KR20010041915A - 냉각공기 조절장치를 갖춘 터빈블레이드 조립체 - Google Patents

냉각공기 조절장치를 갖춘 터빈블레이드 조립체 Download PDF

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KR20010041915A
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Abstract

에어포일부분(3), 루트 부분 및 냉각공기 플리넘튜브(10)를 포함하는 터빈블레이드 조립체(2). 냉각공기 유동통로(15)는 블레이드의 루트 및 에어포일부분에성되며 루트의 바닥에 형성된 제 1 및 제 2 입구(70)와 출구(72)를 가지고 있다. 플리넘튜브는 냉각공기(60)의 유동을 수용하기 위한 제 1 공급포트(25)를 형성하는 개방 전방 단부를 가지고 있다. 튜브 상부 부분에서의 개구는 제 1 및 제 2 배출포트(26,30)와 제 2공급포트(28)를 형성한다. 튜브의 개방 후방 단부(31)는 제 3 배출포트를 형성한다. 플리넘튜브내의 배플조립체(11)는 제 1, 제 2 및 제 3 챔버(40,42,44)와 제 1 및 제 2 경로(46,48)를 형성한다. 제 1 챔버는 제 1 공급포트로부터 냉각공기를 수용하고 제 1 부분(62)을 제 1 배출포트로 향하게 하며, 그 다음에 냉각공기 유동통로의 제 1 입구로 향하게 한다. 제 1 챔버는 냉각공기의 제 2 부분(64)을 제 1 통로로 향하게 하고, 차례로 이것을 제 3 챔버로 향하게 한다. 제 3 챔버로부터 냉각공기의 제 2 부분은 제 2 배출포트로 향하게 되고, 그 다음에 냉각공기 유동통로의 제 2 입구로 향하게 한다. 제 2 챔버는 제 2 공급포트를 통해서 냉각 유동통로 출구로부터 냉각공기(66)를 수용하고 냉각공기를 제 2 통로로 향하게 한다. 그 다음에 제 2 경로는 냉각공기를 제 3 배출포트로 향하게 하고, 제 3 포트는 냉각공기를 터빈블레이드로부터 멀어지게 바람직하게는 냉각공기시스템으로 복귀하도록 향하게 한다.

Description

냉각공기 조절장치를 갖춘 터빈블레이드 조립체{TURBINE BLADE ASSEMBLY WITH COOLING AIR HANDLING DEVICE}
가스터빈의 터빈섹션은 블레이드가 부착되는 일련의 디스크로 이루어진 로터를 포함하고 있다. 연소섹션으로부터의 고온가스는 블레이드를 거쳐 유동하여, 로터샤프트에 회전동력을 준다. 가스터빈으로부터 최대출력을 제공하기 위해, 가능한 한 높은 가스온도로 작동시키는 것이 바람직하다. 하지만, 고온가스온도에서의 작동은 블레이드를 냉각시킬 것을 요한다. 이는 블레이드가 형성되어지는 재료의 강도가 그것의 온도가 증가함에 따라 저하되기 때문이다.
전형적으로, 터빈블레이드는 냉각공기를 블레이드를 통해 유동시킴으로써 냉각되어진다. 일반적으로, 냉각공기는 압축기섹션으로부터의 공기배출에 의해 뽑아내어져, 연소공정을 우회 통과하여 터빈로터로 안내된다. 로터는 냉각공기를 블레이드의 루트로 안내한다. 블레이드 루트로부터, 공기는 블레이드의 에어포일부분내에 형성된 다수의 냉각경로를 통해 유동하도록 방향 설정된다. 이들 경로는 일반적으로 팁과 리딩 및 트레일링에지와 같은, 블레이드의 표면에 형성된 개구에서 끝난다. 따라서, 냉각 이후에, 소모된 냉각공기는 터빈섹션을 통하여 유동하는 고온가스에 배출되어 터빈배기가스로 배출된다. 이와 같은 터빈블레이드 냉각설계안이 미국특허 제 5,117,626호(North 등에 허여되어짐)에 개시되어 있으며, 그 전문이 여기에 참고되어진다. 이러한 접근법에서는, 블레이드의 루트부분에 형성된 다수의 냉각경로입구로 냉각공기를 적절하게 분배하는 것은 대개는 어렵다.
게다가, 최근에는 소모된 냉각공기가 연소공정을 돕기 위해 압축기 배출공기에 복귀되거나 연소기내로 직접 복귀되는 폐쇄루프 냉각시스템을 개발하는 것을 목표로 노력이 경주되고 있다. 변경적으로, 폐쇄루프 냉각시스템은 소모된 냉각공기가 냉각되어져 추가적인 냉각을 위해 터빈로터로 복귀되는 방식으로 사용되어질 수 있다. 불행하게도, 이와 같은 폐쇄루프 냉각공기 시스템은 공기조절의 문제점을 더 악화시키는데, 왜냐하면 공급되는 냉각공기가 냉각경로에 분배되어져야 할뿐만 아니라 배출된 냉각공기 또한 시스템으로의 복귀를 위해 냉각공기경로로부터 모아져야만 하기 때문이다. 이런 추가적인 공기조절의 문제점은 블레이드 내부의 냉각경로의 기하형상을 더 복잡하게 만들 수 있다.
그러므로 터빈블레이드의 냉각공기경로에 냉각공기를 분배함과 동시에 폐쇄루프시스템에서 냉각경로로부터 소모된 냉각공기를 모으기 위한 장치를 제공하는 것이 요망된다.
본 발명은 가스터빈과 같은 터보머신에 사용하는 회전 블레이드에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 블레이드 냉각공기경로를 향해 냉각공기를 방향설정하기 위한 조절장치를 가진 가스터빈 회전 블레이드에 관한 것이다.
도 1은 터빈로터내에 설치된 것으로서 본 발명의 냉각공기 조절튜브와 함께 사용되고 있는 터빈블레이드를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 터빈블레이드를 통하여 취해져 일부가 개략적으로 도시된 종단면도,
도 3은 도 1에 도시된 냉각공기 조절장치의 등축도,
도 4는 도 3에 도시된 냉각공기 조절장치의 평면도,
도 5는 도 4에 도시된 섹션 V-V를 통해 취해진 횡단면도,
도 6은 도 4에 도시된 섹션 VI-VI를 통해 취해진 횡단면도,
도 7은 도 4에 도시된 섹션 VII-VII를 통해 취해진 횡단면도,
도 8은 보다 분명하게 나타내기 위해 커버가 제거된 상태로 도 7에 도시된 섹션VIII-VIII를 통해 취해진 도 3과 유사한 방식의 등축도.
따라서, 본 발명의 궁극적인 목적은 터빈블레이드의 냉각공기통로에 냉각공기를 분배함과 동시에 폐쇄루프시스템에서 냉각경로로부터 소모된 냉각공기를 모으기 위한 장치를 제공하는 것이다.
간략하게, 이 목적은 본 발명의 다른 목적들과 마찬가지로 루트부분, 에어포일부분 및 냉각유체 조절장치를 포함하고 있는 터빈블레이드 조립체에서 성취된다. 냉각유체 유동통로는 루트부분내에 형성되며, 제 1 입구 및 출구를 가지고 있다. 냉각유체 조절장치는 냉각유체의 유동을 수용하기 위한 제 1 공급포트 및 제 1 배출포트를 포함하고 있다. 제 1 배출포트는 냉각유체 유동통로의 제 1 입구와 유동연통되어 있어, 제 1 배출포트는 냉각유체 유동의 적어도 제 1 부분을 냉각유체 유동통로의 제 1 입구내로 배출시킨다. 냉각유체 조절장치는 또한 제 2 공급포트를 포함하고 있다. 제 2 공급포트는 냉각유체 유동통로의 출구와 유동연통되어 있어, 제 2 공급포트는 냉각유체 유동통로의 제 1 입구내로 배출된 냉각유체 유동의 적어도 일부분을 수용한다.
하나의 실시예에서, 냉각유체 유동경로는 제 2 입구를 더 포함하고 있고, 유체조절장치는 제 2 배출포트를 더 포함하고 있다. 제 2 배출포트는 제 2 유동입구와 유동연통되어 있어, 제 2 배출포트는 냉각유체 유동의 제 2 부분을 냉각유체 유동통로의 제 2 입구내로 배출시킨다.
또 다른 실시예에서, 냉각유체 조절장치는 또한 제 2 공급포트와 유동연통인 제 3 배출포트를 더 포함하고 있어, 제 2 공급포트에 의해 수용된 냉각유체는 터빈블레이드로부터 떨어져 안내되어질 수 있다.
이들 도면을 참조하여 보면, 도 1에는 로터(6)내에 설치된 본 발명에 따른 터빈블레이드 조립체가 도시되어 있다. 이 터빈블레이드 조립체는 터빈블레이드 (2)와 냉각공기 조절장치(10)로 이루어 졌다. 종래, 터빈블레이드(2)는 에어포일부분(3)과 루트부분(4)으로 이루어 졌다. 에어포일부분(3)은 루트(4)에 인접한 베이스부분과 그 말단부에 있는 팁부분을 가지고 있다. 에어포일(3)의 팁부분은 블레이드(2)의 한쪽 끝을 형성하고 있고 루트부분(4)은 블레이드의 다른 쪽 끝을 형성하고 있다. 블레이드(2)의 에어포일부분(3)은 에어포일의 압력표면을 형성하는 일반적으로 오목형상의 벽과 에어포일의 흡입표면을 형성하는 일반적으로 볼록 형상의 벽으로 형성되어 있다. 그 상류 및 하류 끝에서 벽은 합치되고 에어포일(3)의 리딩 및 트레일링에지(12,13)를 각각 형성하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 에어포일(3)은 내부가 냉각공기유동통로를 형성하는 상태로 실질적으로 중공으로 되어 있다. 냉각공기통로는 경로(22)에 합체되고 블레이드 루트(4)의 바닥에 형성된 단일출구(72)내에서 종결하는 제 1 및 제 2 부분을 포함하고 있다. 냉각공기 유동통로의 제 1 부분은 트레일링에지(13)에 인접한 블레이드의 부분 내에 형성된 복수의 방사상으로 뻗어있는 경로(14)에 의해서 형성되어 있다. 각각의 방사상 경로(14)는 블레이드루트(4)의 바닥에 형성된 개구부를 가지고 있다. 이들 개구부는 냉각공기 유동통로의 제 1 부분용 입구를 형성하고 있다. 방사상 경로(14)는 루트(4)와 에어포일(3)을 통하여 뻗어있고 블레이드 팁에 인접하여 위치된 개구부에서 종결된다.
냉각공기 유동통로의 제 2 부분은 S자형의 경로(15)에 의해서 형성되어 있다. S자형의 경로(15)는 루트(4)의 바닥에 위치된 입구(70)를 가지고 있다. 방사상경로(16-22)는 입구(70)를 출구(72)에 연결되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 냉각공기가 에어포일(3)로 나가고 고온의 공기가 블레이드(2)위로 흐르도록 하는 에어포일표면내에 냉각공기출구가 없다. 그 결과, 블레이드(2)로 공급되는 냉각공기의 모두는 블레이드루트(4)내에 형성된 냉각유동통로출구(72)를 통하여 배출된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드루트(4)는 종래와 같이 홈(8)내에 형성된 톱니부와 맞물림하는 루트내에 형성된 톱니부에 의해서 로터(6)내의 홈(8)에 체결된다. 하지만, 본 발명에 따라, 길다란 냉각공기 조절장치 또는 플리넘튜브는 루트의 바닥과 홈(8)의 바닥사이에서 루트(4)아래에 배치된다. 바람직하게, 플리넘튜브(10)는 블레이드루트(2)의 바닥표면에서 용접 또는 경납땜된다. 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 플리넘튜브(10)는 커버(24)에 의해서 둘러싸인 대략 U형상 채널(34)을 포함하고 있다. 길이방향으로 뻗어있는 핀(32)은 튜브와 블레이드루트(4) 사이의 접합이 파괴된 경우에 플리넘튜브(10)가 로터홈(8) 내에 적당하게 위치될 수 있는 것을 보장할 수 있다.
도 3 및 도 8에 도시된 바와 같이, 플리넘튜브(10)의 전방 및 후방 끝이 개방되어 있다. 개방된 전방 끝은 튜브(10)용 제 1 공급포트(25)를 형성하고 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 개구부는 커버(24)내에 형성되어 있다. 제 1 및 제 3 개구부는 제 1 및 제 2 배출포트(26,30)를 각각 형성하고 있다. 튜브(10)의 후방에 있는 개방된 끝은 제 3 배출포트(31)를 형성하고 있다. 커버(24)내의 제 2 개구부는 제 2 공급포트(28)를 형성하고 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 배플조립체(11)는 플리넘튜브(10)의 내부 내에 위치되어 있다. 바람직하게, 배플조립체(11)는 플리넘튜브(10)의 대략 3분의 2 길이만큼 뻗어있다. 배플조립체는 벽(50 내지 56)을 포함하고 있다. 벽(52)은 수직으로 위치되어 있고 플리넘튜브(10)의 중심을 따라 길이방향으로 뻗어있다. 또한 벽(50,58)은 수직으로 위치되어 있지만 배플조립체(11)의 전방 및 후방 각각에서 횡단으로 뻗어있다. 벽(50,58)은 플리넘튜브(10)의 내부의 단면적의 일부분을 차단하며 이에 따라 벽(52)이 길이방향으로 뻗어있는 경로(46,48)를 형성하도록 한다. 벽(54,56)은 경사져 있고 낮은 벽(52)의 상부에지로부터 커버(24)까지 뻗어있다. 벽(54,56)은 도 6 및 도 7에 잘 도시된 바와 같이 대향횡단방향으로 경사져 있다. 벽(55)은 배플조립체(11)의 길이를 따라 대략 중간에서 벽(54,56)에 연결된다.
이러한 기하학적 결과로서, 배플조립체(11)는, 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 플리넘튜브(10)의 내부를 제 1, 제 2 및 제 3 플리넘챔버(40,42,44)와 제 1 및 제 2 길이방향으로 뻗어있는 경로(46,48)로 분할된다. 제 1 경로(46)는 제 2 챔버(42)측을 따라 위치되고 제 1 및 제 3 챔버(40,44)와 각각 연결된다. 제 2 경로(48)는 제 3 챔버측을 따라 위치되고 제 2 챔버를 제 3 배출포트(31)에 연결한다.
바람직하게, 플리넘튜브(10)는 금속합금으로부터 기계가공 또는 주조된다. 하지만, 이 플리넘튜브는 세라믹 재료로부터 형성될 수 있다.
작동에 있어서, 회전자(60)에 공급된 냉각공기(60)는 플리넘튜브(10)의 전방 단부에 형성된 공급포트)로 향하게 되고, 그 후에 제 1 챔버(40)로 들어간다. 도 2 와 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각공기(60)의 제 1 부분(62)은 커버(24)에 형성된 제 1 배출포트(26)를 통해서 제 1 챔버(40)를 빠져나가고 냉각공기 유동통로의 방사상의 경로(14)로 들어간다. 따라서, 제 1 챔버(40)는 제 1 냉각공기 부분(62)을 각각의 방사상의 경로(14)의 개구로 분배하는 매니폴드로 작용한다.
냉각공기(60)의 제 2 부분(64)은 제 1 챔버를 통해서 경로(46)로 유동하고, 이것은 냉각공기를 제 3 챔버(44)로 향하게 한다. 제 3 챔버(44)로부터, 제 2 냉각공기 부분(64)은 제 2 배출포트(30)를 통해서 빠져나가서 꾸불꾸불한 경로(15)의 입구(70)로 들어간다. 그 다음에 제 2 냉각공기 부분(64)은 꾸불꾸불한 경로(15)의 경로(16,18,20)를 통해서 경로(22)로 유동한다. 경로(22)에서, 제 2 냉각공기 부분(64)은 방사상의 경로(14)를 빠져나온 제 1 냉각공기 부분(62)과 결합한다. 결합된 냉각공기(66)는 경로(22)를 통해서 냉각공기 유동경로 출구(72)로 유동한다.
냉각 유동경로 출구(72)로부터, 냉각공기(66)는 제 2 공급포트(28)를 통해서 플리플리넘튜브)로 다시 들어가고 제 2 챔버(42)안으로 유동한다. 그 다음에 경로(48)는 냉각공기(66)를 제 2 챔버(42)로부터 플리넘튜브 제 3 배출포트(31)로 향하게 하고, 제 3 배출포트는 냉각시스템으로 복귀하도록 냉각공기를 터빈블레이드(2)로부터 멀어지게 인도한다.
블레이드에 형성된 다양한 냉각공기경로로 냉각공기(60)를 분배하고 그 다음에 냉각공기경로로부터 사용된 냉각공기를 모으고 블레이드로부터 멀어지게 함으로써, 바람직한 실시예에서 설명한 바와 같이 특히 플리넘튜브가 폐쇄 루프 냉각공기 설계에 사용될 때, 플리넘튜브(10)는 냉각공기의 조절을 상당히 간단하게 한다. 더욱이, 커버(24)의 개구(26-30)의 크기를 조정함에 따라서, 다양한 경로에서 냉각공기의 유동율이 정확하게 측정될 수 있다. 비록 바람직한 실시예에서 배출 포트(26,30)와 공급포트(28)는 커버(24)내의 개구에 의해 형성되었지만, 배출포트(26,30)가 각각의 챔버(40,44)의 개방 정상부에 의해 형성되고 공급포트(28)는 챔버(42)의 개방 정상부에 의해 형성되는 경우에 커버는 불필요하게 된다는 것을 유의해야 한다.
비록 본 발명이 터빈블레이드를 위한 폐쇄 루프 냉각공기시스템에 대하여 설명되었지만, 본 발명은 또한 공기 외의 다른 냉각유체를 사용하는 냉각시스템은 물론 개방 루프식 냉각공기시스템에 적용 가능하다. 따라서, 본 발명의 정신 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 특정 형태에서 실시될 수 있으며, 따라서 발명의 기술분야에 나타난 바와 같이 조회는 앞의 명세서가 아니라 첨부된 청구항에 대하여 행하여야 한다.
본 발명은 블레이드 냉각공기경로를 향해 냉각공기를 방향설정하기 위한 조절장치를 가진 가스터빈 회전 블레이드에 관한 것으로서, 터빈블레이드의 냉각공기통로에 냉각공기를 분배함과 동시에 폐쇄루프시스템에서 냉각경로로부터 소모된 냉각공기를 모으기 위한 장치를 제공하는 것이다.

Claims (11)

  1. a) 루트부분(4) 및 에어포일부분(3), 제 1 입구 및 출구(72)를 가지고서 적어도 상기 루트부분에 형성된 냉각유체 유동통로(14, 15); 그리고
    b) (ⅰ) 냉각유체(60)의 유동을 수용하기 위한 제 1 공급포트(25);
    (ⅱ) 상기 냉각유체 유동통로 제 1 입구와 유동연통되어서 상기 냉각유체의 유동의 적어도 제 1 부분을 상기 냉각유체 유동통로 제 1 입구로 배출하는 제 1 배출포트(26); 및
    (ⅲ) 상기 냉각유체 유동통로 출구와 유동연통되어서 상기 냉각유체 유동통로 제 1 입구로 배출된 상기 냉각유체의 유동의 적어도 일부분을 수용하는 제 2 공급포트(28)를 가지고서 상기 루트부분에 인접하여 배치된 냉각유체 조절장치(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체(2).
  2. 제 1 항에 있어서,
    a) 상기 냉각유체 유동통로는 제 2 입구(70)를 더 포함하고; 그리고
    b) 상기 유체조절장치는 상기 제 2 입구와 유동연통되어서 상기 냉각유체의 유동의 제 2 부분(64)을 상기 냉각유체 유동통로 제 2 입구로 배출하는 제 2배출포트(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유체유동 통로입구 양자는 상기 유체유동 통로출구(72)와 유동연통되어서 상기 유체조절장치 제 2 입구포트(28)가 상기 냉각유체의 유동의 상기 제 1(62) 및 제 2 부분(64)을 수용하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각유체 유동통로는 상기 루트(4)로부터 상기 에어포일(2)로 방사상 외향으로 뻗어있는 복수의 경로(14)를 포함하고 있고, 상기 경로의 각각은 상기 루트(4)에 형성된 개구를 갖추고 있고, 그리고 상기 제 1 냉각유체 유동통로 입구는 상기 경로 개구를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유체조절장치(10)는 제 1 챔버(40)를 갖추고 있고, 상기 제 1 챔버는 상기 경로 개구의 각각에 대해 상기 냉각유체의 유동의 상기 제 1 부분(62)을 분배시키기 위한 매니폴드를 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유체조절장치는 본질적으로 튜브형 부재(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 튜브형 부재(10)는 내부를 가지고 있고, 상기 유체조절장치는 상기 본질적으로 튜브형 부재의 상기 내부에 배치된 배플조립체(11)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 배플조립체(11)는 상기 본질적으로 튜브형 부재(10)의 상기 내부를 적어도 제 1(40) 및 제 2 챔버(42)로 분할하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 챔버(40)는 상기 제 1 공급포트(25) 및 상기 제 1 배출포트(26)와 유동연통되어서 상기 냉각유체의 유동의 상기 제 1 부분(62)이 상기 제 1챔버를 통하여 상기 제 1 공급포터로부터 상기 제 1 배출포트로 유동하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유체조절장치는 제 2 배출포트(31)를 더 포함하고 있고, 상기 제 2 배출포트는 상기 제 2 공급포트(28) 및 상기 제 2 챔버(40)와 유동연통되어서 상기 제 2 공급포트에 의해서 수용된 상기 냉각유체의 유동의 상기 부분(66)이 상기 제 2 챔버를 통하여 상기 제 2 배출포트로 유동하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    a) 상기 냉각유체 유동통로는 제 2 입구(70)를 더 포함하고;
    b) 상기 유체조절장치는 상기 냉각유체 유동통로의 상기 제 2 입구와 유동연통되어서 상기 제 1 공급포트(25)에 의해서 수용된 상기 냉각유체의 유동의 제 2 부분을 상기 냉각유체 유동통로 제 2 입구로 배출하는 제 3 배출포트(30)를 포함하고 있고; 그리고
    c) 상기 배플조립체(11)는 상기 본질적으로 튜브형 부재를 제 3 챔버(44)로 더 분할하고, 상기 제 3 챔버는 상기 제 3 배출포트 및 상기 제 1 챔버(40)와 유동연통되어서 상기 제 1 공급포트에 의해서 수용된 상기 냉각유체의 유동의 상기 제 2 부분이 상기 제 3 챔버를 통하여 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 3 배출포트로 유동하는 것을 특징으로 하는 터빈블레이드 조립체.
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