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KR102048863B1 - 인서트 지지부를 구비한 터빈 베인 - Google Patents

인서트 지지부를 구비한 터빈 베인 Download PDF

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Publication number
KR102048863B1
KR102048863B1 KR1020180044538A KR20180044538A KR102048863B1 KR 102048863 B1 KR102048863 B1 KR 102048863B1 KR 1020180044538 A KR1020180044538 A KR 1020180044538A KR 20180044538 A KR20180044538 A KR 20180044538A KR 102048863 B1 KR102048863 B1 KR 102048863B1
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KR
South Korea
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insert
turbine vane
pressure
suction
interface
Prior art date
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KR1020180044538A
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English (en)
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KR20190121890A (ko
Inventor
이혁희
정성철
Original Assignee
두산중공업 주식회사
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Publication date
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Priority to DE102019104814.1A priority patent/DE102019104814B4/de
Priority to US16/294,947 priority patent/US11098602B2/en
Publication of KR20190121890A publication Critical patent/KR20190121890A/ko
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Abstract

본 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레이링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 터빈 베인 에어포일이 플랫폼부로부터 엔드월까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 베인을 제공하며, 여기서 상기 터빈 베인 에어포일 내부에는 상기 압력면과 흡입면을 연결하는 복수 개의 리브에 의해 분할된 복수 개의 공동부가 형성되고, 적어도 어느 하나 이상의 상기 공동부에는 터빈 베인 에어포일의 내면으로부터 돌출된 복수 개의 인서트 지지부가 구비되며, 상기 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 복수 개가 이격 배치되는 동시에 반경 방향을 따라 복수 개의 인서트 지지부가 열을 이루어 이격 배치된 것을 특징으로 한다.

Description

인서트 지지부를 구비한 터빈 베인{Turbine vane having insert supports}
본 발명은 가스터빈 기관의 터빈 베인에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 충돌 냉각(impingement cooling)을 위해 터빈 베인 내면과의 사이에 공간을 형성하도록 삽입 고정되는 인서트를 지지하는 구조체를 터빈 베인 자체에 일체로 구비함으로써 터빈 베인의 제작 비용을 절감하는 한편 인서트의 진동을 최소화할 수 있는 터빈 베인에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충격력 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. 외부로부터 도입된 공기는 복수 단으로 이루어진 회전하는 압축기 블레이드를 거치면서 점차로 압축되어 목표로 하는 압력까지 상승한다.
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 4 행정 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.
가스터빈의 효율에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 근래의 가스터빈 개발에서는 연소기에서의 연소 효율 향상, 터빈 입구 온도의 상승을 통한 열역학적 효율의 향상, 압축기와 터빈에서의 공력 효율 향상 등 다양한 방면으로 연구가 진행되고 있다.
발전용 산업 가스 터빈의 등급(class)은 터빈 입구 온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)로 구분할 수 되는데, 현재 G 등급과 H 등급의 가스 터빈이 선두 자리를 차지하고 있으며, 가장 최신의 가스 터빈은 J 등급에 도달한 예도 발견된다. 가스 터빈의 등급이 높을수록 효율과 터빈 입구 온도는 모두 올라가는데, H 등급의 가스 터빈은 터빈 입구 온도가 1,500℃에 달하기 때문에 그만큼 내열소재의 개발과 냉각기술의 발전이 요구된다.
내열 설계는 가스 터빈 전반에 걸쳐 필요한데, 고온의 연소 가스가 발생하고 유동하는 연소기와 터빈에서 특히 중요하다. 가스 터빈의 냉각은 압축기에서 만들어진 압축 공기를 이용하는 공랭식인데, 터빈의 경우 몇 개의 스테이지에 걸쳐 회전하는 터빈 블레이드 사이에 터빈 베인이 고정 배치되는 복잡한 구조로 인해 냉각 설계가 더욱 어려운 점이 많다.
터빈 베인의 경우를 보자면, 고온의 열 응력 환경으로부터 터빈 베인을 보호하고자 수많은 냉각 홀과 냉각 슬롯이 형성되어 있는데, 터빈 베인의 냉각은 크게 충돌 냉각과 필름 냉각으로 나누어 볼 수 있다. 충돌 냉각은 고압의 압축 공기가 고온 부재 표면에 직접 충돌하여 냉각을 일으키는 것이고, 필름 냉각은 고온 환경에 노출된 부재 표면에 열전도율이 매우 낮은 공기층을 얇게 형성함으로써 냉각과 함께 고온 환경으로부터의 열전달을 억제하는 것이다. 터빈 베인을 보자면, 터빈 베인 내면에서는 충돌 냉각을 일으키고, 고온의 연소 가스가 흐르는 터빈 베인 외면에서는 필름 냉각을 일으키는 복합적인 냉각을 수행하고 있으며, 이를 통해 고온 환경에서 터빈 베인을 보호할 수 있게 된다.
터빈 베인 내면에서 충돌 냉각을 일으키기 위해서는 압축 공기가 유동하는 공동부와 터빈 베인 내면 사이가 일정 거리만큼 떨어져 있어야만 한다. 즉, 터빈 베인 내면과 공동부 사이를 구획하는 내부 벽면이 형성되어 있어야 하며, 이 내부 벽면에 수많은 충돌 냉각 홀이 관통 형성되어 있어서 공동부 안의 압축 공기가 터빈 베인 내면을 향해 분사되어 충돌 냉각이 일어나게 된다.
그렇지만, 주조 기술만으로 터빈 베인의 내부에 벽면까지 일체로 만드는 것은 매우 어렵기 때문에, 많은 경우에 있어 주조로 만들어진 터빈 베인 안에 별도의 인서트를 삽입, 고정하여 내부 벽면을 형성하게 된다. 이런 경우에, 인서트를 터빈 베인 내면에 대해 이격 고정하기 위한 지지부를 인서트 표면에 용접 등의 방법으로 붙여놓아 왔는데, 수많은 지지부를 용접으로 부착하는 것은 인서트의 제작 공정을 어렵게 만드는 요인이 되었다. 즉, 수많은 지지부를 용접으로 일일이 붙이는 작업 자체가 번거롭고 불량 발생의 원인이 되었으며, 터빈 베인과 인서트 사이의 간격을 반경방향을 따라 점차 다르게 만들 필요가 있을 때에는 개개의 지지부 높이를 다르게 설계하는 한편 각 지지부가 용접되어야 할 위치를 정확히 지정해야 하는 등 터빈 베인의 제작이 매우 어려웠다.
미국등록특허 제6,652,220호 (2003.11.25 등록)
본 발명은 터빈 베인 내부에 인서트를 고정하는 구조를 근본적으로 개선함으로써 터빈 베인 제작의 효율을 향상시키고 비용은 절감할 수 있는 방안을 제시하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레이링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 터빈 베인 에어포일이 플랫폼부로부터 엔드월까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 베인을 제공하며, 여기서 상기 터빈 베인 에어포일 내부에는 상기 압력면과 흡입면을 연결하는 복수 개의 리브에 의해 분할된 복수 개의 공동부가 형성되고, 적어도 어느 하나 이상의 상기 공동부에는 터빈 베인 에어포일의 내면으로부터 돌출된 복수 개의 인서트 지지부가 구비되며, 상기 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 복수 개가 이격 배치되는 동시에 반경 방향을 따라 복수 개의 인서트 지지부가 열을 이루어 이격 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 공동부의 둘레를 따라 이격 배치되는 복수 개의 인서트 지지부는 3개 또는 4개인 것이 바람직할 수 있다.
특히, 상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면, 그리고 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면에 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 형성되는 인서트 지지부는 사각형상이고, 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면에 형성되는 인서트 지지부는 삼각형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 3점 지지구조를 이루게 된다.
그리고, 본 발명의 다른 일 실시형태에 의하면, 상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 및 상기 흡입면과 리브의 경계면에 각각 하나씩 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 4점 지지구조를 이룰 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수 개의 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 교번으로 돌출 높이가 증감하는 동시에 반경 방향의 열을 따라서도 교번으로 돌출 높이가 증감할 수 있다.
이러한 실시형태에서, 상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상의 연속하는 2개 열에 걸쳐 3점 지지구조를 이루게 된다.
또한, 상기 인서트 지지부가 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 및 상기 흡입면과 리브의 경계면에 각각 하나씩 배치되는 경우에는, 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상의 연속하는 2개 열에 걸쳐 4점 지지구조를 이루게 된다.
그리고, 상기 공동부의 반경 방향을 따라 열을 이루도록 배치된 상기 복수 개의 인서트 지지부는 그 돌출 높이가 선형적으로 변화할 수도 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 터빈 베인과, 그리고 상기 공동부에 삽입되어 상기 인서트 지지부에 의해 지지되고, 표면에 복수 개의 관통 홀이 형성된 파이프 형태의 인서트를 포함하는 터빈 베인 어셈블리를 제공한다.
여기서, 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 상기 인서트는 상기 공동부의 단면 형태와 상사(相似)하는 단면 형태를 가지고, 이에 따라 상기 터빈 베인 에어포일의 내면과 상기 공동부 사이에 형성되는 환형 공간은 균등한 폭을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 공동부의 반경 방향을 따라 열을 이루도록 배치된 상기 복수 개의 인서트 지지부는 그 돌출 높이가 선형적으로 변화할 수 있으며, 또한 상기 복수 개의 인서트 지지부는 상기 인서트의 삽입 입구에서부터 그 돌출 높이가 점차 증가할 수 있다.
그리고, 상기 인서트의 삽입 바닥면에는 상기 인서트의 내주면이 끼워지는 절곡면이 돌출 형성되어 있을 수 있다.
그리고, 본 발명의 터빈 베인 어셈블리는 상기 압력면과 흡입면을 연결하는 복수 개의 리브에 의해 분할된 복수 개의 공동부가 서로 연결된 사행 유로를 형성할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 터빈 베인은 인서트를 지지하는 구조물을 주조 공정으로 제작되는 터빈 베인에 일체로 형성하여 놓았기 때문에, 인서트에 별도의 작업을 부가하지 않고 단지 인서트를 터빈 베인에 삽입하는 공정만으로 터빈 베인을 제작할 수 있다. 따라서, 터빈 베인의 제조 비용이 크게 절감된다.
또한, 본 발명의 터빈 베인은 주조 공정으로 일괄 형성되는 인서트 지지부의 주형 설계시 그 배치 위치와 돌출 높이 등이 최적으로 설계될 수 있기 때문에, 종래처럼 인서트에 수많은 지지부를 용접으로 부착할 때의 불량 발생이 방지되고 터빈 베인과 인서트 사이의 간격을 손쉽게 설계할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 인서트의 지지구조를 3점 또는 4점 지지의 안정적인 구조로 구현함으로써 인서트의 진동을 안정적으로 제어할 수 있다는 이점도 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스 터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 터빈 베인의 공동부 구조를 반경 방향에서 바라본 단면도.
도 3은 도 2의 공동부를 비스듬하게 바라본 사시도.
도 4는 터빈 베인의 주조 공정을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 도 2의 터빈 베인에 인서트가 결합한 상태를 반경 방향에서 바라본 단면도.
도 6은 도 2의 터빈 베인에 인서트가 결합한 상태를 반경 방향을 따라 절개한 단면도.
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 명세서상에 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 실시예들을 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.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈(100)은 하우징(102)을 구비하고 있고, 하우징(102)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크 튜브(130)가 배치되어 있다.
압축기 섹션(110)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 타이로드(150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로더 디스크(140)는 대향하는 면이 타이로드(150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.
각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 로터 디스크와는 달리 고정되어 있어 회전하지 않으며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
타이로드(150)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크 튜브(130) 내에서 고정된다.
타이로드(150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.
연소기(104)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 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.
구체적으로, 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화기가 결합된다.
한편 라이너의 후단에는, 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션 피스가 연결된다. 이러한 트랜지션 피스는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.
라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션 피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션과 그 구조가 유사하다. 즉, 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)를 포함한다. 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합할 수 있다. 아울러, 터빈 로터 디스크(180)의 블레이드(184)의 사이에도 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 유도하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 터빈 베인(300)의 공동부(332) 구조를 반경 방향에서 바라본 단면도이고, 도 3은 도 2의 공동부(332)를 비스듬하게 바라본 사시도다. 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 터빈 베인(300)은 리딩 에지(311), 트레일링 에지(312), 상기 리딩 에지(311)와 트레이링 에지를 연결하는 압력면(313)과 흡입면(314)을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 터빈 베인 에어포일(310)이 플랫폼부(320)로부터 엔드월(322)까지 반경 방향으로 연장되어 있다. 여기서 터빈 베인 에어포일(310) 내부에는 압력면(313)과 흡입면(314)을 연결하는 복수 개의 리브(330)에 의해 분할된 복수 개의 공동부(332)가 형성되고, 적어도 어느 하나의 공동부(332)에는 터빈 베인 에어포일(310)의 내면으로부터 돌출된 복수 개의 인서트 지지부(334)가 구비되어 있다.
상기 인서트 지지부(334)는 공동부(332)의 둘레를 따라 복수 개가 이격 배치되는 동시에 반경 방향을 따라 복수 개의 인서트 지지부(334)가 열을 이루어 이격 배치되어 있다. 도 5는 터빈 베인(300) 안으로 파이프 형태의 인서트(400)가 삽입된 상태를 도시하고 있다. 터빈 베인(300)과 인서트(400)가 결합한 것은 터빈 베인 어셈블리라 할 수 있으며, 인서트(400)는 공동부(332)에 형성된 복수 개의 인서트 지지부(334)에 접촉, 지지되어 결합 상태를 유지하게 된다. 그리고, 본 발명의 터빈 베인 어셈블리는 압력면(313)과 흡입면(314)을 연결하는 복수 개의 리브(330)에 의해 분할된 복수 개의 공동부(332)가 플랫폼부(320)와 엔드월(322)에 서로 교대로 연결됨으로써, 터빈 베인 에어포일(310)의 반경 방향을 따르는 압축 공기의 유동 방향이 순차적으로 반전되는 사행 유로를 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 인서트(400)는 터빈 베인(300) 내부에서의 충돌 냉각을 위한 내부 벽면의 역할을 하는 것으로서, 표면에 복수 개의 관통 홀이 형성된 파이프 형태를 이룬다. 터빈 베인 에어포일(310)을 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 인서트(400)는 공동부(332)의 단면 형태와 상사(相似)하는 단면 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라 터빈 베인 에어포일(310)의 내면과 공동부(332) 사이에 형성되는 환형 공간은 균등한 폭을 가짐으로써 균일한 충돌 냉각 효과를 도모할 수 있다.
이하에서는 인서트(400)를 안정적으로 지지할 수 있고, 또한 주조 공정을 통해 터빈 베인(300)에 일괄 형성하기에 적합한 인서트 지지부(334)의 구성에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 터빈 베인(300)의 복수 공동부(332) 중 일부에는 인서트(400)가 삽입되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 트레일링 에지(312)에 가장 근접한 공동부(332)는 폭이 좁기 때문에 인서트(400)를 삽입하지 않을 수도 있으며, 따라서 본 발명이 모든 공동부(332)에 인서트(400)를 삽입하는 것으로 해석될 필요는 없다.
우선, 공동부(332)의 둘레를 따라 이격 배치되는 복수 개의 인서트 지지부(334)는 3개 또는 4개인 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 반경 방향을 따르는 인서트 지지부(334)의 열 개수 또한 3개 또는 4개가 된다. 인서트 지지부(334)의 개수를 3개 또는 4개로 선정한 것은 안정적인 지지구조인 3점 또는 4점 지지구조를 구현하기 위한 것이다. 그리고, 4개를 초과하는 인서트 지지부(334)는 주물 구조물의 공차로 인해 일부 인서트 지지부(334)는 인서트(400)의 지탱에 전혀 기여를 하지 못하거나 반대로 인서트(400)의 삽입에 장애물로 작용할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 후 가공 공정을 최소한으로 제한하기 위해서이기도 하다.
특히, 인서트 지지부(334)는 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314), 그리고 압력면(313)과 리브(330)의 경계면 또는 상기 흡입면(314)과 리브(330)의 경계면에 배치되는 것이 바람직하다. 이는 터빈 베인(300)의 주조 공정을 고려한 것으로서, 이에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다.
터빈 베인(300)을 주조로 만들 경우에는, 적어도 2개의 주형과 공동부(332)를 형성하기 위한 코어(코어의 개수는 공동부의 개수에 대응)가 필요하다. 터빈 베인(300)의 주형은 통상적으로 파팅 라인(PL)이 리딩 에지(311)와 트레일링 에지(312) 쪽에 형성되도록 설계하는데, 이는 터빈 베인 에어포일(310)에서 공력 성능에 중요한 영향을 미치는 부분이 압력면(313)과 흡입면(314)의 곡면 형상이기 때문이다.
여기서, 터빈 베인(300)을 설계할 때, 완성된 주형 안에 쇳물을 붓고 굳힌 후 주형을 분리(탈형)할 때 주조품인 터빈 베인(300)의 형상이 탈형을 방해해서는 안 된다는 조건이 따르는데, 터빈 베인(300)의 파팅 라인(PL)이 리딩 에지(311)와 트레일링 에지(312) 쪽에 형성되도록 설계된다는 점을 감안하면 인서트 지지부(334)가 터빈 베인 에어포일(310)의 양쪽 에지 영역에 형성되는 것은 주형 설계에 있어 매우 불리하게 작용한다. 예컨대, 인서트 지지부(334)를 터빈 베인 에어포일(310)의 양쪽 에지 영역에 배치하게 되면, 주형과 코어의 개수를 늘려야만 비로소 탈형 작업이 가능해진다. 도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 인서트 지지부(334)의 위치가 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314) 및 리브(330)와의 경계면으로 국한되어 있기 때문에 파팅 라인(PL)을 기준으로 2개의 주형이 분리될 수 있지만, 도 4의 (b)는 터빈 베인 에어포일(310)의 양쪽 에지 영역에 일부 인서트 지지부(334)가 위치함에 따라 2개 주형의 분리가 불가능하다는 것을 이해할 수 있다.
그리고, 터빈 베인(300)의 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314)에 형성되는 인서트 지지부(334')는 사각형상으로 만들고, 압력면(313)과 리브(330)의 경계면 또는 흡입면(314)과 리브(330)의 경계면에 형성되는 인서트 지지부(334")는 삼각형상으로 만드는 것이 바람직할 수 있다. 압력면(313)과 흡입면(314)에 형성되는 사각형상의 인서트 지지부(334')는 인서트(400)와 넓게 접촉하여 충분한 지지력을 확보하는 역할을 하며, 압력면(313)/흡입면(314)과 리브(330)의 경계면에 형성되는 삼각형상의 인서트 지지부(334")는 공차로 인한 접촉면의 무작위적인 변동을 수용할 수 있는 경사진 접촉면을 제공하는 역할을 한다. 특히, 압력면(313)과 흡입면(314)이 아닌 리브(330)와의 경계면에 위치하는 인서트 지지부(334")를 삼각형상으로 하는 것은 탈형에 유리하기 때문이기도 하다.
도 2 및 도 5를 참조하여 인서트(400)의 지지구조를 살펴보면, 3점 지지구조는 인서트 지지부(334)가 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314)에 각각 하나씩 배치되는 한편 압력면(313)과 리브(330)의 경계면 또는 흡입면(314)과 리브(330)의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되는 형태로 구현될 수 있다. 2개의 사각형상 인서트 지지부(334')를 압력면(313)과 흡입면(314)에 각각 하나씩 배치함으로써 충분한 지지력을 확보하는 형태라 할 수 있다.
또한, 4점 지지구조는 인서트 지지부(334)가 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314)에 각각 하나씩 배치되는 한편 압력면(313)과 리브(330)의 경계면 및 흡입면(314)과 리브(330)의 경계면에 각각 하나씩 배치되는 형태로 구현될 수 있다. 이러한 4점 지지구조는 2개의 사각형상 인서트 지지부(334')를 압력면(313)과 흡입면(314)에 각각 하나씩 배치함으로써 충분한 지지력을 확보하고, 2개의 삼각형상 인서트 지지부(334")로 인서트(400)의 고정 위치를 정렬하는 형태라 설명할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 복수 개의 인서트 지지부(334)는 공동부(332)의 둘레를 따라 교번으로 돌출 높이가 증감하는 동시에 반경 방향의 열을 따라서도 교번으로 돌출 높이가 증감할 수 있다. 즉, 반경 방향으로 같은 높이에 있는 인서트 지지부(334)의 돌출 높이가 교대로 증감하고(단, 3점 지지구조에 있어서는 2개 인서트 지지부의 돌출 높이가 동일함), 또한 반경 방향의 열을 따라서도 인서트 지지부(334)의 돌출 높이가 교대로 증감하는 변화를 인위적으로 만들 수 있다. 이는 인서트 지지부(334)의 돌출 높이 상의 공차로 인해 인서트(400)의 삽입이 어려운 경우가 발생할 수 있음을 고려한 것으로서, 반경 방향 단면상의 어느 한 열에 형성된 모든 인서트 지지부(334)에 대해 인서트(400)가 동시에 접촉하지 않도록 함으로써 어느 한 열에서 인서트(400)가 걸려서 삽입되지 않는 상황을 방지하기 위한 것이다. 극단적으로 구성한다면, 돌출 높이가 영(零)인 인서트 지지부(334)를 배치하는 것도 가능하다.
또한, 이런 교번 구조는 인서트 지지부(334)와의 마찰에 의한 삽입 저항을 줄여 인서트(400)의 삽입을 용이하게 만드는 역할도 한다. 인서트 지지부(334)의 돌출 높이가 증감함에 따라 인서트(400)에 전혀 접촉하지 않는 일종의 더미 인서트가 존재하기도 하지만, 인서트(400)를 지지하는 인서트 지지부(334)가 규칙적으로 배치되기 때문에 인서트(400)의 안정적인 지지는 확보된다.
이러한 실시형태에서, 인서트 지지부(334)가 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314)에 각각 하나씩 배치되는 한편 압력면(313)과 리브(330)의 경계면 또는 흡입면(314)과 리브(330)의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되면, 인서트(400)는 반경 방향을 가로지르는 단면상의 연속하는 2개 열에 걸친 3점 지지구조로 지지될 수 있다.
또한, 인서트 지지부(334)가 터빈 베인 에어포일(310) 내면의 압력면(313)과 흡입면(314)에 각각 하나씩 배치되는 한편 압력면(313)과 리브(330)의 경계면 및 흡입면(314)과 리브(330)의 경계면에 각각 하나씩 배치되는 경우에는, 인서트(400)는 반경 방향을 가로지르는 단면상의 연속하는 2개 열에 걸친 4점 지지구조로 지지될 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 공동부(332)의 반경 방향을 따라 열을 이루도록 배치된 복수 개의 인서트 지지부(334)는 그 돌출 높이가 선형적으로 변화할 수도 있다. 즉, 인서트 지지부(334)의 돌출 높이가 반경 방향의 열을 따라 점차로 증가 또는 감소할 수 있으며, 이러한 구성은 도 3 및 도 6을 통해 확인할 수 있다.
반경 방향의 열을 따르는 인서트 지지부(334)의 돌출 높이에 선형적인 변화를 주면, 터빈 베인 에어포일(310)의 내면과 공동부(332) 사이에 형성되는 환형 공간의 폭에 반경 방향의 변화를 줄 수 있다. 환형 공간의 폭(즉, 환형 공간의 체적)은 충돌 냉각의 강도와 압축 공기의 토출량에 영향을 미친다. 따라서, 본 발명은 반경 방향의 열을 따르는 인서트 지지부(334)의 돌출 높이 변화를 적절히 설계함으로써 터빈 베인(300) 전체에 걸쳐 충돌 냉각 성능을 국부적으로 조절하는 것이 가능하다.
이 경우, 복수 개의 인서트 지지부(334)는 인서트(400)의 삽입 입구(350)에서부터 시작하여 그 돌출 높이가 점차 증가하는 방향으로 설계할 수 있다. 이는 인서트의 삽입 입구(350)에 가까운 인서트 지지부(334)의 돌출 높이가 작은 것이 인서트(400)를 큰 저항 없이 쉽게 삽입하는데 도움이 되기 때문이다.
그리고, 인서트의 삽입 바닥면(352)에는 인서트(400)의 내주면이 끼워지는 절곡면(354)이 돌출 형성되어 있을 수 있다. 돌출된 절곡면(354)은 인서트(400) 단부의 내주면을 강하게 지지하여 인서트(400)의 고정상태를 강화하고, 인서트(400)가 끝까지 삽입되었는지를 검증할 수 있게 하며, 또한 인서트(400)의 단면 형태가 변형하는 것을 방지하는 역할도 한다. 인서트의 삽입 바닥면(352)에는 절곡면(354)의 안쪽으로 압축 공기의 통로가 관통되어 있을 수 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.
300: 터빈 베인 310: 터빈 베인 에어포일
311: 리딩 에지 312: 트레일링 에지
313: 압력면 314: 흡입면
320: 플랫폼부 322: 엔드월
330: 리브 332: 공동부
334: 인서트 지지부 334': 사각형 인서트 지지부
334": 삼각형 인서트 지지부 350: 인서트 삽입 입구
352: 인서트 삽입 바닥면 354: 절곡면
400: 인서트 PL: 파팅 라인

Claims (24)

  1. 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레이링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 터빈 베인 에어포일이 플랫폼부로부터 엔드월까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 베인에 있어서,
    상기 터빈 베인 에어포일 내부에는 상기 압력면과 흡입면을 연결하는 복수 개의 리브에 의해 분할된 복수 개의 공동부가 형성되고,
    적어도 어느 하나 이상의 상기 공동부에는 터빈 베인 에어포일의 내면으로부터 돌출된 복수 개의 인서트 지지부가 구비되며,
    상기 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 복수 개가 이격 배치되는 동시에 반경 방향을 따라 복수 개의 인서트 지지부가 열을 이루어 이격 배치되고,
    여기서, 상기 인서트 지지부는 3개로서, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되어 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 3점 지지구조를 이루거나,
    또는, 상기 인서트 지지부는 4개로서, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 및 상기 흡입면과 리브의 경계면에 각각 하나씩 배치되어 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 4점 지지구조를 이루고,
    상기 복수 개의 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 교번으로 돌출 높이가 증감하는 동시에 반경 방향의 열을 따라서도 교번으로 돌출 높이가 증감하고,
    상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상의 연속하는 2개 열에 걸쳐 3점 지지구조를 이루거나,
    또는 상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상의 연속하는 2개 열에 걸쳐 3점 지지구조를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 형성되는 인서트 지지부는 사각형상이고, 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면에 형성되는 인서트 지지부는 삼각형상인 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공동부의 반경 방향을 따라 열을 이루도록 배치된 상기 복수 개의 인서트 지지부는 그 돌출 높이가 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인.
  11. 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레이링 에지를 연결하는 압력면과 흡입면을 포함하는 익형 단면 형상을 가진 터빈 베인 에어포일이 플랫폼부로부터 엔드월까지 반경 방향으로 연장되어 있는 터빈 베인으로서, 상기 터빈 베인 에어포일 내부에는 상기 압력면과 흡입면을 연결하는 복수 개의 리브에 의해 분할된 복수 개의 공동부가 형성되고, 적어도 어느 하나 이상의 상기 공동부에는 터빈 베인 에어포일의 내면으로부터 돌출된 복수 개의 인서트 지지부가 구비되며, 상기 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 복수 개가 이격 배치되는 동시에 반경 방향을 따라 복수 개의 인서트 지지부가 열을 이루어 이격 배치된 터빈 베인; 및
    상기 공동부에 삽입되어 상기 인서트 지지부에 의해 지지되고, 표면에 복수 개의 관통 홀이 형성된 파이프 형태의 인서트;를 포함하고,
    여기서, 상기 인서트 지지부는 3개로서, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되어 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 3점 지지구조를 이루거나,
    또는, 상기 인서트 지지부는 4개로서, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 및 상기 흡입면과 리브의 경계면에 각각 하나씩 배치되어 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 4점 지지구조를 이루며,
    상기 복수 개의 인서트 지지부는 상기 공동부의 둘레를 따라 교번으로 돌출 높이가 증감하는 동시에 반경 방향의 열을 따라서도 교번으로 돌출 높이가 증감하고,
    상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면 중의 어느 한 쪽에 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 상기 인서트는 연속하는 2개 열에 걸친 3점 지지구조에 의해 지지되거나,
    또는 상기 인서트 지지부는 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 각각 하나씩 배치되는 한편 상기 압력면과 리브의 경계면 및 상기 흡입면과 리브의 경계면에 각각 하나씩 배치되고, 이에 따라 상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 상기 인서트는 연속하는 2개 열에 걸친 4점 지지구조에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 상기 인서트는 상기 공동부의 단면 형태와 상사(相似)하는 단면 형태를 가지고, 이에 따라 상기 터빈 베인 에어포일의 내면과 상기 공동부 사이에 형성되는 환형 공간은 균등한 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 반경 방향을 가로지르는 단면상에서 보았을 때, 상기 터빈 베인 에어포일 내면의 압력면과 흡입면에 형성되는 인서트 지지부는 사각형상이고, 상기 압력면과 리브의 경계면 또는 상기 흡입면과 리브의 경계면에 형성되는 인서트 지지부는 삼각형상인 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 공동부의 반경 방향을 따라 열을 이루도록 배치된 상기 복수 개의 인서트 지지부는 그 돌출 높이가 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 공동부의 반경 방향을 따라 열을 이루도록 배치된 상기 복수 개의 인서트 지지부는 상기 인서트의 삽입 입구에서부터 그 돌출 높이가 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 인서트의 삽입 바닥면에는 상기 인서트의 내주면이 끼워지는 절곡면이 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
  24. 제11항에 있어서,
    상기 압력면과 흡입면을 연결하는 복수 개의 리브에 의해 분할된 복수 개의 공동부는 서로 연결된 사행 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈 베인 어셈블리.
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