KR20180082118A

KR20180082118A - 가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백

Info

Publication number: KR20180082118A
Application number: KR1020170003410A
Authority: KR
Inventors: 이무형; 정성철
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-07-18
Also published as: EP3346096A1; JP2018112187A; JP6526259B2; EP3346096B1; US20180195396A1; US10443394B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백(cut-back)은, 제1 측벽, 상기 제1 측벽으로부터 연장하고 상기 제1 측벽의 단부를 따라 이격되어 배열되는 복수의 후미 리브, 상기 제1 측벽보다 후미가 더 길고 상기 제1 측벽과 이격되되 상기 복수의 후미 리브와 접하는 제2 측벽, 및 두 개의 후미 리브들 사이에서 상기 제2 측벽의 내면을 따라 연장하는 적어도 하나의 컷백 블록을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백에 의하면, 후미 에지에 형성되는 후미 리브 및 컷백 블록에 의해 중량을 감소시키면서도 열전달 성능 향상시키는 동시에 균열 성장을 지연시킬 수 있다.

Description

가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백{CUT-BACK OF BLADES OR VANES OF GAS TURBINE}

본 발명은 가스 터빈의 블레이드나 베인의 컷백, 더욱 상세하게는 균열 지연을 위한 블레이드 또는 베인의 컷백에 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 2,500도를 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.

블레이드와 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. 블레이드 역시 터빈 엔진의 압축기로부터 냉각 유체를 수용하고, 블레이드의 단부를 통해 유체가 통과한다. 냉각 회로는 통상 비교적 균일한 온도에서 모든 면들을 유지할 수 있도록 설계된 다수의 유동 경로를 포함하며, 이들 냉각 회로를 통과하는 유체의 적어도 일부는 베인의 리딩 에지, 후미 에지, 흡입면, 또는 압력면의 개구들을 통해 배출된다. 리딩 에지, 흡입면, 또는 압력면의 개구들을 통해 배출되는 것 외에, 냉각 후의 유체는 후미 에지의 컷백(cut-back)을 통해 배출된다.

후미 에지의 컷백은 블레이드 또는 베인의 마주보는 측벽이 이격된 채로 그 사이에 형성되는 공간을 갖는데, 유체는 이 공간을 통해 배출된다. 종래의 컷백 구조는 마주보는 측벽 사이에 핀(fin)들이 형성되는 형태로 제작되었으나, 이는 중량이 무겁고 균열 성장에 의해 수명이 짧아질 수 있다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 압력면 측에 위치되는 제1 측벽의 길이를 줄이고, 제1 측벽이 줄어든 공간에 후미 리브 및 컷백 블록을 형성하여 중량을 감소시키면서도 열전달 성능 향상시키는 동시에 균열을 지연시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 가스 터빈의 블레이드 또는 베인은, 에어 포일의 압력면을 구성하는 제1 측벽; 에어 포일의 흡입면을 구성하고 상기 제1 측벽보다 후미가 더 긴 제2 측벽; 상기 제1 측벽과 제2 측벽이 만나는 전방 에지(leading edge); 상기 전방 에지 반대쪽에 상기 제1 측벽과 제2 측벽이 이격되어 형성되는 후미 에지(trailing edge); 상기 후미 에지의 영역에서, 상기 제1 측벽과 제2 측벽의 내면 사이에서 연장하는 기둥 형태의 핀(fin); 및 상기 핀보다 후미 측에 형성되는 복수의 후미 리브;를 포함한다. 상기 복수의 후미 리브는 상기 제1 측벽의 단부에서 상기 제2 측벽의 내면 및 제2 측벽의 단부까지 연장하고, 상기 후미 에지의 상부에서 하부 방향으로 서로 이격되어 형성된다.

상기 복수의 후미 리브가 이격 형성됨으로써 그 사이로 냉각 유체가 소통하도록 하는 동시에 블레이드 또는 베인 전체의 중량을 감소시킬 수 있다. 또한, 후미 리브의 면적을 넓혀서 구성하게 되면, 즉 복수의 후미 리브의 형태를 제1 측벽의 내면과 제2 측벽의 내면에서부터 제1 측벽의 단부 및 제2 측벽의 단부까지 길게 연장하도록 구성하면 열전달 효과도 향상시킬 수 있다. 또한, 후미 리브의 개수를 늘리면 열전달 면적이 늘어나게 된다.

바람직하게는, 상기 블레이드 또는 베인은 상기 복수의 후미 리브 사이에서 연장하는 컷백 블록을 더 포함할 수 있다.

상기 컷백 블록은 제2 측벽의 내면으로부터 돌출된 형상을 가질 수 있다. 제2 측벽의 단부에는 높은 온도로 인하여 균열이 생기기 쉬운데, 이러한 균열이 성장하다가 컷백 블록이 돌출된 부분까지 이르면 균열의 성장이 지연된다.

상기 컷백 블록은 복수의 후미 리브 중 적어도 최상단의 두 후미 리브들 사이 또는 최하단의 두 후미 리브들 사이에 형성될 수 있다. 즉, 블레이드나 베인이 가장 열에 많이 노출되는 부분이 최상단과 최하단이므로, 적어도 이 부분에는 컷백 블록이 형성되는 것이 바람직하다. 중량을 고려하여, 상부와 하부 사이인 중앙 부분에는 컷백 블록을 제작하지 않을 수 있다.

상기 컷백 블록은 제2 측벽의 단부에 대해 기울어지게 형성하는 것이 바람직하다. 이는 컷백 블록을 단부와 평행하게 만들 때보다 약간 비스듬하게 만들어야 균열의 성장을 지연시키는데 효과적이기 때문이다.

본 발명의 실시예에 따른 블레이드 또는 베인은 두 개의 후미 리브들 사이에 형성되는 한 쌍의 컷백 블록을 더 포함할 수 있다. 컷백 블록을 두 개 설치함으로써, 내부에서 배출되는 유체가 배출되다가 두 개의 컷백 블록들 사이에서 난류를 일으키게 되고, 이렇게 발생한 난류에 의해 열전달 효과가 증가하게 된다.

상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면의 경사는 상기 한 쌍의 컷백 블록의 후면의 경사보다 완만할 수 있다. 이는 유체가 컷백 블록의 전면을 완만하게 타고 흐른 후 컷백 블록의 상면을 지나 가파른 후면을 따라 급격히 방향이 전환되도록 함으로써 난류를 증가시키기 위한 것이다.

상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면, 후면, 및 상면은 곡면인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백(cut-back)은, 제1 측벽, 상기 제1 측벽으로부터 연장하고 상기 제1 측벽의 단부를 따라 이격되어 배열되는 복수의 후미 리브, 상기 제1 측벽보다 후미가 더 길고 상기 제1 측벽과 이격되되 상기 복수의 후미 리브와 접하는 제2 측벽, 및 두 개의 후미 리브들 사이에서 상기 제2 측벽의 내면을 따라 연장하는 적어도 하나의 컷백 블록을 포함한다.

상기 적어도 하나의 컷백 블록은 제2 측벽의 내면으로부터 돌출된 형상을 가질 수 있다.

상기 적어도 하나의 컷백 블록은 복수의 후미 리브 중 적어도 최상단의 두 후미 리브들 사이 또는 최하단의 두 후미 리브들 사이에 형성될 수 있다.

상기 적어도 하나의 컷백 블록은 제2 측벽의 단부에 대해 기울어지게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 컷백은 두 개의 후미 리브들 사이에 한 쌍의 컷백 블록이 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면의 경사는 상기 한 쌍의 컷백 블록의 후면의 경사보다 완만한 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 또는 베인에 의하면, 후미 에지에 형성되는 후미 리브 및 컷백 블록에 의해 중량을 감소시키면서도 열전달 성능 향상시키는 동시에 균열 성장을 지연시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 블레이드의 에어 포일 형태를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드의 후미 에지에 대한 확대도이다.
도 3은 도 2의 A 방향에서 바라본 후미 에지 부분을 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 후미 에지의 상부와 하부의 온도 분포를 도시한 온도 분포도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 후미 에지의 상부와 하부의 온도 분포를 도시한 온도 분포도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컷백 블록을 갖는 컷백과 컷백 블록을 갖지 않는 컷백에서 균열 성장의 지연에 대한 차이점을 보여주는 비교도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컷백 블록의 형태 및 냉각 유체의 흐름을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컷백 블록의 형태 및 냉각 유체의 흐름을 도시한 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 후미 에지(trailing edge) 또는 컷백(cutback)의 구조는 블레이드 및 베인에 모두 적용 가능하지만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 블레이드에 대해서만 언급한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 블레이드(1)의 에어 포일 형태를 도시한 단면도이다. 곡면으로 형성되는 제1 측벽(50)과 제2 측벽(60)은 그 사이에 간격을 두고 이격되어 있으며, 일 측에서 만나 전방 에지(F)를 형성한다. 두 측벽(50, 60)이 반대쪽으로 길게 연장하면서 점점 두 측벽(50, 60) 사이의 간격이 좁아져 후미 에지가 형성되고, 후미 에지에 잔여 냉각 유체가 배출되는 컷백(cut-back)이 형성된다. 제1 측벽(50)은 바깥에서 볼 때 오목하게 형성되고, 제1 측벽(50)의 외면은 압력면(pressure side)이다. 제2 측벽(60)은 바깥에서 볼 때 볼록하게 형성되고, 제2 측벽(60)의 외면은 흡입면(suction side)이다.

도 2는 도 1에서 R로 표시된 후미 에지 부분을 확대하여 나타내는 확대도이다. 제1 측벽(50)은 제2 측벽(60)보다 짧게 형성된다. 제1 측벽(50)과 제2 측벽(60) 사이에는 배출되는 유체의 경로를 분산시키는 동시에 열전달 효과를 높이기 위한 기둥 형태의 핀(55)들이 형성되고, 이는 제1 측벽(50)의 내면에서 제2 측벽(60)의 내면으로 연장한다.

상기 핀 하류에는 복수의 후미 리브(10)가 위치되어 제1 측벽(50)과 제2 측벽(60)이 후미 에지에서 연결되도록 한다. 후미 리브(10)는 제1 측벽(50)의 단부보다 더 전방, 즉 전방 에지에 가까운 쪽에서 두 측벽(50, 60) 사이에서 예를 들면 플레이트 형태로 연장함으로써 배출 공기를 가이드 한다. 또한 후미 리브(10)는 제1 측벽(50)의 단부에서부터 제1 측벽(50)의 외면이 후미로 연장되던 방향 그대로 연장하여 제2 측벽(60)의 내면의 끝까지 연장한다. 즉, 도 2에서 보는 바와 같이, 상부에서 보는 절단도 상에서는 후미 에지의 외부 경계가 단절됨이 없이 부드럽게 연결되도록 후미 리브(10)가 형성된다.

상기 후미 리브(10)가 형성되어 있는 위치에는 두 개의 컷백 블록(30)이 형성된다. 두 개의 컷백 블록(30)은 제2 측벽(60)의 내면으로부터 돌출되는 형상을 갖는다.

도 3은 도 2의 A 방향에서 바라본 후미 에지 부분을 측면도이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 후미 리브(10)들은 제1 측벽(50)의 단부에서 후미측으로 연장한다. 배출 유체는 제1 측벽(50)의 단부로부터 후미 방향으로 유동하고, 유체가 후미 에지에서 빠져나가면서 후미 리브(10)들의 경사면 또는 제2 측벽(60)의 후미(20)와 접촉하여 열을 교환한다.

후미 리브(10)들의 폭은 제1 측벽(50)의 단부와 만나는 위치에서 후미로 진행할수록 줄어들 수 있다. 이러한 구조는 블레이드의 표면적 확보 뿐 아니라 배출 유체의 유로를 확장시켜 압력을 낮춤으로써 온도를 다소 감소시킨다.

컷백 블록(30)들은 두 개의 후미 리브(10)들 사이에서 비스듬하게 연장하도록 형성된다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 후미 에지의 상부와 하부의 온도 분포를 도시한 온도 분포도이다. 도 4의 경우 모든 후미 리브(10)들 사이에 두 개의 컷백 블록(30)들이 비스듬히 연장되는 형상을 나타낸다. 후미 리브(10)의 경우 후미 에지에서 제1 측벽(50)과 제2 측벽(60)을 연결시키고 일체화시키는 구성이기 때문에 블레이드의 상부에서부터 하부까지 고르게 분포되어야 하는 반면, 컷백 블록(30)의 경우 상부와 하부에 우선적으로 형성되도록 설계할 수 있다. 이는 블레이드의 각 부분이 열에 노출되는 빈도가 다르고, 따라서 균열이 발생할 확률은 후미 에지의 상부 또는 하부에서 가장 높기 때문이다.

예를 들어, 도 4 및 도 5의 온도 분포 화살표로부터 알 수 있듯이, 블레이드(1)의 특성상 최상부와 최하부가 가장 열에 많이 노출된다. 전방 에지나 중심보다 상대적으로 두께가 얇고, 고온에 노출되는 빈도가 잦은 블레이드의 후미 에지는 후미에서부터 균열이 발생할 확률이 높다. 이러한 균열은 점차 전방으로 성장하는 경향이 있고, 이러한 균열 성장(crack growth)은 블레이드의 수명 단축의 주요 원인 중 하나이다. 따라서, 도 5와 같이 중앙부에는 컷백 블록(30)들이 형성되지 않고 상부 및 하부에만 컷백 블록(30)들이 형성되도록 설계하는 것이 중량 감소의 측면에서 유리하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컷백 블록을 갖는 컷백과 컷백 블록을 갖지 않는 컷백에서 균열 성장의 지연에 대한 차이점을 보여주는 비교도이다. "균열 지연"에 표시된 컷백의 경우 후미에서부터 진행된 균열(5)이 컷백 블록(30) 하나와 만나면서 그 성장 속도가 현저히 감소한다. 반면, "균열 진행"에 표시된 컷백의 경우 후미에서부터 진행된 균열(5)이 제2 측벽(60)의 후미(20)에서 방해물 없이 지속적으로 성장한다. 이렇게 전방으로 성장한 균열(5)은 블레이드(1)의 내구성을 약화시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 컷백의 컷백 블록(30)들은 상부에서 하부로 연장하는 후미 단부의 경계선과 평행하게 연장하도록 설계될 수도 있지만, 도 3 내지 도 6에 도시된 것처럼 상기 경계선에 대해 비스듬하게 연장하도록 설계되는 것이 바람직하다. 단부의 경계선과 컷백 블록(30)의 연장 방향이 평행할 때보다 비스듬하게 형성되는 것이 균열 성장을 방지하기에 유리하기 때문이다. 즉, 비스듬한 컷백 블록(30)을 따라 균열(5)의 방향이 부드럽게 꺾이게 되고, 이에 의해 균열 성장이 지연된다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컷백 블록의 형태 및 냉각 유체의 흐름을 도시한 단면도이다. 배출 유체는 도 7의 우측인 전방 에지 측에서 제2 측벽(60)의 후미(20) 측으로 유동한다. 이러한 유체의 흐름은 도 7에 화살표로 표시되었다.

컷백 블록(30)은 각 공간, 즉 두 개의 후미 리브(10)들 사이에 하나만 형성될 수도 있으나, 도 7 및 도 8에서와 같이 복수로 형성되는 것이 바람직하다. 컷백 블록(30)은 완만한 경사를 갖는 전면(31), 후미(20)의 내면과 대체로 평행한 상면(32), 및 전면(31)의 반대편에 급격한 경사를 갖는 후면(33)을 포함할 수 있다. 전면(31)을 타고 상면(32)으로 올라온 냉각 유체는 급격한 경사를 갖는 후면(33)을 타고 흐르게 되면서 난류를 발생시킨다. 이러한 난류는 후미(20)나 컷백 블록(30)과 한번 더 열교환을 함으로써 열교환의 효율을 높인다.

도 8에는 상기 전면(31), 상면(32), 및 후면(33)이 곡면으로 형성되어 전체적으로 볼록한 컷백 블록(30)이 도시되어 있다. 이러한 곡면 구성은 냉각 유체와 컷백 블록(30) 간의 마찰을 감소시킴으로써, 냉각 유체의 원활한 배출을 더 원활하게 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 블레이드의 컷백에 따르면, 후미 리브(10)들 사이에 형성된 컷백 블록(30)이 균열의 성장을 지연시켜주는 동시에 표면적 확보 및 난류 발생으로 인해 열교환 효율도 높일 수 있다.

1: 블레이드
2: 압력면
3: 흡입면
5: 균열
10: 후미 리브
20: 제2 측벽의 후미
30: 컷백 블록
31: 전면
32: 상면
33: 후면
50: 제1 측벽
55: 핀
60: 제2 측벽
F: 리딩 에지
R: 후미 에지

Claims

에어 포일의 압력면을 구성하는 제1 측벽;
상기 에어 포일의 흡입면을 구성하고 상기 제1 측벽보다 후미가 더 긴 제2 측벽;
상기 제1 측벽과 제2 측벽이 만나는 전방 에지(leading edge);
상기 전방 에지 반대쪽에 상기 제1 측벽과 제2 측벽이 이격되어 형성되는 후미 에지(trailing edge);
상기 후미 에지의 영역에서, 상기 제1 측벽과 제2 측벽의 내면 사이에서 연장하는 기둥 형태의 핀(fin); 및
상기 핀보다 후미 측에 형성되는 복수의 후미 리브;를 포함하고,
상기 복수의 후미 리브는 상기 제1 측벽의 단부에서 상기 제2 측벽의 내면 및 제2 측벽의 단부까지 연장하고, 상기 후미 에지의 상부에서 하부 방향으로 서로 이격되어 형성되는, 가스 터빈의 블레이드
제1항에 있어서,
상기 복수의 후미 리브 사이에서 연장하는 컷백 블록(cutback block)을 더 포함하는, 가스 터빈의 블레이드.
제2항에 있어서,
상기 컷백 블록은 제2 측벽의 내면으로부터 돌출된 형상을 갖는, 가스 터빈의 블레이드.
제3항에 있어서,
상기 컷백 블록은 복수의 후미 리브 중 적어도 최상단의 두 후미 리브들 사이 또는 최하단의 두 후미 리브들 사이 중 적어도 하나에 형성되는, 가스 터빈의 블레이드.
제4항에 있어서,
상기 컷백 블록은 제2 측벽의 단부에 대해 기울어지게 형성되는, 가스 터빈의 블레이드.
제5항에 있어서,
두 개의 후미 리브들 사이에 한 쌍의 컷백 블록이 형성되는, 가스 터빈의 블레이드.
제6항에 있어서,
상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면의 경사는 상기 한 쌍의 컷백 블록의 후면의 경사보다 완만한, 가스 터빈의 블레이드.
제7항에 있어서,
상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면, 후면, 및 상면은 곡면인, 가스 터빈의 블레이드.
제1 측벽, 상기 제1 측벽으로부터 연장하고 상기 제1 측벽의 단부를 따라 이격되어 배열되는 복수의 후미 리브, 상기 제1 측벽보다 후미가 더 길고 상기 제1 측벽과 이격되되 상기 복수의 후미 리브와 접하는 제2 측벽, 및 두 개의 후미 리브들 사이에서 상기 제2 측벽의 내면을 따라 연장하는 적어도 하나의 컷백 블록을 포함하는,
가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백(cut-back).
제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컷백 블록은 제2 측벽의 내면으로부터 돌출된 형상을 갖는, 가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백.
제10항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컷백 블록은 복수의 후미 리브 중 적어도 최상단의 두 후미 리브들 사이 또는 최하단의 두 후미 리브들 사이에 형성되는, 가스 터빈의 블레이드 또는 베인의 컷백.
제11항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컷백 블록은 제2 측벽의 단부에 대해 기울어지게 형성되는, 가스 터빈의 블레이드.
제12항에 있어서,
두 개의 후미 리브들 사이에 한 쌍의 컷백 블록이 형성되는, 가스 터빈의 블레이드.
제13항에 있어서,
상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면의 경사는 상기 한 쌍의 컷백 블록의 후면의 경사보다 완만한, 가스 터빈의 블레이드.
제14항에 있어서,
상기 한 쌍의 컷백 블록의 전면, 후면, 및 상면은 곡면인, 가스 터빈의 블레이드.