KR102423535B1 - 기계 설비의 보수용 쿠폰 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 기계 설비의 보수용 쿠폰은 기계 설비의 손상부를 대체하도록 손상부가 제거된 영역에 삽입될 수 있다. 이 때, 상기 보수용 쿠폰은 기계 설비의 손상부가 제거된 영역에 삽입되는 몸체, 및 몸체의 외주면에 형성된 나사산을 포함할 수 있다. 또한, 상기 손상부가 형성된 기계 설비의 표면은 곡면 형상을 가지며, 기계 설비의 표면에 노출되는 몸체의 상면은 기계 설비의 표면에 대응하는 곡면 형상을 가질 수 있다.

Description

기계 설비의 보수용 쿠폰{REPAIR COUPON FOR MECHANICAL EQUIPMENT}

본 발명은 기계 설비의 보수용 쿠폰에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈 블레이드와 같이 형상이나 소재의 특수성으로 인해 전통적인 기계 가공이 어려운 설비를 용이하게 보수할 수 있는 쿠폰에 관한 것이다.

발전용 설비에 사용되는 터빈 블레이드는 증기 또는 공기의 유체 에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 중요 부품으로, 고온의 유체 유동 환경에 지속적으로 노출된다. 따라서, 상기 터빈 블레이드는 손상을 피할 수 없게 되고 손상된 영역에 대한 보수가 필수적이다. 종래에는 터빈 블레이드에서 손상된 영역을 제거하고, 제거된 영역에 쿠폰(coupon)이라는 보수용 부품을 용접함으로써 손상된 터빈 블레이드를 보수하였다.

그런데, 터빈 블레이드는 고온 고응력을 견뎌야 하기 때문에 초합금(superalloy)이나 티타늄(titanium)과 같은 특수 소재로 제작되는 것이 일반적이다. 따라서, 터빈 블레이드와 동일한 소재로 쿠폰을 제작할 경우, 재료적 특성으로 인해 전통적인 기계 가공 방법으로는 쿠폰 가공이 어려운 실정이며, 제작된 쿠폰을 단순 용접하면 용접 이음부의 기계적 특성이 저하되어 추가적인 손상이 발생할 가능성이 크다.

또한, 터빈 블레이드는 익형(airfoil)으로 제작되기 때문에 손상 부위가 곡면일 가능성이 큰데, 전통적인 기계 가공 방법으로는 정밀한 형상 가공이 쉽지 않으며, 가공 시간과 비용이 증가할 수 있다.

한국공개특허 제10-2019-0017687호 (2019.02.20. 공개)

본 발명의 과제는 터빈 블레이드와 같이, 재료나 형상의 특성으로 인하여 기계 가공이 어려운 난가공성 기계 설비를 용이하게 보수할 수 있는 보수용 쿠폰을 제공하는데 있다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 예시적인 실시예들에 따른 기계 설비의 보수용 쿠폰은 기계 설비의 손상부가 제거된 영역에 삽입되는 몸체, 및 상기 몸체의 외주면에 형성된 나사산을 포함한다. 이 경우에 있어서, 상기 손상부가 형성된 상기 기계 설비의 표면은 곡면 형상을 가지며, 상기 기계 설비의 표면에 노출되는 상기 몸체의 상면은 상기 기계 설비의 표면에 대응하는 곡면 형상을 가질 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계 설비와 상기 보수용 쿠폰은 동일한 소재일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계 설비와 상기 보수용 쿠폰은 초합금 또는 티타늄을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 몸체 및 상기 나사산은 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정을 통해 형성될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 적층 가공 공정은 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering), 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting), 전자빔 용해(Electron Beam Melting), 직접 에너지 적층(Direct Energy Deposition), 접착제 분사방식(Binder Jetting), 및 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling) 공정을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계 설비의 손상부가 제거된 영역은 상기 기계 설비를 관통하는 관통공 형태일 수 있다. 이 경우, 상기 몸체는 상기 관통공에 대응하는 원통 형상이며, 상기 몸체의 상면과 저면은 각각 상기 기계 설비의 표면과 대응되는 곡면 형상을 가질 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 몸체는 원뿔 형상일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 몸체의 상면에는 공구를 삽입하여 상기 몸체를 회전시키기 위한 홈이 구비될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 나사산의 경사각은 40° 이상일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계 설비의 보수용 쿠폰은 상기 몸체의 상면에서 돌출되는 회전부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 회전부의 상면에는 공구를 삽입하여 상기 몸체를 회전시키기 위한 홈이 구비되고, 상기 몸체에 연결된 상기 회전부의 저면은 상기 몸체의 상면보다 단면적이 더 작을 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계 설비의 보수용 쿠폰은 상기 몸체의 상면에서 돌출되는 회전부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 회전부는, 공구를 삽입하여 상기 몸체를 회전시키기 위한 홈이 구비된 회전부 상면, 상기 몸체에 연결되는 회전부 저면, 및 상기 회전부 상면과 상기 회전부 저면보다 단면적의 넓이가 더 작은 노치부를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 몸체와 상기 회전부는 서로 상이한 소재일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계 설비는 가스 터빈의 터빈 블레이드일 수 있다.

본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 다른 실시예에 따른 기계 설비의 보수용 쿠폰은, 기계 설비의 손상부가 제거된 영역에 삽입되는 몸체, 상기 몸체의 외주면에 형성된 나사산, 및 상기 몸체의 상면에서 돌출되는 회전부를 포함한다. 이 때, 상기 몸체에 연결된 상기 회전부의 저면은 상기 몸체의 상면보다 단면적이 더 작을 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 회전부는, 공구를 삽입하여 상기 몸체를 회전시키기 위한 홈이 구비된 회전부 상면, 상기 몸체에 연결되는 회전부 저면, 및 상기 회전부 상면과 상기 회전부 저면보다 단면적의 넓이가 더 작은 노치부를 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기계 설비의 보수용 쿠폰은, 적층 가공(AM) 방식으로 제작되므로 초합금이나 티타늄 등의 난가공성 소재를 이용하여 정밀한 형상으로 제작될 수 있다. 따라서, 가스 터빈의 블레이드처럼 특수한 설비를 보수하는데 이용될 수 있으며, 손상부의 표면이 곡면인 부분에도 적용될 수 있다. 또한, 보수용 쿠폰의 외주면에 나사산이 구비됨으로써 손상부위에 대한 쿠폰의 결합력을 증가시킬 수 있다. 또한, 쿠폰에 노치 형상의 회전부를 구비함으로써, 쿠폰을 용이하게 회전시킬 수 있고, 보수 작업 이후에는 회전부를 용이하게 제거할 수 있다.

도 1은 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 터빈 로터 디스크와 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 터빈 블레이드를 Ⅰ-Ⅰ' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 영역을 보수하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠폰을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 쿠폰을 나타내는 정면도이다.
도 6은 도 3의 B 영역을 보수하는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿠폰을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿠폰을 나타내는 도면이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

먼저 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 보수용 쿠폰이 적용되는 난가공성 부품의 예로서 터빈 블레이드에 대하여 설명하기로 한다. 다만, 이로 인하여 본 발명이 적용되는 난가공성 부품이 터빈 블레이드로 제한되는 것은 아니며, 재료나 형상으로 인해 통상적인 기계 가공이 어려운 부품이라면 본 발명에 따른 보수용 쿠폰이 동일 또는 유사한 방식으로 적용될 수 있다.

도 1은 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 터빈 로터 디스크와 터빈 블레이드를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 터빈 블레이드를 Ⅰ-Ⅰ' 라인을 따라 절단한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 가스터빈(100)은 외관을 형성하는 하우징(102), 하우징(102) 내부에 구비된 압축기 섹션(110)과 터빈 섹션(120), 압축된 공기를 이용하여 연료를 연소시키는 연소기(104), 및 연소 가스를 배출하는 디퓨저(106)를 포함한다.

압축기 섹션(110)은 하우징(102)의 전단 내부에 구비되며, 공기를 압축하여 연소기(104)로 공급할 수 있다. 터빈 섹션(120)은 하우징(102)의 후단 내부에 구비되며, 연소 가스를 이용하여 회전력을 발생시킬 수 있다. 터빈 섹션(120)에서 발생한 회전력의 일부는 토크 튜브(130)를 통해 압축기 섹션(110)으로 전달될 수 있다.

압축기 섹션(110)은 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)를 가지며, 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해 서로 압착되어 상대적인 회전이 불가능한 상태로 결합될 수 있다.

각각의 압축기 로터 디스크(140) 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드들(144)이 방사상으로 구비되는데, 압축기 루트부(146)를 통해 로터 디스크(140)에 결합될 수 있다.

한편, 인접한 압축기 로터 디스크(140)들 사이에는 베인(도시되지 않음)이 구비될 수 있다. 상기 베인은 하우징(102)에 고정되며, 전방의 압축기 블레이드(144)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 후방의 압축기 블레이드(144)로 안내할 수 있다. 이 때, 상기 '전방'과 '후방'은 압축 공기의 흐름을 기준으로 정해지는 상대적인 위치 관계일 수 있다.

상기 압축기 루트부(146)는 탄젠셜 타입(tangential type) 체결 방식 또는 액셜 타입(axial type) 체결 방식으로 로터 디스크(140)에 결합될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 구조 또는 전나무(Fir-tree) 구조를 가질 수 있다. 다만, 상기 결합 방식과 구조는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다.

한편, 도 1에서는 하나의 타이로드(150)가 압축기 로터 디스크(140)들의 중심을 관통하는 형태로 도시되어 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태일 수도 있다.

연소기(104)는 압축기 섹션(110)에서 압축된 공기를 연료와 혼합하고, 연소를 통해 고온 고압의 연소 가스를 생성할 수 있다. 연소기(104)는 연료 분사 노즐을 포함하는 버너, 연소실을 형성하는 연소기 라이너, 연소기(104)와 터빈 섹션(120)을 연결하는 트랜지션 피스(Transition Piece) 등을 포함할 수 있다. 또한, 연소기(104)는 가스터빈(100)의 설계에 따라 복수 개가 구비될 수 있다.

연소기(104)에서 생성된 고온 고압의 연소 가스는 터빈 섹션(120)으로 공급될 수 있다. 상기 고온 고압의 연소 가스는 팽창하면서 터빈 블레이드(200)에 충돌하게 되고, 이에 따라 터빈 블레이드(200)가 회전할 수 있다. 터빈 블레이드(200)의 회전으로 발생한 회전력은 토크 튜브(130)를 통해 압축기 섹션(110)으로 공급되며, 압축기 구동에 필요한 회전력을 초과하는 회전력은 발전기 등을 구동하는데 사용될 수 있다.

터빈 섹션(120)의 구조는 상술한 압축기 섹션(110)과 유사할 수 있다. 즉, 터빈 섹션(120)은 복수 개의 터빈 로터 디스크(180), 및 각각의 터빈 로터 디스크(180)에 방사상으로 결합된 복수 개의 터빈 블레이드(200)들을 포함할 수 있다. 이때, 터빈 블레이드(200)들 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(180)에 결합될 수 있으며, 인접한 터빈 로터 디스크(180)들 사이에도 베인(도시되지 않음)이 구비될 수 있다.

터빈 로터 디스크(180)는 대략 원판 형상을 가지며, 외주면에는 복수 개의 결합 슬롯(180a)이 형성될 수 있다. 전나무(Fir-tree) 형상의 굴곡면을 가지는 결합 슬롯(180a)의 일례가 도 2에 도시되어 있다.

터빈 블레이드(200)는 평한 형상의 플랫폼부(210), 플랫폼부(210) 하부에 구비되는 루트부(220), 플랫폼부(210) 상부에 구비되는 블레이드부(230)를 포함한다.

플랫폼부(210)는 이웃한 터빈 블레이드의 플랫폼부와 서로 접촉함으로써, 인접한 터빈 블레이드들(200) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있다.

루트부(220)는 터빈 로터 디스크(180)의 결합 슬롯(180a)에 대응하는 형상을 가지며, 터빈 블레이드(200)를 터빈 로터 디스크(180)에 견고하게 결합시킬 수 있다.

블레이드부(230)는 단면이 익형(Airfoil)을 가지며 내부에는 중공을 가지되, 그 구체적인 형상과 치수는 가스터빈(100)의 사양에 따라 적절히 변경될 수 있다. 블레이드부(230)는, 연소 가스가 흐르는 방향을 기준으로, 상류 측의 리딩 엣지(231, leading edge)와 하류 측의 트레일링 엣지(233, trailing edge)를 가질 수 있다. 또한, 연소 가스가 직접 충돌하는 압력부(235, pressure side)와 반대쪽의 흡입부(237, suction side)를 가질 수 있다. 일정한 두께의 압력부(235)와 흡입부(237)가 연장하여 전체적으로 익형(airfoil)을 형성하며, 그 내부는 냉각을 위해 비워질 수 있다. 이것이 도 3에 도시되어 있다.

블레이드부(230)는 높은 기계적 강도, 높은 열 크리프 변형 저항, 높은 내부식성 등이 요구되므로, 초합금이나 티타늄 등으로 제작될 수 있다. 상기 초합금은, 예를 들면, Rene 108과 같은 Rene 합금, CM247, 하스텔로이, 와스팰로이, 헤인즈 합금, 인콜로이, MP98T, TMS 합금, CMSZ 단결정 합금 등일 수 있다.

한편, 블레이드부(230)는 고온 고압의 연소 가스와 직접 접촉하는 부품이기 때문에, 부품 손상의 가능성이 매우 크다. 특히, 연소 가스와 충돌하는 압력부(235)의 손상 가능성이 크다. 그런데, 상술한 바와 같이 블레이드부(230)는 초합금이나 티타늄 등으로 제작되기 때문에, 전통적인 기계 가공의 방법으로는 보수가 어렵다. 특히, 손상된 부분을 제거하고 동일한 소재의 쿠폰을 상기 제거된 부분에 결합시키는 경우, 쿠폰을 기계 가공으로 제작하는 것에 어려움이 있으며, 설사 쿠폰을 제작하더라도 일반적인 용접의 방법으로는 주변과 동일한 특성(기계적 강도, 열 크리프 변형 저항 등)을 얻기가 어렵다. 이에 본 발명에서는 초합금이나 티타늄 등 난가공성 부품에 적용 가능한 보수용 쿠폰을 제안하고자 한다.

이하에서는, 도 4 내지 도 7을 참조로, 블레이드부(230)의 압력부(235)에 크랙(C1, C2)이 발생한 경우, 이를 보수하기 위한 쿠폰들(300, 400, 500)에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

다만, 본 발명의 쿠폰들(300, 400, 500)이 가스 터빈(100)의 블레이드부(230)에 생성된 크랙을 보수하는 데에만 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 가스 터빈(100)의 다른 부품들은 물론, 가스 터빈(100) 이외의 기계 설비를 보수하는 데에도 사용될 수 있다. 여기서, 상기 '쿠폰'은 기계 설비의 손상된 일부분을 보수하기 위하여 제작된 보수용 부품을 의미한다.

도 4는 도 3의 A 영역을 보수하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠폰을 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4의 쿠폰을 나타내는 정면도이다. 도 6은 도 3의 B 영역을 보수하는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿠폰을 나타내는 도면이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿠폰을 나타내는 도면이다.

먼저 도 4에 도시된 A 영역은 제1 크랙(C1)이 발생한 영역으로서, 압력부(235)를 관통하는 형태의 보수가 필요한 영역일 수 있다. 즉, 제1 크랙(C1)은 압력부(235)를 관통하거나 또는 관통하지는 않았으나 그 깊이가 깊은 경우를 의미할 수 있다. 이 경우에는, 상기 A 영역에 제1 크랙(C1)을 포함하는 관통공(236a)을 형성하고, 상기 관통공(236a)에 본 발명에 따른 보수용 제1 쿠폰(300)을 삽입하여 상기 A 영역을 보수할 수 있다.

구체적으로, 압력부(235)를 관통하는 관통공(236a)을 형성하여 제1 크랙(C1)을 포함하는 손상 부위를 제거할 수 있다. 이때, 관통공(236a)에는 암 나사산(236b)이 형성될 수 있다. 이는 후술할 제1 쿠폰(300)의 수 나사산(330)과 치합되도록 하기 위함이다.

상기 관통공(236a)에 결합되는 제1 쿠폰(300)은 원기둥 형상의 몸체(310)를 가지며, 그 외주면에는 상기 암 나사산(236b)에 대응하는 수 나사산(320)이 형성될 수 있다.

이 경우에 있어서, 수 나사산(320)의 나사산 개수와 인접한 나사산 사이의 간격은 보수가 필요한 A 영역의 위치와 크기, 관통공(236a)의 깊이, 제1 쿠폰(300)을 제작하는 소재 등에 따라 적절히 선택될 수 있다. 다만, 나사산의 경사각(θ)은 적어도 40° 이상인 것이 바람직하다. 이는 제1 쿠폰(300)이 적층 가공(Additive Manufacturing, AM) 공정을 통해 형성될 수 있는데, 나사산의 경사각(θ)이 너무 작을 경우 적층 가공 공정을 통한 제작이 용이하지 않기 때문이다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

제1 쿠폰(300)은 압력부(235)에 형성된 관통공(236a)에 삽입됨으로써 A 영역에 발생한 손상을 복구할 수 있다. 이 때, 제1 쿠폰(300)의 상면(330)은 압력부(235)의 외측면(235a)과 대응되는 형상을 가지고, 제1 쿠폰(300)의 저면(335)도 압력부(235)의 내측면(235b)과 대응되는 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이는 제1 쿠폰(300)의 상면(330)이나 저면(335)이 압력부(235)의 표면에서 돌출되는 경우, 상기 돌출된 부분에서 유체의 흐름이 원만하지 못하여 열 효율이 떨어질 수 있고, 또한 상기 돌출된 부분에 응력이 집중되어 또 다시 손상이 발생할 우려가 있기 때문이다.

예를 들면, 도 5에 도시된 것처럼 제1 쿠폰(300)의 상면(330)과 저면(350)이 모두 곡면일 수 있다. 그런데, 모재를 자르거나 깎아서 가공하는 전통적인 기계 가공을 통해서는 자유 곡면을 형성하기가 어렵다. 이에 따라, 본 발명에서는 적층 가공(Additive Manufacturing, AM)을 이용하여 제1 쿠폰(300)을 형성한다. 상기 적층 가공은 원료를 층(layer)으로 겹쳐 쌓아서 3차원의 물체를 제작하는 가공 방법으로, 전통적인 기계 가공으로 다루기 힘든 소재, 예를 들면, 초합금이나 티타늄 등을 가공할 수 있으며, 자유 곡면 등 복잡한 형상을 용이하게 제작할 수 있다는 이점이 있다.

상기 적층 가공의 예로서는 레이저를 이용해 분말을 소결 혹은 용해시키는 방식의 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 및 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM), 전자빔을 이용해 분말을 용해시키는 방식의 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM), 직접 물체의 표면에 금속 분말 또는 와이어(Wire)를 공급하며 고출력 레이저 등의 에너지를 가하여 적층하는 직접 에너지 적층(Direct Energy Deposition, DED), 용융된 재료를 적층하는 방식의 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM), 잉크젯 헤드를 이용하여 액체 상태의 접착제를 금속 분말에 선택적으로 분사하여 적층하는 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ) 등이 있다. 상기 적층 가공 방식들은 레이어를 겹겹이 쌓아 최종 제품을 제작하는 방식이기 때문에, 자유 곡면과 같은 복잡한 형상도 용이하게 제작할 수 있다. 다만, 레이어들 간에 급격한 경사가 있는 경우에는 레이어 적층이 어려울 수 있다. 이 때문에, 본 발명에서는 제1 쿠폰(300)의 나사산(320)의 경사각(θ)을 40°이상으로 제안하고 있는 것이다.

일 실시예에 있어서, 제1 쿠폰(300)은 블레이드부(230)와 동일한 소재로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 쿠폰(300)은 초합금이나 티타늄 등으로 제작될 수 있으며, 상기 초합금은 Rene 108과 같은 Rene 합금, CM247, 하스텔로이, 와스팰로이, 헤인즈 합금, 인콜로이, MP98T, TMS 합금, CMSZ 단결정 합금 등을 포함할 수 있다. 다만, 제1 쿠폰(300)이 삽입될 손상부의 위치와 크기, 그 형상 등 필요에 따라서는 제1 쿠폰(300)을 블레이드부(230)와 다른 소재로 형성할 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 제1 쿠폰(300)의 상면(330)에는 제1 쿠폰(300)을 블레이드부(230)의 관통공(236a)에 용이하게 삽입하기 위한 회전구조(331)가 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 회전구조(331)는 십자(+) 형상이나 일자(-) 형상의 홈일 수 있다. 이 경우 상기 회전구조(331)의 형상에 대응하는 공구(도시되지 않음)를 회전구조(331)에 삽입하여 회전시킴으로써, 제1 쿠폰(300)을 관통공(236a)에 용이하게 삽입할 수 있다.

한편, 제1 쿠폰(300) 외주면의 수 나사산(320)은 블레이드부(230)의 암 나사산(236b)에 밀착하여 결합될 수 있다. 다만, 필요에 따라서는 제1 쿠폰(300)의 수 나사산(320)이 블레이드부(230)의 암 나사산(236b)에 경납땜(Brazing) 방식으로 결합될 수도 있다. 이 경우, 나사산(320, 236b) 결합 방식을 통해 충분한 물리적 특성을 확보하면서도, 경남땜을 통해 밀폐력을 확보할 수 있다.

다음으로, 도 6에 도시된 B 영역은 제2 크랙(C2)이 발생한 영역으로서, 크랙의 깊이가 깊지 않은 경우를 의미할 수 있다. 이 경우에는, 압력부(235)를 관통하는 개구를 형성할 필요가 없으므로, 상기 제2 크랙(C2)이 제거될 정도로만 압력부(235)를 제거하면 충분하다. 따라서, 압력부(235)에 상기 제2 크랙(C2)을 포함하는 그루브(236c)를 형성하고, 상기 그루브(236)에 본 발명에 따른 보수용 제2 쿠폰(400)을 삽입하여 상기 B 영역을 보수할 수 있다.

구체적으로, 압력부(235)에 그루브(236c)를 형성하여 제2 크랙(C2)를 포함하는 손상 부위를 제거할 수 있다. 이때, 그루브(236c)에는 암 나사산(236d)이 형성될 수 있다. 이는 후술할 제2 쿠폰(400)의 수 나사산(430)과 치합되도록 하기 위함이다.

한편, 그루브(236c)는 도 4의 관통공(236a)과 동일하게 단면적의 크기가 일정한 형상을 가질 수 있다. 즉, 그루브(236c)에 결합되는 제2 쿠폰(400)이 원통 형상을 가지는 경우이다. 이 경우, 형상의 단순화로 인하여 그루브(236c) 형성이나 제2 쿠폰(400) 제작이 좀 더 용이해질 수 있다.

이와 다르게, 그루브(236c)는 압력부(235)의 외측벽(235c)에서 멀어질수록 그 단면적이 점점 좁아지는 형상을 가질 수도 있다. 이 경우, 그루브(236c)에 결합되는 제2 쿠폰(400)은 원뿔 형상을 가지게 되는데, 보수 영역을 최소화함으로써 보수를 통한 블레이드부(230)의 특성 변화를 최소화할 수 있는 이점이 있다. 이 예가 도 6(b)에 도시되어 있다.

제2 쿠폰(400)은 원뿔 형상의 몸체를 가지며, 그 외주면에는 상기 그루브(236c)의 암 나사산(236d)에 대응하는 수 나사산(430)이 형성될 수 있다. 이 경우, 수 나사산(430)의 나사산 개수와 인접한 나사산 사이의 간격은 보수가 필요한 B 영역의 위치와 크기, 그루브(236c)의 깊이, 제2 쿠폰(400)을 제작하는 소재 등에 따라 적절히 선택될 수 있다. 다만, 나사산의 경사각(θ)은 적어도 40° 이상인 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 4를 참조로 상세히 설명한 바 있다.

제2 쿠폰(400)은 전체적으로 원뿔 형상을 가지기 때문에, 상면(410)은 압력부(235)의 외측면(235a)과 대응되는 형상이고, 그 반대편인 저면(420)은 첨단(pointed part) 형상일 수 있다. 즉, 제2 쿠폰(400)의 상면(410)은 곡면일 수 있다. 이는 제2 쿠폰(400)을 적층 가공 방법을 이용하여 형성하기 때문이며, 이에 대해서는 도 5를 참조로 상세히 설명한 바 있다.

제2 쿠폰(400)은 초합금이나 티타늄 등 블레이드부(230)와 동일한 소재로 제작되거나 또는, 손상부의 위치와 크기, 형상 등 필요에 따라 블레이드부(230)와 다른 소재로 제작될 수도 있다.

또한, 제2 쿠폰(400)의 상면(410)에도 제2 쿠폰(400)을 그루브(236c)에 용이하게 삽입하기 위한 회전구조(도시되지 않음)가 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 회전 구조는 십자(+) 형상이나 일자(-) 형상의 홈일 수 있다. 이 경우 상기 회전구조의 형상에 대응하는 공구(도시되지 않음)를 상기 회전구조에 삽입하여 회전시킴으로써, 제2 쿠폰(400)을 그루브(236c)에 용이하게 삽입할 수 있다.

한편, 쿠폰(300, 400) 상면에 회전구조를 형성하는 것은 쿠폰(300, 400)을 용이하게 회전시키기 위함이다. 그런데, 상기 회전구조는 쿠폰(300, 400)을 이용한 보수 작업이 종료된 이후에도 블레이드부(230)의 표면에 남아있게 된다. 따라서, 외부로 노출된 상기 회전구조가 블레이드부(230)의 열적, 기계적 강성을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있다. 이를 보완하기 위한 실시예가 도 7에 도시되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제3 쿠폰(500)은 원기둥 형상의 몸체(510), 몸체(510)의 외주면에 형성된 수 나사산(520), 및 몸체(510)의 일측에 제거 가능하게 결합된 회전부(530)를 포함한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 몸체(510)는 전체적으로 원기둥 형상을 가지며 그 외주면에는 수 나사산(520)이 구비된다. 몸체(510)의 상면(513)과 저면(515)은 각각 곡면 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 몸체(510)가 원뿔 형상을 가지며, 그 상면(513)은 곡면 형상을 가지되 저면(515)은 뾰족한 첨단(pointed part)일 수도 있다. 회전부(530)는 외부로 노출되는, 쿠폰(500)의 상면(513)에 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 회전부(530)는 상기 회전 구조가 구비된 회전부 상면(531), 및 몸체(510)의 상면(513)에 연결된 회전부 저면(533)을 포함할 수 있다. 이 때, 회전부 저면(533)의 단면적은 몸체(510) 상면(513)의 단면적보다 더 작을 수 있다. 작업자는 회전부 상면(531)의 상기 회전구조에 적절한 공구를 삽입하여 회전시킴으로써 제3 쿠폰(500)을 용이하게 회전시킬 수 있고, 손상부가 제거된 블레이드부(230)를 용이하게 보수할 수 있다. 제3 쿠폰(500)의 몸체(510)가 블레이드부(230) 내부로 완전히 삽입된 이후, 작업자는 외부로 돌출된 회전부(530)를 제거할 수 있다. 이 때, 회전부 저면(533)의 단면적이 몸체(510) 상면(513)의 단면적보다 더 작기 때문에, 적은 힘으로도 용이하게 회전부(530)를 몸체(510)에서 제거할 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 표면 연마 작업을 추가로 수행함으로써, 회전부(530)를 완전히 제거할 수 있다. 이에 따라, 블레이드부(230) 표면에 어떠한 홈(회전구조)을 잔류시키지 않으면서 크랙(C1, C2) 보수 작업을 완료할 수 있게 된다.

일 실시예에 있어서, 회전부(530)는 노치(notch) 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 회전부(530)는 회전구조가 구비된 회전부 상면(531), 몸체(510)에 연결된 회전부 저면(533), 및 회전부 상면(531)과 회전부 저면(533)보다 단면적의 넓이가 더 작은 노치부(535)를 포함할 수 있다. 이 경우, 노치부(535)에 힘을 가함으로써 회전부(530)를 몸체(510)에서 용이하게 제거할 수 있다. 이후 필요에 따라 표면 연마 작업을 추가로 수행함으로써, 회전부(530)를 완전히 제거할 수 있다.

이와 같이 노치부(535)를 별도로 형성하는 것은, 회전부(530)를 제거하는 과정에서 몸체(510)에 손상이 발생하는 것을 방지하기 위함이다. 회전부(530)가 몸체(510)에서 떨어져 나갈 때, 몸체(510) 상면(513) 일부도 함께 떨어져 나갈 수 있는데, 별도의 노치부(535)를 형성함으로써 이러한 손상을 방지할 수 있는 것이다.

일 실시예에 있어서, 몸체(510)와 회전부(530)는 서로 다른 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몸체(510)와 수 나사산(520)은 블레이드부(230)와 동일한 초합금 내지 티타늄 등으로 제작될 수 있고, 회전부(530)는 제거가 용이한 연성 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다.

상술한 바와 같이, 적층 가공(AM) 방식으로 제작된 본 발명의 보수용 쿠폰(300, 400, 500)들은 난가공성 소재를 이용하여 정밀한 형상으로 제작될 수 있다. 따라서, 초합금이나 티타늄 등으로 제작된 가스 터빈의 블레이드처럼 특수한 설비를 보수하는데 이용될 수 있으며, 손상부의 표면이 곡면인 부분에도 적용될 수 있다. 또한, 쿠폰(300, 400, 500)의 외주면에는 나사산을 형성하여 손상부에 대한 쿠폰(300, 400, 500)의 결합력을 증가시킬 수 있다. 또한, 쿠폰(500)에 노치 형상의 회전부(530)를 구비함으로써, 쿠폰(500)을 용이하게 회전시키면서도, 보수 작업 이후에는 회전부(530)를 용이하게 제거할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 가스 터빈 104: 연소기
106: 디퓨저 110: 압축기 섹션
120: 터빈 섹션 130: 토크 튜브
140: 압축기 로터 디스크 150: 타이로드
180: 터빈 로터 디스크 200: 터빈 블레이드
210: 플랫폼부 220: 루트부
230: 블레이드부 231: 리딩 엣지
233: 트레일링 엣지 235: 압력부
237: 흡입부
300, 400, 500: 제1 내지 제3 쿠폰들

Claims (15)

1. 기계 설비의 손상부를 대체하도록 상기 손상부가 제거된 영역에 삽입되는 보수용 쿠폰으로서,
   상기 기계 설비의 손상부가 제거된 영역에 삽입되는 몸체; 및
   상기 몸체의 외주면에 형성된 나사산을 포함하되,
   상기 손상부가 형성된 상기 기계 설비의 표면은 곡면 형상을 가지는 한편 상기 기계 설비의 표면에 노출되는 상기 몸체의 상면은 상기 기계 설비의 표면에 대응하는 곡면 형상을 가지고,
   상기 몸체는 원뿔 형상으로서, 상기 기계 설비의 손상부가 제거된 영역 및 상기 보수용 쿠폰의 몸체는 상기 기계 설비를 관통하지 않으며,
   상기 몸체의 상면에서 돌출되고, 상기 몸체와 서로 상이한 소재인 회전부를 더 포함하고,
   상기 회전부는
   상기 몸체를 회전시키기 위한 회전부 상면;
   상기 몸체에 연결되는 회전부 저면; 및
   상기 회전부 상면과 상기 회전부 저면의 사이에서 형성되고, 상기 회전부 상면과 상기 회전부 저면보다 단면적의 넓이가 더 작은 노치부를 포함하고,
   상기 노치부는
   상기 회전부 상면으로부터 상기 노치부로 갈수록 단면적의 넓이가 점점 작아지고, 상기 노치부로부터 상기 회전부 저면으로 갈수록 단면적의 넓이가 점점 커지는 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
2. 제1항에 있어서, 상기 기계 설비와 상기 보수용 쿠폰은 동일한 소재인 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
3. 제2항에 있어서, 상기 기계 설비와 상기 보수용 쿠폰은 초합금 또는 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
4. 제3항에 있어서, 상기 몸체 및 상기 나사산은 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
5. 제4항에 있어서, 상기 적층 가공 공정은 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering), 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting), 전자빔 용해(Electron Beam Melting), 직접 에너지 적층(Direct Energy Deposition), 접착제 분사방식(Binder Jetting), 및 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling) 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 나사산의 경사각은 40° 이상인 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
10. 제1항에 있어서,
    상기 회전부의 상면에는 공구를 삽입하여 상기 몸체를 회전시키기 위한 홈이 구비되고,
    상기 몸체에 연결된 상기 회전부의 저면이 상기 몸체의 상면보다 단면적이 더 작은 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제1항에 있어서, 상기 기계 설비는 가스 터빈의 터빈 블레이드인 것을 특징으로 하는 기계 설비의 보수용 쿠폰.
14. 삭제
15. 삭제

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