KR20130091722A - 터빈 엔진 내의 냉각을 위한 확산 섹션들을 갖는 구성요소 벽 - Google Patents

터빈 엔진 내의 냉각을 위한 확산 섹션들을 갖는 구성요소 벽 Download PDF

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KR20130091722A
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칭-팽 이
재 와이. 음
므리날 문시
험베르토 에이. 주니가
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 형성되는 필름 냉각 구조 및 필름 냉각 구조의 제조 방법에 관한 것이다. 필름 냉각 구조는 벽 내에 형성되는 복수의 개별 확산 섹션(20)들을 포함하고, 각각의 확산 섹션들은 확산 섹션을 형성하는 벽의 융기부(30)를 향하여 냉각 공기를 배향하도록 단일 냉각 통로(42)를 포함한다. 필름 냉각 구조에는 벽 내에 복수의 형성되는 확산 섹션들의 형상들을 형성하는 구멍들을 포함하는 마스킹 형판이 형성될 수 있다. 마스킹 재료(76)는 구멍들을 통하여 노출되는 냉각 통로들의 출구들을 폐쇄하기 위해 마스킹 형판 내의 구멍들 안으로 벽에 도포될 수 있다. 마스킹 형판은 제거될 수 있고 재료는 마스킹 재료가 일단 제거될 때 확산 섹션들을 형성하도록 벽의 외부 표면 상에 도포될 수 있다.

Description

터빈 엔진 내의 냉각을 위한 확산 섹션들을 갖는 구성요소 벽{COMPONENT WALL HAVING DIFFUSION SECTIONS FOR COOLING IN A TURBINE ENGINE}
본 발명은 터빈 엔진들, 및 더 특별하게는, 가스 터빈 엔진 내의 에어포일(airfoil)과 같은, 구성요소 벽 내에 제공되는 냉각 구조에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진과 같은, 터보기계에서, 공기는 컴프레서 내에서 가압되고 그 후 연료와 혼합되고 고온 연소 가스들을 발생하기 위해 연소기에서 연소된다. 고온 연소 가스들은 에너지는 컴프레서에 동력을 제공하고 전기를 발생하는데 사용되는 출력 동력을 제공하기 위해 추출되는 엔진의 터빈 내에서 팽창된다. 고온 연소 가스들은 일련의 터빈 스테이지들을 통하여 이동한다. 터빈 스테이지는 회전 에어포일들, 즉 터빈 블레이드들의 열(row)에 뒤따르는 고정적 에어포일들, 즉 베인(vane)들의 열을 포함할 수 있고, 터빈 블레이드들은 컴프레서에 동력을 공급하고 출력 동력을 제공하기 위해 고온 연소 가스들로부터 에너지를 추출한다.
에어포일들, 즉 베인들 및 터빈 블레이드들은 가스들이 터빈을 통과할 때 고온 연소 가스들에 직접적으로 노출되기 때문에, 이러한 에어포일들에는 통상적으로 에어포일을 통하여 그리고 에어포일의 표면 주위의 다양한 필름 냉각 구멍들을 통하여, 컴프레서 블리드 공기(compressor bleed air)와 같이, 냉매를 운반하는 내부 냉각 회로들이 제공된다. 예컨대, 필름 냉각 구멍들은, 고온 연소 가스들로부터 에어포일을 보호하는, 공기의 필름 냉각 층을 형성하기 위해 에어포일의 외측으로 공기를 배출하기 위하여 벽들을 통하여 냉각 공기를 운반하기 위해 에어포일들의 벽들 내에 통상적으로 제공된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 구성요소 벽이 터빈 엔진 내에 제공된다. 구성요소 벽은 제 1 표면 및 이 제 1 표면으로부터 반대편에 있는 제 2 표면, 그리고 제 2 표면 내에 위치되는 복수의 확산 섹션들을 갖는 기재를 포함한다. 각각의 확산 섹션은 제 1 및 제 2 표면들 사이의 바닥 표면, 제 2 표면에 위치되는 개방 정상 부분, 및 바닥 표면으로부터 제 2 표면으로 연장하는 벽 구조에 의해 형성된다. 벽 구조는 각각의 확산 섹션을 에워싸고 적어도 제 1 측벽 및 이 제 1 측벽으로부터 반대편에 있는 제 2 측벽을 포함한다. 각각의 확산 섹션의 제 1 측벽은 각각의 확산 섹션의 제 2 측벽을 향하여 연장하는 융기부(protuberance)를 포함한다. 각각의 확산 섹션은 단일 냉각 통로를 포함하고, 각각의 확산 섹션의 냉각 통로는 제 1 표면으로부터 각각의 확산 섹션의 바닥 표면으로 기재를 통하여 연장한다. 각각의 냉각 통로의 출구는 이 출구를 통하여 각각의 냉각 통로를 빠져나가는 냉각 공기가 각각의 제 1 측벽의 융기부를 향하여 배향되도록 각각의 확산 섹션 내에 배열된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 구성요소 벽이 터빈 엔진 내에 제공된다. 구성요소 벽은 제 1 표면 및 이 제 1 표면으로부터 반대편에 있는 제 2 표면 그리고 제 2 표면 내에 위치되는 복수의 확산 섹션들을 갖는 기재를 포함한다. 각각의 확산 섹션은 제 1 및 제 2 표면들, 제 2 표면에 위치되는 개방 정상 부분, 및 바닥 표면으로부터 제 2 표면으로 연장하는 벽 구조에 의해 형성되었다. 벽 구조는 각각의 확산 섹션을 에워싸고, 제 1 측벽, 이 제 1 측벽으로부터 반대편에 있는 제 2 측벽, 제 1 그리고 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 3 측벽, 및 제 3 측벽으로부터 반대편에 있고 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 4 측벽을 포함한다. 각각의 확산 섹션의 바닥 표면은 실질적으로 제 2 표면과 평행하고 제 1 측벽으로부터 제 4 측벽으로 연장한다. 각각의 확산 섹션의 제 1 측벽은 실질적으로 제 2 표면과 수직이고 각각의 확산 섹션의 제 2 측벽을 향하여 연장하는 융기부를 포함한다. 각각의 확산 섹션은 단일 냉각 통로를 포함하고, 각각의 확산 섹션의 냉각 통로는 제 1 표면으로부터 각각의 확산 섹션의 바닥 표면으로 기재를 통하여 연장한다. 각각의 냉각 통로의 출구는 이 출구를 통하여 각각의 냉각 통로를 빠져나가는 냉각 공기가 각각의 제 1 측벽을 따라 냉각 공기의 분기 흐름을 실행하기 위해 각각의 융기부의 정점(apex)을 향하여 배향되도록 각각의 확산 섹션 내에 배열된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법이 제공된다. 구성요소 벽의 내부 층의 외부 표면이 마스킹 형판(masking template)에 의해 가려진다. 마스킹 형판은 구성요소 벽 내의 복수의 형성되는 확산 섹션들을 형성하는 구멍(aperture)들을 포함한다. 구멍들은 냉각 통로들의 출구들이 구멍들을 통하여 노출되도록 구성요소 벽의 내부 층을 통하여 연장하는 냉각 통로들의 출구들 사이의 간격에 대응하여 서로로부터 이격된다. 마스킹 재료가 냉각 통로들의 출구들을 폐쇄하기 위해 마스킹 형판 내의 구멍들 안으로 구성요소 벽에 도포된다. 마스킹 형판은 제거되고 재료는 내부 층 위에 구성요소 벽의 출구 층을 형성하기 위해 내부 층의 외부 표면 상에 도포된다. 외부 층은 구성요소 벽 내의 복수의 형성되는 확산 섹션들을 에워싼다.
본 명세서는 본 발명을 구체적으로 가리키고 명백하게 주장하는 청구항들에 의해 결론을 내리고 있지만, 본 발명은, 유사한 참조 부호들이 유사한 요소들을 나타내는, 첨부된 도면의 도들과 관련한 이후의 설명으로부터 더 양호하게 이해될 것이라 여겨진다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 필름 냉각된 구성요소 벽의 부분의 사시도이고;
도 2 는 도 1 의 라인 2-2 를 따라 취해진 필름 냉각된 구성요소 벽의 측횡단면도이고;
도 3 은 도 1 에 나타낸 필름 냉각된 구성요소 벽의 평면도이고;
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 구성요소 벽 내의 복수의 확산 섹션들을 형성하기 위한 방법을 도시하는 도면이고;
도 5 내지 도 8 은 도 4 에 도시된 방법에 따른 구성요소 벽 내의 복수의 확산 섹션들의 형성을 위한 단계들을 도시하는 도면이고; 및
도 9 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필름 냉각된 구성요소 벽의 사시도이다.
바람직한 실시예들의 이후의 상세한 설명에서, 여기서 부품을 형성하고, 도시에 의해 나타내어지며, 제한이 아니라, 본 발명이 실행될 수 있는 특정한 바람직한 실시예들인 첨부된 도면들이 참조된다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고 변경들이 본 발명의 원리 및 내용을 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있는 것이 이해된다.
도 1 내지 도 3 을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 필름 냉각된 구성요소 벽(10)이 나타나 있다. 구성요소 벽(10)은, 에어포일, 즉 회전 터빈 블레이드 또는 고정적 베인, 연소기 라이너, 배기 노즐 등과 같은 터빈 엔진 내의 구성요소의 일부를 포함한다.
구성요소 벽(10)은 제 1 표면(14) 및 제 2 표면(16)을 갖는 기재(12)를 포함한다. 제 1 표면(14)은, 제 1 표면(14)이 냉각 공기에 노출될 수 있기 때문에, "냉각" 표면으로 나타낼 수 있고, 제 2 표면(16)은, 작동 중에 제 2 표면(16)이 고온 연소 가스들에 노출될 수 있기 때문에, "고온" 표면으로 나타낼 수 있다. 이러한 연소 가스들은 엔진의 작동 동안 최대 약 2,000℃ 의 온도를 가질 수 있다. 나타낸 실시예에서, 제 1 표면(14) 및 제 2 표면(16)은 서로 반대편에 있고 실질적으로 평행하다.
기재(12)를 형성하는 재료는 구성요소 벽(10)의 분야에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 터빈 엔진 구성요소들을 위하여, 기재(12)는 바람직하게는, 예컨대 세라믹들 및 금속계 재료들, 예컨대 강 또는 니켈 코발트 또는 철계 초합금들 등과 같이, 엔진의 각각의 부분 내에서 발생하는 통상적인 작동 조건들을 견딜 수 있는 재료를 포함한다.
도 1 및 도 2 를 참조하면, 기재(12)는 하나 또는 둘 이상의 층들을 포함할 수 있고, 나타낸 실시예에서 내부 층(18A), 외부 측(18B), 및 내부 및 외부층들(18A, 18B) 사이에 중간 층(18C)을 포함한다. 나타낸 실시예에서 내부 층(18A)은, 예컨대 강 또는 니켈, 코발트 또는 철계 초합금을 포함하고, 일 실시예에서, 도 2 를 참조하면, 약 1.2 ㎜ 내이 약 2.0 ㎜ 의 두께(TA)를 가질 수 있다. 나타낸 실시예에서 외부 층(18B)은 구성요소 벽(10)을 위하여 높은 열 저항을 제공하기 위해 이용되는 열적 배리어 코팅을 포함하고, 일 실시예에서, 도 2 를 참조하면, 약 0.5 ㎜ 내지 약 1.0 ㎜ 의 두께(TS)를 가질 수 있다. 나타낸 실시예에서 중간 층(18C)은 외부 층(18B)을 내부 층(18A)에 접합하는데 사용되는 접합 코팅을 포함하고, 일 실시예에서, 도 2 를 참조하면, 약 0.1 ㎜ 내지 약 0.2 ㎜ 의 두께(TC)를 가질 수 있다. 나타낸 실시예에서 기재(12)는 내부, 외부 및 중간 층들(18A, 18B, 18C)을 포함하지만, 추가적인 또는 더 적은 층들을 갖는 기재들이 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 예컨대, 열적 배리어 코팅, 즉 외부 층(18B)은, 단일 층을 포함할 수 있거나 또는 하나 초과의 층을 포함할 수 있다. 복수 층 열적 배리어 코팅 도포시에, 각각의 층은 유사한 또는 상이한 조성을 포함할 수 있고 유사한 또는 상이한 두께를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3 에 나타낸 것과 같이, 또한 크레이터(crater)들, 트렌치(trench)들, 또는 슬롯(slot)들로 나타내는, 복수의 확산 섹션(20)들은 구성요소 벽(10) 내에 형성된다. 확산 섹션(20)들은 기재(12)의 제 2 표면(16) 내에 형성될 수 있으며, 즉 확산 섹션(20)들은, 나타낸 실시예에서 외부 층(18B)을 통하여 또는 외부 및 중간 층들(18B, 18C) 양쪽을 통하여 연장할 수 있다(도 2 참조).
확산 섹션(20)들은 각각의 확산 섹션(20), 기재(12)의 제 2 표면(16)에 위치되는 개방 정상 부분(24), 및 바닥 표면(26)을 에워싸는 벽 구조(22)를 각각 포함한다. 벽 구조(22)는 기재(12)의 제 2 표면(16)과 바닥 표면(26) 사이에서 연장한다. 나타낸 실시예에서 벽 구조(22)는 제 1 측벽(22A), 이 제 1 측벽(22A)으로부터 이격된 제 2 측벽(22B), 제 1 및 제 2 측벽들(22A 및 22B) 사이에서 연장하는 제 3 측벽(22C), 및 제 3 측벽(22C)으로부터 이격되고 또한 제 1 및 제 2 측벽들(22A 및 22B) 사이에서 연장하는 제 4 측벽(22D)을 포함한다. 도 3 에 나타낸 것과 같이, 각각의 확산 섹션(20)의 바닥 표면(26)은 제 3 측벽(22C)으로부터 제 4 측벽(22D)으로 연장한다. 여기서 더욱 상세하게 설명될 것과 같이, 제 1 측벽(22A)이 작동 동안 고온 가스(HG)의 방향에 대하여 제 2 측벽(22B)으로부터 하류인 것에 주의해야 한다(도 1 내지 도 3 참조).
제 1, 제 2 , 제 3, 및 제 4 측벽들(22A 내지 22D)은 각각의 확산 섹션(20)의 바닥 표면(26)으로부터 기재(12)의 제 2 표면(16)으로 연속적으로 외측으로 각각 연장한다. 즉, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 측벽들(22A 내지 22D)은 제 2 표면(16)과 바닥 표면(26) 사이에서 일반적으로 수직으로 연속적으로 연장한다. 또한, 나타낸 실시예에서 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 측벽들(22A 내지 22D)은 기재(12)의 제 2 표면(16)에 그리고 또한 각각의 확산 섹션(20)의 바닥 표면(26)에 각각 실질적으로 수직이다. 또한, 이 실시예에 따른 각각의 확산 섹션(20)의 제 2 측벽(22B)은, 도 3 에 가장 명백하게 나타낸 것과 같이, 제 3 측벽(22C)으로부터 제 4 측벽(22D)으로 연장하는 일반적으로 직선 벽 섹션을 포함한다.
나타낸 실시예에서 바닥 표면(26)은, 도 1 내지 도 3 에 나타낸 것과 같이, 기재(12)의 내부 층(18A)의 외부 표면(28)에 의해 형성된다. 나타낸 실시예에서, 바닥 표면(26)은 일반적으로 기재(12)의 제 2 표면(16)에 그리고 또한 기재(12)의 제 1 표면(14)에 실질적으로 평행하다.
도 1 및 도 3 에 가장 명백하게 나타낸 것과 같이, 각각의 확산 섹션(20)의 제 2 측벽(22A)은, 범프(bump), 벌지(bulge) 등으로 또한 나타낼 수 있는, 단일 융기부(30)를 포함하며, 이 융기부(30)는 각각의 확산 섹션(20)의 제 2 측벽(22B)을 향하여 고온 가스(HG) 흐름의 방향에 일반적으로 평행하게 또는 축방향으로 연장한다. 이 실시예에 따른 각각의 융기부(30)는 정점(32) 및 이 정점(32)으로부터 제 3 및 제 4 측벽들(22C, 22D)과의 각각의 접합부들(33a, 33b)로, 고온 가스(HG) 흐름의 방향으로, 분기 관계로 서로로부터 어떠한 각도로 연장하는 인접한 벽 부분들(30a, 30b)을 포함한다. 각각의 융기부(30)의 형상은 변할 수 있으며, 형상은, 여기서 상세하게 논의될 것과 같이, 일반적으로 고온 가스(HG) 흐름에 평행한 것으로부터 고온 가스(HG) 흐름에 가로로 냉각 공기(CA)의 흐름의 방향을 변경하기 위해 작동 동안 제 1 측벽(22A)을 따라 냉각 공기(CA)의 분기 흐름을 실행하도록 구성된다(도 1 참조). 또한, 나타낸 실시예에서 각각의 확산 섹션(20)의 융기부(30)는 일반적으로 동일한 형상을 포함하지만, 하나 또는 둘 이상의 융기부(30)들은 하나 또는 둘 이상의 상이한 형상들을 포함할 수 있는 것이 이해된다. 융기부(30)들의 정점(32)들은, 도 1 내지 도 3 에 나타낸 것과 같이, 날카로운 각도들을 포함할 수 있지만, 여기서 설명될 것과 같이, 도 9 에 나타낸 것과 같이, 다양한 각도들로 둥글게 될 수 있는 것에 주의해야 한다.
도 1 내지 도 3 을 참조하면, 각각의 확산 섹션(20)은 기재(12)의 제 1 표면(14)으로부터 각각의 확산 섹션(20)의 바닥 표면(26)으로 기재(12)를 통하여 연장하는 단일 냉각 통로(42)를 포함하고, 즉 각각의 확산 섹션(20)의 냉각 통로(42)는 나타낸 실시예에서 제 1 층(18A)을 통하여 연장한다. 이 실시예에서, 각각의 냉각 통로(42)는 기울어져 있고, 즉 도 2 에 나타낸 것과 같이, 기재(12)를 통하여 각도(θ)로 연장한다. 각도(θ)는, 예컨대 바닥 표면(26)에 의해 형성되는 평면에 대하여 약 15 도 내지 약 60 도일 수 있으며, 바람직한 실시예에서 약 30 도 내지 약 45 도이다.
냉각 통로(42)들의 직경은 이들의 길이를 따라 균일할 수 있거나 또는 변할 수 있다. 예컨대, 냉각 통로(42)들의 목(throat) 부분(44)들(도 2 및 도 3 참조)은 실질적으로 원통형일 수 있고, 냉각 통로(42)들의 출구(46)들은 타원형, 확산기 형상일 수 있거나, 또는 임의의 다른 적절한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 각각의 냉각 통로(42)의 출구(46)는 냉각 통로(42)가 각각의 확산 섹션(20)의 바닥 표면(26)에서 끝나는 구역인 것에 주의해야 한다. 냉각 통로(42)들의 출구(46)들이 확산기 형상들을 포함한다면, 출구(46)의 경계들을 형성하는 기재(12)의 부분들은 각각의 냉각 통로(42)의 축선에 대하여 약 10 도의 각도를 형성할 수 있다는 것에 또한 주의해야 한다. 또한, 제 3 및 제 4 측벽들(22C, 22D)은, 도 1 및 도 3 을 참조하면, 서로로부터 분기하는 것으로 나타난다. 구체적으로는, 제 3 및 제 4 측벽들(22C, 22D)의 각각은 각각의 냉각 통로(42)의 축선에 대하여 약 10 도의 각도를 형성할 수 있다.
도 1 및 도 3 에 나타낸 것과 같이, 각각의 냉각 통로(42)의 출구(46)는 출구(46)가 각각의 융기부(30)의 정점(32)과 축방향으로 정렬되도록 각각의 확산 섹션(20)의 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 측벽들(22A 내지 22D) 사이의 각각의 확산 섹션(20) 내에 배열된다. 그리하여, 냉각 통로의 출구(46)를 통하여 각각의 냉각 통로(42)를 빠져나가는 냉각 공기(CA)는 각각의 제 1 측벽(22)의 융기부(30)를 향하여 배향된다. 이 구성은, 도 1 및 도 3 에 실선 화살표들에 의해 나타낸 것과 같이, 작동 동안, 인접한 각각의 벽 부분들(30a, 30b)을 따라 냉각 공기(CA)의 분기 흐름을 실행하기 위해 유리하게는 냉각 공기(CA)가 각각의 융기부(30)의 정점(32)을 향하여 흐르는 것을 가능하게 한다.
작동 동안, 예컨대 컴프레서 배출 공기 또는 임의의 다른 적절한 냉각 유체를 포함할 수 있는, 냉각 공기(CA)는 냉각 공기의 소스(도시되지 않음)로부터 냉각 통로(42)들로 이동한다. 냉각 공기(CA)는 냉각 통로(42)들을 통하여 흐르고 냉각 통로의 출구(46)들을 통하여 대응하는 확산 섹션(20)들로 냉각 통로(42)들을 빠져나간다.
각각의 냉각 통로(42)의 출구(46)에서 흘러나가는 냉각 공기(CA)에 이어, 냉각 공기(CA)는 각각의 제 1 측벽(22A)의 융기부(30)의 정점(32)을 향하여 흐른다. 도 1 및 도 3 에 나타낸 것과 같이, 각각의 제 1 측벽(22A)의 정점(32)은 대응하는 확산 섹션(20) 내에 냉각 공기(CA)를 퍼뜨리기 위해 일반적으로 인접한 벽 부분들(30a, 30b)을 따라 흐른다. 냉각 공기(CA)는 일반적으로 접합부들(33a, 33b)을 향하여 인접한 벽 부분들(30a, 30b)을 따라 흐르고 확산 섹션(20) 내에 퍼뜨려진다. 확산 섹션(20)들 내의 냉각 공기(CA)의 퍼뜨림은 실질적으로 각각의 전체 확산 섹션(20) 내의 냉각 공기(CA)의 "시트" 를 생성하고 각각의 확산 섹션(20) 내의 냉각 공기(CA)의 필름 범위를 개선한다. 그리하여, 냉각 공기(CA)에 의해 제공되는 각각의 확산 섹션(20)의 필름 냉각 하류는 증가되는 것으로 여겨진다.
고온 가스(HG)는, 도 1 내지 도 3 에 나타낸 것과 같이, 확산 섹션(20)들을 향하여 기재(12)의 제 2 표면(16)을 따라 흐른다. 확산 섹션(20)들 내의 냉각 공기(CA)가 상기 논의된 것과 같이 각각의 확산 섹션(20) 내에 냉각 공기(CA)의 시트를 형성하기 때문에, 확산 섹션(20)들 내의 냉각 공기(CA)와 고온 가스(HG)의 혼합은 줄어들거나 또는 실질적으로 회피되는 것으로 여겨진다. 오히려, 고온 가스(HG)의 대부분은 확산 섹션(20)들 사이의 기재(12)의 제 2 표면(16)을 가로질러 그리고 확산 섹션(20)들 그리고 확산 섹션 내의 냉각 공기(CA)의 시트들 위를 흐르는 것으로 여겨진다.
도 1 에 도시된 것과 같이, 냉각 공기(CA)의 부분이 확산 섹션의 제 1 측벽(22A)을 넘어서 기재(12)의 제 2 표면(16)으로 각각의 확산 섹션(20)에서 흘러나간다. 냉각 공기(CA)의 이 부분은 기재(12)의 제 2 표면(16)에 필름 냉각을 제공한다. 확산 섹션(20)들 내의 냉각 공기(CA)및 고온 가스(HG)의 혼합이 줄어들거나 또는 실질적으로 회피되는 것으로 여겨지기 때문에, 상기 논의된 것과 같이, 냉각 유체(CA)의 실질적으로 균등하게 분산된 "커튼"이 각각의 확산 섹션(20)에서 흘러나가고 제 2 표면(16)에 필름 냉각을 제공하기 위해 기재(12)의 제 2 표면(16) 위를 쓸어간다(wash up). 기재(12)의 제 2 표면(16)에 대한 필름 냉각은 제 2 표면(16)으로의 각각의 확산 섹션(20)들에서 흘러나가는 냉각 유체(CA)의 실질적으로 균등하게 분산되는 커튼들에 의해 개선되는 것으로 여겨진다.
도 4 그리고 추가적으로 도 5 내지 도 8 을 참조하면, 터빈 엔진의 구성요소 벽 내의 냉각 구조 형성 방법(50)이 도시된다. 예시적인 목적들을 위해, 도 4 에 대하여 여기서 설명된 구성요소 벽은 도 1 내지 도 3 을 참조하여 상기 설명된 것과 같은 동일한 구성요소 벽(10)일 수 있다.
단계(52)에서, 구성요소 벽(10)의 내부 층(18A)의 외부 표면(28)이 제거 가능한 마스킹 형판(70)에 의해 가려지고, 이는 도 5 에 도시된다. 마스킹 형판(70)은 그 안에 형성되는 복수의 구멍(72)들을 포함한다. 구멍(72)들은, 여기서 설명될 것과 같이, 구성요소 벽(10) 내의 형성되는 확산 섹션들의 형상들을 형성한다. 도 5 에 나타낸 것과 같이, 구멍(72)들은 냉각 통로(42)들의 출구(46)들이 구멍(72)들을 통하여 노출되도록 구성요소 벽(10)의 내부 층(18A)을 통하여 연장하는 냉각 통로(42)들의 출구(46)들 사이의 공간에 대응하여 서로로부터 이격된다. 나타낸 실시예에서, 여기서 논의될 것과 같이, 마스킹 형판(70)은 형성되는 확산 섹션들의 융기부들이 냉각 통로(42)들의 각각의 하나의 출구(46)들과 정렬되도록 구성된다. 마스킹 형판(70)은, 예컨대 테이프(tape) 구조 또는 다른 적절한 제거 가능한 재료일 수 있다.
단계(54)에서, 도 6 에 나타낸 것과 같이, 제거 가능한 마스킹 재료(76)는 마스킹 형판(70)의 구멍(72)들 안으로 구성요소 벽(10)에 도포된다. 마스킹 재료(76)는, 예컨대 구성요소 벽(10) 상에 페이스트의 형태로 마스킹 재료(76)를 퍼뜨림으로써, 구성요소 벽(10) 상에 마스킹 재료(76)를 스프레이 코팅함으로써, 마스킹 재료(76) 내에 구성요소 벽(10)을 담금으로써, 또는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 도포될 수 있다. 마스킹 형판(70)의 구멍(72)들 안으로 마스킹 재료(76)를 도포하는 것은 냉각 통로(42)들의 출구(46)들을 폐쇄하고 실질적으로 구멍(72)들을 채워서 마스킹 재료(76)는 형성되는 확산 섹션들의 형상들을 형성한다. 마스킹 재료(76)는, 예컨대, 에폭시 수지, 알키드 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, 열가소성 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리올레핀, 스티렌계 수지 및 열가소성 재료들의 혼합물들 또는 공중합체들과 같은 열경화성 또는 열가소성 재료들로부터 형성될 수 있다.
단계(56)에서, 마스킹 형판(70)은 구성요소 벽(10)으로부터 제거되고, 마스킹 재료(76)는 마스킹 형판(70)의 구멍(72)들이 이전에 위치되었던 구성요소 벽(10) 상에 남아있는다. 그리하여, 조립의 이 스테이지에서, 마스킹 재료(76)는 냉각 통로(42)들의 출구(46)들을 여전히 폐쇄한다.
단계(58)에서, 마스킹 재료(76)는 경화된다. 당업자에게는 명백한 것과 같이, 마스킹 재료(76)의 소입(hardening) 또는 응고(solidifying)의 다른 방법들이 사용될 수 있지만, 마스킹 재료(76)의 "경화" 는, 일반적으로 마스킹 재료(76)의 소입 및 냉각을 나타낸다. 마스킹 재료(76)는 단계(56)에서 마스킹 형판(70)을 제거하기 전에 경화될 수 있으며, 이러한 경우 마스킹 형판(70)은 마스킹 재료(76)를 따라 경화될 수 있다. 이는, 예컨대 마스킹 형판(70)이 여기서 설명된 것과 같이 마스킹 형판이 구성요소 벽(10) 내의 냉각 구조를 형성하는데 사용된 이후에 배치된다면, 바람직할 수 있다.
단계(60)에서, 재료(80), 예컨대 열적 배리어 코팅이 내부 층(18A) 위의 구성요소 벽(10)의 외부 층(18B)을 형성하기 위해 내부 층(18A)의 외부 표면(28) 상에 배치될 수 있고, 이는 도 7 에 도시된다. 선택적으로는, 내부 층(18A) 상에 외부 층(18B)을 배치하기에 앞서, 중간 층(18C)(도 7 참조), 예컨대 본드 코팅이 내부 층(18A)으로의 외부 층(18B)의 접합을 용이하게 하기 위해 내부 층(18A)에 도포될 수 있다. 다른 옵션으로서, 본드 코팅은 마스킹 형판(70)이 단계(52)에서 내부 층(18A)에 도포되기에 앞서 내부 층(18A)에 도포될 수 있다. 이는, 본드 코팅이 냉각 통로(42)들의 출구(46)들을 실질적으로 가장 막을 것 같지 않기 때문에 허용 가능하다.
단계(62)에서, 도 8 을 참조하면, 마스킹 재료(76)는 복수의 확산 섹션(20)들이 마스킹 재료(76)가 이전에 위치되었던 구성요소 벽(10) 내에 형성되도록 구성요소 벽(10)으로부터 제거된다. 확산 섹션(20)들은, 도 1 내지 도 3 에 대하여 상기 설명된 것과 같이, 벽 구조(22), 개방 정상 부분(24), 및 바닥 표면(26)에 의해 각각 형성될 수 있다. 바닥 표면(26)은 마스킹 재료(76)가 이전에 위치되었던 내부 층(18A)의 외부 표면(28)의 표면 영역에 대응할 수 있다. 제 1 측벽(22A)이 구성요소 벽(10)의 외부 층(18B)을 형성하는 재료에 의해 형성될 수 있고, 상기 설명된 것과 같이 각각의 냉각 통로(42)들의 출구와 정렬되는 정점(32)을 포함하는 융기부(30)를 포함할 수 있다. 벽 구조(22)의 제 2, 제 3, 및 제 4 측벽들(22B, 22C, 22D)이 구성요소 벽(10)의 외부 층(18B)을 형성하는 재료에 의해 또한 형성될 수 있다.
단계(62)에서 마스킹 재료(76)를 제거하는 것은, 상기 설명된 것과 같이, 냉각 공기(CA)가 냉각 통로(42)들을 통과할 수 있고 각각의 제 1 측벽(22A)의 융기부(30)를 향하여 냉각 통로의 출구(46)들에서 흘러나가도록 냉각 통로(42)들의 출구(46)를 뚫는다.
여기서 기재된 구성요소 벽(10)은 하나 또는 복수의 확산 섹션(20)들, 크레이터들, 트렌치들, 또는 슬롯들을 포함할 수 있으며, 이들은 기재(12)의 전체 제 2 표면(16) 위에 연장할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다는 것을 주의해야 한다. 구성요소 벽(10)이 복수의 확산 섹션(20)들을 포함한다면, 대응하는 냉각 통로(42)들 및 냉각 통로의 출구(46)들의 개수, 형상, 및 배열은 여기 설명된 확산 섹션(20)들에서 나타낸 것과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 또한, 융기부(30)들의 형상, 뿐만 아니라 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 측벽들(22A 내지 22D)의 구성은 여기 설명된 확산 섹션(20)들과 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
유리하게는, 냉각 및 공기역학들 양쪽에 대한 증가된 성능이 기존의 필름 냉각된 구성요소 벽들과 비교할 때 여기 설명된 기재된 구성요소 벽(10)에 의해 실현될 수 있다. 또한, 여기 기재된 방법(50)은 구성요소 벽(10) 내에 복수의 확산 섹션(20)들을 효율적으로 형성하기 위해 이용될 수 있다. 구체적으로는, 마스킹 형판(70) 및 마스킹 재료(76)의 사용에 의해, 모든 냉각 통로 출구(46)들은, 각각의 출구(46)들이 마스킹 재료의 개별 부분들에 의해 별개적으로 커버되는 것을 요구하기 보다는, 단일 단계에서, 즉 마스킹 재료(76)에 의해 커버될 수 있다. 그리하여, 구성요소 벽(10) 내의 냉각 구조 및 그의 복잡성을 형성하는데 요구되는 시간은 냉각 통로(42)들의 출구(46)들이 개별적으로 커버되는 경우와 비교하여 줄어든다. 또한, 마스킹 형판(70)의 사용에 의해, 형성되는 확산 섹션들의 형상들은 원하는대로 구성될 수 있다.
이제 도 9 를 참조하면, 다른 실시예에 따른 그 안에 형성되는 복수의 확산 섹션(120)들을 갖는 구성요소 벽(110)이 나타나 있다. 도 9 에서, 도 1 내지 도 3 을 참조하여 상기에서 설명된 것과 유사한 구조가 100 만큼 증가된 동일한 참조 번호를 포함한다. 또한, 단지 도 1 내지 도 3 을 참조하여 상기에서 설명된 것과 상이한 구조만이 도 9 를 참조하여 여기서 구체적으로 설명될 것이다.
도 9 에서, 복수의 확산 섹션(120)들의 각각의 제 1 측벽(122A)의 융기부(130)들은 각각의 융기부(130)의 곡선 벽 섹션(131)에 의해 형성된 매끄럽고, 곡선의 패턴으로 구성된다. 도 9 에서 실선 화살표들에 의해 나타낸 것과 같이, 냉각 통로(142)들의 출구(146)들로부터 빠져나가는 냉각 공기(CA)는 융기부(130)들의 정점(132)들을 향하여 배향되고, 이 정점(132)들은 각각의 확산 섹션(120)의 제 2 측벽(122B)에 가장 가깝게 위치된 곡선 벽 섹션(131)의 부분에 의해 형성된다. 곡선 벽 섹션(131)의 벽 부분들(130a, 130b)은 제 1 측벽(122A)을 따라 냉각 공기(CA)의 분기 흐름을 실행하고, 이 벽 부분들(130a, 130b)은 정점(132)들의 반대편의 측들로부터 분기한다.
여기 설명된 확산 섹션들(20, 120)은 수리 공정의 일부로서 형성될 수 있거나 또는 새로운 에어포일 설계들로서 이행될 수 있다. 또한, 확산 섹션들(20, 120)은 여기 설명된 것 외의 다른 공정들에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 기재(12)는 단일 층을 포함할 수 있으며 확산 섹션들(20, 120)은 기재 층의 외부 표면(16)에서 기계가공될 수 있다.
본 발명의 특별한 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 다양한 다른 변경들 및 수정들이 본 발명의 원리 및 내용을 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 범위 내인 모든 이러한 변경들 및 수정들을 첨부된 청구항들에서 커버하는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 터빈 엔진 내의 구성요소 벽으로서 :
    제 1 표면 및 상기 제 1 표면으로부터 반대편에 있는 제 2 표면을 갖는 기재;
    상기 제 2 표면 내에 위치되는 복수의 확산 섹션들로서, 상기 각각의 확산 섹션은 상기 제 1 및 제 2 표면들 사이의 바닥 표면에 의해 형성되고, 개방 정상 부분이 상기 제 2 표면에 위치되고, 벽 구조가 상기 바닥 표면으로부터 상기 제 2 표면으로 연장하고, 상기 벽 구조는 상기 각각의 확산 섹션을 에워싸고 적어도 제 1 측벽 및 상기 제 1 측벽으로부터 반대편에 있는 제 2 측벽을 포함하는, 복수의 확산 섹션들을 포함하고;
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 제 1 측벽은 상기 각각의 확산 섹션의 상기 제 2 측벽을 향하여 연장하는 융기부를 포함하고;
    상기 각각의 확산 섹션은 단일 냉각 통로를 포함하고, 상기 각각의 확산 섹션의 상기 냉각 통로는 상기 제 1 표면으로부터 상기 각각의 확산 섹션의 상기 바닥 표면으로 상기 기재를 통하여 연장하고, 상기 각각의 냉각 통로의 출구는 상기 출구를 통하여 상기 각각의 냉각 냉각 통로를 빠져나가는 냉각 공기가 상기 각각의 제 1 측벽의 상기 융기부를 향하여 배향되도록 상기 각각의 확산 섹션 내에 배열되는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 벽 구조의 상기 제 1 및 제 2 측벽들은 상기 제 2 표면에 실질적으로 수직인,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 바닥 표면 및 상기 제 2 표면은 실질적으로 서로 평행한,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 제 1 측벽의 상기 융기부는 상기 제 1 측벽을 따른 냉각 공기의 분기 흐름을 실행하기 위해 각각의 냉각 통로의 출구와 정렬되는 정점을 포함하는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 융기부들 중 하나 이상은 상기 제 1 측벽의 곡선 벽 섹션에 의해 형성되고, 상기 곡선 벽 섹션의 부분에 의해 형성된 상기 각각의 융기부의 상기 정점은 상기 제 2 측벽에 가장 가깝게 위치되는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 융기부들 중 하나 이상은 서로에 대하여 어떠한 각도로 연장하는 상기 제 1 측벽의 벽 섹션들의 쌍에 의해 형성되고 상기 정점에서 함께 나오는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 벽 구조는 :
    상기 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 3 측벽; 및
    상기 제 3 측벽으로부터 반대편에 있고 상기 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 4 측벽으로서, 상기 바닥 표면은 상기 제 3 측벽으로부터 상기 제 4 측벽으로 연장하는, 제 4 측벽을 더 포함하는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 제 2 측벽은 :
    상기 제 3 측벽으로부터 상기 제 4 측벽으로 연장하는 일반적으로 직선 벽 섹션을 포함하고; 및
    일반적으로 상기 제 2 표면에 수직인,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  9. 터빈 엔진 내의 구성요소 벽으로서 :
    제 1 표면 및 상기 제 1 표면으로부터 반대편에 있는 제 2 표면을 갖는 기재;
    상기 제 2 표면 내에 위치되는 복수의 확산 섹션들로서, 상기 각각의 확산 섹션은 상기 제 1 및 제 2 표면들 사이의 바닥 표면에 의해 형성되고, 개방 정상 부분이 상기 제 2 표면에 위치되고, 벽 구조가 상기 바닥 표면으로부터 상기 제 2 표면으로 연장하고, 상기 벽 구조는 상기 각각의 확산 섹션을 에워싸고 제 1 측벽, 상기 제 1 측벽으로부터 반대편에 있는 제 2 측벽, 상기 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 3 측벽, 및 상기 제 3 측벽으로부터 반대편에 있고 상기 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 4 측벽을 포함하는, 복수의 확산 섹션들을 포함하고;
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 바닥 표면은 상기 제 2 표면에 실질적으로 평행하고 상기 제 3 측벽으로부터 상기 제 4 측벽으로 연장하고;
    상기 각각의 확산 섹션의 상기 제 1 측벽은 상기 제 2 표면에 실질적으로 수직이고 상기 각각의 확산 섹션의 상기 제 2 측벽을 향하여 연장하는 융기부를 포함하고; 및
    상기 각각의 확산 섹션은 단일 냉각 통로를 포함하고, 상기 각각의 확산 섹션의 냉각 통로는 상기 제 1 표면으로부터 상기 각각의 확산 섹션의 상기 바닥 표면으로 상기 기재를 통하여 연장하고, 상기 각각의 냉각 통로의 출구는 상기 출구를 통하여 상기 각각의 냉각 통로를 빠져나가는 냉각 공기가 상기 각각의 제 1 측벽을 따라 냉각 공기의 분기 흐름을 실행하기 위해 상기 각각의 융기부의 정점을 향하여 배향되도록 상기 각각의 확산 섹션 내에 배열되는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 융기부들 중 하나 이상은 :
    상기 제 1 측벽의 곡선 벽 섹션으로서, 상기 각각의 융기부의 상기 정점은 상기 제 2 측벽에 가장 가깝게 위치되는 상기 곡선 벽 섹션의 부분에 의해 형성되는, 제 1 측벽의 곡선 벽 섹션; 및
    서로에 대하여 어떠한 각도로 연장하고 상기 정점에서 함께 나오는 상기 제 1 측벽의 벽 섹션들의 쌍 중 하나에 의해 형성되는,
    터빈 엔진 내의 구성요소 벽.
  11. 터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법으로서 :
    마스킹 형판으로 상기 구성요소 벽의 내부 층의 외부 표면을 가리는 단계로서, 상기 마스킹 형판은 상기 구성요소 벽 내의 복수의 형성될 확산 섹션들의 형상들을 형성하는 구멍들을 포함하고, 상기 구멍들은 냉각 통로들의 출구들이 상기 구멍들을 통하여 노출되도록 상기 구성요소 벽의 내부 층을 통하여 연장하는 냉각 통로들의 출구들 사이의 간격에 대응하여 서로로부터 이격되는, 마스킹 형판으로 상기 구성요소 벽의 내부 층의 외부 표면을 가리는 단계;
    상기 냉각 통로들의 출구들을 폐쇄하기 위해 상기 마스킹 형판 내의 상기 구멍들 안으로 상기 구성요소 벽에 마스킹 재료를 도포하는 단계;
    상기 마스킹 형판을 제거하는 단계; 및
    상기 내부 층 위에 상기 구성요소 벽의 외부 층을 형성하기 위해 상기 내부 층의 상기 외부 표면 상에 재료를 도포하는 단계로서, 상기 외부 층은 상기 구성요소 벽 내의 복수의 형성될 확산 섹션들을 에워싸는, 내부 층의 외부 표면 상에 재료를 도포하는 단계를 포함하는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  12. 제 11 항에 있어서,
    복수의 확산 섹션들이 상기 마스킹 재료가 이전에 위치되었던 상기 구성요소 벽 내에 형성되도록 상기 구성요소 벽으로부터 상기 마스킹 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 확산 섹션은 :
    상기 마스킹 재료가 이전에 위치되었던 상기 구성요소 벽의 내부 층의 외부 표면의 표면 영역에 대응하는 바닥 표면으로서, 상기 바닥 표면은 상기 구성요소 벽의 외부 층의 외부 표면에 실질적으로 평행한, 바닥 표면;
    상기 구성요소 벽의 외부 층을 형성하는 재료에 의해 형성되는 제 1 측벽으로서, 상기 제 1 측벽은 상기 바닥 표면과 실질적으로 수직인, 제 1 측벽; 및
    상기 제 1 측벽으로부터 이격되고 상기 구성요소 벽의 외부 층을 형성하는 재료에 의해 형성되는 제 2 측벽에 의해 형성되는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 확산 섹션은 :
    상기 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하고 상기 바닥 표면과 실질적으로 수직인 제 3 측벽; 및
    상기 제 3 측벽으로부터 반대편에 있고 상기 제 1 및 제 2 측벽들 사이에서 연장하는 제 4 측벽으로서, 상기 제 4 측벽은 상기 바닥 표면과 실질적으로 수직인, 제 4 측벽에 의해 또한 형성되는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 측벽은 상기 바닥 표면과 실질적으로 수직인,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  16. 제 14 항에 있어서,
    각각의 확산 섹션의 상기 바닥 표면은 상기 제 3 측벽으로부터 상기 제 4 측벽으로 연장하는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 마스킹 형판은 각각의 형성될 확산 섹션의 각각의 제 2 측벽을 향하여 연장하고 각각의 냉각 통로의 출구와 정렬되는 상기 제 1 측벽들의 각각 내에 융기부를 형성하도록 구성되는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 내부 층의 상기 외부 표면 상에 재료를 도포하는 단계에 앞서, 상기 구성요소 벽의 내부 층의 외부 표면에 본드 코팅을 도포하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 내부 층의 상기 외부 표면 상에 재료를 도포하는 단계는 상기 내부 층의 외부 표면 상에 열적 배리어 코팅을 도포하는 단계를 포함하는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
  20. 제 11 항에 있어서,
    마스킹 재료를 도포하는 단계에 이어 그리고 상기 내부 층의 상기 외부 표면 상에 재료를 도포하는 단계에 앞서, 상기 마스킹 재료를 경화하는,
    터빈 엔진의 구성요소 벽 내에 냉각 구조를 형성하는 방법
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