KR20190008104A - 터보기계의 충돌 냉각 인서트 - Google Patents

터보기계의 충돌 냉각 인서트 Download PDF

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Abstract

본 개시는 터보기계를 위한 충돌 인서트에 관한 것이다. 충돌 인서트는 내면, 내면으로부터 이격된 외면 및 내면에서 외면으로 연장되는 두께를 갖는 인서트 본체를 포함한다. 인서트 본체는 내면 또는 외면 중 어느 하나로부터 인서트 본체로 연장되는 제1 만입부를 획정한다. 제1 만입부는 직경을 갖는다. 인서트 본체는 제1 만입부로부터 인서트 본체를 관통하는 충돌 구멍을 더 획정한다. 충돌 구멍은 길이 및 직경을 갖는다. 인서트 본체의 두께는 충돌 구멍의 길이보다 크고, 제1 만입부의 직경은 충돌 구멍의 직경보다 크다.

Description

터보기계의 충돌 냉각 인서트{TURBOMACHINE IMPINGEMENT COOLING INSERT}
본 개시는 일반적으로 터보기계에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 터보기계를 위한 충돌 냉각 인서트(impingement cooling insert)에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 일반적으로 압축기 섹션, 연소 섹션 및 터빈 섹션을 포함한다. 압축기 섹션은 가스 터빈 엔진에 진입하는 공기압을 점차적으로 증가시키고, 이러한 압축 공기를 압축 섹션에 공급한다. 압축 공기 및 연료(예컨대, 천연가스)는 연소 섹션 내에서 혼합되고, 연소실에서 연소되어, 고압 및 고온 연소 가스를 생성한다. 연소 가스는 연소 섹션으로부터 터빈 섹션으로 흐르며, 터빈 섹션에서 연소 가스가 팽창하여 일을 생성한다. 예컨대, 터빈 섹션에서의 연소 가스의 팽창은 전력 생산을 위한 발전기에 연결된 로터 샤프트를 회전시킬 수 있다.
터빈 섹션은 하나 이상의 터빈 노즐을 포함하며, 터빈 노즐은 연소 가스 흐름을 하나 이상의 터빈 로터 블레이드로 지향시킨다. 하나 이상의 터빈 로터 블레이드는 따라서 연소 가스로부터 운동 에너지 및/또는 열에너지를 추출하여, 로터 샤프트를 구동한다. 일반적으로, 각각의 터빈 노즐은 내부 측벽, 외부 측벽 및 내부 측벽과 외부 측벽 사이에서 연장되는 하나 이상의 에어포일을 포함한다. 하나 이상의 에어포일은 연소 가스와 직접 접촉하기 때문에, 에어포일을 냉각할 필요가 있을 수 있다.
소정 구성에서, 냉각 공기는 에어포일에 의해 형성되는 하나 이상의 내부 공동을 통해 라우팅된다. 통상적으로, 이러한 냉각 공기는 압축기 섹션에서 블리딩(bleeding)된 압축 공기이다. 그러나, 압축기 섹션에서 나온 블리딩 공기는 연소에 이용 가능한 압축 공기의 체적을 감소시키고, 이에 의해 가스 터빈 엔진의 효율을 감소시킨다.
본 기술의 양태 및 장점이 아래의 설명에서 부분적으로 기술될 수도 있고, 아래의 설명으로부터 명백해질 수도 있으며, 본 기술의 실시를 통해 습득될 수도 있다.
일양태에서, 본 개시는 터보기계를 위한 충돌 인서트에 관한 것이다. 충돌 인서트는 내면, 내면으로부터 이격된 외면 및 내면에서 외면으로 연장되는 두께를 갖는 인서트 본체를 포함한다. 인서트 본체는 내면 또는 외면 중 어느 하나로부터 인서트 본체로 연장되는 제1 만입부를 획정한다. 제1 만입부는 직경을 갖는다. 인서트 본체는 제1 만입부로부터 인서트 본체를 관통하는 충돌 구멍을 더 획정한다. 충돌 구멍은 길이 및 직경을 갖는다. 인서트 본체의 두께는 충돌 구멍의 길이보다 크고, 제1 만입부의 직경은 충돌 구멍의 직경보다 크다.
다른 양태에서, 본 개시는 터보기계 구성요소 및 터보기계 구성요소 내에 위치 설정되는 충돌 인서트를 포함하는 터보기계에 관한 것이다. 충돌 인서트는 내면, 내면으로부터 이격된 외면 및 내면에서 외면으로 연장되는 두께를 갖는 인서트 본체를 포함한다. 인서트 본체는 내면 또는 외면 중 어느 하나로부터 인서트 본체로 연장되는 제1 만입부를 획정한다. 제1 만입부는 직경을 갖는다. 인서트 본체는 제1 만입부로부터 인서트 본체를 관통하는 충돌 구멍을 더 획정한다. 충돌 구멍은 길이 및 직경을 갖는다. 인서트 본체의 두께는 충돌 구멍의 길이보다 크고, 제1 만입부의 직경은 충돌 구멍의 직경보다 크다.
본 기술의 이들 및 다른 피쳐(feature), 양태 및 장점은 아래의 설명 및 첨부된 청구범위를 참고로 하여 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 기술의 실시예를 예시하고, 설명과 함께 본 기술의 원리를 설명하는 기능을 한다.
다양한 실시예를 실시하는 최상의 모드를 포함하는 완전하고 가능한 본 기술의 개시가 첨부도면을 참고하는 명세서에서 기술된다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략도.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 터빈 섹션의 단면도.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 노즐의 사시도.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른, 도 3의 선 4-4를 대략 따라 취한 노즐의 단면도.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른, 고온 가스 경로 구성요소 내에 위치 설정되는 충돌 인서트의 실시예의 사시도.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 충돌 인서트의 실시예의 사시도.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 충돌 구멍의 일실시예를 예시하는, 충돌 인서트 일부의 단면도.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른 충돌 구멍의 다른 실시예를 예시하는, 충돌 인서트 일부의 단면도.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 충돌 구멍의 다른 실시예를 예시하는, 충돌 인서트 일부의 단면도.
도 10은 본 개시의 실시예에 따른 충돌 인서트의 다른 실시예의 사시도.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 충돌 인서트의 다른 실시예의 사시도.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 충돌 인서트의 또 다른 실시예의 단면도.
본 명세서 및 도면에서 반복되는 참조부호의 사용은 본 기술의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위한 것이다.
이제, 본 기술의 실시예 - 이 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있음 - 를 상세히 참고하겠다. 상세한 설명은 도면의 피쳐를 인용하기 위해 숫자 및 문자를 이용한다. 도면 및 설명에서 비슷하거나 유사한 부호는 본 기술의 비슷하거나 유사한 부분을 인용하는 데 사용되었다. 여기에서 사용되는 “제1”, “제2” 및 “제3”이라는 용어는 구성요소들을 서로 구별하기 위해 호환가능하게 사용될 수 있으며, 개별 구성요소들의 위치 또는 중요성을 나타내려고 하는 것은 아니다. “상류” 및 “하류” 라는 용어는 유로에서의 유체 흐름에 대한 상대적인 방향을 일컫는다. 예컨대, “상류”는 유체가 흘러나오는 방향을 일컫고, “하류”는 유체가 흘러나가는 방향을 일컫는다.
각각의 예는 본 기술을 제한하는 것이 아니라, 본 기술을 설명하기 위해 제공된다. 사실상, 본 기술의 범위 또는 사상으로부터 벗어나는 일 없이 본 기술에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 일실시예의 부분으로서 예시되거나 설명되는 피쳐는 다른 실시예에서 사용되어 또 다른 실시예를 구성할 수 있다. 이에 따라, 본 기술은, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 속하는 한 그러한 수정 및 변형을 포함한다.
여기에서는 산업용 또는 육상 기반 가스 터빈을 도시하고 설명하지만, 여기에서 설명하고 도시한 본 기술은 청구범위에 달리 특정되지 않는 한, 육상 기반 및/또는 산업용 가스 터빈으로 제한되지 않는다. 예컨대, 여기에서 설명되는 기술은, 제한하는 것은 아니지만 항공 전용 터빈(예컨대, 터보팬 등), 스팀 터빈 및 선박 가스 터빈을 포함하는 임의의 타입의 터보기계에서 사용될 수 있다.
이제 도면 - 동일한 참조부호는 도면 전반에 걸쳐 동일한 요소를 나타냄 - 을 참고하면, 도 1은 가스 터빈 엔진(10)을 개략적으로 예시한다. 도시한 바와 같이, 가스 터빈 엔진(10)은 일반적으로, 유입구(14)가 축류 압축기(16)의 상류 단부에 배치되는 압축기 섹션(12)을 포함한다. 가스 터빈 엔진(10)은, 하나 이상의 연소기(20)가 압축기(16) 하류에 위치 설정되는 연소 섹션(18)도 또한 포함한다. 가스 터빈 엔진(10)은, 터빈(24)(예컨대, 팽창 터빈)이 연소 섹션(18) 하류에 배치되는 터빈 섹션(22)을 더 포함한다. 샤프트(26)는 가스 터빈 엔진(10)의 축방향 중심선(28)을 따라 압축기(16) 및 터빈(24)을 축방향으로 통과하여 연장된다.
도 2는 터빈(24)의 측단면도이다. 도시한 바와 같이, 터빈(24)은 다수의 터빈 단을 포함할 수 있다. 예컨대, 터빈(24)은 제1 단(30A), 제2 단(30B) 및 제3 단(30C)을 포함할 수 있다. 그러나, 터빈(24)은 변형예에서, 보다 많거나 보다 적은 터빈 단을 포함할 수 있다.
각각의 단(30A 내지 30C)은 순차적인 흐름 순서로, 로터 샤프트(26)(도 1)를 따라 축방향으로 이격된 터빈 노즐(32A, 32B, 32C) 열 및 대응하는 터빈 로터 블레이드(34A, 34B, 34C) 열을 포함한다. 터빈 노즐(32A 내지 32C) 각각은 가스 터빈(10)의 작동 중에 터빈 로터 블레이드(34A 내지 34C)에 대해 고정 상태로 유지된다. 터빈 노즐(32B, 32C) 열 각각은 대응하는 다이어프램에 각각 커플링된다. 도 2에 도시하지는 않지만, 터빈 노즐(32A) 열도 또한 대응하는 다이어프램에 커플링될 수 있다. 제1 터빈 슈라우드(44A), 제2 터빈 슈라우드(44B) 및 제3 터빈 슈라우드(44C)는 대응하는 터빈 블레이드(34A 내지 34C) 열을 둘레방향으로 에워싼다. 케이싱 또는 쉘(36)이 터빈 노즐(32A 내지 32C) 및 터빈 로터 블레이드(34A 내지 34C)의 각 단을 둘레방향으로 둘러싼다.
도 1 및 도 2에 예시한 바와 같이, 압축기(16)는 연소기(20)에 압축 공기(38)를 제공한다. 압축 공기(38)는 연소기(20)에서 연료(예컨대, 천연가스)와 혼합되고 연소되어, 연소 가스(40)를 생성하며, 연소 가스는 터빈(24)으로 흐른다. 터빈 노즐(32A 내지 32C) 및 터빈 로터 블레이드(34A 내지 34C)는 연소 가스(40)로부터 운동 에너지 및/또는 열에너지를 추출하여, 로터 샤프트(26)를 구동한다. 그 후, 연소 가스(40)는 터빈(24)과 가스 터빈 엔진(10)을 빠져나간다. 아래에서 더 상세히 설명하겠지만, 압축 공기(38)의 일부는 터빈 노즐(32A 내지 32C)과 같은, 터빈(24)의 다양한 구성요소를 냉각하는 냉각 매체로서 사용될 수 있다,
도 3은 제2 단(30B)의 터빈 노즐(32B)의 사시도이다. 다른 터빈 노즐(32A, 32C)은 터빈 노즐(32B)과 유사한 피쳐를 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 터빈 노즐(32B)은 내부 측벽(46)과, 내부 측벽(46)으로부터 반경방향으로 이격된 외부 측벽(48)을 포함한다. 에어포일(50) 쌍이 내부 측벽(46)으로부터 외부 측벽(48)으로 간격을 두고 연장된다. 변형예에서, 터빈 노즐(32B)은 단지 하나의 에어포일(50), 3개의 에어포일(50) 또는 그보다 많은 에어포일(50)을 가질 수 있다.
도 3에 예시한 바와 같이, 내부 측벽(46) 및 외부 측벽(48)은 다양한 표면을 포함한다. 보다 구체적으로는, 내부 측벽(46)은 반경방향 외면(52)과, 반경방향 외면(52)으로부터 반경방향 내측에 위치 설정되는 반경방향 내면(54)을 포함한다. 이와 유사하게, 외부 측벽(48)은 반경방향 내면(56)과, 반경방향 내면(56)으로부터 반경방향 외측으로 배향되는 반경방향 외면(58)을 포함한다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 외부 측벽(48)의 반경방향 내면(56)과 내부 측벽(46)의 반경방향 외면(52)은 각각 터빈(2)을 통과하여 흐르는 연소 가스(40)를 위한 내측 및 외측 반경방향 흐름 경계를 획정한다. 내부 측벽(46)은 또한 전방면(60)과, 전방면(60) 하류에 위치 설정되는 후방면(62)을 포함한다. 내부 측벽(46)은 제1 둘레면(64)과, 제1 둘레면(64)으로부터 둘레방향으로 이격된 제2 둘레면(66)을 더 포함한다. 이와 유사하게, 외부 측벽(48)은 또한 전방면(68)과, 전방면(68) 하류에 위치 설정되는 후방면(70)을 포함한다. 외부 측벽(48)은 제1 둘레면(72)과, 제1 둘레면(72)으로부터 이격된 제2 둘레면(74)을 더 포함한다.
앞서 언급한 바와 같이, 2개의 에어포일(50)이 내부 측벽(46)으로부터 외부 측벽(48)으로 연장된다. 도 3 및 도 4에 예시한 바와 같이, 각각의 에어포일(50)은 내부 측벽(46) 및 외부 측벽(48)의 전방면(60, 68)에 근접 배치되는 선단 에지(76)를 포함한다. 각각의 에어포일(50)은 내부 측벽(46) 및 외부 측벽(48)의 후방면(62, 70)에 근접 배치되는 후미 에지(78)도 또한 포함한다. 더욱이, 각각의 에어포일(50)은 선단 에지(76)에서 후미 에지(78)로 연장되는 압력측 벽(80)과 흡입측 벽(82)을 포함한다.
각각의 에어포일(50)은 내부에 하나 이상의 내부 공동을 획정할 수 있다. 내부 공동 각각에는 인서트가 위치 설정되어, 에어포일(50)의 압력측 벽(80) 및 흡입측 벽(82)에 (예컨대, 충돌 냉각을 통해) 압축 공기(38)를 제공할 수 있다. 도 4에 예시한 실시예에서, 각각의 에어포일(50)은, 내부에 전방 인서트(88)가 위치 설정되는 전방 내부 공동(84)과, 내부에 후방 인서트(90)가 위치 설정되는 후방 내부 공동(86)을 획정한다. 리브(92)가 전방 내부 공동(84)과 후방 내부 공동(86)을 분리할 수 있다. 그러나, 에어포일(50)은 변형예에서 1개의 내부 공동, 3개의 내부 공동 또는 4개 이상의 내부 공동을 획정할 수 있다. 더욱이, 소정 실시예에서 내부 공동 중 일부는 인서트를 포함하지 않을 수 있다.
도 5 내지 도 10은, 고온 경로 구성요소(104)에 의해 획정되는 고온 가스 경로 구성요소 공동(102)에 위치 설정될 수 있는 충돌 인서트(100)의 실시예를 예시한다. 몇몇 실시예에서는, 예컨대 충돌 인서트(100)가 도 4에 도시한 전방 인서트(90) 대신에, 노즐(32B)의 에어포일(50)들 중 하나의 전방 내부 공동(86)에 위치 설정될 수 있다. 상기한 실시예에서, 고온 경로 구성요소 공동(102)은 전방 내부 공동(86)일 수 있고, 고온 경로 구성요소(104)는 노즐(32B)일 수 있다. 다른 실시예에서, 고온 가스 경로 구성요소(104)는 다른 노즐, 터빈 슈라우드(44A 내지 44C) 중 어느 하나 또는 로터 블레이드(32A 내지 32C) 중 어느 하나일 수 있다. 그러나, 고온 가스 경로 구성요소(104)는 가스 터빈 엔진(10)에 있는 임의의 적절한 구성요소일 수 있다. 이와 같이, 고온 가스 경로 구성요소 공동(102)은 가스 터빈 엔진(10)에 있는 임의의 적절한 공동일 수 있다.
고온 가스 경로 구성요소(104)는 일반적으로 도 5에서 환형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 고온 가스 경로 구성요소(104)는 평판일 수도 있고, 임의의 적절한 단면 및/또는 형상을 가질 수도 있다.
도 5 내지 도 10에 예시한 바와 같이, 충돌 인서트(100)는 축방향(A), 반경방향(R) 및 둘레방향(C)을 획정한다. 일반적으로, 축방향(A)은 충돌 인서트(100)의 상단(106)과 충돌 인서트(100)의 저부단(108) 사이에서 연장된다. 더욱이, 반경방향(R)은 축방향(A)으로부터 외측 직교방향으로 연장되고, 둘레방향(C)은 축방향(A)을 중심으로 동심으로 연장된다.
특히 도 5 및 도 6을 참고하면, 충돌 인서트(100)는, 내부에 충돌 인서트 공동(112)을 획정하는 인서트 본체(110)를 포함한다. 이에 관하여, 인서트 본체(100)는 충돌 인서트 공동(112)의 외부 경계를 형성하는 내면(114)과, 내면(110)으로부터 이격된 외면(116)을 포함한다. 이와 같이, 인서트 본체(110)는 내면(114)과 외면(116) 사이에서 연장되는 인서트 본체 두께(118)(도 7)를 갖는다. 도시한 실시예에서, 충돌 인서트(100)는 일반적으로 환형 단면을 갖는다. 그러나, 충돌 인서트(100)는 다른 실시예에서 임의의 적절한 형상이나 구성(예컨대, 평판)을 가질 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 충돌 인서트(100)는 고온 가스 경로 구성요소(104)의 고온 가스 경로 구성요소 공동(102)에 위치 설정된다. 보다 구체적으로, 고온 가스 경로 구성요소(104)의 내면(120)은 고온 가스 경로 구성요소 공동(102)의 외측 경계를 형성한다. 충돌 인서트(100)는, 인서트 본체(110)의 외면(116)이 고온 가스 경로 구성요소(104)의 내면(120)으로부터 이격되도록 고온 가스 경로 구성요소 공동(102) 내에 위치 설정된다. 인서트 본체(110)의 외면과 고온 가스 경로 구성요소(104)의 내면(120) 사이의 간격은, 아래에서 더 상세히 설명하겠지만 내면(120)의 충돌 냉각을 용이하게 하도록 크기가 정해질 수 있다.
도 6에 예시한 바와 같이, 충돌 인서트(100)는 복수 개의 충돌 구멍(122)을 획정한다. 도시한 실시예에서, 충돌 구멍(122)은 일반적으로 환형 단면을 갖는다. 그러나, 충돌 구멍(122)은 변형예에서 임의의 적절한 단면(예컨대, 직사각형, 삼각형, 계란형, 타원형, 오각형, 육각형, 별 형상 등)을 가질 수 있다. 더욱이, 충돌 인서트(110)는 충돌 구멍(122)의 임의의 적절한 개수를 정할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시한 충돌 구멍(122) 중 하나의 단면도를 예시한다. 도시한 바와 같이, 인서트 본체(110)는 외면(116)에서부터 인서트 본체(110) 내로 반경방향으로 연장되는 만입부(124)를 획정한다. 도시한 실시예에서, 만입부(124)는 반구형이다. 그러나, 만입부(124)는 다른 변형예에서 다른 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 인서트 본체(110)는 또한 충돌 구멍(122)을 획정하며, 충돌 구멍은 만입부(124)로부터 반경방향으로 인서트 본체(110)를 관통하여 내면(114)으로 연장된다. 이에 관하여, 충돌 구멍(122)과 만입부(124)는 충돌 인서트 공동(108)과 고온 가스 경로 구성요소 공동(102)을 유동적으로 커플링한다.
만입부(124)는 도 7에 도시한 실시예에서 충돌 구멍(122)으로 국소화된다. 만입부(124)가 국소화될 때, 단지 하나의 충돌 구멍(112)만이 만입부(124)로부터 인서트 본체(110)를 관통하여 연장된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 충돌 구멍(122)과 만입부(124)는 다양한 치수를 가질 수 있다. 도시한 바와 같이, 충돌 구멍(122)은 만입부(124)와 내면(114) 사이에서 연장되는 길이(126)를 갖는다. 충돌 구멍(122)은 또한 직경(128)을 갖는다. 이와 유사하게, 만입부(124)는 직경(130)을 갖는다. 충돌 구멍(122) 및/또는 만입부(124)가 비원형 단면을 갖는 실시예에서, 직경(128, 130)은 충돌 구멍(122) 및/또는 만입부(124)의 최대 치수이다.
도 7은 충돌 구멍(122)과 만입부(124)의 치수의 일실시예를 예시한다. 보다 구체적으로, 인서트 본체(110)의 두께(118)는 충돌 구멍(122)의 길이보다 크다. 충돌 구멍(122)의 길이(126) 대 충돌 구멍(122)의 직경의 비는 1 이하일 수 있다. 이에 관하여, 길이(126)는 도 7에 도시한 직경(128)보다 작거나 도 8에 도시한 직경(128)과 같을 수 있다. 더욱이, 만입부(124)의 직경(130)은 충돌 구멍(122)의 직경보다 크다. 몇몇 실시예에서는, 예컨대 만입부(124)의 직경(130)이 충돌 구멍(122)의 직경(128)의 2배 내지 4배일 수 있다. 일실시예에서, 만입부(124)의 직경(130)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)의 3배 이상일 수 있다. 그러나, 변형예에서 충돌 구멍(122)과 만입부(124)는, 충돌 구멍(122)이 고온 가스 경로 구성요소(104)(도 5)에 충돌 냉각을 제공하는 것을 허용하는 임의의 적절한 치수를 가질 수 있다.
도 8은 충돌 구멍(122)의 다른 실시예의 단면도를 예시한다. 도시한 바와 같이, 인서트 본체(110)는 내면(114)에서부터 인서트 본체(110) 내로 반경방향으로 연장되는 만입부(124)를 획정한다. 인서트 본체(110)는 또한 충돌 구멍(122)을 획정하며, 충돌 구멍은 만입부(124)로부터 반경방향으로 인서트 본체(110)를 관통하여 외면(116)으로 연장된다.
도 9는 충돌 구멍(122)의 다른 실시예의 단면도를 예시한다. 도시한 바와 같이, 인서트 본체(110)는 내면(114)으로부터 인서트 본체(110)로 반경방향으로 연장되는 제1 만입부(124A)와, 외면(116)으로부터 인서트 본체(110)로 반경방향으로 연장되는 제2 만입부(124B)를 획정한다. 제1 만입부(124A)는 직경(130A)을 갖고, 제2 만입부(124B)는 직경(130B)을 갖는다. 도시한 실시예에서, 제1 만입부(124A)와 제2 만입부(124B)의 직경(130A, 130B)은 동일하다. 그러나, 직경(130A, 130B)은 다른 실시예에서는 상이할 수 있다. 더욱이, 제1 만입부(124A)와 제2 만입부(124B)는 인서트 본체(110) 내로의 동일하거나 상이한 깊이를 가질 수 있다. 인서트 본체(110)는 또한 충돌 구멍(122)을 획정하며, 충돌 구멍은 만입부(124A)로부터 반경방향으로 인서트 본체(110)를 관통하여 제2 만입부(124B)로 연장된다.
도 10은 충돌 인서트(100)의 다른 실시예를 예시한다. 도 6 내지 도 9에 도시한 충돌 인서트(100)의 실시예와 마찬가지로, 도 10에 도시한 충돌 인서트(100)의 인서트 본체(110)도 충돌 구멍(122)과 만입부(124)를 획정한다. 그러나, 도 10의 각각의 만입부(124)는 충돌 구멍(122)들 중 하나로 국소화되지 않는다. 대신에, 각각의 만입부(124)는 충돌 인서트(100)의 상단(106)으로부터 충돌 인서트(100)의 저부단(108)으로 그리고 외면(114)으로부터 인서트 본체(110)로 연장되는 슬롯이다. 이에 관하여, 다수의 충돌 구멍(122)이 각각의 만입부(124)로부터 인서트 본체(110)를 관통하여 연장된다. 예컨대, 도시한 실시예에서는 2개의 충돌 구멍(122)이 각각의 만입부(124)로부터 인서트 본체(110)를 관통하여 연장된다. 그러나, 다른 실시예에서는 2개, 4개, 5개 또는 그보다 많은 충돌 구멍(122)이 각각의 만입부(124)로부터 인서트 본체(110)를 관통하여 연장될 수 있다. 변형예에서, 만입부(124)는 임의의 형상 및/또는 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 만입부(124)는 도 11에 예시한 바와 같이 단지 충돌 인서트(100)의 상단(106)과 저부단(108) 사이에서만 부분적으로 연장될 수 있다. 더욱이, 도 12에 도시한 바와 같이, 만입부(124)는 내면(114)으로부터 인서트 본체(110)로 연장될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 충돌 인서트(100)는 적층 가공을 통해 형성된다. 여기에서 사용되는 “적층 가공(additive manufacturing)”이라는 용어는, 유용한 3차원 물체를 형성하고, 한 번에 한 층씩 물체의 형상을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 임의의 프로세스를 일컫는다. 적층 가공 프로세스는 3차원 프린팅(3DP) 프로세스, 레이저 순형상 제조, 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering; DMLS), 플라즈마 이행 아크, 자유 형상 제작(freeform fabrication) 등을 포함한다. 특정 타입의 적층 가공 프로세스는 에너지 빔, 예컨대 레이저 빔과 같은 전자 빔 또는 전자기 복사를 이용하여 분말 재료를 소결하거나 용융시킨다. 적층 가공 프로세스는 통상적으로 원료로서 금속 분말 재료나 와이어를 채용한다. 그러나, 충돌 인서트(100)는 임의의 적절한 제조 프로세스를 이용하여 구성될 수 있다.
작동 시, 충돌 인서트(100)는 고온 가스 경로 구성요소(104)에 충돌 냉각을 제공한다. 보다 구체적으로, 압축기 섹션(12)으로부터 블리딩되는 압축 공기(38)와 같은 냉각 공기는 충돌 인서트 공동(112) 내로 지향된다. 충돌 인서트 공동(112) 내의 냉각 공기는 이어서, 고온 가스 경로 구성요소(104)의 내면(120)에 충돌할 때까지 충돌 구멍(122)과 대응하는 만입부(124)를 거쳐 고온 가스 경로 구성요소 경로(102)를 가로질러 흐른다.
만입부(124)는 충돌 냉각 유효성을 향상시킨다. 보다 구체적으로, 충돌 냉각 유효성은 인서트 본체(110)의 두께(118)가 감소할수록 증가한다. 그러나, 충돌 인서트(100)는 인서트 본체(100)의 두께(118)가 너무 얇아지면 약해질 수 있고, 취급 및/또는 작동 환경을 견디기 불가능할 수 있다. 이에 관하여, 만입부(124)는 충돌 냉각을 향상시키기 위해 충돌 구멍(122)에 근접한 부위에서는 인서트 본체(100)의 두께를 감소시키고, 그 외의 부위에서는 취급 및/또는 작동 환경을 견디도록 인서트 본체(110)를 충분한 두께로 유지한다.
앞서 설명한 바와 같이, 만입부(124)는 충분한 강도를 유지하면서 향상된 충돌 냉각을 제공한다. 이에 관하여, 충돌 인서트(100)는 종래의 충돌 인서트보다 고온 가스 경로 구성요소(104)의 내면(120)에 보다 큰 충돌 냉각을 제공한다. 이와 같이, 충돌 인서트(100)는 종래 인서트보다 보다 적은 압축 공기(38)를 압축기 섹션(12)(도 1)으로부터 전향시키고, 이에 따라 가스 터빈 엔진(10)의 효율을 증가시킨다.
이 서술된 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 기술을 개시하고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 기술을 실시할 수 있도록 하기 위한 예를 사용한다. 본 기술의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 사실상 청구범위와 다르지 않은 구조 요소를 갖거나, 사실상 청구범위와 대단치 않은 차이를 지닌 등가의 구조 요소를 포함하는 경우에 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 터보기계(10)를 위한 충돌 인서트(100)로서,
    내면(114), 내면(114)으로부터 이격된 외면(116) 및 내면(114)에서 외면(116)으로 연장되는 두께(118)를 포함하는 인서트 본체(110)
    를 포함하고, 인서트 본체(110)는 내면(114)이나 외면(116) 중 어느 하나에서 인서트 본체(110)로 연장되는 제1 만입부(124, 124A, 124B)를 획정하며, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 직경(130, 130A, 130B)을 갖고, 인서트 본체(110)는 제1 만입부(124, 124A, 124B)로부터 인서트 본체(110)를 관통하여 연장되는 충돌 구멍(122)을 더 획정하며, 충돌 구멍(122)은 길이(126) 및 직경(128)을 갖고,
    인서트 본체(110)의 두께(118)는 충돌 구멍(122)의 길이(126)보다 크고, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)보다 큰 것인 충돌 인서트.
  2. 제1항에 있어서, 충돌 구멍(122)의 길이(126)는 충돌 구멍(122)의 직경(128) 이하인 것인 충돌 인서트.
  3. 제1항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)의 2배 내지 4배인 것인 충돌 인서트.
  4. 제1항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)의 3배 이상인 것인 충돌 인서트.
  5. 제1항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 내면(114)으로부터 인서트 본체(110)로 연장되고, 충돌 구멍(122)은 제1 만입부(124, 124A, 124B)로부터 외면(116)으로 연장되는 것인 충돌 인서트.
  6. 제1항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 외면(116)으로부터 인서트 본체(110)로 연장되고, 충돌 구멍(122)은 제1 만입부(124, 124A, 124B)로부터 내면(114)으로 연장되는 것인 충돌 인서트.
  7. 제1항에 있어서, 인서트 본체(110)는 내면(114)이나 외면(116) 중 다른 하나로부터 인서트 본체(110)로 연장되는 제2 만입부(124, 124A, 124B)를 획정하고, 충돌 구멍(122)은 제1 만입부(124, 124A, 124B)로부터 제2 만입부(124, 124A, 124B)로 연장되는 것인 충돌 인서트.
  8. 제7항에 있어서, 제2 만입부(124, 124A, 124B)는 직경(130, 130A, 130B)을 갖고, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 제2 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)과 동일한 것인 충돌 인서트.
  9. 제1항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 인서트 본체(110)의 제1 단부(106, 108)로부터, 제1 단부(106, 108)로부터 이격된 인서트 본체(110)의 제2 단부(106, 108)로 연장되는 슬롯인 것인 충돌 인서트.
  10. 제1항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 충돌 구멍(122)으로 국소화되는 것인 충돌 인서트.
  11. 터보기계(10)로서,
    터보기계 구성요소(32A, 32B, 32C, 34A, 34B, 34C); 및
    터보기계 구성요소(32A, 32B, 32C, 34A, 34B, 34C) 내에 위치 설정되는 충돌 인서트(100)
    를 포함하고, 충돌 인서트(100)는
    내면(114), 내면(114)으로부터 이격된 외면(116) 및 내면(114)에서 외면(116)으로 연장되는 두께(118)를 포함하는 인서트 본체(110)를 포함하고, 인서트 본체(110)는 내면(114)이나 외면(116) 중 어느 하나에서 인서트 본체(110)로 연장되는 제1 만입부(124, 124A, 124B)를 획정하며, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 직경(130, 130A, 130B)을 갖고, 인서트 본체(110)는 제1 만입부(124, 124A, 124B)로부터 인서트 본체(110)를 관통하여 연장되는 충돌 구멍(122)을 더 획정하며, 충돌 구멍(122)은 길이(126) 및 직경(128)을 갖고,
    인서트 본체(110)의 두께(118)는 충돌 구멍(122)의 길이(126)보다 크고, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)보다 큰 것인 터보기계.
  12. 제11항에 있어서, 충돌 구멍(122)의 길이(126)는 충돌 구멍(122)의 직경(128) 이하인 것인 터보기계.
  13. 제11항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)의 2배 내지 4배인 것인 터보기계.
  14. 제11항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)의 직경(130, 130A, 130B)은 충돌 구멍(122)의 직경(128)의 3배 이상인 것인 터보기계.
  15. 제11항에 있어서, 제1 만입부(124, 124A, 124B)는 내면(114)으로부터 인서트 본체(110)로 연장되고, 충돌 구멍(122)은 제1 만입부(124, 124A, 124B)로부터 외면(116)으로 연장되는 것인 터보기계.
KR1020180078176A 2017-07-13 2018-07-05 터보기계의 충돌 냉각 인서트 KR102624364B1 (ko)

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