KR20000052372A - 인접한 냉각 통로를 연결하는 타원형 횡단 개구를 갖는가스 터빈 부품 - Google Patents

Abstract

에어포일부와 섕크부를 갖는 가스 터빈 부품에 있어서, 에어포일부는 선단 에지 및 말단 에지와 내부 냉각 회로를 가지며, 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 유출 통로와 다수의 반경방향 유입 통로를 포함하는 꾸불꾸불한 형상을 가지며, 인접한 반경방향 유출 및 유입 통로는 인접한 반경방향 유출 및 유입 통로를 분리하는 반경방향으로 연장하는 리브내에 위치된 하나 이상의 횡단 개구에 의해 연결되며, 개구는 대체로 타원 형상을 갖는다.

Description

인접한 냉각 통로를 연결하는 타원형 횡단 개구를 갖는 가스 터빈 부품{GAS TURBINE BUCKET COOLING PASSAGE CONNECTORS}

본 발명은 터보 기계류(turbomachinery)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 터빈 버킷(buckets)의 폐쇄된 냉각 도관내의 인접한 반경방향 통로 사이의 횡단 유체 커넥터에 관한 것이다.

가스 터빈 블레이드 부품의 제조에 있어서, 가스 터빈의 고온 섹션에서 사용되는 버킷 및 노즐의 에어포일부내의 냉각 캐비티 및 통로를 형성하는데 세라믹 코어가 종종 사용된다. 이러한 반경방향 냉각 통로의 꾸불꾸불한 형상은 대개 버킷 또는 노즐의 에어포일부의 루트부 및 팁부에서 180° 선회한다. 세라믹 코어는 본질적으로 버킷 또는 노즐(간단성을 위해, 본 명세서에서는 단순히 "버킷"으로 지칭되지만, 본 발명은 회전하는 버킷뿐만 아니라 정지 노즐에도 적용가능하다는 것을 이해할 것이다)의 복잡한 내부 냉각 통로에 부합하도록 형성된 고형체이다. 코어는 용융 금속을 금형내에 주입하기 전에 주조 금형내에 설치된다. 용융 금속을 제한하는 세라믹 셸을 구성하는 주조 금형은 버킷의 외부 형상을 형성하며 버킷내에 세라믹 코어를 고정한다.

폐쇄된 회로 스팀 냉각식 가스 터빈 버킷은 통상적인 냉각식 가스 터빈 버킷보다도 많은 꾸불꾸불한 냉각 통로를 필요로 한다. 그 결과, 세라믹 코어는 통상적인 냉각식 버킷용 코어보다도 주조 공정동안 파손되거나 이동하기 쉽다. 또한, 폐쇄된 회로 냉각의 요구는 말단 에지 출구 코어의 지지 가능성을 제거한다. 또한, 버킷이 단일 결정으로 주조되기 때문에, 노내에서의 시간 증가가 요구된다. 따라서, 냉각 회로 및 세라믹 코어는, 냉각 회로의 효율 또는 버킷의 구조적 모습에 악영향을 끼치지 않고 코어 파손 및 이동이 최소화될 수 있도록 설계되어야 한다.

냉각 통로 커넥터는 본 출원인에 의해 설계된 가스 터빈 버킷용 코어에 사용되고 있다. 그러나 이러한 커넥터는 냉각 회로에 적합하도록 설계되지 않았으며 주조에 앞서 코어로부터 제거되었다. 본 출원인 실제로 강성을 향상시키기 위해 인접한 세라믹 냉각 통로 섹션을 크로스 타이(cross tie)로 묶음으로써 내부 코어를 보강하고 있다. 그러나 과거에는 이러한 크로스 타이는 둥근 단면 형상을 가졌다. 둥근 크로스 타이는 바람직하지 않은 응력 집중을 야기하는 것으로 밝혀졌으며, 본 발명은 이러한 응력 집중을 최소화하거나 또는 제거하는 것이다.

본 발명에 따르면, 인접한 반경방향 냉각 통로 사이의 횡단 통로는 타원형이며, 세라믹 코어에 타원형 석영 로드(rod)를 사용하여 형성된다. 코어가 제거된 경우, 타원형 통로는 남아 인접한 반경방향 통로 사이의 냉각 크로스 유동을 생성한다. 버킷내의 응력 집중을 최소화하도록 타원형이 선택된다. 타원형 석영 로드 (및 횡단 냉각 통로)의 수와 위치는 버킷의 내부내의 임의의 위치에서의 심각한 단면적의 감소를 회피하도록 선택되며, 이들은 꾸불꾸불한 냉각 회로내의 냉각 유동에 대한 영향을 최소화하도록 공간과 크기를 갖는다.

따라서, 보다 넓은 관점에서, 본 발명은 에어포일부와 섕크부를 갖는 가스 터빈 부품에 관한 것으로, 에어포일부는 선단 에지 및 말단 에지와 내부 냉각 회로를 가지며, 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 유출 통로와 다수의 반경방향 유입 통로를 포함하는 꾸불꾸불한 형상을 가지며, 인접한 반경방향 유출 및 유입 통로는 인접한 반경방향 유출 및 유입 통로를 분리하는 반경방향으로 연장하는 리브내에 위치된 하나 이상의 횡단 개구에 의해 연결되며, 개구는 대체로 타원 형상을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 횡단 냉각 통로 커넥터를 포함하는 가스 터빈 버킷용 폐쇄된 회로 냉각 시스템을 도시하는, 부분적으로 단면으로 도시된 측면도,

도 2는 도 1의 2-2선을 따라 취한 부분 단면도,

도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 설명

12: 에어포일부 16: 섕크부

15: 선단 에지 17: 말단 에지

28: 입구 통로 33, 50: 내부 리브

30, 32: 상방 통로 34: 하방 통로

36, 38, 40, 42, 44: 통로 54: 타원형 개구

도 1을 참조하면, 터빈 버킷 구성(10)은 터빈의 고온 가스의 유동 경로로부터 섕크(16)를 밀봉하는 플랫폼부(14)에 부착된 에어포일부(12)를 포함한다. 에어포일부는 각각 선단 에지(15)와 말단 에지(17)를 갖는다. 소위 엔젤 윙(angel wing)(18, 20, 22, 24)이 주지된 방식으로 휠 스페이스 캐비티의 밀봉을 제공한다. 버킷은 종래의 도브테일(dovetail)(26)에 의해 터빈 로터 디스크(도시안됨)에 부착된다. 상술된 바와 같은 버킷의 외부 특징은 통상적인 스테이지 1 가스 터빈 버킷이지만, 스테이지 1 노즐, 스테이지 2 노즐, 스테이지 2 버킷 등을 포함하는 다른 부품에도 본 발명의 원리를 적용할 수 있음을 이해할 것이다.

버킷의 내부에서는, 폐쇄된 냉각 회로가 꾸불꾸불한 배열의 반경방향 통로를 포함하며, 냉각제가 입구 통로(28)를 통해 버킷내로 유입된 후 꾸불꾸불한 반경방향 통로를 통해 흐른다. 도시된 구성에 있어서, 스팀은 초기에 버킷의 말단 에지를 따라 내부 리브(33)에 의해 분리된 평행한 상방 통로(30, 32)를 통해 반경방향 외측으로(도면에서 상방으로) 흐른다. 그 뒤 냉각제는 방향를 반대로 하여 통로(34)를 통해 반경방향 내측으로(도면에서 하방으로) 흐른다. 냉각제는 (교대로 반경방향 내측 및 외측을 향하는) 인접한 꾸불꾸불한 통로(36, 38, 40, 42, 44, 46)를 통해 계속해서 흐르며 통로(48)를 통해 버킷을 빠져나간다. 인접한 쌍의 부가적 내부 리브(50)에 의해 규정되는 바와 같은 각각의 통로내에 교란기(52)가 버킷의 대향 측벽으로부터 연장하고 있음을 알 수 있다. 그러나, 이러한 교란기는 도 2에 잘 도시된 바와 같이 에어포일부의 전체 두께를 연장하지 않음을 이해할 것이다.

인접한 통로 사이에, 고형의 버킷 벽 또는 리브(33, 50)는 타원형 개구(54)를 갖도록 형성된다. 이러한 개구는 버킷을 주조하는데 사용되는 세라믹 코어의 인접한 고형 부분을 연결하는 타원형 크로스 타이에 의해 형성된다. 코어가 통상의 공정에 의해 제거된 후, 이들 타원형 개구는 남아있게 되어 폐쇄된 도관의 인접한 반경방향 냉각제 통로 사이의 냉각제 크로스 통로로 작용한다. 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 개구(54)는 버킷에 의한 응력 집중을 최소화하도록 타원형이다. 또한, 도 1에 잘 도시된 바와 같이, 버킷 내부의 임의의 위치에서의 심각한 단면 감소를 회피하기 위해 인접한 리브내에서 반경방향 측방향으로 지그재그 형태로 존재한다. 또한, 개구의 수 및 크기는 꾸불꾸불한 냉각 도관내에 흐르는 냉각 유동에 대한 영향을 최소로 하도록 선택된다. 따라서, 냉각 회로 구성에 따라, 일부 내부 리브(33 또는 50)가 하나 이상의 통로(54)를 가질 수 있으며, 횡단 냉각 구멍 또는 개구는 여러 리브에서 상이한 주 및 부 축치수(major and minor axis dimensions)를 가질 수 있다. 바람직하게는, 통로(54)는 인접한 리브내에서 반경방향으로 오프셋된다.

본 발명이 현재의 가장 실제적이고 바람직한 실시예에 관하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변경 및 균등한 구성을 커버하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따르면, 인접한 냉각 통로를 연결하는 횡단 개구가 타원 형상을 가지므로, 버킷내의 응력 집중을 최소화한다. 타원형 횡단 냉각 개구의 수와 위치는 버킷의 내부의 임의의 위치에서의 심각한 단면적의 감소를 회피하도록 선택되며, 이들은 꾸불꾸불한 냉각 회로내의 냉각 유동에 대한 영향을 최소화하도록 공간과 크기를 갖는다.

Claims (10)

1. 에어포일부와 섕크부를 갖는 가스 터빈 부품에 있어서,

   상기 에어포일부는 선단 에지 및 말단 에지와 내부 냉각 회로를 가지며, 상기 내부 냉각 회로는 다수의 반경방향 유출 통로와 다수의 반경방향 유입 통로를 포함하는 꾸불꾸불한 형상을 가지며, 인접한 반경방향 유출 및 유입 통로는 상기 인접한 반경방향 유출 및 유입 통로를 분리하는 반경방향으로 연장하는 리브내에 위치된 하나 이상의 횡단 개구에 의해 연결되며, 상기 개구는 대체로 타원 형상을 갖는 가스 터빈 부품.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 횡단 개구는 인접한 리브내에서 반경방향으로 오프셋된 가스 터빈 부품.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 리브의 일부는 하나의 횡단 개구를 갖고 상기 리브의 다른 일부는 하나 이상의 횡단 개구를 갖는 가스 터빈 부품.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 횡단 개구는 상기 버킷의 주조중에 형성되는 가스 터빈 부품.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 부품은 회전 버킷을 포함하는 가스 터빈 부품.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 부품은 정지 노즐을 포함하는 가스 터빈 부품.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 횡단 개구는 인접한 리브내에서 반경방향으로 오프셋되고 상기 리브의 일부는 하나의 횡단 개구를 가지며 상기 리브의 다른 일부는 하나 이상의 횡단 개구를 갖는 가스 터빈 부품.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 횡단 개구는 버킷의 주조중에 형성되는 가스 터빈 부품.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 횡단 개구는 크기가 다양한 가스 터빈 부품.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 횡단 개구는 크기가 다양한 가스 터빈 부품.