KR20230120860A - 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

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KR20230120860A
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김진욱
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Abstract

본 발명은 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어포일이 제1부분과 제2부분을 포함하는 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 제2부분이 제1부분과 결합되되, 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되도록 배치되어, 보다 다양한 두께와 형상으로 제작될 수 있고 구조적으로 강도가 향상될 수 있는 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공할 수 있다.

Description

터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈{Turbine vane, turbine, and gas turbine including the same}
본 발명은 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어포일이 제1부분과 제2부분을 포함하는 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.
가스터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스터빈은 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.
터빈 베인은 연소 가스를 터빈 블레이드로 안내하고, 내측쉬라우드, 외측쉬라우드, 및 내측쉬라우드와 외측쉬라우드의 사이에 배치된 에어포일을 포함할 수 있다. 일반적으로 터빈 베인은 주조방식으로 제작되기 때문에 두께와 형상이 제한된다. 그리고, 터빈 베인은 에어포일과 내측쉬라우드가 만나는 부분 및 에어포일과 외측쉬라우드가 만나는 부분에서 응력이 집중된다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 보다 다양한 두께와 형상으로 제작될 수 있고 구조적 강도가 향상된 터빈 베인, 터빈 및 가스터빈을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈 베인은 에어포일, 내측쉬라우드, 외측쉬라우드를 포함한다. 에어포일은 리딩엣지가 형성되는 제1부분, 및 제1부분과 결합되고 트레일링엣지가 형성되는 제2부분을 구비하고, 압력면과 흡입면이 형성된다. 내측쉬라우드는 에어포일의 반경방향 내측에 배치된다. 외측쉬라우드는 에어포일의 반경방향 외측에 배치된다. 제2부분은 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되어 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제2부분은 내측쉬라우드 및 외측쉬라우드와 각각 분리되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제2부분은 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제1부분과 제2부분은 서로 용접 방식에 의해 접합되어 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제1부분은 주조방식에 의해 제조되고, 제2부분은 주조방식이 아닌 방식으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제2부분은 적층제조(Additive Manufacturing)방식에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 내측쉬라우드는 에어포일과의 경계에 형성되는 내측필렛부를 포함하고, 외측쉬라우드는 에어포일과의 경계에 형성되는 외측필렛부를 포함하며, 제2부분은 내측필렛부 또는 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제2부분은 내측필렛부 및 외측필렛부와 각각 분리되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제2부분은 내측필렛부 또는 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인에서 제2부분의 내부에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되고, 트레일링엣지에는 냉각유로와 외부를 연통시키는 슬릿이 형성되며, 슬릿은 압력면 측을 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈은 터빈 로터 디스크, 복수 개의 터빈 블레이드, 복수 개의 터빈 베인을 포함한다. 터빈 로터 디스크는 회전 가능하게 배치된다. 터빈 블레이드는 터빈 로터 디스크에 배치된다. 터빈 베인은 고정 배치된다. 터빈 베인은 에어포일, 내측쉬라우드, 외측쉬라우드를 포함한다. 에어포일은 리딩엣지가 형성되는 제1부분, 및 제1부분과 결합되고 트레일링엣지가 형성되는 제2부분을 구비하고, 압력면과 흡입면이 형성된다. 내측쉬라우드는 에어포일의 반경방향 내측에 배치된다. 외측쉬라우드는 에어포일의 반경방향 외측에 배치된다. 제2부분은 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되어 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서 제2부분은 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서 제1부분은 주조방식에 의해 제조되고, 제2부분은 주조방식이 아닌 방식으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서 내측쉬라우드는 에어포일과의 경계에 형성되는 내측필렛부를 포함하고, 외측쉬라우드는 에어포일과의 경계에 형성되는 외측필렛부를 포함하며, 제2부분은 내측필렛부 또는 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서 제2부분의 내부에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되고, 트레일링엣지에는 냉각유로와 외부를 연통시키는 슬릿이 형성되며, 슬릿은 압력면 측을 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 공기를 압축시킨다. 연소기는 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합시켜 연소시킨다. 터빈은 연소기에 의해 연소된 연소 가스를 안내하도록 고정된 터빈 베인, 및 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비한다. 터빈 베인은 에어포일, 내측쉬라우드, 외측쉬라우드를 포함한다. 에어포일은 리딩엣지가 형성되는 제1부분, 및 제1부분과 결합되고 트레일링엣지가 형성되는 제2부분을 구비하고, 압력면과 흡입면이 형성된다. 내측쉬라우드는 에어포일의 반경방향 내측에 배치된다. 외측쉬라우드는 에어포일의 반경방향 외측에 배치된다. 제2부분은 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되어 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에서 제2부분은 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에서 제1부분은 주조방식에 의해 제조되고, 제2부분은 주조방식이 아닌 방식으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에서 내측쉬라우드는 에어포일과의 경계에 형성되는 내측필렛부를 포함하고, 외측쉬라우드는 에어포일과의 경계에 형성되는 외측필렛부를 포함하며, 제2부분은 내측필렛부 또는 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈에서 제2부분의 내부에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되고, 트레일링엣지에는 냉각유로와 외부를 연통시키는 슬릿이 형성되며, 슬릿은 압력면 측을 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈은 에어포일이 제1부분과 제2부분을 포함하고, 제2부분은 제1부분과 결합되되, 내측쉬라우드 또는 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되도록 배치되어, 보다 다양한 두께와 형상으로 제작될 수 있고 구조적 강도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 내부가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스터빈의 일부를 절개하여 나타낸 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 터빈 베인을 측면에서 바라본 측면도이다.
도 5는 도 3의 에어포일의 일부를 절개하여 나타낸 횡단면도이다.
도 6은 트레일링엣지의 두께에 따른 터빈 베인의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 베인을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 터빈 베인을 측면에서 바라본 측면도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 다른 터빈 베인에서 에어포일의 일부를 절개하여 나타낸 횡단면도이다.
도 10은 슬릿의 유무, 슬릿의 위치 및 트레일링엣지의 두께에 따른 터빈 베인의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
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.
이하, 본 발명에 따른 터빈 베인, 터빈 및 이를 포함하는 가스터빈에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 내부가 도시된 사시도이고, 도 2는 도 1의 가스터빈의 일부를 절개하여 나타낸 종단면도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예를 따른 가스터빈(1000)에 대하여 설명한다. 본 실시예를 따르는 가스터빈(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 가스터빈(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 가스터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스터빈(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 가스터빈(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 가스터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스터빈(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 가스터빈(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 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)와 터빈 베인(1500)이 삽입된다. 터빈 블레이드(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. 터빈 블레이드는 연소 가스에 의하여 회전하면서 회전력을 생성한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 터빈 베인을 측면에서 바라본 측면도이며, 도 5는 도 3의 에어포일의 일부를 절개하여 나타낸 횡단면도이고, 도 6은 트레일링엣지의 두께에 따른 터빈 베인의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인(1500)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 에어포일(1510), 내측쉬라우드(1540), 외측쉬라우드(1550)를 포함함다.
에어포일(1510)의 횡단면은 익형이고, 반경방향을 종방향으로 하여 길게 연장되어 형성된다. 에어포일(1510)에는 연소 가스의 유동이 통과할 수 있다. 에어포일(1510)에는 리딩엣지(LE), 트레일링엣지(TE), 흡입면(SS), 압력면(PS)이 형성된다. 리딩엣지(LE)는 연소 가스가 들어오는 부분으로 연소 가스 유동의 상류 측에 형성된다. 트레일링엣지(TE)는 연소 가스가 나가는 부분으로 연소 가스 유동의 하류 측에 형성된다. 흡입면(SS)과 압력면(PS)을 리딩엣지(LE)와 트레일링엣지(TE)의 사이에 형성된다. 흡입면(SS)은 에어포일(1510)에서 연소 가스가 유입되는 전면을 향하여 볼록하게 형성될 수 있다. 압력면(PS)은 에어포일(1510)의 배면에서 흡입면(SS)을 향하여 오목하게 형성될 수 있다. 흡입면(SS)과 압력면(PS)을 따라 유동하는 각각의 연소 가스 유동 간에는 압력 차이가 발생한다.
에어포일(1510)은 제1부분(1520)과 제2부분(1530)을 포함한다. 제1부분(1520)은 에어포일(1510)에서 연소 가스 유동의 상류 측에 배치되는 부분으로, 전단부(1521)에 리딩엣지(LE)가 형성된다. 제2부분(1530)은 연소 가스 유동의 하류 측에 배치되는 부분으로, 후단부(1532)에 트레일링엣지(TE)가 형성된다.
제1부분(1520)과 제2부분(1530)은 서로 결합된다. 제1부분(1520)의 후단부(1522)에는 제2부분(1530)의 전단부(1531)가 결합되고, 하나의 에어포일(1510)을 구성하게 된다. 제1부분(1520)과 제2부분(1530)은 접합 방식에 의해 서로 결합될 수 있고, 상기 접합 방식은 용접 방식일 수 있다. 용접 방식으로 제1부분(1520)과 제2부분(1530)을 접합시키는 경우, 제1부분(1520)과 제2부분(1530)이 일체화적으로 형성될 수 있다.
제1부분(1520)과 제2부분(1530)이 결합되는 경계 부분은 연속적인 곡면으로 형성된다. 흡입면(SS)과 압력면(PS)은 각각, 제1부분(1520)과 제2부분(1530)을 걸쳐서 형성되게 된다. 제1부분(1520)과 제2부분(1530)은 서로 다른 방식으로 각각 제조된 뒤, 서로 결합될 수 있다.
리딩엣지(LE)에서 트레일링엣지(TE)를 향하는 방향을 기준으로, 제2부분의 길이(L2)는 제1부분의 길이(L1)보다 짧게 형성될 수 있다. 제1부분의 길이(L1)와 제2부분의 길이(L2)의 합을 총 길이(Ltotal)라 한다. 총 길이(Ltotal)은 리딩엣지(LE)에서 트레일링엣지(TE)까지의 거리를 의미하며, 코드길이(Chord length)라고도 한다. 제1부분의 길이(L2)는 총 길이(Ltotal)의 10% 내지 30%의 길이로 형성될 수 있다.
에어포일(1510)의 반경방향 양단부에는 쉬라우드(1540, 1550)가 각각 배치될 수 있다. 쉬라우드(1540, 1550)는 내측쉬라우드(1540) 및 외측쉬라우드(1550)를 포함한다.
내측쉬라우드(1540)는 에어포일(1510)의 반경방향 내측 단부에 배치되어 에어포일(1510)을 지지한다. 내측쉬라우드(1540)는 내측플랫폼(1541)과 내측후크(1542)를 포함할 수 있다. 내측플랫폼(1541)은 대략 두께를 갖는 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 내측후크(1542)는 내측플랫폼(1541)으로부터 내측으로 돌출되어 형성될 수 있다. 내측후크(1542)는 체결부재로서, 터빈 베인(1500)을 링세그먼트와 같은 구성에 체결시킬 수 있다.
외측쉬라우드(1550)는 에어포일(1510)의 반경방향 외측 단부에 배치되어 에어포일(1510)을 지지한다. 외측쉬라우드(1550)는 외측플랫폼(1551)과 외측후크(1552)를 포함할 수 있다. 외측플랫폼(1551)은 내측플랫폼(1541)과 마찬가지로, 대략 두께를 갖는 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 외측후크(1552)는 외측플랫폼(1551)으로부터 외측으로 돌출되어 형성될 수 있다. 외측후크(1552)는 체결부재로서 터빈 베인(1500)을 터빈 케이싱과 같은 구성에 체결시킬 수 있다.
에어포일(1510)에서 제2부분(1530)은 내측쉬라우드(1540) 또는 외측쉬라우드(1550) 중 적어도 하나와 분리되어 배치된다. 이 때, 제2부분(1530)과 내측쉬라우드(1540)에서 분리된 사이 부분을 제1갭(G1)이라 하고, 제2부분(1530)과 외측쉬라우드(1550)에서 분리된 사이 부분을 제2갭(G2)이라 한다. 여기서 분리가 되었다는 표현은 일체로 형성된 것이 아님을 의미한다. 에어포일(1510)과 내측쉬라우드(1540)가 만나는 부분, 에어포일(1510)과 외측쉬라우드(1550)가 만나는 부분에서는 응력이 집중될 수 있다. 그러나, 제1갭(G1) 또는 제2갭(G2)이 형성되는 경우, 상기 응력의 전달이 효과적으로 차단될 수 있다.
제1갭(G1)에서 제2부분(1530)과 내측쉬라우드(1540)는 서로 면접촉하도록 배치될 수 있고, 서로 틈을 형성하며 이격되어 배치될 수도 있다. 제2부분(1530)과 내측쉬라우드(1540)가 이격되어 배치되는 경우, 내측쉬라우드(1540)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달을 보다 확실하게 차단할 수 있다. 여기서 상기 틈의 이격된 간격은, 흡입면(SS) 또는 압력면(PS)의 표면적 감소가 거의 없을 정도로 매우 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
제2갭(G2)에서도 제1갭(G1)에서와 마찬가지로, 제2부분(1530)과 외측쉬라우드(1550)는 서로 면접촉하도록 배치될 수 있고, 서로 틈을 형성하며 이격되어 배치될 수도 있다. 이 경우, 외측쉬라우드(1550)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달을 보다 확실하게 차단할 수 있다. 그리고, 제1갭(G1)과 마찬가지로, 상기 틈은 매우 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
제2부분(1530)은 내측쉬라우드(1540)와 분리되거나, 또는 외측쉬라우드(1550)와 분리될 수 있다. 즉, 제1갭(G1) 또는 제2갭(G2) 중 어느 하나만 형성될 수 있다. 내측쉬라우드(1540)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달과, 외측쉬라우드(1550)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달은 서로 다를 수 있기 때문에 이를 고려하여, 응력이 보다 강하게 작용하는 부분에만 제1갭(G1) 또는 제2갭(G2) 중 어느 하나가 형성될 수 있다.
제2부분(1530)은 내측쉬라우드(1540) 및 외측쉬라우드(1550)와 각각 분리될 수도 있다. 즉, 제1갭(G1)과 제2갭(G2)이 모두 형성될 수 있다. 이 경우, 내측쉬라우드(1540)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달과, 외측쉬라우드(1550)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달이 모두 차단할 수 있으므로, 터빈 베인(1500)이 구조적으로 더욱 더 견고해질 수 있다.
에어포일(1510)은 제1부분(1520)과 제2부분(1530)은 각각 별도로 제작된 뒤 서로 결합될 수 있다. 이 때, 제1부분(1520)은 주조방식에 의해 제조되고, 제2부분(1530)은 주조방식이 아닌 방식으로 제조될 수 있다. 주조방식은 얇거나 작은 것을 제조하기가 매우 어렵다. 주조방식은 내부형상을 형성하기 위해 코어(core)등을 이용하기 때문이다.
에어포일(1510)은 단면이 익형으로 리딩엣지(LE) 측이 트레일링엣지(TE) 측보다 두껍게 형성된다. 따라서, 제1부분(1520)은 비교적 두꺼운 부분으로서, 주조방식으로 제조되기에 적합하다. 트레일링엣지(TE)는 리딩엣지(LE)에 비해 상대적으로 얇게 형성되어야 하고, 얇을수록 터빈 베인(1500)의 효율이 증가한다. 하지만, 주조방식에 의할 경우, 트레일링엣지(TE)를 얇게 제작하는 것에 한계가 있다. 따라서, 제2부분(1530)이 주조방식이 아닌 방식으로 제작되면, 제2부분(1530)이 보다 더 얇게 제작될 수 있다.
제2부분(1530)은 적층제조(Additive Manufacturing)방식에 의해 제작될 수 있다. 적층제조방식은 3D프린터와 같은 장비로 소재를 한층씩 쌓아 올려 3차원의 물체를 제작하는 방식이다. 적층제조방식은 복잡한 형상이나, 매우 얇은 구조물도 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
일 예시로서, 본 발명에 따른 터빈 베인(1500)은 적층제조방식 중에서도 직접금속레이저소결조형(Direct metal laser sintering) 방식에 의해 제작될 수 있다. 직접금속레이저소결조형은 금속 파우더를 레이저로 소결시켜 물체를 생산하기 때문에, 강도 높은 제품을 생산할 수 있고, 금속 재질의 물체를 생산하기에 적합하다는 장점이 있다.
도 5에서는 에어포일(1510)의 횡단면이 도시되어 있다. 에어포일(1510)의 내부에는 압축공기 등의 냉각유체가 유동하는 냉각유로(CP)가 형성되어 있다. 트레일링엣지(TE) 부분에는 냉각유로(CP)와 외부를 연통시키는 슬릿(1533)이 형성될 수 있다. 슬릿(1533)에서 냉각유로(CP)의 냉각유체가 외부로 토출되면서, 트레일링엣지(TE)가 냉각될 수 있다. 슬릿(1533)은 에어포일(1510)에서 반경방향을 따라 길게 연장되어 형성될 수 있다. 이 경우, 트레일링엣지(TE)는 슬릿(1533) 양쪽에 배치된 각각의 에어포일(1510)의 단부에 형성된다.
도 5에서 점선으로 도시된 부분은 기존의 주조방식으로 제조된 트레일링엣지의 형상을 나타낸 것이고, 실선으로 도시된 부분이 본 발명에 따른 트레일링엣지(TE)를 나타낸 것이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 트레일링엣지(TE)는 기존의 주조방식으로 제조된 트레일링엣지보다 더욱 얇게 형성될 수 있고, 슬릿(1533)의 폭도 더욱 작게 형성될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 트레일링엣지(TE) 두께 변화에 따른 터빈 베인(1500)의 효율에 대하여 상세히 설명한다. 도 6에서 가로축은 트레일링엣지(TE)의 두께(Trailing Edge Thickness)를 mm단위로 나타낸 것이다. 여기서 트레일링엣지(TE)의 두께는 트레일링엣지(TE)의 주변부의 양 변곡점 간의 간격이다. 트레일링엣지(TE)를 확대하여 보면, 끝 부분이 둥글게 형성되게 되는데 이때 둥글게 시작되는 지점이 변곡점이다. 도 6의 세로축은 터빈 베인(1500)의 효율(Row Efficiency)을 %로 나타낸 것이다. 여기서 터빈 베인(1500)의 효율은 등엔트로피 효율을 의미한다. 도 6의 효율은 트레일링엣지(TE)에 슬릿(1533)이 형성되지 않은 경우를 전제로 한 것이다.
트레일링엣지(TE)의 두께가 1mm에서 6mm로 두꺼워질 때, 터빈 베인(1500) 효율은 98.20%에서 97.24%까지 감소하였다. 즉, 트레일링엣지(TE)의 두께가 얇아질수록 터빈 베인(1500)의 효율이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 터빈 베인(1500)은 기존의 터빈 베인보다 트레일링엣지(TE)를 보다 얇게 제작할 수 있으므로, 보다 높은 효율의 터빈 베인(1500)을 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 베인을 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7의 터빈 베인을 측면에서 바라본 측면도이다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 베인(1500)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 내측필렛부(1543), 외측필렛부(1553), 제1갭(G1) 및 제2갭(G2)을 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인(1500)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.
내측쉬라우드(1540)는 내측필렛부(1543)를 포함할 수 있다. 내측필렛부(1543)는 내측쉬라우드(1540)와 에어포일(1510) 사이의 경계에 형성될 수 있다. 내측필렛부(1543)는 단면이 곡면으로 형성되어 내측쉬라우드(1540)와 에어포일(1510)을 매끄럽게 연결한다. 내측필렛부(1543)는 내측쉬라우드(1540)와 에어포일(1510) 사이에 집중되는 응력을 분산시킬 수 있다.
외측쉬라우드(1550)는 외측필렛부(1553)를 포함할 수 있다. 외측필렛부(1553)는 외측쉬라우드(1550)와 에어포일(1510) 사이의 경계에 형성될 수 있다. 외측필렛부(1553)는 내측필렛부(1543)와 마찬가지로 단면이 곡면으로 형성되어 외측쉬라우드(1550)와 에어포일(1510)을 매끄럽게 연결한다. 외측필렛부(1553)는 외측쉬라우드(1550)와 에어포일(1510) 사이에 집중되는 응력을 분산시킬 수 있다.
내측필렛부(1543)는 내측플랫폼(1541)에서 제1부분(1520) 및 제2부분(1530)에 대응되는 영역에 형성될 수 있고, 외측필렛부(1553)는 외측플랫폼(1551)에서 제1부분(1520) 및 제2부분(1530)에 대응되는 영역에 형성될 수 있다. 이에 따라, 내측필렛부(1543)가 내측플랫폼(1541)으로부터 외측으로 돌출되고, 외측필렛부(1553)가 외측플랫폼(1551)으로부터 내측으로 돌출되며, 에어포일(1510)은 내측필렛부(1543)와 외측필렛부(1553) 사이에 배치되게 된다.
에어포일(1510)의 제2부분(1530)은 내측필렛부(1543) 또는 외측필렛부(1553) 중 적어도 하나와 분리되어 배치될 수 있다. 즉, 제1갭(G1)은 내측필렛부(1543)와 제2부분(1530) 사이에 형성될 수 있고, 제2갭(G2)은 외측필렛부(1553)와 제2부분(1530) 사이에 형성될 수 있다. 제1갭(G1)이 형성되는 경우, 내측필렛부(1543)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달을 차단할 수 있고, 제2갭(G2)이 형성되는 경우, 외측필렛부(1553)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달을 차단할 수 있다.
제1갭(G1)에서 내측필렛부(1543)와 에어포일(1510)은 서로 틈을 형성하여 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, 내측필렛부(1543)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달을 보다 확실하게 차단할 수 있다. 마찬가지로, 제2갭(G2)에서도 외측필렛부(1553)와 에어포일(1510)이 서로 틈을 형성하여 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, 외측필렛부(1553)와 제2부분(1530) 간의 응력 전달을 보다 확실하게 차단할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인(1500)과 마찬가지로, 응력이 보다 강하게 작용하는 부분에만 제1갭(G1) 또는 제2갭(G2) 중 어느 하나만 형성될 수 있고, 제1갭(G1)과 제2갭(G2)이 모두 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 다른 터빈 베인에서 에어포일의 일부를 절개하여 나타낸 횡단면도이고, 도 10은 슬릿의 유무, 슬릿의 위치 및 트레일링엣지의 두께에 따른 터빈 베인의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 슬릿(1533)을 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 베인(1500)과 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 슬릿(1533)이 압력면(PS) 측을 향하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 9의 확대된 부분에서 도시된 바와 같이, 트레일링엣지(TE)는 제2부분(1530)의 흡입면(SS) 측 단부에 형성될 수 있고, 슬릿(1533)은 트레일링엣지(TE)와 제2부분(1530)의 압력면(PS) 측 단부의 사이에 형성될 수 있다.
도 9에서 점선으로 도시된 부분은 기존 터빈 베인의 트레일링엣지 부분을 나타낸 것이다. 기존 터빈 베인의 경우, 슬릿이 트레일링엣지의 중앙에 형성되고, 트레일링엣지 부분에서 상기 슬릿을 기준으로 에어포일이 대칭적으로 형성된다.
이와 달리 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)의 경우, 슬릿(1533)이 압력면(PS) 측을 향하도록 형성되어, 트레일링엣지(TE) 부분에서 에어포일(1510)이 비대칭적으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 슬릿(1533)에서 토출되는 냉각유체는 압력면(PS) 측으로 치우쳐져 토출될 수 있다. 또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 슬릿(1533)의 폭이 기존 터빈 베인의 슬릿의 폭보다 작게 형성될 수 있다.
기존의 터빈 베인은 에어포일 또는 터빈 베인 전체가 주조방식으로 제작되기 때문에, 슬릿이 압력면 측을 향해서 형성되도록 하거나, 슬릿의 폭을 얇게 제작하는 것이 매우 어렵다. 그러나, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)은 에어포일(1510)이 제1부분(1520)과 제2부분(1530)으로 따로 제작된 뒤 결합되고, 제2부분(1530)은 주조방식이 아닌 방식으로 제작될 수 있기 때문에, 슬릿(1533)이 압력면(PS) 측을 향해서 형성될 수 있고, 폭도 보다 더 얇게 형성될 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)의 효율에 대하여 상세히 설명한다. 도 10에서 가로축은 트레일링엣지(TE)의 두께(Trailing Edge Thickness)를 mm단위로 나타낸 것이고, 세로축은 터빈 베인(1500)의 효율(Row Efficiency)을 %로 나타낸 것이다.
(A)는 슬릿(1533)이 형성되지 않은 터빈 베인(1500)의 효율을 나타낸 것으로 도 6의 효율과 측정값은 같고 표현만 다른 것이다. (B)는 기존과 같이 슬릿(1533)이 트레일링엣지(TE)의 중앙에 형성된 경우의 터빈 베인(1500)의 효율을 나타낸 것이다. (C)는 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)의 효율을 나타낸 것이다.
(B)의 효율은 트레일링엣지(TE) 두께가 2mm일 때 약 97.25%이고 두께가 증가할수록 효율이 떨어지는 것으로 측정되었다. (C)의 효율은 트레일링엣지(TE) 두께가 2mm일 때 97.67%이며, 두께가 증가할수록 효율이 떨어지는 것으로 측정되었다. 트레일링엣지(TE)의 두께가 2mm 이상일 때, 전 구간에서 (C)의 효율이 (B)의 효율보다 더 높게 측정되었다. 즉, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 베인(1500)의 효율이 기존 터빈 베인(1500)의 효율보다 더 높음을 알 수 있다. 이러한 결과는 슬릿(1533)이 압력면(PS)을 향해 형성됨에 따라 터빈 베인(1500)을 통과하는 연소 가스의 유동 저항 및 압력 손실이 감소했기 때문일 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 : 가스터빈
1100 : 압축기 1130 : 압축기 블레이드
1140 : 압축기 베인 1150 : 하우징
1170 : 토크 튜브
1200 : 연소기
1300 : 터빈 1310 : 로터 디스크
1400 : 터빈 블레이드
1500 : 터빈 베인 1510 : 에어포일
1520 : 제1부분 1521 : 제1부분 전단부
1522 : 제1부분 후단부
1530 : 제2부분 1531 : 제2부분 전단부
1532 : 제2부분 후단부 1533 : 슬릿
1540 : 내측쉬라우드 1541 : 내측플랫폼
1542 : 내측후크 1543 : 내측필렛부
1550 : 외측쉬라우드 1551 : 외측플랫폼
1552 : 외측후크 1553 : 외측필렛부
CP : 냉각유로
G1 : 제1갭 G2 : 제2갭
LE : 리딩엣지 TE : 트레일링엣지
SS : 흡입면 PS : 압력면

Claims (20)

  1. 리딩엣지가 형성되는 제1부분, 및 상기 제1부분과 결합되고 트레일링엣지가 형성되는 제2부분을 구비하고, 압력면과 흡입면이 형성되는 에어포일;
    상기 에어포일의 반경방향 내측에 배치되는 내측쉬라우드; 및
    상기 에어포일의 반경방향 외측에 배치되는 외측쉬라우드를 포함하고,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 또는 상기 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되어 배치되는 터빈 베인.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 및 상기 외측쉬라우드와 각각 분리되어 배치되는 터빈 베인.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 또는 상기 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치되는 터빈 베인.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1부분과 상기 제2부분은 서로 용접 방식에 의해 접합되어 결합되는 터빈 베인.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1부분은 주조방식에 의해 제조되고,
    상기 제2부분은 주조방식이 아닌 방식으로 제조되는 터빈 베인.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2부분은 적층제조(Additive Manufacturing)방식에 의해 제조되는 터빈 베인.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내측쉬라우드는 상기 에어포일과의 경계에 형성되는 내측필렛부를 포함하고,
    상기 외측쉬라우드는 상기 에어포일과의 경계에 형성되는 외측필렛부를 포함하며,
    상기 제2부분은
    상기 내측필렛부 또는 상기 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되어 배치되는 터빈 베인.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2부분은
    상기 내측필렛부 및 상기 외측필렛부와 각각 분리되어 배치되는 터빈 베인.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2부분은
    상기 내측필렛부 또는 상기 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치되는 터빈 베인.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2부분의 내부에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되고,
    상기 트레일링엣지에는 상기 냉각유로와 외부를 연통시키는 슬릿이 형성되며,
    상기 슬릿은 상기 압력면 측을 향하도록 형성되는 터빈 베인.
  11. 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 베인은
    리딩엣지가 형성되는 제1부분, 및 상기 제1부분과 결합되고 트레일링엣지가 형성되는 제2부분을 구비하고, 압력면과 흡입면이 형성되는 에어포일;
    상기 에어포일의 반경방향 내측에 배치되는 내측쉬라우드; 및
    상기 에어포일의 반경방향 외측에 배치되는 외측쉬라우드를 포함하고,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 또는 상기 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되어 배치되는 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 또는 상기 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치되는 터빈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1부분은 주조방식에 의해 제조되고,
    상기 제2부분은 주조방식이 아닌 방식으로 제조되는 터빈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 내측쉬라우드는 상기 에어포일과의 경계에 형성되는 내측필렛부를 포함하고,
    상기 외측쉬라우드는 상기 에어포일과의 경계에 형성되는 외측필렛부를 포함하며,
    상기 제2부분은
    상기 내측필렛부 또는 상기 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되어 배치되는 터빈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2부분의 내부에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되고,
    상기 트레일링엣지에는 상기 냉각유로와 외부를 연통시키는 슬릿이 형성되며,
    상기 슬릿은 상기 압력면 측을 향하도록 형성되는 터빈.
  16. 공기를 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기에 의해 연소된 연소 가스를 안내하도록 고정된 터빈 베인, 및 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈을 포함하고,
    상기 터빈 베인은
    리딩엣지가 형성되는 제1부분, 및 상기 제1부분과 결합되고 트레일링엣지가 형성되는 제2부분을 구비하고, 압력면과 흡입면이 형성되는 에어포일;
    상기 에어포일의 반경방향 내측에 배치되는 내측쉬라우드; 및
    상기 에어포일의 반경방향 외측에 배치되는 외측쉬라우드를 포함하고,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 또는 상기 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되어 배치되는 가스터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2부분은
    상기 내측쉬라우드 또는 상기 외측쉬라우드 중 적어도 하나와 분리되되, 소정의 틈을 형성하며 이격되어 배치되는 가스터빈.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1부분은 주조방식에 의해 제조되고,
    상기 제2부분은 주조방식이 아닌 방식으로 제조되는 가스터빈.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 내측쉬라우드는 상기 에어포일과의 경계에 형성되는 내측필렛부를 포함하고,
    상기 외측쉬라우드는 상기 에어포일과의 경계에 형성되는 외측필렛부를 포함하며,
    상기 제2부분은
    상기 내측필렛부 또는 상기 외측필렛부 중 적어도 하나와 분리되어 배치되는 가스터빈.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제2부분의 내부에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되고,
    상기 트레일링엣지에는 상기 냉각유로와 외부를 연통시키는 슬릿이 형성되며,
    상기 슬릿은 상기 압력면 측을 향하도록 형성되는 가스터빈.
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