KR20020061166A - 터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

터빈(turbine) 내 에어포일(airfoil)의 후연[trailing edge(30)] 두께를 측정하기 위한 장치(10)는, 각각 주 본체 부분(16)과 전단부(14)를 갖는 다수의 공구와, 측연[side edge(20)]을 따라 전단부(14)의 전연[forward edge(22)]에 근접한 개구(18)로서, 에어포일의 후연(30)에 결합하기에 적합한 사전 설정 너비(C)의 슬롯(slot)을 구비하는 개구(18)를 포함하고, 각각의 공구는 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는다. 터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하는 방법은

a) 에어포일의 후연을 수용하기에 적합한 개구로서, 사전 설정 너비의 슬롯을 구비하는 개구를 갖는 공구를 제공하는 단계와,

b) 개구 안에 에어포일의 후연을 수용하도록 공구를 정렬하는 단계와,

c) 후연과 슬롯 너비 사이의 정합 여부를 결정하는 단계와,

d) 부정합의 경우, 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는 공구를 사용하여 정합이 확인될 때까지 단계 a)부터 단계 c)까지 반복하는 단계와,

e) 사전 설정된 슬롯 너비에 의해 확인된 공구의 치수를 실제 에어포일의 후연 두께로 기록하는 단계를 포함한다.

Description

터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하는 방법 및 장치{TRAILING EDGE THICKNESS MEASUREMENT METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 터빈(turbine) 또는 압축기의 노즐(nozzle) 및 버킷(bucket) 에어포일(airfoil)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 에어포일의 후연(trailing edge) 두께를 측정하는 방법 및 장치(즉, 공구)에 관한 것이다.

터빈 버킷과 고정 노즐은 통상적으로, 정밀한 기술적 특성에 부합하도록 제조되어야 하는, 고도로 조각된 복잡한 표면 기하형상을 갖는다. 공차는 성능 요건에 부합하도록 엄격하게 지정된다. 에어포일의 후연 두께는 에어포일 통로를 통과하는 기류의 차단에 관련된, 증기 및 가스 터빈과 압축기의 성능에 상당한 영향을 미친다. 에어포일의 후연 두께는 직접적인 마이크로미터(micrometer) 측정에 의해서 또는 좌표측정장치[coordinate measuring machine(CMM)]로부터 섹션(section)별로 취해진 탐침 중점을 분석함으로써 측정될 수 있다. 좌표측정장치 방법은 수치계산에 집중되어 있으며, 정확한 탐침 접촉점에 대한 의존성이 높다.

오스토프스키(Ostowski) 등에 허여된 미국 특허 제 5,521,847호는 좌표측정장치 탐침 중심 데이터로부터 에어포일의 특징을 결정하는 방법과 시스템을 개시하고 있다. 좌표측정장치는 에어포일을 따른 외부 좌표를 측정하여, 에어포일을 따른 다수의 섹션의 다수의 탐침 중점을 분류하고 정렬하기 위해 이 좌표를 컴퓨터에 전송한다.

좌표측정장치 방법은 부품 수준, 즉 기계적인 조립에 앞서 적용되어야 하며, 따라서, 현장 또는 조립된 부품에 대해서는 적용이 불가능하다. 또한, 마이크로미터 측정 방법은 작은(<0.5 인치) 좁은 통로 치수를 갖는 에어포일에 적합하지 않다. 따라서, 공장과 현장 환경에서 버킷 및 노즐 에어포일의 후연 두께를 측정할 수 있는 간단하고 휴대 가능한 장치 및 방법이 요구된다.

본 발명에 따르면, 조립된 상태에 있는 터빈의 노즐 및 버킷 에어포일 후연 두께를 측정하는 방법 및 장치가 설명된다. 이 장치는, 각각이 주 본체 부분과 주 본체 부분보다 작은 너비의 전단부를 갖는 길고 평평한 부재로 구성된 공구 또는 게이지(gauge)의 세트를 포함한다. 공구는 측연을 따라, 상대적으로 전연에 근접한 개구가 형성된다. 개구는 슬롯(slot)된 구멍으로 기재될 수 있으며, 구멍부는 구멍의 직경보다 작은 사전 설정 너비를 갖는 슬롯에 의해 교차되는 직경을 갖는다. 슬롯은 측연과 구멍 사이에 위치하여, 구멍에 입구 또는 통로를 제공한다.

주 본체 부분의 반대쪽 단부에는 링, 고리 또는 그와 유사한 것들에 공구를부착하기 위한 구멍이 제공되어, 공구의 휴대를 용이하게 한다.

공구는 로터 휠(rotor wheel)에 이미 조립되어 있는 에어포일의 후연에 쉽게 적용될 수 있는 형상을 갖는다. 슬롯된 구멍은 에어포일의 후연을 수용하고 결합하기에 적합하며, 팁은 슬롯으로부터 떨어진, 구멍의 가장자리에 결합한다. 사용자는 시행착오적으로 에어포일의 후연에 다양한 공구를 적용하여, 후연 두께에 정합하는 특정 슬롯 너비를 찾는다.

따라서, 후연과 특정 공구의 슬롯 너비 사이의 최초의 부정합의 경우, 다른 치수의 슬롯 너비를 갖는 다른 공구가 에어포일의 후연 두께에 결합된다. 이 과정은 최적의 정합이 확인될 때까지 반복된다. 최적의 정합이 확인되면, 선택된 공구의 치수는 에어포일 후연의 실제 두께로서 기록된다.

또한, 본 명세서에 설명된 장치는, 측정된 에어 포일의 후연 두께를 사용하여 터빈 엔진의 성능 저하를 평가하는데 이용될 수 있다. 측정된 후연 두께의 시간 경과에 따른 변화를 고려함으로써, 적절한 소프트웨어와 하드웨어를 갖춘 컴퓨터가 터빈 엔진의 성능 저하를 평가하는데 사용될 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 공구의 전단부는 후단부에 대해 분리 가능하게 고정되며, 후단부는 상이한 치수의 슬롯 너비를 갖는 전단부를 수용하기에 적합하다.

또 다른 실시예에 있어서, 공구의 전단부는 슬롯 너비를 변화시키도록 조정 가능하게 만들어 질 수 있다.

따라서, 본 발명의 보다 넓은 관점에 있어서, 본 발명은, 전단부, 전연 및 측연을 갖는 실질적으로 평평한 부재와, 전연에 근접하여 측연을 따라 배치된, 사전 설정 너비를 갖는 슬롯과, 에어포일의 후연에 결합하기에 적합한 사전 설정된 너비를 갖는 슬롯을 구비하는 개구를 포함하는, 터빈 내 에어포일의 후연 두께 측정을 위한 공구를 제공한다.

다른 관점에 있어서, 본 발명은, 각각 주 본체 부분 및 전단부를 갖는 다수의 공구와, 측연을 따라 전단부의 전연에 근접하는 개구로서, 에어포일의 후연 두께와 결합하기에 적합한 사전 설정 너비의 슬롯을 구비하는 개구를 포함하고, 각각의 공구는 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는, 터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하기 위한 장치를 제공한다.

또 다른 관점에 있어서, 본 발명은, 에어포일 통로를 통과하는 기류의 차단에 기인한 성능 저하를 평가하는 장치를 제공하는 것으로서, 터빈 엔진은 후연을 갖는 에어포일을 구비하며, 상기 장치는 에어포일의 후연 두께를 측정하는 공구와, 측정된 에어포일의 후연 두께를 이용하여 터빈 엔진의 성능 저하를 평가하는 수단을 포함한다.

또 다른 관점에 있어서, 본 발명은 후연을 갖는 에어포일을 구비하는 터빈의 성능 저하를 평가하는 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는 다양하게 변하는 후연 두께의 측정에 적합한 다수의 공구로서, 에어포일의 후연 두께를 결정하기 위해, 상이한 사전 설정 너비의 슬롯을 구비하는 각각의 개구를 갖는 다수의 공구와, 공구로부터 획득된 후연 두께 데이터를 분석하기 위한 수단을 포함한다.

또 다른 관점에 있어서, 본 발명은

a) 에어포일의 후연을 수용하기에 적합한 개구로서, 사전 설정된 너비를 갖는 슬롯을 구비하는 개구를 갖는 공구를 제공하는 단계와,

b) 개구 안에 에어포일의 후연을 수용하도록 공구를 정렬하는 단계와,

c) 후연과 슬롯 너비 사이의 정합 여부를 결정하는 단계와,

d) 부정합의 경우, 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는 공구를 사용하여 정합이 확인될 때까지 단계 a)부터 단계 c)까지 반복하는 단계와,

e) 사전 설정된 슬롯 너비에 의해 확인된 공구의 치수를 실제 에어포일의 후연 두께로 기록하는 단계를 포함하는

터빈 내 에어포일의 후연 두께 측정을 위한 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 노즐 및 버킷 에어포일 후연 두께 측정 공구의 측면 개략도,

도 2는 후연 두께를 평가하기 위해, 에어포일의 후연 위에 본 발명의 후연 두께 측정 장치를 끼우는 것을 도시한 도면,

도 3a는 공구의 후단부에 분리 가능하게 고정된 본 발명의 다른 실시예에 따른 공구를 도시한 도면,

도 3b는 다양한 후연 두께를 수용하도록 슬롯 너비가 다양하게 조정 가능한 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면,

도 4는 터빈의 성능 저하를 평가하기 위해 후연 두께 측정 데이터를 분석하는 컴퓨터를 구비하는 측정 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 110, 210 : 공구14, 114, 224 : 전단부

16, 116, 216 : 본체 부분18 : 개구

20, 120, 220 : 측연22, 222 : 전연

24, 224 : 구멍 26 : 슬롯

28, 128, 228 : 구멍30 : 후연

31, 34 : 점선32 : 팁

C : 너비

도 1은, 단일 유닛(unit)으로서 구성된, 노즐 및 버킷의 에어포일 후연 두께 측정 게이지 또는 공구(10)를 도시한다. 공구는 기다랗고 비교적 가늘고 평평한 부재를(12) 포함하는데, 이 부재는 나머지 본체 부분(16)보다 작은 너비의 전단부를 갖는다. 공구는 측연(20)을 따라, 상대적으로 전연(22)에 근접한 개구(18)가 형성된다. 개구(18)는 슬롯에 의해 교차되는 구멍의 형상을 갖는다. 특히, 구멍(24)은 측연(20)의 내측에 위치하며, 구멍에 입구 또는 통로를 제공하는 슬롯(26)에 의해 교차된다. 슬롯(26)은 구멍(24)의 직경보다 작은 너비(C)를 갖는다. 이러한 구성은, 본 명세서에 추가적으로 설명되는 바와 같이, 에어포일 후연의 삽입을 가능하게 한다.

부재(12)의 반대쪽 단부에는, 링(ring), 고리 또는 그와 유사한 것들에 공구를 부착하기 위한 구멍(28)이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 몇 가지 유사한 공구들이 세트로 제공되며, 각각의 공구는 각자에 명확히 표시된 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는다.

명백한 휴대성을 갖는 이러한 공구 세트는 예비조립 단계 또는 현장에서의 기조립 단계의 버킷 및 노즐 에어포일 후연 두께를 측정하는 신속하고 효율적인 수단을 제공한다.

도 2는 후연 두께를 평가하기 위해 본 발명의 공구가 후연에 끼워질 수 있는 방법을 도시한다. 앞에서 언급된 바와 같이, 상이한 슬롯 구멍의 치수와 이에 대응하는 슬롯 너비를 갖는 공구의 세트가 시행착오적으로 활용된다. 예를 들어, 선택 및 사전 설정된 슬롯 너비의 제 1 측정 공구(도 1에 도시)가 팁(32)이 구멍의 안쪽 끝(즉, 슬롯에 대향하는 구멍의 에지)에 결합할 때까지 에어포일 후연(30) 위에 끼워진다. 후연(30)이 구멍(24)에 완전히 결합되는, 후연(30)의 두께와 슬롯 너비 사이의 정합의 경우, 슬롯 너비(C)는 후연(30) 두께에 가장 가까운 근사치로 간주되며, 그 뒤, 공구 또는 게이지(10)의 치수는 에어포일 후연(32)의 실제 두께로 기록된다. 슬롯 입구로부터 떨어져 있도록 구멍(24)을 형성하는 것은 공구가 후연의 주위에 적절히 배향될 수 있도록 한다는 것을 주목하기 바란다.

후연(30)의 두께와 슬롯 너비 사이의 부정합의 경우, 도 1에 도시된 것과 유사하지만 다른 슬롯 너비를 갖는 다른 공구가 위에 설명된 바와 같이 후연(30) 위에 끼워진다. 설명된 시행착오적 방법은, 사용자가 후연(30)의 두께에 가장 잘 정합하는 특정 공구를 확인할 때까지 반복 적용된다.

도 3a를 참조하면, 제 2 실시예가 도시되어있는데, 도 1의 공구와 공통된 요소는 도 1의 참조부호 앞에 "1"을 더한 유사한 참조부호로 표시된다. 이 실시예에 있어서, 공구(110)의 전단부(114)는, 점선(31)에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이 분리될 수 있다. 이러한 구성은 분리 가능한 전단부(114)를 상이한 크기의 슬롯된 구멍과 이에 대응하는 슬롯 너비(C)를 갖는 다른 유사 단부로 교체하는 것을 용이하게 한다. 공구(110)는, 교환 가능한 다양한 전단부와 함께, 위에 설명된 바와 같이 활용될 수 있다.

도 3b에 도시된 또 다른 실시예에 있어서, 슬롯 너비의 조정을 가능하게 하는 전단부가 제공된다. 이 실시예에 있어서, 도 1의 공구와 공통된 요소에는 도 1의 참조부호 앞에 "2"를 더한 유사한 참조부호가 부여된다. 이 실시예에 있어서, 전단부(214)는 점선(34)에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이 두 부분으로 구성된다. 따라서, 슬롯(226) 너비의 조정을 위해, 분리되는 최전단부 요소가 전단부(214)의 고정 부분에 대해 활주할 수 있기 때문에, 상이한 후연 두께를 갖는 에어포일을 수용하도록 사용자가 쉽게 공구(210)를 변환할 수 있게 한다. 이 실시예에 있어서, 슬롯 너비 표시 수단이 공구에 추가되거나, 조정된 너비가 캘리퍼등에 의해 측정될 수 있다.

도 4는 터빈 성능의 저하를 평가하는 장치의 블록 다이어그램을 도시한다. 장치는 위에 설명된 공구의 적용을 통해 획득된 후연 두께 데이터를 분석하는 마이크로프로세서를 갖는 컴퓨터를 포함한다. 적절한 소프트웨어의 활용을 통해, 시간의 경과에 따라 감소하는 후연 두께의 함수로서 터빈 성능 저하가 평가된다.

현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예라고 간주되는 것과 관련하여 본 발명이 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니며 오히려 첨부된 청구범위의 정신과 범위 내에 포함되는 다양한 변형과 균등한 구성을 커버하는 것으로 의도된다고 이해하여야한다.

본 발명에 따르면, 예비조립 단계 또는 현장에서의 기조립 단계의 버킷 및 노즐의 에어포일 후연 두께를 측정하는 신속하고 효율적인 공구 및 방법이 제공된다.

Claims (12)

1. 터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하는 공구(10)에 있어서,

   전단부(14), 전연(22) 및 측연(20)을 갖는 실절적으로 평평한 부재(12)와,

   상기 측연(20)을 따라 상기 전연에 근접하여 배치된, 사전 설정 너비를 갖는 슬롯(26)과,

   에어포일의 후연(30)에 결합하기에 적합한 상기 사전 설정 너비의 슬롯을 구비하는 개구(18)를 포함하는

   측정 공구.
2. 제 1 항에 있어서,

   다양한 후연 두께를 갖는 에어포일을 수용하기 위해, 상기 슬롯 너비(C)를 변화시키기 위한 수단(21)을 추가로 포함하는

   측정 공구.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전단부는 상기 평평한 부재(12)로부터 분리 가능한

   측정 공구.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬롯은 상기 슬롯 너비(C)보다 큰 직경을 갖는 구멍 안으로 개방되는

   측정 공구.
5. 터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하는 장치에 있어서,

   각각 주 본체 부분(16) 및 전단부(14)를 갖는 다수의 공구와,

   측연(20)을 따라 상기 전단부(14)의 전연(22)에 근접하는 개구(18)로서, 에어포일의 후연(30)에 결합하기에 적합한 사전 설정 너비(C)의 슬롯(26)을 구비하는 개구(18)를 포함하고,

   상기 각각의 공구는 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는

   측정 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전단부(14)는 상기 평평한 부재(12)로부터 분리 가능한

   측정 장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 전단부(14)는 상기 주 본체 부분(16)보다 작은 너비를 갖는

   측정 장치.
8. 후연(30)을 갖는 에어포일을 구비하는 터빈의 에어포일 통로를 통한 기류의 차단에 기인한 성능 저하를 평가하는 장치에 있어서,

   상기 에어포일의 후연의 두께를 측정하기 위한 공구(10)와,

   상기 에어포일의 측정된 후연 두께를 이용하여 상기 터빈의 성능 저하를 평가하기 위한 수단(38)을 포함하는

   장치.
9. 후연(30)을 갖는 에어포일을 구비하는 터빈의 성능 저하를 평가하는 장치에 있어서,

   변화하는 후연 두께를 측정하기에 적합한 다수의 공구들을 포함하고,

   상기 공구들은 각각 에어포일의 후연(30)의 두께를 결정하기 위한 상이한 사전 설정 너비의 슬롯(26)을 구비하는 개구(18)를 갖고,

   상기 공구로부터 획득된 후연 두께 데이터를 분석하기 위한 수단(38)을 포함하는

   장치.
10. 터빈 내 에어포일의 후연 두께를 측정하는 방법에 있어서,

    a) 에어포일의 후연(30)을 수용하기에 적합한 개구(18)로서, 사전 설정된 너비(C)를 갖는 슬롯(26)을 구비하는 개구(18)를 갖는 공구(10)를 제공하는 단계와,

    b) 상기 개구 안에 상기 에어포일의 후연을 수용하도록 상기 공구를 정렬하는 단계와,

    c) 상기 후연(30)과 상기 슬롯 너비(C) 사이의 정합 여부를 결정하는 단계와,

    d) 부정합의 경우, 상이한 사전 설정 슬롯 너비를 갖는 공구를 사용하여 정합이 확인될 때까지 단계 a)부터 단계 c)까지 반복하는 단계와,

    e) 상기 사전 설정된 슬롯 너비에 의해 확인된 상기 공구의 크기를 실제 에어포일의 후연 두께로 기록하는 단계를 포함하는

    방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    시간의 경과에 따른 상기 에어포일의 후연 두께 데이터를 분석함으로써, 후연을 통한 기류의 차단에 기인한 상기 터빈의 성능 저하를 평가하는 단계를 추가로 포함하는

    방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 성능 저하를 평가하는 단계는 마이크로프로세서(38)에 의해 결정되는

    방법.