KR20160131467A - 최외곽 유로를 포함하는 가스터빈 베인 및 블레이드 - Google Patents

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KR20160131467A
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조형희
손호성
정의엽
박세진
정희윤
문호규
김선호
최석민
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

최외곽 유로를 포함하는 가스터빈 베인 및 블레이드가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드(100)는, 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드(100)로서, 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있고, 상기 유동로 내부면에는 측단면상 소정각도로 기울어진 형태의 미세유동로(122)가 다수 형성되어 있으며, 상기 유동로(110)로 냉각유체가 유입된 후 미세유동로(122)를 통해 외부로 배출되는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명의 가스터빈 베인 및 블레이드에 따르면, 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로를 내부에 형성시키고, 유동로 내부면에 미세유동로를 형성시키며, 유동로와 미세유동로에 초임계유체를 냉각유체로 사용함으로써, 가스터빈의 베인 및 블레이드의 냉각효율을 향상시키고, 결과적으로 발전시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 가스터빈 베인 및 블레이드에 따르면, 초임계유체를 냉각유체로서 사용함으로써, 가스터빈 시스템의 냉각효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

Description

최외곽 유로를 포함하는 가스터빈 베인 및 블레이드 {Gas Turbine Vane and Blade Having Cooling Passage Added on Outermost Surface}
본 발명은 가스터빈 베인 및 블레이드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최외곽 유로를 포함하는 가스터빈 베인 및 블레이드에 관한 것이다.
발전시스템에서 사용되는 가스터빈은 연소기, 터빈을 기본 구성으로 하여 이루어져 있다. 구체적으로, 가스터빈은 압축기로 공기를 압축하여 압축된 공기를 연소실로 공급하고, 연소실에 연료를 분사하여 연소시킨다. 이때 생긴 고온, 고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다.
일반적으로, 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25 내지 30 %를 사용한다.
따라서, 가스터빈으로 발전기, 프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.
도 1에는 종래 기술에 따른 가스터빈 발전시스템에서 연소기 및 터빈을 냉각하는 방식을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 가스터빈 발전시스템(10)은 고온부품(연소실, 베인, 블레이드, 케이싱 등)의 냉각을 위해 압축공기를 사용하게 되는데, 이때 압축기(11)에 의하여 압축된 압축공기를 이용하였다.
그러나, 압축된 냉각유체의 일부를 연소기(13) 및 터빈(12)으로 보내 냉각에 이용하게 되므로 전체 가스터빈 발전시스템의 효율을 저하시키는 문제가 발생하였다.
한편, 가스터빈에서 베인 및 블레이드에는 열부하가 가해지며, 이를 효율적으로 냉각시켜야만 가스터빈의 운용효율을 향상시킬 수 있다.
종래 기술에 따른 가스터빈의 베인 및 블레이드 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 냉매유로가 형성되어 있으며, 냉매유로를 통해 냉각유체가 유동하며 베인 및 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드에 형성된 냉매유로는, 냉각 효율을 더 이상 향상시키기에는 기술적 한계가 수반되는 문제점을 가지고 있다.
한국공개특허공보 제10-1990-0011968호 (1990년 08월 02일 공개)
본 발명의 목적은, 발전시스템에 사용되는 가스터빈의 베인 및 블레이드의 냉각효율을 향상시키고, 결과적으로 발전시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 가스터빈 베인 및 블레이드를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드는: 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드로서, 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로가 형성되어 있고, 상기 유동로의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 측단면상 소정각도로 기울어진 형태의 미세유동로가 다수 형성되어 있으며, 상기 유동로로 냉각유체가 유입된 후 미세유동로를 통해 외부로 배출되거나, 상기 미세유동로로 초임계유체가 유입된 후 유동로를 통해 외부로 배출되는 구조일 수 있다.
이 경우, 상기 유동로 및 미세유동로 내부를 유동하는 초임계유체는, 가스터빈 베인 및 블레이드로부터 열을 흡수하여 가열된 후, 외부로 배출될 수 있다. 또한, 상기 가스터빈 베인 및 블레이드는, 외부로 배출되는 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈 및 초임계유체 터빈을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기를 포함하는 초임계유체터빈 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다수의 층으로 구성된 미세구조가 형성되어 있고, 상기 미세구조 각각의 내부에 미세유동로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다수의 층으로 구성된 미세구조가 형성되어 있고, 상기 미세구조 내부에는 측단면상 소정각도로 기울어져 연장된 형태의 미세요철구조가 형성되어 있으며, 상기 미세구조에 형성된 미세요철구조가 서로 맞닿아 미세유동로를 형성할 수 있다.
이때, 상기 미세구조의 각 층에 형성된 미세유동로는, 서로 소정각도를 이루며 교차하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드는: 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드로서, 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로가 형성되어 있고, 상기 유동로의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 유동로의 형성방향과 평행한 방향 또는 수직 방향으로 미세유동로가 다수 형성되어 있고, 상기 미세유동로는 하나의 유동로를 형성하도록 서로 연통되어 있으며, 상기 유동로로 냉각유체가 유입된 후 미세유동로를 통해 외부로 배출되거나, 상기 미세유동로로 초임계유체가 유입된 후 유동로를 통해 외부로 배출되는 구조일 수 있다.
이 경우, 상기 유동로 및 미세유동로 내부를 유동하는 초임계유체는, 가스터빈 베인 및 블레이드로부터 열을 흡수하여 가열된 후, 외부로 배출될 수 있다. 또한, 상기 가스터빈 베인 및 블레이드는, 외부로 배출되는 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈 및 초임계유체 터빈을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기를 포함하는 초임계유체터빈 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 하나의 층으로 구성된 미세구조가 형성되어 있고, 상기 미세구조의 내부에 미세유동로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유동로는 리딩엣지(leading edge) 방향과 트레일링 엣지(trailing edge)방향의 두 개로 구획될 수 있다.
이 경우, 상기 리딩엣지 방향에 구획된 유동로의 내부면에 형성된 미세유동로에는 충돌제트 홀이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드는: 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드로서, 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로가 형성되어 있고, 상기 유동로의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다공성 미세구조가 형성되어 있으며, 상기 유동로로 초임계유체가 유입된 후 다공성 미세구조를 통해 외부로 배출되거나, 상기 다공성 미세구조로 초임계유체가 유입된 후 유동로를 통해 외부로 배출되는 구조일 수 있다.
이 경우, 상기 유동로 및 다공성 미세구조 내부를 유동하는 초임계유체는, 가스터빈 베인 및 블레이드로부터 열을 흡수하여 가열된 후, 외부로 배출될 수 있다. 또한, 상기 가스터빈 베인 및 블레이드는, 외부로 배출되는 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈 및 초임계유체 터빈을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기를 포함하는 초임계유체터빈 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유동로는 리딩엣지(leading edge) 방향과 트레일링 엣지(trailing edge)방향으로 다수의 유동로로 구획될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유동로에는 서로 대향하는 내부면의 이격거리를 유지하는 다수의 지지부재가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각유체는 초임계유체일 수 있다. 이때, 상기 초임계유체는 이산화탄소일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유동로의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 50 내지 95 %의 비율로 축소된 형상일 수 있다.
또한, 상기 미세유동로는 관상형으로 형성된 마이크로 채널(micro channel)로서, 미세유동로의 내경은 200 내지 3,000 마이크로미터일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 가스터빈 베인 및 블레이드에 따르면, 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로를 내부에 형성시키고, 유동로 내부면에 미세유동로를 형성시키며, 유동로와 미세유동로에 초임계유체를 냉각유체로 사용함으로써, 가스터빈의 베인 및 블레이드의 냉각효율을 향상시키고, 결과적으로 발전시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 가스터빈 베인 및 블레이드에 따르면, 초임계 영역의 밀도와 비열이 압축공기 보다 높으며 초임계 영역에서의 상변화가 없는 물리적 특성을 가지고 있는 초임계 이상화탄소를 냉각유체로 사용함으로써, 압축공기와 비교하여 더 높은 냉각효과를 얻을 수 있으며, 결과적으로 고부하 부품에 적용되는 막냉각(film cooling)방법 적용 없이 충분한 냉각효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 가스터빈 베인 및 블레이드에 따르면, 초임계유체를 냉각유체로서 사용함으로써, 가스터빈 시스템의 냉각효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스터빈 발전시스템에서 연소기 및 터빈을 냉각하는 방식을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드를 냉각시키기 위한 냉각시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 가스터빈 베인 및 블레이드를 일부 분해한 모습을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 가스터빈 베인 및 블레이드를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 미세유동로를 더욱 상세히 나타낸 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8의 가스터빈 베인 및 블레이드를 나타내는 정면 단면도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드를 냉각시키기 위한 냉각시스템을 나타내는 구성도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드를 냉각시키기 위한 냉각시스템(10)은, 주발전시스템(11)과 초임계유체터빈 시스템(15)을 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 주발전시스템(11)은 공기를 압축하는 압축기(12), 압축기(12)로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기(13) 및 연소기(13)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(14)을 포함하는 구성일 수 있다. 이때, 주발전시스템(11)은, 압축공기와 초임계유체를 냉각유체로서 유동시켜 가스터빈의 베인과 가스터빈의 블레이드를 냉각시킬 수 있다. 이 경우, 초임계유체를 냉각유체로서 사용할 수 있다.
한편, 초임계유체터빈 시스템(15)은, 연소기(13)와 터빈(14)에 설치된 냉각유로(18)를 통해 초임계유체를 냉각유체로서 유동시키고, 냉각유로(18)를 유동하며 가열된 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈(16) 및 초임계유체 터빈(16)을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기(17)를 포함하는 구성일 수 있다. 이때, 상기 언급한 초임계유체는 이산화탄소일 수 있다.
일반적으로 가스터빈 베인과 블레이드 냉각유체로 사용되는 압축공기는 약 섭씨 400 도(압축기에서 추출한 압축공기일 경우의 온도임)이다. 이산화탄소의 임계점 온도는 섭씨 31 도 이상이며, 초임계 터빈의 작동 온도는 초임계 유체 터빈 시스템 용량에 따라 다양하게 조절가능 하므로, 초임계 이산화탄소는 기존 가스터빈 베인과 블레이드 냉각유체로 적용 가능하다. 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드 냉각시스템은, 기존 가스터빈 냉각에 필요한 냉각유체 일부를 초임계 시스템으로부터 얻어(전체 유량의 15 내지 25 % 기존의 종래기술의 시스템 효율이 저하되는 원인) 가스터빈 시스템 효율 감소를 줄일 수 있다.
초임계유체는 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리키는 것으로, 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가진다.
보통 온도 및 압력에서는 기체와 액체가 되는 물질도 임계점(critical point)이라고 불리는 일정한 고온 및 고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계상태가 되는데, 이 상태에 있는 물질을 초임계유체라고 하는 것이다. 이러한 성질을 갖는 초임계유체 중 인계온도가 상온에 비교적 가까운 것이 이산화탄소여서 본 발명에서는 초임계유체의 한 실시형태로서, 이산화탄소를 이용한다.
이에 따라, 도 1에 나타난 종래 가스터빈과 달리 본 발명의 실시예에서는 냉각이 필요한 연소기(13) 및 터빈(14) 등에 냉각유로(18)를 설치하여 압축기(12)에 의하여 압축된 공기가 아닌 별도의 초임계유체를 이용하여 냉각하므로 발전 효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.
경우에 따라서, 본 실시예에 따른 발전시스템(10)은, 터빈(14)을 구동시킨 후 배출되는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집부를 더 포함하는 구성일 수 있다. 이때, 이산화탄소 포집부로 포집된 이산화탄소는 초임계유체로서 회수되어 재활용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 발전시스템에 따르면, 발전시스템에서 연소가스로 방출되는 이산화탄소를 포집하여 초임계유체로 재활용할 수 있어, 이산화탄소 배기가스로 인해 발생될 수 있는 환경문제를 미연에 방지할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 가스터빈 베인 및 블레이드를 일부 분해한 모습을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드(100)의 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이때, 유동로(110)의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며, 바람직하게는 50 내지 95 %의 비율로 축소된 형상일 수 있다. 축소 비율이 50 % 미만일 경우, 유동로(110)의 크기가 작아 냉각유체가 충분히 유동될 수 없고, 축소 비율이 95 % 초과일 경우, 베인 및 블레이드의 외곽의 강성이 현저히 저하되어 바람직하지 않다.
또한, 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 측단면상 소정각도로 기울어진 형태의 미세유동로(122)가 다수 형성되어 있으며, 유동로(110)로 냉각유체가 유입된 후 미세유동로(122)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상기 언급한 미세유동로(122)는 관상형으로 형성된 마이크로 채널(channel)을 의미하는 것으로서, 내부 직경 또는 내부 폭이 200 내지 3,000 마이크로미터 범위 내에 있는 유동로를 의미한다. 미세유동로(122)의 내경 또는 내부 폭이 200 마이크로미터 미만일 경우, 미세유동로(122)의 크기가 작아 냉각유체가 충분히 유동될 수 없고, 미세유동로(122)의 내경 또는 내부 폭이 3,000 마이크로미터를 초과할 경우 냉각유체에 의한 충분한 냉각효과를 달성할 수 없어 바람직하지 않다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다수의 층으로 구성된 미세구조(120)가 형성되어 있고, 미세구조(120) 각각의 내부에 미세유동로(122)가 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다수의 층으로 구성된 미세구조(120)가 형성되어 있고, 미세구조(120) 내부에는 측단면상 소정각도로 기울어져 연장된 형태의 미세요철구조(121)가 형성될 수 있다. 이때, 미세구조(120)에 형성된 미세요철구조(121)가 서로 맞닿아 미세유동로(122)를 형성할 수 있다. 또한, 미세구조(120)의 각 층에 형성된 미세유동로(122)는, 서로 소정각도를 이루며 교차하도록 형성될 수 있다.
이러한 구조를 포함하는 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드는, 냉각유체가 미세유동로(122)를 통해 유동되며 강제대류효과를 통해 높은 열부하에 노출된 베인과 블레이드 표면을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 사선으로 기울어진 미세유동로의 형상(swirer 형상)에 의해 냉각유체의 유동이 가속되는 효과와 사선 방향으로 형성된 유로에 의해 발생하는 냉각유체간의 마찰(friction)에 의해 높은 냉각효과를 얻을 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 가스터빈 베인 및 블레이드를 나타내는 평면도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 5에 도시된 미세유동로를 더욱 상세히 나타낸 정면도가 도시되어 있다.
도 5 내지 도 7에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드(100)의 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이때, 유동로(110)의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며, 바람직하게는 50 내지 95 %의 비율로 축소된 형상일 수 있다. 축소 비율이 50 % 미만일 경우, 유동로(110)의 크기가 작아 냉각유체가 충분히 유동될 수 없고, 축소 비율이 95 % 초과일 경우, 베인 및 블레이드의 외곽의 강성이 현저히 저하되어 바람직하지 않다.
또한, 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 유동로(110)의 형성방향과 평행한 방향으로 미세유동로(132)가 다수 형성되어 있고, 미세유동로는 하나의 유동로를 형성하도록 서로 연통된 구조일 수 있다. 이때, 유동로로 냉각유체가 유입된 후 미세유동로를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 상기 언급한 미세유동로(132)는 관상형으로 형성된 마이크로 채널(channel)을 의미하는 것으로서, 내부 직경 또는 내부 폭이 200 내지 3,000 마이크로미터 범위 내에 있는 유동로를 의미한다. 미세유동로(132)의 내경 또는 내부 폭이 200 마이크로미터 미만일 경우, 미세유동로(132)의 크기가 작아 냉각유체가 충분히 유동될 수 없고, 미세유동로(132)의 내경 또는 내부 폭이 3,000 마이크로미터를 초과할 경우 냉각유체에 의한 충분한 냉각효과를 달성할 수 없어 바람직하지 않다.
구체적으로, 상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 하나의 층으로 구성된 미세구조(130)가 형성되어 있고, 미세구조(130)의 내부에 미세유동로(131)가 형성될 수 있다.
이때, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 유동로(110)는 리딩엣지(leading edge) 방향과 트레일링 엣지(trailing edge)방향의 두 개로 구획(111, 112)될 수 있다.
냉각유체는 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드에 형성된 두 개의 유동로(111, 112)를 통해 베인 및 블레이드 내부로 유입된 후, 미세유동로(131)의 유로를 따라 유동하여 외부로 배출될 수 있다. 이대, 미세유동로(131)를 통해 유동하는 냉각유체에 의해 베인 및 블레이드는 효과적으로 냉각될 수 있다.
경우에 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 리딩엣지 방향에 구획된 유동로(111)의 내부면에 형성된 미세유동로(131)에 충돌제트 홀(132)을 더 형성시켜, 냉각성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조를 나타내는 평면도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 가스터빈 베인 및 블레이드를 나타내는 정면 단면도가 도시되어 있다.
도 8 및 도 9에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드의 구조가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스터빈 베인 및 블레이드(100)의 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이때, 유동로(110)의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며, 바람직하게는 50 내지 95 %의 비율로 축소된 형상일 수 있다. 축소비율이 50 % 미만일 경우, 유동로(110)의 크기가 작아 냉각유체가 충분히 유동될 수 없고, 축소 비율이 95 % 초과일 경우, 베인 및 블레이드의 외곽의 강성이 현저히 저하되어 바람직하지 않다.
또한, 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다공성 미세구조(140)가 형성되어 있으며, 유동로로(110) 냉각유체가 유입된 후 다공성 미세구조(140)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 유동로(110)는 리딩엣지(leading edge) 방향과 트레일링 엣지(trailing edge)방향으로 다수의 유동로(113)로 구획될 수 있다.
냉각유체는 베인 및 블레이드 끝단(tip 부분)에서 베인 및 블레이드 표면 쪽 유로로 유동하여 강제대류 효과를 일으키고, 이러한 효과를 이용하여 베인과 블레이드 표면을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
베인 및 블레이드 표면쪽 유로 형상을 다공층(porous layer)으로 적용하여, 냉각유체의 침투성과 확산성을 높일 수 있고, 이에 따라서 냉각효율 또한 향상시킬 수 있다.
경우에 따라서, 유동로(110)에는 서로 대향하는 내부면의 이격거리를 유지하는 다수의 지지부재(150)가 설치될 수 있다.
구체적으로, 구조적 강도 향상을 위해, 냉각유체가 공급되는 유동로(110)에 핀형휜 또는 가이드를 설치하여 구조적 강도를 향상시킬 수 있고, 열전도에 의한 추가적인 냉각 효과도 얻을 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1: 종래 기술에 따른 가스터빈 발전시스템
2: 압축기
3: 터빈
4: 연소기
10: 가스터빈 베인 및 블레이드 냉각시스템
11: 주발전시스템
12: 압축기
13: 연소기
14: 터빈
15: 초임계유체터빈 시스템
16: 초임계유체 터빈
17: 초임계유체 압축기
18: 내부유로
100: 베인 및 블레이드
110: 유동로
111: 리딩엣지 방향의 유동로
112: 트레일링 엣지 방향의 유동로
113: 다수 구획된 유동로
120: 미세구조
121: 미세요철구조
122: 미세유동로
130: 미세구조
131: 미세유동로
132: 충돌제트홀
140: 다공성 미세구조
150: 지지부재

Claims (20)

  1. 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드(100)로서,
    내부에는 초임계유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있고,
    상기 유동로(110)의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며,
    베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 측단면상 소정각도로 기울어진 형태의 미세유동로(122)가 다수 형성되어 있으며,
    상기 유동로(110)로 초임계유체가 유입된 후 미세유동로(122)를 통해 외부로 배출되거나, 상기 미세유동로(122)로 초임계유체가 유입된 후 유동로(110)를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동로(110) 및 미세유동로(122) 내부를 유동하는 초임계유체는, 가스터빈 베인 및 블레이드로부터 열을 흡수하여 가열된 후, 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스터빈 베인 및 블레이드는, 외부로 배출되는 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈(16) 및 초임계유체 터빈(16)을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기(17)를 포함하는 초임계유체터빈 시스템(15)에 적용되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다수의 층으로 구성된 미세구조(120)가 형성되어 있고,
    상기 미세구조(120) 각각의 내부에 미세유동로(122)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다수의 층으로 구성된 미세구조(120)가 형성되어 있고,
    상기 미세구조(120) 내부에는 측단면상 소정각도로 기울어져 연장된 형태의 미세요철구조(121)가 형성되어 있으며,
    상기 미세구조(120)에 형성된 미세요철구조(121)가 서로 맞닿아 미세유동로(122)를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 미세구조(120)의 각 층에 형성된 미세유동로(122)는, 서로 소정각도를 이루며 교차하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  7. 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드(100)로서,
    내부에는 초임계유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있고,
    상기 유동로(110)의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며,
    상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 유동로(110)의 형성방향과 평행한 방향 또는 수직 방향으로 미세유동로(132)가 다수 형성되어 있고,
    상기 미세유동로(132)는 하나의 유동로를 형성하도록 서로 연통되어 있으며,
    상기 유동로(110)로 초임계유체가 유입된 후 미세유동로(132)를 통해 외부로 배출되거나, 상기 미세유동로(132)로 초임계유체가 유입된 후 유동로(110)를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유동로(110) 및 미세유동로(132) 내부를 유동하는 초임계유체는, 가스터빈 베인 및 블레이드로부터 열을 흡수하여 가열된 후, 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스터빈 베인 및 블레이드는, 외부로 배출되는 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈(16) 및 초임계유체 터빈(16)을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기(17)를 포함하는 초임계유체터빈 시스템(15)에 적용되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 하나의 층으로 구성된 미세구조(130)가 형성되어 있고,
    상기 미세구조(130)의 내부에 미세유동로(131)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 유동로(110)는 리딩엣지(leading edge) 방향과 트레일링 엣지(trailing edge)방향의 두 개로 구획(111, 112)되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 리딩엣지 방향에 구획된 유동로(111)의 내부면에 형성된 미세유동로(131)에는 충돌제트 홀(132)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  13. 가스터빈에 적용되는 베인 및 블레이드(100)로서,
    내부에는 초임계유체가 유동할 수 있는 유동로(110)가 형성되어 있고,
    상기 유동로(110)의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 소정 비율로 축소된 형상이며,
    상기 베인 및 블레이드 표면과 유동로(110)의 내측벽이 형성하는 두께부 내에는 다공성 미세구조(140)가 형성되어 있으며,
    상기 유동로(110)로 초임계유체가 유입된 후 다공성 미세구조(140)를 통해 외부로 배출되거나, 상기 다공성 미세구조(140)로 초임계유체가 유입된 후 유동로(110)를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유동로(110) 및 다공성 미세구조(140) 내부를 유동하는 초임계유체는, 가스터빈 베인 및 블레이드로부터 열을 흡수하여 가열된 후, 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스터빈 베인 및 블레이드는, 외부로 배출되는 초임계유체를 이용하여 구동되는 초임계유체 터빈(16) 및 초임계유체 터빈(16)을 통과한 초임계유체를 압축하는 초임계유체 압축기(17)를 포함하는 초임계유체터빈 시스템(15)에 적용되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 유동로(110)는 리딩엣지(leading edge) 방향과 트레일링 엣지(trailing edge)방향으로 다수의 유동로(113)로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 유동로(110)에는 서로 대향하는 내부면의 이격거리를 유지하는 다수의 지지부재(150)가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  18. 제 1 항, 제 7 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 초임계유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  19. 제 1 항, 제 7 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 유동로의 형상은, 베인 및 블레이드의 외곽모양이 50 내지 95 %의 비율로 축소된 형상인 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
  20. 제 1 항, 제 7 항에 있어서,
    상기 미세유동로(122, 132)는 관상형으로 형성된 마이크로 채널(micro channel)로서,
    상기 미세유동로(122, 132)의 내경은 200 내지 3,000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 가스터빈 베인 및 블레이드.
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