KR101822022B1

KR101822022B1 - 퍼 트리 타입의 터빈 블레이드의 제조방법

Info

Publication number: KR101822022B1
Application number: KR1020160131765A
Authority: KR
Inventors: 정종윤; 서광선
Original assignee: 서광선
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-03-08

Abstract

단조 소재를 사용한 퍼 트리 타입의 터빈 블레이드를 견고하고 정밀하게 제작할 수 있도록 하는 제조방법이 개시된다. 상기 제조방법은, 상기 블레이드를 구성할 원소재를 기설정된 규격에 맞도록 절단하고, 기준면을 면삭하는 단계; 상기 풋트 부를 기설정된 치수와 형상으로 절삭하는 단계; 상기 원소재의 상단에 드릴 작업으로 구멍을 뚫어 공작 기계에 상기 원소재의 상단을 고정하고, 상기 절삭된 풋트 부를 지그에 고정하는 단계; 상기 에어포일을 기설정된 치수와 형상으로 절삭하는 단계; 상기 에어포일의 절삭시 잔류하는 상단의 더미(dummy)를 절단하는 단계; 및 상기 풋트 부의 경화를 위해 숏 피닝(Shot peening)을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

퍼 트리 타입의 터빈 블레이드의 제조방법{Method for making Fir Tree Typed Turbine Blade}

본 발명은 터빈 블레이드의 제조방법에 관한 것으로, 특히 단조 공정을 통하여 퍼 트리(Fir Tree) 타입의 터빈 블레이드를 견고하고 정밀하게 제작할 수 있도록 하는 기술에 관련한다.

선박용 엔진에 사용되는 터보 차저(turbo charger)에는 터빈 블레이드(turbine blade)가 터빈 휠에 부착되어 회전하게 된다.

터빈 블레이드의 구조는, 잘 알려진 것처럼, 풋트 부(foot portion)와 에어포일(airfoil)로 구성되어 풋트 부는 터빈 휠에 장착되고 에어포일은 일정한 각도로 비틀린 날개 구조로 이루어진다.

종래 터빈 블레이드는 주조 공정을 통하여 제조되었는데, 제조과정이 복합하고 제조기간이 오래 걸린다는 문제가 있고, 특히 점차 주조 공정으로 다루기 어려운 재질의 소재가 적용됨으로써 단조 소재를 사용하여 제조하게 되었다.

이와 같이, 제조 과정에서 제조 비용이나 기간을 고려해야 하지만 그보다 견고하고 정밀한 가공이 우선적으로 고려되어야 하는데, 단조 소재를 이용하여 터빈 블레이드를 제조하는 경우 이러한 요건을 충족할 수 있는 제조방법이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 단조 소재를 이용하여 견고하고 정밀하게 터빈 블레이드를 제작할 수 있는 터빈 블레이드 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 풋트 부와 에어포일이 일체로 형성된 터빈 블레이드를 제조하는 방법으로서, 상기 블레이드를 구성할 원소재를 기설정된 규격에 맞도록 절단하고, 기준면을 면삭하는 단계; 상기 풋트 부를 기설정된 치수와 형상으로 절삭하는 단계; 상기 원소재의 상단에 드릴 작업으로 구멍을 뚫어 공작 기계에 상기 원소재의 상단을 고정하고, 상기 절삭된 풋트 부를 지그에 고정하는 단계; 상기 에어포일을 기설정된 치수와 형상으로 절삭하는 단계; 상기 에어포일의 절삭시 잔류하는 상단의 더미(dummy)를 절단하는 단계; 및 상기 풋트 부의 경화를 위해 숏 피닝(Shot peening)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 제조방법에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 숏 피닝 후, 상기 블레이드의 회전시 중량의 위치 편차를 측정하기 위하여 밸런싱 테스트(Balancing Test)를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 풋트 부와 상기 에어포일의 절삭은 거친 절삭(황삭)과 정삭을 순차로 수행하여 이루어질 수 있다.

상기한 구성에 의하면, 원소재 상태에서 풋트 부를 가공하고 여력을 충분히 잡을 수 있는 지그로 풋트 부를 고정한 후 에어포일 절삭작업을 진행함으로써 안정적이고 보다 효율적으로 터빈 블레이드를 제작할 수 있다.

도 1(a)과 1(b)은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 터빈 블레이드를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 제조방법을 설명하는 플로차트이다.
도 3은 풋트 부의 절삭이 완료된 상태를 나타낸다.
도 4는 에어포일의 절삭에 앞서 원소재의 상단과 하단을 고정한 상태를 나타낸다.
도 5는 5축 공작 기계에서 가공이 완료된 상태를 나타낸다.
도 6은 더미가 제거된 터빈 블레이드를 보여준다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1(a)과 1(b)은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 터빈 블레이드를 나타낸다.

블레이드(100)는 풋트 부(110)와 에어포일(airfoil)(120)이 일체로 형성되는데, 풋트 부(110)는 터빈 휠에 결합하여 단단하게 장착되도록 물결무늬의 표면을 구비한다. 또한, 에어포일(120)은 플랫폼에 연결된 풋트 부(110)에 대해 단부의 팁(tip)이 일정한 각도로 비틀려 있다.

도 2는 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 제조방법을 설명하는 플로차트이다.

원소재(10)를 기설정된 규격에 맞도록 절단하고, 기준면을 면삭한다(단계 S21).

절단된 원소재(10)는 표면이 불균일하기 때문에 6면, 즉 좌우측면, 전후면 및 상하면을 면삭하여 정밀하게 가공하며, 가령 블레이드의 규격보다 약 5㎜ 정도의 여유를 두고 원소재(10)를 3축 밀링에서 절삭할 수 있다.

원소재(10)를 기설정된 규격에 맞추어 절단한 다음, 풋트 부(110)와 에어포일(120)을 정확한 치수로 가공한다.

본 발명에 따르면, 풋트 부(110)에 대한 절삭 공정을 수행한 다음, 에어포일(120)에 대한 절삭 공정을 수행한다.

이에 대한 이유를 구체적으로 설명하면, 터빈 블레이드(100)의 구조상 에어포일(120)을 가공할 때 많은 여력이 발생하기 때문에 에어포일(120)의 가공을 위해서 기준점을 잡아주는 작업이 필요하다.

다시 말해, 기준점을 잡아주지 않고 에어포일(120)을 가공하는 경우, 에어포일(120)을 가공할 때 생기는 여력 때문에 블레이드(100)가 불안정해져 정밀한 가공을 하기가 곤란하다.

따라서, 원소재(10)에서 크립 피드(creep feed) 그라인더로 풋트 부(110)를 정삭 가공한 후, 여력을 충분히 잡을 수 있는 지그를 제작하여 풋트 부(110)의 기준점에 지그를 이용하여 단단한 힘으로 원소재(10)를 잡아주어야 한다.

결론적으로, 에어포일(120)의 가공보다 풋트 부(110)의 가공을 먼저 수행하는 것이 안정적이고 보다 효율적이다.

도 3에 나타낸 것처럼, 풋트 부(110)를 황삭(rough machining), 즉 거친 절삭을 수행한다(단계 S22).

가령, 와이어 EDM 커팅(Wire EDM cutting)으로 가공할 수 있으며, 가공 여유는 정삭시 한 번 더 깎기 때문에 편측으로 ＋0.8㎜ 정도로 두고 작업한다.

가공 후, 치수검사 결과가 공차를 벗어날 경우 크립 피드 연삭시 불량이 발생할 수 있으므로 치수 검사 기록서에 명시된 전체 부위에 대하여 치수 검사를 수행하고 데이터를 분석 후 가공한다.

다음, 황삭에 의해 마무리치 치수로부터 1~ 2㎜ 정도의 살이 붙어 있으므로 이를 크립 피드 연삭에 의해 정밀한 가공을 수행하여 선 윤곽도 공차와 표면 거칠기 공차를 충족시킨다(단계 S23).

여기서, 풋트 부(110)의 프로파일은 20배 정도 확대하여 상하한 공차 영역을 벗어나지 않도록 해야 한다.

풋트 부(110)의 절삭 작업이 완료되면, 에어포일(120)을 절삭하는데, 에어포일(120)을 절삭하기 전에 정밀한 작업을 위한 풋트 부(110)가 가공된 원소재(10)의 설치 작업이 선행되어야 한다(단계 S24).

즉, 풋트 부(110)를 절삭하여 가공한 후, 터빈 블레이드(100)의 에어포일(120)을 절삭 가공하는데, 이를 위해, 터빈 블레이드(100)의 상단과 하단을 고정할 필요가 있으며, 하단은 가공된 풋트 부(110)를 지그로 고정한다.

도 4를 참조하면, 원소재(10)의 상단에 드릴 작업으로 구멍(12)을 뚫어 4축 공작 기계(미 도시)에 원소재(10)를 정확하게 고정시킨다.

이어, 에어포일(120)에 대응하는 원소재(10)를 가공 여유를 두고 황삭 가공한다(단계 S25).

가공 여유는 부위별로 다르게 설정할 수 있는데, 가령 플랫폼이나 팁에서는 1.5㎜ 정도의 가공 여유를 두고, 생크(shank)에서는 0.5㎜ 정도의 가공 여유를 둘 수 있다.

이때, 정삭 작업이 완료된 풋트 부(110)의 프로파일이 손상되지 않도록, 상기한 것처럼, 지그(30)로 고정한다.

에어포일(120)의 황삭 가공이 종료되면 정삭 가공을 수행한다(단계 S26).

정삭 가공은 치수 정밀도를 높이는 동시에 모든 규격이 허용 공차 이내에 오도록 하여야 하며, 정밀 가공을 위해 5축 공작 기계(미 도시)에서 절삭한다.

도 5는 5축 공작 기계에서 가공이 완료된 상태를 나타낸다.

도 5에 도시한 것처럼, 에어포일(120)의 5축 정삭 가공을 완료한 후 고정을 위해 남겨 두었던 상단의 더미(dummy)(11)를 밴드 톱(Band Saw)을 이용하여 절단하고 이 부분을 그라인더로 말끔히 다듬는다(단계 S27).

도 6은 더미가 제거된 터빈 블레이드를 보여준다.

더미(11)를 제거한 후, 풋트 부(110)의 경화를 위해 숏 피닝(Shot peening) 작업을 추가로 실시한다(단계 S28).

즉, 블레이드(100)의 풋트 부(110)은 로터 축과 정렬되어 조립되므로 경도와 인성이 많이 요구되므로 숏 피닝 작업을 수행한다. 잘 알려진 것처럼, 숏(shot)이라고 하는 강제의 작은 알갱이를 피가공품 표면에 20∼50㎝/sec의 속도로 다수 분사시키는 냉간 가공법을 말하며, 숏 피닝을 한 표면은 표면 경화에 의하여 표면층의 약 0.3㎜까지 압축 잔류 응력이 발생한다.

숏 피닝 작업을 완료한 후, 압축 잔류 응력을 측정하기 위해 표면으로부터 100㎛ 깊이의 잔류 응력을 측정하며 X-Ray 응력 분석방법을 사용한다.

총 3군데의 지점을 측정하여 모든 지점에서 잔류 응력(MPa) 값이 기설정된 목표 범위인 400~600MPa 내에 들어오도록 한다.

마지막으로, 터빈 블레이드(100)를 로터 축에 결합하고 조립하여 회전시켰을 때의 중량의 위치 편차를 측정하기 위하여 밸런싱 테스트(Balancing Test)를 한다(단계 S29).

터빈 블레이드와 같은 회전체에는 불균형이 있으면, 한쪽으로 큰 원심력을 발생시켜 진동과 소음을 발생시키고 축을 휘게 하여 고장으로 이어지게 된다.

밸런싱 테스트는 분당 400rpm 이상의 회전속도로 진행되었고, 결과값이 휠 부분에서 580gmm 이하가 되어야 한다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

10: 원소재
100: 터빈 블레이드
110: 풋트 부(foot portion)
120: 에어포일(airfoil)

Claims

퍼 트리(Fir Tree) 타입의 터빈 블레이드를 제조하는 방법으로서,
상기 블레이드를 구성할 원소재를 기설정된 규격에 맞도록 절단하고, 기준면을 면삭하는 단계;
풋트 부를 기설정된 치수와 형상으로 절삭하는 단계;
상기 원소재의 상단에 드릴 작업으로 구멍을 뚫어 공작 기계에 상기 원소재의 상단을 고정하고, 상기 절삭된 풋트 부를 지그에 고정하는 단계;
에어포일을 기설정된 치수와 형상으로 절삭하는 단계;
상기 에어포일의 절삭시 잔류하는 상단의 더미(dummy)를 절단하는 단계;
상기 풋트 부에 대해 숏 피닝(Shot peening)을 수행하는 단계; 및
상기 풋트 부의 표면으로부터 일정 깊이의 잔류 응력을 측정하여 상기 풋트 부의 모든 지점에서의 잔류 응력(MPa) 값이 기설정된 목표 범위 내에 들어오는지 체크하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 제조방법.
청구항 1에서,
상기 숏 피닝 후, 상기 블레이드의 회전시 중량의 위치 편차를 측정하기 위하여 밸런싱 테스트(Balancing Test)를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 제조방법.
청구항 1에서,
상기 잔류 응력 값의 기설정된 목표 범위는, 표면으로부터 100㎛ 깊이에서 400~600MPa인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드의 제조방법.