KR20240000196A

KR20240000196A - Turbine blade and Gas turbine comprising the same

Info

Publication number: KR20240000196A
Application number: KR1020220076857A
Authority: KR
Inventors: 남경모
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2024-01-02

Abstract

본 발명의 터빈 블레이드는, 리딩 에지, 트레일링 에지, 압력면 및 흡입면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된 터빈 블레이드에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 상기 압력면 또는 흡입면에 형성되는 복수의 냉각홀을 구비하고, 상기 냉각홀은 상기 냉각 유로로부터 상기 압력면 또는 흡입면 외측으로 경사지게 관통형성된 부채꼴 모양 홀과, 상기 부채꼴 모양 홀의 출구 주위에 상기 압력면 또는 흡입면 표면보다 오목하게 형성된 분출 사구와, 상기 분출 사구의 외측에 상기 압력면 또는 흡입면 표면보다 유선형으로 돌출되는 돌출부를 포함한다.The turbine blade of the present invention has a leading edge, a trailing edge, a pressure surface, and a suction surface, and has a cooling passage formed therein, wherein the turbine blade has a plurality of cooling holes formed on the pressure surface or the suction surface. The cooling hole is provided with a fan-shaped hole inclined to penetrate from the cooling passage to an outside of the pressure surface or suction surface, and a blowing mound formed around the outlet of the fan-shaped hole to be more concave than the pressure surface or suction surface, It includes a protrusion that protrudes in a streamlined shape from the pressure surface or suction surface on the outside of the jetting dune.

Description

Turbine blade and gas turbine comprising the same}

본 발명은 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 필름 쿨링 홀의 형상을 개선하여 냉각 성능을 향상시킨 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.The present invention relates to a turbine blade and a gas turbine including the same, and more specifically, to a turbine blade with improved cooling performance by improving the shape of a plurality of film cooling holes and a gas turbine including the same.

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.A turbine is a mechanical device that obtains rotational power through impulse or reaction force using the flow of compressible fluid such as steam or gas. There are steam turbines using steam and gas turbines using high-temperature combustion gas.

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.Among these, the gas turbine largely consists of a compressor, combustor, and turbine. The compressor is provided with an air inlet for introducing air, and a plurality of compressor vanes and compressor blades are alternately arranged within the compressor housing.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.The combustor supplies fuel to the compressed air from the compressor and ignites it with a burner, thereby generating high-temperature, high-pressure combustion gas.

터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.The turbine has a plurality of turbine vanes and turbine blades arranged alternately within a turbine housing. Additionally, the rotor is arranged to penetrate the center of the compressor, combustor, turbine, and exhaust chamber.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.Both ends of the rotor are rotatably supported by bearings. Then, a plurality of disks are fixed to the rotor, each blade is connected, and a drive shaft such as a generator is connected to an end on the side of the exhaust chamber.

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.Since these gas turbines do not have a reciprocating mechanism such as the piston of a four-stroke engine, there is no mutual friction such as a piston-cylinder, so the consumption of lubricating oil is extremely low. The amplitude, which is a characteristic of a reciprocating machine, is greatly reduced, and high-speed movement is possible. There is an advantage.

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.To briefly explain the operation of a gas turbine, air compressed in a compressor is mixed with fuel and burned to produce high-temperature combustion gas, and the resulting combustion gas is injected toward the turbine. As the injected combustion gas passes through the turbine vanes and turbine blades, it generates rotational force, causing the rotor to rotate.

등록특허공보 제10-2000837호 (2019년07월16일 등록공고)Registered Patent Publication No. 10-2000837 (registration notice on July 16, 2019)

본 발명은 복수의 필름 쿨링 홀의 형상을 개선하여 냉각 성능을 향상시킨 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a turbine blade with improved cooling performance by improving the shape of a plurality of film cooling holes and a gas turbine including the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈 블레이드는, 리딩 에지, 트레일링 에지, 압력면 및 흡입면을 구비하고 내부에 냉각 유로가 형성된 터빈 블레이드에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 상기 압력면 또는 흡입면에 형성되는 복수의 냉각홀을 구비하고, 상기 냉각홀은 상기 냉각 유로로부터 상기 압력면 또는 흡입면 외측으로 경사지게 관통형성된 부채꼴 모양 홀과, 상기 부채꼴 모양 홀의 출구 주위에 상기 압력면 또는 흡입면 표면보다 오목하게 형성된 분출 사구와, 상기 분출 사구의 외측에 상기 압력면 또는 흡입면 표면보다 유선형으로 돌출되는 돌출부를 포함한다.The turbine blade of the present invention for achieving the above object is a turbine blade having a leading edge, a trailing edge, a pressure surface and a suction surface and a cooling passage formed therein, wherein the turbine blade is disposed on the pressure surface or the suction surface. It is provided with a plurality of cooling holes formed, wherein the cooling holes include fan-shaped holes inclined to penetrate from the cooling passage to the outside of the pressure surface or suction surface, and a concave shape around the outlet of the fan-shaped hole than the surface of the pressure surface or suction surface. It includes a spouting dune formed to be thin and a protrusion protruding in a streamlined shape from the pressure or suction surface on the outside of the jetting dune.

상기 부채꼴 모양 홀은 내측면 윤곽선이 직선 형태로 형성된 원형 단면의 직선부와, 상기 직선부의 상부에서 폭이 좌우로 넓어지는 곡선부를 포함할 수 있다.The fan-shaped hole may include a straight portion with a circular cross-section where the inner side outline is formed in a straight line, and a curved portion whose width widens to the left and right at the top of the straight portion.

상기 곡선부는 하류측으로 갈수록 상기 직선부보다 더 기울어지며 유선형으로 형성될 수 있다.The curved portion may be inclined more toward the downstream side than the straight portion and may be formed in a streamlined shape.

상기 부채꼴 모양 홀의 출구는 상류측 윤곽선의 곡률반경이 하류측 윤곽선의 곡률반경보다 작을 수 있다.The radius of curvature of the upstream outline of the outlet of the fan-shaped hole may be smaller than the radius of curvature of the downstream outline.

상기 분출 사구는 상기 압력면 또는 흡입면의 상류측에서 부드럽게 형성되는 유선형의 상류부와, 상기 부채꼴 모양 홀의 출구 양측에 오목하게 형성되는 측면부와, 상기 부채꼴 모양 홀의 출구 하류측에 부드럽게 연결되는 하류부를 포함할 수 있다.The blowing dune has a streamlined upstream part smoothly formed on the upstream side of the pressure or suction surface, a side part concavely formed on both sides of the outlet of the fan-shaped hole, and a downstream part smoothly connected to the outlet downstream of the fan-shaped hole. It can be included.

상기 압력면 또는 흡입면에 대한 상기 분출 사구의 평균 경사 각도는 상기 상류부에서 상기 측면부로 갈수록 커지고, 상기 측면부에서 상기 하류부로 갈수록 커질 수 있다.The average inclination angle of the blowing dune with respect to the pressure or suction surface may increase from the upstream portion to the side portion, and may increase from the side portion to the downstream portion.

상기 돌출부는 상기 부채꼴 모양 홀의 하류측에 돌출 형성되는 포물선 사구일 수 있다.The protrusion may be a parabolic dune protruding on the downstream side of the fan-shaped hole.

상기 포물선 사구는 상기 분출 사구의 양측면에서 유선형으로 돌출되는 측면부와, 상기 분출 사구의 하류부에 유선형으로 연결되는 오목곡면부와, 상기 오목곡면부의 하류측에 유선형으로 연결되는 볼록곡면부를 포함할 수 있다.The parabolic dune may include side parts that protrude in a streamlined form from both sides of the jetting dune, a concave curved part that is connected in a streamlined shape to the downstream part of the jetting dune, and a convex curved part that is streamlinedly connected to the downstream side of the concave curved part. .

상기 돌출부는 상기 부채꼴 모양 홀의 상류와 양측부에 돌출 형성되는 돌출언덕일 수도 있다.The protrusion may be a protruding hill protruding upstream and on both sides of the fan-shaped hole.

상기 돌출언덕은 상기 분출 사구의 상류측에 돌출 형성된 상류부와, 상기 분출 사구의 양측에 돌출 형성된 측면부를 포함할 수 있다.The protruding hill may include an upstream portion protruding on an upstream side of the ejection dune and a side portion protruding on both sides of the ejection dune.

본 발명의 가스 터빈은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈을 포함하고, 상기 터빈 블레이드는 압력면 또는 흡입면에 형성되는 복수의 냉각홀을 구비하고, 상기 냉각홀은 상기 냉각 유로로부터 상기 압력면 또는 흡입면 외측으로 경사지게 관통형성된 부채꼴 모양 홀과, 상기 부채꼴 모양 홀의 출구 주위에 상기 압력면 또는 흡입면 표면보다 오목하게 형성된 분출 사구와, 상기 분출 사구의 외측에 상기 압력면 또는 흡입면 표면보다 유선형으로 돌출되는 돌출부를 포함한다.The gas turbine of the present invention includes a compressor that sucks in and compresses external air; a combustor that mixes fuel with air compressed by the compressor and combusts it; A turbine blade is mounted inside a turbine casing, and includes a turbine in which the turbine blade rotates by combustion gas discharged from the combustor, the turbine blade having a plurality of cooling holes formed on a pressure surface or a suction surface, The cooling hole includes a fan-shaped hole inclined to penetrate from the cooling passage to the outside of the pressure surface or suction surface, a blowout sand dune formed around the outlet of the fan-shaped hole to be more concave than the pressure surface or suction surface, and It includes a protrusion on the outside that protrudes in a streamlined shape from the pressure or suction surface.

상기한 본 발명의 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 터빈 블레이드의 압력면 또는 흡입면에 형성되는 복수의 냉각홀의 형상을 개선하여 필름 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.According to the turbine blade of the present invention and the gas turbine including the same, film cooling performance can be improved by improving the shape of a plurality of cooling holes formed on the pressure surface or suction surface of the turbine blade.

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 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각홀 구조를 나타내는 일부 사시도이다.
도 6은 도 5의 냉각홀에서 부채꼴 모양 홀의 내주면을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5에서 냉각홀 구조를 나타내는 상면도이다.
도 8은 도 5에서 냉각홀 구조를 나타내는 측면도이다.
도 9는 도 7에서 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 10은 단순한 실린더 형태의 냉각홀(a)과 도 5의 냉각홀(b)을 통해 유동하는 냉각 공기의 유선을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각홀 구조를 나타내는 일부 사시도이다.
도 12는 도 11에서 냉각홀 구조를 나타내는 측면도이다.
도 13은 단순한 실린더 형태의 냉각홀(a)과 도 11의 냉각홀(b)을 통해 유동하는 냉각 공기의 유선을 나타내는 도면이다.1 is a partially cut-away perspective view of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing the schematic structure of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a partial cross-sectional view showing the internal structure of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a perspective view showing a turbine blade according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a partial perspective view showing a cooling hole structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a view showing the inner peripheral surface of the fan-shaped hole in the cooling hole of Figure 5.
Figure 7 is a top view showing the cooling hole structure in Figure 5.
Figure 8 is a side view showing the cooling hole structure in Figure 5.
Figure 9 is a cross-sectional view taken along line AA' in Figure 7.
FIG. 10 is a diagram showing the streamlines of cooling air flowing through a simple cylindrical cooling hole (a) and the cooling hole (b) of FIG. 5.
Figure 11 is a partial perspective view showing a cooling hole structure according to another embodiment of the present invention.
Figure 12 is a side view showing the cooling hole structure in Figure 11.
FIG. 13 is a diagram showing the streamlines of cooling air flowing through a simple cylindrical cooling hole (a) and the cooling hole (b) of FIG. 11.

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.Since the present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, specific embodiments will be exemplified and explained in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

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.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'include' or 'have' are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. At this time, note that in the attached drawings, like components are indicated by the same symbols whenever possible. Additionally, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically shown in the accompanying drawings.

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.FIG. 1 is a partially cut-away perspective view of a gas turbine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a gas turbine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention. This is a partial cross-sectional view showing the internal structure of a gas turbine according to .

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.As shown in FIG. 1, a gas turbine 1000 according to an embodiment of the present invention includes a compressor 1100, a combustor 1200, and a turbine 1300. The compressor 1100 includes a plurality of blades 1110 installed radially. The compressor 1100 rotates the blade 1110, and the air moves while being compressed by the rotation of the blade 1110. The size and installation angle of the blade 1110 may vary depending on the installation location. In one embodiment, the compressor 1100 is directly or indirectly connected to the turbine 1300 to receive a portion of the power generated by the turbine 1300 and use it to rotate the blades 1110.

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.Air compressed in the compressor 1100 moves to the combustor 1200. The combustor 1200 includes a plurality of combustion chambers 1210 and a fuel nozzle module 1220 arranged in an annular shape.

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.As shown in FIG. 2, the gas turbine 1000 according to an embodiment of the present invention is provided with a housing 1010, and at the rear of the housing 1010 is a diffuser 1400 through which combustion gas passing through the turbine is discharged. ) is provided. Additionally, a combustor 1200 is disposed in front of the diffuser 1400 to receive compressed air and combust it.

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.When explaining based on the direction of air flow, the compressor section 1100 is located on the upstream side of the housing 1010, and the turbine section 1300 is located on the downstream side. Additionally, a torque tube unit 1500 is disposed between the compressor section 1100 and the turbine section 1300 as a torque transmission member that transmits the rotational torque generated by the turbine section 1300 to the compressor section 1100.

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.The compressor section 1100 is provided with a plurality of compressor rotor disks 1120 (for example, 14 pieces), and each compressor rotor disk 1120 is fastened by a tie rod 1600 so as not to be spaced apart in the axial direction. .

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.Specifically, each compressor rotor disk 1120 is aligned with each other along the axial direction with the tie rod 1600 constituting the rotation axis passing through approximately the center. Here, the opposing surfaces of each neighboring compressor rotor disk 1120 are compressed by the tie rod 1600, so that relative rotation is impossible.

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.A plurality of blades 1110 are radially coupled to the outer peripheral surface of the compressor rotor disk 1120. Each blade 1110 has a dovetail portion 1112 and is fastened to the compressor rotor disk 1120.

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.A vane (not shown) fixed to the housing is located between each rotor disk 1120. Unlike the rotor disk, the vanes are fixed so as not to rotate, and serve to align the flow of compressed air passing through the blades of the compressor rotor disk and guide the air to the blades of the rotor disk located downstream.

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.The fastening method of the dovetail portion 1112 includes a tangential type and an axial type. It can be selected depending on the required structure of a commercial gas turbine, and may have a commonly known dovetail or fir-tree shape. In some cases, the blade may be fastened to the rotor disk using a fastening device other than the above-mentioned type, for example, a fastener such as a key or bolt.

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.The tie rod 1600 is arranged to penetrate the centers of the plurality of compressor rotor disks 1120 and turbine rotor disks 1322, and the tie rod 1600 may be composed of one or more tie rods. One end of the tie rod 1600 may be fastened to the compressor rotor disk located on the most upstream side, and the other end of the tie rod 1600 may be fastened by a fixing nut 1450.

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.The shape of the tie rod 1600 may have various structures depending on the gas turbine, so it is not necessarily limited to the shape shown in FIG. 2. That is, as shown, one tie rod may have a shape that penetrates the central part of the rotor disk, or a plurality of tie rods may have a shape arranged circumferentially, and a combination of these may be possible.

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.Although not shown, in the compressor of a gas turbine, vanes that serve as guide blades may be installed at the next position of the diffuser to adjust the flow angle of the fluid entering the combustor inlet to the design flow angle after increasing the pressure of the fluid. This is called a deswirler.

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.The combustor 1200 mixes and combusts the incoming compressed air with fuel to produce high-energy, high-temperature, high-pressure combustion gas. The isobaric combustion process increases the temperature of the combustion gas to the heat resistance limit that the combustor and turbine parts can withstand. .

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.The combustors that make up the combustion system of a gas turbine may be arranged in large numbers in a housing formed in the form of a cell, including a burner including a fuel injection nozzle, a combustor liner forming a combustion chamber, and a combustor. It is composed of a transition piece that becomes the connection between the turbine and the turbine.

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.Specifically, the liner provides a combustion space where the fuel injected by the fuel nozzle is mixed with the compressed air of the compressor and burned. This liner may include a flame passage that provides a combustion space in which fuel mixed with air is combusted, and a flow sleeve that surrounds the flame passage and forms an annular space. Additionally, a fuel nozzle is coupled to the front end of the liner, and a spark plug is coupled to the side wall.

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.Meanwhile, at the rear end of the liner, a transition piece is connected to send combustion gas burned by the spark plug to the turbine side. The outer wall of this transition piece is cooled by compressed air supplied from the compressor to prevent damage due to the high temperature of combustion gas.

이를 위해 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.For this purpose, holes for cooling are provided in the transition piece to allow air to be sprayed inside, and the compressed air cools the body inside through the holes and then flows to the liner side.

라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.Cooling air that cools the transition piece described above flows in the annular space of the liner, and compressed air from the outside of the flow sleeve may be provided as cooling air through cooling holes provided in the flow sleeve and collide with the outer wall of the liner.

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.Meanwhile, the high-temperature, high-pressure combustion gas from the combustor is supplied to the turbine 1300 described above. As the supplied high-temperature, high-pressure combustion gas expands, it collides with the rotor blades of the turbine, giving a recoil force, causing rotational torque. The rotational torque thus obtained is transmitted to the compressor through the torque tube described above, and exceeds the power required to drive the compressor. The power is used to drive generators, etc.

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. The turbine 1300 is basically similar to the structure of a compressor. That is, the turbine 1300 is also provided with a turbine rotor 1320 similar to the rotor of the compressor 1100. Accordingly, the turbine rotor 1320 includes a turbine rotor disk 1322 and a plurality of turbine blades 1324 disposed radially therefrom. The turbine blade 1324 may also be coupled to the turbine rotor disk 1322 in a dovetail or other manner.

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.In addition, a plurality of turbine vanes 1314 fixed to the turbine casing 1312 are provided between the turbine blades 1324 of the turbine rotor disk 1322 to control the flow direction of the combustion gas passing through the turbine blades 1324. guide. At this time, the turbine casing 1312 and the turbine vane 1314, which correspond to the fixed body, may also be defined by the comprehensive name turbine stator 110 to distinguish them from the turbine rotor 120, which corresponds to the rotating body.

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.The turbine vane 1314 is fixedly mounted within the housing by a vane carrier 1316, which is an endwall coupled to the inner and outer ends of the turbine vane 1314. On the other hand, a ring segment 1326 is mounted at a position facing the outer end of the rotating turbine blade 1324 inside the housing to form a predetermined gap with the outer end of the turbine blade 1324. That is, the gap between the ring segment 1326 and the outer end of the turbine blade 1324 forms a tip clearance.

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. Meanwhile, the turbine blade 1324 comes into direct contact with high-temperature, high-pressure combustion gas. The turbine blade 1324 may be deformed by combustion gas, and the turbine 1300 may be damaged due to deformation of the turbine blade 1324. In order to prevent deformation due to such high temperature, a branch flow path is provided between the compressor 1100 and the turbine 1300 to branch some of the air inside the compressor 1100, which has a temperature relatively lower than the combustion gas, and supply it to the turbine blade 1324. (1800) can be formed.

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.The branch passage 1800 may be formed outside the compressor casing or may be formed inside the compressor rotor disk 1120. The branch flow path 1800 may supply compressed air branched from the compressor 1100 to the inside of the turbine rotor disk 1322. Compressed air supplied into the turbine rotor disk 1322 flows outward in the radial direction and is supplied into the turbine blade 1324 to cool the turbine blade 1324. Additionally, the branch flow path 1800 connected to the outside of the housing 1010 may supply compressed air branched from the compressor 1100 into the turbine casing 1312 to cool the inside of the turbine casing 1312. The branch flow path 1800 is provided with a valve 1820 in the middle to selectively supply compressed air. Additionally, a heat exchanger (not shown) may be connected to the branch flow path 1800 to selectively further cool the compressed air before supplying it.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다. 도 4 이하에서는 도 2 및 도 3과 달리, 터빈 블레이드에 도면부호 "100"을 표시하였다.Figure 4 is a perspective view showing a turbine blade according to an embodiment of the present invention. In Figures 4 and below, unlike Figures 2 and 3, the turbine blade is indicated with reference numeral "100".

터빈 블레이드(100)는 상부에 연소 가스의 압력에 의해 회전되는 에어포일(110)과, 에어포일의 하부에 일체로 형성되어 터빈 로터 디스크(1322)에 결합되는 루트부(120)를 포함한다. 루트부(120)의 내측에는 에어포일(110) 내부에 형성된 내부 유로로 냉각 유체가 공급되는 유입구(130)가 형성될 수 있다.The turbine blade 100 includes an airfoil 110 at the top that is rotated by the pressure of combustion gas, and a root portion 120 that is integrally formed in the lower part of the airfoil and is coupled to the turbine rotor disk 1322. An inlet 130 may be formed inside the root portion 120 through which cooling fluid is supplied to an internal flow path formed inside the airfoil 110.

에어포일(110)은 연소 가스가 유입되는 일측면에 외측방으로 볼록하게 형성되는 흡입면(112)과, 흡입면의 반대쪽에 오목하게 형성된 압력면(111)을 포함한다. 압력면(111)과 흡입면(112)이 만나는 전방측 모서리는 리딩 에지(113)를 구성하고, 후방측 모서리는 트레일링 에지(114)를 형성한다. 에어포일(110)의 내부에는 유입구(130)를 통해 유입되는 냉각 공기가 유동하는 내부 유로(미도시)가 형성될 수 있다.The airfoil 110 includes a suction surface 112 that is convexly formed outward on one side through which combustion gas flows, and a pressure surface 111 that is concavely formed on the opposite side of the suction surface. The front edge where the pressure surface 111 and the suction surface 112 meet forms a leading edge 113, and the rear edge forms a trailing edge 114. An internal flow path (not shown) through which cooling air flowing in through the inlet 130 flows may be formed inside the airfoil 110.

터빈 블레이드(100)는 압력면(111) 또는 흡입면(112)에 형성되는 복수의 냉각홀(200)을 구비할 수 있다. 이 복수의 냉각홀(200)은 이를 통해 냉각 유체가 분사되면서 에어포일(110) 외면에 에어 커튼을 형성하여 이른바 필름 냉각 방식으로 에어포일(110) 외면을 냉각할 수 있다. 냉각홀(200)들은 에어포일(110)의 압력면(111)과 흡입면(112)에 행과 열을 이루어 서로 소정간격으로 배열될 수 있다. 복수의 냉각홀(200)은 압력면(111)과 흡입면(112)에서 리딩 에지(113)에 가까운 부위에만 형성될 수 있다.The turbine blade 100 may be provided with a plurality of cooling holes 200 formed on the pressure surface 111 or the suction surface 112. The plurality of cooling holes 200 form an air curtain on the outer surface of the airfoil 110 by spraying cooling fluid through them, thereby cooling the outer surface of the airfoil 110 using a so-called film cooling method. The cooling holes 200 may be arranged in rows and columns on the pressure surface 111 and the suction surface 112 of the airfoil 110 at predetermined intervals. The plurality of cooling holes 200 may be formed only in areas close to the leading edge 113 on the pressure surface 111 and the suction surface 112.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각홀 구조를 나타내는 일부 사시도이고, 도 6은 도 5의 냉각홀에서 부채꼴 모양 홀의 내주면을 나타내는 도면이며, 도 7은 도 5에서 냉각홀 구조를 나타내는 상면도이고, 도 8은 도 5에서 냉각홀 구조를 나타내는 측면도이고, 도 9는 도 7에서 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.Figure 5 is a partial perspective view showing the cooling hole structure according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a diagram showing the inner peripheral surface of the fan-shaped hole in the cooling hole of Figure 5, and Figure 7 is a top surface showing the cooling hole structure in Figure 5. Figure 8 is a side view showing the cooling hole structure in Figure 5, and Figure 9 is a cross-sectional view taken along line A-A' in Figure 7.

본 발명의 터빈 블레이드(100)에서, 냉각홀(200)은 냉각 유로로부터 압력면(111) 또는 흡입면(112) 외측으로 경사지게 관통형성된 부채꼴 모양 홀(210)과, 부채꼴 모양 홀의 출구 주위에 압력면(111) 또는 흡입면(112) 표면보다 오목하게 형성된 분출 사구(220)와, 분출 사구의 외측에 압력면(111) 또는 흡입면(112) 표면보다 유선형으로 돌출되는 돌출부(230)를 포함한다.In the turbine blade 100 of the present invention, the cooling hole 200 includes a fan-shaped hole 210 penetrating obliquely from the cooling passage to the outside of the pressure surface 111 or the suction surface 112, and pressure around the outlet of the fan-shaped hole. It includes a jetting dune 220 formed more concave than the surface of the surface 111 or the suction surface 112, and a protrusion 230 that protrudes in a streamlined shape from the surface of the pressure surface 111 or the suction surface 112 on the outside of the jetting dune. do.

도 5를 기준으로 볼 때, 터빈 블레이드(100)의 압력면(111)과 흡입면(112)을 따라 고온의 연소 가스가 유동하고, 부채꼴 모양 홀(210)을 통해 상대적으로 저온의 냉각 공기가 아래에서 위로 유동하면서 터빈 블레이드(100)를 냉각할 수 있다.5, high-temperature combustion gas flows along the pressure surface 111 and suction surface 112 of the turbine blade 100, and relatively low-temperature cooling air flows through the fan-shaped hole 210. The turbine blade 100 can be cooled while flowing from bottom to top.

부채꼴 모양 홀(210)은 내측면 윤곽선이 직선 형태로 형성된 원형 단면의 직선부(212)와, 직선부의 상부에서 폭이 좌우로 넓어지는 곡선부(214)를 포함할 수 있다.The fan-shaped hole 210 may include a straight portion 212 of a circular cross-section with an inner side outline formed in a straight line, and a curved portion 214 whose width widens to the left and right at the top of the straight portion.

부채꼴 모양 홀(210)은 기본적으로 원형 단면의 관통공으로서 압력면(111) 또는 흡입면(112) 표면에 대해 경사지게 관통 형성될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 부채꼴 모양 홀(210)의 내측면 윤곽선이 직선 형태이므로, 이 부분을 직선부(212)라 할 수 있다.The fan-shaped hole 210 is basically a through-hole with a circular cross-section and may be formed to penetrate the surface of the pressure surface 111 or the suction surface 112 at an angle. As shown in FIG. 8, since the inner surface outline of the fan-shaped hole 210 is straight, this portion can be referred to as the straight portion 212.

곡선부(214)는 직선부(212)의 출구 방향 상부에서 유선형으로 부드럽게 연결되는 곡선의 윤곽선을 형성할 수 있다. 곡선부(214)는 직선부(212)의 상부에서 폭이 좌우로 넓어져서, 직선부(212)와 곡선부(214)는 도 6에 도시된 바와 같은 부채꼴 모양 홀(fan shaped hole)을 구성할 수 있다.The curved portion 214 may form a curved outline smoothly connected in a streamlined manner at the upper portion of the straight portion 212 in the exit direction. The curved portion 214 widens left and right at the top of the straight portion 212, so that the straight portion 212 and the curved portion 214 form a fan-shaped hole as shown in FIG. 6. can do.

곡선부(214)는 냉각 공기 유동의 하류측으로 갈수록 직선부(212)보다 더 기울어지며 유선형으로 형성될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 곡선부(214)는 연소 가스 유동의 하류측은 물론 상류측도 직선부(212)에 대해 우측으로 기울어지는 유선형 곡면 형태로 형성될 수 있다. 다만, 곡선부(214)의 하류측은 아래로 볼록한 곡면으로 형성되고, 곡선부(214)의 상류측은 위로 볼록한 곡면으로 형성될 수 있다.The curved portion 214 may be more inclined than the straight portion 212 toward the downstream side of the cooling air flow and may be formed in a streamlined shape. As shown in FIG. 8, the curved portion 214 may be formed in the form of a streamlined curved surface inclined to the right with respect to the straight portion 212 not only on the downstream side but also on the upstream side of the combustion gas flow. However, the downstream side of the curved portion 214 may be formed as a downwardly convex curved surface, and the upstream side of the curved portion 214 may be formed as an upwardly convex curved surface.

부채꼴 모양 홀(210)은 직선부(212)에 대해 곡선부(214)가 좌우로 벌어지는 형태로 형성됨으로써, 냉각 공기가 부채꼴 모양 홀(210)을 나오면서 좌우로 퍼지도록 할 수 있다. 이에 따라, 냉각홀(200)의 필름 냉각 효과를 증대시킬 수 있다.The fan-shaped hole 210 is formed in a shape in which the curved portion 214 spreads left and right with respect to the straight portion 212, allowing cooling air to spread left and right as it exits the fan-shaped hole 210. Accordingly, the film cooling effect of the cooling hole 200 can be increased.

도 7에 도시된 바와 같이, 부채꼴 모양 홀(210)의 출구는 상류측 윤곽선의 곡률반경이 하류측 윤곽선의 곡률반경보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 도 7에서 부채꼴 모양 홀(210)의 출구는 A-A' 선을 기준으로 좌측부의 곡률반경보다 우측부의 곡률반경이 크게 형성될 수 있다.As shown in FIG. 7, the outlet of the fan-shaped hole 210 may be formed so that the radius of curvature of the upstream contour is smaller than the radius of curvature of the downstream contour. That is, in FIG. 7, the exit of the fan-shaped hole 210 may have a radius of curvature on the right side larger than the radius of curvature on the left side based on line A-A'.

부채꼴 모양 홀(210)의 출구가 하류측으로 갈수록 폭이 벌어지는 곡선형으로 형성됨에 따라, 부채꼴 모양 홀(210)을 통해 나오는 냉각 공기가 좌우로 퍼지도록 하여 연소 가스와 잘 혼합되어 필름 냉각 효과를 증대시킬 수 있다.As the outlet of the fan-shaped hole 210 is formed in a curved shape whose width widens toward the downstream, the cooling air coming out through the fan-shaped hole 210 spreads to the left and right, mixing well with the combustion gas to increase the film cooling effect. You can do it.

분출 사구(220)는 부채꼴 모양 홀(210)의 출구 주위에 압력면(111) 또는 흡입면(112)의 표면보다 오목하게 형성된다. 분출 사구(blow out dune)는 부채꼴 모양 홀(210)의 출구에서 분출되는 냉각 공기를 안내하도록 오목한 곡면 홈 형태로 형성될 수 있다.The ejection dune 220 is formed around the outlet of the fan-shaped hole 210 to be more concave than the surface of the pressure surface 111 or the suction surface 112. The blow out dune may be formed in the form of a concave curved groove to guide cooling air blown out from the outlet of the fan-shaped hole 210.

분출 사구(220)는 압력면(111) 또는 흡입면(112)의 상류측에서 부드럽게 형성되는 유선형의 상류부(222)와, 부채꼴 모양 홀(210)의 출구 양측에 오목하게 형성되는 측면부(224)와, 부채꼴 모양 홀(210)의 출구 하류측에 부드럽게 연결되는 하류부(226)를 포함할 수 있다.The jetting dune 220 has a streamlined upstream part 222 that is smoothly formed on the upstream side of the pressure surface 111 or the suction surface 112, and a side part 224 that is concavely formed on both sides of the outlet of the fan-shaped hole 210. ) and a downstream portion 226 smoothly connected to the outlet downstream of the fan-shaped hole 210.

상류부(222)는 부채꼴 모양 홀(210)의 출구 외측 표면 상류측에서 표면에 대해 경사 각도가 거의 제로에 가깝게 유선형의 부드러운 곡면으로 오목하게 형성되며, 부채꼴 모양 홀(210)의 출구와 만나게 된다.The upstream part 222 is concavely formed as a streamlined, smooth curved surface with an inclination angle close to zero with respect to the surface on the upstream side of the outer surface of the fan-shaped hole 210, and meets the outlet of the fan-shaped hole 210. .

측면부(224)는 상류부(222)에서 연결되며 부채꼴 모양 홀(210)의 출구 양측에 오목하게 형성된 부위를 말한다.The side portion 224 is connected to the upstream portion 222 and refers to a concave portion formed on both sides of the outlet of the fan-shaped hole 210.

하류부(226)는 부채꼴 모양 홀(210)의 출구 하류측에 한 쌍의 측면부(224)로부터 부드럽게 연결되도록 형성될 수 있다.The downstream portion 226 may be formed to be smoothly connected from a pair of side portions 224 on the downstream side of the outlet of the fan-shaped hole 210.

도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 압력면(111) 또는 흡입면(112)에 대한 분출 사구의 평균 경사 각도는 상류부(222)에서 측면부(224)로 갈수록 커지고, 측면부(224)에서 하류부(226)로 갈수록 커지도록 형성될 수 있다.As shown in Figures 5 and 8, the average slope angle of the jetting dune relative to the pressure surface 111 or the suction surface 112 increases from the upstream part 222 to the side part 224, and at the side part 224 It may be formed to become larger toward the downstream portion 226.

즉, 터빈 블레이드(100)의 표면에 대한 경사 각도는 상류부(222)에서 측면부(224)를 거쳐 하류부(226)로 갈수록 점점 커지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 연소 가스가 오목한 분출 사구(220)로 자연스럽게 유입되며 와류(vortex)가 생성되고, 부채꼴 모양 홀(210)의 출구에서 나오는 냉각 공기와 혼합되어 냉각 효과가 증대될 수 있다.That is, the inclination angle with respect to the surface of the turbine blade 100 may be formed to gradually increase from the upstream portion 222 through the side portion 224 to the downstream portion 226. Accordingly, combustion gas naturally flows into the concave blowing dune 220, generates a vortex, and mixes with cooling air coming from the outlet of the fan-shaped hole 210, thereby increasing the cooling effect.

도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 돌출부는 부채꼴 모양 홀(310)의 하류측에 돌출 형성되는 포물선 사구(230)일 수 있다. 포물선 사구(parabolic dune)는 사막에서 바람에 의해 형성되는 사구와 같이, 돌출부의 윤곽선이 포물선 형태로 형성되는 것을 의미한다.As shown in FIGS. 5 and 7, the protrusion may be a parabolic dune 230 that protrudes on the downstream side of the fan-shaped hole 310. A parabolic dune means that the outline of the protrusion is formed in a parabolic shape, like sand dunes formed by wind in the desert.

도 9에 도시된 바와 같이, 포물선 사구(230)는 분출 사구(220)의 양측면에서 유선형으로 돌출되는 측면부(232)와, 분출 사구(220)의 하류부에 유선형으로 연결되는 오목곡면부(234)와, 오목곡면부의 하류측에 유선형으로 연결되는 볼록곡면부(236)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 9, the parabolic dune 230 has a side portion 232 that protrudes in a streamlined shape from both sides of the jetting dune 220, and a concave curved portion 234 that is streamlinedly connected to the downstream portion of the jetting dune 220. And, it may include a convex curved portion 236 connected in a streamlined manner to the downstream side of the concave curved portion.

측면부(232)는 분출 사구(220)의 양측면에서 유선형으로 부드럽게 돌출될 수 있다. 압력면(111) 또는 흡입면(112)의 표면에서 측면부(232)가 돌출되기 시작하는 돌출시작점(231)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 부채꼴 모양 홀(310)의 좌측 직선부(212)의 연장선보다 우측에 배치되도록 형성될 수 있다.The side portions 232 may smoothly protrude in a streamlined shape from both sides of the jetting dune 220. As shown in FIG. 9, the protrusion start point 231, where the side portion 232 begins to protrude from the surface of the pressure surface 111 or the suction surface 112, is the left straight portion 212 of the fan-shaped hole 310. ) may be formed to be placed to the right of the extension line.

오목곡면부(234)는 분출 사구(220)의 하류부(226)에서 부드럽게 연결되는 오목한 곡면 형태로 형성될 수 있다.The concave curved portion 234 may be formed in the form of a concave curved surface smoothly connected to the downstream portion 226 of the jetting dune 220.

볼록곡면부(236)는 오목곡면부(234)의 우측 정점에서 부드럽게 연결되는 볼록한 곡면 형태로 형성될 수 있다. 오목곡면부(234)와 볼록곡면부(236) 사이의 정점들 중에서 최고점(235)은 A-A' 선과 만나는 지점에 형성될 수 있다.The convex curved portion 236 may be formed in the form of a convex curved surface smoothly connected to the right vertex of the concave curved portion 234. Among the vertices between the concave curved portion 234 and the convex curved portion 236, the highest point 235 may be formed at a point where the line A-A' intersects.

도 10은 단순한 실린더 형태의 냉각홀(a)과 도 5의 냉각홀(b)을 통해 유동하는 냉각 공기의 유선을 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing the streamlines of cooling air flowing through a simple cylindrical cooling hole (a) and the cooling hole (b) of FIG. 5.

도 10(a)의 경우, 단순한 원형 단면 형태의 냉각홀이 터빈 블레이드 표면에 대해 경사지게 관통 형성된 경우이다. 이 경우 냉각홀을 통해 나와서 유동하는 냉각 공기는 좌우방향 폭이 상대적으로 좁게 유동하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 유동 방향을 기준으로 좌측부에 반시계방향 와류(CCW-V: counterclockwise-Vortex)가 형성되고 우측부에 시계방향 와류(CW-V: clockwise-Vortex)가 형성되며, 이에 따라 중간부에서 냉각 공기가 상방으로 유동하게 된다. 그러면, 터빈 블레이드 표면에 에어 커튼을 형성하는 목적에 반하여 필름 냉각 효과가 떨어지게 된다.In the case of FIG. 10(a), a cooling hole with a simple circular cross-section is formed obliquely penetrating the surface of the turbine blade. In this case, it can be seen that the cooling air flowing out through the cooling hole flows in a relatively narrow width in the left and right directions. In particular, based on the flow direction, a counterclockwise vortex (CCW-V: counterclockwise-Vortex) is formed on the left side and a clockwise vortex (CW-V: clockwise-Vortex) is formed on the right side, resulting in cooling in the middle part. The air flows upward. Then, the film cooling effect is reduced, which is contrary to the purpose of forming an air curtain on the turbine blade surface.

도 10(b)의 경우, 부채꼴 모양 홀과 분출 사구와 포물선 사구로 구성된 본 발명의 냉각홀을 통해 유동하는 냉각 공기는, 출구에서 나오면서 좌우로 퍼지면서 유동하게 된다. 이에 따라 터빈 블레이드 표면에 넓은 면적의 에어 커튼을 형성하여 냉각 효과가 증대될 수 있다.In the case of Figure 10(b), the cooling air flowing through the cooling hole of the present invention, which is composed of a fan-shaped hole, an ejection dune, and a parabolic dune, flows while spreading to the left and right as it exits the outlet. Accordingly, the cooling effect can be increased by forming a large-area air curtain on the turbine blade surface.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각홀 구조를 나타내는 일부 사시도이고, 도 12는 도 11에서 냉각홀 구조를 나타내는 측면도이며, 도 13은 단순한 실린더 형태의 냉각홀(a)과 도 11의 냉각홀(b)을 통해 유동하는 냉각 공기의 유선을 나타내는 도면이다.Figure 11 is a partial perspective view showing a cooling hole structure according to another embodiment of the present invention, Figure 12 is a side view showing the cooling hole structure in Figure 11, and Figure 13 is a simple cylindrical cooling hole (a) and the cooling hole (a) of Figure 11. This is a diagram showing the streamline of cooling air flowing through the cooling hole (b).

본 실시예의 냉각홀(100)은 부채꼴 모양 홀(310)과 분출 사구(320)와 돌출부를 포함하는데, 돌출부가 복수의 돌출언덕(330)으로 형성되는 점이 앞선 실시예와 다르다.The cooling hole 100 of this embodiment includes a fan-shaped hole 310, a jetting dune 320, and a protrusion, and is different from the previous embodiment in that the protrusion is formed of a plurality of protruding hills 330.

부채꼴 모양 홀(310)은 내측면 윤곽선이 직선 형태로 형성된 원형 단면의 직선부(312)와, 직선부의 상부에서 폭이 좌우로 넓어지는 곡선부(314)를 포함할 수 있다.The fan-shaped hole 310 may include a straight portion 312 of a circular cross-section with an inner side outline formed in a straight line, and a curved portion 314 whose width widens to the left and right at the top of the straight portion.

분출 사구(320)는 압력면 또는 흡입면의 상류측 표면에서 부드럽게 연결되도록 형성되는 유선형의 상류부(322)와, 부채꼴 모양 홀(310)의 출구 양측에 오목하게 형성되는 측면부(324)와, 부채꼴 모양 홀(310)의 출구 하류측 표면에 부드럽게 연결되도록 형성되는 하류부(326)를 포함할 수 있다.The jetting dune 320 includes a streamlined upstream part 322 formed to be smoothly connected to the upstream surface of the pressure or suction surface, and a side part 324 concavely formed on both sides of the outlet of the fan-shaped hole 310, It may include a downstream portion 326 formed to be smoothly connected to the outlet downstream surface of the fan-shaped hole 310.

돌출언덕(330)은 분출 사구의 상류측에 돌출 형성된 상류부(332)와, 분출 사구의 양측에 돌출 형성된 측면부(334)를 포함할 수 있다.The protruding hill 330 may include an upstream part 332 protruding on the upstream side of the jetting dune and a side part 334 protruding on both sides of the jetting dune.

상류부(332)와 한 쌍의 측면부(334)는 분출 사구(320)의 깊이에 비해 훨씬 작은 높이로 돌출 형성될 수 있다. 상류부(332)와 측면부(334)는 대략 둥근 폐곡선의 일측 호 부분을 이루도록 형성될 수 있다.The upstream portion 332 and the pair of side portions 334 may be formed to protrude to a height much smaller than the depth of the jetting dune 320. The upstream portion 332 and the side portion 334 may be formed to form an arc on one side of a substantially round closed curve.

상류부(332)와 한 쌍의 측면부(334)는 서로 이격되어 독립적으로 형성될 수 있다. 돌출언덕(330)은 연소 가스와 냉각 공기가 유동하면서 발생하는 와류를 억제하도록 하고 냉각 공기가 좌우로 퍼지도록 하여 냉각홀(300)의 필름 냉각 효과를 증대시킬 수 있다.The upstream portion 332 and the pair of side portions 334 may be formed independently and spaced apart from each other. The protruding hill 330 suppresses vortices generated as combustion gas and cooling air flow and allows the cooling air to spread left and right, thereby increasing the film cooling effect of the cooling hole 300.

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.Above, an embodiment of the present invention has been described, but those skilled in the art will be able to understand the addition, change, deletion or addition of components without departing from the spirit of the present invention as set forth in the claims. The present invention may be modified and changed in various ways, and this will also be included within the scope of the rights of the present invention.

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: 터빈 블레이드
110: 에어포일 111: 압력면
112: 흡입면 113: 리딩 에지
114: 트레일링 에지
120: 루트부 130: 유입구
200: 냉각홀(제1실시예)
210: 부채꼴 모양 홀 212: 직선부
214: 곡선부
220: 분출 사구 222: 상류부
224: 측면부 226: 하류부
230: 포물선 사구 231: 돌출시작점
232: 측면부 234: 오목곡면부
235: 최고점 236: 볼록곡면부
300: 냉각홀(제2실시예)
310: 부채꼴 모양 홀 312: 직선부
314: 곡선부
320: 분출 사구 322: 상류부
324: 측면부 326: 하류부
330: 돌출언덕 332: 상류부
334: 측면부1000: gas turbine 1010: housing
1100: compressor 1110: compressor blades
1112: Dovetail portion 1120: Compressor rotor disk
1200: Combustor 1300: Turbine
1310: turbine stator 1312: turbine casing
1314: turbine vane 1316: vane carrier
1320: turbine rotor 1322: turbine rotor disk
1324: turbine blade 1326: ring segment
1400: Diffuser 1450: Fixing nut
1500: Torque tube unit 1600: Tie rod
1800: Branch flow path 1820: Valve
100: turbine blade
110: airfoil 111: pressure surface
112: suction surface 113: leading edge
114: Trailing edge
120: root part 130: inlet
200: Cooling hole (first embodiment)
210: fan-shaped hole 212: straight portion
214: curved part
220: eruption dune 222: upper part
224: side part 226: downstream part
230: Parabolic dune 231: Projection start point
232: side part 234: concave curved part
235: Highest point 236: Convex curve part
300: Cooling hole (second embodiment)
310: fan-shaped hole 312: straight portion
314: curved part
320: Eruption Dune 322: Upstream
324: side part 326: downstream part
330: Protruding hill 332: Upstream part
334: side part

Claims

In the turbine blade having a leading edge, a trailing edge, a pressure surface, and a suction surface, and a cooling passage formed therein,
The turbine blade has a plurality of cooling holes formed on the pressure surface or the suction surface,
The cooling hole is
a fan-shaped hole formed inclined to penetrate from the cooling passage to an outside of the pressure or suction surface;
an ejection dune formed around the outlet of the fan-shaped hole to be more concave than the pressure or suction surface;
A turbine blade comprising a protrusion that protrudes in a streamlined manner from the pressure or suction surface on the outside of the blowing dune.

According to paragraph 1,
The fan-shaped hole is
A straight portion of circular cross-section with an inner contour formed in a straight line,
A turbine blade comprising a curved portion whose width widens from side to side at an upper portion of the straight portion.

According to paragraph 2,
A turbine blade, wherein the curved portion is inclined more toward the downstream side than the straight portion and is formed in a streamlined shape.

According to paragraph 3,
A turbine blade, characterized in that the radius of curvature of the upstream contour of the outlet of the fan-shaped hole is smaller than the radius of curvature of the downstream contour.

According to paragraph 1,
The eruption dune is
A streamlined upstream part formed smoothly on the upstream side of the pressure surface or suction surface,
A concave side portion formed on both sides of the outlet of the fan-shaped hole,
A turbine blade comprising a downstream portion smoothly connected to the outlet downstream of the fan-shaped hole.

According to clause 5,
A turbine blade, characterized in that the average inclination angle of the blowing dune with respect to the pressure surface or the suction surface increases from the upstream part to the side part, and increases from the side part to the downstream part.

According to paragraph 1,
A turbine blade, characterized in that the protrusion is a parabolic dune protruding on the downstream side of the fan-shaped hole.

In clause 7,
The parabolic dune is
A side portion protruding in a streamlined shape from both sides of the eruption dune,
A concave curved portion connected in a streamlined manner to the downstream portion of the eruption dune,
A turbine blade comprising a convex curved portion connected in a streamlined manner to a downstream side of the concave curved portion.

According to paragraph 1,
A turbine blade, characterized in that the protrusion is a protruding hill protruding upstream and on both sides of the fan-shaped hole.

According to clause 9,
The protruding hill is
An upstream part protruding on the upstream side of the eruption dune,
A turbine blade comprising side portions protruding from both sides of the jetting dune.

A compressor that takes in outside air and compresses it;
a combustor that mixes fuel with air compressed by the compressor and combusts it;
A turbine blade is mounted inside the turbine casing, and the turbine blade is rotated by combustion gas discharged from the combustor,
The turbine blade has a plurality of cooling holes formed on the pressure side or the suction side,
The cooling hole is
a fan-shaped hole formed inclined to penetrate from the cooling passage to an outside of the pressure or suction surface;
an ejection dune formed around the outlet of the fan-shaped hole to be more concave than the pressure or suction surface;
A gas turbine comprising a protrusion that protrudes in a streamlined manner from the pressure or suction surface on the outside of the blowing dune.

According to clause 11,
The fan-shaped hole is
A straight portion of circular cross-section with an inner contour formed in a straight line,
A gas turbine comprising a curved portion whose width widens to the left and right at the top of the straight portion.

According to clause 12,
A gas turbine, wherein the curved portion is inclined more toward the downstream than the straight portion and is formed in a streamlined shape.

According to clause 13,
A gas turbine, characterized in that the radius of curvature of the upstream contour of the outlet of the fan-shaped hole is smaller than the radius of curvature of the downstream contour.

According to clause 11,
The eruption dune is
A streamlined upstream part formed smoothly on the upstream side of the pressure surface or suction surface,
A concave side portion formed on both sides of the outlet of the fan-shaped hole,
A gas turbine comprising a downstream portion smoothly connected to the outlet downstream of the fan-shaped hole.

According to clause 15,
A gas turbine, characterized in that the average inclination angle of the blowing dune with respect to the pressure surface or the suction surface increases from the upstream part to the side part, and increases from the side part to the downstream part.

According to clause 11,
A gas turbine, characterized in that the protrusion is a parabolic dune protruding on the downstream side of the fan-shaped hole.

According to clause 17,
The parabolic dune is
A side portion protruding in a streamlined shape from both sides of the eruption dune,
A concave curved portion connected in a streamlined manner to the downstream portion of the eruption dune,
A gas turbine comprising a convex curved portion connected in a streamlined manner to a downstream side of the concave curved portion.

According to clause 11,
The protrusion is a gas turbine characterized in that the protrusion is a protruding hill protruding upstream and on both sides of the fan-shaped hole.

According to clause 19,
The protruding hill is
An upstream part protruding on the upstream side of the eruption dune,
A gas turbine comprising side parts protruding on both sides of the blowing dune.