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KR101997985B1 - 변형된 제이 타입 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

변형된 제이 타입 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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KR101997985B1
KR101997985B1 KR1020170141495A KR20170141495A KR101997985B1 KR 101997985 B1 KR101997985 B1 KR 101997985B1 KR 1020170141495 A KR1020170141495 A KR 1020170141495A KR 20170141495 A KR20170141495 A KR 20170141495A KR 101997985 B1 KR101997985 B1 KR 101997985B1
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성 및 유체 유동성을 향상시킬 수 있는 변형된 제이 타입 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인은, 케이싱 내벽에 원주 방향을 따라 설치된 슬롯에 원주 방향을 따라 이격되어 설치되고, 슬롯에 삽입되는 루트 어태치먼트(root attachment)와 루트 어태치먼트로부터 소정 높이로 형성된 에어포일(airfoil)을 구비하는 캔틸레버드 베인(cantilevered vane)이다. 캔틸레버드 베인은, 회전축의 축방향을 x축, x축을 기준으로 하는 원주 방향을 y축, 캔틸레버드 베인이 장착되는 방향을 z축이라 할 때, z축 방향으로 연장되어 형성되는 직선부와, 직선부의 단부에서 y축 방향으로 절곡되는 곡선부를 구비하며, y축 방향에서 바라볼 때 직선부와 곡선부는 전체적으로 x축 방향으로 편향되어 형성된다.

Description

변형된 제이 타입 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈{Modified J Type Cantilevered Vane And Gas Turbine Having The Same}
본 발명은 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성 및 유체 유동성을 향상시킬 수 있는 변형된 제이 타입 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
이러한 가스 터빈의 작동원리는 먼저 대기의 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 가스를 만들어서 터빈을 동작시키고, 배기가스를 대기중에 방출하는 것으로, 즉 압축, 가열, 팽창, 방열의 4과정으로 이루어진다.
상기와 같이 통상적인 가스 터빈의 중요 구성요소 중에서도 터빈 블레이드의 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 베인 허브(vane hub)와 팁(tip)의 어큐트 앵글(acute angle)이 같은 C자형 보우드 베인(bowed vane)이 적용되고 있다.
종래 기술에 따른 C자형 보우드 베인의 경우, 저차 고유진동수가 낮아지게 되어 플러터(flutter)의 위험성이 있다.
따라서, 상기 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 가스 터빈 블레이드 조립체에 대한 기술이 필요한 실정이다.
미국등록특허 6,312,219 (2001년 11월 06일 등록)
본 발명의 목적은, 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성 및 유체 유동성을 향상시킬 수 있는 변형된 제이 타입 캔틸레버드 베인 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인은, 케이싱 내벽에 원주 방향을 따라 설치된 슬롯에 원주 방향을 따라 이격되어 설치되고, 슬롯에 삽입되는 루트 어태치먼트(root attachment)와 루트 어태치먼트로부터 소정 높이로 형성된 에어포일(airfoil)을 구비하는 캔틸레버드 베인(cantilevered vane)이다. 캔틸레버드 베인은, 회전축의 축방향을 x축, x축을 기준으로 하는 원주 방향을 y축, 캔틸레버드 베인이 장착되는 방향을 z축이라 할 때, z축 방향으로 연장되어 형성되는 직선부와, 직선부의 단부에서 y축 방향으로 절곡되는 곡선부를 구비하며, y축 방향에서 바라볼 때 직선부와 곡선부는 전체적으로 x축 방향으로 편향되어 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 루트 어태치먼트와 에어포일이 서로 인접한 부분에는 라운딩 구조가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 라운딩 구조의 곡률반경은, 루트 어태치먼트의 폭 대비 10 내지 35 %의 길이일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 곡선부의 형성 높이는 직선부의 형성 높이 대비 20 내지 30 %의 길이일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 직선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제 1 유로가 형성되고, 곡선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제 2 유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 제 1 유로는, 에어포일의 전익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로, 및 에어포일의 후익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로를 포함하고, 제 1 유로는, 전익 유로를 통해 유입된 냉각유체가 제 2 유로 및 후익 유로를 통해 배출되도록, 배출 연결 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 제 2 유로는, 에어포일의 후익 방향으로 연장된 다수의 냉각 유로를 포함하고, 제 1 유로를 통해 유동하는 냉각유체 중 일부가 제 2 유로를 통해 유동하도록, 제 1 유로와 제 2 유로 사이에는 둘 이상의 배출 연결구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 둘 이상의 배출 연결구의 내경은, 냉각유체의 유동 방향을 따라 점차 커지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 전익 유로 및 후익 유로는 각각 하부로부터 유입되는 냉각유체가 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승하는 경로를 따라 유동 되도록 안내하는 채널 격벽에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 채널 격벽에는 전익부 및 후익부를 향해 바이패스 관통구가 둘 이상 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 에어포일의 일단부에는, 제 2 유로와 연통되고, 제 2 유로를 통해 유동하는 냉각유체의 일부가 에어포일의 일단부 방향으로 배출될 수 있도록, 둘 이상의 배출구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 둘 이상의 배출구의 내경의 크기는, 에어포일의 후익부 방향으로 점차 커지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인에 있어서, 후익 유로의 내부에는, 냉각유체의 유동에 난류를 형성할 수 있도록 소정 높이만큼 돌출 형성된 다수의 돌기구조가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 케이싱 내벽에 원주 방향을 따라 설치된 슬롯에 원주 방향을 따라 이격되어 설치되고, 슬롯에 삽입되는 루트 어태치먼트(root attachment)와 루트 어태치먼트로부터 소정 높이로 형성된 에어포일(airfoil)을 구비하는 캔틸레버드 베인(cantilevered vane)을 포함한다. 캔틸레버드 베인은, 회전축의 축방향을 x축, x축을 기준으로 하는 원주 방향을 y축, 캔틸레버드 베인이 장착되는 방향을 z축이라 할 때, z축 방향으로 연장되어 형성되는 직선부와, 직선부의 단부에서 y축 방향으로 절곡되는 곡선부를 구비하며, y축 방향에서 바라볼 때 직선부와 곡선부는 전체적으로 x축 방향으로 편향되어 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 직선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제 1 유로가 형성되고, 곡선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제 2 유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 제 1 유로는, 에어포일의 전익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로, 및 에어포일의 후익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로를 포함하고, 전익 유로를 통해 유입된 냉각유체는 제 2 유로 및 후익 유로를 통해 배출되도록 배출 연결 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 제 2 유로는, 에어포일의 후익 방향으로 연장된 다수의 냉각 유로를 포함하고, 제 1 유로를 통해 유동하는 냉각유체 중 일부가 제 2 유로를 통해 유동하도록, 제 1 유로와 제 2 유로 사이에는 둘 이상의 배출 연결구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에 있어서, 에어포일의 일단부에는, 제 2 유로와 연통되고, 제 2 유로를 통해 유동하는 냉각유체의 일부가 에어포일의 일단부 방향으로 배출될 수 있도록, 둘 이상의 배출구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 변형된 캔틸레버드 베인은, x축 측면에서의 형상이 J자 형상으로 형성되어 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, y축 측면에서의 형상이 C자 형상으로 형성되어 베인을 유동하는 유체의 유동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 쉬라우드 베인의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 쉬라우드 베인의 형성 높이에 따른 에어포일 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 캔틸레버드 베인을 다른 각도에서 바라본 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인을 축 방향 (x축)에서 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인을 접선 방향 (y축)에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인의 스태킹 라인(stacking line)과 다른 형태 베인의 스태킹 라인을 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인의 내부 구조를 나타내는 측면방향 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 캔틸레버드 베인의 횡단면 일부를 나타내는 부분 확대도이다.
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. 이 때, 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 캔틸레버드 베인을 다른 각도에서 바라본 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인을 축 방향 (x축)에서 바라본 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(이하 '베인'이라고도 함)을 접선 방향 (y축)에서 바라본 도면이다.
도면에서, x축은 압축기 디스크 또는 터빈 디스크가 체결되는 회전축의 축 방향을 의미하며, y축은 x축을 기준으로 하는 원주 방향을 의미하며, z축은 캔틸레버드 베인이 장착되는 방사 방향을 의미한다. 보다 상세하게는 z축은 케이싱 내벽에서 회전축 방향으로 향하는 축을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)은 압축기에 장착되는 베인일 수 있고, 터빈에 장착되는 베인일 수 있다. 터빈에 장착되는 경우, 터빈 블레이드 냉각을 위한 냉각 유로가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)은, 케이싱 내벽(10)에 원주 방향(y축 방향)을 따라 설치된 도브테일 슬롯(11)에 원주 방향을 따라 일정 거리만큼 이격되어 복수개 설치된다. 캔틸레버드 베인(100)은, 도브테일 슬롯(11)에 삽입되는 루트 어태치먼트(root attachment, 110)와 루트 어태치먼트(110)로부터 소정 높이로 형성된 에어포일(airfoil, 120)을 포함한다. 케이싱은 압축기 케이싱 또는 터빈 케이싱 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)은, 쉬라우드 구조가 생략된다. 또한, 캔틸레버드 베인(100)을 구성하는 에어포일(120)은 전익부(121)와 후익부(122)를 구비하며, x축 방향에서 바라본 형상은 J자 형상(도 5 참조)이며, y축 방향에서 바라본 형상은 C자 형상(도 6 참조)일 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)은, 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성 및 유체 유동성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)을 구성하는 각 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인을 축 방향 (x축)에서 바라본 도면이다.
도 5을 도 4와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)의 루트 어태치먼트(110)와 에어포일(120)이 서로 인접한 부분에는, 소정 크기의 곡률반경으로 라운딩 구조(111)가 형성될 수 있다.
이 경우, 라운딩 구조(111)의 곡률반경(R)은, 루트 어태치먼트(110)의 상부에 에어포일(120)을 안정적으로 지지할 수 있는 크기의 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게 라운딩 구조(111)의 곡률반경(r)은, 루트 어태치먼트(110)의 폭(w) 대비 10 내지 35 %의 길이일 수 있다.
라운딩 구조(111)의 곡률반경(R)은 운용 환경 및 설계자의 의도에 따라 적절히 변경 가능함은 물론이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 에어포일(120)은 x축 방향에서 바라볼 때, 직선부(123)와 곡선부(124)를 포함하는 J자 형상으로 형성되며, y축 방향에서 바라볼 때, x축 방향으로 편향된 C자 형상으로 형성될 수 있다.
직선부(123)는 루트 어태치먼트(110)로부터 상방으로 소정 높이만큼 수직으로 연장되어 형성되며, 곡선부(124)는 직선부(123)의 상단부로부터 일체형으로 소정 각도만큼 굴곡되어 y축 방향으로 휘어진 구조일 수 있다.
이때, 곡선부(124)의 형성 높이(h2)는, 운용 환경 및 설계자의 의도에 따라 적절히 변경 가능하며, 바람직하게 직선부의 형성 높이(h1) 대비 20 내지 30 %의 길이일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인의 스태킹 라인(stacking line)과 다른 형태 베인의 스태킹 라인을 비교 설명하기 위한 도면이다. 스태킹 라인은 베인의 무게 중심축을 나타내는 라인으로 스팬 방향축(spanwise axis)이라고도 한다.
도 7의 (a)는 곡선부를 구비하지 않은 일반적인 형태의 베인(예를 들어, C자형 베인)이 도시된 도면이다. 도 7의 (a)는 곡선부를 구비한 J자 형상의 캔틸레버드 베인이 도시된 도면으로, 본 발명의 출원인이 출원한 특허출원번호 10-2017-0077731호에 제시된 베인이다. 도 7의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 변형된 J자 형상의 캔틸레버드 베인이 도시된 도면이다.
도 7에서 상부에 배열된 도면은 각각의 베인을 x축에서 바라본 측면도이고, 하부에 배열된 도면은 각각의 베인을 z축에서 바라본 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 베인의 스태킹 라인 S1은 z축 방향의 일직선 형상을 가진다. 도 7의 (b)에 도시된 베인의 스태킹 라인 S2는 직선부(123) 부분은 z축 방향의 일직선이고, 곡선부(124) 부분은 y축 방향으로 절곡된 곡선 형상을 가진다. 또한, 도 7의 (c)에 도시된 베인의 스태킹 라인 S3은 직선부(123) 부분은 z축 방향의 일직선이고, 곡선부(124) 부분은 y축 방향으로 절곡된 곡선 형상을 가지되, 직선부(123)와 곡선부(124)가 전체적으로 회전축 방향인 x축 방향으로 편향되어 있으므로, 스태킹 라인 S3도 x축 방향으로 편향되어 형성된다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인은, x축 측면에서의 형상이 J자 형상으로 형성되어 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, y축 측면에서의 형상이 C자 형상으로 형성되어 베인을 유동하는 유체의 유동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인의 내부 구조를 나타내는 측면방향 단면도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8에 도시된 캔틸레버드 베인의 횡단면 일부를 나타내는 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 4 및 도 5와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직선부(123)의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제 1 유로(125)가 형성될 수 있다. 이때, 제 1 유로(125)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 전익 유로(127) 및 후익 유로(128)를 포함하는 구성일 수 있따.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 곡선부(124)의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제 2 유로(126)가 형성될 수 있다.
구체적으로, 제 1 유로(125)는, 에어포일(120)의 전익부(121)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로(127), 및 에어포일(120)의 후익부(122)를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로(128)를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 제 1 유로(125)는, 전익 유로(127)를 통해 유입된 냉각유체가 제 2 유로(126) 및 후익 유로(128)를 통해 배출되도록, 배출 연결 유로(129)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 배출 연결 유로(129)는, 전익 유로(127), 후익유로(128) 및 제 2 유로(126)를 서로 연통시키는 구조임이 바람직하다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 유로(126)는, 에어포일(120)의 후익 방향으로 연장된 다수의 냉각 유로(131)를 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 제 1 유로(125)를 통해 유동하는 냉각유체 중 일부가 제 2 유로(126)를 통해 유동하도록, 제 1 유로(125)와 제 2 유로(126) 사이에는 둘 이상의 배출 연결구(132)가 형성될 수 있다.
이때, 둘 이상의 배출 연결구(132)의 내경은, 냉각유체의 유동 방향을 따라 점차 커지도록 구성함으로써, 냉각유체의 유량을 일정하게 조절할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버드 베인(100)은, 냉각유체의 흐름을 안내하는 채널 격벽(133)를 더 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 격벽(133)은, 전익 유로(127) 및 후익 유로(128)는 각각 하부로부터 유입되는 냉각유체가 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승하는 경로를 따라 유동 되도록 안내할 수 있다.
경우에 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 채널 격벽(133)에는 전익부(121) 및 후익부(122)를 향해 바이패스 관통구(134)가 둘 이상 형성될 수 있다.
또한, 에어포일(120)의 일단부에는, 제 2 유로(126)와 연통되고, 제 2 유로(126)를 통해 유동하는 냉각유체의 일부가 에어포일(120)의 일단부 방향으로 배출될 수 있도록, 둘 이상의 배출구(135)가 형성될 수 있다.
이때, 둘 이상의 배출구(135)의 내경의 크기는, 에어포일(120)의 후익부 방향으로 점차 커지도록 구성함으로써, 냉각유체의 유량을 일정하게 조절할 수 있다.
경우에 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 후익 유로(128)의 내부에는, 냉각유체의 유동에 난류를 형성할 수 있도록 소정 높이만큼 돌출 형성된 다수의 돌기구조(136)가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 변형된 캔틸레버드 베인은, x축 측면에서의 형상이 J자 형상으로 형성되어 에어포일의 러빙(rubbing)을 감소시키고 베인 허브의 진동 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, y축 측면에서의 형상이 C자 형상으로 형성되어 베인을 유동하는 유체의 유동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 루트 어태치먼트와 에어포일이 서로 인접한 부분에 특정 구조의 라운딩 구조를 형성함으로써, 안정적인 구조의 캔틸레버드 베인을 제공할 수 있다.
또한, 특정 구조의 제 1 유로 및 제 2 유로가 형성된 직선부와 곡선부를 구비함으로써, 에어포일의 냉각 성능을 현저히 향상시킨 캔틸레버드 베인을 제공할 수 있다.
또한, 특정 구조의 전익 유로, 후익유로를 포함하는 제 1 유로를 구비함으로써, 에어포일의 냉각 성능을 현저히 향상시킨 캔틸레버드 베인을 제공할 수 있다.
또한, 위치에 따라 내경이 서로 다른 배출 연결구 및 배출구를 구비함으로써, 냉매유체의 배출량이 서로 유사하도록 유도할 수 있어, 에어포일의 냉각 성능을 현저히 향상시킨 캔틸레버드 베인을 제공할 수 있다.
또한, 냉각유체의 유동에 난류를 형성할 수 있도록 소정 높이만큼 돌출 형성된 다수의 돌기구조를 제 2 유로의 내부에 형성함으로써, 에어포일의 냉각 성능을 현저히 향상시킨 캔틸레버드 베인을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명에 따른 캔틸레버드 베인(100)을 포함하는 가스 터빈을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 가스 터빈에 따르면, 특정 구조의 캔틸레버드 베인을 구비함으로써, 베인 허브의 진동 안정성을 도모할 수 있는 구조를 포함하는 가스 터빈을 제공할 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.
10: 회전디스크 11: 도브테일 슬롯
100: 캔틸레버드 베인 110: 루트 어태치먼트
111: 라운딩 구조 120: 에어포일
121: 전익부 122: 후익부
123: 직선부 124: 곡선부
125: 제 1 유로 126: 제 2 유로
127: 전익 유로 128: 후익 유로
129: 배출 연결 유로 131: 냉각 유로
132: 배출 연결구 133: 채널 격벽
134: 바이패스 관통구 135: 배출구
136: 돌기구조 d1: 배출 연결구의 내경
d2: 배출 연결구의 내경 d3: 배출 연결구의 내경
d4: 배출구의 내경 d5: 배출구의 내경
d6: 배출구의 내경 h1: 직선부의 형성 높이
h2: 곡선부의 형성 높이

Claims (18)

  1. 케이싱 내벽에 원주 방향을 따라 설치된 슬롯에 원주 방향을 따라 이격되어 설치되고, 상기 슬롯에 삽입되는 루트 어태치먼트(root attachment)와 상기 루트 어태치먼트로부터 소정 높이로 형성된 에어포일(airfoil)을 구비하는 캔틸레버드 베인(cantilevered vane)으로서,
    회전축의 축방향을 x축, 상기 x축을 기준으로 하는 원주 방향을 y축, 상기 캔틸레버드 베인이 장착되는 방향을 z축이라 할 때,
    상기 에어포일은, 상기 루트 어태치먼트로부터 상기 z축 방향으로 연장되어 형성되는 직선부와, 상기 직선부의 단부에서 y축 방향으로 절곡되는 곡선부를 포함하는 J자 형상으로 형성되고, 상기 y축 방향에서 바라볼 때 상기 직선부와 곡선부는 전체적으로 x축 방향으로 편향되어 형성됨에 따라 스태킹 라인이 x축 방향으로 편향되어 형성되며,
    상기 직선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제1 유로가 형성되고,
    상기 곡선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제2 유로가 형성되며,
    상기 제2 유로는,
    상기 에어포일의 후익 방향으로 연장된 다수의 냉각 유로를 포함하고, 상기 제1 유로를 통해 유동하는 냉각유체 중 일부가 상기 제2 유로를 통해 유동하도록, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에는 둘 이상의 배출 연결구가 형성되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 루트 어태치먼트와 에어포일이 서로 인접한 부분에는 라운딩 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 라운딩 구조의 곡률반경은, 루트 어태치먼트의 폭 대비 10 내지 35 %의 길이인 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 곡선부의 형성 높이는 직선부의 형성 높이 대비 20 내지 30 %의 길이인 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유로는, 에어포일의 전익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로, 및 에어포일의 후익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로를 포함하고,
    상기 제 1 유로는, 전익 유로를 통해 유입된 냉각유체가 제 2 유로 및 후익 유로를 통해 배출되도록, 배출 연결 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 배출 연결구의 내경은, 냉각유체의 유동 방향을 따라 점차 커지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전익 유로 및 후익 유로는 각각 하부로부터 유입되는 냉각유체가 상승한 뒤 하강하다가 다시 한 번 상승하는 경로를 따라 유동 되도록 안내하는 채널 격벽에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널 격벽에는 전익부 및 후익부를 향해 바이패스 관통구가 둘 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어포일의 일단부에는, 제 2 유로와 연통되고, 제 2 유로를 통해 유동하는 냉각유체의 일부가 에어포일의 일단부 방향으로 배출될 수 있도록, 둘 이상의 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 배출구의 내경의 크기는, 에어포일의 후익부 방향으로 점차 커지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 후익 유로의 내부에는, 냉각유체의 유동에 난류를 형성할 수 있도록 소정 높이만큼 돌출 형성된 다수의 돌기구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캔틸레버드 베인.
  14. 케이싱 내벽에 원주 방향을 따라 설치된 슬롯에 원주 방향을 따라 이격되어 설치되고, 상기 슬롯에 삽입되는 루트 어태치먼트(root attachment)와 상기 루트 어태치먼트로부터 소정 높이로 형성된 에어포일(airfoil)을 구비하는 캔틸레버드 베인(cantilevered vane)을 포함하는 가스 터빈으로서,
    상기 캔틸레버드 베인은,
    회전축의 축방향을 x축, 상기 x축을 기준으로 하는 원주 방향을 y축, 상기 캔틸레버드 베인이 장착되는 방향을 z축이라 할 때,
    상기 에어포일은, 상기 루트 어태치먼트로부터 상기 z축 방향으로 연장되어 형성되는 직선부와, 상기 직선부의 단부에서 y축 방향으로 절곡되는 곡선부를 포함하는 J자 형상으로 형성되고, 상기 y축 방향에서 바라볼 때 상기 직선부와 곡선부는 전체적으로 x축 방향으로 편향되어 형성됨에 따라 스태킹 라인이 x축 방향으로 편향되어 형성되며,
    상기 직선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제1 유로가 형성되고,
    상기 곡선부의 내부에는 냉각유체가 흐를 수 있는 제2 유로가 형성되며,
    상기 제2 유로는,
    상기 에어포일의 후익 방향으로 연장된 다수의 냉각 유로를 포함하고, 상기 제1 유로를 통해 유동하는 냉각유체 중 일부가 상기 제2 유로를 통해 유동하도록, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에는 둘 이상의 배출 연결구가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 유로는, 에어포일의 전익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 전익 유로, 및 에어포일의 후익부를 향해 냉각유체의 흐름을 유도하는 후익 유로를 포함하고,
    상기 전익 유로를 통해 유입된 냉각유체는 제 2 유로 및 후익 유로를 통해 배출되도록 배출 연결 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  17. 삭제
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 에어포일의 일단부에는, 제 2 유로와 연통되고, 제 2 유로를 통해 유동하는 냉각유체의 일부가 에어포일의 일단부 방향으로 배출될 수 있도록, 둘 이상의 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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