KR101557406B1 - 최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법 - Google Patents

최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법 Download PDF

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Abstract

최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법에 관한 것으로, 최종단 블레이드가 설치되는 설치부, 블레이드의 날개부 끝단 영역의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화하는 화염분사부, 상기 화염분사부를 구동하는 구동부 및 미리 설정된 화염경화 영역을 화염경화 처리하도록 구동부의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 최종단 블레이드의 날개부 끝단 일부 구간을 화염경화 처리하여 경도를 향상시키고, 압축응력을 한계값 이하로 제한함으로써, 습증기 액적이나 고체 입자에 의한 블레이드의 침식을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법{HEAT TREATMENT APPARATUS AND METHOD FOR LAST STAGE TURVINE BLADE AND LAST STAGE TURVINE BLADE MANUFACTURE METHOD USING THE SAME}
본 발명은 최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈의 최종단에 마련되는 블레이드의 날개부 끝단 영역 일부를 열처리하는 최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법에 관한 것이다.
발전용 터빈은 고속으로 회전하며 고온 고압의 수증기를 이용해서 전력을 생산한다.
발전용 터빈은 발전소의 주요기기로서, 사고 발생시 막대한 복구노력과 시간을 필요로 한다.
여름에 해수의 온도 상승으로 인해 배압이 증가하거나 입구 유량의 줄어드는 비정상 운전조건에서 유체흐름은 블레이드 주위의 불안정한 압력분포를 생성하여 블레이드의 불안정 진동을 야기하고, 블레이드의 구조 응답과 연계하여 블레이드의 수명 및 건정성에 유해한 유체유발진동을 일으킨다.
즉, 발전용 터빈에 유입되는 작동유체인 증기는 터빈 내에서 에너지 형태가 변화하며, 터빈 노즐에 투입된 증기는 속도 에너지로 변환된 후 블레이드에서 운동 에너지로 전환되면서 로터에 회전 토크를 주어 로터를 회전시킨다.
블레이드는 증기 유입에 따른 손실 감소와 원심력 경감을 위해 다양한 형상과 두께를 가지며, 운전 중 습증기가 저압 블레이드에 충돌하면서 블레이드가 침식되거나 특정 부위가 회전력에 의한 응력집중으로 균열을 초래하기도 한다.
침식 또는 균열이 발생한 블레이드는 교체하거나 용접 보수를 수행 후 재사용하게 되지만, 신품 교체는 블레이드 형상이 다양하여 여분의 블레이드를 보유하기가 현실적으로 곤란하고 교체 비용과 시간이 증가하여 보수 사용하는 필요성이 제기된다.
이에 따라, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 등에 터빈 블레이드 보수용 열처리 장치에 관한 기술을 개시하여 출원한 바 있다.
대한민국 특허 공개번호 제10-2011-0052788호(2011년 5월 19일 공개)
습증기의 액적(water droplet)은 발전용 터빈의 후단으로 갈수록 직경 및 질량이 커지게 된다.
이에 따라, 습증기 액적과의 충돌에 의한 최종단 블레이드의 침식(erosion) 을 방지하기 위하여, 최종단 블레이드 제작시 날개부 끝단 영역의 일부 구간을 화염경화처리하는 최종단 블레이드 열처리 장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전용 터빈에 적용되는 최종단 블레이드의 날개부 끝단 영역의 일부 구간을 화염경화처리하는 최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최종단 블레이드의 국부를 화염경화처리하여 습분 침식 현상을 방지할 수 있는 최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치는 최종단 블레이드가 설치되는 설치부, 블레이드의 날개부 끝단 영역의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화하는 화염분사부, 상기 화염분사부를 구동하는 구동부 및 미리 설정된 화염경화 영역을 화염경화 처리하도록 구동부의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 최종단 블레이드 열처리 방법은 (a) 최종단 블레이드를 수조에 마련된 지그에 설치하는 단계 및 (b) 상기 수조의 상부에 마련된 이동모듈을 이동시켜 블레이드의 날개 끝단의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 최종단 블레이드 제조방법은 (a) 최종단 블레이드를 성형하고, 블레이드의 각 부분을 기계가공하여 성형하는 단계, (b) 상기 (a)단계에서 성형된 블레이드의 날개 끝단의 일부 구간을 최종단 블레이드 열처리 방법에 따라 화염경화 처리하는 단계, (c) 상기 (b)단계에서 화염경화 처리된 블레이드를 다듬질하는 단계 및 (d) 상기 (a)단계 내지 (c)단계를 거쳐 제조된 블레이드의 표면과 내부의 결함을 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치 및 열처리 방법, 그리고 그를 이용한 최종단 블레이드 제조방법에 의하면, 최종단 블레이드의 날개부 끝단 일부 구간을 화염경화법으로 열처리할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 블레이드의 화염경화된 부분의 경도를 향상시키고, 터빈에 설치된 블레이드가 회전하면서 발생하는 원심력에 저항하는 압축응력을 한계값 이하로 제한함으로써, 습증기 액적이나 고체 입자에 의한 블레이드의 침식을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 화염경화 처리 과정에서 블레이드의 온도를 감지하고, 감지온도가 미리 설정된 한계온도를 초과하는 경우, 화염경화 처리 작업을 중지함으로써, 과도한 가열로 인한 블레이드의 열적 손상을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 일반적인 최종단 블레이드의 예시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치의 블록 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 설치부, 화염분사부 및 구동부의 사시도,
도 4는 토치의 예시도,
도 5는 토치와 조절유닛의 예시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치를 이용한 최종단 블레이드 제조방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치를 이용한 열처리 방법을 단계별로 설명하는 흐름도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 방법에 의해 화염경화된 블레이드의 단면 조직을 보인 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최종단 블레이드 제조방법을 단계별로 설명하는 공정도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치 및 그를 이용한 최종단 블레이드 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 예에서는 습증기 액적(water droplet)에 의해 손상되기 쉬운 발전용 터빈의 최종단 로터 블레이드를 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 압축기와 터빈에 적용되는 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드에도 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.
그리고 본 실시 예에서는 습증기 액적에 의해 손상되는 화력 발전용 터빈의 최종단 로터 블레이드를 설명하지만, 본 발명은 화력 발전용뿐만 아니라 고체 입자(solid particle)에 의해 손상되는 원자력 발전용 터빈의 최종단 블레이드에도 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치의 구성을 설명하기에 앞서, 일반적인 최종단 블레이드의 구성을 간략하게 설명한다.
예를 들어, 도 1은 일반적인 최종단 블레이드의 예시도이다.
도 1의 (a) 내지 (c)에는 각각 발전용 터빈의 L-0단 내지 L-2단에 설치되는 블레이드가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발전용 터빈에 적용되는 최종단 블레이드(이하 '블레이드'라 함)(1)는 각 터빈 조립체의 디스크(도면 미도시)에 결합되는 도브테일(dovetail)(2)과 플랫폼(3)이 일체로 형성되는 루트부(4)와 루트부(4)로부터 반경방향으로 연장되는 에어포일(airfoil)(5)을 포함한다.
블레이드(1)는 각 단별로 형상 및 크기가 다르게 형성될 수 있다.
여기서, 각 블레이드(1)의 날개부 끝단(leading edge) 영역에 표시된 A구간이 습증기 액적에 의해 침식되는 부분이다.
따라서 본 발명은 각 블레이드의 날개부 끝단 중에서 A구간을 국부적으로 화염경화 처리하여 습증기 액적과의 충돌에 의한 침식(erosion)을 방지한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치의 블록 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 설치부, 화염분사부 및 구동부의 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치(10)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 블레이드(1)가 설치되는 설치부(20), 블레이드(1)의 날개부 끝단 영역의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화하는 화염분사부(30), 화염분사부(30)를 구동하는 구동부(40) 및 미리 설정된 화염경화 영역을 화염경화 처리하도록 구동부(40)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부(50)를 포함한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치(10)는 화염경화 처리시 블레이드(1)의 온도를 감지하는 감지부(60)를 더 포함할 수 있다.
설치부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 블레이드(1)를 담금질하도록 냉각제, 예컨대 물이 충진되는 수조(21) 및 수조(21) 내부에 설치되어 블레이드(1)를 고정하는 지그(22)를 포함할 수 있다.
지그(22)는 최종단 블레이드(1)로 마련되는 각 단별 블레이드(1)별로 교체 가능하게 마련되거나, 각 단별 블레이드(1)를 모두 고정 가능하게 마련될 수 있다.
이를 위해, 지그(22)는 블레이드(1)를 클램핑하여 고정하는 적어도 한 쌍 이상의 클램핑 부재(23)를 포함할 수 있다.
즉, 클램핑 부재(23)는 블레이드(1)의 길이에 따라 블레이드(1)의 양단을 고정하는 한 쌍으로 마련되거나, 블레이드(1)의 중앙부도 클램핑할 수 있도록 3개 이상으로 마련될 수도 있다.
이와 함께, 지그(22)는 길이가 서로 다른 각 단의 블레이드를 모두 고정할 수 잇도록 클램핑 부재 사이의 간격을 조절하는 간격조절유닛(도면 미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 간격조절유닛은 모터의 구동력을 이용하거나 유체의 압력을 이용해서 복수의 클램핑 부재(23) 중에서 어느 하나 또는 모두를 직선 이동시키도록 마련될 수 있다.
화염분사부(30)는 블레이드(1)의 화염경화 영역에 화염을 분사하여 경화 처리하는 토치(31) 및 토치(31)에 연소가스를 공급하는 가스공급기(32)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 가스공급기(32)는 산소와 프로판 가스를 미리 설정된 비율로 혼합한 연소가스를 공급할 수 있다.
구동부(40)는 화염경화 처리시 블레이드(1)의 A구간을 따라 토치(31)를 이동시키는 기능을 한다.
이를 위해, 구동부(40)는 수조(21) 일측에 마련된 지지대에 토치(31)의 이동방향을 따라 설치되는 가이드 레일(41), 가이드 레일(41)을 따라 이동하는 이동모듈(42) 및 이동모듈(42)을 이동시키도록 구동력을 발생하는 구동유닛을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 이동모듈(42)은 수조(22)의 상부에 설치되어 도 3에 도시된 X, Y, Z방향으로 이동 가능하게 설치된다.
예를 들어, 이동모듈(42)은 가이드 레일(41)을 따라 Y방향으로 이동하고, 이동모듈(42)의 본체를 이루는 이동블록 상에 X방향 및 Z방향으로 설치된 축을 따라 X방향 및 Z방향으로 이동할 수 있다.
도 4는 토치의 예시도이고, 도 5는 토치와 조절유닛의 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 토치(31)에는 각 단 블레이드(1)별로 하나의 분사공이 형성된 싱글 홀 토치로 마련되거나, 복수의 분사공이 형성된 멀티 홀 토치로 마련될 수 있다.
구동부(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 토치(31)를 고정하는 고정지그(43)와 토치(31)의 분사각 및 설치각도, 토치(31)와 블레이드(1) 사이의 거리를 조절하는 조절유닛(44)을 더 포함할 수 있다.
감지부(60)는 화염경화 처리시 블레이드(1)의 온도를 감지하는 온도감지부(61)와 이동모듈(42)의 위치를 감지하는 위치감지부(62)를 포함할 수 있다.
온도감지부(61)는 고온의 열에 의한 열적 손상을 방지하도록 블레이드(1)로부터 미리 설정된 간격만큼 이격되어 설치되는화염에 의해 발생하는 블레이드(1)의 열 방사를 관측하여 관측된 온도에 대응되는 전압값을 출력하는 방사 온도계로 마련될 수 있다.
위치감지부(62)는 이동모듈(42)의 X, Y, Z 방향으로 이동된 위치를 감지하는 복수의 근접센서를 포함할 수 있다.
온도감지부(61) 및 위치감지부(62)는 감지된 온도 및 위치에 대응되는 감지신호를 제어부(50)로 송신하다.
제어부(50)는 각 단별 블레이드(1)별로 화염을 분사하는 동작 모드를 설정하고, 설정된 동작 모드에 따라 토치(31)에 공급되는 가스 공급량, 토치(31)의 분사각, 설치각도, 분사시간, 분사량 및 토치(31)와 블레이드(1) 사이의 거리를 조절하도록 가스공급기(32) 및 구동부(40)를 제어한다.
즉, 최종단 블레이드(1)는 각 단별로 서로 다른 형상 및 크기로 형성됨에 따라, 화염경화 영역도 서로 다르게 설정된다.
따라서 본 발명은 구동부의 조절유닛을 이용해서 토치의 분사각, 설치각도, 분사시간, 분사량 및 토치와 블레이드 사이의 거리를 조절하여 최종단 블레이드 전체를 하나의 열처리 장치에서 화염경화 처리할 수 있다.
이를 위해, 제어부(50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 작업자의 버튼조작에 따라 동작모드를 설정하는 모드 설정부(51) 및 각 동작모드별로 가스공급기(32) 및 구동부(40)를 제어하는 구동프로그램의 저장되는 저장부(52)를 포함할 수 있다.
여기서, 각 단별 블레이드(1)의 화염경화 동작모드는 각 단별 블레이드(1)의 목업(mock-up)을 화염경화 처리하고, 화염경화 영역 및 표면경도를 측정한 시험 결과에 따라 설정될 수 있다.
그리고 제어부(50)는 화염경화 처리과정에서 발생하는 블레이드(1)의 굽힘 및 뒤틀림을 보상하는 보상부(53)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 보상부(53)는 목업 테스트 결과에 따른 블레이드(1)의 굽힘 및 뒤틀림을 보상하도록 보상량의 산출하고, 제어부(50)는 산출된 보상량에 따라 토치(1)의 분사각도, 설치각도, 분사시간, 분사량 및 토치(31)와 블레이드(1) 사이의 거리를 조절하도록 제어할 수 있다.
또, 제어부(50)는 온도감지부(61)로부터 감지된 블레이드(1)의 감지온도를 미리 설정된 한계온도와 비교하고, 감지온도가 한계온도를 초과하는 경우, 화염경화 처리 작업을 중지하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 위치감지부(62)에서 감지된 이동모듈(42)의 감지위치에 따라 이동모듈(42)의 이동방향 및 이동속도를 조절하도록 제어할 수 있다.
다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치를 이용한 최종단 블레이드 제조방법을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치를 이용한 최종단 블레이드 제조방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
도 6의 S10단계에서 블레이드(1)를 제조할 소재의 검사과정 거쳐 형단조(die forging) 공정을 통해 블레이드(1)의 전체 형상을 성형한다.
성형된 블레이드(1)는 기계가공(machining)에 의해 블레이드(1)를 이루는 루트부(4) 및 에어포일(5)이 각각 성형되고, 루트부(4)에 도브테일(2)과 플랫폼(3)이 각각 성형된다.
성형 작업이 완료되면, 에어포일(4)의 연마(Polishing) 공정이 수행된다(S12).
이어서, 본 발명에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치(10)를 이용해서 블레이드(1)의 날개부 끝단 영역의 일부 구간(A)을 화염경화 처리한다(S14).
화염경과 처리 과정은 아래에서 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
S16단계에서 블레이드(1) 팁 부분의 절단 및 리세스(recess) 공정이 수행된다.
그리고 작업자는 블레이드(1)를 수직 자세(Vertical Position) 상태에서 뜨임(tempering) 가공하여 내부 응력을 제거한 후(S18), 블레이드(1) 표면을 버프 가공(Buffing)한다(S20).
이와 같은 과정을 통하여, 블레이드(1)가 제조되면, 마지막으로 표면이나 내부의 결함 발생 여부를 검사한다(S22).
이때, 작업자는 모멘트(moment)를 칭량(weighing)해서 도표를 작성하고, 자분 탐상 검사(magnetic particle test)와 같은 비파괴 검사(nondestructive inspection) 방식으로 결함 발생 여부를 검사할 수 있다.
다음, 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 방법을 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치를 이용한 열처리 방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 7에서 작업자는 성형, 기계가공 및 연마 공정(S10, S12)이 수행된 블레이드(1)를 수조(21)에 마련된 지그(22)에 설치한다(S30).
여기서, 지그(22)는 화염경화 처리될 블레이드(1) 별로 미리 설정된 설치각도에 따라 블레이드(1)를 고정할 수 있다.
이때, 지그(22)에 마련된 복수의 클램핑 부재(23)는 블레이드(1)의 양단을 고정하거나, 블레이드(1)의 양단과 함께 중앙부를 고정하도록 간격이 조절될 수 있다.
블레이드(1)의 설치가 완료되면, 수조(22) 내부에는 열처리가 미 수행되는 블레이드(1)의 나머지 영역을 냉각하도록 냉각제, 예컨대 물이 충진될 수 있다.
그리고 제어부(50)는 구동부(40)를 구동시켜 이동모듈(42)을 X방향 및 Y방향으로 이동시켜 토치(31)의 좌우 위치 및 상하 높이를 조절하도록 제어할 수 있다.
S32단계에서 제어부(50)는 작업자의 버튼 조작에 따라 화염경화 처리를 수행할 동작모드를 설정한다. 즉, 제어부(50)의 모드 설정부(51)는 저장부(52)에 저장된 구동프로그램을 실행시켜 미리 설정된 화염경화 영역을 따라 화염경화 처리하도록 동작모드를 설정한다.
이때, 보상부(53)는 목업 테스트 결과에 따른 블레이드(1)의 굽힘 및 뒤틀림을 보상하도록 보상량을 산출하고, 제어부(50)는 산출된 보상량에 따라 토치(31)의 분사각도, 설치각도, 분사시간, 분사량 및 토치(31)와 블레이드(1) 사이의 거리를 조절하도록 제어할 수 있다.
이어서, 제어부(50)는 블레이드(1)에 화염을 분사하기 위해, 토치(31)에 연소가스를 공급하도록 가스공급기(32)를 구동한다.
이때, 제어부(50)는 설정된 동작모드에 따라 토치(31)에 공급되는 연소가스의 공급량 및 공급속도를 조절하도록 가스공급기(32)의 구동을 제어할 수 있다.
이에 따라, 토치(31)는 연소가스를 이용해서 화염을 형성하고, 블레이드(1)의 화염경화 처리 구간에 화염을 분사한다(S34).
화염분사가 시작되면, 제어부(50)는 가이드 레일(41)을 따라 이동모듈을 Y방향으로 이동시키도록 구동부(40)의 구동을 제어한다.
이때, 복수의 근접센서를 포함하는 위치감지부(62)는 이동모듈(42)의 이동위치를 감지하고, 감지신호를 제어부(50)로 송신한다(S36).
그리고 온도감지부(61)는 화염에 의해 고온으로 가열된 블레이드(1)의 열 방사를 관측하고, 관측된 온도에 대응되는 전압값을 감지신호로 출력하여 제어부(50)로 송신한다(S38).
그러면, 제어부(50)는 온도감지부(51)로부터 감지된 감지온도와 미리 설정된 한계온도를 비교한다(S40).
만약, S40단계의 비교결과 감지온도가 한계온도를 초과하면, 제어부(50)는 S44단계로 진행하여 화염경화 처리 작업을 중지하기 위해 가스공급기(32)의 구동을 중지시키고, 이동모듈(42)의 이동을 중지시키도록 구동부(40)의 구동을 제어할 수 있다.
반면, S40단계의 비교결과 감지온도가 한계온도 이하이면, S42단계에서 제어부(50)는 이동모듈(42)이 화염경화 처리 구간(A)의 끝단까지 이동하였는지 이동위치를 검사하고(S42), 화염경화 처리 작업이 완료될 때까지 S34단계 내지 S42단계를 반복 수행하도록 제어한다.
S42단계의 검사결과 화염경화 처리 작업이 완료되면, 제어부(50)는 가스공급기(32) 및 구동부(40)의 구동을 중지시키고, 최종단 블레이드 열처리 장치의 운전을 정지하도록 제어하고 종료한다(S44).
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 최종단 블레이드의 날개부 끝단일부 구간을 화염경화법으로 열처리하여 응력을 제거함으로써, 습증기 액적에 의한 블레이드의 습분 침식을 방지할 수 있다.
예를 들어, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최종단 블레이드 열처리 방법에 의해 화염경화된 블레이드의 단면 조직을 보인 도면이다.
즉, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 블레이드(1)에서 화염경화된 경화부(B), 경계부(C), 모재(D)를 각각 채취하여 단면 조직을 확인한 결과, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 경화부(B)의 입자(grain)는 도 8의 (c) 및 (d)에 도시된 경계부(C) 및 모재(D)의 입자에 비해 매우 작아짐을 알 수 있었다.
이에 따라, 본 발명은 블레이드의 날개 끝단의 일부 구간을 열처리하여 경도를 향상시키고, 터빈에 설치된 블레이드가 회전하면서 발생하는 원심력에 저항하는 압축응력을 한계값 이하로 제한할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 화력 발전용 터빈의 최종단 블레이드 제조방법을 설명하였으나, 화력 발전용뿐만 아니라 고체 입자(solid particle)에 의해 손상되는 원자력 발전용 터빈의 최종단 블레이드에도 적용되도록 변경될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최종단 블레이드 제조방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
도 9의 S50단계에서 블레이드(1)를 제조할 소재의 검사과정 거쳐 형단조(die forging) 공정을 통해 블레이드(1)의 전체 형상을 성형된다.
성형된 블레이드(1)는 기계가공(machining)에 의해 블레이드(1)를 이루는 루트부(4) 및 에어포일(5)이 각각 성형되고, 루트부(4)에 도브테일(2)과 플랫폼(3)이 각각 성형되며, 에어포일(4)의 연마(Polishing) 공정이 수행된다(S52).
이때, 블레이드(1)가 적용되는 단에 따라, 변형 보정(straightening) 및 트위스트(twisting) 공정이 수행될 수 있다.
이어서, 본 발명에 따른 최종단 블레이드 열처리 장치(10)를 이용해서 블레이드(1)의 날개부 끝단 영역의 일부 구간(A)을 화염경화 처리한다(S54).
화염경화 처리 과정은 상기 실시 예에서 설명하였으므로, 중복된 설명을 생략한다.
S56단계에서 블레이드(1)의 다듬질(trimming) 공정이 수행된다.
이와 같은 과정을 통하여, 블레이드(1)가 제조되면, 작업자는 블레이드 표면이나 내부의 결함 발생 여부를 검사한다(S58).
이때, 작업자는 싱글 버켓(bucket)에 대한 진동 시험을 수행할 수 있다.
그리고 작업자는 모멘트(moment)를 칭량(weighing)해서 도표를 작성하고, 자분 탐상 검사(magnetic particle test)와 같은 비파괴 검사(nondestructive inspection) 방식으로 결함 발생 여부를 검사할 수 있다.
이어서, 작업자는 숏 피닝(shot peening) 공정을 통해 블레이드(1) 표면의 산화막을 제거한 후(S60), 용사(Thermal Spray) 방식으로 블레이드(1) 표면을 코팅할 수 있다(S62).
상기 용사 방식은 기재가 보유하고 있는 특성을 살리고, 결함을 보완할 수 있으며, 재료기능의 다양화 및 고도화를 가능하게 하는 표면처리법의 하나로서, 분말 혹은 선형재료를 고온열원으로부터 용융액적으로 변화시켜 고속으로 기재에 충돌시켜 급냉 응고 적층한 피막을 형성하는 기술이다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 원자력 발전용 터빈에 적용되는최종단 블레이드의 날개부 끝단 일부구간을 화염경화법으로 열처리하여 경도를 향상시키고, 압축응력을 제한함으로써, 고체 입자(solid particle)에 의한 블레이드의 손상을 방지할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기의 실시 예들에서는 발전용 터빈의 최종단 로터 블레이드를 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 압축기와 터빈에 적용되는 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드에도 적용되도록 변경될 수 있다.
본 발명은 최종단 블레이드의 날개부 끝단일부 구간을 화염경화법으로 열처리하여 경도를 향상시키고 압축응력을 한계값 이하로 제한함으로써, 습증기 액적에 의한 블레이드의 습분 침식을 방지하는 기술에 적용된다.
10: 최종단 블레이드 열처리 장치
20: 설치부 21: 수조
22: 지그 23: 클램핑 부재
30: 화염분사부 31: 토치
32: 가스공급기 40: 구동부
41: 가이드 레일 42: 이동모듈
43: 고정지그 44: 조절유닛
50: 제어부 51: 모드 설정부
52: 저장부 53: 보상부
60: 감지부 61: 온도감지부
62: 위치감지부

Claims (15)

  1. 최종단 블레이드가 설치되는 설치부,
    블레이드의 날개부 끝단 영역의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화하는 화염분사부,
    상기 화염분사부를 구동하는 구동부 및
    미리 설정된 화염경화 영역을 화염경화 처리하도록 구동부의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부를 포함하고,
    상기 구동부는 토치의 이동 방향을 따라 설치되는 가이드 레일,
    상기 가이드 레일을 따라 블레이드의 길이 방향으로 이동하는 이동모듈,
    상기 이동모듈을 이동시키도록 구동력을 발생하는 구동유닛,
    상기 토치를 고정하는 고정지그 및
    토치의 분사각 및 설치각도, 토치와 블레이드 사이의 거리를 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 설치부는 내부에 블레이드를 담금질하도록 냉각제가 충진되는 수조 및
    상기 수조 내부에 설치되어 블레이드를 고정하는 지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지그에는 블레이드를 미리 설정된 설치각도로 고정하는 적어도 한 쌍 이상의 클램핑 부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화염분사부는
    블레이드의 화염경화 영역에 화염을 분사하여 경화 처리하는 토치 및
    상기 토치에 연소가스를 공급하는 가스공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구동부에 마련되는 이동모듈의 위치를 감지하는 위치감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 위치감지부에서 감지된 이동위치에 따라 상기 이동모듈을 상하 방향 및 좌우 방향으로 이동시켜 상기 토치의 설치각도, 토치와 블레이드 사이의 거리를 조절하도록 상기 구동유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    화염경화 처리시 블레이드의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 온도감지부에서 감지된 감지온도와 미리 설정된 한계온도를 비교하고, 상기 감지온도가 한계온도를 초과하면 화염경화 처리를 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는
    화염경화 처리될 각 단별 블레이드에 따라 동작모드를 설정하는 모드 설정부 및
    각 동작모드별로 가스공급기 및 구동부를 제어하는 구동프로그램이 저장되는 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는
    화염경화 처리과정에서 발생하는 블레이드의 굽힘 및 뒤틀림을 보상하는 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 장치.
  11. (a) 최종단 블레이드를 수조에 마련된 지그에 설치하는 단계 및
    (b) 상기 수조의 상부에 마련된 이동모듈을 이동시켜 블레이드의 날개 끝단의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 (b)단계는 블레이드의 종류에 따라 토치의 분사각, 설치각도, 분사시간, 분사량 및 토치와 블레이드 사이의 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (b)단계는
    (b1) 온도감지부를 이용해서 화염경화 처리되는 블레이드의 온도를 감지하는 단계,
    (b2) 상기 (b1)단계에서 감지된 감지온도와 미리 설정된 한계온도를 비교하는 단계 및
    (b3) 상기 (b2)단계의 비교 결과, 상기 감지온도가 한계온도를 초과하면 화염경화 처리 작업을 중지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 방법.
  13. (a) 최종단 블레이드를 수조에 마련된 지그에 설치하는 단계,
    (b) 상기 수조의 상부에 마련된 이동모듈을 이동시켜 블레이드의 날개 끝단의 일부 구간에 화염을 분사하여 경화 처리하는 단계 및
    (c) 상기 (b)단계를 수행하기 이전에 최종단 블레이드에 마련되는 각 단별 블레이드 중에서 화염경화 처리될 블레이드에 대응되는 동작모드를 설정하는 단계를 포함하고,
    상기 (b)단계는 (b1) 온도감지부를 이용해서 화염경화 처리되는 블레이드의 온도를 감지하는 단계,
    (b2) 상기 (b1)단계에서 감지된 감지온도와 미리 설정된 한계온도를 비교하는 단계 및
    (b3) 상기 (b2)단계의 비교 결과, 상기 감지온도가 한계온도를 초과하면 화염경화 처리 작업을 중지하는 단계를 포함하며,
    상기 (c)단계에서 설정된 동작모드에 따라 화염경화 영역을 설정하고, 토치를 설정된 화염경화 영역을 따라 이동시키는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 열처리 방법.
  14. 삭제
  15. (a) 최종단 블레이드를 성형하고, 블레이드의 각 부분을 기계가공하여 성형하는 단계,
    (b) 상기 (a)단계에서 성형된 블레이드의 날개 끝단의 일부 구간을 제11항 내지 제13항 중에서 어느 한 항으로 이루어진 최종단 블레이드 열처리 방법에 따라 화염경화 처리하는 단계,
    (c) 상기 (b)단계에서 화염경화 처리된 블레이드를 다듬질하는 단계 및
    (d) 상기 (a)단계 내지 (c)단계를 거쳐 제조된 블레이드의 표면과 내부의 결함을 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최종단 블레이드 제조방법.
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