KR20000057094A - 가스 터빈 버킷용 내부 냉각 회로 - Google Patents

가스 터빈 버킷용 내부 냉각 회로 Download PDF

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Abstract

섕크 부분과 선단 및 후미 에지와 압력 및 흡입 측을 갖는 에어포일 부분과, 내부 냉각 회로를 구비하는 가스 터빈 버킷에 있어서, 상기 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 외측유동 통로와 다수의 반경방향 내측유동 통로를 포함하는 사형 형상이며, 냉매 유입 통로는 상기 반경방향 외측유동 통로와 상기 후미 에지를 따라 연통되며, 상기 제 1 반경방향 외측유동 통로는 제 1 반경방향 외측유동 통로의 중앙 영역에서 상기 압력 및 흡입 측의 팽창을 방지하기 위하여 상기 다수의 반경방향으로 연장되며 반경방향으로 배치되는 상기 압력 및 흡입 측을 연결하고 그 사이에 연장되는 길다란 리브 세그먼트를 구비한다.

Description

가스 터빈 버킷용 내부 냉각 회로{INTERNAL COOLING CIRCUIT FOR GAS TURBINE BUCKET}
본 발명은 가스 터빈에서 2단계 버킷용 내부 냉각 회로에 관한 것이다.
가스 터빈 기계에서 고출력 및 고효율을 달성하기 위해서 가스 통과 고온이 요구된다. 다양한 고온 합금으로 제조된 몇몇 열(단계)의 회전 블레이드 또는 버킷은 뜨거운 가스 경로로부터 에너지를 뽑아내는데 사용된다. 제 1 및 제 2 단계 버킷의 온도를 물질 설계 한도내에 유지하기 위하여 내부 냉각이 요구된다. 개선된 가스 터빈 엔진에서 예상되는 가스 경로의 고온에 대해서, 압축기 방출 공기의 사용과 관련된 사이클 효율이 높은 결점으로 인해 냉각 공기가 적합하지 않다. 증기는 그 열용량이 높고 증기 및 가스 터빈 모두를 포함하는 복합 사이클 장치에서 유용하므로 선택적인 냉각 매질로서 적합하다. 본 발명은 가스 터빈 엔진 내에서 2단계 버킷이며 증기 냉각되는 폐쇄 회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 2단계 버킷용 내부 냉각 회로는 버킷의 에어포일 부분내에 폐쇄 루프 사형 통로를 포함하며, 다수의 180°턴을 구비하고, 버킷의 반경방향 내측 더브테일 부분내에서 유입구 및 유출구 통로에 연결된다. 냉각 통로는 열을 버킷 벽으로부터 제거하면서 냉각 매질(바람직한 실시예에서는 증기임)을 버킷 주위로 향하게 한다. 사형 경로는 선택적인 반경방향 내측 및 외측 통로를 포함하며, 버킷의 하부로부터 팁으로 연장되고, 팁으로부터 하부로 되돌아가며 연장된다. 사형 경로내에서 터빈 치수, 온도 요구 등에 따라서 다수의 턴이 적용될 수도 있다.
버킷 벽으로부터 냉각 매질로의 열전달을 향상시키기 위하여 그리고 유동을 다른 방향의 도달하기 어려운 후미 에지 통로의 에이펙스내로 향하게 하기 위하여 터뷸레이터가 사용된다. 또한, 유동을 팁 후미 에지 코너 영역으로 향하게 하기 위하여 반경방향 외측 또는 팁 후미 에지 통로내에 턴 가이드 베인이 사용된다. 통로 종횡비는 외측유동 통로내에서 부력수(Buoyancy Numbers)를 최소화하도록 설계되어 회전에 따른 열전달 향상을 최대화한다. 적합한 종횡비 및 부력수의 문제는 공동 소유된 미국 특허 제 5,536,143 호에 개시되어 있다.
일실시예에서, 본 발명은 섕크 부분과 선단 및 후미 에지와 압력 및 흡입 측을 갖는 에어포일 부분과, 내부 냉각 회로를 구비하는 가스 터빈 버킷에 있어서, 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 외측유동 통로와 다수의 반경방향 내측유동 통로를 포함하는 사형 형상이며, 냉매 유입 통로는 반경방향 외측유동 통로와 후미 에지를 따라 연통되며, 제 1 반경방향 외측유동 통로는 제 1 반경방향 외측유동 통로의 중앙 영역에서 압력 및 흡입 측의 팽창을 방지하기 위하여 다수의 반경방향으로 연장되며 반경방향으로 배치되는 압력 및 흡입 측을 연결하고 그 사이에 연장되는 길다란 리브 세그먼트를 구비하는 가스 터빈 버킷을 제공한다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 섕크 부분과 선단 및 후미 에지와 압력 및 흡입 측을 갖는 에어포일 부분과, 내부 냉각 회로를 구비하는 가스 터빈 버킷에 있어서, 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 외측유동 통로와 다수의 반경방향 내측유동 통로를 포함하는 사형 형상이며, 냉매 유입 통로는 반경방향 외측유동 통로와 후미 에지를 따라 연통되며, 내부 냉각 회로는 선단 에지를 따라서 반경방향 내측유동 통로중 하나를 제외한 전체에서 냉매 유동방향으로 예각으로 연장되는 다수의 반경방향 외측유동 및 반경방향 내측유동 통로 각각내의 터뷸레이터 리브를 포함하는 가스 터빈 버킷을 제공한다.
터뷸레이터와 팁 턴 가이드 베인을 구비하는 폐쇄 회로 사형 설계의 이점은, 폐쇄 루프에서 증기가 증기 터빈의 최상 주기로부터 뽑혀나와 버킷을 냉각하는데 사용되고 증기 터빈의 최저 주기로 돌아가기 때문에, 종래의 공기 냉각 버킷에 대한 개선된 전체 터빈 주기 효율뿐만 아니라 고용량 냉각 매질, 즉 증기를 사용하여 버킷으로부터 증기로의 향상된 열전달을 포함한다. 이에 따라, 냉각에 압축 방출 공기가 사용된 후 뜨거운 가스 경로내로 배출되는 종래의 장치에 비해 전체 터빈 주기 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 제 2 단계 버킷의 평면도,
도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 절단한 단면도,
도 3은 도 2의 3-3 선을 따라 절단한 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 제 2 단계 버킷내의 냉각 통로의 대향하는 측벽상의 터뷸레이터를 도시하는 확대 상세도,
도 5는 본 발명에 따른 터뷸레이터 윤곽의 부분단면도,
도 6은 냉매 유입구 및 유출구를 도시하며, 도 1에 도시된 버킷의 하부 부분의 측면의 부분도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 2 단계 버킷 12 : 에어포일 부분
13 : 선단 에지 14 : 플랫폼 부분
15 : 후미 에지 16 : 섕크
17 : 압력 측 18 : 더브테일
19 : 흡입 측 20, 22 : 앵글 윙 밀봉재
26, 28 : 통로 27 : 제 1 반경방향 공급 통로
29 : 제 1 회귀 통로 30, 32, 34, 36, 38, 40 : 통로
41 : 팁캡 42, 44, 46, 48, 50: 내부 파티션
52, 54 : 터뷸레이터
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 제 2 단계 버킷(10)은 버킷의 섕크(16)를 연소 유동 경로내의 뜨거운 가스로부터 밀봉하는 플랫폼 부분(14)에 연결되는 에어포일 부분(12)을 포함한다. 섕크(16)는 종래의 더브테일(18)에 의해 로터 디스크에 결합된다. 앵글 윙 밀봉재(20, 22)는 휠 공간 공동을 밀봉한다. 도 6을 참고하면, 더브테일(18)은 버킷으로부터 축방향으로 배치되며 축방향으로 향하는 로터 통로(도시되지 않음)와 연통되는 통로(26, 28)를 거쳐 냉각 증기를 공급 및 제거하는 더브테일 아래의 연장부(24)를 포함한다. 에어포일 부분(12)은 선단 및 후미 에지(13, 15) 각각과 압력 측 및 흡입 측(17, 19)을 각각 구비한다.
도 2를 상세히 참고하면, 제 2 단계 버킷내의 내부 냉각 통로는 반경방향으로 연장되는 총 6개의 통로(30, 32, 34, 36, 38, 40)를 구비하는 폐쇄 사형 회로를 규정하며, 교번적인 반경방향 내측 및 반경방향 외측 통로는 버킷의 하부에서 제 1 반경방향 공급 통로(27)로부터 팁으로 연장되며, 180°회전하고, 팁으로부터 연장되어 제 1 회귀 통로(29)로 향하는 하부로 되돌아간다. 또한, 도 2는 에어포일 부분(12)의 반경방향 외측 단부를 밀봉하는 팁캡(41)을 도시한다.
도시된 실시예에는 3개의 반경방향 외측 팁턴과 2개의 내측 하부 턴이 존재하며, 3개(30, 34, 38)는 반경방향 외측 방향으로 그리고 3개(32, 36, 40)는 반경방향 내측으로 향하는 6개의 통로를 형성한다. 여러 통로는 5개의 반경방향으로 연장되는 리브 또는 내부 파티션(42, 44, 46, 48, 50)에 의해 분리되며 이들은 팁턴 및 하부 턴을 형성한다. 이러한 리브는 에어포일 부분, 즉 에어포일의 흡입 측으로부터 압력 측으로 연장된다. 도시된 바와 같이, 증기는 초기에 먼저 후미 에지 통로(30)를 통하여 상방으로 또는 반경방향 외측으로, 그 다음에 선단 에지 통로(40)를 통하여 반경방향 하방으로 또는 내측으로 유동한다. 버킷의 후미 에지가 전형적으로 냉각시키기 가장 어려운 영역이므로, 증기는 후미 에지 냉각 통로(30)에서 먼저 통로(26, 27)를 경유하여 유입된다.
버킷 벽으로부터 냉각 매질로 열전달을 향상시키기 위하여 통로(32, 33, 34, 35, 36, 37, 38)에서 터뷸레이터(52)가 사용된다. 이러한 터뷸레이터는 도 3 내지 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이 대향하는 벽으로부터 외측으로 연장된다. 터뷸레이터는 냉매 유동을 제한할 정도로 멀지는 않게, 그러나 버킷 벽으로부터 냉각 매질로 열전달을 향상시키기 위해서는 충분하게 냉각 통로내로만 연장된다. 바람직한 실시예의 장치에서, 터뷸레이터(52)는 유동의 방향에 대하여 45°의 각도로 배치된다. 터뷸레이터는 반경방향으로 엇갈리거나(즉, 어느 터뷸레이터도 서로 직접 대향하지는 않게) 필요한 경우에는 횡방향으로 정렬될 수도(즉, 서로 직접 대향되게) 있다.
통로(40)에서 터뷸레이터(54)는 나머지 통로내의 엇갈리며 겹치는 터뷸레이터(52)에 비하여 선단 에지 통로내에 우수한 열전달을 제공하면서 냉각 유동의 방향에 대하여 90°의 각도로 배치된다. 또한, 터뷸레이터(54)는 도 3에 잘 도시된 바와 같이 내측 선단 에지 벽을 둘러싼다. 버킷 또는 블레이드의 후미 에지를 따라서 연장되는 통로(30)는 종횡비가 크며, 버킷 벽의 팽창을 방지하기 위하여 대향하는 버킷 벽 사이로 연장되는 단편 리브(56)를 요구하며, 통로의 전반 부분으로부터 통로의 에이펙스 후미 에지내로 증기가 자유롭게 분배되는 것을 허용한다.
또한, 턴 가이드 베인(58)은 후미 에지 통로(30)의 반경방향 최외측 부분에 위치한다. 이러한 만곡된 가이드 베인은 필요한 냉매 유동을 후미 에지 팁 코너 영역내로 향하게 하기 위하여 한 조각의 냉각 매체를 통로(30, 32) 사이의 팁 턴 주위로 제공하도록 위치된다. 초승달 형상의 가이드 베인(58)은 유동 손실을 최소로 하면서 최상의 유동 분할을 제공한다는 사실이 밝혀졌다. 가이드 베인은 대향하는 버킷 벽 사이에서 완전히 연장된다. 이러한 가이드 베인(58)은 종래의 인베스트먼트 주조 공정에서 버킷의 내부 냉각 통로를 규정하는데 사용되는 세라믹 코어내에 포함되는 캐스트-인(cast in) 형태이다. 터뷸레이터 배치, 규격, 폭에 대한 높이의 비, 피치, 방향 및 코너 반경은 모두 버킷 벽으로부터 냉각 매질로 가장 효율적인 열전달을 하기 위하여 선택된다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직하다고 생각되는 실시예를 통해 설명되었지만, 개시된 실시예로만 한정되는 것은 아니며, 이와는 반대로 첨부된 청구범위의 정신과 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 동등한 장치를 포괄한다.
따라서, 본 발명의 가스 터빈 버킷용 내부 냉각 회로를 사용하면, 전체 터빈 주기 효율이 개선되며, 버킷으로부터 증기로의 열전달이 향상되어 전체 터빈 주기 효율이 향상된다.

Claims (13)

  1. 섕크 부분과 선단 및 후미 에지와 압력 및 흡입 측을 갖는 에어포일 부분과, 내부 냉각 회로를 구비하는 가스 터빈 버킷에 있어서, 상기 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 외측유동 통로와 다수의 반경방향 내측유동 통로를 포함하는 사형 형상이며, 냉매 유입 통로는 상기 반경방향 외측유동 통로와 상기 후미 에지를 따라 연통되며, 상기 제 1 반경방향 외측유동 통로는 제 1 반경방향 외측유동 통로의 중앙 영역에서 상기 압력 및 흡입 측의 팽창을 방지하기 위하여 상기 다수의 반경방향으로 연장되며 반경방향으로 배치되는 상기 압력 및 흡입 측을 연결하고 그 사이에 연장되는 길다란 리브 세그먼트를 구비하는
    가스 터빈 버킷.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 냉각 회로는 상기 다수의 반경방향 외측유동 및 반경방향 내측유동 통로 각각 내의 터뷸레이터 리브를 포함하는
    가스 터빈 버킷.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터 리브는 상기 반경방향 외측유동 및 반경방향 내측유동 통로중 하나를 제외한 전체에서 냉매 유동방향으로 예각으로 연장되는
    가스 터빈 버킷.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반경방향 외측유동 및 반경방향 내측유동 통로는 상기 선단 에지를 따라서 반경방향 내측유동 통로를 포함하는
    가스 터빈 버킷.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 선단 에지를 따르는 상기 반경방향 내측유동 통로내의 상기 터뷸레이터 리브는 상기 냉매 유동의 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는
    가스 터빈 버킷.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반경방향 외측유동 통로의 반경방향 외측 팁 부분내의 턴 베인을 더 포함하는
    가스 터빈 버킷.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 턴 베인은 상기 압력 및 흡입 측에 연결되고 그 사이에서 연장되는
    가스 터빈 버킷.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터는 상기 압력 및 흡입 측중 하나로부터 연장되며, 각 반경방향 외측유동 및 내측유동 통로내로 부분적으로만 연장되는
    가스 터빈 버킷.
  9. 섕크 부분과 선단 및 후미 에지와 압력 및 흡입 측을 갖는 에어포일 부분과, 내부 냉각 회로를 구비하는 가스 터빈 버킷에 있어서, 상기 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 외측유동 통로와 다수의 반경방향 내측유동 통로를 포함하는 사형 형상이며, 냉매 유입 통로는 상기 반경방향 외측유동 통로와 상기 후미 에지를 따라 연통되며, 상기 내부 냉각 회로는 상기 선단 에지를 따라서 반경방향 내측유동 통로중 하나를 제외한 전체에서 냉매 유동방향으로 예각으로 연장되는 상기 다수의 반경방향 외측유동 및 반경방향 내측유동 통로 각각 내의 터뷸레이터 리브를 포함하는
    가스 터빈 버킷.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 선단 에지를 따르는 상기 반경방향 내측유동 통로내의 상기 터뷸레이터 리브는 상기 냉매 유동의 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는
    가스 터빈 버킷.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 반경방향 외측유동 통로의 반경방향 외측 팁 부분내에 턴 베인을 더 포함하는
    가스 터빈 버킷.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 턴 베인은 상기 압력 및 흡입 측에 연결되며, 그 사이에서 연장되는
    가스 터빈 버킷.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터는 상기 압력 및 흡입 측중 하나로부터 연장되며, 각 반경방향 외측유동 및 내측유동 통로내로 부분적으로만 연장되는
    가스 터빈 버킷.
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