KR20010105149A - 터빈 베인 세그먼트 및 스테이터 베인 세그먼트 - Google Patents

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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

터빈 스테이터 베인 세그먼트는 반경방향으로 내측 및 외측 벽을 가지며 그 사이에서 베인이 연장된다. 내측 및 외측 벽은 구획되어지고 충돌 플레이트를 갖는다. 외측 벽 플리넘내로 유동하는 증기는 외측 벽 위쪽 표면을 충돌 냉각하기 위해 충돌 플레이트를 관통한다. 사용된 충돌 증기는 베인 벽을 충돌 냉각하는 삽입체를 갖는 베인의 공동내로 유동한다. 증기는 내측 벽 표면을 충돌 냉각하고 베인 표면을 충돌 냉각시키는 삽입체를 갖는 복귀 공동을 통하여 복귀하기 위해 내측 벽 내로 충돌 플레이트를 통하여 유동한다. 에어포일 외측 표면의 선택된 부분의 공기 필름 냉각을 제공하기 위해, 적어도 하나의 에어 포켓이 공동의 적어도 하나의 벽에 규정된다. 각 에어 포켓은 공동내의 냉각 매체에 대해 폐쇄되어 있고 에어 포켓에 공급된 냉각 공기는 에어포일을 냉각하기 위해 에어포일 벽의 출구 개구를 통하여 유동한다.

Description

터빈 베인 세그먼트 및 스테이터 베인 세그먼트{FILM COOLING AIR POCKET IN A CLOSED LOOP COOLED AIRFOIL}
본 발명은 예를 들면 전기적 동력 발생을 위한 일반적인 가스 터빈에 관한 것이며, 특히 그러한 터빈의 일 노즐 단을 냉각하는 것에 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 본명세서에 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.
상기 간단히 설명되고 언급된 특허에 개시된 것과 같은 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐 형태에서는, 증기 또는 공기가 충돌을 통하여, 또는 후단 에지 공동의 경우 대류를 통하여 노즐 벽을 냉각하기 위해 사용된다. 일부의 경우에 있어서, 이러한 종류의 냉각 구조에 대해, 노즐 벽에서의 열 구배는 매우 높은 수준에 도달할 수 있으며, 노즐 벽의 국부적인 영역에 대해 낮은 저주기피로(low cycle fatigue) 수명을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 국부적 열 구배를 크게 감소시키는 필름 냉각(film cooling)에 냉각 매체(즉, 공기)를 도입함으로써 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐 형태를 변경하여 국부적 저주기 피로 수명을 증가시킬 것이다. 특히, 본 발명은 고온 열 구배로 인해 낮은 저주기 피로 수명이 존재할 수 있는 영역의 에어포일(airfoil) 표면의 필름 냉각용 냉각 공기 공급원을 제공하기 위해 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각식 노즐에 적어도 하나의 에어 포켓(air pocket)을 추가함으로써 실시된다. 에어 포켓은 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 가스 터빈 노즐의 하나 또는 그 이상의 공동 내부에 위치한다. 공기는 에어 포켓내로 공급되고 그 후 에어 포켓을 베인 외부와 연통시키는 에어포일 벽에서 규정되는 공기 필름 구멍을 통하여 고온 가스 통로로 공기는 유동한다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 폐쇄 회로 증기 또는 공기 냉각 또한/또는 개방 회로 공기 냉각 시스템이 사용되는 가스 터빈 노즐 단의 고온 가스 구성요소를 냉각하기 위한 냉각 시스템이 제공된다. 폐쇄 회로 시스템에서는, 다수의 노즐 베인 세그먼트가 제공되며, 각각은 반경방향의 내측 및 외측 벽 사이로 연장되는 하나 또는 그 이상의 노즐 베인을 포함한다. 베인은 외측 및 내측 벽과 베인 자체를 냉각하는 폐쇄 회로에서 냉각 매체를 유동시키기 위한 외측 및 내측 벽내의 격실과 연통되는 다수의 공동을 갖는다. 이러한 폐쇄 회로 냉각 시스템은 실제로 상기 참조된 미국 특허 제 5,634,766 호에서 설명되고 도시된 증기 냉각 시스템과 구조적으로 유사하며, 예외적 사항은 하기에 설명된다. 따라서, 냉각 매체는 세그먼트의 외측 벽의 플리넘(plenum)에 그 안의 챔버에 확산되고 세그먼트의 외측 벽 표면의 충돌 냉각을 위한 플레이트의 충돌 개구를 관통하도록 제공될 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 연장되며 선단 에지 공동 및 후미 공동 사이에 놓인다. 분리된 후단 에지 공동 또한 제공될 수 있다. 후단 에지 공동 자체의 냉각 공기 유동은 미국 특허 제 5,611,662 호의 주제이며, 그 개시내용은 본 명세서에 참조로서 인용 합체된다. 그러한 후단 에지 공동으로부터의 냉각 공기는 정화 공기(purge air)를 휠스페이스(wheelspace)에 또는 고온 가스 통로 내로 공급하기 위한 유동을 위해 내측 벽으로 유동한다. 고온 열 구배로 인해 낮은 저주기 피로 수명이 존재할 수 있는 영역의 에어포일 표면을 냉각하도록, 적어도 하나의 에어 포켓이 폐쇄 증기 또는 공기 냉각 가스 터빈 노즐의 하나 또는 그 이상의 상기 언급된 공동 내부에 위치한다. 공기는 에어 포켓내로 공급되고 그 후 에어 포켓을 베인 외부에 연통시키는 에어포일 벽에 규정된 공기 필름 구멍을 통하여 고온 가스 통로내로 유동하고 그에 의해 에어포일 표면을 냉각하는 냉각 공기 필름을 생성시킨다.
특히, 본 발명의 실시예에서는, 서로 이격된 반경방향의 내측 및 외측 벽과, 내측 및 외측 벽 사이로 연장되고 선단 에지와 후단 에지를 갖는 베인과, 상기 베인은 선단 에지 및 후단 에지 사이에 베인의 길이방향으로 연장되는 구분된 선단 에지 공동, 후단 에지 공동 및 중간 공동을 포함하며, 냉각 매체를 수용하는 선단 에지 공동내에 있고 선단 에지 공동 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위해 선단 에지공동의 내부 벽 표면에 냉각 매체를 지향시키는 충돌 개구를 갖는 삽입체와, 냉각 매체를 수용하는 중간 공동내에 있고 중간 공동 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위해 중간 공동의 내부 벽 표면에 냉각 매체를 지향시키는 충돌 개구를 갖는 삽입체와, 냉각 공기를 수용하기 위한 냉각 공기 입구와 연통해 놓이고 베인을 향하는 고온 가스 통로 외부내로 인접한 터빈 단 사이의 휠스페이스내로 사용된 냉각 공기를 지향시키기 위해 후단 에지와 반경방향의 내측 단부에서 출구를 갖는 후단 에지 공동을 포함하는 폐쇄 회로 스테이터 베인 세그먼트가 제공되며, 적어도 하나의 에어 포켓은 공동의 적어도 하나의 벽에서 규정된다. 각 에어 포켓은 각각의 공동에 대해 실제로는 닫혀있고, 냉각 공기의 공급원과 유체 연통되며, 에어포일 표면을 냉각하도록, 포켓의 내부와 베인의 외부 사이에 유체 연통되도록 하는 적어도 하나의 출구 개구를 갖는다.
본 발명은 가스 터빈의 노즐 단의 고온 가스 구성요소를 냉각하는 폐쇄 회로 냉각 시스템에서, 특히 제 1 노즐 단에서 그러한 구성요소의 일부에 대한 개방 회로 공기 냉각 시스템과 조합되어 실시된다. 특히, 필요한 구조적 통일성을 갖는 노즐 베인 세그먼트가 가압된 폐쇄 회로내에서 개방 공기 회로 냉각과 조합되어 유동하는 냉각 매체(증기가 바람직함)에 의해 냉각되는 용량을 제공하는 고온 용제와 압력 하에서 제공된다. 따라서, 본 발명에서는, 적어도 터빈의 제 1 단에서, 각각이 반경방향의 외측 및 내측 벽 사이로 연장되는 하나 또는 그 이상의 노즐 베인을 포함하는 다수의 노즐 베인 세그먼트가 제공된다. 베인은 외측 및 내측 벽과 베인 자체를 냉각하기 위해 폐쇄 회로 통로에 냉각 매체(증기가 바람직함)를 유동시키는외측 및 내측 벽의 격실과 연통되는 다수의 공동을 갖는다. 충돌 냉각은 제 1 단 노즐 베인의 중간 복귀 공동뿐만 아니라 베인의 선단 공동에 제공된다. 선단 공동과 후미 공동의 삽입체는 공동을 통하여 연장되는 슬리브를 포함하며, 그 벽과 이격된다. 삽입체는 공동의 반대쪽 벽에 충돌 구멍을 가지며 그에 의해 삽입체내로 유동하는 증기는 베인 벽의 충돌 냉각하도록 충돌 구멍을 통하여 외부로 유동한다. 복귀 채널(channel)은 사용된 충돌 냉각 증기를 운반하기 위해 삽입체를 따라 제공된다. 이와 유사하게, 복귀 중간 공동의 삽입체는 충돌 냉각 매체를 베인의 측벽으로 유동시키는 충돌 개구를 갖는다. 또한 그러한 삽입체는 사용된 충돌 냉각 증기를 모으고 증기 출구로 운반시키는 복귀 공동을 갖는다.
개방 회로 공기 냉각 시스템은 고온 열 구배로 인해 낮은 저주기 피로 수명이 존재할 수 있는 영역의 에어포일 표면의 공기 필름 냉각을 위해 제공된다. 특히, 적어도 하나의 에어 포켓이 세그먼트의 적어도 하나의 공동의 적어도 하나의 벽 부분에서 또는 벽 부분을 따라서 규정되고 다수의 후방으로 지향되는 개구가 에어 포켓을 세그먼트 외부와 연통시키는 벽을 통하여 규정된다. 이러한 개구 필름에서 유출되는 냉각 공기는 선단 에지 공동 또한/또는 중간 공동을 따라 베인의 외부 표면을 냉각시킨다. 종래의 개방 공기 냉각 시스템 또한 후단 에지 공동을 냉각하기 위해 제공될 수 있다.
도 1은 제 1 단 노즐 베인의 개략적인 단면도,
도 2는 수명이 제한되는 영역을 도시하는 전형적인 제 1 단 노즐의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어 포켓을 갖는 도 1에 도시된 형태의 베인의 정면도,
도 4는 도 3의 4-4 선을 따라 취한 개략적인 단면도.
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 : 후미 공동 46, 48, 50 : 중간 복귀 공동
52 : 후단 에지 공동 122 : 공기 배관
174 : 에어 포켓 176 : 고온 가스 통로
178 : 공기 필름 구멍
상기 논의된 바와 같이, 본 발명은 특히 터빈의 제 1 단 노즐에 대한 냉각회로와 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 사이로 연장되는 베인은 전적으로 터빈의 내측 쉘에 의해 지지되며, 미국 특허 제 5,685,693 호에 개시된 바와 같이, 외측 쉘(16)의 제거시 터빈의 내측 쉘의 절반과 함께 제거 가능하다. 이러한 설명을 위해, 베인(10)은 세그먼트의 유일한 베인을 형성하는 것으로 설명될 것이며, 베인은 선단 에지(18)와 후단 에지(20)를 갖는다. 세그먼트가 내측 쉘(도시되지 않음)에 고정된 채로, 제 1 및 제 2 단 노즐(즉, 제 1 및 제 2 단의 회전하지 않는 구성요소)은, 상기 언급된 특허에 개시된 바와 같이, 수리와 유지를 위해 내측 쉘 제거시 터빈에서 제거될 수 있으며 조합된 폐쇄 회로 증기 냉각 및 공기 냉각을 갖는 제 1 및 제 2 단 노즐은 전체의 공기 냉각 노즐 단에 대해 대체 노즐 단으로서 작용할 수 있고 그에 의해 터빈은 단순한 공기 냉각 터빈에서 조합된 증기 공기 냉각 터빈으로 전환되는 것이 인식될 것이다.
제 1 단 노즐 베인 세그먼트는 외측벽(12)에 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 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(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), 후미 공동(44), 세 개의 중간 복귀 공동(46, 48, 50) 및 후단 에지 공동(52)]을 갖는다.
선단 에지 공동(42)과 후미 공동(44)은 각각 삽입체(54, 56)를 가지고, 반면에 각 중간 공동(46, 48 ,50)은 각각 유사한 삽입체(58, 60, 62)를 가지며, 그러한 모든 삽입체는 일반적으로 천공된 중공 슬리브의 형태이다. 삽입체는 삽입체가 제공되는 특별한 공동의 형태와 상응하게 형성될 수 있다. 슬리브의 측벽에 충돌 냉각되는 공동의 벽의 반대쪽에 놓이는 삽입체 부분을 따라 다수의 충돌 냉각 개구가 제공된다. 예를 들면, 선단 에지 공동(42)에서, 삽입체(54)의 전방 에지는 아치 모양이고 측벽은 일반적으로 공동(42)의 측벽의 형태와 상응하며, 그러한 모든 삽입체 벽은 충돌 개구를 갖는다. 그러나, 공동(42)과 공동(46)을 분리시키는 리브(64)의 반대쪽에 있는 슬리브 또는 삽입체(54)의 뒷면에는 충돌 개구가 없다. 반대로 후미 공동(44)에서는, 삽입체 슬리브(56)의 측벽만이 충돌 개구를 가지며, 삽입체 슬리브(56)의 전방 및 후미 벽은 개구가 없는(non-perforation) 재료이다.
공동(42, 44, 46, 48, 50)에 수용된 삽입체 슬리브는 냉각 매체(즉, 증기)가 충돌 개구를 통하여 공동 내부 벽 표면에 충돌하도록 공동 벽과 이격되며, 따라서 벽 표면을 냉각하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 후 충돌 냉각 증기는 내측 벽(14)과 아래쪽 커버 플레이트(68)에 의해 규정되는 플리넘(66)내로 유동한다. 구조 강화 리브(70)는 내측 벽(14)과 일체로 주조된다. 충돌 플레이트(72)는 리브(70)의 반경방향의 내부방향에 있다. 따라서, 공동(42, 44)으로부터 유동하는 사용된 충돌 냉각 증기는 내측 벽(14)을 충돌 냉각하기 위해 충돌 플레이트(72)의 충돌 개구를 통하여 유동하도록 플리넘(66)내로 유동한다. 사용된 냉각 증기는 공동(46, 48 ,50)을 통해 증기 출구(54)로의 복귀 유동을 위해 리브(70)의 방향에 의해 개구(상세히 도시되지 않음)를 향하여 유동한다. 삽입체(58, 60, 62)는 각각의 공동을 규정하는 측벽과 리브에서 이격되어 공동(46, 48, 50)에 배치된다. 충돌 개구는 베인의 측벽을 충돌 냉각하는 충돌 개구를 통하여 삽입체 내에서 냉각 매체(즉, 증기)를 유동시키기 위해 슬리브의 반대쪽 측면에 놓인다. 그 후 사용된 냉각증기는 복귀(즉, 증기 공급)를 위해 포트(24)로 유동한다.
도 1에 도시된 베인의 조합된 증기 및 공기 냉각 회로의 후단 에지 공동의공기 냉각 회로는 일반적으로 미국 특허 제 5,634,766 호와 상응하며 상세한 논의는 본 명세서에서 생략된다.
상기 언급된 바와 같이, 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐 형태에서는, 증기 또는 공기는 충돌을 통하여, 또는 후단 에지 공동의 경우 대류를 통하여 노즐 벽을 냉각하는데 사용된다. 그러나, 이러한 종류의 냉각 구조에서는, 노즐 벽의 열 구배는 매우 높은 수준에 도달할 수 있고, 노즐 벽의 국부적인 영역에 낮은 저주기 피로 수명을 발생시킬 수 있다. 도 2는 노즐 벽의 그러한 낮은 저주기 피로 영역(73)을 도시한다. 낮은 저주기 피로 영역의 일 부분(75)은 베인의 이 부분이 특히 낮은 저주기 피로 수명을 나타내므로 특히 주목된다. 영역(75)은 저주기 피로 수명을 향상시키기 위해 열 구배를 감소시켜야하는 면적이 되는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 일부 적용에서는 상기의 수명 제한 영역(73)의 보다 큰 부분 또는 전체의 길이, 또는 일반적으로 동일한 형상인 노즐의 다른 면적에 따라서 온도 구배를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
국부적 저주기 피로 수명을 증가시키기 위해, 본 발명은 국부적 열 구배를 크게 감소시키기는 필름 냉각에 냉각 매체(즉, 공기)를 도입함으로써 전형적인 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐 형태를 변형할 것을 제안한다. 이것이 국부적 저주기 피로 수명을 증가시킨다. 특히, 본 발명은 고온 열 구배로 인해 낮은 저주기 피로가 존재할 수 있는 영역의 에어포일 표면을 필름 냉각하는 냉각 공기 공급원을 제공하기 위해 폐쇄 루프 증기 또는 공기 냉각 노즐에 적어도 하나의 에어 포켓(174)을 추가함으로써 실시된다. 공기는 에어 포켓(174)에 공급되고 그 후 본명세서에서 출구 개구 또는 출구 구멍으로서 참조되고 에어 포켓을 베인 외부와 연통시키는 에어포일 벽(180)에서 규정되는 공기 필름 구멍(178)을 통하여 고온 가스 통로(176)내로 공기는 유동한다. 에어 포켓의 내측 벽(182)은, 실시예에 도시된 바와 같이, 완전히 개구가 없거나, 실질적으로 개구가 없어서, 에어 포켓이 각각의 공동의 내부에 대해 적어도 실질적으로 폐쇄되게 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에어 포켓의 배치가 개략적으로 도시된다. 도시된 실시예에서, 에어 포켓(174)은 공기 배관(개략적으로 도시됨)(122)을 통해 공기를 수용하는 반경방향의 외측 벽(12)으로부터 에어포일(10)의 반경방향 길이의 약 1/2을 따라 반경방향으로 연장된다. 에어 포켓에 공기를 공급하는 것은 임의의 적절한 공급원으로부터 추출될 수 있고 후단 에지 공동에 대한 공기 공급원이 통상 사용된다. 도시된 에어 포켓(174)이 단지 에어포일(10)의 반경방향 길이의 부분만을 따라서 연장되지만, 그러한 포켓은 각각의 베인 공동의 부분 길이 또는 전체의 길이를 따라서 연장될 수 있음이 이해되어져야 한다. 또한, 포켓(174)이 도시된 실시예에서 연장되는 것으로 규정되고 외측 벽(12)에 규정된 공기 입구 배관(122) 또는 다른 공기 공급원을 갖지만, 공기 공급원은 베인의 반경방향의 내측 단부에서 규정될 수 있고, 따라서 에어 포켓은 그로부터 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 필름 냉각 구멍(178)의 배치는 또한 도 3에 도시된다. 도시된 실시예에서, 필름 냉각 구멍은 에어 포켓의 길이를 따라 반경방향으로 연장되는 실질적으로 선형인 배열로 규정된다. 그러나, 필름 냉각 구멍 배열은선형일 필요가 없으며 구멍은 저주기 피로 수명을 향상시키는 냉각을 효율적으로 하기 위해 필요하거나 바람직하다고 생각되어지는 에어 포켓의 부분을 선택하기 위해 제한될 수 있다. 또한, 필름 냉각 구멍은 도시된 실시예에서 불균일하게 이격되므로, 구멍 밀도는 포켓의 길이에 따라 소정의 냉각 강도 또한/또는 압력 손실에 영향을 주기 위해 변할 수 있다.
포켓(174)은 그와 함께 연통되는 필름 냉각 구멍이 국부적으로 낮은 저주기 피로 영역의 상류에 배치되도록 규정되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도시된 실시예에서, 에어 포켓은 에어포일의 선단 에지 공동의 내부에 위치한다. 필요하거나 바람직하다고 생각되어지면, 추가적인 에어 포켓이 선단 에지 공동을 따라서 연장되도록 규정될 수 있고 또한/또는, 추가적으로 또는 대안으로, 하나 또는 그 이상의 에어 포켓이 에어포일의 다른 공동에 규정될 수 있으며, 그것은 잠재적은 낮은 저주기 피로 영역과 복잡한 제조에 대한 불가피한 비용 효용 분석과 저주기 피로 수명에서의 결과적인 증가와 균형이 맞춰지는 효용성 고려에 따른다.
도 4에 도시된 바와 같이, 필름 구멍(178)은, 그 근처 및 하류에 배치된 국부적으로 낮은 저주기 피로 영역을 냉각하기 위해, 냉각 필름과 같은 측벽상의 또는 측벽을 따르는 흐름을 발생시켜, 그러한 영역의 열 구배를 감소시키도록 후방으로[즉, 에어포일(10) 벽면에 경사지게] 지향되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명이 폐쇄 냉각제 유동 통로(즉, 베인 공동을 증기 냉각함)와 개방 냉각제 유동 통로(즉, 후단 에지 공동을 공기 냉각함)를 갖는 폐쇄 냉각 회로또는 냉각 회로에 에어 포켓과 마주보는 개방 냉각 공기 회로를 추가하는 것으로 실시되는 것이 바람직하다고 인식될 것이다.
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, 국부적 저주기 피로 수명이 존재하는 에어포일 표면을 필름 냉각하기 위해 냉각 공기를 공급하는 에어 포켓을 공동 내부에 위치시키고, 에어 포켓에 공급된 냉각 공기는 공기 필름 구멍을 통해 유출되어 국부적으로 낮은 저주기 피로 수명 영역을 냉각하여 그 영역의 열 구배를 감소시켜 저주기 피로 수명의 향상을 달성할 수 있다.

Claims (20)

  1. 터빈 스테이지의 일부를 형성하는 스테이터 베인 세그먼트에 있어서,
    서로 이격된 내측 및 외측 벽과,
    상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 에지 및 후단 에지를 갖는 스테이터 베인으로서, 냉각 매체를 유동시키기 위해 선단 에지 및 후단 에지 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 포함하는 상기 스테이터 베인과,
    상기 공동의 적어도 하나의 벽내에 또는 벽을 따라서 규정된 적어도 하나의 에어 포켓으로서, 각각의 에어 포켓은 각 공동에 대해 실질적으로 폐쇄되어 있고 냉각 공기의 공급원과 유체 연통되는 상기 에어 포켓과,
    각 포켓의 내부와 베인의 외부 표면 사이의 유체 연통을 위한 적어도 하나의 출구 개구를 포함하는
    스테이터 베인 세그먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    삽입체 슬리브가 상기 적어도 하나의 공동내에 배치되고 상기 베인의 내측 벽으로부터 이격되어 그들 사이에 갭을 규정하며, 상기 삽입체는 상기 삽입체 슬리브 내로 냉각 매체를 유동시키는 입구를 가지며, 상기 삽입체 슬리브는 상기 베인의 내측 벽 표면을 충돌 냉각하기 위해 상기 슬리브를 통하여 상기 갭 내로 냉각 매체를 유동시키는 다수의 개구를 갖는
    스테이터 베인 세그먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 출구 개구가 베인 벽에 대해 각이 지게 규정되어 그것을 통과하는 냉각 공기 유동이 하류 방향에서 베인의 외부로 지향되는
    스테이터 베인 세그먼트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다수의 출구 개구가 상기 벽을 통하여 형성된
    스테이터 베인 세그먼트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 출구 개구는 실질적으로 선형 배열로 형성되는
    스테이터 베인 세그먼트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 에어 포켓이 상기 베인의 인접한 상기 외측 벽으로부터 연장되는
    스테이터 베인 세그먼트.
  7. 터빈 베인 세그먼트에 있어서,
    서로 이격된 내측 및 외측벽과,
    상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 에지 및 후단 에지를 갖는 베인으로서, 냉각 매체를 유동시키기 위해 선단 에지 및 후단 에지 사이에 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 갖는 상기 베인과,
    적어도 하나의 냉각 매체 플리넘을 규정하는 상기 외측 벽과,
    냉각 매체를 상기 냉각 매체 플리넘내로 통과시키는 냉각 매체 입구와,
    상기 일 플리넘과 상기 일 공동 사이에 냉각 매체의 통과가 가능하도록 상기 외측 벽의 냉각 매체 플리넘을 상기 공동의 적어도 하나에 연통시키는 제 1 개구를 갖는 상기 베인과,
    적어도 하나의 상기 공동의 길이 부분을 따라서 연장되도록 규정되는 적어도 하나의 에어 포켓으로서, 각각이 각 공동의 내부에 대해 실질적으로 폐쇄되어 있고 냉각 공기의 공급원과 유체 연통되는 상기 에어 포켓과,
    상기 포켓의 내부와 상기 베인의 외부 표면 사이의 유체 연통을 위한 적어도하나의 출구 개구와,
    상기 하나의 공동내에 있고 그 벽 표면으로부터 이격된 삽입체 슬리브로서, 냉각 매체를 상기 삽입체 슬리브 내로 유동시키는 입구를 가지며, 다수의 관통 개구를 구비하여 냉각 매체를 상기 슬리브 개구를 통하여 상기 슬리브와 상기 내부 벽 표면 사이의 공간내로 유동시켜 상기 베인의 내부 벽 표면을 충돌 냉각하는 상기 삽입체 슬리브를 포함하는
    터빈 베인 세그먼트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 내측 벽은 내측 표면을 따라서 상기 내측 표면의 내부에 내측 격실을 규정하는 적어도 하나의 리브를 가지며,
    상기 내측 표면으로부터 이격된 상기 내측 격실에 대한 덮개와, 상기 덮개와 상기 내측 표면 사이의 충돌 플레이트를 더 포함하며, 상기 베인이 냉각 매체의 통과를 가능하게 하도록 상기 내측 벽의 플리넘과 연통되는 제 2 개구를 가지며, 상기 충돌 플레이트가 상기 내측 벽의 충돌 냉각을 위해 냉각 매체의 통과를 가능하게 하는 개구를 갖는
    터빈 베인 세그먼트.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 공동중 하나가 상기 베인의 후단 에지를 관통하는 다수의 개구를 갖는 후단 에지 공동을 포함하여, 냉각 매체를 상기 후단 에지 공동으로부터 상기 개구를 통하여 상기 베인의 외부로 유동시키기는
    터빈 베인 세그먼트.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 출구 개구가 상기 베인의 벽에 각이 지게 규정되어 그것을 통과하는 냉각 공기 유동이 하류 방향에서 상기 베인의 외부로 지향되는
    터빈 베인 세그먼트.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 벽을 통하여 다수의 출구 개구가 규정되는
    터빈 베인 세그먼트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 출구 개구가 실질적으로 선형 배열로 규정되는
    터빈 베인 세그먼트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 에어 포켓이 상기 베인의 인접한 외측 벽으로부터 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  14. 스테이터 베인 세그먼트에 있어서,
    서로 이격된 내측 및 외측 벽과,
    상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 에지 및 후단 에지를 갖는 베인으로서, 선단 에지 및 후단 에지 사이에 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 갖는 상기 베인과,
    각각의 플리넘을 규정하는 상기 내측 및 외측 벽과 상기 각 플리넘내의 충돌플레이트와, 증기를 외측 벽 플리넘내로 유동시키고 상기 외측 벽 내에 있는 충돌 플레이트를 통해 유동시켜 상기 외측 벽의 위쪽 표면을 충돌 증기 냉각하기 위한 상기 외측 벽 내로의 입구와,
    상기 외측 벽으로부터 사용된 증기를 수용하기 위한 상기 공동중 하나내의 삽입체로서, 상기 삽입체는 상기 외측 벽으로부터 수용된 증기를 상기 하나의 공동의 내측 벽 표면으로 지향시켜 상기 하나의 공동의 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위한 충돌 개구를 갖는 상기 삽입체와,
    충돌 플레이트를 관통하는 유동과 내측 벽의 충돌 냉각을 위해 상기 하나의 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 삽입체로서, 상기 다른 하나의 공동 주위의 베인을 충돌 냉각하기 위해 상기 내측 벽으로부터 수용된 증기를 상기 다른 하나의 공동의 내부 벽 표면으로 지향시키는 충돌 개구를 갖는 삽입체와,
    상기 다른 하나의 공동으로부터 사용된 충돌 증기를 수용하는 출구를 포함하며, 그에 의해 증기는 상기 내측 및 외측 벽을 통하여 유동하고, 상기 하나의 공동과 다른 하나의 공동은 상기 베인을 통하여 폐쇄 유동 회로를 구성하며,
    적어도 하나의 에어 포켓이 상기 공동중 적어도 하나의 길이의 일부분을 따라 연장되도록 형성되며, 각각의 에어 포켓은 각 공동의 내부에 대해 실질적으로 폐쇄되어 있고 냉각 공기의 공급원과 유체 연통되며, 상기 포켓의 내부와 베인의 외부 사이의 유체 연통을 위한 적어도 하나의 출구 개구를 갖는
    스테이터 베인 세그먼트.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 에어 포켓이 상기 베인의 인접한 외측 벽으로부터 연장되고 실질적으로 선형 배열로 배치된 다수의 상기 출구 개구가 있는
    스테이터 베인 세그먼트.
  16. 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 상기 베인은 선단 에지 및 후단 에지 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 포함하는 상기 베인과,
    상기 하나의 공동 내부에 배치되고 상기 베인의 내부 벽 표면과 이격된 삽입체 슬리브와, 냉각 매체를 상기 삽입체 슬리브내로 유동시키는 상기 삽입체 슬리브의 입구와, 상기 삽입체 슬리브는 상기 베인의 내부 벽 표면에 대한 충돌을 위해 상기 슬리브를 통하여 냉각 매체를 유동시키는 다수의 개구를 가지며,
    상기 공동의 적어도 하나의 반경방향 길이의 적어도 일 부분을 따라서 연장되도록 규정되는 에어 포켓을 포함하며, 상기 에어 포켓은 상기 적어도 하나의 공동내의 냉각 매체에 대해 실질적으로 밀봉되고, 상기 에어 포켓은 그 반경방향 외측 단부에 냉각 공기 공급원과 작동적으로 결합된 냉각 공기 입구와, 상기 에어 포켓의 내부와 상기 베인의 외부 사이의 연통 통로를 규정하도록 상기 베인의 벽을관통하여 형성된 다수의 냉각 공기 출구 구멍을 가지며, 그에 의해 상기 입구를 통하여 상기 에어 포켓내로 유동하는 냉각 공기가 상기 출구 구멍을 통하여 상기 베인의 외부로 유동하고 상기 출구 구멍으로부터 상기 베인 하류의 외부 표면의 적어도 일부분을 따라서 유동하여 상기 베인 하류의 외부 표면을 냉각하는 냉각 공기 필름을 형성하여 그에 의해 적어도 하나의 하류 영역의 저주기 피로 수명을 증가시키는
    터빈 베인 세그먼트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 하나의 공동과 후미 공동이 함께, 냉각 매체 입구로부터 상기 베인을 통하여 반경방향 내측으로 상기 내측 벽까지, 그 후 상기 베인을 통하여 반경방향 외측으로 상기 외측 벽의 냉각 매체 출구까지 냉각 매체를 유동시키는 폐쇄 냉각 회로를 규정하고, 상기 에어 포켓이 상기 폐쇄 냉각 회로를 규정하는 상기 공동의 적어도 하나를 따라서 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 출구 구멍의 적어도 일부가 상기 베인의 벽에 경사지게 규정되어 구멍을 통과하는 냉각 공기 유동이 하류 방향에서 베인의 외부로 지향되게 하는
    터빈 베인 세그먼트.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 다수의 출구 구멍이 상기 베인 길이의 적어도 일 부분을 따라서 연장되는 실질적으로 선형 배열로 규정되는
    터빈 베인 세그먼트.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 에어 포켓이 상기 베인의 인접한 상기 외측 벽으로부터 연장되는
    터빈 베인 세그먼트.
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