KR20130116323A - 터빈 날개 - Google Patents

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KR20130116323A
KR20130116323A KR1020137020915A KR20137020915A KR20130116323A KR 20130116323 A KR20130116323 A KR 20130116323A KR 1020137020915 A KR1020137020915 A KR 1020137020915A KR 20137020915 A KR20137020915 A KR 20137020915A KR 20130116323 A KR20130116323 A KR 20130116323A
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turbine blade
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KR1020137020915A
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요지 오키타
치유키 나카마타
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

본 발명은, 날개부(2)의 내부(25)에 도입된 냉각 가스를 배쪽 날개면(23)으로 배출하는 노치 부분(41)을 가진 복수열의 냉각부(4, 4A, 4B)를 날개 전연에서 날개 후연으로 향하는 방향으로 열을 이루어 구비한 터빈 날개(1)로서, 상기 복수열의 최하류 열에 마련되며, 상기 노치 부분(41)에 의해 노출되는 영역에 난류 촉진 수단(44, 45, 46)을 가진 난류 촉진 냉각부(4B)와, 상기 복수열의 다른 열에 마련되고 상기 노치 부분(41)에 의해 노출되는 영역에 필름 냉각층을 형성하는 필름 냉각부(4A)를 구비하고 있다.

Description

터빈 날개{Turbine blade}
본 발명은, 터빈 날개에 관한 것이다. 본원은 2011년 03월 11일에 출원된 일본특허출원 제2011-054253호에 대해서 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
터빈이 구비한 터빈 날개는 일반적으로 고온의 유체에 노출된다. 특히 가스 터빈이 구비한 터빈 날개는 연소기로부터 배출된 고온의 연소 가스에 노출되므로 매우 고온의 환경에 노출된다. 이러한 고온의 환경에 노출되는 터빈 날개의 내구성을 높이기 위해, 터빈 날개의 내부에 냉각 공기 등의 냉각 가스를 공급하는 경우가 있다. 이와 같이 냉각 가스를 날개 내부에 공급함으로써 터빈 날개의 온도 상승을 억제하여 터빈 날개의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
그런데 터빈 날개의 후연(後緣) 영역의 두께는, 터빈의 공력(空力) 성능 관점에서 얇은 것이 바람직하다. 따라서 터빈 날개의 후연 영역에는, 터빈 날개의 내부에 냉각 가스를 흐르게 하기 위한 유로를 형성하기 어려운 경우가 많다. 즉, 터빈 날개의 후연 영역은 냉각이 어려운 부위라고 볼 수 있다. 따라서 예를 들면 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는, 터빈 날개의 후연 영역의 배(腹)쪽에 노치 부분을 형성함으로써 후연 영역을 얇게 함과 동시에 노치 부분에 의해 노출된 배쪽의 면을 향해 냉각 가스를 내뿜음으로써 후연 영역을 필름 냉각하는 방법이 제안되었다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2003-56301호 공보 특허문헌 2: 미국특허 제5215431호 명세서
그러나 특허문헌 1이나 특허문헌 2에서 제안되어 있는 방법으로는 터빈 날개의 후연 영역을 충분히 냉각하기 어려워서, 터빈 날개의 후연 영역에서 냉각 효율을 더욱 향상시킬 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 노치 부분으로부터 배출되는 냉각 가스의 흐름을 난류로 함으로써 날개부와 냉각 가스 사이의 열전달율을 높일 수 있다. 그런데 냉각 가스의 흐름을 난류로 한 경우에는 냉각 가스가 날개부의 표면을 흐르는 주류와 곧바로 혼합되어 냉매인 냉각 가스의 온도가 상승한다는 단점도 있다. 즉, 냉각 가스의 난류 발생을 필요 이상으로 촉진하면 필름 냉각층과 주류 가스의 혼합이 촉진되어 필름 냉각의 효율이 저하된다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 터빈 날개에서, 필름 냉각의 효율 저하를 억제하고 또한 날개부와 냉각 가스 사이의 열전달율을 향상시킴으로써 터빈 날개의 후연 영역의 냉각 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 이하의 구성을 채용한다.
제1 발명은, 날개부의 내부에 도입된 냉각 가스를 배(腹)쪽 날개면으로 배출하는 노치 부분을 가진 복수열의 냉각부를 날개 전연(前緣)에서 날개 후연(後緣)으로 향하는 방향으로 열을 이루도록 구비한 터빈 날개이다. 이 터빈 날개는, 복수열의 최하류 열에 마련되고, 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 난류 촉진 수단을 가진 난류 촉진 냉각부와, 복수열의 다른 열에 마련되고, 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 필름 냉각층을 형성하는 필름 냉각부를 구비하고 있다.
제2 발명은, 상기 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 복수열 중 어느 열에서 상기 날개부의 높이 방향으로 복수의 상기 냉각부가 이산(離散)적으로 배열되어 있다.
제3 발명은, 상기 제1∼제3 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 복수열 중 어느 열에서 상기 날개부의 높이 방향으로 상기 냉각부가 길게 연장된 형상으로 연속적으로 마련되어 있다.
제4 발명은, 상기 제1∼제4 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 난류 촉진 수단이 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 세워지게 마련되는 복수의 핀부이다.
제5 발명은, 상기 제1∼제4 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 난류 촉진 수단이 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 세워지게 마련됨과 동시에 상기 냉각 가스의 흐름 방향으로 배열된 복수의 단부(段部)이다.
제6 발명은, 상기 제1∼제4 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 난류 촉진 수단이 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 형성되는 복수의 딤플부이다.
본 발명에서는, 노치 부분을 가진 복수열의 냉각부가 날개 전연에서 날개 후연으로 향하는 방향으로 열을 이루어 구비되어 있다. 이 복수열의 냉각부 중 최하류 열이, 난류 촉진 수단을 구비하여 난류에 의해 냉각을 행하는 난류 촉진 냉각부가 되고, 다른 어느 열이 필름 냉각층을 형성하는 필름 냉각부로 되어 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 난류 촉진 냉각부에 의해 냉각 가스의 난류 발생이 촉진되어 난류 촉진 냉각부에서 대류 열전달이 촉진되고, 또한 필름 냉각부로부터 유출된 냉각 가스에 의해 필름 냉각층이 형성되어 필름 냉각이 행해진다. 즉, 본 발명에 의하면, 날개부의 후연 영역에서, 주류(主流) 가스보다 온도가 낮은 필름 냉각 가스와의 대류 열전달이 난류 촉진 냉각부에 의해 촉진된다. 따라서 날개부의 후연부를 효율적으로 냉각할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 필름을 형성하는 노치 부분과, 전열 촉진하는 구조를 가진 노치 부분을 따로 따로 배치함으로써 필름 냉각의 효율 저하를 억제하고 또한 날개부와 냉각 가스 사이의 열전달율을 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 날개부의 후연 영역의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 사시도이다.
도 2a는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 단면도이다.
도 2b는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 단면도이다.
도 3a는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 주요부를 확대한 사시도이다.
도 3b는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 주요부를 확대한 사시도이다.
도 4a는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 변형예를 도시한 확대 사시도이다.
도 4b는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 변형예를 도시한 확대 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일실시형태에서의 터빈 날개의 변형예를 도시한 평면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 터빈 날개의 일실시형태에 대해 설명하기로 한다. 아울러 이하의 도면에서 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다.
도 1은, 본 실시형태의 터빈 날개(1)의 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는, 터빈 날개(1)의 단면도로서, 도 2a가 도 1의 A-A선 단면도이고, 도 2b가 도 1의 B-B선 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 본 실시형태의 터빈 날개(1)는, 날개부(2)와 근원부(3)와 냉각부(4)를 구비하고 있다.
날개부(2)는, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 전연(21)(날개 전연)과, 후연(22)(날개 후연)과, 배(腹)쪽 날개면(23)(날개배)과, 등 배(背)쪽 날개면(24)을 가진 날개 형상으로 설정되어 있음과 동시에 내부(25)(날개 내부)가 냉각 가스를 도입 가능한 중공(中空)을 구비하고 있다. 이 날개부(2)는, 전연(21)을 유체의 상류측으로 향하게 하여 배치되어 있다. 따라서 날개부(2)의 배쪽 날개면(23) 및 등쪽 날개면(24)의 표면에는, 전연(21)에서 후연(22)를 향해 유체가 흐르는 흐름이 형성된다. 아울러 이하의 설명에서, 배쪽 날개면(23) 및 등쪽 날개면(24)의 표면을 따라 전연(21)에서 후연(22)으로 흐르는 흐름을 주류라고 칭한다.
근원부(3)는 날개부(2)를 지지하며, 터빈 디스크에 고정된다. 아울러 근원부(3)는 미도시된 내부 유로를 가지고 있다. 이 근원부(3)의 내부 유로를 통해 냉각 가스가 날개부(2)의 내부(25)에 공급된다.
냉각부(4)는, 날개부(2)의 내부(25)에 도입된 냉각 가스를 후연(22)측의 배쪽 날개면(23)측으로 배출하여 후연(22)을 포함한 후연 영역을 냉각한다. 이 냉각부(4)는 배쪽 날개면(23)측에 형성된 노치 부분(41)을 가지며, 이러한 노치 부분(41)이 슬롯(42)을 형성하고 있다. 또 냉각부(4)는 슬롯(42)의 전연(21)측의 벽부에 마련되며, 날개부(2)의 내부(25)로 관통하는 관통공(43)을 가지고 있다. 이 관통공(43)은 노치 부분(41)에 냉각 가스를 배출한다. 이와 같이 본 실시형태의 터빈 날개(1)에서의 냉각부(4)는, 날개부(2)의 내부(25)에 도입된 냉각 가스를 배쪽 날개면(23)측으로 배출하는 노치 부분(41)을 가지고 있다.
또 본 실시형태의 터빈 날개(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이 전연(21)에서 후연(22)으로 향하는 방향으로 2열(복수열)의 냉각부(4)를 구비하고 있다. 각 열은, 날개부(2)의 높이 방향(도 1의 지면(紙面)에서의 상하 방향)으로 이산적으로 등간격으로 배치된 복수의 냉각부(4)에 의해 구성되어 있다. 또 도 1에 도시한 바와 같이 전연(21)측의 1열을 구성하는 냉각부(4)와, 후연(22)측의 1열을 구성하는 냉각부(4)는 날개부(2)의 높이 방향으로 어긋나게 배치되어 있다. 이로써 냉각부(4)가 지그재그 형태로 배열되어 있다.
그리고 본 실시형태의 터빈 날개(1)에서는, 전연(21)측의 1열을 구성하는 냉각부(4)가 필름 냉각부(4A)가 되고, 후연(22)측의 1열을 구성하는 냉각부(4)가 난류 촉진 냉각부(4B)로 되어 있다.
도 3a는, 필름 냉각부(4A)의 확대 사시도이다. 이 도 3a에 도시한 바와 같이 필름 냉각부(4A)는 노치 부분(41)에 의해 노출된 평면의 영역(R)을 구비하고 있다. 이 필름 냉각부(4A)는, 관통공(43)으로부터 배출된 냉각 가스에 의해 필름 냉각층을 형성하여 필름 냉각을 행한다. 즉, 필름 냉각부(4A)는 노치 부분(41)에 의해 노출되는 영역(R)에 필름 냉각층을 형성하여 필름 냉각을 행할 수 있다. 즉, 이로써 날개부(2)의 후연 영역을 냉각할 수 있다.
도 3b는, 난류 촉진 냉각부(4B)의 확대 사시도이다. 이 도 3b에 도시한 바와 같이 난류 촉진 냉각부(4B)는, 노치 부분(41)에 의해 노출된 평면의 영역(R)에 세워지게 마련되는 복수의 핀부(44)(난류 촉진 수단)를 구비하고 있다. 이 난류 촉진 냉각부(4B)는, 복수의 핀부(44)에 관통공(43)으로부터 배출된 층류가 충돌함으로써 난류의 발생을 촉진한다. 즉, 이 난류를 이용하여 필름 공기와 날개부 사이의 대류 열전달을 촉진할 수 있다. 또 복수의 핀부(44)는, 도 3b에 도시한 바와 같이 영역(R)에 지그재그 형태로 배열되어 있다. 각 핀부(44)의 높이는, 상술한 주류와의 충돌을 피하기 위해 배쪽 날개면(23)의 표면으로부터 돌출되지 않도록 설정되어 있다. 아울러 도 3b에 도시한 바와 같이 본 실시형태에서는 모든 핀부(44)가 같은 높이로 설정되어 있는데, 핀부(44)의 높이는 반드시 통일할 필요는 없다.
이상과 같이 구성된 본 실시형태의 터빈 날개(1)에서는, 노치 부분(41)을 가진 복수열의 냉각부(4)가 전연(21)에서 후연(22)으로 향하는 방향으로 열을 이루어 구비되어 있다. 그리고 이 복수열의 냉각부(4)의 후연(22)측의 1열이 난류 촉진 냉각부(4B)가 되고, 전연(21)측의 1열이 필름 냉각부(4A)로 되어 있다. 따라서 본 실시형태의 터빈 날개(1)에 의하면, 난류 촉진 냉각부(4B)에 의해 대류 열전달이 촉진되고 또한 필름 냉각부(4A)에 의해 필름 냉각층이 형성된다. 즉, 주류 가스보다 온도가 낮은 필름 냉각 가스와 날개부 사이에 생기는 대류 열전달이 난류 촉진 냉각부에 의해 촉진되기 때문에 날개부의 후연부를 효율적으로 냉각할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 필름 냉각층을 형성하는 노치 부분과 전열 촉진하는 구조를 가진 노치 부분을 따로 따로 배치함으로써, 필름 냉각의 효율 저하를 억제하고, 또한 날개부와 냉각 가스 사이의 열전달율을 향상시킬 수 있다. 이로써 날개부의 후연 영역의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또 본 실시형태의 터빈 날개(1)에서는, 가장 후연(22)측의 1열을 구성하는 냉각부(4)가 난류 촉진 냉각부(4B)로 되어 있다. 보통, 날개부 후연측의 등쪽 날개면이 날개면 온도가 높아지기 쉬운 부위로서, 이 부위에 대한 냉각을 강화할 필요가 있다. 즉, 이 부위를 구비한 날개부의 냉각되는 측(날개 배측)의 벽면에 노치 부분을 마련함으로써, 이 부위에 대해 최대한 낮은 온도의 냉각 가스와 높은 열전달율로 열전달을 행할 수 있다. 또한 본 실시형태의 터빈 날개(1)와 같이, 가장 후연(22)측의 1열을 구성하는 냉각부(4)를 난류 촉진 냉각부(4B)로 함으로써 난류의 후류측에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 즉, 필름 냉각 효율의 저하를 방지하고 또한 날개부와 냉각 가스 사이의 열전달율을 향상시킬 수 있다.
또 본 실시형태의 터빈 날개(1)에서는, 핀부(44)에 의해 난류를 형성하는 구성이 채용되었다. 따라서 간단하고 쉬운 구성으로 난류를 형성할 수 있다.
한편, 핀부(44) 대신에, 예를 들면 도 4a에 도시한 바와 같이 노치 부분(41)에 의해 노출되는 평면의 영역(R)에 세워지게 마련됨과 동시에 냉각 가스의 흐름 방향으로 배열된 복수의 단부(45)(난류 촉진 수단)를 구비해도 좋다. 이러한 복수의 단부(45)를 채용한 경우에도 관통공(43)으로부터 배출된 냉각 가스가 단부(45)에 충돌하여 난류가 촉진된다. 즉, 간단한 구성으로 난류를 촉진할 수 있다.
또 핀부(44) 대신에, 예를 들면 도 4b에 도시한 바와 같이 노치 부분(41)에 의해 노출되는 영역에 형성되는 복수의 딤플부(46)(난류 촉진 수단)를 구비해도 좋다. 이러한 복수의 딤플부(46)를 채용한 경우에도, 관통공(43)으로부터 배출된 냉각 가스가 딤플부(46)에 흘러들게 됨으로써 난류가 형성된다. 즉, 간단한 구성으로 난류를 형성할 수 있다.
또 본 실시형태의 터빈 날개(1)에는, 1개의 열을 구성하는 복수의 냉각부(4)가 날개부의 높이 방향으로 이산적으로 배치되어 있다. 따라서 냉각부(4)와 냉각부(4) 사이에 날개부에 있어서의 두꺼운 영역을 남길 수 있어 터빈 날개(1)의 강도를 확보할 수 있게 된다.
아울러 예를 들면 도 5에 도시한 바와 같이 날개부의 높이 방향으로 길게 연장된 형상으로 연속적으로 마련된 냉각부(4)(도 5에서는 필름 냉각부(4A))를 구비해도 좋다. 이러한 냉각부(4)를 채용함으로써 날개부의 높이 방향으로 연장되는 날개부보다 넓은 범위를 냉각할 수 있게 된다. 단, 냉각부(4)를 길게 연장된 형상으로 한 경우에는 관통공의 개구 면적이 증가한다. 즉, 길게 연장된 형상으로 연속적으로 마련된 냉각부(4)로 구성되는 열에서 배출되는 냉각 가스의 유량이, 이산적으로 배치된 냉각부(4)로 구성되는 열로부터 배출되는 냉각 가스의 유량보다 증대될 가능성이 있다.
따라서 냉각부(4)를 길게 연장된 형상으로 할 경우에는, 길게 연장된 형상으로 연속적으로 마련된 냉각부(4)에서의 관통공의 개구 면적을 좁혀, 이산적으로 배치된 냉각부(4)로부터 충분한 냉각 가스가 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명하였으나 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지는 않는다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 내용에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 다양하게 변경 가능하다.
예를 들면, 도 1에 도시한 터빈 날개의 모식도는 동익(動翼)이지만, 본 구조를 정익(靜翼)에 적용하는 경우도 있을 수 있다.
또 본 실시형태의 터빈 날개(1)에는, 2열의 냉각부(4)가 주류의 흐름 방향으로 열을 이루어 구비되어 있다. 그러나 본 발명은 이로써 한정되지 않으며 주류의 흐름 방향으로 3열 이상의 열을 이루어 배치된 복수열의 냉각부(4)를 구비해도 좋다. 단, 본 발명에서는 복수열의 냉각부(4) 중 최하류 열의 냉각부가 난류 촉진 냉각부(4B)가 되고, 다른 열의 어느 냉각부가 필름 냉각부(4A)로 되어 있다.
또 본 실시형태의 터빈 날개(1)에서는, 냉각부(4)가 지그재그 형태로 배열되어 있다. 그러나 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며 냉각부(4)가 격자모양으로 배열되어 있어도 좋다. 또 난류 촉진 냉각부(4B)에 관통공(43)을 형성하지 않아도 좋다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명에 의하면, 필름을 형성하는 노치 부분과 전열 촉진하는 구조를 가진 노치 부분을 따로 따로 배치함으로써 필름 냉각의 효율 저하를 억제하고 또한 날개부와 냉각 가스 사이의 열전달율을 향상시킬 수 있다. 이로써 터빈 날개의 후연 영역의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
1……터빈 날개, 2……날개부, 21……전연(날개 전연), 22……후연(날개 후연), 23……배쪽 날개면(배쪽), 24……등쪽 날개면(등쪽), 25……내부(날개부의 내부), 4……냉각부, 4A……필름 냉각부(냉각부), 4B……난류 촉진 냉각부(냉각부), 41……노치 부분, 42……슬롯, 43……관통공, 44……핀부(난류 촉진 수단), 45……단부(난류 촉진 수단), 46……딤플부(난류 촉진 수단)

Claims (6)

  1. 날개부의 내부에 도입된 냉각 가스를 배(腹)쪽 날개면으로 배출하는 노치 부분을 가진 복수열의 냉각부를 날개 전연(前緣)에서 날개 후연(後緣)으로 향하는 방향으로 열을 이루어 구비한 터빈 날개로서,
    상기 복수열의 최하류 열에 마련되고, 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 난류 촉진 수단을 가진 난류 촉진 냉각부와,
    상기 복수열의 다른 열에 마련되고, 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 필름 냉각층을 형성하는 필름 냉각부를 구비한 터빈 날개.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수열 중 어느 열에서, 상기 날개부의 높이 방향으로 복수의 상기 냉각부가 이산(離散)적으로 배열되어 있는 터빈 날개.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수열 중 어느 열에서 상기 날개부의 높이 방향으로 상기 냉각부가 길게 연장된 형상으로 연속적으로 마련되어 있는 터빈 날개.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 난류 촉진 수단은, 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 세워지게 마련되는 복수의 핀부인 터빈 날개.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 난류 촉진 수단은, 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 세워지게 마련됨과 동시에 상기 냉각 가스의 흐름 방향으로 배열된 복수의 단부(段部)인 터빈 날개.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 난류 촉진 수단은, 상기 노치 부분에 의해 노출되는 영역에 형성되는 복수의 딤플부인 터빈 날개.
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