KR20140108406A

KR20140108406A - 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR20140108406A
Application number: KR1020130020921A
Authority: KR
Inventors: 김기백; 이상언; 정성철
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-11
Also published as: KR101513474B1

Abstract

냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성되며 전익부와 후익부를 갖도록 구비된 터빈 블레이드에 관한 것으로, 상기 내부유로는, 상기 전익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로와, 상기 후익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로와, 상기 전익 유로를 거쳐 유동된 냉각유체가 상기 후익 유로를 통해 배출되도록 상기 전익 유로 및 상기 후익 유로가 상호 연통 되도록 형성된 전후 배출 연결 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 냉각유체가 흐르는 내부유로의 형상이 개선되도록 설계함으로써 대류냉각과 함께 필름냉각 및 충돌냉각까지도 이뤄지도록 하여 냉각 효과가 향상될 수 있는 터빈 블레이드를 제공할 수 있다.

Description

터빈 블레이드 {turbine blade}

본 발명은 터빈 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성되며, 전익부와 후익부를 갖도록 구비된 터빈 블레이드에 관한 것이다.

가스터빈의 효율을 증대시키기 위하여 압력비를 향상시키거나 터빈 입구 온도를 높이는 것은 필수적이다. 특히 터빈 입구온도는 터빈 블레이드의 재질의 한계로 인해서 그 상승 폭이 매우 제한적이다. 이를 개선하기 위해서 최근 표면 처리 등을 이용한 열적 성능의 재고를 위한 연구들이 진행 중에 있다. 그러나 이러한 방법들을 이용한 블레이드의 보호 역시 한계를 지니고 있기 때문에 다양한 냉각방법을 사용하여 블레이드를 보호하는 방법이 응용되고 있다.

터빈 블레이드를 보호하기 위해서 필름냉각, 충돌제트 냉각, 강제 대류냉각 등 여러 가지 냉각방법들이 사용되고 있다. 이 중에서 특히 강제 대류냉각은 다른 냉각 방법에 비해서 블레이드 표면에 추가적인 가공을 하지 않고 블레이드 내부에 있는 유로를 통해서 냉각시키는 방법으로 필름냉각 등의 경우에 나타나는 냉각유체에 의해 발생되는 손실이 없는 효과적인 냉각 방법이다.

이러한 터빈 블레이드의 일 예가 대한민국 특허공개번호 제10-2008-0067980호(2008년07월22일자 공개, 이하 '특허문헌 1'이라 함) 등에 개시되어 있다.

그러나, 종래기술에 따른 터빈 블레이드에 의하면 대류냉각 또는 필름냉각과 같은 어느 하나만의 냉각 방식만이 적용되기 때문에 냉각 효과가 제한될 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 터빈 블레이드에 의하면 열 하중이 가장 높게 나타나는 전익부(leading edge) 및 후익부(trailing edge)에서의 냉각이 효과적으로 수행되지 못할 수 있다는 문제점이 있다.

대한민국 특허공개번호 제10-2008-0067980호(2008년07월22일자 공개)

본 발명의 목적은, 대류냉각과 함께 필름냉각까지도 함께 이뤄지도록 하여 냉각 효과가 향상될 수 있는 터빈 블레이드를 제공하는 것이다.

또한, 열 하중이 가장 높게 나타나는 전익부 및 후익부에서의 냉각이 효과적으로 수행될 수 있는 터빈 블레이드를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따라, 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성되며 전익부와 후익부를 갖도록 구비된 터빈 블레이드에 있어서, 상기 내부유로는, 상기 전익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로와, 상기 후익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로와, 상기 전익 유로를 거쳐 유동된 냉각유체가 상기 후익 유로를 통해 배출되도록 상기 전익 유로 및 상기 후익 유로가 상호 연통 되도록 형성된 전후 배출 연결 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전익 유로 및 상기 후익 유로는 각각 하부로부터 유입되는 냉각유체가 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승하는 경로를 따라 유동 되도록 안내하는 채널 격벽에 의해 형성된 것이 바람직하다.

상기 전후 배출 연결 유로는 상기 전익 유로 및 상기 후익 유로의 상부가 상호 연통 되도록 형성된 것이 바람직하다.

상기 채널 격벽에는 상기 전익부 및 상기 후익부를 향해 추기공이 형성되며, 전익부, 후익부 및 상부에는 배기공이 형성된 것이 바람직하다.

상기 전익부의 내측에는 상기 전익 유로를 거쳐 도달되는 냉각유체가 충돌 및 회전되도록 돌기 격벽이 돌출 형성된 것이 바람직하다.

상기 후익부의 내부에는 상기 전후 배출 연결 유로 및 상기 후익 유로를 거쳐 배출되는 냉각유체의 흐름이 난류의 형태가 되도록 난류 발생부가 구비된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 난류 발생부는, 상기 후익부의 상호 이격된 내면에 돌출 형성된 리브와, 상호 대향된 상기 리브 사이를 연결하되 상기 리브의 폭보다 큰 직경을 갖도록 구비된 핀을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 냉각유체가 흐르는 내부유로의 형상이 개선되도록 설계함으로써 대류냉각과 함께 필름냉각 및 충돌냉각까지도 이뤄지도록 하여 냉각 효과가 향상될 수 있는 터빈 블레이드를 제공할 수 있다.

또한, 돌기 격벽 및 난류 발생부에 의해 열 하중이 가장 높게 나타나는 전익부 및 후익부에서의 냉각이 효과적으로 수행될 수 있는 터빈 블레이드를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 측단면도,
도 2는 도 1의 터빈 블레이드의 II-II 선에 따른 단면도,
도 3은 도 2의 "A" 영역을 확대 도시한 도면,
도 4는 도 2의 후익부 영역을 확대 도시한 도면,
도 5는 도 4의 V-V 선에 따른 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로(20)가 내부에 형성되며, 외 측 양단부에 전익부(1)와 후익부(3)를 갖도록 구비된 것이다.

한편, 본 발명에 따른 터빈 블레이드(10)의 내부유로(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전익부(1)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로(21)와, 후익부(3)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로(23)와, 전익 유로(21)를 거쳐 유동된 냉각유체가 후익 유로(23)를 통해 배출되도록 전익 유로(21) 및 후익 유로(23)가 상호 연통 되도록 형성된 전후 배출 연결 유로(25)를 포함한다.

이에 따라, 냉각유체가 흐르는 내부유로(20)의 형상이 개선되도록 설계함으로써 대류냉각과 함께 필름냉각까지도 이뤄지도록 하여 냉각 효과가 향상될 수 있는 터빈 블레이드(10)를 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예로서, 전익부(1), 후익부(3) 및 터빈 블레이드(10)의 상단부에는 배기공(5)이 형성된 것이 바람직하다.

이에 따라, 전익 유로(21)를 거치며 터빈 블레이드(10)의 냉각을 수행한 냉각유체가 일부 전익부(1)에 형성된 배기공(5)을 통해 외부로 배출될 수 있고, 이는 터빈 블레이드(10)에 필름냉각이 이뤄지도록 한다. 또한, 후익 유로(23)를 거치며 터빈 블레이드(10)의 냉각을 수행한 냉각유체가 후익부(3)에 형성된 배기공(5)을 통해 외부로 배출되며, 전후 배출 연결 유로(25)를 통과하는 냉각유체가 터빈 블레이드(10)의 상단부에 형성된 배기공(5)으로 빠져나가게 됨으로써 터빈 블레이드(10)의 상단부를 냉각시키며, 외부 주유로를 지나가는 고온의 가스가 터빈 블레이드(10)의 상부 팁을 통해 새어나가는 것을 방지할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전익 유로(21) 및 후익 유로(23)는 각각 전익부(1) 및 후익부(3)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하도록 상호 대칭되게 형성되되, 각각 하부로부터 유입되는 냉각유체가 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승하는 경로를 따라 유동 되도록 안내하는 채널 격벽(30)에 의해 형성된다.

이에 따라, 터빈 블레이드(10)의 하부로부터 유입되는 냉각유체가 전익 유로(21) 및 후익 유로(23)를 각각 거치며 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승 됨으로써 터빈 블레이드(10)를 대류냉각 방식으로 냉각시킬 수 있다.

좀더 구체적으로, 터빈 블레이드(10)의 내부유로(20)의 하부로부터 유입되는 냉각유체는 채널 격벽(30)에 의해 구획되어 전익 유로(21) 및 후익 유로(23)를 따라 내부유로(20)의 하부에서부터 각각 분리되게 유입되어 터빈 블레이드(10)의 내부를 유동하며 냉각 기능을 수행하게 된다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 채널 격벽(30)에는 전익부(1) 및 후익부(3)를 향해 각각 복수의 추기공(31)이 형성된다.

이에 따라, 추기공(31)을 통해 빠져나가는 냉각유체의 일부가 전익부(1) 및 후익부(3)의 내측 벽면에 부딪히게 됨으로써 충돌냉각이 이뤄질 수 있고, 특히 후익부(3)를 향해 형성된 추기공(31)을 통해 냉각유체의 일부가 빠져나가게 됨으로써 유동의 병목 현상도 방지할 수 있으며, 추기공(31)과 배기공(5)이 형성된 위치가 약간 어긋나게 배치됨으로써 냉각 효과를 높일 수 있다.

추기공(31)들 간의 간격과 각각의 추기공(31)의 크기, 그리고 배기공(5)의 크기 위치는 터빈 블레이드(10)가 사용되는 환경을 고려하여 다양한 형태로 변경될 수 있다.

이에 따라, 열 하중이 높게 나타나는 부위(예컨대, 전익부 및 후익부와 같은)를 효과적으로 대류 및 충돌냉각을 시킬 수 있도록 열 하중이 높게 나타나는 부위로 추기공(31)들이 집중되게 추기공(31)들을 형성시킬 수 있으며, 배기공(5)를 집중시켜 필름냉각 효과를 극대화 할 수 있다.

본 발명의 일실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전후 배출 연결 유로(25)는 전익 유로(21) 및 후익 유로(23)의 상부가 상호 연통 되도록 형성된 것이 바람직하다.

이에 따라, 터빈 블레이드(10)의 하부로부터 유입되어 전익 유로(21)를 거치며 냉각을 수행한 냉각유체가 전익 유로(21)의 상부로 이동하게 되어 전후 배출 연결 유로(25)를 통해 전익 유로(21) 측으로부터 후익 유로(23) 측으로 유동 되며, 후익 유로(23)를 따라 유동 되어 배출되는 냉각유체와 함께 혼합되어 배기공(5)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

또한, 전후 배출 연결 유로(25)의 하부를 형성하는 채널 격벽(30)은 전익 유로(21) 측으로부터 후익 유로(23) 측을 향해 점차 경사가 낮아지는 구배를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.

이에 따라, 냉각유체가 전후 배출 연결 유로(25)를 통해 전익 유로(21) 측으로부터 후익 유로(23) 측으로 보다 원활하게 유동 되도록 할 수 있다.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전익부(1)의 내측에는 전익 유로(21)를 거쳐 도달되는 냉각유체가 충돌 및 회전되도록 돌기 격벽(40)이 돌출 형성된다.

이에 따라, 돌기 격벽(40)에 의해 전열 면적이 확장됨으로써 열 하중이 높게 나타나는 전익부(1)에서의 충돌 및 대류냉각 효과가 더욱 커지도록 할 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 후익부(3)의 내부에는 전후 배출 연결 유로(25) 및 후익 유로(23)를 거쳐 배출되는 냉각유체의 흐름이 난류의 형태가 되도록 난류 발생부(50)가 구비된다.

이에 따라, 후익부(3)의 배기공(5)을 통해 배출되는 냉각유체의 흐름이 난류 발생부(50)에 의해 최대한 난류의 형태가 되도록 함으로써 열 하중이 높게 나타나는 후익부(3)에서의 냉각 효과가 더욱 커지도록 할 수 있다.

난류 발생부(50)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 후익부(3)의 상호 이격된 내면에 돌출 형성된 리브(rib)(51)와, 상호 대향된 리브(51) 사이를 연결하되 리브(51)의 폭보다 큰 직경을 갖도록 구비된 핀(pin)(53)을 포함한다.

이에 따라, 난류 발생부(50)가 리브(51)와 리브(51)의 폭보다 큰 직경을 갖는 핀(53)이 함께 조합된 구조로 마련됨으로써 전후 배출 연결 유로(25) 및 후익 유로(23)를 거쳐 배출되는 냉각유체의 흐름을 난류로 극대화시킬 수 있다.

이에, 본 발명에 따르면, 냉각유체가 흐르는 내부유로(20)의 형상이 개선되도록 설계함으로써 대류냉각과 함께 필름냉각 및 충돌냉각까지도 이뤄지도록 하여 냉각 효과가 극대화될 수 있는 터빈 블레이드(10)를 제공할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

20 : 내부유로 21 : 전익 유로
23 : 후익 유로 25 : 전후 배출 연결 유로
30 : 채널 격벽 31 : 추기공
40 : 돌기 격벽 50 : 난류 발생부
51 : 리브 53 : 핀

Claims

냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성되며, 전익부(1)와 후익부(3)를 갖도록 구비된 터빈 블레이드에 있어서,
상기 내부유로(20)는,
상기 전익부(1)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로(21)와,
상기 후익부(3)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로(23)와,
상기 전익 유로(21)를 거쳐 유동된 냉각유체가 상기 후익 유로(23)를 통해 배출되도록 상기 전익 유로(21) 및 상기 후익 유로(23)가 상호 연통 되도록 형성된 전후 배출 연결 유로(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 전익 유로(21) 및 상기 후익 유로(23)는 각각 하부로부터 유입되는 냉각유체가 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승하는 경로를 따라 유동 되도록 안내하는 채널 격벽(30)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제2항에 있어서,
상기 전후 배출 연결 유로(25)는 상기 전익 유로(21) 및 상기 후익 유로(23)의 상부가 상호 연통 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제3항에 있어서,
상기 채널 격벽(30)에는 상기 전익부(1) 및 상기 후익부(3)를 향해 추기공(31)이 형성되며, 전익부(1), 후익부(3) 및 상부에는 배기공(5)이 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제4항에 있어서,
상기 전익부(1)의 내측에는 상기 전익 유로(21)를 거쳐 도달되는 냉각유체가 충돌 및 회전되도록 돌기 격벽(40)이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제5항에 있어서,
상기 후익부(3)의 내부에는 상기 전후 배출 연결 유로(25) 및 상기 후익 유로(23)를 거쳐 배출되는 냉각유체의 흐름이 난류의 형태가 되도록 난류 발생부(50)가 구비된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
제6항에 있어서,
상기 난류 발생부(50)는,
상기 후익부(3)의 상호 이격된 내면에 돌출 형성된 리브(51)와,
상호 대향된 상기 리브(51) 사이를 연결하되 상기 리브(51)의 폭보다 큰 직경을 갖도록 구비된 핀(53)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.