KR100526088B1 - 터빈 블레이드 - Google Patents

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KR100526088B1
KR100526088B1 KR10-2004-0005922A KR20040005922A KR100526088B1 KR 100526088 B1 KR100526088 B1 KR 100526088B1 KR 20040005922 A KR20040005922 A KR 20040005922A KR 100526088 B1 KR100526088 B1 KR 100526088B1
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클러스위슬로에이.
펑크스탠리제이.
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

터빈 블레이드는 플랫폼 및 플랫폼 자루로부터 팁까지 연장되는 에어포일을 구비한다. 에어포일은 적어도 하나의 후단 에지 공동을 포함하는 내부 냉각 통로 네트워크를 구비한다. 후단 에지 구멍 군은 후단 에지로부터 후단 에지 공동까지 연장하고, 팁 구멍 군은 팁으로부터 후단 에지 공동까지 연장한다.

Description

터빈 블레이드{TURBINE BLADE}
본 발명은 터보 기계, 특히 냉각 터빈 블레이드에 관한 것이다.
열 관리는 터빈 블레이드의 엔지니어링 및 제조에서 중요하게 고려할 사항이다. 블레이드에는 통상적으로 냉각 통로 네트워크가 형성된다. 통상의 네트워크는 블레이드 플랫폼을 통해 냉각 공기를 수용한다. 냉각 공기는 회선 형태의 통로를 통해 에어포일로 진행하고 냉각 공기의 적어도 일부는 에어포일 내의 구멍을 통해 블레이드를 빠져나간다. 이들 구멍들은 에어포일의 압력 측면 및 흡입 측면을 따라 분포된 구멍들(예를 들어, "필름(film) 구멍들")과 선단 에지 및 후단 에지에서 이러한 측면들의 접합면에 있는 구멍들을 포함할 수 있다. 추가의 구멍들이 블레이드 팁에 위치할 수 있다. 통상의 제조 기술에서, 블레이드의 주요부는 주조 및 기계가공 공정으로 형성된다. 주조 공정 동안, 희생 코어가 사용되어 적어도 냉각 통로 네트워크의 주요부를 형성한다. 블레이드 팁에서의 코어의 적절한 지지는, 주형의 팁부를 통해 돌출하고 코어의 제거 시 관련된 구멍들을 남기는 코어 부분과 관련된다. 따라서, 코어에 의해 남겨진 구멍들을 적어도 부분적으로 차단하도록 플레이트가 삽입될 수 있는 팁 포켓을 구비한 주형을 형성하는 것이 공지되어 있다. 이는 원하는 성능을 달성하기 위해 팁을 통한 유동 분포 및 체적의 테일러링(tailoring)을 가능케 한다. 이러한 구조의 예는 미국 특허 제3,533,712호, 제3,885,886호, 제3,982,851호, 제4,010,531호, 제4,073,599호 및 제5,564,902호에 개시되어 있다. 많은 수의 이런 블레이드에서, 플레이트는 블레이드 팁 포켓 또는 공간을 남기기 위한 주물 팁 포켓 내의 보조 평면(subflush)이다.
본 발명의 일 태양은 플랫폼과, 플랫폼 자루(root) 및 팁을 갖는 에어포일을 구비하는 블레이드를 포함한다. 에어포일은 선단 에지 및 후단 에지와 적어도 하나의 후단 에지 공동을 포함하는 내부 냉각 통로 네트워크를 구비한다. 후단 에지 구멍은 후단 에지로부터 후단 에지 공동까지 연장한다. 팁 구멍은 팁으로부터 후단 에지 공동까지 연장한다.
다양한 실시에서, 팁 구멍 및 후단 에지 구멍의 말단군은 후단 에지 공동으로부터 외부로 분기될 수 있다. 팁 구멍은 원형 단면일 수 있고, 0.3 내지 2.0 mm의 직경을 가질 수 있다. 각각의 팁 구멍은 직경보다 적어도 5배 더 긴 길이의 원통형 표면을 가질 수 있다. 2개 내지 6개의 그러한 팁 구멍이 있을 수 있다. 각각의 팁 구멍은 블레이드의 주조를 통해 연장될 수 있다. 블레이드는 몸체 및 팁 삽입부를 가질 수 있고 냉각 통로 네트워크와 연통하는 팁 공간을 가질 수 있다. 공간은 에어포일의 압력측 및 흡입측을 따르는 주물의 벽부에 의해 그리고 상기 벽부의 림에 대한 팁 삽입 보조 평면의 외부면에 의해 경계를 이룰 수 있다. 벽부는 압력측 및 흡입측에 걸쳐 연장되는 공간의 후단부를 따라 연속될 수 있다. 팁은 압력측을 따라 경감된 영역을 가질 수 있다. 경감된 영역은 팁 구멍의 개구를 가로질러 부분적으로 연장될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부 사항은 첨부된 도면 및 이하의 설명에 나타나 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 명세서, 도면, 특허청구범위로부터 명백해진다.
다양한 도면의 동일한 참조 번호 및 명칭은 동일한 부재를 나타낸다.
도1은 내부 플랫폼(26)의 선단 자루(24)로부터 말단 팁(28)까지의 길이를 따라 연장되는 에어포일(22)을 갖는 터빈 블레이드(20)를 도시한다. 다수의 이러한 블레이드는 유동 통로의 내부의 경계를 이루는 링을 형성하는 각각의 내부 플랫폼과 나란한 조립체일 수 있다. 일 실시예에서, 블레이드의 주요부는 금속 합금(예를 들어, 주물로서)으로 하나로 형성된다. 주형에는 팁 공간(30)을 남기도록 별도의 커버 플레이트가 보조 평면으로 고정될 수 있는 팁 격실이 형성된다.
에어포일은 선단 에지(40)로부터 후단 에지(42)까지 연장된다. 선단 및 후단 에지는 압력 및 흡입 측면 또는 표면(44, 46)을 분리한다. 블레이드를 냉각하기 위해, 블레이드에는 플랫폼 내에 (도시되지 않은) 포트로 연결된 냉각 통로 네트워크가 구비된다. 예시적인 통로 네트워크는 에어포일을 따라 대체로 길이 방향으로 연장되는 일련의 공동을 포함한다. 처음의 공동은 선단 에지에 일반적으로 평행하게 연장되는 선단 에지 공동으로서 나타내어진다. 최후의 공동(48, 도2 참조)은 후단 에지에 대체로 평행하게 연장되는 후단 에지 공동으로서 나타내어진다. 이들 공동들은 길이를 따라 하나 또는 양쪽의 단부 및/또는 위치에서 연결될 수 있다. 네트워크는 외부 고온으로부터 표면을 더 냉각 또는 단열하기 위해 압력면 및 흡입면(44, 46)으로 연장되는 구멍을 더 포함할 수 있다. 이 구멍들 사이에는 후단 에지 공동과 후단 에지 부근의 위치 사이에서 연장되는 후단 에지 구멍(50)들의 어레이가 있을 수 있다.
실시예에서, 블레이드의 주요부는 주조 및 기계가공에 의해 형성된다. 주조는 통로 네트워크를 형성하기 위해 희생 코어를 사용함으로써 실행된다. 예시적인 주조 공정은 커버 플레이트(58)가 고정되는(도2 참조) 상술한 주조 팁 격실을 갖는 생성된 주물을 형성한다. 격실은 팁 격실의 기부를 형성하는 외부면을 갖는 웹(60)을 구비한다. 외부면은 생성된 에어포일의 압력측 및 흡입측 상의 부분을 갖는 벽 구조의 림(rim)(62) 아래에 있다. 웹(60)에는 일련의 구멍들이 형성된다. 이들 구멍들은 지지를 위해 외부 주형에 장착된 희생 코어의 부분에 의해 형성될 수 있다. 구멍들은 통로 네트워크와 연통된다. 구멍들은 블레이드로부터 냉각 공기를 손실시키는 바람직하지 않은 통로일 수 있다. 따라서, 구멍들의 일부 또는 전체를 부분적으로 또는 전체적으로 커버 플레이트(58)로 차단하는 것이 양호할 수 있다. 커버 플레이트는 주형 격실 내의 제 위치로 위치시킴으로써 그리고 주형에 접합함으로써 설치될 수 있다. 작업 시에, 림(이하에서 리세싱된 것으로 기술되는)은 인접한 엔진 시라우드(shroud)(예를 들어, 대략 10mm의 갭을 갖는)의 내부에 대체로 근접한다.
도2는 후단 에지(42)로부터 후단 공동(48)의 후단 말단부(68)까지 연장하고 축(500)을 갖는 원통형 구멍들로서 예시적인 후단 에지 구멍들(50)을 나타낸다. 일 군의 구멍들(50)은 대체로 서로 평행하고 비교적 균일하게 이격되어 있다. 제2 군[말단 군(50A, 50B, 50C, 50D, 50E, 50F)]은 후단 공동(48)으로부터 외부로 방사상으로 펼쳐지고 평행하지 않다. 도시된 실시예에서, 구멍들(50A 내지 50F)은 후단 공동(48)의 후단 말단부(68)를 따라 입구 단부(입구)와 블레이드 팁을 따라 출구 단부(출구)를 구비하는 팁 구멍(70A, 70B, 70C, 70D)을 포함하는, 연속 방사상 구멍들의 말단 군의 일부이다. 예시적인 구멍들은 직경(D)을 갖는 원형이다. 예시적인 구멍들(50A 내지 50F 및 70A 내지 70D)의 입구 단부는 공동 후단 말단부(68)를 따라 대체로 일정하게 이격되어[(피치)(S1)] 있다. 이 피치는 나머지 구멍(50) 사이의 전형적인 피치[예를 들어, 인접 군의 구멍(50)의 피치(S2)] 보다 약간 작은 것이 바람직하다. 이 구멍들은 점진적으로 방사상으로 펼쳐짐으로써, 후단 말단부(68)를 따르는 내부 방향과 축 사이의 각(θ)이 마지막의 방사상으로 펼쳐지지 않는 구멍(50)의 90°를 조금 넘는 값에서 최후 구멍(70D)의 45°에 가까운 값까지 점진적으로 감소한다. 방사상으로 펼쳐지면서 감소되는 피치는 단순하게 연속되는 평범한 배열의 구멍(50)들에 비해 블레이드의 후단 팁 부분의 냉각을 증진시킨다. 실시예에서, 구멍(70A 내지 70D)의 출구 단부는 격실(30)의 림(62)의 후단부(72)를 따라 위치한다. 실시예에서, 림 후단부(72)는 구멍(70A 내지 70D)의 출구를 적어도 부분적으로 가로질러 연장되는 압력측 모따기부(80)를 구비한다. 이 모따기부는 후단부(72)의 완전한 흡입측 부분(82) 아래의 팁 부분을 우묵하게 들어가게 한다. 터빈 작동에서, 완전한 부분(82)은 (도시되지 않은) 시라우드의 인접면에 평행하게 근접하여 대향하여 위치하고, 모따기부(80)에 의해 제공된 리세스는 구멍(70A 내지 70D)의 출구로부터의 유동을 모따기부의 표면을 따라 후방으로 유도하여 후단 에지에 인접한 팁의 압력측면을 냉각시킨다.
예시적인 제조 방법에 있어서, 구멍(50, 50A 내지 50F, 70A 내지 70D)은 드릴링(예를 들어, 레이저 드릴링)을 통해 기계가공된다. 이러한 가공은 블레이드가 주조되거나 다르게 제조된 후에 그리고 선택적으로 처음의 주조후 기계가공 후에 행해진다. 적어도 방사상으로 펼쳐지는 구멍들은 단일 비트 드릴(또는 레이저 드릴링의 경우에 단일 빔 드릴)의 연속적이고 점진적인 재배열에 의해 천공될 수 있다. 구멍이 천공된 후에, 모따기부(80)는 최종 기계가공의 일부로서 림 내측으로 연마 가공될 수 있다. 모따기부에 의해 제공된 리세스는 또한 팁 구멍의 폐색을 방지하기 위해 사용된다. 리세스가 없을 때는, 림 부분(72)과 시라우드 사이의 우연한 접촉이 팁 구멍으로 물질을 주입하여 막히게 할 수 있다. 완전한 부분(82) 아래의 구멍 출구의 적어도 압력측 부분을 리세싱함으로써, 그러한 폐색이 방지된다. 예시적인 모따기부는 오목하고, 압력측에서의 완전부(82)에 대해 깊이(R1) 및 모따기부를 구비하는 구멍(70A 내지 70D)의 압력측 교차부에서 깊이(R2)를 갖는다. 실시예에서, 이들 깊이는 후단 에지로부터 전방으로 점진적으로 약간 증가한다. 예시적인 깊이(R1)는 구멍 직경의 약 0.5 내지 0.3배이고, 예시적인 깊이(R2)는 구멍 직경의 0.25 내지 2.0배 정도이다.
실시예에서, 2 내지 6개의 팁 구멍 및 2 내지 10개의 방사상으로 펼쳐지는 후단 에지 구멍이 바람직하다. 구멍은 블레이드 크기를 포함하는 인자에 더 의존할 수도 있다. 더 정밀한 실시예에서, 3 내지 5개의 팁 구멍 및 4 내지 8개의 방사상으로 펼쳐지는 후단 에지 구멍이 있을 수 있다. 예시적인 구멍 직경은 0.3 내지 2.0mm 사이이다. 예시적인 구멍 길이는 구멍 직경의 10 내지 30배(더 정밀하게는, 15 내지 25배)이다. 실시예에서, 구멍의 방사상으로 펼쳐지는 형상은 방사상으로 펼쳐지지 않는 구멍의 각으로부터 30°내지 60°사이의 값으로 각(θ)을 변화시킨다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 기술 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 많은 세부 사항이 주문자에 의해 결정된다. 어느 정도까지, 원리가 기존 용도, 특히 기존 블레이드의 변형으로서 적용되고, 이들 적용 또는 기존 블레이드의 특징들은 실행에 영향을 미친다. 따라서, 다른 실시예들도 이하 특허청구범위의 범위 내에 있다.
본 발명에 따르면, 효율적인 냉각을 제공하는 터빈 블레이드를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 원리에 따른 터빈 블레이드의 도면.
도2는 도1의 블레이드의 후단 팁의 부분 단면도.
도3은 도1의 블레이드의 압력측의 후단 팁부의 부분도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20: 터빈 블레이드
22: 에어포일
24: 선단 자루
26: 내부 플랫폼
30: 팁 공간
40: 선단 에지
42: 후단 에지
50: 구멍
58: 커버 플레이트

Claims (15)

  1. 플랫폼과,
    에어포일을 포함하고,
    상기 에어포일은,
    플랫폼의 자루와,
    팁과,
    선단 에지 및 후단 에지와,
    내부 냉각 통로 네트워크를 구비하고,
    상기 내부 냉각 통로 네트워크는,
    적어도 하나의 후단 에지 공동과,
    후단 에지로부터 후단 에지 공동까지 연장되는 복수의 후단 에지 구멍과,
    팁으로부터 후단 에지 공동까지 연장되는 복수의 팁 구멍을 포함하는 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 팁 구멍 및 상기 후단 에지 구멍의 말단 군은 후단 에지 공동으로부터 외부로 분기되는 블레이드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 팁 구멍은 직경이 0.3 내지 2.0 mm 사이의 원형 단면인 블레이드.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 팁 구멍은 길이가 직경보다 적어도 5배 긴 원통형 표면을 갖는 블레이드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 몸체 및 팁 삽입부를 포함하고 냉각 통로 네트워크와 연통하는 팁 공간을 구비하고, 에어포일의 압력측 및 흡입측을 따라 주형의 벽부와 상기 벽부의 림에 대한 팁 삽입 보조 평면의 외부면에 의해 경계를 이루는 블레이드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 벽부는 압력측 및 흡입측에 걸쳐 연장되는 공간의 후단부를 따라 연속되는 블레이드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 팁은 압력측을 따라 경감된 영역을 구비하고, 상기 경감된 영역은 상기 팁 구멍의 개구를 가로질러 부분적으로 연장되는 블레이드.
  8. 플랫폼과,
    에어포일을 포함하고,
    상기 에어포일은,
    플랫폼의 자루와,
    팁과,
    선단 에지 및 후단 에지와,
    내부 냉각 통로 네트워크를 구비하고,
    상기 내부 냉각 통로 네트워크는,
    후단 공동과,
    에어포일의 후단 팁 코너부를 냉각시키는 수단을 구비하는 터빈 블레이드.
  9. 제8항에 있어서, 냉각 수단은 후단 공동으로부터 연장되는 복수의 팁 구멍을 포함하고,
    상기 블레이드는 상기 팁 구멍의 접촉에 의한 폐색을 방지하는 수단을 더 포함하는 블레이드.
  10. 제8항에 있어서, 냉각 수단은 후단 에지 공동으로부터 후단 에지까지 외부로 분기되는 복수의 팁 구멍 및 팁을 포함하는 블레이드.
  11. 플랫폼 및 플랫폼의 선단 자루로부터 말단부까지 연장하고, 압력측 및 흡입측을 분리하는 선단 에지 및 후단 에지를 구비하고, 적어도 하나의 후단 에지 공동을 포함하는 냉각 통로 네트워크를 구비하는 터빈 요소 전구체를 주조하는 단계와,
    후단 에지로부터 후단 에지 공동까지 연장되는 복수의 제1 구멍을 에어포일 내에 기계가공하는 단계와,
    팁으로부터 후단 에지 공동까지 연장되는 복수의 제2 구멍을 에어포일 내에 기계가공하는 단계를 포함하는 블레이드 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 팁의 후단 압력측 부분을 따라 모따기부를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 모따기부는 상기 복수의 제2 구멍의 개구를 통해 부분적으로 연장되는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 팁의 후단 압력측 부분을 따라 오목한 모따기부를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 복수의 제1 구멍의 말단 군을 기계가공하는 단계는 드릴을 연속하여 점진적으로 방향 전환하여 후단 에지 공동으로부터 분기되는 상기 말단 군을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 복수의 제2 구멍을 기계가공하는 단계는 드릴을 연속하여 점진적으로 방향 전환하여 후단 에지 공동으로부터 분기되는 복수의 제2 구멍을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
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