KR20230011845A - 터빈 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents
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Abstract
가스 터빈의 가스 터빈 노즐 어셈블리가 제공된다. 터빈 노즐 어셈블리는 내경에서 외경으로 연장되고, 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일 형상 단면, 및 각각 리딩 엣지로부터 트레일링 엣지까지 연장되는 압력측 및 흡입측을 갖는 터빈 노즐을 포함할 수 있으며, 터빈 노즐은 복수의 공동을 포함하는 중공 에어포일 - 복수의 중공은 에어포일 내에 위치됨 -, 중공 에어포일의 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트, 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트, 및 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬을 포함할 수 있다.
Description
본 출원은 터빈 노즐 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응력을 감소시킬 수 있는 커버 플레이트를 갖는 가스 터빈 노즐 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈은 증기나 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력이나 반동력에 의해 회전력을 획득하는 기계이며, 증기를 이용하는 증기 터빈, 고온 연소 가스를 이용하는 가스 터빈 등을 포함한다.
가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 공기가 유입되는 공기 유입구와, 압축기 케이싱 내에 교대로 배열되는 복수의 압축기 베인(vane) 및 복수의 압축기 블레이드를 포함한다. 유입된 공기는 압축기의 내부를 통과하면서 압축기 베인과 압축기 블레이드에 의해 압축된다.
연소기는 압축기에 의해 압축된 공기에 연료를 공급하고 점화기로 연료-공기 혼합물을 점화하여 고온 고압 연소 가스를 생성한다.
터빈은 터빈 케이싱 내에 교대로 배열되는 복수의 터빈 베인 및 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 또한, 압축기, 연소기, 터빈 및 배기 챔버의 중심을 통과하도록 로터가 배치된다.
로터는 이의 양 단부에서 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 복수의 디스크가 로터에 고정되고, 복수의 블레이드가 각각의 디스크에 연결되고, 발전기의 구동 샤프트가 배기 챔버의 단부에 연결된다.
가스 터빈은 통상적인 4 행정 엔진에 일반적으로 존재하는 피스톤과 같은 왕복 기구를 포함하지 않는다. 따라서, 가스 터빈은 피스톤-실린더 부분과 같은 상호 마찰 부분이 없어, 매우 적은 양의 윤활유를 소모하고 작동 이동 범위를 줄이며, 이는 고속 작동성을 제공한다.
가스 터빈의 작동 동안, 공기가 먼저 압축기에 의해 압축된 후, 압축된 공기는 연료와 혼합된다. 그 다음, 연료-공기 혼합물이 연소되어 고온 고압 연소 가스를 생성하고, 고온 고압 연소 가스는 터빈을 향해 분출된다. 분출된 연소 가스는 터빈 베인과 터빈 블레이드를 통과함으로써 회전력을 생성하며, 이는 로터를 회전시킨다.
가스 터빈의 효율에 영향을 미치는 다양한 요인이 있다. 가스 터빈 분야에서의 최근 개발은 연소기의 연소 효율에서의 개선, 터빈 유입구 온도의 증가를 통한 열역학적 효율에서의 개선 및 압축기와 터빈의 공기 역학 효율에서의 개선과 같은 다양한 양태에서 진행되고 있다.
고온 고압 연소 가스가 터빈으로 배출될 때, 터빈 베인은 영역이 연소 가스에 직접 노출되는지 여부에 따라 그 영역에 걸쳐 1000도 이상의 온도 변화를 보인다. 과도한 온도 변화는 열팽창으로 인한 열 응력을 유발하여 터빈 베인의 파손을 유발할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 터빈 베인을 냉각시키는 효율적인 기술을 제공할 필요가 있다.
하나 이상의 예시적인 실시예의 양태는 가스 터빈의 터빈 노즐 후방 내경 및 외경에 위치되는 포켓을 덮어 후방 내경 포켓 및 외경 포켓의 응력을 감소시키는 커버 플레이트를 갖는 가스 터빈 노즐 어셈블리를 제공한다.
추가적인 양태는 이어지는 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 부분적으로는 설명으로부터 명백해질 것이거나, 또는 예시적인 실시예의 실시에 의해 학습될 수 있다.
예시적인 실시예의 양태에 따르면, 내경으로부터 외경으로 연장되고, 리딩 엣지(leading edge)와 트레일링 엣지(trailing edge)를 갖는 에어포일(airfoil) 형상 단면 및 각각 리딩 엣지로부터 트레일링 엣지로 연장되는 압력측과 흡입측을 갖는 터빈 노즐을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리가 제공된다. 여기서, 터빈 노즐은, 에어포일 내에 위치되는 복수의 공동을 포함하는 중공 에어포일; 중공 에어포일의 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트; 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트; 및 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬을 포함한다.
터빈 노즐 어셈블리는 에어포일의 리딩 엣지에 위치된 냉각 구멍을 더 포함할 수 있다.
냉각 구멍은 좌우 대칭 패턴을 가질 수 있다.
인서트는 파이프형 형상을 가질 수 있다.
인서트는 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함할 수 있다.
반경 방향으로 횡단하는 단면도에서, 인서트는 공동의 단면 형상과 유사한 단면 형상을 가질 수 있어서, 에어포일의 내부 표면과 공동 내에서 인서트의 외부 표면 사이에 형성된 환형 공간이 균일한 폭을 가지는 구조가 형성된다.
복수의 공동은 복수의 리브에 의해 형성될 수 있다.
커버 플레이트는 응력을 감소시키기 위해 내경 및 외경의 후방 부분에 위치되는 포켓들을 덮을 수 있다.
커버 플레이트는 오목한 커버 플레이트일 수 있다.
충돌 팬은 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예의 양태에 따르면, 리딩 엣지 및 트레일링 엣지, 리딩 엣지와 트레일링 엣지 사이의 측벽, 및 에어포일을 지지하기 위해 에어포일의 대향 단부에 배치된 내경 및 외경을 가지는 중공 에어포일 - 에어포일 내에 복수의 공동이 형성되고 에어포일의 리딩 엣지에 복수의 냉각 구멍이 형성됨 -; 중공 에어포일의 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트; 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트; 및 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리가 제공된다.
에어포일의 리딩 엣지에 위치된 복수의 냉각 구멍은 좌우 대칭 패턴을 가질 수 있다.
인서트는 파이프형 형상을 가질 수 있다.
인서트는 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함할 수 있다.
커버 플레이트는 응력을 감소시키기 위해 내경 및 외경의 후방 부분에 위치되는 포켓들을 덮을 수 있다.
커버 플레이트는 오목한 커버 플레이트일 수 있다.
충돌 팬은 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 공기를 압축하도록 구성되는 압축기; 압축기로부터 공급되는 압축 공기를 연소용 연료와 혼합하여 연소 가스를 생성하는 연소기; 및 복수의 터빈 노즐 및 연소 가스에 의해 회전되어 동력을 생성하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈이 제공되고, 터빈 노즐 각각은, 내경으로부터 외경으로 연장되고, 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일 형상 단면과 각각 리딩 엣지로부터 트레일링 엣지로 연장되는 압력측 및 흡입측을 포함하고, 터빈 노즐은, 에어포일 내에 위치되는 복수의 공동을 포함하는 중공 에어포일; 중공 에어포일의 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트; 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트; 적어도 하나가 내경 및 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬; 및 에어포일의 리딩 엣지에 위치되고 좌우 대칭 패턴을 가지는 복수의 냉각 구멍을 포함한다.
인서트는 파이프형 형상을 가지며 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함할 수 있다.
커버 플레이트는 응력을 감소시키기 위해 내경 및 외경의 후방 부분에 위치되는 포켓들을 덮을 수 있고, 오목화된 커버 플레이트이다.
전술한 양태 및 다른 양태는 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 여기서:
도 1은 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈을 나타내는 부분 절개 사시도이며;
도 2는 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며;
도 3은 예시적인 실시예에 따른 터빈의 개략도이고;
도 4는 예시적인 실시예에 따른 터빈 노즐 어셈블리의 단면도이고;
도 5는 예시적인 실시예에 따른 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 하향 측면 사시도이고;
도 6은 예시적인 실시예에 따른 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 상향 측면 사시도이고; 그리고
도 7은 예시적인 실시예에 따른 냉각 구멍을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 전방 사시도이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈을 나타내는 부분 절개 사시도이며;
도 2는 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며;
도 3은 예시적인 실시예에 따른 터빈의 개략도이고;
도 4는 예시적인 실시예에 따른 터빈 노즐 어셈블리의 단면도이고;
도 5는 예시적인 실시예에 따른 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 하향 측면 사시도이고;
도 6은 예시적인 실시예에 따른 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 상향 측면 사시도이고; 그리고
도 7은 예시적인 실시예에 따른 냉각 구멍을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 전방 사시도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시 내용을 용이하게 실시할 수 있도록 다양한 변형예 및 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 설명될 것이다. 그러나, 다양한 실시예는 본 개시 내용의 범위를 특정 실시예로 제한하기 위한 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 사상 및 범위 내에 포함된 실시예의 모든 수정물, 균등물 및 대안물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 이해해야 한다.
이하, 예시적인 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 본 개시 내용을 통해, 동일한 참조 번호는 다양한 도면 및 예시적인 실시예 전체를 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다. 특정 실시예에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 본 개시 내용의 이해를 흐리게 하는 것을 방지하기 위해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다. 동일한 이유로, 일부 컴포넌트는 첨부된 도면에서 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈을 도시하는 부분 절개 사시도이다. 도 2는 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 가스(예를 들어, 압축 공기 또는 연소 가스)의 흐름 방향에 따라, 압축기(1100)는 가스 터빈(1000)의 상류 측에 배치되고, 터빈(1300)은 가스 터빈(1000)의 하류 측에 배치된다. 연소기(1200)는 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에 배치된다.
압축기(1100)는 압축기 하우징 내에 압축기 베인(1120) 및 압축기 로터를 포함한다. 터빈(1300)은 터빈 하우징 내에 터빈 베인(1320) 및 터빈 로터를 포함한다. 압축기 베인(1120)과 압축기 로터는 압축 공기의 흐름 방향을 따라 다중 스테이지 배열로 배열된다. 터빈 베인(1320) 및 터빈 로터는 연소 가스의 흐름 방향을 따라 다중 스테이지 배열로 배열된다. 압축기(1100)는 압축기(1100) 내로 인입된 공기가 압축될 수 있도록 내부 공간이 전방 스테이지로부터 후방 스테이지로 크기가 점차 감소되도록 설계된다. 한편, 터빈(1300)은 연소기(1200)로부터 공급받은 연소 가스가 팽창할 수 있도록 내부 공간이 전방 스테이지로부터 후방 스테이지로 크기가 점차 증가되도록 설계된다.
상기 터빈(1300)에 의해 생성된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하기 위한 토크 튜브는 압축기(1100)의 최후방 스테이지에 위치된 압축기 로터와, 터빈(1300)의 최전방 스테이지에 위치된 터빈 로터 사이에 배치된다. 도 2는 토크 튜브 디스크가 3개 스테이지 배열로 배열된 다수의 토크 튜브 디스크를 포함하는 경우를 도시하지만, 이것이 단지 예시일 뿐이고 다른 예시적인 실시예는 이에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 토크 튜브는 4개 이상의 스테이지의 배열 또는 2개 이하의 스테이지의 배열로 배열된 다수의 토크 튜브 디스크를 포함할 수 있다.
압축기 로터의 각각은 압축기 로터 디스크 및 압축기 로터 디스크에 체결된 압축기 블레이드(1110)를 포함한다. 즉, 압축기(1100)는 복수의 압축기 로터 디스크를 포함하고, 각각의 압축기 로터 디스크는 타이 로드에 의해 서로 결합되어 축 방향으로 축 방향 이탈을 방지한다. 압축기 로터 디스크는 압축기 로터 디스크의 중심을 통해 연장되는 타이 로드와 함께 축 방향으로 배열된다. 인접하는 압축기 로터 디스크는 이의 대향하는 표면들이 타이 로드에 의해 서로 단단하게 체결됨으로써 서로 밀착되도록 배열되어, 인접하는 압축기 로터 디스크가 서로에 대해 회전할 수 없다. 압축기 로터 디스크의 각각은 이의 외주면에 반경 방향으로 결합되는 복수의 압축기 블레이드(1110)를 가진다.
압축기 블레이드(1110)(버킷이라고도 함)는 일렬로 각각의 압축기 로터 디스크의 외주면에 반경 방향으로 결합된다. 압축기 베인(1120)(노즐이라고도 함)은 각각의 스테이지에서 고리형 열(annular row)로 압축기 하우징의 내주면 상에 제공되고, 압축기 베인(1120) 열은 압축기 블레이드(1110) 열 사이에 배열된다. 타이 로드의 회전과 함께 로터 디스크가 회전하지만, 하우징에 고정된 컴프레서 베인(1120)은 회전하지 않는다. 압축기 베인(1120)은 전방 스테이지 압축기 블레이드로부터 후방 스테이지 압축기 블레이드로 이동된 압축 공기의 흐름을 안내한다.
타이 로드는 복수의 압축기 로터 디스크 및 터빈 로터 디스크의 중심을 통과하도록 배치된다. 타이 로드의 일단은 압축기(1100)의 최전방 스테이지에 위치된 압축기 디스크에 체결되고, 이의 타단은 체결 너트에 의해 토크 튜브에 체결된다.
타이 로드는 도 2에 도시된 예에 한정되지 않고, 하나 이상의 다른 실시예에 따라 달라지거나 또는 변경될 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 단일 타이 로드가 로터 디스크의 중심을 통과하도록 배치될 수도 있거나, 복수의 타이 로드가 원주 방향으로 배열될 수도 있거나, 이들의 조합이 사용될 수도 있다.
또한, 연소기(1200)의 흡입구로 진입하는 유체의 실제 유입 각도를 설계된 유입 각도로 조정하기 위하여 가이드 베인 역할을 하는 디스윌러(deswirler)(도시되지 않음)가 압축기(1100)에 제공될 수 있다.
연소기(1200)는 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하고, 연료-공기 혼합물을 연소시켜 고에너지를 갖는 고온 고압 연소 가스를 생성하고, 연소 가스의 온도를 연소기 및 터빈 컴포넌트가 등압 연소 과정을 견딜 수 있는 온도까지 증가시킨다.
가스 터빈의 연소기(1200)를 구성하는 복수의 연소기는 셀 형태로 하우징 내에 배치될 수 있다. 각각의 연소기는 연료 분사 노즐 등을 갖는 버너, 연소 챔버를 형성하는 연소기 라이너 및 연소기와 터빈 사이의 커넥터 역할을 하는 트랜지션 피스를 포함한다. 연소기(1200)는 연료 분사 노즐(1220)을 갖는 버너, 연소 챔버(1210)를 형성하는 연소기 라이너, 및 연소기와 터빈 사이의 커넥터 역할을 하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.
여기서, 연소기 라이너는 연료 분사 노즐을 통해 주입되는 연료와 압축기로부터 공급되는 압축 공기가 혼합되어 연소되는 연소 영역을 제공한다. 연소기 라이너는 연료-공기 혼합물이 연소되는 연소 영역을 제공하는 화염 튜브와 화염 튜브를 둘러싸서 화염 튜브와의 사이에 환형 공간을 제공하는 유동 슬리브를 포함한다. 연소기 라이너의 전단에는 연료 노즐이 결합되고, 연소기 라이너의 측면에는 스파크 점화기 플러그가 결합된다.
트랜지션 피스는 연소 가스를 터빈 측으로 전달하기 위해 연소기 라이너의 후단부에 연결된다. 트랜지션 피스는 압축기로부터 공급되는 압축 공기에 의해 트랜지션 피스의 외부 벽면이 냉각되도록 구성된다. 따라서, 트랜지션 피스가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해, 트랜지션 피스에는 압축 공기가 트랜지션 피스 내로 취입되는 냉각 구멍이 제공된다. 압축 공기는 트랜지션 피스의 본체 내부를 냉각시킨 후 연소기 라이너 측으로 흐른다.
트랜지션 피스를 냉각하는데 사용되는 냉각 공기는 연소기 라이너의 환형 공간을 통해 흐른다. 연소기 라이너는 유동 슬리브에 형성된 냉각 구멍을 통해 환형 공간으로 외부 유입된 냉각 공기가 연소기 라이너의 외부 벽에 충돌하도록 구성된다.
연소기(1200)로부터 공급된 고온 고압 연소 가스는 터빈(1300) 내로 흐르고 터빈(1300) 내부를 통과하면서 팽창하여, 터빈 블레이드(1310)에 충격력 또는 반동력을 가하여 회전 토크를 생성한다. 회전 토크의 일부는 토크 튜브를 통해 압축기(1100)로 전달되고, 잉여 토크인 나머지 부분은 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 데 사용된다.
터빈(1300)은 기본적으로 압축기(1100)와 유사한 구조를 갖는다. 즉, 터빈(1300)은 압축기 로터와 유사한 복수의 터빈 로터를 포함할 수 있고, 각각의 터빈 로터는 터빈 로터 디스크 및 터빈 로터 디스크에 고정된 터빈 블레이드(1310)를 포함할 수 있다. 복수의 터빈 블레이드(1310)(버킷이라고도 함)는 반경 방향으로 배치된다. 복수의 터빈 베인(1320)(노즐이라고도 함)은 각각의 스테이지에서 고리형 열로 터빈 하우징의 내주면 상에 고정 배열되고, 터빈 베인(1320)의 열은 터빈 블레이드(1310)의 열 사이에 배열된다. 터빈 베인(1320)은 터빈 블레이드(1310)를 통과하는 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 터빈(1300)의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 터빈(1300)은 복수의 노즐과 복수의 버킷을 사용하는 복수의 터빈 스테이지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터빈은 노즐(20) 및 버킷(10)을 갖는 제1 스테이지, 노즐(26) 및 버킷(16)을 갖는 제2 스테이지, 노즐(32) 및 버킷(22)을 갖는 제3 스테이지, 노즐(38) 및 버킷(28)을 갖는 제4 스테이지, 노즐(44) 및 버킷(34)을 갖는 제5 스테이지, 및 노즐(50) 및 버킷(40)을 갖는 제6 스테이지를 포함할 수 있다. 예시와 설명의 편의상, 도 3은 6개의 예시적인 스테이지를 예시하지만, 이것은 단지 예일 뿐이고 임의의 수의 스테이지가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 터빈 노즐 어셈블리의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 터빈 노즐 어셈블리(300)는 리딩 엣지(311), 트레일링 엣지(312), 압력측(313) 및 흡입측(314)을 갖는 에어포일 형상 단면을 갖는 터빈 베인 에어포일(310)을 포함한다. 압력측(313) 및 흡입측(314)은 리딩 엣지(311)로부터 트레일링 엣지(312)로 연장되도록 형성된다. 터빈 베인 에어포일(310)에서, 복수의 공동(332)이 압력측(313)으로부터 흡입측(314)까지 연장되는 복수의 리브(330)에 의해 형성된다.
도 4는 터빈 노즐 어셈블리(300)가 터빈 베인 에어포일(310)에 삽입되는 인서트(400)를 포함하는 상태를 예시한다. 터빈 베인 에어포일(310)은 압력측(313)으로부터 흡입측(314)까지 연장되는 복수의 리브(330)에 의해 형성되는 복수의 공동(332)을 포함한다. 복수의 리브(330)는 내경(320)과 외경(330)에 교대로 결합되어 터빈 베인 에어포일(310)의 반경 방향으로 흐르는 압축 공기의 흐름 방향이 여러 차례 반전되는 구불구불한 유동 경로를 형성한다.
인서트(400)를 통과하는 냉각 유체, 특히 냉각 공기는 충돌 제트(impinging jet)로 지칭되며, 충돌 제트가 터빈 노즐 어셈블리(300)의 측벽과 접촉함으로써 터빈 노즐 어셈블리(300)를 냉각시키는 냉각 작용은 충돌 냉각으로 지칭된다. 인서트(400)는 터빈 노즐 어셈블리(300)에서 충돌 냉각을 위한 내부 벽면 역할을 하며, 파이프 벽을 관통하도록 형성된 복수의 관통 구멍을 갖는 파이프 형태로 형성된다. 반경 방향으로 가로지르는 방향에서 본 터빈 베인 에어포일(310)의 단면도에서, 인서트(400)는 공동(332)의 단면 형상과 유사한 단면 형상을 갖는다. 터빈 베인 에어포일(310)의 내부 표면과 공동(332)에서 인서트(400)의 외부 표면 사이에 형성되는 환형 공간은 폭이 균일하여 터빈 베인 에어포일(310)의 내부 표면 전체에 걸쳐 균일한 충돌 냉각 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 터빈 노즐 어셈블리(300)에 형성되는 공동의 일부에는 인서트(400)가 제공되지 않는다. 예를 들어, 트레일링 엣지(312)에 가장 가까운 공동(332)은 좁기 때문에, 그 공동에는 인서트(400)가 제공되지 않는다. 즉, 예시적인 실시예는 모든 공동(332)에 인서트(400)가 제공되는 터빈 노즐 어셈블리(300)로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 하향 측면 사시도이다. 도 6은 예시적인 실시예에 따른 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리의 상향 측면 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 터빈 노즐 어셈블리(300)는 터빈 베인 에어포일(310)과 내경 및 외경(320, 330)을 각각 포함한다. 내경 및 외경(320, 330) 각각에는 응력 완화 포켓(150) 및 응력 완화 포켓(160)이 각각 제공된다. 또한, 내경 및 외경(320, 330) 각각에는 응력 완화 포켓(150, 160)을 각각 덮는 커버 플레이트(350, 360)가 제공된다.
내경(320)으로부터 외경(330)으로 연장되는 터빈 베인 에어포일(310)은 리딩 엣지(311), 트레일링 엣지(312), 압력측(313) 및 흡입측(314)을 포함한다. 여기서, 리딩 엣지(311)는 터빈 베인 에어포일(310)을 따라 흐르는 유체와 충돌하는 전방 단부를 말하고, 트레일링 엣지(312)는 터빈 베인 에어포일(310)의 후방 단부를 지칭한다. 압력측(313)은 유동하는 유체로 인해 압력을 받는다.
내경(320)은 외부 표면(362), 내부 표면(364), 및 플랫폼부(322)를 포함한다. 내경(320)은 중심축에 대해 반경 방향 내측으로 연장되는 후방 플랜지(324)와 같은 적어도 하나의 플랜지를 포함한다. 예를 들어, 후방 플랜지(324)는 내경(320)의 반경방향 내부 표면(364)에 대해 내경(320)으로부터 반경방향 내측으로 연장된다. 내경(320)은 그로부터 반경방향 내측으로 연장되는 전방 플랜지(326)를 더 포함한다. 예를 들어, 전방 플랜지(326)는 내부 표면(364)으로부터 반경방향 외측으로 연장된다.
외경(330)은 외부 표면(342), 내부 표면(344), 및 플랫폼부(332)를 포함한다. 외경(330)은 그로부터 대체로 반경방향 외측으로 연장되는 후방 플랜지(334)와 같은 적어도 하나의 플랜지를 포함한다. 예를 들어, 후방 플랜지(334)는 외경(330)의 반경방향 외부 표면(342)에 대해 외경(330)으로부터 반경 방향 외측으로 연장된다. 또한, 돌출부(336)와 같은 적어도 하나의 돌출부는 후방 플랜지(334)로부터 축방향으로 연장된다. 외경(330)은 그로부터 반경방향 외측으로 연장되는 전방 플랜지(338)를 더 포함한다. 예를 들어, 전방 플랜지(338)는 외경(330)의 외부 표면(342)으로부터 반경방향 외측으로 연장된다.
내경(320)과 외경(330)은 터빈 베인 에어포일(310)을 지지하도록 터빈 베인 에어포일(310)의 양단부에 위치된다. 터빈 노즐 어셈블리(300)는 내경(320)이 가스 터빈의 회전축 방향으로 위치되고 외경(330)이 가스 터빈의 회전축의 외측에 위치되도록 구성된다.
플랫폼부(322, 332) 각각은 터빈 베인 에어포일(310)과 대향하는 평탄한 표면을 갖는 플레이트의 형상을 가질 수 있다. 플랫폼부(322, 332)의 외부 표면, 즉, 터빈 베인 에어포일(310)과 마주하는 평탄한 표면에 대향하는 표면에는 플랜지(324, 326, 334, 338)가 배치되며, 플랫폼부(322, 332)으로부터 외측으로 연장된다.
터빈 노즐 어셈블리(300)는 외경(330)의 외부 표면(342) 내에 형성된 응력 완화 포켓(150) 및 내경(320)의 내부 표면(364) 내에 형성된 응력 완화 포켓(160)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 응력 완화 포켓(150, 160)은 외경(330)의 외부 표면(342) 및 내경(320)의 내부 표면(364) 내에 각각 형성된 개구이다. 여기서, 외경(330)의 외부 표면(342)을 형성하는 재료를 제거하여 응력 완화 포켓(150)을 형성한다. 예를 들어, 응력 완화 포켓(150)은 방전 가공과 같은 전기가공 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 응력 완화 포켓(150)은 또한 주조 공정 중에 또는 관련 기술의 기계 가공 공정을 사용하여 외경(330)의 외부 표면(342) 내에 형성될 수 있다. 응력 완화 포켓(160)은 응력 완화 포켓(150)과 실질적으로 동일한 방식으로 형성된다. 응력 완화 포켓(150, 160)은 터빈 노즐 어셈블리(300)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 작동할 수 있게 하는 임의의 프로세스를 이용하여 외경(330)의 외부 표면(342) 및 내경(320)의 내부 표면(364) 내에 각각 형성될 수 있다.
예를 들어, 응력 완화 포켓(150 및 160)은 응력 완화 포켓(150 및 160)이 응력 완화 포켓(150, 160)이 여기에 설명되어 있는 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 깊이로 외경(330)의 외부 표면(342) 및 내경(320)의 내부 표면(364) 내로 연장될 수 있다. 또한, 직사각형 개구로 예시되어 있지만, 응력 완화 포켓(150 및 160)은 응력 완화 포켓(150 및 160)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 형상 또는 크기를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 응력 완화 포켓(150, 160)의 길이, 깊이 및 높이는 터빈 노즐 어셈블리(300)에 대한 다른 영향을 최소화하면서 응력 감소를 최대화하도록 최적화될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 응력 완화 포켓(150)은 터빈 베인 에어포일(310)의 트레일링 엣지(312)에 근접하여 외경(330) 내에 형성된다. 유사하게, 응력 완화 포켓(160)은 터빈 베인 에어포일(310)의 트레일링 엣지(312)에 근접하여 내경(320) 내에 형성된다. 즉, 응력 완화 포켓(150)은 터빈 베인 에어포일(310)의 팁으로부터 외측으로 형성되고, 응력 완화 포켓(160)은 터빈 베인 에어포일(310)의 루트(root)로부터 내측으로 형성된다.
트레일링 엣지(312)는 리딩 엣지(311)보다 얇다. 리딩 엣지(311)와 비교하여 트레일링 엣지(312)를 따라 존재하는 재료의 상이한 양은 온도 변화가 리딩 엣지(311)와 상이하게 트레일링 엣지(312)에 영향을 미치게 한다. 엔진 시동 및 엔진 정지 동안 발생하는 온도 변화는 터빈 노즐 어셈블리(300)에 응력을 유발할 수 있다. 응력은 압축 응력 및/또는 인장 응력을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔진 시동 동안, 고온 고압 연소 가스가 이전에 주위 온도에 있었던 터빈 베인 에어포일(310)을 지나 흐를 때, 트레일링 엣지(312)는 리딩 엣지(311)보다 더 빠르게 가열된다. 이러한 가열은 트레일링 엣지(312)의 더 큰 팽창을 유발하고, 따라서 리딩 엣지(311)에서의 내경 및 외경(320, 330) 사이보다 트레일링 엣지(312)에서의 내경 및 외경(320, 330) 사이에서 더 큰 압축이 발생한다. 반대로, 엔진 정지 동안, 트레일링 엣지(312)는 리딩 엣지(311)보다 더 빠르게 냉각된다. 이러한 냉각은 트레일링 엣지(312)의 더 큰 수축을 유발하고, 따라서 리딩 엣지(311)에서보다 트레일링 엣지(312)에서 더 큰 장력을 유발한다. 응력 완화 포켓(150, 160)은 리딩 엣지(311)에서 내경 및 외경(320, 330)의 유연성을 증가시키는 것을 용이하게 하고, 이에 의해 전체 응력의 압축성 부분 및 장력 부분 모두의 크기를 감소시킨다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 커버 플레이트(360)는 내경(320)의 내부 표면(364)에 인접하게 위치될 수 있고, 커버 플레이트(350)는 응력 완화 포켓(160, 150)을 각각 덮도록 외경(330)의 외부 표면(342)에 인접하게 위치될 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트(350, 360)는 오목화된 커버 플레이트일 수 있다. 여기서, 예시적인 실시예에 따른 터빈 베인 에어포일(310)을 포함하는 터빈 노즐 어셈블리(300)는 오목화된 커버 플레이트(350, 360)를 갖는 커버로 응력 완화 포켓(150, 160)을 덮음으로써 현장에서의 용접 균열 문제를 해결할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 터빈 노즐 어셈블리(300)는 외경(330)의 외부 표면(342)에 형성된 충돌 팬(370) 및 내경(320)의 내부 표면(364)에 형성된 충돌 팬(380)을 포함한다. 예를 들어, 충돌 냉각 공기가 외경(330)의 외부 표면(342) 및 내경(320)의 내부 표면(364)을 각각 냉각시키기 위해 충돌 팬(370 및 380)을 통과한다. 외경(330) 및 내경(320) 각각은 외경 외부 표면 및 내경 내부 표면(342, 364) 내로 원주방향으로 연장되는 밀봉 슬롯(140)을 포함한다. 밀봉 슬롯(140)은 냉각 공기가 흐름 경로로 누출되는 것을 방지하는 밀봉을 수용하는 크기를 가진다.
충돌 팬(370, 380)은 플랫폼부를 국부적으로 덮도록 외경(330) 및 내경(320)의 노출된 표면에 적절하게 납땜된 얇은 판금일 수 있다. 충돌 팬(370, 380)은 외경(330) 및 내경(320)의 충돌 냉각을 제공하기 위해 충돌 구멍을 포함할 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 냉각 구멍을 포함하는 터빈 베인의 전방 사시도이다.
도 7을 참조하면, 터빈 노즐 어셈블리(300)의 예시적인 실시예는 내경(320)에서 외경(330)으로 연장되는 터빈 베인 에어포일(310)을 포함한다. 터빈 베인 에어포일(310)은 리딩 엣지(311) 및 트레일링 엣지(312)를 포함한다. 터빈 베인 에어포일(310)은 복수의 냉각 구멍(390)을 더 포함한다. 일반적으로, 냉각 구멍은 그룹화되거나 패턴으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 냉각 구멍들(390)은 냉각 구멍들(390)이 축 위치를 따라 반경방향으로 이격되는 다수의 열로 배열될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각 구멍들(390)은 터빈 베인 에어포일(310)의 리딩 엣지(311)에 위치되며 좌우 대칭 패턴을 가질 수 있다. 즉, 터빈 베인 에어포일(310)은 외경(330)과 내경(320) 사이의 리딩 엣지(311)를 따라 반경방향으로 분포된 냉각 구멍들(390)을 포함한다.
도 7은 터빈 베인 에어포일(310)의 리딩 엣지(311)를 따른 반경방향 단면의 냉각 구멍들(390)의 예시적인 반경방향 열 또는 행을 예시한다. 냉각 구멍(390)은 중공 터빈 베인 에어포일(310)의 내부로부터 내경(320) 측으로 측벽을 통해 외측으로 사용된 냉각 공기를 배출하기 위해 주변 내경(320)을 향해 반경방향 내측으로 경사질 수 있다. 또한, 냉각 구멍(390)은 외경(330) 측으로 측벽을 통해 외측으로 사용된 냉각 공기의 다른 부분을 배출하기 위해 주변 외경(330)을 향하여 반경방향 외측으로 경사질 수 있다. 경사진 냉각 구멍(390)의 초기 또는 기본 목적은 외부 필름 냉각을 제공할 뿐만 아니라 구멍이 위치하는 터빈 베인 에어포일 측벽의 내부 대류 냉각을 제공하는 것이다.
예를 들어, 도 7은 예시적인 단일 주조 제조에서 터빈 베인 에어포일(310) 자체의 양단부로부터 측방향 외측으로 연장되거나 캔틸레버(cantilever)되는 일체형 외경 및 내경(330, 320)을 도시한다. 따라서, 외경 및 내경(330, 320) 자체가 오버행(overhang)으로 인해 냉각 구멍(390)의 천공을 방해한다.
냉각 구멍(390)은 레이저 드릴링 또는 방전 가공(EDM)과 같은 임의의 공지된 공정에 의해 제조될 수 있다. 터빈 베인 에어포일(310)의 중간 스팬 근처에서, 외경 및 내경(330, 320)은 최소한의 오버행 방해를 제공하고 대응하는 냉각 구멍(390)이 선호되는 경사각으로 비교적 얕게 천공되도록 한다.
도 7에 도시된 예시적인 실시예에서, 냉각 구멍(390)의 패턴은 서로 측방향 또는 원주방향으로 이격된 다수의 반경방향 열을 포함한다. 냉각 구멍(390)은 좌우 대칭 패턴으로 리딩 엣지(311)를 따라 배열된다. 예를 들어, 냉각 구멍(390)의 통로의 단면은 원형 또는 타원형일 수 있다. 그러나, 냉각 구멍(390)은 응용에 따라 여러 패턴 또는 배열로 배치될 수 있음이 이해된다.
따라서, 냉각 구멍(390)은 입사 연소 가스로부터의 열 유입에 대해 터빈 베인 에어포일(310)의 리딩 엣지(311)를 효과적으로 냉각시킬 뿐만 아니라 내경(320) 및 외경(330) 모두의 근처에서 연소 가스의 반경방향 온도 프로파일을 크게 변경시킨다.
리딩 엣지(311)에서의 터빈 베인 냉각의 간단한 변형은 냉각 공기 요구량을 감소시키고 그에 따라 엔진 효율을 더 증가시키기 위한 하류 유동 경로 구성요소의 상응하는 변형을 허용한다. 또한, 터빈 베인의 내경 및 외경 근처의 연소 가스 온도를 낮추는 것에 의해, 해당 부분의 내구성을 향상시켜 그 유효 수명을 극대화함과 동시에 엔진 성능을 향상시킬 수 있다.
하나 이상의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명되었지만, 형태 및 세부 사항에서의 다양한 수정 및 변경이 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되어야 한다. 따라서, 예시적인 실시예에 대한 설명은 청구 범위를 제한하기 위한 것이 아닌 단지 설명적인 의미로 해석되어야 하며, 많은 대안, 수정 및 변형이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Claims (20)
- 터빈 노즐 어셈블리로서:
내경으로부터 외경으로 연장되고, 리딩 엣지와 트레일링 엣지를 갖는 에어포일 형상 단면 및 각각 상기 리딩 엣지로부터 상기 트레일링 엣지로 연장되는 압력측과 흡입측을 갖는 터빈 노즐
을 포함하고,
상기 터빈 노즐은:
복수의 공동을 포함하는 중공 에어포일 - 상기 복수의 공동은 상기 에어포일 내에 위치됨 -;
상기 중공 에어포일의 상기 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트;
적어도 하나가 상기 내경 및 상기 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트; 및
적어도 하나가 상기 내경 및 상기 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬
을 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리. - 제1항에 있어서, 상기 에어포일의 상기 리딩 엣지에 위치된 냉각 구멍을 더 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제2항에 있어서, 상기 냉각 구멍은 좌우 대칭 패턴을 가지는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제1항에 있어서, 상기 인서트는 파이프형 형상을 가지는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제4항에 있어서, 상기 인서트는 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제4항에 있어서, 상기 인서트는 반경방향 횡단 방향으로 상기 공동의 단면 형상과 유사한 단면 형상을 가져서, 상기 에어포일의 내부 표면과 상기 공동 내에서 상기 인서트의 외부 표면 사이에 형성된 환형 공간이 균일한 폭을 가지는 구조가 형성되는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 공동은 복수의 리브에 의해 형성되는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제1항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 응력을 감소시키기 위해 상기 내경 및 상기 외경의 후방 부분에 위치되는 포켓들을 덮는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제1항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 오목화된 커버 플레이트인, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제1항에 있어서, 상기 충돌 팬은 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 터빈 노즐 어셈블리로서:
리딩 엣지, 트레일링 엣지, 상기 리딩 엣지와 상기 트레일링 엣지 사이의 측벽, 및 에어포일을 지지하기 위해 상기 에어포일의 양단부에 배치된 내경 및 외경을 가지는 중공 에어포일 - 상기 에어포일 내에 복수의 공동이 형성되고 상기 에어포일의 상기 리딩 엣지에 복수의 냉각 구멍이 형성됨 -;
상기 중공 에어포일의 상기 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트;
적어도 하나가 상기 내경 및 상기 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트; 및
적어도 하나가 상기 내경 및 상기 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬
을 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리. - 제11항에 있어서, 상기 에어포일의 상기 리딩 엣지에 위치된 상기 복수의 냉각 구멍은 좌우 대칭 패턴을 가지는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제11항에 있어서, 상기 인서트는 파이프형 형상을 가지는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제13항에 있어서, 상기 인서트는 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제11항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 응력을 감소시키기 위해 상기 내경 및 상기 외경의 후방 부분에 위치되는 포켓들을 덮는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제11항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 오목화된 커버 플레이트인, 터빈 노즐 어셈블리.
- 제11항에 있어서, 상기 충돌 팬은 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함하는, 터빈 노즐 어셈블리.
- 가스 터빈으로서:
공기를 압축하도록 구성되는 압축기;
상기 압축기로부터 공급되는 압축 공기를 연소용 연료와 혼합하여 연소 가스를 생성하는 연소기; 및
복수의 터빈 노즐 및 연소 가스에 의해 회전되어 동력을 생성하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈
을 포함하고,
상기 터빈 노즐 각각은, 상기 내경으로부터 상기 외경으로 연장되고, 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일 형상 단면과 각각 상기 리딩 엣지로부터 상기 트레일링 엣지로 연장되는 압력측 및 흡입측을 포함하고,
상기 터빈 노즐은:
복수의 공동을 포함하는 중공 에어포일 - 상기 복수의 중공은 상기 에어포일 내에 위치됨 -;
상기 중공 에어포일의 상기 복수의 공동 중 하나 이상에 위치된 인서트;
적어도 하나가 상기 내경 및 상기 외경 중 하나에 위치되는 복수의 커버 플레이트;
적어도 하나가 상기 내경 및 상기 외경 중 하나에 위치되는 복수의 충돌 팬; 및
상기 에어포일의 상기 리딩 엣지에 위치되고 좌우 대칭 패턴을 가지는 복수의 냉각 구멍
을 포함하는, 가스 터빈. - 제18항에 있어서, 상기 인서트는 파이프형 형상을 가지며 그 표면에 형성된 복수의 관통 구멍을 포함하는, 가스 터빈.
- 제18항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 응력을 감소시키기 위해 상기 내경 및 상기 외경의 후방 부분에 위치되는 포켓들을 덮고, 오목화된 커버 플레이트인, 가스 터빈.
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