KR20090034112A - 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법에 관한 것이다.
즉, 커플링 볼트와 커플링 너트 및 커버 플레이트를 이용하여 압축기 로터와 터빈로터를 연결하는 커플링 볼트/너트에 있어서, 상기 커플링 볼트는 볼트의 몸체부와 머리부를 형성할 소재를 선택하는 소재 선택 단계(S10); 상기 소재의 볼트의 머리가 형성될 부분을 가열하는 단계(S20); 상기 볼트의 머리가 형성될 부분을 가열한 소재를 볼트의 몸체부가 될 부분을 금형의 몸체지지부에 고정시키고 머리부가 형성될 소재부분을 금형의 머리형성부에 노출시킨 후 기가열된 머리부를 펀치로 펀칭하여 머리부를 형성하는 볼트 머리부 형성 단계(S30); 상기 볼트머리부 형성 이후에 기계적 성질 및 기계 가공성 향상을 위한 열처리 단계(S40); 및 상기 몸체부에 나사산을 형성하는 나사산 가공 단계(S50); 를 포함하여 이루어지는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의할 경우 좌굴현상과 배럴링 현상이 생기지 아니하는 효과가 있다.
가스터빈, 커플링 볼트, 인코넬
Description
본 발명은 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 커플링 볼트의 제조시 인코넬 소재를 사용하여 단조방법으로 볼트를 제작함에 있어서 볼트의 머리부에 배럴링이 생기거나 몸체부에 좌굴이 생기지 아니하도록 하는 제조방법에 관한 것이다.
발전용 가스터빈 설비는 열효율이 뛰어나고 공해의 발생이 적어 급속한 속도로 발전하고 있으며 점차 그 설비의 설치 및 사용이 증대되고 있다.
가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈 등의 주요 부분으로 구성되되, 상기 압축기에서 압축된 공기가 연소기 내에서 연료와 혼합되어 발생된 고온의 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전을 하게 된다.
현재 국내에서 사용중인 가스터빈은 기동정지가 빈번하기 때문에 사용수명이 8 내지 10년 정도가 지난 뒤에는 동종설비의 교체가 예정되어 있고 가스터빈의 장기 사용으로 압축기 블레이드 절손에 의한 사고가 빈번하게 발생되고 있다. 또한 각 단품의 교체시 고가의 외국업체로부터 수입하여 교체하고 있는 실정이다.
도 1은 가스터빈 발전기의 절개도를, 도2는 압축기 로터 부분과 터빈 로터 부분을 연결하는 도면을 각 나타낸다.
동 도면에서 보는 바와 같이 가스터빈은 가운데 부분을 관통하여 로터가 형성되고 상기 로터에 연결되어 회전하는 블레이드와 연결되어 블레이드를 잡아주는 디스크 휠이 형성되어 있다. 상기 디스크 휠의 가장자리 부분을 관통하여 쓰루볼트가 구비되며 상기 로터와 블레이트가 외부로 노출되지 않도록 상부 케이싱 및 하부 케이싱에 의해 밀봉되게 된다.
커플링 볼트란 압축기 로터 부분과 터빈 로터부분을 연결하는 볼트로서 일정한 수축, 팽창을 이용하여 체결되며 터빈의 운전 중 전단응력을 이용하여 터빈 내 동력을 전달하는 역할을 수행한다. 상기 커플링 볼트는 고온, 고압의 사용환경 하에서 완벽한 씰링과 열팽창, 열수축의 반복 하중 하에서 사용되기 때문에 증기의 누설이 발생되지 않도록 안전설계되어 사용하는 부품이다. 그리고 커플링 볼트는 주기적인 교체를 통해서 안전성을 확보하고 있는 부품으로서 한번 교체시 60여개를 동시에 교체하게 된다.
그러나 이러한 고압의 사용 환경 하에서도 사용가능한 볼트의 제작이 국내기술로는 불가능하여 전량 외국에서 수입해서 교체해야만 하는 불편이 있었다. 또한, 이러한 시장의 규모는 점진적으로 늘어나고 있어 이러한 볼트의 제작이 필수적이었다.
상기와 같은 고온, 고압의 환경하에서도 견딜 수 있는 금속재질이 필요한데 이는 상기와 같은 악조건하에서도 사용가능한 기계적 특성이 뛰어난 인코넬 718을 사용한다. 기계적 강도가 뛰어난 상기 인코넬 718 소재는 니켈을 주체로 하여 15%의 크롬, 6~7%의 철, 2.5%의 티탄, 1%이하의 알루미늄 . 망간 . 규소를 첨가한 내열합금으로 내열성이 좋고, 900℃ 이상의 산화기류 속에서도 산화하지 않는 특성이 있다. 신장, 인장강도, 항복점 등 기타의 다른 여러 성질도 600℃ 정도까지 대부분 변화하지 않는 등 기계적 성질에 우수하며, 유기물 및 염류용액에 대해서도 부식하지 않는 특성이 있다.
이와 같은 강한 금속성 성질 때문에 통상 볼트의 머리부를 형성하는 경우 단조방법에 의하지 아니하고 가공에 의한 절삭방법으로 볼트를 제작하였다. 그러나 가공에 의한 절삭방법에 의할 경우 가공시간의 과다하게 소요되고, 가공기계의 마모를 가져오게 되며, 또한, 절삭에 의한 경우 고가의 소재를 낭비하게 되는 문제가 있었다.
즉, 상기 인코넬 718소재를 볼트의 소재로 사용하고자 할 때, 상기 인코넬 718 소재는 500℃ 내지 1,000℃ 사이의 고온에서 우수한 기계적 강도를 유지할 수 있는 능력을 가졌기 때문에 상대적으로 난삭재로서 높은 절삭력이 요구되고 그로인한 공구의 성능이 감소하는 문제점이 있었다. 그리고 절삭저항이 크므로 가공기계에 미치는 영향이 크며, 가공면의 조도와 치수 정밀도가 불량하다는 문제점 또한 있었다.
도 3은 배럴링 현상과 좌굴현상을 나타내는 도면이다.
커플링 볼트를 제작할 때 앞의 경우에서와 같이 절삭에 의한 방법으로도 행해질 수 있지만, 이에 의할 경우 시간적 경제적으로 비효율적임은 이미 본 바이다. 따라서 볼트의 머리부를 제작할 때 단조에 의한 방법으로도 제작할 수 있는데 인코넬 718 소재는 워낙 금속성이 강하여 단조가 어려운 소재여서 일반적인 단조방법에 의할 경우 배럴링 현상이나 좌굴현상이 생기게 된다.
여기에서의 배럴링 현상이란 단조공정이나 일반적인 부피성형가공 또는 압축과 관련된 가공시 상하 금형이나 다이와 가공하는 모재 표면과의 마찰에 의하여 가운데가 볼록한 형상을 가지게 변형하는 현상을 말하고 하며 좌굴현상이란, 기둥의 길이가 그 횡단면의 치수에 비해 클 때, 기둥의 양단에 압축하중이 가해졌을 경우 하중이 어느 크기에 이르면 기둥이 갑자기 휘는 현상으로서 안전 상태에 있던 구조물이 어떠한 영향에 의해서 안정이 깨지는 상태를 말한다.
이와 같은 배럴링 현상 또는 좌굴현상은 볼트를 지지하는 금형의 형상이나 볼트의 머리부를 형성할 금속소재의 가열온도에 따라 좌우되므로 가공조건 및 온도특성을 파악하여 좌굴, 배럴링 및 기타 결함이 생기지 않도록 해야할 필요성이 있다.
커플링 볼트는 통상 볼트 머리부분을 가열한 후 펀치 등으로 펀칭하여 지그의 모양에 따라 볼트의 머리부분의 형상이 만들어지는데 이때, 볼트의 몸체부에 좌굴현상이 생기거나 볼트의 머리부분에 배럴링 현상이 생기게 되는 경우가 있는데 이러한 좌굴현상이나 배럴링 현상이 생기지 않도록 하는 제조방법이 중요하다.
상기한 문제점을 해소하기 위하여 본 발명은, 가스터빈 내부의 고온, 고압의 악조건에서도 사용이 가능하며 볼트 제작시 볼트의 몸체 부분에 좌굴 혹은 머리부분에 배럴링과 같은 과 같은 불안정 요소가 생기지 아니하는 가스터빈용 커플링 볼트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 태양으로서 본 발명은, 커플링 볼트와 커플링 너트 및 커버 플레이트를 이용하여 압축기 로터와 터빈로터를 연결하는 커플링 볼트/너트에 있어서, 상기 커플링 볼트는 볼트의 몸체부와 머리부를 형성할 소재를 선택하는 소재 선택 단계(S10); 상기 소재의 볼트의 머리가 형성될 부분을 가열하는 단계(S20); 상기 볼트의 머리가 형성될 부분을 가열한 소재를 볼트의 몸체부가 될 부분을 금형의 몸체지지부에 고정시키고 머리부가 형성될 소재부분을 금형의 머리형성부에 노출시킨 후 기가열된 머리부를 펀치로 펀칭하여 머리부를 형성하는 볼트 머리부 형성 단계(S30); 상기 볼트머리부 형성 이후에 기계적 성질 및 기계 가공성 향상을 위한 열처리 단계(S40); 및 상기 몸체부에 나사산을 형성하는 나사산 가공 단계(S50); 를 포함하여 이루어지는 것이 가능하다.
또한, 상기 나사산 가공단계(S50)이후에 표면 조도 및 비파괴 검사를 포함하는 검사 단계(S60);를 더 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 커플링 볼트의 소재는 인코넬 718 소재인 것이 가능하며, 상기 금형은 볼트의 머리부 형성시 머리형성부 상단부의 지름이 하단부의 지름보다 약 2 내지 4mm 더 큰 것으로 하여 구비될 수도 있다.
또한, 상기 가열된 머리부의 온도는 1150℃ 또는 그 이상인 것으로 하거나, 상기 펀치의 펀칭속도는 800mm/s 또는 그 이상인 것으로 하여 구비될 수 있다.
상기한 구성에 의하여 본 발명은, 가스터빈용 커플링 볼트를 제작함에 있어서 볼트의 머리나 몸체 부분에 불안정한 요소가 제거된 내구성이 우수한 커플링 볼트를 제공할 수 있다.
또한, 인코넬 718 합금을 활용하는 민수, 군수 분야에서의 국내수요 증대의 효과 또한 제공될 수 있다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 커플링볼트 제작 작업의 순서도를 나타낸다.
동 도면에서 보는 바와 같이 커플링 볼트의 제작에 앞서 먼저 소재의 선택이 이루어지는데 상기 커플링 볼트(110)로 사용될 수 있는 소재는 인코넬 718 소재가 사용된다.
소재의 선택 이후에 볼트의 머리부(111)가 될 부분(111a)에 대해 가열이 이루어진다. 상기 가열이 된 부분에 대해 펀치에 의한 볼트의 머리부(111)가 만들어지게 된다. 상기 머리부(111)가 만들어진 볼트에 대해 열처리 공정이 이루어지는데 상기 열처리 공정은 커플링 볼트(110)가 큰 압력에 견디도록 강도, 경도, 전연성, 인성 등의 기계적 성질이 개선되도록 하기 위함이며 또한, 잔류응력을 제거하여 피로응력에 의하여 파괴되는 일이 없도록 하기 위함이다. 그리고 기계 가공성을 향상시켜 원하고자 하는 형상을 치수 오차 없이 가공할 수 있도록 하여 사용중에 부식으로 인한 결함을 예방하고자 하기 위함이다.
상기 열처리 공정 이후에는 볼트에 대한 절삭가공이 이루어지게 된다. 상기 절삭가공에 있어서는 제품의 치수정밀도를 높이기 위해서 커팅 속도, 커팅 깊이 등의 여러 절삭조건이 고려되어야 한다. 이는 표면 거칠기와 가공오차를 줄이기 위함이다. 그리고 진직도 유지를 위한 가공방법이 강구되어야 한다. 진직도 유지를 위해서는 방진구의 설계를 통한 볼트의 휘어짐을 방지해야 한다.
그후 순차적으로 정삭 및 비파괴 검사 등의 검사가 행해진다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 단조방법에 의한 볼트의 머리부 형성에 대한 개략도를, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플링 볼트(110)의 머리부분을 형성하기 위한 종래 금형과 개선된 금형을 각나타낸다.
동 도면에서 보는 바와 같이 종래의 금형은 금형상의 볼트의 머리부분을 형성하기 위한 부분의 경우 머리부의 아랫부분이나 윗부분의 경우 모두 동일한 직경 을 가지도록 구비되었으나, 개선된 금형(140)의 경우 약 2 내지 4mm 정도 볼트 머리의 상단부(142)의 직경이 하단부(143)의 직경보다 더 크게 구비됨을 알 수 있다.
이 경우 단조된 볼트 머리부의 온도를 1050℃, 1100℃ 및 1150℃로 했을 때 그리고 펀치(150)의 속도를 각 400mm/s, 600mm/s, 및 800mm/s로 했을 때의 각 금형(140)에 걸리는 로드(Load)의 데이터(단위 : 톤)는 각 다음과 같다.
[표 1] 볼트 머리예정부(111a)의 온도를 1050℃로 했을 때
| 400mm/s | 600mm/s | 800mm/s | |
| 종래의 금형 | 194 | 191 | 191 |
| 개선된 금형 | 195 | 184 | 185 |
[표 2] 볼트 머리예정부(111a)의 온도를 1100℃로 했을 때
| 400mm/s | 600mm/s | 800mm/s | |
| 종래의 금형 | 155 | 161 | 162 |
| 개선된 금형 | 146 | 142 | 144 |
[표 3] 볼트 머리예정부(111a)의 온도를 1150℃로 했을 때
| 400mm/s | 600mm/s | 800mm/s | |
| 종래의 금형 | 133 | 128 | 137 |
| 개선된 금형 | 111 | 118 | 123 |
상기 위 표1 내지 표3의 데이터로부터 볼 때, 볼트 머리예정부(111a)의 단조된 온도에 따라 펀치(150)에 걸리는 하중이 각 다르기는 하나, 각 온도별로 데이터가 집중되어 있으며 대체적으로 종래의 금형 대비 개선된 금형(140)의 경우 약 15 톤 정도의 하중의 감소가 발생함을 알 수 있다.
그리고 볼트 머리예정부(111a)의 온도를 1050℃ 또는 1100℃로 했을 때에는 개선된 금형(140)에 의하더라고 좌굴 및 배럴링 현상이 생겼으나, 1150℃로 했을 때에는 좌굴 및 배럴링 현상이 생기지 아니하였다. 즉 인코넬 718 소재의 볼트 머리예정부(111a)의 온도를 1150℃로 했을 경우 좌굴 및 배럴링 현상이 생기지 아니하였다. 즉, 인코넬 718 소재의 볼트를 단조의 방법으로 가공하고자 할 경우 볼트 머리부(111a)의 온도를 1125℃ 이상으로 하되 바람직하게는 1150℃ 이상으로 가열함이 바람직하다.
그리고 볼트 몸체부(112)를 금형에 고정시킨 채로 볼트의 머리부(111)를 형성할 단조된 부분인 볼트 머리예정부(111a)가 펀치에 의해 충격이 가해질 경우 금형이 받는 스트레스를 표로 나타내어 보면 다음과 같다.
[표 4] 종래의 금형에 의할 경우(단위 : Mpa)
| 온도 / 속도 | 400mm/s | 600mm/s | 800mm/s |
| 1050℃ | 2050 | 2100 | 2170 |
| 1100℃ | 1560 | 1720 | 1790 |
| 1150℃ | 1330 | 1310 | 1450 |
[표 5] 개선된 금형에 의할 경우(단위 : Mpa)
| 온도 / 속도 | 400mm/s | 600mm/s | 800mm/s |
| 1050℃ | 1870 | 1960 | 2020 |
| 1100℃ | 1500 | 1460 | 1550 |
| 1150℃ | 1140 | 1200 | 1290 |
즉, 이 경우에도 개선된 금형(140)에 의할 경우 종래의 금형에 의할 경우보다 더 스트레스가 작음을 알 수 있다.
이는 종래의 금형에 의하는 경우 좌굴현상이 생기게 되나, 개선된 금형(140)에 의한 경우 좌굴현상이 생기지 않게 된다. 이는 금형상의 볼트 머리형성부(141)의 상단부(142)의 지름을 하단부(143)의 지름보다 크게 하면 볼트 머리부(111) 형성시 상단부의 지름이 하단부의 지름보다 약간 크게 형성되면서 상대적으로 몸체부(112)에 가하는 하중이 줄어들기 때문이다.
좌굴현상이 생기지 않는 경우는 금형의 볼트 머리 형성부(141)의 상단의 지름이 하단의 지름보다 약 2mm 정도 큰 경우이다. 하지만, 금형(140)의 형태를 볼트 머리부의 상단부를 하단부와 현격하게 차이가 나도록 크게 형성하면 볼트 머리부(111)의 형상이 볼트 본연의 기능의 수행에 지장이 있게 되므로 볼트 머리부(111)의 상단을 머리부의 하단의 지름보다 약 2 내지 4mm 정도 크게 형성함이 바람직하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
도 1은 가스터빈 발전기의 절개도.
도 2는 압축기 로터 부분과 터빈 로터 부분을 연결하는 도면.
도 3은 배럴링 현상과 좌굴현상을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 커플링 제작 작업의 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단조방법에 의한 볼트의 머리부 형성에 대한 개략도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플링 볼트의 머리부분을 형성하기 위한 종래 금형과 개선된 금형의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
110 : 커플링 볼트 111 : 볼트 머리부
111a : 머리 형성예정부 112 : 볼트 몸체부
120 : 너트 130 : 커버 플레이트
140 : 금형 141 : 머리 형성부
142 : 머리 형성부 상단부 143 : 머리 형성부 하단부
146 : 몸체지지부 150 : 펀치
Claims (7)
- 커플링 볼트(110)와 너트(120)를 이용하여 압축기 로터와 터빈로터를 연결하는 커플링 볼트(110) 및 너트(120)에 있어서, 상기 커플링 볼트(110)는볼트(110)의 몸체부(112)와 머리부(111)를 형성할 소재를 선택하는 소재 선택 단계(S10);상기 소재의 볼트의 머리가 형성될 머리 형성예정부(111a)부분을 가열하는 단계(S20);상기 볼트의 머리가 형성될 머리 형성예정부(111a)를 가열한 소재를 볼트의 몸체부(112)가 될 부분을 금형(140)의 몸체지지부(146)에 고정시키고 머리부(111)가 형성될 소재부분을 금형의 머리형성부(141)에 노출시킨 후 기가열된 머리 형성예정부(111a)를 펀치(150)로 펀칭하여 볼트 머리부(111)를 형성하는 볼트 머리부 형성 단계(S30);상기 볼트 머리부 형성 이후에 기계적 성질 및 기계 가공성 향상을 위한 열처리 단계(S40); 및상기 몸체부에 나사산을 형성하는 나사산 가공 단계(S50);를 포함하여 이루어지는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 나사산 가공단계(S50)이후에표면 조도 및 비파괴 검사를 포함하는 검사 단계(S60);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 커플링 볼트(110)의 소재는 인코넬 718 소재인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금형은 볼트 머리부(111) 형성시 금형(140) 의 머리형성부(141) 상단부(142)의 지름이 하단부(143)의 지름보다 더 큰 것을 특징으로 하는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 머리형성부(141) 상단부(142)의 지름이 하단부(143)의 지름보다 2 내지 4mm 더 큰 것을 특징으로 하는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 가열된 머리 형성예정부(111a)의 온도는 1150℃ 이상인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 펀치(150)의 펀칭속도는 800mm/s 이상인 것을 특징으로 하는 가스터빈용 커플링 볼트의 제조방법.
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ID=40760150
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103212957A (zh) * | 2013-05-10 | 2013-07-24 | 江苏永昊高强度螺栓有限公司 | 高强度螺栓加工方法 |
| KR101365434B1 (ko) * | 2011-07-28 | 2014-02-20 | 주식회사 덱센 | 자동 볼트 제조장치 |
| KR101506585B1 (ko) * | 2013-08-29 | 2015-03-30 | 주식회사 태웅 | 중공 샤프트용 성형장치 |
| CN109583063A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-04-05 | 东北大学 | 一种风扇转子试验模型的动力学特性相似设计方法 |
-
2007
- 2007-10-02 KR KR1020070099281A patent/KR20090034112A/ko not_active Application Discontinuation
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