KR20230005725A - 터보 기계용 블레이드, 블레이드 어셈블리, 가스 터빈 및 터보 기계용 블레이드를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

터보 기계, 특히 가스 터빈을 위한 블레이드는, 루트(root) 단부와 팁(tip) 단부 사이에서 반경 방향으로 연장되는 에어포일(airfoil) 바디 - 에어포일 바디는 루트 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 내부 공동(cavity) 또는 공극(void)을 포함함 -, 에어포일 바디와 일체로 형성되고, 에어포일 바디의 루트 단부로부터 하부 단부로 반경 방향으로 연장되는 루트 바디 - 루트 바디는 하부 단부로부터 반경 방향으로 연장되고, 에어포일 바디의 내부 공극으로 개방되는 수용 슬롯을 포함함 - 및 루트 바디의 수용 슬롯 내에 위치 설정되는 인서트 - 인서트는 내부 공극에 대한 유체 연결을 형성하도록 반경 방향으로 연장되는 복수의 관통홀을 포함함 - 를 포함한다.

Description

터보 기계용 블레이드, 블레이드 어셈블리, 가스 터빈 및 터보 기계용 블레이드를 제조하기 위한 방법{BLADE FOR A TURBO MACHINE, BLADE ASSEMBLY, GAS TURBINE, AND METHOD FOR MANUFACTURING A BLADE FOR A TURBO MACHINE}
본 발명은 터보 기계용 블레이드, 블레이드 어셈블리, 가스 터빈 및 터보 기계용 블레이드를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
가스 터빈과 같은 터보 기계의 블레이드는 통상적으로 작동 유체에 노출되는 에어포일(airfoil) 섹션 또는 바디와, 블레이드를 로터 디스크에 결합하기 위한 기계적 인터페이스를 형성하는 루트(root) 바디를 포함한다. 터보 기계의 블레이드는 고온을 견딜 수 있어야 한다. 따라서, 블레이드는 일반적으로 내부에 냉각 유체를 순환시키기 위한 내부 공극(void) 또는 공동(cavity)을 포함한다. 블레이드는, 통상적으로, 주조 공정으로 제조되고, 내부 공동을 형성하기 위해 코어가 제공되고. 상기 코어는 액체 금속으로 오버 몰딩된다. 통상적으로, 내부 공극은 주조 공정 후 코어를 제거하고 냉각 유체를 수용하기 위해 루트 바디에서 개방된다.
예를 들어, GB 2 411 442 A는 전나무(firtree) 형상의 루트 바디를 갖는 터빈 블레이드를 개시하며, 여기서 다수의 반경 방향 냉각 채널이 루트 바디 내에 형성된다. 유사한 터빈 블레이드가 EP 3 059 394 A1에 개시된다.
디스크에 대한 기계적 계면으로서의 루트 바디는 높은 기계적 부하를 전달한다. 따라서, 루트 바디 내에서 균일한 부하 분포를 성취하기 위하여, 루트 바디에서의 내부 공극의 개구의 개수와 단면이 신중하게 설계되어야 한다.
본 발명의 아이디어 중 하나는 터보 기계의 블레이드에 대한 개선된 해결 방안, 특히, 블레이드의 제조를 단순화하고 블레이드의 루트 바디 내에서 균일한 부하 분포를 허용하는 해결 방안을 제공하는 것이다.
본 발명은 청구항 1에 따른 터보 기계용 블레이드, 청구항 12에 따른 블레이드 어셈블리, 청구항 13에 따른 가스 터빈 및 청구항 15에 따른 블레이드를 제조하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 터보 기계, 특히 가스 터빈을 위한 블레이드는, 루트(root) 단부와 팁(tip) 단부 사이에서 반경 방향으로 연장되는 에어포일 바디 - 에어포일 바디는 루트 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 내부 공동(cavity) 또는 공극(void)을 포함함 -; 에어포일 바디와 일체로 형성되고, 에어포일 바디의 루트 단부로부터 하부 단부로 반경 방향으로 연장되는 루트 바디 - 루트 바디는 하부 단부로부터 반경 방향으로 연장되고, 에어포일 바디의 내부 공극으로 개방되는 수용 슬롯을 포함함 -; 및 루트 바디의 수용 슬롯 내에 위치 설정되는 인서트 - 인서트는 내부 공극에 대한 유체 연결을 형성하도록 반경 방향으로 연장되는 복수의 관통홀을 포함함 - 를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 블레이드 어셈블리는 본 발명의 제1 양태에 따른 복수의 블레이드 및 상기 복수의 터빈 블레이드가 결합되는 로터 디스크를 포함한다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 가스 터빈은 본 발명의 제2 양태에 따른 터빈 블레이드 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 블레이드, 특히 본 발명의 제1 양태에 따른 블레이드를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 에어포일 바디와 루트 바디를 일체로 주조하는 단계를 포함하고, 에어포일 바디는 루트 단부와 팁 단부 사이에서 반경 방향으로 연장되고 루트 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 내부 공극을 포함하고, 루트 바디는 에어포일 바디의 루트 단부로부터 하부 단부로 반경 방향으로 연장된다. 방법은, 예를 들어, 밀링 또는 침식(eroding)에 의해, 루트 바디 내로 수용 슬롯을 기계 가공하는 단계 - 수용 슬롯은 하부 단부로부터 반경 방향으로 연장되고, 에어포일 바디의 내부 공극으로 개방됨 - 및 루트 바디의 수용 슬롯 내로 인서트를 도입하는 단계 - 인서트는 내부 공극에 대한 유체 연결을 형성하도록 반경 방향으로 연장되는 복수의 관통홀을 포함함 - 를 더 포함한다.
본 발명이 기초하는 아이디어 중 하나는 슬롯의 형태로 루트 바디에 간단한 출구가 있는 블레이드를 제공하고 루트 바디에 작용하는 높은 압축 부하를 받도록 슬롯 내로 플러그 또는 인서트를 추가하는 것이다. 따라서, 슬롯은 에어포일 바디의 내부 공동과 루트 바디의 하부 단부에 형성된 출구 개구 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 플러그 또는 인서트는 루트 바디 슬롯의 단면에 대응하는 단면을 가진다.
본 발명의 이점 중 하나는 블레이드가 에어포일 바디의 내부 공동과 블레이드의 외부 사이에 연결을 제공하는 적은 개수의 출구, 예를 들어 1개 또는 2개의 출구를 가지면서 주조 공정 내에서 제조될 수 있다는 것이다. 이것은 주조 공정을 단순화한다. 다른 한편으로, 슬롯에 피팅된 인서트는 루트 바디로부터 이의 주변 표면에서 높은 부하를 받을 수 있어 루트 바디 내에서 균일한 부하 분포를 유도한다.
또한, 인서트 내의 관통홀은 냉각 유체가 에어포일 바디의 내부 공동으로 그리고 그로부터 순환될 수 있는 유체 경로를 형성한다. 예를 들어, 드릴링과 같은 공제(subtractive) 방법 또는 적층 제조(additive manufacturing)에 의해, 많은 개수의 관통홀이 인서트 내에 간단하게 형성될 수 있기 때문에, 블레이드 제작이 더욱 단순화된다.
더욱이, 유리하게는, 인서트는 높은 진동 레벨에서 기계적 댐핑을 개선한다.
본 개시 내용의 유리한 실시예는 종속항에 제공된다.
일부 실시예에 따르면, 루트 바디는 반경 방향을 가로질러 진행하는 축 방향을 따라 전방 또는 리딩(leading) 단부와 후방 또는 트레일링(trailing) 단부 사이에서 연장되고, 수용 슬롯은 루트 바디의 전방 단부와 후방 단부 사이에서 완전히 연장되고, 수용 슬롯 내에 위치 설정된 인서트는 루트 바디의 전방 단부와 후방 단부 사이에서 연장된다. 따라서, 유리하게는, 슬롯은 매우 단순한 기하학적 구조로 기계 가공될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 인서트는 인서트의 제1 축 방향 단부에 형성된 제1 단부 플레이트 및 인서트의 제2 축 방향 단부에 형성된 제2 단부 플레이트를 포함하고, 제1 단부 플레이트는 루트 바디의 리딩 또는 전방 단부를 형성하는 제1 단부 표면과 인접하고, 제2 단부 플레이트는 루트 바디의 트레일링 또는 후방 단부를 형성하는 제2 단부 표면과 인접한다. 일반적으로, 인서트는 제1 축 방향 단부와 제2 축 방향 단부 사이에서 인서트 축 방향으로 연장될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 인서트에는 이의 축 방향 단부에서 단부 플레이트가 제공되고, 상기 단부 플레이트는 인서트의 중앙 영역으로부터 측 방향으로 돌출한다. 따라서, 단부 플레이트는 축 방향에 대해 정지부를 형성하고 단부 표면에 인접하거나 접촉할 수 있다. 이것은 인서트와 루트 바디 사이의 접촉 표면이 증가됨에 따라 균일한 부하 분포를 더욱 개선한다.
일부 실시예에 따르면, 관통홀은, 축 방향에 대해 에어포일 바디의 내부 공극과 중첩하는 인서트의 중앙 영역에만 형성된다. 이에 의해, 관통홀로 인한 인서트의 약화가 추가로 감소된다.
일부 실시예에 따르면, 루트 바디는 반경 방향을 가로질러 진행하는 축 방향을 따라 리딩 또는 전방 단부와 트레일링 또는 후방 단부 사이에서 연장되고, 수용 슬롯은 축 방향으로 연장되고 전방 단부와 후방 단부에 이격되어 종료된다. 즉, 슬롯 및 그 내에 수용된 인서트는 루트 바디의 축 방향 연장부의 일부에 걸쳐서만 연장될 수 있다. 이에 의해, 슬롯의 전체 크기가 감소될 수 있어 루트 바디의 강도를 증가시킨다.
일부 실시예에 따르면, 인서트는 루트 바디에 브레이징된다(brazed). 브레이징은 인서트와 루트 바디 사이의 부하 전달을 더욱 개선하는 데 도움이 된다. 추가 실시예에 따르면, 인서트는 수용 슬롯에 마찰 피팅(friction fit)된다. 마찰 피팅은 진동 댐핑이 추가로 개선된다는 이점을 제공한다. 특히, 수용 슬롯과 루트 바디의 내경 및/또는 폭은 간섭 피팅(interference fit)을 형성할 수 있으며, 여기서 루트 바디의 크기는 슬롯에 의해 정의된 간극보다 약간 더 크다.
일부 실시예에 따르면, 인서트의 관통홀은 원형, 타원형 또는 레이스트랙(racetrack) 형상의 단면을 갖는다. 인서트가 루트 바디로부터 분리된 부품이기 때문에 레이스트랙 형상 또는 타원형과 같은 관통홀의 복잡한 단면 형상도 쉽게 제조될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 인서트의 관통홀은 인서트 축 방향을 따라 일렬로 배열된다. 이에 의해, 에어포일 바디의 내부 공동 또는 공극에 제공되는 기계적 부하 및 냉각 유체 모두의 더욱 균일한 분포가 성취될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 인서트 축 방향으로 인접한 홀 사이의 거리와 인서트 축 방향에 대한 관통홀의 직경 사이의 비율은 1보다 크다. 관통홀 사이의 거리는, 예를 들어 하나의 관통홀의 중심 축으로부터 다음 관통홀의 중심 축까지 측정된다.
일부 실시예에 따르면, 인서트는 인서트 두께 방향에 대해 두께를 갖고, 인서트 두께 방향에 대한 관통홀의 직경과 두께 사이의 비율은 0.1 내지 0.8의 범위 내에 있다.
일부 실시예에 따르면, 인서트는 인서트의 주변 표면에 형성되고 인서트의 대향하는 반경 방향 단부들 사이에서 반경 방향으로 연장되는 홈을 더 포함하고, 홈은 슬롯의 내부 표면과 함께 에어포일 바디의 내부 공극에 연결된 유체 채널을 형성한다. 따라서, 냉각 유체는 에어포일 바디의 내부 공극에 제공될 수 있을 뿐만 아니라 인서트의 주변 표면에 제공된 홈을 통해서도 제공될 수 있다. 따라서, 냉각 유체 흐름의 제어가 추가로 향상될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 블레이드 어셈블리는 가스 터빈의 터빈 스테이지의 일부를 형성한다.
일부 실시예에 따르면, 방법은, 예를 들어, 대형(massif) 블록으로부터 대체적인 블록 형상 바디를 기계 가공하고 블록 형상 바디 내로 관통 홀을 드릴링함으로써 인서트를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 인서트는 적층 제조 방법, 예를 들어, 선택적 레이저 용융이나 유사한 것과 같은 3D 인쇄 공정으로 구축될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 대해 본 명세서에 설명된 특징은 또한 본 발명의 다른 양태에 대하여도 개시된 것이고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
본 발명 및 이의 이점에 대한 더욱 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취해지는 다음 설명을 참조한다. 본 발명은 도면의 개략도에 특정된 예시적인 실시예를 사용하여 아래에서 더욱 상세히 설명되며, 여기서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 단면도를 도시하며;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 어셈블리의 개략적인 부분도를 도시하며;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 부분 분해도를 도시하며;
도 5는 조립된 상태에서의 도 4에 도시된 블레이드의 부분도를 도시하며;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 인서트의 사시도를 도시하며;
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 인서트의 사시도를 도시하며;
도 8은 도 7에 도시된 인서트의 주변 표면의 상세 부분도를 도시하며;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 인서트에 대한 상면도를 도시하며;
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 인서트에 대한 상면도를 도시하며;
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 루트 바디의 하부 단부에 대한 상면도를 도시하며;
도 12는 XII-XII 선을 따라 취해진 도 11에 도시된 블레이드의 단면도를 도시하며;
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계용 블레이드의 측면도를 축 방향을 따른 루트 바디에서의 기계적 응력 분포를 도시한 다이어그램과 함께 도시하며; 그리고
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드를 제조하기 위한 방법의 개략적인 순서도를 도시한다.
도면에서, 유사한 참조 부호는 달리 명시되지 않는 한 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 터보 기계에 대한 일례로서 가스 터빈(300)을 개략적으로 도시한다. 가스 터빈(300)은 회전축을 중심으로 회전하여 작동 유체를 압축하도록 구성된 압축기 섹션(310)과, 작동 유체를 팽창시켜 회전축을 중심으로 회전되도록 구성된 터빈 섹션(320)과, 연료를 작동 유체와 함께 연소시키는 연소 챔버(330)를 포함한다. 터빈 섹션(320)은 압축기 섹션(310)을 회전시키기 위해 압축기 섹션(310)에 운동학적으로 결합된다. 압축기 섹션(310) 및 터빈 섹션(320)은 각각 공통 중심 샤프트(340)에 장착될 수 있는 복수의 블레이드 어셈블리(200)를 포함한다. 각각의 블레이드 어셈블리(200)는 반경 방향으로 연장되고 공기 역학적 표면을 포함하는 복수의 블레이드(100)를 포함한다. 가스 터빈(300)의 작동 원리는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있고, 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 생략될 것이다.
도 2는 예를 들어 가스 터빈(200)인 터보 기계를 위한 블레이드 어셈블리(200)를 예시적으로 도시한다. 블레이드 어셈블리(200)는 복수의 블레이드(100) 및 상기 복수의 터빈 블레이드(100)가 결합되는 로터(rotor) 디스크(210)를 포함한다. 디스크(210)는 블레이드(100)를 위한 캐리어로서 기능하며 터빈(300)의 중심 샤프트(340)에 고정될 수 있다.
일반적으로, 블레이드(100)는 에어포일(airfoil) 바디(1), 루트(root) 바디(2) 및 인서트 또는 플러그(3)(도 2에 도시되지 않음)를 포함한다. 블레이드(100)는 도 3 내지 13을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 블레이드(100)는 반경 방향(R1)으로 연장된다. 에어포일 바디(1)는 작동 유체에 노출된 공기 역학적 표면(1a)을 포함한다. 특히, 공기 역학적 표면 또는 흐름 표면(1a)은 에어포일 바디(1)의 압력측(1p) 및 흡입측(1s)을 정의할 수 있다. 루트 바디(2)는, 일반적으로, 에어포일 바디(1)의 내부 반경 방향 단부 또는 루트 단부(11)에 결합되고, 에어포일 바디(1)와 하나의 단일 피스로서 일체로 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 루트 바디(2)는 블레이드(100)가 디스크(210)에 결합되는 기계적 인터페이스를 형성한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 루트 바디(2)는 전나무(firtree) 형상의 단면을 포함할 수 있고 대응하는 전나무 형상의 단면을 갖는 디스크(210)의 결합 홈(212) 내로 삽입된다.
도 3은 블레이드(100)의 측면도를 개략적으로 도시한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 에어포일 바디(1)는 반경 방향 내측 단부 또는 루트 단부(11)와 반경 방향 외측 단부 또는 팁 단부(12) 사이에서 반경 방향(R1)으로 연장된다. 또한, 에어포일 바디(1)는 루트 단부(11)로부터 반경 방향(R1)으로 연장되는 내부 공동 또는 공극(10)을 포함한다. 선택적으로, 공동 또는 공극(10)은 루트 단부(11)로부터 팁 단부(12)로 연장되어 팁 단부(12)에 개구를 형성할 수 있다. 따라서, 에어포일 바디(1)는 중공(hollow) 바디이다.
루트 바디(2)는 반경 방향(R1)으로 하부 단부(21)와 상부 단부(22) 사이에서 연장된다. 위에서 언급된 바와 같이, 루트 바디(2)는 에어포일 바디(1)와 일체로 형성되고, 루트 바디(2)의 상부 단부(22)는 에어포일 바디(1)의 루트 단부(11)에 인접하거나 대응한다. 따라서, 루트 바디(2)는 에어 포일 바디(1)의 루트 단부(11)로부터 하부 단부(21)로 반경 방향(R1)으로 연장된다. 반경 방향(R1)을 가로질러 연장되는 축 방향(A1)에 대해, 루트 바디(2)는 리딩 또는 전방 단부(23)와, 전방 단부(23)의 반대편에 있는 후방 단부(24) 사이에서 연장된다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 루트 바디(2)의 전방 단부(23)는, 예를 들어, 평면이거나 평평할 수 있는 제1 단부 표면(23a)에 의해 형성될 수 있다. 유사하게, 루트 바디(2)의 후방 단부(24)는 예를 들어 평면이거나 평평할 수 있는 제2 단부 표면(24a)에 의해 형성될 수 있다.
도 3에서 점선으로 개략적으로 표시된 바와 같이, 루트 바디(2)는 하부 단부(21)로부터 반경 방향(R1)으로 연장되고 에어 포일 바디(1)의 내부 공극(10)으로 개방되는 수용 슬롯(20)을 포함한다. 따라서, 슬롯(20)은 루트 바디(2)의 하부 단부(21)로부터 상부 단부(22)로 반경 방향(R1)으로 루트 바디(2)를 통해 연장되는 관통홀을 형성한다. 또한, 슬롯(20)은 축 방향(A1)에 대해 미리 정의된 길이를 포함하거나, 대체로 축 방향(A1)으로 연장된다. 도 3, 11 및 12에 예시적으로 도시된 바와 같이, 슬롯(20)은, 예를 들어, 전방 단부(23) 및 후방 단부(24)에 이격되어 종료될 수 있다. 대안적으로, 도 4 및 5에 예시적으로 도시된 바와 같이, 수용 슬롯(20)은 또한 루트 바디(2)의 전방 단부(23)와 후방 단부(24) 사이에서 완전히 연장될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 수용 슬롯(20)은 축 방향(A1)으로 연장되는 길이 방향 개구이다.
인서트(3)는 특히 도 6 내지 10을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 일반적으로, 인서트(3)는, 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 루트 바디(2)의 수용 슬롯(20) 내에 위치 설정되거나 삽입된다. 예를 들어, 인서트(3)는 루트 바디(2)에, 즉 슬롯(20)의 내부 표면에 브레이징될(brazed) 수 있다. 대안적으로, 인서트(3)는 수용 슬롯(20) 내로 마찰 피팅(friction fit)될 수 있다. 즉, 적어도 슬롯(20)의 폭과 인서트의 두께(d3)는 두께(d3)가 슬롯(20)의 너비에 비해 크기가 크도록 치수 설정될 수 있다.
도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 인서트(3)는 대체로 블록의 형상을 가질 수 있다. 인서트(3)는, 인서트 축 방향(A3)에 대해, 제1 축 방향 단부(33)와 반대편의 제2 축 방향 단부(34) 사이에서 연장된다. 유사하게, 인서트 축 방향(A3)을 가로질러 연장되는 인서트 반경 방향(R3)에 대해, 인서트는 제1 반경 방향 단부(31)와 제2 반경 방향 단부(32) 사이에서 연장된다. 인서트(3)는 주변 표면(3c)을 포함한다. 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 주변 표면(3c)은, 예를 들어, 인서트 축 방향(A3)과 인서트 반경 방향(R3)을 가로질러 연장되는 두께 방향(T3)에 대해 제1 측부 면(3A)과 제1 측부 면(3A)의 반대편에 있는 제2 측부 면(3B)을 정의할 수 있다. 인서트(3)의 두께(t3)는 상기 반대편에 있는 제1 및 제2 측부 면(3A, 3B) 사이에 정의된다. 또한, 주변 표면(3c)은, 예를 들어, 인서트(3)의 제1 및 제2 축 방향 단부(33, 34)를 형성하는 원형 또는 평면 단부 면(3D, 3E)을 정의할 수 있다. 선택적으로, 인서트(3)는 제1 반경 방향 단부(31)에 배열되고 두께 방향(T3)에 대해 주변 표면(3c)으로부터 돌출하는 반경 방향 림(39)을 포함할 수 있다. 도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이, 림(39)은 인서트(3)의 전체 둘레에 걸쳐 연장될 수 있다. 림(39)에 추가적으로 또는 대안적으로, 인서트(3)는, 도 4 및 5에 예시적으로 도시된 바와 같이, 인서트(3)의 제1 축 방향 단부(33)에 형성된 제1 단부 플레이트(35)와 인서트(3)의 제2 축 방향 단부(34)에 형성된 제2 단부 플레이트(36)를 포함할 수 있다. 도 4에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 단부 플레이트(35, 36)는, 예를 들어, 인서트(3)의 측부 면(3A, 3B) 위로 인서트(3)로부터 두께 방향(T3)으로 돌출한다.
도 6을 다시 참조하면, 인서트(3)는 제1 반경 방향 단부(31)와 제2 반경 방향 단부(32) 사이에서 반경 방향(R1)으로 연장되는 복수의 관통홀(30)을 포함한다. 도 12에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 인서트 축 방향(A3)이 축 방향(A1)과 정렬되고 인서트 반경 방향(R3)이 반경 방향(R1)과 정렬되도록 인서트(3)가 루트 바디(2)의 수용 슬롯(20) 내에 위치 설정되는 상태에서, 관통홀(30)은 내부 공극(10)에 대한 유체 연결을 형성한다. 도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이, 관통홀(30)은 레이스트랙 형상의 단면을 가질 수 있다. 대안적으로, 관통홀(30)은 또한 도 9에 예시적으로 도시된 바와 같은 타원형 단면을 가질 수도 있거나, 도 7, 8 및 10에 예시적으로 도시된 바와 같은 원형 단면을 가질 수도 있다.
일반적으로, 관통홀(30)은 인서트 축 방향(A3)을 대하여 서로 일렬로 배열될 수 있다. 하나의 관통홀(30)은 인서트 축 방향(A3)으로 인접한 관통홀(30)과 거리(d30)만큼 이격될 수 있다. 인서트 축 방향(A3)으로의 거리(d30)는, 도 9에 개략적으로 도시된 바와 같이, 관통홀(30)의 중심축 사이에서 측정될 수 있다. 선택적으로, 인서트 축 방향(A3)에 대하여 인접한 홀(30) 사이의 거리(d30)와 관통홀(30)의 직경(b30) 사이의 비율, 즉 d30:b30의 비율은 1보다 클 수 있다. 도 9에 추가로 예시적으로 도시된 바와 같이, 선택적으로, 인서트 두께 방향(T3)에 대한 관통홀(30)의 직경(t30)과 인서트의 두께(t3) 사이의 비율은 0.1 내지 0.8의 범위 내에 있을 수 있다.
도 7 및 8에 예시적으로 도시된 바와 같이, 인서트(3)는 선택적으로 인서트(3)의 주변 표면(3c)에 형성된 복수의 홈(38)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 홈(38)은 측부 면(3A, 3B)에 형성될 수 있다. 일반적으로, 홈(38)은 인서트 반경 방향(R1)으로 연장된다. 예를 들어, 홈(38)은 서로 평행하게 연장될 수 있고 인서트 축 방향(A3)으로 서로 이격될 수 있다. 도 8에 예시적으로 도시된 바와 같이, 홈(38)은 반원형 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 홈(38)이, 인서트 축 방향(A3)에 대해, 2개의 인접한 관통홀(30) 사이에 배열될 수 있다. 도 7 및 8이 인서트(3)의 측부 면(3A, 3B) 모두에 홈(38)이 형성되는 것을 도시하지만, 홈(38)은 또한 측부 면(3A, 3B) 중 하나에만 제공될 수도 있다.
인서트(3)는 고온을 견딜 수 있는 금속 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 인서트(3)는 IN625, IN718, Hast X, Haynes 230 등과 같은 니켈계 합금으로 이루어질 수 있다. 대안적으로, L-605와 같은 코발트 합금 또는 SS310과 같은 합금강이 가능한 재료가 될 수 있을 것이다.
위에서 이미 언급된 바와 같이, 블레이드(100)의 조립된 상태에서, 인서트(3)는 루트 바디(2)의 슬롯(20) 내에 삽입되거나 위치 설정된다. 이 상태에서, 인서트 축 방향(A3)은 축 방향(A1)과 정렬되고, 인서트 반경 방향(R3)은 반경 방향(R1)과 정렬된다. 이 상태는 도 3, 5, 11 및 12에 도시된다. 관통홀(30)은 에어포일 바디(1)의 내부 공극(10)에 유체 연결을 형성한다. 제공된다면, 림(39)이 루트 바디(2)의 하부 단부(21)를 형성하는 단부 표면(21a)에 인접하거나 접촉한다. 유사하게, 제공된다면, 선택적인 제1 단부 플레이트(35)가 루트 바디(2)의 리딩 단부(23)를 형성하는 제1 단부 표면(23a)에 인접하고, 제2 단부 플레이트(36)가 루트 바디(2)의 트레일링 단부(34)를 형성하는 제2 단부 표면(23b)에 인접한다(도 5). 또한, 인서트(3)의 선택적인 홈(38)은 슬롯(20)의 내부 표면(20c)과 함께 에어포일 바디(1)의 내부 공극(10)에 연결된 유체 채널을 형성한다.
일반적으로, 인서트(3)와 슬롯(20)의 치수 및 형상은 인서트(3)가 슬롯(20) 내에 수용될 수 있도록 서로 대응한다. 예를 들어, 슬롯(20)이 리딩 단부(23)와 트레일링 단부(24) 사이에서 연장될 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 인서트도 또한 루트 바디(2)의 리딩 단부(23)와 트레일링 단부(24) 사이에서 연장될 수 있다. 마찬가지로, 슬롯(20)이 루트 바디(2)의 리딩 단부(23)와 트레일링 단부(24)에 이격되어 종료될 때, 인서트(3)의 길이는 슬롯(20)의 길이에 대응할 수 있다. 또한, 에어포일 바디(1)의 루트 단부(11)에서의 공극(10)이 축 방향으로의 슬롯(20)의 길이보다 작은 축 방향(A1)으로의 길이를 가질 때, 관통홀(30)은 인서트 내에서 축 방향(A1)에 대하여 에어포일 바디(1)의 내부 공극(10)과 중첩하는 인서트(3)의 중앙 영역(37)에서만 형성되도록 배열될 수 있다. 도 4 및 5는 중앙 영역(37)에만 형성된 관통홀(30)을 갖는 인서트(3)를 예시적으로 도시한다.
도 13은 전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)의 주요 이점 중 하나를 개략적으로 도시한다. 도 3에서, 다이어그램 C13과 함께, 인서트(3)가 슬롯(20) 내로 삽입된 루트 바디(2) 및 에어포일 바디(1)의 루트 단부 영역이 도시된다. 다이어그램 C13에서, 가로 좌표 또는 x 좌표는 축 방향(A1)과 정렬되고, 세로 좌표 또는 Y 축(Y)은 루트 바디(2) 내의 기계적 응력을 나타낸다. 다이어그램 C13에서 볼 수 있는 바와 같이, 축 방향(A1)을 따르는 매우 균일한 응력 분포가 인서트(3)에 의해 채워지는 슬롯(20)의 조합으로 인해 성취될 수 있다.
도 14는 전술된 블레이드(100)를 제조하는데 사용될 수 있는 방법(M)의 순서도를 개략적으로 도시한다. 제1 단계(M1)에서, 에어포일 바디와 루트 바디(2)가 일체로 주조된다. 예를 들어, 에어포일 바디(1)의 내부 공극(10)의 형상을 정의하는 코어가 사용될 수 있다. 코어는, 예를 들어, 반경 방향을 따라 에어포일 바디(1)로부터 루트 바디(2)를 통과하는 연속 채널을 정의할 수 있다. 대안적으로, 코어는, 도 12에 예시적으로 도시된 바와 같이, 내부 공극(10)과, 내부 공극(10)에 연결되고 루트 바디(2)를 통해 축 방향으로 연장되는 채널(16)을 정의할 수 있다.
추가 단계(M2)에서, 수용 슬롯(20)은 루트 바디(2) 내로 기계 가공된다. 이 단계는, 일반적으로, 연삭, 드릴링, 절단 또는 유사한 제거 기계 가공 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전체로서의 슬롯(20)은 루트 바디(2)의 대형 재료로부터 기계 가공될 수 있다. 대안적으로, 슬롯(20)을 기계 가공하는 것은 코어에 의해 정의된 반경 방향 채널을 넓히거나 확대하는 것을 포함할 수 있다.
다른 단계(M3)에서, 인서트(3)는 루트 바디(2)의 수용 슬롯(20) 내로 삽입된다. 선택적으로, 단계(M3)는 또한 예를 들어 브레이징에 의해 슬롯(20) 내에 인서트(3)를 고정하는 단계를 포함할 수 있다. 더욱이, 코어가 도 12에 개략적으로 도시된 바와 같이 축 방향 채널(16)을 정의할 때, 이 채널(16)은 플러그(17)에 의해, 예를 들어, 브레이징에 의해 폐쇄될 수 있다.
특정 실시예가 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 다양한 대안적이고 그리고/또는 균등한 구현이 존재한다는 것이 적어도 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 것이다. 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들은 단지 예일뿐이며, 어떠한 방식으로도 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하려고 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 전술한 발명의 내용 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 통상의 기술자에게 적어도 하나의 예시적인 실시예를 구현하기 위한 편리한 로드맵을 제공할 것이며, 첨부된 청구범위 및 이의 법적 균등물에서 명시된 범위를 벗어나지 않으면서 예시적인 실시예에서 설명된 요소의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 본 출원은 본 명세서에서 논의된 특정 실시예의 임의의 적응 또는 변형을 포함하도록 의도된다.
1 에어포일 바디
1a 공기 역학적 표면
1s 흡입측
1p 압력측
2 루트 바디
3 인서트
10 내부 공동 또는 공극
11 에어포일 바디의 루트 단부
12 에어포일 바디의 팁 단부
16 채널
20 수용 슬롯
21 루트 바디의 하부 단부
22 루트 바디의 상부 단부
23 루트 바디의 리딩 단부
23a 루트 바디의 제1 단부 표면
24 루트 바디의 트레일링 단부
24a 루트 바디의 제2 단부 표면
30 관통홀
31 인서트의 제1 반경 방향 단부
32 인서트의 제2 반경 방향 단부
33 인서트의 제1 축 방향 단부
34 인서트의 제2 축 방향 단부
35 제1 단부 플레이트
36 제2 단부 플레이트
37 인서트의 중앙 영역
38 홈
39 림
100 블레이드
200 블레이드 어셈블리
210 디스크
212 결합 홈
300 가스 터빈
310 압축기 섹션
320 터빈 섹션
330 연소 챔버
340 중심 샤프트
A1 축 방향
A3 인서트 축 방향
R1 반경 방향
R3 인서트 반경 방향
T3 인서트 두께 방향

Claims (15)

  1. 터보 기계, 특히 가스 터빈을 위한 블레이드에 있어서,
    루트(root) 단부와 팁(tip) 단부 사이에서 반경 방향으로 연장되는 에어포일(airfoil) 바디 - 상기 에어포일 바디는 상기 루트 단부로부터 상기 반경 방향(R1)으로 연장되는 내부 공동(cavity) 또는 공극(void)을 포함함 -;
    상기 에어포일 바디와 일체로 형성되고, 상기 에어포일 바디의 상기 루트 단부로부터 하부 단부로 상기 반경 방향으로 연장되는 루트 바디 - 상기 루트 바디는 상기 하부 단부로부터 상기 반경 방향으로 연장되고, 상기 에어포일 바디의 상기 내부 공극으로 개방되는 수용 슬롯을 포함함 -; 및
    상기 루트 바디의 상기 수용 슬롯 내에 위치 설정되는 인서트 - 상기 인서트는 상기 내부 공극에 대한 유체 연결을 형성하도록 상기 반경 방향으로 연장되는 복수의 관통홀을 포함함 -
    를 포함하는, 블레이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 루트 바디는 상기 반경 방향을 가로질러 진행하는 축 방향을 따라 전방 단부와 후방 단부 사이에서 연장되고, 상기 수용 슬롯은 상기 루트 바디의 상기 전방 단부와 상기 후방 단부 사이에서 완전히 연장되고, 상기 수용 슬롯 내에 위치 설정된 인서트는 상기 루트 바디의 상기 전방 단부와 상기 후방 단부 사이에서 연장되는, 블레이드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인서트는 상기 인서트의 제1 축 방향 단부에 형성된 제1 단부 플레이트 및 상기 인서트의 제2 축 방향 단부에 형성된 제2 단부 플레이트를 포함하고, 상기 제1 단부 플레이트는 상기 루트 바디의 상기 전방 단부를 형성하는 제1 단부 표면과 인접하고, 상기 제2 단부 플레이트는 상기 루트 바디의 상기 후방 단부를 형성하는 제2 단부 표면과 인 인접하는, 블레이드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 관통홀은, 상기 축 방향에 대해 상기 에어포일 바디의 상기 내부 공극과 중첩하는 상기 인서트의 중앙 영역에만 형성되는, 블레이드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 루트 바디는 상기 반경 방향을 가로질러 진행하는 축 방향을 따라 전방 단부와 후방 단부 사이에서 연장되고, 상기 수용 슬롯은 상기 축 방향으로 연장되고 상기 전방 단부와 상기 후방 단부에 이격되어 종료되는, 블레이드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인서트는 상기 루트 바디에 브레이징되거나(brazed), 상기 인서트는 상기 수용 슬롯에 마찰 피팅(friction fit)되는, 블레이드.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인서트의 상기 관통홀은 원형, 타원형 또는 레이스트랙(racetrack) 형상의 단면을 갖는, 블레이드.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인서트의 상기 관통홀은 인서트 축 방향을 따라 일렬로 배열되는, 블레이드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인서트 축 방향으로 인접한 홀 사이의 거리와 상기 인서트 축 방향에 대한 상기 관통홀의 직경 사이의 비율은 1보다 큰, 블레이드.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인서트는 인서트 두께 방향에 대해 두께를 갖고, 상기 인서트 두께 방향에 대한 상기 관통홀의 직경과 상기 두께 사이의 비율은 0.1 내지 0.8의 범위 내에 있는, 블레이드.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인서트는 상기 인서트의 주변 표면에 형성되고 상기 인서트의 대향하는 반경 방향 단부들 사이에서 상기 반경 방향으로 연장되는 홈을 더 포함하고, 상기 홈은 상기 슬롯의 내부 표면과 함께 상기 에어포일 바디의 상기 내부 공극에 연결된 유체 채널을 형성하는, 블레이드.
  12. 블레이드 어셈블리에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 복수의 블레이드; 및
    상기 복수의 터빈 블레이드가 결합되는 로터(rotor) 디스크
    를 포함하는, 블레이드 어셈블리(200).
  13. 제12항에 따른 터빈 블레이드 어셈블리를 포함하는 가스 터빈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 블레이드 어셈블리는 상기 가스 터빈의 터빈 섹션의 일부를 형성하는, 가스 터빈.
  15. 블레이드, 특히 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 블레이드를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    에어포일(airfoil) 바디와 루트(root) 바디를 일체로 주조하는 단계 - 상기 에어포일 바디는 루트 단부와 팁(tip) 단부 사이에서 반경 방향으로 연장되고 상기 루트 단부로부터 상기 반경 방향으로 연장되는 내부 공극(void)을 포함하고, 상기 루트 바디는 상기 에어포일 바디의 상기 루트 단부로부터 하부 단부로 상기 반경 방향으로 연장됨 -;
    상기 루트 바디 내로 수용 슬롯을 기계 가공하는 단계 - 상기 수용 슬롯은 상기 하부 단부로부터 상기 반경 방향으로 연장되고, 상기 에어포일 바디의 상기 내부 공극으로 개방됨 -; 및
    상기 루트 바디의 상기 수용 슬롯 내로 인서트를 도입하는 단계 - 상기 인서트는 상기 내부 공극에 대한 유체 연결을 형성하도록 상기 반경 방향으로 연장되는 복수의 관통홀을 포함함 -
    를 포함하는, 블레이드를 제조하기 위한 방법.
KR1020220006000A 2021-07-01 2022-01-14 터보 기계용 블레이드, 블레이드 어셈블리, 가스 터빈 및 터보 기계용 블레이드를 제조하기 위한 방법 KR20230005725A (ko)

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