KR20110074942A

KR20110074942A - 터빈 정익 및 가스 터빈

Info

Publication number: KR20110074942A
Application number: KR1020117012166A
Authority: KR
Inventors: 사토시 하다; 게이조 츠카고시
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-07-04
Also published as: US20110123351A1; JP5107463B2; EP2431573A4; JPWO2010131385A1; EP2431573A1; EP2431573B1; CN102224322B; US8662844B2; CN102224322A; KR101239595B1; WO2010131385A1

Abstract

익형부(11)는, 격벽(P)에서 익형부(11)의 내부를 전연(LE)측으로부터 후연(TE)측을 향하여 복수로 구분한 공간인 동시에, 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 공간으로, 익체(21)의 내벽에 분할부(22)를 구비한 냉각실(C1, C2, C3)과, 냉각실(C1, C2, C3)에 배치되어 복수의 임핀지먼트 구멍(34)을 구비한 삽입통(31)과, 익체(21)에 천설된 필름 구멍(23)을 구비하고 있다. 삽입통(31)은 전연(LE)측으로부터 후연(TE)측을 향하여 연장되는 동시에, 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 칸막이부(32)를 구비하고 있다. 삽입통(31)의 내부는, 정압면(PS)측의 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)과, 부압면측의 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)으로 분할되어 있다.

Description

터빈 정익 및 가스 터빈{TURBINE STATOR VANE AND GAS TURBINE}

본 발명은 가스 터빈에 있어서 냉각 구조를 갖는 터빈 정익 및 가스 터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 가스 터빈에 있어서 터빈 동익 및 터빈 정익은 고온 환경에서 이용되는 것이기 때문에, 내부에 냉각 구조가 마련되어 있는 경우가 많다.

예를 들면, 터빈 정익을 냉각하는 구성으로서, 내부에 2로부터 3의 냉각 공기가 유통하는 공동(튜브)이 마련되고, 상기 튜브의 내부에 인서트(삽입통)가 배치되어 있는 구성이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 4 참조).

상술의 구성의 경우, 인서트와, 튜브의 내벽 사이에는 기본적으로 하나의 공간(캐비티)이 형성되어 있다. 상기 캐비티의 내부를 영역에 의해 다른 압력으로 컨트롤 할 경우에는, 상기 캐비티를 분할하는 시일 댐 등을 마련하는 것에 의해 실행하는 방법이 알려져 있다.

인서트의 내부에는 터빈 정익의 냉각용 공기가 차실압과 같은 압력으로 공급되어 있다. 냉각용 공기는 인서트에 형성된 다수의 작은 구멍으로부터 상술의 튜브 내벽을 향하여 불어넣어져, 터빈 정익의 냉각에 이용된다[임핀지먼트(impingement) 냉각].

임핀지먼트 냉각에 이용된 냉각용 공기는 캐비티와 터빈 정익의 외부와 연결되는 관통 구멍을 통하여 캐비티로부터 터빈 정익의 외측으로 취출(吹出)된다. 취출된 냉각용 공기는 터빈 정익의 외면을 막 형상으로 덮는 것에 의해, 고온 가스로부터 터빈 정익에의 열의 유입을 저감시키고 있다(필름 냉각).

상술의 필름 냉각을 적정하게 실행하기 위해서는, 캐비티의 내부와, 터빈 정익의 외측과의 사이의 압력 차이를 가능한 한 낮출 필요가 있다.

도 7은 종래의 터빈 정익(60)의 블레이드 횡단면도를 도시하는 것이다.

터빈 정익(60)의 익체(71)를 형성하는 익형부(61)에는 그 내부에 전연(LE)으로부터 후연(TE)에 걸쳐서, 복수의 냉각실(C1, C2, C3)이 배치되고, 각 냉각실에는 각각 인서트(81)가 배치되어 있다. 익형부(61)에 공급되는 냉각 공기는 인서트(81)에 공급되고, 인서트(81)에 천설된 임핀지먼트 구멍(84)으로부터 캐비티 공간[익체(71)의 내벽(71a)과 인서트(81)로 둘러싸인 공간]으로 취출하고, 익체(71)의 내벽(71a)을 임핀지먼트 냉각한다. 그후, 익형부(61)에 마련된 필름 구멍(73)으로부터 연소 가스중으로 배출시켜, 익형부(61)의 익체(71)의 외벽(71b)을 필름 냉각하고 있다.

그렇지만, 도 7에 도시하는 바와 같이, 연소 가스가 흐르는 터빈 정익(60)의 익형부(61)의 외표면은, 일반적으로 블레이드가 볼록형상으로 만곡하는 부압면(負壓面)(SS)측(배측)은 연소 가스 압력이 낮아지고, 오목형상으로 만곡하는 정압면(正壓面)(PS)측(복측)은 연소 가스 압력이 높아져 있다. 그 때문에, 필름 구멍(73)을 거쳐서 연소 가스중으로 연통하고 있는 캐비티 공간의 압력은 필름 구멍 전후의 차압(差壓)(필름 차압)을 적정하게 유지하기 때문에, 정압면(PS)측(복측)에서 고압이 되고, 부압면(SS)측(배측)에서 저압이 된다.

즉, 인서트(81)의 임핀지먼트 구멍(84)으로부터 캐비티 공간에 취출한 냉각 공기는 정압면(PS)측(복측)에서 내뿜는 공기의 유속은 늦고, 부압면(SS)측(배측)에서 공기의 유속은 빨라진다. 그 때문에, 정압면(PS)측(복측)에 비교해서, 부압면(SS)측(배측)에서 익체가 과잉으로 냉각되는 경향이 있다.

이 현상을 억제하기 위하여, 익체(71)의 내벽(71a)의 전연(LE)측 및 후연(TE)측에, 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 돌기 형상의 시일 댐(72)을 마련하고, 캐비티 공간을 정압면측 캐비티 공간(CP)과 부압면측 캐비티 공간(CS)으로 분할하고 있다. 시일 댐(72)은 각 냉각실에 적어도 2개소[전연(LE)측 및 후연(TE)측의 내벽(72a) 또는 격벽(P)]에 배치되어 있다.

시일 댐(72)은 인서트(81)를 익체(71)의 내벽(71a)측으로부터 지지하는 목적 이외에, 캐비티 공간을 정압면측 캐비티 공간(CP)과 부압면측 캐비티 공간(CS)으로 분리하고, 정압면측 캐비티 공간(CP)과 부압면측 캐비티 공간(CS)이 연통하는 것을 방지하며, 캐비티 공간의 압력을 정압면(PS)측(배측)과 부압면(SS)측(배측)으로 바꾸는 것을 목적으로 하고 있다.

이 시일 댐(72)은 익체(71)의 전연(LE)측 및 후연(TE)측의 내벽(71a)에 따라 블레이드 종단면 방향으로 연장하는 돌기물이고, 시일 댐(72)의 단면 중앙부에는 블레이드 종단면 방향을 따라 요홈(72a)이 마련되어 있다.

한편, 인서트(81)의 외표면[익체(71)의 내벽(71a)측에 대향하는 면]의 전연(LE)측 및 후연(TE)측에는 블레이드 종단면 방향 및 블레이드 횡단면 방향으로 연장하는 칼라부(83)가 적어도 2개소 마련되고, 이 칼라부(83)가 시일 댐(72)의 요홈(72a)내에 삽입된다. 칼라부(83)와 시일 댐(72)은 요홈(72a) 내에서 서로 접촉하고, 고압측의 정압면측 캐비티 공간(CP)과 저압측의 부압면측 캐비티 공간(CS)을 절연하여, 양쪽 공간의 차압을 시일하고 있다.

도 7에 있어서, 인서트(81)로부터 임핀지먼트 구멍(84)을 거쳐서 캐비티 공간으로 취출하고, 익형부(61)에 마련한 필름 구멍(73)을 거쳐서 연소 가스중으로 배출되는 냉각 공기의 흐름을 이하에 설명한다.

터빈 정익(60)의 외벽(71b)을 흐르는 연소 가스는 정압면(PS)측(복측)에서 압력이 높고, 부압면(CS)측(배측)에서 압력이 낮아진다. 익체(71)를 냉각하는 냉각 공기는 인서트(81) 내에 연소 가스압보다 높은 압력으로 공급된다. 냉각 공기는 인서트(81)에 마련한 임핀지먼트 구멍(84)을 거쳐서, 정압면측 캐비티 공간(CP) 및 부압면측 캐비티 공간(CS)에 불기 시작하고, 익체(71)의 내벽(71a)을 임핀지먼트 냉각한다.

또한, 인서트(81)로부터 정압면측 캐비티 공간(CP)에 불기 시작한 냉각 공기는 익형부(61)의 익체(71)의 정압면(PS)측(복측)에 마련한 필름 구멍(73)을 거쳐서 연소 가스중으로 배출된다. 부압면측 캐비티 공간(CS)에 불기 시작한 냉각 공기는, 익형부(62)의 부압면(CS)측(배측)에 마련한 필름 구멍(73)을 거쳐서 연소 가스중으로 배출한다. 익체(71)의 정압면(PS)측 및 부압면(SS)측을 흐르는 연소 가스압의 차이에 의해, 정압면측 캐비티 공간(CP)의 압력은 부압면측 캐비티 공간(CS)의 압력보다 높아진다.

미국 특허 제 4,312,624 호 명세서 일본 공개 특허 제 2002-161705 호 공보 일본 공개 특허 제 2003-286805 호 공보 일본 공개 특허 제 1997-112205 호 공보

그렇지만, 도 7에 도시하는 종래예는 냉각실(C1, C2, C3) 내에 각 1개의 인서트(81)를 배치한 예로서, 인서트(81)에 공급되는 냉각 공기는 임핀지먼트 구멍(84)을 거쳐서, 정압면측 캐비티 공간(CP) 및 부압면측 캐비티 공간(CS)으로 공급되고, 익체(71)의 내벽(71a)을 임핀지먼트 냉각한 후, 익형부(61)의 외면을 필름 냉각한다. 그렇지만, 냉각실 내에 1개의 인서트(81)만 마련했을 경우, 적절한 필름 냉각을 실행하는 것이 어렵다.

즉, 상술의 구성에서는 연소 가스의 상류측에 있는 정압면(PS)측(복측)의 익체(71)는 연소 가스의 하류측에 있는 부압면(SS)측(배측)의 익체(71)보다 고온이 되기 때문에, 정압면(PS)(복측)의 익체(71)는 부압면(SS)(배측)의 익체(71)보다 임핀지먼트 냉각을 강화할 필요가 있다.

한편, 정압면측 캐비티 공간(CP)은 부압면측 캐비티 공간(CS)보다 고압이기 때문에, 인서트(81) 내와 캐비티 공간의 차압이 정압면측 캐비티 공간(CP)에서 작고, 부압면측 캐비티 공간(CS)에서 커진다. 따라서, 정압면(PS)(복측)의 익체(71)의 내벽(71a)에 대한 임핀지먼트 냉각을 충분히 효과가 있게 하기 위해서는, 정압면측 캐비티 공간(CP)에 연통하는 임핀지먼트 구멍(84)의 구멍수의 밀도를 크게 하고, 부압면측 캐비티 공간(CS)에 연통하는 임핀지먼트 구멍(84)의 구멍수의 밀도를 작게 할 필요가 있다.

이러한 구멍수의 조정을 실행하지 않으면, 정압면(PS)(복측)의 익체에 비교해서, 부압면(SS)(배측)의 익체에 대한 임핀지먼트 냉각이 강해져, 부압면(SS)(배측)에서의 냉각 공기량이 증가한다. 즉, 정압면(PS)(복측)에 대하여, 부압면(SS)(배측)에의 임핀지먼트 냉각의 공기량이 과잉이 되고, 부압측(SS)(배측)의 익체가 지나치게 차가워져, 블레이드 전체의 냉각 공기량이 증가하여, 가스 터빈의 냉각 효율을 저하시키게 된다.

그렇지만, 부압측(SS)(배측)의 익체의 임핀지먼트 구멍수의 밀도를 정압면(PS)(복측)의 익체의 임핀지먼트 구멍수의 밀도보다 작게 하면, 부압면(SS)(배측)의 익체에서는 임핀지먼트 구멍의 구멍 피치가 넓어지고, 익체에 온도 얼룩이 생기며, 익체의 열응력이 증가한다는 문제가 있었다.

또한, 상술한 바와 같이, 정압면측 캐비티 공간(CP)의 압력은 부압면측 캐비티 공간(CS)의 압력보다 고압이기 때문에, 인서트(81) 내와, 캐비티 공간의 차압은 정압면측 캐비티 공간(CP)에서는 작지만, 부압면측 캐비티 공간(CS)에서는 상대적으로 커진다. 그 때문에, 인서트(81)의 부압면(SS)(배측)에서는, 도 7에서 파선으로 도시하는 바와 같이, 인서트(81)가 블레이드 횡단면의 외측을 향하여 팽창하고, 인서트 전체가 변형한다는 문제가 있었다.

또한, 인서트가 변형하면 인서트 칼라부(83)와 시일 댐(72)의 요홈(72a) 사이의 시일성이 악화하고, 도 7에서 화살표 방향으로 도시하는 바와 같이, 정압면측 캐비티 공간(CP)으로부터 부압면측 캐비티 공간(CS)을 향하여 냉각 공기가 누출되며, 부압측 캐비티와, 정압측 캐비티 사이의 시일성이 악화한다는 문제가 있었다.

인서트의 변형을 억제하기 위해서, 인서트에 리브(rib)나 딤플(dimple)을 마련하여 인서트의 강도를 향상시키는 방법이나, 인서트의 판 두께를 두껍게 하여 인서트의 강도를 향상시키는 방법 등이 생각된다. 그렇지만, 상술의 인서트의 강도를 향상시키는 방법에서는, 인서트의 제조성이 악화한다는 문제가 있었다.

상기의 문제점은 도 7에 도시하는 가장 전연(LE)측에 가까운 냉각실(C1)의 이외에, 인접하는 다른 냉각실(C2)에 있어서도, 마찬가지로 존재한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 인서트 공간과 정압면측 캐비티 공간 사이, 및 인서트 공간과 부압면측 캐비티 공간 사이의 적정한 차압을 선정하고, 익체에 대한 적정한 임핀지먼트 냉각을 실현하며, 또한 인서트의 변형을 억제하는 것에 의해, 익형부의 필름 냉각의 냉각성 향상을 도모할 수 있는 터빈 정익 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.

본 발명의 제 1 형태에 따른 터빈 정익은, 오목형상으로 만곡하는 정압면 및 볼록형상으로 만곡하는 부압면을 갖는 익형부와, 터빈 케이싱에 지지된 외측 슈라우드(shroud)와, 상기 익형부를 거쳐서 외측 슈라우드에 접속하는 내측 슈라우드로부터 구성되는 터빈 정익에 있어서, 상기 익형부는 격벽에서 상기 익형부의 내부를 전연측으로부터 후연측을 향하여 복수로 구분한 공간인 동시에, 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 공간으로, 익체의 내벽에 분할부를 구비한 냉각실과, 상기 냉각실에 배치되고, 복수의 임핀지먼트 구멍을 구비한 삽입통과, 상기 익체에 천설된 필름 구멍을 구비하며, 상기 삽입통은 상기 전연측으로부터 상기 후연측을 향하여 연장되는 동시에, 상기 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 칸막이부를 구비하고, 상기 삽입통의 내부는 상기 정압면측의 정압면측 인서트 공간과, 상기 부압면측의 부압면측 인서트 공간으로 분할되어 있다.

본 발명의 제 1 형태에 따른 터빈 정익에 의하면, 정압면측 인서트 공간 및 부압면측 인서트 공간에 다른 압력의 냉각용 유체를 공급할 수 있다. 그 때문에, 정압면측 인서트 공간과 정압면측 캐비티 공간 사이, 및 부압면측 인서트 공간과 부압면측 캐비티 공간 사이에서 적정한 차압을 선정할 수 있다.

여기에서, 정압면측 캐비티 공간은 분할부에 의해 분할된 냉각실과 삽입통 사이의 2개의 공간중 정압면측의 공간이며, 부압면측 캐비티 공간은 부압면측의 공간이다.

이것에 의해, 삽입통에 형성되는 임핀지먼트 구멍의 구멍수의 밀도를 적정한 값으로 선정할 수 있다. 특히, 차압이 확대하기 쉬운 부압면측 인서트 공간과 부압면측 캐비티 공간과의 사이에 있어서 임핀지먼트 구멍의 구멍수의 밀도를 향상시키고, 임핀지먼트 냉각에 의한 냉각성 향상을 도모할 수 있다. 그 결과, 익체의 열응력이 완화되어, 블레이드 전체의 냉각 공기량을 저감할 수 있다.

또한, 정압면측 및 부압면측에 있어서, 정압면측 인서트 공간과 정압면측 캐비티 공간 사이, 및 부압면측 인서트 공간과 부압면측 캐비티 공간 사이의 차압 확대를 억제하고, 삽입통의 변형을 억제할 수 있다.

또한, 삽입통의 변형을 억제하는 것으로, 분할부와 삽입통 사이의 시일성 저하를 억제할 수 있다.

분할부와 삽입통 사이의 시일성 저하를 억제하는 것으로, 정압면측 캐비티 공간 및 블레이드형부 외부의 정압면측과의 사이의 압력 차이나, 부압면측 캐비티 공간 및 블레이드형부 외부의 부압면측과의 사이의 압력 차이를 소정의 범위 내에 들게 할 수 있다. 그 때문에, 필름 구멍으로부터 익형부의 외측에 유출하는 냉각용 유체의 유속을 소정의 범위 내에 들게 할 수 있고, 필름 냉각에 의한 냉각성을 확보할 수 있다.

삽입통에 부가되는 상술의 차압에 기인하는 힘의 증가가 억제된다. 그 때문에, 삽입통의 강도를 확보하는 림이나 딤플 등의 가공을 실행할 필요성이 저감하고, 삽입통의 판 두께의 증가를 억제할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 칸막이부는 상기 정압면측 인서트 공간 및 상기 부압면측 인서트 공간을 연결하는 연통 구멍을 구비하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 가스 터빈의 운전 조건의 변동에 의해, 익형부의 외면의 부압면측의 필름 공기량이 증가하고, 부압면측 인서트 공간의 압력이 저하해도, 연통 구멍을 거쳐서 정압면측 인서트 공간보다 냉각 공기가 적절히 공급되므로, 부압면측 인서트 공간의 압력 변동이 억제되어, 부압면측의 익형부에 있어서 필름 냉각을 확실하게 실행할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 부압면측 인서트 공간은 상기 삽입통과, 상기 칸막이부와, 상기 외측 슈라우드 및 상기 내측 슈라우드에 배치된 압력 조정판으로 둘러싸인 공간인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 부압면측 인서트 공간에 공급되는 냉각 공기는 압력 조정판에 의해 항상 적정한 압력에 조정되기 때문에, 익체의 양호한 냉각 성능을 얻을 수 있으며, 인서트의 변형도 없다.

본 발명의 제 2 형태에 따른 가스 터빈은 상기의 터빈 정익을 갖는 터빈부가 마련되어 있는 가스 터빈이다.

본 발명의 제 2 형태에 따른 가스 터빈에 의하면, 상기의 터빈 정익을 갖기 때문에, 임핀지먼트 냉각 및 필름 냉각의 냉각성 향상을 도모할 수 있다.

본 발명의 터빈 정익 및 가스 터빈에 의하면 정압면측 인서트 공간 및 부압면측 인서트 공간에 다른 압력의 냉각용 유체를 공급할 수 있기 때문에 익체의 열응력이 완화되고, 임핀지먼트 냉각 및 필름 냉각의 냉각성 향상을 도모할 수 있기 때문에 냉각 공기량이 저하하는 효과를 낼 수 있다. 또한, 인서트 변형이 억제되고, 시일성 향상이 향상하는 효과를 낸다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 터빈 정익을 갖는 가스 터빈의 구성을 설명하는 모식도,
도 2는 도 1의 터빈 정익의 구성을 설명하는 블레이드 종단면도,
도 3은 도 1의 터빈 정익의 구성을 설명하는 블레이드 횡단면도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 터빈 정익의 구성을 설명하는 블레이드 종단면도,
도 5는 도 4의 터빈 정익의 구성을 설명하는 블레이드 횡단면도,
도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 터빈 정익의 구성을 설명하는 블레이드 종단면도,
도 7은 종래의 터빈 정익의 인서트의 구성을 도시하는 블레이드 횡단면도.

본 발명의 제 1 실시형태에 따른 터빈 정익 및 가스 터빈의 구성에 대해서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시형태에서는 본 발명의 터빈 정익의 구성을 가스 터빈의 터빈부에 있어서 1단 정익이나 2단 정익에 적용하여 설명한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 터빈 정익을 구비한 가스 터빈의 구성을 설명하는 모식도이다. 가스 터빈(1)에는 도 1에 도시하는 바와 같이, 압축부(2)와, 연소부(3)와, 터빈부(4)와, 회전축(5)이 마련되어 있다.

압축부(2)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 외부에서 공기를 흡입하여 압축하고, 압축된 공기를 연소부(3)로 공급하는 것이다. 압축부(2)에는 회전축(5)을 거쳐서 터빈부(4)로부터 회전 구동력이 전달되고, 회전 구동되는 것에 의해 압축부(2)는 공기를 흡입하여 압축한다.

연소부(3)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 외부로부터 공급된 연료와 압축부(2)로부터 공급된 압축 공기를 혼합하고, 혼합기를 연소시켜서 고온 연소 가스를 생성하고, 생성된 고온 연소 가스를 터빈부(4)에 공급하는 것이다.

터빈부(4)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 공급된 고온 연소 가스로부터 회전 구동력을 추출하고, 회전축(5)을 회전 구동하는 것이다. 터빈부(4)에는 가스 터빈(1)의 케이싱(6)에 장착되는 터빈 정익(7)과, 회전축(5)에 장착되어 회전축(5)과 함께 회전하는 터빈 동익(8)이 둘레 방향에 등간격으로 나란히 배치되어 있다.

터빈 정익(7)과 터빈 동익(8)은 연소부(3)로부터 공급된 고온 연소 가스의 하류 방향을 향하여, 터빈 정익(7), 터빈 동익(8)의 순서대로 교대로 늘어서서 배치되어 있다. 한쌍의 터빈 정익(7) 및 터빈 동익(8) 세트를 단이라 부르고, 연소부(3)측으로부터 제 1 단, 제 2 단 ··· 이라고 센다.

회전축(5)은 도 1에 도시하는 바와 같이, 터빈부(4)로부터 압축부(2)에 회전 구동력을 전달하는 것이다. 회전축(5)에는 압축부(2) 및 터빈부(4)가 마련되어 있다.

터빈 정익(7)을 냉각하기 위한 냉각 공기는 압축부(2)로 가압된 압축 공기의 일부를 추기하고, 추기 배관(도시하지 않음)을 경유하여 터빈부(4)에 공급되는 냉각 공기를 유용(流用)한다. 터빈부(4)에 공급된 냉각 공기는 연락 배관(도시하지 않음)을 경유하여 터빈 정익(7)의 외측 슈라우드 또는 내측 슈라우드에 공급된다.

다음에, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 터빈 정익에 대해서, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 실시형태에 따른 터빈 정익의 구성을 설명하는 블레이드 종단면도이다. 도 3은 본 실시형태에 따른 터빈 정익의 블레이드 횡단면도이다.

본 실시형태의 터빈 정익(10)은 가스 터빈에 있어서 터빈부의 정익에 있어서, 임핀지 냉각 구조 및 필름 냉각 구조를 갖는 것이다.

터빈 정익(10)에는 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 익형부(11)와, 내측 슈라우드(12)와, 외측 슈라우드(13)가 중심인 구성 요소로 마련되어 있다.

익형부(11)는 터빈 정익(10)의 익체(21)의 외형을 구성하는 것으로서, 고온의 연소 가스가 그 주위를 흐르는 것이다. 도 2에서는 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 익형부(11)의 횡단면도가 도시되어 있다.

익형부(11)에는 도 2에 도시하는 바와 같이, 정압면(PS)과, 부압면(SS)과, 전연(LE)과, 후연(TE)과, 냉각실(C1, C2, C3)과, 시일 댐(분할부)(22)과, 필름 구멍(23)이 마련되어 있다.

또한, 익형부(11)에는 그 내부에 전연(LE)으로부터 후연(TE)에 걸쳐서, 복수의 냉각실(C1, C2, C3)이 배치되고, 각 냉각실(C1, C2, C3)은 서로 판형상의 격벽(P)으로 분할되어 있다. 격벽(P)은 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 동시에, 정압면(PS) 및 부압면(SS)과 교차하는 방향으로 연장되는 판형상의 부재로서, 익형부(11)의 내부에 배치된 부재이다.

또한, 본 실시형태에서는 냉각실이 3개(C1, C2, C3)의 경우를 도시하고 있지만, 4개 이상이어도 본 발명을 적용할 수 있고, 2개의 경우라도 적용할 수 있다.

정압면(PS)은 도 2에 도시하는 바와 같이, 부압면(SS)과 함께 익형부(11)의 익체(21)의 외형을 구성하는 면에 있어서, 오목형상으로 만곡한 복측의 면이다.

부압면(SS)은 정압면(PS)과 함께 익형부(11)의 외형을 구성하는 면에 있어서, 볼록형상으로 만곡한 배측의 면이다.

전연(LE)은 도 2에 도시하는 바와 같이, 익형부(11)에 있어서 정압면(PS)과 부압면(SS)의 경계 부분에 있어서, 연소 가스 흐름에 대하여 상류측의 부분이다.

후연(TE)은, 익형부(11)에 있어서 정압면(PS)과 부압면(SS)의 경계 부분에 있어서, 연소 가스 흐름에 대하여 하류측의 부분이다.

냉각실(C1, C2, C3)은 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 내부에 인서트(31)가 배치되는 공간으로, 터빈 정익(10)의 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 공간이다. 또한, 냉각실(C1, C2, C3)은 시일 댐(22)을 거쳐서, 인서트(31)와의 사이에 정압면측 캐비티 공간(캐비티 공간)(CP1, CP2) 및 부압면측 캐비티 공간(캐비티 공간)(CS1, CS2)을 형성하는 것이다.

시일 댐(22)은 도 2에 도시하는 바와 같이, 냉각실(C1, C2)의 전연(LE)측 및 후연(TE)측의 내벽(21a) 또는 격벽(P)을 따라, 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 돌기 부재로서, 인서트(31)와 내벽(21a) 사이에 형성된 캐비티 공간을 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2) 및 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)으로 분할하는 것이다. 또한, 한쌍의 시일 댐(22)중 전연(LE)측의 것은, 냉각실(C1, C2)의 벽면에 있어서 전연(LE)의 근방에 마련되고, 후연(TE)측의 것은 냉각실(C1, C2)의 벽면중의 격벽(P)에 마련되어 있다.

돌기 형상의 시일 댐(22)의 단면 중앙부에는 블레이드 종단면 방향을 따라 요홈(22a)이 마련되어 있다. 또한, 인서트(31)의 벽면으로부터 블레이드 종단면 방향 및 블레이드 횡단면 방향에서 시일 댐(22)을 향하여 연장되는 칼라부(33)가 요홈(22a)에 삽입되고, 인서트(31)와 익체(21)의 내벽(21a) 사이에 형성된 캐비티 공간을 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2) 및 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)으로 구분하고 있다.

또한, 냉각실(C1, C2, C3)중 가장 후연(TE)측에 가까운 냉각실[본 실시예에서는 (C3)]은 인서트(31) 내의 캐비티 공간을 고압측과 저압측으로 구분할 필요가 없다. 즉, 냉각실(C3)에는 인서트(31)의 칸막이부나 시일 댐이 배치되어 있지 않다.

필름 구멍(23)은 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 터빈 정익(10)을 필름 냉각하는 것에 있어서, 정압면측 캐비티 공간(CP) 또는 부압면측 캐비티 공간(CS)으로부터, 터빈 정익(10)의 외부를 향하여 연장되는 관통 구멍이다.

정압면측 캐비티 공간(CP)과 연통하는 필름 구멍(23)의 구멍수의 밀도는 정압면측 캐비티 공간(CP)에 있어서 냉각용 공기의 압력과, 정압면(PS) 근방에 있어서 연소 가스의 압력의 차압에 근거하여 정해져 있다. 부압면측 캐비티 공간(CS)과 연통하는 필름 구멍(23)의 구멍수의 밀도도 마찬가지로, 부압면측 캐비티 공간(CS)에 있어서 냉각용 공기의 압력과, 부압면(SS) 근방에 있어서 연소 가스의 압력의 차압에 근거하여 정해져 있다.

인서트(31)는 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 냉각실(C1, C2, C3)의 내부에 배치되는 통형상으로 형성된 부재에 있어서, 내부에 터빈 정익(10)을 냉각하는 공기가 공급되는 것이다.

인서트(31)는 배치되는 냉각실(C1, C2, C3)과 대략 상사(相似)한 형태에 있어서, 냉각실(C1, C2, C3)의 벽면과의 사이에 캐비티 공간이 형성되는 형상으로 형성되어 있다.

인서트(31)는 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 중앙부에 칸막이부(32)를 구비하고, 인서트(31)를 복측과 배측으로 완전히 분할하는 것이다. 또한, 인서트(31)의 벽면에는, 정압면(PS)측 및 부압면(SS)측의 내벽(21a)에 대향하는 면에 임핀지먼트 구멍(34)이 마련되어 있다.

칸막이부(32)는 인서트(31)의 내부에 마련된 인서트 공간을 정압면측 인서트 공간(인서트 공간)(IP1, IP2) 및 부압면측 인서트 공간(인서트 공간)(IS1, IS2)으로 분할하는 것이다.

칸막이부(32)는, 인서트(31)의 내부를 블레이드 종단면 방향(도 2의 지면에 대하여 수직 방향)으로 연장되는 판형상의 부재에 있어서, 인서트(31)에 있어서 전연(LE)측의 시일 댐(22)과 접촉하는 부분으로부터, 후연(TE)측의 시일 댐(22)을 향하여 연장되는 것이다.

임핀지먼트 구멍(34)은 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 터빈 정익(10)의 익형부(11)를 임핀지 냉각하는 것에 있어서, 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)과 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)을 연통시키는 관통 구멍, 또는 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)을 연통시키는 관통 구멍이다.

정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)과 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)을 연통시키는 임핀지먼트 구멍(34)의 구멍수의 밀도는, 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)과 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)과의 사이의 냉각용 공기의 압력 차이에 근거하여 정해져 있다. 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)을 연통시키는 임핀지먼트 구멍(34)의 구멍수의 밀도도 마찬가지로, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)과의 사이의 냉각용 공기의 압력 차이에 근거하여 정해져 있다.

다음에, 터빈 정익(10)의 인서트(31)에 냉각 공기를 공급하는 구조에 대하여, 도 3을 참조하면서 설명한다. 또한, 터빈 정익용의 냉각 공기는 터빈부에 공급되는 압축 공기를 유용하고, 내측 슈라우드(12)측 및 외측 슈라우드(13)측으로부터 인서트 공간에 공급된다. 도 3은 터빈 정익(10)의 블레이드 종단면을 도시하는 도면이다.

터빈 정익(10)은 익형부(11), 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)로 형성되고, 외측 슈라우드(13)를 거쳐서 터빈부의 케이싱에 지지된다. 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)에는 압력 조정판(16, 17, 18, 19)이 배치되며, 압력 조정판(16, 18)에 의해 인서트 공간의 압력이 조정된다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 전연(LE)측에 가장 가까운 냉각실(C1)을 예를 들어 구체적으로 설명한다. 부압면측 인서트 공간(IS1)은 인서트(31)의 부압면측의 벽면(31b)과 칸막이부(32)로 둘러싸인 공간으로서, 외측 슈라우드(13)측과는 압력 조정판(18)으로 분할되고, 내측 슈라우드(12)측과는 압력 조정판(16)으로 분할되어 있다.

압력 조정판(16, 18)은 다수의 임핀지먼트 구멍(도시하지 않음)을 구비하고, 내측 슈라우드(12)측 및 외측 슈라우드(13)측에 도입된 냉각 공기를 감압하며, 부압면측 인서트 공간(IS1)의 압력을 적정하게 유지하는 역할을 수행한다.

한편, 정압면측 인서트 공간(IP1)은 인서트(31)의 정압면(PS)측의 벽면(31a)과 칸막이부(32)로 둘러싸인 공간으로서, 내측 슈라우드(12)측 및 외측 슈라우드(13)측과는 압력 조정판 등에서는 분할되어 있지 않다. 즉, 차실측으로부터 내측 슈라우드(12)측 및 외측 슈라우드(13)측에 공급된 냉각 공기는 압력 조정판을 거치지 않고, 정압면측 인서트 공간(IP1)에 직접 공급된다.

또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 부압면측 인서트 공간(IS1)의 내측 슈라우드(12)측의 입구 부분에는 익형부(11)의 익체의 부압면측의 내벽(21a) 및 정압면측의 내벽(21a)을 따라, 인서트 수판(受板)(37)이 각각 고정되어 있다. 인서트(31)의 일단부(도 3에 있어서 하측 단부)는, 인서트 수판(37)에 삽입 구조로 하고 있다. 이 구조에 의해, 부압면측 인서트 공간(IS1)의 냉각 공기의 내측 슈라우드측을 시일하는 동시에, 인서트(31)의 블레이드 종단면 방향의 열신장 차이를 흡수하고 있다.

이 구조로, 인서트(31)의 블레이드 종단면 방향의 열신장 차이를 흡수하면서, 인서트(31)가 블레이드 종단면 방향으로 신축할 수 있는 구조로 되어 있다.

또한, 상술의 설명에서는 인서트(31)는 외측 슈라우드(13)측에서 익체(21)에 고정되고, 내측 슈라우드(12)측에 요홈(37a)을 구비하는 인서트 수판(37)을 마련하는 구조로 설명했지만, 이 구조와는 반대로, 인서트(31)가 내측 슈라우드(12)측에서 익체(21)에 고정되고, 외측 슈라우드(13)측에 인서트 수판(37)을 마련하는 구조이어도 좋다.

상술의 설명에서는 냉각실(C1)을 예로 들었지만, 인접하는 냉각실(C2)이라도 같은 구조가 적용된다. 즉, 부압면측 인서트 공간(IS2)은 인서트(31)의 부압면측의 벽면(31b)과 칸막이부(32) 및 내측 슈라우드(12), 외측 슈라우드(13)와의 경계에 마련하는 압력 조정판(16, 18)에 의해 분할된다.

한편, 정압면측 인서트 공간(IP2)과 내측 슈라우드(12), 외측 슈라우드(13)와의 경계에는 압력 조정판은 배치되지 않고, 냉각 공기는 내측 슈라우드(12)측 및 외측 슈라우드(13)측에서 정압면측 인서트 공간(IP2)으로 직접 도입된다.

압력 조절판으로서는, 다수의 관통 구멍을 구비한 임핀지먼트 구멍(도시하지 않음)의 이외에, 다른 스로틀 구조 등의 감압 기능을 갖춘 공지의 기술을 이용할 수 있으며, 특히 한정하는 것이 아니다.

또한, 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)의 단부에는 냉각 통로(도시하지 않음)가 마련되고, 압력 조정판(17)과 내측 슈라우드(12)의 내벽(14) 및 압력 조정판(19)과 외측 슈라우드(13)의 내벽(15)으로 둘러싸인 공간에 연통하고 있다. 압력 조정판(17, 19)은 임핀지먼트 구멍(도시하지 않음)을 구비하고 있다.

다음에, 상기의 구성으로 이뤄지는 터빈 정익(10)의 냉각 방법 및 냉각 공기의 흐름에 대해서, 도 2 및 도 3을 참조하면서 설명한다.

터빈 정익(10)의 냉각에는, 터빈 정익(10)이 마련되어 있는 가스 터빈의 압축부(2)로부터 추기된 공기가 이용된다. 추기된 냉각용의 공기를, 그대로 터빈 정익(10)에 냉각용 공기로서 공급해도 좋고, 가스 쿨러 등에 의해 냉각한 후에 공급해도 좋으며, 특히 한정하는 것이 아니다.

터빈부(4)에 공급된 냉각용 공기는, 연락 배관(도시하지 않음)을 경유하여 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)내에 도입된다. 본 실시형태에서는 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)의 양측으로부터, 냉각실(C1, C2)에 냉각 공기가 도입되는 양측 공급 방식(양측 공급 구조)이 채용되어 있다.

도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)에 도입된 냉각 공기는 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)에는 압력 조정되지 않고 직접 도입되고, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에는 압력 조정판(16, 18)을 거쳐서 공급된다. 냉각 공기는 압력 조정판(16, 18)에 마련된 다수의 임핀지먼트 구멍(도시하지 않음)을 거쳐서 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)의 내벽(14, 15)으로 취출하고, 내벽(14, 15)을 임핀지먼트 냉각한다. 임핀지먼트 냉각후의 냉각 공기가 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급된다.

상술의 구조에 의해, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)의 냉각 공기의 압력이 조절되고, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2) 사이에 적정한 압력 차이가 유지되며, 또한 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2) 사이에서도 적정한 압력 차이를 유지할 수 있다. 그 결과, 부압면(SS)의 익체의 과잉한 임핀지먼트 냉각이 억제되고, 열응력이 완화된다.

또한, 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)에 도입되고, 압력 조정판(17, 19)을 거쳐서, 압력 조정판(17)과 내측 슈라우드(12)의 내벽(14)으로 둘러싸인 공간 및 압력 조정판(19)과, 외측 슈라우드(13)의 내벽(15)으로 둘러싸인 공간에 공급된 냉각 공기는 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)의 내벽(14, 15)을 임핀지먼트 냉각한 후, 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)의 냉각 통로(도시하지 않음)에 도입되어, 단부 냉각한 후, 연소 가스중으로 배출된다.

정압면측 인서트 공간(IP1, IP2) 및 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급된 냉각용 공기는 인서트(31)에 마련된 임핀지먼트 구멍(34)으로부터, 각각 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2) 및 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)을 향하여 분출한다.

정압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)내의 냉각용 공기는 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)과의 사이의 압력 차이에 의해, 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)을 향하여 분출하고, 냉각실(C1, C2)을 구성하는 내벽(21a)에 충돌한다. 이것에 의해, 터빈 정익(10)의 익체(21)[내벽(21a)]는 임핀지먼트 냉각된다.

본 실시형태에서는 적정한 필름 차압을 유지하기 위해서, 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)에 있어서 냉각용 공기의 압력은 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)의 냉각용 공기보다 높은 압력을 유지할 필요가 있다. 그 때문에, 정압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)과 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)을 연통시키는 임핀지먼트 구멍(34)의 구멍수의 적정한 밀도가 정해진다.

부압면측 인서트 공간(IS1, IS2) 내의 냉각용 공기에 대해서도 마찬가지로, 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)과의 사이의 압력 차이에 의해, 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)을 향하여 분출하고, 냉각실(C1, C2)을 구성하는 내벽(21a)에 충돌한다.

즉, 부압면(SS)측에 있어서 적정한 필름 차압을 유지하기 위해서, 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)에 있어서 냉각용 공기의 압력은 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)보다 저압으로 유지할 필요가 있다. 그 때문에, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)을 연통시키는 임핀지먼트 구멍(34)의 구멍수의 적정한 밀도가 정해진다.

여기에서, 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)과의 사이는 시일 댐(22)에 의해 분할되어 있기 때문에, 상술한 바와 같이 상이한 압력의 냉각용 공기를 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)의 내부에 충족시킬 수 있다.

임핀지먼트 냉각에 이용되는 냉각용 공기는, 그후 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)으로부터, 필름 구멍(23)을 거쳐서 익형부(11)의 외측으로 유출하여, 필름 냉각에 이용된다.

정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)에 있어서 냉각용 공기는, 익형부(11)에 있어서 정압면(PS)의 근방을 흐르는 연소 가스와의 사이의 압력 차이에 의해, 필름 구멍(23)을 거쳐서 익체의 정압면(PS)의 외부로 유출한다. 유출한 냉각용 공기는 정압면(PS)을 따라 필름 형상의 층을 형성하면서 흐르는 것에 의해, 터빈 정익(10)의 익체(21)의 외벽(21b)을 필름 냉각한다.

상기의 구성에 의하면, 정압면측 인서트 공간(IP1, 1P2) 및 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 다른 압력의 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 그 때문에, 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)과 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)의 사이의 압력 차이의 확대 및 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)의 사이의 압력의 확대를 억제하고, 인서트(31)의 변형을 억제할 수 있다.

인서트(31)의 변형을 억제하는 것으로, 시일 댐(22)에 마련한 요홈(22a)과 인서트(31)의 칼라부(33)의 사이에서 접촉면이 유지되고, 접촉면의 형성에 의해 시일 댐(22)과 인서트(31) 사이의 시일성 저하를 억제할 수 있으며, 임핀지먼트 냉각 및 필름 냉각의 냉각성 향상을 도모할 수 있다.

시일 댐(22)과 인서트(31) 사이의 시일성 저하를 억제하는 것으로, 정압면측 캐비티 공간(CP1, CP2)에 있어서 냉각용 공기의 압력 및 정압면(PS) 근방에 있어서 연소 가스의 압력의 사이의 차압이나, 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)에 있어서 냉각용 공기의 압력 및 부압면(SS) 근방에 있어서 연소 가스의 압력의 사이의 차압을 소정의 범위 내에 들게 할 수 있다. 그 때문에, 필름 구멍(23)으로부터 익형부(11)의 외측으로 유출하는 냉각용 공기의 유속을 소정의 범위 내에 들게 할 수 있고, 필름 냉각에 의한 냉각성을 확보할 수 있다.

또한, 인서트(31)에 부가되는 상술의 차압에 기인하는 힘의 증가가 억제된다. 그 때문에, 인서트(31)의 강도를 확보하는 림이나 딤플 등의 가공을 실행할 필요성이 저감하고, 인서트(31)의 판 두께의 증가를 억제할 수 있다. 그 때문에, 인서트의 제조성 악화를 방지할 수 있다.

한편으로, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)과 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)과의 사이의 냉각용 공기의 압력 차이의 확대를 억제하는 것으로, 임핀지먼트 구멍(34)의 수를 증가시킬 수 있고, 임핀지먼트 냉각에 의한 냉각성 향상을 도모할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 가스 터빈 정익의 구성에 대해서, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서도, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 1단 정익 이외에 2단 정익에도 적용할 수 있다.

본 실시형태의 터빈 정익(40)에서는, 제 1 실시형태의 터빈 정익(10)과 비교하여, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 냉각 공기를 공급하는 방법이 상이하다.

즉, 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 각 냉각실(C1, C2)에 배치된 인서트(31)의 칸막이부(32)에는 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)과 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)을 연통하는 연통 구멍(35)을 구비하는 점이 상이하다. 그 밖의 구성은 제 1 실시형태와 동일하다. 제 1 실시형태와 공통하는 명칭 및 도면부호는 제 1 실시형태와 동일한 명칭 및 도면부호를 사용한다.

본 실시형태에 있어서 냉각 공기의 공급 구조 및 냉각 공기의 흐름을 이하에 설명한다.

도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급되는 냉각 공기의 주요한 흐름은 제 1 실시형태와 동일하다. 즉, 차실측으로부터 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)에 공급된 냉각 공기는 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)의 양측에서 임핀지먼트 구멍(도시하지 않음)을 구비한 압력 조정판(16, 18)을 거쳐서 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급된다(양측 공급 방식 및 양측 공급 구조). 또한, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급된 냉각 공기는 인서트(31)에 마련된 임핀지먼트 구멍(34)을 거쳐서 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)에 불기 시작하고, 익체(21)의 내벽(21a)을 임핀지먼트 냉각한다. 임핀지먼트 냉각 후의 냉각 공기는, 익체(21)에 마련된 필름 구멍(23)을 경유해서 연소 가스중으로 불기 시작할 때, 익형부(11)의 외면을 필름 냉각한다.

정압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)의 냉각 공기의 흐름도, 상기 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급되는 냉각 공기의 흐름과 동일하다.

한편, 본 실시형태에 있어서는 정압면측 인서트 공간(IP1, IP2)에 공급된 냉각 공기의 일부는, 칸막이부(32)에 배치된 연통 구멍(35)을 거쳐서, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 도입된다.

그렇지만, 가스 터빈의 운전 조건의 변동에 의해, 익형부(11)의 부압면(SS)측의 필름 냉각 공기량이 증가했을 경우, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)의 압력(정압)이 저하하여, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)으로부터 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)에 불기 시작하는 필요한 임핀지먼트 공기량을 확보할 수 없고, 익체의 냉각이 충분히 실행되지 않을 경우가 발생할 수 있다.

본 실시형태에서는, 이 문제를 해결하기 위해, 칸막이부(32)에 연통 구멍(35)을 마련했다. 즉, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급되는 냉각 공기는 주로 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)로부터 임핀지먼트 구멍을 구비한 압력 조정판(16, 18)을 거쳐서 공급되지만, 칸막이부(32)에 마련된 연통 구멍(35)을 거쳐서 정압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)의 냉각 공기의 일부가 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 보급할 수 있는 구조로 하고 있으므로, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)의 압력의 저하를 방지할 수 있다.

즉, 칸막이부(32)에 마련된 연통 구멍(35)은 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)의 압력이 저하했을 때, 정압면측 인서트 공간과 부압면측 인서트 공간의 차압을 이용하여, 정압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)으로부터 냉각 공기를 보급하고, 부압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)의 압력의 저하를 억제하며, 압력을 회복시키는 압력 조정 기능을 갖추고 있다.

부압면측 인서트 공간(IP1, 1P2)의 압력이 안정하면, 익형부의 외면에 있어서 필름 냉각이 확실하게 실행된다. 또한, 가스 터빈의 운전 조건의 변동에 대하여, 부압면측 캐비티 공간(CS1, CS2)과 연소 가스와의 사이의 적정한 필름 차압이 유지되므로, 익체의 부압면측의 냉각 공기량의 적정화를 도모할 수 있어, 블레이드 전체의 냉각 공기량을 최소로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 경우, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)에 도입된 냉각 공기의 일부는 압력 조정판(17, 19)을 거쳐서, 내측 슈라우드(12) 및 외측 슈라우드(13)의 단부 냉각(도시하지 않음)에 사용된다.

다음에, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 가스 터빈 정익의 구성에 대해서, 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 제 3 실시형태에 따른 터빈 정익의 블레이드 종단면도를 도시한다. 또한, 본 실시형태에 있어서도, 제 1, 제 2 실시형태와 마찬가지로, 1단 정익의 이외에 2단 정익에도 적용할 수 있다.

제 1 및 제 2 실시형태에서는, 부압면측 인서트 공간(IS1, IS2)에 공급되는 냉각 공기는 외측 슈라우드(13) 및 내측 슈라우드(12)의 양측에서 압력 조정판[제 2 실시형태에서는, 칸막이부(32)]을 거쳐서 냉각 공기가 공급되는 양측 공급 방식이 적용되어 있지만, 본 실시형태에서는 한쪽 공급 방식을 채용하고 있다는 점에서, 다른 실시형태와는 상이하다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 터빈 정익(50)은, 제 1 및 제 2 실시형태와 비교하여, 냉각실(C1)의 부압면측 인서트 공간(IS1)의 내측 슈라우드(12)측의 입구 부분에 인서트 수판(37)을 대신하여, 인서트 칸막이판(38)을 마련하고 있다는 점이 상이하다.

즉, 내측 슈라우드(12)측에 인서트 칸막이판(38)을 마련하는 것에 의해, 내측 슈라우드(12)측과 부압면측 인서트 공간(IS1)은 절연되어 있다.

또한, 그 밖의 구성 요소에 대해서는 상술한 실시형태의 것과 동일하므로, 여기에서는 그들 구성 요소에 관한 설명은 생략한다.

여기에서, 본 실시형태에서는 도 6에 도시하는 바와 같이, 냉각실(C1)의 부압면측 인서트 공간(IS1)은 한쪽측(도 6에서 상방측)이 압력 조정판(18)을 거쳐서 외측 슈라우드(13)와 연통하고, 다른쪽측(도 7에서 하방측)이 인서트(31)의 일단부(도 7에서 하측 단부)에 고정된 인서트 칸막이판(38)에 의해 폐쇄되어 있다.

한편, 냉각실(C2)의 부압면측 인서트 공간(IS2)은 부압면측 인서트 공간(IS1)과는 반대로, 한쪽측이 압력 조정판(16)을 거쳐서 내측 슈라우드(12)와 연통하여, 다른 쪽측이 인서트(31)의 단부(도 6에서의 상측의 단부)에 고정된 인서트 칸막이판(도시하지 않음)에 의해 폐쇄되어 있다.

즉, 부압면측 인서트 공간(IS1)은 외측 슈라우드(13)의 압력 조정판(18)으로 임핀지먼트 냉각한 냉각 공기만 공급되고, 내측 슈라우드(12)측은 폐쇄되어, 내측 슈라우드(12)측에서는 냉각 공기가 공급되지 않는다.

한편, 부압면측 인서트 공간(IS2)은 내측 슈라우드(12)의 압력 조정판(16)으로 임핀지먼트 냉각한 냉각 공기만 공급되고, 외측 슈라우드(13)측은 폐쇄되어, 냉각 공기가 공급되지 않는, 소위 「한쪽 공급 구조」가 채용되어 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서 부압면측 인서트 공간(IS1)은 한쪽측이, 압력 조정판(16)을 거쳐서 내측 슈라우드(12)와 연통하고, 다른쪽측이 외측 슈라우드(13)에 가까운 인서트(31)의 단부에 고정된 인서트 칸막이판(38)에 의해 폐쇄하는 구조로 하여 인접하는 부압면측 인서트 공간(IS2)은, 한쪽측이 외측 슈라우드(13)와 연통하고, 다른쪽측이 인서트(31)의 단부에 고정된 인서트 칸막이판(도시하지 않음)에 의해 폐쇄된 「한쪽 공급 구조」로 해도 좋다.

또한, 터빈 정익(50)의 냉각실이 4개 이상인 경우라도, 한쪽 공급 구조를 적용할 수 있지만, 외측 슈라우드 또는 내측 슈라우드중 어느 하나로부터 냉각 공기를 공급할지, 어느쪽의 부압면측 인서트 공간에 공급할지는 원칙적으로 그 조합은 임의이다.

단, 인접하는 부압면측 인서트 공간끼리는, 서로 다른 슈라우드(외측 슈라우드 또는 내측 슈라우드)로부터 공급하는 한쪽 공급 구조로 하는 것이 바람직하다. 부압면측 인서트 공간에 공급되는 냉각 공기의 편류를 피하기 위해서이다.

또한, 도 6은 제 1 실시형태의 블레이드 종단면을 참조하여 설명했지만, 제 2 실시형태의 경우라도 마찬가지이다.

본 실시형태에 따른 터빈 정익(50)에 의하면, 인서트 칸막이판(38)은 임핀지먼트판(31)에 밀착하도록 하여 고정되어 있고, 인서트 칸막이판(38)과 임핀지먼트판(31)의 접합부에 있어서 시일성이 확보되는 것이 되므로, 상기 접합부에서의 냉각 공기의 누출을 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 인서트 칸막이판(38)에 의해 냉각 공기가 시일되어 있기 때문에, 제 1 및 제 2 실시형태에 비교하여, 냉각 공기의 누출을 더욱 저감할 수 있다.

또한, 그 밖의 작용 효과는 제 1 및 제 2 실시형태와 동일하므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.

1 : 가스 터빈 4 : 터빈부
6 : 케이싱 7 : 터빈 정익
10, 40, 50 : 터빈 정익 11, 61 : 익형부
12 : 내측 슈라우드 13 : 외측 슈라우드
16, 17, 18, 19 : 압력 조정판
21, 71 : 익체[내벽(21a, 71a), 외벽(21b, 71b)]
22, 72 : 시일 댐(분할부) 23, 73 : 필름 구멍
31, 81 : 인서트(삽입통) 32 : 칸막이부
34, 84 : 임핀지먼트 구멍 35 : 연통 구멍
PS : 정압면 SS : 부압면
LE : 전연 TE : 후연
P : 격벽
CP, CP1, CP2 : 정압면측 캐비티 공간(캐비티 공간)
CS, CS1, CS2 : 부압면측 캐비티 공간(캐비티 공간)
IP1, IP2 : 정압면측 인서트 공간(인서트 공간)
IS1, IS2 : 부압면측 인서트 공간(인서트 공간)
C1, C2, C3 : 냉각실

Claims

오목형상으로 만곡하는 정압면 및 볼록형상으로 만곡하는 부압면을 갖는 익형부와, 터빈 케이싱에 지지된 외측 슈라우드와, 상기 익형부를 거쳐서 외측 슈라우드에 접속하는 내측 슈라우드로 구성되는 터빈 정익에 있어서,
상기 익형부는,
격벽에서 상기 익형부의 내부를 전연측으로부터 후연측을 향하여 복수로 구분한 공간인 동시에, 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 공간으로, 익체의 내벽에 분할부를 구비한 냉각실과,
상기 냉각실에 배치되고, 복수의 임핀지먼트 구멍을 구비한 삽입통과,
상기 익체에 천설된 필름 구멍을 구비하고,
상기 삽입통은 상기 전연측으로부터 상기 후연측을 향하여 연장되는 동시에, 상기 블레이드 종단면 방향으로 연장되는 칸막이부를 구비하며,
상기 삽입통의 내부는 상기 정압면측의 정압면측 인서트 공간과, 상기 부압면측의 부압면측 인서트 공간으로 분할되어 있는
터빈 정익.
제 1 항에 있어서,
상기 칸막이부는 상기 정압면측 인서트 공간 및 상기 부압면측 인서트 공간을 연결하는 연통 구멍을 구비하는
터빈 정익.
제 1 항에 있어서,
상기 부압면측 인서트 공간은, 상기 삽입통과, 상기 칸막이부와, 상기 외측 슈라우드 및 상기 내측 슈라우드에 배치된 압력 조정판으로 둘러싸인 공간인
터빈 정익.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재의 터빈 정익을 갖는 터빈부가 마련되어 있는
가스 터빈.