KR20190083974A - 캡 요소를 갖는 터빈 구성요소를 위한 냉각 통로를 형성하는 방법 - Google Patents

캡 요소를 갖는 터빈 구성요소를 위한 냉각 통로를 형성하는 방법 Download PDF

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KR20190083974A
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토마스 얼 다이슨
제이슨 레이 그레그
니콜라스 윌리엄 라사이
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

내부면(212) 및 외부면(214, 314)을 갖는 구성요소 벽(210, 310)을 갖춘 터빈 구성요소(200) 상에 냉각 통로(240, 340)를 형성하는 방법이 개시된다. 구성요소 벽(210, 310)을 통과하고 내부면 및 외부면(214, 314)을 유동 연결시키는 개구(270)가 형성된다. 개구(270)는 내부면(212)으로부터 계량 단부(224)로 연장되는 계량 섹션(222), 및 계량 단부(224)로부터 외부면(214, 314)으로 연장되는 확산기 영역(226)을 포함한다. 캡 요소 재료(236, 336)가 확산기 영역(226)의 부분을 폐쇄하도록 추가되어 계량 단부(224)로부터 외부면(214, 314)으로 연장되는 확산 섹션(242, 342)을 갖는 냉각 통로(240, 340)를 형성한다. 금속 캡 요소 재료(236, 336)는 외부면(214, 314)의 내측으로 그리고 확산 영역 내로 연장되어 확산 섹션(242, 342)의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부(244, 344)를 포함한다. 냉각 통로(240, 340)가 구성요소 벽(210, 310)을 통해 연장되고 내부면(212)과 외부면(214, 314)을 유동 연결시킨다.

Description

캡 요소를 갖는 터빈 구성요소를 위한 냉각 통로를 형성하는 방법{METHOD OF FORMING COOLING PASSAGE FOR TURBINE COMPONENT WITH CAP ELEMENT}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 동일자로 출원되고 동시에 계류중인 미국 출원 제 호, (GE 문서 번호 320551-1)에 관련된다.
발명의 분야
본 개시내용은 일반적으로 터빈 구성요소 냉각에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 금속 캡 요소를 갖는 터빈 구성요소를 위한 냉각 통로를 형성하는 방법, 및 이와 같이 형성된 터빈 구성요소에 관한 것이다.
가스 터빈 블레이드의 에어포일 및 노즐은 과잉의 열 부하에 노출된다. 에어포일은 통상적으로 고농도의 열 배리어 코팅(thermal barrier coating: TBC)으로 코팅된다. 따라서, TBC는 파쇄(spall)를 경험하고, 이는 에어포일의 냉각을 더 어렵게 한다. 에어포일을 냉각하기 위해, 냉각제가 통상적으로 에어포일의 내부 챔버로부터 구멍을 통해 에어포일의 외부면으로 냉각 통로를 통해 도입된다. 냉각 통로는 많은 수로 배열되는 데, 이는 에어포일 내에 다수의 구멍을 생성한다. 선단 에지에서, 냉각 통로 요구는 샤워헤드 배열(showerhead arrangement)라 칭할 수도 있다. 이상적으로, 냉각제는 냉각 필름, 즉 에어포일의 표면을 가로지르고 그에 근접한 유동을 생성하는 데, 이 유동은 에어포일의 표면을 따라 하류측으로 연장된다.
선단 에지에서, 전통적인 라운드형 또는 원추형 출구 구멍을 갖는 냉각 통로가 표면에 대해 반경방향으로 배향되는 데, 즉 이들은 고온 가스 유동 방향에 대해 수직으로 드릴링된다. 따라서, 냉각 유동은 급한 회전을 해야 하고 에어포일 표면의 블로우 오프(blowing off)에 민감한데, 이는 냉각제 커버리지 및 측방향-평균화된 냉각 유효성을 감소시킬 수도 있다. 성형된 확산 출구 구멍을 갖는 냉각 통로가 에어포일 상의 다른 영역에 통상적으로 사용되고, 비교적 높은 냉각 유효성을 갖지만, 선단 에지의 작은 곡률반경 때문에 선단 에지에서 성공적으로 사용되지 않았다. 즉, 성형된 확산 출구 구멍은 전통적인 제조 방법을 사용하여 표면에 거의 수직으로 드릴링될 필요가 있다. 이 배열은 감소된 냉각 성능을 야기한다. 위치에 무관하게, 복잡한 필름 냉각 통로 기하학 형상은 빈번히 통상의 드릴링에 의해 제조가 어렵다.
상기 과제에 추가하여, 허용 가능한 부품 온도를 유지하면서 터빈 효율을 증가시키기 위해 전체 냉각제 사용량을 감소시키기 위한 증가된 요구가 존재한다. 전체 냉각 유동을 감소시키기 위해, 더 적은 냉각 통로가 통상적으로 사용되어, 구멍들 사이의 증가된 간격을 야기한다. 각각의 냉각 통로는 증가된 측방향-평균화된 냉각 유효성 및 증가된 측방향 냉각제 커버리지를 갖는다. 이 기능성을 제공하기 위한 하나의 접근법은 정밀한 냉각 통로 구조체를 생성하는 것이지만, 예를 들어, 시야선이 제공되지 않는 내부 구성요소 벽 구조체를 맞춤화하는 것은 매우 어렵다. 다수의 진보된 필름 디자인은 개량된 냉각 통로를 생성하기 위해 적층 제조(additive manufacturing)에 의존하지만, 이 기술이 고온 가스 경로 섹션에 광범위하게 사용될 수 있기 전에 극복해야 할 다수의 과제가 존재한다.
본 개시내용의 제1 양태는 내부면 및 외부면을 갖는 구성요소 벽을 갖춘 터빈 구성요소 상에 냉각 통로를 형성하는 방법을 제공하고, 이 방법은, 구성요소 벽을 통과하고 내부면과 외부면을 유동 연결시키는 개구를 형성하는 단계로서, 개구는, 내부면으로부터 계량 단부로 연장되는 계량 섹션, 및 계량 단부로부터 외부면으로 연장되는 확산기 영역을 포함하는 것인 단계; 계량 단부로부터 외부면으로 연장되는 확산 섹션을 갖는 냉각 통로를 형성하기 위해 확산기 영역의 부분을 폐쇄하도록 개구의 확산 영역의 부분을 가로질러, 예비성형된 금속 캡 요소 재료를 추가하는 단계로서, 금속 캡 요소 재료는 구성요소 벽의 외부면의 내측으로 그리고 확산 영역 내로 연장되어 확산 섹션의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부를 포함하는 것인 단계를 포함하고, 냉각 통로는 구성요소 벽을 통해 연장되고 내부면과 외부면을 유동 연결시킨다.
본 개시내용의 제2 양태는 내부면 및 외부면을 갖는 구성요소 벽을 갖춘 터빈 구성요소 상에 냉각 통로를 형성하는 방법을 제공하고, 이 방법은, 구성요소 벽을 통과하고 내부면과 외부면을 유동 연결시키는 개구를 형성하는 단계로서, 개구는, 내부면으로부터 계량 단부로 연장되는 계량 섹션, 및 계량 단부로부터 외부면을 향해 연장되는 확산기 영역을 포함하는 것인 단계; 외부면에서 개구의 확산기 영역을 폐쇄하고 계량 단부로부터 외부면으로 연장되는 확산 섹션을 형성하도록 금속 캡 요소 재료를 추가하는 단계로서, 금속 캡 요소 재료는 구성요소 벽의 외부면의 내측으로 그리고 확산 영역 내로 연장되어 확산 섹션의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부를 포함하는 것인 단계; 금속 캡 요소 재료의 섹션이 제거되어 냉각 통로를 형성하게 하는 단계로서, 냉각 통로는 금속 캡 요소 재료 및 구성요소 벽을 통해 연장되어 내부면과 외부면을 유동 연결시키는 것인 단계를 포함한다.
본 개시내용의 제3 양태는 내부면 및 외부면을 갖는 구성요소 벽; 내부면으로부터 계량 단부로 연장되는 계량 섹션을 형성하고, 계량 섹션으로부터 외부면으로 연장되는 확산기 영역의 내부 부분을 형성하는 개구; 개구의 일부를 폐쇄하는 금속 캡 요소를 포함하는 냉각 통로로서, 금속 캡 요소는 구성요소 벽의 외부면의 내측으로 연장되어 확산 섹션의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부를 포함하는 것인 냉각 통로를 포함하고, 계량 단부에서의 확산기 섹션의 제1 단면적은 외부면에서의 확산기 섹션의 제2 단면적과는 상이한 것인, 터빈 구성요소를 제공한다.
본 개시내용의 예시적인 양태는 본 명세서에 설명된 문제점 및/또는 설명되지 않은 다른 문제점을 해결하도록 설계된다.
본 개시내용의 이들 및 다른 특징은 본 개시내용의 다양한 실시예를 도시하고 있는 첨부 도면과 함께 취한 본 개시내용의 다양한 양태의 이하의 상세한 설명으로부터 더 즉시 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 가스 터빈 시스템의 형태의 예시적인 터보기계의 개략도.
도 2는 도 1의 가스 터빈 시스템과 함께 사용될 수도 있는 예시적인 가스 터빈 조립체의 단면도.
도 3은 본 개시내용의 실시예가 이용될 수도 있는 유형의 터빈 회전자 블레이드의 사시도.
도 4는 본 개시내용의 실시예가 이용될 수도 있는 유형의 터빈 베인의 사시도.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 위한 개구를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 6은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 냉각 통로를 위한 개구를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 도 8의 라인 11-11을 따른 단면도.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 도 12의 라인 13-13을 따른 단면도.
도 14는 본 개시내용의 대안적인 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 15는 본 개시내용의 대안적인 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
도 16은 본 개시내용의 대안적인 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 단계의 단면도.
본 개시내용의 도면은 실제 축척대로 도시되어 있지 않다는 것이 주목된다. 도면은 단지 본 개시내용의 전형적인 양태만을 도시하도록 의도되며, 따라서 본 개시내용의 범주를 한정하는 것으로서 고려되어서는 안된다. 도면에서, 유사한 도면 부호는 도면들 사이의 유사한 요소를 표현하고 있다.
첫째로, 본 개시내용을 명백하게 설명하기 위해, 가스 터빈 시스템 내의 관련 기계 구성요소를 칭하고 기술할 때 특정 용어를 선택할 필요가 있게 될 것이다. 이와 같이 할 때, 가능하면, 통상의 산업 용어가 그 허용된 의미에 따른 방식으로 사용되고 이용될 것이다. 달리 언급되지 않으면, 이러한 용어는 본 출원의 맥락 및 첨부된 청구범위의 범주에 따라 광범위한 해석이 제공되어야 한다. 당 기술 분야의 숙련자들은 종종 특정 구성요소가 다수의 상이한 또는 중복 용어를 사용하여 언급될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에서 단일의 부분으로서 설명될 수도 있는 것은 다른 맥락에서 다수의 구성요소를 포함할 수도 있고 다수의 구성요소로 이루어지는 것으로서 언급될 수도 있다. 대안적으로, 본 명세서에서 다수의 구성요소를 포함하는 것으로서 설명될 수도 있는 것은 다른 위치에서 단일 부분으로서 언급될 수도 있다.
게다가, 다수의 설명 용어가 본 명세서에 격식대로 사용될 수도 있고, 이 섹션의 서두에서 이들 용어를 정의하는 것이 도움이 되는 것으로 입증될 것이다. 이들 용어 및 이들의 정의는 달리 언급되지 않으면, 이하와 같다. 본 명세서에 사용될 때, "하류측" 및 "상류측"은 터빈 엔진을 통한 그리고 터빈 구성요소의 외부면을 가로지르는 작동 유체와 같은, 유체의 유동, 또는 예를 들어 연소기를 통한 공기의 유동에 대한 방향을 지시하는 용어이다. 용어 "하류측"은 유체의 유동의 방향에 대응하고, 용어 "상류측"은 유동에 대향하는 방향을 칭한다. 용어 "전위(forward)" 및 "후위(aft)"는 임의의 부가의 상세 없이 방향을 칭하고, "전위"는 엔진의 전방 또는 압축기 단부를 칭하고, "후위"는 엔진의 후방 또는 터빈 단부를 칭한다. 중심축에 관하여 상이한 반경방향 위치에 있는 부분을 설명하는 것이 종종 요구된다. 용어 "반경방향"은 축에 수직인 이동 또는 위치를 칭한다. 이와 같은 경우에, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축에 더 근접하여 존재하면, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 "반경방향 내향" 또는 "내측"에 있는 것으로 본 명세서에서 언급될 것이다. 다른 한편으로, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 축으로부터 더 멀리 존재하면, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 "반경방향 외향" 또는 "외측"에 있는 것으로 본 명세서에서 언급될 수도 있다. 용어 "축방향"은 축에 평행한 이동 또는 위치를 칭한다. 마지막으로, 용어 "원주방향"은 축 주위의 이동 또는 위치를 칭한다. 이러한 용어들은 터빈의 중심축에 관하여 적용될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
본 개시내용의 실시예는 내부면 및 외부면을 갖는 구성요소 벽을 갖는 터빈 구성요소 상에 냉각 통로를 형성하는 방법을 제공한다. 구성요소 벽을 통과하고 내부면과 외부면을 유동 연결시키는 개구가 형성된다. 개구는 내부면으로부터 계량 단부로 연장되는 계량 섹션, 및 계량 단부로부터 외부면으로 연장되는 확산기 영역을 포함할 수도 있다. 금속 캡 요소 재료가 확산기 영역의 부분을 폐쇄하도록 추가되어 계량 단부로부터 외부면으로 연장되는 확산 섹션을 갖는 냉각 통로를 형성한다. 금속 캡 요소 재료는 구성요소 벽의 외부면의 내부로 그리고 확산 영역 내로 연장되어 확산 섹션의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부를 포함한다. 따라서, 금속 캡 요소 재료는 종래의 드릴링에 의해 이용 불가능한 방식으로 냉각 통로의 확산 섹션을 맞춤화하도록 성형된 그 내부면을 가질 수 있다. 적층 제조가 형상들을 생성할 수 있지만, 이는 합금을 사용하고 그리고/또는 터보 기계에 사용을 위해 요구되는 재료의 결정질 구조를 성취하는 것이 불가능하다. 냉각 통로가 구성요소 벽을 통해 연장되고 내부면과 외부면을 유동 연결시킨다. 다른 방법이 터보기계의 작동 중에 적응형 냉각이 가능한 폐쇄형 냉각 통로를 제공한다. 방법은 더 복잡한 형상의 냉각 통로를 가능하게 하고, 따라서 인쇄될 수 없는 단결정 합금 또는 다른 재료를 필요로 하는 구성요소 상의 이들의 사용을 허용한다. 냉각 통로는 다른 위치들 중에서도, 터빈 구성요소의 선단 에지벽에 적용될 수 있다. 예를 들어 선단 에지벽에서, 이 방법들에 의해 생성된 냉각 통로를 포함하는 터빈 구성요소는 종래의 샤워헤드 배열에 비교하여 향상된 평균화된 필름 냉각 유효성 및 증가된 냉각제 커버리지를 나타낸다.
도 1은 본 개시내용의 교시가 적용될 수도 있는 터빈 에어포일을 포함하는 예시적인 산업 기계의 개략도를 도시하고 있다. 예에서, 기계는 연소 또는 가스 터빈 시스템의 형태의 터보기계(100)를 포함한다. 터보기계(100)는 압축기(102) 및 연소기(104)를 포함한다. 연소기(104)는 연소 구역(106) 및 연료 노즐 조립체(108)를 포함한다. 터보기계(100)는 터빈 조립체(110) 및 공통 압축기/터빈 샤프트(112)[때때로 회전자(112)라 칭함]를 또한 포함한다. 일 실시예에서, 연소 터빈 시스템은 미국 사우스캐롤라이나주 그린빌 소재의 General Electric Company로부터 상업적으로 입수 가능한, 때때로 7FB 엔진이라 칭하는 MS7001FB 엔진이다. 본 개시내용은 임의의 하나의 특정 산업 기계에 한정되는 것은 아니고, 또한 임의의 특정 가스 터빈 시스템에 한정되는 것도 아니며, 예를 들어 General Electric Company의 MS7001FA(7FA), MS9001FA(9FA), 7HA 및 9HA, GEnx 1B76, GE90-115B 엔진 모델을 포함하는 다른 엔진들과 관련하여 사상 주입될 수도 있다. 더욱이, 본 개시내용은 임의의 특정 터보기계에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 증기 터빈, 제트 엔진, 압축기, 터보팬 등에서 그 선단 에지의 필름 냉각을 필요로 하는 임의의 터빈 에어포일에 적용 가능할 수도 있다.
작동 시에, 공기는 압축기(102)를 통해 유동하고, 압축된 공기는 연소기(104)에 공급된다. 특히, 압축된 공기는 연소기(104)에 일체형인 연료 노즐 조립체(108)에 공급된다. 조립체(108)는 연소 구역(106)과 유동 연통하고 있다. 연료 노즐 조립체(108)는 또한 연료 소스(도 1에는 도시되어 있지 않음)와 유동 연통하고 연료와 공기를 연소 구역(106)으로 채널링한다. 연소기(104)는 연료를 점화하여 연소시킨다. 연소기(104)는 터빈 조립체(110)와 유동 연통하고 있고, 이 가스 스트림에 대해 열에너지가 기계적 회전 에너지로 변환된다. 터빈 조립체(110)는 회전자(112)에 회전 가능하게 결합하여 구동하는 터빈을 포함한다. 압축기(102)는 또한 회전자(112)에 회전 가능하게 결합된다. 예시적인 실시예에서, 복수의 연소기(104) 및 연료 노즐 조립체(108)가 존재한다.
도 2는 도 1의 가스 터빈 시스템과 함께 사용될 수도 있는 터보기계(100)(도 1)의 예시적인 터빈 조립체(110)의 단면도를 도시하고 있다. 터빈 조립체(110)의 터빈(111)은 터보기계(100)의 고정 케이싱(122)에 결합되고 회전 블레이드(124)의 열에 축방향으로 인접한 노즐 또는 베인(120)의 열을 포함한다. 노즐 또는 베인(126)은 반경방향 외부 플랫폼(128) 및 반경방향 내부 플랫폼(130)에 의해 터빈 조립체(110) 내에 유지될 수도 있다. 터빈 조립체(110) 내의 블레이드(124)의 열은 회전자(112)에 결합되어 회전자와 함께 회전하는 회전 블레이드(132)를 포함한다. 회전 블레이드(132)는 회전자(112)에 결합된 반경방향 내향 플랫폼(134)(블레이드의 루트에서) 및 반경방향 외향 팁 슈라우드(136)(블레이드의 팁에서)를 포함할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 본 개시내용의 교시가 이용될 수도 있는 터보기계의 예시적인 고온 가스 경로 터빈 구성요소(터빈 에어포일을 포함함)를 도시하고 있다. 도 3은 본 개시내용의 실시예가 이용될 수도 있는 유형의 회전자 블레이드(132)의 사시도를 도시하고 있다. 회전 블레이드(132)는 회전 블레이드(132)가 이에 의해 회전자(112)(도 2)에 부착하는 루트 또는 기부(140)를 갖는 본체(151)를 갖는 에어포일(150)을 포함한다. 기부(140)는 회전자(112)(도 2)의 회전자 휠(144)(도 2)의 주계에서 대응 더브테일 슬롯 내에 장착을 위해 구성된 더브테일(142)을 포함할 수도 있다. 기부(140)는 더브테일(142)과 플랫폼(148) 사이로 연장되는 섕크(146)를 더 포함할 수도 있는 데, 이는 에어포일(150)과 기부(140)의 접합부에 배치되고 터빈 조립체(110)를 통한 유동 경로의 내측 경계의 부분을 형성한다. 에어포일(150)은 작동 유체의 유동을 인터셉트하고 회전자 디스크가 회전하게 유도하는 회전 블레이드(132)의 능동 구성요소이다. 에어포일(150)의 본체(151)는 오목형 압력 측벽(PS)(152) 및 대향하는 선단 및 후단 에지(156, 158) 사이로 축방향으로 연장되는 원주방향 또는 측방향으로 대향하는 볼록형 흡인 측벽(SS)(154)을 각각 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다. 측벽(152, 154)은 또한 플랫폼(148)으로부터 외측 팁(160)으로 반경방향으로 연장된다.
도 4는 본 개시내용의 실시예가 이용될 수도 있는 유형의 고정 베인(170)의 사시도를 도시하고 있다. 고정 베인(170)은 고정 베인(170)이 이에 의해 터보기계의 고정 케이싱(122)(도 2)에 부착하는 외부 플랫폼(172)을 포함한다. 외부 플랫폼(172)은 케이싱 내의 대응 장착부 내에 장착을 위한 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 장착 구성을 포함할 수도 있다. 고정 베인(170)은 블레이드 플랫폼(148)에 대해 유동-경로를 밀봉하여, 회전자 공간 내로의 고온 가스 유동을 방지하기 위한 내부 플랫폼(174)[팁(160)(도 3)에 유사함]을 더 포함할 수도 있다. 플랫폼(172, 174)은 터빈 조립체(110)를 통한 유동 경로의 외측 및 내측 경계의 각각의 부분을 형성한다. 에어포일(176)은 작동 유체의 유동을 인터셉트하여 이를 회전 블레이드(132)(도 3)를 향해 지향하는 고정 베인(170)의 능동 구성요소라는 것이 이해될 수 있을 것이다. 고정 베인(170)의 에어포일(176)은 오목형 압력 측벽(PS)(178) 및 대향하는 선단 및 후단 에지(182, 184) 사이로 축방향으로 연장되는 원주방향 또는 측방향으로 대향하는 볼록형 흡인 측벽(SS)(180)을 각각 갖는 본체(171)를 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다. 측벽(178, 180)은 또한 플랫폼(172)으로부터 플랫폼(174)으로 반경방향으로 연장된다. 본 명세서에 설명된 본 개시내용의 실시예는 터빈 회전 블레이드(132) 및/또는 고정 베인(170)의 터빈 에어포일에 적용 가능한 양태를 포함할 수도 있다. 이들에 한정되는 것은 아니지만, 내부 냉각 구조체, 절결 형상, 외부벽 각형성/형상 등과 같은 본 명세서에 설명되지 않은 회전 블레이드(132) 또는 고정 베인(170)의 다른 특징부들이 특정 용례, 즉 회전자 블레이드 또는 베인을 위해 맞춤화될 수도 있다는 것이 이해된다.
도 5 내지 도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 단계의 다양한 단면도를 도시하고 있다. 방법이 적용될 수 있는 터빈 구성요소는 예를 들어, 본 명세서에 설명된 회전 블레이드(132) 또는 고정 베인(170) 중 임의의 것을 포함할 수도 있다. 또한, 터빈 구성요소(200)를 위해 생성된 냉각 통로는, 냉각을 필요로 하는 터빈 구성요소를 사용하는 가스 터빈 시스템 또는 임의의 다른 산업 기계에 적용되는 바와 같은, 본 명세서에서 전술된 바와 같은 에어포일(150, 176)과 함께 이용될 수도 있다. 어느 경우든, 터빈 구성요소는 내부면(212) 및 외부면(214)을 갖는 구성요소 벽(210)을 포함한다. 구성요소 벽(210)은 예를 들어, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 선단 에지(156)(도 3)와 후단 에지(158)(도 3) 사이로 연장되는 에어포일의 압력 측벽 또는 흡인 측벽으로서 사용될 수도 있다. 특정 실시예에 따르면, 본 개시내용의 실시예에 따른 냉각 통로가 적용되는 구성요소 벽(210)은 선단 에지(156)(도 3)(선단 에지벽으로서)에 배치된다. 언급된 바와 같이, 본 개시내용의 교시는 구성요소 벽(210)의 다른 위치에 적용 가능할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 구성요소 벽(210)은 터빈 구성요소의 용례에 따라 금속 또는 금속 합금을 포함할 수도 있다. 몇몇 예는 Rene 108, CM247, Haynes 합금, Incalloy, MP98T, TMS 합금, CMSX 단결정 합금을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 이해되는 바와 같이, 냉각제 챔버(216)가 구성요소 벽(210) 내에 통과할 수도 있다. 냉각제 챔버(216)는 압축기 또는 다른 냉각제 챔버와 같은 임의의 소스로부터 임의의 형태의 냉각제, 예를 들어 공기를 운반할 수도 있다. 당 기술 분야에서 이해되는 바와 같이, 냉각제 챔버(216)는 구성요소 벽(210) 내에서 다양한 형태 및 형상을 취할 수 있다. 구성요소 벽(210) 및 냉각제 챔버(216)는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 주조 및/또는 적층 제조와 같은 터빈 구성요소를 형성하기 위한 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 프로세스를 사용하여 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 냉각 통로를 형성하는 방법의 제1 단계의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 구성요소 벽(210)을 통과하고 내부면(212)과 외부면(214)을 유동 연결시키는 개구(220)가 형성된다. 개구(220)는 내부면(212)으로부터 계량 단부(224)로 연장되는 계량 섹션(222)을 포함할 수도 있다. 계량 섹션(222)은 예로서 냉각제 챔버(216)로부터 냉각제를 계량하도록, 예를 들어 유동 체적을 제어하도록 크기 설정된 임의의 개구를 포함할 수도 있다. 계량 섹션(222)은 임의의 단면 형상, 예를 들어 원형, 장방형 등을 가질 수도 있다. 개구(220)는 계량 단부(224)로부터 외부면(214)으로 연장되는, 명료화를 위해 음영 박스를 갖고 도시된 확산기 영역(226)을 또한 포함한다. 확산기 영역(226)은 결국에는 확산기 섹션(242)을 구성하는 부분, 뿐만 아니라 가능하게는 계량 섹션(222) 및/또는 계량 섹션(224)의 부분을 포함한다. 계량 단부(224)는 계량 섹션(222)이 확산기 영역(226)과 정합하도록 전이하는, 예를 들어 형상을 변화하는 위치를 포함할 수도 있다. 본 명세서에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 확산기 영역(226)[그리고, 설명되는 바와 같이, 그로부터 형성된 확산기 섹션(242)]은 외부면(214)을 향해 통과함에 따라 냉각제를 확산하는, 예를 들어 냉각제 유동을 확장하거나 확대하고 그 속도를 감소시키는 것이 가능한 임의의 형상을 가질 수도 있다.
도 5 및 도 6에서, 화살표는 터빈 구성요소의 작동 중에 외부면(214)을 가로지르는 작동 유체 유동의 방향을 도시하고 있다. 예에서, 상류측은 좌측이고, 하류측은 우측이다. 도 5는 작동 유체의 하류측 방향으로 지향된 계량 섹션(222)이 외부면(214)을 가로질러 유동하는(즉, 화살표에 따라), 즉 그 내부의 유동이 하류측 방향으로 이동하는 것을 도시하고 있다. 확산기 영역(226)은 또한 외부면(214)을 가로지르는 작동 유체 유동의 하류측 방향으로 지향된다. 이러한 배열은 둔각(α)에서 확산기 영역(226)의 내측면(232)에 만나는 계량 섹션(222)의 하류측 측면(230)을 갖는다. 대조적으로, 도 6은 외부면을 가로질러 작동 유체 유동의 상류측 방향으로, 즉 화살표에 대항하여 지향된 계량 섹션(222)을 도시하고 있고, 확산기 영역(226)은 외부면을 가로질러 작동 유체 유동의 하류측 방향으로, 즉 화살표에 따라 지향된다. 이러한 배열은 예각(β)으로 확산기 영역(226)의 내측면(232)에 만나는 계량 섹션(222)의 하류측 측면(230)을 갖는다. 추가의 설명을 위해, 실시예는 단지 도 6 실시예만을 개시할 것이지만, 본 개시내용의 교시는 임의의 각도에서 만나는 계량 섹션(222)과 확산기 영역(226)을 갖는 임의의 개구(220)에 적용 가능하다는 것이 강조된다. 어느 경우든, 개구(220)는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 주조, 적층 제조, 및/또는 드릴링, 방향성 드릴링, 연삭 등과 같은 가공과 같은 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 계량 섹션(222)은 확산기 영역(226)의 제1 드릴링, 이어서 제2 드릴링에 의해 형성될 수 있다.
도 7 내지 도 13은 계량 단부(224)로부터 외부면(214)까지 연장되는 확산기 섹션(242)을 갖는 냉각 통로(240)를 형성하기 위해 확산기 영역(226)의 부분을 폐쇄하도록 금속 캡 요소 재료(236)를 추가하는 다양한 실시예의 단면도를 도시하고 잇다. 냉각 통로(240)가 구성요소 벽(210)을 통해 연장되고 내부면(212)과 외부면(214)을 유동 연결시킨다. 도 8을 간략히 참조하면 그리고 더 상세히 설명될 것과 같이, 금속 캡 요소 재료(236)는 구성요소 벽(210)(적소에 있을 때)의 외부면(214)의 내부로 그리고 확산 영역(226) 내로 연장되어 확산기 섹션(242)의 내부 지향 섹션(246)을 형성하는 돌출부(244)를 포함할 수도 있다. 내부 지향 섹션(246)은 확산기 섹션(242)의 최외측 형상을 생성한다. 실시예에 무관하게, 돌출부(244)는 확산기 섹션(242)의 맞춤화된 형태를 생성하도록 성형되고 크기 설정될 수 있다. 이 방식으로, 복잡한 형상의 확산 섹션(242)이 구성요소 벽(210)의 전체의 적층 제조 없이 그리고 예를 들어, 드릴링 또는 가공을 위한 시야선 없이 생성될 수 있다. 돌출부(244)는 예를 들어, 다른 특징들 중에서도, 냉각제 유동 체적, 유량, 난류, 방향, 출구각, 확장(커버리지), 속도를 제어하도록 성형되고 크기 설정될 수 있다. 돌출부(244)는 직선형, 곡선형, 오목부 형성(dimpled), 조면화(rough surfaced)될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니지만, 팬 형상과 같은 임의의 확산기 형상을 제공할 수 있다.
도 7 내지 도 9에 도시되어 있는 실시예에서, 금속 캡 요소 재료(236)를 추가하는 것은 개구(220)의 확산기 영역(226)의 부분을 가로질러 예비성형된 금속 캡 요소(250)를 부착하는 것을 포함할 수도 있다. 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 구성요소 벽(210)과 적합 가능한 임의의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수도 있다. 부착은 이들에 한정되는 것은 아니지만 브레이징 또는 용접과 같은, 제공된 금속 또는 금속 합금과 적합 가능한 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 프로세스를 포함할 수도 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 일 실시예에서, 금속 캡 요소 재료(236)는 2개의 부분으로 추가될 수도 있다. 첫째로, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 예를 들어, 브레이징 또는 용접을 통해 제 위치에 부착되는, 개구(220)의 확산기 영역(226)의 외부 섹션(254)을 가로질러 연장되는 백킹 요소(252)를 포함할 수도 있다. 둘째로, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 금속 캡 요소 재료(236)를 추가하는 것은 백킹 요소(252) 상에 돌출부(244)를 형성하기 위해, 확산기 영역(226) 내의, 외부 섹션(254)을 가로지르는 위치에서, 백킹 요소(252)에 부가의 금속 캡 요소 재료(256)를 추가하는 것을 더 포함할 수도 있다. 이 방식으로, 백킹 요소(252)는 고정될 수 있고, 돌출부(244)는 백킹 요소(252)를 더 고정하도록 추가되고 성형될 수 있다. 부가의 금속 캡 요소 재료(256)는 이에 한정되는 것은 아니지만, 브레이징과 같은 다수의 방식으로 추가될 수 있다.
도 9에 도시되어 있는 다른 실시예에서, 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 즉, 확산기 영역(226)의 섹션(254)(도 7)을 가로지르는 부착 전에, 백킹 요소(252) 및 백킹 요소(252)로부터 연장되는 돌출부(244)를 포함할 수도 있다. 여기서, 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 단일편이다.
도 7 내지 도 9 실시예에 대해 이해될 수 있는 바와 같이, 금속 캡 요소 재료(236)의 추가 전에, 예비성형된 금속 캡 요소(250)의 적어도 일부는 브레이징, 적층 제조, 및 가공 중 하나에 의해 형성될 수도 있는 데, 즉 구성요소 벽(210)으로부터 분리될 수도 있다. 언급된 바와 같이, 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 구성요소 벽(210)과 적합 가능한 임의의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수도 있다.
예를 들어 도 7 및 도 8 실시예에 대해 도시되어 있는 바와 같이, 개구(220)를 형성하는 것은 외부면(214)에서 확산기 영역(226)의 부분에 대해 금속 캡 요소 시트(260)를 형성하는 것을 또한 선택적으로 포함할 수도 있다. 도 7 및 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 예를 들어, 브레이징 중 및 그 후에 금속 캡 요소 시트(260) 내에 안착한다. 금속 캡 요소 시트(260)는 개구(220)의 확산기 영역(226)의 부분에 대해 임의의 길이로 연장될 수도 있고, 예비성형된 금속 캡 요소(250)를 위치설정하고 유지하는 것을 지원하도록 요구되는 임의의 형상을 가질 수도 있다.
도 10에 도시되어 있는 다른 실시예에서, 금속 캡 요소 재료(236)는 개구(220)의 확산기 영역(226)의 외부 섹션(254)(도 7)을 가로질러 연장되는 장소 내로 직접 추가될 수도 있다(예비성형된 캡 요소로서가 아니라). 즉, 금속 캡 요소 재료(236)는 돌출부(244)를 포함하는 장소 내로 추가된다. 이 프로세스는 예를 들어, 브레이징 또는 용접을 포함할 수도 있다. 금속 캡 요소 재료(236)는 구성요소 벽(210)과 적합 가능한 임의의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수도 있다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 본 개시내용의 실시예에 따라 형성된 터빈 구성요소(200)는 내부면(212) 및 외부면(214)을 갖는 구성요소 벽(210), 및 냉각 통로(240)를 포함할 수도 있다. 언급된 바와 같이, 냉각 통로(들)(240)는 터빈 구성요소(200)를 냉각하기 위해 구성요소 벽(210) 내에 필요한 임의의 장소에서 사용될 수도 있다. 냉각 통로(240)는 내부면(212)으로부터 계량 단부(224)로 연장되는 계량 섹션(222)을 형성하고, 계량 섹션(222)으로부터 외부면(214)으로 연장되는 확산기 섹션(242)의 내부 부분(272)을 형성하는 개구(270)를 포함한다. 설명된 바와 같이, 확산기 섹션(242)은 본 명세서에 설명된 임의의 다양한 실시예에 따라 확산기 영역(226) 내에 금속 캡 요소 재료(236)를 추가함으로써 생성된다. 금속 캡 요소 재료(236)는 형태에 무관하게, 개구(220)의 부분, 예를 들어 개구(220)의 확산기 영역(226)의 외부 섹션(254)(도 6)을 폐쇄하여, 냉각제가 외부면(214)을 가로질러 통과할 수 있는 출구(278)를 남겨둔다. 금속 캡 요소 재료(236)(형태에 무관하게)는 구성요소 벽(210)의 외부면(214)의 내부로 연장되어 확산기 섹션(242)의 내부 지향 섹션(246)을 형성하는 돌출부(244)를 포함한다.
도 5에 대해 본 명세서에 언급된 바와 같이, 터빈 구성요소(200)는 외부면(214)을 가로질러 작동 유체 유동의 상류측 방향으로(즉 화살표에 따라) 지향된 계량 섹션(222)을 가질 수도 있고, 확산기 섹션(242)은 또한 외부면(214)을 가로질러 작동 유체 유동의 하류측 방향으로 지향될 수도 있다. 이러한 배열은 둔각(α)에서 (이제) 확산기 섹션(242)의 내측면(232)에 만나는 계량 섹션(222)의 하류측 측면(230)을 갖는다. 대조적으로, 도 7 내지 도 9에 대해 설명된 바와 같이, 계량 섹션(222)은 외부면을 가로질러 작동 유체 유동의 상류측 방향으로, 즉 화살표에 대항하여 지향될 수도 있고, 확산기 섹션(242)은 외부면(214)을 가로질러 작동 유체 유동의 하류측 방향으로, 즉 화살표에 따라 지향될 수도 있다. 이러한 배열은 예각(β)으로 (이제) 확산기 섹션(242)의 내측면(232)에 만나는 계량 섹션(222)의 하류측 측면(230)을 갖는다. 제공되면, 90° 이하의 각도에서 확산기 섹션(242)에 교차하는 계량 섹션(222)은 도 5의 배열에 비교하여 더 양호하게 냉각제를 확장하도록 작용한다. 이 배열은 또한 표면 상에 높은 열전달을 생성하고 패키징하여, 부가의 냉각 이익을 제공하기 위해 유리하다.
돌출부(244) 및 내부 지향 섹션(246)은 또한 확산기 섹션(242)을 맞춤화하도록 성형되고 크기 설정될 수 있다. 다양한 형상이 도면에 도시되어 있다. 돌출부(244)는 이산 구조체는 아니고, 확산기 섹션(242)의 전체 폭을 가로질러 연장된다. 확산기 섹션(242) 및 또한 출구(278) 크기 및 형상은 본 개시내용에 따른 프로세스를 사용하여 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 확산기 섹션(242)은 외부면(214)에서 그 제2 단면적과는 상이한 계량 단부(224)에서의 제1 단면적을 포함한다. 도 8 및 도 8의 라인 11-11을 따른 도 11의 단면도에 도시되어 있는 바와 같이, 계량 단부(224)에서의 확산기 섹션(242)의 제1 단면적은 외부면(214)에서 확산기 섹션(242)의 제2 단면적보다 작을 수도 있다. 이는 도 8에 도시되어 있는 제1 수직 평면에서, 그리고 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 구성요소 벽(210)을 통해 연장되는 제2 평면에서 해당할 수도 있다. 이 경우에, 확산기 섹션(242)은 외부면을 가로질러 작동 유체 유동의 하류측 방향으로 지향되고, 계량 단부(224)와 만나는 좁은 내부 단부 그리고 외부면(214)에 있는 출구(278)(도 8 및 도 11)에서 넓은 외부 단부를 포함한다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 다른 비한정적인 예에서, 확산기 섹션(242)은 제1 평면, 예를 들어, 도 12에 도시되어 있는 평면에서, 계량 단부(224)와 만나는 넓은 내부 단부 및 외부면(214), 예를 들어 출구(278)에서의 좁은 외부 단부를 포함할 수도 있다. 대조적으로, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 도 12의 제1 평면에 수직인 제2 평면에서, 확산기 섹션(242)은 계량 단부(224)와 만나는 좁은 내부 단부 및 외부면(214)에 있는 넓은 외부 단부[즉, 출구(278)]를 포함할 수도 있다.
출구(278)는 또한 냉각제 유동 특징을 맞춤화하도록 성형되고 크기 설정될 수 있다. 도 11 및 도 13의 출구(278)를 비교함으로써 관찰될 수 있는 바와 같이, 출구(278)는 다양한 크기를 갖도록 제조될 수 있다는 것을 주목하라.
임의의 전술된 실시예는 외부면(214) 위에 세라믹 코팅(280)(도 12에만 가상선으로 도시되어 있음)을 도포하는 것을 또한 포함할 수도 있다. 세라믹 코팅(280)은 예를 들어, 필요하면, 접합 코팅층, 및 열적 배리어 코팅(TBC) 층, 또는 TBC 층만을 포함할 수도 있다. 접합 코팅층은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 니켈 또는 플래티늄 알루미나이드, 니켈 크롬 알루미늄 이트륨(NiCrAlY), 또는 니켈 코발트 크롬 알루미늄 이트륨(NiCoCrAlY)과 같은 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 접합 코팅 재료를 포함할 수도 있다. TBC 층은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 이트리아-안정화된 지르코니아(YSZ), 멀라이트, 및 알루미나와 같은 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 TBC 재료를 포함할 수도 있다. 세라믹 코팅(280)은 또한 열적으로 성장된 산화물과 같은 부가의 층을 포함할 수도 있다. 세라믹 코팅(280)은 예를 들어, 도포 중에 출구(278)를 통한 유체 유동의 인가에 의해, 출구(278)를 그를 통해 개방 유지하도록 도포될 수도 있고, 또는 출구(278)를 폐쇄할 수도 있어 적응성 냉각 방안, 즉 냉각 통로(240)가 예를 들어, 세라믹 코팅(280) 내의 과잉의 열 또는 파쇄에 의해 출구(278)에서 세라믹 코팅(280)의 제거 시에 작동하는 것을 생성한다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 터빈 구성요소 상에 냉각 통로를 형성하는 방법의 다른 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 개구(220)는 이전의 실시예에 대해 설명된 것과 유사하게 형성된다. 도 16에서, 하나 초과의 개구(220)가 도시되어 있다. 개구(220)는 도 6의 형태를 갖지만, 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 형태일 수 있다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 개구(220)는 구성요소 벽(210)을 통과하고 내부면(212)과 외부면(214)을 유동 연결시킨다. 개구(220)는 내부면(212)으로부터 계량 단부(224)로 연장되는 계량 섹션(222)을 포함하고, 확산기 영역(226)이 계량 단부(224)로부터 외부면(214)을 향해 연장된다. 단지 도 16의 예에만 도시되어 있지만, 도 14 내지 도 16의 임의의 실시예에 적용 가능한 바와 같이, 개구(220) 형성은 외부면(214)에서 확산기 영역(226)에 대해 캡 요소 시트(360)를 형성하는 것을 포함할 수도 있다.
도 7 내지 도 13에 대조적으로, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이 본 실시예에서, 금속 캡 요소 재료(336)를 추가하는 것은 외부면(214)에서 개구(220)의 확산기 영역(226)을 폐쇄하고 계량 단부(224)로부터 외부면(214)[그리고 금속 캡 요소 재료(336)의 내측면]으로 연장되는 확산 섹션(342)을 형성한다. 금속 캡 요소 재료(336)는 구성요소 벽(210)의 외부면(214)의 내부로 그리고 확산 영역(226) 내로 연장되어 확산 섹션(342)의 내부 지향 섹션(346)을 형성하는 돌출부(344)를 포함한다. 금속 캡 요소 재료(336)는 도 7 내지 도 13에 대해 설명된 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 이는 백킹 요소를 결합하고 브레이징 및/또는 적층 제조에 의해 돌출부를 추가함으로써, 돌출부를 포함하는 예비성형된 금속 캡 요소를 추가함으로써, 또는 브레이징 및/또는 적층 제조 등을 통해 금속 캡 요소 재료를 추가함으로써 형성될 수도 있다. 본 대안적인 실시예의 설명을 위해, 도 14 및 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 금속 캡 요소 재료(336)는 그에 결합된 돌출부(344)를 갖는 금속 백킹 요소(352)를 포함할 수도 있다. 도 14 및 도 15에 가상선으로 도시되어 있는 선택적 실시예에서, 방법의 실시예는 개구(220)를 가로질러 그에 결합하기 전에 금속 백킹 요소(352) 위에 세라믹 코팅(380)을 도포하는 것을 더 포함할 수도 있다. 세라믹 코팅(380)(별도로 도시되어 있지 않음)은 임의의 전술된 층 및 재료를 포함할 수도 있다.
캡 요소 시트(360)(도 16만)가 제공되는 경우에, 금속 캡 요소 재료(336)를 추가하는 것은 외부면(214)에서 개구(220)의 확산기 영역(226)을 폐쇄하도록 캡 요소 시트(360) 내에 금속 캡 요소(350)를 추가하는 것을 포함할 수도 있다. 그렇지 않으면, 금속 캡 요소(350)는 외부면(314)에 직접 장착될 수도 있다.
도 15는 금속 캡 요소 재료(336)의 섹션이 제거되어[즉, 외부면(214)에서 개구(220)로부터] 냉각 통로(340)를 형성하게 하는 다양한 형태를 도시하고 있다. 재료(336)가 제거될 때, 냉각 통로(340)는 금속 캡 요소 재료(336) 및 구성요소 벽(310)[및 제공되면, 임의의 세라믹 코팅(380)]을 통해 연장되어 내부면(212)과 외부면(214)을 유동 연결시킨다. 일 실시예에서, 캡 요소 재료(336)의 섹션이 제거되게 하는 것은 제공되면 세라믹 코팅(380), 및 금속 백킹 요소(352)를 통해 구멍을 가공하는 것을 포함한다. 가공은 예를 들어, 드릴링, 연삭, 에칭 등과 같은, 구멍을 개방하기 위한 임의의 현재 공지된 또는 이후에 개발될 프로세스를 포함할 수도 있다. [세라믹 코팅(380)은 대안적으로 출구(378) 형성 후에 도포되어 이를 폐쇄하거나 또는 개방 방치할 수도 있다는 것이 주목된다.] 다른 실시예에서, 캡 요소 재료(336)의 섹션이 제거되게 하는 것은 터빈 구성요소(200)의 작동 중에 세라믹 코팅(380)(제공되면) 및 금속 백킹 요소(352)를 통해 확산기 섹션(342)으로 구멍을 형성하는 것을 포함한다. 이 최근의 적응성 냉각 프로세스는 가능하게는 세라믹 코팅(380) 내의 파쇄에 의해 유발되는, 개구(220)에서 세라믹 코팅(380) 및/또는 금속 백킹 요소(352)를 제거하기 위한 충분한 열과 같은 환경 조건이 요구하는 경우에만 냉각을 허용할 수도 있다.
도 16은 개구(220) 형성이 복수의 이산 개구(220)를 형성하는 것을 포함하고, 부가의 금속 캡 요소 재료(336)를 추가하는 것은 외부면(214)에서 복수의 개구(220)의 각각의 확산기 영역(226)을 폐쇄하도록 금속 캡 요소 재료를 추가하는 것을 포함하는 실시예를 도시하고 있다. 여기서, 금속 캡 요소 재료(336)의 섹션이 제거되어 냉각 통로(340)를 형성하게 하는 것은 복수의 개구 중 하나 이상에서 발생한다. 다수의 개구(220)의 사용이 도 14 내지 도 16 실시예에서만 도시되어 있지만, 도 7 내지 도 13 실시예의 교시는 복수의 개구(220)에 또한 적용될 수 있다는 것이 이해된다.
본 개시내용의 실시예는 이용되는 터보기계가 증가된 점화 온도를 통해 더 효율적이게 하거나 전체로서 냉각 사용량을 감소시키는, 증가된 냉각 유효성을 갖는 구성요소 벽을 갖는 터빈 구성요소, 예를 들어 에어포일, 블레이드 및/또는 노즐을 제공한다. 본 개시내용의 실시예는 일반적으로 시야선을 필요로 할 것이고 가능한 다양한 형상에서 제한될 것인 기하학적 형상을 가질 수 있는 냉각 통로를 위한 확산기 섹션을 제공한다. 실시예는 따라서 시야선 없이 적층 제조 없이 임의의 형태의 확산기 섹션 형상을 제조할 수 있게 한다. 터빈 구성요소는, 예를 들어 고온 또는 세라믹 코팅 파쇄와 같은 환경 조건이 요구할 때에만 개방하는 적응성 냉각을 가능하게 하도록, 가능하게는 세라믹 코팅을 갖고 구성될 수 있고 또는 개방된 냉각 통로를 갖고 형성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 냉각 통로의 냉각 유효성은 종래의 통로보다 높다. 제공된 향상된 유효 냉각은 금속 온도의 감소 및 TBC 파쇄의 감소된 가망성을 통해 부품 수명을 연장시킬 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 실시예는 또한 미계획된 운전 정지의 가망성을 감소시키고 부분이 수리되어야 하는 시간의 주기를 증가시킬 수 있다. 냉각 통로 표면적은 모든 실시예에서 전통적인 구멍보다 클 수도 있는 데, 이는 또한 내부 냉각을 증가시킨다. 본 개시내용의 교시는 에어포일의 선단 에지벽에 특히 유리하지만, 또한 에어포일 상의 다른 장소에도 적용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이고, 본 개시내용의 한정이 되도록 의도된 것은 아니다. 본 명세서에 사용될 때, 단수 형태의 표현은 문맥상 명백하게 달리 지시되지 않으면, 복수의 형태를 마찬가지로 포함하도록 의도된다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징부, 완전체, 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 상술하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 완전체, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니라는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다. "선택적" 또는 "선택적으로"는 이후에 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생할 수도 있고 또는 발생하지 않을 수도 있다는 것, 그리고 설명이 이벤트가 발생하는 경우 및 그렇지 않은 경우를 포함하는 것을 의미한다.
상세한 설명 및 청구범위의 전체에 걸쳐 본 명세서에 사용되는 바와 같은, 근사 용어(approximating language)는, 그가 관련되는 기본적 기능의 변화를 야기하지 않고 허용 가능하게 변동할 수 있는, 임의의 정량적 표현을 수식하기 위해 적용될 수 있을 것이다. 이에 따라, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식되는 값은 지정된 정확한 값에 한정되는 것은 아니다. 적어도 일부의 경우에, 근사 용어는, 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 대응할 수도 있다. 여기서 그리고 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 범위 한정은 조합될 수도 있고 그리고/또는 상호 교환될 수도 있으며, 그러한 범위들은 식별되며 그리고 문맥 또는 언어가 달리 지시하지 않는 한, 그 내부에 포함되는 모든 하위 범위들을 포함한다. "대략"은 범위의 특정 값에 적용될 때 양 값에 적용되고, 값을 측정하는 도구의 정밀도에 다른 방식으로 의존하지 않으면, 언급된 값(들)의 +/-5%를 지시할 수도 있다.
이하의 청구범위의 모든 수단 또는 방법 플러스 기능 요소의 대응 구조, 재료, 작동, 및 등가물은 구체적으로 청구된 바와 같은 다른 청구된 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료, 또는 작동을 포함하도록 의도된다. 본 개시내용의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었고, 철저하거나 또는 개시된 형태의 개시내용에 한정되도록 의도된 것은 아니다. 다수의 수정 및 변형이 본 개시내용의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 실시예는 본 개시내용 및 실용적인 용례의 원리를 최선으로 설명하기 위해, 그리고 고려된 특정 사용에 적합되는 바와 같은 다양한 수정을 갖고 당 기술 분야의 숙련자들이 다양한 실시예에 대해 본 개시내용을 이해할 수 있게 하기 위해 선택되고 기술되었다.
100 : 터보기계 102 : 압축기
104 : 연소기 106 : 연소 구역
108 : 연료 노즐 조립체 110 : 터빈 조립체
111 : 터빈 112 : 회전자
120 : 베인 122 : 고정 케이싱
124 : 회전 블레이드 126 : 베인
128 : 외부 플랫폼 130 : 내부 플랫폼
132 : 회전 블레이드 134 : 내향 플랫폼
136 : 외향 팁 슈라우드 140 : 기부
142 : 더브테일 144 : 회전자 휠
146 : 섕크 148 : 블레이드 플랫폼
150 : 에어포일 151 : 본체
152 : 오목형 압력 측벽 154 : 볼록형 흡인 측벽
156 : 선단 에지 158 : 후단 에지
160 : 외측 팁 170 : 고정 베인
171 : 본체 172 : 외부 플랫폼
174 : 내부 플랫폼 176 : 에어포일
178 : 오목형 압력 측벽 180 : 볼록형 흡인 측벽
182 : 선단 에지 184 : 후단 에지
200 : 터빈 구성요소 210 : 구성요소 벽
212 : 내부면 214 : 외부면
216 : 냉각제 챔버 220 : 개구
222 : 계량 섹션 224 : 계량 단부
226 : 확산기 영역 230 : 하류측 측면
232 : 내측면 236 : 금속 캡 요소 재료
240 : 냉각 통로 242 : 확산기 섹션
244 : 돌출부 246 : 내부 지향 섹션
250 : 금속 캡 요소 252 : 백킹 요소
254 : 외부 섹션 256 : 금속 캡 요소 재료
260 : 금속 캡 요소 시트 270 : 개구
272 : 내부 부분 278 : 출구
280 : 세라믹 코팅 310 : 구성요소 벽
314 : 외부면 336 : 캡 요소 재료
340 : 냉각 통로 342 : 확산 섹션
344 : 돌출부 346 : 섹션
350 : 금속 캡 요소 352 : 금속 백킹 요소
360 : 캡 요소 시트 378 : 출구
380 : 세라믹 코팅

Claims (15)

  1. 내부면(212) 및 외부면(214, 314)을 갖는 구성요소 벽(210, 310)을 갖춘 터빈 구성요소(200) 상에 냉각 통로(240, 340)를 형성하는 방법으로서,
    상기 구성요소 벽(210, 310)을 통과하고 상기 내부면(212)과 상기 외부면(214, 314)을 유동 연결시키는 개구(270)를 형성하는 단계로서, 상기 개구(270)는, 상기 내부면(212)으로부터 계량 단부(224)로 연장되는 계량 섹션(222), 및 상기 계량 단부(224)로부터 상기 외부면(214, 314)으로 연장되는 확산기 영역(226)을 포함하는 것인 단계;
    상기 계량 단부(224)로부터 상기 외부면(214, 314)으로 연장되는 확산 섹션(242, 342)을 갖는 냉각 통로(240, 340)를 형성하기 위해 상기 확산기 영역(226)의 일부를 폐쇄하도록 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하는 단계로서, 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)는 상기 구성요소 벽(210, 310)의 외부면(214, 314)의 내측으로 그리고 확산 영역 내로 연장되어 상기 확산기 섹션(242, 342)의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부(244, 344)를 포함하는 것인 단계
    를 포함하고,
    상기 냉각 통로(240, 340)는 상기 구성요소 벽(210, 310)을 통해 연장되고 상기 내부면(212)과 상기 외부면(214, 314)을 유동 연결시키는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하는 단계는, 상기 개구(270)의 확산 영역의 부분을 가로질러, 예비성형된 금속 캡 요소(250)를 부착하는 것을 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 상기 개구(270)의 확산 영역의 외부 섹션(254)을 가로질러 연장되는 백킹 요소(252, 352)를 포함하고,
    상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하는 단계는, 상기 백킹 요소(252, 352) 상에 돌출부(244, 344)를 형성하기 위해, 상기 확산 영역 내의 상기 백킹 요소(252, 352)에 부가의 금속 캡 요소 재료(256)를 추가하는 것을 더 포함하는 것인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 예비성형된 금속 캡 요소(250)는 백킹 요소(252, 352) 및 상기 백킹 요소(252, 352)로부터 연장되는 돌출부(244, 344)를 포함하는 것인 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하기 전에, 브레이징, 적층 제조 및 가공 중 적어도 하나에 의해 상기 예비성형된 금속 캡 요소(250)의 적어도 일부를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 개구(270)를 형성하는 단계는 상기 외부면(214, 314)에서 상기 확산기 영역(226)의 적어도 일부에 대해 금속 캡 요소 시트(260, 360)를 형성하는 것을 포함하고, 상기 예비성형된 금속 캡 요소 시트(260, 360)는 부착 중에 상기 금속 캡 요소 시트(260, 360) 내에 있는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 확산기 섹션(242, 342)은, 제1 평면에, 상기 계량 단부(224)와 만나는 좁은 내부 단부 및 상기 외부면(214, 314)에 있는 넓은 외부 단부를 포함하는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 확산기 섹션(242, 342)은, 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에, 상기 계량 단부(224)와 만나는 넓은 내부 단부 및 상기 외부면(214, 314)에 있는 좁은 외부 단부를 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 계량 섹션(222)은 상기 외부면(214, 314)을 가로질러 작동 유체 유동의 상류측 방향으로 지향되고, 상기 확산기 영역(242, 342)은 상기 외부면(214, 314)을 가로질러 작동 유체 유동의 하류측 방향으로 지향되고,
    상기 계량 섹션(222)의 하류측 측면(230)은 상기 확산기 섹션(242, 342)의 내측면(232)에 예각으로 만나는 것인 방법.
  10. 내부면(212) 및 외부면(214, 314)을 갖는 구성요소 벽(210, 310)을 갖춘 터빈 구성요소(200) 상에 냉각 통로(240, 340)를 형성하는 방법으로서,
    상기 구성요소 벽(210, 310)을 통과하고 상기 내부면(212)과 상기 외부면(214, 314)을 유동 연결시키는 개구(270)를 형성하는 단계로서, 상기 개구(270)는, 상기 내부면(212)으로부터 계량 단부(224)로 연장되는 계량 섹션(222), 및 상기 계량 단부(224)로부터 상기 외부면(214, 314)을 향해 연장되는 확산기 영역(226)을 포함하는 것인 단계;
    상기 외부면에서 상기 개구(270)의 확산기 영역(226)을 폐쇄하고 상기 계량 단부(224)로부터 상기 외부면(214, 314)으로 연장되는 확산 섹션(242, 342)을 형성하도록 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하는 단계로서, 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)는, 상기 구성요소 벽(210, 310)의 외부면(214, 314)의 내측으로 그리고 확산 영역 내로 연장되어 확산 섹션(242, 342)의 내부 지향 섹션을 형성하는 돌출부(244, 344)를 포함하는 것인 단계;
    상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)의 섹션이 제거되어 냉각 통로(240, 340)를 형성하게 하는 단계로서, 상기 냉각 통로(240, 340)는 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336) 및 상기 구성요소 벽(210, 310)을 통해 연장되어 상기 내부면(212)과 상기 외부면(214, 314)을 유동 연결시키는 것인 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 개구(270)를 형성하는 단계는 상기 외부면(214, 314)에서 상기 확산기 영역(226)에 대해 캡 요소 시트(260, 360)를 형성하는 것을 포함하고, 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하는 단계는 상기 외부면에서 상기 개구(270)의 확산기 영역(226)을 폐쇄하도록 상기 캡 요소 시트(260, 360) 내에 금속 캡 요소를 추가하는 것을 포함하고, 상기 금속 캡 요소는 돌출부(244, 344)를 포함하는 것인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 추가하는 단계는,
    상기 개구(270)의 확산 영역을 폐쇄하기 위해,
    상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 부착하는 것, 또는
    상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)를 적층 제조하는 것
    중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 금속 캡 요소 재료(236, 336)는, 돌출부(244, 344)가 결합되어 있는 금속 백킹 요소(252, 352)를 포함하고, 상기 방법은,
    상기 금속 백킹 요소(252, 352) 위에 세라믹 코팅(280, 380)을 도포하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 캡 요소 재료(236, 336)의 섹션이 제거되게 하는 단계는 상기 세라믹 코팅(280, 380) 및 상기 금속 백킹 요소(252, 352)를 통해 구멍을 가공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 캡 요소 재료(236, 336)의 섹션이 제거되게 하는 단계는, 상기 터빈 구성요소(200)의 작동 중에 상기 세라믹 코팅(280, 380) 및 상기 금속 백킹 요소(252, 352)를 통해 확산기 섹션(242, 342)으로 구멍을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
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