KR102570812B1

KR102570812B1 - 적응형 개방 냉각 통로

Info

Publication number: KR102570812B1
Application number: KR1020180061751A
Authority: KR
Inventors: 벤자민 파울 래시; 브리안 피터 아르네스; 빅터 존 모르간; 스테판 윌리엄 테시
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2023-08-24
Also published as: JP2019011753A; CN108979731A; JP7199160B2; CN108979731B; US10704399B2; EP3409891B1; US20180347378A1; EP3409891A1; KR20180131463A

Abstract

산업용 기계의 고온 기체 경로 구성요소(52, 100, 300)가, 냉각 통로(170, 200, 214, 400, 414)를 구비한다. 구성요소는, 외측 표면(180)을 구비하는 몸체(112); 외측 표면(180) 위의 열 차폐 코팅(TBC)(102)으로서, TBC는 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출되는 것인, 열 차폐 코팅(TBC)(102); 및, 냉각 매체(88, 190)를 운반하는 몸체(112) 내의 내부 냉각 회로(86, 160)를 구비한다. 냉각 통로(170, 200, 214, 400, 414)는, 몸체(112) 내에 있으며, 그리고 내부 냉각 회로(86, 160)와 유체 소통 상태에 놓인다. 냉각 통로(170, 200, 214, 400, 414)는, 몸체(112) 내의 종결 단부(210, 410) 및, 외측 표면(180)을 따라 연장되며 그리고 제1 간격만큼 외측 표면(180)으로부터 내부로 이격되는, 길이부(212, 412)를 구비한다. 냉각 통로(170, 200, 214, 400, 414) 위의 개소(224, 240, 424)에서 발생하는 TBC 내의 파열(222, 222A, 222B) 및 몸체(112)의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 냉각 통로(170, 200, 214, 400, 414)는, 개소(224, 240, 424)에서, 그를 통한 냉각 매체(88, 190)의 유동을 허용하기 위해, 제1 간격을 관통하여 개방된다.

Description

적응형 개방 냉각 통로{ADAPTIVELY OPENING COOLING PATHWAY}

본 개시는 개괄적으로, 구성요소들의 냉각에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 고온 기체 경로 구성요소의 외측 표면 근처의 그리고 열 차폐 코팅 내부의 냉각 통로에 관한 것이다.

높은 온도의 작동 유체에 노출되는 고온 기체 경로 구성요소들이, 산업용 기계들에서 널리 사용된다. 예를 들어, 가스 터빈 시스템이, 지지하는 로터 디스크로부터 외향으로 연장되는 블레이드들을 갖는 다수의 스테이지를 구비하는, 터빈을 포함한다. 각 블레이드는, 고온 연소 가스가 그 위로 유동하는, 에어포일(airfoil)을 포함한다. 에어포일은, 연소 가스에 의해 생성되는 높은 온도를 견디기 위해 냉각되어야만 한다. 불충분한 냉각은, 에어포일 상에 바람직하지 않은 응력 및 산화를 초래할 수 있으며 그리고 피로 및/또는 손상으로 이어질 수 있을 것이다. 에어포일은 그에 따라 일반적으로, 다수의 냉각 구멍 및 이와 유사한 것으로 이어지는 하나 이상의 내부 냉각 유동 회로를 갖는, 중공형이다. 냉각 공기가, 에어포일의 외측 표면에 대한 막 냉각(film cooling)을 제공하기 위해, 냉각 구멍들을 통해 방출된다. 이러한 유형의 고온 기체 경로 구성요소들 및 다른 유형의 터빈 구성요소들이, 유사한 방식으로 냉각될 수 있을 것이다.

비록 많은 모델들 및 시뮬레이션들이, 주어진 구성요소가 현장에서 작동 상태에 놓이기 이전에, 실행될 수 있지만, 구성요소 또는 구성요소의 임의의 영역이 도달할 수 있는 정확한 온도는, 구성요소 특정 고온 및 저온 개소들로 인해, 크게 변화다. 구체적으로, 구성요소는, 과열에 의해 불리하게 영향을 받을 수 있는, 온도 의존 특성들을 가질 수 있을 것이다. 그 결과, 많은 고온 기체 경로 구성요소들이, 구성요소들 상에서 발달할 수 있는 국부적인 열점들(localized hot spots)에 대해 보상하기 위해 과냉각될 수 있을 것이다. 그러한 과도한 과냉각은, 그러나, 전체 산업용 기계 출력 및 효율에 관해 부정적인 영향을 가질 수 있을 것이다.

냉각 통로들의 존재에도 불구하고, 많은 구성요소들이 또한, 구성요소를 보호하기 위해 자체의 외측 표면에 도포되는 열 차폐 코팅(thermal barrier coating: 이하, TBC)에 의존한다. 파열(spall)로 지칭되는, 파단 또는 균열이, 고온 기체 경로 구성요소의 TBC 내에 발생하는 경우, 파열부에서의 구성요소의 국부적 온도는, 유해한 온도로 상승할 수 있을 것이다. 이러한 상황은, 내부 냉각 회로들이 파열부의 개소에서 구성요소 내에 존재하는 경우에도, 일어날 수 있을 것이다. TBC 파열을 해결하는 것에 대한 하나의 접근법이, TBC 아래의 냉각 구멍 내에 마개를 제공하는 것이다. 파열이 발생할 때, 마개는 전형적으로, 마개를 용융시키기에 충분한 열에 대한 노출을 통해, 제거되고, 냉각 구멍은, 개방되며, 그리고 냉각 매체는, 냉각 구멍에 유동적으로 연결되는 내부 냉각 회로로부터 유동할 수 있다. 마개는, 자체의 제거를 지원하기 위해 다공형일 수 있을 것이다. 이러한 프로세스는 과냉각을 감소시킨다. 그러나, 마개를 생성하기 위한 재료들에 대한 정밀한 기계 가공 및/또는 정밀한 열적 또는 화학적 처리를 요구하는, 마개의 형성은, 복잡하다.

미국 특허출원공개공보 US2009/0074576호

본 개시의 제1 양태가, 산업용 기계의 고온 가스 경로 내에서의 사용을 위한 구성요소로서, 구성요소는, 외측 표면을 구비하는 몸체; 상기 외측 표면 위의 열 차폐 코팅으로서, 열 차폐 코팅은 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출되는 것인, 열 차폐 코팅; 냉각 매체를 운반하는 상기 몸체 내의 내부 냉각 회로; 및 상기 몸체 내에 있으며 그리고 상기 내부 냉각 회로와 유체 소통 상태에 놓이는 냉각 통로로서, 상기 냉각 통로는, 상기 몸체 내의 종결 단부 및, 상기 외측 표면을 따라 연장되며 그리고 제1 간격만큼 상기 외측 표면으로부터 내부로 이격되는, 길이부를 구비하는 것인, 냉각 통로를 포함하고, 상기 냉각 통로 위의 개소에서 발생하는 상기 열 차폐 코팅 내의 파열 및 상기 몸체의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 상기 냉각 통로는, 그를 통한 냉각 매체의 유동을 허용하기 위해, 상기 개소에서, 상기 제1 간격을 관통하도록 개방되는 것인, 구성요소를 제공한다.

본 개시의 제2 양태가, 산업용 기계의 고온 가스 경로 내에서의 사용을 위한 구성요소로서, 구성요소는, 외측 표면을 구비하는 몸체; 상기 외측 표면 위의 열 차폐 코팅으로서, 열 차폐 코팅은 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출되는 것인, 열 차폐 코팅; 냉각 매체를 운반하는 상기 몸체 내의 내부 냉각 회로; 및 상기 몸체 내에 있으며 그리고 상기 내부 냉각 회로와 유체 소통 상태에 놓이는 냉각 통로로서, 상기 냉각 통로는, 상기 몸체 내의 종결 단부 및, 상기 외측 표면을 따라 연장되며 그리고 제1 간격만큼 상기 외측 표면으로부터 내부로 이격되는, 길이부를 구비하고, 상기 종결 단부는, 상기 제1 간격보다 작은 제2 간격만큼 상기 외측 표면으로부터 내부로 이격되는 것인, 냉각 통로를 포함하고, 상기 종결 단부 위의 개소에서 발생하는 상기 열 차폐 코팅 내의 파열 및 상기 몸체의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 상기 냉각 통로는, 그를 통한 냉각 매체의 유동을 허용하기 위해, 상기 종결 단부 위의 상기 개소에서 그리고 상기 제2 간격을 관통하여 개방되는 것인, 구성요소를 제공한다.

본 개시의 제3 양태가, 산업용 기계의 고온 가스 경로 내에서의 사용을 위한 구성요소로서, 구성요소는, 외측 표면을 구비하는 몸체; 냉각 매체를 운반하는 상기 몸체 내의 내부 냉각 회로; 및 상기 몸체 내에 있으며 그리고 상기 내부 냉각 회로와 유체 소통 상태에 놓이는 냉각 통로로서, 상기 냉각 통로는, 상기 몸체 내의 종결 단부 및, 상기 외측 표면을 관통하는 외측 연장 개구를 구비하는 것인, 냉각 통로; 및 상기 외측 표면 위에 놓이며 그리고 상기 냉각 통로의 상기 외측 연장 개구를 폐쇄하는 열 차폐 코팅으로서, 열 차폐 코팅은 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출되는 것인, 열 차폐 코팅을 포함하고, 상기 냉각 통로의 외측 연장 개구 위의 개소에서 발생하는 상기 열 차폐 코팅 내의 파열에 응답하여, 상기 냉각 통로의 외측 연장 개구는, 상기 개소에서 그를 통한 냉각 매체의 유동을 허용하는 것인, 구성요소를 제공한다.

본 개시의 예시적 양태들은, 본 명세서에 설명되는 문제점들 및/또는 논의되지 않은 다른 문제점들을 해소하도록 설계된다.

본 개시의 이러한 및 다른 특징들이, 본 개시의 다양한 실시예들을 도시하는 첨부 도면들과 함께 취해지는 본 개시의 여러 양태들에 대한 뒤따르는 상세한 설명으로부터 더욱 쉽게 이해될 것이다:
도 1은, 가스 터빈 시스템의 형태의, 고온 기체 경로 구성요소를 구비하는 예시적인 산업용 기계에 대한 개략도이다.
도 2는, 터빈 블레이드의 형태의, 공지의 고온 기체 경로 구성요소에 대한 사시도이다.
도 3은, 자체 상에 열 차폐 코팅(TBC)을 갖지 않는 본 개시의 실시예에 따른 고온 기체 경로(hot gas path: HGP) 구성요소의 일부분에 대한 사시도이다.
도 4는, 본 개시의 실시예에 따른 열 차폐 코팅을 구비하는 도 3의 HGP 구성요소의 일부분에 대한 사시도이다.
도 5는, 본 개시의 실시예에 따른 냉각 통로를 구비하는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 단면도이다.
도 6은, 본 개시의 실시예에 따른 냉각 통로 위의 파열부를 구비하는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 단면도이다.
도 7은, 본 개시의 실시예에 따른 냉각 통로 및 개방 촉진 표면을 갖는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 8은, 본 개시의 다른 실시예에 따른 냉각 통로 및 개방 촉진 표면을 갖는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 9는, 본 개시의 실시예에 따른 냉각 통로를 구비하는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 단면도이다.
도 10은, 본 개시의 실시예에 따른 도 9의 냉각 통로 위의 복수의 파열부를 구비하는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 단면도이다.
도 11은, 본 개시의 다른 실시예에 따른 냉각 통로를 구비하는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 종방향 단면도이다.
도 12는, 본 개시의 다른 실시예에 따른 냉각 통로 위의 파열부를 구비하는 도 11의 HGP 구성요소의 일부분에 대한 횡방향 단면도이다.
도 13은, 본 개시의 실시예에 따른 외측 연장 개구를 갖는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 14는, 본 개시의 다른 실시예에 따른 외측 연장 개구를 갖는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 15는, 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 외측 연장 개구를 갖는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 16은, 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 HGP 구성요소를 나타내는 코드를 저장하는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 부가적 제조 프로세스에 대한 블록도이다.
본 개시의 도면들은 축적에 맞지 않는다는 것을 알아야 한다. 도면들은 단지 본 개시의 전형적인 양태들을 묘사할 의도이며, 그리고 그에 따라 본 개시의 범위를 제한하는 것으로서 고려되어서는 안 된다. 도면에서, 동일한 참조 부호가 도면들 사이에서 동일한 요소들을 지시한다.

최초의 문제로서, 본 개시를 명백하게 설명하기 위해, 가스 터빈 시스템과 같은 산업용 기계 내부의 관련 기계 구성요소들을 지칭하고 설명할 때, 특정 전문용어를 선택하는 것이 필요하게 될 것이다. 이를 행할 때, 가능하다면, 통상적인 산업적 전문용어가, 자체의 허용되는 의미와 일치하는 방식으로 사용되고 채택될 것이다. 달리 진술되지 않는 한, 그러한 용어는, 본 출원의 문맥 및 첨부 청구항들의 범위와 일치하는 폭 넓은 해석을 제공받아야 한다. 당업자는, 특정 구성요소가 흔히 여러 상이한 또는 중첩되는 용어들을 사용하여 지칭될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 단일 부분인 것으로 여기에서 설명될 수 있는 것은, 다른 문맥에서, 복수의 구성요소를 포함하고, 복수의 구성요소로 이루어지는 것으로서 언급될 수 있다. 대안적으로, 복수의 구성요소를 포함하는 것으로서 여기에서 설명되는 것은, 단일 부분으로서 다른 곳에서 언급될 수 있을 것이다.

부가적으로, 여러 서술적인 용어들이, 본 명세서에서 규칙적으로 사용될 수 있으며, 그리고 이러한 섹션의 시작 부분에서 이러한 용어들을 정의하는 것이 도움이 될 것이다. 이러한 용어들 및 그들의 정의들은, 달리 진술되지 않는 한, 다음과 같다. 용어 "반경 방향"은, 축에 수직인 이동 또는 위치를 지칭한다. 이와 같은 경우에, 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축에 더 가깝게 놓이는 경우, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 "반경 방향 내향으로" 또는 "안쪽에" 놓이는 것으로 여기에서 진술될 것이다. 다른 한편, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축으로부터 더 멀게 놓이는 경우, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 "반경 방향 외향으로" 또는 "바깥쪽에" 놓이는 것으로 여기에서 진술될 것이다. 그러한 용어들은 터빈의 중심축에 관련하여 적용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

이상에 나타난 바와 같이, 본 개시는, 적응형 개방 냉각 통로를 그 내부에 구비하는, 고온 가스 경로(HGP) 구성요소를 제공한다. 냉각 통로는, 그 위의 열 차폐 코팅(TBC)에서 파열이 발생할 때, 냉각 매체가 그를 통해 통과하는 것을 허용하기 위해 냉각 통로가 개방되도록, 배치된다. 하나의 실시예에서, 파열이 발생하기 이전에, 냉각 통로는, TBC 아래의 HGP 구성요소의 몸체의 외측 표면으로부터 이격된다. 다른 실시예에서, 냉각 통로의 종결 단부가, 종결 단부 위에서 파열이 일어날 때 종결 단부가 개방되도록, 냉각 통로의 나머지 부분보다 외측 표면에 더 가깝게 놓일 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 냉각 통로는 몸체의 외측 표면에 대한 외측 연장 개구를 구비하여, TBC가 연장 개구를 폐쇄하지만, 그 위의 개소에서 파열이 발생하면, 냉각 매체가 그를 통과하는 것을 허용하기 위해 냉각 통로가 개방되도록, 할 수 있을 것이다. 어떤 경우든, 파열의 정도가, 개구의 크기 및 냉각의 양을 결정한다. HGP 구성요소는, 부가적인 제조 또는 통상적인 제조에 의해 이루어질 수 있다.

지금부터, 동일한 참조 부호들이 여러 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 지시하는, 도면들을 참조하면, 도 1은, 가스 터빈 시스템(10)의 형태의, 예시적인 산업용 기계의 개략도를 도시한다. 본 개시가 가스 터빈 시스템(10)에 관해 설명될 것이지만, 본 개시의 교시는 냉각을 요구하는 고온 기체 경로 구성요소를 구비하는 임의의 산업용 기계에 적용 가능하다는 것이, 강조된다. 가스 터빈 시스템(10)은, 압축기(15)를 포함할 수 있을 것이다. 압축기(15)는, 유입 공기(20) 유동을 압축하며, 그리고 압축 공기(20) 유동을 연소기(25)로 운반한다. 연소기(25)는, 압축 공기(20) 유동을 가압 연료(30) 유동과 혼합하며, 그리고 연소 가스(35)의 유동을 생성하기 위해 혼합물을 점화시킨다. 비록 잔지 단일의 연소기(25)만이 도시되지만, 가스 터빈 시스템(10)은, 임의의 개수의 연소기(25)를 포함할 수 있을 것이다. 연소 가스(35)의 유동은 이어서, 터빈(40)으로 운반된다. 연소 가스(35)의 유동은, 기계적 일을 생성하도록 하기 위해, 터빈(40)을 구동한다. 터빈(40)에서 생성되는 기계적 일은, 샤프트(45)를 통해 샤프트(45)를 구동하며, 그리고 전기 발전기 및 이와 유사한 것과 같은 외부 부하(50)를 구동한다.

가스 터빈 시스템(10)은, 천연 가스, 액체 연료들, 다양한 유형의 합성가스들, 및/또는 다른 유형의 연료들 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있을 것이다. 가스 터빈 시스템(10)은, 뉴욕주 스케넥타디의 제네럴 일렉트릭 컴퍼니에 의해 제공되는 다수의 상이한 가스 터빈 엔진 및 이와 유사한 것 중의 임의의 하나일 수 있을 것이다. 가스 터빈 시스템(10)은, 상이한 구성들을 구비할 수 있으며, 그리고 다른 유형의 구성요소들을 사용할 수 있을 것이다. 본 개시의 교시는, 고온 가스 경로를 사용하는 다른 유형의 가스 터빈 시스템들 및/또는 산업용 기계들에 적용될 수 있을 것이다. 복수의 가스 터빈 시스템, 또는 터빈들의 유형들, 및/또는 발전 장비의 유형들 또한, 여기에서 함께 사용될 수 있을 것이다.

도 2는, 터빈(40) 및 이와 유사한 것의 고온 가스 경로(HGP)(56)에서 사용될 수 있는, 터빈 블레이드(55)의 형태의 고온 가스 경로(HGP) 구성요소(52)의 예를 도시한다. 본 개시는, 터빈 블레이드(55)의 형태의 고온 가스 HGP 구성요소(52)에 대해 그리고 더욱 구체적으로 에어포일(60) 또는 그의 벽에 대해 설명될 것이지만, 본 개시의 교시는, 냉각을 요구하는 임의의 HGP 구성요소에 적용 가능하다는 것이, 강조된다. 개괄적으로 설명하면, 터빈 블레이드(55)는, 에어포일(60), 섕크 부분(65) 및, 에어포일(60)과 섕크 부분(65) 사이에 배치되는, 플랫폼(70)을 포함할 수 있을 것이다. 에어포일(60)은 일반적으로, 플랫폼(70)으로부터 반경 방향 외향으로 연장되며, 그리고 리딩 에지(72) 및 트레일링 에지(74)를 구비한다. 에어포일(60)은 또한, 압력 측부(76)를 한정하는 오목 표면 및 흡입 측부(78)를 한정하는 반대편 볼록 측부를 구비할 수 있을 것이다. 플랫폼(70)은, 실질적으로 수평형 그리고 평면형일 수 있을 것이다. 섕크 부분(65)은, 플랫폼(70)이 대략 에어포일(60)과 섕크 부분(65) 사이에 인터페이스를 한정하도록, 플랫폼(70)으로부터 반경 방향 하방으로 연장될 수 있을 것이다. 섕크 부분(65)은, 섕크 캐비티(80)를 포함할 수 있을 것이다. 섕크 부분(65)은 또한, 하나 이상의 천사 날개(82) 및, 도브테일부 및 이와 유사한 것과 같은, 뿌리 구조물(84)을 포함할 수 있을 것이다. 뿌리 구조물(84)은, 다른 구조물과 함께, 터빈 블레이드(55)를 샤프트(45)(도 1)에 고정하도록 구성될 수 있을 것이다. 임의의 개수의 터빈 블레이드(55)가, 샤프트(45)를 중심으로 원주 방향으로 배열될 수 있을 것이다. 다른 구성요소들 및/또는 구성들이 또한 여기에 사용될 수 있을 것이다.

터빈 블레이드(55)는, 압축기(15)(도 1)로부터 또는 다른 공급원으로부터 공기와 같은 냉각 매체(88)를 유동시키기 위해 자체를 통해 연장되는, 하나 이상의 냉각 회로(86)를 구비할 수 있을 것이다. 증기 또는 다른 유형의 냉각 매체들(88)이 또한, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 냉각 회로들(86) 및 냉각 매체(88)는 적어도, 에어포일(60), 섕크 부분(65), 및 플랫폼(70)의 부분들을 통해, 임의의 순서, 방향, 또는 경로로, 순환할 수 있을 것이다. 많은 상이한 유형의 냉각 회로들 및 냉각 매체들이, 임의의 지향으로 여기에 사용될 수 있을 것이다. 냉각 회로들(86)은, 에어포일(60) 또는 그 밖의 곳에 대한 막 냉각(film cooling)을 위해, 다수의 냉각 구멍(90) 또는 다른 유형의 냉각 통로로 이어질 수 있을 것이다. 다른 유형의 냉각 방법들이 사용될 수 있을 것이다. 다른 구성요소들 및/또는 구성들이 또한 여기에 사용될 수 있을 것이다.

도 3 내지 도 5는, 여기에서 설명될 것과 같은, HGP 구성요소(100)의 일부분에 대한 예를 도시한다. 도 3은, 자체 상에 열 차폐 코팅(TBC)(102)을 갖지 않는 HGP 구성요소(100)에 대한 사시도이고, 도 4는 자체 상에 TBC(102)를 갖는 HGP 구성요소(100)에 대한 사시도이며, 그리고 도 5는 TBC(102)를 갖는 HGP 구성요소의 일부분에 대한 단면도이다. 이러한 예에서, HGP 구성요소(100)는, 에어포일(110) 그리고 더욱 구체적으로 그의 측벽일 수 있을 것이다. HGP 구성요소(100)는, 블레이드 또는 베인 및 이와 유사한 것의 일부일 수 있을 것이다. HGP 구성요소(100)는 또한, 생크, 플랫폼, 또는 임의의 유형의 고온 기체 경로 구성요소를 포함하는, 임의의 유형의 공기-냉각 구성요소일 수 있을 것이다. 알려진 바와 같이, 다른 유형의 HGP 구성요소들 및 다른 구성들이, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 이상에 설명된 것과 유사하게, 에어포일(110)은, 리딩 에지(120) 및 트레일링 에지(130)를 구비할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 에어포일(110)은, 압력 측부(140) 및 흡입 측부(150)를 구비할 수 있을 것이다. 에어포일(110)은 또한, 그 내부에 하나 이상의 내부 냉각 회로(160)(도 3 및 도 5)를 구비할 수 있을 것이다. 도 3에 가상선으로 도시되며 그리고 도 5에 단면도로 도시되는 바와 같이, 내부 냉각 회로들(160)은, 다수의 냉각 구멍(175)과 같은, 다수의 냉각 통로(170)로 이어질 수 있을 것이다. 다양한 내부 냉각 회로들(160)이 사용될 수 있으며, 그들 모두가 도시되지는 않는다. 냉각 회로들(160)은, 에어포일(110) 내에서 반경 방향으로 및/또는 축 방향으로 연장될 수 있을 것이다. 냉각 구멍들(175)은, 에어포일(110)의 외측 표면(180) 또는 다른 곳을 관통하여 연장될 수 있을 것이다. 외측 표면(180)은, 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "높은 온도"는, 산업용 기계의 형태에 의존하고, 예를 들어, 가스 터빈 시스템(10)에 대해, 높은 온도는, 100℃ 초과의 임의의 온도일 수 있을 것이다. 내부 냉각 회로들(160) 및 냉각 구멍들(175)은, 그 내부의 냉각 매체(190)(도 5)로, 에어포일(110) 및 그의 구성요소들을 냉각하는 역할을 한다. 임의의 공급원으로부터의, 공기, 증기, 및 이와 유사한 것과 같은, 임의의 유형의 냉각 매체(190)가, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 냉각 구멍들(175)은, 임의의 크기, 형상, 또는 구성을 가질 수 있을 것이다. 임의의 개수의 냉각 구멍(175)이, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 냉각 구멍들(175)은, 직교 또는 비-직교 방식으로 외측 표면(180)으로 연장될 수 있을 것이다. 다른 유형의 냉각 통로들(170)이, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 다른 구성요소들 및/또는 구성들이, 여기에 사용될 수 있을 것이다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, HGP 구성요소(100), 예를 들어, 에어포일(110)은 또한, 본 개시의 실시예에 따른 다수의 다른 적응형 개방 냉각 통로들(200)(이하 "냉각 통로(200)")을 구비할 수 있을 것이다. 더욱 구체적으로, HGP 구성요소(100)는, 몸체(112), 예를 들어 외측 표면(180)을 포함하는 에어포일(110)의 측벽을 구비할 수 있을 것이다. 냉각 매체(190)를 운반하는, 내부 냉각 회로(160)는, 몸체(112) 내에 놓일 수 있을 것이다. 냉각 통로들(200)은, 임의의 크기, 형상(예를 들어, 원형, 라운드형, 다각형, 등), 또는 구성을 가질 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 냉각 통로들(200)은, 대략 0.25 밀리미터(mm) 내지 2.5 mm, 그리고 명목상으로, 대략 0.76 mm 내지 1.27 mm의 치수를 가질 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 냉각 통로(200)는, 원형 단면을 갖는다. 임의의 개수의 냉각 통로(200)가, 여기에 사용될 수 있으며, 그리고 이들은, 임의의 방향으로 연장될 수 있고, HGP 구성요소(100) 내부에서 임의의 지향을 갖는다. 도 5에 최상으로 도시된 바와 같이, 냉각 통로들(200)은, 냉각 구멍들(175)과 유사한 방식으로, 외측 표면(180)을 향해 연장되지 않는 대신, 외측 표면(180)으로부터 제1 간격(D1)을 두고 배치된다. 하나의 실시예에서, 제1 간격(D1)은, 대략 0.12 mm 내지 1.27 mm, 그리고 명목상으로, 대략 0.51 mm 내지 0.76 mm일 수 있을 것이다. 더욱 구체적으로, 냉각 통로(200)는, 몸체(112) 내의 종결 단부(210) 및, 외측 표면(180)을 따라 연장되며 그리고 제1 간격(D1)만큼 외측 표면(180)으로부터 내부로 이격되는, 길이부(212)를 구비할 수 있을 것이다. 부가적인 연결 냉각 통로(214)가 또한, 냉각 통로(200), 즉 길이부(212)를, 내부 냉각 회로(160)에 유동적으로 연결할 수 있지만, 이는, 내부 냉각 회로(160)(예를 들어, 도 10 참조)의 위치에 의존하여 필요하지 않을 수 있을 것이다. 냉각 통로들(200)은, 형성될 때, 외측 표면(180)을 관통하여 개방되지 않는다. 그에 따라, 냉각 통로들(200)은, 외측 표면(180)으로 영구적으로 개방되는, 냉각 통로들(170) 및 냉각 구멍들(175)과 구분 가능하다. 길이부(212)는, 요구되는 임의의 거리일 수 있다.

하나의 실시예에서, 제1 간격(D1)은, 냉각 통로(200)가 외측 표면(180)을 따라 평행하게 그리고 외측 표면(180)으로부터 내부적으로 연장되도록, 길이부(212)를 따라 실질적으로 일정하다. 다른 실시예에서, 제1 간격(D1)에 대한 약간의 변동이, 이에 국한되는 것은 아니지만, 외측 표면(180)의 변화된 형상, 외측 표면(180)의 표면 거칠기, 몸체(112)를 통해 진행함에 따른 냉각 통로(200)의 변화와 같은, 구조적 변동들을 수용하기 위해 가능할 수 있을 것이다. 제1 간격(D1)은 그에 따라, 여기에서 설명될 것으로서, 파열(222)이 발생할 때, 개소(224)에서의 몸체(112)의 개방을 허용하기에 충분하도록 얇은 한, 변할 수 있다.

냉각 통로들(200)은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 그 위에 열 차폐 코팅(TBC)(102)을 구비할 수 있을 것이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각 구멍들(175)(도 3)과 대조적으로, TBC(102)는, 냉각 통로들(200)을 커버하기 위해 HGP 구성요소(100)의 적어도 일부분에서, 외측 표면(180) 위에 배치된다. TBC(102)는, 외측 표면(180)위에서 연장되며, 그리고 앞서 언급된 바와 같이, 높은 온도를 갖는 작동 유체를 구비하는 HGP(56)에 노출된다. TBC(102)는, 외측 표면(180)을 열적 손상(예를 들어, 크리프, 열적 피로 균열 및/또는 산화)으로부터 보호하도록 구성되는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 백금 알루미나이드와 같은 귀금속-알루미나이드, M이 코발트, 니켈 또는 코발트-니켈 합금일 수 있는 MCrAlY 합금과 같은, 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 재료들의 층들을 포함할 수 있을 것이다. TBC(102)는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 열 차폐 층 아래의 접합 코팅과 같은, 복수의 층을 포함할 수 있을 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 통로(200) 위의 개소(224)에서 발생하는 TBC(102) 내의 파열(222) 및 몸체(112)의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 냉각 통로(200)는, 그를 통한 냉각 매체(190)의 유동을 허용하기 위해, 개소(224)에서, 제1 간격(D1)을 관통하도록 개방된다. 파열(222)은, 이전에 존재하지 않는 HGP(56)로부터 외측 표면(180)으로의 열적 경로를, 예를 들어, 파단 또는 균열, 또는 변위를 생성하는, TBC(102) 내의 임의의 변화를 포함할 수 있을 것이다. 파열부 크기가 넓게 변할 수 있지만, 하나의 예에서, 파열부(222)는, 대략 2.54 mm 내지 25.4 mm, 그리고 명목상으로, 대략 0.64 mm의 치수를 가질 수 있을 것이다. 파열(222)이 발생할 때, 파열(222)이 발생하기 이전에 외측 표면(180)이 TBC(102)에 의해 보호되었던 곳에서, 외측 표면(180)은 일반적으로, HGP(56)의 높은 온도 및 다른 극단적인 환경에 노출될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "몸체(112)의 사전 결정된 온도"는, 몸체(112)가, 개구(226)를 생성하기 위한 자체의 제거를 허용하도록 하는 방식으로, 상태를 변경할, 온도이다. 많은 경우에, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 간격(D1)(도 5)을 갖는 몸체(112)의 단지 HGP(56) 환경에 대한 노출은, 예를 들어, 자체의 산화, 승화, 회분화, 또는 용융을 통한, 몸체(112)의 제거에 충분한, 사전 결정된 온도를 제공할 것이다. 말하자면, HGP(56)의 높은 온도는, 개소(224)에서 냉각 통로(200)에 대한 개구(226)를 생성하도록, 개소(224)에서, 제1 간격(D1)의 퇴화 또는 제거를 야기한다. 파열(222)이 발생한 이후에, 냉각 매체(190)는, 개구(226)를 통해 외측 표면(180)으로 통과한다. 말하자면, 내부 냉각 회로들(160)이 냉각 통로들(200)에 유동적으로 연결되기 때문에, 냉각 매체(190)는, 개구(226)를 통과하며 그리고, 파열(222)에도 불구하고, 에어포일(110) 및 몸체(112) 그리고 그들의 구성요소들을 냉각하는 역할을 한다. 언급된 바와 같이, 임의의 공급원으로부터의, 공기, 증기, 및 이와 유사한 것과 같은, 임의의 유형의 냉각 매체(190)가, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 개소(224)는, 냉각 통로(200)의 길이부(212)를 따라 어느 곳에나 존재할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 파열부(222)의 정확한 위치 설정이 정확하게 예측될 수 없는 경우에도, 냉각 통로(200)는, 길이부(212)에 걸쳐 적절한 냉각을 제공할 수 있다. 부가적으로, 파열(222)의 정도가, 냉각 통로(200)의 개구(226)의 크기를 결정하며, 이는 자동으로, 더 큰 파열부들(222)(더 큰 개구들(226))을 위해 증가된 냉각을 그리고 더 작은 파열부들(222)(더 작은 개구들(226))을 위해 더 적은 냉각을 제공한다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 개방 촉진 표면(228)이, 냉각 통로(200)의 길이부(212)의 적어도 일부분에 걸친 구역에서, 외측 표면(180)에 제공될 수 있을 것이다. 개방 촉진 표면(228)은, 개구(226)를 생성할 가능성 또는 속도를 증가시킬 수 있는 임의의 구조를 구비할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 개방 촉진 표면(228)은, 열전달 향상 표면(230)을 포함할 수 있을 것이다. 열전달 향상 표면(230)은, HGP 구성요소(100) 내로 형성되고, 즉, HGP 구성요소(100)에 본래 존재하는 것이며, 파열(222)에 의한 노출을 통해 존재하게 되지 않는다. 열전달 향상 표면(230)은, 개소(224)에서, HGP(56)로부터 몸체(112)로의 열전달을 증가시키는, 임의의 형태를 취할 수 있을 것이다. 예를 들어, 열전달 향상 표면(230)은, 외측 표면(180)보다 덜 부드러운, 즉 외측 표면(180)보다 더 높은 표면 거칠기를 갖는, 임의의 표면을 포함할 수 있을 것이다. 표면(230)은, 임의의 방식으로, 예를 들어 통상적인 제조 또는 부가적인 제조 도중에(예를 들어, 후자의 경우, 외측 표면(180)보다 더 거친 표면을 생성하는 형성 파라미터들을 사용함에 의해), 생성될 수 있을 것이다. 도시되지 않은, 다른 실시예에서, 열전달 향상 표면(230)은, 부풀어 오른 표면, 딤플 형성된 표면, 또는 줄무늬 형성된 표면을 포함할 수 있을 것이다. 임의의 이러한 실시예들의 조합들이 또한, 사용될 수 있을 것이다. 외측 표면(180)과 상이한 다른 열전달 향상 표면들이 또한, 가능할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 개방 촉진 표면(228)이, 이에 국한되는 것은 아니지만, 홈들, 노치들, 다공부(porousness) 등과 같은, 몸체(112) 내의 재료적 약화부(232)를 포함할 수 있을 것이다. 비록 외측 표면(180) 상에 도시되지만, 재료적 약화부(234)가 또한, 내부적으로, 즉 냉각 통로(200) 내의 몸체(112)의 내측 표면 상에, 제공될 수 있을 것이다.

도 9를 참조하면, 하나의 실시예에서, 종결 단부(210)는, 냉각 통로(200)의 나머지 부분의 제1 간격(D1)보다 적은 제2 간격(D2)만큼, 외측 표면(180)으로부터 내부로 이격될 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 제2 간격(D2)은, 대략 0.12 mm 내지 0.76 mm, 그리고 명목상으로, 대략 0.25 mm 내지 0.51 mm일 수 있을 것이다. 이 경우, 종결 단부(210)는, 냉각 통로(200)의 길이부(212)보다 외측 표면(180)에 더 가깝게 놓인다. 이때, 종결 단부(210) 위의 개소(240)에서 발생하는 TBC(102) 내의 파열(222)(가상선) 및 몸체(112)의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 냉각 통로(200)는, 그를 통한 냉각 매체(190)의 유동을 허용하기 위해, 종결 단부(210) 위의 개소(240)에서 그리고 제2 간격(D2)을 관통하도록, 개방된다. 이러한 방식으로, 종결 단부(210) 위(바로 위 또는 근처)에 파열(222)이 발생하면, 개구(226)(가상선)가 종결 단부(210)에서 개방될 것이고, 따라서, 냉각이, 냉각 매체(190)가 개구(226)를 빠져 나가기 이전에 그를 따라 통과함에 따라, 길이부(212)를 따라 지속된다. 이상에 설명된 대안적 실시예들 중의 임의의 것이, 도 9의 실시예와 함께 사용될 수 있을 것이다.

도 10은, 어떻게 파열(222A)이, 종결 단부(210)에서 제2 간격(D2)을 관통하여 개구(226A)를 생성할 수 있는지, 및 다른 파열(222B)이, 제1 간격(D1)을 관통하여 개구(226B)를 생성할 수 있는지를 도시한다. 말하자면, 하나 이상의 개구가, 냉각 통로(200)로부터의 수많은 냉각 옵션들을 생성하도록, 다수의 파열(222)에 의해 생성될 수 있을 것이다.

도 11 내지 도 15는, 본 개시의 실시예에 따른 적응형 개방 냉각 통로(400)(이하, "냉각 통로(400)")의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, HGP 구성요소(300), 예를 들어, 에어포일(110)은 또한, 본 개시의 실시예에 따른, 다수의 냉각 통로(400)를 구비할 수 있을 것이다. 더욱 구체적으로, HGP 구성요소(300)는, 몸체(112), 예를 들어 외측 표면(180)을 포함하는 에어포일(110)의 측벽을 구비할 수 있을 것이다. 냉각 매체(190)를 운반하는, 내부 냉각 회로(160)는, 몸체(112) 내에 놓일 수 있을 것이다. 임의의 개수의 냉각 통로(400)가, 여기에 사용될 수 있으며, 그리고 이들은, 임의의 방향으로 연장될 수 있고, HGP 구성요소(300) 내부에서 임의의 지향을 갖는다. 도 11에 최상으로 도시된 바와 같이, 냉각 통로들(400)은, 냉각 구멍들(175)(도 3)과 유사한 방식으로, 외측 표면(180)을 향해 연장되지 않는다. 더욱 구체적으로, 냉각 통로(400)는, 몸체(112) 내의 종결 단부(410) 및 길이부(412)를 구비할 수 있을 것이다. 부가적인 연결 냉각 통로(414)가 또한, 냉각 통로(400), 즉 길이부(412)를, 내부 냉각 회로(160)에 유동적으로 연결할 수 있지만, 이는, 내부 냉각 회로(160)(도 10과 유사)의 위치에 의존하여 필요하지 않을 수 있을 것이다.

도 11 및 도 12는, 그 위에 TBC(102)를 갖는 냉각 통로(400)를 도시하며, 그리고 도 13 내지 도 15는, 그 위에 TBC(102)를 갖지 않는 외측 연장 개구(420)의 여라 실시예들을 도시한다. 도 11은, 종방향 단면도를 도시하며, 그리고 도 12 내지 도 15는, 횡방향 단면도들을 도시한다. 냉각 통로들(200)(도 5 내지 도 10)과 대조적으로, 그리고 도 12 내지 도 15에 최상으로 도시된 바와 같이, 냉각 통로들(400)은, 외측 연장 개구(420)를 포함한다. 외측 연장 개구(420)는, 냉각 매체(190)가 자체를 통과하는 것을 허용하기 위해 외측 표면(180)을 통해 개방되도록 구성되지만, TBC(102)에 의해 폐쇄되거나 메워지기에 충분할 정도로 작은, 폭(W)(도 12에만 도시)을 갖는다. 도 11 및 도 12에 최상으로 도시된 바와 같이, TBC(102)는, 외측 표면(180) 위에서 연장되며 그리고 냉각 통로(400)의 외측 연장 개구(420)를 폐쇄한다. TBC(102)는, 도포될 때, TBC(102)가 길이부(412)에 진입하는 것을 방지하거나 또는 TBC(102)가 길이부(412)에 진입하는 정도를 크게 억제하는, 점성을 갖는다. 하나의 실시예에서, 폭(W)은, 대략 2.5 마이크로미터 이하이다. 그러나, 폭(W)은, 도포될 때 TBC(102)의 점성에 기초하여 구성될 수 있을 것이며, 다른 치수들이, 가능할 수 있을 것이다.

TBC(102)는, 높은 온도를 갖는, HGP(56)에, 즉 작동 유체에 노출된다. 외측 연장 개구(420)는, 냉각 통로(400)의 길이부(412)의 전체에 연장될 수 있으며, 또는 냉각 통로(400)는, 특정 길이 이후에 외측 표면(180) 내부에서 후퇴할 수 있을 것이다. 냉각 통로들(400)은, TBC(102)가 냉각 통로들(400)을 폐쇄하기 때문에, 외측 표면(180)에 대해 영구적으로 개방되는 냉각 통로들(170) 및 냉각 구멍들(175)로부터 구분 가능하다. 길이부(412)는, 요구되는 임의의 거리일 수 있다. 냉각 통로들(400)은, 연장 개구(420)가 생성될 수 있도록 하는, 임의의 크기, 형상(예를 들어, 원형, 라운드형, 다각형, 등)을 가질 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 냉각 통로(400)는, 원형 단면을 갖는다. 이 경우에, 냉각 통로들(400)은, 하나의 예에서, 대략 0.51 mm 내지 1.27 mm의, 그리고 명목상으로, 대략 0.76 mm 내지 1.02 mm의 직경을 가질 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 냉각 통로(400)는, 눈물 방울형 단면(도 14) 또는 다각형 단면(도 15)을 가질 수 있을 것이다. 다른 형상들이 또한 가능할 수 있을 것이다.

도 11 및 도 12로 돌아가서, 냉각 통로(400)의 외측 연장 개구(420) 위의 개소(424)에서의 TBC(102) 내에 발생하는 파열(222)에 응답하여, 냉각 통로(400)의 외측 연장 개구(420)는, 그러한 개소에서, 자체를 통한 냉각 매체(190)의 유동을 허용한다. 언급된 바와 같이, 파열(222)은, 이전에 존재하지 않는 HGP(56)로부터 외측 표면(180)으로의 열적 경로를, 예를 들어, 파단 또는 균열, 또는 변위를 생성하는, TBC(102) 내의 임의의 변화를 포함할 수 있을 것이다. 도 5 내지 도 10의 실시예들과 대조적으로, 몸체(112)의 일부분을, 예를 들어 제1 간격(D1)(도 10)을 제거하기 위해 요구되는 시간이 없기 때문에, 외측 연장 개구(420)는, 파열(222)의 발생 즉시 냉각 매체(190)의 유동을 허용하도록 개방된다. 파열(222)이 발생한 이후에, 냉각 매체(190)는, 외측 연장 개구(420)를 통해 외측 표면(180)으로 통과한다. 말하자면, 내부 냉각 회로들(160)이 냉각 통로들(400)에 유동적으로 연결되기 때문에, 냉각 매체(190)는, 외측 연장 개구(420)를 통과하며 그리고, 에어포일(110) 및 몸체(112) 그리고 그들의 구성요소들을 냉각하는 역할을 한다. 언급된 바와 같이, 임의의 공급원으로부터의, 공기, 증기, 및 이와 유사한 것과 같은, 임의의 유형의 냉각 매체(190)가, 여기에 사용될 수 있을 것이다. 개소(424)는, 냉각 통로(400)의 길이부(412)를 따라 어느 곳에나 존재할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 파열부(222)의 정확한 위치 설정이 정확하게 예측될 수 없는 경우에도, 냉각 통로(400)는, 길이부(412)에 걸쳐 적절한 냉각을 제공할 수 있다. 부가적으로, 파열(222)의 정도가, TBC(102)에 커버되지 않는 외측 연장 개구(420)의 크기를 결정하며, 이는 자동으로, 더 큰 파열부들을 위해 증가된 냉각을 그리고 더 작은 파열부들을 위해 더 적은 냉각을 제공한다.

HGP 구성요소(100, 300) 및 냉각 통로(200, 400)는, 통상적인 기술들, 예를 들어, 주조, 기계가공, 등을 사용하여 전체적으로 구성될 수 있을 것이다. 도 16을 참조하면, 본 개시의 실시예에 따라, HGP 구성요소(100, 300) 및 냉각 통로(200, 400)는, 부가적으로 제조될 수 있을 것이다. 부가적 제조는 또한, 여기에 설명되는 구조의 대부분에 대한 용이한 형성을, 즉 매우 복잡한 기계가공 없이, 허용한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 부가적 제조(additive manufacturing: AM)는, 통상적인 프로세스들을 동반하는 경우인 재료의 제거 대신에, 재료의 연속적인 적층을 통해 물체를 생산하는 임의의 프로세스를 포함할 수 있을 것이다. 부가적 제조는, 어떤 종류의 도구들, 몰드들, 또는 고정구들의 사용 없이, 그리고 적은 또는 무 폐기 재료와 더불어, 복잡한 기하형상을 생성할 수 있다. 그의 대부분이 잘려 나가고 폐기되는, 플라스틱 또는 금속의 고체 조각들로부터 구성요소들을 기계가공하는 대신에, 부가적 제조에 사용되는 재료는 단지, 부품을 성형하기 위해 요구되는 것이다. 부가적 제조 프로세스들은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 3D 프린팅, 신속한 프로토타입 형성(RP), 직접적 디지털 제조(DDM), 결합제 분사, 선택적 레이저 용융(SLM) 및 직접적 금속 레이저 용융(DMLM)을 포함할 수 있을 것이다.

부가적 제조 프로세스의 예를 예시하기 위해, 도 16은, 물체(502), 즉 HGP 구성요소(100, 300)를 생성하기 위한, 예시적인 컴퓨터화된 부가적 제조 시스템(500)의 개략도/블록도를 도시한다. 이러한 예에서, 시스템(500)은, 직접적 금속 레이저 용융(DMLM)을 위해 배열된다. 본 개시의 일반적인 교시는, 다른 형태의 부가적 제조에 동등하게 적용 가능하다는 것이, 이해된다. AM 시스템(500)은 일반적으로, 컴퓨터화된 부가적 제조(AM) 제어 시스템(504) 및 AM 프린터(506)를 포함한다. 설명될 것으로서, AM 시스템(500)은, AM 프린터(506)를 사용하여 구성요소를 물리적으로 생성하기 위한, HGP 구성요소(100, 300)(도 5 내지 도 15) 및 냉각 통로들(200, 400)을 한정하는 컴퓨터-실행 가능 명령들의 세트를 포함하는, 코드(520)를 실행한다. 각 AM 프로세스는, 예를 들어, 그의 비축물이 AM 프린터(506)의 챔버(510) 내에 유지될 수 있는, 미세-입자 분말, 액체(예를 들어, 중합체들), 시트들, 등의 형태의, 상이한 원재료들을 사용할 수 있을 것이다. 이 경우, HGP 구성 요소(100, 300)(도 5 내지 도 15)는, 금속 분말 또는 유사한 재료들로 이루어질 수 있을 것이다. 예시된 바와 같이, 도포기(512)가, 최종 물체의 각각의 연속적인 얇은 조각이 그로부터 생성될, 빈 캔버스로서 펼쳐지는 원재료(514)의 얇은 층을 생성 할 수 있을 것이다. 다른 경우에, 도포기(512)는, 예를 들어, 재료가 중합체인 경우 또는 금속 결합제 분사 프로세스가 사용되는 경우, 코드(520)에 의해 한정되는 바와 같이, 이전 층 상에 다음 층을 직접적으로 도포 또는 인쇄할 수 있을 것이다. 도시된 예에서, 레이저 또는 전자 빔(516)이, 코드(520)에 의해 한정되는 바와 같이, 각각의 얇은 조각을 위한 입자들을 융해하지만, 이는, 신속 경화 액체 플라스틱/고분자가 사용되는 경우 필요하기 않을 수 있을 것이다. AM 프린터(506)의 여러 부품들이, 각각의 새로운 층의 부가를 수용하기 위해 이동할 수 있고, 예를 들어, 형성 플랫폼(518)이 낮아질 수 있으며, 및/또는 챔버(510) 및/또는 도포기(512)가 각 층의 형성 이후에 상승할 수 있을 것이다.

AM 제어 시스템(504)은, 컴퓨터 프로그램 코드로서 컴퓨터(530) 상에서 구현되는 것으로 도시된다. 이러한 정도로, 컴퓨터(530)는, 메모리(532), 프로세서(534), 입력/출력(I/O) 인터페이스(536), 및 버스(538)를 포함하는 것으로, 도시된다. 더불어, 컴퓨터(530)는, 외부 I/O 장치/리소스(540) 및 저장 시스템(542)과 통신 상태에 놓이는 것으로 도시된다. 일반적으로, 프로세서(534)는, 여기에 설명되는 HGP 구성요소(100, 300)(도 5 내지 도 15)를 나타내는 코드(520)로부터의 명령들 하에서, 메모리(532) 및/또는 저장 시스템(542) 내에 저장되는, AM 제어 시스템(504)과 같은, 컴퓨터 프로그램 코드를 실행한다. 컴퓨터 프로그램 코드를 실행하는 동안에, 프로세서(534)는, 메모리(532), 저장 시스템(542), I/O 장치(540) 및/또는 AM 프린터(506)로의/로부터의 데이터 읽기 및/또는 쓰기가 가능하다. 버스(538)는, 컴퓨터(530) 내의 각각의 구성요소들 사이에 통신 연결을 제공하며, 그리고 I/O 장치(540)는, 사용자가 컴퓨터(530)와 상호작용하는 것을 가능하게 하는 임의의 장치(예를 들어, 키보드, 위치 지정 장치, 디스플레이, 등)를 포함할 수 있다. 컴퓨터(530)는 단지, 하드웨어 및 소프트웨어의 다양한 가능한 조합들을 나타낸다. 예를 들어, 프로세서(534)는, 단일 처리 유닛을 포함할 수 있으며, 또는 하나 이상의 장소의, 예를 들어, 클라이언트 및 서버 상의, 하나 이상의 처리 유닛을 가로질러 분산될 수 있을 것이다. 유사하게, 메모리(532) 및/또는 저장 시스템(542)은, 하나 이상의 물리적 장소에 상주할 수 있을 것이다. 메모리(532) 및/또는 저장 시스템(542)은, 자기적 매체, 광학적 매체, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 등을 포함하는, 다양한 유형의 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 컴퓨터(530)는, 네트워크 서버, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱, 휴대 장치, 이동 전화, 호출기, 개인용 데이터 보조기, 등과 같은, 임의의 유형의 컴퓨터 장치를 포함할 수 있을 것이다.

부가적 제조 프로세스들은, HGP 구성요소(100, 300)(도 5 내지 도 15)를 나타내는 코드(520)를 저장하는, 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(예를 들어, 메모리(532), 저장 시스템(542), 등)와 더불어 시작한다. 언급된 바와 같이, 코드(520)는, 시스템(500)에 의한 코드의 실행 시, 물체를 물리적으로 생성하기 위해 사용될 수 있는, 컴퓨터-실행 가능 명령들의 세트를 포함한다. 예를 들어, 코드(520)는, HGP 구성요소(100, 300)(도 5 내지 도 15)의 정밀하게 한정된 3D 모델을 포함할 수 있으며, 그리고 AutoCAD®, TurboCAD®, DesignCAD 3D Max, 등과 같은, 임의의 매우 다양한 잘 알려진 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어 시스템들 중의 임의의 것으로부터 생성될 수 있다. 이 점에 있어서, 코드(520)는, 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 파일 형식을 취할 수 있다. 예를 들어, 코드(520)는, 예를 들어, 코드(520)는, 3D 시스템들의 광 조형(stereolithography) CAD 프로그램을 위해 생성되었던 표준 테셀레이션 언어(STL) 또는, 임의의 CAD 소프트웨어가 임의의 AM 프린터 상에서 제작될 임의의 3차원 물체의 형상 및 구성을 설명하는 것을 허용하도록 설계되는 확장 가능한 마크업 언어(XML) 기반 형식인, 미국 기계 공학자 협회(ASME) 표준인, 부가적 제조 파일(AMF)로 존재할 수 있을 것이다. 코드(520)는, 상이한 형식들 사이에서 변환되고, 데이터 신호들의 세트로 변환되며, 그리고 데이터 신호들의 세트로서 송신되고, 수신되며, 그리고 필요에 따라, 코드로 변환되고, 저장되거나 할 수 있을 것이다. 코드(520)는, 시스템(500)에 대한 입력일 수 있으며, 그리고 부품 설계자, 지적 재산권(IP) 제공자, 설계 회사, 시스템 (500)의 운영자 또는 소유자, 또는 다른 공급원으로부터 유래할 수 있을 것이다. 어떤 경우든, AM 제어 시스템(504)은, AM 프린터(506)를 사용하여 액체, 분말, 시트 또는 다른 재료의 연속적 층들로 조립되는, 일련의 얇은 조각들로 HGP 구성요소(100, 300)(도 5 내지 도 15)를 분할하도록, 코드(520)를 실행한다. DMLM 예에서, 각 층은, 코드(520)에 의해 한정되는 정확한 기하형상으로 용융되며 그리고 이전의 층에 융합된다.

부가적 제조에 이어서, HGP 구성요소(100, 300)(도 5 내지 도 15)는, 임의의 다양한 마감 프로세스들에, 예를 들어, 사소한 기계가공, 밀봉, 연마, 다른 부품에 대한 조립, 등에, 노출될 수 있을 것이다.

본 개시의 관점에서, 사용되는 제조 기술과 무관하게, TBC(102)는, HGP 구성요소(100)의 외측 표면(180)에 그리고 냉각 통로들(200, 400) 위에 도포될 수 있을 것이다. TBC(102)는, 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 코팅 기술을 사용하여 도포될 수 있을 것이다.

본 개시의 실시예에 따른 HGP 구성요소(100, 300)는, 단지 파열(222)의 영역에서만, 그러한 구역을 냉각시키도록 그리고 아래에 놓이는 금속에 대한 손상을 방지하도록, 개방되어, 명목상 냉각 흐름들을 상당히 감소시킬 수 있는, 냉각 통로(200, 400)를 제공한다. 파열부(222)의 크기는, 생성되는 개구의 크기에, 그리고 그에 따라 냉각의 양에 영향을 미칠 수 있을 것이다.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는, 단지 특정 실시예를 설명할 목적이며 그리고 본 개시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같은, 단수 형태 "부정관사" 및 "정관사"는, 내용이 분명하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은, 본 명세서에 사용될 때, 진술된 특징들, 정수들(integers), 단계들, 작동들, 요소들, 및/또는 구성요소들의 존재를 구체화하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 요소들, 구성요소들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것을 추가로 이해하게 될 것이다. "선택적인" 또는 "선택적으로"는, 후속적으로 설명되는 사건 또는 상황이 일어나거나 일어나지 않을 수 있다는 것을, 그리고 설명이, 사건이 일어나는 경우 및 사건이 일어나지 않는 경우를 포함한다는, 의미한다.

여기에서 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐 사용되는, 근사 언어는, 그에 관련되는 기본적인 기능의 변경을 초래함 없이 변화가 허용될 수 있는, 임의의 양적인 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있을 것이다. 따라서, "약", "대략", 및 "실질적으로"와 같은, 용어 또는 용어들에 의해 수정되는 값이, 구체화되는 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부의 경우에, 근사 언어는, 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 대응할 수 있을 것이다. 여기에서 그리고 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 범위 제한들은, 조합 및/또는 상호 교체될 수 있으며; 그러한 범위들은, 식별되며 그리고, 내용 또는 언어가 달리 지시하지 않는 한, 그 내부에 수용되는 모든 하위 범위들을 포함한다. 범위의 특정 값에 적용되는 바와 같은 "대략"은, 양쪽 모두의 값들에 적용되며 그리고, 달리 값을 측정하는 도구의 정밀도에 의존하지 않는 한, 진술된 값(들)의 +/- 10%를 지시할 수 있을 것이다.

아래의 청구항들에서의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소들의 대응하는 구조물들, 재료들, 작용들, 및 균등물들은, 구체적으로 청구되는 바와 같은 다른 청구된 요소들과 조합으로 기능을 수행하기 위한 임의의 구조물, 재료, 또는 작용을 포함하는 것으로 의도된다. 본 개시의 설명은, 예시 및 설명의 목적으로 제시되었지만, 총망라한 것으로 의도되지 않으며 또는 개시된 형태의 본 개시에 제한되지 않는다. 많은 수정들 및 변형들이, 본 개시의 범위 및 사상으로부터 벗어남 없이 당업자에게 명백할 것이다. 실시예는, 본 개시의 원리 및 실제 적용을 최상으로 설명하기 위해 그리고 다른 당업자들이 예상되는 특정 용도에 적합하게 되는 것과 같은 다양한 수정들을 갖는 다양한 실시예에 대해 본 개시를 이해하는 것을 가능하게 하기 위해, 선택되고 설명되었다.

10: 가스 터빈 시스템 15: 압축기
20: 공기 25: 연소기
30: 연료 35: 연소 가스
40: 터빈 45: 샤프트
50: 외부 부하 52: 고온 가스 경로(HGP) 구성요소
55: 터빈 블레이드 56: 고온 가스 경로(HGP)
60: 에어포일 65: 섕크 부분
70: 플랫폼 72: 에지
74: 에지 76: 압력 측부
78: 흡입 측부 80: 섕크 캐비티
82: 천사 날개들 84: 뿌리 구조
86: 냉각 회로들 88: 냉각 매체
90: 냉각 구멍들 100: HGP 구성요소
102: 열 차폐 코팅(TBC) 110: 에어포일
112: 몸체 120: 에지
130: 에지 140: 압력 측부
150: 흡입 측부 160: 내부 냉각 회로
170: 냉각 통로들 175: 냉각 구멍들
180: 외측 표면 190: 냉각 매체
200: 냉각 통로 210: 종결 단부
212: 길이부 214: 연결 냉각 통로
222: 파열부 224: 개소
226: 개구 228: 개방 촉진 표면
230: 열전달 향상 표면 232: 재료 약화부
234: 재료 약화부 240: 개소
300: HGP 구성요소 400: 냉각 통로
410: 종결 단부 412: 길이부
414: 부가적 연결 냉각 통로 420: 외측 연장 개구
424: 개소 500: AM 시스템
502: 물체 504: 부가적 제조 AM 제어 시스템
5060: AM 프린터 510: 챔버
512: 도포기 514: 원재료
516: 전자 빔 518: 형성 플랫폼
520: 코드 530: 컴퓨터
532: 메모리 534: 프로세서
536: 입력/출력(I/O) 인터페이스 538: 버스
540: 외부 I/O 장치 542: 저장 시스템
222A: 파열부 222B: 파열부
226A: 개구 226B: 개구

Claims

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산업용 기계의 고온 가스 경로에서의 사용을 위한 구성요소로서, 구성요소는:
외측 표면을 구비하는 몸체;
상기 외측 표면 위의 열 차폐 코팅으로서, 열 차폐 코팅은 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출되는 것인, 열 차폐 코팅;
냉각 매체를 운반하는 상기 몸체 내의 내부 냉각 회로; 및
상기 몸체 내에 있으며 그리고 상기 내부 냉각 회로와 유체 소통 상태에 놓이는 냉각 통로로서, 상기 냉각 통로는, 상기 몸체 내의 종결 단부 및, 상기 외측 표면을 따라 연장되며 그리고 제1 간격만큼 상기 외측 표면으로부터 내부로 이격되는, 길이부를 구비하고, 상기 종결 단부는, 상기 제1 간격보다 작은 제2 간격만큼, 상기 외측 표면으로부터 내부로 이격되는 것인, 냉각 통로
를 포함하고,
상기 종결 단부 위의 개소에서 발생하는 상기 열 차폐 코팅 내의 파열 및 상기 몸체의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 상기 냉각 통로는, 그를 통한 냉각 매체의 유동을 허용하기 위해, 상기 종결 단부 위의 상기 개소에서 그리고 상기 제2 간격을 관통하여 개방되는 것인, 구성요소.
제 9항에 있어서,
상기 제1 간격은, 냉각 통로가 상기 외측 표면을 따라 평행하게 그리고 외측 표면으로부터 내부적으로 연장되도록, 상기 길이부를 따라 일정한 것인, 구성요소.
제 9항에 있어서,
상기 외측 표면의 상기 냉각 통로의 상기 종결 단부 위의 구역 내의 개방 촉진 표면을 더 포함하는 것인, 구성요소.
제 11항에 있어서,
상기 개방 촉진 표면은, 열전달 향상 표면을 포함하는 것인, 구성요소.
제 11항에 있어서,
상기 개방 촉진 표면은, 상기 몸체 내의 재료 약화부를 포함하는 것인, 구성요소.
제 9항에 있어서,
상기 냉각 통로는, 원형 단면을 갖는 것인, 구성요소.
제 9항에 있어서,
상기 냉각 통로 위의 개소에서 발생하는 상기 열 차폐 코팅 내의 상기 파열 및 상기 몸체의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 상기 냉각 통로는, 그를 통한 냉각 매체의 유동을 허용하기 위해, 상기 개소에서, 상기 제1 간격을 관통하도록 개방되는 것인, 구성요소.
산업용 기계의 고온 가스 경로에서의 사용을 위한 구성요소로서, 구성요소는:
외측 표면을 구비하는 몸체;
상기 외측 표면 위의 열 차폐 코팅으로서, 열 차폐 코팅은 높은 온도를 갖는 작동 유체에 노출되는 것인, 열 차폐 코팅;
냉각 매체를 운반하는 상기 몸체 내의 내부 냉각 회로;
상기 몸체 내에 있으며 그리고 상기 내부 냉각 회로와 유체 소통 상태에 놓이는 냉각 통로로서, 상기 냉각 통로는, 상기 몸체 내의 종결 단부 및, 상기 외측 표면을 따라 연장되며 그리고 제1 간격만큼 상기 외측 표면으로부터 내부로 이격되는, 길이부를 구비하는 것인, 냉각 통로; 및
상기 냉각 통로의 상기 길이부의 적어도 일부분 위의 구역 내의 상기 외측 표면의 개방 촉진 표면
을 포함하고,
상기 냉각 통로 위의 개소에서 발생하는 상기 열 차폐 코팅 내의 파열 및 상기 몸체의 사전 결정된 온도에 달하는 또는 그를 초과하는 높은 온도에 응답하여, 상기 냉각 통로는, 그를 통한 냉각 매체의 유동을 허용하기 위해, 상기 개소에서, 상기 제1 간격을 관통하도록 개방되는 것인, 구성요소.
제 16항에 있어서,
상기 개방 촉진 표면은, 열전달 향상 표면을 포함하는 것인, 구성요소.
제 16항에 있어서,
상기 개방 촉진 표면은, 상기 몸체 내의 재료 약화부를 포함하는 것인, 구성요소.