KR20120048439A

KR20120048439A - 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드

Info

Publication number: KR20120048439A
Application number: KR1020100110066A
Authority: KR
Inventors: 곽재수; 노영철
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-15

Abstract

본 발명은 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스퀄러팁의 바닥을 경사면으로 가공하여 누설유동을 줄이므로 에너지효율을 향상시키고 동시에 내구성을 향상시킨 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드에 관한 것이다.
본 발명은 팁의 선단 테두리부에 림이 형성되고, 상기 림의 내측에 공동이 형성된 스퀄러팁을 갖는 블레이드로 이루어진 가스터빈 블레이드에 있어서, 상기 공동의 바닥이 경사면으로 이루어지는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드를 제공한다.

Description

스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드{Gas turbine blade having squealer tip}

본 발명은 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스퀄러팁의 바닥을 경사면으로 가공하여 누설유동을 줄이므로 에너지효율을 향상시키고 동시에 내구성을 향상시킨 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드에 관한 것이다.

최근의 가스터빈은 출력과 효율을 향상시키기 위해 터빈으로 유입되는 연소가스의 온도를 높이고 있고, 따라서 터빈 내 각 부품들의 열부하 또한 증가하고 있다. 이러한 터빈의 블레이드 팁에서는 블레이드 압력면과 흡입면의 압력차이로 인해 팁 누설유동이 발생한다. 이 누설유동에 인해 형성되는 유동박리 및 재부착은 블레이드의 팁 부근에 국부적으로 열응력을 증가시켜 블레이드의 수명을 단축시키는 요인이 된다. 또한 팁 누설유동은 블레이드 팁에 얇은 경계층을 형성시켜 팁에 높은 열전달 계수를 야기하게 되고 이로 인해 블레이드 팁 파손의 주요한 요인으로 작용한다. 따라서 많은 연구자들이 이러한 팁의 파손을 일으키는 누설유동과 열전달을 줄이기 위해 다양한 연구를 수행하였다.

이러한 연구들을 통해 열부하로부터 팁을 보호하기 위한 여러 가지 냉각 기법이 제안되었다. 이중에는 블레이드 팁의 형상을 변화시켜 누설유동을 감소시킴으로서 블레이드 팁의 열전달을 줄이고자 하는 다양한 시도들이 있었다. 이러한 연구의 결과로 윙렛팁과 스퀄러팁은 기존의 평면팁에 비해 우수하지만 두께가 얇아 구조적으로 취약하다는 문제점이 지적되었다. 이러한 구조적 취약성은 팁 누설유동으로 인한 열부하의 집중현상과 맞물려 블레이드의 조기 파손으로 이어질 수 있는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공동의 바닥을 경사면으로 가공하므로 누설유동을 줄여 에너지효율을 향상시키고 동시에 내구성을 향상시킨 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드를 제공하는 데 목적이 있다.

또한 본 발명은 림의 폭이 블레이드 코드 길이의 1.5 내지 5%이고, 림의 상단으로부터 공동의 바닥까지의 깊이가 블레이드 스팬길이의 1 내지 6%내로 한정하므로 누설유동을 줄여 에너지 효율을 획기적으로 향상시키고 동시에 내구성이 더욱 향상되도록 된 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 팁의 선단 테두리부에 림이 형성되고, 상기 림의 내측에 공동이 형성된 스퀄러팁을 갖는 블레이드로 이루어진 가스터빈 블레이드에 있어서, 상기 공동의 바닥이 경사면으로 이루어지는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드를 제공한다.

상기 공동 바닥의 경사면은 림의 압력면측벽과 흡입면측벽에서 중심방향으로 하향 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 림의 폭은 상기 블레이드 코드 길이의 1.5 내지 5%이고, 상기 림의 상단으로부터 상기 공동의 바닥까지의 깊이는 상기 블레이드 스팬길이의 1 내지 6%인 것이 더욱 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드는 공동 바닥의 경사면이 림의 압력면측벽에서 흡입면측벽으로 하향 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드는 상기 공동 바닥의 경사면이 림의 흡입면측벽에서 압력면측벽으로 하향 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드는 공동의 바닥을 경사면으로 가공하므로 누설유동을 줄여 에너지효율을 향상시키고 동시에 내구성을 향상시킨다.

아울러 본 발명에 따른 스퀄러팁을 갖는 가스터빈 블레이드는 림의 폭이 블레이드 코드 길이의 1.5 내지 5%이고, 림의 상단으로부터 공동의 바닥까지의 깊이가 블레이드 스팬길이의 1 내지 6%내로 한정하므로 누설유동을 줄여 에너지효율을 획기적으로 향상시키고 동시에 내구성을 더욱 향상시킨다.

도 1은 일반적인 가스터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 대한 가스터빈용 블레이드의 스퀄러팁을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 대한 가스터빈용 블레이드의 스퀄러팁을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 대한 가스터빈용 블레이드의 스퀄러팁을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 대한 가스터빈용 블레이드의 스퀄러팁을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 대한 가스터빈용 블레이드의 스퀄러팁을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 대한 가스터빈용 블레이드의 스퀄러팁을 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드의 실시예들을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

[제1실시예]

본 발명의 제1실시예에 따른 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드는 도 1에 도시된 바와 같이 로터(미도시)에 끼워지도록 구비된 도브테일형상의 루트(100)와, 루트(100)와 일체로 형성되는 생크(101)와, 상기 생크(101)로부터 연장 형성되는 블레이드(10)로 이루어진다.

상기 블레이드(10)는 일측으로 연소가스가 공급되며 요입된 형상을 갖는 압력면(10a)과, 상기 압력면(10a)의 이면에 형성되며 볼록한 형상을 갖는 흡입면(10b)과, 상기 블레이드(10)의 선단에 형성된 스퀄러팁(10c)으로 이루어진다.

여기서 본 실시예의 특징에 따른 스퀄러팁(10c)은 테두리에 림(12)이 형성되어 있고, 상기 림(12)의 압력면측벽(12a)과 흡입면측벽(12b)에서 각각 중심방향으로 하향경사지게 경사면이 형성되고, 이 경사면에 의해 내부에 공동(cavity; 14)이 형성된다. 따라서 압력차에 의해 압력면(10a)의 연소가스는 압력면측 림(12a)을 넘어 공동 내로 유입된 후 재순환 영역을 형성한다. 이 때 생성된 재순환영역에 의해서 공동 내 바닥면에서는 낮은 열전달 계수를 야기하며, 공동은 레버니스 씰처럼 작동하여 누설유동을 줄여 전압손실을 줄일 수 있다.

여기서 상기 림(12)은 폭(a1)이 블레이드(10) 코드 길이의 1.5% 미만일 경우 취약해서 파손될 위험성이 있고, 5%를 초과할 경우 재순환영역의 생성이 미약해서 열전달 특성이 우수하지 못할뿐더러 전압손실을 효과적으로 줄일 수 없다. 따라서 상기 림(12)의 폭(a1)은 상기 블레이드(10) 코드 길이의 1.5 내지 5%인 것이 바람직하다.

아울러 상기 림(12)의 깊이(b1)는 상단으로부터 공동(14)의 바닥까지 깊이가 스팬길이의 1% 미만일 경우 재순환영역의 생성이 미약해서 열전달 특성이 우수하지 못할뿐더러 전압손실을 효과적으로 줄일 수 없고, 6%를 초과할 경우 구조적으로 취약해져서 파손될 우려가 있다. 따라서 상기 림(12)의 상단으로부터 공동(14)의 바닥까지의 깊이(b1)는 블레이드(10) 스팬길이의 1 내지 6%인 것이 바람직하다.

[제2실시예]

본 발명의 제2실시예에 따른 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드는 도 1에 도시된 바와 같이 로터(미도시)에 끼워지도록 구비된 도브테일형상의 루트(100)와, 루트(100)와 일체로 형성되는 생크(101)와, 상기 생크(101)로부터 연장 형성되는 블레이드(20)로 이루어진다.

상기 블레이드(20)는 일측으로 연소가스가 공급되며 요입된 형상을 갖는 압력면(20a)과, 상기 압력면(20a)의 이면에 형성되며 볼록한 형상을 갖는 흡입면(20b)과, 상기 블레이드(20)의 선단에 형성된 스퀄러팁(20c)으로 이루어진다.

여기서 본 실시예의 특징에 따른 스퀄러팁(20c)은 테두리에 림(22)이 형성되어 있고, 상기 림(22)의 압력면측벽(22a)에서 흡입면측벽(22b)으로 하향 경사지게 형성되고, 이 경사면에 의해 내부에 공동(24)이 형성된다. 따라서 압력면(20a)으로 입사된 연소가스는 압력면(20a)과 충돌한 후 압력면측벽(22a)을 따라 림(22)을 타고 넘어서 경사면을 따라 이동하면서 흡입면측벽(22b)과 충돌하면서 재순환영역이 생성된다. 이 때 생성된 재순환영역에 의해서 공동 내 바닥면에서는 낮은 열전달 계수를 야기하며, 공동은 레버니스 씰처럼 작동하여 누설유동을 줄여 전압손실을 줄일 수 있다.

여기서 상기 림(22)은 폭(a2)이 블레이드(20) 코드 길이의 1.5% 미만일 경우 취약해서 파손될 위험성이 있고, 5%를 초과할 경우 재순환영역의 생성이 미약해서 열전달 특성이 우수하지 못할뿐더러 전압손실을 효과적으로 줄일 수 없다. 따라서 상기 림(22)의 폭(a2)은 상기 블레이드(20) 코드 길이의 1.5 내지 5%인 것이 바람직하다.

아울러 상기 림(22)의 깊이(b2)는 상단으로부터 공동(24)의 바닥까지 깊이가 스팬길이의 1% 미만일 경우 재순환영역의 생성이 미약해서 열전달 특성이 우수하지 못할뿐더러 전압손실을 효과적으로 줄일 수 없고, 6%를 초과할 경우 구조적으로 취약해져서 파손될 우려가 있다. 따라서 상기 림(22)의 상단으로부터 공동(24)의 바닥까지의 깊이(b2)는 블레이드(20) 스팬길이의 1 내지 6%인 것이 바람직하다.

[제3실시예]

본 발명의 제3실시예에 따른 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드는 도 1에 도시된 바와 같이 로터(미도시)에 끼워지도록 구비된 도브테일형상의 루트(100)와, 루트(100)와 일체로 형성되는 생크(101)와, 상기 생크(101)로부터 연장 형성되는 블레이드(30)로 이루어진다.

상기 블레이드(30)는 일측으로 연소가스가 공급되며 요입된 형상을 갖는 압력면(30a)과, 상기 압력면(30a)의 이면에 형성되며 볼록한 형상을 갖는 흡입면(30b)과, 상기 블레이드(30)의 선단에 형성된 스퀄러팁(30c)으로 이루어진다.

여기서 본 실시예의 특징에 따른 스퀄러팁(30c)은 테두리에 림(32)이 형성되어 있고, 상기 림(32)의 흡입면측벽(32b)에서 압력면측벽(32a)으로 하향 경사지게 형성되고, 이 경사면에 의해 내부에 공동(34)이 형성된다. 따라서 압력면(30a)으로 입사된 연소가스는 압력면(30a)과 충돌한 후 압력면측벽(32a)을 따라 림(32)을 타고 넘어서 불연속면이 발생하므로 바로 재순환영역이 생성된다. 이 때 생성된 재순환영역에 의해서 공동 내 바닥면에서는 낮은 열전달 계수를 야기하며, 공동은 레버니스 씰처럼 작동하여 누설유동을 줄여 전압손실을 줄일 수 있다.

여기서 상기 림(32)은 폭(a3)이 블레이드(30) 코드 길이의 1.5% 미만일 경우 취약해서 파손될 위험성이 있고, 5%를 초과할 경우 재순환영역의 생성이 미약해서 열전달 특성이 우수하지 못할뿐더러 전압손실을 효과적으로 줄일 수 없다. 따라서 상기 림(32)의 폭(a3)은 상기 블레이드(30) 코드 길이의 1.5 내지 5%인 것이 바람직하다.

아울러 상기 림(32)의 깊이(b3)는 상단으로부터 공동(34)의 바닥까지 깊이가 스팬길이의 1% 미만일 경우 재순환영역의 생성이 미약해서 열전달 특성이 우수하지 못할뿐더러 전압손실을 효과적으로 줄일 수 없고, 6%를 초과할 경우 구조적으로 취약해져서 파손될 우려가 있다. 따라서 상기 림(32)의 상단으로부터 공동(34)의 바닥까지의 깊이(b3)는 블레이드(30) 스팬길이의 1 내지 6%인 것이 바람직하다.

10, 20, 30 : 블레이드 10a, 20a, 30a : 압력면
10b, 20b, 30b : 흡입면 10c, 20c, 30c : 스퀄러팁
12, 22, 32 : 림 12a, 22a, 32a : 압력면측벽
12b, 22b, 32b : 흡입면측벽 14, 24, 34 : 공동

Claims

팁의 선단 테두리부에 림이 형성되고, 상기 림의 내측에 공동이 형성된 스퀄러팁을 갖는 블레이드로 이루어진 가스터빈용 블레이드에 있어서,
상기 공동의 바닥이 경사면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 1에 있어서,
상기 공동 바닥의 경사면은 림의 압력면측벽과 흡입면측벽에서 중심방향으로 하향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 2에 있어서,
상기 림의 폭은 상기 블레이드 코드 길이의 1.5 내지 5%인 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 3에 있어서,
상기 림의 상단으로부터 상기 공동의 바닥까지의 깊이는 상기 블레이드 스팬길이의 1 내지 6%인 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 1에 있어서,
상기 공동 바닥의 경사면은 림의 압력면측벽에서 흡입면측벽으로 하향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 5에 있어서,
상기 림의 폭은 상기 블레이드 코드 길이의 1.5 내지 5%인 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 6에 있어서,
상기 림의 상단으로부터 상기 공동의 바닥까지의 깊이는 상기 블레이드 스팬길이의 1 내지 6%인 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 1에 있어서,
상기 공동 바닥의 경사면은 림의 흡입면측벽에서 압력면측벽으로 하향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 8에 있어서,
상기 림의 폭은 상기 블레이드 코드 길이의 1.5 내지 5%인 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.
청구항 9에 있어서,
상기 림의 상단으로부터 상기 공동의 바닥까지의 깊이는 상기 블레이드 스팬길이의 1 내지 6%인 것을 특징으로 하는 스퀄러팁을 갖는 가스터빈용 블레이드.