KR20190083989A - 에어포일에 대한 2개의 부분 냉각 통로 - Google Patents
에어포일에 대한 2개의 부분 냉각 통로 Download PDFInfo
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Abstract
터빈 에어포일(150, 176, 200)은, 에어포일 벽을 갖는 바디(210), 및 바디(210) 내의 냉각제 챔버(216)를 포함한다. 복수의 냉각 통로(204)는 에어포일 벽 내에 있고, 각각의 냉각 통로(204)는, 에어포일 벽의 외부 표면(222) 상의 제1 지점(220)으로부터 냉각제 챔버(216)로 연장되는 제1 부분(218) 및 제1 부분(218)의 중간 부분(234)과 교차하도록 제1 지점(220)으로부터 원위의, 에어포일 벽의 외부 표면(222) 상의 제2 지점(232)으로부터 연장되는 제2 부분(230)을 포함한다. 캡 엘리먼트(250)는 제1 지점(220)에서 제1 부분(218)을 폐쇄하지만 제2 부분(230)을 개방한 채로 남겨둔다. 각각의 냉각 통로(204)는 냉각제 챔버(216)와 유체 연통하는 단일 입구(252) 및 제2 부분(230)의 제2 지점(232)의 단일 출구(254)를 갖는다.
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 동시에 출원되고 현재 계류중인 미국 출원 ________(GE 문서 번호 323936-1)과 관련된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 터빈 에어포일 냉각(turbine airfoil cooling)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 터빈 에어포일에 대한 2개의 부분 냉각 통로에 관한 것이다.
가스 터빈 블레이드 및 노즐의 에어포일은 과도한 열 부하에 노출된다. 에어포일은 통상적으로 고농도의 열 차단 코팅(TBC)으로 커버된다. 결과적으로, TBC는 스폴(spall)을 경험하며, 이는 에어포일의 냉각을 더욱 어렵게 만든다. 에어포일을 냉각하기 위해, 통상적으로, 구멍을 통해 에어포일의 내부 챔버로부터 에어포일의 외부 표면으로의 냉각 통로를 통해 냉각제가 도입된다. 매우 다수의 냉각 통로가 배열되며, 이는 에어포일에 다수의 구멍을 생성한다. 리딩 에지(leading edge)에서, 냉각 구멍 어레인지먼트(cooling hole arrangement)는 샤워헤드 어레인지먼트로서 지칭될 수 있다. 이상적으로, 냉각제는 에어포일의 표면을 따라 하류로 연장되는 냉각 필름 즉, 에어포일의 표면에 근접하고 이를 가로지르는 흐름을 생성한다.
리딩 에지 상에서, 종래의 원형 또는 원뿔 형상 출구 구멍을 갖는 냉각 통로는 표면에 대해 방사상으로 배향되는데, 즉, 이들은 고온 가스 흐름 방향에 대해 수직으로 천공된다. 결과적으로, 냉각 흐름은 급격한 회전을 해야 하고 에어포일 표면의 블로 오프(blowing off)에 영향을 받기 쉬우며, 이는 냉각제 커버리지 및 측 방향-평균 냉각 효과(laterally-averaged cooling effectiveness)를 감소시킬 수 있다. 성형된 확산 출구 구멍을 갖는 냉각 통로는 통상적으로 에어포일 상의 다른 구역에서 사용되고 비교적 높은 냉각 효과를 갖지만, 리딩 에지의 작은 곡률 반경으로 인해 리딩 에지에서 성공적으로 사용되지 않았다. 즉, 성형된 확산 출구 구멍은 종래의 제조 방법을 사용하여 표면에 거의 수직으로 천공될 필요가 있다. 이러한 어레인지먼트는 냉각 성능을 감소시킨다.
위의 난제 외에도, 포워드 린 효율(forward lean efficiency)을 충족시키기 위해 전체 냉각제 사용량을 감소시키면서 리딩 에지에서 필름 냉각을 또한 유지할 필요성이 커지고 있다. 전체적인 냉각 흐름을 감소시키기 위해, 더 적은 냉각 통로가 통상적으로 사용되며, 이는 구멍 사이의 간격을 증가시킨다. 따라서, 각각의 냉각 통로는 증가된 측 방향 평균 냉각 효과 및 증가된 측 방향 냉각제 커버리지를 가져야 한다. 다수의 진보된 필름 설계는 개선된 냉각 통로를 생성하기 위해 적층 제조(additive manufacturing)에 의존하지만, 이 기술이 고온 가스 경로 섹션에서 광범위하게 사용될 수 있기 전에 극복될 필요가 있는 다수의 난제가 있다.
본 개시내용의 제1 양상은 터빈 에어포일(turbine airfoil)을 제공하며, 이 터빈 에어포일은, 에어포일 벽을 갖는 바디; 바디 내의 냉각제 챔버; 및 에어포일 벽 내의 복수의 냉각 통로를 포함하고, 각각의 냉각 통로는, 에어포일 벽의 외부 표면 상의 제1 지점으로부터 냉각제 챔버로 연장되는 제1 부분, 제1 부분의 중간 부분과 교차하도록 제1 지점으로부터 원위의, 에어포일 벽의 외부 표면 상의 제2 지점으로부터 연장되는 제2 부분, 및 제1 지점에서 제1 부분을 폐쇄하지만 제2 부분을 개방한 채로 남겨두는 캡 엘리먼트를 포함하고, 각각의 냉각 통로는 냉각제 챔버와 유체 연통하는 단일 입구 및 제2 부분의 제2 지점의 단일 출구를 갖는다.
본 개시내용의 제2 양상은, 에어포일의 에어포일 벽에 냉각 통로를 형성하는 방법을 제공하며, 터빈 에어포일은 그 내부에 냉각제 챔버를 포함하고, 방법은, 냉각 통로의 제1 부분을 형성하는 단계 ― 제1 부분은 에어포일 벽의 외부 표면 상의 제1 지점으로부터 냉각제 챔버로 연장됨 ― ; 냉각 통로의 제2 부분을 형성하는 단계 ― 제2 부분은 제1 부분의 중간 부분과 교차하도록 제1 지점으로부터 원위의, 에어포일 벽의 외부 표면 상의 제2 지점으로부터 연장됨 ― ; 및 제2 부분을 개방한 채로 남겨두고, 캡 엘리먼트로 제1 지점에서 제1 부분을 폐쇄하는 단계를 포함하고, 각각의 냉각 통로는 냉각제 챔버와 유체 연통하는 단일 입구 및 제2 부분의 제2 지점의 단일 출구를 갖는다.
본 개시내용의 예시적인 양상은 본원에서 설명된 문제 및/또는 논의되지 않은 다른 문제를 해결하도록 설계된다.
본 개시내용의 이들 및 다른 특징은 본 개시내용의 다양한 실시예를 도시하는 첨부 도면과 관련하여 취해지는 본 개시내용의 다양한 양상에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 가스 터빈 시스템의 형태의 예시적인 터보머신의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 가스 터빈 시스템과 함께 사용될 수 있는 예시적인 가스 터빈 조립체의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예가 사용될 수 있는 유형의 터빈 로터 블레이드의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 개시내용의 실시예가 사용될 수 있는 유형의 터빈 베인의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 터빈 에어포일의 부분 사시도를 도시한다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 부분 단면도를 도시한다.
도 7은 도 6의 리딩 에지의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따라 도 7 또는 도 8의 리딩 에지의 확대된 평면도를 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
도 11은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
도 12는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
도 13은 본 개시내용의 또 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
본 개시내용의 도면은 실척이 아니라는 것에 주의한다. 도면은 단지, 본 개시내용의 통상적인 양상을 도시하도록 의도되고, 이에 따라, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면에서, 유사한 번호는 도면들 사이에서 유사한 엘리먼트를 나타낸다.
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도 4는 본 개시내용의 실시예가 사용될 수 있는 유형의 터빈 베인의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 터빈 에어포일의 부분 사시도를 도시한다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 부분 단면도를 도시한다.
도 7은 도 6의 리딩 에지의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
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도 13은 본 개시내용의 또 다른 실시예에 따른, 터빈 에어포일의 에어포일 벽의 확대된 부분 단면도를 도시한다.
본 개시내용의 도면은 실척이 아니라는 것에 주의한다. 도면은 단지, 본 개시내용의 통상적인 양상을 도시하도록 의도되고, 이에 따라, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면에서, 유사한 번호는 도면들 사이에서 유사한 엘리먼트를 나타낸다.
서두로서, 현재의 개시내용을 명확하게 설명하기 위해, 가스 터빈 시스템 내의 관련된 머신 컴포넌트를 지칭할 때 소정의 용어를 선택하는 것이 필요하게 될 것이다. 이러한 선택을 할 때, 가능한 경우, 일반적인 산업 용어가 그의 허용된 의미와 일치하는 방식으로 사용되고 채택될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어에는 첨부된 청구항의 범위 및 본 출원의 맥락과 일치하는 폭 넓은 해석이 주어져야 한다. 당업자는 종종, 특정 컴포넌트가 몇몇 상이하거나 중복되는 용어를 사용하여 지칭될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 단일 부분인 것으로서 본원에서 설명될 수 있는 것은 다른 맥락에서, 다수의 컴포넌트로 구성되는 것으로서 참조되고 다수의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 다수의 컴포넌트를 포함하는 것으로 본원에서 설명될 수 있는 것은 다른 곳에서 단일 부분으로서 지칭될 수 있다.
또한, 몇몇 설명 용어가 본원에서 정기적으로 사용될 수 있으며 이 섹션의 시작에서 이 용어를 정의하는 것이 도움이 될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어 및 그의 정의는 다음과 같다. 본원에 사용된 바와 같이, "하류(downstream)" 및 "상류(upstream)"는, 유체의 흐름, 이를테면, 터빈 엔진을 통한 작동 유체 또는 예컨대, 연소기를 통한 공기 또는 터빈의 컴포넌트 시스템들 중 하나를 통한 냉각제의 흐름에 대한 방향을 나타내는 용어이다. "하류"라는 용어는 유체의 흐름의 방향에 대응하고, "상류"는 흐름에 대향하는 방향을 지칭한다. "포워드(forward)" 및 "후미(aft)"라는 용어는, 어떠한 추가의 특이성도 없이, 방향을 지칭하며, "포워드"는 엔진의 전방 또는 압축기 단부를 지칭하고, "후미"는 엔진의 후방 또는 터빈 단부를 지칭한다. 중심 축에 대해 상이한 방사상 포지션(radial position)에 있는 부분을 종종 설명할 필요가 있다. "방사상(radial)"이라는 용어는 축에 수직인 움직임 또는 포지션을 지칭한다. 이와 같은 경우에, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트보다 축에 더 가깝게 상주하는 경우, 제1 컴포넌트는 제2 컴포넌트의 "방사상 내측" 또는 "안쪽"이라고 본원에서 언급될 것이다. 한편, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트보다 축으로부터 더 멀리 상주하는 경우, 제1 컴포넌트는 제2 컴포넌트의 "방사상 외측" 또는 "바깥쪽"이라고 본원에서 언급될 수 있다. "축방향(axial)"이라는 용어는 축에 평행한 움직임 또는 포지션을 지칭한다. 마지막으로, "원주(circumferential)"라는 용어는 축을 중심으로 한 움직임 또는 포지션을 지칭한다. 이러한 용어는 터빈의 중심 축과 관련하여 적용될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
본 개시내용의 실시예는 터빈 에어포일을 제공하며, 이 터빈 에어포일은, 에어포일 벽의 외부 표면 상의 제1 지점으로부터 터빈 에어포일의 냉각제 챔버로 연장되는 제1 부분, 및 제1 부분의 중간 부분과 교차하도록 제1 지점으로부터 원위의 제2 지점에서 에어포일 벽의 외부 표면 상의 제2 지점으로부터 연장되는 제2 부분을 갖는 냉각 통로를 포함한다. 캡 엘리먼트(cap element)는 제1 지점에서 제1 부분을 폐쇄하지만, 제2 부분을 개방한 채로 남겨 둔다. 따라서, 각각의 냉각 통로는 냉각제 챔버와 유체 연통하는 단일 입구 및 제2 부분의 제2 지점의 단일 출구를 갖는다. 제1 부분 및 제2 부분은 2개의 별개의 제조 단계에서 제조될 수 있다. 출구는 냉각제를 안내하는 데 도움이 되는 디퓨저(diffuser)를 포함할 수 있다. 터빈 에어포일은 종래의 샤워헤드 어레인지먼트와 비교하여 개선된 평균 필름 냉각 효과 및 증가된 냉각제 커버리지를 나타내며, 이는 결합된 사이클 효율 및 개선된 부품 내구성을 증가시킬 수 있다. 냉각 통로는 다른 위치 중에서도, 터빈 에어포일의 리딩 에지 벽에 적용될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 교시가 적용될 수 있는, 터빈 에어포일을 포함하는 예시적인 산업 머신의 개략도를 도시한다. 이 예에서, 머신은 연소 또는 가스 터빈 시스템의 형태의 터보머신(100)을 포함한다. 터보머신(100)은 압축기(102) 및 연소기(104)를 포함한다. 연소기(104)는 연소 구역(106) 및 연료 노즐 조립체(108)를 포함한다. 터보머신(100)은 또한 터빈(110) 및 공통 압축기/터빈 샤프트(112)(때때로, 로터(112)로서 지칭됨)를 포함한다. 일 실시예에서, 연소 터빈 시스템은 S.C의 Greenville 소재의 General Electric Company로부터 상업적으로 입수 가능한, 때때로 7FB 엔진으로서 지칭되는 MS7001FB 엔진이다. 본 개시내용은 임의의 하나의 특정 산업 머신으로 제한되지 않고, 임의의 특정 가스 터빈 시스템으로도 제한되지 않으며, 예컨대, General Electric Company의 MS7001FA(7FA), MS9001FA(9FA), 7HA 및 9HA 엔진 모델을 포함하는 다른 엔진과 관련하여 이식될 수 있다. 또한, 본 개시내용은 임의의 특정 터보머신으로 제한되지 않고, 예컨대, 증기 터빈, 제트 엔진, 압축기, 터보팬(turbofan) 등 내의 그의 리딩 에지의 필름 냉각을 필요로 하는 임의의 터빈 에어포일에 적용 가능할 수 있다.
작동에 있어서, 공기는 압축기(102)를 통해 흐르고 압축 공기는 연소기(104)로 공급된다. 구체적으로, 압축 공기는 연소기(104)와 일체인 연료 노즐 조립체(108)에 공급된다. 조립체(108)는 연소 구역(106)과 흐름 연통(flow communication) 상태에 있다. 연료 노즐 조립체(108)는 또한 연료 소스(도 1에 도시되지 않음)와 흐름 연통 상태에 있고 연료 및 공기를 연소 구역(106)으로 보낸다. 연소기(104)는 점화되고 연료를 연소한다. 연소기(104)는 가스 스트림 열 에너지가 기계적 회전 에너지로 변환되는 터빈 조립체(110)와 흐름 연통 상태에 있다. 터빈 조립체(110)는, 로터(112)에 회전 가능하게 커플링되고 로터(112)를 구동하는 터빈을 포함한다. 압축기(102)는 또한 로터(112)에 회전 가능하게 커플링된다. 예시적인 실시예에서, 복수의 연소기(106) 및 연료 노즐 조립체(108)가 존재한다.
도 2는 도 1의 가스 터빈 시스템과 함께 사용될 수 있는, 터보머신(100)(도 1)의 예시적인 터빈 조립체(110)의 단면도를 도시한다. 터빈 조립체(110)의 터빈(111)은, 터보머신(100)의 고정 케이싱(122)에 커플링되고 회전 블레이드의 행(124)에 축방향으로 인접한 노즐 또는 베인의 행(120)을 포함한다. 노즐 또는 베인(126)은 방사상 외부 플랫폼(128) 및 방사상 내부 플랫폼(130)에 의해 터빈 조립체(110)에서 유지될 수 있다. 터빈 조립체(110) 내의 블레이드의 행(124)은 로터(112)에 커플링되고 로터와 함께 회전하는 회전 블레이드(132)를 포함한다. 회전 블레이드(132)는, 로터(112)에 커플링된 방사상 내측 플랫폼(134)(블레이드의 루트에 있음) 및 방사상 외측 팁 슈라우드(136)(블레이드의 팁에 있음)를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 개시내용의 교시가 사용될 수 있는 터보머신의 예시적인 고온 가스 경로 터빈 컴포넌트(터빈 에어포일을 포함함)를 도시한다. 도 3은 본 개시내용의 실시예가 사용될 수 있는 유형의 터빈 로터 블레이드(132)의 사시도를 도시한다. 터빈 로터 블레이드(132)는 로터 블레이드(132)가 로터(112)(도 2)에 부착되게 하는 루트 또는 베이스(140)와 더불어, 바디(151)를 갖는 에어포일(150)을 포함한다. 베이스(140)는 로터(112)(도 2)의 로터 휠(144)(도 2)의 둘레에 있는 대응하는 도브테일 슬롯(dovetail slot)에의 장착을 위해 구성된 도브테일(142)을 포함할 수 있다. 베이스(140)는 도브테일(1420)과 플랫폼(148) 사이에서 연장되는 쉥크(shank)(146)를 더 포함할 수 있으며, 이는 에어포일(150)과 베이스(140)의 접합부에 배치되고 터빈 조립체(110)를 통한 흐름 경로의 안쪽 경계의 일부를 정의한다. 에어포일(150)은 작동 유체의 흐름을 차단하고 로터 디스크가 회전하도록 유도하는 로터 블레이드(132)의 활성 컴포넌트라는 것이 인지될 것이다. 에어포일(150)의 바디(151)는 각각, 대향하는 리딩 및 트레일링 에지들(156, 158) 사이에서 축방향으로 연장되는 오목한 압력 측벽(PS)(152), 및 원주 방향으로 또는 측 방향으로 대향하는 볼록한 흡입 측벽(SS)(154)을 포함한다는 것을 알 것이다. 측벽(152, 154)은 또한 플랫폼(148)으로부터 바깥쪽 팁(160)으로 방사상 방향으로 연장된다.
도 4는 본 개시내용의 실시예가 사용될 수 있는 유형의 고정 베인(170)의 사시도를 도시한다. 고정 베인(170)은 고정 베인(170)이 터보머신의 고정 케이싱(122)(도 2)에 부착되게 하는 외부 플랫폼(172)을 포함한다. 외부 플랫폼(172)은 케이싱의 대응하는 마운트에 장착하기 위한 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 장착 구성을 포함할 수 있다. 고정 베인(170)은 인접한 터빈 로터 블레이드(132)(도 3) 플랫폼(148)(도 3) 사이에 포지셔닝하기 위한 내부 플랫폼(174)(팁(160)(도 3과 유사함)을 더 포함할 수 있다. 플랫폼(172, 174)은 터빈 조립체(110)를 통한 흐름 경로의 바깥쪽 및 안쪽 경계의 각각의 부분을 정의한다. 에어포일(176)은 작동 유체의 흐름을 차단하고 이를 터빈 로터 블레이드(132)(도 3)를 향해 지향시키는 고정 베인(170)의 활성 컴포넌트라는 것이 인지될 것이다. 고정 베인(170)의 에어포일(176)은 각각, 대향하는 리딩 및 트레일링 에지들(182, 184) 사이에서 축방향으로 연장되는 오목한 압력 측벽(PS)(178), 및 원주 방향으로 또는 측 방향으로 대향하는 볼록한 흡입 측벽(SS)(180)을 갖는 바디(171)를 포함한다는 것을 알 것이다. 측벽(178, 180)은 또한 플랫폼(172)으로부터 플랫폼(174)으로 방사상 방향으로 연장된다. 본원에서 설명된 개시내용의 실시예는 고정 베인(170) 및/또는 터빈 로터 블레이드(132)의 터빈 에어포일에 적용 가능한 양상을 포함할 수 있다. 내부 냉각 구조, 컷아웃 형상, 외부 벽 앵글링/형상 등과 같이(그러나 이에 제한되지 않음) 본원에서 설명되지 않은 블레이드(132) 또는 베인(170)의 다른 특징이 특정 애플리케이션, 즉, 로터 블레이드 또는 베인에 대해 커스터마이징될 수 있다는 것이 이해된다.
도 5 내지 도 13을 참조하면, 본 개시내용의 실시예에 따른 터빈 에어포일(200)의 실시예가 이제 설명될 것이다. 인지될 바와 같이, 에어포일(200)에 대해 설명된 구조는, 가스 터빈 시스템 또는 냉각을 필요로 하는 터빈 에어포일을 사용하는 임의의 다른 산업 머신에 적용될 때, 이전에 설명된 바와 같은 에어포일(150, 176)과 함께 사용될 수 있다. 도 5는 부분 사시도를 도시하고, 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로(204)를 사용하는 터빈 에어포일(200)의 리딩 에지 구역의 부분 단면도를 도시한다. 터빈 에어포일(200)은 에어포일(150), 필요한 경우 베이스(140) 및 베이스에 대향하여 배치된 팁(160)을 갖는 바디(210)를 참조하기 위해 도 3을 참조하는 것을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 바디(210)의 에어포일 벽(214)은 리딩 에지(156)와 트레일링 에지(158) 사이에서 연장되는 압력 측벽(152) 및 흡입 측벽(154)을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에 따라, 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로가 적용되는 에어포일 벽(214)은 (리딩 에지 벽으로서) 리딩 에지(156)(도 3)에 배치된다. 언급된 바와 같이, 본 개시내용의 교시는 바디(210)의 에어포일 벽(214)의 다른 위치에도 적용 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 바디(210)는 터빈 에어포일의 적용에 의존하여 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 일부 예는, Rene 108, CM247, Haynes 합금, Incalloy, MP98T, TMS 합금, CMSX 단결정 합금 등을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)한다. 다른 실시예에서, 바디(210)는 세라믹 복합 재료(ceramic matrix composite; CMC)를 포함할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 냉각제 챔버(216)는 바디(210) 내를 통과할 수 있다. 냉각제 챔버(216)는 임의의 소스, 예컨대, 압축기 또는 다른 냉각제 챔버로부터 임의의 형태의 냉각제, 예컨대, 공기를 반송(carry)할 수 있다. 당 업계에서 이해되는 바와 같이, 냉각제 챔버(216)는 바디(210) 내에서 다양한 형태 및 형상을 취할 수 있다. 바디(210) 및 냉각제 챔버(216)는 주조(casting) 및 적층 제조와 같이(그러나 이에 제한되지 않음) 터빈 에어포일 바디를 형성하기 위한 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 터빈 에어포일(200)은 또한 에어포일 벽(214) 내에 복수의 냉각 통로(204)를 포함할 수 있다. 본 개시내용의 실시예는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 예리한 반경을 나타내는 에어포일(200)의 리딩 에지 벽에 대해 유리하지만, 실질적으로 에어포일 벽(214) 내의 임의의 위치에도 적용 가능하다. 일 예에서, 리딩 에지는 8 미만의 곡률의 반경 대 벽 두께의 비를 가질 수 있고; 리딩 에지를 구성하는 것에 대한 다른 정의가 또한 적용 가능할 수 있다. 또한, 실시예는 에어포일 리딩 에지의 방사상 내측 및 외측 단부(즉, 에어포일 베이스 및 팁) 근처에서 특히 유리할 수 있으며, 여기서 종래의 방사상 구멍은 에지 반대로 기울어질 필요가 있어서, 낮은 냉각 효과의 구역을 생성한다. 도 6 및 도 7의 확대된 부분 단면도에 도시된 바와 같이, 각각의 냉각 통로(204)는 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222) 상의 제1 지점(220)으로부터 냉각제 챔버(216)까지 연장되는 제1 부분(218)을 포함할 수 있다. 제1 부분(218)은 에어포일 벽(214)을 통하는 구멍을 형성하는 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 방식을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 부분(218)은, 열 차폐 코팅(TBC)(260), 예컨대, TBC 층(264)과 더불어 본드 코트 층(262) 또는 TBC 층(264) 단독이 외부 표면(222) 상에 형성되기 이전에, 천공(drilling)에 의해, 본원에서 설명되는 바와 같이 형성된다. 천공은 에어포일 벽(214)의 외측으로부터 냉각제 챔버(216) 내측으로 발생할 수 있다. 대안적으로, 천공은 냉각제 챔버(216) 안쪽에서부터 외측으로, 즉 외부 표면(222)을 통해 발생할 수 있다. 도 7에 예시된 바와 같이, 제1 부분(218)은 제1 지점(220)에서 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222)과 약 45 ° 내지 약 90 °의 각도(α)로 만날 수 있다.
각각의 냉각 통로(204)는 또한, 제1 부분(218)의 중간 부분(234)과 교차하도록 제1 지점(220)으로부터 원위의 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222) 상의 제2 지점(232)으로부터 연장되는 제2 부분(230)을 포함할 수 있다. 제2 지점(232)은 제1 지점(220) 하류의 위치에 있을 수 있는데, 즉 제1 부분(218) 및 제2 부분(230)이 외부 표면(222)에서 분리된다. 중간 부분(234)은 제1 부분(218)의 단부들 사이의 임의의 위치에 있을 수 있어서, 즉, 제2 부분(230)은 제1 부분(218) 이외에는, 그의 내부 단부에서 유체적으로 연결되지 않는다. 제2 부분(230)은 에어포일 벽(214)을 통한 구멍을 형성하는 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 방식을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 부분(230)은 천공에 의해, TBC(260)가 본원에서 설명되는 바와 같이 외부 표면(222) 상에 형성되기 이전에 형성될 수 있다. 대안적으로, 제2 부분(230)은 예컨대, TBC(260)가 외부 표면(222) 상에 형성된 후에, TBC(260)를 통해 천공함으로써 형성될 수 있다. 어떤 경우든, 천공은 제1 부분(218)의 중간 부분(234)과 교차하도록 에어포일 벽(214)의 외부로부터 내측으로 발생할 수 있다. 제2 부분(230)의 깊이는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 그것이 제1 부분(218)과 교차하도록, 또는 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이 그것이 제1 부분(218)과 단순히 연결될 수 있도록 이루어질 수 있다. 도 7에 예시된 바와 같이, 제2 부분(230)은 제2 지점(232)에서 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222)과 약 135° 내지 약 175 °의 각도(β)로 만날 수 있다. 제2 부분(230)의 각도(β) 및 배향은 종래의 샤워헤드 구멍보다 더 뛰어난 냉각제 커버리지 및 증가된 평균 효과를 생성한다. 냉각제 통로(204)는 냉각제를 터빈 에어포일(200)의 압력 측 및/또는 흡입 측을 향해 지향시킬 수 있다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 지점(232)에서, 제2 부분(230)은 선택적으로, 리딩 에지(212)로부터 축방향으로 하류 방향으로 디퓨저 개구(diffuser opening)(240)를 포함할 수 있다. 즉, 제2 지점(232)의 그리고, 아마도 제2 지점(232)까지 이어지는 제2 부분(230)은 리딩 에지(212)로부터 축방향으로 하류 방향으로 디퓨저 개구(240)를 형성하는 것을 포함한다. 디퓨저 개구(240)는 점진적으로 증가하는 단면적을 생성하는 점진적으로 넓어지는 벽을 포함한다. 여기서, 제2 부분(230)은 제1 부분(218)의 중간 부분(234)으로부터 제2 지점(232)까지 그의 길이를 따라 에어포일 벽(124)의 외부 표면(222) 및 내부 표면(242)에 대해 발산한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 디퓨저 개구(240)는 또한 제1 부분(218)의 중간 부분(234)으로부터 제2 지점(232) 까지 제2 부분(230)의 길이를 따라, 바디의 길이에 대해 0 ° 내지 20 °의 각도로 방사상으로 발산하는 제2 부분(230)을 가질 수 있다. 즉, 디퓨저 개구(240)의 각각의 측은 ± 0 ° 내지 약 20 °까지인 방사상 각도(γ)를 형성할 수 있다. 또한, 디퓨저(240)가 제공되는 경우, 디퓨저(240)의 단면적은 제1 부분(218)의 단면적보다 훨씬 클 수 있다는 것에 주의한다. 대안적으로, 디퓨저(240)는 생략될 수 있고 제2 부분(230)은 단순히 도 7의 단면과 유사하게 나타나는 구멍으로 형성된다.
일 실시예에서, 도 9의 리딩 에지(212)의 평면도에 도시된 바와 같이, 제2 부분(230)(외부 표면(222) 내에 점선으로 도시됨)은 제1 부분(218)의 중간 부분(234)으로부터 제2 지점(232)까지 제2 부분(230)의 길이를 따라 바디(210)의 길이에 대해(도 7 및 도 8에서 페이지(page)로/페이지로부터, 도 9에서 수직으로) 방사상으로 발산할 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 디퓨저 개구(240)를 생성한다. 도 8에 도시된 다른 실시예에서, 제2 부분(230)은 디퓨저 개구(240)를 생성하도록 제1 부분(218)의 중간 부분(234)으로부터 제2 지점(220)까지 그의 길이를 따라 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222) 및 내부 표면(242)에 대해 발산한다. 도 8 및 도 9의 실시예는 별개로 또는 집합적으로 존재할 수 있다. 발산하는 제2 부분(230), 특히, 디퓨저 개구(240)는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀링(milling), 레이저 또는 전기 방전 머시닝(EDM)과 같은 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 각진 천공 기술(angled drilling technique)을 이용하여 형성될 수 있다.
소정의 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 부분(218)은 제2 부분(230)의 단면적(D2)보다 작은 단면적(D1)을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 부분(218)은 냉각 통로(204)를 통과하는 냉각제 흐름을 계측(meter)하도록 크기가 정해질 수 있다. 도 8에 도시된 다른 실시예에서, 제2 부분(230)의 입구 지점 근처의 부분(238)은 제1 부분(218)의 단면적(D4)보다 작은 단면적(D3)을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 부분(230) 내로의 냉각제 흐름이 계측될 수 있다.
각각의 냉각 통로(204)는 또한 제1 지점(220)에서 제1 부분(218)을 폐쇄하지만 제2 지점(232)에서 제2 부분(230)을 개방된 채로 남겨두는 캡 엘리먼트(250)를 포함한다. 이러한 방식으로, 각각의 냉각 통로(204)는 냉각제 챔버(216)와 유체 연통하는 단일 입구(252) 및 제2 부분(230)의 제2 지점(232)의 단일 출구(254)를 갖는다. 즉, 제1 부분(218) 및 제2 부분(230)이 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222)을 관통하더라도, 단지 하나의 출구(254)만이 궁극적으로 제공된다. 냉각제는 제1 부분(218)의 일부를 통과하고, 그 후 제2 부분(230)을 통해 빠져나가고 하류로 지향되어, 터빈 에어포일(200) 상에 필름 층을 생성한다.
캡 엘리먼트(250)로 제1 지점(220)에서 제1 부분(218)을 폐쇄하는 프로세스는 다양한 형태를 취할 수 있다. 도 5 내지 도 8에 도시된 일 실시예에서, 캡 엘리먼트(250)는 단순히, TBC(260), 예컨대, TBC 층(264)과 더불어 본드 코팅 층(262) 또는 TBC 층(264) 단독을 포함한다. 여기서, 캡 엘리먼트(250)로 제1 부분(218)을 폐쇄하는 것은 외부 표면(222) 위에 TBC(260)를 형성하는 것을 포함한다. TBC(260)는 제1 지점(220)에서 제1 부분(218)을 폐쇄하기에 충분한 두께를 갖는다. 예시된 바와 같이, 제1 부분(218)이 TBC(260)에 의해 제1 지점(220)에서 폐쇄되지만, 각각의 냉각 통로(204)의 제2 부분(230)은 그의 제2 지점(232)에서 TBC를 통과하여 연장된다. 예컨대, 제2 지점(232)이 제1 지점(220)보다 크거나 또는 코팅 수집기가 불필요한 코팅을 수집하기 위해 디퓨저(240) 내에서 사용되기 때문에, TBC(260)는 제2 부분(230)을 자연적으로 폐쇄하지 않을 수 있다. 대안적으로, 제2 부분(230)은 TBC(260) 형성 후에 (예컨대, 천공 또는 에칭에 의해) 재개방될 수 있거나, 또는 외부 표면(222)이 코팅된 후에 제2 부분(230)이 머시닝될 수 있다. TBC(260)는 제2 지점(220)에서 제2 부분(230)의 형상을 수용하도록 성형될 수 있는데, 예컨대, 그것은 제2 부분(230)의 표면을 지속시켜 디퓨저 개구(240)를 유지할 수 있다. 대안적으로, TBC(260)는 냉각제에 대한 상이한 경로를 생성하기 위해 제2 부분(230)과 상이하게 성형될 수 있다. TBC(260)는 필요한 경우, 본드 코트 층(262) 및 TBC 층(264), TBC 층(264) 단독을 포함할 수 있다. 본드 코트 층(262)은 니켈 또는 백금 알루미나이드, 니켈 크롬 알루미늄 이트륨(NiCrAlY) 또는 니켈 코발트 크롬 알루미늄 이트륨(NiCoCrAlY)과 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 본드 코트 재료를 포함할 수 있다. TBC 층(264)은 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ), 멀라이트 및 알루미나와 같은(그러나 이에 제한되지는 않음) 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 TBC 재료를 포함할 수 있다. TBC(260)는 또한 열 성장 산화물과 같은 부가적인 층을 포함할 수 있다.
도 10의 확대된 부분 단면도에 도시된 다른 실시예에서, 캡 엘리먼트(250)는 예컨대, 외부 표면(222)의 공극을 충전하기 위해 또는 TBC(260)에 의해 충전이 가능한 작은 리세스를 남기기 위해, 제1 지점(220)에 또는 그 근처에 제1 부분(218)의 금속 플러그(270)를 또한 포함할 수 있다. 여기서, 캡 엘리먼트(250)로 제1 부분(218)을 폐쇄하는 것은 제1 지점에(220) 또는 그 근처에 제1 부분(218)의 금속 플러그(270)를 형성하는 것을 포함한다. 금속 플러그(270)는 바디(210)와 동일한 재료, 예컨대, 바디(210)로의 일체식 연결, 예컨대, 브레이징(brazing) 또는 용접이 가능한 금속 또는 금속 합금 또는 CMC를 포함할 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, TBC(260)는 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222)을 커버하도록 형성될 수 있고, 각각의 냉각 통로(204)의 제2 부분(230)은 그의 제2 지점(232)에서 TBC(260)를 통과하여 연장된다. TBC(260)는 또한 제1 부분(218) 및 금속 플러그(270)를 커버한다.
도 11의 확대된 부분 단면도에 도시된 다른 실시예에서, 캡 엘리먼트(250)는 제1 지점(220)에서 제1 부분(218)을 가로지르는 금속 층(280)을 포함한다. 금속 층(280)은 브레이징, 용접 또는 다른 결합 방법에 의해 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222)에 결합될 수 있다. 여기서, 캡 엘리먼트(250)로 제1 부분(218)을 폐쇄하는 것은 제1 지점에(220)에 제1 부분(218)을 가로지르는 금속 층(280)를 형성하는 것을 포함한다. 바디(210)는 이 실시예에서 금속 또는 금속 합금을 포함한다. 금속 층(280)은 에어포일 벽(214)의 바디(210)에 결합하기에 적절한 임의의 적합한 금속 또는 금속 합금일 수 있고, 바디(210)의 금속에 의존할 것이다. 이전에 설명된 바와 같이, TBC(260)는 에어포일 벽(214)의 외부 표면(222)을 커버하고, 각각의 냉각 통로(204)의 제2 부분(230)은 그의 제2 지점(232)에서 TBC(260)를 통과하여 연장된다. 도 11에서, 금속 층(280)은 표면(222) 상에 있지만, 표면(222) 내로 또한 리세싱될 수 있다.
사용된 캡 엘리먼트(250)의 형태에 관계없이, 프로세싱은, 또한 예컨대, TBC(260) 또는 금속 층(280)이 제1 부분(218)을 폐쇄하는 것을 돕기 위한 외부 표면(222) 준비 프로세스를 포함할 수 있다. 준비 프로세스는 외부 표면(222)의 쇼트 피이닝(shot peening)과 같은 변형 프로세스를 포함(그러나 이에 제한되지 않음)할 수 있다.
도 12 및 도 13은, 제1 부분(218)이 형성되는 바디(210)의 내부 표면(242)이 확대된 입구 부분(290)을 포함할 수 있는 다른 실시예를 도시한다. 확대된 입구 부분(290)은 예컨대, 주조 또는 적층 제조를 통해 바디(210)를 형성 한 후에 또는 그와 함께 임의의 현재 알려진 방식으로 형성될 수 있다. 확대된 입구 부분(290)은 예컨대, 도 12에서와 같이, 둥글거나 도 13에서와 같이 다각형인 임의의 형상을 가질 수 있다.
냉각 통로(204)는 바디(210)에 직접 형성될 수 있거나, 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 에어포일 벽(214)의 개구에 커플링된 쿠폰(292)의 부분으로서 제공될 수 있다. 즉, 캡 엘리먼트(250) 및 복수의 냉각 통로(204)를 포함하는 리딩 에지(212)의 일부는 (금속) 바디(210)의 잔여 부분에 커플링된 쿠폰(292)을 포함한다. 쿠폰(292)은 임의의 현재 알려진 또는 추후에 개발되는 프로세스, 예컨대, 주조 및 천공 또는 적층 제조를 사용하여 형성될 수 있다.
냉각 통로의 일부는, 본 명세서에 달리 설명된 것을 제외하면, 원하는 임의의 단면 형상, 예컨대 원형, 타원형, 다각형 등을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예는, 사용되는 터보머신이 증가된 점화 온도 또는 전반적으로 감소된 냉각제 사용을 통해 보다 효율적으로 적용될 수 있도록 증가된 냉각 효과를 갖는 에어포일 벽을 구비한 터빈 에어포일, 블레이드 및/또는 노즐을 제공한다. 본원에서 설명된 2개의 부분 냉각 통로의 냉각 효과는 종래의 확산 구멍, 원뿔형 구멍 및 원형 구멍보다 높다. 제공되는 개선된 효과적인 냉각은 금속 온도의 감소 및 TBC 파열의 감소된 가능성을 통해 부품 수명을 연장할 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 실시예는 또한 계획되지 않은 정전의 가능성을 감소시키고 부품이 수리될 필요가 있는 시간의 지속기간을 증가시킬 수 있다. 냉각 통로(204)의 표면적은 모든 실시예에서 종래의 구멍보다 크며, 이는 또한, 특히 충돌 냉각(impingement cooling)이 냉각제 통로(216)의 내부에 제공되는 경우 내부 냉각을 또한 증가시킨다. 본 개시내용의 교시는 에어포일의 리딩 에지 벽에 대해 특히 유리하지만, 에어포일 상의 다른 곳에도 또한 적용될 수 있다.
본원에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하려는 목적만을 위한 것이며, 본 개시내용을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 맥락이 명확하게 달리 표시하지 않으면, 단수 형태는 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 추가로, 용어 "포함하는"("comprises" 및/또는 "comprising")이 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 및/또는 컴포넌트의 존재를 특정하지만, 하나 또는 그 초과의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 이해될 것이다. "선택적" 또는 "선택적으로"는, 후속적으로 설명된 이벤트 또는 상황이 발생할 수도 있고 발생하지 않을 수도 있으며, 설명은 이벤트가 발생하는 경우와 이벤트가 발생하지 않는 경우를 포함한다는 것을 의미한다.
본 명세서 및 청구항 전반에 걸쳐 본원에서 사용된 바와 같은 근사 언어는, 그것이 관련된 기본 기능의 변화를 초래하지 않고 허용 가능하게 변동될 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하는 데 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략적으로" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수식된 값은 특정된 바로 그 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 경우에, 근사 언어는 값을 측정하기 위한 기구의 정밀도에 대응할 수 있다. 여기 및 명세서 및 청구항 전반에 걸쳐, 범위 제한이 결합되고 그리고/또는 상호 교환될 수 있으며, 그러한 범위는 식별되고, 문맥 또는 언어가 다른 것을 나타내지 않는 한, 그 안에 포함된 모든 하위 범위를 포함한다. 범위의 특정 값에 적용되는 "대략적으로"는 둘 모두의 값에 적용되고 값을 측정하는 기구의 정밀도에 의존하지 않는 한, 언급된 값(들)의 +/- 5%를 나타낼 수 있다.
아래의 청구항에서 모든 수단 또는 단계 + 기능 엘리먼트의 상응하는 구조, 재료, 행위 및 등가물은 구체적으로 청구되는 다른 청구된 엘리먼트와 결합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 행위를 포함하는 것으로 의도된다. 본 개시내용의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었지만, 총망라하거나 개시된 형태의 개시내용으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 본 개시내용의 범위 및 사상을 벗어나지 않는 다수의 수정 및 변동이 당업자에게는 명백해질 것이다. 본 개시내용의 원리 및 실현 가능한 적용을 가장 양호하게 설명하기 위해 그리고, 고려되는 특정한 사용에 대해 적합한 다양한 수정을 가한 다양한 실시예에 대한 개시내용을 당업자가 이해할 수 있도록 실시예가 선택되고 설명되었다.
100 : 터보머신
102 : 압축기
104 : 연소기
106 : 연소 구역
108 : 연소 노즐 조립체
110 : 터빈 조립체
111 : 터빈
112 : 로터, 공통 압축기/터빈 샤프트
120 : 베인
122 : 고정 케이싱
124 : 회전 블레이드
126 : 베인
128 : 외부 플랫폼
130 : 내부 플랫폼
132 : 회전 블레이드
134 : 내측 플랫폼
136 : 외측 팁 슈라우드
140 : 루트
142 : 도브테일
144 : 로터 휠
146 : 쉥크
148 : 플랫폼
150 : 에어포일
152 : 오목한 압력 측벽(PS)
154 : 대향하는 볼록한 흡입 측벽(SS)
156 : 리딩 에지
158 : 트레일링 에지
160 : 바깥쪽 팁
170 : 고정 베인
172 : 외부 플랫폼
174 : 내부 플랫폼
176 : 에어포일
178 : 오목한 압력 측벽(PS)
180 : 대향하는 볼록한 흡입 측벽(SS)
182 : 에지
184 : 에지
200 : 에어포일
204 : 냉각 통로
210 : 바디
212 : 리딩 에지
214 : 에어포일 벽
216 : 냉각제 챔버
218 : 제1 부분
220 : 제1 지점
222 : 외부 표면
230 : 제2 부분
232 : 제2 지점
234 : 중간 부분
240 : 디퓨저 개구
242 : 내부 표면
250 : 캡 엘리먼트
252 : 단일 입구
254 : 출구
260 : 열 차폐 코팅(TBC)
262 : 본드 코트 층
264 : TBC 층
270 : 금속 플러그
280 : 금속 층
290 : 확대된 입구 부분
292 : 쿠폰
102 : 압축기
104 : 연소기
106 : 연소 구역
108 : 연소 노즐 조립체
110 : 터빈 조립체
111 : 터빈
112 : 로터, 공통 압축기/터빈 샤프트
120 : 베인
122 : 고정 케이싱
124 : 회전 블레이드
126 : 베인
128 : 외부 플랫폼
130 : 내부 플랫폼
132 : 회전 블레이드
134 : 내측 플랫폼
136 : 외측 팁 슈라우드
140 : 루트
142 : 도브테일
144 : 로터 휠
146 : 쉥크
148 : 플랫폼
150 : 에어포일
152 : 오목한 압력 측벽(PS)
154 : 대향하는 볼록한 흡입 측벽(SS)
156 : 리딩 에지
158 : 트레일링 에지
160 : 바깥쪽 팁
170 : 고정 베인
172 : 외부 플랫폼
174 : 내부 플랫폼
176 : 에어포일
178 : 오목한 압력 측벽(PS)
180 : 대향하는 볼록한 흡입 측벽(SS)
182 : 에지
184 : 에지
200 : 에어포일
204 : 냉각 통로
210 : 바디
212 : 리딩 에지
214 : 에어포일 벽
216 : 냉각제 챔버
218 : 제1 부분
220 : 제1 지점
222 : 외부 표면
230 : 제2 부분
232 : 제2 지점
234 : 중간 부분
240 : 디퓨저 개구
242 : 내부 표면
250 : 캡 엘리먼트
252 : 단일 입구
254 : 출구
260 : 열 차폐 코팅(TBC)
262 : 본드 코트 층
264 : TBC 층
270 : 금속 플러그
280 : 금속 층
290 : 확대된 입구 부분
292 : 쿠폰
Claims (15)
- 터빈 에어포일(150, 176, 200)로서,
에어포일 벽을 갖는 바디(210);
상기 바디(210) 내의 냉각제 챔버(216);
상기 에어포일 벽 내의 복수의 냉각 통로들(204)
을 포함하고,
각각의 냉각 통로(204)는,
상기 에어포일 벽의 외부 표면(222) 상의 제1 지점(220)으로부터 상기 냉각제 챔버(216)로 연장되는 제1 부분(218),
상기 제1 부분(218)의 중간 부분(234)과 교차하도록 상기 제1 지점(220)으로부터 원위의, 상기 에어포일 벽의 외부 표면(222) 상의 제2 지점(232)으로부터 연장되는 제2 부분(230), 및
상기 제1 지점(220)에서 상기 제1 부분(218)을 폐쇄하지만 상기 제2 부분(230)을 개방한 채로 남겨두는 캡 엘리먼트(250; cap element)
를 포함하고,
각각의 냉각 통로(204)는 상기 냉각제 챔버(216)와 유체 연통하는 단일 입구(252) 및 상기 제2 부분(230)의 제2 지점(232)의 단일 출구(254)를 갖는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 제2 부분(230)의 상기 제2 지점(232)은 리딩 에지(212, 156)로부터 축방향으로 하류 방향으로 디퓨저 개구(diffuser opening)(240)를 포함하는 것인, 터빈 에어포일. - 제2항에 있어서,
상기 제2 부분(230)은 상기 제1 부분(218)의 중간 부분(234)으로부터 상기 제2 지점(232)까지 상기 제2 부분(230)의 길이를 따라 상기 에어포일 벽의 외부 표면(222) 및 내부 표면(242)에 대해 발산(diverge)하는 것인, 터빈 에어포일. - 제2항에 있어서,
상기 제2 부분(230)은 상기 제1 부분(218)의 중간 부분(234)으로부터 상기 제2 지점(232)까지 상기 제2 부분(230)의 길이를 따라 상기 바디(210)의 길이에 대해 0 ° 내지 약 20 °의 각도로 방사상으로 발산하는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 제2 부분(230)은 상기 제1 부분(218)의 중간 부분(234)과 교차하는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 제1 부분(218)은 상기 제1 지점(220)에서 상기 에어포일 벽의 외부 표면(222)과 약 45 ° 내지 약 90 °의 각도로 만나고, 상기 제2 부분(230)은 상기 제2 지점(232)에서 상기 에어포일 벽의 외부 표면(222)과 약 135 ° 내지 약 175 °의 각도로 만나는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 캡 엘리먼트(250)는 열 차폐 코팅(TBC)(260)을 포함하고, 각각의 냉각 통로(204)의 상기 제2 부분(230)은 그 제2 지점(232)에서 상기 TBC(260)를 통과하여 연장되는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 캡 엘리먼트(250)는 상기 제1 지점(220)에서 또는 상기 제1 지점(220) 근처에서 상기 제1 부분(218)의 금속 플러그(270)를 포함하고, 상기 터빈 에어포일은,
상기 에어포일 벽의 외부 표면(222)을 커버(cover)하는 열 차폐 코팅(TBC)(260)
을 더 포함하고, 각각의 냉각 통로(204)의 상기 제2 부분(230)은 그 제2 지점(232)에서 상기 TBC(260)를 통과하여 연장되는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 캡 엘리먼트(250)는 상기 제1 지점(220)에서 상기 제1 부분(218)을 가로지르는 금속 층(280)을 포함하고, 상기 터빈 에어포일은,
상기 에어포일 벽의 외부 표면(222)을 커버하는 열 차폐 코팅(TBC)(260)
을 더 포함하고, 각각의 냉각 통로(204)의 상기 제2 부분(230)은 그 제2 지점(232)에서 상기 TBC(260)를 통과하여 연장되는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
에어포일(150, 176, 200)의 일부는 상기 복수의 냉각 통로들(204)을 포함하고, 상기 캡 엘리먼트(250)는 상기 바디(210)의 잔여 부분에 커플링된 쿠폰(292; coupon)을 포함하는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 제1 부분(218)의 단면적은 상기 제2 부분(230)의 단면적보다 작으며, 상기 제2 부분(230)은 상기 제1 부분(218)의 중앙 부분(234)과 교차하는 것인, 터빈 에어포일. - 제1항에 있어서,
상기 바디(210)는, 베이스(base) 및 이 베이스에 대향하게 배치된 팁(tip), 및 리딩 에지(212, 156)와 트레일링 에지(trailing edge)(158) 사이에서 연장되는 압력 측벽(152, 178) 및 흡입 측벽(154, 180)을 포함하고, 상기 에어포일 벽은 상기 리딩 에지(212, 156)에 배치되는 것인, 터빈 에어포일. - 에어포일(150, 176, 200)의 에어포일 벽에 냉각 통로(204)를 형성하는 방법으로서,
터빈 에어포일(150, 176, 200)은 그 내부에 냉각제 챔버(216)를 포함하고, 상기 방법은,
상기 냉각 통로(204)의 제1 부분(218)을 형성하는 단계로서, 상기 제1 부분(218)은 상기 에어포일 벽의 외부 표면(222) 상의 제1 지점(220)으로부터 상기 냉각제 챔버(216)로 연장되는 것인 단계;
상기 냉각 통로(204)의 제2 부분(230)을 형성하는 단계로서, 상기 제2 부분(230)은 상기 제1 부분(218)의 중간 부분(234)과 교차하도록 상기 제1 지점(220)으로부터 원위의, 상기 에어포일 벽의 외부 표면(222) 상의 제2 지점(232)으로부터 연장되는 것인 단계;
상기 제2 부분(230)을 개방한 채로 남겨두고, 캡 엘리먼트(250)로 상기 제1 지점(220)에서 상기 제1 부분(218)을 폐쇄하는 단계
를 포함하고,
각각의 냉각 통로(204)는 상기 냉각제 챔버(216)와 유체 연통하는 단일 입구(252) 및 상기 제2 부분(230)의 제2 지점(232)의 단일 출구(254)를 갖는 것인, 에어포일(150, 176, 200)의 에어포일 벽에 냉각 통로(204)를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서,
각각의 형성하는 단계는 천공(drilling)하는 단계를 포함하는 것인, 에어포일(150, 176, 200)의 에어포일 벽에 냉각 통로(204)를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 부분(218)을 형성하는 단계는 상기 냉각제 챔버(216) 내부로부터 외측으로 천공하는 단계를 포함하는 것인, 에어포일(150, 176, 200)의 에어포일 벽에 냉각 통로(204)를 형성하는 방법.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US15/862,932 US10612391B2 (en) | 2018-01-05 | 2018-01-05 | Two portion cooling passage for airfoil |
| US15/862,932 | 2018-01-05 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190083989A true KR20190083989A (ko) | 2019-07-15 |
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