KR20170102469A - 에어포일용 선단 에지 냉각 채널 - Google Patents

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안살도 에네르기아 아이피 유케이 리미티드
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Abstract

에어포일들을 냉각시키는 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명은 터빈 에어포일의 벽들 내에 위치한 냉각 채널들을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이들 냉각 채널들은 에어포일의 길이 및 폭을 따라 다양한 방향들로 테이퍼지는 미세 회로들을 포함한다. 또한, 이들 냉각 채널들은 주위 공기 및 에어포일 사이에 대류성 열전달을 용이하게 하기 위해 다양한 형상 및 영역들을 가진다.

Description

에어포일용 선단 에지 냉각 채널{LEADING EDGE COOLING CHANNEL FOR AIRFOIL}
전형적인 가스 터빈 엔진은 3개의 주 섹션들 즉, 압축기 섹션, 연소기 섹션 및 터빈 섹션으로 구성된다.
표준 작동 사이클에 있을 때, 압축기 섹션은 연소기 섹션에 공급된 공기를 압축하는데 사용된다. 연소기 섹션에서, 연료는 고온 및 고속의 연소 가스들을 발생시키기 위해 압축기 섹션으로부터의 압축 공기와 혼합되고 점화된다. 이들 연소 가스들은 그 다음 다수의 스테이지 터빈으로 유동하고, 고온 가스는 교번 횡열의 회전 및 고정 가스 터빈 에어포일들을 통해서 흐른다. 고정식 베인들의 횡열은 통상적으로 회전 블레이드들의 후속 스테이지들 상으로 연소 가스들의 유동을 재지향시키는데 사용된다. 터빈 섹션은 공통 축방향 샤프트를 따라서 압축기 섹션에 결합되어서, 터빈 섹션은 압축기 섹션을 구동시킨다.
공기 및 고온 연소 가스들은 터빈 블레이드 및 베인들에 의해서 터빈 섹션을 통해서 지향된다. 이들 블레이드 및 베인들은 종종 상기 블레이드 및 베인들이 제조되는 재료 능력을 초과하는 극도로 높은 작동 온도를 겪는다. 극도로 높은 온도는 또한 구성요소들에서 열 성장, 열 응력을 유발할 수 있고 내구성 저하를 유발할 수 있다. 유효 작동 온도를 저하시키기 위해, 블레이드 및 베인들은 종종 공기 또는 증기로 냉각된다. 그러나, 냉각은 냉각 유체를 효율적으로 사용하기 위하여 효과적인 방식으로 이루어져야 한다.
결과적으로, 무엇보다도 상기 문제들을 처리하는 가스 터빈에서의 개선된 냉각 디자인이 필요하다.
간략하게, 높은 수준에서, 본원의 요지는 일반적으로 냉각 통로, 채널 및 가스 터빈 에어포일 안으로 통합된 챔버들에 관한 것이다. 가스 터빈 에어포일은 내면 및 외면을 포함하고 에어포일 벽에 의해서 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는 에어포일 벽으로 구성된다. 실시예들은 에어포일 통로와 에어포일의 개선된 냉각을 위한 에어포일 벽 내의 다양한 위치, 방향 및 구성들로 형성된 포켓들을 제공한다. 에어포일 통로들은 냉각 유체 또는 공기가 에어포일 벽 및 에어포일 챔버를 통과하도록 허용해서, 가스 터빈의 작동 중에 에어포일을 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 선단 에지 및 후미 에지를 갖는 가스 터빈용 에어포일이 제공된다. 상기 에어포일은 내면 및 외면을 구비한 에어포일 벽으로서, 상기 에어포일 벽 내에 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는, 상기 에어포일 벽, 및 상기 선단 에지에 있는 상기 에어포일 벽 내의 복수의 에어포일 통로들을 포함하고, 상기 복수의 에어포일 통로들 각각은: 상기 외면의 제 1 개방부, 상기 외면의 제 2 개방부, 및 상기 에어포일 벽 내의 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 상기 내면의 제 3 개방부로 연장되는 채널을 포함하고, 상기 제 3 개방부는 상기 채널 및 상기 에어포일 챔버 사이에 유체 교통을 제공한다.
본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 가스 터빈 조립체가 제공된다. 상기 조립체는 복수의 에어포일들을 포함한다. 각각의 상기 복수의 에어포일들은 내면 및 외면을 구비한 에어포일 벽으로서, 상기 에어포일 벽 내에서 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는, 상기 에어포일 벽, 및 상기 에어포일 벽의 선단 에지에 형성된 에어포일 통로를 포함한다. 상기 에어포일 통로는 상기 외면의 제 1 개방부, 상기 외면의 제 2 개방부, 및 상기 에어포일 벽 내의 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 상기 내면의 제 3 개방부로 연장되는 채널을 포함하고, 상기 제 3 개방부는 상기 채널 및 상기 에어포일 챔버 사이에 유체 교통을 제공한다. 상기 제 3 개방부 근위에 있는 상기 채널의 제 3 단면적은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적보다 크고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적으로부터 연장된다.
본 발명의 제 3 실시예에 있어서, 에어포일의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 내면 및 외면을 포함하는 에어포일 벽을 구비한 에어포일을 제공하는 단계로서, 상기 에어포일 벽은 상기 에어포일 벽 내에 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는, 상기 에어포일을 제공하는 단계, 그리고 상기 에어포일 벽의 선단 에지 내에 복수의 에어포일 통로들을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 에어포일 통로들 각각은 상기 외면의 제 1 개방부, 상기 외면의 제 2 개방부, 및 상기 에어포일 벽 내의 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 상기 내면의 제 3 개방부로 연장되는 채널을 포함하고, 상기 제 3 개방부는 상기 채널 및 상기 에어포일 챔버 사이에 유체 교통을 제공한다.
본원에 기술된 냉각 회로, 채널, 통로 및/또는 미세 회로들은 가스 터빈 에어포일의 관점에서 자주 기술되지만, 다른 유형의 에어포일 구조에서 사용될 수 있다. 추가로, 냉각 유체, 가스, 공기 및/또는 공기유동은 본원에서 상호교환식으로 사용될 수 있고, 에어포일의 열전달 및 냉각을 제공하기 위하여 에어포일을 통해서 보내질 수 있는 임의의 냉각 매체에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 상세하게 기술된다.
도 1a는 종래 기술의 가스 터빈 에어포일의 사시도.
도 1b는 종래 기술의 가스 터빈 베인의 사시도.
도 2는 도 1a에 도시된 에어포일의 단면도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 채널을 갖는 에어포일의 각도형성된 사시 단면도.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a에 도시된 에어포일의 단면도.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a 및 도 3b에 도시된 에어포일의 냉각 포켓의 부분 단면 사시도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 구성의 냉각 채널을 갖는 에어포일의 단면도.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4a에 도시된 에어포일의 부분 사시 단면도.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따라, 에어포일 벽 내로 형성될 수 있는 방사상 테이퍼진 에어포일 통로의 사시도.
도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따라, 유동 난류기(flow turbulator)를 포함하고 에어포일 벽 안으로 합체된 도 4c에 도시된 에어포일 통로의 단면도.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 냉각 채널들을 갖는 에어포일의 사시도.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5a에 도시된 에어포일의 단면 입면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 선단 에지 안으로 합체된 냉각 채널들의 부분 각형 사시도.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 실시예들에 따라 에어포일 안으로 합체될 수 있는 다양한 냉각 채널 디자인들의 절취도.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 교대 냉각 채널 디자인의 절취도.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 교대 냉각 채널 디자인들의 절취도.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 발명의 실시예들에 따른 교대 냉각 채널 디자인들의 절취도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 터빈 에어포일들을 제조하는 예시적인 방법의 블록도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 터빈 에어포일들을 제조하는 예시적인 방법의 블록도.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 터빈 에어포일들을 제조하는 예시적인 방법의 블록도.
높은 수준에서, 본 발명의 요지는 다양한 구성에서 통합된 냉각 회로들을 포함하는 가스 터빈용 에어포일에 관한 것이다. 에어포일은 일반적으로 에어포일 챔버를 적어도 부분적으로 봉입하는, 외면 및 내면을 갖는 에어포일 벽을 포함할 수 있다. 냉각 회로들은 가스 터빈이 작동하고 냉각 유체 또는 가스가 냉각 회로를 통과할 때 에어포일로부터 개선된 열전달을 제공하기 위해 에어포일 벽 내의 다양한 위치들에 형성될 수 있다. 거친 환경에서 작동하는 터빈 하드웨어에 대하여, 이러한 에어포일 냉각 기술을 사용하는 것은 외경 및 내경 플랫폼, 블레이드 외부 또는 내부 공기 차폐물 또는 대안 고온 터빈 구성요소들과 같은 추가 구성요소들에 적응되도록 충분히 고려된다.
이제, 도 1a에 있어서, 가스 터빈 블레이드(100)가 제공된다. 터빈 블레이드(100)는 회전자 디스크(미도시)에 결합될 수 있는, 일반적으로 루트(root;102)로 기재된 하단 부분을 포함한다. 상기 루트는 회전자 디스크 안으로 완전히 통합되어서 상기 루트는 유동 경로 안으로 연장되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 네크(neck;103)는 루트(102)로부터 통상적으로 회전자 중심축에 직각인 방향으로 상향 방사상으로 연장된다. 네크(103)는 주로 루트(102) 및 가스 터빈 에어포일(104) 사이의 변이 부재로서 사용될 수 있다.
가스 터빈 에어포일(104)은 4개의 구별된 부분들로 구성된다. 가압 가스 유동과 접촉하는 에어포일(104)의 제 1 부분은 후미 에지(108)로 규정된 가스 유동과 접촉하는 에어포일의 최종 부분 반대편에 있는 선단 에지(106)로서 기술된다. 선단 에지(106)는 회전자 중심축을 따라서 터빈 압축기 섹션(미도시) 또는 터빈 입구를 향한다. 이 방향은 축방향으로 기술된다. 가압 공기유동이 선단 에지(106)와 충돌할 때, 공기유동은 상이한 상대 압력들을 갖는 공기의 2개의 개별 스트림들로 분할된다. 벽들과 충돌하는 상대 압력에 기초하여 규정된 2개의 방사상 연장 벽들은 선단 에지(106) 및 후미 에지(108)를 연결한다. 도 1a에 도시된 오목면은 압력측 벽(110)으로 규정된다. 상기 표면의 오목형 기하학적 형태는 압력측 벽(110)의 길이를 따라서 더욱 큰 지역적 압력을 발생시킨다. 흡인측 벽(112)은 압력측 벽(110) 반대편에 있다. 흡인측 벽(112)은 볼록 기하학적 형태를 가지며, 이는 흡인측 벽(112)의 길이를 따라서 낮은 지역적 압력을 발생시킨다.
압력측 벽(110) 및 흡인측 벽(112) 사이에 형성된 압력차는 가스 터빈 에어포일(104)의 단면을 따라서 상향 리프팅 힘을 발생시킨다. 가스 터빈 에어포일(104)의 단면은 도 2에 자세히 도시되어 있다. 상기 리프팅 힘은 회전자 디스크의 회전 움직임을 작동시킨다. 회전자 디스크는 전기 발생 목적을 위하여 샤프트(미도시)를 통해서 발전기 및 압축기에 결합될 수 있다. 도 1a의 최상단 부분은 제 1 면(116)으로부터 방사상 상향으로 연장되는 나이프 에지(118)로 채워지는 제 1 면(116)을 수용하는 팁 슈라우드(tip shroud;114)를 나타낸다. 오목형 포켓(120)이 나이프 에지들(118) 사이에 위치한다.
종래 기술의 베인 조립체(150)는 도 1b에 도시되고, 내부 플랫폼(151), 내부 레일(152), 외부 플랫폼(153) 및 상기 내부 플랫폼(151) 및 상기 외부 플랫폼(153) 사이에서 연장되는 베인 에어포일(154)을 포함한다. 내부 레일(152)은 지정된 베인들로 통과하는 대신에 고온 가스 경로 안으로 흐르는 냉각 공기의 누설로부터 림 캐비티 영역을 밀봉하는 수단으로 작용하지만, 내부 레일(152)은 또한 내부 플랫폼(151)을 보강한다. 내부 레일(152)은 냉각 공기의 플리넘 근위에 위치하므로 냉각 공기의 근접 온도에서 작동한다.
도 2는 가스 터빈 에어포일에 대한 종래 기술의 냉각 디자인의 단면도이다. 도 2는 냉각 통로들(202,203)을 도시하기 위한 단면도이다. 가스 터빈 에어포일은 온도가 에어포일을 구성하는데 사용된 재료들의 용융점을 초과하는 환경에서 작동할 수 있다. 그러므로, 냉각 통로들(202,203)은 에어포일의 냉각 통로들을 통해서 냉각 공기를 유동시킴으로써 작동 중에 에어포일의 온도를 감소시키는 방식으로 제공된다.
전통적으로, 공기 냉각식 터빈 에어포일은 터빈 에어포일의 왁스 몸체를 형성하고, 왁스 부분 주위에 외부 쉘을 제공하고 그 다음 액체 금속을 위한 몰드를 남겨두도록 왁스를 용융시킴으로써 투입 주조 프로세스 또는 가공 프로세스에 의해서 제조된다. 그 다음, 액체 재료는 왁스에 의해서 남겨진 기공을 충전하기 위해 몰드 안으로 부어진다. 종종, 왁스는 또한 금속 터빈 에어포일 내에 냉각 채널을 형성하도록 세라믹 코어를 수용한다. 일단, 액체 금속이 냉각되고 고화되면, 쉘은 제거되고 세라믹 코어는 고형 금속 터빈 에어포일로부터 화학적으로 침출되어서, 중공 터빈 에어포일이 얻어진다. 이들 기존의 주조 방법은 주조될 수 있는 기하학적 형태에 대한 한계를 가진다. 현재, 기존의 투입 주조 기술을 넘어서서 용량을 확장시킬 수 있는 추가 제조 시의 신규 개발이 이루어졌다.
도 1a, 도 1b 및 도 2의 터빈 에어포일은 투입 주조와 같은 표준 야금 기술을 사용하여 제조되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 기존의 제조 기술들을 사용하여 생성될 수 있는 기하학적 형태들은 제한된다. 내부 기하학적 형상 뿐 아니라 작은 기하학적으로 복잡한 형상은 일반적으로 다이 주조에 적당하지 않다. 추가 제조의 분야에서의 진보는 미리 도달될 수 없는 복잡한 형상들의 제조를 위해서 채택되었다. 본 발명의 실시예들은 추가 제조 프로세스를 사용하여 생성될 수 있다. 추가 제조 프로세스의 예는 SLM과 같은 제조 분야에서 더욱 공통적으로 공지된 선택적 레이저 용융이다. 비록, SLM이 일반적인 추가 제조 프로세스로 광범위하게 고려되지만, 본원에 기술된 실시예들은 선택적 레이저 소결(SLS) 또는 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 또는 대안적 추가 제조 방법과 같은 임의의 추가 제조 프로세스로 제조될 수 있다. 본원에 기술된 SLM 프로세스들은 비제한적 그리고 예시적인 것으로 의도된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 냉각 채널들을 통합하는 예시적 가스 터빈 에어포일(300)의 사시 단면도이다. 에어포일(300)은 내면(303) 및 외면(305)을 갖는 에어포일 벽(301)을 포함한다. 에어포일 벽(301)은 에어포일 벽(301) 내에서 에어포일 챔버(307)를 적어도 부분적으로 봉입한다. 에어포일 벽(301)은 전체적으로 선단 에지(302), 후미 에지(304), 압력측 벽(306) 및 흡인측 벽(308)을 포함한다. 포켓(310,312)이 압력측 벽(306) 내에 배치된다. 포켓(314,316)은 흡인측 벽(308) 내에 배치된다. 이들 포켓(310,312,314,316)은 에어포일(300)이 결합되는 관련 가스 터빈의 작동 중에 냉각 유체 또는 가스가 에어포일(300)로부터 멀리 열을 운반하기 위해 에어포일 벽(301)의 내부 부분들을 통과하게 허용함으로써 에어포일(300) 내에 능동 냉각을 증가시킬 목적으로 가스 터빈 에어포일(300)의 에어포일 벽(301) 안으로 도입되었다.
추가로, [에어포일 벽(301) 내의 공간에 의해서 제시된] 포켓 섹션(310,312,314,316)은 상술한 바와 같이 추가 제조 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 포켓(310,312,314,316)은 에어포일 벽(301) 내에서 각각 연장되고, 내면(303)에서 (냉각 유체 입구일 수 있는) 단순성을 위하여 그러나 비제한적인 것으로 의도된 제 1 개방부(318)로서 하기에 기술된 복수의 제 1 개방부(318)들 중 하나일 수 있는 제 1 개방부(318)와, 외면(305)에서 (냉각 유체 출구일 수 있는) 단순성을 위하여 그러나 비제한적인 것으로 의도된 제 2 개방부(320)로서 하기에 기술된 복수의 제 2 개방부(320)들 중 하나일 수 있는 제 2 개방부(320)를 각각 포함한다. 이들 개방부들(318,320)은 각각의 포켓(310,312,314,316)에 대해서 제공되어 짝지어진다. 각각의 포켓(310,312,314,316)에 대한 제 1 개방부(318)는 에어포일 챔버(307) 및 각각의 포켓(310,312,314 또는 316) 사이에 유체 교통을 제공하고 제 2 개방부(320)는 에어포일(300)의 외부 환경 및 각각의 포켓(310,312,314 또는 316) 사이에 유체 교통을 제공한다. 이들 개방부들(318,320)은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 에어포일의 내부 포켓(310,312,314,316)에 공급하고 배출한다.
각각의 포켓(310,312,314,316)의 내부 포켓벽(324) 및 외부 포켓벽(326) 사이에서 연장되는 복수의 받침대들(322)은 에어포일 벽(301)의 각각의 포켓(310,312,314,316) 내에 포함된다. 포켓(310,312,314,316)은 추가 측벽 냉각을 제공하기 위하여 냉각 유체 또는 가스의 난류 혼합을 도모하는 포켓(310,312,314,316)의 압출 부분들일 수 있는 하나 이상의 유동 난류기(미도시)를 각각 포함한다. 이들은 단순하게는 포켓(310,312,314,316) 내에서 각각의 제 1 개방부(318) 및 제 2 개방부(320) 사이에서 이동하는 냉각 유체의 혼합을 제공하기 위하여 다양한 다른 구조들 또는 압출 부분들로서 이행되거나 또는 포함될 수 있다. 난류는 대안으로는 거친면을 갖는 포켓들을 제조함으로써 달성될 수 있다. 조도를 갖는 표면의 형태구조는 복잡하고 조도의 단일 규정된 측정은 없다. 광범위하게 사용된 기본 경계는 주어진 샘플링 길이 내의 표면 프로파일 중심선으로부터 표면의 측정된 프로파일 높이 편차의 절대값의 산술적 평균으로서 규정된 "등가 조도(equivalent roughness)"(Ra)이다. 터보기계 구성요소들에 대한 Ra의 통상적인 값은 주조 재료에 대하여 125 마이크로-인치이고 연마 구성요소들에 대해서 25 마이크로-인치이다. 개시된 실시예들에서, 포켓 열전달 계수는 적어도 400 Ra의 등가 조도 측정값을 달성하기 위하여 표면 조도를 조정함으로써 추가로 변형될 수 있다.
포켓(310,312,314,316)은 에어포일 측벽에 포함되고 일반적으로 선단 에지(302)로부터 후미 에지(304)로의 축방향을 따른 영역에서 테이퍼진다. 테이퍼는 각각의 포켓(310,312,314,316)의 제 1 개방부(318) 및 제 2 개방부(320) 사이의 단면적의 감소이다. 각각의 포켓(310,312,314,316)의 제 1 개방부(318) 및 제 2 개방부(320) 사이의 단면적 차이의 비율은 각각의 포켓(310,312,314,316) 내의 제 1 개방부(318) 및 제 2 개방부(320) 사이에서 이동하는 냉각 유체의 유동을 가속화하기 위하여 1.1: 1 내지 10:1에서 변화될 수 있다. 이로 인하여 내부 열 픽업(internal heat pick-up) 및 열전달 계수 사이의 균형이 얻어지게 한다. 다시 말해서, 각각의 포켓(310,312,314,316)을 통해서 냉각 유체 또는 가스의 통로를 통해서 에어포일(300)로부터 더욱 많은 열이 제거될 수록, 냉각 유체 또는 가스는 더욱 고온이 되고 에어포일 벽(301)으로부터 적게 열을 흡수할 수 있으며, 각각의 포켓(310,312,314,316) 내의 냉각 유체 또는 가스의 가속화는 냉각 유체 또는 가스가 포켓(310,312,314,316)을 통해서 원하는 열전달 계수를 적어도 부분적으로 유지할 수 있게 한다. 본 실시예에서, 단면적에서의 감소는 일반적으로 회전자 디스크(미도시)의 축을 따른 제 1 개방부(318) 및 제 2 개방부(320) 사이의 냉각 통로 유동 방향으로 발생하기 때문에, 단면적의 감소는 축방향으로 테이퍼진다.
도 3a 및 도 3b에서, 내부 포켓벽(324) 및 외부 포켓벽(326) 사이의 거리는 에어포일(300)의 선단 에지(302) 근위에서 커지고 에어포일(300)의 후미 에지(304) 근위에서 작아질 수 있다. 이러한 통로 차이는 포켓 길이(축방향 또는 방사상 방향) 대 에어포일 벽 폭의 비율을 추가로 특징으로 할 수 있다. 에어포일 벽 폭은 에어포일(300)의 내면(303) 및 외면(305) 사이의 두께로서 규정된다. 일반적인 축방향으로 에어포일 벽(301) 내에 완전히 봉입된 포켓 길이 대 에어포일 벽 폭의 비율은 최소 1:1이며, 에어포일(300)의 선단 에지(302) 및 후미 에지(304) 사이의 에어포일 거리에 따라서 최대 비율을 가질 수 있다. 이러한 최소 비율은 또한 3:1의 최소 비율로서 제 1 개방부(318)에서 측정된 내부 포켓벽(324) 및 외부 포켓벽(326) 사이의 거리로서 규정된 포켓 길이 대 포켓 폭으로서 기술될 수 있다.
추가로, 도 3a, 도 3b에서 도시되고 도 3c에 가장 잘 도시된 각각의 복수의 받침대(322)는 무엇보다 원형, 삼각형, 정사각형, 난형 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다는 것이 고려된다. 추가로, 각각의 복수의 받침대(322)는 각각의 포켓(310,312,314,316) 내에서 최적의 유동 특징을 생성할 목적으로 불균일한 또는 가변 단면적을 가질 수 있다.
또한, 도 3a 및 도 3b에서, 포켓 섹션들(310,312,314,316)은 에어포일 벽(301) 내에서 선형 또는 비선형 패턴으로 배열되거나 또는 오히려 에어포일 벽(301)을 따라 선형으로 정렬되지 않을 수 있다. 추가로, 내부 포켓벽(324) 및 외부 포켓벽(326)의 형상은 에어포일 벽(301)의 외면(305) 및/또는 에어포일 벽(301)의 내면(303)과 실질적으로 평행하게 정렬될 수 있다. 추가로, 제 2 개방부(320)는 각각의 포켓(310,312,314,316)에 대한 에어포일(300)의 흡인측 벽(308) 또는 압력측 벽(306)에 위치할 수 있다. 이들 포켓(310,312,314,316)은 1:1의 최소 비율의 에어포일 벽 두께에 대한 방사상 방향으로 포켓 높이를 갖는 에어포일 벽(301) 내에 방사상으로 배열되어서 완전히 봉입될 수 있다. 추가로, 포켓(310,312,314,316)의 배치 및 구조는 추가 제조공정을 사용하여 제조될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적 에어포일(400)의 단면도이다. 도 4a에서, 에어포일(400)은 에어포일 벽(401), 선단 에지(402), 내면(403), 후미 에지(404), 외면(405), 압력측 벽(406) 및 흡인측 벽(408)을 포함한다. 에어포일(400)은 냉각 유체 또는 가스가 에어포일 통로(410)를 통과할 때 에어포일 벽(401)의 냉각을 허용하는 복수의 에어포일 통로(410)를 추가로 포함한다.
그 구성요소들은 또한 도 4b 및 도 4c에 도시되는 예시적 에어포일(400)에서, 에어포일 통로(410)는 다양한 위치에서 에어포일 벽(401)의 내면(403)에서 외면(405)까지 연장된다. 에어포일 통로(410)는 본 실시예에서 단순성을 위하여 그러나 비제한적인 것으로 의도된 제 1 개방부(412)로서 하기에 기술된 복수의 제 1 개방부(412)들 중 하나일 수 있는 제 1 개방부(412)에서 각각의 에어포일 통로(410)로 진입할 수 있게 하고, 단순성을 위하여 그러나 비제한적인 것으로 의도된 제 2 개방부(414)로서 하기에 기술된 복수의 제 2 개방부(414)들 중 하나일 수 있는 제 2 개방부(414)로부터 냉각 유체 또는 가스가 방출될 수 있게 한다. 채널(416)은 에어포일 벽(401) 내의 제 1 개방부(412)에서 제 2 개방부(414)로 연장된다.
도 4a 및 도 4b에서 추가로, 채널(416)의 단면적은 제 1 개방부(412) 및 제 2 개방부(414) 사이에서 변화된다. 도 4a 내지 도 4c의 에어포일 통로(410)는 대략 4:1인 제 1 개방부(412) 및 제 2 개방부(414) 사이의 단면적 변화를 포함하지만, 제 1 개방부(412) 및 제 2 개방부(414) 사이의 단면적 차이는 1.1:1 내지 10:1에서 변화되거나 또는 다른 상대 차이를 갖는 것이 고려된다. 일반적으로 제 1 개방부(412) 및 제 2 개방부(414) 사이의 면적 감소가 회전자 디스크(미도시)의 반경을 따라서 냉각 유체 유동 방향으로 발생하기 때문에, 에어포일(400)의 에어포일 통로(410)는 일반적으로 방사상 방향으로 테이퍼지는 것으로 기술된다.
도 4c는 제 1 단면적을 갖는 제 1 개방부(412) 및 제 1 단면적보다 작은 제 2 단면적을 갖는 제 2 개방부(414)를 구비한 에어포일 통로(410)의 확대 사시도를 도시한다. 추가로, 채널(416)은 그 축방향 길이를 따른 제 1 단면적을 구비한 제 1 섹션(418), 그 축방향 길이를 따른 제 2 단면적을 구비한 제 2 섹션(420) 및 제 1 및 제 2 섹션(418,420)의 제 1 단면적 및 제 2 단면적 사이에서 테이퍼지는 단면적을 갖는 변이 섹션(422)을 추가로 포함한다. 변이 섹션(422)은 변이 섹션(422)의 길이를 따라 선형 또는 비선형으로 테이퍼진다[또는 임의의 섹션들은 테이퍼질 수 있다]. 제 2 섹션(420)은 고속으로 에어포일(400) 내로부터 냉각 유체 또는 가스를 방출하기 위해 확산 냉각 홀을 추가로 사용하고 방출된 냉각 유체 또는 가스가 에어포일(400)의 외면 위로 감싸지게 한다. 이는 고온 연소 가스들 및 에어포일(400)의 외면(405) 사이에서 냉각 유체 또는 가스의 얇은 보호막층을 생성한다. 확산 냉각 홀은 본원에 기술된 에어포일 통로(410) 내에서 사용될 수 있고 제 2 섹션(420)의 결과적 외향 단면적 차이는 에어포일 통로(410)의 변이 섹션(422) 및 제 1 섹션(418)의 감소되는 테이퍼의 열전달 계수 장점을 손상시키지 않는다.
작동 에어포일(400)의 제 1 섹션(418)으로 진입하는 냉각 유체 또는 가스는 에어포일 벽(401)과 비교할 때 비교적 차가울 수 있다. 그러나, 냉각 유체 또는 가스는 제 1 섹션(418)으로부터 변이 섹션(422)으로 그리고 제 2 섹션(420)으로 이동할 때, 점진적으로 온도가 증가할 수 있다. 그러므로, 채널(416)의 길이에 걸쳐 일정한 열전달량을 제공하기 위하여, 제 2 섹션(420)에서 냉각 유체 또는 가스 유동은 제 1 섹션(418)을 통해서 흐르는 냉각 유체 또는 가스 유동보다 높은 속도로 이동해야 한다. 결과적으로, 제 2 섹션(420)의 단면적은 에어포일 통로(410)를 통해서 이동하는 냉각 유체 또는 가스의 속도를 증가시키기 위하여 제 1 섹션(418)의 단면적보다 작다.
추가로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제 1 각도(424)는 에어포일 벽(401)(도 4a에 도시됨)의 제 1 섹션(418) 및 대응 내면(403) 사이에 형성되고, 15도 내지 90도 사이에 있고, 15도 내지 90도 사이에 있는 제 2 각도(426)는 에어포일 벽(401)(도 4a에 도시됨)의 제 2 섹션(420) 및 외면(405) 사이에 형성된다. 변이 섹션(422)의 테이퍼는 일반적으로 에어포일 벽(401)의 방사상 방향으로 이루어질 수 있다. 그러나, 채널(416)은 에어포일 벽(401)의 방사상 그리고/또는 축방향으로 또는 다른 방향으로 연장되거나 및/또는 테이퍼질 수 있다. 추가로, 도 4c에서, 제 1 섹션(418), 제 2 섹션(420) 및 변이 섹션(422)은 일반적으로 선형 축방향 정렬로 도시된다. 대안으로, 제 1 섹션(418), 제 2 섹션(420) 및 변이 섹션(422)은 비선형으로 배열될 수 있다.
변이 섹션(422)은 일반적으로 에어포일 벽(401)과 평행하게 배향될 수 있고 변이 섹션 길이 대 에어포일 벽 폭의 비율을 추가로 특징으로 한다. 에어포일 벽 폭은 에어포일 벽(401)의 내면(403) 및 에어포일 벽(401)의 외면(405) 사이의 두께로서 규정될 수 있다. 일반적인 축방향으로 에어포일 벽 내에 완전히 봉입된 변이 섹션 길이 대 에어포일 벽 폭의 비율은 최소 3:1이며, 에어포일(400)의 선단 에지(402) 및 후미 에지(404) 사이의 에어포일 길이에 따라서 최대 비율을 가질 수 있다.
도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따라서 도 4a 및 도 4b에 도시된 에어포일(400)에 통합된 에어포일 통로(410)의 사시 단면도이다. 도 4d에서, 에어포일 통로(410)는 에어포일 통로(410) 내의 유동 난류기(428)를 포함한다. 유동 난류기(428)는 직사각형 단면을 갖는 것으로 도시되지만, 유동 난류기(428)는 냉각 유체 또는 가스의 유동 및 에어포일(400) 사이의 대류성 열전달의 비율을 증가시키기 위해 최적화된 임의의 균일하거나 또는 불균일할 수 있다. 추가로, 유동 난류기(428)는 에어포일 통로(410) 내의 선형 또는 비선형 패턴으로 배열될 수 있거나 또는 거친 표면을 갖도록 에어포일 통로(410)와 함께 일체로 제조될 수 있는 복수의 유동 난류기(428)들을 포함할 수 있다. 개시된 실시예들에서, 에어포일 통로(410)의 열전달 계수는 적어도 400 Ra의 등가 조도값을 달성하기 위하여 에어포일 통로(410)의 내부의 표면 조도를 조정함으로써 추가로 변형될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라서 에어포일(500)의 에어포일 벽(501) 안으로 통합된 다양한 에어포일 통로(510)를 갖는 에어포일(500)의 각도형성된 사시 단면도이다. 도 5a의 에어포일(500)은 에어포일(500)의 측부들 상으로 적어도 부분적으로 연장되는 에어포일 벽(501) 내의 선단 에지 에어포일 통로(504)를 추가로 포함한다.
선단 에지 에어포일 통로(504)는 에어포일 벽(501)의 외면(505)에 있는 적어도 하나의 제 1 개방부(512), 에어포일 벽(501)의 외면(505)에 있는 적어도 하나의 제 2 개방부(514) 및 에어포일 벽(501) 내의 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514) 사이에서 연장되는 채널(518)을 포함한다. 선단 에지 에어포일 통로(504)는 에어포일 벽(501)의 내면(503)에 있는 적어도 하나의 제 3 개방부(516)[도 5a에서 2개의 인접 개방부들을 포함한다]를 추가로 포함하고, 이는 에어포일 벽(501)에 의해서 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버(507) 및 채널(518) 사이에서 유체 교통을 제공하고, 냉각 유체 또는 공기는 상기 제 3 개방부를 통해서 이동할 수 있다.
채널(518)의 단면적은 채널(518)의 제 3 단면적(511)에서 제 3 개방부(516)에 인접하거나 또는 근위에서 최대가 된다. 제 3 개방부(516)는 에어포일 챔버(507)로부터 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514) 중 적어도 하나로 냉각 유체 또는 가스를 공급할 수 있고 채널(518)의 제 3 단면적(511)은 선단 에지 표면(502)에 대응하는 고온의 정체 영역 근위에 배치된다. 제 3 단면적(511) 인근에 있는 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514) 사이에서 채널(518) 내에 제 3 개방부(516)를 재배치하면, 제 3 개방부(516)의 충돌 효과가 에어포일 벽(501)을 더욱 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
예시적인 선단 에지 에어포일 통로(504)는 선단 에지 에어포일 통로(504)를 통과하는 냉각 유체 또는 가스의 유동을 가속화하기 위하여 제 3 단면적(511)으로부터 에어포일 통로(504)의 선단 에지(502) 내의 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514)를 향하여 축방향으로 그리고/또는 방사상 방향으로 테이퍼질 수 있다. 선단 에지 에어포일 통로(504)는 가스 터빈의 작동 중에 에어포일(500)의 선단 에지(502)를 가로질러 강화된 냉각을 제공하기 위해 에어포일(500)의 선단 에지(502)를 가로질러 중복 배치될 수 있다.
단순성을 위해서 그러나 비제한적인 목적으로 선단 에지 에어포일 통로(504)의 제 1 개방부(512)로서 하기에 기술된 복수의 제 1 개방부(512) 중 하나일 수 있는 제 1 개방부(512)의 제 1 단면적은 단순성을 위해서 그러나 비제한적인 목적으로 선단 에지 에어포일 통로(504)의 제 2 개방부(514)로서 하기에 기술된 복수의 제 2 개방부(514) 중 하나일 수 있는 제 2 개방부(514)의 제 2 단면적보다 클 수 있다. 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514)의 단면적은 채널의 축방향 길이를 따른 임의의 위치에서 채널의 벽들 사이의 면적으로 규정된다. 선단 에지 에어포일 통로(504)에는 에어포일 벽(501)의 내면(503)에 있는 제 3 개방부(516)를 통해서 에어포일 챔버(507)로부터 냉각 유체 또는 가스가 공급될 수 있다. 단순성을 위해서 그러나 비제한적인 목적으로 제 3 개방부(516)로서 하기에 기술된 복수의 제 3 개방부(516) 중 하나일 수 있는 제 3 개방부(516)는 충돌 홀로서 추가로 기술될 수 있다. 냉각 유체 또는 가스는 제 3 개방부(516)를 통해서 에어포일 벽(501)으로 진입하고 채널(518)을 통해서 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514)를 향하여 이동해서 선단 에지 에어포일 통로(504)를 빠져나와, 에어포일 벽(501)으로부터 열을 전달한다.
선단 에지 에어포일 통로(504) 뿐 아니라 다른 에어포일 통로(510)에 있는 채널(518)의 단면적은 선단 에지 에어포일 통로(504)의 상이한 부분들에서 원하는 열 전달량에 따라서 채널(518)의 길이를 가로질러 선형 또는 비선형으로 변화될 수 있다. 여기서, 선단 에지 에어포일 통로(504)에서 제시된 바와 같이, 단면적은 에어포일(500)의 냉각 중에 제 3 개방부(516) 및 제 1 및 제 2 개방부(512,514) 사이에서 냉각 유체 또는 가스의 가속화를 허용하기 위해서 제 1 및 제 2 개방부(512,514)에서보다 채널(518)의 제 3 단면적(511)에서 보다 클 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라서 내부에 통합된 복수의 에어포일 통로(510)를 도시하는, 도 5a의 에어포일(500)의 입단면도이다. 도 5b에서, 도 5a에 대해서 기술된 바와 같이, 에어포일(500)의 선단 에지(502)를 따라서 반복될 수 있는 선단 에지 에어포일 통로(504)에는 에어포일 챔버(507)로부터 제 3 개방부(516)를 통하여 냉각 유체 또는 가스가 공급될 수 있다. 냉각 유체 또는 가스는 채널(518)을 통해서 제 1 개방부(512) 및 제 2 개방부(514)로 통과함으로써 에어포일(500)의 선단 에지(502)를 통해서 이동하여, 에어포일 벽(501)을 빠져나와서, 에어포일(500)로부터 열을 전달한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라서 에어포일(600) 안으로 통합된 복수의 선단 에지 에어포일 통로(604)의 기하학적 형태의 절취 사시도이다. 도 6은 선단 에지 에어포일 통로가 에어포일(600)의 선단 에지(602) 상에 배열될 때 선단 에지 에어포일 통로(604)의 3차원 기하학적 형태를 도시하는데 사용된다. 더우기, 선단 에지 에어포일 통로(604)는 복수의 연결 통로(609)를 통해서 연결된다. 연결 통로(609)는 각각의 복수의 선단 에지 에어포일 통로(604)들 사이에 유체 교통을 제공한다. 연결 통로(609)는 각각의 복수의 선단 에지 에어포일 통로(604)들 사이에 원하는 유체 교통을 제공하기 위하여 선단 에지(602)를 따른 임의의 위치에 배치될 수 있다. 추가로, 연결 통로(609)는 종종 복수의 선단 에지 에어포일 통로(604)들을 가로질러 임의의 형상, 단면적을 가질 수 있다.
도 7a 내지 도 10c는 본 발명의 실시예들에 따라서 개선된 냉각을 제공하기 위하여 에어포일 안으로 통합될 수 있는 다양한 에어포일 통로 기하학적 형태들(700,800,900,1000,1010,1020)을 도시한다. 이제 도 7a 내지 도 7c에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따라서 일반적으로 예리한 형상의 모서리(704)를 갖는 복수의 채널(702)들이 제공된다. 예리한 형상의 모서리(704)는 일반적으로 2개 이상의 상이한 각도를 갖는 채널(702)이 교차할 때 형성된다. 추가로, 채널(702)들의 교차는 채널(702)들 사이의 유동 교통을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 냉각 유체 또는 가스는 충돌 홀(706)을 통해서 채널(702)을 통하여 공급될 수 있다. 냉각 유체 또는 가스는 각각의 채널(702)들의 개방부(708)를 통해서 채널(702)들을 빠져나올 수 있다. 상술한 바와 같이, 채널(702)은 채널(702)을 통과하는 냉각 유체 또는 가스의 속도를 제어하기 위하여 단면적이 변화될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대안 장치(800)에 있는 복수의 채널들(802,803)을 도시한다. 도 8에서, 냉각 유체 또는 가스는 분할 부분(801)에 의해서 분리된 채널들을 갖는 채널들(802,803)에 공급될 수 있다. 더욱 구체적으로, 냉각 유체 또는 가스는 복수의 충돌 홀(808)을 통해서 채널들(802,803)로 공급될 수 있어서, 냉각 유체 또는 가스는 각각의 제 1 및 제 2 개방부들(810,811)을 향하여 채널들(802,803)을 통과한다. 도 8에서, 복수의 난류기(804)는 채널들(802,803)의 측벽(806)의 길이를 따라서 제공된다. 복수의 난류기(804)는 직사각형 단면을 갖는 것으로 도 8에 도시된다. 그러나, 복수의 난류기(804)는 비대칭 또는 불균일한 형상을 포함하는 다른 단면 형상 또는 거친 표면을 갖는 일체로 제조된 선단 에지를 가질 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 개시된 실시예들에서, 선단 에지 채널 열전달 계수는 적어도 400 Ra의 등가 조도를 달성하기 위해 표면 조도를 추가로 조정함으로써 변형될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 난류기(804)는 채널(802)의 길이를 따른 평행한 패턴으로 배열된다. 그러나, 복수의 난류기(804)는 채널(802)에서 유체 동력을 변경하기 위하여 역시 비평행 패턴으로 패턴형성될 수 있다. 예를 들어, 난류기(804)는 다수 횡열의 난류기들을 포함할 수 있다. 추가로, 각 횡열의 난류기(804)는 채널(802)에 대해서 각도형성될 수 있다(그리고 난류기는 다른 채널들(802,803) 안으로 통합될 수 있다), 추가로, 난류기(804)는 채널들(802,803) 내의 임의의 위치에 배치될 수 있고 횡열 구성에 국한되지 않는다.
도 9a 및 도 9b에 있어서, 에어포일의 선단 에지로 통합될 수 있는 대안 장치(900)에 있는 복수의 테이퍼형 채널(902)이 본 발명의 일 실시예에 따라서 제공된다. 작동 시에, 냉각 유체 또는 가스는 도 9a 및 도 9b에 도시된 충돌 홀(904)을 통해서 채널(902)로 제공될 수 있다. 냉각 유체 또는 가스가 충돌 홀(904)로부터 채널(902) 안으로 통과할 때, 냉각 유체 또는 가스는 개방부들(905,907)를 향하여 채널(902)이 협소화되기 때문에 측벽(06)을 따라서 채널(902)의 각각의 제 1 개방부(905) 및 각각의 제 2 개방부(907)를 향하여 가속화된다.
이제 도 10a 내지 도 10c에 있어서, 본 발명의 실시예들에 따른, 예시적인 에어포일 통로들의 대안 장치(1000,1010,1020)가 도시된다. 장치(1000,1010,1020)는 일반적으로 에어포일의 선단 에지 영역으로 통합될 수 있는 상이한 실시예의 파형 채널(1002)을 포함한다. 파형 채널(1002)은 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이 제 1 각도의 제 1 부분(1003), 제 2 각도의 제 2 부분(1005) 및 제 1 부분(1003) 및 제 2 부분(1005)을 연결하는 둥근 변이 부분(1007)을 포함할 수 있다. 이러한 둥근 변이 부분(1007)은 도 10a 내지 도 10c에 도시된 둥근 "언덕(hill) 및 계곡(valley)" 디자인 효과를 생성한다. 이러한 패턴은 파형 채널(1002)을 통해서 반복될 수 있다. 작동 시에, 냉각 유체 또는 가스는 충돌 홀(1004)을 통해서 복수의 채널(1002)로 제공될 수 있다. 종래 디자인과 같이, 채널(1002)은 각각의 충돌 홀(1004)에서 각각의 제 1 및 제 2 개방부(1008,1009)로 단면적이 감소될 수 있다.
이제 도 11에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 예시적인 제조 방법(1100)의 블록도가 제공된다. 블록(1110)에서, 도 5a에 도시된 에어포일(500)과 같은 에어포일이 제공된다. 에어포일은 도 5a에 도시된 내면(503)과 같은 내면과, 도 5a에 도시된 외면(505)과 같은 외면을 포함하는, 도 5a에 도시된 에어포일 벽(501)과 같은 에어포일 벽을 포함하고, 상기 에어포일 벽은 에어포일 벽에 적어도 부분적으로 봉입된, 도 5a에 도시된 에어포일 챔버(507)와 같은 에어포일 챔버를 형성한다.
블록(1120)에서, 도 5a에 도시된 선단 에지 에어포일 통로(504)와 같은 복수의 에어포일 통로는 에어포일 벽의 도 5a에 도시된 에어포일(500)의 선단 에지(502)와 같은 선단 에지에서 형성된다. 본원에 기술된 바와 같이, 각각의 복수의 에어포일 통로는 외면에 있는 도 5a에 도시된 제 1 개방부(512)와 같은 제 1 개방부, 외면에 있는 도 5a에 도시된 제 2 개방부(514)와 같은 제 2 개방부, 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 도 5a에 도시된 제 3 개방부(516)와 같은 제 3 개방부까지 연장되는 도 5a에 도시된 채널(518)과 같은 채널을 포함하고, 제 3 개방부는 에어포일 챔버 및 채널 사이에 유체 교통을 제공한다.
복수의 에어포일 통로들은 선택적 레이저 용융(SLM) 또는 다른 방법과 같은 추가 제조 공정을 사용하여 형성된다. 제 1 개방부는 제 1 단면적을 포함하고 제 2 개방부는 제 2 단면적을 포함하며, 제 1 단면적은 제 2 단면적보다 크다.
이제 도 12에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 예시적인 제조 방법(1200)의 블록도가 제공된다. 블록(1210)에서, 도 5a에 도시된 에어포일(500)과 같은 에어포일이 제공된다. 에어포일은 도 5a에 도시된 내면(503)과 같은 내면과, 도 5a에 도시된 외면(505)과 같은 외면을 포함하여, 에어포일 벽은 적어도 부분적으로 에어포일 벽에 봉입된, 도 5a에 도시된 에어포일 챔버(507)와 같은 에어포일 챔버를 형성한다. 블록(1220)에서, 도 5a에 도시된 에어포일 통로(510)와 같은 복수의 에어포일 통로들은 에어포일 벽 내에 형성된다. 각각의 에어포일 통로는 내면에 있는 도 5a에 도시된 제 1 개방부(512)와 같은 적어도 하나의 제 1 개방부, 외면에 있는 도 5a에 도시된 제 2 개방부(514)와 같은 적어도 하나의 제 2 개방부, 제 1 개방부 및 제 2 개방부로부터 연장되는, 도 5a에 도시된 채널(518)과 같은 채널을 포함한다. 채널은 적어도 하나의 제 1 개방부 및 적어도 하나의 제 2 개방부 사이의 단면적에서 감소된다. 복수의 에어포일 통로는 적어도 부분적으로 에어포일의 선단 에지 벽에서 그리고/또는 적어도 부분적으로 에어포일의 압력 측벽 및 에어포일의 흡인 측벽에 형성될 수 있다.
이제 도 13에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 에어포일의 예시적인 제조 방법(1300)의 블록도가 제공된다. 블록(1310)에서, 도 5a에 도시된 선단 에지(502)와 같은 선단 에지 및 도 4a에 도시된 후미 에지(404)와 같은 후미 에지를 갖는, 도 5a에 도시된 에어포일(500)과 같은 에어포일이 제공된다. 에어포일은 도 5a에 도시된 내면(503)과 같은 내면과, 도 5a에 도시된 외면(505)과 같은 외면을 포함하는, 도 5a에 도시된 에어포일 벽(501)과 같은 에어포일 벽을 포함하고, 상기 에어포일 벽은 에어포일 벽에 적어도 부분적으로 봉입된, 도 5a에 도시된 에어포일 챔버(507)와 같은 에어포일 챔버를 형성한다.
블록(1320)에서, 도 3a에 도시된 포켓(310,312,314,316)과 같은 복수의 포켓들은 에어포일 벽 내에 형성된다. 각각의 복수의 포켓들은 도 3a에 도시된 내부 포켓벽(324)과 같은 내부 포켓벽 및 도 3a에 도시된 외부 포켓벽(326)과 같은 외부 포켓벽을 포함한다. 추가로, 도 3a에 도시된 제 1 개방부(318)와 같은 제 1 개방부는 선단 에지로부터 이격된 제 1 거리에 있는 내면에 배치되고, 제 1 개방부는 에어포일 챔버 및 포켓 사이에 유체 교통을 제공하고, 도 3a에 도시된 제 2 개방부(320)와 같은 제 2 개방부는 선단 에지로부터 이격된 제 2 거리에 있는 외면에 배치되고, 제 2 개방부는 에어포일의 외부 및 포켓 사이에 유체 교통을 제공한다. 추가로, 내부 포켓벽 및 외부 포켓벽 사이의 거리는 에어포일의 선단 에지 근위에서 크고 에어포일의 후미 에지에 근접하게 작다.
전술한 내용으로부터, 본 발명은 명백하고 구조에 내재된 다른 장점과 함께 상술한 모든 목표 및 목적을 달성하기에 적합한 것임을 알 수 있다. 특정 형태 및 하위 조합은 유용하며 다른 형태 및 하위 조합을 참조하지 않고 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이것은 청구범위에 의해 고려되며 그 범위 내에 있다. 다수의 가능한 실시예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명으로 이루어질 수 있기 때문에, 첨부된 도면에 도시되거나 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로서 해석되어야 하며 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 추가적인 목적, 장점 및 신규 특징은 다음의 설명 부분에서 기술될 것이고, 부분적으로는 이하의 설명을 통해 당업자에게 명백해질 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 것이다.

Claims (20)

  1. 선단 에지 및 후미 에지를 갖는 가스 터빈용 에어포일에 있어서,
    상기 에어포일은: 내면 및 외면을 구비한 에어포일 벽으로서, 상기 에어포일 벽 내에 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는, 상기 에어포일 벽; 및 상기 선단 에지에 있는 상기 에어포일 벽 내에 형성된 복수의 에어포일 통로들을 포함하고,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각은: 상기 외면의 제 1 개방부, 상기 외면의 제 2 개방부, 및 상기 에어포일 벽 내의 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 상기 내면의 제 3 개방부로 연장되는 채널을 포함하고,
    상기 제 3 개방부는 상기 채널 및 상기 에어포일 챔버 사이에 유체 교통을 제공하는, 가스 터빈용 에어포일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각에 대해서, 상기 제 1 개방부의 제 1 단면적 및 상기 제 2 개방부의 제 2 단면적 중 적어도 하나는 상기 제 3 개방부 근위에 있는 상기 채널의 제 3 단면적보다 작으며, 상기 채널은 상기 제 1 개방부의 제 1 단면적 및 상기 제 2 개방부의 제 2 단면적 중 적어도 하나로부터 상기 제 3 개방부로 연장되는, 가스 터빈용 에어포일.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각에 대해서, 상기 채널은 상기 제 3 단면적으로부터 상기 제 1 개방부의 제 1 단면적 및 상기 제 2 개방부의 제 2 단면적 중 적어도 하나로 변이되고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부의 제 1 단면적 및 상기 제 2 개방부의 제 2 단면적 중 적어도 하나로부터 연장되는, 가스 터빈용 에어포일.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 단면적 대 상기 제 1 단면적 및 제 2 단면적 중 적어도 하나의 비율은 1.1:1 내지 10:1이고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부의 제 1 단면적 및 상기 제 2 개방부의 제 2 단면적 중 적어도 하나로부터 연장되는, 가스 터빈용 에어포일.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각에 대해서, 상기 채널은 방사상 방향 및 축방향 중 적어도 하나의 방향으로 테이퍼지는, 가스 터빈용 에어포일.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각은 파형인, 가스 터빈용 에어포일.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각은 예리한 에지형 모서리들을 갖는, 가스 터빈용 에어포일.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 개방부는 계산된 선단 에지 정체 지점 인근에 위치하는, 가스 터빈용 에어포일.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각의 적어도 일 부분은 상기 에어포일의 선단 에지로부터 상기 에어포일의 압력측 벽 및 흡인측 벽 중 적어도 하나로 연장되는, 가스 터빈용 에어포일.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들은 추가 제조공정을 사용하여 형성되는, 가스 터빈용 에어포일.
  11. 복수의 에어포일들을 포함하는 가스 터빈 조립체에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각은: 내면 및 외면을 구비한 에어포일 벽으로서, 상기 에어포일 벽 내에서 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는, 상기 에어포일 벽; 및 상기 에어포일 벽의 선단 에지에 형성된 에어포일 통로를 포함하고,
    상기 에어포일 통로는: 상기 외면의 제 1 개방부, 상기 외면의 제 2 개방부, 및 상기 에어포일 벽 내의 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 상기 내면의 제 3 개방부로 연장되는 채널을 포함하고, 상기 제 3 개방부는 상기 채널 및 상기 에어포일 챔버 사이에 유체 교통을 제공하고,
    상기 제 3 개방부 근위에 있는 상기 채널의 제 3 단면적은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적보다 크고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적으로부터 연장되는, 가스 터빈 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에어포일 통로는 복수의 유동 난류기들을 추가로 포함하는, 가스 터빈 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 유동 난류기들은 상기 에어포일 통로의 길이를 따라서 선형 또는 비선형 패턴으로 배열되는, 가스 터빈 조립체.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 에어포일 통로의 내부 등가 표면 조도는 적어도 400 Ra인, 가스 터빈 조립체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일들 각각의 에어포일 통로의 단면적은 상기 제 3 단면적으로부터 상기 제 1 단면적 및 상기 제 2 단면적 중 적어도 하나로 선형 또는 비선형으로 변이되고, 상기 채널은 상기 제 1 단면적 및 상기 제 2 단면적 중 적어도 하나로부터 연장되는, 가스 터빈 조립체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 단면적 대 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적의 비율은 1.1:1 내지 10:1이고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적으로부터 연장되는, 가스 터빈 조립체.
  17. 에어포일의 제조 방법에 있어서,
    내면 및 외면을 포함하는 에어포일 벽을 구비한 에어포일을 제공하는 단계로서, 상기 에어포일 벽은 상기 에어포일 벽 내에 적어도 부분적으로 봉입되는 에어포일 챔버를 형성하는, 상기 에어포일을 제공하는 단계; 그리고 상기 에어포일 벽의 선단 에지 내에 복수의 에어포일 통로들을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각은: 상기 외면의 제 1 개방부, 상기 외면의 제 2 개방부, 및 상기 에어포일 벽 내의 제 1 개방부 및 제 2 개방부 중 적어도 하나로부터 상기 내면의 제 3 개방부로 연장되는 채널을 포함하고,
    상기 제 3 개방부는 상기 채널 및 상기 에어포일 챔버 사이에 유체 교통을 제공하는, 에어포일의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들은 추가 제조공정을 사용하여 형성되는, 에어포일의 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 개방부 근위에 있는 상기 채널의 제 3 단면적은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적보다 크고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적으로부터 연장되는, 에어포일의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 에어포일 통로들 각각에 대해서, 상기 채널은 상기 제 3 단면적으로부터 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적으로 변이되고, 상기 채널은 상기 제 1 개방부 및 상기 제 2 개방부 중 적어도 하나의 단면적으로부터 연장되는, 에어포일의 제조 방법.
KR1020177017228A 2014-11-26 2015-11-25 에어포일용 선단 에지 냉각 채널 KR102514659B1 (ko)

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US201462084810P 2014-11-26 2014-11-26
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