KR20180065728A

KR20180065728A - 베인의 냉각 구조

Info

Publication number: KR20180065728A
Application number: KR1020160166949A
Authority: KR
Inventors: 방명환
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-06-18
Also published as: EP3333368B1; US20180163545A1; JP2018096376A; JP6526166B2; EP3333368A1; US10968755B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 가스 터빈의 베인은, 복수의 필름 홀이 형성되고 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)을 포함하는 에어 포일을 형성하는 측벽; 상기 측벽이 형성하는 에어 포일의 뒷전에 형성되는 컷백(cut-back); 상기 측벽의 내부면과 이격되어 상기 측벽 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및 상기 측벽으로부터 연장하는 복수의 기둥;을 포함한다. 상기 복수의 인서트 홀은 복수 개의 열로 구성되고, 각 열의 인서트 홀은 앞전에서 뒷전을 향하는 방향을 따라 간격을 두고 배열되고, 상기 복수의 기둥의 상부에는 상기 인서트의 표면이 위치된다. 이에 따라 베인 측벽과 인서트 사이의 갭을 흐르는 갭 유동은 기둥을 만나면 기둥을 중심으로 양쪽으로 나뉘어 유동하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 베인에 의하면, 기둥에 의한 갭 유동의 사전 분산으로, 충돌 제트와 갭 유동 간의 유동 방해 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 냉각 공기 유로 하류에서의 베인의 냉각 성능을 종래보다 높일 수 있다.

Description

베인의 냉각 구조{Cooling Structure for Vane}

본 발명은 가스 터빈을 냉각하는 구조, 더 구체적으로는 가스 터빈의 베인 내부의 충돌 냉각 구조에 관한 것이다.

일반적으로 가스 터빈은 공기를 압축하기 위한 압축기, 압축된 공기를 연료와 혼합하고 점화하기 위한 연소기, 및 전력을 생산하는 터빈 블레이드 조립체를 포함한다.

연소기는 화씨 2,500도씨를 초과하는 고온에서 작동한다. 통상적으로 터빈의 베인과 블레이드는 이러한 고온에 노출되고, 따라서 터빈의 베인과 블레이드는 이러한 고온에도 견딜 수 있는 재료로 만들어진다. 또한, 터빈의 베인과 블레이드에는 종종 그 수명을 연장하고 과도한 온도로 인한 손상 확률을 줄이기 위한 냉각 시스템이 포함된다.

베인은 에어 포일 형태이며, 앞전(leading edge), 뒷전(trailing edge), 흡입면, 및 압력면으로 구성된다. 대부분의 터빈 베인의 내부는 일반적으로 냉각 시스템을 형성하는 복잡한 미로 구조를 포함한다. 베인 내의 냉각 회로는 터빈 엔진의 압축기로부터의 냉각 유체, 예를 들어 공기를 수용하며, 베인 캐리어에 결합되도록 된 베인의 단부를 통해 유체가 통과한다. 냉각 회로는 통상 비교적 균일한 온도에서 터빈 베인의 모든 면들을 유지할 수 있도록 설계된 다수의 유동 경로를 포함하며, 이들 냉각 회로를 통과하는 유체의 적어도 일부는 베인의 앞전, 뒷전, 흡입면, 또는 압력면의 개구들을 통해 배출된다.

도 1에 도시된 냉각 시스템은 두 가지 형태의 일반적 베인 냉각 방식을 보여준다.

베인(1)은 에어 포일 형태로 형성되는데, 상기 에어 포일 형태는 측벽(20)에 의해 그 경계가 형성된다. 측벽(20) 내부에는 인서트(50)가 위치되고, 상기 인서트(50) 안쪽에서 냉각 유체가 유입되어 인서트에 형성된 복수의 인서트 홀(51)을 통해 측벽(20)의 내부면을 냉각시킨다. 이렇게 인서트(50)를 통과하는 냉각 유체, 특히 냉각 공기를 충돌 제트(14; impingement jet)라고 하며, 충돌 제트(14)가 베인의 측벽(20)에 닿으며 베인을 냉각시키는 냉각 작용을 충돌 냉각(impingement cooling)이라고 한다.

또한, 충돌 제트(14)는 인서트(50)를 통해 인서트(50)와 측벽(20) 사이의 갭(WI)으로 흘러들어가서 베인을 냉각시키고 컷백(40)을 향해 유동하는 갭 유동(15) 및 측벽(20)의 필름 홀을 통해 베인을 빠져나가면서 측벽(20)을 냉각시키는 유동(11, 12, 13)으로 나뉘고, 이러한 유동에 의한 냉각을 필름 냉각(film cooling)이라고 한다. 특히, 상기 유동(11, 12, 13)을 필름 냉각 유동(11, 12, 13)이라고 칭한다.

도 2a 및 도 2b에서는 도 1의 A부분을 확대하여 나타낸 공기 흐름을 나타내었는데, 인서트 홀(51)로 유입된 충돌 제트(14)가 측벽(20)에 부딪혀 컷백(40) 방향으로 유동하는 갭 유동(15)을 개략적으로 보여준다. 첫번째 인서트 홀(51)로 유입된 공기는 컷백(40) 방향으로 유동하다가 두번째 인서트 홀(51)로 유입되는 공기와 마주치게 되면서 서로의 유동을 방해하게 되는데, 이는 세번째와 네번째 인서트 홀(51)로 갈수록 더 심해진다. 따라서, 하류로 갈수록 냉각 성능이 크게 떨어지게 되는 문제가 발생한다.

또한, 가스 터빈 운행에 따라 인서트 내부의 공기 온도가 높아짐으로 인해 인서트가 열팽창되어 측벽(20)의 내부면(22)과의 거리가 불균일해짐으로써 최초 설계시에 예상했던 냉각 성능보다 그 성능이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 베인 측벽과 인서트 사이의 갭에 흐르는 갭 유동과 인서트 홀을 통해 유입되는 충돌 제트가 서로의 유동을 방해하지 않도록 구조를 개선하여 냉각 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 가스 터빈의 베인은 상기 과제를 달성하기 위해, 복수의 필름 홀이 형성되고 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)을 포함하는 에어 포일을 형성하는 측벽; 상기 측벽이 형성하는 에어 포일의 뒷전에 형성되는 컷백(cut-back); 상기 측벽의 내부면과 이격되어 상기 측벽 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및 상기 측벽으로부터 연장하는 복수의 기둥;을 포함한다. 상기 복수의 인서트 홀은 복수 개의 열로 구성되고, 각 열의 인서트 홀은 앞전에서 뒷전을 향하는 방향을 따라 간격을 두고 배열되고, 상기 복수의 기둥의 상부에는 상기 인서트의 표면이 위치된다. 이에 따라 베인 측벽과 인서트 사이의 갭을 흐르는 갭 유동은 기둥을 만나면 기둥을 중심으로 양쪽으로 나뉘어 유동하게 된다.

바람직하게는, 복수의 기둥은 상기 인서트의 표면에 고정될 수 있다. 기둥이 인서트에 접하고 고정되도록 구성함으로써, 베인이 고온으로 가열되어 인서트와 베인의 열변형이 일어나더라도 베인 측벽과 인서트 사이의 간격을 기둥의 높이로 일정하게 유지할 수 있게 된다.

복수의 기둥 각각은 복수의 인서트 홀의 각 열에 배열된 두 개의 인서트 홀 사이에 위치될 수 있다. 이렇게 되면, 인서트 홀의 각 열이 대체로 베인의 앞전에서 뒷전으로 향하는 방향으로 형성되어 있기 때문에, 홀과 기둥을 갭 유동의 방향을 따라 "제1 인서트 홀 - 기둥 - 제2 인서트 홀 - 기둥 - 제3 인서트 홀"과 같은 순서로 구성할 수 있다. 즉, 제1 인서트 홀에서 유입된 제1 갭 유동이 제2 인서트 홀에서 유입되는 제2 갭 유동과 만나기 전에 제1 갭 유동의 경로를 분산시켜주기 위한 구성이다. 이렇게 함으로써 직교류(Cross-flow) 현상을 방지하여 먼저 측벽과 인서트 사이의 갭을 흐르던 갭 유동과 새로 유입되는 충돌 제트 간의 방해 작용을 줄일 수 있다.

인서트 홀의 각 열은 인접한 열과 서로 오프셋(off-set)되어 배치될 수 있다. 도 2와 같이 각 열의 홀들이 나란히 줄지어 배열되면, 인서트 홀들 사이에 기둥이 배치되더라도 제1 열의 제1 인서트 홀에서 분산된 갭 유동과 제2 열의 제1 인서트 홀에서 분산된 갭 유동이 서로의 유동에 방해를 줄 수 있다. 따라서, 인접한 열들을 오프셋되도록 구성하여, 인접한 열들의 인서트 홀끼리는 연속하여 나란히 위치되지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.

복수의 기둥 각각은 상기 복수의 기둥 각각에 인접한 두 개의 인서트 홀(제1 및 제2 인서트 홀) 중 상기 뒷전에 더 가까이 위치된 인서트 홀(제2 인서트 홀)에 더 가까이 위치되는 것이 바람직하다. 기둥에 의해 분산된 갭 유동이 다음에 유입되는 충돌 제트와 부딪히지 않게 하려면 기둥이 제2 인서트 홀에 가까이 위치되는 것이 중요하다.

상기 복수의 기둥은 상기 복수의 기둥의 측벽으로부터 앞전을 향하는 방향으로 연장하는 격벽부를 포함할 수 있다. 상기 격벽부는 갭 유동이 흐르는 방향 또는 그 반대 방향으로 연장하는 형상을 가지면서도 기둥보다는 더 앞전 쪽에 위치함으로써, 갭 유동을 기둥보다 미리 맞이하게 되고, 갭 유동을 두 기류로 분산시키는 것을 용이하게 한다.

상기 격벽부의 두께는 기둥의 두께보다 얇은 것이 바람직하고, 상기 격벽부의 단부는 곡선 형태를 갖는 것이 바람직하다. 격벽부의 첨단이 곡선 형태를 갖는 것이 갭 유동과의 마찰을 줄이기 때문이다.

또한, 상기 격벽부의 양 표면은 기둥의 측면으로부터 격벽부의 단부까지 각진 부분이 없이 연장하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는, 유선형으로 연장하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 기둥의 가로 단면은 원형, 반원형, 타원형, 삼각형, 또는 사각형일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 기둥의 측면 중 앞전을 향하는 제1 부분은 뒷전을 향하는 제2 부분보다 중요한 의미를 가진다. 즉, 제1 부분은 앞전을 향해 돌출되거나 볼록한 형태를 갖는 것이 바람직한데, 그 이유는 갭 유동과의 마찰을 최대로 줄인 상태에서 갭 유동을 두 기류로 분산시키기 위함이다.

상기 복수의 기둥의 수직 단면은 제1 및 제2 측변들을 포함하고, 두 측변들 중 뒷전에 더 가까운 제2 측변은 인서트에서 측벽을 향하는 방향 및 기둥으로부터 뒷전을 향하는 방향으로 연장할 수 있다. 충돌 제트가 유입되는 부분에 기둥의 경사면을 위치시킴으로써, 충돌 제트의 유동 방향을 전환시킬 수 있고, 이로써 인서트 홀을 통해 유입되는 충돌 제트와 이미 흐르고 있는 갭 유동의 유동 각도차를 줄일 수 있다. 각도차를 줄이게 되면 각 유동이 서로를 방해하는 효과가 줄어들게 된다. 단, 충돌 제트의 유입각을 변화시키기 위해서는 기둥의 경사면의 적어도 일부의 상부에 인서트 홀이 위치되어야 할 것이다.

상기 제2 측변은 곡선형일 수 있다. 구체적으로, 제2 측변이 직선형인 경우보다 유선형인 경우가 충돌 제트가 기둥에 부딪힐 때 손실되는 운동에너지를 줄일 것이다.

상기 제2 측변은 오목할 수 있다. 구체적으로, 충돌 제트가 유입될 때의 마찰을 줄이는 관점에서 상기 경사면은 유선형으로 오목하게 형성될 수 있다. 즉, 기둥의 경사면은 인서트 홀에서 기둥의 경사면을 바라볼 때 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 가스 터빈의 베인은 효율적인 충돌 냉각 구조를 포함하는데, 이는 아래의 충돌 냉각 장치에 의해 구현 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 냉각 장치는, 본체; 상기 본체와 일정 간격 이격되어 설치되고, 복수의 유입구가 제1 측에서 제2 측을 향해 간격을 두고 유입구 열을 형성되는 스크린; 및 상기 본체의 일면에서 상기 스크린의 일면까지 연장하는 복수의 지주;를 포함한다. 여기서 유체는 상기 복수의 유입구로 유입되어 상기 제2 측을 향하는 방향으로 유동하고, 상기 복수의 지주 각각은 상기 복수의 유입구의 적어도 일부의 각각에 인접하여 유입구보다 제1 측에 더 가깝게 위치될 수 있다.

상기 스크린에는 냉각 성능 향상을 위해 복수의 유입구 열이 형성될 수 있다.

상기 복수의 유입구 열은 서로 오프셋되어 배치되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 지주는 상기 복수의 지주 각각에 인접한 두 개의 유입구 중 제2 측에 위치된 유입구에 더 가까이 위치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 냉각 장치는, 본체; 복수의 유입구가 형성되는 스크린; 및 상기 본체의 일면에서 상기 스크린의 일면까지 연장하는 복수의 지주;를 포함한다. 상기 본체와 상기 스크린 사이에는 유로가 형성되어 일측에 출구가 형성되고, 상기 복수의 지주 각각은 가장 인접한 하나의 유입구를 기준으로 상기 출구의 반대쪽에 위치될 수 있다.

상기 스크린은 인서트와 동일하거나 유사한 역할을 하지만 인서트와 같이 한정된 개념이 아니라 개구를 통해 유체를 통과시킬 수 있도록 구성되는 멤브레인일 수도 있고, 격벽일 수도 있으며, 기타 더 넓은 개념으로 정의된다. 상기 지주는 이전에 설명한 실시예에 기재된 기둥과 동일하거나 유사한 역할을 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 베인에 의하면, 기둥에 의한 갭 유동의 사전 분산으로, 충돌 제트와 갭 유동 간의 유동 방해 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 냉각 공기 유로 하류에서의 베인의 냉각 성능을 종래보다 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 베인의 에어 포일 구조 및 냉각 구조를 도시한 베인의 단면도이다.
도 2a는 종래의 가스 터빈에서의 인서트 홀의 배열 및 베인 측벽과 인서트 사이의 갭 유동 방향을 보여주는 수직 단면도이다.
도 2b는 도 1의 A 부분을 확대한 것으로서, 종래의 가스 터빈에서의 충돌 제트 및 갭 유동의 흐름 및 방향을 보여주는 수평 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 베인의 수평 단면도이다.
도 4는 도 3의 B 부분을 확대한 것으로서, 충돌 제트 및 갭 유동의 흐름 및 방향을 보여주는 수평 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 베인의 측벽과 인서트 사이의 갭 유동 방향을 보여주는 수직 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 베인의 측벽과 인서트를 보여주는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 가스 터빈에 적용가능한 복수의 기둥의 가로 단면의 예시들을 나타낸 단면도이다.
도 8은 기둥이 경사면을 가질 때의 도 4의 단면도이다.
도 9는 경사면이 곡면일 때의 도 8의 단면도이다.
도 10은 기둥의 가로 단면이 반원형일 때의 도 5의 단면도이다.
도 11은 기둥의 가로 단면이 삼각형일 때의 도 5의 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 가스 터빈의 베인의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예를 도시한 단면도로서, 베인(1)은 에어 포일의 형태를 형성하는 측벽(20), 유입되는 냉각 유체가 흐르는 경로를 구획하는 파티션(30), 상기 측벽(20) 내에 측벽의 내부면(21)과 간격을 두고 설치되는 인서트(50), 측벽(20)과 인서트(50) 사이에 설치된 복수의 기둥(60)을 포함한다.

상기 인서트(50)에는 인서트 홀(51)들이 여러개 형성되어 있다. 유입 체임버(10a, 10b)를 통해 유입된 냉각 유체, 특히 냉각 공기는, 상기 인서트 홀(51)을 통해 측벽(20)과 인서트(50) 사이의 갭(WI)에 유입되면서 측벽(20)을 냉각한다.

또한, 상기 측벽(20)에는 필름 냉각을 위한 필름 홀(21)들이 형성되어 있다. 갭(WI)에 유입된 냉각 공기가 필름 홀(21)들을 통과하면서 직접 베인 측벽(20)을 냉각하는 것이다.

상기 인서트 홀(51)들 간의 간격은 베인(1)의 부분별로 냉각의 필요가 다르므로, 부분마다 간격이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 3에서 제1 필름 냉각 유동(11)이 가장 많이 통과하는 것으로 표시된 앞전 부분은 가장 고온의 공기와 맞닿으므로, 가장 냉각의 필요성이 높고, 따라서 필름 홀(21)들 간의 간격이 좁은 것이 바람직하다.

마찬가지로, 냉각 유체를 1차적으로 통과시키는 인서트(50)의 인서트 홀(51)도 앞전 부분에 더 많이 분포될 수도 있다.

필름 냉각 유동은 상기 제1 필름 냉각 유동(11) 외에도 압력면으로 배출되는 제2 필름 냉각 유동(12) 및 흡입면으로 배출되는 제3 필름 냉각 유동(13)이 있다. 갭(WI)에 흐르는 갭 유동(15) 중 일부는 필름 냉각 유동(11, 12, 13)으로 빠져 나가고, 남은 유량은 컷백(40)으로 빠져나가 배출된다.

갭 유동(15)은 앞전에서 뒷전으로 흐르는 동안 앞전에 가까운 제1 인서트 홀(51a), 그 다음 위치되는 제2 인서트 홀(51b), 및 뒷전에 가까운 제3 인서트 홀(51c)을 통해 유입되는 충돌 제트(14)들 모두와 합류하게 되는데, 각 충돌 제트(14)와 합류하기 전에 하나의 기둥(60)을 먼저 만나게 된다.

도 4는 도 3의 B 부분을 확대한 것으로서, 충돌 제트(14) 및 갭 유동(15)의 흐름 및 방향을 보여주는 수평 단면도이다. 충돌 제트(14)는 인서트 홀(51)들을 통해 갭(WI)으로 유입된다. 가장 앞전과 가까운(도 4의 가장 왼쪽에 있는) 인서트 홀(51)에서 유입되어 베인을 냉각하고 뒷전 방향으로 흐르는 갭 유동(15)은 제1 인서트 홀(51a)에서 유입되는 충돌 제트와 만나기 전에 기둥(60)을 먼저 만난다. 따라서, 상기 충돌 제트와 갭 유동(15)은 서로 충돌하지 않고 기둥(60) 뒤에서 합쳐진다.

제1 인서트 홀(51a) 아래에서 합쳐진 갭 유동(15)은 또 다른 기둥(60)을 지나 제2 인서트 홀(51b)에서 유입되는 충돌 제트와 합류되고, 이어서 다른 기둥(60)을 지나 제 3 인서트 홀(51c)에서 유입되는 충돌 제트와 합류된다. 이러한 구조에 의해 직교류 현상을 방지할 수 있다.

도 5는 위에서 설명한 직교류 현상 방지에 대한 이해를 더욱 돕는다. 도 5의 검은색 원형은 기둥(60)의 단면을 나타낸다. 갭 유동(15)의 방향은 도면상 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르고, 오른쪽이 컷백(40)이 위치된 방향이다. 인서트 홀(51)의 열(52)이 6개 그려져 있으나, 설명을 위해 제1 열(52a), 제2 열(52b), 및 제3 열(52c)에 대해서만 설명을 한다.

상기 제1 열(52a), 제2 열(52b), 및 제3 열(52c)은 서로 오프셋(off-set)되어 있다. 즉, 특정 열에 포함된 인서트 홀과 인접한 열에 포함된 인서트 홀이 나란히 인접하여 정렬되지 않도록 구성되어 있다. 구체적으로, 제1 열(52a)의 제1 인서트 홀(51a)은 제2 열(52b)의 제1 인서트 홀(51a)보다 컷백(40)에 더 가깝고, 제2 열(52b)의 제1 인서트 홀(51a)은 제3 열(52c)의 제1 인서트 홀(51a)보다 앞전에 더 가깝다. 이러한 오프셋 구조로 인한 효과는, 첫째로 인접한 열(52)에 포함된 인서트 홀로 유입되는 충돌 제트끼리 충돌하지 않도록 하는 것, 둘째로 특정 열(52)에 배치된 기둥(60)에 의해 양쪽으로 분산되는 기류가 인접한 열(52)에 배치된 기둥(60)에 의해 양쪽으로 분산되는 기류와 만나면서 서로 에너지를 상쇄하지 않도록 하는 것이다.

도 5에서 확인할 수 있듯이, 인서트 홀(51)로 유입되는 충돌 제트(14)는 이미 흐르고 있는 갭 유동(15)과 바로 만나지 않으므로 인서트 홀(51)에 대응하는 측벽(20)의 내부면(22)을 직접 냉각할 수 있고, 직교류가 발생하지 않는다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 베인의 측벽과 인서트를 보여주는 사시도이다. 각 기둥(60)은 갭 유동(15) 방향에서 볼 때 인서트 홀(51) 앞에 위치된다. 기둥(60)은 제1 인서트 홀(51a)과 제2 인서트 홀(51b) 사이에 위치하되, 제2 인서트 홀(51b)에 더 가까이 설치되는 것이 바람직하다. 기둥(60)이 다음 인서트 홀(51)에 가까워야 직교류 현상 방지 효과를 최대화할 수 있기 때문이다.

도 7은 본 발명의 가스 터빈에 적용가능한 복수의 기둥의 가로 단면의 예시들을 나타낸 단면도이다. 기둥(60)은 반원형, 직사각형, 타원형, 마름모, 삼각형 등의 다각형, 그리고 격벽형으로 갭 유동(15)을 분류할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있다.

도 7의 단면도를 기준으로, 기둥(60)이 갭 유동(15)과 마주치는 제1 측면(62a)은 가운데가 돌출형인 삼각형이거나 유선형인 반원형인 것이 바람직하다. 이는 갭 유동(15)과의 마찰을 줄이기 위한 것으로서, 마찰을 줄일수록 하류에서의 냉각 성능이 높이질 것이기 때문이다.

또한, 도 7의 아래 열과 같이 기둥(60)이 격벽형인 경우에는 베인의 경량화에 도움이 된다.

특히, 도 7의 아래 열의 두번째, 네번째 단면처럼 기둥(60)으로부터 좌측으로 연장하는 격벽부(63)를 포함하는 것이 바람직하다. 격벽부(63)는 마찰을 최소화하면서 갭 유동(15)을 두 기류로 분산시키는데 효과적이며, 격벽부(63)의 단부는 유선형인 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, 격벽부(63)의 양 표면은 기둥(60)의 측면에서 격벽부(63)의 단부까지 유선형으로 연장될 수 있고, 이렇게 구성되는 경우에는 마찰력 감소에 매우 유리한 이점을 가진다. 상기 격벽부(63)는 도 7의 아랫 열에 도시된 격벽형 기둥 뿐만 아니라 윗 열에 도시된 다각형 기둥에도 적용될 수 있다.

추가로, 격벽부(63)의 양 표면에 대해, 상기 양 표면은 각진 부분을 갖지 않는 것이 바람직하다. 각진 부분은 갭 유동(15)의 와류를 야기할 수 있고, 마찰을 증가시킬 수 있다. 따라서, 볼록하거나 오목한 유선형일 수도 있고, 볼록한 부분과 오목한 부분을 모두 포함하는 유선형일 수도 있다. 후자에 대해 다시 말하면, 기둥(60)의 가로 단면을 기준으로 표면에 변곡점이 있을 수 있다.

기둥(60)의 내부는 핀(fin) 구조 또는 벌집 구조로 될 수 있고, 이는 열전달 효율 및 경량화에 기여한다.

도 10은 기둥(60)의 가로 단면이 반원형일 때의 도 5의 단면도이고, 도 11은 기둥의 가로 단면이 삼각형일 때의 도 5의 단면도이다. 즉, 도 7에 도시된 기둥(60)의 다양한 단면들 중 일부가 적용된 모습을 도시한 것이다.

도 8은 기둥(60)이 경사면을 가질 때의 도 4의 단면도이다. 충돌 제트(14)는 인서트 홀(51)들을 통해 갭(WI)으로 유입된다. 가장 앞전과 가까운 인서트 홀(51)에서 유입되어 베인을 냉각하고 뒷전 방향으로 흐르는 갭 유동(15)은 제1 인서트 홀(51a)에서 유입되는 충돌 제트와 만나기 전에 기둥(60)을 먼저 만난다. 따라서, 상기 충돌 제트와 갭 유동(15)은 서로 충돌하지 않고 기둥(60) 뒤에서 합쳐진다.

한편, 기둥(60)의 제2 측면(62b)의 상부에 인서트 홀(51)이 위치된다. 따라서 충돌 제트(14)가 유입되는 동시에 기둥(60)을 냉각시키며, 기둥(60)의 제2 측면(62b)을 타고 흘러서 유동방향이 갭 유동(15) 방향에 가깝게 자연스럽게 변한다. 따라서 두 유동의 각도차가 줄어들면서, 직교류 현상은 더욱 감소되므로, 하류에서의 냉각 효율이 상승할 수 있다. 뿐만 아니라, 기둥(60) 자체도 열 전달이 용이한 물질로 형성되고 핀 구조로 형성될 수도 있어서 충돌 냉각 효과가 더욱 증가할 수 있다. 부가적으로는, 기둥(60)의 제1 단부(61a)는 측벽(20)에 연결되고 제2 단부(61b)는 인서트(50)에 연결되므로, 인서트(50)의 열을 측벽(20)으로 전도시킴으로써, 열을 바깥으로 발산시키는데 더욱 도움을 준다.

도 9는 경사면이 곡면일 때의 도 7의 단면도이다. 도 8과 대부분 동일하므로 동일한 부분에 한해서 설명을 생략한다. 도 9에서는 도 8의 실시예와 달리 기둥(60)의 제2 측면(62b)이 오목한 유선형을 갖는다. 유선형의 제2 측면(62b)은 충돌 제트(14)와의 마찰을 감소시키고 유동 방향을 갭 유동(15) 방향으로 자연스럽게 전환시킬 수 있는 장점이 있다.

1: 베인 10a, 10b: 유입 체임버
11, 12, 13: 필름 냉각 유동 14: 충돌 제트
15: 갭 유동 20: 측벽
21: 필름 홀 22: 내부면
30: 파티션 40: 컷백
50: 인서트 51: 인서트 홀
51a: 제1 인서트 홀 51b: 제2 인서트 홀
51c: 제3 인서트 홀 52: 열
52a: 제1 열 52b: 제2 열
52c: 제3 열 60: 기둥
61a: 제1 단부 61b: 제2 단부
62a: 제1 측면 62b: 제2 측면
63: 격벽부 WI: 갭

Claims

복수의 필름 홀이 형성되고 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)을 포함하는 에어 포일을 형성하는 측벽;
상기 측벽이 형성하는 에어 포일의 뒷전에 형성되는 컷백(cut-back);
상기 측벽의 내부면과 이격되어 상기 측벽 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및
상기 측벽으로부터 연장하는 복수의 기둥;을 포함하고,
상기 복수의 인서트 홀은 복수 개의 열로 구성되고, 각 열의 인서트 홀은 앞전에서 뒷전을 향하는 방향을 따라 간격을 두고 배열되고,
상기 복수의 기둥의 상부에는 상기 인서트의 표면이 위치되는, 가스 터빈의 베인.
제1항에 있어서,
상기 복수의 기둥은 상기 인서트의 표면에 고정되는, 가스 터빈의 베인.
제2항에 있어서,
복수의 기둥 각각은 상기 각 열에 배열된 두 개의 인서트 홀 사이에 위치되는, 가스 터빈의 베인.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 각 열은 인접한 열과 서로 오프셋(off-set)되어 배치되는, 가스 터빈의 베인.
제4항에 있어서,
복수의 기둥 각각은 상기 복수의 기둥 각각에 인접한 두 개의 인서트 홀 중 상기 뒷전에 더 가까이 위치된 인서트 홀에 더 가까이 위치되는, 가스 터빈의 베인.
제5항에 있어서,
상기 복수의 기둥은 상기 복수의 기둥의 측벽으로부터 앞전을 향하는 방향으로 연장하는 격벽부를 포함하는, 가스 터빈의 베인.
제5항에 있어서,
상기 복수의 기둥의 가로 단면은 원형, 반원형, 타원형, 삼각형, 또는 사각형인, 가스 터빈의 베인.
제7항에 있어서,
상기 복수의 기둥의 세로 단면은 제1 및 제2 측변들을 포함하고, 두 측변들 중 상기 뒷전에 더 가까운 제2 측변은 인서트에서 측벽을 향하는 방향 및 기둥으로부터 뒷전을 향하는 방향으로 연장하는, 가스 터빈의 베인.
제8항에 있어서,
상기 제2 측변은 곡선형인, 가스 터빈의 베인.
제9항에 있어서,
상기 제2 측변은 오목한, 가스 터빈의 베인.
복수의 필름 홀이 형성되고 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)을 포함하는 에어 포일을 형성하는 측벽;
상기 측벽이 형성하는 에어 포일의 뒷전에 형성되는 컷백(cut-back);
상기 측벽의 내부면과 이격되어 상기 측벽 내부에 설치되고 복수의 인서트 홀이 형성된 인서트; 및
상기 측벽으로부터 연장하는 복수의 기둥;을 포함하고,
상기 복수의 인서트 홀은 복수 개의 열로 구성되고, 각 열의 인서트 홀은 앞전에서 뒷전을 향하는 방향을 따라 간격을 두고 배열되고,
상기 인서트는 상기 복수의 기둥에 접하여 고정되는, 가스 터빈의 베인.
본체;
상기 본체와 일정 간격 이격되어 설치되고, 복수의 유입구가 제1 측에서 제2 측을 향해 간격을 두고 유입구 열을 형성되는 스크린; 및
상기 본체의 일면에서 상기 스크린의 일면까지 연장하는 복수의 지주;를 포함하고,
유체는 상기 복수의 유입구로 유입되어 상기 제2 측을 향하는 방향으로 유동하고,
복수의 지주 각각은 상기 복수의 유입구의 적어도 일부의 각각에 인접하여 유입구보다 제1 측에 더 가깝게 위치되는, 충돌 냉각 장치.
제12항에 있어서,
상기 스크린에는 복수의 유입구 열이 형성되는, 충돌 냉각 장치.
제13항에 있어서,
상기 복수의 유입구 열은 서로 오프셋되어 배치되는, 충돌 냉각 장치.
제14항에 있어서,
상기 복수의 지주는 상기 복수의 지주 각각에 인접한 두 개의 유입구 중 제2 측에 위치된 유입구에 더 가까이 위치되는, 충돌 냉각 장치.
본체;
복수의 유입구가 형성되는 스크린; 및
상기 본체의 일면에서 상기 스크린의 일면까지 연장하는 복수의 지주;를 포함하고,
상기 본체와 상기 스크린 사이에는 유로가 형성되어 일측에 출구가 형성되고,
복수의 지주 각각은 가장 인접한 하나의 유입구를 기준으로 상기 출구의 반대쪽에 위치되는, 충돌 냉각 장치.