KR101547351B1 - 객체 내에 홀을 형성하는 방법, ｅｃｍ 장치 및 터빈 엔진구성요소 내에서 홀을 가공하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM) 장치는 전극(100)과, 상기 전극 주위에서 부분적으로 연장되는 절연물(106)을 포함한다. 절연물은 전극이 제 1 횡단면 영역(214)에 의해 정의된 흡입구(218) 및 제 2 횡단면 영역(226)에 의해 정의된 배출구(210)를 갖는 홀을 형성하도록 배향된다.

Description

객체 내에 홀을 형성하는 방법, ＥＣＭ 장치 및 터빈 엔진 구성요소 내에서 홀을 가공하는 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR FORMING COOLING HOLES HAVING CIRCULAR INLETS AND NON-CIRCULAR OUTLETS}
본 발명은 전반적으로 전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 터빈 엔진 에어호일 내에서 냉각 홀을 형성하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전기 화학적 가공 및/또는 형상 튜브 전기 화학적 가공(shaped electrochemical maching : STEM)은 터빈 엔진 에어호일에서 냉각 홀을 형성하도록 통상 사용된다. ECM 프로세스 동안, 가공되는 워크피스(workpiece)는 DC 전원의 양극 단자에 접속되고 전극은 DC 전원의 음극 단자에 접속된다. 전극 및 워크피스 사이에 전해질이 흐른다. 예를 들어, 전해질은 산성이거나 혹은 수성 식염수일 수 있다. 가공 프로세스 동안, 워크피스는 제어된 전기 화학적 반응에 의해 용해되어 냉각 홀을 형성한다. 일반적으로, 이러한 가공 프로세스는 실질적으로 원형 횡단면 영역을 갖는 냉각 홀을 형성한다. 각각의 냉각 홀의 횡단면 영역은 냉각 홀의 흡입구를 통해 계측되는 흐름의 원하는 양을 제공하도록 크기 조정된다. 그러나, 이러한 개구부(openings)는 일반적으로 블레이드 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하므로, 블레이드 및/또는 냉각 홀 내부의 잠재적인 열 전달 양이 개구부의 원형 횡단면 프로파일에 의해 제한될 수 있다.
또한, 배출구에서 정의된 원형 횡단면 영역을 갖는 냉각 홀은 협소한 트레일링 에지(trailing edge)를 갖는 에어호일에서 사용하기 위해 적절하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 이러한 에어호일을 통해 연장되는 냉각 홀의 배출구에서 정의된 원형 횡단면 영역은 에어호일의 트레일링 에지에 대해 고 응력 농도를 초래할 수 있다. 따라서, 실질적으로 일정한 원형 횡단면 영역을 갖는 냉각 홀은 터빈 엔진을 유지하는 것과 연관된 비용을 증가시키고/증가시키거나 터빈 엔진 수명을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 객체 내에 홀을 형성하는 방법이 제공된다. 본 방법은 상기 객체 내에 스타터(starter) 홀을 형성하는 단계와, 전극 주위에서 부분적으로만 연장되는 절연물을 포함하는 전기 화학적 가공 전극을 제공하는 단계와, 제 1 횡단면 영역에 의해 정의된 흡입구 및 제 2 횡단면 영역에 의해 정의된 배출구를 갖는 홀을 객체 내에 형성하도록 상기 스타터 홀 내에 상기 전극을 삽입하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM) 장치가 제공된다. 이 장치는 전극과, 전극 주위에서 부분적으로만 연장되는 절연물을 포함한다. 절연물은 전극이 제 1 횡단면 영역에 의해 정의된 흡입구 및 제 2 횡단 면 영역에 의해 정의된 배출구를 갖는 홀을 형성하도록 배향된다.
또 다른 실시예에서, 터빈 엔진 구성요소 내에서 홀을 가공하는 시스템이 제공된다. 이 시스템은 전극과, 전극 주위에서 부분적으로만 연장되는 절연물을 포함하는 ECM 장치를 제공한다. 절연물은 전극이 제 1 횡단면 영역에 의해 정의된 흡입구 및 제 2 횡단면 영역에 의해 정의된 배출구를 갖는 홀을 형성하도록 배향된다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 터빈 엔진 에어호일 내에서 냉각 홀을 가공하도록 사용함으로써, 터빈 엔진을 유지하는 것과 연관된 비용을 감소시키고 터빈 엔진 수명을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명은 터빈 엔진 에어호일 내에서 냉각 홀을 가공하는데 사용될 수 있는 시스템을 제공한다. 시스템은 이를 통해 흐르는 전해질을 갖는 전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM) 전극을 사용한다. 예를 들어, 전해질은 산성히거나 혹은 수성 식염수일 수 있다. 가공 이전에, 에어호일은 DC 전원의 양극 단자에 접속되고 전극은 DC 전원의 음극 단자에 접속된다. 전극 및 워크피스 사이에 전해질이 흐르고, 에어호일은 제어된 전기 화학적 반응에 의해 용해되어 냉각 홀을 형성한다.
가공 동안, 에어호일로부터 물질을 제거하는 전류를 방전시키는 것을 촉진하도록 전해질 유동체가 중공(hollow) 전극을 통해 흐른다. 이하 보다 상세하게 기술되는 바와 같이, 제 1 횡단면 영역에 의해 정의된 흡입구 및 제 2 횡단면 영역에 의해 정의된 배출구를 갖는 냉각 홀을 형성하는 것을 촉진하도록 터빈 엔진헤 형성된 스타터 홀 내에 전극이 삽입된다.
본 발명은 터빈 에어호일 내에 냉각 홀을 형성하는 관점에서 기술되어 있으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 냉각 홀을 필요로 하는 임의의 다른 시스템의 구성요소 및/또는 엔진의 다른 구성요소를 형성하는데 또한 적용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 터빈 캐이싱, 배기 파이프 및 배기로와 함께 사용될 수 있으나, 이에 함께 사용되는 것으로 한정되지는 않는다. 또한, 본 발명은 전자 화학적 가공의 관점에서 기술되어 있으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 냉각 홀을 형성하는 다른 방법에도 또한 적용할 수 있다.
도 1은 예시적인 전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM) 전극(100)을 도시하는 도면이다. 구체적으로, 도 1은 제 1 단부(102), 제 2 단부(104)를 갖는 중공 ECM 전극(100)을 도시하는 도면으로서, 도 1(a)는 그 측면도, 도 1(b)는 제 1 단부(102)의 단면도, 도 1(c)는 제 2 단부(104)의 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 전극(100)은 실질적으로 원통형 형상이고 이를 통해 전해질 유동체를 채널링하도록 구성된다. 전해질 유동체는 가공되는 부분으로부터 금속을 제공하도록 전기 화학적 용해에 대한 매체로서 기능한다. 전해질 유동체는 가공 구역으로부터 용해된 금속을 또한 제거한다. 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 전극(100)은 그 의도하는 기능에 근거하여 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전극(100)은, 그 전극(100) 주위에서 부분적으로 연장되는 절연물(106)을 포함한다. 절연물(106)은 원하는 냉각 홀의 크기 및 형상이 획득될 수 있도록 금속 용해를 원하는 영역으로 제한한다. 예시적인 실시예에서, 절연물(106)은 전극(100)의 제 1 측면(108) 및 대향하는 제 2 측면(110) 양단 사이에서만 연장된다. 이와 같이, 예시적인 실시예에서, 전극(100)은 절연되지 않거나 혹은 노출된 채로 유지되는 2개의 직경 방향으로 대향하는 부분을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 절연물(106) 및 절연되지 않은 부분(112)은 전극(106)이 전술한 바와 같이 기능하도록 하는 전극(100) 주위에서 임의의 배향으로 배향된다. 구체적으로, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 절연되지 않은 부분(112)의 구성, 수 및 크기는 전극(100)의 의도된 기능, 및/또는 동작 전극(100)의 의도된 결과에 근거하여 가변적으로 선택된다.
동작 동안, 전극(100) 양단 간의 전해질 유동체를 통해 전류가 초래되어 해당 부분은 전극(100)에 의해 가공된다. 구체적으로, 절연물(106)은 전극(100)의 절연되지 않은 부분(112) 및 팁(116)으로부터 전류가 방전되도록 한다. 예시적인 실시예에서, 팁(116)은 절연되지 않으나, 대안적인 실시예에서, 팁(116)은 절연물을 포함한다. 절연되지 않은 부분(112)의 구성, 수 및 크기는 가변적으로 선택되므로, 절연되지 않은 부분(112)의 구성, 수 및 크기는 팁(116) 및 절연되지 않은 부분(112)로부터 방전된 전류의 양을 가변시키도록 변경될 수 있다.
도 2는 예시적인 터빈 에어호일(202) 내에서 냉각 홀을 형성하도록 사용되는 전극(100)을 도시한다. 구체적으로, 도 2(a)는 에어호일(202)의 내부 표면(206)을 향해 에어호일(202)의 외부 표면(204)을 통해 삽입되는 전극(100)의 측면도이고, 도 2(b)는 가공 프로세스 동안 전극 제 2 단부(104)의 배향의 단면도이다. 도 3은 가공 프로세스가 완료되어 내부에 냉각 홀(200)이 형성된 이후의 에어호일(202)을 도시하는 도면이다. 구체적으로, 도 3(a)는 냉각 홀(200)을 포함하는 에어호일(202)의 측면도이고, 도 3(b)는 냉각 홀(200)의 흡입구(208)의 횡단면도이며, 도 3(c)는 냉각 홀(200)의 배출구(210)의 횡단면도이다.
가공 프로세스 동안, 구체적으로, 전극(100)의 동작 이전에, 에어호일(202) 내에 스타터 홀(212)이 형성된다. 예시적인 실시예에서, 스타터 홀(212)은 전기 화학적 가공 전극, 전기 방전 가공 전극 및/또는 레이저 중 적어도 하나에 의해 드릴링된다. 또한, 예시적인 실시예에서, 스타터 홀(212)은 예시적인 실시예에서 실질적으로 원형인 제 1 횡단면 영역(214)을 갖는다. 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 대안적인 실시예에서, 횡단면 영역(214)은 냉각 홀(200)을 형성하는 것을 촉진하는데 적절한 임의의 형상을 가질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에서, 스타터 홀(212)은 에어호일 외부 표면(204)에 대해 0°, 90° 또는 0°및 90°사이의 임의의 각도와 같은 각종 각도에서 에어호일(202) 내에 형성될 수 있으며, 이들 각도로만 한정되는 것은 아니다.
가공 프로세스 동안, 구체적으로, 전극(100)의 동작 동안, 화살표(215)로 도시된 바와 같이, 전극(100)은 외부 표면(204)을 통해 스타터 홀(212) 내로 삽입되어 내부 표면(206)으로 향한다. 전해질 유동체는 전극(100)으로부터의 전하를 방향 설정하도록 전극(100)을 통해 채널링된다. 전극(100)에 대해 초래된 전류의 부분(218)은 전극 팁(116)으로부터 방전되고 전극(100)에 대해 초래된 전류의 부분(220)은 절연되지 않은 부분(112)으로부터 방전된다. 이하 보다 상세하게 기술되는 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 절연되지 않은 부분(112)으로부터 방전된 전류(220)는 냉각 홀(200)의 배출구(210)를 형성하도록 스타터 홀(212)의 부분(222)으로부터 금속을 제거하는 것을 촉진한다. 예시적인 실시예에서, 전기 화학적 용해로 인해 스타터 홀(212)로부터 금속이 제거된다. 예시적인 실시예에서, 스타터 홀(212)로부터 금속을 제거하여 스타터 홀 횡단면 영역(214)보다 큰 횡단면 영역(226)을 갖는 배출구(210)를 형성한다. 구체적으로, 예시적인 실시예에서, 배출구(210)의 횡단면 영역(226)은 비원형이다. 보다 구체적으로, 예시적인 실시예에서, 횡단면 영역(226)은 실질적으로 타원형이다. 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 전극(100)은 임의의 형상 및/또는 크기를 구비하는 횡단면 영역(226)을 갖는 배출구(210)를 형성하도록 제조될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전극(100)은 스타터 홀(212) 내에 거리 D1만큼 삽입된다. 전극(100)의 동작은 이산적인 흡입구(208) 및 배출구(210)를 갖는 냉각 홀(200)을 형성하는 것을 촉진한다. 구체적으로, 흡입구(208)는 전극(100)에 의해 가공되지 않는 스타터 홀(212)의 부분에 의해 정의되고, 배출구(210)는 전극(100) 에 의해 가공되는 스타터 홀(212)의 부분에 의해 정의된다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 흡입구(208)는 실질적으로 원형의 횡단면 영역(214)에 의해 형성되고, 배출구(210)는 실질적으로 타원형의 횡단면 영역(226)에 의해 형성된다. 또한, 예시적인 실시예에서, 흡입구(208)는 에어호일(202)의 내부 표면(206) 상에 형성되고, 배출구(210)는 에어호일(202)의 외부 표면(204) 상에 형성된다.
예시적인 실시예에서, 횡단면 영역(214 및 226)은 부드러운 완성 표면, 거친 완성 표면, 및/도는 주름진 완성 표면 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 이와 같이, 냉각 홀 흡입구(208)의 전체적인 크기 및 형성은 냉각 홀(200)을 통해 공기 흐름의 양을 계측하는 것을 촉진하도록 가변적으로 선택될 수 있다. 또한, 냉각 홀 배출구(210)는 에어호일(202) 내부의 열 전달의 양을 증가시키고/증가시키거나 냉각 홀(200)로부터의 다운스트림을 냉각시키는 것을 촉진하도록 크기 및 형상 조정될 수 있다. 또한, 냉각 홀 배출구(210)의 배향 및 횡단면 형상은 냉각 홀(200)을 정의하는 에어호일 외부 표면(204)의 영역 상에 초래될 수 있는 응력 농도를 감소시키는 것을 촉진한다. 특히, 배출구(210)의 배향 및 형상은 상대적으로 얇은 트레일링 에지를 갖는 에어호일의 응력을 감소키는 것을 촉진하도록 가변적으로 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 객체 내에 냉각 홀을 형성하는 방법이 제공된다. 본 방법은 객체 내에 스타터 홀을 드릴링하고, 전극 주위에서 부분적으로만 연장되는 절연물을 포함하는 전기 화학적 가공 전극을 제공하며, 제 1 횡단면 영역에 의해 정의된 흡입구 및 제 2 횡단면 영역에 의해 정의된 배출구를 갖는 홀을 객체 내에 형성하 도록 스타터 홀 내에 전극을 삽입하는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 본 방법은 실질적으로 원형 횡단면 영역을 갖는 냉각 홀 흡입구를 형성하고, 비원형 횡단면 영역을 갖는 냉각 홀 배출구를 형성하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 본 방법은 전기 화학적 가공 전극, 전기 방전 가공 전극 및 레이저 중 적어도 하나에 의해 스타터 홀을 드릴링하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 본 방법은 제 1 측면 및 직경 방향으로 대향되는 제 2 측면 상에서만 절연물을 갖는 전극을 제공하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 본 방법은 스타터 홀로부터 물질을 제거하는 것을 촉진하도록 전극을 통해 전해질 유동체를 순환시키는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 본 방법은 터빈 엔진 구성요소 내에 냉각 홀을 형성하는 것을 포함한다.
전술한 시스템 및 방법은 냉각 홀이 형성되도록 하여 냉각 홀의 공기 진입의 양을 계측하는 것을 촉진하는 횡단면 영역을 상이하게 하고, 냉각 홀의 에어호일 및/또는 다운스트림 내부의 열 전달을 증강시킨다. 전술한 바와 같은 냉각 홀의 형성은 냉각 홀을 정의하는 에어호일의 영역 상에 초래될 수 있는 응력 농도를 감소키는 것을 촉진한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "하나의"란 단어로 언급되어 단일한 것을 기재하고 있는 요소 및 단계는 제한이 명시적으로 기재되어 잇지 않는 한, 복수의 상기 요소 또는 단계를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 "일 실시예"라 지칭하는 것은 기재된 특징을 또한 내포하는 추가적인 실시예의 존재를 배제하는 것으로서 해석되는 것을 의도하지는 않는다.
에어호일 내에 냉각 홀을 형성하는 시스템 및 방법의 예시적인 실시예는 앞에서 상세하게 기술되어 있다. 예시된 시스템 및 방법은 본 명세서에서 기술된 특정의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 시스템의 구성요소는 본 명세서세 기술된 다른 구성요소로부터 분리되어 독립적으로 이용될 수도 있다. 또한, 본 방법에서 기술된 단계는 본 명세서에 기술된 다른 단계로부터 분리되어 독립적으로 이용될 수도 있다.
본 발명은 각종 특정의 실시예의 관점에서 기술되었으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 청구 범위의 정신 및 범위 내에서의 수정에 의해 실시될 수 있음을 인지할 것이다.
도 1은 예시적인 전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM) 전극을 도시하는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 전극의 도면으로서, 터빈 에어호일(airfoil) 내에서 냉각 홀을 형성하도록 사용되는 것을 도시하는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 에어호일의 횡단면도로서, 이를 통해 형성된 냉각 홀을 포함하는 것으로 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : ECM 전극 102 : 제 1 단부
104 : 제 2 단부 106 : 절연물
108 : 제 1 측면 110 : 제 2 측면
112 : 절연되지 않은 부분 116 : 팁
200 : 냉각 홀 202 : 에어호일
204 : 외부 표면 206 : 내부 표면
208 : 흡입구 210 : 배출구
212 : 스타터 홀 214 : 횡단면 영역
216 : 화살표 218 : 부분
220 : 전류 222 : 부분
226 : 횡단면 영역

Claims (20)

  1. 객체 내에 홀(hole)을 형성하는 방법으로서,
    상기 객체 내에 스타터 홀(a starter hole)을 형성하는 단계와,
    전기 화학적 가공(electrochemical machining : ECM) 전극 둘레의 미리 정해진 일부분 상에 형성된 절연물을 포함하는 상기 전극을 제공하는 단계와,
    제 1 원형 횡단면(first circular cross-sectional area)을 갖는 흡입구(an inlet) 및 제 2 타원형 횡단면(second elliptical cross-sectional area)을 갖는 배출구(an outlet)를 가지는 홀을 객체 내에 형성하도록 상기 스타터 홀 내에 상기 전극을 삽입하는 단계를 포함하는
    방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 객체 내에 스타터 홀을 형성하는 단계는 전기 화학적 가공 전극, 전기 방전 가공 전극 및 레이저 중 적어도 하나에 의해 상기 스타터 홀을 드릴링하는(drilling) 단계를 더 포함하는
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연물은 상기 전극 둘레의 제 1 부분 및 제 2 부분 상에서만 상기 전극의 길이 방향으로 연장하고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분과 직경 방향으로 대향하도록 위치하는
    방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스타터 홀로부터 물질의 제거를 가능하게 하도록 상기 전극을 통해 전해질 유동체를 순환시키는(circulating) 단계를 더 포함하는
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스타터 홀 내에 상기 전극을 삽입하는 단계는 터빈 엔진 구성요소 내에 냉각 홀(a cooling hole)을 형성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  8. 전기 화학적 가공(ECM) 장치로서,
    전극과,
    상기 전극 둘레의 미리 정해진 일부분 상에 형성된 절연물을 포함하며,
    상기 절연물은 상기 전극이 제 1 원형 횡단면을 갖는 흡입구 및 제 2 타원형 횡단면을 갖는 배출구를 갖는 홀을 형성하도록 배향되는
    ECM 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극은 객체의 외부 표면 상에 상기 홀 배출구를 형성하고, 상기 객체의 내부 표면 상에 상기 홀 흡입구를 형성하도록 구성되고, 상기 내부 표면은 상기 외부 표면에 대향하는
    ECM 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연물은 상기 전극 둘레의 제 1 부분 및 제 2 부분 상에서만 상기 전극의 길이 방향으로 연장하고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분과 직경 방향으로 대향하도록 위치하는
    ECM 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 홀로부터 물질의 제거를 가능하게 하도록 전해질 유동체를 순환시키는
    ECM 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극은 터빈 엔진 구성요소 내에 냉각 홀을 형성하도록 구성되는
    ECM 장치.
  15. 터빈 엔진 구성요소 내에서 홀을 가공하는 시스템으로서,
    제 8 항 및 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 전기 화학적 가공(ECM) 장치를 포함하는
    시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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