KR20230141521A - 터빈 구성요소의 내부 냉각을 위한 내부에 중공 부재를 갖는 볼-슈트에 대한 사전-소결된 프리폼 볼 - Google Patents

터빈 구성요소의 내부 냉각을 위한 내부에 중공 부재를 갖는 볼-슈트에 대한 사전-소결된 프리폼 볼 Download PDF

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이던 콘래드 셰퍼
웨스턴 수첸스키
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

터빈 구성요소(100) 내의 볼-슈트(130)에 대한 볼(160), 터빈 구성요소(100), 및 볼(160)을 사용하는 방법이 제공된다. 볼(160)은 사전-소결된 프리폼(pre-sintered preform; PSP) 재료로 만들어진 볼 몸체(162)를 포함할 수 있다. 볼 몸체(162)는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적을 갖는 개구부(164)를 갖는다. 중공 부재(170)는 볼 몸체(162)를 통해 정의된 개구부(164) 내에 고정된다. 중공 부재(170)는 개구부(164)의 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 가지며, PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다. 방법은, 볼(160)을 위치시키는 단계 및 볼(160)을 제자리에 브레이징하는 단계를 포함한다. 중공 부재(170)는 브레이징 후에 볼(160)을 통한 유체 연통을 유지하며, 중공 부재를 통한 냉각제 유동의 맞춤화된 계량을 가능하게 한다.

Description

터빈 구성요소의 내부 냉각을 위한 내부에 중공 부재를 갖는 볼-슈트에 대한 사전-소결된 프리폼 볼{PRE-SINTERED PREFORM BALL FOR BALL-CHUTE WITH HOLLOW MEMBER THEREIN FOR INTERNAL COOLING OF TURBINE COMPONENT}
본 개시내용은 전반적으로 터보기계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 터보기계의 내부 냉각을 위해 내부에 중공 부재를 갖는 사전-소결된 프리폼(pre-sintered preform; PSP) 볼에 관한 것이다.
터빈 구성요소가 형성된 후, 볼들은, 터빈 구성요소의 사용 동안 선택된 통로들을 통한 냉각제 유동을 조절하기 위해 터빈 구성요소 내의 하나 이상의 선택된 통로들 내로 위치될 수 있다. 볼이 위치되는 통로들은 때때로 '볼-슈트(ball-chute)들'로 지칭된다. 볼들은 볼-슈트 내에 위치되고, 브레이징(brazing) 가열 사이클을 통해 제자리에 브레이징된다. 볼들은 냉각제 유동을 차단할 수 있거나, 또는 볼들은 계량된 양의 냉각제가 유동하는 것을 가능하게 하기 위해 볼들 내로 드릴링된 희망되는 크기의 구멍들을 가질 수 있다. 터빈 구성요소 내의 볼들의 위치 및 통로들은 접근하기 어려워지며, 이는 볼을 관통해 구멍을 드릴링하는 것, 및 볼들이 제공하는 맞춤화된 냉각을 제공하는 것을 더 어렵게 만든다.
하기에 언급된 모든 양태들, 예시들, 및 특징들은 기술적으로 가능한 임의의 방식으로 조합될 수 있다.
본 개시내용의 일 양태는 터빈 구성요소 내의 볼-슈트에 대한 볼을 제공하며, 볼은: 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어진 볼 몸체로서, 볼 몸체는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적을 갖는 개구부를 갖는, 볼 몸체; 및 볼 몸체를 통해 정의된 개구부 내에 고정되는 중공 부재로서, 중공 부재는 개구부의 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는, 중공 부재를 포함하며, 중공 부재는 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재는 중공 부재의 적어도 하나의 단부로부터 연장되는 플랜지를 포함하며, 각각의 플랜지는 중공 부재를 개구부 내에 고정하기 위해 개구부의 단부와 맞물린다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재의 재료는 초합금으로 구성된다.
본 개시내용의 일 양태는 터빈 구성요소를 포함하고, 터빈 구성요소는: 내부에 볼-슈트를 갖는 구성요소 몸체; 및 볼-슈트 내에 위치되는 볼을 포함하며, 볼은: 볼-슈트 내의 제위치 내로 브레이징되는 볼 몸체로서, 볼 몸체는 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어지며, 볼 몸체는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적을 갖는 개구부를 갖는, 볼 몸체; 및 볼 몸체를 통해 정의된 개구부 내에 고정되는 중공 부재로서, 중공 부재는 개구부의 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는, 중공 부재를 포함하며, 중공 부재는 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재는 중공 부재의 적어도 하나의 단부로부터 연장되는 플랜지를 포함하며, 각각의 플랜지는 중공 부재를 개구부 내에 고정하기 위해 개구부의 단부와 맞물린다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재의 재료는 초합금으로 구성된다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 구성요소 몸체는 터빈 블레이드 에어포일을 포함한다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 터빈 블레이드 에어포일은 터빈의 제1 스테이지에 있다.
본 개시내용의 일 측면은 방법에 관한 것이며, 방법은: 터빈 구성요소 내의 볼-슈트에 볼을 위치시키는 단계로서, 볼은: 볼-슈트 내에 볼 몸체를 위치시키도록 구성된 외부 직경을 갖는 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어진 볼 몸체로서, 볼 몸체는 볼 몸체를 통해 정의된 개구부를 가지며, 개구부는 제1 단면적을 갖는, 볼 몸체; 및 볼 몸체의 개구부 내에 고정되는 중공 부재로서, 중공 부재는 개구부의 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는, 중공 부재를 포함하는, 위치시키는 단계; 및 볼-슈트 내에 볼의 볼 몸체를 브레이징하는 단계로서, 중공 부재는 브레이징하는 단계 이후에 볼을 통한 유체 연통을 유지하는, 브레이징하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재는 중공 부재의 적어도 하나의 단부로부터 연장되는 플랜지를 포함하며, 각각의 플랜지는 중공 부재를 개구부 내에 고정하기 위해 개구부의 단부와 맞물린다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재는 PSP 재료와는 상이한 재료로 만들어진다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재의 재료는 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재의 재료는 초합금으로 구성된다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 볼 몸체 내에 개구부를 형성하는 단계; 및 중공 부재를 개구부 내에 고정하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재를 고정하는 단계는, 중공 부재의 적어도 하나의 단부로부터 연장되는 플랜지를 형성하는 단계로서, 각각의 플랜지는 중공 부재를 개구부 내에 고정하기 위해 개구부의 단부와 맞물리는, 형성하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 중공 부재를 고정하는 단계는, 억지 끼워맞춤으로 개구부의 내부 표면과 맞물리기 위해 중공 부재를 확장하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 다른 양태는 선행하는 양태들 중 임의의 것을 포함하고, 볼 슈트 내에 볼을 위치시키는 단계는, 중공 부재를 통해 그리고 볼-슈트 내로 연장되는 세장형 부재를 따라 볼을 공급하는 단계로서, 세장형 부재는, 브레이징 후에 중공 부재를 통한 그리고 볼-슈트를 따른 유체 연통을 유지하도록 볼 및 중공 부재를 위치시키는, 공급하는 단계를 포함한다.
이 발명의 요약 부분에서 설명된 것들을 포함하여 본 개시내용에서 설명되는 둘 이상의 양태는 본원에서 구체적으로 설명되지 않은 구현예를 형성하는 데 조합될 수 있다.
하나 이상의 구현예의 상세 사항이 첨부 도면 및 이하의 설명에 기재되어 있다. 다른 특징들, 목적들, 및 이점들이 상세한 설명 및 도면으로부터 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 개시내용의 이들 특징들 및 다른 특징들은 본 개시내용의 다양한 실시형태를 도시하는 첨부 도면과 함께 취해진 본 개시내용의 다양한 양태에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 볼-슈트에 대한 볼을 포함하는 터빈 블레이드의 형태의 예시적인 터빈 구성요소의 투명 사시도를 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 실시예들에 따른, 볼-슈트 내에 사전-소결된 프리폼(pre-sintered preform; PSP) 볼을 갖는 터빈 구성요소의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예들에 따른, 볼-슈트 내에 PSP 볼을 갖는 터빈 구성요소의 확대 단면도를 도시한다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 내부의 개구부 내에 중공 부재를 포함하는 PSP 볼의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예들에 따른, PSP 볼에 대한 중공 부재의 사시도를 도시한다.
도 6은 본 개시내용의 다른 실시예들에 따른, 중공 부재의 단면도를 도시한다.
도 7은 본 개시내용의 또 다른 실시예들에 따른, 중공 부재의 단면도를 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 다른 실시예들에 따른, 내부의 개구부 내에 중공 부재를 포함하는 PSP 볼의 단면도를 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예들에 따른, 중공 부재에 대한 PSP 볼 내에 개구부를 형성하는 단계의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 실시예들에 따른, 볼-슈트 내에 중공 부재를 포함하는 PSP 볼을 위치시키는 단계의 확대 단면도를 도시한다.
본 개시내용의 도면이 반드시 축척대로 그려진 것은 아님에 유의한다. 도면은 본 개시내용의 대표적인 양태만을 도시하도록 한 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면들 내에서, 유사한 도면번호들이 도면들 사이에서 유사한 요소들을 나타낸다.
초기 사항으로서, 본 개시내용의 주제를 명확하게 설명하기 위해, 터보기계 내의 관련 기계 구성요소들을 참조하고 설명할 때 특정 용어를 선택하는 것이 필요하게 될 것이다. 가능한 한, 일반적인 산업 용어가 사용될 것이고, 용어의 인정되고 있는 의미와 일치하게 사용될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어에는 본원의 문맥 및 첨부된 청구범위의 범위와 일치하는 광의의 해석이 전제되어야 한다. 당업자는 종종 특정 구성요소가 몇몇 상이한 용어 또는 중복되는 용어를 사용하여 지칭될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본원에서 단일 부분인 것으로 설명될 수 있는 것은 다른 상황에서는 다수의 구성요소로 이루어진 것을 포함할 수 있고 그렇게 언급될 수 있다. 대안적으로, 본원에서 다수의 구성요소를 포함하는 것으로 설명될 수 있는 것은 어떤 다른 경우에서는 단일 부분으로 언급될 수 있다.
또한, 본원에서는 여러 가지 서술적 용어가 일정하게 사용될 수 있는데, 이 단락의 시작 시에 이들 용어를 정의하는 것이 도움이 된다는 것이 분명해질 것이다. 이러한 용어들 및 이들의 정의는 달리 언급되지 않는 한 하기와 같다. 본원에 사용된 바와 같이, "하류" 및 "상류"는 터빈 엔진을 통한 작동 유체와 같은 유체의 유동, 또는 예를 들어, 연소기를 통한 공기 또는 터빈의 구성요소 시스템들 중 하나를 통한 냉각제의 유동에 대한 방향을 나타내는 용어이다. 용어 "하류"는 유체의 유동의 방향에 대응하고, 용어 "상류"는 그 유동에 반대되는 방향(즉, 그 유동이 시작되는 방향)을 지칭한다. 임의의 추가 한정이 없는 용어 "전방" 및 "후방"은 방향을 지칭하는데, 이때 "전방"은 엔진의 전방 또는 압축기 단부를 지칭하고, "후방"은 터보기계의 후방 섹션을 지칭한다.
중심축에 대해 상이한 방사상 위치에 배치되는 부품을 설명하는 것이 종종 요구된다. 용어 "방사상"은 축에 수직인 이동 또는 위치를 지칭한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축에 더 가깝게 존재하는 경우, 제1 구성요소가 제2 구성요소의 "방사상 내향" 또는 "내측"에 있다고 본원에서 언급될 것이다. 반면에, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축으로부터 더 멀리 존재하는 경우, 제1 구성요소가 제2 구성요소의 "방사상 외향" 또는 "외측"에 있다고 본원에서 언급될 수 있다. 용어 "축방향"은 축에 평행한 이동 또는 위치를 지칭한다. 마지막으로, 용어 "원주방향"은 축을 중심으로 하는 이동 또는 위치를 지칭한다. 이러한 용어가 터빈의 중심축에 관하여 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
또한, 여러 가지 서술적 용어가 후술하는 바와 같이 본원에서 일정하게 사용될 수 있다. 용어 "제1", "제2", 및 "제3"은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 상호교환 가능하게 사용될 수 있고, 개별 구성요소의 위치 또는 중요성을 나타내려는 것은 아니다.
본원에 사용된 용어는 단지 특정 실시형태를 설명하기 위한 것이지 본 개시내용을 제한하려는 것이 아니다. 본원에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수의 형태도 포함하는 것으로 의도되어 있는 것이다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때에는 언급된 특징부, 정수(integer), 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것을 추가로 이해할 것이다. "선택적(optional)"또는 "선택적으로(optionally)"라는 용어는 후속적으로 설명되는 사건 또는 상황이 발생될 수 있거나 또는 발생되지 않을 수 있다는 것, 또는 후속적으로 설명되는 구성요소 또는 요소가 존재할 수 있거나 또는 존재하지 않을 수 있다는 것, 그리고 설명이 이벤트가 발생되거나 또는 구성요소가 존재하는 경우와 이벤트가 발생되지 않거나 또는 구성요소가 존재하지 않는 경우를 포함한다는 것을 의미한다.
한 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에", "에 맞물린", "에 연결된" 또는 "에 결합된" 것으로 언급되는 경우, 그 한 요소 또는 층은 다른 요소 또는 층 바로 위에 있거나, 다른 요소 또는 층에 직접적으로 맞물리거나, 연결되거나, 결합될 수 있거나, 개재된 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 반면에, 한 요소가 다른 요소 또는 층 "바로 위에", "에 직접적으로 맞물리고", "에 직접적으로 연결되고" 또는 "에 직접적으로 결합되고"라고 언급되는 경우에는, 개재된 요소 또는 층이 존재하지 않을 수 있다. 요소들 사이의 관계를 설명하기 위해 사용된 그 밖의 단어는 유사한 방식으로(예를 들어, "사이에" 대 "사이에 직접적으로", "인접한" 대 "직접적으로 인접한", 등)로 해석되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 열거 항목들 중 하나 이상의 항목의 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다.
본 개시내용의 실시예들은, 터빈 구성요소 내의 볼-슈트에 대한 볼, 터빈 구성요소, 및 볼을 사용하는 방법을 포함한다. 볼은 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어진 볼 몸체를 포함할 수 있다. 볼 몸체는 볼 몸체를 통해 정의(define)된 제1 단면적을 갖는 개구부를 갖는다. 중공 부재는 볼 몸체를 통해 정의된 개구부 내에 고정된다. 중공 부재는 개구부의 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 가지며, PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다. 방법은, 볼을 위치시키는 단계 및 볼을 제자리에 브레이징하는 단계를 포함한다. 중공 부재는 브레이징 후에 볼을 통한 유체 연통을 유지한다. 따라서, 중공 부재는, 볼이 터빈 구성요소 내의 볼-슈트 내에서 제자리에 브레이징되지만, 중공 부재의 단면적에 의해 계량된 냉각제 유동으로 볼 슈트를 통해 계속해서 유체 연통하는 것을 가능하게 한다. 중공 부재는 또한 중공 부재를 통한 냉각제 유동의 맞춤화된 계량을 가능하게 한다. 볼이 사전-드릴링되고, 브레이징 동안 냉각제 유동에 대한 개구부가 중공 부재에 의해 유지되기 때문에, 브레이징 이후에 볼을 드릴링하기 위한 볼-슈트에 대한 접근이 더 이상 필요하지 않다.
도 1을 참조하면, 터빈 블레이드(12) 형태의 예시적인 터빈 구성요소(10)의 투명 사시도가 도시되어 있다. 예시적인 터빈 구성요소(10)는 에어포일 부분(14), 생크(shank)(16), 및 예를 들어, 생크(16)의 방사상 내부 부분에서 분리된 입구 냉각 통로들(22)에 의해 냉각제, 예를 들어 냉각 공기가 공급되는 복수의 방사상으로 연장되는 냉각 통로들(20)을 포함한다. 터빈 구성요소(10)는 또한 "볼 브레이즈 슈트들"로도 알려진 2개 이상의 볼-슈트들(30)을 포함한다. 볼-슈트들(30)은 상이한 냉각 통로들(20, 22)을 유체적으로 결합한다. 도시된 예에서, 각각의 입구 통로들(22)은 볼-슈트들(30)에 의해 복수의 방사상으로 연장되는 냉각 통로들(20)에 유체적으로 결합된다. 볼-슈트들(30) 주위의 구조체는, 제조 동안, 예를 들어, 적층 제조 또는 주조 동안 다른 특징부들을 예를 들어, 일시적으로 지지하기 위해 제공될 수 있다. 제조 후, 볼-슈트들(30)은 일반적으로, 볼-슈트들(30)에 의해 형성된 통로들 내에서 속이 찬 볼들(40)(때때로 "브레이즈 볼들"로 지칭됨)에 의해 막힌다. 그렇지 않으면, 냉각 통로들(20)에서의 유동은, 냉각제 공기가 이러한 위치들에서 회로에 진입하도록 허용되는 경우 방해를 받을 것이다. 전형적으로 브레이징-가능 스틸로 만들어진 볼들(40)은 볼-슈트(30) 내에 위치되고, 제자리에 브레이징되며, 즉, 가열 사이클을 사용하여 제자리에 브레이징된다. 이어서, 일부 계량된 냉각제 유동이 바람직한 것으로 결정되는 경우, 개구부들은, 예를 들어, 통로들(20 및/또는 22)을 통해 볼들(40) 내로 드릴링된다. 개구부를 사전-드릴링하는 것은 지금까지 가능하지 않았는데, 이는 브레이징 프로세스 동안 개구부들이 폐쇄되기 때문이다. 언급된 바와 같이, 볼들(40)의 위치들에 대한 접근이 또한 점점 더 어려워지고 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 2개의 냉각 통로들(132, 134) 사이의 볼-슈트(130)와 볼-슈트 내에 있는 볼(160)을 포함하는 터빈 블레이드(102) 형태의 터빈 구성요소(100)의 단면도를 도시한다. 도 3은 본 개시내용의 실시예들에 따른, 볼-슈트(130) 내의 볼(160)의 확대 단면도를 도시한다. 도 2의 터빈 블레이드(102)는 도 1과 유사하게 배열되지만, 냉각 통로들(132, 134)은 매우 다양한 상이한 형태들을 취할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 터빈 블레이드(102)는 터빈 블레이드(12)(도 1)와 유사한 특징부들, 예컨대 비제한적으로, 에어포일 부분(110), 생크(112), 및 예를 들어, 생크(112)의 방사상 내부 부분에서 분리된 입구 냉각 통로들(132)에 의해 냉각제, 예를 들어 냉각 공기가 공급되는 복수의 방사상으로 연장되는 냉각 통로들(134)을 포함할 수 있다. 터빈 구성요소(100)는, 예를 들어, 미국 뉴욕주 스키넥터디 소재의 General Electric Co.로부터 입수할 수 있는 7HA.03 모델 가스 터빈의 스테이지 1 터빈 블레이드(102)를 포함할 수 있다. 본 개시내용의 교시들은, 팁 사전-소결된 프리폼들에서 발견되는 먼지 구멍들, 또는 슬래시페이스(slashface)들 내의 레이스트랙(racetrack)들을 포함하는, 냉각 통로들(132, 134)을 내부에 갖는 임의의 터빈 구성요소(100)에 적용가능하다는 것이 강조된다. 냉각 통로들(132, 134)은, 볼-슈트들(130)이 바람직한 임의의 터빈 구성요소(100) 내의 임의의 냉각 통로들일 수 있다. 이를 위해, 터빈 구성요소(100)는, 냉각 통로들(132, 134)을 유체적으로 결합하는 볼-슈트(130)를 내부에 갖는 구성요소 몸체(104)를 포함할 수 있다. 터빈 블레이드(102)로서 도시되어 있지만, 구성요소 몸체(104)는 임의의 터빈 구성요소(100)의 부분일 수 있다. 구성요소 몸체(104)는 터빈 시스템, 예를 들어, 가스 터빈, 증기 터빈, 제트 엔진, 압축기 등에서 동작을 견딜 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다.
도 4는 볼(160)의 사시도를 도시하고; 도 5는 볼(160) 내의 개구부(164) 내에 위치시키기 위한 중공 부재(170)의 사시도를 도시한다. 도 3 내지 도 7을 참조하면, 볼(160)은 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어진 볼 몸체(162)를 포함한다. PSP 재료는, 표면들의 선택적 구축이 브레이징 프로세스로 신속하게 생성되는 것을 가능하게 하는 초합금 및 브레이즈 분말의 혼합물을 포함한다. PSP 재료는, 사용되는 응용에 적합한, 즉 사용되는 구성요소에 대해 맞춤화된 임의의 현재 알려진 또는 이후에 개발되는 재료를 포함할 수 있다. 볼 몸체(162)는, 아마도, PSP 재료들로 만들어진 볼들(160)에 대해 예상되는 바와 같은 일부 사소한 변형을 갖는 전반적으로 구형 형상을 가질 수 있다. 볼 몸체(162)는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적(A1)을 갖는 개구부(164)를 포함한다. 도 9의 단면도에 도시된 바와 같이, 개구부(164)는 임의의 현재 알려진 또는 이후에 개발되는 기술, 예를 들어, 드릴링, 전기 방전 기계가공 등에 의해 형성될 수 있다. 개구부(164)가 (사전-)드릴링되는 경우, 제1 단면적(A1)은 개구부(164)의 직경(D1)에 의해 결정될 수 있으며, 즉, A1=π(D1/2)2에 의해 결정될 수 있다. 개구부(164)가 원형이 아닌 경우, 제1 단면적(A1)은 임의의 방식으로 계산될 수 있다.
볼(160)은 또한 볼 몸체(162)를 통해 정의된 개구부(164) 내에 고정된 중공 부재(170)를 포함한다. 중공 부재(170)는 개구부(164)의 제1 단면적(A1)보다 작은 제2 단면적(A2)을 갖는다. 제2 단면적(A2)은 통로들(132, 134) 사이에 임의의 원하는 냉각제 유동, 예를 들어, 속도, 부피 등을 제공하도록 선택될 수 있다. 중공 부재(170)는 임의의 원하는 내부 단면 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 다각형 등을 가질 수 있다. 도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 중공 부재(170)는 내부에 임의의 다양한 터뷸레이터(turbulator)들(174)을 포함할 수 있다. 도 7의 단면도에 도시된 바와 같이, 중공 부재(170)는 중공 부재를 통한 냉각제 유동을 제어하기 위해 임의의 다양한 계량 요소들(176)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 중공 부재(170)는 직경(D2)을 갖는 원형 내부 단면 형상을 가질 수 있다. 중공 부재(170)가 직경(D2)을 갖는 원형 내부 단면 형상을 갖는 경우, 제2 단면적(A2)은 직경(D2), 즉, A1=π(D2/2)2에 의해 결정될 수 있다. 중공 부재(170)가 원형이 아닌 경우, 제2 단면적(A2)은 임의의 방식으로 계산될 수 있다.
중공 부재(170)는 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다. 일 실시예에서, 중공 부재(170)는, 볼(160)의 브레이징 동안 그리고 터빈 구성요소(100)의 동작 동안 형상을 잃지 않을 수 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 일 예에서, 중공 부재(170)는, 하스텔로이 X, 인코넬, 르네(Rene) 합금과 같은 초합금만으로 만들어질 수 있지만, 구성요소의 최종 용도에 기초하여 맞춤 재료들을 선택하는 능력을 갖는다. 이러한 방식으로, 볼(160)이 볼-슈트(130) 내에서 제자리에 브레이징될 때, 볼(160)은 중공 부재(170)를 통해 통로들(132, 134) 사이의 유체 연통을 유지한다. 중공 부재(170)는 브레이징 프로세스에 의해 영향을 받지 않는다. 언급된 바와 같이, 볼(160)에 의해 통로들(132, 134) 사이에 허용되는 냉각제 유동은 중공 부재(170)의 제2 단면적(A2)에 기초하여 계량된다.
중공 부재(170)는 임의의 방식으로 개구부(164) 내에 고정될 수 있다. 하나의 옵션에서, 중공 부재(170)는, 개구부(164)의 내부 표면과 억지 끼워맞춤(interference fit)되도록 구성된, 외부 단면 형상 및 크기, 예를 들어 직경(D3)(도 5)을 가질 수 있다. 중공 부재(170)는, 예를 들어, 억지 끼워맞춤을 생성하기 위해 그 길이를 따라 개구부(164)의 내부 표면 내로 강제될 수 있다. 다른 옵션에서, 중공 부재(170)는 개구부(164)의 내부 표면 내로 자유롭게 슬라이딩하도록 구성된 외부 단면 형상 및 크기, 예를 들어 직경(D3)(도 5)을 가질 수 있으며, 중공 부재(170)는, 예를 들어, 중공 부재(170)를 방사상으로 확장할 수 있는 임의의 메커니즘에 의해 방사상으로 외측으로 확장되어 개구부(164)의 내부 표면과 억지 끼워맞춤될 수 있다. 도 8의 단면도에 도시된 다른 옵션에서, 중공 부재(170)는 적어도 하나의 단부(둘 모두가 도시됨)로부터 (방사상으로) 연장되는 플랜지(172)를 포함할 수 있다. 각각의 플랜지(172)는 개구부(164) 내에 중공 부재(170)를 고정하기 위해 개구부(164)의 단부(177)와 맞물릴 수 있다. 플랜지들(172)은, 예를 들어, 중공 부재(170)를 방사상으로 확장할 수 있는 임의의 메커니즘에 의해, 예를 들어, 개구부(164)의 단부(들)(177)와 꼭 맞도록 중공 부재의 단부들(175)을 방사상으로 외측으로 확장함으로써 중공 부재(170) 상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 플랜지들(172)은 임의의 적절한 결합 기술, 예를 들어, 용접, 브레이징, 솔더링을 사용하여 중공 부재(170)에 결합될 수 있다. 다른 옵션에서, 중공 부재(170)는 임의의 적절한 결합 기술, 예를 들어 용접, 브레이징, 솔더링에 의해 개구부(164) 내에 고정될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 또한 볼(160)을 포함하는 터빈 구성요소(100)를 포함한다. 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 터빈 구성요소(100)는 내부에 볼-슈트(130)를 갖는 구성요소 몸체(104)를 포함할 수 있다. 볼(160)은 볼-슈트(130) 내에 위치된다. 볼(160)은 볼-슈트(130) 내의 제위치에 브레이징된 볼 몸체(162)를 포함한다. 볼 몸체(162)는 본원에서 설명된 바와 같이 PSP 재료로 만들어진다. 볼 몸체(162)는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적(A1)을 갖는 개구부(164)를 갖는다. 중공 부재(170)는 볼 몸체(162)를 통해 정의된 개구부(164) 내에 고정된다. 중공 부재(170)는 개구부(164)의 제1 단면적(A1)보다 작은 제2 단면적(A2)을 갖는다. 중공 부재(170)는 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다. 중공 부재(170)는 본원에 열거된 재료를 포함할 수 있고, 본원에 설명된 바와 같이 개구부(164) 내에 고정될 수 있다.
도 3을 참조하여, 그리고 도 9 및 도 10의 단면도들을 참조하여, 이제 본 개시내용의 실시예들에 따른 방법이 설명될 것이다. 방법의 실시예들은 볼(160) 내에 개구부(164)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 도 9는 볼 몸체(162) 내에 개구부(164)를 형성하는 단계의 단면도를 도시한다. 개구부(164)는 임의의 현재 알려진 또는 이후에 개발되는 기술, 예를 들어, 드릴링, 전기 방전 기계가공 등에 의해 형성될 수 있다. 도 4 및 도 8은 개구부(164) 내에 중공 부재(170)를 고정하는 단계를 도시한다. 중공 부재(170)는 본원에 설명된 임의의 방식으로 개구부(164) 내에 고정될 수 있다.
도 3 및 도 10은 터빈 구성요소(100) 내의 볼-슈트(130) 내에 볼(160)을 위치시키는 단계를 도시한다. 하나의 옵션에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 볼(160)은, 단순히 볼(160)을 통로(132) 내로 떨어뜨리고 볼이 중력에 의해 볼-슈트(130) 내로 낙하하게 하는 것과 같은 임의의 현재 알려진 프로세스를 사용하여 볼-슈트 내에 위치될 수 있다. 도 10에 도시된 다른 실시예에서, 볼-슈트(130) 내에 볼(160)을 위치시키는 단계는, 중공 부재(170)를 통해 그리고 볼-슈트(130) 내로 연장되는 세장형 부재(180)를 따라 볼(160)을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 볼(160)은 세장형 부재(180)를 따라 슬라이딩되며, 이는 볼(160) 및 중공 부재(170)를 볼-슈트(130) 내에 위치시켜서 브레이징 이후에 중공 부재(170)를 통한 그리고 볼-슈트(130)를 통한 유체 연통을 유지한다. 세장형 부재(180)는, 그 원위 단부가 볼(160)을 볼-슈트(130) 내에 위치시킬 수 있는 방식으로 통로(들)(132, 134) 및/또는 볼-슈트(130) 내에 위치될 수 있는 임의의 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 세장형 부재(180)는 와이어, 나사/로프, 또는 다른 가요성 세장형 부재를 포함할 수 있다. 세장형 부재(180)는 볼-슈트(130) 위로 또는 볼-슈트(130) 내로 연장될 수 있다. 전반적으로 선형 배열로 도시되어 있지만, 세장형 부재(180)는 통로(들)(132, 134) 내에서 임의의 다양한 회전을 통해 라우팅될 수 있다.
방법은 또한 볼-슈트(130) 내에 볼(160)의 볼 몸체(162)를 브레이징하는 단계를 포함할 수 있다(도 3 및 도 8에서 곡선 화살표). 중공 부재(170)는 브레이징 후에 볼(160)을 통한 유체 연통을 유지한다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 볼(160)을 드릴링하기 위해 볼-슈트(130) 내의 볼(160)의 위치가 접근 가능하지 않더라도, 통로들(132, 134) 사이의 냉각제 유동이 제공될 수 있다. 중공 부재(170)가 PSP 재료보다 용융 온도가 높고 브레이징 프로세스의 용융 온도와 터빈 구성요소(100)의 동작 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어지기 때문에, 중공 부재(170)는 통로들(132, 134) 사이에 유체 연통을 유지할 것이다. 중공 부재(170)는 임의의 희망되는 유동 특성들을 제공하는 제2 단면적(A2)을 갖도록 크기가 정해질 수 있다. 임의의 희망되는 터뷸레이터들(174)(도 6) 및/또는 계량 요소들(176)이 중공 부재(170) 내에 제공될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 PSP 재료 내에 (중공 부재(170) 내의) 더 작은 통로를 내장하면서 더 큰 볼-슈트(130)를 감소시켜서, 전통적인 구멍 드릴링 동작들을 사용하는 것으로 인한 품질 문제들을 방지한다. 보다 구체적으로, 중공 부재는, 볼이 터빈 구성요소 내의 볼-슈트 내에서 제자리에 브레이징되지만, 중공 부재의 단면적에 의해 계량된 냉각제 유동으로 볼 슈트를 통해 계속해서 유체 연통하는 것을 가능하게 한다. 중공 부재는 또한 중공 부재를 통한 냉각제 유동의 맞춤화된 계량을 가능하게 한다.
본원에서 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 사용된 바와 같이, 개략화하는 표현은 임의의 정량적 표현을 수식하되 그에 관련된 기본적인 기능의 변화를 초래함이 없이 허용 가능하게 변할 수 있게 수식하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들로 수식된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 경우에서, 개략화하는 표현은 값을 측정하기 위한 기기의 정밀도에 상응할 수 있다. 여기에서 그리고 본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐, 범위 제한은 조합되고/되거나 상호 교환될 수 있고; 그러한 범위는, 문맥 또는 언어가 달리 나타내지 않는 한, 식별되고, 본원에 포함된 모든 하위 범위를 포함한다. 일정 범위의 특정 값에 적용되는 바와 같은 "대략"은 둘 모두의 끝 값에 적용되고, 달리 값을 측정하는 기구의 정밀도에 의존하지 않는 한, 언급된 값(들)의 +/- 10%를 나타낼 수 있다.
이하의 청구범위에서의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소의 대응하는 구조, 재료, 작용, 및 등가물은, 구체적으로 청구되는 바와 같은 다른 청구된 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료, 또는 작용을 포함하는 것으로 의도된다. 본 개시내용의 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시된 것이지, 본 개시내용을 개시된 형태로 총망라하려거나 그에 제한하려는 것이 아니다. 많은 변형 및 수정이 본 개시내용의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이다. 실시형태는, 본 개시내용의 원리 및 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해, 그리고 다른 당업자들이 예상되는 특정 용도에 적합하게 되는 것과 같은 다양한 변형을 갖는 다양한 실시형태에 대해 본 개시내용을 이해할 수 있게 하기 위해, 선택되고 설명되었다.

Claims (15)

  1. 터빈 구성요소(100) 내의 볼-슈트(130)에 대한 볼(160)로서, 상기 볼(160)은,
    사전-소결된 프리폼(pre-sintered preform; PSP) 재료로 만들어진 볼(160) 몸체로서, 상기 볼 몸체(162)는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적을 갖는 개구부(164)를 갖는, 상기 볼 몸체(162); 및
    상기 볼 몸체(162)를 통해 정의된 상기 개구부(164) 내에 고정되는 중공 부재(170)로서, 상기 중공 부재(170)는 상기 개구부(164)의 상기 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는, 상기 중공 부재(170)를 포함하며,
    상기 중공 부재(170)는 상기 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어지는, 볼(160).
  2. 제1항에 있어서, 상기 중공 부재(170)는 상기 중공 부재의 적어도 하나의 단부(175)로부터 연장되는 플랜지(172)를 포함하며, 각각의 플랜지(172)는 상기 중공 부재(170)를 상기 개구부(164) 내에 고정하기 위해 상기 개구부(164)의 단부(177)와 맞물리는, 볼(160).
  3. 제1항에 있어서, 상기 중공 부재(170)의 재료는 초합금만을 포함하는, 볼(160).
  4. 터빈 구성요소(100)로서,
    내부에 볼-슈트(130)를 갖는 구성요소 몸체(104); 및
    상기 볼-슈트(130) 내에 위치되는 볼(160)을 포함하며, 상기 볼(160)은,
    상기 볼-슈트(130) 내의 제위치 내로 브레이징되는 볼 몸체(162)로서, 상기 볼 몸체(162)는 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어지며, 상기 볼 몸체(162)는 볼 몸체를 통해 정의된 제1 단면적을 갖는 개구부(164)를 갖는, 상기 볼 몸체(162); 및
    상기 볼 몸체(162)를 통해 정의된 상기 개구부(164) 내에 고정되는 중공 부재(170)로서, 상기 중공 부재(170)는 상기 개구부(164)의 상기 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는, 상기 중공 부재(170)를 포함하며,
    상기 중공 부재(170)는 상기 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어지는, 터빈 구성요소(100).
  5. 제4항에 있어서, 상기 중공 부재(170)는 상기 중공 부재의 적어도 하나의 단부(175)로부터 연장되는 플랜지(172)를 포함하며, 각각의 플랜지(172)는 상기 중공 부재(170)를 상기 개구부(164) 내에 고정하기 위해 상기 개구부(164)의 단부(177)와 맞물리는, 터빈 구성요소(100).
  6. 제4항에 있어서, 상기 중공 부재(170)의 재료는 초합금만을 포함하는, 터빈 구성요소(100).
  7. 제4항에 있어서, 상기 구성요소 몸체(104)는 터빈 블레이드 에어포일(110)을 포함하는, 터빈 구성요소(100).
  8. 제7항에 있어서, 상기 터빈 블레이드 에어포일(110)은 터빈의 제1 스테이지에 있는, 터빈 구성요소(100).
  9. 방법으로서,
    터빈 구성요소(100) 내의 볼-슈트(130)에 볼(160)을 위치시키는 단계로서, 상기 볼(160)은,
    상기 볼-슈트(130) 내에 볼 몸체(162)를 위치시키도록 구성된 외부 직경을 갖는 사전-소결된 프리폼(PSP) 재료로 만들어진 상기 볼 몸체(162)로서, 상기 볼 몸체(162)는 볼 몸체를 통해 정의된 개구부(164)를 가지며, 상기 개구부(164)는 제1 단면적으로 갖는, 상기 볼 몸체(162); 및
    상기 볼 몸체(162)의 상기 개구부(164) 내에 고정되는 중공 부재(170)로서, 상기 중공 부재(170)는 상기 개구부(164)의 상기 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는, 상기 중공 부재(170)를 포함하는, 상기 위치시키는 단계; 및
    상기 볼-슈트(130) 내에 상기 볼(160)의 상기 볼 몸체(162)를 브레이징하는 단계로서, 상기 중공 부재(170)는 상기 브레이징하는 단계 이후에 상기 볼(160)을 통한 유체 연통을 유지하는, 상기 브레이징하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 중공 부재(170)는 상기 중공 부재의 적어도 하나의 단부(175)로부터 연장되는 플랜지(172)를 포함하며, 각각의 플랜지(172)는 상기 중공 부재(170)를 상기 개구부(164) 내에 고정하기 위해 상기 개구부(164)의 단부(177)와 맞물리는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 중공 부재(170)는 상기 PSP 재료와는 상이한 재료로 만들어지는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 중공 부재(170)의 재료는 상기 PSP 재료의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 중공 부재(170)의 재료는 초합금만을 포함하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 볼 몸체(162) 내에 상기 개구부(164)를 형성하는 단계; 및
    상기 개구부(164) 내에 상기 중공 부재(170)를 고정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 중공 부재(170)를 고정하는 단계는, 상기 중공 부재의 적어도 하나의 단부(175)로부터 연장되는 플랜지(172)를 형성하는 단계로서, 각각의 플랜지(172)는 상기 중공 부재(170)를 상기 개구부(164) 내에 고정하기 위해 상기 개구부(164)의 단부(177)와 맞물리는, 상기 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
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