KR20200102844A - 터빈용 에어포일, 이를 포함하는 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각 성능이 향상된 에어포일, 및 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일은, 상기 리딩 엣지와 연결된 제1 냉각유로, 상기 트레일링 엣지와 연결된 제2 냉각유로, 상기 제1 냉각유로와 상기 제2 냉각유로 사이에 형성된 제3 냉각유로, 상기 제1 냉각유로 내에 설치되어 상기 리딩 엣지와의 사이에서 보조 냉각유로를 형성하며 복수의 분산 홀이 형성된 충격 튜브, 및 상기 충격 튜브에 설치되어 상기 제3 냉각유로에서 상기 제1 냉각유로로 유입되는 공기의 흐름을 안내하는 유동 가이드부재를 포함한다.

Description

터빈용 에어포일, 이를 포함하는 터빈{AIRFOIL FOR TURBINE, TURBINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 터빈용 에어포일, 이를 포함하는 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
최근에는 터빈읜 효율을 증가시키기 위하여 터빈으로 유입되는 가스의 온도(Turbine Inlet Temperature: TIT)가 지속적으로 상승하는 추세에 있는데, 이로 인하여 터빈 블레이드의 내열처리 및 냉각의 중요성이 부각되고 있다.
터빈 블레이드를 냉각하기 위한 방법으로는 필름 쿨링과 인터널 쿨링 방식이 있다. 필름 쿨링 방식은 터빈 블레이드의 외면에 코팅막을 형성하여 외부에서 블레이드로 열전달을 막는 방식이다. 필름 쿨링 방식에 의하면 블레이드에 도포되는 내열도료가 블레이드의 내열 특성 및 기계적 내구성을 결정된다.
인터널 쿨링 방식은 냉각유체와 블레이드의 열교환을 통해서 블레이드를 냉각하는 방식이다. 일반적으로 터빈 블레이드는 가스터빈의 압축기로부터 추출된 압축된 냉각 공기를 이용하여 냉각한다. 압축기에 의해 압축된 압축 공기는 가스 터빈의 연소기에서 사용하기 위해 생성되는 것이므로, 터빈 블레이드의 냉각을 위해 압축기로부터 추출되는 압축 공기의 양을 증가시킨다면 가스 터빈의 전체 효율이 저하된다. 따라서 효율적인 블레이드의 냉각을 위해서는 적은 양의 냉각유체로 블레이드를 전체적으로 균등하게 냉각해야 한다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0082944호
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 냉각 성능이 향상된 에어포일, 및 터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일은, 상기 리딩 엣지와 연결된 제1 냉각유로, 상기 트레일링 엣지와 연결된 제2 냉각유로, 상기 제1 냉각유로와 상기 제2 냉각유로 사이에 형성된 제3 냉각유로, 상기 제1 냉각유로 내에 설치되어 상기 리딩 엣지와의 사이에서 보조 냉각유로를 형성하며 복수의 분산 홀이 형성된 충격 튜브, 및 상기 충격 튜브에 설치되어 상기 제3 냉각유로에서 상기 제1 냉각유로로 유입되는 공기의 흐름을 안내하는 유동 가이드부재를 포함한다.
여기서, 상기 제3 냉각유로의 상부에서 상기 제1 냉각유로의 상부로 냉각 공기가 이동하도록 상기 제3 냉각유로의 상부와 상기 제1 냉각유로의 상부가 연결되고, 상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브의 상부에 설치되며, 상기 유동 가이드부재의 하부에는 압력강하 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
또한, 상기 유동 가이드부재는 호형으로 만곡 형성될 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브에 고정된 제1 판부와 상기 제1 판부에서 절곡된 제2 판부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재는 제1 판부, 상기 제1 판부에서 경사지게 절곡된 제2 판부, 및 상기 제2 판부에서 내측을 향하여 절곡된 제3 판부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재는 하부를 향하는 면이 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브의 높이 방향에 대하여 경사진 평판으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재에는 복수의 압력 조절 홀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 압력 조절 홀은 상기 충격 튜브 측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 충격 튜브에는 복수의 유동 가이드부재가 상기 충격 튜브의 높이 방향으로 이격 배치될 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재들은 하부를 향하는 면이 볼록하도록 형성될 수 있다.
또한, 내측에 배치된 상기 유동 가이드부재는 외측에 배치된 유동 가이드부재보다 더 작은 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 회전 가능한 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈에서 상기 터빈 블레이드는 날개 형상으로 이루어지며 리딩 엣지와 트레일링 엣지를 갖는 에어포일과 상기 에어포일의 하부에 결합된 플랫폼부와 상기 플랫폼부에서 하부로 돌출되어 상기 로터 디스크에 결합되는 루트부를 포함하고, 상기 에어포일은, 상기 리딩 엣지와 연결된 제1 냉각유로, 상기 트레일링 엣지와 연결된 제2 냉각유로, 상기 제1 냉각유로와 상기 제2 냉각유로 사이에 형성된 제3 냉각유로, 상기 제1 냉각유로 내에 설치되어 상기 리딩 엣지와의 사이에서 보조 냉각유로를 형성하며 복수의 분산 홀이 형성된 충격 튜브, 및 상기 충격 튜브에 설치되어 상기 제3 냉각유로에서 상기 제1 냉각유로로 유입되는 공기의 흐름을 안내하는 유동 가이드부재를 포함한다.
여기서, 상기 제3 냉각유로의 상부에서 상기 제1 냉각유로의 상부로 냉각 공기가 이동하도록 상기 제3 냉각유로의 상부와 상기 제1 냉각유로의 상부가 연결되고, 상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브의 상부에 설치되며, 상기 유동 가이드부재의 하면에 압력강하 공간을 형성할 수 있다.
또한, 상기 유동 가이드부재에는 복수의 압력 조절 홀이 형성되고, 상기 압력 조절 홀은 상기 충격 튜브 측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 에어포일, 터빈에 의하면 충격 튜브와 유동 가이드부재가 설치되어 리딩 엣지 부분에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어포일을 도시한 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
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. 이 때, 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.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 센터 타이로드(1120)와 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 토크 튜브(1170)에 의하여 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 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.
한편, 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈(1300)의 터빈 블레이드(1400)에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브(1170)를 거쳐 압축기(1100)로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용된다.
터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1400)와 베인을 포함한다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드(1400)와 베인이 삽입된다. 터빈 블레이드(1400)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 베인은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어포일을 도시한 횡단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 종단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 터빈 블레이드(1400)는 날개 형상의 에어포일(1410)과 에어포일(1410)의 하부에 결합된 플랫폼부(1420) 및 플랫폼부(1420)의 아래로 돌출되어 로터 디스크에 결합되는 루트부(1430)를 포함한다. 에어포일(1410)은 날개 형상의 곡면판으로 이루어질 수 있으며, 가스 터빈(1000)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성될 수 있다.
플랫폼부(1420)는 에어포일(1410)과 루트부(1430) 사이에 위치하며 대략 사각판 또는 사각기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 플랫폼부(1420)는 이웃한 터빈 블레이드(1400)의 플랫폼부(1420)와 그 측면이 서로 접하여 터빈 블레이드들(1400) 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다.
루트부(1430)는 대략 전나무 형태의 굴곡부를 가지며, 이는 로터 디스크(1310)의 슬롯에 형성된 굴곡부의 형태와 대응하도록 형성된다. 여기서, 루트부(1430)의 결합구조는 반드시 전나무 형태를 가질 필요는 없고, 도브 테일 형태를 갖도록 형성될 수도 있다. 루트부(1430)의 하단에는 냉각 공기의 공급을 위한 제1 유입구(E11)와 제2 유입구(E12)가 형성될 수 있다.
에어포일(1410)은 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지(LE)와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지(TE)를 구비할 수 있다. 또한, 에어포일(1410)에서 연소가스가 유입되는 전면에는 외측방으로 볼록한 곡면을 이루며 돌출된 흡입면(S1)이 형성되고, 에어포일의 후면에는 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면(S2)이 형성된다. 에어포일(1410)의 흡입면(S1)과 압력면(S2)의 압력차가 발생하여 터빈(1300)이 회전하게 된다.
에어포일(1410)의 표면에는 다수의 쿨링홀(1411)이 형성되는데, 쿨링홀(1411)들은 에어포일(1410)의 내부에 형성되는 냉각 유로와 연통되어 냉각 공기를 에어포일(1410)의 표면에 공급한다.
에어포일(1410)은 외형을 이루는 외벽(1470), 외벽(1470)의 내부에 형성된 냉각유로들(C11, C12, C13, C14), 분할판들(1412, 1413), 충격 튜브(1500), 및 유동 가이드부재(1520)를 포함할 수 있다. 에어포일(1410)은 리딩 엣지(LE)와 연결된 제1 냉각유로(C11), 트레일링 엣지(TE)와 연결된 제2 냉각유로(C12) 및 제1 냉각유로(C11)와 제2 냉각유로(C12) 사이에 형성된 제3 냉각유로(C13), 제1 냉각유로 내부에 압력 튜브에 의하여 형성된 보조 냉각유로(C14)를 포함할 수 있다. 에어포일(1410)은 에어포일(1410)의 높이방향으로 이어져 에어포일(1410)의 내부 공간을 분할하는 제1 분할판(1412), 제2 분할판 (1413)을 포함할 수 있다.
제1 냉각유로(C11)는 리딩 엣지(LE)와 제1 분할판(1412)에 의하여 형성되며, 제2 냉각유로(C12)와 연결된다. 제1 냉각유로(C11)로 유입된 공기는 충격 튜브(1500)를 통과하여 리딩 엣지(LE)와 인접하게 형성된 쿨링홀(1411)을 통해서 배출된다.
제2 냉각유로(C12)는 트레일링 엣지(TE)와 제2 분할판(1413)에 의하여 형성되며, 제2 냉각유로(C12)의 내부에는 복수의 냉각핀(1483)이 형성될 수 있다. 에어포일(1410)은 제2 냉각유로(C12)와 연결되어 제2 냉각유로(C12)의 공기를 배출시키되 트레일링 엣지(TE)의 높이 방향으로 이격 형성된 복수의 후단 쿨링 슬롯(1481)과, 후단 쿨링 슬롯(1481) 사이에 형성되어 후단 쿨링 슬롯(1481)을 분할하는 분할 돌기(1482)를 더 포함할 수 있다. 제2 냉각유로(C12)는 제2 유입구(E12)와 연결되어 공기를 공급받으며, 제2 냉각유로(C12)로 유입된 공기는 후단 쿨링 슬롯(1481)을 통해서 배출된다.
제3 냉각유로(C13)는 제1 분할판(1412)과 제2 분할판(1413)에 의하여 형성되며, 제3 냉각유로(C13)는 하부에 형성된 제1 유입구(E11)와 연결되어 공기를 공급받는다. 제3 냉각유로(C13)로 유입된 공기 중 일부는 쿨링홀(1411)을 통해서 배출되고, 나머지는 제1 냉각유로(C11)로 공급된다.
제1 분할판(1412)은 리딩 엣지(LE)와 마주하도록 설치되고, 제2 분할판(1413)은 트레일링 엣지(TE)와 마주하도록 설치된다. 제1 분할판(1412)의 상단은 에어포일(1410)의 상단의 팁에서 이격되도록 형성된다. 이에 따라 제1 분할판(1412)의 상단과 에어포일(1410)의 팁 사이의 공간으로 공기가 이동하여 제3 냉각유로(C13)의 상부와 제1 냉각유로(C11)의 상부가 연결될 수 있다. 제1 유입구(E11)를 통해서 공급된 공기는 제3 냉각유로(C13)를 따라 상부로 이동하여 제1 냉각유로(C11)로 유입된다. 제3 냉각유로(C13)에서 공기는 내측에서 외측으로 이동하고, 제1 냉각유로(C11)에서 공기는 외측에서 내측으로 이동한다.
충격 튜브(1500)는 제1 냉각유로(C11)에 설치되어 충격 튜브(1500)와 리딩 엣지(LE) 사이에서 보조 냉각유로(C14)를 형성한다. 충격 튜브(1500)는 호형으로 만곡된 횡단면을 가지며, 리딩 엣지(LE)에서 간격을 두고 이격 배치된다. 충격 튜브(1500)는 에어포일(1410)의 높이방향으로 이어져 형성되며, 충격 튜브(1500)에는 복수의 분산 홀(1510)이 형성된다. 제3 냉각유로(C13)에서 제1 냉각유로(C11)로 유입된 공기는 충격 튜브(1500)를 통과하여 리딩 엣지(LE)에 형성된 쿨링홀(1411)을 통해서 배출된다. 충격 튜브(1500)는 공기와의 접촉을 통해서 냉각 효율을 향상시키는 역할을 한다.
충격 튜브(1500)에는 유동 가이드부재(1520)가 설치되며 유동 가이드부재(1520)는 호형으로 만곡된 곡면판으로 이루어진다. 유동 가이드부재(1520)는 충격 튜브(1500)의 상부에 설치되되 충격 튜브(1500)의 상단에 설치되거나, 충격 튜브(1500)의 상단에서 기 설정된 거리만큼 이격되어 설치될 수 있다.
유동 가이드부재(1520)는 하부를 향하는 면이 오목하도록 만곡 형성될 수 있으며, 이에 따라 유동 가이드부재(1520)의 하부에는 압력강하 공간(DS)이 형성된다. 유동 가이드부재(1520)의 하부에 압력강하 공간(DS)이 형성되면 압력강하 공간(DS)으로 공기가 유입되고, 상대적으로 작은 공기가 유입되는 공간으로 많은 양의 공기를 유입시켜서 리딩 엣지(LE)를 균일하게 냉각시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 블레이드에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 터빈 블레이드는 유동 가이드부재를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
터빈 블레이드에서 리딩 엣지와 인접한 부분에는 복수의 분산 홀(2510)을 갖는 충격 튜브(2500)가 설치되고, 충격 튜브(2500)의 상부에는 유동 가이드부재(2520)가 설치된다. 유동 가이드부재(2520)는 하부가 오목하도록 절곡 형성되어 하부에 압력강하 공간(DS)을 형성한다. 유동 가이드부재(2520)는 충격 튜브(2500)에 고정된 제1 판부(2521)와 제1 판부(2521)에서 절곡된 제2 판부(2523)를 포함한다. 여기서 제2 판부(2523)는 루트부를 향하여 내측으로 절곡되되 제1 판부(2521)에서 직각으로 절곡될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈 블레이드에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 터빈 블레이드는 유동 가이드부재를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
터빈 블레이드에서 리딩 엣지와 인접한 부분에는 복수의 분산 홀(3510)을 갖는 충격 튜브(3500)가 설치되고, 충격 튜브(3500)의 상부에는 유동 가이드부재(3520)가 설치된다. 유동 가이드부재(3520)는 하부가 오목하도록 절곡 형성되어 하부에 압력강하 공간(DS)을 형성한다. 유동 가이드부재(3520)는 충격 튜브(3500)에 고정된 제1 판부(3521), 제1 판부(3521)에서 경사지게 절곡된 제2 판부(3523), 및 제2 판부(3523)에서 루트부가 위치하는 내측을 향하여 절곡된 제3 판부(3525)를 포함한다. 여기서 제2 판부(3523)는 제1 판부(3521)에 대하여 30도 내지 60도로 절곡될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 터빈 블레이드에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 터빈 블레이드를 도시한 종단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 터빈 블레이드는 유동 가이드부재를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
터빈 블레이드(4400)는 날개 형상의 에어포일(4410)과 에어포일(4410)의 하부에 결합된 플랫폼부(4420) 및 플랫폼부(4420)의 아래로 돌출되어 로터 디스크에 결합되는 루트부(4430)를 포함한다. 플랫폼부(4420)는 에어포일(4410)과 루트부(4430) 사이에 위치하며 대략 사각판 또는 사각기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 루트부(4430)의 하단에는 냉각 공기의 공급을 위한 제1 유입구(E21)와 제2 유입구(E22)가 형성될 수 있다.
에어포일(4410)은 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지(LE)와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지(TE)를 구비할 수 있다. 에어포일(4410)의 냉각 유로와 연통되어 냉각 공기를 배출하는 쿨링홀이 형성될 수 있다.
에어포일(4410)은 외형을 이루는 외벽(4470), 외벽(4470)의 내부에 형성된 냉각유로들(C21, C12, C13, C14), 분할판들(4412, 1413), 충격 튜브(4500), 및 유동 가이드부재(4520)을 포함할 수 있다. 에어포일(4410)은 리딩 엣지(LE)와 연결된 제1 냉각유로(C21), 트레일링 엣지(TE)와 연결된 제2 냉각유로(C22) 및 제1 냉각유로(C21)와 제2 냉각유로(C22) 사이에 형성된 제3 냉각유로(C23), 제1 냉각유로 내부에 압력 튜브에 의하여 형성된 보조 냉각유로(C24)를 포함할 수 있다. 에어포일(4410)은 에어포일(4410)의 높이방향으로 이어져 에어포일(4410)의 내부 공간을 분할하는 제1 분할판(4412), 제2 분할판 (4413)을 포함할 수 있다.
제1 냉각유로(C21)는 리딩 엣지(LE)와 제1 분할판(4412)에 의하여 형성되며, 제2 냉각유로(C22)와 연결된다. 제1 냉각유로(C21)로 유입된 공기는 충격 튜브(4500)를 통과하여 리딩 엣지(LE)와 인접하게 형성된 쿨링홀을 통해서 배출된다.
제2 냉각유로(C22)는 트레일링 엣지(TE)와 제2 분할판(4413)에 의하여 형성되며, 제2 냉각유로(C22)의 내부에는 복수의 냉각핀(4483)이 형성될 수 있다. 에어포일(4410)은 제2 냉각유로(C22)와 연결되어 제2 냉각유로(C22)의 공기를 배출시키되 트레일링 엣지(TE)의 높이 방향으로 이격 형성된 복수의 후단 쿨링 슬롯(4481)과, 후단 쿨링 슬롯(4481) 사이에 형성되어 후단 쿨링 슬롯(4481)을 분할하는 분할 돌기(4482)를 더 포함할 수 있다. 제2 냉각유로(C22)는 제2 유입구(E22)와 연결되어 공기를 공급받으며, 제2 냉각유로(C22)로 유입된 공기는 후단 쿨링 슬롯(4481)을 통해서 배출된다.
제3 냉각유로(C23)는 제1 분할판(4412)과 제2 분할판(4413)에 의하여 형성되며, 제3 냉각유로(C23)는 하부에 형성된 제1 유입구(E21)와 연결되어 공기를 공급받는다. 제3 냉각유로(C23)로 유입된 공기 중 일부는 쿨링홀을 통해서 배출되고, 나머지는 제1 냉각유로(C21)로 공급된다.
제1 분할판(4412)은 리딩 엣지(LE)와 마주하도록 설치되고, 제2 분할판(4413)은 트레일링 엣지(TE)와 마주하도록 설치된다. 제1 분할판(4412)의 상단은 에어포일(4410)의 상단의 팁에서 이격되도록 형성된다. 이에 따라 제1 분할판(4412)의 상단과 에어포일(4410)의 팁 사이의 공간으로 공기가 이동하여 제3 냉각유로(C23)에서 제1 냉각유로(C21)로 공기가 이동할 수 있다. 제1 유입구(E21)를 통해서 공급된 공기는 제3 냉각유로(C23)를 따라 상부로 이동하여 제1 냉각유로(C21)로 유입된다. 제3 냉각유로(C23)에서 공기는 내측에서 외측으로 이동하고, 제1 냉각유로(C21)에서 공기는 외측에서 내측으로 이동한다.
충격 튜브(4500)는 제1 냉각유로(C21)에 설치되어 충격 튜브(4500)와 리딩 엣지(LE) 사이에서 보조 냉각유로(C24)를 형성한다. 충격 튜브(4500)는 호형으로 만곡된 횡단면을 가지며, 리딩 엣지(LE)에서 간격을 두고 이격 배치된다. 충격 튜브(4500)는 에어포일(4410)의 높이방향으로 이어져 형성되며, 충격 튜브(4500)에는 복수의 분산 홀(4510)이 형성된다. 제3 냉각유로(C23)에서 제1 냉각유로(C21)로 유입된 공기는 충격 튜브(4500)를 통과하여 리딩 엣지(LE)에 형성된 쿨링홀을 통해서 배출된다. 충격 튜브(4500)는 공기와의 접촉을 통해서 냉각 효율을 향상시키는 역할을 한다.
충격 튜브(4500)에는 복수의 유동 가이드부재(4520)가 설치되며 유동 가이드부재들(4520)은 충격 튜브(4500)의 높이 방향으로 이격 배치된다. 유동 가이드부재(4520)는 하부를 향하는 면이 볼록하도록 만곡된 곡면판으로 이루어질 수 있다.
외측에 배치된 유동 가이드부재(4520)와 내측에 배치된 유동 가이드부재(4520)는 서로 다른 폭(GW)을 갖는데, 내측에 배치된 상기 유동 가이드부재(4520)는 외측에 배치된 유동 가이드부재(4520)보다 더 작은 폭(GW)을 갖도록 이루어질 수 있다. 이에 의하면 복수의 유동 가이드부재(4520)에 의하여 공기의 흐름을 안내하여 충격 튜브(4500)를 통해서 리딩 엣지(LE)에 균일한 양의 공기를 공급하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제5 실시예에 따른 터빈 블레이드에 대해서 설명한다. 도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 제5 실시예에 따른 터빈 블레이드는 유동 가이드부재를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
터빈 블레이드에서 리딩 엣지와 인접한 부분에는 복수의 분산 홀(5510)을 갖는 충격 튜브(5500)가 설치되고, 충격 튜브(5500)의 상부에는 유동 가이드부재(5520)가 설치되며 유동 가이드부재(5520)는 하부가 오목하도록 만곡 형성되어 하부에 압력강하 공간(DS)을 형성한다.
유동 가이드부재(5520)에는 복수의 압력 조절 홀(5521)이 형성되는데, 압력 조절 홀(5521)은 충격 튜브(5500) 측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성된다. 이에 따라 공기는 압력 조절 홀(5521)을 통과하면서 속도가 더 빨라지고, 압력강하 공간(DS)으로 공기를 분사하여 압력강하 공간(DS)에 큰 유동을 유도할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제6 실시예에 따른 터빈 블레이드에 대해서 설명한다. 도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 충격 튜브와 유동 가이드부재를 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하여 설명하면, 터빈 블레이드에서 리딩 엣지와 인접한 부분에는 복수의 분산 홀(6510)을 갖는 충격 튜브(6500)가 설치되고, 충격 튜브(6500)의 상부에는 유동 가이드부재가 설치된다. 유동 가이드부재(6520)는 충격 튜브(6500)의 높이 방향에 대하여 경사진 평판으로 이루어질 수 있다. 유동 가이드부재(6520)와 충격 튜브(6500)의 높이 방향이 이루는 경사각은 30도 내지 60도로 이루어질 수 있다.
유동 가이드부재(6520)에는 복수의 압력 조절 홀(6521)이 형성되는데, 압력 조절 홀(6521)은 충격 튜브(6500) 측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성된다. 이에 따라 공기는 압력 조절 홀(6521)을 통과하면서 속도가 더 빨라지고, 압력강하 공간(DS)으로 공기를 분사하여 압력강하 공간(DS)에 큰 유동을 유도할 수 있다.
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, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스 터빈
1100: 압축기
1130: 압축기 블레이드
1140: 베인
1150: 하우징
1170: 토크 튜브
1200: 연소기
1300: 터빈
1310: 로터 디스크
1400, 4400: 터빈 블레이드
1410, 4410: 에어포일
1411: 쿨링홀
1412, 4412: 제1 분할판
1413, 4413: 제2 분할판
1420, 4420: 플랫폼부
1430, 4430: 루트부
1500, 2500, 3500, 4500, 5500, 6500: 충격 튜브
1510, 2510, 3510, 4510, 5510, 6510: 분산 홀
1520, 2520, 3520, 4520, 5520, 6520: 유동 가이드부재
2521, 3524: 제1 판부
2523, 3523: 제2 판부
3525: 제3 판부
5521, 6521: 압력 조절 홀

Claims (15)

  1. 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일에 있어서,
    상기 리딩 엣지와 연결된 제1 냉각유로;
    상기 트레일링 엣지와 연결된 제2 냉각유로;
    상기 제1 냉각유로와 상기 제2 냉각유로 사이에 형성된 제3 냉각유로;
    상기 제1 냉각유로 내에 설치되어 상기 리딩 엣지와의 사이에서 보조 냉각유로를 형성하며 복수의 분산 홀이 형성된 충격 튜브; 및
    상기 충격 튜브에 설치되어 상기 제3 냉각유로에서 상기 제1 냉각유로로 유입되는 공기의 흐름을 안내하는 유동 가이드부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 냉각유로의 상부에서 상기 제1 냉각유로의 상부로 냉각 공기가 이동하도록 상기 제3 냉각유로의 상부와 상기 제1 냉각유로의 상부가 연결되고,
    상기 제3 냉각유로의 상부에서 상기 제1 냉각유로의 상부로 냉각 공기가 이동하고, 상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브의 상부에 설치되며, 상기 유동 가이드부재의 하부에는 압력강하 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재는 호형으로 만곡 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브에 고정된 제1 판부와 상기 제1 판부에서 절곡된 제2 판부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재는 제1 판부, 상기 제1 판부에서 경사지게 절곡된 제2 판부, 및 상기 제2 판부에서 내측을 향하여 절곡된 제3 판부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  6. 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재는 하부를 향하는 면이 오목하도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브의 높이 방향에 대하여 경사진 평판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에어포일.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재에는 복수의 압력 조절 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 압력 조절 홀은 상기 충격 튜브 측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 충격 튜브에는 복수의 유동 가이드부재가 상기 충격 튜브의 높이 방향으로 이격 배치된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재들은 하부를 향하는 면이 볼록하도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  12. 제11 항에 있어서,
    내측에 배치된 상기 유동 가이드부재는 외측에 배치된 유동 가이드부재보다 더 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  13. 회전 가능한 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 날개 형상으로 이루어지며 리딩 엣지와 트레일링 엣지를 갖는 에어포일과 상기 에어포일의 하부에 결합된 플랫폼부와 상기 플랫폼부에서 하부로 돌출되어 상기 로터 디스크에 결합되는 루트부를 포함하고,
    상기 에어포일은,
    상기 리딩 엣지와 연결된 제1 냉각유로;
    상기 트레일링 엣지와 연결된 제2 냉각유로;
    상기 제1 냉각유로와 상기 제2 냉각유로 사이에 형성된 제3 냉각유로;
    상기 제1 냉각유로 내에 설치되어 상기 리딩 엣지와의 사이에서 보조 냉각유로를 형성하며 복수의 분산 홀이 형성된 충격 튜브; 및
    상기 충격 튜브에 설치되어 상기 제3 냉각유로에서 상기 제1 냉각유로로 유입되는 공기의 흐름을 안내하는 유동 가이드부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제3 냉각유로의 상부에서 상기 제1 냉각유로의 상부로 냉각 공기가 이동하도록 상기 제3 냉각유로의 상부와 상기 제1 냉각유로의 상부가 연결되고,
    상기 유동 가이드부재는 상기 충격 튜브의 상부에 설치되며, 상기 유동 가이드부재의 하면에 압력강하 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 유동 가이드부재에는 복수의 압력 조절 홀이 형성되고,
    상기 압력 조절 홀은 상기 충격 튜브 측으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 터빈.
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