KR102480317B1 - 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치 - Google Patents

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turbine rotor
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강현기
정택호
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터보파워텍(주)
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Abstract

본 발명은 터빈로터 레이저 클래딩 수리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈로터를 고정장착 및 회전이 가능하도록 제작된 지그장치와, 상기 지그장치의 일측에 설치되어 지그장치에 고정장착된 터빈로터의 손상된 저널부를 레이저 클래딩으로서 수리하는 용접로봇장치로 구성되어 있는 것이 특징인 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치에 관한 것이다.
따라서, 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치는 터빈로터를 고정장착 및 회전이 가능하도록 설계된 지그장치에 장착하고, 상기 지그장치의 일측에 설치된 용접로봇에 의해 지그장치에 고정장착된 터빈로터를 수리하도록 함으로써 기계가공 및 레이저 클래딩을 통한 육성용접 그리고 수리 후, 터빈로터의 변형 및 뒤틀림 등 검사를 지그장치 내에서 효율적으로 진행할 수 있도록 하여 매공정마다 터빈로터의 이동 또는 고정장착하는 번거로움 등을 없앰으로써 터빈로터의 수리공정에서의 비용 절감 및 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만아니라, 용접로봇에 의해 터빈로터의 수리가 이루어지기 때문에 제어부에 설정된 공정순서에 따른 정확하고 효율적인 수리작업이 이루어질 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치{Laser cladding automation device for turbine rotor repair}
본 발명은 터빈로터 레이저 클래딩 수리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접로봇과 지그장치를 이용한 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치에 관한 것이다.
터빈은 유체 흐름으로부터 에너지를 추출하여 유용한 일로 변환하는 회전식 기계장치이다. 이러한 터빈에는 익형(블레이드)이 부착된 회전축이 있는데, 이를 로터(rotor)라고 한다.
운전 중에 로터는 고온·고압의 부하에서 익형의 고속회전에 의해 발생되는 원심력으로 인해 진동과 열응력을 적절하게 관리해야 한다.
즉, 익형(블레이드)과 더불어 로터(회전축)는 가장 크게 응력이 발생하는 부분이어서 강성이 충분해야 하고, 진동을 유발하지 않도록 무게 중심이 균일하여야 한다.
로터 저널부는 고속회전과 진동에 의해 정비주기 또는 예상치 못한 진동에 의해 저널부 마모 손상 수리는 필수적이다. 손상 수리에 대한 종래 기술은 로터 저널부의 손상부위를 기계적으로 가공한 후 저널의 외경이 작아진 만큼 저널 베어링 내경을 작게 제작하여 수리하고 있다.
그러나 육성용접은 용접 시 높은 열에 의해 모재가 변형되고, 용융된 용가재의 급속 응고에 의한 수축으로 크랙이 발생하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 입열량이 적은 레이저 클래딩 육성 용접이 널리 사용되고 있으나, 육성 후 열처리 시 로터의 변형을 방지하기 위해 로터를 수직으로 매달아 열처리해야 하는 불편함이 있다.
특히, 종래의 로터수리공정은 일반적으로 로터를 고정한 후, 작업자가 직접 로터의 손상된 저널부를 파악하여 수리하기 때문에 터빈로터의 변형 및 뒤틀림 등의 정밀한 검사가 어려우며, 또한 터빈로터의 이동 또는 고정장착하는 번거로움과 더불어 터빈로터의 수리공정이 복잡하며, 비용이 많이 들고 시간도 매우 오래 걸린다는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2201477호(등록일자 2021년 01월 06일) 대한민국 등록특허공보 제10-0624996호(등록일자 2006년 09월 11일) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0088611호(공개일자 2014년 07월 10일) 대한민국 등록특허공보 제10-0612532호(등록일자 2006년 08월 07일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 터빈로터를 고정장착 및 회전이 가능하도록 설계된 지그장치에 장착하고, 상기 지그장치의 일측에 설치된 용접로봇에 의해 지그장치에 고정장착된 터빈로터를 회전시키면서 수리하도록 함으로써 수작업에 의해 터번로터를 수리하는 기존의 공정에 비해 보다 정확하고 효율적으로 수리할 수 있는 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치는 터빈로터를 고정장착 및 회전이 가능하도록 제작된 지그장치와, 상기 지그장치의 일측에 설치되어 지그장치에 고정장착된 터빈로터의 손상된 저널부를 레이저 클래딩으로서 수리하는 용접로봇장치로 구성되어 있는 것이 특징이다.
따라서, 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치는 터빈로터를 고정장착 및 회전이 가능하도록 설계된 지그장치에 장착하고, 상기 지그장치의 일측에 설치된 용접로봇에 의해 지그장치에 고정장착된 터빈로터를 수리하도록 함으로써 기계가공 및 레이저 클래딩을 통한 육성용접 그리고 수리 후, 터빈로터의 변형 및 뒤틀림 등 검사를 지그장치 내에서 효율적으로 진행할 수 있도록 하여 매공정마다 터빈로터의 이동 또는 고정장착하는 번거로움 등을 없앰으로써 터빈로터의 수리공정에서의 비용 절감 및 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만아니라, 용접로봇에 의해 터빈로터의 수리가 이루어지기 때문에 제어부에 설정된 공정순서에 따른 정확하고 효율적인 수리작업이 이루어질 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치 사시도.
도 2는 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치의 또 다른 측면의 사시도.
도 3은 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치의 지그장치와 터빈로터의 관계 개요도.
도 4는 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치의 동작 상태도.
본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치는 터빈로터(200)를 고정장착 및 회전이 가능하도록 제작된 지그장치(100)와, 상기 지그장치(100)의 일측에 설치되어 지그장치(100)에 고정장착된 터빈로터(200)의 손상된 저널부를 레이저 클래딩으로서 수리하는 용접로봇장치(300)로 구성되어 있는 것이 특징이다.
상기 용접로봇장치(300)는 지그장치(100)의 전방측 지면에 터빈로터(200)의 길이방향을 따라 길게 안착되어 있는 베이스플레이트(310)와, 상기 베이스플레이트(310)의 상면에 베이스플레이트(310)의 길이방향을 따라 길게 돌출되어 있는 가이드레일(311)과, 상기 가이드레일(311)에 안착되어 가이드레일(311)을 따라 직선이동하는 이동프레임(320)과, 상기 이동프레임(320)의 상면에 설치되어 용접시 필요한 환경설정 및 모든 구성품을 제어하는 제어부(330)와, 상기 제어부(330)의 상면에 설치되어 있는 회전프레임(340)과, 상기 회전프레임(340)의 상면에 설치되어 레어저클래딩 용접하는 용접로봇(350)으로 구성되어 있는 것이 특징이다.
그리고 상기 지그장치(100)는 지면에 안착되어 있는 베이스플레이트(110)와, 상기 베이스플레이트(110)의 양단에 각각 직립하도록 설치되는 고정프레임(120) 및 가동프레임(130)과, 가동프레임(130)에 대향하는 고정프레임(120)의 일면에 터빈로터(200)를 고정 및 회전구동하게 구성된 구동부(140)와, 상기 고정프레임(120)에 대향하는 가동프레임(130)의 일면에 터빈로터(200)를 고정하여 공회전하게 구성된 피동부(150)로 구성된 것이 특징이다.
또한, 상기 베이스플레이트(110)의 상면에는 고정프레임(120)과 가동프레임(130) 간을 가로지르게 제1가이드레일(111)이 형성되고, 상기 가동프레임(130)은 제1가이드레일(111)에 안착되어 직선운동하게 되며, 상기 제1가이드레일(111) 상에는 제1가이드레일(111)을 따라 이동할 수 있는 이동프레임(170)이 장착되고, 상기 이동프레임(170)의 상면에는 터빈로터(200)의 하면을 지지하도록 지지프레임(160)이 장착되어 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 지지프레임(160)의 상면은 반원형상의 홈이 형성되고, 상기 홈에는 베어링이 장착됨으로써 터빈로터(200)의 회전구동이 원할하도록 하되, 상기 지지프레임(160)은 유압 또는 공압으로 구동되는 실린더 구조로 형성되어 있는 것이 특징이다.
이하, 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치 사시도, 도 2는 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치의 또 다른 측면의 사시도, 도 3은 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치의 지그장치와 터빈로터의 관계 개요도, 도 4는 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치의 동작 상태도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 터빈로터(200)를 고정장착 및 회전이 가능하도록 제작된 지그장치(100)와, 상기 지그장치(100)의 일측에 설치되어 지그장치(100)에 고정장착된 터빈로터(200)의 손상된 저널부를 레이저 클래딩으로서 수리하는 용접로봇장치(300)로 구성되어 있는 것이 특징인 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치에 관한 것이다.
다시 말해, 본 발명은 저널부가 손상된 터빈로터(200)를 지그장치(100)에 고정장착한 후, 레이저 클래딩 용접가능한 용접로봇장치(300)에 의해 터빈로터(200)의 손상된 저널부를 수리하도록 한 것이다.
상기 용접로봇장치(300)는 지그장치(100)의 전방측에 설치되어 있다.
더욱 상세하게는, 상기 용접로봇장치(300)는 지그장치(100)의 전방측 지면에 터빈로터(200)의 길이방향을 따라 길게 안착되어 있는 베이스플레이트(310)와, 상기 베이스플레이트(310)의 상면에 베이스플레이트(310)의 길이방향을 따라 길게 돌출되어 있는 가이드레일(311)과, 상기 가이드레일(311)에 안착되어 가이드레일(311)을 따라 직선이동하는 이동프레임(320)과, 상기 이동프레임(320)의 상면에 설치되어 용접시 필요한 환경설정 및 모든 구성품을 제어하는 제어부(330)와, 상기 제어부(330)의 상면에 설치되어 있는 회전프레임(340)과, 상기 회전프레임(340)의 상면에 설치되어 있는 레어저클래딩 용접용 용접로봇(350)으로 구성되어 있다.
즉, 지면에 터빈로터(200)의 길이방향에 나란한 방향으로 길이를 지닌 베이스플레이트(310)가 안착된다.
상기 베이스플레이트(310)의 상면에는 베이스플레이트(310)의 길이방향을 따라 길게 돌출형성된 가이드레일(311)이 형성된다.
상기 가이드레일(311)은 필요에 따라 하나 또는 복수 개가 나란하게 형성되도록 할 수 있다.
상기 가이드레일(311)에는 가이드레일(311)을 따라 직선이동할 수 있는 이동프레임(320)이 안착되며, 상기 이동프레임(320)의 상면에는 이동프레임(320)의 동작을 제어하는 제어부(330)가 장착된다.
그리고 상기 제어부(330)의 상면에는 레이저클래딩 용접이 가능한 용접로봇(350)이 설치된다.
이에, 상기 용접로봇(350)의 제어부(330)에 설정된 명령에 의해 이동프레임(320)을 따라 터빈로터(200)의 길이방향을 따라 직선이동하면서 터빈로터(200)의 손상된 저널부를 수리할 수 있게 된다.
한편, 상기 제어부(330)와 용접로봇(350) 사이에 회전프레임(340)을 구성함으로써 용접로봇(350)을 이동프레임(320)에 의해 직선이동하면서 또한 회전프레임(340)에 의해 360° 자유롭게 회전이 가능하도록 하였다.
상기 제어부(330)에 의해 구동하는 용접로봇(350)은 다관절 형태의 용접로봇(350)으로서 이는 널리 공지된 관용의 구성이기에 용접로봇(350)의 상세한 설명은 생략하도록 하며, 본 발명의 도면에 제시된 형태 및 구성에 한정하지 않고 주변 환경 및 수리할 터빈로터(200)의 형태 및 사양에 따라 적합한 용접로봇(350)으로 교체하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 지그장치(100)는 지면에 안착되어 있는 베이스플레이트(110)와, 상기 베이스플레이트(110)의 양단에 각각 직립하도록 설치되는 고정프레임(120) 및 가동프레임(130)과, 가동프레임(130)에 대향하는 고정프레임(120)의 일면에 터빈로터(200)를 고정 및 회전구동하게 구성된 구동부(140)와, 상기 고정프레임(120)에 대향하는 가동프레임(130)의 일면에 터빈로터(200)를 고정하여 공회전하게 구성된 피동부(150)로 구성된 것이다.
터빈로터(200)를 회전구동하는 구성의 구동부(140)와 터빈로터(200)를 고정하여 공회전하는 구성의 피동부(150)는 선삭작업에 사용되는 선반의 원리와 동일하기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.
그리고 상기 베이스플레이트(110)의 상면에는 고정프레임(120)과 가동프레임(130) 간을 가로지르게 제1가이드레일(111)이 형성되어 있어 상기 가동프레임(130)은 제1가이드레일(111)에 안착되어 직선운동을 할 수 있게 된다.
상기 가동프레임(130)이 가동되는 제1가이드레일(111)에는 가동프레임(130)의 이탈을 방지하기 위한 스토퍼(112)를 장착하도록 한다.
또한, 상기 터빈로터(200)를 단순히 구동부(140)와 피동부(150)에 의존해서 고정하기에는 터빈로터(200)를 상단한 하중을 지니고 있어 모터의 과부하 또는 터빈로터(200)의 처짐현상이 발생할 수 있기에 상기 제1가이드레일(111) 상에는 제1가이드레일(111)을 따라 이동할 수 있는 이동프레임(170)이 장착되고, 상기 이동프레임(170)의 상면에는 터빈로터(200)의 하면을 지지하도록 지지프레임(160)이 장착되도록 하였다.
특히, 이동프레임(170)의 이동을 통한 지지프레임(160)을 이동시켜 터빈로터(200)의 가장 안정된 부분에 지지프레임(160)을 지지시킬 수 있을 것이다.
이때, 상기 지지프레임(160)의 상면은 반원형상의 홈이 형성하고, 상기 홈에는 베어링을 장착함으로써 터빈로터(200)의 회전구동시 마찰이 발생하지 않도록 하여 더욱더 원활한 회전구동이 되도록 하였다.
또한, 상기 지지프레임(160)은 유압 또는 공압으로 구동되는 실린더 구조로 형성하게 되면 지지프레임(160)의 상하이동으로 인해 터빈로터(200)의 하면측 표면에 더욱 안정적으로 지지할 수 있을 것이다.
한편, 상기 고정프레임(120)과 가동프레임(130)의 상단에는 각각 제1수직프레임(121)과 제2수직프레임(131)을 연장현성하되, 상기 제1수직프레임(121)과 제2수직프레임(131) 간에는 제2가이드레일(180)을 형성하고, 상기 제2가이드레일(180)에는 터빈로터(200)의 저널부를 검사하는 검사수단(190)을 장착할 수 있도록 함으로써 터빈로터(200)의 저널부를 검사할 수 있도록 하였다.
더욱 바람직하게는 상기 제2수직프레임(131)에는 터빈로터(200)에 나란한 방향으로 관통홀을 형성하여 제2가이드레일(180)의 일단은 제1수직프레임(121)에 고정되도록 하고, 타단은 제2수직프레임(131)에 형성된 관통홀을 관통하도록 체결함으로써 가동프레임(130)의 이동에 따른 제2가이드레일(180)과의 간섭이 되는 것을 방지하였다.
상기 검사수단(190)으로는 레이저장치를 사용할 수 있는 것으로, 상기 레이저장치에서 조사되는 레이저를 터빈로터(200)의 저널부에 조사하고, 터빈로터(200)를 회전구동시키게 되면 터빈로터(200)의 변형 또는 뒤틀림 및 편심정도를 파악할 수 있을 것이다.
특히, 상기 검사수단(190)는 제2가이드레일(180) 상에 복수 개를 장착할 수 있되, 각각의 검사수단(190)은 제2가이드레일(180)을 따라 이동할 수 있도록 함으로써 검사를 원하고자 하는 터빈로터(200)의 저널부의 상부로의 이동이 원할하게 이루어지게 된다.
상기 검사수단(190)이 제2가이드레일(180)을 따라 이동하는 것은 기어모터 등의 사용할 수 있으며, 이는 널리 공지된 관용의 수단이기에 상세한 설명은 생략하였다.
상술한 바와 같은 본 발명에 기술된 용접로봇장치(300)와 지그장치(100)는 도면에 표기된 형상 및 구성에 한정하지 않고 본원발명의 권리범위에 속하는 범위내에서 그 형상의 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치는 터빈로터를 고정장착 및 회전이 가능하도록 설계된 지그장치에 장착하고, 상기 지그장치의 일측에 설치된 용접로봇에 의해 지그장치에 고정장착된 터빈로터를 수리하도록 함으로써 기계가공 및 레이저 클래딩을 통한 육성용접 그리고 수리 후, 터빈로터의 변형 및 뒤틀림 등 검사를 지그장치 내에서 효율적으로 진행할 수 있도록 하여 매공정마다 터빈로터의 이동 또는 고정장착하는 번거로움 등을 없앰으로써 터빈로터의 수리공정에서의 비용 절감 및 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만아니라, 용접로봇에 의해 터빈로터의 수리가 이루어지기 때문에 제어부에 설정된 공정순서에 따른 정확하고 효율적인 수리작업이 이루어질 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
100. 지그장치
110. 베이스플레이트 111. 제1가이드레일 112. 스토퍼
120. 고정프레임 121. 제1수직프레임
130. 가동프레임 131. 제2수직프레임
140. 구동부
150. 피동부
160. 지지프레임
170. 이동프레임
180. 제2가이드레일
190. 검사수단
200. 터빈로터
300. 용접로봇장치
310. 베이스플레이드 311. 가이드레일
320. 이동프레임
330. 제어부
340. 회전프레임
350. 용접로봇

Claims (5)

  1. 터빈로터(200)를 고정장착 및 회전이 가능하도록 제작된 지그장치(100)와, 상기 지그장치(100)의 일측에 설치되어 지그장치(100)에 고정장착된 터빈로터(200)의 손상된 저널부를 레이저 클래딩으로서 수리하는 용접로봇장치(300)로 구성되어 있는 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치에 있어서,
    상기 지그장치(100)는 지면에 안착되어 있는 베이스플레이트(110)와, 상기 베이스플레이트(110)의 양단에 각각 직립하도록 설치되는 고정프레임(120) 및 가동프레임(130)과, 가동프레임(130)에 대향하는 고정프레임(120)의 일면에 터빈로터(200)를 고정 및 회전구동하게 구성된 구동부(140)와, 상기 고정프레임(120)에 대향하는 가동프레임(130)의 일면에 터빈로터(200)를 고정하여 공회전하게 구성된 피동부(150)로 구성되어 있는 것으로,
    상기 베이스플레이트(110)의 상면에는 고정프레임(120)과 가동프레임(130) 간을 가로지르게 제1가이드레일(111)이 형성되어 있되, 상기 가동프레임(130)은 제1가이드레일(111)에 안착되어 직선운동하게 되며,
    상기 고정프레임(120)과 가동프레임(130) 사이의 제1가이드레일(111) 상에는 제1가이드레일(111)을 따라 이동하는 한 쌍의 이동프레임(170)이 장착되어 있되, 각각의 이동프레임(170)의 상면에는 유압 또는 공압으로 구동되는 실린더 구조의 지지프레임(160)이 터빈로터(200)의 하면을 지지할 수 있도록 장착되어 있는 것으로,
    상기 지지프레임(160)의 상면은 반원형상의 홈이 형성되어 상기 홈에는 베어링이 장착됨으로써 터빈로터(200)의 회전구동이 원할하도록 하며,
    상기 고정프레임(120)과 가동프레임(130)의 상단에는 각각 제1수직프레임(121)과 제2수직프레임(131)을 연장현성하되, 상기 제1수직프레임(121)과 제2수직프레임(131) 간에는 제2가이드레일(180)을 형성하고, 상기 제2가이드레일(180)에는 터빈로터(200)의 저널부를 검사하는 검사수단(190)을 장착할 수 있도록 함으로써 터빈로터(200)의 저널부를 검사할 수 있도록 한 것으로,
    상기 검사수단(190)은 제2가이드레일(180) 상에 복수 개를 장착할 수 있되, 각각의 검사수단(190)은 제2가이드레일(180)을 따라 이동할 수 있도록 함으로써 검사를 원하고자 하는 터빈로터(200)의 저널부의 상부로의 이동이 원할하게 이루어지도록 하며,
    상기 제2수직프레임(131)에는 터빈로터(200)에 나란한 방향으로 관통홀을 형성하여 제2가이드레일(180)의 일단은 제1수직프레임(121)에 고정되도록 하고, 타단은 제2수직프레임(131)에 형성된 관통홀을 관통하도록 체결함으로써 가동프레임(130)의 이동에 따른 제2가이드레일(180)과의 간섭이 되는 것을 방지한 것이 특징인 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접로봇장치(300)는 지그장치(100)의 전방측 지면에 터빈로터(200)의 길이방향을 따라 길게 안착되어 있는 베이스플레이트(310)와, 상기 베이스플레이트(310)의 상면에 베이스플레이트(310)의 길이방향을 따라 길게 돌출되어 있는 가이드레일(311)과, 상기 가이드레일(311)에 안착되어 가이드레일(311)을 따라 직선이동하는 이동프레임(320)과, 상기 이동프레임(320)의 상면에 설치되어 용접시 필요한 환경설정 및 모든 구성품을 제어하는 제어부(330)와, 상기 제어부(330)의 상면에 설치되어 있는 회전프레임(340)과, 상기 회전프레임(340)의 상면에 설치되어 있는 레어저클래딩 용접용 용접로봇(350)으로 구성되어 있는 것이 특징인 터빈로터 수리용 레이저 클래딩 자동화장치
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