KR20170036806A

KR20170036806A - 가스 터빈 엔진 블레이드 팁을 보수하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20170036806A
Application number: KR1020177007443A
Authority: KR
Inventors: 아툴 엘. 나발레; 아흐메드 카멜; 게랄드 제이. 브루크; 이반 에프. 올리버 바르가스
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-04-03
Also published as: WO2016028543A1; EP3183085A1; US9777574B2; EP3183085A4; JP2017531120A; US20160047244A1; CN106573309A

Abstract

본 발명은 가스 터빈 엔진 블레이드(10)의 원래의 블레이드 쉘프(16)를 원래의 블레이드 쉘프보다 블레이드의 베이스(18)에 더 근접하게 로케이팅되는 새로운 블레이드 쉘프(64)로 교체하는 단계; 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스에 대한 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드에 의한 기여와 동일하게 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드에 의한 기여를 유지하기 위해서, 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량이 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량보다 더 클 때까지 블레이드에 질량을 추가하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

가스 터빈 엔진 블레이드 팁을 보수하기 위한 방법 {A METHOD FOR REPAIRING A GAS TURBINE ENGINE BLADE TIP}

본 발명은 가스 터빈 엔진 블레이드들(gas turbine engine blades)의 보수에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 블레이드가 함께 회전하는 조립체의 동적 밸런스(dynamic balance)를 유지하기 위해서 블레이드 쉘프(blade shelf)를 하강시키고 그리고 블레이드에 중량(weight)을 추가하는 것에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진들의 터빈 섹션(turbine section)에 사용되는 블레이드들은 연소 가스들, 높은 기계적 힘 및 이물질 충돌(foreign object impact)에 노출된다. 이는, 높은 작동 온도와 결부되어, 블레이드에 높은 수준의 응력(stress)을 생성한다. 블레이드 팁들(tips), 블레이드 에어포일 섹션들(airfoil sections) 및 블레이드 플랫폼들(platforms)은 균열들 및 마모의 영역들을 포함하는, 응력과 관련된 손상들에 특히 민감하다. 블레이드 팁들(또한, 팁 캡들(tip caps)로서 공지됨)은 블레이드 팁 쉘프들(blade tip shelves)(에어포일의 엔드 피스(end piece)) 및 블레이드 스퀼러들(squealers)(블레이드 팁을 에워싸는 엘리베이팅된 재료(elevated material))을 포함한다. 균열들은 에어포일의 팁으로부터 플랫폼을 향해 하방으로 연장할 수 있으며, 때로는 블레이드 팁에 인접한 블레이드 쉘프를 지나서 연장한다.

마모되었거나 균열된(cracked) 블레이드 스퀼러들(blade squealers) 및 블레이드 쉘프들을 새로운 주조된(cast) 블레이드 쉘프 및 새로운 스퀼러 재료로 교체함으로써 이들을 교체하는 것이 공지되어 있다. 블레이드의 팁 부분이 제거되고, 새로운 블레이드 쉘프가 블레이드에 용접되며, 새로운 스퀼러 재료가 블레이드에 용접될 수 있다. 불행하게도, 균열(cracking)은 (플랫폼을 향해) 팁 쉘프 아래에서 매우 자주 발견되며, 에어포일 본체 내로 연장한다. 예컨대, 균열들은 블레이드 팁 아래 30mm까지 연장할 수 있다. 블레이드 쉘프의 저부 아래로 연장하는 균열들의 부분들에는 상기 보수 기술이 미치지 못할 수 있다. 그 결과, 이러한 균열들을 갖는 블레이드들은 보수될 수 없다. 결과적으로, 블레이드 에어포일들을 보수하는 방법들을 개선할 여지가 당 분야에 존재한다.

본 발명은 도시하는 도면들을 고려하여 하기 설명에서 설명된다 :
도 1은 가스 터빈 엔진 블레이드의 개략적인 부분 단면도이다.
도 2는 새로운 팁의 예시적인 실시예를 갖는 도 1의 가스 터빈 블레이드의 개략적인 부분 단면도이다.
도 3은 새로운 팁의 대안의 예시적 실시예를 갖는 도 1의 가스 터빈 블레이드의 개략적인 부분 단면도이다.
도 4는 가스 터빈 엔진 블레이드들을 포함하는 로터 어레인지먼트(rotor arrangement)를 개략적으로 나타낸다.

본 발명자들은 가스 터빈 블레이드의 팁을 보수하는 혁신적인 방식을 개발하였다. 자세하게는, 본 발명자들은 팁 쉘프를 포함하는 블레이드의 팁을 제거하고 교체하는 것을 제안한다. 새로운 팁 쉘프는 원래의 블레이드 쉘프보다 블레이드의 베이스(base)에 더 가깝게 포지셔닝될(positioned) 것이다. 유리하게는, 이는 원래의 팁 쉘프를 지나 연장하는 균열들의 제거를 가능하게 한다. 쉘프를 하강시키는 것은, 블레이드의 베이스를 향해 블레이드의 질량 중심(center of mass)(COM)을 이동시킨다. 블레이드가 가스 터빈 엔진에서 로터 어레인지먼트의 일부로서 사용되기 때문에, COM을 이동시키는 것은 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스를 깨뜨릴 수 있다. 이러한 회전 모멘텀(rotational momentum)의 변화를 고려하여, 추가의 질량이 하강된 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드에 추가된다. 하강된 쉘프 및 상대적으로 더 큰 질량을 갖는 블레이드는 원래의 블레이드 쉘프 및 상대적으로 더 낮은 질량을 갖는 블레이드와 동일한 방식으로 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스에 기여하도록 구성된다. 환언하면, 하강된 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 회전 모멘텀은 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 회전 모멘텀과 일치하도록 맞춰진다. 그 결과, 블레이드의 상이한 COM 및 질량에도 불구하고, 어레인지먼트의 동적 밸런스는 온전하게 유지된다.

도 1은 원래의 블레이드 쉘프(16) 및 원래의 스퀼러(14)를 갖춘 팁(12)을 갖는 가스 터빈 엔진 블레이드(10)의 개략적인 부분 단면도이다. 블레이드(10)의 베이스(18)(도시생략)는 지면(page)의 저부를 향해 배치된다. 원래의 블레이드 쉘프(16)의 저부(30)는 블레이드의 베이스(18) 상에 부여된 지점(도시 생략)으로부터 원래의 거리(32)에 배치된다. 원래의 블레이드 쉘프(16)는 원래의 블레이드 쉘프 두께(34)를 특징으로 한다. 원래의 스퀼러(14)는 각각의 원래의 스퀼러 팁(42)에 대한 원래의 인터페이스(interface) 폭(40)을 갖는 원래의 인터페이스(38) 및 원래의 스퀼러 두께(36)를 특징으로 한다. 균열(44)이 원래의 스퀼러 팁(42)으로부터 원래의 블레이드 쉘프(16)의 저부(30)를 지나서 하방으로 연장하는 것을 볼 수 있다. 균열(44)은 예컨대, 원래의 스퀼러 팁(42)으로부터 30 mm 연장할 수 있다.

종래 기술의 테크닉들(techniques)은, 균열들을 에워싸는 재료를 제거하고 용접 프로세스(welding process)를 통해 이 재료를 교체함으로써 원래의 블레이드 쉘프(16)의 저부(30) 위의 지점에 도달하는 균열들을 보수할 수 있다. 스퀼러들이 종종 에어포일의 스킨(skin)(50) 상에 배치된다. 스킨은 가혹한 조건들(harsh conditions)을 받게 되며 상대적으로 긴 수명을 제공할 수 있는 초합금 재료들로 종종 구성된다. 이들 초합금 재료들의 일부를 보수하는 것은 어려운 것에서부터 불가능한 것까지 이른다. 그에 반해서, 블레이드(10)의 팁은 덜 가혹한 조건을 받게 된다. 결과적으로, 원래의 스퀼러(14) 및 원래의 블레이드 쉘프(16)를 교체하기 위해 사용되는 재료는 스킨(50)을 형성하는 초합금과 상이할 수 있다.

이러한 상이한 재료는 종종 덜 구조적(less structural)이다. 이는 더욱 용접 가능할 수 있지만, 블레이드의 베이스에 더 가까운 재료와 동일한 수명을 제공하지 않을 수 있다(또는 제공할 필요가 없을 수 있다). 종래 기술의 보수시에, 사전-주조된(pre-cast) 새로운 블레이드 쉘프는 덜 구조적인 재료로 구성될 수 있고 그리고/또는 덜 구조적인 재료를 사용한 블레이드에 용접될 수 있다. 팁 쉘프를 블레이드에 용접하기 위해 사용되는 상이한 재료의 일 예는 미국, 코네티컷(CN), 하트퍼드(Hartford)의 Special Metals Corporation에 의해 제조된 Inconel?alloy 625(IN625) 그리고 다른 제조사들에 의한 대체 상표명들(alternate trade names) 하의 동일 합금이다. IN625는 연성 루트 패스(ductile root pass)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이는, 예컨대, 불완전한 핏-업(fit-up)으로 인한 균열 형성(crack formation)을 감소시킨다. 그러나, 블레이드 더 아래로 내려갈수록(farther down), 더 가혹한(harsher) 작동 조건들과 마주친다. 따라서, 스퀼러(squealer) 그리고 그 근처의 재료는 덜 구조적인 재료로 구성될 수 있고 그리고/또는 덜 구조적인 재료를 사용하여 블레이드에 용접될 수 있다. 더 가혹한 환경에서의 이러한 덜 구조적인 재료의 한계들은 블레이드 쉘프가 재배치될(relocated) 수 있는 거리(distance)(52)를 제한한다.

추가의 요인들(factors)이 최대 재배치 거리(52)의 결정에 기여할 수 있다. 예컨대, 원래의 블레이드 쉘프(16)는 2 개의 원래의 스퀼러 팁들(42)을 서로 상대적인 위치 관계로 유지한다. 이들 스퀼러 팁들(42)이 원래의 블레이드 쉘프(16)로부터 캔틸레버식(cantilevered)이기 때문에, 블레이드 쉘프를 너무 멀리 이동시키는 것은 이러한 위치 관계를 위태롭게 할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 여기서, 블레이드 쉘프가 이동될 수 있는 최대 재배치 거리(52)를 허용하는 일부 래티튜드(latitude)가 있으며, 이 래티튜드에서, 본원에 개시된 방법이 이점을 취하게 된다.

도 2는 새로운 스퀼러(62) 및 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 새로운 팁(60)의 예시적인 실시예를 갖는 블레이드(10)의 개략적인 부분 단면도이다. 제거되었던 부분은 절단되어 새로운 재료의 평면 표면(planar surface)을 남길 수 있다. 새로운 블레이드 쉘프(64)는 새로운 블레이드 쉘프 두께(66)를 특징으로 한다. 새로운 스퀼러(62)는 각각의 스퀼러 팁(74)에 대한 새로운 인터페이스 폭(72), 새로운 인터페이스(70) 및 새로운 스퀼러 두께(68)를 특징으로 한다. 새로운 블레이드 쉘프(64)의 저부(30)는 블레이드의 베이스(18) 상에 부여된 지점(도시생략)으로부터 새로운 거리(76)에 배치된다. 새로운 거리(76)는 새로운 블레이드 쉘프(64)의 저부(40)를 균열(44) 아래에 로케이팅시키며(locates), 균열(44)은 이제 사라진다.

새로운 블레이드 쉘프(64)의 저부(30)가 최대 재배치 거리(52)만큼 베이스(18)에 더 가깝게 이동되었음을 알 수 있다. 다르게 말하면, 원래의 거리(32)로부터 최대 재배치 거리(52)를 뺀 거리가 새로운 거리(76)이다. 도시된 예시적인 실시예에서, 새로운 블레이드 쉘프(64)는 스킨/쉘프 인터페이스(80)에서 스킨(50)에 용접되었던 별개의 부품(discrete part)이다. 새로운 블레이드 쉘프(64)는, 예컨대, 주조 부품(cast part)일 수 있다. 유사하게는, 새로운 스퀼러(62)가 스킨 및 새로운 블레이드 쉘프에 용접되었다.

원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드는 가스 터빈 엔진 내의 로터 어레인지먼트(rotor arrangement)의 부품을 구성한다. 로터 어레인지먼트는 로터 샤프트(rotor shaft) 및 수개의 디스크들(several disks)을 포함하며, 블레이드들 각각은 디스크의 둘레부(perimeter) 주위에 배치된다. 로터 어레인지먼트는 3 차원들로 밸런싱된다(balanced). 로터 어레인지먼트의 각각의 컴포넌트(component)의 기여(contribution)가 밸런싱된 로터 어레인지먼트에서 고려된다. 블레이드와 같은 컴포넌트(component)가 변경되거나 수정된다면, 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스를 유지하는 것은, 변경되거나 수정된 블레이드가 동적 밸런스와 동일한 방식으로 기여하는 것을 필요로 한다.

로터 중심선(rotor centerline)을 향해 새로운 블레이드 쉘프(64)의 로케이션(location)을 이동시키는 것은, 블레이드(10)의 질량 중심(COM)을 베이스(18)에 더 가까운 새로운 블레이드 쉘프로 가져오며, 본원에서 COM의 하강으로 고려된다. 블레이드 쉘프를 하강시키는 것은, 또한, 원래의 블레이드 쉘프(16)를 사용한 블레이드(10)의 COM에 대해서 새로운 블레이드 쉘프(64)를 사용한 블레이드(10)의 COM을 하강시킨다. 이는 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)의 회전 모멘텀을 낮게 감소시킨다. 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스를 유지하기 위해, 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 비교적 낮은 COM을 갖는 블레이드(10)가 그의 질량 중심을 조절하기 위해 추가되는 질량을 가져야만 하며, 이에 따라, 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 회전 모멘텀으로 그의 회전 모멘텀을 복귀시킨다. 3 차원 밸런싱(balancing)은 복잡하다. 단순화를 위해, 본원의 설명은 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)의 COM을 로터 어레인지먼트의 회전축(도시 생략)을 향하여 또는 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 그리고 원래의 COM에 의해 확립된 원래의 COM 방사상 라인(radial line)(82)을 따라 조정하는 것으로 제한된다. 이는 원래의 COM 방사상 라인(82)을 따라 대칭으로 질량을 추가함으로써 달성된다.

예컨대, 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)에 질량을 추가하여 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 COM을 향해 방사상 외측방으로 최종 블레이드의 COM을 역으로 이동시킬 수 있다. 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 추가된 질량을 갖는 블레이드(최종 블레이드)(10)의 결과적인 COM은, 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 COM의 방사상 내측방이고 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)의 방사상 외측방이지만, 추가의 질량을 갖지 않을 것이다. 그러나, 최종 블레이드가 증가된 질량을 가질 것이기 때문에, 최종 블레이드의 회전 모멘텀은 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 회전 모멘텀과 일치할 것이다.

대안으로, 상대적으로 더 많은 양의 질량이 새로운 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)에 추가되어 최종 블레이드의 COM을 여전히 방사상 내측방으로 더 멀리 이동시킬 수 있다. 새로운 블레이드 쉘프 및 추가된 질량을 갖는 블레이드(최종 블레이드)(10)의 결과적인 COM은, 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 COM의 방사상 내측방으로 더 멀어질 것이고 그리고 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)의 COM의 방사상 내측방으로 더 멀어질 것이지만, 추가의 질량은 없을 것이다. 그러나, 최종 블레이드가 추가의 질량의 비교적 더 큰 증가를 가질 것이기 때문에, 최종 블레이드의 회전 모멘텀이 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 회전 모멘텀에 일치할 것이다. 그 결과, 회전 모멘텀을 유지하는 것은 사용된 추가의 질량의 양 및 적절한 방사상 로케이션을 조정함으로써 많은 방식들로 달성될 수 있다.

새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)는 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스를 더욱 미세하게 조정하기 위해 요구될 수 있음이 이해된다. 그 결과, 원래의 COM 방사상 라인(radial line)으로부터 COM을 로케이션 ― 이 로케이션은 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)가 로터 어레인지먼트에 설치될 때, 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스를 개선시킬 것임 ― 으로 또한 이동시키는 것이 본 개시의 범주 내에 있다. 로터 어레인지먼트에서 다른 어떤 것도 변경되지 않으면, 동적 밸런스는 전체적으로 향상될 수 있다. 대안으로, 로터 어레인지먼트에서 다른 변경들이 이루어진다면, 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)가 로터 어레인지먼트의 리밸런싱(rebalancing)의 제어가능한 변수(controllable variable)일 수 있다. 또한, 블레이드들의 디스크 내의 적어도 한 쌍의 블레이드들이 보수되는 것이 가능할 수 있다. 그렇다면, 양자 모두의 블레이드들의 2 개의 새로운 블레이드 쉘프들은 동일 양으로 하강될 수 있고, 그리고 새로운 블레이드 쉘프들을 갖는 2 개의 블레이드들은 어느 블레이드에도 임의의 질량을 추가하지 않으면서 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스를 보장하기 위해 블레이드 디스크의 대향 측면들 상에 배치될 수 있다.

블레이드(10)에 질량을 추가하는 것은 임의의 수의 방법들로 달성될 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 원래의 스퀼러 두께(36)보다 큰 새로운 스퀼러 두께(68)에 의해 입증되는 바와 같이, 추가의 질량이 새로운 스퀼러(62)에 추가되었다. 추가의 질량은 블레이드(10)의 임의의 로케이션에 추가될 수 있다; 블레이드의 베이스(18) 상의 주어진 지점(도시생략)으로부터 새로운 거리(76)에 또는 새로운 거리(76)를 지난 로케이션으로 제한될 필요는 없다. 예컨대, 이는 새로운 블레이드 쉘프(64)의 저부(30)에 또는 심지어 블레이드(10) 내에서 아래에 추가될 수 있다.

새로운 인터페이스(70)가 베이스(18) 상의 부여된 지점으로부터 동일한 높이(elevation)를 포함하여 원래의 인터페이스(38)와 동일한 로케이션에 있으며 그리고/또는 새로운 인터페이스 폭(72)이 원래의 인터페이스 폭(40)보다 더 크지 않은 것이 바람직할 수 있다. 원래의 인터페이스(38)는 이미 블레이드 디스크를 둘러싸는 블레이드 링(blade ring)의 마모 가능한 표면에 마모된 그루브(groove)와 함께 적절하게 정렬될 수 있다. 새로운 인터페이스(70)를 동일한 장소(place)에 로케이팅시키고 원래의 인터페이스 폭(40)보다 크지 않은 새로운 인터페이스 폭을 갖는 것은, 새로운 인터페이스(70)와 마모 가능한 표면 사이의 임의의 추가의 마모를 방지할 것이다. 챔퍼(chamfer)(84) 또는 유사한 피처(feature), 이를테면 필렛(fillet) 또는 노치(notch) 등이 적절한 크기의 새로운 인터페이스 폭(72)을 가능하게 할 수 있다.

상이한 재료가 새로운 블레이드 쉘프(64) 및/또는 새로운 스퀼러(62)를 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 새로운 인터페이스 폭(72)이 더 커진다면, 더 연질인 재료(softer material)가 새로운 스퀼러(62)를 위해 선택될 수 있다. 이는, 예컨대, 새로운 마모 가능한 표면이 블레이드 디스크 둘레에 또한 설치될 때 발생할 수 있다. 새로운 스퀼러(62)를 위한 재료는 새로운 블레이드 쉘프(64)를 위한 재료와 상이할 수 있다. 새로운 스퀼러(62) 및 새로운 블레이드 쉘프(64)를 위해 선택되는 재료들이 스킨(50)에 사용되는 초합금보다 덜 고가일 수 있기 때문에, 덜 고가인 재료들의 일부로서 추가의 질량을 추가하는 것이 유리할 수 있다.

도 3에 도시된 대안의 예시적인 실시예에서, 추가의 질량은, 새로운 스퀼러(62)에 추가의 질량을 추가하는 것 이외에 또는 그 대신에 새로운 블레이드 쉘프(64)에 추가될 수 있다. 예컨대, 새로운 블레이드 쉘프(64)의 새로운 블레이드 쉘프 두께(66)는 원래의 블레이드 쉘프 두께(34)보다 더 클 수 있다. 새로운 인터페이스(70) 및 새로운 인터페이스 폭(72)은 원래의 인터페이스(38) 및 원래의 인터페이스 폭(40)과 동일할 수도 있거나 이들은 상이할 수 있다.

추가의 질량이 새로운 스퀼러(62) 및/또는 새로운 블레이드 쉘프(64)에 대해 일체인 것으로 도시되었지만, 추가의 질량은 그 대신에 블레이드(10)에 추가되는 별개의 질량일 수 있다. 예컨대, 별개의 추가의 질량이 새로운 블레이드 쉘프(64)의 상부에, 새로운 블레이드 쉘프(64)의 저부(30)에, 새로운 스퀼러(62)의 내부에, 또는 심지어 스킨(50)의 내부 표면과 같이 블레이드(10) 상에서 하부에 추가될 수 있다. 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 추가의 질량을 갖는 블레이드(10)가 로터 어레인지먼트의 동적 밸런스에 적절하게 기여하는 한, 추가의 질량이 어떻게 추가되는지는 중요하지 않다. 다른 극단적인 예로서, 동적 밸런스를 유지하는 관점에서, 추가의 질량은 블레이드(10)의 베이스(18)의 저부 표면 상에서 더 아래에 추가될 수 있다.

다른 대안의 예시적인 실시예에서, 별개의 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 새로운 스퀼러(62)를 용접하는 것 대신에, 적층 가공 프로세스(additive manufacturing process)를 사용하여 어느 하나 또는 양자 모두가 형성될 수 있다. 예컨대, 선택적 레이저 용융(selective laser melting)(SLM) 프로세스 또는 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)(SLS) 프로세스가 새로운 블레이드 쉘프(64) 및/또는 새로운 스퀼러(62)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 종래의 SLM 및 SLS 프로세스들은, 초합금들 이외의 재료들이 사용될 때 사용될 수 있다. 기재가 초합금인 예시적인 실시예에서, 분말 재료는 Bruck 등의 미국 특허 공개 번호 제 2013/0140278 호에 설명된 바와 같이 초합금 금속 분말 및 플럭스(flux)를 포함할 수 있고, 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 이러한 방식으로 초합금들을 클래딩하는(clad) 능력은 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 새로운 스퀼러(62)가 스킨(50)과 동일한 재료로 형성되게 할 수 있다. 이는 연성 루트 패스가 덜 필요해지도록 할 수 있다. 최대 재배치 거리(52)는 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 새로운 스퀼러(62)를 위해 사용되는 재료의 구조적 기여에 의해 영향을 받는다. 결과적으로, 보다 큰 구조 강도를 제공하는 초합금 재료를 사용하는 것이, 최대 재배치 거리(52)를 증가시킬 수 있다.

도 4는 로터 샤프트(rotor shaft)(92), 블레이드 디스크(94), 블레이드들(96) 및 블레이드(10)를 포함하는 로터 어레인지먼트(90)를 개략적으로 나타낸다. 로터 어레인지먼트(90)는 회전축(axis of rotation)(98)을 중심으로 회전한다. 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)의 원래의 COM(100)은 원래의 COM 방사상 라인(82) 상에 놓이는 원래의 반경(102)을 규정한다. 회전축(98)을 중심으로 회전할 때, 원래의 COM(100)은 원래의 반경(102)을 특징으로 하는 원래의 원(circle)(104)을 규정한다. 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 추가된 질량을 갖는 블레이드(최종 블레이드)(10)의 새로운 COM(106)은 원래의 COM 방사상 라인(82) 상에 놓이는 새로운 반경(108)을 규정한다. 회전축(98)을 중심으로 회전할 때, 새로운 COM(106)은 새로운 반경(108)을 특징으로 하는 새로운 원(110)을 규정한다.

설명의 간략함을 위해서, 이 예에서의 로터 어레인지먼트(90)의 동적 밸런스는 블레이드(10) 및 블레이드(10)로부터 180도의 위치에서 블레이드 디스크(94) 상에 배열된 동일 질량의 대향 블레이드(112)의 기여(회전 모멘텀(rotational momentum))에 의해서 좌우될 것이다. 대향 블레이드(112)는 원래의 반경(102)과 동일한 회전축(98)으로부터 대향 블레이드 반경(116)으로 또한 배치되는 대향 블레이드 COM(114)를 특징으로 할 수 있다. 결과적으로, 원래의 COM(100) 및 대향 블레이드 COM(114) 양자 모두는 원래의 원을 따라 회전한다. 블레이드 디스크(94)는 블레이드(10) 상에 블레이드 구심력(centripetal force)(120) 및 대향 블레이드(112) 상에 대향 블레이드 구심력(122)을 부과한다. 구심력들은 블레이드의 질량 및 원래의 반경(102)의 크기에 비례한다. 원래의 반경(102) 및 대향 블레이드 반경(116)과 마찬가지로, 블레이드(10) 및 대향 블레이드(COM)(114)의 질량이 이 예에서 동일하기 때문에, 로터 어레인지먼트(90)의 동적 밸런스가 확립된다.

새로운 COM(106)의 새로운 반경(108)은 원래의 반경(102)보다 더 짧다. 구심력이 반경의 크기에 비례하기 때문에, 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)의 질량이 추가의 질량의 양만큼 증가되지 않았다면, 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)를 적소에 유지하는데 필요한 구심력은, 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)를 유지하는데 필요했던 것보다 적을 것이다. 그 결과, 대향 블레이드 구심력(122)이 블레이드 구심력(120)보다 더 클 것이고, 이는 로터 어레인지먼트(90)의 동적 밸런스를 방해할 것이다. 구심력이 원래의 반경(102)의 크기뿐만 아니라 블레이드의 질량에도 비례하기 때문에, 추가의 질량만큼 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)의 질량을 증가시키는 것은, 블레이드 구심력(120)을 증가시킬 것이다. 블레이드 구심력(120)과 대향 블레이드 구심력(122) 사이의 평형(equilibrium)을 회복하기 위해 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)에 충분한 추가의 질량이 추가될 수 있고, 이는, 결국, 로터 어레인지먼트(90)의 동적 평형을 회복할 것이다.

동적 밸런싱은 이 예시적 입증들보다 훨씬 더 복잡할 수 있다. 그러나, 본원에 적용된 동일한 원리들이 보다 복잡한 3 차원 밸런싱에 적용될 수 있다. 새로운 COM(106)의 로케이션은, 이를테면 동력 밸런스에 영향을 미칠 수 있는 로터 어레인지먼트(90)에 대한 어떠한 다른 변경도 이루어지지 않은 경우, 로터 어레인지먼트(90)에 대한 동적 밸런스를 복원하기 위해 임의의 3 차원으로 이동될 수 있다. 대안으로, 새로운 COM(106)의 로케이션은 원래의 동적 밸런스를 바꾸는 다른 변경들이 이루어진 경우, 로터 어레인지먼트(90)에서 동적 밸런스를 확립하기 위해 임의의 3 차원으로 이동될 수 있다. 예컨대, 후자의 경우에, 원래의 블레이드 쉘프(16)를 갖는 블레이드(10)가 재설치되었다면 동적 밸런스가 달성되지 않도록 서비싱(servicing)의 일부로서 로터 어레인지먼트(90)에서 변경이 이루어질 수 있다. 이러한 경우에, 동적 밸런스가 재확립되어야만 하고, 그리고 새로운 블레이드 쉘프(64) 및 추가의 질량을 갖는 블레이드(10)가 최종 조정 컴포넌트(final tuning component)로서 사용되어 로터 어레인지먼트(90)의 동적 밸런스를 재확립할 수 있다. 마찬가지로, 새로운 블레이드 쉘프(64)를 갖는 블레이드(10)에 추가되는 질량의 양은 로터 어레인지먼트(90)의 동적 밸런스를 복원하거나 재확립하도록 맞춰질 수 있다.

전술한 바에 따라, 발명자들이 이전에 보수될 수 없었던 컴포넌트들의 보수를 허용하는 블레이드를 보수하기 위한 방법을 고안해냈음을 알 수 있다. 결과적으로, 이는 당분야에서의 개선을 나타낸다.

본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공되는 것은 자명할 것이다. 다양한 변경들, 수정들 및 치환들이 본원 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims

가스 터빈 엔진 블레이드(gas turbine engine blade)의 원래의 블레이드 쉘프(shelf)를 상기 원래의 블레이드 쉘프보다 상기 블레이드의 베이스(base)에 더 근접하게 로케이팅되는(located) 새로운 블레이드 쉘프로 교체하는 단계;
상기 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량(mass)이 상기 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량보다 더 커질 때까지 상기 블레이드에 질량을 추가하는 단계; 및
로터 어레인지먼트(rotor arrangement)의 동적 밸런스(dynamic balance)에 대한 상기 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드에 의한 기여(contribution)와 상기 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드에 의한 기여를 동일하게 유지하는 단계를 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
사전-주조된(pre-cast) 새로운 블레이드 쉘프를 상기 블레이드에 용접하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
적층 가공 프로세스(additive manufacturing process)를 통해 상기 새로운 블레이드 쉘프를 형성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 3 항에 있어서,
상기 적층 가공 프로세스 동안 상기 블레이드의 층을 형성하도록 초합금 분말(superalloy powder) 및 분말 플럭스(powder flux)를 포함하는 분말 재료를 가로질러 에너지 빔(energy beam)을 트래버싱(traversing)하는 단계를 더 포함하는,
방법
제 1 항에 있어서,
원래의 스퀼러(original squealer)를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및 상기 질량을 상기 블레이드의 새로운 스퀼러에 추가하는 단계를 더 포함하는,
방법
제 5 항에 있어서,
원래의 스퀼러 인터페이스 크기(interface size)와 동일한 인터페이스 크기로 일치시키도록 상기 새로운 스퀼러를 테이퍼링(tapering)하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
원래의 스퀼러를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및 상기 원래의 스퀼러로 형성된 재료와 상이한 재료로 상기 새로운 스퀼러를 형성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 1 항에 있어서,
상기 질량을 상기 새로운 블레이드 쉘프에 추가하는 단계를 더 포함하는,
방법.
가스 터빈 엔진 블레이드(gas turbine engine blade)로부터 원래의 블레이드 쉘프를 제거하는 단계;
상기 원래의 블레이드 쉘프보다 상기 블레이드의 베이스에 더 가까운 블레이드에 새로운 블레이드 쉘프를 고정하는 단계; 및
상기 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량보다 더 커지도록 상기 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량을 증가시키는 단계를 포함하는,
방법.
제 9 항에 있어서,
상기 가스 터빈 엔진에서 작동할 때 상기 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드 상에 가해지는 구심력(centripetal force)이 동일 조건 하에서 상기 가스 터빈 엔진에서 작동할 때 상기 원래의 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드 상에 가해지는 구심력과 동일해질 때까지 상기 새로운 블레이드 쉘프를 갖는 블레이드의 질량을 증가시키는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 9 항에 있어서,
사전-주조된(pre-cast) 새로운 블레이드 쉘프를 상기 블레이드에 용접하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 9 항에 있어서,
원래의 스퀼러를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및 상기 질량을 상기 블레이드의 새로운 스퀼러에 추가하는 단계를 더 포함하는,
방법
제 9 항에 있어서,
원래의 스퀼러를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및 상기 원래의 스퀼러를 형성하는 재료와 상이한 재료로 상기 새로운 스퀼러를 형성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 9 항에 있어서,
상기 질량을 상기 새로운 블레이드 쉘프에 추가하는 단계를 더 포함하는,
방법.
원래의 질량 중심(center of mass)(COM) 및 원래의 질량을 특징으로 하는 블레이드로부터 블레이드 팁(blade tip)을 제거하는 단계 ― 상기 원래의 COM은 가스 터빈 엔진을 회전시킬 때 원래의 반경을 특징으로 하는 원(circle)을 규정함 ―; 및
새로운 COM 및 새로운 질량을 특징으로 하는 블레이드를 형성하기 위해 상기 블레이드 팁을 교체하는 단계를 포함하며, 상기 새로운 COM은 상기 원래의 COM보다 상기 블레이드의 베이스에 더 가깝고 상기 가스 터빈 엔진에서 회전할 때 새로운 반경을 특징으로 하는 원을 규정하고, 그리고
상기 새로운 질량은 상기 원래의 질량과 비교할 때 상기 새로운 반경에 대한 상기 원래의 반경의 비율만큼 증가되는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
사전-주조된(pre-cast) 새로운 블레이드 쉘프를 상기 블레이드에 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 새로운 질량은 상기 원래의 질량보다 추가의 질량(extra mass)만큼 더 크며, 상기 방법은 원래의 스퀼러(squealer)를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및 상기 추가의 질량을 상기 새로운 스퀼러에 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
원래의 스퀼러를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및
원래의 스퀼러 인터페이스 크기(interface size)와 동일한 인터페이스 크기에 일치하도록 상기 새로운 스퀼러를 성형하는(shaping) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
원래의 스퀼러를 새로운 스퀼러로 교체하는 단계, 및 상기 원래의 스퀼러로 형성된 재료와 상이한 재료로 상기 새로운 스퀼러를 형성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 새로운 질량은 상기 원래의 질량보다 추가의 질량만큼 더 크며, 상기 방법은 원래의 블레이드 쉘프를 새로운 블레이드 쉘프로 교체하는 단계, 및 상기 추가의 질량을 상기 새로운 블레이드 쉘프에 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.