KR20060057508A - 선단부에 인접한 보조 냉각 채널을 갖는 에어포일 - Google Patents

선단부에 인접한 보조 냉각 채널을 갖는 에어포일 Download PDF

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KR20060057508A
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프랭크 제이. 쿤하
에드워드 에프. 피에트라스키위스
데이비드 엠. 콘트로비츠
제프리 알. 레빈
영 콘
도미닉 몽길로
브레트 텔러
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

개시된 실시예에서, 에어포일 및 로터 블레이드는 선단부에 형성된 필름 냉각 구멍을 갖는다. 보조 필름 냉각 채널은 선단부에 근접하게 위치되지만, 선단부으로부터 후단부를 향해 이격되어 있다. 보조 필름 냉각 채널은 흡입 벽상으로 냉각 공기를 유도한다. 보조 필름 냉각 채널 공기는 대체로 종래에 다소의 문제를 일으키고 있는 흡입 벽상의 위치로 대체로 유도된다. 개시된 실시예에서, 에어포일에는 열 차단 코팅이 구비되고, 보조 필름 냉각 공기는 이러한 열 차단 코팅을 보호한다.
에어포일, 냉각 채널, 필름 냉각 채널, 선단부, 열 차단 코팅, 로터 블레이드

Description

선단부에 인접한 보조 냉각 채널을 갖는 에어포일 {AIRFOIL WITH SUPPLEMENTAL COOLING CHANNEL ADJACENT LEADING EDGE}
도1은 본 발명을 포함하는 가스 터빈 엔진의 개략도.
도2는 본 발명의 제1 실시예의 도면.
도3은 종래 기술의 터빈 블레이드의 단면도.
도4는 제1 실시예의 터빈 블레이드 중 본 발명의 부분을 도시한 도면.
도5은 도4의 실시예의 하나의 특징을 도시한 개략도.
도6은 본 발명과 함께 이용될 수 있는 마이크로회로 냉각 설계의 일 실시예의 확대 개략도.
도7은 마이크로회로 냉각 설계의 다른 실시예의 확대 개략도.
도8은 냉각 채널의 다른 실시예를 도시한 도면.
<도면의 주요 부호에 대한 부호 설명>
10 : 엔진
11 : 터빈
14 : 팬
16: 압축기
18 : 연소부
20 : 회전 블레이드
32 : 플랫폼
38 : 흡입 벽
39 : 가압 벽
44 : 주 냉각 채널
60 : 보조 냉각 채널
본 발명은 터빈 블레이드와 같은 에어포일에 사용되기 위한 냉각 구성에 관한 것이고, 여기서 선단부는 응력이 높은 영역에서 추가의 냉각 마이크로회로에 의해 보조된다.
터빈 블레이드는 가스 터빈 엔진에서 이용된다. 공지된 바와 같이, 터빈 블레이드는 통상적으로 플랫폼 위로 연장되는 에어포일 형상을 갖는 플랫폼을 포함한다. 에어포일은 만곡되어, 가압 벽과 흡입 벽 사이에서 선단부에서 후단부로 연장된다.
냉각 회로는 냉각 유체, 통상적으로 공기를 순환시키기 위해 에어포일 몸체 내에 형성된다. 다수의 냉각 채널이 에어포일의 단면을 통하여 플랫폼으로부터 단부를 향해 외향으로 연장된다. 공기는 이들 채널을 통과하고, 가스 터빈 엔진의 작동 중에 다소 고온이 될 수 있는 에어포일 몸체를 냉각시킨다.
하나의 전문화된 형태의 냉각 채널이 필름 냉각 채널이다. 필름 냉각 채널은 에어포일의 외부 표면상으로 냉각 공기를 외향으로 유도하는 다수의 작은 구멍을 갖고, 이러한 냉각 공기는 외부 표면에 충돌되어 외부 표면을 냉각시킨다. 필름 냉각 구멍을 갖는 이러한 냉각 채널은 에어포일의 선단부에 근접하게 위치된다. 선단부로부터 내향으로 이격되어 위치된 주 냉각 채널은 통상적으로 이러한 선단부 필름 냉각 채널을 공급한다. 선단부 필름 냉각 채널에는 이러한 외부 표면상에 필름 냉각을 제공하도록 에어포일의 외부 표면상으로 냉각 공기를 외향으로 유도하는 다수의 구멍이 구비되어 있다.
최신 에어포일에서 설계가 집중되는 주된 영역의 하나는 에어포일에 다수의 다른 특성을 제공하는 가변 코팅을 사용하는 것이다. 이러한 코팅의 하나는 에어포일이 과도한 온도로 가열되는 것에 대해 다소의 저항을 제공하도록 에어포일상에 위치될 수 있는 열 차단 코팅이다. 적어도 하나의 열 차단 코팅으로 덮인 에어포일에 대한 실험은 선단부 필름 냉각 채널의 충돌 구멍으로부터 흡입 벽을 향해 이격된 영역의 코팅이 다소 침식된다는 것을 보여주고 있다. 즉, 필름 냉각 구멍은 선단부에 인접한 코팅을 보호하는 적절한 임무를 수행하지만, 선단부로부터 이격된 영역은 다소의 코팅 손실을 입고, 이는 추가 냉각이 필요함을 나타낸다.
최근에, 본 발명의 양수인은 에어포일의 벽에 매립된 마이크로회로라고 불리는 냉각 회로를 개발하였다. 이들 마이크로회로는 2003년 8월 8일 출원되어 계류중인 발명의 명칭이 "마이크로회로 에어포일 본체"인 미국 특허 출원 제10/637,352호에 개시되어 있다. 이러한 마이크로회로는 선단부 필름 냉각 채널에 인접하고 흡입 벽을 향해 이격된 상기 영역에서 사용되도록 개시된 것은 아니다.
본 발명의 개시된 실시예에서, 에어포일은 기부로부터 단부를 향해 외향으로 연장된 몇몇 "주" 채널을 포함하는 냉각 채널을 갖는다. 제1 주 채널은 선단부에 인접한 에어포일의 외피상으로 냉각 공기를 유도하는 다수의 필름 냉각 구멍을 포함하는 선단부 필름 냉각 채널을 제공한다. 보조 필름 냉각 채널은 제1 주 필름 냉각 채널과 흡입 벽 사이에 위치된다. 개시된 실시예에서, 이러한 보조 필름 냉각 채널은 또한 제1 주 채널에 의해 제공된다. 필름 냉각 구멍은 이러한 보조 필름 냉각 채널로부터 흡입 벽까지 연장되어 냉각 공기가 흡입 벽에 충돌되게 한다. 따라서, 코팅이 다소 침식되는 전술된 영역에는 추가의 필름 냉각이 제공되어, 코팅이 더 양호하게 보호된다.
개시된 실시예에서, 제1 주 채널과 다음의 내향 주 채널 사이에는 웨브가 존재한다. 흡입 벽의 보조 필름 냉각 채널로부터 필름 냉각 구멍의 위치는 이러한 웨브와 대체로 정렬된다. 개시된 바와 같이, 웨브가 흡입 벽으로 연장되는 경우, 필름 냉각 구멍의 위치는 이러한 연장된 웨브의 후단 측부로부터 선단부를 향해 이격된다. 또한, 보조 필름 냉각 채널로부터의 필름 냉각 구멍의 위치는 흡입 벽상의 이러한 웨브의 선단 측부의 연장된 위치의 웨브 두께 내에 있다.
개시된 일 실시예에서, 이러한 보조 냉각 채널은 복수의 교차하는 받침부 및 매우 얇은 폭을 갖는 마이크로회로일 수 있다. 마이크로회로는 사실상 기부와 단부 사이의 거리를 따라 이격되어 위치된 복수의 이격된 마이크로회로일 수 있다.
다른 실시예에서, 채널은 전술된 마이크로회로가 아닌 중공 채널이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징은 이하의 상세한 설명과 도면으로부터 잘 이해될 것이다.
도1에는 엔진 중앙선 또는 축방향 중앙축(12) 주위에 원주방향으로 배치된 동력 발생 또는 추진에 사용되는 가스 터빈과 같은 가스 터빈 엔진(10)이 도시되어 있다. 엔진(10)은 팬(14), 압축기(16), 연소부(18) 및 터빈(11)을 포함한다. 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 압축기(16)에서 압축된 공기는 연료와 혼합되어, 연소부(18)에서 연소되고 터빈(11)에서 팽창된다. 압축기에서 압축된 공기 및 터빈(11)에서 팽창된 연료 혼합물 둘 다는 고온 가스 흐름 유동으로 언급될 수 있다. 터빈(11)은 팽창에 응답하여 회전되어 압축기(16) 및 팬(14)을 구동시키는 로터(13, 15)를 포함한다. 터빈(11)은 회전 블레이드(20)와 정적 에어포일 또는 베인(19)의 교번식 열을 포함한다. 도1은 단지 도시를 목적으로 한 개략적인 것이고, 발전, 항공기 등에 사용되는 가스 터빈에 채택될 수 있는 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
도2에 도시된 회전 블레이드(20)는 플랫폼(32)에서 이격되어 상향으로 연장된 에어포일(34)을 갖는 플랫폼(32)을 갖는다. 본 발명이 터빈 블레이드에 도시되어 있지만, 본 발명은 베인(19)과 같은 정적 구조물에도 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
냉각 채널은 도3에 도시된 바와 같이 종래 기술의 에어포일(34)에 마련되어 있다. 주 냉각 채널(44)은 플랫폼(32)에 근접한 공급원으로부터 기류를 수용하여, 에어포일(34)의 길이를 따라 외향으로 기류를 유도한다. 통로(40, 42)로 나타내진 사형 채널의 일부는 공기가 통로(40, 42)를 통하여 순차로 유동함에 따라 외향 및 내향으로 공기를 순환시킨다.
도3에 또한 도시된 바와 같이, 포트(50)는 주 채널(44)을 선단부 필름 냉각 채널(46)에 연통시킨다. 다수의 필름 냉각 개구(48)는 선단부 필름 냉각 채널(46)로부터 선단부(41)까지 연장된다. 이들 포트는 에어포일(34)의 단부(33)를 향해 플랫폼(32)으로부터 이격되어 위치됨을 이해하여야 한다. 즉, 도2에 대체로 도시된 바와 같이, 에어포일(34)의 길이를 따라 다수의 이러한 포트(48)가 존재한다.
전술된 바와 같이, 코팅이 종래 기술의 에어포일상에 제공되는 경우, 도면부호(52)로 나타나고 포트(48)로부터 흡입 벽(38)을 향해 이격된 영역에서 대체로 시작되는 코팅의 침식 문제가 존재한다. 이러한 영역의 흡입 벽(38) 외부 표면을 위한 추가의 냉각을 제공하는 것이 바람직하다.
도4는 추가 또는 보조 필름 냉각 채널(60)을 갖는 실시예(59)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 보조 필름 냉각 채널(60)은 제1 주 채널(44)과 흡입 벽(38) 사이에 존재한다. 또한, 보조 필름 냉각 채널(60)은 흡입 벽에 인접하게 그리고 선단부 필름 냉각 채널(46)에 대하여 후단부를 향해 이격되어 위치된다.
필름 냉각 구멍(62)은 보조 필름 냉각 채널(60)로부터 연장되어 흡입 벽(38)상으로 빠져나간다. 필름 냉각 구멍(48)과 마찬가지로, 필름 냉각 구멍(62)은 보조 필름 냉각 채널(60)로부터 진행되는 필름 냉각 공기에 의해 흡입 벽(38)상을 완 전히 덮도록 에어포일의 길이를 따라 이격되어 위치된다. 이러한 필름 냉각 공기는 에어포일이 회전됨에 따라 흡입 벽(38)으로 되돌아 온다는 점에서 충돌 공기로서 기술될 수 있다.
보조 필름 냉각 채널(60)은 사실상 양호하게는 마이크로회로 냉각 회로이다. 이하에 기술되는 바와 같이, 마이크로 냉각 회로는 비교적 새로운 것이고, 통상적으로 복수의 교차 받침부(61)를 포함한다. 보조 필름 냉각 채널(60)은 포트(64)를 통해 주 채널(44)로부터 공기를 수용한다. 포트(50, 64)는 사실상 에어포일(34)의 길이를 따라 이격되어 위치된 복수의 포트일 수 있다.
보조 필름 냉각 채널(60)용 마이크로회로의 구조가 이하에 더욱 상세하게 기술될 것이다. 마이크로회로의 폭 및 받침부(61)의 치수는 그 기본 구조가 이해될 수 있도록 도4에 크게 과장되어 있음을 이해하여야 한다.
도4에 도시된 다른 특징은 흡입 벽(38)을 따르는 필름 냉각 구멍(62)의 위치이다. 도시된 바와 같이, 웨브(90)는 제1 주 냉각 채널(44)과 다음의 주 냉각 채널(42)을 분리시킨다. 이러한 웨브가 흡입 벽(38)으로 외향으로 연장된 경우, 후단부 측부(TE) 및 선단부 측부(LE)를 갖는다. 개시된 실시예에서, 필름 냉각 구멍(62)은 웨브(90)의 이러한 연장된 위치에 근접한 임의의 장소에 위치된다. 도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 필름 냉각 구멍(62)은 연장된 후단부 단부(TE)로부터 선단부를 향해 이격된 위치에서 흡입 벽(38)으로 빠져나간다. 또한, 필름 냉각 구멍(62)은 연장된 선단부 단부(LE)의 위치로부터 웨브(90)의 두께 내에 있는 것으로 도시된다. 사실, 필름 냉각 구멍(62)은 단부(LE, TE)의 사이에 있다.
흡입 벽(38)을 따르는 압력이 가압 벽(39)을 따르는 압력보다 작기 때문에, 포트(62)의 크기에 대한 몇몇 설계 사항을 고려하여야 한다. 따라서, 구멍(62)이 구멍(48)과 동일한 크기인 경우, 예를 들면 구멍(62)이 기류에 대한 저항이 적어서, 바람직하지 않게 큰 기류 부분을 수용할 수 있다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자는 적절하게 설계하는 방법 및 구멍(48, 62)의 상대적인 크기를 정하는 방법을 알 것이다.
도5에서 알 수 있는 바와 같이, 에어포일(34)을 따라 이격되어 위치된 복수의 마이크로회로(60)가 있다. 냉각 공기는 입구(64)를 통하여 주 채널(44)로부터 유입되어, 받침부(61)를 넘어 필름 냉각 구멍(62)의 외향으로 진행된다.
마이크로회로의 세부 항목에는 많은 별개의 형상, 위치, 간격 등과 마이크로회로당 가변 수의 유입/배출 통로 및 받침부의 상대적인 형상과 크기가 포함된다. 몇몇 가능한 선택사항이 이하에 기술되지만, 단지 예시적인 것이다. 즉, 도4의 마이크로회로(60)는 도6 또는 도7의 구성이나, 또는 일부 다른 구성을 가질 수 있다. 이러한 적용을 위해, 마이크로회로는 양호하게는 추가 냉각이 유익한 영역에 위치되는 단지 매우 얇은 회로이다. 본 발명의 범주 내에 있는 마이크로회로는 받침부 형상 및 크기의 가변 조합을 가질 수 있다.
도6을 참조하면, 예시적인 마이크로회로(222)가 더 자세하게 도시되어 있다. 도6은 도4의 위치에 이용될 수 있는 마이크로회로 냉각 설계의 확대도이다. 마이크로회로는 맞춤 가능하고 높은 대류 효율을 갖는 냉각을 제공한다. 높은 대류 효율과 함께, 높은 필름 효과가 진보된 냉각 구성을 위해 필요하다. 마이크로회로는 기계 가공되거나 또는 다르게는 부품 내에 성형될 수 있다. 양호한 실시예에서, 마이크로회로는 내화 금속 형태로 형성되고 주조 전에 부분 주형내에 캡슐화된다. 몰리브덴(MO) 및 텅스텐(W)을 포함하는 몇몇 내화 금속은 니켈계 초합금의 통상적인 주조 온도를 초과하는 융점을 갖는다. 이러한 내화 금속은 터빈 및 연소기 냉각 설계에 필요한 냉각 채널 특성을 갖기 위해 필요한 크기의 가공된 얇은 시트 또는 형태로 생산될 수 있다. 양호하게는, 본 발명에 포함되는 부품들은 니켈계 합금 또는 코발트계 합금으로 부분적으로 또는 전체적으로 형성될 수 있다. 얇은 내화 금속 시트 및 포일은 절곡되어 복잡한 형상으로 형성될 수 있는 충분한 연성을 갖는다. 연성은 왁싱(waxing)/셸링(shelling) 사이클에 견딜 수 있는 견고한 설계를 가능하게 한다. 주조 후, 내화 금속은 화학적 제거, 열적 리칭(leeching) 또는 산화법과 같은 방법을 통하여 제거되어, 마이크로회로(222)를 형성하는 공동을 남기게 된다. 마이크로회로는 또한 세라믹 코어를 이용한 인베스트먼트(investment) 주조 기술을 사용하여 제조될 수 있음을 알 수 있다.
냉각 마이크로회로(222) 실시예의 "구획" 각각은 0.645 cm2(0.1 in2)만큼의 벽 표면 영역을 점유할 수 있다. 그러나, 마이크로회로(222)가 0.387 cm2(0.06 in2)보다 작은 벽 표면 영역을 점유하는 것이 더 통상적이고, 양호한 실시예의 벽 표면은 통상적으로 0.323 cm2(0.05 in2)에 가까운 벽 표면 영역을 점유한다. 예시적인 실시예에서, 벽 안으로 측정된 마이크로회로(222)의 두께(t)는 양호하게는 대 략 0.031 cm(0.012 in) 내지 대략 0.064 cm(0.025in)이고, 가장 양호하게는 대략 0.043 cm(0.017 in)보다 작다. 이러한 치수는 대략 0.114 내지 0.318 cm (0.045 내지 0.125 in)의 두께를 갖는 터빈 블레이드에 대한 것이다.
마이크로회로(222)는 전방 단부(244), 후방 단부(245), 제1 측부(246), 제2 측부(248), 다수의 포스트(post) 열(250, 252, 254, 256) 또는 통로의 외부 벽(246, 265) 사이에서 각각 연장된 받침부(260, 262, 264, 266, 268)를 포함한다. 마이크로회로(222)는 그 전방 단부(244)와 후방 단부(245) 사이에서 폭방향으로 그리고 그 제1 측부(246)와 제2 측부(248) 사이에서 길이방향 또는 반경방향으로 연장된다. 흡입 구멍(64)은 제1 벽 부분을 통하여 연장되고, 에어포일(34)의 통로(44)로부터 마이크로회로(222)로 냉각 기류 통로를 제공하기 위해 마이크로회로(222)의 후방 단부(245) 부근에 위치된다. 출구 또는 배출 구멍(62)은 전방 단부(244) 부근의 외부 벽을 통하여 연장되어 마이크로회로(222)로부터 벽 외부의 코어 가스 통로로 냉각 기류 통로를 제공한다. 마이크로회로(222)는 통상적으로 코어 가스 유동(G)의 유선을 따라 전후방향으로 배향되지만, 배향은 적용에 적합하도록 변화될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반경방향의 길이방향으로 연장된 흡입 구멍(64)을 형성하는 두 개의 레이스 트랙이 구비되어 있다. 예시적인 실시예에서, 출구 구멍(62)은 반경방향의 길이방향으로 연장된 슬롯이다. 흡입 구멍(64)의 예시적인 길이(Lin)는 대략 0.064 cm(0.025 in)이고, 출구 구멍(62)의 길이(Lout)는 대략 0.254 cm(0.100 in)이다.
마이크로회로의 몇몇 예가 마이크로회로 개념의 다양성을 보여주기 위해 기 술된다. 언급된 바와 같이, 이러한 예는 본 발명을 제한하는 것으로 취급되어서는 안 된다.
열(250)은 대체로 긴 형상의 직각 실린더로서 형성된 받침부(260)를 갖는다. 받침부(260)는 대략 0.102 cm(0.040 in)의 길이(L1)(열과 평행하게 측정됨), 대략 0.051 cm(0.020 in)의 폭(W1)(열과 수직으로 측정됨), 대략 0.152 cm(0.060 in)의 피치(P1), 대략 0.051 cm(0.020 in)의 간격(S1)을 갖는다. 피치는 열 내에서 각각의 받침부들 사이의 중앙 반경방향 간격으로 정의된다. 간격은 피치(P)의 길이에서 받침부 직경(D)의 길이를 뺀 것으로 정의된다. 열을 따르는 받침부 치수(L) 대 열의 피치(P)의 비는 받침부에 의해 차단되는 특정 열을 따르는 면적의 퍼센트를 정의하며, 이후에는 제한 또는 차단 계수로 칭한다. 상기에 명시된 치수에서, 제한 또는 차단 계수는 67%이다.
다음 열(252)은 대체로 긴 형상의 직각 실린더로서 형성된 받침부(262)를 갖는다. 받침부(262)는 대략 0.064 cm(0.025 in)의 길이(L2), 대략 0.038 cm(0.015 in)의 폭(W2), 대략 0.156 cm(0.0615 in)의 피치(P2) 및 대략 0.093 cm(0.0365 in)의 간격(S2)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, L2 및 W2는 L1 및 W1보다 대체로 작다. 그러나, 피치(P2)는 P1과 대체로 동일하고, 또한 받침부(262)가 관련 간극(270)의 대체로 뒤에 존재하도록 위상이 완전히 다른 엇갈린 배치가 이루어진다. 대략 0.095 cm(0.0375 in)의 열 피치(R1)는 열(250, 252) 사이에 존재한다. 상기 명시된 치수에 대하여, 제한 또는 차단 계수는 41%이다.
다음 열(254)은 대체로 긴 형상의 직각 실린더로서 대체로 형성된 받침부 (264)를 갖는다. 받침부(264)는 대략 0.064 cm(0.025 in)의 길이(L3), 대략 0.038 cm(0.015 in)의 폭(W3), 대략 0.156 cm(0.0615 in)의 피치(P3) 및 대략 0.046 cm(0.018 in)의 간격(S3)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 이들은 상기 열(252)의 대응 치수와 대체로 유사하지만, 각각의 받침부(264)가 간극(272)의 바로 뒤에 존재하도록 위상이 완전히 다르다. 대략 0.084 cm(0.033 in)인 상기 열(252)과 열(254) 사이의 열 피치(R2)는 R1과 유사하다. 상기 명시된 치수에 대하여, 제한 또는 차단 계수는 41%이다.
다음 열(256)은 대략 0.051 cm(0.0200 in)의 직경(D4), 대략 0.097 cm(0.038 in)의 피치(P4) 및 대략 0.046 cm(0.018 in)의 간격(S4)을 갖는 사실상 완전 원형 실린더로서 형성된 받침부(266)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, D4는 직사각형 받침부 길이보다 작다. 또한, 피치(P4)는 다른 열의 피치보다 작고, 간격(S4)은 열(250) 이외의 열의 간격보다 작다. 대략 0.036 cm(0.014 in)인 상기 열(254)과 열(256) 사이의 열 피치(R3)는 R1 및 R2와 유사하다. 상기 명시된 치수에 대하여, 제한 또는 차단 계수는 53%이다.
다음 열(258)은 각각 축(271)이 반경방향으로 연장되도록 받침부의 몸체를 관통하는 길이방향 축(271)을 갖는 두 개의 받침부(268)를 갖는다. 따라서, 받침부(268)는 도6에 도시된 바와 같이 반경방향으로 긴 형상이고 출구 구멍(62)과 정렬된다. 받침부(268)는 마이크로회로(222)의 전방 단부(244)의 출구 구멍(62)과 중앙 정렬된 간극(278)에 의해 분리된다. 반경방향에서 간극(278)의 길이(Lg)는 양호하게는 대략 0.038 cm(0.015 in) 이하이다. 받침부(268)는 대체로 출구 구멍 (62)과 정렬되고 그를 향해 외향으로 연장되는 돌출부 또는 정점(276)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 반경방향을 따른 받침부(268)의 길이(L5)는 대략 0.201 cm(0.079 in)이다.
이와 같이, 열(250, 252, 254, 256, 258)이 상기에 기술되었고, 지금부터는 도6의 마이크로회로에 의해 얻어질 수 있는 이점이 기술될 것이다. 받침부(260)의 제1 열(250)은 국부 속도를 제어하고 마이크로회로(222)를 통하여 유동하는 냉각 공기의 측방향 분산을 촉진할 수 있는 패턴으로 서로 이격되어 위치된다. 이러한 분산은 냉각 회로(222) 내의 열 픽업을 증가시키고 웨이크(wake)를 형성한다. 받침부(260)는 열(252)의 받침부(262)와 오프셋되거나 또는 엇갈리게 배치된다. 마찬가지로, 열(254)의 받침부(264)는 열(252)의 받침부(262)로부터 오프셋된다. 마이크로회로(222)를 통한 사실상의 직선 통로가 없도록 각각 충분히 오프셋된다. 공기가 받침부(262, 264)를 통과할 때, 웨이크는 더욱 균일한 유동 분포를 위해 감소된다. 이러한 결과는 열(250, 256)과 비교하여 열(252, 254)의 비교적 낮은 제한 계수에 의해 얻어진다. 따라서, 열(252, 254)은 후단의 웨이크 난류를 최소화하고 냉각 회로(222) 내의 웨이크/난류의 점진적인 전이를 제공한다. 공기가 다음 열(256)을 통과함에 따라, 공기는 계량되어 차례로 속도 및 열 전달을 증가시킨다. 열(250)은 열(252, 254, 256)보다 더 큰 제한 계수를 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 마이크로회로(222) 내로의 공기류는 과도한 압력 강하없이 열 전달을 최대화하는 방법으로 분배된다.
공기가 열(250, 252, 254)을 통과함에 따라, 받침부(268)는 공기의 난류에 의해 생성되는 웨이크를 최소화한다. 웨이크 난류의 최소화는 마이크로회로(222) 내의 고온류 재순환을 방지하고 열 픽업을 용이하게 한다. 공기류가 받침부(268) 주위로 유도될 때, 공기류는 출구 구멍(62)을 통해 균일하게 분배된다. 이제, 출구 구멍(62)을 위한 슬롯의 사용을 살펴보기로 한다. 공기가 슬롯을 빠져나갈 때, 측벽(38)의 균일한 필름 블랭킷(blanket)이 얻어진다. 따라서, 받침부(268)는 출구 구멍(62)을 통한 유동 스트리킹(streaking) 또는 분리된 제트류를 방지한다. 출구 구멍(62)을 통해 빠져나가는 중에 대응하는 공기 제트류가 금속의 균일한 커버를 제공하지 않아서 벽(38)의 고온 스팟이 가능하게 하므로, 스트리킹은 바람직하지 않다.
양호하게는, 상술한 바와 같은 받침부(268)의 위치설정은 공기가 출구 구멍(62)을 통해 빠져나갈 때 공기의 매우 양호한 계량 제어를 가능하게 한다. 특히, 냉각 공기는 간극(278)을 통해 제1 및 제2 측부(246, 248)에 근접하는 받침부(268) 주위로 유동된다. 따라서, 공기가 열(256)을 통해 계량될 때, 유동의 일부는 간극(278)을 통과하고, 공기의 나머지는 받침부(268) 주위를 통과한다. 또한, 이런 식으로, 도6의 유선(0, 1, 1')으로 도시된 바와 같이, 출구 구멍(62)을 통한 공기류는 균일하게 분배된다. 중앙 유선(0)은 유선(1)이 유선(1')을 방해하도록 위로 교차하는 것을 허용하지 않도록 그리고 이와 반대가 되도록 작동한다. 따라서, 받침부(268)의 배향은 정확한 계량 제어를 보장하면서 직선 유동을 허용하여, 그 결과 개선된 필름 냉각 및 효율이 되게 한다.
도7을 참조하면, 마이크로회로(322)의 다른 실시예가 도시된다. 다른 도면 에서 유사한 도면부호 및 표시는 유사한 요소들을 나타낸다. 본 선택적인 실시예의 마이크로회로(322)는 두 개의 출구 구멍(62)과, 세 개의 흡입 구멍(64)을 갖는다. 예시적인 실시예의 마이크로회로(322)는 냉각 구성 및 얻어지는 이점에 대해 더 기술된다. 예시적인 다른 실시예에서, 반경방향 종방향으로 연장되는 세 개의 레이스 트랙형 흡입 구멍(64)과, 또한 반경방향 종방향으로 연장되는 바람직하게는 슬롯인 두 개의 출구 구멍(62)이 있다. 흡입 구멍(64)의 예시적인 길이(Lin)는 약 0.635 mm(0.025 in)이고, 출구 구멍(62)의 길이(Lout)는 약 2.54 mm(0.100 in)이다.
마이크로회로(322)는 각각 받침부 또는 포스트(390, 392, 394, 396)의 열(380, 382, 384, 386)을 갖는다. 열(380)은 편평하고 유동 방향에 대체로 수직인 제1 측부(300)와, 그 다음 대체로 둥근 덮는 측부(302)가 있는 사실상 둥근 삼각형의 실린더로 형성된 받침부(390)를 갖는다. 받침부(390)는 대략 0.838 mm(0.033 in)의 주축 길이(L1), 대략 1.3 mm(0.051 in)의 피치(P1), 대략 0.457 mm(0.018 in)의 간격(S1)을 갖는다. 열(380)은 마이크로회로(322) 내로 유동하는 냉각 공기의 측방향 분산을 촉진한다. 상기에 명시된 치수에서, 제한 또는 차단 계수는 64%이다.
다음 두 개의 열(382, 384)은 각각 사실상 둥근 직사각형 실린더로 형성된 받침부(392, 394)를 갖는다. 받침부(392)는 대략 0.508 mm(0.020 in)의 직경(D2), 대략 0.376 mm(0.0148 in)의 간격(S2), 대략 0.89 mm(0.035 in)의 피치(P2)를 갖는다. 상기 명시된 치수에서, 제한 또는 차단 계수는 57%이다. 받침부(394)는 대략 0.508 mm(0.020 in)의 직경(D3), 대략 0.376 mm(0.0148 in)의 간격(S3), 대략 0.889 mm(0.035 in)의 피치(P3)를 갖는다. 상기 명시된 치수에서, 제한 또는 차단 계수는 57%이다. 받침부(392, 394)는 대체로 서로에 대해 오프셋 또는 엇갈리게 배치되고 그 사이를 통과하는 공기류를 계량하는 기능을 한다. 유동은 열(382, 384)에 의해 계량되어 유속, 국부적인 레이놀즈수(Reynolds Number) 및 대응하는 내부 열전달 계수를 증가시킨다.
마지막 열(386)은 두 개의 받침부(396)를 갖고, 각각의 받침부(396)는 각각의 두 개의 출구 구멍(62) 중 하나와 정렬된다. 받침부(396)는 반경방향으로 연장되는 종축(399)을 갖는다. 따라서, 받침부(396)는 반경방향으로 긴 형상이다. 각각의 받침부(396)는 대체로 각각의 출구 구멍(62)을 향해 외향으로 연장되는 돌출부 또는 정점(397)을 갖는다. 각각의 받침부(396)는 각각의 출구 구멍(62)과 대체로 중앙으로 정렬된다. 예시적인 실시예에서, 받침부(394)의 종방향 길이(L3)는 약 2.54 mm(0.100 in)이다.
이와 같이, 상기에서 열(380, 382, 384, 386)에 대해 기술되었고, 이제 도7의 마이크로회로(322)에 의해 얻어지는 이점이 기술된다.
받침부(390)의 제1 열(380)은 서로 이격되고, 국부적인 속도를 제어하고 마이크로회로(322)를 통해 유동하는 냉각 공기의 측방향 분산을 촉진하는 상술된 바와 같은 형상을 갖는다. 또한, 받침부(390)는 웨이크 난류를 최소화한다. 냉각 공기류는 측부(300) 상으로 충돌하고, 측부(302)에 의해 받침부(390) 주위로 가압되어 웨이크 형성을 감소시키고 받침부(390) 뒤의 고온 스팟을 방지한다.
다음 두 개의 열(382, 384)의 받침부(392, 394)는 서로에 대해 그리고 제1 열(380)의 받침부(390)에 대해 엇갈리게 배치된다. 따라서, 사실상 마이크로회로(322)를 통한 직선 통로가 없다. 냉각 공기가 그 열을 통과할 때, 웨이크는 감소되어 더욱 균일한 유동 분배가 되게 한다.
양호하게는, 상술한 바와 같은 받침부(396)의 위치설정은 공기가 각각의 출구 구멍(62)을 통해 빠져나갈 때 냉각 공기의 매우 양호한 계량 제어를 가능하게 한다. 특히, 냉각 공기가 열(382, 384)을 통과할 때, 공기는 받침부(396) 상으로 충돌하여 받침부 주위로 유도되어 대응하는 출구 구멍(62)을 통해 빠져나간다. 또한, 이런 식으로, 유선(0, 1, 1')으로 도시된 바와 같이, 주 유선(0)은 출구 구멍(62)을 통한 균일한 유동 분배를 제공한다. 즉, 유선(1)은 유선(1')과 교차되지 않고, 그 반대도 마찬가지이다. 도6에 도시된 제1 실시예와 같이 주 유선(0)은 대응하는 출구 구멍(62)의 중앙과 대체로 정렬된다. 그러나, 선택적인 실시예에서, 받침부(396)는 출구 구멍(62)과 정렬되어, 받침부(396)의 길이(L3)의 대부분은 출구 구멍(62)에 노출된다. 이와 같이, 받침부를 포위하는 유선은 출구 구멍(62)을 통해 빠져나가는 것이 자유롭다. 따라서, 받침부(396)의 배향은 정확한 계량 제어를 보장하는 직선 유동을 가능하게 하고, 그 결과 필름 냉각 및 효율성을 개선시킨다.
따라서, 공기류는 받침부(396) 주위로 유도되고, 출구 구멍(62)을 통해 균일하게 분배된다. 이제, 출구 구멍(62)을 위해 슬롯을 사용하는 것을 살펴보기로 한다. 공기가 슬롯을 빠져나갈 때, 외부의 균일한 필름 블랭킷, 및 특히 흡입 측벽 (38)이 각각 얻어진다. 따라서, 받침부(396)는 출구 구멍(52)을 통한 유동 스트리킹 또는 분리된 제트류를 방지한다. 출구 구멍(62)을 통해 빠져나가는 중에 대응하는 공기 제트류가 금속의 균일한 커버를 제공하지 않아서 벽(38)의 고온 스팟이 가능하게 하므로, 스트리킹은 바람직하지 않다. 받침부(396)는 또한 공기가 열(380, 382, 384)을 통과할 때 공기의 난류에 의해 생성된 웨이크를 최소화하는 기능을 한다. 웨이크의 최소화는 마이크로회로(322) 내의 유동 재순환을 방지하고 열 픽업을 용이하게 한다.
특히, 에어포일의 향상된 구조적 일체성을 위해, 마이크로회로는 출구 구멍, 즉 슬롯이 동일 선상에 있지 않도록 벽 내에 배치된다.
도5에 도시된 바와 같이 예시적인 실시예에서는, 흡입 벽(38) 내에 각각 배치된 복수의 마이크로회로가 있다.
도8은 보조 필름 냉각 채널(160)이 중공이고, 냉각 채널(44, 46)과 같은 표준 냉각 채널과 더 유사한 다른 실시예(159)를 도시한다. 보조 필름 냉각 채널(160)은 여전히 주 냉각 채널(44)로부터의 냉각 공기를 수용하고, 개구(64)를 통해 흡입 벽(38) 상으로 외향으로 냉각 공기를 유도한다. 따라서, 본 실시예는 상기 실시예와 유사하게 흡입 벽(38)에 필름 냉각 공기를 제공한다. 그러나, 이는 마이크로회로 구조를 포함하지 않는다. 이러한 보조 필름 냉각 채널(160)에 대해 적절하게 설계된 실시예는 전술된 마이크로회로 실시예보다 더 큰 폭을 갖고, 또한 상기 보조 필름 냉각 채널(160)은 복수의 다른 채널이 아닌 대체로 에어포일(34)의 길이를 따라 연장된 단일 채널일 수 있다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자는 최종 설계에 적용 가능한 다양한 선택사양을 알 것이다.
본 발명이 열 차단 코팅을 갖는 터빈 블레이드에 이용되어 개시되었지만, 본 발명은 코팅이 없는 터빈 블레이드 및 가스 터빈 엔진의 다른 구성요소에 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
따라서, 본 발명은 높은 열 및 기계적 응력을 갖고 원하는 것보다 적은 냉각 용량이 제공되는 영역에 추가의 냉각을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 기술되었지만, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명의 범위 내에서 임의의 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 이러한 이유로, 이하의 특허청구범위로부터 본 발명의 기술사상 및 범위가 결정된다.
본 발명에 따르면, 터빈 블레이드와 같은 에어포일의 선단부에 인접하게 위치된 마이크로회로 및 중공 채널과 같은 보조 냉각 회로를 제공함으로써, 추가의 냉각 효과를 제공하고 이러한 영역의 열 차단 코팅을 양호하게 보호할 수 있다.

Claims (34)

  1. 서로 이격되어 위치된 가압 벽과 흡입 벽을 갖는 만곡된 에어포일로서, 상기 에어포일은 기부에서 단부로 연장되고, 상기 가압 벽 및 흡입 벽을 연결하는 선단부 및 후단부를 갖는 에어포일과,
    상기 흡입 벽 및 가압 벽 사이의 상기 에어포일내에 형성된 냉각 채널로서, 상기 냉각 채널은 상기 기부로부터 단부를 향해 상기 에어포일을 통하여 외향으로 연장된 제1 주 채널과, 상기 제1 주 채널과 연통하는 선단부 채널을 포함하고, 상기 선단부 채널은 상기 선단부 채널로부터 연장되어 냉각 공기를 상기 선단부 근처로 유도하는 필름 냉각 포트를 갖는 냉각 채널들과,
    상기 제1 주 채널과 상기 흡입 벽 사이의 영역에 위치되고, 상기 선단부 채널로부터 상기 후단부를 향해 이격되어 위치되고, 상기 선단부 채널의 상기 필름 냉각 포트로부터 상기 후단부를 향해 이격된 위치에서 상기 흡입 벽상으로 필름 냉각 공기를 유도하기 위한 필름 냉각 포트들을 갖는 보조 필름 냉각 채널을 포함하는 에어포일.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조 냉각 채널은 상기 에어포일내에 매립되는 마이크로회로 냉각 회로이고,
    상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 영역에 추가의 냉각을 제공하도록 냉각 공기를 수용하는 에어포일.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 제1 주 채널 및 상기 선단부 채널보다 단면적이 작은 에어포일.
  4. 제2항에 있어서, 복수의 받침부는 상기 마이크로회로 냉각 회로를 가로질러 연장되는 에어포일.
  5. 제4항에 있어서, 상기 받침부는 복수의 다른 형상을 포함하는 에어포일.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 주 채널 및 상기 흡입 벽 사이에서 측정된 상기 마이크로회로 냉각 회로의 두께는 대략 0.305 내지 0.635 mm(0.012 내지 0.025 in) 사이인 에어포일.
  7. 제2항에 있어서, 상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 기부로부터 상기 단부를 향해 연장되는 방향을 따라 이격되어 위치된 복수의 다른 마이크로회로를 포함하는 에어포일.
  8. 제1항에 있어서, 상기 에어포일은 터빈 블레이드이고, 상기 기부는 플랫폼인 에어포일.
  9. 제1항에 있어서, 상기 냉각 유체는 공기인 에어포일.
  10. 제1항에 있어서, 열 차단 코팅이 상기 에어포일에 적용되는 에어포일.
  11. 제1항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널은 대체로 중공 채널인 에어포일.
  12. 제1항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널은 상기 제1 주 채널로부터 냉각 공기를 수용하는 에어포일.
  13. 제1항에 있어서, 웨브가 상기 주 채널과 상기 주 채널로부터 상기 후단부를 향해 이격되어 위치된 제2 주 채널 사이에 형성되고,
    상기 보조 필름 냉각 채널의 상기 필름 냉각 포트는 상기 웨브의 연장된 위치에 인접한 상기 흡입 벽상에 위치되는 에어포일.
  14. 제13항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널의 상기 필름 냉각 포트는 상기 웨브의 상기 연장된 위치의 후단부로부터 상기 선단부를 향해 이격된 위치에서 상기 흡입 벽상으로 빠져나가는 에어포일.
  15. 제13항에 있어서, 상기 웨브는 상기 제1 및 제2 주 냉각 채널 사이의 폭을 갖고,
    상기 보조 필름 냉각 채널의 상기 필름 냉각 포트는 상기 웨브의 상기 연장된 위치의 선단부 단부로부터 상기 웨브의 한 폭내의 위치에서 상기 흡입 벽상으로 빠져나가는 에어포일.
  16. 터빈 블레이드이며,
    플랫폼의 외향으로 연장된 에어포일로서, 상기 에어포일은 서로 이격되어 위치된 가압 벽과 흡입 벽을 갖는 만곡 형상이며, 상기 가압 벽과 흡입 벽을 연결하는 선단부 및 후단부를 갖는 에어포일과,
    상기 흡입 벽 및 가압 벽 사이의 상기 에어포일내에 형성된 냉각 채널로서, 상기 냉각 채널은 상기 플랫폼으로부터 상기 에어포일의 단부를 향해 연장되는 제1 주 채널과, 상기 제1 주 채널과 연통하고 복수의 필름 냉각 포트를 통하여 상기 선단부상으로 냉각 공기를 유도하는 선단부 채널을 포함하는 냉각 채널들과,
    상기 흡입 벽과 상기 제1 주 채널 사이에 위치된 마이크로회로 냉각 회로를 포함하며,
    상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 선단부 채널의 상기 필름 냉각 포트에 대하여 상기 후단부를 향해 이격되어 위치된 필름 냉각 포트를 통하여 상기 흡입 벽상으로 보조 필름 냉각을 제공하도록 상기 제1 주 채널로부터의 냉각 유체를 수용하고,
    상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 마이크로회로 냉각 회로를 가로지르는 받침부들을 갖고, 상기 제1 주 채널보다 단면적이 작은 터빈 블레이드.
  17. 제16항에 있어서, 상기 받침부는 복수의 다른 형상을 포함하는 터빈 블레이드.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 주 채널 및 상기 흡입 벽 사이에서 측정된 상기 마이크로회로 냉각 회로의 두께는 대략 0.305 내지 0.635 mm(0.012 내지 0.025 in) 사이인 터빈 블레이드.
  19. 제16항에 있어서, 상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 에어포일의 상기 단부를 향해 상기 플랫폼으로부터 연장되는 방향을 따라 이격되어 위치된 복수의 다른 마이크로회로를 포함하는 터빈 블레이드.
  20. 가스 터빈 엔진이며,
    팬과,
    압축기와,
    연소부와,
    로터 블레이드 및 베인을 갖는 터빈을 포함하며,
    상기 로터 블레이드와 상기 베인 중 적어도 하나는 기부와 단부를 구비하는 에어포일을 갖고,
    상기 에어포일은 흡입 벽과 가압 벽 사이에서 연장되고, 상기 가압 벽 및 흡 입 벽을 연결하는 선단부와 후단부를 갖고,
    상기 흡입 벽 및 가압 벽 사이의 상기 에어포일내에는 냉각 채널들이 형성되고,
    상기 냉각 채널은 단부를 향해 상기 에어포일을 통하여 외향으로 상기 기부로부터 연장된 제1 주 채널과, 상기 제1 주 채널과 연통하는 선단부 채널을 포함하고,
    상기 선단부 채널은 상기 선단부 채널로부터 연장되어 상기 선단부 근처로 냉각 공기를 유도하는 필름 냉각 포트를 갖고,
    상기 제1 주 채널과 상기 흡입 벽 사이의 영역에는 보조 필름 냉각 채널이 위치되고,
    상기 보조 필름 냉각 채널은 상기 선단부 채널로부터 상기 후단부를 향해 이격되어 위치되고,
    상기 보조 필름 냉각 채널은 상기 선단부 채널의 상기 필름 냉각 포트로부터 상기 후단부를 향해 이격된 위치에서 상기 흡입 벽상으로 필름 냉각 공기를 유도하기 위한 필름 냉각 포트들을 갖는 가스 터빈 엔진.
  21. 제20항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널은 상기 에어포일내에 매립되는 마이크로회로 냉각 회로이고,
    상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 영역에 추가의 냉각을 제공하도록 냉각 유체를 수용하는 가스 터빈 엔진.
  22. 제21항에 있어서, 상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 제1 주 채널 및 상기 선단부 채널보다 단면적이 작은 가스 터빈 엔진.
  23. 제21항에 있어서, 복수의 받침부는 상기 마이크로회로 냉각 회로를 가로질러 연장되는 가스 터빈 엔진.
  24. 제23항에 있어서, 상기 받침부는 복수의 다른 형상을 포함하는 가스 터빈 엔진.
  25. 제21항에 있어서, 상기 제1 주 채널 및 상기 흡입 벽 사이에서 측정된 상기 마이크로회로 냉각 회로의 두께는 대략 0.305 내지 0.635 mm(0.012 내지 0.025 in) 사이인 가스 터빈 엔진.
  26. 제21항에 있어서, 상기 마이크로회로 냉각 회로는 상기 기부로부터 상기 단부를 향해 연장되는 방향을 따라 이격되어 위치된 복수의 다른 마이크로회로를 포함하는 가스 터빈 엔진.
  27. 제20항에 있어서, 상기 에어포일은 터빈 블레이드이고, 상기 기부는 플랫폼인 가스 터빈 엔진.
  28. 제20항에 있어서, 상기 냉각 유체는 공기인 가스 터빈 엔진.
  29. 제20항에 있어서, 열 차단 코팅이 상기 에어포일에 적용되는 가스 터빈 엔진.
  30. 제20항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널은 대체로 중공 채널인 가스 터빈 엔진.
  31. 제20항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널은 상기 제1 주 채널로부터 냉각 공기를 수용하는 가스 터빈 엔진.
  32. 제20항에 있어서, 웨브가 상기 주 채널과 상기 주 채널로부터 상기 후단부를 향해 이격되어 위치된 제2 주 채널 사이에 형성되고,
    상기 보조 필름 냉각 채널의 상기 필름 냉각 포트들은 상기 웨브의 연장된 위치에 인접한 상기 흡입 벽상에 위치되는 가스 터빈 엔진.
  33. 제32항에 있어서, 상기 보조 필름 냉각 채널의 상기 필름 냉각 포트들은 상기 웨브의 상기 연장된 위치의 후단부로부터 상기 선단부를 향해 이격된 위치에서 상기 흡입 벽상으로 빠져나가는 가스 터빈 엔진.
  34. 제32항에 있어서, 상기 웨브는 상기 제1 및 제2 주 냉각 채널 사이의 폭을 갖고,
    상기 보조 필름 냉각 채널의 상기 필름 냉각 포트들은 상기 웨브의 상기 연장된 위치의 선단부 단부로부터 상기 웨브의 한 폭내의 위치에서 상기 흡입 벽상으로 빠져나가는 가스 터빈 엔진.
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