KR20200037672A - 터빈 블레이드 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 터빈 블레이드는 터빈 블레이드(510)의 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512); 및 상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520)를 포함하되, 상기 유입 통로(520)에는 상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 경사부(521)가 형성된다.

Description

터빈 블레이드{Turbine blade}
본 발명은 터빈 블레이드에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 냉각 채널로 공급되는 냉각 공기의 손실이 최소화되도록 내부 구조를 변경한 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, 일반적으로 외주면에 복수의 터빈 블레이드가 배열되는 복수의 터빈 로터 디스크를 다단으로 구성하여 상기 고온, 고압의 연소 가스가 터빈 블레이드를 통과시키도록 하는 구성이 널리 사용되고 있다.
그러나 최근 가스 터빈의 대형화 및 고효율화 추세에 따라 연소기 출구 온도가 점차 높아짐에 따라 고온의 연소 가스에 견딜 수 있도록 터빈 블레이드 냉각 수단이 공통적으로 채용되고 있다.
특히, 터빈 블레이드의 내부 냉각공기가 유동할 수 있는 일정한 냉각 채널이 구비되고, 전술한 압축기 로터부로터 추기된 압축 공기를 냉각공기로서 활용하기 위해서 상기 냉각 채널에 압축 공기를 유동시키는 구성이 널리 알려져 있다.
상기 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈 및 로터를 포함하고, 상기 압축기는 서로 교대로 배치되는 복수의 압축기 베인과 복수의 압축기 블레이드를 포함한다.
상기 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스를 생성한다.
상기 터빈은 서로 교대로 배치되는 복수의 터빈 베인과 복수의 터빈 블레이드를 포함하고, 상기 로터는 상기 압축기, 상기 연소기 및 상기 터빈의 중심부를 관통하도록 형성되고, 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 일단부가 발전기의 구동축에 연결된다.
그리고, 상기 로터는 상기 압축기 블레이드와 체결되는 복수의 압축기 디스크, 상기 터빈 블레이와 체결되는 복수의 터빈 디스크 및 상기 터빈 디스크로부터 상기 압축기 디스크로 회전력을 전달하는 토크 튜브를 포함한다.
이러한 구성에 따른 가스 터빈은 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 연소실에서 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스로 변환되고, 이렇게 만들어진 연소 가스가 터빈 측으로 분사되며, 분사된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 상기 로터가 회전하게 된다.
상기 가스 터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤과 실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
이와 같은 특징을 갖는 종래의 가스 터빈에는 터빈 블레이드의 하측에 루트부가 형성되고, 상기 루트부의 내측에 냉각 공기가 유입되는 유입 통로가 형성되며, 상기 터빈 블레이드의 내부에는 냉각 공기가 격벽에 의해 분할된 내부 영역을 따라 유동이 이루어지는 냉각통로가 형성된다.
상기 유입 통로는 직경이 일정하게 유지되는 관통 형태로 플램폼을 통과할 때 유량 손실이 발생되는 문제점이 유발되었다. 종래의 터빈 블레이드는 상기 유입 통로를 통해 상기 냉각통로로 냉각 공기가 유입되므로 상기 유입 통로에서 유량 손실이 발생될 경우 터빈 블레이드의 냉각 효율이 저하되므로 이에 대한 대책이 필요하게 되었다.
미국 특허공개공보 US7413406호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 냉각공기가 유입되는 루트부의 내부 유입 통로의 구조를 변경하여 유량 손실로 인한 문제점을 예방할 수 있는 터빈 블레이드를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 냉각공기가 유동하는 냉각 통로로 안정화된 이동 흐름이 유지되는 냉각공기를 공급할 수 있는 터빈 블레이드를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 실시 예는 터빈 블레이드(510)의 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512); 및 상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520)를 포함하되, 상기 유입 통로(520)에는 상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 경사부(521)가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 터빈 블레이드(510)는 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지고 선단부에 형성된 리딩 엣지(510c); 상기 터빈 블레이드(510)의 후단부에 형성된 트레일링 엣지(510d)가 형성되고, 상기 유입 통로(520)는 상기 루트부(510a)를 횡 방향에서 잘라서 위에서 바라볼 때 상기 격벽(511)을 기준으로 일측에 형성된 제1 유입 통로(522); 상기 격벽(511)을 기준으로 타측에 형성된 제2 유입 통로(524)를 포함한다.
상기 제1 유입 통로(522)는 단수개로 형성되고, 상기 제2 유입 통로(524)는 복수개로 형성된다.
상기 제2 유입 통로(524)는 상기 제1 유입 통로(522)보다 횡 방향에서 길게 연장된다.
상기 제2 유입 통로(522)는 복수개로 분할 될 경우 서로 다른 크기로 형성된다.
상기 유입 통로(520)는 가로 방향으로 연장된 폭(W)이 세로 방향으로 연장된 길이(L) 보다 상대적으로 길게 연장된다.
상기 경사부(521)는 45도 이하의 각도로 경사진 것을 특징으로 한다.
상기 경사부(521)에는 상기 냉각공기가 이동 방향으로 이동하면서 와류를 형성하도록 외측으로 돌출된 가이드 리브(521a)가 형성된다.
상기 가이드 리브(521a)는 상기 경사부(521)의 구간에 나선 형태로 내측을 따라 권취된다.
상기 가이드 리브(521a)에는 상기 냉각 통로(512)를 향해 개구된 개구 홀(521b)이 형성된다.
상기 개구 홀(521b)은 상기 냉각 통로(512)를 향해 직경이 감소된 노즐 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 가이드 리브(521a)는 상기 냉각 공기의 이동 방향으로 갈수록 상기 경사부(521)에서 돌출된 길이가 증가된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시 예는 터빈 블레이드(510)의 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512); 상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520); 및 상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 내측에 구비되고, 상기 냉각공기가 이동 방향으로 이동하면서 와류를 형성하도록 가이드 리브(521a)가 형성된 경사부(521)를 포함하고, 상기 플랫폼부(510b)에는 상기 유입 통로(520)를 통과한 냉각공기의 이동 방향을 가이드 하기 위한 리브(900)가 구비된다.
상기 리브(900)는 직선 형태로 상기 터빈 블레이드(510)의 반경 방향 외측을 향해 소정의 길이로 연장된다.
상기 리브(900)는 곡선 형태로 상기 터빈 블레이드(510)의 반경 방향 외측을 향해 소정의 길이로 연장된다.
상기 리브(900)는 소정의 길이로 연장된 제1 리브(910); 상기 제1 리브(910)와 이웃하여 위치된 제2 리브(920)를 포함하고, 상기 제1 리브(910)와 상기 제2 리브(920)는 연장 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 제1 리브(910)는 상기 냉각 통로(512)를 향해 직선으로 연장되고, 상기 제2 리브(920)는 상기 격벽(511)을 향해 경사지게 연장된다.
상기 유입 통로(520)는 상기 루트부(510a)를 횡 방향에서 잘라서 위에서 바라볼 때 상기 격벽(511)을 기준으로 일측에 형성된 제1 유입 통로(522); 상기 격벽(511)을 기준으로 타측에 형성된 제2 유입 통로(524)를 포함하되, 상기 제1 유입 통로(522)와 상기 제2 유입 통로(524)는 각각 단수개로 형성된다.
상기 제1 유입 통로(522)와 상기 제2 유입 통로(524)는 서로 다른 크기로 형성된다.
상기 리브(900)는 상기 냉각 통로(512)의 내측 바닥면(510e)과, 내측 상면((510f)에 각각 마주보며 배치된다.
본 실시 예에 의한 터빈 블레이드는 루트부에서 플랫폼부에서 유압 손실이 감소된 유입 통로를 통해 터빈 블레이드 내부의 유동 안정성을 향상시키고자 한다.
본 실시 예들은 터빈 블레이드의 내부로 공급되는 냉각공기의 유량과 유압 손실을 최소화 시킨 유입 통로를 통해 터빈 블레이드의 냉각 효율을 향상시키고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 블레이드가 구비된 터빈장치를 도시한 단면도.
도 2은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드에 구비된 유입 통로를 도시한 도면.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 유입 통로의 다양한 실시 예를 도시한 도면.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유입 통로에 구비된 가이드 리브의 실시 예를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 블레이드에 구비된 유입 통로를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유입 통로의 단면도를 도시한 도면.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 리브의 다양한 실시 예를 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 블레이드에 구비된 유입 통로의 다른 실시 예를 도시한 도면.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.　 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 이하의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 대한 구체적인 설명에 앞서 가스터빈의 전반적인 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 가스터빈은 하우징(100)과, 상기 하우징(100)의 내부에 회전 가능하게 구비되는 로터(600)와, 상기 로터(600)로부터 회전력을 전달받아 상기 하우징(100)으로 유입되는 공기를 압축하는 압축기(200)와, 상기 압축기(200)에서 압축된 공기에 연료를 혼합하고 점화하여 연소 가스를 생성하는 연소기(400)와, 상기 연소기(400)에서 생성된 연소 가스로부터 회전력을 얻어 상기 로터(600)를 회전시키는 터빈(500)과, 발전을 위해 상기 로터(600)에 연동되는 발전기 및 상기 터빈(500)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저를 포함한다.
상기 하우징(100)은 상기 압축기(200)가 수용되는 압축기 하우징(110)과, 상기 연소기(400)가 수용되는 연소기 하우징(120) 및 상기 터빈(500)이 수용되는 터빈 하우징(130)을 포함한다.
상기 압축기 하우징(110)과 상기 연소기 하우징(120) 및 상기 터빈 하우징(130)은 유체의 이동 흐름이 도면 기준으로 좌측에서부터 우측으로 이동될 경우 전술한 구성 순서대로 순차적으로 배열된다.
상기 로터(600)는 상기 압축기 하우징(110)에 수용되는 압축기 디스크(610)와, 상기 터빈 하우징(130)에 수용되는 터빈 디스크(630) 및 상기 연소기 하우징(120)에 수용되고 상기 압축기 디스크(610)와 상기 터빈 디스크(630)를 연결하는 토크 튜브(620)가 구비된다.
또한 상기 압축기 디스크(610)와 상기 토크 튜브(620) 및 상기 터빈 디스크(630)를 체결하는 타이 로드(640)와 고정 너트(650)를 포함한다.
상기 압축기 디스크(610)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 디스크(610)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 배열된다. 즉, 상기 압축기 디스크(610)는 다단으로 형성된다.
상기 압축기 디스크(610)는 원판형태로 형성되고, 외주부에 후술할 압축기 블레이드(210)와 결합되는 압축기 디스크 슬롯이 형성된다.
상기 압축기 디스크 슬롯은 후술할 압축기 블레이드(210)가 상기 압축기 디스크 슬롯으로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.
상기 압축기 디스크(610)와 후술할 압축기 블레이드(210)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우 액셜 타입으로 결합되도록 형성된다.
본 실시예에 따른 상기 압축기 디스크 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 디스크 슬롯은 상기 압축기 디스크(610)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열되며, 각 압축기 디스크 슬롯은 회전축 방향으로 연장 형성될 수 있다.
상기 터빈 디스크(630)는 상기 압축기 디스크(610)와 유사하게 형성될 수 있다. 상기 터빈 디스크(630)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 디스크(630)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 배열되며 상기 터빈 디스크(630)는 다단으로 형성될 수 있다.
그리고, 각각의 터빈 디스크(630)는 원판형태로 형성되고, 외주부에 후술할 터빈 블레이드(510)와 결합되는 터빈 디스크 슬롯(631)이 형성된다.
상기 토크 튜브(620)는 상기 터빈 디스크(630)의 회전력을 상기 압축기 디스크(610)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 디스크(610) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 디스크(610)와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 디스크(630) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 디스크(630)와 체결될 수 있다.
상기 토크 튜브(620)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기(미도시)가 형성되고, 상기 압축기 디스크(610)와 상기 터빈 디스크(630) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(620)가 상기 압축기 디스크(610) 및 상기 터빈 디스크(630)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.
상기 토크 튜브(620)는 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 상기 토크 튜브(620)를 통과하여 상기 터빈(500)으로 유동 가능하도록 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다.
상기 토크 튜브(620)는 장기간 지속적으로 운전되는 터빈장치의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 대응하고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.
상기 타이 로드(640)는 복수의 압축기 디스크(610)와, 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 터빈 디스크(630)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 디스크(610) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 디스크(610) 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 디스크(630) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 디스크(630)를 기준으로 상기 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(650)와 체결될 수 있다.
상기 고정 너트(650)는 최하류 단에 위치되는 터빈 디스크(630)를 상기 압축기(200) 측으로 가압함으로써 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 디스크(610)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 디스크(630) 사이의 간격이 감소된다. 이 경우 복수의 상기 압축기 디스크(610)와, 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 디스크(630)가 상기 로터(600)의 축 방향으로 압축될 수 있다.
이에 따라, 복수의 상기 압축기 디스크(610)와, 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 디스크(630)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.
본 실시예의 경우 하나의 타이 로드(640)가 복수의 압축기 디스크(610)와, 상기 토크 튜브(620) 및 복수의 상기 터빈 디스크(630)의 중심부를 관통하도록 배치된 것으로 도시 하였으나 반드시 도시된 령태로 한정하지 않는다.
예를 들면 압축기(200) 측과 터빈(500) 측에 각각 별도의 타이 로드(640)가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드(640)가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 전술한 구성의 혼용도 가능하다.
이러한 구성에 따른 상기 로터(600)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.
상기 압축기(200)는 상기 로터(600)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(210) 및 상기 압축기 블레이드(210)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 하우징(100)에 고정 설치되는 압축기 베인(220)을 포함할 수 있다.
상기 압축기 블레이드(210)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(210)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(210)는 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
상기 압축기 블레이드(210)는 판형의 압축기 블레이드 플랫폼부와, 상기 압축기 블레이드 플랫폼부로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 구심 측으로 연장되는 압축기 블레이드 루트부 및 상기 압축기 블레이드 플랫폼부로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향 상 원심 측으로 연장되는 압축기 블레이드 에어포일부를 포함한다.
상기 압축기 블레이드 플랫폼부는 이웃하는 압축기 블레이드 플랫폼부와 접하며 상기 압축기 블레이드 에어포일부 사이 간격을 유지시키는 역할을 할 수 있다.
상기 압축기 블레이드 루트부는 전술한 바와 같이 상기 압축기 디스크 슬롯에 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 삽입되는 액셜 타입 형태로 형성된다.
상기 압축기 블레이드 루트부는 상기 압축기 디스크 슬롯에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 압축기 블레이드 루트부와 상기 압축기 디스크 슬롯은 상기 압축기 블레이드 루트부와 상기 압축기 디스크 슬롯이 용이하게 체결 가능하도록, 상기 압축기 디스크 슬롯이 상기 압축기 블레이드 루트부보다 크게 형성되고, 결합된 상태에서 상기 압축기 블레이드 루트부와 상기 압축기 디스크 슬롯 사이에 간극이 형성된다.
상기 압축기 블레이드 에어포일부는 터빈장치 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성되고, 공기의 유동 방향 상 상류 측에 위치되어 공기가 입사되는 압축기 블레이드 리딩 에지(leading edge) 및 공기의 유동 방향 상 하류 측에 위치되어 공기가 출사되는 압축기 블레이드 트레일링 에지(trailing edge)를 포함한다.
상기 압축기 베인(220)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(220)은 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다.
상기 압축기 베인(220)과 상기 압축기 블레이드(210)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열되고, 복수의 상기 압축기 베인(220)은 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성된다.
압축기 베인(220)은 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 환형으로 형성되는 압축기 베인 플랫폼부 및 상기 압축기 베인 플랫폼부로부터 상기 로터(600)의 회전 반경 방향으로 연장되는 압축기 베인 에어포일부를 포함한다.
상기 연소기(400)는 상기 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기(400) 및 상기 터빈(500)이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성된다.
상기 터빈(500)은 상기 압축기(200)와 유사하게 구성되며, 상기 로터(600)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(510) 및 상기 터빈 블레이드(510)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 하우징(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(530)을 포함한다.
상기 터빈 블레이드(510)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(510)는 상기 로터(600)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(510)는 각 단마다 상기 로터(600)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성된다.
본 실시 예에 의한 터빈 블레이드(510)는 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512) 및 상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520)를 포함하되, 상기 유입 통로(520)에는 상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 경사부(521)가 형성된다.
본 실시 예는 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하는 유입 통로(520)의 구조를 변경하여 유량 손실이 최소화된 상태로 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급할 수 있다.
특히 상기 유입 통로(520)는 단면이 상기 냉각 공기의 이동 방향을 향해 노즐 형태로 연장되므로, 압력이 하강하지 않고 안정적으로 상기 냉각 통로(512)로 냉각 공기를 공급할 수 있다.
상기 터빈 블레이드(510)는 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지고 선단부에 형성된 리딩 엣지(510c)가 형성되고, 상기 터빈 블레이드(510)의 후단부에 형성된 트레일링 엣지(510d)가 형성된다. 상기 유입 통로(520)는 상기 루트부(510a)를 횡 방향에서 잘라서 위에서 바라볼 때 상기 격벽(511)을 기준으로 일측에 형성된 제1 유입 통로(522)와, 상기 격벽(511)을 기준으로 타측에 형성된 제2 유입 통로(524)를 포함한다.
일 예로 상기 제1 유입 통로(522)는 단수개로 형성되고, 상기 제2 유입 통로(524)는 복수개로 형성되나, 상기 터빈 블레이드(510)의 내부 구조 또는 배치에 따라 변경될 수 있다.
제1,2 유입 통로(522, 524)는 개수가 도면에 도시된 개수로 한정하지는 않으나, 상기 터빈 블레이드(510)의 냉각이 보다 필요한 영역 또는 위치로 냉각 공기를 공급하기 위해 추가 되거나 변경될 수 있다.
상기 제2 유입 통로(524)는 상기 제1 유입 통로(522)보다 횡 방향에서 길게 연장되나, 이 또한 터빈 블레이드(510)의 내부 구조 또는 배치에 따라 변경될 수 있다.
제2 유입 통로(524)는 터빈 블레이드(510)의 후단부에 해당되는데, 상기 위치는 상기 터빈 블레이드(510)의 라운드 진 표면 형상에 의해 온도가 위치에 따라 상이하게 분포된다.
상기 터빈 블레이드(510)는 내부 냉각을 위해 공급된 냉각 공기가 유량 또는 압력 변동이 최소화된 상태로 안정적 공급되는 것이 가장 바람직 한데, 본 실시 예는 이를 위해 상기 제2 유입 통로(524)를 제1 유입 통로(522) 보다 횡 방향에서 길게 연장한다.
따라서 터빈 블레이드(510)는 제2 유입 통로(524)를 통해 유입된 냉각 공기의 유량이 감소되지 않고 압력 변동도 최소화된 조건으로 공급되므로 상기 터빈 블레이드(510)의 냉각 효율이 향상된다.
본 실시 예에 의한 제1 유입 통로(522)는 터빈 블레이드(510)의 리딩 엣지(510c)위치와 인접하여 냉각 공기를 공급하고, 제2 유입 통로(524)는 상기 격벽(511)과 상기 트레일링 엣지(510d) 사이의 영역으로 냉각 공기를 공급한다.
첨부된 도 4 내지 도 5를 참조하면, 상기 제2 유입 통로(522)는 복수개로 분할 될 경우 서로 다른 크기로 형성된다. 터빈 블레이드(510)는 내부 구조가 복잡하고 냉각이 필요한 영역도 위치에 따라 상이하므로 단일 구성 보다는 복수 개로 구성할 경우 냉각이 필요한 위치로 용이하게 냉각 공기를 공급할 수 있다.
본 실시 예는 상기 제2 유입 통로(522)를 2개로 도시하였으나 개수는 변동될 수 있으며, 위치 또한 변경 될 수 있다.
일 예로 제1 유입 통로(522)에서 제2 유입 통로(524)로 갈수록 개구된 크기가 커지도록 배치되거나, 반대로 배치되는 것도 가능할 수 있다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 유입 통로(520)는 가로 방향으로 연장된 폭(W)이 세로 방향으로 연장된 길이(L) 보다 상대적으로 길게 연장된다.
이 경우 냉각 공기는 냉각공기의 이동방향으로 다량의 냉각 공기를 공급하기 유리해진다. 즉, 세로 방향으로 연장된 길이(L)가 길어질 경우 내측면과의 마찰로 인해 와류가 발생될 수 있어 상기 가로 방향으로 연장된 폭(W)이 길게 연장된다.
상기 유입 통로(520)는 폭(W)과 길이(L)를 도면에 도시된 길이로 한정하나, 터빈 블레이드(510)의 사양에 따라 변경될 수 있다.
상기 경사부(521)는 45도 이하의 각도로 경사지는데, 상기 각도는 냉각 공기의 이동 방향을 특정 위치로 가이드 하기 유리하고, 급격한 각도 변경으로 인한 와류 발생을 최소화 하기에 유리한 각도에 해당된다.
상기 경사부(521)는 좌우 대칭으로 형성되고, 동일 각도로 경사지므로 냉각 공기가 특정 위치에 집중되지 않고 화살표 방향을 향해 안정적으로 이동된다.
본 실시 예에 의한 경사부(521)에는 상기 냉각공기가 이동 방향으로 이동하면서 와류를 형성하도록 외측으로 돌출된 가이드 리브(521a)가 형성된다.
상기 가이드 리브(521a)는 상기 경사부(521)의 구간에서 나선 형태로 내측을 따라 권취 되므로, 냉각 공기의 이동 흐름 중 일부는 상기 경사부(521)의 내측면을 따라 이동하는 흐름이 발생되고, 나머지 일부는 화살표로 도시된 유입 통로(520)의 폭(W) 중앙을 따라 이동하는 흐름이 발생된다.
상기 냉각 공기는 나선 형태로 이동될 경우 회전력이 발생되므로 상기 경사부(521)의 벽면에서 밀착된 이동 흐름이 발생된다. 또한 냉각 공기는 경사부(521)에서 박리되지 않고 이동되므로 이동 안전성이 향상된다.
상기 가이드 리브(521a)에는 상기 냉각 통로(512)를 향해 개구된 개구 홀(521b)이 형성된다. 상기 개구 홀(521b)은 상기 냉각 통로(512)를 향해 직경이 감소된 노즐 형태로 형성되므로 상기 개구 홀(521b)을 통과한 냉각 공기의 속도와 압력이 증가된다.
냉각 공기는 폭(W)의 중앙에서 상기 경사부(521)로 갈수록 이동 속도가 저하되므로 상기 경사부(521)의 위치에서 상기 개구 홀(521b)을 통해 냉각 공기의 이동 속도가 증가될 경우 박리로 인한 와류 현상을 최소화 할 수 있다.
따라서 냉각 공기는 상기 유입 통로(520)를 경유하여 상기 냉각 통로(512)로 공급될 때 속도가 저하되지 않고 압력도 특별히 감소되지 않고 이동된다.
상기 개구 홀(521b)는 1개 또는 복수개로 개구될 수 있으며 방향은 전술한 방향과 동일하게 개구된다.
첨부된 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 가이드 리브(521a)는 상기 냉각 공기의 이동 방향으로 갈수록 상기 경사부(521)에서 돌출된 길이가 증가된다.
상기 가이드 리브(521a)는 냉각공기의 이동 방향을 향해 돌출 길이가 증가될 경우 경사부(521)의 구간에서 박리되지 않고 냉각 통로(512)를 향해 속도와 압력이 하강되지 않은 상태로 이동된다.
상기 유입 통로(520)는 전술한 실시 예와 다르게 가이드 리브(521a)가 돌출되어 있어 상기 유입 통로(520)의 폭(W) 방향 중앙을 기준으로 상기 경사부(521)로 갈수록 유속이 감소되는 현상이 최소화 된다.
또한 상기 가이드 리브(521a)는 냉각공기의 이동 흐름이 보다 안정적으로 변화 및 유도 되도록 돌출 길이가 증가되므로 터빈 블레이드(510)의 냉각이 보다 필요한 특정 위치로 냉각 공기를 용이하게 공급하여 냉각을 실시할 수 있으므로 냉각 효율이 향상된다.
도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 대해 설명한다.
첨부된 도 8 내지 도 9를 참조하면, 본 실시 예는 터빈 블레이드(510)의 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512)와, 상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520) 및 상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 내측에 구비되고, 상기 냉각공기가 이동 방향으로 이동하면서 와류를 형성하도록 가이드 리브(521a)가 형성된 경사부(521)를 포함하고, 상기 플랫폼부(510b)에는 상기 유입 통로(520)를 통과한 냉각공기의 이동 방향을 가이드 하기 위한 리브(900)가 구비된다.
본 실시 예는 전술한 제1 실시 예와 다르게 리브(900)가 플램폼부(510b)에 구비되어 있어 상기 유입 통로(520)를 통과한 냉각 공기의 이동을 한번 더 안정적으로 가이드 한다.
상기 터빈 블레이드(510)는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512)로 상기 유입 통로(520)를 경유한 냉각공기가 유입된다. 상기 냉각공기는 냉각 통로(512)를 따라 이동된 후에 트레일링 엣지((510d)까지 이동되면서 냉각을 실시한다.
본 실시 예는 상기 냉각공기가 상기 냉각 통로(512)로 공급되기 이전에 이동 방향과 속도 및 압력을 추가로 조절하여 공급함으로써 터빈 블레이드(510)의 위치에 따른 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
이를 위해 본 실시 예에 의한 리브(900)는 직선 형태로 상기 터빈 블레이드(510)의 반경 방향 외측을 향해 소정의 길이로 연장된다.
리브(900)는 도면에 도시된 개수로 한정하지않고 변경될 수 있으며, 길이와 폭 또한 변경될 수 있다. 또한 리브(900)는 상기 플랫폼부(510b)의 내측 바닥면(510e)과 내측 상면(510f)에 각각 마주보는 위치에 구비될 수 있다.
일 예로 상기 리브(900)가 서로 마주보며 위치될 경우 상기 플랫폼부(510b)에서 위치에 상관 없이 냉각공기의 이동 흐름이 상기 리브(900)를 따라 가이드 된다.
따라서 냉각공기는 냉각 통로(521)를 향해 속도가 감소되지 않고 유량 손실 없이 안정적으로 이동된다.
첨부된 도 10을 참조하면, 본 실시 예에 의한 리브(900)는 곡선 형태로 상기 터빈 블레이드(510)의 반경 방향 외측을 향해 소정의 길이로 연장된다.
상기 리브(900)는 곡선의 기울기와 형태를 도면에 도시된 형태로 한정하지 않으며 다양하게 변경될 수 있으므로 냉각공기의 이동 안정성과 유량 및 압력의 변화를 최소화 할 수 있다.
첨부된 도 11을 참조하면, 본 실시 예에 의한 리브(900)는 소정의 길이로 연장된 제1 리브(910)와, 상기 제1 리브(910)와 이웃하여 위치된 제2 리브(920)를 포함하고, 상기 제1 리브(910)와 상기 제2 리브(920)는 연장 길이가 서로 상이하게 연장된다.
상기 제1,2 리브(910, 920)는 도면에 도시된 길이로 한정하지 않으며 다양하게 변경될 수 있다.
제1 리브(910)와 제2 리브(920)의 연장된 길이는 냉각 통로(512)의 내부 온도 분포를 고려하여 소정의 길이로 연장되며 상기 플랫폼부(510b)에서 냉각공기의 이동을 가이드 함으로써 안정적인 이동과 유압손실을 최소화 할 수 있다.
첨부된 도 12를 참조하면, 본 실시예에 의한 제1 리브(910)는 상기 냉각 통로(512)를 향해 직선으로 연장되고, 상기 제2 리브(920)는 상기 격벽(511)을 향해 경사지게 연장된다.
상기 제1 리브(910)는 냉각공기를 도면 기준 12시 방향으로 이동하도록 가이드 하고, 상기 제2 리브(920)는 격벽(511)으로 냉각공기의 이동을 가이드함으로써 특정 위치로 이동을 효율적으로 가이드하여 터빈 블레이드(510)의 냉각을 도모할 수 있다.
첨부된 도 13을 참조하면, 본 실시 예에 의한 유입 통로(520)는 상기 루트부(510a)를 횡 방향에서 잘라서 위에서 바라볼 때 상기 격벽(511)을 기준으로 일측에 형성된 제1 유입 통로(522)와, 상기 격벽(511)을 기준으로 타측에 형성된 제2 유입 통로(524)를 포함하되, 상기 제1 유입 통로(522)와 상기 제2 유입 통로(524)는 각각 단수개로 형성된다.
단수개로 형성되는 이유는 제작의 편의성과 안정적인 유량을 확보하여 터빈 블레이드(510)의 냉각을 도모하기 위해서이다.
상기 제1 유입 통로(522)와 상기 제2 유입 통로(524)는 서로 다른 크기로 형성되므로 유량이 상대적으로 많이 필요한 곳으로 냉각공기를 안정적으로 공급할 수 있다.
이를 통해 터빈 블레이드(510)에서 냉각이 많이 필요한 곳으로 냉각공기를 공급할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
510 : 터빈 블레이드
510a : 루트부
510b :플랫폼부
510c : 리딩 엣지
512 : 냉각 통로
520 : 유입 통로
521b : 개구 홀
522, 524 : 제1,2 유입 통로
521 : 경사부

Claims (20)

  1. 터빈 블레이드(510)의 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512); 및
    상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520)를 포함하되,
    상기 유입 통로(520)에는 상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 경사부(521)가 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드(510)는 핫 가스와 최초 접촉이 이루어지고 선단부에 형성된 리딩 엣지(510c);
    상기 터빈 블레이드(510)의 후단부에 형성된 트레일링 엣지(510d)가 형성되고,
    상기 유입 통로(520)는 상기 루트부(510a)를 횡 방향에서 잘라서 위에서 바라볼 때 상기 격벽(511)을 기준으로 일측에 형성된 제1 유입 통로(522);
    상기 격벽(511)을 기준으로 타측에 형성된 제2 유입 통로(524)를 포함하는 터빈 블레이드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유입 통로(522)는 단수개로 형성되고, 상기 제2 유입 통로(524)는 복수개로 형성된 터빈 블레이드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유입 통로(524)는 상기 제1 유입 통로(522)보다 횡 방향에서 길게 연장된 터빈 블레이드.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유입 통로(522)는 복수개로 분할 될 경우 서로 다른 크기로 형성된 터빈 블레이드.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 유입 통로(520)는 가로 방향으로 연장된 폭(W)이 세로 방향으로 연장된 길이(L) 보다 상대적으로 길게 연장된 터빈 블레이드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경사부(521)는 45도 이하의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경사부(521)에는 상기 냉각공기가 이동 방향으로 이동하면서 와류를 형성하도록 외측으로 돌출된 가이드 리브(521a)가 형성된 터빈 블레이드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가이드 리브(521a)는 상기 경사부(521)의 구간에 나선 형태로 내측을 따라 권취된 터빈 블레이드.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 가이드 리브(521a)에는 상기 냉각 통로(512)를 향해 개구된 개구 홀(521b)이 형성된 터빈 블레이드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 개구 홀(521b)은 상기 냉각 통로(512)를 향해 직경이 감소된 노즐 형태인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 가이드 리브(521a)는 상기 냉각 공기의 이동 방향으로 갈수록 상기 경사부(521)에서 돌출된 길이가 증가된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  13. 터빈 블레이드(510)의 내부 영역을 구획하는 격벽(511)에 의해 구획된 냉각 통로(512);
    상기 터빈 블레이드(510)의 루트부(510a)에서 플랫폼부(510b)를 향해 연장되고 상기 냉각 통로(512)로 냉각공기를 공급하기 위한 유입 통로(520); 및
    상기 루트부(510a)에서 상기 플랫폼부(510b)로 갈수록 직경이 감소된 내측에 구비되고, 상기 냉각공기가 이동 방향으로 이동하면서 와류를 형성하도록 가이드 리브(521a)가 형성된 경사부(521)를 포함하고,
    상기 플랫폼부(510b)에는 상기 유입 통로(520)를 통과한 냉각공기의 이동 방향을 가이드 하기 위한 리브(900)가 구비된 터빈 블레이드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 리브(900)는 직선 형태로 상기 터빈 블레이드(510)의 반경 방향 외측을 향해 소정의 길이로 연장된 터빈 블레이드.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 리브(900)는 곡선 형태로 상기 터빈 블레이드(510)의 반경 방향 외측을 향해 소정의 길이로 연장된 터빈 블레이드.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 리브(900)는 소정의 길이로 연장된 제1 리브(910);
    상기 제1 리브(910)와 이웃하여 위치된 제2 리브(920)를 포함하고,
    상기 제1 리브(910)와 상기 제2 리브(920)는 연장 길이가 서로 상이한 터빈 블레이드.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 리브(910)는 상기 냉각 통로(512)를 향해 직선으로 연장되고, 상기 제2 리브(920)는 상기 격벽(511)을 향해 경사지게 연장된 터빈 블레이드.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 유입 통로(520)는 상기 루트부(510a)를 횡 방향에서 잘라서 위에서 바라볼 때 상기 격벽(511)을 기준으로 일측에 형성된 제1 유입 통로(522);
    상기 격벽(511)을 기준으로 타측에 형성된 제2 유입 통로(524)를 포함하되,
    상기 제1 유입 통로(522)와 상기 제2 유입 통로(524)는 각각 단수개로 형성된 터빈 블레이드.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 유입 통로(522)와 상기 제2 유입 통로(524)는 서로 다른 크기로 형성된 터빈 블레이드.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 리브(900)는 상기 냉각 통로(512)의 내측 바닥면(510e)과, 내측 상면((510f)에 각각 마주보며 배치된 터빈 블레이드.
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