KR20010098379A

KR20010098379A - 고정자 베인 세그먼트 및 터빈 베인 세그먼트

Info

Publication number: KR20010098379A
Application number: KR1020000080176A
Authority: KR
Inventors: 버드긱스티븐세바스챤; 유유펭필립; 잇젤개리마이클
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2001-11-08
Also published as: EP1149983A2; US6506013B1; JP2001317302A; EP1149983A3; CZ20003682A3

Abstract

터빈 고정자 베인 세그먼트는 반경방향 내벽 및 외벽을 구비하고 있고, 이들 사이에서 베인이 연장한다. 내벽 및 외벽은 분할되고 충돌판을 갖추고 있다. 외벽 공간 내로 유동하는 증기는 외벽 상부면을 충돌 냉각시키기 위해 충돌판을 통과한다. 소모된 충돌 증기는 베인의 벽을 충돌 냉각시키기 위한 삽입부를 갖춘 베인의 공동 내로 유동한다. 스템은 내벽 표면을 충돌 냉각시키기 위한 충돌판을 통해 내벽으로 이송되고, 베인의 표면을 충돌 냉각시키기 위해 삽입부를 갖춘 회수 공동을 통해 회수된다. 적어도 하나의 필름 냉각 구멍이 공동의 내측과 베인의 외측 사이를 유체 연통시키도록 공동 중 적어도 하나의 벽을 통해 형성된다. 필름 냉각 구멍은 잠재적으로 낮은 저 사이클 피로(LCF) 수명 영역 부근에 형성되어서, 필름 냉각 구멍을 통해 흘려나오는 냉각 매체가 저 LCF 수명 영역 주변의 열구배를 감소시킴으로써, 그 영역의 LCF 수명을 증가시킨다.

Description

고정자 베인 세그먼트 및 터빈 베인 세그먼트{FILM COOLING FOR A CLOSED LOOP COOLED AIRFOIL}

본 발명은 일반적으로 예컨대 발전용 육상 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 그러한 터빈의 스테이지 노즐을 냉각하는 것에 관한 것이다.

터빈 블레이드 및 노즐을 냉각하기 위한 통상적인 접근은 공급원으로부터, 예컨대 터빈 압축기의 중간 스테이지 및 최종 스테이지로부터 고압 냉각 공기를 뽑아내는 것이었다. 그러한 장치에서, 일련의 내부 흐름 통로는 터빈 블레이드를 냉각하기 위해 원하는 양의 유동 대상물을 달성하도록 사용되는 것이 통상적이다. 대조적으로, 외부 배관은 일반적으로 공기 필름 냉각을 사용하고 공기를 터빈의 고온 가스 스트림 내로 방출하면서 공기를 노즐에 공급하기 위해 사용된다. 진보된 가스 터빈의 구성에서, 터빈 구성 요소를 통해 흐르는 고온 가스의 온도는 금속의 용융 온도 보다 높다는 것을 인지하게 되었다. 따라서, 작동하는 동안 고온 가스 통로 구성요소를 보호하기 위해 냉각 기구를 형성하는 것이 필수적이었다. 증기가 특히 복합 사이클 설비의 가스 터빈 노즐(고정자 베인)을 냉각시키기 위한 바람직한 냉각 매체임이 증명되었다. 예컨대, 본 발명에서 참조한 미국 특허 제 5,253,976호를 참조하라. 증기 냉각 버킷에 대한 상세한 설명은 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 제 5,536,143 호를 참조하기 바란다. 회전자를 통해 제 1 및 제 2 스테이지 버킷에 냉각 매체를 공급하기 위한 증기(또는 공기) 냉각 회로에 대한 상세한 설명은 미국 특허 제 5,593,274호에 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에 참고로 인용된다.

그렇지만, 증기는 연소 가스 보다 높은 열용량을 가지기 때문에, 냉각제 증기를 고온 가스 스트림과 혼합시키는 것은 비효율적인 것으로 고려된다. 결과적으로, 종래의 증기 냉각 버킷에서, 폐쇄 회로 내에서 고온 가스 통로 구성요소 내측에 냉각 증기를 유지시키는 것이 바람직한 것으로 고려되었다. 그럼에도 불구하고, 고온 가스 통로내의 구성요소의 소정 구역은 실제로 폐쇄 회로 내의 증기로 냉각될 수 없다. 예컨대, 노즐 베인의 후단의 비교적 얇은 구조체는 노즐 에지의 증기 냉각을 실제로 방해한다. 따라서, 노즐 베인의 이들 부분들을 냉각하기 위해 공기 냉각이 사용된다. 후단을 따라 공기 냉각하는 증기 냉각식 노즐에 대한 상세한 설명은 미국 특허 제 5,634,766호에 개시되어 있으며, 이는 본 발명에서 참조하였다.

상기에서 간략하게 기술되고 상기한 특허에 개시된 바와 같은 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각식 노즐 구성에서, 후단 공동의 경우에 충돌 또는 대류를 거쳐 노즐을 냉각시키기 위해 증기 또는 공기가 사용된다. 어떤 경우에는, 이러한 유형의 냉각 기구에서, 노즐벽 내의 열구배가 높은 레벨에 접근할 수 있으며, 이러한 열구배는 노즐벽의 국부적인 영역에 대해 저 사이클 피로 (Low Cycle Fatigue, LCF) 수명을 유발할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은, 베인의 외면을 냉각시켜 국부적인 열구배를 감소시키고 국부적인 LCF 수명을 연장시키기 위해 종래의 폐쇄 루프 냉각식 노즐 구성을 개조하는 것이 바람직함을 인지하였다.

상기한 바와 같이, 전형적인 폐쇄 루프 냉각 회로에서, 냉각 매체(증기 또는 공기)의 압력 및/또는 온도 레벨은, 현재까지의 정의로는 고온 가스 경로 내의 것과는 상이하기 때문에, 이러한 폐쇄 로프 냉각 회로는 폐쇄 루프 냉각 매체는 고온 가스 경로로부터 차단되거나 격리되었다. 실제로, 현재까지는 냉각 매체가 고온 냉각 경로 내로 도입되는 것이 불합리하고 바람직하지 못한 것으로 간주되었다. 그렇지만, 본 발명자들은 폐쇄 루프 냉각 회로의 에어포일벽에 적절하게 배치된 개구를 통해 냉각 매체를 미소하게 유출시킴으로써, 에어포일 표면의 필름 냉각을 달성하여, 잠재적인 효율 손실을 능가하는 방식으로 국부적인 LCF 수명을 효율적으로 증가시킬 수 있음을 알아내었다. 따라서, 본 발명은 하나 이상의 내측 노즐 냉각 공동(cavity)을 베인의 외측과 연통시키기 위해 한줄 또는 일렬의 필름 냉각 구멍이 베인의 벽을 통해 연장하도록 한정되어서 냉각 매체의 유출물이 노즐 에어포일벽을 통해 고온 가스 경로로 흐르도록 하여 에어포일을 보호하기 위한 냉각 필름을 형성하는, 베인 또는 에어포일 구조물 내에서 구현된다. 필름 냉각 구멍은 대상의 저 LCF 수명 영역의 상부에 형성되고, 바람직하게는 국부적인 저 LCF 수명 영역의 위치 및 크기에 대응하여 각각의 공동의 일부 또는 전체의 반경방향 길이를 따라 배치될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 국부적인 열구배를 현저하게 감소시키기 위해 냉각 매체, 예컨대 증기 또는 공기 필름 냉각을 도입함으로써 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각식 노즐 구성을 수정하여 국부적인 LCF 수명을 증가시키는 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 높은 열구배에 기인한 저 LCF 수명 영역에 에어포일 표면의 필름 냉각용의 냉각 매체 공급원을 제공하도록 하나 이상의 필름 냉각 구멍, 보다 바람직하게는 일련의 박막 냉각 구멍을 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각식 노즐에 부가하는 것에 의해 구현된다. 필름 냉각 구멍은 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각식 가스 터빈 노즐의 하나 이상의 공동의 벽을 통해 형성된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는, 가스 터빈의 노즐 스테이지의 고온 가스 구성요소를 냉각하기 위한 냉각 시스템이 제공되는데, 여기에는 폐쇄 회로 증기 또는 공기 냉각 및/또는 개방 회로 공기 냉각 시스템이 적용될 수도 있다. 폐쇄 회로 시스템에서, 다수의 노즐 베인 세그먼트가 제공되며, 각각의 베인은 반경방향 내벽과 외벽 사이에서 연장하는 하나 이상의 노즐을 포함한다. 이러한 베인은, 외벽 및 내벽, 그리고 베인 그 자체를 냉각시키도록 폐쇄 회로 내에서 냉각 매체를 유동시키기 위해 외벽 및 내벽 내의 격벽과 연통하는 다수의 공동을 갖추고 있다. 이러한 폐쇄 회로 냉각 시스템은 앞에서 언급한 미국 특허 제 5,634,766호에 개시되고 도시된 증기 냉각 시스템과 실질적으로 유사한 구성을 갖는다. 따라서, 냉각 매체는 판 내의 충돌 개구를 통해 챔버 및 통로에 분배되도록 세그먼트의 외벽 내의 플리넘으로 제공되어서, 세그먼트의 외벽을 충돌 냉각(impingement cooling)시킨다. 소모된 충돌 냉각 매체는 베인을 통해 선단 및 반경방향으로 연장하는 선미 공동(aft cavity) 안으로 유동한다. 적어도 하나의 냉각 유체 회수/중간 냉각 공동은 반경방향으로 연장하며, 선단과 선미 공동 사이에 위치된다. 별도의 후단 공동이 또한 제공될 수도 있다. 후단 공동 그 자체 내의 냉각 공기 유동은 본원에참고로 인용되는 미국 특허 제 5,611,662호의 주요 요지이다. 냉각 공기는 휠스페이스 또는 고온 가스 경로에 퍼지 공기를 공급하기 위해 통로를 통해 후단로부터 내벽으로 유동한다. 높은 열구배에 기인한 저 LCF 수명이 발생하는 영역에서 에어포일 표면을 냉각시키기 위해, 하나 이상의 필름 냉각 구멍이 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각식 가스 터빈 노즐의 하나 이상의 공동의 벽을 통해 형성된다. 그에 따라, 냉각 매체가 에어포일벽에 형성된 필름 냉각 구멍을 통해 고온 가스 경로로 유동하며, 이에 의해 에어포일 표면을 냉각하기 위한 냉각 필름이 형성된다.

보다 상세하게는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐쇄 회로 고정자 베인 세그먼트는,

서로 이격된 반경방향 내벽 및 외벽과,

내벽과 외벽 사이에서 연장하고 선단부 및 후단부를 갖는 베인으로서, 분리된 선단, 후단, 베인의 반경방향으로 연장하고 선단과 후단 사이에 위치된 중간 공동을 포함하며, 상기 선단과 중간 공동이 상기 베인을 통한 냉각 매체의 흐름에 대한 실질적으로 폐쇄 냉각 회로를 규정하는, 베인과,

냉각 매체를 수취하고 선단 공동에 대한 베인의 충돌 냉각을 위해 선단 공동의 내벽 표면쪽으로 냉각 매체를 지향시키는 충돌 개구를 갖춘 선단 삽입부와,

냉각 매체를 수용하고 중간 공동에 대한 충돌 냉각을 위해 중간 공동의 내벽 표면쪽으로 냉각 매체를 지향시키는 충돌 개구를 갖춘 중간 공동 삽입부를 포함하며,

상기 후단 공동은 냉각 공기를 수용하기 위한 냉각 공기 유입구와 연통하도록 위치되고, 베인 외측의 고온 가스 경로 및 인접하는 터빈 스테이지 사이의 휠스페이스 내로 소모된 냉각 공기를 지향시키기 위해 후단과 반경방향 내측 단부에 배출구를 갖추고 있으며,

적어도 하나의 필름 냉각 구멍이 베인 공동의 내측과 베인의 외측 사이의 유체 연통을 위해 적어도 하나의 공동의 벽을 통해 형성되어 에어포일 표면을 냉각시켜 그 영역에서의 열구배를 감소시킨다.

본 발명은 소정의 구성요소를 필름 냉각하도록 수정된 가스 터빈의 노즐 스테이지, 특히 제 1 노즐 스테이지의 고온 가스 구성요소를 냉각시키기 위한 실질적인 폐쇄 회로 냉각 시스템 내에서 구현될 수도 있다. 보다 상세하게, 가압된 실질적인 폐쇄 회로 내에서 유동하는 냉각 매체, 바람직하게는 증기에 의해 냉각되는 능력을 제공하는 높은 열유동 및 압력 하에서 필요한 구조적 완전성을 갖는 노즐 베인 세그먼트가 제공된다. 따라서, 본 발명은 터빈의 제 1 스테이지 및 각각이 외벽과 내벽 사이에서 반경방향으로 연장하는 하나 이상의 노즐 베인을 포함하는 다수의 노즐 베인 세그먼트를 제공한다. 이러한 베인은 외벽, 내벽, 및 베인 그 자체를 냉각하기 위한 실질적인 폐쇄 회로 경로 내에서 냉각 매체, 바람직하게는 증기를 유동시키기 위한 외측 및 내벽 내의 구획과 연통하는 다수의 공동을 갖추고 있다. 충돌 냉각은 베인의 선단 공동 뿐만 아니라 제 1 스테이지 노즐 베인의 중간 회수 공동 내에서 제공된다. 선단 및 선미 공동 내의 삽입부는 벽으로부터 이격된 공동을 통해 연장하는 슬리브를 포함한다. 이러한 삽입부는 공동의 벽에 대향하는 충돌 구멍을 갖추고 있으며, 이에 의해 삽입부 내로 유동하는 증기가 베인벽을 충돌 냉각시키기 위해 충돌 구멍을 통해 외부로 유동한다. 소모된 충돌 냉각 증기를 이송하기 위해 삽입부를 따라 회수 채널이 제공된다. 유사하게, 회수, 중간 공동 내의 삽입부는 베인의 측벽에 대항하여 충돌 냉각 매체를 유동시키기 위한 충돌 개구를 갖고 있다. 이들 삽입부 또한 소모된 충돌 냉각 증기를 수집하고 이를 냉각 매체 배출구, 즉 증기 배출구에 전달하기 위한 회수 공동을 구비한다.

또한, 제 1 스테이지 노즐 세그먼트는 높은 열구배에 기인하여 존재하는 저 LCF 수명의 영역에서 에어포일 표면의 필름 냉각을 위해 제공된다. 보다 상세하게는, 베인 외측의 소정 부분을 필름 냉각하기 위해 폐쇄된 회로로부터 냉각 매체의 일부분을 흘려보내기 위해, 하나 이상의 필름 냉각 구멍 및 바람직하게는 다수의 또는 일련의 필름 냉각 구멍이 세그먼트의 적어도 하나의 공동의 벽의 적어도 일부분 내에 또는 일부분을 따라 형성된다.

본 발명의 이러한 특징들 뿐만 아니라 다른 특징들은 첨부된 도면과 관련하여 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조하면 명확히 이해될 것이다.

도 1은 제 1 스테이지 노즐 베인의 개략적인 단면도,

도 2는 수명 제한 영역을 도시한 전형적인 제 1 스테이지 노즐의 사시도,

도 3은 본 발명의 실시예의 필름 냉각 구멍을 갖는 도 1에 도시된 형태의 베인의 평면도,

도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 취한 개략적인 단면도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 베인 12 : 외벽

14 : 내벽 16 : 외측 셀

18 : 선단부 20 : 후단부

32 : 플리넘 36 : 충돌판

40 : 구조용 리브 42 : 선단 공동

44 : 선미 공동 46, 48, 50 : 중간 회수 공동

52 : 후단 공동 54, 56, 58, 60, 62 : 삽입부

178 : 필름 냉각 구멍 180 : 에어포일 벽

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 특히 터빈의 제 1 스테이지 노즐용 냉각 회로에 관한 것으로서, 터빈의 다른 여러 형태, 그의 구성, 및 작동 방법은 전술한 특허들을 참조하였다. 도 1은 제 1 스테이지 노즐의 다수의 원주형태로 배열된 세그먼트 중 하나를 포함하는 베인(10)의 개략적인 단면도이다. 이러한 세그먼트들은 서로 연결되어서 터빈의 제 1 스테이지 노즐을 통한 고온 가스 경로를 한정하는일련의 환형 세그먼트를 형성한다. 각각의 세그먼트는 반경방향으로 이격된 외벽(12) 및 내벽(14)을 포함하며, 하나 이상의 노즐 베인(10)이 외벽과 내벽 사이에서 연장한다. 세그먼트는 터빈의 내측 셀(shell)(도시 안됨)에 대해 지지되고, 인접하는 세그먼트는 서로 밀봉된다. 따라서, 내벽, 외벽, 및 이들 사이에서 연장하는 베인은 전체적으로 터빈의 내측 셀에 의해 지지되고, 미국 특허 제 5,685,693호에 기술된 바와 같이 외측 셀(16)이 제거될 때 터빈의 내측 셀의 절반부를 제거할 수 있다. 명료한 설명을 위해, 베인(10)은 세그먼트의 단일 베인을 형성하고 베인(10)은 선단(18) 및 후단(20)을 갖고 있는 것으로 설명한다. 내측 셀(도시되지 않음)에 고정된 세그먼트에서, 제 1 및 제 2 스테이지 노즐, 즉 제 1 및 제 2 스테이지의 비회전 구성요소는 상기 명시된 특허에서 개시된 바와 같이 수리 및 유지를 위해 내측 셀이 제거될 때 터빈으로부터 제거될 수도 있으며, 증기 냉각 및 공기 냉각의 복합형 폐쇄 회로를 갖춘 제 1 및 제 2 스테이지 노즐은 완전한 공기 냉각식 노즐 스테이지용의 교체 노즐 스테이지로서 작용할 수도 있고, 이에 의해 터빈은 단독형 공기 냉각 터빈으로부터 복합형 증기 및 공기 냉각 터빈으로 변환된다.

제 1 스테이지 노즐 베인 세그먼트는 외벽(12)에 냉각 증기 유입구(22)를 갖추고 있다. 회수 증기 배출구(24)는 또한 노즐 세그먼트와 연통하도록 놓여 있다. 외벽(12)은 외측 레일링(railing)(26), 선단 레일링(28) 및 후단 레일링(30)을 포함하는데, 이들은 외벽(12) 내에 배치된 충돌판(36) 및 상부 표면(34)과 함께 플리넘(32)을 한정한다(여기서, 외부로 및 내부로 또는 외측 및 내측이라는 용어는 대체로 반경방향에 관련이 있다). 충돌판(36)과 내벽(38) 사이에는 벽(28)과 후단 벽(30)을 향해 측벽(26)들 사이에서 연장하는 다수의 구조용 리브(40)가 배치되어 있다. 충돌판(36)은 플리넘(32)의 전체 넓이 걸쳐서 리브(40) 위에 놓여 있다. 결과적으로, 유입구(22)를 통해 플리넘(32)내에 유입하는 증기는 외벽(12)의 내부면(38)을 충돌 냉각시키기 위해 충돌판(36) 내의 개구를 통과한다.

본 예시적인 실시예에서, 제 1 스테이지 노즐 베인(10)은 다수의 공동, 예컨대 선단 공동(42), 선미 공동(44), 3개의 중간 회수 공동(46, 48, 50) 및 후단 공동(52)를 갖추고 있다.

선단 공동(42) 및 선미 공동(44) 각각은 삽입부(54, 56)를 각각 갖추고 있는 반면, 각각의 중간 공동(46, 48, 50)는 유사한 삽입부(58, 60, 62)를 갖추고 있으며, 이러한 모든 삽입부는 일반적으로 중공의 천공형 슬리브의 형태로 되어 있다. 이러한 삽입부는 삽입부가 제공될 특별한 공동의 형상에 대응하도록 형성될 수도 있다. 슬리브의 측벽에는 충돌 냉각될 공동의 벽에 대향하여 놓이는 삽입부의 일부분을 따라 다수의 충돌 냉각 개구가 제공된다. 예컨대, 선단 공동(42)에서, 삽입부(54)의 전방 에지는 아치형이며, 측벽은 대체로 공동(42)의 측벽의 형상에 대응한다. 그렇지만, 공동(46)로부터 공동(42)를 격리시키는 리브(64)에 대향하는 슬리브 또는 삽입부(54)의 후방측은 충돌 개구를 갖고 있지 않다. 다른 한편으로, 후단 공동(44)에서는, 삽입 슬리브(56)의 측벽만이 충돌 개구를 갖추고 있으며, 삽입부 슬리브(56)의 전방 및 선미벽은 비천공형의 고상 재료로 구성된다.

공동(42, 44, 46, 48, 50) 내에 수용된 삽입부는 냉각 매체, 예컨대 증기가충돌 개구를 통해 공동의 내벽 표면에 충돌함으로써 벽 표면을 냉각시키도록 공동의 벽으로부터 이격되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 후속 충돌 냉각 증기는 내벽(14)과 하부 커버판(68)에 의해 규정된 플리넘(66) 내로 유동한다. 구조용 보강 리브(70)는 내벽(14)과 일체로 주조된다. 충돌판(72)은 리브(70)의 반경방향으로 내측에 배치되어 있다. 결과적으로, 공동(42, 44)으로부터 유동하는 소모된 충돌 냉각 증기는, 내벽(14)을 충돌 냉각시키기 위해 충돌판(72)의 충돌 개구를 통해 유동하도록 플리넘(66) 내로 유동한다. 소모된 냉각 증기는 공동(46, 48, 50)을 통해 증기 배출구(24)로 회수 유동하도록 개구(상세하게 도시되지 않음)를 향해 리브(70)의 방향으로 유동한다. 삽입부(58, 60, 62)는 각각의 공동을 한정하는 측벽과 리브로부터 이격된 상태로 공동(46, 48, 50) 내에 배치된다. 충돌 개구는 베인의 측벽을 충돌 냉각시키기 위해 충돌 개구를 통해 삽입부 내로부터 냉각 매체, 예컨대 증기를 유동시키기도록 슬리브의 대향 측부 상에 놓인다. 그 후, 소모된 냉각 증기는 예컨대 증기 증기 공급기에 회수되도록 배출구(24)를 통해 유동한다.

도 1에 도시된 베인의 복합형 증기 및 공기 냉각 회로의 후단부의 공기 냉각 회로는 대체로 미국 특허 제 5,634,766 호의 냉각 회로에 대응하므로, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다.

상기한 바와 같이, 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐 구성에서, 증기 또는 공기는 충돌 또는 후단 공동의 경우에는 환류를 통해 노즐벽을 냉각하기 위해 사용된다. 그렇지만, 이러한 종류의 냉각 구성에서, 노즐벽의 국부적인 영역에 대한 저 LCF 수명을 유발할 수 있는 노즐벽에서의 열구배가 매우 높은 레벨에 도달할 수 있다. 도 2는 노즐벽의 예시적인 이러한 저 LCF 영역을 개략적으로 도시하고 있다. 도 2는 예시적인 노즐벽의 LCF 영역을 참조부호(73)로 표시하였다. 참조부호(75)로 표시된 저 LCF 영역의 일부분은 특히 저 LCF 수명을 나타낼 수 있는 부분이므로 특별한 관심을 가져야 한다. 영역(75)은 열구배를 감소시켜 LCF 수명을 개선시키는 특히 바람직한 영역일 수 있다. 그렇지만, 소정의 적용에서, 표시된 수명 한정 영역(73)의 전체 길이 또는 보다 큰 부분 또는 일반적으로 동일한 구성을 갖는 노즐의 다른 면적을 따라 온도구배를 감소시키는 것이 바람직할 수도 있다.

국부적인 LCF 수명을 증가시키기 위해, 본 발명은 국부적인 열구배를 현저하게 감소시키는 필름 냉각을 제공함으로써 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐 구성을 변형시키는 것을 제안한다. 이는 국부적인 LCF 수명을 증가시킨다. 보다 상세하게는 본 발명은 높은 열구배에 기인하여 존재하는 저 LCF 수명 영역에 에어포일 표면의 필름 냉각용의 냉각 소오스를 제공하기 위해 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐에 하나 이상의, 바람직하게는 다수의 냉각 매체, 예컨대 증기 또는 공기 필름 냉각 구멍(178)을 부가하는 것에서 구현된다. 따라서, 냉각 매체는 에어포일벽(180) 내에 한정된 필름 냉각 구멍(178)을 통해 고온 가스 통로(176) 내로 유동하여 베인 외측을 냉각하기 이한 냉각 필름을 형성한다.

도 3을 참조하면, 본 발명을 구현하는 필름 냉각 구멍(178)의 배열이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 필름 냉각 구멍은 반경방향 외벽(12)으로부터 에어포일(10)의 반경방향 길이의 대략 1/2을 따라 반경방향으로 연장하는 실질적인 선형 배열로 형성된다. 비록 도시된 필름 냉각 구멍은 에어포일(10)의 반경방향 길이의 일부분만을 따라 형성되었지만, LCF 수명을 개선시키기 위한 냉각을 수행하기에 필수적이거나 바람직하다고 고려되는 경우에는 이러한 필름 냉각 구멍 어레이가 각각의 베인 공동의 전체 길이 또는 길이의 일부분을 따라 연장할 수도 있음을 이해할 것이다. 더욱이, 도시된 실시예에서는 필름 냉각 구멍 어레이가 인접한 외벽(12)으로부터 연장하도록 형성되어 있지만, 박막 냉각 구멍 어레이는 베인의 반경방향 내측 단부로부터 연장하도록 형성될 수도 있다.

서로 연통하는 필름 냉각 구멍의 배열은 국부적인 저 LCF 영역의 상류에 배치된다. 따라서, 도 2 및 도 3을 참조한 바람직한 실시예에서, 필름 냉각 구멍은 에어포일의 선단 공동을 외부와 연통시킨다. 만일 필수적이거나 바람직하다고 고려된다면, 필름 냉각 구멍의 추가적인 어레이 또는 어레이들이 선단 공동을 따라 연장하도록 형성될 수도 있으며, 부가적 또는 선택적으로 하나 이상의 이러한 필름 냉각 구멍의 어레이가 잠재적인 저 LCF 영역, 제조 복잡성의 불가피한 제조 비용 분석, 및 LCF 수명의 증가와 균형을 이룬 효율성의 고려에 의존하여 에어포일의 다른 공동에 형성될 수도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 필름 구멍(178)은 바람직하게는 에어포일(10)의 벽(180)의 평면에 대해 경사져서 후방으로 진행하여서, 냉각 필름으로서 측벽 상에 또는 측벽을 따라 흐름을 형성하고, 측벽 주변 및 하류에 배치된 국부적인 저 LCF 영역을 냉각시키고, 저 LCF 영역의 열구배를 감소시킨다.

본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 기술하였지만, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되지 않고, 이와 반대로 여러 변형예 및 균등한 배열이 첨부된 청구범위의 개념 및 범위 내에 포함되는 것으로 이해해야 할 것이다.

본 발명은 베인의 외면을 냉각시켜 국부적인 열구배를 감소시키고 국부적인 저 사이클 피로(LCF) 수명을 연장시킨다.

Claims

터빈의 스테이지의 일부분을 형성하기 위한 고정자 베인 세그먼트에 있어서,

서로 이격된 내벽 및 외벽과,

상기 내벽과 외벽 사이에서 연장하고 선단 및 후단을 갖는 고정자 베인으로서, 상기 베인을 통해 실질적으로 폐쇄 회로 내에서 냉각 매체를 유동시키기 위해, 상기 선단과 상기 후단 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장하는 다수의 분리된 공동을 포함하는, 고정자 베인과,

상기 공동의 내부와 상기 베인의 외부 사이에서 유체가 연통하도록 적어도 하나의 상기 공동의 벽을 통해 한정된 적어도 하나의 필름 냉각 구멍을 포함하며,

상기 적어도 하나의 냉각 구멍은 소정의 잠재적인 낮은 저 사이클 피로(LCF) 수명 영역 부근에 형성되어서, 상기 베인을 통해 유동하는 냉각 매체의 일부분이 상기 적어도 하나의 필름 냉각 구멍을 통해 흘러나와서 상기 저 사이클 피로 수명 영역 부근의 열구배를 감소시키고, 그것에 의해 상기 영역의 저 사이클 피로 수명을 증가시키는

고정자 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서,

삽입 슬리브가 상기 적어도 하나의 공동 내에 배치되고 상기 베인의 내벽으로부터 이격되어 상기 내벽과 상기 삽입 슬리브 사이에 갭을 형성하고, 상기 삽입 슬리브는 상기 삽입 슬리브 내로 냉각 매체를 유동시키기 위한 유입구를 갖추고 있으며, 상기 삽입 슬리브는 상기 베인의 내벽 표면에 충돌하도록 상기 슬리브를 통해 상기 갭 내로 상기 냉각 매체를 유동시키기 위한 다수의 개구를 갖추고 있는

고정자 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서,

상기 필름 냉각 구멍을 통해 유동하는 냉각 매체가 상기 베인의 외측으로 진행되도록 상기 적어도 하나의 필름 냉각 구멍은 상기 베인의 벽에 대해 각을 이루고 형성되는

고정자 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서,

상기 벽을 통해 다수의 필름 냉각 구멍이 형성되어 있는

고정자 베인 세그먼트.
제 4 항에 있어서,

상기 다수의 필름 냉각 구멍은 상기 베인의 적어도 일부분을 따라 연장하는 실질적으로 선형 배열로 형성되어 있는

고정자 베인 세그먼트.
제 5 항에 있어서,

상기 선형 배열은 상기 베인의 외벽 부근으로부터 연장하는

고정자 베인 세그먼트.
터빈 베인 세그먼트에 있어서,

서로 이격된 내벽 및 외벽과,

상기 내벽과 외벽 사이에서 연장하고 선단 및 후단을 갖는 베인으로서, 상기 베인을 통해 냉각 매체가 유동하도록 상기 선단과 상기 후단 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장하는 다수의 분리된 공동을 포함하는, 베인과,

상기 외벽의 플리넘 내로 상기 냉각 매체를 이송할 수 있는 냉각 매체 유입구와,

상기 하나의 공동 및 다른 공동 각각의 내부에 상기 베인의 내벽으로부터 이격 배치된 삽입 슬리브로서, 상기 삽입 슬리브 내로 상기 냉각 매체를 유동시키기 위한 유입구를 각각 갖추고 있으며, 또 상기 슬리브 개구를 통해 상기 슬리브와 상기 내벽 표면 사이의 상기 플리넘 내로 상기 냉각 매체를 유동시켜 상기 베인의 내벽 표면에 충돌하도록 하기 위한 다수의 개구를 갖고 있는, 삽입 슬리브와,

상기 공동의 내부와 상기 베인의 외부 표면 사이에서 유체의 연통을 위해 상기 하나의 공동 및 다른 공동중 적어도 하나의 공동의 벽을 통해 한정된 적어도 하나의 필름 냉각 구멍으로서, 소정의 잠재적인 저 LCF 영역 부근에 형성되어, 상기 베인을 통해 유동하는 냉각 매체의 일부분이 상기 적어도 하나의 필름 냉각 구멍을 통해 흘러나와서 상기 저 LCF 영역 부근의 열구배를 감소시킴으로써 상기 영역의 LCF 수명을 증가시키는, 적어도 하나의 필름 냉각 구멍을 포함하며,

상기 외벽은 적어도 하나의 냉각 매체 플리넘을 규정하고,

상기 내벽은 적어도 하나의 냉각 매체 플리넘을 규정하며,

상기 베인은 상기 하나의 플리넘과 상기 하나의 공동 사이에서 상기 냉각 매체를 이송할 수 있도록 상기 외벽의 플리넘과 적어도 하나의 상기 공동을 연통시키는 제 1 개구를 구비하고 있고, 상기 베인은 상기 하나의 공동과 상기 내벽의 냉각 매체 플리넘을 연통시키는 제 2 개구를 구비하고 있으며, 상기 베인은 상기 외벽의 냉각 매체 플리넘, 상기 하나의 공동, 상기 내벽의 냉각 매체 플리넘, 다른 공동의 사이에서 실질적으로 폐쇄된 회로 내에서 냉각 매체를 이송할 수 있도록 상기 내벽의 냉각 매체 플리넘과 적어도 다른 공동을 연통시키는 제 3 개구를 구비하고 있는

터빈 베인 세그먼트.
제 7 항에 있어서,

상기 내벽은 상기 내벽의 내면을 따라 상기 내면의 내부를 향해 내부 구획을 규정하는 적어도 하나의 리브를 구비하며,

상기 내면으로부터 이격된 상기 내부 구획용 커버 및 상기 커버와 상기 표면 사이에 위치된 충돌판을 더 포함하며,

상기 베인의 제 2 개구는 냉각 매체가 통과할 수 있도록 상기 내벽의 플리넘과 유체연통하며, 상기 충돌판은 상기 내벽을 충돌 냉각시키기 위해 상기 냉각 매체를 통과시키는 개구를 구비하는

터빈 베인 세그먼트.
제 7 항에 있어서,

상기 다수의 분리된 공동 중 하나는 상기 베인의 후단을 관통하여 다수의 개구를 갖는 후단 공동을 포함하며, 냉각 매체가 상기 개구를 통해 상기 후단 공동으로부터 상기 베인의 외측으로 유동하는

터빈 베인 세그먼트.
제 7 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 필름 냉각 구멍은 상기 베인의 벽에 대해 각을 이루고 형성되어, 상기 구멍을 통해 유동하는 냉각 매체가 하류 방향으로 상기 베인의 외측으로 향하는

터빈 베인 세그먼트.
제 7 항에 있어서,

상기 벽을 통해 다수의 필름 냉각 구멍이 형성되어 있는

터빈 베인 세그먼트.
제 11 항에 있어서,

상기 다수의 필름 냉각 구멍은 상기 베인의 적어도 일부분을 따라 연장하는 실질적으로 선형 배열로 형성되어 있는

터빈 베인 세그먼트.
제 12 항에 있어서,

상기 선형 배열은 상기 베인의 외벽으로부터 연장하는

터빈 베인 세그먼트.
고정자 베인 세그먼트에 있어서,

각각의 플리넘 및 상기 플리넘 내의 충돌판을 규정하는 서로 이격된 내벽 및 외벽과,

상기 내벽과 외벽 사이에서 연장하고 선단 및 후단을 구비하며, 상기 선단과 상기 후단 사이에서 그것의 길이방향으로 연장하는 다수의 분리된 공동을 포함하는, 베인과,

상기 외벽 플리넘 내로 증기를 유동시키고 상기 외벽 플리넘 내의 충돌판을 통해 상기 외벽의 상부면을 충돌 증기 냉각시키기 위해 상기 외벽에 형성된 유입구와,

상기 외벽으로부터 소모된 충돌 증기를 수용하기 위해 상기 공동 중 하나에 형성된 삽입부로서, 상기 하나의 공동 주위의 상기 베인을 충돌 냉각시키기 위해 상기 외벽으로부터 수용된 증기를 상기 하나의 공동의 내벽 표면쪽으로 향하게 하는 충돌 개구를 구비하며, 상기 내벽이 상기 하나의 공동로부터 상기 내벽 플리넘으로 소모된 충돌 증기를 수용하여 상기 플리넘 내의 충돌판을 통해 유동시켜 상기 내벽을 충돌 냉각시키기 위한 개구를 갖추고 있는, 삽입부와,

상기 내벽으로부터 소모된 충돌 증기를 수용하기 위해 다른 하나의 공동에 형성된 삽입부로서, 상기 내벽으로부터 수용된 증기를 상기 다른 하나의 공동의 내벽 표면쪽으로 지향시켜 상기 다른 하나의 공동 주위의 상기 베인을 충돌 냉각시키기 위한 충돌 개구를 갖추고 있는, 다른 하나의 공동에 형성된 삽입부와,

상기 다른 하나의 공동로부터 소모된 충돌 증기를 수용하고 그것에 의해 증기를 상기 내벽 및 외벽을 통해 유동시키는 배출구로서, 상기 하나의 공동 및 상기 다른 하나의 공동은 상기 베인을 통해 폐쇄 유동 회로를 구성하는, 배출구와,

상기 적어도 하나의 공동의 내측과 상기 베인의 외측 사이를 유체 연통시키기 위해 상기 하나의 공동 및 상기 다른 하나의 공동 중 적어도 하나의 벽을 관통하여 형성된 적어도 하나의 필름 냉각 구멍을 포함하는

고정자 베인 세그먼트.
제 14 항에 있어서,

공기 유입구로부터 공기를 수용하고 상기 후단을 냉각시키기 위해 상기 공기를 상기 후단 내의 개구에 통과시키기 위해 상기 베인을 관통하는 후단 공동을 더 포함하는

고정자 베인 세그먼트.
제 14 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 공동 내로 유동하는 냉각 증기의 일부분은 상기 적어도 하나의 필름 냉각 구멍을 통해 상기 공동로부터 상기 베인의 외측으로 흘러나와서, 상기 필름 냉각 구멍로부터 하류의 상기 베인의 외면의 적어도 일부분을 따라 유동하여 상기 냉각 구멍의 하류에 놓인 상기 베인의 외면을 냉각시키기 위한 냉각 필름을 형성하고, 그것에 의해 LCF 수명을 증가시키는

고정자 베인 세그먼트.
제 16 항에 있어서,

상기 필름 냉각 구멍을 통해 유동하는 냉각 매체가 하류 방향으로 상기 베인의 외측으로 향하도록 상기 적어도 하나의 필름 냉각 구멍이 상기 베인의 벽에 대해 각을 이루어 형성되는

고정자 베인 세그먼트.
제 17 항에 있어서,

상기 벽을 통해 다수의 필름 냉각 구멍이 형성되어 있는

고정자 베인 세그먼트.
제 18 항에 있어서,

상기 다수의 필름 냉각 구멍은 상기 베인의 길이의 적어도 일부분을 따라 연장하는 실질적으로 선형 배열로 형성되는

고정자 베인 세그먼트.
제 19 항에 있어서,

상기 다수의 필름 냉각 구멍의 선형 배열은 상기 베인의 외벽으로부터 연장하는

고정자 베인 세그먼트.