KR20030030849A - 증대된 열 전달을 갖는 터빈 에어포일 - Google Patents

증대된 열 전달을 갖는 터빈 에어포일 Download PDF

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쿤하프랭크제이.
전영에이치.
듀브브라이언피.
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

내부 공동 및 내부 공동의 내부 표면 상에 복수의 오목부를 갖는 터빈 에어포일 섹션이 기술된다. 오목부는 에어포일의 내부 공동을 냉각시키기 위하여 증대된 열 전달을 제공하고 이로써 요구되는 컴프레서 블리드 공기(compressor bleed air)를 최소화하여 에어포일의 수명을 향상시키고 엔진의 효율을 최적화시킨다. 또한 이러한 냉각 기구는 이롭게도 내부 공동 내에서 냉각 유동을 제한하지 않는다. 오목부는 다양한 패턴 및 다른 기하학적 형상을 가질 수도 있다.

Description

증대된 열 전달을 갖는 터빈 에어포일{TURBINE AIRFOIL WITH ENHANCED HEAT TRANSFER}
본 발명은 가스 터빈과 같은 고온 로터리 기계에 사용되는 유형의 냉각 가능한 에어포일에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 증대된 효율을 갖춘 내부 냉각 통로를 구비한 에어포일용의 개선된 냉각 구조에 관한 것이다. 가스 터빈 엔진 또는 기계의 터빈은 매우 높은 온도에 노출된다. 연소기로부터 터빈으로 유입되는 고온 가스의 온도는 일반적으로 터빈 로터 블레이드 및 고정자 베인(stator vane)이 제작되는 합금의 용융 온도 이상이다. 블레이드와 베인이 모두 이러한 고온에 노출되기 때문에, 이들은 구조적인 완전성을 유지하기 위하여 냉각되어야만 한다.
일반적으로, 블레이드와 베인은 엔진의 컴프레서로부터 흘러나와 컴프레서를 우회하는 공기에 의하여 냉각된다. 이어서 냉각 공기는 각각의 블레이드 및 베인의 내부 공동을 통하여 흐른다. 컴프레서로부터 흘러나온 공기의 온도는 고온 가스의 온도보다 비교적 낮은 온도이다. 이러한 냉각을 위한 컴프레서 블리드 공기는 연소기 내의 연소를 지지하기 위하여 사용될 수 없을 것이라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 연소를 지지하도록 부적절한 공기 유동 때문에 엔진 성능이 희생되는 것을 최소화 하기 위하여, 블레이드 및 베인을 냉각시키기 위한 어떠한 기구도 컴프레서 블리드 냉각 공기의 사용을 최적화 하여야 한다. 에어포일 냉각은 외부 막 냉각(external film cooling) 및 내부 공기 충돌과 대류 냉각(internal air impingement and convection cooling) 또는 이들의 조합에 의하여 달성된다.
대류 냉각에서, 컴프레서 블리드 공기는 블레이드와 베인의 내부 공동을 통하여 흐르며 그곳으로부터 지속적으로 열을 제거한다. 컴프레서 블리드 공기는 내부 공동으로 방출하는 하나 이상의 입구를 통하여 공동으로 유입된다. 내부 공동은 블레이드와 베인의 벽의 향상된 대류 냉각을 용이하게 하는 핀 또는 리지["트립 스트립(trip strip)"으로도 알려짐]를 그것의 벽 내에 포함할 수도 있다.
막 냉각은 매우 효율적인 것임이 밝혀졌으나 매우 큰 규모의 유동 흐름을 요구한다. 또한, 막 냉각 구멍을 갖는 에어포일의 제작 및 가공은 복잡성을 증가시켜 비용이 커지게 된다.
냉각 공기가 일단 에어포일의 내부 공동을 빠져나가서 고온 가스와 혼합되면, 혼합 공정 및 혼합 유동의 상이한 온도 레벨 때문에 심각한 성능상의 장애가 발생한다는 것도 이해될 것이다. 만일 냉각 공기가 일반적으로 트레일링 에지(trailing edge) 구역 내에 있는 에어포일의 흡입 측면 상에 위치된 막 구멍으로부터 배출된다면 이 구역 내에 형성되는 역 압력 기울기(adverse pressure gradient) 때문에 큰 혼합 손실이 발생하기 때문에 이러한 바람직하지 않은 효과가증대될 수 있다. 만일 막 냉각 구멍이 흡입 측벽의 통로 영역(throat area) 너머 위치된다면, 바람직하지 않은 유동 분리 또한 가능하다. 따라서, 막 냉각은 에어포일의 외부 표면의 부적절한 냉각의 가능성을 갖고 보다 많은 양의 냉각 공기를 요구한다.
만일 막 냉각 구멍이 채용된다면, 에어포일은 냉각의 부족 때문에 크립(creep)할 수 있다. 만일 에어포일이 예컨대 열 장벽 코팅으로 도포된다면, 코팅이 쪼개져서 금속을 고온 가스에 노출시켜 바람직하지 않은 갈라짐 또는 에어포일 벽의 연소의 결과를 가져올 수 있다. 크립을 해결하는 전통적인 접근 방식 중 하나는 벌크 유동 내의 난류 혼합을 증진시키기 위하여 블레이드 및 베인의 내부 통로 내에 돌출 리브[트립 스트립, 터뷸레이터(turbulator)]를 사용함으로써 열 전달의 양을 증가시키는 것이다. 그러나, 트레일링 에지 구역 내에서, 내부 공동은 비교적 작으므로 내부 공동 내에서 소비되는 냉각 유동의 유동 봉쇄를 초래하지 않고 돌출 리브를 추가하는 것이 어려워진다.
충돌 냉각은 크립을 억제하기 위하여 채용될 수 있는 다른 냉각 기술나 이 또한 결점을 갖고 있다. 공기가 충돌되면, 컴프레서 블리드 공기는 에어포일의 내부로 도입되고 에어포일의 내부 벽 상으로 안내된다. 이어서 공기는 에어포일 벽 내에 제공된 한 세트의 구멍을 통하여 에어포일로부터 배출된다. 그러나, 만일 충돌 냉각이 막 냉각을 사용하는 것이 바람직하지 않은 구역 내에 채용된다면, 소비된 충돌 공기는 근접 막 냉각 구멍을 통하여 배출되지 않는다. 이는 상류 충돌 구멍으로부터의 교차 유동이 하류 충돌 구멍의 충돌 동작을 저하시키기 때문에 충돌냉각 효율의 감소를 초래한다.
따라서, 에어포일 수명을 연장시키고 엔진의 효율을 최적화시키며 엔진에 의하여 연소되는 연료의 양 또한 감소시켜서 엔진 작동의 경제성을 증대시키는 최적화된 냉각 기구를 갖는 에어포일에 대한 필요성이 당해 기술 분야에 존재한다.
상기된 결점 및 결함 그리고 기타의 결점 및 결함이 본 발명에 의하여 극복되거나 완화된다.
따라서, 본 발명은 요구되는 컴프레서 블리드 에어의 양을 최소화함으로써 엔진의 효율을 최적화시키는 에어포일의 내부 공동을 냉각시키기 위한 증대된 열 전달을 갖는 터빈 에어포일을 제공한다.
도1은 본 발명의 터빈 에어포일을 채용하는 유형의 가스 터빈 엔진의 단순화된 단면도.
도2는 터빈 에어포일, 특히 본 발명에 따른 두 개의 플랫폼과 혼합된 터빈 베인의 확대된 사시도.
도3은 두 개의 배플과 혼합된 도2의 에어포일의 확대된 사시도.
도4는 도3의 4-4를 따라 취해진 도2의 에어포일의 단면도.
도5는 본 발명에 따른 대체의 기하학적 표면 오목부를 포함하는 도4의 5-5를 따라 취해진 도4에 도시된 에어포일 표면의 일부를 통한 확대된 단면도.
도6은 오목부 없이 트레일링 에지 및 냉각된 에어포일에 근접한 볼록한 측면 상에 위치된 오목부를 갖는 냉각된 에어포일을 위한 중간 코드(chord) 단면에서 취해진 에어포일의 외부 금속 표면(40)을 따른 상대 온도 프로파일의 도표.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진14 : 팬
16 : 컴프레서18 : 연소 섹션
20 : 터빈22 : 로터
24 : 블레이드26 : 베인
28 : 고온 가스 흐름 유동30 : 에어포일
34 : 리딩 에지36 : 트레일링 에지
38 : 내부 표면40 : 외부 표면
42 : 오목 측벽44 : 볼록 측벽
52 : 전방 내부 공동54 : 후방 내부 공동
에어포일의 후방(aft) 내부 공동의 내부 표면 또는 다른 어떠한 공동이 에어포일 공동의 내부 표면을 따라 위치된 복수의 오목부를 사용하여 대류적으로 냉각된다. 특히, 오목부는 트레일링 에지에 근접한 에어포일의 볼록(흡입) 측벽의 내부 표면을 따라 위치된다. 이러한 방식으로, 본 발명은 막 냉각 기구가 채용된 경우 처럼 추가적인 냉각 공기의 공급을 요구하지 않고 에어포일의 수명을 연장하는 에어포일 공동의 내부 표면의 냉각을 위하여 제공한다. 결과적으로, 터빈 효율은 불리하게 영향받지 않는다. 바람직하게는, 이러한 냉각 기구는 또한 소비된 충돌 유동이 에어포일 내부 공동 내부로 흐르는 것을 막지 않는다. 특히, 오목부는 트레일링 에지에 근접한 후방 내부 공동 내에 위치되었을 때 소비된 충돌 유동이 트레일링 에지의 냉각 슬롯을 통하여 후방 내부 공동의 외부로 흐르는 것을 막지 않는다.
오목부는 에어포일의 스팬 방향(spanwise) 또는 종방향으로 연장하며 적층되는 것이 바람직하다. 오목부는 복수의 오목부가 단일의 지그재그 선을 따라 중심에 위치되도록 두 개 이상의 종방향으로 연장하는 열 내에 적층된 어레이에 배열되는 것이 가장 바람직하다. 오목부의 종방향 위치의 패턴은 냉각 공기에 평행이거나, 이러한 유동에 수직이거나, 또는 냉각 유동에 대하여 어떠한 각도도 가질 수 있다. 양호하게는, 오목부의 패턴은 가능한 가장 높은 열 전달 표면 증대를 제공하도록 로컬 유동 유선(streamline)의 방향에 대하여 최적화될 것이다.
양호하게는, 각각의 오목부는 에어포일의 내부 표면 내부로 연장하는 딤플(dimple)이다. 그러나, 오목부는 여기에 기술될 모든 추가적인 장점을 포함하며 트레일링 에지 내에서 동일한 열 전달 증대를 생성할 수 있는 대체적인 기하학적 구성을 가질 수 있다. 오목부는 평행육면체, 타원, 키드니(kidney), 또는 직사각형 형태를 가질 수 있다. 또한, 오목부는 램프(ramp), 반원 또는 레이스 트랙 형태를 가질 수도 있다. 선택된 오목부의 기하학적 구성은 영역 및 원하는 열 전달 증대에 의존한다. 또한, 오목부는 인접한 오목부 사이의 간격에 관하여 최적화된 다양한 깊이를 가질 수도 있다.
본 발명은 또한 에어포일 내의 내부 공동의 내부 표면 상의 복수의 오목부를 형성함으로써 터빈 에어포일의 냉각을 증대하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 현재의 냉각 기구를 보다 강화하도록 현재의 에어포일 내에 채용될 수도 있다.
본 발명을 수행하기 위한 최상의 모드
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시의 방법으로 기술될 것이다.
엔진 중심선 또는 축방향 중심선 축(12) 주위에 원호상으로 배치된 발전 또는 추진을 위하여 사용되는 가스 터빈과 같은 가스 터빈 엔진(10)이 도시된다. 엔진(10)은 팬(14), 컴프레서(16), 연소 섹션(18) 및 터빈(20)을 포함한다. 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있듯이, 컴프레서(16) 내에 압축된 공기는 연소 섹션(18)에서 연소되고 터빈(20)에서 팽창되는 연료와 혼합된다. 컴프레서 내에서 압축된 공기와 터빈(20) 내에서 팽창된 연료 혼합물은 모두 고온 가스 흐름 유동(28)으로 언급될 수 있다. 터빈(20)은 팽창에 반응하여 회전하여 컴프레서(16) 및 팬(14)을 구동하는 로터(22)를 포함한다. 터빈은 회전 에어포일 또는 블레이드(24) 및 정지 에어포일 또는 베인(26)의 교차식(alternating) 열(row)을 포함한다. 도1의 시스템의 사용은 예시의 목적만을 위한 것이고 전기 발전 및 항공기를 위하여 사용되는 가스 터빈 상에 채용될 수도 있는 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
이제, 도2 및 도3을 참조하면, 도1의 베인(26)의 사시도가 도시된다. 베인(26)은 종방향 또는 스팬 방향 축을 갖고, 리딩 에지(34) 및 트레일링 에지(36)를 갖는 에어포일(30)을 포함한다. 에어포일(30)은 내부 표면(38) 및 대향 외부 금속 표면(외부 표면, 40)을 갖는다. 외부 표면(40)은 연소 섹션으로부터 터빈(20)으로 유입되는 고온 가스 흐름 유동(28)에 노출된다. 에어포일(30)의 외부 표면(40)은 오목 측벽 또는 압력 측벽(42) 및 볼록 측벽 또는 흡입 측벽(44)을 갖도록 리딩 에지(34)로부터 트레일링 에지(36)까지 형성된다. 통상적으로, 오목측벽(42)은 고온 가스 흐름 유동(28)이 상부를 통과할 때 대체로 고온인 가스 압력을 받고, 볼록 측벽(44)은 고온 가스 흐름 유동(28)이 상부를 통과할 때 대체로 보다 낮은 가스 압력을 받는다. 볼록 및 오목 측벽(42, 44)은 각각 트레일링 에지(36) 및 리딩 에지(34)에 의하여 둘러 싸인다. 터빈(20)의 인접한 블레이드(24) 및 베인(26) 사이에, 그러한 특정 단계를 위하여 고온 가스 흐름 유동(28)을 통과시키도록 그들 사이에서 연장하는 최소 목(throat) 영역이 존재한다. 이러한 최소 영역은 게이지 지점 G(도4)에 상응한다. 또한, 에어포일(30)의 양호한 실시예는 전방 내부 공동(52) 및 후방 내부 공동(54)을 포함한다. 전방 내부 공동(52) 및 후방 내부 공동(54)은 복수의 막 공기 구멍(68, 도4)을 포함한다.
에어포일(30)은 일반적으로 46에 도시되는 내부 플랫폼 및 일반적으로 48에 도시되는 외부 플랫폼에 의해 둘러 싸인다. 내부 및 외부 플랫폼(46, 48)은 가압된 냉각 공기(도3의 화살표 50에 의하여 나타내어짐)를 전방 및 후방 내부 공동(52, 54) 내부로 인도하는 가스 통로 고리(annulus)를 생성한다. 외부 플랫폼(48)은 대향 플랜지(56) 및 레일(58)을 포함한다. 유사하게, 내부 플랫폼(46)은 대향 플랜지(60) 및 레일(62)을 포함한다. 레일(58, 62)은 베인(26)을 터빈(20)의 케이스(도시 생략)에 고정한다. 이러한 방식으로, 내부 플랫폼(46)의 플랜지(60)는 가압된 냉각 공기(50)의 일부를 컴프레서(16)로부터 후방 내부 공동(54)으로 공급하는 플레넘(64)을 부분적으로 형성한다. 유사하게, 외부 플랫폼(48)의 플랜지(56)는 가압된 냉각 공기(50)의 일부를 컴프레서(16)로부터 전방 내부 공동(52)으로 공급하는 플레넘(66)을 형성한다.
전방 내부 공동(52)과 실질적으로 동일한 윤곽을 갖는 전방 배플(삽입체, 70)이 전방 내부 공동(52) 내에 위치된다. 전방 배플(70)은 용접 또는 부착을 위한 다른 유사한 수단을 통하여 베인(26)의 인접한 내부 표면(38)에 고정되었다. 일단 고정되면, 전방 배플(70) 및 전방 내부 공동(52)의 인접한 내부 표면(38)에 의하여 간극(73)이 형성되어 간극(73)은 전방 배플(70)로 유입되는 가압된 냉각 공기(50)로부터 폐쇄된다. 따라서 전방 배플(70)은 내부 플레넘(72, 도4)을 형성하고, 복수의 연결 구멍 또는 충돌 구멍(74)을 포함한다. 이러한 방식으로, 플레넘(64)으로부터 가압된 냉각 공기(50)가 냉각 통로(72)로 유입되고, 충돌 구멍(74)을 통하여 간극(77) 내부로 유동하며 에어포일(30)의 인접한 내부 표면(38) 상에 충돌함으로써 베인(26)의 내부 표면(38)을 냉각시킨다. 따라서 냉각 통로(72)가 가압되며, 가압된 냉각 공기(50)는 베인(26)의 외부 표면(40) 상에 공기 막을 형성하도록 복수의 막 공기 구멍(68) 외부로 유동함으로써 베인(26)의 외부 표면(40)을 냉각시킨다.
후방 내부 공동(54)과 실질적으로 동일한 윤곽을 갖는 후방 배플(삽입체, 76)이 후방 내부 공동(54) 내에 위치된다. 일단 삽입된 후방 배플(76)은 용접 또는 부착을 위한 다른 유사한 수단을 통하여 베인(26)의 인접한 내부 표면(38)에 고정되었다. 일단 고정되면, 후방 배플(76) 및 후방 내부 공동(54)의 인접한 내부 표면(38)에 의하여 간극(77)이 형성되어 간극(77)은 후방 배플(76)로 유입되는 가압된 냉각 공기(50)로부터 폐쇄된다. 따라서 후방 배플(76)은 내부 플레넘(78, 도4)을 한정하고, 복수의 연결 구멍 또는 충돌 구멍(80)을 포함한다. 이러한 방식으로, 플레넘(66)으로부터 가압된 냉각 공기(50)가 내부 플레넘(78)으로 유입되고, 충돌 구멍(80)을 통하여 간극(77) 내부로 유동하며 에어포일(30)의 인접한 내부 표면(38) 상에 충돌함으로써 베인(26)의 내부 표면(38)을 냉각시킨다. 따라서 내부 플레넘(78)은 가압된다. 가압된 냉각 공기(50)의 일부는 베인(26)의 외부 표면(40) 상에 공기 막을 생성하도록 후방 내부 공동(54)의 오목 측벽(42) 상에 위치된 복수의 막 공기 구멍(68)의 외부로 유동함으로써 베인(26)의 외부 표면을 냉각시킨다.
또한, 상기된 바와 같이, 후방 내부 공동(54)의 막 냉각에 추가하여, 트레일링 에지(36)도 지금부터 기술되는 바와 같이 추가적으로 냉각된다. 트레일링 에지(36)도 가압된 냉각 공기(50)의 일부를 배출시키기 위한 수단이 후방 내부 공동(54)과 유동 연통하는 상기 트레일링 에지(36)를 막 냉각(film cooling) 시키기 위하여 가압된 냉각 공기(50)의 일부를 배출시키기 위한 수단을 내부에 포함한다. 양호하게는, 가압된 냉각 공기(50)의 일부를 배출하기 위한 수단은 오목 측벽(42)으로부터 종방향 또는 스팬 방향으로 연장하는 복수의 냉각 슬롯(84)이다.
불록 측벽(44)의 내부 표면(38)으로부터 복수의 냉각 슬롯(84)에서 종결하는 불록 측벽(42)의 내부 표면(38)까지 연장되는 돌출부 또는 안내부(82)가 후방 배플(76)에 근접한 불록 측벽(44)의 내부 표면(38)을 따라 후방 내부 공동(54) 내부에 위치된다. 돌출부(82)는 후방 배플(76)의 충돌 구멍에서 배출되는 소비된 충돌 유동을 트레일링 에지(36) 내에 위치된 냉각 슬롯(84)으로 인도하도록 채용된다. 이러한 방식으로, 소비된 충돌 유동은 냉각 슬롯(84)을 경유하여 후방 내부공동(54)으로부터 배출되어 트레일링 에지(36)를 냉각시키도록 공기 막을 생성한다. 양호하게는, 돌출부(82)는 복수의 눈물방울형 돌출부(88)와 함께 정렬된 복수의 안내 또는 선회 베인(86)을 포함한다. 눈물방울형 돌출부(88)는 냉각 슬롯(84)에 인접하게 정렬되어 눈물방울형 돌출부(88)의 최상부는 도3에 도시된 냉각 슬롯(84)의 대향 측면 상에 위치된다.
이제, 도4를 참조하면, 도2의 베인(26)의 단면도가 도시된다. 상기된 바와 같은 후방 내부 공동(54)의 내부 표면(38)이 충돌 냉각으로 냉각된다. 후방 내부 공동(54)의 내부 표면(38)도 오목 리세스를 갖는 복수의 오목부(90)를 사용하여 냉각된다. 이들 오목부(90)는 에어포일(30)의 냉매 열 픽업(pick-up)을 더 증대한다. 이는 증대된 열 전달을 제공한다. 오목부(90)의 레세스 내부에서, 소비된 충돌 유동이 각각의 오목부(90) 상으로 유동할 때 재순환 구역이 생성된다. 이는 도5에서 가장 잘 알 수 있다. 재순환 구역은 내부 표면(38)의 그 부분을 따라 국부적인(localized) 대류 열 전달을 유도하여 내부 표면(38)을 냉각시킨다. 이러한 "와류 발산(vortex shedding)"은 혼합을 증진시켜 내부 표면(38)을 따른 대류 열 전달을 증대시킨다. 오목부(90)는 에어포일(30)의 스팬 방향 또는 종방향(32)으로 연장하며 적층되는 것이 바람직하다. 오목부(90)는 복수의 오목부(90)가 단일의 지그재그 선을 따라 중심화되도록 두 개 이상의 종방향으로 연장하는 행 내의 적층된 어레이 내에 배열되는 것이 가장 바람직하다. 오목부(90)의 종방향 위치의 패턴은 냉각 공기에 평행이거나, 이러한 유동에 수직이거나 냉각 유동에 대하여 어떠한 다른 각도를 가질 수도 있다. 양호하게는, 오목부(90)의 패턴은 가능한 최고열 전달 표면 증대를 제공하도록 국부적인 유동 유선(streamline)의 방향에 대하여 최적화될 수 있다.
양호하게는, 오목부(90)는 공간 제약이 있는 후방 내부 공동(54)의 내부 표면(38)을 따라 위치된다. 이러한 방식으로, 증대된 열 전달이 후방 배플(76)로부터 배출되는 소비된 충돌 공기 유동을 봉쇄하거나 제약하지 않고서 달성된다. 가장 양호하게는, 오목부(90)는 트레일링 에지(36) 내에서 발생하는 가열을 줄이도록 게이지 지점의 상부에서 돌출부(82)에 근접하게 후방 내부 공동(54)의 볼록 측벽(44)의 내부 표면(38) 너머, 특히 에어포일(30)의 볼록 측벽(44)을 따라 위치된다.
트레일링 에지(36)에 인접한 볼록 측벽(44)의 내부 표면 상의 오목부(90)의 위치에는 장점이 더 있다. 볼록 측벽(44) 상의 에어포일(30)의 외부 표면(40)에 근접한 영역 내에서, 큰 혼합 손실을 초래하는 유동 필드를 감속함으로써 발생하는 역 압력 기울기(adverse pressure gradient)가 존재한다는 것이 일반적으로 이해된다. 이들 혼합 손실은 터빈(20) 효율에 악영향을 끼치는 매우 불안정한 구역을 생성한다. 따라서, 본 발명은 막 냉각 기구의 경우처럼, 추가적인 냉각 공기를 요구하지 않고 에어포일의 수명을 연장시키는 에어포일 공동의 내부 표면을 냉각시키기 위하여 제공된다. 결과적으로, 터빈 효율에 악영향이 가해지지 않는다. 이롭게도, 이러한 냉각 기구는 소비된 충돌 유동이 후방 내부 공동(54) 내에서 유동하는 것을 봉쇄하지도 않는다. 특히, 오목부(90)는 트레일링 에지(36)에 근접하게 후방 내부 공동(54) 내에 위치될 때, 소비된 충돌 유동이 후방 내부 공동(54) 외부로 유동하고 냉각 슬롯(84)을 통하여 유동하는 것을 방해하지 않는다.
이제 도5를 참조하면, 도4에 도시된 에어포일(30) 표면의 일부를 통하여 5-5를 따라 취해진 확대된 단면도가 본 발명에 따르며 오목부(90)로 적합한 대체의 기하학적 형태(도5a 내지 도5g)를 포함하여 도시된다. 양호하게는, 각각의 오목부(90)는 에어포일(30)의 내부 표면(38) 내부로 연장하는 딤플(dimple) 형이다. 그러나, 오목부(90)는 여기서 기술되는 모든 추가적인 장점을 포함하여 트레일링 에지(36) 내에서 동일한 열 전달 증대를 생성할 수 있는 대체의 기하학적 구성을 가질 수 있다. 오목부(90)를 위한 예시적인 기하학적 구성이 도5에 도시된다. 특히, 오목부(90)는 평행육면체(92), 타원(94), 키드니(kidney, 96), 또는 직사각형(98) 형태를 가질 수 있다. 오목부(90)는 램프(100), 반원(102), 또는 경주 트랙(104) 형태일 수도 있다. 모든 형태(90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104)는 오목 또는 볼록 측벽(42, 44)의 내부 표면 영역을 증가시킴으로써 소비된 충돌 유동에 의하여 열 픽업(pick-up)을 증가시킨다.
오목부(90)의 선택된 기하학적 구성은 영역 및 원하는 열 전달 증대에 의존한다. 또한, 오목부(90)는 가변 깊이(d)를 가질 수도 있다. 오목부(90)의 깊이(d)는 인접한 오목부(90) 사이의 양호한 간격에 관계된다. 각각의 오목부(90)의 중심, C 사이의 거리가 깊이(d)의 약 6배와 동일한 길이(L) 만큼 각각의 인접한 오목부로부터 이격되는 것이 양호하다.
또한, 본 발명의 범위 내에서 에어포일(30) 내에 채용되는 다양한 크기와 형태를 갖는 오목부(90)의 조합이나 터빈(20)의 특정 단계에 속하는 에어포일이 가능하다는 것이 당해 기술분야의 숙련자에 의하여 이해될 수 있다. 또한, 오목부(90)의 기하학적 구성 또는 형태 및 크기의 선택은 양호하게는 가능한 최고 열 전달 표면 증대를 제공하도록 국부 유동 유선의 방향에 대하여 최적화된다. 주어진 에어포일(30)을 위한 유동 유선의 방향을 결정하는 것이 일반적으로 수월하다(straightforward)는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에서 예시되고 기술된 본 발명의 장점이 도6과 결합하여 더욱 잘 이해된다. 도6은 오목부 없이 트레일링 에지 및 냉각된 에어포일에 근접한 볼록한 측면 상에 위치된 오목부를 갖는 냉각된 에어포일을 위한 중간 코드(chord) 단면에서 취해진 에어포일의 외부 금속 표면(40)을 따른 상대 온도 프로파일의 도표이다. 도6의 도면 부호는 다음과 같다. TE는 트레일링 에지(36)를, LE는 리딩 에지(34)를, PS는 압력 측벽을, SS는 흡입 측벽을 가리킨다.
곡선(110)은 오목부(90) 없는 상대 온도 프로파일을 도시하고, 곡선(112)은 오목부(90)를 갖는 상대 온도 프로파일을 도시한다. 길이(L1)는 오목부(90)가 채용되는 볼록 측벽(44) 상 및 트레일링 에지(36) 근처의 양호한 구역을 지시한다. 곡선(112)을 참조하면, 트레일링 에지(36) 내에 위치된 본 발명의 오목부(90)가 에어포일(30)의 외부 표면(40)의 상대 온도를 감소시켜 트레일링 에지(36) 근처의 후방 내부 공동(54)의 내부 표면(38)을 냉각시킨다는 것을 알 수 있다. 온도의 이러한 감소는 오목부(90)가 채용되지 않은 경우보다 훨씬 적은 컴프레서 블리드 공기를 요구하는 증대된 트레일링 에지(36) 냉각 기구, 즉 곡선(112)를 나타낸다.
마침내, 본 발명은 이롭게도 추가적인 양의 컴프레서 블리드를 요구하지 않고 에어포일(30) 냉각을 증대시키는 최적화된 냉각 기구, 즉 오목부(90)의 사용을 채용한다. 따라서, 터빈 효율을 손상시키지 않고 엔진(추진) 또는 기계(지면에 기초를 둔 전력 생산)의 작동 비용도 손상시키지 않는다. 추진 및 전력 생산에 사용되는 현대의 가스 터빈이 연소를 지지하기 위해 보다 많은 양의 공기를 요구하며 추진 및 전력 생산 각각의 증가를 제공하여 에어포일을 위한 냉각 공기를 효율의 어떠한 측정을 갖고도 사용 불가능하게 만듦에 따라 이것은 점점 더 중요해진다. 그러나 본 발명의 다른 장점은 오목부(90)의 사용이 트레일링 에지로 집중되고 배플 충돌 냉각의 효율이 소비된 충돌 유동의 교차 유동 저하 때문에 최소로 효과적이라는 것이다. 그러므로, 소비된 충돌 유동이 슬롯(84)을 냉각시키는 트레일링 에지(36)를 통하여 배출되는 것을 제한하지 않고 증대된 냉각이 에어포일(30)의 트레일링 에지(36) 내에 제공된다. 또한, 본 발명의 범위에서 오목부(90) 때문에 증대된 에어포일 냉각은 현재의 에어포일에서 발견될 수도 있는 것처럼 트레일링 에지(36) 근처의 볼록 측벽(44) 내에 존재할 수도 있는 막 냉각 구멍 뿐만 아니라 트레일링 에지(36) 근처의 충돌 냉각과 함께 잘 작동한다는 것이 당해 기술분야의 숙련자에 의하여 이해될 것이다.
본 발명이 충돌 및 막 냉각 구멍을 모두 채용하는 현재의 에어포일(30) 내에 용이하게 채용될 수도 있다는 것이 더 고려된다. 만일, 예컨대, 현재의 에어포일(30)이 일련의 막 냉각 구멍을 갖는다면, 본 발명의 사용은 에어포일(30)을 냉각시키는데 요구되는 막 냉각의 필요한 양을 감소시키면서 열 전달을 더욱 증대시킬 것이다. 만일, 예컨대, 현재의 에어포일(30)이 막 냉각 구멍을 채용하지 않는다면, 본 발명의 사용은 현재의 에어포일(30)에 엔진의 성능을 저하시키지 않는 증대된 대류 냉각을 위한 수단을 제공한다.
상기된 바와 같이, 본 발명은 많은 대체의 에어포일 구성과 연결되어 수행되고 사용될 수 있다. 본 발명의 냉각 가능한 에어포일(30)이 터빈 베인(26)의 환경 내에서 기술되었지만, 본 발명은 회전하는 터빈 블레이드(24) 내의 동일한 장치와 함께 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 발명은 터빈 엔진, 예컨대 항공기 및 해양 기구 등의 터빈 엔진 뿐만 아니라 터빈 발전기의 터빈 에어포일에서 사용될 수 있다.
본 발명이 양호한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 가해질 수 있고 등가물이 본 발명의 요소를 대체할 수 있다는 것이 당해 기술분야의 숙련자에 의하여 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 본질적 범위를 벗어나지 않고 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 적용하기 위하여 많은 수정이 가해질 수도 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위하여 고려된 최적의 모드에서 기술된 바와 같이 특정 실시예로 한정되도록 의도되지 않았으며 첨부된 청구범위의 범위에 있는 모든 등가물을 포함할 것이다.

Claims (18)

  1. 리딩 에지와,
    트레일링 에지와,
    압력 측벽과,
    흡입 측벽을 포함하고,
    상기 압력 측벽은 상기 리딩 에지 및 상기 트레일링 에지에서 상기 흡입 측벽에 연결되며 냉각 공기가 공동의 단부로부터 유동 가능한 상기 에어포일의 팁과 루트 사이에서 종방향으로 연장하는 공동을 형성하도록 그들 사이에서 서로 이격되고, 상기 공동은 내부 표면 및 상기 내부 표면 내에 복수의 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오목부는 상기 흡입 측벽의 상기 내부 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오목부는 상기 압력 측벽의 상기 내부 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  4. 제2항에 있어서, 상기 오목부는 상기 트레일링 에지에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  5. 제3항에 있어서, 상기 오목부는 상기 트레일링 에지에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  6. 제1항에 있어서, 상기 오목부는 상기 리딩 에지에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  7. 제1항에 있어서, 상기 오목부는 상기 복수의 오목부가 단일의 지그재그 선을 따라 중심에 위치되도록 두 개 이상의 종방향으로 연장하는 열 내의 적층된 어레이 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  8. 제4항에 있어서, 상기 리딩 에지는 상기 트레일링 에지를 막 냉각시키기 위한 상기 냉각 공기의 일부를 배출하기 위한 수단을 내부에 포함하고, 상기 냉각 공기의 일부를 배출시키기 위한 상기 수단은 상기 공동과 유동 연통하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공기 배출 수단은 상기 리딩 에지를 통하여 연장하는 복수의 막 냉각 리딩 에지 구멍인 것을 특징으로 하는 에어포일.
  10. 제4항에 있어서, 공동 내부에 배치되고 내부에 복수의 개구를 갖고 공동의내부 표면을 냉각시키도록 구성된 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  11. 제9항에 있어서, 상기 배플은 상기 냉각 공기를 수용하는 플레넘을 한정하고, 상기 개구는 상기 내부 표면에 대향하여 상기 플레넘 내부에 수용된 상기 냉각 공기를 상응하는 제트(jet) 내로 인도하기 위한 충돌 구멍인 것을 특징으로 하는 에어포일.
  12. 제1항에 있어서, 상기 각각의 오목부는 상기 내부 표면 상의 오목 리세스를 포함하는 딤플인 것을 특징으로 하는 에어포일.
  13. 리딩 에지, 트레일링 에지, 압력 측벽 및 흡입 측벽을 갖는 에어포일을 제공하는 단계와,
    내부 표면 내에서 복수의 오목부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 압력 측벽은 상기 리딩 에지 및 상기 트레일링 에지에서 상기 흡입 측벽에 연결되며 냉각 공기가 공동의 단부로부터 유동 가능한 상기 에어포일의 팁과 루트 사이에서 종방향으로 연장하는 공동을 형성하도록 그들 사이에서 서로 이격되고, 상기 공동은 내부 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 에어포일의 열 전달을 증대시키기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 오목부는 상기 흡입 측벽의 상기 내부 표면 상에 배치되고, 상기 복수의 오목부는 상기 트레일링 에지에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 오목부는 상기 압력 측벽의 상기 내부 표면 상에 배치되고 상기 복수의 오목부는 상기 트레일링 에지에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 오목부는 상기 복수의 오목부가 단일의 지그재그 선을 따라 중심에 위치되도록 두 개 이상의 종방향으로 연장하는 열 내의 적층된 어레이 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 리딩 에지는 상기 리딩 에지를 통하여 연장하며 상기 트레일링 에지를 막 냉각시키기 위한 상기 냉각 공기의 일부를 배출시키기 위하여 상기 공동과의 유동 연통 내에 배치된 복수의 막 냉각을 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 공동 내부에 배치되고 내부에 복수의 개구를 갖고 공동의 내부 표면을 냉각시키기 위하여 구성된 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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