KR102302909B1

KR102302909B1 - 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법

Info

Publication number: KR102302909B1
Application number: KR1020200037319A
Authority: KR
Inventors: 신영호
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2040-03-27

Abstract

본 발명에 따른 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법은, 터빈 블레이드에 발생한 손상부의 위치와 형상을 수치화하는 단계, 손상부 제거에 따른 터빈 블레이드의 모멘텀 손실을 계산하는 단계, 손상부와 동일한 모멘텀을 가지도록 손상부를 대체할 보수부의 형상을 모델링하는 단계, 손상부를 제거하는 단계, 및 제거된 손상부 위치에 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정을 수행하여 모델링된 보수부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법{TURBINE BLADE REPAIR METHOD USING ADDITIVE MANUFACTURING}

본 발명은 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적층 가공을 이용하여 터빈 블레이드의 스퀼러에 발생한 손상을 보수하는 방법에 관한 것이다.

발전용 설비에 사용되는 터빈 블레이드는 증기 또는 공기의 유체 에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 중요 부품으로, 고온의 유체 유동 환경에 지속적으로 노출된다. 따라서, 상기 터빈 블레이드는 손상을 피할 수 없게 되고 손상된 영역에 대한 보수가 필수적이다.

그런데, 터빈 블레이드는 고온 고응력을 견뎌야 하기 때문에 초합금(superalloy)이나 티타늄(titanium)과 같은 특수 소재로 제작되는 것이 일반적이다. 따라서, 가공이 힘든 재료적 특성으로 인해 전통적인 기계 가공 방법으로는 보수 전과 동일한 형상 및 물리적 특성을 갖도록 구현하는 것에 어려움이 있다.

예를 들어, 터빈 블레이드의 스퀼러(squealer)에 크랙이 발생한 경우, 크랙을 제거할 때 스퀼러를 연결하는 쉘프도 함께 제거될 수 있는데, 전통적인 기계 가공 방법으로는 초합금이나 티타늄을 보수 전과 동일한 형상으로 가공하기가 상당히 어렵다. 그렇다고 가공이 쉬운 다른 소재를 사용하면, 보수 부위의 물리적 특성이 주변부보다 저하되어 또 다시 손상이 발생할 가능성이 크다. 뿐만 아니라, 보수 부위의 소재가 보수 이전과 달라짐으로써 터빈 블레이드 전체의 모멘텀이 달라질 수 있고, 이는 가스 터빈의 안정성 및 효율에 부정적인 영향을 주게 된다.

한국등록특허 제10-2021139호 (2019.09.05. 등록)

본 발명의 과제는, 적층 가공을 이용함으로써 터빈 블레이드의 스퀼러와 같이 재료나 형상의 특성으로 인하여 전통적인 기계 가공 방법으로는 보수가 어려운 기계 설비를 용이하게 보수할 수 있는 터빈 블레이드의 보수 방법을 제공하는데 있다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 예시적인 실시예들에 따른 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법은, 터빈 블레이드에 발생한 손상부의 위치와 형상을 수치화하는 단계, 상기 손상부 제거에 따른 상기 터빈 블레이드의 모멘텀 손실을 계산하는 단계, 상기 손상부와 동일한 모멘텀을 가지도록 상기 손상부를 대체할 보수부의 형상을 모델링하는 단계, 상기 손상부를 제거하는 단계, 및 상기 제거된 손상부 위치에 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정을 수행하여 상기 모델링된 보수부를 형성하는 단계를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 적층 가공 공정은 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering), 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting), 전자빔 용융법(Electron Beam Melting), 직접 에너지 적층(Direct Energy Deposition), 접착제 분사방식(Binder Jetting), 및 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling) 중에서 선택된 하나의 공정일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 터빈 블레이드는, 내부에 중공을 형성하도록 서로 대향하는 한 쌍의 스퀼러들, 및 상기 스퀼러들을 연결하는 쉘프를 포함할 수 있다. 또한, 상기 손상부는 상기 스퀼러의 말단에서 상기 쉘프의 저면보다 더 낮은 높이까지 진행된 크랙일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 손상부를 제거하는 단계는, 상기 쉘프와 평행한 방향으로 상기 터빈 블레이드를 절단하여 상기 쉘프 전체를 제거하는 것일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보수부의 형상을 모델링하는 단계는, 상기 쉘프의 저면이 곡면 형상을 가지도록 상기 보수부의 형상을 모델링하는 것일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 손상부를 제거하는 단계는, 상기 쉘프의 저면에 대하여 기 설정된 경사각을 가지도록 상기 터빈 블레이드를 절단하여 상기 쉘프의 일부를 제거하는 것일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보수부를 형성하는 단계는, 상기 손상부가 제거된 터빈 블레이드를 상기 경사각만큼 기울인 상태에서 적층 가공 공정을 수행하는 것일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 경사각은 40° 내지 50°일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보수부의 형상을 모델링하는 단계는, 상기 스퀼러와 상기 쉘프의 경계면에 라운드진 챔퍼(chamfer)가 형성되도록 상기 보수부를 모델링하는 것일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 손상부의 위치와 형상을 수치화하는 단계는, 상기 터빈 블레이드에 비파괴 검사를 수행하여 손상부를 탐지하는 것일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 터빈 블레이드와 상기 보수부는 동일한 소재일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보수부는 상기 손상부와 동일한 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법은, 적층 가공 방법을 도입함으로써 초합금이나 티타늄과 같은 난가공성 소재를 이용하여 손상된 터빈 블레이드를 용이하게 보수할 수 있다. 특히, 손상부의 위치나 크기와 관계 없이 동일한 형상으로 터빈 블레이드를 보수할 수 있으며, 보수 전후로 터빈 블레이드의 모멘텀을 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 동일한 모멘텀을 유지하면서도 보수부의 형상을 적절히 변화시킬 수 있기 때문에, 응력 집중 현상 해소 등을 통해 터빈 블레이드의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 터빈 로터 디스크와 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 터빈 블레이드 상부를 Ⅰ-Ⅰ' 라인을 따라 절단한 부분단면도이다.
도 4는 종래의 터빈 블레이드 보수 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 보수 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6 및 도 7은 보수부를 형성하는 제1 실시예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8 내지 도 10은 보수부를 형성하는 제2 실시예를 설명하기 위한 도면들이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조로, 터빈 블레이드의 스퀼러 부분을 보수하는 종래의 보수 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 터빈 로터 디스크와 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 터빈 블레이드 상부를 Ⅰ-Ⅰ' 라인을 따라 절단한 부분 단면도이다. 도 4는 종래의 터빈 블레이드 보수 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 가스터빈(100)은 외관을 형성하는 하우징(102), 하우징(102) 내부에 구비된 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120), 압축된 공기를 이용하여 연료를 연소시키는 연소기(104), 및 연소 가스를 배출하는 디퓨저(106)를 포함한다.

압축기 섹션(110)은 하우징(102)의 전단 내부에 구비되며, 공기를 압축하여 연소기(104)로 공급할 수 있다. 터빈 섹션(120)은 하우징(102)의 후단 내부에 구비되며, 연소 가스를 이용하여 회전력을 발생시킬 수 있다. 터빈 섹션(120)에서 발생한 회전력의 일부는 토크 튜브(130)를 통해 압축기 섹션(110)으로 전달될 수 있다.

압축기 섹션(110)은 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)를 가지며, 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해 서로 압착되어 상대적인 회전이 불가능한 상태로 결합될 수 있다.

각각의 압축기 로터 디스크(140) 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드들(144)이 방사상으로 구비되는데, 압축기 루트부(146)를 통해 로터 디스크(140)에 결합될 수 있다.

한편, 인접한 압축기 로터 디스크(140)들 사이에는 베인(도시되지 않음)이 구비될 수 있다. 상기 베인은 하우징(102)에 고정되며, 전방의 압축기 블레이드(144)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 후방의 압축기 블레이드(144)로 안내할 수 있다. 이 때, 상기 '전방'과 '후방'은 압축 공기의 흐름을 기준으로 정해지는 상대적인 위치 관계일 수 있다.

상기 압축기 루트부(146)는 탄젠셜 타입(tangential type) 체결 방식 또는 액셜 타입(axial type) 체결 방식으로 로터 디스크(140)에 결합될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 구조 또는 전나무(Fir-tree) 구조를 가질 수 있다. 다만, 상기 결합 방식과 구조는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다.

한편, 도 1에서는 하나의 타이로드(150)가 압축기 로터 디스크(140)들의 중심을 관통하는 형태로 도시되어 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태일 수도 있다.

연소기(104)는 압축기 섹션(110)에서 압축된 공기를 연료와 혼합하고, 연소를 통해 고온 고압의 연소 가스를 생성할 수 있다. 연소기(104)는 연료 분사 노즐을 포함하는 버너, 연소실을 형성하는 연소기 라이너, 연소기(104)와 터빈 섹션(120)을 연결하는 트랜지션 피스(Transition Piece) 등을 포함할 수 있다. 또한, 연소기(104)는 가스터빈(100)의 설계에 따라 복수 개가 구비될 수 있다.

연소기(104)에서 생성된 고온 고압의 연소 가스는 터빈 섹션(120)으로 공급될 수 있다. 상기 고온 고압의 연소 가스는 팽창하면서 터빈 블레이드(200)에 충돌하게 되고, 이에 따라 터빈 블레이드(200)가 회전할 수 있다. 터빈 블레이드(200)의 회전으로 발생한 회전력은 토크 튜브(130)를 통해 압축기 섹션(110)으로 공급되며, 압축기 구동에 필요한 회전력을 초과하는 회전력은 발전기 등을 구동하는데 사용될 수 있다.

터빈 섹션(120)의 구조는 상술한 압축기 섹션(110)과 유사할 수 있다. 즉, 터빈 섹션(120)은 복수 개의 터빈 로터 디스크(180), 및 각각의 터빈 로터 디스크(180)에 방사상으로 결합된 복수 개의 터빈 블레이드(200)들을 포함할 수 있다. 이때, 터빈 블레이드(200)들 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합될 수 있으며, 인접한 터빈 로터 디스크(180)들 사이에도 베인(도시되지 않음)이 구비될 수 있다.

터빈 로터 디스크(180)는 대략 원판 형상을 가지며, 외주면에는 복수 개의 결합 슬롯(180a)이 형성될 수 있다. 전나무(Fir-tree) 형상의 굴곡면을 가지는 결합 슬롯(180a)의 일례가 도 2에 도시되어 있다.

터빈 블레이드(200)는 평한 형상의 플랫폼부(210), 플랫폼부(210) 하부에 구비되는 루트부(220), 플랫폼부(210) 상부에 구비되는 블레이드부(230)를 포함한다.

플랫폼부(210)는 이웃한 터빈 블레이드의 플랫폼부와 서로 접촉함으로써, 인접한 터빈 블레이드들(200) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있다.

루트부(220)는 터빈 로터 디스크(180)의 결합 슬롯(180a)에 대응하는 형상을 가지며, 터빈 블레이드(200)를 터빈 로터 디스크(180)에 견고하게 결합시킬 수 있다.

블레이드부(230)는 단면이 익형(Airfoil)을 가지며 내부에는 중공(239)을 가지되, 그 구체적인 형상과 치수는 가스터빈(100)의 사양에 따라 적절히 변경될 수 있다. 블레이드부(230)는, 연소 가스가 흐르는 방향을 기준으로, 상류 측의 리딩 엣지(leading edge)와 하류 측의 트레일링 엣지(trailing edge)를 가질 수 있다. 또한, 연소 가스가 직접 충돌하는 압력부(pressure side)와 반대쪽의 흡입부(suction side)를 가질 수 있다. 일정한 두께의 압력부와 흡입부가 연장하여 전체적으로 익형(airfoil)을 형성하며, 그 내부는 냉각을 위해 비워질 수 있다.

블레이드부(230)는 높은 기계적 강도, 높은 열 크리프 변형 저항, 높은 내부식성 등이 요구되므로, 초합금이나 티타늄 등으로 제작될 수 있다. 상기 초합금은, 예를 들면, Rene 108과 같은 Rene 합금, CM247, 하스텔로이, 와스팰로이, 헤인즈 합금, 인콜로이, MP98T, TMS 합금, CMSZ 단결정 합금 등일 수 있다.

한편, 블레이드부(230)는 고온 고압의 연소 가스와 직접 접촉하는 부품이기 때문에, 부품 손상의 가능성이 매우 크다. 특히, 블레이드부(230)의 말단인 팁(233a)에서 손상 가능성이 큰데, 도 3에는 블레이드부(230) 팁(233a)에 크랙(C)이 발생한 경우를 예시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 블레이드부(230)의 상단은 한 쌍의 스퀼러(231, 233), 스퀼러들(231, 233) 사이에 형성된 중공(239), 및 스퀼러들(231, 233)을 연결하는 쉘프(235)로 구성될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 연소 가스가 직접 충돌하는 압력부 측의 스퀼러를 제1 스퀼러(231)라 지칭하고, 반대편 흡입부 측의 스퀼러를 제2 스퀼러(233)라고 지칭하기로 한다.

크랙(C)은 제2 스퀼러(233)의 말단(233a)에서 내부를 향해 발생하였으며, 크랙(C)은 쉘프(235)의 저면보다 더 낮은 위치까지 진행한 상태라고 가정하자.

종래에는, 크랙(C)이 모두 제거될 수 있도록 A-A' 라인 상부를 모두 제거하고, 제거된 부분에 새로운 스퀼러들(232, 234) 및 쉘프(236)를 형성하였다. 설명의 편의를 위하여, 보수 작업을 통해 새롭게 부착된 부품들을 각각 제3 스퀼러(232), 제4 스퀼러(234), 및 제2 쉘프(236)라고 지칭하기로 하자.

이 경우에 있어서, 초합금이나 티타늄과 같은 특수 소재를 복잡한 형상으로 가공하는 것이 용이하지 않기 때문에, 제3 스퀼러(232), 제4 스퀼러(234), 및 제2 쉘프(236)는 종래의 부품들(231, 233, 235)과 상이한 소재로 형성하는 것이 일반적이었다. 예를 들면, 절삭 공정과 같은 기계 가공이 가능한 합금 소재를 사용하여 제3 스퀼러(232), 제4 스퀼러(234), 및 제2 쉘프(236)를 형성하고, 이들을 제1 및 제2 스퀼러들(231, 233) 상에 경납땜(brazing) 공법으로 용접함으로써 보수 작업을 수행하였다.

그런데, 종래의 부품들(231, 233, 235)과 보수를 통해 교체된 부품들(232, 234, 236)이 서로 다른 소재이기 때문에, 보수를 마친 블레이드부(230)의 물성이 보수 이전과 달라지는 문제가 발생하였다. 예를 들면, 보수 전후로 블레이드부(230)의 전체 질량이 달라질 수 있는데, 이는 블레이드부(230)의 모멘텀 변화를 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 보수된 쉘프(236)의 두께(t2)를 보수 이전의 두께(t1)보다 더 두껍게 형성한다든지(도 4 참조), 스퀼러들(232, 234)의 두께를 보수 이전보다 더 두껍게 형성한다든지, 또는 쉘프의 위치를 변화시키는 등의 방법을 사용하였다. 그러나, 이와 같이 보수 부품의 두께를 변화시키거나 쉘프의 위치를 변화시키면, 블레이드부(230) 전체의 다이나믹스(Dynamics)에 변화가 유발될 수 있고, 가스 터빈(100)의 안전성이나 성능에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특히 적층 가공 방법으로 동일한 소재의 보수부를 형성하거나, 또는 다른 소재를 이용하더라도 동일한 모멘텀을 유지하면서 종래의 제작 방식보다 제작성 및 기계적 특성을 향상시킨 보수부를 형성하는 것이 주된 특징이다. 이하에서는 도 5 내지 도10을 참조로 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 보수 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 보수 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 블레이드부(230)에 손상이 발생하면(S100), 손상부의 위치와 형상을 파악한다(S110). 여기서 '손상부'란 크랙과 같은 물리적 손상뿐만 아니라 화학적, 열적 손상이 발생한 부위를 통칭한다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 스퀼러(233)에 크랙(C)이 발생한 경우, 크랙의 위치, 진행 방향, 깊이 등을 파악하고 이를 수치화한다. 예를 들면, CT 스캔과 같은 방사선 투과 검사(Radiation Inspection), 초음파 탐상 검사(Ultrasonic Flaw Detecting Test) 등의 비파괴 검사를 수행함으로써, 블레이드부(230)에 데미지를 주지 않으면서도 손상부의 위치와 형상을 정확하게 파악할 수 있고, 공간 상에 손상부의 위치와 형상을 수치화하여 표현할 수 있다.

손상부에 대한 파악이 완료되면, 손상부 제거에 따른 블레이드부(230)의 모멘텀 손실을 계산한다(S120).

구체적으로, 손상부의 위치와 형상이 파악되면, 블레이드부(230)의 어느 부위를 얼마나 제거할 것인지 손상부 제거 방법을 결정하여야 한다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 쉘프(235)와 평행한 A-A' 라인을 따라 자르고, 손상부(C)가 포함된 A-A' 라인 상부를 제거할 수 있다. 이 경우 쉘프(235) 전체가 함께 제거될 수 있다. 이와 다르게, 쉘프(235)에 대하여 일정한 경사각(θ)을 가지도록 B-B'을 따라 절단함으로써, 쉘프(235)의 일부만 제거되도록 할 수도 있다.

이렇게 손상부 제거 방법이 결정되면, 손상부 제거에 따라 예상되는 블레이드부(230)의 모멘텀 손실을 계산할 수 있다.

상기 계산된 모멘텀 손실을 보상할 수 있도록 보수부의 형상을 모델링한다(S130). 여기서 '보수부'는 일련의 보수 공정을 통해 블레이드부(230)에 새롭게 추가되는 부분을 지칭한다.

만약 보수부가 제거된 손상부와 동일한 소재로 형성되는 경우라면, 상기 보수부는 상기 제거된 손상부와 동일한 형상을 가질 수 있다. 다만, 보수 이후 블레이드부(230)의 모멘텀이 보수 이전과 동일하다면, 보수부의 형상을 변경시킬 수도 있다. 예를 들면, 응력이 집중되는 모서리에 곡면을 부여한다든지, 또는 특정 부위의 두께를 더 두껍게 모델링 할 수 있다.

이와 다르게, 보수부가 제거된 손상부와 상이한 소재로 형성되는 경우에는, 보수 전후로 블레이드부(230)가 동일한 모멘텀을 가지도록 보수부의 형상이 모델링 되어야 할 것이다.

보수부에 대한 모델링이 완료되면, 손상부를 제거하고(S140), 적층 가공을 이용하여 손상부가 제거된 영역을 보수한다(S150). 이에 대해서는 2가지 실시예를 나누어 보다 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 도 6 및 도 7은 보수부를 형성하는 제1 실시예를 설명하기 위한 도면들이다.

상기 제1 실시예는, 도 3에서 블레이드부(230)를 쉘프(235)와 평행한 A-A'라인을 따라 절단함으로써, A-A' 라인 상부를 손상부로서 제거한 경우이다. 이 경우에는, 제1 스퀼러(231)와 제2 스퀼러(233)의 상부가 제거되며, 쉘프(235) 또한 완전히 제거될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 보수부를 형성하는 단계(S150)는 적층 가공(Additive Manufacturing)을 통해 수행될 수 있다. 상기 적층 가공의 예로서는 레이저를 이용해 분말을 소결 혹은 용해시키는 방식의 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 및 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM), 전자빔을 이용해 분말을 용해시키는 방식의 전자빔 용융법(Electron Beam Melting, EBM), 직접 물체의 표면에 금속 분말 또는 와이어(Wire)를 공급하며 고출력 레이저 등의 에너지를 가하여 적층하는 직접 에너지 적층(Direct Energy Deposition, DED), 용융된 재료를 적층하는 방식의 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM), 잉크젯 헤드를 이용하여 액체 상태의 접착제를 금속 분말에 선택적으로 분사하여 적층하는 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ) 등이 있다. 상기 적층 가공 방식들은 손상부가 제거된 블레이드부(230) 표면에 레이어를 겹겹이 쌓아 보수부를 형성하는 방식이기 때문에, 복잡한 형상의 보수부를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 블레이드부(230)가 초합금이나 티타늄과 같은 난가공성 소재인 경우에도, 동일한 소재를 이용하여 보수부를 형성할 수 있다. 본 발명에서는 전자빔 용융법(EBM)을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 손상부가 제거된 블레이드부(230)를 전자빔 용융 장치(도시되지 않음) 내부에 수용한다. 이 경우, 블레이드부(230)는 금속 분말(310)에 파묻히게 된다. 이때, 금속 분말(310)은 블레이드부(230)를 구성하는 금속과 동일한 소재일 수 있다.

금속 분말 공급부(300)를 전후 방향(F1, F2)으로 이동시키면서, 블레이드부(230) 상에 금속 분말을 일정한 두께로 도포한다. 이어서, 전자빔 건(400)에서 전자빔을 방출하여 모델링 된(S130) 보수부의 형상에 부합하도록 도포된 금속 분말을 선택적으로 용융시키고, 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화시켜 보수부의 일부를 형성한다. 이후, 작업 대상인 블레이드부(230)를 수직 하방으로 일정한 높이만큼 하강 시킨 이후, 상기 분말 도포와 전자빔 방출 과정을 반복한다. 상기 과정을 반복하여 보수부를 형성한다. 형성된 보수부가 도 7에 도시되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 보수부는, 제1 스퀼러(231) 상부에 형성된 제3 스퀼러(232), 제2 스퀼러(233) 상부에 형성된 제4 스퀼러(234), 및 제3 스퀼러(232)와 제4 스퀼러(234)를 연결하는 제2 쉘프(236)를 포함할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 보수부는 상기 블레이드부(230)와 동일한 소재로 형성되므로, 제1 스퀼러(231)와 제3 스퀼러(232)의 두께가 동일하고, 제2 스퀼러(233)의 두께(D1)는 제4 스퀼러(234)의 두께(D2)와 동일할 수 있다. 또한, 제2 쉘프(236) 역시 보수 전 쉘프(235)와 동일한 형상을 가질 수 있다.

또한, 블레이드 내부가 갇힌 구조이거나 또는 갇힌 구조는 아니지만 금속 분말을 제거하기 어려운 경우에 상기와 같이 전자빔 용융법으로 보수하는 경우에는, 보수부 형성 이후 남아있는 금속 분말(310)들을 제거해 주어야 한다. 따라서, 제2 쉘프(236)에 개구(237)를 형성하고, 전자빔 용융 가공이 종료된 이후 개구(237)를 통해 내부의 금속 분말(310)들을 제거할 수 있다. 이후, 보수용 쿠폰(coupon)이나 경납땜(brazing) 방법 등을 이용하여 개구(237)를 메워줌으로써 보수부 형성 과정을 종료할 수 있다. 이 때, 도 7에는 개구(237)가 제2 쉘프(236)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 보수부의 형상과 공정 특성에 따라 적절한 위치에 형성될 수 있다. 예를 들어, 쉘프 저면의 블레이드부 내부에 냉각 유로 등이 구현되어 있어 금속 분말을 제거할 수 있는 경우라면, 추가적인 개구를 형성하지 않을 수도 있을 것이다.

또한, 스퀼러들(232, 234)과 제2 쉘프(236)가 만나는 경계면 모서리에는 응력 집중 현상이 발생할 수 있다. 그런데, 적층 가공 방식을 이용하면 복잡한 형상을 간단하게 형성할 수 있기 때문에, 보수부 형성 과정에서 모서리 부분에 대한 보완이 가능하다. 예를 들면, 도 7에 도시된 바와 같이 스퀼러들(232, 234)과 제2 쉘프(236)가 만나는 경계면 모서리에 챔퍼(238)를 형성할 수 있다.

한편, 상기 제1 실시예의 경우, 제2 쉘프(236)가 제3 스퀼러(232) 및 제4 스퀼러(234)에 수직한 방향으로 형성된다. 따라서, 레이어들을 순차적으로 적층하여 부품을 형성하는 적층 가공 방식을 이용할 경우, 제2 쉘프(236)의 하단이 설계와 동일하게 형성되지 못할 수도 있다.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 제2 쉘프(236)의 저면을 곡면 형태로 모델링할 수 있다. 예를 들면, 제2 쉘프(236) 저면의 챔퍼(238)들을 확대하여, 제2 쉘프(236) 저면의 단면이 반원 형상을 가지도록 보수부를 모델링 할 수 있다.

이와 다르게, 보수부에 수평 성분이 존재하지 않도록 블레이드부(230)를 기울여 적층 공정을 실시할 수도 있다. 이것이 제2 실시예이다. 제2 실시예에서는 블레이드부(230)를 일정한 경사각(θ)으로 기울여 절단함으로써, 레이어들 간에 급격한 변화 없이 레이어 적층이 이루어지도록 한 것이다.

구체적으로, 도 3에서 블레이드부(230)를 쉘프(235)와 경사(θ)를 이루는 B-B'라인을 따라 비스듬하게 절단함으로써, B-B' 라인 상부를 손상부로서 제거한 경우이다. 이 경우에는, 제2 스퀼러(233)의 상부와 쉘프(235)의 일부가 제거될 수 있다.

상기 경사각(θ)은 보수부의 형상에 따라 적절히 선택될 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이 스퀼러들(231, 233)과 쉘프(235)가 서로 수직한 경우에는 상기 경사각(θ)을 40° 내지 50°로 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경사각 범위에서는 레이어들 간에 급격한 변화가 발생하지 않으므로, 모델링과 동일하게 보수부를 형성할 수 있다.

경사각(θ) 변화에 따라, 도 9와 같이 쉘프(235)의 일부만 제거될 수도 있고, 도 10과 같이 쉘프(235) 전제가 제거될 수도 있다. 상기 경사각(θ)의 크기는 손상부의 크기와 방향, 보수부의 형상과 소재, 적층 가공의 구체적인 방법 등을 종합적으로 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 보수부는, 제2 스퀼러(233) 상부에 형성된 제4 스퀼러(234), 및 제4 스퀼러(234)와 제거되지 않은 쉘프(235)를 연결하는 제2 쉘프(236)를 포함할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 보수부는 상기 블레이드부(230)와 동일한 소재로 형성되므로, 제4 스퀼러(234)와 제2 스퀼러(233)의 두께가 동일하고, 제2 쉘프(236) 역시 쉘프(235)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 또한, 보수 전후로 블레이드부(230)는 동일한 모멘텀을 유지할 수 있다.

또한, 상기 제1 실시예와 동일하게, 제2 쉘프(236)에는 금속 분말(310) 제거를 위한 개구(237)가 형성될 수 있다. 또한, 응력 집중 현상을 방지하기 위하여, 제4 스퀼러(234)와 제2 쉘프(236)가 만나는 경계면 모서리에 챔퍼(238)가 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 보수 방법은, 적층 가공(AM) 방법을 도입함으로써 초합금이나 티타늄과 같은 난가공성 소재를 이용하여 손상된 터빈 블레이드를 용이하게 보수할 수 있다. 특히, 손상부의 위치나 크기와 관계 없이 동일한 형상으로 터빈 블레이드를 보수할 수 있으며, 보수 전후로 터빈 블레이드의 모멘텀을 일정하게 유지할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 가스 터빈 104: 연소기
106: 디퓨저 110: 압축기 섹션
120: 터빈 섹션 130: 토크 튜브
140: 압축기 로터 디스크 150: 타이로드
180: 터빈 로터 디스크 200: 터빈 블레이드
210: 플랫폼부 220: 루트부
230: 블레이드부 231, 232, 233, 234: 스퀼러
235, 236: 쉘프 237: 개구
238: 챔퍼 2 39: 중공
300: 금속 분말 공급부 310: 금속 분말
400: 전자빔 건

Claims

터빈 블레이드에 발생한 손상부의 위치와 형상을 수치화하는 단계;
상기 손상부 제거에 따른 상기 터빈 블레이드의 모멘텀 손실을 계산하는 단계;
상기 손상부와 동일한 모멘텀을 가지도록 상기 손상부를 대체할 보수부의 형상을 모델링하는 단계;
상기 손상부를 제거하는 단계; 및
상기 제거된 손상부 위치에 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정을 수행하여 상기 모델링된 보수부를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 터빈 블레이드는 내부에 중공을 형성하도록 서로 대향하는 한 쌍의 스퀼러들, 및 상기 스퀼러들을 연결하는 쉘프를 포함하고,
상기 손상부는 상기 스퀼러의 말단에서 상기 쉘프의 저면보다 더 낮은 높이까지 진행된 크랙이며,
상기 손상부를 제거하는 단계는, 상기 쉘프와 평행한 방향으로 상기 터빈 블레이드를 절단하여 상기 쉘프 전체를 제거하고,
상기 보수부의 형상을 모델링하는 단계는, 상기 쉘프의 저면이 곡면 형상을 가지도록 상기 보수부의 형상을 모델링하는 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
터빈 블레이드에 발생한 손상부의 위치와 형상을 수치화하는 단계;
상기 손상부 제거에 따른 상기 터빈 블레이드의 모멘텀 손실을 계산하는 단계;
상기 손상부와 동일한 모멘텀을 가지도록 상기 손상부를 대체할 보수부의 형상을 모델링하는 단계;
상기 손상부를 제거하는 단계; 및
상기 제거된 손상부 위치에 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정을 수행하여 상기 모델링된 보수부를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 터빈 블레이드는 내부에 중공을 형성하도록 서로 대향하는 한 쌍의 스퀼러들, 및 상기 스퀼러들을 연결하는 쉘프를 포함하고,
상기 손상부는 상기 스퀼러의 말단에서 상기 쉘프의 저면보다 더 낮은 높이까지 진행된 크랙이며,
상기 손상부를 제거하는 단계는, 상기 쉘프의 저면에 대하여 기 설정된 경사각을 가지도록 상기 터빈 블레이드를 절단하여 상기 쉘프의 일부를 제거하는 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제2항에 있어서, 상기 보수부를 형성하는 단계는,
상기 손상부가 제거된 터빈 블레이드를 상기 경사각만큼 기울인 상태에서 적층 가공 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제2항에 있어서, 상기 경사각은 40° 내지 50°인 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제2항에 있어서, 상기 보수부의 형상을 모델링하는 단계는,
상기 스퀼러와 상기 쉘프의 경계면에 라운드진 챔퍼(chamfer)가 형성되도록 상기 보수부를 모델링하는 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적층 가공 공정은 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering), 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting), 전자빔 용융법(Electron Beam Melting), 직접 에너지 적층(Direct Energy Deposition), 접착제 분사방식(Binder Jetting), 및 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling) 공정 중에서 선택된 하나의 공정인 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 손상부의 위치와 형상을 수치화하는 단계는, 상기 터빈 블레이드에 비파괴 검사를 수행하여 손상부를 탐지하는 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 터빈 블레이드와 상기 보수부는 동일한 소재인 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 보수부는 상기 손상부와 동일한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 적층 가공을 이용한 터빈 블레이드의 보수 방법.
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