KR20210113553A - 가스 터빈용 터보머신 구성요소, 터보머신 조립체, 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

가스 터빈용 터보머신 구성요소, 터보머신 조립체, 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 기술은 가스 터빈의 베인과 같은 에어포일을 갖는 터보머신 구성요소를 제시한다. 에어포일 벽은 제1 및 제2 충돌 인서트를 갖는 제1 및 제2 냉각 채널을 포함하는 내부 공간을 형성하고, 제1 및 제2 충돌 인서트는 제1 냉각 채널에서 제1 주 및 제1 주변 유동 채널 및 제2 냉각 채널에서 제2 주 및 제2 주변 유동 채널을 각각 형성한다. 대응하는 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 주 유동 채널로부터 분출된 충돌 제트는 대응하는 주변 유동 채널에 수용된다. 채널 연결 도관은 제1 냉각 채널로부터 제2 냉각 채널로 냉각 공기의 유동을 안내한다. 채널 연결 도관은 제1 냉각 채널의 유출구에 연결된 유입구 및 제2 냉각 채널의 유입구에 연결된 유출구를 포함한다.

Description

가스 터빈용 터보머신 구성요소, 터보머신 조립체, 및 이를 포함하는 가스 터빈{TURBOMACHINE COMPONENT FOR A GAS TURBINE, TURBOMACHINE ASSEMBLY AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 터빈의 에어포일의 냉각에 관한 것이다.
터보머신은 냉각으로 이득을 받는 다양한 터보머신 구성요소를 포함하여, 구성요소의 작동 수명의 증가를 가져온다. 터보머신 구성요소의 냉각을 통해, 터보머신의 효율성의 증가도 실현된다.
특정 터보머신 구성요소는 블레이드 또는 베인과 같은 에어포일을 구비한다. 에어포일은 내부 공간을 둘러싸고, 에어포일의 내부 공간을 통해 또는 에어포일의 내부 공간에 형성된 하나 이상의 냉각 채널을 통해 냉각 공기를 유동시킴으로써 내부적으로 또는 내부로부터 냉각된다.
터보머신 구성요소(이하, 블레이드 또는 베인으로도 지칭됨)는 일반적으로 플랫폼으로부터 돌출된 에어포일의 길이 방향을 따라 연장되는 에어포일(에어로포일로도 지칭됨)로 구성된다. 가스 터빈의 작동 중, 가스 터빈의 터빈 섹션의 블레이드 또는 베인의 에어포일은 고온 가스 경로에 위치되며 매우 높은 온도에 영향을 받는다. 에어포일은 에어포일의 리딩 및 트레일링 에지에서 만나고 내부 공간을 형성하는 압력 및 흡입측을 포함한다. 에어포일은 또한 압력측으로부터 흡입측으로 연장되어 압력측과 흡입측을 기계적으로 강화하는 하나 이상의 웹을 포함한다. 웹은, 웹의 수에 따라, 에어포일의 내부 공간을 에어포일의 길이 방향을 따라 연장되는 하나 이상의 냉각 채널로 분할한다. 냉각 공기는 일반적으로 에어포일에 유입된 후 이러한 냉각 채널에서 에어포일의 길이 방향을 따라 흐른다. 에어포일의 이러한 내부 냉각의 향상은 가스 터빈의 효율 및/또는 에어포일의 구조적 무결성에 유익한 영향을 미칠 것이다.
예를 들어 냉각 채널에서 충돌 인서트를 사용하여 에어포일의 내면에 충돌 냉각을 사용하는 것이 일반적으로 알려져 있다. 충돌 인서트는 냉각 채널을 길이 방향으로 분할하여 냉각 채널 내에 주 유동 채널 및 주변 유동 채널을 형성한다. 주 유동 채널은 에어포일의 길이 방향을 따라 냉각 공기의 유동을 안내하기 위한 것이고; 주변 유동 채널은 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 주 유동 채널로부터 분출되는 충돌 제트를 수용하기 위한 것이다. 충돌 제트는 에어포일 벽으로 향하지만, 충돌 제트는 주변 유동 채널에서 발생하는 상당한 교차 흐름을 겪어서 대상 표면의 냉각 효율을 감소시킨다.
또한, 가스 터빈의 구성요소의 냉각을 위해, 가스 터빈의 압축기 섹션으로부터의 공기의 일부는 배출되어 냉각 공기로 사용되고, 서로 다른 거리에 있을 수 있는 가스 터빈의 상이한 부분으로 흐르게 된다. 냉각 공기의 적절한 유동을 달성하기 위해, 터보머신의 서로 다른 영역에서 또한 터보머신 구성요소의 서로 다른 영역 내에서 최적의 압력으로 냉각 공기 유동을 유지해야 한다. 또한, 효율적인 충돌 냉각을 위해, 주로 충돌 제트에 충분한 압력을 제공하여 대상 표면에 충돌해서 임의의 인접한 교차 흐름에 대응할 수 있도록 최적의 압력을 유지하는 것이 중요하다. 그러나, 냉각을 위해 압축기로부터 배출되는 공기의 양이 증가하면 연소에 이용 가능한 공기의 양이 감소되어, 가스 터빈의 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 예를 들어 제1 표면의 충돌 냉각을 위해 한 번 사용된 냉각 공기가 다른 표면을, 즉 제2 표면을, 냉각하기 위해, 예를 들어 제2 표면에 충돌할 수 있는 충돌 제트를 형성하기 위해 재사용됨으로써, 재사용되는 경우에 유익할 것이다.
그러므로, 에어포일의 내부 냉각을 향상시키는 것이 유리하다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 에어 포일을 원활히 냉각할 수 있는 가스 터빈용 터보머신 구성요소, 터보머신 조립체 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공한다.
위의 목적은 독립 청구항의 특징에 의해, 바람직하게는 가스 터빈용 터보머신 구성요소에 의해, 달성된다. 본 기술의 유리한 실시예는 종속 청구항에서 제공된다.
에어포일을 포함하는 이러한 터보머신 구성요소는 아래에서 베인으로 예시되지만, 그 설명은 달리 명시되지 않는 한 블레이드와 같은 에어포일을 포함하는 다른 터보머신 구성요소에도 적용 가능하다.
본 기술의 제1 양태에서, 가스 터빈용 터보머신 구성요소가 제공된다.
터보머신 구성요소는 에어포일 벽을 포함하는 에어포일을 포함한다. 에어포일 벽은 에어포일의 내부 공간을 형성한다. 에어포일은 에어포일의 내부 공간 내에 각각 형성된 제1 냉각 채널 및 제2 냉각 채널을 더 포함한다.
터보머신 구성요소는 제1 냉각 채널에 삽입된 제1 충돌 인서트를 포함한다. 제1 충돌 인서트는, 제1 냉각 채널 내에, 제1 주 유동 채널 및 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널을 형성한다. 제1 주 유동 채널은 에어포일의 길이 방향을 따라 냉각 공기의 유동을 안내하기 위한 것이다. 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널은 제1 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 제1 주 유동 채널로부터 분출되는 충돌 제트를 수용하기 위한 것이다. 충돌 제트는 에어포일 벽으로 향할 수 있다.
터보머신 구성요소는 제2 냉각 채널에 삽입된 제2 충돌 인서트를 포함한다. 제2 충돌 인서트는, 제2 냉각 채널 내에, 제2 주 유동 채널 및 적어도 하나의 제2 주변 유동 채널을 형성한다. 제2 주 유동 채널은 에어포일의 길이 방향을 따라 냉각 공기의 유동을 안내하기 위한 것이다. 적어도 하나의 제2 주변 유동 채널은 제2 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 제2 주 유동 채널로부터 분출되는 충돌 제트를 수용하기 위한 것이다.
터보머신 구성요소는 제1 냉각 채널로부터 제2 냉각 채널로 냉각 공기의 유동을 안내하도록 구성된 채널 연결 도관을 포함한다. 채널 연결 도관은 제1 냉각 채널의 유출구에 연결된 유입구를 포함한다. 채널 연결 도관은 제2 냉각 채널의 유입구에 연결된 유출구를 포함한다.
채널 연결 도관은 별도의 부품으로 일반적으로 에어포일 벽의 일부가 아니며, 특히 냉각 채널을 형성하는 에어포일 벽, 외벽 또는 1차 벽 또는 웹의 내벽 또는 벽의 일부가 아니다. 채널 연결 도관은 별도의 부품으로 또한 충돌 인서트의 일부가 아니다.
채널 연결 도관의 유입구는 오직 제1 주변 유동 채널의 유출구를 둘러쌀 수 있고, 즉 제1 주 유동 채널의 유출구를 둘러싸지 않는다. 다시 말해서, 제1 주변 유동 채널의 유출구로부터 유출되는 냉각 공기는 채널 연결 도관의 유입구로 유입되지만, 제1 주 유동 채널의 유출구로부터 유출되는 냉각 공기는 채널 연결 도관의 유입구로 유입되거나 유입되지 않을 수 있다.
제1 주 유동 채널의 유출구는 제1 주 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관으로 냉각 공기의 유동을 완전히 중단시키기 위해 밀봉, 예를 들어 완전히 밀봉될 수 있다. 밀봉은 밀봉 캡에 의해 달성될 수 있다. 밀봉 캡은 제1 주 유동 채널의 내부에, 또는 제1 주 유동 채널의 내부 또는 외부에서 제1 주 유동 채널의 유출구에 배치될 수 있다.
제1 주 유동 채널의 유출구는 제1 주 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관으로 냉각 공기의 유동을 부분적으로 중단시키기 위해 밀봉, 예를 들어 부분적으로 밀봉될 수 있다. 부분적인 밀봉은 제1 주 유동 채널을 부분적으로 차단하는 밀봉 캡에 의해 달성될 수 있다. 밀봉 캡은 제1 주 유동 채널의 내부에, 또는 제1 주 유동 채널의 내부 또는 외부에서 제1 주 유동 채널의 유출구에 배치될 수 있다.
제1 주 유동 채널의 유출구는 제1 주 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관으로 냉각 공기의 유동을 부분적으로 중단시키기 위해 밀봉, 예를 들어 부분적으로 밀봉될 수 있다. 부분적인 밀봉은 하나 이상의 관통 홀을 포함하는 밀봉 캡에 의해 달성될 수 있다. 밀봉 캡은 제1 주 유동 채널의 내부에, 또는 제1 주 유동 채널의 내부 또는 외부에서 제1 주 유동 채널의 유출구에 배치될 수 있다. 하나 이상의 관통 홀은 채널 연결 도관으로 제1 주 유동 채널의 냉각 공기의 유동을 가능하게 한다.
관통 홀을 갖거나 갖지 않는 밀봉 캡은 제1 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 제1 주 유동 채널로부터 분출되는 충돌 제트를 용이하게 형성하기 위해 제1 주 유동 채널 내의 압력을 증강시키도록 기능한다.
채널 연결 도관의 유입구는 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구의 각각을 둘러싸거나 커버할 수 있다. 다시 말해서, 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구로부터 유출되는 냉각 공기는 채널 연결 도관의 유입구 내로 흐른다.
채널 연결 도관의 유출구는 제2 주변 유동 채널의 유입구를 둘러싸지 않고 제2 주 유동 채널의 유입구를 둘러쌀 수 있다. 다시 말해서, 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관의 유입구 내로 흐르는 냉각 공기는 채널 연결 도관을 통해 제2 주 유동 채널의 유입구로만 유입될 수 있다.
더 설명하기 위해, 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관의 유입구 내로 흐르는 냉각 공기는 채널 연결 도관을 통해 제2 주변 유동 채널의 유입구로 유입되지 않을 수 있다.
또한, 채널 연결 도관의 유입구는 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구 양자에 연결되어 제1 주 유동 채널 및 제1 주변 유동 채널 양자로부터 냉각 공기를 수용할 수 있지만, 채널 연결 도관의 유출구는 제2 주 유동 채널의 유입구에만 연결되어 제1 주 유동 채널 및 제1 주변 유동 채널 양자로부터 수신된 냉각 공기를 제2 주변 유동 채널로가 아닌 제2 주 유동 채널로만 전달하거나 공급할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
제2 주변 유동 채널의 유입구는 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 제2 충돌 인서트의 외면으로부터 돌출된 플랜지는 제2 주변 유동 채널의 유입구를 폐쇄하거나 밀봉하도록 구성될 수 있다.
에어포일 벽은 리딩 에지 및 트레일링 에지에서 만나고 에어포일의 내부 공간을 형성하는 압력측 및 흡입측을 포함할 수 있다.
에어포일은 에어포일의 내부 공간 내에 배치되고 압력측과 흡입측 사이에서 연장되는 적어도 하나의 웹을 포함할 수 있다.
제1 냉각 채널 및/또는 제2 냉각 채널은 적어도 하나의 웹 및 압력측 및/또는 흡입측에 의해 형성될 수 있다.
터보머신 구성요소는 에어포일이 연장되는 플랫폼을 포함할 수 있다. 채널 연결 도관의 유입구 및 유출구, 제1 냉각 채널의 유출구, 및 제2 냉각 채널의 유입구는 플랫폼에 배치된다.
터보머신 구성요소는 채널 연결 도관의 유입구와 제1 냉각 채널의 유출구 사이에 위치되도록 구성된 밀봉 링을 포함할 수 있다.
채널 연결 도관은 채널 연결 도관의 유입구와 유출구 사이에 U자 형상을 갖는 굴곡부를 포함할 수 있다. 채널 연결 도관의 유입구로 수용된 냉각 공기는 채널 연결 도관의 유출구로부터만 유출될 수 있다.
채널 연결 도관은 채널 연결 도관의 유입구와 반대 방향으로 채널 연결 도관의 유출구로부터 수평으로 연장되는 연장부를 포함할 수 있다. 제2 충돌 인서트는 수용부를 포함할 수 있다. 수용부는 연장부에 대응하거나 상보적인 형상을 가질 수 있다. 수용부와 연장부는 서로 기계적으로 결합되도록 구성된다.
제2 냉각 채널은 에어포일의 트레일링 에지에 위치될 수 있다.
제1 냉각 채널은 에어포일의 캠버 라인에 대해 에어포일의 리딩 에지와 에어포일의 트레일링 에지 사이에 위치될 수 있다.
터보머신 구성요소는 가스 터빈의 베인일 수 있다.
터보머신 구성요소는 가스 터빈의 블레이드일 수 있다.
본 기술의 제2 양태에서, 터보머신 조립체가 제시된다. 터보머신 조립체는, 복수의 터보머신 구성요소 중에서, 전술한 바와 같이 본 기술의 제1 양태에 따른 적어도 하나의 터보머신 구성요소를 포함할 수 있다. 터보머신 조립체의 예로는 베인 조립체 또는 베인 단일 수 있다. 베인 조립체 또는 베인 단은 가스 터빈의 터빈 섹션에 배치될 수 있다.
본 기술의 제3 양태에서, 가스 터빈이 제시된다. 가스 터빈은 터보머신 조립체를 포함한다. 터보머신 조립체는 본 기술의 전술한 제2 양태에 따른 것일 수 있다.
터보머신 조립체는 가스 터빈의 터빈 섹션에 위치될 수 있다.
터빈 섹션은 그 사이에 고온 가스 경로의 적어도 일 구간을 형성하는 내부 케이싱 및 외부 케이싱을 포함할 수 있다. 고온 가스 경로는 일반적으로 그 형상이 환형일 수 있다. 내부 케이싱은 외부 케이싱의 반경 방향 내측으로 배치될 수 있다.
터보머신 구성요소는 내부 및 외부 케이싱에 연결되거나 배치되는 베인일 수 있다. 베인의 에어포일은 고온 가스 경로의 구간에 배치될 수 있다.
제1 냉각 채널의 유출구, 제2 냉각 채널의 유입구, 및 채널 연결 도관은 내부 케이싱에서 에어포일의 반경 방향 내측으로 위치될 수 있다.
대안적으로, 제1 냉각 채널의 유출구, 제2 냉각 채널의 유입구, 및 채널 연결 도관은 외부 케이싱에서 에어포일의 반경 방향 외측으로 위치될 수 있다.
대안적으로, 가스 터빈은 적어도 2개의 채널 연결 도관을 가질 수 있다. 적어도 2개의 채널 연결 도관 중 하나는, 즉 제1 채널 연결 도관은, 제1 채널 연결 도관이 연결되는 제2 냉각 채널의 유입구 및 제1 냉각 채널의 유출구와 함께, 내부 케이싱에서 에어포일의 반경 방향 내측으로 위치될 수 있고; 적어도 2개의 채널 연결 도관 중 다른 하나는, 즉 제2 채널 연결 도관은, 제2 채널 연결 도관이 연결되는 제2 냉각 채널의 유입구 및 제1 냉각 채널의 유출구와 함께, 외부 케이싱에서 에어포일의 반경 방향 외측으로 위치될 수 있다.
본 기술에서, '유입구' 및 '유출구'는 달리 명시되지 않는 한 냉각 공기의 유동과 관련하여 사용되고, 즉 유입구는 냉각 공기용 유입구를 의미하고 유출구는 냉각 공기용 유출구를 의미한다는 점을 유념할 수 있다.
제2 냉각 채널에서 사용함으로써, 충돌 제트를 형성하기 위해 제1 주변 유동 채널에서 이미 사용된 냉각 공기가 재사용되고, 이는 가스 터빈의 효율을 증가시킬뿐만 아니라 냉각에도 유익하다.
더 나아가, 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관의 유입구 내로 흐르는 냉각 공기가 오직 채널 연결 도관을 통해 제2 주 유동 채널의 유입구로 유입될 수 있는 경우, 냉각 공기는 재사용되어 제2 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 충돌 제트를 형성한다. 또한, 더 강한 충돌 제트가 제2 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 분출될 수 있으며, 이는 일반적으로 냉각 효율을 증가시키고 또한 제2 주변 유동 채널에서 주위의 교차 흐름의 영향에 대처한다.
또한, 제1 주 유동 채널의 유출구 및 제1 주변 유동 채널의 유출구로부터 채널 연결 도관의 유입구 내로 흐르는 냉각 공기가 채널 연결 도관을 통해 제2 주변 유동 채널의 유입구로 유입될 수 없으므로, 그의 유입구에서 제2 주변 유동 채널에 유입되는 냉각 공기로 인해 발생할 수 있는 교차 흐름의 영향이 배제된다.
본 기술의 전술한 특성 및 다른 특징 및 이점 및 이를 달성하는 방식은 보다 명백해질 것이며, 본 기술 자체는 첨부된 도면과 함께 본 기술의 실시예의 다음 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 기술의 터보머신 구성요소가 통합된 가스 터빈의 일부를 단면도로 나타내고 있고;
도 2a는 본 기술에 따른 베인으로 예시된 본 기술에 따른 터보머신 구성요소의 예시적인 실시예를 나타낸 사시도이고;
도 2b는 도 2a의 라인 I-I에 따른 단면도이고;
도 3a는 본 기술에 따른 터보머신 구성요소의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있고;
도 3b는 본 기술에 따른 터보머신 구성요소의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있고;
도 4a는 본 기술에 따른 채널 연결 도관을 개략적으로 도시하고 있고;
도 4b는 본 기술에 따른 채널 연결 도관의 확대도를 개략적으로 나타내고 있고;
도 5a는 본 기술에 따른 제1 및 제2 냉각 채널과 함께 채널 연결 도관의 유입구와 유출구 사이의 관계를 개략적으로 도시하고 있고;
도 5b는 본 기술에 따른 제1 및 제2 냉각 채널과 함께 채널 연결 도관의 유입구와 유출구 사이의 관계를 도시한 다른 개략적인 표현이고;
도 6은 본 기술의 작동을 개략적으로 도시하고 있고;
도 7은 본 기술의 터보머신 구성요소의 예시적인 실시예의 추가 양태를 개략적으로 도시하며, 제1 및 제2 냉각 채널과 채널 연결 도관을 조립하기 위한 방법을 나타낸 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있고;
도 8은 제1 주 유동 채널의 유출구가 완전히 밀봉된 본 기술에 따른 터보머신 구성요소의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있고;
도 9은 본 기술의 양태에 따른 제1 주 유동 채널의 유출구가 부분적으로 밀봉된 본 기술에 따른 터보머신 구성요소의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
이하, 본 기술의 전술한 특징 및 다른 특징을 상세히 설명한다. 도면을 참조하여 다양한 실시예를 설명하고, 유사한 참조 부호는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하는 데 사용된다. 다음의 서술에서, 설명의 목적으로, 하나 이상의 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 제시된다. 예시된 실시예는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것임을 유념할 수 있다. 이러한 실시예는 이러한 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있음이 명백할 수 있다.
도 1은 가스 터빈(10)의 일 예를 단면도로 나타내고 있다. 가스 터빈(10)은, 유동 직렬로, 유입구(12), 압축기 또는 압축기 섹션(14), 연소기 섹션(16), 및 터빈 섹션(18)을 포함할 수 있는 데, 이들은 일반적으로 유동 직렬로 배열되고 일반적으로 종 축 또는 회전 축(20)을 중심으로 그리고 이의 방향으로 배열된다. 가스 터빈(10)은 회전 축(20)을 중심으로 회전 가능하고 가스 터빈(10)을 통해 길이 방향으로 연장되는 샤프트(22)를 더 포함할 수 있다. 샤프트(22)는 터빈 섹션(18)을 압축기 섹션(14)에 구동 가능하게 연결할 수 있다.
가스 터빈(10)의 작동에서, 공기 유입구(12)를 통해 유입된 공기(24)는 압축기 섹션(14)에 의해 압축되어 연소 섹션 또는 버너 섹션(16)으로 전달된다. 버너 섹션(16)은 버너 플리넘(26), 하나 이상의 연소 챔버(28), 및 각 연소 챔버(28)에 고정된 적어도 하나의 버너(30)를 포함할 수 있다. 연소 챔버(28) 및 버너(30)는 버너 플리넘(26) 내부에 위치될 수 있다. 압축기(14)를 통과한 압축 공기는 디퓨저(32)로 유입되어 디퓨저(32)로부터 버너 플리넘(26)으로 배출될 수 있고, 버너 플리넘(26)으로부터 공기의 일부는 버너(30)로 유입되어 가스 또는 액체 연료와 혼합된다. 그 후, 공기/연료 혼합물은 연소되고, 연소로부터의 연소 가스(34) 또는 작동 가스는 연소 챔버(28)를 통과해서 트랜지션 덕트(17)를 지나 터빈 섹션(18)으로 이송된다.
이러한 예시적인 가스 터빈(10)은 연소기 캔(19)의 환형 어레이에 의해 구성되는 캐뉼러 연소기 섹션 배열체(16)를 구비할 수 있고, 연소기 캔(19) 각각은 버너(30) 및 연소 챔버(28)를 가지며, 트랜지션 덕트(17)는 연소 챔버(28)와 인터페이스하는 일반적인 원형 유입구 및 환형 세그먼트의 형태로 이루어진 유출구를 갖는다. 트랜지션 덕트 유출구의 환형 어레이는 연소 가스를 터빈(18)으로 이송하기 위해 환형 공간을 형성할 수 있다.
터빈 섹션(18)은 샤프트(22)에 부착된 다수의 블레이드 지지 디스크(36)를 포함할 수 있다. 본 예시에서, 터빈 블레이드(38)의 환형 어레이를 각각 지지하는 두 디스크(36)가 도시되어 있다. 그러나, 블레이드 지지 디스크의 수는 상이할 수 있는 데, 즉 오직 하나의 디스크 또는 2개보다 많은 디스크가 있을 수 있다. 또한, 가스 터빈(10)의 스테이터(42)에 고정된 안내 베인(40)은 터빈 블레이드(38)의 환형 어레이의 단 사이에 배치될 수 있다. 유입 안내 베인(44)은 연소 챔버(28)의 출구와 리딩 터빈 블레이드(38) 사이에 제공될 수 있고 작동 가스의 유동을 터빈 블레이드(38)로 전환시킬 수 있다.
연소 챔버(28)로부터의 연소 가스는 터빈 섹션(18)으로 유입되고, 결과적으로 샤프트(22)를 회전시키는 터빈 블레이드(38)를 구동한다. 안내 베인(40, 44)은 터빈 블레이드(38) 상의 연소 또는 작동 가스의 각도를 최적화하는 역할을 한다.
터빈 섹션(18)은 압축기 섹션(14)을 구동한다. 압축기 섹션(14)은 축 방향 일련의 베인 단(46) 및 로터 블레이드 단(48)을 포함한다. 로터 블레이드 단(48)은 블레이드의 환형 어레이를 지지하는 로터 디스크를 포함할 수 있다. 압축기 섹션(14)은 또한 로터 단을 둘러싸고 베인 단(48)을 지지하는 케이싱(50)을 포함할 수 있다. 가이드 베인 단은 케이싱(50)에 장착되는 방사상 연장 베인의 환형 어레이를 포함할 수 있다. 베인은 주어진 가스 터빈 작동 지점에서 블레이드에 대해 최적의 각도로 가스 유동을 제시하기 위해 제공된다. 가이드 베인 단의 일부는 가변 베인을 가질 수 있으며, 베인의 각도는, 그 자신의 종 축을 중심으로, 서로 다른 가스 터빈 작동 조건에서 일어날 수 있는 기류 특성에 따라 각도에 맞게 조정될 수 있다. 케이싱(50)은 압축기(14)의 통로(56)의 방사상 외면(52)을 형성할 수 있다. 통로(56)의 방사상 내면(54)은 블레이드(48)의 환형 어레이에 의해 부분적으로 형성될 수 있는 로터의 로터 드럼(53)에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.
단일, 다단 압축기 및 단일, 하나 이상 단의 터빈을 연결하는 단일 샤프트 또는 스풀을 갖는 전술한 예시적인 가스 터빈을 참조하여 본 기술을 설명한다. 그러나, 본 기술은 2개 또는 3개의 샤프트 가스 터빈에 동일하게 적용될 수 있으며 산업, 항공, 또는 해양 적용 분야에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
상류 및 하류란 용어는 달리 언급되지 않는 한 가스 터빈을 통과하는 기류 및/또는 작동 가스 유동의 유동 방향을 지칭한다. 전방 및 후방이란 용어는 가스 터빈을 통과하는 가스의 일반적인 유동을 지칭한다. 축 방향, 반경 방향, 및 원주 방향이란 용어는, 달리 명시되지 않는 한, 가스 터빈의 회전 축(20)을 참조하여 이루어진다.
본 기술에서, 예를 들어 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 에어포일(100)을 포함하는 터보머신 구성요소(1)가 제시된다. 본 기술의 터보머신 구성요소(1)는, 달리 명시되지 않는 한, 전술한 가스 터빈(10)의 베인(40, 44)일 수 있다. 본 기술의 터보머신 구성요소(1)는, 달리 명시되지 않는 한, 전술한 가스 터빈(10)의 블레이드(38)일 수 있다. 이하, 단순성 및 간결성을 위해 달리 명시되지 않는 한 제한되지 않도록 터보머신 구성요소(1)가 예시되고 가스 터빈의 베인으로도 지칭되었으나, 본 기술에 따른 터보머신 구성요소(1)는 본 기술에 따른 에어포일을 포함하는 다른 터보머신 구성요소(1)일 수 있다.
도 2a 및 2b는 가스 터빈의 베인(40, 44)으로 예시된 터보머신 구성요소(1)의 일 예를 개략적으로 도시하고 있다.
터보머신 구성요소(1)는 플랫폼(201), 즉 제1 플랫폼(201), 다른 플랫폼(202), 즉 제2 플랫폼(201), 및 플랫폼(201 및 202) 사이에서 연장되는 에어포일(100)을 포함할 수 있다. 플랫폼(201, 202)은 가스 터빈(10)에 설치될 때 원주 방향으로 연장될 수 있다.
에어포일(100)은 에어포일 벽(101)을 포함한다. 에어포일 벽(101)은 압력측(102)(압력면 또는 오목면/측으로도 지칭됨) 및 흡입측(104)(흡입면 또는 볼록면/측으로도 지칭됨)을 포함할 수 있다. 압력측(102) 및 흡입측(104)은 에어포일(100)의 리딩 에지(106) 및 트레일링 에지(108)에서 서로 만난다.
플랫폼(201 및 202) 사이의 에어포일(100)의 연장 방향은 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 에어포일(100)의 길이 방향(A)은 에어포일(100)의 스팬 방향으로 이해될 수 있다.
에어포일 벽(101)은 에어포일(100)의 내부 공간(100s)을 형성한다. 보다 정확하게는, 압력측(102), 흡입측(104), 리딩 에지(106), 및 트레일링 에지(108)는 에어포일(100)의 내부 공간(100s)을 형성한다. 에어포일(100)의 내부 공간(100s)은 플랫폼(201, 202)에 의해 더 제한될 수 있다.
에어포일(100)의 내부 공간(100s) 내에 적어도 하나의 웹(60)이 배치될 수 있다. 웹(60)은 압력측(102)과 흡입측(104) 사이에서 연장될 수 있다. 보다 정확하게는, 각 웹(60)은 에어포일(100)의 압력측(102)에서 에어포일 벽(101)의 내면과 에어포일(100)의 흡입측(104)에서 에어포일 벽(101)의 내면 사이에서 연장될 수 있다. 도 2a 및 2b의 예는 예시적인 목적으로 2개의 이러한 웹(60)을 도시하고 있지만, 에어포일(100)은 1개 또는 3개 이상의 웹(60)을 가질 수 있음을 유념할 수 있다. 웹(60)의 각각은 압력측(102) 및 흡입측(104)에 연결될 수 있다. 보다 정확하게는, 웹(60)의 각각은 에어포일 벽(101)의 압력측 부분의 내면 및 에어포일 벽(101)의 흡입측 부분의 내면에 연결될 수 있다.
압력측(102) 및 흡입측(104)을 포함하고 리딩 에지(106) 및 트레일링 에지(108)를 형성하는 에어포일(100)의 벽은 에어포일(100)의 외벽 또는 에어포일(100)의 1차 벽으로 지칭될 수도 있고, 본 기술에서는 에어포일 벽(101)으로 지칭되었다. 에어포일(100)의 1차 벽은 에어포일의 외관을 이루거나, 또는 다시 말해서 에어포일 형상을 이룬다.
웹(60)의 각각은 또한 벽에 의해 형성된 것으로 이해될 수 있지만, 웹(60)을 형성하는 벽은 1차 벽과 다르고, 즉 에어포일 벽(101)과 다르며, 에어포일(100)의 내벽 또는 2차 벽으로 지칭될 수 있다. 웹(60)은 에어포일(100)의 에어포일 벽(101)에 의해 완전히 둘러싸이는 것으로 이해될 수 있다.
도 2a 및 2b의 예에 도시된 바와 같이, 에어포일(100)의 내부 공간(100s)은 그를 통과하는 냉각 공기(5)의 유동을 위한 복수의 냉각 채널(70, 71, 72)을, 예를 들어 서로 인접하게 배치될 수 있는 제1 냉각 채널(71) 및 제2 냉각 채널(72)을, 포함할 수 있다. 냉각 채널(70, 71, 72)은 웹(60)에 의해 생성된 에어포일(100)의 내부 공간(100s)의 세부 부분으로 이해될 수 있다.
도 2b의 예는 예시적인 목적으로 3개의 이러한 냉각 채널(70, 71, 72)을 도시하고 있지만, 에어포일(100)은 1개 또는 2개 또는 4개 이상의 냉각 채널(60)을 가질 수 있음을 유념할 수 있다. 냉각 공기(5)는, 예를 들어 플랫폼(201, 202)을 통해 형성된 냉각 공기 유로(미도시)에 의해, 에어포일(100)의 외부로부터 냉각 채널(70, 71) 중 하나 이상으로 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 전술한 바에 추가하여, 냉각 공기(5)는 에어포일(100)의 다른 냉각 채널(71)로부터, 즉 제1 냉각 채널(71)로부터, 제2 냉각 채널(72)과 같은 냉각 채널로 제공될 수 있다. 요약하자면, 냉각 공기(5)는 제1 냉각 채널(71)의 유입구를 통해 제1 냉각 채널(71)에 유입된 후, 실질적으로 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 제1 냉각 채널(71) 내로 흐를 수 있고, 그 후 유턴을 한 후 제2 냉각 채널(72)로 유입된 후에 실질적으로 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 제2 냉각 채널(71) 내로 흐를 수 있다. 이러한 유동 방식에서, 실질적으로 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 제1 냉각 채널(71)에서 흐르는 냉각 공기의 유동 방향은 실질적으로 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 제2 냉각 채널(72)에서 흐르는 냉각 공기의 유동 방향과 반대일 수 있음을 유념할 수 있다.
냉각 채널은 도 2a의 예에 도시된 바와 같이 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 연장될 수 있다. 도 2a 및 2b의 예에 도시된 바와 같이, 각 냉각 채널(70, 71, 72)은 웹(60) 및 압력측(102) 및 흡입측(104) 중 하나 이상에 의해 형성될 수 있다. 도 2a 및 2b의 예는 웹(60) 중 하나, 압력측(102)의 일부, 흡입측(104)의 일부, 및 리딩 에지(106)에 의해 형성된 리딩 에지 냉각 채널(70)을 도시하고 있다. 도 2b의 예는 또한 웹(60) 중 하나, 압력측(102)의 일부, 흡입측(104)의 일부, 및 트레일링 에지(108)에 의해 형성된 제2 냉각 채널(72)을 도시하고 있다. 더 나아가, 도 2b의 예는 서로 대향하는 2개의 인접한 웹(60), 압력측(102)의 일부, 및 흡입측(104)의 일부에 의해 형성된 제1 냉각 채널(71)을 도시하고 있다.
도 2a의 라인 I-I에 따른 터보머신 구성요소(1)의 단면을 개략적으로 나타낸 도 2b의 예에 도시된 바와 같이, 에어포일(100)은 냉각 채널(70, 71, 72)에 각각 삽입되는 복수의 충돌 인서트(80, 81, 82)(이하, 인서트로도 지칭됨)를 더 포함할 수 있지만, 이는 도 2a의 예에 도시되어 있지 않다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 각 충돌 인서트(80, 81, 82)는 냉각을 위해 에어포일(100)의 압력측(102) 및/또는 흡입측(104)를 향해 및/또는 에어포일(100)의 리딩 에지(106)를 향해 및/또는 에어포일(100)의 트레일링 에지(108)를 향해 냉각 공기(5)의 충돌 제트(86)(도 3a 및 3b에 도시됨)를 분출시키기 위한 하나 이상의 충돌 홀(85)을 포함할 수 있다.
충돌 인서트는 일반적으로 에어포일(100)의 내면에 냉각을 제공하기 위해 에어포일(100)의 내면에 충돌할 목적으로 에어포일 벽의 내면을 향해, 바람직하게는 에어포일(100)의 압력측(102) 및/또는 흡입측(104)을 향해 및/또는 에어포일(100)의 리딩 에지(106)를 향해 및/또는 에어포일(100)의 트레일링 에지(108)를 향해, 냉각 공기의 충돌 제트를 분출하기 위한 하나 이상의 충돌 홀을 포함하는 냉각 채널에 삽입된 구성요소로 이해될 수 있다.
도 2b 및 또한 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 터보머신 구성요소(1)는 제1 냉각 채널(71)에 삽입된 제1 충돌 인서트(81)(이하, 제1 인서트(81)로도 지칭됨)를 포함한다. 제1 인서트(81)는, 제1 냉각 채널(71) 내에, 제1 주 유동 채널(71m) 및 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널(71p)을 형성한다. 다시 말해서, 제1 인서트(81)는 제1 냉각 채널(71)을 제1 주 유동 채널(71m) 및 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널(71p)로 분할한다. 하나의 제1 주변 유동 채널(71p)은 압력측(102) 및/또는 흡입측(104)으로부터 이격된 제1 인서트(81)를 위치시킴으로써 생성되어, 그 사이에 제1 주변 유동 채널(71p)이 생성된다.
주어진 냉각 채널에 삽입된 인서트의 수 및/또는 배치에 따라, 주변 및/또는 주 유동 채널의 수는 다를 수 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 인서트(81)는 압력측(102), 흡입측(104), 및 웹(60)으로부터 이격되도록 위치되어, 하나의 제1 주 유동 채널(71m) 및 제1 주 유동 채널(71m) 주위에 지엽적으로 배치된 하나의 제1 주변 유동 채널(71p)을 형성한다. 웹(60)과 대향하는 제1 인서트(81)의 일측 또는 양측은 충돌 홀을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 도 2b 및 3a에 도시된 바와 같이, 제1 인서트(81)는 압력측(102) 및 흡입측(104)으로부터 이격되도록 위치되지만, 웹(60)과 접촉하여, 하나의 제1 주 유동 채널(71m) 및 제1 주 유동 채널(71m) 주위에 지엽적으로 배치된 2개의 제1 주변 유동 채널(71p)을 형성한다.
제1 주 유동 채널(71m)은 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 냉각 공기(5)의 유동을 안내한다. 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널(71p)은 제1 충돌 인서트(81)의 충돌 홀(85)을 통해 제1 주 유동 채널(71m)로부터 분출되는 충돌 제트(86)를 수용한다. 충돌 제트(86)는 에어포일 벽(101)으로 향할 수 있다.
터보머신 구성요소(1)는 제2 냉각 채널(72)에 삽입된 제2 충돌 인서트(82)(이하, 제2 인서트(82)로도 지칭됨)를 포함할 수 있다. 제2 충돌 인서트(82)는, 제2 냉각 채널(72) 내에, 제2 주 유동 채널(72m) 및 적어도 하나의 제2 주변 유동 채널(72p)을 형성한다. 다시 말해서, 제2 충돌 인서트(82)는 제2 냉각 채널(72)을 제2 주 유동 채널(72m) 및 적어도 하나의 제2 주변 유동 채널(72p)로 분할한다. 하나의 제2 주변 유동 채널(72p)은 압력측(102) 및/또는 흡입측(104)으로부터 이격된 제2 인서트(82)를 위치시킴으로써 생성되어, 그 사이에 제2 주변 유동 채널(72p)이 생성된다.
주어진 냉각 채널에 삽입된 인서트의 수 및/또는 배치에 따라, 주변 및/또는 주 유동 채널의 수는 다를 수 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2 인서트(82)는 압력측(102), 흡입측(104), 웹(60), 및 트레일링 에지(108)로부터 이격되도록 위치되어, 하나의 제2 주 유동 채널(72m) 및 제2 주 유동 채널(72m) 주위에 지엽적으로 배치된 하나의 제2 주변 유동 채널(72p)을 형성한다. 웹(60)과 대향하는 제2 인서트(82)의 측면 및/또는 트레일링 에지(108)와 대향하는 제2 인서트(82)의 측면은 충돌 홀을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 도 2b 및 3a에 도시된 바와 같이, 제2 인서트(82)는 압력측(102) 및 흡입측(104)으로부터 이격되도록 위치되지만, 웹(60) 및 트레일링 에지(108)와 접촉하여, 하나의 제2 주 유동 채널(72m) 및 제2 주 유동 채널(72m) 주위에 지엽적으로 배치된 2개의 제2 주변 유동 채널(72p)을 형성한다.
제2 주 유동 채널(72m)은 에어포일(100)의 길이 방향(A)을 따라 냉각 공기(5)의 유동을 안내한다. 적어도 하나의 제2 주변 유동 채널(72p)은 제2 충돌 인서트(82)의 충돌 홀(85)을 통해 제2 주 유동 채널(72m)로부터 분출되는 충돌 제트(86)를 수용한다. 충돌 제트(86)는 에어포일 벽(101)으로 향할 수 있다.
도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 터보머신 구성요소(1)는 제1 냉각 채널(71)로부터 제2 냉각 채널(72)로 냉각 공기(5)의 유동을 안내하도록 구성된 채널 연결 도관(90)을 포함한다. 채널 연결 도관(90)은 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b)에 연결된 유입구(90a)를 포함한다. 채널 연결 도관(90)은 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a)에 연결된 유출구(90b)를 포함한다. 제1 냉각 채널(71)의 유입구(미도시) 및 제2 냉각 채널(72)의 유출구(미도시)는 A 방향으로 에어포일의 타측에 위치될 수 있다. 이를 통해 제2 냉각 채널(72)에서, 제1 냉각 채널(71)에서 사용되었던, 냉각 공기를 재사용할 수 있다.
이하, 도 5a 및 5b를 참조하여 본 기술의 다른 양태를 설명한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 주 유동 채널(71m)은 제1 충돌 인서트(81)의 내측에 배치될 수 있다. 제1 주 유동 채널(71m)은 제1 주 유동 채널 유출구(71mb)를 포함할 수 있다. 제1 주 유동 채널(71m)은 에어포일의 (A 방향으로) 다른 측에 형성된 유입구(미도시)를 포함할 수 있다. 냉각 공기는 유입구를 통해 제1 주 유동 채널(71m)에 유입되고 실질적으로 A 방향을 따라 제1 주 유동 채널 유출구(71mb)를 향해 흐른다. 제1 주 유동 채널(71m) 내에서 제1 주 유동 채널(71m)의 유입구로부터 제1 주 유동 채널 유출구(71mb)를 향해 흐르는 동안, 냉각 공기는 충돌 홀(85)과 만나고 냉각 공기의 일부는, 즉 냉각 공기의 일 부분은, 충돌 홀(85)을 통해 충돌 제트(86)의 형태로 충돌 홀(85)로부터 제1 주변 유동 채널(71p)로 분출된다. 나머지 냉각 공기는, 즉 충돌 제트로 분출되지 않은 냉각 공기는, 계속해서 제1 주 유동 채널 유출구(71mb)에 도달한다.
도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널(71p)은 제1 주변 유동 채널 유출구(71pb)를 포함한다. 충돌 제트로부터 제1 주변 유동 채널(71p)로 분출된 냉각 공기는 제1 주변 유동 채널 유출구(71pb)를 향해 제1 주변 유동 채널(71p) 내로 흐른다. 제1 주변 유동 채널 유출구(71pb)는 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b)를 향해 배치될 수 있다. 제1 주변 유동 채널(71p)은 에어포일의 (A 방향으로) 다른 측 상의 유입구(미도시)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 제1 주변 유동 채널(71p)의 유입구는 폐쇄되거나 밀봉될 수 있어, 제1 주변 유동 채널(71p) 내로 흐르는 공기를 냉각시키는 유일한 방식은 충돌 제트(86)를 통해 이루어진다. 다시 말해서, 제1 주변 유동 채널(71p)은 제1 주변 유동 채널(71p)의 외부와 유동적으로 연통되는 충돌 홀(85) 외에 하나의 개구만을 가질 수 있으며, 이러한 개구는 제1 주변 유동 채널 유출구(71pb)일 수 있다.
제1 주변 유동 채널(71p) 내의 냉각 공기는, 예를 들어 충돌 제트(86)로부터 제1 주변 유동 채널(71p)로 분출된 냉각 공기는, 제1 주변 유동 채널 유출구(71pb)를 향해 제1 주변 유동 채널(71p) 내로 흐른다.
(점선의 도움으로) 도 5a 및 5b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)는 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb) 및 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)의 각각을 둘러싸거나 커버할 수 있다. 다시 말해서, 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb) 및 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)로부터 유출되는 냉각 공기(5)는 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a) 내로 흐른다. 도 6의 M 부분은 제1 주변 유동 채널(71p)에서 흐르고 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)로부터 유출되는 냉각 공기(5p1), 및 제1 주 유동 채널(71m)에서 흐르고 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)로부터 유출되는 냉각 공기(5m1)를 도시하고 있고, 냉각 공기(5p1) 및 냉각 공기(5m1) 양자는 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a) 내로 흐른다.
본 기술에 따르면 그리고 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 채널 연결 도관(90)의 유출구(90b)는, 또한 도 6의 N 부분에 도시된 바와 같이, 제2 주변 유동 채널(72p)의 유입구(72pa)를 둘러싸지 않고 제2 주 유동 채널(72m)의 유입구(72ma)를 둘러쌀 수 있다. 다시 말해서, 도 6의 N 부분에 도시된 바와 같이, 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb) 및 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)로부터 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)로 흐르는 냉각 공기(5)는 냉각 공기(5c)의 형태로 채널 연결 도관(90)을 통해 제2 주 유동 채널(72m)의 유입구(72ma) 내로만 유입될 수 있다.
도 6의 N 부분에 도시된 바와 같이, 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb) 및 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)로부터 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a) 내로 흐르는 냉각 공기(5)는 채널 연결 도관(90)을 통해 제2 주변 유동 채널(72p)의 유입구(72pa) 내로 유입되지 않을 수 있다.
도 6의 M 부분(도 6에서 'M'으로 표시된 부분은 도 6의 상부에서 에어포일에 나타낸 라인 M-M에서의 단면임) 및 도 6의 N 부분(도 6에서 'N'으로 표시된 부분은 도 6의 상부에서 에어포일에 나타낸 라인 N-N에서의 단면임)에 도시된 바와 같이, 본 기술의 일 양태에 따르면, 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)는 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb) 및 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb) 양자에 연결되어 제1 주 유동 채널(71m) 및 제1 주변 유동 채널(71p) 양자로부터 냉각 공기(5m1 및 5p1)를 수용할 수 있지만, 채널 연결 도관(90)의 유출구(90b)는 제2 주 유동 채널(72m)의 유입구(72ma)에만 연결되어 제1 주 유동 채널(71m) 및 제1 주변 유동 채널(71p) 양자로부터 수신된 냉각 공기(5c)를 제2 주변 유동 채널(72p)로가 아닌 제2 주 유동 채널(72m)로만 전달하거나 공급할 수 있다.
이하, 도 8 및 9를 참조하여 본 기술의 다른 양태를 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)는 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)로부터 채널 연결 도관(90)으로 냉각 공기(5m1)의 유동을 완전히 중단시키기 위해 밀봉, 예를 들어 완전히 밀봉될 수 있다. 밀봉은 밀봉 캡(81c)에 의해 달성될 수 있다. 일 실시예(미도시)에서, 밀봉 캡(81c)은 제1 주 유동 채널(71m) 내부에 배치될 수 있다. 대안적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 밀봉 캡(81c)은 제1 주 유동 채널(71m)의 내부 또는 외부에서 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)에 배치될 수 있다.
대안적으로(도시되지 않음), 제1 주 유동 채널의 유출구(71mb)는 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)로부터 채널 연결 도관(90)으로 냉각 공기(5m1)의 유동을 부분적으로 중단시키기 위해 부분적으로 밀봉될 수 있다. 부분적인 밀봉은 제1 주 유동 채널(71mb)을 부분적으로 차단하는 밀봉 캡(미도시)에 의해 달성될 수 있다. 밀봉 캡은 제1 주 유동 채널(71m)의 내부에, 또는 제1 주 유동 채널(71m)의 내부 또는 외부에서 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)에 배치될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)는 제1 주 유동 채널(71m)의 유출구(71mb)로부터 채널 연결 도관(90)으로 냉각 공기(5m1)의 유동을 부분적으로 중단시키기 위해 밀봉, 예를 들어 부분적으로 밀봉될 수 있다. 부분적인 밀봉은 하나 이상의 관통 홀(81h)을 포함하는 밀봉 캡(81c)에 의해 달성될 수 있다. 밀봉 캡(81c)은 제1 주 유동 채널(71m)의 내부에, 또는 제1 주 유동 채널(71m)의 내부 또는 외부에서 제1 주 유동 채널의 유출구(71mb)에 배치될 수 있다. 하나 이상의 관통 홀(81h)은 채널 연결 도관(90)으로 제1 주 유동 채널(71m)의 냉각 공기(5m1)의 유동을 가능하게 한다.
관통 홀(81h)을 갖거나 갖지 않는 밀봉 캡(81c)은 제1 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 제1 주 유동 채널(71m)로부터 분출되는 충돌 제트를 용이하게 형성하기 위해 제1 주 유동 채널(71m) 내의 압력을 증강시키도록 기능한다.
도 8에 도시된 바와 같은 밀봉의 결과, 제1 주 유동 채널(71m)에 유입된 모든 냉각 공기는 충돌 홀(85)을 통해 충돌 제트(86)의 형태로 충돌 홀(85)로부터 제1 주변 유동 채널(71p)로 분출된다. 그 후, 모든 냉각 공기는 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)를 통해 채널 연결 도관(90) 내로 흐른 후 제2 주변 유동 채널(72p)로 유입된다.
도 9에 도시된 바와 같은 밀봉의 결과, 제1 주 유동 채널(71m)에 유입된 냉각 공기의 일부는 충돌 홀(85)을 통해 충돌 제트(86)의 형태로 충돌 홀(85)로부터 제1 주변 유동 채널(71p)로 분출되고, 그 냉각 공기의 나머지 부분은 하나 이상의 관통 홀(81h)로부터 분출된다. 그 후, 냉각 공기는 제1 주변 유동 채널(71p)의 유출구(71pb)를 통해 및 밀봉 캡(81c)의 하나 이상의 관통 홀(81h)을 통해 채널 연결 도관(90) 내로 흐른 후 제2 주변 유동 채널(72p)로 유입된다.
제2 주변 유동 채널(72p)의 유입구(72pa)는 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 충돌 인서트(82)의 외면으로부터 돌출된 플랜지(82p)는 제2 주변 유동 채널(72p)의 유입구(72pa)를 폐쇄하거나 밀봉하도록 구성될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 터보머신 구성요소(1)에서, 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a) 및 유출구(90b), 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b), 및 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a)는 플랫폼(201)에 배치될 수 있다. 대안적으로(도시되지 않음), 터보머신 구성요소(1)에서, 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a) 및 유출구(90b), 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b), 및 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a)는 (도 2a에 도시된) 플랫폼(202)에 배치될 수 있다. 선택적으로, 터보머신 구성요소(1)는 플랫폼(201) 및 플랫폼(202)에 각각 하나씩 2개의 채널 연결 도관(90)을 가질 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 터보머신 구성요소(1)는 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)와 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b) 사이에 위치되도록 구성된 밀봉 링(92)을 포함할 수 있다. 밀봉 링(92)은 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b)와 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a) 간의 결합을 기밀하게 하여 공기의 누출을 방지하거나 감소시키는 개스킷일 수 있다. 대안적으로 또는 전술한 바에 추가하여, 터보머신 구성요소(1)는 채널 연결 도관(90)의 유출구(90b)와 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a) 사이에 위치되도록 구성된 다른 밀봉 링(미도시)을 포함할 수 있다. 밀봉 링은 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a)와 채널 연결 도관(90)의 유출구(90b) 간의 결합을 기밀하게 하여 공기의 누출을 방지하거나 감소시키는 개스킷일 수 있다.
도 4a, 4b, 및 7에 도시된 바와 같이, 채널 연결 도관(90)은 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)와 유출구(90b) 사이에 U자 형상을 갖는 굴곡부(94)를 포함할 수 있다. 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)로 수용된 냉각 공기(5)는 채널 연결 도관(90)의 유출구(90b)로부터만 유출될 수 있고, 즉 굴곡부(94)의 내부에는 어떠한 바이패스 통로도 형성되지 않을 수 있다. 굴곡부(94)는 유입구(90a)로부터 유출구(90b)까지 내부 용적을 점차 감소시킬 수 있다(즉, 채널 연결 도관(90)에 형성된 공기 유로의 단면적이 점차 감소함). 굴곡부(94)는 더 부드러운 굴곡 에지를, 즉 채널 연결 도관(90) 내에서 공기의 유동 방향의 변화를 구현하는 만곡부를, 가질 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 채널 연결 도관(90)은 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)와 반대 방향으로 채널 연결 도관(90)의 유출구(90b)로부터 수평으로 연장되는 연장부(96)를 포함할 수 있다. 제2 충돌 인서트(82)는 수용부(82e)를 포함할 수 있다. 수용부(82e)는 연장부(96)에 대응하거나 상보적인 형상을 가질 수 있다. 수용부(82e) 및 연장부(96)는 예를 들어 브레이징에 의해 서로 기계적으로 결합될 수 있다.
연장부(82e) 및 플랜지(82p)는 일체로 형성될 수 있고, 즉 플랜지(82p)의 일면은 유입구(72pa)를 밀봉하도록 기능할 수 있는 반면 타면은 연장부(96)를 기계적으로 결합하도록 작용할 수 있다.
도 2a 내지 7에 도시된 바와 같이, 제2 냉각 채널(72)은 에어포일(100)의 트레일링 에지(108)에 위치될 수 있다. 제1 냉각 채널(71)은 에어포일(100)의 캠버 라인(미도시)에 대해 에어포일(100)의 리딩 에지(106)와 에어포일(100)의 트레일링 에지(108) 사이에 위치될 수 있다.
도 7은 또한 본 기술의 터보머신 구성요소(1)를 조립하는 방법을 도시하고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 채널 연결 도관(90)의 연장부(96)는 제2 인서트(82)의 수용부(82e)에 기계적으로 결합(예를 들어, 브레이징)될 수 있으며, 제2 인서트(82)의 일부는 제2 냉각 채널(72)의 내부에 위치되고 수용부(82e)를 포함하는 일부는 제2 냉각 채널(72)의 외부에 있다. 이는 결합이 수행되는 동안 제2 인서트를 제자리에 유지시키는 데 도움이 된다. 대안적으로, 채널 연결 도관(90)의 연장부(96)는 제2 인서트(82)의 수용부(82e)에 기계적으로 결합(예를 들어, 브레이징)될 수 있으며, 제2 인서트(82)는 제2 냉각 채널(72)의 외부에 위치된 후 제2 인서트(82)는 제2 냉각 채널(72)에 삽입된다.
어떠한 경우이든, 제2 인서트(82)에 결합된 채널 연결 도관(90)은 에어포일(100)을 향해 밀리고, 제1 인서트(81)는 에어포일의 타측으로부터 제1 냉각 채널(71)로 밀려서 채널 연결 도관(90)은 제1 인서트(81)에 결합된다. 밀봉 링(92)은 채널 연결 도관(90)의 유입구(90a)와 유출구(71b) 사이에 배치될 수 있으며, 제1 인서트(81)와 채널 연결 도관(90)은 서로 밀린다.
터보머신 구성요소(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 가스 터빈(10)의 베인(40, 44)일 수 있다.
터보머신 구성요소(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 가스 터빈(10)의 블레이드(38)일 수 있다.
본 기술은 또한 터보머신 조립체를 구상한다. 터보머신 조립체는 도 2a 내지 7과 관련하여 전술한 바와 같이 본 기술에 따른 적어도 하나의 터보머신 구성요소(1)를 포함할 수 있다. 터보머신 조립체의 예로는 베인 조립체 또는 베인 단일 수 있다. 베인 조립체 또는 베인 단은, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 터빈(10)의 터빈 섹션(18)에 배치될 수 있다.
터빈 섹션(18)은 그 사이에 고온 가스 경로의 적어도 일 구간을 형성하는 내부 케이싱 및 외부 케이싱을 포함할 수 있다. 고온 가스 경로는 일반적으로 그 형상이 환형일 수 있다. 내부 케이싱은 외부 케이싱의 반경 방향 내측으로 배치될 수 있다.
터보머신 구성요소(1)는 내부 및 외부 케이싱에 연결되거나 배치되는 베인(40, 44)일 수 있다. 베인의 에어포일(100)은 고온 가스 경로의 구간에 배치될 수 있다.
제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b), 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a), 및 채널 연결 도관(90)은 내부 케이싱에서 에어포일(100)의 반경 방향 내측으로 위치될 수 있다.
대안적으로, 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b), 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a), 및 채널 연결 도관(90)은 외부 케이싱에서 에어포일(100)의 반경 방향 외측으로 위치될 수 있다.
대안적으로, 가스 터빈은 적어도 2개의 채널 연결 도관(90)을 가질 수 있다. 적어도 2개의 채널 연결 도관(90) 중 하나는, 즉 제1 채널 연결 도관(90)은, 제1 채널 연결 도관(90)이 연결되는 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a) 및 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b)와 함께, 내부 케이싱에서 에어포일(100)의 반경 방향 내측으로 위치될 수 있고; 적어도 2개의 채널 연결 도관(90) 중 다른 하나는, 즉 제2 채널 연결 도관(90)은, 제2 채널 연결 도관(90)이 연결되는 제2 냉각 채널(72)의 유입구(72a) 및 제1 냉각 채널(71)의 유출구(71b)와 함께, 외부 케이싱에서 에어포일(100)의 반경 방향 외측으로 위치될 수 있다.
본 기술은 특정 실시예를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 기술은 이러한 정확한 실시예에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명을 실행하기 위한 예시적인 모드를 설명하는 본 개시내용을 고려해서, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어남이 없이 당업자에게 많은 수정 및 변형이 제시될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 다음의 청구범위에 의해 나타난다. 청구범위의 동등성의 의미 및 범위 내에 속하는 모든 변경, 수정, 및 변형은 그 범위 내에서 고려될 것이다.
1: 터보머신 구성요소
71: 제1 냉각 채널
72: 제2 냉각 채널
100: 에어포일
101: 에어포일 벽
102: 압력측
104: 흡입측
108: 트레일링 에지

Claims (15)

  1. 가스 터빈용 터보머신 구성요소로서,
    에어포일로서, 상기 에어포일은 상기 에어포일의 내부 공간을 형성하는 에어포일 벽, 및 상기 에어포일의 내부 공간에 제1 및 제2 냉각 채널을 포함하는, 에어포일;
    상기 제1 냉각 채널에 삽입되는 제1 충돌 인서트로서, 상기 제1 충돌 인서트는 상기 에어포일의 길이 방향을 따라 냉각 공기의 유동을 안내하기 위한 제1 주 유동 채널 및 상기 제1 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 상기 제1 주 유동 채널로부터 분출된 충돌 제트를 수용하기 위한 적어도 하나의 제1 주변 유동 채널을 형성하는, 제1 충돌 인서트;
    상기 제2 냉각 채널에 삽입되는 제2 충돌 인서트로서, 상기 제2 충돌 인서트는 상기 에어포일의 길이 방향을 따라 냉각 공기의 유동을 안내하기 위한 제2 주 유동 채널 및 상기 제2 충돌 인서트의 충돌 홀을 통해 상기 제2 주 유동 채널로부터 분출된 충돌 제트를 수용하기 위한 적어도 하나의 제2 주변 유동 채널을 형성하는, 제2 충돌 인서트; 및
    상기 제1 냉각 채널로부터 상기 제2 냉각 채널로 상기 냉각 공기의 유동을 안내하도록 구성된 채널 연결 도관을 포함하고, 상기 채널 연결 도관은,
    상기 제1 냉각 채널의 유출구에 연결된 상기 채널 연결 도관의 유입구, 및
    상기 제2 냉각 채널의 유입구에 연결된 상기 채널 연결 도관의 유출구를 포함하는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널 연결 도관의 유입구는 상기 제1 주 유동 채널의 유출구를 둘러싸지 않고 상기 제1 주변 유동 채널의 유출구를 둘러싸고; 또는
    상기 채널 연결 도관의 유입구는 상기 제1 주 유동 채널의 유출구 및 상기 제1 주변 유동 채널의 유출구의 각각을 둘러싸는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주 유동 채널의 유출구는 상기 제1 주 유동 채널의 유출구로부터 상기 채널 연결 도관으로 냉각 공기의 유동을 완전히 중단시키기 위한 밀봉 캡을 포함하고; 또는
    상기 제1 주 유동 채널의 유출구는 밀봉 캡을 포함하고, 상기 밀봉 캡은 상기 채널 연결 도관으로 상기 제1 주 유동 채널의 냉각 공기의 유동을 안내하기 위한 하나 이상의 관통 홀을 포함하는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널 연결 도관의 유출구는 상기 제2 주변 유동 채널의 유입구를 둘러싸지 않고 상기 제2 주 유동 채널의 유입구를 둘러싸는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주변 유동 채널의 유입구는 밀봉되는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어포일 벽은 리딩 에지 및 트레일링 에지에서 만나고 상기 에어포일의 내부 공간을 형성하는 압력측 및 흡입측을 포함하고;
    상기 에어포일은 상기 에어포일의 내부 공간 내에 배치되고 상기 압력측과 상기 흡입측 사이에서 연장되는 적어도 하나의 웹을 포함하고;
    상기 제1 냉각 채널 및/또는 상기 제2 냉각 채널은 상기 적어도 하나의 웹 및 상기 압력측 및/또는 상기 흡입측에 의해 형성되는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에어포일이 연장되는 플랫폼을 더 포함하고, 상기 채널 연결 도관의 유입구 및 유출구, 상기 제1 냉각 채널의 유출구, 및 상기 제2 냉각 채널의 유입구는 상기 플랫폼에 배치되는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널 연결 도관의 유입구와 상기 제1 냉각 채널의 유출구 사이에 위치되도록 구성된 밀봉 링을 더 포함하는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 채널 연결 도관은 상기 채널 연결 도관의 유입구와 유출구 사이에 U자 형상을 갖는 굴곡부를 포함하는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 채널 연결 도관은 상기 채널 연결 도관의 유입구와 반대 방향으로 상기 채널 연결 도관의 유출구로부터 수평으로 연장되는 연장부를 포함하고;
    상기 제2 충돌 인서트는 상기 연장부에 대응하는 형상을 갖는 수용부를 포함하고, 상기 수용부 및 상기 연장부는 서로 결합되도록 구성되는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 냉각 채널은 상기 에어포일의 트레일링 에지에 위치되는, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 터보머신 구성요소는 가스 터빈의 베인인, 가스 터빈용 터보머신 구성요소.
  13. 복수의 터보머신 구성요소를 포함하는 터보머신 조립체로서, 상기 복수의 터보머신 구성요소는 제1항에 따른 터보머신 구성요소를 포함하는, 터보머신 조립체.
  14. 터보머신 조립체를 포함하는 가스 터빈으로서, 상기 터보머신 조립체는 제13항에 따른 것인, 가스 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 터빈 섹션은 그 사이에 고온 가스 경로의 적어도 일 구간을 형성하는 내부 케이싱 및 외부 케이싱을 포함하고, 상기 내부 케이싱은 상기 외부 케이싱의 반경 방향 내측으로 배치되고;
    상기 터보머신 구성요소는 베인이고, 상기 내부 및 외부 케이싱에 연결되고, 상기 고온 가스 경로의 구간에 배치되고;
    상기 제1 냉각 채널의 유출구, 상기 제2 냉각 채널의 유입구, 및 상기 채널 연결 도관은 상기 내부 케이싱 또는 상기 제1 냉각 채널의 유출구에서 상기 에어포일의 반경 방향 내측으로 위치되고, 상기 제2 냉각 채널의 유입구 및 상기 채널 연결 도관은 상기 외부 케이싱에서 상기 에어포일의 반경 방향 외측으로 위치되는, 가스 터빈.
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