KR20070025999A - 제조 및 검사가능한 마이크로회로 - Google Patents

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KR20070025999A
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옴 파카쉬 샤르마
프랭크 쿤하
에드워드 에프. 피트라스즈키비치
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Abstract

터빈 엔진 구성품의 제조 방법은 터빈 엔진 구성품의 에어포일부의 제1 절반부를 형성하는 단계와, 에어포일부의 제1 절반부의 노출된 내벽에 적어도 하나의 통로를 갖는 제1 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 상기 터빈 엔진 구성품의 에어포일부의 제2 절반부를 형성하는 단계와, 에어포일부의 제2 절반부의 노출된 내벽에 적어도 하나의 통로를 갖는 제2 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계와, 냉각 마이크로회로가 형성되고 검사된 후에 제1 절반부를 제2 절반부와 접촉하는 관계로 배치하는 단계를 더 포함한다.
터빈 엔진 구성품, 에어포일부, 냉각 마이크로회로, 플랫폼, 주조 유닛

Description

제조 및 검사가능한 마이크로회로 {MANUFACTURABLE AND INSPECTABLE MICROCIRCUITS}
도1은 본 발명에 따라 형성된 두 개의 에어포일 절반부를 도시한다.
도2는 본 발명의 에어포일 절반부를 형성하기 위한 주조 유닛을 도시한다.
도3은 도2의 주조 유닛의 분할선을 도시한다.
도4는 도2의 주조 유닛과 함께 사용될 수 있는 다른 분할 구성을 도시한다.
도5는 도2의 주조 유닛을 사용하여 형성될 수 있으며 터빈 엔진 구성품을 형성하는데 사용될 수 있는 구조물을 도시한다.
도6은 각각의 에어포일부의 벽 내에 매설될 수 있는 냉각 유체 마이크로회로를 도시한다.
도7a 및 도7b는 도6의 냉각 유체 마이크로회로에서 사용될 수 있는 다양한 형상부를 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 에어포일부
12, 14 : 에어포일 절반부
20, 22 : 내벽 표면
24 : 주조 유닛
26 : 분할선
102 : 플랫폼
120, 120' : 냉각 마이크로회로
128 : 덮개판
본 발명은 냉각 마이크로회로를 구비하는 에어포일부를 갖는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법 및 그에 의해 형성된 터빈 엔진 구성품에 관한 것이다.
고압 터빈 블레이드 에어포일과 같은 터빈 엔진 구성품은 가혹한 환경에 직면하며, 버너와 같은 다른 구성품으로부터의 극도로 뜨거운 가스에 노출된다. 이러한 구성품의 에어포일부는 다양한 열적 부하를 받게 된다. 그 결과, 에어포일부는 국부적으로 냉각될 필요가 있다. 에어포일부를 냉각하기 위한 기구는 설계에 따라 다양하지만, 냉각 유동을 최소화시키는 어떤 최적의 구성은 있다.
오늘날에, 터빈 엔진 구성품의 에어포일부의 냉각 마이크로회로는 이중벽 설계의 내화 금속 코어를 사용하여 형성될 수 있다. 내화 금속 코어 재료는 높은 용융점을 갖는데, 이것은 내화 금속 코어 재료가 용출되어 캐스트 구성품의 벽 내에 내부 마이크로회로 통로를 형성하기 전에 정밀 주조(investment casting) 동안에 처리되기에 바람직하도록 만든다. 이러한 기술이 매우 바람직한 냉각 마이크로회로를 형성하는데 효과적이지만, 이와 같이 형성된 마이크로회로를 검사하는 것은 어렵다.
따라서, 본 발명의 일 목적은 큰 어려움 없이 검사될 수 있는 냉각 마이크로회로를 구비하는 에어포일부를 갖는 터빈 엔진 구성품을 형성하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따라, 에어포일부를 갖는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법이 제공된다. 본 방법은 터빈 엔진 구성품의 에어포일부의 제1 절반부를 형성하는 단계와, 에어포일부의 제1 절반부의 노출된 내벽 표면에 적어도 하나의 통로를 갖는 제1 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 대체로 포함한다. 본 방법은 터빈 엔진 구성품의 에어포일부의 제2 절반부를 형성하는 단계와, 에어포일부의 제2 절반부의 노출된 내벽 표면에 적어도 하나의 통로를 갖는 제2 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계와, 냉각 마이크로회로가 형성되고 검사된 후에 제1 절반부를 제2 절반부와 접촉하는 관계로 배치하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 방법은 고압 터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성품용 에어포일부가 마이크로회로 형태의 냉각 형상부를 구비하며 용이하게 제조될 수 있다는 점에서 상당히 유리하다.
또한, 본 발명에 따르면, 터빈 엔진 구성품은 접촉하는 관계에 있는 제1 에어포일 절반부와 제2 에어포일 절반부를 갖는 에어포일부를 대체로 포함하며, 상기 제1 에어포일 절반부와 상기 제2 에어포일 절반부 각각은 내벽 표면에 냉각 마이크로회로 형상부를 갖는다.
본 발명의 제조 및 검사가능한 마이크로회로의 다른 목적 및 그에 수반하는 장점뿐만 아니라 다른 상세한 점은 이하의 상세한 설명과, 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부하는 도면에 설명된다.
지금부터 도면을 참조하면, 도1은 고압 터빈 블레이드와 같은 터빈 엔진 구성품의 에어포일부(10)를 도시한다. 에어포일부(10)는 제1 절반부(12) 및 제2 절반부(14)를 갖는다. 에어포일 절반부(12, 14)는 임의의 희망 형상을 가질 수 있으며, 리브(16, 18)와 같은 내부 구조물을 포함할 수 있다. 이하에서 설명될 것과 같이, 에어포일 절반부(12, 14)는 각각의 내벽 표면(20, 22)이 노출되도록 형성된다.
에어포일 절반부(12, 14)는 공지된 임의의 적합한 재료로부터 공지된 임의의 적합한 방식으로 주조될 수 있다. 예컨대, 에어포일 절반부(12, 14)는 니켈계, 코발트계, 철계, 또는 티타늄계 합금 재료로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 에어포일 절반부(12, 14)는 도2에 도시된 것과 같은 주조 유닛(24)을 사용하여 형성된다. 주조 유닛(24)은 도5에 도시된 것과 같은, 구조물(100)을 주조하는 점에서 독특한데, 이 구조물로부터 터빈 엔진 구성품이 형성될 수 있다. 구조물(100)은 선단 에지(104), 후단 에지(106), 제1 측면 에지(108), 및 제2 측면 에지(110)를 갖는 플랫폼(102)을 포함할 수 있다. 또한, 구조물(100)은 에지(108)를 따라서 제1 에어포일 절반부(12)를, 에지(110)를 따라서 제2 에어포일 절반부(14)를 포함할 수 있다. 또한, 구조물(100)은 플랫 폼(102)의 아래쪽에 형성된 (도시되지 않은) 부착부와 같은 형상부와, 각각의 에어포일 절반부(12, 14)의 외부 표면(114 또는 116)과 플랫폼(102)의 표면 사이에 형성된 필렛(112)을 가질 수 있다. 구조물(100)에 대한 장점 중 하나는 인접한 구조물들(100)의 절반부(12, 14)들이 함께 결합되기 전에 내벽 표면(20, 22)이 노출된다는 것이다. 내벽 표면(20, 22)이 노출되기 때문에, 하나 이상의 냉각 마이크로회로가 내벽 표면(20, 22)에 용이하게 형성될 수 있다. 마이크로회로의 형상은 의도되는 환경 내에서의 에어포일부(10)의 냉각 요구를 최적화하도록 선택될 수 있다.
구조물(100)을 형성하기 위해, 주조 유닛(24)은 에어포일부(10)에 대한 분할선(26)을 형성하는 선 A-A 및 선 B-B를 따라 분리가능하다. 주조 유닛(24)은 에어포일부가 어떤 분할선도 없이 형성되었던 종래 기술의 주조 유닛과 상이하다. 대신에, 플랫폼의 중심부에 분리선(parting line)이 있었다. 이러한 방식으로 터빈 구성품 구조물을 형성하는 것은 다수의 시일의 사용이 요구된 인접하는 플랫폼부들 사이에 복수의 누설 통로가 있었다는 점에서 불리했다. 이러한 불리한 점은 구조물(100)를 형성하기 위해 사용되는 주조 유닛(24)에 의해 극복되는데, 왜냐하면 요즈음에는 플랫폼 에지를 따라 구성되어 시일을 필요로 하지 않는 단일 유닛으로 플랫폼부가 이제는 주조되기 때문이다. 사용 시, 주조 유닛(24)은 공지된 임의의 적합한 방식으로 용융 재료로 충전될 수 있다. 즉, 주형을 왁스로 형성하고, 주형을 덮고, 왁스를 용해시키고, 주조하는 동안 액체 금속을 패턴(빈 공간)에 붓는 것이다.
도3은 에어포일 절반부(12, 14)를 형성하기 위해 본 발명을 실시하는 주조 유닛(24)에서 사용될 수 있는 분할선(26)의 일 형태를 도시한다. 도4는 에어포일 절반부(12, 14)를 형성하기 위해 본 발명을 실시하는 주조 유닛(24)에서 사용될 수 있는 분할선(26')의 다른 실시예를 도시한다.
도1 및 도6을 참조하면, 제1 냉각 마이크로회로(120)는 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여 내벽 표면(20)에 형성될 수 있다. 예컨대, 마이크로회로(120)는 통로용 입구(124) 및 출구(126) 뿐만 아니라 냉각 유체용의 하나 이상의 통로를 형성하는 페데스탈(pedestal) 구조물과 같은 다수의 요소(122)가 주조될 필요가 있는 경우에는 주조 구조물일 수 있다. 다르게는, 마이크로회로(120)는 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여 기계가공되어, 냉각 유체용 통로와 통로용 입구(124) 및 출구(126)를 형성하는 요소(122)를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 마이크로회로(120)의 정확한 구성은 터빈 엔진 구성품의 최종 용도에 따른다. 도7a 및 도7b는 본 발명에서 사용될 수 있는 예시적인 냉각 마이크로회로 구성을 도시한다. 이러한 방식으로 마이크로회로(120)를 형성하는 하나의 장점은 에어포일부(10)의 조립에 앞서 마이크로회로가 용이하게 검사될 수 있다는 점이다.
마이크로회로(120)가 검사되기 전에 또는 후에, 덮개판(128)은 마이크로회로 위에 배치될 수 있고 하나 이상의 요소(122)에 결합될 수 있다.
마찬가지로, 제2 마이크로회로(120')는 에어포일 절반부(14)의 내벽 표면(22)에 형성될 수 있다. 제1 마이크로회로(120)와 같이, 제2 마이크로회로(120')는 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여 형성될 수 있고, 임의의 수의 냉각 통로를 가질 수 있다. 또한, 마이크로회로(120')는 냉각 유체용의 하나 이상의 통로와 냉각 유체 통로용 입구(124') 및 출구(126')를 형성하는 복수의 요소(122')를 갖는다. 마이크로회로(120')가 검사되기 전에 또는 후에, 덮개판(128')은 마이크로회로(120') 위에 배치될 수 있고 요소(122')에 결합될 수 있다.
덮개판(128, 128')은 브레이징(brazing), 확산 접합(diffusion bonding), 및 용접(welding)과 같은 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여 각각의 마이크로회로(120, 120')의 요소(122, 122')에 결합될 수 있다. 이러한 방법의 하나의 장점은, 현장에서 오염물에 의한 폐색(plugging)이 문제가 되는 경우에 덮개판(128, 128')이 용이하게 대체될 수 있다는 것이다.
마이크로회로(120, 120')가 형성되어 검사되고 덮개판(128, 128')이 설치된 후에, 구조물(100)은 디스크와 같은 (도시되지 않은) 지지구조물에 설치될 준비가 된다. 인접한 구조물(100)들은 에어포일 절반부(12)를 제2 에어포일 절반부(14)와 접촉하는 관계로 배치함에 의해 에어포일부(10)을 형성하는데, 에어포일 절반부(12) 상의 정합면(40, 42, 44)은 에어포일 절반부(14) 상의 정합면(46, 48, 50)에 접촉하거나 접촉한다. 필요한 경우에, 에어포일 절반부(12, 14)는 기계적 장치, 확산 접합, 과도 액상 접합(transient liquid phase bonding) 또는 고상 접합(solid state bonding)에 의해서와 같은 공지된 임의의 적합한 수단을 사용하여 서로 결합될 수 있다.
전술한 기재로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 채용된 기술은 이중벽 냉각 설계와 관련된 복잡함이 없이 에어포일 설계 내의 마이크로회로 형상부를 실시하도록 간단한 수단을 제공한다. 본 발명은 내부 검사를 용이하게 하며, 폐색 문제를 해결하고, 많은 누설 경로를 제거하여 성능을 향상시킨다.

Claims (17)

  1. 터빈 엔진 구성품의 에어포일부의 제1 절반부를 형성하는 단계와,
    상기 에어포일부의 상기 제1 절반부의 노출된 내벽 표면에 적어도 하나의 통로를 갖는 제1 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 절반부는 주조에 의해 형성되며, 상기 제1 냉각 마이크로회로 형성 단계는 입구 및 출구를 갖는 상기 제1 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 냉각 마이크로회로 형성 단계는 상기 적어도 하나의 통로를 형성하는 복수의 요소들을 주조함에 의해 상기 제1 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 냉각 마이크로회로 형성 단계는 상기 적어도 하나의 통로를 형성하는 복수의 요소들을 기계가공함에 의해 상기 제1 냉각 마이크로 회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 덮개판을 상기 제1 냉각 마이크로회로 위에 배치하는 단계 를 더 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 터빈 엔진 구성품의 상기 에어포일부의 제2 절반부를 형성하는 단계와,
    상기 에어포일부의 상기 제2 절반부의 노출된 내벽 표면에 적어도 하나의 통로를 갖는 제2 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 더 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 절반부는 주조에 의해 형성되며, 상기 제2 냉각 마이크로회로 형성 단계는 입구와 출구를 갖는 상기 제2 냉각 마이크로회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 냉각 마이크로회로 형성 단계는 상기 적어도 하나의 통로를 형성하는 복수의 요소들을 주조함에 의해 상기 제2 냉각 마이크로 회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제2 냉각 마이크로회로 형성 단계는 상기 적어도 하나의 통로를 형성하는 복수의 요소들을 기계가공함에 의해 상기 제2 냉각 마이크로 회로를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서, 덮개판을 상기 제2 냉각 마이크로회로 위에 배치하는 단계를 더 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 에어포일부의 상기 제1 절반부를 상기 에어포일부의 상기 제2 절반부에 대하여 접촉하는 관계로 배치하는 단계와, 상기 제1 절반부를 상기 제2 절반부와 상기 접촉하는 관계로 배치하기에 앞서 각각의 상기 마이크로회로를 검사하는 단계를 더 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서, 제1 플랫폼부와, 상기 에어포일부의 상기 제1 절반부의 외부 표면과 상기 제1 플랫폼부의 표면 사이의 제1 필렛 구조물을 갖는 상기 제1 절반부를 형성하는 단계를 포함하는 상기 제1 절반부 형성 단계와,
    제2 플랫폼부와, 상기 에어포일부의 상기 제2 절반부의 외부 표면과 상기 제2 플랫폼부의 표면 사이의 제2 필렛 구조물을 갖는 상기 제2 절반부를 형성하는 단계를 포함하는 상기 제2 절반부 형성 단계를 더 포함하는 터빈 엔진 구성품의 제조 방법.
  13. 제2 에어포일 절반부와 접촉하는 관계에 있는 제1 에어포일 절반부에 의해 형성된 에어포일부를 포함하며,
    상기 제1 에어포일 절반부와 상기 제2 에어포일 절반부 각각은 내벽 표면과 상기 내벽 표면에 형성된 냉각 마이크로회로를 갖는 터빈 엔진 구성품.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 에어포일 절반부 및 상기 제2 에어포일 절반부는 독립적인 주조 구조물인 터빈 엔진 구성품.
  15. 제13항에 있어서, 각각의 상기 마이크로회로 위에 배치되는 덮개판을 더 포함하는 터빈 엔진 구성품.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제1 에어포일 절반부는 제1 주조 내부 구조물을 가지며, 상기 제2 에어포일 절반부는 제2 주조 내부 구조물을 갖고, 상기 제1 에어포일 절반부가 상기 제2 에어포일 절반부와 접촉하는 관계로 배치될 때 상기 내부 구조물들은 서로 접촉하는 터빈 엔진 구성품.
  17. 제13항에 있어서, 서로 이격된 상기 제1 및 제2 에어포일 절반부의 사이에 위치되는 주조 플랫폼부를 더 포함하며, 각각의 에어포일 절반부는 외부 표면 및 상기 외부 표면과 상기 플랫폼의 표면 사이의 필렛을 갖는 터빈 엔진 구성품.
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