 에어포일에 있어서,

   a) 리딩에지와 트레일링 에지,

   b) 제2끝으로부터 방사상외측으로 배치된 제1끝과 제2끝,

   c) 제1과 제2측벽,

   d) 상기 제1과 제2측벽사이에 형성되고 상기 에어포일을 향한 냉각유체의 유동을 수용하는 입구를 가지는 제1통로,

   e) 상기 측벽사이에 형성되고 상기 제1과 제2끝사이에 배치되고 상기 제1통로와 유체연통상태로 있는 플리넘,

   f) 상기 플리넘과 유체연통상태로 있고 상기 플리넘으로부터 상기 제1끝을 향하여 실질적으로 방사상방향으로 연장된 복수의 제2통로,

   g) 상기 플리넘과 유체연통상태로 있고 상기 플리넘으로부터 상기 제2끝을 향하여 실질적으로 방사상방향으로 연장된 복수의 제3통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플리넘은 상기 제1과 제2끝사이의 대략 중간에서 상기 트레일링 에지에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2와 제3통로는 상기 트레일링 에지에 인접하여 배치된 통로의 배열을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2통로로부터 방출된 냉각유체를 수집하기 위한 제1매니폴드를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각유체를 상기 에어포일로부터 방출하기 위한 출구와 상기 제1매니폴드에 의해서 수집된 상기 냉각유체를 상기 에어포일출구로 향하게 하는 수단을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 유체를 향하게 하는 수단은 상기 제1매니폴드와 유체연통상태로 제4통로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 끝중의 하나에 부착된 제1보호판을 더 포함하고 있으며, 상기 제4통로는 상기 제1보호판내에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제4통로는 방사상방향에 실질적으로 수직인 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 제1과 제2측벽사이에 형성된 제5통로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1과 제2측벽사이에서 연장되고 상기 제5통로를 상기 제1통로로부터 분리하는 리브를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 제4통로는 상기 제1 매니폴드를 상기 제5통로와 유체연통상태로 위치시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
12. 제 7 항에 있어서, a) 상기 제3통로로부터 방출된 냉각유체를 수집하기 위한 제2매니폴드 및 b) 상기 제2매니폴드에 의해서 수집된 상기 냉각유체를 상기 에어포일 출구로 향하게 하기 위한 제2냉각유체를 향하게 하는 수단을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제2냉각유체를 향하게 하는 수단은 상기 제2매니폴드와 유체연통상태로 제5통로를 포함하고 있으며, 상기 끝중의 다른하나에 부착된 제2보호판을 더 포함하고 있으며, 상기 제5통로는 상기 제2보호판내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 에어포일은 고정베인의 부분인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 에어포일.
15. 가스터빈 베인에 있어서,

    a) 리딩에지와 트레일링 에지,

    b) 제1과 제2측벽,

    c) 내부 및 외부보호판,

    d) 상기 제1과 제2측벽사이에 배치되고 상기 에어포일을 향한 냉각유체의 유동을 수용하는 입구를 가지는 공동부,

    e) 개구부가 플리넘과 상기 공동부사이에 형성되고, 상기 내부와 외부보호판사이의 대략 중간에서 상기 트레일링 에지와 상기 공동부사이에 배치된 플리넘,

    f) 상기 트레일링 에지에 인접한 배열내에 형성되며, 상기 플리넘으로부터 상기 외부보호판으로 실질적으로 방사상외측으로 연장된 복수의 제1통로

    g) 상기 트레일링 에지에 인접한 배열내에 형성되며, 상기 플리넘으로부터 상기 내부보호판으로 실질적으로 방사상내측으로 연장된 복수의 제2통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인.
16. 제 15항에 있어서, a) 상기 내부 및 외부보호판에 각각 형성된 제1 및 제2매니폴드, b) 상기 플리넘과 상기 제1매니폴드사이에서 연장된 상기 복수의 제1통로, 및 c) 상기 플리넘과 상기 제2매니폴드사이에서 연장된 상기 복수의 제2통로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인
17. 제 16 항에 있어서, a) 상기 냉각유체를 상기 베인으로부터 방출하기 위한 수단 및 b) 상기 냉각유체 방출수단과 유체연통상태로 상기 제1과 제2매니폴드를 각각 위치시키기 위한 제3 및 제4통로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인.