KR20080014587A

KR20080014587A - 블레이드 외부 에어 시일 코어 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20080014587A
Application number: KR1020070030076A
Authority: KR
Inventors: 수잔 엠. 쏠렌; 폴 엠. 럿젠; 리차드 에이치. 페이지; 리차드 더블유. 호프; 로저 제이. 게이츠; 마이클 에프. 블레어
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-02-14
Also published as: RU2007130632A; US7686068B2; SG139617A1; EP1886745B1; DE602007000674D1; JP2008044011A; US20090301680A1; CN101121192A; EP1886745A1

Abstract

본 발명의 블레이드 외부 에어 시일(BOAS) 주물 코어는 제1 및 제2 단부와, 복수의 레그들을 갖는다. 이들 레그들 중에서, 제1 레그 각각은 제1 단부와 인접하는 인접 단부와, 주 본체부와, 자유 말단부를 갖는다. 제2 레그 각각은 제2 단부와 인접하는 인접 단부와, 주 본체부와, 자유 말단부를 갖는다.

주물 코어, 블레이드, 에어 시일, 레그, 인접 단부, 말단부

Description

블레이드 외부 에어 시일 코어 및 제조 방법 {BLADE OUTER AIR SEAL CORES AND MANUFACTURE METHODS}

도1은 블레이드 외부 에어 시일(BOAS)의 도면.

도2는 도1의 BOAS의 OD/평면도.

도3은 도1의 BOAS의 제1 원주 방향 단부도.

도4는 도1의 BOAS의 제2 원주 방향 단부도.

도5는 도1의 BOAS의 냉각 통로 네트워크를 주조하기 위한 내화 금속 코어(RMC)의 평면도.

도6은 대안적인 RMC의 평면도.

도7은 도6의 RMC의 측면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 블레이드 외부 에어 시일(BOAS)

22: 주 본체부

24: 전방 단부

26: 후방 단부

28: 제1 원주 방향 단부

30: 제2 원주 방향 단부

32: ID면

34: OD면

40: 주변 구조

42: 전방 장착 후크

44: 제1 후방 후크

46: 제2 후방 후크

48: 코어 유로

50: 전방 핑거부

52: 후방 핑거부

56: 챔버

60, 62, 64, 66, 68, 70, 72: 포트

80: 냉각 통로 네크워크

82, 84, 86, 88, 90, 92: 연장 레그

100, 102, 104, 110, 112, 114: 유출 포트

120, 122, 124, 126, 128: 통로

130, 138: 근접 단부

200: 코어

본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 냉각 시라우드(shroud) 또는 블레이드 외부 에어 시일(BOAS)의 주조에 관한 것이다.

BOAS 세그먼트는 추출 공기에 의해 내부적으로 냉각될 수 있다. 예를 들면, BOAS 내에 원주 상으로 연장되는 냉각 통로 레그들의 상류로부터 하류로의 어레이가 있을 수 있다. 냉각 공기는 BOAS의 아웃보드(OD) 측으로부터 통로 레그 내로 (예를 들어, 통로 레그의 단부에서의 하나 이상의 유입 포트를 거쳐) 공급될 수 있다. 냉각 공기는 인접한 인터 세그먼트(inter-segment) 구역 내로 통기되도록 BOAS의 원주 방향 단부(정합면) 내의 유출 포트를 통해 레그를 빠져나갈 수 있다. 통기된 공기는, 예를 들어 인접한 BOAS 세그먼트를 냉각시키고, 가스 흡입을 방지하도록 갭을 퍼지할 수 있다.

BOAS 세그먼트는 인베스트먼트 주조법을 통해 주조될 수 있다. 예시적인 주조법에서는, 통로 레그를 성형하기 위해 세라믹 주물 코어가 사용된다. 코어는 통로 레그에 상응하는 레그를 갖는다. 코어 레그는 코어의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된다. 코어는 다이 내에 위치될 수 있다. 왁스는 패턴을 형성하기 위해 코어 레그 상으로 다이 내에 몰딩될 수 있다. 패턴이 쉘(shell)화 될 수 있다(예를 들어 세라믹 쉘을 성형하기 위한 치장 벽토 공정). 왁스는 쉘로부터 제거될 수 있다. 코어 상으로 쉘 내에 금속이 주조될 수 있다. 쉘 및 코어는 파괴식으로 제거될 수 있다. 코어 제거 후에, 코어 레그는 주물 내에 통로 레그를 남긴다. 탈사된(as-cast) 통로 레그는 미가공 BOAS 주물의 원주 방향 단부 양쪽에서 개방된다. 단부 개구들의 적어도 몇개는 플러그 용접, 브레이즈 핀(braze pin) 또는 다 른 수단들을 거쳐 폐쇄된다. 통로 레그로의 공기 유입은 주물의 OD 측으로부터 천공될 수 있다.

본 발명의 일 태양은 블레이드 외부 에어 시일(BOAS) 주물 코어에 관련된다. 코어는 제1 및 제2 단부와, 복수의 레그들을 갖는다. 이들 레그들 중에서, 제1 레그 각각은 제1 단부와 인접하는 인접 단부와, 주 본체부와, 자유 말단부를 갖는다. 제2 레그 각각은 제2 단부와 인접하는 인접 단부와, 주 본체부와, 자유 말단부를 갖는다.

다양한 실시예들에서는, 제1 및 제2 레그의 말단부는 주 본체부에 횡방향으로 돌출될 수 있다. 코어는 내화 금속 시트스톡(sheetstock)으로 형성될 수 있다. 코어는 세라믹 코팅부를 가질 수 있다. 인접부 각각은 감소된 단면 목부를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제3 레그는 제2 단부에 제1 단부를 연결시킬 수 있다. 적어도 하나의 제3 레그는 제1 및 제2 주연 또는 모서리 레그를 포함할 수 있다. 복수의 커넥터 브랜치는 레그들의 인접한 쌍들을 연결시킬 수 있다. 커넥터 브랜치는 연결된 레그의 인접한 단면보다 작은 최소 단면을 가질 수 있다.

코어는 코어 위에서 부분적으로 주조된 주물 및 쉘 내에 매립될 수 있다. 코어의 제1 및 제2 단부는 주물로부터 쉘 내로 돌출될 수 있다. 제1 및 제2 레그 말단부는 쉘 내로 돌출될 수 있거나, 또는 주물 내에서 종결될 수 있다.

코어는 내화 금속 시트를 절단함으로써 제조될 수 있다. 절단 후에, 제1 및 제2 레그 말단부는 이들 레그의 관련 주 본체부에 횡방향으로 절곡될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들의 상세 내역을 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에서 개시한다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명 및 도면과, 청구항으로부터 명백할 것이다.

여러 도면에서 동일한 참조번호 및 지시는 동일한 요소들을 나타낸다.

도1은 블레이드 외부 에어 시일(BOAS)(20)을 도시한 것이다. BOAS는 선단/상류/전방 단부(24) 및 후단/하류/후방 단부(26)를 갖는 주 본체부(22)를 갖는다. 본체는 제1 및 제2 원주 방향 단부 또는 정합면(28 및 30)을 갖는다. 본체는 ID면(32) 및 OD면(34)을 갖는다. 주변 구조(40)(도3)에 BOAS를 장착하기 위해서, 예시적인 BOAS는 복수의 장착 후크를 갖는다. 예시적인 BOAS는 전방 단부(24)의 후방으로 리세스된 전방 돌출 말단부를 갖는 단일 중심 전방 장착 후크(42)를 갖는다. 예시적인 BOAS는 후방 단부(26)를 넘어 후방으로 돌출하는 후방 돌출 말단부를 갖는 한 쌍의 제1 및 제2 후방 후크(44 및 46)를 갖는다.

복수의 BOAS(22)의 원주 방향 링 어레이는 가스 터빈 엔진의 연관된 블레이드 스테이지를 둘러쌀 수 있다. 따라서, 조립된 ID면(32)은 코어 유로(48)의 아웃보드 맨 가장자리의 경계를 나타낸다(도3). BOAS(22)는 어레이를 상호 체결하기 위한 형상부를 가질 수 이다. 예시적인 형상부트ㅌ 핑거 및 쉽랩(shiplap) 조인트를 포함한다. 예시적인 BOAS(22)는 제1 원주 방향 단부(28)로부터 돌출하며 조립 시에 인접 BOAS의 제2 원주 방향 단부(30)의 방사상으로 아웃보드인 한 쌍의 전방 및 후방 핑거부(50 및 52)를 갖는다.

BOAS는 공냉될 수 있다. 예를 들면, 추출 공기는 면(34)의 바로 아웃보드인 챔버(56)(도3)로 배향될 수 있다. 추출 공기는 포트(60, 62, 64, 66, 68, 70 및 72)(도2)를 통해 내부 냉각 통로 네트워크(80)로 배향될 수 있다. 예시적인 네트워크는 복수의 원주 방향으로 연장된 레그(82, 84, 86, 88, 90 및 92)를 포함한다. 네트워크는 복수의 유출 포트를 가질 수 있다. 예시적인 유출 포트는 원주 방향 단부(28 및 30)를 따르는 유출 포트를 포함할 수 있다. 예시적인 BOAS(22)에서, 유출 포트(100, 102 및 104)는 제1 원주 방향 단부(28)를 따라 형성되고, 유출 포트(110, 112 및 114)는 제2 원주 방향 단부(30)를 따라 형성된다. 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 인접 레그는 통로(120, 122, 124, 126 및 128)를 상호 체결함으로써 상호 체결될 수 있다.

작동 시에, 유입 포트(66)는 레그(82)의 근접 단부(130) 근방에 레그(82)를 공급한다. 공기는 레그(82)의 다른 단부(132)의 목부 구역에 있는 유출 포트(100)로 레그(82) 아래로 흐른다. 유사하게, 유입 포트(60)는 근접 단부(134) 근방에 레그(84)를 공급한다. 유출 포트(110)는 다른 단부(136)에서 목부 구역에 있다. 유입 포트(68 및 70)는 근접 단부(138) 근방에 레그(86)를 공급한다. 유출 포트(102)는 다른 단부(140)에서 형성된다. 유입 포트(62)는 근접 단부(142) 근방에 레그(88)를 공급한다. 유출 포트(112)는 다른 단부(144)에 있다. 유입 포트(72)는 근접 단부(148)에서 목부 구역에 있다. 유입 포트(164)는 근접 단부(150) 근방에 레그(92)를 공급한다. 유출 포트(114)는 다른 단부(152)의 목부 구역에 형성된다.

도5는 통로 레그를 주조하기 위한 내화 금속 코어(RMC)(200)를 도시한 것이다. 코어(200)는 (예를 들어 내화 금속의) 금속 시트로부터 절단될 수 있다. 예시적인 절단법은 레이저 절단법이다. 대안적인 절단법은 스탬핑 가공 조작을 거칠 수 있다. 예시적인 RMC(200)는 제1 및 제2 단부(202 및 204)를 갖는다. 제1 및 제2 주연 레그(206 및 208)는 프레임형 구조를 형성하기 위해 단부(202 및 204) 사이를 연장하여 결합한다. 주연 레그(206 및 208) 사이에는, 통로 레그(82, 84, 86, 88, 90 및 92)를 각각 주조하는 레그(210, 212, 214, 216, 218 및 220)의 어레이가 있다. 예시적인 실시예에서, RMC 레그 각각은 단부(202 및 204) 중 인접하는 하나와 결합하는 인접 단부와, 다른 단부로부터 이격된 자유 말단부를 갖는다. 레그의 주 본체는 인접 단부와 말단부 사이에서 연장된다. 예시적인 실시예에서, 코어 레그 말단부(230, 232, 234, 236, 238 및 240)는 통로 레그 근접 단부(130, 134, 138, 142, 146 및 150)를 각각 주조한다. 코어 레그 인접 단부(242, 244, 246, 248, 250 및 252)는 유출 포트(100, 110, 102, 112, 104 및 114)를 각각 주조한다.

근접 통로 레그 단부를 주조하기 위해 RMC 레그의 자유 말단부를 사용함으로써, 종래의 플러그 용접 단계는 생략되거나 또는 줄일 수 있다. 그러나, 인접 코어 단부(202 또는 204)에 코어 레그 자유 말단부의 국부적인 연결의 결여는 구조적 강도를 손상시킬 수 있다. 적어도 부분적으로 보완하기 위하여, RMC(200)는 인접 레그의 주 본체부를 연결하는 연결부(260, 262, 264, 266 및 268)를 갖는다. 이들 연결부는 결국 통로(120, 122, 124, 126 및 128)를 각각 주조하게 된다.

공기 유동 관점에서, 연결부는 주물 통로 레그 내의 공기압이 동일한 인접 레그를 따른 위치에서 위치 결정되는 것이 유리할 수 있다. 이는 직교류(cross-flow)를 최소화하고, 손실을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이런 위치는 원하는 것보다 작은 RMC 강도를 제공할 수 있다. 따라서, 연결부는 최적 압력 밸런싱 위치에 대해 변경될 수 있다(예를 들어 원주상 외측으로 밀려남).

도5는 또한 내부면(282)을 갖는 쉘(280)을 개략적으로 도시한 것이다. 쉘(280)은 BOAS를 주조하기 위한 RMC(200)를 함유하면서 왁스 패턴 위로 형성된다. 왁스 제거, 주조 및 쉘 제거/코어 제거 후에, 유입 포트(60, 62, 64, 66, 68, 70 및 72)는 (예를 들어 미가공 주물에 적용되는 기계 가공 공정의 일부로서) 천공될 수 있다.

예시적인 RMC(200) 또는 그 변형물의 이용에는 하나 이상의 이점들이 있을 수 있다. 자유 말단 레그부를 갖는 RMC의 이용은 플러그 용접의 필요를 회피하거나 또는 감소시킬 수 있다. 세라믹 코어에 대한 RMC의 이용은 보다 정교한 통로의 주조를 허용할 수 있다. 예를 들면, 코어 두께 및 통로 높이는 기준(baseline) 세라믹 코어의 두께 및 그 주조 통로의 높이에 비해 감소될 수 있다. 예시적인 RMC 두께는 1.25 mm 미만이고, 보다 좁게는 0.5 내지 1.0 mm이다. RMC는 내부 트립 스트립 또는 다른 표면 강화물을 주조하기 위한 (예를 들어 스탬핑 가공된/엠보싱된 또는 레이저 에칭된 리세스 등의) 특성이 쉽게 제공될 수 있다.

도6 및 도7은 내화 금속 시트스톡으로부터 또한 절단될 수 있는 대안적인 RMC(400)를 도시한 것이다. 그렇지 않았더라면, RMC(400)는 RMC(200)와 유사한 방 식으로 형성될 수 있다. RMC(400)는 제1 및 제2 단부(402 및 404)를 갖는다. 복수의 레그는 RMC의 주요면으로부터 절곡된 자유 말단부(406)를 갖는다. 예를 들면, 예시적인 절곡부는 얇은 목부 구역(410)의 절곡선(408)에서 상방이다. 패턴 몰딩 후에, 말단부(406)는 패턴 왁스로부터 부분적으로 돌출하고, 최종 쉘(440) 내에 매립된다. RMC(200)의 사용에 비해서, 이는 쉘 내에 RMC의 보다 강력한 정렬을 제공할 수 있으며, 따라서 정확한 통로 위치 결정을 제공할 수 있다. 쉘 제거/코어 제거 시에, 쉘 캐비티 내에 있는 말단부(406)의 일부는 주물 내에 포트(port)를 남긴다. 이 포트는 유입 포트로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 포트는 (예를 들어 천공 또는 다른 기계 가공에 의해) 확장될 수 있다.

추가적인 변경예들은 인접 통로 레그의 특성 두께[예를 들어 평균값, 중간값 또는 최빈값(modal)]보다 작은 두께(반경 방향 높이)를 갖도록 상호 체결 통로(예를 들어 120, 122, 124, 126 및 128)의 하나 내지 모두를 방사상으로 제한하는 것을 포함할 수 있다. 이는 RMC 연결부(예를 들어 260, 262, 264, 266 및 268)의 대응하는 솎음(thinning)에 의해 제공될 수 있다. 예시적인 솎음은 하나 또는 양 RMC 면들로부터일 수 있고, RMC의 주요 절단의 일부로서 또는 그 이후에 수행될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들이 서술되었다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않는 한 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 기준 BOAS의 개량(reengineering)에 수행될 때, 또는 기존의 제조 기술 및 장비를 이용할 때, 기준 BOAS 또는 기존의 기술이나 장비의 상세 내역은 임의의 특별한 실시의 상세 내역에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 다른 실시예들은 이하의 청구항들의 범주 내에 있다.

본 발명은 제1 및 제2 단부와, 제1 단부와 인접하는 인접 단부와, 주 본체부와, 자유 말단부를 각각 갖는 복수의 제1 레그들과, 제2 단부와 인접하는 인접 단부와, 주 본체부와, 자유 말단부를 각각 갖는 복수의 제2 레그들을 포함하는 복수의 레그들을 포함하는 주물 코어를 제공할 수 있다.

Claims

제1 및 제2 단부와,

제1 단부와 인접하는 인접 단부와,

주 본체부와,

자유 말단부를 각각 갖는 복수의 제1 레그들과,

제2 단부와 인접하는 인접 단부와,

주 본체부와,

자유 말단부를 각각 갖는 복수의 제2 레그들을 포함하는 복수의 레그들을 포함하는 주물 코어.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레그들의 말단부들은 주 본체부에 횡방향으로 돌출하는 주물 코어.
제1항에 있어서, 상기 코어는 내화 금속 시트스톡(sheetstock)으로 형성된 주물 코어.
제3항에 있어서, 상기 코어는 세라믹 코팅부를 갖는 주물 코어.
제3항에 있어서, 상기 시트스톡은 0.5 내지 1.0 mm의 두께를 갖는 주물 코 어.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레그의 말단부들은 각각 감소된 단부 목부를 포함하는 주물 코어.
제1항에 있어서, 상기 제2 단부에 제1 단부를 연결하는 적어도 하나의 제3 레그를 더 포함하는 주물 코어.
제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제3 레그는 제1 및 제2 주연 레그를 포함하는 주물 코어.
제1항에 있어서, 인접한 상기 레그 쌍들을 연결시키면서, 연결된 레그들의 인접 단면보다 작은 최소 단면을 갖는 복수의 커넥터 브랜치들을 더 포함하는 주물 코어.
제9항에 있어서, 상기 커넥터 브랜치들은 연결된 레그들의 특성 두께보다 작은 두께를 갖는 주물 코어.
쉘과,

제1항에 따른 코어와,

부분적으로 상기 코어 위에 있는 주물을 포함하고,

상기 제1 및 제2 단부는 주물로부터 쉘 내로 돌출하는, 미가공 주물, 쉘 및 코어 조합체.
제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레그의 말단부들은 주물로부터 쉘 내로 돌출하는 미가공 주물, 쉘 및 코어 조합체.
제11항에 있어서, 말단부들은 주물 내에서 종결하는 미가공 주물, 쉘 및 코어 조합체.
제1 및 제2 단부와,

제1 단부와 인접하는 인접 단부와,

주 본체부와,

말단부를 각각 갖는 복수의 제1 레그들과,

제2 단부와 인접하는 인접 단부와,

주 본체부와,

말단부를 각각 갖는 복수의 제2 레그들을 포함하는 복수의 레그들을 형성하기 위해 내화 금속 시트를 절단하는 단계와,

상기 제1 및 제2 레그 말단부를 관련 주 본체부에 횡방향으로 절곡하는 단계를 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 절단 단계는 레이저 절단 단계를 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 절단 단계는,

상기 제1 레그 말단부를 제2 단부로부터 절단하는 단계와,

상기 제2 레그 말단부를 제1 단부로부터 절단하는 단계를 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 적어도 상기 제1 및 제2 레그부에 코팅을 적용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레그부 위에 희생재를 몰딩하여 패턴을 형성하는 단계와,

패턴을 쉘링하는 단계와,

상기 희생재를 제거하는 단계와,

쉘 내에 금속을 주조하는 단계와,

쉘을 제거하는 단계를 더 포함하고,

상기 제1 및 제2 단부와 말단부는 희생재로부터 쉘 내로 돌출하는 방법.
블레이드 외부 에어 시일을 성형하기 위해 이용되는 제18항에 따른 방법이며,

제1 및 제2 레그 말단부에 의해 주조된 유입부를 통해 시일 내로 공기를 배향시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 주물의 제1 면으로부터 상기 제1 및 제2 레그부에 의해 주조된 주물 내의 통로까지 복수의 유출 구멍들을 천공하는 단계와,

상기 유출 구멍을 통해 공기를 방출하는 단계를 더 포함하는 방법.