KR20040087877A - 에어포일을 냉각시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

에어포일을 냉각시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20040087877A
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꿍냐프랭크제이.
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

가스 터빈 엔진 내에서 에어포일을 냉각하기 위해 에어포일(airfoil)의 앞전(leading edge) 내에 종방향으로 위치되는 플리넘(plenum)을 포함하는 개선된 냉각 설계 및 냉각 방법이 제고된다. 플리넘 내에는 복수의 난류 촉진자가 위치 설정되어 앞전으로의 열 전달이 향상된다. 또한, 냉각 설계는 앞전을 막냉각(film cool)하기 위한 냉각 기체가 통과하여 방출되는 앞전 외부면의 트렌치(trench) 내에 위치되는 복수의 방출구(outlet)들 뿐만 아니라, 에어포일의 내측 공동(cavity)으로부터 냉각 기체를 수용하기 위한 복수의 유입구(inlet)들을 포함한다.

Description

에어포일을 냉각시키기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR COOLING AN AIRFOIL}
라이트 패터슨 공군 기지(Wright Patterson Air Force Base)의 미 공군(United States Air Force)과의 계약 번호 F33615-02-C-2202에 의거하여 미정부가 본 발명에 대한 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 대체로 가스 터빈 엔진, 특히 터빈의 에어포일의 냉각에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진의 설계에 있어서 주된 관심사는 효율성이다. 역사적으로, 효율성을 증대시키기 위한 기본적인 기술의 하나로 엔진 내 가스 경로의 온도를 상승시키는 방법이 사용되었다. 고온에 견딜 수 있는 합금(high temperature capacity alloy)으로 만들어진 부품을 내부에서 냉각시킴으로써 온도 상승이 조절되었다. 예컨대, 터빈 스테이터 베인(vein)과 블레이드(blade)는 압축기의 공기(compressor air)를 사용하여 냉각된다. 냉각의 효과는 일반적으로 압축기로부터 터빈부를 통과하는 코어 가스(core gas)보다 낮은 온도와 높은 압력에서 인출된다. 냉각된 압축기의 공기는 열 전달의 매체로 되며, 압력의 차이는 냉각 기체를 스테이터 또는 로터부로 통과시키는데 필요한 에너지를 제공한다. 그와 같은냉각에 있어서 냉각기의 추출 공기(bleed air)가 연소기의 연소를 지원하는데 사용될 수 없음을 알 수 있다. 압축기로부터 추출된 공기에 가해지는 상당한 퍼센트의 일은, 한편 냉각 공정 도중에 손실된다. 일이 손실됨으로써 엔진의 추력(thrust)이 더하여지지 않고 엔진의 전체적인 효율에 부정적인 영향을 끼친다. 따라서 당업자는 보다 높은 온도의 코어 가스 경로로부터 획득되는 효율과, 동시에 터빈의 구성요소를 냉각시켜야 할 필요와, 그 냉각을 수행하기 위한 추출 공기로부터 손실되는 효율 사이의 상충이 있음을 알 것이다. 이에 따라, 어떠한 냉각 기체가 사용되는 경우라도 냉각 효율을 극대화하는 것이 중요하다.
따라서, 연소를 지원하는 냉각 공기 흐름의 비가용성에 의한 엔진 성능의 손실을 최소화하기 위해서, 냉각 블레이드와 베인의 어느 구성(scheme)은 압축기의 추출 냉각 공기의 사용을 최적화시켜야 한다. 에어포일의 냉각은 외부 막냉각(external film cooling), 내부 공기 충돌(internal air impingement), 강제 대류(forced convection)와 모든 냉각 방법의 각각 또는 조합에 의해 수행된다.
강제 대류식 냉각에서 압축기의 추출 공기는 블레이드와 베인의 내부 공동을 통과하여 흘러, 그곳으로부터 계속적으로 열을 이동시킨다. 일반적으로, 압축기의 추출 공기는 이를 내부 공동 내로 배출시키는 하나 이상의 유입구를 통해 블레이드와 베인의 내부 공동으로 유입된다.
막냉각은 매우 효율적인 것으로 알려져 있으나, 냉각을 위해 많은 양의 유체 흐름의 추출을 요한다. 또한, 막냉각은 복잡하고 값비싼 방법에 의해 능동 제어된다. 또, 막냉각 구멍(film cooling hole)이 있는 에어포일을 만들고 가공하는 것은 복잡성의 정도를 더할 뿐만 아니라, 값비싸다. 일단 냉각 공기가 에어포일의 내부의 공동으로 유입되어 뜨거운 연소 가스와 혼합되면, 혼합 공정과 상이한 혼합 흐름의 온도차에 의한 심한 성능의 불이익이 생김을 알 수 있다.
많은 경우에 있어서, 냉각 구멍으로부터 냉각 공기가 추출되어 스테이터 또는 로터의 에어포일의 표면을 따라 냉각 공기의 막을 형성하는 것이 필요하다. "추출(bleeding)"이라는 용어는 냉각 공기가 에어포일의 내부 공동으로부터 나가도록 압력 상의 작은 차이가 유발됨을 반영한다. 에어포일의 표면을 따라 흐르는 냉각 공기의 막은 고온의 에너지를 갖는 흐름이 뜨거운 가스의 에어포일로부터 떨어지도록 하며, 냉각의 균일성을 향상시키고, 진행하는 뜨거운 가스의 유동 스트림으로부터 에어포일을 단열시킨다. 그러나 당업자는 가스 터빈의 교란 여건 하에서 막냉각을 형성하고 유지하는 것이 곤란하다는 것을 알 것이다.
막냉각을 형성하는 공지된 하나의 방법은 에어포일의 앞전 또는 그에 인접한 곳에 "샤워헤드(showerhead)" 배열로 냉각 구멍을 위치 설정하는 것이다. 샤워헤드부는 일반적으로 앞전의 어느 한 면에 있는 일렬의 냉각 구멍을 포함한다. 냉각 구멍들은 애프트(aft)에서 경사각을 이루거나 막 형성이 용이하도록 퍼져 있다. 몇몇의 경우에서, 샤워헤드부는 앞전에 바로 위치 설정되는 일렬의 구멍을 포함한다. 미국특허 제5,374,162호가 그와 같은 배열의 예를 개시하고 있다.
냉각 공기의 막을 형성하기 위해 구멍을 사용하는 것과 관련한 일 문제는 구멍에 걸쳐 존재하는 압력 차에 대한 막의 감도(sensitivity)에 있다. 냉각 구멍에 걸쳐 압력의 차가 너무 크면 공기는 막 형성을 보조하지 않고 진행하는 코어 가스로 분사될 것이다. 압력의 차가 너무 작으면 구멍을 통한 냉각 공기의 미미한 흐름을, 더욱 나쁘게는, 뜨거운 코어 가스의 유입(in-flow)을 초래할 것이다. 양자의 경우는 막냉각의 효과에 반대의 영향을 끼친다. 막냉각을 형성하기 위해 구멍을 사용하는 것과 관련된 또다른 문제는 냉각 공기가 에어포일의 스팬을 따라 균일하게 연속적인 선을 따라 분배되지 않고 개별 지점으로부터 분배되는 점에 있다. 냉각 구멍 사이의 간극과, 그들 간극에 바로 인접한 하류 영역(areas immediately downstream of those gaps)은 구멍과, 그들 구멍에 바로 인접한 하류 영역보다 냉각되지 않은 공기에 노출되므로 열 장애가 발생되기 쉽다. 막냉각을 형성하기 위해 구멍을 사용하는 것과 관련된 또다른 문제는 각각의 구멍에 동반되는 응력 집중(stress concentration)이다. 응력 집중은 (일반적으로 동력 또는 열적 팽창에 의해 유발되는) 인접하는 구멍 사이로 뻗어 있는 재료의 좁은 구역(narrow expanse)에 의해 하중이 지지되는 경우에 생긴다. 막냉각의 효과는 냉각 구멍들이 에어포일의 외부면에 대해 얕은 각도로 애프트에서 가까이 패킹되고 기울어지는 경우에 대체로 증가한다. 그러나 기울어지고, 가까이 패킹된 개구(aperture)는 응력 집중을 받기 쉽다. 따라서, 막냉각은 많은 양의 냉각 공기를 필요로 하며, 에어포일의 외부면이 부적절하게 냉각될 수 있다.
몇몇의 종래 기술의 구성에는 에어포일의 외부면에 수직으로 뻗어 있고 평균 정체선(stagnation line)과 함께 앞전에 배열되는 냉각 구멍을 가진다. 에어포일의 앞전과 충돌(encounter)하는 고온의 코어 가스(공기와 연소 제품을 포함하는)는 에어포일의 흡입부와 압력부 측부의 주위로 발산되며, 가스의 일부는 앞전과 충돌한다. 에어포일을 따라 코어 가스의 흐름의 속도가 0으로 감속되는 지점(예컨대, 충돌 지점)을 정체점(stagnation point)이라고 일컫는다. 정체점은 앞전부를 따라 스팬 방향으로 구비되며, 그들 지점을 총괄하여 정체선이라고 일컫는다. 앞전 또는 그에 인접하는 곳에의 공기 충돌에 이어 에어포일은 어느 한 쪽 면으로 전환된다. 실질적인 실시에 있어서, 로터의 속도와 코어 가스의 속도는 시간의 함수 및 앞전에 대한 위치의 함수로 엔진의 작동 조건에 따라 변화한다. 그러한 냉각 구멍의 배열에 의해 냉각 공기는 비대칭적으로 분포될 수 있다. 예컨대, 일렬의 냉각 구멍이 있는 일 측으로 실질적인 정체선이 이동(shift)되어 배출되는 냉각 공기는 일렬이 있는 일 측으로 압박될 수 있고, 따라서 반대측의 냉각 공기는 희박해진다. 정체선에 의할 수 있고 그에 의한 에어포일의 동작 중의 이동은 구멍이 평균 정체선에 위치되어도 냉각 공기 분포의 모든 문제가 치유되지는 않는다는 것을 나타낸다. 냉각 구멍이 외부면에 수직으로 뻗어 있고 스팬 방향에 대해 기울어져 있어도 냉각 공기의 분포가 비대칭적으로 될 가능성은 해결되지 않는다.
또한, 몇몇의 종래 기술의 구성은 앞전에 냉각 구멍이 있는 트렌치(trench)를 사용한다. 냉각 구멍은 개별 냉각 지점으로 존재하며 그 사이에 냉각되지 않은 영역이 존재한다. 냉각 구멍은 냉각 공기가 트렌치 내에 머물고 트렌치 밖으로 추출될 수 있도록 트렌치를 채워야 한다. 트렌치 사용에 있어서의 핵심은 트렌치를 냉각 공기로 채우는 것이다. 그러나, 너무 많은 냉각 구멍을 부가할 경우, 압축기로부터 상당한 양의 냉각 공기를 요하게 되어 터빈의 효율성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 또한 에어포일의 앞전에 너무 많은 냉각 구멍을 위치시킬 경우, 구멍 사이의 금속에 바람직하지 않은 열에 의한 응력을 생성할 수 있다. 또한, 트렌치가 적절하지 않게 채워지는 경우 구멍 사이에 냉각되지 않은 영역이 생길 위험이 있다. 마지막으로 막구조에 의해 앞전과 애프트의 앞전을 냉각하는 종래 기술의 구성은 따라서 적절한 막의 인가 범위(coverage)를 보증하도록 상당한 양의 냉각 공기를 필요로 한다.
터빈 엔진 블레이드의 설계자와 엔지니어들은 에어포일을 냉각시키고, 터빈 블레이드의 수명을 연장시키고, 엔진의 작동 비용을 줄이기 위한 보다 효과적인 방법을 개발하기 위해 끊임없이 노력한다. 이를 달성하기 위하여 사용되는 냉각 공기는 연료의 소비의 전체적인 관점에서 볼 때 값비싸다. 따라서, 터빈의 에어포일과 특히 에어포일의 앞전을 냉각하는 데에 사용될 수 있는 냉각 공기는 터빈 에어포일의 수명을 연장하기 위해서 뿐만이 아니라 엔진의 효율을 개선하기 위해 보다 효과적이고 효율적으로 사용되어야 하며, 이에 의해 엔진의 작동 비용을 낮출 수 있다. 따라서, 사용 가능한 냉각 공기의 사용을 보다 효과적이고 효율적이도록 하는 에어포일의 냉각 설계가 계속적으로 요구된다.
따라서, 터빈의 에어포일의 내구성을 연장시키기 위해서는, 필요한 냉각 공기의 양을 최적화시키고 냉각 개구 사이의 간격에 관계된 응력을 줄임과 동시에 확실하고 완전하며 균일한 막냉각을 제공하는 에어포일의 앞전에 사용하기에 적합한 개선된 냉각 설계를 요한다. 또한, 막냉각, 충돌식 냉각(impingement cooling), 대류식 냉각(convective cooling)를 사용하며 주조 공정으로 만들어질 수 있는 앞전의 냉각 구성을 필요로 한다.
상술된 바 및 다른 결점과 결함들은 본 발명에 의해 극복되거나 경감된다.
본 발명은 새롭고 효과적인 접근을 통해 에어포일의 앞전을 대류식으로 냉각하는 막냉각과 결합된 에어포일의 냉각 시스템을 제공한다. 특히, 이 결합은 보다 적은 양의 냉각 압축기 공기로써 동일한 앞전의 금속의 온도를 달성할 수 있어 종래 기술의 앞전의 냉각 구성을 뛰어넘는 장점을 제공한다. 보다 적은 양의 압축기 공기의 흐름을 사용하므로, 에어포일의 내구성에 반대의 영향을 끼치지 않으면서 터빈의 효율을 증대시킬 수 있는 추가적인 장점을 가지게 된다.
본 발명의 에어포일은 에어포일의 단부로부터 냉각 흐름이 흘러들어갈 수 있는 내부 공동과, 앞전(leading edge) 및 뒷전(trailing edge)에서 접합되는 흡입부와 압력부 측벽을 포함하고, 플랫폼의 제1 단부에서 제2 단부로 뻗어 있는 외부벽을 포함한다. 냉각 공기는 내부 공동으로부터의 복수의 유입구들을 통해 제1 플리넘(plenum)으로 유입되고, 복수의 개별 나비 넥타이 형상의(bow-tie shaped) 페디스털(pedestal)들과 충돌하며, 냉각 공기를 흡입부 측벽으로 방출하도록 유도하는 복수의 방출 슬롯들로 향하게 하여 에어포일을 막냉각한다. 마찬가지로, 냉각 공기는 내부 공동으로부터의 복수의 유입구들을 통해 제2 플리넘으로 유입되고, 복수의 개별 페디스털들과 충돌하며, 냉각공기를 흡입부 측벽을 지나 방출하도록 유도하는 복수의 방출 슬롯들로 향하게 하여 에어포일을 막냉각한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 많은 대안의 에어포일(블레이드와 베인) 구성과 연결되어 실시되고 사용될 수 있다. 막냉각에 의한 앞전부에서의 효과적인 대류식 냉각과 효과적인 단열의 조합으로 종래 및 현재의 설계에 비해 보다 냉각되는 앞전의 설계를 제공한다. 따라서, 본 발명은 에어포일의 양 측면의 앞전에서 균일성과 내구성이 증가된 하류의 냉각 공기의 막을 제공한다. 본 발명의 또다른 이점은 앞전부와 앞전에 바로 인접한 하류 영역을 따라 응력이 최소화되는 점이다. 또한, 본 발명의 설계로 냉각 공기가 블랭킷(blanket)에 균일하게 퍼지도록 방출 슬롯의 간격을 이격시킬 수 있어 막의 인가 범위가 개선되며, 내부에 난류가 제공되어 열 취합(pick-up)이 증가되고 냉각 효과가 개선된다. 따라서, 유리하게는, 본 발명의 유익한 냉각 디자인을 사용한 에어포일의 앞전은 보다 긴 서비스 수명과 내구성을 가질 뿐만 아니라 터빈의 전체적인 효율도 개선시킨다.
본 발명은 또한 가스 터빈에 사용하기에 적합한 터빈 블레이드의 앞전을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 방법은 앞전 내의 마이크로 순환로(microcircuit)를 제조하는 단계를 포함하고 냉각 공기가 냉각 유체원(fluid source)으로부터 마이크로 순환로의 복수의 유입구들로 흐르도록 구비된다.
본 명세서에서 상술한 본 발명의 목적 및 기타의 목적들과, 특징과, 이점들은 본 명세서에 첨부되는 도면에 도시되는 최상의 실시예를 상세하게 설명함으로써 보다 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 터빈 에어포일을 사용하는 형태의 가스 터빈 엔진의 단면도.
도2는 본 발명의 냉각 구성이 합체된 앞전을 따라 본 에어포일의 사시도.
도3은 도2의 에어포일의 앞전에 걸쳐 냉각 공기의 흐름을 도시하는 도2의 부분도.
도4는 도3의 선4-4에 따라 취한 내부 공동, 공급 유입구 및 방출 슬롯을 가지는 도2의 에어포일의 부분 단면도.
도5는 앞전 내의 냉각 설계의 내부 단면도를 도시하는 도2의 에어포일의 앞전의 부분 사시도.
도6은 도4의 선6-6을 따라 취한 공급 유입구를 도시하는 부분 사시도.
도7은 냉각 공기가 어떻게 내부 공동으로부터 앞전으로 공급되는지를 도시하는 도2의 에어포일의 앞전에서의, 본 발명의 냉각 설계를 나타내는 부분 사시 절결도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
32 : 에어포일
36 : 내부 공동
40 : 냉각 공기
42 : 압력부 측벽
44 : 흡입부 측벽
46 : 앞전(leading edge)
48 : 뒷전(trailing edge)
50 : 가스 유동 스트림
58 : 트렌치의 제1 부분
60 : 트렌치의 제2 부분
64 : 제1 개구
66 : 제2 개구
68 : 제3 개구
70 : 제4 개구
72 : 제1 유입구
74 : 제2 유입구
76 : 제3 유입구
78 : 제4 유입구
80 : 제1 플리넘
82 : 제2 플리넘
86 : 페디스털
88 : 페디스털의 중앙부
92 : 페디스털의 제1 부분
94 : 페디스털의 제2 부분
엔진 중심선 또는 중심축(12)을 중심으로 원주방향으로 배치되는 발전 또는 추진에 사용되는 가스 터빈과 같은 가스 터빈 엔진(10)이 도시된다. 엔진(10)은 팬(14), 압축기(16), 연소부(18)와 터빈(20)을 포함한다. 알려진 바와 같이, 압축기(16)의 압축 공기는 연소부(18)에서 연료와 혼합되어 연소되고 터빈(20)에서 팽창된다. 압축기(16)에서 압축된 공기와 터빈(20)에서 패창되는 연료 혼합물은 모두 뜨거운 가스 유동 스트림(뜨거운 연소 가스, 가스류 흐름)(50)으로 일컬어 질 수 있다. 터빈(20)은 팽창에 반응하여 압축기(16)와 팬(14)을 회전하도록 구동시키는 로터(22)를 포함한다. 터빈(20)은 교차하는 회전식 에어포일 또는 블레이드(24)와 베인(26)의 열을 포함한다. 도1에 도시되는 시스템의 사용은 본 발명을 제한하는 것이 아닌 예시적인 목적만을 가지며, 본 발명은 전기 발전과 항공기에 사용되는 가스 터빈에 사용될 수 있다.
도2와 도3을 참조하여, 본 발명을 상세하게 설명한다. 도2는 본 발명의 블레이드(24)의 사시도이다. 도3은 도2의 블레이드의 부분도이다. 블레이드(24)는 뿌리부(root portion)(28), 플랫폼(30), 에어포일(32) 및 팁(34)을 포함한다. 블레이드는 또한 볼록부의 대부분에서 측방향 또는 주연방향으로 이격되는 대체로 오목한 제1 측벽 즉, 압력부 측벽(42)과, 제2 측벽 즉, 흡입부 측벽(44)을 포함한다. 각각의 측벽(42, 44)들은 축 방향으로 대향하는 앞전과 뒷전(46, 48)에서 각각 상호 접합되며, 에어포일(32)이 플랫폼(30)과 만나는 뿌리부(28)로부터 에어포일(32)을 둘러싸고 있는 팁(34)까지 종방향 또는 반경 방향으로 뻗는다. 따라서, 에어포일(32)은 흡입부 측벽(44)과 압력부 측벽(42)을 포함하는 외부벽(38)을 구비한다. 각각의 측벽(42, 44)은 앞전과 뒷전(46, 48) 사이의 시위방향(chordwise)으로, 플랫폼(30)과 팁(34) 사이의 스팬 방향으로 각각 뻗는다. 뜨거운 연소 가스(50)(도1에 도시)는 에어포일(32)의 외부벽(38)을 따라 흐른다.
도4를 참조하여 도3의 선4-4를 따라 취하여 도시되는 도2의 에어포일의 부분 단면도를 설명한다. 에어포일(32)은 외부벽(38)에 의해 둘러싸이는 하나 이상의 내부 냉각 공동(36)을 포함한다. 앞서 설명한 것처럼, 내부 냉각 공동(36)은 종래의 어느 형태, 사형(蛇形, serpentine)의 다중 통과(multi-passing) 채널(냉각 순환로)의 형태일 수 있으며, 냉각 공기(40)는 대체로 엔진의 압축기(16)(도1에 도시)로부터 추출되는 공기의 일부분이다.
도3과 도4를 참조하여 앞전(46)을 따라 외부벽(38)에 배치되는 트렌치(52)를 포함하는 에어포일(32)을 설명한다. 기부(54)와 한 쌍의 대향하는 측벽(56)을 포함하는 트렌치(52)는 양호하게는 소정의 장치의 최고의 열부하 작동 조건에서의 정체선을 나타내는 선(84)(이하, 본 명세서에서는 이 선을 "정체선"이라 일컫는다)에 중심 설정된다(도3에 도시). 따라서 트렌치(52)는 압력부 측벽(42)에 인접하게 위치한 제1 부분(58)과 흡입부 측벽(44)에 인접하게 위치한 제2 부분(60)으로 분할된다. 제1 부분과 제2 부분(58, 60)은 앞전(46)을 따라 종방향으로 뻗는다. 트렌치(52)의 폭은 양호하게는 모든 작동 조건 하에서 모든 정체선들이 트렌치(52)의 측벽(56)의 사이로 놓일 수 있을 만큼 넓다. 트렌치(52)의 폭이 모든 가능한 정체선 위치부를 수용할 만큼 넓지 않다면, 트렌치(52)의 폭과 위치는 최고의 열 부하 작동 조건에 부합하는 정체선의 최대 개수를 수용할 수 있도록 선정된다.
에어포일(32)은 앞전(46)을 따라 배치되고, 양호하게는 트렌치(52) 내에 위치되어 냉각 공기(40)가 외부벽(38)을 통과하기 위한 통로를 제공하는 복수의 막냉각 개구(62)(도2에 도시)들을 포함한다. 더욱 구체적으로, 냉각 개구(62)(도2에도시)는 트렌치(52)의 제1 부분(58) 내에 배치되는 제1 개구(64)와, 트렌치(52)의 제2 부분(60) 내에 배치되는 제2 개구(66)를 포함한다. 더욱 양호하게는, 종방향으로 뻗는 일렬의 제1 개구(64)들과 종방향으로 뻗는 일렬의 제2 개구(64)들을 구비하며, 일렬의 제2 개구(66)들은 일렬의 제1 개구(64)에 대해 기울어지거나 오프셋된다. 에어포일(32)은 앞전(46)에 인접하는 에어포일(32)의 압력부 측벽(42)에 배치되는 제3 개구(68), 양호하게는 일렬의 제3 개구들과, 앞전(46)에 인접하여 에어포일(23)의 흡입부 측벽(44)에 배치되는 제4 개구(70), 양호하게는 일렬의 제4 개구들을 포함한다. 전형적인 실시예에서, 제1 개구, 제2 개구, 제3개구 및 제4 개구(64, 66, 68, 70)들은 종방향의 길이 방향으로 뻗는 슬롯의 형상이다.
도5를 참조하여 도2에 도시되는 에어포일의 앞전의 부분 사시도를 설명한다. 도5는 내부 냉각 공기(40)를 냉각 공동(36)으로부터 앞전의 각각의 제1 개구, 제2 개구, 제3 개구 및 제4 개구(64, 66, 68, 70)로 공급하는 방법을 도시한다. 또한 도6은 도4의 선 6-6에 따라 취한 에어포일(23)의 부분 사시도를 도시한다. 도6은 냉각 공기(40)가 앞전(46)에서의 분배를 위해 내부 공동(36)으로부터 계량되어 통과하는 제1 공급 유입구, 제2 공급 유입구, 제3 공급 유입구 및 제4 공급 유입구(72, 74, 76, 78)를 도시한다.
본 발명의 전형적인 실시예에서 에어포일(32)의 앞전(46)은 도5와 도6에 도시되는 블레이드(24)의 앞전 내에 종방향으로 위치되는 마이크로 순환로(90)의 사용을 포함한다. 마이크로 순환로는 맞춤식으로 제작될 수 있고, 고효율의 대류식 냉각을 가능하게 한다. 향상된 냉각 구조를 위해서는 고효율의 대류와 함께 고효율의 막이 요구된다.
마이크로 순환로는 가공되거나 일부분 내에 일체로 성형될 수 있다. 전형적인 실시예에서, 마이크로 순환로는 내화 금속(refractory metal)으로 형성되고 주조 전에 일부분 내에 캡슐화된다. 이들 내화 금속은 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)을 포함하고, 니켈계 초합금의 통상적인 주조 온도를 초과하는 녹는점을 가진다. 이들 내화 금속은 얇게 세공되는 시트 또는 터빈과 연소 냉각 설계에서 볼 수 있는 냉각 채널의 특성부를 만드는 데 필요한 크기의 형태로 생산될 수 있다. 구체적으로, 그러한 마이크로 순환로는 연소 라이너, 터빈 베인, 터빈 블레이드, 터빈 보호덮개(shroud), 베인 단부벽과, 에어포일 엣지(edge)를 포함하며 이에 한정되지 않는 부품들로 만들어질 수 있다. 그러한 부품들은 양호하게는, 부분 또는 전부가 니켈계 합금 또는 코발트계 합금으로 형성된다. 얇게 세공된 금속 시트와 호일은 복잡한 형상으로 절곡되고 성형되기에 충분한 연성을 가진다. 이 연성은 왁싱/쉘링(waxing/shelling) 사이클을 견뎌 낼 수 있게 견고해야 한다. 주조(주형 성형)가 끝난 후 내화 금속이 화학적 분리법, 열 리칭(thermal leeching), 산화법 등으로 분리되면, 도5에 도시되는 마이크로 순환로(90)를 형성하는 공동이 남게 된다. 본 발명의 냉각 설계는 세라믹 코어가 있는 인베스트먼트 주조(investment casting) 기술을 사용하여 또한 만들어질 수 있다.
냉각 공기(40)는 내부 공동(36)으로부터 공급 유입구(72, 74)를 통해 종방향으로 뻗는 통로 및 방향 지정을 위한 마이크로 순환로의 제1 플리넘(80) 내로 공급되며, 개구(66, 70)를 통해 에어포일(32)의 외부로 방출된다(도5에 도시). 마찬가지로, 냉각 공기(40)는 내부 공동(36)으로부터 공급 유입구(76, 78)를 통해 종방향으로 뻗는 통로 및 방향 지정을 위한 마이크로 순환로의 제2 플리넘(82) 내로 공급되며, 최종적으로 개구(64, 68)를 통해 에어포일(32)의 외부로 방출된다.
도7에는 본 발명에 따른 구성과 플리넘(80, 82)이 보다 상세하게 도시된다. 도7은 도4의 선 7-7을 따라 취한 에어포일(32)의 냉각 설계를 도시하는 부분 절결도이다. 플리넘(80, 82)은 앞전(46)에서 미세 통로 또는 통로가 됨을 알 수 있다. 도3과 도7에 도시되는 바와 같이, 상술된 공급 유입구(72, 74, 76, 78)들과 각각의 개구(방출 슬롯)(64, 66, 68, 70)들의 패턴은 에어포일의 앞전을 따라서 반복됨을 알 수 있다.
도5와 도7을 다시 참조하면, 각각의 플리넘(80, 82) 내에는 종방향으로 뻗어 있는 페디스털(86)이 있음을 알 수 있다. 전형적인 실시예에서, 페디스털(86)은 프로펠러 또는 나비 넥타이 형상이며, 그러한 페디스털(86)들은 중심(88)과, 제1 부분(92)(도7에 도시)과, 제2 부분(94)(도7에 도시)을 갖는다. 제1 부분과 제2 부분(92, 94)은 중심(88)으로부터 외향으로 테이퍼되며 중심에서 만나고, 제1 부분은 제2 부분(94)보다 종방향으로 팁(34)(도3에 도시)에 더 가깝다. 페디스털(86)은 또한 제1 측면(96)과, 이와 대면하는 제2 측면(98)과, 상호 대면하는 단부(100, 102)를 갖는다. 도7에 도시되는 바와 같이, 제1 측면(96)은 대체로 앞전(46)을 대면하는 반면, 제2 측면(98)은 대체로 각각의 측벽(42, 44)을 대면한다. 페디스털(86)은 각각의 플리넘(80, 82) 내에 위치되며, 앞전 내에서 단부(100)에서 단부(102)로 그 사이에 간극(104)을 가지면서 종방향 또는 반경 방향으로 배열된다. 양호하게는 각각의 중심(88)들은 각각의 공급 유입구(72, 74, 76, 78)로부터 플리넘(80, 82)으로 유입되는 냉각 공기(40)와 정렬하도록 위치 설정된다. 페디스털(86) 사이의 간극(d)은 약 0.508mm(0.020in)보다 작은 반경 방향 길이를 가진다. 또한 페디스털의 폭(w)은 약 1.524mm(0.060in)보다 작고, 페디스털의 반경 방향 길이(L)는 3.810mm(0.150in)보다 작다. 또한 페디스털(86)은, 전형적인 실시예에서, 각각의 플리넘(80, 82) 내에서 충분히 뻗어 있으므로 냉각 공기(40)가 제1 측면과 제2 측면(96, 98)을 흘러나갈 수 없다.
도5, 도6 및 도7을 참조하여 본 명세서에서 도시되고 설명되는 본 발명의 이점들이 본 발명이 어떻게 작동하여 에어포일을 냉각시키는지를 통해 더욱 이해될 것이다.
제1 플리넘(80)에 대한 냉각 공기의 흐름(40)을 설명하도록 한다. 냉각 공기(40)는 내부 공동(36)으로부터 공급 유입구(72)를 통해 제1 플리넘(80)으로 유입된다. 제1 플리넘(80)으로 유입되면, 냉각 공기(40)는 페디스털(86)의 중심(88)과 충돌하여 제1 측면(96), 보다 구체적으로는 방향 지정을 위한 페디스털(86)의 제1 부분 및 제2 부분(92, 94)과 즉시 정렬되고 이를 따라 안내되며, 방출 슬롯(66)을 통해 방출된다. 이 방식으로 제1 부분(92)은 냉각 공기(40)를 제1 부분(92)에 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(66)으로 안내하며, 제2 부분(94)은 냉각 공기(40)를 제2 부분(94)에 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(66)으로 안내한다. 따라서, 이 방식으로, 도5와 도7에 도시되는 바와 같이, 냉각 공기(40)는 인접한 방출 슬롯(66)들을 통해 방출된다.
마찬가지로, 그 다음에 있는 일렬의 공급 유입구(72)는 냉각 공기(40)를 또한 제1 플리넘(80)으로 유도하여 또다른 페디스털(86)의 중심(88)에 대향하도록 유도할 것이다. 냉각 공기(40)는 페디스털(86)의 제1 부분 및 제2 부분(92, 94)과 충돌하며, 제1 부분(92)은 냉각 공기(40)를 제1 부분(92)과 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(66)으로 안내하고, 제2 부분(94)은 냉각 공기(40)를 제2 부분(94)에 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(66)으로 안내한다. 이 방식으로, 그리고 도5와 도7에 도시되는 바와 같이, 각각의 방출 슬롯(66)은 하나의 페디스털(86)의 제1 부분(92)과 이에 바로 인접한 페디스털(86)의 제2 부분(94)으로부터의 냉각 공기를 유도함을 알 수 있다. 따라서, 인접한 공급 유입구(72)로부터 각각의 방출 슬롯(66)으로 이중 공급되므로 에어포일(32)을 막냉각하기 위한 각각의 방출 슬롯(66)으로부터 냉각 공기가 적합하고 균일하게 방출하는 것이 보증됨을 알 수 있다. 그 결과, 이 이중 공급으로 트렌치가 냉각 공기(40)로 채워지는 것이 또한 보증된다.
또한, 전형적인 실시예에서, 냉각 공기는 각각의 공급 유입구(72)로부터 플리넘(80)에 공급되며 일렬의 방출 슬롯(66)을 통해 방출됨을 알 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 각각의 방출 슬롯(66)을 통해 방출되는 냉각 공기(40)는 2개의 인접한 공급 유입구(72)로부터 플리넘 내로 유도되어 플리넘(80)으로부터 공급된 것이다. 이 방식으로, 냉각 공기(40) 흐름의 패턴은 일렬의 공급 유입구(72), 일렬의 방출 슬롯(66) 및 일렬의 페디스털(86)이 있는 에어포일(32)의 앞전(46)을 따라 반복된다.
마찬가지로, 냉각 공기(40)는 내부 공동(36)으로부터 제2 공급 유입구(74)를 통해 제1 플리넘(80)으로 방출된다. 제1 플리넘(80)으로 유입되면, 냉각 공기(40)는 페디스털(86)의 중심과 충돌하며, 방향 지정을 위한 페디스털(86)의 제2 측면(98)을 따라 정렬되고 안내되며, 방출 슬롯(70)을 따라 방출된다. 냉각 공기(40)는 페디스털(86)의 제1 부분 및 제2 부분(92, 94)과 충돌하며, 제1 부분(92)은 냉각 공기를 제1 부분(92)에 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(70)으로 안내하고, 제2 부분(94)은 냉각 공기(40)를 제2 부분(94)에 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(66)으로 안내한다. 이 방식으로, 도5와 도7에 도시되는 바와 같이, 냉각 공기(40)는 인접한 방출 슬롯(70)들을 통해 방출된다. 마찬가지로, 그 다음에 있는 일련의 공급 유입구(74)는 냉각 공기(40)를 또한 제1 플리넘(80)으로 유도하여 또다른 페디스털(86)의 중심(88)에 대향하도록 유도할 것이다. 냉각 공기(40)는 페디스털(86)의 제1 부분 및 제2 부분(92, 94)과 충돌하며, 제1 부분(92)은 냉각 공기(40)를 제1 부분(92)과 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(70)으로 안내하고, 제2 부분(94)은 냉각 공기(40)를 제2 부분(94)에 가장 인접하고 근접한 방출 슬롯(70)으로 안내한다. 이 방식으로, 각각의 방출 슬롯(70)은 하나의 페디스털(86)의 제1 부분(92)과 이에 바로 인접한 페디스털(86)의 제2 부분(94)으로부터의 냉각 공기를 유도함을 알 수 있다. 따라서, 인접한 공급 유입구(74)로부터 각각의 방출 슬롯(70)으로 이중 공급되므로 에어포일(32)을 막냉각하기 위한 각각의 방출 슬롯(70)으로부터 냉각 공기가 적합하고 균일하게 방출하는 것이 보증됨을 알 수 있다.
또한, 전형적인 실시예에서, 냉각 공기(40)는 각각의 공급 유입구(74)로부터 플리넘(80)에 공급되며 일렬의 방출 슬롯(68)을 통해 방출됨을 알 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 각각의 방출 슬롯(68)을 통해 방출되는 냉각 공기(40)는 2개의 인접한 공급 유입구(74)로부터 플리넘 내로 유도된 플리넘(80)으로부터 공급된 것이다. 냉각 공기(40) 흐름의 패턴은 일렬의 공급 유입구(74), 일렬의 방출 슬롯(68)과 및 일렬의 페디스털(86)이 있는 에어포일(32)의 앞전(46)을 따라 반복된다.
냉각 공기가 내부 공동(36)으로부터 공급 유입구(72, 74)를 통해 제1 플리넘(80)으로 유입되고, 페디스털(86)과 충돌하고, 방출 슬롯(66, 70)을 통해 방출되는 것과 마찬가지로 냉각 공기는, 각각 내부 공동(36)으로부터 공급 유입구(76, 78)를 통해, 제2 플리넘(82)으로 유입되고, 제2 플리넘(82) 내의 페디스털(86)과 충돌하고, 개구(64, 68)를 통해 방출된다.
일단 냉각 공기(40)가 방출 슬롯(66)을 통해 방출되면, 이는 블레이드(24)(도2에 도시)에서의 자유 가스 흐름의 운동량 플럭스(momentum flux)를 압도할 만한 충분한 운동량 플럭스를 가지지 않으므로 압력부 측벽(42)을 향하도록 유도된다. 마찬가지로, 방출 슬롯(64)을 통해 방출된 냉각 공기(40)는 흡입부 측벽(44)을 향하도록 유도된다. 따라서, 뒷전(46)은 전체 길이에 걸쳐 블랭킷 또는 냉각 공기로 싸인다. 따라서 방출 슬롯(64, 66)은 트렌치(52)를 냉각 공기로 채움으로써 막에 약 100% 인가되는 연속적인 막 블랭킷을 제공하여 에어포일(32)을 보호하고 냉각시키는 것을 주목하여야 한다. 방출 슬롯(68)을 통해 방출되는 냉각 공기(40)는 압력부 측벽(42)을 막냉각시키고, 방출 슬롯(70)을 통해 방출된 냉각 공기(40)는 흡입부 측벽(44)을 막냉각시켜, 에어포일(32), 특히 앞전(46)의 막냉각이 더욱 향상된다.
전형적인 실시예와 도4에 가장 잘 도시되는 마이크로 순환로의 거리(D)는, 이것이 앞전(46) 내에 심어 넣어진 경우, 양호하게는 약 0.762mm(0.030in)부터 약 1.270mm(0.050in)까지이며, 가장 양호하게는 약 1.143mm(0.045in)이다. 또한 전형적인 실시예에서, 각각의 개구(64, 66, 68, 70)의 길이(L1)는 약 2.540mm(0.100in)부터 약 5.080mm(0.200in)까지이며, 폭(w1)은 약 0.305mm(0.012in)부터 약 0.508mm(0.020in)까지이다. 양호하게는, 각각의 유입구(72, 74, 76, 78)의 길이(L2)는 약 0.381mm(0.015in)부터 약 0.762mm(0.030in)까지이며, 폭(w2)은 약 0.305mm(0.012in)부터 0.508mm(0.020in)까지이다. 마이크로 순환로의 두께는 0.432mm(0.017in)일 때 가장 양호하다.
또한, 본 발명은 블레이드(24)(도2에 도시)의 내부 공동(36)으로부터 추출되는(extract) 냉각 공기의 양을 또한 제한하여 바람직하고 이상적인 앞전에서의 냉각 결과를 달성한다. 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 냉각 공기의 공급은 압축기(16)(도1에 도시)로부터 얻어지며, 최종적으로 터빈(20)(도1에 도시)의 구역으로 방출된다. 이 공기는 압축기(16)(도1에 도시)로부터 나온 것이며, 유용한 터빈 작동으로부터 생산된 것이다. 따라서 본 발명의 유입구(72, 74, 76, 78)들은 이들 기생 손실을 줄이기 위해 가스의 자유 흐름 유량의 약 1.0%보다 작도록 크기가 설정된다.
냉각 효율(cooling effectiveness ratio)은 뜨거운 연소 가스(50)(도1에 도시)와 금속 벌크의 온도 차에 대한 뜨거운 연소 가스(50)(도1에 도시)와 냉각제(coolant)(냉각 공기) 사이의 온도 차의 비율로 정의된다. 금속의 온도가 더 냉각될수록 블레이드(24)(도2에 도시)의 전체적인 내구성이 좋아지므로, 양호하게는, 터빈 엔지니어와 설계자들은 약 70%를 넘는 냉각 효율을 위한 설계를 하려고 노력한다. 이는 본 발명에서 두 가지 방식으로 달성된다. 첫째, 막냉각을 사용하여 뜨거운 연소 가스(50)(도1에 도시)의 온도를 낮추고, 에어포일(32)을 뜨거운 연소 가스(50)(도1에 도시)로부터 단열한다. 냉각 공기가 방출 슬롯(64, 66, 68, 70)으로부터 뜨거운 연소 가스의 흐름으로 배출됨에 따라 냉각 공기와의 혼합에 의해 온도가 낮아진다. 그러나, 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 냉각 공기가 압축기(16)(도1에 도시)로부터 더 많이 빠져나올수록, 압축기(16)(도1에 도시)가 생산할 수 있는 일은 적어지기 때문에 이 방법에 완전히 의존하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 그리고 상술한 바와 같이, 본 발명은 내부에서 대류식으로 앞전(46)을 냉각시키는 신규한 접근 방식을 사용하여 바람직한 냉각 효율을 달성한다. 전통적인 에어포일의 앞전에서의 막냉각에는 이 방법이 사용되지 않아 높고 확실한 효율의 정도가 달성되지 않는다. 대류식 냉각 효율은 냉각 공기가 마이크로 순환로(90) 내에서 흐름에 따라 취합되는 열의 양의 함수로 다음과 같다.
ηc= [T냉각제, 방출- T냉각제, 유입]/[T금속- T냉각제, 유입]
T냉각제, 방출= 방출구로 방출되는 냉각 공기의 온도
T냉각제, 유입= 유입구로 유입되는 냉각 공기의 온도
T금속= 에어포일의 금속 벌크의 온도
상기의 식으로, 터빈 엔지니어와 설계자는 높은 열 취합율로써 에어포일(32)(도2에 도시)의 앞전(46)을 냉각시키도록 설계한다. 본 설계는 이하에서 상술되는 여러 방식으로 열 취합율을 증가시킨다. 첫째, 페디스털(86)은 마이크로 순환로(90) 내의 난류 촉진자이다. 둘째, 페디스털(86)은 또한 표면적이 증가하도록 이바지하여 대류식 열 흐름 통로를 향상시킨다. 셋째, 페디스털(86)은 냉각 공기를 각각의 방출 슬롯(64, 66, 68, 70)으로 유도되도록 기여한다. 넷째, 유입구(70)는 냉각 공기가 유입구로부터 각각의 플리넘(80, 82)을 통해 흐름에 따라 앞전 냉각의 충돌원을 제공한다. 따라서 플리넘(80, 82)과 페디스털(86)은 에어포일(32)의 앞전(46) 내에 미세 통로를 형성한다. 따라서, 본 발명은 에어포일(32)(도2에 도시)의 앞전(46)을 냉각시키는 데 막냉각에 전적으로 의존하지 않는다.
또한, 본 발명은 앞전(46)에 막냉각을 제공하는 방출 슬롯(64, 66, 68, 70)의 간격을 맞춤 제작(tailor) 할 수 있는 가능성을 제공한다. 종래 기술에는, 막냉각의 구멍 사이의 간격으로 다소의(modest) 막냉각의 인가 범위가 제공되었다. 이 영역의 금속은 평균 막 온도보다 높은 온도를 거치게 되므로 금속을 냉각시키는 것은 앞전의 표면을 냉각시키는 금속 내의 대류에 의존한다. 본 발명은 유익하게는, 종래 기술과는 달리, 방출구의 형상이 긴(elongated) 슬롯이도록 하여, 양호하게는 그리고 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 트렌치(52)를 채우는 냉각 공기(40)가 방출 슬롯(64, 66, 68, 70)으로부터 균일하게 배출되는 것이 보증되도록 하나의 방출 슬롯당 2개의 유입구로부터 냉각 공기가 공급되도록 제공된다. 종래 기술의 설계에서는, 드릴 가공(drilling)의 방법으로 원형의 구멍을 만든다. 따라서, 본 발명에서는 막냉각에 의해 제공되는 인가범위(coverage)는 종래 기술의 설계에 비해 효과적이고 효율적이다.
본 발명은 또한 산화, 부식, 외부 물질에 의한 손상과 먼지 플러깅(plugging) 등 여러 원인에 의한 개구의 플러깅을 감소시키는 에어포일의 앞전을 위한 냉각 설계를 유익하게 제공한다. 플러깅을 방지하여 가스 터빈의 여건 하에서 에어포일에 사용되는 열 차단부의 코팅의 역파쇄(adverse spalling)를 유발할 수 있는 상태를 피한다.
본 발명의 또다른 이점은 공급 유입구(72, 74, 76, 78)가 특정 에어포일 설계와 특정 장치에 따라 맞춤 제작되어 내부 공동(36)으로부터 냉각 공기(40)를 공급받도록 크기 설정될 수 있다는 점이다. 이 이점으로 마이크로 순환로로 유입되는 냉각 유량이 계측되어 에어포일(32)(도2에 도시), 예컨대 앞전(46)을 냉각시키기 위한 최적의 냉각 공기 유량만이 압축기(16)(도1에 도시)로부터 추출되도록 한다. 따라서, 필요한 것만을 추출하여, 종래 기술의 설계에 비해 보다 많은 냉각 공기가 주된 가스 경로에 유지될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 다른 에어포일(블레이드와 베인)의 많은 구성부와 연결되어 실시되고 사용될 수 있다. 또한, 방출 슬롯(64, 66, 68, 70)과 공급 유입구(72, 74, 76, 78)의 크기와 배향뿐만 아니라, 페디스털(86)의 크기, 형상과 배향이 주어진 에어포일의 설계에서 앞전(46)을 최적화하기 위해 당업자에 의해, 그리고 본 발명의 범주 내에서 모두 변경될 수 있다.
따라서, 본 발명은 신규한 접근 방식으로 에어포일을 막냉각과 대류식 냉각 모두가 가능한 냉각 시스템을 제공한다. 특히, 이 조합은 동일한 앞전의 금속의 온도에서 보다 적은 양의 앞전을 냉각하기 위한 냉각 압축기 공기를 요하는, 종래 기술의 앞전에서의 막냉각 구성을 넘어선 이점을 제공한다. 압축기의 추출 흐름이 감소함으로써 터빈의 효율이 증가하는 추가적인 이점을 생긴다. 본 발명은 상조적으로(synergistically) 성능을 향상시키고 에어포일의 수명을 연장시키는 종래 기술에 비해 신규한 냉각 설계를 제공한다. 본 발명은 앞전을 대류식으로 효율적으로 그리고 효과적으로 냉각시키는 신규한 접근 방식뿐만 아니라 앞전을 막냉각시키는 개선된 수단을 제공한다. 앞전에서의 효과적인 대류 냉각과 막냉각에 의한 효과적인 단열의 조합은 종래의 에어포일의 설계를 넘어선 개선을 제공한다. 따라서, 본 발명의 이로운 냉각 설계를 사용하여 에어포일의 운항 수명(service life)이 길어질 뿐만 아니라 터빈의 효율이 전체적으로 개선된다.
본 명세서에서 본 발명은 전형적인 실시예를 참고로 하여 기술되었지만, 당업자에 의해 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 여러 가지로 변경될 수 있으며 균등물이 본 발명의 구성과 치환될 수 있음을 알아야 한다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고 그 교시에 따라 특정한 상황 또는 재료로 변형될 수 있다.따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하는 데 최상의 모드로 여겨지는 본 명세서에 개시된 특정 실시예로 한정되지 않으며, 청구항의 범주 내에 포함되는 모든 실시예를 포함한다.

Claims (32)

  1. 중공의 에어포일이며,
    냉각 공기가 에어포일의 단부로부터 흘러 유입될 수 있는 내부 공동과,
    앞전과 뒷전에서 상호 접합되는 흡입부 측벽과 압력부 측벽을 포함하고 플랫폼의 제1 단부에서 제2 단부까지 뻗는 외부벽과,
    상기 앞전을 따라 스팬 방향으로 뻗는 정체선과,
    상기 앞전과 상기 압력부 측벽의 부근에서 배치되고 종방향으로 뻗어 있는 제1 플리넘과,
    상기 제1 플리넘과 상기 공동 내의 냉각 공기에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제1 유입구들과,
    상기 제1 플리넘 내에서 스팬 방향으로 뻗는 복수의 개별 제1 페디스털(pedestal)들과,
    상기 정체선에 중심 설정되어 상기 외부벽에 배치되고, 스팬 방향으로 뻗으며, 상기 정체선에 의해 분리되는 제1 절반부와 제2 절반부를 포함하는 트렌치와,
    상기 정체선에 인접하고, 압력부 측벽에 인접하는 상기 트렌치의 상기 제1 절반부 내에 배치되는, 상기 제1 플리넘에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제1 방출 개구들을 포함하며,
    냉각 공기는 상기 제1 유입구를 통해 제1 플리넘으로 유입되고, 상기 제1 페디스털에 충돌하며, 제1 개구 내로 유도되고,
    상기 제1 개구는 이 제1 개구로부터 방출되는 냉각 공기를 상기 정체선을 지나 상기 흡입부 측벽으로 향하게 하여 에어포일을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 앞전과 상기 흡입부 측벽의 부근에 배치되고 종방향으로 뻗는 제2 플리넘과,
    상기 제2 플리넘과 상기 공동 내의 냉각 공기에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제2 유입구들과,
    제2 플리넘 내에서 스팬 방향으로 뻗는 복수의 개별 제2 페디스털들과,
    상기 정체선에 인접하고, 흡입부 측벽에 인접하는 상기 트렌치의 상기 제2 절반부 내에 배치되는, 상기 제2 플리넘에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제2 방출 개구들을 더 포함하며,
    냉각 공기는 상기 제2 유입구를 통해 제2 플리넘으로 유입되고, 상기 제2 페디스털에 충돌하며, 제2 방출 개구 내로 유도되고,
    상기 제2 방출 개구는 제2 개구로부터 방출되는 냉각 공기를 상기 정체선을 지나 상기 압력부 측벽으로 향하게 하여 에어포일을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 플리넘과 상기 공동 내의 냉각 공기에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제3 유입구들과,
    상기 제1 방출 개구와 인접하고 상기 압력부 측벽 내에 배치되는, 상기 제1 플리넘에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제3 방출 개구들을 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제3 유입구를 통해 제1 플리넘으로 유입되고, 상기 제1 페디스털에 충돌하며, 제3 방출 개구 내로 유도되고,
    상기 제3 방출 개구는 제3 개구로부터 방출되는 냉각 공기를 상기 압력부 측벽으로 향하게 하여 에어포일을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 플리넘과 상기 공동 내의 냉각 공기에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제4 유입구들과,
    상기 제2 방출 개구와 인접하고 상기 흡입부 측벽 내에 배치되는, 상기 제2 플리넘에 유체 흐름을 전달할 수 있는 복수의 제4 방출 개구들을 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제4 유입구를 통해 제2 플리넘으로 유입되고, 상기 제2 페디스털과 충돌하며, 제4 방출 개구 내로 유도되고,
    상기 제4 방출 개구는 제4 개구로부터 방출되는 냉각 공기를 상기 흡입부 측벽으로 향하게 하여 에어포일을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구는 종방향으로 엇갈리게 뻗는 열을 형성하는 중공의 에어포일.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 개구와 제2 개구가 개별 종방향의 열로 뻗으며, 상기 제1 개구와 상기 제2 개구는 서로 오프셋된 중공의 에어포일.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제3 개구는 종방향의 열로 뻗으며 상기 제1 개구와 평행하고, 상기 제4 개구는 종방향의 열로 뻗으며 상기 제2 개구와 평행한 중공의 에어포일.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 플리넘 내의 상기 제1 페디스털은 제1 플리넘 내의 냉각 공기의 난류 상태를 촉진시키고 상기 앞전 내의 열 대류를 증가시키는 형상인 중공의 에어포일.
  9. 제2항에 있어서, 상기 제2 플리넘 내의 상기 제2 페디스털은 제2 플리넘 내의 냉각 공기의 난류 상태를 촉진시키고 상기 앞전 내의 열 대류를 증가시키는 형상인 중공의 에어포일.
  10. 제2항에 있어서, 상기 제1 페디스털과 제2 페디스털은 중앙부와, 외향으로 확개되는 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 포함하고, 상기 제1 페디스털과 제2 페디스털 각각의 상기 제1 세그먼트와 제2 세그먼트는 종방향으로 뻗는 열을 형성하도록 배열되는 중공의 에어포일.
  11. 제2항에 있어서, 상기 제1 개구와 제2 개구는 슬롯 형상이고, 5.080mm(0.200in)보다 작은 치수를 갖는 중공의 에어포일.
  12. 제4항에 있어서, 상기 제3 개구와 제4 개구는 슬롯 형상인 중공의 에어포일.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 단부는 자유 선단(free tip)인 중공의 에어포일.
  14. 제4항에 있어서, 상기 제1 페디스털과 제2 페디스털은 프로펠러 형상인 중공의 에어포일.
  15. 제2항에 있어서, 상기 제1 유입구와 제2 유입구는 슬롯 형상인 중공의 에어포일.
  16. 제4항에 있어서, 상기 제3 유입구와 제4 유입구는 슬롯 형상인 중공의 에어포일.
  17. 제5항에 있어서, 상기 제1 유입구와 제2 유입구는 에어포일의 평균 캠버선을 따라 종방향으로 뻗는 중공의 에어포일.
  18. 중공 에어포일이며,
    냉각 공기가 에어포일의 단부로부터 흘러 유입될 수 있는 내부 공동과,
    앞전과 뒷전에서 상호 접합되는 흡입부 측벽과 압력부 측벽을 포함하고 뿌리부로부터 팁까지 뻗는 외부벽과,
    상기 앞전을 따라 스팬 방향으로 뻗는 정체선과,
    상기 외부벽에 배치되고, 스팬 방향으로 뻗으며, 상기 정체선에 의해 분리되는 제1 절반부와 제2 절반부를 포함하는 트렌치와,
    상기 내부 공동에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 제1 유입구와, 상기 압력부 측벽과 상기 정체선 사이의 상기 트렌치의 상기 제1 부분 내에 배치되는 제1 방출구와, 제1 페디스털을 가지는 제1 냉각 유로와,
    상기 내부 공동에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 제1 유입구와, 상기 흡입부 측벽과 상기 정체선 사이의 상기 트렌치의 상기 제2 부분 내에 배치되는 제1 방출구와, 제2 페디스털을 가지는 제2 냉각 유로를 포함하며,
    상기 제1 페디스털은 상기 제1 냉각 유로 내에서 뻗으며, 냉각 공기가 상기 제1 유입구를 통해 제1 냉각 유로로 유입되고, 상기 제1 페디스털과 충돌하고, 상기 제1 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 에어포일의 흡입부 측벽을 막냉각하고,
    상기 제2 페디스털은 상기 제2 냉각 유로 내에서 뻗으며, 냉각 공기가 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 유입구를 통해 제2 냉각 유로로 유입되고, 상기 제2 페디스털과 충돌하고, 상기 제2 부분에 배치되는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 에어포일의 압력부 측벽을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 냉각 유로의 제1 방출구는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 방출구에 대해 엇갈리게 배치되는 중공의 에어포일.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 냉각 유로는,
    상기 내부 공동에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 제2 유입구와,
    상기 앞전에 인접하여 상기 압력부 측벽 내에 배치되는 제2 방출구를 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제1 냉각 유로의 상기 제2 유입구로 유입되고, 상기 제1 페디스털과 충돌하여 상기 제1 냉각 유로의 제2 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 압력부 측벽을 막냉각하고,
    상기 제2 냉각 유로는,
    상기 내부 공동에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 제2 유입구와,
    상기 앞전에 인접하여 상기 흡입부 측벽 내에 배치되는 제2 방출구를 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제2 유입구로 유입되고, 상기 제2 페디스털과 충돌하여 상기 제2 냉각 유로의 제2 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 압력부 측벽을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 페디스털과 제2 페디스털은 중앙부와, 상기 중앙부로부터 종방향으로 뻗는 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 구비하는 나비 넥타이의 형상이며,
    상기 제1 냉각 유로는,
    상기 압력부 측벽과 상기 정체선 사이의 상기 트렌치의 상기 제1 부분 내에 배치되는 제3 방출구를 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제1 냉각 유로의 상기 제1 유입구로 유입되고, 상기 제1 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제1 페디스털의 상기 제1 세그먼트와 제2 세그먼트에 의해 상기 제1 냉각 유로의 상기 제1 방출구 및 제3 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 흡입부 측벽을 막냉각하고,
    상기 제2 냉각 유로는,
    상기 흡입부 측벽과 상기 정체선 사이의 상기 트렌치의 상기 제2 부분 내에 배치되는 제3 방출구를 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 유입구로 유입되고, 상기 제2 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제2 페디스털의 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 의해 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 방출구 및 제3 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 압력부 측벽을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 냉각 유로는,
    상기 앞전에 인접하여 상기 압력부 측벽 내에 배치되는 제4 방출구를 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제1 냉각 유로의 상기 제2 유입구로 유입되고, 상기 제1 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제1 페디스털의 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 의해 상기 제1 냉각 유로의 상기 제2 방출구 및 제4 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 압력부 측벽을 막냉각하고,
    상기 제2 냉각 유로는,
    상기 앞전에 인접하여 상기 흡입부 측벽 내에 배치되는 제4 방출구를 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제2 유입구로 유입되고, 상기 제2 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제2 페디스털의 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 의해 상기 제2 냉각 유로의 상기 제2 방출구 및 제4 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 흡입부 측벽을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 냉각 유로는,
    상기 공동에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 제3 유입구와,
    상기 제1 냉각 유로에서 뻗으며, 중앙부와 상기 중앙부로부터 종방향으로 뻗는 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 구비하는 나비 넥타이 형상인 제3 페디스털을더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제1 냉각 유로의 상기 제1 유입구로 유입되고, 상기 제1 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제1 페디스털의 상기 제1 세그먼트에 의해 상기 제1 냉각 유로의 상기 제1 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 흡입부 측벽을 막냉각하고, 냉각 공기는 상기 제1 냉각 유로의 상기 제3 유입구로 유입되고, 상기 제3 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제3 페디스털의 상기 제2 세그먼트에 의해 상기 제1 냉각 유로의 상기 제1 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 흡입부 측벽을 막냉각하고,
    상기 제2 냉각 유로는,
    상기 공동에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 제3 유입구와,
    상기 제1 냉각 유로에서 뻗으며, 중앙부와 상기 중앙부로부터 종방향으로 뻗는 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트를 구비하는 나비 넥타이 형상인 제4 페디스털을 더 포함하고,
    냉각 공기는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 유입구로 유입되고, 상기 제2 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제2 페디스털의 상기 제1 세그먼트에 의해 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 압력부 측벽을 막냉각하고, 냉각 공기는 상기 제2 냉각 유로의 상기 제3 유입구로 유입되고, 상기 제4 페디스털의 상기 중앙부와 충돌하며, 상기 제4 페디스털의 상기 제2 세그먼트에 의해 상기 제2 냉각 유로의 상기 제1 방출구를 통해 에어포일로부터 방출되도록 유도되어 압력부 측벽을 막냉각하는 중공의 에어포일.
  24. 제18항에 있어서, 상기 제1 유입구는 슬롯 형상이며, 0.762mm(0.030in) 이하의 길이를 가지고, 상기 제1 방출구는 슬롯 형상이며, 5.080mm(0.200in) 이하의 길이를 가지는 중공의 에어포일.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1 냉각 유로와 제2 냉각 유로의 상기 제1 유입구와 상기 제3 유입구는 종방향으로 엇갈리게 뻗는 열을 형성하는 중공의 에어포일.
  26. 제18항에 있어서, 상기 제1 페디스털과 제2 페디스털은 냉각 공기의 난류 상태를 촉진시키고 상기 앞전 내의 열 대류를 증가시키는 형상인 중공의 에어포일.
  27. 제20항에 있어서, 상기 제2 유입구는 슬롯 형상이며, 0.762mm(0.030in) 이하의 길이를 가지고, 상기 제2 방출구는 슬롯 형상이며, 5.080mm(0.200in) 이하의 길이를 가지는 중공의 에어포일.
  28. 제18항에 있어서, 상기 제2 단부는 자유 선단(free tip)인 중공의 에어포일.
  29. 가스 터빈에 사용하기에 적합한 중공의 에어포일의 앞전을 냉각시키기 위한 방법이며,
    냉각 유체원으로부터 유입구 내로 흘러 들어가는 냉각 흐름을 구비하는 단계와,
    앞전에 마이크로 순환로(microcircuit)를 만드는 단계를 포함하며,
    상기 마이크로 순환로는,
    앞전 내에 근접하여 배치되는 종방향으로 뻗는 플리넘과,
    냉각 흐름이 통과하여 유입될 수 있는 플리넘에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 유입구들과,
    플리넘 내에 스팬 방향으로 뻗는 복수의 개별 페디스털들과,
    스팬 방향으로 뻗고 앞전에 배치되는 트렌치와,
    트렌치 내에 배치되고 플리넘에 유체 흐름을 전달시킬 수 있는 복수의 제1 방출 개구들을 포함하며,
    제1 방출 개구는 냉각 흐름을 플리넘으로부터 에어포일의 앞전 외부의 영역으로 옮겨가게 하여 앞전을 막냉각시키는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 마이크로 순환로를 만드는 단계는,
    내화 금속(refractory metal)을 플리넘과 개별 페디스털들의 형태로 만드는 단계와,
    에어포일을 주조하기 위해 내화 금속을 주형에 주입하는 단계와,
    주조된 후에 에어포일로부터 내화 금속을 분리하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 에어포일은 니켈계 합금과 코발트계 합금으로 이루어지는군으로부터 선택된 금속으로 만들어지는 방법.
  32. 제30항에 있어서, 페디스털은 3.810mm(0.150in) 이하의 길이를 가지고, 유입구는 0.762mm(0.030in) 이하의 치수를 가지며, 방출 개구는 5.080mm(0.200in) 이하의 치수를 가지는 방법.
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