KR20010105148A - 충돌 냉각 영역과 대류 냉각 영역을 갖는 노즐 공동삽입체를 포함하는 터빈 베인 세그먼트 - Google Patents

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KR20010105148A
KR20010105148A KR1020010001868A KR20010001868A KR20010105148A KR 20010105148 A KR20010105148 A KR 20010105148A KR 1020010001868 A KR1020010001868 A KR 1020010001868A KR 20010001868 A KR20010001868 A KR 20010001868A KR 20010105148 A KR20010105148 A KR 20010105148A
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이트젤게리마이클
오스굿사라
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

서로 이격된 내측 및 외측 벽과, 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 및 후단 에지와 압력 및 흡입 측면을 갖는 베인과, 상기 베인은 선단 및 후단 에지 사이에 냉각 매체를 유동시키기 위해 베인에 길이방향으로 연장된 구분된 선단 에지 공동, 중간 공동, 후미 공동 및 후단 에지 공동을 포함하며, 적어도 하나의 공동 내부에 그 내부 벽 표면과 이격된 삽입체 슬리브를 갖는 터빈 베인 세그먼트가 제공된다. 삽입체 슬리브는 냉각 매체를 삽입체 슬리브내로 유동시키는 입구와 베인의 압력 및 흡입 측면을 각각 향하는 제 1 및 제 2 벽에 규정된 충돌 구멍을 갖는다. 그러한 제 1 및 제 2 벽의 적어도 하나의 충돌 구멍은 실제로 그 제 1 상류 부분만을 따라 규정되며, 그에 의해 냉각 유동이 제 1 상류 부분과 상응하는 삽입체 벽의 제 1 영역을 따라 주로 충돌 냉각이 되며 삽입체 슬리브의 적어도 하나의 벽의 제 2 하류 부분과 상응하는 제 2 영역을 따르는 냉각 유동은 주로 대류 냉각이 된다.

Description

충돌 냉각 영역과 대류 냉각 영역을 갖는 노즐 공동 삽입체를 포함하는 터빈 베인 세그먼트{NOZZLE CAVITY INSERT HAVING IMPINGEMENT AND CONVECTION COOLING REGIONS}
본 발명은 예를 들면 전기적 동력 발생을 위한 일반적인 가스 터빈에 관한 것이며, 특히 그러한 터빈의 일 노즐 단을 냉각하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 특히 대류 및 충돌 냉각을 제공하는 가스 터빈 노즐 공동에 대한 삽입체 형태에 관한 것이다.
터빈 블레이드와 노즐의 냉각에 대한 종래의 방법은 공급원(예를 들면, 터빈 압축기의 중간 및 최종 스테이지)에서 고압의 냉각 공기를 추출하는 것이었다. 그러한 시스템에서는, 터빈 블레이드를 냉각하는 소망의 물질 유동(mass flow) 목적을 달성하기 위해 전형적으로 일련의 내부 유동 통로가 사용된다. 반대로, 외부 배관은 노즐에 공기를 공급하기 위해 사용되며, 공기 필름 냉각이 전형적으로 사용되고 공기는 터빈의 고온 가스 기류내로 유출된다. 진보된 가스 터빈 형태에서는, 터빈 구성요소를 지나 유동하는 고온 가스의 온도는 금속의 용융 온도보다 높을 수 있다는 것이 인식되어 왔다. 그러므로 작동중 고온 가스 통로 구성요소를 보호하기 위한 냉각 구조를 확립할 필요가 있었다. 특히 조합형 사이클 발전소용 가스 터빈 노즐(스테이터 베인)을 냉각하기 위한 냉각 매체로 증기가 바람직하다고 증명되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,253,976 호를 참조하기 바라며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다. 증기 냉각식 버킷(bucket)의 상세한 설명에 대해서는, 미국 특허 제 5,536,143 호를 참조하기 바라며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다. 로터를 통하는 제 1 단 및 제 2 단 버킷에 냉각 매체를 공급하는 증기(또는 공기) 냉각 회로의 상세한 설명에 대해서는, 미국 특허 제 5,593,274 호를 참조하기 바라며, 그 개시 내용이 본 명세서에 참조로 인용 합체된다.
증기가 연소 가스보다 보다 높은 열용량을 가지므로, 냉각제 증기를 고온 가스 기류와 혼합하게 하는 것은 비능률적이다. 따라서, 종래의 증기 냉각 버킷에서는 고온 가스 통로 구성요소의 내부의 냉각 증기를 폐쇄 회로로 유지하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 고온 가스 통로내의 구성요소의 일부 영역은 실제로 폐쇄 회로의 증기로 냉각될 수 없다. 예를 들면, 노즐 베인의 후단 에지의 비교적 얇은 구조에서는 상기 에지의 증기 냉각이 효과적으로 배제된다. 따라서, 노즐 베인의 그러한 부분을 냉각하기 위해 공기 냉각이 사용된다. 후단 에지가 공기 냉각되는 증기 냉각 노즐의 상세한 설명에 대해서는, 미국 특허 제 5,634,766 호를 참조하기 바라며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다. 후단 에지 공동내의 냉각 공기의 유동은 그 자체가 미국 특허 제 5,611,662 호의 주제이며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다.
폐쇄 회로 시스템에서는, 다수의 노즐 베인 세그먼트가 제공되며, 각각이 내측 및 외측 측벽 사이에서 연장되는 하나 또는 그 이상의 노즐 베인을 포함한다. 외측 및 내측 벽과 베인 자체를 냉각시키도록 냉각 매체를 폐쇄 회로내에서 유동시키기 위해, 베인은 외측 및 내측 측벽의 격실과 연통되는 다수의 공동을 갖는다. 따라서, 냉각 매체는 챔버로 확산되고 플레이트의 충돌 개구를 통과하여 세그먼트의 외벽내의 플리넘(plenum)에 제공되어 세그먼트의 외측 벽 표면을 충돌(impingement) 냉각할 수 있다. 사용된 충돌 냉각 매체는 베인을 통하여 반경방향으로 연장되는 선단 에지 공동과 후미 공동내로 유동한다. 적어도 하나의 냉각 유체 복귀/중간 냉각 공동이 반경방향으로 연장되어 선단 에지 공동과 후미 공동 사이에 놓인다. 별개의 후단 에지 공동이 또한 제공될 수 있다.
통상적으로, 선단 에지 공동과 중간 공동 및 후미 공동의 각각에, 충돌 유동 구멍을 갖는 삽입체가 제공된다. 따라서, 충돌 냉각은 전형적으로 제 1 단 노즐 베인의 복귀 공동뿐만 아니라 베인의 선단 공동 및 후미 공동에 제공된다. 선단 공동 및 후미 공동내의 삽입체는, 그 입구 단부에 외벽에 일체로 주조된 플랜지와 연결되는 칼라를 갖는 슬리브(sleeve)를 포함하고 벽으로부터 이격된 공동을 통하여 연장된다. 삽입체는 공동의 벽과 마주보는 곳에 충돌 구멍을 가지며 삽입체내로 유동하는 증기 또는 공기가 베인 벽의 충돌 냉각을 위해 충돌 구멍을 통하여 외측으로 유동한다. 이와 유사하게, 복귀 중간 공동내의 삽입체는 베인의 측벽에 대하여 충돌 냉각 매체를 유동시키기 위한 충돌 개구를 갖는다.
공기 혹은 증기가 냉각제로 사용되든 간에, 종래의 폐쇄 회로 냉각형 터빈 노즐에서 발생되는 문제는 후 충돌 냉각제가 교차 유동(cross-flow)되어 하류의 충돌 냉각의 효율을 감소시킬 수 있다는 것이다. 이것은 또한 공동의 열전달 계수에 대한 교차 유동의 영향을 결정하기 위해 사용되는 계산의 불확실성을 야기한다.
종래의 노즐 공동 충돌 냉각 시스템의 또 다른 문제는 작은 공동 내의 상당한 후 교차 유동으로 인해, 적절한 열전달 계수를 달성하려면 큰 압력 강하가 필요하다는 것이다. 이러한 큰 압력 강하는, 폐쇄 회로의 다른 분기로부터의 압력강화와 균형을 맞추기 위해, 노즐 냉각 회로의 다른 부분에 대한 설계를 보다 복잡하게 만든다. 대부분의 경우, 냉각 유동으로부터의 과도한 압력 강하는 설계에서의 다른 제한으로 인해 불가능할 수 있다. 이러한 압력 강하를 감소시킴으로써 유동 회로내의 그밖의 장소에서 보다 단순화된 형태가 가능하다. 또한 그것은 시스템이 효율적으로 작동하기 위해 필요하다.
이러한 교차 유동 문제가 부분적으로 해결되는 하나의 방법은 노즐 공동의 반경방향의 범위를 대체로 가로지르게 배향되는 리브를 규정하여 후 충돌 냉각제가 후 충돌 냉각제 유동 채널(channel)로 현(弦) 방향(chord-wise direction)으로 유동하게 하여 베인 세그먼트의 반경방향의 내측 벽으로 통과하도록 하는 것이다. 그러나, 베인 공동과 삽입체의 형태를 단순화하고, 교차 유동 효과를 감소하거나 제거하며, 설계와 관련된 불확실성을 감소시키는 방식으로 현재의 노즐 삽입체 형태와 관련된 전술한 문제를 해결하는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 충돌 양을 감소시키거나 충돌 냉각에서 대류 냉각으로 변경하는 것이 교차 유동 효과를 감소시키거나 제거하고 설계와 관련된 불확실성을 감소시킬 수 있음을 인식하였다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 충돌 유동의 양이 감소되어 노즐 공동 길이의 일부를 따라 제공되는 냉각이 충돌 냉각에서 대류 냉각으로 변경되게 하는 신규한 노즐 공동 삽입체를 제공한다. 이것이 교차 유동 효과를 감소시키거나 제거하고 설계와 관련된 불확실성을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 서로 이격된 반경방향의 내측 및 외측 벽과, 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 에지 및 후단 에지와 압력 및 흡입 측면을 가지며 또한 선단 에지 및 후단 에지 사이에서 베인의 길이방향으로 연장되는 구분된 공동을 포함하는 베인과, 상기 공동의 적어도 하나에 있는 삽입체 슬리브로서, 공동의 내부 벽 표면으로 냉각 매체를 지향시키는 충돌 구멍을 갖는 상기 삽입체 슬리브를 포함하는 폐쇄 회로 스테이터(stator) 베인 세그먼트가 제공된다. 충돌 구멍은 베인의 압력 및 흡입 측면과 각각 접하는 삽입체 슬리브의 제 1 및 제 2 벽 내에 규정된다. 그러나, 그러한 제 1 및 제 2 벽중 적어도 하나의 충돌 구멍은 실질적으로 제 1 상류 부분만을 따라 규정되고, 그에 의해 냉각 유동은 제 1 상류 부분을 따라 주로 충돌 냉각하고, 제 2 하류 부분을 따라 대류 냉각한다.
실시예에서는, 삽입체 슬리브의 제 1 및 제 2 벽의 양자의 충돌 구멍은 실질적으로 제 1 상류 부분만을 따라 연장되어 이들 벽을 따라 대류 냉각으로 천이된다. 베인의 흡입 측면과 접하는 제 2 벽의 충돌 구멍은 제 1 벽의 충돌 구멍보다 작은 범위로 연장되는 것이 보다 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 제 1 단 노즐 베인의 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 공동내에 배치된 충돌 냉각 삽입체 슬리브를 갖는 제 1 단 노즐 베인의 개략적이고 절단된 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 다른 삽입체 슬리브의 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 실시예의 또 다른 삽입체 슬리브의 개략적인 종단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 베인 18 : 선단 에지
20 : 후단 에지 22 : 증기 입구
24 : 증기 출구 32 : 플리넘
36 : 충돌 플레이트 42 : 선단 에지 공동
44, 46, 48, 50 : 중간 복귀 공동 52 : 후미 공동
56 : 후단 에지 공동 86, 88 : 충돌 냉각 개구
87, 89 : 제 1 상류 부분 90, 92 : 제 2 하류 부분
58, 60, 62 : 선단 에지 공동과 후미 공동의 삽입체 슬리브
64, 66, 68, 70 : 중간 공동의 삽입체 슬리브
상기 논의된 바와 같이, 본 발명은 특히 터빈의 제 1 단 노즐에 대한 냉각 회로와 그러한 구성 및 작동 방법에 관한 것이며, 터빈의 다양한 형태를 개시하는 상기 소개된 특허가 참조된다. 도 1을 참조하면, 제 1 단 노즐의 다수의 주변에 배치된 세그먼트의 하나를 포함하는 베인(10)의 개략적인 단면이 도시되어 있다. 터빈의 제 1 단 노즐을 통과하는 고온 가스 통로를 규정하는 환형 배열의 세그먼트를 형성하도록 세그먼트는 서로 연결되는 것이 인식될 것이다. 각 세그먼트는 각각 반경방향으로 이격된 외측 및 내측 벽(12, 14)을 포함하며, 하나 또는 그 이상의 노즐 베인(10)은 외측 및 내측 벽 사이에서 연장된다. 세그먼트는 터빈의 내측 쉘(도시되지 않음)에 대하여 지지되며 인접한 세그먼트는 서로 밀봉된다. 그러므로 외측 및 내측 벽과 그 사이에서 연장되는 베인은 전적으로 터빈의 내측 쉘에 의해 지지되며, 미국 특허 제 5,685,693 호에 개시된 바와 같이, 외측 쉘 제거시 터빈의 내측 쉘 절반과 함께 제거 가능하다. 설명을 목적으로, 베인(10)은 세그먼트의 하나의 베인을 형성하는 것으로 설명될 것이다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 베인은 선단 에지(18), 후단 에지(20) 및 외측 벽으로의 냉각 증기 입구(22)를 갖는다. 또한 복귀 증기 출구(24)는 노즐 세그먼트와 연통되게 놓인다. 외측 벽(12)은 외측 레일링(railing)(26), 선단 레일링(28) 및 위쪽 벽 표면(34)과 외측 벽(12)에 배치된 충돌 플레이트(36)와 함께 플리넘(plenum)(32)을 규정하는 후단 레일링(30)을 포함한다["외부로(outwardly)" 및 "내부로(inwardly)" 또는 "외측의(outer)" 및 "내측의(inner)"라는 용어는 일반적으로 반경 방향을 의미함]. 측벽(26), 전방 벽(28) 및 후방 벽(30) 사이로 연장되는 다수의 구조적 리브(40)가 충돌 플레이트(36)와 외측 벽(12)의 내측 벽(38) 사이에 배치된다. 충돌 플레이트(36)는 플리넘(32)의 전체 범위에 걸쳐 리브(40) 위에 놓인다. 따라서, 입구 포트(22)를 통하여 플리넘(32)내로 유입하는 증기는 외측 벽(12)의 내측 표면(38)을 충돌 냉각하기 위해 충돌 플레이트(36)의 개구를 관통한다.
본 실시예에서, 제 1 단 노즐 베인(10)은 다수의 공동[예를 들면, 선단 에지 공동(42), 두 개의 후미 공동(52, 54), 네 개의 중간 복귀 공동(44, 46, 48, 50) 및 후단 에지 공동(56)]을 갖는다.
선단 에지 공동(42)과 후미 공동(52,54)은 각각 삽입체 슬리브(58, 60, 62)를 가지며, 반면에 각 중간 공동(44, 46, 48, 50)은 각각 유사한 삽입체 슬리브(64, 66, 68, 70)을 가지며, 그러한 모든 삽입체 슬리브는 하기의 본명세서에 상세히 설명된 바와 같이 천공(perforation)을 갖는 중공의 슬리브의 형태이다. 삽입체 슬리브가 제공되는 특정한 공동의 형태에 상응하게 삽입체 슬리브가 형성되는 것이 바람직하며, 삽입체 슬리브의 측면에는 충돌 냉각되는 공동의 벽과 마주보게 놓이는 삽입체 슬리브의 부분을 따라서 다수의 충돌 냉각 개구가 제공된다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 선단 에지 공동(42)에서, 삽입체 슬리브(58)의 전방 에지는 아치 형태이고 측벽은 일반적으로 공동(42)의 측벽과 형태에서 상응하며, 그러한 삽입체 슬리브의 벽은 하기 설명된 바와 같이 그 길이의 부분을 따라 충돌 개구를 갖는다. 그러나, 공동(42)과 공동(44)을 분리시키는 리브(72)에 마주보게 배치된 슬리브 또는 삽입체 슬리브(58)의 뒷면은 충돌 개구를 갖지 않는다. 이와 유사하게, 후미 공동(52, 54)에서는, 삽입체 슬리브(60, 62)의 측벽은, 하기에 상세히 설명된 바와 같이, 그 길이의 일부분을 따라 충돌 개구를 가지며, 반면에 삽입체 슬리브(60, 62)의 전방과 후미 벽은 개구가 없는(non-perforated) 재료이다.
공동(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54)에 수용된 삽입체 슬리브는 냉각 매체(즉, 증기)가 충돌 개구를 통하여 공동 내부 벽 표면에 충돌하도록 공동 벽과 이격되며, 이에 의해 벽 표면을 냉각하게 된다.
상기 언급된 바와 같이, 구멍이 일반적으로 베인의 외부 벽과 대면하는 삽입체 슬리브의 측면에 국한되지만, 종래의 삽입체 슬리브 형태는 삽입체 슬리브의 전 길이에 걸쳐 규정된 충돌 냉각 구멍을 갖는다. 상기 언급된 바와 같이, 그러한 삽입체 슬리브가 배치된 공동내의 열전달이 그러한 삽입체 슬리브에 의해 발생된 충돌에 의해 증가되지만, 노즐 형상에서 그 밖의 곳에 복잡한 형태를 야기하는 공동에 큰 압력 강하가 있다. 또한, 축적된 후 충돌 냉각제가 공동의 상류 단부로부터 하류로 진행되기 때문에, 교차 유동 저하가 증가한다. 이것이 낮은 열전달 계수와 열전달 계수 산정에 높은 불확실성을 야기한다.
본 발명은 공동의 길이에 걸쳐 압력 강하를 감소시키고 노즐의 그 밖의 곳에 보다 단순화된 형태를 제공하기 위해 개발되었다. 본 발명은 열전달 계수 측정에 포함되는 불확실성을 감소시키기 위해 보다 심도 있게 개발되었다. 본 발명은 또한 설계시 필요조건을 충족하기 위해 공동에 걸쳐 저주기 피로(loe cycle fatigue)를 증가시키기 위해 개발되었다.
본 발명의 실시예로서 제공된 삽입체 슬리브는 삽입체의 상류 부분상에 위치한 충돌 냉각 구멍을 갖는다. 삽입체 슬리브의 하류 부분은 충돌 구멍을 포함하지 않고, 삽입체 슬리브와 공동 내부 벽 사이의 갭에 대해 냉각 유동 면적을 감소시킴으로써 열전달 계수를 증가시키는 방지 기구로서 작용하는 점에서 실질적으로 구멍이 없다. 이러한 형태는 의도되지 않는 후 충돌 냉각제 교차 유동을 감소시키고, 열전달 계수가 보다 정확하게 측정되게 하며 공동의 입구로부터 출구까지의 압력 강하의 감소를 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에 따른 삽입체 슬리브의 일반적인 형태가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다. 도 2는 선단 에지 공동에 대한 삽입체 슬리브를 도시하고, 도 3은 복귀 공동중 하나에 대한 삽입체 슬리브를 도시하며, 도 4는 후미 공동에 대한 충돌 구멍의 분포를 도시한다.
도 2 및 도 3에 도시된 삽입체 슬리브[예를 들면, 삽입체 슬리브(64)]는 상응하는 공동[즉, 공동(44)]의 개구 주위의 가장자리의 플랜지(도시되지 않음)와 연결되는 가장자리 플랜지(80)를 갖는 아래쪽으로 또는 반경방향으로 개방된 내측 단부를 구비한 신장된 슬리브(78)을 포함한다. 슬리브(78)의 측벽(82, 84)에는 다수의 충돌 냉각 개구(86, 88)가 각각 제공된다. 도시된 바와 같이, 충돌 냉각 구멍 또는 개구(86, 88)는 제 1 상류 부분(87, 89)을 따라서 형성되어 냉각 매체를 슬리브와 충돌 냉각되는 내부 베인 벽 표면 사이의 공간내로 유동시킨다. 슬리브(78)의 제 2 하류 부분(90, 92)은 충돌 구멍을 갖지 않는다. 대신, 하류 부분은 슬리브의 제 1 충돌 구멍 부분에 인접하게 규정된 공간으로부터 후 충돌 냉각 유동을 수용하는 채널을 규정함으로써 공동(42)내의 냉각제 유동 면적을 감소시키며, 그에 의해 열전달 계수를 증가시킨다. 이러한 형태는 바람직하지 않는 후 충돌 냉각제(공기 또는 증기) 교차 유동을 감소시키고, 열전달 계수가 보다 정확하게 측정되게 하며, 공동의 입구로부터 출구까지의 압력 강하의 감소를 가능하게 한다.
도 3에 보다 잘 도시된 바와 같이, 충돌 구멍(86, 88)이 각각 제공되는 슬리브 부분의 범위는, 본 발명의 실시예에서, 삽입체 슬리브 측벽이 에어포일(airfoil)의 압력 측면 또는 흡입 측면을 향하는 가에 따른다. 반면에 각 측면의 충돌 구멍은 본 발명의 목적을 달성하기에 필요하거나 바람직하게 생각되어지는 바와 같이 변할 수 있으며, 충돌의 범위는 슬리브(78)의 흡입 측면(84)보다 압력 측면(82)에서 더 큰 것이 바람직할 수 있다.
도 4를 참조하면, 삽입체 슬리브(60)의 유사한 형태가 베인 공동(52)에 제공된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 삽입체 슬리브(60)의 주변 외형은 공동(52)의 형태의 외형을 따른다. 삽입체 슬리브는 측벽(98, 100)상에 충돌 개구 또는 구멍(94, 96)을 가지며, 그에 의해 플리넘(32)(도 1 참조)으로부터 삽입체 슬리브(60)내로 지향되는 냉각제(증기 또는 공기)가 공동(52)의 반대쪽 측면상의 베인의 외측 벽을 충돌 냉각하기 위해 충돌 개구(94, 96)를 통하여 외측으로 유동한다.
충돌 구멍(94, 96)이 각각 제공되는 삽입체 슬리브(60) 부분의 범위는, 본 발명의 실시예에서, 삽입체 슬리브 측벽이 에어포일의 압력 측면 혹은 흡입 측면을향하는 가에 따른다. 그러므로, 각 측면의 충돌 구멍의 범위는 본 발명의 목적을 달성하기에 필요하거나 바람직하게 생각되어지는 바에 따라 변할 수 있으며, 충돌 구멍의 범위는 삽입체 슬리브(60)의 흡입 측면(100)보다 압력 측면(98)상에서 보다 큰 것이 바람직하다.
충돌 냉각 구멍 또는 개구(94, 96)는 삽입체 슬리브의 상류 부분(102, 104)에 위치되고, 반면에 삽입체 슬리브(60)의 하류 부분(106, 108)은 충돌 구멍을 갖지 않는다. 대신, 하류 부분은 공동(52)내의 냉각제 유동 면적을 감소시키며, 그에 의해 열전달 계수를 증가시킨다. 선단 에지 공동과 복귀 공동내의 삽입체 슬리브에서는, 이러한 삽입체 슬리브의 형태는 바람직하지 않은 후 충돌 냉각제 교차 유동을 감소시키고, 열전달 계수가 보다 정확히 측정되게 하며, 공동의 입구로부터 출구까지의 압력 강하의 감소를 가능하게 한다.
열전달 계수 및 공동의 충돌 및 대류 냉각되는 영역에 대한 압력 강하를 결정하기 위해 유동 분석 소프트웨어가 사용된다. 분석을 통해 상기 언급된 형태에서 열전달 계수가 증가함에 따라 압력 강하의 감소가 나타남을 알 수 있다. 예를 들면, 약 6.32인치의 길이의 베인(10)을 갖는 터빈 시스템의 제 1 단 노즐의 여섯 번째 공동(52)에서는, 약 5.05인치(80%)로 연장되는 충돌 구멍(94)과 약 2.88인치(45%)로 연장되는 충돌 구멍(96)은 압력 및 흡입 측면의 적절할 열전달 계수와 공동을 가로지르는 최소한의 압력 강하를 제공하는 것으로 결정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 후 충돌 냉각 증기는 내측 벽(14)과 아래쪽 커버 플레이트(76)에 의해 규정되는 플리넘(73)내로 유동한다. 구조 강화 리브(75)는내측 벽(14)과 일체로 주조된다. 충돌 플레이트(74)는 리브(75)의 반경방향의 내부방향에 있다. 따라서, 공동(42, 52, 54)으로부터 유동하는 사용된 충돌 냉각 증기는 내측 벽(14)의 충돌 냉각을 위해 충돌 플레이트(74)의 충돌 개구를 통하여 유동한다. 사용된 냉각 증기는 각각의 공동(44, 46, 48, 50)을 통하여 증기 출구(24)로의 복귀 유동을 위해 리브(75)의 방향에 의해 개구(상세히 도시되지 않음)를 향하여 유동한다. 삽입체 슬리브(64, 66, 68, 70)는 각각의 공동을 규정하는 측벽과 리브로부터 이격된채로 공동(44, 46, 48, 50)내에 배치된다. 상기 언급된 바와 같이, 충돌 개구는 베인 측벽을 충돌 냉각하기 위해 삽입체 슬리브 안으로부터 충돌 개구를 통하여 냉각 매체(즉, 증기)를 유동시키는 슬리브의 반대쪽 측면에 놓인다. 그 후 사용된 냉각 증기는 삽입체 슬리브와 중간 공동의 벽 사이의 갭으로부터 냉각제(즉, 증기) 공급부로의 복귀를 위해 출구(24)로 유동한다.
도 1에 도시된 베인의 조합된 증기 및 공기 냉각 회로의 후단 에지 공동(56)의 공기 냉각 회로는 일반적으로 미국 특허 제 5,634,766 호의 개시 내용과 상응하므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로서 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 사상과 범위내의 다양한 변형과 균등한 구성을 포함하는 것으로 의도된다고 이해되어야한다.
본 발명에 따르면, 충돌 유동의 양을 감소시켜 노즐 공동의 길이 부분에 따라 제공되는 냉각이 충돌 냉각에서 대류 냉각으로 변경되게 하는 노즐 공동 삽입체를 제공함으로써, 교차 유동 효과를 감소시키거나 제거하며, 설계에 있어서 불확실성의 감소를 달성할 수 있다.

Claims (19)

  1. 터빈 베인 세그먼트에 있어서,
    서로 이격된 내측 및 외측 벽과,
    상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 에지 및 후단 에지를 갖는 베인으로서, 냉각 매체를 유동시키기 위해 선단 및 후단 에지 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 포함하는 상기 베인과,
    상기 일 공동 내에 있으며 그 내부 표면과 이격된 삽입체 슬리브를 포함하고, 상기 삽입체 슬리브는 상기 삽입체 슬리브 내로 냉각 매체를 유동시키는 입구를 가지며, 상기 삽입체 슬리브의 제 1 부분은 다수의 관통 개구를 가지며, 냉각 매체가 상기 베인의 내부 벽 표면과의 충돌을 위해 상기 슬리브 개구를 통하여 상기 슬리브와 상기 내부 벽 표면 사이의 공간내로 유동되며, 상기 제 1 부분으로부터 냉각제 유동 방향에 있어서 하류에 있는 상기 삽입체 슬리브의 제 2 부분은 대류 냉각 부분을 규정하도록 실질적으로 개구가 없으며, 상기 삽입체 슬리브의 제 2 부분과 상기 베인의 내부 벽 표면은 상기 공간내로 유동하는 냉각 매체를 수용하기 위해 상기 공간과 유체 연통되는 채널을 규정하는
    터빈 베인 세그먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    플리넘이 상기 외측 벽에서 규정되고 상기 베인이 상기 플리넘과 연통되는 적어도 제 1 개구를 가져 상기 외측 벽 플리넘과 상기 공동중 하나 사이로 냉각 매체가 통과할 수 있는
    터빈 베인 세그먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 구멍은 각각 상기 베인의 압력 및 흡입 측면을 향하는 삽입체 슬리브의 제 1 및 제 2 벽내에 규정되고, 상기 제 1 및 제 2 벽중 적어도 하나의 충돌 구멍이 실질적으로는 상기 각각의 벽의 제 1 상류 부분만을 따라 규정되는
    터빈 베인 세그먼트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    베인의 흡입 측면을 향하는 제 2 벽내의 상기 충돌 구멍이 제 1 벽의 충돌 구멍보다 보다 작은 벽의 범위를 따라 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 삽입체가 상기 베인의 후미 공동에 배치되는
    터빈 베인 세그먼트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    베인의 압력 측면을 향하는 제 1 벽의 상기 충돌 구멍이 베인 길이의 약 80%를 따라 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  7. 제 5 항에 있어서,
    베인의 흡입 측면을 향하는 제 2 벽의 충돌 구멍이 베인 길이의 약 45%를 따라 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입체가 상기 베인의 선단 에지 공동내에 배치되는
    터빈 베인 세그먼트.
  9. 터빈 베인 세그먼트에 있어서,
    서로 이격된 내측 및 외측 벽과,
    상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 및 후단 에지와 압력 및 흡입 측면을 갖는 베인으로서, 냉각 매체를 유동시키기 위해 선단 및 후단 에지 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 구분된 선단 에지 공동, 중간 에지 공동 및 후미 에지 공동을 포함하는 상기 베인과,
    상기 공동의 적어도 하나의 내부에 있고 그 내부 벽 표면과 이격된 삽입체 슬리브를 포함하고, 상기 삽입체 슬리브는 냉각 매체를 상기 삽입체 슬리브내로 유동시키는 입구와 베인의 압력 및 흡입 측면을 각각 향하는 상기 삽입체 슬리브의 제 1 및 제 2 벽에 규정되는 충돌 구멍을 가지며, 그러한 제 1 및 제 2 벽의 적어도 하나의 충돌 구멍은 실질적으로 제 1 상류 부분만을 따라 규정되고 그에 의해 상기 제 1 상류 부분에 상응하는 제 1 영역을 따르는 냉각 유동이 주로 충돌 냉각이 되고 상기 삽입체 슬리브의 적어도 하나의 벽의 제 2 하류 부분과 상응하는 제 2 영역을 따르는 냉각 유동이 주로 대류 냉각이 되는
    터빈 베인 세그먼트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 삽입체 슬리브의 적어도 하나의 벽의 하류 부분이 상기 베인의 내측 벽과 함께 상기 제 1 영역으로부터 사용된 충돌 냉각제를 수용하는 감소된 치수의 냉각제 채널을 규정하며, 그에 의해 열전달 계수를 증가시키는
    터빈 베인 세그먼트.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 삽입체 슬리브의 제 1 및 제 2 벽의 충돌 구멍이 실질적으로 제 1 상류 부분만을 따라 연장되어 상기 양 벽을 따라 대류 냉각으로 천이 되는
    터빈 베인 세그먼트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 베인의 흡입 측면을 향하는 상기 제 2 벽의 충돌 구멍이 상기 제 1 벽의 충돌 구멍보다 보다 작은 벽의 범위를 따라 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 삽입체가 상기 베인의 후미 공동내에 배치되는
    터빈 베인 세그먼트.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 베인의 압력 측면을 향하는 제 1 벽의 상기 충돌 구멍이 상기 베인의 길이의 약 80%를 따라 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 베인의 흡입 측면을 향하는 제 2 벽의 상기 충돌 구멍이 상기 베인 길이의 약 45%를 따라 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 삽입체가 상기 베인의 선단 에지 공동내에 배치되는
    터빈 베인 세그먼트.
  17. 스테이터 베인 세그먼트에 있어서,
    서로 이격되는 내측 및 외측 벽과,
    상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 및 후단 에지를 갖는 베인으로서, 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 선단 에지 공동, 중간 공동, 후미 공동 및 후단 에지 공동을 포함하는 상기 베인과,
    상기 내측 및 외측 벽은 각각의 플리넘을 규정하고, 상기 각 플리넘에 배치되는 충돌 플레이트와, 상기 외측 벽의 다른 표면을 충돌 증기 냉각하기 위해 증기를 외측 벽 플리넘내로 상기 외측 벽 플리넘의 충돌 플레이트를 통하여 유동시키는 상기 외측 벽내의 입구와,
    상기 외측 벽으로부터 사용된 충돌 증기를 수용하기 위한 상기 공동중 하나내에 있는 제 1 삽입체 슬리브로서, 상기 제 1 삽입체 슬리브는 상기 외측 벽으로부터 수용된 증기를 상기 하나의 공동 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위해 상기 하나의 공동의 내부 벽 표면으로 지향시키는 충돌 개구를 갖는 제 1 삽입체 슬리브와,
    충돌 플레이트를 통과하는 유동과 내측 벽의 충돌 냉각을 위해 상기 일 공동으로부터 내측 벽 플리넘내로 사용된 충돌 증기를 수용하는 개구를 갖는 상기 내측 벽과,
    상기 내측 벽으로부터 사용된 충돌 증기를 수용하기 위한 상기 공동중 다른 하나내에 있는 제 2 삽입체 슬리브로서, 상기 제 2 삽입체 슬리브는 상기 내측 벽으로부터 수용된 증기를 상기 다른 공동 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위해 상기 다른 공동의 내부 벽 표면으로 지향시키는 충돌 개구를 갖는 제 2 삽입체 슬리브와,
    상기 다른 공동으로부터 사용된 충돌 증기를 수용하는 출구를 포함하고, 그에 의해 상기 내측 및 외측 벽을 통하여 증기가 유동하고, 상기 하나의 공동과 다른 하나의 공동이 상기 베인을 통하여 폐쇄 회로를 구성하며,
    적어도 하나의 상기 제 1 및 제 2 삽입체 슬리브의 충돌 개구는 삽입체 슬리브의 제 1 상류 부분을 따라 규정되고 상기 제 1 부분으로부터 냉각제 유동 방향에서 하류인 삽입체 슬리브의 제 2 부분은 대류 냉각 부분을 규정하도록 실질적으로 개구가 없으며, 상기 삽입체 슬리브의 상기 제 2 부분과 상기 베인의 내부 벽 표면은 그 사이에 상기 제 1 부분의 충돌 구멍을 통하여 유동하는 냉각 매체를 수용하는 채널을 규정하는
    스테이터 베인 세그먼트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 충돌 구멍이 상기 베인의 압력 및 흡입 측면을 각각 향하는 상기 삽입체 슬리브의 제 1 및 제 2 벽에 규정되고, 적어도 하나의 상기 제 1 및 제 2 삽입체 슬리브의 제 2 벽의 충돌 구멍은 제 1 벽의 충돌 구멍보다 작은 벽에 범위를 따라 연장되는
    스테이터 베인 세그먼트.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 외측 벽으로부터 사용된 충돌 증기를 수용하기 위해 상기 제 3 공동내에 있는 제 3 삽입체 슬리브를 더 포함하고, 상기 제 3 삽입체 슬리브는 상기 외측 벽으로부터 수용된 증기를 상기 제 3 공동 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위해 상기 일 공동의 내부 벽 표면으로 지향시키는 충돌 개구를 가지며,
    상기 제 3 삽입체 슬리브의 충돌 개구가 삽입체 슬리브의 제 1 상류 부분을 따라 규정되고, 상기 제 1 부분으로부터 냉각제 유동 방향에서 하류인 삽입체 슬리브의 제 2 부분이 대류 냉각 부분을 규정하도록 실질적으로 개구가 없으며, 상기 삽입체 슬리브의 제 2 부분과 상기 베인의 내부 벽 표면이 그 사이에 상기 제 1 부분의 충돌 구멍을 통하여 유동하는 냉각 매체를 수용하기 위한 채널을 규정하고, 상기 내측 벽이 충돌 플레이트를 통한 유동과 내측 벽의 충돌 냉각을 위해 상기 제 3 공동으로부터 내측 벽 플리넘내로 사용된 충돌 증기를 수용하는 개구를 갖는
    스테이터 베인 세그먼트.
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