KR20010076190A - 폐쇄 내부 냉각 회로 및 가스 터빈 버킷의 냉각 방법 - Google Patents

폐쇄 내부 냉각 회로 및 가스 터빈 버킷의 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로는 버킷(10)의 도브테일(22)내에서 축방향 공급 및 복귀 통로(24, 60)를 구비한다. 제 1 반경방향 외부 공급 통로(28, 32)는 냉각 매체를 선단 에지에 근접한 통로에 또 그것을 따라서 제공하고, 그 다음 에어포일내에 꾸불꾸불하게 정렬된 통로를 통하여 에어포일 팁(19)에 근접한 챔버(46)에 제공한다. 제 2 반경방향 통로(30)는 반경방향 복귀 통로(60) 위로 교차하여 냉각 매체를 에어포일 단면의 말단 에지(20)를 따라서 한쌍의 통로(52, 54)에 또 그것을 따라서 공급한다. 꾸불꾸불한 통로의 마지막 통로와 한쌍의 통로(52, 54)는 소비된 냉각 매체를 반경방향 내측으로 분배된 복귀 통로(56, 58)를 따라서 복귀 통로로 복귀하도록 챔버(46)내에서 서로간에 연통되어 있다. 이러한 방식으로, 양쪽 선단 및 말단 에지는 고압 및 저온의 냉각 매체를 사용하여 냉각된다.

Description

폐쇄 내부 냉각 회로 및 가스 터빈 버킷의 냉각 방법{A COOLING CIRCUIT FOR AND METHOD OF COOLING A GAS TURBINE BUCKET}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 버킷용 폐쇄 내부 냉각회로 및 버킷의 냉각 방법에 관한 것이다.
가스 터빈 버킷은 버킷을 냉각하기 위하여 일반적으로 사용된 압축기 유출 공기를 갖고, 소비된 냉각 공기는 전형적으로 고온 가스 스트림으로 배기된다. 증기와 같은 냉각 매체를 갖는 버킷의 내부 폐쇄 회로 냉각의 출현으로 인하여, 가스 터빈 열역학적 성능이 실질적으로 개선되었다. 증기를 사용하는 폐쇄 내부 냉각 회로의 전형적인 예시는 본 발명의 공동 양수인으로 미국 특허 제 5,536,143 호에 설명 및 개시되어 있다. 상기 특허에서, 예를 들면, 각각 제 1 단 버킷은 버킷 도브테일내에 냉각 증기 공급 통로를 구비하여 버킷의 말단 에지를 따라서 또 도브테일내에서 복귀 통로를 통하여 복귀하도록 선단 에지를 따라서 마지막 통로를 갖는 일련의 꾸불꾸불한 통로를 통하여 냉각 증기를 공급한다. 또한 상기 특허에는 버킷의 말단 에지를 따라서 한쌍의 평행한 통로가 개시되어 있고, 다른 통로가 냉각 증기의 복귀를 제공할 때 그것의 하나의 통로는 냉각 증기를 수용한다. 또한 하나의 통로는 냉각 증기로서 꾸불꾸불한 통로에 냉각 증기를 공급하고, 꾸불꾸불한 형태에서 복귀를 위한 버킷의 선단 에지를 향하여 유동한다. 그러나, 고온의 가스 터빈 온도가 달성되므로, 특히 높은 열역학적 효율과 증가된 냉각이 소망된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 터빈의 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로가 증가된 열역학적 효율을 제공하는 것이다. 특히, 이러한 회로는, 예를 들면 증기 통로인 냉각 매체 공급 통로를 구비하고, 그것은 증기 공급 매니폴드와 연통되어 있는 각 버킷의 도브테일을 따라서 축방향으로 연장된다. 제 1 및 제 2 반경방향 연장 증기 공급 통로는 축방향 연장 공급 통로와 연통되도록 놓여 있다. 제 1 공급 통로는 버킷의 에어포일 단면의 선단 에지에 직접적으로 근접한 제 1 통로를 따라서 반경방향 외측으로 연장된다. 버킷 팁과 근접하여서 제 1 통로는 반경방향 내부 유동에 대해서 약 180°선회한다. 그 다음 이러한 제 2 통로는 에어포일 단면의 루트에서 반경방향 외부 유동에 대해서 약 180°로 선회한다. 다수의 꾸불꾸불한 통로는 루트 선회부와 팁 선회부 사이에서 냉각 증기를 반경방향 외측으로, 그 다음 내측으로 유동하도록 제공하고, 마지막 꾸불꾸불한 통로는 챔버내에서 에어포일 단면의 팁에 근접하여 종료한다. 제 2 공급 통로는 버킷의 도브테일 및 생크를 통하여 반경방향 외측으로 연장되고, 반경방향 외측 통로와 연통되며, 바람직하게는 버킷 에어포일 단면의 말단 에지를 따라서 연장되는 2개의 반경방향 외측 통로와 연통되어 있다. 따라서 공급 냉각 증기는 말단 에지에 근접하는 2개의 대체로 평행한 반경방향 외측 연장 통로를 통하여 반경방향 외측으로 제 2 공급 통로를 따라서 유동한다. 꾸불꾸불한 통로와 2개의 말단 에지 통로로부터 소비된 냉각 증기는 버킷 도브테일내에서 축방향 복귀 통로와 연통되어 있는 반경방향 내부 복귀 통로를 통하여 버킷의 에어포일 단면에서 분할된 통로를 따라서 챔버로부터 반경방향 내측으로 유동한다. 후자의 축방향 복귀 통로는 로터내에서 소비된 냉각 증기 복귀 매니폴드와 연통되어 있다.
전술한 장치에 따르면, 냉각 증기는 버킷의 에어포일 단면의 선단 및 말단 에지에 근접하여 직접적으로 2개의 독립적인 평행한 경로를 따라서 공급된다. 버킷의 선단 및 말단 에지가 냉각되기가 가장 어렵기 때문에, 냉각 증기는 냉각이 가장 요구되는 버킷의 부분에 공급된다. 선단 및 말단 에지를 통하여 유동하는 냉각 증기는 저온 및 고압에서 그들 에지에 공급됨으로써, 냉각 효과가 향상된다. 또한 냉각 증기는 버킷의 에어포일 단면의 중간 부분을 냉각하기 위하여 꾸불꾸불한 통로를 경유하여 공급된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 생크, 반경방향 팁부, 선단 및 말단 에지를 갖는 에어포일 단면을 구비한 가스 터빈 버킷에서, 냉각 매체를 상기 버킷을 통하여 유동시키는 폐쇄 내부 회로에 있어서, 대체로 반경방향 외측으로 배향된 제 1 및 제 2 냉각 매체 공급 통로와; 대체로 반경방향 내측으로 배향된 소비된 냉각 매체 복귀 통로와; 버킷의 에어포일 단면내에서 꾸불꾸불한 방식으로 서로 연속적으로 연결 및 정렬되는 대체로 반경방향으로 연장된 다수의 내부 통로로서, 상기 꾸불꾸불한 통로중 제 1 통로는 상기 버킷의 선단 에지와 근접하여 연장되고 또 상기 제 1 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동하도록 냉각 매체를 수용하기 위하여 상기 제 1 공급 통로와 연통되어 있는, 상기 다수의 내부 통로와; 상기 버킷의 말단 에지에 근접하여 연장되고 또 상기 하나의 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동하도록 상기 냉각 매체를 수용하기 위한 상기 제 2 공급 통로와 연통되어 있는 적어도 하나의 통로와; 상기 버킷의 팁부에 근접하여 공동의 챔버내에서 개방하는 적어도 하나의 상기 꾸불꾸불한 통로와; 상기 챔버에서 상기 복귀 통로로 소비된 냉각 매체를 연통시키기 위한 상기 에어포일 단면내의 복귀 통로를 포함하는 폐쇄 내부 냉각 회로가 제공되어 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 생크, 반경방향 팁부, 선단 및 말단 에지를 갖는 에어포일 단면, 및 폐쇄 내부 냉각 회로를 구비한 가스 터빈 버킷의 냉각 방법에 있어서, 상기 선단 및 말단 에지를 냉각시키기 위하여 상기 버킷의 에어포일 단면의 선단 및 말단 에지에 근접한 대체로 반경방향 외측으로 배향된 한쌍의 통로를 따라서 냉각 매체를 공급하는 단계와; 상기 버킷의 선단 에지와 말단 에지 사이에서 상기 에어포일 단면의 부분을 냉각시키기 위하여 연속적으로 연결된 다수의 꾸불꾸불한 통로를 따라서 상기 냉각 매체를 상기 통로중 하나에서 유동시키는 단계와; 상기 유동을 상기 꾸불꾸불한 통로로부터 상기 에어포일 단면의 팁에 근접한 챔버내로 배향시키는 단계와; 소비된 냉각 매체를 상기 챔버로부터 상기 버킷의 도브테일내에서 복귀 통로에 대해 대체로 반경방향 내측으로 유동시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 버킷의 냉각 방법이 제공되어 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 터빈 버킷용 폐쇄 회로 냉각 시스템의 단면도,
도 2는 반대 방향에서 바라본 도 1과 유사한 도면,
도 3은 본 발명의 버킷의 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 버킷 12 : 에어포일 단면
14 : 프랫폼부 16 : 생크
18 : 선단 에지 20 : 후단 에지
도 1을 참조하면, 터빈 유동 경로내에서 고온 연소 가스로부터 생크(16)를 차폐시키는 프랫폼부(14)에 부착된 에어포일 단면(12)을 구비하고 또 그것의 부분을 형성하는 일반적으로 도면부호(10)로 나타난 터빈 버킷을 도시하고 있다. 에어포일 단면(12)은 각기 선단 및 말단 에지(18, 20)와 팁부(19)를 구비한다. 또한 앤젤 윙(21)은 통상의 방식으로 휠스페이스 캐비티를 밀봉하기 위하여 생크(16)의 축방향 반대쪽 측면을 따라서 장착된다. 버킷(10)은 생크(16)와 함께 일체로 형성된 통상의 도브테일(22)에 의해서 터빈 로터 휠에 부착된다. 현재의 내부 폐쇄 냉각 회로가 특히 제 1 단 버킷에 적용하는 경우, 본 발명의 원리를 통합하는 냉각 증기가 다른 단의 버킷에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
냉각 매체 축방향 공급 통로(24)는 스풀리(spoolie)(도시하지 않음)를 경유하여 입구(26)에 결합된 매니폴드(도시하지 않음)로부터 냉각 매체, 예컨대 증기를 수용하기 위한 도브테일(22)중 일 단부를 따라서 입구 개구(26)를 갖는다. 물론 버킷(10)의 배열은 로터의 축을 중심으로 서로에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 로터 휠상에 배치된다. 제 1 및 제 2 반경방향 공급 통로(28, 30)는 각기 축방향 공급 통로(24)와 연통되어 있다. 제 1 반경방향 공급 통로(28)는 에어포일 단면(12)의 반대 벽부 사이로 연장된 리브에 의해 형성된 일련의 꾸불꾸불하게 정렬된 통로(34, 36, 38, 40, 44)의 제 1 통로(32)와 연통되어 반경방향 외측으로 연장된다. 특히, 각각의 반경방향 통로는 냉각 매체를 반경방향 내측으로 또는 외측으로 유동하도록 버킷(10)의 에어포일 단면(12)내에서 내측으로 연장된다. 예를 들면, 제 1 통로(32)는 선단 에지(18)를 따라서 반경방향 외측으로 냉각 매체를 유동하도록 한다. 에어포일 단면(12)의 팁에서, 통로는 약 180°선회하여 통로(34)를 따라서 반경방향 내측으로 유동한다. 통로(34)의 루트에서, 유동 통로는 냉각 매체를 반경방향 외측 통로(36)를 따라서 반경방향 외측으로 유동하도록 약 180°선회한다. 팁에서, 통로(36)는 냉각 매체를 통로(38)를 따라서 반경방향 내측으로 유동하도록 선회한다. 통로(38)의 루트에서, 유동 통로는 냉각 매체를 통로(40)를 따라서 반경방향 외측으로 유동하도록 선회한다. 팁부에서, 통로(40)는 냉각 매체를 통로(42)를 따라서 반경방향 내측으로 유동하도록 선회한다. 통로(42)의 루트에서, 통로는 냉각 매체를 꾸불꾸불한 통로의 마지막 통로(44)를 따라서 반경방향 외측으로 유동하도록 약 180°선회한다. 마지막 통로는 냉각 매체를 에어포일 단면(12)의 팁에 근접한 챔버(46)내로 유동하도록 반경방향 외측으로 유동하도록 한다.
축방향 공급 통로(24)와 연통되는 제 2 반경방향 공급 통로(30)는, 하나의, 바람직하게는 2개의 반경방향 연장 통로(52, 54)를 갖는 에어포일 단면(12)의 루트에 연통되도록 배치된 복귀 통로(50) 위로 교차한다. 도면에 도시되는 바와 같이, 통로(52, 54)는 에어포일 단면(12)의 말단 에지(20)를 따라서 배치된다. 냉각 매체는 챔버(46)내로 에어포일 단면(12)의 팁에 근접한 통로(52, 54)로 나간다. 도면의 관찰로부터, 챔버(46)는 소비된 냉각 매체를 꾸불꾸불한 통로의 마지막 통로(44)로부터 또 말단 에지를 따라서 연장되는 한쌍의 통로(52, 54)로부터 수용한다는 것이 이해될 것이다. 챔버(46)내에서 소비된 냉각 매체는 각기 한쌍의 나란한 복귀 통로(56)를 따라서 유동하고, 소비된 냉각 매체는 반경방향 복귀 통로(50)내로 유동한다. 반경방향 복귀 통로(50)는 로터에 의해서 지지되는 복귀 매니폴드(도시하지 않음)와 연통되는 축방향 복귀 통로(60)내의 도브테일(22)내에서 종료한다. 도시되는 바와 같이, 제 1 반경방향 공급 통로(28)는 버킷(10)의 선단부에 존재하는 한편, 제 2 반경방향 또는 교차 통로(30)는 에어포일 단면(12)의 말단 에지에 대해서 복귀 통로(50) 위로 교차하기 전에 제 1 반경방향 공급 통로(28)와 반경방향 복귀 통로(50) 사이로 연장된다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 터뷸레이터(turbulators)(70)는 꾸불꾸불한 통로(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)에 각각 사용된다. 터뷸레이터는 버킷(12)의 에어포일 단면의 벽으로부터 돌출한 리브를 포함한다. 선단 에지 통로(32)내의 터뷸레이터는 버킷의 반경에 대해서 대체로 수직으로 연장되는 한편, 선단 에지 통로(32)보다는 다른 꾸불꾸불한 통로내에서의 터뷸레이터가 경사진 터뷸레이터를 갖는다. 따라서, 경사진 터뷸레이터(70)는 에어포일 단면(12)의 내벽 표면으로부터 내측으로 또 에어포일 단면(12)의 반대 벽에 대해 구조적인 지지를 제공하는 리브(74) 사이로 연장된다. 한편 터뷸레이터(70)는 대체로 층류 유동 패턴을 분쇄하여 유동내에 난류를 제공함으로써 냉각 효과를 향상시킨다. 또한, 도 1에 도시되는 바와 같이, 볼 브레이징(ball brazing)은 제조시에 구조적인 지지를 제공하기 위하여 제조 공정에 사용된다. 또한 사용된 볼은 루트 선회부에서 꾸불꾸불한 통로의 반경방향 내부 단부를 밀폐시키는 역할을 한다.
본 발명은 가장 실질적이고 바람직한 실시예가 되도록 고려되는 것과 관련하여 설명되는 한편, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않고, 반면에 첨부된 청구범위의 정신 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 동등한 장치를 포함하는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 가스 터빈의 버킷용 폐쇄 내부 냉각 회로에 증가된 열역학적 효율을 제공한다.

Claims (12)

  1. 생크(16), 반경방향 팁부(19), 선단 및 말단 에지(18, 20)를 갖는 에어포일 단면(12)을 구비한 가스 터빈 버킷에서, 냉각 매체를 상기 버킷을 통하여 유동시키는 폐쇄 내부 회로에 있어서,
    대체로 반경방향 외측으로 배향된 제 1 및 제 2 냉각 매체 공급 통로(28, 50)와;
    대체로 반경방향 내측으로 배향된 소비된 냉각 매체 복귀 통로(50)와;
    버킷의 에어포일 단면내에서 꾸불꾸불한 방식으로 서로 연속적으로 연결 및 정렬되는 대체로 반경방향으로 연장된 다수의 내부 통로(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)로서, 상기 꾸불꾸불한 통로중 제 1 통로(32)는 상기 버킷의 선단 에지와 근접하여 연장되고 또 상기 제 1 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동하도록 냉각 매체를 수용하기 위하여 상기 제 1 공급 통로와 연통되어 있는, 상기 다수의 내부 통로(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44)와;
    상기 버킷의 말단 에지에 근접하여 연장되고 또 상기 하나의 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동하도록 상기 냉각 매체를 수용하기 위한 상기 제 2 공급 통로와 연통되어 있는 적어도 하나의 통로(52)와;
    상기 버킷의 팁부에 근접하여 공동의 챔버(46)내에서 개방하는 적어도 하나의 상기 꾸불꾸불한 통로(44)와;
    상기 챔버에서 상기 복귀 통로로 소비된 냉각 매체를 연통시키기 위한 상기에어포일 단면내의 복귀 통로(50)를 포함하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 말단 에지와 근접하여 연장되고 또 상기 다른 통로를 따라서 대체로 반경방향 외측으로 유동하도록 상기 냉각 매체를 수용하기 위한 상기 제 2 공급 통로와 연통되어 있고, 상기 다른 통로는 상기 공동 챔버내에서 개방되는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공급 통로는 상기 복귀 통로의 전방 부분으로 연장되고 또 상기 냉각 매체를 상기 말단 에지에 근접한 하나의 통로에 공급하기 위한 상기 복귀 통로 위로 교차하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 꾸불꾸불한 통로내에 터뷸레이터를 포함하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 버킷은 도브테일과, 상기 냉각 매체를 상기 제 1 공급 통로에 공급하기 위하여 상기 제 1 공급 통로와 연통되어 있는 상기 버킷의 도브테일내의 축방향 개구 통로(24)를 구비하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 축방향 통로는 상기 냉각 매체를 상기 제 2 공급 통로에 공급하도록 상기 제 2 공급 통로와 연통되어 있는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복귀 통로와 연통되어 있는 상기 버킷의 생크내에서 축방향 개구를 포함하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 버킷은 도브테일과, 상기 제 1 및 제 2 반경방향으로 배향된 공급 통로와 연통되어 있는 상기 버킷의 도브테일내의 축방향으로 연장된 공급 통로(24)를 구비하고, 상기 제 2 공급 통로는 상기 복귀 통로의 전방 부분으로 연장되고 또 상기 냉각 매체를 상기 말단 에지에 근접한 상기 하나의 통로에 공급하도록 상기 복귀 통로 위로 교차하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 꾸불꾸불한 통로내에 터뷸레이터를 포함하는
    폐쇄 내부 냉각 회로.
  10. 생크, 반경방향 팁부, 선단 및 말단 에지를 갖는 에어포일 단면, 및 폐쇄 내부 냉각 회로를 구비한 가스 터빈 버킷의 냉각 방법에 있어서,
    상기 선단 및 말단 에지를 냉각시키기 위하여 상기 버킷의 에어포일 단면의 선단 및 말단 에지에 근접한 대체로 반경방향 외측으로 배향된 한쌍의 통로를 따라서 냉각 매체를 공급하는 단계와;
    상기 버킷의 선단 에지와 말단 에지 사이에서 상기 에어포일 단면의 부분을 냉각시키기 위하여 연속적으로 연결된 다수의 꾸불꾸불한 통로를 따라서 상기 냉각 매체를 상기 통로중 하나에서 유동시키는 단계와;
    상기 유동을 상기 꾸불꾸불한 통로로부터 상기 에어포일 단면의 팁에 근접한 챔버내로 배향시키는 단계와;
    소비된 냉각 매체를 상기 챔버로부터 상기 버킷의 도브테일내에서 복귀 통로에 대해 대체로 반경방향 내측으로 유동시키는 단계를 포함하는
    가스 터빈 버킷의 냉각 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하나의 통로는 상기 에어포일 단면의 선단 에지를 따라서 배치되고, 상기 선단 에지를 냉각하기 위하여 상기 냉각 매체를 상기 하나의 통로를 따라서 유동시키고, 그 다음 꾸불꾸불한 통로를 통하여 상기 선단 에지와 상기 후단 에지 사이에서 상기 에어포일 단면의 중간 부분을 냉각시키는 단계를 포함하는
    가스 터빈 버킷의 냉각 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    공급원으로부터 상기 냉각 매체를 수용하기 위하여 상기 버킷의 도브테일내에 축방향 유동 통로를 제공하고, 상기 냉각 매체를 상기 축방향 통로에서 상기 선단 에지에 근접한 상기 반경방향 외측으로 배향된 통로로 연통시키고, 상기 냉각 매체를 상기 축방향 통로에서 상기 버킷의 말단 에지에 근접한 상기 반경방향 외측으로 배향된 통로로 연통시키는 단계를 포함하는
    가스 터빈 버킷의 냉각 방법.
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