KR20010007082A - 가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법 - Google Patents

Abstract

터빈의 노즐 베인 공동의 내면으로부터 재료(34)를 제거하기 위해 주조 후 방전가공(EDM) 공정을 사용한다. 박형 전극(28)을 노즐 베인(16)의 대향 말단 사이의 공동(18)에 통과시키고 또 내부 노즐 벽을 따라 이동시켜 재료(34)를 사전설정된 경로를 따라 제거함으로써, 노즐의 공동과 외부면 사이의 벽의 두께를 감소시킨다. 다른 형태에 있어서, 단면(42)을 전극으로 사용하는 방전가공 장치를 공동(18)에 배치하고 벽에 대해 전진시켜 최종 벽 두께가 달성되고 또 내벽면이 단면의 표면과 일치할 때까지 벽으로부터 재료를 제거한다.

Description

가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법{POST-CAST EDM METHOD FOR REDUCING THE THICKNESS OF A TURBINE NOZZLE WALL}

본 발명은 터빈 노즐 벽의 두께를 감소시키기 위한 방전가공 장치의 사용 방법에 관한 것으로서, 특히 열 응력을 감소시키고 주조 수율을 개선시키기 위해 노즐의 대향 말단 내부에 그리고 그 사이에 연장된 공동의 내벽으로부터 재료를 제거하는 방전가공(EDM) 장치를 사용하는 주조 후 작업에 관한 것이다.

가스 터빈의 구조에 있어서, 축방향으로 이격된 노즐의 환상 열(array)은 터빈의 노즐 단을 형성하며, 각 환상 열은 터빈 로터의 축을 중심으로 원주방향으로 배열된 노즐 세그먼트로 이루어져 있다. 각각의 노즐 세그먼트는 주물 재료, 예컨대 니켈계 합금으로 일체로 형성되는 것이 바람직한 하나 이상의 베인 및 내부 및 외부 밴드 부분을 포함한다. 냉각 매체를 유동시켜 노즐을 냉각시키기 위해 밴드 부분 사이에서 노즐 베인에 공동이 주조된다.

노즐 공동에서 흐르는 열 매체와 터빈의 고온 가스 경로를 따라 흐르는 고온 연소 가스 사이에 온도 차이가 존재한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 온도 차이는 노즐의 재료에 열응력을 야기시킨다. 공동의 내부면과 노즐의 외부면 사이의 특히 노즐의 전단부에 인접한 벽 두께를 감소시키는 것에 의해, 온도 차이에 의해 야기되는 열 응력을 감소시킬 수 있다. 그러나, 노즐의 얇은 벽 인베스트먼트 주물(investment casting)은 제조하기가 어렵다. 재료의 안전성 뿐만아니라 허용오차의 조절은 벽의 두께에 의해 수행한다. 일반적으로, 벽이 얇을수록 노즐을 주조하기가 더욱 어려워지며, 결과적으로 주조 수율이 감소된다. 따라서, 열응력을 감소시킬 뿐만아니라 주조 수율을 개선시키는, 터빈 노즐의 벽 두께를 감소시키기 위한 방법의 필요성이 개발되었다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 노즐 벽의 두께를 감소시키고 열 유도 응력을 감소시키기 위해 터빈 노즐의 내벽으로부터 재료를 제거함과 아울러 주조 수율을 개선시키는 방법이 제공된다. 특히, 주조 후 방전가공 공정은 노즐 공동의 내벽으로부터 재료를 제거하기 위해 사용된다. 바람직한 실시예에 있어서, 방전가공 공정은 재료 및 벽의 두께를 소망의 두께로 감소시키기 위해 노즐의 공동 내부에 배치되고 공동의 내벽을 따라 이동가능한 얇은 전극을 사용한다. 노즐을 주조한 후에 이러한 기계가공 작업을 수행하는 것에 의해서, 주조 오차의 조절 및 재료의 안전성이 상당히 개선되고, 그 결과 주조 수율이 증가됨과 동시에 결과적으로 감소된 벽 두께에 의해서 열 응력이 감소된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 윤곽 및 플런지 절단 형태의 전극을 사용하는 방전가공 공정을 사용할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 공동의 내벽면의 최종 윤곽과 일치하는 면을 갖는 단면이 공동의 내벽에 가해진다. 단면이 내부 공동 벽에 대해 전진함에 따라, 재료는 단면의 표면 및 내벽 표면이 거의 상보적이 되도록 제거된다. 단면은 소망의 벽 두께가 달성될 때까지 연속적으로 전진한다.

양자의 바람직한 실시예에 있어서, 거친 내벽면이 형성될 수도 있다. 예를 들면, 거친 박형 전극을 제공하기 위해 전극 표면상에 돌기를 형성할 수 있고, 공동의 내벽을 따른 거친 전극의 이동에 의해 상보적인 거친 표면을 갖는 최종 내벽면이 형성된다. 단면은 공동의 내벽면의 최종 윤곽이 단면의 거친 윤곽과 마찬가지로 상보적으로 거칠게 되도록 거친 단면을 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 노즐의 방사방향 내측 말단과 대향 외측 말단 사이에 공동 개구를 구비한 가스 터빈의 박형 노즐의 형성 방법은, 공동을 포함한 노즐을 주조하는 단계와, 최종 내벽면을 형성하기 위해 전극을 구비한 방전가공 장치를 사용하여 공동의 주조 후 내벽을 따라 주물 재료를 제거하는 단계와, 노즐의 외부면과 공동의 내벽면 사이의 벽 두께를 감소시키는 단계를 포함한다.

도 1은 세그먼트의 노즐 베인의 내부 공동으로부터 재료를 제거하기 위한 위치에서 방전가공 장치의 전극을 도시한 노즐 세그먼트의 사시도,

도 2는 기계가공 공정 전 후의 공동의 내벽을 각각 점선 및 실선 위치로 도시한 베인의 전단부 공동의 부분 개략도,

도 3은 세그먼트의 외측 밴드와 제거될 재료를 도시한 기준점을 갖는 베인의 전단부 공동의 내부를 도시한 부분 평면도,

도 4는 공동의 내벽을 따라 거친 표면을 형성하기 위한 방전가공 장치의 전극을 도시한 확대 부분 단면도,

도 5는 내부 공동 벽을 플런지 절단하기 위한 단면 형태의 전극을 사용한 방전가공 공정을 도시하는, 제 1도와 유사한 도면,

도 6a 및 도 6b는 각각 절단 전후에 단면을 사용한 플런지 절단부의 도면,

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 노즐 18, 20, 22, 24, 26 : 공동

28, 42 : 전극 30 : 외벽면

34 : 주물 재료 40 : 거친 표면

도 1을 참조하면, 단일 노즐 베인(16)의 양단부에 인접한 내부 및 외부 밴드 부분(12, 14)을 각각 구비한 노즐 세그먼트(10)가 도시되어 있다. 도시된 노즐 세그먼트는 노즐 단의 내부 및 외부 밴드 부분을 형성하는 내부 및 외부 밴드 부분(12, 14)을 갖는 터빈의 노즐 단을 각각 형성하기 위해 회전축을 중심으로 원주방향의 열로 배열된 다수의 노즐 세그먼트중 하나를 형성한다. 또한, 내부 및 외부 밴드 부분(12, 14)의 사이에 단일 베인(16)이 도시되어 있지만, 예컨대 두개 또는 세 개의 베인을 형성하기 위해 밴드 부분 사이에 둘 이상의 베인을 배치할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 내부 및 외부 밴드 부분(12, 14) 뿐만아니라 노즐 베인(16)은 베인의 길이방향으로 연장된 내부 공동을 갖는다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 중간 공동(20, 22, 24)과 후단부 공동(26)의 전방에 전단부 공동(18)이 도시되어 있다. 본 발명의 일부분을 형성하지는 않지만, 공동부는 터빈을 통해 고온 가스 경로를 따라 흐르는 고온 연소 가스에 노출된 내부 및 외부 밴드와 베인을 냉각시키기 위한 열 매체를 유동시키는 통로를 제공한다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 공기나 증기 또는 그 양자를 각 공동에 통과시켜 밴드 및 노즐을 냉각시킬 수도 있다.

노즐 세그먼트(10)는 주조 재료, 바람직하게는 니켈 합금으로 형성된다. 고온 연소 가스 및 공동을 통해 흐르는 냉각 매체에 노출된 벽 두께를 감소시키는 것에 의해 노즐의 열응력을 최소화할 수 있으며, 이것은 특히 베인의 전단부 주위의 벽에 대해 실제로 나타난다. 주물의 벽 두께가 감소됨에 따라 오차 및 벽 두께의 제어는 더욱 어려워지며, 그 결과 주조 수율이 감소된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 주조 후 방전가공 방법에 의해 공동 벽의 내부면으로부터 재료를 제거하는 것에 의해, 특히 전단부의 외부면과 전단부 공동의 내부 벽면 사이에서 감소된 벽 두께 뿐만아니라 개선된 주조 수율을 달성할 수 있다.

특히, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 방전가공 장치의 일부분을 형성하는 전극(28)(도 1 참조), 예컨대 박형 로드를 대향 말단 사이에서, 예를 들면 내부 및 외부 밴드 부분(12, 14)을 통해 베인(16)의 공동 안으로 그리고 전단부 공동(18) 안으로 통과시킨다. 방전가공 장치 자체는 통상적인 것이다. 그러한 장치를 본 발명에 적용하는데 있어서, 박형 전극(28)을 대향 말단에서 고정시키고, 바람직하게는 로봇식으로 움직이게 하여 주물 공동, 예컨대 공동(18)의 벽(31)을 따른 사전설정된 경로를 따라 움직이게 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 벽(31)은 주물이며 베인(16)의 전단부에서 그것의 주물 내벽면(30)과 외벽면(33) 사이에 상당한 두께를 갖는다. 주물 벽의 두께는 도 2에서 외벽면(33)과 점선(30) 사이의 거리로 표시되어 있다. 그 벽의 두께를 감소시키기 위해, 박형 전극(28)을 공동(18)에 통과시키고 이동시켜, 도 2에서 소망의 벽 두께를 형성하는 실선(32)으로 표시된 소망의 내벽면에 대응하는 표면을 형성한다. 박형 전극(28)을 그러한 소망의 경로를 따라 옮김에 따라, 공동의 내벽의 재료를 절단하고 또 단일 편, 예컨대 도 1에 도시된 제거된 재료 편(34)으로서 제거할 수도 있다. 따라서, 박형 전극(28)은 소망의 내벽면(32)에 대응하는 경로를 형성함으로써, 공동(18)의 벽(31)을 따라 절단하여 주조 후에 소망의 얇은 벽 구조를 형성한다.

도 3을 참조하면, 벽(31)을 따른 전극(28)의 이동 경로는 베인의 각각의 상 하단부에 또는 베인의 외부에서 도 3에 기준점(36, 38)으로 표시되어 있다. 전극을 기준점(36, 38)에 연속적으로 통과시키는 것에 의해서, 공동의 측벽을 따라 소망의 복합 만곡면을 형성할 수 있다. 전극(28)은 공동의 벽을 따라 이동할 때 직선방향으로 연장되고 그의 직선방향 크기를 유지한다.

예를 들면, 냉각 매체와 냉각시킬 표면 사이에 거친 표면을 사용하는 것에 의해 열전달 특성을 개선시킬 수 있는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 벽 두께가 감소될 때 공동의 결과적인 내벽면(32)을 거칠게 하는 것이 바람직하다. 이것을 달성하기 위해서, 박형 전극(28)은 도 4에 도시된 바와 같이 거친 표면(40)을 가질 수도 있다. 박형 전극을 사전설정된 경로를 따라 배치하는 경우, 내벽면은 열 유효성을 향상시키기 위해 와이어 전극의 거친 표면에 상보적으로 거칠어진다.

도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 방전가공 플런지 절단 공정을 설명한다. 특히, 단면 형태의 전극을 박형 전극 대신에 사용한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단면(42)은 방전가공 장치를 형성하며, 박형 전극(28)과 유사하게 공동(18)을 통해 연장된다. 단면(42)은 방전가공 공정이 종료된 후에 내부 공동의 소망의 최종 내벽면에 대응하는 전방면(44)을 갖는다. 따라서, 단면(42)을 공동(18) 안으로 삽입하는 것에 의해, 단면(42)의 전방면(44)이 도 6a에 도시된 바와 같이 공동(18)의 기존의 주물 내벽면(46)에 대해 지지된다. 단면(42)을 소망의 내벽면 형상(48) 쪽으로 전진시키는 것에 의해, 최종 벽면(48)을 형성할 수도 있다. 다시 말하면, 단면(42)을 도 6b에 화살표 방향으로 도시된 바와 같이 주물 내벽면(48)과 접촉하도록 전진시키고 단면(42)을 계속 전진시키는 것에 의해서, 단면(42)의 전방면(44) 및 내벽면(48)이 소망의 벽 두께를 규정하는 공동 내부의 적절한 장소에서 서로 상보적으로 될 때까지 재료를 절단한다. 또한, 단면(42)은 전극과 유사하게 거친 표면(50)(도 5 참조)을 가질 수도 있으며, 그에 따라 공동의 최종 내벽면(48)은 열전달을 개선시키기 위해 단면의 거친 표면과 상보적인 거친 표면을 가질 수도 있다.

전술한 방법에 의해 주조 수율이 상당히 개선된다. 따라서, 벽 두께를 허용오차에 가깝게 조절하여 열응력을 감소시킬 수 있고 열 전달을 개선시킬 수 있다.

가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시한 실시예에 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위의 정신 및 범위내에 속하는 다양한 수정 및 동일 구조를 포함하고자 의도한다.

본 발명의 얇은 벽 노즐 형성 방법에 의하면, 주조 오차의 조절 및 재료의 안전성이 상당히 개선되고, 주조 수율이 증가됨과 동시에 결과적으로 감소된 벽 두께에 의해서 열 응력이 감소된다.

Claims (10)

1. 노즐(10)이 그것의 방사방향 내부 및 외부 대향 말단 사이에서 개방된 공동(18)을 구비하는, 가스 터빈의 얇은 벽 노즐을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 공동을 포함하는 노즐을 주조하는 단계와,

   최종 내벽면을 형성하기 위해 전극(28, 42)을 구비한 방전가공 장치를 사용하여 상기 공동의 주조 후 내벽을 따라 주조 재료(34)를 제거함으로써, 노즐의 외부면과 상기 공동의 최종 내벽면 사이의 벽 두께를 감소시키는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   주조 재료를 제거하기 위해 박형 전극(28)의 방전가공 공정을 사용하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 공동의 내벽을 따라 박형 전극을 안내하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 공동(18)은 상기 노즐의 전단부에 인접하게 위치하며, 상기 전단부 반대편의 상기 공동의 내벽을 따라 주물 재료를 제거하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 방전가공 공정에 사용되는 전극은 거친 표면(40)을 가지며, 상기 공동에 상보적인 거친 내벽면을 형성하기 위해 상기 전극을 내벽면에 가하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   주물 재료를 제거하기 위해 거친 표면을 갖는 방전가공 장치를 사용하는 단계와, 상기 공동에 상보적인 거친 내벽면을 형성하기 위해 전극을 내벽면에 가하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 방전가공 장치는 단면(42)을 구비하며, 상기 공동의 내벽면의 최종 윤곽과 일치하는 단면의 표면(44)을 형성하는 단계와, 상기 단면의 표면과 상기 내벽면이 서로 상보적이 될 때까지 단면을 상기 공동의 내벽에 가하여 주물 재료를 제거하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 단면의 표면에 거친 표면(50)을 형성하는 단계와, 단면을 내벽면에 가할 때 상기 공동의 상보적인 거친 내벽면을 형성하는 단계를 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   방전가공 공정에 사용되는 전극은 거친 표면(40)을 갖는 박형 전극(28)이고, 상기 공동은 상기 노즐의 전단부에 인접하게 위치되며, 상기 공동부에 상보적인 거친 내부 벽면을 형성하기 위해 상기 전단부 반대편의 공동부의 내벽을 따라 거친 박형 전극을 안내하는 단계를 더 포함하는

   가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 방전가공 장치는 단면(42)을 포함하며, 상기 공동의 내벽면의 최종 윤곽(48)에 일치하는 단면의 표면을 형성하는 단계와, 상기 단면의 표면(44) 및 내벽면(48)이 서로 상보적이 될 때까지 주물 재료를 제거하기 위해 상기 공동(18)의 내벽(46)에 단면을 가하는 단계를 포함하는

    가스 터빈의 얇은 벽 노즐의 형성방법.