KR20240060285A - 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소 - Google Patents

에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AM구조물을 포함하는 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 관한 것이다.
본 발명에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소는 적층제조방식에 의해서 제조되는 AM구조물을 포함하여, 냉각 효율과 생산 효율을 동시에 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Description

에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소 {Airfoil cooling structure, airfoil and turbine blade component including the same}
본 발명은 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AM구조물을 포함하는 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
최근에는 터빈의 효율을 증가시키기 위하여 터빈으로 유입되는 가스의 온도(Turbine Inlet Temperature: TIT)가 지속적으로 상승하는 추세에 있는데, 이로 인하여 터빈 블레이드 및 터빈 베인의 내열처리 및 냉각의 중요성이 부각되고 있다.
터빈 블레이드 및 터빈 베인의 냉각을 위해서, 에어포일의 내부에 냉각을 위한 구조물이 배치될 수 있다. 기존의 경우, 이러한 구조물은 주로 주조 방식에 의해서 제작되어 왔다. 그러나, 주조 방식에 의할 경우, 냉각을 위한 구조물의 형태나 배치 구조 등이 매우 제한되었고, 이로 인해서 구조물에 의한 냉각 성능도 제한적이였다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 냉각 효율과 생산 효율을 동시에 향상시킬 수 있는 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 에어포일의 냉각구조는, 터빈날개요소의 에어포일에 적용되는 냉각구조에 있어서, 에어포일 내부에 형성된 냉각유로에 배치되는 AM구조물을 포함하고, AM구조물은, 서로 교차되어 배치되는 복수 개의 기둥요소를 포함하며, 냉각유로 상에서 제1면과 제2면 사이에서 제1면과 제2면에 각각 접하도록 배치되고, 적층제조방식에 의해서 제작된다.
또한, AM구조물과 에어포일은, 적층제조방식에 의해서 일체로 형성될 수 있다.
또한, AM구조물 각각은, 적어도 기둥요소를 3개 이상 포함할 수 있다.
또한, AM구조물은, 중심을 기준으로 대칭되도록 형성되어, 방사형의 형상을 가질 수 있다.
또한, 적어도 하나의 기둥요소는, 제1면 및/또는 제2면과 경사각을 갖도록 경사지게 배치될 수 있다.
또한, 경사각은, 30도 내지 45도로 형성될 수 있다.
또한, AM구조물은, 에어포일의 트레일링에지 측에 배치될 수 있다.
또한, AM구조물은 복수 개의 열을 이루도록 배치되고, 각각의 열 중 서로 인접한 두 개의 열에서, AM구조물들은 서로 교대로 배치될 수 있다.
또한, AM구조물은, 복수 개의 군을 포함하는 군집 형태로 배열되고, 각각의 군에는 적어도 2개 이상의 AM구조물이 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에어포일은, 외부에 형성된 흡입면, 압력면,　리딩에지 및 트레일링에지, 내부에 형성된 냉각유로, 및 냉각유로에 배치되는 AM구조물을 포함하고, AM구조물은, 서로 교차되어 배치되는 복수 개의 기둥요소를 포함하며, 냉각유로 상에서 제1면과 제2면 사이에서 제1면과 제2면에 각각 접하도록 배치되고, 적층제조방식에 의해서 제작된다.
또한, AM구조물과 에어포일은, 적층제조방식에 의해서 일체로 형성될 수 있다.
또한, AM구조물　각각은, 적어도 기둥요소를 3개 이상 포함할 수 있다.
또한, AM구조물은, 중심을 기준으로 대칭되도록 형성되어, 방사형의 형상을 가질 수 있다.
또한, 적어도 하나의 기둥요소는, 제1면　및/또는 제2면과 경사각을 갖도록 경사지게 배치될 수 있다.
또한, 경사각은, 30도 내지 45도로 형성될 수 있다.
또한, AM구조물은, 에어포일의　트레일링에지　측에 배치될 수 있다.
또한, AM구조물은 복수 개의 열을 이루도록 배치되고, 각각의 열 중 서로 인접한 두 개의 열에서, AM구조물들은 서로 교대로 배치될 수 있다.
또한, AM구조물은, 복수 개의 군을 포함하는 군집 형태로 배열되고, 각각의 군에는 적어도 2개 이상의 AM구조물이 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈날개요소는, 외부에 흡입면, 압력면, 리딩에지 및 트레일링에지가 형성되고, 내부에 냉각유로가 형성된 에어포일, 냉각유로에 배치되는 AM구조물을 포함하고, AM구조물은, 서로 교차되어 배치되는 복수 개의 기둥요소를 포함하며, 냉각유로 상에서 제1면과 제2면 사이에서 제1면과 제2면에 각각 접하도록 배치되고, 적층제조방식에 의해서 제작된다.
본 발명에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소는 적층제조방식에 의해서 제조되는 AM구조물을 포함하여, 냉각 효율과 생산 효율을 동시에 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 내부가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스터빈의 일부를 절개하여 나타낸 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈날개요소를 나타낸 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다른 형태의 AM구조물을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물을 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물의 적층제조과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 8은 기존의 냉각구조의 열전달율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각구조의 열전달율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 기존의 냉각구조와 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각구조의 열전달율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각구조를 나타낸 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 냉각구조를 나타낸 측단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
　
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 대하여 상세히 설명한다.
　
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 내부가 도시된 사시도이고, 도 2는 도 1의 가스터빈의 일부를 절개하여 나타낸 종단면도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예를 따른 가스터빈(1000)에 대하여 설명한다. 본 실시예를 따르는 가스터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 센터 타이로드(1120)와 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 토크 튜브(1170)에 의하여 직결될 수 있다. 대형 가스터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다.
한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
한편, 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈(1300)의 터빈 블레이드(1400)에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브(1170)를 거쳐 압축기(1100)로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용된다.
터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1400)와 터빈 베인(1500)을 포함한다.
로터 디스크(1310)는 대략 원판 형태를 가지고 있고, 그 외주부에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 홈은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈에 터빈 블레이드(1400)와 터빈 베인(1500)이 삽입된다. 터빈 블레이드(1400)는 도브테일 등의 방식으로 로터 디스크(1310)에 결합될 수 있다. 터빈 베인(1500)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다. 터빈 블레이드는 연소 가스에 의하여 회전하면서 회전력을 생성한다.
　
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈날개요소를 나타낸 측단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물을 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다른 형태의 AM구조물을 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물을 나타낸 측면도이며, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물의 적층제조과정을 나타낸 플로우차트이고, 도 8은 기존의 냉각구조의 열전달율을 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각구조의 열전달율을 나타낸 그래프이고, 도 10은 기존의 냉각구조와 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각구조의 열전달율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 대하여 상세히 설명한다. 터빈날개요소(C)는 터빈 블레이드(1400) 및/또는 터빈 베인(1500)을 의미한다. 즉, 터빈날개요소(C)는 터빈 블레이드(1400)와 터빈 베인(1500)을 모두 지칭하거나, 터빈 블레이드(1400) 및 터빈 베인(1500) 중 어느 하나를 지칭한다.
터빈날개요소(C)는 에어포일(A)을 포함한다. 즉, 터빈 블레이드(1400) 및/또는 터빈 베인(1500)은 에어포일(A)을 포함한다. 에어포일(A)은 외부에 형성된 흡입면(SS), 압력면(PS), 리딩에지(LE) 및 트레일링에지(TE)를 포함한다. 흡입면(SS)은 에어포일(A)에서 연소 가스가 유입되는 전면을 향하여 볼록하게 형성될 수 있다. 압력면(PS)은 에어포일(A)의 배면에서 흡입면(SS)을 향하여 오목하게 형성될 수 있다. 리딩에지(LE)는 연소 가스가 들어오는 부분으로 연소 가스 유동의 상류 측에 형성된다. 트레일링에지(TE)는 연소 가스가 나가는 부분으로 연소 가스 유동의 하류 측에 형성된다.　
에어포일(A)의 내부에는 냉각유로(CP)가 형성된다. 냉각유로(CP)에는 냉각유체(CF)가 유동하면서, 에어포일(A)을 냉각시킨다. 냉각유체(CF)는 압축 공기일 수 있다.
냉각유로(CP)에는 AM구조물(1600)이 배치된다. 이와 같이, 에어포일(A)의 냉각유로(CP)와,　냉각유로(CP)에 배치된 AM구조물(1600)을 포함하는 구조를 에어포일(A)의 냉각구조라 지칭한다.
에어포일(A) 내부의 냉각유로(CP)에는 제1면(S1)과 제2면(S2)이 형성된다. 냉각유로(CP)에서 흡입면(SS) 측에 형성된 면과 압력면(PS) 측에 형성된 면 중 어느 한 면이 제1면(S1)이고, 나머지 면이 제2면(S2)이다. 제1면(S1)으로부터 제2면(S2)을 향하는 방향을 제1방향(D1)이라고 정의한다. 제1면(S1)과 제2면(S2)은 서로 이격되어 마주보도록 배치되고, 제1면(S1)과 제2면(S2) 사이에 공간에 냉각유로(CP)가 형성될 수 있다. AM구조물(1600)은 제1면(S1)과 제2면(S2) 사이에 형성된 냉각유로(CP)에 배치되고, AM구조물(1600)은 제1면(S1) 및 제2면(S2)에 각각 접하도록 배치된다.
AM구조물(1600)은 복수 개의 기둥요소(1610)를 포함한다. 복수 개의 기둥요소(1610)는 서로 교차되어 배치된다. 복수 개의 기둥요소(1610)가 서로 교차되어 배치됨에 따라, AM구조물(1600)은 전체적으로 방사형으로 형성될 수 있다.
AM구조물(1600)은 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 기둥요소(1610)를 포함하거나, 도 4에 도시된 바와 같이 4개의 기둥요소(1610)를 포함할 수 있다. 또는 도 3 및 도 4에 도시되지는 않았으나, 5개 이상의 기둥요소(1610)를 포함할 수 있다. 이와 같이, AM구조물(1600)이 3개 이상의 복수 개의 기둥요소(1610)를 포함하는 경우, 각각의 기둥요소(1610) 중 적어도 하나 이상의 기둥요소(1610)가 제1면(S1) 및 제2면(S2)에 각각 접하도록 배치될 수 있고, 바람직하게는 각각의 기둥요소(1610)가 모두 제1면(S1) 및 제2면(S2)에 접하도록 배치될 수 있다. AM구조물(1600)이 3개 이상의 기둥요소(1610)를 포함하는 경우, 제1면(S1)에서 제1면(S1)과 각 기둥요소(1610) 간의 접점들은 서로 정다각형을 이룰 수 있고, 제2면(S2)에서도 제2면(S2)과 각 기둥요소(1610) 간의 접점들은 서로 정다각형을 이룰 수 있다.
AM구조물(1600)은 복수 개의 기둥요소(1610)들이 서로 중심을 기준으로 대칭되도록 형성되어 방사형 형상으로 형성될 수 있다. 여기서 중심이라 함은, 제1면(S1)과 제2면(S2)의 중앙의 높이에서의 AM구조물(1600)의 부분을 지칭한다. 즉, AM구조물(1600)은 제1면(S1) 및 제2면(S2)을 향하는 양 방향으로 대칭적으로 형성될 수 있다.　
복수 개의 기둥요소(1610) 중 적어도 하나의 기둥요소(1610)는 제1면(S1) 및/또는 제2면(S2)과 경사각을 갖도록 경사지게 배치될 수 있다. 즉, 기둥요소(1610)는 제1면(S1) 또는 제2면(S2) 중 어느 한 면과 경사각을 갖도록 경사지게 배치되거나, 제1면(S1) 및 제2면(S2) 모두와 경사각을 갖도록 경사지게 배치될 수 있다. 이 때, 상기 경사각은 30도 내지 45도의 각도로 형성될 수 있다. 이와 같이, 복수 개의 기둥요소(1610)가 제1면(S1) 및/또는 제2면(S2)과 경사각을 갖도록 형성되는 경우, 이하에서 설명할 적층제조방식의 제조과정에 있어서, 오버행 각도를 극복할 수 있다. 또한, AM구조물(1600)이 제1면(S1)과 제2면(S2)을 보다 안정적으로 지지할 수 있어, 에어포일(A)의 구조적 강성이 증가할 수 있다.
AM구조물(1600)은 에어포일(A)에서 트레일링에지(TE) 측에 배치될 수 있다. 즉, AM구조물(1600)은 에어포일(A)에서 트레일링에지(TE)와 인접한 영역에 배치될 수 있다. 트레일링에지(TE)는 열에 취약하고, 구조적 강성이 가장 낮은 부분 중 하나이다. AM구조물(1600)은 이러한 트레일링에지(TE) 측의 내부에만 배치될 수 있다. 이 경우, 트레일링에지(TE) 부분에서의 냉각 효율과 구조적 강성이 증가할 수 있다는 장점이 있다.
　
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 AM구조물(1600)의 제조과정에 대하여 상세히 설명한다. AM구조물(1600)은 적층제조(Additive Manufacturing)방식에 의해서 제작될 수 있다. 적층제조방식은 3D프린터와 같은 장비로 소재를 한층씩 쌓아 올려 3차원의 물체를 제작하는 방식이다. 적층제조방식은 복잡한 형상이나, 매우 얇은 구조물도 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. AM구조물(1600)은 적층제조방식 중에서도 PBF(Powder Bed Fusion) 방식일 수 있다. PBF 방식은 금속 파우더를 베드에 도포하고 강력한 레이저를 조사하여 금속 합금 분말을 선택적으로 용융 및 적층하는 방식이다. 이러한, PBF 방식은 대량 생산이 가능하고, 강도 높은 제품을 생산할 수 있으며, 금속 재질의 물체를 생산하기에 적합한 방식이다.
AM구조물(1600)의 적층제조 방식에 따른 제조 과정은 다음과 같다. 우선, 터빈날개요소(C)의 3D도면을 설계하는 단계이다. 여기서, 터빈날개요소(C)의 3D도면을 설계할 때는 오버행(overgahng) 각도 범위를 고려하여야 한다. 오버행 각도범위는 적층 과정에서 제작 물체가 쓰러지지 않고 안정적으로 적층될 수 있는 물체의 각도범위를 의미한다. 만약, 오버행 각도를 벗어나는 부분이 있을 경우에는 제작 물체가 쓰러지지 않도록 서포트 구조물이 있어야 한다. 때문에, 터빈날개요소(C)의 3D도면을 설계할 때에는 터빈날개요소(C)의 내부 및 외부에 각각 서포트 구조물을 추가하여 설계한다.
터빈날개요소(C)의 3D도면이 완성되면, 상기 3D도면에 따라서, 베드에 적층된 금속 분말에 레이저를 선택적으로 조사한다. 레이저를 금속 파우더에 조사하면, 금속 분말이 용융된다.
레이저에 의해 금속 분말이 용융된 다음에는 용융된 금속 분말을 냉각시켜 경화되는 단계가 필요하다. 이에 따라서, 금속 파우더의 표면에는 경화된 금속 층이 형성된다.
용융된 금속 파우더가 경화되면, 경화된 금속의 표면에 다시 금속 분말을 적층시킨다. 그리고, 앞서 설명한 레이저 조사 단계, 용융 금속의 경화 단계, 금속 분말 적층 단계를 3D도면에 따른 입체조형물이 완성될 때까지 반복적으로 수행한다. 이러한 과정을 거침에 따라서, 점차 금속이 적층되어 경화되고, 입체조형물이 완성되게 된다.
입체조형물이 완성되면, 외부 서포트 구조물을 제거한다. 그러나, 내부 서포트 구조물은 제거하지 않는다. AM구조물(1600)은 상기의 내부 서포트 구조물일 수 있다. 이 경우, 내부 서포트 구조물을 AM구조물(1600)로서 활용하기 때문에, 추가적인 내부 가공이 필요하지 않아 생산 공정이 간단해지고, 생산 비용과 시간도 절약될 수 있으며, 터빈날개요소(C)의 구조적 강성도 향상될 수 있다는 장점이 있다.
AM구조물(1600)과 에어포일(A)은, 적층제조방식에 의해서 서로 일체형으로 제작될 수 있다. 즉, 적층제조의 과정에서 AM구조물(1600)과 에어포일(A)이 서로 동시에 제작될 수 있다. 이 경우, AM구조물(1600)과 에어포일(A) 간의 유격이 없어, 에어포일(A)의 구조적 강성을 극대화시킬 수 있다.
　
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 기존의 냉각구조와 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각구조 간의 열전달율을 비교하여 설명한다. 도 8은 기존의 냉각 구조의 열전달 분포를 나타낸 것으로, 제1면(S1) 또는 제2면(S2)에 배치된 핀구조물(P)을 포함하는 냉각 구조의 열전달 분포를 나타낸 것이다. 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조의 열전달 분포를 나타낸 것이고, 제1면(S1) 또는 제2면(S2)에 배치된 AM구조물(1600)을 포함하는 냉각 구조의 열전달 분포를 나타낸 것이다. 도 8과 도 9에서, Dh는 특성길이로서 제1면(S1)과 제2면(S2) 간의 거리와 같을 수 있고, x는 리딩에지(LE)에서 트레일링에지(TE)를 향하는 방향으로의 좌표이고, r은 반경방향으로의 좌표이다. 또한, 도 8 과 도 9에는 너셀(Nusselt, Nu) 수의 분포가 나타나 있다. 너셀 수는 전도에 따른 열전달율에 대한 대류에 따른 열전달율을 나타내는 무차원수로서, 대류의 정도를 나타내는 계수이다. 도 8에서보다 도 9에서 더 높은 너셀 수의 분포가 도시되어 있고, 이에 따라, 기존의 냉각 구조보다 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조에서 더 큰 대류가 발생함을 알 수 있다.
도 10은 기존의 냉각 구조의 평균 너셀 수와 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조의 평균 너셀 수를 비교하여 나타낸 것이다. A는 기존의 냉각 구조의 평균 너셀 수를 나타낸 것으로, 도 8에 도시된 너셀 수 분포의 평균 값과 같다. B는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조의 평균 너셀 수를 나타낸 것으로, 도 9에 도시된 너셀 수 분포의 평균 값과 같다. (1)은 바닥면에서의 너셀 수를 나타낸 것으로, 제1면(S1) 또는 제2면(S2)의 너셀 수를 나타낸 것이다. (2)는 바닥면을 제외한 냉각 구조의 너셀 수를 나타낸 것으로, 핀구조물(P) 또는 AM구조물(1600)의 표면에서의 너셀 수를 나타낸 것이다. (3)은 바닥면과 바닥면을 제외한 냉각 구조의 너셀 수를 함께 나타낸 것이다.
(1)의 경우를 보면, 기존의 냉각 구조보다 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조의 너셀 수가 31.3% 더 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 바닥면(제1면(S1) 또는 제2면(S2))에서의 대류의 정도가 기존보다 제1실시예에 따른 냉각 구조에서 더 크게 발생함을 알 수 있다. (2)의 경우를 보면, 기존의 냉각 구조보다 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조의 너셀 수가 11.4% 더 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 기존의 핀구조물(P)에서보다 AM구조물(1600) 표면에서의 대류의 정도가 더 크게 발생함을 알 수 있다. (3)의 경우를 보면, 기존의 냉각 구조보다 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각 구조의 너셀 수가 17.5% 더 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 냉각 구조 전체에 있어서, 기존의 경우보다 본 발명의 제1실시예에 따른 경우에 있어서, 대류의 정도가 더 크게 발생함을 알 수 있다.
　
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 냉각구조를 나타낸 측단면도이다.
이하, 도 11을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소는 본 발명의 제1실시예와 AM구조물(1600)의 배치 구조에서 차이가 있다. 이하, 설명의 편의상, 본 발명의 제1실시예와 중복되는 설명에 대하여는 생략한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소는, AM구조물(1600)이 복수 개의 열을 이루도록 배치된다. 각각의 열 중에서 서로 인접한 두 개의 열에서, AM구조물(1600)들은 서로 교대로 배치될 수 있다. AM구조물(1600)은 제1열(1620)과 제2열(1630)을 포함할 수 있다. 제1열(1620)과 제2열(1630)에서, AM구조물(1600)들은 각각 반경방향을 따라서 길게 배열될 수 있다. 그리고, 제1열(1620)과 제2열(1630)은 제1방향(D1) 및 반경방향(R)과 수직하고, 리딩에지(LE)에서 트레일링에지(TE)를 향하는 방향인 제2방향(D2)을 따라서, 서로 반복적으로 배치될 수 있다. 즉, 제1열(1620)과 제1열(1620)의 사이에는 제2열(1630)이 배치되고, 제2열(1630)과 제2열(1630) 사이에는 제1열(1620)이 배치될 수 있다. 여기서, 제1열(1620)의 AM구조물(1600)과 제2열(1630)의 AM구조물(1600)은 제2방향(D2)에서 바라볼 때, 서로 교대로 배치될 수 있다. 이 때, 냉각유체(CF)는 교대로 배치된 AM구조물(1600)들을 순차적으로 통과하게 된다. 이 경우, 에어포일(A)의 냉각 성능과 구조적 강성이 더욱 향상될 수 있다.
　
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 냉각구조를 나타낸 측단면도이다.
이하, 도 12를 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소는 본 발명의 제1실시예와 AM구조물(1600)의 배치 구조에서 차이가 있다. 이하, 설명의 편의상, 본 발명의 제1실시예와 중복되는 설명에 대하여는 생략한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 에어포일의 냉각구조, 에어포일 및 이를 포함하는 터빈날개요소는, AM구조물(1600)이 군집 형태로 배열된다. AM구조물(1600)은 복수 개의 군을 포함하는 군집 형태로 배열될 수 있다. 각각의 군에는 적어도 2개 이상의 AM구조물(1600)이 포함될 수 있다. AM구조물(1600)은 예를 들어, 제1군(1640)과 제2군(1650)을 포함하는 군집 형태로 배열될 수 있다. 제1군(1640)과 제2군(1650)이 제2방향(D2)을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 제1군(1640)과 제2군(1650)은 제2방향에서 바라볼 때, 교대로 배열될 수 있다. 제1군(1640)과 제2군(1650)에는 각각 2개 이상의 AM구조물(1600)이 포함될 수 있다. 제1군(1640)과 제2군(1650)에서는 각각 AM구조물(1600)이 삼각형의 형태 또는 다각형의 형태로 배열될 수 있다. 제1군(1640)과 제2군(1650)에서는, 서로 다른 개수의 AM구조물(1600)이 포함될 수 있고, 각각의 AM구조물(1600)의 배열 형태도 상이할 수 있다. 또한, AM구조물(1600)은 제1군(1640) 및 제2군(1650) 뿐만 아니라, 더욱 많은 개수의 군을 포함하는 군집의 형태로 배열될 수도 있다. 이 때, 냉각유체(CF)는 각 군들을 순차적으로 통과하게 된다. 이 경우, 에어포일(A)의 냉각 성능과 구조적 강성이 더욱 향상될 수 있다.
　
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1400 : 터빈 블레이드
1500 : 터빈 베인
1600 : AM구조물
1610 : 기둥요소
1620 : 제1열
1630 : 제2열
1640 : 제1군
1650 : 제2군
A : 에어포일
C : 터빈날개요소
CF : 냉각유체
CP : 냉각유로
LE : 리딩에지
TE : 트레일링에지
PS : 압력면
SS : 흡입면
S1 : 제1면
S2 : 제2면
P : 핀구조물
R : 반경방향
D1 : 제1방향
D2 : 제2방향

Claims (19)

  1. 터빈날개요소의 에어포일에 적용되는 냉각구조에 있어서,
    상기 에어포일 내부에 형성된 냉각유로에 배치되는 AM구조물을 포함하고,
    상기 AM구조물은,
    서로 교차되어 배치되는 복수 개의 기둥요소를 포함하며,
    상기 냉각유로 상에서 제1면과 제2면 사이에서 상기 제1면과 상기 제2면에 각각 접하도록 배치되고,
    적층제조방식에 의해서 제작되는　에어포일의 냉각구조.
    　
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 AM구조물과 상기 에어포일은,
    적층제조방식에 의해서 일체로 형성되는　에어포일의 냉각구조.
    　
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 AM구조물 각각은,
    적어도 상기 기둥요소를 3개 이상 포함하는　에어포일의 냉각구조.
    　
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 AM구조물은,
    중심을 기준으로 대칭되도록 형성되어, 방사형의 형상을 가지는 에어포일의 냉각구조.
    　
  5. 제1 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 기둥요소는,
    상기 제1면 및/또는 상기 제2면과 경사각을 갖도록 경사지게 배치되는 에어포일의 냉각구조.
    　
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 경사각은,
    30도 내지 45도로 형성되는　에어포일의 냉각구조.
    　
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 AM구조물은,
    상기 에어포일의 트레일링에지 측에 배치되는　에어포일의 냉각구조.
    　
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 AM구조물은 복수 개의 열을 이루도록 배치되고,
    각각의 열 중 서로 인접한 두 개의 열에서,
    상기 AM구조물들은 서로 교대로 배치되는 에어포일의 냉각구조.
    　
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 AM구조물은,
    복수 개의 군을 포함하는 군집 형태로 배열되고,
    상기 각각의 군에는 적어도 2개 이상의 상기 AM구조물이 포함되는　에어포일의 냉각구조.
    　
  10. 외부에 형성된 흡입면, 압력면,　리딩에지 및 트레일링에지;
    내부에 형성된 냉각유로; 및
    상기 냉각유로에 배치되는 AM구조물을 포함하고,
    상기 AM구조물은,
    서로 교차되어 배치되는 복수 개의 기둥요소를 포함하며,
    상기 냉각유로 상에서 제1면과 제2면 사이에서 상기 제1면과 상기 제2면에 각각 접하도록 배치되고,
    적층제조방식에 의해서 제작되는　에어포일.
    　
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 AM구조물과 상기 에어포일은,
    적층제조방식에 의해서 일체로 형성되는　에어포일.
    　
  12. 제10 항에 있어서,
    상기　AM구조물　각각은,
    적어도 상기　기둥요소를 3개 이상 포함하는　에어포일.
    　
  13. 제10 항에 있어서,
    상기　AM구조물은,
    중심을 기준으로 대칭되도록 형성되어, 방사형의 형상을 가지는 에어포일.
    　
  14. 제10 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기　기둥요소는,
    상기　제1면　및/또는 상기　제2면과 경사각을 갖도록 경사지게 배치되는 에어포일.
    　
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 경사각은,
    30도 내지 45도로 형성되는　에어포일.
    　
  16. 제10 항에 있어서,
    상기　AM구조물은,
    상기　에어포일의　트레일링에지　측에 배치되는　에어포일.
    　
  17. 제10 항에 있어서,
    상기　AM구조물은 복수 개의 열을 이루도록 배치되고,
    각각의 열 중 서로 인접한 두 개의 열에서,
    상기　AM구조물들은 서로 교대로 배치되는 에어포일.
    　
  18. 제10 항에 있어서,
    상기　AM구조물은,
    복수 개의 군을 포함하는 군집 형태로 배열되고,
    상기 각각의 군에는 적어도 2개 이상의 상기　AM구조물이 포함되는　에어포일.
    　
  19. 외부에 흡입면, 압력면, 리딩에지 및 트레일링에지가 형성되고, 내부에 냉각유로가 형성된 에어포일;
    상기 냉각유로에 배치되는 AM구조물을 포함하고,
    상기 AM구조물은,
    서로 교차되어 배치되는 복수 개의 기둥요소를 포함하며,
    상기 냉각유로 상에서 제1면과 제2면 사이에서 상기 제1면과 상기 제2면에 각각 접하도록 배치되고,
    적층제조방식에 의해서 제작되는　터빈날개요소.
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