KR102530268B1 - 3d프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 컴프레서와 터빈 사이의 로터 외벽에 장착되어 있으며 가스터빈 운전중에 가스터빈의 버너에서 연소된 고온고압 가스가 로터에 전달되지 못하도록 열과 가스의 누설을 차단(shield)하는 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열차단 세그먼트는 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법은 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조함으로써 소재와 가공비를 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 또한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트를 3D프린팅으로 제작하기에 사용환경에 따라 세그먼트의 형상을 다양하게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법은 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조함으로써 소재와 가공비를 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 또한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트를 3D프린팅으로 제작하기에 사용환경에 따라 세그먼트의 형상을 다양하게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
Description
본 발명은 컴프레서와 터빈 사이의 로터 외벽에 장착되어 있으며 가스터빈 운전중에 가스터빈의 버너에서 연소된 고온고압 가스가 로터 샤프트에 전달되지 못하도록 열과 가스의 누설을 차단(shield)하는 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법에 관한 것이다.
가스터빈의 고온부품은 고온고압의 혹독한 조건에서 특히 높은 터빈입구온도(TIT, Turbine Inlet Temperature) 1100∼1600℃에서 장시간 운용되기 때문에 열적 진동 피로 및 고온 크리프에 따른 열화를 받기 때문에 고온에서 기계적 특성이 우수하고, 크리프 저항이 높으면서 내부식 및 내산화성이 높은 초합금들이 사용되고 있다.
이들 초합금은 Hastelloy, IN 738, IN 792, IN 939, Rene 45, Rene 71, Rene 80, Rene 142, Mar M247, CM 247, ECY 768, CMSX-4 등이 사용되고 있다.
초합금의 성분 중 알루미늄(Al)과 타이타늄(Ti)은 고온에서 감마 프라임을 형성하여 고온 특성을 향상시키지만, 손상된 터빈 고온부품을 용융접합 수리시 크랙을 유발하기 때문에 용접할 때 입열량을 조절하는 것은 매우 중요한 공정이 될 수 있다.
일반적으로 아크용접은 레이저 클래딩에 비해 입열량이 높아 도 1의 알루미늄과 타이타늄 함량에 따른 용접민감도를 나타낸 그래프에서 보는 바와 같이 경계선 기준으로 알루미늄(Al) 3wt%와 타이타늄(Ti) 6wt% 선의 위에 있는 IN 738, IN 939, Mar M247 등 이들 합금에 아크용접을 적용하면 감마 프라임 팽창에 의해 시효크랙이 발생하게 된다.
따라서, 모재로의 입열량이 적은 레이저 클래딩에 의한 수리 및 제조 기술이 개발되고 있다.
본 발명에서는 가스터빈의 고온부품 중 로터 열차단 세그먼트(Rotor Heat Shield Segment)를 제조하는 공정에 관한 것으로 종래의 제조공법은 도 2에 도시된 바와 같이 진공주조로 그 공정은 왁스금형 --> 왁스패턴 사출 --> 트리 조립 --> 코팅 --> 디왁싱 --> 소성 --> 주조 --> 탈사 --> 절단 --> 열처리 등 제조 공정이 매우 복잡하고, 특히 로터와 체결하는 홈 부분에 게재물 또는 에어포켓 등 주조불량이 발생하여 제조단가가 높은 문제점이 있었다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해 본 발명에서는 로터 열차단 세그먼트를 제조함에 있어 부품의 체적을 대부분을 차지하면서 고온의 가스가 지나가는 로터의 외벽 통로 부분(유동경로)은 종래의 주조방법으로 제작하고 전방레일과 후방레일의 홈부는 3D 레이저 클래딩으로 초합금을 적층해서 제조하면 로터와 체결하는 홈 부분의 불량을 줄일 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 가스터빈 로터 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 진공주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조함으로써 소재와 가공비를 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있는 제조방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법은 상기 로터 열차단 세그먼트는 로터 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 진공주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조하는 것이 특징이다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법은 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 진공주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조함으로써 소재와 가공비를 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 또한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트를 3D프린팅으로 제작하기에 사용환경에 따라 세그먼트의 형상을 다양하게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 알루미늄과 타이타늄 함량에 따른 크랙 민감도를 나타낸 그래프.
도 2는 종래의 진공주조에 의한 로터 열차단 세그먼트 제조 공정도.
도 3은 종래의 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 공정도.
도 4는 본 발명 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조 공정도.
도 5는 본 발명 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 사시도.
도 2는 종래의 진공주조에 의한 로터 열차단 세그먼트 제조 공정도.
도 3은 종래의 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 공정도.
도 4는 본 발명 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조 공정도.
도 5는 본 발명 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 사시도.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법은 상기 로터 열차단 세그먼트(100)는 로터 열차단 세그먼트(100)의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조하는 것이 특징이다.
상기 로터 열차단 세그먼트(100)는 내부에 복수 개의 냉각 유로(150)가 형성되어 있는 판재형상의 세그먼트 몸체(110)의 좌우측 양단은 타 구성품과의 결속을 위한 후크부(120)와 엔드월(Endwall)(130)이 돌출형성되어, 상기 후크부(120)와 엔드월(130)에 의해 세그먼트 몸체(110)의 상면은 압축공기가 유입되는 공간인 챔버(140)가 형성되어 있는 것으로, 상기 세그먼트 몸체(110)는 진공주조로 제조되고, 나머지 부분은 3D프린팅으로 제조되는 것이 특징이다.
그리고 상기 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조할 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조시 초음파 진동을 가할 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조시 적층분말에 원적외선을 가할 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 후크부(120)와 엔드월(130) 사이에는 복수 개의 보강리브(160)를 형성하되, 상기 보강리브(160)는 3D프린팅으로 제조하는 것이 특징이다.
이하, 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조 공정도, 도 5는 본 발명 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 열차단 세그먼트(100)는 내부에 복수 개의 냉각 유로(150)가 형성되어 있는 판재형상의 세그먼트 몸체(110)의 좌우측 양단에 일측은 케이싱에 결속되는 후크부(120)가 돌출형성되고, 타단은 베인에 결합되는 엔드월(Endwall)(130)이 형성되어 있다.
상기 로터 열차단 세그먼트(100)는 내부에 복수 개의 냉각 유로(150)가 형성되어 있는 판재형상의 세그먼트 몸체(110)의 좌우측 양단은 타 구성품과의 결속을 위한 후크부(120)와 엔드월(Endwall)(130)이 돌출형성되어 있다.
이에, 상기 후크부(120)와 엔드월(130)에 의해 세그먼트 몸체(110)의 상면은 압축공기가 유입되는 공간인 챔버(140)가 자연스럽게 형성되게 된다.
더욱 바람직하게는 본 발명에서는 열차단 세그먼트(100)의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 진공주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조하는 것이다.
특히, 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조할 수 있다.
또한, 3D프린팅에 의한 적층 또는 브레이징에 의한 접합시 초음파 진동을 가할 수도 있다.
초음파 진동은 2KHz∼100MHz 사이로 하도록 한다.
그리고 원적외선 파장은 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 세그먼트 몸체(110)의 온도를 100∼900℃ 내로 유지하면서 3D프린팅을 통한 적층을 수행하는 것이 특징이다.
더욱 상세하게는, 최적의 초음파를 적층부에 전달하기 위해서 적층부로부터 0.5∼2000mm 이내 떨어진 곳에 진동자(도면 미도시)를 부착하여 모재인 세그먼트 몸체(110)에 진동을 주면서 3D프린팅을 통한 적층을 수행한다.
즉, 진동자는 용접되는 지점으로부터는 0.5∼2000mm 이내 떨어진 세그먼트 몸체(110)의 표면에 접촉시키도록 한다.
상술한 바와 같이 초음파 진동과 동시에 3D프린팅을 통해 적층할 경우 장점은 적층부에 기공율을 0.01% 이하로 감소시킴과 동시에 결정립의 크기를 기존 레이저 클래딩 보다 50% 이하로 작게 하기 때문에 기계적 특성(경도, 강도, 마모, 피로)이 증가하는 장점이 있다.
용융 온도가 높은 인코넬 초내열 소재의 경우 응고속도를 조절하기 위해 원적외선 히터 파장은 10∼1000마이크론(㎛)을 사용하여 모재의 온도를 100∼900℃ 내로 유지하면서 3D프린팅을 통한 적층을 수행하도록 한다.
열차단 세그먼트(100)의 제조시 사용되는 3D프린팅 방법은 레이저 클래딩을 통한 적층하는 방법과 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)공법을 통한 적층방법 중 택일하도록 한다.
WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)공법은 와이어 형태의 재료를 아크 열원을 이용해 용접하고 적층하는 공법이다.
또한, 진공주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)와 레이저 클래딩에 의한 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합시 서로 접촉되는 단부면 중 어느 하나에는 돌출된 삽입돌기(도면 미도시)를 형성하고, 삽입돌기에 대응하는 타측의 단부면에는 삽입돌기가 삽입될 수 있는 삽입홈을 형성하여 레고블록처럼 조립후 브레이징으로 접합하게 되면 더욱 견고한 결합관계를 유지할 수 있을 것이다.
그리고 세그먼트 몸체(110)와 후크부(120) 및 엔드월(130)이 더욱 견고해지도록 상기 후크부(120)와 엔드월(130) 사이에는 복수 개의 보강리브(160)를 형성하되, 상기 보강리브(160)는 3D프린팅으로 제조하도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법은 열차단 세그먼트의 단순화된 형상으로 이루어진 부분은 진공주조로 제조하고, 복잡한 형상으로 이루어진 부분은 3D프린팅으로 제조함으로써 소재와 가공비를 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 또한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트를 3D프린팅으로 제작하기에 사용환경에 따라 세그먼트의 형상을 다양하게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다
100. 열차단 세그먼트
110. 세그먼트 몸체
120. 후크부
130. 엔드월
140. 챔버
150. 냉각유로
160. 보강리브
110. 세그먼트 몸체
120. 후크부
130. 엔드월
140. 챔버
150. 냉각유로
160. 보강리브
Claims (6)
- 가스터빈의 로터 열차단 세그먼트 제조방법에 있어서,
상기 로터 열차단 세그먼트(100)는 내부에 복수 개의 냉각 유로(150)가 형성되어 있는 판재형상의 세그먼트 몸체(110)의 좌우측 양단은 타 구성품과의 결속을 위한 후크부(120)와 엔드월(Endwall)(130)이 돌출형성되어, 상기 후크부(120)와 엔드월(130)에 의해 세그먼트 몸체(110)의 상면은 압축공기가 유입되는 공간인 챔버(140)가 형성되어 있되, 상기 단순화된 형상으로 이루어진 부분인 세그먼트 몸체(110)는 진공주조로 제조되고, 나머지 부분은 3D프린팅으로 제조되는 것으로,
상기 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조할 수 있으며,
상기 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조시 2KHz∼100MHz 초음파 진동을 가할 수 있으며,
상기 세그먼트 몸체(110)의 상면에 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분은 3D프린팅으로 적층하여 제조하거나, 주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)과 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합하는 방법 중 택일하여 열차단 세그먼트(100)을 제조시 적층분말에 원적외선을 가하되, 원적외선 파장은 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 유동경로섹션(101)의 온도를 100∼900℃ 내로 유지하면서 3D프린팅을 통한 적층을 수행하도록 하며,
상기 후크부(120)와 엔드월(130) 사이에는 복수 개의 보강리브(160)를 형성하되, 상기 보강리브(160)는 3D프린팅으로 제조하며,
상기 진공주조로 제조되는 세그먼트 몸체(110)와 레이저 클래딩에 의한 3D프린팅으로 제조되는 후크부(120)와 엔드월(130)이 포함된 나머지 부분을 각각 별도로 제조하여 브레이징에 의해 접합시 서로 접촉되는 단부면 중 어느 하나에는 돌출된 삽입돌기를 형성하고, 삽입돌기에 대응하는 타측의 단부면에는 삽입돌기가 삽입될 수 있는 삽입홈을 형성하여 레고블록처럼 조립후 브레이징으로 접합하게 되면 더욱 견고한 결합관계를 유지할 수 있는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 로터 열차단 세그먼트 제조방법.
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