KR100847165B1

KR100847165B1 - 압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치

Info

Publication number: KR100847165B1
Application number: KR1020030072490A
Authority: KR
Inventors: 맥카빌존알; 로슨로날드에이치이세; 로지어엘레나; 보우스쿠에트마이클; 하트리리차드엠; 하트리케네스제이
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2008-07-17
Also published as: EP1410873A3; KR20040034513A; JP2004138068A; EP1410873A2; US20040074093A1; US7032279B2; US20060168809A1

Abstract

본 발명은 압축기의 입구에 장착된 트랙(18)을 구비한 장치가 제공된다. 매니퓰레이터(20)는 트랙 둘레를 이동하도록 장착되며, 3개의 모듈(32, 40, 50)을 지지하며, 모듈(50)은 데카르트 좌표계에서 그리고 트랙 둘레를 이동하는 공구 헤드를 장착한다. 측정 헤드(192)는 에어포일 표면의 위치를 측정한다. 제 3 모듈(50)상에 장착된 연마 공구(72)는 에어포일로부터 표면 재료를 제거한다. 이어서, 쇼트 피닝 장치(140, 160)는 매설된 쇼트를 가진 플랩퍼 또는 자유 쇼트중의 하나가 연마된 표면에 충돌하여 표면을 강화한다. 최종 검사는 제 3 모듈상에 장착된 조명 및 카메라 헤드(200)에 의해 수행된다.

Description

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치{APPARATUS AND METHODS FOR REPAIRING COMPRESSOR AIRFOILS IN SITU}

도 1은 입구부를 포함하는 압축기의 개략적인 측면 단면도로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기 블레이드 수리용 장치를 나타내는 도면,

도 2는 매니퓰레이터에 장착되어 에어포일 수리 장치의 일부를 형성하는 공구 헤드의 개략적인 사시도,

도 3은 수리 장치의 일부를 형성하는 공구 헤드의 또다른 형태를 나타내는 도 2와 유사한 도면,

도 4는 압축기 에어포일을 연마하여 수리하는데 사용되는 공구 헤드의 사시도,

도 5는 공구 헤드의 단면도,

도 6은 공구 헤드의 평면도로서, 공구 헤드의 분절형 핑거에 의해 실질적으로 일정한 힘을 에어포일에 유지하기 위한 메카니즘을 설명하기 위해 부분적으로 절결된 도면,

도 7은 도 6의 메카니즘을 형성하는 다양한 부품의 분해 측면도,

도 8 내지 도 10은 핑거에 의해 블레이드에 인가되는 실질적으로 일정한 힘 을 제공하는 도 7의 메카니즘의 협력부를 나타내는 도면,

도 11은 본 발명의 수리 장치를 위한 동작 제어 시스템의 개략도,

도 12는 자유 쇼트 피닝을 이용하여 에어포일의 표면을 강화하기 위한 장치의 개략도,

도 13은 에어포일 표면을 자유 쇼트 피닝하는데 사용되는 디플렉터의 사시도,

도 14는 에어포일 표면을 피닝하기 위한 플랩퍼 피닝 공구의 개략적인 사시도,

도 15는 플랩퍼 피닝 공구의 단면도,

도 16은 블레이드 및 루트의 필렛 영역을 블랜딩하기 위한 연마/그라인딩 및 가이드 공구의 조합을 나타내는 도면,

도 17은 블레이드의 전연이 인접한 위치에 있는 필렛 및 가이드 공구의 개략도,

도 18은 제 3 모듈상에 장착된 측정 공구의 사시도,

도 19는 제 3 모듈상에 장착하기 위한 카메라 및 조명의 개략도,

도 20 내지 도 24는 압축기 에어포일의 전연의 전연부를 수리하기 위한 다양한 위치에 있는 도 4의 연마 공구의 작동 헤드의 개략도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

18 : 트랙 20 : 매니퓰레이터

32, 40, 50 : 모듈 72 : 연마 공구

140, 160 : 쇼트 피닝 장치

본 발명은 터빈상의 손상된 에어포일의 자동 수리 장치에 관한 것으로, 특히, 에어포일 블레이드를 원래 위치에서 측정, 검사 및 수리하기 위한 컴퓨터 제어형의 기계식 매니퓰레이터에 관한 것이다.

가스 터빈 에어포일과 같은 기계 구성 요소는 사용중이나 또는 설치 동안에 손상될 수 있다. 예를 들어, 손상의 일종인 블레이드 부식이 회전 블레이드의 전연부 둘레에 발생할 수 있다. 압축기 케이싱 및 엔클로저의 제거를 요하는 수공 수리 방법은 상당한 비용과 시간이 소비되는 공정이다. 에어포일의 수리를 목적으로 그라인딩 및 샌딩 공구와 같은 수공구를 사용하는 공정이 개발되어 이용되었지만, 수공 수리의 질은 작업을 수행하는 기술자의 기술과 주의력에 따라 좌우된다. 그러한 수리에서 공정 일관성은 보증되지 않는다. 또한, 터빈 구성 요소를 분해 또는 재조립하는데 실질적인 시간과 비용이 필요하다. 따라서, 에어포일의 자동 수리가 필요하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 원위치에서의 터빈 에어포일의 자동 수리를 가능하게 하는 장치 및 방법이 제공된다. 일반적으로, 이 시스템은 수리, 즉, 전형적으로 에어포일의 전연에 따른 에어포일의 손상 표면을 제거하고, 소망하는 최적의 강화 표면 형태로 에어포일을 복구하는 것에 앞서, 에어포일의 검사 및 측정을 가능하게 한다. 특히, 이 시스템은 압축기의 입구의 내경상에 장착하기 위한 아치형 트랙과, 대체로 원주방향으로 트랙 둘레로 이동하기 위한 매니퓰레이터를 포함한다. 상호 교환 가능한 공구들이 매니퓰레이터에 부착되어 2개의 수직축을 따라, 즉, 트랙에 대해 대체로 접선방향으로, 반경방향으로, 그리고 압축기의 회전축에 평행한 축을 따라, 즉, 출입 동작으로 매니퓰레이터에 대해 이동하도록 지지된다. 이러한 구성의 결과로, 공구의 작동부 또는 작동 헤드는 선택된 에어포일에 인접하여 위치될 수 있다. 공구는 측정 공구, 그라인딩 또는 연마 공구, 플랩퍼 피닝(flapper peening) 공구뿐만 아니라, 에어포일 표면을 시각적으로 검사하기 위한 카메라 등을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

특히, X, Y 및 Z 좌표 방향으로 리드 스크류에 의해 구동되는 제 1, 제 2 및 제 3 모듈이 매니퓰레이터에 장착된다. 리드 스크류는 작업 헤드의 위치를 항상 알 수 있도록 서보 모터 제어하에 있다. 매니퓰레이터 및 다양한 모듈은, 예를 들어, 수동 조작을 위한 조이스틱을 이용하거나, 작업 헤드가 자동화된 패턴을 가진 지정된 반복 가능한 방식으로 이동될 수 있도록 하는 동작 제어 소프트웨어를 이용한 제어기를 통해 제어 스테이션으로부터 원격으로 구동될 수 있다. 동작 제어 시스템은 작업 헤드 위치의 연속적인 피드백을 제공한다. 매니퓰레이터를 소정 위치에 고정하여 선택된 에어포일을 수리하는 동안 안정된 플랫폼을 제공하도록 매니퓰레이터와 압축기 입구의 외측 케이싱 사이에는 안정화 램이 상호접속될 수 있다.

본 발명의 장치를 이용하는데 있어서, 측정 공구는 제 3 모듈상에 장착되며, 매니퓰레이터로부터 선택된 에어포일의 전연의 윤곽과 같이 가변적인 위치까지의 거리를 기록하기 위해 선형 가변 미분 변환기, 전자 선형 인코더 또는 유사한 장치를 포함할 수 있다. 측정 공구를 이용하여 매니퓰레이터에 대한 에어포일의 위치를 맵핑하고 기록함으로써, 그라인딩 또는 연마 공구와 같은 다른 작업 공구가 측정 공구 대신 제 3 모듈상에 장착될 수 있으며, 선택된 에어포일로부터 소정량의 재료를 제거하도록 표면을 그라인딩 또는 연마하기 위해 비회전 또는 고정 입구 베인을 지나 압축기 입구를 통해 삽입될 수 있다. 예를 들어, 선택된 에어포일의 전연은 부식되거나 손상된 재료를 소정량 제거하기 위해 그라인딩 또는 연마될 수 있다. 공구의 작업 헤드는 전형적으로는 손상된 전연 및 전연에 인접한 에어포일의 대향측을 따라, 선택된 에어포일부의 소망 윤곽을 따른다. 예를 들어, 블랜딩 공구는 고정부와 고정부로 분절부를 구비한, 공구상에 장착된 연마 벨트를 포함할 수 있다. 분절부가 다양한 각도에서 전연의 대향측을 따라, 그리고 전연을 따라 위치하여 에어포일 표면으로부터 손상된 재료를 연마하도록, 연마 벨트는 2개의 섹션 사이에 걸쳐있다. 분절부는 벨트가 블레이드를 따라 이동됨에 따라 실질적으로 일정한 힘으로 에어포일에 대항하여 벨트를 유지한다. 에어포일의 필렛 영역 또는 루트 반경을 제거하는데는 다른 유형의 공구가 사용된다. 이 공구는 또한 고정부와, 이 고정부와 유사하게 분절화되어 에어포일에 대해 실질적으로 일정한 힘을 제공하는 섹션을 포함할 수 있다. 분절부상에는 연마재가 코팅된 작은 원통형의 작 업 헤드가 그 배향이 기본적으로 에어포일의 필렛 영역과 일직선이 되도록 장착될 수 있다. 이 필렛 영역 공구는 또한 소정량 이상의 재료를 블레이드로부터 제거하는 것을 방지하도록 가이드를 이용하여 제 3 모듈상에 장착된다.

그 후, 수리된 표면은 매니퓰레이터에 의해 지지되는 제 3 모듈상에 카메라를 장착하고, 또는 휴대용 카메라를 이용하여 카메라를 압축기의 제 1 스테이지에 삽입하여 수리된 표면을 관찰함으로써 검사가 이루어진다. 표면이 적절히 수리되면, 쇼트 피닝(shot peening)에 의해 강화된다. 이를 달성하기 위해, 연마 공구 또는 필렛 영역 공구가 제 3 모듈로부터 제거되고, 부착된 쇼트 피닝을 위한 플랩퍼가 제공된 공구로 교체된다. 대안적으로는, 필렛 영역 공구는 원통형 연마 작업 헤드가 제거되고 플랩퍼 피닝 작업 헤드로 교체될 수 있도록 구성될 수 있다. 플랩퍼는 그 자체로 구입 가능하며, 직물 타입 재료와 같은 가요성 재료의 사각형 조각에 매설 또는 고정된 다수의 강철 쇼트를 포함한다. 플랩퍼 작업 헤드는 중심축을 중심으로 회전하도록 플랩퍼 피닝 공구내에 장착되며, 그에 의해 플랩퍼가 회전됨에 따라 플랩퍼에 의해 지지되는 강철 쇼트가 에어포일 표면에 주기적으로 충돌한다. 에어포일 표면에 대한 강철 쇼트의 충돌은 표면에 잔류 압축 응력을 제공하고, 표면을 강화시킨다. 사전에 기록된 에어포일 섹션의 공지된 측정값을 이용하여, 쇼트 피닝 플랩퍼는 표면에 대한 강철 쇼트의 충돌을 최대화하고, 표면의 선택된 영역이 강화되도록 수리된 표면을 따르도록 위치될 수 있다.

강철 쇼트를 이용하는 플랩퍼의 대안으로서, 자유 쇼트 피닝이 제공될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 노즐을 구비한 쇼트 피닝 건(gun)이 제 3 모듈에 의해 지지되며, 수리된 에어포일 섹션에 인접하여 위치된다. 노즐의 둘레, 그리고 에어포일 섹션의 일부의 둘레에는 쇼트 피닝 건에 의해 에어포일 표면에 충돌한 자유 쇼트를 수취하도록 엔클로져가 제공된다. 에어포일 및 노즐의 둘레에는 사용된 강철 쇼트가 챔버로부터 제거되도록 진공 시스템이 제공된다. 수리된 에어포일 섹션을 따른 노즐의 이동은 사전에 기록된 측정값에 기초한 프로세서의 제어하에 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 압축기의 입구에 장착되며, 축을 중심으로 대체로 원주방향으로 이동하는 매니퓰레이터와, 상기 매니퓰레이터에 의해 지지되며, 상기 매니퓰레이터에 대해 상대 이동하여 선택된 에어포일과 접촉하는 위치까지 압축기의 입구내로 이동하는 공구와, 선택된 에어포일과 접촉하도록 상기 공구를 구동하는 구동 시스템과, 선택된 에어포일을 수리하기 위해, 상기 공구가 선택된 에어포일과 접촉하여 위치하도록 상기 구동 시스템을 제어하는 시스템을 포함하는, 압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서는, 압축기의 입구에 장착하기 위한 아치형 트랙과, 축을 중심으로 대체로 원주방향으로 이동하도록 상기 트랙상에 장착된 매니퓰레이터와, 상기 매니퓰레이터에 대해 대체로 접선 방향으로 이동하도록 상기 매니퓰레이터에 의해 지지되는 제 1 모듈을 갖는 공구를 위한 지지 시스템과, 상기 제 1 모듈에 대해 상기 접선 방향의 수직 방향으로 그리고 대체로 압축기의 축에 수직인 평면에서 이동하도록 상기 제 1 모듈에 의해 지지되는 제 2 모듈과, 상기 제 2 모듈에 대해 상기 축에 대체로 평행한 방향으로 이동하도록 상기 제 2 모듈에 의해 지지되며, 상기 공구와 함께 이동하도록 상기 공구를 지지하는 제 3 모듈과, 상기 모듈을 각자의 방향으로 구동하기 위한 구동 시스템과, 선택된 에어 포일에 대한 공구의 위치를 측정 및 기록하기 위한 시스템과, 에어포일을 수리하기 위해 측정 및 기록 시스템에 응답하여 상기 공구를 선택된 에어포일에 대해 위치시키는, 압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서는, ① 압축기의 입구에 인접하여 매니퓰레이터를 장착하는 단계와, ② 매니퓰레이터에 의해 지지되는 공구를 고정 베인의 원주방향 어레이를 지나 압축기의 로터상에 장착된 선택된 에어포일의 근접부까지 압축기내로 이동시키는 단계와, ③ 선택된 에어포일의 일부의 윤곽을 따르도록 3차원으로 공구를 이동시키는 단계와, ④ 선택된 에어포일의 윤곽을 따르는 동안, 공구를 접촉시켜 선택된 에어포일부로부터 재료를 제거하는 단계와, ⑤ 단계 ④에 이어, 선택된 에어포일부의 표면을 강화하는 단계를 포함하는, 압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서, 터빈의 선택된 에어포일의 표면부를 수리하는 방법과, 에어포일 섹션을 원위치에서 쇼트 피닝시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

도 1을 참조하면, 입구부(11)를 포함하는 압축기[참조부호(10)로 포괄적으로 표시함]의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 압축기 에어포일(12)은 중간 스테이터 베인(16)을 갖는 로터(14)상에 장착되며, 로터는 축(28)을 중심으로 회전한다. 도시된 바와 같이, 환형 트랙(18)이, 예를 들어, 고정 입구 베인(17)의 바로 상류의 입구 콘(cone) 또는 내경부에 클램핑되어 압축기(10)의 입구부(11)에 장착된다. 매니퓰레이터[참조부호(20)로 포괄적으로 표시함]가 트랙의 둘레를 이동하도록 트랙상에 장착된다. 트랙(18)은 기어(19)를 구비하여, 매니퓰레이터(20)에 의해 지지되는 서보 모터(23)에 의해 구동되는 대응하는 기어 이(gear teeth)(21)와 결합한다. 따라서, 매니퓰레이터(20)상에서 기어 이(21)를 구동함으로써, 매니퓰레이터(20)는 트랙 및 압축기의 입구 둘레의 어떠한 회전 위치로도 구동될 수 있다. 컴퓨터 제어식 서보 모터를 이용함으로써, 압축기 입구 둘레의 매니퓰레이터의 원주방향 위치를 항상 알 수 있다.

도 2 및 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 매니퓰레이터(20)는, 예를 들어, 측정 공구, 연마/그라인딩 또는 샌딩 공구 또는 피닝 공구와 같은 공구[참조부호(26)로 포괄적으로 표시함]를 위한 지지 시스템을 포함한다. 지지 시스템은 압축기의 회전축(28)에 대해 대체로 접선 방향으로 매니퓰레이터(20)에 대해 공구(26)를 이동시키기 위해 매니퓰레이터(20)에 의해 지지되는 제 1 모듈(32)을 포함한다. 제 1 모듈(32)은 서보 모터(36)의 제어하에 매니퓰레이터(20)에 의해 지지되는 리드 스크류(34)를 포함한다. 따라서 트랙(39)상에 장착된 리드 스크류 이동체(follower)(38)는 리드 스크류(34) 및 서보 모터(36)의 제어하에 트랙(39)을 따라 대체로 접선 방향으로 이동 가능하다. 제 1 모듈(32)은 제 1 모듈에 대해 접선에 수직인 방향으로 그리고 대체로 로터 축(28)에 수직인 평면에서 이동하는 제 2 모듈(40)을 지지한다. 제 2 모듈(40)은 컴퓨터 제어하에 서보 모터(44)에 의해 회전 구동되는 리드 스크류(42)를 포함한다. 리드 스크류 이동체(46)는 제 1 모듈의 이동체(38)의 이동 방향에 수직인 방향으로 이동 가능하도록 리드 스크류(42)에 결합된다. 제 3 모듈(50)은 압축기의 축에 대체로 평행한 방향으로 제 2 모듈에 대해 이동하도록 제 2 모듈(40)에 의해 지지된다. 제 3 모듈은 서보 모터(54)에 의해 구동되는 리드 스크류(52)를 포함한다. 리드 스크류 이동체(56)는 서보 모터(54) 및 리드 스크류(52)의 제어하에 이동하도록 아암(58)상에 장착된다. 리드 스크류 이동체(56)는 도시된 바와 같이 공구(26)를 장착한다.

이상의 구성에 따라, 제 3 모듈에 의해 지지되는 어떠한 공구(26)도 매니퓰레이터(20)에 대해 X, Y, Z 데카르트 좌표에서 이동 가능하다는 것이 이해될 것이다. 이러한 이동은 대체로 접선 방향, 접선 방향에 수직인 방향, 압축기의 축에 수직인 평면, 그리고 압축기의 축에 대체로 평행한, 즉, 압축기의 회전축(28)(도 1)에 대해 출입하는 방향에 대응한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 램(60)이 매니퓰레이터(20)의 대향측상에 장착되어, 입구부(11)의 내측 쉘을 압축기에 결합시켜 작동중 매니퓰레이터를 안정화한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 공구(26)는 블랜딩 공구(70)를 포함할 수 있다. 블랜딩 공구(70)는 적절한 마운트에 의해 제 3 모듈(50)에 탈착 가능하게 장착된다. 예를 들어, 블랜딩 공구가 제위치에 고정되어 매니퓰레이터(20)를 원주방향으로 구동하고 모듈(32, 40, 50)을 각자의 방향으로 구동하는 다양한 서보 모터에 의해 4개의 축을 따라 이동 가능하도록, 블랜딩 공구는 제 3 모듈(50)에 볼트 결합될 수 있다. 블랜딩 공구(70)는 에어포일 블레이드, 특히, 그 전연을 수리하기 위한 어떠한 적절한 공구도 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 블랜딩 공구(70)는, 예를 들어, 압축기 에어포일의 표면에 연마 접촉하기 위한 연마재 또는 무단 연마 벨트(72)를 포함한다. 벨트(72)는 공구 하우징 또는 고정부(76)의 단부로 피봇되는 핑거, 분절부 또는 피봇부(74) 둘레에 장착된다. 특히, 벨트(72)는 분절화된 핑거의 에지를 따라 한쌍의 아이들러 휠(78, 80)상에 장착된다. 벨트(72)는 공구 하우징(76)의 팁에 장착된 한쌍의 아이들러 휠(82) 사이에 걸쳐, 구동 휠(84) 둘레로 연장된다. 하우징(76)은 또한 드라이브 휠(84)을 장착한 스핀들(90)을 구동하는 타이밍 벨트(88)를 구동하는 구동 모터 또는 공기 모터(86)를 또한 지지한다. 공기 모터로부터 타이밍 벨트(88)를 거쳐 스핀들(90)을 구동함으로써, 연마 벨트(72)가 아이들러 휠(78, 80, 82) 및 구동 휠(84) 둘레에서 무한히 구동된다.

핑거(74)를 분절화하기 위해, 핑거(74)의 내측 단부는 핑거(74)에 고정된 샤프트(92)를 포함하며, 힌지(75)에 의해 핑거(74)상에 지지된다. 베벨 기어(94)는 샤프트(92)에 의해 지지되며, 기다란 샤프트(98)(도 5)의 단부에 장착된 다른 베벨 기어(96)와 결합한다. 샤프트(98)는 기어 모터(100)에 의해, 그리고 하기의 분절화된 기어 트레인(102)을 통해 회전된다. 하우징(76)은 연마 벨트상에 인장력을 유지하도록 하우징부 사이에 벨트 인장 스프링(105)이 배치된 상태에서 로드(103)에 의해 서로 연결된 별개의 세그먼트로 제공될 수 있다.

이상의 구성에 의해, 분절화된 핑거(74)의 팁 둘레로 연장되는 연마 벨트부는 편향 핑거(74)에 의해, 예를 들어, 도 20 내지 도 24에 도시된 샤프트(92) 둘레에 측방향으로 이동되어 편향될 수 있다. 핑거(74)는 작동 모터(100) 및 구동 기어(79, 81, 83, 85)(도 6)에 의해 편향되며, 기어(85)는 샤프트(92)의 축 둘레에 핑거(74)를 피봇시키기 위해 샤프트(98)상에 장착된다. 도 20 내지 도 24에는 압축기 에어포일(110)이 도시되어 있으며, 연마 벨트(72)가 에어포일(110)의 전연부(112)에 대해 접촉되어 있다. 도 20에 있어서, 분절화된 핑거(74)는 에어포일의 전연(112)에 대해 실질적으로 수직이며, 연마 벨트는 에지를 블랜딩하기 위해 전연에 대해 지지된다. 도 21에 있어서, 분절화된 핑거(74)는 압력측을 따라 전연을 수리하기 위해 대향측, 즉, 전연(112)의 압력측(114)으로 측방향 이동되었다. 도 22에 있어서, 연마 벨트(72)는 전연(112)에 인접하여 에어포일의 흡입측(116)을 따라 연장되도록 조작되어 있다. 도 23에 있어서, 연마 벨트(72)는 에어포일(110)의 압력측(114)을 따라 연장되며, 도 24는 연마 벨트(72)가 흡입측(116)을 따라 전연(112)을 블랜딩하는 것을 나타낸다.

도 6 내지 도 10을 참조하면, 핑거(74)를 한 쪽 또는 다른 쪽으로 편향시키기 위해 분절화된 구동 트레인(102)은 핑거(74)가 모터(100)에 의해 소정 편향 위치로 구동되도록 하고 핑거(74)가 바이어스에 대항하여 소정 위치 밖으로 편향될 수 있도록 하여 핑거가 실질적으로 일정한 힘하에서 에어포일과 결합하도록 바이어스시키는 기어(79, 83)를 포함하는 기구[참조부호(77)로 포괄적으로 표시함]를 포함한다. 도 7에 도시된 기구(77)는 기어(81)의 회전축(89)내에 수용되는 샤프트(87)를 중심으로 회전 가능한 기어(79, 83)를 포함한다. 기어(81)는 핀(91)을 장착하고, 기어(83)는 핀(91)으로부터 반경방향으로 오프셋된 핀(93)을 장착한다. 회전축(89)의 둘레에는 핀(91, 93)의 각 대향측과 결합하는 대향 단부(97, 99)를 갖는 코일 스프링(95)이 존재한다. 스프링(95)은, 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이 단부(97, 99)가 대향측을 따라 핀(91, 93)에 대향하여 지지되도록 예비하중이 가해진다. 기어(81)상의 핀(91)의 대향측상에는 또한 정지 핀(101)이 위치된다.

핑거(74)를 편향시키기 위해, 모터(100)가 작동되어 기어(79, 81), 스프링(95), 기어(83) 및 기어(85)를 통해 샤프트(92)를 중심으로 핑거를 구동한다. 핑거(74)가 소정 위치로 모터에 의해 구동되면, 스프링(95)과 핀(91, 93)의 상호작용에 의해 발생한 약한 바이어스에 의해 핑거(74)를 소정 위치로부터, 실질적으로 일정한 힘을 핑거(74)상에 제공하는 위치로 편향시키고, 따라서 연마 벨트를 에어포일상으로 편향시킴으로써 핑거가 에어포일과 결합할 수 있다. 따라서, 모터를 이용하여 핑거를 소정 위치로 구동함으로써, 핑거는 에어포일과 결합시에 스프링에 대해 편향하여, 기어(81, 83)를 상호 회전시키고, 핀(91, 93)을 상호 이동시킬 것이다. 이러한 작용은 스프링(95)을 감아 핑거(74)에 바이어스를 인가하고, 실질적으로 일정한 힘하에서 핑거와 에어포일의 결합을 유지할 것이다.

매니퓰레이터(20) 및 공구(26)를 구동하기 위한 다양한 모터를 제어하고, 또한 공구 위치의 지속적인 피드백을 제공하기 위한 동작 제어 시스템이 제공된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 동작 제어 시스템[참조부호(120)로 포괄적으로 표시함]은 제어기(122)와 프로세서(124)를 포함한다. 제어기(122)는 공구를 포함한 시스템의 구성 요소를 지정된 반복 패턴으로 이동시키는 자동화 프로그램을 수용할 수 있다. 또한, 제어기(122)는 모터를 무선으로 수동 제어하는 조이스틱 타입 장치 등의 장치를 포함할 수도 있다. 서보 모터(36, 44, 54)를 이용함으로써, 다양한 구성 요소의 위치가 프로세서에 피드백되고, 따라서 공구 헤드(26)의 위치를 항상 알 수 있다. 또한, 공구(26)가 측정 헤드를 포함하고, 수리될 블레이드의 외곽선이 측정되며, 피드백 시스템은 측정 헤드의 위치를 기록하고, 따라서 에어포일, 예를 들어, 그것의 전연(112)의 위치가 메모리(126)에 기록된다. 하기의 측정 공구 헤드는, 예를 들어, 0.004인치의 고분해능을 갖는 선형 인코더를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 상술한 연마 공구와 같은 공구는 도 20 내지 도 24에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 전연(112)을 따른 소정 경로를 이동하도록 공구를 제어하기 위한 기준선으로서 측정된 거리를 이용하여 소정 경로를 따라 이동될 수 있다.

에어포일, 특히, 그것의 전연을 수리하는 공정에 사용되는 다른 공구는 피닝 헤드를 포함한다. 블랜딩 공구(26)가 에어포일로부터, 예를 들어, 전연을 따라, 그리고 대향하는 흡입측 및 전연에 인접한 압축측에서 재료를 일정량 제거하고, 요구되는 재료가 제거되는 것을 보장하도록 하기의 측정 헤드를 이용하여 선택적으로 측정이 이루어지면, 재료가 제거된 표면을 따라 피닝 작업이 수행되어 표면에 잔류 압축 응력을 발생시켜 표면을 강화한다. 도 12를 참조하면, 쇼트, 즉, 작은 강철구가 가압하에 통과하는 건 배럴 또는 튜브(141)로 구성된 자유 쇼트 피닝 헤드(140)가 도시되어 있다. 튜브(141)는 이 튜브(141) 내에 가압하에서 강철 쇼트를 공급하기 위한 공업용 이동식 연마 블라스터(도시되지 않음)에 결합될 수 있다. 피닝 튜브(141)의 선단에는 디플렉터(142)가 존재한다(도 13). 디플렉터(142)는 도 12에 도시한 바와 같이 쇼트 피닝 튜브(141)의 단부의 노즐(146)에 대향하여 평평한 표면(144)을 구비한다. 디플렉터(142)는 노즐(146)에 대한 표면(144)의 각도가 조정될 수 있도록 노즐 헤드(148)상에 피봇 장착된다. 또한, 튜브(141)는 서보 모터(149)의 제어하에 그것의 긴 축을 중심으로한 회전의 조정이 가능하다. 따라서, 가압하에서 튜브(141) 및 노즐(146)을 통과하는 쇼트는 표면(144)에 충돌하며, 강화될 에어포일의 표면에 충돌하도록 방향이 제어된다.

자유 쇼트를 유지하고 압축기내에 쇼트가 들어가는 것을 막기 위해, 피닝 쇼트 유지 엔클로져(150)(도 12)가 노즐(146) 둘레에, 그리고 압축기 에어포일 둘레의 일부에 배치된다. 흡입구(152)를 포함하는 진공 시스템은 엔클로져(150)의 내부와 연통하며, 진공 압력원으로의 호스(154)를 거쳐 엔클로져(150)의 내부를 흡입하여 엔클로져로부터 쇼트를 제거한다. 엔클로져는, 예를 들어, 고 듀로미터 고무 재료와 같은 유연한 재료와, 강화를 위한 구조적 리브로 형성된다. 따라서, 보유 엔클로져는 자유 쇼트를 수취하여, 쇼트가 에어포일 표면과 충돌한 후에 엔클로져로부터 제거될 수 있도록 한다. 엔클로져는 에어포일의 형상 및 길이에 따라 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 견고하거나 또는 팽창가능한 유연한 부트(boot)가 노즐 및 흡입구가 부트내에 오도록 블레이드 둘레에 구비될 수 있다.

다른 피닝 공구는 플랩퍼(160)를 포함할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 플랩퍼는 가요성 재료, 예컨대 가요성 또는 직물 매트릭스(161)에 매설되거나 또는 고정된 다수의 강철 쇼트, 즉, 강철구를 포함한다. 고정된 강철 쇼트(162)를 포함하는 플랩퍼(160)는 회전 샤프트(164)의 단부상에 장착된다. 구동 모터(174)(도 15)를 거쳐 샤프트를 회전시키고, 플랩퍼(160)에 포함된 쇼트(162)를 에어포일의 표면에 충돌시킴으로써, 표면이 강화된다. 모터 및 구동 샤프트는 제 3 모듈에 장착되어 함께 이동하는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 플랩퍼(160)는 도 15에 도시된 공구(170)의 단부상에 피복 이동하도록 장착되며, 이 공구(170)는 제 3 모듈(50)상에 장착하기 위한 하우징(172)을 포함한다. 하우징은 직각 회전 가능한 샤프트(178)에 기어 결합된 샤프트(176)를 구동하는 공기 모터(174)를 포함한다. 샤프트(178)는 플랩퍼(160)를 장착한 다른 샤프트(164)를 구동한다. 또한, 기어박스(184)는 샤프트(178)와 샤프트(164) 사이의 기어 연결부를 덮고 있으며,구동부 또는 구동 모터(188)를 이용하여 기다란 샤프트(190)를 통해 기어 연결부(186)에 의해 샤프트(178)의 축을 중심으로 조정 가능하다. 따라서, 쇼트(162)를 포함하고 샤프트(164)상에 장착된 플랩퍼(160)는 샤프트(164)의 축을 중심으로, 또한 샤프트(178)의 축을 중심으로 회전하여, 플랩퍼(160)가 전연을 따라 그리고 에어포일의 전연에 인접하여 연마된 표면을 쇼트 피닝하는 것을 가능하게 한다. 공구(170)를 제 3 모듈(50)상에 장착하여 함께 회전하도록 함으로써, 피닝될 표면 전체에 강철 쇼트를 포함하는 플랩퍼가 충돌할 수 있다.

도 16 및 도 17을 참조하면, 필렛 연마 공구 및 그것을 위한 가이드[참조부호(189)로 포괄적으로 표시함]가 도시되어 있다. 공구(189)는 도 15에서와 동일한 하우징(172)상에 장착될 수 있다. 필렛 연마 공구는 도 17에 도시된 바와 같은 에어포일의 접합부 및 에어포일의 베이스에서 필렛부와 결합하는, 예를 들어, 버(burr)와 같은 대체로 원통형의 연마 또는 그라인딩 공구(197)를 포함할 수 있다. 공구(189)는 또한 연마 또는 그라인딩 공구(197)의 축에 평행한 관계로 공구(189)로부터 연장되는 원통형의 핀으로 구성된 가이드(199)를 포함한다. 그러나 가이드(199)의 축은 도 17에 도시된 바와 같이 연마 또는 그라인딩 공구(197)의 축으로부터 측방향으로 오프셋되어 있다. 가이드 핀(199)은 필렛 영역에서 에어포일(12)로부터 제거되는 재료의 깊이를 제어한다. 예를 들어, 핀(199) 및 연마 또는 그라인딩 공구(197)는 도 4의 블랜딩 공구를 이용하여 사전에 기계가공된 필렛/루트 영역 위에서 에어포일의 전연의 표면과 접촉한다. 가이드(199) 및 연마 또는 그라인딩 공구(197)는 에어포일의 표면에 수직이다. 헤드가 루트를 향해 이동하면, 공구(197)는 필렛 영역과 결합하며, 재료의 제거를 시작한다. 버에 의한 과도한 재료의 제거는 에어포일을 따라 가이드(199)를 결합함으로써 방지된다. 다중 패스는 필렛/루트 영역 위에서 제거된 것과 동일한 양의 재료가 루트 또는 필렛 영역에서 제거될 때까지 수행되며, 블랜딩 공구에 의해 사전에 기계가공된 영역과 결합하는 가이드 핀에 의해 제어된다. 공구(189)는 필렛 영역의 전연 주위를 회전하여 전연에 요구되는 반경을 제공하며 필렛 영역내에서 압축 및 흡입측상의 손상된 재료를 제거한다. 버(197) 및 다중 패스에 의한 다중 연마 그릿이 이용될 수 있다.

도 18을 참조하면, 선형 인코더의 형태일 수 있는 측정 헤드(192)를 포함하는 공구 헤드가 도시되어 있다. 측정 헤드는 제 3 모듈(50)상에 장착된다. 전연의 다양한 표면에 인접하여 그리고 선택된 에어포일의 전연에 인접하여 측정 헤드를 위치시킴으로써, 에어포일의 위치는 매니퓰레이터(20)와의 관계로 확인될 수 있으며, 제어 시스템(120)에 기록될 수 있다. 이상을 달성하기 위해, 측정 헤드(192)는 수직 관계인 한 쌍의 핀(194, 196)과 평평한 플레이트(198)를 포함한다. 따라서, 핀(194)은 축방향으로 연장되며, 핀(196)은 반경방향으로 연장되고, 평평한 플레이트(198)는 압축기의 축방향을 향한다. 각각의 핀(194, 196) 및 평평한 플레이트(198)는 동작 제어기(122)로의 별도의 전기 접속부를 포함하며, 이것은 압축기 에어포일 사이에 전기 접속부를 포함한다. 핀(194 또는 196) 또는 평평한 플레이트(198)가 블레이드와 접촉하면, 전기 회로가 완성된다. 따라서, 동작 제어는 에어포일에 매니퓰레이터(20)에 대해 어느 위치에 있는지 알 수 있다. 예를 들어, 측정 헤드(192)가 원주방향으로 이동되면, 핀(194)은 에어포일에 접하게 되며, 에어포일의 원주방향 위치를 식별하는 전기 회로를 완성한다. 측정 헤드를 후퇴시킨 후, 측정 헤드는 대체로 반경방향 내측으로 이동되어 핀(196)을 에어포일 플랫폼(201)에 접촉시킨다. 접촉이 이루어지면, 전기 접속이 완성되고, 중심선으로부터 플랫폼(201)의 표면으로의 반경방향 거리가 측정 및 기록된다. 측정 헤드를 후퇴시킨 후, 측정 헤드는 블레이드를 향해 전진하여 플레이트(198)와 블레이드 사이에 접촉을 제공하여, 전기 접속을 완성한다. 따라서, 로터 축을 따른 블레이드의 위치가 측정 및 기록된다. 상기한 바와 같이, 이러한 측정은 에어포일의 수리를 위한 다양한 헤드의 프로그래밍된 이동을 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 측정 헤드는 블랜딩 공구에 의해 제거된 재료의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.

도 19에는 조합된 카메라(202)와 조명(204)이 장착된 공구 헤드(200)가 도시되어 있다. 조합된 카메라와 조명은 제 3 모듈(50)상에 장착되며, 수리된 에어포일의 표면을 검사하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전연 표면은 충분한 재료가 제거되었는지, 그리고 표면이 쇼트 피닝에 대한 준비가 되었는지를 확실히 하기 위해 원격으로 관찰될 수 있다. 카메라 및 조명을 장착한 공구 헤드(200)는 또한 쇼트 피닝에 이어 마무리된 에어포일 표면을 검사하는데 사용될 수 있다. 휴대용 카메라 및/또는 조명이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

본 발명의 수리 장치를 이용하기 위해, 트랙은 압축기의 입구부(11)에 장착된다. 어떠한 적절한 장치도 입구부에 트랙을 장착하는데 사용될 수 있다. 매니퓰레이터(20)가 트랙상에 장착된다. 다음으로 측정 헤드(192)를 포함하는 공구 헤드가 제 3 모듈에 고정된다. 서보 모터(36, 44, 54)를 구동함으로써, 측정 헤드(192)는 압축기 입구에 인접하여 고정된 입구 베인을 지나 수리되어야 할 선택된 에어포일과 결합한다. 예를 들어, 전연의 둘레와 같은 에어포일 표면에 대해 측정 헤드를 결합함으로써, 매니퓰레이터에 대한 선택된 에어포일의 전연의 위치가 알려지며, 제어 시스템에 저장된다. 다음으로, 측정 헤드는 제 3 모듈로부터 제거되며, 연마 또는 블랜딩 공구(70)가 제 3 모듈에 장착된다. 그 후, 연마 공구가 압축기 입구내에 삽입된다. 수리될 에어포일의 표면의 측정된 위치와 비교하여, 블랜딩 공구(70)의 팁은 수리될 표면 전체를 따라 선택된 에어포일과 결합될 수 있다. 즉, 서보 모터를 작동시킴으로써, 연마 공구는 사전에 측정된 위치를 이용하여 에어포일의 루트로부터 선단까지 전연을 따라 적용될 수 있다.

대안적으로는, 에지를 따른 시작 및 종료 위치가 확인되면, 프로그래밍된 연마 패턴이 전연에 적용될 수 있다. 블랜딩 공구를 장착한 핑거(74)는 소정 위치로 모터 구동되며, 이어서 에어포일에 대해 결합하여 핑거 및 공구를 스프링(95)의 바이어스에 대항하여 편향시킨다. 따라서, 핑거(74)에 의해 지지되는 블랜딩 공구는 에어포일을 따라 이동될 때 실질적으로 일정한 힘하에서 바이어스되어 에어포일과 결합한다.

블랜딩 공구가 에어포일로부터 충분한 재료를 연마한 후에, 연마 공구는 필 렛 영역 공구로 교체되며, 그에 의해 블레이드의 필렛 영역에서 소정량의 재료가 또한 제거된다. 충분한 재료가 제거된 후에, 카메라 및 조명 기구(200)를 이용하여 연마된 표면을 검사할 수 있다. 검사에 이어 에어포일 표면은 필요에 따라 다시 한번 연마될 수 있거나, 또는 필요에 따라 국소적으로 연마될 수 있다. 요구되는 양의 재료가 에어포일 표면으로부터 제거되면, 자유 쇼트 또는 플랩퍼 쇼트 피닝 공정중 하나를 이용하여 쇼트 피닝될 수 있다. 선택된 에어포일 표면의 위치가 알려짐에 따라, 자유 쇼트 및 플랩퍼 피닝 장치가 표면에 대해 적절한 위치로 이동되어 쇼트 피닝에 의해 표면을 강화한다. 쇼트 피닝 후에, 조명 및 카메라 헤드를 이용하여 최종 검사가 이루어질 수 있다.

본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주된 것과 연계하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 수정 및 동등 구성을 커버하는 것으로 의도된다.

본 발명에 따르면, 터빈 구성 요소를 분해 또는 제조립할 필요 없이, 터빈 에어포일을 원위치에서 수리할 수 있는 자동화된 에어포일 수리 장치가 제공된다.

Claims

압축기(10)의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치에 있어서,

상기 압축기의 입구(11)에 장착되며, 축을 중심으로 원주방향으로 이동하는 매니퓰레이터(20)와,

상기 매니퓰레이터에 대해 상대 이동하고 그리고 선택된 에어포일과 접촉하는 위치까지 상기 압축기의 입구내로 이동하도록 상기 매니퓰레이터에 의해 지지되는 공구(26)와,

상기 선택된 에어포일과 접촉하도록 상기 공구를 구동하는 구동 시스템(36, 44, 54)과,

상기 선택된 에어포일을 수리하기 위해, 상기 공구가 선택된 에어포일과 접촉하도록 위치시키기 위해 상기 구동 시스템을 제어하는 시스템(120)을 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 구동 시스템은 상기 공구를 구동하여 상기 선택된 에어포일과 접촉시키기 위해 리드 스크류(34, 42, 52)에 결합된 서보 모터(36, 44, 54)를 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 선택된 에어포일에 대한 상기 공구의 위치를 측정 및 기록하기 위한 시 스템(192)을 포함하며, 상기 제어 시스템은 측정 및 기록 시스템에 응답하여 상기 공구를 상기 선택된 에어포일과 접촉하도록 위치시키는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공구는 연마재(72)를 지지하고 상기 매니퓰레이터에 의해 피봇 지지되는 피봇부(74)와, 상기 연마재가 실질적으로 일정한 힘으로 상기 에어포일에 대해 접촉하도록 상기 섹션을 바이어스하기 위한 스프링(95)을 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 공구는 무단 연마 벨트(72)와, 상기 무단 연마 벨트를 구동하기 위한 구동 모터(86)를 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 공구는 고정부(76)를 구비하고, 상기 피봇부(74)는 상기 고정부에 피봇되며, 상기 무단 연마 벨트는 상기 피봇부가 상기 무단 연마 벨트의 종방향 연장부 중간의 피봇 축을 중심으로 피봇하도록 상기 고정부 및 상기 피봇부에 의해 지지되는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 중간의 피봇 축을 중심으로 상기 피봇부를 회전시키기 위해 상기 고정부에 의해 지지되는 모터(100)를 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 고정부(76)는 상기 벨트와 결합하는 구동 휠(84)을 포함하며, 상기 피봇부는 서로 이격된 한 쌍의 아이들러 휠(78, 80)을 구비하며, 상기 아이들러 휠(80)중 하나는 상기 피봇부에 의해 상기 고정부와 멀리 떨어진 상기 피봇부의 단부에 인접하여 지지되며, 다른 하나의 아이들러 휠(78)은 상기 피봇 축과 일치하여 상기 피봇부의 대향 단부에 인접하여 지지되는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공구는 상기 선택된 에어포일의 표면을 쇼트 피닝(shot peening)하기 위한 장치(140, 160)를 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 쇼트 피닝 장치는 가요성 매트릭스(161)내에 쇼트를 포함하는 플랩퍼(160)와, 상기 선택된 에어포일의 표면을 쇼트 피닝하기 위해 축을 중심으로 상기 플랩퍼를 회전시키기 위해 상기 매니퓰레이터에 의해 지지되는 구동부(188)를 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 쇼트 피닝 장치는 자유 강철 쇼트를 추진하여 상기 선택된 에어포일의 표면에 충돌시켜 상기 표면을 강화하기 위한 건 배럴(gun barrel)(141)을 포함하는

압축기의 에어포일을 원위치에서 수리하기 위한 장치.