KR101937048B1

KR101937048B1 - 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조

Info

Publication number: KR101937048B1
Application number: KR1020170116604A
Authority: KR
Inventors: 구태완; 강범수; 전재영; 윤만중
Original assignee: 부산대학교 산학협력단; 주식회사 파워엠엔씨
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-01-11
Also published as: WO2019054685A1

Abstract

본 발명은 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후판(thick plate)을 3차원적 곡면으로 용이하게 성형할 수 있도록 상기 후판(thick plate)을 잡아 주는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조는 증기 터빈(steam turbine)에 적용되는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조로, 후판(thick plate)의 블랭크(blank)와, 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크 일측을 잡아주는 제1 가이드암(guide arm), 및 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크 타측을 잡아주는 제2 가이드암(guide arm)을 포함하고, 상기 제1 가이드암의 폭은 상기 블랭크의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있으며, 상기 제2 가이드암의 폭은 상기 블랭크의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있다.

Description

블레이드용 대곡면 후판 지지 구조{Thick plate support structure having large surface for blade}

본 발명은 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후판(thick plate)을 3차원적 곡면으로 용이하게 성형할 수 있도록 상기 후판(thick plate)을 잡아 주는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조에 관한 것이다.

증기 터빈(steam turbine)은 증기의 열에너지를 터빈을 이용해 기계적 일로 변환시키는 장치로, 크게 증기의 열에너지를 속도 에너지로 바꾸기 위한 노즐과 그 속도 에너지를 기계적 일로 바꾸기 위한 터빈 날개로 구성되어 있다.

노즐과 터빈 날개의 한 조를 터빈의 단(段)이라고 한다. 증기터빈은 이러한 단을 여러 개 나란히 배열하여 구성되어 있다.

여기서, 증기 터빈에서 증기의 부분 응결은 증기 터빈의 후단(後段)에서 발생한다.

특히, 응결은 소위 "응결 단", 전형적으로 터빈의 후단의 스테이터 블레이드(stator blade, 정익)의 에어포일 부분 상에서 발생한다.

응결로 인해 액적(liquid droplet)이 생성되면, 액적은 고정식 스테이터 블레이드(정익)를 떠나 회전식 로터 블레이드(rotor blade, 동익)를 가격하며, 이에 따라 로터 블레이드가 손상될 수 있다.

액적에 의해 유발되는 손상을 저감하기 위해, 로터 블레이드의 회전 속도를 감소시킬 수 있다. 그러나 이러한 방식에서는 터빈의 효율도 또한 감소된다.

대안으로서, 로터 블레이드에 대한 임의의 손상을 저감하기 위해, 액적 생성 이전에 응결물을 수집하는 해결책들이 존재한다.

이들 해결책 중 가장 전형적인 것은, 응결이 발생할 수 있는 중공 스테이터 블레이드(정익)를 사용하고, 블레이드의 에어포일 표면에서부터 에어포일 부분을 통과하여 내부 공동(cavity)으로 연장되는 구멍(hole) 또는 슬롯(slot)을 마련하며, 임의의 응결물이 에어포일 표면을 떠나 내부 공동에 진입하도록 내부 공동으로부터 흡인하는 것이다. 이러한 방식으로, 액적 배출이 매우 용이하게 될 수 있다.

이에 따라, 그러한 증기 터빈 단의 제조 방법이 알려져 있다. 상기한 방법은 각각 개별 채널을 갖는 내측 링(ring) 및 외측 링(ring)을 기계 가공하는 단계를 포함한다. 이들 링 각각은 채널과 유체 연통하는 복수 개의 구멍을 지닌 내면을 갖는다. 복수 개의 터빈 블레이드가 제조되며, 각각의 블레이드는 개별 개구와, 이 개구를 통해 외부 환경과 유체 연통되는 중공 공동(hollowed cavity)을 갖는다.

한편, 상기 터빈 블레이드에서 중공 분할형 노즐 정익의 상부 곡판과 하부 곡판은 3차원적 다양한 곡면을 가지고 있는 대면적의 후판(thick plate) 성형품이다.

이로 인해 금형의 형상적 그리고 구조적 측면에서 블랭크 홀더(blank holder)나 드로우 비드(draw-bead) 등 기존의 블랭크 지지 또는 구속 방식을 적용하기에는 다소 어려운 문제점이 있다.

특히, 일반적으로 프레스 제품은 블랭크 홀더를 사용하여 초기 블랭크를 고정시킨 상태에서 성형을 수행하나, 상기 제품은 대형 후판인 관계로 블랭크 홀딩 하중(blank holding force)이 지나치게 커지는 문제가 있다. 따라서 블랭크 홀더의 사용이 어렵다.

또한, 초기 블랭크(blank)가 금형 내에서 한쪽으로 치우쳐지는 미끄러짐 현상 등이 발생할 가능성이 매우 높아 정확한 성형이 어렵다.

한국 공개특허공보 제10-2015-0100598호, 발명의 명칭 "증기 터빈 고정 날개 및 증기 터빈" (공개일 2015.09.02)

스팀 터빈용 중공 분할형 노즐 정익의 후판 성형을 위한 금형 설계 및 해석적 검증 (한국소성가공학회지, 제25권 제6호, 2016)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 후판을 3차원적 곡면으로 용이하게 성형할 수 있도록 상기 후판(thick plate)을 잡아 주는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조는 증기 터빈(steam turbine)에 적용되는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조로, 후판(thick plate)의 블랭크(blank)와, 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크 일측을 잡아주는 제1 가이드암(guide arm), 및 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크 타측을 잡아주는 제2 가이드암(guide arm)을 포함하고, 상기 제1 가이드암의 폭은 상기 블랭크의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있으며, 상기 제2 가이드암의 폭은 상기 블랭크의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있다.

본 발명에 따르면, 가이드암을 이용하여 블랭크를 붙잡아 줌으로 용이하게 성형할 수 있는 이점이 있다.

또한, 블랭크에 연결되는 가이드암의 폭(w)이 블랭크 두께(t)에 대해 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위 내에 형성시키므로 정밀한 성형이 가능한 이점이 있다.

또한, 가이드암이 성형 장치에 의해 3차원 이동이 가능하여 블랭크가 용이하게 3차원 곡면 성형이 가능하게 하는 이점이 있다.

또한, 가이드암에 종래에 발생 되었던 과도한 인장력이 해소되어 성형 불량 및 제조 경비를 감소시키는 이점이 있다.

도 1은 증기 터빈의 습분 침식(water droplet erosion) 발생을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 중공 분할형 블레이드를 도시한 예시적인 사시도이다.
도 3은 중공 분할형 블레이드에 대한 예시적인 단면도이다.
도 4는 SUH409L 시편의 일축 인장 시험에서 얻은 압연 방향에 따른 3 방향의 응력(stress)-변형률(strain) 곡선을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조를 설명하기 위한 하부금형(Die)을 포함한 예시적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 예시적인 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 7은 도 6을 성형한 후 도시한 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 8은 블랭크(blank) 성형 전(before forming) 및 성형 후(after forming)를 동시에 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조의 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조의 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 11은 유효응력(Effective Stress)을 나타내는 도면이다.
도 12는 탄성회복 후 잔류응력(Residual Stress)을 나타내는 도면이다.
도 13은 유효변형률(Effectice Strain)을 나타내는 도면이다.
도 14는 X-방향으로의 슬라이딩 정도를 나타내는 도면이다.
도 15는 Z-방향으로의 슬라이딩 정도를 나타내는 도면이다.
도 16은 목표 형상 대비 성형품 치수 오차를 나타내는 도면이다.
도 17은 형상비(shape ratio, w/t)에 따른 방향별 슬라이딩 정도를 나타내는 도면이다.
도 18은 형상비(shape ratio, w/t)에 따른 탄성 회복 후 잔류 응력을 나타내는 도면이다.
도 19는 형상비(shape ratio, w/t)에 따른 탄성 회복 후 소성변형률을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 이상적인 실시 예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시 예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않는다. 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 걸치거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다.

또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것도 아니다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시 예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명에서 후판(厚板, thick plate)은 소정 두께 이상의 두꺼운 철판으로, 선박용이나 산업용 철강재로 주로 쓰이며, 탄소강 제품 또는 합금강이나 스테인리스강 등 특수 처리한 제품도 있다. 본 발명에서는 소정 두께를 2mm 이상으로 본다.

도 1은 증기 터빈의 습분 침식(water droplet erosion) 발생을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 중공 분할형 블레이드를 도시한 예시적인 사시도이며, 도 3은 중공 분할형 블레이드에 대한 예시적인 단면도이다.

또한, 도 4는 SUH409L 시편의 일축 인장 시험에서 얻은 압연 방향에 따른 3 방향의 응력(stress)-변형률(strain) 곡선을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조를 설명하기 위한 하부금형(Die)을 포함한 예시적인 사시도이다.

먼저, 본 발명을 자세히 설명하기 전에 증기 터빈(steam turbine)에 적용되는 블레이드(blade)에 대해 언급하면 다음과 같다.

화력이나 원자력 발전에서는 증기의 열에너지를 전기에너지로 효율적으로 전환하는 것이 중요하다. 그러나 효율을 높일수록 증기 터빈 저압단에서는 낮은 압력과 증기 포화도로 인하여 도 1과 같이 물방울이 형성되고, 이는 다음 단의 블레이드에 충돌하여 심각한 침식 현상을 야기한다. 이는 터빈의 효율을 떨어뜨리고 회전 불균형(rotating unbalance)으로 인한 진동이 발생하여 수명 저하로 이어지므로, 이를 해결하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.

대표적으로 블레이드 앞전(leading edge)에 방식막(erosion shield)를 부착하는 방법, 고압 터빈에서 저압 터빈으로 이어지는 중간 유로에 원심력을 통해 물리적으로 습분을 분리하는 습분 분리기를 설치하는 방법, 재가열을 통해 증기의 포화도를 다시 높이는 방법, 블레이드에 흡입 홀(suction hole)을 만들어 습분을 빨아들여 밖으로 배출하는 방법 등이다. 이 중 흡입 홀(suction hole)을 사용하는 방법은 증기 유로에 추가적인 장비를 설치할 필요 없이 터빈 내부에서 물리적으로 습분을 제거한다는 장점이 있다.

증기 터빈의 블레이드는 정익(stator)과 동익(rotor)으로 구성되어 있는데, 동익은 회전으로 인해 큰 원심력이 걸리므로 높은 구조 강도가 필요하다. 또한, 동익이 장착되어 있는 축도 회전하고 있으므로 외부로 습분을 배출하기도 쉽지 않다.

그에 비해 정익은 유동이 가하는 압력만 버티면 되므로 큰 구조 강도가 필요하지 않고, 터빈 다이아프램(turbine diaphragm)에 부착되어 있으므로 습분을 외부로 배출하기 위한 유로를 구성하기도 쉽다. 따라서 정익에 흡입 홀(suction hole)을 설치한다.

정익 내부에는 습분을 배출하기 위한 통로가 필요한데, 가늘고 긴데다 직선이 아닌 구멍을 가공하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 중공형으로 제작하여 내부 전체를 유로로 사용하는 것이 훨씬 효율적이다. 중공 제품은 원재료에서 단번에 가공이 불가하므로 일반적으로 2 조각(piece) 혹은 3 조각(piece)으로 나눠서 제작한 다음 합치는 방법을 사용한다.

또한, 대형 후판(thick plate) 성형에서는 블랭크 홀딩 하중(blank holding force)이 과도해지므로 블랭크 홀더(blank holder)를 사용하지 않고 판재를 지지하는 구조가 필요하게 된다. 선행연구에서 펀치(상부금형)와 다이(하부금형)의 어깨각에 대한 연구가 이루어졌으므로, 본 발명에서는 그 다음 과정으로 성형 과정 동안 판재를 지지하는 지지 구조에 대한 설계를 수행하였다.

참고로, 본 발명에서 블레이드(blade)는 대곡면 후판(thick plate) 성형이 가능한 블랭크(blank)로 제작된다.

중공형 노즐 정익은 도 2와 같은 구조를 가진다. 내부에 습분 배출 통로가 되는 공동(cavity)이 있고, 윗면 앞전(leading edge) 부근과 아랫면 뒷전(trailing edge) 부근에 각각 습분을 빨아들이는 흡입 홀(suction hole)이 위치해 있다.

이전에도 가스 터빈에서 정익과 동익의 냉각을 위한 중공형 정익 혹은 동익에 대한 연구가 이루어져 왔으나, 이는 내부의 유체와 정익이 맞닿는 표면적을 늘리기 위해 내부 형상에는 상당한 차이가 있다. 따라서 목적 형상이 다르기 때문에 새로운 연구가 필요한 실정이다.

중공형 블레이드는 내부가 비어 있으므로 기존의 일체형 블레이드에 비해 가볍고, 판재를 굽힘 성형하여 제작하므로 재료를 절삭 가공하는 것에 비해 생산이 빠르고 단가가 저렴하다는 장점이 있다.

단점은 판재 성형에서 필연적으로 발생하는 탄성 회복에 의해 치수 정밀도가 낮아진다는 것인데, 이는 금형의 정밀한 보정에 의해 보상이 가능한 부분이다. 따라서 대량 생산을 할수록 일체형 블레이드에 비하여 중공형 블레이드가 유리하다고 할 수 있다.

중공형 노즐 정익은 2 조각(piece)으로 나눠서 제작된 뒤 용접을 통해 합쳐진다. 곡률이 가장 큰 앞전(leading edge) 부위와 곡률 상의 첨점이 위치하는 뒷전(trailing edge) 부위에서 제품을 분할하여 상판과 하판으로 나누었다.

상판(upper plate)은 5.0mm의 두께를 가지며 하판에 비해 곡률이 더 크다. 하판(lower plate)은 10.0mm의 두께를 가지며 상판에 비해 곡률은 작으나 뒷전(trailing edge) 쪽에 그루브(groove)가 있기 때문에 추가적인 가공이 필요하다. 하판은 추가적으로 가공이 필요할 뿐 작은 곡률과 두꺼운 두께로 인하여 탄성 회복이 적게 발생할 것으로 예상된다. 따라서 본 발명에서는 제작 난이도가 더 높을 것으로 예상되는 상판의 성형을 다루었다.

상판과 하판은 도 3에 도시된 바와 같이 각각 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge) 부에서 용접을 통해 결합된다. 이때 하판의 그루브(groove)에 상판의 뒷전이 들어가 결합된다.

본 발명의 실험에서 노즐 정익의 원 소재로는 SUH409L을 사용하였으며, 화학성분비는 [표 1]과 같다. 재료의 기계적 물성치를 구하고 이방성의 영향을 평가하기 위하여 압연방향(rolling direction)을 기준으로 0°, 45°, 90°의 세 방향에 대한 시편을 제작하여 각각 인장 시험과 이방성 시험을 수행하였다. 이를 통해 구한 기계적 물성치는 [표 2]와 같다.

또한, 응력-변형률 곡선(Stress-Strain Curve)은 롤링(RD, Rolling direction), 대각선(DD, Diagonal Direction) 및 횡단(TD, Transverse Direction) 각 방향별로 도 4와 같이 얻어진다.

SUH409L의 화학성분비(Chemical composition of SUH409L)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti
0.005	0.5	0.24	0.023	0.002	11.2	0.19

SUH409L의 기계적 물성치(Material Properties of SUH409L)

Thickness (mm)		5.00
Young's Modulus (GPa)		200.00
Yield Strength (MPa)		247.59
Ultimate Strength (MPa)		572.11
Poisson's Ratio		0.30
Flow Stress Curve	K (MPa)	687.50
Flow Stress Curve	n	0.26
Lankford's value	r₀	0.5770
	r₄₅	1.0375
	r₉₀	1.5870
Normal anisotropy	r_m	1.0598
Planar anisotropy	Δr	0.0445

해석 소프트웨어 상에서 이방성을 적용하기 위하여 Hill's 1948 yield function을 채택하였다. 이를 위하여 6가지의 이방성 매개변수(F, G, H, L, M, M)와 관련된 재료 물성치를 입력해 주어야 하는데, 이를 직접 구하기는 어려우므로 실험을 통해 다른 값을 측정한 뒤 계산을 통해 간접적으로 구하는 방법을 사용한다.

실험적으로 측정하기 쉬운 값은 두께 측정만으로 구할 수 있는 Lankford's value인데, 이를 통하여 계산할 수 있다. 관계식은 다음과 같다.

이렇게 하여 항복응력비(

)와 이방성 매개변수(F, G, H, L, M, N)를 구하였다([표 3] 참조).

항복응력비(Yield stress ratios of SUH409L specimen)

R₁₁	R₂₂	R₃₃	R₁₂	R₁₃	R₂₃
1.000	1.2948	1.0754	1.0622	1.000	1.000

일반적으로 프레스 제품은 블랭크 홀더(blank holder)를 사용하여 초기 블랭크(initial blank)를 고정시킨 상태에서 성형을 수행하나, 상기 제품은 대형 후판(thick plate)인 관계로 블랭크 홀딩 하중(blank holding force)이 지나치게 커지는 문제가 있다. 따라서 블랭크 홀더(blank holder)의 사용이 어렵다. 후판(thick plate)은 박판에 비하여 블랭크 홀더(blank holder)를 사용하지 않았을 때 주름이 발생하는 정도가 덜한 것으로 알려져 있으므로, 본 발명에서는 블랭크(blank holder)를 사용하는 대신에 도 5와 같은 형상의 가이드암(guide arm)을 초기 블랭크(initial blank)에 도입하여 위치를 고정하는 방법을 사용하였다. 금형에 설치된 가이드핀(guide pin)에 가이드암(guide arm)의 구멍이 결합되어 위치가 결정되는 구조이다. 이를 통해 블랭크가 펀치 성형 방향으로는 이동하면서 다른 방향으로는 구속이 가능해진다.

한편, 블랭크(blank) 위치가 명확히 보이도록 상부금형(upper punch)를 제외시킨 도 5를 참조하면, 성형이 진행됨에 따라 블랭크(blank)가 굽어져 양쪽 가이드핀(guide pin) 사이의 투영 길이가 짧아지므로, 가이드암(guide arm)을 잡아당기게 되어 가이드암(guide arm)과 가이드핀(guide pin) 사이에 힘이 작용하게 된다. 이는 블랭크(blank)에서 가이드암(guide arm)이 부착된 부위에 과도한 인장력을 야기하여 이 부위에서의 성형 불량을 초래할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 각 가이드핀(guide pin)이 상기 가이드핀(guide pin)과 결합하는 가이드암(guide arm)의 길이 방향으로 이동할 수 있도록 하는 구조가 요구되었다. 이는 가이드핀(guide pin) 지지 블록이 다이 백 플레이트(die back plate) 위에서 슬라이드(slide)할 수 있는 구조를 갖고, 스프링을 통해 블록에 적절한 장력을 가함으로써 이루어진다.

실제 금형에서 성형에 필요한 것은 상부금형(upper punch)과 하부금형(lower die) 뿐이므로 이 둘만 모델링하였다. 특히 금형 전체가 필요한 것이 아니라 접촉하는 부위만 있으면 충분하므로 접촉면을 쉘 요소(shell element)로 모델링하여 사용하였다.

지지 구조의 경우 가이드핀(guide pin)을 실제로 모델링해서 넣을 수도 있으나, 홀(hole)과 원통이 실제로는 매끈한 면의 접촉이라 할지라도 요소 분할(discritization)을 통해 요소화(meshing)를 하게 되면 다각 기둥과 다각 기둥의 형상이 되기 때문에 결합한 상태에서의 회전이 어려워진다. 따라서 가이드암(guide arm)의 접촉 부위에 널 쉘(null shell)을 부착하고 여기에 적절한 경계 조건을 적용하는 것으로 대신하였다.

블랭크는 쉘(shell) 요소를 사용할 수도 있으나 본 연구의 경우 크기가 크지만 후판(thick plate)이기 때문에 메쉬를 작게 나누면 요소 두께보다 크기가 작아지게 된다.

쉘(shell) 요소에서 이것은 바람직하지 않은 상황이므로 블랭크에는 육면체 솔리드 요소(solid-type brick element)를 사용하였다.

블랭크(blank)와 상부금형(upper punch), 하부금형(lower die)는 2mm 크기의 요소로 나누었으며 성형 과정에 접촉이 포함되어 있으므로 ABAQUS/Explicit을 사용하여 해석을 수행하였다. 이렇게 할 경우 블랭크의 솔리드(solid) 요소는 약 27만 개, 펀치와 다이의 shell 요소는 약 16만 개이다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 예시적인 평면도(a) 및 측면도(b)이고, 도 7은 도 6을 성형한 후 도시한 평면도(a) 및 측면도(b)이며, 도 8은 블랭크(blank) 성형 전(before forming) 및 성형 후(after forming)를 동시에 도시한 평면도이다.

도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조의 평면도(a) 및 측면도(b)이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조의 평면도(a) 및 측면도(b)이다.

상기 도면들을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조(100)는 증기 터빈에 적용되는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조로, 후판(thick plate)의 블랭크(blank)(110)와, 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크(110) 일측을 잡아주는 제1 가이드암(guide arm)(120-1), 및 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크(110) 타측을 잡아주는 제2 가이드암(guide arm)(120-2)을 포함하고, 상기 제1 가이드암(120-1)의 폭(w1)은 상기 블랭크(110)의 두께(t)의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있으며, 상기 제2 가이드암(120-2)의 폭(w2)은 상기 블랭크(110)의 두께(t)의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있으며, 상기 블랭크(110)는 3차원 비대칭 형상으로 성형된다.

또한, 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1) 및 제2 가이드암(120-2) 각각은 블랭크(110) 길이방향으로 상호 대향하여 각도 변화가 최대인 지점에 위치한다.

또한, 본 발명에 따르면 제1 가이드암(120-1)의 길이 방향은 성형시 블랭크(110)가 성형되는 방향을 향하고, 제2 가이드암(120-2)의 길이 방향은 성형시 상기 블랭크(110)가 성형되는 방향을 향한다.

또한, 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1)은 일측에 상하 관통하는 제1 가이드홀(guide hole)(120h-1)이 형성되고, 제2 가이드암(120-2)은 일측에 상하 관통하는 제2 가이드홀(guide hole)(120h-2)이 형성된다

또한, 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1)은 제1 가이드홀(120h-1)에 착탈 가능한 제1 가이드부쉬(guide bush)(130-1)가 삽입·장착되고, 제2 가이드암(120-2)은 제2 가이드홀(120h-2)에 착탈 가능한 제2 가이드부쉬(guide bush)(130-2)가 삽입·장착된다.

또한, 본 발명에서 다른 실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조(200)는 제1 가이드암(220-1) 및 제2 가이드암(220-2) 각각이 블랭크(210)의 상호 인접한 측면에 소정 거리 이격되되 각도 변화가 최대인 지점에 상기 블랭크(210)를 향해 위치한다.

그럼, 본 발명의 실시 예들에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조(100, 200)의 구성요소를 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 제안하는 후판(thick plate) 성형을 위한 지지 구조(100)는 도 6에 도시된 바와 같이, 후판(thick plate)의 블랭크(blank)(110)와, 상기 블랭크(110) 양단을 잡아주되 일측에 가이드홀(guide hole)(120h)이 형성된 가이드암(guide arm)(120)를 포함한다.

여기서, 가이드암(120)은 블랭크(110) 일측을 잡아주는 제1 가이드암(120-1), 및 블랭크(110) 타측을 잡아주는 제2 가이드암(120-2)을 포함한다.

또한, 가이드홀(120h)은 제1 가이드암(120-1) 일측에 상하 관통하는 제1 가이드홀(guide hole)(120h-1) 및 제2 가이드암(120-2) 일측에 상하 관통하는 제2 가이드홀(guide hole)(120h-2)를 포함한다.

블랭크(blank)(110)는 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이 상부금형 및 하부금형 사이에 놓여 성형되는 소정 두께의 플레이트(plate)로, 앞에서 언급하였듯이 소정 두께를 가지는 후판(thick plate)를 말한다.

다만, 본 발명에서 블랭크(110)는 용도에 따라 소정 두께 기준이 상향 또는 하향 변경될 수도 있다.

또한, 블랭크(110)는 하부금형이 하부에서 지지하고, 상부금형이 상부에서 하강하여 블랭크(110)의 상면을 가압하므로 상부금형의 하부면 형상과 이에 대응하여 하부금형의 상부면 형상에 따라 성형된다.

또한, 본 발명에서 제안하는 블랭크(110)는 증기 터빈(steam turbine)에 적용되는 블레이드(blade)를 제작하는 데 사용되는 구성 제품으로 성형된 후 3차원 곡면을 이룬다.

따라서, 블랭크(110)가 3차원 곡면으로 성형될 수 있도록 상부금형의 하부면과 이에 대응하는 하부금형의 상부면에 그 형상이 구현된다.

즉, 상부금형의 하부면은 성형하고자 하는 3차원 곡면 형상이 형성되어 가압장치에 의해서 블랭크(110) 상측을 가압하고, 하부금형의 상부면은 상기 성형하고자 하는 3차원 곡면 형상과 대응되게 형성되어 블랭크(110) 하측을 지지하여 성형하고자 하는 형상의 3차원 곡면으로 블랭크(110)를 성형한다.

특히, 본 발명에서는 성형될 블랭크(110)가 곡판의 3차원적 형상 비대칭성으로 인해 금형 내부에서 후판(thick plate) 블랭크(110)의 위치를 적절하게 유도하고 미끄러짐(sliding) 발생에 따른 성형 불량을 방지하며 안정적인 성형을 위하여 가이드암(guide arm)(120)을 제안한다.

가이드암(120)은 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이 블랭크(110) 일측에서 소정 길이 돌출되어 상기 블랭크(110)를 잡아 주는 것으로, 적어도 2개 이상 형성되어 상기 블랭크(110) 양단을 잡아준다.

또한, 가이드암(120)은 앞에서 언급하였듯이 각도 변화가 최대가 되는 블랭크(110) 테두리 일측에 위치하고, 블랭크(110) 중심 반대 방향을 향해 소정 길이 돌출하게 된다.

또한, 가이드암(120)의 폭은 좁을수록 좋고 블랭크(130) 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 해당한다.

또한, 가이드암(120)은 도 6에 도시된 바와 같이 일측에 상하를 관통하는 가이드홀(guide hole)(120h)이 형성되어 있다.

여기서 가이드암(120)은 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에서 제1 가이드암(120-1) 및 제2 가이드암(120-2)으로 구분할 수 있다.

즉, 제1 가이드암(120-1)은 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 블랭크(110) 일측을 잡아주고, 제2 가이드암(120-2)은 소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크(110) 타측을 잡아준다.

특히, 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1)의 폭(w1)은 블랭크(110)의 두께(t)의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있고, 제2 가이드암(120-2)의 폭(w2)은 블랭크(110)의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있다.

또한, 본 발명에 따르면 도 7에 도시된 바와 같이 제1 가이드암(120-1)의 길이 방향은 성형시 블랭크(110)가 성형되는 방향을 향하고, 제2 가이드암(120-2)의 길이 방향은 성형시 블랭크(110)가 성형되는 방향을 향한다. 이는 가이드암(120)이 블랭크(110) 성형시 블랭크(110)의 성형되는 방향으로 자연스럽게 이동 가능하도록 잡아주는 구조를 가지기 때문이다.

또한, 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1) 및 제2 가이드암(120-2) 각각은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 블랭크(110) 길이방향으로 상호 대향하여 각도 변화가 최대인 지점에 위치한다.

여기서 제1 가이드암(120-1) 및 제2 가이드암(120-2) 각각은 도 6에 도시된 바와 같이 중심에서 떨어져 각도 변화가 최대화되는 지점에 위치하도록 하여 블랭크(110) 성형이 가이드암(120)으로 인하여 구속되는 것을 가능한 최소화한다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1)은 일측에 상하 관통하는 제1 가이드홀(guide hole)(120h-1)이 형성되고, 제2 가이드암(120-2)은 일측에 상하 관통하는 제2 가이드홀(guide hole)(120h-2)이 형성된다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1)은 제1 가이드홀(120h-1)에 착탈 가능한 제1 가이드부쉬(guide bush)(130-1)가 삽입·장착되고, 제2 가이드암(120-2)은 제2 가이드홀(120h-2)에 착탈 가능한 제2 가이드부쉬(guide bush)(130-2)가 삽입·장착된다.

특히, 제1 및 제2 가이드부쉬(130-1, 130-2)는 가이드암(120)이 가이드핀(guide pin)과 접촉면 사이에 마찰을 줄여 용이하게 상하 이동되도록 한다.

즉, 본 발명이 제안하는 가이드암(120)은 도 9에 도시된 바와 같이 가이드홀(120h)에 착탈 가능한 베어링 기능을 하는 가이드부쉬(guide bush)(130)가 장착될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조(200)는 도 10에 도시된 바와 같이 제1 가이드암(220-1) 및 제2 가이드암(220-2) 각각이 소정 거리 이격되되 블랭크(210)의 상호 이웃되는 측면에 각도 변화가 최대인 지점에 위치할 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시 예는 도 10에 도시된 바와 같이, 블랭크(210)의 끝단과 측면에 위치하는 구조로 블레이드(blade)의 형상 및 성형 조건에 따라 결정된다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조(100, 200)는 블랭크(110, 210) 성형이 완료된 후에는 가이드암(120, 220)이 제거된다.

다음, 본 발명은 유한요소모델 해석을 통하여 본 발명을 뒷받침할 수 있는 실험 데이터에 의해서 완성되었다.

우선, [표 4]를 참조하면 본 발명에서 제안하는 제1 가이드암(120-1)의 폭(w1) 및 제2 가이드암(120-2)의 폭(w2)은 블랭크(110)의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있음을 알 수 있다.

블랭크 두께(t) (mm)	가이드암 폭(w) (mm)	형상비 (w/t)	성형 슬라이딩정도		유효 응력-변형률		가이드암의 변형정도	검토결과
블랭크 두께(t) (mm)	가이드암 폭(w) (mm)	형상비 (w/t)	x-방향 (↕) (mm)	z-방향 (↔) (mm)	유효 /잔류 (MPa)	유효 변형률	가이드암의 변형정도	검토결과
5.00	2.50	0.50	61.69	35.77	642/NA	1.6280	과도한 변형 (파단)	-
5.00	5.00	1.00	58.66	41.16	644/501	0.6946	가이드암 연결부 응력 및 변형률, 과도 굽힘 집중	-
5.00	7.50	1.50	58.45	40.83	644/536	0.4684	가이드암 연결부 등의 변형적절	ok
5.00	10.00	2.00	58.42	41.30	643/531	0.4804	"	ok
5.00	12.50	2.50	57.49	41.04	643/545	0.4803	"	ok
5.00	15.00	3.00	57.19	40.32	640/551	0.4850	"	ok
5.00	17.50	3.50	57.96	40.35	643/551	0.5076	"	ok
5.00	20.00	4.00	57.60	39.16	639/544	0.5217	잔류소성변형률이 다소 큼 (적용 가능)	ok
5.00	25.00	5.00	58.20	37.99	641/547	0.5815	가이드암 연결부 과도한 굽힘 현상발생	-
5.00	30.00	6.00	58.29	36.34	639/557	0.5862	"	-
5.00	35.00	7.00	58.50	35.25	637/558	0.6357	"	-
5.00	40.00	8.00	58.65	34.38	636/578	0.7197	"	-
5.00	45.00	9.00	58.89	33.90	638/584	0.7063	"	-
5.00	90.00	18.00	59.28	29.96	639/606	0.9576	"	-

상기 [표 4]는 중공형 터빈 블레이드용 블랭크(blank) 가이드암(guide arm)의 형상 설계 검토 결과이다.

상기 [표 4]는 블랭크(blank)의 두께를 5.00mm로 하고 가이드암(guide arm)의 폭을 2.50mm에서 점차 늘려 90mm까지 형상비(shape ratio, w/t)를 0.50 ~ 18.00로 하여 나온 결과이다.

다음 도면들은 하나의 예로 형상비(w/t)가 2일 때, 도 11은 유효 응력(Effective Stress)을 나타내는 도면이고, 도 12는 탄성 회복 후 잔류 응력(Residual Stress)을 나타내는 도면이며, 도 13은 유효 변형률(Effectice Strain)을 나타내는 도면이고, 도 14는 X-방향으로의 슬라이딩 정도를 나타내는 도면이며, 도 15는 Z-방향으로의 슬라이딩 정도를 나타내는 도면이고, 도 16은 목표 형상 대비 성형품 치수 오차를 나타내는 도면이다.

또한, 도 17은 형상비(shape ratio, w/t)에 따른 방향별 슬라이딩 정도를 나타내는 도면이고, 도 18은 형상비(shape ratio, w/t)에 따른 탄성 회복 후 잔류 응력을 나타내는 도면이며, 도 19는 형상비(shape ratio, w/t)에 따른 탄성 회복 후 소성변형률을 나타내는 도면이다.

상기 도면들을 참조하면 본 발명의 가이드암 형상 설계 방안에 대해서 다음과 같은 결론에 도달했다.

1. 도 17에 도시된 바와 같이, 후판(thick plate)의 기준 두께(t)에 비해 가이드암(guide arm)의 폭이 클수록(증가) 미끄러짐 현상은 다음과 같다.

1-1) 블랭크(blank)의 폭(X-direction) 방향으로는 별 영향을 주지 않으나, 특정 구간에서 유의미한 미끄러짐 제어 거동을 보인다.

1-2) 블랭크(blank)의 길이(Z-direction) 방향으로의 미끄러짐 정도가 감소한다.

2. 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 후판(thick plate)의 기준 두께(t)에 비해 가이드암(guide arm)의 폭이 클수록(증가) 성형 후의 유효 응력, 탄성 회복 후의 잔류 응력 및 유효(소성)변형률 측면에서는 다음과 같다.

2-1) 성형 직후의 유효 응력에 별다른 영향을 주지는 않으나, 탄성 회복 후의 잔류 응력은 증가하는 경향을 가지고 있다.

2-2) 탄성 회복 후의 유효(소성)변형률도 증가하는 경향을 보인다.

3. 후판(thick plate)의 기준 두께(t)에 비해 가이드암(guide arm)의 폭이 클수록(증가) 가이드암의 변형 거동은 다음과 같다.

3-1) 너무 작은 폭을 가질 경우 성형과정에서 파손의 위험이 존재한다.

3-2) 너무 큰 폭을 가질 경우, 가이드 암의 국부적 과도 굽힘(꺽임)으로 인해 적절한 블랭크 위치 제어에 다소 문제가 발생할 소지가 있다.

4. 후판(thick plate)의 기준 두께(t)에 비해 가이드암(guide arm)의 폭이 클수록(증가) 성형품의 치수 정밀도 측면에서 다음과 같다.

4-1) 가이드암의 폭이 클수록 가이드암과 블랭크 연결부 주위에서 목표 곡률을 만족시키기에 다소 어려운 문제가 존재한다.

4-2) 즉, 가이드암의 폭 방향으로의 Edge Effect(판재 끝단의 곡률이 형성되지 않는 현상) 발생 가능성이 매우 높다.

따라서, 대곡면 대형 후판(thick plate)을 성형시 금형 내부에서의 블랭크(blank) 위치 제어를 위한 가이드암(guide arm) 등을 적용할 경우 다음과 같은 결론에 도달한다.

블랭크(blank)에 연결되는 가이드암(guide arm)의 폭(w)은 기준 두께(t)에 대해 1.5 ≤ w/t < 4.0(w : 가이드암의 폭, t : 블랭크의 두께) 범위이다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가이드암(120)을 이용하여 블랭크(110)를 붙잡아 줌으로 용이하게 성형할 수 있는 이점이 있다.

또한, 블랭크(110)에 연결되는 가이드암(120)의 폭(w)이 블랭크(110)의 두께(t)에 대해 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위 내에 형성시키므로 정밀한 성형이 가능한 이점이 있다.

또한, 가이드암(120)이 성형 장치에 의해 3차원 이동이 가능하여 블랭크(110)가 용이하게 3차원 곡면 성형이 가능하게 하는 이점이 있다.

또한, 가이드암(120)에 종래에 발생 되었던 과도한 인장력이 해소되어 성형 불량 및 제조 경비를 감소시키는 이점이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 본 발명이 제안하는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조
110 : 블랭크(blank)
120 : 가이드암(guide arm)
120-1 : 제1 가이드암(guide arm)
120-2 : 제2 가이드암(guide arm)
120h : 가이드홀(guide hole)
120h-1 : 제1 가이드홀(guide hole)
120h-2 : 제2 가이드홀(guide hole)
130 : 가이드부쉬(guide bush)
130-1 : 제1 가이드부쉬(guide bush)
130-2 : 제2 가이드부쉬(guide bush)

Claims

증기 터빈(steam turbine)에 적용되는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조에 있어서,
후판(thick plate)의 블랭크(blank)와,
소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크 일측을 잡아주는 제1 가이드암(guide arm), 및
소정 폭을 가지고 소정 길이 연장되어 상기 블랭크 타측을 잡아주는 제2 가이드암(guide arm)을 포함하고,
상기 제1 가이드암의 폭은 상기 블랭크의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있으며, 상기 제2 가이드암의 폭은 상기 블랭크의 두께의 1.5배 이상 ~ 4.0배 미만 범위에 있으며,
상기 제1 가이드암은 일측에 상하 관통하는 제1 가이드홀(guide hole)이 형성되어 상기 제1 가이드홀에 착탈 가능한 제1 가이드부쉬(guide bush)가 삽입·장착되고,
상기 제2 가이드암은 일측에 상하 관통하는 제2 가이드홀(guide hole)이 형성되어 상기 제2 가이드홀에 착탈 가능한 제2 가이드부쉬(guide bush)가 삽입·장착되며,
상기 블랭크는 3차원 비대칭 형상으로 성형되는 것을 특징으로 하는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 가이드암 및 제2 가이드암 각각은 상기 블랭크 길이 방향으로 상호 대향하여 각도 변화가 최대인 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 가이드암의 길이 방향은 성형시 상기 블랭크가 성형되는 방향을 향하고,
상기 제2 가이드암의 길이 방향은 성형시 상기 블랭크가 성형되는 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 블레이드용 대곡면 후판 지지 구조.
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