KR850000163B1 - 개스 터어빈 엔진의 세라믹이 접합된 외부공기 밀폐장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

개스 터어빈 엔진의 세라믹이 접합된 외부공기 밀폐장치

제1도는 엔진의 하나의 회전날개열의 선단을 둘러싸는 외부 공기밀폐 장치를 나타내는 부분을 자른 단면을 포함한 개스 터어빈 엔진의 측면도.

제2도는 본 발명의 외부 공기 밀폐장치의 일부분의 투시도.

제3도는 양호한 밀도로 분무된 세라믹 재료의 물리적 성질을 설명하는 그래프.

제4도는 각기 다른 밀도로 분무된 세라믹 재료의 열충격 저항을 비교한 그래프.

본 발명은 세라믹재료 특히 개스 터어빈의 세라믹이 접합된 외부공기 밀폐장치에 관한 것이다. 개스 터어빈 엔진의 외부 공기 밀폐장치의 구조는 종래에도 매우 중요하게 여겨졌었고, 따라서 그러한 밀폐장치의 효과적인 실시예가 추구되어왔다. 축류 개스 터어빈 엔진에서, 엔진의 압축기와 터어빈 부분 둘다에서 회전날개의 열은 작동기체의 흐름방향과 횡단되게 회전자(rotar assembly) 위에 방사상으로 또 바깥쪽으로 산개되어 있다. 고정자에 달린 외부 공기 차단장치는 각 날개열의 날개선단(tip)을 둘러싸서, 날개선단으로 부터의 작용 개스의 누출을 막는다. 각 외부 공기 밀폐장치는 다수의 밀폐장치의 끝과 끝을 이어 배열하는 종래의 방식으로 만들어졌다. 각 장치의 표면과 반대 방향인 선단은 일시적인 방식에서 날개 선단으로 부터 파괴간섭이 없는 초기 조건인 아주 작은 공차를 견딜 수 있는 마모재료로 되어 있다. 대표적인 마모성 밀폐장치와 제작 방법은 미합중국 특허 3,817,719 ; 3,879,831 ; 3,918,925와 3,936,656에 나타나 있다.

전술한 재료와 설계의 유용성에도 불구하고, 개스 터어빈의 부품 제조자들은 악조건 속에서도 적절한 내구성을 갖는 마모재료를 개량시키기 위해 계속 연구하고 있다. 특히 밀폐재료가 국부적으로 1,370℃를 넘는 곳에 노출되는 터어빈 엔진의 일부분에서 사용되는 적당한 내구성을 갖는 재료와 구조는 제한되어 있다. 따라서 밀폐장치에 접합되는 세라믹은 이러한 부품들에 있어서 매우 중요성을 갖는다.

일반적으로 세라믹 재료는 개스 터어빈 구성 요소에서 효과적인 열절연체로 알려져 있고, 보통 주위의 고온에서 금속 기초재를 보호하기 위한 코팅재로서 사용된다. 코팅재를 그대로 유지시키면, 세라믹은 금속체에 잡합되어 기초재의 바람직하지 못한 질 저하를 막아준다. 그러나, 금속과 세라믹 재료는 접합시간이 흐름에 따라 그들 사이의 열팽창 계수가 달라서 완전히 합치할 수가 없다. 일반적으로, 일련의 열주기가 끝난 부분에서는 금속으로 부터 세라믹의 균열과 파괴가 일어난다. 특히 이러한 문제점은 코팅두께가 수천분의 일센티미터 정도로 아주 엷은 경우에 일어난다.

접착 세라믹 재료와 기초 금속과의 사이에 열팽창 계수의 차이를 조절하여 구성된 밀폐장치에 세라믹을 접합하는 것은 미합중국 특허 4,109,031에 찾아볼 수 있다. 세라믹 교접면에서 100% 금속으로부터 100%세라믹까지 변화하는 금속과 세라믹의 적절한 배합에서의 재료의 극간격은 금속 기초재에 알맞다.

차단장치에 접합되는 다른 유형의 세라믹은 기초과학, 전자공학, 원자공학의 모임인 미합중국 세라믹 협회의 1,976 추계 연합모임에서 "고온과 저중량을 위한 금속 기초재에 접합되는 세라믹 재료"라는 제목과 또 나사 기술협회, 나사티엠-73852에서 "터어빈의 외부 공기 밀폐장치의 플라즈마-분무 지르코니움 산화물의 열충격 저항 주기의 예비연구"라는 제목으로 제출된 논문에 잘 나타나 있다.

이상의 시스템에 따라 소결된 철망의 매트 구조물은 기초 금속에 세라믹층을 연결시킨다. 철망 구조물은 금속 기초재와 세라믹층 사이의 열팽창의 차이를 잘 조화시킬 수 있는 층을 형성한다. 종래의 구조에서는 알루미나(Al₂O₃) 세라믹 재료가 철망매트로 바로 사용되었었다. 현 구조에서는 지르코니움 산화물(ZrO₂)세라믹 재료가 철망매트와 체에 접합재코팅이 0.076mm-0.127mm의 두께로 적용된곳에 적용 사용되고 있다.

앞에서의 구조물이 적절한 세라믹의 내구성이 성취될 수 있다고 가정하면 상당히 바람직하다 하였지만, 구조물이 특히 어려운 주위조건에 대해서 충분한 퍼텐셜을 가질 수 있도록 노력해야 한다. 따라서 내구성의 구조물을 얻기 위해 양호한 세라믹 재료의 기계적 성질에 관한 연구가 계속되고 있다.

본 발명의 주요목적은 개스 터어빈 엔진에 효과적인 외부공기 밀폐장치를 제공하고자 함에 있다. 즉 고온 조건에서 사용하기에 적합하고 열충격에 대해 좋은 저항을 갖는 접합세라믹을 제공하고자 함에 있다.

본 발명에 따르면 접합 세라믹 재료는 내구성의 외부공기 밀폐장치를 공제하기 위해 양호한 밀도로 다공성 금속재료의 낮은 모듈러스 받침판 위에 부착된다. 양호한 밀도에서 세라믹 재료는 열충격에 대해 우수한 저항력을 갖는 세라믹구조물을 제공하는 탄성계수(E)와 평균인장강도(T)를 갖는다. 하나의 상세한 실시예에 따라 다공성 받침판은 접합되는 세라믹 재료의 부착력에 대한 받침판의 유용성을 증가시키기 위해 우선 MCrAlY 유형의 코팅을 갖는다.

본 발명의 주요한 부분은 접합되는 세라믹 재료이다. 접합재료는 밀폐구조물에 고온에서 견디는 능력을 제공하게 위해 엔진 유동로의 뜨거운 작동개스와 직접 접촉하게 된다. 실시예에서 세라믹 재료는 이론 밀도의 약 92%의 참밀도에 달하는 산화이트륨 첨가 안정의 지로콘 산화물이다. 이 밀도에서, 세라믹 재료는 대개 아래 열거한 물리적 성질을 갖는다.

982℃에서의 탄성계수(E) : 68,950×10⁵파스칼

982℃에서의 평균 인장강도(T) : 238×10⁵파스칼

982℃에서의 열팽창 계수(α) : 3.36×10^-6(℃)^-1

실시예에서 세라믹 재료는 MCrAlY 코팅 재료를 가진 다공성 금속 받침판에 부착된다. 여기서 MCrAlY 코팅재료는 외부 공기 밀폐장치에 세라믹 재료를 접합시킬 수 있도록 거친 표면을 만들어 준다.

본 발명의 주요 장점은 개스 터어빈 엔진의 악조건인 고온에서의 접합 세라믹 재료의 적합성이다. 밀폐장치의 보호를 위해서는 냉각공기는 소량이어야 한다. 필요 냉각 공기량의 감소가 전엔진의 능력을 증가시킨다. 구조물은 날개 선단의 마모간섭에서 파괴되지 않도록 적당한 마모특성을 갖고 있고 날개선단과 외부 공기 밀폐장치 사이의 빽빽한 간견을 만족시키는 구조물에 잘 맞도록 되어 있다. 아울러, 앞서의 밀도로 접합된 밀폐 장치는 부식에 대해 적당한 저항을 갖는다. 세라믹 재료와 기본 금속재 사이의 상대적인 열 팽창계수의 차이는 낮은 모듈러스 받침판에 의해 조절된다. 낮은 모듈러스 받침판의 세라믹 재료의 좋은 접합은 받침판에 세라믹 코팅을 부착시키기 이전에 MCrAlY 재료를 가지는 받침판에 의해 얻어진다.

앞서 말한 것과 기타 목적, 모양과 본 발명의 장점은 첨부한 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명으로 더욱 명확히 이해될 것이다.

본 발명에 따른 유형의 개스 터어빈 엔진은 제1도에 나타나 있다. 이 엔진은 앞축부(10) 연소부(12)와 터어빈부(14)으로 구성되어 있다. 축차(16)는 엔진속에서 축방향으로 산개되어 있다. 회전날개(18)는 일렬로 배열되어 있고, 작동 기체의 흐름방향(20)과 횡단되게 회전자 위에서 바깥쪽으로 산개되어 있다. 각 회전날개는 선단(22)을 갖는다.

덮개(26)를 갖는 고정자(24)는 회전자(16)를 둘러싼다. 회전자의 각 열에서 외부 공기 밀폐장치(28)는 날개의 선단(22)을 둘러싸면서 엔진 덮개로 부터 안쪽 방향으로 산개되어 있다. 각 외부 공기 밀폐장치는 제2도의 단일부(30)에 의해 설명되는 것처럼 엔진덮개의 내부에 대해 끝과 끝을 이은 형태로 배치되는 아아치형의 단일부(30)를 복수개로9하여 종래 형식에 따라 구성되어 있다

본 발명의 개념에 따라 만들어진 외부 공기 밀폐장치 부분(30)은 제2도에 잘 나타나 있다. 이 부분은 날개 선단에 반대 방향인 일반적인 외형의 아치형 표면(34)을 갖는 고상의 금속기초재(32)로 형성된 것이다. 도시된 철망 받침판과 같은 저탄성계수를 갖는 재료인 다공성 금속 받침판(36)은 금속 서브스트레이트와 접합되어 있다. 저 탄성계수 받침판은 바닥깔게 코팅(38)과 접착되어 있다. 접합 세라믹 재료(40)는 접합부에 부착된 것이다. 금속 바닥깔개와 세라믹 재료 사이의 교접면은 교접면 "A"라 한다. 교접면에서 세라믹 재료의 성질은 세라믹을 통한 균열 전파가 방지되어야 하는 것이 중요하다고 나중에 본 명세서에서, 설명될 것이다. 금속 기초재는 과도하게 가열되는 것으로 부터 받침판의 철망을 보호하기 위해 이미 알려진 종래의 적당한 방법으로 냉각시킨다.

실용의 기구에서 세라믹 재료는 지르코니움 산화물(ZrO³) 80중량%와 이트륨 옥사이드(Y₂O₃) 20중량%로 이루어진다. 세라믹 재료는 이론 밀도의 92%인 참밀도로 해서 종래의 분무기로 0.15cm 두께로 부착시킨다. 참밀도는 반복된 표준 품질관리를 만들기 위해 재료 경도로 환산하여 측정한다. 구하려는 재료밀도는 현장에서 광범위하게 사용되는 로크웰 B충격 시험기로 부터 90의 경도를 갖는다. 밀도는 5.36gr/cm³이다. 세라믹도 0.10-0.30cm 두께로 부착시킬 수 있다.

경도가 90인 재료는 안정된 지르코니움 산화물에 이트리아를 함유시킨 구성물을 용기에 넣어 플라즈마 분사로 얻을 수 있고 아래에 각 조건이 설명되어 있다.

플라즈마 스프레이 시스템

분무기-#3분말 배출구를 가진 메트코 3엠지(Metco 3 MG)

투입동력-600암페어

70볼트

1차 작동기체-단위 시간당 유속이 2.26m³이고 압력이 3.44×10⁵파스칼질소

2처 작동기체-전극을 통하는 전압을 70볼트로 유지시키기 위한 단위시간당 유속이 0.14-0.42m³이고 압력이 3.44×10⁵파스칼 인수소

원료 공급 장치

공급장치-가열기를 가진 모델번호 1,224의 플라즈마다인

분말속도-시간당 1.81kg

분말개스-시간당 유속이 0.566m³인 것이 20개이며 압력이 3.44×10⁵파스칼 것이 50개인 질소

분무조건

분무구 거리-15.24cm

헤드트래버어스(Head Traverse)-약0.07mm의 각 코팅 부착물을 통과하는 0.32cm의 수직단을 가진 시간당 4.57cm의 수평유속

냉각개스

냉각개스-3.44×10⁵파스칼

경도 90인 재료의 물리적 성질은 제3도의 그래프에 나타나 있다. 화씨 1,800도(섭씨 982도)에서의 성질은 다음과 같다 :

탄성개수(E) : 68, 950×10⁵파스칼

평균 인장강도(T) : 237.87×10⁵파스칼

열팽창 계수(α) : 3.36×10^-6(℃)^-1

열전도도(K)는 재료의 주요한 특성이다. 모든 세라믹은 대체로 낮은 열전도도를 가지며, 따라서 접합 재료로서의 명백한 유용성을 갖는다. 세라믹을 통하는 실제온도 기울리는 세라믹이 접합된 금속 기초물을 보호할 수 있다. 그러나, 제3도의 그래프에 나타나 있듯 1,093℃ 위의 온도에서 세라믹을 통하는 열전도도는 급히 증가한다. 증가한 열전도도는 그것에 의한 저하를 막기 위해 금속 기초물의 냉각을 증가시키는데, 이는 바람직하지 못하다. 따라서 1,093. C 이하의 온도에서 교접면 "A"에서의 세라믹 재료를 유지시키는것이 필요하다.

경도 90의 재료에서 인장강도(T), 탄성계수(E)와 열팽창계수(α)도 제3도의 그래프에 나타나 있다. 일반적으로, 이 세가지 인자의 크기로 세라믹이 열충격을 견디는 능력을 측정한다. 열로 인한 응력은 탄성계수와 열팽창계수 둘다에 비례한다. 낮은 열 응력은 같은 온도 기울기에 있어서 대체로 높은 탄성계수, 열팽창계수 보다는 낮은 탄성계수, 열팽창계수에서 발생한다. 저온으로 인한 응력에 저항하는 재료의 능력은 재료 강도에 관계한다. 외부 공기 밀폐장치의 세라믹 재료에서, 열주기의 결과로 나타난 장력의 감소는 일반 적인 것이다. 따라서, 인장강도는 제3도의 그래프에 나타나 있다.

20%의 이트리아를 안정 지르코니움 산화물에 함유시킨 것의 성질이 제3도의 그래프에서 보여주듯이 탄성계수(E)는 982℃까지의 증가하는 온도와 더불어 급격히 감소하고, 그 이후는 그리 빠르지 않게 감소한다. 역으로, 인장강도(T)는 1,093℃까지의 증가하는 온도와 더불어 서서히 감소하고, 그 이후는 더 급격히 감소한다. 그러므로, 위의 물리적 성질에 의해 설명된 세라믹 재료는 교접면 "A"의 온도가 대개 982℃-1,093℃ 범위에 제한되는 적용에 적합하다. 상이한 밀도에서 적용된 동일한 이트리아 첨가의 안정 지르코니움산화물에 대한 열충격 저항 지표(Ⅰ)를 비교하기 위해 계산하여, 제4도에 그래프로 나타냈다. 충격지표(Ⅰ)는 엔진 작동주기 동안 마주치는 세라믹 재료에서의 이론적 최대응력 대 강도비(σ/T)로서 계산된다. 최대값은 6초간의 가속 조건에서 같이 일시적인 조건에서 일어난다. 1보다 큰 응력대 강도비는 세라믹의 파괴를 나타낸다. 따라서 제4도는 엔진 사이클 조건 아래서 재료 경도가 80과 100인 경우의 응력대 강도비는 1을 초과하고 반면에 90인 경우에는 1보다 작게됨을 나타낸다.

본 외부공기 밀폐장치 구조에서 다공성 받침판은 지름이 0.127-0.152mm인철 기본 합금 철망(FeCrAlSi)으로 만들어졌다. 받침판은 35%이 밀도를 가진 철망 재료로 압축되어졌고 인접 철망들 사이의 부분적인 금속 결합을 최소한으로 하기 위해 소결되었다. 두께로 1.52mm인 받침판은 종래의 방법에 의해 금속 기초재에 땜질된다.

바닥깔개 부분은 14-20중량%크롬, 11-13중량% 알루미늄 0.10-070중량% 이트리움, 2중량%의 최대코발트와 잔류니켈의 조성을 가진 NICrAIY 합금재로 되어 있다. 평평한 표면의 코팅 두께 혹은 두께가 약 0.127mm인 경우, 코팅이 같은 두께(equivalent depth)로 철망 밑받침에 접합된다. 다른 적당한 바닥깔개 재료는 니켈-코발트 기본합금인 "NiCoCrAly" 코발트기본합금인(CoCrAlY), 그리고 철기본 합금인" "FeCrAlY"로 되었다.

효과적인 바닥깔개 재료는 철망에 세라믹의 접합을 보호한다는데 있어서 중요하다. 바닥깔개는 철망 받침판에 침투되고 잘 접합되어야 한다. 이에 따른 적용 기술은 맥코마스등에 의해 "구조물에 접합되는 세라믹과 그것의 제작방법"이라고 명명되어 1979년 5월 11일 출원된 미합중국 특허 출원번호 38, 042에 발표되었다. 이 기술에서 바닥깔개 입자는 플라즈마 스트림에서 가속되어 지고 스트림에서 12/19m/sec의 속도로 빨라진다. 빠른 속도는 다공성 철망 받침판에 입자의 침투를 가능하게 한다. 또한, 시술된 플라즈마 분무공정에서의 방출온도는 대체로 종래의 플라즈마 분무공정시 보다 낮다. 코팅물이 완전하게 부착되기 이전에 받침판 철망 파이비의 과도한 예비가열과 그로인해 일어나는 산화를 막을 수 있다. 철망의 온도가 583℃보다 작은 경우에는 일반적으로 철망의 산화를 일으키지 않는다. 파이버 온도는 427-482 사이의 온도가 적당하다. 또한 다공성 받침판에 바닥깔개 치료를 부착시키는 것도 있다.

또한, 경도가 90인 세라믹 재료는 흐름 방향의 부식에 대한 적절한 저항을 나타낸다. 경도가 80인 재료는 부식의 경향이 좀더 크다. 경도가 100인 재료는 경도 90인 재료에서 보다 크다. 경도 100인 재료는 경도 90의 재료보다 더 큰 부식저항을 나타내지만 대부분의 터어빈 엔진에서 밀폐장치와 날개사이에서 바람직한 근접 공차를 유지하기에는 부적당한 마모 특성을 가지고 있으며 반면 경도가 90인 재료는 적절한 마모성과 부식 저항을 가지고 있다. 따라서 적당한 세라믹 재료로 경도 90인 재료를 선택하는데 무리가 따르지 않는다.

이상 본 발명이 상세히 설명되고 또 도면을 참조하여 구체적으로 서술되었지만, 본 분야의 숙련된 기술자에 의해 본 발명의 취지와 영역에서 벗어나지 않는 범주 안에서 여러가지 계량과 변화가 가해져야 할 것이다.

Claims (1)

1. 개스 터어빈 엔진의 터어빈 부분에서 회전날개의 선단을 둘러싸는 유형의 외부 공기 밀폐장치에 있어서, 아치형의 외형을 갖는 저탄성 계수 재료의 다공성 받침판과, 표면에 대해 반대 방향을 갖는 날개 선단을 형성하기 위해 낮은 모듈러스 받침판에 부착되며 982℃에서, 68, 950×10⁵파스칼의 탄성계수(E) ; 238×10⁵파스칼의 평균 인장강도(T), 3.36×10^-6(℃)^-1의 열팽창 계수(α) 726.43J·m/hr·m²·℃의 열전도율(K)을 갖는 접합 세라믹 재료를 지니는 것을 특징으로 하는 개스터어빈 엔진의 세라믹이 접합된 외부공기 밀폐장치.

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