KR102279615B1 - 부가적 제조에 의해 제작되며 그리고 허브 및 슈라우드 내에 캐비티들을 구비하는 슈라우드형 임펠러 - Google Patents

Abstract

내부 캐비티들을 갖는 폐쇄형 임펠러들을 제조하는 방법이 제공된다. 제안된 구조를 구비하며 그리고 제안된 방법에 따라 제조되는 임펠러들은, 더 작은 질량을 가지며, 그리고 더 높은 작동 효율이 달성되는 것을 가능하게 한다.

Description

부가적 제조에 의해 제작되며 그리고 허브 및 슈라우드 내에 캐비티들을 구비하는 슈라우드형 임펠러{SHROUDED IMPELLER MADE BY ADDITIVE MANUFACTURING AND INCLUDING VOIDS IN THE HUB AND IN THE SHROUD}

본 발명은, 폐쇄형 임펠러를 제조하는 방법에 관한 것이다.

원심형 임펠러들이, 기체를 압축하기 위한 터보 압축기들에서 사용된다. 그러한 터보 압축기들은 일반적으로, 각각 압력을 점증적으로 증가시키기 위한 압축기 요소를 가지며, 그로 인해 마지막 스테이지가 최고의 압력에 도달하는, 다수의 압축 스테이지를 포함한다.

'폐쇄형 임펠러들'은, 블레이드들을 갖는 허브 및 블레이드들을 커버하는 슈라우드로 구성된다. 통상적으로, 그러한 임펠러들은, 금속 고체 조각으로, 재료가 터닝 또는 밀링에 의해 제거됨에 의해, 제조되거나, 또는 이들은, 사전 가공된 허브 및 사전 가공된 슈라우드를 용접 또는 브레이징에 의해 결합함에 의해 제조된다.

허브는, 임펠러를 구동 샤프트에 연결하기 위한 중심 보어를 구비한다. 임펠러의 유입구 내로의 배출구 압력의 기체의 과도한 누출을 방지하기 위해, 전방 밀봉부가 일반적으로, 슈라우드 상에 제공된다. 슈라우드는, 밀봉부들을 위한 안착부들을 한정하는, 그의 외측 표면 상의 다수의 단차부를 포함한다. 바람직하게, 안착부들은, 예를 들어 임펠러 및 구동 샤프트의 원심 수축 및/또는 열적 팽창으로 인한, 임펠러의 축 방향 변위를 가능하게 함에 따라, 원통형 표면을 갖는다.

다른 밀봉부가 선택적으로, 임펠러의 후방부에, 즉 축방향 배출구 측부 상에, 갖춰질 수 있다.

작동 도중에, 기체는, 유입구 압력에서 유입구를 통해 임펠러의 채널들 내로 유동하며, 그리고 배출구 압력에서 배출구를 통해 채널들을 떠난다. 결과적으로, 배출구 압력은, 슈라우드 위에 그리고 허브의 후방부에 존재한다. 채널들 내의 압력이 배출구 압력보다 더 낮음에 따라, 이는 블레이드들의 압축을 보장한다. 이러한 압축이 블레이드들의 크기에 영향을 받음에 따라 그리고 더 작은 단면적의 블레이드들이 요구됨에 따라, 이러한 작동적 압축을 감소시키기 위한 방법을 발견하는 것이 바람직할 것이다.

임펠러는, 작동 도중에 원심력을 받는다. 슈라우드가 블레이드들의 상부에 놓임에 따라, 슈라우드의 변형은, 허브의 변형보다 더 크다. 이는, 블레이드들 상에 부가적인 부하를 야기한다. 이는, 왜 슈라우드의 질량을 감소시키는 것이 바람직한가에 대한, 이유이다. 더 작은 질량의 슈라우드는, 결국 허브의 감소된 질량을 가능하게 하는, 더 얇은 블레이드들을 가능하게 한다. 결과적으로, 임펠러의 총 중량은 감소될 수 있다.

부가적 제조 기법은, 달리 통상적인 절삭 제조 기법(subtractive manufacturing technique)으로 달성하기 어려운, 임펠러 구조를 가능하게 할 수 있다.

부가적 제조 기법들의 적용이, 개방형 임펠러들 내의 내부 캐비티들을 구현하기 위해, US 7,281,901에 제시된다. 미세 금속 분말의 층들의 성막(deposition) 및 구성요소의 요구되는 단면을 획득하기 위한 이러한 분말의 국부적 용융

에 기초하게 되는, 선택적 레이저 용융(selective laser melting) 기법들 또는 SLM을 사용하여, 그러한 임펠러들을 제조하는 것이 제안된다. 임펠러가 준비될 때, 과잉의 분말은, 개방형 임펠러의 중심 보어에 내부 캐비티들을 연결하는 통로들을 통해, 내부 캐비티들로부터 제거된다.

US 7.281.901호가 그에 관련되는, 과급기들을 위해, 그러한 임펠러들의 유입구 압력이 일반적으로 대기압임에 따라, 그러한 방식이 충분할 수 있다. 그러나, 이러한 해법은, 고압 적용들을 위해 적절하지 않다. 그러한 임펠러는 일반적으로, 대기압에서 조립된다. 그러나, 높은 유입구 압력을 동반하는 작동 도중에, 기체는 점진적으로, 중심 보어를 통해 내부 캐비티들 내로 누출될 수 있다. 이는, 내부 캐비티 내에 불확실한 압력을 생성하며, 그리고 임펠러가 분해될 때 잠재적인 위험을 이룬다.

본 발명의 목적은, 이상의 및/또는 다른 문제점들 중의 하나 이상에 대한 해결책을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 부가적 제조에 의해 허브 및 슈라우드를 갖는 폐쇄형 임펠러를 제조하는 방법에 관련되고, 이러한 방법은, 부가적 제조를 통해 허브 및/또는 슈라우드 내에 하나 이상의 내부 캐비티를 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명은 추가로:

- 허브;

- 상기 허브 상에 제공되는 한 세트의 블레이드들;

- 이러한 블레이드들 위에 제공되는 슈라우드

를 포함하고,

상기 허브는, 제1 내부 캐비티를 갖는 부분을 갖도록 제공되고, 이러한 제1 캐비티는, 임펠러의 후방 부분과, 또는 임펠러의 유입구와, 또는 블레이드들 사이에서 연장되는 임펠러 채널들 내의 임의의 위치와, 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 폐쇄형 임펠러에 관련된다.

본 발명에 따른 임펠러의 바람직한 실시예에 따르면, 슈라우드는, 제2 내부 캐비티를 갖도록 제공되고, 제2 내부 캐비티는, 임펠러의 유입구와 유체 소통 상태에 놓인다. 그에 따라 제2 내부 캐비티는, 임펠러의 유입구 압력에 종속된다. 바람직하게, 제2 캐비티는, 슈라우드의 아래쪽 부품 내에 제공된다.

본 발명의 특징들을 더 양호하게 도시할 의도로, 본 발명을 구현하기 위한 몇몇 바람직한 실시예 및 방법이, 첨부 도면을 참조하여, 어떠한 제한적인 성격 없이, 이후에 설명된다.
도 1은, 종래기술에 따른 폐쇄형 임펠러의 통상적인 구성을 개략적으로 도시하며; 그리고
도 2는, 본 발명에 따른 폐쇄형 임펠러를 개략적으로 도시한다.

종래기술에 따른 폐쇄형 임펠러의 통상적인 구성이 도 1에 도시된다.

임펠러(1)는, 중심 보어(3)를 갖는 허브(2), 허브(2) 상에 제공되는 한 세트의 블레이드들(4), 및 블레이드들 사이의 채널들을 커버하는 블레이드들의 상부의 슈라우드(5)를 포함한다.

더불어, 임펠러(1)는, 유입구(6) 및 배출구(7)를 보여준다. 한 세트의 원통형 표면들(8)이, 슈라우드(5)의 전방 부분 상에, 즉 허브(2)로부터 멀어지게 지향하는 유입구 측의 슈라우드(5)의 측면 상에, 전방 밀봉부를 위해 제공된다.

후방 밀봉부를 위한 밀봉 표면(9)이, 선택적으로, 임펠러(1)의 후방부에 제공될 수 있다. 슈라우드(5)의 외측 표면(10), 뿐만 아니라 허브(2)의 외측 표면(11)은, 임펠러(1)가 사용 중일 때, 임펠러(1)의 배출구 압력에 종속된다.

작동 도중에, 임펠러가 기체를 압축하기 위해 공지의 방식으로 회전식으로 구동될 때, 유입구(6)에서의 유입구 압력으로부터 배출구(7)에서의 배출구 압력으로 변화한다.

임펠러(1)의 채널들 내의 압력이 일반적으로 배출구 압력보다 더 낮음에 따라, 블레이드들(4)은, 표면들(10, 및 11) 상에 작용하는 압축에 종속된다. 블레이드들(4)의 두께는, 과도한 기계적 응력을 방지하기에 충분해야만 한다.

원통형 표면들(8)은, 이들이 작동 시의 구동 트레인의 원심 축방향 수축 및/또는 열적 팽창으로 인한 (도면에 도시되지 않는) 대응하는 정적 밀봉 링들에 대한 임펠러(1)의 축방향 변위를 가능하게 함에 따라, 밀봉을 가능하게 한다. 전방 밀봉부를 통한 과도한 누출을 방지하기 위해, 한 세트의 밀봉 링들이 흔히 사용된다. 임펠러(1)의 원심 변형으로 인해, 단일 원통형 표면을 사용하는 것은, 비실용적이다. 그 대신에, 상이한 직경들을 갖는 한 세트의 짧은 원통형 표면들(8)이 적용된다. 이는 일반적으로, 유입구(6)에서의 슈라우드(5)의 과도한 두께로 이어진다.

임펠러의 제조를 위한 부가적 제조 기법들의 적용은, 임펠러 구조가, 임펠러 중량을 감소시키는 그리고 제조 비용을 낮추는, 뿐만 아니라 임펠러의 작동을 개선하는, 목적을 위해 최적화되는 것을 가능하게 한다.

부가적 제조 기법들은 또한, 설계의 실질적인 자유를 가능하게 한다. 예를 들어, 이들은, 내부 캐비티들 및 내부 채널들이 임펠러 내에 만들어지는 것을 허용한다.

임펠러(12)가 그러한 설계 특성을 통합하는 것인, 본 발명에 따른 임펠러(12)의 구성이, 도 2에 제시된다.

종래기술에 따른 임펠러(1)에서 나타나는 요소들에 부가하여, 본 발명에 따른 임펠러(12)는, 허브(2) 내에 제1 내부 캐비티(13)를 구비한다.

캐비티(13)를 커버하는 상벽(14)은, 임펠러(1)의 축(X-X')에 대해 각도를 갖도록 제조된다. 이러한 각도는, 선택되는 제조 기법 및 임펠러(12)가 구축되는 방향에 의존한다. SLM 기법이 선택되는 경우, 바람직한 구축 방향은, 임펠러(12)의 유입구(6)로부터 후방부로일 것이다. 그러한 경우에, 상벽(14)과 임펠러(1) 축(X-X') 사이의 각도의 최대 값은, 현재 약 45°인, 지지되지 않는 표면들에 대한 SLM에 의해 허용되는 최대 각도를 초과하지 않아야 한다. 이러한 제약으로 인해, 지지 격자가, 임펠러 채널들 내로 도입될 수 있지만, 이러한 격자는 이후의 단계에서 제거될 수 있다.

제1 내부 캐비티(13)는, 이 경우에, 다수의 채널(15)을 통해, 유입구(6)와 유체 소통 상태에 놓인다.

본 발명에 따른 바람직한 특징에 따르면, 부가적인 제2 내부 캐비티(16)가, 슈라우드(5)의 전방 부분 내에 제공된다. 이러한 제2 내부 캐비티(16)는, 이 경우에, 한 세트의 채널들(17)을 통해, 유입구(6)와 유체 소통 상태에 놓인다. 제2 내부 캐비티(16)는, 슈라우드(5)의 약간의 질량 감소를 보장하며, 그리고 부가적으로 슈라우드(5)의 나머지 부분의 변형으로부터 밀봉 표면들(8)의 원심 변형을 분리한다. 이는, 밀봉 표면들의 더욱 반경 방향의 변형 및 결과적으로 더 양호한 밀봉 품질을 가능하게 한다.

이러한 예에서, 채널들(15 및 17)은 양자 모두, 용융되지 않은 금속 분말의 제거를 위한 배출 채널들로서 그리고 제1 내부 캐비티(13) 및 제2 내부 캐비티(16) 내에 대응하는 압력을 제공하기 위한 압력 균등화 채널들로서, 사용된다. 물론, (도면에 도시되지 않는) 다른 실시예에 따르면, 배출을 위해 또는 압력 균등화를 위해 의도되는, 별도의 채널들이, 제공될 수 있다.

채널들(15)의 위치는, 제1 내부 캐비티(13)의 내부 압력의 조정을 가능하게 한다. 예를 들어, 채널들(15)은, 제1 내부 캐비티(13) 내에 더 높은 기체 압력을 제공하기 위해, 더 큰 반경부에, 즉 배출구(7)에 더 가깝게 위치하게 될 수 있다. 이는, 상벽(14)을 가로지르는 압력을 감소시킬 것이다.

또한, 후방 벽(18) 내에 채널들(15)을 만드는 것이 가능하다. 그러한 경우에, 제1 내부 캐비티(13) 내의 압력은, 후방 밀봉부 후방에서 이용 가능한 후방 압력과 동등할 것이다.

금속 분말이 제1 캐비티(13)로부터 제거된 이후에, 채널들(15)을 완전히 밀폐하는 것이 또한 가능하다. 외부 압력이 상벽(14)의 표면에 가해짐에 따라, 허브(2) 상에 작용하는 원심력의 영향을 적어도 부분적으로 상쇄시킬 수 있다.

배출구 압력은, 외측 표면들(10 및 11)에 가해진다. 그러나, 본 발명에 따른 임펠러(12)의 블레이드들(4)의 압축은, 종래기술에 따른 에 따른 임펠러(1)와 비교하여, 실질적으로 더 낮을 것이다.

상벽(14)이 임펠러(12)의 축(X-X')에 대해 기울어져 있음에 따라, 이는 외측 표면(11)의 면적을 감소시킨다. 실제로, 제1 내부 캐비티(13) 내의 압력이 블레이드들(4) 사이의 채널들 내의 압력에 비해 더 낮음에 따라, 이는 블레이드들(4)의 압축을 추가로 감소시킬 것이다. 블레이드들(4)의 두께는 일반적으로, 유입구로부터 배출구로의 압력 축적(pressure build-up)으로 인한 작동 도중의 원심 부하 및 압축에 의해, 결정된다. 작동 압력이 감소하는 경우, 이는, 블레이드들의 두께를 감소시키는 것에 대한 가능성을 제공한다. 더 작은 블레이드(4) 두께는, 블레이드들(4) 사이의 채널들의 단면적이 증가할 것임에 따라, 그리고 그에 따라 허브(2)의 질량의 감소가 가능할 것임에 따라, 임펠러(12)의 성능에 관한 긍정적인 효과를 가질 것이다.

슈라우드(5)에서의 그리고 블레이드들(4)에서의 질량의 감소가, 반드시 허브(2)의 대응하는 약화로 이어지지는 않는다. 이 대신에, 더 높은 팁 속도(tip speed)가, 유사한 임펠러 구성과 더불어 달성될 수 있다.

기울어진 상벽(14)으로 인해, 배출구 압력에 노출되는 본 발명에 따른 임펠러(12)의 후방 표면 또한, 종래기술에 따른 임펠러(1)에 비해 감소된다. 이는, 마찰 손실을 감소시킬 것이다. 제1 내부 캐비티(13) 및/또는 제2 내부 캐비티(16) 내에서의 기체 순환을 방지하기 위해, 제1 내부 캐비티(13) 및/또는 제2 내부 캐비티(16)를 상이한 챔버들로 분리하는, 한 세트의 멤브레인들이, 도입될 수 있다. 그러한 경우에, 매 챔버가, 별개의 채널(15 및 17)을 갖도록 제공되어야만 한다.

임펠러(12)의 외측 표면은, 부드러운 표면을 획득하도록 처리될 수 있다.

제안된 구조는 또한, 높은 압력에서 작동하는 그리고 블레이드들 둘레에 슈라우드를 갖도록 제공되지 않는, 개방형의 임펠러들로 이어질 수 있다.

부가적 제조는, 재료들이, 절삭 제조 기법들(ASTM F2792-12a)에 반하여, 3D 모델 데이터로부터, 일반적으로 층별로, 물체들을 이루도록 결합되는, 공정이다.

부가적 제조는, 예를 들어, 분말 베드 융합(powder bed fusion)(열에너지가 분말 베드의 특정 구역들을 선택적으로 용융시키는 부가적 제조 공정) 및 직접적 에너지 성막(집중된 열에너지가, 재료들이 성막될 때, 재료들을 용융시키기 위해 사용되는 부가적 제조 공정)과 같은, 제조 방법의 범주를 지칭한다. 분말 베드 융합 방법 내부에, 전자 빔 용융(분말 재료가 전자 빔을 사용하여 용융됨), 선택적 레이저 융융(SLM, 분말 재료가 레이저를 사용하여 용융되는 제조 공정), 선택적 레이저 소결(분말 재료가 레이저를 사용하여 소결됨)과 같은, 다수의 기법이 존재한다. 직접적 에너지 성막 또한, 레이저 클래딩 기법을 포함한다.

금속, 세라믹, 중합체 또는 섬유-강화 중합체, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합이, 제안된 구성의 임펠러들을 제조하기 위해 활용될 수 있다.

본 발명은 이상에 설명된 실시예들 및 방법들로 제한되지 않는 대신, 본 발명에 따른 임펠러는, 상이한 형상들 및 크기들로 구현될 수 있으며, 그리고 마찬가지로, 임펠러를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법이, 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이, 모든 종류의 변형예들로 구현될 수 있다.

Claims (8)

1. 폐쇄형 터보 압축기 임펠러(12)로서,
   - 허브(2);
   - 상기 허브(2) 상에 제공되는 한 세트의 블레이드들(4);
   - 상기 블레이드들(4)의 상부에 제공되는 슈라우드(5)
   를 포함하고,
   상기 허브(2)에는 제1 내부 캐비티(13)를 갖는 부분이 제공되고, 이러한 제1 내부 캐비티(13)는 상기 임펠러(12)의 후방 부분, 또는 상기 임펠러(12)의 유입구(6), 또는 상기 블레이드들(4) 사이에서 연장되는 임펠러 채널들 내의 임의의 위치와 유체 소통 상태에 놓이고, 상기 슈라우드(5)는 제2 내부 캐비티(16)를 포함하는 것인 폐쇄형 터보 압축기 임펠러에 있어서,
   상기 제2 내부 캐비티(16)는 상기 임펠러(12)의 상기 유입구(6)와 유체 소통 상태에 놓이는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 내부 캐비티는, 상기 유입구(6)에서의 상기 슈라우드(5)의 전방 부분 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 임펠러(12)는 추가로, 용융되지 않은 금속 분말의 제거를 가능하게 하도록 설계되는, 채널들(15,17)을 갖도록 제공되는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 임펠러(12)는 추가로, 제1 내부 캐비티(13) 및 제2 내부 캐비티(16) 내에 대응하는 압력을 제공하도록 설계되는, 압력 균등화 채널들(15,17)을 갖도록 제공되는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 구조를 갖는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러를 제조하는 방법으로서,
   상기 임펠러(12)는, 하나 이상의 부가적 제조 기법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 임펠러(12)는, 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 임펠러(12)는, 단일 구성요소로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러 제조 방법.
8. 부가적 제조에 의해 허브(2) 및 슈라우드(5)를 갖는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러를 제조하는 방법으로서,
   상기 방법은 부가적 제조에 의해 상기 허브(2) 및 상기 슈라우드(5) 중 적어도 하나 내에 하나 이상의 내부 캐비티(13, 16)를 제공하는 단계를 포함하고, 제1 내부 캐비티(13)가 상기 임펠러(12)의 후방 부분, 또는 상기 임펠러(12)의 유입구(6), 또는 블레이드들(4) 사이에서 연장되는 임펠러 채널들 내의 임의의 위치와 유체 소통 상태에 놓이는 것인 폐쇄형 터보 압축기 임펠러를 제조하는 방법에 있어서,
   제2 내부 캐비티(16)가, 상기 임펠러(12)의 상기 유입구(6)와 유체 소통 상태에 놓이는 것을 특징으로 하는 폐쇄형 터보 압축기 임펠러 제조 방법.

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