KR102602057B1 - 3d프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스터빈 베인제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스터빈의 베인을 제작시 베인의 몸체부는 진공정밀주조를 이용하여 제작하고, 베인의 트레일링 에지(Trailing Edge)부는 3D프린팅으로 적층해서 제작하여 베인의 몸체부와 트레일링 에지(Trailing Edge)부를 확산 브레이징으로 접합하는 것이 특징인 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법은 베인의 냉각효율이 향상되어 발전효율이 증대되고, 또한 종래의 진공정밀주조에서는 발생하는 불량률을 매우 낮출 수 있어 제작단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법은 베인의 냉각효율이 향상되어 발전효율이 증대되고, 또한 종래의 진공정밀주조에서는 발생하는 불량률을 매우 낮출 수 있어 제작단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 가스터빈 베인제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법에 관한 것이다.
가스터빈은 천연가스 연료와 고압의 압축된 공기를 혼합해서 연소기를 통해 점화 팽창된 고온·고압의 유체를 가스터빈 내부의 베인 및 블레이드 등 고온부품을 통해 터빈로터를 회전시키면서 발전기로부터 전력을 생산한다.
도 1에 도시된 바와 같이 가스터빈(1)은 크게 압축기(10)와 연소기(20)와 터빈(30)으로 구성되는 것으로, 압축기(10)는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
그리고 연소기(20)는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소가스가 생성되며, 터빈(30)은 터빈 케이싱 내에 연소가스를 안내하는 복수의 터빈 베인(100)과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되고. 압축기(10)와 연소기(20)와 터빈(30) 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있는 구성을 지닌다.
이들 고온부품은 운전 중에 높은 온도 및 압력의 부하를 지속적으로 받게 되어 소재 및 열차폐 코팅 보호막이 피로, 산화, 마모 등 열화되어 손상을 받는 것은 피할 수 없다.
따라서, 근본적으로 고온 부품의 손상을 최소화 할 수 있는 방법은 1) 고온에서 열화가 되지 않는 소재를 개발하거나, 2) 이들 고온부품의 냉각효율을 최대한 높여 매우 뜨거운 유체로부터 소재의 손상을 피하는 것이 유일한 방법이라고 할 수 있다.
본 발명에서는 냉각효율을 최대한 높여 고온부품의 손상을 최소화하는 방법으로 접근하고자 한다.
특히, 베인의 경우 트레일링 에지(Trailing Edge)부의 냉각효율 향상을 위해 설계된 냉각홀(Cooling hole)이 복잡해서 도 3의 종래의 진공정밀주조에 의한 베인 제작 공정도에 도시된 바와 같이 종래의 기술인 진공정밀주조로 베인을 제작할 경우 불량률이 80% 이상으로 제작비용이 매우 높은 단점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 베인을 제작할 경우 베인의 몸체부는 종래의 제작 공정인 진공정밀주조를 이용하고, 베인의 Trailing Edge부는 3D프린팅으로 적층해서 베인의 몸체부와 트레일링 에지(Trailing Edge)부를 확산 브레이징 방법으로 접합하고자 하는 것이다.
본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법은 가스터빈의 베인을 제작시 베인의 몸체부는 진공정밀주조를 이용하여 제작하고, 베인의 트레일링 에지(Trailing Edge)부는 3D프린팅으로 적층해서 제작하여 베인의 몸체부와 트레일링 에지(Trailing Edge)부를 확산 브레이징으로 접합하는 것으로, 상기 가스터빈 베인의 몸체부를 진공정밀주조로 제작하는 1단계; 가스터빈 베인의 트레일링 에지(Trailing Edge)부를 제작하는 2단계; 상기 가스터빈 베인의 몸체부와 트레일링 에지(Trailing Edge)부를 확산 브레이징으로 접합하는 3단계; 상기 확산 브레이징으로 접합된 베인을 브레이징으로 열처리하는 4단계;공정을 포함하여 제작하는 것이 특징이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법은 베인의 냉각효율이 향상되어 발전효율이 증대되고, 또한 종래의 진공정밀주조에서는 발생하는 불량률을 매우 낮출 수 있어 제작단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 가스터빈의 단면 개요도.
도 2는 일반적인 가스터빈 베인 사시도.
도 3은 종래의 진공정밀주조에 의한 베인 제작공정도.
도 4는 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인 제작공정도.
도 5는 진공정밀주조에 의해 제조되는 가스터빈 베인의 몸체부 사시도.
도 6은 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용하여 제작되는 가스터빈 베인의 트레일링 에지(Trailing Edge)부 사시도.
도 2는 일반적인 가스터빈 베인 사시도.
도 3은 종래의 진공정밀주조에 의한 베인 제작공정도.
도 4는 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인 제작공정도.
도 5는 진공정밀주조에 의해 제조되는 가스터빈 베인의 몸체부 사시도.
도 6은 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용하여 제작되는 가스터빈 베인의 트레일링 에지(Trailing Edge)부 사시도.
본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법은 가스터빈(1)의 베인(100)을 제작시 베인(100)의 몸체부(110)는 진공정밀주조를 이용하여 제작하고, 베인(100)의 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)는 3D프린팅으로 적층해서 제작하여 베인(100)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 확산 브레이징으로 접합하는 것이 특징이다.
상기 가스터빈 베인(110)의 몸체부(110)를 진공정밀주조로 제작하는 1단계; 가스터빈 베인(110)의 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 제작하는 2단계; 상기 가스터빈 베인(110)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 확산 브레이징으로 접합하는 3단계; 상기 확산 브레이징으로 접합된 베인(110)을 브레이징으로 열처리하는 4단계;공정을 포함하여 제작하는 것이 특징이다.
그리고 상기 3단계 공정에서 확산 브레이징시 초음파 진동을 가하는 것으로, 초음파 진동은 온도는 20∼60℃ 내에서 주파수 0.1KHz∼100MHz의 범위내에서 행하는 것이 특징이다.
또한, 상기 3단계 공정에서의 확산 브레이징시 사용되는 브레이징 페이스트는 중량비로 탄소(C) 0.01∼0.05%, 크롬(Cr) 10∼28%, 니켈(Ni) 30∼40%, 텅스텐(W) 0.01∼2.5%, 하프늄(Hf) 0.01∼1.5%, 알루미늄(Al) 0.01∼5%, 탄탈륨(Ta) 0.01∼1.5%, 실리콘(Si) 0.01∼4% 나머지는 코발트(Co)로 이루어진 것과, 중량비로 탄소(C) 0.03%, 크롬(Cr) 10∼30%, 니켈(Ni) 30∼50%, 텅스텐(W) 1% 이하, 탄탈륨(Ta) 0.01∼2.5%, 붕소(B) 4%, 나머지는 코발트(Co)인 Ni기반 초합금 조성으로 이루어진 브레이징 페이스트 중 택일하여 주사기로 접합하고자 하는 부분에 주입하는 방법을 사용하는 것이 특징이다.
또한, 상기 4단계 공정의 브레이징은 온도 1200∼1450℃에서 30∼60분간 행한 후, 20분 동안 1023∼1350℃까지 온도를 내려서 150∼255분간 진공에서 확산 열처리하는 것이 특징이다.
이하, 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인 제작공정도, 도 5는 진공정밀주조에 의해 제조되는 가스터빈 베인의 몸체부 사시도, 도 6은 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용하여 제작되는 가스터빈 베인의 트레일링 에지(Trailing Edge)부 사시도이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 가스터빈(1)의 베인(100)을 제작시 베인(100)의 몸체부(110)는 진공정밀주조를 이용하여 제작하고, 베인(100)의 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)는 3D프린팅으로 적층해서 제작하여 베인(100)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 확산 브레이징으로 접합하는 것이다.
더욱 바람직하게는 본 발명의 가스터빈 베인(110)의 몸체부(110)를 진공정밀주조로 제작하는 1단계; 가스터빈 베인(110)의 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 제작하는 2단계; 상기 가스터빈 베인(110)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 확산 브레이징으로 접합하는 3단계; 상기 확산 브레이징으로 접합된 베인(110)을 브레이징으로 열처리하는 4단계;공정을 포함하여 제작하도록 한다.
상기 3단계 공정에서의 확산 브레이징시 사용되는 브레이징 페이스트(Paste)는 중량비로 탄소(C) 0.01∼0.05%, 크롬(Cr) 10∼28%, 니켈(Ni) 30∼40%, 텅스텐(W) 0.01∼2.5%, 하프늄(Hf) 0.01∼1.5%, 알루미늄(Al) 0.01∼5%, 탄탈륨(Ta) 0.01∼1.5%, 실리콘(Si) 0.01∼4% 나머지는 코발트(Co)로 이루어진 것을 사용하도록 한다.
또 다르게는 중량비로 중량비로 탄소(C) 0.03%, 크롬(Cr) 10∼30%, 니켈(Ni) 30∼50%, 텅스텐(W) 1% 이하, 탄탈륨(Ta) 0.01∼2.5%, 붕소(B) 4%, 나머지는 코발트(Co)인 Ni기반 초합금 조성으로 이루어진 것을 사용하도록 한다.
상기 브레이징 페이스트(Paste)에는 내식성을 강화시키기 위해 지르코늄(Zr) 0.01∼0.05wt%와 부식과 마모에 강한 팔라듐(Pd) 5wt%가 포함될 수 있으며, 금속 간의 반응이 좋도록 하기 위해 망간(Mn) 1wt%와 인(P) 0.04wt% 및 높은 강도 및 고온에서 잘견디는 베릴륨(Be) 3wt%과 티타늄(Ti) 3wt%가 더 포함될 수도 있다.
상기 추가로 포함되는 금속들은 모두 또는 하나 이상을 선택하여 포함될 수 있다.
상기 열거한 브레이징 페이스트(Paste)는 풀과 같은 점착성을 가진 물질을 가리키는 것으로, 고온부품인 가스터빈 베인(110)을 이루는 금속성분과의 친화력 또는 친밀감과 접합력 및 접합후 견고함 유지 등을 고려하였다.
이때, 브레이징 페이스트 중 택일하여 주사기로 접합하고자 하는 부분에 주입하는 방법을 사용하도록 한다.
상기 베인(100)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)의 확산 브레이징으로 인한 접합시 브레이징 페이스트 침투가 용이하게 하기 위해서 초음파 진동을 가할 수 있다.
초음파 진동은 0.1KHz∼100MHz의 범위로 하되, 더욱 바람직하게는 20∼60℃ 내에서 진행되도록 한다.
한편, 상기 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)가 서로 접촉되는 일면 중 어느 하나의 일면에는 돌출부(도면 미도시)를 형성하고, 이에 대응하는 일면에는 홈부(도면 미도시)를 형성하여 레고처럼 조립하여 브레이징함으로써 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)의 견고한 체결관계를 이룰 수 있을 것이다.
특히, 돌출부의 형상을 원형 또는 육각형 형상으로 형성하되, 복수 개가 일정간격 이격되게 돌출형성하고, 이에 대응하는 홈부를 형성하여 홈부에 브레이징 페이스트를 충진하여 브레이징 열확산으로 접합하게 되면 더욱 견고한 체결관계를 이룰 수 있을 것이다.
상기 2단계 공정에서 트레일링 에지(Trailing Edge)부는 상하 단부 면적이 좁기에 너무 높이가 높거나 길이가 길게 제작되면 3D프린팅시 무너질 우려가 있기에 두 개 이상으로 분할제작하여 분할제작된 트레일링 에지(Trailing Edge)부 분할편을 서로 접합할 수도 있다.
분할제작된 트레일링 에지(Trailing Edge)부에서 서로 접촉되는 단부면 중 어느 하나의 단부면에는 돌출부의 형상을 다른 분할제작된 트레일링 에지(Trailing Edge)부에는 요홈을 제작하여 요홈에 브레이징 페이스트(Paste)를 충진한 후, 레고처럼 조립하여 확산 브레이징으로 접합하도록 한다.
이때에도 브레이징 페이스트(Paste)는 앞서 설명한 것을 택하여 사용하도록 한다.
그리고, 상기 4단계 공정의 브레이징은 온도 1200∼1450℃에서 30∼60분간 행한 후, 20분 동안 1023∼1350℃까지 온도를 내려서 150∼255분간 진공에서 확산 열처리하도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법은 베인의 냉각효율이 향상되어 발전효율이 증대되고, 또한 종래의 진공정밀주조에서는 발생하는 불량률을 매우 낮출 수 있어 제작단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
1. 가스터빈
10. 압축기
20. 연소기
30. 터빈
100. 베인
110. 몸체부
120. 트레일링 에지(Trailing Edge)부
10. 압축기
20. 연소기
30. 터빈
100. 베인
110. 몸체부
120. 트레일링 에지(Trailing Edge)부
Claims (5)
- 가스터빈(1)의 베인(100)을 제작시 베인(100)의 몸체부(110)는 진공정밀주조를 이용하여 제작하고, 베인(100)의 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)는 3D프린팅으로 적층해서 제작하여 베인(100)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 확산 브레이징으로 접합하는 것으로,
가스터빈 베인(110)의 몸체부(110)를 진공정밀주조로 제작하는 1단계; 가스터빈 베인(110)의 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 제작하는 2단계; 상기 가스터빈 베인(110)의 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)를 확산 브레이징으로 접합하는 3단계; 상기 확산 브레이징으로 접합된 베인(110)을 브레이징으로 열처리하는 4단계;공정을 포함하여 제작하도록 하되,
상기 3단계 공정에서 확산 브레이징시 초음파 진동을 가하는 것으로, 초음파 진동은 온도는 20∼60℃ 내에서 주파수 0.1KHz∼100MHz의 범위내에서 행하는 것이며,
상기 3단계 공정에서의 확산 브레이징시 사용되는 브레이징 페이스트(Paste)는 중량비로 탄소(C) 0.01∼0.05%, 크롬(Cr) 10∼28%, 니켈(Ni) 30∼40%, 텅스텐(W) 0.01∼2.5%, 하프늄(Hf) 0.01∼1.5%, 알루미늄(Al) 0.01∼5%, 탄탈륨(Ta) 0.01∼1.5%, 실리콘(Si) 0.01∼4% 나머지는 코발트(Co)로 이루어진 것과,
중량비로 탄소(C) 0.03%, 크롬(Cr) 10∼30%, 니켈(Ni) 30∼50%, 텅스텐(W) 1% 이하, 탄탈륨(Ta) 0.01∼2.5%, 붕소(B) 4%, 나머지는 코발트(Co)인 Ni기반 초합금 조성으로 이루어진 브레이징 페이스트 중 택일하여 주사기로 접합하고자 하는 부분에 주입하는 방법을 사용하도록 하되,
상기 브레이징 페이스트(Paste)에는 지르코늄(Zr) 0.01∼0.05wt%, 팔라듐(Pd) 5wt%, (Mn) 1wt%, 인(P) 0.04wt%, 베릴륨(Be) 3wt%, 티타늄(Ti) 3wt%를 하나 이상을 선택하여 포함할 수 있으며,
상기 4단계 공정의 브레이징은 온도 1200∼1450℃에서 30∼60분간 행한 후, 20분 동안 1023∼1350℃까지 온도를 내려서 150∼255분간 진공에서 확산 열처리하는 것이며,
상기 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)가 서로 접촉되는 일면 중 어느 하나의 일면에는 돌출부를 형성하고, 이에 대응하는 일면에는 홈부를 형성하여 레고처럼 조립하여 브레이징함으로써 몸체부(110)와 트레일링 에지(Trailing Edge)부(120)의 견고한 체결관계를 이룰 수 있는 것으로,
상기 2단계 공정에서 트레일링 에지(Trailing Edge)부는 두 개 이상으로 분할제작하여 분할제작된 트레일링 에지(Trailing Edge)부 분할편을 서로 접합할 수도 있되, 분할제작된 트레일링 에지(Trailing Edge)부에서 서로 접촉되는 단부면 중 어느 하나의 단부면에는 돌출부의 형상을 다른 분할제작된 트레일링 에지(Trailing Edge)부에는 요홈을 제작하여 요홈에 브레이징 페이스트(Paste)를 충진한 후, 레고처럼 조립하여 확산 브레이징으로 접합하도록 하는 것이 특징인 3D프린팅과 브레이징 복합공정을 이용한 가스터빈 베인제작 방법. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
| US20250073800A1 (en) * | 2023-08-28 | 2025-03-06 | Hyun Ki KANG | Method for repairing wide crack in hot gas path part for gas turbine using brazing |
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| KR20160142196A (ko) | 2015-06-02 | 2016-12-12 | 한화테크윈 주식회사 | 가스 터빈용 베인의 수리 방법 |
| KR102116504B1 (ko) | 2018-12-03 | 2020-05-28 | 두산중공업 주식회사 | 베인, 베인 제조방법 및 가스터빈 |
| KR102278835B1 (ko) | 2021-04-12 | 2021-07-19 | 주식회사 성일터빈 | 브레이징을 이용한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조방법 |
| KR102507408B1 (ko) * | 2022-11-11 | 2023-03-08 | 터보파워텍(주) | 3d프린팅에 의한 가스터빈 블레이드의 에어포일 수리 공정 |
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