KR20230027211A - 터빈 블레이드 및 그 가공 방법 - Google Patents

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마틴 뵈프
토마스 루다
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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 블레이드 루트(2) 및 이 블레이드 루트(2) 위에 배치되고 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일(3)을 갖는 가스 터빈용 터빈 블레이드(1)에 관한 것으로, 상기 블레이드 에어포일(3)은, 작동 매체가 유입될 수 있는 블레이드 에어포일(3)의 선단 에지(7)에서부터 블레이드 에어포일(3)의 후단 에지(8)까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽(4) 및 흡입측 블레이드 벽(5)을 가지며, 압력측 블레이드벽(4)에 복수의 냉각 공기 배출구(9)가 형성되고, 이들은 각각 블레이드 에어포일(3) 주위를 흐르는 작동 매체의 유동 방향과 관련하여 후단 에지(8)로부터 상류 방향으로 연장되며, 블레이드 에어포일(3)의 내부를 통해 전달되는 냉각 공기가 상기 냉각 공기 배출구를 통해 배출될 수 있으며, 냉각 공기 배출구(9) 중 적어도 하나는, 둥근 모서리(10)를 가지며 냉각 공기의 배출 방향으로 바람직하게 넓어지는, 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 가지며, 상기 터빈 블레이드는 적어도, 상기 적어도 하나의 냉각 공기 배출구(9)의, 선단 에지(7)를 향하는 하단 모서리가, 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부(12)를 갖는 릴리프 노치(11)를 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 터빈 블레이드(1)를 가공하는 방법에 관한 것이다.

Description

터빈 블레이드 및 그 가공 방법
본 발명은, 블레이드 루트 및 이 블레이드 루트 위에 배치되고 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일을 갖는 가스 터빈용 터빈 블레이드에 관한 것으로, 상기 블레이드 에어포일은, 작동 매체가 유입될 수 있는 블레이드 에어포일의 선단 에지에서부터 블레이드 에어포일의 후단 에지까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽 및 흡입측 블레이드 벽을 가지며, 압력측 블레이드 벽에 복수의 냉각 공기 배출구가 형성되고, 이들은 각각 후단 에지로부터 시작하여 블레이드 에어포일 주위를 흐르는 작동 매체의 유동 방향과 관련하여 상류 방향으로 연장되며, 블레이드 에어포일의 내부를 통해 전달되는 냉각 공기가 상기 냉각 공기 배출구를 통해 배출될 수 있으며, 냉각 공기 배출구들 중 적어도 하나는, 둥근 모서리를 가지며 냉각 공기의 배출 방향으로 바람직하게 넓어지는 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 갖는다. 본 발명은 또한 그러한 터빈 블레이드를 가공하는 방법에 관한 것이다.
도입부에 언급한 유형의 터빈 블레이드는 선행 기술에서 다양한 구성으로 공지되어 있다. 작동 중에는 터빈 블레이드가 높은 열부하에 노출되기 때문에, 수명을 늘리기 위해 베인 에어포일이 냉각된다. 이를 위해 냉각 공기가 블레이드 루트를 통해 블레이드 에어포일로 유입되며, 이 냉각 공기는 후단 에지 영역의 압력측 블레이드 벽에 제공된 냉각 공기 배출구들을 통해 실질적으로 축방향으로 작동 매체의 유동 덕트로 배출된다. 냉각 공기 배출구는 실질적으로 냉각 공기의 배출 방향으로 넓어지는 사다리꼴 및/또는 직사각형 형상을 가지며, 종종 컷백(Cut-Back) 개구라고도 한다. 한편으로는, 이러한 냉각 공기 배출구의 제공에 의해 블레이드 에어포일에 기하학적 응력이 유발되는 문제가 있다. 다른 한편으로, 냉각 공기에 의한 냉각이 냉각 공기 배출구의 영역에서 균일하지 않고, 이는 열적 유도 응력을 수반한다. 이러한 기하학적 및 열적 응력은 터빈 블레이드의 수명을 제한할 수 있으며, 유지보수 작업의 일환으로 터빈 블레이드를 자주 교체해야 하는 결과를 초래할 수 있다. 냉각 공기 배출구 영역에 있는 블레이드 에어포일을 보강하여 응력의 부정적인 영향을 극복하려는 시도는 성공적이지 못했다. 결과적으로 더 확장된 위험이 허용되거나 터빈 블레이드의 사용 수명이 제한되었다.
이러한 선행 기술에서 출발하여, 본 발명의 과제는 도입부에 언급한 유형의 개선된 터빈 블레이드를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 블레이드 루트 및 이 블레이드 루트 위에 배치되고 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일을 갖는 가스 터빈용 터빈 블레이드를 제공하며, 상기 블레이드 에어포일은, 작동 매체가 유입될 수 있는 블레이드 에어포일의 선단 에지에서부터 블레이드 에어포일의 후단 에지까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽 및 흡입측 블레이드 벽을 가지며, 압력측 블레이드 벽에 복수의 냉각 공기 배출구가 형성되고, 이들은 각각 후단 에지로부터 시작하여 블레이드 에어포일 주위를 흐르는 작동 매체의 유동 방향과 관련하여 상류 방향으로 연장되며, 블레이드 에어포일의 내부를 통해 전달되는 냉각 공기가 상기 냉각 공기 배출구를 통해 배출될 수 있으며, 냉각 공기 배출구들 중 적어도 하나는, 둥근 모서리를 가지며 냉각 공기의 배출 방향으로 바람직하게 넓어지는, 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 가지며, 상기 터빈 블레이드는, 적어도, 상기 적어도 하나의 냉각 공기 배출구의, 선단 에지를 향하는 하단 모서리가, 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부를 갖는 릴리프 노치(relief notch)를 형성하는 것을 특징으로 한다. 터빈 블레이드의 개발 중에, 냉각 공기 배출구 영역의 높은 응력은 주로 열에 기인하고, 기하학적 요인의 비율은 매우 적은 것으로 밝혀졌다. 이러한 배경에서, 적어도 가장 높은 응력을 받는 냉각 공기 배출구의 기하구조가, 선단 에지를 향하는 하단 모서리에 둥근 노치 바닥부를 갖는 릴리프 노치가 추가되는 방식으로 재설계되었다. 이 릴리프 노치가 해당 냉각 공기 배출구 영역에서 터빈 블레이드의 강성을 크게 감소시키더라도, 상기 릴리프 노치는 블레이드 에어포일의 열팽창을 지원하며, 그로 인해 터빈 블레이드 내부의 응력이 전체적으로 현저히 감소하고, 그 결과 사용 수명이 상당히 증가한다. 이러한 긍정적인 효과는 3D 유한요소 해석의 범주에서도 검증될 수 있었다.
본 발명의 한 변형예에 따르면, 릴리프 노치는 냉각 공기 배출구의 하단 에지의 라인을 계속 이어나가며, 냉각 공기 배출구의 하단 에지 상부에 배치된 노치 바닥부는 블레이드 에어포일의 선단 에지를 향한다. 이 변형예에서, 냉각 공기 배출구 영역의 블레이드 에어포일은 주조 기술적으로 언더컷 없이 제조될 수 있으며, 이는 기본적으로 바람직하다.
본 발명의 또 다른 변형예에 따르면, 릴리프 노치는 냉각 공기 배출구의 하단 에지에서 시작하여 둔각으로 비스듬하게 아래쪽으로 연장되며, 냉각 공기 배출구의 하단 에지 아래에 배치된 노치 바닥부는 블레이드 에어포일을 향한다. 이 변형예는 응력 기술 측면에서 유리하다. 그러나 주조 기술적으로 방해성 언더컷 없이는 제조될 수 없다.
릴리프 노치는 바람직하게 그 노치 바닥부에서 시작하여 컵 형태로 넓어지고, 그 결과 냉각 공기 배출구 영역에서 블레이드 에어포일의 특히 양호한 열팽창성이 달성된다.
적어도 하나의 냉각 공기 배출구는 최하부 냉각 공기 배출구인 것이 바람직한데, 그 이유는 그곳에서 가장 큰 열응력이 발생하기 때문이다.
또한, 본 발명은 블레이드 루트 및 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일을 갖는 터빈 블레이드를 가공하는 방법을 제공하며, 상기 블레이드 에어포일은, 작동 매체가 유입될 수 있는 블레이드 에어포일의 선단 에지에서부터 블레이드 에어포일의 후단 에지까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽 및 흡입측 블레이드 벽을 가지며, 압력측 블레이드 벽에 복수의 냉각 공기 배출구가 형성되고, 이들은 각각 후단 에지로부터 시작하여 블레이드 에어포일 주위를 흐르는 작동 매체의 방향과 관련하여 상류 방향으로 연장되며, 블레이드 에어포일의 내부를 통해 전달되는 냉각 공기가 상기 냉각 공기 배출구를 통해 배출될 수 있고, 냉각 공기 배출구들 중 하나는 둥근 모서리를 가진, 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 가지며, 상기 방법은, 본 발명에 따른 터빈 블레이드를 제조하기 위해 적어도, 상기 적어도 하나의 냉각 공기 배출구의, 선단 에지를 향하는 하단 모서리에, 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부를 갖는 릴리프 노치가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시예들의 하기 설명에 따라 명료해진다.
도 1은 공지된 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 2는 공지된 디자인의 냉각 공기 배출구를 보여주는, 도 1에서 참조 부호 II로 표시된 부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 수행한 후의, 도 1에 도시된 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 릴리프 노치를 갖는 냉각 공기 배출구를 보여주는, 도 3에서 참조 부호 IV로 표시된 부분의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 수행한 후의, 도 1에 도시된 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 릴리프 노치를 갖는 냉각 공기 배출구를 보여주는, 도 5에서 참조 부호 VI로 표시된 부분의 확대도이다.
하기에서 동일한 참조 부호는 유사한 구성요소 또는 구성요소 영역을 지칭한다.
도 1에는, 본 경우에 로터 블레이드인, 공지된 가스 터빈용 터빈 블레이드(1)가 도시되어 있다. 터빈 블레이드(1)는 블레이드 루트(2) 및 이 블레이드 루트(2) 위에 배치되고 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일(3)을 포함한다. 블레이드 에어포일(3)은, 작동 매체가 화살표(6)의 방향으로 유입될 수 있는 블레이드 에어포일(3)의 선단 에지(7)에서부터 블레이드 에어포일(3)의 후단 에지(8)까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽(4) 및 흡입측 블레이드 벽(5)을 갖는다. 압력측 블레이드 벽(4)에는 후단 에지(8)를 따라, 여기서는 이른바 컷백 개구로서 형성된 일련의 냉각 공기 배출구(9)가 제공된다. 냉각 공기 배출구(9)는 각각 후단 에지(8)로부터 시작하여 블레이드 에어포일(3) 주위를 흐르는 작동 매체의 유동 방향과 관련하여 상류 방향으로 연장되고, 블레이드 에어포일(3)의 내부에 존재하는, 여기에는 상세히 도시되지 않은 냉각 덕트를 통해 전달되는 냉각 공기를 실질적으로 축방향으로 작동 매체의 유동 덕트로 방출하는 역할을 한다. 냉각 공기 배출구(9)는, 둥근 모서리(10)를 가지며 여기서는 각각 냉각 공기의 배출 방향으로 넓어지는, 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 갖는다. 도 1에서 최하부 냉각 공기 배출구(9) 및 최상부 3개의 냉각 공기 배출구(9)의 형상은, 냉각 공기 배출 방향으로 약간 넓어지긴 하지만, 보다 직사각형으로 간주되는 반면, 나머지 냉각 공기 배출구(9)는 모두 보다 사다리꼴로 형성된다.
도 2는 최하부 냉각 공기 배출구(9)의 확대도를 도시하며, 최하부 냉각 공기 배출구의 영역에서 터빈 블레이드(1)의 작동 동안 열응력이 특히 높거나 가장 높은 것이 특징이다.
도 3 및 도 4에는 도 1 및 도 2에 도시된 터빈 블레이드(1)를 기초로 제조된, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 블레이드(1)가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 터빈 블레이드(1)는, 도 2와 도 4의 비교를 통해 알 수 있듯이, 최하부 냉각 공기 배출구(9)의 구성과 관련해서만 도 1 및 도 2에 도시된 터빈 블레이드(1)와 상이하다. 도 2에 도시된 냉각 공기 배출구(9)에 기초하여, 도 4에 도시된 냉각 공기 배출구(9)의, 선단 에지를 향하는 하단 모서리(10)는 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부(12)를 갖는 릴리프 노치(11)를 갖는다. 여기서 릴리프 노치(11)는 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13)의 라인을 계속 이어나가고, 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13)의 상부에 배치된 노치 바닥부(12)는 블레이드 에어포일(3)의 선단 에지(7)를 향한다. 이러한 릴리프 노치(11)는 예를 들어 절삭 가공 방법을 사용하여 도 2에 도시된 냉각 공기 배출구(9)에 도입될 수 있다. 상기 릴리프 노치는 터빈 블레이드(1)의 작동 중에 냉각 공기 배출구(9)의 영역에서 열응력을 현저히 감소시키며, 이는 터빈 블레이드(1)의 수명의 상당한 연장을 수반한다.
대안적으로, 도 3 및 도 4에 도시된 터빈 블레이드(1)를 재생산의 일환으로 제조하는 것도 물론 가능하다는 점을 주지해야 한다. 따라서 도 3 및 4에 도시된 터빈 블레이드(1)는 예를 들어 주조될 수 있고, 필요하다면 열적으로 그리고/또는 기계적으로 재가공될 수 있다. 도 4에 도시된 냉각 공기 배출구(9)는, 릴리프 노치(11)가 주조 코어(들)의 기하구조를 불필요하게 복잡하게 만들 수 있는 언더컷 영역을 생성하지 않기 때문에, 주조 기술에 의한 제조에 특히 적합하다.
도 5 및 도 6에는 도 1 및 도 2에 도시된 터빈 블레이드(1)를 기초로 제조된, 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 블레이드(1)가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 터빈 블레이드(1)는, 도 2와 도 6의 비교를 통해 알 수 있듯이, 최하부 냉각 공기 배출구(9)의 구성과 관련해서만 도 1 및 도 2에 도시된 터빈 블레이드(1)와 상이하다. 도 2에 도시된 냉각 공기 배출구(9)에 기초하여, 도 6에 도시된 냉각 공기 배출구(9)의, 선단 에지(7)를 향하는 하단 모서리(10)는 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부(12)를 갖는 릴리프 노치(11)를 갖는다. 릴리프 노치(11)는 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13)에서 시작하여 둔각으로 비스듬하게 아래쪽으로 연장된다. 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13) 하부에 배치된 노치 바닥부(12)는 블레이드 루트(2)를 향하며, 릴리프 노치(11)는 그의 노치 바닥부(12)에서 시작하여 컵 형태로 넓어진다.
도 6에 도시된 릴리프 노치(11)도 예를 들어 절삭 가공 방법을 사용하여 도 2에 도시된 냉각 공기 배출구(9)에 도입될 수 있다. 상기 릴리프 노치는 터빈 블레이드(1)의 작동 중에 냉각 공기 배출구(9)의 영역에서 열응력을 현저히 감소시키며, 이는 터빈 블레이드(1)의 수명의 상당한 연장을 수반한다. 응력 감소와 관련하여, 도 6에 도시된 냉각 공기 배출구(9) 또는 그 릴리프 노치(11)의 형상이 도 4에 도시된 형상보다 더 유리하다. 그러나 이 형상은, 도 5 및 도 6에 도시된 터빈 블레이드(1)가 재생산의 일환으로 구현될 경우, 주조 기술에 의해 고비용으로만 구현될 수 있는 언더컷을 갖는다.
본 발명이 바람직한 실시예에 의해 상세히 도시되고 기술되었다 해도, 본 발명은 개시된 실시예들로 한정되지 않으며, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 상기 실시예들로부터 다른 변형예들이 도출될 수 있다. 특히, 추가 냉각 공기 배출구(9) 및/또는 최하부 냉각 공기 배출구(9) 이외의 냉각 공기 배출구에도 릴리프 노치(11)가 제공될 수 있다.

Claims (6)

  1. 블레이드 루트(2) 및 이 블레이드 루트(2) 위에 배치되고 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일(3)을 갖는 가스 터빈용 터빈 블레이드(1)이며, 상기 블레이드 에어포일(3)은, 작동 매체가 유입될 수 있는 블레이드 에어포일(3)의 선단 에지(7)에서부터 블레이드 에어포일(3)의 후단 에지(8)까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽(4) 및 흡입측 블레이드 벽(5)을 가지며, 압력측 블레이드벽(4)에 복수의 냉각 공기 배출구(9)가 형성되고, 이들은 각각 블레이드 에어포일(3) 주위를 흐르는 작동 매체의 유동 방향과 관련하여 후단 에지(8)로부터 상류 방향으로 연장되며, 블레이드 에어포일(3)의 내부를 통해 전달되는 냉각 공기가 상기 냉각 공기 배출구를 통해 배출될 수 있으며, 냉각 공기 배출구(9) 중 적어도 하나는, 둥근 모서리(10)를 가지며 냉각 공기의 배출 방향으로 바람직하게 넓어지는, 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 갖는, 터빈 블레이드에 있어서,
    적어도, 상기 적어도 하나의 냉각 공기 배출구(9)의, 선단 에지(7)를 향하는 하단 모서리가, 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부(12)를 갖는 릴리프 노치(11)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 터빈 블레이드(1).
  2. 제1항에 있어서, 릴리프 노치(11)는 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13)의 라인을 계속 이어나가고, 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13)의 상부에 배치된 노치 바닥부(12)는 블레이드 에어포일(3)의 선단 에지(7)를 향하는 것을 특징으로 하는, 터빈 블레이드(1).
  3. 제1항에 있어서, 릴리프 노치(11)는 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지(13)에서 시작하여 둔각으로 비스듬하게 아래쪽으로 연장되며, 냉각 공기 배출구(9)의 하단 에지 하부에 배치된 노치 바닥부(12)는 블레이드 루트(2)를 향하는 것을 특징으로 하는, 터빈 블레이드(1).
  4. 제3항에 있어서, 릴리프 노치(11)는 그의 노치 바닥부(12)에서 시작하여 컵 형태로 넓어지는 것을 특징으로 하는, 터빈 블레이드(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 공기 배출구(9)는 최하부 냉각 공기 배출구(9)인 것을 특징으로 하는, 터빈 블레이드(1).
  6. 블레이드 루트(2) 및 공기역학적으로 만곡된 블레이드 에어포일(3)을 갖는 터빈 블레이드(1)를 가공하는 방법이며, 블레이드 에어포일(3)은, 작동 매체가 유입될 수 있는 블레이드 에어포일(3)의 선단 에지(7)에서부터 블레이드 에어포일(3)의 후단 에지(8)까지 함께 연장되는 압력측 블레이드 벽(4) 및 흡입측 블레이드 벽(5)을 가지며, 압력측 블레이드벽(4)에 복수의 냉각 공기 배출구(9)가 형성되고, 이들은 각각 블레이드 에어포일(3) 주위를 흐르는 작동 매체의 방향과 관련하여 후단 에지(8)로부터 상류 방향으로 연장되며, 블레이드 에어포일(3)의 내부를 통해 전달되는 냉각 공기가 상기 냉각 공기 배출구를 통해 배출될 수 있으며, 냉각 공기 배출구(9) 중 하나는 둥근 모서리(10)를 가진, 실질적으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상을 갖는, 터빈 블레이드 가공 방법에 있어서,
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 터빈 블레이드(1)를 제조하기 위해 적어도, 상기 적어도 하나의 냉각 공기 배출구(9)의, 선단 에지(7)를 향하는 하단 모서리(10)에, 직사각형 형상부로부터 외측으로 돌출하며 둥근 노치 바닥부(12)를 갖는 릴리프 노치(11)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 터빈 블레이드 가공 방법.
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