KR20030001239A - 터빈 블레이드의 루트 트레일링 에지의 균열 수리 방법 - Google Patents

터빈 블레이드의 루트 트레일링 에지의 균열 수리 방법 Download PDF

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브라이언 메리
그레고리엠. 도랜스카이
그레고리이. 레인하트
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 블레이드 트레일링 에지 부분에 균열이 있는 터빈 블레이드를 수리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수리방법은 균열이 위치한 블레이드 트레일링 에지 부분에 인접한 터빈 블레이드의 제 1표면을 도려내는 단계 및 균열이 위치한 블레이드 트레일링 에지 부분에 인접한 터빈 블레이드의 제 2표면을 도려내는 단계를 포함한다. 각각의 도려내는 단계는 균열을 제거하고 도려낸 트레일링 에지 부분을 형성하기 위하여 각 표면을 균열의 길이보다 크고 트레일링 에지 반경보다 작은 깊이로 도려내는 단계를 포함한다. 복합반경이 공기역학적 손실을 초래하는 트레일링 에지로의 무딘 변화(blunt transition)를 방지하고 에어포일 루트 응력을 감소시키기 위하여 사용된다. 본 발명에 따른 수리방법은 유효수명을 증가시키기 위하여 터빈 블레이드에 열차단코팅을 적용하는 단계를 또한 포함한다. 코팅을 적용하기 이전에, 터빈 블레이드의 열적 특성의 변화를 감안하여 터빈 블레이드의 끝단부분이 수정된다.

Description

터빈 블레이드의 루트 트레일링 에지의 균열 수리 방법{Method for repairing cracks in a turbine blade root trailing edge}
본 발명은 터빈 블레이드의 트레일링 에지(trailing edge) 부분의 균열(creaks)을 수리하는 방법에 관한 것이다.
루트(root) 트레일링 에지 냉각구멍에서 시작되는 축방향 균열은 산업적으로 사용되는 터빈 블레이드에서 발생한다. 균열은 열-기계적 피로(fatigue)에 의해 야기된다. 전형적으로, 균열은 루트 트레일링 에지 냉각구멍의 오목측과 볼록측 모두에서부터 시작되어 블레이드의 앞전(leading edge)을 향해 축방향으로 전파된다. 터빈 블레이드는 다른 점에서는 내구성이 우수하기 때문에, 상기 균열을 효과적으로 수리할 수 있는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 터빈 블레이드의 트레일링 에지 부분에 발생되는 균열을 수리하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 루트 트레일링 에지 냉각구멍에서 시작되는 균열의 수리에 특별한 유용성을 갖는 상기한 바와 같은 수리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수리된 터빈 블레이드의 유효수명을 증가시키는 상기한 바와 같은 수리방법을 제공하는 것이다.
도 1은 수리되어야 할 터빈 블레이드의 루트 부분을 도시한 사시도.
도 2는 터빈 블레이드의 에어포일 오목측 루트 트레일링 에지 부분을 도시한 측면도.
도 3은 터빈 블레이드의 에어포일 볼록측 루트 트레일링 에지 부분을 도시한 측면도.
도 4는 터빈 블레이드의 컷백된 트레일링 에지 부분을 플랫폼 부분에 조화시키기 위하여 사용되는 복합반경곡선을 도시한 터빈 블레이드의 루트 트레일링 에지 부분의 측면도.
도 5는 본 발명에 따라 수리된 터빈 블레이드의 측면도.
도 6은 도 5의 터빈 블레이드의 사시도.
도 7은 도 5의 터빈 블레이드의 배면도.
상기 목적들은 본 발명의 수리방법으로 달성된다.
본 발명에 따르면, 터빈 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열이 발생한 터빈 블레이드를 수리하는 방법이 제공된다. 본 방법에 따른 수리방법은 크게 트레일링 에지 부분에 인접한 트레일링 에지 부분의 오목측 표면과 볼록측 표면을 균열의 길이 보다 큰 깊이로 도려내는(cutting back) 단계를 포함한다. 상기 도려내는 단계와 동시에, 트레일링 에지 상에 존재하는 모든 돌기(cusp)를 제거하기 위하여 플랫폼(platform)과 도려낸 트레일링 에지 부분 사이의 터빈 블레이드의 부분이 복합반경(compound radius)을 사용하여 형성된다. 더불어, 도려내는 단계 이후 남아있는 에지(edge) 부분은 응력집중 및 공기역학적 손실을 최소화하기 위하여 부드러운 반경으로 조화를 이루도록 가공된다. 또한, 도려낸 트레일링 에지 부분은 공기역학적 충격을 최소화하기 위하여, 바람직하게 대략 에어포일길이(span)의 중간부분에서 본래의 트레일링 에지 외형에 자연스럽게 연결되도록 유선형으로 정형(整形:fair)된다.
본 발명에 따르면, 열차단코팅(thermal barrier coat)이 유효수명을 증가시키기 위하여 수리된 터빈 블레이드에 적용된다. 열차단코팅을 적용하기 이전에, 수리된 터빈 블레이드의 감소된 모재온도를 감안하여 터빈 블레이드의 끝단길이(tip length)가 수정된다.
본 발명에 따른 수리방법에 대한 다른 세부사항 뿐만아니라, 이에 수반되는 다른 목적 및 장점들은 이어지는 상세한 설명과 동일한 구성요소에 동일한 참조번호를 부여한 첨부도면에서 설명될 것이다.
도면을 참조하면, 도 1은 수리를 필요로 하는 터빈 블레이드(10)의 일 부분을 도시한다. 도면에 나타난 바와 같이, 터빈 블레이드(10)의 트레일링 에지(12)는 다수의 냉각구멍(14)과 함께 제공된다. 작동중에, 하나 이상의 균열(16)이 루트 트레일링 에지 냉각구멍으로 알려져 있는 냉각구멍(14) 중 최하단의 냉각구멍(14') 근처에 형성된다. 전형적으로, 상기 균열은 터빈 블레이드(10)의 에어포일 부분(22)의 오목측(18)과 볼록측(20) 모두에서부터 시작된다. 각각의 균열(16)은 블레이드(10)의 리딩 에지(leading edge)(24)를 향해 축방향으로 전파된다. 바람직하게 근사적으로 대략 0.05 인치 이하로 전파된 그리고 주어진 블레이드에 관해 정해진 바에 따르는, 수용할 수 있는 내구한도(serviceable limit)내에 있는 균열(16)은 본 발명의 방법을 사용하여 수리될 수 있음을 알게 될 것이다.
상기 균열(16)을 수리하기 위하여, 루트 트레일링 에지 부분으로 알려져 있는 트레일링 에지의 일 부분(26)이 오목측(18)과 볼록측(20) 모두에서 도려내어진다(cut back). 이와 같은 도려냄(cut back)은 도 2 및 도 3에 나타나 있다. 이와 같은 도면에서 확인되는 바와 같이, 본래의 트레일링 에지(12)는 도려낸 트레일링 에지 부분(28)을 형성하도록 거리 또는 깊이 L만큼 도려내어 진다. 본 발명의 따른 바람직한 실시예에서, 상기 거리 또는 깊이 L은 균열(16)의 길이보다 크다. 이와 같은 도려냄은 균열(16)이 위치한 영역의 재료를 제거하고, 균열 또는 미세균열이 없는 새로운 재료에까지 도달한다. 거리 또는 깊이 L은 트레일링 에지(12)의 반경보다 작은 것이 바람직하다.
루트 트레일링 에지 부분(26)의 도려냄은 당해 기술분야에서 알려진 모든 적당한 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 바람직하게, 오목측(18)과 볼록측(20)을 각각 연삭(grinding) 또는 밀링(milling)함으로써 수행된다.
오목측(18)과 볼록측(20)을 각각 도려냄과 동시에, 도려낸 트레일링 에지 부분(28)을 터빈 블레이드의 플랫폼(30)에 조화가공(blending)시키는 것이 요구된다. 상기 조화가공은 도려낸 트레일링 에지 부분(28)과 플랫폼(30) 사이가 완만하게 변화되도록 수행되어야 한다. 본 발명의 독특한 특징은 완만한 변화를 이루기 위하여 복합반경접근방식(compound radius approach)을 사용한다는 것이다. 복합반경은 고응력 위치에는 큰 반경을 제공하여, 존재하는 플랫폼 외형으로 급격하게 변화되도록 한다. 상기 급격한 변화는 공기역학적 손실를 증가시킬 수 있는 큰 트레일링 에지(12) 무딘 영역(large tailing edge blunt area)을 제거시킨다. 도 4에 나타난 바와 같이, 바람직하게 근사적으로 대략 0.375 인치에서부터 0.1875 인치까지의 범위 내에서 변화하는, 대반경(R1)과 소반경(R2)을 갖는 복합반경이 도려낸 트레일링 에지(28)와 플랫폼(30) 사이의 변화영역(transition area)에 사용된다. 이상과 같은 복합반경조화접근방식 (compound radius blending approach)을 사용함으로써, 트레일링 에지에 돌기(cusp)가 형성되는 것이 방지된다.
오목측과 볼록측을 도려낼 때, 터빈 블레이드(10) 에어포일 부분(22)의 에어포일길이(span) 전체에 걸쳐 도려내는 것은 아니다. 본래의 트레일링 에지(12)의 상측 절반(32)은 도려내지 않는 것이 바람직하다. 이에 후속하여 공기역학적 충격을 최소화하기 위하여 도려낸 트레일링 에지 부분(28)은 본래의 트레일링 에지 외형에 자연스럽게 연결되도록 유선형으로 정형(整形:fair)되어야 한다. 터빈 블레이드(10)의 트레일링 에지 외형의 급격한 변화/불연속을 최소화하고 유동장, 진동 및 구조적 짜임새에 대한 역효과를 방지하는 당해 기술분야에서 알려진 모든 적당한 방법이 도려낸 트레일링 에지 부분(28)을 본래의 트레일링 에지 외형에 자연스럽게 연결되도록 정형(fair)하기 위하여 사용될 수 있다. 도 5 및 도 6 나타난 바와 같이, 도려낸 트레일링 에지 부분(28)은 근사적으로 대략 에어포일길이(span)의 50% 위치에서 본래의 트레일링 에지 외형에 자연스럽게 연결되도록 유선형으로 정형되는 것이 바람직하다.
도려냄 단계, 플랫폼 조화가공(blending)단계 및 트레일링 에지 정형(fairing)단계가 바람직한 깊이로 완료된 이후, 남아있는 모든 에지(edge)부분들은 응력집중 및 공기역학적 손실을 최소화하기 위하여 기계적 또는 수공으로 조화를 이루도록 가공된다. 전형적으로, 조화가공(blending)을 필요로 하는 에지(edge)(34)(36)(38)(40)(42)(44)가 도 7에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 수리방법의 바람직한 실시예에서, 상기 에지(34)(36)(38)(40)(42)(44)는 근사적으로 대략 0.005 인치 내지 0.015 인치의 완만한 반경으로 조화되도록 가공된다.
필요에 따라, 상기 냉각구멍(14)은 당해 기술분야에서 알려진 모든 적당한 방법을 사용하여 재연마(refurbish)될 수 있다.
상기한 바와 같이 수리된 터빈 블레이드(10)의 유효수명은 터빈 블레이드(10)에 열차단코팅(thermal barrier coating)을 적용함으로써 근사적으로 대략 2배 이상 증가할 수 있음이 확인된다. 상기 열차단코팅은 당해 기술분야에서 알려진 모든 적당한 열차단코팅을 포함할 수 있으며, 당해 기술분야에서 알려진 모든 적당한 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 일 예로, 열차단코팅은 미합중국 특허 제4,321,311호에 나타난 바와 같이 M이 철, 니켈, 코발트 및 니켈과 코발트의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택되는 MCrAlY 코팅일 수 있다. 선택적으로, 열차단코팅은 미합중국 특허 제4,585,481호에 나타난 바와 같이 M이 니켈 또는 코발트이고, 0.1 내지 7.0 중량% 실리콘 및 0.1 내지 2.0 중량% 하프늄의 첨가로 인해 개선된 MCrAlY 타입 코팅일 수 있다. 또한, 열차단코팅은 미합중국 특허 제6,117,560호에 나타난 바와 같이 파이로클로(pyrochlore)구조를 갖는 단열세라믹코팅 (thermally insulating ceramic coating)일 수 있다. 또한, 열차단코팅은 미합중국 특허 제6,177,200호에 나타난 바와 같이 가돌리니아(gadolinia) 및 지르코니아(zirconia)를 포함하는 단열세라믹코팅일 수 있다. 열차단코팅은 상기한 미합중국 특허들에 나타난 모든 기술을 사용하여 터빈 블레이드에 적용될 수 있다.
터빈 블레이드(10)에 단열세라믹코팅을 적용하기 이전에, 터빈 블레이드(10)의 끝단(tip)부분(46)의 길이를 증가시키기 위하여 터빈 블레이드(10)의 끝단부분(46)을 수정하는 것이 바람직하다. 이는 단열세라믹코팅의 결과로서 터빈 블레이드(10)에 발생될 모재온도의 감소를 감안하기 위한 것이다. 상기 끝단부분(46)은 끝단부분(46)에 용접재료를 적용하고 터빈 블레이드(10)를 소정의 길이로 기계적가공함으로써 수정되는 것이 바람직하다. 비록 끝단부분(46)에 적용될 용접재료는 당해 기술분야에서 알려진 모든 적당한 용접 또는 브레이징 재료를 포함할 수 있지만, 끝단부분(46)에 니켈계합금 용접재료를 덧붙이는 것이 바람직하다. 덧붙여진 용접재료는 단열세라믹코팅의 적용에 의해 야기되는 모든 부정적 틈새효과(negative clearance effect)를 방지할 수 있도록 한다. 단열세라믹코팅에 의해, 터빈 블레이드(10)는 본래 설계된 바와 같이 열팽창되지 않게 된다. 터빈 블레이드(10)는 더 차갑기 때문에 적게 팽창될 것이다. 이는 누수/밀봉 관점 및 성능 관점에서 바람직하게 여겨지는 것 보다 끝단부분(46)에 더 큰 틈(gap)이 방사상으로 차례차례 생성시킨다. 따라서, 감소된 끝단성장(tip growth)을 수용하기 위해, 끝단부분(46)은 용접재료로 덧붙임되고, 그 다음에 바람직한 소정의 길이로 가공된다.
수리된 터빈 블레이드(10)에 열차단코팅을 추가하는 것의 가장 큰 장점은 블레이드 금속의 온도 변화율(gradients)을 감소시킨다는 것이다. 더 두꺼운 트레일링 에지 벽 및 증가된 필렛 반경과 직결되는 열변화율(thermal gradients)의 감소는 에어포일의 루트 부분 응력을 감소시키고 블레이드의 유효수명을 증가시킨다. 특히, 수리된 블레이드의 열-기계적 피로수명(fatigue life)은 2배 이상 증가된다.
더불어, 이상에서 설명된 수리방법이 다양한 종류의 블레이드를 수리하는 데에 사용되어 본래의 블레이드와 비교하여 유효수명이 향상된 수리된 블레이드를 유용하게 제공한다는 사실은 본 발명의 영역에 포함되어 있으며, 본 발명이 속하는 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 것이다.
이상에서 설명된 방법, 목적, 장점을 충분히 만족하는 터빈 블레이드의 트레일링 에지 균열 수리방법이 본 발명에 따라 제공되었다는 것이 명백하다.
본 발명은 비록 특정의 실시예에 관하여 설명되었지만, 다양한 변경, 수정 및 변화가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 것이며, 그러한 변경, 수정 및 변화는 넓은 의미에서 첨부 특허청구 범위에 포함된다 할 것이다.

Claims (15)

  1. 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드를 수리하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    상기 균열이 위치한 블레이드 트레일링 에지 부분에 인접한 터빈 블레이드의 제 1표면을 도려내는 단계;
    상기 균열이 위치한 블레이드 트레일링 에지 부분에 인접한 터빈 블레이드의 제 2표면을 도려내는 단계;를 포함하며,
    상기 도려내는 단계 각각은 상기 균열을 제거하고 도려낸 트레일링 에지 부분을 형성하기 위하여, 상기 각각의 표면을 상기 균열의 길이보다 크고 트레일링 에지 반경보다 작은 깊이로 도려내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도려내는 단계 각각은 상기 각각의 측면을 상기 트레일링 에지 부분의 루트 부분에 인접한 제 1지점에서부터 터빈 블레이드의 에어포일길이의 근사적 중간지점에 위치한 제 2지점까지 도려내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 도려낸 트레일링 에지 부분을 본래의 트레일링 에지 부분에 조화가공(blending)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 도려낸 트레일링 에지 부분을 상기 터빈 블레이드의 플랫폼 부분에 조화가공(blending)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 조화가공단계는 상기 터빈 블레이드의 트레일링 에지 상의 돌기를 제거하기 위하여 복합반경의 사용을 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    응력집중을 최소화하기 위하여 남아있는 에지(edge)를 완만한 반경으로 조화가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 도려내는 단계 후에 상기 터빈 블레이드에 열차단코팅을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    모재온도의 감소를 감안하여 열차단코팅 적용 단계 이전에 터빈 블레이드의 끝단길이를 수정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 수정 단계는 상기 열차단코팅 적용 단계 이전에 상기 터빈 블레이드의 끝단부분에 용접재료를 적용하는 단계 및 소정의 길이로 상기 터빈 블레이드를 기계적으로 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 용접재료 적용 단계는 상기 끝단부분에 니켈계합금 용접재료를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 열차단코팅 적용 단계는 M이 철, 니켈, 코발트 및 니켈과 코발트의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 MCrAlY 코팅을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 열차단코팅 적용 단계는 M이 니켈 또는 코발트이고, 실리콘 및 하프늄을 포함하는 MCrAlY 코팅을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 열차단코팅 적용 단계는 단열세라믹코팅을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 단열세라믹코팅은 입방체의 파일로클로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 열차단코팅 적용 단계는 가돌리니아 및 지르코니아를 포함하는 세라믹열차단코팅을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 트레일링 에지 부분에 균열을 갖는 터빈 블레이드의 수리방법.
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