KR20070078685A - 기막 냉각 방법 및 구멍 제조 - Google Patents

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블레케 제이. 루작
에릭 엘. 코치
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

냉각된 주조 부품은 외표면을 갖는다. 냉각 통로 시스템이 적어도 하나의 입구 포트로부터 복수의 출구 포트로 연장된다. 상기 통로 시스템은 출구 중 적어도 제1 출구를 향하고 적어도 하나의 포스트를 둘러싸는 제1 통로를 구비한다. 상기 시스템은 적어도 하나의 포스트를 통과하는 적어도 제2 출구를 향하는 제2 통로를 구비한다.
포스트, 통로, 플리넘, 코어 조립체, 드릴링, 내화 금속 코어, 에어포일, 기막 냉각

Description

기막 냉각 방법 및 구멍 제조 {FILM COOLING METHOD AND HOLE MANUFACTURE}
도1은 가스 터빈 엔진 베인의 도면.
도2는 도1의 베인을 2-2선상에서 취한 단면도.
도3은 도1의 베인을 주조하기 위한 패턴을 형성하기 위한 코어 조립체 및 패턴-형성 다이의 단면도.
도4는 도3의 코어 조립체의 내화 금속 코어(RMC)의 선단 도면.
도5는 도4의 RMC의 후단 도면.
도6은 도4의 RMC의 폭 방향 단부 도면.
도7은 도4의 RMC의 평면도.
도8은 도1의 베인의 중간 주조의 단면도.
도9는 대안적 코어 조립체의 평면도.
도10은 패턴-형성 다이에서의 도9의 코어 조립체의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20: 베인 22: 에어포일
24: 플랫폼 26: 측판
30: 선단 32: 후단
34: 압력 측부 36: 흡입 측부
38: 포트 40, 42: 출구
50: 벽 52, 110: 내표면
54: 공급 통로 55: 플리넘
57: 출구 통로 58: 입구
60, 61: 기류 66: 포스트
100: 내화 금속 코어(RMC) 102, 160: 세라믹 피드코어
104: 패턴 다이 112: 공동
126: 개구 146: 태브
본 발명은 고온 요소의 냉각에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스 터빈 엔진 요소의 기막 냉각(film cooling)에 관한 것이다.
항공 산업에서는, 가스 터빈 엔진 요소와 같은 요소의 냉각에 관한 잘 발달된 기술이 존재한다. 예시적인 요소는 가스 터빈 엔진 블레이드 및 베인(vane)이다. 예시적인 블레이드 및 베인은 에어포일(airfoil) 표면에서의 냉각 구멍으로부터 방출되도록 블레이드 또는 베인 에어포일을 통과하는 기류에 의해 냉각된다. 냉각 기구는 기류가 에어포일을 통과할 때의 직접 냉각과, 기류가 에어포일로부터 방출되지만 에어포일 표면 근처의 하류를 통과한 후의 기막 냉각 모두를 포함할 수 있다.
효과적인 기막 냉각을 제공하기 위해서는, 기막 냉각 공기의 예비 방출된 가열을 최소화하는 것이 바람직하다. 이는 제1 기류가 없을 경우에 비해 제2 기류가 낮은 온도에 있도록 제2 기류가 통과하는 통로를 냉각시키기 위해 제1 기류를 사용하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 태양은 외표면을 갖는 냉각된 주조 부품을 포함한다.
냉각 통로 시스템은 적어도 하나의 입구 포트로부터 복수의 출구 포트로 연장된다. 상기 통로 시스템은 출구 중 적어도 제1 출구로 향하고 적어도 하나의 포스트를 둘러싸는 제1 통로를 구비한다. 상기 시스템은 출구 중 적어도 제2 출구로 향하고 적어도 하나의 포스트를 통과하는 제2 통로를 포함한다.
본 발명의 일 이상의 실시예의 상세한 설명은 첨부 도면 및 이하의 설명에 나타나 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 장점은 상세한 설명 및 도면과 청구범위로부터 명백해질 것이다.
여러 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소를 지칭한다.
<실시예>
도1은 단순화된 가스 터빈 엔진 베인(20)을 도시한다. 예시적인 베인은 단일 주조(casting)로 형성되며, 내측 플랫폼(24)과 외측 슈라우드(shroud)(26) 사이에서 폭방향으로 연장되는 에어포일(22)을 구비한다. 원주방향의 베인 어레이가 에지 대 에지 형태로 장착/시일되는 각각의 플랫폼 및 슈라우드로 형성될 수 있도 록 예시적인 플랫폼 및 슈라우드는 환형 세그먼트이다. 에어포일(22)은 선단(leading edge)(30)과 후단(trailing edge)(32)을 갖는다. 선단과 후단 사이에서 압력 측부(34) 및 흡입 측부(36)가 스트림 방향으로 연장된다.
예시적인 에어포일은, 플랫폼과 슈라우드 중 어느 하나 또는 양자에 있는 일 이상의 포트(38)를 통해서 유입되고 에어포일을 따라서 구멍 어레이를 빠져나가는 공기에 의해 냉각된다. 도1의 예시적인 에어포일은 선단(30)을 따라서 또는 선단 근처의 일련의 폭 방향 제1 구멍/출구(40)와, 선단(30)의 바로 하류에서 압력 측부(34)를 따라서 존재하는 제2 구멍/출구(42)를 포함한다. 에어포일은 압력 측부 및 흡입 측부를 따라 추가 기막 냉각 구멍(도시되지 않음)과, 후단 출구(도시되지 않음)와 같은 다른 구멍을 가질 수도 있다.
도2는 선단(30) 근처의 에어포일 영역을 도시한다. 에어포일은 폭 방향 선단 공급 통로(54)와 경계를 짓는 내표면(52)을 국소적으로 갖는 벽(50)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 냉각 플리넘(plenum)(55)이 상기 벽 내에 위치하며, 선단부의 폭에 걸쳐 있고, 메인부(56)를 갖는다. 출구(42)는 관련된 압력 출구 통로(57)의 단부에 위치하는 플리넘(55)의 출구이다. 대응하는 일련의 폭 방향 입구(58)는 대응하는 입구 통로(59)를 통해서 플리넘에 공급한다. 따라서, 제1 기류(60)가 입구(58)로부터 플리넘(55)을 통과하고, 압력 측부(34)를 따라서 하류로 유동하여 출구(42)로부터 배출된다. 따라서, 기류(60)는 플리넘에 인접하는 벽(50)의 직접 냉각을 제공하며, 또한 출구(42) 하류의 압력 측부(34)를 따라서 벽(50)의 기막 냉각을 제공할 수도 있다.
선단(30) 근처에서의 냉각은 특히 중요할 수 있다. 추가 냉각을 제공하기 위해, 일련의 출구 통로(62)가 공급 통로(54)를 따라서 관련 입구(64)로부터 출구(40)로 직접 연장된다. 기류(61)는 통로(62)를 통과하여 출구(40)를 빠져나간다. 통로(62)는 플리넘 메인부(56) 내의 포스트(66)를 통과한다. 포스트(66)는 벽(50)의 내측 부분과 외측 부분 사이에 걸쳐있다. 각 포스트의 주위 표면(70)은 기류(60)에 의해 냉각된다. 이러한 냉각은 제2 기류(61)가 입구(64)와 출구(40) 사이를 통과할 때 제2 기류(61)의 가열을 제한한다. 따라서, 기류(61)는 출구(40)에서 방출될 때 상대적으로 저온일 수 있으며, 따라서 특별히 개선된 기막 냉각 효과를 제공한다.
베인(20) 또는 다른 냉각되는 요소는 인베스트먼트 주조 방법에 의해 형성될 수 있다. 예시적인 방법은 플리넘(55)을 주조하기 위해 내화금속 코어(RMC: refractory metal core)(100)(도3)를 사용하며, 공급 통로(54)를 주조하기 위해 세라믹 피드코어(feedcore)(102)를 사용한다. 도3은 패턴 다이(104) 내에서 피드코어(102)에 조립되는 RMC(100)를 도시한다. 예시적인 다이(104)는 코어 조립체에 대해 희생 패턴 재료(예를 들면, 천연 또는 합성 왁스)를 몰딩하기 위한 공동(112)을 형성하도록 위치된 내표면(110)을 갖는 한 쌍의 다이 절반부 또는 인발부(pull)(106, 108)를 갖는다. 몰딩 이후, 패턴은 [예를 들면, 다단 스터코잉(stuccoing) 공정에서] 다이로부터 제거되어 셸이 될 수 있다. 셸은 왁스 제거된 후 소성되어, 용융 금속이 주조되는 몰드를 형성한다. 주조 이후, 셸 및 코어 조립체는 (예를 들어, 셸의 기계적 파괴 및 코어 조립체의 화학적 제거에 의해) 제 거될 수 있다. 주조에는 기계가공과, 보호 코팅의 도포를 포함하는 추가 처리가 적용될 수 있다.
도4 내지 도7은 예시적인 RMC(100)의 추가적인 상세한 사항을 도시한다. RMC(100)는 제1 폭 방향 단부(122)로부터 제2 폭 방향 단부(124)로 연장되는 본체(120)를 갖는다. 본체(120)는 플리넘 메인부(56)를 주조하기 위해 성형된다. 따라서, 본체(120)는 포스트(66)를 주조하기 위해 배치 및 성형되는 폭 방향 개구(126) 어레이를 갖는다. 포스트(126)는 내측 코어면(128)과 외측 코어면(130) 사이에서 연장된다. 본체(120)는 폭 방향 태브(142) 어레이가 연장되는 제1 에지(140) 갖는다. 본체(120)는 방향 태브(146) 어레이가 연장되는 제2 에지(144)를 갖는다. 태브(142)의 선단부는 플리넘 출구 통로(57)를 주조하도록 배치 및 구성된다. 태브(142)의 말단부는 RMC를 다이에 대해 정합시키기 위해 다이 내의 대응 격실에 수용될 수 있다. 이후, 태브(142)의 말단부는 주조 중에 RMC를 유지/배치하기 위해 셸에 매립될 수 있다. 태브(146)의 선단부는 입구 통로(59)를 주조하도록 배치 및 구성된다. 태브(146)의 말단부는 RMC를 피드 코어에 고정 및 정합시키기 위해 피드 코어(102) 내의 하나 이상의 격실에 수용되도록 구성된다.
도8은 통로(62) 및 그 출구 구멍(40)을 드릴링하기 전의 애즈-캐스트(as-cast) 부품을 도시한다. 예시적인 드릴링은 기계적 드릴링, 레이저 드릴링, 또는 방전 가공(EDM: electro-discharge machining)에 의해 이루어질 수 있다. 이와 달리, 통로(62)는 주조물일 수 있다. 일 예에서, 도9 및 도10은 통로(62) 및 출구(40)를 형성하기 위한 제2 RMC(150)를 도시한다. 예시적인 RMC(150)는 척주 부(spine)(152) 및 상기 척주부로부터 연장되는 폭 방향 빗살부(tine) 어레이를 갖는 빗모양(comb-like)이다. 빗살부(154)의 선단부는 제1 RMC(100)의 개구(126)를 통과하도록 구성 및 배치된다. 말단부는 피드코어(102)와 유사할 수 있는 세라믹 피드코어(160)(도10)에 의해 수용되도록 배치 및 구성된다. 예시적인 코어 조립 순서에서는, 제1 RMC(100)가 피드코어(160)에 조립된다. 이후, 제2 RMC(150)는 그 빗살부(154)를 개구(126)를 통해서 피드코어(160) 내의 하나 이상의 슬롯 또는 다른 격실에 삽입함으로써 피드코어에 조립된다. 그런 다음, 코어 조립체는 패턴-형성 다이(170)에 설치될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 수정예가 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 기본 요소의 개량에 사용될 때, 기본 요소의 상세는 임의의 특별한 실시의 상세에 영향을 미칠 수 있다. 예시적인 포스트 영역은 원형 단면이고 그 전체 둘레 주위의 인접 플리넘 벽으로부터 이격되어 있지만, 다른 구성이 있을 수 있다. 마찬가지로, 포스트를 관통하는 구멍의 다양한 형상 및 분포가 있을 수 있다. 따라서, 다른 실시예는 하기 청구범위의 범위 내에 있다.
본원 발명은 기막 냉각 공기의 예비 방출된 가열을 최소화하여 효과적인 기막 냉각을 제공하는 효과가 있습니다.

Claims (20)

  1. 외표면과,
    적어도 하나의 입구 포트로부터 복수의 출구 포트로 연장되는 냉각 통로 시스템을 포함하는 냉각 주조 부품이며,
    상기 냉각 통로 시스템은 출구 중 적어도 제1 출구로 향하고 적어도 하나의 포스트를 둘러싸는 제1 통로와,
    출구 중 적어도 제2 출구로 향하고 적어도 하나의 포스트를 통과하는 제2 통로를 포함하는 냉각 주조 부품.
  2. 제1항에 있어서, 기본적으로 코팅된 주조로 구성되는 냉각 주조 부품.
  3. 제1항에 있어서, 가스 터빈 엔진 베인과, 가스 터빈 엔진 블레이드와, 가스 터빈 엔진 블레이드 외부 공기 시일과, 가스 터빈 엔진 연소기 구성 요소 중 하나인 냉각 주조 부품.
  4. 제1항에 있어서, 니켈계 초합금 주조를 포함하는 냉각 주조 부품.
  5. 제1항에 있어서, 터빈 엔진 에어포일 요소이며, 제1 통로는 선단 냉각 플리넘인 냉각 주조 부품.
  6. 제5항에 있어서, 적어도 다섯개의 상기 포스트의 폭방향 어레이가 존재하는 냉각 주조 부품.
  7. 냉각 부품을 제조하기 위한 방법이며,
    복수의 공급 통로를 형성하는 단계와,
    공급 통로 중 적어도 하나와 연통하고 복수의 포스트를 갖는 플리넘을 형성하는 단계와,
    복수의 포스트를 통과하고 상기 공급 통로 중 적어도 하나와 연통하는 출구 통로를 형성하는 단계를 포함하는 냉각 부품 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 코어 조립체에 대해서 주조를 실시한 다음 코어 조립체를 파괴하여 제거하는 단계를 포함하며,
    코어 조립체의 제1 부분은 기본적으로 상기 공급 통로를 남기고, 코어 조립체의 제2 부분은 포스트를 둘러싸는 플리넘의 적어도 일 부분을 남기는 냉각 부품 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 출구 통로 형성 단계는 상기 포스트를 관통하여 드릴링하는 단계를 포함하는 냉각 부품 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 플리넘 형성 단계는 상기 포스트를 형성하는 개구를 갖는 내화 금속계 코어에 의한 주조를 포함하는 냉각 부품 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 출구 통로 형성 단계는 상기 포스트를 관통하여 드릴링하는 단계를 포함하는 냉각 부품 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 출구 통로 형성 단계는 상기 개구를 통해서 연장되는 빗살부를 갖는 제2 내화 금속 코어에 의한 주조를 포함하는 냉각 부품 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서, 터빈 엔진 에어포일 요소를 주조하는데 사용되며,
    상기 플리넘 형성 단계는 플리넘을 선단 플리넘으로서 위치시키는 냉각 부품 제조 방법.
  14. 가스 터빈 엔진 에어포일 요소이며,
    제1 단부 및 제2 단부와, 선단 및 후단과, 압력 측부 및 흡입 측부와, 복수의 제1 출구를 갖는 선단 플리넘을 포함하는 내부 냉각 통로 시스템을 갖는 에어포일을 포함하고,
    적어도 하나의 포스트는 선단 플리넘을 가로질러 연장되며,
    적어도 하나의 출구 통로는 적어도 하나의 포스트를 통해서 적어도 하나의 제2 출구로 연장되는 가스 터빈 엔진 에어포일 요소.
  15. 제14항에 있어서, 상기 가스 터빈 엔진 에어포일 요소는 베인이며,
    제1 및 제2 단부는 각각 내측 슈라우드 세그먼트 및 외측 슈라우드 세그먼트에 존재하는 가스 터빈 엔진 에어포일 요소.
  16. 제14항에 있어서, 상기 복수의 포스트가 존재하며, 각각의 포스트는 관련된 상기 출구 통로를 갖는 가스 터빈 엔진 에어포일 요소.
  17. 주조 부품의 표면을 냉각하기 위한 방법이며,
    챔버 내의 하나 이상의 포스트 주위를 통과하고 하나 이상의 제1 출구를 빠져나가도록 제1 냉각 유동을 주조 부품 내의 챔버를 통해서 이동시키는 단계와,
    하나 이상의 제2 출구를 빠져나가게 하고 부품의 표면을 따라서 기막 냉각을 제공하도록 제2 냉각 유동을 하나 이상의 포스트를 통해서 이동시키는 단계를 포함하는 주조 부품 냉각 방법.
  18. 제17항에 있어서, 제1 냉각 유동 및 제2 냉각 유동은 단일 통로로부터 통과되는 주조 부품 냉각 방법.
  19. 제17항에 있어서, 제1 냉각 유동 및 제2 냉각 유동은 터빈 엔진 블레이드 또는 베인의 충돌 통로 또는 공급 통로 중 하나인 단일 통로로부터 통과되는 주조 부 품 냉각 방법.
  20. 제17항에 있어서, 챔버는 에어포일의 선단 부분을 따르는 플리넘이며,
    상기 제2 냉각 유동을 통과하는 복수의 상기 포스트가 존재하는 주조 부품 냉각 방법.
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