KR20220045964A - 터빈 구성요소 냉각 특징부의 개선된 코팅을 위한 보호 실드 - Google Patents

터빈 구성요소 냉각 특징부의 개선된 코팅을 위한 보호 실드 Download PDF

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KR20220045964A
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turbine component
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opening
cooling
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KR1020227006740A
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토마스 얼 다이슨
린제이 마리 키블러
브렌든 제임스 리리
데이비드 빈센트 부치
Original Assignee
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

터빈 엔진의 구성요소 상에 코팅을 침착시키는 방법. 방법은 터빈 구성요소의 표면 상의 개구부와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 유동 통로를 포함하는 터빈 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 보호 실드는 적어도 하나의 냉각 유동 통로의 내측 표면 상에 형성되고 개구부를 통해 터빈 구성요소의 외측으로 연장된다. 코팅 공정 동안, 보호 실드는 코팅이 개구부를 통해 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내에 침착되는 것을 차단하도록 구성된다. 코팅 후에, 보호 실드의 적어도 일부분은 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내의 냉각 유체 유동의 통과를 제공하도록 제거된다. 냉각 유체 유동은 개구부를 통해 터빈 구성요소를 빠져나간다. 보호 실드의 사용자를 채용하는 터빈 구성요소가 또한 개시된다.

Description

터빈 구성요소 냉각 특징부의 개선된 코팅을 위한 보호 실드
본 발명은 터빈 구성요소 코팅 공정 및 터빈 구성요소에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 보호 실드들의 사용을 포함하는 터빈 구성요소 코팅 공정, 및 보호 실드들을 사용하는 코팅의 도포를 포함하는 터빈 구성요소에 관한 것이다.
배경기술
터빈 구성요소들은 종종 최대 작동 효율을 제공하기 위하여 고온에서 동작된다. 그러나, 터빈이 동작할 수 있는 온도는 개별 터빈 구성요소들의 온도 성능에 의해 제한될 수 있다. 터빈 구성요소들의 온도 성능을 증가시키기 위해, 다양한 방법들이 개발되었다. 터빈 구성요소의 온도 성능을 증가시키기 위한 하나의 방법은 내부 냉각 홀들의 포함을 포함하고, 이를 통해 차가운 공기가 터빈 엔진 동작 동안 강제된다. 차가운 공기가 구성요소 벽의 저온 측으로부터 고온 측 상의 냉각 홀 출구를 통해 공급됨에 따라, 유입되는 공기는 고온의 금속 표면의 온도를 낮추는 데 도움이 된다.
터빈 구성요소의 온도 성능을 증가시키기 위한 다른 기술은 코팅들, 예컨대, 본드 코트 및 열차폐 코팅(thermal barrier coating, TBC)의 도포를 포함한다. 종종, 터빈 구성요소들은 냉각 홀들 및 구성요소의 표면 위에 도포되는 다양한 코팅들 둘 모두를 포함한다. 통상적으로, 코팅의 (재)도포 이전에 냉각 홀들이 형성되거나 또는 구성요소가 변형(예컨대, 수리)될 때, 냉각 홀들은 코팅 전에 마스킹되거나 또는 도포 후 코팅이 냉각 홀들로부터 제거된다. 더 구체적으로는, 통상적인 방법들은 나금속(bare metal)에서 드릴링된 후 TBC로 코팅될 냉각 홀들을 제공한다. 많은 경우들에서, 이러한 홀들은 TBC의 부분 충전 및 홀의 바람직한 형상의 변화에 의해 야기되는 열악한 성능을 겪는다. 추가적으로, 홀들에 대한 TBC의 도포의 변동은 예측할 수 없는 성능을 야기할 수 있다. 대안적으로, 코팅이 먼저 도포될 수 있고, 이어서 냉각 홀들이 뚫린다. 그러나, 이는 홀들이 형성될 수 있도록 코팅을 제거하기 위한 추가적인 제조 단계를 필요로 할 수 있다. 생성된 부품은 이후에 트레일링 에지와 같은 중요한 영역에서 일부 TBC 보호가 결여될 수 있다.
따라서, 개선을 갖는 터빈 구성요소 코팅 공정이 당업계에서 바람직할 것이다.
이러한 개시내용의 태양 및 이점이 후속하는 설명에서 아래에 기재되거나, 그 설명으로부터 명백할 수 있거나, 이러한 개시내용의 실시를 통해 학습될 수 있다.
일 실시예에 따라, 터빈 엔진의 구성요소 상에 코팅을 침착시키는 방법이 개시된다. 방법은 터빈 구성요소의 표면 상의 개구부와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 유동 통로를 포함하는 터빈 구성요소를 형성하는 단계, 적어도 하나의 냉각 유동 통로의 내측 표면 상에 있고 개구부를 통해 터빈 구성요소의 외측으로 연장되는 보호 실드를 형성하는 단계, 터빈 구성요소의 외부 표면 상에 코팅을 침착시키는 단계를 포함하고, 보호 실드는 코팅이 개구부를 통해 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내에 침착되는 것을 차단하도록 구성된다. 마지막으로, 보호 실드의 적어도 일부분이 제거되어 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내의 냉각 유체 유동의 통과를 제공하고 냉각 유체 유동은 개구부를 통해 터빈 구성요소를 빠져나간다.
다른 실시예에서, 터빈 엔진의 구성요소 상에 코팅을 침착시키는 방법이 개시된다. 방법은 적층 제조 공정을 통해 터빈 구성요소의 표면 상의 개구부와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 유동 통로 및 적어도 하나의 냉각 유동 통로의 내측 표면에 결합되고 개구부를 통해 터빈 구성요소의 외부로 연장되는 보호 실드를 포함하는 터빈 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 그 다음 터빈 구성요소의 외부 표면 상에 코팅이 침착되고, 보호 실드는 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내에 코팅이 침착되는 것을 차단한다. 마지막으로, 보호 실드의 적어도 일부분이 제거되어 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내의 냉각 유체 유동의 통과를 제공하고 냉각 유체 유동은 개구부를 통해 터빈 구성요소를 빠져나간다.
또 다른 실시예에서, 터빈 구성요소가 개시된다. 터빈 구성요소는 내측 표면을 갖고 냉각 유체 유동의 통과를 위한 유동 경로를 한정하는 적어도 하나의 냉각 유동 통로, 개구부를 빠져나가는 냉각 유체 유동의 편향을 제공하는 방식으로 적어도 하나의 냉각 유동 통로의 내측 표면 및 터빈 구성요소의 외부 표면 중 하나 상의 보호 실드의 일부분 및 터빈 구성요소의 외부 표면 상에 침착된 코팅을 포함한다. 적어도 하나의 개구부가 구성요소의 표면에 형성되고 적어도 하나의 냉각 유동 통로와 유체 연통한다. 적어도 하나의 냉각 유동 통로 내의 냉각 유체 유동은 개구부를 통해 터빈 구성요소를 빠져나간다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은, 예로서, 본 발명의 원리를 예시하는 첨부 도면과 함께 취해진 바람직한 실시예의 하기의 더 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 개시내용의 이들 및 다른 특징, 태양 및 이점은 하기의 설명 및 첨부된 청구범위를 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되고 그의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 개시내용의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 개시내용의 원리를 설명하는 역할을 한다.
당업자에게 최상인 모드를 포함한 본 개시내용의 완전하고 가능한 개시 내용이, 첨부 도면에 대한 참조를 포함하여, 본 명세서의 나머지에서 더 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 터빈 구성요소의 사시도이다.
도 2는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예에 따른 터빈 구성요소 코팅 공정의 흐름도이다.
도 3은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 터빈 구성요소, 더 구체적으로는 보호 실드를 포함하는 터빈 블레이드의 트레일링 에지의 개략적 단면도이이다.
도 4는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 보호 실드를 포함하는 도 3의 터빈 구성요소의, 라인 4-4를 통해 취해진 개략적 단면도이다.
도 5는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 보호 실드를 포함하는 터빈 구성요소의 다른 실시예의 개략도이다.
도 6은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 터빈 구성요소, 더 구체적으로는 보호 실드를 포함하는 터빈 블레이드의 트레일링 에지의 다른 실시예의 개략적 단면도이다.
도 7은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른, 코팅 침착에 후속하여 제거된 보호 실드의 일부분을 도시하는, 도 6의 터빈 구성요소의 개략적 단면도이다.
도 8은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 복수의 보호 실드들을 포함하는 터빈 구성요소의 개략적 단면도이다.
도 9는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 복수의 보호 실드들을 포함하는 터빈 구성요소의 다른 실시예의 개략적 단면도이다.
도 10은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 보호 실드를 포함하는 터빈 구성요소의 다른 실시예의 개략적 단면도이다.
도 11은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른 보호 실드를 포함하는 터빈 구성요소의 다른 실시예의 개략적 단면도이다.
도 12는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예들에 따른, 코팅 침착에 후속하여 제거된 보호 실드의 일부분을 도시하는, 도 11의 터빈 구성요소의 개략적 단면도이다.
가능한 모든 경우에 있어서, 동일한 부분을 나타내기 위하여 도면들의 여러 모습들에 걸쳐 대응하는 인용 부호가 사용될 것이다.
본 개시내용의 하나 이상의 특정 실시예가 아래에서 설명될 것이다. 이들 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징부들이 명세서에 기술되지 않을 수 있다. 임의의 이러한 실제 구현예의 개발에서, 임의의 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 수많은 구현예-특정 결정들은 시스템-관련 및 사업-관련 제약들을 따르는 것과 같은 개발자들의 특정 목표를 달성하도록 이루어져야 하며, 이는 구현예들마다 다를 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이익을 갖는 통상의 기술자들에게 설계, 제조, 및 생산의 일상적인 업무일 것임이 이해되어야 한다.
더욱이, 상세한 설명에서 확인되는 모든 수치 값은 정확한 값 및 대략적인 값 둘 모두가 명확히 확인되는 것처럼 해석될 것이다. 본 발명의 다양한 실시예들의 요소들을 소개할 때, 정관사 "a", "an", "the", 및 "상기(said)"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 및 "갖는(having)"은 포괄적이도록 의도되고, 열거된 요소들 이외의 추가 요소들이 있을 수 있음을 의미한다.
터빈 구성요소 코팅 공정 및 터빈 구성요소가 제공된다. 본 개시내용의 실시예들은, 본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징부들을 이용하지 않는 용품들 및 방법들에 비교하여, 코팅 침착 효율을 증가시키고, 코팅 효과를 증가시키고, 코팅 특이성을 증가시키고, 개구부 내의 코팅 구축을 감소시키고, 공정후 홀 청소를 감소시키고, 또는 이들의 조합이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 구성요소(100)는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(곧 설명됨)에 유체로 연결되는 적어도 하나의 개구부(106)를 구비한 표면(104)을 갖는 기판(102)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 구성요소(100)가 터빈 엔진의 터빈 구성요소를 포함할 때, 적어도 하나의 개구부(106)는 냉각 홀을 포함할 수 있고 적어도 하나의 냉각 유동 통로는 냉각 채널을 포함할 수 있다. 냉각 유동 통로들의 각각 및 적어도 하나의 개구부(106)는 단면 기하학적 구조를 포함할 수 있고, 단면 기하학적 구조는 일정한 단면 기하학적 구조, 가변적 단면 기하학적 구조, 확산기 단면 기하학적 구조, 원통형 단면 기하학적 구조, 비-원통형 단면 기하학적 구조, 타원형 단면 기하학적 구조, V형 기하학적 구조, 수렴형 기하학적 구조, 발산형 기하학적 구조, 및/또는 임의의 다른 적합한 기하학적 구조, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 냉각 유동 통로들 및 적어도 하나의 개구부(106)는 다양한 다른 가변적인 구성들을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 개구부(106) 및 냉각 유동 통로들은 약 5° 내지 175°와 같은 다양한 반경방향 각도 및 약 5° 내지 약 90°의 표면(104)에 대한 축방향 각도로 표면(104)에 진입하는 중심선들을 구비하도록 형성될 수 있으며, 이들의 변형이 도 10에 도시된다. 일부 실시예들에서, 이러한 중심선들은 반경방향 및 축방향 각도 둘 모두를 포함하는 복합 각도일 수 있다.
개시된 실시예들에 적합한 구성요소들(100)은, 예를 들어, 블레이드, 버킷, 슈라우드, 노즐, 날개, 트랜지션 피스, 라이너, 연소기, 냉각 홀과 같은 개구부들을 갖는 기타 터빈 구성요소들, 또는 이들의 조합을 포함한다. 터빈 구성요소(100)는, 예를 들어, 니켈 계열 초합금, 코발트 계열 초합금, 감마 프라임 초합금, 스테인레스 스틸, 또는 이들의 조합을 포함하는 고온 산화 및 부식 방지 재료들로 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 터빈 구성요소는 표면(104) 위에 도포되는 코팅(곧 설명됨)을 포함할 수 있다. 코팅은 단일 층, 하나 초과의 층, 또는 복수의 층들일 수 있다. 적합한 코팅들은 본드 코트, 열차폐 코팅(TBC), 환경 차폐 코팅(EBC), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
도 2를 참조하면, 일반적으로 단계(202)의 개구부들(106)(도 1)과 같은 하나 이상의 개구부들에 근접하게 배치된 하나 이상의 보호 실드들(곧 설명됨)을 포함하는 터빈 구성요소(100)(도 1)와 같은 터빈 구성요소를 형성하는 단계를 포함하는 터빈 구성요소 코팅 공정(200)이 도시된다. 하나 이상의 보호 실드들의 각각은 적어도 하나의 개구부(106)를 적어도 부분적으로 커버하여 적어도 하나의 개구부(106) 내의 코팅의 침착을, 제거하지 않지만, 최소화하도록 구성된다. 이어서 터빈 구성요소 코팅 공정(200)은 일반적으로 단계(204)에서 TBC 코팅 층과 같은 코팅 층을 도포하는 단계를 포함한다. 터빈 구성요소 코팅 공정(200)은 일반적으로 단계(204)에서 하나 이상의 보호 실드들 위에 그리고 터빈 구성요소 표면(104)(도 1) 상에 코팅(곧 설명됨)을 도포하는 단계를 포함한다. 단계(204)에서 코팅을 도포한 후에, 옵션적인 단계(206)에서 제2 옵션적인 코팅이 이전에 침착된 코팅 위에 도포될 수 있다. 구성요소(100)의 표면(104) 위에 원하는 코팅 조성 및/또는 두께를 형성하기 위하여 추가적인 코팅들이 도포될 수 있다. 원하는 코팅 조성 및/또는 두께의 침착에 후속하여, 하나 이상의 보호 실드들의 일부분이 이어서 옵션적으로 단계(208)에서 제거될 수 있다.
구체적으로, 하나 이상의 보호 실드들을 포함하기 위하여 터빈 구성요소(100)를 형성하는 조합은, 추가로 덜 노동집약적인 코팅 공정을 가능하게 하면서, 적어도 하나의 개구부(106) 내에서, 그리고 그에 따라 적어도 하나의 냉각 유동 통로에서 코팅 층, 또는 층들의 침착을 감소 또는 제거할 수 있다. 개별 터빈 구성요소, 코팅 공정 단계들, 보호 실드들 및 코팅 재료들의 실시예들이 이제 더 상세하게 논의될 것이다.
이제 도 3 내지 도 7을 참조하면, 일반적으로 도 1의 구성요소(100)와 유사한 터빈 구성요소(120)의 실시예들이 도시된다. 위에서 논의된 바와 같이, 터빈 구성요소(120)는, 예를 들어, 블레이드, 버킷, 슈라우드, 노즐, 날개, 트랜지션 피스, 라이너, 연소기, 냉각 홀과 같은 개구부들을 갖는 기타 구성요소들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 터빈 구성요소(120)는 터빈 블레이드(122)이며, 이는 때때로 에어포일로 지칭된다. 도 3 내지 도 7에서 터빈 블레이드(122)의 트레일링 에지(124)가 특히 관심 대상이다. 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드(122)는 냉각 유동 통로(108) 및 냉각 유체 유동(110)과 유체 연통하는 적어도 하나의 개구부(106)를 포함한다. 적어도 하나의 개구부(106)(예컨대, 냉각 홀)는 다양한 구성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 개구부(106)는 단면 기하학적 구조를 포함할 수 있고, 단면 기하학적 구조는 일정한 단면 기하학적 구조, 가변적 단면 기하학적 구조, 확산기 단면 기하학적 구조(도 10에 도시된 바와 같음), 원형 단면 기하학적 구조, 타원형 단면 기하학적 구조, V형 기하학적 구조, 수렴형 기하학적 구조, 발산형 기하학적 구조, 및/또는 임의의 다른 적합한 기하학적 구조, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 적어도 하나의 개구부(106)는 배출 홀로서 구성된다.
실시예에서, 초기 터빈 구성요소(120)를 구축하고 적어도 하나의 개구부(106) 및 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)를 포함시키는 동안, 적어도 하나의 보호 실드(112)가 그것과 일체로 형성될 수 있다. 대안적으로, 터빈 구성요소(120)의 제조에 후속하여 적어도 하나의 보호 실드(112)가 적어도 하나의 개구부(106) 및 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)에 근접하게 배치될 수 있다.
이러한 특정 실시예에서, 터빈 구성요소(120)는 공지된 적층 제조 기술에 의해 형성된다. 제조 시, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 코팅 침착 동안 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 차폐를 제공하는 방식으로 형성된다. 적어도 하나의 보호 실드(112)는 일반적으로 하나 이상의 연결 스파들(spars)(126), 스템(128) 및 캡(130)으로 구성된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126), 스템(128) 및 캡(130)은 일체로 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126), 스템(128) 및 캡(130)은 개별 구성요소들로서 형성될 수 있다. 적어도 하나의 보호 실드(112), 더 구체적으로는, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 각각을 한정하는 보어(134)의 내측 표면(132)에 결합될 수 있다.
적어도 하나의 보호 실드(112)는 적어도 부분적으로 적어도 하나의 개구부(106)를 커버하기 위하여 임의의 방식으로 터빈 구성요소(120)에 대해 구성될 수 있거나, 또는 터빈 구성요소(120)에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 적어도 하나의 개구부(106)의 레벨보다 약간 낮거나, 그 레벨, 실질적으로 그 레벨로 형성되거나, 또는 적어도 하나의 개구부(106) 위로 연장되는 돌출부를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 보호 실드(112), 더 구체적으로는, 적어도 하나의 보호 실드(112)의 캡(130)은 적어도 하나의 개구부(106)를 포함하는 터빈 구성요소 표면(104)의 일부분을 커버하는 방식으로 구성된다. 예를 들어, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 넓은 표면적에 걸쳐 연장되도록 구성될 수 있다.
도 4를 더 구체적으로 참조하면, 도 3의 라인 4-4를 통해 취해진, 도 3의 터빈 구성요소(120)의 일부분 및 적어도 하나의 보호 실드(112)가 도시된다. 이 실시예에서, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)를 한정하는 보어(134)의 내측 표면(132) 상에 2개의 연결 스파(126)를 포함한다. 도 5는 터빈 구성요소(140)의 대안적인 실시예를 도시하며, 여기서 적어도 하나의 보호 실드(112)는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)를 한정하는 보어(134)의 내측 표면(132) 상에 4개의 연결 스파(126)를 포함한다. 임의의 수의 연결 스파들(126)이 적어도 하나의 보호 실드(112)를 보어(134)의 내측 표면(132), 더 구체적으로는 냉각 유동 통로(108)에 결합하도록 형성될 수 있고, 도 4 및 도 5는 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 예상된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 직선, 또는 곡선일 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 스템(128)이 파괴되고 하나 이상의 연결 스파들(126)이 보어(134) 내에 남게 될 때 열 전달을 향상시키는 와류형성 특징부들을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 하나 이상의 직사각형 와류발생기 또는 나선형 와류발생기를 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 연결 스파들(126)로부터 스템(128)의 파괴를 용이하게 하기 위해 하나 이상의 연결 스파들(126)이 보어(134)의 내측 표면(132)에 대해 높은 각도에서 형성되고/되거나 노치될 수 있음이 예상된다.
도 6 및 도 7을 이제 참조하면, 코팅 층(136)의 침착에 후속하여 도 3 및 도 4의 터빈 구성요소(120)가 도시된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 코팅 층(136)은 적어도 하나의 보호 실드(112)가 적어도 하나의 개구부(106)를 통한 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 내의 코팅 층(136)의 침착을, 제거하지 못하는 경우, 최소화하도록 하는 방식으로 침착된다. 일 실시예에서, 코팅 층(136)은 터빈 구성요소(120)의 표면(104) 상의 접착(예컨대, 화학적/기계적 본딩 등)을 용이하게 하는 임의의 적합한 코팅 및 임의의 적합한 도포 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 코팅 층(136)은 열 용사 코팅, 산화 보호 코팅, 금속 코팅, 본드 코팅, 오버레이 코팅, 또는 본드 코트에 사용될 수 있는 것들과 같은 임의의 다른 유형의 코팅, 열차폐 코팅(TBC), 환경 차폐 코팅(EBC), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 코팅 층(136)은 HVOF 용사 도포 방법에 의해 도포된 본드 코트를 포함한다. 이러한 실시예들은 특히 추가적인 코팅(미도시)이 APS 도포 방법에 의해 도포되는 본드 코트 또는 TBC를 포함하도록 예정되어 있을 때 적합할 수 있다. 예를 들어, 일부 특정 실시예들에서, 제1 코팅은 HVOF에 의해 도포되는 본드 코트를 포함할 수 있고, 제2 코팅은 APS에 의해 도포되는 본드 코트를 포함할 수 있고, 제3 코팅은 APS에 의해 도포되는 TBC(예컨대, DVC TBC)를 포함할 수 있다.
일부 특정 실시예들에서, 코팅 층(136)은 임의의 운동 에너지 프로세스(예컨대, HVOF)를 통해 도포될 수 있다. 다른 실시예들에서, 코팅 층(136)은 임의의 다른 적합한 공정, 예컨대, 열 용사, 에어 플라즈마 용사(APS), 고속 공기 연료 용사(HVAF), 진공 플라즈마 용사(VPS), 전자빔 물리 증착(EBPVD), 화학 증착(CVD), 이온 플라즈마 침착(IPD), 분말 또는 로드를 이용한 연소 용사, 저온 용사, 졸 겔, 전기영동 침착, 테이프 캐스팅, 중합체 유래 세라믹 코팅, 슬러리 코팅, 딥-도포, 진공-코팅 도포, 커튼-코팅 도포, 브러시 도포, 롤-코트 도포, 응집 및 소결 후 용사 건조, 또는 이들의 조합을 통해 도포될 수 있다.
여전히 도 6 및 도 7을 참조하면, 코팅 층(136)의 도포에 후속하여 도포되는 추가적인 코팅 층은 터빈 구성요소(120)의 표면(104) 상으로 이전에 도포된 코팅 층(136) 상의 접착(예컨대, 화학/기계적 본딩 등)을 용이하게 하는 임의의 적합한 코팅 및 임의의 적합한 도포 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 추가적인 코팅 층은 열 용사 코팅, 산화 보호 코팅, 금속 코팅, 본드 코팅, 오버레이 코팅, 또는 본드 코트에 사용될 수 있는 것들과 같은 임의의 다른 유형의 코팅, 열차폐 코팅(TBC), 환경 차폐 코팅(EBC), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 제2 코팅(207)은 APS 도포 방법에 의해 도포되는 본드 코트 및/또는 열차폐 코팅을 포함한다. 이러한 실시예들은 특히 코팅 층(136)이 HVOF 용사 도포 방법에 의해 도포되는 본드 코트를 포함할 때 적합할 수 있다.
임의의 추가적인 코팅 층들이 임의의 적합한 도포 방법에 의해 도포될 수 있다. 적합한 도포 방법들은 열 용사, 에어 플라즈마 용사(APS), 고속 산소 연료(HVOF) 열 용사, 고속 공기 연료 용사(HVAF), 진공 플라즈마 용사(VPS), 전자빔 물리 증착(EBPVD), 화학 증착(CVD), 이온 플라즈마 침착(IPD), 분말 또는 로드를 이용한 연소 용사, 저온 용사, 졸 겔, 전기영동 침착, 테이프 캐스팅, 중합체 유래 세라믹 코팅, 슬러리 코팅, 딥-도포, 진공-코팅 도포, 커튼-코팅 도포, 브러시 도포, 롤-코트 도포, 응집 및 소결 후 용사 건조, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 일 예에서, 추가적인 코팅 층은 위에서 논의된 바와 같이 APS에 의해 도포되는 본드 코트 및/또는 열차폐 코팅을 포함한다.
도 7의 실시예에서, 적어도 하나의 보호 실드(112)의 일부분은 코팅 층(136), 및 임의의 추가적인 코팅 층들을 도포한 후에, 터빈 구성요소(120)로부터 제거된다. 더 구체적으로는, 일 실시예에서, 스템(128)은 파괴되어 추가적인 기계가공 동작 없이 터빈 구성요소(120)로부터 스템(128) 및 캡(130)을 제거하도록 한다. 대안적인 실시예에서, 스템(128)은 스템(128)이 하나 이상의 연결 스파들(126)로부터 결합해제되는 방식으로 용융되도록 가열 동작에 의해 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스템(128) 및 캡(130)은 로봇 조작, 수작업 청소, 또는 이들의 조합에 의해 제거될 수 있다.
스템(128) 및 캡(130)의 이러한 제거는 적어도 하나의 개구부(106) 및 냉각 유동 통로(108)를 개방되게 하고 코팅 층(136), 및 도포되었을 수 있는 임의의 추가적인 옵션적인 코팅 층들을 깨끗하게 한다. 추가적으로, 스템(128) 및 캡(130)의 제거는 적어도 하나의 개구부(106)에 가까운 터빈 구성요소(120)의 표면(104)의 일부분을 다시 노출시킬 수 있다.
이전에 표시된 바와 같이, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 열 전달을 촉진하거나 또는 와류발생기로서 작동하기 위하여 스템(128) 및 캡(130)의 제거 후에 보어(134)의 내측 표면(132) 상에 남아 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 냉각 유체 유동(110)의 원하는 유동을 제공하도록 크기설정된다. 또한, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 길이 "LP"만큼 연장되도록 크기설정되고, "LP"는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 완전한 또는 전체 길이 "LT"의 일부분이다.
도 8 및 도 9를 이제 참조하면, 각각 터빈 구성요소(100, 120)와 유사한, 터빈 구성요소(150, 160)의 일부분의 대안적인 실시예들이 도시되며, 이전에 설명된 바와 같이 복수의 보호 실드들(112)이 개별적으로 형성된 캡들(130)을 갖는 개별 요소들(도 8에 가장 잘 도시됨)로서 구성되거나 또는 보호 실드들(112)의 전체 섹션 및 개구부들(106)을 함께 연결하는, 나중에 단일 요소로서 제거될 수 있는, 연속적인 캡(164)(도9)을 갖는 조합된 구조물(162)로서 구성될 수 있다.
도 10을 이제 참조하면, 일반적으로 도 1의 터빈 구성요소(100)와 유사한 터빈 구성요소(170)가 도시된다. 터빈 구성요소(170)는 내부에 각각 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)와 유체 연통하는 적어도 하나의 개구부(106)를 형성한 본체(172)를 포함한다. 이러한 특정 실시예에서, 적어도 하나의 개구부(106)는 확산기 구성을 포함할 수 있고 측벽(174)은 확산기 각도 θ로 냉각 유체 유동(110)으로부터 멀리 연장된다. 이러한 실시예들에서, θ는 0°보다 큰, 예컨대, 적어도 5°, 적어도 10°, 적어도 20°, 또는 심지어 적어도 30°일 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 보호 실드(112)(이들 중 하나만이 도시됨)가 일반적으로 도 2 내지 도 9의 이전에 설명된 실시예들 중 임의의 것과 유사한 방식으로 배치된다. 적어도 하나의 보호 실드(112)는 확산기 형상의 윤곽과 더 가까이 매칭되어 개선된 성능을 만드는, 생성된 형상을 포함한다.
이제 도 10 및 도 11을 참조하면, 일반적으로 도 1의 구성요소(100)에 유사한 터빈 구성요소(180)의 실시예들이 도시된다. 위에서 논의된 바와 같이, 터빈 구성요소(180)는, 예를 들어, 블레이드, 버킷, 슈라우드, 노즐, 날개, 트랜지션 피스, 라이너, 연소기, 냉각 홀과 같은 개구부들을 갖는 기타 터빈 구성요소들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 구성요소(180)는 터빈 블레이드(182)이고, 터빈 블레이드(182)의 선두 에지(184)가 특시 관심 대상이다. 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드(182)는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 및 냉각 유체 유동(110)과 유체 연통하는 적어도 하나의 개구부(106)를 포함한다. 이전에 개시된 실시예들과 유사하게, 적어도 하나의 개구부(106)(예컨대, 냉각 홀)는, 이전에 설명된 바와 같이, 다양한 구성들 및/또는 임의의 다른 적합한 기하학적 구조, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 적어도 하나의 개구부(106)는 배출 홀로서 구성된다.
이전 실시예와 유사하게, 초기 터빈 구성요소(180)를 구축하고 적어도 하나의 개구부(106) 및 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)를 포함시키는 동안, 적어도 하나의 보호 실드(112)가 그것과 일체로, 냉각 유동 통로(108)를 한정하는 보어(134)의 내측 표면(132) 상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 터빈 구성요소(120)의 제조에 후속하여 적어도 하나의 보호 실드(112)가 적어도 하나의 개구부(106) 및 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)에 근접하게 배치될 수 있다.
이러한 특정 실시예에서, 터빈 구성요소(180)는 공지된 적층 제조 기술에 의해 형성된다. 제조 시, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 코팅 침착 동안 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 차폐를 제공하는 방식으로 형성된다. 적어도 하나의 보호 실드(112)는 일반적으로 하나 이상의 연결 스파들(spars)(126), 스템(128) 및 캡(130)으로 구성된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126), 스템(128) 및 캡(130)은 일체로 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 연결 스파들(126), 스템(128) 및 캡(130)은 개별 구성요소들로서 형성될 수 있다. 적어도 하나의 보호 실드(112), 더 구체적으로는, 하나 이상의 연결 스파들(126)은 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)를 한정하는 보어(134)의 내측 표면(132)에 결합될 수 있다.
도 10 및 도 11의 실시예에서, 터빈 구성요소(180)는 공지된 적층 제조 기술에 의해 형성된다. 제조 시, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 코팅 침착 동안 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 차폐를 제공하는 방식으로 형성된다.
적어도 하나의 보호 실드(112)는 도 10에 도시된 바와 같이 적어도 부분적으로 적어도 하나의 개구부(106)를 커버하기 위하여 임의의 방식으로 터빈 구성요소(180)에 대해 구성될 수 있거나, 또는 터빈 구성요소(120)에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 보호 실드(112)는 적어도 하나의 개구부(106)의 레벨보다 약간 낮거나, 그 레벨, 실질적으로 그 레벨로 형성되거나, 또는 적어도 하나의 개구부(106) 위로 연장되는 돌출부를 형성할 수 있다. 적어도 하나의 보호 실드(112), 더 구체적으로는, 캡(130)은 적어도 하나의 개구부(106)를 포함하는 터빈 구성요소 표면(104)의 일부분을 커버하는 방식으로 구성된다. 적어도 하나의 보호 실드(112)는 이전에 설명된 바와 같이, 적어도 하나의 개구부(106)를 통한 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 내의 코팅 층(136)의 침착을, 제거하지 못하는 경우, 최소화한다.
이전 실시예와 대조적으로, 이러한 특정 실시예에서, 적어도 하나의 보호 실드(112)의 일부분, 더 구체적으로는 캡(130)이 제거된 후-코팅보다는 제 위치에 남겨질 수 있다. 터빈 블레이드(182)의 선두 에지(184)는 특히 도 10에 도시된 바와 같이 이러한 배열로부터 이익을 얻을 수 있다. 도시된 바와 같이, 캡(130)을 도시된 바와 같이 위치시킴으로써, 냉각 유체 유동(110)은 엔진의 동작 동안 적어도 하나의 보호 실드(112), 더 구체적으로는, 캡(130)에 의해 편향된다. 선두 에지(184)에서의 패키징 제약으로 인해, 종종 바람직한 표면 각도를 달성하기 어렵고, 생성된 홀들은 빈번하게 반경방향으로 배향된다. 적어도 하나의 보호 실드(112)는 냉각 유체 유동(110)이 크게 향상된 성능을 위해 축방향으로 편향되게 할 것이다. 적어도 하나의 보호 실드(112), 특히 캡(130) 상으로의 냉각 유체 유동(110)의 충돌은 고온으로부터 캡(130)의 보호를 제공한다.
따라서, 터빈 구성요소의 개선된 코팅을 위한 보호 실드가 개시된다. 보호 실드는 터빈 구성요소의 적층 제조 동안 적어도 부분적으로 터빈 구성요소의 유동 통로 내에 배치된다. 보호 실드는 후속 코팅 침착 단계들 동안 유동 통로 내의 코팅의 침착을, 제거하지 않는 경우, 최소화한다. 보호 실드들은 코팅 후에 제거되도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 보호 실드의 적어도 일부분은 제자리에 남겨질 수 있고 개선된 냉각을 구성요소에 제공할 수 있다. 보호 실드는 후-코팅 기계가공 동작 및/또는 사전-코팅 홀 보호 동작의 생략을 통해 비용의 감소를 제공한다. 보호 실드는 냉각 홀 보어/유동 통로 내의 향상된 냉각을 통한 개선된 냉각 성능을 가능하게 한다.
본 발명이 하나 이상의 실시 형태를 참조하여 설명되어 있지만, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 다양한 변화가 이루어질 수 있고 등가물이 그의 요소를 대신할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 더욱이, 본 발명의 본질적인 범주로부터 벗어나지 않고서 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시 내용에 적응시키도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 양태로서 개시되는 특정 실시예로 제한하고자 하는 것은 아니고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주 내에 속하는 다양한 변형예들 및 동등한 배열들을 포괄하도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 터빈 엔진의 구성요소(120) 상에 코팅(136)을 침착시키는 방법(200)으로서,
    터빈 구성요소(120)의 표면 상의 개구부(106)와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)를 포함하는 상기 터빈 구성요소(120)를 형성하는 단계(202);
    상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 내측 표면(132) 상에 있고 상기 개구부(106)를 통해 상기 터빈 구성요소(120)의 외측으로 연장되는 보호 실드(112)를 형성하는 단계(202);
    상기 터빈 구성요소(136)의 외부 표면 상에 상기 코팅(136)을 침착시키는 단계(204) - 상기 보호 실드(112)는 상기 코팅(136)이 상기 개구부(106)를 통해 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 내에 침착되는 것을 차단하도록 구성됨 -; 및
    상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 내의 냉각 유체 유동(110)의 통과를 제공하도록 상기 보호 실드(112)의 적어도 일부분을 제거하는 단계(208) - 상기 냉각 유체 유동(110)은 상기 개구부(106)를 통해 상기 터빈 구성요소(120)를 빠져나감 -을 포함하는, 방법(200).
  2. 제1항에 있어서, 상기 보호 실드(112)는 적층 제조 공정을 통해 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 상기 내측 표면과 일체로 형성되는, 방법(200).
  3. 제1항에 있어서, 상기 터빈 구성요소(120) 및 상기 보호 실드(112)는 개별적으로 형성되고 상기 보호 실드(112)는 후속하여 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 내에 배치되는, 방법(200).
  4. 제1항에 있어서, 상기 보호 실드(112)를 형성하는 단계(202)는 하나 이상의 연결 스파들(126), 스템(128) 및 캡(130)을 포함하는 상기 보호 실드(112)를 형성하는 단계를 포함하는, 방법(200).
  5. 제1항에 있어서, 상기 보호 실드(112)의 적어도 일부분을 제거하는 단계(208)는 상기 터빈 구성요소(120)로부터 상기 스템(128) 및 캡(130)을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 연결 스파(126)는 상기 냉각 유동 통로(108)의 상기 내측 표면(132) 상에 남게 되는, 방법(200).
  6. 제1항에 있어서, 상기 보호 실드(112)의 적어도 일부분을 제거하는 단계(208)는 상기 스템(128) 및 상기 적어도 하나의 연결 스파(126)를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 캡(130)은 상기 개구부(106)를 빠져나가는 상기 냉각 유체 유동(110)의 편향을 제공하는, 방법(200).
  7. 제1항에 있어서, 상기 터빈 구성요소(120)의 외부 표면 상에 코팅(136)을 침착시키는 단계(204)는 본드 코트, 열차폐 코팅(TBC), 및 환경 차폐 코팅(EBC) 중 하나 이상을 침착시키는 단계를 포함하는, 방법(200).
  8. 제1항에 있어서, 터빈 구성요소(120)를 형성하는 단계(202)는 블레이드, 버킷, 슈라우드, 노즐, 날개, 트랜지션 피스, 라이너, 연소기, 또는 유동 통로와 유체 연통하는 적어도 하나의 개구부를 갖는 구성요소 중 하나를 형성하는 단계를 포함하는, 방법(200).
  9. 터빈 구성요소(120)로서,
    내측 표면(132)을 갖고 냉각 유체 유동(110)의 통과를 위한 유동 경로를 한정하는 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108);
    상기 구성요소(120)의 표면에 형성된 적어도 하나의 개구부(106) - 상기 적어도 하나의 개구부(106)는 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)와 유체 연통함 -;
    상기 개구부(106)를 빠져나가는 냉각 유체 유동(110)의 편향을 제공하는 방식으로 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 상기 내측 표면(132) 및 상기 터빈 구성요소(120)의 외부 표면 중 하나 상에 있는 보호 실드(112)의 일부분; 및
    상기 터빈 구성요소(120)의 외부 표면 상에 침착된 코팅(136)을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108) 내의 냉각 유체 유동(110)은 상기 개구부(106)를 통해 상기 터빈 구성요소(120)를 빠져나가는, 터빈 구성요소(120).
  10. 제9항에 있어서, 상기 보호 실드(112)의 상기 일부분은 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 내측 표면(132)과 일체로 형성되고 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 길이(LP)만큼 연장되는 적어도 하나의 연결 스파(126) - LP는 상기 적어도 하나의 냉각 유동 통로(108)의 완전한 길이(LT)보다 짧음 - 및 상기 터빈 구성요소(120)의 외부 표면 상에 배치된 캡(130)이고, 상기 개구부(106)를 빠져나가는 상기 냉각 유체 유동(110)의 편향을 제공하도록 구성되는, 터빈 구성요소(120).
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