KR20160037093A - 가스 터빈의 터빈 블레이드를 위한 냉각 기구 - Google Patents

가스 터빈의 터빈 블레이드를 위한 냉각 기구 Download PDF

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KR20160037093A
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세르게이 시추킨
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

가스 터빈의 터빈 블레이드(12)는 각각 에어포일(29)의 선단 가장자리(24)와 후미 가장자리 사이에서 각각 축방향으로 연장하는 흡입측(26)과 압력측(27)을 구비한 방사상 연장 에어포일(29)을 포함하며, 상기 선단 가장자리(24)는, 상기 선단 가장자리(24)의 내측부 상에 충돌하는 냉각 매체의 방사상으로 분포된 제트의 열들을 구비한 충돌 냉각의 수단에 의해 냉각되고, 상기 방사상으로 분포된 제트의 열들은 상기 에어포일(29)의 중공 내부를 제1 및 제 2 캐비티(15, 17)들로 분할하는 내부 웨브(16, 16')에서 발생되며, 상기 제2 캐비티(17)는 상기 선단 가장자리(24)에 배열된다.
향상된 개선은, 내부 웨브(16, 16')가 2열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공(18, 19)들을 포함하고, 냉각 매체가 상기 공급공들을 통해 충돌 제트의 형태로 상기 제2 캐비티(17)에 들어가고, 상기 냉각 매체 공급공(18, 19)들이 상기 1열의 제트들의 방향이 상기 다른 열의 제트들의 방향을 교차하도록 배향되는 것에 의해 달성된다.

Description

가스 터빈의 터빈 블레이드를 위한 냉각 기구{COOLING SCHEME FOR A TURBINE BLADE OF A GSA TURBINE}
본 발명은 가스 터빈들의 기술에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 제1항의 서문에 따른 가스 터빈의 터빈 블레이드에 관한 것이다.
도 6은 GT24형 또는 GT26형의 적용의 가스 터빈의 형태를 하는 터보 기계의 예를 사시도로 도시한다. 도 6의 가스 터빈(30)은, 기계축 주위에서 회전하고(내부) 케이싱(32)에 의해 봉입된 로터(31)를 포함한다. 가스 터빈(30)은 기계축을 따라서 배열된 공기 흡입구(33), 압축기(34), 제1 연소기(35), 제1 고압(HP) 터빈(36), 제2 연소기(37), 제2 저압(LP) 터빈(38) 및 배기 가스 배출구(39)를 포함한다.
작동시에, 공기는 공기 흡입구(33)를 통하여 들어가 압축기(34)에 의해 압축되며, 연료를 연소시키도록 사용된 제1 연소기(35)로 급송된다. 결과적인 고온 가스는 HP 터빈(36)을 구동한다. 고온 가스가 여전히 공기를 함유함으로써, 고온 가스는 그런 다음 제2 연소기(37)의 수단에 의해 재가열되며, 제2 연소기에서, 연료는 고온 가스 스트림 내로 분사된다. 재가열된 고온 가스는 그런 다음 LP 터빈(38)을 구동하고, 배기 가스 배출구(39)에서 기계를 떠난다.
이러한 가스 터빈의 터빈 스테이지들은 매우 고온에 노출되며, 그러므로 효과적으로 냉각되어야만 한다. 도 1은 고정 베인(13)들의 링과 회전 터빈 블레이드(12)들의 링을 구비한 가스 터빈(10)의 터빈 스테이지(28)를 도시한다. 고온 가스(14)의 스트림이 상기 터빈 스테이지(28)를 통하여 유동할 때, 특히 블레이드(12)의 선단 가장자리(24)는 고온 가스에 노출되고 냉각되어야만 한다.
종래의 해결 수단은 (1) 이후의 샤워 헤드(shower head) 냉각으로 냉각 매체 방사상 유동 수단(통상의 주조 공정)에 의해, 또는 (2) 1열의 공급 공기 구멍들을 통한 충돌 냉각(통상의 주조)에 의해, 또는 (3) 2열의 구멍들을 통한 충돌 냉각(용해성 코어가 적용되는)에 의해 제공되는 블레이드 선단 가장자리(LE) 냉각을 개시한다.
해결 수단 (1)은 고효율의 대류 냉각을 제공하지 못하고(충돌에 비교하여), 특히 에어포일 팁(airfoil tip)에서 압력 과잉(pressure margin)이라는 면에서 약하다.
해결 수단 (2)은 대류 냉각이라는 면에서 효과적이지만, 이미 샤워 헤드가 필요한 벽 온도를 제공하는 정체 지점(stagnation point)의 영역에서 가장 높은 대류성 HTC를 제공한다.
해결 수단 (3)은 해결 수단 (1) 및(2)의 결점을 피하지만, 제조(주조)가 너무 비싸고, 냉각 제트와 에어포일 팁 내부면 사이에 적절한 각도를 제공하지 못한다.
문헌 US 3,806,275는 2개의 스팬와이즈(spanwise) 연장 챔버들로 블레이드의 내부를 분할하도록 블레이드의 면으로부터 면으로 연장하는 웨브를 가지는, 중공의 공냉 터빈 블레이드를 개시한다. 박형 시트재 라이너가 각 챔버에 배치되고, 라이너는 그 표면에 걸쳐서 분포된 구멍들을 가지며, 블레이드 벽으로부터 이를 이격시키도록 돌출부들을 가진다. 라이너는 가요성이며, 블레이드의 단부 내로 삽입을 위하여 실질적으로 평탄하게 접혀질 수 있다. 블레이드의 선단 가장자리에서, 라이너 벽들은 블레이드의 대체로 평행한 벽의 슬롯 노즐 연장 스팬와이즈를 한정하도록 뒤로 휘어진다. 추가의 구멍들은 선단 가장자리의 냉각을 개선하도록 슬롯 노즐로부터 나가는 제트에 의한 혼입을 위한 추가의 공기를 유동시키도록 이러한 노즐로부터 배출구를 따라서 배치된다. 냉각된 공기는 블레이드 줄기를 통해 라이너로 들어가고, 바람직하게 블레이드의 끝과 후미 가장자리를 통해 방출된다.
문헌 EP 2 228 517 A2는 내부적으로 냉각된 에어포일을 위한 배플 인서트(baffle insert)에 관한 것이다. 배플 인서트는 라이너, 뜯겨진(divoted) 세그먼트, 및 다수의 냉각공들을 포함한다. 라이너는 제1 단부 및 제2 단부를 가지는 중공체의 형상으로 형성된 연속적인 주변을 가진다. 중공체의 뜯겨진 세그먼트는 제1 및 제 2 단부들 사이에 위치된다. 다수의 냉각공들은 공통의 위치에서 배플 인서트를 나가는 공기를 냉각시킬 목적으로 뜯겨진 세그먼트에 위치된다.
문헌 US 6,168,380에 따라서, 중공의 가스 터빈 블레이드의 선단 가장자리 영역을 위한 냉각 시스템에서, 덕트는 두꺼운 블레이드 선단 가장자리 내부에서 블레이드 뿌리(blade root)로부터 블레이드 팁까지 연장한다. 블레이드 선단 가장자리에 만들어진 다수의 보어들을 통하여, 덕트는 메인 덕트와 소통하고, 냉각 매체는 메인 덕트를 통하여 종방향으로 연장하고, 덕트를 통한 유동은 블레이드 높이에 걸쳐서 종방향으로 발생하고, 덕트는 가변 단면으로 형성된다. 덕트의 단면은 블레이드 뿌리로부터 블레이드 팁까지 냉각 매체의 유동 방향으로 연속으로 증가한다. 커버 플레이트를 가지는 블레이드들의 경우에, 덕트는 그 상단부에서 챔버 내로 합쳐지며, 챔버는 커버 플레이트 아래에 장착되고, 압력원과 작동 연결되고, 챔버의 압력은 메인 덕트에서의 압력보다 낮다.
본 발명의 목적은 종래의 선단 가장자리 냉각 디자인의 결점을 피하는, 터빈 블레이드의 선단 가장자리를 위한 냉각 기구를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 청구항 제1항에 따른 터빈 블레이드에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 터빈 블레이드는, 방사상 연장 에어포일의 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이에서 축방향으로 각각 연장하는 흡입측 및 압력측을 구비한 상기 에어포일을 포함하며, 상기 선단 가장자리는, 상기 선단 가장자리의 내측부 상에 충돌하는 냉각 매체의 방사상으로 분포된 제트의 열들을 구비한 충돌 냉각의 수단에 의해 냉각되고, 상기 방사상으로 분포된 제트의 열들은 상기 에어포일의 중공 내부를 제1 및 제 2 캐비티로 분할하는 내부 웨브에서 발생되며, 상기 제2 캐비티는 상기 선단 가장자리에 배열된다.
이는 상기 내부 웨브가 2열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공들을 포함하고, 냉각 매체는 상기 공급공들을 통해 충돌 제트의 형태로 상기 제2 캐비티에 들어가고, 상기 냉각 매체 공급공들은 상기 1열의 제트들의 방향이 상기 다른 열의 제트들의 방향을 교차하도록 배향되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 내부 웨브는 상기 제2 캐비티에 대하여 볼록한 곡선 단면 프로파일을 가진다.
특히, 상기 웨브는 일정 곡률 반경(R1, R2)을 구비한 곡선 단면 프로파일을 가진다.
대안적으로, 상기 웨브는 "가물치(snake head)" 형상을 구비한 곡선 단면 프로파일을 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 제1 열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공들은 상기 에어포일의 흡입측 가까이 배열되며, 상기 공급공들에 의해 형성된 제트들은 상기 선단 가장자리의 압력측에 충돌하고, 상기 제2 열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공들은 상기 에어포일의 압력측 가까이 배열되며, 상기 공급공들에 의해 형성된 제트들은 상기 선단 가장자리의 흡입측 상에 충돌한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 상기 제1 열의 상기 공급공들과 상기 제2 열의 상기 공급공들은 서로에 대해 방사상 방향으로 편심을 가진다.
본 발명의 추가의 실시예에 따라서, 상기 선단 가장자리는 다수의 냉각공들을 구비한 샤워 헤드 구성을 가지며, 상기 충돌 냉각 매체는 상기 냉각공들을 통해 상기 에어포일의 외부로 방출된다.
본 발명은 지금 상이한 실시예들과 첨부된 도면을 참조하여 더욱 밀접하게 설명된다.
도 1은 고정 베인들의 링과 회전 터빈 블레이드들의 링을 구비한 가스 터빈의 터빈 스테이지를 도시하며;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선단 가장자리 냉각 기구를 구비한, 도 1에 따른 회전 터빈 블레이드의 에어포일의 단면도를 도시하며;
도 3은 도 1의 선단 가장자리 냉각 기구의 상세도를 도시하며;
도 4는 디자인이 용해성 코어의 사용없이 종래의 주조 공정에 도입하는 것이 가능한, 도 3의 선단 가장자리 냉각 기구의 변형을 도시하며;
도 5는 흡입측 및 압력측 충돌공들 사이의 방사상 편심을 도시하는 도 2 또는 도 3의 에어포일의 종방향 단면도를 도시하며;
도 6은 GT24형(순차 연소를 구비한)의 적용의 고온 가스 터빈의 예를 사시도로 도시한다.
본 발명은 충돌 냉각 기구 적용의 수단에 의해 터빈 블레이드 선단 가장자리에서 냉각 열전달 향상을 제공하며, 이에 의해 냉각 매체(예를 들어, 공기) 열 용량을 이용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 선단 가장자리 냉각 기구를 구비한, 도 1에 따른 회전 터빈 블레이드(12)의 에어포일(29)의 단면도를 도시한다. 에어포일(29)은 선단 가장자리(24)와 후미 가장자리(25)를 가진다. 에어포일(29)은 또한 흡입측(26)과 압력측(27)을 가진다. 익현(40, chord)은 에어포일(29)의 프로파일을 특징으로 한다. 에어포일(29)의 중공 내부는 내부 웨브(16)에 의해 각각 제1 및 제2 캐비티(15 및 17)로 분할된다. 냉각 매체는 방사상 방향(R)으로 블레이드(12)의 뿌리로부터 제1 캐비티(15)로 들어간다(도 5).
내부 웨브(16)는 2열의 냉각 매체 공급공(18 및 19)들을 구비하고, 냉각 매체는 냉각 매체 공급공들을 통해 제1 캐비티(15)로부터 제2 캐비티(17)로 유동하며, 이에 의해, 압력측(27)과 흡입측(26)을 향하여 교차 방향의 충돌 제트들을 각각 발생시킨다. 공급공(18 및 19)들의 배향은, 에어포일(29)의 흡입측(26) 가까이에 배열된 제1 열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공(18)들이 선단 가장자리(24)의 압력측(27) 상에 충돌하는 제트들을 형성하는 한편, 제2 열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공(19)들이 상기 에어포일의 압력측(27) 가까이에 배열되고 상기 선단 가장자리(24)의 흡입측(26) 상에 충돌하는 제트들을 형성하도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 따라서, 공급공(18 및 19)들이 배치되는 내부 웨브(16)는 '가물치"의 형상을 가진 단면 프로파일을 가진다. 공급공(18 및 19)들은 익현(40)의 양측부에 배치된다. 공급공(18 및 19)들로부터의 충돌 유동과 이 경우에 벽 내부면 사이의 각도는 냉각 효과라는 면에서 최적에 근접한다. '가물치" 형상은 금속 레이저 신터링 공정(SLM, metal laser sintering process)에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 그러나, 종래의 주조 공정에 의해 이를 제조하는 것은 가능하지 않다.
도 4는 내부 웨브(16')가 일정 곡률 반경(R1 및 R2)을 갖는 원통벽의 섹션의 형태를 하는 단면 프로파일을 가지는 변형예를 도시한다. 이러한 디자인은 용해성 코어를 사용하는 것이 필요하지 않은 종래의 주조 공정으로 도입하는 것이 가능하다.
도 5에 따라서, 충돌공(18 및 19)들 사이의 방사상 방향으로의 편심이 바람직하고, 흡입측(26)에 근접하여 배치된 열에 있는 모든 공급공(18)들은 방사상 방향으로 압력측(27)에 근접한 열에 배치된 공급공(19)과 편심을 가진다. 선단 가장자리(24)는 다수의 냉각공(20, 21 및 22)들을 구비한 샤워 헤드 구성(23)을 가지며, 충돌된 냉각 매체는 냉각공들을 통해 에어포일(29)의 외부로 방출된다.
10 가스 터빈
11 로터
12 터빈 블레이드
13 베인
14 고온 가스
15, 17 캐비티
16, 16' 웨브
18, 19 충돌공
20-22 냉각공
23 샤워 헤드
24 선단 가장자리(LE)
25 후미 가장자리(TE)
26 흡입측
27 압력측
28 터빈 스테이지
29 에어포일
30 가스 터빈(예를 들어, GT24)
31 로터
32(내부) 케이싱
33 공기 흡입구
34 압축기
35 연소기(예를 들어, EV)
36 터빈(HP)
37 연소기(예를 들어, SEV)
38 터빈(LP)
39 배기 가스 배출구
40 익현(에어포일의)
R 방사상 방향
R1, R2(곡률) 반경

Claims (7)

  1. 방사상 연장 에어포일(29)의 선단 가장자리(24)와 후미 가장자리 사이에서 축방향으로 각각 연장하는 흡입측(26) 및 압력측(27)을 구비한 상기 에어포일(29)을 포함하며, 상기 선단 가장자리(24)는, 상기 선단 가장자리(24)의 내측부 상에 충돌하는 냉각 매체의 방사상으로 분포된 제트의 열들을 구비한 충돌 냉각 수단에 의해 냉각되고, 상기 방사상으로 분포된 제트의 열들은 상기 에어포일(29)의 중공 내부를 제1 및 제 2 캐비티(15, 17)들로 분할하는 내부 웨브(16, 16')에서 발생되며, 상기 제2 캐비티(17)는 상기 선단 가장자리(24)에 배열되는, 가스 터빈(10)의 터빈 블레이드(12)에 있어서, 상기 내부 웨브(16, 16')는 2열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공(18, 19)들을 포함하고, 냉각 매체는 상기 공급공들을 통해 충돌 제트의 형태로 상기 제2 캐비티(17)에 들어가고, 상기 냉각 매체 공급공(18, 19)들은 상기 1열의 제트들의 방향이 상기 다른 열의 제트들의 방향을 교차하도록 배향되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 웨브(16, 16')는 상기 제2 캐비티(17)에 대하여 볼록한 곡선 단면 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 웨브(16')는 일정 곡률 반경(R1, R2)을 구비한 곡선 단면 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 웨브(16)는 "가물치(snake head)" 형상을 구비한 곡선 단면 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공(18)들은 상기 에어포일의 흡입측(26) 가까이 배열되며, 상기 공급공(18)들에 의해 형성된 제트들은 상기 선단 가장자리(24)의 압력측(27)에 충돌하고, 상기 제2 열의 방사상으로 분포된 냉각 매체 공급공(19)들은 상기 에어포일의 압력측(27) 가까이 배열되며, 상기 공급공(19)들에 의해 형성된 제트들은 상기 선단 가장자리(24)의 흡입측(26) 상에 충돌하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 열의 상기 공급공(18)들과 상기 제2 열의 상기 공급공(19)들은 서로에 대해 방사상 방향으로 편심을 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 선단 가장자리(24)는 다수의 냉각공(20, 21, 22)들을 구비한 샤워 헤드 구성을 가지며, 상기 충돌 냉각 매체는 상기 냉각공들을 통해 상기 에어포일(29)의 외부로 방출되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
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