KR100694750B1

KR100694750B1 - 고도로 형상화된 에어포일 내에 냉각 홀을 생성하는 방법

Info

Publication number: KR100694750B1
Application number: KR1020060026457A
Authority: KR
Inventors: 코니일 포위; 매튜 드보레
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-03-14
Also published as: KR20060127735A; US7220934B2; SG128543A1; EP1731250A3; JP2006341363A; EP1731250A2; US20060273073A1

Abstract

Z 및 Y 평면 모두에서 만곡된 EDM 전극은 고도로 형상화된 제품 내에 막 냉각 홀을 형성하는 것을 허용한다.

EDM 전극, 형상화된 에어포일, 형상화된 제품, 만곡, 냉각 홀, 막 냉각

Description

고도로 형상화된 에어포일 내에 냉각 홀을 생성하는 방법{METHOD OF PRODUCING COOLING HOLES IN HIGHLY CONTOURED AIRFOILS}

도1은 본 발명과 함께 사용되기 위한 예시적인 에어포일 섹션의 대체적인 사시도이다.

도2a는 본 발명의 EDM 전극의 평면도이다.

도2b는 도2a의 2B-2B 선을 따라 취해진 EDM 전극의 Y-평면 측면도이다.

도2c는 도2a의 2C-2C 선을 따라 취해진 EDM 전극의 Z-평면의 정면도이다.

도3은 전극 기저에 장착되고 도2a의 2B-2B 선을 따라 취해진 EDM 전극의 측면도이다.

도4는 고도로 형상화된 에어포일 섹션 내로 끼워진 EDM 전극을 갖는 예시적인 에어포일 섹션의 대체적인 후면 사시도이다.

<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>

20 : 중공 터빈 스테이터 22 : 확산 홀

32, 34 : 다중 전극 치형 24 : 에어포일 섹션

30 : EDM 전극 36 : 기저

본 발명은 가스 터빈 엔진 부품과 같은 제품에 홀을 형성하는 것과 관련된 것으로, 특히 방전 가공(Electrical Discharge Machining, EDM) 장치에 사용하기 위한 전극에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진은 증가된 효율을 위하여 극도의 고온에서 작동된다. 엔진의 터빈 섹션 내의 이동 블레이드의 링들 사이에 배치된 고정 베인은 이동 블레이드의 한 스테이지로부터 다음 스테이지로의 고온의 가스 유동을 유도하고 안정화한다. 그러나, 이러한 고온 가스에 대한 직접적인 노출은 부품 왜곡을 야기하고 극단적인 경우에 심지어 용융을 야기함으로써 베인과 블레이드에 해로운 영향을 끼친다.

고온에서 작동하면서 블레이드와 베인의 온도를 설계 한계 내에서 유지하도록 내부 냉각 기술이 개발되어왔다. 엔진 부품의 외부 표면은 막 냉각(film cooling)을 제공하도록 엔진의 압축기 섹션으로부터의 고압 냉각 공기에 의해 통상 냉각된다. 이러한 방식에서, 냉각 공기의 층은 고온 가스와 엔진 부품의 외부 표면의 사이를 유동하게 된다. 냉각 공기의 층은 소정의 패턴으로 형성된 부품 내부 연속적인 작은 홀들을 통해 냉각 공기를 통과시킴으로써 형성된다. 이렇게 생성된 공기 막은 부품 표면 온도를 감소시키며 따라서 부품 왜곡을 저지한다. 더 높은 터빈 입구의 온도 범위가 가능하므로 엔진 효율도 또한 증가된다.

가스 터빈 엔진 부품 내에 비용 효율적이면서 고 품질인 냉각 홀을 형성하기 위한 많은 공정이 존재한다. 이러한 공정 중 하나가 방전 가공(EDM)이다. EDM은 전류 방전이 금속을 부식시키기 위하여 사용되는 경우에 금속 내에 홀이나 다른 개 구부를 생성하기 위한 공지의 공정이다. 예를 들어, 양으로 대전된 공작물(양극)과 음으로 대전된 전극(음극) 사이에 직류를 펄스화 함으로써, 스파크 방전이 생성된다. 모두 유전성 유체와 접하고 있는 전극과 공작물 사이의 전위차가 유전성 유체를 절연파괴(breakdown)하면서 전기적인 전도성 채널을 생성할 수 있을 정도로 충분히 큰 경우에, 전류가 발생한다. 전압이 인가되는 경우에, 전류 유동은 공작물을 용융시키고 부식시키기에 충분한 열 에너지가 생기게 한다. 이 공정은 비록 불가능하지는 않더라도 다른 수단에 의해서 생성하는 것이 번거로운 작고, 깊으며, 기묘한 형태의 홀을 가공하는데 적용예를 가진다.

엔진 부품 내에 확산 홀을 생성하기 위한 종래의 EDM 방법은 스탬핑 가공(stamping)이나 압인 가공(coining)에 의해 통상 제조되는 평면 구리 전극 또는 "EDM 콤(comb)"을 사용한다. 전극의 치형은 전극 오버버닝(overburn) 및 EDM 전극 부식을 위한 허용 오차를 갖는 전극에 의해 형성된 홀 형상을 형성하는 작은 직경의 연장된 단부이다.

전술한 EDM 방법이 성공적이기는 하지만, 한계가 존재한다. 이러한 한계 중 하나는 종래의 평면 EDM 콤이 홀들의 직선에 강제되며 이것은 비교적 곧은 에어포일 섹션에만 오직 적용가능하다는 것이다.

따라서, 에어포일의 고도로 형상화된 에어포일 섹션에 효율적이고 효과적인 방식으로 적용될 수 있는 고품질의 홀을 생성할 수 있는 EDM 전극을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 EDM 전극은 전극 기저로부터 연장되는 제1 다중 전극 치형 및 제2 다중 전극 치형을 구비한다. Y-평면 내에 형성된 다중 전극 치형은 다양한 길이이다. 제2 다중 전극 치형은 에어포일 섹션과 같은 고도로 형상화된 공작물의 형상을 대체로 따르도록 제1 다중 전극 치형에 대하여 만곡된다. 제2 다중 전극 치형은 고도로 형상화된 공작물(예를 들어, 에어포일 섹션)의 형상을 또한 따르도록 Z-평면 내에서 제1 다중 전극 치형에 대하여 만곡된다. 전극 홀더 기저는 Z-평면에 대한 만곡을 유지하면서 X 및 Y 평면에 대하여 정렬된 EDM 전극을 유지한다.

본 발명은 따라서 에어포일의 에어포일 섹션과 같은 고도로 형상화된 공작물에 적용될 수 있는 고품질의 홀을 생성할 수 있는 EDM 전극을 효율적이고 효과적인 방식으로 제공한다.

본 발명의 다양한 특징과 장점은 현재의 양호한 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다. 상세한 설명에 첨부되는 도면은 이하와 같이 간략하게 기술될 수 있다.

도1은 예시적인 제품 즉, 에어포일 섹션(24) 내에 확산 홀(22)을 갖는 중공 터빈 스테이터(20, 공작물)의 대체적인 사시도를 도시한다. 본 발명의 도움으로, 확산 홀(22)은 스테이터 내부 섹션(26) 및 스테이터 외부 섹션(28)에 인접한 필렛(fillet)과 같은 에어포일 섹션(24)의 고도로 형상화된 영역 내에 존재할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "고도로" 형상화된 영역은 에어포일 본체의 만곡된 섹션 또는 쉬라우드(shroud)로 통상 에어포일 표면을 브릿지하는(bridge) 영역으로 정의된다. 개시된 실시예에서는 에어포일 표면이 도시되었으나 EDM 홀이 요구되는 임의의 다소 형상화된 제품도 본 발명으로부터 또한 도움을 받을 것이다. 냉각 공기는 당업자에게 대체로 이해되는 바와 같이 통상 루트(root) 내의 개구를 통해 스테이터(20)의 내부 공동으로 유입한다. 외부 표면이 확산 홀(22)로부터 방출되는 공기로부터의 막 냉각을 통해 냉각되는 동안 스테이터(20)의 내부 표면은 대류에 의해 냉각된다. 본 발명의 결과로서 에어포일 섹션(24)의 고도로 형상화된 영역 내에 확산 홀(22)을 형성하는 능력은 달리 냉각되지 않았을 섹션에 대한 공급 막 냉각(film cooling)을 허용하며, 이 결과가 고온에 저항하는 훨씬 내구성이 있는 에어포일이다. 도시된 실시예에 개시된 공작물은 스테이터(stator)이지만, 에어포일 형상의 부품을 구비하는 다른 공작물도 본 발명으로부터 또한 도움을 받을 것이다.

제한이라기보다는 예시적인 것으로 의도된, 도시적인 방식으로, 본 발명은 확산 홀의 방전 가공(EDM)에 의해 설명될 것이다. EDM 수단에 의하여 가스 터빈 엔진 부품 내에 확산 홀을 형성하는 것은 당해 기술 분야에서 공지이므로, 공정의 특정한 상세부분은 본 명세서에 기술될 필요가 없다.

도2a를 참고하면, EDM 전극(30)은 전극 기저(36)로부터 연장되는 제1 다중 전극 치형(32)과 제2 다중 전극 치형(34)을 구비한다. 다중 전극 치형(32, 34)은 "콤(comb)"형 구조물을 형성한다. 다중 전극 치형(32, 34)은 임의의 전도성 재료로부터 제조될 수 있으며 양호하게는 구리로부터 제조되는데, 구리가 비교적 값이 싸고 요구되는 형상으로의 스탬핑 가공이나 압인 가공과 같은 작업을 잘 받아들이기 때문이다.

하나의 실시예에서, 제1 다중 전극 치형(32)은 EDM 전극(30)의 중심 부분을 따라 양호하게는 위치되며 제2 다중 전극 치형(34)에 의해 플랭크(flank) 된다. 즉, 제2 다중 전극 치형(34)이 X-평면 내에서 제1 다중 전극 치형(32)의 각 측면에 위치되는 것이다. 다른 실시예들이 가능하다는 것이 이해되어야만 한다.

다중 전극 치형(32, 34)은 Y-평면 내에 형성되며 다양한 길이이다. 제2 다중 전극 치형(34)은 제1 다중 전극 치형(32)에 대한 Y-평면 내에서의 길이를 한정하여 고도로 형상화된 에어포일 섹션(24, 도1)의 형상을 대체로 따른다. Y-평면 내의 변화는 밀링 작업을 통해 EDM 전극(30)의 면내로 만곡을 가공함으로써 양호하게는 얻어질 수 있다. 전극의 주연은 외부 형태를 만들기 위하여 와이어 커팅 또는 스탬핑 작업에 의해서도 또한 생성될 수 있다. 제2 다중 전극 치형(34)이 확산 홀의 형성을 보증할 수 있도록 에어포일 내로 요구되는 깊이로 침투하는 것을 보증하기 위해 다양한 곡선과 형태가 본 발명과 함께 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.

제1 다중 전극 치형(32) 및 제2 다중 전극 치형(34)은 (도2b의) 전극 치형(32, 34)보다 양호하게는 더 큰 깊이인 전극 기저(36)로부터 연장된다. 즉, 기저(36)가 더 두꺼우며 치형(32,34)에 대한 더 단단한 지지를 제공한다. 전극 기저(36)는 전극 홀더 기저(40, 도3)에 장착되기 쉽도록 장착 핀 구멍(37)과 릴리프 그루브(39)를 양호하게는 포함한다. 다양한 프로파일의 치형(도2b)이 본 발명과 함께 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.

제2 다중 전극 치형(34)도 고도로 형상화된 에어포일 섹션(24, 도1)의 형상 을 대체로 추가로 따르도록 Z-평면 내에서 제1 다중 전극 치형(32, 도2c)에 대하여 또한 양호하게 만곡된다. 즉, Z-평면 외부로 연장되는 제2 다중 전극 치형(34)은 제1 다중 전극 치형(32)에 의하여 형성된다.

도3을 참조하면, 전극 홀더 기저(40)는 상부 기저부(40a) 및 하부 기저부(40b)를 구비한다. 하부 기저부(40b)는 장착 핀 구멍(37)에 결합하는 복수의 장착 핀(42)를 구비한다. 장착 핀(42)은 X 및 Y 평면 축에 대하여 정력 상태로 EDM 전극(30)을 유지하는 동시에 릴리프 그루브(39)는 Z-평면(도2c)에 대한 EDM 전극(30)의 만곡을 생성하는 것을 용이하게 한다.

EDM 전극(30)은 EDM 전극이 전극 홀더 베이스(40)의 형태로 가압 되도록 전극 홀더의 기저 내로 설치된다. 상부 기저부(40a)는 EDM 전극(30)을 전극 홀더 기저(40)의 형태로 필수적으로 굴곡시킨다. 릴리프 그루브(39)는 전극을 홀더의 형태로 굴곡시키는 것을 용이하게 한다. 전극은 굴곡을 유지하도록 최종적으로 클램핑된다(clamped). 상부 기저부(40a) 및 하부 기저부(40b)는 패스너 및/또는 클램프를 통해 함께 보유된다.

도4를 참조하면, EDM 전극은 종래의 방식으로 선단 에지(20L)에 인접하는 중공 터빈 스테이터(20)로 전진된다(개략적으로 도시됨). 개략적으로 제2 다중 전극 치형(34)이 고도로 형상화된 에어포일 섹션(24)에 부합하도록 형상화됨에 따라, EDM 전극(30)은 확산 홀(22)이 고도로 형상화된 에어포일 섹션(24, 도1) 내에 형성되도록 종래의 방식으로 전진된다. 즉, 제1 다중 전극 치형(32)은 대체로 확산 홀(22)의 선형 그룹을 형성하는 반면, 제2 다중 전극 치형(34)은 확산 홀(22, 도1)로 부터 오프셋된(offset) 확산 홀(22')의 그룹을 형성한다.

특정의 단계 순서가 도시되고, 기술되며, 청구되었지만 달리 지시되지 않는 한 임의의 순서로, 분리되거나 또는 결합되어서 수행될 수 있을 것이며 여전히 본 발명으로부터 도움을 받을 것이라는 것이 이해되어야만 한다.

전술한 기술은 내재된 제한에 의해 한정되는 것이라기보다는 예시적인 것이다. 본 발명의 많은 개조 및 변화가 전술한 교시에 비추어 가능하다. 본 발명의 양호한 실시예가 개시되었으나, 당업자라면 본 발명의 범주 내에서 임의의 개조가 행해질 것이라는 것을 인식하게 될 것이다. 따라서, 첨부된 청구항의 범주 내에서, 본 발명은 상세하게 기술된 것과는 달리 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 이유로 이하의 청구항들이 본 발명의 진정한 범주 및 내용을 결정하기 위하여 연구되어야만 한다.

Claims

전극 기저와,

전극 기저로부터 연장되는 제1 다중 치형 및 제2 다중 치형을 포함하며, 제2 다중 치형 중 적어도 하나는 제1 다중 치형 중 적어도 하나에 대한 길이 변화를 갖는 방전 가공 전극.
제1항에 있어서, 제2 다중 치형은 제1 다중 치형에 대한 만곡을 형성하는 방전 가공 전극.
제1항에 있어서, 제2 다중 치형은 제1 다중 치형에 대한 Y-평면 내에서의 만곡을 형성하는 방전 가공 전극.
제1항에 있어서, 제1 다중 치형은 Z-평면 내에 위치되며 제2 다중 전극은 Z-평면 외부로 연장되는 방전 가공 전극.
제1항에 있어서, 제1 다중 치형을 Z-평면 내에 유지하고 제2 다중 치형을 Z-평면 외부에 유지하도록 전극 기저를 수용하는 홀더를 더 포함하는 방전 가공 전극.
제1항에 있어서, 기저는 전극을 홀더 내에 보유하기 위하여 복수의 장착 개구를 형성하는 방전 가공 전극.
형상화된 섹션을 갖는 제품 내에 방전 가공에 의하여 홀을 형성하는 방법이며,

(1) 제1 다중 치형 및 제1 다중 치형에 대한 길이 변화를 갖는 제2 다중 치형을 갖는 전극을 형성하는 단계와,

(2) 제2 다중 치형을 형상화된 섹션에 인접하도록 위치시키는 단계와,

(3) 복수의 홀이 고도로 형상화된 섹션 내로 형성되도록 제1 다중 치형 및 제2 다중 치형을 제품 내로 전진시키는 단계를 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 단계 (1)은 제2 다중 치형에 대한 Y-평면 내에서의 제2 다중 치형을 만곡시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 단계 (1)은 제2 다중 치형을 제1 다중 치형의 각 측면에 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 단계 (1)은 제1 다중 치형을 Z-평면 내에 유지하고 제2 다중 치형을 Z-평면 외부에 유지하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 제품이 에어포일인 방법.
방전 가공(EDM) 공정에 의하여 적어도 부분적으로 형성되는 제품이며,

제1 섹션과,

형상화된 제2 섹션, 및

제1 섹션 및 제2 섹션 내에 존재하는, EDM 공정에 의하여 형성된 복수의 홀을 포함하며,

복수의 홀은 한 방향으로 대체로 평행하게 연장되며, 제1 섹션 내의 홀은 제2 섹션 내의 홀로부터 상기 방향을 따라 오프셋된(offset) 제품.
제12항에 있어서, 제품이 에어포일인 제품.
제13항에 있어서, 에어포일은 에어포일 및 플랫폼을 갖는 스테이터 세그먼트이며, 제2 섹션은 에어포일과 플랫폼 사이의 필렛(fillet)인 제품.