KR20110079075A - A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof - Google Patents

A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20110079075A
KR20110079075A KR1020090136034A KR20090136034A KR20110079075A KR 20110079075 A KR20110079075 A KR 20110079075A KR 1020090136034 A KR1020090136034 A KR 1020090136034A KR 20090136034 A KR20090136034 A KR 20090136034A KR 20110079075 A KR20110079075 A KR 20110079075A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas turbine
turbine blade
flow path
spiral
electrode
Prior art date
Application number
KR1020090136034A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
조형희
이동현
김경민
박준수
이택운
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020090136034A priority Critical patent/KR20110079075A/en
Publication of KR20110079075A publication Critical patent/KR20110079075A/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12Cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/147Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/30Application in turbines
    • F05D2220/32Application in turbines in gas turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

PURPOSE: A gas turbine blade and a method for forming an internal cooling passage thereof are provided to improve the overall cooling performance because a spiral rib is formed in the internal cooling passage to create vortex. CONSTITUTION: A gas turbine blade(100) comprises an internal cooling passage(110) which receives cooling liquid. The internal cooling passage has a spiral rib(120) which is formed through ECM(Electro Chemical Machining).

Description

가스터빈 블레이드 및 그의 내부유로 형성방법{A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof}A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage

본 발명은 냉각성능 향상을 위한 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가스터빈 블레이드의 내부유로를 통한 냉각유체의 유동시 유동 마찰손실은 최소화하면서 난류 유동에 의한 냉각성능을 향상시킬 수 있는 가스터빈 블레이드 및 그 가스터빈 블레이드에 내부유로를 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming an internal flow path of a gas turbine blade for improving cooling performance. More specifically, the cooling performance by turbulent flow while minimizing the flow friction loss during the flow of the cooling fluid through the internal flow path of the gas turbine blade. It relates to a gas turbine blade that can improve the and a method for forming an internal flow path in the gas turbine blade.

통상적으로 가스터빈의 효율을 증대시키기 위하여 터빈 입구 온도를 높이는 것이 필수적이지만, 터빈 입구온도를 증가시키는 경우 터빈 블레이드 재질의 한계로 인해서 터빈 블레이드의 파손이 야기된다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 최근에 표면 처리 등 가공적인 측면에서 요소의 내열성을 향상시키기 위한 연구들이 진행 중에 있다.Typically it is necessary to increase the turbine inlet temperature in order to increase the efficiency of the gas turbine, but if the turbine inlet temperature is increased, the turbine blade material is damaged due to the limitation of the turbine blade material. In order to improve such a problem, studies are recently underway to improve the heat resistance of elements in terms of processing such as surface treatment.

그러나 이러한 방법에만 의존하여 블레이드를 보호하는 것 역시 근본적인 문 제해결에 한계를 보이기 있기 때문에 다양한 냉각 구조를 적용하는 시도가 병행되고 있다. 이때의 냉각방식으로는 막냉각, 충돌제트 냉각, 강제대류 냉각 등이 고려될 수 있다. 이 중에서 특히 강제 대류 냉각은 다른 냉각 방법에 비해서 블레이드 표면에 추가적인 가공을 하지 않고 블레이드 내부에 있는 유로를 통해서 냉각시키는 방법으로 막냉각 등의 경우처럼 냉각유체에 의해 발생되는 손실이 없는 효과적인 냉각 방법이다.However, attempting to apply various cooling schemes is also parallel because protecting the blades only by this method also presents a limit to the fundamental problem. At this time, as the cooling method, film cooling, impingement jet cooling, forced convection cooling, etc. may be considered. Among these, forced convection cooling is an effective cooling method without loss caused by the cooling fluid as in the case of membrane cooling, as it is cooled through the flow path inside the blade, without further processing on the blade surface, compared to other cooling methods. .

강제대류 냉각에서는 냉각성능을 향상시키기 위해서 요철이나 핀, 델타 탭 형태의 난류촉진제를 사용하기도 한다. 이 중에서 특히 요철을 사용한 냉각방법이 많이 사용되고 있다. 여기서, 요철은 유로 내의 유동을 교란시켜 열전달을 향상시키기 위해서 사용하는 장치이다.In forced convection cooling, turbulence accelerators in the form of irregularities, fins and delta taps are sometimes used to improve cooling performance. Among these, the cooling method using the unevenness | corrugation especially is used a lot. Here, the unevenness is an apparatus used for disturbing the flow in the flow path to improve heat transfer.

먼저, 종래의 터빈 블레이드에 대하여 설명하면, 가스터빈 엔진의 주요부는 크게 압축기, 연소기, 터빈으로 구분되며, 여기서 터빈은 고정익(stator blade)과 회전익(rotor blade)으로 이루어진다. 고정익은 연소기에서 빠져나온 유동의 방향을 전환해주고 유동을 가속하는 역할을 하고, 회전익은 유동으로부터 일을 발생하는 역할을 한다. First, a description of a conventional turbine blade, the main part of the gas turbine engine is largely divided into a compressor, a combustor, a turbine, wherein the turbine is composed of a stator blade and a rotor blade. The fixed blade serves to redirect the flow out of the combustor and to accelerate the flow, while the rotor blade generates work from the flow.

도 1은 종래의 터빈 블레이드의 외형 및 블레이드를 종단하여 내부 냉각유로와 경사요철을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에서 제시된 일반적인 터빈 블레이드의 Ⅰ-Ⅰ' 선 단면을 나타내는 도식도이다.FIG. 1 is a perspective view illustrating an internal cooling flow path and an inclined unevenness by terminating a blade and a blade of a conventional turbine blade, and FIG. 2 is a schematic view illustrating a cross-sectional view taken along line II ′ of the general turbine blade illustrated in FIG. 1.

도 1은 그러한 가스터빈 블레이드 중 하나를 절개한 것으로 부호 A는 냉각유로(덕트)를 부호 B는 경사요철을 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 하나의 회전 익에는 복수의 냉각유로가 형성되고, 각 냉각유로상에서 대향하는 면에는 복수의 경사요철이 평행하게 형성된다. 이러한 경사요철은 나란한 배열 및 엇갈린 배열로 형성되며, 냉각유로상의 유동에 대하여 일정한 충돌각(angle of attack)을 갖는 구조로 형성된다. 이와 같은 냉각유로에 경사요철을 형성하는 방법은 가스터빈 블레이드 주조과정에서 세라믹 코어를 삽입하여 경사요철과 유로를 형성한 후 세라믹 코어를 녹여서 제거하는 방식으로 제작된다.Fig. 1 shows one of these gas turbine blades, in which A represents a cooling passage (duct) and B represents inclined unevenness. As shown in Fig. 2, a plurality of cooling passages are formed in one rotor blade, and a plurality of inclined unevennesses are formed in parallel on the surface facing each cooling passage. These irregularities are formed in side by side and staggered arrangement, and have a structure having a constant angle of attack with respect to the flow on the cooling flow path. The method of forming the inclined unevenness in the cooling passage is manufactured by inserting the ceramic core in the gas turbine blade casting process to form the inclined unevenness and the flow path, and then melting and removing the ceramic core.

한편, 종래의 가스터빈 블레이드의 냉각유로에 형성되는 또 하나의 요철형태로서, 미국등록특허 제5,413,463호에 제시되어 있는 가스터빈 블레이드에는 냉각유로상에 수직요철(annular recess)이 형성된 구조가 나타나 있다. 즉, 도 3에서 보는 것과 같이, 가스터빈 블레이드의 냉각유로에는 그 축 방향 경로를 따라서 복수의 수직요철(annular recess)이 일정 간격을 이루며 형성된 구조를 갖는다.On the other hand, as another uneven form formed in the cooling passage of the conventional gas turbine blade, the gas turbine blade shown in US Patent No. 5,413,463 has a structure in which an annular recess is formed on the cooling passage. . That is, as shown in Figure 3, the cooling passage of the gas turbine blade has a structure in which a plurality of vertical recesses (annular recess) is formed at regular intervals along the axial path.

상기한 냉각유로의 수직요철 또는 경사요철에 의한 강제 대류냉각은 냉각유로의 형상, 설치된 요철의 높이, 요철과 주유동과의 충돌각, 요철과 요철사이의 거리, 요철의 단락여부 등 여러 가지 인자에 의해서 가스터빈 블레이드 내부유로의 냉각성능이 좌우된다. The forced convection cooling by the vertical unevenness or the inclined unevenness of the cooling channel has various factors such as the shape of the cooling channel, the height of the unevenness installed, the collision angle between the unevenness and the main flow, the distance between the unevenness and unevenness, and whether the unevenness is shorted. The cooling performance of the gas turbine blade flow path depends on.

국소적으로 불균일한 냉각효과는 블레이드 표면의 불균일한 온도분포와 그로 인한 열응력을 야기시키므로 평균적인 냉각성능 향상과 더불어 가능한 한 열전달계수의 균일도를 높이는 것이 중요하다. 또한 냉각유체를 공급하기 위한 펌프(압축기)동력이 작을수록 효과적인데, 이 동력은 덕트 내에 설치된 요철에 의해서 증가되는 압력강하(유동마찰손실)에 따라 결정된다. 따라서 요철설치시 냉각성능 향상 뿐만 아니라 마찰손실도 고려하여 설계하는 것이 필요하다. The locally nonuniform cooling effect causes nonuniform temperature distribution on the blade surface and the resulting thermal stress, so it is important to improve the uniformity of the heat transfer coefficient as much as possible with the improvement of the average cooling performance. In addition, the smaller the pump (compressor) power to supply the cooling fluid is effective, the power is determined by the pressure drop (flow friction loss) increased by the unevenness installed in the duct. Therefore, it is necessary to design in consideration of frictional loss as well as improving cooling performance during uneven installation.

앞에서 설명한 바와 같이 가스터빈 블레이드의 유로 내에 설치되는 요철의 배열이나 충돌각 등은 냉각성능에 매우 중요한 인자가 된다. 이때 고려되어야 할 것은 냉각성능의 향상뿐만 아니라 전체적으로 균일한 열전달 성능이 나타나야 한다. 일반적으로 주유동과 요철의 충돌각이 90˚보다 작거나 요철이 단락되면 이로 인해서 더 큰 마찰손실이 수반되기 때문에 같은 동력을 사용하여 더 높은 냉각성능을 나타내기 위해서는 적절한 요철의 배열 및 단락에 대한 설계가 필요하다.As described above, the arrangement of the concavities and convexities or the collision angles installed in the flow path of the gas turbine blade are very important factors for the cooling performance. At this time, it should be considered that not only the improvement of cooling performance but the overall heat transfer performance should be shown. In general, if the collision angle between the main flow and the unevenness is less than 90˚ or the unevenness is shortened, this will result in greater frictional loss, so that the same power can be used to achieve higher cooling performance. Design is necessary.

이에, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각성능 향상을 위한 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법에 관한 것으로서, 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성하여 냉각유체의 유동시 내부유로에 소용돌이 형태의 난류 유동을 발생시킴으로써, 유동 마찰손실은 최소화하면서 난류 유동에 의한 냉각성능을 향상시킬 수 있는 가스터빈 블레이드 및 그 가스터빈 블레이드에 내부유로를 형성하는 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention relates to a method for forming an internal flow path of the gas turbine blade for improving the cooling performance, the spiral (螺 旋) continuous to the internal flow path of the gas turbine blade By forming a spiral rib having a helical structure to generate a vortex-shaped turbulent flow in the internal flow path when the cooling fluid flows, a gas turbine blade capable of improving cooling performance by turbulent flow while minimizing flow friction loss. And a method of forming an internal flow path in the gas turbine blade.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드는, 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성된 가스터빈 블레이드에 있어서, 상기 내부유로의 내주면에는 상기 내부유로를 따라 연속된 나선형(螺旋形) 요철 구조를 갖는 나선형 리브(rib)가 형성된 것을 특징으로 한다.Gas turbine blades according to the present invention for achieving the above object, in the gas turbine blades formed with an internal flow path for the cooling fluid flow, the inner circumferential surface of the inner flow passage is continuous spiral along the inner flow path It is characterized in that a spiral rib having an uneven structure is formed.

이때, 상기 나선형 리브는 ECM(electro chemical machining) 가공을 통해 형성될 수 있다.In this case, the spiral rib may be formed through electrochemical machining (ECM).

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스터빈 블레이드에 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로를 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 가스터빈 블레이드에 내부유로의 형성을 위한 홀(hole)을 가공하는 단계와; 상기 홀 내부에 전극 을 삽입한 후 상기 전극 내부로 전해액을 투입하고 상기 전극을 상기 축 방향으로 일정속도로 이송시키는 동시에 회전시켜 상기 홀의 내주면에 연속된 나선형 요철구조의 나선형 리브를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the present invention for achieving the above object, in the method for forming an internal flow path for the cooling fluid can flow in the gas turbine blade, a hole (hole) for the formation of the internal flow path in the gas turbine blade Making a step; Inserting an electrode into the hole and injecting an electrolyte into the electrode and transferring the electrode at a constant speed in the axial direction and rotating the same to form a spiral rib of a continuous spiral uneven structure on the inner circumferential surface of the hole; Characterized in that it comprises a.

이때, 상기 리브 사이의 피치(pitch)는 상기 전극의 축 방향 진행속도와 회전속도를 통해 조절될 수 있다.In this case, the pitch between the ribs may be adjusted through the axial running speed and the rotational speed of the electrode.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 냉각유체가 출입되는 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성함으로써, 냉각유체의 유동시 상기 나선형 리브에 의해 소용돌이 형태의 난류를 발생시켜 가스터빈 블레이드의 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, by forming a spiral rib having a continuous spiral structure in the internal flow path of the gas turbine blade through which the cooling fluid enters and exits, the spiral rib in the flow of the cooling fluid. As a result, the turbulence in the form of a vortex may be generated to improve the overall cooling performance of the gas turbine blade.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 요철구조가 형성된 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 내부유로 단면도이다. 그리고, 도 6은 ECM 가공에 의한 나선형 내부유로 형성시 사용되는 전극 구조를 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 전극을 이용하여 ECM 가공에 의해 내부유로에 나선형 요철구조를 형성하는 과정을 순차적으로 설명하는 공정도이다. 4 is a perspective view illustrating an internal flow path structure of a gas turbine blade having a spiral uneven structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the internal flow path of FIG. 4. 6 is a cross-sectional view illustrating an electrode structure used in forming a spiral internal flow path by ECM processing, and FIG. 7 sequentially illustrates a process of forming a spiral uneven structure in the internal flow path by ECM processing using the electrode of FIG. 6. It is a process chart explaining.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드(100)에는 냉각유체가 흐르는 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110) 상에 나선형(螺旋形) 요철구조가 형성되는데, 상기 나선형 리브(120)는 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110)를 따라 연속된 나선 형태로 형성된다.4 to 7, in the gas turbine blade 100 according to the present invention, a spiral uneven structure is formed on the internal flow path 110 of the gas turbine blade 100 through which a cooling fluid flows. The spiral rib 120 is formed in a continuous spiral shape along the internal flow path 110 of the gas turbine blade 100.

상기 나선형 리브(120)는 도 5의 상세도에서 보인 바와 같이 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110) 내벽면으로부터 일정한 높이(H)로 돌출 형성된다.The spiral rib 120 is formed to protrude from the inner wall surface of the inner flow path 110 of the gas turbine blade 100 to a predetermined height (H) as shown in the detailed view of FIG.

이때, 상기 나선형 리브(120)는 내부유로(110)의 축 방향을 따라 소정의 경사각을 가지며 나선 형태로 형성되기 때문에, 상기 내부유로(110)의 내부로 냉각유체가 흐르는 과정에서 냉각유체가 상기 나선형 리브(120)와 일정한 충돌각을 가지며 충돌될 수 있도록 구성된다.In this case, since the spiral rib 120 has a predetermined inclination angle along the axial direction of the internal flow path 110 and is formed in a spiral shape, the cooling fluid flows in the process of cooling fluid flowing into the internal flow path 110. It is configured to collide with the helical rib 120 at a constant collision angle.

여기서, 상기 나선형 리브(120)의 형상은 설계요구에 따라 내부유로(110) 내벽면으로부터의 돌출 높이(H)와 나선형 리브(120) 사이의 피치(pitch)를 적절히 조절하여 다양하게 형성할 수 있다.Here, the shape of the spiral rib 120 may be variously formed by appropriately adjusting the pitch between the height of the protrusion from the inner wall surface 110 of the inner channel 110 and the spiral rib 120 according to the design requirements. have.

상기 나선형 리브(120)는 모서리가 라운드진 형태 또는 모서리가 사각인 형태 등 다양한 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다.The spiral rib 120 may be formed to have various cross-sectional shapes, such as rounded corners or rectangular corners.

한편, 상기한 나선형 리브(120)는 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110)를 전기화학적 가공법인 ECM(electro chemical machining) 가공을 이용하여 형성할 수 있다.Meanwhile, the spiral rib 120 may form the internal flow path 110 of the gas turbine blade 100 by using electrochemical machining (ECM), which is an electrochemical machining method.

상기 ECM 가공은 전기분해를 이용하여 금속재료를 전기화학적으로 용해(부식)하여 가공하는 방법으로서, 상기 ECM 가공을 통한 나선형 요철구조의 내부유 로(110)를 형성하기 위하여 도 6과 같은 3차원 전극(140)이 사용된다.The ECM processing is a method of electrochemically dissolving (corrosing) a metal material using electrolysis, and is used to form an internal flow path 110 having a spiral uneven structure through the ECM processing. Electrode 140 is used.

상기 전극(140)은 3차원 파이프(pipe) 형상을 가지는데, 그 내부에는 전해액이 투입되는 중공(141)이 형성되고, 측면부에는 상기 중공(141)에 투입된 전해액이 배출되도록 한 개 이상의 배출공(142)이 형성되어 있다.The electrode 140 has a three-dimensional pipe (pipe) shape, the inside is formed with a hollow 141 into which the electrolyte is injected, the side portion at least one discharge hole so that the electrolyte injected into the hollow 141 is discharged 142 is formed.

도 7은 상기한 구조의 전극(140)을 이용하여 내부유로(110)에 나선형 요철구조를 형성하는 과정을 나타내고 있는 바, 도 7에서 보는 것과 같이, 먼저, 가스터빈 블레이드(100)에 일정 직경의 매끈한 홀(hole)을 가공하여 내부유로(110)를 형성한 후, 상기 홀(110) 내부에 전극(140)을 삽입하여 상기 전극(140)에 ECM 가공을 수행하게 된다.FIG. 7 illustrates a process of forming a spiral concave-convex structure in the internal flow path 110 using the electrode 140 having the above-described structure. As shown in FIG. 7, first, a predetermined diameter of the gas turbine blade 100 is shown. After processing the smooth hole (hole) of the internal flow path 110 is formed, the electrode 140 is inserted into the hole 110 to perform ECM processing on the electrode 140.

이 과정에서, 전극(140)의 중공(141) 내부로 전해액이 주입되고 가스터빈 블레이드(100)와 전극(140) 사이에는 일정 수준의 전압이 인가되며, 상기 전극(140)에 의한 가공시, 전극(140)을 일정속도로 회전시키면서 내부유로(110)의 축 방향으로 일정속도로 이송시킴에 따라 전극(140)의 배출공(142)을 통해 배출되는 전해액에 의한 전기분해 작용에 의해 내부유로(110)의 내주면이 부분적으로 용해(부식)되면서 홀의 내주면에 도 4의 형태와 같은 연속된 나선형 요철구조를 갖는 내부유로(110)를 형성할 수 있다.In this process, an electrolyte is injected into the hollow 141 of the electrode 140, and a predetermined level of voltage is applied between the gas turbine blade 100 and the electrode 140, and during processing by the electrode 140, As the electrode 140 is rotated at a constant speed and is transported at a constant speed in the axial direction of the internal flow path 110, the internal flow path is caused by electrolysis by the electrolyte discharged through the discharge hole 142 of the electrode 140. As the inner circumferential surface of the 110 is partially dissolved (corrosion), an inner flow path 110 having a continuous spiral uneven structure as shown in FIG. 4 may be formed on the inner circumferential surface of the hole.

이러한 ECM 가공에 의한 나선형 유로 형성시, 나선형 리브(120) 사이의 피치(pitch)(P)는 전극(140)의 축 방향 진행속도와 회전속도를 통해 조절될 수 있다.When the spiral flow path is formed by the ECM process, the pitch P between the spiral ribs 120 may be adjusted through the axial traveling speed and the rotation speed of the electrode 140.

또한, 상기 전극(140)의 측면에 형성되는 배출공(142)의 개수 및 배치 구조에 따라 내부유로(110)의 나선형상을 달리 형성할 수 있는데, 예컨대, 배출공(142) 이 1개일 경우 나선형 리브(120)는 단일나선 형태로 형성되고, 배출공(142)이 2개일 경우 나선형 리브(120)는 이중나선 형태로 형성될 수 있다.In addition, according to the number and arrangement of the discharge holes 142 formed on the side of the electrode 140 may be formed differently in the spiral shape of the internal flow path 110, for example, when the discharge hole 142 is one The spiral rib 120 may be formed in a single spiral shape, and when the discharge holes 142 are two, the spiral rib 120 may be formed in a double spiral shape.

아울러, ECM 가공시 전극(140)의 축 방향 진행속도, 회전속도 등을 각각 적절하게 조절함으로써, 내부유로(110)에 원하는 형태의 나선형 요철구조를 형성할 수 있다.In addition, by appropriately adjusting the axial running speed, the rotational speed, etc. of the electrode 140 during ECM processing, it is possible to form a spiral concave-convex structure of the desired shape in the inner flow path (110).

도 8은 본 발명의 나선형 요철구조 내부유로와 기존의 수직요철형 내부유로의 냉각성능을 시뮬레이션 결과로 비교한 그래프이다.8 is a graph comparing the cooling performance of the spiral recessed and projected internal passage of the present invention and the conventional vertical recessed and projected internal passage as simulation results.

여기서, X축은 내부유로를 흐르는 냉각유체의 유량을 무차원화 한 레이놀즈수(Reynolds Number) 것이고, Y축의 Nu(Nusselt number)는 열전달계수를 무차원화 한 것이며, f 는 압력강하량을 무차원화한 것이다.Here, the X-axis is the Reynolds Number (N) dimensionless the flow rate of the cooling fluid flowing through the internal flow path, Nu (Nusselt number) of the Y-axis is dimensionless the heat transfer coefficient, f is a dimensionless pressure drop.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 동일 레이놀즈수 조건에서 Nusselt 수를 f 수로 나눈 값은 나선형 코일의 경우에 최대 50%까지 증대되는 것으로 나타나 열전달 성능이 증가되고 압력강하가 감소되는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in the figure, the Nusselt number divided by the f number under the same Reynolds number condition is shown to increase up to 50% in the case of the spiral coil, it can be seen that the heat transfer performance is increased and the pressure drop is reduced.

또한, 도 9는 본 발명에 따른 나선형 요철구조의 내부유로 내에서 냉각유체의 유동 및 속도 분포를 나타낸 시뮬레이션도이다.In addition, Figure 9 is a simulation showing the flow and velocity distribution of the cooling fluid in the internal flow path of the spiral concave-convex structure according to the present invention.

도 8의 비교 그래프와 도 9의 시뮬레이션도에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 나선형 요철을 갖는 내부유로 구조는 기존의 수직요철(annular recess) 내부유로 구조보다 냉각유체의 유동에 의한 유동 마찰손실은 적으면서 소용돌이 난류 유동에 의한 균일한 열전달로 인해 블레이드의 냉각성능이 개선되었음을 확인할 수 있다.As can be seen from the comparison graph of FIG. 8 and the simulation diagram of FIG. 9, the flow path loss due to the flow of the cooling fluid is less than that of the conventional annular recess internal flow path structure. It can be seen that the cooling performance of the blade is improved due to the uniform heat transfer by the vortex turbulent flow.

상술한 바와 같이, 상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 냉각유체가 출입 되는 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성함으로써, 냉각유체의 유동시 상기 나선형 리브에 의해 소용돌이 형태의 난류를 발생시켜 가스터빈 블레이드의 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention having the above-described configuration, the cooling fluid flows by forming a spiral rib having a continuous spiral structure in the internal flow path of the gas turbine blade through which the cooling fluid flows in and out. In the spiral ribs, turbulent turbulence may be generated to improve the overall cooling performance of the gas turbine blades.

도 1은 종래의 터빈 블레이드의 외형 및 블레이드를 종단하여 내부 냉각유로와 경사요철을 나타내는 사시도.1 is a perspective view showing an internal cooling passage and inclined unevenness by terminating the outer shape and the blade of a conventional turbine blade.

도 2는 도 1에서 제시된 일반적인 터빈 블레이드의 Ⅰ-Ⅰ' 선 단면을 나타내는 도식도.FIG. 2 is a schematic diagram showing a section line II ′ of the general turbine blade shown in FIG. 1; FIG.

도 3은 종래의 수직형 요철이 형성된 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view showing the internal flow path structure of a conventional gas turbine blade is formed with vertical irregularities.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 요철구조가 형성된 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 사시도.Figure 4 is a perspective view showing the internal flow path structure of the gas turbine blade is formed spiral structure according to an embodiment of the present invention.

도 5는 도 4의 내부유로 단면도. 5 is a cross-sectional view of the inner flow passage of FIG. 4.

도 6은 ECM 가공에 의한 나선형 내부유로 형성시 사용되는 전극 구조를 도시한 단면도.6 is a cross-sectional view showing an electrode structure used when forming a spiral internal flow path by ECM processing.

도 7은 도 6의 전극을 이용하여 ECM 가공에 의해 내부유로에 나선형 요철구조를 형성하는 과정을 순차적으로 설명하는 공정도. FIG. 7 is a process diagram sequentially illustrating a process of forming a spiral uneven structure in an internal flow path by ECM processing using the electrode of FIG. 6.

도 8은 본 발명의 나선형 요철구조 내부유로와 기존의 수직요철형 내부유로의 냉각성능을 비교한 그래프.Figure 8 is a graph comparing the cooling performance of the spiral concave-convex structure inner passage of the present invention and the conventional vertical concave-convex inner passage.

도 9는 본 발명에 따른 나선형 요철구조의 내부유로 내에서 냉각유체의 유동 및 속도 분포를 나타낸 시뮬레이션도9 is a simulation diagram showing the flow and velocity distribution of the cooling fluid in the inner flow path of the spiral uneven structure according to the present invention

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 가스터빈 블레이드 110 : 내부유로100: gas turbine blade 110: internal flow path

120 : 나선형 리브 140 : 전극120: spiral rib 140: electrode

141 : 중공 142 : 배출공 141: hollow 142: discharge hole

Claims (5)

냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성된 가스터빈 블레이드에 있어서,In the gas turbine blade having an internal flow path through which a cooling fluid can flow, 상기 내부유로의 내주면에는 상기 내부유로를 따라 연속된 나선형(螺旋形) 요철 구조를 갖는 나선형 리브(rib)가 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.The gas turbine blade, characterized in that the inner circumferential surface of the inner passage is formed with a spiral rib having a continuous spiral concave-convex structure along the inner passage. 제1항에 있어서, 상기 나선형 리브는 ECM(electro chemical machining) 가공을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.The gas turbine blade according to claim 1, wherein the helical rib is formed through electro chemical machining (ECM). 가스터빈 블레이드에 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로를 형성하기 위한 방법에 있어서,A method for forming an internal flow path through which a cooling fluid can flow in a gas turbine blade, 상기 가스터빈 블레이드에 내부유로의 형성을 위한 홀(hole)을 가공하는 단계와;Machining a hole in the gas turbine blade for forming an internal flow path; 상기 홀 내부에 전극을 삽입한 후 상기 전극 내부로 전해액을 투입하고 상기 전극을 상기 축 방향으로 일정속도로 이송시키는 동시에 회전시켜 상기 홀의 내주면에 연속된 나선형 요철구조의 나선형 리브를 형성하는 단계;Inserting an electrode into the hole and injecting an electrolyte into the electrode and transferring the electrode at a constant speed in the axial direction and rotating the same to form a spiral rib of a continuous spiral uneven structure on the inner circumferential surface of the hole; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법.Method for forming an internal flow path of the gas turbine blade comprising a. 제3항에 있어서, 상기 리브 사이의 피치(pitch)는 상기 전극의 축 방향 진행속도와 회전속도를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법.4. The method of claim 3, wherein the pitch between the ribs is controlled through an axial running speed and a rotational speed of the electrode. 제3항에 있어서, 상기 리브는 반원 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법.4. The method of claim 3, wherein the rib has a semicircular cross section.
KR1020090136034A 2009-12-31 2009-12-31 A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof KR20110079075A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090136034A KR20110079075A (en) 2009-12-31 2009-12-31 A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090136034A KR20110079075A (en) 2009-12-31 2009-12-31 A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110079075A true KR20110079075A (en) 2011-07-07

Family

ID=44918487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090136034A KR20110079075A (en) 2009-12-31 2009-12-31 A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110079075A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101368331B1 (en) * 2013-03-18 2014-02-28 인하대학교 산학협력단 Asymmetric rib for cooling passage, gas turbine blade and cooling apparatus having the same
WO2015094531A1 (en) 2013-12-20 2015-06-25 United Technologies Corporation Gas turbine engine component cooling cavity with vortex promoting features
KR20190043870A (en) * 2017-10-19 2019-04-29 두산중공업 주식회사 Gas turbine disk

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101368331B1 (en) * 2013-03-18 2014-02-28 인하대학교 산학협력단 Asymmetric rib for cooling passage, gas turbine blade and cooling apparatus having the same
WO2015094531A1 (en) 2013-12-20 2015-06-25 United Technologies Corporation Gas turbine engine component cooling cavity with vortex promoting features
EP3084182A4 (en) * 2013-12-20 2017-08-30 United Technologies Corporation Gas turbine engine component cooling cavity with vortex promoting features
US10465530B2 (en) 2013-12-20 2019-11-05 United Technologies Corporation Gas turbine engine component cooling cavity with vortex promoting features
KR20190043870A (en) * 2017-10-19 2019-04-29 두산중공업 주식회사 Gas turbine disk
US11242754B2 (en) 2017-10-19 2022-02-08 Doosan Heavy Industries & Construction Co., Ltd. Gas turbine disk

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10851668B2 (en) Cooled wall of a turbine component and a method for cooling this wall
US9869479B2 (en) Method for producing a near-surface cooling passage in a thermally highly stressed component, and component having such a passage
US6243948B1 (en) Modification and repair of film cooling holes in gas turbine engine components
RU2393356C2 (en) Blade for gas turbine, implementation of turbine blade and procedure for turbine blade cooling
JP4216540B2 (en) Method for enhancing heat transfer inside a cooling passage with a turbulator
US11414998B2 (en) Turbine blade and gas turbine
US10570747B2 (en) Enhanced film cooling system
CN102947549B (en) Support platform segment and the cooling means thereof of the nozzle guide leaf lobe of gas turbine
US20090304499A1 (en) Counter-Vortex film cooling hole design
US8201621B2 (en) Heat exchanging hollow passages with helicoidal grooves
JP2012082830A (en) Curved film-cooling hole for turbine airfoil
US20090304494A1 (en) Counter-vortex paired film cooling hole design
KR20070054560A (en) Microcircuit coolig for blades
CN103104300A (en) Film hole trench
JP2011185271A (en) Device for cooling platform of turbine component
JP2017106463A (en) Article and method of cooling article
CN103069112A (en) Film cooled component wall in a turbine engine
JP2006144800A (en) Aerofoil equipped with auxiliary cooling channel and gsa turbine engine contaning it
US8961136B1 (en) Turbine airfoil with film cooling hole
US9771804B2 (en) Film cooling of turbine blades or vanes
BR112019014380B1 (en) APPLIANCE FOR HEATING A FLUID, APPLIANCE SYSTEM AND METHOD OF THERMALLY CHANGING A FLUID
KR20110079075A (en) A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof
JPH03182602A (en) Gas turbine blade with cooling passage and cooling passage machining method thereof
JP2012202335A (en) Impingement cooling structure and gas turbine stator blade using the same
JP2011208625A (en) Gas turbine blade

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E601 Decision to refuse application