KR20020083498A - 냉각 팁 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드를 포함하는터빈조립체 - Google Patents

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벙커로날드스콧
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

냉각 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드(10)는 블레이드 부착부(14)와 이 블레이드 부착부(14)와 일체형인 반경방향 연장형 터빈 에어포일(12)을 포함한다. 터빈 에어포일(12)은 다수의 냉각 통로(16)를 구비한다. 팁 슈라우드(20)는 에어포일(12)의 상부에 부착되며, 팁 슈라우드(20)는 에어포일(12)의 회전에 대해 실질적으로 평행하게 배치된 다수의 원주방향 냉각 채널(24)을 구비한다. 각각의 원주방향 냉각 채널(24)은 각각의 냉각 통로(16)와 연결되어 있으며, 적어도 하나의 배출구(26)는 적어도 하나의 원주방향 냉각 채널(24)과 연결되어 있다.

Description

냉각 팁 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 조립체{A TURBINE BLADE HAVING A COOLED TIP SHROUD}
본 발명은 터빈 블레이드에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 냉각 팁 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드에 관한 것이다.
항공기 및 동력 발생에 사용되는 것과 같은 터빈 조립체는 연료의 연소에 의해 생성된 고온의 압축 가스를 팽창시켜 회전 샤프트 동력을 발생시킨다. 동력은 터빈 조립체의 터빈 섹션에서 발생된다. 터빈 조립체는 회전 사프트에 부착되며 에어포일 부분을 포함하는 다수의 회전 블레이드를 채용한다.
터빈 조립체의 효율은 "누출(spillover)", 즉 터빈 블레이드와 보통 터빈 슈라우드라 불리는 터빈 조립체의 벽 사이의 여유 갭을 통해 고온의 연소 가스가 새어 나가는 것에 의해 어느 정도 제한을 받는다. 누출을 줄이기 위해, 에어 포일이 회전 샤프트에 부착된 단부의 반대 단부에 팁 슈라우드를 제공하는 것이 당해 기술 분야에서의 일반적인 방법이다. 팁 슈라우드는 셸프(shelf)와 선택적으로는 블레이드 돌기를 포함하는데, 이는 여유 갭의 크기를 줄임으로써 누출을 감소시키고 터빈 블레이드의 단부 주위의 고온 가스 통로를 가로막는다.
팁 슈라우드는 고온과 원심력에 의해 유발된 굽힘 응력의 복합작용에 의해크리프 손상을 받는다. 크리프는 보통 팁 슈라우드에 의해 형성된 셸프의 비지지 에지를 따라 "dog ears"가 형성되는 것으로 증명된다. 본 명세서에 사용되는 "dog ears"는 팁 슈라우드에 의해 형성된 셸프의 금속 에지의 접힘 또는 손상을 의미한다. 일반적으로, 셸프를 보강하는 것은 팁 슈라우드로부터 에어포일의 루트까지 단순히 응력을 전달하데 불과한 것으로 밝혀졌기 때문에, 터빈 블레이드의 이러한 영역에서의 크리프를 감소시키는 해결책으로서 셸프를 "스캘럽(scallop)"(즉, 비 지지부를 제거함)해왔다. 그러나 스캘럽은 터빈 블레이드를 지나 고온 가스 통로 유출을 증가 시킨다. 팁 슈라우드와 셸프가 충분히 냉각된다면, 셸프를 스캘럽해야 할 필요성이 실질적으로 감소된다. 따라서, 누출이 또한 감소되고, 터빈 효율이 개선될 수 있다.
현재 사용 가능한 터빈 블레이드 설계는 누출을 감소시키는 충분히 큰 비지지 셸프를 구비하는 팁 슈라우드의 사용을 허용할 만한 충분한 냉각을 제공하지 않는다. 따라서, 팁 슈라우드와 셸프에 충분한 냉각을 제공하는 터빈 블레이드가 필요하다. 또한 누출을 방지하기에 충분히 큰 셸프를 구비하는 냉각 팁 슈라우드가 필요하다.
냉각 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드는 블레이드 부착부와 이 블레이드 부착부와 일체형인 반경방향 연장형 터빈 에어포일을 포함한다. 터빈 에어포일은 다수의 냉각 통로를 구비한다. 팁 슈라우드는 에어포일의 상단부에 고정되고, 팁슈라우드는 에어포일의 회전방향에 실질적으로 평행인 다수의 원주방향 냉각 채널을 구비한다. 각각의 원주방향 냉각 채널은 각각의 냉각 통로와 연결되어 있으며, 적어도 하나의 배출구는 적어도 하나의 원주방향 냉각 채널과 연결되어 있다.
도 1은 본 발명의 터빈 블레이드의 측면도,
도 2는 본 발명의 에어포일과 팁 슈라우드의 평면도,
도 3은 본 발명의 팁 슈라우드의 측면도,
도 4는 본 발명의 슈라우드 팁을 형성하는 방법을 도시하는 측면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 터빈 블레이드12 : 에어포일
14 : 블레이드 부착부16 : 냉각 통로
18 : 플랫폼20 : 팁 슈라우드
20a : 팁 슈라우드 하부 절반20b : 팁 슈라우드 상부 절반
21 : 셸프22 : 터빈 슈라우드
24 : 냉각 채널24a : 냉각 채널 하부 함몰 구역
24b : 냉각 채널 상부 함몰 구역27 : 측방향 통로
30 : 고온 가스 통로32 : 에어포일 전연
34 : 에어포일 후연35 : 편향된 단부
36 : 원주방향 경로38 : 계면
40 : 팁 슈라우드 상부 표면42 : 길이방향 중심선
하기의 상세한 설명에 있어서, 도면의 유사한 참조 부호는 유사하거나 또는 대응하는 부분을 표시한다. 또한, "상부", "바닥", "외측", "내측" 등의 용어는 편의를 위한 어휘이며, 한정적인 용어로 해석이 되어서는 안되는 것으로 이해되어야 한다.
전체 도면 및 특히 도 1을 참조하면, 도해는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명을 그것에 한정하도록 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 터빈 블레이드(10)의 측면도가 도 1 에 도시된다. 이 터빈 블레이드(10)는 전형적으로 터빈 조립체(도시되지 않음)의 고압 스테이지에 위치된다. 터빈 블레이드(10)는 전형적으로 Rene N5나 다른 종류의 니켈계 초합금과 코발트계 초합금 중 하나로 일체형 주조된다. 블레이드 부착부(14)는 터빈 블레이드(10)가 터빈 샤프트(도시되지 않음)에 부착되도록 하며, 터빈 블레이드(10)는 터빈 샤프트로부터 반경방향 외측으로 연장한다. 부착부(14)는 더브테일 (dovetail) 또는 섕크(shank) 형상부중 하나를 구비하거나 또는 둘 다 포함할 수 있다. 블레이드 플랫폼(18)은 고온 가스 유동 통로의 내반경을 규정하고, 또한 고온 가스와 내측의 보조 유동 시스템 사이에 장벽을 제공한다. 또한, 블레이드 플랫폼(18)은 터빈 블레이드(10)의 부착부와 에어포일 모두에 추가적인 지지를 제공한다.
터빈 블레이드(10)의 에어포일(12) 부분은 블레이드 플랫폼(18)으로부터 터빈 조립체의 가스 통로(30)내로 연장한다. 에어포일(12)은 공역학적 양력을 발생시키도록 공역학적 프로파일을 갖는데, 전연(32)은 대체로 연소 섹션을 향해 상류로 배향되고, 후연(34)은 대체로 터빈 조립체의 배출 섹션을 향해 하류로 배향된다. 고온 가스 통로(30)내 연소 생성 가스와 에어포일(12)의 상호 작용은 에어포일(12)[그리고 따라서 터빈 블레이드(10)]이 터빈 샤프트의 길이방향 축 둘레의 원주방향 통로(36)(도 2 및 도 3 참조)를 지나가도록 한다.
다수의 냉각 통로(16)는 블레이드 부착부(14)로부터 에어포일(12)의 내부를 지나 에어포일(12)이 플랫폼(18)과 만나는 지점과 대향하는 에어포일(12)의 단부까지 연장한다. 냉각 통로(16)는 고온 가스 통로(30)내에서 터빈 블레이드(10)가 고온에 노출되는 부분에 냉각 매체를 제공한다. 일 실시예에 있어서, 냉각 통로(16)는 실질적으로 직선형이며, 에어포일(12)을 관통하여 반경방향으로 연장한다. 다른 실시예에 있어서, 모든 또는 일부 냉각 통로(16)는 난류자(turbulator)를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 각각의 또는 일부 냉각 통로(16)는 사행형(serpentine)일 수 있다. 또한, 모든 또는 일부 냉각 통로(16)는 0도 내지 30도 범위의 각도로 편향된 단부(35)를 추가로 포함할 수 있다. 전형적으로, 반경방향 냉각 통로(16)의 개수는 약 1개 내지 약 10개 사이이며, 각각의 냉각 통로(16)는 약 0.080인치 내지 약 0.인치 범위의 직경을 갖는다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 터빈 블레이드(10)의 평면도 및 측단면도로서, 팁 슈라우드(20)를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 팁 슈라우드(20)는 에어포일(12)이 플랫폼(18)과 만나는 지점에 대향하는 에어포일의 단부(12)에 부착된다. 팁 슈라우드(20)는 돌출한 셸프(21)로부터 에어포일의 에지를 초과하여 연장한다. 에어포일(12)과 터빈 블레이드(10)가 지나가는 원주방향 경로(36)에 실질적으로 평행하게 배향된 다수의 원주방향 냉각 채널(24)은 팁 슈라우드(20)내에 위치된다. 각각의 원주방향 냉각 채널(24)은 적어도 하나의 냉각 채널(16)과 연결되어, 냉각 채널(16)로부터 팁 슈라우드(20)내로 냉각 매체가 통과하는 것을 허용하며, 이에 의해 팁 슈라우드(20)를 냉각한다. 인접한 원주방향 냉각 채널(24)들은 적어도 하나의 측방향 통로(27)에 의해 상호 연결된다.
각각의 원주방향 냉각 채널(24)은 적어도 하나의 배출구(26)와 연결되어 있다. 각각의 배출구(26)는 적어도 하나의 원주방향 냉각 채널(24)을 팁 슈라우드(20)의 외측 표면에 연결하여 팁 슈라우드(20) 외측 표면의 블리드 냉각(bleed cooling)을 허용한다. 배출구(26)는 길이방향 중심선(42)에 대해 약 15도 내지 약 90도 범위의 각을 가질 수 있으며, 팁 슈라우드(20)의 특정 표면 영역 위로 냉각 매체가 향하도록 배치될 수 있다. 그러한 표면 영역에는 인접한 팁 슈라우드(20)들 사이의 계면(38)뿐만 아니라 고온 가스 통로의 외반경을 규정하는 팁 슈라우드의 상부 표면(40) 또는 팁 슈라우드의 바닥 표면이 포함된다.
팁 슈라우드(20)는 전체 터빈 블레이드(10)를 따라 일체형으로 주조될 수 있다. 원주방향 냉각 채널(24)은 에어포일(12)을 관통하여 연장하는 냉각 채널(16)을 횡단하도록 팁 슈라우드(20)를 관통하여 천공된다. 팁 슈라우드(20)를 형성하는 제 2 의 방법은 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 있어서, 팁 슈라우드(20)의 하부 절반(20a)은 터빈 블레이드(10)의 나머지 부분과 일체형으로 주조되거나 또는 별도로 주조되어 차후에 터빈 블레이드(10)에 부착된다. 하부 절반(20a)은 원주방향 냉각 채널(24)의 바닥 절반을 형성하는 하부 함몰 구역(24a)을 포함한다. 하부 함몰 구역(24a)과 냉각 채널(16)사이의 연결은 주조 공정을 통해서 또는 하부 함몰 구역(24a)과 냉각 채널(16) 사이에 개구를 가공하여 이루어진다. 팁 슈라우드의 상부 절반(20b)도 또한 주조된다. 상부 절반(20b)은 상부 함몰 구역(24b)을 구비하며, 이것은 원주방향 냉각 채널(24)의 상부 절반을 형성한다. 상부 함몰 구역(24b) 및 하부 함몰 구역(24a)은 각각 주조되거나 또는 상부 절반(20b)과 하부 절반(24a)내로 가공될수 있다. 그 후 상부 절반(20b)은 당해 기술 분야에 공지된 용접 등의 방법으로 하부 절반(20a)에 결합되어 팁 슈라우드(20)를 형성한다. 그 후 팁 슈라우드(20)내로 배출구(26)가 가공된다. 선택적으로는 채널 전체가 상부 절반(20b)에 배치되어 평평한 하부 절반(20a)을 갖거나 또는 또는 그 반대인 경우를 포함한다.
터빈 효율은 "누출", 즉 터빈 블레이드(10)와 일반적으로 터빈 슈라우드(도시되지 않음)로 불리는 터빈 벽 사이의 여유 갭을 통해 고온의 연소 가스가 새어 나가는 것에 의해 감소된다. 누출을 최소화하고 터빈 효율을 증대시키기 위해, 터빈 블레이드(10)는 팁 슈라우드(20)의 상부 표면(40)상에 배치된 적어도 하나의 블레이드 돌기(22)을 포함할 수도 있다. 블레이드 돌기(22)는 보통 터빈블레이드(10)와 동일한 재료로 형성된 융기부이며, 터빈 슈라우드(22)의 상부 표면(40)으로부터 반경방향 외측으로 연장한다. 블레이드 돌기(22)는 에어포일(12)과 터빈 블레이드(10)가 지나가는 원주방향 경로(36)에 평행하게 배향되며, 여유 갭을 통과하는 연소 가스의 통로에 추가적인 장벽을 제공한다. 블레이드 돌기(22)는 터빈 블레이드(10)의 나머지 부분과 일체형으로 주조되거나 또는 별도로 형성되어 차후에 용접 등의 통상적인 결합 방법으로 팁 슈라우드(20)의 상부 표면(40)에 결합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 터빈 블레이드(10)는 하나 이상의 블레이드 돌기(20)를 포함할 수 있다. 보다 효과적인 누출 방지를 위해, 블레이드 돌기(22)는 상류 방향을 향해 45도의 각을 가질 수도 있다. 또한, 여유 갭의 둘레을 통과하는 가스 통로는 팁 슈라우드(20)와 블레이드 돌기(22)를 수용하도록 터빈 슈라우드의 일부를 함몰시킴으로써 보다 단단히 조여질 수 있다. 터빈 시스템의 저압력 스테이지에서는, 블레이드 돌기(22)가 스스로를 터빈 슈라우드내에 고정하는 것을 허용하는 벌집 구조를 갖는 재료로 블레이드 돌기(22)에 인접하여 터빈 슈라우드의 일부를 형성함으로써 누출이 추가로 제한된다.
현재 당해 기술 분야에 알려진 터빈 블레이드와 달리, 본 발명의 터빈 블레이드(10)는 고온 크리프와 팁 슈라우드(20)에 의해 형성된 셸프(21)의 비지지 에지를 따른 "dog ears"의 형성에 가장 민감한 팁 슈라우드(20)의 부분에 충분한 냉각을 제공한다. 종래의 기술에서는, 팁 슈라우드와 셸프에 충분한 냉각을 제공하지 못하여 셸프를 스캘럽해야 한다. 즉 셸프의 비지지부를 제거해야 한다. 그러나 셸프를 스캘럽하는 것은 터빈 블레이드를 지나 고온 가스 통로 누출을 증가시킨다.종래 기술의 방법과는 반대로, 본 발명은 팁 슈라우드(20)의 취약 표면을 따라 냉각 매체의 효과적인 분배를 제공함으로써 팁 슈라우드(20)의 셸프 부분(21)을 스캘럽할 필요성을 줄인다.
여러 실시예들이 본 명세서에 설명되었지만, 요소들의 다양한 조합, 변형 및 개선이 당업자들에 의해 이루어질 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위내에 있음이 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 팁 슈라우드의 취약 표면을 따라 냉각 매체의 효과적인 분배를 제공함으로써 팁 슈라우드의 셸프 부분을 스캘럽할 필요성을 줄일 수 있다.

Claims (29)

  1. 냉각 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드(10)에 있어서,
    블레이드 부착부(14)와;
    상기 블레이드 부착부(14)와 일체형인 반경방향 연장형 터빈 에어포일(12)로서, 다수의 냉각 통로(16)를 구비하는 터빈 에어포일(12)과;
    상기 에어포일(12)의 상부에 부착된 팁 슈라우드(20)로서, 상기 에어포일(12)의 회전방향에 실질적으로 평행하게 배치된 다수의 원주방향 냉각 채널(24)을 구비하고, 각각의 원주방향 냉각 채널(24)은 각각의 냉각 통로(16)와 연결되어 있는, 팁 슈라우드와;
    상기 원주방향 냉각 채널(24) 중 적어도 하나와 연결되어 있는 적어도 하나의 배출구(26)를 포함하는
    터빈 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드(20)의 상부 표면(40)상에 배치된 적어도 하나의 블레이드 돌기(22)를 추가로 포함하는
    터빈 블레이드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 에어포일(12)은 약 1개 내지 10개 사이의 냉각 통로(16)를 포함하는
    터빈 블레이드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 에어포일 냉각 통로(16)는 0.080인치 내지 0.3인치 범위의 직경을 갖는
    터빈 블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 에어포일 냉각 통로(16)는 난류자(turbulator)를 추가로 포함하는
    터빈 블레이드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 통로(16)는 반경방향 냉각 통로인
    터빈 블레이드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 통로(16)는 사행형 냉각 통로인
    터빈 블레이드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 통로(16)는 약 0도 내지 약 30도 범위의 편향각을 갖는 편향된 단부(35)를 포함하는
    터빈 블레이드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 부착부(14)는 더브테일 부착부인
    터빈 블레이드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 부착부(14)는 더브테일-섕크 부분인
    터빈 블레이드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드(20)는 인접한 원주방향 냉각 채널(24)들을 연결하는 적어도 하나의 측방향 통로(27)를 추가로 포함하는
    터빈 블레이드.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드(20)는 상기 원주방향 냉각 통로(24)를 생성하도록 상호 용접된 두 개의 부재로 제조되는
    터빈 블레이드.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드(20)는 주조되며, 상기 원주방향 냉각 통로(24)는 천공되는
    터빈 블레이드.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출구(26)는 길이방향 중심 선에 대해 약 15도 내지 약 90도 범위의 각을 갖는
    터빈 블레이드.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출구(26)는 냉각 공기가 인접한 팁 슈라우드(20)들 사이의 계면을 향하도록 배치되는
    터빈 블레이드.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출구(26)는 상기 팁 슈라우드(20)의 상부 표면에 배치되는
    터빈 블레이드.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출구(26)는 상기 고온 가스 교환부에서 상기 팁 슈라우드의 바닥 표면상에 배치되는
    터빈 블레이드.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드(10)는 니켈계 초합금 또는 코발트계 초합금중 적어도 하나로 제조되는
    터빈 블레이드.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 블레이드 돌기(22)는 상기 팁 슈라우드(20)에 대해 약 0도 내지 약 45도 사이의 범위에 있는 각도로 기울어져 있는
    터빈 블레이드.
  20. 냉각 통로(16)를 구비하는 에어포일(12)의 상부에 배치를 위한 팁 슈라우드(20)에 있어서,
    상기 에어포일(12)의 회전방향에 실질적으로 평행하게 배치된 다수의 원주 방향 냉각 채널(24)로서, 각각 상기 에어포일(12)의 각각의 냉각 통로(16)와 각기연결되어 있는 원주방향 냉각 채널(24)과;
    상기 원주 방향 냉각 채널(24)중 적어도 하나와 연결되어 있는 적어도 하나의 배출구(26)를 포함하는
    팁 슈라우드.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드는 인접한 원주방향 냉각 채널들을 연결하는 적어도 하나의 측방향 통로를 추가로 포함하는
    팁 슈라우드.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드는 상기 원주방향 냉각 통로를 생성하도록 상호 용접된 두 개의 부재로 제조되는
    팁 슈라우드.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 팁 슈라우드는 주조되며, 상기 원주방향 냉각 통로는 천공되는
    팁 슈라우드.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 배출구는 길이방향 중심 선에 대해 액 15도 내지 90도 범위의 각을 갖는
    팁 슈라우드.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 배출구는 냉각 공기가 인접한 팁 슈라우드들 사이의 계면을 향하도록 배치되는
    팁 슈라우드.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 팁 슈라우드의 상부 표면에 배치되는
    팁 슈라우드.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 고온 가스 교환부에서 상기 팁 슈라우드의 바닥 표면상에 배치되는
    팁 슈라우드.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 니켈계 초합금 또는 코발트계 초합금중 적어도 하나로 제조되는
  29. 터빈 조립체에 있어서,
    압축기와;
    연소기와;
    배기장치와;
    블레이드 부착부를 포함하는 냉각 슈라우드를 구비하는 적어도 하나의 터빈 블레이드와; 상기 블레이드 부착부와 일체형인 반경방향 연장형 에어포일로서, 다수의 냉각 통로를 구비하는 에어포일과; 상기 에어포일의 상부에 부착된 팁 슈라우드로서, 원주방향 냉각 채널이 각각의 냉각 통로와 연결되어 있는 상기 에어포일의 회전방향에 실질적으로 평행하게 배치된 다수의 원주방향 냉각 채널을 구비하는 팁슈라우드와; 상기 원주방향 냉각 채널중 하나와 연결되어 있는 적어도 하나의 배출구를 포함하는
    터빈 조립체.
KR1020020023070A 2001-04-27 2002-04-26 냉각 팁 슈라우드를 구비하는 터빈 블레이드를 포함하는터빈조립체 KR20020083498A (ko)

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