KR20170132690A - 가스 터빈 로터 블레이드용 냉각 통로 - Google Patents

가스 터빈 로터 블레이드용 냉각 통로 Download PDF

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Abstract

본 개시는 가스 터빈 엔진(10)용의 로터 블레이드(100)에 관한 것이다. 로터 블레이드(100)는 로터 블레이드는 에어포일(126), 측면(146, 148)과 반경 방향 외부면(142)을 포함하는 팁 슈라우드(128), 및 팁 슈라우드(128)를 에어포일(126)에 연결하는 천이부(150)를 포함한다. 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 주 냉각 통로(152A, 152B)를 내부에 형성한다. 주 냉각 통로(152A, 152B)는 팁 슈라우드(128)의 측면(146, 148)에 의해 형성되는 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 포함한다.

Description

가스 터빈 로터 블레이드용 냉각 통로{COOLING PASSAGE FOR GAS TURBINE ROTOR BLADE}
본 개시는 전반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 가스 터빈 엔진용 로터 블레이드에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 일반적으로 압축기 섹션, 연소 섹션, 터빈 섹션, 및 배기 섹션을 포함한다. 압축기 섹션은 가스 터빈 엔진에 유입되는 작동 유체의 압력을 점진적으로 증가시키고 이 압축된 작동 유체를 연소 섹션에 공급한다. 압축된 작동 유체와 연료(예컨대, 천연 가스)는 연소 섹션 내에서 혼합되고 연소 챔버에서 연소되어 고압 및 고온의 연소 가스를 발생시킨다. 연소 가스는 연소 섹션으로부터 터빈 섹션으로 유동하고, 터빈 섹션에서 팽창하여 일을 생성한다. 예컨대, 터빈 섹션 내에서 연소 가스의 팽창은, 예컨대 발전기에 연결된 로터 샤프트를 회전시켜 전기를 생성한다. 그 후에, 연소 가스는 배기 섹션을 통해 가스 터빈에서 빠져나간다.
터빈 섹션은 복수 개의 로터 블레이드를 포함하고, 로터 블레이드는 로터 블레이드를 통해 유동하는 연소 가스로부터 운동 에너지 및/또는 열 에너지를 추출한다. 특정 실시예에서, 복수 개의 로터 블레이드의 일부 또는 전부는 필렛 부분에 의해 에어포일 부분에 커플링된 팁 슈라우드(tip shroud)를 포함한다. 이들 로터 블레이드는 일반적으로 매우 높은 온도의 환경에서 작동한다. 따라서, 로터 블레이드는 통상적으로 내부에 형성된 하나 이상의 냉각 통로를 포함한다. 가스 터빈 엔진의 작동 중에, 압축 공기 등의 냉각 매체가 하나 이상의 냉각 통로를 통해 유동하여 로터 블레이드를 냉각시킨다. 그럼에도 불구하고, 필렛 부분 및 팁 슈라우드에 적절한 냉각을 제공하는 종래의 냉각 통로 구성은 로터 블레이드의 중량을 증가시키고, 이는 바람직하지 않을 수 있다.
본 기술의 양태 및 이점은 다음의 설명에서 부분적으로 설명되거나, 설명으로부터 명백할 수 있거나, 기술의 실시를 통해 습득될 수도 있다.
일 양태에서, 본 개시는 가스 터빈 엔진용 로터 블레이드에 관한 것이다. 로터 블레이드는 에어포일, 측면과 반경 방향 외부면을 포함하는 팁 슈라우드, 및 팁 슈라우드를 에어포일에 연결하는 천이부를 포함한다. 에어포일, 천이부, 및 팁 슈라우드는 집합적으로 주 냉각 통로를 내부에 형성한다. 주 냉각 통로는 팁 슈라우드의 측면에 의해 형성되는 주 냉각 통로 출구를 포함한다.
본 개시의 다른 양태는 압축기 부분, 연소 부분, 및 터빈 부분을 갖는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 터빈 부분은 하나 이상의 로터 블레이드를 포함한다. 각각의 로터 블레이드는, 에어포일, 측면과 반경 방향 외부면을 갖는 팁 슈라우드, 및 팁 슈라우드를 에어포일에 연결하는 천이부를 포함한다. 에어포일, 천이부, 및 팁 슈라우드는 집합적으로 주 냉각 통로를 내부에 형성한다. 주 냉각 통로는 팁 슈라우드의 측면에 의해 형성되는 주 냉각 통로 출구를 포함한다.
본 기술의 이들 및 기타 특징, 양태 및 이점은 아래의 설명 및 첨부된 청구범위를 참조하여 더 잘 이해 될 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 기술의 실시예를 예시하고, 그 설명과 함께 본 기술의 원리를 설명하는 역할을 한다.
당분야의 숙련자에 대한 본 기술의 최상의 모드를 비롯한 본 기술의 완전하고 가능한 개시는 첨부된 도면을 참조하는 명세서에 기재되어 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 다양한 실시예를 통합할 수 있는 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 실시예에 따라 도 1에 도시된 가스 터빈에 통합될 수 있는 예시적인 로터 블레이드의 정면도이다.
도 3은 다양한 특징을 추가로 예시하는, 도 2에 도시된 예시적인 로터 블레이드의 평면도이다.
도 4는 에어포일의 반경 방향 외측부와 팁 슈라우드를 예시하는, 도 2 및 도 3에 도시된 로터 블레이드의 일부의 확대 사시도이다.
도 5는 제1 주 냉각 통로와 제2 주 냉각 통로의 일 실시예를 예시하는, 대체로 도 4의 선 5-5를 중심으로 취한 에어포일과 팁 슈라우드의 단면도이다.
도 6은 제1 주 냉각 통로의 다른 실시예를 예시하는, 대체로 도 4의 선 5-5를 중심으로 취한 에어포일과 팁 슈라우드의 단면도이다.
도 7은 제1 주 냉각 통로 출구를 예시하는 팁 슈라우드의 일부의 정면도이다.
도 8a는 하나 이상의 터뷸레이터의 일 실시예를 예시하는 제1 주 냉각 통로의 확대 단면도이다.
도 8b는 하나 이상의 터뷸레이터의 변형예를 예시하는 제1 주 냉각 통로의 확대 단면도이다.
도 8c는 하나 이상의 터뷸레이터의 다른 실시예를 예시하는 제1 주 냉각 통로의 확대 단면도이다.
도 9는 제1 및/또는 제2 주 냉각 통로를 형성하는 데에 사용하기 위한 재킷식 코어 및 몰드의 일 실시예의 단면도이다.
도 10은 제1 주 냉각 통로의 다른 실시예를 예시하는, 대체로 도 4의 선 5-5를 중심으로 취한 에어포일과 팁 슈라우드의 단면도이다.
본 명세서 및 도면에서 참조 부호들의 반복적인 사용은 본 기술의 동일한 또는 유사한 피쳐 또는 요소를 나타내는 것으로 의도된다.
이제, 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시되어 있는 본 기술의 실시예에 대한 참조가 상세하게 이루어질 것이다. 상세한 설명은 도면에서의 피쳐를 나타내기 위해 숫자 및 문자를 이용한다. 도면과 설명에서 동일한 또는 유사한 지정은 본 기술의 동일한 또는 유사한 부분을 나타내도록 사용된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "제1", "제2", 및 "제3"이라는 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 상호 교환 가능하게 사용될 수 있고 개별적인 구성요소들의 위치 또는 중요도를 의미하도록 의도되지 않는다. "상류" 및 "하류"라는 용어는 유체 경로에서 유체 유동에 관한 상대적 방향을 나타낸다. 예컨대, "상류"는 유체가 흘러나오는 방향을 나타내고, "하류"는 유체가 흘러가는 방향을 나타낸다.
각각의 예는 본 기술의 설명을 위해 제공되고, 본 개시를 제한하는 것은 아니다. 본 기술의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 수정 및 변경이 본 기술에서 이루어질 수 있다는 것은 당분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 예컨대, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 기술된 피쳐는 다른 실시예에서 사용되어 또 다른 실시예를 안출할 수 있다. 따라서, 본 기술은 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범주 내에 있다면 그러한 수정 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다. 산업적 또는 육상-기반 가스 터빈이 본 명세서에 도시되고 설명되지만, 본 명세서에 도시되고 설명된 본 기술은 청구범위에서 달리 특정되지 않는 한 육상-기반 및/또는 산업적 가스 터빈으로 제한되지 않는다. 예컨대, 본 명세서에 설명된 기술은, 제한하지 않지만, 항공기 가스 터빈(예컨대, 터보 팬 등), 증기 터빈, 및 선박용 가스 터빈을 비롯하여 임의의 유형의 터빈에 사용될 수 있다.
이제, 도면을 참조하면, 동일한 도면 번호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소를 나타내며, 도 1은 가스 터빈 엔진(10)을 개략적으로 예시한다. 본 개시의 터보 엔진(10)은 반드시 가스 터빈 엔진일 필요는 없고, 임의의 적절한 터빈 엔진, 예컨대 증기 터빈 엔진 또는 다른 적절한 엔진일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 가스 터빈 엔진(10)은 일반적으로 흡입 섹션(12), 압축기 섹션(14), 연소 섹션(16), 터빈 섹션(18), 및 배기 섹션(20)을 포함할 수 있다. 압축기 섹션(14)과 터빈 섹션(18)은 샤프트(22)에 의해 커플링될 수 있다. 샤프트(22)는 단일 샤프트이거나 샤프트(22)를 형성하도록 함께 커플링된 복수 개의 샤프트 세그먼트일 수 있다.
터빈 섹션(18)은 일반적으로 복수 개의 로터 디스크(26; 그 중 하나가 도시됨) 및 로터 디스크(26)로부터 반경 방향 외측으로 연장되고 로터 디스크에 상호 연결되는 복수 개의 로터 블레이드(28)를 갖는 로터 샤프트(24)를 포함할 수 있다. 각각의 로터 디스크(26)는 다시 터빈 섹션(18)을 통해 연장되는 로터 샤프트(24)의 일부에 커플링될 수 있다. 터빈 섹션(18)은 로터 샤프트(24)와 로터 블레이드(28)를 원주 방향으로 둘러쌈으로써 터빈 섹션(18)을 통과하는 고온 가스 경로(32)를 적어도 부분적으로 획정하는 외부 케이싱(30)을 더 포함한다.
작동 중에, 공기 또는 다른 작동 유체는 흡입 섹션(12)을 통해 압축기 섹션(14) 내로 유동하며, 압축기 섹션에서 공기는 점진적으로 압축되어 가압된 공기를 연소 섹션(16) 내의 연소기(도시 생략)에 제공한다. 가압된 공기는 연료와 혼합되고 각각의 연소기 내에서 연소되어 연소 가스(34)를 생성한다. 연소 가스(34)는 연소 섹션(16)으로부터 터빈 섹션(18)으로 고온 가스 경로(32)를 따라 유동하고, 터빈 섹션에서 에너지(운동 및/또는 열)는 연소 가스(34)로부터 로터 블레이드(28)로 전달되어 로터 샤프트(24)가 회전하게 한다. 이어서, 기계적 회전 에너지는 압축기 섹션(14)에 동력을 공급하고 및/또는 전기를 발생시키는 데에 사용될 수 있다. 그 후, 터빈 섹션(18)에서 빠져나가는 연소 가스(34)는 가스 터빈 엔진(10)으로부터 배기 섹션(20)을 통해 배출될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예를 통합할 수 있고 도 1에 도시된 로터 블레이드(28) 대신에 가스 터빈 엔진(10)의 터빈 섹션(18)에 통합될 수 있는 예시적인 로터 블레이드(100)의 도면이다. 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 로터 블레이드(100)는 축방향(A), 반경 방향(R), 및 원주 방향(C)를 획정한다. 반경 방향(R)은 축방향(A)에 대체로 직교하게 연장되고, 원주 방향(C)은 축방향(A)을 중심으로 대체로 동심으로 연장된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(100)는 터빈 섹션(18)(도 1)의 고온 가스 경로(32)를 통해 유동하는 연소 가스(34)에 대한 대체로 반경 방향 내향 유동 경계의 역할을 하는 플랫폼(102)을 포함한다. 보다 구체적으로, 플랫폼(102)은 반경 방향 외부면(106)으로부터 반경 방향으로 떨어져 있는 반경 방향 내부면(104)을 포함한다. 플랫폼(102)은 또한 후단 에지(110)로부터 축방향으로 떨어져 있는 선단 에지(108)를 포함한다. 선단 에지(108)는 연소 가스(34)의 유동 내에 위치 설정되고, 후단 에지(110)는 선단 에지(108)로부터 하류에 위치 설정된다. 더욱이, 플랫폼(102)은 흡입측 슬래시면(114)으로부터 원주 방향으로 떨어져 있는 압력측 슬래시면(112)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(100)는 플랫폼(102)의 반경 방향 내부면(104)으로부터 반경 방향 내향으로 연장되는 생크부(116)를 포함한다. 하나 이상의 천사 날개(118)는 생크부(116)로부터 축방향 외측으로 연장될 수 있다. 생크부(116)와 플랫폼(102)은 집합적으로 도 2에 도시된 실시예에서 생크 포켓(120)을 형성한다. 그렇지만, 몇몇 실시예에서, 생크부(116)와 플랫폼(102)은 생크 포켓(120)을 형성하지 않을 수 있다.
로터 블레이드(100)는 또한 생크부(116)로부터 반경 방향 내측으로 연장되는 루트부(122)를 포함한다. 루트부(122)는 로터 블레이드(100)를 로터 디스크(26; 도 1)에 상호 연결시키거나 고정시킬 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 루트부(122)는 전나무 형태를 갖는다. 그렇지만, 루트부(122)는 물론 임의의 적절한 형태(예컨대, 도브테일 형태 등)를 가질 수 있다. 더욱이, 루트부(122)는 냉각 공기가 로터 블레이드(100)로 유입되게 하는 흡기 포트(124)를 형성할 수 있다.
로터 블레이드(100)는 플랫폼(102)의 반경 방향 외부면(106)으로부터 팁 슈라우드(128)로 반경 방향 외측으로 연장되는 에어포일(126)을 더 포함한다. 따라서, 팁 슈라우드(128)는 대체로 로터 블레이드(100)의 반경 방향 최외측 부분을 형성할 수 있다. 에어포일(126)은 에어포일 루트(130)[즉, 에어포일(126)과 플랫폼(102) 사이의 교차점)에서 플랫폼(102)에 커플링된다. 몇몇 실시예에서, 에어포일 루트(130)는 에어포일(126)과 플랫폼(102) 사이에서 천이되는 반경 또는 필렛(도시 생략)일 수 있다. 이와 관련하여, 에어포일(126)은 에어포일 루트(130)와 팁 슈라우드(128) 사이에서 연장되는 에어포일 스팬(132)을 획정한다. 에어포일(126)은 또한 압력측 벽(134) 및 대향하는 흡입측 벽(136)을 포함한다. 압력측 벽(134)과 흡입측 벽(136)은 연소 가스(34)의 유동 속으로 배향된 에어포일(126)의 선단 에지(138)에서 함께 결합되거나 상호 연결된다. 압력측 벽(134)과 흡입측 벽(136)은 또한 선단 에지(138)로부터 하류측에 떨어져 있는 에어포일(126)의 후단 에지(140)에서 함께 결합되거나 상호 연결된다. 압력측 벽(134)과 흡입측 벽(136)은 선단 에지(138)와 후단 에지(140) 둘레에서 연속적이다. 압력측 벽(134)은 대체로 오목하고, 흡입측 벽(136)은 대체로 볼록하다.
전술한 바와 같이, 팁 슈라우드(128)는 로터 블레이드(100)의 반경 방향 외측 단부에 위치 설정된다. 팁 슈라우드(128)는 로터 블레이드(100)를 지나서 빠져나가는 연소 가스(34)의 양을 감소시킨다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 팁 슈라우드(128)는 그로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 레일(144)을 갖는 반경 방향 외부면(142)을 포함한다. 변형예는 더 많은 레일(144)[예컨대, 2개의 레일(144), 3개의 레일(144) 등]을 포함하거나, 또는 레일(144)을 전혀 포함하지 않을 수 있다. 팁 슈라우드(128)는 또한 에어포일(126)의 선단 에지(138) 및 후단 에지(140)에서 상호 연결되는 압력측 측면(146) 및 흡입측 측면(148)을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 압력측 및 흡입측 측면(146, 148)은 대체로 에어포일(126)의 압력측 및 흡입측 벽(134, 136)과 정렬되지 않는다. 더욱이, 팁 슈라우드(128)는 그 반경 방향 외부면(142)으로부터 반경 방향 내향으로 위치 설정된 반경 방향 내부면(178)을 포함한다.
이제, 도 5를 참조하면, 천이부(150)는 팁 슈라우드(128)를 에어포일(126)의 반경 방향 외측 단부에 커플링시킨다. 천이부(150)는 고온 가스 경로(32) 내의 연소 가스(34)에 대해 노출되는 외부면(180)을 포함한다. 외부면(180)은 에어포일(126)의 압력측 및 흡입측 벽(134, 136)의 외부면을 팁 슈라우드(128)의 반경 방향 내부면(178)에 커플링시킨다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서, 천이부(150)는 에어포일(126)과 팁 슈라우드(128) 사이에서 천이되는 필렛 부분이다. 변형예에서, 천이부(150)는 에어포일(126)과 팁 슈라우드(128) 사이의 챔퍼(도시 생략) 또는 다른 적절한 천이부를 포함할 수 있다.
로터 블레이드(100)는 냉각 공기가 통과하는 하나 이상의 냉각 주 통로를 내부에 형성한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 그 내부에 제1 주 냉각 통로(152A) 및 제2 주 냉각 통로(152B)를 형성한다. 그렇지만, 로터 블레이드(100)는 필요에 따라 또는 원하는 대로 보다 많거나 적은 주 냉각 통로를 형성할 수 있다. 사실상, 로터 블레이드(100)는 로터 블레이드(100)가 적어도 하나의 주 냉각 통로를 형성하는 한 임의의 갯수의 주 냉각 통로를 형성할 수 있다.
제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 각각은 대응하는 입구를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 루트부(122)에 의해 형성된 흡기 포트(124; 도 2)가 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 입구일 수 있다. 그러한 실시예에서, 루트부(122), 생크부(116), 플랫폼(102), 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)를 내부에 형성한다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 입구는 루트부(122), 생크부(116), 플랫폼(102), 및/또는 에어포일(126)에 의해 형성된 임의의 챔버, 통로, 또는 공동[예컨대, 생크 포켓(120)]에 커플링될 수 있다.
제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 각각 제1 주 냉각 통로 출구(154A) 및 제2 주 냉각 통로 출구(154B)에서 종결된다. 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B) 모두는 팁 슈라우드(128)에 의해 형성된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 팁 슈라우드(128)의 압력측 측면(146)은 제1 주 냉각 통로 출구(154A)를 형성하고, 팁 슈라우드(128)의 흡입측 측면(148)은 제2 주 냉각 통로 출구(154B)를 형성한다. 그렇지만, 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B) 각각은 팁 슈라우드(128)의 압력측 측면(146) 또는 흡입측 측면(148) 중 어느 하나에 의해 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)를 내부에 형성한다. 보다 구체적으로, 에어포일(126)은 제1 주 냉각 통로(152A)의 에어포일 부분(156A) 및 제2 주 냉각 통로(152B)의 에어포일 부분(156B)을 형성한다. 로터 블레이드(100)의 천이부(150)는 제1 주 냉각 통로(152A)의 천이부(158A) 및 제2 주 냉각 통로(152B)의 천이부(158B)를 형성한다. 바람직하게는, 천이부(158A, 158B)는 냉각을 증가시키기 위해 로터 블레이드(100)의 천이부(150)의 외부면(180)에 근접하게 위치 설정되어야 한다. 즉, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 천이부(158A, 158B)가 천이부(150)의 외부면(180)에 가까울수록 냉각이 커진다. 팁 슈라우드(126)는 제1 주 냉각 통로(152A)의 팁 슈라우드 부분(160A) 및 제2 주 냉각 통로(152B)의 팁 슈라우드 부분(160B)을 형성한다.
도 5 및 도 6은 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 에어포일 부분(156A, 156B), 천이부(158A, 158B), 및 팁 슈라우드 부분(160A, 160B)의 상이한 형태를 예시한다. 도 6은 명확화를 위해 제2 주 냉각 통로(152B)를 생략한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 에어포일 부분(156A, 156B)은 직선형이지만, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 천이부(158A, 158B) 및 팁 슈라우드 부분(160A, 160B)는 곡선형이다. 그러나, 도 6에 도시된 실시예에서, 제1 주 냉각 통로(152A)의 에어포일 부분(156A) 및 천이부(158A)는 곡선형이고, 팁 슈라우드 부분(160A)은 직선형이다. 그렇지만, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 에어포일 부분(156A, 156B), 천이부(158A, 158B), 및 팁 슈라우드 부분(160A, 160B) 중 임의의 부분이 직선형, 곡선형, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 5에 도시된 실시예에서, 로터 블레이드(100)의 천이부(150)는 필렛 부분을 갖고 제2 주 냉각 통로(152B)의 제2 천이부(158B)는 곡선형이다. 이 실시예에서, 제2 주 냉각 통로(152B)의 제2 천이부(158B)의 곡률은 대체로 필렛 부분의 곡률을 따른다. 즉, 제2 주 냉각 통로(152B)의 천이부(158B)는 필렛 부분의 전체 길이를 따라 필렛 부분의 외부면으로부터 균일하게 떨어져 있다. 제1 주 냉각 통로(152A)의 제1 천이부(158A)의 곡률은 또한 대체로 필렛 부분의 곡률을 따른다. 그렇지만, 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 제1 및 제2 천이부(158A, 158B)의 곡률은 필렛 부분의 곡률을 따르지 않을 수 있다.
제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 및 대응하는 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)는 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 및 대응하는 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)는 원형 단면 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 및 대응하는 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)는 도 7에 예시된 바와 같이 달걀형 또는 타원형 형상을 가질 수 있다. 대응하는 제1 및/또는 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)가 달걀형 단면을 갖는 경우, 압력측 및/또는 흡입측 측면(146, 148)은 더 얇을 수있다(즉, 반경 방향(R)으로 더 짧을 수 있다). 그렇지만, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 및 대응하는 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)는 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 주 냉각 통로(152A) 및 제1 주 냉각 통로 출구(154A)는 제2 주 냉각 통로(152B) 및 제2 주 냉각 통로 출구(154B)와 동일한 단면 형상 또는 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 대응하는 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)와 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 바람직하게는 일정한 직경을 갖는다. 그렇지만, 제1 및/또는 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 직경은 그 길이를 따라 변할 수 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 예컨대, 제1 주 냉각 통로(152A)는 제2 직경(170)보다 작은 제1 직경(168)을 갖는다.
제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 각각은 내부에 위치 설정된 하나 이상의 터뷸레이터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 터뷸레이터는 대응하는 주 냉각 통로(152A, 152B)를 통해 유동하는 냉각 공기에 난류를 생성함으로써, 로터 블레이드(100)와 냉각 공기 사이의 열전달 속도를 증가시킨다. 도 8a 내지 도 8c는 터뷸레이터의 다양한 실시예를 예시한다. 예컨대, 하나 이상의 터뷸레이터는 하나 이상의 직사각형 돌기(172; 도 8a), 하나 이상의 반구형 돌기(174; 도 8b), 하나 이상의 딤플(176; 도 8c), 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 사실상, 하나 이상의 터뷸레이터는 그 내부에 난류를 생성하는 제1 및/또는 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 내에 위치 설정된 임의의 적절한 피쳐일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 각각은 재킷식 코어(182)를 이용하여 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 재킷식 코어(182)는 코어 재료(186)가 충전된 환형 슬리브(184)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 환형 슬리브(184)는 니켈 또는 니켈계 합금으로 형성되고, 코어 재료(186)는 내화성 세라믹(예컨대, 실리카, 알루미나, 멀라이트 등)이다. 재킷식 코어(182)는 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 형상과 같은 다양한 직선형 및/또는 곡선형 부분을 갖는 형태로 변형될 수 있다. 재킷식 코어(182)의 단면 형상은 또한 도 7에 도시된 달걀형 단면을 생성하도록 변형될 수 있다. 일단 제1 또는 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 원하는 형상으로 형성되면, 재킷식 코어(182)는 로터 블레이드(100)를 생성하기 위한 몰드(188) 내에 위치 설정된다. 이어서, 몰드(188)는 로터 블레이드(100)를 형성하는 데에 사용되는 용융 재료(190)(예컨대, 용융된 니켈계 초합금)가 충전된다. 주조 프로세스 동안, 몰드(188) 내로 주입된 용융 재료(190)는 환형 슬리브(184)를 흡수한다. 이와 관련하여, 환형 슬리브(184) 및 로터 블레이드(100)를 형성하는 재료는 주조 프로세스의 완료 시에 이들 사이에 불연속 경계가 존재하지 않도록 충분히 혼합된다. 도 9는 용융 재료(190)가 몰드(188) 내에 주입된 후, 용융 재료(190)가 환형 슬리브(184)를 흡수하기 전의 재킷식 코어(182)를 예시한다. 이후에, 코어 재료(186)는 주조 후에 로터 블레이드(100)로부터 (예컨대, 화학적 침출을 통해) 제거됨으로써, 1차 냉각 통로가 남게 된다. 그러나, 변형예에서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 임의의 적절한 방법 또는 프로세스를 이용하여 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 냉각 공기를 로터 블레이드(100)를 통해 지향시켜 그 다양한 부분을 냉각시킨다. 보다 구체적으로, 냉각 공기[예컨대, 압축기 섹션(14; 도 1)으로부터 배출된 공기]는, 예컨대 흡기 포트(124; 도 2)를 통해 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)에 유입된다. 냉각 공기는 적어도 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 에어포일 부분(156A, 156B), 천이부(158A, 158B), 및 팁 슈라우드 부분(160A, 160B)을 통해 유동한다. 입구의 위치에 따라, 냉각 공기는 물론 로터 블레이드(100)의 다른 부분을 통해 유동할 수 있다. 예컨대, 냉각 공기는 또한 흡기 포트(124)가 제1 및/또는 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)의 입구에 있다면 루트부(122; 도 2), 생크부(116; 도 2), 및 플랫폼(102; 도 2)을 통해 유동할 수 있다. 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)를 통해 유동하면서, 냉각 공기는 로터 블레이드(100)로부터 열을 흡수하여 로터 블레이드를 냉각시킨다. 즉, 로터 블레이드(100)로부터의 열은 대류식으로 냉각 공기로 전달된다. 냉각 공기는 대응하는 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 통해 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)에서 빠져나가고 고온 가스 경로(32; 도 1) 내로 유동한다.
도 10은 로터 블레이드(100)의 변형예를 예시한다. 이 실시예에서, 로터 블레이드(100)는 그 내부에 제1 주 냉각 통로(152A)와 유체 연통하는 하나 이상의 보조 냉각 통로를 형성한다. 아래에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 하나 이상의 보조 냉각 통로는 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)에 의해 제공되는 대류 냉각에 추가하여 또는 그 대신에 로터 블레이드 (100)에 대해 필름 냉각 및/또는 추가적인 대류 냉각을 제공한다.
도 10에 도시된 실시예에서, 로터 블레이드(100)의 팁 슈라우드(128)는 그 내부에 제1 보조 냉각 통로(162A) 및 제2 보조 냉각 통로(162B)를 형성한다. 로터 블레이드(100)의 팁 슈라우드(128) 및 천이부(150)는 집합적으로 그 내부에 제3 보조 냉각 통로(162C) 및 제4 보조 냉각 통로(162D)를 형성한다. 다른 실시예에서, 로터 블레이드(100)는 필요에 따라 또는 원하는 대로 보다 많거나 적은 보조 냉각 통로를 형성할 수 있다. 도 10은 단지 제1 주 냉각 통로(152A)만을 도시하고 있지만, 추가의 보조 냉각 통로가 로터 블레이드(100)에 의해 형성된 다른 주 냉각 통로[예컨대, 제2 주 냉각 통로(152B)]와 유체 연통할 수 있음은 물론이다.
도 10에 예시된 바와 같이, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 각각 제1 주 냉각 통로(152A)로부터 제1 보조 냉각 통로 출구(164A), 제2 보조 냉각 통로 출구(164B), 제3 보조 냉각 통로 출구(164C), 및 제4 보조 냉각 통로 출구(164D)로 연장된다. 도 10에 도시된 실시예에서, 팁 슈라우드(128)의 반경 방향 외부면(142)은 제1 및 제2 보조 냉각 통로 출구(164A, 164B)를 형성하고, 천이부(150)는 제3 및 제4 보조 냉각 통로 출구(164C, 164D)를 형성한다. 다른 실시예에서, 팁 슈라우드(128)의 천이부(150) 또는 반경 방향 외부면(142) 중 하나가 제1, 제2, 제3 및 제4 출구(164A, 164B, 164C, 164D) 모두를 형성할 수 있다. 그렇지만, 제1, 제2, 제3 및 제4 출구(164A, 164B, 164C, 164D)는 천이부(150) 또는 팁 슈라우드(128)의 임의의 표면에 의해 형성될 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 냉각 공기를 로터 블레이드(100)의 외부면 상에 지향시키도록 배향될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 보조 냉각 통로(162A, 162B)는 팁 슈라우드(128)의 반경 방향 외부면(142) 상으로 공기를 지향시킬 수 있다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 보조 냉각 통로(162A, 162B)는 바람직하게는 팁 슈라우드(128)의 반경 방향 외부면(142)에 대해 일정 각도로 배향된다. 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162C, 162D)는 천이부(150)의 외부면(180) 상으로 공기를 지향시킬 수 있다. 이에 따라, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162C, 162D)는 천이부(150)의 외부면(180)에 대해 일정 각도로 배향될 수 있다. 사실상, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162C, 162D)는 천이부(150)의 외부면(180)에 대해 접선 방향으로 배향될 수 있다. 바람직하게는, 냉각 공기는 로터 블레이드(100)의 외부면에 대해 실질적으로 평행하게 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)에서 빠져나간다. 냉각 공기를 로터 블레이드(100)의 외부면 상으로 지향시키도록 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)를 배향시키면 그 로터 블레이드의 필름 냉각이 용이하게 된다. 변형예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 냉각 공기를 로터 블레이드(100)의 외부면 상에 지향시키지 않을 수 있다.
플러그(166)는 하나 이상의 보조 냉각 통로를 포함하는 실시예에서 제1 주 냉각 통로(152A)의 제1 주 냉각 통로 출구(154A)에 위치 설정될 수 있다. 보다 구체적으로, 플러그(166)는 제1 주 냉각 유로 출구(154A)를 통한 냉각 공기의 유동을 폐색한다. 따라서, 제1 주 냉각 통로(152A)에 존재하는 모든 냉각 공기는 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D) 내로 유입된다. 그 후, 냉각 공기는 대응하는 제1, 제2, 제3 또는 제4 보조 냉각 통로 출구(164A, 164B, 164C, 164D)를 통해 로터 블레이드(100)에서 빠져나간다. 이와 관련하여, 제1 주 냉각 통로(152A)는 플러그(166)에 의해 폐색될 때에 플레넘의 역할을 하여 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)에 냉각 공기를 공급한다. 플러그(166)는 제1 주 냉각 통로(152A) 내에 가압 끼워맞춤되거나 그렇지 않으면 팁 슈라우드(128)에 고정식으로 결합될 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 임의의 적절한 형태 및 단면을 가질 수 있다. 도 10에 도시된 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D) 모두는 직선형이다. 그렇지만, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)의 일부 또는 전부는 다른 실시예에서 곡선형일 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 원형 단면 형상 또는 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)의 직경은 바람직하게는 그 길이를 따라 균일하고, 제1 주 냉각 통로(152A)의 가장 작은 직경[예컨대, 직경(168; 도 5)]보다 작다. 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)의 직경은 불균일하고, 제1 주 냉각 통로(152A)의 가장 작은 직경과 동일하거나 그보다 큰 직경일 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 임의의 적절한 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 주조 후에 로터 블레이드(100)를 드릴링 또는 기계 가공함으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는, 예컨대 재킷식 코어(182; 도 9)를 이용하여 주조 프로세스 중에 형성될 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 필름 냉각 및/또는 대류 냉각을 로터 블레이드(100)에 제공한다. 보다 구체적으로, 냉각 공기는 위에서 더 상세하게 논의된 바와 같이 제1 주 냉각 통로(152A)를 통해 유동함으로써 로터 블레이드(100)로부터의 열을 대류식으로 흡수한다. 플러그(166)는 냉각 공기가 제1 주 냉각 유로 출구(154A)를 통해 제1 주 냉각 통로(152A)에서 빠져나가는 것을 방지한다. 따라서, 제1 주 냉각 통로(152A)는 플러그(166)에 의해 폐색될 때에 플레넘의 역할을 하여 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)에 냉각 공기를 공급한다. 그 후, 냉각 공기는 대응하는 제1, 제2, 제3 및 제4 출구(164A, 164B, 164C, 164D)를 통해 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)에서 빠져나간다. 냉각 공기는 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)를 통해 유동하면서 로터 블레이드(100)로부터 추가 열을 대류식으로 흡수할 수 있다. 제1 및 제2 보조 냉각 통로(162A, 162B)는 팁 슈라우드(128)의 반경 방향 외부면(142) 상으로 냉각 공기를 지향시킴으로써 그 외부면 상에 냉각 필름을 형성할 수 있다. 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162C, 162D)는 천이부(150)의 외부면(180) 상으로 냉각 공기를 지향시킴으로써 그 외부면 상에 냉각 필름을 형성할 수 있다. 냉각 공기의 필름은 고온 가스 경로(32)를 통해 유동하는 연소 가스(34)로부터 로터 블레이드(100)를 절연시키는 장벽으로서 작용한다. 몇몇 실시예에서, 보조 냉각 통로는 필름 냉각을 허용하는 방식으로 배향되지 않을 수 있다.
위에서 더 상세하게 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 에어포일(126), 팁 슈라우드(128) 및 천이부(150)를 대류식으로 냉각시킨다. 보다 구체적으로, 팁 슈라우드(128)의 압력측 및/또는 흡입측 측면(146, 148)은 제1 및 제2 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 형성한다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 종래의 냉각 통로 구성과 비교하여 팁 슈라우드(128)에 증가된 냉각을 제공한다. 더욱이, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 바람직하게는 로터 블레이드(100)의 천이부(150)의 외부면(180)에 인접하게 위치 설정되어 그 곡률을 따른다. 따라서, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B)는 또한 종래의 냉각 통로 구성과 비교하여 천이부(150)에 증가된 냉각을 제공한다. 특정 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 팁 슈라우드(128)와 천이부(150)에 필름 냉각 및/또는 추가적인 대류 냉각을 제공함으로써, 로터 블레이드(100)에 추가 냉각을 제공한다. 또한, 제1 및 제2 주 냉각 통로(152A, 152B) 및/또는 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 종래의 냉각 통로 구성과 달리 로터 블레이드(100)의 중량을 원치않게 증가시키지 않는다.
이상 기술된 설명은, 예를 이용하여 최선의 방식을 비롯한 기술을 개시하고 있으며, 또한 당업자가, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 이용하도록 하는 것 그리고 임의의 통합된 방법을 수행하도록 하는 것을 비롯하여 기술을 실시할 수 있도록 한다. 본 기술의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 착안 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 이들 예가 청구범위의 문어적 어구와 상이하지 않은 구조 요소를 포함한다면, 또는 이들 예가 청구범위의 문어적 어구와 미미한 차이를 갖는 등가의 구조 요소를 포함한다면, 청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다.
10: 가스 터빈 엔진 12: 흡입 섹션
14: 압축기 섹션 16: 연소 섹션
18: 터빈 섹션 20: 배기 섹션
22: 샤프트 24: 로터 샤프트
26: 로터 디스크 28: 로터 블레이드
30: 외부 케이싱 32: 고온 가스 경로
34: 연소 가스 100: 로터 블레이드
102: 플랫폼

Claims (15)

  1. 가스 터빈 엔진(10)용의 로터 블레이드(100)로서,
    에어포일(126);
    측면(146, 148)과 반경 방향 외부면(142)을 포함하는 팁 슈라우드(128); 및
    상기 팁 슈라우드(128)를 에어포일(126)에 연결하는 천이부(150)를 포함하고,
    상기 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 주 냉각 통로(152A, 152B)를 내부에 형성하며,
    상기 주 냉각 통로(152A, 152B)는 상기 팁 슈라우드(128)의 측면(146, 148)에 의해 형성되는 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 포함하는 것인 로터 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팁 슈라우드(128)의 압력측 측면(146)은 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 형성하는 것인 로터 블레이드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 팁 슈라우드(128)의 흡입측 측면(148)은 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 형성하는 것인 로터 블레이드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 팁 슈라우드(128)는 주 냉각 통로(152A, 152B)와 유체 연통하는 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)를 형성하는 것인 로터 블레이드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 주 냉각 통로(152A, 152B)로부터 팁 슈라우드(128)의 반경 방향 외부면(142)에 의해 형성된 보조 냉각 통로 출구(164A, 164B, 164C, 164D)로 연장되는 것인 로터 블레이드.
  6. 제4항에 있어서, 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)에 위치 설정되는 플러그(166)를 더 포함하고, 상기 플러그(166)는 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)를 통한 유체 유동을 지향시키도록 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 통한 유체 유동을 폐색하는 것인 로터 블레이드.
  7. 제4항에 있어서, 상기 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 직선형인 것인 로터 블레이드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 팁 슈라우드(128)와 천이부(150)는 집합적으로 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)를 형성하고, 상기 보조 냉각 통로(162A, 162B, 162C, 162D)는 주 냉각 통로(152A, 152B)로부터 천이부(150)의 외부면(180)에 의해 형성된 보조 냉각 통로 출구(164A, 164B, 164C, 164D)로 연장되는 것인 로터 블레이드.
  9. 제1항에 있어서, 로터 블레이드(100)의 천이부(150)에 의해 형성되는 주 냉각 통로(152A, 152B)의 부분(158A, 158B)은 곡선형인 것인 로터 블레이드.
  10. 제9항에 있어서, 상기 에어포일(126)에 의해 형성된 주 냉각 통로(152A, 156B)의 부분(156A, 156B) 및 팁 슈라우드(128)에 의해 형성된 주 냉각 통로(152A, 152B)의 부분(160A, 160B)은 직선형인 것인 로터 블레이드.
  11. 제9항에 있어서, 상기 에어포일(126)에 의해 형성된 주 냉각 통로(152A, 156B)의 부분(156A, 156B) 및 팁 슈라우드(128)에 의해 형성된 주 냉각 통로(152A, 152B)의 부분(160A, 160B)은 곡선형인 것인 로터 블레이드.
  12. 제1항에 있어서, 상기 주 냉각 통로(152A, 152B)는 하나 이상의 터뷸레이터(172, 174, 176)를 포함하는 것인 로터 블레이드.
  13. 제1항에 있어서, 상기 주 냉각 통로(152A, 152B)의 출구는 달걀형 단면을 갖는 것인 로터 블레이드.
  14. 제1항에 있어서, 상기 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 복수 개의 주 냉각 통로(152A, 152B)를 내부에 형성하는 것인 로터 블레이드.
  15. 가스 터빈 엔진(10)으로서,
    압축기 부분(14);
    연소 부분(16); 및
    하나 이상의 로터 블레이드(100)를 포함하는 터빈 부분(18)을 포함하고, 각각의 로터 블레이드(100)는,
    에어포일(126);
    측면(146, 148)과 반경 방향 외부면(142)을 포함하는 팁 슈라우드(128); 및
    상기 팁 슈라우드(128)를 에어포일(126)에 연결하는 천이부(150)를 포함하고,
    상기 에어포일(126), 천이부(150), 및 팁 슈라우드(128)는 집합적으로 주 냉각 통로(152A, 152B)를 내부에 형성하며,
    상기 주 냉각 통로(152A, 152B)는 상기 팁 슈라우드(128)의 측면(146, 148)에 의해 형성되는 주 냉각 통로 출구(154A, 154B)를 포함하는 것인 가스 터빈 엔진.
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