KR20150091249A

KR20150091249A - 고온 용례용 복합 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR20150091249A
Application number: KR1020150014155A
Authority: KR
Inventors: 그레고어 에티엔 비츠; 미카엘 슈투어; 한스-페테르 보스만
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2015-08-10
Also published as: EP2902588A1; US9938838B2; EP2902588B1; CN104819013B; RU2015101424A; CN104819013A; JP2015145673A; RU2015101424A3; US20150218954A1; RU2696526C2

Abstract

본 발명은 루트(1)에 연결된 에어포일(2) 및 로터의 대응하는 주변 조립체 그루브 내에 블레이드(10)를 장착하기 위한 상기 루트(1)를 가진 가스 터빈 등과 같은 고온 용례용 복합 터빈 블레이드(10)에 관한 것이고, 상기 루트(1)의 적어도 일부뿐만 아니라 상기 에어포일(2)의 적어도 일부를 걸쳐 연장하는 내부 운반 구조체(3)가 제공되고, 상기 내부 운반 구조체(3)는 고강도 공정 세라믹으로 형성되고 상기 에어포일(2)은 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질로 형성된다.

Description

고온 용례용 복합 터빈 블레이드{COMPOSITE TURBINE BLADE FOR HIGH-TEMPERATURE APPLICATIONS}

본 발명은 특히 고온 가스 경로에서, 다른 터빈 단계들을 제공하기 위해 터빈 또는 엔진의 로터 또는 디스크 상의 장착부 및 조립체에 대해 조정되는, 가스 터빈 또는 터빈 엔진과 같은 고온 용례용 복합 터빈 블레이드에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진들의 효율성 및 성능을 증가시킬 목적으로, 예를 들어, 종래의 가스 터빈과 비교할 때 더 고온의 온도에서 작동될 수 있는 터빈이 필요하다. 이 작동 필요 조건들을 충족시키기 위해서, 과거에는 터빈 블레이드의 제작을 위해 소위 초합금, 예를 들어, 니켈 기반 초합금을 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 이 물질들은 부식되기 쉽고 고온의 특정한 범위에 제한된다. 또한, 종래 기술에서, 예를 들어, 냉각 공기 공급과 같은 고온 터빈 블레이드를 냉각하는 다른 방법들이 제안되어 왔다. 그러나, 온도의 증가에 따라, 필요한 냉각 공기의 양이 가스 터빈의 전체 성능 및 효율성의 감소에 따라 증가된다. 초합금으로 제작된 터빈 블레이드의 온도 수용력을 더 증가시키기 위해서, 세라믹 열 장벽 코팅(TBC들)이 제안되어왔다. 그러나, 또한 세라믹 코팅부를 갖는 이러한 터빈 블레이드들에 대해, 고온 용례의 범위에 대한 한계가 있고 그래서 터빈 블레이드의 제작은 다소 복잡하다.

또한, 세라믹 물질로 구현된, 고온 가스 터빈용 터빈 블레이드가 과거에 제안되었다: 예를 들어, EP 0 712 382 B1호에서 터빈 블레이드의 제작을 위한 공정 세라믹 섬유의 사용이 개시되고, 세라믹 공정 섬유가 세라믹 매트릭스 복합체를 제작하기 위해 사용된다.

또한 US 2003/0207155 A1호는 세라믹 물질로 형성된 고온 터빈 블레이드를 설명하고, 여기서 냉각 덕트들이 고온 범위들에서 가스 엔진의 작동 동안 터빈 블레이드들을 냉각하기 위해 제공된다.

그러나, 고온 용례용으로 잘 알려진 터빈 블레이드들은 블레이드들이 냉각 덕트들과 같은 분리된 냉각 수단을 필요로 하거나 또는 요구되는 기계적 성질들, 특히, 이러한 터빈 블레이드들의 몇몇의 부분들 또는 위치들에서 증가된 하중에 저항하기 위한 고강도를 얻지 못한다는 단점을 갖는다. 세라믹 물질로 형성된 공지된 터빈 블레이드들의 추가의 문제점은 블레이드들이 이물질 피해에 대해 다소 낮은 저항성을 갖는다는 것을 특징으로 한다는 점이다. 또한, 상술된 공정 세라믹 물질이 비교적 낮은 파괴 인성을 갖고, 따라서 터빈 블레이드, 특히 이러한 블레이드들의 에어포일의 구현 시에 이러한 세라믹 물질의 적용이 다소 제한된다.

이 단점들을 보면, 본 발명의 문제는 동시에 이물질 피해에 대한 높은 저항 및 높은 파괴 인성 및 고온 수용력 또는 작동 가능한 온도 범위를 조합하는 고온 용례용 복합 터빈 블레이드를 제공하는 것이다.

이 문제는 청구항 1의 특징을 가진 복합 터빈 블레이드에 의해 해결된다. 유리하고 선호되는 구현 형태 및 추가의 개발품은 의존항의 주제이다.

본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드는 로터의 대응하는 조립체 그루브 내의 장착을 위한 루트뿐만 아니라 상기 루트에 연결된 에어포일을 갖고, 상기 루트의 적어도 일부뿐만 아니라 상기 에어포일의 일부를 걸쳐 연장하는 내부 운반 구조체가 제공되고, 상기 내부 운반 구조체는 고강도 공정 세라믹으로 형성되고 상기 에어포일은 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 내부 운반 구조체는 적어도 블레이드의 루트뿐만 아니라 루트에 연결된 에어포일의 몇몇 부분들에 제공된다. 내부 운반 구조체에 대한 고강도 공정 세라믹의 사용에 따라, 터빈 블레이드는 이러한 가스 터빈들의 고온 범위들에서의 적용을 위해 요구되는 증가된 기계적 성질들을 가진다.

에어포일 자체는 다른 세라믹 물질, 즉, 세라믹 매트릭스 복합체 물질 또는 소위 CMC 물질로 형성된다. 이 물질에 의해, 에어포일의 공기 역학 형태가 형성되고, 이것은 블레이드의 이 부분에서, 이물질 피해에 대한 높은 저항뿐만 아니라 양호한 내식성 구조를 제공한다. 내식성은 CMC 물질에 의해 또는 CMC의 표면 상에 도포된 하나 이상의 코팅층들에 의해 직접 제공될 수 있다. 이러한 CMC 물질은 또한 터빈 블레이드의 긴 수명이 성취되도록 높은 파괴 인성을 특징으로 한다. 터빈 블레이드의 다른 요소들 또는 부분들이 각각의 기능 및 위치에 대해 구성된 다른 세라믹 물질들로 모두 구현되기 때문에, 터빈 블레이드는 고온 용례들, 특히 1,500℃ 주위 또는 1,500℃ 초과의 온도 범위들에서 특히 구성된다. 터빈 블레이드의 다른 요소들 또는 구성 요소들을 가진 본 발명에 따른 다른 세라믹 물질들의 결합에 의해, 터빈 블레이드의 다른 위치들에서의 원하는 기계적 및 온도 관련 성질들이 성취된다: 예를 들어, 터빈 블레이드의 루트 부분은 전체 블레이드의 하중을 지탱할 필요가 있지만 보통 가스 터빈 엔진의 작동 중에 비교적 낮은 온도에서 노출된다. 다른 한편으로는, 이 루트 부분은 형태에 관한 조립 및 분해의 작은 허용 오차를 필요로 한다. 따라서, 터빈 블레이드의 루트는 에어포일과 같은 고온 저항성 세라믹 물질로 형성될 필요가 없지만, 다른 세라믹 물질들 및/또는 금속 및 세라믹 물질들의 결합으로 구현될 수 있다. 고강도 공정 세라믹으로 구현되는 내부 운반 구조체는 현 상황에서 에어포일 자체에 대한 경우에, 고온의 가스와 직접 접촉하지 않고 이물질 또는 마모에 영향을 받지 않도록 터빈 블레이드의 내부 부분이다.

다른 한편으로는, 에어포일은 본 발명에 따라 높은 기계적 성질들뿐만 아니라 최대 1,500℃ 또는 심지어 1,800℃의 증가된 온도에 대한 저항을 보장하는 세라믹 매트릭스 복합체 물질로 구현된다. 복합 세라믹 터빈 블레이드의 새로운 디자인에 따라, 냉각 필요 조건들은 상당히 줄어든다. 부분의 기계적 하중 및 고온 가스 온도에 따라, 이러한 복합 블레이드가 예를 들어, 냉각 공기의 공급을 통해 능동 냉각을 요구하지 않는다는 것이 가능하다. 중요한 구성 요소의 물질은 고온 범위들에서 고강도이다. 냉각 공기의 감소는 전체 비용 감소 및 터빈 엔진의 성능 및 효율성의 증가를 이끈다.

고온 용레에 대한 특정한 응용 외에, 본 발명의 복합 터빈 블레이드는 또한 중량 및 내식성에 관한 이점들을 가진다. 금속 물질 또는 금속 합금과 비교할 때, 하나 및 동일한 터빈 블레이드 내의 다른 유형의 세라믹 물질의 사용은 또한 부식에 관한 문제들을 회피한다. 본 발명의 세라믹 터빈 블레이드의 이러한 복합 디자인에 의해, 다른 세라믹(및/또는 금속) 물질들의 조합은 완전한 블레이드 구성에서 다른 기능들을 가진 터빈 블레이드들의 다른 위치들에서 각각의 원하는 기계적 및 온도 관련 성질들을 제공한다. 내부 운반 구조체의 주요 기능은 하중을 지탱하고 또한 터빈 블레이드의 루트 부분에 에어포일을 단단히 연결하여 유지하는 것이다. 다른 한편으로는, 에어포일 자체는 특히 이러한 가스 터빈 등의 작동 동안 고온 및 가능한 이물질 피해 또는 마모 요건들에 대해 조정된다.

본 발명의 구현의 유리한 형성에 따라, 터빈 블레이드의 에어포일은 섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합(CMC) 물질로 구현된다. 섬유 강화 CMC 물질의 사용에 의해, 기계적 강도가 더 증가되고 높은 파괴 인성이 제공된다. 세라믹 매트릭스 복합체 물질의 강화를 위한 섬유는 또한 공정 세라믹 섬유 또는 예를 들어, 산화물 섬유(Al₂O₃, 멀라이트, 이트리아 안정 지르코니아, HfO₂, ZrO₂, 또는 Y₂O₃와 같은)에 기초한 다른 물질의 섬유일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 에어포일의 물질의 강화의 목적을 위해 세라믹 공정 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 추가의 유리한 양태에 따르면, 터빈 블레이드의 루트 부분 또는 루트는 외부 금속 표면 코팅부를 갖는 공정 세라믹 물질로 구성된다. 루트의 금속 코팅부에 의해, 루트 부분은 가스 터빈의 대응하는 주변 어셈블리 그루브 내의 터빈 블레이드의 장착 및 분해의 목적을 위해 요구된 형태에 관한 작은 허용 오차 내에서 형성될 수 있다. 따라서 단단한 마무리 및 동시에 블레이드의 조립 또는 분해 및 작동 중에 다양한 유형의 하중을 견디는 능력을 가진 터빈 블레이드의 루트를 제공하는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 터빈 블레이드는 비교적 낮은 중량을 갖고 특히 공정 세라믹 물질에 기인한 고온 범위들에서의 적용을 위해 구성된다.

본 발명의 추가의 유리한 실시예에 따르면, 에어포일의 세라믹 매트릭스 복합체 물질은 블레이드의 사전 결정된 형태의 거의 네트 모양인 내부 운반 구조체 상에 직접 형성된다. 그것은 에어포일이 내부 운반 구조체의 공정 세라믹 물질 상에 직접 형성되거나 또는 주조된다는 것을 의미한다. 이에 따라 분리된 연결 수단을 필요로 하지 않고서 단단한 연결이 성취된다. 예를 들어, 2개의 구성 요소들 및 터빈 블레이드의 가능하게는 추가의 구성 요소들의 경화 후에, 에어포일의 외부 형태의 최소 기계가공만을 필요로 하는 완성된 복합 터빈 블레이드 구조체가 제공된다. 이에 의해 다른 구성 요소들, 특히 강화 섬유를 갖거나 또는 강화 섬유를 갖지 않은 세라믹 매트릭스 복합 물질로 구성된 에어포일의 사전 결정된 제작 허용 오차에 쉽게 도달하는 것이 가능하다.

본 발명의 추가의 유리한 실시예에 따라, 터빈 블레이드의 내부 운반 구조체는 블레이드의 루트 부분 맞은 편의 자유 단부에서 본질적으로 앵커링(anchoring) 형태의 단면을 갖는다. 내부 운반 구조체의 자유 단부에서의 이러한 앵커링 형태의 단면에 의해, 외부 에어포일에 대한 고정 저항이 증가된다. 예를 들어, 에어포일의 물질은 내부 운반 구조체의 앵커링 형태의 단부 상에 그리고 앵커링 형태의 단부 주위에 직접 형성될 수 있다. 또한, 요구되는 물질의 양은 이 특징에 의해 감소되고, 이에 따라 터빈 블레이드의 전체 중량이 또한 감소된다.

본 발명의 구현의 추가의 유리한 형태에 따라, 터빈 블레이드의 루트는 가스 터빈 엔진의 상기 조립체 그루브의 대응하는 단면과의 결합을 위해 전나무 형태의 단면을 가진다. 이에 의해 터빈 블레이드는 클램프 등과 같은 추가의 고정 수단의 필요 없이 대응하는 장착 그루브 내에서 직접 조립될 수 있다. 이러한 형태 끼워맞춤 결합에 의해, 가스 터빈 내의 정확한 사전 결정된 위치에 대한 터빈 블레이드의 안전한 장기간의 고정이 또한 보장된다.

본 발명의 추가의 유리한 실시예에 따라, 복합 터빈 블레이드에는 상기 에어포일을 상기 내부 운반 구조체에 연결하기 위한 수단이 제공된다. 에어포일을 내부 운반 구조체에 연결하기 위한 추가의 수단에 의해, 이 구성 요소들 사이의 고정력이 향상된다. 또한 가스 터빈의 작동 중에 에어포일 상에서 작용하는 높은 하중의 경우에, 터빈 블레이드의 정확한 위치 설정 및 조립이 유지된다.

에어포일을 내부 운반 구조체에 연결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 터빈 블레이드에는 외부 에어포일 및 내부 운반 구조체 사이의 각각의 접촉 위치들에서 세라믹 슬러리가 제공될 수 있고, 슬러리는 터빈 블레이드의 경화 동안 소결된다. 이에 의해, 고체 세라믹 연결부가 에어포일 및 내부 운반 구조체가 경화될 때 자동으로 형성된다. 각각의 접촉 위치들에 세라믹 슬러리를 제공하여, 터빈 블레이드의 이 세라믹 구성 요소들의 장기간 연결이 구현된다.

이 점에 있어서 추가의 유리한 실시예에 따라, 터빈 블레이드의 내부 운반 구조체 및 에어포일을 연결하기 위한 수단은 상기 터빈 블레이드의 요소들 사이의 기계적 체결을 구현하기 위한 형태인, 구멍들 및 돌기들과 같은 형태 특징부들을 포함한다. 예를 들어, 내부 운반 구조체에 복수의 구멍들 또는 옴폭한 곳들이 제공된다면, 내부 운반 구조체 상에 주조된 에어포일의 물질은 각각의 구멍들 또는 옴폭한 곳들을 충전할 것이다. 이에 의해, 안전한 유지 효과가 터빈 블레이드의 다른 구성 요소들이 서로 단단히 고정되도록 구현된다. 또한, 이러한 형태 특징부들은 에어포일을 내부 운반 구조체에 연결하기 위한 추가의 요소들 또는 구성 요소들을 필요로 하지 않는다.

이 점에 있어서 본 발명의 구현의 추가의 대안적인 형태에 따라, 에어포일을 내부 운반 구조체에 연결하기 위한 수단은 몇몇의 구멍 및 핀 결합들을 포함한다. 몇몇의 구멍들 및 핀들의 이러한 결합은 터빈 블레이드의 구성에서 작은 공간을 필요로 하고 안전한 고정을 제공한다. 이 점에 있어서 유리한 양태에 따라, 핀들은 터빈의 작동 동안의 고온이 복합 터빈 블레이드의 다른 구성 요소들 및 연결 수단 사이에 유해한 변형을 초래하지 않도록 고밀도 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 구현의 대안적인 형태에서, 또한 세라믹 삽입부들은 내부 운반 구조체에 대한 외부 에어포일의 연결 및 고정을 위해 사용될 수 있다. 이에 의해 구멍들 내에 삽입된 세라믹 핀들과 비교할 때 유사한 유리한 효과가 성취될 수 있다.

본 발명의 구현의 추가의 유리한 형태에 따라, 복합 터빈 블레이드의 에어포일은 상기 내부 운반 구조체와 함께 각각의 접촉 위치들 사이의 내부 공동들이 제공되도록 중공형 형태를 가진다. 이에 따라 외부 에어포일로부터 내부 운반 구조체로의 열 전달은 제한된다. 또한, 터빈 블레이드의 전체 중량도 또한 감소된다. 그리고 마지막이지만 중요한 것으로, 에어포일을 형성하기 위해 요구되는 양의 물질도 또한 제한된다. 그럼에도 불구하고, 에어포일은 몇몇의 접촉 위치들에 의해 내부 운반 구조체에 단단히 고정되고, 에어포일의 물질은 내부 운반 구조체 상에 직접 주조되거나 또는 상술된 연결을 위한 수단에 의해 내부 운반 구조체에 부착된다.

다음에서, 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드는 구현의 몇몇의 예들에 기초하여 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 1 예의 개략 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 2 예의 개략 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 3 예의 개략 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 4 예의 개략 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 5 예의 개략 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 6 예의 개략 단면도.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드의 구현의 예들의 추가의 개략 단면도들.

도 1 내지 도 6에서, 본 발명에 따른 복합 세라믹 터빈 블레이드(10)의 구현의 몇몇의 예들이 도시되고, 이는 다음에 설명될 것이다. 본 발명에 따르면, 고온 복합 터빈 블레이드(10)가 제공되고, 터빈 블레이드(10)의 다른 부분들이 다른 유형들의 세라믹 물질들로 구현된다. 터빈 블레이드(10)의 다른 부분들 또는 구성 요소들의 각각의 기능, 위치 및 필요조건들에 따라, 세라믹 물질 및/또는 금속 물질 또는 그것들의 합금의 특정한 결합이 에어포일(2), 루트(1) 및 내부 운반 구조체(3)와 같은, 터빈 블레이드의 다른 위치들에서 요구되고 원하는 성질들을 제공하도록 사용된다. 본 발명에 따른 복합 터빈 블레이드(10)에서의 다른 세라믹 물질들의 새로운 결합 때문에, 최대 1,500℃ 및 심지어 더 높은 최대 1,800℃의 온도와 같은 고온 용례들에서 사용하도록 구성되는 터빈 블레이드(10)가 제공된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 복합 세라믹 터빈 블레이드(10)는 예를 들어, 가스 터빈의 조립 및 작동 중에 인가되는 하중의 다양한 유형을 견딜 수 있다. 본 발명에 따른 터빈 블레이드(10)의 에어포일(2)은 세라믹 매트릭스 복합체 물질과 같은 높은 파괴 인성의 세라믹 물질로 구현된다. 다른 한편으로, 내부 운반 구조체(3)는 고강도 세라믹 물질, 즉, 공정 세라믹 물질로 형성되고, 그 예들은 다음의 설명에 제공될 것이다.

본 발명의 터빈 블레이드(10)의 구현의 제 1 예들에 관하여 도 1에 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드(10)의 기본 구성 요소들은 가스 터빈들의 기술 분야에서 종래에 공지된 바와 같이, 터빈의 로터 상의 장착 그루브 내에 터빈 블레이드(10)를 장착하기 위한 특정한 단면 형태를 가진 루트(1) 및 에어포일(2)이다. 구현의 이 예에서, 루트(1)는 블레이드(10)의 양면에서 3개의 돌기들을 가진 전나무 형태의 단면을 가진다. 도 1에 도시된 예에서, 루트(1)는 본 발명에 따라 고강도 공정 세라믹 물질인 내부 운반 구조체(3)의 물질로 형성된다. 내부 운반 구조체(3)는 루트(1)로부터 상향으로 감소된 직경 및 대략 앵커링 형태의 단부 부분을 가진 터빈 블레이드(10)의 자유 단부(도 1에서 상부 단부)로 연장한다. 내부 운반 구조체(3)의 이 상부 부분에서, 에어포일(2)은 내부 운반 구조체(3)의 공정 물질 상에 그리고 공정 물질 주위에 직접 형성된다. T형 부분은 말하자면 에어포일(2)의 물질에 내장된다. 구현의 이 예에서, 에어포일(2)은 약 U형 단면(반전된 "U")을 가진다. 내부 운반 구조체(3)와 에어포일(2) 사이에, 중공형 공간이 있다. 대략 앵커링 형태의 단면을 가진 내부 운반 구조체(3)의 상부 단부 때문에, 에어포일(2)은 내부 운반 구조체(3) 상에 단단히 유지되고 고정된다. 요구되는 공기 역학 형태를 제공하고 또한 내식성이 있고 뿐만 아니라 이물질 피해를 견딜 수 있는 에어포일(2)에 대해, 내부 운반 구조체(3)와 비교할 때 다른 세라믹 물질, 즉, 본 발명에 따른 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질이 사용된다. 따라서, 에어포일(2)은 높은 파괴 인성 물질을 특징으로 한다. 세라믹 매트릭스 복합체 물질에는 강화 섬유가 제공될 수 있거나 또는 제공되지 않을 수 있다.

루트(1)의 내부 부분을 또한 형성하는 내부 운반 구조체(3)를 위해 사용되는 공정 세라믹 물질이 비교적 낮은 파괴 인성을 갖기 때문에, 루트(1)는 외부 금속 표면 코팅부(4)를 구비한 구현의 이 예에(도 1 참조) 있을 수 있다. 외부 금속성 코팅부(4)는 예를 들어, 0.1-2mm 두께이고, 공정 세라믹 물질로 형성된 내부 운반 구조체(3)의 하부 부분 상에 도포된다. 금속 코팅부(4)는 나중에 터빈의 로터의 대응하여 형성된 장착 그루브 내의 블레이드의 설치를 위해 요구되는 엄격한 제작 허용 오차에 도달하기 위해 기계 가공될 수 있다. 금속성 외부 코팅부(4)에 의해, 루트(1)의 사전 결정된 형태는 터빈 블레이드(10)의 정확하고 안전한 장착 및 조립이 가능해지도록 작은 허용 오차 내에서 구현된다. 이에 의해, 터빈 블레이드(10)의 루트(1)는 루트가 대체로 특히 고온 용례들에서 구성되는 세라믹 물질로만 거의 구현될지라도, 가스 터빈의 설치 및 작동 중에 다양한 유형의 하중을 견디도록 구성된다. 세라믹 터빈 블레이드(10)의 특정한 구성 때문에, 요구되는 냉각은 상당히 감소되거나 또는 심지어 필수적이지 않다. 이에 의해 전체 터빈의 효율성 및 엔진의 출력이 향상된다. 또한, 터빈 블레이드(10)는 금속 합금 또는 심지어 소위 초합금으로 형성되는 종래 기술의 터빈 블레이드의 경우에서는 흔하지만, 매우 내식성이 있고 산화 문제들을 갖지 않는다. 또한 종래 기술의 터빈 블레이드는 더 많은 양의 냉각 공기를 필요로 하고, 이는 전체 터빈 효율성을 감소시킨다.

본 발명의 복합 터빈 블레이드의 구현의 제 2 예가 도 2의 개략 단면으로 도시된다. 상기 구현의 제 1 예와 비교할 때의 차이만이 다음에 설명될 것이다. 다른 부분들에 대해, 제 1 실시예의 상기 설명이 적용된다. 여기서, 내부 운반 구조체(3)는 대략 I 형태의 단면을 가진 길이 방향의, 직선의 구성 요소이다. 내부 운반 구조체(3)는 터빈 블레이드(10)의 하부 단부로부터 에어포일(2)의 측면 상의 자유 단부까지 연장한다. 에어포일(2)은 구현의 제 1 예와 비교할 때 유사한 형태, 즉, 대략 반전된 "U"의 단면을 가진다. 루트(1)는 내부 중앙 개구를 가진 금속성 물질로 형성되고, 내부 중앙 개구를 통해 직선의 내부 운반 구조체(3)의 하부 부분이 지나간다. 따라서, 구현의 이 예에서(도 2 참조), 외부 금속 코팅부가 제공되지 않지만, 루트(1)는 다소 고체 금속 구성 요소로서 형성된다. 또한 여기서, 내부 운반 구조체(3)는 요구되는 강도 및 강성이 작동 동안 터빈 블레이드(10) 상에 작용하는 다양한 유형의 하중을 지탱하기 위해 제공되도록 고강도 공정 세라믹으로 구현된다. 다른 한편으로, 또한 여기서 에어포일(2)은 다른 세라믹 물질, 즉, 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질로 형성된다. 에어포일(2)은 예를 들어, 금속 물질 또는 금속 합금 물질로 형성된 루트(1)의 형성 후에 내부 운반 구조체(3)의 앵커링 형태의 자유 단부 상에 직접 형성된다. 구현의 이 형태에 따라, 터빈 블레이드(10)의 강도는 또한 루트(1)가 터빈 블레이드(10)의 냉각 영역이기 때문에, 보통 고온에 노출되지 않는 터빈 블레이드(10)의 하부 부분 내의 루트(1)에 대해 사용되는 금속 물질 때문에 증가된다. 공정 세라믹 물질의 중앙 내부 운반 구조체(3)는 루트(1) 없이 먼저 주조된다. 나중에, 블레이드 루트(1)에 대한 금속 물질 또는 금속 합금 물질은 내부 운반 구조체(3) 상에 직접 주조되고 요구되는 작은 제작 허용 오차 내에서 최종 사전 결정된 루트 형태로 기계 가공된다. 이 후에, 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질은 높은 파괴 인성 물질의 에어포일(2)을 형성하기 위해 내부 운반 구조체(3) 상에 직접 형성된다. 따라서 에어포일(2)은 부식 및 이물질 피해에 대해 높은 저항성을 가진다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드(10)의 구현의 제 3 예가 도 3에 도시된다. 구현의 이 예에서, 내부 운반 구조체(3) 상의 에어포일(2)의 앵커링은 상술된 실시예들과 비교할 때 다르다: 공정 세라믹 물질은 루트(1)의 각각의 측면들 상의 2개의 하부 돌기들이 금속 물질 또는 금속 합금 물질로 코팅되도록 대부분의 루트 부분(1)을 형성한다. 루트(1)의 전나무 형태의 단면의 2개의 상부 돌기들은 에어포일(3)의 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질을 가진 외부 표면 상에 제공되고, 이는 내부 운반 구조체(3)의 상부 감소된 직경 부분 주위에 전체 중공형 구성 요소로서 또한 연장한다. 에어포일(2)의 자유 단부의 측면에서, 관통 구멍을 가진 대략 H 형태의 단면이 제공되어 있고, 관통 구멍을 통해서 내부 운반 구조체(3)의 앵커링 형태의 상부 단부가 연장한다. 내부 운반 구조체(3)의 상부 부분 주위 및 루트(1)의 상부 부분 상에 주조된 에어포일(2)의 특정한 형태 때문에, 에어포일(2)은 내부 운반 구조체(3) 상에 단단히 유지된다. 따라서 내부 운반 구조체(3) 및 에어포일(2)의 CMC 물질 사이의 연결은 서로 세라믹 물질의 다른 유형의 주조 또는 도포로 인해 구현된다. 따라서, 이 실시예에서 복합 터빈 블레이드(10)의 다른 구성 요소들을 연결하기 위한 어떠한 분리된 수단도 요구되지 않는다. 이것은 제작 공정을 단순화한다.

각각의 구성 요소들을 연결하는 다른 유형을 가진 본 발명에 따른 터빈 블레이드(10)의 구현의 추가의 예는 도 4의 개략적인 단면으로 도시된다. 상부 부분에서, 내부 운반 구조체(3)는 여기서 직선의, 곧은 부분이 아니지만, 예를 들어, 외부 에어포일(2)의 물질의 안전한 앵커링의 기능을 가진, 구멍들(8) 및 돌기들(9)의 형태인 복수의 형태 특징부들을 제공한다. 내부 운반 구조체(3)에 대한 에어포일(2)의 연결에 대해, 내부 운반 구조체(3)의 상부 자유 단부는 본질적으로 앵커링 형태의 단면을 갖고, 단면 주위에서 에어포일(2)의 세라믹 매트릭스 복합체 물질이 주조된다. 또한, 내부 운반 구조체(3)에는 에어포일(2)의 물질인 구멍들(8)에 내장되는 2개의 마주보는, 수직으로 연장하는 돌기들(9)이 제공된다. 돌기들(9)은 도 4의 상부 부분에 도시된 직선 형태, 직선 돌기들 아래의 앵커링 형태와 같은 다른 형태들을 가질 수 있고, 이는 내부 운반 구조체(3) 상의 에어포일(2)의 연결을 위한 앵커링 효과를 증가시킨다. 이에 의해, 일종의 기계적 체결이 완전한 복합 세라믹 터빈 블레이드(10)의 경화 후에 제공된다. 형태 특징부들(돌기들 및 구멍들)은 내부 운반 구조체의 공정 세라믹 물질의 주조 및 외부 에어포일(2)의 CMC 물질의 주조 동안 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 실시예와 비교할 때 구현의 대안적인 형태에서, 구멍들에는 내부 운반 구조체(3)의 물질이 제공될 수 있고, 구멍들은 나중에 외부 에어포일(2)의 CMC 물질로 충전되고, 본 발명에 따른 돌기들을 형성하게 된다. 또한 돌기들 및/또는 구멍들의 다른 유형들이 외부 에어포일(2)을 고정시키기 위해 사용될 수 있다. 루트(1)에 관해서, 에어포일(2)의 CMC 물질의 일부가 루트 부분(1)(상부 2개의 돌기들) 주위에 주조되고, 하부 부분에서 금속 코팅부(4)가 루트(1)의 외면 상에 도포된다. 이 금속 코팅부는 가스 터빈의 로터의 장착 그루브 내의 터빈 블레이드(10)의 조립을 위해 요구되는 엄격하거나 또는 작은 허용 오차 내에서의 제작을 보장한다.

본 발명에 따른 복합 세라믹 터빈 블레이드(10)의 다른 구성 요소들의 연결의 추가의 가능성이 도 5의 개략도에 도시된다. 도 5의 이 실시예는 다음의 차이점을 가진 도 1을 참조하여 상술된 실시예와 유사하다: 내부 운반 구조체(3)의 상부 자유 단부는 앵커링 형태의 단부 없이 직선형 단면을 가진다. 에어포일(2)은 대략 반전된 U 형태의 단면을 갖고 세라믹 슬러리(5)에 의해 몇몇의 다른 접촉 위치들 상에서 공정 세라믹 물질로 형성된 내부 운반 구조체(3)에 부착된다. 구현의 이 예의 경우에, 에어포일(2) 및 내부 운반 구조체(3) 사이의 3개의 다른 접촉 위치들이 제공된다: 운반 구조체(3)의 상부 자유 단부는 제 1 접촉 위치이고, 루트(1)의 측면 상의 U 형태의 에어포일(2)의 아암들의 하부 자유 단부들은 2개의 다른 접촉 위치들을 형성한다.

이 접촉 위치들 및 가능하게는 추가의 접촉 위치들에서, 소위 세라믹 슬러리는 고강도 공정 세라믹으로 형성된 내부 운반 구조체(3)의 형성 후에 적용된다. 나중에, 외부 에어포일(2)의 CMC 물질은 도 5에 도시된 형태로 형성되고, 이어서 완전한 터빈 블레이드는 세라믹 슬러리가 소결되고 최종적으로 고체 세라믹 연결부를 형성하도록 경화된다. 또한 연결의 이 유형에 의해, 세라믹 물질들의 다른 유형들의 안전한 고정이 구현된다. 그럼에도 불구하고, 터빈 블레이드의 다른 부분들, 즉, 내부 운반 구조체(3), 루트(1) 및 에어포일(2)은 특히 현대의 가스 터빈과 같은, 고온 용례에서 각각의 기능, 위치 및 필요 조건들을 조정한다. 또한 도 5에 도시된 이 실시예에서, 금속 코팅부(4)가 루트(1)의 외면 상에 제공된다. 이것은 이 루트(1)의 파괴 인성을 향상시키고 터빈 블레이드(10)의 조립을 위해 요구되는 바와 같이, 작은 제작 허용 오차들 내에서 루트(1)의 구현을 가능하게 한다.

다른 것에 대한 루트(1)와 함께 외부 에어포일(2) 및 내부 운반 구조체(3)를 연결하는 추가의 가능성이 도 6의 개략적인 단면으로 도시된다. 연결을 위한 수단으로서, 분리된 연결 구성 요소들(6, 7)이 2개의 다른 예시적인 형태들로 사용된다. 연결 수단은 예를 들어, 내부 운반 구조체(3)의 물질 및/또는 외부 에어포일(2)의 CMC 물질의 각각의 구멍들에 삽입되는 핀들(6)의 형태로 제공될 수 있다. 이 핀들(6)은 예를 들어, 세라믹 물질 또는 금속 물질 또는 금속 합금과 같은 임의의 다른 적절한 물질로 구현될 수 있다.

분리된 연결 요소의 추가의 가능성은 도 6의 개략도에서 도시된 바와 같이 소위 세라믹 삽입부들(7)의 사용이다. 세라믹 삽입부(7)는 여기서 대략적으로 이중 T자형 단면을 갖고 에어포일(2)의 CMC 물질 내에 내장된다. 이것에 의해, 핀들(6) 및/또는 세라믹 삽입부들(7)은 내부 운반 구조체(3)에 외부 에어포일(2)의 안전한 앵커링을 제공하고, 내부 운반 구조체(3)는 고강도가 제공되는 이러한 유형의 세라믹 물질(즉, 공정 세라믹 물질)을 갖는다. 핀들(6) 및/또는 삽입부들(7)은 예를 들어, 적절한 세라믹 물질의 소결에 의해 제작될 수 있다. 또한 도 6에 도시된 실시예는 루트 부분에서 외부 금속 코팅부 또는 금속 합금 물질의 코팅부를 갖는다. 도 6에 따른 터빈 블레이드(10)는 핀들(6) 또는 삽입부들(7)의 설치를 위한 구멍들이 구현되도록 특정한 공정 세라믹 물질로 내부 운반 구조체(3)를 먼저 주조하여 제작될 수 있다. 에어포일(2)의 형성 또는 주조는 핀들(6) 또는 삽입부들(7)의 내장을 초래할 것이고, 핀들(6) 또는 삽입부들(7)은 고밀도 세라믹 물질(공정 또는 비공정)로 형성될 수도 있다. 이에 의해, 에어포일(2)의 안전한 앵커링이 완전한 복합 터빈 블레이드(10)의 경화 후에 제공된다.

운반 구조체에 대한 에어포일 CMC 구조체를 연결하는 다른 가능성이 도 7에 도시된다. 부분들 둘 다를 따로 제작한 후에 운반 구조체(3) 상에 CMC(에어포일(2))를 기계적으로 체결하는 것을 포함한다. 다양한 고정 디자인들이 예를 들어, 그루브들 또는 팁 위에 고정 수단을 활주하여 설치될 수 있고 또한 루트(1)와 CMC 에어포일(2)을 포지티브하게 체결하는 U형 고정 수단(11)을 사용하여 사용될 수 있다.

U형 고정 수단(11)은 금속 또는 세라믹 물질, 바람직하게는 CMC일 수 있다.

추가로 또는 대안적으로 에어포일(2)의 상부에서 나사(12)는 운반 구조체(3)에 에어포일(2)을 체결하도록 사용될 수 있다.

추가로 또는 대안적으로 에어포일(2)의 상부에서 바람직하게 CMC로 형성된 포지티브 체결 수단(13)이 도 8에 도시된 바와 같이 운반 구조체(3)에 에어포일(2)을 체결하도록 사용될 수 있다.

다른 가능성들은 국소적 하중 조건에 따라 세라믹 또는 금속성 나사들을 사용하는 것이다. 이러한 디자인들은 CMC 에어포일(2)만을 대체하고 또는 운반 구조체(3)를 재사용하도록, 세라믹 에어포일(2)를 용이하게 제거하는 이점을 제공한다. 이것은 에어포일(2)에 대해 저렴하고 효율적인 재생 공정을 보장한다.

구현(도 1 내지 도 7 참조)의 모든 상술된 예들에서, 외부 에어포일(2)용 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질이 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 임의의 CMC 물질일 수 있다. CMC 물질은 예를 들어, Al₂O₃, 멀라이트, HfO₂, Y₂O₃ 등과 같은 산화물 섬유에 기초할 수 있다. 또한 세라믹 공정 섬유들은 에어포일(2)의 CMC 물질의 강화를 위해 사용될 수 있다. 내부 운반 구조체(3)에 사용되는 가능한 물질들에 관해서, 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 임의의 공정 물질이 섬유들이 없는 완전한 구조 또는 강화 섬유들이 있는 구조로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 내부 운반 구조체(3)를 구현하기 위한 본 발명의 복합 터빈 블레이드(10)에 대해 사용되는 세라믹 공정 물질들은 다음의 공정 세라믹들로부터 선택될 수 있다: Al₂O₃-Y₂O₃, Cr₂O₃-SiO₂, MgO-Y₂O₃ _, CaO-NiO, 및 CaO-MgO, ZrO₂-Al₂O₃, YAG-ZrO₂, YAP-ZrO₂, Al₂O₃-Al₂TiO₅, MgO-Mg₂AlO₄, HfO₂-Al₂O₃, Sc₂O₃-SC₄Zr₃O₁₂, Sc₂O₃-HfO₂ 등.

1: 루트 부분
2: 에어포일
3: 내부 운반 구조체
4: 금속 코팅부
5: 세라믹 슬러리
6: 핀
7: 삽입부
8: 구멍들
9: 돌기들
10: 터빈 블레이드
11: U형 고정 수단
12: 나사
13: 포지티브 체결 수단

Claims

로터의 대응하는 주변 조립체 그루브 내에 블레이드(10)를 장착하기 위한 루트(1) 및 상기 루트(1)에 연결된 에어포일(2)을 가진 가스 터빈 등과 같은 고온 용례용 복합 터빈 블레이드(10)로서, 상기 루트(1)의 적어도 일부뿐만 아니라 상기 에어포일(2)의 적어도 일부를 걸쳐 연장하는 내부 운반 구조체(3)가 제공되는 상기 복합 터빈 블레이드에 있어서,
상기 내부 운반 구조체(3)는 고강도 공정 세라믹으로 형성되고 상기 에어포일(2)은 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항에 있어서, 상기 에어포일(2)은 섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 물질로 구현되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 루트(1)는 외부 금속 표면 코팅부(4)를 갖는 공정 세라믹 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어포일(2)을 위한 상기 CMC 물질은 상기 블레이드(10)의 사전 결정된 형태의 거의 네트 모양인 상기 내부 운반 구조체(3) 상에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 운반 구조체(3)는 상기 블레이드(10)의 루트 부분 맞은 편의 자유 단부에서 본질적으로 앵커링(anchoring) 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 루트(1)는 상기 엔진의 상기 조립체 그루브의 대응하는 단면에서의 연결을 위한 전나무 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어포일(2)을 상기 내부 운반 구조체(3)에 연결하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 7 항에 있어서, 상기 연결하는 수단은 상기 블레이드(10)의 경화 동안 소결되는 상기 내부 운반 구조체(3) 및 상기 에어포일(2) 사이의 각각의 접촉 위치들에서의 세라믹 슬러리(5)인 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 연결하는 수단은 상기 블레이드(10)의 요소들 사이에 기계적 체결을 구현하는 형태인, 구멍들(8) 및 돌기들(9)과 같은 형태 특징부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어포일(2)은 상기 내부 운반 구조체(3) 상에 기계적으로 고정되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결하는 수단은 일부 구멍 및 핀(6) 결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 10 항에 있어서, 상기 핀들(6)은 고밀도 세라믹 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어포일(2)은 상기 내부 운반 구조체(3)를 가진 각각의 접촉 위치들 사이에 내부 공동들이 제공되도록 중공형 형태를 가진 것을 특징으로 하는 복합 터빈 블레이드(10).