KR20100064754A

KR20100064754A - 가스터빈의 냉각 블레이드

Info

Publication number: KR20100064754A
Application number: KR1020080123348A
Authority: KR
Inventors: 최승주; 김중석; 김동화; 이우상; 이현
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-15

Abstract

본 발명은 흡입면의 내측면을 따라 이동하는 냉각공기와 압력면의 내측면을 따라 이동하는 냉각공기의 진행 방향이 서로 엇갈려지면서 뒤섞여지도록 한 가스터빈의 냉각 블레이드에 관한 것으로서, 터빈에 결합되는 루트부의 상부측에 흡입면과 압력면으로 구성된 에어포일이 일체로 결합되고, 상기 루트부의 유입구를 통해 유입된 냉각공기가 상기 에어포일의 내측을 통과하여 상기 흡입면과 압력면이 결합되는 후방 측 트레일링에지의 배출구를 통해 배출되도록 하는 냉각유로가 형성된 가스터빈의 냉각 블레이드에 있어서, 상기 냉각유로;는 상기 흡입면의 내측으로 일측 하방으로 경사지게 돌출되고 다수개가 평행하게 이격된 제1경사리브와, 상기 압력면의 내측으로 상기 제1경사리브의 반대 측 방향으로 경사지게 돌출된 다수의 제2경사리브로 구성되어 상기 제1경사리브 및 제2경사리브의 사이 공간을 통해 냉각공기가 이동되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 에어포일 내부의 냉각유로에서 냉각공기의 와류 발생이 극대화됨과 동시에 냉각공기의 체류 시간이 더욱 증가되어 냉각 효율이 향상되는 효과를 가지게 된다.

가스터빈, 블레이드, 냉각유로, 와류

Description

가스터빈의 냉각 블레이드{a cooling blade of a gas turbine}

본 발명은 가스터빈용 블레이드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 블레이드의 내측으로 냉각용 공기가 흐르는 유로가 형성된 가스터빈의 냉각 블레이드에 관한 것이다.

일반적으로, 가스터빈에는 고온 고압의 연소가스가 방출될 때의 압력을 이용하여 터빈이 회전 작동되도록 하는 다수의 터빈 블레이드가 결합되는데, 이러한 터빈 블레이드는 도 4에서 보인 것과 같이 터빈에 결합되는 루트부(100)의 상부측에 날개 역할을 하는 에어포일(200)이 결합되어진다.

또한, 상기 루트부(100)의 외측면에는 생크(101) 및 플랫폼(102)을 결합하여 블레이드가 터빈에 견고하게 장착되도록 하고 있으며, 상기 에어포일(200)은 연소가스와 접촉되는 전면에 전방으로 곡면을 이루면서 돌출된 흡입면(201)이 형성되고, 흡입면의 반대 측에는 내측방으로 곡면을 이루면서 함몰된 압력면(202)이 형성되어져, 에어포일(200) 전,후방의 압력차가 극대화되도록 하고 있다.

특히, 가스터빈은 터빈 입구 온도가 높아질수록 단위공기유량당 출력인 비출력이 증가함에 따라 터빈 입구 온도를 높이기 위한 여러 연구가 진행되어 오고 있 다.

또한, 터빈 입구 온도를 높이기 위한 연구는 대부분 터빈의 블레이드를 내열성이 좋고 고강도를 유지할 수 있는 재질을 사용하여 제작하는데 집중되었다.

하지만, 재질 자체가 가지는 내열 한계로 인해 터빈 블레이드를 저온의 냉각공기에 의해 냉각시키는 방식이 개발되어지고 있으며, 이러한 냉각방식 중 특히 도 도 5에는 블레이드의 내측에 냉각유로(300)를 형성하여 냉각공기가 터빈 블레이드의 내측을 통과한 기술이 제안된 바 있는데, 이러한 냉각유로(300)는 상술한 루트부(100)에 냉각공기가 유입되는 유입구(301)가 형성되고, 에어포일(200)의 윙팁 또는 트레일링에지에 냉각공기가 배출되는 배출구(302)가 형성된다.

또한, 에어포일(200)의 내측에는 평행하게 이격되어 돌출된 다수의 리브(303)를 형성하여, 유입구(301)를 통해 유입된 냉각공기가 리브(303) 사이의 틈을 통과하면서 열교환한 후 배출구(302)를 통해 배출되도록 하고 있다.

하지만, 상기와 같은 냉각 방식은 냉각공기가 리브 사이의 틈을 직선으로 고속 이동하여 배출됨에 따라, 에어포일 내부에서의 체류시간이 짧고 이에 의해 냉각효율의 한계가 발생되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 흡입면의 내측면을 따라 이동하는 냉각공기와 압력면의 내측면을 따라 이동하는 냉각공기의 진행 방향이 서로 엇갈려지면서 뒤섞여져 와류가 발생되도록 한 가스터빈의 냉각 블레이드를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 제1,2경사리브를 통과한 냉각공기가 다시 각각 반대 방향으로 이동되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 제1,2경사리브를 통과한 공기가 일시적으로 모여진 후 다시 제1,2보조리브로 유입되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 제1,2경사리브를 통과하는 냉각공기의 유속과 제1,2보조리브를 통과하는 냉각공기의 유속이 균일해지도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 냉각공기의 흐름이 균일하고 원활하게 이루어지면서 에어포일의 구조적인 안정도가 향상되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 제1,2경사리브에 의한 냉각유로를 통과하는 공기의 흐름이 더욱 원활하게 이루어지면서도 와류의 형성이 원활하게 이루어지도록 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 터빈에 결합되는 루트부의 상부측에 흡입면과 압력면으로 구성된 에어포일이 일체로 결합되고, 상기 루트부의 유입구를 통해 유입된 냉각공기가 상기 에어포일의 내측을 통과하여 상기 흡입면과 압력면이 결합되는 후방 측 트레일링에지의 배출구를 통해 배출되도록 하는 냉각유로가 형성된 가스터빈의 냉각 블레이드에 있어서, 상기 냉각유로;는 상기 흡입면의 내측으로 일측 하방으로 경사지게 돌출되고 다수개가 평행하게 이격된 제1경사리브와, 상기 압력면의 내측으로 상기 제1경사리브의 반대 측 방향으로 경사지게 돌출된 다수의 제2경사리브로 구성되어 상기 제1경사리브 및 제2경사리브의 사이 공간을 통해 냉각공기가 이동되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 흡입면의 내측으로 상기 제1경사리브의 후방측에 제1경사리브의 반대 방향으로 다수개가 평행하게 이격되어 돌출된 제1보조리브가 형성되고, 상기 압력면의 내측으로 상기 제2경사리브의 후방측에 제2경사리브의 반대 방향으로 다수개가 평행하게 이격되어 돌출된 제2보조리브가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1경사리브와 제1보조리브의 사이 공간과, 상기 제2경사리브와 제2보조리브의 사이 공간에 에어포일의 수직 방향을 따라 함몰되어 냉각공기가 일시적으로 모여지는 채널이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1경사리브와 제2경사리브의 이격 거리가 상기 제1보조리브와 제2보조리브의 이격거리 보다 길게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1경사리브 및 제2경사리브는 상기 에어포일의 수직 방향으로 상부측이 점차 좁아지는 사다리꼴로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1보조리브 및 제2보조리브는 상기 채널에서 상기 트레일링에지 측으로 점차 면적이 좁아지는 사다리꼴로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1경사리브 및 제2경사리브에 함몰되어 냉각공기가 이동되는 공기이동홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

이에, 본 발명은 흡입면의 내측면에 제1경사리브를 형성하고, 압력면의 내측면에 제2경사리브를 형성하여 흡입면의 내측면을 따라 이동하는 냉각공기와 압력면의 내측면을 따라 이동하는 냉각공기의 진행 방향이 서로 엇갈려지면서 뒤섞여지도록 한 가스터빈의 냉각 블레이드를 제공함으로서, 에어포일 내부의 냉각유로에서 냉각공기의 와류 발생이 극대화됨과 동시에 냉각공기의 체류 시간이 더욱 증가되어 냉각 효과가 향상되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 제1,2보조리브를 형성하여 제1,2경사리브를 통과한 냉각공기가 다시 각각 반대 방향으로 이동되도록 함으로서, 냉각유로 내부에서 냉각공기의 체류 시간이 더욱 증가될 뿐만 아니라, 와류가 더욱 효과적으로 발생되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 제1,2경사리브와 제1,2보조리브의 사이에 채널을 형성하여 제1,2경사리브를 통과한 공기가 일시적으로 모여진 후 다시 제1,2보조리브로 유입되도록 함으로서, 제1,2보조리브의 전체 공간에 냉각 공기가 균일하게 유입되면서 와류 발생이 향상되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 제1,2경사리브의 간격이 제1,2보조리브의 간격보다 넓게 형성되도록 하여 제1,2경사리브를 통과하는 냉각공기의 유속과 제1,2보조리브를 통과하는 냉각공기의 유속이 균일해지도록 함으로서, 에어포일의 전체 면적에서 균일한 냉각이 이루어지는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 제1,2경사리브 및 제1,2보조리브를 전체적으로 사다리꼴로 형성하여 냉각공기의 흐름이 균일하고 원활하게 이루어지면서 에어포일의 구조적인 안정도가 향상되도록 함으로서, 고압의 공기가 에어포일을 통과할 때 에어포일의 변형 및 손상을 최소화하는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 공기이동홈을 형성하여 제1,2경사리브에 의한 냉각유로를 통과하는 공기의 흐름이 더욱 원활하게 이루어지면서도 와류의 형성이 원활하게 이루어지도록 함으로서, 에어포일 내부에서 냉각 공기의 흐름이 더욱 원활하게 이루어져 냉각 효율이 향상되는 효과를 가지게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 결합상태를 보인 횡단면도이며, 도 3은 도 1의 내부 구조를 보인 종단면도로서, 도시된 것과 같이 본 발명은 가스터빈에 장착되어 고온, 고압의 연소가스에 의해 회전 작동되도록 루트부(10)와 에어포일(20)이 일체로 결합된 블레이드에 관한 것으로서, 특히 블레이드의 내측에 냉각공기가 흐르는 냉각유로(30)가 형성되되, 외측면이 볼록한 곡면 형상으로 형성된 흡입면(21)의 내측을 흐르는 냉각공기와, 외측면이 오목한 곡면 형상으로 형성된 압력면(22)의 내측으로 흐르는 냉각공기가 서로 반대 방향으로 흐르면서 서로 혼합되도록 하여 냉각유로(30)의 내부에서 와류 발생이 극 대화되도록 한 가스터빈의 냉각 블레이드에 관한 것이다.

상기 블레이드는 터빈의 외측면에 장착되어 고압의 연소가스에 의해 터빈이 회전 작동되도록 하는 것으로서, 하부측으로는 터빈에 결합되는 루트부(10)가 형성되고, 상기 루트부(10)의 상부측으로는 공기 압력에 의해 회전되는 에어포일(20)을 일체로 결합하여 에어포일(20)의 전,후면의 압력차에 의해 터빈이 회전 작동되도록 한다.

또한, 상기 루트부(10)의 외측면에는 외측방으로 돌출된 생크(11) 및 플랫폼(12)이 형성되도록 하여 견고한 고정이 이루어지도록 하며, 상기 에어포일(20)은 연소가스가 유입되는 전면으로는 외측방으로 볼록한 곡면을 이루며 돌출된 흡입면(21)이 형성되도록 하고, 후면으로는 상기 흡입면(21) 측으로 오목하게 함몰된 곡면을 이루는 압력면(22)이 형성되도록 하여 에어포일(20) 전,후의 압력차가 극대화되면서 원활한 공기의 흐름이 이루어지도록 한다.

상기 냉각유로(30)는 상기 블레이드의 내측으로 상기 연소가스 보다 낮은 온도의 냉각공기를 주입시켜 냉각공기가 블레이드 내측면과 열교환하면서 블레이드의 전체적인 온도가 하강되도록 하는 것으로서, 상기 루트부(10)의 하단부에 터빈을 통해 냉각공기가 유입되는 유입구(31)가 형성되도록 하고, 상기 흡입면(21)과 압력면(22)이 만나는 후방 측 모서리인 트레일링에지(23)에 다수의 배출구(32)가 형성되도록 하여 유입구(31)를 통해 유입된 냉각공기가 루트부(10) 및 에어포일(20)의 내측을 통과하면서 블레이드를 냉각시킨 후 배출구(32)를 통해 배출되도록 한다.

이때, 상기 냉각유로(30)는 상기 흡입면(21)의 내측에 일측 상방으로 경사지 게 돌출되면서 평행하게 이격된 다수의 제1경사리브(33)와, 상기 압력면(22)의 내측에 상기 제1경사리브(33)와 반대 방향으로 경사지게 돌출되어 다수개가 평행하게 이격된 제2경사리브(34)로 구성되도록 한다.

이에 따라, 유입구(31)를 통해 유입된 냉각공기 중 상기 흡입면(21)과 인접한 위치의 냉각공기는 상기 제1경사리브(33) 사이의 틈을 통해 에어포일(20)의 상부측으로 이동하게 되고, 상기 압력면(22)과 인접한 위치의 냉각공기는 상기 제2경사리브(34) 사이의 틈을 통해 에어포일(20)의 상부측으로 이동하게 되며, 상기 제1경사리브(33)와 제2경사리브(34)에 의해 에어포일(20)의 내부에 다수의 포켓이 형성되면서 서로 반대방향으로 흐르는 냉각공기가 만나 뒤섞이면서 와류가 발생되는 것이다.

또한, 상기와 같이 제1경사리브(33)와 제2경사리브(34)에 의해 서로 반대 방향으로 흐르는 냉각공기가 서로 뒤섞이면서 와류가 발생되어 더욱 신속한 냉각이 이루어질 뿐만 아니라, 다수의 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)를 순차적으로 통과하면서 와류가 더욱 증폭되며, 와류에 의해 제1경사리브(33)와 제2경사리브(34)에 의해 형성된 포켓에서 냉각공기의 체류 시간이 증가되어 냉각 효과가 극대화되는 것이다.

더불어, 상술한 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)는 상기 에어포일(20)의 내측 전방으로 배치되도록 하고, 상기 에어포일(20)의 내측 후방으로는 상기 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)와 각각 반대 방향으로 경사지게 이격되어 돌출된 다수의 제1보조리브(35) 및 제2보조리브(36)가 형성되도록 하며, 상기 제1 보조리브(35) 및 제2보조리브(36) 사이의 틈을 통해 통과한 냉각공기가 최종적으로 트레일링에지(23)에 형성된 배출구(32)를 통해 배출되도록 한다.

이에 따라, 제1,2경사리브(33)(34)를 통과한 냉각공기가 제1,2보조리브(35)(36)에 의해 다시 진행방향이 반대 방향으로 전환되어 와류 발생이 더욱 효과적으로 이루어지게 되고, 이에 의해 냉각 효과가 더욱 향상되는 것이다.

또한, 상기 제1,2경사리브(33)(34)와 제1,2보조리브(35)(36)의 사이에는 에어포일(20)의 수직 방향을 따라 일직선상으로 함몰된 채널(37)을 형성하여 제1,2경사리브(33)(34)를 통과한 냉각공기가 일시적으로 채널(37)에 모여진 후 제1,2보조리브(35)(36)로 유입되도록 함으로써, 제1,2보조리브(35)(36)의 전체 틈으로 냉각공기가 균일하게 유입되어 냉각이 에어포일(20) 전 면적에서 균일하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 제1,2경사리브(33)(34)의 이격 거리가 상기 제1,2보조리브(35)(36)의 이격 거리보다 길게 형성되도록 하여 유입구(31)를 통해 유입된 고속의 공기가 제1,2경사리브(33)(34)를 통과하면서 감속된 후 좁은 폭의 제1,2보조리브(35)(36) 사이 공간으로 유입되도록 하여 냉각공기의 이동이 원활하게 이루어지면서도 열교환 면적이 극대화되도록 하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)는 전체적인 형상이 상기 에어포일(20)의 수직 방향으로 상부측이 점차 좁아지는 사다리꼴을 이루도록 함으로써, 유입구(31)에서 먼 거리까지 냉각공기가 원활하게 이동될 뿐만 아니라, 에어포일(20)의 구조적인 강도가 향상되도록 하는 것이 바람직하고, 상기 제1 보조리브(35) 및 제2보조리브(36) 또한 상기 채널(37)에서 트레일링에지(23) 측으로 첨자 면적이 좁아지는 사다리꼴로 형성되도록 하여 먼 거리까지 냉각공기가 원활하게 이동될 뿐만 아니라, 에어포일(20)의 구조적인 강도가 향상되도록 하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34) 상에는 함몰 형성된 다수의 공기이동홈(331)(341)을 형성하여 냉각공기가 제1,2경사리브(33)(34) 사이의 틈을 따라 이동됨과 동시에, 일부는 공기이동홈(331)(341)을 통해 인접한 제1,2경사리브(33)(34) 사이의 틈으로 이동되도록 하여 냉각공기의 이동이 더욱 원활하게 이루어지도록 하는 것도 무방하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 분해사시도.

도 2는 도 1의 결합상태를 보인 횡단면도.

도 3은 도 1의 내부 구조를 보인 종단면도.

도 4는 종래 터빈 블레이드의 일 예를 보인 사시도

도 5는 도 4의 내부 구조를 보인 종단면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 루트부

11 : 생크 12 : 플랫폼

20 : 에어포일

21 : 흡입면 22 : 압력면

23 : 트레일링에지

30 : 냉각유로

31 : 유입구 32 : 배출구

33 : 제1경사리브 34 : 제2경사리브

331, 341 : 공기이동홈 35 : 제1보조리브

36 : 제2보조리브 37 : 채널

Claims

터빈에 결합되는 루트부(10)의 상부측에 흡입면(21)과 압력면(22)으로 구성된 에어포일(20)이 일체로 결합되고, 상기 루트부(10)의 유입구(31)를 통해 유입된 냉각공기가 상기 에어포일(20)의 내측을 통과하여 상기 흡입면(21)과 압력면(22)이 결합되는 후방 측 트레일링에지(23)의 배출구(32)를 통해 배출되도록 하는 냉각유로(30)가 형성된 가스터빈의 냉각 블레이드에 있어서,

상기 냉각유로(30);는

상기 흡입면(21)의 내측으로 일측 하방으로 경사지게 돌출되고 다수개가 평행하게 이격된 제1경사리브(33)와, 상기 압력면(22)의 내측으로 상기 제1경사리브(33)의 반대 측 방향으로 경사지게 돌출된 다수의 제2경사리브(34)로 구성되어 상기 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)의 사이 공간을 통해 냉각공기가 이동되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.
제 1항에 있어서,

상기 흡입면(21)의 내측으로 상기 제1경사리브(33)의 후방측에 제1경사리브(33)의 반대 방향으로 다수개가 평행하게 이격되어 돌출된 제1보조리브(35)가 형성되고, 상기 압력면(22)의 내측으로 상기 제2경사리브(34)의 후방측에 제2경사리브(34)의 반대 방향으로 다수개가 평행하게 이격되어 돌출된 제2보조리브(36)가 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.
제 2항에 있어서,

상기 제1경사리브(33)와 제1보조리브(35)의 사이 공간과, 상기 제2경사리브(34)와 제2보조리브(36)의 사이 공간에 에어포일(20)의 수직 방향을 따라 함몰되어 냉각공기가 일시적으로 모여지는 채널(37)이 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.
제 3항에 있어서,

상기 제1경사리브(33)와 제2경사리브(34)의 이격 거리가 상기 제1보조리브(35)와 제2보조리브(36)의 이격거리 보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.
제 4항에 있어서,

상기 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)는 상기 에어포일(20)의 수직 방향으로 상부측이 점차 좁아지는 사다리꼴로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.
제 5항에 있어서,

상기 제1보조리브(35) 및 제2보조리브(36)는 상기 채널(37)에서 상기 트레일링에지(23) 측으로 점차 면적이 좁아지는 사다리꼴로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1경사리브(33) 및 제2경사리브(34)에 함몰되어 냉각공기가 이동되는 공기이동홈(331)(341)이 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈의 냉각 블레이드.