KR19980024573A - 에어포일 및 고정자 날개 - Google Patents

Abstract

본 발명의 만곡형 에어포일은 압축 측벽과 흡입 측벽 사이에 배치된 다수의 통로를 포함한다. 압축 측벽과 흡입 측벽은 선단부와 후단부 사이에서 폭방향으로 연장되며, 그리고 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 다수의 통로는 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 말단 벽을 각각 구비한 통로 모퉁이는 통로를 연결한다. 각 통로 모퉁이의 말단 벽은 압축 측벽 및 흡입 측벽 중 하나와 함께 예각 코너부를 형성하며, 제 1 필렛이 이 예각 코너부에 배치된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 각 리브 말단은 압축 측벽 및 흡입 측벽중 하나와 함께 제 2 예각 코너부를 형성하며, 제 2 필렛은 제 2 예각 코너부내에 배치된다.

Description

에어포일 및 고정자 날개

본 발명은 중공형 에어포일에 관한 것으로, 특히 에어포일내의 내부 냉각 덕트의 기하학적 구조에 관한 것이다.

대부분의 가스 터빈 에어포일에서 내부 냉각은 필수적이다. 냉각은 일반적으로 냉각 공기를 에어포일내에 배치된 완곡 통로에 통과시키는 것에 의해서 수행된다. 에어포일내에 익장방향으로 연장된 내부 통로는 180°통로 회전 또는 폭방향으로 연장된 통로에 의해서 또는 양자에 의해서 서로간에 연결된다. 전형적으로는, 내부 통로는 후에 제거되는 고형 세라믹 코어로 주조하는 것에 의해서 형성된다. 이 세라믹 코어에는 압축 측면 패널과 흡입 측면 패널을 구비한 분할 다이(split die)가 형성된다. 압축 측면 및 흡입 측면이라는 용어는 각각 엔진을 통과하는 가스 유동을 향하고 또 이로부터 먼 에어포일의 측면을 설명하기 위해 사용되는 기술 용어이다. 코어가 고형화된 후에, 다이의 절반은 당김 선(pull line)을 따라 분리되어서 고형 코어를 해제시킨다. 이 당김 선은 가상선을 언급하는 것으로, 이 가상선을 따라 다이의 절반이 코어로부터 제거되도록 설계된다.

코어를 제조하도록 사용되는 다이 방법은 내부 통로의 기하학적 구조에 상당한 영향을 미친다. 통로 모퉁이의 리브 단부와 단부 벽이 그것에 접해서 형성된 코어의 표면은 당김 선에 실질적으로 평행하도록 설계되어 왔다. 코어의 표면과 다이의 벽을 평행하게 하면 다이의 제거가 용이해진다. 이러한 접근책의 단점으로는 평행을 이루도록 설계된 내부 통로의 기하학적 구조가 특히 활모양 에어포일의 경우에 최적 이하의 유동 특성을 갖는 내부 통로를 종종 형성한다는 것이다.

따라서, 개선된 유동 특성을 갖는 활모양 에어포일의 내부 유동 통로 구조가 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 최적의 유동 특성을 갖는 내부 냉각 통로를 구비한 에어포일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 에어포일을 균일하게 냉각시키는 것을 돕는 내부 냉각 통로를 구비한 에어포일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용이하게 제조될 수 있는 개선된 내부 냉각 통로를 갖는 에어포일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 최적의 유동 특성을 갖는 냉각 통로를 제공하며 쉽게 제조될 수 있는 활모양 중공 에어포일용 코어를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 압축 측벽과 흡입 측벽의 사이에 배치된 다수의 통로를 포함하는 활모양 에어포일이 제공된다. 압축 측벽 및 흡입 측벽은 선단부와 후단부 사이에서 폭방향으로 연장되고, 또 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 통로들이 내부 플랫폼과 외부 플랫폼 사이에서 익장방향으로 연장된다. 리브 말단을 각각 구비한 리브는 인접 통로들을 분리한다. 단부벽을 각각 구비한 통로 모퉁이는 통로들을 연결한다. 각 통로 모퉁이의 단부벽은 측벽중의 하나와 함께 예각 코너부를 형성하며, 제 1 필렛(fillet)이 예각 코너부내에 매설된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 각 리브 말단은 측벽중의 하나와 함께 제 2 예각 코너부를 형성하며, 제 2 필렛은 제 2 예각 코너부내에 매설된다.

본 발명의 이점은 활모양 익장 에어포일의 통로 모퉁이내의 침체 유동 영역이 배제되는 것이다. 측벽과 통로 모퉁이 및/또는 리브 말단 사이에 형성된 예각 코너부에 필렛을 제공하면, 단부벽과 리브 말단이 코어 다이의 당김 선과 평행할 경우에 형성되는 예리한 코너부가 배제된다.

본 발명의 추가의 이점은 코어로부터 다이의 절반의 분리가 용이한 것이다. 코어의 리브 말단과 단부벽이 당김 선과 실질적으로 평행한 종래 기술의 방법에 있어서는, 코어 다이가 분리하는 동안 코어를 따라 끌리는 것을 방지하기 위하여 약간의 여유각(relief angle)(≤3°)을 포함하는 것이 필요하다. 코어 다이가 세라믹 코어의 연마 표면을 따라 끌리게 되면, 코어 다이의 표면이 마모된다. 한편, 본 발명은 리브 말단의 일부분과 통로 모퉁이 단부벽 사이의 각도를 개방함으로써 분리를 용이하게 한다. 당업자라면 코어 다이가 매우 고가인 관계로 다이의 마모를 최소화 하는것이 명백하게 이롭다는 것을 인식할 것이다.

본 발명의 이들 목적 및 다른 목적과, 그 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 그것의 최선의 방식의 실시예의 상세한 설명에 비추어 명확해질 것이다.

도 1은 활모양의 익장 윤곽을 가진 날개 싱글렛(vane singlet)의 개략 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 날개의 개략 단면도,

도 3은 도 1에 도시된 날개의 개략 단면도,

도 4는 도 3의 섹션의 확대도,

도 5는 도 4에 도시된 것과 유사한 것으로, 활모양 형상을 갖는 필렛을 도시하는, 통로 모퉁이의 확대도,

도 6은 활모양 익장 형상을 가진 중공 날개용 캐스팅 코어의 개략도,

도 7은 도 6에 도시된 코어의 개략적 단면도,

도 8은 직선형 익장 형상을 가진 날개 싱글렛의 개략적 사시도,

도 9는 도 8에 도시된 날개의 개략적 단면도,

도 10은 도 8에 도시된 날개의 개략적 단면도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20: 날개 세그먼트 22: 에어포일

24, 26: 플랫폼 28: 압축 측벽

30: 흡입 측벽 38: 선단부

40: 후단부 45, 48: 필렛

50:세라믹 코어 64: 당김선

도 1 내지 도 4를 참조하면, 고정자 조립체(도시 않됨)는 환형 구조체를 집단적으로 형성하는 다수의 날개 세그먼트(20)를 포함한다. 각 날개 세그먼트(20)는 에어포일(22), 내부 플랫폼(24), 외부 플랫폼(26)을 포함한다. 내부 플랫폼(24)과 외부 플랫폼(26)은 고정자 조립체를 통해 방사상의 가스 통로 경계를 집단적으로 제공한다. 각 에어포일(22)은 압축 축벽(28)과, 흡입 측벽(30)과, 다수의 통로(32)와, 통로 모퉁이(34)와, 압축 측벽(28)과 흡입 측벽(30) 사이의 에어포일(22)내에 배치된 리브(36)를 포함한다. 압축 측벽(28)과 흡입 측벽(30)은 선단부(38)와 후단부(40) 사이에서 폭방향으로 연장되며, 또 내부 플랫폼(24)과 외부 플랫폼(26) 사이에서 익장방향으로 연장된다. 압축 측벽(28)과 흡입 측벽(30)간의 거리는 에어포일(22)의 두께를 반영한다. 압축 측벽(28)과 흡입 측벽(30)은 활모양으로 형성되거나, 또는 익장 방향으로 만곡된다.

압축 측벽(28)과 흡입 측벽(30)은 통로(32)에 대해 벽을 제공한다. 일부 실시예에 있어서, 선단부(38) 및/또는 후단부(40)는 또한 통로(32)에 대해 벽을 제공할 수도 있다. 모든 통로(32)는 내부 플랫폼(24)과 외부 플랫폼(26) 사이에서 익장방향으로 연장되므로 압축 측벽(28) 및 흡입 측벽(30)과 동일한 활모양 통로를 따라 만곡된다. 통로 모퉁이(34)는 선단부(38)로부터 후단부(40)쪽으로 에어포일(22)의 폭을 가로질러 꼬불꼬불한 방식으로 인접 통로(32)를 연결한다. 선단부(38)에 인접한 통로(32)는 전형적으로는 냉각 공기를 수용하기 위한 입구(42)를 포함하며, 그리고 후단부(40)에 인접한 통로(32)는 전형적으로는 냉각 공기를 가스 통로내로 배출하기 위한 구멍(도시 않됨)을 포함한다. 각 통로 모퉁이(34)는 인접 통로(32)들 사이에 폭방향으로 연장된 단부벽(44)을 포함한다. 제 1 예각 코너부(41)는 에어포일(22)의 활모양 익장 형상으로 인하여 측벽(28, 30)중 하나와 단부벽(44)의 사이에 형성된다. 제 1 필렛(45)은 코너부(41)에 배치된다. 각 리브(36)는 말단 표면(46)을 포함하는데, 이 말단 표면은 또한 통로 모퉁이(34)에 배치된 리브 말단으로도 언급된다. 제 2 예각 코너부(43)는 에어포일(22)의 활모양 익장 형상으로 인하여 측벽(28, 30)중 하나와 리브 말단(46) 사이에 형성된다. 제 2 필렛(48)은 코너부(43)에 배치된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 필렛(45, 48)의 노출된 에지는 실질적으로 측벽(28, 30)에 직교한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 각 에어포일(22)은 이 에어포일(22)내의 통로(32)를 나타내는 세라믹 코어(50)를 사용하여 인베스트먼트 주조(investment casting)에 의해서 형성된다. 이 코어(50)의 기하학적 구조는 중공 에어포일(22)내에 발견되는 통로(32)를 반영한다. 도 6은 통로(32)의 완곡 특성을 도시하는, 코어(50)의 폭-익장 평면도를 도시한 것이다. 도 7은 통로 모퉁이(34)의 구조를 도시하기 위해, 통로 모퉁이(34)를 형성할 코어(50)의 두께-익장 평면도를 도시한 것이다. 통로 모퉁이(34)의 단부벽(44)에 접해서 형성될 코어(50)의 표면(52)은 제 1 필렛(45)에 접해서 형성될 표면(54)을 포함한다. 마찬가지로, 리브 말단(46)에 접해서 형성될 코어(50)의 표면(58)은 제 2 필렛(48)에 접해서 형성될 표면(60)을 포함한다.

본 발명을 보다 잘 이해하기 위해서, 비만곡형 에어포일(22)내의 통로 모퉁이(34)의 단부벽(44)과 리브 말단(46)(도 8 내지 도 10)을 매우 만곡된 에어포일(22)의 그것(도 1 내지 도 3)과 비교하기로 한다. 비만곡형 에어포일(22)에 있어서, 익장방향으로 연장된 통로(32)는 반드시 단일 평면내에 있으며, 이 평면은 당김 선(64)에 직교한다. 비만곡형 에어포일(22)내의 단부벽(44) 및 리브 말단(46)은 또한, 단부벽(44)과 리브 말단(46)이 당김 선(64)에 평행하므로, 이 평면에 수직을 이룬다. 그 결과, 단부벽(44)과 측벽(28, 30) 사이에, 그리고 리브 단부(46)와 측벽(28, 30) 사이에 90°의 각도가 형성된다.

한편 만곡형 에어포일(22)에 있어서, 당김 선(64)에 평행하게 유지되는 리브 말단(46) 및 단부벽(44)은, 통로(32)가 활모양 통로(즉, 활)를 따르므로, 통로(32)의 측벽(28, 30)에 대해 기울어질 것이다. 측벽(28, 30)과 단부벽(44)간의 기울어진 관계와, 그리고 측벽(28, 30)과 리브 말단(46)간의 기울어진 관계는 통로 모퉁이(34)에 예각 코너부(41, 43)를 형성한다. 이 예각 코너부(41, 43)는 코너부에서 순환을 감소시키는 코너부내의 바람직하지 않은 유동 변칙성을 조장하며, 그리고 순환이 감소되면 최적 이하의 냉각이 야기된다. 도 3 내지 도 5에 도시된 점선은 전술한 예각 코너부(41, 43)를 도시한다.

본 발명의 날개 세그먼트(20) 및 코어(50)는 예각 코너부(41, 43)내에 필렛(45, 48)을 제공하는 것에 의해서 통로 모퉁이(34)에서 문제의 예각 코너부를 배제하므로, 그에 따른 고온 반점(hot spot)을 배제한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 필렛(45) 및 제 2 필렛(48)은 실질적으로 압축 측벽(28) 및 흡입 측벽(30)에 수직을 이룬다. 즉, 통로(32)를 통해 유동 방향(72)에 실질적으로 수직을 이룬다. 다른 실시예에 있어서, 필렛은 도 5에 도시된 바와 같이, 측벽에 대해서 활모양의 형상을 가질 수도 있다.

본 발명은 그의 상세한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 정신과 범위내에서 본 발명의 형태 및 그 세부를 다양하게 변경할 수도 있음을 이해할 것이다.

발명의 에어포일은 개선된 내부 냉각 통로를 구비하므로 최적의 유동 특성을 가지며 그리고 에어포일을 균일하게 냉각시키기에 적합하고 또 용이하게 제조될 수 있다.

Claims (14)

1. 에어포일에 있어서,

   선단부와 후단부 사이에서 폭방향으로 연장되고, 내부 방사상 표면과 외부 방사상 표면사이에서 익장방향으로 연장되며, 익장 방향으로 만곡된 압축 측벽 및 흡입 측벽과,

   상기 내부 방사상 표면과 상기 외부 방사상 표면 사이에서 익장방향으로 연장되고, 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽 사이에 배치된 다수의 통로와,

   상기 다수의 통로를 연결하며, 말단 벽을 포함하되, 상기 말단 벽은 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽중 하나와 함께 제 1 예각 코너부를 형성하는 적어도 하나의 통로 모퉁이와,

   상기 다수의 통로를 분리하며, 리브 말단을 구비하는 리브와,

   상기 제 1 예각 코너부에 배치된 제 1 필렛을 포함하는 에어포일.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 필렛은 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽중 하나와 실질적으로 직각을 이루는 에어포일.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 필렛은 활모양으로 형성된 에어포일.
4. 제 1 항에 있어서,

   제 2 필렛을 더 포함하되,

   상기 리브 말단은 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽중 하나와 함께 제 2 예각 코너부를 형성하며,

   상기 제 2 필렛은 상기 제 2 예각 코너부에 배치되는 에어포일.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 2 필렛은 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽중 하나와 실질적으로 직각을 이루는 에어포일.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 2 필렛은 활모양으로 형성된 에어포일.
7. 고정자 날개에 있어서,

   선단부와 후단부 사이에서 폭방향으로 연장되고, 내부 방사상 표면과 외부 방사상 표면사이에서 익장 방향으로 연장되며, 익장 방향으로 만곡된 압축 측벽 및 흡입 측벽과,

   상기 내부 방사상 표면과 상기 외부 방사상 표면 사이에서 익장 방향으로 연장되고, 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽 사이에 배치된 다수의 통로와,

   상기 다수의 통로를 연결하며, 말단 벽을 포함하되, 상기 말단 벽은 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽중 하나와 함께 제 1 예각 코너부를 형성하는 적어도 하나의 통로 모퉁이와,

   상기 다수의 통로를 분리하며, 리브 말단을 구비하는 리브와,

   상기 제 1 예각 코너부에 배치된 제 1 필렛을 포함하는 고정자 날개.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1 필렛은 상기 압축 측벽 및 상기 흡입 측벽중 하나에 실질적으로 직각을 이루는 고정자 날개.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1 필렛은 활모양으로 형성된 고정자 날개.
10. 제 7 항에 있어서,

    제 2 필렛을 더 포함하되,

    상기 리브 말단은 상기 압축 측벽 및 상기 흡입 측벽중 하나와 함께 제 2 예각 코너부를 형성하며,

    상기 제 2 필렛은 상기 제 2 예각 코너부내에 배치되는 고정자 날개.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 2 필렛은 상기 압축 측벽 및 상기 흡입 측벽중 하나에 실질적으로 수직을 이루는 고정자 날개.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 2 필렛은 활모양으로 형성되는 고정자 날개.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 1 필렛은 상기 압축 측벽과 상기 흡입 측벽중 하나에 실질적으로 수직을 이루는 고정자 날개.
14. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 1 필렛은 활모양으로 형성되는 고정자 날개.