KR20060049180A - 온도 내구성 베인 조립체 - Google Patents

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KR20060049180A
KR20060049180A KR1020050049518A KR20050049518A KR20060049180A KR 20060049180 A KR20060049180 A KR 20060049180A KR 1020050049518 A KR1020050049518 A KR 1020050049518A KR 20050049518 A KR20050049518 A KR 20050049518A KR 20060049180 A KR20060049180 A KR 20060049180A
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벤자민 알. 하딩
에릭 에이. 허드슨
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명에 따른 터빈 엔진용으로 적절한 베인 조립체(10)는 내부 공동(20)과 베인의 스팬 방향으로 대향하는 단부로부터 공동 내로 연장된 한 쌍의 가요성 금속 배플(26)을 갖는 내화성 베인(12)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 너트와 볼트 조립체와 같은 강성 체결구(48)는 배플에 인장 하중을 인가한다. 인장 하중은 베인에 인가된 압축 하중으로써 반작용된다. 다른 실시예에서, 배플은 비교적 강성이지만, 체결구는 가요성이다. 베인 상에 가해진 압축 하중은 통상 내화성 재료에 의한 취성을 상쇄시키고, 베인에 손상 허용을 부가한다. 본 발명에 따른 조립체는 또한 베인에 쉽게 고정될 수 있고 베인의 스팬 방향 말단과 배플 사이에 잠재적으로 곤란한 밀봉이 필요없게 된다.
베인 조립체, 배플, 체결구, 인장 하중, 내화성 재료

Description

온도 내구성 베인 조립체{TEMPERATURE TOLERANT VANE ASSEMBLY}
도1은 터빈 엔진용 터빈 베인 조립체의 측단면도.
도2는 베인, 한 쌍의 배플 및 체결구 조립체를 도시한 도1의 베인 조립체의 분해 사시도.
도3은 도2의 3-3 방향으로의 도면.
도4는 서로 연결되기 전에 베인 내에 최초로 배치된 가요성 배플의 이격된 단부를 도시한 도면.
도5는 가요성 배플의 이격된 단부가 접촉된 상태로 서로 연결된 것을 도시한 도면.
도6은 배플이 서로 접촉하지는 않은 상태로 서로 연결되어 있는 다른 구성을 도시한 도5와 유사한 도면.
도7은 비교적 강성인 배플을 서로 연결하는데 사용되는 다양한 가요성 체결구를 도시한 도면.
도8은 본 발명의 다른 실시예에서 베인과 배플 사이에 개재되기 적절한 밀봉체를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 베인 조립체
12 : 베인
14 : 반경 방향 외부 플랫폼
16 : 반경 방향 내부 플랫폼
18 : 에어포일
20 : 공동
22 : 베인 벽
24 : 플레어부
26 : 배플
28 : 충돌 구멍
본 발명은 가스 터빈 엔진에 사용되는 형태의 베인 조립체에 관한 것으로, 특히 베인에 압축 하중을 인가하는 인장된 배플(baffle) 조립체를 포함하는 베인 조립체에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진의 터빈 모듈에 사용되는 것과 같은 유체 지향 베인은 고온의 기체 연소 생성물에 노출된다. 고온 기체의 손상으로부터 베인을 보호하기 위해 다양한 대책이 취해진다. 여기에는 온도 내구성 니켈 또는 코발트 합금으로 베인을 만드는 것, 베인에 열 차단 코팅을 인가하는 것, 그리고 엔진 컴프레셔에서 방출된 상대적으로 차가운 압축 공기로 베인을 냉각시키는 것이 포함된다.
종래의 냉각 기술은 충돌 냉각을 포함한다. 충돌 냉각된 베인은 내부 공동 및 공동 벽으로부터 약간의 거리만큼 이격되어 공동 내에 존재하는 배플이나 시트 금속 냉매 삽입체를 갖는다. 배플과 공동 벽 사이의 이격은 충돌 공간으로 인용된다. 보통 니켈 합금으로 만들어진 배플은 베인의 스팬 방향 말단부 부근에서 베인에 용접된다. 용접 결합은 배플을 베인에 고정시키고, 또한 충돌 공동의 스팬 방향 말단부를 밀봉시킨다. 다수의 충돌 냉각 구멍이 배플을 관통한다. 엔진 작동동안, 냉매는 배플의 내부로 도입된 뒤 충돌 냉각 구멍을 통해 유동하여, 냉매가 다수의 고속 냉매 분사물로 분할된다. 냉매 분사물은 공동 벽 상에 충돌하여 벽을 차갑게 유지한다. 그 후에 냉매가 통상 공동 벽을 관통하는 냉매 배출 통로에 의해 충돌 공동으로부터 배출된다.
전술한 합금, 코팅 및 냉각 기술의 많은 장점에도 불구하고, 수명을 연장하거나 더 높은 내부 온도에서 엔진이 작동하는 것을 허용하도록 터빈 엔진 베인의 온도 내구성을 더욱 개선하여 엔진 성능을 개선하는 것이 바람직하다. 온도 내구성을 개선하는 한가지 방법은 내화성 재료로 베인을 구성하는 것이다. 내화성 재료는 내화성 금속 합금(예컨대 몰리브덴 및 니오븀 합금), 세라믹 및 금속간 화합물을 포함하는 합성물을 포함한다. 그러나, 이런 재료들은 일부 또는 전체 온도에서 취성이기 때문에 크랙이 생길 수 있다.
더욱이, 니켈이나 코발트 합금보다 더 나은 온도 내구성 내화성 재료이더라도, 여전히 전술한 바와 같은 종래의 금속 배플을 사용한 충돌 냉각을 채용할 필요가 있다. 종래의 금속 배플은 적어도 2가지 이유에 있어서는 내화성 재료로 만들 어진 베인에서도 바람직하다. 첫째, 종래의 배플 합금은 내화성 재료보다 더 높은 열팽창 계수를 갖지만, 엔진 작동동안 더 낮은 온도에 노출된다. 결국, 종래 금속 배플의 열 반응이 내화성 베인과 양립될 것이다. 둘째, 내화성 배플과 다른 종래 금속 배플은 구조적 완전성의 어떠한 손실을 감수할 필요없이 충돌 냉각 구멍에 의해 관통될 수 있다. 불행히도, 종래 금속 냉매 배플은 베인에 배플을 고정시키고 충돌 공동의 단부를 밀봉하도록 내화성 베인에 용접되는 것이 불가능하다. 원칙적으로, 충돌 공동의 단부를 밀봉하는 문제는 순응 재료로 만들어진 밀봉체를 사용함으로써 극복될 수 있다. 그러나 실제로, 이러한 밀봉은 터빈 엔진 내에서 발생하는 기계적인 열악한 환경(예컨대, 진동 및 마멸) 및/또는 극한 온도를 견딜 수 없다. 더욱이, 적절한 밀봉 재료가 사용되더라도, 그것 단독으로는 세라믹 베인에 금속 배플을 고정하는 문제를 처리할 수 없다.
양호한 크랙 저항성을 갖고, 금속 배플에 순응할 수 있고, 열악한 열적 기계적 환경에 대해 적합하지 않은 재료를 사용하지 않고 달성될 수 있는 냉각 가능하고 높은 온도 내구성 베인 조립체가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 베인 조립체는 내부 공동을 갖는 베인을 포함하며, 베인은 대향하는 단부로부터 공동 내로 연장된 배플을 갖는다. 배플에 인가된 인장 하중은 베인에 배플을 고정시키는 것을 돕고, 배플과 베인 사이에 밀봉을 효과적으로 한다. 베인에 인가된 압축 하중은 베인을 만드는데 사용된 재료 내에 어느 정도 취성을 보상하도록 응력 분포를 최적화하는 것을 돕는다.
본 발명의 상세한 설명에서는, 체결구가 배플을 서로 연결시킨다. 배플은 체결구에 비해 상대적으로 가요성이다. 체결구는 인장 하중을 인가하여 베인에 배플을 결합시키고 또한 배플과 베인 사이에 밀봉을 효과적으로 하도록 배플을 편향시킨다.
본 발명의 다양한 실시예의 전술한 그리고 다른 특징은 첨부된 도면과 본 발명을 실행하기 위한 최상의 모드의 이하 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
도1 내지 도3을 참조하면, 터빈 엔진용 베인 조립체(10)는 제1 또는 반경 방향 외부 플랫폼(14) 및 제2 또는 반경 방향 내부 플랫폼(16)을 갖는 베인(12)을 포함한다. 반경 방향 외부 및 내부 플랫폼으로 플랫폼을 식별하는 것은 가스 터빈 엔진의 터빈 모듈 내에 장착될 때 베인의 배향을 반영한다. 에어포일(18)은 플랫폼 사이에 스팬 방향으로 연장된다. 베인 벽(22)에 의해 경계지어진 에이포일 형상 내부 공동(20)은 에어포일을 통해 스팬 방향으로 연장된다. 공동은 도1에 가장 잘 도시된 바와 같이 스팬 방향 말단에 플레어부(24)를 갖는다. 베인은 내화성 금속 합금, 세라믹 또는 금속간 화합물을 포함하는 합성물과 같은 내화성 재료로 만들어진다.
금속 배플 조립체는 각각 니켈계 합금으로 만들어진 제1 및 제2 (반경 방향 외부 및 내부) 배플(26)을 포함한다. 다수의 충돌 구멍(28)이 배플을 관통한다. 각각의 배플은 대부분의 스팬 방향 길이를 따라 에어포일 형상이며, 베인 공동의 플레어부(24)와 비슷한 형상의 플레어 기단부(30)와 직각으로 이격된 단부(32)를 갖는다. 냉매 입구(36)는 냉매가 각 배플의 내부로 유동하는 것을 허용한다. 각 플레어 단부(30)는 배플이 베인 내에 장착될 때 각각 공동(20) 쪽 또는 공동 바깥쪽에 대면하는 내측면(38)과 외측면(40)을 갖는다. 돌출 보더(42)가 각 내측면(38)의 주연 둘레로 연장된다. 돌출 보더는, 예컨대 내측면의 주연에 국부적으로 인가된 소정의 두께의 코팅이나 배플의 일체형 부분과 같이 적절한 방식으로 성형된다. 최종 베인 조립체에서, 배플은 배플 이격 단부(32)와 베인의 스팬 방향 말단부에 인접한 배플 기단부(30)가 스팬 방향 말단부로부터 이격된 채로, 도1에 가장 잘 도시된 바와 같이 베인 공동(20) 내에서 포개진다. 보더(42)는 공동의 플레어부와 접촉한다. 배플은 베인 벽(22)과 함께 배플을 둘러싸는 충돌 공동(46)을 한정한다.
너트 및 볼트 조립체와 같은 체결구(48)가 배플을 서로 연결시킨다. 본 발명의 일 실시예는 배플에 비해 비교적 강성인 체결구와 비교하여 상대적으로 가요성인 시트 금속 배플을 포함한다. 배플이 초기에 에어포일 공동 내에 배치될 때, 배플 이격 단부(32)는 (도4의) 배플 상호간 여유 공간(C1)만큼 서로 스팬 방향으로 이격된다. 그러나, 너트(50)가 볼트(52)에 조여지면, 배플은 이격된 단부(32)가 도1 및 도5에 도시된 바와 같이 서로 접촉할 때까지, 특히 플레어 기단부(30)에서 편향된다. 결과적으로, 체결구는 배플 조립체에 스팬 방향으로 지향된 인장 하중을 인가하고, 따라서 베인에 스팬 방향으로 지향된 압축 하중을 인가한다. 인장 및 압축 하중의 크기는 배플 재료, 두께 및 형상의 적절한 선택 및 초기 배플 상호 간 여유 공간(C1)에 의해 정밀하게 조절될 수 있다. 다르게는, 너트는 도6에 도시된 바와 같이, 초기값(C1)에서부터 영이 아닌 소정값(C2)까지 배플 상호간 여유를 감소시키기에 충분할 정도로 볼트에 조여질 수 있다. 본 발명의 이런 변형예는 하중이 실제로 제어하기 어려운 차이인 C1과 C2 사이의 차이에 어느 정도 의존하기 때문에 인장 및 압축 하중의 덜 정확한 제어를 야기하는 것으로 믿는다.
도7은 배플에 비해 상대적으로 가요성인 체결구와 비교해서 배플이 비교적 강성인 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 배플의 이격된 단부들(32)은 도7에 도시된 바와 같이 서로 접촉하거나, 체결구가 조여진 바로 직후에 배플 상호간 공간이 존재하도록 서로 접촉하지 않을 수 있다. 도면은 너트와 볼트 조립체를 포함하는 체결구에 가요성을 부여하기 위한 3가지 방식을 도시하고 있다. 첫째, 볼트(52)의 생크는 체결구에 인가된 토크에 반응하여 탄성 변형하기에 충분하게 가요성일 수 있다. 볼트의 변형성은 단면적이 감소된 네크(54)를 채용함으로써 증강될 수 있다. 둘째, 탄성 변형 가능한 스페이서(56)가 너트 및/또는 볼트와 배플 사이에 개재될 수 있다. 셋째, 웨이브 와셔(58)나 다른 적절한 스프링 장치가 너트 및/또는 볼트와 배플 사이에 개재될 수 있다. 도7은 이런 모든 구성을 도시하고 있지만, 이들은 조합이 아니라 대개는 개별적으로 사용된다.
엔진 작동동안, 냉매는 각각의 냉매 입구(36)로 도입되고, 충돌 구멍(28)을 통해 유동하고, 베인 벽(22) 상에 충돌하여 베인을 충돌 냉각시킨다. 그리고 냉매는 통상 베인 벽(22)을 관통하는 통로의 형태를 취하는 도시되지 않은 냉매 출구를 통해 충돌 공동으로부터 배출된다.
가장 현저한 특징이 설명되면서, 다른 특징 및 옵션들이 더욱 명백해질 것이다.
도시된 배플(26)들은 거의 동일한 스팬 방향 길이를 갖기 때문에, 그 이격된 단부(32)들과 체결구(58)는 베인 공동(20)의 거의 스팬 중앙에 존재한다. 그러나, 동일하지 않은 배플 길이 및 체결구의 다른 스팬 방향 위치도 가능하다.
도시된 실시예는 배플을 서로 연결하기 위한 체결구로써 너트와 볼트 조립체를 채용하고 있다. 그러나, 리벳, 용접 조인트 또는 땜납 조인트와 같은 다른 형태의 체결구도 채용될 수 있다.
다른 설계에서, 도8에 도시된 바와 같은 개별 스페이서(60)가 각 내측면의 주연을 따라 돌출 보더(42) 대신에 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 개별 스페이서나 양각 보더가 존재하지 않고, 에어포일의 스팬 방향 말단부 근처에 돌출 공동(46)의 적어도 일부를 사실상 제거한다.
본 명세서에 개시된 베인 조립체는 여러 가지 잇점을 갖는다. 첫째, 배플 조립체에 인가된 인장 하중은 용접 조인트 없이 배플 조립체를 베인에 고정시킨다. 베인 상에 가해진 대응 압축 하중은 인장 응력을 완화시킴으로써 베인 내에 응력 분포를 개선한다. 이는 베인을 크랙 발생에 대해 덜 취약하게 만들고, 크랙이 발생하더라도 베인의 보전을 보장하도록 돕는다. 결과적으로, 베인은 온도 내구성이면서 취성인 내화성 재료로 만들어질 수 있다. 배플 조립체에 인가된 인장 하중은 또한 충돌 공동(46)의 스팬 방향 말단부를 밀봉하여, 먼저 충돌 구멍을 통과하지 않고 냉매가 공동으로 도입하는 것을 방지한다. 더욱이, 이 밀봉은 진동, 마멸 및 고온에서의 긴 노출을 견딜 수 없는 밀봉 재료를 사용하지 않고 효과적이다.
다른 잇점은 너트가 고정되어 인장된 중공 튜브를 갖는 다중 요소 세라믹 베인을 개시하고 있는 미국 특허 제3,378,228호 및 제4,314,794호를 먼저 참조함으로써 가장 명백해질 것이다. 인장력은 베인 상에 가해진 압축력으로써 반작용한다. 충돌 냉각용으로써 개시되지 않은 냉매가 중공 튜브를 통해 유동한다. 모든 구성에서, 냉매는 너트의 위치를 지나 유동해야 한다. 결과적으로, 너트의 내경은 튜브의 면적을 제한하고, 그에 따라 다량의 냉매가 튜브로 도입될 수 있다. 원칙적으로, 더 큰 너트가 사용될 수 있지만, 공간이 귀한 터빈 엔진이나 다른 적용예에서는 종종 실용적이지 않다. 반면, 본 발명의 체결구(48)는 냉매가 관통하여 유동할 필요가 없는 위치에 존재한다. 따라서, 냉매 입구의 면적은 최대한 수용 가능한 체결구 크기로 제한되지 않는다.
본 발명은 특정 실시예를 참조로 도시 및 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 설명된 발명으로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 제1 및 제2 단부와 내부 공동을 갖는 베인과,
    상기 제1 단부로부터 공동 내로 연장된 제1 배플과, 제2 단부로부터 공동 내로 연장된 제2 배플을 구비하는 배플 조립체를 포함하고,
    상기 배플 조립체에는 인장 하중이 인가되고, 상기 베인에는 압축 하중이 인가되는 베인 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 배플을 서로 연결하는 체결구를 포함하고, 상기 배플은 비교적 가요성이며 체결구는 비교적 강성인 베인 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 각 배플은 기단부 및 이격된 단부를 갖고, 체결구는 이격된 단부를 서로 접촉시키는 베인 조립체.
  4. 제2항에 있어서, 상기 체결구는 너트와 볼트인 베인 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 배플을 서로 연결하는 체결구를 포함하고, 상기 체결구는 비교적 가요성이며 배플은 비교적 강성인 베인 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 체결구는 변형 가능한 볼트, 변형 가능한 스페이서, 스프링 장치 및 웨이브 와셔 중 하나 이상을 포함하는 베인 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 볼트는 네크를 갖는 베인 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배플은 비교적 가요성인 재료로 만들어지고, 상기 베인은 비교적 취성인 재료로 만들어지는 베인 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배플은 니켈계 합금으로 만들어지고, 상기 베인은 내화성 재료로 만들어지는 베인 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 내화성 재료는 몰리브덴 및 니오븀 합금과, 세라믹과, 금속간 화합물을 포함하는 합성물을 포함한 내화성 금속 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 베인 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 각 배플은 플레어 기단부를 포함하는 베인 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 베인 플랫폼과, 배플 중 하나 이상의 플레어 기단부 및 각각의 베인 플랫폼 사이에 존재하는 스페이서를 포함하는 베인 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 배플은 공동 내에서 서로 접촉하는 베인 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 충돌 구멍은 배플을 관통하는 베인 조립체.
  15. 제1 및 제2 단부와 내부 공동을 갖는 베인과,
    이격된 단부와 플레어 기단부를 갖고, 베인의 제1 단부로부터 공동 내로 연장된 제1 배플과,
    이격된 단부와 플레어 기단부를 갖고, 베인의 제2 단부로부터 공동 내로 연장된 제2 배플과,
    배플의 이격된 단부를 서로 접촉시키는 체결구를 포함하는 베인 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 배플의 플레어 기단부는 체결구의 영향 하에 편향되고, 그로 인해 배플에 인장 하중을 인가하고 베인에 압축 하중을 인가하는 베인 조립체.
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