KR100570149B1

KR100570149B1 - 가스 터빈 스팀 냉각 베인

Info

Publication number: KR100570149B1
Application number: KR1020017001575A
Authority: KR
Inventors: 쿤하프랭크제이.
Original assignee: 지멘스 웨스팅하우스 파워 코포레이션
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2006-04-11
Also published as: US6019572A; JP4251772B2; DE69908603T2; WO2000008307A1; EP1102918A1; JP2002522683A; DE69908603D1; EP1102918B1; KR20010072291A

Abstract

폐쇄-루프 스팀 냉각 시스템을 가지고 있는 베인 세그먼트를 위한 설계가 제공된다. 베인 세그먼트는 외부 슈라우드(1), 내부 슈라우드(2) 및 에어포일(3)을 포함하며, 각각의 구성요소는 베인 벽의 내측 표면 상에 타겟 표면(6)을 가지고 있다. 장방형의 복수의 와플 구조부(11)가 타겟 표면 상에 제공되어 각각의 구성요소와 냉각 스팀 사이의 열 전달을 향상시킨다. 채널 시스템이 슈라우드에 제공되어 슈라우드를 통하는 스팀의 유동을 개선시킨다. 에어포일(3)에 있는 공동부에 위치하는 인서트 레그(54,56,72,74,76)가 또한 제공된다. 각각의 인서트 레그(54,56,72,74,76)는 레그의 주변부에 위치하는 외부 채널(60)을 포함하며, 각각의 외부 채널(60)은 외부 벽을 가지고 있고 또한 냉각 스팀의 충돌 제트를 생성하여 에어포일의 타겟 표면(6)과 접촉하게 하는 외부 벽 상의 충동 구멍을 가지고 있다. 각각의 인서트 레그(54,56,72,74,76)는 외부 벽 상에 위치하는 전체적으로 장방형의 복수의 리브를 더 포함하고 또한 레그의 외부 채널(60) 사이에 위치하여 교차 유동 저하를 최소화하는 복수의 개구를 더 포함한다.

폐쇄-루프 스팀 냉각 시스템, 외부 플랫폼, 외부 레일링, 외부 슈라우드, 장방형 와플 구조부, 외부 커버, 외부 충돌판, 외부 플리넘, 외부 충돌판

Description

가스 터빈 스팀 냉각 베인{GAS TURBINE STEAM COOLED VANE}

본 발명은 전체적으로 가스 터빈에 관한 것이며, 더 자세하게는 가스 터빈의 제 1 열 베인을 위한 폐쇄-루프 냉각 시스템에 관한 것이다.

연소 터빈은 압축기 섹션, 연소 섹션 및 터빈 섹션을 수납하기 위한 실린더 또는 캐이싱을 포함한다. 압축기 섹션은 입구 단부와 배출 단부를 포함한다. 연소 섹션은 입구 단부와 연소기 트랜지션을 포함한다. 연소기 트랜지션은 연소 섹션의 배출 단부에 가까이 있고 작업 가스를 터빈 입구 단부로 유도하는 유동 채널을 형성하는 벽을 포함한다. 공기의 공급은 압축기 섹션에서 압축되고 연소 섹션으로 유도된다. 압축 공기는 연소 입구로 유입되고 연료와 혼합된다. 그리고 나서 공기/연료 혼합물은 연소되어 고온 및 고압의 가스를 생성한다. 그리고 나서 이 작업 가스는 연소기 트랜지션을 지나쳐서 방출되고 터빈 섹션에 주입되어 터빈을 작동시킨다.

터빈 섹션은 터빈 블레이드의 에어포일 포션으로 작업 가스를 유도하는 베인 열을 포함한다. 작업 가스는 터빈 섹션을 통해서 유동하여 터빈 블레이드를 회전시키며, 그것에 의하여 로터를 선회시키고, 이 로터는 전기를 생산하는 발전기에 연결된다.

당업자가 알고 있는 바와 같이, 가스 터빈의 최대 출력은 연소 섹션을 통해서 유동하는 가스를 가능한 한 고온으로 가열함으로써 달성된다. 그러나, 고온의 가스는 터빈을 통해서 유동할 때 통과하는 트랜지션, 베인 및 링 세그먼트와 같은 터빈의 다양한 구성요소를 가열한다.

따라서, 연소기 점화 온도를 증가시키는 성능은 증가되는 온도에 저항하는 터빈 구성요소의 성능에 의해 제한된다. 따라서, 터빈의 고온의 부분을 냉각시키는 다양한 냉각 방법이 개발되었다. 이러한 방법으로는 개방-루프 공기 냉각 기법과 폐쇄-루프 냉각 시스템을 포함한다.

종래의 개방-루프 공기 냉각 기법은 공기를 압축기로부터 연소기 트랜지션으로 전환시켜 터빈의 고온의 부분을 냉각시킨다. 냉각 유체는 터빈 구성요소로부터 열을 추출하고 그리고 나서 내부 트랜지션 유동 채널로 전달하고 터빈 섹션으로 유동하는 작업 유체와 병합된다. 개방-루프 냉각 시스템의 하나의 약점은 필요로 많은 공기가 압축기로부터 전환된다는 것, 예를 들면 연소기의 화염 온도를 낮게 유지하는데에는 상당한 양의 공기 유동을 필요로한다는 것이다. 그러므로 적은 공기가 압축기로부터 전환되는 냉각 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

스테이터 블레이드의 베인의 스팀 냉각은 새로운 것이 아니고 미국 특허 제 5,320,483 호의 주요 과제이며, 이 특허의 공동 발명자가 바로 본 발명의 발명자이다. 조합 사이클 작동에 있어서, 몇몇 압력 및 온도 레벨에서 스팀은 쉽게 유용이 가능하고 터빈의 고온의 부분을 냉각하는 냉각 매체로서의 공기를 대체하는데 사용된다.

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본 발명의 목적은 가스 터빈의 스테이터 베인, 특히 제 1 열 베인의 냉각의 현 상태를 보다 향상하는 것이다. 그러한 설계를 위한 작동 요구조건은 천음속(transonic) 유동 영역에서 작동하는 대략 2800 NF(1538 NC)의 가스 회복온도와 더불어 400 에서 2000 psia(2.8E⁴ 에서 1.4E⁵ gsc)(2,758 kpa - 13,790 kpa) 까지의 가스 압력을 포함하고 있다. 외부 가스 경로 열전달계수는 베인의 에어포일 주위의 가장 큰 곡률의 위치에서 1600 BTU/hr,ft² NF(7,812 kcal/h m² -K)의 피크값이다.
제 1 열 베인의 냉각을 위한 상기 기술적인 요구조건을 만족시키는 것에 더하여, 본 발명은 (1) 베인의 주조를 용이하게 하는 단순함을 유지하고, (2) 제조 작업의 수를 감소 시키고, (3) 부품의 수를 감소시키고, (4) 상이한 구조의 다른 진보된 설계와 교환가능하고, (5) 통상적인 냉각 방법을 사용하며, (6) 최소의 저주기 피로수명을 성취하도록 의도되었다. 따라서, 제조 및 유지와 관련된 비용을 낮추는 다용도이며 효과적인 제 1 열 베인 설계를 제공하는 것이 바람직하다.
폐쇄-루프 스팀 냉각 시스템을 가진 베인 세그먼트를 위한 설계가 제공된다. 베인 세그먼트는 외부 슈라우드, 내부 슈라우드 및 에어포일을 포함하고 있다. 외부 슈라우드는 터빈의 작용가스에 노출되는 벽의 내부 표면상에 타겟 표면을 가진 외부 플랫폼, 외부 플랫폼의 에지를 따라 위치되어 있는 외부 레일링, 외부 슈라우드와 냉각스팀 사이에 열전달을 향상시키기 위한 타겟 표면상의 복수의 장방형 와플 구조부, 외부 레일링상에 위치된 외부 커버, 및 외부 충돌판과 외부 커버 사이에 (i)외부 플리넘과 외부 충돌판과 외부 플랫폼 사이에 (ⅱ)상대적으로 작은 공간을 형성하기 위해 외부 플랫폼과 커버 사이에 위치되어 있는 외부 충돌판을 포함하고 있다. 외부 충돌판은 외부 플랫폼의 타켓 표면에 접촉하게 하는 냉각 스팀의 충돌 제트를 생성하기 위한 복수의 충돌 구멍을 가지고 있다.

내부 슈라우드는 베인 세그먼트에 냉각 스팀을 제공하기 위해 외부 커버상에 위치해 있는 적어도 하나의 입구와 스팀을 배기하기 위해 외부 커버상에 위치해 있는 적어도 하나의 출구를 제외하고 외부 슈라우드와 유사한 특징을 포함하고 있다. 에어포일은 외부 플랫폼에 연결된 제 1 단부, 내부 플랫폼에 연결된 제 2 단부, 터빈의 작용가스에 노출되는 벽의 내부 표면상에 타겟 표면을 가진 상기 벽, 에어포일과 냉각스팀 사이에 열전달을 향상시키는 벽의 타겟 표면상의 복수의 장방형 와플 구조부, 및 외부 슈라우드와 내부 슈라우드 사이에 냉각스팀을 유동시키기 위한 통로와 같은 역할을 하는 적어도 하나의 공동을 포함하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에는 채널 시스템이 제공된다. 채널 시스템은 제 1 및 제 2 외부 채널 시스템과 제 1 및 제 2 내부 채널 시스템을 포함하고 있다. 제 1 외부 채널 시스템은 외부 레일링에 위치되며 외부 레일링을 통하여 스팀을 유동시키기 위한 통로와 그리고 외부 충돌판과 외부 플랫폼 사이의 공간으로부터 외부 레일링내로 스팀을 유동시키기 위한 통로를 제공하는 적어도 하나의 구멍을 포함하고 있다.

제 2 외부 채널 시스템은 스팀을 배기하기 위한 외부 플랫폼상에 위치되어 있으며 외부 레일링으로부터 출구에 스팀이 도달하도록 하는 통로를 제공하기 위한 적어도 하나의 채널과 그리고 외부 레일링으로부터 제 2 외부 채널 시스템으로 스팀을 유동시키기 위해 외부 레일링과 제 2 외부 채널 시스템 사이에 적어도 하나의 링크를 포함하고 있다. 제 1 및 제 2 내부 채널 시스템은 제 1 및 제 2 외부 채널 시스템과 유사한 특성을 포함하고 있지만, 이름에서 암시되는 바와 같이 내부 슈라우드에 위치된다.

본 발명의 주요한 특징은 에어포일이 공동에 위치된 인서트 레그를 더 포함하고 있다는 것이다. 인서트 레그는 주변부와 실질적인 중심부 및 주변부에 위치된 적어도 하나의 외부 채널을 포함하고 있다. 외부 채널은 타켓 표면에 접촉하도록 냉각스팀의 충돌 제트를 생성하기 위한 외부벽상의 충돌 구멍 및 외부벽을 가지고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 인서트 레그는 수평 및 수직방향으로 배치된 외부벽상에 위치되며 외부벽과 에어포일의 벽의 타겟 표면 사이로 뻗은 실질적으로 장방형의 복수의 리브를 더 포함하고 있으며, 리브는 스팀의 교차 유동 저하를 최소화하는 역할을 한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 인서트 레그는 적어도 두개의 외부 채널, 인서트 레그의 실질적인 중심에 배치된 적어도 하나의 중앙 채널, 및 중앙 채널내로 유동하도록 타켓 표면과 외부 채널의 외부벽 사이에 교차유동을 위한 통로를 제공함으로써 교차유동 저하를 최소화하도록 외부 채널 사이에 배치된 복수의 개구를 더 포함하고 있다.

본 발명은 부가적인 특징을 제공한다. 외부 레일링과 내부 레일링의 바닥 표면상에 위치해 있는 리지는 열전달을 향상시키기 위해 제공된다. 에어포일의 트 레일링 에지에서 하나의 공동이 베이스와 정점을 가진 삼각형의 단면을 가지고 있는 곳에는, 삼각형의 베이스에서 그리고 공동의 길이 전체 걸쳐서 위치되는 방해물이 제공되어 그 영역에서 저항을 증가시켜 공동의 정점으로 스팀을 방향전환하는데, 다른 방법에 의해서는 냉각이 어렵다. 핀은 외부 커버가 외부 트레일링에 용접되는 곳에 제공되며 외부 커버와 외부 트레일링을 통하여 배치된 핀은 둘을 서로 기계적으로 결합한다.

부가적인 특징은 외부 슈라우드의 입구와 출구 둘레의 영역에 영향을 미친다. 베벨은 냉각스팀이 입구를 통하여 베인 세그먼트에 들어온 후, 통과하는 에어포일의 공동에 들어감을 수월하게 하기 위해 제공된다. 부가적인 채널이 입구에 제공되어 외부 슈라우드의 외부 테일링내로 냉각스팀의 일부를 인도하여 외부 슈라우드의 트레일링 에지를 냉각 시키는 것을 도와준다. 출구에는 열팽창의 영향을 감안한 벨로스 형태의 전이편이 또한 제공된다.

도 1 은 외부 슈라우드의 부분적인 분해도를 도시한 본 발명에 따른 베인 세그먼트의 사시도,

도 2 는 본 발명에 따른 베인 세그먼트의 외부 슈라우드의 부분절결도, 및

도 3 은 내부 슈라우드의 부분적인 분해도를 도시한 본 발명에 따른 베인의 사시도.

도면을 참조하면, 도 1에는 외부 슈라우드(1)의 부분 분해도를 보여주고 있는, 본 발명에 따르는 베인 세그먼트의 사시도가 도시되어 있다. 베인 세그먼트는 내부 슈라우드(2), 외부 슈라우드(1) 및 에어포일(3)을 포함하고 있는데, 상기 구성요소 모두는 하나의 캐스팅으로 이루어져 있다. 외부 슈라우드(1)는 외부 플랫폼(94), 외부 플랫폼(94)을 냉각시키기 위한 외부 충돌 플레이트(10) 및 그들의 외부 채널 시스템을 가지고 있는 외부 레일링(35)을 포함하고 있다. 도 1에 도시된 외부 충돌 플레이트(10)는 3개의 편를 포함하고 있지만, 외부 충돌 플레이트(10)은 단지 하나의 편으로 이루어지는 것이 바람직하다.

에어포일(3)은 에어포일 벽의 내부와 외부 사이의 압력차로 인한 기계적 응력을 최소화하는 방식으로 위치된 5개의 구조적인 리브(5)를 포함하고 있다. 이들 리브(5)는 또한 냉각스팀이 외부 슈라우드(1)와 내부 슈라우드(2) 사이에서 유동하도록 하는 통로로서의 역할을 하는 에어포일 공동부(7,8,27,29,30,33)을 형성한다.

도 2는 본 발명에 따르는 베인 세그먼트의 외부 슈라우드(1)의 부분 절결도를 도시하고 있다. 입구(12,13)는 냉각스팀을 제공하고 출구(14)는 스팀을 배출한다.

냉각스팀은 대략 485 psia (3,344 kPa), 705 F (374 ^EC)로 입구(12)에서 베인 세그먼트로 들어가서 외부 슈라우드(1)내의 플리넘(9)을 채운다. 이 외부 플리넘(9)으로부터, 냉각스팀은 외부 플랫폼(94)을 냉각하기 위해 외부 충돌 플레이트(10)의 도처에 위치된 충돌구멍(50)을 통과하는 것이 허용된다.

도 1은 베인 세그먼트의 외부 플랫폼(94)의 타켓 표면(6)의 확대도를 도시하고 있다. 외부 슈라우드(1), 내부 슈라우드 및 에어포일(3)의 타켓 표면(6)은 장방형 와플 구조물(11)을 가지고 있다. 와플(11)은 타켓 표면(6)의 표면적을 증가시키도록 설계되어 냉각시 베인 세그먼트로부터 냉각스팀으로의 열전달을 향상시킨다. 와플(11)은 또한 난류조건을 촉진시킴으로써 열전달을 향상시킨다.

바람직하게는, 와플(11)의 큰 장방형 섹션은 도 1에서 오목부인 것으로 도시되어 있지만, 그것들은 타켓 표면(6)으로부터의 돌출부이어도 된다. 돌출부를 통과하는 유동에는 보다 큰 압력차가 요구되기 때문에 오목부가 선호된다.

슈라우드(1)의 충돌냉각 이후에, 스팀은 구멍(24)을 통해 외부 레일링(35)의 외부 채널 시스템내로 유동한다. 외부 레일링 채널의 바닥 표면(37)은 열전달을 향상시키는 리지(38)를 가지고 있다.

외부 레일링(35)의 외부 채널 시스템은 3개의 링크(17)에 의해 외부 슈라우드의 외부 채널 시스템에 연결되어 있다. 외부 채널 시스템은 직선형 채널(36)과 2개의 U-자형 채널(39,41)을 포함하고 있는데, 상기 U-자형 채널 중 하나(39)는 에어포일(3)의 리딩 에지에 위치하고 다른 하나(41)는 에이포일(3)의 트레일링 에지에 위치한다. 채널(39,41)은 사용된 스팀이 배출되는 출구(14)내로 유동을 안내한다. 채널(36)은 외부 채널 시스템으로부터 출구(14)까지의 안내경로를 제공한다.

일부분의 유입되는 냉각스팀은 외부 플리넘(9)으로 안내되며, 대부분의 냉각스팀은 2개의 제 1 에어포일 공동부(7,8)(도 2 참조)로 진행된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 충돌 인서트(52)가 공동부(7,8)내에 위치된다. 이 인서트(52) 는 외부 슈라우드(1)에 링크되지만, 2개의 인서트 레그(54,56)를 가지고 있으며, 각각의 공동부(7,8)에 대해 하나씩 대응된다.

각각의 레그(54,56)는 에어포일(3)의 벽을 냉각시키기 위한 충돌구멍(18)을 가지고 있다. 에어포일 공동부(7,8)내의 인서트(52)는 에어포일 벽뿐만 아니라 필릿영역(15,16)의 충돌냉각도 가능하게 하는 방식으로 위치결정된다.

외부 슈라우드(1)에는 냉각스팀을 받아들이기 위해 개방되어 있는, 각 인서트 레그(54,56)내의, 4개의 외부 채널(60)이 있는 한편, 그 중심 채널(62)은 폐쇄되어 있다. 내부 슈라우드(2)에서는, 하지만, 중심 채널(62)는 개방되어 있고, 외부 채널(60)들은 폐쇄되어 있다.

따라서, 냉각스팀은 외부 채널(60)내로 유동하고 외부 채널(60)의 외부벽상의 작은 충돌구멍(18)을 통해 가압되어 에어포일(3)의 내벽상의 타켓 표면(6)을 냉각시킨다. 이러한 냉각스팀의 충돌제트는 그런다음 타켓 표면(6)으로부터 급속하게 방출되어 후속 충돌제트에 대한 교차유동효과로 인한 열전달저하를 감소시킨다.

교차유동효과는 또한 긴 교차유동 경로를 허용하지 않는 리브(20)의 작용에 의해 최소화된다. 또한, 개구(21,22)는 교차유동이 빠져나가는 방출지점을 제공함으로써 교차유동 저하효과를 최소화한다. 결론적으로, 유동은 중심 채널(62)내로 빠져나가, 거기에서 내부 슈라우드(2)를 향해 계속 하향유동한다.

남아있는 공동부(27,29,30)에 대한 인서트 레그는, 외부 채널(60)이 내부 슈라우드(2)에서 개방되어 있고 외부 슈라우드(1)에서 폐쇄되어 있는 한편 중심 채널(62)이 내부 슈라우드(2)에서 폐쇄되어 있고 외부 슈라우드(1)에서 개방되어 있는 것을 제외하면, 인서트 레그(54,56)와 동일한 방식으로 작동한다. 도 3은 내부 슈라우드(2)의 부분 분해도를 보여주고 있는, 본 발명에 따르는 베인 세그먼트의 사시도를 도시하고 있다.

인서트 레그(54,56)의 중심 채널(62)로부터의 스팀은 내부 슈라우드(2)내로 유동한 다음 후미 인서트(28)내로 안내되는데, 후미 인서트는 후미 공동부(27,29,30)의 각각의 후속 충돌냉각을 위한 인서트 레그(72,74,76)를 포함하고 있다. 본 발명의 변경된 실시예에 있어서, 후미 공동부의 수가 변한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 분리 피드(26) 또는 도관이 제공되어, 냉각스팀이 내부 슈라우드(2)내로 직접 도입된다. 이 피드(26)는 도면에 도시된 바와 같이 공동부(7)의 중심 채널(62)을 관통하고 있지만, 그것은 공동부(7) 대신에 공동부(8)를 관통하거나 공동부(7)와 공동부(8) 모두를 관통하고 있을 수 있다. 피드(26)내의 스팀은 내부 충돌 플레이트(31) 아래에 있는 내부 플리넘(25)내로 방출된다. 스팀은 그런다음 내부 충돌 플레이트(31)내의 충돌구멍(50)을 통해 상향으로 가압되어, 외부 충돌 플레이트(10)에 대해 설명된 방식과 동일한 방식으로 충돌 제트의 작용을 통해 내부 슈라우드(2)를 냉각하는 데 사용된다.

내부 슈라우드(2)의 충돌냉각후, 사용된 스팀은 구멍(79)을 통하여 내부 슈라우드(2)의 내부 레일링(45)의 채널시스템으로 유동한다. 외부 슈라우드(1)의 외부 레일링(35)과 마찬가지로, 내부 레일링(45) 채널의 바닥 표면(37)은 열전달을 향상시키기 위해 리지(38)를 가지고 있다.

유사하게, 외부 슈라우드(1)와 마찬가지로, 레일링(45)의 내부 채널시스템은 세 개의 링크(17)에 의해서 내부 슈라우드(2)의 내부 채널시스템에 연결되어 있다. 내부 슈라우드(2)의 채널시스템은 두 개의 U-자형 채널(49, 51), 즉 에어포일(3)의 리딩 에지에 있는 채널(49) 및 에어포일(3)의 트레일링 에지에 있는 다른 채널(51)을 포함하고 있다. 채널(49, 51)은 상기 유동을 충돌 인서트(28)의 인서트 레그(27, 29 및 30)의 외부 채널(60)로 인도한다. 상기 스팀이 외부 슈라우드(1)에 도달하면 출구(14)를 통해 배출된다.

입구(12)가 에어포일(3)의 리딩 에지로 냉각 스팀을 제공하는 것에 부가하여, 입구(13)는 도 2에 도시된 바와 같이, 에어포일(3)의 트레일링 에지에 있는 공동(33)으로 냉각 스팀을 제공한다. 전형적으로, 에어포일(3)의 트레일링 에지는 에어포일(3)의 가장 뜨거운 부분이 되어서 냉각시키기 가장 어려운 에어포일(3)의 부분이다. 그러므로, 분리된 입구(13)는 에어포일(3)의 트레일링 에지를 냉각시키기 위해 필요하다. 입구(13)는 또한 외부 슈라우드(1)의 다른 부분들 보다 전형적으로 더 뜨거운, 외부 슈라우드(1)의 트레일링 에지를 냉각시키기 위해 외부 슈라우드(1)의 레일링(35)으로 냉각 스팀의 일부를 인도하는 채널(88)을 갖추고 있다.

삼각형-형상 공동(33)의 정점은 스팀 유동이 상기 정점을 빈 공간으로 유지하는 경향이 있기 때문에 냉각하기 특히 어렵다. 그러므로, 장애물(86)이 삼각형-형상 공동(33)의 베이스에서 그리고 공동(33)의 길이 전체에 걸친 구역의 저항을 증가시켜서 공동(33)의 정점을 향하여 상기 유동을 방향전환시키기 위해 삼각형-형상 공동(33)의 베이스에서 그리고 공동(33)의 길이 전체에 걸쳐서 위치되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 바람직하게, 장애물(84)은 공동의 베이스에 평행하게 배 향되어 있지만, 반드시 이와 같이 배향될 필요는 없다.

장애물(86)은 상기 구역의 저항을 발생시키는 원통형 로드 또는 임의의 다른 형상이 될 수 있다. 장애물(86)은 또한 에어포일(3)의 트레일링 에지의 구조적인 일체성을 추가시킨다. 인서트 레그(54, 56)의 중심 채널로부터의 스팀과 마찬가지로, 공동(33)의 냉각부로부터의 스팀은 내부 슈라우드(2)로 유동하여서 후미 공동(27, 29 및 30)의 연속적인 충돌냉각을 위해 후미 인서트(28)로 인도된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 외부 플리넘(9)은 외부 충돌플레이트(10)와 외부 커버(34) 사이에 형성되어 있다. 유사하게, 내부 슈라우드(2)(도 3에 도시되어 있음)에 있어서, 내부 플리넘(25)은 내부 충돌플레이트(31)와 내부 커버(78) 사이에 형성되어 있다. 외부 커버(34)는 외부 슈라우드(1)의 외부 레일링(35)상에 납땜되어 있다. 밀봉의 강도를 향상시키기 위해서, 핀(82)은 레일링(35)에 외부 커버(34)를 기계적으로 연결하기 위해서 사용된다. 이러한 핀(82)은 외부 커버(34)와 외부 레일링(35) 사이의 조인트의 주위에 일정 수의 간격으로 이격되어있을 수 있다. 내부 커버는 동일한 방식으로 내부 레일링(45)에 연결되어 있다.

스팀 배출용 출구(14)는 열팽창의 효과를 고려하여 전이편(84)을 이용한다. 출구(14)의 하부(83)는 비교적 뜨거운 스팀 배기를 수용하고, 한편으로 상기 스팀은 스팀이 출구(14)의 상부(85)에 도달할 때 까지 비교적 차가운 상태로 된다. 전이편(84)은 변화하는 주위 조건 및 열팽창의 효과에 순응하는 출구(14)를 만드는 벨로스로서 작용한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 채널(39)에 인접하여서 공동(7, 8)을 둘러싸고 있는 것은 입구(12)를 통하여 냉각 스팀이 외부 슈라우드(1)로 들어간 후에 통과하는 충돌 인서트(52)로 들어가는 것을 수월하게 하기 위한 베벨(90)이다. 유사하게, 채널(41)에 인접하여서 공동(33)을 둘러싸고 있는 것은 입구(13)를 통하여 냉각 스팀이 외부 슈라우드(1)로 들어가게 하기 위해 공동(33)으로 들어가는 것을 수월하게 하기 위한 베벨(90)이다.

본 발명의 베인 세그먼트 설계는 압축기로부터의 보다 적은 공기를 전환하여 터빈을 보다 효율적으로 만드는 폐쇄-루프 냉각시스템을 제공한다. 게다가, 종래의 베인 세그먼트에 대한 개량으로서, 본 발명은 제작 및 유지보수와 관련된 비용을 절감하는 다용도이며 효율적인 제 1 열 베인 설계를 제공한다. 상기 디자인은 (1) 주조의 편리함을 위한 단순성을 유지하고, (2) 제작 작업의 수를 감소시키고, (3) 부품 수를 감소시키고, (4) 다른 형태의 다른 개량된 설계와 교환가능하고, (5) 종래의 냉각방법을 사용하며, 그리고 (6) 저 사이클 최소 피로수명을 성취함으로써 이러한 잇점을 가진다.

특히, 본 발명의 베인 세그먼트 설계는 베인 세그먼트를 냉각시키기 위한 종래의 디자인에 현저한 개량을 제공한다. 예를 들면, 충돌 인서트(52, 28)는 에어포일(3)의 벽의 보다 효율적인 냉각을 허용한다. 게다가, 레일링(35, 45)의 리지(38) 뿐만 아니라, 베인 세그먼트의 타켓 표면(6)상의 와플 구조(11)는 베인 세그먼트와 냉각스팀 사이의 열전달을 크게 향상시킨다. 비록 본 발명의 많은 특징 및 잇점이 본 발명의 구조 및 기능의 상세한 설명 부분과 함께, 상기한 부분에 개시되었지만, 상기 개시는 단지 예시적인 것이고, 첨부된 청구항에 표현된 용어의 광범위한 일반적인 의미에 의해 충분히 크게 나타내진 본 발명의 원리의 범위 내에서 많은 변형이 세부에 걸쳐서, 특히 형태, 크기 및 부품의 배열에 있어서 만들어 질 수 있다는 것을 이해하고 있어야 한다.

Claims

폐쇄-루프 스팀 냉각 시스템을 가진 터빈용 베인 세그먼트에 있어서,

상기 베인 세그먼트는, 외부 슈라우드(1), 내부 슈라이드(2) 및 에어포일(3)을 포함하고 있고:

상기 외부 슈라우드(1)는:

터빈의 작업 가스에 노출되는 외부 플랫폼(94)의 벽의 내측 표면상에 타켓 표면(6)을 가지고 있는 외부 플랫폼(94);

상기 외부 플랫폼(94)의 에지를 따라 위치된 외부 레일링(35);

상기 외부 슈라우드(1)와 냉각 스팀 사이의 열 전달을 향상시키도록 타켓 표면(6)상의 복수의 장방형 와플 구조부(11);

상기 외부 레일링(35)상에 위치결정된 외부 커버(34);

외부 충돌판(10)과 상기 외부 커버(34) 사이에 (i)외부 플리넘(9), 상기 외부 충돌판(10)과 상기 외부 플랫폼(94) 사이에 (ⅱ)상대적으로 작은 공간을 형성하도록 상기 커버(34) 및 상기 플랫폼(94) 사이에 위치되어 있고, 상기 외부 플랫폼(10)의 타켓 표면(6)과 접촉하도록 냉각 스팀의 충돌 제트를 발생시키기 위한 복수의 충돌 구멍(50)을 갖는 상기 외부 충돌판(10);

냉각 스팀을 베인 세그먼트에 제공하기 위해 상기 외부 커버(34)에 위치되어 있는 적어도 하나의 입구(12); 및

스팀을 배기하기 위해 상기 외부 커버(34)상에 위치된 적어도 하나의 출구(14);로 구성되어 있고,

상기 내부 슈라우드(2)는:

터빈의 작업 가스에 노출되는 내부 플랫폼의 벽의 내측 표면상의 타켓 표면(6)을 가지고 있는 내부 플랫폼;

상기 내부 플랫폼의 에지를 따라 위치된 내부 레일링(45);

상기 내부 슈라우드(2)와 냉각 스팀 사이의 열 전달을 향상시키도록 상기 플랫폼의 타켓 표면상의 복수의 장방형 와플 구조부(11);

상기 내부 레일링(45)상에 위치결정된 내부 커버(78);

내부 충돌판(31)과 상기 내부 커버(78) 사이에 (i)내부 플리넘(25), 상기 내부 충돌판(31)과 상기 내부 프랫폼 사이에 (ⅱ)상대적으로 작은 공간을 형성하도록 상기 내부 커버(2)와 상기 내부 플랫폼 사이에 위치되어 있고, 상기 내부 플랫폼의 타켓 표면(6)과 접촉하도록 냉각 스팀의 충돌 제트를 발생시키기 위한 복수의 충돌 구멍을 갖는 상기 내부 충돌판(31); 으로 구성되어 있고,

상기 에어포일(3)은:

상기 외부 플랫폼(94)에 연결된 제 1 단부와 상기 내부 플랫폼에 연결된 제 2 단부를 가지고 있고;

터빈의 작업 가스에 노출되는 벽의 내측 표면상에 타켓 표면(6)을 가지고 있는 벽;

상기 에어포일(3)과 냉각 스팀 사이의 열 전달을 향상시키도록 상기 벽의 타켓 표면(6)상의 복수의 장방형 와플 구조부(11); 및

상기 외부 슈라우드(1)와 상기 내부 슈라우드(2) 사이에서 냉각 스팀이 유동하는 통로로서 작용하는 적어도 하나의 공동; 으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서, 상기 외부 슈라우드(2)는:

상기 외부 레일링(35)을 통하여 스팀이 유동하는 통로를 포함하는 상기 외부 레일링(35)에 있는 제 1 외부 채널 시스템;

상기 외부 충돌판과 상기 외부 플랫폼 사이의 공간으로부터 상기 외부 레일링(35)내로 스팀이 유동하는 통로를 제공하는 적어도 하나의 구멍(24);

상기 외부 레일링(35)로부터 상기 출구로 스팀이 도달하는 통로를 제공하기 위한 적어도 하나의 채널을 포함하는, 스팀을 배기하기 위한 상기 외부 플랫폼(94)상의 제 2 외부 채널 시스템; 및

상기 외부 레일링으로부터 상기 제 2 외부 채널 시스템으로 스팀이 유동하기 위한, 상기 외부 레일링(35)과 상기 제 2 외부 채널 시스템 사이의 적어도 하나의 링크; 를 더 포함하고 있고,

상기 내부 슈라우드(2)는:

상기 내부 레일링(45)을 통하여 스팀이 유동하는 통로를 포함하는 상기 내부 레일링(45)에 있는 제 1 내부 채널 시스템;

상기 내부 충돌판(31)과 상기 내부 플랫폼 사이의 공간으로부터 상기 내부 레일링(45)내로 스팀이 유동하는 통로를 제공하는 적어도 하나의 구멍;

상기 외부 레일링(35)로부터 상기 출구로 스팀이 도달하기 위한 통로를 제공하기 위한 적어도 하나의 채널을 포함하는, 스팀을 배기하기 위한 상기 내부 플랫폼상의 제 2 채널 시스템; 및

상기 내부 레일링(45)으로부터 상기 제 2 채널 시스템으로 스팀이 유동하기 위한, 상기 내부 레일링(45)과 상기 제 2 채널 시스템 사이의 적어도 하나의 링크(17); 를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 2 항에 있어서, 상기 외부 레일링(35) 및 상기 내부 레일링(45) 각각은 리지(38)를 갖춘 바닥 표면을 가지고 있어서 열 전달을 향상시키는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서, 상기 에어포일(3)은 상기 공동에 위치된 인서트 레그를 더 포함하고, 상기 인서트 레그는:

주변부 및 실질적인 중앙부; 그리고

상기 주변부상에 위치되고 타켓 표면(6)에 접촉하도록 냉각 스팀의 충돌 제트를 발생시키기 위해 외벽과 상기 외벽상의 충돌 구멍(18)을 가지고 있는 적어도 하나의 외부 채널(60)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 4 항에 있어서, 상기 인서트 레그는:

수평 및 수직 설정방향에 배치된 상기 외벽상에 위치되고 실질적으로 장방향이며 상기 에어포일(3)의 상기 벽의 타켓 표면과 상기 외벽 사이로 뻗어있고 스팀의 교차 유동 저하를 최소화 시키도록 작용하는 복수의 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 5 항에 있어서, 상기 인서트 레그는:

적어도 두개의 외부 채널(60);

상기 인서트 레그의 상기 실질적인 중앙부에 위치된 적어도 하나의 중앙 채널; 및

상기 외부 채널(60)의 상기 외벽과 타켓 표면 사이에서의 교차유동이 상기 중앙 채널내로 유동하도록 하는 통로를 제공함으로써 교차 유동 저하를 최소화하는, 상기 외부 채널(60)들 사이에 위치된 복수의 개구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 6 항에 있어서, 상기 에어포일(3)은:

상기 외부 슈라우드(1)로부터 상기 내부 슈라이드(2)로 뻗어있는 적어도 하나의 구조적인 리브(5);

상기 적어도 하나의 구조적인 리브에 의해 형성된 적어도 두개의 공동;

각각의 공동 내측에 위치된 적어도 두개의 인서트 레그; 및

상기 외부 채널(60)의 상기 외벽과 타켓 표면(6) 사이에서의 교차유동이 상기 중앙 채널내로 유동하도록 하는 통로를 제공함으로써 교차 유동 저하를 최소화하는, 상기 인서트 레그들 사이에 위치된 복수의 개구(21, 22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 7 항에 있어서, 상기 에어포일(3)은:

리딩 에지 및 트레일링 에지를 더 포함하고, 적어도 하나의 공동이 상기 에어포일(3)의 상기 리딩 에지에 위치되고, 적어도 하나의 공동이 상기 에어포일(3)의 상기 트레일링 에지에 위치되어 있고;

상기 리딩 에지에서의 상기 적어도 하나의 공동에서의 상기 인서트 레그에서:

상기 적어도 하나의 중앙 채널은 상기 외부 슈라우드(1)에서 폐쇄되어 있고 상기 내부 슈라우드(2)에서 개방되고 있고; 그리고

상기 적어도 두개의 외부 채널(60)은 상기 외부 슈라우드(1)에서 개방되어 있고 상기 내부 슈라우드(2)에서 폐쇄되어 있고;

이에 의해 냉각 스팀은 상기 외부 슈라우드(1)에서 적어도 두개의 외부 채널(60)을 통하여 상기 인서트 레그에 들어가고, 상기 내부 슈라우드(2)에서 상기 적어도 하나의 중앙 채널을 통하여 상기 인서트 레그에서 나오고;

상기 트레일링 에지에서의 상기 적어도 하나의 공동에서의 상기 인서트 레그에서:

상기 적어도 하나의 중앙 채널은 상기 외부 슈라우드(1)에서 개방되어 있고 상기 내부 슈라우드(2)에서 폐쇄되고 있고;

상기 적어도 두개의 외부 채널(60)은 상기 외부 슈라우드(1)에서 폐쇄되어 있고 상기 내부 슈라우드(2)에서 개방되어 있고;

이에 의해 냉각 스팀은 상기 내부 슈라우드(2)에서의 상기 트레일링 에지에서 상기 적어도 두개의 외부 채널(60)을 통하여 상기 적어도 하나의 인서트 레그에 들어가고, 상기 외부 슈라우드(1)에서의 상기 트레일링 에지에서 상기 적어도 하나의 중앙 채널을 통하여 상기 적어도 하나의 인서트 레그에서 나오는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서, 에어포일(3)은:

리딩 에지 및 트레일링 에지;

상기 외부 슈라우드(1)로부터 상기 내부 슈라우드(2)로 뻗어있는 복수의 구조적인 리브(5);

상기 에어포일의 상기 리딩 에지에서의 적어도 하나의 공동; 및

상기 에어포일의 상기 트레일링 에지에서의 하나의 공동;을 더 포함하고

상기 외부 슈라우드(1)는:

상기 리딩 에지에 인접하는 제 1 입구(12);

상기 트레일링 에지에 인접하는 제 2 입구(13);

상기 리딩 에지에서의 상기 적어도 하나의 공동을 에워싸서 냉각 스팀이 상기 제 1 입구(12)를 통하여 외부 슈라우드에 들어간 이후에 통과하는 상기 적어도 하나의 공동으로 들어가는 것을 수월하게 하는 제 1 베벨; 및

상기 트레일링 에지에서의 상기 하나의 공동을 에워싸서 냉각 스팀이 상기 제 2 입구(13)를 통하여 외부 슈라우드(1)에 들어간 이후에 통과하는 상기 하나의 공동으로 들어가는 것을 수월하게 하는 제 2 베벨; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 9 항에 있어서, 상기 에어포일(3)의 상기 트레일링 에지에서의 상기 하나의 공동은 베이스 및 정점을 갖는 삼각형 단면을 가지고 있고

상기 공동은:

삼각형의 베이스에서 그리고 상기 공동의 길이 전체에 걸쳐 위치되어 있어서 그 구역에서 저항을 증가시키고 스팀을 상기 공동의 정점을 향하여 방향 전환시키는 장애물(86)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
제 1 항에 있어서, 상기 출구(14)는 열 팽창의 효과를 고려하여 벨로스 형상의 전이편(84)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 세그먼트.
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