KR20230062979A - 에어포일 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

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배진호
송진우
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두산에너빌리티 주식회사
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Abstract

본 발명의 에어포일은, 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면 및 압력면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된다. 에어포일은, 에어포일의 내부에 길이방향으로 형성된 냉각채널; 냉각채널에서 트레일링 에지 방향으로 형성된 복수의 컷백 냉각홀; 및 복수의 컷백 냉각홀의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성된 복수의 출구포트 그루브를 포함한다.

Description

에어포일 및 이를 포함하는 가스 터빈{Airfoil and Gas turbine comprising the same}
본 발명은 에어포일 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소 가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
이러한 가스 터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
가스 터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성하고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.
등록특허 제10-2180395호 (2020년11월18일 등록공고)
본 발명은 터빈 베인 또는 터빈 블레이드를 구성하는 에어포일의 내부 냉각 채널에서 연결되는 복수의 컷백 냉각홀의 출구포트 그루브를 오목한 곡면 형태로 형성하여 응력 집중을 방지할 수 있는 에어포일 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어포일은, 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면 및 압력면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된다. 에어포일은, 에어포일의 내부에 길이방향으로 형성된 냉각채널; 냉각채널에서 트레일링 에지 방향으로 형성된 복수의 컷백 냉각홀; 및 복수의 컷백 냉각홀의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성된 복수의 출구포트 그루브를 포함한다.
컷백 냉각홀은 출구포트 그루브의 곡면에 80~100도의 각도로 만나도록 형성될 수 있다.
출구포트 그루브는 트레일링 에지 부근의 압력면 쪽에 형성될 수 있다.
출구포트 그루브는 전단부에서 후단부로 갈수록 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 전단부의 곡률반경과 후단부의 곡률반경의 차이가 점점 작아지도록 형성될 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 깊이가 점점 얕아질 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 넓이가 점점 넓어질 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 평균 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브들 사이의 간격이 점점 커지도록 배열될 수 있다.
에어포일은 3D 프린팅에 의해 컷백 냉각홀의 출구측 일부와 출구포트 그루브가 형성된 블록을, 블록에 대응되도록 에어포일에 형성된 오목부에 용접하여 제작될 수 있다.
본 발명의 가스 터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기; 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 연소된 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 연소 가스 경로 상에서 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈을 포함한다. 터빈 베인과 터빈 블레이드 중 적어도 하나는 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면 및 압력면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된 에어포일을 포함한다. 에어포일은, 에어포일의 내부에 길이방향으로 형성된 냉각채널; 냉각채널에서 트레일링 에지 방향으로 형성된 복수의 컷백 냉각홀; 및 복수의 컷백 냉각홀의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성된 복수의 출구포트 그루브를 포함한다.
컷백 냉각홀은 출구포트 그루브의 곡면에 80~100도의 각도로 만나도록 형성될 수 있다.
출구포트 그루브는 트레일링 에지 부근의 압력면 쪽에 형성될 수 있다.
출구포트 그루브는 전단부에서 후단부로 갈수록 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 전단부의 곡률반경과 후단부의 곡률반경의 차이가 점점 작아지도록 형성될 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 깊이가 점점 얕아질 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 넓이가 점점 넓어질 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 평균 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다.
복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브들 사이의 간격이 점점 커지도록 배열될 수 있다.
에어포일은 3D 프린팅에 의해 컷백 냉각홀의 출구측 일부와 출구포트 그루브가 형성된 블록을, 상기 블록에 대응되도록 에어포일에 형성된 오목부에 용접하여 제작될 수 있다.
상기한 본 발명의 에어포일 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 터빈 베인 또는 터빈 블레이드를 구성하는 에어포일의 내부 냉각 채널에서 연결되는 복수의 컷백 냉각홀의 출구포트 그루브를 오목한 곡면 형태로 형성하여 응력 집중을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 일부 정면도이다.
도 5는 도 4의 에어포일에서 컷백 냉각홀을 지나는 평면으로 자른 일부 수평 단면도이다.
도 6은 도 5의 에어포일에서 컷백 냉각홀과 출구포트 그루브의 연결 각도와 출구포트 그루브의 영역을 나누어 표시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 일부 정면도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 일부 분해 수평 단면도이다.
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 명세서상에 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 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 블레이드(1110)를 회전시키며, 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.
압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 환형으로 배치되는 복수의 연소 챔버(1210)와 연료 노즐 모듈(1220)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 하우징(1010)을 구비하고 있고, 하우징(1010)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨져(1400)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨져(1400)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1200)가 배치된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(1010)의 상류측에 압축기 섹션(1100)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(1100)과 터빈 섹션(1300)의 사이에는 터빈 섹션(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(1100)으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브 유닛(1500)이 배치되어 있다.
압축기 섹션(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)들은 타이로드(1600)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 회전축을 구성하는 타이로드(1600)가 대략 중앙을 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 대향하는 면이 타이로드(1600)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
압축기 로터 디스크(1120)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(1110)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(1110)는 도브테일부(1112)를 구비하여 압축기 로터 디스크(1120)에 체결된다.
각각의 로터 디스크(1120)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 베인은 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
도브테일부(1112)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스 터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기한 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
타이로드(1600)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(1120) 및 터빈 로터 디스크(1322)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 타이로드(1600)는 하나 또는 복수의 타이로드로 구성될 수 있다. 타이로드(1600)의 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타이로드(1600)의 타측 단부는 고정 너트(1450)에 의해 체결될 수 있다.
타이로드(1600)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 2에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨져(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.
연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다.
가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.
한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
이를 위해 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.
라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
터빈(1300)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 터빈(1300)에도 압축기(1100)의 로터와 유사한 터빈 로터(1320)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터(1320)는 터빈 로터 디스크(1322)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(1324)를 포함한다. 터빈 블레이드(1324) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1322)에 결합될 수 있다.
아울러, 터빈 로터 디스크(1322)의 터빈 블레이드(1324)의 사이에도 터빈 케이싱(1312)에 고정되는 복수개의 터빈 베인(1314)이 구비되어, 터빈 블레이드(1324)를 통과한 연소가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 터빈 케이싱(1312)과 터빈 베인(1314) 역시, 회전체에 해당하는 터빈 로터(120)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(110)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.
터빈 베인(1314)의 내측 단부와 외측 단부에 결합된 엔드월(endwall)인 베인 캐리어(1316)에 의해, 터빈 베인(1314)은 하우징 내에 고정적으로 장착된다. 반면에, 하우징 내측에 회전하는 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부와 마주보는 위치에는 링 세그먼트(1326)가 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부와 소정의 간극을 형성하도록 장착된다. 즉, 링 세그먼트(1326)와 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부 사이의 간극이 팁 클리어런스(Tip clearance)를 형성한다.
한편, 터빈 블레이드(1324)는 고온 고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 연소가스에 의해 터빈 블레이드(1324)가 변형될 수 있으며, 터빈 블레이드(1324)의 변형에 의해 터빈(1300)이 파손될 수도 있다. 이러한 고온에 의한 변형을 방지하기 위해 압축기(1100)와 터빈(1300)의 사이에는 연소가스보다 상대적으로 온도가 낮은 압축기(1100) 내부의 공기 일부를 분기시켜 터빈 블레이드(1324)로 공급하는 분기유로(1800)가 형성될 수 있다.
분기유로(1800)는 압축기 케이싱 외부로 형성하거나, 압축기 로터 디스크(1120)를 관통하여 내부로 형성될 수 있다. 분기유로(1800)는 압축기(1100)로부터 분기된 압축공기를 터빈 로터 디스크(1322)의 내부로 공급할 수 있다. 터빈 로터 디스크(1322)의 내부로 공급된 압축공기는 반경방향 외측으로 흐르게 되며, 터빈 블레이드(1324)의 내부로 공급되어 터빈 블레이드(1324)를 냉각할 수 있다. 또한, 하우징(1010) 외부로 연결된 분기유로(1800)는 압축기(1100)로부터 분기된 압축공기를 터빈 케이싱(1312) 내부로 공급하여 터빈 케이싱(1312) 내부를 냉각할 수 있다. 분기유로(1800)는 중간에 밸브(1820)를 구비하여 압축공기를 선택적으로 공급할 수 있다. 또한, 분기유로(1800)에는 열교환기(미도시)를 연결하여 압축공기를 선택적으로 더 냉각시킨 다음 공급할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 일부 정면도이고, 도 5는 도 4의 에어포일에서 컷백 냉각홀을 지나는 평면으로 자른 일부 수평 단면도이며, 도 6은 도 5의 에어포일에서 컷백 냉각홀과 출구포트 그루브의 연결 각도와 출구포트 그루브의 영역을 나누어 표시한 도면이다.
도면을 참조하여 본 발명의 에어포일(100)을 설명한다. 에어포일(100)은 상기한 터빈 베인(1314) 또는 터빈 블레이드(1324)를 구성할 수 있다. 에어포일(100)은 리딩 에지(101), 트레일링 에지(102), 압력면(103) 및 흡입면(104)을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성가 형성될 수 있다. 리딩 에지(101)는 에어포일(100)의 측면 중에서 터빈(1300) 연소 가스 유동 경로의 상류측에 배치된다. 트레일링 에지(102)는 연소 가스 유동 경로의 하류측에 배치된다. 에어포일(100)의 수평 단면상에서 리딩 에지(101)는 라운드지게 형성됨에 반해, 트레일링 에지(102)는 상대적으로 뾰족하게 형성될 수 있다. 압력면(103)은 에어포일(100)의 측면 중 오목한 측면을 구성하고, 흡입면(104)은 볼록한 측면을 구성할 수 있다.
에어포일(100)은 연소 가스에 의해 가열되므로, 그 냉각을 위해 내부에 냉각 유로가 형성될 수 있다.
구체적으로, 에어포일(100)은 에어포일의 내부에 길이방향으로 형성된 냉각채널(110), 냉각채널에서 트레일링 에지(102) 방향으로 형성된 복수의 컷백 냉각홀(120), 및 복수의 컷백 냉각홀의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성된 복수의 출구포트 그루브(130)를 포함할 수 있다.
에어포일(100)이 반경방향(길이방향)으로 길게 형성되므로, 냉각채널(110)도 길이방향으로 길게 형성될 수 있다. 냉각채널(110)은 격벽에 의해 구획되는 2개 이상의 냉각채널로 구성될 수 있다. 그래서, 도 4를 기준으로 할 때, 냉각 공기가 복수의 냉각채널(110)을 통해 상방으로 유동했다가 하방으로 유동하는 방식으로 유동 방향을 여러번 바꾸어 유동하면서 에어포일(100)을 냉각할 수 있다.
컷백 냉각홀(120)은 냉각채널(110)에서 트레일링 에지(102) 방향으로 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 컷백 냉각홀(120)은 반경방향으로 서로 소정간격으로 배열될 수 있다. 컷백 냉각홀(120)은 소정 크기의 원형 단면 형태로 관통 형성될 수 있다.
출구포트 그루브(130)는 각 컷백 냉각홀(120)의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성될 수 있다. 종래에는 출구포트 그루브가 직육면체의 일부와 같은 형태로 형성되기 때문에, 각진 모서리 부위에 응력이 집중되는 문제가 있었다. 반면에, 본 발명에서는 출구포트 그루브(130)가 오목한 곡면 형태로 형성되기 때문에, 각진 모서리 부위가 형성되지 않아서 강건한 구조를 가질 수 있다.
컷백 냉각홀(120)은 출구포트 그루브(130)의 곡면에 80~100도의 각도로 만나도록 형성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 출구포트 그루브(130)가 오목한 곡면 형태로 형성되지만, 컷백 냉각홀(120)의 중심선은 출구포트 그루브(130)의 곡면에 접하는 평면에 거의 수직으로 배치되도록 형성될 수 있다. 도 6에서 컷백 냉각홀(120) 출구의 좌측단과 우측단은 출구포트 그루브(130)의 곡면에 80~100도의 각도로 만나도록 연결될 수도 있다. 하지만, 컷백 냉각홀(120)의 중심선은 출구포트 그루브(130)의 곡면에 접하는 평면에 거의 수직으로 배치되는 것이 공력 성능 측면에서 바람직하다.
출구포트 그루브(130)는 트레일링 에지(102) 부근의 압력면(103) 쪽에 형성될 수 있다. 트레일링 에지(102) 부위는 리딩 에지(101) 부위에 비해 훨씬 얇게 형성되기 때문에, 출구포트 그루브(130)는 트레일링 에지(102) 뒤에서 볼 때 트레일링 에지(102)의 좌측 압력면(103) 쪽에 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 출구포트 그루브(130)가 트레일링 에지(102)의 모서리 부위에는 형성되지 않기 때문에, 트레일링 에지(102) 부위가 너무 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 컷백 냉각홀(120)은 냉각 채널(110)에서 출구포트 그루브(130) 쪽으로 비스듬하게 형성될 수 있다.
출구포트 그루브(130)는 전단부에서 후단부로 갈수록 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 출구포트 그루브(130)는 A영역에서 B영역을 거쳐 C영역으로 갈수록 곡면의 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다. 각 영역 내에서도 트레일링 에지(102) 쪽으로 갈수록 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 일부 정면도이다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 출구포트 그루브(130)는 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 전단부의 곡률반경과 후단부의 곡률반경의 차이가 점점 작아지도록 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 출구포트 그루브(130)는 A영역의 전단부에서 C영역의 후단부로 갈수록 곡면의 곡률반경이 점점 커지도록 형성되므로, 출구포트 그루브(130)의 곡면은 전단부의 곡률반경보다 후단부의 곡률반경이 2배 이상으로 커져서 그만큼 차이가 생길 수 있다.
도 7을 참조하면, 에어포일(100)의 압력면 후단부에 상하로 배열되는 복수의 출구포트 그루브(130)는 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 전단부의 곡률반경과 후단부의 곡률반경의 차이가 점점 작아지도록 형성될 수 있다. 일반적으로, 에어포일(100)의 팁으로 갈수록 응력이 작아지고 루트로 갈수록 응력이 커지기 때문에, 에어포일(100)의 루트로 갈수록 출구포트 그루브(130)의 전단부와 후단부 곡률반경의 차이를 점점 줄임으로써, 출구포트 그루브(130) 부위의 강도를 점점 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 출구포트 그루브(130)는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130)의 깊이가 점점 얕아지도록 형성될 수 있다.
출구포트 그루브(130)는 압력면(103)에 오목한 곡면 홈 형태로 형성되기 때문에, 그 위치에 따라 압력면(103)의 윤곽으로부터 그 깊이가 제로인 가장자리부터 깊이가 최대인 지점이 존재한다. 도 7을 참조하면, 복수의 출구포트 그루브(130)는 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 그 깊이의 평균 또는 최대 깊이가 점점 작아지도록 형성될 수 있다. 그럼으로써, 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130) 부위의 강도를 점점 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 출구포트 그루브(130)는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130)의 넓이가 점점 넓어지도록 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 복수의 출구포트 그루브(130)가 압력면(103)과 만나는 윤곽 내부의 면적이 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 점점 커지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 출구포트 그루브(130)들의 최대 깊이는 동일하거나 점점 작아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130) 부위의 강도를 점점 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 출구포트 그루브(130)는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130)의 평균 곡률반경이 점점 커지도록 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 출구포트 그루브(130)는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 그 넓이가 커지되 깊이가 점점 얕아진다면, 그에 따라 출구포트 그루브(130)들의 평균 곡률반경이 점점 커지게 된다. 물론, 출구포트 그루브(130)들의 넓이가 일정하되 깊이만 점점 얕아져도, 출구포트 그루브(130)들의 평균 곡률반경이 점점 커질 수 있다. 그럼으로써, 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130) 부위의 강도를 점점 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 출구포트 그루브(130)는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130)들 사이의 간격이 점점 커지도록 배열될 수 있다.
도 7에는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 복수의 출구포트 그루브(130)의 넓이가 점점 커지도록 형성되고 그들 사이의 간격이 점점 커지도록 배열된 실시예가 도시되어 있다. 상술한 여러가지 실시예들 중에서 곡률반경의 변화, 깊이의 감소, 넓이의 증가, 평균 곡률반경의 증가, 간격의 증가 배열에 관한 구성들이 2가지 이상 동시에 적용될 수도 있다. 에어포일(100)의 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브(130)들 사이의 간격이 점점 증가되도록 배치함으로써, 출구포트 그루브(130) 부위의 강도를 점점 증가시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 일부 분해 수평 단면도이다.
본 실시예에서 에어포일(100)은 3D 프린팅에 의해 컷백 냉각홀(120)의 출구측 일부와 출구포트 그루브(130)가 형성된 블록(160)을, 블록에 대응되도록 에어포일에 형성된 오목부(150)에 용접하여 제작될 수 있다.
우선, 컷백 냉각홀(120)의 출구측 일부 관통공과 출구포트 그루브(130)의 오목한 곡면이 형성된 블록(160)을 3D 프린팅에 의해 성형할 수 있다. 이 블록(160)은 에어포일(100)과 동일한 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 블록(160)은 에어포일(100)에 용접되는 표면이 직육면체의 이웃하는 두 면과 상하의 마주보는 두 면 일부로 구성될 수 있다. 블록(160)은 하나의 출구포트 그루브(130)가 형성될 수도 있으나, 2개 이상의 출구포트 그루브(130)가 동시에 형성될 수도 있다.
에어포일(100)에는 블록(160)의 직각면에 대응하도록 오목부(150)가 형성될 수 있다. 에어포일(100)은 주조에 의해 제작되고 복수의 컷백 냉각홀(120)은 드릴링에 의해 형성되는데, 오목부(150)도 주조에 의해 함께 형성될 수 있다.
다음에, 에어포일(100)의 오목부(150)에 블록(160)을 삽입하고 접촉면의 외부에서 용접하여 결합할 수 있다. 용접은 공기가 누설되지 않도록 선 용접을 하는 것이 바람직하다.
에어포일(100)을 주조에 의해 성형할 때, 복수의 출구포트 그루브(130)를 함께 형성하는 경우, 곡률반경이 변하는 출구포트 그루브(130)의 오목한 곡면을 정밀하게 형성하기가 어려울 수 있다.
본 실시예의 경우, 3D 프린팅에 의해 출구포트 그루브(130)를 성형하고 에어포일(100)에 용접하여 결합함으로써, 출구포트 그루브(130)의 입체 구조를 정밀하게 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스 터빈 1010: 하우징
1100: 압축기 1110: 압축기 블레이드
1112: 도브테일부 1120: 압축기 로터 디스크
1200: 연소기 1300: 터빈
1310: 터빈 스테이터 1312: 터빈 케이싱
1314: 터빈 베인 1316: 베인 캐리어
1320: 터빈 로터 1322: 터빈 로터 디스크
1324: 터빈 블레이드 1326: 링세그먼트
1400: 디퓨져 1450: 고정너트
1500: 토크튜브 유닛 1600: 타이로드
1800: 분기유로 1820: 밸브
100: 에어포일
101: 리딩 에지 102: 트레일링 에지
103: 압력면 104: 흡입면
110: 냉각 채널 120: 컷백 냉각홀
130: 출구포트 그루브 150: 오목부
160: 블록

Claims (20)

  1. 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면 및 압력면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된 에어포일에 있어서,
    상기 에어포일의 내부에 길이방향으로 형성된 냉각채널;
    상기 냉각채널에서 트레일링 에지 방향으로 형성된 복수의 컷백 냉각홀; 및
    상기 복수의 컷백 냉각홀의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성된 복수의 출구포트 그루브를 포함하는 에어포일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컷백 냉각홀은 상기 출구포트 그루브의 곡면에 80~100도의 각도로 만나도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출구포트 그루브는 트레일링 에지 부근의 압력면 쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 출구포트 그루브는 전단부에서 후단부로 갈수록 곡률반경이 점점 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 전단부의 곡률반경과 후단부의 곡률반경의 차이가 점점 작아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 깊이가 점점 얕아지는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 넓이가 점점 넓어지는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 평균 곡률반경이 점점 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브들 사이의 간격이 점점 커지도록 배열된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 에어포일은 3D 프린팅에 의해 상기 컷백 냉각홀의 출구측 일부와 상기 출구포트 그루브가 형성된 블록을, 상기 블록에 대응되도록 에어포일에 형성된 오목부에 용접하여 제작된 것을 특징으로 하는 에어포일.
  11. 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 상기 연소된 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 상기 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈을 포함하고,
    상기 터빈 베인과 상기 터빈 블레이드 중 적어도 하나는 리딩 에지, 트레일링 에지, 흡입면 및 압력면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된 에어포일을 포함하며,
    상기 에어포일은,
    상기 에어포일의 내부에 길이방향으로 형성된 냉각채널;
    상기 냉각채널에서 트레일링 에지 방향으로 형성된 복수의 컷백 냉각홀; 및
    상기 복수의 컷백 냉각홀의 출구에서 오목한 곡면 형태로 형성된 복수의 출구포트 그루브를 포함하는 가스 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컷백 냉각홀은 상기 출구포트 그루브의 곡면에 80~100도의 각도로 만나도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 출구포트 그루브는 트레일링 에지 부근의 압력면 쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 출구포트 그루브는 전단부에서 후단부로 갈수록 곡률반경이 점점 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 전단부의 곡률반경과 후단부의 곡률반경의 차이가 점점 작아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 깊이가 점점 얕아지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 넓이가 점점 넓어지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브의 평균 곡률반경이 점점 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 출구포트 그루브는 팁에서 루트 쪽으로 갈수록 출구포트 그루브들 사이의 간격이 점점 커지도록 배열된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 에어포일은 3D 프린팅에 의해 상기 컷백 냉각홀의 출구측 일부와 상기 출구포트 그루브가 형성된 블록을, 상기 블록에 대응되도록 에어포일에 형성된 오목부에 용접하여 제작된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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