KR20050048461A - 간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이 - Google Patents

Abstract

블레이드 또는 베인과 같은 터빈 엔진 부품은 그 후단 에지부에 냉각용 시스템을 구비한다. 시스템은 부품의 간격을 따라 밀도가 변화하는 복수의 페데스탈 열을 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 페데스탈 열의 수는 내경 영역으로부터 외경 영역까지 부품의 간격을 따라 이동함에 따라 증가한다.

Description

간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이{SPANWISELY VARIABLE DENSITY PEDESTAL ARRAY}

미국 정부는 해군성에 의해 수여된 협약 제N00019-02-C-3003의 결과로서 본 발명에 대한 권리를 갖게 된다.

본 발명은 베인 또는 블레이드와 같이 터빈 엔진에 사용하기 위하여 개선된 후단 에지 냉각부를 구비한 부품에 관한 것이다.

베인 또는 블레이드와 같은 터빈 엔진 부품은 극단적인 온도에 영향을 받는다. 따라서, 부품의 여러 부위를 냉각할 필요가 있게 된다. 전통적으로, 그러한 부품의 후단 에지부는 냉각 통로와 후단 에지를 따라 상기 냉각 통로와 연통하는 일련의 출구를 구비한다. 그러한 구조가 있음에도 불구하고, 그러한 부품의 개선된 후단 에지 냉각에 대한 필요가 여전히 남아있다.

따라서, 본 발명의 목적은 소모성 냉각제의 간격 방향 균일성을 향상시키는 간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이를 갖는 터빈 엔진 부품을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 내부 냉각 유체 가열량을 최적화하는 간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이를 갖는 터빈 엔진 부품을 제공하는 것이다.

전술한 목적은 본 발명의 터빈 엔진 부품에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 터빈 엔진 부품은 부품의 간격을 따라 밀도가 변하는 복수 열의 페데스탈을 포함하는 후단 에지 냉각용 수단을 갖는다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 페데스탈 열의 수는 내경 영역으로부터 외경 영역까지 부품의 간격을 따라 이동함에 따라 증가한다.

본 발명의 간격 방향 가변 밀도 페데스탈의 다른 세부뿐만 아니라 그에 따른 다른 목적 및 장점이 다음의 상세한 설명 및 유사한 도면 부호가 유사 요소를 지시하는 동봉한 도면에 서술된다.

베인 또는 블레이드와 같은 터빈 엔진 부품에 간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이의 합체는 반경방향 및 축방향의 양방향에 있어서 냉각 유체의 가열량 및 압력 손실의 균형을 유지함으로써 내부 냉각 유체, 특히 공기 가열량의 최적화가 가능하다. 유체가 공지된 열원으로부터 열을 추출해야만 하는 잠재성의 측정인 내부 대류 효율을 최적화하기 위한 능력은 할당된 최소의 소정 유효한 유동 속도에 대한 부품의 산화 능력을 설정하는데 중요하다.

냉각 유체 유입원이 보다 차가워지는 부품의 외경 입구에서 축방향으로 페데스탈 어레이의 밀도를 증가시키는 것은 더 많은 부품의 단면적이 소모되는 것을 허용한다. 이것은 관통 유동 공동 마하수(through flow cavity Mach number)의 적절한 수준이 유동 공동을 통해 후단 에지에 인접한 산화 수명 요구를 만족시키는 것이 달성될 수 있기 때문에 유익하다.

도1 내지 도3을 참조하면, 베인 또는 블레이드의 외장부(airfoil portion)와 같은 터빈 엔진 부품(10)이 도시된다. 부품(10)은 외경 에지(12) 및 내경 에지(14)를 갖는다. 부품(10)의 후단 에지(16)를 냉각시키기 위하여, 엔진 블리드 공기 유동(engine bleed air flow)과 같은 냉각 유체가 통과하는 냉각 통로(18)는 부품(10)으로 합체된다. 냉각 통로(18)는 부품(10)의 외경 에지(12)에서 입구(20)를 갖는다. 냉각 통로(18) 내의 냉각 유체는 복수의 후단 에지 슬롯(22)을 통해 부품(10)의 후단 에지(16)에서 배출된다.

후단 에지에서 냉각 효율을 향상시키기 위하여, 페데스탈의 복수의 열(24)이 제공된다. 각 페데스탈 열(24)은 임의의 소정 형상 또는 구성의 복수의 페데스탈(26)을 포함한다. 페데스탈(26) 중 인접한 페데스탈은 냉각 통로(18)로부터 냉각 유체를 수용하고 하나 이상의 슬롯(22)을 통한 배출을 위해 냉각 유체를 분배하는 냉각 채널(28)을 형성한다.

도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 페데스탈 열(24)의 밀도는 터빈 엔진 부품(10)의 간격에 따라 변한다. 도1에 도시된 바와 같이, 페데스탈 열(24)의 수는 내경 에지(14)로부터 외경 에지(12)까지 부품(10)의 간격을 따라 이동함에 따라 증가한다. 특히, 페데스탈 열(24)의 밀도는 내경 영역(32)보다 외경 영역(30)에서 보다 크다. 양호한 실시예에서, 외경 영역(30)의 페데스탈 열(24)이 내경 영역(32)에서보다 적어도 2배이다. 대부분의 양호한 실시예에서, 외경 영역(30)에 7개의 페데스탈 열(24)과 내경 영역(32)에 3개의 페데스탈 열(24)이 있다.

부품(10)의 외경 영역(30)에서 보다 높은 페데스탈 열 밀도와 관련된 증가된 압력 손실은 후단 에지 슬롯 물방울 영역(trailing edge slot tear drop region, 40)을 통하여 메인스트림으로 배출된 총 냉각제 유동을 최소화한다. 외경 영역(30)의 증가된 페데스탈 열(24)의 수로 인하여, 대류 효율은 냉각제 유체, 전통적으로 냉각제 공기가 본 발명의 증가된 밀도의 페데스탈 어레이를 통해 축방향으로 이동하여 훨씬 많이 가열될 때 최적화된다. 이것은 도4에 도시된 그래프에 의해 반영된다. 외경 에지(12)에서 냉각제 질량 유동이 보다 많은 열 추출을 초래하기 때문에, 보다 높은 순열유속(net heat flux)은 일정한 반경 방향의 냉각제 질량 유동 속도에 대한 결과로 생긴다.

부품(10)의 내경부(32)에서 하부 축방향 페데스탈 열 밀도와 관련된 감소된 압력 손실은 두 가지 견지에서 유리하다. 부품(10)의 내경부(32)에서 절대 구동 압력 레벨이 감소되고, 하부 밀도 내경 페데스탈 어레이를 통해 축방향 압력 손실을 최소화한다. 이것은 최적의 국소 후단 에지 슬롯 냉각제 유동 속도가 달성되는 것을 가능하게 한다. 이것은 도5에 도시된 그래프에 의해 반영된다. 축방향 페데스탈의 하부 밀도는 또한 감소된 밀도의 페데스탈 어레이를 통해 축방향으로 이동할 때 전체 냉각제 공기 가열량을 감소시키고, 도4의 그래프에 의해 반영된다. 증가된 가열량의 결과로, 부품 후단 에지 통로의 외경 영역(30)으로부터 내경 영역(32)까지의 반경 방향의 경로를 따라 진행하는 냉각제 유동은 유동이 부품(10)의 내경 영역(32)에서 감소된 밀도의 페데스탈 어레이를 통하여 축방향으로 이동함에 따라 이동될 수 있다.

본 발명에 따른 간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이는 도6의 그래프에서 도시된 바와 같이 작업 유체에 의해 생긴 마찰 손실 및 온도 상승을 오프셋시킴으로써 소모성 냉각제의 슬롯 유동 균일성을 보장한다.

발생된 전체 가열량을 최소화함으로써, 보다 균일하게 분포된 냉각제 온도가 냉각제가 내경으로부터 외경 후단 에지 슬롯으로 배출될 때 달성된다. 결론적으로, 보다 균일하게 분포된 냉각 효율이 달성 가능하며 부품 후단 에지 표면을 따라 보다 균일한 반경 방향의 응력 제거 패턴이 된다.

간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이를 베인 또는 블레이드와 같은 터빈 엔진 부품에 합체시키는 것은 마찰에 의한 반경 방향의 압력 손실을 가변 밀도 페데스탈 어레이를 통한 축방향 압력 손실로 오프셋함으로써 후단 에지 슬롯 냉각제 마하수와, 냉각제 온도 상승에 의한 속도와, 국소 열 대류 효율 및 성능을 균일하게 최적화할 수 있다. 후단 에지 슬롯 출구 속도의 균일성을 유지함으로써, 고속 메인스트림 가스 유동 및 슬롯 냉각제 출구 유동 사이의 혼합 손실은 최소화될 수 있다.

전술한 목적, 수단 및 장점을 완전히 만족시키는 간격 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이가 본 발명에 따라 제공된다는 것은 명백하다. 본 발명이 그 구체적인 실시예와 관련하여 기술되었지만, 다른 대체예, 수정예 및 변경예들이 전술한 설명을 읽은 이 기술의 숙련자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 그러한 대체예, 수정예 및 변경예들이 동봉된 청구범위의 넓은 범위 내에 있다는 것을 받아드려지게 된다.

마찰에 의한 반경 방향의 압력 손실을 가변 밀도 페데스탈 어레이를 통한 축방향 압력 손실로 오프셋함으로써 후단 에지 슬롯 냉각제 마하수와, 냉각제 온도 상승에 의한 속도와, 국소 열 대류 효율 및 성능을 균일하게 최적화할 수 있다. 또한, 후단 에지 슬롯 출구 속도의 균일성을 유지함으로써, 고속 메인스트림 가스 유동 및 슬롯 냉각제 출구 유동 사이의 혼합 손실은 최소화될 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 간견 방향 가변 밀도 페데스탈 어레이를 갖는 터빈 베인의 개략도.

도2는 도1의 베인의 외경부(outer diameter portion)에서 페데스탈 어레이의 확대도.

도3은 도1의 베인의 내경부에서 페데스탈 어레이의 확대도.

도4는 본 발명에 따른 다중 열의 페데스탈을 통한 후단 에지(trailing edge) 가열량을 설명하는 그래프.

도5는 본 발명의 페데스탈 어레이를 사용하는 베인의 후단 에지를 가로질러 압력 강하를 설명하는 그래프.

도6은 본 발명의 페데스탈 어레이를 사용하는 베인의 후단 에지를 통해 유동 분포를 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 터빈 엔진 부품

12: 외경 에지

14: 내경 에지

16: 후단 에지

18: 냉각 통로

20: 입구

22: 후단 에지 슬롯

24: 페데스탈 열

26: 페데스탈

28: 냉각 채널

30: 외경 영역

32: 내경 영역

40: 후단 에지 슬롯 물방울 영역

Claims (12)

1. 후단 에지부를 갖는 터빈 엔진 부품이며,

   상기 후단 에지부를 냉각하는 수단을 포함하고,

   상기 냉각 수단은 상기 부품의 간격을 따라 밀도를 변화시키는 복수의 페데스탈 열을 포함하는 터빈 엔진 부품.
2. 제1항에 있어서, 페데스탈 열의 수는 내경 영역으로부터 외경 영역으로 상기 부품의 간격을 따라 이동함에 따라 증가하는 터빈 엔진 부품.
3. 제1항에 있어서, 상기 부품의 외경 영역 내의 페데스탈 열의 수는 상기 부품의 내경 영역 내의 페데스탈 열의 수보다 많은 터빈 엔진 부품.
4. 제3항에 있어서, 외경 영역 내의 페데스탈 열의 수는 내경 영역 내의 페데스탈 열의 수의 적어도 2베인 터빈 엔진 부품.
5. 제3항에 있어서, 외경 영역 내에 7개의 페데스탈 열이 있고, 내경 영역 내에 3개의 페데스탈 열이 있는 터빈 엔진 부품.
6. 제1항에 있어서, 상기 냉각 수단은 부품의 외경에 입구를 구비하고 상기 페데스탈 열에 냉각 유체를 제공하는 냉각 통로와, 상기 냉각 유체가 배출되는 상기 부품의 후단 에지를 따라 있고 상기 페데스탈을 포함하는 영역과 유체 연통하는 복수의 슬롯을 더 포함하는 터빈 엔진 부품.
7. 제6항에 있어서, 상기 가변 밀도 페데스탈 열은 후단 에지 슬롯 냉각제 마하수와 냉각제 공기 온도 상승에 의한 속도와 국소 열대류 효율 및 성능을 최적화하는 터빈 엔진 부품.
8. 제1항에 있어서, 상기 부품은 베인을 포함하고, 상기 냉각 수단은 상기 베인의 외장부에 배치되는 터빈 엔진 부품.
9. 제1항에 있어서, 상기 부품은 블레이드를 포함하고, 상기 냉각 수단은 상기 블레이드의 외장부에 배치되는 터빈 엔진 부품.
10. 외부 에지부 및 내부 에지부를 갖는 외장부와,

    상기 외장부의 후단 에지부로 냉각 유체를 공급하기 위해 상기 외장부에 배치되는 냉각 통로와,

    상기 냉각 유체를 배출하기 위한 상기 후단 에지부 내의 복수의 냉각 슬롯과,

    후단 에지 슬롯 냉각제 마하수와 냉각제 공기 온도 상승에 의한 속도와 국소 열대류 효율 및 성능을 균일하게 최적화하는 수단을 포함하는 터빈 엔진 부품.
11. 제10항에 있어서, 상기 균일 최적화 수단은 간격 방향 가변 밀도를 갖는 복수의 페데스탈 열을 포함하는 터빈 엔진 부품.
12. 제11항에 있어서, 상기 내부 에지에 인접한 상기 페데스탈 열의 수는 상기 외부 에지에 인접한 상기 페데스탈 열의 수보다 작은 터빈 엔진 부품.