KR20140124799A - 가스 터빈 엔진 - Google Patents

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KR20140124799A
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rotor blade
turbine
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turbine rotor
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KR1020147023826A
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치유키 나카마타
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

터빈 로터 블레이드(8a)의 팁에 대향하여 배치되는 슈라우드(8c)를 가진 가스 터빈 엔진에 있어서, 상기 슈라우드(8c)가 구비한 복수의 필름 냉각 구멍(21)이 막히는 것을 방지하기 위해, 그 필름 냉각 구멍(21)을 상기 슈라우드(8c)의 상기 터빈 로터 블레이드(8a)의 팁에 대향하는 면에 마련되는 홈부(20)의 바닥부에 개구시키는 것으로서 구성한다.

Description

가스 터빈 엔진{GAS TURBINE ENGINE}
본 발명은, 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.
본원은 2012년 2월 29일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-043133호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
터보 팬 엔진 등의 가스 터빈 엔진에는 터빈 로터 블레이드(動翼)에 대향하여 슈라우드가 마련되어 있다. 이 슈라우드는 터빈 로터 블레이드의 팁측에 배치되어 있으며 연소기로부터 터빈을 향해 흐르는 연소 가스 유로의 일부를 구성하고 있다.
터빈 로터 블레이드나 슈라우드는 연소기에서 배출되는 고온의 연소 가스에 노출되기 때문에 일반적으로 냉각 기구가 구비되어 있다. 예를 들면 특허문헌 1에는 날개면에 냉각 공기를 흘려보내는 필름 냉각 구멍을 구비한 터빈 블레이드가 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2002-227604호 공보
슈라우드를 냉각하는 경우에도 특허문헌 1과 같이 슈라우드에 대해 필름 냉각 구멍을 마련하여 상기 필름 냉각 구멍으로부터 슈라우드의 표면에 냉각 공기를 공급하는 구조를 채용하는 것을 생각할 수 있다.
그러나 열변형에 의해 터빈 로터 블레이드나 슈라우드가 팽창하여 터빈 로터 블레이드의 팁이 슈라우드의 표면을 약간 스치는(이하, 마찰(rubbing)되는) 경우가 있다. 이와 같이 터빈 로터 블레이드의 팁이 슈라우드의 표면을 스치면 마찰열 등에 의해서 터빈 로터 블레이드 선단 혹은 슈라우드의 표층이 용융되어 장기적으로 필름 냉각 구멍을 막아버리는 경우가 있다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명에서는 터빈 로터 블레이드에 대향하여 배치되는 슈라우드를 구비한 가스 터빈 엔진에서, 슈라우드에 마련되는 필름 냉각 구멍이 막히는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 태양은, 터빈 로터 블레이드의 팁에 대향하여 배치되는 슈라우드를 구비한 가스 터빈 엔진으로서, 상기 슈라우드는 상기 터빈 로터 블레이드에 대향하는 면에 마련되는 홈부와, 홈부의 바닥부에 개구되는 복수의 필름 냉각 구멍을 구비한다.
본 발명의 제2 태양은, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 홈부가, 상기 터빈 로터 블레이드의 누설 흐름에 대해 수직인 방향으로 연장되며, 누설 흐름의 방향으로 복수 배열되어 있다.
본 발명의 제3 태양은, 상기 제1 또는 제2 태양에 있어서, 상기 필름 냉각 구멍은 상기 홈부의 바닥부측의 개구부가 냉각 공기 공급측의 개구부에 대해 누설 흐름의 하류측이 되도록 경사져 있다.
본 발명에 의하면, 슈라우드의 표층에 홈부가 마련되고 홈부의 바닥부에 필름 냉각 구멍이 개구되어 있다. 따라서 마찰되는 경우에도 터빈 로터 블레이드의 팁이 필름 냉각 구멍의 개구 부분에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 마찰시에 로터 블레이드 선단 부재 또는 슈라우드재가 용융된 경우에도 이 용융물이 필름 냉각 구멍을 막는 것을 방지할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에서의 터보 팬 엔진의 개략 구성을 도시한 단면도이다.
도 2a는, 본 발명의 일실시형태에서의 터보 팬 엔진이 구비한 슈라우드의 일부를 도시한 사시도이다.
도 2b는, 도 2a의 A-A선 단면도이다.
도 2c는, 도 2a의 B-B선 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일실시형태에서의 터보 팬 엔진이 구비한 터빈 로터 블레이드와 홈부의 관계를 도시한 모식도이다.
도 4a는, 본 발명의 일실시형태에서의 터보 팬 엔진이 구비한 슈라우드의 변형예를 도시한 개략도이다.
도 4b는, 본 발명의 일실시형태에서의 터보 팬 엔진이 구비한 슈라우드의 변형예를 도시한 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 가스 터빈 엔진의 일실시형태에 대해 설명하기로 한다. 아울러 이하의 도면에서 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다. 또 이하의 실시형태에서는 가스 터빈 엔진의 일례인 터보 팬 엔진을 들어 설명하기로 한다. 단, 본 발명은 터보 팬 엔진으로 한정되지 않으며 가스 터빈 엔진이라면 적용할 수 있다.
도 1은, 본 실시형태의 터보 팬 엔진(1)의 개략 구성을 도시한 단면도이다. 이 도면에 도시한 것처럼 본 실시형태의 터보 팬 엔진(1)은, 팬 카울(2)과 코어 카울(3)과 팬(4)과 저압 압축기(5)와 고압 압축기(6)와 연소기(7)와 고압 터빈(8)과 저압 터빈(9)과 샤프트(10)와 메인 노즐(11)을 구비하고 있다.
팬 카울(2)은, 터보 팬 엔진(1) 중 가장 상류측에 배치된 원통형 부재로서, 공기 흐름 방향의 상류단 및 하류단이 개구단이 되며, 상류단이 공기 취입구로서 기능한다. 또 팬 카울(2)은, 도 1에 도시한 것처럼 그 내부에 코어 카울(3)의 상류측 및 팬(4)을 수용하고 있다.
코어 카울(3)은, 팬 카울(2)보다 작은 직경의 원통형 부재로서, 팬 카울(2)과 마찬가지로 공기 흐름 방향의 상류단 및 하류단이 개구단으로 되어 있다. 이 코어 카울(3)은, 터보 팬 엔진(1)의 주요부인 저압 압축기(5)와 고압 압축기(6)와 연소기(7)와 고압 터빈(8)과 저압 터빈(9)과 샤프트(10)와 메인 노즐(11) 등을 내부에 수용하고 있다.
그리고 본 실시형태에서는, 축방향(도 1의 좌우 방향)에서 코어 카울(3)이 존재하지 않는 영역에서는 팬 카울(2)의 내부 공간이, 축방향에서 코어 카울(3)이 존재하는 영역에서는 팬 카울(2)과 코어 카울(3) 사이의 공간이 공기류가 흐르는 덕트(12)로서 기능한다.
아울러 코어 카울(3)의 내부는, 팬 카울(2)에 넣어진 공기의 일부 및 연소기(7)에서 생성되는 연소 가스가 통과하는 유로(이하, 코어 유로라고 칭한다)로 되어 있다. 또 도 1에 도시한 것처럼 팬 카울(2)과 코어 카울(3)은, 공기 흐름 방향에서 보아 동심원형으로 배치되어 있으며 간극을 두고 배치되어 있다. 그리고 팬 카울(2)과 코어 카울(3)과의 간극은, 팬 카울(2) 내에 넣어진 공기 중 코어 유로에 흘러들어가지 않은 잔부(殘部)를 외부로 배출하는 바이패스 유로로 되어 있다. 또 팬 카울(2) 및 코어 카울(3)은 미도시된 파일론에 의해 항공기의 기체 또는 날개에 장착되어 있다.
팬(4)은, 팬 카울(2) 내에 흘러들어오는 공기류를 형성하며, 샤프트(10)에 고정되는 복수의 팬 로터 블레이드(4a)와, 바이패스 유로에 배치되는 복수의 팬 스테이터 베인(stator vane, 靜翼)(4b)을 구비하고 있다. 아울러 후술하는 샤프트(10)는 공기 흐름 방향에서 보아 반경 방향으로 2개로 분할되어 있다. 보다 상세하게는, 샤프트(10)는 코어인 중실(中實)의 제1 샤프트(10a)와, 제1 샤프트(10a)를 둘러싸고 외측에 배치되는 중공의 제2 샤프트(10b)에 의해 구성되어 있다. 그리고 팬 로터 블레이드(4a)는 샤프트(10)의 제1 샤프트(10a)에 고정되어 있다.
저압 압축기(5)는, 도 1에 도시한 것처럼, 고압 압축기(6)보다 상류측에 배치되어 있으며 팬(4)에 의해 코어 유로에 보내 넣어진 공기를 압축한다. 이 저압 압축기(5)는, 샤프트(10)의 제1 샤프트(10a)에 고정되는 로터 블레이드(5a)와 코어 카울(3)의 내벽에 고정되는 스테이터 베인(5b)을 구비하고 있다. 아울러 환형으로 배치된 복수의 스테이터 베인(5b)과 그 축방향 하류측에 환형으로 배치된 복수의 로터 블레이드(5a)로 1단의 날개열을 형성한다. 그리고 저압 압축기(5)는 축방향으로 배치된 복수단의 날개열에 의해 구성된다.
고압 압축기(6)는, 도 1에 도시한 것처럼, 저압 압축기(5)보다 하류측에 배치되어 있으며, 저압 압축기(5)로부터 보내 넣어된 공기를 한층 더 고압으로 압축한다. 상기 고압 압축기(6)는, 샤프트(10)의 제2 샤프트(10b)에 고정되는 로터 블레이드(6a)와, 코어 카울(3)의 내벽에 고정되는 스테이터 베인(6b)을 구비하고 있다. 아울러 저압 압축기(5)와 마찬가지로 환형으로 배치된 복수의 스테이터 베인(6b)과 그 축방향 하류측에 환형으로 배치된 복수의 로터 블레이드(6a)로 1단의 날개열을 형성한다. 그리고 고압 압축기(6)는, 축방향으로 배치된 복수단의 날개열에 의해 구성된다.
연소기(7)는, 고압 압축기(6)의 하류측에 배치되어 있으며 고압 압축기(6)로부터 보내 넣어지는 압축 공기와, 미도시된 인젝터로부터 공급되는 연료와의 혼합 가스를 연소함으로써 연소 가스를 생성한다.
고압 터빈(8)은, 연소기(7)의 하류측에 배치되어 있으며, 연소기(7)로부터 배출되는 연소 가스로부터 회전동력을 회수하여 고압 압축기(6)를 구동한다. 이 고압 터빈(8)은, 샤프트(10)의 제2 샤프트(10b)에 고정되는 복수의 터빈 로터 블레이드(8a)와, 코어 유로에 고정되는 복수의 터빈 스테이터 베인(8b)과, 슈라우드(8c)를 구비하고 있으며, 터빈 스테이터 베인(8b)에서 정류(整流)된 연소 가스를 터빈 로터 블레이드(8a)에서 받아 제2 샤프트(10b)를 회전시킨다. 슈라우드(8c)는, 터빈 로터 블레이드(8a)의 팁에 대향하여 마련되어 있으며, 연소기(7)로부터 배출된 연소 가스 유로의 일부를 형성하고 있다. 이 슈라우드(8c)에 대해서는 나중에 상세히 설명하기로 한다.
저압 터빈(9)은, 고압 터빈(8)의 하류측에 배치되어 있으며, 고압 터빈(8)을 통과한 연소 가스로부터 다시 회전동력을 회수하여 팬(4), 저압 압축기(5)를 구동한다. 이 저압 터빈(9)은, 샤프트(10)의 제1 샤프트(10a)에 고정되는 복수의 터빈 로터 블레이드(9a)와, 코어 유로에 고정되는 복수의 터빈 스테이터 베인(9b)과, 슈라우드(9c)를 구비하고, 터빈 스테이터 베인(9b)에 의해 정류된 연소 가스를 터빈 로터 블레이드(9a)에서 받아 제1 샤프트(10a)를 회전시킨다. 슈라우드(9c)는, 연소기(7)로부터 배출된 연소 가스 유로의 일부를 형성하고 있다. 저압 터빈의 슈라우드(9c)는 고압 터빈의 슈라우드(8c)와 마찬가지로 터빈 로터 블레이드(9a)의 팁에 대향하여 마련되기도 하고, 터빈 로터 블레이드(9a)의 팁부에 터빈 로터 블레이드(9a)와 일체로 되어 형성되는 경우도 있다.
샤프트(10)는, 공기 흐름 방향을 향해 배치되는 봉상(棒狀) 부재로서, 터빈(고압 터빈(8) 및 저압 터빈(9))에서 회수된 회전동력을 팬(4) 및 압축기(저압 압축기(5) 및 고압 압축기(6))에 전달한다. 이 샤프트(10)는, 상술한 바와 같이 반경 방향으로 2개로 분할되어, 제1 샤프트(10a)와 제2 샤프트(10b)에 의해 구성되어 있다. 그리고 제1 샤프트(10a)는, 상류측에 저압 압축기(5)의 로터 블레이드(5a) 및 팬(4)의 팬 로터 블레이드(4a)가 장착되고, 하류측에 저압 터빈(9)의 터빈 로터 블레이드(9a)가 장착되어 있다. 또 제2 샤프트(10b)는, 상류측에 고압 압축기(6)의 로터 블레이드(6a)가 장착되고, 하류측에 고압 터빈(8)의 터빈 로터 블레이드(8a)가 장착되어 있다.
메인 노즐(11)은, 저압 터빈(9)의 더 하류측에 마련됨과 동시에 터보 팬 엔진(1)의 후방을 향해 저압 터빈(9)을 통과한 연소 가스를 분사한다. 그리고 이 메인 노즐(11)로부터 연소 가스가 분사될 때의 반작용에 의해 터보 팬 엔진(1)의 추진력을 얻을 수 있다.
계속해서 도 2a∼도 2c 및 도 3을 참조하여 슈라우드(8c)에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 아울러 저압 터빈의 슈라우드(9c)가 고압 터빈의 슈라우드(8c)와 같은 형태인 경우에는, 저압 터빈의 슈라우드(9c)는 고압 터빈의 슈라우드(8c)와는 다른 위치에 설치되어 있지만 유사한 구성이 된다. 따라서 이하의 설명에서는 도면을 참조하여 고압 터빈의 슈라우드(8c)에 대해 설명하고 저압 터빈의 슈라우드(9c)의 설명은 생략하기로 한다.
이하, 고압 터빈의 슈라우드(8c)와 저압 터빈의 슈라우드(9c)를 단순히 슈라우드(8c), 슈라우드(9c)로 표기한다.
도 2a는, 슈라우드(8c)의 일부를 도시한 사시도이다. 도 2b는 도 2a의 A-A선 단면도, 도 2c는 도 2a의 B-B선 단면도이다. 이들 도면에 도시한 것처럼 슈라우드(8c)는 터빈 로터 블레이드(8a)에 대향하는 면(연소 가스 유로면)에 마련되는 홈부(20)와, 홈부(20)의 바닥부에 개구되는 복수의 필름 냉각 구멍(21)을 구비한다.
홈부(20)는, 슈라우드(8c)의 연소 가스 유로면의 표층에서 연소 가스 유로면으로부터 일정한 깊이로 직선형으로 마련되어 있으며 등간격으로 복수 마련되어 있다. 도 3은, 터빈 로터 블레이드(8a)와 홈부(20)의 관계를 도시한 모식도이다. 이 도면에 도시한 것처럼 복수의 홈부(20)는 대체로 터빈 로터 블레이드(8a)의 배쪽(腹側; 8a2)으로부터 등쪽(背側; 8a1)을 향하는 방향으로 등간격으로 배열되어 있다.
필름 냉각 구멍(21)은, 슈라우드(8c)의 냉각 공기 공급측으로부터 홈부(20)의 바닥부를 관통하는 관통공으로서, 홈부(20)의 길이방향으로 등간격으로 복수 마련되어 있다. 각 필름 냉각 구멍(21)에는, 미도시된 냉각 공기 공급부로부터 냉각 공기가 공급된다. 아울러 냉각 공기 공급부는, 예를 들면 고압 압축기(6)로부터 압축 공기를 추출하여 이것을 냉각 공기로서 필름 냉각 구멍(21)에 공급한다.
필름 냉각 구멍(21)에 공급된 냉각 공기는, 필름 냉각 구멍(21)을 빠져나와 슈라우드(8c)의 연소 가스 유로면을 따라 흐른다. 이로써 슈라우드(8c)가 냉각된다.
이상과 같은 본 실시형태의 터보 팬 엔진(1)에서는, 슈라우드(8c)의 표층에 홈부(20)가 마련되고 홈부(20)의 바닥부에 필름 냉각 구멍(21)이 개구되어 있다. 따라서 열변형에 의해 터빈 로터 블레이드(8a) 및 슈라우드(8c)가 팽창하여 터빈 로터 블레이드(8a)의 팁이 슈라우드(8c)의 연소 가스 유로면과 마찰되는 경우에도 터빈 로터 블레이드(8a)의 팁이 필름 냉각 구멍(21)의 개구 부분에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 마찰시에 터빈 로터 블레이드(8a)의 선단부 또는 슈라우드(8c)의 연소 가스 유로면에서 용융이 일어난 경우에도 이 용융물이 필름 냉각 구멍(21)을 막는 것을 방지할 수 있다.
또 본 실시형태의 터보 팬 엔진(1)에서는, 홈부(20)가, 터빈 로터 블레이드(8a)의 배쪽(8a2)으로부터 등쪽(8a1)을 향하는 방향으로 등간격으로 복수 배열되어 있다. 터빈 로터 블레이드(8a)의 팁과 슈라우드(8c) 사이에는 고압의 배쪽(8a2)으로부터 등쪽(8a1)을 향해 누설 흐름(R)이 발생한다(도 3 참조). 이에 대해 홈부(20)가 터빈 로터 블레이드(8a)의 배쪽(8a2)으로부터 등쪽(8a1)을 향하는 방향으로 등간격으로 복수 배열됨으로써 래버린스 씰 효과가 발생하여 누설 흐름(R)의 유량을 줄일 수 있게 된다. 즉, 본 실시형태의 터보 팬 엔진(1)에서는, 홈부(20)가 터빈 로터 블레이드(8a)의 누설 흐름(R)에 대해 수직인 방향으로 연장되며, 누설 흐름(R) 방향으로 복수 배열되어 있다.
복수의 홈부(20)는 등간격으로 배치되어 있어도 좋고 등간격으로 배치되어 있지 않아도 좋다.
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명하였으나 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 취지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 임의로 다양하게 변경 가능하다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는 홈부(20)에 필름 냉각 구멍(21)이 일렬로 배열된 구성에 대해 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 도 4a에 도시한 것처럼 1개의 홈부(20)에 대해 필름 냉각 구멍(21)을 복수열(도 4a에서는 3열) 배열하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.
또 도 4b에 도시한 것처럼 필름 냉각 구멍(22)은 홈부(20)의 바닥부측의 개구부가 냉각 공기 공급측의 개구부에 대해 누설 흐름(R)의 하류측이 되도록 경사져 있어도 좋다. 필름 냉각 구멍(22)의 경사는, 홈부(20)의 바닥부에 대해 평행에 가까워질수록 필름 냉각 구멍(22)으로부터 분출되는 냉각 공기가 누설 흐름(R)을 따라 흐르기 때문에 바람직하다. 예를 들면, 홈부(20)의 바닥부에 대해 필름 냉각 구멍(22)이 0∼90°정도의 범위에서 경사져 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 홈부(20)의 바닥부에 대해 필름 냉각 구멍(22)이 0∼75°정도의 범위에서 경사져 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 0∼45°정도의 범위에서 경사져 있는 것이 바람직하다. 이러한 필름 냉각 구멍(22)의 구성을 채용함으로써 필름 냉각 구멍(22)으로부터 누설 흐름(R)을 따라 냉각 공기가 분출되기 때문에 슈라우드(8c(9c))의 표면에 대한 냉각 공기의 밀착성을 향상시켜 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명에 의한 슈라우드를 구비한 가스 터빈 엔진에 의하면, 슈라우드의 표층에 홈부가 마련되고 홈부의 바닥부에 필름 냉각 구멍이 개구되어 있다. 따라서 마찰되는 경우에도 터빈 로터 블레이드의 팁이 필름 냉각 구멍의 개구 부분에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 마찰시에 로터 블레이드 선단 부재 또는 슈라우드재의 용융이 발생한 경우에도 이 용융물이 필름 냉각 구멍을 막는 것을 방지할 수 있다.
1 터보 팬 엔진(가스 터빈 엔진)
2 팬 카울
3 코어 카울
4 팬
4a 팬 로터 블레이드
4b 팬 스테이터 베인
5 저압 압축기
5a 로터 블레이드
5b 스테이터 베인
6 고압 압축기
6a 로터 블레이드
6b 스테이터 베인
7 연소기
8 고압 터빈
8a 터빈 로터 블레이드
8a1 등쪽
8a2 배쪽
8b 터빈 스테이터 베인
8c 슈라우드
9 저압 터빈
9a 터빈 로터 블레이드
9b 터빈 스테이터 베인
9c 슈라우드
10 샤프트
10a 제1 샤프트
10b 제2 샤프트
11 메인 노즐
12 덕트
20 홈부
21 필름 냉각 구멍
22 필름 냉각 구멍
R 누설 흐름

Claims (4)

  1. 터빈 로터 블레이드의 팁에 대향하여 배치되는 슈라우드를 구비한 가스 터빈 엔진으로서,
    상기 슈라우드는, 상기 터빈 로터 블레이드에 대향하는 면에 마련되는 홈부와, 홈부의 바닥부에 개구되는 복수의 필름 냉각 구멍을 구비한 가스 터빈 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈부가, 상기 터빈 로터 블레이드의 누설 흐름에 대해 수직인 방향으로 연장되며, 누설 흐름의 방향으로 복수 배열되어 있는 가스 터빈 엔진.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 필름 냉각 구멍은, 상기 홈부의 바닥부측의 개구부가 냉각 공기 공급측의 개구부에 대해 누설 흐름의 하류측이 되도록 경사져 있는 가스 터빈 엔진.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 필름 냉각 구멍은, 상기 홈부의 바닥부측의 개구부가 냉각 공기 공급측의 개구부에 대해 누설 흐름의 하류측이 되도록 경사져 있는 가스 터빈 엔진.
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