KR101453092B1 - 공기 역학 블레이드 - Google Patents

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KR101453092B1
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로날드 랄프 카이로
지안퀴앙 첸
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

블레이드(50)가 개시되어 있다. 블레이드(50)는, 에어포일(64)를 포함하는 금속 기부(54)로서, 에어포일(64)의 섹션이 에어포일(64)의 표면(98) 내의 오목부(82)를 구비하는, 상기 금속 기부(54)와, 오목부(82) 내에 배치되어 오목부(82)에 접합되는 복합재 인레이(58)를 포함한다.

Description

공기 역학 블레이드{AEROMECHANICAL BLADE}
본 발명은 일반적으로 터빈에 관한 것으로서, 특히 공기 역학 블레이드 형상(configuration)에 관한 것이다.
예를 들면 압축기 블레이드 및 터빈 블레이드와 같은 현재의 공기 역학 블레이드는 전연(leading edge)에서 최대 응력을 경험할 수 있고, 이는 전연 뿐만 아니라 로터 디스크에의 블레이드의 루트 부착부(root attachment)의 균열을 초래한다. 예를 들면 언더-컷(under-cut)과 같은 디자인 특징부를 통해 현재의 적용 범위 내에서 전연 응력을 감소시키기 위한 시도는 몇몇 만족스러운 결과를 제공하지만, 개선의 여지를 남겨두고 있다. 블레이드 또는 루트 부착부의 디자인의 변경은 부하 경로를 전연으로부터 이격하여 후미로 시프트하고 이에 의해 전연에서 응력 레벨을 감소시킬 수 있지만, 이러한 디자인의 변경은 현재의 적용 범위 내에서 사용을 위해 가능하지 않을 수도 있다.
따라서, 당 기술분야에서는 이들 결점을 극복하는 공기 역학 블레이드 장치에 대한 요구가 있다.
본 발명의 일 실시예는 블레이드를 포함한다. 블레이드는, 에어포일을 포함하는 금속 기부로서, 에어포일의 섹션이 에어포일의 표면 내의 오목부(recess)를 구비하는, 상기 금속 기부와, 오목부 내에 배치되어 오목부에 접합되는 복합재 인레이(composite inlay)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 터빈을 포함한다. 터빈은, 가스 유동을 인도하는 외부 프레임과, 외부 프레임 내에 배치되는 로터와, 로터와 작동 가능하게 연통하는 복수의 블레이드를 포함한다. 복수의 블레이드 중 적어도 하나는, 에어포일을 포함하는 금속 기부로서, 에어포일의 섹션이 에어포일의 표면 내의 오목부를 구비하는, 상기 금속 기부와, 오목부 내에 배치되어 오목부에 접합되는 복합재 인레이를 포함한다.
이들 및 다른 장점과 특징은 첨부 도면과 연계하여 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
예시적인 첨부 도면에 있어서, 유사한 요소가 유사한 도면 부호로 지시되어 있다.
본 발명에 따르면, 터빈 블레이드 전연의 최대 응력을 감소시키는 능력과, 소정의 크기 및 강도의 터빈 블레이드의 평균 밀도를 감소시키는 능력과, 로터 원심 부하를 감소시키는 능력과, 소정의 적용에 대한 로터 디스크의 크기를 감소시키는 능력과, 소정의 포락선 치수(envelope dimension)의 터빈 블레이드의 고유 주파수를 동조하는 능력과, 소정의 로터 디자인을 갖는 대형 터빈 블레이드를 사용하여 터빈 성능을 향상시키는 능력과, 터빈 블레이드의 손상 내성(damage tolerance)을 증가시키는 능력과, 현재 적용 범위 내의 터빈 블레이드를 감소된 평균 밀도, 향상된 손상 내성 및 감소된 전연 최대 응력을 갖는 터빈 블레이드로 교체하는 능력이 제공된다.
본 발명의 실시예는 그 특성이 특정한 이점을 제공하도록 재료를 전략적으로 배치함으로써 상이한 재료의 특성을 이용하기 위해, 예를 들면 터빈 블레이드 또는 압축기 블레이드와 같은 계획형 재료 시스템(designed material system) 공기 역학 블레이드(본 명세서에서 또한 "블레이드"라 칭함)를 제공한다. 계획형 재료 시스템은 부하 경로를 소정의 블레이드 디자인의 전연으로부터 이격하여 후미로 시프트하기 위해, 단일체 금속 이면 구조체(monolithic metallic back-structure) 및 루트 부착부의 내마모성 및 내마찰성, 치수 제어 및 전체 강인성(robustenss)과 조합 하여 복합 재료의 높은 비강도 및 비강성을 이용한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "비강도(specific strength)"는 재료의 밀도에 대한 재료의 임의의 소정의 강도(예를 들면, 인장, 압축 또는 전단 강도)의 비율을 지칭하는 것이다. 유사하게, 용어 "비강성(specific stiffnenss)"은 재료의 밀도에 대한 재료의 임의의 소정의 강성의 비율을 지칭하는 것이다. 계획형 재료 시스템은 또한 원심 부하의 감소를 제공하도록 블레이드의 평균 밀도를 감소시킨다. 부가적으로, 계획형 재료 시스템의 파라미터는 블레이드의 고유 주파수의 동조를 허용한다.
도 1은 로터(24)의 회전을 통해 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시키기 위해 로터(24)를 거쳐 로터 샤프트(22)와 작동 가능하게 연통하는 복수의 터빈 블레이드 및 압축기 블레이드(그 일례가 도 2에 도시되어 있음)를 사용하는 터빈(20)을 도시한다. 가스는 외부 프레임(26) 내로 유입되고 복수의 터빈 블레이드에 작용하도록 외부 프레임(26)에 의해 인도된다. 터빈 블레이드는 가스의 팽창과 연관된 에너지를 로터(24)의 회전으로 변환하는 것을 제공한다. 로터(24)는 당 기술분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 방식으로 터빈(20)의 중심에 근접하여 회전 가능하게 배치된다. 터빈(20)은, 예를 들면 항공기, 선박 또는 기차와 같은 운송 수단을 추진하기 위한 기계적 에너지를 제공하고, 전기를 발생시키거나 또는 예를 들면 펌핑과 같은 다른 적용을 위해 기계적 에너지를 제공하기 위해 연소 가스의 팽창으로부터 발생된 열 에너지를 변환하는 가스 터빈일 수 있다. 대안적으로, 터빈(20)은 예를 들면 전술된 것들과 같은 임의의 다양한 용도를 위해 고온 증기의 팽창으로부터 발생된 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 증기 터빈일 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 복합재 인레이드(inlaid) 블레이드(50)의 실시예의 사시도가 도시된다. 블레이드(50)는 금속 이면 구조체(54)(본 명세서에서 또한 "기부"라 칭함) 및 복합재 인레이(58)의 세트를 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때, 도면 부호 58은 복합재 인레이의 세트 중 하나 이상의 인레이를 칭할 것이다. 금속 기부(54)는 예를 들면 다치형(multi-tooth) 부착부 또는 "전나무형(firtree) 부착부"(도 2에 도시됨)와 단치형(single-tooth) 부착부 또는 "더브테일형(dovetail) 부착부"(도 3 및 도 5에 도시됨)와 같은 일체형 루트 부착부(62)를 포함한다. 부착부(62)는 로터 디스크(65)를 거쳐 로터(24)에 블레이드(50)를 부착하기 위해 로터 디스크(65) 내에 배치되는 개구(63)의 기하학적 형상에 상호적인 기하학적 형상을 갖는 것이 이해될 수 있을 것이다. 블레이드(50)는 또한 전연(66) 및 후연(70)을 갖는 에어포일(64)을 포함한다.
압축기 블레이드(50)의 에어포일(64)은 [전연(66)으로부터 후연(70)을 향한 방향으로의] 복수의 블레이드(50)의 회전에 응답하여 가스 또는 증기의 유동을 압축하여 이에 에너지를 추가하도록 작용한다. 로터 디스크(65)로부터 부여된 힘은 단치형 부착부 또는 더브테일형 부착부(62)를 거쳐 압축기 블레이드로 전달된다. 더욱이, (가스 또는 증기 압축에 대한 반응으로서 발생된 힘에 부가하여) 원심력이 화살표(Z)에 의해 지시되는 바와 같이 외향 반경방향으로 발생되고, 압축기 블레이드(50)를 통해 더브테일형 부착부(62)를 거쳐 로터 디스크(65)로 전달된다(도 3을 참조하여 가장 양호하게 이해됨). 압축기 블레이드는 일반적으로 등축 결정립 구조를 갖는 재료로 제조된다.
터빈 블레이드(50)의 에어포일(64)은 전연(66)을 지나 후연(70)을 향해 화살표(X)에 의해 표시되는 바와 같은 방향으로의 팽창 가스 또는 증기의 유동에 응답하여 화살표(Y)에 의해 표시되는 바와 같은 방향으로 터빈 블레이드(50) 상에 힘을 부여한다. 터빈 블레이드(50)는 부여된 힘을 전나무형 부착부(62)를 거쳐 로터 디스크(65)로 전달하고, 이에 의해 [로터 디스크(65)와 함께] 터빈 블레이드(50)가 로터 샤프트(22)와 같은 중심(74) 둘레로 회전할 수 있게 한다. 터빈 블레이드(50)[및 회전 디스크(65)]의 회전에 응답하여, 원심력이 외향 반경방향으로 발생된다. (팽창 가스 또는 증기의 유동으로부터 발생되는 힘에 부가하여) 원심력은 터빈 블레이드(50)를 통해 전나무형 부착부(62)를 거쳐 로터 디스크(65)로 전달된다. 더 높은 작동 온도를 견디기 위해(이하에서 더 설명되는 바와 같이), 터빈 블레이드는 일반적으로 압축기 블레이드 재료보다 높은 밀도를 갖는 단결정 재료로 제조된다. 더욱이, 전형적인 터빈 블레이드는 각각의 압축기 블레이드보다 크다. 따라서, 터빈 블레이드는 터빈 블레이드의 더 높은 밀도 및 크기로부터 발생되는 더 높은 힘을 로터 디스크(65)로 전달하기 위해 다치형 전나무형 부착부(62)를 이용한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
에어포일(64)의 전연(66)은 비교적 직선형이고 두꺼워서, 더브테일형 부착부(62)로의 직접적인 경로를 형성한다. 후연(70)은 전연(66)보다 가늘고 전연(66)에 대해 만곡될 수 있다. 전연(66)은 에어포일(64)로부터 부착부(62)로 힘을 전달하기 위해 비교적 직접적인 부하 경로를 제공하고, 이는 전연(66)에서 또는 전연(66)에 인접하여 블레이드(50)의 최대 응력의 발생을 빈번하게 초래하는 것이 당 기술분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있다.
이제 도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 블레이드(50)의 실시예의 단부도 및 두 개의 단면도가 도시된다. 복합재 인레이(58)의 세트가 블레이드(50)의 두 개의 측면(76, 78)에 배치된 상태로 도시된다. 인레이(58)의 복합 재료는 예를 들면 압축기를 위한 티타늄, 초합금 강 및 마르텐사이트 스테인레스 강과 같은, 기부(54)가 제조되는 금속 재료보다 높은 비강도(강도 대 밀도비) 및 높은 비강성(강성 대 밀도비)을 제공한다.
복합재 인레이(58)는 에어포일(64)의 표면 내의 오목부(82) 내에 배치된다. 오목부(82)는 에어포일(64)의 총면적의 일부 또는 100% 미만에 해당한다. 오목부(82)는 예를 들면 기계 가공 또는 단조와 같은 임의의 적합한 프로세스에 의해 금속 기부(54)에 형성된다. 오목부(82)의 깊이는 에어포일(64)의 두께보다 작아, 오목부(82)가 에어포일(64)을 통해 관통하지 않는 것이 이해될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 오목부(82)는 화살표(Z)에 의해 표시되는 바와 같이 반경방향으로 배향되고, 복합 재료는 오목부(82)와 정렬된 일방향성 연속 파이버를 포함한다. 복합재 인레이(58)의 세트는 금속 기부(54)의 오목부(82) 내에 접착식으로 접합된다. 부가적으로, 복합재 인레이(58)는 금속 기부(54)에 의해 외향 반경방향 작동이 기계적으로 억제된다. 오목부(82)를 형성하기 위한 금속 기부(54)로부터의 재료의 제거는 금속 기부(54)의 질량을 감소시킨다. 더욱이, 기부(54)로부터 제거된 비교적 조밀한 금속 재료를 더 낮은 밀도를 갖는 복합재 인레이(58)로 이후에 교체하는 것은 더 낮은 총 질량 및 평균 밀도를 갖는 블레이드(50)를 생성한다. 더 낮 은 평균 밀도는 이하에 더 설명되는 바와 같이, 에어포일 부착부의 블레이드 부하를 더 감소시킨다.
초기 단(stage)이 일반적으로 약 150℃ 이하의 온도에서 작동하는 압축기 블레이드(50)의 실시예에서, 인레이(58)는 예를 들면 연속 섬유 강화 탄소/에폭시와 같은 복합 재료로 제조된다. 대안적인 복합 재료는 예를 들면 금속 이면 구조체(54) 기부보다 큰 강성을 갖고 부하, 변형 및 회전에 대한 응답에 영향을 주는 붕소 또는 실리콘 카바이드와 같은 파이버 재료를 포함하는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들면 페놀, 폴리에스테르 및 폴리우레탄과 같은 매트릭스 재료가 본 발명의 실시예의 범주 내에 있는 것으로서 고려된다.
1200℃를 초과하는 작동 온도에 도달할 수 있는 터빈 블레이드(50)의 실시예에서, 인레이(58)는 예를 들면 세라믹 복합재와 같은 고온 복합재로 제조된다. 터빈 블레이드(50)의 대안 실시예에서, 세라믹 인레이(58)와 같은 미리 경화된 고온 복합재 인레이(58)는 세라믹 접착제로 에어포일(64)의 오목부(82) 내에 접합된다. 예를 들면 스트레인 게이지를 터빈 블레이드(50)에 접합하기 위해 현재 이용되는 공지의 세라믹 접착제가 이러한 고온 인레이(58)를 접합하는데 적합한 것으로서 고려된다.
일 실시예에서, 오목부(95)의 기하학적 형상은 인레이(96)의 측방향 보유를 제공한다. 오목부(95)의 폭(97)은 블레이드(50)의 표면(98)으로부터의 거리가 또한 증가함에 따라 증가하고, 이에 의해 방향선(Y)에 의해 표시되는 측면 방향에서 인레이(96)를 억제한다. 예를 들면 탄소/에폭시 복합재와 같은 복합 재료는 전 성(malleability) 및 성형성(formability)이 있으며, 이러한 성질은 복합 재료가 오목부(95) 내로 삽입될 수 있게 한다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 경화 후에, 복합 재료는 경화되어 오목부(95)로부터 인레이(96)의 분리를 억제하거나 또는 방지한다.
금속 기부(54)는 에어포일(64)로부터 부착부(62)로의 힘의 직접적인 전달을 제공하기 위해 에어포일(64)과 일체형의 부착부(62)를 포함한다. 적절한 금속 재료의 선택은 금속 기부(54)의 내마찰성 및 내마모성을 향상시킨다. 부가적으로, 금속 기부(54)는 전연(66), 후연(70), 에어포일 팁(84) 및 부착부(62)와 같은 주요 공기 역학 영역에 대한 치수 제어를 제공한다. 일체형 부착부(62)를 포함하는 금속 기부(54)에 의해 제공되는 치수 제어는 블레이드(50)가 현존하는 적용 내로 개장(retrofit)되는 것을 허용한다.
기부(54)에 대한 복합재 인레이(58)의 큰 강성 때문에, 반력의 국부적인 상대 증가는 블레이드(50) 내의 인레이(58)의 배치를 수반할 수 있다. 즉, 터빈(20) 작동으로부터 발생하는 블레이드(50) 상의 힘의 인가에 응답하여, 복합재 인레이(58)의 증가된 강성은 금속 이면 구조체(54)보다 큰 반력을 제공할 수 있다. 따라서, 터빈 블레이드(50)의 반력(및 수반하는 응력)은 복합재 인레이(58)가 배치되지 않은 동일한 영역에서의 반력보다 더 크거나 또는 복합재 인레이(58)가 배치되는 영역에 집중된다. 따라서, 블레이드(50)의 후연(70)에 근접한 복합재 인레이(58)의 배치는 반력(및 수반하는 응력)의 전달을 후연(70)을 향해 후미로 시프트하고, 이에 의해 블레이드(50)의 전연(66)의 최대 응력 크기의 상대적인 감소를 제 공한다. 이러한 전연(66) 최대 응력 크기의 감소는 전연(66) 및 부착부(62)의 균열에 대한 잠재성을 감소시킨다. 부가적으로, 블레이드(50)의 측방향 중심(94)이 금속 기부(54)를 포함하도록 블레이드(50)의 측방향 외측면에 복합재 인레이(58)를 배치하는 것(도 4 및 도 5를 참조하여 가장 양호하게 이해됨)은 가스 압력 부하를 견디고 특정 공진 주파수를 증가시키기 위해 블레이드(50)의 굽힘 강성 또는 굽힘 강도를 증가시킨다.
터빈 블레이드(50)의 회전축(74)은 예를 들면 방향(Z)에 의해 지시되는 바와 같은 반경방향을 규정한다. 인레이(58)는 인레이(58)의 반경방향 외측 및 반경방향 내측 단부(91, 92)(본 명세서에서 또한 제 1 단부 및 제 2 단부라 칭함) 각각에서 방향선(Y)에 의해 표시되는 바와 같은 측방향으로 감소된 두께를 갖는 반경방향의 테이퍼(86, 90)를 포함한다. 따라서, 반경방향 테이퍼(86, 90)는 인레이(58)에 의해 발생되고 터빈(20)의 작동력에 응답하여 기부(54)에 전달되는 반력의 양을 제어(감소)하기 위해 단부(91, 92)에서 인레이(58)의 감소된 측방향 두께를 규정한다. 이에 의해, 단부(91, 92)에서 인레이(58)에 의해 발생된 힘의 감소는 복합재 인레이(58)와 기부(54) 사이의 점진적인 힘의 전달을 제공하여, 단부(91, 92)에서의 접합 실패의 가능성을 감소시킨다. 오목부(82) 기하학적 형상(도 4에 도시됨)의 선택은 또한 복합재 인레이(58)와 기부(54) 사이의 힘의 전달을 실행할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들면 힘의 전달은 반원형, 반타원형, 포물선형, 직사각형 및 삼각형 기하학적 형상 중 임의의 하나를 포함하는 단면의 선택에 의해 영향받을 수 있다.
기부(54)의 비교적 조밀한 금속 재료를 감소된 밀도의 복합재 인레이(58)로 교체하는 것은 소정의 크기, 강도 및 강성의 블레이드(50)의 평균 밀도 및 총 질량을 감소시킨다. 블레이드(50)의 총 질량의 감소는 소정의 속도에서 블레이드(50)의 회전에 응답하여 발생되는 원심력의 대응하는 감소를 제공한다. 이에 의해, 소정의 속도에서 블레이드(50)의 회전에 응답하여 발생되는 원심력의 감소는 그로 인해 블레이드(50)의 부착부(62)와 로터 디스크(65) 사이의 계면에서의 디스크 림 부하로서 공지된 부하를 감소시킨다. 이러한 디스크 림 부하의 감소의 결과로서, 디스크 보어 응력이 감소되는 것이 이해될 수 있을 것이다. 이러한 응력 감소는 소정의 적용에 대한 로터 디스크(65)의 크기, 질량 및 비용을 감소시키고, 로터 디스크(65)의 파열 마진(burst margin) 또는 한계 속도를 증가시키고, 전체 로터(24) 수명을 증가시키는 것과 같은 부가적 이익을 제공한다. 대안적으로, 터빈(20) 성능을 증가시키기 위한 증가된 길이를 갖는, 감소된 평균 밀도를 갖는 블레이드(50)는 로터 디스크(65)를 부가적으로 강화할 필요 없이 로터 디스크(65)에 이용되고, 이에 의해 소정의 로터(22) 디자인의 성능을 증가시킬 수 있다.
예를 들면 인레이 폭(100), 인레이 길이(104), 인레이 깊이(108), 테이퍼(86, 90) 형태, 복합 강화 재료 유형 및 복합 매트릭스 재료 유형 중 임의의 하나와 같은 복합재 인레이(58)의 파라미터는 블레이드(50)의 고유 주파수에 영향을 줄 수 있을 것이다. 부가적으로, 반경방향(Z)에 대한 인레이(58)의 배향(θ)은 블레이드(50)의 비틀림 주파수 또는 비틀림 전단 계수를 증가시키도록 선택될 수 있다. θ가 0°[즉, 반경방향(Z)과 정렬됨]로부터 45°로 증가함에 따라, 강도 및 주파수의 비틀림 성분이 증가한다. 따라서, 이들 파라미터의 적절한 선택은 블레이드(50)의 고유 주파수가 터빈(20)의 공지의 작동 주파수를 회피하도록 블레이드(50)를 동조할 수 있다.
복합재 인레이(58)의 사용은 블레이드(50)의 향상된 손상 내성을 또한 제공한다. 예를 들면, 전연(66)에서 개시될 수 있는 균열(112)의 전파(도 3에 도시됨)는 균열(112)이 인레이(116)에 도달할 때 정지될 수 있다. 균열이 금속 기부(54) 또는 인레이(58)에서 발생하는 경우에, 금속 기부(54)와 복합재 인레이(58) 사이의 계면에 의해 형성된 경계가 균열 정지기로서 역할을 한다. 따라서, 블레이드(50) 분리로부터 발생되는 터빈(20) 고장의 위험성이 감소된다.
이제 도 6 및 도 7을 참조하여, 증가된 크기의 인레이(118)를 갖는 블레이드(50)의 실시예가 도시된다. 일 실시예에서, 인레이(118)의 크기가 증가되어 예를 들면 직교 강화 복합 재료와 같이 일 방향 이상으로 배향된 파이버를 갖는 복합 강화 재료의 사용을 허용한다. 일방향 이상으로 배향된 파이버를 갖는 복합 재료의 사용은 전단 강도 및 강성 뿐만 아니라 반경방향 강도 및 강성을 증가시키는 것으로 고려된다.
도 8 및 도 9는 보호 덮개(120)를 포함하는 블레이드(50)의 실시예를 도시한다. 보호 덮개(120)는 예를 들면 에폭시와 같은 인레이(58)의 재료, 구체적으로 매트릭스의 내마모성 및 내충격성보다 큰 내마모성 및 내충격성을 갖는다. 보호 덮개는 인레이(58)를 덮기 위해 에어포일(54) 상에 배치된다. 따라서, 보호 덮개(120)는 예를 들면 에폭시와 같은 인레이(58)의 복합 재료, 특히 매트릭스의 내 식성을 증가시킨다. 부가적으로, 보호 덮개(120)는 금속 기부(54) 및 복합 인레이(58) 중 적어도 하나의 내식성 및 이물질 손상 내성을 향상시켜, 평활하고 균일한 공기 역학 표면을 제공한다.
일 실시예에서, 보호 덮개(120)는 오목부(82)를 포위하는 에어포일(64)의 표면 내에 형성되거나 기계 가공된 오목부(124) 내에 배치되어, 오목부(124) 내의 보호 코팅(120)의 배치가 평평한 에어포일(64) 표면을 제공하게 하는 금속 덮개이다. 일 실시예에서, 보호 코팅(120)은 예를 들면 에폭시에 의해 블레이드(50)의 에어포일(64) 및 복합재 인레이(58)에 접합되는 금속 덮개이다. 다른 실시예에서, 보호 덮개(120)는 에어포일(64)에 레이저 용접되는 금속 덮개이다. 금속 덮개(120)는 부가적으로 추가의 억제를 측방향으로 인레이(58)에 제공하여, 인레이(58)가 오목부(82)와 금속 덮개(120) 사이에서 완전히 억제될 수 있을 것이다. 또 다른 실시예에서, 보호 덮개(120)는 블레이드(50) 상에 냉간 분사(cold spray) 적층되는 금속 덮개이다. 금속 덮개(120)는 예를 들면 티타늄 합금, 초합금 강 및 마르텐사이트 스테인레스 강과 같은 터빈(20) 내에 사용하기 위한 임의의 적절한 금속으로 제조될 수 있다는 것이 고려된다. 대안적인 실시예에서, 보호 덮개(120)는 예를 들면 전기 도금 니켈 및 무전해 니켈-인 도금 중 적어도 하나와 같은 블레이드(50)에 도포되는 도금이다.
이제 도 11과 함께 도 10을 참조하면, 블레이드(50)의 다른 실시예가 도시된다. 오목부(82)는 부착부(62)를 통해 연장되고, 이에 의해 부착부(62)를 관통하는 보어(128)를 형성한다. 인레이(58)는 에어포일(64)로부터 부착부(62) 내로 그리고 부착부(62)를 통해 연장되도록 배치되어, 보어(128)를 형성하는 부착부(62)의 표면에 접합된다. 부착부(62)를 통한 인레이(58)의 연장은 부착부(62)의 강도 및 강성 중 적어도 하나를 증가시키고, 동시에 블레이드(50)의 질량을 더 감소시킨다.
본 발명의 실시예가 블레이드(50)의 두 개의 측면(76, 78)에 배치되는 인레이(58)를 갖는 것으로서 설명되었지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은 또한 예를 들면 측면(76) 및 측면(78) 중 하나와 같은 단지 하나의 측면에 배치되는 인레이(58)를 가질 수 있는 블레이드에 적용된다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
설명된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예는 이하의 장점 중 일부, 즉, 터빈 블레이드 전연의 최대 응력을 감소시키는 능력과, 소정의 크기 및 강도의 터빈 블레이드의 평균 밀도를 감소시키는 능력과, 로터 원심 부하를 감소시키는 능력과, 소정의 적용에 대한 로터 디스크의 크기를 감소시키는 능력과, 소정의 포락선 치수의 터빈 블레이드의 고유 주파수를 동조하는 능력과, 소정의 로터 디자인을 갖는 큰 터빈 블레이드를 사용하여 터빈 성능을 향상시키는 능력과, 터빈 블레이드의 손상 내성을 증가시키는 능력과, 현재 적용 범위 내의 터빈 블레이드를 감소된 평균 밀도, 향상된 손상 내성 및 감소된 전연 최대 응력을 갖는 터빈 블레이드로 교체하는 능력 중 일부를 포함할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어지고 등가물이 그 요소를 대체할 수 있다는 것이 당 기술분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있다. 게다가, 다수의 수정이 본 발 명의 본질적 범주로부터 벗어나지 않고 특정 상태 또는 재료를 본 발명의 교시에 적응하도록 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려된 최선 또는 최적 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은 첨부된 청구범위에 포함되는 모든 실시예를 포함할 수 있는 것으로 의도된다. 또한, 도면 및 설명에서, 본 발명의 예시적인 실시예가 설명되어 있고, 특정 용어가 채용될 수 있지만, 이들은 달리 언급되지 않으면 한정의 목적이 아니고 단지 일반적이고 설명적인 의미로만 사용되며, 따라서 본 발명의 범주는 이에 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 임의의 순서 또는 중요도를 의미하지 않고, 오히려 용어 제 1, 제 2 등은 일 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해 사용된다. 또한, 단수 표현의 용어의 사용은 양의 한정을 의미하는 것이 아니라, 언급된 품목중 적어도 하나의 존재를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터빈을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 측면도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 블레이드의 단면도,
도 6, 도 8 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 측면도,
도 7, 도 9 및 도 11은 각각 본 발명의 실시예에 따른 도 6, 도 8 및 도 10의 블레이드의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20: 터빈 22: 로터 샤프트
24: 로터 26: 외부 프레임
50: 블레이드 54: 금속 이면 구조체(기부)
58: 복합재 인레이 62: 루트 부착부
64: 에어포일 65: 로터 디스크
66: 전연 70: 후연

Claims (22)

  1. 블레이드에 있어서,
    에어포일을 포함하는 금속 기부로서, 상기 에어포일의 섹션이 상기 에어포일의 제 1 및 제 2 대향 표면 내의 오목부를 구비하는, 상기 금속 기부와,
    상기 오목부 내에 배치되어 상기 오목부에 접합되는 복합재 인레이(composite inlay)를 포함하고,
    상기 금속 기부는 상기 블레이드를 로터 디스크에 부착하기 위해 로터 디스크 내의 개구에 상보적인 기하학적 형상을 갖는 부착부를 더 포함하고,
    상기 오목부는 상기 부착부를 통해 연장됨으로써, 상기 부착부를 관통하는 보어를 형성하고,
    상기 복합재 인레이는 상기 보어 내에 배치되고, 상기 보어를 형성하는 상기 부착부의 표면에 접합되는
    블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목부의 깊이는 상기 에어포일의 두께보다 작은
    블레이드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합재 인레이는 연속 파이버 강화 탄소 에폭시를 포함하는
    블레이드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복합재 인레이는 일방향성 탄소 파이버를 포함하는
    블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합재 인레이는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고,
    상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부 중 적어도 하나는 테이퍼를 포함하고, 상기 테이퍼는 상기 금속 기부와 상기 복합재 인레이 사이에서 전달되는 힘의 양을 제어하기 위해 측방향으로 두께가 얇아지는
    블레이드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 에어포일을 따라 반경방향을 규정하는 회전축을 구비하고,
    상기 회전축에 대해, 상기 복합재 인레이의 제 1 단부는 반경방향 외측에 배치되고, 제 2 단부는 반경방향 내측에 배치되는
    블레이드.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 터빈 블레이드이고,
    상기 부착부는 다치형(multi-tooth) 부착부인
    블레이드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 압축기 블레이드이고,
    상기 부착부는 단치형(single-tooth) 부착부인
    블레이드.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합재 인레이의 재료의 내마모성 및 내충격성보다 큰 내마모성 및 내충격성을 갖는 덮개를 더 포함하고, 상기 덮개는 상기 복합재 인레이 상에 배치되 는
    블레이드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 덮개는 티타늄 합금을 포함하는
    블레이드.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 덮개는 상기 에어포일에 에폭시 접합되는
    블레이드.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 덮개는 상기 에어포일에 레이저 용접되는
    블레이드.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 덮개는 전해 니켈 도금 및 무전해 니켈-인 도금 중 적어도 하나를 포함하는
    블레이드.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 에어포일을 따라 반경방향을 규정하는 회전축을 구비하고,
    상기 반경방향에 대한 상기 복합재 인레이의 배향 각도는 0° 내지 45°인
    블레이드.
  17. 터빈에 있어서,
    가스 유동을 인도하는 외부 프레임과,
    상기 외부 프레임 내에 배치된 로터와,
    상기 로터와 작동 가능하게 연통하는 복수의 블레이드를 포함하고,
    상기 복수의 블레이드 중 적어도 하나는,
    에어포일을 포함하는 금속 기부로서, 상기 에어포일의 섹션이 상기 에어포일의 제 1 및 제 2 대향 표면 내의 오목부를 구비하는, 상기 금속 기부와,
    상기 오목부 내에 배치되어 상기 오목부에 접합되는 복합재 인레이를 포함하고,
    상기 금속 기부는, 상기 복수의 블레이드 중 상기 적어도 하나를 로터 디스크에 부착하기 위해 로터 디스크 내의 개구에 상보적인 기하학적 형상을 갖는 부착부를 더 포함하고,
    상기 오목부는 상기 부착부를 통해 연장됨으로써, 상기 부착부를 관통하는 보어를 형성하고,
    상기 복합재 인레이는 상기 보어 내에 배치되고, 상기 보어를 형성하는 상기 부착부의 표면에 접합되는
    터빈.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복합재 인레이는 연속 파이버 강화 탄소 에폭시를 포함하는
    터빈.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 복합재 인레이는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고,
    상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부 중 적어도 하나는 테이퍼를 포함하고, 상기 테이퍼는 금속 기부 구조체와 상기 복합재 인레이 사이에서 전달되는 힘의 양을 제어하기 위해 측방향으로 두께가 얇아지는
    터빈.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 상기 복합재 인레이의 재료의 내마모성 및 내충격성보다 큰 내마모성 및 내충격성을 갖는 덮개를 더 포함하고, 상기 덮개는 상기 복합재 인레이 상에 배치되는
    터빈.
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