KR20230119954A - 터빈 베인, 및 이를 포함하는 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 터빈 베인은, 흡입면과 압력면을 갖는 에어포일, 상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드, 및 상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드를 포함하고, 상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

Description

터빈 베인, 및 이를 포함하는 터빈{TURBINE VANE, TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 터빈 베인 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 베인은 내측 슈라우드, 외측 슈라우드, 및 내측 슈라우드와 외측 슈라우드 사이에 배치된 에어포일을 포함할 수 있다. 종래에는 내측 슈라우드와 외측 슈라우드의 간격이 원주방향으로 동일하게 형성되므로 내측 슈라우드와 외측 슈라우드 사이에서 다양한 2차 와류가 발생하여 공력 손실과 열부하가 증가하는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0082944호

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 2차 와류가 감소된 터빈 베인, 및 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 터빈 베인은, 흡입면과 압력면을 갖는 에어포일, 상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드, 및 상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드를 포함하고, 상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내벽면에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각은 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각보다 더 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 가상의 기준선에 대하여 기 설정된 각도로 교차하는 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 기준선은 에어포일들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 85도~95도로 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 직각으로 교차할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내측 슈라우드는 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 복수의 가상의 기준선에 대하여 수직으로 이어진 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되며,

상기 기준선들은 기 설정된 간격으로 이격되며, 유동방향을 따라 이어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내측 슈라우드와 외측 슈라우드 사이에는 간격이 점진적으로 감소하는 가속 영역과 간격이 균일하게 유지되는 안정화 영역이 형성되고,

상기 가속 영역에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 터빈은 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드 사이에 배치된 복수의 터빈 베인을 포함하며,

상기 터빈 베인은, 흡입면과 압력면을 갖는 에어포일, 상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드, 및 상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드를 포함하고, 상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내벽면에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각은 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각보다 더 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 가상의 기준선에 대하여 기 설정된 각도로 교차하는 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 기준선은 에어포일들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 85도~95도로 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 직각으로 교차할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내측 슈라우드는 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 복수의 가상의 기준선에 대하여 수직으로 이어진 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되며, 상기 기준선들은 기 설정된 간격으로 이격되며, 유동방향을 따라 이어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내측 슈라우드와 외측 슈라우드 사이에는 간격이 점진적으로 감소하는 가속 영역과 간격이 균일하게 유지되는 안정화 영역이 형성되고, 상기 가속 영역에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 가스 터빈은 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하며,

상기 터빈은 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드 사이에 배치된 복수의 터빈 베인을 포함하고,

상기 터빈 베인은, 리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일, 상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드, 및 상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드를 포함하며, 상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내벽면에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각은 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각보다 더 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 가상의 기준선에 대하여 기 설정된 각도로 교차하는 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되고, 상기 기준선은 상기 에어포일들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어질 수 있다.

상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 직각으로 교차할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 터빈 베인 및 터빈에 의하면 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 면은 에어포일의 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성되므로 2차 와류가 감소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인의 내측 슈라우드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 내측 슈라우드의 일부를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 비교예에 따른 터빈 베인의 공력 손실을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 비교예에 따른 터빈 베인을 통과하는 공기 유동의 누셀트수 분포를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 비교예에 따른 터빈 베인의 열부하를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 베인의 내측 슈라우드를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 종래의 터빈 베인의 내측 슈라우드를 설명하기 위한 도면이다.

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.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 잘라 본 종단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예를 따르는 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 구동시키는데 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 회전 가능하게 설치된 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1400)와 터빈 블레이드(1400) 사이에 배치되어 유동을 안내하는 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)와 베인(1500)이 삽입된다. 터빈 블레이드(1400)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 베인(1500)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인을 도시한 측면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인의 내측 슈라우드를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 내측 슈라우드의 일부를 도시한 도면이다.

도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 터빈 베인(1500)은 내측 슈라우드(1520), 외측 슈라우드(1530), 및 내측 슈라우드(1520)와 외측 슈라우드(1530) 사이에 위치하는 에어포일(1510)을 포함한다.

에어포일(1510)은 날개 형상의 곡면판으로 이루어질 수 있으며, 가스 터빈(1000)의 사양에 따라 최적화된 익형을 갖도록 형성될 수 있다. 에어포일(1510)은 연소 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치되는 리딩 엣지(LE)와 하류측에 배치되는 트레일링 엣지(TE)를 구비할 수 있다.

또한, 에어포일(1510)에는 외측방으로 볼록한 곡면을 이루며 돌출된 흡입면(S1)과 흡입면(S1) 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면(S2)이 형성된다.

내측 슈라우드(1520)는 터빈(1300)의 내부 구조물에 결합되며 에어포일(1510)의 내측 단부에 배치되어 에어포일(1510)을 지지한다. 내측 슈라우드(1520)는 에어포일(1510)의 내측 에 결합된 내측 플랫폼(1522) 및 내측 플랫폼(1522)의 아래로 돌출된 내측 후크(1524)를 포함한다.

외측 슈라우드(1530)는 반경 반향 외측에 설치된 베인 캐리어(미도시)에 결합되며 에어포일(1510)의 외측 단부에 배치되어 에어포일(1510)을 지지한다. 외측 슈라우드(1530)는 에어포일(1510)의 외측단에 결합된 외측 플랫폼(1532) 및 외측 플랫폼(1532)의 위로 돌출되어 베인 캐리어에 결합되는 외측 후크(1534)를 포함한다.

본 제1 실시예에서는 내측 슈라우드(1520)와 외측 슈라우드(1530) 사이에 2개의 에어포일(1510)이 위치하는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 내측 슈라우드(1520)와 외측 슈라우드(1530) 사이에는 하나의 에어포일(1510)이 위치할 수 있다.

내측 슈라우드(1520)들은 서로 연결되어 반경방향 내측에서 벽면을 형성하며, 외측 슈라우드(1530)들은 서로 연결되어 반경방향 외측에서 벽면을 형성한다. 외측 슈라우드(1530)에서 내측 슈라우드(1520)를 향하는 면은 터빈(1300)의 중심축 방향과 평행하게 형성될 수 있다.

또한, 내측 슈라우드(1520)에서 외측 슈라우드(1530)를 향하는 면은 공기의 진행방향으로 갈수록 점진적으로 외측으로 돌출되는 부분과 터빈(1300)의 중심축 방향과 평행한 부분을 포함할 수 있다.

이에 의하여 내측 슈라우드(1520)와 외측 슈라우드(1530) 사이에는 공기가 이동하는 방향을 따라 간격(G11)이 점진적으로 감소하는 가속 영역(D11)과 간격(G11)이 균일하게 유지되는 안정화 영역(D12)이 형성될 수 있다. 가속 영역(D11)에서는 유로 단면적이 점진적으로 감소하므로 냉각 공기의 속도가 빨라지고, 안정화 영역(D12)에서는 유로 단면적이 불변하므로 유동이 균일화된다. 안정화 영역(D12)은 유동방향을 기준으로 가속 영역(D11)의 하류측에 위치할 수 있다.

내측 슈라우드(1520)에서 외측 슈라우드(1530)를 향하는 내벽면(IW1)은 흡입면(S1)과 인접한 부분의 경사각(A11)과 압력면(S2)과 인접한 부분의 경사각(A12)이 서로 상이하게 형성된다. 또한 내벽면(IW1)에서 흡입면(S1)과 인접한 부분의 경사각(A11)은 압력면(S2)과 인접한 부분의 경사각(A12)보다 더 크게 형성될 수 있다. 여기서 경사각은 터빈의 중심축과 평행한 방향(X1)에 대하여 경사진 각도를 의미한다.

흡입면(S1)과 인접한 부분과 압력면(S2)과 인접한 부분은 유동 속도가 서로 상이한데, 도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 터빈 베인(3500)은 원주 방향을 따라 이어진 라인(VLO)으로 내측 슈라우드(3520)의 내벽면이 동일한 높이로 형성된다. 이에 따라 내측 슈라우드(3520)의 내벽면이 에어포일(3510) 사이에서 동일한 경사로 형성되므로 스로트 영역까지 충분히 가속되지 못할 뿐만 아니라, 동일한 유속을 갖는 유동이 상이하게 가속되어 2차 와류가 증가하는 문제가 있었다. 그러나 본 실시예와 같이 흡입면(S1)과 인접한 부분의 경사각(A11)과 압력면과 인접한 부분의 경사각(A12)이 서로 상이하게 형성되면 유동 속도에 따라 경사각을 조절하여 동일한 유속을 갖는 부분이 동일하게 가속되고, 스로트 영역(THA)까지 충분히 가속되어 2차 와류를 현저히 감소시킬 수 있다. 스로트 영역(THA)은 트레일링 엣지(TE)에서 이웃하는 에어포일(1510)의 흡입면(S1)과 최단 거리를 형성하는 단면 영역을 의미한다.

특히 내벽면(IW1)은 서로 이웃하는 에어포일(1510) 사이를 통과하는 가상의 기준선(L11)에 대하여 기 설정된 각도로 이어진 교차 라인(VL1)을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성될 수 있다. 여기서 기준선은 에어포일(1510)들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어질 수 있다.

기준선은 터빈 베인(1500)들이 연결되었을 때 각각의 터빈 베인(1500)의 에어포일(1510)들 사이에서 중간 지점을 지나는 유동방향을 따라 이어진 라인으로 이루어질 수 있다. 교차 라인(VL1)은 기준선(L11)에 대하여 85도~95도로 경사진 방향으로 이루어질 수 있으며, 특히, 교차 라인(VL1)은 기준선(L11)에 대하여 직각으로 교차하는 방향으로 이루어질 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 유동방향에 대하여 직각으로 교차하는 방향은 원주 방향과 평행하지 않으며, 원주방향에 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 압력면(S2)과 인접한 부분에서 유속이 더 크므로 압력면(S2)과 인접한 부분의 제1 프로파일(PL1)은 흡입면(S1)과 인접한 부분의 제2 프로파일(PL2)보다 더 큰 경사를 가질 수 있다. 이에 따라 내벽면(IW1)에서 흡입면(S1)과 인접한 부분의 경사각(A11)은 압력면(S2)과 인접한 부분의 경사각(A12)보다 더 크게 형성된다.

한편, 상기한 가속 영역(D11)에서 흡입면(S1)과 인접한 부분의 경사각(A11)과 압력면(S2)과 인접한 부분의 경사각(A12)이 서로 상이하게 형성되며, 안정화 영역(D12)에서는 경사각이 서로 동일하게 형성될 수 있다.

본 실시예와 같이 내측 슈라우드(1520)의 내벽이 기준선(L11)에 직각인 교차 라인(VL1)을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되면, 스로트 영역(THA)까지 유동을 가속시켜서 2차 와류를 감소시킬 수 있다. 또한, 2차 와류의 감소로 이하여 공력 손실이 감소하고, 열전달이 감소할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 비교예에 따른 터빈 베인의 공력 손실을 비교한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 비교예에 따른 터빈 베인을 통과하는 공기 유동의 누셀트수 분포를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 비교예에 따른 터빈 베인의 열부하를 비교한 그래프이다.

비교예에 따른 터빈 베인은 내측 슈라우드의 높이가 외주방향으로 동일하게 형성된 것을 제외하고는 본 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 동일한 구조로 이루어진다. 도 7은 트레일링 엣지에서의 공력 손실을 나타내는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 원주방향으로 높이가 균일한 종래의 터빈 베인에 비하여 공력 손실이 7.5% 감소할 수 있다.

또한, 본 제1 실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 도 8에 도시된 바와 같이 스로트 구간에서 누설 유동이 감소하여 열전달이 감소하였으며, 이에 따라 도 9에 도시된 바와 같이 비교예의 터빈 베인에 비하여 열부하가 5.4% 감소함을 확인하였다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 베인에 대해서 설명한다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 베인의 내측 슈라우드를 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 터빈 베인(2500)은 내측 슈라우드(2520)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 터빈 베인과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

내측 슈라우드(2520)의 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일(2510) 사이를 통과하는 복수의 가상의 기준선(L21, L22, L23)에 대하여 직각으로 교차하는 교차 라인(VL2)을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성될 수 있다. 여기서 기준선(L21, L22, L23)은 에어포일(2510)들 사이의 공간을 기 설정된 간격으로 분할하며, 공기의 유동방향으로 이어질 수 있다.

도 10에서는 에어포일 사이에 3개의 기준선(L21, L22, L23)이 설정된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 기준선은 복수로 이루어지면 충분하다.

교차 라인(VL2)은 중앙에 위치하는 기준선(L21)과 직교하는 라인이 외측에 위치하는 기준선(L22, L23)과 만나는 부분에서 외측에 위치하는 기준선(L22, L23)과 직교하도록 굴곡된 구조로 이루어질 수 있다. 또한 교차 라인(VL2)은 보간법에 의하여 부드럽게 이어지도록 형성될 수도 있다.

본 제2 실시예와 같이 에어포일(2510) 사이에 복수의 가상의 기준선(L21, L22, L23)이 설정되면 보다 정확하게 유체를 가속하여 2차 와류의 세기를 더욱 감소시킬 수 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, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000: 가스 터빈
1100: 압축기
1130: 압축기 블레이드
1140: 압축기 베인
1150: 하우징
1170: 토크 튜브
1200: 연소기
1300: 터빈
1310: 로터 디스크
1400: 터빈 블레이드
1500, 2500, 3500: 터빈 베인
1510, 2510, 3510: 에어포일
1520, 2520, 3520: 내측 슈라우드
1522: 내측 플랫폼
1524: 내측 후크
1530: 외측 슈라우드
1532: 외측 플랫폼
1534: 외측 후크
G11: 간격
D11: 가속 영역
D12: 안정화 영역
A11, A12: 경사각
THA: 스로트 영역
L11, L21. L22. L23: 기준선
VL1, VL2: 교차 라인
PL1: 제1 프로파일
PL2: 제2 프로파일

Claims (20)

1. 흡입면과 압력면을 갖는 에어포일;
   상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드; 및
   상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드;
   를 포함하고,
   상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 내벽면에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각은 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 가상의 기준선에 대하여 기설정된 각도로 교차하는 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 기준선은 에어포일들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어진 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 85도~95도로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 직각으로 교차하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 슈라우드는 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 복수의 가상의 기준선에 대하여 수직으로 이어진 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되며,
   상기 기준선들은 기 설정된 간격으로 이격되며, 유동방향을 따라 이어진 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 슈라우드와 외측 슈라우드 사이에는 간격이 점진적으로 감소하는 가속 영역과 간격이 균일하게 유지되는 안정화 영역이 형성되고,
   상기 가속 영역에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
9. 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드 사이에 배치된 복수의 터빈 베인을 포함하는 터빈에 있어서,
   상기 터빈 베인은,
   리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일;
   상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드; 및
   상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드;
   를 포함하고,
   상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 내벽면에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각은 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈.
11. 제9 항에 있어서,
    상기 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 가상의 기준선에 대하여 기설정된 각도로 교차하는 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 터빈.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 기준선은 상기 에어포일들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어진 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 85도~95도로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈.
14. 제12 항에 있어서,
    상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 직각으로 교차하는 것을 특징으로 하는 터빈.
15. 제9 항에 있어서,
    상기 내측 슈라우드는 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 복수의 가상의 기준선에 대하여 수직으로 이어진 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되며,
    상기 기준선들은 기 설정된 간격으로 이격되며, 유동방향을 따라 이어진 것을 특징으로 하는 터빈.
16. 제9 항에 있어서,
    상기 내측 슈라우드와 외측 슈라우드 사이에는 간격이 점진적으로 감소하는 가속 영역과 간격이 균일하게 유지되는 안정화 영역이 형성되고,
    상기 가속 영역에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 터빈.
17. 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈으로서,
    상기 터빈은 로터 디스크와, 상기 로터 디스크에 설치되는 복수의 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드 사이에 배치된 복수의 터빈 베인을 포함하고,
    상기 터빈 베인은,
    리딩 엣지 및 트레일링 엣지를 갖는 에어포일;
    상기 에어포일의 일단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하는 내측 슈라우드; 및
    상기 에어포일의 타단에 배치되어 상기 에어포일을 지지하되 상기 내측 슈라우드와 마주하는 외측 슈라우드;
    를 포함하며,
    상기 내측 슈라우드에서 상기 외측 슈라우드를 향하는 내벽면은 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각과 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각이 서로 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 내벽면에서 상기 흡입면과 인접한 부분의 경사각은 상기 압력면과 인접한 부분의 경사각보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
19. 제17 항에 있어서,
    상기 내벽면은 서로 이웃하는 에어포일 사이를 통과하는 가상의 기준선에 대하여 기설정된 각도로 교차하는 교차 라인을 따라 균일한 높이를 갖도록 형성되고, 상기 기준선은 상기 에어포일들 사이의 중간 지점을 지나는 유동방향으로 이어진 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
20. 제19 항에 있어서,
    상기 교차 라인은 상기 기준선에 대하여 직각으로 교차하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.

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