KR101923043B1 - 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰 제작방법 - Google Patents

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윤석환
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Abstract

본 발명은 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰(air seal)을 제작하는 방법에 관한 것으로서, 판상의 쉬트메탈(sheet metal) 자재를 다단 롤포밍 다이를 통과시켜 미리 정해진 규격의 "ㅜ"자 형상의 단면을 형성하는 제1단계; 다단 롤포밍 다이를 통과하면서 "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형된 자재를 커빙 롤(curving roll)을 통과시켜 미리 정해진 곡률반경을 가지도록 성형하는 제2단계; 미리 정해진 규격으로 절단하여 단편을 제작하는 제3단계; 및, 제1단계의 롤포밍 과정에서 쉬트메탈(sheet metal)이 2겹으로 겹쳐진 수직부(110)를 브레이징(brazing)으로 접합하는 제4단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰 제작방법{Manufacturing Method of Low Pressure Turbine Air Seal for Gas Turbine Engine}
본 발명의 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰을 단조 링의 기계가공(선반가공)이 아니라 쉬트메탈(sheet metal)의 롤포밍(roll forming)과 브레이징(brazing)을 통하여 저비용으로 간편하게 제작하는 것을 기술적 특징으로 한다.
가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰은 니켈 기반 합금강으로 제작되며 일반적으로 "ㅜ"자 형 단면을 가지는데, 가스터빈엔진에 조립되는 위치(station)에 따라 각기 다른 곡률 반경을 가지게 된다.
저압터빈부의 원활한 조립을 위하여 이러한 에어씰은 도1에 도시된 것처럼 다수 개의 단편을 제작한 후 이들을 조립하여 한 개의 원형 링을 완성하는 방식으로 이루어진다.
아울러 종래의 에어씰은 도2에 도시된 것처럼 단조 링(forging ring)을 선반가공한 후 단편으로 절단하는 방식으로 제작되었는데, 제품으로서의 성능과 구조적 강도는 좋으나 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 단조 링 제작 비용이 높아 자재비가 과도하게 많이 소요되는 문제점이 있다.
둘째, 선반가공 과정에서 절삭되어 버려지는 폐자재의 량이 과도하게 많아 환경 문제를 유발하고 경제성이 저하된다.
셋째, 니켈 기반의 합금강의 경우 선반과 같은 기계 가공성이 나빠 기계가공 시간이 증가하고, 절삭공구의 비용이 과다하게 증가된다.
넷째, 단편으로 절단하는 비용도 과도하게 많이 소요되는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
등록특허 제10-1058372호
상기한 문제점들을 해결하기 위하여 창작된 본 고안은 단조 링을 사용하지 않고 판상의 쉬트메탈(sheet metal) 소재의 롤포밍(roll forming)과 브레이징(brazing)을 통하여 저압터빈부의 에어씰을 제작하여 경제성을 추구함과 동시에 제품으로서의 성능과 구조적 강도를 만족시킬 수 있는 새로운 수단을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.
본 발명은 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰(air seal)을 제작하는 방법에 관한 것으로서, 판상의 쉬트메탈(sheet metal) 자재를 다단 롤포밍 다이를 통과시켜 미리 정해진 규격의 "ㅜ"자 형상의 단면을 형성하는 제1단계; 다단 롤포밍 다이를 통과하면서 "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형된 자재를 커빙 롤(curving roll)을 통과시켜 미리 정해진 곡률반경을 가지도록 성형하는 제2단계; 미리 정해진 규격으로 기계가공하여 단편을 제작하는 제3단계; 및, 제1단계의 롤포밍 과정에서 쉬트메탈(sheet metal)이 2겹으로 겹쳐진 수직부(110)를 브레이징(brazing)으로 접합하는 제4단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.
첫째, 쉬트메탈의 롤포밍과 브레이징을 통하여 에어씰을 제작함으로써 종래의 단조 링 제작에 따른 과도한 비용을 절감할 수 있다.
둘째, 단조 링의 기계가공 과정이 수반되지 않아 가공 과정에서 버려지는 폐자재의 량이 극소화되고 경제성이 향상될 수 있으며, 폐자재 처리에 따른 환경문제를 해결할 수 있다.
셋째, 니켈 기반의 합금강의 경우 선반과 같은 기계 가공성이 나빠 기계가공 시간이 증가하고, 절삭공구의 비용이 과다하게 증가됨에 반하여 기계가공 과정이 극소화되어 가공 시간 및 절삭공구 비용을 최소화할 수 있다.
넷째, 단편으로 정밀하게 절단하는 비용도 최소화시켜 비용을 절감할 수 있다.
도1은 단편으로 제작된 다수의 에어씰을 조립하여 한 개의 원형 링을 구성하는 것을 도시하는데, 단편의 에어씰을 제작한 후 그 각각에 하니콤을 접합한 후 이들을 조립하여 원형의 링(ring)을 완성하게 된다.
도2는 단조 링을 선반가공하는 종래의 에어씰 제작 과정을 도시한다.
도3은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰 제작 과정을 도시한다.
도4는 (a)다단 롤포밍이 완료된 소재의 측면 및 단면구조를 도시하고, (b)다단 롤포밍하기 전의 쉬트메탈 소재의 평면 구조를 도시한다.
도5는 본 발명의 구체적 실시예에 따라 진공로에서 이루어지는 브레이징 온도-시간 싸이클을 예시적으로 도시한다.
도6은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 에어씰의 단면구조를 도시한다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰(air seal)을 제작하는 방법에 관한 것으로서, 단조 링을 기계가공(선반가공)하는 방식에서 탈피하여 판금작업과 브레이징을 통하여 에어씰을 효과적으로 제작하는 것을 특징으로 하며, 그 구체적인 방법은 다음과 같다.
(0) 자재 준비단계
판상의 쉬트메탈(sheet metal) 자재를 미리 설계된 평면도에 맞추어 절단하여 다단 롤포밍 다이에 로딩할 준비를 하는 과정이다.
이러한 자재 준비단계는 도4에 도시된 것처럼 좌우 양측 단부에 스티프너(170)가 형성될 여유를 둘 수 있고, "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형이 완료된 후 커빙 롤 진입이 원활하게 이루어지도록 자재의 초입부가 "▷"형으로 절단된 평면 형태가 되도록 가공할 수도 있다.
(1) 제1단계
판상의 쉬트메탈(sheet metal) 자재를 다단 롤포밍 다이를 통과시켜 미리 정해진 규격의 "ㅜ"자 형상의 단면을 형성하는 과정이다.
다시 말하면, "ㅡ"자 형상의 단면을 가지는 판상의 쉬트메탈 자재를 다단 롤포밍 다이를 통과시키면서 단계적으로 성형하여 최종적으로 "ㅜ"자 형상의 단면을 형성하게 된다.
다단 롤포밍 다이를 구성하는 각각의 롤의 단수나 구체적인 형상 및 크기 등은 특별한 수치로 한정되는 것은 아니며, 미리 정해진 규격의 "ㅜ"자 형상의 단면을 형성할 수 있도록 적절히 선택할 수 있다.
경우에 따라서는 도4(a)에 도시된 것처럼 "ㅜ"자 형상의 단면에서 수평부(120) 양측 단부 각각에 여유를 두고 상향 절곡된 형태의 스티프너(170)를 추가 형성하여 후속 공정인 곡률반경을 형성하는 과정에서 "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형된 자재의 수평부(120)에 주름(wrinkle)이 발생되지 않도록 할 수도 있다.
쉬트메탈은 니켈 기반 합금강(예를 들어, AMS5536)으로 제작된 것을 사용하는데, 저압터빈부 에어씰의 설계요구 조건이 달라질 경우 그에 맞추어 다른 소재를 사용할 수도 있다.
(2) 제2단계
다단 롤포밍 다이를 통과하면서 "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형된 자재를 커빙 롤(curving roll)을 통과시켜 미리 정해진 곡률반경을 가지도록 성형하는 과정이다.
커빙 롤은 다단 롤포밍 다이의 출구 측에 설치하여 롤포밍과 커빙이 순차적으로 이루어지도록 한다.
커빙 롤은 도3에 도시된 것처럼 다단 롤포밍 다이를 통과하면서 "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형되어 빠져나오는 자재의 토출 방향을 롤러를 이용하여 의도적으로 상향 이동시키는 방식으로 휘게 하여 곡률반경을 형성한다.
다단 폴포밍 다이를 빠져나온 자재가 커빙 롤을 따라 원만하게 상향 이동할 수 있도록 자재 준비단계에서 미리 도4(b)에 도시된 평면처럼 자재의 초입부를 "▷" 형으로 절단한 경우 롤포밍을 거치면서 최종적으로 도4(a)에 도시된 형태로 성형이 완료된다.
이 경우 "▷"형으로 절단된 자재의 초입부에 의하여 수직부(110)의 측면이 경사를 이루게 되어 다단 롤포밍 다이를 빠져나온 자재가 연속적으로 커빙 롤을 따라 원만하게 상향 이동할 수 있다.
(3) 제3단계
미리 정해진 곡률반경을 가지도록 성형되면, 이를 미리 정해진 규격(길이)으로 절단하여 단편을 제작하는 과정이다.
이러한 과정에서 단편의 외형을 최종 제품의 형상에 맞추어 성형된 자재의 초입부 경사 부분과 스티프너(170)를 기계 가공하여 제거하는 과정이 함께 진행될 수도 있다.
(4) 제4단계
제1단계의 롤포밍 과정에서 쉬트메탈(sheet metal)이 2겹으로 겹쳐진 수직부(110)를 브레이징(brazing)으로 접합하는 과정이다.
제4단계에서는 브레이징 포일(140)과 브레이징 페이스트(150)를 사용하는데, 사용되는 브레이징 포일(140)과 브레이징 페이스트(150)는 현재 상용화된 제품 가운데 설계 요구 조건에 적합한 사양과 규격의 제품을 선택하여 사용하면 된다.
아울러, 진공로에서 이루어지는 작업조건은 도5에 도시된 브레이징 온도-시간 싸이클과 같은 방식이 적용될 수 있는데, 구체적인 시간이나 온도 등은 선택된 브레이징 제품 사양에 맞게 결정되어야 한다.
본 발명의 브레이징 과정에서는 단편의 단면 부위에 따라 브레이징 포일(140)과 브레이징 페이스트(150)가 각각 적용되어 함께 사용된다.
즉, 도6에 도시된 것처럼 2겹으로 겹쳐진 수직부(110) 사이의 틈새에는 적합한 규격의 브레이징 포일(140)을 삽입하고, 2겹으로 겹쳐진 수직부(110) 각각의 상단에서 수평부(120)로 연장되는 곡면부(130) 사이의 틈새에는 브레이징 페이스트(150)를 도포하여 충진한 후 진공로에서 진공 브레이징 공법으로 브레이징 작업이 이루어진다.
이러한 브레이징 과정에서 모세관 현상을 촉진하기 위하여 철심(160)이 사용될 수도 있는데, 이러한 철심(160)은 에어씰과 같은 재질인 니켈 기반 합금강(예를 들어, AMS5536)을 사용한다.
즉, 도6에 도시된 것처럼 2겹으로 겹쳐진 수직부(110) 각각의 상단에서 수평으로 연장되는 곡면부(130) 사이의 틈새에 브레이징 페이스트(150)를 도포하여 충진하는 과정에서 에어씰의 길이 방향을 따라 철심(160)을 함께 넣어 틈새를 좁혀줌으로써 모세관 현상을 촉진하여 브레이징의 품질을 향상시키는 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
110:수직부
120:수평부
130:곡면부
140:브레이징 포일(brazing foil)
150:브레이징 페이스트(brazing paste)
160:철심
170:스티프너

Claims (3)

  1. 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰(air seal)을 제작하는 방법에 관한 것으로서,
    판상의 쉬트메탈(sheet metal) 자재를 다단 롤포밍 다이를 통과시켜 미리 정해진 규격의 "ㅜ"자 형상의 단면을 형성하는 제1단계;
    다단 롤포밍 다이를 통과하면서 "ㅜ"자 형상의 단면으로 성형된 자재를 커빙 롤(curving roll)을 통과시켜 미리 정해진 곡률반경을 가지도록 성형하는 제2단계;
    미리 정해진 규격으로 절단하여 단편을 제작하는 제3단계; 및,
    제1단계의 롤포밍 과정에서 쉬트메탈(sheet metal)이 2겹으로 겹쳐진 수직부(110)를 브레이징(brazing)으로 접합하는 제4단계;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제4단계는,
    2겹으로 겹쳐진 수직부(110) 사이의 틈새에 브레이징 포일(140)을 삽입하고,
    2겹으로 겹쳐진 수직부(110) 각각의 상단에서 수평부(120)로 연장되는 곡면부(130) 사이의 틈새에는 브레이징 페이스트(150)를 도포하여 충진한 후 진공로에서 진공 브레이징 공법으로 이루어지되, 브레이징 페이스트(150)를 도포하여 충진하는 과정에서 에어씰의 길이 방향을 따라 철심(160)을 함께 넣어 모세관 현상을 촉진하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 저압터빈부의 에어씰 제작방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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