KR20010109466A

KR20010109466A - 가스 터빈용 터빈 베인 세그먼트 및 스테이터 베인 세그먼트

Info

Publication number: KR20010109466A
Application number: KR1020010004054A
Authority: KR
Inventors: 스토레이제임스마이클; 테쉬스티븐윌리엄
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2001-12-10
Also published as: DE60112996D1; EP1160418A2; ATE303502T1; KR100534813B1; US6398486B1; CZ20004488A3; EP1160418A3; EP1160418B1; DE60112996T2; JP2002004803A

Abstract

터빈 스테이터 베인 세그먼트는 내측 및 외측 벽과 그 사이로 연장되는 베인을 갖는다. 내측 및 외측 벽은 충돌 플레이트를 갖는다. 외측 벽내로 유동하는 증기는 외측 벽 표면을 충돌냉각 하기 위해 충돌플레이트를 관통한다. 사용된 충돌 증기는 베인 벽을 충돌 냉각시키는 삽입체를 갖는 베인의 공동내로 유동한다. 내측 벽 표면의 충돌 냉각과 베인 표면을 충돌 냉각시키는 삽입체를 갖는 복귀 공동을 통하는 복귀를 위해 증기는 충돌 플레이트를 통해 내측 벽내로 유동한다. 후미 노즐 공동에서 유출되는 증기로부터 노즐의 내측 벽 에어로포일 필릿 영역에 인접한 증기 냉각 충돌 구멍을 보호하기 위해 스커트 또는 플랜지 구조가 제공된다. 또한, 플래시 리브 보스와 공동 삽입체 사이의 갭이 그 사이의 후 충돌 냉각 매체의 유동을 최소화하기 위해 조절된다. 이것이 복귀 채널을 통하여 유출하는 유출유동을 실질적으로 한정하게 되고, 또한 충돌 냉각에 악영향을 줄 수 있는 에어로포일의 필릿 영역 주변의 유동을 최소화한다.

Description

가스 터빈용 터빈 베인 세그먼트 및 스테이터 베인 세그먼트{STEAM EXIT FLOW DESIGN FOR AFT CAVITIES OF AN AIRFOIL}

본 발명은 예를 들면 전력 생산을 위한 일반적인 가스 터빈에 관한 것이며, 특히 터빈의 제 1 단 노즐의 냉각 회로에 관한 것이다.

터빈 블레이드와 노즐의 냉각에 대한 종래의 방법은 공급원(예를 들면, 터빈 압축기의 중간 및 최종 스테이지)에서 고압의 냉각 공기를 추출하는 것이었다. 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 보다 확실하게 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. 그러나, 증기가 연소 가스보다 보다 높은 열용량을 가지므로, 냉각제 증기를 고온 가스 기류와 혼합하게 하는 것은 비능률적이다. 따라서, 고온 가스 통로 구성요소의 내부의 냉각 증기를 폐쇄 회로로 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 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, 공기 냉각이 노즐 베인의 후단 에지에 사용될 수도 있다. 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.

본 발명은 가스 터빈 노즐 단의 고온 가스 구성요소를 냉각하는 냉각 시스템을 제공하며, 그 냉각 시스템으로 폐쇄 회로 증기 또는 공기 냉각 또한/또는 개방 회로 공기 냉각 시스템이 사용될 수 있다. 폐쇄 회로 시스템에서는, 다수의 노즐 베인 세그먼트가 제공되며, 각각은 내측 및 외측 벽 사이로 연장되는 하나 또는 그 이상의 노즐 베인을 포함한다. 외측 및 내측 벽과 베인 자체를 냉각하는 폐쇄 회로에서 냉각 매체를 유동시키기 위해 베인은 외측 및 내측 벽내의 격실과 연통되는 다수의 공동을 갖는다. 이러한 폐쇄 회로 시스템은 상기 참조된 미국 특허 제 5,634,766 호에 설명되고 도시된 증기 냉각 시스템과 실질적으로 구조적으로 유사하며, 일부 예외는 하기에 설명된다. 따라서, 냉각매체가 세그먼트 외측 벽내의 플리넘(plenum)에 냉각 매체가 제공되어 확산되고 세그먼트 외측 벽면을 충돌 냉각하기 위해 플레이트의 충돌 개구를 통과한다. 사용된 충돌 냉각 매체는 베인을 통해 반경방향으로 연장되는 선단 에지 공동과 후미 공동내로 유동한다. 복귀 중간 냉각 공동이 반경방향으로 연장되며 선단 에지 공동과 후미 공동 사이에 위치한다. 별개의 후단 에지 공동 또한 제공될 수 있다. 세그먼트의 내측 벽을 충돌 냉각하기 위해 선단 에지 공동과 후미 공동을 통해 유동하는 냉각 매체는 내측 벽의 플리넘내로 충돌 플레이트의 충돌 개구를 통해 유동한다. 그 후 사용된 충돌 냉각 매체는 베인을 더 냉각하기 위해 중간 복귀 공동을 통해 유동한다.

충돌 냉각은 또한 베인의 중간 복귀 공동뿐만 아니라 제 1 단 노즐 베인의 선단 공동 및 후미 공동에 제공된다. 선단 공동 및 후미 공동의 삽입체는 공동의 외측 벽내의 일체로 주조된 플랜지와 연통되도록 그 입구 단부에 칼라를 갖는 슬리브를 포함하며 그 벽으로부터 이격된 공동을 통해 연장된다. 이러한 삽입체는 공동의 반대쪽 벽에 충돌 구멍을 가지며 그에 의해 삽입체로 유동하는 증기는 베인 벽을 충돌 냉각하기 위해 충돌 구멍을 통해 외부로 유동한다. 사용된 충돌 냉각 증기를 통과시키도록 복귀 또는 유출 채널이 삽입체를 따라 제공된다. 이와 유사하게, 베인 측벽에 충돌 냉각 매체를 유동시키기 위해 복귀 중간 공동의 삽입체는 충돌 개구를 갖는다. 이러한 삽입체는 또한 사용된 충돌 냉각 증기를 모으고 증기 출구로 인도하기 위한 복귀 또는 유출 채널을 갖는다.

후 충돌 증기 유동(post impingement steam flow)이 후미 공동을 유출함에 따라, 통상적으로 내측 벽 충돌 플레이트의 표면에 의해 규정되는 내측 벽의 플리넘형(plenum-type) 공동으로 후 충돌 증기 유동은 팽창하게 된다. 충돌 플레이트는 에어로포일(aerofoil)의 필릿 영역에 일반적으로 평행하게 배치되도록 구부러진다. 따라서, 에어로포일 필릿의 이러한 영역내의 충돌 플레이트의 충돌 구멍은 그 중심선이 필릿의 표면에 수직이 되도록 배향된다. 그러나, 이것이 또한 다수의 이러한 구멍을 일반적으로 후미 공동으로부터 유출하는 유동에 수직하게 위치시킨다. 따라서, 후미 공동을 유출하는 증기 유동과 같은 냉각 매체는 이러한 구멍에 불안정하고 낮은 정압의 증기 공급을 발생시킴으로써 이러한 영역의 충돌 구멍을 냉각하는 증기의 성능에 악영향을 줄 수 있다.

본 발명은 특히 일 노즐 단의 에어로포일 필릿 영역에서 증기 냉각의 안정성을 목적으로 개발되었다.

따라서 본 발명은 이러한 공동의 출구 근처의 충돌 구멍과 증기를 실질적으로 고립시키는 방식으로 후리 공동을 유출하는 증기 유동을 허용하는 구조로 실시된다. 이것은 내측 벽과 에어로 포일 필릿 충돌 구멍이 후미 공동으로부터 예상되지 않는 증기 공급을 수용하는 것을 방지한다.

본 발명은 특히 공동 삽입체와 제 1 단 노즐의 반경방향의 내측 단부에서의 플래시 리브(flash rib)의 형태에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 본 발명은 공동 출구 단부 근처의 충돌 개구와 증기를 고립시키기 위해 각각의 삽입체로부터의 유출 유동(exit flow)을 통과시키는 연장된 플랜지 또는 스커트(skirt)로 실시된다. 제 1 실시예에서, 플래시 리브 보스는 후미 공동의 적어도 하나의 주변에 규정되고 플랜지 또는 스커트는 보스로부터 반경방향의 내부로 연장된다. 충돌 보스로부터 연장되는 스커트는 상응하는 후미 베인 공동을 유출하는 증기를 충돌 플레이트의 반경방향 내부의 플리넘으로 통과시키면서 베인 공동 근처의 충돌 구멍을 유출하는 증기 유동으로부터의 악영향에서 보호한다.

두 번째로, 본 발명의 변형 실시예로서, 일반적으로 유출 유동을 필릿 영역을 지나는 영역에 통과시키는 플랜지를 규정하고 그에 의해 공동 근처의 충돌 냉각에 악영향을 실질적으로 배제하도록 후미 공동의 적어도 하나에 대한 공동 삽입체 휜(fin)이 반경방향으로 삽입체에 수직하게 연장된다. 따라서, 본 실시예에서는, 공동 삽입체의 휜이 공동과 노즐 내측 측벽에 인접한 충돌 구멍을 보호하는 스커트로 유동이 지향되게 작용하도록 연장된다.

본 발명의 제 2 특징은 제 1 단 노즐의 반경방향의 내측 단부에서의 공동 삽입체와 플래시 리브 보스 사이의 경계면(interface)의 형태에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 제 2 특징에 따르면, 충돌 플레이트와 플래시 리브의 연결부에 제공된 플래시 리브 또는 충돌 보스와 공동 삽입체 사이의 갭은 그 사이의 유동을 최소화하도록 조절되고, 공동을 나오는 유동이 복귀 또는 유출 채널에서 나오는 유동에 실질적으로 제한되게 되며, 그곳에서 유동은 에어로포일 필릿 영역의 충돌 냉각에 대해 보다 작은 충돌을 갖는다. 본 발명의 양호한 실시예에서는, 삽입체 몸체는 플래시 리브 보스와 함께 플랜지 또는 스커트 형상의 연장 구조의 위치에 관계없이 플래시 리브 보스와 함께 조절된 갭을 규정한다. 갭은 약 0.02인치로 조절되는 것이 가장 바람직하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 매체 유출 유동 스커트 구조가 제공되는 의 제 1 단 노즐 베인의 개략적인 단면도,

도 2는 반경방향의 외측 단부에 인접한 제 1 단 노즐 베인의 개략적인 단면도,

도 3은 도 2와 유사하며 베인의 중간 간격 공동 삽입체의 형태를 도시하는 개략적인 단면도,

도 4는 도 2 및 도 3과 유사하며 베인의 반경방향의 내측 단부에 인접한 삽입체 형태를 도시하는 개략적인 단면도,

도 5는 베인 세그먼트의 반경방향의 내측 단부를 따라 취한 제 1 단 노즐 베인 세그먼트의 개략적인 사시도,

도 6은 도 5의 A-A 선을 따라 취한 본 발명의 제 1 실시예를 도시하는 개략적인 단면도,

도 7은 도 5의 B-B 선을 따라 취한 본 발명의 제 1 실시예를 도시하는 개략적인 단면도,

도 8은 도 5의 C-C 선을 따라 취한 본 발명의 제 1 실시예를 도시하는 개략적인 단면도,

도 9는 도 5의 A-A 선을 따라 취한 본 발명의 제 2 실시예를 도시하는 개략적인 단면도,

도 10은 도 5의 B-B 선을 따라 취한 본 발명의 제 2 실시예를 도시하는 개략적인 단면도,

도 11은 도 5의 C-C 선을 따라 취한 본 발명의 제 2 실시예를 도시하는 개략적인 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 베인 18 : 선단 에지

20 : 후단 에지 22 : 증기 입구

24 : 증기 출구 32, 73 : 플리넘

36, 74 : 충돌 플레이트 42 : 선단 에지 공동

44, 46, 48, 50 : 중간 복귀 공동 52, 54 : 후미 공동

56 : 후단 에지 공동 60a, 60b : 유출채널

92 : 필릿 영역 98, 198 : 플래시 리브 보스

100 : 플래시 리브 102 : 충돌 구멍

104 : 스커트

44a, 46a, 48a, 50a : 공동 리브

64a, 66a, 68a, 70a : 전방 덤프 채널

64b, 66b, 68b, 70b : 후방 덤프 채널

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 외측 커버 플레이트(34)와 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 표면(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.

도 1에 도시된 바와 같이, 후 충돌 냉각 증기는 내측 벽(14)과 아래쪽 커버 플레이트(76)에 의해 규정되는 플리넘(73)내로 유동한다. 구조적 리브(75)는 내측 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 측벽(88, 90)과 격벽(partition wall)(72, 78, 80, 82, 84)으로부터 이격된 채로 공동(44, 46, 48, 50)내에 배치된다. 상기 언급된 바와 같이, 충돌 개구는 베인 측벽(88,90)을 충돌 냉각하기 위해 삽입체 슬리브 안으로부터 충돌 개구를 통하여냉각 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.

도 2 내지 도 4에 도시된 노즐 베인 구조를 참조하면, 도시된 실시예에서는, 일곱 개의 공동이 냉각 증기 유동을 위해 제공된다. 제 1 공동(선단 에지 공동)(42)과 제 6 및 제 7 공동(후미 공동)(52, 54)은 본 실시예에서 하류유동(down-flow)이다. 반면에, 제 2 내지 제 5 공동(44, 46, 48, 50)은 상류유동(up-flow)의 증기 복귀 중간 공동이다. 상기 언급된 바와 같이, 본 실시예에서의 증기 유동 공동의 각각에 각각의 공동 삽입체가 제공된다. 따라서, 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 본 명세서에 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 그 길이를 따라 충돌 개구를 갖는다. 그러나, 공동(42)과 공동(44)을 분리시키는 리브(72)에 마주 보게 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 그 길이를 따라 충돌 개구를 가지며, 반면에 삽입체 슬리브(60, 62)의 전방과 후미 벽[예를 들면, 격벽(84, 86)을 규정하는 공동과 접하는 벽]은 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 냉각시키게 됨이 인식될 것이다. 도시된 실시예에서, 삽입체는 공동 리브에 의해 공동의 벽과 이격되고, 그 상태는 참조부호(42a, 44a, 46a, 50a, 52a, 54a)로 개략적으로 도시된다. 하류에서의 냉각 충돌 유동의 감소를 최소화하기 위해, 공동 리브는 증기를 도시된 실시예에서 삽입체의 개구가 없는 벽과 각각의 공동 벽(72, 84, 86, 78, 80, 82) 사이에 규정된 복귀 또는 유출 채널(58a, 60b, 60a, 62b, 64b, 64a, 66b, 66a, 68b, 68a, 70b, 70a)로 보다 지향시킨다.

후-충돌 유동의 항상 증가된 체적을 수용하기 위해, 삽입체는 변이 또는 프로파일 변경 형태를 갖는다. 따라서, 예를 들면, 선단 에지 공동을 참조하여, 공동 삽입체는 베인의 반경방향의 외측 단부에서 실질적으로 D-형태(D-shaped)이고, 냉각 매체는 제일 먼저 이 공동으로 유입한다(도 2 참조). 베인 외측 벽을 충돌 냉각하도록 베인 외측 벽에 충돌하는 냉각 매체는 충돌 구멍(이 관점에서는 도시되지 않음)을 통해 유동한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공동(42)의 길이를 따라 이격된 위치에서 규정된 공동 리브(42a)는 이러한 사용된 냉각 증기가 선단 에지 공동 삽입체의 후미 덤프 채널(dump channel)(58a)에 모아지도록 현(弦) 방향(chord-wise direction)으로 유동시키게 한다. 도시된 바와 같이, 사용된 냉각 매체 유동 체적이 삽입체의 충돌 구멍을 통해 밖으로 유동해야 하는 잔류한 냉각 유동에 상대적으로 증가하므로, 베인을 따라 반경방향의 내측으로 진행되면서, 이 삽입체(58)의 후미 덤프 채널(58a)은 치수에서 증가한다. 따라서, 베인의 길이를 따라, 선단 에지 공동(42)의 삽입체(58)는 대체로 D-형태로부터 대체로 C-형태(C-shaped)로 프로파일(profile)을 변경한다. 도 2 내지 도 4와 비교하여 도시된 바와 같이, 이와 유사하게 후미 하류유동 공동(52, 54)은 유동 방향에서 점진적으로 변이되는 형태를 규정한다. 이러한 예에서, 후미 공동(52)의 삽입체(60)는 대체로 직사각형 프로파일로부터 H-형태(H-shaped)로 변이되고, 후미 공동(54)의 삽입체(62)는 대체로 삼각형 또는 폭 넓은 사각형 프로파일로부터 대체로 V-형태(V-shaped)로 변이된다.

이와 유사하게, 상류유동 공동은 베인의 반경방향의 내측 단부에서 최대의 삽입체 치수를 규정하고(도 4 참조) 점진적으로 변경되는 단면 형태를 규정한다. 따라서, 베인의 반경방향의 내측 단부에서, 이러한 삽입체(64, 66, 68, 70)는 대체로 직사각형이다. 그러나, 후미 덤프 채널(64a, 66a, 68a, 70a) 및 전방 덤프 채널(64b, 66b, 68b, 70b)이 냉각 매체의 유동 방향에 따라 크기에서 점차 증가하므로, 공동은 H 또는 I 빔 형태로서 특징 지워지는 것으로 가정된다. 이러한 공동에서도, 삽입체를 베인 벽과 이격시키고 사용된 냉각 매체가 현 방향으로 전방 및 후미 덤프 채널로 유동하는 것을 촉진시키기 위해 공동 리브(44a, 46a, 48a, 50a)는 각각의 공동의 길이를 따라 이격된 위치에서 규정된다.

상기 언급된 바와 같이, 본 발명은 특히 일 노즐 베인 단의 에어로포일 필릿의 영역에서의 증기 냉각 안정성을 목적으로 개발되었다. 따라서, 본 발명은 특히 제 1 단 노즐 베인의 반경방향의 내측 단부에서의 공동 삽입체의 형태와 플래시 리브 형태에 관한 것이다. 도 5는 노즐 베인 세그먼트의 반경방향의 내측 단부의 사시도이며, 중간 복귀 공동의 세부 사항은 명료성을 위해 생략되었다. 하기에 설명된 바와 같이, 본 발명은 제 6 및 제 7 공동의 반경방향의 내측 단부에서 규정되고, 특히, 각각의 삽입체로부터의 유출 유동을 통과시키고, 이러한 후미 노즐 공동(52, 54)을 유출하는 증기 유동으로부터 노즐의 내측 벽 에어로포일 필릿 영역(92)에 인접한 충돌 구멍을 증기 냉각하는 것을 보호하는 연장부로 실시된다.

본 발명의 휜 또는 스커트 연장부의 제 1 실시예가 도 6 내지 도 8의 단면도에 도시된다. 도시된 바와 같이, 제 6 공동 삽입체(60) 및 제 7 공동 삽입체(62)의 반경방향의 내측 단부는 각각 베인(10)의 반경방향의 내측 단부의 플리넘(73)내로 유동을 지향시키는 휜(94, 96)을 구비한다. 플래시 리브 보스(98)는 충돌 플레이트(74)와 플래시 리브(100)의 경계면의 개구의 주변의 적어도 부분에서, 베인의 반경방향의 내측 단부에 규정된다. 유출 유동으로부터 에어로포일 필릿 영역(92)의 충돌 구멍(102)을 보호하기 위해, 본 발명의 제 1 실시예에서는 플랜지 또는 스커트(104)가 플래시 리브 보스(98)로부터 반경방향으로 연장된다.

제 6 및 제 7 공동에 대한 플래시 리브/충돌 보스의 형태 및 스커트 구조가 도 7 및 도 8에 각각 가장 잘 도시되며, 또한 충돌 플레이트(74)에 대한 보스/스커트(98, 104)의 관계를 도시한다.

도 7을 참조하면, 충돌 보스 및 스커트는 노즐 플래시 리브(100)에 부착되며 공동 유출 단부의 근처의 충돌 개구(102)와 유출 유동을 고립시키기 위해 각각의 삽입체(60, 62)로부터의 유출 유동을 통과시키도록 스커트(104) 베인의 반경방향의 내부로 연장된다. 본 발명의 제 2 특징의 실시예로서, 플래시 리브 보스(98)는 삽입체의 인접 휜(94, 96)과 함께 상기 설명된 갭(G)을 규정한다. 갭(G)은 약 0.02인치인 것이 바람직하다. 이러한 조절된 갭은 공동 휜(94)과 플래시 리브(100) 사이에 공동(52)으로부터의 후-충돌 증기의 유동을 최소화시켜 유출 유동이 유출 채널(60a, 60b)을 통하여 유동하는 것에 실질적으로 제한되게 한다. 그럼에도 불구하고, 갭(G)을 통하는 최소한의 유동이 플래시 리브 보스(98)의 스커트(104)에 의해 필릿 영역(92)의 충돌 구멍(102)으로부터 보호될 것이다. 실제로, 화살표(A)에 의해 지시된 바와 같이 플래시 리브 보스로부터 연장되는 스커트는 베인 공동을 유출하는 유동과 함께 그러한 갭 유동을 일반적으로 충돌 플레이트(74)의 반경방향의 내부의 플리넘내로 통과시키며 증기 유동의 악영향으로부터 베인 공동의 근처의 충돌 구멍(102)을 보호한다.

도 8은, 화살표(B)로서 지시된 유출 유동의 악영향으로부터 공동 근처의 충돌 구멍(102)을 실질적으로 보호하기 위해 제 7 공동을 통해 유동을 통과시키는 플래시 리브 보스 및 스커트의 설치를 유사하게 도시한다. 본 실시예에서도, 제 7공동의 삽입체(62)는 플래시 리브(100)의 근처에 종래의 방식으로 종결되는 휜(96)을 구비한다. 좁은 폭으로 조절된 갭(G)을 규정하는 본 실시예에서는 삽입체의 휜(96)에 플래시 리브 보스(98)가 더 제공된다. 본 양호한 실시예에서는 0.02인치의 갭이 제공된다. 플래시 리브 보스(98)로부터 반경방향의 내부로 연장되는 유동 통과용 스커트(104)는 삽입체 출구 채널(62b)로부터 유출하는 유동 또한/또는 휜(96)과 플래시 리브 보스(98) 사이의 유동으로 인한 악영향으로부터 노즐 내측 측벽에 인접한 충돌 플레이트(14)내의 충돌 구멍(102)을 보호한다.

도 9 내지 도 11에 도시된 본 발명의 제 2 변형 실시예에 따르면, 필릿 영역(92)을 넘어 유출 유동을 통과시키는 플래지를 규정하고 그에 의해 공동 근처의 충돌 구멍(102)에 대한 유출 유동의 악영향을 최소화하도록 제 6 및 제 7 공동의 공동 삽입체의 휜(194, 196)은 삽입체의 반경방향으로 수직으로 연장된다. 따라서, 본 실시예에서는, 공동 삽입체의 휜은 공동과 노즐 내측 벽(14)에 인접한 충돌 구멍을 보호하는 플래지 또는 스커트(194, 196)로 유동이 지향되게 작용하도록 연장된다. 본 실시예에서도, 본 실시예에서 플랜지 또는 스커트로 참조되는 삽입체 휜 사이의 갭을 본 양호한 실시예에서 약 0.02인치로 조절하도록 플래시 리브 보스(198)가 플래시 리브(100)에 제공된다. 이러한 조절된 갭은 삽입체 플랜지(194, 196)와 플래시 리브 보스(98) 사이에서 공동(52, 54)의 후-충돌 증기의 유동을 최소화하고, 유출 유동이 유출 채널(60b, 60a, 62b)을 통하여 유동하기에 실질적으로 제한되게 하며, 삽입체 플랜지(194, 196)는 필릿 영역(92)을 지나 플리넘 내로 유출 유동을 지향시킬 수 있다.

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, 터빈 베인의 공동 내의 플래시 리브 보스에 스커트 또는 플랜지 구조를 제공하고, 플래시 리브 보스와 공동 삽입체 사이의 갭을 조절하여, 충돌 냉각에 악영향을 줄 수 있는 에어로포일의 필릿 영역 주변의 증기 유동을 최소화시키고 필릿 영역에 인접한 증기 냉각 충돌 구멍의 보호를 달성한다.

Claims

터빈의 단 부분을 형성하는 터빈 베인 세그먼트에 있어서,

서로 이격된 내측 및 외측 벽과,

상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 및 후단 에지를 갖는 터빈 베인으로서, 실질적으로 폐쇄된 회로에서 상기 베인을 통하여 냉각 매체를 유동시키기 위해 선단 및 후단 에지 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 포함하는 상기 베인과,

내측 표면에 이격되게 상기 내측 벽에 장착된 충돌 플레이트로서, 상기 내측 벽을 충돌 냉각하기 위해 냉각 매체를 통과시킬 수 있는 개구를 갖는 상기 충돌 플레이트와,

상기 충돌 플레이트와 함께 상기 내측 벽에 장착되고 상기 내측 표면에 이격된 내측 커버 플레이트로서, 상기 충돌 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에서 상기 내측 벽의 플리넘과 상기 충돌 플레이트와 상기 내측 표면 사이에서 충돌 갭을 규정하는 내측 커버 플레이트와,

상기 적어도 하나의 공동으로부터 상기 플리넘내로 냉각 매체를 통과시키기 위해, 상기 베인의 개구를 통하여 상기 내측 벽의 상기 플리넘과 연통된는 상기 베인의 상기 공동의 적어도 하나와,

상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구 주변에 인접한 상기 충돌 플레이트의적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는 연장 구조를 포함하는

터빈 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서,

플래시 리브 보스가 상기 적어도 하나의 공동의 반경방향의 내측 단부에서 상기 충돌 플레이트와 함께 상기 베인의 적어도 하나와 상기 내측 벽의 연결부에 규정되는

터빈 베인 세그먼트.
제 2 항에 있어서,

상기 플래시 리브 보스는 상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구의 주변에 인접하게 배치된 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는 상기 연장 구조를 규정하는 반경방향의 내부로 연장되는 스커트를 구비하는

터빈 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서,

삽입체 슬리브가 상기 적어도 하나의 공동내에 배치되고 그 사이에 갭을 규정하도록 상기 베인의 내측 벽과 이격되며, 상기 삽입체가 냉각 매체를 상기 삽입체 슬리브내로 유동시키는 입구를 가지며, 상기 삽입체 슬리브가 냉각 매체를 상기 삽입체 슬리브를 통하여 상기 갭내로 상기 베인의 내측 벽 표면으로 충돌 시키기 위해 유동시키는 다수의 개구를 갖는

터빈 베인 세그먼트.
제 4 항에 있어서,

상기 베인의 길이를 따라 이격된 위치에서 상기 내측 벽 표면의 내부로 돌출된 다수의 공동 리브를 더 구비하며, 상기 베인을 따라 이격된 위치에서 상기 삽입체 슬리브와 상기 베인의 내측 벽 표면 사이의 갭을 규정하도록 상기 삽입체 슬리브가 상기 리브와 결합하는

터빈 베인 세그먼트.
제 4 항에 있어서,

상기 삽입체 슬리브와 상기 베인의 내측 벽 표면은 상기 갭내로 유동하는 냉각 매체를 수용하기 위해 상기 갭과 연통되는 상기 베인의 측벽을 따라 그 사이에 채널을 규정하는

터빈 베인 세그먼트.
제 6 항에 있어서,

상기 베인의 길이를 따라 이격된 위치에서 상기 내측 벽 표면의 내부로 돌출된 다수의 공동 리브를 더 구비하며, 상기 베인을 따라 이격된 위치에서 상기 삽입체 슬리브와 상기 베인의 내측 벽 표면 사이의 갭을 규정하도록 상기 삽입체 슬리브가 상기 리브와 결합하며 상기 리브가 상기 적어도 하나의 공동을 완전히 둘러싸지 않고 종결되며 그에 의해 상기 리브의 최종 단부가 상기 채널내로 개방된 상기 갭의 단부를 규정하는

터빈 베인 세그먼트.
제 4 항에 있어서,

상기 삽입체 슬리브가 반경방향의 내측 단부에서 휜으로 지향되는 적어도 하나의 유출 유동을 더 포함하는

터빈 베인 세그먼트.
제 8 항에 있어서,

휜으로 지향하는 상기 적어도 하나의 유출 유동이 상기 베인의 적어도 하나와 상기 내측 벽의 연결부를 실질적으로 지나 반경방향으로 상기 적어도 하나의 공동의 반경방향의 내측 단부에서 상기 충돌 플레이트와 함께 연장되며, 그에 의해 상기 적어도 하나의 유출 휜은 상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체를 상기 플리넘내로 통과시키고 유출 유동으로부터 상기 개구의 주변에 인접한 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는

터빈 베인 세그먼트.
제 8 항에 있어서,

상기 충돌 플레이트와 함께 상기 적어도 하나의 공동의 반경방향의 내측 단부에서의 상기 베인의 적어도 하나와 상기 내측 벽의 연결부에서 규정되고 상기 삽입체 슬리브의 적어도 하나의 휜과 접하게 배치된 플래시 리브 보스를 더 포함하는

터빈 베인 세그먼트.
제 10 항에 있어서,

상기 플래시 리브 보스가 상기 삽입체 슬리브의 상기 적어도 하나의 휜과 함께 사전결정된 갭을 규정하는

터빈 베인 세그먼트.
제 11 항에 있어서,

상기 갭이 약 0.02인치인

터빈 베인 세그먼트.
제 10 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구 주변에 인접한 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는 상기 연장 구조를 규정하는 반경방향의 외부로 연장되는 스커트를 상기 플래시 리브 보스가 구비하는

터빈 베인 세그먼트.
제 10 항에 있어서,

상기 휜에 지향되는 적어도 하나의 유출 유동이 상기 삽입체 슬리브와 상기 플래시 리브 보스의 경계면을 실질적으로 지나 반경방향으로 연장되며, 그에 의해 상기 적어도 하나의 유출 휜은 상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구 주변에 인접한 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는 적어도 하나의 플랜지를 규정하는

터빈 베인 세그먼트.
스테이터 베인 세그먼트에 있어서,

서로 이격된 내측 및 외측 벽과,

상기 내측 및 외측 벽 사이에서 연장되고 선단 및 후단 에지를 갖는 베인으로서, 냉각 매체를 유동시키기 위해 선단 및 후단 에지 사이에서 상기 베인의 길이방향으로 연장되는 다수의 구분된 공동을 구비하는 상기 베인과,

상기 외측 벽은 적어도 하나의 냉각 매체 플리넘을 규정하고,

상기 내측 벽은 적어도 하나의 냉각 매체 플리넘을 규정하고,

냉각 매체를 상기 외측 벽의 상기 플리넘내로 통과시키는 냉각 매체 입구와,

상기 베인은 상기 일 플리넘과 상기 일 공동 사이에 냉각 매체를 통과시킬 수 있도록 상기 공동의 적어도 하나와 함께 상기 외측 벽의 상기 플리넘과 연통되는 제 1 개구를 가지며, 상기 베인은 상기 내측 벽내의 상기 냉각 매체 플리넘과 함께 상기 일 공동과 연통되는 제 2 개구를 가지며, 상기 베인은 상기 외측 벽, 상기 일 공동, 상기 내측 벽내의 상기 냉각 매체 플리넘 및 상기 다른 하나의 공동 사이에 실질적으로 폐쇄된 회로내에서 냉각 매체를 통과시킬 수 있도록 상기 공동의 적어도 다른 하나와 함께 상기 내측 벽의 상기 냉각 매체 플리넘과 연통되는 제 3 개구를 가지며,

상기 일 공동과 상기 다른 하나의 공동 각각의 내부에 있고 그 내부 벽 표면으로부터 이격된 삽입체 슬리브로서, 각각이 상기 삽입체 슬리브내로 냉각 매체를 유동시키는 입구를 가지며, 각각이 상기 베인의 내측 벽 표면에 대한 충돌을 위해 상기 슬리브 개구를 통해 상기 슬리브와 상기 내측 벽 표면 사이의 상기 간격 내로 냉각 매체를 유동시키는 다수의 개구를 가지는 상기 삽입체 슬리브를 포함하며,

상기 내측 벽은 그 내측 표면과 이격되게 장착된 충돌 플레이트와 그 사이에 충돌 플레이트와 함께 상기 내측 표면과 이격된 커버를 가지며, 그에 의해 상기 충돌 플레이트와 상기 커버 사이에 상기 내측 벽의 상기 플리넘과 상기 충돌 플레이트와 상기 내측 표면 사이에 충돌 갭을 규정하며, 상기 베인의 제 2 개구는 냉각 매체를 통과시킬 수 있도록 상기 내측 벽의 상기 플리넘과 연통되며, 상기 충돌 플레이트는 상기 내측 벽의 충돌 냉각을 위해 냉각 매체를 통과시킬수 있는 개구를 가지며, 상기 일 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 유출 유동으로부터 상기 제 2 개구의 주변의 상기 충돌 플레이트의 일 부분을 실질적으로 보호하는 연장 구조를 더 포함하는

스테이터 베인 세그먼트.
제 15 항에 있어서,

충돌 보스가 상기 적어도 하나의 공동의 반경방향의 내측 단부의 상기 충돌 플레이트와 함께 상기 베인의 적어도 하나와 상기 내측 벽의 연결부에서 규정되는

스테이터 베인 세그먼트.
제 16 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구의 주변에 인접하게 배치된 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는 상기 연장 구조를 규정하는 반경방향의 내부로 연장되는 스커트를 상기 플래시 리브 보스가 구비하는

스테이터 베인 세그먼트.
제 15 항에 있어서,

상기 베인의 길이를 따라 이격된 위치에서 상기 내측 벽 표면의 내부로 돌출된 다수의 공동 리브를 더 구비하며, 상기 베인을 따라 이격된 위치로 상기 삽입체 슬리브와 상기 베인의 내측 벽 표면 사이의 갭을 규정하도록 상기 삽입체 슬리브가 상기 리브와 결합하며, 상기 삽입체 슬리브와 상기 베인의 상기 내측 벽 표면은 그 사이에 상기 베인의 측벽을 따라 상기 갭내로 유동하는 냉각 매체를 수용하기 위해 상기 갭과 연통되는 채널을 규정하는

스테이터 베인 세그먼트.
제 16 항에 있어서,

상기 삽입체 슬리브가 그 반경방향의 내측 단부에서 휜에 지향되는 적어도 하나의 유출 유동을 더 포함하는

스테이터 베인 세그먼트.
제 19 항에 있어서,

휜에 지향되는 상기 적어도 하나의 유출 유동이 상기 플래시 리브 보스를 실질적으로 지나 반경방향으로 연장되며, 그에 의해 상기 적어도 하나의 연장된 휜이 상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구 주변에 인접한 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는

스테이터 베인 세그먼트.
제 19 항에 있어서,

상기 플래시 리브 보스가 상기 삽입체 슬리브의 상기 적어도 하나의 휜과 함께 사전결정된 갭을 규정하는

스테이터 베인 세그먼트.
제 21 항에 있어서,

상기 갭이 약 0.02인치인

스테이터 베인 세그먼트.
제 19 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 공동을 유출하는 냉각 매체 유동을 상기 플리넘내로 통과시키고 상기 유출 유동으로부터 상기 개구의 주변에 인접한 상기 충돌 플레이트의 적어도 일 부분을 실질적으로 보호하는 상기 연장 구조를 규정하는 반경방향의 내부로 연장되는 스커트를 상기 플래시 리브 보스가 구비하는

스테이터 베인 세그먼트.