KR20190036202A

KR20190036202A - 가스 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR20190036202A
Application number: KR1020170125155A
Authority: KR
Inventors: 장윤창
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-04-04
Also published as: EP3461995B1; KR102000835B1; US20190093484A1; EP3461995A1

Abstract

가스 터빈 블레이드가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖는 터빈 블레이드(33); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 출구부(120)에 돌기(130)가 형성된다.

Description

가스 터빈 블레이드{Gas Turbine Blade}

본 발명은 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 터빈 블레이드를 향해 이동된 고온의 핫 가스와 혼합되어 터빈 블레이드의 막 냉각을 실시하기 위한 가스 터빈 블레이드에 관한 것이다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기부에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다.

이러한 터빈을 구성하기 위해서 외주면에 복수의 터빈 블레이드가 배열되는 복수의 터빈 로터 디스크를 다단으로 구성하여 상기 고온, 고압의 연소 가스가 터빈 블레이드를 통과시키도록 하는 구성이 널리 사용되고 있다.

이와 같이 사용되는 가스터빈 블레이드는 표면에 대한 냉각을 위한 막 냉각법이 일반적으로 사용하고 있으며 이에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 터빈 블레이드는 표면으로 공급되는 핫 가스로부터 냉각을 위해 상기 터빈 블레이드 표면에 다수개의 막 냉각부(7)가 형성된다.

상기 막 냉각 부(7)는 터빈 블레이드의 내부에서 공급된 냉각공기가 유입되도록 원형으로 이루어진 유입구(7a)와, 상기 유입구(7a)의 연장된 단부에서 좌우 대칭 형태로 외측을 향해 확장된 확장부(7b)를 포함한다.

상기 유입구(7a)는 단면을 잘라서 정면에서 바라볼 때 원형 단면으로 형성되므로 상기 확장부(7b)에서 다량의 냉각 공기를 터빈 블레이드의 표면으로 공급하기 위해 특정 확산각(α)으로 연장된다.

상기 확산각(α)은 증가될수록 상기 확장부(2b)의 내부에서 불균일하게 박리(separation) 현상이 발생되었다.

또한 냉각 공기는 막 냉각부(7)를 경유하여 터빈 블레이드의 vaus으로 분사되는데, 상기 터빈 블레이드의 흡입면과 압력면 중 중간 위치에 행당되는 구간에서 냉각 공기가 터빈 블레이드의 표면을 향해 안정적으로 분사되지 못하는 문제점이 발생되었다.

이 경우 터빈 블레이드는 표면 온도가 상승되고 국부적으로 열 응력이 증가되어 변형 또는 파손되는 문제점이 발생되었다.

따라서 터빈 블레이드의 막 냉각부의 구조를 변경하여 안정적인 냉각을 위한 방안이 요구되었다.

대한민국공개특허 제10-2015-0008749호

본 발명의 실시 예들은 가스 터빈 블레이드에 구비된 막 냉각부의 내부에 돌기를 형성하고, 냉각 공기가 터빈 블레이드의 표면을 향하도록 내부 구조를 변경한 가스 터빈 블레이드를 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖는 터빈 블레이드(33); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 출구부(120)에 돌기(130)가 형성된다.

상기 굴곡구간(S)은 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 S/3위치에 해당되는 제1 굴곡구간(S1); 상기 제1 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2); 상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(45)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함하고, 상기 돌기(130)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된다.

상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된 돌기(130)는 상기 터빈 블레이드(33)를 향해 이동하는 핫 가스의 이동 방향과 소정의 각도로 경사진 내측면에 위치된다.

상기 돌기(130)는 돌출된 높이가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 돌기(130)는 상기 출구부(120)로 갈수록 돌출된 높이가 증가하는 것을 특징으로 한다.

상기 터빈 블레이드(33)는 허브(31)와 팁(32)을 포함하고, 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 터빈 블레이드(33)는 허브(31)와 팁(32)을 포함하고, 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 출구부(120)의 면적이 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 출구부(120)에는 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되도록 경사진 라운드 부(36)가 형성된다.

상기 터빈 블레이드(33)는 상기 제2 굴곡구간(S2)을 제외한 나머지 제1 또는 제3 굴곡구간(S1, S3)에는 상기 돌기(130)가 미 형성된 된다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖는 터빈 블레이드(33); 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 출구부(120)에 돌기(130)가 형성되고, 상기 블레이드(33)는 허브(31)에서 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하며, 상기 블레이드(33)의 팁(32)에서는 상기 블레이드(33)를 향해 이동된 핫 가스와 소정의 각도로 경사진 상기 출구부(120)의 내측에 상기 블레이드(33)의 표면으로 분사되도록 경사진 라운드 부(36a)를 포함한다.

상기 라운드 부(36a)는 상기 블레이드(33)를 향해 연장된 출구부(120)의 단부에 형성된다.

상기 라운드 부(36a)는 상기 출구부(120)의 내측 바닥면에 형성된다.

상기 막 냉각부(100)는 상기 라운드 부(36a)와 마주보는 상대면이 상기 출구부(120)의 단부로 갈수록 경사진 제1 경사부(36b)가 형성된다.

상기 터빈 블레이드(33)는 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 출구부(120)의 면적이 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 돌기(130)는 상기 출구부(120)의 내측에 서로 마주보며 위치된다.

본 발명의 실시 예들은 출구부에 구비된 다수개의 돌기 통해 열 전달 성능을 향상시키고, 막 냉각부를 경유하여 터빈 블레이드의 표면으로 분사되는 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하여 냉각을 실시할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 터빈 블레이드의 표면에 대한 냉각 효율을 향상시켜 국부적인 온도 상승을 최소화 하고, 흡입면과 압력면의 특정 구간에서의 냉각 효율을 안정적으로 유지할 수 있고,

도 1은 종래의 터빈 블레이드에 형성된 막 냉각부를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 터빈 블레이드가 설치된 가스 터빈의 종 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드와 막 냉각부를 확대 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 막 냉각부에 돌기가 위치된 상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 돌기의 다른 실시 예를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드의 작동 상태도.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드의 작동 상태도.

본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2를 참조하면, 가스 터빈은 외형을 이루는 케이싱(10)이 구비되고, 케이싱(10)의 후측(도 1 기준 우측)에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저가 구비된다.

그리고 상기 디퓨저의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(11)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(10)의 전방에 압축기 섹션(12)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(30)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(12)과 상기 터빈 섹션(30)의 사이에는 상기 터빈 섹션(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(12)으로 전달하는 토크튜브(14)가 구비된다.

상기 압축기 섹션(12)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크들은 타이로드(15)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크 중앙을 상기 타이로드(15)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크의 외주면에는 복수 개의 블레이드가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드는 도브 테일부를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크에 체결된다.

도브 테일부의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 도브 테일외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

상기 타이로드(15)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브에 고정된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.

하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(11)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연소기는 연료 분사 노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다.

상기 트랜지션피스는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

상기 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리부에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 일반적으로 터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.

터빈에서 얻은 기계적 에너지는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다.

이를 위해, 상기 터빈 섹션(30)에는 복수의 터빈 로터 디스크가 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크는 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크와 유사한 형태를 갖는다.

상기 터빈 로터 디스크 역시 이웃한 터빈 로터 디스크와 결합되기 위한 구비한 플랜지를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(33)을 포함한다. 상기 터빈 블레이드(33) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크에 결합될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(12)에서 압축되고, 연소기(11)에서 연소된 후, 터빈 섹션(30)으로 이동되어 터빈을 구동하고, 디퓨저를 통해 대기중으로 배출된다.

가스터빈의 효율을 증가시키기 위한 방법 중 대표적인 것은 터빈 섹션(30)으로 유입되는 가스의 온도를 높이는 것이나, 이 경우 상기 터빈 섹션(30)의 입구 온도가 증가하게 되는 현상이 발생된다.

또한 터빈 섹션(30)에 구비된 터빈 블레이드(33)에 문제가 발생하게 되고, 상기 터빈 블레이드(33)의 온도가 국부적으로 상승하면서 열응력(thermal Stress)이 발생 되며, 상기 열응력이 장시간 지속되면 크리프(creep) 현상으로 인해 터빈 블레이드(33)의 파괴까지 이어질 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 고온의 핫 가스가 터빈 블레이드(33)의 외주면으로 공급될 때 상기 외주면에 대한 안정적인 냉각이 필요하게 된다.

이 경우 본 실시 예는 터빈 블레이드(33)의 내부로 공급된 냉각 공기를 상기 터빈 블레이드(33)의 외주면으로 공급할 수 있는 막 냉각부(100)를 통해 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 대한 막 냉각을 실시하는데, 냉각 공기가 도달하기 어려운 굴곡면으로 안정적으로 공급하기 위해 막 냉각부(100)의 구성을 변경하여 안정적인 냉각을 도모하고자 한다.

이를 위해 본 발명은 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서부터 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간에 다수개가 형성된 막 냉각부(100)가 구비된다. 상기 막 냉각부(100)는 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(33)의 내측으로부터 공급된 후에 표면으로 분사되면서 막 냉각을 도모하기 위해 구비된다.

상기 막 냉각부(100)는 가스 터빈에 구비된 터빈 블레이드(33) 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비된다.

그리고 터빈 블레이드(33)는 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖고 연장되고, 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)로 구성된다.

참고로 상기 출구부(120)는 내부에 서로 마주보는 내측벽(121, 122)이 형성된다.

상기 냉각채널(110)은 냉각 공기가 유입되도록 터빈 블레이드(33)의 내측에 일단이 연결되고, 타단은 터빈 블레이드(33)의 외측을 향해 연장되며 원형의 단면 형태로 형성되나, 타원 형태로 형성되는 것도 가능할 수 있다.

상기 막 냉각부(100)는 터빈 블레이드(33)의 외주면을 따라 이동하는 고온의 핫 가스와 혼합되면서 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에 대한 막 냉각을 도모한다.

또한 막 냉각부(100)는 상기 출구부(120)를 통해 향해 냉각 공기가 공급될 때 표면적을 통한 열교환과, 상기 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 안정적으로 확산되면서 핫 가스가 가지고 있는 고온을 소정의 온도로 하강 시켜 냉각을 도모한다.

상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 출구부(120)에 돌기(130)가 형성된다.

상기 굴곡구간(S)은 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 S/3위치에 해당되는 제1 굴곡구간(S1)과, 상기 제1 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2)과, 상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(45)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함한다.

상기 돌기(130)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성되는데, 상기 제2 굴곡구간(S2)은 압력면(33a)의 경우 도면 기준으로 터빈 블레이드(33)의 내측으로 라운드진 구간에 해당된다.

또한 흡입면(33b)은 터빈 블레이드(33)를 바라볼 때 리딩 엣지(34)에서 부터외측트레일링 엣지(35)까지 외측으로 라운드지게 돌출된 구간에 해당된다.

돌기(130)는 원형 단면 다각 단면 또는 U자 단면 중의 어느 하나 또는 복합으로 구성 가능하며 도면에 도시된 형태로 한정하지 않는다.

상기 압력면(33a)과 흡입면(33b)은 막 냉각부(100)에서 냉각 공기가 블레이드 표면으로 공급될 때 표면에 밀착되어 이동하는 것이 냉각 성능 향상과 냉각 효율 향상에 유리해 진다.

본 실시 예는 이를 위해 터빈 블레이드(33)의 전체 구간 중 상기 제2 굴곡구간(S2)에만 돌기(130)를 구비하여 냉각 효율을 향상시키고, 더불어 상기 돌기(130)의 위치를 아래의 위치에 한정하여 배치한다.

일 예로 제2 굴곡구간(S2)에 형성된 돌기(130)는 상기 터빈 블레이드(33)를 향해 이동하는 핫 가스의 이동 방향과 소정의 각도로 경사진 내측면에 위치된다.

상기 냉각 공기는 출구부(120)에서 돌기(130)에 의해 이동 방향이 변화되어 터빈 블레이드(33)의 표면에 부착되어 화살표로 동시된 방향으로 분사된다.

돌기(130)는 냉각 공기의 이동 방향을 가이드 하는 역할과, 상기 돌기(130)의 배치에 따른 냉각 공기의 유동 흐름을 변화시켜 터빈 블레이드(33)의 표면으로 냉각 공기를 가이드 한다.

이와 같이 냉각 공기는 출구부(120)에서 분사 방향이 변화되어 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사될 경우 핫 가스와 혼합되어 상기 터빈 블레이드(33)의 표면에서 박리되지 않고 안정적으로 이동되면서 냉각이 이루어진다.

따라서 터빈 블레이드(33)는 상대적으로 막 냉각부(100)에 의한 냉각이 불리한 제2 굴곡구간(S2)에서의 안정적인 냉각을 통해 터빈 블레이드(33)의 냉각 성능이 향상된다.

즉 막 냉각부(100)의 내부에서 냉각 공기의 이동만 이루어지고 돌기(130)와같은 열전달을 위한 구성은 별도로 구비되지 않는다.

본 실시 예에 의한 돌기(130)는 일 예로 돌출된 높이가 일정하게 유지되며 일 예로 원기둥 형태 또는 다각 형태 또는 타원 형태 중의 어느 하나의 형태로 구성된다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 돌기(130)는 상기 출구부(120)로 갈수록 돌출된 높이가 증가된다. 돌기(130)는 돌출 높이가 통로부(120)의 높이를 고려하여 다양하게 변경 가능하며 이를 통해 냉각 공기와의 접촉 면적 증가를 통한 열전달 성능 향상을 도모할 수 있다.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 터빈 블레이드(33)는 플랫폼에 연결된 허브(31)와, 상기 허브(31)에서 외측으로 연장된 터빈 블레이드(33)의 단부에 형성된 팁(32)을 포함한다.

그리고 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소한다. 터빈 블레이드(33)는 회전시 상기 팁(32)에서 발생되는 속도가 상기 허브(31)에서 발생되는 속도 보다 빠르게 유지된다.

상기 터빈 블레이드(33)는 위치에 따른 속도 차이를 이용하여 허브(31) 보다는 팁(32)에서 핫 가스가 빠르게 이동하므로 상기 허브(31)에서의 터빈 블레이드(33)의 온도 보다 상기 팁(32)이 형성된 위치에서의 터빈 블레이드(33)의 온도가 낮아질 수 있다.

본 실시 예는 이러한 터빈 블레이드(33)의 특성을 이용하여 상기 팁(32)에서는 돌기(130)의 돌출 높이가 작거나, 평평하게 구성될 수 있다. 또한 상기 허브(31)에서는 돌기(130)의 돌출된 길이가 상기 팁(32) 보다 길게 연장되므로 열전달 면적이 증가되어 냉각 성능이 향상된다.

본 실시 예에 의한 터빈 블레이드(33)는 허브(31)와 팁(32)을 포함하고, 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 출구부(120)의 면적이 감소하도록 구성될 수 있다.

상기 출구부(120)는 개구된 면적이 일정하게 유지되는 것이 일반적이나, 본 실시 예는 상기 출구부(120)의 면적을 변화시켜 냉각 공기의 분사 속도를 다양하게 조절하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되는 냉각 공기의 이동 방향을 표면으로 유도할 수 있다.

상기 라운드 부(36)는 도면에 도시된 곡률로 라운드 지며 냉각 공기의 이동을 화살표로 도시된 바와 같이 안내한다.

라운드 부(36)는 냉각 공기가 상기 출구부(120)를 경유하여 외측으로 분사될 때 터빈 블레이드(33)의 표면으로 최대한 밀착되게 이동되도록 가이드 하기 위해 형성된다.

일 예로 라운드 부(36)는 도면 기준으로 냉각 공기를 a위치에서 b위치로 가이드 하고, 최종적으로 터빈 블레이드(33)의 표면인 c위치로 가이드 하여 핫 가스로 인한 터빈 블레이드(33)의 온도 상승을 최소화 하고 안정적인 냉각을 도모할 수 있다.

일 예로 출구부(120)는 팁(32)과 인접하여 위치된 막 냉각부(100)에서 출구부(120)의 면적이 허브(31)와 인접한 위치에 위치된 막 냉각부(100)의 출구부(120)의 면적보다 작아지게 구성되므로 냉각 공기의 분사 속도가 증가된다.

본 실시 예는 막 냉각부(100)에 돌기(130)가 형성된 터빈 블레이드(33)를 갖는 가스 터빈을 제공하거나 냉각을 필요로 하는 터빈 장치에 적용되어 사용될 수 있다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 가스 터빈 블레이드는 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖는 터빈 블레이드(33) 및 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되, 상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 출구부(120)에 돌기(130)가 형성되고, 상기 블레이드(33)는 허브(31)에서 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하며, 상기 블레이드(33)의 팁(32)에서는 상기 블레이드(33)를 향해 이동된 핫 가스와 소정의 각도로 경사진 상기 출구부(120)의 내측에 상기 블레이드(33)의 표면으로 분사되도록 경사진 라운드 부(36a)를 포함한다.

터빈 블레이드(33)는 압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖고 연장되고, 상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)로 구성된다.

본 실시 예에 의한 라운드 부(36a)는 상기 블레이드(33)를 향해 연장된 출구부(120)의 단부에 형성된다. 상기 출구부(120)는 소정의 길이로 형성되며 상기 위치에 라운드 부(36a)가 형성되는 것이 냉각 공기를 터빈 블레이드(33)의 표면으로 가이드 할 수 있어 터빈 블레이드(33)의 냉각에 보다 유리해 진다.

터빈 블레이드(33)는 다수개로 구성되므로 종래 대비 몇 도의 온도만 하강 시키는 경우에도 열 변형으로 인한 응력 집중 또는 크랙 발생으로부터 상기 터빈 블레이드(33)를 안전하게 보호할 수 있다.

또한 장기간 터빈 블레이드(33)가 사용될 경우 내구성 향상과 교체로 인한 비용 발생을 최소화 시킬 수 있어 경제성 또한 향상 시킬 수 있다.

상기 라운드 부(36a)는 상기 출구부(120)의 내측 바닥면에 형성된다. 상기 출구부(120)는 단면도를 기준으로 냉각채널(110)의 연장된 단부에서 소정의 길이로 경사지게 연장된다. 그리고 경사진 단부에 상기 라운드 부(36a)가 터빈 블레이드(33)의 표면을 향해 라운드지게 연장된다.

상기 라운드 부(36a)는 곡률이 도면에 도시된 바와 같이 연장될 수 있으나 터빈 블레이드(36)를 향해 연장된 단부는 도면에 도시된 길이 또는 상대적으로 도면 기준으로 X축 방향으로 길게 연장될 수 있다.

상기 막 냉각부(100)는 상기 라운드 부(36a)와 마주보는 상대면이 상기 출구부(120)의 단부로 갈수록 경사진 제1 경사부(36b)가 형성된다. 상기 제1 경사부(36b)는 전술한 라운드 부(36a)와 서로 마주보며 위치되고 냉각 공기의 이동 방향이 상기 라운드 부(36a)를 따라 이동되도록 상기 라운드 부(36a)를 향해 소정의 각도로 경사진다.

출구부(120)는 상기 라운드 부(36a)와 제1 경사부(36b)에 의해 노즐 형태로 형성되므로 냉각 공기는 상기 출구부(120)를 통과하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사될 경우 이동 속도가 증가되고, 터빈 블레이드(33)의 냉각이 필요한 영역에 집중적으로 분사될 수 있다.

냉각 공기는 이동 속도가 증가될 경우 시간당 보다 많은 냉각 공기를 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사할 수 있어 터빈 블레이드(33)의 막 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

이 경우 터빈 블레이드(33)의 특정 위치에서 냉각이 불안정하게 유지되지 않고 허브(31)에서부터 팁(32)에 이르는 구간에서 안정적인 냉각이 유지되므로 터빈 블레이드(33)의 전체적인 냉각 효율이 향상된다.

상기 터빈 블레이드(33)는 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소된다.

터빈 블레이드(33)는 회전시 상기 팁(32)에서 발생되는 속도가 상기 허브(31)에서 발생되는 속도 보다 빠르게 유지된다.

상기 터빈 블레이드(33)는 위치에 따른 속도 차이를 이용하여 허브(31) 보다는 팁(32)에서 핫 가스가 빠르게 이동하게 되므로 상기 허브(31)에서의 터빈 블레이드(33)의 온도 보다 상기 팁(32)이 형성된 위치에서의 터빈 블레이드(33)의 온도가 낮아질 수 있다.

본 실시 예는 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 출구부(120)의 면적이 감소 한다. 상기 출구부(120)는 개구된 면적이 일정하게 유지되는 것이 일반적이나, 본 실시 예는 상기 출구부(120)의 면적을 변화시켜 냉각 공기의 분사 속도를 다양하게 조절하여 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되는 냉각 공기의 이동 방향을 표면으로 유도할 수 있다.

본 실시 예에 의한 굴곡구간(S)은 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 S/3위치에 해당되는 제1 굴곡구간(S1)과, 상기 제1 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2)과, 상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(45)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함하고, 상기 돌기(130)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된다.

상기 제2 굴곡구간(S2)은 압력면(33a)의 경우 도면 기준으로 터빈 블레이드(33)의 내측으로 라운드진 구간에 해당된다.

또한 흡입면(33b)은 터빈 블레이드(33)의 흡입면(33b)을 기준으로 외측으로 라운드지게 돌출된 구간에 해당된다.

본 실시 예는 이를 위해 터빈 블레이드(33)의 전체 구간 중 상기 제2 굴곡구간(S2)에만 돌기(130)를 구비하여 냉각 효율을 향상시킨다.

일 예로 본 실시 예에 의한 돌기(130)는 상기 출구부(120)의 내측면(121, 122)에 서로 마주보며 위치시킬 수 있으며, 이 경우 상기 내측면(121, 122)을 따라 이동하는 냉각 공기의 이동 안정성 향상과 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되는 냉각 공기의 일정한 이동 흐름을 유발시킬 수 있다.

냉각 공기는 출구부(120)로 이동되는 동안 최적의 이동 흐름이 유발되는 것이 터빈 블레이드(33)의 표면으로 보다 많은 양의 냉각 공기를 공급할 수 있다.

냉각 공기는 막 냉각부(100)를 경유하면서 한정된 공간과 레이 아웃으로 인해 안정적인 이동 흐름을 방해하는 불필요한 난류 흐름이 내측면(121, 122)에서 발생될 수 있다.

다만 본 실시 예는 돌기(130)를 특정 간격과 길이로 돌출시켜 냉각 공기의 안정적인 이동을 도모하여 터빈 블레이드(33)의 표면에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 전술한 바와 같이 터빈 블레이드(33)의 표면으로 냉각 공기의 이동을 가이드 할 수 있어 냉각이 필요한 특정 위치로 냉각 공기를 안정적으로 공급 및 냉각을 실시할 수 있다.

33 : 터빈 블레이드
34 : 리딩 엣지
35 : 트레일링 엣지
100 : 막 냉각부
110 : 냉각채널
120 : 출구부
121, 122 : 내측벽
130 : 돌기

Claims

압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖는 터빈 블레이드(33); 및
상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되,
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 상기 출구부(120)에 돌기(130)가 형성된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 굴곡구간(S)은 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 S/3위치에 해당되는 제1 굴곡구간(S1);
상기 제1 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2);
상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(45)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함하고,
상기 돌기(130)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된 가스 터빈 블레이드.
제2 항에 있어서,
상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된 돌기(130)는 상기 터빈 블레이드(33)를 향해 이동하는 핫 가스의 이동 방향과 소정의 각도로 경사진 내측면에 위치된 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(130)는 돌출된 높이가 일정하게 유지되는 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 돌기(130)는 상기 출구부(120)로 갈수록 돌출된 높이가 증가하는 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(33)는 허브(31)와 팁(32)을 포함하고, 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하는 가스 터빈 블레이드.
제1 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(33)는 허브(31)와 팁(32)을 포함하고, 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 출구부(120)의 면적이 감소하는 가스 터빈 블레이드.
제7 항에 있어서,
상기 출구부(120)에는 냉각 공기가 터빈 블레이드(33)의 표면으로 분사되도록 경사진 라운드 부(36)가 형성된 가스 터빈 블레이드.
제2 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(33)는 상기 제2 굴곡구간(S2)을 제외한 나머지 제1 또는 제3 굴곡구간(S1, S3)에는 상기 돌기(130)가 미 형성된 가스 터빈 블레이드.
압력면(33a)과 흡입면(33b)을 갖는 터빈 블레이드(33); 및
상기 터빈 블레이드(33)의 내측에서 외측을 향해 연장된 냉각채널(110)과, 냉각 공기가 배출되는 출구부(120)를 갖는 막 냉각부(100)가 구비되되,
상기 막 냉각부(100)는 상기 터빈 블레이드(33)의 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)를 향해 연장된 굴곡구간(S) 중 임의의 구간에만 출구부(120)에 돌기(130)가 형성되고,
상기 블레이드(33)는 허브(31)에서 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하며,
상기 블레이드(33)의 팁(32)에서는 상기 블레이드(33)를 향해 이동된 핫 가스와 소정의 각도로 경사진 상기 출구부(120)의 내측에 상기 블레이드(33)의 표면으로 분사되도록 경사진 라운드 부(36a)를 포함하는 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 라운드 부(36a)는 상기 블레이드(33)를 향해 연장된 출구부(120)의 단부에 형성된 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 라운드 부(36a)는 상기 출구부(120)의 내측 바닥면에 형성된 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 막 냉각부(100)는 상기 라운드 부(36a)와 마주보는 상대면이 상기 출구부(120)의 단부로 갈수록 경사진 제1 경사부(36b)가 형성된 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(33)는 상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 돌기(130)의 돌출 높이가 감소하는 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 허브(31)에서부터 상기 팁(32)으로 갈수록 상기 출구부(120)의 면적이 감소하는 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 굴곡구간(S)은 상기 리딩 엣지(34)에서 상기 트레일링 엣지(35)에 이르는 구간을 삼등분 했을 때, 상기 리딩 엣지(34)를 기준으로 S/3위치에 해당되는 제1 굴곡구간(S1);
상기 제1 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 굴곡구간(S)의 2S/3위치에 해당되는 제2 굴곡구간(S2);
상기 제2 굴곡구간(S2)의 단부에서부터 상기 트레일링 엣지(45)에 이르는 나머지 구간에 해당되는 제3 굴곡구간(S3)을 포함하고,
상기 돌기(130)는 상기 제2 굴곡구간(S2)에 형성된 가스 터빈 블레이드.
제10 항에 있어서,
상기 돌기(130)는 상기 출구부(120)의 내측에 서로 마주보며 위치된 가스 터빈 블레이드.