KR100423194B1 - 가스터빈엔진정지부품 - Google Patents

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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

형상과 판넬 섹션부사이에 배치된 레이저 충격 피닝(LSP)에 의하여 전달된 강한 압축성 잔류 응력을 가진 긴 레이저 충격 피닝된 영역을 갖는 콤포넌트상의 형상에 의하여 시작되는 크랙에 민감한, 직선 또는 곡선으로된 금속성 판넬 섹션을 가진 가스 터빈 엔진 정지 콤포넌트는 레이저 충격 피닝된 영역이 판넬 섹션부로부터 분리된 형상으로 번지는 크랙을 분산하도록 파손으로부터 보호된다. 양호하게, 레이저 충격 피닝된 영역은 콤포넌트를 통과하여 연장하며 레이저 충격 피닝된 영역을 형성하도록 제 1 및 제 2 레이저 충격 피닝된 표면적을 동시에 레이저 충격 피닝하므로써 형성될 수도 있다.

Description

가스 터빈 엔진 정지 부품{A TECHNIQUE TO PREVENT OR DIVERT CRACKS}
가스 터빈 엔진 회전자와 상반된 가스 터빈 엔진 정지 구조체 및 부품(component)은 그 부품이 받는 열적 부하, 압력 부하 및 진동 부하 또는 비행 부하로 인하여 균열이 발생하기 쉬우며, 그에 따라 부품이 피로로 인해 파손되고 그 수명이 감소한다. 보통 티타늄 재료로 제조되는 고정식 터빈 베인 에어포일은 굽힘 모드(bending mode) 및 비틀림 휨 모드(torsional flexure mode)에서 에어포일의 다양한 가진(加振)(excitation)에 의해 응력을 받게 된다. 기체 흐름으로부터 타격을 받은 회전자 블레이드가 플러터(flutter) 및 고정자 베인(stator vane)을 통과함으로써 발생된 익현방향(chordwise) 및 스팬방향(spanwise) 굽힘 모드(bending modes)의 조합에 대한 에어포일의 전술한 반응에 의해서 에어포일이파손될 수 있다. 이 가진 응답은 에어포일 상의 절 패턴(nodal pattern)으로 나타나며, 그 결과 에어포일의 패널 섹션 또는 다른 정지 판재 유형의 부품이 공진 주파수에서 진동하게 된다. 균열이 발생되어 절 패턴의 절선(nodal lines)을 따라 전파된다. 절선은 직선 또는 곡선으로서, 그 둘레로 판재 또는 베인 에어포일의 일부가 굽혀져 최대 등급의 응력을 받는다. 상이한 절선, 모드 및 파손 모드는 상이한 공진 차수, 즉 1차, 2차, 3차 등의 공진으로서 구별된다.
파손 모드가 상이하면 손상의 정도도 상이하여, 어떤 곳이 다른 곳보다 덜 심각하게 또는 더 온화하게(양호하게) 손상될 수도 있다. 예를 들면, 가변 각도 베인(variable angle vane)은 이축 베인(trunioned vain)을 가지며, 8차 파손 모드로 인해서 균열 개시점으로부터 전파된 균열이 때로는 9차 파손 모드로 이동한다(베인 두께 변화에 따라 달라짐). 8차 파손 모드로 인해서 베인 에어포일의 하부 코너의 분리가 일어나서 하류의 압축기 블레이드와 엔진 부품에 미세한 손상을 유발할 수 있으며, 경험에 의하면 그 때에도 엔진은 계속적으로 운행된다. 9차 파손 모드에 의해서는 8차 파손 모드에 의하여 분리된 부분보다 훨신 더 큰 하부 이축 부분이 분리되며, 그 결과 하류에 훨신 더 큰 손상이 일어나서 궁극적으로는 엔진 파손 또는 운전 정지가 발생할 수도 있다.
따라서, 파손이 발생한다면 부품이 보다 적게 손상되도록, 하나 이상의 파손 모드를 받기 쉬운 가스 터빈 엔진 정지 부품을 설계하여 제작하는 것이 바람직하다. 본 발명은 이 목적을 달성하기 위한 것으로서, 두개의 각각의 공진 파손 모드를 갖는 두개의 절선 사이의 영역에 배치되며 레이저 쇼크 피닝(laser shockpeening)에 의하여 부여되는 적어도 하나의 깊은 압축성 잔류 응력 영역을 갖는 가스 터빈 엔진 정지 부품, 특히 두개의 이축 가변 고정자 베인 에어포일을 제공한다.
본 발명에 관한 다른 중요한 고려 사항은 균열이 케이싱의 소정 부위에서 시작해서 피로 유도 파손에 보다 민감한 영역으로 전파된다는 것이다. 연소기 케이싱은 인접 케이싱의 인접 플랜지에 볼트체결된 일체형의 환상 플랜지 사이에서 축방향으로 연장하는 환상 쉘 또는 패널을 구비한다. 제네랄 일렉트릭사의 T39에서 볼 수 있는 것과 같은 압축기 케이싱은 인접 연소기 케이싱의 환상 플랜지에 볼트체결되어 있는 환상 플랜지에서 끝나는 축방향 연장 수평 플랜지를 갖는 수평 분할형 케이싱을 구비한다. 축방향 연장 수평 플랜지가 끝나는 환상 플랜지의 지점은 연소기 케이싱의 환상 플랜지에 높은 국부 응력을 야기시키는 부위(feature)로서, 이 부위로부터 플랜지의 균열이 개시되어 연소기 케이싱 쉘 내의 피로 파손 지점까지 전파될 수 있다. 쉘은 플랜지에 비해서 비교적 얇으며 열적 부하와 압력 부하 때문에 피로 파손이 일어난다. 연소기 케이싱 쉘 상의 연료 노즐 보스는 균열이 개시될 수 있는 또다른 부위로서, 이 지점에서 개시된 균열은 연료 노즐의 축방향 하류에 있는 보다 고온의 운전 구역과 같이 피로 파손에 보다 민감한 쉘의 영역 내로 전파될 수 있다. 따라서, 쉘에 부착되어 있는 임의의 부위로부터 개시된 균열이 전환하여, 그 균열이 피로 파손에 보다 민감한 쉘의 영역 내로 전파되는 것을 방지하는 연소기 케이싱과 같은 가스 터빈 엔진 정지 부품을 설계하여 제작하는 것이 매우 바람직하다. 본 발명은 이 목적을 달성하기 위한 것으로서, 그러한 균열개시 부위와 부품 케이싱 쉘 사이의 영역에 배치되고 레이저 쇼크 피닝에 의하여 부여되는 적어도 하나의 깊은 압축성 잔류 응력 영역을 갖는 가스 터빈 엔진 정지 연소기 쉘을 제공한다.
본 발명의 레이저 쇼크 피닝에 의하여 부여되는 깊은 압축성 잔류 응력 영역은, "순수 가공물의 트루잉 또는 직선화 방법 및 장치(Method and Apparatus for Truing or Straightening Out of True Work Pieces)"라는 명칭의 미국 특허 제 5,235,838 호에 개시되어 있는 것과 같이, 레이저 빔을 이용하여 국부적으로 가열함으로써 가공물을 경화시키는 경화 동작에 의해 유도되는 국부적 경계의 압축성 잔류 응력을 포함하는 가공물의 표면층 영역과 다른 것이다. 본 발명은 "재료 특성 변경(Altering Material Properties)"이라는 명칭의 미국 특허 제 3,850,698 호; "레이저 쇼크 처리(Laser Shock Processing)"라는 명칭의 미국 특허 제 4,401,477 호; 및 "재료 특성(Material Properties)"이라는 명칭의 미국 특허 제 5,131,957 호에 개시되어 있는 방법과 유사하게, 높은 동력 펄스 레이저로부터의 다중 방사 펄스를 이용하여 가공물의 표면 상에 충격파를 발생시킨다. 당해 분야에 알려져 있고 본 명세서에서 사용하고 있는 레이저 피닝(laser peening)은 레이저 빔 공급원으로부터의 레이저 빔을 이용하여 표면의 일부에 강한 국부적인 압축력을 생성하는 것을 말한다. 레이저 피닝은 "레이저 피닝 시스템 및 방법(Laser Peening System and Mothod)"이라는 명칭의 미국 특허 제 4,937,421 호에 개시되어 있는 바와 같이 가공물의 외면에 압축성 응력 보호 층을 생성하도록 이용되어 온 것으로서 가공물의 피로 파손 저항을 대폭 증가시킨다고 알려져 있다. 그러나 이종래 기술은 본 발명이 이루고자 하는 유형의 팬 블레이드 선단 에지를 상술하지 않고 있고 또 그의 형성 방법 또한 상술하지 않고 있다. 본 발명은 이 목적을 달성하기 위한 것이다.
본 발명은 가스 터빈 엔진의 균열(gas turbine engine cracks)에 관한 것으로, 특히 민감한 영역으로부터 발생된 균열을 전환시켜서 다른 곳보다 온화한 모드로 전파시키는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 상기 특징 및 다른 특징을 이하에서 나타내는 첨부 도면과 관련된 하기의 설명에서 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 항공기 가스 터빈 엔진의 단면도.
도 2는 도 1에 도시한 항공기 가스 터빈 엔진의 엔진 케이싱의 일부에 대한 사시도.
도 2A는 도 2에 도시한 항공기 가스 터빈 엔진의 케이싱의 플랜지의 일부에 대한 확대 사시도.
도 3은 도 1에 도시한 것과 유사한 항공기 가스 터빈 엔진에 사용될 수도 있는 종래 기술의 가변 베인의 사시도.
도 4는 도 1의 항공기 가스 터빈 엔진에 본 발명에 따른 가변 베인을 채용한 사시도.
본 발명은 소정의 부위가 균열이 개시되기 쉽게 되어 있는 직선형이나 곡선형중 어느 한 형태의 금속 패널 섹션을 구비한 가스 터빈 엔진 정지 부품에 대한 것으로서, 레이저 쇼크 피닝(LSP)에 의하여 부여된 깊은 압축성 잔류 응력을 갖는 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역이, 상기 균열 개시 부위로부터 전파되는 균열을 패널 섹션의 상기 패널 섹션의 일부분으로부터 먼 지점으로 전환시키기 위해서 상기 균열 개시 부위와 패널 섹션의 상기 일부분 사이에 배치된다. 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 부품을 통하여 연장하는 것이 바람직하며, 제 1 및 제 2 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역을 동시에 레이저 쇼크 피닝함으로써 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예의 정지 부품은 가스 터빈 엔진 케이싱이며 상기 패널 섹션은 두개의 환상 단부 플랜지 사이에서 축방향으로 연장하는 환상 쉘이다. 하나의 특별한 실시예에서는, 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역이 환상이며, 플랜지와 쉘 둘레를 따라 대체로 균일하게 분산 배치되어 있는 환상 연장형의 다수의 볼트 구멍 사이에서 적어도 하나의 플랜지를 통하여 배치된다. 본 발명은 환상의 수평 플랜지를 구비한 인접한 수평 분할형 압축기 케이싱에 부착하기 위하여 가스 터빈 엔진 연소기 케이싱에 사용되고, 상기 환상 플랜지는 그 위의 다수의 볼트 구멍에 대응하는 위치에서 끝날 수도 있으며, 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 쉘과 다수의 볼트중 소정 수의 볼트 사이에서 환상 플랜지 상에 원호형으로 배치된다. 본 발명의 다른 특별한 실시예는 환상 플랜지들 사이에서 쉘에 용접된 대체로 환상으로 배치된 보스를 구비한 연소기 케이싱이며, 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 후방의 환상 플랜지와 보스 사이에 배치된 쉘 상의 환상 영역이다.
본 발명의 다른 실시예는 적어도 두개의 사전결정된 절선을 가지며 적어도 두개의 공진 파손 모드를 받는 금속성 패널 섹션을 구비한 가스 터빈 엔진 정지 부품에 대한 것으로서, 상기 적어도 두개의 공진 파손 모드는 사전결정된 절선 및 두개의 공진 모드와 각기 관련된 두개의 상이한 공진 유도 균열선을 야기시킬 수 있다. 대체로 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역이 패널 섹션 상의 단 하나의 절선 만을 가로질러 배치되며, 레이저 쇼크 피닝(LSP)에 의하여 부여된 깊은 압축성 잔류 응력을 갖는 영역이 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역으로부터 상기 섹션 내로 연장한다. 본 발명의 예시적인 실시예에 있어서 공진 모드는 연속적인 공진 모드이다.
본 발명의 다른 특별한 예시적인 실시예에 있어서, 정지 부품은 가변 각도 베인이며 패널 섹션은 베인에 부착된 에어포일이다. 또다른 특별한 실시예는, 제 1 절선이 이축(trunnion)과 교차하지 않으며 제 2 절선이 이축과 교차하도록 일체형으로 형성된 이축(통상적으로는 상부와 하부의 두개의 이축이 있음)을 가진 베인을 제공한다. 상기 공진 모드는 하나의 특별한 실시예에 있어서 8차와 9차 공진 모드인 연속적인 공진 모드일 수도 있으며, 9차 공진 모드는 이축의 축선을 가로지르는 각각의 9차 절선을 갖는다.
장점
본 발명에 의하여 제공되는 장점들중 하나는 피로 파손을 경험함이 없이 높은 응력과 진동 응력장(vibratory stress fields)에서 보다 오랫동안 작동하도록 설계된 가스 터빈 엔진 정지 부품을 안전하게 설치하여 작동시킬 수 있는 능력이다. 본 발명의 다른 장점은 심각한 직·간접적인 파손을 야기시킴이 없이 보다 온화하게 피로 파손이 일어나도록 할 수 있는 가스 터빈 엔진 정지 부품을 제공한다는 것이다. 또한 본 발명은 정지 부품의 두께와 무게의 증가 없이 상업적으로 허용가능한 수명이 보다 길어진 가스 터빈 엔진 정지 부품을 설치하는 장점을 제공한다. 본 발명에 따르면 전술한 정지 부품의 분해 검사와 교체 사이의 시간을 안전하게 연장시킬 수 있게 된다. 본 발명은 관련 피로로 유도된 균열이 발견되지 않거나 발견될 수 없는 곳에서 검사하는 사이에 가스 터빈 엔진의 보다 안전하고 신뢰성 있는 동작을 확보하도록 유익하게 사용될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 두가지 예시적인 실시예에 따른 연소기 케이싱(6) 및 가변 압축기 베인(8)을 포함하는 예시적인 항공기 가스 터빈 엔진(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 가스 터빈 엔진(10)은 엔진 중심선(11) 둘레에 원주방향으로 배치되어 있으며, 팬 섹션(12)과 고압 압축기(16)와 연소 섹션(18)과 고압 터빈(20)과 저압 터빈(22)을 일련의 유동 관계로 구비하고 있다. 연소 섹션(18), 고압 터빈(20) 및 저압 터빈(22)은 엔진의 고온 섹션이라 불리기도 한다. 고압 회전자 축(24)이 고압 터빈(20)을 고압 압축기(16)에 구동 관계로 연결하며, 저압 회전자 축(26)이 저압 터빈(22)을 팬 섹션(12)에 구동 관계로 연결한다.
팬 섹션(12)을 통과하는 팬 공기(9)의 대부분은 팬 섹션(12)과 보조 팬(13)사이에 입구 또는 분할장치(splitter)(32)를 가진 바이패스 덕트(bypass duct)(30)를 통하여 보조 팬(13), 고압 연소기(16) 및 고온 섹션 주위를 우회한다. 상기 보조 팬은 고압 압축기(16)에 연결되어 있다. 가변 압축기 베인(8)은 제네랄 일렉트릭사의 TF-39 및 CF-6 엔진과 같은 항공기 가스 터빈 엔진에서 볼 수 있는 바와 같이 고압 압축기에 보통 사용되는 것이다.
연료는 연소 섹션(18)에서 연소되어 초고온의 가스 흐름(28)을 생성하는데, 이 가스 흐름(28)은 고압 및 저압 터빈(20, 22)을 통과하여 엔진(10)에 동력을 공급한다. 연소기(36)가 외부 연소기 케이싱(6)과 내부 연소기 케이싱(40) 사이에서 압축기 배출 흐름(38) 내에 배치된다. 연소기(36)는 후향 연장형의 외부 및 내부 환상 연소기 라이너(43, 44)를 갖는 환상 연소기 돔(42)을 구비하는 것으로서 도시되어 있다. 외부 및 내부 환상 연소기 라이너(43, 44)는 서로에 대해 반경방향으로 이격되어 그 사이에 환상 연소 유동 경로 또는 연소 구역(45)의 일부를 형성하며, 연소 구역(45)에서는 복수의 연료 노즐(46)로부터 연료와 공기의 혼합물이 점화 및 연소를 위하여 배출된다.
도 2 및 도 2A는 환상 연소기 케이싱(6)이 인접한 수평의 분할형 압축기 케이싱(50)에 부착되어 있는 것을 도시한다. 연소기 케이싱(6)은 전방의 환상 단부 플랜지(53)와 후방의 환상 단부 플랜지(54) 사이에서 축방향으로 연장하는 환상 압축 쉘(51) 형태의 만곡형 패널 섹션을 구비한 정지 부품이다. 각각의 전후방 환상 단부 플랜지(53, 54)는 수평의 분할형 압축기 케이싱(50)과 같은 인접한 케이싱과 플랜지에 부착하기 위하여 그 둘레에 배치되어 있는 볼트 구멍(57)을 가진 링(55)을 구비한다. 수평의 분할형 압축기 케이싱(50)은 전방 단부 플랜지(53) 상에 있는 링(55)의 다수의 볼트 구멍(57) 또는 볼트 구멍(57)의 그룹(59)에 대응하는 위치(60)에서 끝나는 수평 플랜지(58)를 구비한다. 연소기 케이싱(6)의 이 부위는균열(60)의 개시점이 될 수 있는데, 균열은 볼트 구멍의 그룹(59)으로 대표되는 이 균열 개시 부위로부터 쉘로 전파되어서, 구조적 일체성을 감소시킴으로써 궁극적으로는 너무나 바람직하지 않은 쉘 파손으로 이끌 수 있다.
따라서, 그러한 일이 발생하지 못하게 하기 위하여, 본 발명은 볼트 구멍 그룹(59)과 쉘(51) 사이의 전방 플랜지(53) 상에 레이저 쇼크 피닝(laser shock peening)에 의하여 부여되는 깊은 압축성 잔류 응력을 갖는 원호형의 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(66)을 제공한다. 이 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(66)은 원(70)으로 표시된 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역(68)으로부터 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역을 따라 전방 플랜지(53) 내로 연장된다. 원(70)은, 레이저 빔이 타격하여 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역(68)을 형성하는 점(spot)을 일반적으로 나타낸다. 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(66)은 전방 플랜지의 후면(A)으로부터 전면(F)까지 전방 플랜지(53)의 전체 두께에 걸쳐서 연장된다. 전방 플랜지(53)의 양면은 동시에 레이저 쇼크 피닝되어, 전면(F)과 후면(A) 사이에 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역(68)을 형성하고 그 사이에 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(66)을 형성하는 것이 바람직하다.
도 2는 균열 개시 부위가 연소기 케이싱(6)의 쉘(51)을 통하여 형성된 연료선(fuel line) 구멍(82) 둘레에 원주방향으로 배치된 보스(48) 상에 용접되어 있는 연료선인 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 용접 보스들에서 균열이 시작되고 축방향 후방으로 전파되어 쉘(51)의 후방에서 만나게 되는데, 그러면 보스(48) 상의 구조적 일체성이 감소되어 궁극적으로는 쉘의 아주 바람직하지 못한 파손으로이끌 수 있다. 레이저 쇼크 피닝에 의하여 부여된 깊은 압축성 잔류 응력을 갖는 환상의 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(84)은 원(70)으로 표시된 바와 같이 레이저 쇼크 피닝 환상 표면 영역(68)을 따라 쉘(51) 둘레로 전체적으로 연장한다. 환상의 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(84)은 쉘(51)의 전체 두께에 걸쳐 연장하는 것이 바람직하다. 원(70)은, 레이저 빔이 타격하여서 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역(68)을 형성하는 점(spot)를 나타낸다. 쉘(51)의 양면은 동시에 레이저 쇼크 피닝되어, 쉘(51)의 양 내면(I)과 외면(O)의 양자에 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역(68)을 형성하고 그 사이에 환상의 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(84)을 형성한다.
도 3 및 도 4는, 정지 부품이 금속성 패널 섹션으로서 얇은 고체 에어포일(91)을 갖고 있는 가변 압축기 베인(8)이며, 균열 개시 부위가 사전결정된 제 1 및 제 2 절선(92, 94)(예시적인 일 실시예에 있어서는 연속적인 8차 및 9차 공진 모드에 대응함)인 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 에어포일(91)은 일체로 형성된 상부 및 하부 이축(trunnion)(100, 102)을 가지며, 이 상부 및 하부 이축은 상하부 스핀들(106, 108)을 각기 구비하고 사전결정된 인접 제 1 및 제 2 절선(92, 94)을 따라 적어도 두개의 공진 파손 모드를 받는다. 상부 스핀들(106)이, 에어포일(91)의 각도를 변경시키기 위하여 에어포일(91)을 작동시키는데 사용되는 레버 아암(107)에 부착된다. 8차 및 9차 공진 모드는 두개의 공진 모드와 각기 관련되어 있는 두개의 상이한 공진 유도 균열선을 유발할 수 있다. 즉 제 1 및 제 2 절선(92, 94)으로 각기 도시된 바와 같은 8차 및 9차 절선이 대체로 형성된 후에상기한 두개의 상이한 공진 유도 균열선이 형성된다. 그 결과, 제 1 및 제 2 절선(92, 94)으로 대체로 윤곽이 설정된 에어포일(91)의 제 1 및 제 2 조각(110, 112)의 파손 및 분리가 일어날 수 있다. 제 1 절선(92)을 따라 균열이 개시되고, 이 균열이 에어포일(91)의 자유 에지(113)와 교차할 수도 있으며, 그 후에 제 2 절선(94)을 따라 균열이 일어나서, 하부 이축(102)을 구비하는 에어포일(91)의 보다 큰 제 2 조각(112)의 분리를 야기시킨다.
도 4를 보다 상세히 참조하면, 보다 큰 제 2 조각(112)이 떨어져 나가는 것을 방지하기 위하여, 레이저 쇼크 피닝(LSP)에 의하여 부여된 깊은 압축성 잔류 응력을 갖는 대체로 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(116)이 9차 공진 모드에 대응하는 제 2 절선(94)만을 가로질러 배치된다. 에어포일(91)은 에어포일(91)의 압력측(P)과 흡입측(S) 상에 레이저 쇼크 피닝되어서 양측에 하나씩 두개의 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역(68)을 형성할 수 있으며, 그럼으로써 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(116)이 레이저 타격점을 나타내는 원(70)으로 표시된 전체 길이를 따라 에어포일(91)의 전체 두께(T)에 걸쳐 연장하도록 레이저 쇼크 피닝 처리 영역(116)이 형성된다.
레이저 쇼크 피닝 처리 영역에서 레이저 빔 쇼크로 유도된 깊은 압축성 잔류 응력은 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역으로부터, 레이저 쇼크로 유도된 압축성 잔류의 사전 응력 영역까지 약 20-50 mil 깊이로 연장하는 약 50-150 KPSI(kilo pound/in2)이다. 레이저 빔 쇼크로 유도된 깊은 압축성 잔류 응력은 고 에너지 레이저 빔을 반복적으로 발사함으로써 생성되는데, 이 레이저 빔은 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역에 집중되고 이 표면 영역의 위나 아래에는 극히 일부만 입사하며, 그 영역은 도료로 도장되어 109watt/cm2정도의 크기를 갖는 최대 동력 밀도를 발생시킨다. 레이저 빔은 도장된 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역 위로 흐르는 물의 막벽(curtain)을 통하여 발사되고, 도료는 제거되어 플라즈마를 발생시켜서 재료 표면에 충격파를 만든다. 이 충격파는 흐르는 물의 막벽에 의하여 도장된 표면을 향해 재입사되어, 도장된 표면 아래의 재료에 이동 충격파(압력파)를 발생시킨다. 이 충격파의 진폭 및 크기는 압축성 응력의 깊이 및 세기를 결정한다. 도료는 표적 표면을 보호함과 아울러 플라즈마를 생성하기 위하여 이용된다. 제거된 도료는 흐르는 물의 막벽에 의하여 씻겨 내려간다. 이 방법 및 레이저 쇼크 피닝의 다른 방법이 "터보기계용 레이저 쇼크 피닝 회전자 부품(LASER SHOCK PEENED ROTOR COMPONENTS FOR TURBOMACHINERY)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제 08/319,346 호 및 "플라이 레이저 쇼크 피닝에 대하여(ON THE LASER SHOCK PEENING)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 08/363,362 호에 보다 상세히 개시되어 있다. 상기 특허 출원은 본원에 참고로 인용된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 전체적으로 기술되었지만, 첨부한 청구 범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 바람직한 실시예에 대한 다양한 변경 또는 수정을 이룰 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 가스 터빈 엔진 정지 부품에 있어서,
    상기 부품의 균열 개시 부위에 인접한 금속성 패널 섹션과,
    상기 패널 섹션의 일부분과 상기 균열 개시 부위 사이에 배치된 레이저 쇼크 피닝(LSP)에 의하여 부여되는 깊은 압축성 잔류 응력을 갖는 대체로 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역을 포함하며,
    상기 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 상기 균열 개시 부위로부터 전파되는 균열이 패널 섹션의 상기 일부분에서 먼 지점으로 전환되도록 위치되고,
    또한 상기 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 대응하는 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역으로부터 상기 부품내로 연장하는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부품은 상기 부품의 상호 대향하는 제 1 및 제 2 측면을 더 포함하고, 상기 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 상기 제 1 측면으로부터 상기 제 2 측면까지 연장하는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부품은 각각의 상기 제 1 및 제 2 측면 상에 상호 대향하는 제 1 및 제 2 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역을 더 포함하고, 상기 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 상기 제 1 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역으로부터 상기 제 2 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역까지 연장하는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역은 동시에 레이저 쇼크 피닝함으로써 형성된
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은, 상기 균열 개시 부위에서 시작하고 그렇지 않으면 상기 패널 섹션으로 전파하는 피로 균열을 전환시키기에 충분하도록 길게 되는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 정지 부품은 가스 터빈 엔진 케이싱이고 상기 패널 섹션은 환상 쉘이며,
    상기 환상 쉘은 두개의 환상 단부 플랜지 사이에 배치되며,
    상기 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 환상이고 상기 쉘과 환상으로 연장하는 다수의 볼트 구멍 사이에서 적어도 하나의 상기 플랜지를 통하여 배치되는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진 케이싱은 수평 플랜지를 갖는 인접한 수평 분할형 압축기 케이싱에 부착하기 위한 연소기 케이싱이며,
    상기 수평 플랜지는 상기 환상 플랜지 상의 다수의 볼트 구멍중 소정 수의 볼트 구멍에 대응하는 위치에서 끝나며,
    상기 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 상기 수의 볼트 구멍과 상기 쉘 사이에서 상기 환상 플랜지 상에 원호형으로 배치되는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진 케이싱은 상기 환상 플랜지들 사이에서 상기 쉘 상에 용접된 대체로 환상으로 배치된 보스를 갖는 연소기 케이싱이며,
    상기 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 영역은 상기 보스와 상기 환상 플랜지중 후방의 것 사이에 배치된 상기 쉘 내의 환상 영역인
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지 부품은 가변 각도 베인이고, 상기 패널 섹션은 상기 베인에 부착된 에어포일이며,
    상기 금속성 패널 섹션은 각각의 사전결정된 제 1 및 제 2 절선과 제 1 및 제 2 공진 모드에 각기 관련된 제 1 및 제 2 공진 유도 균열선이 발생되며,
    상기 균열 개시 부위는 상기 에어포일의 자유 에지와 교차하는 제 1 절선의 일 지점이며,
    상기 길다란 레이저 쇼크 피닝 처리 표면 영역은 상기 패널 섹션 상에서 상기 제 2 절선을 가로질러 배치되는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 베인은 상기 제 1 절선이 이축(trunnion)과 교차하지 않으며 상기 제 2 절선이 이축과 교차하도록 상기 패널 섹션과 적어도 부분적으로 일체형으로 형성된 이축을 포함하는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진 모드는 연속적인 공진 모드인
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이축은 하부 이축인
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 공진 모드는 8차 및 9차 공진 모드를 포함하는 연속적인 공진 모드이며, 상기 9차 공진 모드는 상기 이축의 축선에 교차하는 각각의 9차 절선을 갖는
    가스 터빈 엔진 정지 부품.
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