KR19990045567A - 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템 - Google Patents

가스 터빈 엔진 밀봉 시스템 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 엔진 밀봉 시스템은 고정 및 연마가능한 밀봉 표면과 접촉 관계(rub relationship)로 배치된 연마 팁을 갖는 회전 부재를 포함한다. 연마 팁은 연마 팁이 연마가능한 밀봉 표면을 절단할 수 있도록 연마가능한 밀봉 표면보다 경질의 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마제 피막을 포함한다.

Description

가스 터빈 엔진 밀봉 시스템
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진의 회전 부재에 도포되어 기밀 절단을 향상함으로써 유격 손실이 감소되고 회전 부재 내구성이 개선된 연마 피막에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 통상적으로 다양한 회전 밀봉 시스템을 포함하여 엔진 성능이 임계가 되는 상이한 작동 압력을 유지한다. 밀봉 시스템의 임의의 공통 유형은 정적인 및 연마가능한 밀봉 표면과 접촉 관계(rub relationship)로 배치된 터빈 블레이드와 같은 회전 부재를 포함한다. 접촉 관계는 터빈 블레이브와 밀봉 표면 사이에 작은 작동 유격이 발생하여 터빈 블레이드를 바이패스하는 작동 가스의 양을 제한한다. 너무 큰 유격은 터빈 블레이드와 밀봉 표면 사이로 빠져나는 작동 가스의 바람직하지 않은 양을 허용할 수 있어, 엔진 효율이 감소한다. 유사한 밀봉 시스템은 통상적으로 가스 터빈 엔진의 내측 및 외측이 압축기 및 터빈 섹션 모두에서 기밀(airseals)된 것이 이용된다.
바람직하게 작은 작동 유격을 유지하기 위해, 회전 부재, 예컨대 터빈 블레이드는 통상적으로 연마 팁이 짝을 이루는 밀봉 표면을 절단할 수 있는 연마 팁을 갖는다. 가스 터빈 엔진이 조립될 때, 회전 부재와 밀봉 표면 사이에 작은 유격이 있다. 엔진 작동시에, 회전 부재는 원심력과 증가된 엔진 온도 및 밀봉 표면에 대한 접촉으로 인해 더 길게 성장한다. 회전 부재의 연마 팁은 연마가능한 밀봉 표면내로 절단하여 빈틈없는 유격을 형성한다. 가스 터빈 엔진의 통상의 사이클에서 열 및 압력과 결합되는 연마 팁과 밀봉 표면 사이의 응력 접촉은, 밀봉 표면과 연마 팁 모두에 수요하는 높은 마모 환경을 발생한다.
밀봉 표면은 부식(erosion) 및 부서짐(spalling)을 제한하여 회전 부재와 밀봉 표면 사이의 소망하는 유격을 유지하기 위해, 밀봉 표면은 통상적으로 비교적 경질이지만 연마 가능한 재료로 제조된다. 예를 들면, 펠트 금속(felt metal), 금속성 본드 피막 위로 세라믹(deramic)이 스프레이된 플라즈마(plasma), 질화 바론(boron nitride; BN)을 함유한 니켈 합금이 스프레이된 플라즈마, 또는 벌집모양의 재료(honeycomb material)가 일반적으로 밀봉 표면 재료이다.
회전 부재가 적절한 연마 팁이 아니라면, 짝을 이루는 밀봉 표면이 밀봉 부재에 상당한 마모를 야기할 수 있다. 게다가 엔진 성능이 감소되며, 이것은 회전 부재, 특히 터빈 및 압축기 블레이드가 수리 또는 교체되는데 가격이 매우 비싸게 될 수 있으므로 바람직하지 않다. 그 결과, 연마 팁을 형성하는데 이용되는 재료는 통상적으로 연마 팁과 짝을 이루는 밀봉 표면보다 더 경질이다. 산화 알루미늄이 강화된 산화 지르코늄(Zr2O3)을 포함하는 산화 알루미늄(Al2O3), 전기도금된 큐빅 BN(electroplated cubic BN; cBN), 텅스텐 탄화-코발트(WC-Co), 탄화 실리콘(SiC), 금속 메트릭스(metal metrix)와 함께 분무된 실리콘 질소화물 그릿을 포함하는 실리콘 질소화물(Si3N4), 및 산화 이트륨과 함께 형성된 산화 플라즈마-스프레이형 지르코늄(Y2O3-ZrO2)과 같은 재료는 임의의 적용에서 연마 팁으로 이용되었다. 3개의 보다 일반적인 연마 팁은 팁 캡(tip caps), 스프레이형 연마 팁(sprayed abrasive tips) 및 전기도금형 cBN 팁이다.
팁 캡은 통상적으로 연마 그릿 및 금속 메트릭스로 충전된 초함금인 "보트(boat)"를 포함한다. 연마 팁은 탄화 실리콘(silicon carbide), 질화 실리콘(silicon nitride), 실리콘-알루미늄옥시니트라이드(silicon-aluminumoxynitride)가 될 수 있다. 금속 메트릭스는 이트륨(Y), 하프늄(Hf), 티탄(Ti), 몰리브덴(Mo) 또는 망간(Mn)과 같은 반응 금속을 포함하는 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 철(Fe) 베이스 초합금이 될 수 있다. 이 "보트"는 트랜션트 액상 부착 기술(transient liquid phase bonding techniques)을 이용하는 터빈 블레이드와 같이 회전 부재의 팁에 부착된다. 팁 캡과 트랜션트 액상 부착 기술은 통상적으로 파울로니스 등(Paulonis et al.)의 미국 특허 제 3,678,570 호, 듀발 등(Duval et al.)의 미국 특허 제 4,038,041 호, 듀발 등의 미국 특허 제 4,122,992 호, 스칠크 등(Schilke et al.)의 미국 특허 제 4,152,488 호, 존슨 등(Johnson et al.)의 미국 특허 제 4,249,913 호, 스체퍼 등(Schaefer et al.)의 미국 특허 제 4,735,656 호 및 루츠 등(Rutz et al.)의 미국 특허 제 4,802,828 호에 개시되어 있다. 팁 캡은 다수의 상업적 적용에 이용되지만, 팁 캡은 가격이 고가이며 블레이드 팁상에 설치되는데 다소 불편하다.
스프레이형 연마 팁은 통상적으로 탄화 실리콘으로 코팅된 산화 알루미늄 또는 배면이 에칭되고 그릿이 드러난 금속 매트릭스에 의해 둘러싸인 질화 실리콘 연마 그릿을 포함한다. 이러한 팁은 통상적으로 이튼 등(eaton et al.)의 미국 특허 제 4,610,698 호, 스칠크 등의 미국 특허 제 4,152,488 호, 존슨 등의 미국 특허 제 4,249,913 호, 본텔 등(Vontell et al.)의 미국 특허 제 4,680,199 호, 파이크(Pike)의 미국 특허 제 4,468,242 호, 콘딧 등(Condit et al.)의 미국 특허 제 4,741,973 호 및 매테리즈 등 제 4,744,725 호에 개시되어 있다. 스프레이형 연마 팁은 플라즈마 스프레이형 세라믹(plasma sprayed ceramic) 또는 금속 코팅형 밀봉(metallic coated seals)과 자주 짝을 이룬다. 스프레이형 연마 팁은 다수의 엔진에서 유용하게 이용되지만, 이 연마 팁은 제조하기가 힘들며 새로운 엔진 하드웨어가 팁 여기 저기로 분포되는 연마 그릿내의 임의의 다양성을 나타낼 수 있다. 또한, 스프레이형 연마 팁의 내구성은 어떤 예측된 미래의 사용을 위해 충분하지 않을 수 있다.
전기도금된 cBN 연마 블레이드 팁은 통상적으로 전기도금된 금속 매트릭스에 의해 둘러싸인 복수의 cBN 그릿을 포함한다. 매트릭스는 니켈, MCrAlY가 될 수 있으며, 여기서 M은 철, 니켈 코발트, 니켈 및 코발트의 혼합물, 또는 다른 금속 또는 합금이다. cBN은 다이아몬드(diamond)를 제외한 어떤 다른 그릿 재료보다 경질이기 때문에 큐빅 붕소 질화 팁(cubic boron nitride tips)은 우수한 커터이다. 전기도금된 cBN 팁은 비교적 저온[즉, 약 1500℉(815℃)보다 낮음] 환경 때문에 압축기의 적용에 매우 적절하다. 그러나, 터빈 섹션내의 고온이 cBN 그릿을 야기하며 금속 매트릭스 조차도 산화시킬 수 있기 때문에, 유사한 팁은 터빈 적용에서 유효 수명이 제한될 수도 있다. 전기도금된 cBN 팁은 통상적으로 스프레이형 연마 팁보다 제조하는데 가격이 저렴하지만, 이 팁을 제조하는데 이용되는 기술은 어렵고 도구의 가격이 고가이다.
따라서, 산업상으로는 높은 연마성(abrasive), 큰 내구성(durable) 및 종래 이용된 것보다 제조하는데 가격이 저렴한 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템의 연마 팁이 요구된다.
본 발명은 높은 연마성, 큰 내구성 및 종래 이용된 것보다 제조하는데 가격이 저렴한 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템의 연마 팁을 지향하고 있다.
본 발명의 일 실시예는 고정 및 연마가능한 밀봉 표면에 접촉 관계로 연마 팁을 갖는 회전 부재와 함께 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템을 포함한다. 연마 팁은 이것이 연마가능한 밀봉 표면을 절단(cut)할 수 있도록 연마가능한 밀봉 표면보다 경질이며, 연마 팁은 회전 부재의 대체로 그릿 자유 표면(grit-free surface)상에 직접적으로 부착된 산화 지르코늄 연마 피막을 포함한다. 산화 지르코늄 연마 피막은 종방향(columnar)의 구조체를 가지며, 안정제(stabilizer)의 약 3중량% 내지 약 25중량%가 되는 산화 지르코늄을 포함한다. 안정제는 산화 이트륨(yttrium oxide), 산화 마그네슘(magnesium oxide), 산화 칼슘(calcium oxide) 또는 이러한 재료의 혼합체가 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 연마 팁은 대체로 그릿 자유 표면상에 부착된 금속 부착 피막, 금속 부착 피막상에 부착된 산화 알루미늄층, 및 산화 알루미늄층상에 부착된 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마 피막을 포함한다. 산화 지르코늄 연마 피막은 안정제의 약 3중량% 내지 약 25중량%인 산화 지르코늄을 포함하며, 안정제는 산화 이트륨, 산화 마그네슘, 산화 칼슘 또는 이러한 재료의 혼합체가 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 가스 터빈 엔진 블레이드 또는 연마 팁을 갖는 나이프 에지(knife edge)를 포함한다. 연마 팁은 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마 피막을 포함하며, 산화 지르코늄 연마 피막은 산화 이트륨, 산화 마그네슘, 산화 칼슘 및 이들의 혼합체로 구성된 그룹에서 선택된 안정제의 약 3중량% 내지 약 25중량%가 되는 산화 지르코늄을 포함한다.
본 발명의 이러한 및 다른 특징은 다음 설명과 첨부 도면으로부터 보다 명료하게 될 것이다.
도 1은 가스 터빈 엔진의 부분 절취도,
도 2는 본 발명에 따른 외측 및 내측 기밀을 갖는 압축기의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연마 팁을 갖는 터빈 블레이드의 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 연마 팁의 종방향 구조체의 확대도,
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 압축기 섹션 12 : 압축기 블레이드
24 : 외측 기밀부 26 : 내측 기밀부
28 : 마모 팁 32 : 연마 팁
34 : 나이프 에지 36 : 밀봉 표면
본 발명의 연마 팁은 회전 부재와 고정 부재 사이의 빈틈 없는 유격의 유지가 요구되는 높은 마모의 가스 터빈 엔진에 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 특히 연마 터빈, 압축기 블레이드 팁, 또는 터빈 또는 압축기 나이프 에지로서 이용되기에 적절하다. 본 발명의 연마 블레이드 팁 또는 나이프 에지는 적절히 마모 가능한 밀봉 표면과 짝을 이루어 외측 또는 내측 기밀(airseal)을 형성할 수 있다.
도 1은 압축기 섹션(4) 및 터빈 섹션(6)을 포함하는 일반적인 가스 터빈 엔진(2)을 도시한 것이다. 압축기 섹션(4)은 압축기 케이스(10) 내측에 배치된 압축기 로터(8)를 포함한다. 복수의 압축기 블레이드(12)와 엔진의 회전 부재중 하나는 블레이드(12) 사이에 배치된다. 이와 유사하게, 터빈 섹션(6)은 터빈 케이스(18) 내측에 배치된 터빈 로터(16)를 포함한다. 복수의 터빈 블레이드(20) 및 엔진의 회전 부재중 다른 하나는 로터(16)상에 장착되며, 복수의 터빈 베인(22)은 블레이드(20) 사이에 배치된다.
도 2는 압축기 섹션(4)의 외측 기밀부(24) 및 내측 기밀부(26)를 도시한 것이다. 각각의 외측 기밀부(24)는 마모 가능한 외측 밀봉 표면(30)에 접촉 관계로 압축기 블레이드(12)의 단부상에 배치된 마모 팁(28)을 포함한다. 이러한 적용을 위해, 2개의 구성요소는 엔진이 조립된 후 가동되는 적어도 일회에 구성요소 사이에 직접적인 접촉을 허용할 때 접촉 관계에 있다. 각각의 내측 기밀부(26)는 압축기 스테이터(14)상에 배치된 마모 가능한 내측 밀봉 표면(36)에 접촉 관계에 있는 압축기 나이프 에지(34)의 단부상에 배치된 연마 팁(32)을 포함한다. 당업자라면 유사한 외측 및 내측 기밀부가 전술한 것과 유사하다는 것을 주지할 것이며, 이것은 터빈 섹션(6) 및 압추기 섹션(4)과 더불어 다른 엔진 섹션에 이용될 수도 있다.
도 3은 연마 팁(28)을 갖는 본 발명의 터빈 블레이드(20)를 도시한 것으로, 연마 팁은 터빈 블레이드(20)의 단부(40)상에 부착된 금속 부착 피막(38)과, 부착 피막(38)상의 산화 알루미늄(Al2O3)층(42) 및 산화 알루미늄층(42)상에 부착된 연마 피막(44)을 포함한다. 본 발명의 연마 팁은 도시된 바와 같이 회전 부재상에 직접적으로 부착될 수 있으며, 회전 부재의 표면상에 밑칠(undercoating) 위로 부착되거나 또는 회전 부재의 표면내로 확산될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 연마 팁은 회전 부재의 표면내에 확산된 확산 알루미늄 피막 위로 부착될 수 있다. 그러나, 본 발명의 연마 팁은 연마 그릿이 대체로 자유상태가 되어 그릿의 연마 성능을 배가시키며 구성요소에 대한 추가의 비용을 부가하는 것을 방지하는 표면에 적용되어야 한다. 나이프 에지(34)상의 연마 팁(32)은 유사하게 구성될 수 있을 것이다. 양쪽 경우에 있어서, 본 발명의 연마 팁(28, 32)이 적용되는 회전 부재[즉, 터빈 또는 압축기 블레이드(20, 12), 압축기 나이프 에지(34) 또는 터빈 나이프 에지(도시되지 않음)]는 통상적으로 니켈계 또는 코발트계 초합금 또는 티타늄 합금을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 금속 부착 피막(38)을 포함하는 연마 팁(28)을 도시한 것으로, 부착 피막은 선택적이며, 산화 지르코늄 연마 피막(44)은 이 피막이 부착 피막(38) 없이 적용되는 회전 부재에 잘 점착된다면 제거될 수도 있다. 부착 피막이 이용되지 않는다면, 산화 알루미늄층(42)과 필적하는 점착된 산화 알루미늄층을 형성할 수 있는 합금으로부터 회전 부재를 제조하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 합금은 5.0Cr-10Co-1.0Mo-5.9W-3.0Re-8.4Ta-5.65Al-0.25Hf-0.013Y 균형(balance) Ni의 공칭의 혼합물을 갖는다. 대부분의 적용에 있어서, 부착 피막(38)은 연마 팁(28, 32)과 회전 부재 사이에 우수한 부착을 제공하며, 산화 알루미늄(42)을 형성하며 산화 지르코늄 연마 피막(44)을 적용하기 위한 우수한 표면을 제공하기에 바람직하다. 부착 피막(38)의 적절한 선택은 엔진 작동 중에 산화 지르코늄 연마 피막(44)의 부서짐(spalling) 또는 전체적인 연마 팁(28, 32) 모두를 제한하거나 방지할 것이다. 엔지 작동 중에 산화 지르코늄 연마 피막(44) 또는 전체적인 연마 팁(28, 32)의 부서짐은 회전 부재의 내구성을 감소하며, 회전 부재와 연마 가능한 밀봉 표면 사이의 작동 유격이 증가하는 것에 의해 엔진 성능이 손상될 수 있다.
본 발명의 금속 부착 피막(38)은 가스 터빈 엔진 회전 부재와 산화 지르코늄 연마 피막(44) 사이의 내구성 부착을 형성할 수 있는 종래 기술의 임의의 금속 재료로 될 수도 있다. 이러한 재료는 통상적으로 산화 지르코늄 연마 피막(44)을 갖는 우수한 부착을 제공하는 산화 알루미늄의 점착 층을 형성하는 충분한 알루미늄을 포함한다. 예를 들면, 금속 부착 피막(38)은 하나 또는 그 이상의 귀금속(noble metal), 즉 니켈 및 알루미늄 합금 또는 MCrAlY를 포함하는데, M은 철, 니켈, 코발트 또는 니켈 및 코발트의 혼합물로 나타난다. 본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 MCrAlY는 또한 종래 기술에서 공지된 바와 같이 규소(Si), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 레늄(Re) 또는 귀금속과 같은 추가의 요소 또는 요소의 결합을 구비하는 혼합물을 포함한다. MCrAlY는 또한 확산 알루미늄의 층, 특히 하나 또는 그 이상의 귀금속을 포함하는 알루미나이드(aluminide)를 포함한다. 바람직하게는, 금속 부착 피막(38)은 공칭의 혼합물 Ni-22Co-17Cr-12.5Al-0.25Hf-0.4Si-0.6Y의 MCrAlY을 함유할 것이다. 이러한 혼합물은 겁터 등(Gupta et al.)의 미국 특허 제 4,585,481 호 및 제 Re 32,121 호에 개시되어 있으며, 본 발명에 참조로 인용된다.
금속 부착 피막(38)은 이러한 재료를 부착하기 위한 종래 기술에 공지된 임의의 방법에 의해 부착될 수도 있다. 예를 들면, 부착 피막(38)은 저압 플라즈마 스프레이(low pressure plasma spray: LPPS), 공기 플라즈마 스프레이(air plasma spray: APS), 전자 빔 물리적 증기 부착(electron beam physical vapor deposition: EB-PVD), 전기도금, 음극 아크(cathodic arc) 또는 임의의 다른 방법에 의해 부착될 수 있다. 금속 부착 피막(38)은 회전 부재와 산화 지르코늄 연마 피막(44) 사이의 강력한 부착을 제공하거나 또한 회전 부재내로 전파되는 산화 지르코늄 연마 피막(44)내로 현상하는 크랙(cracks)을 방지하는데 충분한 두께의 회전 부재에 적용되어야 한다. 대부분의 적용을 위해, 금속 부착 피막(38)의 두께는 약 1mil(25㎛) 내지 10mil(250㎛)가 될 수 있다. 바람직하게는, 부착 피막(38)은 약 1mil(25㎛) 내지 3mil(75㎛)이 될 것이다. 금속 부착 피막(38)이 부착된 후에, 부착 피막(38)이 부착 중에 현상될 수 있는 다공성(porosity) 또는 리더(leaders)에 근접한 부착 피막(38)을 핀(peen)하거나 또는 다른 기계 가공 또는 폴리싱 가공(polishing operations)을 수행하여 부착 피막(38)이 산화 지르코늄 연마 피막(44)을 수용하도록 준비하는 것이 바람직할 수도 있다.
때때로 열 성장 산화(thermally grown oxide)로 불려지는 산화 알루미늄층(42)은, 일체로 및 부착되는 층을 제공하는 임의의 방법에 의해 금속 부착 피막(38) 또는 회전 부재상에 형성될 수도 있다. 금속 부착 피막(38)을 갖는 것에 따르면, 산화 알루미늄층(42)은 선택적이다. 그러나, 바람직하게는 연마 팁(28)은 산화 알루미늄층(42)을 포함할 것이다. 예를 들면, 층(42)은 산화 지르코늄 연마 피막(44)의 적용 전에 승강된 온도에서 금속 부착 피막(38)이나 회전 부재중에서 알루미늄의 산화에 의해 형성될 수 있다. 변형예로서, 산화 알루미늄층(42)은 주지된 바와 같이 화학적 증기 부착 또는 임의의 다른 적절한 부착 방법에 의해 부착될 수 있다. 산화 알루미늄층(42)의 두께는, 존재한다면, 그 밀도 및 동질성에 기초로하여 변할 수 있다. 바람직하게는, 산화 알루미늄층(42)의 두께는 약 0.004mil(0.1㎛) 내지 0.4mil(10㎛)이 될 것이다.
산화 지르코늄 연마 피막(44)은 산화 지르코늄의 혼합물, 및 산화 이트륨(Y2O3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 칼슘(CaO) 또는 이들의 혼합물과 같은 안정제를 포함할 수도 있다. 산화 이트륨은 바람직한 안정제이다. 산화 지르코늄 연마 피막(44)은 특히 가스 터빈 엔진에서 받게 되는 작동 온도의 범위 위로 바람직하지 않은 산화 지르코늄 위상 변화[즉, 바람직한 4각형의(tetragonal crystal structure) 또는 입방의 결정 구조체(cubic crystal structure)로부터 덜 바람직한 단사정의 결정 구조체(monoclinic crystal structure)로의 변화]를 충분히 방지할 수 있는 안정제를 포함하여야 할 것이다. 바람직하게는, 산화 지르코늄 연마 피막(44)은 산화 지르코늄의 혼합체 및 약 3중량% 내지 약 25중량%의 산화 이트륨을 포함할 것이다. 보다 바람직하게는, 산화 지르코늄은 소기의 온도 범위에 의해 약 6중량% 내지 약 8중량%의 산화 이트륨 또는 약 11중량% 내지 약 13중량%의 산화 이트륨을 포함할 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연마 피막이 도포되는 표면에 대한 보통의 연마 피막의 단면이 물리적인 증기 부착 피막의 종방향의 미세 구조 유형으로 나타나도록 산화 지르코늄 연마 피막(44)은 연마 피막을 통하여 분산된 동일한 복수의 종방향의 세그먼트를 구비하여야 한다. 종방향 구조체는 산화 지르코늄 연마 피막(44)의 전체 두께에 연장하는 길이를 갖아야 한다. 이러한 피막은 울리온 등(Ulion et al.)의 미국 특허 제 4,321,310 호, 스프랭맨(Strangman)의 미국 특허 제 4,321,311 호, 스프랭맨의 미국 특허 제 4,405,659 호, 울리온 등의 미국 특허 제 4,405,660 호, 울리온 등의 미국 특허 제 4,414,249 호 및 울리온 등의 미국 특허 제 5,262,245 호에 개시되어 있으며, 이들 모두는 본 발명에 참조로 인용되었다. 임의의 적용에 있어서, 에어포일 표면(46) 또는 블레이드(20)의 플랫폼(48)상에 코팅되는 열 방벽과 같이 연마 팁(38)에 이용되는 대체로 동일한 피막이 도포되는 것이 바람직할 수 있다.
산화 지르코늄 연마 피막(44)은 EB-PVD 또는 주지된 임의의 다른 물리적인 증기 부착 방법에 의해 부착되어 종방향의 피막 구조체가 부착될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 연마 피막(44)은 EB-PVD 장치 및 숙련된 기술의 이용가능성 때문에 EB-PVD에 의해 도포될 것이다. 전술한 바와 같이, 연마 피막(44)은 금속 부착 피막(38)상에 또는 직접적으로 회전 부재에, 양쪽의 경우에서 바람직하게는 산화 알루미늄층(42)에 관련하여 도포될 것이다. 양쪽의 경우에 있어서, 연마 피막(44)은 이것이 도포되는 표면에 대해 강력한 부착을 제공하기에 충분한 두께로 도포되어야 한다. 최선의 적용을 위해, 연마 피막(44)의 두께는 약 5mil(125㎛) 내지 50mil(1250㎛)가 될 수 있다. 바람직하게는, 연마 피막(44)의 두께는 약 5mil(125㎛) 내지 25mil(625㎛)가 될 것이다. 터빈 또는 압축기 블레이드에 도포될 경우, 비교적 두께 연마 피막(44)은 조립체가 설치된 압축기 또는 터빈이 조립체 연삭(assembly griding)을 허용하는 것이 바람직할 수도 있다. 조립체 연삭은 블레이드 팁으로부터 연마 피막(44)의 일부를 조금 제거하여 부착 처리시의 공차로 인해 현상되는 피막 두께의 다소의 변경을 위해 보상한다. 상당한 두께의 연마 피막(44)이 시작하는 것은 조립체 연마 절차를 허용하여 실질적으로 라운드된 로터를 제공하는 한편, 효과적으로 밀봉 표면을 절단하기 충분한 두께인 최종적인 연마 피막(44)을 유지하는 것이다.
본 발명의 연마가능한 밀봉 표면(30, 36)은 가스 터빈 엔진 환경을 갖는 우수한 적합성(compatibility)을 갖는 종래 기술의 공지된 임의의 재료를 포함할 수 있으며, 연마 피막(44)에 의해 절단될 수 있다. 고압 터빈 적용을 위해, 바람직한 연마가능한 밀봉 재료는 금속 부착 피막(통상적으로 5.0Cr-10Co-1.0Mo-5.9W-3.0Re-8.4Ta-5.65Al-0.25Hf-0.013Y 균형 Ni) 및 다공성 세라믹층(통상적으로 약 7중량%의 산화 이트륨으로 안정되는 산화 지르코늄)을 포함한다. 부착 피막은 플라즈마 스프레이(plasma spray)나 또는 고속 옥시 연료 부착(high velocity oxy-fuel deposition)에 의해 도포될 수 있다. 세라믹층은 약 88중량% 내지 약 99중량% 및 약 1중량% 내지 약 12중량%의 세라믹 분말(powder)의 혼합체를 플라즈마 분무하는 것에 의해 부착될 수 있다. 폴리에스테르 수지(polyester resin)는 세라믹층의 외부에 나중에 연소되어 다공성 구조체를 제공한다. 고압 압축기 적용을 위해, 바람직한 마모가능한 밀봉 재료는 니켈계 초합금 부착 피막, 니켈계 초합금의 결합체[통상적으로 9Cr-9W-6.8Al-3.25Ta-0.02C 균형 Ni 및 산화 저항을 향상시키도록 포함된 마이너 요소(minor elements)] 및 상측 피막과 같은 질화 바론을 포함한다. 부착 피막은 신속한 응고율 방법에 의해 형성된 분말을 플라즈마 분무에 의해 형성될 수 있다. 상측 피막은 부착 피막 분말 및 질화 바론 분말의 혼합체를 플라즈마 분무하는 것에 의해 형성될 수 있다. 마모가능한 다른 밀봉 재료는 금속 부착 피막(통상적으로 Ni-6Al-18.5Cr)의 연속적인 층, 소정 등급의 금속/세라믹층(통상적으로 Co-23Cr-13Al-0.65Y/산화 알루미늄), 소정 등급의 밀집된 세라믹층(통상적으로 약 20중량%의 산화 이트륨으로 안정되는 산화/질화 알루미늄 산화물), 및 다공성 세라믹층(통상적으로 약 7중량%의 산화 이트륨으로 안정되는 산화 지르코늄)을 구비하는 소정 등급의 플라즈마 스프레이형 세라믹 재료를 포함한다. 가능한 다른 밀봉 표면 재료는 펠트 금속 및 벌집모양의 재료를 포함한다. 적절한 밀봉 표면 재료는 보샤트 등(Bosshart et al.)의 미국 특허 제 4,481,237 호, 보사트 등의 미국 특허 제 4,503,130 호, 겁터 등의 미국 특허 제 4,585,481 호, 매태리즈 등의 미국 특허 제 4,588,607 호, 바인 등(Vine et al.)의 미국 특허 제 4,936,745 호, 실레오 등(Sileo et al.)의 미국 특허 제 5,536,022 호 및 겁터 등의 제 Re 32,121 호에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참조로 인용된다.
다음의 실시예는 본 발명의 확장된 범위를 제한함 없이 본 발명을 증명한다.
실시예
본 발명의 종방향의 산화 지르코늄 연마 팁은 종래의 부착 기술에 의해 0.25 인치(0.64cm) × 0.15인치(0.38cm) 직각의 접촉 리그 견본(rub rig specimens)에 도포된다. 팁은 약 3mil(75㎛)의 두께를 갖는 저압 플라즈마 스프레이 금속 부착 피막이 구비되며, 이 피막은 통상적으로 Ni-22Co-17Cr-12.5Al-0.25Hf-0.4Si-0.6Y로 구성되었다. 부착 후에, 금속 부착 피막은 약 1975℉(1079℃)에서 확산 열 처리되며, 중력 조력 샷 피닝(gravity assist shot peening)에 의해 핀(peened)되었다. 최종적으로, 7중량%의 산화 이트륨으로 안정된 산화 지르코늄을 포함하는 종방향의 세라믹의 약 5mil(125㎛)는 통상적인 전자 빔 물리적인 증기 부착 처리에 의해 도포되었다. 도포된 견본은 Ni-6Al-18.5Cr 금속 부착 피막, Co-23Cr-13Al-0.65Y의 소정 등급의 층, 약 20중량% 산화 이트륨으로 안정된 산화 알루미늄 및 산화 지르코늄의 소정 등급의 밀집된 세라믹 층, 및 약 7중량% 산화 이트륨으로 안정된 산화 지르코늄의 다공성층의 연속적인 층으로 구성된 밀봉 재료에 대향하는 접촉 리그내로 위치되었다. 접촉 리그는 주위 온도에서의 밀봉 표면으로 시작되었고, 1000ft/s(305m/s)의 팁 속도 및 10mil/s(254㎛/s)의 팁과 밀봉 표면 사이의 상호작용률(interaction rate)이 발생되었다. 시험은 팁이 20mil(508㎛)의 깊이에 도달될 때까지 작동되었다. 소망하는 깊이에 도달되면, 접촉 리그는 멈추며 견본은 팁과 밀봉 표면상의 마모 양을 결정하도록 분석을 위해 제거되었다. 표 1은 시험으로부터 데이터를 도시한 것이다.
견본 1 2
밀봉 접촉 온도-℉(℃) 2200(1204) 1925(1052)
블레이드 접촉 온도-℉(℃) 2800(1538) 2105(1152)
평균 블레이드 마모-mil(㎛) 7.0(177.8) 10.0(254.0)
평균 밀봉 마모-mil(㎛) 12.0(304.8) 9.0(228.6)
총 상호작용-mil(㎛) 19.0(482.6) 19.0(482.6)
선형 마모(W/I) 0.368 0.526
체적 마모(VWR) 0.075 0.071
선형 마모(linear wear: W/I)는 회전 부재로부터 제거되는 연마 팁의 선형량 대 회전 및 정지 부재로부터 서로 제거되는 재료의 선형량의 합의 비율이다. 낮은 W/I의 값과 우수한 연마 팁은 밀봉 재료의 절단시이다. W/I 비율이 블레이드 팁 마모를 분석하는 용이하고 손쉬운 방법이지만, 이것은 견본 및 접촉 리그에 이용된 밀봉 표면의 기하학적 형상에 따른다. 마모의 다른 측정 및 체적 마모율(volume wear ratio: VWR)은 견본 및 밀봉 표면의 기하학적 형상에 따르지 않는다. 체적 마모율(VWR)은 접촉 사건 동안 제거되는 밀봉 피막의 체적 당 손실된 연마 팁 체적의 비율이다. 또한, 낮은 값 대 이러한 비율은 연마 팁이 밀봉 재료의 절단시에 보다 효과적으로 되는 것을 나타낸다.
표 2는 산화 지르코늄, 함께 분무된(cospray) 브레이드 팁, 스프레이형 연마 팁, 및 전기도금된 cBN 팁과 함께 경화된 종래 기술의 산화 알루미늄 팁을 위한 데이터 대 예시로부터 귀결된 VWR을 비교한 것이다.
팁 구성 평균 VWR
산화 지르코늄과 함께 경화된 산화 알루미늄(종래 기술) 1.4
동시분무(종래 기술) 1.18
분무형 연마 팁(종래 기술) 0.63
전기도금형 cBN(종래 기술) <0.01
종방향의 산화 지르코늄(본발명) 0.07
접촉 리그 시험은 본 발명의 종방향의 산화 지르코늄 연마 팁이 전기도금 cBN 팁뿐만 아니라 완전히 수행되지 않는 것으로 도시되지만, 이들은 다른 종래 기술의 팁보다 상당히 우수한 수행을 한다. 더욱이, 종방향의 산화 지르코늄 연마 팁은 cBN 팁보다 우수한 몇몇의 이점을 나타낸다. 예를 들면, 이들은 산화 문제의 경향이 없다. 또한, 종방향의 산화 지르코늄 연마 팁은 블레이드 에어포일 및 플랫폼상에 EB-PVD 열 방벽 피막과 함께 이용될 때 제조 공정이 단순화될 수 있다. 이것은 동시에 수행될 수 있으며, 다른 연마 팁 구성을 위한 유사한 데이터와 비교되는 팁 영역에서 피막과 팁 모두의 완전하게 개선한다.
본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 특정 실시예에 대해 제한되지 않는다. 다양한 변화 및 변형이 본 발명의 청구범위의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 제조될 수 있다.
본 발명은 가스 터빈 엔진의 회전 부재에 도포되어 기밀 절단을 향상함으로써 유격 손실이 감소되고 회전 부재 내구성이 개선되어 높은 연마성과 큰 내구성 및 종래 이용된 것보다 저렴한 가격으로 제조할 수 있다.

Claims (20)

  1. 고정 및 연마 가능한 밀봉 표면에 접촉 관계로 배치된 연마 팁을 갖는 회전 부재를 포함하며, 상기 연마 팁이 연마가능한 밀봉 표면을 절단할 수 있도록 상기 연마가능한 밀봉 표면보다 경질의 재료를 구비하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템에 있어서,
    상기 연마 팁은 상기 회전 부재상의 대체로 그릿-자유 표면상에 배치된 금속 부착 피막과, 상기 금속 부착 피막상에 배치된 산화 알루미늄층과, 상기 산화 알루미늄층상에 배치된 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마 피막(zirconium oxide abrasive coat)을 포함하며, 상기 산화 지르코늄 연마 피막은 산화이트륨(yttrium oxide), 산화 마그네슘(magnesium oxide), 산화 칼슘(calcium oxide) 및 이들의 혼합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 안정제의 약 3중량% 내지 약 25중량%의 산화 지르코늄을 포함하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 부착 피막은 확산 알루미늄, 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)의 합금 또는 MCrAlY을 포함하는데, M은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 또는 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 혼합물인 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 터빈 블레이드인 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 에어포일부 및 프랫폼부, 상기 에어포일부 또는 상기 플랫폼부, 또는 모두를 구비하며, 상기 연마팁과 같이 대체로 동일한 혼합물을 갖는 종방향의 열 방벽 피막으로 적어로 부분적으로 피막된 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 터빈 로터상에 배치된 터빈 로터 나이프 에지이며, 상기 연마가능한 밀봉 표면은 터빈 베인상에 배치되어 내측 기밀을 형성하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 압축기 블레이드인 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 압축기 로터상에 배치된 압축기 로터 나이프 에지이며, 상기 연마가능한 밀봉 표면은 압축기 스테이터상에 배치되어 내측 기밀을 형성하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  8. 고정 및 연마 가능한 밀봉 표면에 접촉 관계로 배치된 연마 팁을 갖는 회전 부재를 포함하며, 상기 연마 팁이 연마가능한 밀봉 표면을 절단할 수 있도록 상기 연마가능한 밀봉 표면보다 경질의 재료를 구비하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템에 있어서,
    상기 연마 팁은 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마 피막을 포함하며, 상기 산화 지르코늄 연마 피막은 산화 이트륨, 산화 마그네슘, 산화 칼슘 및 이들의 혼합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 안정제의 약 3중량% 내지 약 25중량%의 산화 지르코늄을 포함하며, 상기 연마 팁은 상기 회전 부재상의 대체로 그릿 자유 표면상에 배치되는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연마 팁은 상기 산화 지르코늄 연마 피막과 상기 회전 부재 사이에 배치된 산화 알루미늄층을 더 포함하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 터빈 블레이드인 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 에어포일부 및 프랫폼부, 상기 에어포일부 또는 상기 플랫폼부, 또는 모두를 구비하며, 상기 연마팁과 같이 동일한 혼합물을 갖는 종방향의 열 방벽 피막으로 적어로 부분적으로 피막된 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 터빈 로터상에 배치된 터빈 로터 나이프 에지이며, 상기 연마가능한 밀봉 표면은 터빈 베인상에 배치되어 내측 기밀을 형성하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 압축기 블레이드인 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 압축기 로터상에 배치된 압축기 로터 나이프 에지이며, 상기 연마가능한 밀봉 표면은 압축기 스테이터상에 배치되어 내측 기밀을 형성하는 가스 터빈 엔진 밀봉 시스템.
  15. 연마 팁을 포함하며, 상기 연마 팁은 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마 피막을 포함하며, 상기 산화 지르코늄 연마 피막은 산화 이트륨, 산화 마그네슘, 산화 칼슘 및 이들의 혼합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 안정제의 약 3중량% 내지 약 25중량%의 산화 지르코늄을 포함하는 가스 터빈 엔진 블레이드.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연마 팁은 확산 알루미늄, 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)의 합금 또는 MCrAlY를 포함하는데, M은 상기 산화 지르코늄 연마 피막과 상기 회전 부재 사이에 배치되는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 또는 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 혼합물인 가스 터빈 엔진 블레드.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 연마 팁은 상기 산화 지르코늄 연마 피막과 상기 회전 부재 사이에 배치된 산화 알루미늄층을 더 포함하는 가스 터빈 엔진 블레이드.
  18. 연마 팁을 포함하며, 상기 연마 팁은 종방향의 구조체를 갖는 산화 지르코늄 연마 피막을 포함하며, 상기 산화 지르코늄 연마 피막은 산화 이트륨, 산화 마그네슘, 산화 칼슘 및 이들의 혼합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 안정제의 약 6중량% 내지 약 20중량%의 산화 지르코늄을 포함하는 가스 터빈 엔진 나이프 에지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 연마 팁은 확산 알루미늄, 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)의 합금 또는 MCrAlY를 포함하는데, M은 상기 산화 지르코늄 연마 피막과 상기 회전 부재 사이에 배치되는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 또는 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 혼합물인 가스 터빈 엔진 나이프 에지.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 연마 팁은 상기 산화 지르코늄 연마 피막과 상기 회전 부재 사이에 배치된 산화 알루미늄층을 더 포함하는 가스 터빈 엔진 나이프 에지.
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