KR101791807B1 - 터빈날개의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

스테인리스강을 단조하여 단조체를 형성하는 공정과, 상기 단조체를 열처리하는 공정과, 상기 열처리 후의 상기 단조체를 냉각하는 공정을 포함하고, 상기 열처리 및 상기 냉각에서는 여러 개의 상기 단조체가 정렬되고, 또한 인접하는 상기 단조체끼리 터빈날개의 플랫폼이 되는 부분부터 상기 터빈날개의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분의 적어도 일부가 서로 대향되어 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 배치된다.

Description

터빈날개의 제조방법{TURBINE BLADE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 터빈날개의 제조방법에 관한 것이다.
스테인리스부재를 단조 또는 압연에 의해 소정형상으로 가공한 후, 단조 등이 된 스테인리스부재에 대하여, 용체화 등을 위해 열처리를 하는 경우가 있다.
예를 들어, 이하의 특허문헌 1에는 1000~1300℃의 고온 하에서 단조 등을 한 스테인리스부재를 냉각한 후, 재차 이 스테인리스부재에 대하여 950~1125℃의 고온 하에서 열처리하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술로는 가열 후의 스테인리스부재를 5~4℃/min의 냉각속도로 급냉하고 있다.
이 특허문헌 1에 기재된 기술 이외에 본 발명과 관련한 기술로서 특허문헌 2에 기재되어 있는 기술이 있다. 이 기술에서는 알루미늄합금부재를 열처리하기 위해 가열한 후, 이 알루미늄합금부재에 대하여 여러 개의 노즐에서 냉각매체를 분무하여, 알루미늄합금부재를 급냉하고 있다. 금속부재를 냉각하는 경우 부재의 형상에 의해, 온도가 저하하기 쉬운 부분과 온도가 저하하기 어려운 부분이 발생하므로, 금속부재 중에 고온부와 저온부가 발생한다. 이 결과 금속부재의 냉각과정에서 금속부재 중에 열응력이 발생하고 변형이 발생한다. 그래서 특허문헌 2에 기재된 기술에서는 알루미늄합금부재의 급냉과정에서의 변형을 억제하기 위해, 여러 개의 노즐에서 분무하는 냉각매체의 유량 등을 조절하고 있다.
일본특허공개 제2012-140690호 공보 일본특허공개 제2007-146204호 공보
상기 특허문헌 2에 기재된 기술은 알루미늄합금부재에 대한 기술이다. 스테인리스부재는 알루미늄합금부재와 상이한 성질을 갖는다. 따라서 스테인리스부재를 열처리하기 위해 가열한 후 이 스테인리스부재에 대하여, 상기 특허문헌 2에 기재된 기술을 그대로 적용해도 냉각과정에서 변형을 억제하기 어렵다. 또한 특허문헌 2에 기재된 기술은 비교적 저온의 열처리에 대하여 유효하다. 예를 들어, 500℃ 정도 이하의 비교적 저온인 열처리이면 복사방열의 영향이 작으므로, 대류에 의한 열전달을 제어하면 열처리 대상물의 온도 제어가 가능하다. 한편 예를 들어, 석출 경화형 스테인리스강 등에 필요한 용체화처리는 예를 들어, 1000℃ 정도의 고온이 필요하다. 이 경우 복사방열을 제어하지 않으면 열처리 대상물의 온도 제어는 어렵다.
본 발명은 스테인리스강의 터빈날개를 제조함에 있어서, 스테인리스강의 부재를 열처리한 후 냉각하는 과정에서 부재에 발생하는 변형을 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 스테인리스강을 단조하여 단조체를 형성하는 공정과, 상기 단조체를 열처리하는 공정과, 상기 열처리 후의 상기 단조체를 냉각하는 공정을 포함하고, 상기 열처리 및 상기 냉각에서는 여러 개의 상기 단조체가 정렬되고, 또한 인접하는 상기 단조체끼리 터빈날개의 플랫폼이 되는 부분부터 상기 터빈날개의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분의 적어도 일부가 서로 대향되어 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 배치되는 터빈날개의 제조방법이다.
열처리 및 냉각에서 단조체를 정렬하여 설치함으로써, 복사에 의한 방열량의 불균형이 억제된다. 따라서 본 발명에 관한 터빈날개의 제조방법은 하나의 단조체 내에서의 냉각속도의 불균형이 억제되므로, 단조체마다 변형의 불균형을 억제 가능하다. 이와 같이 본 발명에 관한 터빈날개의 제조방법은 예를 들어, 스테인리스강의 터빈날개를 제조함에 있어서, 스테인리스강의 부재를 열처리한 후 냉각하는 과정에서 부재에 발생하는 변형을 억제할 수 있다. 본 발명에 관한 터빈날개의 제조방법은 스테인리스강에 한정되지 않고, 1000℃ 정도까지 단조체가 승온하는 모든 열처리에 유효하다.
여러 개의 상기 단조체는 수납용의 구조체에 수납되어 상기 열처리 및 상기 냉각이 행해지고, 상기 단조체의 내측과 대향하여 수납되는 상기 단조체와 상기 구조체 사이에는 보온용의 차폐체가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 차폐체는 자신과 대향하는 각각의 단조체의 냉각속도를 저하시킬 수 있다. 따라서 단조체의 후육(厚肉)부와 박육(薄肉)부의 온도차이가 작아지고, 단조체의 변형이 억제된다.
상기 차폐체는 판상의 부재로서, 그 두께는 상기 단조체의 상기 터빈날개의 플랫폼이 되는 부분부터 상기 터빈날개의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분에서의 어느 하나의 단면의 최대 두께와 동등한 것이 바람직하다. 차폐체의 복사열에 의한 보온효과를 단조체의 복사열에 의한 보온효과와 동등하게 하는 것이 가능하므로, 단체의 단조체의 온도 불균형 및 여러 개의 단조체의 온도 불균형을 억제하고, 냉각 시에 따른 단조체의 변형 및 변형의 불균형을 억제할 수 있다.
상기 최대 두께는 상기 열처리 후에 상기 단조체에 발생하는 구부러지는 기점에서의 단면의 최대 두께인 것이 바람직하다. 냉각 시에 따른 단조체에 발생하는 주요 변형에는 단조체의 구부러짐이 있다. 단조체의 구부러짐은 구부러진 기점의 영향이 크다. 차폐체의 두께를 단조체에 발생하는 구부러지는 기점에서의 단면의 최대 두께로 함으로써, 구부러진 기점 근방에 따른 온도의 불균형을 억제 가능하므로, 차폐체의 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 냉각공정에서 여러 개의 상기 단조체에는 냉각용의 기체가 정류하여 공급되는 것이 바람직하다. 냉각용의 기체가 정류되어 부재에 공급됨으로써, 냉각 중의 단조체의 변형을 억제 가능하다.
상기 스테인리스강은 석출 경화형 스테인리스인 것이 바람직하다. 석출 경화형 스테인리스강은 가열 시 및 냉각 시에 상변태(Phase Change)가 발생하고 변형이 발생하기 쉽지만, 본 발명에 관한 터빈날개의 제조방법에 의하면 단조체 및 터빈날개의 변형을 효과적으로 억제 가능하다.
본 발명은 스테인리스강의 터빈날개를 제조함에 있어서, 스테인리스강의 부재를 열처리한 후 냉각하는 과정에서 부재에 발생하는 변형을 억제하는 것이 가능하다.
도 1은 실시형태에 관한 운동날개가 구비된 증기터빈의 개략구성도이다.
도 2는 실시형태에 관한 터빈날개를 나타내는 개략도이다.
도 3은 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 4는 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법에 따른 소재의 온도변화의 일례를 나타내는 도이다.
도 5는 열처리공정에서의 단조체의 상태를 나타내는 도이다.
도 6은 단조체의 길이방향과 직교하는 평면에서 단조체를 잘랐을 때의 단면형상을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법에서의 바스켓 내에 따른 단조체의 배치예를 나타내는 도이다.
도 8은 단조체의 단면부분을 나타내는 도이다.
도 9는 도 7에 나타내는 바스켓보다도 큰 바스켓을 이용한 경우의 단조체의 배치예를 나타내는 도이다.
도 10은 평면에서 본 직사각형의 바스켓에 여러 개의 단조체를 수납한 예를 나타내는 도이다.
도 11은 평면에서 본 원형의 바스켓 내에 여러 개의 단조체를 수납하는 다른 예를 나타내는 도이다.
도 12는 평면에서 본 원형의 바스켓 내에 여러 개의 단조체를 수납하는 다른 예를 나타내는 도이다.
도 13은 냉각공정의 일례를 나타내는 도이다.
도 14는 정류용의 구조체의 일례를 나타내는 도이다.
본 발명을 실시하기 위한 형태(실시형태)에 대하여, 도면을 참조하여 소상하게 설명한다.
(증기터빈에 대하여)
도 1은 실시형태에 관한 운동날개가 구비된 증기터빈의 개략구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 증기터빈(1)에서 케이싱(11)은 중공형상을 이루고, 회전축으로서의 로터(12)가 여러 개의 베어링(13)에 의해 회전 자재로 지지되어 있다. 케이싱(11) 내에는 터빈날개(15) 및 고정날개(16)가 배치되어 있다. 터빈날개(15)는 로터(12)에 형성된 원반상의 로터디스크(14)의 외주에 그 원주방향을 따라 여러 개 나란히 설치되어 고정되어 있다. 고정날개(16)는 케이싱(11)의 내벽에 그 원주방향을 따라 여러 개 나란히 설치되어 고정되어 있다. 이들 터빈날개(15) 및 고정날개(16)는 로터(12)의 축방향을 따라 번갈아 배치되어 있다.
또한 케이싱(11) 내에는 상기 터빈날개(15) 및 고정날개(16)가 배치되고, 증기가 통과하는 증기통로(17)가 형성되어 있다. 이 증기통로(17)에는 증기가 공급되는 입구로서 증기공급입구(18)가 형성되고, 증기가 외부로 배출되는 출구로서 증기배출구(19)가 형성되어 있다.
(터빈날개의 구조)
도 2는 실시형태에 관한 터빈날개를 나타내는 개략도이다. 터빈날개(15)는 날개뿌리부(21)와, 플랫폼(22)과, 날개부(23)와, 슈라우드(24)를 포함한다. 날개뿌리부(21)는 로터디스크(14)에 매설되고, 터빈날개(15)를 로터디스크(14)에 고정한다. 플랫폼(22)은 날개뿌리부(21)와 일체를 이루는 만곡한 플레이트 형상물이다. 날개부(23)는 기단부가 플랫폼(22)에 고정되고, 선단부가 케이싱(11)의 내벽면 측으로 연재하고 있으며, 날개 길이방향을 향함에 따라 비틀려 있다. 슈라우드(24)는 날개부(23)의 선단부에 고정되어 있고, 인접하는 터빈날개(15)의 슈라우드(24)와 접촉하여, 터빈날개(15)를 고정하거나 터빈날개(15)의 진동을 억제하는 부재이다.
날개부(23)의 양날개면에 따른 날개 길이방향의 대략 중앙부에 돌기상의 스터브(25)가 형성되어 있다. 이 스터브(25)는 인접하는 터빈날개(15)의 스터브(25)와 접촉하여, 터빈날개(15)를 고정하거나 터빈날개(15)의 진동을 억제하는 부분이다. 터빈날개(15)는 도 1에 나타낸 증기터빈(1)의 운동날개인데, 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법의 제공대상은 터빈의 운동날개에는 한정되지 않는다.
(터빈날개의 제조방법)
도 3은 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법의 일례를 나타내는 플로차트이다. 도 4는 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법에 따른 소재의 온도변화의 일례를 나타내는 도이다. 도 4의 세로축은 터빈날개(15)의 소재의 온도(Tm)이고, 가로축은 경과시간(Ti)이다. 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법은 단조공정(스텝 S1)과, 냉각공정(스텝 S2)과, 디버링(Deburring)공정(스텝 S3)과, 열처리공정(스텝 S4)과, 기계가공공정(스텝 S5)을 포함한다.
스텝 S1의 단조공정에서 패드(Pads)부가 설치된 날개부(23)의 형상이 되도록 가공된 상하 한 쌍의 금형 내에 소재의 재결정 온도 이상의 온도로 가열된 터빈날개(15)의 소재를 설치하고, 열간형단조가 행해진다. 도 4의 Opa가 단조공정이다. 본 실시형태에서 터빈날개(15)의 소재는 예를 들어, 스테인리스강이다. 보다 구체적으로는 17-4PH와 같은 석출 경화형의 스테인리스강이다. 단조공정이 종료하면 도 8에 나타내는 패드부(31)가 설치된 날개부(23)의 형상의 단조체가 성형된다. 이어서 스텝 S2의 냉각공정으로 이동한다.
스텝 S2의 냉각공정에서는 단조공정에서 성형된 고온상태의 단조체가 냉각된다. 도 4의 Opb가 단조공정에서의 냉각공정이다. 단조체는 다음 공정의 디버링공정에 적합한 온도까지 냉각된다. 이어서 스텝 S3의 디버링공정으로 이동한다.
스텝 S3의 디버링공정에서는 단조공정에서의 형단조 시에 소재가 상하의 금형의 틈새로 들어가는 것 등에 의해 형성된 단조물의 불필요한 부분(버링)이 제거된다. 이어서 스텝 S4의 열처리공정으로 이동한다.
스텝 S4의 열처리공정에서는 단조체에 대하여 열처리를 행한다. 이 열처리는 용체화처리(OPc), 안정화처리(OPd) 및 시효처리(OPe)를 포함한다. 열처리공정은 앞 공정(단조공정)에서 단조물에 발생한 잔류응력 및 냉각과정에서 단조물에 발생한 열응력의 개방 및 단조체를 시효경화시킨다. 이어서 스텝 S5의 기계가공공정으로 이동한다.
스텝 S5의 기계가공공정에서는 절삭가공에 의해 단조체의 패드부가 절삭된다. 또한 기계가공공정에서는 절삭가공에 의해 날개부(23)의 기단부 측(날개뿌리 측)에 플랫폼(22)이 형성되고, 선단부 측(날개 정상 측)에 슈라우드(24)가 형성된다. 이와 같이 목적으로 하는 최종형상을 갖는 터빈날개(15)가 제조된다.
(열처리공정에 대하여)
도 5는 열처리공정에서의 단조체의 상태를 나타내는 도이다. 도 6은 단조체의 길이방향과 직교하는 평면에서 단조체를 잘랐을 때의 단면형상을 나타내는 단면도이다. 열처리공정에서는 단조체(10)를 수납용의 구조체(30)(이하, 적절한 바스켓(30)이라고 함)에 수납하고 가열로(40) 내에 설치된다. 열처리공정의 시효처리(OPe)에서 단조체(10)는 500℃ 정도로 가열되어 보지된 후, 30분 이내에 온도를 500℃ 정도 저하시킬 필요가 있으므로, 단조체(10)는 냉각이 필요해진다.
일반적으로 단조체(10)와 같은 금속부재는 그 형상에 따라 냉각되기 쉬운(환언하자면, 가열되기 쉬운) 부분과 냉각되기 어려운(환언하자면, 가열되기 어려운) 부분이 있다. 금속부재의 냉각되기 쉬운 부분은 구체적으로 단위질량당 표면적이 큰 대표면적부이고, 금속부재에서 냉각되기 어려운 부분은 단위질량당 표면적이 작은 소표면적부이다.
예를 들어 본 실시형태의 경우 도 6에 나타낸 바와 같이, 단조체(10)에 따른 전단(前端)(10L)을 포함하는 전단부(10LP) 및 후단(10T)을 포함하는 후단부(10TP)는 이들 전단부(10LP)와 후단부(10TP) 사이의 중앙부(10CP)에 비해 날개 두께의 치수가 작으므로, 단위질량당 표면적이 큰 대표면적부(A)를 이루고, 냉각되기 쉬운 부분이 된다.
전단부(10LP)와 후단부(10TP) 사이에 존재하는 최대직경부(최대 두께)(TNmax)를 포함하는 중앙부(10CP)는 단위질량당 표면적이 작은 소표면적부(B)를 이루고, 냉각되기 어려운 부분을 이룬다. 이와 같은 금속부재를 가열 또는 냉각하면 금속부재 중에 고온부와 저온부가 발생한다. 이 결과 금속부재를 가열 또는 냉각하는 과정에서 금속부재 중에 커다란 열응력이 발생하고 변형 및 일그러짐이 발생한다. 또한 열처리 후의 단조체(10)를 냉각하는 경우, 냉각 개시 초기에 날개의 최대직경부(TNmax)와 전단부(10LP) 및 후단부(10TP) 사이에 온도차가 발생한 결과, 커다란 열응력이 발생하고 단조체(10)에는 변형 및 일그러짐이 발생한다. 최대직경부(TNmax)는 터빈날개(15)의 단면에서 두께가 최대, 즉 최대두께가 되는 부분이다.
금속부재를 가열로(40)에서 가열하는 경우, 금속부재가 배치되어 있는 가열로(40) 내의 온도, 다시 말해 분위기 온도의 상승에 따라 금속부재의 온도가 상승한다. 한편, 금속부재를 가열로(40)에서 꺼내어 냉각하는 경우, 금속부재의 온도에 대하여 그 분위기 온도가 상온이고, 금속부재의 온도와 그 분위기 온도와의 온도차가 크므로, 가열 시에 온도상승률에 대하여 냉각 시의 온도저하율 쪽이 크다. 따라서 가열 시에는 금속부재 중의 고온부와 저온부의 온도차가 작지만, 냉각 시에는 금속부재 중의 고온부와 저온부의 온도차가 커진다. 따라서 냉각 시에 따른 금속부재 중의 고온부와 저온부의 온도차를 억제하는 것이 열응력의 발생을 억제하고, 변형 및 일그러짐의 억제로 이어진다.
석출 경화형 스테인리스강의 단조체(10)를 열처리한 후에 냉각하는 경우, 그 후기에서 단조체(10)가 Ms(마르텐사이트)점 이하의 온도가 되어 상변태를 개시한다. 상변태에 의해 단조체(10)는 팽창하지만, 최대직경부(TNmax)와 전단부(10LP) 및 후단부(10TP)에서 변태의 진행 상태가 상이하므로(온도차에 의한), 팽창 차이에 의한 응력이 발생한다. 또한 상변태 도중의 과도적인 단계에서 응력이 작용하면 상당히 변형하기 쉽다(변태소성). 따라서 단조체(10)를 열처리한 후 냉각할 시에, 최대직경부(TNmax)(또는 중앙부(10CP))와 전단부(10LP) 및 후단부(10TP) 사이에 따른 온도차를 억제하는 것이 열응력의 발생을 억제하고, 단조체(10)의 변형 및 일그러짐의 억제로 이어진다.
도 7은 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법에서의 바스켓 내에 따른 단조체의 배치예를 나타내는 도이다. 도 8은 단조체의 단면부분을 나타내는 도이다. 도 8에 나타낸 단조체(10)는 절삭가공 전이므로, 절삭에 의해 제거되는 패드부(31)를 갖고 있다. 날개뿌리 측에서 날개 정상 측, 즉 플랫폼(22) 측에서 슈라우드(24) 측을 향하는 방향을 터빈날개(15) 또는 단조체(10)의 길이방향(날개 정상방향)이라고 한다. 도 8에 나타낸 슈라우드(24) 측에서 플랫폼(22) 측을 향하여, A-A~H-H, J-J~N-N의 합계 13곳의 위치는 터빈날개(15) 또는 단조체(10)의 길이방향에 따른 위치를 나타낸다.
본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법은 열처리공정 및 냉각공정에서, 도 7에 나타낸 바스켓(30)에 여러 개의 단조체(10)를 수납한다. 여러 개의 단조체(10)를 수납한 바스켓(30)은 도 5에 나타낸 가열로(40)에 수납되어 열처리된다. 열처리가 종료하면 예를 들어, 바스켓(30)을 가열로(40)에서 꺼내어 냉각한다.
본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법은 도 7에 나타낸 바와 같이 여러 개의 단조체(10)가 정렬된다. 인접하는 단조체(10)사이는 도 2에 나타낸 터빈날개(15)의 플랫폼(22)이 되는 부분부터 터빈날개(15)의 길이방향(날개 길이방향)에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분의 적어도 일부가 대향하게 되고, 또한 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 배치된다. 본 실시형태에서 여러 개의 단조체(10)가 정렬되면 단조체(10)의 석션 측(SU)과 압력 측(PR)이 대향하고, 또한 일렬로 배치되어 단조체(10)의 대열이 형성된다. 도 7에 나타낸 예에서 하나의 단조체(10)의 대열은 세 개의 단조체(10)를 포함한다. 바스켓(30)은 두 개의 단조체(10)의 대열을 수납한다. 터빈날개(15)의 길이방향(날개길이방향)에 따른 중앙은 도 8의 H-H로 나타낸 부분이다.
이와 같이 단조체(10)를 정렬하여 설치함으로써, 복사에 의한 방열량의 불균형이 억제된다. 따라서 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법은 하나의 단조체(10) 내에서의 냉각속도의 불균형이 억제되므로, 단조체(10)마다 변형의 불균형을 억제 가능하다.
단조체(10)의 구부러짐을 억제하기 위해서는 구부러지는 기점의 구부러진 양을 저감하는 것이 바람직하다. 따라서 열처리 및 냉각 후에 단조체(10)에 구부러짐이 발생하는 경우, 적어도 그 구부러지는 기점을 포함하고 또한 그 근방이 인접하는 단조체(10)사이의 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 하는 것이 바람직하다. 구부러지는 기점에 따른 최대직경부(TNmax)(또는 중앙부(10CP))와 전단부(10LP) 및 후단부(10TP) 사이의 온도분포가 억제되므로, 단조체(10)의 구부러짐을 효과적으로 억제 가능하다. 단조체(10)의 구부러지는 기점은 스터브(25)보다도 플랫폼(22) 측, 보다 구체적으로는 터빈날개(15) 또는 단조체(10)의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분보다도 플랫폼(22) 측이다. 본 실시형태에서는 위치(K-K)가 단조체(10)의 구부러지는 기점이 된다.
본 실시형태에서는 도 7에 나타낸 바와 같이 바스켓(30) 의 내측(30IW)과 대향하여 수납되는 단조체(10)와 바스켓(30) 사이에는 보온용의 차폐체(32)가 설치되는 것이 바람직하다. 차폐체(32)는 자신과 대향하는 각각의 단조체(10)의 냉각속도를 저하시키는 것이 가능하므로, 예를 들어 최대직경부(TNmax)와 같은 후육부와, 예를 들어 전단부(10LP) 및 후단부(10TP)와 같은 박육부와의 온도차가 작아지고, 단조체(10)의 변형이 억제된다.
본 실시형태에서 차폐체(32)는 도 8에 나타낸 바와 같이 판상의 부재이다. 본 실시형태에서 차폐체(32)는 평면에서 본 직사각형의 부재이다. 본 실시형태에서 인접하는 단조체(10)사이는 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 정렬하여 바스켓(30) 내에 수납된다. 차폐체(32)와 대향하는 단조체(10)도 차폐체(32) 사이에서 서로 따뜻하게 함으로써, 바스켓(30)에 수납된 여러 개의 단조체(10)의 냉각속도의 불균형이 억제된다. 따라서 본 실시형태에서는 차폐체(32)로서 단조체(10)와 복사율이 같은 정도의 부재를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 차폐체(32)를 단조체(10)와 동일한 재료로 하거나 표면의 색 또는 상태를 단조체(10)와 동일하게 함으로써, 단조체(10)와 차폐체(32)에서 복사율을 같은 정도로 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 단조체(10)의 구부러짐을 억제하기 위해서는 구부러지는 기점의 구부러진 양을 저감하는 것이 바람직하다. 따라서 열처리 및 냉각 후에 단조체(10)에 구부러짐이 발생하는 경우, 적어도 그 구부러짐의 기점을 포함하고 또한 그 근방이 단조체(10)와 대향하는 차폐체(32)의 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 하는 것이 바람직하다. 구부러지는 기점에 따른 최대직경부(TNmax)(또는 중앙부(10CP))와 전단부(10LP) 및 후단부(10TP) 사이의 온도분포가 억제되므로, 단조체(10)의 구부러짐을 효과적으로 억제 가능하다. 도 7에 나타낸 바와 같이 본 실시형태에서 차폐체(32)는 전단부(10LP) 및 후단부(10TP) 측에는 배치되어 있지 않다.
단조체(10) 및 터빈날개(15)는 플랫폼(22) 측에서 슈라우드(24) 측을 향하여 비틀려 있다. 차폐체(32)는 단조체(10) 및 터빈날개(15)의 비틀림에 맞춘 형상이어도 되지만, 본 실시형태와 같이 차폐체(32)를 판상의 부재로 함으로써, 차폐체(32)의 제조가 용이해진다. 이 경우 단조체(10)의 구부러지는 기점에 따른 단면이 차폐체(32)와 대향하도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 이 구부러지는 기점을 포함하고 또한 그 근방을 차폐체(32)의 복사열에 의해 따뜻하게 하여, 냉각 후에 따른 단조체(10)의 구부러짐을 억제할 수 있다.
도 8에 나타낸 차폐체(32)의 두께(t)는 터빈날개(15)의 플랫폼(22)이 되는 부분부터 터빈날개(15)의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분에서의 어느 하나의 단면의 최대 두께, 즉 최대직경부(TNmax)와 동등한 것이 바람직하다. 이 경우 차폐체(32)의 두께(t)는 구부러지는 기점에 따른 단면의 최대 두께, 즉 최대직경부(TNmax)와 동등한 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 단조체(10)의 구부러짐에 가장 영향을 부여하는 구부러지는 기점에 따른, 단조체(10)와 차폐체(32)의 복사열의 교환을 인접하는 단조체(10)사이와 동일하게 할 수 있다. 그 결과 냉각 후에 따른 단조체(10)의 구부러짐을 억제할 수 있다.
차폐체(32)의 길이방향에 따른 길이(L)는 바스켓(30) 내에 설치된 차폐체(32)가 단조체(10)의 구부러지는 기점과 대향하는 정도의 길이이면 된다. 본 실시형태에서 차폐체(32)의 길이(L)는 단조체(10)의 길이방향에 따른 길이와 같은 정도이다. 이와 같이 함으로써 단조체(10)의 구부러짐의 기점 이외의 부분에 대해서도 어느 정도 복사열에 의한 보온효과를 기대할 수 있다.
차폐체(32)의 길이방향과 직교하는 방향에 따른 폭(W)은 바스켓(30) 내에 설치된 차폐체(32)가 단조체(10)의 구부러지는 기점에 따른 폭방향의 모든 범위와 대항하는 정도의 크기이면 된다. 이와 같이 함으로써 차폐체(32)는 단조체(10)의 구부러지는 기점을 복사열에 의해 효율 좋게 따뜻하게 할 수 있다.
도 9는 도 7에 나타내는 바스켓보다도 큰 바스켓을 이용한 경우의 단조체의 배치예를 나타내는 도이다. 본 실시형태에서 바스켓(30)의 크기는 묻지 않는다. 바스켓(30)이 커졌을 경우 바스켓(30)은 보다 많은 단조체(10)를 수납할 수 있다. 이 경우에도 상술한 바와 같이, 여러 개의 단조체(10)는 터빈날개(15)의 플랫폼(22)이 되는 부분부터 터빈날개(15)의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분의 적어도 일부가 대향하게 되고, 또한 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 정열하여 배치되어 있으면 된다. 또한 바스켓(30)과 단조체(10) 사이에는 차폐체(32)가 설치되는 것이 바람직하다.
도 10은 평면에서 본 직사각형의 바스켓에 여러 개의 단조체를 수납한 예를 나타내는 도이다. 본 실시형태에서 단조체(10)를 수납하는 바스켓의 형상은 묻지 않으며, 예를 들어 도 7 및 도 9에 나타낸 바와 같이 평면에서 본 원형의 바스켓(30)이어도 되고, 도 10에 나타낸 바와 같은 평면에서 본 직사각형의 바스켓(30a)이어도 된다. 본 예에서는 바스켓(30a)의 길이방향을 따라 여러 개의 단조체(10)가 2열 배치되어 있다. 바스켓의 형상에 관계없이 여러 개의 단조체(10)는 터빈날개(15)의 플랫폼(22)이 되는 부분부터 터빈날개(15)의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분의 적어도 일부가 대향하게 되고, 또한 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하도록 정렬하여 배치되어 있으면 된다.
바스켓(30a)과 단조체(10) 사이에는 차폐체(32)가 설치되는 것이 바람직하다. 본 예에서 차폐체(32)는 바스켓(30a)의 길이방향에 따른 양측에 설치된다. 각각의 차폐체(32)는 단조체(10)의 석션 측(SU) 및 이것과는 상이한 단조체(10)의 압력 측(PR)과 대향하고 있다.
도 11 및 도 12는 평면에서 본 원형의 바스켓 내에 여러 개의 단조체(10)를 수납하는 다른 예를 나타내는 도이다. 도 11에 나타낸 예에서는 여러 개의 단조체(10)를 완전하게는 정렬시키지 않고 있다. 이와 같이 하면 각 단조체(10)의 온도의 불균형의 억제효과는 저하하지만, 바스켓(30) 내에 설치되는 각 단조체(10)의 자유도를 향상시킬 수 있다. 도 12에 나타낸 예에는 평면에서 본 원형의 바스켓(30) 내에, 바스켓(30)의 중심에서 방사상으로 여러 개의 단조체(10)가 수납된다. 이 경우 도 7에 나타낸 차폐체(32)는 바스켓(30)에 설치되어 있지 않아도 된다. 따라서 차폐체(32)가 설치되지 않은 만큼 바스켓(30) 내에 수납 가능한 단조체(10)의 개수를 증가시킬 수 있다. 각각의 단조체(10)는 차폐체(32)로부터의 복사열로 따뜻해지지 않고, 인접하는 단조체(10)로부터의 복사열로 따뜻해진다. 따라서 도 12에 나타낸 배치는 차폐체(32)를 이용하는 경우와 비교하여, 여러 개의 단조체(10) 간에 따른 온도의 불균형을 억제할 수 있다.
도 13은 냉각공정의 일례를 나타내는 도이다. 도 14는 정류용의 구조체의 일례를 나타내는 도이다. 열처리공정 후의 냉각공정에서 예를 들어, 팬(33)에 의해 바스켓(30)에 수납된 여러 개의 단조체(10)에 냉각용의 기체(이하, 적절한 냉각바람이라고 함)를 보내어 이들을 냉각해도 된다. 팬(33)은 제어장치(34)에 의해 제어된다. 본 실시형태에서 팬(33)과 단조체(10) 사이에는 정류용의 구조체로서 정류판(35)이 설치된다. 정류판(35)은 도 14에 나타낸 바와 같이 여러 개의 관통구멍(35H)을 갖고 있다. 팬(33)에서 송풍된 냉기바람이 여러 개의 관통구멍(35H)을 통과할 시에 냉각바람이 정류되어 단조체(10)로 보내진다. 팬(33)으로부터의 냉각바람이 정류되어 단조체(10)에 공급됨으로써, 냉각 중의 단조체(10)의 변형이 억제된다. 즉, 정류판(35)은 팬(33)으로부터의 냉각바람이 단조체(10)를 직격하는 것을 완화하고, 또한 냉각속도의 제어를 가능하게 한다. 정류판(35)이 구비하는 관통구멍(35 H)의 크기 및 개수는 단조체(10)의 냉각에 요구되는 냉각조건에 따라 적절하게 변경 가능하다.
본 실시형태에서 단조체(10)의 소재로서 석출 경화형 스테인리스강이 이용되는 예를 설명했다. 마르텐사이트계 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 오스테나이트 페라이트 이층 스테인리스강도 석출 경화형 스테인리스강과 동일하게 가열 및 냉각 시에 상변태가 일어나므로, 이들을 소재로 하여 터빈날개(15)를 제조하는 경우에도 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법이 적용 가능하다.
이상으로 설명한 바와 같이 본 발명에 관한 터빈날개의 제조방법은 냉각속도를 늦춤으로써 후육부와 박육부의 온도차를 작게 하는 것이 가능하므로, 스테인리스강의 터빈날개를 제조함에 있어서, 스테인리스강의 부재를 열처리한 후 냉각하는 과정에서 부재에 발생하는 변형(일그러짐)을 억제하고 잔류 응력을 저감 가능하다. 본 실시형태에 관한 터빈날개의 제조방법은 냉각 후의 공정에서 실행되는 변형 수정에서의 작업량 저감 및 그 후의 기계가공 시의 변형을 저감 가능하다.
상술한 내용에 의해 본 실시형태가 한정되는 것은 아니다. 상술한 본 실시형태의 구성요소에는 당업자가 용이하게 상정 가능한 것, 실질적으로 동일한 것, 이른바 균등한 범위인 것이 포함된다. 상술한 구성요소는 적절히 조합하는 것이 가능하다. 또한 본 실시형태의 요지를 이탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 여러 가지 생략, 치환 및 변경을 행할 수 있다.
1 증기 터빈
10 단조체
10CP 중앙부
10L 전단
10LP 전단부
10T 후단
10TP 후단부
11 케이싱
12 로터
13 베어링
14 로터디스크
15 터빈날개
16 고정날개
17 증기통로
18 증기공급입구
19 증기배출구
21 날개뿌리부
22 플랫폼
23 날개부
24 슈라우드
25 스터브
30, 30a 바스켓(수납용의 구조체)
30IW 내측
31 패드부
32 차폐체
33 팬
34 제어장치
35 정류판
35H 관통구멍
40 가열로
A 대표면적부
B 소표면적부
L 길이
OPc 용체화처리
OPd 안정화처리
OPe 시효처리
PR 압력 측
SU 석션 측
Ti 경과시간
Tm 온도
TNmax 최대직경부
W 폭

Claims (11)

  1. 스테인리스강을 단조하여 단조체를 형성하는 공정과,
    상기 단조체를 열처리하는 공정과,
    상기 열처리 후의 상기 단조체를 냉각하는 공정을 포함하고,
    상기 열처리 및 상기 냉각에서는 여러 개의 상기 단조체가 정렬되고, 또한 인접하는 상기 단조체끼리 터빈날개의 플랫폼이 되는 부분부터 상기 터빈날개의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분의 적어도 일부가 서로 대향되어 복사열에 의해 서로 따뜻하게 하며, 상기 단조체에 있어서의 단위 질량당 표면적이 큰 대표면적부와 단위 질량당 표면적이 작은 소표면적부의 냉각 속도의 불균형을 억제하도록 배치되는, 터빈날개의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    여러 개의 상기 단조체는 수납용의 구조체에 수납되어 상기 열처리 및 상기 냉각이 행해지고,
    상기 단조체의 내측과 대향하여 수납되는 상기 단조체와 상기 구조체 사이에는 보온용의 차폐체가 설치되는, 터빈날개의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차폐체는 판상의 부재로서, 그 두께는,
    상기 단조체의 상기 터빈날개의 플랫폼이 되는 부분부터 상기 터빈날개의 길이방향에 따른 중앙까지의 사이에 상당하는 부분에서의 어느 하나의 단면의 최대 두께와 동등한, 터빈날개의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최대 두께는 상기 열처리 후에 상기 단조체에 발생하는 구부러지는 기점에서의 단면의 최대 두께인, 터빈날개의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    여러 개의 상기 단조체는, 상기 단조체의 석션 측과 압력 측이 대향하여 배치된 대열을 형성하는, 터빈날개의 제조방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    여러 개의 상기 단조체의 일부는, 상기 단조체의 석션 측과 압력 측이 대향하여 배치된 대열을 형성하고, 여러 개의 상기 단조체의 나머지 일부는 정렬시키지 않고 배치되는, 터빈날개의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    여러 개의 상기 단조체는, 여러 개의 대열을 형성하는, 터빈날개의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    여러 개의 상기 단조체는, 여러 개의 대열을 형성하는, 터빈날개의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    여러 개의 상기 단조체는, 수납용의 구조체에 수납되어 상기 열처리 및 상기 냉각이 행해지고, 상기 구조체의 중심으로부터 방사상으로 배치되어 있는, 터빈날개의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각공정에서 여러 개의 상기 단조체에는 냉각용의 기체가 정류하여 공급되는, 터빈날개의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 석출 경화형 스테인리스인, 터빈날개의 제조방법.

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