KR20060044734A - 냉각식 터빈 에어포일 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 선단 에지 벽부, 복수의 공동, 하나 이상의 교차 리브, 복수의 냉각 구멍 및 복수의 충돌 리브를 포함하는 중공 에어포일이 제공된다. 공동은 선단 에지 벽부와 제1 리브 사이에서 선단 에지 벽부에 인접하게 배치된다. 교차 리브는 선단 에지 벽부와 제1 리브 사이에서 연장하고, 적어도 하나의 교차 리브는 한 쌍의 공동 사이에 배치된다. 냉각 구멍은 선단 에지 벽부에 배치되고, 냉각 공기가 공동을 빠져나갈 수 있는 통로를 제공한다. 충돌 구멍은 제1 리브에 배치되고, 냉각 공기 공동으로 진입할 수 있는 통로를 제공한다. 충돌 구멍들 중 적어도 하나는 교차 리브들 중 하나와 접촉한다.
선단 에지 벽부, 공동, 교차 리브. 통로, 충돌 구멍

Description

냉각식 터빈 에어포일 {COOLED TURBINE AIRFOIL}
도1은 로터 조립체의 부분 사시도.
도2는 로터 블레이드의 개략 단면도.
도3은 고정자 베인의 개략 단면도.
도4는 종래 기술의 에어포일 선단 에지의 부분 단면도.
도5는 본 발명의 에어포일 선단 에지의 부분 단면도. 에어포일은 로터 블레이드 또는 고정자 베인의 일부일 수 있다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 고정자 베인
12 : 디스크
14 : 로터 블레이드
16 : 리세스
22 : 에어포일
26 : 도관
28 : 기부
32 : 선단 에지
34 : 후단 에지
46 : 교차 리브
본 발명은 일반적으로 터빈 에어포일에 관한 것이며, 특히 냉각식 터빈 에어포일에 관한 것이다.
축방향 유동 터빈 엔진 내의 터빈 및 압축기 섹션은 일반적으로 로터 조립체들 및 고정자 조립체들을 포함한다. 로터 조립체들은 각각 회전 디스크 및 디스크 주위에 주연 방향으로 배치된 복수의 로터 블레이드를 포함한다. 고정자 조립체들은 각각 부분적으로 또는 전체적으로 이동할 수 있지만 주연 방향으로 회전하지 않는 복수의 고정자 베인을 포함한다. 고정자 베인 및 로터 블레이드는 엔진을 통과하는 가스 통로 내에 위치되는 에어포일부를 포함한다. 가스 통로 내의 온도가 에어포일의 내구성에 좋지 않은 영향을 미치기 때문에, 에어포일을 통해 냉각 공기를 통과시킴으로써 에어포일을 냉각시키는 것은 공지되어 있다. 냉각 공기는 에어포일 재료의 온도를 감소시켜서, 에어포일의 내구성을 증가시킨다. 따라서, 에어포일의 바람직한 냉각을 촉진시켜 에어포일의 내구성을 증가시키는 내부 구조를 갖는 에어포일이 요구된다.
본 발명에 따르면, 선단 에지 벽부, 복수의 공동, 하나 이상의 교차 리브, 복수의 냉각 구멍, 제1 리브 및 복수의 충돌 구멍을 포함하는 중공 에어포일이 제 공된다. 공동은 선단 에지 벽부와 제1 리브 사이에서 선단 에지 벽부에 인접하여 배치된다. 교차 리브는 선단 에지 벽부와 제1 리브 사이에서 연장하며, 각각의 교차 리브는 한 쌍의 공동 사이에 배치된다. 냉각 구멍은 선단 에지 벽부에 배치되어, 냉각 공기가 공동을 빠져나갈 수 있는 통로를 제공한다. 복수의 충돌 구멍은 제1 리브에 배치되어, 냉각 공기가 공동으로 진입할 수 있는 통로를 제공한다. 적어도 하나의 충돌 구멍은 적어도 하나의 교차 리브와 접촉한다.
종래 기술의 냉각 구조는 도4에 도시된 바와 같이 충돌 구멍이 교차 리브로부터 이격된 형상을 포함한다. 이러한 구조는 여러 가지 단점이 있다. 우선, 이격 거리는 한 쌍의 포켓(63)을 생성하여, 냉각 공기 재순환 구역(62)이 형성될 수 있다. 재순환 구역(62)은 냉각 공기가 배출되기 전에 비교적 오랜 시간 동안 순환하는 특징이 있다. 결국, 재순환 구역에 인접한 에어포일 재료는 충분히 차갑지 않아 산화 및 열화되고, 그 결과 에어포일의 성능을 열화시킨다. 본 발명은 재순환 구역(62)이 형성되는 포켓을 제거하여 교차 리브(46)에 인접한 영역의 양호한 열 전달을 제공하고 산화로부터 보호한다.
전술한 종래 기술의 냉각 구조의 다른 단점은 제작 과정에서 발생한다. 빈번하게, 선단 에지 냉각 구멍은 레이저에 의한 후방 충돌을 방지하도록 드릴링 이전에 공동 내에 삽입되는 강화 재료를 필요로 하는 레이저 드릴링 공정을 사용하여 형성된다. 강화 재료는 드릴링 공정이 완료된 후에 제거된다. 그러나, 강화 재료가 포켓에서 완전히 제거되지 않는 경우도 있다. 잔류하는 강화 재료는 포켓 내부의 냉각을 방해한다. 결국, 포켓에 인접하는 에어포일 재료는 적절히 냉각되지 않 고 바람직하지 않게 산화 및 열화된다. 본 발명은 잔류 강화 재료가 잔류하는 포켓을 제거하여 바람직하지 않은 잔류 재료를 방지한다.
종래 기술의 구성의 다른 단점은 에어포일을 생성하는데 사용되는 주조 코어와 관련된다. 도4에 도시된 종래 기술의 냉각 구멍/공동 형상은 완성된 제품 내에서 포켓이 되는 공간을 형성하는 작은 연장부를 포함하는 세라믹 코어 형상을 필요로 한다. 이러한 작은 연장부는 주조 공정 중에 발생하는 부하 때문에 기계적 손상(예컨대, 파쇄)을 받을 수 있다. 작은 연장부는 또한 주조 공정 중에 열 전달에 의해 발생하는 기계적 손상을 받을 수 있다. 세라믹 코어의 큰 부분과 코어의 작은 부분(즉, 작은 연장부를 생성하는데 사용되는 부분) 사이의 질량차는 상이한 부분을 상이한 비율로 가열 및 냉각시킨다. 결국, 세라믹 코어 내의 응력은 바람직하지 않은 기계적 파손의 원인이 될 수 있다. 이런 모든 경우에, 에어포일의 생산성은 악영향을 받는다. 본 발명은 포켓을 생성하고 그 결과 관련된 문제를 발생시키는 작은 연장부를 제거한다.
본 발명의 이러한 목적, 특징 및 장점과, 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 실시예의 상세한 설명에 비추어 더욱 명확해질 것이다.
도1을 참조하여, 가스 터빈 엔진용 로터 블레이드 조립체(10)는 디스크(12) 및 복수의 로터 블레이드(14)를 구비하여 제공된다. 디스크(12)는 디스크 주위에 주연 방향으로 배치된 복수의 리세스(16) 및 디스크(12)가 회전하는 중심인 회전 중심선(12a)을 포함한다. 각각의 블레이드(14)는 루트(20), 에어포일(22) 및 플랫 폼(24)을 포함한다. 루트(20)는 디스크(12) 내의 리세스(16)들 중 하나의 형상과 정합하는 형상을 포함한다. 일반적으로 전나무 구조는 공지되어, 이러한 경우에 사용될 수 있다. 도2에서 관측할 수 있는 바와 같이, 루트(20)는 또한 냉각 공기가 루트(20)로 진입하여 에어포일(22) 내로 통과하는 도관(26)을 포함한다. 도3은 에어포일(22)을 갖는 고정자 베인(11)을 개략적으로 도시한다. 에어포일(22)의 일부로 이하에 설명되는 구조는 본 상세한 설명에 제공된 실시예로 한정되지 않는 로터 블레이드(14), 고정자 베인(11) 또는 가스 터빈 엔진 내에 있는 다른 구조에 통합될 수 있다.
도2 및 도3을 참조하여, 에어포일(22)은 기부(28), 팁(30), 선단 에지(32), 후단 에지(34), 가압측 벽(36; 도1 참조), 흡입측 벽(38; 도1 참조) 및 복수의 선단 에지 공동(40)을 포함한다. 도2 및 도3은 에어포일(22)의 선단 에지(32)와 후단 에지(34) 사이의 단면을 개략적으로 도시한다. 가압측 벽(36) 및 흡입측 벽(38)은 기부(28)와 팁(30) 사이에서 연장하고 선단 에지(32) 및 후단 에지(34)에서 접촉한다.
선단 에지 공동(40)은 선단 에지(32)를 따라 연장하는 벽부(42; 선단 에지 벽부)와 제1 리브(44) 사이에서 선단 에지(32)에 인접하게 배치된다. 하나 이상의 교차 리브(46)는 한 쌍의 선단 에지 공동(40) 사이에 배치된 적어도 하나의 교차 리브(46)를 포함하는 선단 에지 벽부(42)와 제1 리브(44) 사이에서 연장한다. 도2 및 도3에 도시된 실시예는 제1, 제2 및 제3 선단 에지 공동(48, 50, 52)을 포함한다. 제1 선단 에지 공동(48)은 선단 에지 벽부(42)와 제1 리브(44) 사이의 측방향 으로, 흡입측 벽(38)과 가압측 벽(36) 사이의 주연 방향으로, 그리고 교차 리브(46)와 팁(30) 사이의 주연방향으로 배치된다. 제2 및 제3 선단 에지 공동(50, 52)은 각각 한 쌍의 교차 리브(46) 사이에 배치된 반경 방향을 제외하고 유사하게 배치된다. (고정자 베인(11)의 제3 선단 에지 공동(52)은 기부(28)와 교차 리브(46) 사이에 반경 방향으로 배치되는 것으로 도시되지만, 한 쌍의 교차 리브(46) 사이에 배치될 수도 있다.)
복수의 냉각 구멍(54)은 선단 에지 벽부(42)에 배치되고, 선단 에지(32)를 따라 서로로부터 이격된다. 각각의 냉각 구멍(54)은 냉각 공기가 공동(48, 50, 52)을 빠져나갈 수 있는 통로를 제공한다. 냉각 구멍(54)의 정확한 형태는 용도에 따라 다르고, 하나 이상의 냉각 구멍(54)의 형태가 사용될 수 있다. 선단 에지 냉각 구멍(54)은 종래 기술에 공지되었으므로 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않는다. 본 발명은 다양한 서로 다른 냉각 구멍의 형태로 사용될 수 있으므로 임의의 특정 형태로 한정되지 않는다.
도2, 도3 및 도 5를 참조하여, 복수의 충돌 구멍(56)이 제1 리브(44)에 배치된다. 각각의 충돌 구멍(56)은 냉각 공기가 공동(48, 50, 52)으로 진입할 수 있는 통로를 제공한다. 충돌 구멍(56)은 선단 에지(32)를 따라 배치된 인접 냉각 구멍(54)들 사이에서 연장하는 선단 에지 벽 부(42)와 정렬될 수 있거나, 냉각 구멍(54)과 정렬될 수 있다. 충돌 구멍(56)들 중 하나 이상은 하나 이상의 교차 리브(46)들 중 하나와 접촉한다. 바람직하게는, 충돌 구멍(56)은 냉각 공기에 노출된 각각의 측면 상에서 교차 리브(46)와 접촉하여 배치된다.
본 발명의 작동에서, 에어포일(22)은 고정자 베인 또는 로터 블레이드의 일부로서 통상적으로 터빈 엔진의 코어 가스 통로 내에 배치되지만, 위에 설명한 바와 같이 본 발명은 그러한 용도에 한정되지 않는다. 에어포일(22)은 에어포일(22)을 지나가는 고온의 코어 가스의 영향을 받는다. 코어 가스보다 온도가 충분히 낮은 냉각 공기는, 예컨대 도2에 도시된 로터 블레이드 내의 에어포일(22)로 공급되어, 루트(20) 내에 배치된 도관(26)을 통해 에어포일(22) 내부로 공급된다. 도3에 도시된 고정자 베인(11)에서, 냉각 공기는 개구 통로(55)를 통해 에어포일(22) 내로 공급된다. 에어포일(22) 내부의 압력차는 선단 에지(32)를 따라 배치된 선단 에지 공동(48, 50, 52)으로 냉각 공기를 진입시킨다. 냉각 공기는 제1 리브(44; 도4 참조) 내에 배치된 충돌 구멍(56)을 통해 공동(48, 50, 52)으로 진입한다. 명확하게 충돌 구멍(56)은 교차 리브(46)와 접촉하여 배치된다. 이러한 위치에서, 접촉한 충돌 구멍(56)을 통해 공동(48, 50, 52) 내로 통과하는 냉각 공기는 교차 리브(46)의 표면(58)을 따라 이동한다. 교차 리브(46)의 표면(58)을 따라 이동하여 교차 리브(46)의 교차점 및 선단 에지 벽부(42)에 존재할 수 있는 임의의 필렛(60)을 따라 이동하는 냉각 공기는 종래 기술의 배열과 비교할 때 교차 리브(46), 필렛(60) 및 선단 에지 벽부(42)의 바람직한 열 전달을 제공한다.
본 발명이 상세한 실시예에 대해 도시하고 설명하였지만, 형태 및 이들의 상세부가 본 발명의 기술 사상 및 범위에 벗어나지 않고 다양하게 변형될 수 있음은 당해 분야의 숙련자들에게 이해될 것이다. 예컨대, 본 발명은 중공 에어포일(22)의 용도를 설명한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 다른 중공, 터빈 엔진의 코어 가스 유동 통로 내에 배치된 냉각 가능한 구조 내에 배치될 수 있다. 또한, 발명의 상세한 설명은 에어포일(22) 상의 인접한 선단 에지(32)에 배치된 본 발명을 개시한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 에어포일(22) 내의 다른 곳에 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 에어포일의 바람직한 냉각을 촉진시켜 에어포일의 내구성을 증가시키는 에어 포일의 내부 구조를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 선단 에지 벽부와,
    선단 에지 벽부와 제1 리브 사이에서 선단 에지 벽부에 인접하게 배치된 복수의 공동과,
    선단 에지 벽부와 제1 리브 사이에서 연장하는 하나 이상의 교차 리브와,
    제1 리브에 배치되고, 냉각 공기가 공동으로 진입하는 통로를 제공하는 복수의 충돌 구멍을 포함하고,
    적어도 하나의 충돌 구멍은 하나 이상의 교차 리브들 중 하나와 접촉하는 중공 에어포일.
  2. 제1항에 있어서, 에어포일은 로터 블레이드의 일부인 중공 에어포일.
  3. 제2항에 있어서, 복수의 공동은 제1 공동, 제2 공동 및 제3 공동을 포함하고, 제1 교차 리브는 제1 공동과 제2 공동 사이에 배치되고, 제2 교차 리브는 제2 공동과 제3 공동 사이에 배치되며,
    제1 충돌 구멍은 제1 교차 리브 및 제2 교차 리브들 중 적어도 하나의 각각의 측면 상의 제1 리브에 배치되고, 양 측면은 제1 교차 리브 및 제2 교차 리브들 중 적어도 하나와 접촉하는 중공 에어포일.
  4. 제1항에 있어서, 에어포일은 고정자 베인의 일부인 중공 에어포일.
  5. 제4항에 있어서, 복수의 공동은 제1 공동, 제2 공동 및 제3 공동을 포함하고, 제1 교차 리브는 제1 공동과 제2 공동 사이에 배치되며, 제2 교차 리브는 제2 공동과 제3 공동 사이에 배치되고,
    제1 충돌 구멍은 제1 교차 리브 및 제2 교차 리브들 중 적어도 하나의 각각의 측면 상의 제1 리브에 배치되고, 양 측면은 제1 교차 리브 및 제2 교차 리브들 중 적어도 하나와 접촉하는 중공 에어포일.
  6. 벽부와 제1 리브 사이의 복수의 공동과,
    벽부와 제1 리브 사이에 존재하는 하나 이상의 교차 리브와,
    냉각 공기가 공동을 빠져나올 수 있는 통로를 제공하고, 벽부에 배치된 복수의 냉각 구멍과,
    제1 리브에 배치되고, 냉각 공기가 공동으로 진입하는 통로를 제공하는 복수의 충돌 구멍을 포함하고,
    충돌 구멍들 중 하나 이상의 충돌 구멍이 하나 이상의 교차 리브들 중 하나와 접촉하는 중공 에어포일.
  7. 벽부와 제1 리브 사이에서 벽부에 인접하게 배치된 복수의 공동과,
    벽부와 제1 리브 사이에서 연장하는 하나 이상의 교차 리브와,
    벽부에 배치되고, 냉각 공기가 공동을 빠져나갈 수 있는 통로를 제공하는 복수의 냉각 구멍과,
    제1 리브에 배치되고, 냉각 공기가 공동으로 진입할 수 있는 통로를 제공하는 복수의 충돌 구멍을 포함하고,
    충돌 구멍들 중 하나 이상이 하나 이상의 교차 리브들 중 하나와 접촉하는 중공 냉각 가능한 터빈 구성 요소.
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