KR20230081267A

KR20230081267A - 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈

Info

Publication number: KR20230081267A
Application number: KR1020210169167A
Authority: KR
Inventors: 송진우; 배진호; 김기백; 정성철; 최재연
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-07
Also published as: EP4191024B1; US11814985B2; EP4191024A1; US20230167744A1

Abstract

본 발명은 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 관한 것으로 보다 상세하게는 그루브가 형성된 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 루트부재에 그루브가 형성되어 비틀림 응력을 분산시킴에 따라 터빈 블레이드가 조립되는 로터 디스크의 내구성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈{Turbine blade, turbine and gas turbine including the same}

본 발명은 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그루브가 형성된 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 응력을 분산하여 내구성을 향상시킨 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 터빈 블레이드는 에어포일, 플랫폼, 루트부재, 도브테일, 그루브를 포함한다. 에어포일은 단면이 익형이고 반경방향으로 연장된다. 플랫폼은 에어포일의 반경방향 내측에 배치된다. 루트부재는 플랫폼의 반경방향 내측에 배치되고, 반경방향 내측으로 갈수록 폭이 좁아진다. 도브테일은 루트부재의 원주방향 양 측부에 형성되고, 반경방향 외측면에 접촉면이 형성되며, 복수 개가 반경방향을 따라 순차적으로 배치된다. 그루브는 루트부재의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에서 루트부재의 내측으로 함몰되되, 원주방향으로 연장되어 형성된다. 그루브는 루트부재에서 반경방향 최외곽에 배치된 도브테일과 대응하는 높이에 형성되며, 적어도 일부가 평면으로 형성된 평면부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 그루브가 플랫폼의 하단에서부터 함몰되어 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 그루브가 루트부재의 내측으로 가장 깊게 함몰되는 부분이 접촉면과 대응하는 높이의 영역에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 그루브가 루트부재에서 평면부가 차지하는 영역이 접촉면과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 그루브가 루트부재의 축방향 양측부에 서로 비대칭적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 평면부가 축방향과 수직으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 그루브가 반경방향 내측으로 순차적으로 배치되는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션을 더 포함하고, 제1섹션은 반경방향 내측으로 갈수록 루트부재의 내측으로 함몰되며, 제2섹션은 평면부이고, 제3섹션은 반경방향 외측으로 갈수록 루트부재의 내측으로 함몰될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션이 서로 연속적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 제1섹션 또는 제3섹션이 단면이 곡면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드는 제3섹션이 반경방향 최외곽에 배치된 도브테일보다 반경방향 내측으로 더 연장되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 터빈은 로터 디스크, 터빈 블레이드, 터빈 베인을 포함한다. 로터 디스크는 회전 가능하게 배치된다. 터빈 블레이드는 복수 개가 터빈 로터 디스크에 배치된다. 터빈 베인은 복수 개가 고정 배치된다. 터빈 블레이드는 에어포일, 플랫폼, 루트부재, 도브테일, 그루브를 포함한다. 에어포일은 단면이 익형이고 반경방향으로 연장된다. 플랫폼은 에어포일의 반경방향 내측에 배치된다. 루트부재는 플랫폼의 반경방향 내측에 배치되고, 반경방향 내측으로 갈수록 폭이 좁아진다. 도브테일은 루트부재의 원주방향 양 측부에 형성되고, 반경방향 외측면에 접촉면이 형성되며, 복수 개가 반경방향을 따라 순차적으로 배치된다. 그루브는 루트부재의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에서 루트부재의 내측으로 함몰되되, 원주방향으로 연장되어 형성된다. 그루브는 루트부재에서 반경방향 최외곽에 배치된 도브테일과 대응하는 높이에 형성되며, 적어도 일부가 평면으로 형성된 평면부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈은 그루브가 루트부재에서 평면부가 차지하는 영역이 접촉면과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈은 그루브가 반경방향 내측으로 순차적으로 배치되는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션을 더 포함하고, 제1섹션은 반경방향 내측으로 갈수록 루트부재의 내측으로 함몰되며, 제2섹션은 평면부이고, 제3섹션은 반경방향 외측으로 갈수록 루트부재의 내측으로 함몰될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈은 제1섹션 또는 제3섹션이 단면이 곡면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈은 제3섹션이 반경방향 최외곽에 배치된 도브테일보다 반경방향 내측으로 더 연장되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈을 포함한다. 압축기는 공기를 압축시킨다. 연소기는 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합시켜 연소시킨다. 터빈은 터빈 베인과 터빈 블레이드를 포함한다. 터빈 베인은 연소기에 의해 연소된 연소 가스를 안내하도록 고정된다. 터빈 블레이드는 연소 가스에 의해 회전한다. 터빈 블레이드는 에어포일, 플랫폼, 루트부재, 도브테일, 그루브를 포함한다. 에어포일은 단면이 익형이고 반경방향으로 연장된다. 플랫폼은 에어포일의 반경방향 내측에 배치된다. 루트부재는 플랫폼의 반경방향 내측에 배치되고, 반경방향 내측으로 갈수록 폭이 좁아진다. 도브테일은 루트부재의 원주방향 양 측부에 형성되고, 반경방향 외측면에 접촉면이 형성되며, 복수 개가 반경방향을 따라 순차적으로 배치된다. 그루브는 루트부재의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에서 루트부재의 내측으로 함몰되되, 원주방향으로 연장되어 형성된다. 그루브는 루트부재에서 반경방향 최외곽에 배치된 도브테일과 대응하는 높이에 형성되며, 적어도 일부가 평면으로 형성된 평면부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은 그루브가 루트부재에서 평면부가 차지하는 영역이 접촉면과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은 그루브가 반경방향 내측으로 순차적으로 배치되는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션을 더 포함하고, 제1섹션은 반경방향 내측으로 갈수록 루트부재의 내측으로 함몰되며, 제2섹션은 평면부이고, 제3섹션은 반경방향 외측으로 갈수록 루트부재의 내측으로 함몰될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은 제1섹션 또는 제3섹션은 단면이 곡면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은 제3섹션이 반경방향 최외곽에 배치된 도브테일보다 반경방향 내측으로 더 연장되어 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드, 이를 포함하는 터빈 및 가스터빈은 루트부재에 그루브가 형성되어 비틀림 응력을 분산시킴에 따라 터빈 블레이드가 조립되는 로터 디스크의 내구성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 절개하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 터빈 블레이드를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.
도 5는 도 4에서 그루브가 루트부재의 축방향 양측부 중 어느 한 측부에만 형성된 것을 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 회전축방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을아니 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 링 세그먼트 및 이를 포함하는 터빈에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 터빈의 내부 모습을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 가스 터빈의 일부를 절개하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 센터 타이로드(1120)와 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 토크 튜브(1170)에 의하여 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다.

한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

연소기(1200)는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combustor Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.

한편, 연소기(1200)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈(1300)의 터빈 블레이드(1400)에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브(1170)를 거쳐 압축기(1100)로 전달되고, 압축기(1100) 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 사용된다.

터빈(1300)은 로터 디스크(1310)와 터빈 케이싱(1800)과 로터 디스크(1310)에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)과 터빈 블레이드(1400)를 감싸는 복수의 링 세그먼트(1600)를 포함한다.

로터 디스크(1310)에는 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)이 삽입된다. 터빈 케이싱(1800)은 원뿔대 형상의 관으로 이루어지며, 터빈 케이싱(1800) 내에 터빈 블레이드(1400)와 베인(1500)과 링 세그먼트(1600)가 수용된다.

베인(1500)은 회전하지 않도록 고정되며 터빈 블레이드(1400)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 안내한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 터빈 블레이드를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이며, 도 5는 도 4에서 그루브가 루트부재의 축방향 양측부 중 어느 한 측부에만 형성된 것을 나타낸 측면도이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 회전축방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)는 에어포일(1410), 플랫폼(1420), 루트부재(1430)를 포함한다.

에어포일(1410)은 터빈 블레이드(1400)의 터빈 반경방향 외측에 배치된다. 여기서 터빈 반경방향은 z방향을 의미하며, 이하, 반경방향(z방향)이라 한다. 에어포일(1410)은 단면이 익형이고, 터빈의 반경방향(z방향) 외측으로 연장되어 형성된다. 에어포일(1410)에는 리딩 엣지(미도시)와 트레일링 엣지(미도시)가 형성된다. 리딩 엣지(미도시)는 연소 가스 유동의 상류 측에 형성된다. 트레일링 엣지(미도시)는 연소 가스 유동의 하류 측에 형성된다.

에어포일(1410)의 반경방향(z방향) 내측에는 플랫폼(1420)이 배치된다. 플랫폼(1420)은 대략 사각형의 판형으로 형성될 수 있다. 에어포일(1410)의 내부에는 냉각유체가 유동할 수 있는 냉각유로(미도시)가 형성될 수 있는데, 상기 냉각유로(미도시)는 플랫폼(1420)을 통과할 수 있다.

루트부재(1430)는 플랫폼(1420)의 반경방향(z방향) 내측에 배치된다. 루트부재(1430)는 반경방향(z방향) 내측으로 폭이 좁아지도록 형성된다. 여기서 루트부재(1430)의 폭은 원주방향으로의 폭을 의미하며, 원주방향은 x방향을 의미한다. 이하, x방향을 원주방향(x방향)이라 한다.

도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)은 루트부재(1430)의 원주방향(x방향) 양 측부에 형성된다. 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)은 단면이 전나무 형상으로 형성될 수 있다. 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)은 복수 개로 형성될 수 있다. 이 경우, 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)은 제1도브테일(1431), 제2도브테일(1432), 제3도브테일(1433), 제4도브테일(1434)을 포함할 수 있고, 제1도브테일(1431), 제2도브테일(1432), 제3도브테일(1433), 제4도브테일(1434)이 반경방향(z방향) 내측으로 순차적으로 배치될 수 있다. 제1도브테일(1431)에서 제4도브테일(1434)로 갈수록 각 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)의 원주방향(x방향) 폭은 점점 감소할 수 있다. 여기서는 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)이 제1도브테일(1431)부터 제4도트테일까지 4개인 것으로 설명하였으나, 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)의 개수는 이에 한정되지 않으며, 더 적은 개수로 구비되거나, 더 많은 개수로 구비될 수 있다.

앞서 설명한 로터 디스크(1310)는 대략 원판 형상으로 형성된다. 로터 디스크(1310)의 외주부에는 복수 개의 홈(1311)이 형성되어 있다. 홈(1311)은 굴곡면을 갖도록 형성되며 홈(1311)에 터빈 블레이드(1400)가 삽입되어 결합된다. 구체적으로, 터빈 블레이드(1400)의 루트부재(1430)는 로터 디스크(1310)의 홈(1311)에 삽입된다. 루트부재(1430)의 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)은 로터 디스크(1310)의 홈(1311)에 맞물려지도록 삽입된다. 이를 위하여, 로터 디스크(1310)의 홈(1311)의 단면 형상은 루트부재(1430)의 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)의 단면형상과 대응되도록 형성된다.

로터 디스크(1310)이 회전하는 경우, 홈(1311)에 삽입된 루트부재(1430)에는 원심력에 의한 힘이 반경방향(z방향) 외측으로 작용하게 된다. 이에 따라서, 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)에는 로터 디스크(1310)의 홈과 밀착되는 접촉면(CS)이 형성된다. 루트부재(1430)에 작용하는 원심력의 방향이 반경방향(z방향) 외측이므로, 접촉면(CS)은 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)의 반경방향(z방향) 외측면에 형성된다. 첨부된 도면들에서는 접촉면(CS)가 제1도브테일(1431)에만 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이고, 제2도브테일(1432), 제3도브테일(1433), 제4도브테일(1434)에도 접촉면(CS)이 형성된다. 이하에서, 접촉면(CS)은 제1도브테일(1431)의 접촉면(CS)을 지칭한다.

그루브(1440)는 루트부재(1430)의 터빈의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에 형성된다. 여기서, 축방향은 y방향을 의미하여, 이하, 축방향(y방향)이라 한다. 그루브(1440)는 루트부재(1430)의 내측으로 함몰되어 형성된다. 그루브(1440)는 루트부재(1430)에서 원주방향(x방향)으로 연장되어 형성된다.

그루브(1440)는 도 5에 도시된 바와 같이, 루트부재(1430)의 축방향 양측부 중 어느 하나의 측부에만 형성될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 루트부재(1430)의 축방향 양측부에 모두 형성될 수도 있다. 그루브(1440)가 루트부재(1430)의 축방향 양측부에 모두 형성될 경우, 각각의 그루브(1440)는 서로 대칭적으로 형성될 수 있으며, 후술하는 바와 같이 서로 비대칭적으로 형성될 수도 있다.

그루브(1440)는 루트부재(1430)에서 반경방향(z방향) 최외곽에 배치된 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)과 대응하는 높이에 형성될 수 있다. 즉, 그루브(1440)는 제1도브테일(1431)과 대응하는 높이에서 형성될 수 있다.

연소 가스가 에어포일(1410)을 지나면서 유동함에 따라, 터빈 블레이드(1400)에는 비틀림 응력이 발생한다. 터빈 블레이드(1400)의 루트부재(1430)는 로터 디스크(1310)에 결합되어 있으므로, 상기 비틀림 응력은 루트부재(1430)의 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)과 로터 디스크(1310)에도 작용한다. 이 때, 제1도브테일(1431)은 로터 디스크와 결합되는 부분 중 에어포일(1410)과 가장 가까운 곳에 위치한 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)이기 때문에 상기 비틀림 응력이 가장 집중되게 된다. 이러한 제1도브테일(1431)과 대응하는 높이에 그루브(1440)가 형성됨에 따라 상기 비틀림 응력이 분산될 수 있다.

로터 디스크(1310)에 작용하는 비틀림 응력의 해석 결과에 따르면, 그루브(1440)가 형성되지 않은 루트부재(1430)가 조립된 로터 디스크(1310)에 있어서, 리딩엣지(미도시) 측에 작용하는 응력이 1522MPa, 트레일링엣지(미도시) 측에 작용하는 응력이 1632MPa로 측정되었다. 그리고, 그루브(1440)가 형성된 루트부재(1430)가 조립된 로터 디스크(1310)의 경우에는, 리딩엣지(미도시) 측에 작용하는 응력이 1202MPa, 트레일링 엣지(미도시) 측에 작용하는 응력이 1302MPa로 측정되었다.

즉, 그루브(1440)가 형성된 루트부재(1430)가 조립된 로터 디스크(1310)에 작용하는 응력은, 그루브(1440)가 형성되지 않은 루트부재(1430)가 조립된 로터 디스크(1310)에 작용하는 응력보다, 리딩엣지(미도시) 측에서 21.0%, 트레일링엣지(미도시) 측에서 20.2% 감소하였음을 알 수 있다.

한편, 그루브(1440)는 루트부재(1430)에서 에어포일(1410)과 가장 가까운 부분에서부터 형성되기 위하여, 플랫폼(1420)의 하단에서부터 함몰되어 형성될 수도 있다.

보다 상세하게는, 상기 비틀림 응력은 특히, 로터 디스크(1310)와 제1도브테일(1431)이 밀착되는 부분인 접촉면(CS)에 가장 집중적으로 작용하게 된다. 상기 비틀림 응력의 집중을 최소화하기 위하여, 그루브(1440)는 루트부재(1430)에서 내측으로 가장 깊게 함몰된 부분이 접촉면(CS)과 대응하는 높이의 영역에 위치할 수 있다.

그러나, 그루브(1440)의 루트부재(1430)로의 함몰 깊이가 지나치게 클 경우, 오히려, 루트부재(1430)의 강성이 약화될 수 있다. 이에 따라서, 그루브(1440)는 상기 비틀림 응력을 분산하면서도 루트부재(1430)의 강성을 유지할 수 있는 정도로 함몰되어야 한다. 실험 및 해석 결과에 따르면, 루트부재(1430)의 축방향(y방향) 길이를 L, 그루브(1440)의 함몰된 깊이를 DP라 할 때, DP가 L의 1/20보다 큰 경우, 루트부재(1430)의 강성이 오히려 떨어짐이 확인되었다. 그리고, DP가 L의 1/40보다 큰 경우, 비틀림 응력 분산 효과가 떨어짐이 확인되었다. 따라서, 그루브(1440)의 함몰된 깊이는 바람직하게는 루트부재(1430)의 축방향(y방향) 길이의 1/20 내지 1/40로 형성될 수 있다.

또한, 그루브(1440)의 반경방향(z방향)으로의 폭을 H라고 할 때, 그루브(1440)의 함몰된 깊이 DP는 H보다 작게 형성될 수 있다. 바람직하게는 DP가 H의 1/2 내지 2/5로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성될 경우, 비틀림 응력 분산의 효과가 향상될 수 있다.

그루브(1440)는 적어도 일부가 평면부(PS)로 형성된다. 평면부(PS)는 표면이 평면 형상으로 형성된 부분이다. 평면부(PS)는 그루브(1440)를 원주방향(x방향)에서 바라볼 때 단면이 직선으로 형성되는 부분이다.

평면부(PS)는 그루브(1440)를 원주방향(x방향)에서 바라볼 때 단면이 축방향(y방향)과 수직이 되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 그루브(1440)가 평면부(PS)에서 루트부재(1430)로 함몰된 깊이는 반경방향(z방향)을 따라서 일정하게 유지될 수 있다.

평면부(PS)에서 루트부재(1430)로 함몰된 부분은 그루부 전체에서 루트부재(1430)로 함몰된 부분 중 가장 깊게 함몰된 부분일 수 있다. 이 경우, 평면부(PS)에서 상기 비틀림 응력의 분산이 가장 크게 형성될 수 있다.

그리고, 평면부(PS)는 제1도브테일(1431)의 접촉면(CS)과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성될 수 있다. 평면부(PS)는 반경방향(z방향) 내측 부분이 접촉면(CS)의 영역과 겹칠 수 있고, 평면부(PS)의 반경방향(z방향) 외측 부분이 접촉면(CS)의 영역과 겹칠 수도 있다. 뿐만 아니라, 평면부(PS)는 접촉면(CS)의 영역에 포함될 수 있으며, 접촉면(CS)의 영역이 평면부(PS)에 포함될 수도 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 접촉면(CS)에서는 상기 비틀림 응력이 가장 집중될 수 있기 때문에, 접촉면(CS)과 대응하는 높이의 영역에 평면부(PS)가 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성될 경우, 상기 비틀림 응력의 분산이 효과적으로 이루어질 수 있다.

그루브(1440)는 제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443)을 더 포함할 수 있다. 제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443)는 그루브(1440)에서 반경방향(z방향) 내측으로 순차적으로 배치되는 부분이다. 제1섹션(1442)은 그루브(1440)에서 반경방향(z방향) 내측으로 갈수록 루트부재(1430)의 내측으로 함몰되도록 형성되고, 제3섹션(1443)은 그루브(1440)에서 반경방향(z방향) 외측으로 갈수록 루트부재(1430)의 내측으로 함몰되도록 형성될 수 있다. 제2섹션(1442)은 제1섹션(1442)과 제3섹션(1443) 사이에 형성된다. 제2섹션(1442)은 제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443) 중 루트부재(1430)로 가장 깊에 함몰된 부분일 수 있다. 따라서, 제2섹션(1442)은 제1도브테일(1431)의 접촉면(CS)과 대응하는 높이의 영역에 배치될 수 있으며, 제2섹션(1442)은 앞서 설명한 평면부(PS)일 수 있다.

제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443)은 서로 연속적으로 형성될 수 있다. 즉, 제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443)은 그루브(1440)를 원주방향(x방향)에서 바라보았을 때, 단면이 서로 연속적으로 형성될 수 있다. 제1섹션(1442) 및 제3섹션(1443)이 평면부(PS)와 같이 축원주방향(x방향)에서 바라본 단면이 직선으로 형성될 경우, 그루브(1440)의 원주방향(x방향)에서 바라본 단면은 대략 밑면이 없는 사다리꼴로 형성될 수 있다. 제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443)이 이와 같이 형성되지 않고, 불연속적으로 형성될 경우, 응력 또는 하중이 상기 불연속된 부분에 집중될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.

이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)는 그루브(1440)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)와 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)의 그루브(1440)는 제1섹션(1442) 또는 제3섹션(1443)의 단면이 곡면으로 형성된다. 제1섹션(1442) 또는 제3섹션(1443)의 단면은 바람직하게는 루트부재(1430)의 축방향(y방향) 내측으로 볼록 또는 루트부재(1430)의 축방향(y방향) 외측으로 오목하게 형성될 수 있다. 제1섹션(1442)과 제3섹션(1443)은 제2섹션(1442)을 중심으로 서로 대칭적으로 형성될 수도 있다. 제1섹션(1442), 제2섹션(1442), 제3섹션(1443)은 서로 연속적으로 형성될 수도 있다. 이 경우, 그루브(1440)의 원주방향(x방향)에서 바라본 단면은 대략 아치형(Arch Shape)에 가깝게 형성될 수 있다. 상기 비틀림 응력 등이 보다 효과적으로 분산될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.

이하, 도 8을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)는 그루브(1440)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)와 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)의 그루브(1440)는 제3섹션(1443)이 반경방향(z방향) 최외곽에 배치된 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)보다 반경방향(z방향) 내측으로 더욱 연장되어 형성된다. 구체적으로, 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)의 경우, 그루브(1440)가 제1도브테일(1431)과 대응되는 높이의 영역에서만 형성되었으나, 본 발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)는 그루브(1440)가 제1도브테일(1431)이 아닌 다른 도브테일(1431, 1432, 1433, 1434)까지 연장되어 형성된다. 이 때, 그루브(1440)에서 가장 깊게 함몰된 부분인 제2섹션(1442)은 제1도브테일(1431)의 접촉면(CS)과 대응하는 높이의 영역에 배치되고, 제2섹션(1442)보다 반경방향(z방향) 내측에 배치된 제3섹션(1443)은 제2도브테일(1432), 제3도브테일(1433), 제4도브테일(1434) 중 어느 하나의 높이에 대응하는 영역까지 확장되어 형성된다. 도 7에서는 제3섹션(1443)이 제2도브테일(1432)과 대응하는 영역까지 확장된 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시에 불과하다.

도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드를 터빈의 원주방향 측에서 바라본 모습을 나타낸 측면도이다.

이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)는 그루브(1440)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)와 동일하므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.

본 발명의 제4실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)의 그루브(1440)는 루트부재(1430)의 축방향(y방향) 양 측부에서 서로 비대칭적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 루트부재(1430)의 축방향(y방향) 일측부에서는 그루브(1440)가 제1깊이(DP1)로 함몰되어 형성되고, 일측부의 반대쪽 부분인 타측부에서는 그루브(1440)가 제1깊이(DP1)와 같지 않은 제2깊이(DP2)로 함몰되어 형성될 수 있다.

이 때, 루트부재(1430)의 일측부는 에어포일(1410)의 리딩 엣지(미도시)와 가까운 부분일 수 있고, 타측부는 에어포일(1410)의 트레일링 엣지(미도시)와 가까운 부분일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 리딩 엣지(미도시)에서는 연소 가스 유동의 상류가 형성되고, 트레일링 엣지(미도시)에서는 연소 가스 유동의 하류가 형성되기 때문에, 루트부재(1430)의 일측부와 타측부에 각각 작용하는 상기 비틀림 응력의 크기는 서로 다르게 형성될 수 있다. 이 때, 일측부의 제1깊이(DP1)와 타측부의 제2깊이(DP2)를 달리 형성하면 상기 비틀림 응력의 분산이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 도 8에서와 같이 루트부재(1430) 일측부의 제1깊이(DP1)는 타측부의 제2깊이(DP2)보다 작게 형성될 수 있다. 그러나, 도 8은 예시에 불과하며, 제1깊이(DP1)가 제2깊이(DP2)보다 크게 형성될 수도 있다.

뿐만 아니라, 본발명의 제3실시예에 따른 터빈 블레이드(1400)에서와 같이, 루트부재(1430)의 일측부와 타측부에 형성된 각각의 그루브(1440) 중 어느 한 그루브(1440)의 제3섹션(1443)은 나머지 그루브(1440)의 제3섹션(1443)보다 반경방향(z방향) 내측으로 더욱 연장되어 형성될 수도 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000 : 가스터빈
1300 : 터빈 1310 : 로터 디스크
1311 : 홈
1400 : 터빈 블레이드 1410 : 에어포일
1420 : 플랫폼 1430 : 루트부재
1431 : 제1도브테일 1432 : 제2도브테일
1433 : 제3 도브테일 1434 : 제4 도브테일
1440 : 그루브 1441 : 제1섹션
1442 : 제2섹션 1443 : 제3섹션
CS : 접촉면
PS : 평면부

Claims

단면이 익형이고 반경방향으로 연장된 에어포일;
상기 에어포일의 반경방향 내측에 배치된 플랫폼;
상기 플랫폼의 반경방향 내측에 배치되고, 반경방향 내측으로 갈수록 폭이 좁아지는 루트부재;
상기 루트부재의 원주방향 양 측부에 형성되고, 반경방향 외측면에 접촉면이 형성되며, 복수 개가 반경방향을 따라 순차적으로 배치되는 도브테일; 및
상기 루트부재의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에서 상기 루트부재의 내측으로 함몰되되, 원주방향으로 연장되어 형성된 그루브를 포함하고,
상기 그루브는
상기 루트부재에서 반경방향 최외곽에 배치된 상기 도브테일과 대응하는 높이에 형성되며, 적어도 일부가 평면으로 형성된 평면부를 포함하는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 그루브는
상기 플랫폼의 하단에서부터 함몰되어 형성되는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 그루브는
상기 루트부재의 내측으로 가장 깊게 함몰되는 부분이 상기 접촉면과 대응하는 높이의 영역에 위치하는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 그루브는
상기 루트부재에서 상기 평면부가 차지하는 영역이 상기 접촉면과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성되는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 그루브는
상기 루트부재의 축방향 양측부에 서로 비대칭적으로 형성되는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 평면부는
축방향과 수직으로 형성되는 터빈 블레이드.
제1항에 있어서,
상기 그루브는
반경방향 내측으로 순차적으로 배치되는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션을 더 포함하고,
상기 제1섹션은 반경방향 내측으로 갈수록 상기 루트부재의 내측으로 함몰되며,
상기 제2섹션은 상기 평면부이고,
상기 제3섹션은 반경방향 외측으로 갈수록 상기 루트부재의 내측으로 함몰되는 터빈 블레이드.
제7항에 있어서,
상기 제1섹션, 상기 제2섹션 및 상기 제3섹션은 서로 연속적으로 형성되는 터빈 블레이드.
제7항에 있어서,
상기 제1섹션 또는 상기 제3섹션은 단면이 곡면으로 형성되는 터빈 블레이드.
제7항에 있어서,
상기 제3섹션은
반경방향 최외곽에 배치된 상기 도브테일보다 반경방향 내측으로 더 연장되어 형성되는 터빈 블레이드.
회전 가능하게 배치되는 터빈 로터 디스크;
상기 터빈 로터 디스크에 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드; 및
고정 배치되는 복수 개의 터빈 베인을 포함하고,
상기 터빈 블레이드는
단면이 익형이고 반경방향으로 연장된 에어포일;
상기 에어포일의 반경방향 내측에 배치된 플랫폼;
상기 플랫폼의 반경방향 내측에 배치되고, 반경방향 내측으로 갈수록 폭이 좁아지는 루트부재;
상기 루트부재의 원주방향 양 측부에 형성되고, 반경방향 외측면에 접촉면이 형성되며, 복수 개가 반경방향을 따라 순차적으로 배치되는 도브테일; 및
상기 루트부재의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에서 상기 루트부재의 내측으로 함몰되되, 원주방향으로 연장되어 형성된 그루브를 포함하고,
상기 그루브는
상기 루트부재에서 반경방향 최외곽에 배치된 상기 도브테일과 대응하는 높이에 형성되며, 적어도 일부가 평면으로 형성된 평면부를 포함하는 터빈.
제11항에 있어서,
상기 그루브는
상기 루트부재에서 상기 평면부가 차지하는 영역이 상기 접촉면과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성되는 터빈.
제11항에 있어서,
상기 그루브는
반경방향 내측으로 순차적으로 배치되는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션을 더 포함하고,
상기 제1섹션은 반경방향 내측으로 갈수록 상기 루트부재의 내측으로 함몰되며,
상기 제2섹션은 상기 평면부이고,
상기 제3섹션은 반경방향 외측으로 갈수록 상기 루트부재의 내측으로 함몰되는 터빈.
제13항에 있어서,
상기 제1섹션 또는 상기 제3섹션은 단면이 곡면으로 형성되는 터빈.
제13항에 있어서,
상기 제3섹션은
반경방향 최외곽에 배치된 상기 도브테일보다 반경방향 내측으로 더 연장되어 형성되는 터빈.
공기를 압축시키는 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기에 의해 연소된 연소 가스를 안내하도록 고정된 터빈 베인, 및 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 블레이드를 구비하는 터빈을 포함하고,
상기 터빈 블레이드는
단면이 익형이고 반경방향으로 연장된 에어포일;
상기 에어포일의 반경방향 내측에 배치된 플랫폼;
상기 플랫폼의 반경방향 내측에 배치되고, 반경방향 내측으로 갈수록 폭이 좁아지는 루트부재;
상기 루트부재의 원주방향 양 측부에 형성되고, 반경방향 외측면에 접촉면이 형성되며, 복수 개가 반경방향을 따라 순차적으로 배치되는 도브테일; 및
상기 루트부재의 축방향 양측부 중 적어도 하나의 측부에서 상기 루트부재의 내측으로 함몰되되, 원주방향으로 연장되어 형성된 그루브를 포함하고,
상기 그루브는
상기 루트부재에서 반경방향 최외곽에 배치된 상기 도브테일과 대응하는 높이에 형성되며, 적어도 일부가 평면으로 형성된 평면부를 포함하는 가스터빈.
제16항에 있어서,
상기 그루브는
상기 루트부재에서 상기 평면부가 차지하는 영역이 상기 접촉면과 대응하는 높이의 영역과 적어도 일부분이 겹쳐지도록 형성되는 가스터빈.
제16항에 있어서,
상기 그루브는
반경방향 내측으로 순차적으로 배치되는 제1섹션, 제2섹션 및 제3섹션을 더 포함하고,
상기 제1섹션은 반경방향 내측으로 갈수록 상기 루트부재의 내측으로 함몰되며,
상기 제2섹션은 상기 평면부이고,
상기 제3섹션은 반경방향 외측으로 갈수록 상기 루트부재의 내측으로 함몰되는 가스터빈.
제18항에 있어서,
상기 제1섹션 또는 상기 제3섹션은 단면이 곡면으로 형성되는 가스터빈.
제18항에 있어서,
상기 제3섹션은
반경방향 최외곽에 배치된 상기 도브테일보다 반경방향 내측으로 더 연장되어 형성되는 가스터빈.