KR20220057769A - 다중 단차 구조를 가지는 막냉각 홀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 블레이드 및 노즐의 표면 냉각을 위한 막냉각 홀에 대해 개시한다. 개시된 막냉각 홀은 연소실에서 방출되는 고온공기에 의해 가열되는 터빈 블레이드 및 노즐을 냉각유체에 의해 냉각시키기 위한 막냉각 홀로서, 상기 막냉각 홀의 내부에는 냉각유체가 균일하고 넓게 퍼지도록 분사하기 위해 경사부에 의해 확장된 출구를 포함하되, 경사부 상에 복수의 단차를 형성하여 상기 냉각유체가 보다 효율적으로 넓게 퍼지도록 개선하였다, 또한 상기 단차 양 측에 홈을 형성하여 확장된 출구보다 넓은 출구를 형성하게 되어 효과가 증가되는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 단차 구조를 가지는 막냉각 홀 {Film cooling hole with multiple step structure}

본 발명은 가스 터빈 블레이드 및 노즐의 냉각을 위한 막냉각 홀에 대한 것으로, 더 자세하게는 가스 터빈 블레이드 및 노즐에 냉각유체가 분사되는 막냉각 홀을 구비하되, 상기 냉각유체를 균일하고 넓게 분사하여 냉각효율을 극대화한 막냉각 홀에 관한 것이다.

가스터빈엔진은 압축기를 통해 압축된 공기가 연소기를 통해 고온고압의 연소가스로 전환되어 이 연소가스가 터빈 블레이드를 회전시키고 배출됨으로써 필요한 출력을 얻는 엔진이다. 이때 가스터빈의 출력 및 효율은 터빈의 입구온도가 증가함에 따라 향상되므로, 터빈입구온도는 지속적으로 증가하여 왔으며 현재 1,600℃를 상회하는 수준에 있다. 이는 터빈의 재료 한계온도를 훨씬 상회하는 값이며, 터빈 재료를 보호하기 위하여 다양한 냉각방식이 적용된다.

본 기술은 막냉각(film cooling) 기술로서, 가스터빈엔진에서 고온용 부품인 터빈 노즐 및 블레이드를 냉각하기 위하여 사용되는 기술이다. 막냉각 기술은 가스터빈의 압축기 단에서 추출된 압축공기를 터빈 노즐 혹은 블레이드 내부에 구성된 유로로 공급하고, 외부의 연소가스와 접촉하는 터빈 노즐 혹은 블레이드 표면에 일렬 이상의 구멍을 가공하여 그 구멍을 통해 압축공기를 분사하는 냉각방식을 의미한다.

이와 같이 막냉각 기술은 냉각유체를 분사함으로써 외부 표면에 일종의 단열막을 형상하여 고온의 가스로부터 노즐 혹은 블레이드를 보호하며, 압축공기 유체가 공급되는 터빈 노즐/블레이드 내부 유로 상의 막냉각 홀 인접 내부 영역, 막냉각 홀 내부 표면에서의 대류열전달을 통해 금속 모재 자체의 온도를 낮추는 역할을 한다. 본 발명은 막냉각 홀이 위치한 영역에서 금속 모재의 온도를 더욱 낮추어 냉각효과를 극대화하기 위한 것이다.

기존 발명은 막냉각 홀을 통해 분사되는 냉각유체가 막냉각 홀의 중심선을 기준으로 좁은 영역에 대해서만 냉각효과를 나타낸다. 막냉각 효과를 극대화하기 위해서는 냉각유체가 보다 균일하게 넓은 영역에 분포하는 것이 필요하다.

1. 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0102807호 가스 터빈 블레이드의 냉각을 위한 수렴발산형 막냉각 홀의 형상 구조

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각유체를 보다 넓고 균일하게 유출되게 하여 냉각효과를 극대화하도록 내부에 단차구조를 가지는 막냉각 홀을 제공함에 있다.

연소가스에 의해 과열되는 부품 표면에 관통 형성된 막냉각 홀에 있어서, 냉각 유체가 유입되는 입구, 상기 입구로부터 기 결정된 각도로 경사지게 상기 부품을 관통하여 형성되는 통로, 상기 통로의 배출 측에 상기 냉각유체의 유동방향을 따라 단면적이 점진적으로 커지도록 형성되는 경사부, 상기 냉각유체가 배출되는 출구, 상기 경사부 상에 계단 형태로 형성되는 단차를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각유체 진행방향에 수직한 횡방향을 너비방향이라 할 때 상기 단차는 너비방향으로 연장되고, 상기 부품 표면에 대해 평행하게 형성되는 평면부와 상기 평면부에 수직하게 형성된 수직부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단차는 2개 이상의 복수로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 입구의 원형 단면의 직경을 D라 할 때, 상기 단차의 높이는 0.2D~0.5D 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 통로의 중심선과 상기 출구 표면이 만나는 점을 P라 하고, 상기 P를 수직으로 내린 점을 Q로 하며, 상기 유체 흐름방향의 출구 끝점을 R이라 하였을 때 상기 단차의 형성범위는 Q에서 R까지로 한정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단차의 양 측면이 너비방향으로 상기 출구 외측으로 확장 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 단차의 너비가 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단차 너비는 막냉각 홀 사이 간격의 0.6배 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각유체의 흐름이 상기 단차에 의해 너비방향 흐름을 가지는 상기 막냉각 홀을 포함하는 터빈 블레이드 및 노즐을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 막냉각 홀 내부에 복수의 단차가 형성되도록 함으로써 냉각유체가 균일하고 넓게 유출되어 가스터빈의 블레이드 및 노즐을 냉각효과를 극대화할 수 있다.

도 1은 종래의 막냉각 홀의 구성도
도 2는 본 발명의 막냉각 홀의 제 1 실시예
도 3은 도 2의 A-A'단면도
도 4는 도 2의 A-A'단면도
도 5는 제 1 실시예의 평면도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 사시도
도 7은 본 발명의 제 2 실시예의 평면도
도 8은 본 발명의 제 2 실시예의 너비에 따른 평면도
도 9는 본 발명의 복수 배치에 따른 평면도
도 10은 기존 형상과 제 1 실시예의 하류 온도 분포
도 11은 제 1 실시예와 제 2 실시예의 하류온도 분포
도 12는 제 2 실시예의 단차 너비에 따른 온도 분포

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 대한 막냉각 홀을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1은 종래기술의 구성도이다. 앞서 설명한 바와 같이 막냉각 기술이란, 도 1에 도시된 바와 같이 가스터빈의 압축기 단에서 추출된 압축공기를 터빈 노즐 혹은 블레이드 내부에 구성된 유로로 공급하고, 외부의 연소가스와 접촉하는 터빈 노즐 혹은 블레이드 표면에 일렬 이상의 구멍을 가공하여 그 구멍을 통해 압축공기를 분사하는 냉각방식이다. 도 1(a)을 참조하면, 막냉각 홀은 일반적으로 냉각유체가 표면에 보다 잘 부착되도록 일정 수준의 경사 각도를 갖도록 구현된다. 또한, 도 1(b)을 참조하면 단면적이 점진적으로 증가하는 확장형 출구를 갖는 막냉각 홀을 구현하여 냉각효과를 증대시켰다. 기존의 막냉각 홀을 통해 분사되는 냉각유체는 막냉각 홀의 중심선을 기준으로 좁은 영역에 대해서만 냉각효과를 나타내어 막냉각 효과를 극대화하기 위해서는 냉각유체가 보다 균일하고 넓은 영역에 분포하는 것이 필요하다.

[제 1 실시예]

도 2는 본 발명의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 막냉각 홀(1000) 내부에 단차(300)가 함몰 형성된다. 보다 구체적으로 설명하자면 상기 막냉각 홀(1000)에는 냉각유체가 유출되는 출구(200)가 형성되어 있고, 상기 출구(200)에 인접한 부위에 상기 단차(300)가 형성된다. 상기 단차(300)는 2개 이상의 복수로 된 계단식으로 형성되어지며, 이는 상기 단차(300)를 복수로 구비하여 출구(200)와 인접한 단차에만 가스유입이 가능하기 위함이다.

도 3은 본 발명의 도2의 'A-A' 단면도이다. 도 3을 참조하면, 냉각유체는 부품의 내면에 위치한 입구(100)로 유입되며, 일정한 기울기를 가지는 통로를 따라 진행되고, 상기 부품의 표면에 위치한 출구(200)로 유출된다. 상기 통로는 경사부에 의해 단면적이 점차 넓어지고 상기 출구(200)의 배출 측에는 제 1 경사부(210)와 제 2 경사부(220)를 포함한다. 상기 경사부에 단차(300)가 함몰 형성된다. 상기 단차(300)는 상기 냉각유체 진행방향의 수직한 횡방향이고 상기 부품 표면에 대해 평행하게 형성된 평면부(310)와 상기 평면부에 수직하게 형성된 수직부(320)를 포함하는 계단식으로 형성될 수 있다. 상기 단차(300)는 복수로 형성되어 제 1 단차(301)와 제 2 단차(302)를 포함하고, 상기 평면부(310)는 제 1 평면부(311)와 제 2 평면부(312), 상기 수직부(320)는 제 1 수직부(321)와 제 2 수직부(322)를 포함한다. 그리고 상기 단차(300)의 개수는 유동조건이나 막냉각 홀의 제원에 따라 2개 이상 복수개 형성될 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명의 A-A' 단면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 입구(100) 단면의 유체 흐름 방향에 수직하는 폭의 너비를 D로 정의 하였을 때, 상기 단차(300)의 높이(h)는 0.2D~0.5D로 형성될 수 있다. 또한, 상기 단차(300)의 형성범위는 막냉각 홀(1000)의 출구(200)를 기준으로 기계가공을 위한 공구가 접근할 수 있는 구간으로 한정할 수 있으며, 상기 출구와 상기 통로의 중심선이 교차하는 점을 P로 하고, 상기 교차점 P를 경사부에 수직으로 내린 점을 Q로 하며, 상기 유체 흐름방향의 출구 끝점을 R이라 할 때, 상기 단차 형성범위는 Q에서 R까지로 한정 할 수 있다. 이보다 막냉각 홀 중심선의 상류 영역에 상기 단차(300)가 형성되는 경우, 고온의 가스가 막냉각 홀 내부로 유입되어 냉각성능을 크게 저하될 수 있다. 상기 막냉각 홀(1000)의 하류 영역에 단차가 설치되는 것이 냉각효율 개선에 효과적이며, 상기 막냉각 홀(1000)은 기존의 가공방식으로 가공되고, 이후에 기계가공을 통하여 복수의 단차를 보다 용이하게 구현하여 제작비용을 최소화하면서 냉각성능을 극대화할 수 있다.

도 5는 본 발명의 평면도이다. 도 5를 참조하면, 상기 경사부 상에 상기 복수의 단차(300)를 형성하였고 냉각유체가 상기 단차에 의해 너비방향으로 진행된 것을 도시하여 보다 넓은 범위의 냉각효과를 나타내었다.

[제 2 실시예]

도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 사시도이다. 도 6을 참조하면, 제 1 실시예의 상기 단차(300)를 너비방향으로 확장 형성하여 단차의 너비(w)가 넓어지도록 형성하였다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예의 평면도이다. 도 7을 참조하면, 상기 단차(300)는 위에서 수직으로 내려 보았을 때 직사각형의 형태를 하고 있으며, 단차의 전면(330)은 제 1 단차의 시작 위치와 동일하며, 단차의 후면(332)은 상기 제2 수직부(322) 위치와 동일하다. 단차의 측면(331)은 제 1 실시예의 길이방향의 크기가 동일하나, 너비방향의 크기가 크다. 제 2 실시예의 단차(300)는 상기 출구(200)의 면적을 넓게 형성하여 상기 냉각유체가 너비방향으로 넓게 퍼지도록 형성되었다.

도 8은 제 2 실시예의 너비에 따른 평면도이다. 도 8을 참조하면, 상기 단차의 너비(w)에 따른 차이를 나타내었다. 도 8(a)은 상기 단차의 너비를 w1로 정의하고 도 8(b)은 상기 단차의 너비를 w2로 정의하여 비교하면 w2가 w1보다 너비가 넓다. 상기 냉각 유체가 너비방향으로 더 넓게 퍼지는 것이 가능하며 자세한 비교는 후술하도록 한다.

도 9는 본 발명의 복수 배치에 따른 평면도이다 도 9를 참조하면 상기 막냉각 홀(1000)은 일반적으로 복수 개의 홀이 일열 혹은 복수 열로 구현되며, 상기 단차 너비(w)는 막냉각 홀 사이 간격(p)의 0.6배 이하로 한다.

도 10 내지 도 12는 전산해석을 통하여 기존 발명 및 본 발명 형상을 적용한 경우의 막냉각 홀 하류에서의 표면 온도분포를 나타낸 도면이다. 해당 표면온도가 낮을수록 막냉각 효율이 높은 것을 의미한다.

도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 막냉각 홀의 온도분포를 종래기술과 비교하여 도시한 것이다. 도 10(a)의 종래기술에 비해 도 10(b)의 제 1 실시예의 온도분포가 넓게 분포한 것을 알 수 있어 냉각효과가 개선되는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 제 1 실시예(a)와 제 2 실시예(b)에 대한 막냉각 홀의 온도분포를 비교하여 도시한 것이다. 도 11(a)의 제 1 실시예와 비교하여 도 11(b)의 제 2 실시예의 온도분포가 넓게 분포한 것을 확인할 수 있으며 냉각효과가 개선되는 것을 확인할 수 있다.

도 12는 제 2 실시예의 막냉각 홀 온도분포를 단차 너비에 따른 온도분포를 비교하여 도시한 것이다. 도 12(a)의 단차 더비는 도 12(b)의 단차 더비보다 좁게 설계되어 있으며, 온도분포를 비교하면, 도 12(b)의 온도분포가 넓게 분포한 것을 알 수 있으며 단차 너비가 넓을수록 냉각효과가 개선되는 것을 확인할 수 있다.

제 1 실시예와 제 2 실시예 모두에 단차에서의 열전달효과를 향상시키기 위하여, 단차 표면에 인위적인 가공을 하여, 엠보싱 구조(미 도시)를 형성할 수 있다.

또한, 단차의 평면부(310) 또는 수직부(320)에 골과 산으로 형성된 유동교란수단(미 도시)을 추가 형성할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 막냉각 홀
100 : 입구
200 : 출구 210 : 제 1 경사부 220 : 제 2 경사부
300 : 단차 301 : 제 1 단차 302 : 제 2 단차
310 : 평면부 311 : 제 1 평면부 312 : 제 2 평면부
320 : 수직부 321 : 제 1 수직부 322 : 제 2 수직부
330 : 단차 전면 331 : 단차 측면 332 : 단차 후면
D : 입구 단면의 유체흐름방향에 수직하는 폭의 너비
d : 단차 형성범위
h : 단차 높이
P : 출구와 통로의 중심선의 교차점
Q : P를 경사부에 수직으로 내린 점
R : 유체 흐름방향의 출구 끝점
w : 단차의 너비
p : 막냉각 홀 사이 간격

Claims (9)

1. 연소가스에 의해 과열되는 부품 표면에 관통 형성된 막냉각 홀에 있어서,
   냉각 유체가 유입되는 입구;
   상기 입구로부터 기 결정된 각도로 경사지게 상기 부품을 관통하여 형성되는 통로;
   상기 통로의 배출 측에 상기 냉각유체의 유동방향을 따라 단면적이 점진적으로 커지도록 형성되는 경사부;
   상기 냉각유체가 배출되는 출구; 및
   상기 경사부 상에 계단 형태로 형성되는 단차;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각유체 진행방향에 수직한 횡방향을 너비방향이라 할 때,
   상기 단차는 너비방향으로 연장되고,
   상기 부품 표면에 대해 평행하게 형성되는 평면부와
   상기 평면부에 수직하게 형성된 수직부를 포함하는 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 단차는 2개 이상의 복수로 형성되는 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 입구의 원형 단면의 유체흐름방향에 수직하는 폭의 너비를 D라 할 때,
   상기 단차의 높이는 0.2D~0.5D 인 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 통로의 중심선과 상기 출구 표면이 만나는 점을 P라 하고,
   상기 P를 수직으로 내린 점을 Q로 하며,
   상기 유체 흐름방향의 출구 끝점을 R이라 하였을 때,
   상기 단차의 형성범위는 Q에서 R까지로 한정되는 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
6. 제 3항에 있어서,
   상기 단차의 양 측면이 너비방향으로 상기 출구 외측으로 확장 형성되는 것을 포함하는 막냉각 홀.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 복수의 단차의 너비가 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 단차 너비는 막냉각 홀 사이 간격의 0.6배 이하인 것을 특징으로 하는 막냉각 홀.
   
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 막냉각 홀을 포함하고,
   상기 냉각유체의 흐름이 상기 단차에 의해 너비방향 흐름을 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 및 노즐.

Images