KR101968415B1 - 블레이드용 대곡면 후판 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드용 대곡면 후판 성형장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후판(thick plate)을 3차원 곡면으로 용이하게 성형하여 증기 터빈(steam turbine)에 사용되는 블레이드(blade)로 제작하기 위한 블레이드용 대곡면 후판 성형장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치는 상부금형과, 상기 상부금형에 대응하여 아래에 위치하는 하부금형과, 상기 상부금형 및 하부금형 사이에 놓여 성형되는 후판(thick plate)의 블랭크(blank)와, 상기 블랭크 양단을 잡아주되 일측에 가이드홀(guide hole)이 형성된 가이드암(guide arm)과, 상기 가이드홀에 삽입되어 상기 가이드암이 상하 이동되도록 유도하는 가이드핀(guide pin), 및 상기 가이드핀이 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되도록 안내하는 가이드블록을 포함하여 구성하되, 가이드블록은, 평행하게 고정되되 내측으로 안내홈이 형성되어 있는 제1 및 제2 고정블록과, 상기 가이드핀을 수직 고정하면서 상기 안내홈을 따라 슬라이딩되는 슬라이딩블록과, 상기 슬라이딩블록 전단에 장착되는 탄성의 리턴스프링을 포함하며, 상기 상부금형이 하강하면 상기 가이드암이 상기 가이드핀을 따라 하강하는 동시에 상기 리턴스프링의 탄성 저항을 받으면서 상기 블랭크의 방향으로 슬라이딩되어 상기 블랭크가 3차원의 곡면으로 성형하는 것을 특징으로 한다.

Description

블레이드용 대곡면 후판 성형장치{The thick plate forming apparatus having large surface for blade}

본 발명은 블레이드용 대곡면 후판 성형장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후판(thick plate)을 3차원 곡면으로 용이하게 성형하여 증기 터빈(steam turbine)에 사용되는 블레이드(blade)로 제작하기 위한 블레이드용 대곡면 후판 성형장치에 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 공동으로 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, 대형의 후판을 3차원 곡면으로 용이하게 성형하여 증기 터빈에 사용되는 블레이드를 용이하게 제작할 수 있는 블레이드용 대곡면 후판 성형장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치는 상부금형과, 상기 상부금형에 대응하여 아래에 위치하는 하부금형과, 상기 상부금형 및 하부금형 사이에 놓여 성형되는 후판(thick plate)의 블랭크(blank)와, 상기 블랭크 양단을 잡아주되 일측에 가이드홀(guide hole)이 형성된 가이드암(guide arm)과, 상기 가이드홀에 삽입되어 상기 가이드암이 상하 이동되도록 유도하는 가이드핀(guide pin), 및 상기 가이드핀이 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되도록 안내하는 가이드블록을 포함하여 구성하되, 가이드블록은, 평행하게 고정되되 내측으로 안내홈이 형성되어 있는 제1 및 제2 고정블록과, 상기 가이드핀을 수직 고정하면서 상기 안내홈을 따라 슬라이딩되는 슬라이딩블록과, 상기 슬라이딩블록 전단에 장착되는 탄성의 리턴스프링을 포함하며, 상기 상부금형이 하강하면 상기 가이드암이 상기 가이드핀을 따라 하강하는 동시에 상기 리턴스프링의 탄성 저항을 받으면서 상기 블랭크의 방향으로 슬라이딩되어 상기 블랭크가 3차원의 곡면으로 성형되는 것을 특징으로 한다.

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

또한, 가이드암이 가이드핀 및 가이드블록에 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 가이드암(guide arm)이 설치된 블랭크(blank)를 도시한 예시적인 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 정면도이다.
도 8은 도 6의 측면도이다.
도 9는 도 6의 'A' 부분 확대도이다.
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 가이드블록을 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 분해 사시도이다.
도 12는 도 5를 성형한 후 도시한 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 13은 블랭크(blank) 성형 전(before forming) 및 성형 후(after forming)를 동시에 도시한 평면도이다.
도 14 내지 도 19는 본 발명의 일실시 예에 따른 실험 실물사진들이다.

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 가이드암(guide arm)이 설치된 블랭크(blank)를 도시한 예시적인 평면도(a) 및 측면도(b)이다.

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)을 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(suction) 홀(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 수행하여 그 성형 장치를 구현하였다.

참고로, 블레이드(blade)는 대곡면 후판 성형이 가능한 블랭크(blank)로 제작된다. 한편, 본 발명에서는 펀치(punch)를 상부금형으로, 다이(die)를 하부금형으로 용어를 통일하여 사용하고자 한다.

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 뒷전(trailing edge)이 들어가 결합된다.

노즐 정익의 원 소재로는 SUH409L을 사용하였다. 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. 도 4는 각 방향별로 얻은 응력(stress)-변형률(strain) 곡선이다.

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.

일반적으로 프레스 제품은 블랭크 홀더를 사용하여 초기 블랭크를 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 블랭크(blank holder)를 사용하는 대신에 도 5와 같은 형상의 가이드암(guide arm)(140)을 초기 블랭크(initial blank)(130)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.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치를 도시한 사시도이고, 도 7은 도 6의 정면도이며, 도 8은 도 6의 측면도이고, 도 9는 도 6의 'A' 부분 확대도이다.

또한, 도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 가이드블록을 도시한 사시도이고, 도 11은 도 10의 분해 사시도이며, 도 12는 도 5를 성형한 후 도시한 평면도(a) 및 측면도(b)이고, 도 13은 블랭크(blank) 성형 전(before forming) 및 성형 후(after forming)를 동시에 도시한 평면도이다.

또한, 도 14 내지 도 19는 본 발명의 일실시 예에 따른 실험 실물사진들이다.

본 발명의 일실시 예에 따른 증기 터빈용 블레이드 성형장치(100)는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상부금형(110)과, 상기 상부금형에 대응하여 아래에 위치하는 하부금형(120)과, 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120) 사이에 놓여 성형되는 후판(thick plate)의 블랭크(blank)(130)와, 상기 블랭크(130) 양단을 잡아주되 일측에 가이드홀(guide hole)(140h)이 형성된 가이드암(guide arm)(140)과, 상기 가이드홀(guide hole)(140h)에 삽입되어 상기 가이드암(guide arm)(140)이 상하 이동되도록 유도하는 가이드핀(guide pin)(150), 및 상기 가이드핀(150)이 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되도록 안내하는 가이드블록(160)을 포함하여 구성한다.

또한, 가이드블록(160)은, 도 9 내지 11에 도시된 바와 같이 평행하게 고정되되 내측으로 안내홈(161a, 162a)이 형성되어 있는 제1 및 제2 고정블록(161, 162)과, 상기 가이드핀(150)을 수직 고정하면서 상기 안내홈(161a, 162a)을 따라 슬라이딩되는 슬라이딩블록(163)과, 상기 슬라이딩블록(163) 전단에 장착되는 탄성의 리턴스프링(return spring)(165)을 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따라 상부금형(110)이 하강하면 상기 가이드암(140)이 상기 가이드핀(150)을 따라 하강하는 동시에 상기 리턴스프링(165)의 탄성 저항을 받으면서 상기 블랭크(130)의 방향으로 슬라이딩(sliding)되어 상기 블랭크(130)가 3차원의 곡면으로 성형된다.

또는, 본 발명의 다른 실시 예에 따라 상부금형(110)이 고정된 상태에서 하부금형(120)이 상승하면 상기 가이드암(140)이 상기 가이드핀(150)을 따라 상승하는 동시에 상기 리턴스프링(165)의 탄성 저항을 받으면서 상기 블랭크(130)의 방향으로 슬라이딩(sliding)되어 상기 블랭크(130)가 3차원의 곡면으로 성형된다.

또한, 본 발명이 제안하는 가이드암(140)은 상기 가이드핀(150)을 따라 상하 이동 및 소정 각도 회전이 용이하도록 상기 가이드홀에 착탈 가능한 가이드부쉬(guide bush)(141)가 삽입·장착된다.

그럼, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치(100)의 구성요소를 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 제안하는 증기 터빈용 블레이드 성형장치(100)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 크게 상부금형(110)과, 하부금형(120)과, 후판(thick plate)의 블랭크(blank)(130)를 포함한다.

여기서, 본 발명에서 블랭크(130)는 중공 분할형 블레이드의 상판 또는 하판에 해당된다.

상부금형(110)은 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 블랭크(130) 상부에 위치하여 상기 블랭크(130) 상부 형상을 결정하는 금형으로 펀치(punch)라고 한다.

또한, 상부금형(110)은 표면이 단단하고 녹슬지 않고, 본체가 강하고 큰 압력에 잘 견디며, 표면에 연마하기 쉽고, 금형의 가공이 용이하며, 내산성이 있으면서, 저렴한 재료가 요구되는 등 공지된 기술이므로, 자세한 내용은 본 발명에서 생략한다.

또한, 본 발명에서 상부금형(110)는 하방으로 하강하여 블랭크(130) 상부를 가압할 수 있도록 작동시키는 상부 프레스 장치 등을 포괄하여 포함한다.

혹은 본 발명의 다른 실시 예로 상부금형(110)은 고정되어 있고, 하부금형(120)이 상향 이송되어 블랭크(130)를 성형할 수 있다. 즉, 상부와 하부의 기능 측면에서, 하부는 고정된 상태에서 움직이지 않고 상부가 하향 이송하여 성형하거나 상부가 고정된 상태에서 하부가 상향 이송하여 성형할 수도 있다.

하부금형(120)은 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상부금형(110)에 대응하는 위치인 블랭크(130) 하부에 위치하여 상기 블랭크(130)를 지지하면서 상기 블랭크(130) 하부 형상을 결정하는 금형으로 다이(die)라고 한다.

또한, 하부금형(120)은 표면이 단단하고 녹슬지 않고, 본체가 강하고 큰 압력에 잘 견디며, 표면에 연마하기 쉽고, 금형의 가공이 용이하며, 내산성이 있으면서, 저렴한 재료가 요구되는 등 공지된 기술이므로, 자세한 내용은 본 발명에서 생략한다.

또한, 본 발명에서 하부금형(120)는 상부금형(110)의 하강으로 블랭크(130)를 하부를 지지할 수 있는 지지 고정 프레임, 하부 프레스 장치 등을 포괄하여 포함한다.

앞에서 언급하였듯이, 혹은 본 발명의 다른 실시 예로 상부금형(110)은 고정되어 있고, 하부금형(120)이 상향 이송되어 블랭크(130)를 성형할 수 있다. 즉, 상부와 하부의 기능 측면에서, 상부가 고정된 상태에서 하부가 상향 이송하여 성형할 수도 있다.

블랭크(blank)(130)는 도 5 내지 도 8, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 상부금형(110) 및 하부금형(120) 사이에 놓여 성형되는 소정 두께의 플레이트(plate)로, 앞에서 언급하였듯이 소정 두께를 가지는 대형 후판(thick plate)를 말한다.

다만, 본 발명에서 제안하는 블랭크(130)는 용도에 따라 소정 두께 기준이 상향 또는 하향 변경될 수도 있다.

또한, 블랭크(blank)(130)는 하부금형(120)이 하부에서 지지하고, 상부금형(110)이 상부에서 하강하여 블랭크(130)의 상면을 가압하므로 상부금형(110)의 하부면 형상과 이에 대응하여 하부금형(120)의 상부면 형상에 따라 성형된다.

또한, 본 발명에서 제안하는 블랭크(130)는 증기 터빈용 블레이드를 제작하는 데 사용되는 구성 제품으로 3차원 곡면으로 성형된다.

따라서, 블랭크(130)가 3차원 곡면으로 성형될 수 있도록 상부금형(110)의 하부면과 이에 대응하는 하부금형(120)의 상부면에 그 형상이 구현된다.

즉, 상부금형(110)의 하부면은 성형하고자 하는 3차원 곡면 형상이 형성되어 가압장치에 의해서 블랭크(130) 상측을 하향으로 가압하고, 하부금형(120)의 상부면은 상기 성형하고자 하는 3차원 곡면 형상과 대응되게 형성되어 블랭크(130) 하측을 지지하여 성형하고자 하는 형상의 3차원 곡면으로 블랭크(130)를 성형한다.

또는, 본 발명의 다른 실시 예로 블랭크(blank)(130)는 상부금형(110)이 상부에서 지지하고, 하부금형(120)이 하부에서 상승하여 블랭크(130)의 하면을 가압하므로 상부금형(110)의 하부면 형상과 이에 대응하여 하부금형(120)의 상부면 형상에 따라 성형된다.

즉, 본 발명의 다른 실시 예로 상부금형(110)의 하부면은 성형하고자 하는 3차원 곡면 형상이 형성되어 블랭크(130) 상측을 지지하고, 하부금형(120)의 상부면은 상기 성형하고자 하는 3차원 곡면 형상과 대응되게 형성되어 가압장치에 의해서 블랭크(130) 하측을 상향으로 가압하여 성형하고자 하는 형상의 3차원 곡면으로 블랭크(130)를 성형한다.

한편, 본 발명의 일실시 예로 도면을 참조하여 상부금형(110)의 하부면이 오목하게 들어가고, 상부금형(110)의 하부면에 대응하는 하부금형(120)의 상부면이 볼록하게 돌출되는 3차원 곡면으로 상·하부 프레스 장치에 의해서 블랭크(130)가 성형되는 경우를 구체적으로 설명하였지만, 본 발명의 또 다른 실시 예로 상부금형(110)의 하부면이 볼록하게 돌출되고, 상기 상부금형(110)의 하부면에 대응하는 하부금형(120)의 상부면이 오목하게 들어가는 3차원 곡면으로 상·하부 프레스 장치에 의해서 블랭크(130)가 성형될 수 있다.

즉, 본 발명은 블랭크(130)가 상부금형(110) 및 하부금형(120)에서 의해서 성형되는 데, 블랭크(130)의 성형 형상이 상부금형(110) 및 상기 상부금형(110)에 대응하는 하부금형(120)에 의해서 다양한 곡면 형상으로 적용될 수 있다.

특히, 본 발명에서는 성형될 블랭크(130)가 곡판의 3차원적 형상 비대칭성으로 인해 금형 내부에서 후판(thick plate) 블랭크(130)의 위치를 적절하게 유도하고 미끄러짐(sliding) 발생에 따른 성형 불량을 방지하며 안정적인 성형을 위하여 가이드암(guide arm)(140)을 제안한다.

가이드암(140)은 도 5, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 블랭크(130) 일측에서 소정 길이 돌출되어 상기 블랭크(130)를 잡아 주는 것으로, 적어도 2개 이상 형성되어 상기 블랭크(130) 양단을 잡아준다.

또한, 가이드암(140)은 제1 가이드암(140-1) 및 제2 가이드암(140-2)으로 구성된다.

또한, 가이드암(140)은 블랭크(130) 테두리 일측에 위치되고, 블랭크(130) 중심 반대 방향을 향해 소정 길이 돌출된다.

또한, 가이드암(140)은 도 5 및 도 12에 도시된 바와 같이 일측에 상하를 관통하는 가이드홀(guide hole)(140h)이 형성된다.

여기서, 가이드홀(140h)은 제1 가이드암(140-1)에 형성되는 제1 가이드홀(140h-1) 및 제2 가이드암(140-2)에 형성되는 제2 가이드홀(140h-2)을 포함한다.

또한, 본 발명이 제안하는 가이드암(140)은 도 7 내지 도 9, 및 도 18에 도시된 바와 같이 상기 가이드홀(140h)에 착탈 가능한 베어링 기능을 하는 가이드부쉬(guide bush)(141)가 장착될 수 있다.

또한, 가이드암(140)은 블랭크(130) 성형이 완료된 후에는 제거된다.

가이드핀(guide pin)(150)은 도 6 내지 도 11에 도시된 바와 같이 원형 기둥 형상으로, 가이드홀(guide hole)(140h)에 삽입되어 가이드암(guide arm)(140)이 상하 이동되면서 소정 각도 회동 가능하도록 유도하는 기능을 한다.

가이드블록(160)은 도 6 내지 도 11에 도시된 바와 같이 가이드핀(150)이 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되도록 안내한다.

가이드블록(160)은 도 11을 참조하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일실시 예에 따른 가이드블록(160)은 제1 및 제2 고정블록(161, 162)과, 슬라이딩블록(163)과, 리턴스프링(return spring)(165)을 포함한다.

제1 고정블록(161)은 사각형의 플레이트(plate)로 수직방향으로 세워져 설치되고 상부 내측으로 안내홈(161a)이 형성되어 있다.

또한, 제1 고정블록(161)은 상측을 덮는 덮개바(161b)와 볼트체결되거나 용접으로 고정될 수 있다.

또한, 제1 고정블록(161)은 제2 고정블록(162)과 소정 거리 이격되어 평행하게 연결되도록 전방에 전단판(161c) 및 후방에 후단판(161d)과 볼트체결되거나 용접으로 고정될 수 있다.

제2 고정블록(162)은 사각형의 플레이트(plate)로 수직방향으로 세워져 제1 고정블록(161) 소정거리 이격되어 평행하게 설치되고 상부 내측으로 안내홈(162a)이 형성되어 있다.

또한, 제2 고정블록(162)은 상측을 덮는 덮개바(162b)와 볼트체결되거나 용접으로 고정될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 고정블록(161, 162)은 전단판(161c) 및 후단판(161d)으로 고정하여 일체의 고정블록으로 구성할 수도 있다. 이는 공지된 기술이므로 다양하게 본 발명에 적용할 수 있다.

슬라이딩블록(163)은 양측으로 소정 거리 돌출된 바(bar)가 안내홈(161a, 162a)을 따라 안내될 수 있는 사각형의 플레이트(plate)로, 일측에 가이드핀(150)을 수직 고정하면서 안내홈(161a, 162a)을 따라 슬라이딩(sliding)될 수 있다.

리턴스프링(return spring)(165)은 슬라이딩블록(163)과 전단판(161c) 사이에 장착되는 탄성의 완충 재질로, 물체의 탄성 변형을 이용해서 에너지를 흡수, 축적시켜 완충 등의 작용을 하는 기계요소이다.

본 발명의 일실시 예에 따르면, 가이드핀(150)에 가이드홀(140h)이 형성된 가이드암(140)이 삽입되어 위치가 결정되는 구조로 이를 통해 블랭크(130)가 상부금형(110)이 성형 방향 하방으로는 이동하면서 다른 방향으로는 구속이 가능해 진다.

또는 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 가이드핀(150)에 가이드홀(140h)이 형성된 가이드암(140)이 삽입되어 위치가 결정되는 구조로 이를 통해 블랭크(130)가 하부금형(120)이 성형 방향 상방으로는 이동하면서 다른 방향으로는 구속이 가능해 진다.

한편, 도 7, 도 8, 도 12, 도 13을 참조하면, 성형이 진행됨에 따라 블랭크(130)가 굽어져 양쪽 가이드핀(150) 사이의 투영 길이가 짧아지므로, 가이드암(140)을 잡아당기게 되어 가이드암(140)과 가이드핀(150) 사이에 힘이 작용하게 된다. 이는 블랭크(130)에서 가이드암(140)이 부착된 부위에 과도한 인장력을 야기하여 이 부위에서의 성형 불량을 초래할 수 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명은 각 가이드핀(150)이 블랭크(130) 방향으로 가이드암(140)이 이동할 수 있도록 하는 구조가 요구되어 완성되었다. 이는 가이드핀(150)이 가이드블록(160)에서 슬라이드(slide)할 수 있는 구조를 갖고, 리턴스프링(165)을 통해 슬라이딩블록(163)에 적절한 에너지를 흡수함으로써 이루어진다.

따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치(100)는 상부금형(110)이 하강하면 가이드암(140)이 가이드핀(150)을 따라 하강하는 동시에 리턴스프링(165)의 저항을 받으면서 블랭크(130)의 방향으로 수평 슬라이딩(sliding)되어 상기 블랭크(130)가 3차원의 곡면으로 성형되게 한다.

또는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치는 상부금형(110)이 고정된 상태에서 하부금형(120)이 상승하면 가이드암(140)이 가이드핀(150)을 따라 상승하는 동시에 리턴스프링(165)의 저항을 받으면서 블랭크(130)의 방향으로 수평 슬라이딩(sliding)되어 상기 블랭크(130)가 3차원의 곡면으로 성형되게 한다.

도 14 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치(100)에 대한 이해를 구체적으로 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드용 대곡면 후판 성형장치(100)는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가이드암(140)을 이용하여 블랭크(130)를 붙잡아 줌으로 용이하게 성형할 수 있는 이점이 있다.

또한, 블랭크(130)가 성형 과정 중에 비대칭 금형면 형상으로 인한 미끄러짐 현상을 방지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 가이드암(140)이 가이드핀(150) 및 가이드블록(160)에 의해 3차원 이동이 가능하여 블랭크(130)가 용이하게 3차원 곡면 성형이 가능하게 하는 이점이 있다.

보충 설명하면, 본 발명은 가이드핀(150)이 가이드홀(140h)에 삽입되어 가이드암(140)이 가이드핀(150)를 따라 상하 이동 및 소정 각도 회전이 가능하고 가이드핀(150)이 슬라이딩블록(163)을 따라 슬라이드되어 전후 이동이 가능하게 되므로 가이드암(140)이 3차원 이동이 가능하게 된다.

또한, 가이드암(140)에 종래에 발생되었던 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 성형장치
110 : 상부금형
120 : 하부금형
130 : 블랭크
140 : 가이드암
150 : 가이드핀
160 : 가이드블록

Claims (3)

1. 상부금형과,
   상기 상부금형에 대응하여 아래에 위치하는 하부금형과,
   상기 상부금형 및 하부금형 사이에 놓여 성형되는 후판(thick plate)의 블랭크(blank)와,
   상기 블랭크 양단을 잡아주되 일측에 가이드홀(guide hole)이 형성된 가이드암(guide arm)과,
   상기 가이드홀에 삽입되어 상기 가이드암이 상하 이동되도록 유도하는 가이드핀(guide pin), 및
   상기 가이드핀이 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되도록 안내하는 가이드블록을 포함하여 구성하되,
   상기 가이드암은 상기 가이드핀을 따라 상하 이동 및 소정 각도 회전이 용이하도록 상기 가이드홀에 착탈 가능한 가이드부쉬(guide bush)가 장착되고,
   상기 가이드블록은,
   평행하게 고정되되 내측으로 안내홈이 형성되어 있는 제1 및 제2 고정블록과,
   상기 가이드핀을 수직 고정하면서 상기 안내홈을 따라 슬라이딩되는 슬라이딩블록과,
   상기 슬라이딩블록 전단에 장착되는 탄성의 리턴스프링을 포함하며,
   상기 상부금형이 하강하면 상기 가이드암이 상기 가이드핀을 따라 하강하는 동시에 상기 리턴스프링의 탄성 저항을 받으면서 상기 블랭크의 방향으로 수평 슬라이딩되어 상기 블랭크가 3차원의 곡면으로 성형되는 것을 특징으로 하는 블레이드용 대곡면 후판 성형장치.
2. 상부금형과,
   상기 상부금형에 대응하여 아래에 위치하는 하부금형과,
   상기 상부금형 및 하부금형 사이에 놓여 성형되는 후판(thick plate)의 블랭크(blank)와,
   상기 블랭크 양단을 잡아주되 일측에 가이드홀(guide hole)이 형성된 가이드암(guide arm)과,
   상기 가이드홀에 삽입되어 상기 가이드암이 상하 이동되도록 유도하는 가이드핀(guide pin), 및
   상기 가이드핀이 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되도록 안내하는 가이드블록을 포함하여 구성하되,
   상기 가이드암은 상기 가이드핀을 따라 상하 이동 및 소정 각도 회전이 용이하도록 상기 가이드홀에 착탈 가능한 가이드부쉬(guide bush)가 장착되고,
   상기 가이드블록은,
   평행하게 고정되되 내측으로 안내홈이 형성되어 있는 제1 및 제2 고정블록과,
   상기 가이드핀을 수직 고정하면서 상기 안내홈을 따라 슬라이딩되는 슬라이딩블록과,
   상기 슬라이딩블록 전단에 장착되는 탄성의 리턴스프링을 포함하며,
   상기 상부금형이 고정된 상태에서 상기 하부금형이 상승하면 상기 가이드암이 상기 가이드핀을 따라 상승하는 동시에 상기 리턴스프링의 탄성 저항을 받으면서 상기 블랭크의 방향으로 수평 슬라이딩되어 상기 블랭크가 3차원의 곡면으로 성형되는 것을 특징으로 하는 블레이드용 대곡면 후판 성형장치.
   
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