KR101706795B1 - 압축기 휠용 부식 표시기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 허브(12)와, 이 허브로부터 반경 방향으로 연장하는 웹(14) 및 휠에 갖추어진 복수의 블레이드(16)를 포함하는 원심 압축기 휠(10)에 관한 것이다. 본 발명은 웹이 휠의 마모 표시기(18)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압축기 휠용 부식 표시기{Erosion indicator for a compressor wheel}

본 발명은 예컨대, 그러나 이에 한정됨이 없이 항공기 터빈엔진과 같은, 터보기계의 압축단(compression stage) 분야에 관한 것으로, 특히 이러한 압축단들을 구성하는 부재들의 마모문제에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 구성부재들 중의 하나, 즉 허브(hub)와, 이 허브로부터 반경 방향으로 연장하는 웹(web), 및 그에 갖춰진 복수의 블레이드들을 포함하는 원심압축기 휠에 관한 것이다.

이하에서, 수식어 "축 방향" 및 "반경 방향"은 압축기 휠의 회전축에 대하여 고려된다.

어딘 가에 공지된 그러한 원심압축기 휠은, 압축단으로 축 방향으로 유입되는 공기를 반경 방향으로 배출되기 전에 압축하기 위하여 확산기(diffuser)와 협동한다.

공지된 방식에서, 블레이드들의 각각은 선단에지로부터 후단에지로 연장하고 또 압력측과 흡입측을 형성한다.

압축단이 작동 중일 때, 특히 그러나 이에 한정됨이 없이 헬리콥터 가스터빈과 같은 항공기 터빈에 삽입되면, 압축기 휠은 부식되는 경향이 있는바, 특히 모래와 같은 입자들이 압축단에 유입되기 때문이다.

수 시간의 작동 후, 부식 프로파일들이 일반적으로 발견되는데, 특히 선단에지들의 오목부(retreat) 형태로 또 압력측의 블레이드들의 및 기부(root)들에서 후단에지들을 향하여 연장하는 주름부(furrow) 형태로 존재한다. 환언하면, 휠의 그러한 위치에서의 주름부들의 존재는 휠이 부식된 결과이다.

선단에지들의 오목부들은, 압축기의 성능저하와 공기역학 안정성의 저하 및 블레이드들의 기계적 강도의 저하를 일으킬 수 있다. 또한, 주름부들은 임펠러 디스크의 기계적 강도를 저하시킨다. 선단에지들의 부식은, 통상적인 수단(엔진의 공기입구를 조사하는 카메라)에 의하여 쉽게 검출되고, 또 주름부 타입의 부식만큼 크지않게 발생할 수 있다. 따라서 주름부 타입의 부식을 검사할 필요가 있고, 그리하여 만일 압축기 휠이 주름부에 의하여 과도하게 부식되면, 휠을 교체할 필요가 있다.

일반적으로, 부식 프로파일은 매우 미세하고 또 아주 두드러지지 않아서, 나타난 부식의 양이 허용가능한지 아닌지 여부를 신속하게 결정하기가 어렵다.

본 발명의 목적은, 주름부 타입의 부식이 신속하고도 간단히 검사될 수 있는 원심압축기 휠을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 웹이 휠의 부식 표시기를 포함한다는 사실에 의하여 달성된다.

부식 표시기는, 자신이 완전히 부식될 때, 압축기 휠의 부식 정도가 압축기 휠이 교체될 필요가 있도록 선정된다.

부식 표시기는, 정비사가 압축기 휠의 마모상태를 쉽고 또 신속하게 검사할 수 있도록 분명히 두드러진다는 것이 또한 이해될 수 있다.

본 발명에 따르면, 압축기 휠의 웹에 주름부가 형성됨에 따라 부식 표시기가 점진적으로 부식된다. 표시기는 바람직하기에는, 부식이 웹 및 그리하여 부식 표시기의 축 방향 두께의 감소를 유발하는 방식으로 배열된다.

바람직하기에는, 웹의 외부 원주에지 상에 위치되어, 주름부의 형성을 검사하기 쉽고, 또 나아가서 이와 같이 위치된 부식 표시기는 압축기 휠을 통한 공기흐름을 방해하지 않는다.

특별히 유리한 실시예에서, 마모 표시기는 웹의 원주에지로부터 반경 방향으로 돌출하는 적어도 하나의 리브(rib)를 포함하고, 리브는, 이 리브의 평탄부 (flat)와 그로부터 블레이드들이 연장하는 웹의 표면 사이에 계단부를 형성하도록 웹의 축 방향 두께보다 작은 축 방향 두께를 갖는다.

환언하면, 리브는 관련된 블레이드의 것보다 약간 더 큰 반경 방향 길이 (extent)를 갖는바, 여기서 용어 "반경 방향 길이"는, 압축기 휠의 회전축으로부터 측정된 반경 방향 거리를 의미하기 위하여 사용된다.

즉, 리브는 웹의 원주에지에 반경 방향의 추가 두께를 형성한다.

휠의 부식 동안에, 블레이드의 기부에 형성된 주름부는, 축 방향으로 특히 후단에지에서 블레이드의 두께를 소모하는 경향이 있다. 그 결과, 계단부는 그 축 방향 길이방향으로 점진적으로 부식되는바, 용어 "축 방향 길이"는 리브의 평탄부와 블레이드를 갖춘 웹의 내부면 사이의 거리를 의미하기 위하여 사용된다. 이러한 축 방향 길이는, 그 원주에지에서 측정된 웹의 축 방향 두께와 리브의 축 방향 두께 사이의 차이에 또한 대응한다.

다음에, 주름부가 형성된 결과로 전체 계단부가 부식되면, 주름부가 리브의 평탄부에 형성되기 시작한다.

발명자들은 리브 부식의 시작이 특히 리브의 평탄부에서 두드러지고, 그리하여 유리하게는 부식 표시기의 부식의 종료를 식별하기 쉽다는 것을 알아내었다.

따라서, 특별히 편리한 방식으로, 정비사는 부식의 흔적(trace)이 리브 상에 보이자마자 압축기 휠의 교체가 필요하다는 것을 인지할 것이다.

이러한 목적을 위하여, 계단부의 축 방향 길이는 유리하게 조정된다.

바람직하기에는, 계단부는 0.5 mm 내지 1.5 mm 범위의 축 방향 길이를 갖는다.

또한, 리브의 반경 방향 길이는 바람직하기에는 0.5 mm 내지 3 mm 범위에 놓인다.

본 발명에 따르면, 마모 표시기는 하나 이상의 리브들에 의하여 구성된다. 그럼에도 불구하고, 웹의 원주에지의 원주를 따라 모두 연장하는 단일의 리브를 선정하는 것이 바람직하다.

과거에는, 압축기 휠의 부식을 검사하기 위하여 압축기가 완전히 해체되어야 했다는 것이 추가되어야 한다. 이러한 해체작업은 일반적으로 터보기계의 분해검사(overhaul) 또는 수리 동안에 수행되고, 또 보통 시간이 걸리고 비싸며, 또한, 항공기가 지상에 착륙되어야 한다.

본 발명은 부식 표시기의 마모를 검사하기 위하여 내시경이 압축단으로 삽입될 수 있도록 하는 입구가 구비된 케이싱과 함께, 본 발명의 압축기 휠을 포함하는 터보기계 압축단을 또한 제공한다.

따라서 본 발명에 의하여, 정비사가 마모 표시기에 카메라를 조준함으로써 휠의 마모를 검사할 수 있는한, 부식을 검사하기 위하여 압축기 휠을 더 이상 해체할 필요가 없다. 다음, 압축기 휠을 회전시킴으로써, 정비사는 휠의 각 블레이드의 기부들에 형성된 주름부들에 의하여 생성된 부식을 용이하게 검사할 수 있다.

카메라는 바람직하기에는 내시경이다.

본 발명은 본 발명의 압축단을 포함하는 터보기계를 또한 제공한다. 터보기계는 바람직하기에는 헬리콥터 또는 임의의 다른 항공기용 터보엔진이다.

끝으로 본 발명은, 본 발명의 터보기계의 원심 압축기 휠의 부식을 결정하는 방법을 제공하는바, 이 방법은 상기 휠의 부식 표시기의 마모를 검사하기 위하여 압축단으로 내시경이 삽입된다.

이 방법에서 내시경은, 케이싱에 바람직하기에는 볼록부(bulge)에 구비된 개구부를 통해 삽입되고, 또 그 다음 웹의 원주에지 및 그리하여 부식 표시기를 관찰할 수 있을 때까지 확산기를 관통한다.

그리하여 이 방법에 의하여, 부식의 정도가 터보기계의 전체 보수작업 동안뿐만 아니라 사용 중에 직접 추적될 수 있다.

비한정적인 예로 주어진 실시예에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 본 발명은 더 잘 이해될 수 있고 또 그 이점도 더 잘 알 수 있을 것으로 보인다.
도 1은, 웹의 원주에지의 원주를 따라 연장하는 리브에 의하여 구성된 마모 표시기를 도시하는 본 발명 압축기 휠의 사시도이다.
도 2는, 도 1의 하류 단부를 도시하는 압축단의 부분 단면도이다.
도 3은, 압축단의 확산기 케이싱의 일부와 함께 도 1의 부식 표시기를 도시하는 도 2의 상세한 부분 단면도이다.
도 4는, 휠이 부식되지않은 때, 도 1의 블레이드의 후단에지의 부분도이다.
도 5는, 휠이 약간 부식되고, 부식 표시기가 부분적으로 소모된 때, 도 1의 블레이드의 후단에지의 부분도이다.
도 6은, 휠이 심하게 부식되고, 부식 표시기가 완전히 소모된 때, 도 1의 블레이드의 후단에지의 부분도이다.
도 7은, 도 1의 압축기 휠을 포함하는 헬리콥터 가스터빈의 단면도이다.

도 1은, 헬리콥터 가스터빈에서 일반적으로 볼 수 있는 종류의 압축기 휠(10)의 사시도이다. 물론, 본 발명은 압축기 휠을 포함하는 다른 타입의 터빈엔진에도 적용된다.

공지된 방식에서, 압축기 휠(10)은, 이 휠(10)을 그 축(A)을 중심으로 회전구동하기 위하여 구동축(도시 안 됨)과 협동하기 위한 허브(12)를 포함한다. 이하의 기재에서, 수식어 "반경 방향" 및 "축 방향"은 축(A)에 대하여 사용된다. 압축기 휠(10)은, 도 7에서 볼 수 있는 압축단(13)의 확산기(11)를 향하도록 케이싱에 장착된다.

압축기 휠(10)은, 도 2에서 명확하게 볼 수 있는 웹(14)을 또한 포함한다.

또한, 압축기 휠(10)은 복수의 블레이드(16)를 갖추는바, 각 블레이드는 선단(leading)에지(16a)와 후단(trailing)에지(16b) 사이에서 연장한다. 이러한 블레이드(16)들은 허브(12)와 웹(14) 사이에 구비됨을 알 수 있다. 도 2와 3에 도시된 바와 같이, 이 예에서, 블레이드(16)의 후단에지(16b)는 웹(14)의 원주에지(22)와 같은 높이(flush)이다.

본 발명에 따르면, 압축기 휠(10)의 웹(14)은, 본 예에서, 리브(20)(바람직하기에는 반드시 하나의 리브는 아님)를 포함하는 부식 표시기(18)를 포함하고, 상기 리브(20)는 각 블레이드(16)의 후단에지(16b)의 위치에서 웹(14)의 원주에지 (22)로부터 반경 방향으로 돌출한다.

도 2와 3을 참조하여, 본 발명에 따른 마모 표시기(18)를 상세히 설명한다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 리브(20)는 웹의 축 방향 두께(EV) 보다 작은 축 방향 두께(EN)를 갖고서, 리브(20)의 평탄부(20a)와 블레이드(16)들이 연장하는 웹(14)의 표면(S)사이에 계단부(M)를 형성한다. 환언하면, 이 계단부(M)는 압축기 휠(10)을 통한 공기의 흐름방향(F)에서 아래로 계단을 구성한다. 그리하여, 리브(20)는 블레이드(16)들이 돌출하는 표면(S)으로부터 이격된 원주에지의 축 방향 단부에 위치된다.

또한, 리브(20)는 바람직하기에는 0.5 mm 내지 3 mm 범위에 있는 반경 방향 길이(HN)를 갖고서 리브(20)의 단부와 압축단(13)의 확산기(11) 사이에 반경 방향 틈새를 남긴다.

이 리브(20)는, 후술하는 목적을 위해 바람직하기에는 0.5 mm 내지 1.5 mm 범위에 있는 축 방향 길이(HM)를 갖는다.

도 4 내지 6을 참조하여, 부식 표시기(18)가 어떻게 작동하는지를 설명한다.

이들 도면들은 후단에지(16b)에 인접한, 블레이드(16)들 중의 하나의 압력측을 도시한다.

예컨대, 새로운 휠을 적용한 것과 같이, 휠이 부식되지 않으면, 도 4에 도시된 바와 같이 웹(14)은, 블레이드의 기부에 아무런 부식 프로파일을 나타내지 않는다.

수 백 시간의 작동 후, 공기흐름에 의하여 이송된 입자들이 도 5에 도시된 바와 같이, 압력면(I) 옆의 블레이드의 기부에 주름부(30)의 모양으로 나타내어진 부식을 일으킨다.

주름부(30)의 깊이는 점진적으로 증가하고, 또 웹(14)의 축 방향 두께(EV)를 소모하는 경향이 있다.

도 5에서, 후단에지(16b)에서 주름부(30)는, 계단부(M)의 축 방향 길이(HM)보다 작은 깊이를 갖는다. 환언하면, 이러한 조건에서, 계단부(M)는 완전히 부식되지않았고 또 리브(20)도 침범되지 않았다.

바람직하기에는, 부식이 리브(20)를 침범하지 않는 한, 압축기 휠(10)의 마모는 여전히 허용가능한 것으로 간주된다.

도 6에 도시된 바와 같은 보다 진행된 마모상태에서, 주름부(30)가 리브(20)를 침범하여 계단부(M)가 사라진 것을 볼 수 있다(압력측(I)의 블레이드(16)의 기부에서).

환언하면, 주름부(30)의 깊이는, 계단부(M)의 축 방향 길이(HM)보다 더 크다. 이러한 단계에서, 부식 표시기(18)는 완전히 부식되는바, 이는 압축기 휠(10)이 교환될 필요가 있음을 의미한다.

본 발명에 따르면, 부식 표시기(18)의 마모는 카메라, 바람직하기에는 내시경(40)을 사용하여 유리하게 검사되는바, 상기 내시경은 특히, 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같은 볼록부를 매개하여 압축단(13)의 케이싱(15)에 입구(42)를 통해 삽입된다.

내시경(40)은 일반적으로 압축단들에서 발견되는 반경 방향 확산기를 통해 삽입된다.

도 2의 도움으로 잘 이해될 수 있듯이, 내시경(40)은 휠(10)을 완전히 해체할 필요가 없이 부식 표시기(18)의 마모상태를 관찰하고, 또 검사하는 역할을 한다.

실제로, 발명자들은 부식 표시기(18)의 전체 마모에 의하여 나타내어지는 바와 같이, 리브(20)의 부식의 시작은 내시경의 도움으로 용이하게 검출될 수 있다. 리브의 부식과 관련된 계단부(M)의 소실은 쉽게 관찰된다.

요약하면, 부식 표시기(18)의 내시경 검사 동안에 2가지의 상황이 발생할 수 있다: 계단부(M)가 여전히 존재하고 또 리브(20)가 어떠한 부식의 흔적을 나타내지 않아서 압축기 휠(10)이 계속 사용될 수 있거나, 또는 계단부(M)가 사라지고 또 리브(20)가 부식의 흔적을 나타내어, 이 경우 휠이 교체될 필요가 있는 경우이다.

Claims (7)

1. 허브(12)와, 상기 허브로부터 반경 방향으로 연장하는 웹(14) 및 원심 압축기 휠에 갖추어진 복수의 블레이드(16)를 포함하는 원심 압축기 휠(10)에 있어서,
   상기 웹이 원심 압축기 휠(10)의 부식 표시기(18)를 포함하고, 상기 부식 표시기(18)가 블레이드(16)들 중의 하나의 후단에지(16b)의 위치에서 웹(14)의 원주에지(22)로부터 반경 방향으로 돌출하는 적어도 하나의 리브(20)를 포함하며, 상기 리브(20)는 웹의 축 방향 두께(EV) 보다 작은 축 방향 두께(EN)를 갖고서 리브(20)의 평탄부 (20a)와 블레이드(16)들이 연장하는 웹(14)의 표면(S)사이에 계단부(M)를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 휠(10).
2. 제1항에 있어서, 상기 계단부(M)는, 0.5 mm 내지 1.5 mm 범위에 있는 축 방향 길이(HM)를 갖는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 휠.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리브(20)의 반경 방향 길이(HN)는 0.5 mm 내지 3 mm 범위에 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 휠.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리브(20)는 웹(14)의 원주를 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 휠.
5. 부식 표시기의 마모를 검사하기 위하여 내시경(40)이 압축단에 삽입될 수 있도록 하는 입구(42)가 구비된 케이싱(15)과 함께, 제1항 또는 제2항에 따른 원심 압축기 휠(10)을 포함하는 터보기계 압축단(13).
6. 제5항에 따른 압축단(13)을 포함하는 터보기계.
7. 제5항에 따른 압축단의 원심압축기 휠의 마모를 결정하는 방법에 있어서,
   상기 원심 압축기 휠의 마모 표시기(18)의 마모를 검사하기 위하여 내시경(40)이 압축단(13)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 휠의 마모를 결정하는 방법.

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