KR20010077887A - 가스 터빈 버킷내의 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체 및터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법 - Google Patents

가스 터빈 버킷내의 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체 및터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법 Download PDF

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KR20010077887A
KR20010077887A KR1020000057411A KR20000057411A KR20010077887A KR 20010077887 A KR20010077887 A KR 20010077887A KR 1020000057411 A KR1020000057411 A KR 1020000057411A KR 20000057411 A KR20000057411 A KR 20000057411A KR 20010077887 A KR20010077887 A KR 20010077887A
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KR1020000057411A
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루이스도일씨
바브케빈조셉
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

선단 에지(114) 및 후단 에지(116)를 가지며, 그 반경방향 내측 단부가 플랫폼(118)에 접합된 에어포일부(112)와, 상기 에어포일부내에서 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 냉각 통로(130)와, 냉각 매체 공급 통로(136)를 둘러싸는 도브테일(dovetail) 장착부(128)와, 냉각 매체 공급 통로(136) 및 상기 적어도 하나의 반경방향 연장 냉각 통로(130)와 유체 연통하며, 상기 플랫폼(118)의 하측 표면을 따라 그에 거의 평행하게 연장하는 부분(148)을 갖는 교차 통로(144)를 포함하는 터빈 버킷.

Description

가스 터빈 버킷내의 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체 및 터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법{GAS TURBINE BUCKET COOLING CIRCUIT AND RELATED PROCESS}
본 발명은 폐쇄형 루프 대류 냉각 가스 터빈 버킷과, 버킷의 플랫폼 및 필릿(fillet) 영역을 냉각시키는 방법에 관한 것이다.
가스 터빈 버킷의 설계 기술은 지속적으로 향상되고 있다. 현 상태의 구조는, 보다 높은 열효율을 달성하기 위해, 진보된 폐쇄형 루프 냉각 시스템, 보다 높은 점화 온도 및 새로운 재료를 적용하고 있다. 이러한 진보와 함께, 저 사이클 피로(low cycle fatigue)에 기인한 크랙 발생 및 그에 따른 냉매 손실을 방지하도록 구성요소들을 설계할 필요성이 증가되고 있다.
저 사이클 피로는 모든 가스 터빈 버킷에 공통된 실패 메카니즘이다. 이것은 10,000 부하 사이클 이하에 노출된 부품내의 주기적으로 반전되는 금속의 소성 유동(plastic flow)에 의해 야기되는 손실로 규정된다. 저 사이클 피로 응력은 섹션내의 응력과 온도의 함수이다. 응력은 압력, 가스 벤딩 또는 원심력과 같은 기계적 부하에 의해 발생되거나, 응력은 여러 영역간의 금속 온도차 및 이들 영역간의 기하학적 형상의 제약에 의해 열적으로 야기될 수도 있다. 구조체내의 열 구배를 최소화하기 위해 저 사이클 피로 손실을 줄이는 것이 중요하다.
진보된 가스 터빈 냉각 버킷 구조, 특히 열 배리어 코팅을 갖는 것에 있어서, 에어포일 벌크(bulk) 온도는 에어포일의 베이스에 있는 플랫폼보다 차갑게 되어, (에어포일이 플랫폼과 접합되는) 에어포일의 압력측의 플랫폼과 에어포일 필릿 영역내에 열 응력을 발생시키는 경향이 있다. 응력을 감소시키고 저 사이클 피로 수명을 향상시키기 위해 이러한 영역을 적절히 냉각하는 것이 필요하다.
현재의 버킷 주조의 제조동안, 중공 캐비티(냉매가 중공 캐비티를 통해 기계가공되는 후단 에지 구멍으로 운반됨)를 생성하는 교차 코어가 버킷의 루트에서 쉘 시스템내로 잠금된다. 교차 코어는 또한 두 개의 중간-걸침 위치(도 1에 도시된 교차 코어 지지체 참조)에서 쉘에 의해 지지되며, 다시 교차 코어의 상부 부근의 다른 위치에서 지지된다.
코어의 상부 위치를 제어하는 것이 중요한데, 이는 버킷의 에어포일부내의 후단 에지 냉각 구멍을 천공하기 위한 "타겟"을 형성하는 것이 이 위치이기 때문이다. 기계가공된 후단 에지 냉각 구멍은 냉매가 이들 구멍을 통해 흘러 에어포일 후단 에지를 냉각시키도록 코어의 상부와 교차하여야 한다. 잘못된 위치 제어의 근본 원인 중 하나는 구조 자체에 있다. 보다 상세히 설명하면, 주조 공정에 사용된 세라믹 쉘과 세라믹 코어 사이의 열팽창차가 있기 때문에 또한 교차 코어의 길이가 비교적 길기 때문에(약 12 인치), 교차 코어는 그것이 쉘내에 잠금되어 있는 루트 단부에 의해 "당겨진다". 이 구조를 팁에 잠금시키려는 시도는 코어의 취약성 때문에 실패하였다.
본 발명의 목적은 보다 생산성이 있으며 비용면에서 효과적인 개선된 냉각 시스템을 사용하여 터빈 버킷의 저 사이클 피로 능력을 향상시키는 것이다. 본 발명의 구조 및 제조의 개선점은 다음과 같이 요약된다.
구조에 있어서, 교차 통로가 플랫폼의 하면에 근접한 위치에 있은 버킷으 생크부내의 냉각 통로로 개방되어 에어포일의 후단 에지를 향해 플랫폼의 하면을 따라 이어진다. 이러한 구성은 플랫폼과 에어포일 필릿 영역을 모두 냉각시킨다. 제 2 스테이지 버킷에 대해서, 유동 방향은 버킷의 꼬리 날개부로부터 유동이 버킷의 에어포일부내의 반경방향으로 연장하는 냉각 통로로 유입되는 선단 에지를 향해 이어질 수 있다.
이러한 구조 변경은 버킷의 제조에 사용된 코어의 총 높이가 감소되어 열적 부정합의 양을 감소시킬 수 있음을 의미한다. 재구조된 교차 코어는 전방 또는 반경방향 외측 코어 단부에서 쉘내에 잠금되어 종래의 코어 단부 위치설정 문제를 제거할 수 있다. 교차 코어가 주 몸체 코어에 대해 부딪히기 때문에, 두 코어의 반경방향 상대 운동에 대한 우려가 없다. 교차 코어는 날개 꼬리 또는 반경방향 내측 코어 위치에서 부유하도록 될 수 있다. 그러나, 코어가 쉘에 의해 완전히 둘러싸이고 플랫폼에 밀접하게 있기 때문에, 코어와 플랫폼 사이의 상대 운동이 감소되어 치수 제어가 향상된다. 이러한 구조의 다른 장점은 보다 가볍게 된다는 것인데, 이는 주로 버킷의 생크부내의 중앙 리브의 크기가 감소되는 것에 기인한다.
이러한 구조는 또한 주조 이외에 포스트 주조 제조로서 구현될 수도 있다.여하튼, 신규한 버킷 플랫폼 냉각 회로를 형성하는데 적용된 제조 공정은 본 발명의 일부로 간주되지 않는다.
신규한 교차 통로 구조의 내부 열전달 계수는, 단면적을 조절하거나 또는 젖게되는 주변부를 조절하여, 유속 및 열전달 계수를 제어함으로써 최적화될 수 있다. 또한, 통로는 통로에 걸친 불필요한 압력 손실 및 열 픽업을 증가시키지 않고 국부적 열전달 계수를 증가시키기 위해 국부적으로 난류가 발생되도록 될 수도 있다.
본 발명의 범위내에 있는 대안적 구조는 플랫폼의 하면을 따라 교차 통로를 간단히 재배치함으로써 플랫폼의 사실상 임의의 영역을 냉각시킬 수 있도록 한다. 후단 에지 구멍내로의 냉각 스팀은 냉각 구멍 자체에 의해 측량됨을 생각할 수 있다. 냉각 유동을 측량하는 후단 에지 구멍이 없는 경우, 적당한 코어 생산성을 달성하기 위해 교차 통로의 최소 단면적에 대한 크기 제한이 주어진다면, 주 냉각 회로를 우회할 유동량은 너무 많게될 것이다. 따라서, 이러한 경우에, 후단 에지 구멍내로의 유동을 측량하는 별개의 수단이 제공된다.
따라서, 보다 넓은 관점에 있어서, 본 발명은 필릿 영역을 따라 플랫폼에 접합된 에어포일부를 갖는 가스 터빈 버킷내의 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체에 관한 것으로, 스팀 냉각 공급 통로는 버킷의 에어포일부에 냉각 스팀을 공급하기에 적합하며, 또한 플랫폼에 인접하며 그것에 거의 평행하게 연장하는 교차 통로를 포함한다.
다른 관점에 있어서, 본 발명은 선단 에지 및 후단 에지를 가지며, 그 반경방향 내측 단부가 플랫폼에 접합된 에어포일부와, 상기 에어포일부내에서 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 냉각 통로와, 냉각 매체 공급 통로를 둘러싸는 도브테일(dovetail) 장착부와, 냉각 매체 공급 통로 및 상기 적어도 하나의 반경방향 연장 냉각 통로와 유체 연통하며, 상기 플랫폼의 하측 표면을 따라 그에 거의 평행하게 연장하는 부분을 갖는 교차 통로를 포함한다.
도 1은 종래의 가스 터빈 버킷의 부분 절결 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 버킷의 부분 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 가스 터빈 버킷의 부분 측면도로서, 내부 냉각 회로의 일부를 나타내는 도면,
도 4는 에어포일 캡이 제거된 본 발명에 다른 가스 터빈 버킷의 평면도,
도 5는 버킷 플랫폼에 반경방향으로 근접한 위치에서 취한, 도 4에 도시된 가스 터빈 버킷의 부분 단면도,
도 6은 6-6선을 따라 취한 도 4에 도시된 가스 터빈의 단면도,
도 7은 변형된 측량 플러그를 갖는 도 6으로부터 취한 확대도,
도 8은 본 발명의 대안적 실시예의 부분 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110: 버킷 112: 에어포일
114: 선단 에지 116: 후단 에지
118, 218: 플랫폼 119: 에어포일 필릿
130, 132: 후단 에지 냉각 통로 136: 냉매 공급 통로
144, 254: 교차 냉각 통로
도 1은 버킷내에서 반경방향으로 연장하는 폐쇄형 루프의 꾸불꾸불한 회로의 일부인 종래의 버킷 후단 에지 냉각 회로를 도시한다. 버킷 냉각 회로의 일부만이 도시되어 있다. 버킷(10)은 선단 에지(14)와 후단 에지(16)를 갖는 에어포일(12)을 포함한다. 에어포일은 에어포일 필릿(19)을 따라 수평한 플랫폼(18)에 접합된다. 소위 "엔젤 윙(angel wing)"(20, 22, 24, 26)이 버킷의 생크부(27)의 전방 및 후방 측으로부터 멀어지도록 측방향으로 연장하며, 도브테일부(28)가 버킷을 통상적인 방식으로 터빈 휠(도시안됨)에 장착하도록 채용된다.
후단 에지 냉각 구멍(30, 32)(도 2도 참조)이 에어포일의 후단 에지(14)를 따라 그에 인접하게 연장하며, 내부 교차 통로(34)는 구멍(30, 32)의 하단부로부터 버킷의 도브테일부에 있는 냉각 공급 통로(36)로 연장한다. 냉각 스팀(또는 다른 매체)가 통로(36, 34)를 통해 후단 에지 냉각 구멍(30, 32)내로 유동한다. 냉각 스팀은 방향을 반전하여(에어포일의 팁에서 유동 화살표로 지시됨) 통로(도시안됨)를 통해 반경방향 내측으로 이동하여, 궁극적으로 냉각 스팀 복귀 통로(38)내로 흐른다.
도 2로부터, 제조동안 통로(34)를 형성하는 코어의 상부의 위치를 제어하는 것이 중요함을 알 수 있다. 이는 후단 에지 냉각 구멍(30, 32)이기 때문이다. 교차 코어의 상부의 정확한 위치설정을 어렵게 만드는 것은 통로(34)의 상부와 코어지지 플러그(39) 사이의 비교적 긴 거리임을 주목하기 바란다.
이제 도 3 내지 도 8을 참조하여, 이러한 문제들을 경감시키는 본 발명의 방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4에 있어서, 도 1 및 도 2에 도시된 구성 요소를 나타내는데 유사한 참조부호가 사용되는데, 앞에 "1"이 부가된다. 따라서, 버킷(110)은 선단 에지(114)와 후단 에지(116)를 갖는 에어포일(112)을 포함한다. 에어포일은 에어포일 필릿(119)을 따라 플랫폼(118)에 접합된다. 버킷(110)은 또한 엔젤 윙(120, 122, 124, 126)과 도브테일부(128)를 갖는다. 천공된 구멍 형태인 반경방향으로 연장하는 후단 에지 냉각 통로(130, 132)는 후단 에지를 따라 그에 인접하게 내측에서 연장한다. 그러나, 이러한 구성에 있어서, 냉매 공급 통로(136)(도 6 참조)는 냉각 스팀을, 엔젤 윙(120)에 대체로 인접한 위치까지 반경방향 외측으로 연장하는 확장된 내부 챔버(140)로 공급한다. 신규한 교차 입구(142)는 반경방향(도 3 및 도 6에서 보았을 때는 수직방향) 레그(146)와 버킷의 전방 또는 선단측으로부터 버킷의 후방 또는 후단측으로 플랫폼(118)의 하면을 따라 연장하는 수평 레그(148)(도 5에 가장 잘 도시됨)를 갖는 신규한 교차 냉각 통로(144)와 챔버(140) 사이에서 수평방향으로 연장한다. 버킷의 후단측에서 통로가 후단 에지냉각 구멍(130, 132)과 교차한다. 냉각 스팀은 후단 에지를 따라 반경방향 외측으로 유동한 뒤 방향을 반전하여 반경방향 내측으로 유동하고 챔버(150)내로 유입된다. 챔버(150)는 냉각 스팀 복귀 통로(138)에 연결된다. 내부 버킷 냉각 회로용 반경방향 통로 중 일부가 도 4에 도시되어 있으며, 한 통로가 참조부호(152)로 지시됨을 주목하기 바란다. 도 5에는, 신규한 코어가 천공된 후단 에지 냉각 구멍(130, 132)을 위한 보다 나은 타겟을 제공하는 방식이 나타나 있다.
도 3 내지 도 6에는, 교차 통로(144)가 필릿(119)을 따라 에어포일의 압력측의 윤곽을 따름으로써, 플랫폼(118)의 하면 및 필릿(119)을 따라 필요한 냉각을 제공하는 방식이 나타나 있다. 또한 도 2로부터 교차 통로의 높이가 종래의 구성에 비해 상당히 감소됨을 알 수 있다.
도 6은 또한 에어포일이 주 몸체부를 관통하도록 천공되어 통로(146)와 내부 챔버(140)로 이어지는 입구(142)를 연결하는 방식을 도시한다. 구멍은 그 뒤 참조부호(154)에서 막힌다.
도 7은 입구(142)를 통해 챔버(140)와 통로(146)간의 연통을 제공하는 천공된 구멍내로 플러그(156)가 삽입된 대안적 구성을 도시한다. 여기서, 플러그(156)는 챔버(140)로부터 통로(146)내로의 공기를 측량하는 측량 구멍(158, 160)을 갖도록 형성된다. 이러한 구성은, 예컨대 냉각 유동이 버킷의 선단 에지를 향하는 제 2 스테이지 버킷에서와 같이 또한 버킷의 에어포일부내의 반경방향 연장 통로에서와 같이 유동을 측량하는 후단 에지 구멍이 없는 경우, 특히 적합하다. 교차 통로가 형성되는 방식과 측량을 위한 내부 통로를 형성하도록 접근이 제공되는 방식은버킷을 제조하는데 사용된 제조 공정에 좌우됨을 이해할 것이다. 별개의 측량 메카니즘이 제공되지 않는 경우, 후단 에지 구멍(130, 132)은 냉각 공기를 측량하도록 크기가 정해진다.
도 8은 꾸불구불한 형태를 가져 플랫폼(218)의 보다 많은 부분이 냉각되도록 하는 대안적 교차 통로(254)를 개시한다. 필요에 따라 플랫폼 및/또는 필릿 영역을 냉각하는데 여러 구조 형태가 구현될 수 있음을 인식할 것이다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 양호하다고 간주되는 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 첨부된 청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 커버하도록 의도됨을 이해하여야 한다.
본 발명에 의하면, 보다 생산성이 있으며 비용면에서 효과적인 개선된 냉각 시스템을 사용하여 터빈 버킷의 저 사이클 피로 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 터빈 버켓 주조시, 교차 코어는 전방 또는 반경방향 외측 코어 단부에서 쉘내에 잠금되어 종래의 코어 단부 위치설정 문제를 제거할 수 있고, 교차 코어가 주 몸체 코어에 대해 부딪히기 때문에, 두 코어의 반경방향 상대 운동에 대한 우려가 없다. 교차 코어는 날개 꼬리 또는 반경방향 내측 코어 위치에서 부유하도록 될 수 있으나, 코어가 쉘에 의해 완전히 둘러싸이고 플랫폼에 밀접하게 있기 때문에, 코어와 플랫폼 사이의 상대 운동이 감소되어 치수 제어가 향상된다. 본 발명의 터빈 버킷 구조는 또한, 주로 버킷의 생크부내의 중앙 리브의 크기가 감소되기 때문에, 보다 가볍게 된다는 장점을 갖는다.

Claims (15)

  1. 필릿 영역을 따라 플랫폼(118)에 접합된 에어포일부(114)를 갖는 가스 터빈 버킷내의 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체에 있어서,
    냉각 스팀 공급 통로(136)는 상기 버킷의 에어포일부(114)에 냉각 스팀을 공급하기 적합하며, 상기 플랫폼(118)에 인접하며 그것에 거의 평행한 교차 통로(144, 154)를 포함하는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어포일부(118)는 후단 에지를 따라 반경방향으로 연장하며 상기 교차 통로와 연통하는 적어도 하나의 후단 에지 냉각 구멍(130)을 포함하는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 후단 에지 냉각 구멍(130)은 상기 교차 통로의 부분(148)과 거의 90°각도로 교차하는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)는 하나 이상의 난류발생기를 포함하는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)내로의 냉매 유동을 측량하기 위한 수단(156, 158, 160)을 포함하는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)는 필릿 영역(119)을 따라 상기 에어포일부의 압력측의 윤곽을 따르는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차 통로(254)는 상기 플랫폼(218)내에 꾸불꾸불한 경로를 갖도록 형성되는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차 통로는 반경방향 레그(146)와 수평방향 레그(148)를 갖는 폐쇄형 회로 스팀 냉각 구조체.
  9. 터빈 버킷(110)에 있어서,
    선단 에지(114) 및 후단 에지(116)를 가지며, 그 반경방향 내측 단부가 플랫폼(118)에 접합된 에어포일부(112)와,
    상기 에어포일부내에서 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 냉각 통로(130)와,
    냉각 매체 공급 통로(136)를 둘러싸는 도브테일(dovetail) 장착부(128)와,
    냉각 매체 공급 통로(136) 및 상기 적어도 하나의 반경방향 연장 냉각 통로(130)와 유체 연통하며, 상기 플랫폼(118)의 하측 표면을 따라 그에 거의 평행하게 연장하는 부분(148)을 갖는 교차 통로(144)를 포함하는 터빈 버킷.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)는 하나 이상의 난류발생기를 포함하는 커빈 버킷.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)내로의 냉매 유동을 측량하기 위한 수단(156, 158, 160)을 포함하는 터빈 버킷.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)는 필릿 영역(119)을 따라 상기 에어포일부의 압력측의 윤곽을 따르는 터빈 버킷.
  13. 적어도 하나의 반경방향 연장 냉각 통로(130)를 갖는 내부 냉각 회로를 구비하는 터빈 버킷내의 터빈 버킷 플랫폼(118)을 냉각하는 방법에 있어서,
    a) 상기 버킷의 도브테일 장착부내에 냉매 공급 통로(136)를 제공하는 단계와,
    b) 상기 냉매 공급 통로와 상기 적어도 하나의 반경방향 연장 냉각 통로(130)를 연결하는 교차 통로(144)를 제공하는 단계와,
    c) 상기 교차 통로(144)를 냉각될 영역내의 상기 플랫폼(118)의 하면을 따라 그에 거의 평행하게 연장하도록 정렬시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)는 필릿 영역(119)을 따라 상기 에어포일부의 압력측의 윤곽을 따르는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 교차 통로(144)는 상기 플랫폼(218)내에 꾸불꾸불한 경로를 갖도록 형성되는 방법.
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