KR100581300B1 - 2 스텝 공정으로 제조된 구멍용 비분리식 디퓨저 - Google Patents

2 스텝 공정으로 제조된 구멍용 비분리식 디퓨저 Download PDF

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KR100581300B1
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Abstract

냉각 구멍에 비분리식 디퓨저를 형성하는 방법은 구멍의 미터링 섹션을 드릴링에 사용되는 것과는 상이한 공정 또는 분리 작업에 의해 수행되는 2 스텝 공정으로 구성된다.
디퓨저, 공기 유동, 전극 콤, EDM, 디퓨저 구멍

Description

2 스텝 공정으로 제조된 구멍용 비분리식 디퓨저{NON-SEPARATING DIFFUSER FOR HOLES PRODUCED BY A TWO STEP PROCESS}
도1은 본 발명의 전극 콤의 다이어그램.
도2는 전극의 미터 라인을 내려다본 전극의 사시도.
도3은 본 발명의 전극 콤의 노우즈 섹션에 대한 상세도.
도4는 본 발명에 의해 제조된 미터 구멍과 디퓨저의 다이어그램.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
1 : 피치
111 : 전극 콤
2 : 치차 중심선
3 : 미터 앵글
8 : 전방 디퓨저 각
9 : 후방 디퓨저 각
11 : 상부 디퓨저 각
12 : 하부 디퓨저 각
31 : 노우즈
45 : 구멍 중심선
본 발명은 2 스텝 공정 방식으로 형성된 비분리식 디퓨저(diffuser) 구멍을 제조하는 방법과 이에 사용되는 전극 콤(comb)에 관한 것이다.
냉각 구멍 효율은 고성능 항공기 가스 터빈 엔진 내의 고압 터빈 블레이드에서 매우 중요하다. 최대 효율을 달성하기 위해, 각각의 구멍은 이상적으로는 냉각 공기 유동을 제한하기 위한 작은 미터 섹션과 상기 공기 유동을 감속시키고 박막으로 에어포일 표면 위에 분산시키기 위한 디퓨저를 구비한다.
이러한 냉각 특성을 제공하는데 사용되는 하나의 일반적인 구멍은 (미국 특허 제4653983호에 개시된) 냉각 공기 유동이 소정의 각도에서 메인 가스 통로 유동으로 방출되게 하는 "Vehr" 구멍이다. 이러한 "교차 유동"은 고온 가스 통로 공기로부터 블레이드를 차폐하기 위해 더욱 균일한 필름 냉각 층을 형성하게 한다. 상기 Vehr 구멍은 압력부와 흡입면 상의 구멍을 위한 두 개의 디퓨전 면과, 블레이드의 팁과 플랫폼을 따른 구멍을 위한 세 개의 디퓨저를 사용한다.
이러한 구멍의 필수적인 요구사항은 미터 섹션과 디퓨저 면 사이에 스텝이 없어야 한다는 것이다. 이것은 두 개의 형상이 단일 전극으로부터 제조되었을 때는 문제가 되지 않으나, 구멍이 하나의 공정으로 제조되고 디퓨저가 다른 공정 및/또는 작업에 의해 제조될 경우 큰 문제가 된다.
하나의 공정에서 미터식 구멍을 제조하고 다른 공정에서는 디퓨저를 제조하는 것이 필요한 몇몇 이유 특히, 비용과 제조상의 어려움에 관한 이유가 있다. 예로써, 구멍을 제조하기 위해 더욱 효과적인 레이저 공정을 사용하고, 디퓨저를 가공하는데 EDM 공정을 사용하는 것이 더욱 효과적이며 비용이 절감된다. 어려움과 관련하여, 최신 "고 냉각 에어포일"에서 "Vehr 타입 구멍"을 작은 공동(cavity)으로 드릴링하는 것은 단일 형상 전극으로는 매우 어렵고, 이미 높은 응력을 받는 내벽에 응력 집중 인자를 유발하는 내벽에 대한 백-스트라이킹(back-striking) 없이 가능한 경우 비용이 많이 든다. 이러한 문제점은 구멍이 2 스텝 공정으로 제조될 경우 매우 감소된다.
사용된 공정과 관계없이, 레이저, 전기 방전 가공(EDM) 또는 전자 빔 드릴링의 조합을 사용한 2 스텝 구멍 공정은 제조된 "Vehr" 구멍의 냉각 능력을 저하시키는, 디퓨저 면과 구멍 사이의 스텝을 형성할 수 있다. 상기 스텝은 구멍의 중심선에 대한 디퓨저의 위치 공차에 의해 발생된다.
따라서, 수정된 "Vehr" 타입의 디퓨저, 및 디퓨저 표면으로부터의 유동의 "분리"를 유발하지 않고 구멍에 대한 디퓨저의 위치 공차의 소정량을 수용할 수 있는 디퓨저를 제조하는 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 2 스텝 공정 방식으로 형성된 비분리식 디퓨저 구멍을 제조하고 수행할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 부품에 비분리식 디퓨저를 형성하기 위한 방법이며, 부품에 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계와, 적어도 하나의 전극 콤을 제공하는 단계로서, 상기 전극 콤은 치차를 포함하고, 상기 치차는 치차 중심선 상의 지점에서 교차하는 복수의 디퓨저 표면으로 구성된 노우즈를 포함하고, 상기 복수의 디퓨저 표면 중 적어도 하나는 상기 중심선으로부터의 오프셋만큼 끝이 절단되는, 적어도 하나의 전극 콤을 제공하는 단계와, 적어도 하나의 디퓨저 구멍이 전환 영역에서 적어도 하나의 미터링 구멍을 교차하도록 상기 부품 내에 전극 콤으로 적어도 하나의 디퓨저 구멍을 제조하는 단계를 포함하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 디퓨전 구멍을 제공하기 위한 전극 콤이며, 중심선을 따라 하나의 점까지 연장되고, 전환 영역을 형성할 수 있는 부가적인 각도부를 포함하는 적어도 하나의 노우즈를 포함하는 전극 콤을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 부품에 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계와, 상이한 공정 또는 작업에 의해 적어도 하나의 디퓨저를 제조하는 단계를 포함하는, 비분리식 디퓨저를 부품에 형성하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 상기 디퓨저는 구멍의 관통 구멍으로부터 디퓨저부로의 전환 영역을 제공하기 위한 치차 중심선을 따른 하나의 공통 노우즈 점을 관통하는 각도진 표면의 어레이를 갖는다. 디퓨전이 요구되는 곳에서, 이러한 표면은 부품 표면을 넘어 계속된다(최악의 공차 조건에서). 디퓨전이 필요치 않은 표면에 있어, 이러한 표면들은 두 작업들 사이의 공차로 인해 구멍의 에지와 디퓨저 에지 사이에 있을 수 있는 스텝을 단지 제거하기 위해 치차의 공칭 중심선으로부터의 소정 거리에서 그 끝이 절단된다.
본 발명은 EDM된 디퓨저의 생성이 마무리된 "Vehr" 구멍의 미터 섹션을 형성하는 벽을 관통하여 드릴링된 구멍을 갖는 공칭적으로 공통-선형인 것이 바람직한 것을 교시한다. 상기 구멍은 필렛식 코너를 갖는 라운드 또는 직사각형일 수 있다.
본 발명은 본 명세서에서 디퓨저를 형성하기 위해 사용된 EDM 공구에 관한 용어로 기술된다. 구멍이 우선 드릴링된 것으로 기술되지만, 상기 공정은 반대의 경우로 실행될 수 있다. 본 발명은 본 명세서에서 적어도 두 개의 치차를 갖는 "콤 전극"에 대해 기술된다. 그러나, 이 기술 분야의 숙련자에게는 한번에 하나의 디퓨저를 EDM하는데 사용되는 단일 치차의 사용하거나, 하나의 평면에 "n"개의 평행한 구멍이 있다면, "n"개 치차의 콤이 "n"개의 구멍에 디퓨저를 한번에 형성하는데 이러한 교시가 확장될 수 있는 것이 명백하다. 따라서, 본 명세서에서, "콤 전극"은 단 하나의 치차를 갖는 전극을 언급한다. 단일 치차 전극의 경우, 구멍의 중심선과 디퓨저의 중심선 사이의 용인될 수 있는 공차가 최소화된다. 콤이 "n"개의 디퓨저로 동시에 드릴링되는 경우, 용인될 수 있는 공차는 커진다.
본 발명의 디퓨저 전극은 단일 EDM 공정으로 구멍과 디퓨저를 제조하는 공지된 기술의 전극 디퓨저부와 유사하다. 상기 공지된 전극은 보통 현재는 네 개의 측면을 갖고, 전극은 구리선으로부터 와이어 EDM에 의해 제조되거나 다단(multi-stage) 다이에서 코인 가공된다. 디퓨저를 갖지 않은 하나 또는 두 개의 측면은 미터 구멍과 디퓨저의 직선(디퓨전이 없는) 측면을 형성하는 부분에 단일 면을 갖는다.
본 발명의 디퓨저에 대한 설명은 네 개의 측면을 갖는 전극을 기초로 하지 만, 상기 공정은 디퓨저의 개수가 셋 또는 심지어 다섯 개의 측면을 갖는 전극을 기초로 하는 경우 또는, 구멍의 중심선 주위의 어레이 내에 더 많은 디퓨저를 기초로 하는 경우로 확장될 수 있다.
도1에는 1 피치(1) 이격된 두 개의 평행한 구멍들에 동시에 두 개의 디퓨저를 제조하기 위한 두 개의 치차 전극 콤(111; comb)을 도시한다. 치차의 중심선(2)들 사이의 공칭 피치(1)는 동일한 평면에서 두 개의 인접한 평행 구멍 사이의 공칭 거리와 동일하다. 미터 앵글(3)은 각각의 구멍이 미터 라인(4)과 함께 이루어진 각도이다.
1 스텝 구멍의 경우, 미터 라인(4)은 디퓨저들이 미터 구멍과 정합하는 지점을 통과 하여 그려진 라인이다. 여기서, 2 스텝 구멍용 미터 라인(4)은 구멍 중심선을 갖는 네 개의 디퓨저 평면의 공통 교차부를 통해 그려진다. 미터 라인(4)은 마무리된 구멍의 미터 라인과 평행한 선이다. 미터 라인(4)은 네 개의 디퓨저가 치차 중심선(2)을 가로지르는 지점 또는 지점들(5)을 통해 지나간다. 전극 콤(111)의 상부 영역(6)은 전극을 EDM 장치에 장착하기 위해 사용되는 영역이다. 상부 영역(6)은 전극을 장착하고 정렬하기 위해 사용되는 형상을 가질 수 있다.
도2에는 전극 콤(111)의 미터 라인(4)을 따라 내려다 본 전극 콤(111)의 사시도를 도시한다. 평면(7)은 공칭 구멍의 중심선을 통과하는 평면과 공칭적으로 일치하는 전극 콤(111)의 기본 평면이다. 후방 디퓨저 각(8) 및 전방 디퓨저 각(9)은 콤 전극의 이러한 관점으로 형성된다. 전극 콤(111)의 두께(14)가 도시된다. 디퓨저 각(8, 9)은 12°보다 크지 않은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게 는, 디퓨저 각(8, 9)은 대략 10°이다.
도3에는 전극 콤(111)의 디퓨저 영역의 확대도를 도시한다. 에어포일 내의 냉각 구멍 직경(10)은 [일반적으로 콤 치차 또는 노우즈(31)의 중심선(2)에 정렬된]그 공칭 위치를 (상부 구멍 상에서 점선으로)도시한다. 상부 디퓨저 각(11) 및 하부 디퓨저 각(12)을 도면에 도시한다. 디퓨저 각(11, 12)은 12°보다 크지 않은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 디퓨저의 각(11, 12)은 대략 10°이다.
본 실시예에서, 전극(111)의 노우즈(31)는 치차의 중심선(2) 상의 지점(5)에서 종결되는 각도(8, 9 ,11 ,12)에 의해 형성된 네 개의 디퓨저를 갖는다. (치차의 중심선은 구멍의 중심선과 공칭적으로 공통 선형인 것을 주지해야 한다.) 디퓨저들은 유동이 디퓨저 벽으로부터 분리되지 않게 하면서 표면 내의 정체부를 따르도록 하는 치차의 중심선과 소정의 각도를 이룬다. 바람직하게는, 임의의 각도(8, 9, 11, 12)를 위한 최대 디퓨전 각도는 유동 박리를 막기 위해 보통 약 10도 이다.
두 개의 디퓨저가 "Vehr" 구멍인 경우, 구멍의 반경 방향으로 바깥 판 상의 각도(9, 11)에 의해 형성된 디퓨저와 구멍의 전방 측 상의 디퓨저는 구멍의 중심선과 디퓨저의 중심선 사이에 유지될 수 있는 최대 구멍 및 최대 공차(용인할 수 있는 방향에서)의 폭의 절반과 동일한 거리만큼의 구멍의 중심선으로부터의 표면 오프셋(13)에 의해 종결된다. 이러한 공차는 구멍과 콤의 두 개의 인접한 중심선 사이의 피치의 변화뿐만 아니라 구멍의 중심선을 포함하는 평면에 대한 콤의 회전도 반드시 고려되어야 하기 때문에 다중 치차 전극에서는 커진다.
구멍 미터 섹션에 인접한 구멍 부분은 소정 거리 이상으로 네 개의 측면 모 두에 디퓨전을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 구멍의 상기 영역비는 종래의 단일 스텝 EDM 공정에 의해 제조된 구멍보다 커지는 경향이 있다. 이것은 부분적으로 전방 디퓨저 상의 표면 오프셋이 구멍 미터로부터 영역비가 측정되는 평면까지의 거리를 감소시키는 것에 의해 오프셋된다.
또한, 이러한 구멍은 종래의 단일 스텝 EDM 공정에 의해 제조된 구멍보다 약간 큰 수렴부(에어포일 표면상의 구멍 브레이크아웃의 수직 높이)를 갖는다.
증가된 영역비와 수렴부는 에어포일을 냉각하는 필름에 있어서 더욱 효과적인 구멍을 제공하는데 유리하다.
2 스텝 구멍을 제조를 위해 달리 선택할 수 있는 방법은 에어포일 벽 내에 디퓨저를 주조하고 EDM, 레이저 드릴링 또는 전자빔 드릴링에 의해 구멍을 드릴링하는 것을 포함한다. 또한, 디퓨저 형상을 가공하고 EDM, 레이저 드릴링 또는 전자빔 드릴링에 의해 구멍을 드릴링할 수 있다. 이러한 단계는 역순으로 수행될 수 있다.
도4에는 부품(43) 내에 마무리된 디퓨저(41)의 단면을 도시한다. 디퓨저 구멍(41)이 하나이기 때문에, 구멍 중심선(45)과 부품 벽(47) 사이의 수직 각도(15)는 전극 콤(111)의 미터 앵글(3)과 대략 동일하다. 부품(43) 내의 상부 구멍 에지와 상부 디퓨저 사이의 오프셋 거리(16)는 공칭 오프셋(13)의 미터 구멍(49)에 대한 디퓨저(41)의 위치 공차와 구멍 반경(41) 공차의 플러스 마이너스 합과 동일하다는 것을 주지해야 한다.
구멍의 디퓨저 섹션의 에지로부터(구멍 중심선에 평행한 측면) 구멍(49)의 에지까지의 오프셋 거리(16)가 2 스텝 공정에 의해 직접적으로 제어될 수 있다면, 디퓨저 상의 오프셋(13)은 공칭 구멍 반경과 두 개의 형상(미터 구멍 및 디퓨저) 사이의 위치 공차로 감소될 수 있다.
따라서, 본 발명은 구멍의 두 부분들 사이의 매끄러운 전환부를 유지하도록 2 스텝 공정을 이용하여 터빈 에어포일 내의 미터링 구멍 및 디퓨징 구멍의 조합을 제조할 수 있는 방법을 교시한다. 제조 공차로 인해 각각의 구멍의 중심선은 오프셋될 수 있다. 오프셋은 유동이 분리되는 곳에서 스텝이 된다. 이것을 방지하기 위해, 전환 영역(46)이 부가된다. 이러한 영역을 만들기 위해, 부가적으로 대략 10도 정도 각이 진 부분이 디퓨징 구멍을 만드는데 사용되는 EDM 콤에 부가된다. 스텝이 발생될 수 있는 임의의 측면 상에서, 전극 콤은 최대 미터 구멍 직경 및 최대 위치 공차의 절반과 동일한 양으로 오프셋(두꺼워짐)된다. 부가된 재료의 리딩 에지(leading edge)가 임의의 점 상에 대략 10도의 각도를 가진 측 상에 형성된다. 이것은 미터링 구멍과 디퓨징 구멍 사이의 짧은 전환(디퓨전) 영역(46)을 갖는 공칭 디퓨저 구멍을 생성한다. 상기 디퓨징 각도는 전환 영역 내에서 유동 박리가 발생되지 않을 만큼 충분히 작다.
본 발명은 본 명세서에 설명되고 도시된 도면에 한정되지 않으며, 이것은 단지 본 발명을 수행할 수 있는 최적의 방법으로 이해되어야 하고, 부품의 형상, 크기, 배열과 작동의 세부 사항은 수정될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 청구범위로 한정된 기술 사상 및 범위에서 이러한 모든 수정 사항들을 포함한다.
본 발명에 따라, EDM, 레이저 드릴링 또는 전자빔 드릴링에 의해 구멍을 드릴링하는 단일 공정에 의해 미터식 구멍과 디퓨저를 제조하여 구멍과 디퓨저의 위치 오차를 줄임으로써 유동의 박리를 일으키지 않도록 하는 효과적인 방법이 제시되었다.

Claims (15)

  1. 부품에 비분리식 디퓨저를 형성하기 위한 방법이며,
    부품에 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계와,
    적어도 하나의 전극 콤을 제공하는 단계로서, 상기 전극 콤은 치차를 포함하고, 상기 치차는 치차 중심선 상의 지점에서 교차하는 복수의 디퓨저 표면으로 구성된 노우즈를 포함하고, 상기 복수의 디퓨저 표면은 각각 디퓨저 각도를 갖고, 상기 복수의 디퓨저 표면 중 적어도 하나는 상기 중심선으로부터의 오프셋만큼 끝이 절단되는, 적어도 하나의 전극 콤을 제공하는 단계와,
    적어도 하나의 디퓨저 구멍이 전환 영역에서 적어도 하나의 미터링 구멍을 교차하도록 상기 부품 내에 상기 전극 콤으로 적어도 하나의 디퓨저 구멍을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계는 전기 방전 가공(EDM), 레이저 드릴링 및 전자빔 드릴링으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제조 방법을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계는 상기 적어도 하나의 디퓨저 구멍을 제조하는 단계 이전에 수행되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 콤을 제공하는 단계는, 상기 복수의 디퓨저 표면 중 적어도 하나가 상기 미터링 구멍과 상기 디퓨저 구멍의 측면 사이의 스텝을 제거하기에 충분한 거리만큼 콤의 중심선으로부터 오프셋되어 있는 전극 콤을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디퓨저 구멍을 제조하는 단계는 상기 적어도 하나의 디퓨저 구멍이 적어도 하나의 전환 영역을 형성하기 위해 적어도 하나의 미터링 구멍을 교차하도록 전극 콤을 상기 부품에 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 하나의 미터링 구멍 디퓨저를 제조하는 단계는 상기 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계 이전에 수행되는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계는 적어도 하나의 미터링 구멍이 적어도 하나의 전환 영역을 형성하기 위해 적어도 하나의 디퓨저 구멍을 교차하도록 상기 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디퓨저 표면의 각각의 상기 디퓨저 각도는 12°보다 크지 않은 각도를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디퓨저 표면의 각각의 상기 디퓨저 각도는 대략 10°의 각도를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 부품에 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계는 터빈 부품에 적어도 하나의 미터링 구멍을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 디퓨전 구멍을 제공하기 위한 전극 콤이며,
    중심선을 따른 지점으로 연장되고, 전환 영역을 형성할 수 있는 복수의 디퓨저 표면을 포함하는 적어도 하나의 노우즈를 포함하는 전극 콤.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 디퓨저 표면 중 적어도 하나는 상기 중심선으로부터의 오프셋만큼 끝이 절단되는 전극 콤.
  13. 제11항에 있어서, 상기 복수의 디퓨저 표면은 각각 디퓨저 각도를 갖는 전극 콤.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 디퓨저 표면 중 적어도 하나의 상기 디퓨저 각도는 12°보다 크지 않은 각도를 포함하는 전극 콤.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복수의 디퓨저 표면 중 적어도 하나의 상기 디퓨저 각도는 대략 10°의 각도를 포함하는 전극 콤.
KR1020040026482A 2003-07-31 2004-04-19 2 스텝 공정으로 제조된 구멍용 비분리식 디퓨저 KR100581300B1 (ko)

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