KR20190042866A - 블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 타이로드와 터빈의 케이싱의 사이에 설치되며, 연소기로부터 공급받은 연소가스에 의해 회전하고, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 것으로서, 본체부; 및 상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함하는 블레이드 에어포일, 터빈 및 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 블레이드 에어포일의 팁부에 중심단을 구비함으로써, 블레이드 에어포일의 팁부에 열의 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈{Blade airfoil, turbine and gas turbine comprising the same}

본 발명은 블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연소기로부터 공급받은 연소가스에 의해 회전하는 블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 가스터빈은 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 압축기는 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과 압축기 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 압축기는 압축기 입구 스크롤 스트럿(Compressor inlet scroll strut)을 통해 외부의 공기를 흡입한다. 이렇게 흡입된 공기는 압축기의 내부를 통과하면서 상기 압축기 베인과 압축기 블레이드에 의해 압축된다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합시킨다. 또한 연소기는 압축공기와 혼합된 연료를 점화기로 점화하여 고온고압의 연소가스를 생성한다. 이와 같이 생성된 연소가스는 터빈으로 공급된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수개의 터빈 베인과 터빈 블레이드가 교대로 배치된다. 그리고 터빈은 연소기에서 생성된 연소가스를 공급받아 내부로 통과시킨다. 터빈의 내부를 통과하는 연소가스는 터빈 블레이드를 회전시키게 되고, 터빈의 내부를 완전히 통과하게 된 연소가스는 터빈 디퓨저를 통해 외부로 토출되게 된다.

가스터빈은 타이로드(Tie rod)를 더 포함한다. 상기 타이로드는, 압축기 블레이드가 외주면에 결합되는 압축기 디스크와, 터빈 블레이드가 외주면에 결합되는 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 설치된다. 이에 따라 상기 타이로드는, 압축기 디스크와 터빈 디스크가 가스터빈의 내부에서 서로 고정될 수 있도록 한다.

이와 같은 가스터빈은, 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에, 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적다. 따라서 가스터빈은, 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되며, 고속운동이 가능하여 고용량의 전력을 생성할 수 있다는 장점이 있다.

이러한 가스터빈의 터빈 블레이드와 관련된 기술로서 대한민국 등록실용신안 제20-0174662호에서는 가스터빈에 관해 개시하고 있다.

상기 종래의 가스터빈에 포함된 터빈 블레이드는, 연소가스가 통과하는 에어포일과, 터빈 디스크에 삽입되어 에어포일을 디스크에 고정시키는 루트부재와, 상기 에어포일과 루트부재 사이에 설치되며 상기 에어포일이 안착되는 플랫폼을 포함한다. 그리고 상기 에어포일은, 본체부와, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측과 흡입면(Suction side) 측으로부터 상기 터빈 케이싱 측으로 연장된 팁부(Tip part)를 포함한다.

이때, 터빈 내부에서 유동하는 연소가스가 에어포일의 팁부 측을 통과하면서, 흡입면 측 팁부와 본체부가 연결되는 부분에 부딪히게 된다. 이에 따라 상기 종래의 가스터빈은, 상기 에어포일의 흡입면 측 팁부와 본체부가 연결되는 부분에 열이 집중되어, 상기 에어포일의 팁부에 열 손상이 발생되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 팁부의 구조를 개선하여 열의 집중이 발생되는 것을 방지하는 블레이드 에어포일, 터빈 및 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 블레이드 에어포일은, 타이로드와 터빈의 케이싱의 사이에 설치되며, 연소기로부터 공급받은 연소가스에 의해 회전하고, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 것으로서, 본체부; 및 상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 타이로드가 중심을 관통하며, 연소기로부터 공급받은 연소가스를 통해 전력 생성을 위한 동력을 발생시키고, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 것으로서, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치된 베인을 포함하는 스테이터; 및 상기 케이싱과 타이로드의 사이에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되되 상기 베인과 베인의 사이에 각각 배치되어 연소가스에 의해 회전하는 블레이드를 포함하는 로터를 포함하되, 상기 블레이드는, 연소가스가 통과하는 에어포일과, 상기 디스크에 삽입되어 상기 에어포일을 디스크에 고정시키는 루트부재와, 상기 에어포일과 루트부재 사이에 설치되며 상기 에어포일이 안착되는 플랫폼을 포함하고, 상기 에어포일은, 본체부와, 상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함하는 터빈이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키며, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈; 및 상기 압축기와 터빈의 중심을 관통하는 타이로드를 포함하되, 상기 터빈은, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치된 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 케이싱과 타이로드의 사이에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되되 상기 베인과 베인의 사이에 각각 배치되어 연소가스에 의해 회전하는 블레이드를 포함하는 로터를 포함하며, 상기 블레이드는, 연소가스가 통과하는 에어포일과, 상기 디스크에 삽입되어 상기 에어포일을 디스크에 고정시키는 루트부재와, 상기 에어포일과 루트부재 사이에 설치되며 상기 에어포일이 안착되는 플랫폼을 포함하고, 상기 에어포일은, 본체부와, 상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함하는 가스터빈이 제공된다.

상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단의 상기 케이싱 측의 면에 대하여 30도 이내의 각을 이루는 평면 형상으로 형성될 수 있다.

상기 흡입단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면과 평행할 수 있다.

상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 소정 곡률로 이루어진 곡면으로 형성될 수 있다.

상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록, 상기 케이싱 측으로 휘어지는 제1곡면을 포함할 수 있다.

상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 제1곡면으로부터 연장되어 상기 흡입단 측으로 휘어지는 제2곡면을 더 포함할 수 있다.

상기 중심단과 흡입단은, 상기 케이싱 측의 면이 서로 연결되어 일체를 이룰 수 있다.

상기 압력단과 중심단 사이에는, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각슬롯이 형성될 수 있다.

상기 팁부는, 상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되되, 상기 본체부의 리딩엣지(Leading edge)와 트레일링엣지(Trailing edge) 측에 각각 배치되어, 상기 압력단과 흡입단을 연결하는 한 쌍의 연결단을 더 포함할 수 있다.

상기 연결단은, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각홀이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 블레이드 에어포일의 팁부에 중심단을 구비함으로써, 블레이드 에어포일의 팁부에 열의 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1 중 터빈 로터를 도시한 분해사시도이다.
도 3은 도 2 중 블레이드 에어포일을 도시한 사시도이다.
도 4 내지 도 7은 도 3 중 A-A선을 따라 절단된 블레이드 에어포일의 단면을 도시한 단면도이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 블레이드 에어포일, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1)은 압축기(2), 연소기(3) 및 터빈(10)을 포함한다. 기체(압축공기 또는 연소가스)의 유동방향을 기준으로 하였을 때, 가스터빈(1)의 상류 측에는 압축기(2)가 배치되고 하류 측에는 터빈(10)이 배치된다. 그리고 압축기(1)와 터빈(10) 사이에는 연소기(3)가 배치된다.

압축기(2)는 압축기 케이싱 내부에 압축기 베인과 압축기 로터를 수용하며, 터빈(10)은 터빈 케이싱(12) 내부에 터빈 베인(13)과 터빈 로터(100)를 수용한다. 이러한 압축기 베인과 압축기 로터는 압축공기의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치되며, 터빈 베인(13)과 터빈 로터(100) 역시 연소가스의 유동방향을 따라 다단으로 배치된다. 이때, 압축기(2)는 흡입된 공기가 압축될 수 있게 전단(Front-stage)에서 후단(Rear-stage) 측으로 갈수록 내부공간이 줄어들며, 반대로 터빈(10)은 연소기로부터 공급받은 연소가스가 팽창될 수 있게 전단에서 후단 측으로 갈수록 내부공간이 커지는 구조로 설계된다.

한편, 압축기의 최후단부 측에 위치한 압축기 로터와, 터빈의 최전단부 측에 위치한 터빈 로터 사이에는, 터빈에서 발생된 회전토크를 상기 압축기로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치된다. 상기 토크튜브는 도 1에 도시된 바와 같이 총 3개의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 여러 실시예 중 하나에 불과하며, 상기 토크튜브는 4개 이상의 단 또는 2개 이하의 단으로 이루어지는 복수개의 토크튜브 디스크로 구성될 수도 있다.

상기 압축기 로터는, 압축기 디스크와 압축기 블레이드를 포함한다. 상기 압축기 케이싱의 내부에는 복수개(예를 들어 14매)의 압축기 디스크가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크들은 타이로드(4)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 더욱 상세하게는, 상기 각각의 압축기 디스크는 중심부가 상기 타이로드(4)에 의해 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬된다. 그리고 인접하는 각각의 압축기 디스크는 대향하는 면이 상기 타이로드(4)에 의해 압착되어, 서로 상대적인 회전을 할 수 없도록 배치된다.

상기 압축기 디스크의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드가 방사상으로 결합된다. 또한, 상기 압축기 블레이드의 사이에는, 동일한 단(Stage)을 기준으로 하였을 때 상기 압축기 케이싱의 내주면에 환상으로 설치되는 복수개의 압축기 베인이 각각 배치된다. 상기 압축기 베인은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정된 상태를 유지하며, 압축기 블레이드를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드로 압축공기를 안내하는 역할을 한다. 이때, 고정체에 해당하는 상기 압축기 케이싱과 압축기 베인은, 회전체에 해당하는 상기 압축기 로터와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크와, 후술할 터빈 디스크의 중심부를 관통하도록 배치되며, 일 측 단부는 압축기의 최전단부 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타 측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기(3) 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기(3)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기(3) 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 노즐과, 연소실을 형성하는 라이너(Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션피스(Transition piece)를 포함한다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 연소챔버와, 상기 연소챔버를 감싸면서 환형공간을 이루는 라이너 환형유로가 형성된다. 또한 라이너의 전단에는 연료를 분사하는 노즐이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.

상기 라이너 환형유로에는, 라이너의 외벽에 마련되는 다수개의 홀(Hole)을 통해 유입된 압축공기가 유동하며, 후술할 트랜지션피스를 냉각시킨 압축공기 역시 이를 통해 유동한다. 이렇듯 압축공기가 라이너의 외벽부를 따라 유동함으로써, 상기 연소챔버에서 연료의 연소에 의해 발생되는 열에 의해 라이너가 열 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 상기 라이너와 마찬가지로, 상기 트랜지션피스는, 상기 트랜지션피스의 내부 공간을 감싸는 트랜지션피스 환형유로가 형성되며, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 상기 트랜지션피스 환형유로를 따라 흐르는 압축공기에 의해 외벽부가 냉각된다.

한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈으로 공급된다. 터빈으로 공급된 고온 고압의 연소가스는 터빈의 내부를 통과하면서 팽창하게 되고, 그에 따라 후술할 터빈 블레이드에 충동 및 반동력을 가하여 회전토크가 발생되도록 한다. 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 부분은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈(10)은 기본적으로는 압축기(2)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(10)에도 압축기(2)의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터(100)가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터(100) 역시, 터빈 디스크(110)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(1000)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(1000)의 사이에도, 동일한 단을 기준으로 하였을 때 상기 터빈 케이싱(12)에 환상으로 설치되는 복수개의 터빈 베인(13)이 구비되며, 상기 터빈 베인(13)은 터빈 블레이드(1000)를 통과한 연소가스의 유동방향을 가이드하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 상기 터빈 케이싱(12)과 터빈 베인(13) 역시, 회전체에 해당하는 상기 터빈 로터(100)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(11)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

도 2를 참조하면, 터빈 디스크(110)는 원판 형상으로서 그 외주면에 복수개의 터빈 디스크 슬롯이 형성된다. 터빈 블레이드(1000)는 상기 터빈 디스크(110)의 반경방향 외측에 설치되는 것으로서, 상기 터빈 디스크 슬롯에 삽입되는 루트부재(1200)와, 상기 루트부재(1200)의 반경방향 외측에 결합되는 플랫폼(1300;Platform)과, 상기 플랫폼(1300)의 반경방향 외측에 결합되어 연소가스에 의해 회전하는 에어포일(1100;Airfoil)을 포함한다.

상기 플랫폼(1300)은 대략 상기 터빈 블레이드(1000)의 중앙부에 배치되어, 상기 에어포일(1100)을 상기 루트부재(1200)에 고정시킨다. 또한, 상기 플랫폼(1300)은 이웃한 플랫폼(1300)과 그 측면이 서로 접하여 터빈 블레이드(1000)들 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다. 이때, 도 2에서는 상기 플랫폼(1300)이 평면 형상인 것으로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 상기 플랫폼(1300)의 형상은 다양하게 형성될 수 있다.

상기 플랫폼(1300)의 저면에는 상기 디스크 슬롯에 체결되는 루트부재(1200)가 구비된다. 상기 루트부재(1200)는, 상기 디스크 슬롯에 형성된 굴곡면의 형태와 상응하도록 형성되는데, 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다.

상기 루트부재의 체결방식은, 상기 터빈 디스크 슬롯에 상기 터빈 디스크의 외주면의 접선 방향을 따라 삽입되는 탄젠셜 타입(tangential type)과, 상기 터빈 디스크 슬롯에 상기 터빈 디스크의 축방향을 따라서 삽입되는 액셜 타입(axial type)이 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드를 터빈 디스크에 체결할 수 있다.

상기 플랫폼(1300)의 상부면에는 에어포일(100)이 구비된다. 상기 에어포일(1100)은 가스터빈의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 연소가스의 흐름 방향을 기준으로 상류 측에 배치되는 리딩 엣지(Leading edge)와 하류 측에 배치되는 트레일링 엣지(Trailing edge)를 갖는다.

여기서, 상기 압축기 블레이드와는 달리, 터빈 블레이드는 고온고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 상기 연소가스의 온도는 1700℃에 달할 정도의 고온이기 때문에 냉각수단을 필요로 하게 된다. 이를 위해서, 상기 압축기의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈 블레이드로 공급하는 추기유로를 갖게 된다.

상기 추기유로는 상기 케이싱 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 압축기 디스크의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 상기 외부 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. 도 2에서, 상기 에어포일의 표면에는 다수의 필름쿨링홀(Film cooling hole)이 형성되는데, 상기 필름쿨링홀들은 상기 에어포일의 내부에 형성되는 냉각유로(미도시)와 연통되어 압축공기를 상기 에어포일의 표면에 공급하는 역할을 하게 된다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 에어포일(1100)은 본체부(1110) 및 팁부(1120;Tip part)로 이루어진다. 상기 본체부(1110)는 상기 에어포일(1100)의 몸체를 이루는 것으로서, 유동하는 연소가스에 의해 회전한다. 상기 팁부(1120)는 상기 본체부(1110)의 상기 케이싱(12) 측 단부로부터 상기 케이싱(12) 측으로 돌출 형성된다. 그리고 상기 팁부(1120)는, 압력단(1121), 흡입단(1122), 중심단(1123) 및 한 쌍의 연결단(1124)으로 이루어진다.

상기 압력단(1121)은, 상기 본체부(1110)의 압력면(PS;Pressure side) 측에 배치된다. 상기 흡입단(1122)은, 상기 압력단(1121)으로부터 상기 본체부(1110)의 흡입면(SS;Suction side) 측으로 이격 배치된다. 상기 중심단(1123)은 상기 압력단(1121)과 흡입단(1122) 사이에 배치된다. 그리고 상기 한 쌍의 연결단(1124)는, 상기 본체부(1110)의 리딩엣지(LE;Leading edge)와 트레일링엣지(TE;Trailing edge) 측에 각각 배치되어, 상기 압력단(1121)과 흡입단(1122)을 연결한다.

상기 블레이드(1000)에 있어서, 상기 케이싱(12) 측을 상측으로 정의하고, 상기 타이로드(4) 측을 하측으로 정의하였을 때, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 압력단(1121)으로부터 흡입단(1122) 측으로 향할수록, 상기 타이로드(4)로부터 멀어지도록 형성된다. 즉, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 압력단(1121)으로부터 흡입단(1122) 측으로 향할수록, 상측으로 경사지거나 곡면으로 휘어진 형상으로 형성된다.

이때, 상기 중심단(1123)의 상면과 흡입단(1122)의 상면은, 서로 연결되어 일체를 이루도록 형성될 수 있다. 즉, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중심단(1123)의 상면과 상기 흡입단(1122)의 상면 사이에서 경로변경이 전혀 발생되지 않거나, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 중심단(1123)의 상면과 상기 흡입단(1122)의 상면 사이에서 경로변경이 한 번만 발생되는 구조로 형성될 수 있는 것이다.

이와 같은 구조로 상기 에어포일(1100)의 팁부(1120)가 형성되는 경우, 상기 팁부(1120) 측으로 유입된 연소가스(D1)가 상기 중심단(1123)의 상면을 따라 상측으로 유동하게 되고, 이렇듯 상측으로 유동한 연소가스(D1)는 상기 흡입단(1122)의 상면을 거쳐 에어포일(1100)의 팁부(1120)를 완전히 통과하게 된다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 에어포일(1100), 터빈(10) 및 가스터빈(1)에 의하면, 상기 에어포일(1100)의 팁부(1120) 측을 통과하는 연소가스(D1)가 상기 팁부(1120)에 부딪힘에 따라 상기 팁부(1120)에 열의 집중이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 중심단(1123)은, 상기 압력단(1121)으로부터 소정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 중심단(1123)과 압력단(1121) 사이에는, 냉각슬롯(1120a)이 형성될 수 있다. 상기 에어포일(1100)을 냉각하기 위하여 압축기(2)로부터 추기된 압축공기는 상기 본체부(1110)로 공급된다. 그리고 상기 본체부(1110)의 내부를 순환한 압축공기는 상기 냉각슬롯(1120a)을 통해 상기 팁부(1120)의 상측으로 토출된다(D2). 이와 같이 토출된 압축공기(D2)는, 상기 팁부(1120) 측으로 유입된 연소가스(D1)를 상측으로 밀어내어, 상기 연소가스(D1)가 상기 중심단(1123)과 흡입단(1122)의 상면을 따라 상기 팁부(1120)를 통과할 수 있도록 한다. 또한 상기 냉각슬롯(1120a)으로부터 토출된 압축공기(D2)는, 상기 중심단(1123)과 흡입단(1122)의 상면을 냉각시킨다. 이에 따라 상기 압축공기(D2)는, 상기 에어포일(1100)의 팁부(1120)에 열의 집중이 발생되는 것을 방지한다.

상기 연결단(1124)에는, 냉각홀(1124a)이 형성될 수 있다. 상기 본체부(1110)의 내부로 공급된 압축공기는 상기 냉각홀(1124a)을 통해 상기 팁부(1120)의 외측으로 토출된다. 그에 따라 상기 냉각홀(1124a)은, 상기 연결단(1124)의 상면이 압축공기에 의해 냉각되도록 하여, 상기 연결단(1124)의 상면에 열의 집중이 발생되는 것을 방지한다.

이하부터는, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 블레이드 에어포일(1100)의 팁부(1120)의 형상에 관해 상세히 설명하도록 한다.

도 4를 참조하면, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 압력단(1121)의 상면에 대하여 30도 이내의 각을 이루는 평면 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 압력단(1121) 측으로부터 흡입단(1122) 측으로 향할수록 상측으로 경사진 평면 형상이되, 상기 압력단(1121)의 상면과 이루는 각도가 30도 이내가 되도록 경사지는 것이다. 이에 따라 본 발명의 제1실시예에 따른 블레이드 에어포일(1100), 터빈(10) 및 가스터빈(1)에 의하면, 상기 팁부(1120) 측으로 유입된 연소가스(D1)가 상기 중심단(1123)의 상면의 경사방향을 따라 유동함으로써, 상기 팁부(1120)를 완전히 통과하여 후단(Rear-stage) 측으로 공급될 수 있고, 그에 따라 상기 팁부(1120)의 상면에 열의 집중이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

이때, 도 5를 참조하면, 상기 흡입단(1122)의 상면은, 상기 중심단(1123)의 상면과 평행하게 형성될 수 있다. 그리고 상기 중심단(1123)의 상면과 흡입단(1122)의 상면은 서로 연결되어 일체를 이룰 수 있다. 이 경우, 상기 팁부(1120) 측으로 유입된 연소가스(D1)가 상기 중심단(1123)의 상면과 흡입단(1122)의 상면을 따라 상측으로 유동함으로써, 연소가스가 상기 팁부(1120)를 완전히 통과하게 할 수 있고, 그에 따라 상기 팁부(1120)의 상면에 열이 집중되는 것을 방지할 수 있다.

상기 중심단(1123)의 상면은, 소정 곡률로 이루어진 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 더욱 상세하게는, 도 6을 참조하면, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 압력단(1121)으로부터 흡입단(1122) 측으로 향할수록, 상측으로 휘어지는 형상의 제1곡면(1123a)으로 이루어질 수 있다. 그리고 도 7을 참조하면, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 제1곡면(1123a)과, 상기 제1곡면(1123a)으로부터 연장되어 상기 흡입단(1122) 측으로 휘어지는 형상의 제2곡면(1123b)으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 상기 중심단(1123)의 상면이 곡면 형상으로 형성되는 경우, 상기 팁부(1120) 측으로 유입된 연소가스(D1)가 상기 중심단(1123)의 상면을 타고 상측으로 부드럽게 가이드될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 블레이드 에어포일(1100), 터빈(10) 및 가스터빈(1)에 의하면, 연소가스가 상기 팁부(1120)를 완전히 통과하도록 함으로써, 상기 팁부(1120)의 상면에 열의 집중이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 중심단(1123)의 상면은, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 다르게, 상기 압력단(1121) 측으로부터 흡입단(1122) 측으로 향할수록, 상기 흡입단(1122) 측으로 휘어지는 제3곡면으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 중심단(1123)의 상면은, 상기 제3곡면과, 상기 제3곡면으로부터 연장되어 상측으로 휘어지는 제4곡면으로 이루어질 수 있다. 이렇듯, 상기 중심단(1123)의 상면은, 하나 또는 그 이상의 곡률을 지닌 다양한 곡면의 형상으로 형성될 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 블레이드 에어포일(1100), 터빈(10) 및 이를 포함하는 가스터빈(1)에 의하면, 블레이드 에어포일(1100)의 팁부(1120)에 중심단(1123)을 구비함으로써, 블레이드 에어포일(1100)의 팁부(1120)에 열의 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

1 : 가스터빈 10 : 터빈
1000 : 블레이드 1100 : 에어포일
1110 : 본체부 1120 : 팁부
1121 : 압력단 1122 : 흡입단
1123 : 중심단 1124 : 연결단

Claims (30)

1. 타이로드와 터빈의 케이싱의 사이에 설치되며, 연소기로부터 공급받은 연소가스에 의해 회전하고, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈의 블레이드 에어포일에 있어서,
   본체부; 및
   상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함하는 블레이드 에어포일.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단의 상기 케이싱 측의 면에 대하여 30도 이내의 각을 이루는 평면 형상으로 형성된 블레이드 에어포일.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 흡입단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면과 평행한 블레이드 에어포일.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 소정 곡률로 이루어진 곡면으로 형성된 블레이드 에어포일.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록, 상기 케이싱 측으로 휘어지는 제1곡면을 포함하는 블레이드 에어포일.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 제1곡면으로부터 연장되어 상기 흡입단 측으로 휘어지는 제2곡면을 더 포함하는 블레이드 에어포일.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중심단과 흡입단은, 상기 케이싱 측의 면이 서로 연결되어 일체를 이루는 블레이드 에어포일.
8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압력단과 중심단 사이에는, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각슬롯이 형성된 블레이드 에어포일.
9. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 팁부는,
   상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되되, 상기 본체부의 리딩엣지(Leading edge)와 트레일링엣지(Trailing edge) 측에 각각 배치되어, 상기 압력단과 흡입단을 연결하는 한 쌍의 연결단을 더 포함하는 블레이드 에어포일.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연결단은, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각홀이 형성된 블레이드 에어포일.
11. 타이로드가 중심을 관통하며, 연소기로부터 공급받은 연소가스를 통해 전력 생성을 위한 동력을 발생시키고, 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈에 있어서,
    케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치된 베인을 포함하는 스테이터; 및 상기 케이싱과 타이로드의 사이에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되되 상기 베인과 베인의 사이에 각각 배치되어 연소가스에 의해 회전하는 블레이드를 포함하는 로터를 포함하되,
    상기 블레이드는, 연소가스가 통과하는 에어포일과, 상기 디스크에 삽입되어 상기 에어포일을 디스크에 고정시키는 루트부재와, 상기 에어포일과 루트부재 사이에 설치되며 상기 에어포일이 안착되는 플랫폼을 포함하고,
    상기 에어포일은,
    본체부와,
    상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함하는 터빈.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단의 상기 케이싱 측의 면에 대하여 30도 이내의 각을 이루는 평면 형상으로 형성된 터빈.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 흡입단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면과 평행한 터빈.
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 소정 곡률로 이루어진 곡면으로 형성된 터빈.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록, 상기 케이싱 측으로 휘어지는 제1곡면을 포함하는 터빈.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 제1곡면으로부터 연장되어 상기 흡입단 측으로 휘어지는 제2곡면을 더 포함하는 터빈.
17. 청구항 11 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심단과 흡입단은, 상기 케이싱 측의 면이 서로 연결되어 일체를 이루는 터빈.
18. 청구항 11 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력단과 중심단 사이에는, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각슬롯이 형성된 터빈.
19. 청구항 11 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팁부는,
    상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되되, 상기 본체부의 리딩엣지(Leading edge)와 트레일링엣지(Trailing edge) 측에 각각 배치되어, 상기 압력단과 흡입단을 연결하는 한 쌍의 연결단을 더 포함하는 터빈.
20. 청구항 19에 있어서,
    상기 연결단은, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각홀이 형성된 터빈.
21. 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키며, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기에 의해 냉각되는 터빈; 및 상기 압축기와 터빈의 중심을 관통하는 타이로드를 포함하되,
    상기 터빈은, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 설치되며 연소가스의 유동방향을 따라 다단(Multi-stage)으로 배치된 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 케이싱과 타이로드의 사이에 설치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되되 상기 베인과 베인의 사이에 각각 배치되어 연소가스에 의해 회전하는 블레이드를 포함하는 로터를 포함하며,
    상기 블레이드는, 연소가스가 통과하는 에어포일과, 상기 디스크에 삽입되어 상기 에어포일을 디스크에 고정시키는 루트부재와, 상기 에어포일과 루트부재 사이에 설치되며 상기 에어포일이 안착되는 플랫폼을 포함하고,
    상기 에어포일은,
    본체부와,
    상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되며, 상기 본체부의 압력면(Pressure side) 측에 배치된 압력단과, 상기 압력단으로부터 상기 본체부의 흡입면(Suction side) 측으로 이격 배치된 흡입단과, 상기 압력단과 흡입단 사이에 배치되되, 상기 케이싱 측의 면이 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록 상기 타이로드로부터 멀어지는 중심단을 포함하는 팁부를 포함하는 가스터빈.
22. 청구항 21에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단의 상기 케이싱 측의 면에 대하여 30도 이내의 각을 이루는 평면 형상으로 형성된 가스터빈.
23. 청구항 22에 있어서,
    상기 흡입단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면과 평행한 가스터빈.
24. 청구항 21에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 소정 곡률로 이루어진 곡면으로 형성된 가스터빈.
25. 청구항 24에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 상기 압력단으로부터 흡입단 측으로 향할수록, 상기 케이싱 측으로 휘어지는 제1곡면을 포함하는 가스터빈.
26. 청구항 25에 있어서,
    상기 중심단의 상기 케이싱 측의 면은, 제1곡면으로부터 연장되어 상기 흡입단 측으로 휘어지는 제2곡면을 더 포함하는 가스터빈.
27. 청구항 21 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심단과 흡입단은, 상기 케이싱 측의 면이 서로 연결되어 일체를 이루는 가스터빈.
28. 청구항 21 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력단과 중심단 사이에는, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각슬롯이 형성된 가스터빈.
29. 청구항 21 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팁부는,
    상기 본체부로부터 상기 케이싱 측으로 연장되되, 상기 본체부의 리딩엣지(Leading edge)와 트레일링엣지(Trailing edge) 측에 각각 배치되어, 상기 압력단과 흡입단을 연결하는 한 쌍의 연결단을 더 포함하는 가스터빈.
30. 청구항 29에 있어서,
    상기 연결단은, 상기 본체부의 내부로 공급된 압축공기를 외부로 토출하는 냉각홀이 형성된 가스터빈.

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