KR20120084888A - Rotor blade of gas turbine - Google Patents

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KR20120084888A KR1020110006192A KR20110006192A KR20120084888A KR 20120084888 A KR20120084888 A KR 20120084888A KR 1020110006192 A KR1020110006192 A KR 1020110006192A KR 20110006192 A KR20110006192 A KR 20110006192A KR 20120084888 A KR20120084888 A KR 20120084888A
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Abstract

PURPOSE: A design for optimizing a winglet for a tip of a gas turbine flow is provided to improve turbine efficiency by reducing pressure losses caused by a tip clearance vortex. CONSTITUTION: A winglet for a tip comprises a unit for preventing pressure losses. A gas turbine flow is formed into a ring shape. The unit for preventing the pressure losses is the winglet protruded toward the outside of a diameter direction from a pressure side. A longitudinal section of the winglet is formed into tetragonal and triangular shapes, which are gradually thin.

Description

가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익의 최적화 설계{Rotor blade of gas turbine}Optimal Design of Tip Blade for Turbine Rotor Flat Tip of Gas Turbine {Rotor blade of gas turbine}

본 발명은 가스터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈 동익의 끝단에 익단소익(winglet)을 구비하여 보다 효과적으로 압력 손실을 방지할 수 있도록 하는 기능을 가지는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익의 최적화 설계에 관한 것이다.
The present invention relates to a gas turbine, and more particularly, to a blade rotor blade tip of the turbine turbine of the gas turbine having a function of providing a winglet at the end of the turbine rotor to effectively prevent pressure loss. Is about design optimization.

전형적으로 가스터빈(gas turbine) 엔진은 압축기(compressor)에서 압축된 공기를 연소실에서 연소시킨 후, 터빈(turbine)에서 이 고온 고압의 연소가스로부터 동력을 얻는 장치이다(도 1a). 이 엔진은 주로 복합화력발전 및 항공기의 추진에 사용된다. 터빈에는 정익(stator vane)과 동익(rotor blade)으로 이루어진 터빈 단(stage)이 여러 개 존재하며, 터빈의 효율은 각 터빈 단에서의 압력손실과 밀접한 관련이 있다. 특히 케이싱(casing)에 고정된 터빈 정익과는 달리, 도 1b와 같은 터빈 동익은 고속회전을 해야 하므로, 그 팁(tip) 부분과 케이싱(casing) 사이에 상대운동을 가능하게 하는 팁간극(tip gap)이 존재한다. 도 2와 3에서 알 수 있듯이, 인접 익형 통로 사이의 압력차 때문에 이 팁간극을 통하여 익형의 압력면(pressure surface) 쪽에서 흡입면(suction surface) 쪽으로 강한 2차유동이 발생하는데, 이 유동을 팁누설유동(tip-leakage flow)이라고 한다. 이 팁누설유동은 팁간극을 통과한 뒤 흡입면을 따라 나선형 형태로 돌면서 하류로 이동한다. 팁간극 근처에서 발생하는 팁누설와류(tip-leakage vortex) 등의 3차원 유동은 압력손실을 크게 증가시켜 터빈 단의 효율을 저하시킨다. 이 팁누설유동에 의한 압력손실은 누설유량에 비례하여 증가하며, 이것은 대략 전체 압력손실의 30% 정도를 차지한다고 알려져 있다. 이 누설유량은 일반적으로 팁간극 높이에 비례한다.A gas turbine engine is typically a device that burns compressed air from a compressor in a combustion chamber and then powers it from this hot, high pressure combustion gas in a turbine (FIG. 1A). This engine is mainly used for combined cycle power and propulsion of aircraft. The turbine has several turbine stages consisting of stator vanes and rotor blades, and the efficiency of the turbine is closely related to the pressure loss at each turbine stage. In particular, unlike the turbine stator fixed to the casing, the turbine rotor as shown in Figure 1b has to rotate at a high speed, so that a tip gap that allows relative movement between the tip portion and the casing gap) exists. As can be seen in FIGS. 2 and 3, due to the pressure difference between adjacent airfoil passages, a strong secondary flow occurs through the tip gap from the pressure surface side of the airfoil to the suction surface, which causes the flow to tip. This is called tip-leakage flow. This tip leakage flows through the tip clearance and moves downstream along the suction surface in a spiral fashion. Three-dimensional flows, such as tip-leakage vortex, which occur near the tip gap, significantly increase pressure loss and reduce turbine stage efficiency. The pressure loss due to this tip leakage flow increases in proportion to the leakage flow rate, which is known to account for about 30% of the total pressure loss. This leakage flow rate is generally proportional to the tip clearance height.

도 2는 평면팁(plane tip)에 대한 팁간극 누설유동의 예를 보여 준다. 도 2에서 알 수 있듯이, 팁간극 내부에는 한쌍의 팁간극와류(tip gap vortex)와 유입유동의 박리/재부착 등에 의해 매우 복잡한 3차원 유동이 존재한다. 상류 압력면 팁모서리 근처에서 팁간극으로 유입되는 유동은 도 3에서와 같이 압력면에 평행하게 케이싱으로 접근한다. 이 유동은 정체선(stagnation line)을 기준으로 누설유동(leakage flow)과 통로유동(passage flow)으로 나누어진다. 누설유동은 압력면 모서리에서 박리/재부착을 거쳐 인접 익형 통로에 이르고, 누설제트 형태로 분사되면서 누설유동박리선(leakage flow separation line)까지 도달한다. 이 누설유동은 익렬 통로 내 주유동과 상호작용하면서 팁누설와류로 발달된다. 통로와류(passage vortex)는 익형 앞전(leading edge) 상류 끝벽 경계층에서 생성된 말발굽와류(horseshoe vortex)의 압력면쪽다리(pressure-side leg)가 하류방향으로 발달되어 생성된다. 팁간극이 있을 경우 이 통로와류는 팁누설와류의 아랫쪽에 위치하는데, 이 두 와류는 서로 반대방향으로 회전하며 하류로 이동한다(도 3). 팁간극을 통해 이동하는 누설유량은 압력면 상류에 위치하는 정체선의 위치에 따라 달라지며, 이 정체선이 압력면으로부터 멀리 떨어질수록 누설유량이 증가한다. 팁누설에 의한 압력손실은 누설유량에 비례하므로, 누설유량을 감소시켜야 압력손실을 줄일 수 있다. 따라서 팁누설에 의한 압력손실을 줄이려면, (i) 정체선과 압력면 사이의 흐름에 대한 효과적인 차단하고, (ii) 익형 앞전 근처 팁간극을 통해 유입되는 누설유동의 감소를 통해 팁간극와류에 의한 압력손실을 줄이며, 이와 함께 (iii) 흡입면 근처에서 통로와류의 발달을 억제할 필요가 있다.2 shows an example of tip gap leakage flow for a plane tip. As can be seen in Figure 2, there is a very complex three-dimensional flow inside the tip gap by a pair of tip gap vortex and the separation / reattachment of the inflow flow. The flow entering the tip gap near the upstream pressure side tip edge approaches the casing parallel to the pressure side as in FIG. 3. This flow is divided into a leakage flow and a passage flow based on a stagnation line. Leakage flows through the peeling / reattaching from the edge of the pressure plane to the adjacent airfoil passages, and in the form of a jet of leakage, reaching the leakage flow separation line. This leakage flow develops into a tip leakage vortex, interacting with the main flow in the cascade passage. Passage vortex is created by developing a pressure-side leg downstream of a horseshoe vortex created at the leading edge upstream end wall boundary layer. If there is a tip gap, this passage vortex is located below the tip leakage vortex, which rotates in opposite directions and moves downstream (FIG. 3). The leakage flow through the tip gap depends on the position of the stagnation line located upstream of the pressure plane, and the leakage flow increases as the stagnation line moves away from the pressure plane. Since the pressure loss due to tip leakage is proportional to the leakage flow rate, it is necessary to reduce the leakage flow rate to reduce the pressure loss. Therefore, in order to reduce the pressure loss due to tip leakage, (i) effective blocking of the flow between the stagnation line and the pressure surface, and (ii) reduction of leakage flow through the tip clearance near the airfoil, caused by tip clearance vortex It is necessary to reduce the pressure loss and, at the same time, (iii) inhibit the development of passage vortices near the suction surface.

익단소익(winglet)은 항공기의 항력(drag force)을 줄이기 위해 항공기 주익 끝단에 설치되는 소형 날개이다. 이것은 1970년대 중반에 NASA의 Whitcomb 박사에 의해 처음 제안되었고, 현재 많은 항공기의 주익에 장착되고 있다. 이 익단소익의 모양은 매우 다양한데, 도 4a는 그 한 예를 보여 준다.A winglet is a small wing installed at the tip of the aircraft main wing to reduce the drag force of the aircraft. It was first proposed by NASA Dr. Whitcomb in the mid-1970s and is now mounted on the main wing of many aircraft. The shape of this tip blade is very diverse, and FIG. 4A shows one example.

익단소익이 없는 경우, 도 4b 좌측 날개에서 볼 수 있듯이 주익의 끝단에는 강력한 윙팁와류(wing tip vortex)가 존재한다. 이 와류는 압력이 높은 날개의 아랫면(pressure surface)과 압력이 낮은 윗면(suction surface) 사이의 압력차에 의해 생성된다. 윙팁와류는 이 압력차에 의한 upwash 유동과 날개로 접근하는 자유유동의 상호작용에 의해 발달되는데, 팁누설유동과 터빈 통로내 주유동의 상호작용으로 생성되는 팁누설와류와 생성 원인이 흡사하다. 이 주익 끝단 유동영역을 터빈 동익 팁 영역과 비교한다면, 항공기 주익 끝단의 경우 팁간극이 무한대로 큰 경우에 해당한다.If there is no tip blade, there is a strong wing tip vortex at the tip of the main blade, as seen in the left wing of FIG. 4b. This vortex is created by the pressure difference between the pressure surface of the high pressure wing and the suction surface of low pressure. Wing tip vortices are developed by the interaction between the upwash flow due to this pressure difference and the free flow approaching the wing, which is similar to the tip leakage vortex generated by the interaction between tip leakage flow and main flow in the turbine passage. Comparing this main rotor tip flow region with the turbine rotor tip region, the tip of the aircraft main rotor tip is infinitely large.

도 4b의 우측 날개에서 알 수 있듯이, 주익에 익단소익이 장착되면 윙팁와류의 강도가 매우 약해진다. 익단소익이 항공기 주익 끝단에 설치되면, 주익 상하의 압력차가 수직 익단소익에 의해 날개 끝단에서도 그대로 유지되므로, (i) 끝단 근처에서의 unloading으로 인한 주익의 양력(lift force) 감소가 소멸되고, (ii) 윙팁와류가 크게 감소되어 항력이 줄어든다.As can be seen in the right wing of Figure 4b, when the tip blade is mounted on the main blade, the strength of the wing tip vortex becomes very weak. When the tip blade is installed at the tip of the aircraft main wing, the pressure difference between the top and bottom of the wing is maintained at the wing tip by the vertical tip blade, so (i) the reduction of lift force of the wing due to unloading near the tip is eliminated, (ii) The wingtip vortex is greatly reduced, resulting in less drag.

터빈 동익의 경우 팁간극에 비례하여 누설유동이 증가한다. 이 누설유동의 증가는 압력손실과 팁표면 열부하(thermal load)를 증가시키므로 팁간극을 허용가능 최소치로 유지하는 것이 필요하다. 팁간극이 일정한 상태에서 터빈의 성능을 향상시키려면, 터빈 동익 팁 형상을 팁누설유동을 줄이는 방향으로 설계해야 한다. 앞에서 언급한 익단소익을 터빈 동익 팁에 적용하고 그 형상을 최적화한다면 터빈의 단 효율을 크게 높일 수 있을 것이다. 도 2와 도 3에서 알 수 있듯이, 누설유동은 익형의 앞전과 압력면 모서리를 넘어 팁간극 내부로 유입된다. 이와 같은 유입유동은 도 3에서와 같이 익형의 압력면을 따라 팁 쪽으로 이동하는 유동으로부터 지속적으로 공급된다. 따라서 익단소익을 이용하여 익형의 앞전과 압력면에 걸쳐 이와 같은 유동을 효과적으로 차단할 수 있다면, 누설유량을 크게 줄일 수 있을 것이다. In turbine rotor blades, the leakage flow increases in proportion to the tip clearance. This increase in leakage flow increases pressure loss and tip surface thermal load, so it is necessary to keep the tip clearance to an acceptable minimum. To improve the performance of a turbine with a constant tip clearance, the turbine rotor tip shape should be designed to reduce tip leakage flow. Applying the above mentioned tip vanes to the turbine rotor tip and optimizing its shape will greatly increase the turbine's stage efficiency. As can be seen in Figures 2 and 3, the leakage flow is introduced into the tip gap beyond the front edge of the airfoil and the pressure surface edge. This inflow flow is continuously supplied from the flow moving toward the tip along the pressure surface of the airfoil as shown in FIG. Therefore, if the tip vane can be used to effectively block this flow across the airfoil and pressure plane of the airfoil, the leakage flow will be greatly reduced.

일반적으로 터빈 익형이 피치(pitch) 방향으로 배열된 익렬(cascade)은 도 5와 같이 정의된다. c는 코드(chord) 길이, b는 축방향코드(axial chord) 길이, p는 피치, s는 스팬(span)을 나타내며, h는 팁간극의 높이를 나타낸다. 도 6은 터빈 동익 팁에 설치된 익단소익의 일반적인 형태를 보여 준다. 푸른색으로 표시된 부분은 익단소익의 범위를 나타내며, w는 이 익단소익의 폭, t는 익단소익의 두께, d는 팁 표면으로부터 익단소익 상단까지의 거리(offset distance)를 나타낸다. 이 익단소익의 형상을 최적화하려면, 팁누설 압력손실을 최소로 하는 익단소익의 범위, 폭, 오프셋거리, 두께, 단면형상 등을 찾아야 한다.
In general, a cascade in which turbine blades are arranged in a pitch direction is defined as shown in FIG. 5. c is the chord length, b is the axial chord length, p is the pitch, s is the span, and h is the height of the tip gap. Figure 6 shows the general shape of the tip vane installed on the turbine rotor blade tip. The area marked in blue represents the range of tip blades, w is the width of the tip blades, t is the tip blade thickness, and d is the offset distance from the tip surface to the top of the tip blades. To optimize the shape of this tip blade, it is necessary to find the range, width, offset distance, thickness, and cross-sectional shape of the tip blade to minimize tip leakage pressure loss.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에어포일의 팁누설와류 등의 3차원 유동에 의해 압력손실을 증대되는 것을 방지하는 새로운 터빈 동익의 구성을 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a configuration of a new turbine rotor blade to prevent the pressure loss is increased by the three-dimensional flow, such as tip leakage vortex of the airfoil. .

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,

환형상으로 배열된 가스터빈의 터빈 동익에 있어서,In the turbine rotor blades of the gas turbine arranged in an annular shape,

상기 터빈 동익의 팁에 대향해서 배치된 팁 상단측에 압력 손실을 완화하는 압력 손실 방지 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.A pressure loss preventing means for alleviating pressure loss is provided on the tip upper end side disposed opposite the tip of the turbine rotor blade.

본 발명에 따르면, 정체선과 압력면 사이의 흐름에 대한 효과적인 차단하고, 익형 앞전 근처 팁간극을 통해 유입되는 누설유동의 감소를 통해 팁간극와류에 의한 압력손실을 줄임으로써, 터빈 동익 성능에 영향을 주어 터빈(turbine) 효율의 큰 개선이 효과적으로 구현된다는 특장점이 있는 것이다.
According to the present invention, it is effective in blocking the flow between the stagnation line and the pressure surface, and reducing the pressure loss caused by the tip gap vortex through the reduction of the leakage flow introduced through the tip gap near the airfoil, thereby affecting the turbine rotor performance. The main advantage is that large improvements in the turbine efficiency are effectively implemented.

도 1a는 고온 고압의 연소가스로부터 동력을 얻는 장치의 개략적인 내부 구조도이다.
도 1b는 고속 회전하는 터빈 동익의 사시도이다.
도 2는 평면팁(plane tip)에 대한 팁간극 누설유동의 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 상류 압력면 팁모서리 근처에서 팁간극으로 유입되는 유동에서 압력면에 평행하게 케이싱으로 접근하는 예를 보여주는 도면이다.
도 4a는 대다수의 항공기의 주익에 장착되는 익단소익의 한 예를 보여 주는 도면이다.
도 4b는 익단소익이 없는 경우, 좌측 날개에서 볼 수 있듯이 주익의 끝단에는 강력한 윙팁와류(wing tip vortex)가 존재하는 한 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 터빈 익형이 피치(pitch) 방향으로 배열된 익렬(cascade)의 평면 및 측면 구조도이다.
도 6은 터빈 동익 팁에 설치된 익단소익의 일반적인 형태를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른, 팁간극, 익단소익의 폭, 두께, 오프셋거리 등을 각각 설정하고, 익단소익의 여러 후보 형상에 대하여 팁누설 압력손실을 측정한 결과이다.
도 8은 최적 형상 익단소익 "FL"에 대하여, 익단소익의 폭이 팁누설 압력손실에 미치는 영향을 측정한 결과이다.
도 9는 팁간극, 익단소익의 두께, 폭 등이 각각 h/c = 2.0%, w/p = 10.55%, t/s = 1.25%인 최적 익단소익 FL에 대하여, 오프셋거리(d)가 팁누설 압력손실에 미치는 영향을 제시하고 있다.
도 10은 팁간극, 익단소익의 폭, 오프셋거리 등이 각각 h/c = 2.0%, w/p = 10.55%, d/s = 0.0%인 최적 익단소익 FL에 대하여, 익단소익의 두께(t) 및 단면형상이 팁누설 압력손실에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 11은, 익단소익의 아랫면이 경사져 있는 경우의 압력손실이 더 작게 나타나는 결과를 나타낸 그래프이다.
1A is a schematic internal structural diagram of an apparatus for obtaining power from combustion gas of high temperature and high pressure.
1B is a perspective view of a turbine rotor blade rotating at high speed.
2 shows an example of tip gap leakage flow for a plane tip.
Figure 3 shows an example of approaching the casing parallel to the pressure plane in the flow entering the tip clearance near the upstream pressure plane tip edge.
FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a tip wing installed on the main wing of most aircraft. FIG.
4b is a diagram showing an example in which there is a powerful wing tip vortex at the tip of the main wing as shown in the left wing when there is no tip blade.
5 is a plan view and side view of a cascade in which turbine airfoils are arranged in a pitch direction.
6 is a view showing a general shape of the tip blade installed on the turbine rotor blade tip.
7 is a result of setting the tip gap, the tip blade width, the thickness, the offset distance, and the like, and measuring tip leakage pressure loss with respect to various candidate shapes of the tip blade.
8 is a result of measuring the effect of the tip blade width on the tip leakage pressure loss with respect to the optimum shape tip blade "FL".
FIG. 9 shows the offset distance d for the optimal tip-swing FL with h / c = 2.0%, w / p = 10.55%, and t / s = 1.25%, respectively. Shows the effect on tip leakage pressure loss.
FIG. 10 shows the tip blades, the tip blade width, the offset distance, and the like for the optimum tip blade FL with h / c = 2.0%, w / p = 10.55%, and d / s = 0.0%, respectively. It is a graph showing the effect of thickness ( t ) and cross-sectional shape on tip leakage pressure loss.
11 is a graph showing a result of a smaller pressure loss when the bottom surface of the tip blade is inclined.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명인 환형상으로 배열된 가스터빈의 터빈 동익으로서, 상기 터빈 동익의 압력 손실을 완화하기 위한 압력 손실 방지 수단을 마련한 최적화 설계 기술의 일환으로서 도모되었다.A turbine rotor of a gas turbine arranged in an annular shape according to the present invention has been designed as part of an optimization design technique in which pressure loss preventing means for mitigating pressure loss of the turbine rotor is provided.

여기에서, 상기 압력 손실 방지 수단은 상기 터빈 동익의 압력면(pressure side)으로부터 반경 방향 외측을 향해 선단 돌출된 익단소익으로서, 본 익단소익의 상세 구성을 후술한다.Here, the pressure loss preventing means is a tip vane that protrudes radially outward from the pressure side of the turbine rotor blade, which will be described in detail later.

먼저, 도 7은 팁간극, 익단소익의 폭, 두께, 오프셋거리 등을 각각 h/c = 2.0%, w/p = 10.55%, t/s = 1.25%, d/s = 0.0%로 고정하고, 익단소익의 여러 후보 형상에 대하여 팁누설 압력손실을 측정한 결과이다. 각 익단소익의 명칭에서 "P"는 압력면, "S"는 흡입면, "LE"는 앞전, "TE"는 뒷전을 의미하며, "1"은 상류부분, "2"는 하류부분을 나타낸다. 익형의 모든 부분에 익단소익이 존재하는 경우, 이 익단소익의 명칭은 "LEP12S12TE"인데, 이 경우에는 특별히 "FL" (Full-Length)로 명명하였다(도 7c).First, Figure 7 is fixed to the tip gap, tip blade width, thickness, offset distance, etc. h / c = 2.0%, w / p = 10.55%, t / s = 1.25%, d / s = 0.0%, respectively The tip leakage pressure loss was measured for various candidate shapes of the tip tip. In the name of each tip blade, "P" means pressure side, "S" means suction side, "LE" means forward, "TE" means backward, "1" means upstream and "2" means downstream. Indicates. When the tip vane is present in all parts of the airfoil, the tip vane is named "LEP12S12TE", in which case it is specifically named "FL" (Full-Length) (FIG. 7C).

도 7에서 알 수 있듯이, 여러 후보 형상 중 익단소익이 없는 경우("No Winglet")의 압력손실이 가장 크게 나타난다. 도 7a에 의하면, 압력면 또는 흡입면에 익단소익이 설치된 경우보다는 양쪽에 동시에 익단소익이 있는 경우("P12S12")의 압력손실이 더 작았다. 도 7b의 결과를 보면, 익형 앞전이 포함된 어떤 익단소익들도 "P12S12"보다 압력손실이 더 크게 나타났다. 도 7c로부터 알 수 있듯이, 압력손실은 익단소익의 범위가 넓을수록 작게 나타났고, 도 7의 전체 후보 중 익단소익 "FL"의 압력손실이 가장 작았다. 따라서 익형의 모든 부분에 익단소익이 존재하는 "FL"("LEP12S12TE") 익단소익이 최적 형상이다.As can be seen in Figure 7, the pressure loss in the case of no tip tip ("No Winglet") of the various candidate shapes is the largest. According to FIG. 7A, the pressure loss was smaller in the case where the tip vanes were simultaneously provided on both sides ("P12S12") than when the tip or suction surfaces were installed. Looking at the results of Figure 7b, any tip blades including airfoil ahead of the pressure loss was greater than "P12S12". As can be seen from FIG. 7C, the pressure loss was smaller as the range of the tip tip was wider, and the pressure drop of the tip tip FL was the smallest among all candidates in FIG. 7. Thus, the "FL" ("LEP12S12TE") tip-sock, which has tip-socks on all parts of the airfoil, is the optimal shape.

도 7에서 언급한 익단소익 최적 형상은 익단소익의 폭을 w/p = 10.55%로 고정하고 얻은 결과이다. 도 8은 최적 형상 익단소익 "FL"에 대하여, 익단소익의 폭이 팁누설 압력손실에 미치는 영향을 측정한 결과이다. 이때 팁간극, 익단소익 두께, 오프셋거리 등은 각각 h/c = 2.0%, t/s = 1.25%, d/s = 0.0%로 고정하였다. 측정 결과, 익단소익의 폭이 커질수록 압력손실은 크게 감소하는 경향을 보이나, w/p가 10.55% 이상이 되면 압력손실이 더 이상 감소하지 않았다. 따라서 w/p가 10.55%보다 큰 익단소익을 채택할 이유가 없으며, 이에 따라 익단소익의 폭이 피치의 대략 10% 정도가 최적 익단소익 폭이 된다.The tip blade tip optimum shape mentioned in FIG. 7 is a result obtained by fixing the tip blade width to w / p = 10.55%. 8 is a result of measuring the effect of the tip blade width on the tip leakage pressure loss with respect to the optimum shape tip blade "FL". At this time, tip gap, tip blade thickness, and offset distance were fixed at h / c = 2.0%, t / s = 1.25%, and d / s = 0.0%, respectively. As a result, the pressure loss tends to decrease as the tip blade width increases, but the pressure loss no longer decreases when w / p exceeds 10.55%. Therefore, there is no reason to adopt a tip profit with a w / p greater than 10.55%, so that the width of the tip gain is approximately 10% of the pitch, which is the optimum tip gain.

팁간극, 익단소익의 두께, 폭 등이 각각 h/c = 2.0%, w/p = 10.55%, t/s = 1.25%인 최적 익단소익 FL에 대하여, 오프셋거리(d)가 팁누설 압력손실에 미치는 영향이 도 9에 제시되어 있다. 도 9에 의하면, d/s가 증가할수록 압력손실이 급격히 증가하였다. 따라서 d/s가 0.0%일 때, 즉 팁 표면과 익단소익 윗면이 동일 평면상에 있을 때, 압력손실이 가장 작음을 알 수 있다.For the optimal tip-soil FL, where the tip clearance, tip thickness, and width are h / c = 2.0%, w / p = 10.55%, and t / s = 1.25%, respectively, the offset distance d is the tip leakage. The effect on pressure loss is shown in FIG. 9. According to FIG. 9, as the d / s increases, the pressure loss increases rapidly. Therefore, it can be seen that the pressure loss is smallest when d / s is 0.0%, that is, when the tip surface and the tip blade top are coplanar.

팁간극, 익단소익의 폭, 오프셋거리 등이 각각 h/c = 2.0%, w/p = 10.55%, d/s = 0.0%인 최적 익단소익 FL에 대하여, 익단소익의 두께(t) 및 단면형상이 팁누설 압력손실에 미치는 영향이 도 10에 제시되어 있다. 도 10의 결과에 의하면, t/s가 클 때 압력손실이 더 증가하였고, 익단소익의 아랫면이 경사져 있는 경우의 압력손실이 더 작게 나타났다.Respectively, the width, the offset distance of the tip clearance, wing chancel ripening h / c = 2.0%, w / p = 10.55%, d / s = 0.0% in respect to the optimum ripening chancel ripening FL, wing thickness (t of chancel ripening ) And the effect of cross-sectional shape on tip leakage pressure loss is shown in FIG. According to the result of FIG. 10, the pressure loss was further increased when t / s was large, and the pressure loss was smaller when the lower surface of the tip blade was inclined.

팁간극, 익단소익의 폭, 오프셋거리 등이 각각 h/c = 2.0%, w/p = 10.55%, d/s = 0.0%인 최적 익단소익 FL에 대하여, 익단소익의 두께(t) 및 단면형상이 팁누설 압력손실에 미치는 영향이 도 10에 제시되어 있다. 도 11의 결과에 의하면, t/s가 클 때 압력손실이 더 증가하였고, 익단소익의 아랫면이 경사져 있는 경우의 압력손실이 더 작게 나타났다.Respectively, the width, the offset distance of the tip clearance, wing chancel ripening h / c = 2.0%, w / p = 10.55%, d / s = 0.0% in respect to the optimum ripening chancel ripening FL, wing thickness (t of chancel ripening ) And the effect of cross-sectional shape on tip leakage pressure loss is shown in FIG. According to the result of FIG. 11, the pressure loss was further increased when t / s was large, and the pressure loss was smaller when the bottom surface of the tip blade was inclined.

앞에서 설명한 팁누설 압력손실 측정 결과를 바탕으로, 도 11과 같은 터빈 동익 평면팁용 최적 익단소익 형상이 도출되었다. 최적 익단소익은 동익의 전체 둘레에 걸쳐 균일한 폭으로 배치되며, 최적 익단소익의 폭은 피치의 대략 10%이다. 최적 익단소익의 두께는 스팬의 1.25% 내외에서 가능한 한 얇아야 하며, 최적 익단소익의 윗면은 팁 표면과 동일 평면상에 있고 아랫면은 경사진 형태로 익단소익의 끝부분의 두께가 최소가 되도록 한다.Based on the tip leakage pressure loss measurement results described above, the optimum tip-sink shape for the turbine rotor plane tip as shown in FIG. The optimal tip vane is arranged in a uniform width over the entire circumference of the rotor, with the optimum tip vane width being approximately 10% of the pitch. The tip tip thickness should be as thin as possible, around 1.25% of the span. The tip tip tip is coplanar with the tip surface and the bottom tip is inclined so that the tip tip tip thickness is minimal. To be

최적 익단소익 각 부분의 역할Role of each part

이 최적 익단소익의 앞전부분은 앞전 팁모서리를 넘어 팁간극으로 유입되는 유량을 줄여 팁간극와류(도 2)를 약화시키는 역할을 한다. 압력면 부분은 압력면 팁 모서리를 넘어 팁간극으로 유입되는 팁누설 유량을 감소시켜, 팁누설와류 영역에서의 압력손실을 줄여 준다. 흡입면 쪽 익단소익은 인접 익형의 허브(hub) 선단부에서 발생하여 흡입면 쪽으로 이동하는 말발굽와류의 압력면다리를 차단하여 통로와류의 발달을 억제하고, 이에 따라 통로와류 영역에서의 압력손실을 감소시킨다. 이와 같은 기능은 익단소익의 폭이 피치의 10% 정도에서 가장 효율적이다. 익단소익이 두꺼울수록 유입 유동의 불필요한 blockage와 하류 측 후류(wake) 폭의 확대로 압력손실이 증가하게 된다.The front edge of this optimum tip blade serves to weaken the tip gap vortex (FIG. 2) by reducing the flow rate entering the tip gap beyond the tip edge. The pressure side reduces the flow rate of tip leakage entering the tip clearance beyond the tip edge edge, thereby reducing the pressure loss in the tip leakage vortex region. The tip side suction on the suction side prevents the development of passage vortices by blocking the pressure leg of the horseshoe vortex, which occurs at the hub tip of the adjacent airfoil and moves toward the suction side, thereby reducing the pressure loss in the passage vortex region. Let's do it. This function is most effective when the tip blade width is about 10% of the pitch. The thicker the tip tip, the greater the pressure loss due to the unnecessary blockage of the inflow and the expansion of the wake wake downstream.

본 발명에 따른 익단소익은, 터빈 동익의 압력면으로부터 반경 방향 외측을 향하고 발산하고, 선단 슈라우드 클리어런스(shroud clearance)를 이용하는 연소 가스(gas)의 흐름에 대한 저항을 증대시킨다.The tip vane according to the present invention diverges radially outward from the pressure side of the turbine rotor and increases the resistance to the flow of combustion gas utilizing a tip shroud clearance.

압력손실 측정에서, 종단면이 사각형태인 익단소익을 구비한 상태(도 10 참조)와 종단면이 삼각형태인 익단소익을 구비한 상태(도 11 참조)에 대해서, 터빈 동익 성능에 영향을 주어 터빈(turbine) 효율의 큰 개선도 또 획득될 수 있는 등의 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.In the pressure loss measurement, the turbine rotor performance is influenced by the turbine rotor performance for the state with the tip-side vane having a rectangular cross section (see FIG. 10) and the state with the tip-side vane having a triangular cross section (see FIG. 11). A great improvement in efficiency can be achieved, too, and so on.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10 : 터빈동익
20 : 익단소익
10: turbine rotor blade
20: tip-sided

Claims (7)

환형상으로 배열된 가스터빈의 터빈 동익에 있어서,
상기 터빈 동익의 팁 상단측에 압력 손실을 완화하는 압력 손실 방지 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
In the turbine rotor blades of the gas turbine arranged in an annular shape,
A tip rotor blade for a turbine rotor plane tip of a gas turbine, characterized in that a pressure loss prevention means for alleviating pressure loss is provided on the tip top side of the turbine rotor blade.
제 1 항에 있어서,
상기 압력 손실 방지 수단은,
상기 터빈 동익의 압력면(pressure side)으로부터 반경 방향 외측을 향해 선단 돌출된 익단소익인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
The method of claim 1,
The pressure loss prevention means,
A tip rotor blade for a turbine rotor plane tip of a gas turbine, characterized in that the tip rotor blade protruding radially outward from the pressure side of the turbine rotor blade.
제 2 항에 있어서,
상기 익단소익은, 종단면이 사각형태인 익단소익인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
The method of claim 2,
The tip blade tip, the blade blade tip blade for the turbine rotor blade tip of the gas turbine, characterized in that the longitudinal section of the tip blade.
제 2 항에 있어서,
상기 익단소익은, 끝단으로 가면서 두께가 얇아진 종단면이 삼각형태인 익단소익인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
The method of claim 2,
The tip blade tip, the blade rotor blade tip blade tip for the turbine turbine of the gas turbine, characterized in that the longitudinal section of the thinner the thinner end surface going to the tip.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 익단소익의 폭이 피치의 10%인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
The method according to claim 3 or 4,
A tip rotor blade for a turbine rotor blade tip of a gas turbine, characterized in that the width of the tip blade blade is 10% of the pitch.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 익단소익에 있어, 익단소익의 폭, 오프셋거리는, 각각 w/p = 10.55%, d/s = 0.0%에서 최적화되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
The method according to claim 3 or 4,
In the tip vane, the width and the offset distance of the tip vane, the blade tip for the turbine rotor plane tip of the gas turbine, characterized in that optimized at w / p = 10.55%, d / s = 0.0%, respectively.
제 2 항에 있어서,
상기 익단소익은 상기 동익의 상단 전외주면에 걸쳐 연장 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 터빈 동익 평면팁용 익단소익.
The method of claim 2,
The tip blade tip blade rotor blade tip for the turbine turbine of the gas turbine, characterized in that formed extending over the upper front and outer peripheral surface of the rotor blade.
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