KR20050074303A - 팬형 후단 에지 티어드롭 어레이 - Google Patents

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KR20050074303A
KR20050074303A KR1020050002160A KR20050002160A KR20050074303A KR 20050074303 A KR20050074303 A KR 20050074303A KR 1020050002160 A KR1020050002160 A KR 1020050002160A KR 20050002160 A KR20050002160 A KR 20050002160A KR 20050074303 A KR20050074303 A KR 20050074303A
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몽일로도미닉제이.
전영에이치.
쿠락레이몬드
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명에 따르면 가스 터빈 엔진에 사용되는 부품이 제공된다. 부품은 복수개의 내부 냉각 통로와 비선형 후단 에지를 구비한 에어포일부를 가진다. 부품은 냉각제 유체를 에어포일부 위로 지나가는 유체에 분사하기 위한 복수개의 분사 슬롯을 형성하는 티어드롭형 조립체의 비선형 어레이를 가진다. 티어드롭형 조립체는 분사된 냉각제 유동과 에어포일부 위로 지나가는 유체의 스트림라인 방향 사이의 상대 확산각을 감소시켜서 부품의 열 성능을 최대화하도록 설계된다.

Description

팬형 후단 에지 티어드롭 어레이{FANNED TRAILING EDGE TEARDROP ARRAY}
본 발명은 공기역학적 및 열 성능을 향상시키기 위한 팬형 후단 에지 티어드롭 어레이를 구비하는 터빈 엔진 부품에 관한 것이다.
다수의 터빈 블레이드들은 내부 냉각 통로를 구비한다. 자주, 최후방 냉각 통로 내의 유체는 블레이드 외부로 배출된다. 그런 냉각 배출 장치의 일 예가 앤셀미(Anselmi) 등에게 허여된 미국 특허 제5,503,529호에 개시되었다. 이러한 블레이드의 다른 예는 레디(Reddy)에게 허여된 미국 특허 제6,164,913호에 개시되었다.
앤셀미 등의 특허는 경사진 배출 슬롯들을 구비한 터빈 블레이드를 개시한다. 배출 슬롯은 에어포일 측벽의 하나에 형성된다. 유체를 선미쪽으로 유도하기 위한 복수개의 테이퍼진 리브는 슬롯과 인접한다. 냉각 통로 내의 유동이 슬롯의 하나에 진입되기 위하여, 유동은 90도 이상으로 회전하여야 한다. 그 결과, 앤셀미 등의 블레이드는 낮은 열 성능을 갖는다.
레디의 블레이드는 앤셀미 등의 블레이드와 설계상 유사하다. 레디에서, 배출 슬롯은 후단 에지에 바로 인접한 칼럼에 배열된 홈통(trough) 내로 배출되는 냉각 유체를 내보낸다(empty). 홈통의 칼럼은 블레이드의 압력 측벽에 배치된다. 각각의 홈통은 후단 에지로 홈통 하류부를 융합(blending)하기 위해 깊이가 감소되는 측벽을 구비한다. 또한, 각각의 홈통의 측벽은 슬롯으로부터 배출된 냉각제를 분배하기 위해 방사상으로 확산된다. 이 블레이드도 낮은 열 성능을 보인다.
터빈 적용시, 필름 구멍과 후단 에지를 통해 유동하는 냉각제 공기가 터빈 블레이드의 에어포일부에 존재하여, 가스 경로와 혼합되고 자유 스트림 속도로 냉각제를 가속시키는 냉각 분사로 인해 효율 손실을 가져온다. 냉각제 분사와 자유 스트림 가스 경로 사이의 각도가 클수록, 효율 손실이 커진다. 티어드롭 설계가 종래의 기술에 공지되어 있지만, 통상적으로 가스 경로 스트림라인 각도에 상관없이 축방향으로 설계된다.
본 발명의 목적은 냉각제 분사 슬롯 특징부를 비 축방향 에어포일 표면 스트림라인과 정렬시켜 전체적인 터빈의 혼합 효율을 향상시키고 추가적인 혼합 손실을 최소화하여 공기 혼합 손실이 감소된 터빈 엔진 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분사된 냉각제 유동 및 주 스트림 가스의 스트림라인 방향 사이의 상대 확산각이 감소하여 열 성능이 개선된 터빈 엔진 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 후단 에지 슬롯 필름 효율와 개선된 내부 성능을 제공한다.
상기 목적들은 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명을 따라, 가스 터빈 엔진에 사용되는 부품이 제공된다. 부품은 광범위하게 후단 에지를 갖는 에어포일부와, 분사된 냉각제 유동과 에어포일부 위로 지나가는 유체의 스트림라인 방향 사이의 상대 확산각을 감소시켜 부품의 열 성능을 최대화하기 위한 수단을 포함한다. 부품은 블레이드 및 베인을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다양한 터빈 엔진 부품일 수 있다.
팬형 후단 에지 티어드롭 어레이의 다른 상세한 내용과 그에 수반하는 목적 및 이점은 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참고로 설명되며, 도면에서 동일한 구성요소는 도일한 부호로 나타낸다.
도1을 참조하면, 가스 터빈 엔진에 사용되는 부품(10)이 도시된다. 부품(10)는 터빈 블레이드 또는 베인일 수 있다. 부품(10)은 선단 에지(14) 및 비선형의, 바람직하게는 아치형의 후단 에지(16)를 구비하는 에어포일부(12)를 갖는다. 부품(10)의 내부에는 냉각 통로(18, 20, 22, 24)가 있다. 또한, 부품(10)의 내부에는 냉각 유체를 수용하는 입구(28)를 갖는 후단 에지 냉각 통로(26)가 있다.
복수개의 냉각 유체 분사 슬롯(30)은 부품(10)의 후단 에지 구역에 위치된다. 분사 슬롯(30)은 이격된 티어드롭형 조립체(32)의 비선형의, 바람직하게는 아치형의 어레이로 형성된다. 각각의 티어드롭형 조립체(32)는 바람직하게는 아치형 선단 에지(34)와, 선단 에지(34)로부터 외향으로 연장되는 편평부(36, 38)와, 편평부(36, 38)로부터 후단 에지(44)로 연장되는 테이퍼진 경사부(40)를 갖는다. 편평부(36, 38)의 범위는 슬롯(30)을 통과하는 유동에 의존한다. 필요할 경우, 편평부(36, 38)는 생략될 수도 있다. 각각의 티어드롭형 조립체(32)는 중심 종축(46)을 진는다. 분사 슬롯(30)은 가스 통로 자유 스트림과 유사한 팬형 냉각제 유동을 생성하도록 구성된다(도1 및 도3 참조).
냉각 통로(26)는 냉각 유체가 통로(25)를 빠져나가는 복수개의 출구(50)를 갖는다. 출구(50)는 또한 비선형의, 바람직하게는 아치형의 어레이로 배열된다. 각각의 개별 출구(50)는 아치형 벽부(53, 55) 중 하나에 위치되는 한 쌍의 이격된 리브(52, 54)에 의해 형성된다. 각각의 냉각 유체 출구(50)는 바람직하게는 티어드롭형 조립체(32) 중 하나의 종축(46)과 정렬되는 중심축(56)을 갖는다.
출구(50)와 티어드롭형 조립체 사이에는 복수개의 유동 통로(62)를 형성하는 복수개의 페데스탈(60)이 있다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 페데스탈(60)은 스팬 방향으로 밀도가 변한다. 페데스탈(60)은 출구(50)들 중 하나로부터 나가는 유동이 페데스탈(60) 중 하나에 직접 충돌하도록 구성된다. 페데스탈(60)에 의해 형성된 유동 통로(62)는 분사 슬롯(30)과 축방향으로 양호하게 정렬된다. 또한 도2에 도시된 바와 같이, 복수개의 페데스탈(60)은 티어드롭형 조립체(32)의 중심 종축(46)과 일치하는 축을 따라 정렬될 수 있다.
상기 구조를 제공함으로써, 냉각제 분사 슬롯(30)을 비 축방향 에어포일 표면 스트림 라인과 정렬함으로써 공기 혼합 손실을 감소시킬 수 있다. 이는 전체 터빈 혼합 효율을 향상시키고 축방향으로 정렬된 티어드롭과 함께 발생하는 추가적인 혼합 손실을 최소화한다.
또한, 상기 구조는 분사된 냉각제 유동과 주 스트림 유체의 스트림라인 방향 사이의 상대 확산각을 감소시켜 열 성능을 최대화한다. 냉각제와 주 스트림 유체 유동 사이의 상대 각의 감소는 티어드롭 디퓨저로부터 분리 유동될 가능성을 최소화한다. 후단 에지 티어드롭 특징부에서 분리된 유동은 후단 에지 영역의 조기 산화를 초래하여 터빈 효율, 성능 및 에어포일 수명의 급격한 감소를 초래한다.
또한, 본 발명의 설계는 후단 에지 단열 필름 효율을 증가시키는 비 축방향 후단 에지 티어드롭 특징부로부터 분리되지 않은 유동에서 기인하여 후단 에지 슬롯 필름 효율을 최적화하고, 흡입 측 리브 금속 온도를 감소시켜 개선된 열 성능을 가져온다.
후단 에지 티어드롭 특징부를 상류 냉각제 유동장 방향과 정렬하는 본 발명의 설계는, 후단 에지 티어드롭 특징부를 벗어난 추가적인 압력 손실 및 내부 유동 분리를 위한 포텐셜을 최소화하여, 주어진 후단 에지 슬롯 외형 및 유동 영역을 위한 후단 에지 회로의 전체적인 유동 커패시티를 감소시킨다. 유동 커패시티의 감소는 고정된 작동 압력비를 Psupply 에서 Pstatic 으로 떨어뜨리기 위해 냉각제 포텐셜을 감소시키는 후단 에지 설계의 전체적인 열 성능에 불리한 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 비 축방향 티어드롭 특징부는 인접한 티어드롭 특징부들 사이의 목부 계측 길이의 요구치를 최소화함으로써 세라믹 코어 생산성을 향상시킨다. 후단 에지 슬롯 유동을 정확하게 제어하기 위해 효과적인 계측 길이를 성립하는 것이 중요하기 때문에, 슬롯 유압 직경에 기초한 최소 슬롯 길이가 요구된다. 국부적인 후단 에지의 곡률 및 축 방향 굴곡이 주어지기 때문에, 전체적으로 향상된 유동을 이루기에 필요한 계측 길이의 요구치를 최소화하기 위한 위에 도시된 바와 같은 티어드롭 특징부를 지향시키기에 유리하다. 이렇게 함으로써, 전체 티어드롭 길이가 감소될 수 있어서, 후단 에지 티어드롭 특징부의 관성 모멘트 특성을 상당히 향상시킬 수 있고, 후단 에지 코어의 전체적인 강성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
도3에 도시된 자유 흐름에 정합하도록 도1 및 도2에 도시된 바와 같은 본 발명의 티어드롭형 조립체를 패닝(fanning)함으로서, 효율 손실을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 전술된 목적, 수단 및 장점을 완전하게 만족시키는 팬형 후단 에지 티어드롭 어레이가 제공된다는 것은 명백하다. 본 발명은 특정 실시예로 설명되었지만, 다른 대체예, 수정 및 변경예들이 전술된 설명을 읽는 당해 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다. 따라서, 그러한 대체예, 수정 및 변경예들을 특허청구범위의 넓은 범위 내에 포함하려 한다.
본 발명의 터빈 엔진 부품의 구성에 따르면, 냉각제 분사 슬롯 특징부를 비 축방향 에어포일 표면 스트림라인과 정렬시켜 전체적인 터빈의 혼합 효율을 향상시키고 추가적인 혼합 손실을 최소화하여 공기 혼합 손실이 감소된다. 또한, 분사된 냉각제 유동 및 주 스트림 가스의 스트림라인 방향 사이의 상대 확산각이 감소하여 열 성능이 개선된다. 또한, 개선된 후단 에지 슬롯 필름 효율와 개선된 내부 성능을 제공한다.
도1은 본 발명에 따른 터빈 엔진 부품을 도시하는 도면.
도2는 본 발명의 팬형 후단 에지 티어드롭(teardrop) 어레이를 도시하는 도1의 터빈 엔진 부품의 후단 에지의 확대도.
도3은 가스 경로 자유 스트림 라인을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 부품
12: 에어포일부
14: 선단 에지
16: 후단 에지
18, 20, 22, 24, 26: 냉각 통로
30: 분사 슬롯
32: 티어드롭형 조립체
34: 선단 에지
36, 38: 편평부
44: 후단 에지
50: 출구
52, 54: 리브
60: 페데스탈

Claims (13)

  1. 가스 터빈 엔진에 사용되는 부품이며,
    후단 에지를 가지는 에어포일부와,
    분사된 냉각제 유동과 상기 에어포일부 위로 지나가는 유체의 스트림라인 방향 사이의 상대 확산각을 감소시켜서 상기 부품의 열 성능을 최대화하는 수단을 포함하는 부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최대화 수단은 상기 후단 에지에 인접하여 위치된 티어드롭형 조립체의 비선형 어레이를 포함하고, 상기 티어드롭형 조립체는 팬형 냉각제 유동을 에어포일부 위로 지나가는 유체에 분사하기 위한 복수개의 분사 슬롯을 형성하는 부품.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비선형 어레이는 아치형 어레이의 티어드롭형 조립체를 포함하고, 각각의 상기 티어드롭형 조립체는 아치형 선단 에지와, 상기 선단 에지에 인접한 2개의 편평부와, 상기 편평부 및 상호간에 연결된 2개의 경사부를 가지는 부품.
  4. 제2항에 있어서, 복수개의 이격된 리브에 의해 형성된 복수개의 냉각제 출구를 갖는 냉각제 통로를 더 포함하고, 상기 각각의 티어드롭형 조립체는 중심 종축을 가지고, 상기 중심 종축은 2개의 상기 이격된 리브에 의해 형성된 각각의 냉각제 출구의 축과 정렬된 부품.
  5. 제4항에 있어서, 상기 냉각제 통로와 상기 후단 에지 중간에 페데스탈 어레이를 더 포함하며, 상기 페데스탈 어레이는 스팬방향 가변 밀도를 갖는 부품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 각각의 냉각제 출구는 상기 페데스탈 어레이의 상기 페데스탈 중 하나와 정렬되어, 상기 냉각제 출구에서 배출되는 냉각제 유체는 상기 하나의 페데스탈에 충돌되는 부품.
  7. 제5항에 있어서, 상기 페데스탈 어레이는 상기 티어드롭형 조립체에 의해 형성되는 상기 분사 슬롯과 상기 냉각제 출구 사이에서 연장되는 복수개의 유체 통로를 형성하는 복수개의 페데스탈을 포함하는 부품.
  8. 제7항에 있어서, 상기 페데스탈 어레이에 의해 형성되는 상기 유체 통로 각각은 상기 티어드롭 조립체들 중 인접된 조립체들에 의해 형성되는 냉각제 분사 슬롯과 실질적으로 정렬되는 부품.
  9. 제7항에 있어서, 상기 페데스탈 어레이의 상기 복수개의 페데스탈 중 적어도 하나는 티어드롭형 조립체의 중심 종축과 일치하는 축을 따라 정렬되는 부품.
  10. 제7항에 있어서, 상기 페데스탈 어레이의 상기 복수개의 페데스탈은 티어드롭형 조립체의 중심 종축과 일치하는 축을 따라 정렬되는 부품.
  11. 제1항에 있어서, 상기 후단 에지는 비선형인 부품.
  12. 제1항에 있어서, 상기 후단 에지는 아치형인 부품.
  13. 제1항에 있어서, 상기 부품은 가스 터빈 엔진에 사용되는 블레이드 또는 베인인 부품.
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