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KR102738347B1 - 모달 주파수 응답 튜닝을 포함하는 터빈 에어포일 - Google Patents

모달 주파수 응답 튜닝을 포함하는 터빈 에어포일 Download PDF

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KR102738347B1
KR102738347B1 KR1020227002974A KR20227002974A KR102738347B1 KR 102738347 B1 KR102738347 B1 KR 102738347B1 KR 1020227002974 A KR1020227002974 A KR 1020227002974A KR 20227002974 A KR20227002974 A KR 20227002974A KR 102738347 B1 KR102738347 B1 KR 102738347B1
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airfoil
turbine airfoil
turbine
wall
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데니스 토레스 곤잘레스
매튜 제이. 골젠
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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

터빈 에어포일(10)은 에어포일 바디(12), 및 에어포일 바디(12)의 내부 부분에 포지셔닝되고 에어포일 바디(12)의 스팬-와이즈 범위를 따라 연장되는 일반적으로 중공의 유동 변위 엘리먼트(30)를 포함한다. 유동 변위 엘리먼트(30)는 내부에 비활성 캐비티(40)를 정의한다. 유동 변위 엘리먼트(30)는 제1 벽 근처 냉각 유동 채널(92) 및 제2 벽 근처 냉각 유동 채널(94)을 각각 정의하도록 에어포일 바디(12)의 가압 측벽(20) 및 흡입 측벽(22)으로부터 이격된다. 유동 변위 엘리먼트(30)는 벽 근처 냉각 유동 채널들(92, 94)을 향하는 외부 표면(36) 및 비활성 캐비티(40)를 향하는 내부 표면(38)을 포함한다. 비활성 캐비티(40)를 향하는 내부 표면(38)은, 터빈 에어포일(10)의 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미쳐서 터빈 에어포일(10)의 미리 결정된 모달 주파수 응답을 생성하도록 구성된 피처들(50)을 포함한다.

Description

모달 주파수 응답 튜닝을 포함하는 터빈 에어포일
[0001] 본 개시내용은 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)들에서 사용되는 에어포일(airfoil)들에 관한 것으로, 특히, 튜닝된 모달 주파수 응답(tuned modal frequency response)을 갖는 터빈 에어포일 및 그러한 터빈 에어포일을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
[0002] 가스 터빈 엔진과 같은 터보머신(turbomachine)에서, 공기는 압축기 섹션(section)에서 가압되고, 이어서, 연료와 혼합되고 연소기 섹션에서 연소되어, 고온 연소 가스들을 생성한다. 고온 연소 가스들은 엔진의 터빈 섹션 내에서 팽창되며, 여기서, 압축기 섹션에 전력을 공급하기 위해 그리고 전기를 생산하도록 발전기를 돌리는 것과 같은 유용한 작업을 생성하기 위해 에너지(energy)가 추출된다. 고온 연소 가스들은 터빈 섹션 내의 일련의 터빈 스테이지(stage)들을 통해 이동한다. 터빈 스테이지는 고정 에어포일들, 즉, 베인(vane)들의 열(row), 이후에 회전 에어포일들, 즉, 터빈 블레이드(blade)들의 열을 포함할 수 있으며, 여기서, 터빈 블레이드들은 출력 전력을 제공하기 위해 고온 연소 가스들로부터 에너지를 추출한다.
[0003] 터빈 에어포일들의 모달 주파수 응답 튜닝(tuning)은, 공진을 회피하기 위해, 에어포일들의 고유 진동 주파수를 가스 터빈 엔진의 동작 속도 범위 밖으로 이동시키도록 에어포일들을 수정하는 것을 수반한다. 터빈 에어포일들의 모달 주파수 응답 튜닝은, 공진으로부터 멀어지게 설계를 조종하기 위해 이용가능한 제한된 수의 설계 파라미터(parameter)들로 인해 난제일 수 있다. 더욱이, 현재 이용가능한 설계 파라미터들은 여러 모달 주파수들에 동시에 커플링되며(coupled), 이는 설계 트레이드오프(tradeoff)들을 초래할 수 있다.
US 2019/0093487 A1 (2019.03.28.) US 2010/0129554 A1 (2010.05.27.) JP 2010-525229 A (2010.07.22.)
[0004] 간략하게, 본 개시내용의 양상들은, 내부 유동 변위 엘리먼트(element)의 기하학적 구조를 수정하는 것에 의한 터빈 에어포일들의 모달 주파수 응답 튜닝에 관한 것이다.
[0005] 제1 양상에 따르면, 터빈 에어포일이 제공된다. 터빈 에어포일은 외벽에 의해 형성된 에어포일 바디(body)를 포함하며, 외벽은 리딩 에지(leading edge)에서 그리고 트레일링(trailing) 에지에서 결합된 가압 측벽(pressure side wall) 및 흡입 측벽을 포함한다. 터빈 에어포일은, 에어포일 바디의 내부 부분에 포지셔닝되고(positioned) 에어포일 바디의 스팬-와이즈 범위(span-wise extent)를 따라 연장되는 일반적으로 중공의 유동 변위 엘리먼트를 더 포함한다. 유동 변위 엘리먼트는 내부에 비활성 캐비티(cavity)를 정의한다. 유동 변위 엘리먼트는 제1 벽 근처 냉각 유동 채널(channel) 및 제2 벽 근처 냉각 유동 채널을 각각 정의하도록 가압 측벽 및 흡입 측벽으로부터 이격된다. 유동 변위 엘리먼트는 상기 벽 근처 냉각 유동 채널들을 향하는 외부 표면 및 비활성 캐비티를 향하는 내부 표면을 포함한다. 비활성 캐비티를 향하는 내부 표면은, 터빈 에어포일의 질량 및/또는 스티프니스(stiffness)에 영향을 미쳐서 터빈 에어포일의 미리 결정된 모달 주파수 응답을 생성하도록 구성된 피처(feature)들을 포함한다.
[0006] 제2 양상에 따르면, 터빈 엔진에서 사용하기 위한 튜닝된 모달 주파수 응답을 갖는 터빈 에어포일을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 터빈 에어포일의 제1 기하학적 구조를 획득하는 단계를 포함한다. 제1 기하학적 구조는, 외벽에 의해 형성된 에어포일 바디 ―외벽은 리딩 에지에서 그리고 트레일링 에지에서 결합된 가압 측벽 및 흡입 측벽을 포함함―, 및 에어포일 바디의 내부 부분에 포지셔닝되고 에어포일 바디의 스팬-와이즈 범위를 따라 연장되는 일반적으로 중공의 유동 변위 엘리먼트에 의해 정의된, 터빈 에어포일의 공칭 기하학적 구조이다. 유동 변위 엘리먼트는 내부에 비활성 캐비티를 정의한다. 유동 변위 엘리먼트는 제1 벽 근처 냉각 유동 채널 및 제2 벽 근처 냉각 유동 채널을 각각 정의하도록 가압 측벽 및 흡입 측벽으로부터 이격된다. 유동 변위 엘리먼트는 상기 벽 근처 냉각 유동 채널들을 향하는 외부 표면 및 비활성 캐비티를 향하는 내부 표면을 포함한다. 방법은, 터빈 에어포일의 제1 기하학적 구조와 연관된 제1 고유 주파수를 결정하고, 제1 고유 주파수가 터빈 엔진의 정의된 동작 속도 범위 내에서 발생하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 방법은, 터빈 에어포일의 제2 기하학적 구조를 결정하는 단계를 더 포함하고, 비활성 캐비티를 향하는, 유동 변위 엘리먼트의 내부 표면 상에 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들의 제공(provision) 시에, 제2 기하학적 구조는 제1 기하학적 구조와 상이하다. 제2 기하학적 구조는 터빈 엔진의 정의된 동작 속도 범위 밖에서 발생하는 제2 고유 주파수와 연관된다. 이어서, 방법은, 결정된 제2 기하학적 구조에 기반하여 터빈 에어포일을 제조하는 단계를 포함한다.
[0007] 본 발명은 도면들의 도움으로 더 상세히 도시된다. 도면들은 바람직한 구성들을 도시하며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
[0008] 도 1은 터빈 에어포일의 사시도이고;
[0009] 도 2는 도 1의 섹션(Ⅱ-Ⅱ)을 따르는 단면도이고;
[0010] 도 3은 내부 유동 변위 엘리먼트의 공칭 기하학적 구조를 예시하는, 도 2의 섹션(Ⅲ-Ⅲ)을 따르는 단면도이고;
[0011] 도 4는 일 실시예에 따른 내부 유동 변위 엘리먼트의 수정된 기하학적 구조를 예시하는, 도 3의 도면에 대응하는 단면도이고;
[0012] 도 5는 추가적인 실시예들에 따른 내부 유동 변위 엘리먼트의 수정된 기하학적 구조를 예시하는, 도 2의 도면에 대응하는 단면도이고;
[0013] 도 6은 도 5의 섹션(Ⅵ-Ⅵ)을 따르는 단면도이고;
[0014] 도 7은 또 추가적인 실시예에 따른 내부 유동 변위 엘리먼트의 수정된 기하학적 구조를 예시하는, 도 6의 도면에 대응하는 단면도이며; 그리고
[0015] 도 8은 일 실시예에 따른, 에어포일을 제조하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0016] 다양한 실시예들의 다음의 상세한 설명에서, 다양한 실시예들의 일부를 형성하는 첨부 도면들이 참조되며, 이 첨부 도면들에서는, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예가 제한으로서가 아니라 예시로서 도시된다. 다른 실시예들이 활용될 수 있고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변화들이 행해질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0017] 모달 주파수 응답 튜닝은, 특히, 이를테면, 내부 리브 포지셔닝(rib positioning), 블레이드 생크(blade shank) 재설계, 에어포일 코드(airfoil chord), 캠버(camber), 트위스트(twist) 등을 수정하는 것에 의한 에어포일 설계 수정들을 통해 달성될 수 있다. 이들 설계 양상들 전부는 엔진의 열적 및/또는 공기역학적 효율에 직접 커플링된다(coupled). 본 발명자들은, 위의 설계 양상들 중 하나 이상의 설계 양상들의 수정이 대개 엔진의 성능 및/또는 기계적 무결성의 타협(compromise)으로 이어진다는 것을 인식한다.
[0018] 본원에서 설명되는 실시예들은, 최신 기술에서 직면하는, 공기역학적 효율, 냉각제 감소 및 모달 주파수 응답 튜닝 사이의 트레이드오프(tradeoff)들 중 적어도 일부를 제거하여서, 위에서 언급된 카테고리(category)들 각각에서 독립적인 효율 최적화를 가능하게 하는 설계 전략을 제공한다. 상기는, 내부 냉각 유동 채널들의 기하학적 구조 및 터빈 에어포일의 외부 형상을 변경하지 않으면서, 모달 주파수 응답을 튜닝하기 위해, 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들을 터빈 에어포일의 내부 유동 변위 엘리먼트에 제공함으로써 달성될 수 있다. 본원에서 설명되는 개념들은 상당한 에어로 이득(aero gain)들 및 터빈 전체 효율의 증가를 제공하기 위해 블레이드들 및 베인들의 다수의 스테이지들까지 확장될 수 있다.
[0019] 이제 도 1을 참조하면, 예시적인 터빈 에어포일(10)이 예시된다. 이 예에서, 에어포일(10)은 가스 터빈 엔진의 터빈 블레이드이다. 그러나, 본 발명의 양상들은 또한 가스 터빈 엔진의 고정 베인에 통합될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예시된 에어포일(10)은, 예컨대, 축류 가스 터빈 엔진의 터빈 섹션에서 사용하도록 구성되는(adapted) 외벽(18)으로 형성된 에어포일 바디(12)를 포함한다. 외벽(18)은 터빈 엔진의 반경 방향을 따라 스팬-와이즈로 연장되고, 일반적으로 오목한 형상의 가압 측벽(20) 및 일반적으로 볼록한 형상의 흡입 측벽(22)을 포함한다. 가압 측벽(20)과 흡입 측벽(22)은 리딩 에지(24)에서 그리고 트레일링 에지(26)에서 결합된다. 예시된 바와 같이, 에어포일 바디(12)는 터빈 에어포일(10)의 플랫폼(platform)(14)으로부터 팁(tip)(15)을 향해 반경방향 바깥쪽으로 연장된다. 루트(root) 부분(16)이 터빈 에어포일(10)을 회전자 디스크(disc)(미도시)에 커플링(coupling)하도록 플랫폼(14)으로부터 반경방향 안쪽으로 연장된다. 본 설명에서, 반경 방향 또는 스팬-와이즈 방향은 터빈 에어포일의 루트 부분(16)으로부터 팁(15)을 향해 연장되는 방향인 것으로 이해된다.
[0020] 도 2 및 도 3은 터빈 에어포일(10)의 공칭 또는 제1 기하학적 구조를 묘사하는 단면도들이다. 도 2를 참조하면, 터빈 에어포일(10)은 리딩 에지(24)로부터 트레일링 에지(26)까지 가압 측벽(20)과 흡입 측벽(22) 사이에서 중심으로 연장되는 코드 축(chordal axis)(17)을 갖는다. 코드-와이즈 방향(chord-wise direction)은 코드 축(17)에 평행한 방향으로서 정의될 수 있다. 예시된 바와 같이, 에어포일 바디(12)는 루트 부분(16)을 관통하여 형성된 하나 이상의 냉각 유체 공급 통로들을 통해 압축기 섹션(미도시)으로부터 공기와 같은 냉각 유체를 수용할 수 있는 내부 부분을 포함한다. 본 실시예에서, 터빈 에어포일(10)은 에어포일 바디(12)의 내부 부분에 포지셔닝된 복수의 스팬-와이즈로 연장되는 파티션(partition) 벽들(28)을 포함한다. 파티션 벽들(28)은 가압 측벽(20)과 흡입 측벽(22)을 연결하고, 가압 측벽(20)과 흡입 측벽(22) 사이에 반경방향 냉각 유동 채널들(19)을 정의하도록 코드-와이즈 방향을 따라 이격된다. 터빈 에어포일(10)은, 에어포일 바디(12)의 내부 부분에 포지셔닝되고 에어포일 바디(12)의 스팬-와이즈 범위를 따라 연장되는 적어도 하나의 유동 변위 엘리먼트(30)를 포함한다. 도시된 예에서, 유동 변위 엘리먼트(30)는 한 쌍의 인접 파티션 벽들(28) 사이에 포지셔닝된다. 유동 변위 엘리먼트(30)는 일반적으로 중공이어서, 이 중공 내에 내부 캐비티(40)를 정의한다. 유동 변위 엘리먼트(30)는 제1 벽 근처 냉각 유동 채널(92) 및 제2 벽 근처 냉각 유동 채널(94)을 각각 정의하도록 가압 측벽(20) 및 흡입 측벽(22)으로부터 이격된다. 도시된 실시예에서, 연결 채널(96)이 유동 변위 엘리먼트(30)와 인접 파티션 벽(28) 사이에 형성되며, 연결 채널(96)은 C-형상 단면을 갖는 반경방향 유동 패스(pass)를 형성하도록 벽 근처 냉각 유동 채널들(92 및 94)을 연결한다.
[0021] 유동 변위 엘리먼트(30)는 에어포일 바디와 일체로 제조될 수 있다. 도시된 실시예에서, 터빈 에어포일(10)에는, 스팬-와이즈 범위를 따라 유동 변위 엘리먼트(30)를 가압 측벽(20)에 그리고 흡입 측벽(22)에 각각 연결하는 한 쌍의 커넥터 리브(connector rib)들(32, 34)이 제공된다. 그 결과, 대칭적으로 대향하는 단면들의 한 쌍의 C-형상 반경방향 유동 패스들이 커넥터 리브들(32, 34) 양측에 형성된다. 다른 실시예들에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 유동 변위 엘리먼트(30)를 파티션 벽들(28) 중 하나 이상에 연결하기 위해 커넥터 리브들이 제공될 수 있다.
[0022] 유동 변위 엘리먼트(30) 내에 정의된 캐비티(40)는 비활성 캐비티이다. 다시 말해서, 캐비티(40)는 유체들의 어떠한 활성 유동도 허용하지 않는 데드 스페이스(dead space)이다. 이로써, 유동 변위 엘리먼트(30)는, 냉각 유체의 반경방향 유동의 단면적을 감소시키며 그리고 냉각 유체를 가압 측(20) 및 흡입 측(22)을 향해 변위시키는, 즉, 냉각 유체의 대부분을 벽 근처 냉각 유동 채널들(92 및 94) 내로 이동시키는 역할을 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비활성 캐비티(40)는 제1 단부(42)로부터 제2 단부(44)까지 스팬-와이즈로 연장된다. 도시된 실시예에서, 제1 단부(42)는 팁(15)에 근접하게 위치되고, 제2 단부(44)는 루트 부분(16)에 위치된다. 비활성 캐비티(40)는 제1 단부(42)에서 개방되고, 제2 단부(44)에서 폐쇄된다. 벽 근처 냉각 유동 채널들(92 및 94)은 루트 부분(16)에 위치된 냉각 유체 입구(21)에 연결된다. 유동 변위 엘리먼트(30)는 벽 근처 냉각 유동 채널들(92, 94)을 향하는 외부 표면(36) 및 비활성 캐비티(40)를 향하는 내부 표면(38)을 포함한다. 도 2 및 도 3에 도시된 공칭 기하학적 구조에서, 유동 변위 엘리먼트(30)의 외부 표면(36)과 내부 표면(38)은 일반적으로 서로 평행하여서, 외부 표면(36)과 내부 표면(38) 사이에 정의된, 유동 변위 엘리먼트(30)의 벽 두께(t)는 스팬-와이즈 방향 및 코드-와이즈 방향을 따라 실질적으로 일정하다.
[0023] 본 개시내용에 따르면, 터빈 에어포일의 모달 주파수 응답은, 미리 결정된 모달 주파수 응답을 갖는 제2(구성되는) 기하학적 구조를 형성하기 위해 터빈 에어포일의 제1(공칭) 기하학적 구조를 수정함으로써 튜닝될 수 있다. 특히, 제2 기하학적 구조는, 터빈 에어포일이 터빈 엔진의 정의된 정상 동작 속도 범위 밖에서 발생하는 고유 (모달) 주파수를 갖도록 결정될 수 있다. 제2 기하학적 구조는, 비활성 캐비티(40)를 향하는, 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38) 상에 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)의 제공 시에, 제1 기하학적 구조와 본질적으로 상이하다. 그러한 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)의 예들은 도 4 내지 도 7을 참조하여 예시된다.
[0024] 도 4에 도시된 구성되는 기하학적 구조의 제1 실시예에서, 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)은, 유동 변위 엘리먼트(30)가 터빈 에어포일(10)의 제1 기하학적 구조(도 3 참조)와 관련하여 하나 이상의 위치들에서 변경된 벽 두께(t)를 갖도록 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38)에 컨투어(contour)를 제공함으로써 실현된다. 도 4에 도시된 도면은 표면(38)의 2차원 컨투어링(contouring)을 예시하며, 이로써 유동 변위 엘리먼트(30)의 벽 두께(t)는 스팬-와이즈 방향으로 변화된다. 대안적인 실시예에서, 표면(38)에는 2차원 컨투어링이 제공될 수 있으며, 이로써 유동 변위 엘리먼트(30)의 벽 두께(t)는 코드-와이즈 방향으로 변화된다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 표면(38)에는 3차원 컨투어링이 제공될 수 있으며, 이로써 유동 변위 엘리먼트(30)의 벽 두께(t)는 스팬-와이즈 방향 및 코드-와이즈 방향 둘 모두로 변화된다. 유동 변위 엘리먼트(30)의 벽 두께 분포는, 터빈 에어포일(10)의 스티프니스 및 질량 둘 모두를 맞춤화하도록, 그리고 터빈 엔진의 정의된 정상 동작 속도 범위 내의 공진을 회피하기 위해 모달 주파수들을 끌어올리거나 또는 끌어내리도록 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 유동 변위 엘리먼트의 내부 표면(38)은, 정의된 모달 주파수 응답을 달성하기 위해 다양한 스팬-와이즈(및/또는 코드-와이즈) 섹션들에서의 두께들(t1, t2, t3)을 결정하고 매끄러운 함수(smooth function) 곡선에 의해 섹션들을 결합함으로써 컨투어링될(contoured) 수 있다. 다른 실시예들에서, 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38)은 하나 이상의 마루(crest)들(힐(hill)들), 하나 이상의 골(trough)들(밸리(valley)들), 또는 마루들과 골들의 조합을 정의하도록 3차원적으로 컨투어링될 수 있다.
[0025] 이제 도 5 및 도 6을 참조하면, 다수의 상이한 유형들의 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)을 이용하는 터빈 에어포일의 구성되는 기하학적 구조의 제2 실시예가 예시된다. 본원에서 묘사된 제1 유형의 질량 및/또는 스티프니스 향상 피처(50)는 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38) 상의 하나 이상의 코드-와이즈로 연장되는 돌출부들(60)을 포함한다. 코드-와이즈로 연장되는 돌출부들(60)은 터빈 에어포일(10)의 질량보다 스티프니스에 상당히 더 높은 영향을 미치며, 따라서 스티프닝 밴드(stiffening band)들로 지칭될 수 있다. 다른 변형(미도시)에서, 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들은 터빈 에어포일의 전체 스티프니스를 감소시키는 역할을 할 수 있는 하나 이상의 코드-와이즈로 연장되는 함몰부들 또는 그루브(groove)들을 포함할 수 있다. 본원에서 묘사된 제2 유형의 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)은 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부에 위치된 하나 이상의 로드(rod)들(70)을 포함한다. 각각의 로드(70)는 제1 단부(72)와 제2 단부(74) 사이에서 연장된다. 각각의 로드(70)의 제1 단부(72) 및 제2 단부(74)는, 각각, 제1 위치 및 제2 위치에서 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38)에 연결된다. 그 결과, 로드들(70)은 또한, 터빈 에어포일(10)의 질량보다 스티프니스에 상당히 더 높은 영향을 미치며, 따라서 스티프닝 로드들로 지칭될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스티프닝 로드들(70)은 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부에 코드-와이즈로 연장되는 어레이(array)로 배열될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 스티프닝 로드들(70)은 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부에 스팬-와이즈로 연장되는 어레이로 배열될 수 있다. 예시된 실시예에서, 스티프닝 로드들(70)의 제1 및 제2 단부들(72, 74)은 스티프닝 밴드들(60) 상에 포지셔닝된다.
[0026] 도 7을 참조하면, 터빈 에어포일의 구성되는 기하학적 구조의 제3 실시예가 예시된다. 본원에서, 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)은 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부에 위치된 하나 이상의 캔틸레버 로드(cantilevered rod)들(80)을 포함한다. 각각의 캔틸레버 로드(80)는 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38)에 연결된 제1 단부(82)로부터 제2 단부(84)까지 연장되며, 제2 단부(84)는 자유 단부이다. 이 경우, 캔틸레버 로드들(80)은 터빈 에어포일(10)의 스티프니스보다 질량에 상당히 더 높은 영향을 미친다.
[0027] 다양한 실시예들에서, 미리 결정된 모달 주파수 응답을 갖는 터빈 에어포일을 설계할 때 더 큰 유연성을 가능하게 하기 위해, 상이한 유형들의 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50), 이를테면, 컨투어링된 내부 표면(38), 하나 이상의 스티프닝 밴드들(60), 하나 이상의 스티프닝 로드들(70) 및 하나 이상의 캔틸레버 로드들(80)이 개별적으로 또는 2개 이상의 상이한 유형들의 피처들의 조합으로서 이용될 수 있다.
[0028] 도 8은 일 실시예에 따른, 터빈 에어포일을 제조하기 위한 방법(100)을 예시하는 흐름도이다. 방법(100)의 블록(block)(102)은 터빈 에어포일의 제1 기하학적 구조를 획득하는 단계를 포함하며, 제1 기하학적 구조는 터빈 에어포일의 공칭 기하학적 구조이다. 터빈 에어포일의 공칭 기하학적 구조는, 예컨대, 다른 팩터(factor)들 중에서 공기역학적 및 열 전달 고려사항들에 기반하여 획득될 수 있다. 이를 위해, 공칭 기하학적 구조는, 특히, 에어포일 바디의 외부 기하학적 구조 및 터빈 에어포일의 냉각 채널들의 내부 기하학적 구조를 특정할 수 있다. 터빈 에어포일에 대한 공칭 기하학적 구조의 예가 도 2 및 도 3을 참조하여 예시된다. 방법(100)의 블록(104)은 터빈 에어포일의 제1 기하학적 구조와 연관된 하나 이상의 진동 모드(vibration mode)들에 대응하는 적어도 하나의 제1 고유 주파수를 결정하는 단계를 포함한다. 방법(100)의 블록(106)은, 진동 모드들 중 임의의 진동 모드에 대해, 위에서 결정된 고유 주파수가 터빈 엔진의 정의된 동작 속도 범위 내에서 발생하는지 여부를 결정하는 단계, 즉, 공진에 대한 조건이 충족되는지 여부를 결정하는 단계를 수반한다. 일반적으로, 터빈 엔진의 정의된 속도 범위 내의 모든 속도들에서 하나 이상의 강제 응답 드라이버(forced response driver)들, 이를테면, 연소기 캔 카운트(can count), 업스트림(upstream) 베인 카운트 등을 회피하는 것이 바람직하다. 공진에 대한 조건이 결정되면, 방법(100)의 블록(108)은 터빈 에어포일(10)의 제2(구성되는) 기하학적 구조를 결정하는 단계를 수반한다. 제2 기하학적 구조는, 비활성 캐비티(40)를 향하는, 유동 변위 엘리먼트(30)의 내부 표면(38) 상에 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)의 제공 시에, 제1 기하학적 구조와 상이하다. 구성되는 기하학적 구조들의 예들은 도 4 내지 도 7을 참조하여 예시된다. 제2(구성되는) 기하학적 구조는, 진동 모드들 중 임의의 진동 모드에 대해, 연관된 제2 고유 주파수들이 터빈 엔진의 정의된 동작 속도 범위 밖에서 발생하도록 결정된다. 방법(100)의 블록(110)은 결정된 제2 기하학적 구조에 기반하여 터빈 에어포일(10)을 제조하는 단계를 수반한다.
[0029] 위에서 설명된 방법은, 터빈 에어포일의 주파수 응답 튜닝의 종래의 방법 ―이는 통상적으로, 튜닝 변화가 받아들여지기 전에 공기역학적 및 냉각 성능의 재평가를 필요로 할 것임― 과 관련하여 상당히 감소된 복잡성을 제공한다. 비활성 캐비티(40)를 향하는 표면(38) 상에 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)을 제공함으로써, 벽 근처 냉각 유동 채널들(92, 94)이 터빈 에어포일(10)의 제1 기하학적 구조와 관련하여 터빈 에어포일(10)의 제2 기하학적 구조에서 본질적으로 변경되지 않는 것이 보장될 수 있다. 설명된 실시예들은 코드, 캠버, 트위스트, 루트 재설계 등과 같은, 에어포일 기하학적 구조에 대한 어떠한 외부 수정에도 의존하지 않으며, 이로써 에어포일 바디(12)의 외부 기하학적 구조는 또한, 터빈 에어포일(10)의 제1 기하학적 구조와 관련하여 터빈 에어포일(10)의 제2 기하학적 구조에서 변경되지 않을 수 있다. 따라서, 설명된 실시예들은, 최신 기술에서 직면한 바와 같은, 공기역학적 효율, 냉각제 감소 및 모달 주파수 응답 튜닝 사이의 트레이드오프들 중 적어도 일부를 제거한다.
[0030] 예시적인 실시예에서, 유동 변위 엘리먼트(30)는 에어포일 바디(12)와 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 제조 프로세스는 인서트(insert)들의 경우에서와 같이 제조 후 조립을 필요로 하지 않는 임의의 기법을 수반할 수 있다. 일 예에서, 유동 변위 엘리먼트(30)는 예컨대 세라믹 주조 코어(ceramic casting core)로부터 에어포일 바디(12)와 일체로 주조될 수 있다. 다른 제조 기법들은 예컨대 3-D 프린팅(printing)과 같은 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)들을 포함할 수 있다. 이는 본 발명의 설계가, 3-D 컨투어링된 블레이드들 및 베인들을 포함하는 고도로 컨투어링된 에어포일들에 대해 사용될 수 있게 한다.
[0031] 특정 실시예들이 상세히 설명되었지만, 당업자들은 그러한 세부사항들에 대한 다양한 수정들 및 대안이 본 개시내용의 전체적인 교시들에 비추어 개발될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이에 따라서, 개시된 특정 어레인지먼트(arrangement)들은 단지 예시적이며, 첨부된 청구항들의 전체 외연(full breadth) 그리고 이들의 임의의 그리고 모든 등가물들에 주어질 본 발명의 범위에 관해 제한하지 않는 것으로 여겨진다.

Claims (20)

  1. 터빈 에어포일(turbine airfoil)(10)로서,
    외벽(18)에 의해 형성된 에어포일 바디(body)(12) ―상기 외벽(18)은 리딩 에지(leading edge)(24)에서 그리고 트레일링(trailing) 에지(26)에서 결합된 가압 측벽(pressure side wall)(20) 및 흡입 측벽(22)을 포함함―, 및
    상기 에어포일 바디(12)의 내부 부분에 포지셔닝되고(positioned) 상기 에어포일 바디(12)의 스팬-와이즈 범위(span-wise extent)를 따라 연장되는 일반적으로 중공의 유동 변위 엘리먼트(element)(30)
    를 포함하며,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)는 내부에 비활성 캐비티(cavity)(40)를 정의하며,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)는 제1 벽 근처 냉각 유동 채널(channel)(92) 및 제2 벽 근처 냉각 유동 채널(94)을 각각 정의하도록 상기 가압 측벽(20) 및 상기 흡입 측벽(22)으로부터 이격되며,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)는 상기 벽 근처 냉각 유동 채널들(92, 94)을 향하는 외부 표면(36) 및 상기 비활성 캐비티(40)를 향하는 내부 표면(38)을 포함하며,
    상기 비활성 캐비티(40)를 향하는 상기 내부 표면(38)은, 상기 터빈 에어포일(10)의 질량 및/또는 스티프니스(stiffness)에 영향을 미쳐서 상기 터빈 에어포일(10)의 미리 결정된 모달 주파수 응답(modal frequency response)을 생성하도록 구성된 피처(feature)들(50)을 포함하며,
    상기 피처들(50)은, 상기 유동 변위 엘리먼트(30)가 가변 벽 두께(t)를 갖도록 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38)에 컨투어(contour)를 제공함으로써 실현되며, 그리고
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 벽 두께(t)는 스팬-와이즈 방향 및 코드-와이즈 방향(chord-wise direction) 중 하나를 따라 변하는,
    터빈 에어포일(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 벽 두께(t)는 상기 스팬-와이즈 방향 및 상기 코드-와이즈 방향을 따라 변하는,
    터빈 에어포일(10).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피처들(50)은 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38) 상의 하나 이상의 돌출부들(60)을 포함하고, 각각의 돌출부(60)는 스티프닝 밴드(stiffening band)를 형성하도록 코드-와이즈 범위를 따라 연장되는,
    터빈 에어포일(10).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피처들(50)은 하나 이상의 스티프닝 로드(rod)들(70)을 포함하고, 각각의 스티프닝 로드(70)는 제1 단부(72)와 제2 단부(74) 사이에서 연장되며, 각각의 스티프닝 로드(70)의 제1 단부(72) 및 제2 단부(74)는, 각각, 제1 위치 및 제2 위치에서 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38)에 연결되는,
    터빈 에어포일(10).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피처들(50)은 하나 이상의 캔틸레버 로드(cantilevered rod)들(80)을 포함하고, 각각의 캔틸레버 로드(80)는 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38)에 연결된 제1 단부(82)로부터 제2 단부(84)까지 연장되며, 상기 제2 단부(84)는 자유 단부인,
    터빈 에어포일(10).
  6. 터빈 엔진(engine)에서 사용하기 위한 튜닝된(tuned) 모달 주파수 응답을 갖는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 터빈 에어포일(10)을 형성하기 위한 방법(100)으로서,
    상기 터빈 에어포일(10)의 제1 기하학적 구조를 획득하는 단계(102) ―상기 제1 기하학적 구조는,
    외벽(18)에 의해 형성된 에어포일 바디(12) ―상기 외벽(18)은 리딩 에지(24)에서 그리고 트레일링 에지(26)에서 결합된 가압 측벽(20) 및 흡입 측벽(22)을 포함함―, 및
    상기 에어포일 바디(12)의 내부 부분에 포지셔닝되고 상기 에어포일 바디(12)의 스팬-와이즈 범위를 따라 연장되는 일반적으로 중공의 유동 변위 엘리먼트(30)
    에 의해 정의된, 상기 터빈 에어포일(10)의 공칭 기하학적 구조이며,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)는 내부에 비활성 캐비티(40)를 정의하며,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)는 제1 벽 근처 냉각 유동 채널(92) 및 제2 벽 근처 냉각 유동 채널(94)을 각각 정의하도록 상기 가압 측벽(20) 및 상기 흡입 측벽(22)으로부터 이격되며,
    상기 유동 변위 엘리먼트(30)는 상기 벽 근처 냉각 유동 채널들(92, 94)을 향하는 외부 표면(36) 및 상기 비활성 캐비티(40)를 향하는 내부 표면(38)을 포함함―,
    상기 터빈 에어포일의 상기 제1 기하학적 구조와 연관된 제1 고유 주파수를 결정하고(104), 상기 제1 고유 주파수가 상기 터빈 엔진의 정의된 동작 속도 범위 내에서 발생하는지 여부를 결정하는 단계(106),
    상기 터빈 에어포일(10)의 제2 기하학적 구조를 결정하는 단계(108) ―상기 비활성 캐비티(40)를 향하는, 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38) 상에 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)의 제공(provision) 시에, 상기 제2 기하학적 구조는 상기 제1 기하학적 구조와 상이하고, 따라서 상기 제2 기하학적 구조는 상기 터빈 엔진의 상기 정의된 동작 속도 범위 밖에서 발생하는 제2 고유 주파수와 연관됨―, 및
    상기 결정된 제2 기하학적 구조에 기반하여 상기 터빈 에어포일(10)을 제조하는 단계(110)
    를 포함하는,
    터빈 에어포일(10)을 형성하기 위한 방법(100).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)은, 상기 유동 변위 엘리먼트(30)가 상기 터빈 에어포일(10)의 상기 제1 기하학적 구조와 관련하여 상기 터빈 에어포일(10)의 상기 제2 기하학적 구조의 하나 이상의 위치들에서 변경된 벽 두께(t)를 갖도록 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38)을 컨투어링(contouring)함으로써 정의되는,
    터빈 에어포일(10)을 형성하기 위한 방법(100).
  8. 제6항에 있어서,
    상기 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)은, 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38) 상에 하나 이상의 돌출부들(60)을 제공함으로써 정의되고, 각각의 돌출부(60)는 스티프닝 밴드를 형성하도록 코드-와이즈 범위를 따라 연장되는,
    터빈 에어포일(10)을 형성하기 위한 방법(100).
  9. 제6항에 있어서,
    상기 질량 및/또는 스티프니스에 영향을 미치는 피처들(50)은, 상기 유동 변위 엘리먼트(30)의 상기 내부 표면(38)에 연결되는 하나 이상의 로드들(70, 80)을 제공함으로써 정의되는,
    터빈 에어포일(10)을 형성하기 위한 방법(100).
  10. 제6항에 있어서,
    상기 에어포일 바디(12)와 일체로 상기 유동 변위 엘리먼트(30)를 형성하는 단계를 포함하는,
    터빈 에어포일(10)을 형성하기 위한 방법(100).
  11. 삭제
  12. 삭제
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