KR20190122918A

KR20190122918A - 이중 전방 경사각을 가진 필름 냉각 홀 구조

Info

Publication number: KR20190122918A
Application number: KR1020180045211A
Authority: KR
Inventors: 이기돈
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2019-10-31

Abstract

본 발명은 냉각 유체가 흐르는 제1 표면과 고온 가스가 흐르는 제2 표면을 포함하는 고온 부재에 관통 형성되어, 상기 제1 표면을 따라 흐르는 냉각 유체를 상기 제2 표면 외부로 분사하는 필름 냉각 홀에 관한 것으로서, 상기 필름 냉각 홀은, 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면 쪽으로 상기 고온 가스의 하류 방향을 따라 홀 분사각도를 형성하고, 원형 단면을 가지며, 상기 냉각 유체의 입구를 형성하는 제1 영역;과, 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 표면 쪽을 향해 연장되고, 천장 면은 상기 홀 분사각도와 동일한 각도로 상기 제2 표면에 다다르고, 바닥 면은 상기 홀 분사각도로부터 상기 고온 가스의 하류 방향을 따라 제1 전방각도만큼 더욱 경사지고, 양 측면은 상기 제1 영역의 중심선에 대해 측방 확장각도만큼 확장된 제2 영역; 및 상기 제2 영역으로부터 상기 제2 표면까지 연장되고, 바닥 면은 상기 제1 전방각도로부터 상기 고온 가스의 하류 방향을 따라 제2 전방각도만큼 더욱 경사지고, 양 측면은 상기 제1 영역의 중심선에 대해 상기 측방 확장각도만큼 확장되며, 상기 냉각 유체의 출구를 형성하는 제3 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 전방 경사각을 가진 필름 냉각 홀 구조{Double angled laidback fan shaped film cooling hole structure}

본 발명은 필름 냉각 홀 구조에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 필름 냉각 홀 출구에서의 냉각 유체의 부상을 억제함으로써 필름 냉각효과를 현저히 향상시킬 수 있는 이중 전방 경사각을 가진 필름 냉각 홀 구조에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 외부로부터 도입된 공기는 복수 단으로 이루어진 회전하는 압축기 블레이드를 거치면서 점차로 압축되어 목표로 하는 압력까지 상승한다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

가스터빈의 효율에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 근래의 가스터빈 개발에서는 연소기에서의 연소 효율 향상, 터빈 입구 온도의 상승을 통한 열역학적 효율의 향상, 압축기와 터빈에서의 공력 효율 향상 등 다양한 방면으로 연구가 진행되고 있다.

발전용 산업 가스 터빈의 등급(class)은 터빈 입구 온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)로 구분할 수 되는데, 현재 G 등급과 H 등급의 가스 터빈이 선두 자리를 차지하고 있으며, 가장 최신의 가스 터빈은 J 등급에 도달한 예도 발견된다. 가스 터빈의 등급이 높을수록 효율과 터빈 입구 온도는 모두 올라가는데, H 등급의 가스 터빈은 터빈 입구 온도가 1,500℃에 달하기 때문에 그만큼 내열소재의 개발과 냉각기술의 발전이 요구된다.

내열 설계는 가스 터빈 전반에 걸쳐 필요한데, 고온의 연소 가스가 발생하고 유동하는 연소기와 터빈에서 특히 중요하다. 가스 터빈의 냉각은 압축기에서 만들어진 압축 공기를 이용하는 공랭식인데, 터빈의 경우 몇 개의 스테이지에 걸쳐 회전하는 터빈 블레이드 사이에 터빈 베인이 고정 배치되는 복잡한 구조로 인해 냉각 설계가 더욱 어려운 점이 많다.

터빈 블레이드와 터빈 베인의 경우를 보자면, 고온의 열 응력 환경으로부터 터빈 블레이드 등을 보호하고자 수많은 냉각 홀과 냉각 슬롯이 형성되어 있는데, 냉각 메커니즘으로 보자면 크게 충돌 냉각과 필름 냉각으로 나누어 볼 수 있다. 충돌 냉각은 고압의 압축 공기가 고온 부재 표면에 직접 충돌하여 냉각을 일으키는 것이고, 필름 냉각은 고온 환경에 노출된 부재 표면에 열전도율이 매우 낮은 공기층을 얇게 형성함으로써 냉각과 함께 고온 환경으로부터의 열전달을 억제하는 것이다. 충돌 냉각과 필름 냉각은 복합적으로 적용될 수 있는데, 터빈 블레이드 등의 내면에서는 충돌 냉각을 일으키고, 고온의 연소 가스가 흐르는 외면에서는 필름 냉각을 일으키는 냉각을 수행하고 있으며, 이를 통해 고온 환경에서 터빈 블레이드 등을 보호할 수 있게 된다.

필름 냉각은 냉각 유체가 고온 부재 표면을 따라 얇은 필름 층을 형성하여 계속 지속할 수 있는 것이 중요한데, 필름 냉각 홀을 통해 분사되는 냉각 유체는 부상하여 외부의 고온 가스와의 혼합을 일으키려는 경향을 가지며, 이에 따라 필름 냉각 홀의 하류에 난류가 발생하여 필름 냉각 효과가 급속히 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 가스 터빈의 성능 향상을 위해 터빈 입구 온도가 지속적으로 상승하는 개발 방향을 고려할 때, 터빈 블레이드와 터빈 베인에서의 필름 냉각 효과를 개선할 필요성이 대두된다.

미국등록특허 제8,057,180호 (2011.11.15 등록)

본 발명은 터빈 블레이드와 터빈 베인과 같은 고온 부재의 표면 냉각을 담당하는 필름 냉각 홀의 구조를 개선함으로써 필름 냉각 효과를 향상시키는 것에 그 목적이 있다.

여기서, 상기 제2 영역의 천장 면과 바닥 면, 그리고 양 측면은 곡면으로부터 시작하여 점차로 평면으로 천이하게 된다.

그리고, 상기 제3 영역이 형성하는 상기 냉각 유체의 출구는 상기 제2 표면상에 사다리꼴 형태를 이루게 되며, 특히 상기 제3 영역의 바닥 면이 더 넓은 사다리꼴 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 홀 분사각도는 35∼40° 범위에 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 측방 확장각도는 10°인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1 전방각도는 5∼15° 범위에 있고, 나아가 상기 제2 전방각도는 5∼15° 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 최선의 실시형태에 따르면, 상기 홀 분사각도는 40°이고, 상기 제1 전방각도는 10°이며, 상기 제2 전방각도는 15°인 것으로 구성된다.

본 발명의 필름 냉각 홀 구조는 상기 고온 부재로서 터빈 블레이드 또는 터빈 베인의 몸체에 적용될 수 있다.

이 경우, 상기 제1 표면은 상기 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 몸체의 내면이고, 상기 제2 표면은 상기 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 몸체의 표면이 된다.

특히, 본 발명은 제1단, 또는 제1단 및 제2단의 터빈 블레이드나 터빈 베인에 형성되는 필름 냉각 홀 구조에 적합할 수 있다.

또한, 본 발명은 방전가공(EDM)으로 형성할 수 있는 이중 전방 경사각을 가진 필름 냉각 홀 구조임에 특징이 있다.

본 발명에 따른 필름 냉각 홀 구조는 냉각 유체의 출구 영역에 고온 가스의 하류를 향해 완만하게 기울어지는 이중 전방 경사각이 형성되어 있기 때문에, 필름 냉각 홀의 출구에서 분사되는 냉각 유체가 부상하려는 경향을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 필름 냉각 홀 구조는 필름 냉각 홀의 출구 하류 쪽으로 냉각 유체의 필름 층이 양호하게 지속하게 되고, 이는 필름 냉각 효과의 급격한 하락을 방지하는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명의 필름 냉각 홀 구조는 제2 영역의 천장 면이 고온 부재의 제2 표면까지 연장되어 있기 때문에 제3 영역은 바닥 면만 존재하게 되는데, 이를 통해 본 발명의 필름 냉각 홀이 이중 전방 경사각의 다소 복잡한 형상을 포함함에도 종래의 방전가공(EDM)만으로도 제작하는 것이 가능해진다. 따라서, 향후 3D 프린트 기술의 발전을 염두에 두고 제안되고 있는 다양한 필름 냉각 홀 구조에 비해 현실성이 있으며, 즉시 제조현장에 적용하여 필름 냉각 효과의 향상에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스 터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 종래의 필름 냉각 홀의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 필름 냉각 홀의 구조를 도시한 단면도 및 평면도.
도 4는 도 3의 필름 냉각 홀의 구조를 3차원적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 필름 냉각 홀 구조에 의한 필름 냉각 효과의 향상을 개략적으로 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크 튜브(130)가 배치되어 있다.

압축기 섹션(110)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 타이로드(150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.

각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 고정되어 있어 회전하지 않으며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

타이로드(150)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크 튜브(130) 내에서 고정된다.

타이로드(150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 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(deswirler)라고 한다.

연소기(104)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, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 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 점화기가 결합된다.

한편, 라이너의 후단에는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는 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.

라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션과 그 구조가 유사하다. 즉, 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)를 포함한다. 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 필름 냉각 홀의 구조에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 종래의 필름 냉각 홀의 구조를 도시한 도면이다. 도시된 필름 냉각 홀은 레이드백 팬 형태의 필름 냉각 홀(Laidback fan-shaped film cooling hole)이라 부르기도 한다. 필름 냉각 홀의 출구(OUT) 영역에 고온 가스(HG)의 하류를 향하는 전방 경사면을 형성하여 냉각 유체(CL)가 고온 부재(300)의 표면 쪽으로 완만하게 향하도록 하고 있다. 그러나, 도 2에 개략적으로 도시한 것처럼, 고온 가스(HG) 쪽으로 분출된 냉각 유체(CL)는 부상하려는 경향이 아직 많이 남아 있기 때문에 고온 가스(HG) 안으로 떠오른 후 고온 가스(HG)의 압력에 의해 급격히 하강하게 된다. 이러한 냉각 유체(CL)의 과격한 흐름은 필름 냉각 홀의 출구(OUT) 하류에 난류를 발생시켜 뒤를 따르는 냉각 유체(CL)의 흐름을 방해하는 요소로 작용하고, 이는 결국 필름 냉각 홀의 출구(OUT)에서 멀어질수록 필름 냉각 효과의 급격한 하락을 가져오게 된다.

본 발명은 이러한 종래의 필름 냉각 홀 구조를 개선한 것으로서, 도 3에 그 구조가 잘 도시되어 있다. 본 발명은 이중 전방 경사각을 가진 필름 냉각 홀 구조라고 표현할 수 있으며, 그 구조에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 필름 냉각 홀(400)의 구조를 도시한 단면도 및 평면도이고, 도 4는 도 3의 필름 냉각 홀(400)의 구조를 3차원적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 필름 냉각 홀(400)은 냉각 유체(CL)가 흐르는 제1 표면(310)과 고온 가스(HG)가 흐르는 제2 표면(320)을 포함하는 고온 부재(300)에 관통 형성되어 있어 제1 표면(310)을 따라 흐르는 냉각 유체(CL)를 제2 표면(320) 외부로 분사하게 되는데, 구조적으로 보았을 때 3개의 영역으로 구분할 수 있다.

제1 영역(410)은 냉각 유체(CL)의 입구(IN)를 형성하는 부분으로서, 제1 표면(310)으로부터 제2 표면(320) 쪽으로 고온 가스(HG)의 하류 방향을 따라 비스듬하게 홀 분사각도(α)를 형성하는 원형 단면의 통로이다. 즉, 제1 영역(410)은 고온 부재(300)의 제1 표면(310)을 흐르는 냉각 유체(CL)를 필름 냉각 홀(400) 안으로 도입하는 부분이다. 홀 분사각도(α)는 냉각 유체(CL)가 쉽게 유입할 수 있어야 하고, 출구(OUT) 영역에서의 분출 각도를 고려해야 하기 때문에 35∼40° 범위에 있는 것이 바람직하다.

제2 영역(420)은 제1 영역(410)으로부터 제2 표면(320) 쪽을 향해 연장된 부분이다. 제2 영역(420)에서 제1 영역(410)의 원형 단면이 확장하게 되는데, 천장 면(440)(도면 기준 좌측)은 홀 분사각도(α)와 동일한 각도로 제2 표면(320)에 다다르고, 바닥 면(442)은 홀 분사각도(α)로부터 고온 가스(HG)의 하류 방향을 따라 제1 전방각도(γ₁)만큼 더욱 경사져 있다. 또한, 제2 영역(420)의 양 측면(444)은 상기 제1 영역(410)의 중심선(412)에 대해 측방 확장각도(β)만큼 확장된다.

따라서, 제2 영역(420)은 천장 면(440)이 홀 분사각도(α)와 동일한 각도를 유지하면서 양 측면(444)이 확장되며, 나아가 바닥 면(442)은 고온 가스(HG)의 하류 방향을 따라 제1 전방각도(γ₁)만큼 더욱 경사진다. 여기서, 제2 영역(420)의 천장 면(440)과 바닥 면(442), 그리고 양 측면(444)은 곡면으로부터 시작하여 점차로 평면으로 천이하게 된다. 다시 말해, 제2 영역(420)이 시작하는 부분(제1 영역과의 경계)은 원형 단면이지만, 제2 영역(420)이 끝나는 부분에 이르러서는 전체적으로 사각형태의 단면을 이루게 된다.

여기서, 제2 영역(420)의 양 측면(444)이 확장되는 측방 확장각도(β)는 10°정도가 적합하고, 제1 전방각도(γ₁)는 5∼15° 범위에 있는 것이 바람직하다.

제3 영역(430)은 냉각 유체(CL)의 출구(OUT)를 형성하는 부분으로서, 제2 영역(420)으로부터 제2 표면(320)까지 연장된다. 제3 영역(430)은 천장 면(440)이 따로 없는데, 이는 제2 영역(420)의 천장 면(440)이 제2 표면(320)까지 연장되어 있기 때문이다. 또한, 제3 영역(430)의 양 측면(444)은 제2 영역(420)에서의 측방 확장각도(β)와 동일한 각도를 유지하면서 양 옆으로 확장되어 있는데, 바닥 면(442)만큼은 제2 영역(420)의 제1 전방각도(γ₁)로부터 고온 가스(HG)의 하류 방향을 따라 제2 전방각도(γ₂)만큼 더욱 경사져 있다. 즉, 제2 영역(420)의 제1 전방각도(γ₁)와 제3 영역(430)의 제2 전방각도(γ₂)가 평면으로 연결됨으로써, 이중 전방 경사각을 가진 필름 냉각 홀(400) 구조가 만들어지는 것이다. 여기서, 제2 전방각도(γ₂)는 5∼15° 범위에 있는 것이 바람직하다.

제3 영역(430)은 전체적으로 사각형태의 단면으로 끝나는 제2 영역(420)으로부터 연장되고, 측방 확장각도(β)만큼 양 옆으로 확장되는 동시에 바닥 면(442)의 경사가 제2 표면(320)에 대해 좀더 완만하게 되고, 이에 따라 제3 영역(430)이 형성하는 냉각 유체(CL)의 출구(OUT)는 제2 표면(320)상에 사다리꼴 형태, 특히 양 측면(444)의 연속된 확장에 의해 제3 영역(430)의 바닥 면(442)이 더 넓은 사다리꼴 형태를 이루게 된다.

냉각 유체(CL)의 통로는 원형 단면 입구(IN)에서 시작하여 바닥 면(442)이 더 넓은 사다리꼴 출구(OUT)로 이어지는데, 이는 필름 냉각 홀(400)이 일종의 디퓨져 역할을 하여 속도가 느려진 냉각 유체(CL)를 제2 표면(320) 위로 넓게 확산시켜 필름 냉각 홀(400)의 하류에 충분한 면적의 필름 냉각층을 형성하게 된다.

도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 필름 냉각 홀(400) 구조는 홀 분사각도(α)는 40°, 측방 확장각도(β)는 10°, 제1 전방각도(γ₁)는 10°, 그리고 제2 전방각도(γ₂)는 15°인 실시형태를 도시하고 있다.

도 5는 본 발명의 필름 냉각 홀(400) 구조에 의해 필름 냉각 효과가 향상되는 과정을 개략적으로 도시하고 있다. 본 발명의 필름 냉각 홀(400)은 제2 영역(420)의 제1 전방각도(γ₁)와 제3 영역(430)의 제2 전방각도(γ₂)가 평면으로 연결된 이중 전방 경사각을 형성함에 따라 냉각 유체(CL)의 출구(OUT)에서 제3 영역(430)의 바닥 면(442)은 제2 표면(320)에 대해 대략 15°의 완만한 각도(도 3의 실시형태 기준)를 이루게 된다. 이에 따라, 필름 냉각 홀(400)에서 분출되는 냉각 유체(CL)는 더욱더 고온 부재(300)의 제2 표면(320)에 밀착되는 형태로 흐르게 되고, 이는 냉각 유체(CL)가 부상하려는 경향과 출구(OUT) 하류에서의 난류 발생을 억제하는 결과로 이어지고, 이는 결국 필름 냉각 홀(400)의 하류를 따라 얇은 필름 냉각층이 길게 유지되는 효과를 얻게 한다. 즉, 본 발명의 필름 냉각 홀(400)에 의해 필름 냉각 효과가 향상된다.

또한, 본 발명은 필름 냉각 홀(400)을 제1∼제3 영역(410, 420, 430)으로 구성하였기에, 제2 표면(320)에 대한 냉각 유체(CL) 흐름의 주된 각도가 각 영역을 거치면서 40°, 30°, 15°로 순차적으로 변화하게 되고, 이는 냉각 유체(CL)의 유선이 부드럽게 이어지도록 함으로써 난류 발생은 최소화되면서 냉각 유체(CL)가 제2 표면(320)에 부착되는 효과를 강화한다.

특히, 본 발명의 필름 냉각 홀(400) 구조는 제2 영역(420)의 천장 면(440)이 고온 부재(300)의 제2 표면(320)까지 연장되어 있기 때문에 제3 영역(430)은 바닥 면(442)만 존재하고, 측방 확장각도(β)는 제2 영역(420)과 제3 영역(430)이 동일하기 때문에, 본 발명의 필름 냉각 홀(400)이 이중 전방 경사각의 다소 복잡한 형상을 포함함에도 종래의 방전가공(EDM)만으로도 제작하는 것이 가능해진다.

즉, 제1 영역(410)의 원형 단면과 홀 분사각도(α)로서 제1 표면(310)과 제2 표면(320)을 관통하는 구멍을 1차로 가공하고, 그 다음으로 제1 영역(410)과 제2 영역(420)의 경계까지 천장 면(440)과 바닥 면(442) 및 양 측면(444)을 평면으로 확장하는 제2 영역(420)의 가공을 2차로 하며, 마지막으로 가공된 제2 영역(420)의 바닥 면(442)만 경사 가공하는 3차 가공의 모든 가공에 종래의 방전가공(EDM)을 적용하여 손쉽게 완성할 수 있다.

현재 본 발명의 기술분야에서의 연구 경향을 보면, 향후 3D 프린트 기술이 발전할 것을 염두에 두고 현재로서는 기계가공이 불가능한 다양한 필름 냉각 홀 구조가 제안되고 있다. 이에 비해, 본 발명은 그 구조가 현재 수준의 기계가공을 적용하여 만들 수 있도록 고안되었기에 현실성이 있으며, 즉시 제조현장에 적용할 수 있다는 장점이 크다.

도 3에는 몸체 표면에 수많은 필름 냉각 홀(400)이 형성된 터빈 베인이 예시적으로 도시되어 있다. 이외에도 터빈 베인과 유사한 구조를 가진 터빈 블레이드에도 본 발명이 적용될 수 있다. 터빈 베인과 터빈 블레이드를 도 3의 고온 부재(300)에 적용한다면, 제1 표면(310)은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 몸체의 내면이고, 제2 표면(320)은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 몸체의 표면이 되며, 냉각 유체(CL)는 터빈 베인과 터빈 블레이드 내부의 공동부를 흐르는 압축 공기가 된다.

본 발명의 필름 냉각 홀(400)이 이중 전방 경사각의 다소 복잡한 형상을 가지고 있어 가공비용이 종래의 필름 냉각 홀보다 상승할 것임을 감안한다면, 터빈 섹션에서 고온 환경이 가장 가혹한 제1단, 또는 제1단 및 제2단의 터빈 블레이드나 터빈 베인에 형성되는 필름 냉각 홀(400) 구조에 적용하는 것이 비용 대비 효과 측면에서 가장 적합하다고 볼 수 있을 것이다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

300: 고온 부재 310: 제1 표면
320: 제2 표면 400: 필름 냉각 홀
410: 제1 영역 412: 중심선
420: 제2 영역 430: 제3 영역
440: 천장 면2) 442: 바닥 면
444: 측면 α: 홀 분사각도
β: 측방 확장각도 γ₁: 제1 전방각도
γ₂: 제2 전방각도 CL: 냉각 유체
IN: 입구 OUT: 출구
HG: 고온 가스

Claims

냉각 유체가 흐르는 제1 표면과 고온 가스가 흐르는 제2 표면을 포함하는 고온 부재; 및
상기 고온 부재에 관통 형성되어, 상기 제1 표면을 따라 흐르는 냉각 유체를 상기 제2 표면 외부로 분사하는 필름 냉각 홀;
을 포함하고, 상기 필름 냉각 홀은,
상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면 쪽으로 상기 고온 가스의 하류 방향을 따라 홀 분사각도를 형성하고, 원형 단면을 가지며, 상기 냉각 유체의 입구를 형성하는 제1 영역;
상기 제1 영역으로부터 상기 제2 표면 쪽을 향해 연장되고, 천장 면은 상기 홀 분사각도와 동일한 각도로 상기 제2 표면에 다다르고, 바닥 면은 상기 홀 분사각도로부터 상기 고온 가스의 하류 방향을 따라 제1 전방각도만큼 더욱 경사지고, 양 측면은 상기 제1 영역의 중심선에 대해 측방 확장각도만큼 확장된 제2 영역; 및
상기 제2 영역으로부터 상기 제2 표면까지 연장되고, 바닥 면은 상기 제1 전방각도로부터 상기 고온 가스의 하류 방향을 따라 제2 전방각도만큼 더욱 경사지고, 양 측면은 상기 제1 영역의 중심선에 대해 상기 측방 확장각도만큼 확장되며, 상기 냉각 유체의 출구를 형성하는 제3 영역;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제1항에 있어서,
상기 제2 영역의 천장 면과 바닥 면, 그리고 양 측면은 곡면으로부터 시작하여 점차로 평면으로 천이하는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제2항에 있어서,
상기 제3 영역이 형성하는 상기 냉각 유체의 출구는 상기 제2 표면상에 사다리꼴 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제3항에 있어서,
상기 냉각 유체의 출구는 상기 고온 가스의 하류 측에 위치하는 상기 제3 영역의 바닥 면이 더 넓은 사다리꼴 형태인 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홀 분사각도는 35∼40° 범위에 있는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제5항에 있어서,
상기 측방 확장각도는 10°인 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제6항에 있어서,
상기 제1 전방각도는 5∼15° 범위에 있는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제7항에 있어서,
상기 제2 전방각도는 5∼15° 범위에 있는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제8항에 있어서,
상기 홀 분사각도는 40°이고, 상기 제1 전방각도는 10°이며, 상기 제2 전방각도는 15°인 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제1항에 있어서,
상기 고온 부재는 터빈 블레이드 또는 터빈 베인의 몸체인 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제10항에 있어서,
상기 제1 표면은 상기 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 몸체의 내면이고, 상기 제2 표면은 상기 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 몸체의 표면인 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제11항에 있어서,
상기 필름 냉각 홀은 제1단, 또는 제1단 및 제2단의 터빈 블레이드나 터빈 베인에 형성되는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.
제1항에 있어서,
상기 필름 냉각 홀은 방전가공(EDM)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 필름 냉각 홀 구조.