KR101282842B1 - 열방산을 위한 고온 층 시스템 및 상기 시스템의 제조 방법 - Google Patents

열방산을 위한 고온 층 시스템 및 상기 시스템의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

종래 기술에 따른 층 구조물은 외부의 고온 가스에 대하여 효과적인 냉각 작용을 하지 못한다. 본 발명에 따라 형성된 층 구조물(1)은 외부 다공성 층(10)을 포함하는데, 이때 구멍들(25)의 구멍 벽들(22)의 두께는 서로 상이하다. 따라서 층 구조물(1)으로 너무 많은 열이 도입되는 것이 방지됨으로써 냉각 작용이 개선될 수 있다.

Description

열방산을 위한 고온 층 시스템 및 상기 시스템의 제조 방법{HIGH-TEMPERATURE LAYERED SYSTEM FOR DISSIPATING HEAT AND METHOD FOR PRODUCING SAID SYSTEM}
본 발명은 청구항 1에 따른 층 구조물(layered system) 및 청구항 27 내지 33에 따른 층 구조물 제조 방법에 관한 것이다.
US-PS 3,825,364에서는 완전히 다공질로 형성된 외부벽을 볼 수 있다. 이러한 지지벽과 기판 사이에는 공동이 존재한다.
US-PS 5,080,557에서는 기판, 다공성 중간층 및 밀봉형 외부층으로 구성된 층 구조물을 볼 수 있다.
US-PS 5,080,557에 비해, US-PS 4,318,666에서는 다공성 중간층 및 밀봉층이 제공된 기판 내에 추가 냉각 채널을 볼 수 있다.
JP 10-231 704에서는 냉각 채널들 및 다공성 중간층을 갖는 기판을 볼 수 있다.
WO03/006883 및 US 6,412,541에서는 지지벽 내부에 다공성 구조물이 보이는데, 이때 상기 벽에도 마찬가지로 외부에 코팅층이 제공된다. 벽과 코팅층은 냉각 채널을 포함한다.
그러나 이러한 층 구조물들은 냉각 기능이 좋지 않다.
따라서 본 발명의 목적은 층 구조물의 냉각 작용을 개선하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따른 층 구조물 및 청구항 27 내지 33에 따른 층 구조물 제조 방법을 통해 달성된다.
종속 청구항들에는 그 외 바람직한 조치들이 열거되어 있다.
종속 청구항들에 열거된 조치들은 바람직한 방식으로 서로 조합될 수 있다.
도면을 토대로 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1 내지 도 6은 층 구조물의 한 예의 횡단면도이다.
도 7 내지 도 17은 다공성 층의 확대도이다.
도 18 내지 도 24는 본 발명에 따른 층 구조물을 제조하는 방법 단계를 설명하는 도면이다.
도 25는 가스 터빈이다.
도 26은 연소 챔버이다.
도 1에는 본 발명에 따른 층 구조물(1)의 제 1 실시예가 도시되어 있다.
이 층 구조물(1)은 기판(4)으로 구성되어 있다. 기판(4)은 금속 및/또는 세라믹일 수 있다. 특히 가스 터빈(100)(도 25, 비행기 터빈도 가능) 또는 증기 터빈과 같은 터보 엔진의 터빈 부품(예: 터빈 블레이드(120, 130)(도 25)) 또는 연소 챔버 라이닝(155)(도 26)에 사용되는 경우, 상기 기판(4)은 철, 니켈 또는 코발트에 기재한 초합금이다.
기판(4)을 포함한 층 구조물(1)의 표면(9)은 간접적으로 또는 직접적으로 고온 매체를 포함하는 영역(110, 111)에 접한다. 상기 영역(110, 111)은 예컨대 가스 터빈(100)(도 25)의 연소 챔버(110)이거나 고온 가스 채널(111)이다. 표면(9) 위에는 공지된 방식으로 산화 및 부식 방지층(MCrAlX) 및/또는 열절연층(ZrO2)이 제공될 수 있다.
반경 방향(11)은 기판(4)의 표면에 수직으로 또는 거의 수직으로 연장한다.
너무 많은 열이 도입되는 것을 방지하는 이러한 조치에도 불구하고, 상기 표면(9)의 반대편에 놓인 기판(4)의 표면(14)은 추가로 더 냉각된다. 즉, 이 경우 층 구조물(1)은 예컨대 내부 표면(14)을 갖는 중공형 부품(예: 중공형 터빈 블레이드)이다. 상기 중공형 부품을 통해 냉매(KM)가 공급됨으로써 기판(4)이 냉각되며, 상기 중공형 부품은 기판(4)의 표면(14)으로부터 열을 방출시킨다. 본 발명에 따르면, 상기 열이 냉매로 더 잘 방산될 수 있도록 하기 위해 기판(4)의 표면에 있는 다공성 층(10)을 통해 열 방출이 이루어진다.
다공성 층(10)과 기판(4) 사이에는 예컨대 금속 접착제 층이 제공될 수 있다. 기판(4) 및 층(10)을 갖는 층 구조물에 대한 전술한 실시예들은 기판(4), 중간층 및 층(10)을 갖는 층 구조물의 경우에도 유사하게 적용된다.
냉매(KM)는 다공성 층(10)의 자유 표면을 지나 흐르거나, 적어도 부분적으로 다공성 층(10)을 통해 흐를 수 있다(도 2, 3, 4).
도 2, 3, 4에는 냉매(KM)가 상기 다공성 층(10)을 통해 어떻게 유동할 수 있 는지가 도시되어 있다.
도 2에서는 냉매가 전체 다공성 층(10)을 통해 축방향(17)으로(110, 111에서의 고온 가스의 유동, 반경 방향(11)에 수직으로) 흐른다.
연소 챔버(10)의 경우에는 냉매(KM)가 한쪽 단부에 공급되어, 축방향 단부(161)로부터 다른 쪽 단부(164)(도 26)로 흐른다. 이때 다공성 층은 예컨대 축방향(17)으로 뻗은 관들(tubes)로 형성된다. 다른 구조도 생각해볼 수 있다. 고온 가스 채널(111)의 경우에도 동일하게 적용된다.
다공성 층(10)도 역시 축방향(17)으로 여러 세그먼트들(15)(도 3)로 분할될 수 있으며, 이때 냉매(KM)는 각각 별도로 상기 세그먼트(15)로 공급되어 그곳을 관류한다. 연소 챔버(110)(도 26)의 경우, 예컨대 열차폐 부재(155)(도 26)가 상기 세그먼트(15)에 해당된다.
상기 세그먼트(15)에 의해, 냉매(KM)가 고온 가스 채널(111) 내 또는 연소 챔버(110) 내에서의 압력차로 인해 다공성 층(10)을 수평으로(축방향(17)으로) 관류하면서 강하게 가열되는 현상이 방지된다. 구멍들(25)(도 7)이 반경 방향(11)으로 채워지면서 챔버 벽들이 형성될 수 있고, 채널들(26)(도 7)의 적절한 배치를 통해서도 다공성 층(10)의 수직 관류가 달성된다. 이는 WO03/006883에서도 볼 수 있으며, 상기 문서의 공개 내용 중 일부는 세그먼트들 또는 챔버들의 배열 및 관류와 관련이 있다.
도 2와 도 3에 따른 배열에서도 기판(4) 내에 냉각 채널들이 제공될 수 있으며, 상기 냉각 채널들은 냉매(KM)가 다공성 층(10)으로부터 기판(4)을 통해 관류할 수 있게 한다(도 4). 이 경우 기판(4) 또는 기판 위 층의 표면(9) 위에서는 냉매(KM)가 표면(9)으로부터 배출됨으로써 박막 냉각이 발생할 수 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 층 구조물(1)의 또 다른 한 실시예가 도시되어 있다.
이 층 구조물(1)은 기판(4)으로 구성된다. 기판(4)은 금속 및/또는 세라믹일 수 있다. 특히 가스 터빈(100)(도 25) 또는 증기 터빈의 터빈 부품(예: 터빈 블레이드(120, 130)(도 25)) 또는 연소 챔버 라이닝(155)(도 26)에 사용되는 경우, 상기 기판(4)은 철, 니켈 또는 코발트에 기재한 초합금이다.
기판(4) 위에는 예컨대 적어도 하나의 중간층(7)이 존재한다. 이 중간층(7)은 금속 및/또는 세라믹일 수 있다. 중간층(7)의 표면(8) 위에는 외부 다공성 층(10)이 제공된다. 이 다공성 층(10)도 역시 금속 및/또는 세라믹일 수 있다. 기판(4)과 중간층(7)을 통해 예컨대 냉각 채널(13)이 관통하고, 상기 냉각 채널을 통해 냉매(공기 및/또는 증기 또는 다른 매체)가 첨가될 수 있다. 냉각 채널(13)을 통해 다공성 층(10) 내로 흘러들어가는 냉매는 층(10) 내부를 흐를 수 고, 또는 외부 층(10)의 표면(16)으로부터 배출될 수도 있다. 냉매가 표면(16)으로부터 배출되면, 유출 냉각(effusion cooling)이 일어난다. 냉매(KM)의 공급 및 유동과 관련한 실시예들은 도 2, 도 3 및 도 4와 유사하게 적용된다.
중간층(7)은 예컨대 MCrAlX의 조성을 갖는 산화 방지층이거나 부식 방지층이며, 이때 M은 철, 코발트 또는 니켈 그룹의 적어도 하나의 원소를 상징한다. X는 적어도 하나의 이트륨 그룹의 원소 및/또는 희토류 원소 내지는 활성 원소(active element)를 상징한다. 중간층(7)도 마찬가지로 백금층이거나 백금이 농축된 MCrAlX 층일 수 있다.
도 6에는 본 발명에 따라 형성된 층 구조물(1)의 또 다른 한 실시예가 도시되어 있다. 도 1에 비해, 중간층(7)이 존재하지 않고 외부 다공성 층(10)이 기판(4)의 표면에 직접 놓여 있다.
상기 층(10)의 재료는 예컨대 탄화규소(SiC), 산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 또는 섬유 재료(CMC) 내지는 이들의 혼합물로 형성된다.
상기 층(10)은 기판(4) 또는 중간층(7)과 일체로 형성될 수 있고, 그럼으로써 층(10)과 기판(4) 사이의 접착 문제가 해결된다.
다공성 층(10)은 예컨대 사출 성형을 통해 또는 다른 용융 야금법(melting metallurgy)(에피택셜 성장)에 의해 기판(4)과 함께 제조될 수 있다. 이는 기판(4)과 층(10) 또는 중간층(7) 사이의 열전달 및 기계적 강도와 관련하여 상기 기판(4)과 다공성 층(10)이 이상적으로 결합되도록 한다.
도 7에는 반경 방향(11)(기판(4)에 수직)으로 연장되는 외부층(10)의 확대도가 도시되어 있다. 여기서 다공성 층(10)은 영역 110, 111과 경계를 이룬다. 즉, 상기 층(10)은 기판(4)의 표면(9) 위에 놓인다. 다공성 층(10)의 형성 및 기판(4)과의 결합과 관련한 하기의 실시예들은 도 1, 2, 3 및 4에 따른 기판(4) 위로의 다공성 층(10)의 배치와도 관련이 있다.
외부 다공성 층(10)은 다수의 구멍들(25)로 구성된다. 구멍 크기는 약 0.5 밀리미터에서 수 밀리미터(≥2mm)까지 다양하다. 1개의 구멍(25)은 각각 구멍 벽들(22)로 둘러싸여 있다. 인접한 각 구멍들(25)의 구멍 벽들(22)은 벽 교차면(19)에서 만난다. 층 구조물 내부(중공형 터빈 블레이드, 연소 챔버 내부)(1)로부터 배출되는 냉매(KM)가 다공성 층(10)을 통해 흐를 수 있는데, 이는 필수적인 것은 아니다. 왜냐하면, 다공성 층(10)이 열전연층으로 작용하므로 이미 기판의 열부하 경감에 기여하고 있기 때문이다. 구멍들(25) 사이에 구멍 벽(22) 내에 채널(26)이 제공될 수 있고, 상기 채널을 통해 냉매(KM)가 흐를 수 있다. 구불구불한 화살표는 냉매가 기판(4)으로부터 다공성 층(10)을 통해 어떻게 흐를 수 있는지를 보여준다. 즉, 냉매(KM)는 예컨대 다공성 층(10)을 반경 방향(11)으로 관류할 수 있다. 냉매(KM)가 다공성 층(10)을 축방향(17)으로 관류한다면, 채널(26)은 불필요하다.
구멍들(25)은 구멍 직경 또는 구멍 폭(28)을 갖는다. 본 실시예에서는 구멍들(25)이 횡단면으로 볼 때 반경 방향(11)에 수직으로 거의 사각형 또는 직사각형 횡단면을 갖는다.
다공성 층(10)은 예컨대 기판(4) 위 또는 중간층(7) 위에 다수의 벽 교차면(19)이 기판(4)과의 접촉면(37)이 되도록 배치된다. 그럼으로써 기판(4) 또는 중간층(7)이 벽 교차면들(19)과 구멍들(25)에 접한다.
구멍 벽들(22), 채널들(26) 또는 벽 교차면들(19)의 모서리가 적어도 둥글게 처리됨에 따라, 냉매와 함께 다공성 층(10)에 도달하는 오염 입자가 모서리에 걸릴 수 없게 된다.
구멍 크기(28)는 예컨대 냉매와 함께 층(10)을 관류하는 외부 입자가 다공성 층(10)을 막지 않을 정도로, 즉 구멍 크기(28)가 외부 입자의 크기보다 더 크도록 설계된다. 특히 다공성 층(10)은 벌집 구조를 갖는다.
구멍 벽(22) 또는 벽 교차면(19)과 기판(4) 또는 중간층(7) 사이의 전이부(20)는, 열응력 및 노치 효과(notch effect)를 감소시키고 층(10)과 기판 또는 중간층(7)의 접촉면(37)을 확장시켜 다공성 층(10)과 기판 또는 중간층(7)의 우수한 기계적 결합 및 열전달이 이루어지도록 하기 위해, 가급적 큰 면적 및 큰 곡률반경을 갖도록 구현된다. 특히 층(10)과 기판(4) 또는 중간층(7)의 접촉면(37)은 벽 교차면(19)을 통해 제공된다(도 12, 종래 기술). 벽 교차면(19)의 크기는 본 발명에 따르면 전이부(20)에서 전이부(20) 위쪽 구멍(25)의 벽 교차면의 횡단면에 비해 더 넓어진다(도 13). 구멍 벽(22)이 기판(4) 또는 중간층(7)으로의 접촉면을 형성하는 경우(도 14, 종래 기술), 전이부(20)의 횡단면이 본 발명에 따라 접촉면 위쪽의 구멍 벽(22)의 두께에 비해 더 확대된다.
전이부(20)의 확장은 구멍 벽(22)으로부터 표면(9, 14)으로 불연속 전이부(도 16)(정해진 각도 α) 또는 연속 전이부(도 17)(상이한 각도 α1, α2, ..)가 나타나도록 설계된다.
따라서 다공성 층(10)에 의해 덮이는 기판(4)의 표면(9)은 벽 교차면들(19) 또는 구멍 벽들(22)과 많은 부분에 걸쳐(> 10%, 특히 > 20% 또는 > 30%) 접촉한다.
도 9에는 구멍들(25)의 또 다른 횡단면 형태가 도시되어 있다. 구멍(25)의 횡단면은 예컨대 삼각형으로 형성된다. 또 다른 횡단면 형태도 고려 가능하다.
도 8에는 본 발명에 따른 층 구조물(1)의 또 다른 한 실시예가 도시되어 있다. 반경 방향(11)을 따라 기판(4) 또는 중간층(7) 근방에 있는 구멍 벽들(22)이 다공성 층(10)의 외부 표면(16)의 근방에 있는 구멍 벽들(22)보다 더 두껍게(두께, 직경 d) 구현된다. 따라서 구멍 폭(28)도 반경 방향(11)으로 변한다. 즉, 기판(4)의 외부 표면(16)의 근방에서보다 기판(4)의 근방에서 구멍 폭(28)이 더 작다. 기판(4) 또는 중간층(7)의 근방에서 구멍 벽들(22)이 더 두껍기 때문에, 다공성 층(10)과 기판(4) 사이에 더 큰 접촉면(37)이 제공된다(다공성 층(10)에 의해 덮이는 면적의 10%보다 큼). 그로 인해 다공성 층(10)과 기판(4) 또는 중간층(7) 사이의 기계적 결합도 및 열전달이 향상된다. 구멍 벽(22)과 기판(4) 또는 중간층(7) 사이의 전이부(20)도 더 넓어진다(도 13, 15, 16, 17). 다공성 층(10)은 공지된 방식으로 별도로 제조되어 예컨대 납땜을 통해 기판(4)과 연결될 수 있다.
또는 다공성 층(10)이 기판(4) 위에 직접 형성될 수도 있다.
하기의 실시예들은 도 1 내지도 4에 따른 기판(4)에서의 층(10)의 배치에 적용된다. 일반적으로 층(10)의 구멍 벽들(22) 또는 벽 교차면들(19)로부터 두툼한 지지 기판(4)으로의 전이부(20)는 기계적 약화 지점(weak spot)이다. 특히 가스 터빈이나 증기 터빈의 작동시 불가피하게 발생할 수 있는 갑작스런 온도 변화에서는 균일하게 얇은 다공성 구조물이 두툼한 기판(4)보다 새로운(변화된) 온도를 훨씬 더 빨리 흡수한다. 그럼으로써 상기 영역들의 상이한 열팽창이 나타나고, 이는 층(10)과 기판(4)의 전이 영역에서 극도로 높은 응력을 야기할 수 있다. 구멍 벽들(22)이 전이부에서 더 두텁고 넓게 형성되면, 그러한 효과들이 더 이상 발생하지 않거나 상당히 감소한다.
구멍 벽들(22)의 횡단면이 반경 방향(11)을 따라 일정하면, 열전도 냉각 효율도 감소할 것이다. 도입되는 전체 열은 고온 가스 채널(110)에 의해 기판(4)을 통해 다공성 구조물(10)로 흘러야 하고, 거기서 냉각 공기로 균일하게 방출될 것이다. 그 결과, 구멍 벽들(22)을 통해 대부분의 열이 기판(4)의 표면(14)에서 흐르고, 자유 표면(16)에서는 열이 덜 흐른다. 구멍 벽(22)의 횡단면이 일정하게 유지되면, 다공성 층(10)에서의 관련 온도 기울기가 열 흐름과 유사하게 변동한다. 즉, 상기 온도 기울기는 표면(9) 근방에서 크고, 자유 표면(16)으로 갈수록 더 작아진다. 그러나 냉각 공기로의 열 전달은 다공성 구조물(10)과의 온도차에 의해 직접적으로 영향을 받기 때문에, 전체적으로 매우 제한된 양의 열만 냉각 공기로 전달될 수 있다.
기판(4)의 근방에서 구멍 벽들(22)이 더 두껍기 때문에 열 전달을 위한 횡단면이 더 확대되고, 그 결과 반경 방향(11)으로 갈수록 온도 기울기가 완만해진다. 그럼으로써 효과적인 냉각에 필요한, 구멍(25)을 통해 안내되는 냉매와 구멍 벽들(22) 사이의 온도 기울기가 다공성 층(10)의 넓은 영역에서 최대한 높은 레벨로 유지되는 것이 가능하다.
도 10에는 도 8에서 출발하는(물론 도 7, 9와도 유사함), 본 발명에 따른 층 구조물(1)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 다공성 층(1) 위에 보호층(12)이 제공된다. 특히 다공성 층(10)이 금속층, 예컨대 MCrAlX 층인 경우, 상기 층(10)은 계속되는 열 도입에 대해 추가로 보호되어야 할 필요가 있다. 이 경우 보호층(12)은 세라믹 열절연층이다. 세라믹 열절연층은 공지되어 있는 코팅법을 이용하여 다공성 층(10) 위에 도포될 수 있다. 보호층(12)도 마찬가지로 냉매 방출 통로로 이용될 수 있는 구멍들(도시되지 않음)을 가질 수 있다(박막 냉각). 보호층(12)은 마모층일 수도 있다.
도 11에는 도 8에서 출발하는(물론 도 7, 9와도 유사함), 본 발명에 따른 층 구조물의 또 다른 한 실시예가 도시되어 있다. 구멍 벽들(22) 위에 보호층(12)이 제공된다. 이 보호층(12)은 단지 외부에서 층(10) 위에 제공되는 층일 뿐 아니라, 구멍(25)의 내표면과 외표면을 덮기도 한다. 이 보호층(12)은 다공성 층(10)의 바깥쪽 부분에 제공될 수 있거나 기판(4)까지 연장될 수도 있다. 경우에 따라 보호층(12)을 관통하는 가스 투과 연결부들이 제공되기도 하며, 그 결과 냉매가 다공성 층(10)으로부터 고온 가스 채널 내로 계속 배출될 수도 있다.
전술한 실시예들의 다공성 층(10)은 하기와 같이 제조될 수 있다.
예를 들면, 레이저 스테레오 리소그라피(laser stereo-lithography)에 의해 제 1 층(10')에서 예컨대 플라스틱 입자로부터 다공성 층(10)의 제 1 네거티브 모울드(negative mold)가 제조된다. 다공성 층(10)의 구조물은 예컨대 CAD 모델에 존재하기 때문에, 상기 층(10)이 상응하는 개수의 층들로 가상으로 분할될 수 있다. 그런 다음 레이저 스테레오 리소그라피에 의해 그러한 제 1 층이 제조되고, 상기 레이저 스테레오 리소그라피는 정확히 구멍들(25)과 구멍들(25) 사이의 채널들(26)이 존재하는 곳에서 플라스틱 입자들이 경화에 의해 서로 결합되도록 한다.
이어서 추가의 층들이 별도로 제조되어 서로 연결되거나, 레이저로 처리된 제 1 층 위에 다시 플라스틱 입자들이 도포될 수 있고, 상기 플라스틱 입자들은 상 기 제 1 층 위에 제 2 층을 형성한다. 이어서 제 2 층도 역시 목적에 맞게 레이저로 처리됨에 따라, 레이저가 닿는 곳에서 플라스틱 입자들이 서로 결합한다. 그럼으로써 다공성 구조물(10)의 네거티브 모울드의 전체 모델이 CAD 모델을 이용하여 플라스틱으로부터 층별로(layer by layer) 형성된다. 플라스틱 이외의 다른 재료도 고려될 수 있다.
그렇게 하여 만들어진 네거티브 모울드는 다공성 층(10)의 재료로 채워져 밀폐될 수 있다. 그런 다음 예컨대 연소 또는 침출(leaching)에 의해 플라스틱이 제거된다.
레이저 스테레오 리소그라피를 이용하여, 모델의 성형을 통해 모울드(46)(도 23)를 만든 다음 상기 모울드(46)에 재료를 채워 다공성 층(10)을 제조하는 방식으로 다공성 층(10)(도 7, 8)의 모델을 만드는 것도 가능하다. 모울드(46)는 입체 바디(43), 메워진 구멍들(25) 및 경우에 따라 메워진 채널들(26)에 상응하는 브리지들(40)로 구성된다.
다공성 층(10)을 제조하는 또 다른 방법도 고려될 수 있다.
특히 다공성 층(10)이 층별로 제조될 수 있다(도 18 내지 도 22, 도 24).
제 1 방법 단계(도 18)에서는 기판(4) 위에 기판(4)과의 접촉면(37)을 형성하는 벽 교차면들(19)이 제공된다. 그럼으로써 층(10)의 제 1 부분(10')이 형성된다.
도 18에 따른 부품(1)의 평면도(도 19)에서는 기판(4)이 부분적으로만 상기 층(10)의 재료로 코팅되는 것을 볼 수 있다. 구멍들(25)이 형성되어야 하는 지점 (23)에서는 기판(4)이 커버되지 않는다.
그 다음 방법 단계에서는 도 18에 따른 층 구조물(1) 위에 추가의 재료가 적층된다(도 20). 지점 "23'은 메워지지 않도록 하기 위해 예컨대 층 10' 및 10"의 재료와 다른 재료로 채워질 수 있다. 이와 같이 지점 "23"을 위한 다른 재료는 침출되거나 연소될 수 있는 반면, 구멍 벽들(22)의 재료는 그러한 방식으로 제거될 수 없다. 도 18에 따른 처리 단계에 따라 코팅되지 않은 지점들(23)이 이제 밀폐되고, 그럼으로써 기판(4)에 접하는 제 1 구멍들(25)이 형성된다. 층 영역 10'는 또 다른 층 영역 10"만큼 보충된다.
도 20에 따른 층 구조물(1)의 평면도(도 21)를 통해 추가의 층이 제공된 다음에 구멍들(25)로 나타나는 표면 내 홀들을 볼 수 있다. 그러는 동안 밀폐되어 있던 구멍들(25)은 점선으로 표시되어 있다. 이러한 프로시져는 예컨대 도 4에 따른 다공성 층(10)이 형성될 때까지 단계별로(도 22) 실행된다.
도 24에는 다공성 구조물의 프린팅을 통해 다공성 층(10)이 어떻게 제조될 수 있는지가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서는 스테레오 리소그라피의 경우와 유사하게 구조물이 개별 층들로부터 차례로 형성되는데, 다만 여기서는 레이저에 의해 플라스틱 입자들이 서로 융합되는 것이 아니라, 층 "10"의 재료에 함유된, 안료와 같은 엷은 프린팅 페이스트(printing paste)가 층별로 다음 층(49) 위에 프린팅된다. 이 프로세스는 다공성 층의 재료가 직접 프린팅에 사용될 수 있게 한다. 이때, 상기 재료는 예컨대 미세 분말로서 결합제와 혼합된다.
다공성 층(10)이 완전히 프린팅되면, 오븐에서 결합제를 증발시킨 다음 다공 성 층(10)의 재료를 서로 소결시킨다. 이 경우, 플라스틱 코어의 사용 및 모울드의 제조는 생략된다.
도 25에는 가스 터빈(100)의 부분 종단면도가 도시되어 있다.
가스 터빈(100)은 내부에 회전축(102)을 중심으로 회전하도록 장착된 회전자(103)를 포함하고, 상기 회전자는 터빈 블레이드라고도 불린다. 회전자(103)를 따라 차례로 흡기 하우징(104), 압축기(105), 동축 배치된 다수의 연소기(107)를 갖는 예컨대 환상면(torus) 형태의 연소 챔버(110), 특히 환상 연소 챔버(annular combustion chamber)(106), 터빈(108) 및 배기 하우징(109)이 배치된다. 고리형 연소 챔버(106)는 예컨대 고리형 고온 가스 채널(111)과 통해 있다. 그곳에서 예컨대 직렬 접속된 4개의 터빈 단(112)(turbine stage)이 터빈(108)을 형성한다. 각각의 터빈 단(112)은 2개의 블레이드 링(blade ring)으로 구성된다. 작동 매체의 유동 방향(113)으로 볼 때, 고온 가스 채널(111) 내에서 안내 블레이드 열(115) 다음에 회전 블레이드들(120)로 형성된 열(125)이 뒤따른다.
안내 블레이드(130)는 고정자(143)에 고정되는 반면, 열 "125"의 회전 블레이드(120)는 터빈 디스크(turbine disk)(133)를 이용하여 회전자(103)에 부착된다. 회전자(103)에는 제너레이터 또는 작동 기계가 연결된다(도시되지 않음).
가스 터빈(100)이 작동되는 동안, 압축기(105)에 의해 흡기 하우징(104)을 통해 공기(135)가 흡입되어 압축된다. 압축기(105)의 터빈측 단부에 제공된 압축 공기는 연소기(107)로 안내되어 거기서 연소제와 혼합된다. 그런 다음 상기 혼합물은 연소 챔버(110) 내에서 작동 매체(113)를 생성하면서 연소된다. 거기로부터 작동 매체(113)가 배출되어 고온 가스 채널(111)을 따라 흘러 안내 블레이드(130) 및 회전 블레이드(120)에 도달한다. 회전 블레이드(120)에서 작동 매체(113)가 펄스 변압을 위해 팽창됨에 따라, 상기 회전 블레이드(120)가 회전자(103)를 구동하고, 상기 회전자는 자신에 연결된 작동 기계를 구동한다.
고온 작동 매체(113)에 노출된 부품들은 가스 터빈(100)이 작동하는 동안 열부하 상태에 놓이게 된다. 고리형 연소 챔버(106) 내부에 덧대어져 있는 열차폐 매트 외에도, 작동 매체(113)의 유동 방향으로 볼 때 첫 번째 터빈 단(112)의 안내 블레이드(130)와 회전 블레이드(120)는 대부분 열부하를 받는다. 그곳의 온도에 견디어내도록, 상기 부품들이 냉각제로 냉각된다. 상기 블레이드들(120, 130)도 역시 부식에 대비한 코팅층(MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, X=Y, 희토류) 및 열에 대비한 코팅층(열절연층, 예: ZrO2, Y2O4-ZrO2)을 포함할 수 있다. 터빈 블레이드들(120, 130)의 내부에는 예컨대 도 1 내지 4에 따른 다공성 층(10)이 제공될 수 있다. 상기 다공성 층(10)도 마찬가지로 고온 가스 채널(111) 내에서 블레이드들(120, 130)의 경계를 형성할 수 있다.
안내 블레이드(130)는 터빈(108)의 내부 하우징(138)을 향하는 안내 블레이드 루트(blade root)(여기에는 도시되지 않음) 및 상기 안내 블레이드 루트 반대편의 안내 블레이드 헤드를 갖는다. 안내 블레이드 헤드는 회전자(103)를 향하며, 고정자(143)의 고정 링(140)에 고정되어 있다.
도 26의 연소 챔버(110)는 예컨대 터빈 샤프트(103) 둘레에 원주 방향으로 배치된 다수의 연소기(107)가 공통 연소 챔버 공간으로 통하는, 소위 환상 연소 챔버로서 형상화되어 있다. 이와 관련하여 상기 연소 챔버(110)는 전체적으로 터빈 샤프트(103) 둘레에 배치되는 환형 구조물로 형성된다.
비교적 높은 효율을 달성하기 위해, 연소 챔버(110)는 약 1000℃ 내지 1600℃의 비교적 높은 온도의 작동 매체(M)에 견딜 수 있도록 설계된다. 이와 같이 재료에 불리한 작동 파라미터에서도 비교적 긴 작동 수명이 가능하도록 하기 위해, 연소 챔버 벽(153)의 작동 매체(M)쪽 면 위에 열차폐 부재(155)로 형성된 내부 라이닝이 제공된다. 각각의 열차폐 부재(155)의 작동 매체측은 내열성이 우수한 보호층을 갖거나, 내열성이 높은 재료로 제조된다. 연소 챔버(110) 내부의 온도가 매우 높기 때문에, 열차폐 부재(155) 내지는 상기 열차폐 부재의 지지 부재를 위해 냉각 시스템이 제공된다. 이 경우, 지지 부재의 내부에는 예컨대 도 1 내지 4에 따른 다공성 층(10)이 제공된다. 상기 다공성 층(10)도 마찬가지로 외부에서 연소 챔버(111)로 설치될 수 있다.
연소 챔버(110)는 특히 열차폐 부재(155)의 손실을 감지하도록 설계된다. 이를 위해, 연소 챔버 벽(153)과 열차폐 부재(155) 사이에 다수의 온도 센서(158)가 배치된다.

Claims (34)

  1. 적어도 기판(4) 및 상기 기판(4) 위에 놓이는 적어도 부분적으로 다공성인 층(10)으로 구성되고,
    상기 다공성 층(10)의 구멍(25)이 각각 구멍 벽들(22)에 의해 제한되며,
    상기 구멍 벽들(22)은 부분적으로 상기 기판(4)의 표면(9, 14)에 접하는, 층 구조물(1)로서,
    상기 표면(9, 14)에 접하는 구멍 벽들(22)이 상기 기판(4)의 표면(9, 14)의 영역에서 상기 표면(9, 14)의 영역에 접하지 않는 구멍 벽들(22)에 비해 더 큰 횡단면을 가짐에 따라, 상기 구멍 벽들(22)과 상기 기판(4)의 기계적 결합이 개선되고,
    상기 기판(4)에 가까운 구멍의 크기가 상기 다공성 층(10)의 외부 표면(16)에 가까운 구멍의 크기에 비해 작아지도록, 상기 기판(4)의 표면에 대해 수직하게 상기 기판(4)으로부터 상기 층 구조물(1)의 외부 표면(16)으로 연장되는 반경 방향(11)을 따라 상기 구멍(25)의 구멍 크기(28)가 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판(4)을 갖는 상기 층 구조물(1)은 고온 매체를 포함하는 영역(110, 111)에서 상기 층 구조물(1)의 기판(4)의 표면(9)과 접하고,
    상기 다공성 층(10)이 상기 기판(4)의 상기 표면(9) 반대편 표면(14) 위에 형성되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 층 구조물(1)은 자신의 기판(4) 표면(9)에 의해 영역(110, 111) 내에 존재하는 고온 매체에 노출될 수 있고,
    상기 다공성 층(10)이 상기 기판의 표면(9)에 형성되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 표면(9, 14)에서 벽 교차면들(9)에 의해 상기 다공성 층(10)과 기판(4) 사이의 접촉 구역들이 각각 형성되고,
    상기 표면(9, 14)에서의 벽 교차면들(19)의 크기가 상기 표면(9, 14)의 영역에 접하지 않는 벽 교차면들(19)에 비해 더 큼에 따라 상기 벽 교차면들(19)과 상기 기판(4)의 기계적 결합이 개선되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구멍 벽들(22) 및 벽 교차면들(19) 중 하나 이상과 상기 기판(4)과의 접촉면이 상기 다공성 층(10)에 의해 덮이는 기판(4)의 표면(9, 14)의 적어도 10%에 달하는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구멍 벽들(22)의 두께가 상기 기판(4)의 표면에 수직으로 연장하는 반경 방향(11)으로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 구멍 벽들(22)의 두께는 상기 반경 방향(11)을 따라 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 구멍 벽들(22)의 두께는 상기 기판(4)에 가까울수록 더 두꺼운 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 구멍 벽들(22) 또는 상기 구멍 벽들(22) 내에 있는 채널들(26)의 모서리가 적어도 부분적으로 둥글게 처리된 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)이 벌집 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)은 냉각 매체에 의해 적어도 부분적으로 관류 될 수 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)은 적어도 상기 층(10)의 외부 표면(16)의 영역에서 적어도 하나의 보호층(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)의 내부에서 적어도 상기 다공성 층(10)의 외부 표면(16)의 영역에 적어도 하나의 보호층(12)이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)의 외부 표면(16)에 적어도 하나의 보호층(12)이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  18. 제 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보호층(12)은 금속이거나 세라믹인 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  19. 제 15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)은 금속이고,
    상기 보호층(12)은 세라믹인 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 층 구조물(1)은 가스 터빈 부품 또는 증기 터빈 부품인 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 기판(4)은 금속인 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)이 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)은 금속인 MCrAlX-조성물이고,
    상기 화학식에서 M은 철, 코발트 또는 니켈 그룹의 적어도 하나의 원소를 상징하고,
    X는 이트륨, 및 적어도 하나의 희토류 원소 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)은 상기 기판(4)과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  25. 제 1항에 있어서,
    상기 층 구조물(1)은 상기 기판(4) 및 상기 구멍 벽들(22) 중 하나 이상 내에, 냉각 채널들(13, 26)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  26. 제 1항에 있어서,
    상기 층(10)의 구멍들(25)이 상기 층(10)을 관류하는 매체 내에 함유된 외부 입자들의 크기보다 더 큰 것을 특징으로 하는,
    층 구조물.
  27. 제 1항에 따른 다공성 층(10)을 포함하는 층 구조물(1)을 제조하는 방법으로서,
    상기 다공성 층(10)이 다수의 부분 단계를 거쳐 층별로(layer by layer) 제조되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)의 외부 표면(16)이 납땜을 통해 상기 기판(4)과 연결되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)을 제조하기 위해 스테레오 리소그라피(stereo-lithography)가 사용되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  30. 제 27항에 있어서,
    상기 기판(4) 위에 네거티브 모울드(negative mold)로서 플라스틱이 층별로(10', 10'', 10''') 도포되어, 레이저(20)에 의해 경화됨으로써 상기 다공성 층(10)의 구멍들(25)이 형성되고,
    그런 다음 상기 구멍들에 상기 층(10)의 재료가 채워짐에 따라 상기 다공성 층(10)이 만들어지는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  31. 제 27항에 있어서,
    상기 다공성 층(10)의 모형이 플라스틱으로 제조되고,
    상기 모형으로부터 성형을 통해 상기 다공성 층(10)의 모울드가 생성되며,
    상기 모울드를 이용하여 상기 다공성 층(10)이 제조되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  32. 제 27항에 있어서,
    상기 층(10)의 재료에 함유된 프린팅 페이스트(printing paste)가 층별로 도포됨으로써 상기 다공성 층(10) 및 구멍들(25)이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  33. 제 1항에 따른 층 구조물의 제조 방법에 있어서,
    상기 다공성 층(10)이 상기 기판(4)과 함께 제조되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 기판(4)은 상기 다공성 층(10)과 함께 용융 야금법(melting metallurgy)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는,
    층 구조물 제조 방법.
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