KR101914215B1 - 임펠러의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 블레이드가 구비된 디스크를 준비하는 단계와, 주형을 이용하여 블레이드와 결합될 쉬라우드를 반응고상태로 주조하는 1차주조단계와, 주형에 디스크의 장착 공간을 마련하는 단계; 및 그 장착 공간에 디스크를 장착한 후 쉬라우드를 완전 응고시킴으로써 블레이드와 쉬라우드가 결합되게 하는 2차주조단계를 포함하는 임펠러 제조 방법을 제공한다.

Description

임펠러의 제조방법{Method for manufacturing impeller}
본 발명은 압축기나 펌프와 같은 회전 장치에 사용되는 임펠러 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쉬라우드를 구비한 임펠러와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 유체를 압축하는 압축기나 펌프 등에는 회전력을 발생시키는 임펠러가 구비되어 있다.
이 임펠러는 회전 운동 에너지를 유체에 전달시켜 유체의 압력을 상승시키는 기능을 수행하는 것으로, 이를 위해 본체인 디스크의 일면에 유체의 이동을 돕고 상기 회전 운동 에너지를 유체에 전달하기 위한 다수개의 블레이드(blade)가 마련되어 있다. 그리고, 상기 디스크와 반대편에서 블레이드를 덮어주는 쉬라우드(shroud)도 설치되어 있는데, 이 쉬라우드는 블레이드와 함께 유체의 이동 통로를 형성하는 역할을 한다.
한편, 이러한 임펠러를 제조할 때 지금까지는 상기 블레이드가 마련된 디스크 및 상기 쉬라우드를 각각 별도의 공정을 통해 만든 후, 이들을 용접으로 결합시키는 방식이 사용되었다.
그런데, 이와 같은 용접 결합 방식을 사용하면, 쉬라우드나 블레이드가 용접 과정 중 변형되기가 쉬워서, 품질에 악영향이 미칠 수 있다. 또한, 용접 결합 방식에서는 쉬라우드와 블레이드의 접촉부 전체에 대해 용접을 하기가 어려워서 결합력에도 문제가 생길 수 있다.
따라서, 이러한 단점을 해소할 수 있는 새로운 임펠러의 제조 방식이 요구되고 있다.
본 발명은 블레이드가 마련된 디스크 및 쉬라우드의 결합을 안정적으로 수행할 수 있도록 개선된 임펠러 및 그 제조방법을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 제조방법은, (a) 블레이드가 구비된 디스크를 준비하는 단계; (b) 주형을 이용하여 상기 블레이드와 결합될 쉬라우드를 반응고상태로 주조하는 1차주조단계; (c) 상기 주형에 상기 디스크의 장착 공간을 마련하는 단계; 및 (d) 상기 장착 공간에 상기 디스크를 장착한 후 상기 쉬라우드를 완전 응고시킴으로써 상기 블레이드와 상기 쉬라우드가 결합되게 하는 2차주조단계;를 포함한다.
상기 주형은 상기 쉬라우드의 형상에 대응하는 빈 공간을 형성하는 외곽틀과 중심틀을 구비할 수 있으며, 상기 (b)단계에서 상기 빈 공간에 용해된 금속을 주입한 후 반응고 상태까지 냉각시킬 수 있다.
상기 (c)단계에서 상기 중심틀을 제거함으로써 상기 디스크의 장착 공간을 마련할 수 있다.
상기 (d)단계 후 상기 외곽틀을 제거할 수 있다.
상기 외곽틀 제거 후 상기 쉬라우드 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (a)단계에서 상기 복수의 블레이드들 사이에 충진재를 채울 수 있다.
상기 충진재는 주형용 모래를 포함할 수 있다.
상기 (d)단계 후 상기 주형용 모래를 두들겨 부서지게 하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 충진재는 파라핀을 포함할 수 있다.
상기 (d)단계 후 상기 파라핀을 가열하여 녹여서 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러는, 블레이드가 구비된 디스크와, 상기 블레이드에 접촉되어 결합되는 쉬라우드를 구비하며, 상기 블레이드와 상기 쉬라우드가 접촉되는 부위 전체가 밀착되며 접합부를 형성한다.
상기 블레이드와 상기 쉬라우드 간의 접합부는 둥근 코너를 형성할 수 있다.
상기 블레이드와 상기 쉬라우드 간의 접합부는 주조에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 임펠러 및 그 제조방법에 의하면, 블레이드와 쉬라우드의 접합부의 변형을 최소화하고, 블레이드와 쉬라우드의 접합 강도를 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 제조된 임펠러의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 임펠러의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 제조 과정을 차례로 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임펠러의 제조 과정을 차례로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제조방법으로 제조된 임펠러의 개략적인 모습을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면 구조를 도시한 것이다. 그리고, 도 3a 내지 도 3f는 이러한 임펠러 제조 과정의 일 실시예를 차례로 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 임펠러(100)는 압축기나 펌프 또는 송풍기와 같은 회전 기계에 사용될 수 있는 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본체가 되는 디스크(110)와, 덮개 역할을 하는 쉬라우드(120)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 디스크(110)에는 내부 코어(111)와, 베이스부(112), 그리고 복수개의 블레이드(113)들이 구비되어 있다.
상기 내부 코어(111)는 원통의 형상을 가지도록 형성된다. 내부 코어(111)의 중심에는 장착 구멍(111a)이 형성되는데, 장착 구멍(111a)에는 조립 과정 시 회전축(미도시)이 끼워지므로, 내부 코어(111)는 회전축의 동력을 임펠러(100)로 전달하는 기능을 수행하게 된다.
상기 베이스부(112)는 내부 코어(111)의 외곽에 위치하게 되는데, 베이스부(112)의 표면(112a)은 경사진 곡면을 이루도록 형성되어 있어 유체 통로의 바닥면을 형성하여 유체 유동을 부드럽게 할 뿐만 아니라, 유체로의 에너지 전달을 최대로 할 수 있도록 설계되어 있다.
상기 블레이드(113)들은 베이스부(112)의 표면(112a)에 형성되어 있는데, 유체의 이동을 가이드하는 기능을 수행하면서, 임펠러(100)의 운동에너지를 유체에 전달하는 기능을 수행한다.
한편, 쉬라우드(120)는 블레이드(113)의 상부에 접합되어 블레이드(113)의 상부를 덮도록 중앙부가 개구된 우산 형상을 가지고 있다.
이 쉬라우드(120)는 유체 통로의 천정면을 형성하여, 베이스부(112) 및 블레이드(113)와 함께 유체의 이동 통로를 이룬다.
이상과 같이 설명한 임펠러(100)의 회전 운동에 의하여 유체에 에너지를 전달하는 과정을 살펴본다.
상기 회전축(미도시)이 회전하게 되면, 임펠러(100)의 디스크(110) 및 쉬라우드(120)도 함께 회전하게 된다.
이에 따라 유체는 도 2에 도시된 화살표의 방향대로 임펠러(100)의 유입구(100a)로 유입된 후, 회전 운동 에너지를 전달받아 고압의 상태로 배출구(100b)로 나오게 된다. 이후, 유체는 디퓨져(미도시)를 통과하여 속도를 줄이면서 원하는 정도까지 압력을 상승시키게 된다.
이하, 도 3a 내지 도 3g를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러(100)의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선 도 3a에 도시된 바와 같이 블레이드(113)가 구비된 디스크(110)를 준비한다. 블레이드(113)가 구비된 디스크(110)는 기존의 제조 과정과 같이 기계 가공을 통해 만들 수 있다. 이 디스크(110)와 블레이드(113)는 탄소강과 같은 철금속이 사용될 수도 있고, 알루미늄과 같은 비철금속이 사용될 수도 있다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 디스크(110)의 블레이드(113) 사이에 충진재로서 주형용 모래(114)를 채워둔다.
그 다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(120)의 형상에 대응하는 빈 공간(201)이 마련된 주형(200)을 준비하는데, 이 주형(200)은 중심틀(220)과 외곽틀(210)을 포함하며, 이 중심틀(220)과 외곽틀(210) 간에 있는 빈 공간(201)이 상기 쉬라우드(120)의 형상에 대응하게 된다.
이렇게 주형(200)이 준비되면, 도 3d와 같이 상기 빈 공간(201)에 용융 금속을 주입하여 쉬라우드(120)를 만들기 위한 1차주조단계를 진행한다. 상기 용융 금속으로는 탄소강과 같은 철금속이 사용될 수도 있고, 알루미늄과 같은 비철금속이 사용될 수도 있다. 그러면, 빈 공간(201)에 채워진 용융 금속이 응고되어 가면서 서서히 쉬라우드(120)가 만들어지게 된다. 이때, 용융 금속이 완전히 응고될 때까지 냉각을 진행하는 것이 아니라, 본 1차주조단계에서는 쉬라우드(120)의 형상이 무너지지 않을 정도로 반응고된 상태가 될 때까지만 냉각을 진행한다.
그 다음에는 도 3e에 도시된 것처럼 주형(200)의 중심틀(220)을 제거하고, 그 자리에 상기 준비된 디스크(110)를 장착한다.
이에 따라 상기 디스크(110)의 블레이드(113)는 도 3f에 도시된 바와 같이 반응고상태인 쉬라우드(120)에 밀착하게 된다. 이때 상기 블레이드(113)들 사이는 상기 충진재인 모래(114)로 채워져 있기 때문에, 그 사이로 반응고상태인 쉬라우드(120)가 침범하지는 못한다. 이 상태에서 반응고상태였던 쉬라우드(120)가 완전히 응고될 때까지 냉각시키는 2차주조단계를 진행한다. 그러면, 쉬라우드(120)가 응고됨에 따라 상호 접촉하고 있는 블레이드(113)와 쉬라우드(120)는 견고하게 접합된다.
마지막으로, 외곽틀(210)을 제거하고 상기 블레이드(113) 사이에 채워진 모래(114)도 제거하면, 도 3g에 도시된 바와 같이 블레이드(113)와 쉬라우드(120)가 견고하게 접합된 임펠러(100)가 만들어지게 되며, 이후 주조된 쉬라우드(120) 표면을 연마하는 과정을 추가로 거칠 수도 있다.
그러므로, 이상과 같은 제조방법에 따라 임펠러(100)를 만들게 되면, 블레이드(113)가 반응고 상태인 쉬라우드(120)에 접촉된 상태에서 응고가 진행되며 접합이 이루어지기 때문에 기존의 용접 접합 방식에 비해 가공 변형이 적게 발생하여 매우 안정적인 품질의 임펠러(100)가 만들어진다.
또한 기존의 용접 접합 방식에서는 실제로 용접이 진행된 부위만 접합이 일어나기 때문에 접합력이 약해질 수 있지만, 본 실시예와 같은 주조 방식을 이용하면 블레이드(113)와 쉬라우드(120) 간의 접촉부 전체가 다 밀착 접합되므로, 접합 강도도 기존에 비해 매우 뛰어난 임펠러(100)를 제조할 수 있게 된다. 특히, 도 3h에 도시된 바와 같이 블레이드(113)와 쉬라우드(120) 간의 접합부(A)가 둥근 코너 형상으로 만들어지는 것이 안정적인 결합력을 확보하는데 유리한데, 상기한 제조 방식에서는 상기 충진재(114)만 적절히 성형하면 이와 같은 둥근 코너를 만들기가 용이하다. 따라서, 상기 제조 방식은 접합력 확보에도 매우 유리한 효과를 제공한다.
한편, 본 실시예에서는 디스크(110)를 먼저 준비한 후에 쉬라우드(120)의 1차주조단계를 진행하는 것을 예시하였으나, 반대로 1차주조단계를 먼저 진행하고 반응고상태까지의 냉각이 진행되는 동안 디스크(110)를 준비할 수도 있다. 즉, 1차주조단계를 시작하기 전에 반드시 디스크(110)가 준비되어 있어야 하는 것이 아니며, 2차주조단계를 시작하기 전에만 디스크(110)를 준비하면 된다.
다음으로, 도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임펠러 제조방법을 도시한 것이다. 전술한 실시예와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 블레이드(113)가 구비된 디스크(110)를 준비한다. 이 디스크(110)와 블레이드(113)는 탄소강과 같은 철금속이 사용될 수도 있고, 알루미늄과 같은 비철금속이 사용될 수도 있다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 디스크(110)의 블레이드(113) 사이에 충진재를 채우는데, 여기서는 상기 충진재로서 파라핀(115)을 사용한다. 즉, 전술한 실시예에서는 모래(114:도 3b 참조)를 충진재로 사용하였으나, 본 실시예에서는 나중에 열로 녹여서 제거할 수 있는 파라핀(115)을 충진재로 사용한다.
그 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(120)의 형상에 대응하는 빈 공간(201)이 마련된 주형(200)을 준비하는데, 이 주형(200)은 중심틀(220)과 외곽틀(210)을 포함하며, 이 중심틀(220)과 외곽틀(210) 간에 있는 빈 공간(201)이 상기 쉬라우드(120)의 형상에 대응하게 된다.
이렇게 주형(200)이 준비되면, 도 4d와 같이 상기 빈 공간(201)에 용융 금속을 주입하여 쉬라우드(120)를 만들기 위한 1차주조단계를 진행한다. 상기 용융 금속으로는 탄소강과 같은 철금속이 사용될 수도 있고, 알루미늄과 같은 비철금속이 사용될 수도 있다. 그러면, 빈 공간(201)에 채워진 용융 금속이 응고되어 가면서 서서히 쉬라우드(120)가 만들어지게 된다. 이때, 용융 금속이 완전히 응고될 때까지 냉각을 진행하는 것이 아니라, 본 1차주조단계에서는 쉬라우드(120)의 형상이 무너지지 않을 정도로 반응고된 상태가 될 때까지만 냉각을 진행한다.
그 다음에는 도 4e에 도시된 것처럼 주형(200)의 중심틀(220)을 제거하고, 그 자리에 상기 준비된 디스크(110)를 장착한다.
이에 따라 상기 디스크(110)의 블레이드(113)는 도 4f에 도시된 바와 같이 반응고상태인 쉬라우드(120)에 밀착하게 된다. 이때 상기 블레이드(113)들 사이는 상기 충진재인 파라핀(115)으로 채워져 있기 때문에, 그 사이로 반응고상태인 쉬라우드(120)가 침범하지는 못한다. 이 상태에서 반응고상태였던 쉬라우드(120)가 완전히 응고될 때까지 냉각시키는 2차주조단계를 진행한다. 그러면, 쉬라우드(120)가 응고됨에 따라 상호 접촉하고 있는 블레이드(113)와 쉬라우드(120)는 견고하게 접합된다.
마지막으로, 외곽틀(210)을 제거하고 상기 블레이드(113) 사이에 채워진 파라핀(115)도 제거하면, 도 4g에 도시된 바와 같이 블레이드(113)와 쉬라우드(120)가 견고하게 접합된 임펠러(100)가 만들어지게 되며, 이후 주조된 쉬라우드(120) 표면을 연마하는 과정을 추가로 거칠 수도 있다. 이때 상기 파라핀(115)은 가열을 통해 녹여서 제거할 수 있다. 즉, 전술한 실시예에서는 모래(114)를 충진재로 사용했기 때문에 그 충진재를 가볍게 두드려서 부서지게 하면 제거할 수 있는데 비해, 본 실시예에서는 열에 녹는 파라핀(115)을 충진재로 사용했기 때문에 가열을 통해 녹여서 제거할 수 있다.
이상과 같은 제조방법에 따라 임펠러(100)를 만들게 되면, 블레이드(113)가 반응고 상태인 쉬라우드(120)에 접촉된 상태에서 응고가 진행되며 접합이 이루어지기 때문에 기존의 용접 접합 방식에 비해 가공 변형이 적게 발생하여 매우 안정적인 품질의 임펠러(100)가 만들어진다.
또한 기존의 용접 접합 방식에서는 실제로 용접이 진행된 부위만 접합이 일어나기 때문에 접합력이 약해질 수 있지만, 본 실시예와 같은 주조 방식을 이용하면 블레이드(113)와 쉬라우드(120) 간의 접촉부 전체가 다 밀착 접합되므로, 접합 강도도 기존에 비해 매우 뛰어난 임펠러(100)를 제조할 수 있게 된다. 특히, 도 4h에 도시된 바와 같이 블레이드(113)와 쉬라우드(120) 간의 접합부(A)가 둥근 코너 형상으로 만들어지는 것이 안정적인 결합력을 확보하는데 유리한데, 상기한 제조 방식에서는 상기 충진재(115)만 적절히 성형하면 이와 같은 둥근 코너를 만들기가 용이하다. 따라서, 상기 제조 방식은 접합력 확보에도 매우 유리한 효과를 제공한다.
한편, 본 실시예에서는 디스크(110)를 먼저 준비한 후에 쉬라우드(120)의 1차주조단계를 진행하는 것을 예시하였으나, 반대로 1차주조단계를 먼저 진행하고 반응고상태까지의 냉각이 진행되는 동안 디스크(110)를 준비할 수도 있다. 즉, 1차주조단계를 시작하기 전에 반드시 디스크(110)가 준비되어 있어야 하는 것이 아니며, 2차주조단계를 시작하기 전에만 디스크(110)를 준비하면 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명은 압축기나 펌프 또는 송풍기 등에 사용되는 임펠러 및 그 제조에 사용될 수 있다.
100: 임펠러 110: 디스크
111: 내부 코어 112: 베이스부
113: 블레이드 114: 주형용 모래
115: 파라핀 120: 쉬라우드
200: 주형 210: 외곽틀
220: 중심틀

Claims (13)

  1. 복수의 블레이드가 구비된 디스크를 준비하는 단계;
    외곽틀과 중심틀 사이의 빈 공간이 쉬라우드 형상에 대응하는 주형을 이용하여, 용융된 금속을 상기 쉬라우드 형상에 대응하는 빈 공간에 주입하고, 상기 용융된 금속이 반응고상태의 쉬라우드가 될 때까지 냉각을 진행하는 단계;
    상기 중심틀을 제거하고, 상기 외곽틀에 상기 디스크의 장착 공간을 마련하는 단계;
    상기 복수의 블레이드가 상기 반응고상태의 쉬라우드에 밀착하도록 상기 디스크의 장착 공간에 상기 디스크를 장착시키는 단계; 및
    상기 반응고상태의 쉬라우드가 완전히 응고될 때까지 냉각시키는 단계를 포함하는 임펠러 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응고상태의 쉬라우드가 완전히 응고된 후에 상기 외곽틀을 제거하는 임펠러 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외곽틀 제거 후 상기 쉬라우드 표면을 연마하는 단계를 더 포함하는 임펠러 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디스크를 준비하는 단계에서, 상기 복수의 블레이드들 사이에 충진재를 채우는 임펠러 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충진재는 주형용 모래를 포함하는 임펠러 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응고상태의 쉬라우드가 완전히 응고된 후에, 상기 주형용 모래를 두들겨 부서지게 하여 제거하는 단계를 더 포함하는 임펠러 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 충진재는 파라핀을 포함하는 임펠러 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응고상태의 쉬라우드가 완전히 응고된 후에, 상기 파라핀을 가열하여 녹여서 제거하는 단계를 더 포함하는 임펠러 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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