KR20050078980A

KR20050078980A - 초소형 회로 플랫폼

Info

Publication number: KR20050078980A
Application number: KR1020040104678A
Authority: KR
Inventors: 쿤하프랭크; 산텔러케이스; 텔러브렛
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-08-08
Also published as: TW200532097A; US7097424B2; EP1561900A3; US20050169753A1; TWI261649B; EP1561900A2; EP1561900B1; CN1651736A; SG113538A1; CA2495740A1; IL165165A0; DE602005027139D1; JP2005220909A; JP4216815B2

Abstract

고압 터빈 블레이드 등의 가스 터빈 기관 구성 요소는 에어포일부와, 플랫폼과, 에어포일부의 압력측에 인접한 플랫폼 에지 그리고 플랫폼의 후단 에지 중 적어도 하나를 냉각시키는 플랫폼 내의 초소형 회로를 갖는다. 초소형 회로는 에어포일부의 흡인측 상의 제1 초소형 회로 그리고 에어포일부의 압력측 상의 제2 초소형 회로를 포함한다. 플랫폼 내의 초소형 회로는 높은 열 대류 효율, 높은 필름 커버리지 및 높은 냉각 효과를 성취한다.

Description

초소형 회로 플랫폼{MICRO-CIRCUIT PLATFORM}

본 발명은 터빈 기관의 플랫폼을 냉각시키는 초소형 회로를 갖는 개선된 터빈 기관 구성 요소에 관한 것이다.

터빈 블레이드의 에어포일부를 위한 현재의 배치 구성은 특히 에지에서 플랫폼 디스트레스를 경감하는 전용 냉각을 사용하지 않는다. 결과적으로, 심한 산화 및 부식이 플랫폼의 에지에서 일어난다. 이러한 산화 및 부식은 구조적으로 터빈 블레이드에 영향을 주는 크랙킹을 초래할 수 있다. 플랫폼 크랙은 에어포일 필릿을 향해 전파되는 경향이 있고 에어포일 및 플랫폼 상의 다른 높은 응력 집중 영역으로부터 기인되는 다른 크랙과 연결된다. 산화 및 부식을 처리하는 인접한 플랫폼들 사이의 유동 영역의 확대는 기관을 위한 의도된 성능에 악영향을 주는 기생 누설을 위한 수단을 제공한다.

이들 제한을 해결하는 하나의 방법은 에어포일 설계를 변화시키지 않고 전체의 기관 성능에 영향을 주는 많은 냉각 유동을 주입시키는 것이다. 이러한 배치 구성은 수용 가능하지 않으므로, 새로운 배치 구성 설계가 요구된다. 이상적으로, 이러한 새로운 배치 구성은 냉각을 위한 냉매 유동을 증가시키지 않아야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 열 대류 효율, 높은 필름 커버리지 및 높은 냉각 효과를 성취하는 새로운 구성 배치 설계를 갖는 터빈 기관 구성 요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 플랫폼의 영역 내에서 금속 온도 구배의 실질적 감소 그리고 열 피로 수명의 증가를 갖는 터빈 기관 구성 요소를 제공하는 것이다.

전술된 목적은 본 발명의 터빈 기관 구성 요소에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 터빈 기관 구성 요소는 넓게 압력측 및 흡인측을 갖는 에어포일부와, 에어포일부의 루트부에 인접하고, 선단 에지 및 후단 에지를 갖는 플랫폼과, 에어포일부의 압력측에 인접한 플랫폼 에지 그리고 후단 에지 중 적어도 하나를 냉각시키는 플랫폼 내의 수단을 포함한다.

본 발명에 부수되는 다른 목적 및 장점뿐만 아니라 본 발명의 초소형 회로 플랫폼의 다른 세부 설명은 다음의 상세한 설명 그리고 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 도시하는 첨부 도면에 기재되어 있다.

이제, 도면을 참조하면, 도1은 가스 터빈 기관에서 사용될 터빈 블레이드(10)를 도시하고 있다. 터빈 블레이드(10)는 디스크 등의 회전 부재에 블레이드를 결합하는 전나무(12), 루트부(16) 및 팁(18)을 갖는 에어포일부(14) 그리고 이면(22) 및 상부 표면(24)을 갖는 에어포일부(14)를 갖는다. 에어포일부(14)는 선단 에지(26), 후단 에지(28), 압력측(30) 및 흡인측(32)을 갖는다. 플랫폼(20)은 선단 에지 또는 전방 림(34), 후단 에지 또는 후방 림(36), 압력측 에지(38) 및 흡인측 에지(40)를 갖는다. 또한, 터빈 블레이드(10)는 플랫폼(40)의 이면(22)에 인접한 포켓(42)을 갖는다. 도1은 단지 하나의 포켓(42)을 도시하고 있지만, 터빈 블레이드(10)의 다른 측면 상에 대응 포켓이 있다. 작동 중, 포켓(42)은 전형적으로 고압 압축기 등의 기관의 일부로부터 방출되는 냉각 공기를 수용한다.

이제, 도2 내지 도4를 참조하면, 제1 초소형 회로(50)가 에어포일부(14)의 흡인측(32)과 플랫폼 후단 에지(36) 사이의 플랫폼(20) 내에 제공된다. 초소형 회로(50)는 필요에 따라 임의의 다른 적절한 구성 배치를 가질 수 있지만 L자 형상이다. 초소형 회로(50)는 흡인측(32)과 압력측 에지(38) 사이에서 연장되는 제1 레그(52) 그리고 후단 에지(36)에 평행하게 그리고 그를 따라 연장되는 제2 레그(54)를 갖는다.

초소형 회로(50)에는 플랫폼(20)의 이면(22) 상에 위치되고 포켓(42)으로부터 냉각 공기(기관 방출 공기)를 수용하는 입구(56)가 제공된다. 또한, 초소형 회로(50)는 플랫폼(20)의 상부 표면(24) 상에 위치되고 후단 에지(36)에 걸쳐 냉각 공기를 취입하는 출구(58)를 갖는다. 바람직하게는, 입구(56) 및 출구(58)는 각각 슬롯의 형태를 취한다. 입구(56)는 바람직하게는 그 전방 림(34)으로부터 그 후방 림(36)으로 플랫폼(20)의 전폭의 60% 내지 70%의 전방 림(34)으로부터의 거리 주위에 위치된다.

냉각 유체 통로(60)는 입구(56)로부터 출구(58)로 연장되고 거리(D)를 갖는다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 냉각 유체 통로(60)는 15 mils 내지 25 mils의 범위 내의 높이(H)를 갖는다. 본 발명의 양호한 실시예에서, H:D 비율은 1 이상이어야 한다. H:D 비율이 1보다 낮으면, 냉각을 제공하도록 사용된 특징은 덜 효과적이다.

냉각 효과의 증가에 대해, 초소형 회로(50) 내에 그리고 플랫폼(20) 내에 복수개의 페데스탈(62)이 합체된다. 페데스탈(62)은 바람직하게는 냉각 효과를 증가시키는 많은 난류 유동을 생성하도록 교차 배치된다.

출구(58)에서, 압력은 이러한 영역에서 터빈 기관 구성 요소의 싱크 압력보다 적어도 3% 그리고 바람직하게는 적어도 5% 커야 한다.

도2, 도5 및 도6을 참조하면, 제2 초소형 회로(80)가 플랫폼(2) 내에 형성된다. 제2 초소형 회로(80)는 에어포일부(14)의 흡인측(32)과 플랫폼의 흡인 에지(40) 사이에 위치된다. 제2 초소형 회로(80)는 플랫폼(20)의 이면(22) 상의 입구(82) 그리고 플랫폼(20)의 상부 표면(24) 상에 있는 출구를 갖는다. 입구(82) 및 출구(84)는 모두 바람직하게는 슬롯의 형태를 취한다.

입구(82)는 바람직하게는 전방 림(34)으로부터 후방 림(36)으로 플랫폼(20)의 전폭의 33% 내지 50%의 전방 림(34)으로부터의 거리에 위치된다. 초소형 회로(80)는 입구(82)로부터 출구(84)로 연장되는 냉각 유체 통로(86)를 갖는다. 유체 통로(86) 내에는 하드웨어 디스트레스를 방지하는 수단(88)이 있고, 이러한 디스트레스 방지 수단(88)은 바람직하게는 유체 통로(86)의 측벽(90, 92)으로부터 이격된 긴 섬의 형태를 취한다. 디스트레스 방지 수단(88)은 바람직하게는 거리(D)의 50% 내지 60%인 거리만큼 입구(82)로부터 위치되는 선단 에지(94)를 갖는다. 디스트레스 방지 수단(88)의 두께는 유체 통로(86)의 폭(W)의 약 40%이어야 한다. 디스트레스 방지 수단은 임의의 적절한 길이를 가질 수 있다.

출구(84)는 바람직하게는 에지(40)에 인접한 영역 내에 특히 크랙킹이 일어날 수 있는 필릿(23)의 영역 내에 플랫폼 상으로 냉각 공기를 취입하도록 배향된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 유체 통로(86)는 15 mils 내지 25 mils의 범위 내의 높이(H)를 갖는다. 전술된 바와 같이, H:D의 비율은 1 이상이어야 한다. 나아가, 출구(84)에서의 압력은 출구(84)의 영역 내의 싱크 압력보다 적어도 3% 그리고 바람직하게는 적어도 5% 커야 한다.

본 발명의 목적을 성취하기 위해, 입구(56, 82) 모두에서의 압력은 최고 압력의 지점을 갖는 기관 압축기 스테이션에서의 압력(P₃)의 55% 내지 65%의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 초소형 회로(50, 80)를 사용하여, 30% 내지 40% P3의 범위 내의 출구(58)에서의 압력 그리고 45% 내지 55%의 범위 내의 출구(84)에서의 압력을 성취할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 본 발명의 초소형 회로를 갖지 않는 다른 설계로 성취될 수 있는 10% 내지 15%의 대류 효율보다 훨씬 양호한 40% 내지 50%의 대류 효율을 성취할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명에 수반되는 추가의 장점은 에지(36, 38)에서의 금속 온도의 실질적 감소인데, 이는 적어도 2X의 인자에 의해 산화 수명을 증가시키고 플랫폼 에지 디스트레스를 제거시킨다.

양호한 실시예에서, 초소형 회로(50, 80)는 각각의 초소형 회로 입구(56, 82)로부터 각각의 초소형 회로 출구(58, 84)로의 압력을 효과적으로 감소시키도록 전체적으로 일정한 계량 단면을 갖는다. 초소형 회로(50) 내의 페데스탈(62)은 바람직하게는 일정한 냉매 유동을 효과적으로 유지하도록 위치되는데, 이는 스테이션 2.5에서 기관 공기 유동의 0.15% 내지 0.35%의 범위 내에 있다. 초소형 회로(50)의 설계의 결과로서, 높은 초소형 회로 냉각 대류 효율을 달성할 수 있고, 금속 온도 구배를 감소시키고, 열 피로 수명을 증가시킨다. 또한, 초소형 회로(50, 80)는 냉매 가열 픽-업을 증가시킨다. 결과적으로, 증가된 대류 효율을 가져오는 냉매 온도의 증가가 있다.

슬롯 출구(58, 84)는 높은 냉각 필름 커버리지를 제공한다는 측면에서 유리하다. 이는 플랫폼 에지(36, 38)가 산화 및 부식으로부터 보호될 수 있게 한다.

본 발명은 터빈 블레이드와 연관하여 설명되었지만, 본 발명의 초소형 회로 냉각은 플랫폼이 냉각될 것을 요구하는 다른 가스 터빈 기관 구성 요소에서 사용될 수 있다.

전술된 목적, 수단 및 장점을 완전히 충족시키는 초소형 회로 플랫폼이 본 발명에 따라 제공되었다는 것이 명백하다. 본 발명은 그 특정 실시예와 연관하여 설명되었지만, 다른 대체예, 변형예 및 변화예가 다음의 설명을 읽은 당업자에게 명백해진다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 넓은 범주 내에 속하는 것으로 대체예, 변형예 및 변화예를 포함하도록 해석되어야 한다.

본 발명에 따르면, 높은 열 대류 효율, 높은 필름 커버리지 및 높은 냉각 효과를 성취하는 새로운 구성 배치 설계를 갖는 터빈 기관 구성 요소가 제공된다.

또한, 플랫폼의 영역 내에서 금속 온도 구배의 실질적 감소 그리고 열 피로 수명의 증가를 갖는 터빈 기관 구성 요소가 제공된다.

도1은 가스 터빈 기관에서의 사용을 위한 터빈 블레이드의 도면.

도2는 절결부가 본 발명의 초소형 회로를 도시하는 터빈 블레이드의 플랫폼부의 평면도.

도3은 흡인측 초소형 회로를 위한 입구를 도시하는 도2의 플랫폼의 부분 단면도.

도4는 도2의 선 4-4를 따라 취해진 단면도.

도5는 압력측 초소형 회로를 위한 입구를 도시하는 도2의 플랫폼의 부분 단면도.

도6은 도2의 선 6-6을 따라 취해진 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 터빈 블레이드

12: 전나무

14: 에어포일부

16: 루트부

18: 팁

20: 플랫폼

22: 이면

24: 상부 표면

26: 선단 에지

28: 후단 에지

Claims

압력측 및 흡인측을 갖는 에어포일부와,

에어포일부의 루트부에 인접하고, 선단 에지 및 후단 에지를 갖는 플랫폼과,

에어포일부의 압력측에 인접한 플랫폼 에지와 후단 에지 중 적어도 하나를 냉각시키는 플랫폼 내의 수단을 포함하는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제1항에 있어서, 플랫폼 냉각 수단은 흡인측에 인접한 플랫폼 내에 제1 초소형 회로를 포함하는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제1항에 있어서, 제1 초소형 회로는 제1 레그가 흡인측을 따라 연장되고 제2 레그가 후단 에지에 평행한 방향으로 연장된 L자 형상부와, 플랫폼의 이면 상의 입구와, 플랫폼의 상부 표면상의 출구를 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제3항에 있어서, 입구로부터 출구로 연장된 유체 통로와, 통로 내에 난류 유동을 생성하는 유체 통로 내의 복수개의 페데스탈을 추가로 포함하는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제4항에 있어서, 페데스탈들은 교차 배치되고 통로는 입구로부터 출구까지 거리(D)만큼 연장되고 높이(H)를 가지며, H:D의 비율이 1보다 큰 가스 터빈 기관 구성 요소.
제3항에 있어서, 제1 초소형 회로는 최고 압력의 지점을 갖는 기관 압축기 스테이션에서의 압력(P₃)의 55% 내지 65%의 범위 내의 입구 압력과, P₃의 30% 내지 40%인 출구 압력을 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제3항에 있어서, 제1 초소형 회로는 출구에 인접한 싱크 압력보다 적어도 3% 큰 출구 압력을 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제3항에 있어서, 제1 초소형 회로는 출구에 인접한 싱크 압력보다 적어도 5% 큰 출구 압력을 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제1항에 있어서, 냉각 수단은 에어포일부의 압력측과 플랫폼의 에지 사이에 연장된 플랫폼 내에 제2 초소형 회로를 포함하는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제9항에 있어서, 제2 초소형 회로는 플랫폼의 이면 상의 입구와, 플랫폼의 상부 표면상의 출구와, 입구와 출구 사이에 연장된 유체 통로를 가지며, 제2 초소형 회로의 출구는 에어포일부의 후단 에지에 인접하게 위치되고 플랫폼과 후단 에지 사이의 필릿에서 냉각 공기를 주입시키는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제10항에 있어서, 제2 초소형 회로는 최고 압력의 지점을 갖는 기관 압축기 스테이션에서의 압력(P₃)의 55% 내지 65%의 범위 내의 입구 압력과 P₃의 45% 내지 55%인 출구 압력을 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제10항에 있어서, 제2 초소형 회로는 출구에 인접한 싱크 압력보다 적어도 3% 큰 출구 압력을 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제10항에 있어서, 제2 초소형 회로는 출구에 인접한 싱크 압력보다 적어도 5% 큰 출구 압력을 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
제10항에 있어서, 제2 초소형 회로는 입구와 출구 사이의 통로 내에 위치된 하드웨어 디스트레스를 방지하는 수단을 가지며, 하드웨어 디스트레스 방지 수단은 통로의 측벽으로부터 이격되고 통로의 거리의 50% 내지 60%인 거리만큼 입구로부터 위치되는 선단 에지를 갖는 가스 터빈 기관 구성 요소.
압력측 및 흡인측을 갖는 에어포일부와,

에어포일부의 루트부에 인접한 플랫폼과,

관통 유동되는 냉각 유체를 가지며, 에어포일부의 압력측과 플랫폼의 압력측 에지 사이에 위치된 플랫폼 내의 제1 초소형 회로와,

관통 유동되는 냉각 유체를 가지며, 에어포일부의 흡인측과 플랫폼의 후방 림 사이에 위치된 플랫폼 내의 제2 초소형 회로를 포함하는 터빈 블레이드.
제15항에 있어서, 제1 및 제2 초소형 회로 각각은 플랫폼의 이면 상에 위치된 냉각 유체를 수용하는 입구를 가지며, 제1 및 제2 초소형 회로 각각은 플랫폼의 상부 표면상으로 냉각 유체를 배출하는 슬롯 출구를 갖는 터빈 블레이드.
제16항에 있어서, 제1 초소형 회로를 위한 슬롯 출구는 플랫폼의 후단 에지 상으로 냉각 유체를 배출하고 제2 초소형 회로를 위한 슬롯 출구는 에어포일부의 후단 에지부 상으로 냉각 유체를 배출하는 터빈 블레이드.
제16항에 있어서, 제1 초소형 회로는 입구로부터 슬롯 출구로 연장된 통로 내에 난류 유동을 생성하는 수단을 갖는 터빈 블레이드.
제18항에 있어서, 난류 유동 생성 수단은 통로 내에 복수개의 교차 배치된 페데스탈을 포함하는 터빈 블레이드.
제16항에 있어서, 제2 초소형 회로는 입구로부터 슬롯 출구로 연장된 유체 통로를 갖고 하드웨어 디스트레스를 방지하는 수단은 유체 통로 내에 위치된 터빈 블레이드.