KR20180059912A - 터빈 블레이드 및 가스 터빈, 터빈 블레이드의 중간 가공품, 터빈 블레이드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

터빈 블레이드, 가스 터빈, 터빈 블레이드의 중간 가공품, 터빈 블레이드의 제조 방법에 있어서, 중공 형상을 이루는 날개 본체(51)와, 날개 본체(51)의 내부에 설치되는 캐비티(52, 53, 54)와, 캐비티(52, 53, 54)로부터 날개 본체(51)의 후단부에 개방하는 냉각 통로(55)를 구비하고, 냉각 통로(55)로서, 제3 캐비티(54) 측에 설치되어 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 좁아지는 제1 통로(81)와, 날개 본체(51)의 후단부 측에 설치되어 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 일정한 제2 통로(82)를 설치한다.

Description

터빈 블레이드 및 가스 터빈, 터빈 블레이드의 중간 가공품, 터빈 블레이드의 제조 방법

본 발명은 가스 터빈에 있어서의 정익(靜翼) 또는 동익(動翼)으로서 사용되는 터빈 블레이드, 이 터빈 블레이드가 적용된 가스 터빈, 터빈 블레이드를 제조하기 위한 중간 가공품, 터빈 블레이드를 제조하기 위한 터빈 블레이드 제조 방법에 관한 것이다.

일반적인 가스 터빈은 압축기와 연소기와 터빈에 의해 구성되어 있다. 그리고 공기 취입구로부터 취입된 공기가 압축기에 의해 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기로 되고, 연소기에서 이 압축 공기에 대해 연료를 공급하여 연소시킴으로써 고온·고압의 연소 가스(작동 유체)를 얻고, 이 연소 가스에 의해 터빈을 구동하여, 이 터빈에 연결된 발전기를 구동한다.

이와 같이 구성된 터빈에서, 예를 들어 정익은 날개 본체에 있어서의 길이 방향의 일 단부가 외측 슈라우드(outer shroud)에 지지되고, 타 단부가 내측 슈라우드(inner shroud)에 지지되어 있다. 그리고 외측 슈라우드로부터 날개 본체 안에 도입된 냉각 공기는 날개 본체의 내벽 면을 따라 흐름으로써 이 날개 본체의 내벽 면을 냉각하고, 그 후 날개 본체에 형성된 냉각 구멍으로부터 외부에 배출되어 날개 본체의 외벽 면을 따라 흐름으로써 이 날개 본체의 외벽 면을 냉각한다. 또한, 날개 본체 안에 도입된 냉각 공기는 날개 본체의 후단부에 형성된 냉각 통로를 흘러 외부에 배출됨으로써, 이 날개 본체의 후단부를 냉각한다.

이러한 정익의 냉각 구조가 적용된 가스 터빈으로서는, 예를 들어 하기 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이 특허문헌 1에 기재된 터빈 정익에서, 날개 본체의 후단부에 형성된 냉각 통로는 복수의 냉각 핀이 배치되는 동시에 출구부에 복수의 받침대(pedestal)가 배열된 노즐 형상을 이루고 있다. 그리고 이 냉각 통로는 출구부를 향해 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상(tapered form)을 이루고 있다.

일본 공개특허공보 제2009-287511호

정익은 날개 본체의 냉각 성능을 향상시키고 싶기 때문에, 후단부의 냉각 통로의 폭을 좁게 하는 동시에 공기 항력 계수(Cd 값)를 작게 하는 것이 요망되고 있다. 그 때문에, 종래 날개 본체의 냉각 통로는 출구부를 향해 좁힌 테이퍼 형상으로 되어 있다. 그런데 날개 본체의 냉각 통로가 테이퍼 형상이기 때문에, 출구부에 있어서의 선단 개구 폭을 적정 폭으로 설정하기 위해 정밀도가 높은 가공 기술이 요구되어, 가공 비용이 증가한다는 과제가 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하는 것이며, 날개 후단부의 냉각 통로에 있어서의 저항을 저감하여 날개에 있어서의 냉각 성능의 향상을 도모하는 동시에 제조 비용의 증가를 억제하는 터빈 블레이드, 가스 터빈, 터빈 블레이드의 중간 가공품, 터빈 블레이드의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈 블레이드는, 중공 형상을 이루는 날개 본체와, 상기 날개 본체의 내부에 설치되는 캐비티(cavity)와, 상기 캐비티로부터 상기 날개 본체의 후단부에 개방하는 냉각 통로를 구비하고, 상기 냉각 통로는, 상기 캐비티 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 좁아지는 제1 통로와, 상기 날개 본체의 후단부 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 일정한 제2 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서 냉각 통로로서 폭이 좁아지는 제1 통로를 설치함으로써, 냉각 통로로부터 외부에 배출되는 냉각 공기량을 적정하게 조정할 수 있고, 제1 통로에 연속하여 폭이 일정한 제2 통로를 설치함으로써, 유로 저항을 저감하여 냉각 공기량을 저감할 수 있다. 그 결과, 날개 후단부의 냉각 통로에 있어서의 저항을 저감하여 날개에 있어서의 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있는 동시에 제조 비용의 증가를 억제할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드에서는, 상기 제2 통로는, 유량 조정 기구가 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서 제2 통로에 유량 조정 기구가 설치되어 있어, 유량 조정 기구에 의해 냉각 공기를 정류하여 적정하게 배출할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드에서는, 상기 유량 조정 기구는, 상기 날개 본체의 상기 제2 통로 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥(柱)이 소정 간격을 두고 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서 제2 통로 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥을 소정 간격을 두고 설치함으로써 유량 조정 기구를 구성하고 있어, 구조의 간소화를 도모할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드에서는, 상기 냉각 통로는, 일 단부가 상기 제2 통로에 연통하고 타 단부가 상기 날개 본체의 후단부에 개방하여 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 일정한 제3 통로가 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서 제2 통로에 연통하고 폭이 일정한 제3 통로를 후단부에 개방하여 설치함으로써, 제2 통로를 통과한 냉각 공기가 압력 손실을 받지 않고 적정하게 배출할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드에서는, 상기 날개 본체는, 상기 캐비티와 외부를 연통하는 복수의 냉각 구멍이 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서 캐비티로부터 복수의 냉각 구멍을 통해 외부에 배출된 냉각 공기가 날개 본체의 외벽 면을 따라 흐름으로써, 날개 본체를 효율 좋게 냉각할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드에서는, 상기 캐비티는, 상기 날개 본체의 내벽 면으로부터 소정 간격을 두고 복수의 관통 구멍을 갖는 칸막이 판이 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서 캐비티로부터 칸막이 판의 각 관통 구멍을 통한 냉각 공기가 날개 본체의 내벽 면을 따라 흐름으로써, 날개 본체를 효율 좋게 냉각할 수 있다.

또한, 본 발명의 가스 터빈에 있어서는, 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와, 상기 연소기가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈을 구비하고, 터빈의 정익으로서 상기 터빈 정익이 이용되는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서 날개 후단부의 냉각 통로에 있어서의 저항을 저감하여 날개에 있어서의 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있는 동시에 제조 비용의 증가를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 터빈 블레이드의 중간 가공품에 있어서는, 중공 형상을 이루는 날개 본체와, 상기 날개 본체의 내부에 설치되는 캐비티와, 상기 캐비티로부터 상기 날개 본체의 후단부에 개방하는 냉각 통로를 구비하고, 상기 냉각 통로는, 상기 캐비티 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 좁아지는 제1 통로와, 상기 날개 본체의 후단부 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 일정한 제2 통로와, 상기 제2 통로에 설치되는 유량 조정 기구와, 일 단부가 상기 제2 통로에 연통하고 타 단부가 상기 날개 본체의 후단부에 개방하는 제3 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서 냉각 통로로서 폭이 일정한 제2 통로를 갖는 중간 가공품으로 함으로써, 이 중간 가공품에 대해 마무리 가공하는 것만으로 용이하게 터빈 정익을 제조할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드의 중간 가공품에서는, 상기 유량 조정 기구는, 상기 날개 본체의 상기 제2 통로 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥이 소정 간격을 두고 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서 제2 통로 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥을 소정 간격을 두고 설치함으로써 유량 조정 기구를 구성하고 있어, 구조의 간소화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 터빈 블레이드의 제조 방법에 있어서는, 상기 터빈 블레이드의 중간 가공품을 주조에 의해 제작하는 공정과, 주조된 상기 중간 가공품에 있어서의 상기 날개 본체의 후단부를 절삭 가공하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서 주조된 중간 가공품에 있어서의 날개 본체의 후단부를 절삭 가공해도 제3 통로의 폭이 변동하지 않으며, 제2 통로에 의한 높은 냉각 성능을 유지할 수 있다.

본 발명의 터빈 블레이드, 가스 터빈, 터빈 블레이드의 중간 가공품, 터빈 블레이드의 제조 방법에 의하면, 냉각 통로로서 폭이 좁아지는 제1 통로와 이 제1 통로에 연속하여 폭이 일정한 제2 통로를 설치하기 때문에, 날개 후단부의 냉각 통로에 있어서의 저항을 저감하여 날개에 있어서의 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있는 동시에 제조 비용의 증가를 억제할 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 터빈 정익을 나타내는 단면도이다.
도 2는 터빈 블레이드에 있어서의 후단부의 단면도이다.
도 3은 터빈 블레이드의 냉각 통로를 나타내는 도 2의 Ш- Ш 단면도이다.
도 4는 터빈 블레이드에 있어서의 냉각 통로의 출구부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 실시형태의 가스 터빈을 나타내는 개략 구성도이다.
도 6은 본 실시형태의 터빈의 요부를 나타내는 개략도이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 터빈 블레이드, 가스 터빈, 터빈 블레이드의 중간 가공품, 터빈 블레이드의 제조 방법의 적절한 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 또한 실시형태가 복수 있는 경우에는 각 실시형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.

도 5는 본 실시형태의 가스 터빈을 나타내는 개략 구성도, 도 6은 본 실시형태의 터빈의 요부를 나타내는 개략도이다.

본 실시형태에 있어서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈(10)은 압축기(11)와 연소기(12)와 터빈(13)에 의해 구성되어 있다. 이 가스 터빈(10)은 동축 상에 도시하지 않은 발전기가 연결되어 있어, 발전 가능해지고 있다.

압축기(11)는, 공기를 취입하는 공기 취입구(20)를 갖고, 압축기 차실(車室)(21) 안에 입구 안내 베인(IGV:Inlet Guide Vane)(22)이 배치되는 동시에 복수의 정익(23)과 동익(24)이 전후 방향(후술하는 로터(32)의 축 방향)으로 교호하여 배치되어 있고, 그 외측에 추기실(抽氣室)(25)이 설치되어 있다. 연소기(12)는 압축기(11)에서 압축된 압축 공기에 대해 연료를 공급하고, 점화함으로써 연소 가능해지고 있다. 터빈(13)은, 터빈 차실(26) 안에 복수의 정익(27)과 동익(28)이 전후 방향(후술하는 로터(32)의 축 방향)으로 교호하여 배치되어 있다. 이 터빈 차실(26)의 하류 측에는, 배기 차실(29)을 개재시켜 배기실(30)이 배치되어 있고, 배기실(30)은 터빈(13)에 연속하는 배기 디퓨저(exhaust diffuser)(31)를 갖고 있다.

또한, 압축기(11), 연소기(12), 터빈(13), 배기실(30)의 중심부를 관통하도록 로터(회전축)(32)가 위치하고 있다. 로터(32)는, 압축기(11) 측의 단부가 베어링부(33)에 의해 회전 자유자재로 지지되는 한편, 배기실(30) 측의 단부가 베어링부(34)에 의해 회전 자유자재로 지지되어 있다. 그리고 이 로터(32)는, 압축기(11)에서, 각 동익(24)이 장착된 디스크가 복수 중첩되어 고정되고, 터빈(13)에서, 각 동익(28)이 장착된 디스크가 복수 중첩되어 고정되어 있으며, 압축기(11) 측의 단부에 도시하지 않은 발전기의 구동축이 연결되어 있다.

그리고 이 가스 터빈(10)은, 압축기(11)의 압축기 차실(21)이 다리부(35)에 지지되고, 터빈(13)의 터빈 차실(26)이 다리부(36)에 의해 지지되며, 배기실(30)이 다리부(37)에 의해 지지되어 있다.

따라서 압축기(11)의 공기 취입구(20)로부터 취입된 공기가 입구 안내 베인(22), 복수의 정익(23)과 동익(24)을 통과하여 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기로 된다. 연소기(12)에서, 이 압축 공기에 대해 소정의 연료가 공급되어, 연소한다. 그리고 이 연소기(12)에서 생성된 작동 유체인 고온·고압의 연소 가스가 터빈(13)을 구성하는 복수의 정익(27)과 동익(28)을 통과함으로써 로터(32)를 구동 회전하여, 이 로터(32)에 연결된 발전기를 구동한다. 한편, 터빈(13)을 구동한 연소 가스는 배기 가스로서 대기에 방출된다.

상술한 터빈(13)에 있어서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 원통 형상을 이루는 터빈 차실(26)은, 그 내측에 링(ring) 형상을 이루는 연소 가스(G)가 흐르는 연소 가스 통로(40)가 설치되고, 이 연소 가스 통로(40)에 복수의 정익(27)과 동익(28)이 원주 방향으로 소정 간격으로 배치되는 동시에 연소 가스(G)의 흐름 방향을 따라 교호하여 배치되어 있다. 이 정익(27)은, 길이 방향(로터(32)의 직경 방향)에 있어서의 일 단부(직경 방향의 외측)에 외측 슈라우드(41)가 고정되고, 타 단부(직경 방향의 내측)에 내측 슈라우드(42)가 고정되어 구성되어 있다. 그리고 이 외측 슈라우드(41)가 터빈 차실(26)에 지지되어 있다. 한편, 동익(28)은, 길이 방향(로터(32)의 직경 방향)에 있어서의 기단부(직경 방향의 내측)에 플랫폼(43)이 고정되어 구성되어 있다. 그리고 이 플랫폼(43)이 디스크를 개재시켜 로터(32)에 고정되고, 선단부(직경 방향의 외측)가 터빈 차실(26)의 내벽 면 근방까지 연장되어 있다.

이하, 본 발명의 터빈 블레이드를 구성하는 정익(27)에 대해 상세히 설명한다. 도 1은 본 실시형태의 터빈 정익을 나타내는 단면도, 도 2는 터빈 블레이드에 있어서의 후단부의 단면도, 도 3은 터빈 블레이드의 냉각 통로를 나타내는 도 2의 Ш-Ш 단면도, 도 4는 터빈 블레이드에 있어서의 냉각 통로의 출구부를 나타내는 단면도이다.

본 실시형태에 있어서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 정익(27)은 날개 본체(51)와, 캐비티(52, 53, 54)와, 냉각 통로(55)를 구비하고 있다.

날개 본체(51)는, 중공 형상을 이루고, 연소 가스의 유동 방향의 상류 측(도 1에서, 상측)으로 되는 전단부가 만곡 단면 형상을 이루며, 연소 가스의 유동 방향의 하류 측(도 1에서, 하측)으로 되는 후단부가 테이퍼 단면 형상을 이루고 있다. 이 날개 본체(51)는, 내부가 2개의 격벽(61, 62)에 의해 3개의 캐비티(52, 53, 54)로 구획되어 있다. 제1 캐비티(52)는 날개 본체(51)의 전단부 측에 배치되고, 제3 캐비티(54)는 날개 본체(51)의 후단부 측에 배치되며, 제2 캐비티(53)는 제1 캐비티(52)와 제3 캐비티(54) 사이에 배치되어 있다. 그리고 날개 본체(51)는, 각 캐비티(52, 53, 54)에 대응하여 소정의 위치에 각각 내부와 외부를 관통하는 복수의 냉각 구멍(63, 64, 65)이 형성되어 있다.

날개 본체(51)는, 그 내측에 각 캐비티(52, 53, 54)에 대응하여 칸막이 판(66, 67, 68)이 배치되어 있다. 이 칸막이 판(66, 67, 68)은, 통(筒) 형상을 이루고, 길이 방향의 각 단부가 날개 본체(51) 또는 각 슈라우드(41, 42)에 고정되어 있다. 각 칸막이 판(66, 67, 68)은, 날개 본체(51)의 내벽 면으로부터 소정 간격을 두고 배치됨으로써, 각 캐비티(52, 53, 54)의 주위에 냉각 공간부(52a, 53a, 54a)가 구획된다. 그리고 각 칸막이 판(66, 67, 68)은, 복수의 관통 구멍(69, 70, 71)이 형성되어 있고, 이 각 관통 구멍(69, 70, 71)에 의해 캐비티(52, 53, 54)와 냉각 공간부(52a, 53a, 54a)가 연통되어 있다.

냉각 통로(55)는 제3 캐비티(54)로부터 날개 본체(51)의 후단부에 개방하고 있다. 이 냉각 통로(55)는 제1 통로(81)와 제2 통로(82)를 갖고 있다. 제1 통로(81)는 제3 캐비티(54) 측에 설치되어 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 좁아지고 있다. 제2 통로(82)는 날개 본체(51)의 후단부 측에 설치되어 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 일정하게 되어 있다.

도 2부터 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 통로(81)는, 기단부가 제3 캐비티(54)에 연통하고, 선단부가 날개 본체(51)의 후단부를 향해 연장하며, 그 폭이 좁아지도록 구성되어 있다. 즉, 제1 통로(81)는 날개 본체(51)를 구성하는 배측(腹側)의 벽부(51a)와 등측(背側)의 벽부(51b)에 의해 구획된 통로이며, 대향하는 벽면(81a, 81b)에 의해 형성되어 있다. 이 벽면(81a, 81b)은, 냉각 공기(S)의 흐름 방향에 있어서의 하류 측을 향해 그 폭이 좁아지고 있다. 또한, 제1 통로(81)는, 복수의 냉각 핀(91)이 소정 간격을 두고 설치됨으로써, 핀 휜(pin fin) 냉각 구조로 되어 있다. 각 냉각 핀(91)은 날개 본체(51)의 각 벽부(51a, 51b)에 있어서의 벽면(81a, 81b)을 연결하도록 고정되어 있고, 제1 통로(81)를 흐르는 냉각 공기(S)의 흐름 방향과 교차하고 있다. 그리고 이 각 냉각 핀(91)은 제1 통로(81)에 새발 격자무늬(houndstooth check; 千鳥格子狀)를 이루어 배치되어 있다.

제2 통로(82)는, 유량 조정 기구가 설치되어 있고, 이 유량 조정 기구는, 제2 통로(82) 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥이 소정 간격을 두고 설치되어 구성되어 있다. 즉, 제2 통로(82)는, 기단부가 제1 통로(81)에 연통하고, 선단부가 날개 본체(51)의 후단부를 향해 연장하며, 그 폭이 일정하게 되도록 구성되어 있다. 즉, 제2 통로(82)는 날개 본체(51)를 구성하는 배측의 벽부(51a)와 등측의 벽부(51b)에 의해 구획된 통로이며, 대향하는 벽면(82a, 82b)에 의해 형성되어 있다. 이 벽면(82a, 82b)은 냉각 공기(S)의 흐름 방향을 향해 평행하여, 그 폭이 일정하게 되어 있다. 또한, 제2 통로(82)는, 복수의 기둥 형상을 이루는 받침대(92)가 날개 본체(51)의 길이 방향(도 3의 좌우 방향)을 따라 소정 간격을 두고 설치됨으로써, 노즐 냉각 구조로 되어 있다. 각 받침대(92)는 날개 본체(51)의 각 벽부(51a, 51b)에 있어서의 벽면(82a, 82b)을 연결하도록 고정되어 있고, 제2 통로(82)를 흐르는 냉각 공기(S)의 흐름 방향과 교차하고 있다.

그리고 이 각 받침대(92)는, 인접하는 받침대(92)와 대향하는 각 측면이 냉각 공기(S)의 흐름 방향을 따르는 평면이며, 냉각 공기(S)의 흐름 방향의 상류 측의 측면이 그 상류 측으로 볼록하게 되는 반원 형상이며, 냉각 공기(S)의 흐름 방향의 하류 측의 측면이 냉각 공기(S)의 흐름 방향과 직교하는 평면이다. 또한, 각 받침대(92)는, 각 측부가 각 벽면(82a, 82b)에 대해 원호 형상을 이루어 매끄럽게 단차 없이 연속하고 있다.

또한, 냉각 통로(55)는 제3 통로(83)를 갖고 있다. 제3 통로(83)는, 기단부가 제2 통로(82)에 연통하고, 선단부가 날개 본체(51)의 후단부에 개방하고, 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 일정해지도록 구성되어 있다. 즉, 제3 통로(83)는 날개 본체(51)를 구성하는 배측의 벽부(51a)와 등측의 벽부(51b)에 의해 구획된 통로이며, 대향하는 벽면(83a, 83b)에 의해 형성되어 있다. 이 벽면(83a, 83b)은 냉각 공기(S)의 흐름 방향을 향해 평행하여, 그 폭이 일정하게 되어 있다.

즉, 제1 통로(81)는 제3 캐비티(54)로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 그 폭이 좁아지는 통로이며, 영역(A)에 설치되어 있다. 제2 통로(82)는 제1 통로(81)로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 그 폭이 일정하게 되는 통로이며, 영역(B)에 설치되어 있다. 여기서, 제1 통로(81)의 벽면(81a, 81b)은 냉각 공기(S)의 흐름 방향을 따라 만곡하고 있어, 제1 통로(81)(벽면(81a, 81b))와 제2 통로(82)(벽면(82a, 82b))와는 단차 없이 연속하고 있다. 제1 통로(81)(영역(A))와 제2 통로(82)(영역(B))와의 경계는 벽면(81a, 81b)과 받침대(92)의 원호 형상을 이루는 측면과의 접점이다. 또한, 제3 통로(83)는 제2 통로(82)로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 그 폭이 일정하게 되는 통로이며, 영역(C)에 설치되어 있다. 여기서, 제2 통로(82)의 벽면(82a, 82b)과 제3 통로(83)의 벽면(83a, 83b)은 각각 냉각 공기(S)의 흐름 방향을 따라 평행한 평면이며, 제2 통로(82)(벽면(82a, 82b))와 제3 통로(83)(벽면(83a, 83b))와는 단차 없이 연속하고 있다. 제2 통로(82)(영역(B))와 제3 통로(83)(영역(C))와의 경계는 받침대(92)의 원호 형상을 이루는 측면과 벽면(83a, 83b)과의 접점이다.

이와 같이 구성된 정익(27)은 주조에 의해 주물로서 제조되고, 외면이 기계 가공에 의해 마무리 처리된다. 즉, 도시하지 않은 형틀(mold)이나 코어(core)에 의해, 날개 본체(51)와 캐비티(52, 53, 54)와 냉각 통로(55)를 갖는 중간 가공품이 제작되고, 이 제작된 중간 가공품에 있어서의 날개 본체(51)의 후단부가 절삭 가공된다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제작된 중간 가공품에 대해, 날개 본체(51)의 후단부에 있어서의 제거부(100)를 절삭 가공에 의해 제거한다. 이 작업에 의해, 정익(27)의 전체 길이가 소정 길이로 마무리 가공된다. 이 경우, 냉각 통로(55)에 있어서의 제3 통로(83)는 냉각 공기(S)의 흐름 방향을 향해 그 폭이 일정하다. 그 때문에, 냉각 통로(55)를 제작하기 위한 코어의 두께가 얇아지지 않으며, 또한 제거부(100)의 제거 길이가 불규칙해도 제3 통로(83)의 폭이 변동하지 않는다.

여기서, 본 실시형태의 정익(27)의 작용에 대해 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 도시하지 않은 냉각 통로로부터의 냉각 공기(냉각 매체)가 정익(27)에 대해 외측 슈라우드(41)로부터 공급되면, 이 냉각 공기는 먼저 각 칸막이 판(66, 67, 68)의 내측의 각 캐비티(52, 53, 54)에 도입된다. 그리고 이 각 캐비티(52, 53, 54)의 냉각 공기는 그 후 이 칸막이 판(66, 67, 68)에 형성된 다수의 관통 구멍(69, 70, 71)을 통해 냉각 공간부(52a, 53a, 54a)에 분사되고, 여기서 날개 본체(51)의 내벽 면을 따라 흐름으로써 충돌 냉각(impingement cooling)한다.

그 후 냉각 공간부(52a, 53a, 54a)의 냉각 공기는 다수의 냉각 구멍(63, 64, 65)을 통해 외부(연소 가스 통로(40))로 배출되고, 날개 본체(51)의 외벽 면을 따라 흐름으로써 이 외벽 면을 냉각한다. 또한, 냉각 공간부(54a)의 냉각 공기의 일부는 냉각 통로(55)를 통해 날개 본체(51)의 후단부로부터 배출됨으로써 이 후단부를 냉각한다. 이때, 냉각 공간부(54a)의 냉각 공기는 테이퍼 형상의 제1 통로(81)를 흐를 때, 냉각 공기량이 조정되는 동시에 복수의 냉각 핀(91)에 접촉하면서 곡선상으로 흐름으로써 냉각 효율이 향상한다. 그리고 제1 통로(81)를 통과한 냉각 공기는 폭이 일정한 제2 통로(82) 및 제3 통로(83)를 흐를 때, 각 받침대(92)의 사이를 통과함으로써 공기 항력 계수(Cd 값)가 저감되어, 적은 공기량으로 날개 본체(51)의 후단부가 냉각된다.

이와 같이 본 실시형태의 터빈 블레이드에 있어서는, 중공 형상을 이루는 날개 본체(51)와, 날개 본체(51)의 내부에 설치되는 캐비티(52, 53, 54)와, 캐비티(52, 53, 54)로부터 날개 본체(51)의 후단부에 개방하는 냉각 통로(55)를 구비하고, 냉각 통로(55)로서, 제3 캐비티(54) 측에 설치되어 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 좁아지는 제1 통로(81)와, 날개 본체(51)의 후단부 측에 설치되어 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 일정한 제2 통로(82)를 설치하고 있다.

따라서 냉각 통로(55)로서 폭이 좁아지는 제1 통로(81)를 설치함으로써, 냉각 통로(55)로부터 외부에 배출되는 냉각 공기량을 적정하게 조정할 수 있고, 제1 통로(81)에 연속하여 폭이 일정한 제2 통로(82)를 설치함으로써, 유로 저항을 저감하여 냉각 공기량을 저감할 수 있다. 그 결과, 날개 본체(51)의 후단부의 냉각 통로(55)에 있어서의 저항을 저감하여 정익(27)에 있어서의 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있는 동시에 제조 비용의 증가를 억제할 수 있다.

본 실시형태의 터빈 블레이드에서는, 제1 통로(81)는, 복수의 냉각 핀(91)이 소정 간격을 두고 설치되고, 제2 통로(82)는, 날개 본체(51)의 길이 방향을 따라 복수의 받침대(92)가 소정 간격을 두고 설치되어 있다. 따라서 제1 통로(81)에 복수의 냉각 핀(91)을 설치하고, 제2 통로(82)에 복수의 받침대(92)를 설치하고 있어, 복수의 냉각 핀(91)에 의해 날개 본체(51)의 냉각 효율을 향상할 수 있고, 복수의 받침대(92)에 의해 냉각 공기를 정류하여 적정하게 배출할 수 있다. 즉, 받침대(92)가 설치된 영역(B)을 폭이 일정한 제2 통로(82)로 함으로써, 이 냉각 통로(55)를 흐르는 냉각 공기량을 저감하여 날개 본체(51)의 후단부를 효율 좋게 냉각할 수 있다.

본 실시형태의 터빈 블레이드에서는, 냉각 통로(55)로서, 일 단부가 제2 통로(82)에 연통하고 타 단부가 날개 본체(51)의 후단부에 개방하여 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 일정한 제3 통로(83)를 설치하고 있다. 따라서 제2 통로(82)에 연통하고 폭이 일정한 제3 통로(83)를 후단부에 개방하여 설치함으로써, 제2 통로(82)를 통과한 냉각 공기가 압력 손실을 받지 않고 적정하게 배출할 수 있다.

본 실시형태의 터빈 블레이드에서는 날개 본체(51)에 각 캐비티(52, 53, 54)와 외부를 연통하는 복수의 냉각 구멍(63, 64, 65)을 설치하고 있다. 따라서 각 캐비티(52, 53, 54)로부터 복수의 냉각 구멍(63, 64, 65)을 통해 외부에 배출된 냉각 공기가 날개 본체(51)의 외벽 면을 따라 흐름으로써, 날개 본체(51)를 효율 좋게 냉각할 수 있다.

본 실시형태의 터빈 블레이드에서는 각 캐비티(52, 53, 54)에 날개 본체(51)의 내벽 면으로부터 소정 간격을 두고 복수의 관통 구멍(69, 70, 71)을 갖는 칸막이 판(66, 67, 68)을 설치하고 있다. 따라서 각 캐비티(52, 53, 54)로부터 칸막이 판(66, 67, 68)의 각 관통 구멍(69, 70, 71)을 통한 냉각 공기가 날개 본체(51)의 내벽 면을 따라 흐름으로써, 날개 본체(51)를 효율 좋게 냉각할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 가스 터빈에 있어서는, 공기를 압축하는 압축기(11)와, 압축기(11)가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(12)와, 연소기(12)가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈(13)을 구비하며, 터빈(13)에 정익(27)이 이용된다. 따라서 날개 본체(51)의 후단부의 냉각 통로(55)에 있어서의 저항을 저감하여, 정익(27)에 있어서의 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있는 동시에 제조 비용의 증가를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 터빈 블레이드 중간 가공품에 있어서는, 날개 본체(51)에 설치되는 냉각 통로(55)로서, 폭이 좁아지는 제1 통로(81)와, 폭이 일정한 제2 통로(82)와, 제2 통로(82)의 복수의 받침대(92)와, 제2 통로(82)에 연통하고 날개 본체(51)의 후단부에 개방하는 제3 통로(83)를 설치하고 있다. 따라서 이 중간 가공품에 대해 마무리 가공하는 것만으로 용이하게 터빈(13)의 정익(27)을 제조할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 터빈 블레이드 제조 방법에 있어서는, 정익(27)의 중간 가공품을 주조에 의해 제작하는 공정과, 주조된 중간 가공품에 있어서의 날개 본체(51)의 후단부를 절삭 가공하는 공정을 갖고 있다. 따라서 주조된 중간 가공품에 있어서의 날개 본체(51)의 후단부를 절삭 가공해도 제3 통로(83)의 폭이 변동하지 않으며, 제2 통로(82)에 의한 높은 냉각 성능을 유지할 수 있다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 제1 통로(81)(영역(A))와 제2 통로(82)(영역(B))와의 경계를, 벽면(81a, 81b)과 받침대(92)의 원호 형상을 이루는 측면과의 접점으로 했지만, 이 접점보다 제3 캐비티(54) 측으로 해도 좋다. 즉, 제2 통로(82)를 냉각 공기(S)의 흐름 방향의 상류 측에 연장해도 좋다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 냉각 통로(55)로서 폭이 일정한 제3 통로(83)를 설치했지만, 제3 캐비티(54) 측으로부터 날개 본체(51)의 후단부를 향해 폭이 넓어지는 제3 통로로 해도 좋다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 날개 본체(51)의 제2 통로(82)에 복수의 받침대(92)를 배치함으로써 냉각 공기(S)의 송풍구(노즐)를 형성했지만, 날개 본체(51)의 후단부에 복수의 송풍 구멍을 병설하고, 각 송풍 구멍의 내부에 제1 통로(81)와 제2 통로(82)를 형성해도 좋다.

또한, 상술한 실시형태에서는 본 발명의 터빈 블레이드를 터빈(13)의 정익(27)에 적용했지만, 동익(28)에서 적용해도 좋다.

10: 가스 터빈
11: 압축기
12: 연소기
13: 터빈
27: 정익
28: 동익
41: 외측 슈라우드
42: 내측 슈라우드
51: 날개 본체
52, 53, 54: 캐비티
52a, 53a, 54a: 냉각 공간부
55: 냉각 통로
61, 62: 격벽
63, 64, 65: 냉각 구멍
66, 67, 68: 칸막이 판
69, 70, 71: 관통 구멍
81: 제1 통로
81a, 81b: 벽면
82: 제2 통로
82a, 82b: 벽면
83: 제3 통로
83a, 83b: 벽면
91: 냉각 핀
92: 받침대
G: 연소 가스
S: 냉각 공기

Claims (10)

1. 중공 형상을 이루는 날개 본체와,
   상기 날개 본체의 내부에 설치되는 캐비티와,
   상기 캐비티로부터 상기 날개 본체의 후단부에 개방하는 냉각 통로
   를 구비하며,
   상기 냉각 통로는,
   상기 캐비티 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 좁아지는 제1 통로와,
   상기 날개 본체의 후단부 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 일정한 제2 통로
   를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 통로는, 유량 조정 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
3. 제2항에 있어서,
   상기 유량 조정 기구는, 상기 날개 본체의 상기 제2 통로 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥이 소정 간격을 두고 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각 통로는, 일 단부가 상기 제2 통로에 연통하고 타 단부가 상기 날개 본체의 후단부에 개방하여 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 일정한 제3 통로가 설치되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 날개 본체는, 상기 캐비티와 외부를 연통하는 복수의 냉각 구멍이 설치되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
6. 제5항에 있어서,
   상기 캐비티는, 상기 날개 본체의 내벽 면으로부터 소정 간격을 두고 복수의 관통 구멍을 갖는 칸막이 판이 설치되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
7. 공기를 압축하는 압축기와,
   상기 압축기가 압축한 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와,
   상기 연소기가 생성한 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈
   을 구비하며,
   상기 터빈의 정익으로서 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재한 터빈 블레이드가 이용되는
   것을 특징으로 하는 가스 터빈.
8. 중공 형상을 이루는 날개 본체와,
   상기 날개 본체의 내부에 설치되는 캐비티와,
   상기 캐비티로부터 상기 날개 본체의 후단부에 개방하는 냉각 통로
   를 구비하며,
   상기 냉각 통로는,
   상기 캐비티 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 좁아지는 제1 통로와,
   상기 날개 본체의 후단부 측에 설치되어 상기 캐비티 측으로부터 상기 날개 본체의 후단부를 향해 폭이 일정한 제2 통로와,
   상기 제2 통로에 설치되는 유량 조정 기구와,
   일 단부가 상기 제2 통로에 연통하고 타 단부가 상기 날개 본체의 후단부에 개방하는 제3 통로
   를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 중간 가공품.
9. 제8항에 있어서,
   상기 유량 조정 기구는, 상기 날개 본체의 상기 제2 통로 상의 길이 방향을 따라 복수의 기둥이 소정 간격을 두고 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 중간 가공품.
10. 제8항 또는 제9항에 기재한 터빈 블레이드의 중간 가공품을 주조에 의해 제작하는 공정과,
    주조된 상기 중간 가공품에 있어서의 상기 날개 본체의 후단부를 절삭 가공하는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 제조 방법.

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