KR20240017741A

KR20240017741A - 플레넘을 통해 필름 냉각 홀에 결합된 리딩 에지 냉각 통로(들)가 있는 터빈 에어포일, 및 관련 방법

Info

Publication number: KR20240017741A
Application number: KR1020230071336A
Authority: KR
Inventors: 벤저민 폴 레이시; 이브라힘 세저; 브래드 윌슨 밴타셀
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2023-06-02
Publication date: 2024-02-08
Also published as: US11572803B1; EP4317649A1; CN117489420A; JP2024020132A

Abstract

터빈 에어포일(152, 162)은 압력(154, 168) 및 흡인(156, 170) 측들, 및 압력과 흡인 측들 사이에서 연장되는 리딩 에지(158, 172)를 규정하는 벽(150, 166)을 포함하는 바디(148, 164)를 포함한다. 바디(148, 164)의 벽(150, 166) 내부의 냉각 회로(180)는: a) 흡인측(156, 170)으로부터 리딩 에지(158, 172) 주위의 압력측(154, 168)으로 제1 플레넘(186)으로 연장되는 제1 냉각 통로(들)(200), 및 제1 플레넘(186)과 연통되고 압력측(154, 168) 상의 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 포함하는 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로(182); 및 b) 압력측(154, 168)으로부터 리딩 에지(158, 172) 주위의 흡인측(156, 170)으로 제2 플레넘(188)으로 연장되는 제2 냉각 통로(들)(202), 및 제2 플레넘(188)과 연통되고 흡인측(156, 170) 상의 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 포함하는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로(184) 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

플레넘을 통해 필름 냉각 홀에 결합된 리딩 에지 냉각 통로(들)가 있는 터빈 에어포일, 및 관련 방법{TURBINE AIRFOIL WITH LEADING EDGE COOLING PASSAGE(S) COUPLED VIA PLENUM TO FILM COOLING HOLES, AND RELATED METHODING}

연방 후원 연구에 관한 성명

본 발명은 에너지부(Department of Energy)에 의해 수여된 승인 번호 DE-FE0031611 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리들을 갖는다.

기술분야

본 개시는 일반적으로 터보기계(turbomachine)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 리딩 에지(leading edge) 주위의 냉각제를 플레넘(plenum)에 그리고 그 후 필름 냉각 홀들에 연통시키는 리딩 에지에서의 냉각 통로들을 갖는 터빈 에어포일(turbine airfoil)에 관한 것이다. 에어포일을 포함하는 터빈 노즐 및 에어포일을 냉각시키는 관련 방법이 또한 제공된다.

터빈 에어포일들의 리딩 에지들은 전형적으로 에어포일의 리딩 에지에서의 외측으로 지향된 냉각 홀들의 세트로 냉각된다. 냉각 홀들은 냉각 통로들을 통해 에어포일의 바디에서의 냉각제 공급원에 유체 결합된다. 냉각 홀들의 위치는 리딩 에지를 효과적으로 냉각시키는 데 필요한 냉각제의 양에 영향을 미친다. 개선된 냉각제 전달 시스템을 통한 냉각제 체적의 감소는 가스 터빈 효율 및 출력에 긍정적인 영향을 미칠 것이다.

하기에 언급된 모든 양태, 실시예, 및 특징은 기술적으로 가능한 임의의 방식으로 조합될 수 있다.

본 개시의 일 양태는 터빈 에어포일을 제공하며, 터빈 에어포일은: 압력측, 흡인측, 및 압력측과 흡인측 사이에서 연장되는 리딩 에지를 규정하는 벽을 포함하는 바디; 및 바디의 벽 내부의 냉각 회로를 포함하며, 냉각 회로는: a) 바디의 벽 내부에서 흡인측으로부터 리딩 에지 주위의 압력측으로 압력측 상의 벽에 형성된 제1 플레넘으로 연장되는 적어도 하나의 제1 냉각 통로, 및 제1 플레넘과 유체 연통되고 압력측 상의 벽을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들을 포함하는 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로 ― 제1 냉각제 공급원으로부터의 제1 냉각제가 적어도 하나의 제1 냉각 통로 및 제1 플레넘에서 유동하고 복수의 제1 필름 냉각 홀들을 통해 빠져나감 ―; 및 b) 바디의 벽 내부에서 압력측으로부터 리딩 에지 주위의 흡인측으로 흡인측 상의 벽에 형성된 제2 플레넘으로 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각 통로, 및 제2 플레넘과 유체 연통되고 흡인측 상의 벽을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들을 포함하는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로 ― 제2 냉각제 공급원으로부터의 제2 냉각제가 적어도 하나의 제2 냉각 통로 및 제2 플레넘에서 유동하고 복수의 제2 필름 냉각 홀들을 통해 빠져나감 ― 중 적어도 하나를 포함한다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 냉각 회로는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로와 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로.둘 다를 포함한다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 적어도 하나의 제1 냉각 통로는 복수의 제1 냉각 통로들을 포함하고, 적어도 하나의 제2 냉각 통로는 복수의 제2 냉각 통로들을 포함하며, 복수의 제1 냉각 통로들은 에어포일의 리딩 에지를 따라 방사상으로 복수의 제2 냉각 통로들과 교대로 나온다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, a) 복수의 제1 필름 냉각 홀들 적어도 하나의 제1 냉각 통로보다 더 작은 단면적을 갖는 부분을 포함하여, 제1 플레넘 및 적어도 하나의 제1 냉각 통로에서 배압을 생성하는 것; 그리고 b) 복수의 제2 필름 냉각 홀들)이 적어도 하나의 제2 냉각 통로보다 더 작은 단면적을 갖는 부분을 포함하여, 제2 플레넘 및 적어도 하나의 제2 냉각 통로에서 배압을 생성하는 것 중 적어도 하나이다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 적어도 하나의 제1 냉각 통로 및 적어도 하나의 제2 냉각 통로는 각각 0.1 제곱 밀리미터 이하의 평균 단면적을 갖는다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 제1 냉각제 공급원과 제2 냉각제 공급원은 바디에서 분리 벽에 의해 유체 분리된다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, a) 복수의 제1 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나가 바디에서 적어도 하나의 제1 냉각 통로로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것, 그리고 b) 복수의 제2 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나가 바디에서 적어도 하나의 제2 냉각 통로로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것 중 적어도 하나이다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, a) 복수의 제1 필름 냉각 홀들 적어도 하나의 제1 냉각 통로의 수와 상이한 수의 냉각 홀을 포함하는 것, 그리고 b) 복수의 제2 필름 냉각 홀들)이 적어도 하나의 제2 냉각 통로의 수와 상이한 수의 냉각 홀을 포함하는 것 중 적어도 하나이다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 제1 플레넘 및 제2 플레넘 중 적어도 하나는 일관적이지 않은 단면적을 갖는다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 바디는 그 방사상 내측 단부에서 방사상 내측 플랫폼에 결합되고, 그 방사상 외측 단부에서 방사상 외측 플랫폼에 결합되어, 터빈 노즐을 형성한다.

본 개시의 다른 양태는 터빈 노즐을 포함하며, 터빈 노즐은: 압력측, 흡인측, 및 압력측과 흡인측 사이에서 연장되는 리딩 에지를 규정하는 벽을 포함하는 에어포일 바디; 에어포일 바디에 그 방사상 내측 단부에서 결합되는 방사상 내측 플랫폼, 및 에어포일 바디에 그 방사상 외측 단부에서 결합되는 방사상 외측 플랫폼; 및 바디의 벽 내부의 냉각 회로를 포함하며, 냉각 회로는: a) 바디의 벽 내부에서 흡인측으로부터 리딩 에지 주위의 압력측으로 압력측 상의 벽에 형성된 제1 플레넘으로 연장되는 적어도 하나의 제1 냉각 통로, 및 제1 플레넘과 유체 연통되고 압력측 상의 벽을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들을 포함하는 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로 ― 제1 냉각제 공급원으로부터의 제1 냉각제가 적어도 하나의 제1 냉각 통로 및 제1 플레넘에서 유동하고 복수의 제1 필름 냉각 홀들을 통해 빠져나감 ―; 및 b) 바디의 벽 내부에서 압력측으로부터 리딩 에지 주위의 흡인측으로 흡인측 상의 벽에 형성된 제2 플레넘으로 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각 통로, 및 제2 플레넘과 유체 연통되고 흡인측 상의 벽을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들을 포함하는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로 ― 제2 냉각제 공급원으로부터의 제2 냉각제가 적어도 하나의 제2 냉각 통로 및 제2 플레넘에서 유동하고 복수의 제2 필름 냉각 홀들을 통해 빠져나감 ― 중 적어도 하나를 포함한다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 냉각 회로는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로와 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로 둘 다를 포함하고, 적어도 하나의 제1 냉각 통로는 복수의 제1 냉각 통로들을 포함하고, 적어도 하나의 제2 냉각 통로는 복수의 제2 냉각 통로들을 포함하며, 복수의 제1 냉각 통로들은 에어포일의 리딩 에지를 따라 방사상으로 복수의 제2 냉각 통로들과 교대로 나온다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, a) 복수의 제1 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나가 에어포일 바디에서 적어도 하나의 제1 냉각 통로로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것, 그리고 b) 복수의 제2 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나가 에어포일 바디에서 적어도 하나의 제2 냉각 통로로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것 중 적어도 하나이다.

본 개시의 일 양태는 터빈 에어포일을 냉각시키는 방법을 포함하며, 본 방법은: 압력측, 흡인측, 및 압력측과 흡인측 사이에서 연장되는 리딩 에지를 규정하는 벽을 포함하는 바디를 포함하는 터빈 에어포일에서, a) 적어도 하나의 제1 냉각 통로 내부에서, 리딩 에지 주위의 흡인측에서의 제1 냉각 공급원으로부터 제1 플레넘으로 그리고 그 후 압력측 상의 벽을 통해 복수의 제1 필름 냉각 홀들로 제1 냉각제를 유동시키는 것; 그리고 a) 적어도 하나의 제2 냉각 통로 내부에서, 리딩 에지 주위의 압력측으로부터의 제2 냉각 공급원으로부터 제2 플레넘으로 그리고 그 후 흡인측 상의 벽을 통해 복수의 제2 필름 냉각 홀들로 제2 냉각제를 유동시키는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함한다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, 수행하는 단계는 a)와 b) 둘 다를 수행하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 제1 냉각 통로는 복수의 제1 냉각 통로들을 포함하고, 적어도 하나의 제2 냉각 통로는 복수의 제2 냉각 통로들을 포함하며, 복수의 제1 냉각 통로들은 에어포일의 리딩 에지를 따라 방사상으로 복수의 제2 냉각 통로들과 교대로 나온다.

본 개시의 다른 양태는 전술한 양태들 중 임의의 양태를 포함하고, a) 복수의 제1 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나에 적어도 하나의 제1 냉각 통로보다 더 작은 단면적을 갖는 부분을 제공함으로써 제1 플레넘 및 적어도 하나의 제1 냉각 통로; 및 a) 복수의 제2 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나에 적어도 하나의 제2 냉각 통로보다 더 작은 단면적을 갖는 부분을 제공함으로써 제2 플레넘 및 적어도 하나의 제2 냉각 통로 중 적어도 하나에서 배압을 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 요약 부분에 기술된 것을 포함하는, 본 명세서에 기술된 둘 이상의 양태는 본원에 구체적으로 기술되지 않은 구현예를 형성하는 데 조합될 수 있다.

하나 이상의 구현예의 상세 사항이 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에 제시되어 있다. 다른 특징, 목적, 및 이점은 상세한 설명 및 도면으로부터 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 특징은 본 발명의 다양한 구현예를 도시하는 첨부 도면과 함께 취해진 본 발명의 다양한 양태에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 가스 터빈 시스템 형태의 예시적인 터보기계의 간략화된 단면도를 도시한다;
도 2는 도 1에서의 가스 터빈 시스템과 사용될 수 있는 예시적인 터빈 섹션의 단면도를 도시한다;
도 3은 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있는 유형의 터빈 회전 블레이드의 측면 사시도를 도시한다;
도 4는 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있는 유형의 터빈 노즐의 측면 사시도를 도시한다;
도 5a는 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있고 제1 냉각 서브 회로를 포함하는 유형의 터빈 노즐의 측면 사시도를 도시한다;
도 5b는 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있고 제2 냉각 서브 회로를 포함하는 유형의 터빈 노즐의 측면 사시도를 도시한다;
도 5c는 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있고 제1과 제2 냉각 서브 회로들 둘 다를 포함하는 유형의 터빈 노즐의 측면 사시도를 도시한다;
도 6은 본 개시의 실시예들에 따른, 도 5a 및 도 5c에서의 선 A-A에 따른 제1 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 7은 본 개시의 실시예들에 따른, 도 5b 및 도 5c에서의 선 B-B에 따른 제2 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 8은 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5a 및 도 5c에서의 선 A-A에 따른 제1 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 9는 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5b 및 도 5c에서의 선 B-B에 따른 제2 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 10은 본 개시의 다른 실시예에 따른, 냉각 통로, 플레넘, 및 필름 냉각 홀의 확대된 개략 단면도를 도시한다;
도 11은 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5a 내지 도 5c에서의 선 C-C에 따른 제1 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 12는 본 개시의 다른 실시예에 따른, 각 복수의 필름 냉각 홀들에 플레넘들에 의해 결합된 제1 및 제2 냉각 통로들을 포함하는 터빈 에어포일의 개략적인 정면도를 도시한다;
도 13은 본 개시의 실시예들에 따른, 터빈 에어포일의 바디에서의 예시적인 필름 냉각 홀의 측면도를 도시한다;
도 14는 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5a 및 도 5c에서의 선 A-A에 따른 제1 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 15는 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5b 및 도 5c에서의 선 B-B에 따른 제2 냉각 통로를 통한 터빈 에어포일의 단면도를 도시한다;
도 16은 본 개시의 다른 실시예에 따른, 각 복수의 필름 냉각 홀들에 플레넘들에 의해 결합된 제1 및 제2 냉각 통로들을 포함하는 터빈 에어포일의 개략적인 정면도를 도시한다;
도 17은 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 복수의 필름 냉각 홀들에 플레넘에 의해 결합된 제1 및 제2 냉각 통로들을 포함하는 터빈 에어포일의 개략적인 정면도를 도시한다; 그리고
도 18은 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 각 복수의 필름 냉각 홀들에 플레넘들에 의해 결합된 제1 및 제2 냉각 통로들을 포함하는 터빈 에어포일의 개략적인 정면도를 도시한다.
본 발명의 도면은 반드시 축척에 따른 것은 아니다는 것에 유의한다. 도면은 본 발명의 통상적인 양태만을 도시하기 위한 것이므로 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면 내에서, 유사한 도면부호는 도면 사이에서 유사한 요소를 나타낸다.

초기 사항으로서, 본 발명의 주제를 명확하게 기술하기 위해, 터보기계 내의 관련 기계 부품을 참조하고 이를 기술할 때 특정 용어를 선택하는 것이 필요하게 될 것이다. 가능한 범위 내에서, 일반적인 산업 용어가 사용될 것이고, 이의 용인된 의미와 일치하는 방식으로 이용될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어는 본 출원의 문맥 및 첨부된 청구범위의 범주와 일치하는 광의의 해석이 주어져야 한다. 당업자는 종종 특정 구성요소가 몇몇 상이한 용어 또는 중복되는 용어를 사용하여 지칭될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본원에서 단일 부분인 것으로 기술될 수 있는 것은 다수의 구성요소로 이루어진 것으로 다른 맥락에서 포함되고 참조될 수 있다. 대안적으로, 본원에서 다수의 구성요소를 포함하는 것으로 설명될 수 있는 것은 어떤 다른 경우에서는 단일 부분으로 언급될 수 있다.

또한, 여러 가지 기술적인 용어가 본원에서 규칙적으로 사용될 수 있으며, 이 단락의 시작 시에 이 용어를 정의하는 것이 도움이 된다는 것이 입증될 것이다. 이 용어 및 이의 정의는, 달리 언급되지 않는 한, 다음과 같다. 본원에 사용된 바와 같이, "하류" 및 "상류"는 터빈 엔진을 통한 작동 유체와 같은 유체의 유동, 또는, 예를 들어, 연소기를 통한 공기 또는 터빈의 구성요소 시스템 중 하나를 통한 냉각제의 유동에 관한 방향을 나타내는 용어이다. 용어 "하류"는 유체의 유동의 방향에 상응하고, 용어 "상류"는 그 유동에 반대되는 방향(즉, 그 유동이 시작되는 방향)을 지칭한다. 임의의 추가 한정이 없는 용어 "전방" 및 "후방"은 방향을 지칭하는데, 이때 "전방"은 엔진의 전방 또는 압축기 단부를 지칭하고, "후방"은 터보기계의 후방 섹션을 지칭한다.

중심축에 대해 상이한 방사상 위치에 배치되는 부분을 설명하는 것이 종종 요구된다. 용어 "방사상"은 축에 수직인 이동 또는 위치를 지칭한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축에 더 가깝게 존재하는 경우, 제1 구성요소가 제2 구성요소의 "방사상 내향" 또는 "내측"에 있다고 본원에서 언급될 것이다. 반면에, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축으로부터 더 멀리 존재하는 경우, 제1 구성요소가 제2 구성요소의 "방사상 외향" 또는 "외측"에 있다고 본원에서 언급될 수 있다. 용어 "축 방향"은 예를 들어, 터빈의 축에 평행한 이동 또는 위치를 지칭한다. 마지막으로, 용어 "원주방향"은 축을 중심으로 하는 이동 또는 위치를 지칭한다. 이러한 용어들은 터보기계의 중심축과 관련하여 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

또한, 여러 가지 기술적인 용어가 후술되는 바와 같이, 본원에서 규칙적으로 사용될 수 있다. 용어 "제1", "제2", 및 "제3"은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 상호교환 가능하게 사용될 수 있고, 개별 구성요소의 위치 또는 중요성을 나타내려는 의도는 아니다.

본원에 사용된 용어는 단지 특정 구현예를 기술하기 위한 것이지 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에 사용될 때에는 언급된 특징부, 정수(integer), 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다. "선택적(optional)" 또는 "선택적으로(optionally)"는 후속적으로 기술되는 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생하지 않을 수 있다는 것, 또는 후속적으로 기술되는 구성요소 또는 요소가 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다는 것, 그리고 설명이 사건이 발생하거나 구성요소가 존재하는 경우와 사건이 발생하지 않거나 구성요소가 존재하지 않는 경우를 포함한다는 것을 의미한다.

일 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에", "에 맞물린", "에 연결된" 또는 "에 커플링된" 것으로 언급되는 경우, 이는 다른 요소 또는 층 바로 위에 있거나, 이에 맞물리거나, 이에 연결되거나, 이에 커플링될 수 있거나, 개재된 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 반면에, 일 요소가 다른 요소 또는 층 "바로 위에", "에 직접적으로 맞물리고", "에 직접적으로 연결되고", 또는 "에 직접적으로 커플링되고"라고 언급되는 경우에는, 개재된 요소 또는 층이 존재하지 않는다. 요소 사이의 관계를 기술하기 위해 사용된 그 밖의 단어는 유사한 방식으로(예를 들어, "사이에" 대 "사이에 직접적으로", "인접한" 대 "직접적으로 인접한", 등) 해석되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 열거 항목 중 하나 이상의 항목의 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다.

위에서 나타낸 바와 같이, 본 개시는 압력측, 흡인측, 및 압력측과 흡인측 사이에서 연장되는 리딩 에지를 규정하는 벽을 포함하는 바디를 포함하는 터빈 에어포일을 제공한다. 바디의 벽 내부의 냉각 회로는 바디의 벽 내부에서 리딩 에지 주위에서 흡인측으로부터 압력측으로 압력측 상의 벽에 규정된 제1 플레넘으로 연장되는 적어도 하나의 제1 냉각 통로를 포함하는 흡인측 대 압력측(suction side to pressure side, SS 대 PS) 냉각 서브 회로를 포함할 수 있다. SS 대 PS 냉각 서브 회로는 제1 플레넘과 유체 연통되고 압력측 상의 벽을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들을 또한 포함할 수 있다. 제1 냉각제 공급원으로부터의 제1 냉각제가 제1 냉각 통로(들)에서 그리고 제1 플레넘으로 유동하고, 복수의 제1 필름 냉각 홀들을 통해 빠져나간다.

SS 대 PS 냉각 서브 회로에 대안적으로, 또는 이에 추가적으로, 냉각 회로는 바디의 벽 내부에서 리딩 에지 주위에서 압력측으로부터 흡인측으로 흡인측 상의 벽에 규정된 제2 플레넘으로 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각 통로를 포함하는 압력측 대 흡인측(pressure side to suction side, PS 대 SS) 냉각 서브 회로를 포함할 수 있다. PS 대 SS 냉각 서브 회로는 제2 플레넘과 유체 연통되고 압력측 상의 벽을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들을 또한 포함할 수 있다. 제2 냉각제 공급원으로부터의 제2 냉각제가 적어도 하나의 제2 냉각 통로에서 그리고 제2 플레넘으로 유동하고 복수의 제2 필름 냉각 홀들을 통해 빠져나간다. 에어포일을 포함하는 터빈 노즐, 및 에어포일을 냉각시키기 위한 관련 방법이 또한 제공된다.

냉각제를 아마도 반대 방향들로 연통하는 냉각 통로들은 냉각제가 상대적으로 더 긴 냉각 통로들을 따라 더 많은 열을 흡수하기 때문에 리딩 에지를 냉각시키는 데 필요한 냉각제의 양을 감소시킨다. 또한, 냉각 통로들은 냉각제를 에어포일의 리딩 에지 주위로 통과시키므로, 더 양호한 필름 커버리지를 제공하고, 또한 리딩 에지로부터 더 먼 하류의 냉각 이루는 형상의 필름 냉각 홀들을 통해 냉각제가 배출될 수 있다. 플레넘은 냉각 통로들과 필름 냉각 홀들 사이에서 유체 결합을 제공함으로써, 리딩 에지에서 개방이 일어나는 작동 유체의 흡입을 방지한다.

도 1은 터빈 에어포일이 본 개시의 교시에 따른 냉각 회로를 포함할 수 있는 예시적인 산업용 기계의 개략도를 도시한다. 예에서, 기계는 연소 또는 가스 터빈 시스템 형태의 터보기계(100)를 포함한다. 터보기계(100)는 압축기(102) 및 연소기(104)를 포함한다. 연소기(104)는 연소 영역(106) 및 연료 노즐 조립체(108)를 포함한다. 터보기계(100)는 터빈(110)(즉, "팽창 터빈") 및 공통 압축기/터빈 샤프트(112)(때때로 회전자(112)로 지칭됨)를 또한 포함한다.

일 실시예에서, 터보기계(100)는 S.C, Greenville 소재의 General Electric Company에서 시판되는 7HA.03 엔진이다. 본 발명은 임의의 하나의 특정 GT 시스템으로 제한되지 않으며, 예를 들어, General Electric Company의 다른 HA, F, B, LM, GT, TM 및 E-급 엔진 모델, 및 다른 회사의 엔진 모델을 포함하는 다른 엔진과 관련하여 구현될 수 있다. 본 개시는 임의의 특정 터빈 또는 터보기계에 제한되지 않고, 예를 들어, 증기 터빈, 제트 엔진, 압축기, 터보팬 등에서의 터빈 에어포일에 적용가능할 수 있다.

작동 시에, 공기는 압축기(102)를 통해 유동하고, 압축 공기는 연소기(104)로 공급된다. 구체적으로, 압축 공기는 연소기(104)와 일체인 연료 노즐 조립체(108)에 공급된다. 조립체(108)는 연소 영역(106)과 유동 연통한다. 연료 노즐 조립체(108)는 또한 연료 공급원(미도시)과 유동 연통하고, 연료 및 공기를 연소 영역(106)으로 보낸다. 연소기(104)는 연료를 점화 및 연소시켜 연소 생성물의 가스 스트림을 생성한다. 연소기(104)는 가스 스트림 열 에너지가 기계적 회전 에너지로 변환되는 터빈 어셈블리(110)와 유동 연통된다. 터빈 조립체(110)는 로터(112)에 회전 가능하게 커플링하고 이를 구동하는 터빈(111)을 포함한다. 압축기(102)는 또한 로터(112)에 회전 가능하게 커플링된다. 예시적인 실시예에서, 다수의 연소기들(104) 및 연료 노즐 어셈블리들(108)이 있다.

도 2는 도 1의 가스 터빈 시스템과 함께 사용될 수 있는 예시적인 터보기계(100)의 터빈 조립체(110)(도 1)의 단면도를 도시한다. 터빈 조립체(110)의 터빈(111)은 터보기계(100)의 고정 케이싱(122)에 커플링된 노즐(120)의 일 행(row) 또는 단, 그리고 회전 블레이드(124)의 축방향으로 인접한 일 행 또는 단을 포함한다. 노즐(126)(베인(vane)으로도 알려짐)은 방사상 외부 플랫폼(128) 및 방사상 내부 플랫폼(130)에 의해 터빈 조립체(110)에 유지될 수 있다. 터빈 조립체(110)의 블레이드(124)의 각각의 단은 로터(112)에 결합되고 로터와 함께 회전하는 회전 블레이드(132)를 포함한다. 회전 블레이드들(132)은, 로터(112)에 결합된 (블레이드의 루트(root)에서의) 반경방향 내부 플랫폼(134) 및 (블레이드의 팁에서의) 반경방향 외부 팁(136)을 포함할 수 있다. 슈라우드(138)는 노즐(126)의 인접한 단과 회전 블레이드(132)를 분리할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 가스 터빈의 연소 가스를 포함하는 작동 유체(140)는 고온 가스 경로(hot gas path)(이하에서 간략하게 "HGP")로 지칭되는 경로를 따라 터빈(111)을 통과한다. HGP는 고온에 노출된 터빈(111)의 임의의 영역일 수 있다. 예시적인 터빈(111)에서, 각자의 에어포일들을 포함하는 노즐들(126) 및 블레이드들(132)은 본 개시의 교시로부터 이익을 얻을 수 있는 터빈 구성요소들의 예들이다.

도 3 내지 도 4는 본 개시의 교시가 채용될 수 있는 에어포일들을 포함하는 예시적인 터빈 구성요소들의 측면 사시도들을 도시한다.

도 3은 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있는 유형의 터빈 회전 블레이드(132)의 측면 사시도를 도시한다. 터빈 회전 블레이드(132)는 루트(142)를 포함하고, 이에 의해 회전 블레이드(132)가 로터(112)(도 2)에 부착된다. 루트(142)는 로터(112)(도 2)의 로터 휠(146)(도 2)의 주변부의 상응하는 도브테일(dovetail) 슬롯에 장착되도록 구성된 도브테일(144)을 포함할 수 있다. 에어포일(152)은 작동 유체의 유동을 차단하고 회전자 휠(146)이 회전하도록 유도하는 회전 블레이드(132)의 능동 구성요소라는 것이 이해될 것이다.

회전 블레이드(132)의 에어포일(152)은 압력측(154), 흡인측(156), 및 압력측(154)과 흡인측(156) 사이에서 연장되는 리딩 에지(158) 및 트레일링 에지(160)를 형성하는 벽(150)을 포함하는 바디(148)를 포함한다. 더 구체적으로, 압력측(154)은 오목한 압력측(pressure side, PS) 벽을 포함하고, 흡인측(156)은 ― 대향하는 리딩과 트레일링 에지들(158, 160) 각각 사이에서 축 방향으로 연장되는 ― 원주 방향으로 또는 횡측으로 상대되는 볼록한 흡인측(suction side, SS) 벽을 포함한다. 측들(154 및 156)은 플랫폼(134)으로부터 방사상 외측 팁(136)으로 방사상 방향으로 또한 연장된다. 팁(136)은 임의의 현재 알려진 또는 이후 개발되는 팁 슈라우드(미도시)를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예들에 따른 그리고 본원에서 더 상세히 설명되는 통로들(200, 202)을 각각 포함하는 서브 회로들(182, 184)을 포함하는 냉각 회로(180)가 예를 들어, 회전 블레이드(132)의 에어포일(152) 내에서, 그리고 더 구체적으로, 그 리딩 에지(158) 내에서 사용될 수 있다.

도 4는 본 개시의 실시예들이 채용될 수 있는 유형의 고정식 노즐(126)의 측면 사시도를 도시한다. 고정 노즐(126)은 방사상 외부 플랫폼(128)을 포함하고, 이 외부 플랫폼에 의해 노즐(126)이 터보기계의 고정 케이싱(122)(도 2)에 부착된다. 외부 플랫폼(128)은 케이싱 내의 대응하는 장착부에 장착하기 위한 임의의 현재 알려져 있거나 또는 이후 개발되는 장착 구성을 포함할 수 있다. 고정식 노즐(126)은 인접한 터빈 회전 블레이드들(132)(도 2)과 (에어포일) 플랫폼들(134)(도 2) 사이에 위치시키기 위한 방사상 내측 플랫폼(130)을 더 포함할 수 있다. 플랫폼들(128, 130)은 터빈 어셈블리(110)(도 2)를 통해 HGP(도 2)의 바깥쪽 및 안쪽 경계의 각 부분들을 규정한다.

에어포일(162)은 작동 유체의 유동을 차단하고 터빈 회전 블레이드들(132)(도 3)을 향해 지향시키는 고정식 노즐(126)의 능동 구성요소라는 것이 이해될 것이다. 고정식 노즐(126)의 에어포일(162)은 압력측(168), 흡인측(170), 및 압력측(168)과 흡인측(170) 사이에서 연장되는 리딩 에지(172) 및 트레일링 에지(174)를 형성하는 벽(166)을 포함하는 바디(164)를 포함한다. 더 구체적으로, 압력측(168)은 오목한 압력측(PS) 외벽을 포함하고, 흡인측(170)은 ― 대향하는 리딩과 트레일링 에지들(172, 174) 각각 사이에서 축 방향으로 연장되는 ― 원주 방향으로 또는 횡측으로 상대되는 볼록한 흡인측(SS) 외벽을 포함한다. 압력측(168) 및 흡인측(170)은 플랫폼(128)으로부터 플랫폼(130)으로 방사상 방향으로 또한 연장된다. 에어포일(162)의 바디(164)는 그 방사상 내측 단부(176)에서 방사상 내측 플랫폼(130)에 결합되고, 그 방사상 외측 단부(178)에서 방사상 외측 플랫폼(128)에 결합되어, 터빈 노즐(126)을 형성한다. 본 개시의 실시예들에 따른 그리고 본원에서 더 상세히 설명되는 통로들(200, 202)을 각각 포함하는 서브 회로들(182, 184)을 포함하는 냉각 회로(180)가 예를 들어, 고정식 노즐(126)의 에어포일(162) 내에서, 그리고 더 구체적으로, 그 리딩 에지(172) 내에서 사용될 수 있다.

에어포일들(152, 162)의 리딩 에지들(158, 172)은 각각 에어포일들의 최전방 에지로서 식별되고, 곡률은 각 에어포일의 각 압력 및 흡인 측들 사이에서 피크에 이른다.

도 5a 내지 도 5c는 냉각 회로(180)의 다양한 실시예들 및 터빈 에어포일(162)을 포함하는 노즐(126)에 대한 예시적인 에어포일의 전방 사시도들을 도시한다. 냉각 회로(180)는 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로(182)(도 5a 및 도 5c, 이후 간략화를 위해 "SS 대 PS 서브 회로(182)"), 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로(184)(도 5b 및 도 5c, 이후 간략화를 위해 "PS 대 SS 서브 회로(184)"), 또는 둘 다(도 5c)를 포함할 수 있다. 본 개시의 특정 실시예들에 따라, 도 6은 도 5a 및 도 5c에서 선 A-A를 따라 SS 대 PS 서브 회로(182) 및 그 냉각 통로(200)를 통한 터빈 에어포일(162)의 단면도를 도시하고, 도 7은 도 5a 및 도 5b에서 선 B-B를 따라 PS 대 SS 서브 회로(184) 및 그 냉각 통로(202)를 통한 터빈 에어포일(162)의 단면도를 도시한다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 언급된 바와 같이, 본 개시의 실시예들은 터빈 회전 블레이드들(132)(도 2 및 도 3) 또는 고정식 노즐들(126)(도 4 내지 도 5c)에 대해 각각 채용되는 것들과 같은 터빈 에어포일(152)(도 3) 또는 터빈 에어포일(162)(도 4 내지 5c)을 포함할 수 있다. 터빈 에어포일들(152, 162)은 냉각제 공급 챔버(들)(190)(예를 들어, 도 6 내지 도 7 참조)를 포함하여 냉각제를 그 부분들에 전달하여 그 부분들을 냉각시킬 수 있다. 에어포일들(152, 162)에서의 냉각제 공급 챔버(들)(190)는 본 개시의 실시예들에 따라, 서브 회로들(182, 184) 및 냉각 통로들(200, 202)을 각각 냉각시키기 위한 냉각제 공급원들(210, 230)(도 6 내지 도 9)로서 사용될 수 있다.

설명을 위해, 도 6 내지 도 9에서의 냉각 서브 회로들(182, 184) 및 냉각 통로들(200, 202)의 단면도들은 노즐(126)에 대한 에어포일(162)에 적절한 내부 냉각제 공급 챔버(들)(190)와 도시되어 있다. 그러나, 도 6 내지 도 9의 단면도들은 블레이드(132)에 대한 에어포일(152)에 대한 참조 번호들을 또한 포함한다. 블레이드(132)(도 3)에 대한 에어포일(152)에 대한 냉각제 공급 챔버(들)(190)는, 예를 들어, 그 각자의 냉각 요건들에 따라 노즐(126)(도 4 내지 5C)에 대해 도시된 것과 예를 들어, 수, 형상, 위치 및/또는 배열이 상이할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 냉각제 공급 챔버(들)(190)(도 6 내지 도 9)가 에어포일들(152, 162)에서 주로 방사상으로 연장되는 것으로서 도시되어 있지만, 이들은 각각 에어포일들(152, 162)의 바디(148, 164) 내에서 임의의 방향으로 연장될 수 있다는 것이 강조된다. 어느 경우든, 본 개시의 교시는 서브 회로들(182, 184) 및 관련 냉각 통로들(200, 202)을 냉각시키기 위한 냉각제 공급원(들)(210, 230)으로서의 역할을 하는 임의의 냉각제 공급 챔버(들)(190)를 내부에 갖는 임의의 터빈 에어포일(152, 162)에 적용될 수 있다는 것이 강조된다.

도 3을 참조하면, 블레이드(132)에 대한 터빈 에어포일(152)은 압력측(154), 흡인측(156), 및 압력측(154)과 흡인측(156) 사이에서 연장되는 리딩 에지(158)를 형성하는 벽(150)을 포함하는 바디(148)를 포함한다. 도 4 및 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 노즐(126)에 대한 터빈 에어포일(162)은 압력측(168), 흡인측(170), 및 압력측(168)과 흡인측(170) 사이에서 연장되는 리딩 에지(172)를 형성하는 벽(166)을 포함하는 에어포일 바디(164)를 포함한다.

도 5a 내지 도 5c의 예시적인 노즐 실시예들에 도시된 바와 같이, 바디(164)의 벽(166) 내부의 냉각 회로(180)는 SS 대 PS 서브 회로(182) 및 PS 대 SS 서브 회로(184) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예들에 따라, 도 5a는 냉각 통로들(200)을 포함하는 SS 대 PS 서브 회로(182)만을 포함하고; 도 5b는 냉각 통로들(202)을 포함하는 PS 대 SS 서브 회로(184)만을 포함하며; 그리고 도 5c는 각 냉각 통로들(200, 202)을 갖는 SS 대 PS 서브 회로(182)와 PS 대 SS 서브 회로(184) 둘 다를 포함한다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 동일한 옵션들 및 배열들이 터빈 블레이드(132)(도 3)에 대해 채용될 수 있다.

도 5a, 도 5c, 및 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈 에어포일(152, 162)은 바디(148, 164)의 벽(150, 166) 내부에서 그리고 리딩 에지(158, 172) 주위의 흡인측(156, 170)으로부터 압력측(154, 168) 상의 벽(150, 166)에 규정된 제1 플레넘(186)으로 연장되는 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)를 포함하는 SS 대 PS 서브 회로(182)를 포함할 수 있다. SS 대 PS 서브 회로(182)는 제1 플레넘(186)과 유체 연통되고 압력측(154, 168) 상의 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 또한 포함할 수 있다. 제1 필름 냉각 홀(214)이 도 6에서 선택된 위치에 도시되지만, "압력측"(154, 168) 상의 벽(150, 166)을 통하는 제1 필름 냉각 홀들(214)은 리딩 에지(158, 172)의 후미의 임의의 위치, 즉, 압력측(154, 168)을 따라 트레일링 에지(160, 174)(도 3 및 도 4)까지의 정체 라인에 있을 수 있다는 것이 강조된다.

벽(150, 166)이 본원에서의 단면도들에서 단일 구조로서 도시되지만, 벽(150, 166)은 임의의 수의 층, 예를 들어, 내부 층, 중간 층 및/또는 외측 층을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 통로들(200, 202)은 벽(150, 166)의 임의의 층에 있을 수 있다. 제1 냉각제 공급원(210)은 에어포일(152, 162)의 리딩 에지(158, 172) 내부의 냉각제 공급 챔버(190A) 또는 임의의 다른 냉각제 공급 챔버(190)의 일부일 수 있다. 어느 경우든, 제1 냉각제 공급원(210)으로부터의 제1 냉각제(220)(화살표들)는 제1 냉각 통로(들)(200) 및 제1 플레넘(186)에서 유동하고, 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 통해 빠져나간다. 제1 냉각제 공급원(210)은 리딩 에지(158, 172)에 대해 흡인측(156, 170)으로부터 제1 냉각제(220)의 발원을 허용한다. 이에 따라, 제1 냉각제(220)는 제1 냉각 통로들(200)에서 흡인측(156, 170)으로부터 압력측(154, 168)으로만 유동한다. 제1 냉각제(220)는 공기와 같은, 냉각제 공급 챔버(190A)에서 사용되는 임의의 냉각제일 수 있다. 제1 냉각 통로들(200)은 제1 냉각제 공급원(210)에 그 흡인측 단부(225) 근처에서, 즉 리딩 에지(158, 172)의 흡인측에 유체 결합될 수 있다. 제1 냉각 통로들(200)은 만곡되어 있고, 이것들이 리딩 에지(158, 172) 주위를 지남에 따라 일반적으로 리딩 에지(158, 172)의 윤곽을 따른다, 즉 리딩 에지 윤곽으로부터의 어느 정도의 편차가 가능하다.

SS 대 PS 서브 회로(182)에서, 제1 플레넘(186)은 바디(148, 164)에서 방사상으로 연장되고, 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)과 함께 제1 냉각 통로(들)(200)를 연결한다. 서브 회로(182)에서의 제1 냉각제(220)의 압력은 전형적으로 비교적 높고, 예를 들어, 에어포일(152, 162)의 표면 상의 작동 유체(140)보다 더 높다. 이러한 방식으로, 홀(222)(도 6에서 점선)이 리딩 에지(158, 172)를 따라 우연히 어딘가에서 개방되고 제1 냉각 통로들(200) 중 하나 이상을 노출시킨다면, 제1 냉각제(220)는 홀(222)을 통해 빠져나갈 것이다. 또한, 제1 냉각제(220)의 유동은 작동 유체(140)의 예를 들어, 냉각 통로(들)(200) 및/또는 제1 냉각원(210)으로의 흡입을 방지하기에 충분한 압력을 갖는다. 이러한 방식으로, 냉각제는 홀(222)에 제공될 것이지만, 제1 냉각제(220)는 그 외 압력측(154, 168)으로 계속해서 유동할 것이다. 즉, 홀(222)에 의해 영향을 받지 않는 제1 냉각 통로(들)(200)는 제1 냉각제(220)를 압력측(154, 168)에 계속해서 제공할 것이다.

그러나, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제1 냉각제(220)의 압력이 작동 유체(140)의 흡입이 우려될 정도로 충분히 낮은 경우, 대안적인 실시예에서, 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214) 중 적어도 하나는 제1 플레넘(186) 및 제1 냉각 통로(들)(200)에서 배압을 생성하기 위해 제1 냉각 통로(들)(200) 각각보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(223)을 포함할 수 있다. 부분(들)(223)은 필름 냉각 홀들(214)의 단면적을 감소시키는 임의의 구조체, 예를 들어, 제1 플레넘(186)의 하류의 임의의 진입 통로 또는 그 구조체를 포함하여, 그 하류보다 그 상류에서 더 높은 압력을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 냉각제(220)의 압력은 홀(222)(도 6에서 점선)이 우연히 리딩 에지(158, 172)를 따라 우연히 어딘가에서 개방되고 제1 냉각 통로들(200) 중 하나 이상을 노출시킨다면, 작동 유체(140)는 제1 냉각 통로들(200)로 흡입되지 않도록 상승될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 제1 냉각제(220)는 홀(222)을 통해 빠져나오고, 냉각 통로(들)(200)를 통해 압력측(154, 168)으로 계속될 것이다. 즉, 제1 냉각제(220)의 유동은 작동 유체(140)의 예를 들어, 냉각 통로(들)(200) 및/또는 제1 냉각원(210)으로의 흡입을 방지하기에 충분한 배압을 가질 것이다. 홀(222)에 의해 영향을 받지 않는 제1 냉각 통로(들)(200)는 제1 냉각제(220)를 압력측(154, 168)에 계속해서 제공할 것이다. 도 17은 부분(223)을 포함하는 제1 필름 냉각 홀(들)(214)만을 도시한다.

도 5b, 도 5c, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 터빈 에어포일(152, 162)은 바디(148, 164)의 벽(150, 166) 내부에서 그리고 리딩 에지(158, 172) 주위의 압력측(154, 168)으로부터 흡인측(156, 170) 상의 벽(150, 166)에 규정된 제2 플레넘(188)으로 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)를 포함하는 PS 대 SS 서브 회로(184)를 포함할 수 있다. PS 대 SS 서브 회로(184)는 제2 플레넘(188)과 유체 연통되고 흡인측(156, 170) 상의 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 또한 포함할 수 있다. 제2 필름 냉각 홀(234)이 도 7에서 선택된 위치에 도시되지만, "흡인측"(156, 170) 상의 벽(150, 166)을 통하는 제2 필름 냉각 홀들(234)은 리딩 에지(158, 172)의 후미의 임의의 위치, 즉, 흡인측(156, 170)을 따라 트레일링 에지(160, 174)(도 3 및 도 4)까지의 정체 라인에 있을 수 있다는 것이 강조된다.

제2 냉각제 공급원(230)은 에어포일(152, 162)의 리딩 에지(158, 172) 내부의 냉각제 공급 챔버(190A) 또는 임의의 다른 냉각제 공급 챔버(190)의 일부일 수 있다. 어느 경우든, 제2 냉각제 공급원(230)으로부터의 제2 냉각제(240)(화살표들)는 제2 냉각 통로(들)(202)에서 그리고 제2 플레넘(188)으로 유동하고, 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 통해 빠져나간다. 제2 냉각제 공급원(230)은 리딩 에지(158, 172)에 대해 압력(154, 168)으로부터 제2 냉각제(240)의 발원을 허용한다. 이에 따라, 제2 냉각제(240)는 제2 냉각 통로들(202)에서 압력측(154, 168)으로부터 흡인측(156, 170)으로만 유동한다. 제2 냉각제(240)는 공기와 같은, 냉각제 공급 챔버(190A)에서 사용되는 임의의 냉각제일 수 있다. 제2 냉각 통로(들)(202)는 제2 냉각제 공급원(230)에 그 압력측 단부(246) 근처에서 유체 결합될 수 있다. 제2 냉각 통로들(202)은 만곡되어 있고, 이것들이 리딩 에지(158, 172) 주위를 지남에 따라 일반적으로 리딩 에지(158, 172)의 윤곽을 따른다, 즉 리딩 에지 윤곽으로부터의 어느 정도의 편차가 가능하다.

PS 대 SS 서브 회로(184)에서, 제2 플레넘(188)은 바디(148, 164)에서 방사상으로 연장되고, 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)과 함께 제2 냉각 통로(들)(202)를 연결한다. 서브 회로(184)에서의 제2 냉각제(240)의 압력은 비교적 낮고, 예를 들어, 에어포일(152, 162)의 표면 상의 작동 유체(140)의 압력 이하이다. 일부 환경들에서, 제2 냉각제(240)의 압력은 홀(224)(도 7에서 점선)이 리딩 에지(158, 172)를 따라 우연히 어딘가에서 개방되고 제2 냉각 통로들(202) 중 하나 이상을 노출시킨다면 작동 유체(140)의 흡입을 방지하기에 충분히 높을 수 있다.

그러나, 제2 냉각제(240)의 압력이 작동 유체(140)의 흡입이 우려될 정도로 충분히 낮은 경우, 대안적인 실시예에서, 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234) 중 적어도 하나는 제2 플레넘(188) 및 제2 냉각 통로(들)(202)에서 배압을 생성하기 위해 제2 냉각 통로(들)(202)보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(226)을 포함할 수 있다. 부분(들)(226)은 필름 냉각 홀들(234)의 단면적을 감소시키는 임의의 구조체, 예를 들어, 제2 플레넘(188)의 하류의 임의의 진입 통로 또는 그 구조체를 포함하여, 그 하류보다 그 상류에서 더 높은 압력을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 냉각제(240)의 압력은 홀(224)(도 7에서 점선)이 우연히 리딩 에지(158, 172)를 따라 우연히 어딘가에서 개방되고 제2 냉각 통로들(202) 중 하나 이상을 노출시킨다면, 작동 유체(140)는 제2 냉각 통로들(202)로 흡입되지 않도록 상승될 수 있다. 이러한 경우에, 제2 냉각제(240)는 홀(224)을 통해 빠져나오고, 냉각 통로(들)(202)를 통해 압력측(154, 168)으로 계속될 것이다. 즉, 제2 냉각제(240)의 유동은 작동 유체(140)의 예를 들어, 냉각 통로(들)(202) 및/또는 제2 냉각원(230)으로의 흡입을 방지하기에 충분한 배압을 가질 것이다. 홀(224)에 의해 영향을 받지 않는 제2 냉각 통로(들)(202)는 제2 냉각제(240)를 흡인측(156, 170)에 계속해서 제공할 것이다. 도 7이 부분(226)을 포함하는 제2 필름 냉각 홀(들)(234)만을 도시하는 경우, 도 18은 더 작은 단면적들을 갖는 부분(들)(223, 226)을 포함한 제1 필름 냉각 홀(들)(214)과 제2 필름 냉각 홀(들)(234) 둘 다를 도시한다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 냉각 회로(180)는 서브 회로들(182, 184) 둘 다를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 제2 냉각 통로(들)(202)는 터빈 에어포일(들)(152, 162)에서 제1 냉각 통로(들)(200)로부터 방사상으로 이격되어 있으며, 즉, 이들은 에어포일(152, 162)에서 동일한 방사상 위치에 있지 않다. 임의의 간격이 채용될 수 있고, 상이한 냉각 통로들(200, 202)의 임의의 배열이 사용될 수 있다. 도 5c에 도시된 일례에서, 제1 냉각 통로들(200)은 에어포일(152)(및 162)의 리딩 에지(158, 172)를 방사상으로 따라 제2 냉각 통로들(202)과 교대로 나온다.

도 3 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 임의의 수의 냉각 통로(200, 202)가 에어포일(152, 162)에서 사용될 수 있다. 즉, 제1 냉각 통로(200)는, 하나 또는 복수의 제1 냉각 통로(200)를 포함할 수 있고, 제2 냉각 통로(202)는 하나 또는 복수의 제2 냉각 통로(202)를 포함할 수 있다. 제1 냉각 통로들(200) 중 하나 초과가 사용되거나 제2 냉각 통로들(202) 중 하나 초과가 사용되는 경우, 이들은 에어포일(152, 162)의 적어도 일부분을 따라 방사상으로 이격될 수 있고, 원하는 냉각 효과를 달성하기 위해 다양한 패턴들로 배열될 수 있다. 언급된 바와 같이, 각 냉각 통로(200, 202) 중 하나 초과가 제공되고 이들이 함께 사용되는 경우, 이들은 에어포일(152, 162)의 적어도 일부분을 따라 방사상으로 이격될 수 있고, 원하는 냉각 효과를 달성하기 위해 다양한 패턴들로 배열될 수 있다. 일례에서, 복수의 제1 냉각 통로들(200)은 에어포일(152, 162)의 리딩 에지(158, 172)를 따라 방사상으로 복수의 제2 냉각 통로들(202)과 교대로 나올 수 있다. 두 개 이상의 제1 및 제2 냉각 통로들(200, 202)의 교대 그룹들과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다른 패턴들의 냉각 통로들(200, 202)이 또한 가능하다.

특정 실시예들에서, 제1 냉각 통로(들)(200) 및 제2 냉각 통로(들)(202)는 "마이크로채널들"로 고려될 수도 있으며, 이들은 비교적 단면적으로 작지만 더 긴 통로들이다. 특정 실시예들에서, 각 냉각 통로(200, 202)는 0.1 제곱 밀리미터 이하의 평균 단면적을 가질 수 있다. 다른 평균 단면적들이 또한 가능하다.

도 6 및 도 7에서, 제1 냉각제 공급원(210) 및 제2 냉각제 공급원(230)은 바디(148, 164) 내부의 단일 냉각제 공급 챔버(190A)이다. 언급된 바와 같이, 냉각제 공급 챔버(들)(190)는 특정 에어포일의 에어포일 냉각 요건들에 따라 다양한 형태들을 취할 수 있다. 도 8은 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5a 및 도 5c에서의 선 A-A에 따른 냉각 통로(200)를 통한 터빈 에어포일(152, 162)의 단면도를 도시하고; 도 9는 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 도 5b 및 도 5c에서의 선 B-B에 따른 냉각 통로(202)를 통한 터빈 에어포일(152, 162)의 단면도를 도시한다. 이들 다른 실시예에서, 두 개 이상의 냉각제 공급 챔버들(190B, 190C)이 내부 분리 벽(250)에 의해 분리될 수 있다. 제1 냉각제 공급원(210)은 그 자체의 냉각제 공급 챔버(190B)일 수 있고, 제2 냉각제 공급원(230)은 냉각제 공급 챔버(190B)와 상이한 그 자체의 냉각제 공급 챔버(190C)일 수 있다. 이 예에서, 제1 냉각제 공급원(210)은 리딩 에지(158, 172)에 대해 흡인측(156, 170)에만 규정되고, 제2 냉각제 공급원(230)은 리딩 에지(158, 172)에 대해 압력측(154, 168)에만 규정된다. 냉각제 공급원들(210, 230)을 제공하는 냉각제 공급 챔버(190)는 도시되지 않지만 본 개시의 범주 내에 있는 매우 다양한 다른 형태들을 취할 수 있다는 것이 인식될 것이다.

도 10은 본 개시의 다른 실시예들에 따른, 냉각 통로, 플레넘, 및 필름 냉각 홀의 확대된 개략 단면도를 도시한다. 냉각 통로들(200, 202) 및/또는 필름 냉각 홀들(214, 234)의 단면적은 열 전달을 조절하고/하거나 통로들을 통한 압력/유동을 제어하기 위해 그 길이들을 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 냉각 통로들(200, 202) 및 필름 냉각 홀들(214, 234)(후자는 벽(150, 166)에서 각자의 출구들의 상류)은 상이한 단면적들을 가질 수 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 냉각 통로들(200, 202)은 각자의 길이를 따라 직경 D1을 가질 수 있고, 필름 냉각 홀들(214, 234)은 직경 D2(벽(150, 166)에서 각자의 출구들의 상류)를 가질 수 있으며, 여기서 D1>D2이다. 다른 예에서, 하나 이상의 냉각 통로(200, 202)는 유동 제어에 대한 계량 영역을 제공하기 위해, 예를 들어, 플레넘(186, 188)의 상류에서, 더 작은 단면적(넥 다운)을 내부에서 갖는 개별 부분(228)을 포함할 수 있다. 냉각 통로들(200, 202)의 단면적의 다른 변화가 또한 가능하다. 특히, 이전에 설명된 바와 같이, 배압은 a) 제1 필름 냉각 홀들(214) 중 하나 이상에 제1 냉각 통로(들)(200) 각각보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(223)(예를 들어, 도 13, 도 17 및 도 18 참조)을 제공함으로써 제1 플레넘(186) 및/또는 제1 냉각 통로(들)(200); 및 b) 제2 필름 냉각 홀들(234) 중 하나 이상에 제2 냉각 통로(들)(202) 각각보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(226)(예를 들어, 도 13 참조)을 제공함으로써 제2 플레넘(188) 및/또는 제2 냉각 통로(들)(202) 중, 적어도 하나에서 생성될 수 있다.

도 11은 도 5a 내지 도 5c에서의 선 C-C에 따른 단면도를 도시한다. 냉각 통로들(200, 202)이 에어포일(152, 162)의 방사상 위치에서 제공되지 않는다면, 더 많은 종래의 냉각 시스템들이 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 원형 '샤워헤드' 또는 방사상 냉각 통로들(204)의 배열이 채용될 수 있다. 냉각 통로들(204)은 냉각 통로들(200, 202)이 예를 들어, 특정 통로들의 그룹들이 교대로 나오는 것 등과 같은 임의의 배열로 사용될 수 있다.

도 5a 내지 도 5c에서, 각 필름 냉각 홀(214, 234)은 대응하는 냉각 통로(200, 202)를 포함한다. 그러나, 이러한 배열은 모든 경우에 필수적인 것은 아니다. 도 12는 본 개시의 다른 실시예에 따른 냉각 통로들(200, 202)을 포함하는 에어포일(152, 162)의 개략적인 정면도를 도시한다. 도 12에서, 제1 필름 냉각 홀들(214A-C) 및 제2 필름 냉각 홀들(234A-C) 중 적어도 하나는 대응하는 제1 냉각 통로(들)(200) 및 제2 냉각 통로(들)(202)와 상이한 수의 필름 냉각 홀(214 또는 234)을 포함한다. 즉, 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214A-C) 중 적어도 하나는 제1 냉각 통로(들)(200)의 수와 상이한 수의 냉각 홀(214)을 포함하고; 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234A-C)은 제2 냉각 통로(들)(202)의 수와 상이한 수의 냉각 홀(234)을 포함한다. 임의의 배열이 본 개시의 범위 내에 있다.

도시된 일례에서, 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214A-C)(세 개가 도시됨)에는 각 단일 제1 냉각 통로(200)로부터 제1 냉각제(220)가 공급될 수 있다. 여기서, 예를 들어, 제1 필름 냉각 홀들(214A-C)은 제1 냉각 통로(200)에 결합된 플레넘(186)을 공유한다. 다른 비제한적인 예들에서, 두 개의 제1 냉각 통로들(200)이 다섯 개의 필름 냉각 홀들(214)에 결합된 플레넘(186)을 공급할 수 있거나, 또는 세 개의 제1 냉각 통로들(200)이 두 개의 필름 냉각 홀들(214)에 결합된 플레넘(186)을 공급할 수 있다. 유사하게, 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234A-C)(세 개가 도시됨)에는 각 제2 냉각 통로(202)로부터 제2 냉각제(240)가 공급될 수 있다. 여기서, 예를 들어, 제2 필름 냉각 홀들(234A-C)은 단일 제2 냉각 통로(202)에 결합된 플레넘(188)을 공유한다. 다른 비제한적인 예들에서, 두 개의 제2 냉각 통로들(202)이 다섯 개의 필름 냉각 홀들(234)에 결합된 플레넘(188)을 공급할 수 있거나, 또는 세 개의 제2 냉각 통로들(202)이 두 개의 필름 냉각 홀들(234)에 결합된 플레넘(188)을 공급할 수 있다. 충분한 냉각제 유동 및 압력이 존재하는 한, 임의의 수의 냉각 통로(200, 202) 및 필름 냉각 홀(214, 234)은 플레넘(186, 188)을 각각 공유할 수 있다. 언급된 바와 같이, 하나 이상의 제2 필름 냉각 홀(234)은 플레넘(188) 및/또는 제2 냉각 통로(들)(202)에 비해 감소된 단면적을 갖는 부분(226)을 포함할 수 있다.

도 12는 제1 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나, 예를 들어, 214A, 214C가 바디(148, 164)에서 제1 냉각 통로들(200) 중 적어도 하나와 상이한 방사상 위치에 있을 수 있다는 것을 또한 도시한다. 대안적으로, 또는 이에 추가적으로, 복수의 제2 필름 냉각 홀들 중 적어도 하나, 예를 들어, 234A 또는 234C가 바디(148, 164)에서 제2 냉각 통로들(202) 중 적어도 하나와 상이한 방사상 위치에 있을 수 있다는 것을 또한 도시한다. 다양한 배열들이 가능하다.

도 13은 에어포일(152, 162)의 바디(148, 164)에서의 예시적인 필름 냉각 홀(214, 234)의 측면도를 도시한다. 제1 및 제2 필름 냉각 홀들(214, 234)은 임의의 현재 알려져 있거나 나중에 개발될 확산 개구의 형태를 취할 수 있다. 즉, 필름 냉각 홀들(214, 234)은 각각 에어포일(152, 162)의 압력측(154, 168) 및 흡인측(156, 170)을 따라 냉각 필름을 형성하는 것을 돕기 위해 단순한 원형 '샤워헤드' 홀보다는 팬형 또는 발산형 개구를 포함한다. 더 작은 단면적을 갖는 부분(226)이 또한 도 13에 도시되어 있다. 냉각 필름은 에어포일들(152, 162)의 외부 표면을 냉각하기 위해 압력 및 흡인 측들을 따라 후미 방향으로 지난다.

본 개시의 다른 실시예들에 따라, 도 14는 도 5a 및 도 5c에서의 선 A-A에 따른 제1 냉각 통로(200)를 통한 단면도를 도시하고, 도 15는 도 5b 및 도 5c에서의 선 B-B선에 따른 제2 냉각 통로(202)를 통한 단면도를 도시한다. 이들 실시예들에서, 제1 및 제2 필름 냉각 홀들(214, 234)은 각각 흡인측(156, 170) 또는 압력측(154, 168)에 수직이고, 단면이 일반적으로 원형일 수 있다. 이와 관련하여, 이들은 도 13에서와 같이 측면들에서 '샤워헤드' 홀들이고, 팬형 또는 발산형 홀들이 아니다. 어느 경우든, 냉각 필름은 에어포일들의 외부 표면을 냉각하기 위해 압력 및 흡인 측들을 따라 후미 방향으로 지난다. 이러한 실시예들에서, 제1 및 제2 필름 냉각 홀들(214, 234)은 개재 플레넘(186, 188)이 없는 상태에서 제1 또는 제2 냉각 통로들(200, 202)에 각각 직접 결합된다.

도 16은 대안적인 실시예의 개략적인 부분 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 제1 플레넘(186) 및 제2 플레넘(188) 중 적어도 하나는 일관적이지 않은 단면적을 가질 수 있다. 도시된 비제한적인 예에서, 플레넘들(186, 188) 둘 다는 중심점으로부터 그 외측 단부들까지 더 작은 단면적을 갖도록 수렴한다. 플레넘(들)(186, 188)은 다른 인자들 중에서도 특히, 예를 들어, 원하는 냉각제 유량, 체적, 또는 배압을 얻기 위해 원하는 임의의 방식으로 단면적을 변화시킬 수 있다.

도 17 및 도 18은 다른 실시예들의 개략적인 부분 단면도를 도시한다. 도 17 및 도 18은 냉각 통로(들)(200, 202)가 임의의 대응하는 냉각 홀들(214, 234)과 정렬되지 않은 서브 회로들(182, 184)을 도시한다. 언급된 바와 같이, 도 7은 더 작은 단면적 부분(226)을 포함하는 하나 이상의 제2 필름 냉각 홀(234)만을 도시하고, 도 17은 배압을 생성하기 위해 내부에 더 작은 단면적 부분(223)을 포함하는 제1 필름 냉각 홀(들)(214)만을 도시하며, 도 18은 더 큰 단면적을 갖는 부분들(223, 226)을 포함하는 제1 필름 냉각 홀(들)(214)과 제2 필름 냉각 홀(들)(234) 둘 다를 도시한다.

본원에서 사용될 때 냉각 통로들(200, 202)은 냉각제(220, 240)로부터의 열의 전달을 증가시키기 위해 임의의 현재 알려져 있거나 나중에 개발될 터뷸레이터(turbulator) 또는 다른 열 전달 인핸서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

에어포일(152, 162)은 주조 또는 적층 제조와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 제조 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 에어포일(152, 162)이 주조되는 경우, 냉각 통로들(200, 202)은 만곡된 통로를 형성하기 위한 임의의 현재 알려져 있거나 나중에 개발될 방법들, 예를 들어, 순차적인 드릴링, 전기 방전 가공 등에 의해 형성될 수 있다.

이제, 본 개시의 실시예들에 따른 터빈 에어포일, 특히 그 리딩 에지를 냉각시키는 방법이 설명될 것이다. 본 방법은 압력측(154, 168), 흡인측(156, 170), 및 압력측(154, 168)과 흡인측(156, 170) 사이에서 (일반적으로 방사상으로) 연장되는 리딩 에지(158, 172)를 규정하는 벽(150, 166)을 포함하는 바디(148, 164)를 포함하는 터빈 에어포일(152, 162)에서 발생한다. 방법의 실시예들은 제1 냉각 통로(들)(200) 내부에서, 흡인측(156, 170)에서의 제1 냉각제 공급원(210)으로부터의 제1 냉각제(220)를 리딩 에지(158, 172) 주위로 제1 플레넘(186)으로 그리고 그 후 압력측(154, 168) 상의 벽(150, 166)을 통해 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)로 유동시키는 것을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 이에 추가적으로, 본 방법은 제2 냉각 통로(들)(202) 내부에서, 제2 냉각제 공급원(230)으로부터의 제2 냉각제(240)를 압력측(154, 168)으로부터 리딩 에지(158, 172) 주위로 제2 플레넘(188)으로 그리고 그 후 흡인측(156, 170) 상의 벽(150, 166)을 통해 제2 필름 냉각 홀들(234)로 유동시키는 것을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

언급된 바와 같이, 복수의 제1 냉각 통로들(200)과 복수의 제2 냉각 통로들(202)이 함께 제공될 수 있다. 이 경우에, 본 방법은 제1 냉각 통로들(200) 각각에서 제1 냉각제 공급원(210)으로부터의 제1 냉각제(220)를 흡인측(156, 170)으로부터 압력측(154, 168)으로 유동시키는 단계, 및 제2 냉각제 공급원(230)으로부터의 제2 냉각제(240)를 제2 냉각 통로들(202) 각각에서 압력측(154, 168)으로부터 흡인측(156, 170)으로 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 복수의 제1 냉각 통로들(200)은 예를 들어, 에어포일(152, 162)의 리딩 에지(158, 172)를 따라 방사상으로 복수의 제2 냉각 통로들(202)과 교대로 나올 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 다른 패턴들이 또한 가능하다.

특정 실시예들에서, 제1 및 제2 냉각 통로들(200, 202)은 각각 0.1 제곱 밀리미터 이하의 평균 단면적을 가질 수 있다. 냉각 통로들(200, 202)의 단면적은 열 전달을 조절하고/하거나 통로들을 통한 압력/유동을 제어하기 위해 그 길이들을 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 통로(200, 202) 및/또는 필름 냉각 홀(214, 234)은 유동 제어에 대한 계량 영역을 제공하기 위해 홀들(214, 234)의 각 출구들의 상류에 더 작은 단면적(넥 다운)을 포함할 수 있다. 특히, 배압은 a) 하나 이상의 제1 필름 냉각 홀(214)에 제1 냉각 통로(들)(200)보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(223)(도 17 및 도 18)을 제공함으로써 제1 플레넘(186) 및 제1 냉각 통로(들)(200); 및 b) 제2 필름 냉각 홀들(234) 중 하나 이상에 제2 냉각 통로(들)(202) 각각보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(226)(예를 들어, 도 7, 9, 10, 12, 13, 및 18 참조)을 제공함으로써 제2 플레넘(188) 및/또는 제2 냉각 통로(들)(202) 중 적어도 하나에서 생성될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 제1 냉각제 공급원(210) 및 제2 냉각제 공급원(230)은 바디(148, 164) 내부의 단일 냉각제 공급 챔버(190A)(도 6 및 도 7)일 수 있거나, 또는 하나 초과의 냉각제 공급 챔버(190)가 사용될 수 있다.

본 개시의 실시예들은 터빈 에어포일의 리딩 에지에서 상대적으로 작은 냉각 통로들(예를 들어, 0.1 제곱 밀리미터 이하의 평균 단면적을 갖는 마이크로채널)을 제공하여, 리딩 에지 주위를 둘러싼다. 냉각 통로들은 에어포일 내부로부터의 냉각제, 예를 들어, 냉각 공기를 공급받으며, 이는 리딩 에지에서의 냉각 통로들을 통해 유동한다. 그 후, 냉각제는 필름 냉각 홀(들)을 통해 배출되어 리딩 에지의 에어포일 하류에 냉각을 또한 제공한다. 각 냉각 서브 회로 및 관련 냉각 통로들은 냉각제가 (샤워헤드 개구들에 비해) 비교적 더 긴 냉각 통로들을 따라 더 많은 열을 흡수하기 때문에 리딩 에지를 냉각시키는 데 필요한 냉각제의 양을 감소시키며, 이는 터보기계의 효율 및 출력을 개선한다. 서브 회로들 둘 다가 제공되는 경우, 냉각제를 반대 방향들로 연통시키는 냉각 통로들은 냉각제가 상대적으로 더 긴 냉각 통로들을 따라 더 많은 열을 흡수하기 때문에 리딩 에지를 냉각시키는 데 필요한 냉각제의 양을 또한 감소시킬 수 있다.

또한, 냉각 통로들은 냉각제를 에어포일의 리딩 에지 주위로 연통시키므로, 더 양호한 필름 커버리지를 제공하고, 또한 원형 '샤워헤드' 냉각 홀에 비해 리딩 에지로부터 더 먼 하류의 냉각 이루는 형상의 필름 냉각 홀들을 통해 냉각제가 배출될 수 있다. 필름 냉각 홀의 수가 또한 감소될 수 있어, 예를 들어, 결합 및/또는 열 장벽 코팅들의 에어포일에 대한 코팅 세정을 간략화한다. 플레넘은 냉각 통로들과 필름 냉각 홀들 사이에서 유체 결합을 제공하여, 리딩 에지에서 개방이 일어나는 작동 유체의 흡입을 방지한다.

본원에서 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 사용된 바와 같이, 개략화하는 표현은 임의의 정량적 표현을 수식하되 그에 관련된 기본적인 기능의 변화를 초래함이 없이 허용 가능하게 변할 수 있게 수식하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들로 수식된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 경우에서, 개략화하는 표현은 값을 측정하기 위한 기기의 정밀도에 상응할 수 있다. 여기에서 그리고 본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐, 범위 제한은 조합되고/되거나 상호 교환될 수 있고; 그러한 범위는, 문맥 또는 언어가 달리 나타내지 않는 한, 식별되고, 본원에 포함된 모든 하위 범위를 포함한다. 일정 범위의 특정 값에 적용되는 바와 같은 "대략"은 둘 모두의 끝 값에 적용되고, 달리 값을 측정하는 기구의 정밀도에 의존하지 않는 한, 언급된 값(들)의 +/- 10%를 나타낼 수 있다.

이하의 청구범위에서의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소의 상응하는 구조, 재료, 동작, 및 등가물은, 구체적으로 청구되는 바와 같은 다른 청구된 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료, 또는 동작을 포함하기 위한 것이다. 본 발명의 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시된 것이지, 본 발명을 개시된 형태로 총망라하려거나 그에 한정하려는 것이 아니다. 많은 변형 및 수정이 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이다. 실시예들은 본 개시의 원리들 및 그들의 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위해 그리고 특정 사용에 적합한 바와 같은 다양한 수정들이 추가로 고려될 수 있도록 본 기술분야의 통상의 기술자가 본 개시를 이해할 수 있게 하기 위해 선택되고 설명되었다.

Claims

터빈 에어포일(turbine airfoil)(152, 162)로서,
압력측(154, 168), 흡인측(156, 170), 및 상기 압력측(154, 168)과 상기 흡인측(156, 170) 사이에서 연장되는 리딩 에지(158, 172)를 규정하는 벽(150, 166)을 포함하는 바디(148, 164); 및
상기 바디(148, 164)의 상기 벽(150, 166) 내부의 냉각 회로(180)를 포함하며, 상기 냉각 회로(180)는:
a) 상기 바디(148, 164)의 상기 벽(150, 166) 내부에서 상기 흡인측(156, 170)으로부터 상기 리딩 에지(158, 172) 주위의 상기 압력측(154, 168)으로 상기 압력측(154, 168) 상의 상기 벽(150, 166)에 형성된 제1 플레넘(186)으로 연장되는 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200), 및 상기 제1 플레넘(186)과 유체 연통되고 상기 압력측(154, 168) 상의 상기 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 포함하는 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로(182) ― 제1 냉각제 공급원(210)으로부터의 제1 냉각제(220)가 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200) 및 상기 제1 플레넘(186)에서 유동하고 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 통해 빠져나감 ―; 및
b) 상기 바디(148, 164)의 상기 벽(150, 166) 내부에서 상기 압력측(154, 168)으로부터 상기 리딩 에지(158, 172) 주위의 상기 흡인측(156, 170)으로 상기 흡인측(156, 170) 상의 상기 벽(150, 166)에 형성된 제2 플레넘(188)으로 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202), 및 상기 제2 플레넘(188)과 유체 연통되고 상기 흡인측(156, 170) 상의 상기 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 포함하는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로(184) ― 제2 냉각제 공급원(230)으로부터의 제2 냉각제(240)가 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202) 및 상기 제2 플레넘(188)에서 유동하고 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 통해 빠져나감 ― 중 적어도 하나를 포함하는, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서, 상기 냉각 회로(180)는 상기 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로(184)와 상기 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로(182) 둘 다를 포함하는, 터빈 에어포일(152, 162).
제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)는 복수의 제1 냉각 통로들(200)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)는 복수의 제2 냉각 통로들(202)을 포함하며, 상기 복수의 제1 냉각 통로들(200)은 상기 에어포일(152, 162)의 상기 리딩 에지(158, 172)를 따라 방사상으로 상기 복수의 제2 냉각 통로들(202)과 교대로 나오는, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서,
a) 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)이 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(223)을 포함하여, 상기 제1 플레넘(186) 및 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)에서 배압을 생성하는 것; 그리고
b) 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)이 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(226)을 포함하여, 상기 제2 플레넘(188) 및 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)에서 배압을 생성하는 것 중 적어도 하나인, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200) 및 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)는 각각 0.1 제곱 밀리미터 이하의 평균 단면적을 갖는, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서, 상기 제1 냉각제 공급원(210)과 상기 제2 냉각제 공급원(230)은 상기 바디(148, 164)에서 분리 벽(250)에 의해 유체 분리되는, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서,
a) 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214) 중 적어도 하나가 상기 바디(148, 164)에서 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것, 그리고
b) 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234) 중 적어도 하나가 상기 바디(148, 164)에서 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것 중 적어도 하나인, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서,
a) 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)이 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)의 수와 상이한 수의 냉각 홀(214)을 포함하는 것, 그리고
b) 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)이 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)의 수와 상이한 수의 냉각 홀(234)을 포함하는 것 중 적어도 하나인, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서, 상기 제1 플레넘(186) 및 상기 제2 플레넘(188) 중 적어도 하나는 일관적이지 않은 단면적을 갖는, 터빈 에어포일(152, 162).
제1항에 있어서, 상기 바디(148, 164)는 그 방사상 내측 단부(176)에서 방사상 내측 플랫폼(130)에 결합되고, 그 방사상 외측 단부(178)에서 방사상 외측 플랫폼(130)에 결합되어, 터빈 노즐(126)을 형성하는, 터빈 에어포일(152, 162).
터빈 노즐(126)로서,
압력측(154, 168), 흡인측(156, 170), 및 상기 압력측(154, 168)과 상기 흡인측(156, 170) 사이에서 연장되는 리딩 에지(158, 172)를 규정하는 벽(150, 166)을 포함하는 에어포일 바디(148, 164);
상기 에어포일 바디(148, 164)에 그 방사상 내측 단부(176)에서 결합되는 방사상 내측 플랫폼(130), 및 상기 에어포일 바디(148, 164)에 그 방사상 외측 단부(178)에서 결합되는 방사상 외측 플랫폼(128); 및
상기 바디(148, 164)의 상기 벽(150, 166) 내부의 냉각 회로(180)를 포함하며, 상기 냉각 회로(180)는:
a) 상기 바디(148, 164)의 상기 벽(150, 166) 내부에서 상기 흡인측(156, 170)으로부터 상기 리딩 에지(158, 172) 주위의 상기 압력측(154, 168)으로 상기 압력측(154, 168) 상의 상기 벽(150, 166)에 형성된 제1 플레넘(186)으로 연장되는 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200), 및 상기 제1 플레넘(186)과 유체 연통되고 상기 압력측(154, 168) 상의 상기 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 포함하는 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로(182) ― 제1 냉각제 공급원(210)으로부터의 제1 냉각제(220)가 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200) 및 상기 제1 플레넘(186)에서 유동하고 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)을 통해 빠져나감 ―; 및
b) 상기 바디(148, 164)의 상기 벽(150, 166) 내부에서 상기 압력측(154, 168)으로부터 상기 리딩 에지(158, 172) 주위의 상기 흡인측(156, 170)으로 상기 흡인측(156, 170) 상의 상기 벽(150, 166)에 형성된 제2 플레넘(188)으로 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202), 및 상기 제2 플레넘(188)과 유체 연통되고 상기 흡인측(156, 170) 상의 상기 벽(150, 166)을 통해 연장되는 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 포함하는 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로(184) ― 제2 냉각제 공급원(230)으로부터의 제2 냉각제(240)가 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202) 및 상기 제2 플레넘(188)에서 유동하고 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)을 통해 빠져나감 ― 중 적어도 하나를 포함하는, 터빈 노즐(126).
제11항에 있어서, 상기 냉각 회로(180)는 상기 압력측 대 흡인측 냉각 서브 회로(184)와 상기 흡인측 대 압력측 냉각 서브 회로(182) 둘 다를 포함하고,
상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)는 복수의 제1 냉각 통로들(200)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)는 복수의 제2 냉각 통로들(202)을 포함하며,
상기 복수의 제1 냉각 통로들(200)은 상기 에어포일(152, 162)의 상기 리딩 에지(158, 172)를 따라 방사상으로 상기 복수의 제2 냉각 통로들(202)과 교대로 나오는, 터빈 노즐(126).
제11항에 있어서,
a) 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214)이 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(223)을 포함하여, 상기 제1 플레넘(186) 및 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)에서 배압을 생성하는 것; 그리고
b) 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234)이 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)보다 더 작은 단면적을 갖는 부분(226)을 포함하여, 상기 제2 플레넘(188) 및 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)에서 배압을 생성하는 것 중 적어도 하나인, 터빈 노즐(126).
제11항에 있어서, 상기 제1 냉각제 공급원(210)과 상기 제2 냉각제 공급원(230)은 상기 바디(148, 164)에서 분리 벽(250)에 의해 유체 분리되는, 터빈 노즐(126).
제11항에 있어서,
a) 상기 복수의 제1 필름 냉각 홀들(214) 중 적어도 하나가 상기 에어포일 바디(148, 164)에서 상기 적어도 하나의 제1 냉각 통로(200)로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것, 그리고
b) 상기 복수의 제2 필름 냉각 홀들(234) 중 적어도 하나가 상기 에어포일 바디(148, 164)에서 상기 적어도 하나의 제2 냉각 통로(202)로부터 상이한 방사상 위치에 있는 것 중 적어도 하나인, 터빈 노즐(126).