KR102111645B1

KR102111645B1 - 터빈 블레이드 성형 방법

Info

Publication number: KR102111645B1
Application number: KR1020180032596A
Authority: KR
Inventors: 이정승
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2020-05-15
Also published as: KR20190110758A

Abstract

터빈 블레이드 성형 방법이 개시된다. 본 실시 예는 터빈 블레이드에 대한 주조 성형을 위해 사용되던 세라믹 코어의 단점을 개선하여 수축 및 치수 정밀도가 향상된 터빈 블레이드 성형 방법에 관한 것이다.

Description

터빈 블레이드 성형 방법{Turbine blade forming method}

본 발명은 터빈 블레이드 성형 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주조 방식으로 터빈 블레이드를 사출 성형할 때 발생되었던 문제점을 개선한 터빈 블레이드 성형 방법에 관한 것이다.

일반적으로 터빈(turbine)은 가스(gas) 또는 스팀(steam)과같은 유체의 열에너지를 기계에너지인 회전력으로 변환하는 동력발생 장치로서, 유체에 의해 축회전되도록 복수 개의 회전익(bucket)을 포함하는 로터(rotor)와, 로터의 둘레를 감싸며 설치되고 복수 개의 고정익(diaphram)이 구비된 케이싱(casing)을 포함하여 구성된다.

상기 가스터빈은 압축기 섹션와 연소기 및 터빈 섹션을 포함하여 구성되고, 압축기 섹션의 회전에 의해 외부 공기가 흡입, 압축된 후 연소기로 보내지고, 연소기에서 압축공기와 연료의 혼합에 의해 연소가 이루어진다.

상기 연소기에서 발생되는 연소 상태는 등압가열 과정으로서 연소가스 온도를 터빈 메탈이 견딜 수 있는 온도까지 상승이 이루어진다. 상기 가스터빈 연소기는 압축기로부터 나온 고온, 고압의 공기를 연료와 반응시켜 높은 에너지를 갖게 하고 이를 터빈에 전달하여 터빈을 구동하는 역할을 수행하는 부분에 해당된다.

터빈 블레이드는 고온 고응력하의 부식성 분위기에서 작동되므로 내열 강도와 내식성이 우수한 소재인 Ni(니켈) 기초 내열합금으로 제작된다.

상기와 같은 Ni기초내열합금은 고온 강도의 향상을 위해 알루미늄(AL), 티타늄(TI)과 같은 원소를 첨가시켜 제작하는데, 알루미늄과 티타늄 등의 첨가 원소는 대기와의 반응성이 강하므로 합금 원소의 제어가 어려워 진공 용해 및 주조 작업을 통해 제작된다.

일 예로 터빈에 구비된 터빈 블레이드도 Ni 기초 내열 합금으로 진공 용해 및 주조 작업이 요구되고, 제품의 특성상 높은 표면조도, 입자의 미세화, 엄격한 내부 결함제어 등의 고품질을 필요로 하기 때문에 세라믹 쉘 주형을 이용한 진공 정밀 주조법으로 제작하고 있다.

이와 같은 진공 정밀 주조법을 간략히 살펴보면 상기 진공 정밀 주조법은 주조하고자 하는 제품과 동일하게 왁스 또는 유사 재료로 모형을 제작한 다음 왁스 모형 표면에 필러(Filler)와 바인더(Binder) 등을 혼합한 슬러리(Slurry)중에 침적하고, 내화물을 끼얹는 작업을 수차례 반복하여 주형을 제작한다.

이렇게 제작된 주형은 건조후 주형을 가열하여 주형 내부에 있는 왁스를 제거한 다음 고온에서 주형을 소성하여 주형을 제작한다.

이렇게 제작된 주형을 이용하여 진공로에서 금속을 용해 및 주입한 다음 주형을 제거하고, 후처리를 거쳐 주조품을 제작하고 있다.

이와 같은 제작 방법을 수행하면 터빈 블레이드가 제작되지만 터빈 블레이드 특성상 고도의 내부 결함 제어 및 기계적 성질 뿐 만 아니라 높은 칫수 정밀도가 요구되는 부품이기 때문에 제작시 가능하면 칫수 및 형태 변형이 발생하지 않고, 요구되는 치수 오차 범위를 만족하는 터빈블레이드 제작 방법이 필요하게 되었다.

일 예로 진공정밀주조법을 이용한 터빈 블레이드의 제작은 우선 주형 제작을 위해 제품과 동일하게 왁스 모형을 제작하여야 하는데, 왁스 모형을 제작하기 위해서는 왁스모형 제작용 금형을 제작하여야 한다. 금형 제작시 중요한 것은 왁스 모형의 수축 변형, 주조시 발생하는 칫수 및 형태 변형을 반영한 금형 제작이 수행되어야 되는 것이다.

그러나, 왁스모형 제작용 금형에서 후속 작업으로 나타날 수 있는 칫수 및 형태 변형을 반영하여 주조품을 제작하여도 주조품 제작 후에 칫수 측정에서 변형 문제가 발생하였다.

후속 작업의 칫수 변형을 어느 정도 정량적으로 반영될 수 있으나, 형태변형의 경우 예측이 어렵고, 작업할 때 마다 다른 형태 변형이 발생할 수 있어 변형량을 정확히 산출하여 반영하는 것이 어렵기 때문이다.

또한 주조품의 칫수 측정에서 만족되는 칫수 오차를 갖지 못하면, 반복적인 금형 수정에 따른 비용 및 시간 낭비가 발생되고 반복에 따른 고가의 금형을 폐기하는 경우도 발생되게 된다.

특히 주조 작업은 특성상 동일한 주조조건으로 주조 작업을 수행해도 칫수 변형이 유동적으로 발생할 수 있기 때문에 칫수 및 형태 변형이 거의 없는 혹은 변형이 있다해도 치수 허용 오차를 만족하는 제품을 제작하기 위해서는 정확히 금형을 제작하고, 필요에 의하면 발생된 변형을 적절히 교정하는 작업이 추가되어야 한다.

일본공개특허 JP 2017-526532

본 발명의 실시 예들은 터빈 블레이드를 주조 성형할 때 터빈 블레이드 체적의 대부분을 차지하는 부분을 사전 제작한 후에 사출 성형을 실시하므로 왁스의 수축 및 치수 불안정성을 최소화 하고, 이물질의 잔존이 감소된 터빈 블레이드 성형 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 블레이드 성형 방법은 터빈 블레이드의 내부 형태를 갖는 제1 금형(M1)의 내부에 삽입되기 위해 수용성으로 용해가 가능한 재질로 제1 성형품(100)에 대한 전처리 성형이 이루어지는 제1 사출 단계(ST100); 상기 제1 성형품(100)이 상기 제1 금형(M1)의 내부에 안착된 후에, 상기 제1 성형품(100)의 외측 전체를 감싸는 형태로 제2 성형품(200)이 성형되는 제2 사출 단계(ST200); 터빈 블레이드 금형(TM)에 상기 제2 성형품(200)이 안착된 후에, 상기 제2 성형품(200)의 외측과 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내측에 수용성으로 용해가 가능한 재질로 사출이 이루어지는 제3 사출 단계(ST300); 상기 제2 성형품(200)의 외측에 쉘 코팅(Shell coating)이 이루어지는 쉘 코팅 단계(ST400)); 상기 쉘 코팅된 상기 제2 성형품(200)을 가열하여 상기 제1,2 성형품(100, 200)이 제거된 후에 터빈 블레이드가 성형되는 최종 성형 단계(ST500)을 포함한다.

상기 제1 사출 단계(ST100)는 온수에서 용해가 이루어지는 솔루블 왁스를 이용하여 사출이 이루어진다.

상기 제2 사출 단계(ST200)는 상기 제2 성형품(200)의 두께가 상기 제1 성형품(100)의 두께 보다 얇은 두께로 사출이 이루어진다.

상기 제2 성형품(200)은 상기 터빈 블레이드는 내측으로 냉각 공기가 유입되기 위해 성형될 제1 앤드 월(2a)과, 상기 터빈 블레이드의 상측 단부를 구성하는 제2 앤드월(2b)에 해당되는 부분을 제외한 영역에 위치된다.

상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 다른 재질로 사출이 이루어진다.

상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 용해 온도가 상이한 것을 특징으로 한다.

상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 상이한 수축율이 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 최종 성형 단계(ST500)는 상기 제1,2 성형품(200)에 대한 제거가 순차적으로 이루어지는 제거 단계(ST510)를 더 포함하고, 상기 제거 단계(ST510)는 수중 환경에서 상기 제2 성형품(200)의 내측에 형성된 제1 성형품(100)을 우선 제거하는 제1 제거 단계(ST512); 고온의 온도 조건이 유지되는 챔버 내부에 소정의 시간 동안 가열이 이루어져 상기 제2 성형품(200)을 제거하는 제2 제거 단계(ST514)를 포함한다.

상기 최종 성형 단계(ST500)는 상기 제2 성형품(200)이 제거된 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내부로 주조액이 주입되는 주조액 주입 단계(ST520)을 포함한다.

본 발명의 실시 예들은 터빈 블레이드 체적의 대부분을 차지하는 부분을 세라믹 왁스를 사용하지 않고 분리제거가 용이한 솔루블 왁스를 이용하여 성형하므로 수축율이 감소되고, 치수 안정화가 유지된다.

본 발명의 실시 예들은 표면 조도가 안정적으로 유지되므로 거칠기가 위치에 따라 상이하게 유지되는 문제점이 발생되지 않고 최대한 표면이 매끄럽게 사출 성형을 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 블레이드 성형 방법에 의해 제작된 터빈 블레이드가 구비된 가스터빈을 도시한 종 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 블레이드 성형 방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 제1 사출 단계에 의해 성형된 제1 성형품을 일 예로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제1,2 사출 단계에 의해 성형되는 제1,2 성형품의 성형 방법을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 제3,4 사출 단계에 의해 성형되는 제1,2 성형품의 성형 방법을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 최종 성형 단계를 도시한 도면.

본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 블레이드 성형 방법에 의해 성형된 터빈 블레이드가 구비된 가스터빈에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈(1)은 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(10) 및 상기 연소기(10)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(30)을 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 가스터빈(1)은 케이싱(2)을 구비하고 있고, 공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(2)의 상류 측에는 압축기(20)가 위치하고, 하류 측에는 터빈(30)이 배치된다. 그리고 상기 압축기(20)와 상기 터빈(30) 사이에는 터빈(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(20)로 전달하기 위한 토크 전달 부재로서의 회전력 전달부(40)가 배치되어 있다.

또한, 상기 케이싱(2)의 후측에는 상기 터빈(30)을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(50)가 구비되어 있으며, 상기 디퓨저(50)의 앞쪽으로는 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(10)가 배치된다.

상기 압축기(20)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(22)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)들은 타이로드(60)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

상기 타이로드(60)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(22)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 상기 압축기 로터 디스크(22) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 회전력 전달부(40)에 고정된다.

상기 타이로드(60)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 중앙을 상기 타이로드(60)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 대향하는 면이 상기 타이로드(60)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 로터 디스크(22)의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드(24)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 압축기 블레이드(24)는 루트부(26)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(22)에 체결된다.

상기 루트부(26)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과, 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

또한, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)의 사이에는 상기 케이싱(2)에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 압축기 로터 디스크(22)와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 상기 압축기 로터 디스크(22)의 압축기 블레이드(24)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 압축기 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

이와 같이, 상기 압축기(20)를 통해 외기가 내부로 흡입되어 다수개의 상기 압축기 블레이드(24)와 베인을 통과하며 다단으로 압축이 이루어진 후에, 상기 연소기(10)를 경유하여 터빈(30)으로 공급될 수 있다.

연소기(10)는 상기 압축기(20)로부터 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소장치 시스템을 구성하는 상기 연소기(10)는 캔(can) 타입으로 이루어져 다수개의 연소기(10)가 상기 가스터빈(1)의 둘레방향을 따라 설치된다.

상기 연소기(10)는 연료분사노즐을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 상기 연소기(10)와 터빈(30)의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료분사노즐에 의해 분사되는 연료가 상기 압축기(20)의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 라이너의 전단에는 연료분사노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합될 수 있다.

한편, 상기 라이너의 후단에는 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈(30) 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 상기 압축기(20)로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

터빈(30)은 기본적으로는 상기 압축기(20)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(30)에도 상기 압축기의 압축기 로터 디스크(22)와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(32)가 구비된다. 또한, 상기 터빈 로터 디스크(32)의 외주면에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(34)를 포함한다. 이때, 상기 터빈 블레이드(34)는 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(32)에 결합될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 상기 압축기(20)에서 압축되고, 상기 연소기(10)에서 연소된 후, 상기 터빈(30)으로 보내져 터빈을 구동하고, 상기 디퓨저(50)를 통해 대기중으로 배출된다.

여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 연소장치는 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.

전술한 구성을 갖는 가스터빈에 구비된 터빈 블레이드(34)를 성형하기 위한 상세한 과정을 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 블레이드 성형 방법을 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 제1 사출 단계에 의해 성형된 제1 성형품을 일 예로 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 제1,2 사출 단계에 의해 성형되는 제1,2 성형품의 성형 방법을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 제3,4 사출 단계에 의해 성형되는 제1,2 성형품의 성형 방법을 도시한 도면이다.

첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시 예는 터빈 블레이드(34)의 내부 형태를 갖는 제1 금형(M1)의 내부에 삽입되기 위해 수용성으로 용해가 가능한 재질로 제1 성형품(100)에 대한 전처리 성형이 이루어지는 제1 사출 단계(ST100)와, 상기 제1 성형품(100)이 상기 제1 금형(M1)의 내부에 안착된 후에, 상기 제1 성형품(100)의 외측 전체를 감싸는 형태로 제2 성형품(200)이 성형되는 제2 사출 단계(ST200)와, 터빈 블레이드(34) 금형(TM)에 상기 제2 성형품(200)이 안착된 후에, 상기 제2 성형품(200)의 외측과 상기 터빈 블레이드(34) 금형(TM)의 내측에 수용성으로 용해가 가능한 재질로 사출이 이루어지는 제3 사출 단계(ST300)와, 상기 제2 성형품(200)의 외측에 쉘 코팅(Shell coating)이 이루어지는 쉘 코팅 단계(ST400))와, 상기 쉘 코팅된 상기 제2 성형품(200)을 가열하여 상기 제1,2 성형품(100, 200)이 제거된 후에 터빈 블레이드(34)가 성형되는 최종 성형 단계(ST500)을 포함한다.

구체적인 설명에 앞서 제1 금형(M1)은 상기 터빈 블레이드 금형(TM)과 다른 금형으로, 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내부 형상을 본떠서 만든 금형에 해당된다.

본 실시 예는 터빈 블레이드 금형(TM) 내부에 제2 성형품(200)을 삽입하기 위해 상기 제1 금형(M1)이 구비되며, 상기 제1 금형(M1)은 제1 성형품(100)이 상기 제1 금형(M1)의 내부에 안착된 후에 제2 성형품(200)의 제작을 위해 구비된다.

일 예로 제1 성형품(100)은 터빈 블레이드(34)의 내부 중 굴곡진 냉각 유로에 해당되고, 상기 냉각유로는 터빈 블레이드(34)의 제1 앤드 월(2a)에서 제2 앤드 월(2b)까지 복수 회 굴곡진 이동 경로를 갖고 연장된다.

상기 냉각유로는 최종적으로 주조 성형을 실시하기 전에 터빈 블레이드(34) 내측의 대부분을 영역을 차지하고 있으며, 수축과 치수 안정성을 위해 본 실시 예는 50도 전후의 온수에서 용해가 가능한 왁스가 사용된다.

예를 들면 상기 왁스는 솔루블 왁스(Soluble wax)가 사용되며, 상기 솔루블 왁스는 filler와, binder(polyethylene glycol)와, carbonate로 구성되나, 다른 구성으로 변경되는 것도 가능할 수 있다.

상기 솔루블 왁스는 용해를 위해 전술한 50도 전후의 온도가 유지되는 물에 담그거나, 고온 챔버에 일정 시간 이상 보관할 경우 액체 상태로 상변화가 발생되므로 용이한 제거가 이루어진다.

따라서 작업자가 상기 제1 성형품(100)에 대한 성형과 제거 작업에 별다른 어려움 없이 작업을 실시할 수 있다.

종래의 경우에는 상기 제1 성형품(100)이 세라믹 코어(ceramic core)를 이용하여 제작하였으나, 이 경우 분리가 용이하지 않고 표면 거치기가 일정하게 유지되지 않는 문제점이 있었다.

또한 상기 제1 성형품(100)이 세라믹 코어로 제작될 경우 부피가 큰 관계로 수축으로 인한 변화율이 증가되는 문제점이 유발되었다.

이에 반해 본 실시 예에 의한 제1 성형품(100)은 전술한 솔루블 왁스로 제작되므로 분리가 용이하고, 표면 거칠기가 일정하게 유지되며, 수축으로 인한 문제점이 발생되지 않아 설계치에서 반영된 치수가 그대로 유지된 터빈 블레이드의 제작이 가능한 장점이 유발되었다.

또한 이로 인해 제1 성형품(100)은 치수 안정성이 향상되므로 정밀한 제품을 성형할 수 있는 장점이 유발되었다.

본 실시 예에 의한 제1 사출 단계(ST100)는 상기 터빈 블레이드(34)의 크기 또는 내부 형태와 상관 없이 사출이 이루어진다. 예를 들어 터빈 블레이드(34)는 터빈의 출력에 따라 다양한 크기로 구성되는데, 크기가 수 미터에 이르는 경우에도 별다른 제작의 어려움 없이 사출 작업을 손쉽게 실시할 수 있다.

이와 같이 제1 성형품(100)에 대한 제1 사출(ST100)이 이루어진 이후에는 제2 성형품(200)을 성형한다. 상기 제2 성형품(200)은 제1 성형품(100)과 별개의 구성이 아니라 제1 성형품(100)이 제1 금형(M1)의 내부에 안착된 상태로 상기 제1 성형품(100)의 외측에 소정의 두께로 세라믹 코어를 이용하여 제2 성형품(200)을 사출 한다.

상기 제2 성형품(200)은 단면을 잘라서 정면에서 바라볼 때 최외측은 소정의 두께를 갖는 세라믹 코어로 이루어지고, 내부는 솔루블 왁스로 이루어진 제1 성형품(100)으로 구성된다.

상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 다른 재질로 사출이 이루어지며, 일 예로 상기 제1 성형품(100)은 솔루블 왁스가 사용되고, 상기 제2 성형품(200)은 세라믹 재질이 사용된다. 참고로 보다 상세한 설명은 후술 하기로 한다.

상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 용해 온도가 상이하게 유지된다. 일 예로 상기 제1 성형품(100)은 50도 전후의 온도에서 용해가 이루어지고, 상기 제2 구성품(200)은 수백 도 또는 1000도 이상의 온도에서 용해된다.

상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 상이한 수축율이 유지되며 상세한 설명은 후술 하기로 한다.

본 실시 예는 솔루블 왁스와 같은 특성을 갖는 제1 성형품(100)을 터빈 블레이드(34)의 대부분의 체적을 차지하는 곳으로 구성하고, 외측 표면만 세라믹 코어를 이용하여 사출 성형을 실시한다. 이 경우 솔루블 왁스의 장점과 세라믹 코어의 장점을 모두 활용하여 터빈 블레이드(34)의 사출 성형이 가능해 지므로 분리가 용이해지고, 표면 거칠기가 일정하게 유지된다.

또한 솔루블 왁스는 상기 세라믹 코어와 같이 수축 팽창으로 인한 문제점이 거의 발생되지 않으므로 치수가 일정하게 유지되므로 치수 정밀도가 안정적으로 유지된다.

따라서 본 실시 예에 의한 터빈 블레이드(34)는 공차 오차가 최소화된 사출 작업을 통해 제작될 수 있으므로 상기 세라믹 코어를 제거하기 위한 후처리 공정의 축소 및 삭제와 함께 생산 납기 기간 단축과, 제작 단가를 낮출 수 있다.

또한 본 실시 예는 상기 제1 성형품(100)의 직경에 해당되는 길이가 상기 제2 성형품(200)의 두께에 해당되는 길이 보다 길게 구성되므로, 상기 제2 성형품(200)을 구성하는 세라믹 코어를 제거하는데 소모되는 시간을 현저하게 감소시켜 사출 작업을 실시할 수 있다.

이 경우 작업자가 터빈 블레이드(34)를 사출 성형하기 위해 소모되는 작업 시간이 현저하게 단축될 수 있으므로 작업자의 작업성 또한 향상될 수 있다.

상기 제2 사출 단계(ST200)는 상기 제2 성형품(200)의 두께가 상기 제1 성형품(100)의 두께 보다 얇은 두께로 사출이 이루어지므로 부피 팽창이 적은 제1 성형품(100) 중심으로 사출 작업이 이루어진다.

특히 제1 성형품(100)은 솔루블 왁스로 구성되고, 상기 솔루블 왁스는 수축이 주로 발생되면서 문제가 되었던 세라믹 코어를 사용하지 않으므로 수축 발생 현상이 최소화 된다.

제3 사출 단계(ST300)는 제1,2 사출 단계(ST100, ST200)에서 사출된 제2 성형품(200)을 터빈 블레이드 금형(TM)의 내부에 안치한 후에 상기 제2 성형품(200)의 외측과 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내측에 수용성으로 용해가 가능한 재질로 사출이 이루어진다.

상기 수용성으로 용해가 가능한 재질은 전술한 솔루블 왁스가 사용되며, 이로 인한 장점은 이미 상세히 설명하였으므로 중복 설명은 생략한다.

본 실시 예에 의한 쉘 코팅(ST500)은 도면에서 터빈 블레이드(34) 전체를 외측에서 감싸며 코팅이 이루어진다. 상기 쉘 코팅은 후술할 최종 성형 단계(ST500)를 안정적으로 실시하기 위해 수행된다.

상기 제2 성형품(200)은 상기 터빈 블레이드(34)는 내측으로 냉각 공기가 유입되기 위해 성형될 제1 앤드 월(2a)과, 상기 터빈 블레이드(34)의 상측 단부를 구성하는 제2 앤드월(2b)에 해당되는 부분을 제외한 영역에 위치된다.

상기 최종 성형 단계(ST500)는 상기 제1,2 성형품(200)에 대한 제거가 순차적으로 이루어지는 제거 단계(ST510)를 더 포함한다.

상기 제거 단계(ST510)는 수중 환경에서 상기 제2 성형품(200)의 내측에 형성된 제1 성형품(100)을 우선 제거하는 제1 제거 단계(ST512)와, 고온의 온도 조건이 유지되는 챔버 내부에 소정의 시간 동안 가열이 이루어져 상기 제2 성형품(200)을 제거하는 제2 제거 단계(ST514)를 포함한다.

제1 제거 단계(ST512)에서 제1 성형품(100)은 수중 환경에서 소정의 온도가 유지되는 챔버 또는 수조에 터빈 블레이드(34)가 위치된다. 상기 온도는 일 예로 50도 이상의 온도가 유지되고, 시간은 몇 시간 이내에서 솔루블 왁스가 녹아 없어진다.

상기 제1 성형품(100)은 솔루블 왁스가 녹아버릴 경우 제2 성형품(200)이 겉을 감싸고 있으므로 형태는 유지되므로 구조적인 강성 또는 형태 변형으로 인한 문제점이 발생되지 않는다.

또한 수축 발생이 최소화 되므로 치수 정밀도가 향시 일정하게 유지된다.

그리고 제2 제거 단계(ST514)에서 제2 성형품(200)은 1000도 이상의 고온의 온도 조건이 유지되는 챔버 내부에서 4시간 이상 유지된다. 이 경우 제2 구성품(200)을 구성하는 세라믹 코어는 고온의 온도 조건에서 타버리게 되므로 별도의 추가 작업없이 상기 제2 성형품(200)에 대한 제거를 손쉽게 실시할 수 있다.

이와 같이 제1,2 성형품(100, 200)이 모두 제거되는 동안 수축에 의한 형태 변경이 발생되지 않으므로 후술할 주조액이 주입되는 경우에도 최초 설계된 터빈 블레이드의 형태가 안정적으로 유지된다.

첨부된 도 6을 참조하면, 최종 성형 단계(ST500)는 상기 제2 성형품(200)이 제거된 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내부로 주조액이 주입되는 주조액 주입 단계(ST520)을 포함한다.

상기 최종 성형 단계(ST500)는 제2 성형품(200)이 차지하고 있던 자리로 주조액이 주입 되면서 최종적으로 터빈 블레이드에 대한 성형이 완료되는 단계에 해당된다. 상기 터빈 블레이드 금형(TM)은 내부 표면 조도가 일정하게 유지되고, 수축 발생도 최소화 된 조건에서 상기 주조액의 주입이 이루어지므로 안정적인 작업을 실시할 수 있다.

본 실시 예는 전술한 블레이드 성형 방법에 따라 제작된 터빈 블레이드(34)가 장착된 가스 터빈 또는 스팀 터빈을 제공한다. 상기 터빈 블레이드(34)는 터빈을 작동시키는 매개체에 상관 없이 대부분의 터빈에 적용시켜 사용할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

2 : 케이싱
10 : 연소기
20 압축기
30 : 터빈
34 : 터빈 블레이드
100 : 제1 성형품
200 : 제2 성형품

Claims

터빈 블레이드의 내부 형태를 갖는 판 형태의 제1 금형(M1)의 내부에 삽입되기 위해 수용성으로 용해가 가능한 재질로 형성되고, 상기 터빈 블레이드의 전체적인 외형을 이루는 제1 성형품(100)에 대한 전처리 성형이 이루어지는 제1 사출 단계(ST100);
상기 제1 성형품(100)이 상기 제1 금형(M1)의 내부에 안착된 후에, 상기 제1 성형품(100)의 외측 전체를 감싸는 형태로 제2 성형품(200)이 성형되는 제2 사출 단계(ST200);
터빈 블레이드 금형(TM)에 상기 제2 성형품(200)이 안착된 후에, 상기 제2 성형품(200)의 외측과 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내측에 수용성으로 용해가 가능한 재질로 사출이 이루어지는 제3 사출 단계(ST300);
상기 제2 성형품(200)의 외측에 쉘 코팅(Shell coating)이 이루어지는 쉘 코팅 단계(ST400); 및
상기 쉘 코팅된 상기 제2 성형품(200)을 가열하여 상기 제1,2 성형품(100, 200)이 제거된 후에 터빈 블레이드가 성형되는 최종 성형 단계(ST500)을 포함하되,
상기 제2 사출 단계(ST200)는 상기 제2 성형품(200)의 두께가 상기 제1 성형품(100)의 두께 보다 얇은 두께로 사출이 이루어지는 터빈 블레이드 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 사출 단계(ST100)는 온수에서 용해가 이루어지는 솔루블 왁스를 이용하여 사출이 이루어지는 터빈 블레이드 성형 방법.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제2 성형품(200)은 상기 터빈 블레이드는 내측으로 냉각 공기가 유입되기 위해 성형될 제1 앤드 월(2a)과, 상기 터빈 블레이드의 상측 단부를 구성하는 제2 앤드월(2b)에 해당되는 부분을 제외한 영역에 위치되는 터빈 블레이드 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 다른 재질로 사출이 이루어지는 터빈 블레이드 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 용해 온도가 상이한 터빈 블레이드 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 성형품(100)과 상기 제2 성형품(200)은 서로 상이한 수축율이 유지되는 터빈 블레이드 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 최종 성형 단계(ST500)는 상기 제1,2 성형품(200)에 대한 제거가 순차적으로 이루어지는 제거 단계(ST510)를 더 포함하고,
상기 제거 단계(ST510)는 수중 환경에서 상기 제2 성형품(200)의 내측에 형성된 제1 성형품(100)을 우선 제거하는 제1 제거 단계(ST512);
고온의 온도 조건이 유지되는 챔버 내부에 소정의 시간 동안 가열이 이루어져 상기 제2 성형품(200)을 제거하는 제2 제거 단계(ST514)를 포함하는 터빈 블레이드 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 최종 성형 단계(ST500)는 상기 제2 성형품(200)이 제거된 상기 터빈 블레이드 금형(TM)의 내부로 주조액이 주입되는 주조액 주입 단계(ST520)을 포함하는 터빈 블레이드 성형 방법.
제1항 내지 제2항 또는 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 따른 터빈 블레이드 성형 방법에 따라 제작된 터빈 블레이드가 장착된 가스 터빈.