KR20030076994A - 터빈 버킷, 가스 터빈 버킷 및 터빈 버킷 플랫폼의 냉각방법 - Google Patents

터빈 버킷, 가스 터빈 버킷 및 터빈 버킷 플랫폼의 냉각방법 Download PDF

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Abstract

터빈 버킷(10)은, 플랫폼(14)으로부터 연장하고 고압측 및 저압측(30, 32)을 구비하는 에어포일(12)과, 휠 장착부(28)와, 상기 플랫폼(14)과 휠 장착부(28) 사이에 반경방향으로 위치된 중공형 섕크부(24)를 포함하며, 상기 플랫폼은 하부면(44)과, 상기 중공형 섕크부내에 위치되고 상기 하부면으로부터 이격된 충돌 냉각 플레이트(38)를 구비하며, 상기 충돌 플레이트는 그내에 다수의 충돌 냉각 구멍(48, 50, 52)을 구비하며, 리브는 충돌 구역을 분할하며, 교차 유동 저하 및 국부적인 열전달 계수의 감소를 줄이도록 설계된다.

Description

터빈 버킷, 가스 터빈 버킷 및 터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법{IMPINGEMENT COOLING SCHEME FOR PLATFORM OF TURBINE BUCKET}
터빈 버킷은 에어포일 영역과, 버킷을 터빈 로터 휠에 고정시키는 더브테일과 같은 조립체 단부와 에어포일 사이에 반경방향으로 있는 중공형 베이스 또는 섕크부를 포함한다. 비교적 편평한 플랫폼은 에어포일의 베이스에 놓여 있으며, 중공형 섕크부의 상부 표면 또는 벽을 형성한다.
에어포일은 전연 및 후연과, 압력측 및 흡입측을 구비한다. 에어포일은 고온 연소 가스에 노출되고, 에어포일 자체내의 내부 냉각 회로는 공통적으로 사용되지만, 본 발명의 부분은 아니다. 본원은 버킷 플랫폼의 냉각에 관련된다.
저 사이클 피로(LCF; low cycle fatigue)는 모든 가스 터빈 고압 버킷에서 일반적인 고장 메커니즘중의 하나이다. 저 사이클 피로는 응력과 온도 모두의 함수이다. 응력은 기계적 하중으로부터 발생하거나 열에 의해 유발될 수 있다. 구성요소의 저 싸이클 피로 수명을 증가시키기 위해 최적 냉각 구성에 의해 열 구배를 감소시키는 것이 가스 터빈 구성요소의 설계자들이 직면하고 있는 과제이다.
버킷의 내부 가스 통로 측면상의 플랫폼 영역이 고온 가스 온도에 노출되는 반면에, 플랫폼의 바닥부는 반경방향 핀을 통한 전방 로터 휠공간으로부터의 공기 누출로 인해 비교적 저온에 놓이게 된다. 플랫폼의 바닥부 및 상부 사이의 이러한 온도차는 큰 열 구배 및 높은 응력장을 유도하고, 따라서 플랫폼 영역내의 열 응력을 감소시키기 위한 최적 냉각 구성을 필요로 한다.
발명의 요약
본 발명은 버킷 플랫폼 아래의 중공형 버킷 섕크내에 위치된 충돌 플레이트를 포함하는 요구 버킷 플랫폼 냉각 하드웨어를 설계하는데 있어서의 특정 방법론에 관한 것이다. 충돌 플레이트는 표면(즉, 타겟 표면)으로부터 실질적으로 균일한 거리로 이격되어 있고, 리브에 의해 분할된 충돌 냉각 구멍의 최적화된 배열을 포함함으로써 버킷 플랫폼의 압력측상의 충돌 구역을 형성한다.
냉각 방법론은 플레이트를 향해서 그리고 그를 통과하여 펌핑되고 상승된 휠공간 유동에 의해 공급되는 공기로 구성되며, 충돌후의 유동(post-impingement flow)은 플랫폼 벽을 관통하여 형성된 필름 구멍의 최적으로 위치된 열을 통해, 또한 버킷의 압력측상에 배출된다.
본 발명은 구멍 직경, 구멍 간격 및 냉각 플랫폼 하부 표면으로부터의 충돌 플레이트의 최적 분리 거리의 가장 효과적인 조합을 체계적으로 규정하는 것을 포함한다. 충돌 구역을 분할시키는 리브는 국부적인 열전달 계수에 대해 2차원 교차유동(cross flow) 저하의 영향을 감소시키도록 설계된다. 타겟 표면을 3개의 상이한 충돌 구역으로 세분하는 것 또한 다음에 도움이 된다.
ⓐ 충돌후 영역의 정압 변화를 제어하는 것.
ⓑ 제트 유동 및 교차 스트림 유동 사이의 운동량 플럭스를 제어하는 것.
ⓒ 타겟 표면의 변화하는 열 응력 분포에 기초하여 열전달 계수의 요구 크기를 최적화하는 것.
충돌 플레이트내의 냉각 구성 및 최적화된 제트 배열 이외에, 플랫폼 벽 자체가 변화하는 벽 두께 구성을 위해 최적화된다. 플랫폼 및 에어포일 플랫폼 필릿(fillet) 영역의 압력측상의 응력 분포가 평형을 이루도록, 플랫폼 두께는 축방향을 따라 변화된다. 플랫폼의 전연 측면상의 얇은 균일 두께와 플랫폼의 후연상의 두꺼운 균일 두께는 실험적 연구에 기초하여 최상의 구성인 것이 입증되었다. 접선 방향을 따르는 플랫폼 두께는 변할 수도 변하지 않을 수도 있다.
따라서, 일 실시예에 있어서, 본 발명은, 플랫폼으로부터 연장하고 고압측 및 저압측을 구비하는 에어포일과, 휠 장착부와, 플랫폼과 휠 장착부 사이에 반경방향으로 위치된 중공형 섕크부를 포함하며, 플랫폼은 하부면과, 중공형 섕크부내에 위치되고 하부면으로부터 이격된 충돌 냉각 플레이트를 구비하며, 충돌 플레이트는 그내에 다수의 충돌 냉각 구멍을 구비하는, 터빈 버킷에 관한 것이다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 플랫폼으로부터 연장하고 고압측 및 저압측을 구비하는 에어포일과, 휠 장착부와, 하부면을 구비하는 플랫폼과 휠 장착부 사이에 반경방향으로 위치된 중공형 섕크부와, 하부면의 충돌 냉각을 가능하게 하는 수단과, 중공형 섕크부로부터 냉각 공기를 배출하기 위한 수단을 포함하는 가스 터빈 버킷에 관한 것이다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 에어포일과 장착부 사이에 반경방향으로 위치되고 중공형 섕크부의 반경방향 외벽을 형성하는 터빈 버킷 플랫폼을 냉각하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 플랫폼의 하부면으로부터 이격되고 그 내부에 다수의 충돌 냉각 구멍을 구비하는 충돌 냉각 플레이트를, 중공형 섕크내에 고정하는 단계와, 배출 구멍을 플랫폼내에 제공하는 단계와, 충돌 냉각 구멍과 플랫폼내의 배출 구멍을 통해 터빈 휠공간 공기 유동을 지향시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 가스 터빈 구성요소의 냉각에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 버킷의 플랫폼 영역의 냉각에 관한 것이다.
도 1은 버킷의 중공형 섕크부내의 충돌 플레이트를 도시하는 것으로, 가스 터빈 버킷의 일부 단면을 갖는 부분 측면도,
도 2는 점선내에 있는 버킷의 섕크부내의 충돌 플레이트를 일반적으로 도시하는, 도 1에 도시된 버킷의 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 충돌 플레이트의 평면도,
도 4는 도 2에 도시된 버킷의 부분 측단면도.
도 1 및 도 2를 참조하면, 터빈 버킷(10)은 수평의 실질적으로 평면인 플랫폼(14)으로부터 수직 상방으로 연장하는 에어포일(12)을 포함한다. 에어포일부는전연(15) 및 후연(17)을 갖는다. 플랫폼(14) 아래에는 버킷의 루트 또는 섕크부(24)의 전연측 및 후연측(20, 22)으로부터 양방향으로 연장하는 2쌍의 소위 "앵글 날개(angle wings)(16, 18)"가 있다. 플랫폼(14)은 또한 측벽 또는 스커트(26)를 포함하는 섕크부(24)와 결합하여 그 일부를 형성한다. 중공형 섕크부 아래에는, 버킷을 터빈 휠(바람직한 실시예에서, 가스 터빈의 제 1 또는 제 2 스테이지 휠)에 고정시키는 더브테일(28)(단지 부분적으로만 도시됨)이 있다.
에어포일(12)은 고압측(30) 및 저압측(32)을 갖고, 따라서 플랫폼(14)도 또한 고압측(34) 및 저압측(36)을 갖는다. 중공형 섕크부(26)는 플랫폼 바로 아래에 반경방향으로 놓이고, 중공형 섕크부내에서 충돌 플레이트(38)는 플레이트의 외주부와 일치하는 플랫폼의 하부면(44)상의 일체형 레지(ledges) 또는 숄더(40, 42)(도 4 참조)를 따라 섕크부의 내측에(납땜 또는 다른 적절한 수단에 의해) 고정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 충돌 플레이트는 플랫폼(14)의 하부면(44)에 비교적 근접하고, 또한 충돌 플레이트(38)와 플랫폼(14)의 하부면(44) 사이의 거리가 실질적으로 일정하게 유지되도록 형상이 대체로 일치한다.
충돌 플레이트(38)는 그 평면도를 도시하는 도 3에서 가장 잘 나타내고 있다. 플레이트(40)는 직립 리브(46)에 의해 대체로 분할되며, 그 두께는 플랫폼의 하부면과 플레이트 사이의 간격과 일치한다. 이러한 간격은 약 0.10인치 내지 0.30인치이고 바람직하게는 약 0.20인치이다.
플레이트(38)는 에어포일에 가장 근접한 충돌 구멍 또는 제트(48)의 제 1 배열 또는 구역과, 에어포일로부터 떨어진 리브(46)의 다른 측면상의 충돌 구멍 또는제트(50)의 제 2 배열 또는 구역과, 에어포일의 후연(17)에 근접한 플레이트(38)의 코너내의 충돌 구멍 또는 제트(52)의 제 3 배열 또는 구역으로 형성된다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 이들 구멍의 3개의 배열은 플랫폼(14)(도 3의 점선으로 표시됨)내에 형성된 필름 냉각 구멍(56)의 배열 바로 아래에 위치하는 플레이트의 블랭크 영역(blank area)(54)을 둘러싸서, 플레이트(38)내의 충돌 구멍과 플랫폼(14)내의 필름 구멍 사이의 공간적 관계의 조화를 촉진한다. 충돌 구멍 모두가 도 3에 도시되지는 않았고, 또한 도시된 몇몇 구멍도 일정 스케일로 도시되지는 않았다. 그럼에도 불구하고, 라인(58, 60, 62)의 배열은 개별 배열의 각각에서의 구멍의 열의 중심선을 나타낸다. 유동 화살표(64)는 플랫폼의 하부면을 따라 플랫폼(14)내의 필름 냉각 구멍(56)에서의 배출 위치를 향해, 충돌 플레이트(38)를 통과하는 냉각 공기의 유동 방향을 표시한다.
각 배열의 구멍은 "날개 폭(span-wise)" 방향으로 소정 열에서 서로 이격되는 반면에, 열 자체는 "유동 스트림" 방향으로 이격된다. 특정 적용에 따라서, 양 방향에서의 간격은 변화될 수 있다. 일 실시예에서, 유동 스트림 방향에서의 열의 간격은 0.16인치 내지 0.43인치 사이에서 변화할 수 있다. 날개 폭방향에서의 구멍의 간격은 0.14인치 내지 0.27인치 사이에서 변화할 수 있다.
충돌 플레이트내의 모든 충돌 냉각 구멍(48, 50, 52)은 플레이트의 상부 및 하부 표면에 수직으로 구멍 형성되고, 약 0.020인치의 직경을 가질 수 있다. 필름 냉각 구멍(56)은 소정 각도로 플랫폼을 관통하여 구멍 형성되어, 플랫폼 표면으로의 부착을 촉진함으로써 추가적인 냉각 기능을 제공한다.
충돌 구멍 직경과, 날개 폭방향 및 유동 스트림 방향 모두에서의 간격뿐만 아니라 충돌 플레이트(39)와 플랫폼(4)의 하부면(44) 사이의 최적 분리 거리의 신중한 선택에 의해서, 몇몇 이점이 얻어진다. 예를 들면, 충돌 플레이트를 가로지르는 전체 압력 강하는 최소화될 수 있고, 타겟 표면[즉, 하부면(44)]상의 높은 열전달 계수 분포는 또한 운동량 플럭스를 제어함으로써(제트 배열 구성의 교차 유동 저하의 영향을 감소시킴으로써) 달성될 수 있다.
또한, 구멍(48, 50, 52)의 각 배열에 의해 규정된 바와 같이 충돌 구역을 분할하는 리브(46)의 결합은 국부적인 열전달 계수에 대해 2차원 교차 유동 저하의 영향을 감소시킨다. 또한, 이것은 플레이트를 가로지르는 압력비로 인한 플레이트(40)의 휨뿐만 아니라 회전장의 영향으로 인한 원심 하중을 감소시키는데 유용하다.
냉각 구성과 최적화된 제트 배열 및 충돌 플레이트 구성 이외에, 플랫폼(14)의 벽 자체는 변화하는 벽 두께 구성을 통해 최적화된다. 플랫폼의 압력측 및 에어포일 플랫폼 필릿 영역상의 응력 분포가 평형을 이루도록, 플랫폼 두께는 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이 축방향을 따라 변화된다. 플랫폼의 전연측상의 얇은 균일 두께(예컨대, 0.160인치), 플랫폼의 후연측상의 두꺼운 균일 두께(예컨대, 0.380인치) 및 플랫폼의 중앙 둘레에서의 중간 변화는 실험적 연구에 기초하여 최상의 구성인 것이 입증되었다. 설명된 냉각 장치와 연관된 이러한 특정 플랫폼의 기하학적 구성은 최상의 LCF 수명을 제공하는 것으로 믿어진다.
본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예를 고려하여 설명되었지만,개시된 실시예에 제한되는 것은 아니며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변경 및 동등한 배열을 포함하려 한다는 것이 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 터빈 버킷(10)에 있어서,
    플랫폼(14)으로부터 연장하고 고압측 및 저압측(30, 32)을 구비하는 에어포일(12)과,
    휠 장착부(28)와,
    상기 플랫폼(14)과 휠 장착부(28) 사이에 반경방향으로 위치된 중공형 섕크부(24)를 포함하며, 상기 플랫폼은 하부면(44)과, 상기 중공형 섕크부내에 위치되고 상기 하부면으로부터 이격된 충돌 냉각 플레이트(38)를 구비하며, 상기 충돌 플레이트는 그내에 다수의 충돌 냉각 구멍(48, 50, 52)을 구비하는
    터빈 버킷.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부면(44)과 상기 충돌 플레이트(38) 사이에 있으며, 상기 충돌 플레이트를 복수의 충돌 구역으로 분할하는 길다란 리브(46)를 더 포함하는
    터빈 버킷.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 상기 충돌 냉각 구멍의 복수의 별개 배열로 형성되는
    터빈 버킷.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 충돌 구멍(48, 50, 52)은 상기 충돌 플레이트(38)의 상부 및 하부 표면에 실질적으로 수직한
    터빈 버킷.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 충돌 구멍이 없는 블랭크 영역(54)을 포함하며, 상기 플랫폼은 상기 중공형 섕크부(24)로부터 공기를 배출하기에 적합한 필름 냉각 구멍(56)의 배열로 형성되며, 상기 필름 냉각 구멍(56)의 배열은 상기 충돌 플레이트(38)의 상기 블랭크 영역(54)과 실질적으로 정렬되는
    터빈 버킷.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 상기 플랫폼의 하부면(44)으로부터 약 0.10인치 내지 약 0.30인치로 이격되는
    터빈 버킷.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 냉각 구멍은 약 0.020인치의 직경을 갖는
    터빈 버킷.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트는 상기 에어포일(12)의 고압측(30)의 반경방향 내측에 위치되는
    터빈 버킷.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 상기 충돌 냉각 구멍의 복수의 별개 배열로 형성되며, 상기 충돌 플레이트(38)는 충돌 구멍이 없는 블랭크 영역(54)을 포함하며, 상기 플랫폼은 상기 중공형 섕크부로부터 공기를 배출하기에 적합한 필름 냉각 구멍(56)의 배열로 형성되며, 상기 필름 냉각 구멍(56)의 배열은 상기 충돌 플레이트(38)의 블랭크 영역(54)과 실질적으로 정렬되며, 상기 충돌 플레이트는 상기 에어포일(12)의 고압측(30)의 반경방향 내측에 위치되는
    터빈 버킷.
  10. 가스 터빈 버킷(10)에 있어서,
    플랫폼(14)으로부터 연장하고 고압측 및 저압측(30, 32)을 구비하는 에어포일(12)과,
    휠 장착부(28)와,
    하부면(44)을 구비하는 플랫폼(14)과 휠 장착부(28) 사이에 반경방향으로 위치된 중공형 섕크부(24)와,
    상기 하부면의 충돌 냉각을 가능하게 하는 수단과, 상기 중공형 섕크부로부터 냉각 공기를 배출하기 위한 수단을 포함하는
    가스 터빈 버킷.
  11. 에어포일(12)과 장착부(28) 사이에 반경방향으로 위치되고 중공형 섕크부의 반경방향 외벽을 형성하는 터빈 버킷 플랫폼(14)을 냉각하는 방법에 있어서,
    상기 플랫폼의 하부면(44)으로부터 이격되고 그 내부에 다수의 충돌 냉각 구멍(48, 50, 52)을 구비하는 충돌 냉각 플레이트(38)를, 상기 중공형 섕크내에 고정하는 단계와,
    배출 구멍(56)을 상기 플랫폼내에 제공하는 단계와,
    상기 충돌 냉각 구멍(48, 50, 52)과 상기 플랫폼(14)내의 배출 구멍(56)을 통해 터빈 휠공간 공기 유동을 지향시키는 단계를 포함하는
    터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 상기 충돌 냉각 구멍의 복수의 별개 배열로 형성되는
    터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 충돌 구멍(48, 50, 52)은 상기 충돌 플레이트(38)의 상부 및 하부 표면에 실질적으로 수직한
    터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 상기 충돌 구멍이 없는 블랭크 영역(54)을 포함하며, 상기 플랫폼은 상기 중공형 섕크부(24)로부터 공기를 배출하기에 적합한 필름 냉각 구멍(56)의 배열로 형성되며, 상기 냉각 구멍(56)의 배열은 상기 충돌 플레이트(38)의 블랭크 영역(54)과 실질적으로 정렬되는
    터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트(38)는 상기 충돌 냉각 구멍의 복수의 별개 배열로 형성되며, 상기 충돌 플레이트(38)는 상기 충돌 구멍이 없는 블랭크 영역(54)을 포함하며, 상기 플랫폼은 상기 중공형 섕크부(24)로부터 공기를 배출하기에 적합한 필름 냉각 구멍(56)의 배열로 형성되며, 상기 냉각 구멍(56)의 배열은 상기 충돌 플레이트(38)의 블랭크 영역(54)과 실질적으로 정렬되며, 상기 충돌 플레이트는 상기 에어포일(12)의 고압측(30)의 반경방향 내측에 위치되는
    터빈 버킷 플랫폼의 냉각 방법.
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