KR20170113349A - 에어포일 - Google Patents

Abstract

터보 엔진의 작업 유체 경로에서 사용하기 위한 에어포일이 개시되며, 에어포일(1)은 베이스로부터 팁으로 스팬 폭 방향을 따라서 연장하고, 흡입측, 압력측, 선단 가장자리(4), 및 후미 가장자리(5)를 보인다. 에어포일(1)은 에어포일 공기 역학적 보디을 포함하며, 에어포일 공기 역학적 보디는 흡입측 표면, 압력측 표면, 선단 가장자리, 후미 가장자리, 및 팁을 포함하고, 공기 역학적 보디의 상기 팁은 팁 단면과, 팁 단면을 제한하는 단면 윤곽을 가진다. 림(3)은 공기 역학적 보디의 팁에 배치되고, 에어포일의 팁으로 연장하고, 압력측 상의 상기 단면 윤곽, 흡입측을 뒤따르고, 에어포일의 선단 가장자리(4) 위에서 연장하며, 림(3)은 에어포일의 팁에서 개방된 팁 캐비티를 한정한다. 림(3)은 팁 캐비티(7)가 에어포일의 후미 가장자리에 개방되도록 에어포일의 후미 가장자리(5)에서 추가로 개방된다. 방출 오리피스(8, 9)를 포함하는 방출 오리피스(8, 9)는 상기 방출 오리피스(8, 9)를 통하여 팁 캐비티(7)의 저부(6) 상으로 개방된다. 적어도 하나의 유체 덕트는 막 냉각 덕트로서 제공, 배열 및 구성된다.

Description

에어포일{AIRFOIL}

본 발명은 터보 엔진의 작업 유체 경로에서 사용하기 위한 에어포일에 관한 것이다.

당업자에게 널리 공지된 바와 같이, 터보 엔진은 블레이드들과 베인들을 포함한다. 상기 블레이드들과 베인들은 에어포일을 포함하며, 상기 에어포일은 흡입측, 압력측, 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 가진다. 흡입측, 압력측, 선단 가장자리 및 후미 가장자리의 위치는 당업자가 에어포일을 보는 즉시 명백하게 될 것이다. 예를 들어, 적어도 아음속 적용을 위해 의도된 적어도 에어포일에 대한 일반적인 원칙으로서, 에어포일이 압력측에 오목하게 형상화되고, 흡입측에서 볼록하게 형상화된다고 할 수 있다. 선단 가장자리와 후미 가장자리는 압력측과 흡입측을 연결한다. 아음속 및 천음속(transonic) 적용을 위해 제공된 예에 대하여, 선단 가장자리는 후미 가장자리와 비교할 때 비교적 큰 반경을 나타내지만, 후미 가장자리는 상당히 작은 반경으로 형상화되거나, 또는 실제 예리한 가장자리로서 형상화된다.

유체가 선단 가장자리로부터 후미 가장자리로 에어포일 주위에서 유동할 때, 압력측에서의 압력은 흡입측에서의 압력보다 높으며, 이러한 것은 고정 베인의 예에서 요구되는 유동 편향을 유발하며, 아울러 회전 블레이드의 예에서 구동력을, 또는 보다 일반적으로 말하자면 터보 엔진에서 에너지 변환을 유발한다. 에어포일에서 원치않는 효과는 에어포일의 팁 위에서 압력측으로부터 흡입측으로 유동한다. 이러한 유동은 단순한 누출 유동을 구성할 뿐만 아니라, 예측되는 바와 같이, 팁 영역에서 압력측의 압력을 감소시키고 흡입측에서 압력을 증가시키며, 그러므로 에너지 변환의 효율성을 저하시킨다. 더욱이, 에어포일의 스팬 폭(spanwidth)을 따르는 압력 구배는 더욱 불규칙한 유동 패턴을 유발하며, 그러므로 추가의 손실을 유도할 수 있다.

덮인 블레이드(shrouded blade)들의 사용은 처리 방안을 제공할 수 있지만, 덮인 블레이드들의 사용은 다양한 이유 때문에 자주 실현될 수 없다. 에어포일 팁들 위에서 누출 유동을 감소시키는 수많은 시도가 종래에 공지되어 있으며, 이러한 것들은 갭들의 감소에 초점이 맞추어지고 및/또는 밀봉 기구의 준비에 초점이 맞추어지며, 이러한 것들 모두의 목표는 누출 질량 유동을 감소시키는 것이다. 오직 비접촉 밀봉 기구만이 실현 가능하고, 그러므로 덮이지 않은 블레이드(non-shrouded blade)들로 에어포일 팁 유동이 전체적으로 피할 수 없다는 것은 말할 필요도 없다.

US 7,118,329 및 US 2015/0292335는 터보 엔진의 작업 유체 통로에서 사용하기 위한 에어포일을 개시하고, 에어포일은 베이스로부터 팁까지 스팬 폭 방향을 따라서 연장한다. 에어포일은 흡입측, 압력측, 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 나타낸다. 에어포일은 에어포일 공기 역학적 보디를 포함하며, 공기 역학적 보디는 흡입측 표면, 압력측 표면, 선단 가장자리, 후미 가장자리 및 팁을 포함하며, 공기 역학적 보디의 상기 팁은 팁 단면, 및 팁 단면을 제한하는 단면 윤곽(cross-sectional contour)을 가진다. 림은 공기 역학적 보디의 팁에 배치되고, 공기 역학적 보디의 팁으로부터 에어포일의 팁으로 연장하며, 또한 상기 압력측 상의 상기 단면 윤곽, 흡입측을 뒤따르고, 에어포일의 선단 가장자리 위에서 연장한다. 림은 후미 가장자리까지 연장한다. 림은 에어포일의 팁에서 개방되는 팁 캐비티(tip cavity)를 한정하며, 림은 또한 팁 캐비티가 에어포일의 후미 가장자리에서 개방되도록 에어포일의 후방 가장자리에서 개방된다. 그러므로, 팁 캐비티는 에어포일의 후미 가장자리, 즉 저압 구역에 제공된 유체와 유체 소통한다. 결과적으로, 압력측으로부터 및 에어포일 팁 위에서, 또는 이를 향하여 유동하는 유체는 각각 팁 캐비티 내로 흡입되어, 후미 가장자리에서 방출된다. 림이 특히 가스 터빈 엔진의 팽창 터빈에서 사용될 때 고온 유체 유동에 노출될 수 있는 얇은 벽 구조 부재라는 것을 유념하여야 한다. 더욱이, 내부 연소 가스 터빈 엔진에 사용될 때, 림은 연도 가스 유동에 노출된다.

본 발명의 목적은 상기 인용된 종류의 개선된 에어포일을 제공하는 것이다. 보다 특정한 양태에서, 에어포일 효율에서 팁 누출 유동의 감소된 영향을 제공하도록 디자인된 에어포일을 제공하는 것이 목적이다. 보다 구체적인 양태에서, 에어포일은 에어포일 성능 및 효율에서 부주의한 팁 누출 유동의 영향을 감소시키도록 제공될 것이다.

이러한 목적은 청구항 제1항에 설명된 요지에 의해 달성된다.

개시된 발명의 추가의 효과 및 이점은, 명시적으로 언급되든 아니든, 다음에 제공된 발명의 관점에서 명백해질 것이다.

따라서, 터보 엔진의 작동 유체 경로에서 사용하기 위한 에어포일이 개시되며, 에어포일은 베이스로부터 팁으로 스팬 폭 방향을 따라서 연장한다. 에어포일의 베이스는 일반적으로 블레이드 발부분(blade foot)에 부착될 수 있거나, 또는 블레이드 발부분 부재에 부착하기 위한 부착 수단을 구비할 수 있다. 터보 엔진은 특정 실시예에서 가스 터빈 엔진일 수 있으며, 더욱 특정 실시예에서 헤비 듀티 가스 터빈 엔진(heavy duty gas turbine engine)일 수 있다. 에어포일은 팽창 터빈에서 사용하기 위하여 의도될 수 있다. 에어포일은 흡입측, 압력측, 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 나타낸다. 에어포일은 에어포일 공기 역학적 보디를 포함하며, 공기 역학적 보디는 흡입측 표면, 압력측 표면, 선단 가장자리, 후미 가장자리 및 팁을 포함하며, 상기 공기 역학적 보디의 팁은 팁 단면과, 팁 단면을 제한하는 단면 윤곽을 가진다. 이러한 점에서, 에어포일이나 에어포일 공기 역학 보디는 개별 부재를 필요로 하지 않는다는 것을 유념하여야 한다. 에어포일은 블레이딩 부재의 일체부(integral part)일 수 있다. 에어포일 공기 역학적 보디는 에어포일 부재의, 또는 차례로 블레이딩 부재의 일체부일 수 있는 에어포일의 일체부이다. 에어포일 공기 역학적 보디는 에어포일 부재의 섹션, 또는 흡입측 표면, 압력측 표면, 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 포함하는 공기 역학적 형상을 보이는 블레이드 부재의 섹션으로서 이해되어야 하며, 이러한 것은 유동 편차(flow deviation) 및/또는 로터를 구동하는 관련된 힘과 함께 압력측과 흡입측 사이의 압력차의 증진에 영향을 준다. 블레이딩 부재는 이러한 점에서 고정 베인 열을 위한 블레이딩 부재뿐만 아니라 회전 블레이드 열을 위한 블레이딩 부재일 수 있다. 따라서, 에어포일은 베인을 위한 고정 에어포일로서 사용하기 위하여 의도될 뿐만 아니라 회전 블레이드의 회전 에어포일로서 사용하기 위하여 의도된 에어포일일 수 있다. 에어포일은 예를 들어 스팬 폭 방향에 평행한 비틀림 축으로 비틀릴 수 있다. 공기 역학적 보디는 특정 실시예에서 용이하게 예측될 수 있는 바와 같이 당업자에게 친숙한 공기 역학적 보디의 외부면 상에 개방되는 임의의 종류의 내부 냉각제 덕트 및/또는 냉각제 방출 오리피스를 포함할 수 있다. 림은 공기 역학적 보디의 팁에 배치되고 공기 역학적 보디의 팁으로부터 에어포일의 팁으로 연장하고, 또한 압력측의 상기 단면 윤곽, 흡입측을 뒤따르고, 에어포일의 선단 가장자리 위에서 연장한다. 특히, 림은 후미 가장자리까지 확장될 수 있다. 림은 에어포일의 팁에서 개방하되는 팁 캐비티를 한정하고, 림이 에어포일의 후미 가장자리에서 더욱 개방되어서, 팁 캐비티는 에어포일의 후미 가장자리에서 개방된다. 팁 캐비티는 에어포일의 후미 가장자리, 즉 저압 구역에 제공된 유체와 유체 소통한다. 결과적으로, 그러므로, 압력측으로부터 및 에어포일 팁 위에서, 또는 이를 향한 유동은 각각 팁 캐비티로 흡입되어, 후미 가장자리에서 방출된다. 그러므로, 압력측으로부터의 유체는 완전하지 않으면 팁 위에서 흡입측으로 유동하는 것이 적어도 부분적으로 방지된다. 그러므로, 압력측에서 유체 손실은 완전히 방지될 수 없지만, 상기 유체는 상기 흡입측에서 영향을 줄 수 없거나, 또는 적어도 상기 영향은 크게 감소된다. 방출 오리피스를 포함하는 적어도 하나의 유체 덕트는 상기 방출 오리피스를 통하여 팁 캐비티의 저부로 개방된다. 상기 덕트는 특히 공기 역학적 보디의 내부와 유체 소통할 수 있으며, 예를 들어 냉각제 덕트로서 제공될 수 있다. 적어도 하나의 유체 덕트는 막 냉각 덕트(film cooling duct)로서 제공, 배열 및 구성되며, 특히 선단 가장자리로부터 후미 가장자리로 향하는 속도 성분을 갖는 냉각제를 방출하도록 배열 및 구성될 수 있다. 막 냉각 덕트의 방출 특성, 특히 냉각제 방출 궤적은 방출 오리피스의 형상화에 의해 결정되는 것으로 이해된다. 이는 막 냉각 원리와 막 냉각제 방출 덕트 및 오리피스를 제공할 때 따르는 규칙에 당업자가 친숙하다고 추정되는 정도까지이다. 팁 캐비티에서 주 유동 방향과 적어도 부분적으로 일치하는 방출된 냉각제의 상기 배향은 팁 캐비티의 저부에 냉각제 막을 유지하는 것을 돕는다. 더욱 특정한 양태에서, 적어도 하나의 막 냉각 덕트는 냉각제의 유동이 팁 캐비티를 한정하는 림의 내부 표면들로 유도되도록 제공된다. 그러므로, 림의 냉각이 수행된다. 더욱이, 팁 캐비티의 개방 단부를 향한 속도 성분을 갖는 방출된 냉각제는 후미 가장자리에서 방출되는, 팁 캐비티에서의 유동의 제공을 지원한다.

또 다른 양태에서, 적어도 2개의 막 냉각 덕트들이 제공되며, 적어도 하나의 막 냉각 덕트는 흡입측에 제공된 림의 섹션을 향한 냉각제 유동을 유도하도록 제공되며, 적어도 하나의 막 냉각 덕트는 에어포일의 압력측에 제공된 림의 섹션을 향한 냉각제 유동을 유도하도록 제공된다.

또한, 림의 외부면이 공기 역학적 보디의 외부면으로 연속적이고 매끄럽고 이음매없는 전환부(transition)를 구비한다는 것이 자명한 것으로서 이해되어야한다.

특정 실시예들에서, 외부면으로부터 측정되는 것으로서, 팁 캐비티를 한정하는 림의 두께, 공기 역학적 보디의 외부면의 연장부, 및 내부면은 선단 가장자리에서보다 후미 가장자리에서 더 작다. 이러한 것은 분리 가장자리가 에어포일의 후미 가장자리에 제공되는 것으로 림의 우수한 공기 역학적 특성을 유발한다.

추가의 예에서, 적어도 하나의 제1 유체 덕트는 림으로부터 제1 거리에 위치된 제1 방출 오리피스를 구비하고, 적어도 하나의 제 2 유체 덕트는 제1 유체 덕트의 제1 방출 오리피스보다 림으로부터 먼 거리에 위치되는 제2 방출 오리피스를 구비한다. 특정의 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 제1 유체 덕트의 방출 오리피스는 림에 인접하여 위치되며, 보다 구체적으로, 에어포일의 흡입측 상의 림에 인접하여 위치될 수 있다. 제2 유체 덕트들은 제 1 유체 덕트처럼 팁 캐비티의 저부면 상으로 막 냉각제를 방출시키도록 제공될 수 있으며, 유사한 조건을 실현하도록 배열될 수 있으며, 즉 적어도 팁 캐비티에서 주 유동 방향과 비슷하게 유도된 속도 성분을 갖는 냉각제 유동을 방출할 수 있다.

여전히 보다 특정한 실시예들에 따라서, 적어도 하나의 제1 유체 덕트의 제1 방출 오리피스는 원통형 기하학적 형태에 의해 형상화되고, 적어도 하나의 제2 유체 덕트의 제2 방출 오리피스는 팬 형상 오리피스(fan-shaped orifice)이다. 따라서, 기울어진 제1 유체 덕트에 의해, 각각의 방출 오리피스가 팁 캐비티의 저부에 타원형 기하학적 형태를 보이는 것으로 이해되어야 한다. 팬 형상 방출 오리피스들이 팁 캐비티의 저부의 표면 위에서 낮은 임펄스의 냉각제 막을 제공하는데 잘 적합한 한편, 제1 유체 덕트의 비-팬형상 방출 오리피스들이 림 캐비티의 내부로부터 림의 냉각을 제공하기 위하여 림을 따라서 개선된 속도 성분을 갖는 냉각제를 방출하도록 제공될 수 있다는 것이 예측될 것이다.

여전히 추가의 양태에 따라서, 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는 공기 역학적 보디의 팁 영역에서 림에 인접하여 공기 역학적 보디의 외부 윤곽 상에 제공된 방출 오리피스를 구비할 수 있다. 상기 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는, 에어포일의 팁뿐만 아니라 후미 가장자리로 유도된 속도 성분을 포함하며, 더 일반적으로 말하자면, 입사 유동(incident flow)이 에어포일 디자인에 의해 의도된 바와 같이 제공되면 에어포일의 외부 윤곽을 따르는 유체의 유동을 뒤따르는, 에어포일의 외부면 상에서 냉각제의 방출을 조성하는 각각의 방출 오리피스의 기하학적 형태를 구비한다. 그러므로, 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는 림의 외부면 위에서 냉각제를 분산시키도록 제공된다. 그러므로, 림의 양 측면은 막 냉각에 의해 냉각된다. 그러므로, 림은 훨씬 더 강하게 냉각되고, 림의 과열은 훨씬 더 확실하게 방지된다. 보다 특정한 실시예에서, 상기 추가의 오리피스들은 팬 형상일 수 있다. 상기 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는 특정 실시예에서 에어포일의 압력측 및/또는 선단 가장자리 영역에 위치된 각각의 방출 오리피스를 구비할 수 있다. 냉각제, 또는 더 일반적으로 말하자면 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트로부터 방출된 유체는 또한 림 위에서 에어포일의 압력측으로부터 에어포일의 틱 영역으로 유동하는 작업 유체에 대해 추가의 공기 역학적 장벽층을 제공하는 역할을 할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는 공기 역학적 보디의 팁 영역에서 선단 가장자리의 영역에 인접하여 공기 역학적 보디의 외부 윤곽에 제공될 수 있다. 그러므로, 비교적 높은 압력이 존재하는 에어포일의 영역에서, 림의 냉각은 림의 외부 원주 영역에 제공된 냉각제에 의해 수행되고, 그러므로 동시에 누출 유동에 대한 추가적인 차폐를 제공하는 한편, 저압측에서 냉각은 적어도 하나의 제1 유체 덕트를 통하여 팁 캐비티 내로부터 제공될 수 있다.

상기된 바와 같이, 적어도 하나의 제1 유체 덕트, 또는 다수의 제1 유체 덕트들은 특정 실시예에서 팁 캐비티 내부에서 흡입측 림 섹션에 인접하여 위치된 각각의 방출 오리피스를 구비할 수 있으며, 그러므로 흡입측에서 림의 냉각을 수행한다. 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트, 또는 다수의 추가의 림 냉각제 덕트들은 보다 구체적인 실시예에서 압력측 및/또는 팁 영역에서 에어포일의 선단 가장자리 영역에 위치된 각각의 방출 오리피스를 구비할 수 있다. 상기 인용된 방출 궤적을 참조한다. 그러므로, 압력측에서 림의 냉각이 수행되는 한편, 동시에 작업 유체 누출에 대한 추가적인 공기 역학적 차폐를 제공한다.

특정 실시예에서, 적어도 에어포일의 후미 가장자리 영역에서, 에어포일의 캠버 라인(camber line)의 대향 측면들 상에 각각 배치되거나 배열된 림의 2개의 섹션들이 공기 역학적 보디의 팁으로부터 에어포일의 팁으로 분기하여서, 후미 가장자리에서부터의 모양은 튤립 형상, 컵 형상, 또는 후미 가장자리와 관련하여 실질적으로 Y-형상의 기하학적 형태와 닮았다. 이러한 것은 한편으로 좁은 후미 가장자리에서 팁 캐비티의 향상된 방출 단면을 제공하는 역할을 한다. 다른 한편으로, 이러한 기하학적 형태는 또한 압력측 및 흡입측 중 어느 하나와 에어포일의 팁 영역 사이를 통과하는 임의의 유체에 대해 증가된 유동 편향을 요구함에 따라서 누출 유동에 대한 추가 장애를 제공하는데 기여할 수 있다.

그러나, 적어도 선단 가장자리 영역에서 림이 공기 역학적 보디의 팁으로부터 에어포일의 팁까지 에어포일의 스팬 폭 방향과 실질적으로 평행하게 연장하는 것이 제공될 수 있다. 이러한 것은 에어포일의 전체적인 공기 역학적 특성을 향상시키는데 기여한다.

팁 캐비티의 저부가 공기 역학적 보디의 팁 표면에 의해 제공되는 것이 또한 제공될 수 있다. 즉, 다시 말하면, 공기 역학적 보디는 팁에서, 또는 에어포일의 팁을 향한 공기 역학적 보디를 한정하는 팁 표면을 포함한다. 림으로서, 팁 캐비티를 한정하는 상기 림이 공기 역학적 보디의 팁으로부터 공기 역학적 보디의 단면 윤곽을 따라서 에어포일의 팁으로 연장함에 따라서, 림의 저부로서 공기 역학적 보디의 팁 표면, 즉 에어포일의 베이스를 향한 팁 캐비티의 경계를 제공하는 것이 특히 적절하다.

에어포일 팁으로부터 팁 캐비티의 저부까지의 거리는 팁 캐비티의 깊이를 구성한다. 특정 실시예에서, 에어포일의 팁으로부터 캐비티의 저부까지 측정된 팁 캐비티의 깊이가 선단 가장자리에서보다 후미 가장자리에서 더 작은 것이 제공될 수 있다. 더욱 특정한 실시예에서, 팁 캐비티의 깊이는 선단 가장자리로부터 후미 가장자리까지 연속으로 감소한다.

개시된 발명의 또 다른 양태에서, 팁 캐비티는 에어포일의 캠버 라인에 대해 직각으로 취해진 팁 캐비티의 단면적이 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이로부터 각각 후미 가장자리 또는 팁 캐비티의 방출 개구를 향한 규모(extent)를 따라서 좁도록 제공될 수 있다. 보다 상세하게, 팁 캐비티는, 후미 가장자리에서 캠버 라인에 대해 직각으로 취해진 팁 캐비티의 후미 가장자리 단면적이 각각 에어포일 시위 길이(chord length), 또는 캠버 라인 규모의 50%에서 캠버 라인에 대해 직각으로 취해진 팁 캐비티의 중앙 단면적의 60% 또는 이보다 작도록 제공될 수 있다. 따라서, 이러한 것은 특히 림 또는 팁 캐비티의 저부의 윤곽을 그리거나, 또는 양자를 조합하여 달성될 수 있다. 따라서, 팁 캐비티의 단면의 형상화 시에, 팁 캐비티에서 및 후미 가장자리에서 방출된 유체 유동의 속도, 차례로 림 캐비티에서의 정압(static pressure)은 제어될 수 있다. 이러한 것은 팁 캐비티 내로 섭취된 유체에 대한 흡입 강도의 제어를 가능하게 하며, 이러한 것은, 특정 양태에 따라서 적어도 본질적으로 에어포일의 압력측으로부터 및 에어포일의 팁에 인접한 갭에서의 모든 팁 누출 유동이 한편으로는 팁 캐비티 내로 드레인되는 한편, 압력측으로부터 유체의 손실을 전체적으로 개선하기 위하여 방지되도록 조정될 수 있다.

터보 엔진을 위한 블라딩 부재가 추가로 개시되며, 블레이딩 부재는 발부분(foot), 및 적어도 하나의 에어포일을 포함하며, 에어포일은 베이스로부터 팁으로 스팬 폭 방향을 따라서 연장하며, 베이스는 블레이딩 부재의 발부분에 연결되며, 에어포일은 상기된 바와 같은 에어포일이다. 발부분이 터보 엔진의 스테이터 또는 로터에 블레이딩 부재를 부착하기 위한 부착 특징부들을 포함하는 것으로 이해된다. 블레이딩 요소는 발부분에 부착된 단일 에어포일을 포함할 수 있거나, 또는 공통의 발부분에 부착된 다수의 에어포일들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 에어포일 및 발부분은 서로 일체로 제공될 수 있지만, 다른 예에서 별개의 부재들로 제공될 수 있으며, 따라서, 블레이딩 부재는 적어도 하나의 에어포일 및 발부분 부재로부터 조립된 블레이딩 부재일 수있다.

상기된 바와 같은 적어도 하나의 블레이딩 부재 및/또는 에어포일을 포함하는 터보 엔진이 추가로 개시된다. 터보 엔진은 특히 가스 터빈 엔진일 수 있고, 블레이딩 부재 및/또는 에어포일은 특히 가스 터빈 엔진의 팽창 터빈에 제공될 수 있다.

상기에서 사용된 문맥에서 "적어도 하나의" 요소 또는 부재의 명세는 단일 요소 또는 부재의 존재뿐만 아니라 다수의 요소 또는 부재의 존재를 개시하는 것으로 이해된다.

상기된 특징들 및 실시예들은 서로 결합될 수 있다는 것으로 이해된다. 추가의 실시예들이 당업자에게 자명한 본 발명 및 청구된 요지 내에서 가능하다는 것이 또한 예측될 것이다.

본 발명의 요지는 이제 첨부된 도면에 도시된 선택된 예시적인 실시예에 의해 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에어포일의 팁 영역의 제1 도면;
도 2는 본 발명에 따른 에어포일의 팁 영역의 제2 도면;
도 3은 예시적인 냉각 장치의 상세를 개괄하는 본 발명에 따른 에어포일의 팁의 평면도; 및
도 4는 예시적인 냉각 장치의 추가의 상세를 도시하는 추가의 도면.
도면이 매우 개략적이며, 지시 목적을 위해 요구되지 않는 상세가 이해 및 묘사의 용이함을 위해 생략되었을 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 도면은 선택되고 예시적인 실시예만을 도시하고, 도시되지 않은 실시예들이 여전히 본 명세서에 개시되고 및/또는 청구된 요지의 범위 내에 있을 수 있다는 것을 또한 이해할 것이다.

도 1은 상기 설명에 따른 에어포일의 팁 영역을 도시한다. 에어포일(1)은 베이스로부터 팁까지 화살표로 표시된 스팬 폭 방향을 따라서 연장하는 한편, 에어포일의 베이스는 본 도면에 도시되지 않았다. 에어포일(1)은 일반적으로 공기 역학적 보디(2)를 포함하며, 선단 가장자리(4), 후미 가장자리(5), 오목하게 형상화된 압력측 및 볼록한 형상의 흡입측을 추가로 포함한다. 압력측과 흡입측은 도면부호로 지시되지는 않지만, 도면에서의 그 위치는 당업자에게 자명할 것이다. 일반적으로, 도 1은 에어포일의 선단 가장자리, 압력측 및 팁으로부터의 도면을 제공한다고 할 수 있다. 공기 역학적 보디(2)는 팁 표면(6)에 의해 한정된 팁을 포함한다. 팁으로부터 및 스팬 폭 방향의 배향과 평행한 관점에서, 공기 역학적 보디(2)는 공기 역학적 보디의 팁을 제한하는 단면 윤곽을 나타낸다. 상기 단면 윤곽은 용이하게 명백한 바와 같이, 압력측 윤곽선, 흡입측 윤곽선, 선단 가장자리 지점 및 후미 가장자리 윤곽을 포함한다. 림(3)은 공기 역학적 보디의 팁으로부터 에어포일의 팁까지 공기 역학적 보디의 팁에 있는 상기 단면 윤곽을 따라서 연장한다. 림의 외부면은 공기 역학적 보디의 외부면으로 연속적이고 매끄럽고 이음매없는 전환부를 구비한다. 림은 에어포일의 후미 가장자리에서 개방된다. 그러므로, 림은 팁 캐비티(7)를 한정하며, 팁 캐비티는 에어포일의 팁을 향하여 후미 가장자리에서 개방되고, 그러므로 동시에 팁 캐비티(7)의 저부를 한정하는 공기 역학적 보디의 팁 표면(6)에 의해 더욱 한정된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 터보 엔진에서 의도된 바와 같이 사용될 때, 에어포일의 팁은 대응 요소의 반대편에 배치된다. 대응 요소 및 에어포일의 팁이 터보 엔진의 동작 동안 상대 운동을 수행한다는 사실로 인하여, 에어포일의 팁과 대응 요소 사이에 갭이 제공된다. 팁 캐비티(7)가 후미 가장자리에서 개방된 덕트를 제공한다고 할 수 있다. 에어포일(1)이 사용되는 터보 엔진의 작동 동안, 에어포일의 압력측으로부터 에어포일의 팁과 상기된 대응 요소 사이에 형성된 갭을 통해 소정의 팁 누출 유동이 부주의하게 존재할 것이다. 팁 캐비티(7)가 후미 가장자리에서 에어포일의 외부와 유체 소통함에 따라서, 상기 누출 유동은 적어도 부분적으로 팁 캐비티(7) 내로 흡입되어 후미 가장자리에서 방출된다. 그러므로, 압력측으로부터의 누출 유동은 흡입측에 도달하지 않거나 또는 그 일부만이 도달할 수 있으며, 2차 유동과 잠재적으로 관련된 흡입측에서 압력 구배를 유도할 수 있다.

도 2를 참조하면, 팁, 흡입측 및 후미 가장자리(5)로부터의 에어포일(1)의 팁 영역에서의 모양이 제공된다. 림의 후미 가장자리 영역(34 및 35)들은 각각 에어포일의 흡입측 및 압력측에 제공되고, 공기 역학적 보디의 팁으로부터 에어포일의 팁으로의 방향으로 분기한다. 림의 선단 가장자리 섹션(31)은 적어도 스팬 폭 방향에 본질적으로 평행하게 연장한다. 후미 가장자리 림 섹션(34 및 35)들의 상호 분기로 인하여, 후미 가장자리로부터의 에어포일 팁 영역에서의 모양은 일반적인 Y-, 튤립- 또는 컵 형상과 닮았다. 공기 역학적 보디의 외부면의 연장부를 구성하는 외부면 및 팁 캐비티를 한정하는 내부면으로부터 측정된 바와 같은 림의 폭은 선단 가장자리 섹션(31), 흡입측 섹션(32), 및 압력측 섹션(33)에서보다 각각 후미 가장자리 섹션(34 및 35)들에서 더 작다. 명백한 바와 같이, 팁 캐비티(7)는, 본질적으로 에어포일의 캠버 라인을 따라 연장하고 후미 가장자리에서 에어포일의 외부와 유체 소통하는 덕트로서 고려될 수 있다. 캠버 라인에 대해 직각으로 과 후미 가장자리에서 취해진 방출 단면적(B)은 캠버 라인에 대해 직각으로 에어포일 시위 길이의 약 50 %에서 취해진 단면(A)보다 작다. 예를 들어, B에서의 단면적은 A에서의 단면적의 60% 이하이다. 그러므로,선단 가장자리로부터 후미 가장자리로의 방향으로 팁 캐비티(7)를 통한 유체 유동은 후미 가장자리를 향해 가속된다. 결과적으로, 유체가 후미 가장자리에서 팁 캐비티(7)로부터 방출되면, 팁 캐비티(7)에서의 정압은 후미 가장자리에서보다 선단 가장자리 영역에서 더 높다. 상기 단면의 변화는, 한편으로는 림이 적어도 공기 역학적 보디의 일반적인 윤곽을 개략적으로 따르고, 그러므로 최대 프로파일 두께의 위치로부터 후미 가장자리로 팁 캐비티(7)의 규모를 좁히는 것으로 달성될 수 있다. 또한, 이러한 것은 에어포일의 팁으로부터 팁 캐비티(7)의 저부(6)까지 측정된 팁 캐비티의 깊이가 팁 캐비티의 다른 영역에서보다 후미 가장자리에서 더 작은 것으로 달성될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 림을 냉각하기 위한 막 냉각 구멍들의 예시적인 배열이 도시되어 있다. 도 3은 에어포일 (1)의 팁 상으로의 모양을 도시한다. 제1 방출 오리피스(8)들을 포함하는 제1 유체 덕트들은 흡입측 상의 림(3)에 인접한 팁 캐비티(7)의 저부(6)에 제공된다. 제1 유체 덕트들은 당업자가 대체로 친숙한 종류의 내부 냉각 구성을 포함하는 공기 역학적 보디의 내부와 유체 소통한다. 제1 유체 덕트들은 본 발명의 경우에 대체로 원통형 유체 덕트이며, 원통형 덕트들로서 저부(6)에서 종료한다. 유체 덕트들은 팁 캐비티의 저부에 평행한 속도 성분을 갖는 냉각제를 팁 캐비티(7)의 저부(6)에서 방출하도록 팁 캐비티(7)의 저부(6)의 표면에 대해 경사져 제공된다. 그러므로, 제1 방출 오리피스(8)들은 팁 캐비티(7)의 저부(6)에 타원형으로 나타난다. 제1 방출 오리피스(8)들로부터 방출된 냉각제는 팁 캐비티의 저부(6)뿐만 아니라 흡입측의 림을 냉각하는데 기여한다. 또한, 팬 형상의 제2 방출 오리피스(9)들을 포함하는 제2 유체 덕트들은 저부(6)에 제공된다. 제2 유체 덕트들은 공기 역학적 보디의 내부와 유체 소통한다. 제2 유체 덕트들은 원통형일 수 있지만, 다른 적절한 형상을 또한 보일 수 있다. 팬 형상의 제2 방출 오리피스(9)들과 제2 유체 덕트들은 상기된 바와 같이 후미 가장자리를 향하고 적어도 본질적으로 캠버 라인을 뒤따르는, 팁 캐비티(7)에서의 유체의 주 유동 방향 하류에 배향된 속도 성분을 갖는 방출 유동을 제공하도록 제공된다. 당업자는 방출 오리피스(8, 9)들로부터 방출된 냉각제가 림의 내부면 위에서 분산되어 림(3)의 냉각을 수행할 것이라는 설명에 의해 용이하게 예측될 것이다. 추가의 속도 성분을 포함하는, 제2 방출 오리피스(9)들로부터의 방출 유동이 도시된 예들의 일부에서 또한 배향된다. 이 예에서 후미 가장자리(5)에 더욱 근접하여 위치된 제2 방출 오리피스들은 에어포일의 압력측을 향해 유도된 속도 성분을 또한 갖는 방출 유동을 방출한다. 팁 캐비티의 저부(6) 상으로 개방된 제2 유체 덕트들이 당업자에게 널리 공지된 방식으로 구상된 방출 방향을 지원하도록 저부면에 대해 적절히 또한 경사질 수 있다는 것이 이해된다.

도 4는 에어포일의 외부에 제공되고, 터보 엔진에서 에어포일의 의도된 사용 시에 에어포일 주위에서 유체 유동의 스트림라인을 뒤따르고 에어포일의 팁을 향하여 배향된 성분등를 가지는 방출 궤적들로 유체 유동을 방출하도록 형상화되는 추가의 림 냉각 오리피스(10)들을 도시한다. 추가의 림 냉각 오리피스(10)들은 에어포일의 압력측 및 선단 가장자리 영역에 제공된다. 추가의 림 냉각 오리피스들은 당업자에 친숙한 방식으로 공기 역학적 보디의 내부에 제공된 냉각제 덕트들과 유체 소통하는 림(3)에 인접하여 제공되는 추가의 림 냉각제 덕트들의 방출 오리피스들이다. 추가의 림 냉각 오리피스들과 관련 냉각제 덕트들은 선단 가장자리 영역 및 압력측에서 림(3)의 막 냉각을 제공하도록 제공된다.

당업자가 막 냉각 원리와 막 냉각 목적을 위해 의도된 유체 덕트 및 오리피스를 제공할 때 따르는 규칙에 완벽히 친숙하다고 추정된다.

본 발명의 요지가 예시적인 실시예에 의해 설명되었지만, 이것들이 결코 청구된 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 청구항들이 본 명세서에 명시적으로 도시되거나 또는 개시된 실시예를 커버하고, 본 발명의 교시를 수행하는 예시적인 모드들에서 개시된 실시예로부터 이탈한 실시예가 청구항들에 의해 여전히 커버될 것이라는 것을 이해할 것이다.

1 : 에어포일
2 : 에어포일의 공기 역학적 보디
3 : 림
4 : 선단 가장자리
5 : 후미 가장자리
6 : 공기 역학적 보디의 팁 표면; 팁 캐비티의 저부
7 : 팁 캐비티
8 : 제1 방출 오리피스
9 : 제2 방출 오리피스
10 : 추가의 림 냉각 오리피스
31 : 림의 선단 가장자리 섹션
32 : 림의 흡입측 섹션
33 : 림의 압력측 섹션
34 : 흡입측에 배치된 림의 후미 가장자리 섹션
35 : 압력측에 배치된 림의 후미 가장자리
A : 캠버 라인에 직각으로 취해진 팁 캐비티의 중앙 단면
B : 캠버 라인에 직각으로 취해진 팁 캐비티의 후미 가장자리 단면
S : 스팬 폭 방향

Claims (15)

1. 터보 엔진의 작업 유체 경로에서 사용하기 위하여, 베이스로부터 팁으로 스팬 폭 방향(들)을 따라서 연장하는 에어포일(1)로서,
   상기 에어포일은 흡입측, 압력측, 선단 가장자리(4) 및 후미 가장자리(5)를 나타내며, 상기 에어포일(1)은,
   흡입측 표면, 압력측 표면, 선단 가장자리, 후미 가장자리, 및 팁을 포함하는 에어포일 공기 역학적 보디로서, 상기 공기 역학적 보디의 팁이 팁 단면과, 상기 팁 단면을 제한하는 단면 윤곽을 가지는, 상기 에어포일 공기 역학적 보디(2),
   상기 공기 역학적 보디의 팁에 배치되고, 상기 에어포일의 팁으로 연장하고 상기 압력측 상의 상기 단면 윤곽, 상기 흡입측을 뒤따르고, 상기 에어포일의 상기 선단 가장자리(4) 위에서 연장하는 림(3)으로서, 상기 림(3)이 상기 에어포일의 팁에서 개방된 팁 캐비티를 한정하며, 상기 팁 캐비티(7)가 상기 에어포일의 후미 가장자리에서 개방되도록 상기 에어포일의 상기 후미 가장자리(5)에서 개방되는, 상기 림(3), 및
   방출 오리피스(8, 9)를 통하여 상기 팁 캐비티(7)의 저부(6) 상으로 개방되는 상기 방출 오리피스(8, 9)를 포함하는 적어도 하나의 유체 덕트를 포함하는, 상기 에어포일에 있어서,
   상기 적어도 하나의 유체 덕트는 막 냉각 덕트로서 제공, 배열 및 구성되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
2. 제1항에 있어서, 상기 막 냉각 덕트는, 상기 선단 가장자리(4)로부터 상기 후미 가장자리(5)를 향하는 속도 성분을 갖는 냉각제를 방출하도록, 제공, 배열 및 구성되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 2개의 막 냉각 덕트들이 제공되며, 적어도 하나의 막 냉각 덕트는 상기 에어포일의 흡입측에 제공된 상기 림(3)의 섹션을 향한 냉각제 유동을 유도하도록 제공되며, 적어도 하나의 막 냉각 덕트는 상기 에어포일의 압력측에 제공된 상기 림(3)의 섹션을 향한 냉각제 유동을 유도하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 덕트는 상기 공기 역학적 보디(2)의 내부와 유체 소통하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 제1 유체 덕트는 상기 림(3)으로부터 제1 거리에 위치된 제1 방출 오리피스(8)를 구비하고, 적어도 하나의 제2 유체 덕트는 상기 제1 방출 오리피스(8)보다 상기 림으로부터 먼 거리에 위치된 제2 방출 오리피스(9)를 구비하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 유체 덕트의 제1 방출 오리피스(8)는 상기 림(3)에 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 유체 덕트의 제1 방출 오리피스(8)는 상기 에어포일의 흡입측 상의 상기 림(3)에 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 유체 덕트의 제1 방출 오리피스(8)는 원통형 기하학적 형태로 형상화되고, 상기 적어도 하나의 제2 유체 덕트의 제2 방출 오리피스(9)는 팬 형상 오리피스인 것을 특징으로 하는 에어포일.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는 상기 공기 역학적 보디의 팁 영역에서 상기 림에 인접하여 상기 공기 역학적 보디의 외부 윤곽 상에 제공된 방출 오리피스를 구비하며, 상기 적어도 하나의 추가의 림 냉각제 덕트는, 상기 에어포일의 팁뿐만 아니라 상기 후미 가장자리로 유도된 속도 성분을 포함하는 냉각제를 상기 에어포일의 외부면에서 방출하고 상기 림의 외부면 위에서 냉각제를 분산시키도록 형상화되고 배열된 각각의 방출 오리피스의 기하학적 형태를 구비하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 에어포일의 후미 가장자리 영역에서, 상기 에어포일 캠버 라인의 대향 측부들에 배치된 상기 림의 2개의 섹션(34, 35)들은 상기 후미 가장자리로부터의 에어포일의 모양이 튤립 형상의 기하학적 형태를 닮도록 상기 공기 역학적 보디(2)의 팁으로부터 상기 에어포일의 팁으로 분기하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 림(3)은 선단 가장자리 영역(31)에서 상기 공기 역학적 보디(2)의 팁으로부터 상기 에어포일의 팁으로 적어도 본질적으로 상기 에어포일의 스팬 폭 방향(들)에 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팁 캐비티(7)의 깊이는 상기 에어포일의 팁으로부터 상기 캐비티의 저부까지 측정될 때 상기 선단 가장자리(4)에서보다 상기 후미 가장자리(5)에서 더 작은 것을 특징으로 하는 에어포일.
13. 제12항에 있어서, 상기 팁 캐비티(7)의 깊이는 상기 선단 가장자리(4)로부터 상기 후미 가장자리(5)까지 연속으로 감소하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리에서 상기 캠버 라인에 대해 직각으로 취해진 상기 팁 캐비티의 후미 가장자리 단면적(B)은 상기 캠버 라인에 대해 직각으로 에어포일 시위 길이의 50%에서 취해진 상기 팁 캐비티의 중앙 단면적(A)의 60% 또는 이보다 작은 것을 특징으로 하는 에어포일.
15. 터보 엔진을 위한 블레이딩 부재로서, 발부분, 및 적어도 하나의 에어포일을 포함하며, 상기 에어포일은 베이스로부터 팁으로 스팬 폭 방향을 따라서 연장하며, 상기 베이스는 상기 블레이딩 부재의 발부분에 연결되는 블레이딩 부재에 있어서,
    상기 에어포일은 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 에어포일인 것을 특징으로 하는 블레이딩 부재.

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