KR20160122660A - 냉각 에어포일, 가이드 베인, 및 상기 에어포일과 가이드 베인의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본원은 냉각 에어포일(61)에 관한 것이며, 상기 에어포일은 허브 단부(8)와 팁(9)을 포함하고, 에어포일의 높이(h)는 상기 허브 단부(8)와 상기 팁(9) 사이에서 한정된다. 상기 에어포일은 선단 가장자리(LE), 후미 가장자리(TE), 흡인측(SS) 및 압력측(PS)을 포함한다. 상기 에어포일(61)은 상기 허브 단부(8)에 인접하며 상기 팁(9) 쪽으로 연장하는 제1 에어포일 높이 구역(H1)을 포함하며, 자오면에서, 선단 가장자리(LE)과 후미 가장자리(TE)는 제1 에어포일 높이 구역(H1)을 따라 직선적이고, 에어포일(61)은 상기 팁(9)에 인접하며 허브 단부(8) 쪽으로 연장하는 제2 에어포일 높이 구역(H2)을 포함하며, 자오면에서, 에어포일은 선단 가장자리(LE)에서 오목하게 형성되고, 후미 가장자리(TE)에서 제2 에어포일 높이 구역(H2)을 따라 볼록하게 형성된다. 적어도 하나의 냉각 채널(65, 66, 67)이 에어포일(61) 내에, 주로 에어포일의 높이(h)를 따라 연장하는 길이를 갖고 제공되며, 상기 냉각 채널은 제1 냉각 채널 길이 구역에서 직선적으로 연장하며 제2 냉각 채널 길이 구역에서 구부러지며, 상기 선단 가장자리(LE) 측에 제공된 냉각 채널 벽은 볼록하게 형성되고, 상기 후미 가장자리(TE) 측에 제공된 냉각 채널 벽은 오목하게 형성된다. 또한, 상기 에어포일 주조 방법도 개시된다.

Description

냉각 에어포일, 가이드 베인, 및 상기 에어포일과 가이드 베인의 제조 방법{COOLED AIRFOIL, GUIDE VANE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAID AIRFOIL AND GUIDE VANE}

본 발명은 청구범위 제1항에 따른 냉각 에어포일(airfoil)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상술한 유형의 에어포일을 포함하는 가이드 베인(guide vane) 및 상기 에어포일과 가이드 베인을 제조하는 방법에 관한 것이다.

현대의 가스 터빈 엔진에서는 효율을 더욱 향상시키기 위해서 에어포일의 프로파일과 엔진 내부의 실제 유체의 흐름을 정렬(align)시켜야 할 필요성이 증가하고 있다. 그에 따른 하나의 필요는 분기 헤이드 각도(divergent hade angles)와 연관된 축방향 분기 흐름에 에어포일의 기하학적 형상을 적합하게 하는 것이다.

증기 터빈의 기술 분야에서 공지된 것은 3차원적으로 구부러지고 더욱이 뒤틀려진 기하학적 형상의 에어포일을 제공한 것이다. US 2012/0076646의 명세서는 자오면(meridional view)에서와 마찬가지로 축방향 시각(axial view)에서도 구부러진 증기 터빈 가이드 베인을 개시했다. 자오면에서의 곡률은 베인 팁 즉, 방사상 외부 부분에서 모여지며, 축방향 시각에서는 S자형으로 구부러진다. 그러나, 가스 터빈 엔진의 고온 가스 경로에 있는 베인에 공기역학적 교시(aerodynamic teaching)를 적용하기 위한 노력에서, 에어포일의 길이 및 내부를 따라 이어지는 내부 냉각 채널을 제공하는 것, 즉 허브 단부와 에어포일의 팁 사이의 길이를 연장하는 것과 관련하여 특정 문제가 발생한다. 바람직하게는 선단 가장자리 및 후미 가장자리의 기하학적 형상에 따른 냉각 채널을 제공하는 것이다. 또한 구조적 관점에서는 가능한 얇은 두께의 벽을 제공하는 것이 바람직하다. 벽의 두께 특히 선단 가장자리 및 후미 가장자리에 벽의 두께가 얇을수록, 냉각 채널에 제공된 냉각제가 더욱 효율적으로 사용된다. 그러나 얇은 벽 두께는 더 높은 제조 정밀도에 대한 필요와 관련된다.

따라서, 에어포일 내부의 상기 냉각 채널을 제조하는 것과 관련하여 특정한 문제점이 있다. 일반적으로 주조 공정(casting process)으로 내부 냉각 채널을 가진 에어포일을 제조하는 경우, 얇은 벽 두께는 오직 소규모 제조 공차에 의해서만 달성될 수 있다. 외부 에어포일의 기하학적 형상을 생성하도록 제공된 몰드와 내부 냉각 채널을 생성하도록 제공된 코어 사이의 서로 다른 열팽창은, 만일 제조과정에서 코어를 가로지르는 방향으로 즉, 냉각 채널을 가로지르는 방향으로 상기 다른 열팽창이 일어나는 경우, 비교적 대규모의 벽 두께 공차를 초래한다.

본 발명의 목적은 공기역학적 특성의 향상 및 냉각 유체의 효율적 사용 모두를 허용하는 기하학적 형상을 가진 가스 터빈용 냉각 에어포일 및 가이드 베인을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 냉각 채널을 획정하며 구조 일체성 및 필요한 견고성을 고려한 가능한 얇은 에어포일의 외부 몸체를 형성하는 벽의 두께를 제공할 수 있는 냉각 에어포일 및 가이드 베인을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 극히 작은 공차의 내부 냉각 채널들의 위치 및 치수로 제조될 수 있는 냉각 에어포일 및 가이드 베인을 제공하는 것이다.

부가적인 양태에서는, 필요한 소규모 공차로, 특히 주조에 의한 설명된 바와 같은 에어포일 및 가이드 베인을 제조하는 방법에 대한 수요가 있다.

상기 방법은 청구범위 제1항에 기재된 주제에 더하여 독립 방법 청구항에 기재된 주제에 의해 달성된다.

개시된 주제의 부가적인 효과 및 이점은 명시적인 언급 여부와 상관없이 아래에 제공된 개시 내용으로 명백히 나타날 것이다.

개시된 냉각 에어포일에서는 상기 에어포일이 허브 단부 및 팁을 포함하며, 에어포일의 높이는 상기 허브 단부와 상기 팁 사이에서 한정된다. 터빈 에어포일은 엔진에서 특정 사용을 위해 의도되며, 에어포일의 일 단부는 터빈 작업 유체 흐름 채널의 방사상 내부 단부에 사용하기 적합하게 지정되거나, 또는 다르게 표현하면 회전자 또는 허브와 마주하여 에어포일의 허브 단부를 형성하며, 반면에 에어포일의 타 단부는 작업 유체 흐름 채널의 방사상 외부 측에 즉, 터빈 고정자 또는 하우징에 배치되기에 적합하게 지정되어, 에어포일의 팁을 형성하는 것을 이해하여야 한다. 따라서 허브 단부 및 팁은 당업자에게는 분명하고 명확한 용어이다. 상기 에어포일은 부가로 선단 가장자리, 후미 가장자리, 흡인측 및 압력측을 포함한다. 에어포일의 압력측은 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이에서 연장하는 대체로 오목한 면으로 제공되며, 반면에 흡인측은 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이에서 연장하는 대체로 볼록한 면으로 제공된다. 에어포일은 허브 단부에 인접하며 팁 쪽으로 연장하는 제1 에어포일 높이 구역을 포함하며, 자오면에서, 선단 가장자리와 후미 가장자리는 적어도 제1 에어포일 높이 구역을 따라 직선적이며, 에어포일은 팁에 인접하며 허브 단부 쪽으로 연장하는 제2 에어포일 높이 구역을 포함하며, 자오면에서, 에어포일은 선단 가장자리에서 오목하게 형성되며 제2 에어포일 높이 구역을 따라 후미 가장자리에서 볼록하게 형성된다. 선단 가장자리와 후미 가장자리의 상기 직선(straight) 구역 및 굴곡(bent) 구역은 본 발명의 다른 양태에서, 각각 선단 가장자리와 후미 가장자리의 허브 측 구역에 형성될 수 있으며, 각각 선단 가장자리와 후미 가장자리의 팁 측 구역에 형성될 수 있다. 다시, 에어포일의 의도된 사용 및 모호하지 않은 방식과 방향으로 터빈의 고온 가스 경로에 배치되게 형성되어 지정된 에어포일 외부 형상에 의해서, 용어 자오면(meridional view)은 명확한 교시를 제공한다. 적어도 하나의 냉각 채널이 에어포일 내에 제공되며 주로 에어포일 높이를 따라 연장하는 길이를 갖는다. 하나의 공통 냉각제 흐름 경로를 제공하도록 일렬로 제공될 수 있는 다수의 냉각 채널이 제공될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 채널들 중 하나는 냉각제를 수용하도록 일측 길이방향 단부에서 에어포일의 외부로 개방될 수 있고, 가스 터빈 냉각제 공급부와 유체 연통하게 제공될 수 있으며, 반면에 상기 채널의 타측 길이방향 단부는 부가적인 냉각 채널과 유체 연통하게 구성된다. 냉각 채널에는 에어포일의 외부면으로 개방되는 측벽에 개구를 제공할 수 있다. 따라서, 냉각제는 형성된 냉각제 흐름 경로로부터 방출될 수 있고 및/또는 필름 냉각 공기가 에어포일에 제공될 수 있다. 특히, 마지막 냉각제 채널은, 냉각제 흐름 방향으로, 후미 가장자리에 배치될 수 있고, 냉각제를 방출하도록 개구가 벽에 제공되어 후미 가장자리에 추가 냉각을 제공할 수도 있다. 적어도 하나의 냉각 채널은 적어도 제1 냉각 채널 길이 구역에서 직선적으로 연장하며, 제2 냉각 채널 길이 구역에서 구부러지며, 선단 가장자리 측에 제공된 냉각 채널 벽은 에어포일의 자오면에서 볼록하게 형성되며, 후미 가장자리 측에 제공된 냉각 채널 벽은 에어포일의 자오면에서 오목하게 형성된다. 특히, 제1 냉각 채널 길이 구역은 제1 에어포일 높이 구역에 제공될 수 있고, 제2 냉각 채널 길이 구역은 제2 에어포일 높이 구역에 제공될 수 있다. 즉, 하나의 냉각 채널, 특정 실시예에서는 모든 냉각 채널들이 선단 가장자리와 후미 가장자리의 통상적인 형상을 따른다. 다시 말해서, 하나의 냉각 채널 또는 다수의 냉각 채널은 에어포일 선단 가장자리 및/또는 후미 가장자리가 직선인 에어포일의 구역에서는 직선이고, 에어포일 선단 가장자리 및 후미 가장자리가 구부러진 영역에서는 굴곡이다.

본원에 개시된 발명의 일 양태에서, 직선 구역에 선단 가장자리 및 후미 가장자리는 소위 미크론(microns) 범위 내에서 정확한 직선으로부터 벗어나지 않는 직선을 요구하지 않는다. 그러나, 선단 가장자리 및/또는 후미 가장자리, 및/또는 냉각 채널은 각각의 직선 구역에서 굴곡 구역에 비해 매우 적게 구부러진 곳이다. 아래에서 상세히 기술되는 바와 같이, 축방향 시각에서와 마찬가지로 자오면에서도, 직선 구역 또는 제1 에어포일 높이 구역에 상기 구조의 임의의 곡률 반경은 예를 들어 굴곡 구역 또는 제2 에어포일 높이 구역에 대응 구조의 곡률 반경의 적어도 5배일 수 있다.

상기 에어포일은 그의 특정한 기하학적 형상으로 인해서, 특히 몰드 제공 단계, 및 적어도 하나의 코어를 제공하는 단계를 포함하는 방법을 적용하여 바람직하게 제조할 수 있으며, 상기 몰드는 주조 공정에서 에어포일의 적어도 외부면의 형상을 생성하기 위해 제공되며, 상기 코어는 주조 공정에서 에어포일에 적어도 하나의 내부 냉각 채널을 생성하기 위해 제공되며, 상기 몰드와 상기 코어의 각각은 허브 단부와 팁 단부 및 허브 단부와 팁 단부 사이에서 연장하는 에어포일 길이를 포함한다. 허브 단부 및 팁 단부는 제조되는 에어포일의 단부와 관련되며, 상기 에어포일의 단부는 차례로 에어포일에 적합하고 의도된 특정 사용과 관련된다는 것을 이해하여야 한다. 몰드는 몰드 캐비티를 포함하며, 상기 캐비티는 부품 주조 시 재료가 도입되는 공간으로 형성된다. 몰드 캐비티 및 코어의 각각은, 제조되는 에어포일 또는 베인의 자오면에서 볼 때, 개별적 허브 단부에 인접하여 제공된 직선 구역 및 개별적 팁 단부에 인접하여 제공된 굴곡 구역을 포함한다. 몰드 캐비티 직선 구역 및 굴곡 구역은 몰드가 주조 공정에서 직선 또는 굴곡 획정 벽(bent delimiting walls)을 제공하는 구역이 되는 것으로 여겨질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 상기 방법은 부가로 몰드 캐비티의 내부에 코어를 배치하는 단계, 몰드 캐비티 굴곡 구역 내부에 코어 굴곡 구역을 배치하는 단계, 몰드 캐비티 직선 구역 내부에 코어 직선 구역을 배치하는 단계, 및 코어를 코어 팁 단부에 고정된 베어링 관계(fixed bearing relationship)로 몰드에 부착하고 코어 허브 단부에 플로팅 베어링 관계(floating bearing relationship)로 몰드에 부착하는 단계를 포함하여, 코어 허브 단부가 허브 단부에서 코어 직선 구역의 길이방향을 따라 몰드에 대한 변위를 할 수 있고, 코어 직선 구역의 길이방향을 가로지르는 임의의 방향으로 몰드에 대해 고정된다. 그 효과로서, 상기 코어는, 주조 공정 중에 발생할 수 있는 몰드와 다른 열팽창에 반응하여, 굴곡이 있는 영역에서 몰드에 대한 최소한의 변위만을 할 것이고, 직선 구역에서는 코어의 길이방향을 따른 변위만을 할 것이다. 직선 구역에서의 길이 방향을 따른 변위는 치수 변화를 초래하지 않고, 반면에 그를 따른 변위를 유효하게 하는 레버가 코어의 구부러진 구역 또는 굴곡 구역에서 작아서, 차례로 코어 및 몰드의 다른 열팽창으로 인한 에어포일 벽의 치수 공차를 크게 제한한다. 차례로 상술한 장치와 관련하여 설명되는 에어포일의 기하학적 형상을 필요로 하는 이 방법을 적용하여, 극히 작은 공차의 에어포일 벽을 갖는 에어포일을 제조할 수 있으며, 이것은 차례로 직선 에어포일에서와 같이 얇은 두께의 벽을 가진 에어포일의 기하학적 형상에 따르는 냉각 채널을 가진 굴곡 에어포일을 제조할 수 있다. 예를 들어, 냉각 에어포일에는 선단 가장자리에서 2.5 내지 2.9mm 범위의 벽 두께와 후미 가장자리에서 1.3 내지 1.5mm 범위의 벽 두께가 제공될 수 있다.

본원에서 제안된 에어포일의 기하학적 형상 및 본원에 개시된 방법은 서로 밀접하게 관련되어 있는 것이다. 상기 방법은 냉각 채널들의 위치에 대한 공차를 감소시켜 채널들을 에어포일에 제공되게 허용하고, 또는 서로 밀접하게 연관된 에어포일의 벽 두께를 개별적으로 제공하게 허용하면서, 다른 한 편에선 에어포일의 기하학적 형상이 제조 방법에 적용되어 제조 방법을 매우 적합하게 한다.

에어포일에 대한 특정 실시예에서, 축방향 시각에서, 선단 가장자리에 에어포일은 적어도 제1 에어포일 높이 구역에서 직선적이다. 이것은 부가로 에어포일 벽의 치수 공차를 감소시킨다. 다른 특정 실시예에서, 에어포일은 축방향 시각에서, 제2 에어포일 높이 구역에서 구부러지며, 특별하게는 제2 에어포일 높이 구역에 선단 가장자리에서 흡인측 상에서 오목하게 구부러질 수 있다.

또한, 에어포일은 축방향 시각에서, 후미 가장자리에 에어포일이 제1 에어포일 높이 구역에서 직선적이게 제공될 수 있다. 이것은 후미 가장자리에서 에어포일 벽의 정밀도를 향상시키는 결과를 초래한다. 특별하게, 에어포일은 축방향 시각에서 에어포일이 제2 에어포일 높이 구역에서 구부러지며, 제2 에어포일 높이 구역에 후미 가장자리에서 압력측 상에서 오목하게 구부러질 수 있는 특징이 있을 수 있다.

상술한 실시예의 관점에서, 에어포일은 축방향 시각에서, 허브 단부에 인접하여 직선적인 것을 알 수 있다. 이것은 상술된 기술 분야 예를 들어, US 2012/0076646에 비해, 공기역학적으로 최적의 가능한 낮은 수준을 초래한다. 그러나, 에어포일에 내부 냉각 채널을 제공하게 하고, 정밀한 주조 벽 두께를 제공하게 한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 에어포일은 선단 가장자리에 인접하여 내부 선단 가장자리 냉각 채널을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있고, 선단 가장자리 냉각 채널은 적어도 일반적으로 선단 가장자리의 형상을 따르는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 에어포일은 후미 가장자리에 인접하여 내부 후미 가장자리 냉각 채널을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 후미 가장자리 냉각 채널은 적어도 일반적으로 후미 가장자리의 형상을 따른다. 따라서, 냉각 채널은 벽 두께가 선단 가장자리 및/또는 후미 가장자리를 따라 적어도 본질적으로 일정하게 있는 상태로 선단 가장자리 및/또는 후미 가장자리에 제공될 수 있고, 전술한 바와 같이 얇은 벽 두께를 허용하는 작은 공차로 제조될 수 있다.

또 다른 양태에서, 상기 에어포일은 에어포일의 허브 단부에서 시작하는, 제1 에어포일 높이 구역이 에어포일 전체 높이의 40% 또는 그 이상을 커버하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 직선 구역은 본원에서 기술된 바와 같은 에어포일과 관련하여 US 2012/0076646에서 공지된 기술을 능가하게 형성된 전체 에어포일 높이의 40% 만큼 낮은 높이를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 치수는 선단 가장자리와 후미 가장자리 높이와 관련하여 정의될 수 있다. 그런 점에서, 에어포일은 에어포일 허브 단부로부터 에어포일 팁까지의 선단 가장자리 길이의 적어도 40% 를 따라 선단 가장자리에서 직선적으로 형성될 수 있다. 에어포일은 에어포일 허브 단부로부터 에어포일 팁까지 후미 가장자리 길이의 적어도 40% 를 따라 후미 가장자리에서 직선적으로 형성될 수 있다.

또한 개시된 냉각 터빈 가이드 베인은 전술한 바와 같은 에어포일 및 베인 방사상 외부 플랫폼 또는 팁에 제공된 팁 플랫폼을 포함하며, 에어포일은 팁 플랫폼의 고온 가스측으로부터 연장하며, 베인 팁 플랫폼에는 터빈 고정자에 베인을 고정하기 위한 부착 수단이 제공되며, 상기 부착 수단은 팁 플랫폼의 고온 가스측 맞은 편에 제공된다.

베인의 특정 실시예에서, 에어포일 팁에 선단 가장자리 및 후미 가장자리 중 적어도 하나는 개별적으로 에어포일 또는 베인의 자오면에서 볼 때, 팁 플랫폼의 고온 가스측과 일정 각도를 형성하며, 상기 각도는 90°± 15°이다. 다음, 에어포일은 특별히 고정자 헤이드 각도에 매우 적합하여, 작업 유체 흐름부에 잘 맞게 형성된다.

베인의 다른 실시예에서, 베인은 에어포일 허브 단부에서 방사상 내부 또는 허브 플랫폼을 포함하며, 상기 허브 플랫폼은 에어포일이 그로부터 연장하는 허브 플랫폼 고온 가스측을 포함한다. 에어포일 팁에 선단 가장자리 및 후미 가장자리 중 적어도 하나는 허브 플랫폼의 고온 가스측과 일정 각도를 형성하며, 상기 각도는 90°± 15°이다. 이것은 허브에서 작업 유체의 흐름을 향상시킨다.

에어포일과 팁 플랫폼 또는 허브 플랫폼 사이의 과도 영역에는, 각각, 챔퍼(chamfer) 및/또는 반경이 제공되어 물리적 과도(physical transition)가 약간 다르게 나타날 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 실제 후미 가장자리 및 선단 가장자리 및 팁 플랫폼 및/또는 허브 플랫폼 사이에 형성된 전술한 각도 역시 당업자에게 명백할 것이다.

이러한 관점에서, 상술된 제조 방법은 또한, 가이드 베인의 제조에도 적용될 수 있다.

부가로 개시된 전술한 바와 같은 냉각 가이드 베인을 포함하는 가스 터빈 엔진에서 상기 가이드 베인은 특정적으로 제3 및 제4 터빈 스테이지 중 적어도 하나의 스테이지의 가이드 베인이다. 특히 이들 스테이지에서 큰 헤이드 각도가 발견되며, 고려되는 작업 유체 흐름의 분기을 취한 에어포일 설계가 특별히 유용함을 알 수 있다. 스테이지 효율은 직선 에어포일이 적용된 설계와 비교하여 최대 0.3% 향상될 수 있음을 알 수 있다. 동시에 특정 에어포일의 기하학적 형상과 상기 개시된 제조 방법으로, 에어포일의 벽두께 편차는 최대 60%까지 감소될 수 있고, 완전한 3차원적 설계에 비해서는 더 감소될 수 있다. 이것은 차례로, 더 얇고 더 바람직하게 제어된 벽 두께를 이루어질 수 있게 하며, 따라서 냉각 효율을 향상하고, 냉각제 유량을 감소할 수 있게 하여서, 엔진 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 개시된 특징 및 실시예들은 서로 조합될 수 있는 것이다. 부가적인 실시예들은 당업자에게 분명하고 명백하게 본 발명의 범위 및 청구된 주제 내에서 생각할 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.

본 발명의 요지는 이제 첨부된 도면에 도시된 선택된 예시적인 실시예에 의하여 상세하게 설명된다.
도 1은 팽창 터빈의 고온 가스 경로의 일부분을 자오면으로 나타낸 도면이며;
도 2는 냉각 가이드 베인의 단면도이며;
도 3은 축방향으로 선단 가장자리 및 후미 가장자리의 기하학적 형상을 묘사한 다이어그램 도면이며;
도 4는 본원에 기재된 바와 같은 주조 공정 또는 주조 공정을 위한 몰드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도면은 매우 개략적으로 나타냈으며, 본 발명을 설명하는데 필요하지 않은 상세한 부분에 대해서는 용이한 이해 및 묘사를 위해 생략되었다. 상기 도면들은 단지 예시적인 실시예로 선택된 것이며, 도시되지 않은 실시예들도 여전히 본원의 청구된 주제의 범위 내에서 잘 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종단면 즉, 자오면에서 가스 터빈 엔진의 팽창 터빈(1)의 일부에 배치된 일부 블레이드 및 베인을 개략적으로 도시한다. 가스 터빈 엔진(1)은 개별적으로 하우징(2) 또는 고정자, 및 회전자 축(3)을 포함한다. 회전하는 터빈 블레이드(5, 7)는 회전자 축(3)에 고정적으로 부착된다. 고온 작업 유체의 흐름은 주 방향이 도면 부호 4로 묘사된 방향으로 터빈을 통해 흐르며, 회전 블레이드(5, 7)에서 유용한 작업을 수행하면서 팽창된다. 각 블레이드의 상류에는, 고정된 가이드 베인이 제공되며, 상기 가이드 베인은 작업 유체의 흐름이 원주 속도 성분을 가진 회전 블레이드로 향하게 한다. 본 실시예에 도시된 가이드 베인(6)은 블레이드(7)에 대한 가이드 베인(6)으로 역할을 한다. 가이드 베인(6)은 에어포일(61)을 포함하며, 상기 에어포일(61)은 허브 단부 또는 방사상 내부 단부(8)와, 팁 또는 방사상 외부 단부(9)를 포함한다. 방사 방향은 도면부호 R 로 도시했다. 팁 단부(9)는 하우징(2)과 대면하고, 허브 단부(8)는 회전자 축(3)과 대면한다. 가이드 베인(6)은 하우징(2)에 고정적으로 부착된다. 블레이드 및 베인이 배치된 작업 유체 흐름 채널은 강력하게 분기한다. 따라서 상기 흐름은 도면부호 4로 나타낸 바와 같은 축방향 뿐만 아니라, 반경방향 성분, 특히 흐름 채널의 방사상 외부 측에서 반경방향 성분도 갖는다. 상기 가이드 베인(6)의 공기역학적 성질을 향상시키기 위해, 에어포일(61)이 구부러져서, 일반적으로, 자오면에서의 에어포일은 선단 가장자리(LE)에서 오목하고, 후미 가장자리(TE)에서 볼록하게 있다. 곡률은 에어포일 허브 단부에 선단 가장자리(LE)가 작업 유체 흐름 채널의 방사상 내부 벽과 일정 각도(a)를 형성하고, 에어포일 팁에서 작업 유체 흐름 채널의 방사상 외부 벽과 일정 각도(c)를 형성하도록 특별하게 선택된다. 마찬가지로 후미 가장자리(TE)에 에어포일(61)의 기하학적 형상은 에어포일 허브 단부에서 흐름 채널의 방사상 내부 벽과 일정 각도(b)를 형성하고, 그 팁에서 흐름 채널의 방사상 외부 벽과 일정 각도(d)를 형성하도록 선택된다. 흐름 채널의 방사상 내부 벽은 회전자 축(3)으로 제공되거나, 또는 베인의 허브 플랫폼의 고온 가스측으로 제공될 수 있다. 흐름 채널의 방사상 외부 벽은 베인 팁 플랫폼의 고온 가스측으로 제공될 수 있다. 상기 각도(a, b, c, d)는 90°± 15°이다. 베인(6) 및 에어포일(61)의 기하학적 형상은 아래에서 상세히 설명될 것이다.

도 2는 자오면에서 예시적인 가이드 베인(6)을 단면으로 나타낸 도면이다. 베인(6)은 에어포일(61)을 포함하며, 상기 에어포일은 허브 단부(8)와 팁(9)을 포함한다. 가스 터빈 엔진에 의도된 배치에 따라서, 상기 허브 단부(8)는 또한 방사상 내부 단부로 참조될 수도 있으며, 팁(9)도 방사상 외부 단부로 참조될 수도 있다. 에어포일은 허브 단부(8)로부터 팁(9)까지 높이(h)를 따라 연장된다. 팁 플랫폼(62)은 에어포일(61)의 팁에 배치된다. 팁 플랫폼(62)는 고온 가스측(621)을 포함한다. 또한, 수단(63)은 터빈 하우징에 가이드 베인을 고정적으로 부착하기 위해 팁 플랫폼에 배치된다. 허브 단부(8)에는 베인 허브 플랫폼(64)이 제공된다. 베인 허브 플랫폼은 고온 기체 측(641)을 포함한다. 선단 가장자리(LE)는 적어도 허브 단부(8)로부터 팁(9)을 향한 방향으로 연장하는 에어포일(61)의 제1 구역(H1)에서 직선적으로 있다. 선단 가장자리(LE)는 자오면에서 에어포일의 제2 영역(H2)에서 오목하게 구부러지며, 팁(9)에서 시작하며 허브 단부(8) 쪽으로 연장된다. 마찬가지로 후미 가장자리(TE)는 자오면에서 적어도 에어포일(61)의 제1 구역(H1)에서 직선적이며, 에어포일 팁(9)에 인접한 에어포일의 제2 구역에서 볼록하게 구부러진다. 에어포일(61)의 과도 구역은 제1 구역(H1)과 제2 구역(H2) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 냉각 채널(65, 66, 67)은 에어포일(61)에 제공되며, 팁(9)과 허브 단부(8) 사이의 에어포일(61)의 높이(h)를 따라 연장된다. 냉각 채널(65, 66, 67)은 일렬로 배치되며, 조합되어 에어포일 내부 냉각제 덕트를 형성한다. 냉각제(11)는, 하우징 쪽으로 개방되며 가스 터빈의 냉각 시스템과 유체 연통하는 선단 가장자리 냉각 채널(65)에 의해 수용되어, 선단 가장자리 냉각 채널(65)을 통하고, 냉각 채널(66)을 통해, 최종적으로 후미 가장자리 냉각 채널(67) 내로 안내된다. 후미 가장자리 냉각 채널(67)로부터, 냉각제는 후미 가장자리 냉각 슬롯(68) 및 냉각 구멍(69)을 통해 냉각제 방출 흐름(12)으로 방출된다. 냉각제 채널(65, 66, 67)은 일반적으로 자오면에서 에어포일(61)의 기하학적 형상을 따르며, 즉, 냉각 채널은 에어포일의 제1 구역에서 직선으로 이어지고 에어포일의 제2 구역에서 구부러지며, 냉각 채널을 획정하는 벽은 냉각 채널의 선단 가장자리 측에서 볼록하게 형성되고, 냉각 채널의 후미 가장자리 측에서 오목하게 형성된다.

도 3을 참조하면, 선단 가장자리(LE) 및 후미 가장자리(TE)의 예시적인 기하학적 형상은 가이드 베인의 축방향 시각으로 보았을 때 즉, 가스 터빈 회전자 축을 따라서 보았을 때의 형상이다. 선단 가장자리와 후미 가장자리는 일반적으로 허브 단부(8)와 팁(9) 사이에서 연장된다. 상기 방사 방향(R)도 허브를 향한 방향은 도면부호 H로 나타내고, 팁을 향한 방향은 도면부호 T로 나타내었다. 에어포일은 일반적으로 압력측(PS)과 흡인측(SS)도 포함한다. 선단 가장자리와 후미 가장자리는 직선으로 연장하며, 허브 단부(8)에서 시작하고, 제1 구역(H1)에 있으며, 에어포일(H2)의 제2 구역에서 구부러진다. 후미 가장자리(TE)는 에어포일의 압력측에서 오목하게 있게 구부러지고, 반면에 선단 가장자리(LE)는 에어포일의 흡인측에서 오목하게 구부러진다.

명백하게 나타낸 바와 같이, 에어포일은 축방향 시각에서 뿐만 아니라 자오면에서도 허브 단부(8)에서 시작하는 제1 에어포일 구역(H1)에서 그 방사상 연장부를 따라 또는 높이 연장부를 따라 직선적이다.

이제, 고정밀한 벽 두께를 갖는 주조로 상술한 바와 같은, 각각의 에어포일 또는 베인을 제조하는 방법을 도 4와 관련하여 설명한다. 세라믹 몰드(21)가 제공되어, 에어포일의 외부 기하학적 형상이 주조에 의해 제조될 수 있도록 형성된다. 몰드 캐비티(21a)은 주조 공정을 하는 동안 용융된 재료를 수용하도록 의도된 공간으로 상기 몰드(21) 내에 제공되며, 상기 몰드의 벽에 의해 획정된다. 벽은 부재의 외부 기하학적 형상이 주조를 통해 제조되게 형성한다. 코어(22)는 냉각 채널을 제조하기 위해 제공된다. 몰드 캐비티(21a) 및 코어(22)는 모두, 팁 단부(91)에 인접하여 구부러지며, 허브 단부(81)에 인접하여 직선이다. 코어(22)는 굴곡 코어 구역에 인접하여 도면부호 '23'에 고정된 베어링 관계로 지지된다. 코어(22)는 또한 직선 코어 구역에 인접하여 도면부호 '24'에 플로팅 베어링 관계로 지지된다. 따라서, 주조 공정을 하는 동안, 코어(22)는 서로 다른 열팽창에 대하여 화살표(25)를 따라 몰드 캐비티(21a)의 내부에서 변위될 수 있다. 그러나, 상기 변위는 코어(22)의 길이방향을 따라 발생하여, 제조되는 에어포일의 벽 두께는 영향을 받지 않는다. 굴곡 코어 구역에 열팽창은 짧은 수준의 팽창으로 제한되고, 따라서 제조되는 벽 두께 상의 코어 변위에 대한 영향이 크게 제한된다. 이것은 상술한 바와 같은, 각각의 에어포일 또는 베인이 냉각 채널 주위의 에어포일 벽의 고정밀한 두께로 제조되게 허용한다.

요약하면, 에어포일의 기하학적 형상이 공기역학적 효율의 이득을 달성하게 선택되고, 동시에 고정밀한 벽 두께의 주조를 허용하는 방법을 적용하여 제조할 수 있으며, 차례로 에어포일을 냉각하기 위해 제공되는 냉각제의 사용을 매우 효율적으로 할 수 있게 한다.

명세서의 주제가 예시적인 실시예에 의해 설명되었지만, 이들은 청구된 발명의 범위를 제한하기 위한 어떠한 의도도 없는 것이다. 청구범위는 본원에 명시적으로 도시 또는 개시되지 않은 실시예를 커버하며, 본 발명의 교시를 수행하는 예시적 모드에 개시된 바로부터 벗어나는 실시예도 청구범위에 의해 커버되는 것이다.

1 터빈
2 하우징, 고정자
3 회전자 축(rotor shaft)
4 주 작업 유체 흐름방향
5 실행 블레이드, 회전 블레이드
6 가이드 베인
7 실행 블레이드, 회전 블레이드
8 허브 단부
9 팁
11 냉각제 공급 흐름
12 냉각제 방출 흐름
21 세라믹 몰드
21a 몰드 캐비티
22 코어
23 고정 베어링
24 플로팅 베어링(floating bearing)
25 열 변위 방향
61 에어포일(airfoil)
62 베인 팁 플랫폼
63 베인 부착 수단
64 베인 허브 플랫폼
65 냉각 채널
66 냉각 채널
67 냉각 채널
68 후미 가장자리 냉각제 방출 슬롯
69 냉각제 방출 개구, 냉각 구멍
81 몰드의 허브 단부
91 몰드의 팁 단부
621 베인 팁 플랫폼 고온 가스측
641 베인 허브 플랫폼 고온 가스측
a 각도
b 각도
c 각도
d 각도
h 에어포일 높이
H 허브
T 팁
LE 선단 가장자리(leading edge)
TE 후미 가장자리(trailing edge)
PS 압력측
SS 흡인측
H1 제1 에어포일 구역, 에어포일 허브 구역
H2 제2 에어포일 구역, 에어포일 팁 구역
R 방사상 방향

Claims (15)

1. 허브 단부(8)와 팁(9)을 포함하며, 상기 허브 단부(8)와 상기 팁(9) 사이에서 에어포일 높이(h)가 한정되며, 선단 가장자리(LE), 후미 가장자리(TE), 흡인측(SS) 및 압력측(PS)을 포함하는 냉각 에어포일(61)로서,
   상기 에어포일(61)은 상기 허브 단부(8)에 인접하며 상기 팁(9) 쪽으로 연장하는 제1 에어포일 높이 구역(H1)을 포함하며, 자오면에서, 선단 가장자리(LE)과 후미 가장자리(TE)는 제1 에어포일 높이 구역(H1)을 따라 직선적이고, 에어포일(61)은 상기 팁(9)에 인접하며 허브 단부(8) 쪽으로 연장하는 제2 에어포일 높이 구역(H2)을 포함하며, 자오면에서, 상기 에어포일은 상기 선단 가장자리(LE)에서 오목하게 형성되고, 상기 후미 가장자리(TE)에서 상기 제2 에어포일 높이 구역(H2)을 따라 볼록하게 형성되는, 냉각 에어포일(61)에 있어서,
   적어도 하나의 냉각 채널(65, 66, 67)이 에어포일(61) 내에 주로 에어포일의 높이를 따라 연장하는 길이를 갖고 제공되며, 상기 냉각 채널은 제1 냉각 채널 길이 구역에서 직선적으로 연장되고, 제2 냉각 채널 길이 구역에서 구부러지며, 상기 선단 가장자리 측에 제공된 냉각 채널 벽은 볼록하게 형성되고, 상기 후미 가장자리 측에 제공된 냉각 채널 벽은 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 냉각 채널 길이 구역은 상기 제1 에어포일 높이 구역(H1)에 제공되고, 상기 제2 냉각 채널 길이 구역은 상기 제2 에어포일 높이 구역(H2)에 제공되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축방향 시각에서, 상기 선단 가장자리(LE)에서 상기 에어포일(61)은 적어도 상기 제1 에어포일 높이 구역(H1)에서 직선적인 것을 특징으로 하는 에어포일.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 시각에서, 상기 에어포일(61)은 상기 제2 에어포일 높이 구역에 상기 선단 가장자리(LE)에서 구부러지고, 상기 제2 에어포일 높이 구역(H2)에 상기 흡인측(SS) 상에 상기 선단 가장자리에서 특정적으로 오목한 굴곡부로 있는 것을 특징으로 하는 에어포일.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 시각에서, 상기 후미 가장자리(TE)에 상기 에어포일(61)은 적어도 상기 제1 에어포일 높이 구역(H1)에서 직선적인 것을 특징으로 하는 에어포일.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 시각에서, 상기 후미 가장자리(TE)에 상기 에어포일(61)은 상기 제2 에어포일 높이 구역(H2)에서 구부러지고, 상기 제2 에어포일 높이 구역(H2)에 상기 후미 가장자리(TE)에 상기 압력측(PS) 상에서 특정적으로 오목한 굴곡부로 있는 것을 특징으로 하는 에어포일.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 에어포일은 상기 선단 가장자리(LE)에 인접한 내부 선단 가장자리 냉각 채널(65)을 포함하고, 상기 선단 가장자리 냉각 채널(65)은 적어도 통상적으로 상기 선단 가장자리(LE)의 형상을 따르는 것을 특징으로 하는 에어포일.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 에어포일은 상기 후미 가장자리(TE)에 인접한 내부 후미 가장자리 냉각 채널(67)을 포함하고, 상기 후미 가장자리 냉각 채널(67)은 적어도 통상적으로 상기 후미 가장자리(TE)의 형상을 따르는 것을 특징으로 하는 에어포일.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 에어포일의 높이 구역(H1)은 에어포일 전체 높이의 40% 이상을 커버하며, 상기 에어포일의 상기 허브 단부(8)에서 시작하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
10. 냉각 터빈 가이드 베인(6)에 있어서,
    제1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따르는 에어포일(61)과, 에어포일 팁(9)에 제공된 베인 팁 플랫폼(62)을 포함하며, 상기 에어포일(61)은 상기 팁 플랫폼(62)의 고온 가스측(621)에서 연장하며, 상기 베인 팁 플랫폼(62)에는 베인(6)을 터빈 고정자(2)에 고정하기 위한 부착 수단이 제공되며, 상기 부착 수단(63)은 고온 가스측 맞은 편에 제공되는 것을 특징으로 하는 베인.
11. 제10항에 있어서, 상기 에어포일 팁(9)에 있는 선단 가장자리(LE) 및 후미 가장자리(LE) 중 적어도 하나는 베인의 자오면에서 보았을 때 팁 플랫폼의 고온 가스측(621)과 각도(c, d)를 형성하며, 상기 각도는 90°± 15°인 것을 특징으로 하는 베인.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 베인(6)은 상기 에어포일 허브 단부(8)에서 허브 플랫폼(64)을 포함하며, 상기 허브 플랫폼(64)은 에어포일(61)이 그로부터 연장하는 허브 플랫폼 고온 가스측(641)을 포함하며, 상기 에어포일 팁(9)에 선단 가장자리(LE) 및 후미 가장자리(TE) 중 적어도 하나는 자오면에서 볼 때 상기 허브 플랫폼(64)의 고온 가스측과 각도(a, b)를 형성하며, 상기 각도는 90°± 15°인 것을 특징으로 하는 베인.
13. 주조 공정에서 에어포일의 적어도 외부면 형상을 생성하기 위해 제공되는 몰드(21)를 제공하는 단계; 및
    주조 공정에서 상기 에어포일에서 적어도 하나의 내부 냉각 채널(65, 66, 67)을 생성하기 위해 제공되는 적어도 하나의 코어(22)를 제공하는 단계를 포함하며;
    상기 몰드(21) 및 상기 코어(22)의 각각은 허브 단부(81)와 팁 단부(91), 및 허브 단부와 팁 단부 사이에서 연장하는 에어포일 길이를 포함하며,
    몰드의 캐비티(21a) 및 상기 코어의 각각은 각각의 허브 단부 근방에 제공된 직선 구역과 각각의 팁 단부 근방에 제공된 구부러진 구역을 포함하는 상기 에어포일에 대한 청구항 제1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 에어포일을 제조하는 방법으로서,
    상기 몰드 캐비티(21a) 내부에 상기 코어(22)를 배치하는 단계,
    상기 몰드 캐비티 직선 구역 내부에 상기 코어 굴곡 구역을 배치하는 단계,
    상기 몰드 캐비티 직선 구역 내부에 상기 코어 직선 구역을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 에어포일 제조 방법에 있어서:
    상기 코어의 허브 단부가 상기 코어 직선 구역의 길이 방향(25)을 따라 상기 몰드에 대하여 변위 가능하고 상기 코어 직선 구역의 길이방향을 가로지르는 임의의 방향으로 상기 몰드에 대해 고정되도록, 상기 코어의 팁 단부에 고정된 베어링 관계(23)로 상기 몰드에 상기 코어(22)를 부착하고 상기 코어의 허브 단부에 플로팅 베어링 관계(24)로 상기 몰드에 상기 코어(22)를 부착하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 방법은 베인에 대한 청구항 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 베인을 제조하는데 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 가스 터빈 엔진(1)에 있어서,
    가이드 베인에 대한 청구항 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 냉각 가이드 베인(6)을 포함하며, 상기 가이드 베인(6)은 특히 제3 및 제4 터빈 스테이지 중 적어도 하나의 가이드 베인인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.

Images