KR20110079075A - 가스터빈 블레이드 및 그의 내부유로 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각성능 향상을 위한 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성하여 냉각유체의 유동시 내부유로에 소용돌이 형태의 난류 유동을 발생시킴으로써, 유동 마찰손실은 최소화하면서 난류 유동에 의한 냉각성능을 향상시킬 수 있는 가스터빈 블레이드 및 그 가스터빈 블레이드에 내부유로를 형성하는 방법에 관한 것이다.

Description

가스터빈 블레이드 및 그의 내부유로 형성방법{A gas turbine blade and method for forming an internal cooling passage thereof}

본 발명은 냉각성능 향상을 위한 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가스터빈 블레이드의 내부유로를 통한 냉각유체의 유동시 유동 마찰손실은 최소화하면서 난류 유동에 의한 냉각성능을 향상시킬 수 있는 가스터빈 블레이드 및 그 가스터빈 블레이드에 내부유로를 형성하는 방법에 관한 것이다.

통상적으로 가스터빈의 효율을 증대시키기 위하여 터빈 입구 온도를 높이는 것이 필수적이지만, 터빈 입구온도를 증가시키는 경우 터빈 블레이드 재질의 한계로 인해서 터빈 블레이드의 파손이 야기된다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 최근에 표면 처리 등 가공적인 측면에서 요소의 내열성을 향상시키기 위한 연구들이 진행 중에 있다.

그러나 이러한 방법에만 의존하여 블레이드를 보호하는 것 역시 근본적인 문 제해결에 한계를 보이기 있기 때문에 다양한 냉각 구조를 적용하는 시도가 병행되고 있다. 이때의 냉각방식으로는 막냉각, 충돌제트 냉각, 강제대류 냉각 등이 고려될 수 있다. 이 중에서 특히 강제 대류 냉각은 다른 냉각 방법에 비해서 블레이드 표면에 추가적인 가공을 하지 않고 블레이드 내부에 있는 유로를 통해서 냉각시키는 방법으로 막냉각 등의 경우처럼 냉각유체에 의해 발생되는 손실이 없는 효과적인 냉각 방법이다.

강제대류 냉각에서는 냉각성능을 향상시키기 위해서 요철이나 핀, 델타 탭 형태의 난류촉진제를 사용하기도 한다. 이 중에서 특히 요철을 사용한 냉각방법이 많이 사용되고 있다. 여기서, 요철은 유로 내의 유동을 교란시켜 열전달을 향상시키기 위해서 사용하는 장치이다.

먼저, 종래의 터빈 블레이드에 대하여 설명하면, 가스터빈 엔진의 주요부는 크게 압축기, 연소기, 터빈으로 구분되며, 여기서 터빈은 고정익(stator blade)과 회전익(rotor blade)으로 이루어진다. 고정익은 연소기에서 빠져나온 유동의 방향을 전환해주고 유동을 가속하는 역할을 하고, 회전익은 유동으로부터 일을 발생하는 역할을 한다.

도 1은 종래의 터빈 블레이드의 외형 및 블레이드를 종단하여 내부 냉각유로와 경사요철을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에서 제시된 일반적인 터빈 블레이드의 Ⅰ-Ⅰ' 선 단면을 나타내는 도식도이다.

도 1은 그러한 가스터빈 블레이드 중 하나를 절개한 것으로 부호 A는 냉각유로(덕트)를 부호 B는 경사요철을 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 하나의 회전 익에는 복수의 냉각유로가 형성되고, 각 냉각유로상에서 대향하는 면에는 복수의 경사요철이 평행하게 형성된다. 이러한 경사요철은 나란한 배열 및 엇갈린 배열로 형성되며, 냉각유로상의 유동에 대하여 일정한 충돌각(angle of attack)을 갖는 구조로 형성된다. 이와 같은 냉각유로에 경사요철을 형성하는 방법은 가스터빈 블레이드 주조과정에서 세라믹 코어를 삽입하여 경사요철과 유로를 형성한 후 세라믹 코어를 녹여서 제거하는 방식으로 제작된다.

한편, 종래의 가스터빈 블레이드의 냉각유로에 형성되는 또 하나의 요철형태로서, 미국등록특허 제5,413,463호에 제시되어 있는 가스터빈 블레이드에는 냉각유로상에 수직요철(annular recess)이 형성된 구조가 나타나 있다. 즉, 도 3에서 보는 것과 같이, 가스터빈 블레이드의 냉각유로에는 그 축 방향 경로를 따라서 복수의 수직요철(annular recess)이 일정 간격을 이루며 형성된 구조를 갖는다.

상기한 냉각유로의 수직요철 또는 경사요철에 의한 강제 대류냉각은 냉각유로의 형상, 설치된 요철의 높이, 요철과 주유동과의 충돌각, 요철과 요철사이의 거리, 요철의 단락여부 등 여러 가지 인자에 의해서 가스터빈 블레이드 내부유로의 냉각성능이 좌우된다.

국소적으로 불균일한 냉각효과는 블레이드 표면의 불균일한 온도분포와 그로 인한 열응력을 야기시키므로 평균적인 냉각성능 향상과 더불어 가능한 한 열전달계수의 균일도를 높이는 것이 중요하다. 또한 냉각유체를 공급하기 위한 펌프(압축기)동력이 작을수록 효과적인데, 이 동력은 덕트 내에 설치된 요철에 의해서 증가되는 압력강하(유동마찰손실)에 따라 결정된다. 따라서 요철설치시 냉각성능 향상 뿐만 아니라 마찰손실도 고려하여 설계하는 것이 필요하다.

앞에서 설명한 바와 같이 가스터빈 블레이드의 유로 내에 설치되는 요철의 배열이나 충돌각 등은 냉각성능에 매우 중요한 인자가 된다. 이때 고려되어야 할 것은 냉각성능의 향상뿐만 아니라 전체적으로 균일한 열전달 성능이 나타나야 한다. 일반적으로 주유동과 요철의 충돌각이 90˚보다 작거나 요철이 단락되면 이로 인해서 더 큰 마찰손실이 수반되기 때문에 같은 동력을 사용하여 더 높은 냉각성능을 나타내기 위해서는 적절한 요철의 배열 및 단락에 대한 설계가 필요하다.

이에, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각성능 향상을 위한 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법에 관한 것으로서, 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성하여 냉각유체의 유동시 내부유로에 소용돌이 형태의 난류 유동을 발생시킴으로써, 유동 마찰손실은 최소화하면서 난류 유동에 의한 냉각성능을 향상시킬 수 있는 가스터빈 블레이드 및 그 가스터빈 블레이드에 내부유로를 형성하는 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드는, 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성된 가스터빈 블레이드에 있어서, 상기 내부유로의 내주면에는 상기 내부유로를 따라 연속된 나선형(螺旋形) 요철 구조를 갖는 나선형 리브(rib)가 형성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 나선형 리브는 ECM(electro chemical machining) 가공을 통해 형성될 수 있다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스터빈 블레이드에 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로를 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 가스터빈 블레이드에 내부유로의 형성을 위한 홀(hole)을 가공하는 단계와; 상기 홀 내부에 전극 을 삽입한 후 상기 전극 내부로 전해액을 투입하고 상기 전극을 상기 축 방향으로 일정속도로 이송시키는 동시에 회전시켜 상기 홀의 내주면에 연속된 나선형 요철구조의 나선형 리브를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 리브 사이의 피치(pitch)는 상기 전극의 축 방향 진행속도와 회전속도를 통해 조절될 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 냉각유체가 출입되는 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성함으로써, 냉각유체의 유동시 상기 나선형 리브에 의해 소용돌이 형태의 난류를 발생시켜 가스터빈 블레이드의 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 요철구조가 형성된 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 내부유로 단면도이다. 그리고, 도 6은 ECM 가공에 의한 나선형 내부유로 형성시 사용되는 전극 구조를 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 전극을 이용하여 ECM 가공에 의해 내부유로에 나선형 요철구조를 형성하는 과정을 순차적으로 설명하는 공정도이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드(100)에는 냉각유체가 흐르는 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110) 상에 나선형(螺旋形) 요철구조가 형성되는데, 상기 나선형 리브(120)는 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110)를 따라 연속된 나선 형태로 형성된다.

상기 나선형 리브(120)는 도 5의 상세도에서 보인 바와 같이 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110) 내벽면으로부터 일정한 높이(H)로 돌출 형성된다.

이때, 상기 나선형 리브(120)는 내부유로(110)의 축 방향을 따라 소정의 경사각을 가지며 나선 형태로 형성되기 때문에, 상기 내부유로(110)의 내부로 냉각유체가 흐르는 과정에서 냉각유체가 상기 나선형 리브(120)와 일정한 충돌각을 가지며 충돌될 수 있도록 구성된다.

여기서, 상기 나선형 리브(120)의 형상은 설계요구에 따라 내부유로(110) 내벽면으로부터의 돌출 높이(H)와 나선형 리브(120) 사이의 피치(pitch)를 적절히 조절하여 다양하게 형성할 수 있다.

상기 나선형 리브(120)는 모서리가 라운드진 형태 또는 모서리가 사각인 형태 등 다양한 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다.

한편, 상기한 나선형 리브(120)는 가스터빈 블레이드(100)의 내부유로(110)를 전기화학적 가공법인 ECM(electro chemical machining) 가공을 이용하여 형성할 수 있다.

상기 ECM 가공은 전기분해를 이용하여 금속재료를 전기화학적으로 용해(부식)하여 가공하는 방법으로서, 상기 ECM 가공을 통한 나선형 요철구조의 내부유 로(110)를 형성하기 위하여 도 6과 같은 3차원 전극(140)이 사용된다.

상기 전극(140)은 3차원 파이프(pipe) 형상을 가지는데, 그 내부에는 전해액이 투입되는 중공(141)이 형성되고, 측면부에는 상기 중공(141)에 투입된 전해액이 배출되도록 한 개 이상의 배출공(142)이 형성되어 있다.

도 7은 상기한 구조의 전극(140)을 이용하여 내부유로(110)에 나선형 요철구조를 형성하는 과정을 나타내고 있는 바, 도 7에서 보는 것과 같이, 먼저, 가스터빈 블레이드(100)에 일정 직경의 매끈한 홀(hole)을 가공하여 내부유로(110)를 형성한 후, 상기 홀(110) 내부에 전극(140)을 삽입하여 상기 전극(140)에 ECM 가공을 수행하게 된다.

이 과정에서, 전극(140)의 중공(141) 내부로 전해액이 주입되고 가스터빈 블레이드(100)와 전극(140) 사이에는 일정 수준의 전압이 인가되며, 상기 전극(140)에 의한 가공시, 전극(140)을 일정속도로 회전시키면서 내부유로(110)의 축 방향으로 일정속도로 이송시킴에 따라 전극(140)의 배출공(142)을 통해 배출되는 전해액에 의한 전기분해 작용에 의해 내부유로(110)의 내주면이 부분적으로 용해(부식)되면서 홀의 내주면에 도 4의 형태와 같은 연속된 나선형 요철구조를 갖는 내부유로(110)를 형성할 수 있다.

이러한 ECM 가공에 의한 나선형 유로 형성시, 나선형 리브(120) 사이의 피치(pitch)(P)는 전극(140)의 축 방향 진행속도와 회전속도를 통해 조절될 수 있다.

또한, 상기 전극(140)의 측면에 형성되는 배출공(142)의 개수 및 배치 구조에 따라 내부유로(110)의 나선형상을 달리 형성할 수 있는데, 예컨대, 배출공(142) 이 1개일 경우 나선형 리브(120)는 단일나선 형태로 형성되고, 배출공(142)이 2개일 경우 나선형 리브(120)는 이중나선 형태로 형성될 수 있다.

아울러, ECM 가공시 전극(140)의 축 방향 진행속도, 회전속도 등을 각각 적절하게 조절함으로써, 내부유로(110)에 원하는 형태의 나선형 요철구조를 형성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 나선형 요철구조 내부유로와 기존의 수직요철형 내부유로의 냉각성능을 시뮬레이션 결과로 비교한 그래프이다.

여기서, X축은 내부유로를 흐르는 냉각유체의 유량을 무차원화 한 레이놀즈수(Reynolds Number) 것이고, Y축의 Nu(Nusselt number)는 열전달계수를 무차원화 한 것이며, f 는 압력강하량을 무차원화한 것이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 동일 레이놀즈수 조건에서 Nusselt 수를 f 수로 나눈 값은 나선형 코일의 경우에 최대 50%까지 증대되는 것으로 나타나 열전달 성능이 증가되고 압력강하가 감소되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 9는 본 발명에 따른 나선형 요철구조의 내부유로 내에서 냉각유체의 유동 및 속도 분포를 나타낸 시뮬레이션도이다.

도 8의 비교 그래프와 도 9의 시뮬레이션도에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 나선형 요철을 갖는 내부유로 구조는 기존의 수직요철(annular recess) 내부유로 구조보다 냉각유체의 유동에 의한 유동 마찰손실은 적으면서 소용돌이 난류 유동에 의한 균일한 열전달로 인해 블레이드의 냉각성능이 개선되었음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 냉각유체가 출입 되는 가스터빈 블레이드의 내부유로에 연속된 나선형(螺旋形) 구조를 갖는 나선형 리브(rib)를 형성함으로써, 냉각유체의 유동시 상기 나선형 리브에 의해 소용돌이 형태의 난류를 발생시켜 가스터빈 블레이드의 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 터빈 블레이드의 외형 및 블레이드를 종단하여 내부 냉각유로와 경사요철을 나타내는 사시도.

도 2는 도 1에서 제시된 일반적인 터빈 블레이드의 Ⅰ-Ⅰ' 선 단면을 나타내는 도식도.

도 3은 종래의 수직형 요철이 형성된 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 요철구조가 형성된 가스터빈 블레이드의 내부유로 구조를 도시한 사시도.

도 5는 도 4의 내부유로 단면도.

도 6은 ECM 가공에 의한 나선형 내부유로 형성시 사용되는 전극 구조를 도시한 단면도.

도 7은 도 6의 전극을 이용하여 ECM 가공에 의해 내부유로에 나선형 요철구조를 형성하는 과정을 순차적으로 설명하는 공정도.

도 8은 본 발명의 나선형 요철구조 내부유로와 기존의 수직요철형 내부유로의 냉각성능을 비교한 그래프.

도 9는 본 발명에 따른 나선형 요철구조의 내부유로 내에서 냉각유체의 유동 및 속도 분포를 나타낸 시뮬레이션도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 가스터빈 블레이드 110 : 내부유로

120 : 나선형 리브 140 : 전극

141 : 중공 142 : 배출공

Claims (5)

1. 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로가 형성된 가스터빈 블레이드에 있어서,

   상기 내부유로의 내주면에는 상기 내부유로를 따라 연속된 나선형(螺旋形) 요철 구조를 갖는 나선형 리브(rib)가 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 나선형 리브는 ECM(electro chemical machining) 가공을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드.
3. 가스터빈 블레이드에 냉각유체가 흐를 수 있는 내부유로를 형성하기 위한 방법에 있어서,

   상기 가스터빈 블레이드에 내부유로의 형성을 위한 홀(hole)을 가공하는 단계와;

   상기 홀 내부에 전극을 삽입한 후 상기 전극 내부로 전해액을 투입하고 상기 전극을 상기 축 방향으로 일정속도로 이송시키는 동시에 회전시켜 상기 홀의 내주면에 연속된 나선형 요철구조의 나선형 리브를 형성하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 리브 사이의 피치(pitch)는 상기 전극의 축 방향 진행속도와 회전속도를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 리브는 반원 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부유로 형성방법.

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