KR102178957B1 - 에어포일, 이를 포함하는 가스 터빈 및 에어포일 제조 방법 - Google Patents

에어포일, 이를 포함하는 가스 터빈 및 에어포일 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공이 용이하고 냉각 효율이 향상된 에어포일, 이를 포함하는 가스 터빈 및 에어포일 제조 방법에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일은, 연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면; 전면의 반대면에 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면; 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되는 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및, 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀을 포함한다.

Description

에어포일, 이를 포함하는 가스 터빈 및 에어포일 제조 방법 {Airfoil, gas turbine comprising it and method of manufacturing airfoil}
본 발명은 에어포일, 이를 포함하는 가스 터빈 및 에어포일 제조 방법에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.
이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
이러한 가스터빈은 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.
가스터빈의 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 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0064754호 (명칭: 가스터빈의 냉각 블레이드)
본 발명은 가공이 용이하고 냉각 효율이 향상된 에어포일, 이를 포함하는 가스 터빈 및 에어포일 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일은, 연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면; 전면의 반대면에 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면; 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되는 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및, 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 냉각홀은 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 외부 캐비티의 장축과 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 압력면과 흡입면이 접하는 양단부에 각각 형성된 리딩 에지와 트레일링 에지와 내부에 형성된 내부 캐비티를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 에어포일은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기; 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및, 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 연소 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 연소 가스 경로 상에서 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈;을 포함한다. 터빈 베인 또는 터빈 블레이드 중 적어도 어느 하나는, 연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면; 전면의 반대면에 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면; 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되는 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및, 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각홀은 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 외부 캐비티의 장축과 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 압력면과 흡입면이 접하는 양단부에 각각 형성된 리딩 에지와 트레일링 에지와 내부에 형성된 내부 캐비티를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법은, 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 적어도 하나 이상의 타원 형상의 외부 캐비티를 형성하는 제1 단계; 천공 수단을 외부 캐비티의 장축과 대응되는 방향으로 배치하는 제2 단계; 및, 천공 수단을 이용하여 흡입면 및 압력면 각각을 관통하는 냉각홀을 형성하는 제3 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 천공 수단의 중심축을 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 배치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 천공 수단의 중심축이 외부 캐비티의 장축과 이루는 각도 범위가 ±15° 이하가 되도록 배치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 천공 수단의 중심축은 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 천공 수단의 중심축은 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일은, 연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면; 전면의 반대면에 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면; 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되는 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및, 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 냉각홀은 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 외부 캐비티의 장축과 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 압력면과 흡입면이 접하는 양단부에 각각 형성된 리딩 에지와 트레일링 에지와 내부에 형성된 내부 캐비티를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에 있어서, 에어포일은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 유입되는 공기를 압축하는 압축기; 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및, 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 연소 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 연소 가스 경로 상에서 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈;을 포함한다. 터빈 베인 또는 터빈 블레이드 중 적어도 어느 하나는, 연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면; 전면의 반대면에 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면; 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되는 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및, 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각홀은 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 외부 캐비티의 장축과 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 냉각홀의 중심축은 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 압력면과 흡입면이 접하는 양단부에 각각 형성된 리딩 에지와 트레일링 에지와 내부에 형성된 내부 캐비티를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법은, 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 적어도 하나 이상의 타원 형상의 외부 캐비티를 형성하는 제1 단계; 천공 수단을 외부 캐비티의 장축과 대응되는 방향으로 배치하는 제2 단계; 및, 천공 수단을 이용하여 흡입면 및 압력면 각각을 관통하는 냉각홀을 형성하는 제3 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 천공 수단의 중심축을 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 배치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 천공 수단의 중심축이 외부 캐비티의 장축과 이루는 각도 범위가 ±15° 이하가 되도록 배치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 천공 수단의 중심축은 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 제조 방법에 있어서, 천공 수단의 중심축은 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A'를 따라 절단한 단면을 나타내는 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 5는 도 4의 평면도로서, 에어포일 부분만 도시된 평면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 외부 캐비티와 냉각홀이 도시된 개념도이다.
도 9는 종래의 일반적인 냉각홀을 구비한 에어포일과 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일을 비교 설명한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 터빈 블레이드 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1)은 압축기(10), 연소기(20), 터빈(30)을 포함한다. 압축기(10)는 유입되는 공기를 고압으로 압축하는 역할을 하며, 압축된 공기를 연소기 측으로 전달한다. 압축기(10)는 방사상으로 설치된 다수의 압축기 블레이드를 구비하며, 터빈(30)의 회전으로부터 생성된 동력의 일부를 전달받아 압축기 블레이드가 회전하며, 블레이드의 회전에 의해 공기가 압축되면서 연소기(20) 측으로 이동한다. 블레이드의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다.
압축기(10)에서 압축된 공기는 연소기(20)로 이동하여 환형으로 배치된 복수의 연소 챔버와 연료 노즐 모듈(22)을 통해 연료와 혼합하여 연소된다. 연소로 인해 발생된 고온의 연소 가스는 터빈(30)으로 배출되며, 연소 가스에 의해 터빈이 회전하게 된다.
터빈(30)은 터빈 로터 디스크(300)를 축방향으로 결합하는 센터 타이로드(400)를 통해 다단으로 배열된다. 터빈 로터 디스크(300)는 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(100)를 포함한다. 터빈 블레이드(100)는 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(300)에 결합될 수 있다. 아울러, 터빈 블레이드(100)의 사이에도 하우징에 고정되는 터빈 베인(200)이 구비되어, 터빈 블레이드(200)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 터빈(30)은 터빈 베인(200)과 터빈 블레이드(100)가 가스 터빈(1)의 축 방향을 따라 n개씩 교대로 배열될 수 있다. 고온의 연소가스는 축 방향을 따라 터빈 베인(200) 및 터빈 블레이드(100)를 통과하고 터빈 블레이드(100)를 회전시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일은 터빈 블레이드(100) 또는 터빈 베인(200)에 적용된 에어포일일 수 있다. 이하의 설명에서, 가스 터빈의 터빈 블레이드(100)에 적용된 에어포일을 예시로 설명하지만, 터빈 베인(200)에도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 기술적 사상은 가스 터빈에 한정되는 것은 아니고, 증기 터빈을 비롯하여 에어포일을 구비한 장치에 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A'를 따라 절단한 단면을 나타내는 터빈 블레이드의 사시도이며, 도 5는 도 4의 평면도로서, 에어포일 부분만 도시된 평면도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 외부 캐비티와 냉각홀이 도시된 개념도이다.
도 3 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일(1000)은, 흡입면(1100), 압력면(1200), 외부 캐비티(1300), 냉각홀(1400)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일(1000)이 터빈 블레이드(100)에 형성된 경우, 에어포일(1000)은 루트부(110)의 상측에 배치된다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일(1000)이 터빈 베인(200)에 형성된 경우, 에어포일(1000)은 외측 슈라우드와 내측 슈라우드 사이에 형성되고, 냉각 유체는 외측 슈라우드 측에 형성된 냉각 유체 유로(미도시)를 통해 유입된다.
터빈 블레이드(100)는 터빈 로터 디스크(300)에 장착되어 고압의 연소가스에 의해 터빈이 회전 작동되도록 하는 것으로서, 하부측으로는 터빈 로터 디스크(300)에 결합되는 루트부(110)가 형성되고, 루트부(110)의 상부측으로는 공기 압력에 의해 회전되는 에어포일(1000)을 일체로 결합하여 에어포일(1000)의 전후면의 압력차에 의해 터빈이 회전 작동되도록 한다.
루트부(110)의 외측면에는 외측방으로 돌출된 생크 및 플랫폼이 형성되도록 하여 견고한 고정이 이루어지도록 한다. 루트부(110)에는 에어포일(1000)로 냉각 유체가 유입되는 유입구(1110)가 형성되어 있다.
에어포일(1000)은 연소 가스가 유입되는 전면으로는 외측방으로 볼록한 곡면을 이루며 돌출된 흡입면(suction side, 1100)이 형성되도록 하고, 후면으로는 흡입면(1100) 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면(pressure side, 1200)이 형성되도록 하여 에어포일(1000) 전후의 압력차가 극대화되면서 원활한 공기의 흐름이 이루어지도록 한다.
에어포일(1000)은 압력면(1200)과 흡입면(1100)이 접하는 양단부인 리딩 에지(121, leading edge)와 트레일링 에지(123, trailing edge)를 포함하며, 리딩 에지(121)는 에어포일(1000)에서 유동하는 유체를 맞이하는 앞 부분의 끝단을 의미하며, 트레일링 에지(123)는 에어포일(1000)의 뒷 부분의 끝단을 의미한다. 또한 루트부에서 에어포일 팁(tip)을 향하는 방향을 스팬(span) 방향이라 칭한다.
에어포일(1000)은 내부에 내부 캐비티(1210, 1212, 1214)를 포함한다. 내부 캐비티는 스팬 방향을 따라 복수개로 분할되어 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 3개로 분할되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 에어포일(1000)은 흡입면(1100) 및 압력면(1200)을 이루는 벽 내부에 각각 적어도 하나 이상 형성된 외부 캐비티(1300)를 포함한다. 여기서, 외부 캐비티(1300)는 내부 캐비티(1210, 1212, 1214)에 비하여 외측에 형성된 캐비티임을 의미하는 것이지, 에어포일(1000)의 외부에 형성된 것을 의미하는 것은 아니다.
루트부(110)의 유입구(1110)를 통해 유입된 냉각공기는 내부 캐비티(1210, 1212, 1214)와 외부 캐비티(1300)로 분기되어 유동하면서, 터빈 블레이드(100)를 냉각시킬 수 있다. 또는 유입구(1110)를 통해 유입된 냉각공기는 내부 캐비티(1210, 1212, 1214)와 외부 캐비티(1300) 중 어느 하나를 먼저 유동한 후, 나머지 하나를 유동하면서 터빈 블레이드(100)를 냉각시킬 수 있다.
외부 캐비티는 각각 흡입면측 외부 캐비티(1310)와 압력면측 외부 캐비티 (1320)로 형성되는데, 유입구(1110)는 각각 흡입면측 외부 캐비티(1310)과 압력면측 외부 캐비티(1320)로 분기하도록 형성될 수 있다.
외부 캐비티(1300 : 1310, 1320)는 장축(a)과 단축(b)을 구비하는 타원 형상으로 형성된다. 외부 캐비티(1300)는 흡입면(1100) 또는 압력면(1200)을 관통하여 형성하는 복수개의 냉각홀(1400)과 연통될 수 있다. 각각의 외부 캐비티(1300)를 흘러가는 냉각 유체는 냉각홀(1400)을 통해 분사되면서, 에어포일 외면에 에어 커튼과 같이 이동하면서 이른바 필름 냉각(film cooling) 방식으로 에어포일(1000) 외면을 냉각할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 냉각홀(1400)은 외부 캐비티(1300)의 장축(a, 도 6 참조)과 대응하는 방향으로 형성된다. 여기서, '외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 대응하는 방향'이라 함은, 실질적으로 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 평행한 방향일 수 있다. 또한, 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 냉각홀(1400)의 중심축(CL)이 이루는 각도 범위가 0 내지 15° 이하인 경우를 포함할 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각홀(1400)은 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 평행한 방향으로 형성되거나, 또는 도 7에 도시된 바와 같이 냉각홀(1400)은, 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 냉각홀(1400)의 중심축(CL)이 이루는 각도(O)가 ±15°의 각도 범위 내로 형성될 수 있다. 이때, 냉각홀(1400)의 중심축(CL)은, 도 7과 같이 외부 캐비티(1300)의 중심점(타원의 중심점)을 통과하도록 하거나 또는 도 8과 같이 외부 캐비티(1300)의 장축의 끝점 중에서 에어포일의 표면과 근접한 점을 통과하도록 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 적어도 하나 이상의 타원 형상의 외부 캐비티(1300)를 형성한다.
다음, 드릴과 같은 천공 수단을 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 대응되는 방향으로 배치한다. 여기서, '외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 대응되는 방향'이라 함은, 실질적으로 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 평행한 방향 또는 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 천공 수단의 중심축(CL)이 이루는 각도 범위가 0 내지 15° 이하인 경우를 포함할 수 있다.
다음, 천공 수단을 이용하여 흡입면 및 압력면 각각을 관통하는 냉각홀(1400)을 형성한다.
이에 따라, 냉각홀(1400)은 외부 캐비티(1300)의 장축(a, 도 6 참조)과 대응하는 방향으로 형성된다. 여기서, '외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 대응하는 방향'이라 함은, 실질적으로 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 평행한 방향일 수 있다. 또한, 외부 캐비티(1300)의 장축(a)과 냉각홀(1400)의 중심축(CL)이 이루는 각도 범위가 0 내지 15° 이하인 경우를 포함할 수 있다. 이때, 천공 수단의 중심축은, 외부 캐비티(1300)의 중심점(타원의 중심점)을 통과하도록 하거나 또는 외부 캐비티(1300)의 장축의 끝점 중에서 에어포일의 표면과 근접한 점을 통과하도록 할 수 있다.
도 9를 참조하여, 종래의 일반적인 냉각홀을 구비한 에어포일과 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일을 비교 설명한다.
도 9의 (a)는 종래의 일반적인 냉각홀을 구비한 에어포일의 일부가 도시된 도면이고, 도 9의 (b), (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 일부가 도시된 도면이다. 도 9의 (a) 내지 (c)에서 외부 캐비티(1300)의 장축 및 단축의 크기는 모두 동일하고, 외부 캐비티(1300)와 에어포일 표면과의 이격 거리는 모두 동일하다.
도 9의 (a)와 같이, 종래의 에어포일에서는 냉각홀의 중심축(CL1)이 외부 캐비티(1300)의 장축과 상대적으로 큰 각도로 형성되어, 드릴(D) 등을 이용하여 에어포일(1000)의 표면을 천공할 때, 드릴의 작업 공간은 길이 L11 만큼 형성되고, 천공 작업에 의한 냉각홀(1401)의 크기는 길이 L12 만큼 형성된다.
도 9의 (b), (c)와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에서는 냉각홀의 중심축이 외부 캐비티(1300)의 장축과 평행(CL2)하거나, 외부 캐비티(1300)의 장축과 중심축(CL3)이 이루는 각도가 ±15°의 각도 범위 내로 되어, 드릴의 작업 공간은 각각 길이 L21, L22 만큼 형성되고, 천공 작업에 의한 냉각홀(1400)의 크기는 각각 길이 L22, L32 만큼 형성된다.
도 9에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일에서의 드릴 작업 공간(L21, L22)이 종래의 드릴 작업 공간(L11)에 비해 상대적으로 매우 크게 형성되므로, 냉각홀(1400) 가공 공정이 매우 용이해지게 된다.
한편, 종래의 경우, 드릴 작업 공간이 협소하여 드릴 작업시 외부 캐비티(1300) 내벽을 손상시키는 경우가 빈번하게 발생하고, 또한 형성되는 냉각홀(1401)의 길이도 상대적으로 작아서, 냉각 효율의 향상을 기대하기 어려운 실정이다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일의 경우, 상대적으로 넓은 드릴 작업 공간을 확보할 수 있게 되어 종래 보다 용이하게 냉각홀(1400) 가공을 수행할 수 있다. 또한, 냉각홀 가공을 용이하게 함과 동시에, 냉각홀의 길이를 종래 보다 길게 제조할 수 있게 되고, 이에 따라 냉각 유체의 유동 경로를 크게 확보할 수 있게 되어 냉각홀(1400)을 통한 에어포일 외면의 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 발명자는 외부 캐비티(1300)의 장축과 중심축(CL3)이 이루는 각도가 ±15°를 초과하는 경우, 드릴 작업 공간의 증가가 크지 않아서 유의미한 가공 용이성과 냉각 효율 향상을 달성할 수 없음을 확인하였다. 따라서, 외부 캐비티(1300)의 장축과 중심축(CL3)이 이루는 각도는 ±15° 이하인 것이 바람직하다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
1 : 가스 터빈 10 : 압축기
20 : 연소기 30 : 터빈
100 : 터빈 블레이드 200 : 터빈 베인
300 : 터빈 로터 디스크 400 : 센터 타이로드
1000 : 에어포일 1100 : 흡입면
1200 : 압력면 1300 : 외부 캐비티
1400 : 냉각홀

Claims (14)

  1. 연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면;
    상기 전면의 반대면에 상기 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면;
    상기 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되고, 상기 타원 형상의 장축이 에어포일의 표면과 교차하도록 형성되는, 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및,
    상기 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 상기 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀;을 포함하고,
    상기 냉각홀은 상기 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성되거나, 또는 상기 외부 캐비티의 장축과 상기 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각홀의 중심축은 상기 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과하는 에어포일.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각홀의 중심축은 상기 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과하는 에어포일.
  6. 청구항 1, 청구항 4, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력면과 상기 흡입면이 접하는 양단부에 각각 형성된 리딩 에지와 트레일링 에지와 내부에 형성된 내부 캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  7. 청구항 1, 청구항 4, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어포일은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인에 적용되는 것을 특징으로 하는 에어포일.
  8. 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 연소된 가스로 동력을 발생시키며, 상기 연소된 가스가 지나는 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스를 가이드하는 터빈 베인과, 상기 연소 가스 경로 상에서 상기 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈;을 포함하고,
    상기 터빈 베인 또는 상기 터빈 블레이드 중 적어도 어느 하나는,
    연소 가스가 유입되는 전면에 외측방으로 볼록한 곡면을 이루는 흡입면;
    상기 전면의 반대면에 상기 흡입면 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면;
    상기 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 각각 형성되며, 그 단면이 타원 형상으로 형성되고, 상기 타원 형상의 장축이 에어포일의 표면과 교차하도록 형성되는, 적어도 하나 이상의 외부 캐비티; 및,
    상기 흡입면 및 압력면을 관통하여 형성되며, 상기 타원 형상의 외부 캐비티의 장축 방향과 대응하는 방향으로 형성된 냉각홀;을 포함하고,
    상기 냉각홀은 상기 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성되거나, 또는 상기 외부 캐비티의 장축과 상기 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  9. 청구항 8항에 있어서,
    상기 압력면과 상기 흡입면이 접하는 양단부에 각각 형성된 리딩 에지와 트레일링 에지와 내부에 형성된 내부 캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  10. 흡입면 및 압력면을 이루는 벽 내부에 적어도 하나 이상의 타원 형상의 외부 캐비티를 형성하는 제1 단계;
    천공 수단을 상기 외부 캐비티의 장축과 대응되는 방향으로 배치하는 제2 단계; 및,
    상기 천공 수단을 이용하여 상기 흡입면 및 압력면 각각을 관통하는 냉각홀을 형성하는 제3 단계;를 포함하며,
    상기 타원 형상의 외부 캐비티는, 상기 타원 형상의 장축이 에어포일의 표면과 교차하도록 형성되고,
    상기 제2 단계는 상기 천공 수단의 중심축을 상기 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 배치하거나, 또는, 상기 천공 수단의 중심축이 상기 외부 캐비티의 장축과 이루는 각도 범위가 ±15° 이하가 되도록 배치하여
    상기 제3 단계에 의해 형성된 냉각홀이 상기 외부 캐비티의 장축 방향과 평행한 방향으로 형성되거나, 또는 상기 외부 캐비티의 장축과 상기 냉각홀의 중심축이 이루는 각도 범위가 ±15° 이하가 되도록 형성되는 것
    을 특징으로 하는 에어포일 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 천공 수단의 중심축은 상기 외부 캐비티의 중심점(타원의 중심점)을 통과하는 것을 특징으로 하는 에어포일 제조 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 천공 수단의 중심축은 상기 외부 캐비티의 장축 끝점을 통과하는 것을 특징으로 하는 에어포일 제조 방법.
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