KR20230030449A

KR20230030449A - 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈

Info

Publication number: KR20230030449A
Application number: KR1020210112676A
Authority: KR
Inventors: 김광일; 송진우; 빌리 호프만; 헤르베르트 브란들
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-03-06
Also published as: KR102584495B1

Abstract

본 발명은 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어포일에 배출홀이 형성된 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 토크 및 출력이 향상된 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

Description

터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈{Turbine blade and turbine including the same}

본 발명은 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어포일에 배출홀이 형성된 터빈 블레이드 및 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 터빈의 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.

터빈 블레이드에서 반경방향으로 제일 외측에 위치하는 에어포일 팁은 터빈 슈라우드와 인접하게 배치되어 냉각이 매우 어려운 문제가 있다. 이를 위해서 종래에는 에어포일 팁의 둘레 방향으로 이어진 팁리브를 형성하고, 에어포일의 팁플레이트를 팁리브가 감싸도록 형성한 상태에서 팁플레이트에서 공기를 분사하여 에어포일 팁을 냉각하였다. 팁플레이트로 공기를 분사하면 압력 손실을 막고 팁플레이트를 냉각시킬 수는 있으나, 터빈의 회전력의 토크 및 출력을 증가시키지 못하는 문제가 있다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 토크 및 출력이 향상된 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 터빈 블레이드는 에어포일, 플랫폼, 배출홀을 포함한다. 에어포일은 압력면과 흡입면이 형성되고, 내부에 냉각 유체가 유동하는 냉각 유로가 형성된다. 플랫폼은 에어포일의 반경 방향 내측에 배치된다. 배출홀은 냉각 유로를 외부와 연통시키도록 에어포일에 형성된다. 배출홀은 압력면에 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 배출홀은 터빈 블레이드의 회전방향과 나란하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 에어포일에는, 냉각 유로의 냉각 유체가 배출되어 에어포일을 냉각시키는 냉각홀이 형성되고, 배출홀의 내경은 냉각홀의 내경보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 배출홀은 플랫폼을 기준으로 경사각을 형성하도록 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 배출홀은 경사각이 0도 초과 및 15도 이하, 또는 30도 이상 및 50도 이하로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 냉각 유로에는 배출홀과 이어지는 가이드부가 형성되고, 배출홀은 냉각 유체가 유입되는 입구유로와, 입구유로보다 내경이 작고 냉각 유체가 통과하는 중간유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 배출홀은 중간유로보다 내경이 크고 중간유로를 통과한 냉각 유체가 토출되는 출구유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 냉각 유로에는, 흡입면 측에서부터 배출홀까지 오목하게 이어지는 오목부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 냉각 유로에는, 압력면 측에서부터 배출홀까지 이어지고 냉각 유로를 향해 볼록하게 형성된 볼록부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 볼록부는 내부에 빈 공간인 공동부가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 터빈은 로러 디스크, 복수 개의 터빈 블레이드, 복수 개의 터빈 베인을 포함한다. 로터 디스크는 회전 가능하게 배치된다. 터빈 블레이드는 터빈 로터 디스크에 배치된다. 터빈 베인은 고정 배치된다. 터빈 블레이드는, 에어포일, 플랫폼, 배출홀을 포함한다. 에어포일은 압력면과 흡입면이 형성되고, 내부에 냉각 유체가 유동하는 냉각 유로가 형성된다. 플랫폼은 에어포일의 반경 방향 내측에 배치된다. 배출홀은 냉각 유로를 외부와 연통시키도록 에어포일에 형성된다. 배출홀은 압력면에 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 배출홀은 로터 디스크의 회전축과 수직되는 방향과 나란하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 에어포일에는, 냉각 유로의 냉각 유체가 배출되어 에어포일을 냉각시키는 냉각홀이 형성되고, 배출홀의 내경은 냉각홀의 내경보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 배출홀은 플랫폼을 기준으로 경사각을 형성하도록 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 배출홀은 경사각이 0도 초과 및 15도 이하, 또는 30도 이상 및 50도 이하로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 냉각 유로에는 배출홀과 이어지는 가이드부가 형성되고, 배출홀은 냉각 유체가 유입되는 입구유로와, 입구유로보다 내경이 작고 냉각 유체가 통과하는 중간유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 배출홀은 중간유로보다 내경이 크고 중간유로를 통과한 냉각 유체가 토출되는 출구유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 냉각 유로에는, 흡입면 측에서부터 배출홀까지 오목하게 이어지는 오목부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 냉각 유로에는, 압력면 측에서부터 배출홀까지 이어지고 냉각 유로를 향해 볼록하게 형성된 볼록부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 볼록부는 내부에 빈 공간인 공동부가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈은, 에어포일에 배출홀이 형성되어, 토크 및 출력이 향상된다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 절개하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 터빈 블레이드의 일부를 확대하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드의 횡단면을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.
도 7은 배출홀의 경사각에 따른 토크 증가률을 나타낸 그래프이다.
도 8은 배출홀의 경사각에 따른 출력 증가율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.

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 명세서 상에 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 실시예들을아니 상세히 설명한다. 이때, 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.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 진동 조절 장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부 모습을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 절개하여 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타낸 것이고, 도 4는 도 3의 터빈 블레이드의 일부를 확대하여 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드의 횡단면을 나타낸 것이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이며, 도 7은 배출홀의 경사각에 따른 토크 증가률을 나타낸 그래프이고, 도 8은 배출홀의 경사각에 따른 출력 증가율을 나타낸 그래프이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈에 대하여 설명한다. 본 발명의 제1실시예를 따른 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 구동 시키는데 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 터빈 베인(1500)을 포함한다. 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드(1400)가 삽입된다. 터빈블레이드(1400)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 터빈 베인(1500)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 터빈에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드는 에어포일(1410)과 플랫폼(1440)을 포함한다.

에어포일(1410)의 횡단면은 익형이고, 반경 방향을 종방향으로 하여 길게 연장되어 형성된다. 에어포일(1410)에는 연소 가스의 유동이 통과할 수 있다. 에어포일(1410)에는 리딩 엣지(1413), 트레일링 엣지(1414), 압력면(1411), 흡입면(1412)이 형성된다. 리딩 엣지(1413)는 연소 가스 유동의 상류 측에 형성된다. 트레일링 엣지(1414)는 연소 가스 유동의 하류 측에 형성된다. 압력면(1411)과 흡입면(1412)은 리딩 엣지(1413)와 트레일링 엣지(1414) 사이에 형성된다. 압력면(1411)은 에어포일(1410)에서 오목하게 형성될 수 있다. 흡입면(1412)은 압력면(1411)의 배면에서 볼록하게 형성될 수 있다. 압력면(1411)과 흡입면(1412)에서의 압력 차이에 따라, 터빈 블레이드는 회전방향(R)으로 회전할 수 있다.

플랫폼(1440)은 에어포일(1410)의 반경 방향 내측 단부에 배치된다. 플랫폼(1440)은 대략 두께를 갖는 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 플랫폼(1440)은 에어포일(1410)을 지지할 수 있다. 플랫폼(1440)은 복수 개의 터빈 블레이드 간의 간격을 유지시킬 수 있다.

플랫폼(1440)의 반경 방향 내측에는 루트(1450)가 배치된다. 루트(1450)는 로터 디스크(1310)에 고정 결합된다. 터빈 블레이드(1400)의 루트(1450)는 복수 개가 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 로터 디스크(1310)가 회전시, 루트(1450)도 함께 회전할 수 있다. 루트(1450)는 전나무 형태 또는 도브 테일 형태로 형성될 수 있다.

에어포일(1410)의 내부에는 냉각 유체(F)가 유동하는 냉각 유로(1420)가 형성된다. 냉각 유체(F)는 압축기(1100)에서 압축된 공기일 수 있다. 냉각 유로(1420)는, 루트(1450) 및 플랫폼(1440)을 순차적으로 통과하여, 에어포일(1410)까지 이르도록 형성될 수 있다. 이 경우, 냉각 유체(F)는 루트(1450)를 통해서 에어포일(1410)에 유입될 수 있다. 에어포일(1410)의 반경 방향 외측부에는 팁플레이트(1430)가 배치될 수 있다. 팁플레이트(1430)는 플랫폼(1440)과 마주보도록 배치될 수 있다. 팁플레이트(1430)는 에어포일(1410)의 내측벽에 대응되어 감싸지도록 익형의 플레이트 형상일 수 있다. 팁플레이트(1430)는 에어포일(1410)의 내부에서 냉각 유로(1420)를 형성할 수 있다. 팁플레이트(1430)가 배치되는 경우, 냉각 유체(F)가 에어포일(1410)의 반경 방향 외측부를 통과하는 것이 차단된다. 팁플레이트(1430)는 에어포일(1410)의 반경 방향 외측단부로부터 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, 에어포일(1410)의 반경 방향 외측단부에는 팁리브(1415)가 형성될 수 있다.

에어포일(1410)에는 냉각 유로(1420)와 외부를 연통시키는 냉각홀(1470)이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 냉각홀(1470)은 냉각 유로(1420)의 냉각 유체(F)가 외부로 배출되도록 하여, 에어포일(1410)의 표면을 냉각시킬 수 있다. 이 때, 냉각 방식은 막냉각방식일 수 있다. 냉각홀(1470)은 에어포일(1410)의 압력면(1411)과 흡입면(1412)에 모두 형성될 수 있다.

에어포일(1410)에는 냉각 유로(1420)와 외부를 연통시키는 배출홀(1460)이 형성된다. 배출홀(1460)은 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 배출홀(1460)은 냉각홀(1470)과 달리, 에어포일(1410)의 압력면(1411)에만 배치된다. 즉, 배출홀(1460)은 에어포일(1410)에 있어서, 터빈 블레이드(1400)의 회전방향(R)을 기준으로 배면에만 형성된다.

냉각 유로(1420)의 냉각 유체(F) 중 냉각홀(1470)로 토출된 나머지 냉각 유체(F)는 배출홀(1460)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 배출홀(1460)을 통해 배출되는 냉각 유체(F)는 회전방향(R)을 기준으로 배면 측을 향해 배출될 수 있다. 이에 따라, 에어포일(1410)에는 회전방향(R)으로의 반작용 힘이 작용할 수 있다.

배출홀(1460)은 에어포일(1410)의 반경 방향 외측부에 형성될 수 있다. 배출홀(1460)은 압력면(1411)과 팁플레이트(1430)의 사이에 형성될 수 있다. 냉각 유로(1420)의 냉각 유체(F)는 팁플레이트(1430)에서 차단된 뒤, 배출홀(1460)로 배출될 수 있다. 배출홀(1460)이 에어포일(1410)의 반경 방향 외측부에 배치됨에 따라, 회전팔 길이가 증가하여, 에어포일(1410)에 작용하는 회전방향(R)으로의 반작용 토크가 극대화될 수 있다. 또한, 냉각 유체(F)가 팁플레이트(1430)의 표면을 지나기 때문에, 팁플레이트(1430)에 먼지 등이 쌓이는 것을 방지할 수 있다는 장점도 있다.

배출홀(1460)의 직경(D)은 에어포일(1410)의 압력면(1411) 측 두께(T)의 1.2배 내지 100배로 형성될 수 있다. 배출홀(1460)의 직경이 에어포일(1410)의 두께(T)보다 크게 형성됨에 따라, 냉각 유체(F)가 배출홀(1460)을 통해 원활하게 배출될 수 있다는 장점이 있다. 배출홀(1460)이 너무 작을 경우, 예를 들어 두께(T)보다 작을 경우, 가공이 어려울 뿐만 아니라, 냉각 유체(F)가 외부로 배출되기 어렵다는 문제가 있을 수 있다.

배출홀(1460)의 직경(D)은 냉각홀(1470)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 냉각홀(1470)은 에어포일(1410)의 표면을 냉각시키기 위한 구성이다. 따라서, 냉각홀(1470)을 통해 다량의 냉각 유체(F)가 토출될 경우, 오히려 연소 가스의 유동을 방해할 수 있다. 특히, 냉각홀(1470)은 에어포일(1410)의 중앙부 측에도 배치가 되므로, 연소 가스의 유동을 방해할 여지가 있다. 그러나, 배출홀(1460)은 에어포일(1410)에 있어서, 반경 방향 외측부에 배치되기 때문에 연소 가스의 유동을 방해하지 않는다. 따라서, 배출홀(1460)은 냉각 유체(F)의 원활한 배출을 위하여, 냉각홀(1470)의 직경보다 큰 직경으로 형성될 수 있다. 냉각 유로(1420)로 공급된 냉각 유체(F) 중 50중량%~70중량%가 배출홀(1460)을 통해서 배출될 수 있다.

배출홀(1460)은 반경 방향에서 바라보았을 때, 터빈 블레이드(1400)의 회전방향(R)과 나란하게 형성될 수 있다. 터빈 블레이드(1400)의 회전 방향은 로터 디스크(1310)의 회전축과 수직되는 방향으로 형성될 수 있다. 배출홀(1460)은 회전방향(R)과 평행하게 형성될 수 있다. 터빈 블레이드(1400)는 회전방향(R)의 회전축을 기준으로, 사이각이 제2각도(A2)가 형성되도록 배치될 수 있다. 즉, 리딩 엣지(1413)와 트레일링 엣지(1414)를 이은 직선은, 회전방향(R)의 회전축과 제2각도(A2)의 사이각을 형성할 수 있다. 배출홀(1460)은 리딩 엣지(1413)와 트레일링 엣지(1414)를 이은 직선의 법선을 기준으로 제3각도(A3)의 사이각이 형성되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 제3각도(A3)는 제2각도(A2)와 동일할 수 있다. 배출홀(1460)이 이와 같이 형성될 경우, 터빈 블레이드(1400)에 작용하는 토크를 극대화시킬 수 있다.

배출홀(1460)은 플랫폼(1440)을 기준으로 외부로 갈수록 상향 경사지도록 형성될 수 있다. 도 6을 특히 참조하면, 배출홀(1460)은 수평방향을 기준으로 상측으로 제1각도(A1)로 경사지게 형성될 수 있다. 이와 같이, 배출홀(1460)이 제1각도로 경사지게 형성될 경우, 냉각 유로(1420)의 흡입면(1412) 측에서 냉각 유체(F)가 고이거나 와류가 형성되는 것을 최소화시킬 수 있다. 그 결과, 냉각 유체(F)가 외부로 더욱 원활하게 배출될 수 있고, 터빈 블레이드(1400)의 토크를 증가시킬 수 있다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 제1각도(A1)의 경사각 크기에 따른 토크 증가율과 출력 증가율을 살펴본다. 도 7 및 도 8은, 터빈 블레이드(1400)의 회전 속도가 3600rpm이며, 압축비가 18.16이고, 터빈 블레이드(1400)를 통과하는 연소가스 유량에 대한 배출홀(1460)을 통해서 배출되는 공기의 유량비는 0.6%이며, 풀스피드풀로드(FSFL)로 운전할 때, 경사각 변화에 따른 가스 터빈의 토크 및 출력 증가율을 나타낸 것이다.

제1각도(A1)가 0도인 경우, 토크 증가율을 가장 크지만, 터빈(1300)의 출력 증가율은 낮게 측정되었다. 이는, 냉각 유로(1420)의 흡입면(1412) 측 부분에서 냉각 유체(F)가 고이거나 와류가 발생하여, 배출홀(1460)로 냉각 유체(F)가 원활히 배출될 수 없기 때문일 수 있다. 반면, 제1각도(A1)가 0도 보다 크고 20도 보다 낮은 경우에는, 토크 증가율과 출력증가율이 모두 높게 측정되었다.

제1각도(A1)가 50도보다 큰 경우에는, 터빈(1300)의 토크 증가율과 출력 증가율이 모두 낮게 측정되었다. 이는, 제1각도(A1)가 지나치게 큰 경우, 회전방향(R)으로의 회전팔이 짧게 형성되기 때문일 수 있다. 반면, 제1각도(A1)가 30도 보다 크고 50도 보다 작은 경우, 출력증가율이 높게 측정되었다. 한편, 제1각도(A1)가 20도보다 크고 30도보다 작은 경우에는 출력증가율이 낮게 측정되었다.

한편, 배출홀(1460)에서 배출되는 냉각 유체(F)와 터빈 블레이드(1400)를 지나는 연소 가스의 분사비율(Blowing Ratio, 이하 BR)은 4 내지 10으로 이루어질 수 있다. 분사비율(BR)은, 터빈 블레이드(1400)에서의 단위 면적 당 연소 가스의 질량 유량에 대한, 배출홀(1460)에서의 단위 면적 당 냉각 유체(F)의 질량 유량의 비율로 정의된다. 즉, 터빈 블레이드(1400)에서의 연소 가스의 유속과 밀도가 각각 Vg와 Dg이고, 배출홀(1460)에서의 냉각 유체(F)의 유속과 밀도가 각각 Vc와 Dc인 경우, 분사비율(BR)은 Vc*Dc/Vg*Dg로 정의된다. 분사비율(BR)이 4보다 작으면 터빈(1300)의 출력 증가율이 낮게 형성될 수 있다. 분사비율(BR)이 10보다 크면 압축기(1100)의 부하가 증가할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.

이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드는, 배출홀(1460)을 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드는, 냉각 유로(1420)에 가이드부(1416, 1417)가 형성된다. 가이드부(1416, 1417)는 제1가이드부(1416) 또는 제2가이드부(1417)를 포함할 수 있다.

제1가이드부(1416)는 팁플레이트(1430)로부터 반경 방향 내측으로 볼록하게 돌출되고, 배출홀(1460) 측으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 형성될 수 있다. 제2가이드부(1417)는 에어포일(1410)의 압력면(1411) 측 측벽으로부터 냉각 유로(1420) 측으로 볼록하게 돌출되고, 배출홀(1460) 측으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 형성될 수 있다.

또는 제2가이드부(1417)에 의해, 냉각 유로(1420)는 배출홀(1460)로 갈수록 서서히 좁아질 수 있다. 제1가이드부(1416) 또는 제2가이드부(1417)는 냉각 유로(1420)의 냉각 유체(F)가 배출홀(1460)로 이동하는 것을 안내할 수 있다. 제1가이드부(1416) 또는 제2가이드부(1417)는 단면이 곡면을 이루도록 볼록하게 형성될 수 있다. 이 경우, 코안다 효과(Coanda effect)에 의해서, 냉각 유체(F)가 제1가이드부(1416) 또는 제2가이드부(1417)의 표면을 따라 이동하면서, 유속과 유량이 증가하고, 유동이 안정될 수 있다는 장점이 있다.

배출홀(1460)은 입구유로(1461)와 중간유로(1462)를 포함할 수 있다. 입구유로(1461)는 냉각 유체(F)가 유입되는 유로이다, 중간유로(1462)는 입구유로(1461)를 통과한 냉각 유체(F)가 통과하는 유로이다. 입구유로(1461)는 제1가이드부(1416) 또는 제2가이드부(1417)와 이어질 수 있다. 중간유로(1462)의 내경(d2)는 입구유로(1461)의 내경(d1)보다 작게 형성될 수 있다. 이 경우, 냉각 유체(F)가 중간유로(1462)를 통과하면서 유속이 증가할 수 있다.

배출홀(1460)은 입구유로(1461), 중간유로(1462)와 더불어 출구유로(1463)를 포함할 수 있다. 출구유로(1463)의 내경(d3)은 중간유로(1462)의 내경(d2)보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 배출홀(1460)은 전체적으로 벤츄리관(venturi pipe)의 형태일 수 있다. 이 경우, 벤츄리 효과(venturi effect)에 의해서, 냉각 유체(F)가 배출홀(1460)로 빨려들면서 유동하여, 배출홀(1460)에서의 냉각 유체(F)의 유동이 더욱 원활하게 형성될 수 있다는 장점이 있다.

도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.

이하, 도 10을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드는, 배출홀(1460)을 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드는, 냉각 유로(1420)에 오목부(1418) 또는 볼록부(1419)가 형성될 수 있다.

오목부(1418)는 에어포일(1410)의 냉각 유로(1420)에서, 흡입면(1412) 측 측벽에서부터 배출홀(1460)까지 오목하게 이어지도록 형성될 수 있다. 오목부(1418)는 에어포일(1410)의 흡입면(1412) 측 부분부터 팁플레이트(1430) 부분을 지나 배출홀(1460)까지 완만하게 이어지도록 형성될 수 있다. 오목부(1418)는 냉각 유로(1420)에서 냉각 유체(F)가 배출홀(1460)을 향해 유동할 때, 유동을 안내할 수 있다. 이 경우, 에어포일(1410)의 흡입면(1412) 측 부분과 팁플레이트(1430) 사이에서 와류의 발생이 최소화될 수 있고, 배출홀(1460)에서의 냉각 유체(F) 배출량이 극대화될 수 있다.

볼록부(1419)는 에어포일(1410)의 냉각 유로(1420)에서, 압력면(1411) 측 측벽에서 냉각 유로(1420)를 향해 볼록하게 돌출되어 형성될 수 있다. 볼록부(1419)는 배출홀(1460)까지 완만하게 이어지도록 형성될 수 있다. 볼록부(1419)는 냉각 유로(1420)에서 냉각 유체(F)가 배출홀(1460)을 향해 유동할 때, 유동을 안내할 수 있다. 이 경우, 코안다 효과(Coanda effect)에 의해서, 냉각 유체(F)가 볼록부(1419)의 표면을 따라 이동하면서, 유속과 유량이 증가하고, 유동이 안정될 수 있다는 장점이 있다.

오목부(1418) 또는 볼록부(1419)가 형성될 경우, 냉각 유로(1420)는 배출홀(1460)에 가까워질수록 좁아질 수 있다. 이 경우, 배출홀(1460)에서의 유속이 증가하여, 터빈 블레이드(1400)에 작용하는 토크가 극대화될 수 있다.

도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드의 종단면 일부를 나타낸 것이다.

이하, 도 11을 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드는, 공동부(C)를 제외하고는 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드와 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드는, 앞서 설명한 볼록부(1419)를 포함한다. 볼록부(1419)에는 공동부(C)가 형성된다. 에어포일(1410)에 볼록부(1419)가 형성될 경우, 에어포일(1410)의 측벽 두께가 증가하여, 터빈 블레이드(1400)의 중량이 증가할 수 있다. 그러나, 볼록부(1419)에 공동부(C)가 형성된 경우, 터빈 블레이드(1400)의 강성을 유지하면서도 중량을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 이 경우, 터빈 블레이드(1400)의 관성 모멘트가 감소하여, 터빈 블레이드(1400)의 출력이 극대화될 수 있다는 장점이 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, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1400 : 터빈 블레이드 1410 : 에어포일
1411 : 압력면 1412 : 흡입면
1413 : 리딩 엣지 1414 : 트레일링 엣지
1415 : 팁리브 1416 : 제1가이드부
1417 : 제2가이드부 1418 : 오목부
1419 : 볼록부 1420 : 냉각 유로
1430 : 팁플레이트 1440 : 플랫폼
1450 : 루트 1460 : 배출홀
1461 : 입구유로 1462 : 중간유로
1463 : 출구유로 1470 : 냉각홀
C : 공동부 R : 회전방향

Claims

압력면과 흡입면이 형성되고, 내부에 냉각 유체가 유동하는 냉각 유로가 형성된 익형의 에어포일;
상기 에어포일의 반경 방향 내측에 배치된 플랫폼; 및
상기 냉각 유로를 외부와 연통시키도록 상기 에어포일에 형성된 배출홀을 포함하고,
상기 배출홀은 상기 압력면에 형성되는 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 배출홀은,
상기 터빈 블레이드의 회전방향과 나란하게 형성되는 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 에어포일에는,
상기 냉각 유로의 냉각 유체가 배출되어 상기 에어포일을 냉각시키는 냉각홀이 형성되고,
상기 배출홀의 내경은 상기 냉각홀의 내경보다 크게 형성되는 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 배출홀은,
상기 플랫폼을 기준으로 경사각을 형성하도록 경사지게 형성된 터빈 블레이드.
제 4 항에 있어서,
상기 경사각은,
0도 초과 및 15도 이하, 또는 30도 이상 및 50도 이하로 형성된 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 유로에는 상기 배출홀과 이어지는 가이드부가 형성되고,
상기 배출홀은 냉각 유체가 유입되는 입구유로와, 상기 입구유로보다 내경이 작고, 상기 냉각 유체가 통과하는 중간유로를 포함하는 터빈 블레이드.
제 6 항에 있어서,
상기 배출홀은,
상기 중간유로보다 내경이 크고, 상기 중간유로를 통과한 냉각 유체가 토출되는 출구유로를 포함하는 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 유로에는,
상기 흡입면 측에서부터 상기 배출홀까지 오목하게 이어지는 오목부가 형성되는 터빈 블레이드.
제 8 항에 있어서,
상기 냉각 유로에는,
상기 압력면 측에서부터 상기 배출홀까지 이어지고 상기 냉각 유로를 향해 볼록하게 형성된 볼록부가 형성된 터빈 블레이드.
제 9 항에 있어서,
상기 볼록부는,
내부에 빈 공간인 공동부가 형성되는 터빈 블레이드.
회전 가능하게 배치되는 터빈 로터 디스크;
상기 터빈 로터 디스크에 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드; 및
고정 배치되는 복수 개의 터빈 베인을 포함하고,
상기 터빈 블레이드는,
압력면과 흡입면이 형성되고, 내부에 냉각 유체가 유동하는 냉각 유로가 형성된 익형의 에어포일;
상기 에어포일의 반경 방향 내측에 배치된 플랫폼; 및
상기 냉각 유로를 외부와 연통시키도록 상기 에어포일에 형성된 배출홀을 포함하고,
상기 배출홀은 상기 압력면에 형성되는 터빈.
제 11 항에 있어서,
상기 배출홀은,
상기 로터 디스크의 회전축과 수직되는 방향과 나란하게 형성되는 터빈.
제 11 항에 있어서,
상기 에어포일에는,
상기 냉각 유로의 냉각 유체가 배출되어 상기 에어포일을 냉각시키는 냉각홀이 형성되고,
상기 배출홀의 내경은 상기 냉각홀의 내경보다 크게 형성되는 터빈.
제 11 항에 있어서,
상기 배출홀은,
상기 플랫폼을 기준으로 경사각을 형성하도록 경사지게 형성된 터빈.
제 14 항에 있어서,
상기 경사각은,
0도 초과 및 15도 이하, 또는 30도 이상 및 50도 이하로 형성된 터빈.
제 11 항에 있어서,
상기 냉각 유로에는 상기 배출홀과 이어지는 가이드부가 형성되고,
상기 배출홀은 냉각 유체가 유입되는 입구유로와, 상기 입구유로보다 내경이 작고, 상기 냉각 유체가 통과하는 중간유로를 포함하는 터빈.
제 16 항에 있어서,
상기 배출홀은,
상기 중간유로보다 내경이 크고, 상기 중간유로를 통과한 냉각 유체가 토출되는 출구유로를 포함하는 터빈.
제 11 항에 있어서,
상기 냉각 유로에는,
상기 흡입면 측에서부터 상기 배출홀까지 오목하게 이어지는 오목부가 형성되는 터빈.
제 18 항에 있어서,
상기 냉각 유로에는,
상기 압력면 측에서부터 상기 배출홀까지 이어지고 상기 냉각 유로를 향해 볼록하게 형성된 볼록부가 형성된 터빈.
제 19 항에 있어서,
상기 볼록부는,
내부에 빈 공간인 공동부가 형성되는 터빈.