KR20000048211A - 냉각 가능한 가스 터빈 에어포일 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 냉각 가능한 에어포일은 내측 캐비티, 외측 벽, 다수의 제 1 냉각구 및 다수의 제 2 냉각구를 구비한다. 외측 벽은 흡입측 부분 및 압력측 부분을 포함한다. 외측 벽 부분은 전연과 후연 사이에서 폭방향으로, 그리고 내측 반경방향 표면과 외측 반경방향 표면 사이에서 길이방향으로 연장된다. 에어포일의 중앙 캠버선은 전연과 후연 사이에서, 압력측 벽 부분의 외측 표면과 흡입측 벽 부분의 외측 표면 사이에서 동일한 거리를 지나는 경로를 따라 연장된다. 후연에 인접한 외측 벽내에 배치된 제 1 냉각구는 흡입측 벽 부분내의 거리에서 연장되고 압력측 벽 부분을 통해 외측 벽을 벗어난다. 제 2 냉각구는 압력측 벽 부분을 통해 연장되고, 제 1 냉각구에 근접하며 그리고 그 상류쪽의 압력측 벽 부분을 벗어난다.

Description

냉각 가능한 가스 터빈 에어포일{TRAILING EDGE COOLING APPARATUS FOR A GAS TURBINE AIRFOIL}
본 발명은 일반적으로 중공 에어포일에 관한 것이며, 특히 후연 냉각 구멍 형상에 관한 것이다.
최근의 축방향의 가스 터빈 엔진에 있어서, 터빈 로터 블레이드 및 스테이터 베인은 광범위한 냉각을 필요로 한다. 전형적인 로터 블레이드 또는 스테이터 베인 에어포일은 압축기와 같이 냉각 공기 공급원에 연결되는 통로의 사형 장치를 포함한다. 압축기로부터 흐르는 공기는 터빈을 통과하는 코어 가스보다 압력은 더 높고 온도는 더 낮아서 적합한 냉매를 제공하며, 보다 높은 압력은 요소내의 통로를 통과하는 압축기 공기를 강제하고, 보다 낮은 온도는 열을 요소로부터 멀리 전달한다.
종래의 에어포일에 있어서, 냉각 공기는 예를 들면 전연의 양측을 따라서 배치되거나 또는 후연을 따라서 압력측 벽내에 배치된다. 대부분의 에어포일 구조에는 에어포일 전체 길이를 따라 분포되며, 압력측 벽의 외측 표면내의 일직선상에 밀집한 냉각 구멍을 포함한다. 밀집한 냉각 구멍 각각을 가로지르는 비교적 작은 압력의 감소는 공기역학적으로 바람직한 좁은 후연을 냉각시키고 보호하는 것을 돕는 구멍 후미의 구멍을 벗어나는 냉각 공기가 냉각 공기의 경계층(막 냉각)을 형성하는 것을 촉진시킨다.
종래의 압력측 후연 냉각 구조는 냉각 유동과 기계적 내구성 사이의 균형조절을 나타낸다. 에어포일의 좁은 단면은 후연에 인접한 내측 캐비티를 경유한 후연을 냉각시키기에 비실용적으로 된다. 캐비티 대신에 후연 상류쪽의 외측 벽의 압력측을 통과하는 발산되는 냉각 구멍으로 연장되는 것이 공지되어 있다. 종래의 냉각 구멍의 규격 및 수는 후연을 냉각시키는데 필요한 냉각 공기 유동을 반영한다. 그러나, 냉각 공기 구멍의 실용적인 규격 및 수는 에어포일 벽의 두께에 의해 한정된다. 발산된 냉각 공기 구멍이 너무 인접하여 배치되면, 에어포일 후연은 비정상적으로 얇고 따라서 기계적인 피로가 형성될 수 있다. 피로를 회피하기 위하여, 발산된 냉각 구멍은 전방으로 이동하여 이격되어 배치된다. 그러나, 막 냉각 효과는 막에 의해 이동하는 거리의 역과 관련이 있다.
냉각 기능이 향상되고 기계적 피로에 대한 내성이 향상된 후연 냉각 장치를 구비하는 에어포일이 필요하다.
본 발명의 목적은 그 후연을 따라서 향상된 냉각 기능을 갖춘 에어포일을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계적 피로에 대한 향상된 내성을 갖는 에어포일을 제공하는 것이다.
또다른 목적은 부분적으로는 명확할 것이며, 부분적으로는 이후에 더욱 상세히 지적될 수도 있을 것이다.
따라서, 상술한 그리고 관련된 목적은 내측 캐비티, 외측 벽, 다수의 제 1 냉각구 및 다수의 제 2 냉각구를 구비하는 냉각 가능한 에어포일내에서 확보된다. 외측 벽은 흡입측 부분 및 압력측 부분을 포함한다. 외측 벽 부분은 전연과 후연 사이에서 폭방향으로, 그리고 내측 반경방향 표면과 외측 반경방향 표면 사이에서 길이방향으로 연장된다. 에어포일의 중앙 캠버선은 전연과 후연 사이에서, 압력측 벽 부분의 외측 표면과 흡입측 벽 부분의 외측 표면 사이에서 동일한 거리를 지나는 경로를 따라 연장된다. 후연에 인접한 외측 벽내에 배치된 제 1 냉각구는 흡입측 벽 부분내의 거리에서 연장되고 압력측 벽 부분을 통해 외측 벽을 벗어난다. 제 2 냉각구는 압력측 벽 부분을 통해 연장되고, 제 1 냉각구에 근접하며 그리고 그 상류쪽의 압력측 벽 부분을 벗어난다.
본 발명의 한가지 이점은 후연을 따라 냉각 기능이 향상된다는 것이다. 종래의 냉각 구조는 전형적으로 에어포일의 압력측으로 지지되는 발산된 구멍을 경유한 후연 냉각을 제공하는 것이다. 종래의 구조에서는 발산된 냉각 구멍에 인접한 흡입측 벽이 균일한 두께를 갖기 때문에, 냉각 구멍은 후연으로부터 소정 거리 떨어진 압력측 벽 사이에서 나타난다. 종래의 각 구멍의 발산된 형상은 후미가 연장되어 압력측 벽 부분을 따르는 냉각 공기의 경계층을 형성하도록 냉각 구멍을 벗어나는 냉각 공기를 제공한다. 냉각 구멍과 후연 사이의 거리는 전형적으로 충분히 커서, 후연 영역은 냉각 구멍을 통해 이동하는 냉각 공기로부터의 대류 냉각에 의해 그다지 많이 영향받지 않는다. 후연은 경계 층 냉각의 효율에 의존한다. 상술한 종래의 후연 냉각 형상과 관련된 2번째 문제는 냉각 구멍에 인접한 흡입측 벽의 두께는 흡입측 벽 부분내의 대류 냉각의 효과를 최소화한다. 이것은 냉각 구멍의 후미 영역에서 특히 그러하다. 본 발명에서, 제 1 냉각구는 흡입측 벽쪽으로 지지된다. 제 1 냉각구의 최종 위치는 일반적으로 종래의 에어포일보다 얇은 흡입측 벽 부분과, 종래의 에어포일보다 후연쪽으로 더 가까운 압력측 벽 부분내의 벗어나는 위치를 제공한다. 따라서, 제 1 냉각구는 보다 나은 후연 냉각과, 흡입측 벽 부분 내에 보다 나은 대류 냉각을 제공한다. 또한, 제 1 냉각구의 흡입측 벽 부분쪽으로의 전환은 압력측 벽내에 보다 많은 벽 물질을 남긴다. 이러한 추가적인 물질은 제 1 냉각구의 상류쪽의 그리고 근접하는 압력측 벽 부분내에 제 2 냉각구의 한 열을 위치시키는 것을 가능하게 한다. 제 2 냉각구의 열은 제 1 및 제 2 냉각구의 열 사이에 경계 층 냉각을 제공한다. 또한, 제 2 냉각구의 열의 후미에서 이동하는 냉각 공기는 후연을 따라 냉각을 증대시킨다.
본 발명의 또다른 이점은 종래의 후연 냉각 구조와 관련된 응력 발생이 회피되며, 따라서 기계적인 피로가 생길 가능성이 최소화된다는 것이다. 종래의 후연 냉각 구조에서, 전형적으로 냉각 구멍은 후연쪽으로 후미로 연장되는 발산기와 연결된다. 발산기는 좁은 후연내에서 벽 물질의 양을 감소시키며, 따라서 기계적인 피로의 가능성을 증대시킨다.
본 발명의 이러한 그리고 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가장 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 명확해질 것이다.
도 1은 로터 블레이드의 개략도,
도 2는 에어포일의 단면도,
도 3은 본 발명의 후연 냉각 형상의 확대도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 에어포일 12 : 외측 벽
14 : 압력측 부분 16 : 흡입측 부분
18 : 내측 캐비티 20 : 제 1 냉각구
22 : 제 2 냉각구 24 : 폭방향
26 : 전연 28 : 후연
32 : 플랫폼 34 : 외측 반경방향 표면
36 : 루트 38 : 냉각 공기 입구
40 : 익현선 42 : 중앙 캠버선
44, 46 : 외측 표면 48 : 중심선
50 : 후미 부분 52 : 열의 영역
도시를 위하여 본 발명의 특정한 형태가 선택되고, 본 발명의 이러한 형태들을 설명하기 위하여 특정한 방식으로 후술하지만, 이러한 설명은 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니며 첨부된 청구 범위에 의해서 규정된다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 가스 터빈 엔진용의 냉각 가능한 에어포일(10)은 압력측 부분(14) 및 흡입측 부분(16)을 구비하는 외측 벽(12)과, 압력측과 흡입측 부분(14, 16)의 사이에 배치된 내측 캐비티(18)와, 다수의 제 1 냉각구(20) 및 다수의 제 2 냉각구(22)를 포함한다. 내측 캐비티(18)는 냉각 공기 공급원에 연결된다. 압력측 및 흡입측 부분(14, 16)은 전연(26)과 후연(28) 사이의 폭방향(24)으로 그리고, 내측 반경방향 플랫폼(32)과 외측 반경방향 표면(34) 사이의 길이방향으로 연장된다. 도 1에 예시된 에어포일(10)은 냉각 공기 입구(38)를 갖는 루트(36)를 구비한 로터 블레이드의 일부이다. 또한, 스테이터 베인의 역할을 하는 에어포일(10)도 본 발명의 실시예가 될 수 있다. 도 2는 사행 방식으로 서로 연결된 다수의 내측 캐비티(18)를 구비하는 본 발명의 에어포일(10)(스테이터 베인 또는 로터 블레이드)의 실시예의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 에어포일(10)은 익현선(40)과 중앙 캠버선(42)의 방식으로 표현될 수도 있다. 익현선(40)은 전연(26)과 후연(28) 사이로 연장된다. 중앙 캠버선(42)은 전연(26)과 후연(28) 사이에서, 압력측 벽 부분(14)의 외측 표면(44)과 흡입측 벽 부분(16)의 외측 표면(46)사이에서 동일한 거리를 지나는 경로를 따라 연장된다. 에어포일(10)이 익현선(40)을 중심으로 대칭이면, 익현선(40)과 중앙 캠버선(42)은 일치한다. 에어포일(10)이 익현선(40)을 중심으로 대칭이 아니면(도 2에 도시된 바와 같이), 중앙 캠버선(42)은 전연(26)과 후연(28)에서 익현선(40)과 교차하고 그 사이에서 벗어난다.
도 3을 참고하면, 다수의 제 1 냉각구(20)는 후연(28)에 인접한 외측 벽(12)내에 배치된다. 상세하게, 각 제 1 냉각구(20)의 중심선(48)은 중앙 캠버선(42)의 흡입측에 제 1 냉각구(20)의 길이의 일부에, 바람직하게 그 길이의 절반 이상만큼 배치된다. 각 제 1 냉각구(20)의 후미 부분(50)은 중앙 캠버선(42) 위쪽으로 그리고 압력측 벽 부분(14)내로 연장된 후에 압력측 벽 부분(14)을 벗어난다. 다수의 제 2 냉각구(22)는 압력측 벽 부분(14)을 통과하여 연장되며, 제 1 냉각구(20)에 근접하며, 그 상류쪽의 압력측 벽 부분(14)을 벗어난다. 몇몇 실시예에서, 제 1 및 제 2 냉각구(20, 22)는 내측 캐비티(18) 후미에 서로 인접하며 연장된다.
에어포일(10)의 작동중에, 에어포일(10) 외부를 통과하는 코어 가스 유동보다 압력은 더 높고 온도는 더 낮은 내측 캐비티(18)내의 냉각 공기는 제 1 및 제 2 냉각구(20, 22)내로 들어간다. 제 1 냉각구(20)내로 들어가는 냉각 공기는 후연(28)에 인접한 흡입측 벽 부분(16)을 대류를 통해 냉각시킨다. 흡입측 벽 부분(16)의 대류 냉각은 제 1 냉각구(20)가 흡입측 벽 부분(16)쪽으로 지지되므로(따라서, 벽의 두께가 얇아진다.) 종래의 후연 냉각 구조에 비해 향상되며, 종래의 후연 냉각 구조는 압력측 벽 부분(14)(도시되지 않음) 쪽으로 지지된다.
제 1 냉각구(20)를 흡입측 벽 부분(16)쪽으로 지지시키면 종래의 후연 냉각 구조 내의 압력측 벽 부분(14)내의 벽 물질에 대한 압력측 벽 부분(14)의 물질이 증대된다. 따라서, 압력측 벽 부분(14)을 떠나는 제 1 냉각구(20)의 열에 가까이 근접하는 그리고 상류의 제 2 냉각구(22)의 열을 위치시키는 것이 가능하다. 제 2 냉각구(22)를 통과하는 냉각 공기는 제 2 냉각구(22)를 둘러싸는 압력측 벽 부분(14)을 대류를 통해 냉각시킨다. 제 2 냉각구(22)를 벗어나는 냉각 공기는 제 2 냉각구(22) 후미를 냉각시키는 막을 제 1 및 제 2 냉각구(20, 22)의 열의 영역(52)내에 확립한다. 제 1 및 제 2 냉각구(20, 22)의 조합은 후연(28)에 인접한 압력측 및 흡입측 벽 부분(14, 16)내의 냉각도를 증가시키며, 따라서 혹독한 열적 환경을 견디는 능력이 증가된다. 또한, 제 1 냉각구 및 제 2 냉각구(20, 22)의 조합은 막 냉각 효율 문제와 후연(28)에 수반되는 열적 피로를 회피한다. 제 1 냉각구(20)를 후연(28)에 근접하게 위치시키는 것과 제 2 냉각구(22)를 경유하여 제공되는 상류쪽의 냉각 증대는 종래의 냉각 구조에 비하여 향상된 냉각을 제공한다.
본 기술분야에 숙련된 이들에게는 자명한 바와 같이, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 상술한 구조의 다양한 변형과 적용이 가능함이 명백하다.
본 발명에 따른 냉각 가능한 가스 터빈 에어포일을 사용하면 그 후연을 따라서 향상된 냉각 기능을 갖춘 에어포일과, 기계적 피로에 대한 향상된 내성을 갖는 에어포일을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 익현선과 중앙 캠버선을 구비하는 냉각 가능한 에어포일에 있어서,
    내측 캐비티와,
    압력측 부분 및 흡입측 부분을 구비하는 외측 벽으로서, 상기 부분은 전연과 후연 사이의 폭방향으로 그리고 내측 반경방향 표면과 외측 반경방향 표면 사이의 길이방향으로 연장되는, 상기 외측 벽과,
    상기 후연에 인접한 상기 외측 벽내에 배치되고, 상기 흡입측 벽내에서 일정한 거리만큼 연장되고 상기 압력측 벽을 통해서 상기 외측 벽을 벗어나는 다수의 제 1 냉각구와,
    상기 압력측 부분을 통해 연장되고 상기 제 1 냉각구의 상류쪽에 그리고 근접하여 있는 상기 압력측 부분을 벗어나는 다수의 제 2 냉각구를 포함하는
    냉각 가능한 에어포일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어포일은 캠버형인
    냉각 가능한 에어포일.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 제 1 냉각구는 상기 흡입측 벽 부분내에서 적어도 그 길이의 절반의 거리만큼 연장되는
    냉각 가능한 에어포일.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각구는 발산되며, 상기 제 2 냉각구를 벗어나는 냉각 공기는 상기 제 1 및 제 2 냉각구 사이에 냉각막을 확립하는
    냉각 가능한 에어포일.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 제 2 냉각구의 일부는 상기 제 1 냉각구에 인접한 상기 외측 벽내에서 연장되는
    냉각 가능한 에어포일.
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