KR101114535B1 - 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터에 구비되는 버켓의 외측단에 결합되는 커버를 밀착 결합되도록 버켓의 출구측 선단면을 가공하는 가공방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법은 전용지그에 양단이 걸쳐져 회전가능한 로터축의 외주면에 방사상으로 결합되어 있으며, 그 외측단에서 돌출된 리벳돌기를 통하여 커버와 리벳팅 결합되는 버켓의 외측단을 가공하는 방법에 있어서, 버켓의 외측단의 표면과 그라인더의 절삭면이 평행하도록 그라인더의 위치를 세팅하는 제1단계과, 그라인더를 통하여 외측단의 출구측 선단부를 그라인딩하는 제2단계과, 제2단계를 거친 후 그라인딩된 출구측 선단부와 리벳돌기 주변부의 단차를 완만하게 그라인딩하여 제거하는 제3단계 및 제3단계를 거친 후 버켓의 측면부의 버를 제거하여 마감하는 제4단계를 거치는 것을 특징으로 한다.

버켓, 그라인딩

Description

터빈로터의 버켓 외측단 가공방법{Grinding method for bucket tip of the turbine-rotor}

본 발명은 로터에 구비되는 버켓의 외측단에 결합되는 커버를 밀착 결합되도록 버캣의 출구측 선단면을 가공하는 가공방법에 관한 것이다.

터빈로터는 원료의 연소에서 얻어지는 고열 고압의 증기를 이용하여 고속 회전하며 전력을 생산하는 핵심장비로, 통상 항공기용 로터 장치에 비하여 대형이면서도 높은 정밀도를 갖도록 제작되는 특성이 있다.

이러한 터빈로터는 대형으로 제작되며 고속 회전을 견디어야 하며, 고압 고온의 환경을 견디고, 한번 장착되면 그 분해 수리가 용이하지 못한 점을 고려하여 가볍고 열적변형이 작으며 뛰어난 경도와 내부식성을 갖춘 티타늄 합금(Titanium alloy)로 제작되는 것이 일반적이다.

물성이 우수한 티타늄 합금을 사용함에도 불구하고 터빈로터가 대형으로 제작됨에 따라 로터축의 외주면에 방사상으로 다단으로 결합되는 버켓 또한 대형으로 제작되는 것이어서, 로터의 고속 회전에 따른 원심력과 증기의 고온에 의한 영향으로 버켓은 로터의 회전 중에 변형될 수 있는 것이다.

불균일한 증기의 유동 등으로 일부 버켓만이 상기와 같이 변형되는 경우에는 고속 회전하는 로터에 진동을 유발하거나 압축력 손실 등으로 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

이러한 제문제점을 해결하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 이웃하는 몇 개의 버켓(1)의 외측단을 띠 형상의 커버(2)로 결속시키는 방안이 있다. 이러한 커버(2)는 버켓(1)의 외측단에서 돌출된 리벳돌기(12)와 커버(2)에 형성된 리벳홀(21)을 서로 리벳팅하여 장착되는 것으로, 구성을 단순화하면서도 견고하게 버켓을 결속시킬 수 있는 장점을 가지는 것이다.

한편, 로터축에 결합되는 버켓은 제조 공차에 의하여 서로 길이가 다르며, 조립 공차에 의해서도 로터축의 중심에서 각 버켓 외측단까지의 돌출 길이가 서로 다르게 된다. 이러한 버켓에 바로 커버를 부착하는 경우에는 일부 버켓과 커버 간에 공간이 형성되어, 버켓과 커버가 견고하게 결합될 수 없게 된다.

이 경우, 로터의 회전시 진동을 유발되고, 수명이 짧아지며 심한 경우 고속 회전 중 로터가 파손되는 등의 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 로터에 방사상으로 결합된 버켓의 외측단을 가공하여 이웃하는 버켓과의 단차를 줄이는 목적을 갖는다.

보다 구체적으로 커버가 면접촉하면서 결합되는 버켓의 외측단 부분 중 입구측과 출구측 선단부에 대한 그라인딩 가공을 수행케 하는 목적을 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 전용지그에 양단이 걸쳐져 회전가능한 로터축의 외주면에 방사상으로 결합되어 있으며, 그 외측단에서 돌출된 리벳돌기를 통하여 커버와 리벳팅 결합되는 버켓의 외측단을 가공하는 방법에 있어서, 상기 버켓의 외측단의 표면과 그라인더의 절삭면이 평행하도록 그라인더의 위치를 세팅하는 제1단계; 상기 그라인더를 통하여 상기 외측단의 출구측 선단부를 그라인딩하는 제2단계; 상기 제2단계를 거친 후 그라인딩된 출구측 선단부와 리벳돌기 주변부의 단차를 완만하게 그라인딩하여 제거하는 제3단계; 및 상기 제3단계를 거친 후 상기 버켓의 측면부의 버를 제거하여 마감하는 제4단계;를 거치는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법을 제시한다.

또한, 상기 제1단계는 상기 그라인더를 수평상에서 이동시키고, 상기 리벳돌기의 상단면과 그라인더 휠과의 평행도를 평자를 사용하여 확인하고 수정하는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법을 제시한다.

또한, 상기 제2단계에는 상기 그라인더를 버켓의 출구측 선단부로 평행이동하되, 상기 리벳돌기의 측벽과 상기 외측단 사이에 형성된 챔버링을 손상하지 아니하도록 상기 그라인더의 연삭숫돌의 측면이 상기 측벽과 이격되게 미세 위치 조정하는 제2-1단계; 상기 제2-1단계를 거친 후에 상기 로터축을 회전시키면서 각 버켓에 구비된 모든 리벳돌기의 측벽과 상기 연삭숫돌의 측면과의 간격을 확인하는 제2-2단계; 및 상기 제2-2단계를 거친 후에 상기 로터축을 저속 회전시키면서, 상기 그라인더를 상기 로터축으로 점차 이동하여 상기 출구측 선단부를 그라인딩하는 제2-3단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법을 제시한다.

또한, 상기 제2-3단계는 어느 한 버켓의 외측단과 이웃하는 버켓의 출구측 선단이 평면이 될 때까지 그라인딩이 반복 실시되는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법을 제시한다.

또한, 이웃하는 버켓 사이에는 그라인딩시 상기 버켓의 진동을 저감하는 끼움부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법을 제시한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법에 따르면 각 버켓의 돌출 길이를 일정하게 맞출 수 있게 되므로 각 버켓은 커버 의 바닥면과 밀착될 수 있고, 이로써 버켓과 커버가 견고하게 결합되는 효과를 갖는다.

이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명이 적용되는 로터를 나타낸 사시도인 도 2를 참고하여 가공대상에 대하여 구체적으로 설명한다.

로터(100)의 로터축(110)은 전용지그(200)에 의하여 전후단이 회전 가능하게 힌지결합되어 있으며, 일단에는 로터축(110)을 회전시키는 회전장치(210)가 구비되어 있다.

로터축(110)의 외주면에는 버켓(1)이 다단으로 결합되어, 다단의 스테이지(120)를 형성하고 있다. 각 스테이지(120)를 구성하는 버켓(1)의 외측면에는 이웃하는 몇몇의 버켓(1)으로 이루어진 일군의 버켓을 결속시키기 위한 커버(2)가 결합되어 있다.

커버의 결합관계를 더욱 자세히 살펴보면, 버켓(1)의 외측단에는 버켓과 하나의 몸체를 이루면서 외측으로 돌출된 리벳돌기(12)가 형성되어 있고, 커버(2)에는 리벳돌기(12)에 대응하여 리벳홀(21)이 형성되어 있다. 커버(2)는 리벳돌기(12)를 통하여 리벳팅됨으로써 각 버켓(1)의 외측단에 견고하게 결합되는 것이고, 리벳팅이 종료된 후에 커버(2)의 외측으로 돌출된 리벳돌기(12)의 외측부는 그라인딩으 로 제거되어 매끄러운 외표면을 갖게 되는 것이다.

이러한 커버(2)의 리벳팅 결합이 견고하게 이루어지기 위해서, 커버(2)와 각 버켓(1)의 외측단(11)은 서로 밀착되어야 한다. 즉, 커버의 내측면에 각 버켓의 외측단이 면접하기 위해서 각 버켓의 외측단의 높이차는 작을수록 바람직한 것이다.

이를 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 전용지그에 양단이 걸쳐져 회전가능한 로터축의 외주면에 방사상으로 결합되어 있으며, 그 외측단에서 돌출된 리벳돌기를 통하여 커버와 리벳팅 결합되는 버켓의 외측단을 가공하는 방법에 있어서, 상기 버켓의 외측단의 표면과 그라인더의 절삭면이 평행하도록 그라인더의 위치를 세팅하는 제1단계(s1)와, 상기 그라인더를 통하여 상기 외측단의 출구측 선단부를 그라인딩하는 제2단계(s2)와, 상기 제2단계를 거친 후 그라인딩된 출구측 선단부와 리벳돌기 주변부의 단차를 완만하게 그라인딩하여 제거하는 제3단계(s3) 및 상기 제3단계를 거친 후 상기 버켓의 측면부의 버를 제거하여 마감하는 제4단계(s4)를 거치게 된다.

터빈로터의 버켓 외측단 가공방법은 제조오차 또는 조립오차 등에 의하여 서로 높낮이가 다른 각 버켓의 외측단을 그라인딩하여 높낮이 차를 줄임으로써, 커버와 각 버켓의 외측단을 밀착시킬 수 있게 된다.

도 3을 참고하면, 제1단계(s1)는 절삭면(411)을 갖는 그라인더(400)를 로터(100)의 회전축과 평행하게 설치하는 단계이다. 그라인더(400)는 회전하는 원통 형 연삭숫돌(410)을 구비하여 사용자가 그 회전속도를 조절할 수 있는 공지의 것이다.

이러한 그라인더(400)는 선반(300)의 상부에서 높낮이 조절이 가능(Z 방향)하고, 선반의 상부면 상에서 로터(100)의 회전축과 평행하게 좌우로 이동 가능(Y 방향)하며, 또한 상기 상부면 상에서 전후로도 이동 가능(X 방향)한 것이다. 이러한 3차원 직선 운동을 이루는 선반(300)의 구성은 일반적인 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

먼저 그라인더(400)에 구비된 연삭숫돌(410)을 드레싱(dressing)하여 절삭면(411)의 표면에 굴곡 등을 제거하여 고르게 한다.

그 다음 그라인더(400)의 높이를 로터축(110)의 중심 높이 정도에 맞추고, 로터축 쪽으로 서서히 수평 이동시켜, 도 4에 도시된 바와 같이, 리벳돌기(12)에 가까이 이동시킨다.

이때, 상기 리벳돌기(12)의 상단면과 그라인더(400) 휠과의 평행도를 평자(500)를 사용하여 그라인더(400)의 절삭면(411)이 실제로 로터축(110)과 평행되는 지 여부를 확인할 수 있다.

즉 연삭숫돌(410)의 절삭면(411)에 평자(500)의 일측을 대고, 그라인더(400)를 더욱 수평 이동하여 상기 평자(500)의 타단이 리벳돌기(12)의 상단면에 선 접촉이 되는지를 확인하여, 절삭면(411)과 리벳돌기 상단면(123)과의 평행 여부를 체크할 수 있는 것이다.

만일 어느 한 쪽에서 점 접촉이 먼저 이루어지는 경우에는 절삭면과 리벳돌 기의 상단면이 서로 평행하지 아니한 것이므로 그라인더의 비틀어짐을 바로 잡거나, 드레싱을 다시 수행하는 등 수정 작업을 거쳐 다시 절삭면(411)과 리벳돌기 상단면(123)이 평행이 되게 한다.

한편, 제2단계(s2)는 버켓(1)의 출구측 선단부(111)를 그라인딩하여 각 버켓의 돌출 길이(L)를 균일하게 맞추는 것이다. 각 버켓(1)의 출구측 선단부(111)의 차이는 버켓의 길이가 대략 450mm 일 때, 최고 0.5mm 정도의 차이가 있게 된다. 이러한 차이를 줄이기 위하여 외측단(11)의 출구측 선단부(111)를 그라인더로 미세하게 깎아 내는 것이다.

구체적으로 제2단계(s2)에는 출구측 선단부(111)에 그라인더의 절삭면(411)을 위치시키는 제2-1단계(s2-1)와, 그라인더의 연삭숫돌(410)이 제위치에 미세 세팅되었는지를 확인하는 제2-2단계(s2-2) 및 실제 그라인딩이 이루어지는 제2-3단계(s2-3)로 이루어진다.

먼저, 제2-1단계(s2-1)는 그라인더(400)를 버켓(1)의 출구측 선단부(111)로 평행이동하되, 상기 리벳돌기(12)의 측벽(121)과 상기 외측단(11) 사이에 형성된 챔버링(122)을 손상하지 아니하도록 상기 그라인더(400)의 연삭숫돌(410)의 측면(412)이 상기 측벽(121)과 이격되게 미세 위치 조정하는 것이다.

그라인더(400)는 선반의 상부면 상에서 전후방향(X 방향)과 좌우방향(Y 방향)으로 상호 수직된 이동을 조합하여, 상기 제1단계를 거쳐 로터축(110)과 수평인 절삭면(411)이 작업대상인 버켓 외측단(11)의 출구측 선단부(111)에 위치되게 한 다. 이때, 버켓(1)의 외측단(11)에서 돌출된 리벳돌기(12)의 측벽(121)과 외측단(11) 사이의 챔버링(122)까지 그라인딩하지 아니하도록, 도 5에 도시된 바와 같이, 챔버링(122)의 곡률반경에 해당되는 길이만큼 연삭숫돌(410)의 측면(412)과 리벳돌기(12)의 측벽이 서로 떨어지게 그라인더(400)의 위치를 미세 조정한다. 이때, 절삭면(411)과 버켓의 외측단(11)은 충분히 이격된 상태이다.

이후, 제2-2단계(s2-2)에서는 그라인더를 작동하지 아니한 상태에서 로터(100)를 천천히 회전시키면서 모든 버켓(1)의 리벳돌기(12)의 측벽(121)과 연삭숫돌(410)의 측면(412)이 전술된 간격만큼 떨어져 있는지를 확인한다. 이를 위하여 그라인더의 밑에 전등을 설치하고, 리벳돌기와 연삭숫돌 사이의 간격을 육안으로 파악하거나, 필러게이지를 사용하여 직접 간격을 확인한다. 만일 간격이 좁은 경우에는 가장 좁은 리벳돌기에 대한 그라인더의 미세 위치 조정을 다시 수행한다.

이후, 제2-3단계(s2-3)에서는 로터축(110)을 저속으로 회전시키면서, 상기 그라인더를 상기 로터축(110)으로 점차 이동하여 상기 출구측 선단부(111)를 그라인딩하게 된다.

이때, 로터축(110)의 회전은 1 내지 2 알피엠 정도로 저속을 유지하며, 작동 중인 그라인더(400)를 점차 로터축(110) 쪽으로 이동시켜 돌출 길이가 제일 긴 버켓(1)부터 순차적으로 그라인딩하게 된다. 이때, 최초로 버켓(1)과 절삭면(411)이 접촉하여 그라인딩이 이루어진 직후에는 로터축(110)의 1회전 당 0.05mm씩 그라인 더(400)를 천천히 수평 이동한다.

한편, 제2-3단계(s2-3)는 어느 한 버켓(1)의 외측단(11)과 이웃하는 버켓(1)의 출구측 선단부(111)가 평면이 될 때까지 그라인딩이 반복 실시되는 것이 바람직하다.

그라인더의 작동을 잠시 멈춘 후 이웃하는 리벳돌기(12)간의 높이 차를 체크하여 양자가 수평을 이룰 때까지 그라인딩 작업을 반복 수행하는 것으로, 모든 버켓(1)에서 이웃하는 버켓의 높이가 균등하게 맞추어졌을 때에 그라인딩 작업을 종료하게 된다.

이러한 버켓(1) 간의 높이차를 체크하는 방법으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 어느 한 버켓(1)의 리벳돌기(12)의 상부에 평자(500)를 선 접촉되게 하고, 이 평자(500)가 이웃하는 버켓(1)의 출구측 선단부(111)에 간섭되는지 여부를 감지함으로써 손쉽게 이루질 수 있다. 만일 이웃하는 버켓(1)의 출구측 선단부(111)에 평자를 대었을 때, 리벳돌기(12)의 상부면(123)과 평자가 떨어지는 경우에는 높이차가 큰 것으로 간주되므로 그라인딩 작업을 다시 수행한다.

이러한 버켓의 높이차를 확인하는 절차는 전술된 평자를 이용하는 방법 외에도 버켓의 85% 정도까지 실시되는지 여부를 파악하거나, 모든 버켓의 외측단이 그라인더의 연삭숫돌에 가볍게 터치되는 경우에 균등하게 맞추어진 것으로 간주되는 등 다양한 검측 수단이 활용될 수 있다.

한편, 이러한 그라인딩은 외팔보 형상으로 고정되는 버켓(1)의 외측단(11)에 전단력을 형성하게 된다. 이때, 버켓이 견고하게 고정되지 아니하고 유동성을 가지는 경우에는 상기 전단력에 의하여 버켓이 진동되거나 그 위치가 미세 변형되어, 연삭이 일정하게 이루어지지 못하는 문제가 발생된다.

따라서 버켓의 유동을 억제하기 위하여, 이웃하는 버켓(1) 사이에는 그라인딩시 상기 버켓(1)의 진동을 저감하는 끼움부재(S)가 개재되는 것이 바람직하다. 이러한 끼움부재(S)는 버켓 사이의 베인 형상에 따라 달라질 수 있으며, 탄성을 가져 진동을 저감시킬 수 있는 우레탄 등의 재질인 것이 바람직하다.

한편, 제3단계(s3)는 그라인딩된 출구측 선단부(111)와 리벳돌기(12) 주변부(112)의 단차를 완만하게 그라인딩하여 제거하는 단계이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 출구측 선단부(111)에 대한 그라인딩이 종료한 다음에는 출구측 선단부(111)와 리벳돌기 주변부(112)에 단차(113)가 형성된다. 이러한 단차(113)는 커버(2)의 조립시 공간을 형성하게 되므로, 앵글 그라인더(도시 생략)로 단차진 부분을 그라인딩하여 완만하게 형성한다. 이 경우 리벳팅하여 결합되는 커버의 내측면이 완만해진 경계부분과 밀착될 수 있게 된다.

한편, 제4단계(s4)는 마감단계로, 줄 또는 카바이드 바(carbide bar) 등을 이용하여 그라인딩으로 인하여 발생된 버켓(1) 측면부(13)의 버(burr)를 제거하여 마무리하는 단계이다.

이러한 일련이 단계를 거치면서 버켓의 외측단은 균일하게 형성되므로, 커버가 밀착되게 결합될 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법을 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명이 적용되는 로터를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명의 제1단계를 나타낸 개략적인 정면도.

도 4는 도 3의 A부분의 개략적인 평면도.

도 5는 본 발명의 제2-1단계를 나타낸 개략적인 평면도.

도 6은 본 발명이 제2-3단계를 나타낸 개략적인 정면도.

도 7은 본 발명의 제2-3단계에서 편평도 측정과정을 개략적으로 나타낸 사시도.

도 8은 본 발명의 제3단계를 나타낸 개략적인 버켓의 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 버켓

11 : 외측단 111 : 출구측 선단부 112 : 주변부 113 : 단차

12 : 리벳돌기 121 : 측벽 122 : 챔버링 123 : 상단면

13 : 측면부

2 : 커버

21 : 리벳홀

100 : 로터

110 : 로터축 120 : 스테이지

200 : 전용지그

210 : 회전장치

300 : 선반

400 : 그라인더

410 ; 연삭숫돌 411 : 절삭면 412 : 측면

500 : 평자

S : 끼움부재

Claims (5)

1. 전용지그(200)에 양단이 걸쳐져 회전가능한 로터축(110)의 외주면에 방사상으로 결합되어 있으며, 그 외측단(11)에서 돌출된 리벳돌기(12)를 통하여 커버(2)와 리벳팅 결합되는 버켓(1)의 외측단(11)을 가공하는 방법에 있어서,

   상기 버켓(1)의 외측단(11)의 표면과 그라인더(400)의 절삭면(411)이 평행하도록 그라인더(400)의 위치를 세팅하는 제1단계(s1);

   상기 그라인더(400)를 통하여 상기 외측단(11)의 출구측 선단부(111)를 그라인딩하는 제2단계(s2);

   그라인딩된 출구측 선단부(111)와 리벳돌기 주변부(112)의 단차(113)를 완만하게 그라인딩하여 제거하는 제3단계(s3); 및

   상기 버켓(1)의 측면부(13)의 버를 제거하여 마감하는 제4단계(s4);를 거치는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법.
2. 제1항에서,

   상기 제1단계(s1)는

   상기 그라인더(400)를 그라인더(400)의 높낮이 조절이 가능하도록 설치된 선반(300)의 상부면 상에서 로터(100)의 회전축과 평행한 좌우방향과 상기 상부면 상에서 상기 좌우방향과 수직인 전후방향으로 이동시키고, 상기 리벳돌기(12)의 상단면(123)과 그라인더(400) 휠과의 평행도를 평자(500)를 사용하여 확인하는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법.
3. 제2항에서,

   상기 제2단계(s2)에는

   상기 그라인더(400)를 상기 버켓(1)의 출구측 선단부(111)로 평행이동하되, 상기 리벳돌기(12)의 측벽(121)과 상기 외측단(11) 사이에 형성된 챔버링(122)을 손상하지 아니하도록 상기 그라인더(400)의 연삭숫돌(410)의 측면(412)이 상기 측벽(121)과 이격되게 미세 위치 조정하는 제2-1단계(s2-1);

   상기 제2-1단계(s2-1)를 거친 후에 상기 로터축(110)을 회전시키면서 각 버켓(1)에 구비된 모든 리벳돌기(12)의 측벽(121)과 상기 연삭숫돌(410)의 측면(412)과의 간격을 확인하는 제2-2단계(s2-2); 및

   상기 제2-2단계(s2-2)를 거친 후에 상기 로터축(110)을 1 내지 2 알피엠으로 회전시키면서, 상기 그라인더(400)를 상기 로터축(110)으로 점차 이동하여 상기 출구측 선단부(111)를 그라인딩하는 제2-3단계(s2-3);가 포함되는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법.
4. 제3항에서,

   상기 제2-3단계(s2-3)는

   어느 한 버켓(1)의 외측단(11)과 이웃하는 버켓(1)의 출구측 선단부(111)가 평면이 될 때까지 그라인딩이 반복 실시되는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,

   이웃하는 버켓(1) 사이에는 그라인딩시 상기 버켓의 진동을 저감하는 끼움부재(S)가 개재되는 것을 특징으로 하는 터빈로터의 버켓 외측단 가공방법.

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