KR101303831B1 - 터빈 블레이드 - Google Patents

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Abstract

터빈 블레이드가 개시된다. 유체의 운동에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 날개를 포함하는 터빈 블레이드로서, 날개의 표면에 공기막이 형성되도록 날개의 표면에는 공기가 배출되는 냉각홀이 형성되고, 열응력의 집중을 방지하도록 냉각홀의 모서리 중 적어도 일부분이 절개된 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드는, 냉각홀의 모서리에서 발생하는 열응력을 완화시킴으로써, 냉각홀의 균열을 방지하여 터빈 블레이드의 수명 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

터빈 블레이드{Turbine blade}
본 발명은 터빈 블레이드에 관한 것이다.
일반적으로, 가스터빈에는 고온 고압의 가스가 방출될 때의 압력을 이용하여 터빈을 회전시키도록 다수의 터빈 블레이드가 결합된다.
그리고, 고온의 환경에서 사용되는 터빈 블레이드의 냉각을 위하여, 블레이드의 내부에는 공기를 통과시키고 내부를 통과한 공기는 냉각홀을 통하여 배출하여 표면에 공기막을 형성시킨다.
그런데, 터빈 블레이드를 지속적으로 사용하면 냉각홀의 일부에는 심각한 축방향 균열이 발생함으로써, 재생정비가 불가능하여 블레이드를 폐기처분하는 문제가 발생하고 있다. 또한, 냉각홀에서 발생된 균열이 진전되면 블레이드의 파손 등의 대형사고를 일으킬 우려도 있다.
본 발명은 냉각홀의 균열을 방지함으로써, 수명 및 안정성이 향상된 터빈 블레이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유체의 운동에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 날개를 포함하는 터빈 블레이드로서, 상기 날개의 표면에 공기막이 형성되도록 상기 날개의 표면에는 공기가 배출되는 냉각홀이 형성되고, 열응력의 집중을 방지하도록 상기 냉각홀의 모서리 중 적어도 일부분이 절개된 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드가 제공된다.
상기 냉각홀은 상기 날개의 표면에 대하여 경사지게 배치되어, 상기 냉각홀의 내경과 상기 날개의 표면이 예각을 이루는 모서리를 형성하고, 상기 절개부는 상기 예각이 되는 모서리를 절개하여 형성될 수 있다.
상기 날개는, 일면에 오목한 압력면이 형성되고 타면에 볼록한 흡입면이 형성되는 익형(airfoil) 구조로 형성될 수 있다.
상기 냉각홀 및 상기 절개부는, 상기 흡입면에 형성될 수 있다.
상기 날개에는, 상기 날개의 내부를 횡단하고 상기 냉각홀에 공기를 공급하는 냉각유로가 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 블레이드 냉각홀의 모서리에서 발생하는 열응력을 완화시킴으로써, 냉각홀의 균열을 방지하여 터빈 블레이드의 수명 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 내부구조를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드에서 공기의 흐름을 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드에서 날개의 단면을 나타낸 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 절개부를 설명하는 도면.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 열응력 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 내부구조를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드에서 공기의 흐름을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 유체의 운동에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 날개(10)를 포함하고, 날개(10)에는 공기막을 형성하는 냉각홀(12) 및 열응력 집중을 방지하는 절개부(14)가 형성된 것을 특징으로 한다.
날개(10)부는 유체의 운동에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 부분이다.
구체적으로, 본 실시예의 날개(10)부는 고온 고압의 가스 또는 증기를 받아서 충동력 및 반동력에 의하여 터빈을 회전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드에서 날개(10)의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 날개(10)는 유체의 운동에너지를 효율적으로 이용할 수 있도록, 일면에 오목한 압력(pressure)면(10b)이 형성되고 타면에 볼록한 흡입(suction)면(10a)이 형성되는 익형(airfoil) 구조로 형성될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 날개(10)의 내부를 횡단하고 후술할 냉각홀(12)에 공기를 공급하는 냉각유로(13)가 날개(10)의 내부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 날개(10)의 내부에 가스 보다 낮은 온도의 냉각공기를 주입하여 냉각공기가 날개(10)와 열교환시키면 터빈 블레이드의 전체적인 온도를 낮출 수 있다.
냉각홀(12)은 터빈의 가동 시에 날개(10)의 표면에 공기를 배출하여 공기막을 형성시키는 부분이다. 이에 따라, 공기막이 고온의 가스로부터 날개(10)의 표면을 보호하여 터빈 블레이드의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 실시예에서 냉각홀(12)은 익형의 날개(10) 각 부분에 고르게 형성될 수 있다. 구체적으로, 익형 날개(10)의 리딩엣지(leading edge), 트레일링엣지(trailing edge), 흡입면, 압력면 등에 형성될 수 있다.
그런데, 날개(10)에 냉각홀(12)이 형성된 터빈 블레이드에서는 냉각홀(12)의 일부에서 축방향 균열이 발생되는 문제가 있다. 이러한 균열의 원인을 분석한 결과, 터빈 블레이드에 온도 변화가 발생될 때 취약 부위로 열응력이 집중되기 때문인 것으로 분석되었다. 즉, 다른 부분보다 열용량이 작은 냉각홀(12)의 모서리 부분이 다른 부분보다 급격히 냉각되고 수축됨을 됨으로써, 반복적으로 인장응력이 발생하고 이로 인한 피로 균열이 발생한다.
절개부(14)는 냉각홀(12)의 모서리에 열응력의 집중을 방지하는 부분이다. 냉각홀(12) 모서리의 열응력 집중을 방지하기 위하여, 냉각홀(12)의 모서리 중 적어도 일부분이 절개하여 주변부와의 모서리와 주변부의 열용량의 차이를 감소시킨다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 절개부를 설명하는 도면이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 냉각홀(12)은 공기막 형성이 용이하도록 날개(10)의 표면에 대하여 경사지게 배치된다. 이에 따라, 냉각홀(12)의 내경과 날개(10)의 표면이 예각을 이루는 모서리가 형성된다. 즉, 90도 이하의 뾰족한 모서리가 형성된다.
예각 형태의 모서리는 작은 부피로 인하여 주변의 다른 부분에 비하여 열용량이 특히 작아서 열응력이 집중된다. 이에 따라, 본 실시예에서는 예각이 되는 모서리를 절개하여 절개부(14)를 형성하여 열응력 집중을 완화시킨다. 따라서, 절개부(14)는 냉각홀(12)의 균열을 방지하여 터빈 블레이드의 수명 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
특히, 열응력에 의한 균열이 자주 발생하는 익형 날개(10)의 흡입면(10a)에 형성된 냉각홀(12)에 대하여, 절개부(14)는 효과적으로 균열을 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 본 실시예에서는 직경이 0.6mm인 냉각홀(12)의 예각 모서리에 대하여 반원형태로 0.5mm(최대)를 절개하여 절개부(14)를 형성한다.
한편, 본 실시예에서는 모서리 중 예각이 이루는 부분만을 선택적으로 절개하여 절개부(14)를 형성하거나, 모서리를 전체적으로 절개하여 절개부(14)를 형성할 수도 있다.
다음으로, 절개부(14)의 열응력 완화효과를 시뮬레이션 결과를 통해서 입증한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 열응력 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면이다.
도 7은 절개부(14)가 형성되지 않았을 때 냉각홀(직경 0.6mm) 모서리에 열응력을 나타낸 결과로서, 연소기 소화 후 0.5초 후에 39.3MPa의 최대응력이 발생하였다(연소 시의 가스온도 1280℃, 연소기 소화 후 공기온도 450℃).
도 8은 동일한 온도조건에서 냉각홀(12)의 모서리를 0.3mm(최대)를 절개한 절개부(14)가 형성될 때 열응력을 나타낸 결과이고, 도 9는 동일한 온도조건에서 냉각홀(12)의 모서리를 0.6mm(최대)를 절개한 절개부(14)가 형성될 때 열응력을 나타낸 결과이다.
시뮬레이션 결과를 살펴보면, 냉각홀(12)의 모서리를 각각 0.3mm 및 0.6mm로 절개할 때 최대응력은 각각 19.7MPa 및 16.2MPa로서, 냉각홀(12)에 절개부(14)를 형성하여 열응력이 현저하게 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
10: 날개
12: 냉각홀
13: 냉각유로
14: 절개부

Claims (5)

  1. 유체의 운동에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 날개(10)를 포함하는 터빈 블레이드로서,
    상기 날개(10)의 표면에 공기막이 형성되도록, 상기 날개(10)의 표면에는 공기가 배출되는 냉각홀(12)이 형성되고,
    열응력의 집중을 방지하도록, 상기 냉각홀(12)의 모서리 중 적어도 일부분이 절개된 절개부(14)가 형성되되,
    상기 절개부(14)는 상기 냉각홀(12)이 상기 날개(10)의 표면에 대하여 경사지게 배치되어, 상기 냉각홀(12)의 내경과 상기 날개(10)의 표면이 예각을 이루도록 형성된 일측 모서리를 반원형태로 절개하여 형성되며,
    상기 날개(10)는, 일면에 오목한 압력면(10b)이 형성되고 타면에 볼록한 흡입면(10a)이 형성되는 익형(airfoil) 구조로 형성되고, 상기 냉각홀(12) 및 상기 절개부(14)는, 상기 흡입면(10a)에 형성되되,
    상기 절개부(14)는 직경이 0.6mm인 상기 냉각홀(12)의 예각 모서리에 대하여 0.3 ~ 0.6mm의 폭으로 절개하여 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 날개(10)에는,
    상기 날개(10)의 내부를 횡단하고 상기 냉각홀(12)에 공기를 공급하는 냉각유로(13)가 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
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