KR20070054560A - 블레이드용 마이크로회로 냉각 - Google Patents

Abstract

터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성요소는 흡입측벽 및 압력측벽에 의해 형성된 에어포일과, 흡입측벽 및 압력측벽의 적어도 하나로 통합되는 냉각 마이크로회로를 포함한다. 상기 냉각 마이크로회로는 냉각 유체가 유동하는 채널과, 터빈 블레이드의 표면 위로 냉각 유체를 분배하기 위한 적어도 하나의 방출 구멍과, 상기 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 냉각 유체가 유동하기 전에 냉각 유체의 유동을 가속하는 채널 내에 내부 특성부를 포함한다.

터빈 블레이드, 냉각 마이크로회로, 채널, 방출 구멍, 내부 특성부

Description

블레이드용 마이크로회로 냉각 {MICROCIRCUIT COOLIG FOR BLADES}

도1은 냉각 마이크로회로를 가지는 터빈 엔진 구성요소의 에어포일을 도시하는 도면.

도2는 냉각 마이크로회로에 통합되는 한 세트의 내부 특성부의 개략적인 대표도.

도3은 도2의 선 3-3을 따라 취한 냉각 마이크로회로의 단면도.

도4는 에어포일 흡입측 상에 열악한 필름 구멍 유효범위로 설계된 현재 초냉각 블레이드의 사진.

도5는 에어포일 압력측 및 선단 에지 상의 열악한 필름 구멍 유효범위로 설계된 현재 초냉각 블레이드의 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 에어포일부

11 : 냉각 유동 채널

12 : 터빈 엔진 구성요소

14 : 냉각 마이크로회로

16 : 벽

18: 방출 슬롯

20, 22, 30, 32 : 내부 특성부

44 : 냉각 구멍

본 발명은 터빈 엔진 구성요소의 냉각 마이크로회로에 통합되는 복수의 내부 특성부에 관한 것이다.

다양한 종류의 냉각 회로가 터빈 엔진 구성요소의 표면 상에 냉각 유체 유동을 생성하는데 사용되었다. 그러나, 이러한 냉각 회로는 효율적이지 않다. 도4 및 도5는 현재의 초냉각 블레이드 설계를 도시한다. 이러한 설계는 필름 및 내부 냉각 한계를 가진다. 일반적으로, 이러한 한계는 상대적으로 짧은 기간의 고온 작동 시간에 균열을 일으킨다. 도면에 도시된 바와 같이, 균열은 블레이드의 흡입 및 압력 측에서 발생한다. 현재의 냉각 회로 방출 슬롯 구성은 필름 유효범위를 한정하기 쉽다. 일부 설계에서, 슬롯으로부터의 필름은 주 고온 가스 통로에 수직으로 방출하고, 슬롯 방출 영역은 코팅에 의해 상당히 감소된다.

따라서, 좀 더 효율적인 냉각 회로가 필요하다.

본 발명에 따르면, 터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성요소에 사용하기 위해 높은 정도의 대류 효율(열 픽업)을 가지는 블레이드를 대류적으로 냉각하는 냉각 마이크로회로가 제공된다.

본 발명에 따르면, 터빈 엔진 구성요소에 사용하기 위한 냉각 마이크로회로가 제공된다. 상기 냉각 마이크로회로는 냉각 유체가 유동하는 채널과, 터빈 엔진 구성요소의 표면 위로 냉각 유체를 분배하기 위한 적어도 하나의 방출 구멍과, 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 냉각 유체를 유동시키기 전에 냉각 유체의 유동을 가속하기 위한 채널 내의 수단을 폭넓게 포함한다.

본 발명에 또한 따르면, 터빈 엔진에 사용하기 위한 터빈 블레이드가 제공된다. 터빈 블레이드는 흡입측벽 및 압력측벽에 의해 형성된 에어포일부와, 흡입측벽 및 압력측벽 중 적어도 하나에 통합되는 냉각 마이크로회로를 폭넓게 포함한다. 냉각 마이크로회로는 냉각 유체가 유동하는 채널과, 터빈 블레이드의 표면 위로 냉각 유체를 분배하기 위한 적어도 하나의 방출 구멍과, 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 냉각 유체가 유동하기 전에 냉각 유체의 유동을 가속하기 위한 채널 내의 수단을 포함한다.

본 발명의 블레이드를 위한 마이크로회로 냉각의 다른 목적 및 장점뿐 아니라 다른 상세한 설명이 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 설명되고, 동일한 도면 번호는 동일한 요소를 도시한다.

도면을 참조하면, 도1은 터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성요소(12)의 에어포일부(10)를 도시한다. 내화 금속 코어 기술의 장점 때문에, 에어포일부의 벽(16)에 냉각 마이크로회로(14)를 형성하는 것이 이제 가능하다. 냉각 마이크로회로(14)는 높은 정도의 대류 효율(열 픽업)을 가지는 블레이드를 대류적으로 냉각 하는데 사용될 수 있다. 대류 효율은 냉각제에 의한 열 픽업의 수단이다. 대류 효율은 설계 인자의 범위에 의해 증가될 수 있다. 이러한 것들은 높은 가로세로비를 가지는 단면 영역의 인자와 같은 표피 면적의 증가 및/또는 다양한 형상(원형, 타원형, 다이아몬드형, 에어포일형 등)과 같은 내부 특성부의 수단에 의한 내부 열 전달 계수를 포함한다.

내화 금속 코어 기술의 사용과 관련되는 장점 중 하나는 내화 금속 코어 시트가 에어포일 프로파일에 부합되도록 형성될 수 있다는 것이다. 이것은 높은 필름 유효범위를 가지는 필름 냉각을 위한 방출 슬롯(18)을 형성하게 한다. 이러한 방식으로, 냉각 필름 덮개는 보호 필름 냉각 덮개를 제공하는 블레이드 외벽에 인접하여 있고, 따라서 필름의 파열 및 조기 필름 부식을 피할 수 있다.

도2는 냉각 마이크로회로(14)의 냉각 유동 채널(11)에 통합될 수 있는 내부 특성부를 도시한다. 이러한 특성부는 매우 중요한 열 전달성을 가진다. 냉각 유동 채널(11)은 하나 이상의 입구(도시되지 않음)를 통해 임의의 적당한 소스(도시되지 않음)로부터 냉각 유체의 유동이 공급될 수 있다.

냉각 마이크로회로(14)에 통합될 수 있는 내부 특성부는 한 쌍의 도그레그형(dog-legged) 축받이(20, 22)와 같은 제1 세트의 내부 특성부를 포함한다. 축받이(20, 22)는 냉각 유체의 유동이 구역(24)에서 냉각 회로를 통해 가속되도록 설계 및 정렬될 수 있다. 1(unity)보다 작은 마하수를 가지는 아음속 유동 체제에 있어서, 유동 영역의 감소는 유속을 증가하게 한다. 구역(24)에서 냉각 유속이 증가함에 따라, 열 전달 계수는 증가한다. 유동이 가속되고 최대 속도를 달성함에 따라, 가능한 높은 속도를 유지하는 것이 바람직하다. 그러므로, 축받이(20, 22)는 상기 효과를 위해 구역(26)을 형성하도록 구성된다. 축받이(20, 22)에 의해 형성된 구역(28)은 터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성요소의 회전에서 기인하는 펌핑 효과를 이용하는데 사용된다.

구역(28)을 방출한 이후에, 냉각 유체 유동은 한 쌍의 형상화된 축받이(30, 32)와 같은 제2 세트의 내부 특성부와 바람직하게 직면한다. 구역(28)을 방출하는 유동이 가속됨에 따라, 그것은 축받이(30, 32) 각각의 선단 에지(34) 상에서 충돌할 것이다. 열 전달 계수는 선단 에지(34)의 직경의 함수로 증가한다. 작은 직경은 내부 열 전달 계수를 향상시킨다.

축받이(30, 32)는 상기 영역이 감소하게 변하는 수렴 섹션(36)을 형성하도록 형상화 및 위치된다. 이러한 변화는 속도가 다시 한번 높은 열 전달 계수에 이르는 증가상태로 가게 한다. 축받이(30, 32)는 냉각 계획의 다음 섹션으로 방출하기 전에 유동을 직선화하고 높은 속도를 유지하는데 사용되는 구역(38)을 제공하도록 형상화된다.

냉각 마이크로회로(14)는 에어포일부(10)의 길이를 따라 축방향으로 차례로 반복되는 상기 언급된 내부 특성부(20, 22, 30 및 32)를 가지는 많은 구성을 가질 수 있다.

냉각 마이크로회로(14)의 단부에서, 주로 눈물방울형인 일련의 내부 특성부(40)는 에어포일부(10)의 외부 표면을 따라 향상된 필름 냉각 덮개를 제공하는 방식으로 냉각 유동을 유도하도록 배치될 수 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 특성부(20, 22, 30 및 32)의 단부에서 후단 에지는 축방향으로부터 약 4도 내에서 상부 및 하부 두 개를 가지는 형태의 웨지를 가진다. 설명된 바와 같이, 필름 냉각은 그것이 구역(42)로 방출됨에 따라 터빈 엔진 구성요소(10)의 표면에 인접될 수 있다. 이러한 필름 냉각은 특성부(20, 22) 각각에 배치된 냉각 구멍(44) 외부의 다른 필름 열을 도입함으로써 향상될 수 있다. 각각의 냉각 구멍(44)은 블레이드 내부 공기 플리넘으로부터와 같이 임의의 적당한 방식으로 냉각 유체의 유동이 제공될 수 있다. 이것은 각 구멍(44)이 특성부 및 에어포일 벽을 통해 기계가공됨으로써, 특성부(20, 22)의 대류 냉각 및 필름 슈퍼포지션(superposition)을 가능하게 한다. 이것은 회전 블레이드에 발생하는 큰 열 부하로부터 압력측 후단 에지를 보호하기 위해 특히 중요하다.

이후에 설명되는 내부 특성부는 내부 특성부의 형상으로 구멍을 가지도록 레이저 절단된 내화 금속 코어를 사용하여 제작될 수 있다.

본 발명이 단일 냉각 마이크로회로의 구성에서 설명되었지만, 에어포일부(10)의 벽에 형성된 각각의 냉각 마이크로회로가 이후에 설명된 내부 특성부에 이용될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 당업자들에게 명백하다.

본 발명이 터빈 블레이드의 구성으로 설명되었지만, 냉각 마이크로회로는 다른 터빈 엔진 구성요소에 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성요소에 사용하기 위해 높은 정도의 대류 효율(열 픽업)을 가지는 블레이드를 대류적으로 냉각하는 냉 각 마이크로회로를 제공할 수 있다.

Claims (22)

1. 터빈 엔진 구성요소에 사용하기 위한 냉각 마이크로회로이며,

   냉각 유체가 유동하는 채널과,

   상기 터빈 엔진 구성요소의 표면 위로 냉각 유체를 분배하기 위한 적어도 하나의 방출 구멍과,

   상기 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 상기 냉각 유체가 유동하기 전에 냉각 유체의 유동을 가속하기 위한 상기 채널 내의 수단을 포함하는 냉각 마이크로회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 가속하기 위한 수단은 상기 채널 내에 위치된 제1 세트의 내부 특성부를 포함하고, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 제1 유동 가속 구역을 생성하도록 서로에 대해 형상화 및 위치되는 냉각 마이크로회로.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 유동 가속 구역은 상기 제1 세트의 내부 특성부에 의해 생성된 수렴 영역을 포함하고, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 냉각 유속을 유지하기 위한 구역을 생성하는 냉각 마이크로회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 상기 터빈 엔진 구성요소의 회전에 의해 생성되는 펌핑 효과를 이용하는 구역을 생성하는 냉각 마이크로회로.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 한 쌍의 도그레그형 내부 특성부를 포함하는 냉각 마이크로회로.
6. 제2항에 있어서, 상기 가속하기 위한 수단은 제1 세트의 내부 특성부의 후단 에지부 근처에 위치한 제2 세트의 내부 특성부를 포함하고, 상기 제2 세트의 내부 특성부는 한 쌍의 내부 특성부를 포함하고 상기 한 쌍의 내부 특성부의 각각은 내부 열 전달 계수를 향상시키는 직경을 가지는 선단 에지를 구비하는 냉각 마이크로회로.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2 세트의 내부 특성부는 냉각 유체의 유동을 가속하도록 상기 선단 에지에 인접한 수렴 섹션을 생성하도록 형상화 및 위치되는 냉각 마이크로회로.
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 세트의 내부 특성부는 상기 수렴 섹션에 인접한 구역을 생성하도록 형상화 및 위치되고, 냉각 유체의 속도는 유지되고, 냉각 유체의 유동은 직선화되는 냉각 마이크로회로.
9. 제6항에 있어서, 상기 냉각 유체가 상기 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 방출하기 전에 냉각 유체의 유동을 직선화하는 수단을 더 포함하고, 상기 직선화하는 수단은 복수의 눈물방울형 내부 특성부를 포함하는 냉각 마이크로회로.
10. 제2항에 있어서, 제1 세트의 내부 특성부의 필름 수퍼포지션 및 대류 냉각을 위한 필름 냉각 구멍의 추가 열을 더 포함하는 냉각 마이크로회로.
11. 제10항에 있어서, 상기 필름 냉각 구멍의 추가 열은 상기 내부 특성부 각각을 통해 기계가공된 구멍에 의해 형성되는 냉각 마이크로회로.
12. 흡입측벽 및 압력측벽에 의해 형성된 에어포일부와,

    흡입측벽 및 압력측벽 중 적어도 하나에 통합되는 냉각 마이크로회로를 포함하는 터빈 블레이드이며,

    상기 냉각 마이크로회로는 냉각 유체가 유동하는 채널과, 상기 터빈 블레이드의 표면 위로 냉각 유체를 분배하기 위한 적어도 하나의 방출 구멍과, 상기 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 상기 냉각 유체가 유동하기 전에 냉각 유체의 유동을 가속하기 위한 상기 채널 내의 수단을 포함하는 터빈 블레이드.
13. 제12항에 있어서, 상기 가속하기 위한 수단은 상기 채널 내에 위치된 제1 세트의 내부 특성부를 포함하고, 제1 유동 가속 구역을 생성하도록 서로에 대해 형상화 및 위치되는 터빈 블레이드.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 유동 가속 구역은 상기 제1 세트의 내부 특성부 에 의해 생성된 수렴 영역을 포함하고, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 냉각 유속을 유지하기 위한 구역을 생성하는 터빈 블레이드.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 상기 터빈 엔진 구성요소의 회전에 의해 생성된 펌핑 효과를 이용하는 구역을 생성하는 터빈 블레이드.
16. 제15항에 있어서, 상기 제1 세트의 내부 특성부는 한 쌍의 도그레그형 내부 특성부를 포함하는 터빈 블레이드.
17. 제13항에 있어서, 상기 가속하기 위한 수단은 제1 세트의 내부 특성부의 후단 에지부 근처에 위치된 제2 세트의 내부 특성부를 포함하고, 상기 제2 세트의 내부 특성부는 한 쌍의 내부 특성부를 포함하고 상기 한 쌍의 내부 특성부의 각각은 내부 열 전달 계수를 향상시키는 직경을 가지는 선단 에지를 구비하는 터빈 블레이드.
18. 제17항에 있어서, 상기 제2 세트의 내부 특성부는 냉각 유체의 유동을 가속하도록 상기 선단 에지에 인접한 수렴 섹션을 생성하도록 형상화 및 위치되고, 상기 제2 세트의 내부 특성부는 상기 수렴 섹션에 인접한 구역을 생성하도록 형상화 및 위치되고, 냉각 유체의 속도는 유지되고, 냉각 유체의 유동은 직선화되는 터빈 블레이드.
19. 제17항에 있어서, 상기 냉각 유체가 상기 적어도 하나의 방출 구멍을 통해 방출하기 전에 냉각 유체의 유동을 직선화하는 수단을 더 포함하는 터빈 블레이드
20. 제19항에 있어서, 상기 직선화하는 수단은 복수의 눈물방울형 내부 특성부를 포함하는 터빈 블레이드.
21. 제13항에 있어서, 제1 세트의 내부 특성부의 필름 수퍼포지션 및 대류 냉각을 위한 필름 냉각 구멍의 추가 열을 더 포함하는 터빈 블레이드.
22. 제21항에 있어서, 상기 필름 냉각 구멍의 추가 열은 상기 내부 특성부 각각을 통해 기계가공된 구멍에 의해 형성되는 터빈 블레이드.

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