KR20200062829A - 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 블레이드 팁의 냉각성능을 향상시켜서 블레이드의 열부하를 감소시켜 블레이드의 파손방지 및 신뢰성을 확보할 수 있는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁에 관한 것이다.
본 발명의 특징은, 가스터빈의 블레이드 팁(100)에 형성되어 냉각유체가 유도되는 냉각유체 유도공간(110)과, 유도공간(110)에서 블레이드 팁(100)의 내측으로 관통되게 형성되어 냉각유체가 분출되는 냉각유체 분출구(120)와, 냉각유체 분출구(120)를 커버하는 상태로 유도공간(110)에 형성되어, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 냉각유체 유도공간(110)에 고르게 분산되어서 제공되도록 사이드로 안내하는 사이드안내부재(130)를 포함한다.

Description

사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁{Gas turbine blade tip geometry equipped with side structure}

본 발명은 가스터빈 블레이드 팁의 냉각성능을 향상시켜서 블레이드의 열부하를 감소시켜 블레이드의 파손방지 및 신뢰성을 확보할 수 있는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁에 관한 것이다.

일반적으로, 가스터빈 블레이드는 섭씨 약 1천도 이상의 환경에서 작동되기 때문에 고온에 의해 파손이 빈번하게 발생된다. 특히, 블레이드 팁은 블레이드에서 가장 빈번하게 손상이 발생된다.

그 원인으로는 슈라우드 케이싱(고정체)과 블레이드(회전체) 사이의 좁은 간극(약 2mm)을 통해 고온의 연소가스가 통과하므로 블레이드 팁에서 높은 열부하가 발생하기 때문이다.

이를 방지하기 위해 종래의 블레이드에 스컬러 팁(Squealer Tip)을 적용하여 레버런스씰(Labyrinth Seal)의 기능과 유동저항을 증가시켜 고온의 연소가스가 무용하게 외부로 누설됨을 줄인다.

그러나, 스퀄러 팁으로 인해 팁과 스퀄러 팁 사이에 연소공기가 재 부착되거나 스월유동(Swirl Flow)이 형성되어 여전히 팁에서의 높은 열부하가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 특허청에 공개특허공보 10-2011-0062693호(2011.06.10.)가 공개되어 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가스터빈 블레이드 팁의 냉각성능을 향상시켜서 블레이드의 열부하를 감소시켜 블레이드의 파손방지 및 신뢰성을 확보할 수 있는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁은, 가스터빈의 블레이드 팁(100)에 형성되어 냉각유체가 유도되는 냉각유체 유도공간(110)과, 유도공간(110)에서 블레이드 팁(100)의 내측으로 관통되게 형성되어 냉각유체가 분출되는 냉각유체 분출구(120)와, 냉각유체 분출구(120)를 커버하는 상태로 유도공간(110)에 형성되어, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 냉각유체 유도공간(110)에 고르게 분산되어서 제공되도록 사이드로 안내하는 사이드안내부재(130)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 냉각유체 유도공간(110)은 블레이드 팁(100)에서 수직으로 하강되는 유도벽(111)과, 유도벽(111)의 하부에 연이지게 형성되는 유도바닥(112)을 포함하고, 냉각유체 분출구(120)는 유도벽(111)에 근접되는 상태로 유도바닥(112)에 형성되며, 사이드안내부재(130)는 냉각유체 분출구(120)를 커버하도록 유도벽(111)에서 측방으로 돌출된다.

바람직하게, 사이드안내부재(130)는 냉각유체 분출구(120)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 사이드안내부재(130)는 유도벽(111)의 상부로 돌출되지 않는 상태로 냉각유체 분출구(120)를 커버하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 사이드안내부재(130)는 일단이 유도벽(111)에 고정되면서 타단이 일단보다 낮은 높이로 형성되어, 사이드안내부재(130)의 타단이 유도바닥(112)에 근접되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 사이드안내부재(130) 및 냉각유체 분출구(120)는 각각 복수로 구성되어 냉각유체 유도공간(110)에서 양측에 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 가스터빈 블레이드 팁의 냉각성능을 향상시켜서 블레이드의 열부하를 감소시켜 블레이드의 파손방지 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 사이드부재에 의해 냉각유체가 가스터빈 블레이드 팁의 표면에 고르게 분포될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁을 보인 사시도.
도 2는 본 발명에서 냉각유체의 흐름을 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 보인 사시도.
도 4는 도 3에서 냉각유체의 흐름을 보인 단면도.
도 5는 본 발명의 블레이드 팁에서 유도공간에 냉각유체가 분사되는 상태를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 사이드안내부재에 연소가스의 외부유동이 방해되는 형태를 보인 사시도.
도 7(a)(b)은 본 발명의 블레이드 팁에서 막냉각 효율을 보인 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁은, 가스터빈의 블레이드 팁(100)에 형성되어 냉각유체가 유도되는 냉각유체 유도공간(110)과, 유도공간(110)에서 블레이드 팁(100)의 내측으로 관통되게 형성되어 냉각유체가 분출되는 냉각유체 분출구(120)와, 냉각유체 분출구(120)를 커버하는 상태로 유도공간(110)에 형성되어, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 냉각유체 유도공간(110)에 고르게 분산되어서 제공되도록 사이드로 안내하는 사이드안내부재(130)를 포함한다.

먼저, 냉각유체는 공기로 구성될 수 있다.

냉각유체 유도공간(110)은 블레이드 팁(100)에서 수직으로 하강되는 유도벽(111)과, 유도벽(111)의 하부에 연이지게 형성되는 유도바닥(112)을 포함한다.

이러한, 냉각유체 유도공간(110)은 냉각유체가 흐르도록 오목하게 형성되면서, 냉각유체가 전체적으로 고르게 분포되도록 상부에 볼 때 원형이나 타원형태를 이룬다.

냉각유체 분출구(120)는 유도벽(111)에 근접되는 상태로 냉각유체가 분출되도록 유도바닥(112)에 관통되는 홀로 구성된다. 따라서, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 유도벽(111)에 의해 외부로 즉시 이탈됨이 저지될 수 있다. 이러한, 유도벽(111)에 의해 냉각유체가 유도바닥(112)에 오래 머물게 되므로 유도바닥(112)가 냉각될 수 있다.

그리고, 냉각유체 분출구(120)는 유도벽(111)을 향하도록 기울어지게 형성될 수 있다. 따라서, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 유도벽(111)에 충돌된 후에, 반사되어서 유도바닥(112)으로 제공되므로 냉각유체의 체류시간이 증대될 수 있다.

사이드안내부재(130)는 냉각유체 분출구(120)를 커버하도록 판재형태로 형성되어 유도벽(111)에서 측방으로 돌출된다. 그리고, 사이드안내부재(130)는 냉각유체 분출구(120)보다 크게 형성된다. 또한, 사이드안내부재(130)는 유도벽(111)의 상부로 돌출되지 않는 상태로 냉각유체 분출구(120)를 커버한다.

따라서, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 사이드안내부재(130)에 의해 외부로 유출됨이 저지되면서 유도바닥(112)으로 안내될 수 있다.

사이드안내부재(130)는 일단이 유도벽(111)에 고정되면서 타단이 일단보다 낮은 높이로 형성될 수 있다. 즉, 사이드안내부재(130)의 타단이 유도바닥(112)에 근접될 수 있다. 따라서, 사이드안내부재(130)으로 분사되는 냉각유체가 사이드안내부재(130)의 타단과 유도바닥(112)의 좁은 틈사이로 분사되어, 유도바닥(112)의 더 넓은 면적에 제공될 수 있다.

이와 같이, 냉각유체가 사이드안내부재(130)에 의해 외부로 즉시 유출되지 않으면서 유도바닥(112)으로 안내되면서 체류되는 체류시간이 증대되므로, 유도바닥(112)의 가열됨이 감소됨에 따라 유도바닥(112)의 냉각효율이 증대될 수 있다.

또한, 사이드안내부재(130) 및 냉각유체 분출구(120)는 각각 복수로 구성되어 냉각유체 유도공간(110)에서 양측에 구비될 수 있어서, 열부하의 감소 및 냉각효과가 증대될 수 있다. 이에 의해, 가스터빈 블레이드 팁(100)의 파손방지 및 신뢰성이 확보될 수 있다.

이하, 본 발명의 작용 효과를 설명한다.

도 5는 본 발명의 분사되는 냉각유체가 블레이드 팁의 안으로 고르게 분사됨을 보인 것으로, 분출되는 냉각유체가 사이드안내부재(130)에 의해 유도공간(110)에서 더 넓은 면적으로 제공됨을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 분사되는 냉각유체와 연소가스의 외부 유동이 혼합되는 형태를 보인 것으로, 흡입면을 따라 사이드안내부재(130)가 고온가스에 의한 외부유동을 방해하고, 냉각유체가 사이드안내부재(130)에 고르게 분사됨에 따라 고온의 외부유동의 직접적인 영향이 감소될 수 있다.

따라서, 본 발명은 사이드안내부재(130)에 의해 블레이드 팁에서의 고온 외부가스이 재 부착과 스월유동을 막고 냉각유체를 고르게 분사하여 블레이드 팁의 높은 열부하를 줄일 수 있다.

도 7은 블레이드 팁에서의 막냉각 효율을 나타낸 것으로, 도 7(a)는 유도공간(110)을 확대 도시한 것이고, 도 7(b)는 블레이드 팁(100)을 전체적으로 보인 것이다.

사이드안내부재(130)에 의해 팁의 전체적인 면적에서 높은 막냉각 성능이 파란색으로 나타남을 알 수 있다. 이는 냉각유체가 사이드안내부재(130)로 인해 팁(100) 안에 고르게 분사되되는 효과로 인해, 팁 누설유동이 팁 안으로 유입됨을 방지할 수 있고, 재 부착 및 스월유동을 방지할 수 있기 때문이다.

그리고, 블레이드 팁(100)에서 팁 면적 평균 막 냉각효율이 종래의 팁 면적 평균 막 냉각효율보다 6.4배 증가됨을 알 수 있다.

이와 같은, 본 발명은 가스터빈 블레이드 팁의 냉각성능을 향상시켜서 블레이드의 열부하를 감소시켜 블레이드의 파손방지 및 신뢰성을 확보할 수 있으므로, 가스터빈 블레이드 팁에 적용되어서 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 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 한다.

100 : 블레이드 팁
110 : 유도공간
111 : 유도벽
112 : 유도바닥
120 : 냉각유체 분출구
130 : 사이드안내부재

Claims (6)

1. 가스터빈의 블레이드 팁(100)에 형성되어 냉각유체가 유도되는 냉각유체 유도공간(110)과,
   유도공간(110)에서 블레이드 팁(100)의 내측으로 관통되게 형성되어 냉각유체가 분출되는 냉각유체 분출구(120)와,
   냉각유체 분출구(120)를 커버하는 상태로 유도공간(110)에 형성되어, 냉각유체 분출구(120)에서 분출되는 냉각유체가 냉각유체 유도공간(110)에 고르게 분산되어서 제공되도록 사이드로 안내하는 사이드안내부재(130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   냉각유체 유도공간(110)은
   블레이드 팁(100)에서 수직으로 하강되는 유도벽(111)과,
   유도벽(111)의 하부에 연이지게 형성되는 유도바닥(112)을 포함하고,
   냉각유체 분출구(120)는 유도벽(111)에 근접되는 상태로 유도바닥(112)에 형성되며,
   사이드안내부재(130)는 냉각유체 분출구(120)를 커버하도록 유도벽(111)에서 측방으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁.
   
3. 청구항 1에 있어서, 사이드안내부재(130)는 냉각유체 분출구(120)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁.
   
4. 청구항 1에 있어서, 사이드안내부재(130)는 유도벽(111)의 상부로 돌출되지 않는 상태로 냉각유체 분출구(120)를 커버하는 것을 특징으로 하는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁.
   
5. 청구항 1에 있어서, 사이드안내부재(130)는 일단이 유도벽(111)에 고정되면서 타단이 일단보다 낮은 높이로 형성되어, 사이드안내부재(130)의 타단이 유도바닥(112)에 근접되는 것을 특징으로 하는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁.
   
6. 청구항 1에 있어서, 사이드안내부재(130) 및 냉각유체 분출구(120)는 각각 복수로 구성되어 냉각유체 유도공간(110)에서 양측에 구비되는 것을 특징으로 하는 사이드 구조물을 적용한 가스터빈 블레이드 팁.

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