KR20120101083A - 원심 임펠러용 몰드, 몰드 인서트 및 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법 - Google Patents

원심 임펠러용 몰드, 몰드 인서트 및 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법 Download PDF

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KR20120101083A
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이아코포 지오반네티
안드레아 마시니
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줄리앙 오플린
스콧 핀
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드로서, 이 몰드는 완성된 임펠러의 공기역학적 베인(13)의 환상 조립체를 복제할 수 있고, 공기역학적 베인(13)을 형성하기 위해 사용되고, 주조 공정 중에 상기 몰드로부터 용이하게 제거될 수 있는 적어도 하나의 환상 인서트(110)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

원심 임펠러용 몰드, 몰드 인서트 및 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법{MOLD FOR A CENTRIFUGAL IMPELLER, MOLD INSERTS AND METHOD FOR BUILDING A CENTRIFUGAL IMPELLER}
본 명세서에 개시된 주제의 실시예는 일반적으로 터보기계용 복합재료의 원심 임펠러 및 관련 제작 방법에 관한 것이고, 특히 석유 및 가스 용도의 그러나 이것에 한정되지 않는 터보기계용 복합재료의 원심 임펠러 및 관련 제작 방법에 관한 것이다.
다른 실시예는 일반적으로 이 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드, 이 몰드를 이용하여 원심 임펠러를 제작하기 위한 특별한 부품, 및 상기 임펠러가 사용될 수 있는 터보기계에 관한 것이다.
원심 터보기계의 하나의 부품은 원심 임펠러로서, 이것은 일반적으로 터보기계를 구동하는 모터의 에너지를 회전 중심으로부터 외측으로 유체를 가속시키는 것에 의해 가압되는 즉 펌핑되는 작동 유체에 전달하고, 임펠러로부터 작동 유체에 부여된 운동 에너지는 유체의 외방향 운동이 디퓨저 및 기계의 케이싱에 의해 구속되어 있을 때 압력 에너지로 변환된다. 이 원심 기계는 일반적으로 압축기(작동 유체가 기체인 경우) 또는 펌프(작동 유체가 액체인 경우)로 불린다.
또 하나의 유형의 원심 터보기계는 팽창기로서, 이것은 유체를 팽창시킬 수 있는 임펠러를 이용하여 축 상에 기계적 작용을 생성하기 위해 작동 유체의 압력을 이용한다.
미국특허 제 4,676,722호는 복수의 섬유 충전된 스쿱(scoops)으로 제작된 원심 압축기용 휘일을 개시하고 있다. 이 특수 임펠러의 단점은 다양한 스쿱이 실질적인 반경 방향으로 직접적인 섬유 보강물을 가지므로, 고속의 회전시의 원심력에 의해 발생되는 원주방향 응력을 평형화하기가 곤란하다는 것이다. 제작 후에 섹터들은 접착제의 접착력에 의해 상호 접합되고, 이것은 최고 작동 속도를 제한한다. 또, 조립이 직물에 의해 실행되는 상기 제작 방법은 낮은 공기역학적 효율을 가질 수 있는 비교적 단순한 형상(예, 직선상 연부를 가지는 섹터)에 제한된다.
미국특허 제 5,944,485호는 특히 대직경의 열 구조적 복합 재료로 구성되는 터빈, 및 볼트, 요홈, 슬롯 등에 의해 그 조립을 위한 기계적 연결을 제공하는 터빈을 제작하기 위한 방법이 개시하고 있다. 이 임펠러의 단점은 부식성 또는 침식성 작동 유체를 사용하는 경우 기계적 결합이 높은 회전 속도에서 높은 저항을 보장할 수 없다는 점이다. 그러므로 이 부품의 신뢰성은 격감될 수 있다. 또, 허브에 날개(airfoil)를 부착하기 위한 구성은 통로의 내부 모서리의 주위에 연속 섬유를 제공한다. 이들 영역은 전형적으로 고응력의 영역이므로, 날개로부터 커버까지 및 날개로부터 허브까지 섬유를 연속적으로 가지는 것이 바람직하다.
미국특허 제 6,854,960호는 분할형 복합재 임펠러 또는 임펠러 배열 및 제작 방법을 개시하고 있다. 이 임펠러의 주요 단점은 동일한 분할체(segments)들을 결합하기 위해 접착제 접합에 의존하는 점이다. 그 결과, 이 임펠러는 높은 회전 속도에서의 작업에 대해 높은 기계적 저항을 가지지 않고, 또 원심력이 동일한 분할체들을 분리시켜 임펠러 자체를 파괴시킬 수 있다. 또 하나의 단점은 3차원 임펠러 또는 유사 임펠러의 경우와 같이 복잡한 형상의 베인을 가진 임펠러를 제작하는 것이 불가능하다는 점이다.
일반적으로, 전술한 모든 임펠러의 단점은 이들 임펠러가 개별적으로 제작된 후 기계적으로 조립되어야 하는 복수의 상이한 부품으로 구성되므로 비교적 복잡한 기계적 구조를 가진다는 점이다. 더욱, 섬유로 제작되는 부품들은 일반적으로 고가의 금속 몰드에 의해 제작되어야 하므로 제작비를 증가시킨다. 또, 상이한 금속 몰드가 각각의 상이한 유형의 임펠러를 위한 이들 섬유 부품을 제작하기 위해 사용되어야 하고, 이것은 제작비를 상당히 증가시킨다. 또, 이들 기계적 조립체는 자동화된 기계에 의해 쉽게 달성할 수 없으므로 제작 시간 및 제작 비용을 증대시킨다.
또 하나의 단점은 이들 임펠러의 베인은 작동 유체 내에 현탁되어 있는 고형 입자 또는 산성 입자로부터 전혀 보호될 수 없고, 그러므로 침식 또는 부식의 문제가 상당하고 또 부품의 파괴로 이어질 수 있다.
또 하나의 단점은 고속에서 임펠러의 최적의 작동을 위해 필요한 모든 부품들의 기계적 조립을 완수하기가 어려울 수 있다는 점이다. 더욱, 사용 중에 생성되는 장력 및 외력에 의해 형성되는 임의의 왜곡은 특히 고속에서의 작동 중에 문제를 유발할 수 있고, 다양한 부품들의 마모 및/또는 불완전 조립에 의해 유발되는 변형이 작동 중에 발생할 수 있다. 그러므로, 임펠러가 파손될 수 있다.
현재까지 기술의 발전에도 불구하고 이 단점들은 문제를 제기하고 또 이 단점들에 의해 더욱 신속하고 저비용으로 터보기계를 위한 간소하고 저렴하게 원심 임펠러를 생산하기 위한 필요성 및 동시에 개량된 고품질의 완성품을 생산하기 위한 필요성이 발생되었다. 터보기계 분야에서 임펠러를 효과적으로 사용하기 위해 금속 임펠러의 기계적 특성, 유체역학적 특성 및 공기역학적 특성을 대부분 보존하는 채로 복합재 및 섬유 기술을 이용하여 혁신적인 원심 임펠러를 제작하기 위한 특별한 필요성이 존재한다. 복합재의 고유의 강도의 이용을 증대시키기 위해 또 전형적인 금속 임펠러를 이용하는 경우에 비해 더 빠른 선단 속도에서 안전한 작동이 가능하도록 하기 위해 설계 상의 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 원심 임펠러를 제작하기 위한 간소하고, 신속하고 저렴한 몰드를 제작하여 전술한 단점들의 적어도 일부를 극복하는 것이다.
추가의 목적은 상기 임펠러의 제작을 위한 방법, 특히 복합재료를 이용하여 상기 임펠러를 제작하기 위한 방법을 개발하는 것이다.
추가의 목적은 상기 몰드에 의해 상기 임펠러를 제작하기 위한 일부의 부품을 용이하고 저렴한 방법으로 제작하는 것이다.
제 1 관점에 따라, 적어도 하나의 직물 요소가 결합된 내벽을 포함하는 복수의 공기역학적 베인을 포함하는 터보기계용 원심 임펠러가 제공된다.
다시 말하면, 상기 공기역학적 베인은 인접한 블레이드들 사이의 빈 공간이다. 이 임펠러의 사용 중에 간단히 말해서 작동 유체는 각 공기역학적 베인의 입구 아이(inlet eye) 내로 유입하고, 베인을 통과하고, 여기서 유체는 베인 자체의 형상 및 임펠러의 회전에 의해 반경방향으로 가압되고, 최종적으로 각 베인의 아이 출구(eye outlet)를 통해 배출된다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 "직물(fabric)"이라는 용어는 브레이드(braid) 패턴, 스티치트(stitched) 패턴, 또는 층 조립체(및 직조된 배열만이 아닌 것)과 같은 패턴으로 직조된 복수의 다양하고 상이한 직물 구조를 나타내는데 사용된다. 이하의 설명 참조.
개시된 주제의 특히 유리한 실시예에서, 제 1 직물 요소는 공기역학적 베인의 공기역학적 특성이 보존되도록 공기역학적 베인의 형상을 실질적으로 복제하기 위해 각 공기역학적 베인을 포위하도록 구성된다. 이 직물은 각 베인의 전체 내면의 주위에서 연속되고, 그 결과 이들 위치에서 생성되는 기계적 응력에 대해 높은 내성을 제공하는 것이 유리하고 바람직한 섬유를 포함한다. 이 같은 방식으로 단일 베인은 기계적 응력에 대해 상당한 내성을 가지게 되고, 동시에 그 공기역학적 특성을 보존할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 유리한 실시예에서, 제 2 직물 요소는 베인의 공기역학적 특징이 보존되도록 베인의 상벽 및 이들 베인 사이의 각 블레이드를 통과하는 인접 베인의 하벽을 교대로 포위하도록 구성된다.
또 하나의 유리한 실시예에서, 제 3 직물 요소는 실질적으로 원추형 표면을 갖고, 직물 블레이드는 이 원추형 표면으로부터 외측으로 연장하고, 이들 직물 블레이드는 완성된 임펠러의 블레이드를 실질적으로 복제할 수 있다.
상기 3개의 실시예는 특별한 제작의 필요성 또는 사용의 필요성에 따라 상이한 방법으로 구현될 수 있고, 또 하나의 실시예와 다른 실시예를 조합하여 이들 실시예를 구현하는 것이 배제되지 않음은 명백하다.
또 하나의 실시예에서, 성형 부품이 작동 유체에 의해 유발되는 침식 현상 또는 부식 현상에 저항하도록 각 공기역학적 베인의 내측에 결합된다.
실제로, 상기 작동 유체는 기체, 액체, 또는 이들의 일반적인 혼합물일 수 있고, 침식 작용 또는 부식 작용은 임펠러의 높은 회전 속도에 의해 심화될 수 있고, 상기 임펠러의 높은 회전 속도에 의해 유동체 내의 액체 입자 또는 고체 입자는 큰 힘을 가지고 블레이드에 충돌하게 된다.
또 하나의 유리한 실시형태에서, 임펠러는 공기역학적 베인 상에 설치된 제 4 직물 요소를 포함하고, 이 제 4 직물 요소는 원심 쉬라우드(shroud) 형상 및 기능을 실질적으로 가질 수 있다.
더욱, 상기 임펠러는 임펠러 자체용 배면 플레이트를 실질적으로 구현하는 환상의 평면 형상을 실질적으로 갖는 제 5 직물 요소를 포함할 수 있다.
제 6 직물 요소는 공기역학적 베인의 하측에 설치될 수 있고, 이 요소는 실질적인 환상을 갖고, 또 베인의 외부의 하면과 정합될 수 있다.
제 7 직물 요소는 터보기계의 로우터가 삽입되는 축방향 홀의 외주에 삽입되는 것이 바람직할 수 있다. 제 4, 5, 6 및 7 직물 요소는 완성된 임펠러의 기계적 저항을 증대시키기 위해 상호 조합된 상태로 제공되는 것이 바람직하지만, 이들 직물 요소는 단독으로 또는 특수한 제작의 필요성 또는 사용의 필요성에 따라 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
유리한 실시예에서, 전술한 모든 직물 요소는 제공 시에 임펠러의 더욱 높은 강성의 형상을 얻기 위해 통상 "매트릭스(matrix)"라 칭하는 충전 물질 내에 포함되거나 결합된다.
특히 유리한 실시예에서, 전술한 모든 직물 요소는 제공 시에 이들 직물 요소 사이의 빈 공간을 최소화하기 위해 정합(matched)되거나 상호 압축된다. 이 경우, 인접하는 섬유 요소들 사이의 공간을 충전하기 위해 사용되는 충전 물질은 체적 내의 구조적 섬유의 양을 최대화하기 위해 가능한 감소된다. 이것은 완성된 임펠러의 기계적 저항을 더 증대시킬 것이다.
추가의 유리한 실시예에서, 내부 코어 요소는 섬유의 배치를 위한 베이스를 제공하기 위해 제공되는 경우 임펠러의 제작 공정을 촉진하기 위해, 특히 상기 제 4, 5, 6 및 7 섬유 요소를 정 위치에 배치하는 것을 촉진하기 위해 공기역학적 베인의 하측에 배치된다. 또한, 코어 요소는 완성된 임펠러의 높은 회전 속도에서의 작동 중에 고강도 및 고강성을 부여하도록 구성되는 것이 유리할 수 있다.
상기 코어는 응고되기 전에 충전 물질보다 강성이 높은 재료, 예를 들면 목재(예, 발사(balsa)), 발포체(예, 에폭시, 페놀릭, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리비닐 클로라이드 PVC, 아크릴로니트릴 부타디엔-스티렌 ABS, 셀룰로이즈 아세테이트), 하니콤(예, 크라프트 종이, 아라미드 종이, 탄소 또는 유리 강화 플라스틱, 알루미늄 합금, 타나늄, 및 기타 금속 합금), 폴리머(예, 페놀릭, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤), 또는 금속 재료 등으로 제작될 수 있다.
특히 유리한 실시예에서, 코어는 이 코어의 전체 밀도를 감소시키는 미충전 공동으로 구성되고, 그 결과 이 코어의 밀도는 직물 또는 충전 물질의 밀도보다 실질적으로 낮다. 그 결과 높은 회전 속도에 노출되는 인접 구조물 상에 더 낮은 외력이 가해진다.
특정의 실시예에서, 코어는 특히 콤팩트하고 강성 및 내성을 갖는 시스템을 얻기 위해 단독의 또는 다양한 조합의 전술한 직물 요소들 중의 적어도 하나에 의해 부분적으로 포위될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 전술한 직물 요소는 복수의 일방향성 또는 적어도 하나의 우선 방향을 따라 높은 이방성(anisotropy)을 갖도록 실질적으로 구현되는 다방향성 섬유에 의해 제작된다. 이들 섬유는 예를 들면 탄소 섬유, 유리 섬유, 석영, 붕소, 현무암, (방향족 폴리아미드 또는 광대 연쇄 폴리에틸렌과 같은) 폴리머 폴리에틸렌, (실리콘 카바이드 또는 알루미나와 같은) 세라믹 등과 같은 실질적인 실(thread)과 유사한 형상을 가질 수 있다.
그러나, 이들 직물 요소가 예를 들면 입자상 요소, 박판상 요소, 구형상 요소, 직물, 스티치트 직물, 브레이드 직물, 넌크림프(non-crimp) 직물, 기타 직물, 일방향 테이프 또는 조마(tows), 또는 임의의 다른 섬유 구성과 같은 상이한 유형의 섬유의 조합 또는 상이한 유형의 요소를 이용하는 2층 이상의 섬유의 층으로 구현될 수 있다는 것이 배제되지 않는다.
상기 충전 물질은 내부의 장력을 균일하게 분배하기 위해 그리고 고온에 대한 높은 내열성 및 직물 요소의 마모에 대한 높은 내마모성을 제공하기 위해 상호 결속될 수 있는 물질에 의해 구현될 수 있고, 반면에 직물 요소는 주로 임펠러의 작동 중에 장력에 대한 높은 내성을 제공할 수 있다. 더욱, 충전 물질은 임펠러의 중량을 경감시키기 위해 그 결과 작동 중에 발생되는 원심력을 감소시키기 위해 낮은 비중 또는 낮은 밀도를 제공하도록 배열될 수 있다.
상기 충전 물질은 유기 물질 또는 주 성분이 고분자량의 분자를 갖는 폴리머이고 또 화학 결합에 의해 결합된 복수의 기본 단위(모노머)에 의해 형성되는 천연 폴리머 물질이나 합성 폴리머 물질인 것이 바람직하다. 구조적으로 이들 분자는 상호 뒤엉켜 있는 직쇄 또는 분기쇄, 또는 3차원 격자로 형성될 수 있고, 또 주로 탄소 원자 및 수소 원자로 구성되고, 일부의 경우 산소, 질소, 염소, 규소, 불소, 황 등으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 폴리머 물질은 수많은 상이한 물질의 초대형의 족이다.
예를 들면 폴리머의 강도의 강화, 인성의 강화, 안정화, 보존, 액화, 채색, 표백, 산화 방지를 위한 특별한 필요에 의존하여 상이한 기능을 갖는 마이크로입자 또는 나노입자와 같은 하나 이상의 보조 화합물이 또한 폴리머 물질에 첨가될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시형태에서, 폴리머 충전 물질은 PPS(폴리페닐렌 설파이드), PA(폴리아미드 또는 나일론), PMMA(또는 아크릴), LCP(액정 폴리머), POM(아세탈), PAI(폴리아미드 이미드), PEEK(폴리-에테르-에테르-케톤), PEKK(폴리-에테르-케톤-케톤), PAEK(폴리-아릴-에테르-케톤), PET(폴리에틸렌 테레프탈라토), PC(폴리 카보네이트), PE(폴리에틸렌), PEI(폴리-에테르-이미드), PES(폴리에테르), PPA(폴리프탈아미드), PVC(폴리비닐 클로라이드), PU(폴리우레탄), PP(폴리프로필렌), PS(폴리스티렌), PPO(폴리페닐렌 옥사이드), PI(폴리이미드; 열경화성으로서 존재) 등과 같은 열가소성 폴리머로부터 적어도 부분적으로 구성된다. 특히 고온의 사용처를 위해, 중합화 단량체 반응물(PMR) 수지, 페닐에틸 엔드캡을 갖는 6F-폴리이미드(HFPE), 및 페닐에티닐-터미네이티드 이미드(PETI) 올리고머와 같은 다양한 폴리이미드가 바람직할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 유리한 실시형태에서, 폴리머 충전 물질은 에폭시, 페놀, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 아민, 퓨란, PI(열가소성 물질로서도 존재), BMI(비스말이미드), CE(시아네이크 에스테르), 프탈라노니트릴, 벤족사진 등과 같은 열경화성 폴리머로 적어도 부분적으로 구성된다. 특히 고온의 사용처를 위해, 중합화 단량체 반응물(PMR) 수지, 페닐에틸 엔드캡을 갖는 6F-폴리이미드(HFPE), 및 페닐에티닐-터미네이티드 이미드(PETI) 올리고머와 같은 다양한 열경화성 폴리이미드가 바람직할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 유리한 실시예에 따르면, 충전 물질은 (실리콘 카바이드 또는 알루미나 또는 기타와 같은) 세라믹 물질 또는 심지어 (알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 니켈, 구리 또는 이들의 합금과 같은) 금속 등으로부터 적어도 부분적으로 구성된다.
본 발명에 따라 제작된 임펠러의 장점은 고품질 및 혁신적인 특징을 가진다는 점이다.
특히, 상기 임펠러는 극히 경량이고, 동시에 (높은 회전 속도 및 고 압력비용) 터보기계 분야에서 사용되는 공지의 금속제 임펠러와 유사한 정도의 내성을 갖는다.
실제로, 전통적인 금속제 임펠러는 임펠러의 치수에 따라 약 10 내지 2000 kg의 중량을 가질 수 있고, 본 발명에 따른 임펠러는 (동일한 유형의 임펠러에 대해) 약 0.5 내지 20 kg의 중량을 가질 수 있다. 그러므로, 중량 감소는 75%를 초과한다.
또 하나의 이점은 본 발명에 따라 제작된 임펠러는 많은 다른 유체(액체, 기체 또는 이들의 혼합물) 및 고부식 특성 또는 고침식 특성을 가지는 유체와 함께 사용될 수 있다.
추가의 이점은 매우 저가격 및 간소하게 생산 및 조작할 수 있는 점이다. 이하의 기재 참조.
또 하나의 이점은 특정의 요구조건에 따라 임펠러의 품질 및 기계적 특징을 향상시키기 위해 성형 부품 또는 특정의 형상으로 제작되는 섬유 요소 등과 같은 부품 또는 요소를 추가하는 것이 매우 쉽다는 점이다.
또, 또 하나의 이점은 본 발명에 따라 제작된 임펠러는 공기역학적 특징 및 기계적 특징을 보존하는 한 상이한 유형일 수 있다. 예를 들면, 임펠러는 3차원 임펠러, 2차원 임펠러 등일 수 있다.
제 2 관점에 따르면, 전술한 적어도 하나의 원심 임펠러가 실장되는 터보기계가 제공된다.
특히, 이 터보기계는 (기체를 위한) 원심 압축기 또는 (유체를 위한) 원심 펌프일 수 있고, 또는 원심 팽창기일 수 있고, 어떤 경우에도 이 터보기계는 금속 또는 기타 재료(예, 복합 재료)의 공통 축 상에 결합된 복수의 이들 임펠러를 가지는 것이 바람직하다.
제 3 관점에 따르면, 완성된 임펠러의 공기역학적 베인을 복제하기 위한 복수의 공기역학적 베인 인서트를 포함하는 적어도 환상의 인서트를 포함하는 터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드가 제공된다.
특히, 상기 환상의 인서트는 단일체로 제작될 수 있고, 바람직하게는 복수의 부재를 결합하는 것에 의해 제작될 수 있다. 하기 참조.
상기 몰드는 바람직하고 유리하게 임펠러의 배면을 복제하도록 구성된 내면 및 이 내면에 실질적으로 대향하는 외면을 갖는 베이스 플레이트; 임펠러의 정면을 복제하도록 구성된 내면 및 내면에 실질적으로 대향하는 외면을 갖는 상측 링을 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 몰드는 바람직하고 유리하게 (반) 강성 형상을 갖는 그리고 상기 몰드 내에 설치되지 전에 별체로 제작되는 전술한 직물 요소를 포함한다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 상기 몰드는 원심 임펠러 예비성형체의 하측 및 베이스 플레이트의 상측에 결합되는 내부 코어를 포함하고, 이 내부 코어는 상이한 기술적 필요성 또는 사용 요구조건에 따라 많은 다은 실시예로 구현될 수 있다. 하기 참조.
본 발명의 또 하나의 유리한 실시예에서, 상기 몰드는 각 공기역학적 베인 인서트의 외부 표면 상에 결합될 수 있는 복수의 성형 부품을 포함하고, 이들 성형 부품은 완성된 임펠러의 작동 중에 작동 유체의 침식 또는 부식에 저항하도록 구성된다.
특히, 이들 성형 부품은 전술한 직물 요소 중의 하나와 베인의 벽에 대응하는 환상의 인서트의 사이에서 작동 유체에 의해 유발되는 침식 작용 또는 부식 작용이 더 높은 위치에 결합될 수 있다.
폐쇄 시스템은 베이스 플레이트 및 상측 링의 사이에서 임펠러 예비성형체를 센터링 및 로킹하기 위해 베이스 플레이트 및 상측 링의 사이에서 예비성형체를 폐쇄하도록 제공될 수 있다. 이 시스템은 복수의 상이한 유형에서, 예를 들면 기계적 시스템(센터링 핀, 나사 또는 기타), 기하학적 시스템(성형 홀, 성형 요홈, 성형 치, 성형 표면 또는 기타), 또는 다른 시스템에서 구현될 수 있다.
상기 베이스 플레이트 및/또는 상측 링의 내부에 형성된 주입 도관을 이용하여 몰드 내부에 충전 물질을 주입하도록 주입 시스템이 제공된다.
본 발명에 따른 몰드의 이점은 완성된 임펠러 및 몰드가 고품질이고, 터모기계 분야를 위한 혁신적 특징을 가진다는 점이다.
또 하나의 이점은 환상의 인서트를 위해 사용되는 재료가 고밀도 발포체 또는 세라믹과 같은 저비용 및 기계가공이 쉬운 것일 수 있다는 점이다.
더욱, 상기 재료는 극히 콤팩트하고, 또 특정 형태 및 형상을 갖는 환상의 인서트를 제공함으로써 복수의 상이한 유형의 임펠러를 제작할 수 있으므로 극히 다용도이다.
상기 몰드 설계의 또 하나의 이점은 전체의 부품을 통해 충전 물질의 단일 단계의 주입 및 응고가 가능하다는 점이다. 이것은 고강도의 부품을 제공하고, 비용 및 시간 낭비가 될 수 있는 접착, 기계가공, 또는 기계적 부착과 같은 2차적 접합 작업의 필요성을 제거한다. 더하여, 작업 간에 부품의 오염 또는 조작에 의한 손상의 가능성이 제거된다.
제 4 관점에 따르면, 완성된 임펠러의 베인의 공기역학적 특징이 보존되도록 완성된 원심 임펠러의 적어도 하나의 공기역학적 베인을 복제하도록 구성된 공기역학적 베인 인서트가 제공된다.
상기 공기역학적 베인 인서트는 환상의 조립체를 형성하는 인접하는 인서트의 단부 영역과 결합되도록 구성된 단부 영역 및 공기역학적 베인을 적절히 복제하도록 구성된 적어도 하나의 중심 영역을 포함한다.
특히 유리한 실시예에서, 이들 성형된 단부 영역은 작동 유체용 입구 아이 및 각 출구 아이를 형성하기 위해 또 몰드 내에서 인서트의 조작, 위치결정, 및 수지 도관을 포함하기 위해 인접하는 인서트의 단부 영역과 결합되도록 구성된다. 더욱, 성형된 단부 영역은 충전 물질의 주입 중에 누설을 회피하기 위해 시일 요소를 가질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 공기역학적 베인 인서트는 적어도 하나의 단일 부재로 제작되지만, 이 인서트가 2 개 이상의 부재로 제작될 수 있는 것 또는 반면에 특정의 실시예에 따라 단일의 인서트가 2 개 이상의 공기역학적 베인을 생성하는 것이 배제되지 않는다.
본 발명의 이 관점의 이점은 충전 물질이 응고된 후 인서트가 임펠러로부터 쉽게 제거될 수 있도록 복잡한 3차원 형태를 갖는 베인의 제작이 가능하다는 점이다.
또 하나의 예시적 실시예에 따르면, 공기역학적 베인 인서트는 완성된 임펠러의 베인의 공기역학적 특징이 보존되도록 완성된 임펠러의 모든 공기역학적 베인을 복제하는 환상 조립체를 형성하도록 다른 베인 인서트와 결합된다.
이 환상의 인서트도 하나의 단일 부재로 제작될 수 있다. 하기 참조.
바람직한 실시예에서, 상기 환상의 인서트는 바람직하고 유리하게 제 1 면, 제 2 면, 복수의 성형된 슬롯, 및 축방향 홀을 포함한다.
제 1 면은 완성된 임펠러의 모든 공기역학적 베인의 환상 조립체의 상면을 복제하도록 구성되고; 제 1 면은 상기 제 1 면에 실질적으로 대향하고 또 전술한 환상 조립체의 하면을 복제하도록 구성되고; 복수의 성형된 슬롯은 베인의 측벽을 실질적으로 복제하기 위해 제공되고; 축방향 홀은 터보기계의 로우터가 배치되는 완성된 임펠러의 축방향 홀을 실질적으로 복제한다.
상기 공기역학적 베인 인서트 및 환상의 인서트는 제작 공정 및 완성된 임펠러의 유형에 따라 적절한 재료로 제작될 수 있고, 이 재료는 금속, 세라믹, 폴리머, 목재, 또는 왁스와 같은 용해성 물질, 파괴성 물질, 재성형 가능 물질, 또는 복수의 편(pieces)으로 추출될 수 있는 고형 물질일 수 있으나 이것에 한정되지 않는다. 일부의 특정한 예는 수용성 세라믹(예를 들면, 어드밴스트 세라믹 매뉴팩춰링(Advanced Ceramics Manufacturing)의 AquapourTM), 상태 변화 재료(예를 들면, 2페이즈 테크놀로지스(2Phase Technologies)의 "신속 개변 툴링 시스템(Rapid Reformable Tooling Systems)"), 형상 기억 폴리머(예를 들면, 코너스톤 리서치 그룹(Cornerstone Research Group)의 Veriflex® 재사용 가능한 맨드렐)을 포함한다.
본 발명에 따른 공기역학적 베인 인서트 및 환상의 인서트의 이점은 터보기계 분야를 위한 고품질 및 혁신적인 특징을 갖는 완성된 임펠러를 제작할 수 있다는 점이다.
또 하나의 이점은 이 인서트가 예를 들면 2 차원 또는 3 차원 유형 또는 기타 유형의 임펠러와 같은 특정 형태 및 형상을 제공하는 많은 다른 유형의 공기역학적 베인을 제작할 수 있으므로 극히 다용도라는 점이다.
또 하나의 이점은 일반적으로 완성된 임펠러는 단회 사출(single injection)에 의해 제작될 수 있고, 후속 조립 및 접착 공정이 불필요하다는 점이다. 이것은 제작 시간을 경감시키고 부품의 구조적 일체성을 향상시킨다. 그러나, 각 베인을 개별적으로 사출성형 및 응고시킨 다음에 후속 공정에서 이들 베인을 허브 및 쉬라우드와 결합시키는 공정이 배제되지 않는다.
제 5 관점에서, 베인 및 완성된 임펠러의 공기역학적 특징이 보존되도록 완성된 임펠러의 공기역학적 베인을 복제하는 복수의 공기역학적 베인 인서트를 포함하는 환상의 인서트를 제작하기 위한 적어도 하나의 단계를 포함하는 터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법이 제공된다.
상기 공기역학적 베인은 임펠러가 작동 중일 때 작동 유체가 유동할 수 있는 2 개의 인접하는 블레이드 사이의 빈 공간이다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 이 방법은 임펠러의 적어도 하나의 공기역학적 베인을 복제하고 또 환상의 인서트를 구현하기 위해 상호 결합되도록 구성되는 상기 적절한 재료로 제작되는 복수의 공기역학적 베인 인서트를 제작하는 단계를 포함한다.
본 발명의 대안적 실시예에서, 특정의 몰드를 이용하여 단일 부재로부터 환상의 인서트를 제작하는 단계가 제공된다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서, 상기 각 공기역학적 베인 인서트의 주위에 결합될 수 있는 제 1 직물 요소를 제작하기 위한 단계가 제공된다.
또 하나의 실시예에서, 베인의 상벽 및 환상 인서트의 인접하는 베인의 하벽 상에 결합될 수 있는 제 2 직물 요소가 제공된다.
더욱, 복수의 블레이드 벽과 블레이드들 사이의 벽을 연속적으로 형성할 수 있는 제 3 직물 요소를 제작하기 위한 다른 단계들이 제공된다.
그러나 조립의 필요성 또는 용도의 필요성에 따라 직물 요소를 제작하는 방법 및 직물 요소를 임펠러 인서트 상에 결합하는 방법은 많은 수 있다는 것은 명백하다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서, 각 공기역학적 베인 인서트의 외부 표면 상에 직물 요소를 결합하기 전에 적어도 하나의 성형 부품을 결합하기 위한 다른 단계가 제공된다. 이 같은 방식으로 성형 부품을 공기역학적 베인 인서트 및 각 직물 요소의 사이에 개재시키는 것이 가능하다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서, 높은 회전 속도에서 완성된 임펠러의 작동 중에 고강도 및 고강성을 제공하고, 이와 동시에 섬유의 배치를 위한 고형 베이스를 제공하는 구조를 촉진하기 위해 환상의 인서트의 하측에 내부 코어를 결합하기 위한 또 하나의 단계가 제공된다.
상기 충전 물질은 수지 트랜스퍼 성형(resin transfer molding; RTM), 진공 보조식 수지 트랜스퍼 성형(vacuum assisted resin transfer moldling; VARTM), 구조적 반응 사출 성형(structural reaction injection molding; SRIM), 강화 반응 사출 성형(reinforced reaction injection molding; RRIM), 또는 기타 방법과 같은 주입 공정에 의해 몰드 내에 충전될 수 있다. 구성 및 용도의 특정의 필요성에 따라 다른 방법을 사용하는 것이 배제되지 않는 것이 명백하다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 충전 물질의 주입 및 응고 공정 후에 환상의 인서트를 제거하기 위한 또 하나의 공정이 제공되고; 이 공정은 가용성 인서트의 경우에는 액체 또는 기체를 이용한 플러싱(flushing)에 의해, 용해성 인서트의 경우에는 가열에 의해, 파괴성 인서트의 경우에는 파괴에 의해, 고체 인서트의 경우에는 변형되지 않고도 제거될 수 있도록 환상 인서트의 형태를 설계하는 것에 의해 달성될 수 있다. 어쨌든, 이 제거 단계는 환상의 인서트가 완성된 임펠러의 베인의 공기역학적 특징이 보존되도록 주입 공정 후에 완성된 임펠러로부터 추출 또는 분리될 수 있도록 하는 것이다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 인서트의 기계가공의 필요성을 최소화하기 위해 추가의 제작 방법을 사용하여 공기역학적 베인 인서트 및 환상의 인서트의 전부 또는 일부를 제작하기 위한 또 하나의 단계가 제공된다. 이들 추가의 제작 방법은 스테레오리소그라피(stereolithography), 열용해 적층법(fused deposition modeling), 레이저 소결법, 및 전자 비임 용해법을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는다. 이 방법의 선택은 주조 온도 및 원하는 임펠러의 치수 허용차를 포함하는 많은 인자에 의존할 것이다. 이 것은 동일 형태의 소량의 임펠러가 생산되는 사용처를 위해 특히 매력적이다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 인서트의 전부 또는 일부는 전술한 추가의 제작 방법들 중의 하나를 이용하여 제작된 다이(dies)를 이용하여 캐스팅될 수 있다. 이 경우, 인서트 재료는 용해성 세라믹으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 이점은 이 방법에 의해 제작되는 완성된 임펠러가 고품질 및 터보기계 분야를 위한 전술한 혁신적인 특징을 가진다는 점이다.
또 하나의 이점은 특정의 요구조건에 따라 완성된 임펠러의 품질 또는 기계적 특징을 향상시키기 위해 부품 또는 요소를 추가하기 위한 추가의 단계를 제공하는 것이 매우 쉽다는 점이다.
추가의 이점은 이 방법이 예를 들면 2 차원 또는 3 차원 유형 또는 기타 유형의 임펠러와 같은 공기역학적 특징 및 기계적 특징을 보존하는 상이한 유형의 임펠러를 제작할 수 있으므로 극히 다용도라는 점이다.
본 발명은 비제한 실시예의 비축적 개략도인 첨부 도면 및 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 특히 도면에서 동일한 번호는 동일하거나 대응하는 부품을 표시한다.
도 1a, 1b 및 1c는 상이한 실시예들에 따른 임펠러의 횡단면도이다;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드의 분해도이다;
도 3은 도 2와 유사한 몰드의 분해 측면도이다;
도 4는 도 3의 몰드용 부품을 도시한 도면이다;
도 5 및 도 6은 도 2 또는 도 3의 몰드의 부품도이다;
도 7 및 도 8은 본 발명의 특정의 실시예에 따른 다른 부품도이다;
도 9a, 9b 및 9c는 본 발명의 특정의 실시예에 따른 각 섬유 요소의 도면이다;
도 10은 도 2 또는 도 3의 몰드의 횡단면도이다;
도 11a 내지 도 11l은 본 발명의 상이한 실시예에 사용되는 복수의 섬유의 도면이다.
도면에서, 동일한 번호는 모든 다양한 도면들에서 동일한 부품에 대응하고, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 터보기계용 완성된 원심 임펠러는 참조번호 10A로 표시되었다(도 1a 참조). 이 임펠러(10A)는 제 1 직물 요소(1a)(도 9a 참조)에 의해 제작되고 또 통상 "매트릭스"라고 불리는 제 1 충전 물질에 의해 함침된 공기역학적 블레이드(15)들 사이에 형성된 복수의 공기역학적 베인(13)을 포함한다.
상기 직물 요소, 공기역학적 블레이드, 및 대응하는 베인의 개수 및 형상은 임펠러의 특정의 실시예에 의존하여 변화하게 될 것이라는 것은 명백하다. 상기 설명 참조.
작동 유체는 유입 방향 A를 따라 각 베인(13)의 입구 아이(inlet eye) 내로 유입되고, 베인(13)을 통과하여, 방향 B를 따라 동일 베인의 출구 아이(outlet eye)로부터 배출된다.
도 1a에서 비축적으로 도시된 성형 부품(19)은 임펠러(10A)의 작동 중에 작동 유체의 침식을 방지하기 위해 각 블레이드(15)의 사이의 내벽(13I) 상에 배치된다. 제 4 직물 요소(4)는 실질적으로 원심 쉬라우드 형상 및 기능을 갖는 베인(13) 상에 제공되는 것이 유리하다. 내부 코어 요소(21)는 베인(13)의 하측에 결합되고, 복수의 추가의 직물 요소(5, 6, 7)에 의해 포위될 수 있다. 하기 설명 참조.
상기 실시예에서, 이 성형 부품(19)은 작동 유체의 유동에 의해 유발되는 침식 작용이 높은 베인(13)의 내벽(13I)의 형상을 실질적으로 복제하지만 이들 부품(19)은 다른 형상 또는 다른 재료로 제작될 수도 있음은 배제되지 않는다. 하기 설명 참조.
도 1b는 임펠러(10B)가 각 블레이드(15)를 통과하는 인접 베인(13)의 하벽 및 상벽을 교대로 포위하도록 구성되는 제 2 직물 요소(1B)(도 9b 참조)를 갖는 제 2 실시예를 도시한다.
도 1c는 임펠러(1C)가 각 블레이드(15) 사이의 베인(13)의 최상벽(13S) 및 블레이드(15)를 형성하도록 구성되는 제 3 직물 요소(도 9c 참조)를 갖는 제 3 실시예를 도시한 것으로, 이 제 3 직물 요소(1C)는 블레이드를 형성하기 위해 플레이트로부터 연장되어 나온 복수의 성형 시이트를 갖는 환상 플레이트에 의해 실질적으로 구성된다.
양 실시예(10B, 10C)에는 성형 부품(19), 내부 코어(21) 등과 같이 이들 도면에 도시된 바와 같은 도 1a의 제 1 실시예에 대해 설명된 것과 동일한 요소들이 구비될 수 있다.
도 2에는 베이스 플레이트(113)와 상측 링(115) 사이의 환상 인서트(110)(본 도에서 분해도로 도시됨) 및 내부 코어 요소(21)를 기본적으로 포함하는 상기 원심 임펠러(10A, 10B, 10C)를 제작하기 위한 몰드(100)의 분해도가 도시되어 있다.
상기 환상 인서트(110)는 이 특정의 실시예에서 실질적으로 환상의 또는 도넛형의 조립체를 형성하기 위해 완성된 임펠러의 공기역학적 베인(13)의 형태를 복제하는 복수의 공기역학적 베인 인서트(200)를 결합하는 것에 의해 제작된다. 하기 참조.
상기 베이스 플레이트(113)는 완성된 임펠러(10A, 10B, 10C)의 배면을 복제하도록 구성된 내면(113A) 및 이 내면(113A)에 실질적으로 대향하는 외면(113B)을 갖는다. 상측 링(115)은 임펠러의 정면을 복제하도록 구성된 내면(115A) 및 이 내면(115A)에 실질적으로 대향하는 외면(115B)을 갖는다.
상기 내부 코어 요소(21)는 환상 인서트(110)의 하측에 결합되고, 또 제 1 면(21A)(도 2, 3, 9 참조), 대향하는 제 2 면(21B) 및 축방향 홀(21C)을 갖는다. 제 1 면(21A)은 예비성형체(110)의 내면에 일치하도록 구성된 종모양 또는 툴리팬(tulipan)과 유사한 쉬라우드 형태를 가지는 것이 유리하고, 대향하는 제 2 면(21B)은 완성된 임펠러의 배면을 실질적으로 복제하도록 구성되고, 축방향 홀(21C)은 완성된 임펠러가 설치될 수 있는 기계의 축(R) 상에 결합될 수 있다.
이 도면에서, 코어 요소(21)는 제 5 섬유 요소(5), 제 6 섬유 요소(6), 제 7 섬유 요소(7)에 의해 포위된다. 이하 참조.
이들 도면에서 코어 요소(21)의 형상은 축과 예비성형체(110) 사이의 공간을 완전히 충전하도록 제공되지만, 응력을 경감시키고 동시에 완성된 임펠러의 중량을 감소시키기 위해 이 공간을 부분적으로 충전하도록 이 코어 요소(21)를 구현하는 것도 배제되지 않는다는 것에 주목해야 한다.
다른 유리한 실시예에서, 이들 추가의 직물 요소(5, 6, 7)는 코어 요소(21)가 금속 재료로 제작되는 경우에는 제공되지 않을 수 있다.
더욱 성형 공동부 또는 홀이 금속 재료로 제작된 코어 요소(21) 상에 제공될 수 있고, 또 성형 공동부 또는 홀에 이들 직물 요소를 코어 요소 상에 더욱 안정하게 고정하기 위해 직물 요소의 일부가 삽입된다.
더욱 도 2에 폐쇄 시스템(119)은 이 유리한 실시예에서 베이스 플레이트(113)의 내면(113A)의 연부 상에 고정된 복수의 폐쇄 핀(119A)을 포함하고, 대응하는 폐쇄 홀(119B)은 상측 링(115)의 내면(115A)의 연부 상에 형성되고, 삽입 홀(119C)은 각 공기역학적 베인 인서트(200) 상의 특정의 위치에 제공되는 것이 도시되어 있다. 하기 설명 참조.
상기 폐쇄 시스템(119)은 하나의 실시예로서 설명된다는 것과 이 시스템은 특정의 실시예에 의존하여 크게 변화할 수 있다는 것은 명확하다.
도 2에 특정의 재료, 결국 상기 예비성형체(110) 및/또는 인서트(200)의 재료와 동일한 재료로 제작된 완성된 임펠러의 축방향 홀(21C)을 형성하기 위한 축방향 인서트(121)가 더 도시되어 있다.
도 2는 또 복수의 제 1 직물 요소(1A)를 도시하고 있다는 것과, 이들 각각이 각 공기역학적 베인 인서트(200)의 외면 상에 결합되어 있다는 것에 주목해야 하고, 몰드(100)는 또 도 1b 및 도 1c에 각각 개략적으로 도시된 완성된 임펠러를 구현하기 위해 제 2 및 제 3 직물 요소(1B, 1C)(간단히 하기 위해 도 2에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 3은 인서트(200)들이 상 인서트(110)를 형성하기 위해 상호 결합되는 도 2의 것과 유사한 몰드의 분해 측면도이다. 이 도면에는 제 1 직물 요소(1A), 제 2 직물 요소(1B), 제 3 직물 요소(1C)가 간단히 하기 위해 도시되어 있지 않다.
더욱, 이 도면에 본 발명의 유리한 실시예의 완성된 임펠러를 형성하기 위한 몰드(100)의 내측에 제공될 수 있는 제 4, 제 5 및 제 6 직물 요소(4, 5, 6)가 도시되어 있다.
특히, 제 4 직물 요소(4)는 환상 인서트(110) 및 상측 링(115)의 사이에 결합되도록 구성되고, 제 5 직물 요소(5)는 코어(21) 및 베이스 플레이트(113)의 내면(113A)의 사이에 결합되도록 구성되고, 제 6 직물 요소(6)는 환상 인서트(110) 및 코어(21)의 사이에 결합되도록 구성되고; 제 7 직물 요소(7)는 코어(21)의 축방향 홀(21C)의 내측에 결합되도록 구성된다. 이들 직물 요소(4, 5, 6, 7)는 제작 공정 중에 제 1 충전 물질에 의해 함침될 수 있다.
더욱, 도 3에는 또한 완성된 임펠러의 공기역학적 특징이 보존되도록 완성된 임펠러의 복수의 공기역학적 베인의 환상 조립체를 복제하도록 구성되는 부분적으로 단면도로 도시된 환상 인서트(110)가 도시되어 있다.
본 명세서에 기재된 바람직한 실시예에서, 환상 인서트(110)는 베인의 환상 조립체의 상면에 의해 형성되고, 실질적으로 종모양 또는 툴리팬과 유사한 형태를 갖고, 제 4 직물 요소(4)와 일치될 수 있는 제 1 면(110A)을 포함한다. 제 2 면(110B)은 제 1 면(110A)에 실질적으로 대향되고, 또 베인의 환상 조립체의 하면에 의해 형성되고, 복수의 성형 슬롯(137)은 각 베인(13)의 블레이드(15)를 실질적으로 복제하도록 제공되고, 축방향 홀(21C)은 터보기계의 로우터(R)에 결합될 수 있다.
이 환상 인서트(110)는 (이들 도면에 도시된 바와 같이) 복수의 상기 공기역학적 베인 인서트(200)를 상호 결합하는 것에 의해 또는 전술한 바와 같이 단일체에 의해 제작될 수 있다.
도 4에 완성된 임펠러의 전체 조립체의 강성을 증대시키기 위해, 충전 물질을 위한 우선적 유로를 제거하기 위해, 또 섬유는 존재하기 않고 충전 물질만 함유되어 응고 중에 균열이 개시될 수 있는 영역을 회피하기 위해, 기 성형 슬롯(137)의 코너의 공간 내부에 삽입될 수 있는 분할형 직물 요소(37)(도 1a 참조)가 개략적으로 도시되어 있다.
바람직한 실시예에서, 모든 직물 요소(1 내지 7, 37)는 연질 또는 (반)강성 특성을 나타내는 직물 재료로 제작되고, 그 결과 이들 요소는 개별적으로 제작된 후 몰드 조립 과정 중에 결합될 수 있다. 그러나 이 직물 재료는 상이한 실시예에 따라 또는 완성된 임펠러의 용도에 따라 다른 유형으로 제작될 수 있다. 더욱, 이들 직물 요소는 상이한 실시예에 따라 상이한 유형의 섬유 재료로 제작될 수 있다. 이하 참조.
도 5 및 도 6에 본 발명의 유리한 실시예에 따른 공기역학적 베인 인서트(200)가 개략적으로 도시되어 있고, 여기서 이 공기역학적 베인 인서트는 완성된 임펠러의 베인(13)을 복제하도록 구성된 중앙 영역(200A) 및 환상 인서트(110)를 구현하는 환상 조립체를 배열하기 위해 인접하는 베인 인서트(200)의 성형 단부 영역(200B, 200C)과 결합되도록 구성된 대향하는 단부 영역(200B, 200C)을 포함한다. 특히, 단부 영역(200B, 200C)은 인접하는 베인 인서트(200)의 각 측면(200D, 200E)와 맞물릴 수 있는 측면(200D, 200E)을 각각 포함한다.
대향하는 성형 단부 영역(200B, 200C)은 베인(13)의 입구 아이 및 출구 아이를 각각 복제하는 것이 유리하다.
더욱, 이 특정의 실시예에서 단부 영역(200B, 200C)은 인접하는 인서트(200)의 단부 영역들과 일치하도록 그리고 몰드(100) 내에서 베인 인서트(200)를 조작 및 위치시키기 위해 성형된다.
이들 단부 영역(200B, 200C)의 형태와 형상은 본 발명의 특정의 실시예에 따라 변화될 수 있다는 것은 명백하다.
도시된 베인 인서트(200)는 3차원 베인을 나타내지만 이 인서트(200)는 예를 들면 2차원 베인 또는 다른 베인과 같은 기타 다른 유형에 따라 제작될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
도 7에 침식 작용이 높은 완성된 임펠러의 베인(13)의 일부, 예를 들면 완성된 임펠러의 베인(13)의 저부(도 1a 참조)만을 피복할 수 있는 본 발명의 유리한 실시예에 따른 전술한 성형 요소(19)가 개략적으로 도시되어 있다.
특히, 이 성형 요소(19)는 베인(13)의 내벽(13I)의 형상을 복제할 수 있고 또 베인(13)의 내벽(13I) 상에 결합될 수 있는 제 1 표면(S1)(도 1a 참조) 및 베인(13)의 내측의 블레이드(15)의 측벽을 형상을 부분적으로 복제하고 또 베인(13)의 내측의 블레이드(15)의 측벽 상에 결합되는 측연부(S2, S3)에 의해 구현된다. 이 성형 요소(19)는 베인 인서트(200)의 중심 영역(200A) 상에 결합될 수 있고, 제 1, 제 2 또는 제 3 직물 요소(1A, 1B, 1C)에 의해 포위되는 것이 유리하다. 도 5 및 6 참조.
도 8에 성형 부품(20)이 베인(13)의 벽을 완전히 코팅 또는 피복할 수 있는, 다시 말하면 이 성형 부품(20)이 작동 유체가 유동하는 베인(13)을 전체적으로 복제할 수 있는 폐쇄된 관(channel)을 실질적으로 형성할 수 있는 도 7과 다른 실시예가 도시되어 있다.
특히, 이 성형 요소(20)는 베인(13)의 내벽(13I)의 형상을 복제할 수 있는 제 1 저면(L1), 베인(13)의 내측의 블레이드(15)의 측벽을 형상을 부분적으로 복제하고 또 베인(13)의 내측의 블레이드(15)의 측벽 상에 결합되는 측연부(L2, L3), 및 베인(13)의 상벽(13S)의 형상을 복제하고 또 베인(13)의 상벽(13S) 상에 결합되는 제 2 상면(L4)에 의해 구현된다.
동시에, 이 성형 요소(20)는 는 베인 인서트(200)의 중심 영역(200A) 상에 결합될 수 있고, 제 1, 제 2 또는 제 3 직물 요소(1A, 1B, 1C)에 의해 포위된다.
이들 성형 요소(19, 20)는 내식성 또는 내부식성 재료(예를 들면, 금속, 세라믹, 폴리머 등)에 의해 제작될 수 있고, 또 완성된 임펠러의 기계적 저항을 더욱 증대시키기 위해 사용될 수 있다.
이들 성형 요소(19, 20)는 베인의 형상을 복제해야 하고, 그 결과 이들 성형 요소는 이 성형 요소가 결합될 예정인 특정의 베인의 형상에 따라 3차원 또는 2차원 또는 다른 유형일 수 있다는 것은 명백하다.
상기 성형 요소(19, 20)는 충전 물질(M)에 의해 그리고 그 간소하고 유용한 방식의 성형된 형태에 의해 베인(13)의 내측에 고정될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
도 9a는 베인(13)의 형상을 대략 복제하는 형상을 가지는 제 1 섬유 요소(1A)(도 1a 참조)를 도시한다. 이 경우, 이 제 1 직물 요소(1A)는 전술한 바와 같은 임의의 유형의 섬유로 제작될 수 있고, 또 이 요소가 인서트(200)의 단부 영역(200B, 200C)을 초과하여 확대되어 중심 영역(200A)의 주위를 포위하도록 반탄성(semi-elastic) 또는 정합성(conformable)을 가지는 것이 유리하다. 추가의 실시예에서 인서트(200)는 단부 영역(200B, 200C)을 포함하지 않을 수 있다는 것이 명백하다. 다른 실시예에서, 이 제 1 직물 요소(1A)는 인서트(200) 상에 직접 브레이딩(braided)되거나 다른 방식으로 생성될 수 있으므로 직물의 변형이 전혀 불필요하다.
도 9b는 베인(13)의 상벽(13S) 및 베인의 사이의 각 블레이드(15)를 통과하는 인접하는 베인(13)의 내벽(13I)을 교대로 포위하도록 구성된 형상을 가지는 제 2 섬유 요소(1B)(도 1b 참조)를 도시한다. 특히, 이 제 2 직물 요소(1B)는 몰드(100)의 조립 중에 베인 인서트(200)와 그 표면 상에 대향하는 인접하는 베인 인서트(200)를 설치하는 환상 조립체의 모든 베인(13)을 연속적으로 형성하도록 형성된 쉬라우드 플레이트에 의해 실질적으로 제작된다.
도 9c는 상벽(13S) 또는 내벽(13I)을 형성하기 위해 환상 플레이트에 의해 실질적으로 제작된 구성을 갖는 제 3 섬유 요소(1C)(도 1c 참조)를 도시하는 것으로, 블레이드 표면은 완성된 임펠러의 블레이드(15)를 형성하기 위해 이 환상 플레이트로부터 외측으로 연장하고, 이 제 3 직물 요소(1C)는 몰드(100)의 조립 중에 (도 9c에 도시된 바와 같이) 환상 인서트(110)의 실질적인 상측이나 (도 1c에 도시된 바와 같이) 환상 인서트(110)의 하측에 설치될 수 있다.
도 10에 도 2 및 도 3의 몰드(100)의 개략 횡단면도가 도시되어 있고, 특히 베인 인서트(200) 및 전술한 직물 요소(1 내지 7)가 수용되고 또 충전 물질(M)이 충전되는 빈 공간이 도시되어 있다.
특히 유리한 실시예에서, 상기 빈 공간은 인접하는 직물 요소가 상호 정확하게 접촉하도록 내부에 설치되어 있는 직물 요소(1 내지 7)를 상호 정합(match) 또는 압축시키도록 형성된다.
이와 같은 방법으로 두 개의 인접하는 섬유 요소(1 내지 7) 사이의 빈 공간을 가능한 감축시키는 것이 가능하고, 충전 물질(M)은 높고 제어된 섬유의 체적 분율을 제공하기 위해 동일 섬유 요소(1 내지 7)의 섬유들 사이의 공간을 충전할 수 있고(상기 참조), 특히 폐쇄형 몰드를 사용하면 높고 제어된 섬유의 체적 분율을 제공하기 위해 이들 빈 공간을 제어하는 것이 가능하다.
상기 충전 물질(M)은 베이스 플레이트(113) 및/또는 상측 링(115)에 형성된 복수의 주입구(123)로부터 주입될 수 있다.
도 11a to 11l에 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 요소(1A, 1B, 1C, 4, 5, 6, 7, 37)를 제작하기 위해 사용될 수 있는 복수의 섬유가 도시되어 있다.
특히, 도 11a에 완성된 임펠러의 사용 중에 섬유 요소 상의 최적 강도 분포를 가지도록 우선방향으로 배향될 수 있는 복수의 연속 섬유(R2)를 내포하고 있는 충전 물질(M)을 포함하는 복합 재료가 도시되어 있다.
도 11b 및 도 11c에는 복수의 입자상 섬유(R3) 및 불연속 섬유(R4)를 내포하고 있는 충전 물질(M)로 구성된 복합 재료가 도시되어 있다.
도 11d 내지 도 11l에는 각각 2축 망조직(R5), 재봉에 의한 망조직(R6), 3축 망조직(R7), 다층 정경(warping) 망조직(R8), 3차원 트위스터(twister) 섬유(R9), 원통상 3차원 망조직(R10), 및 3차원 직조 망조직(R11)으로 구성되는 섬유가 도시되어 있다. 이들 모든 유형의 섬유 또는 망조직은 섬유 요소 상에 최적의 강도 분포를 가지도록 다양하게 배향될 수 있다.
수년간 특정의 실시예에 따라 사용될 수 있는 특정의 용도를 위한 특정의 특징을 갖는 많은 유형의 합성 섬유가 개발되었다는 것에 주목해야 한다.
예를 들면, "하이 퍼포먼스 파이버스 b.v. 코포레이션(High Performance Fibers b.v. Corporation)"의 (겔 스펀 폴리에틸렌 또는 HDPE로도 알려져 있는) Dyneema®은 견인 케이블의 생산을 위해 적합한 합성 섬유로서, 이것은 카이트 서핑(kite surfing), 등산, 낚시와 같은 스포츠용 및 방호구의 생산을 위해 사용되고, 이 Dyneema와 유사한 다른 섬유는 미국 회사에 의해 특허된 Spectra®이고, 시판되는 다른 섬유는 듀퐁(DuPont)에 의해 60년대초에 제조된 메타 아라미드 물질인 Nomex®이다.
전술한 예시적 실시예들은 혁신적인 특징을 갖는 임펠러를 구현하기 위한 목적물 및 방법을 제공한다. 이 설명은 본 발명을 제한하기 위한 의도가 없다는 것이 이해되어야 한다. 반면에, 예시적인 실시예는 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 대안, 개조 및 등가를 포함하고자 한다. 더욱, 예시적 실시예의 상세한 설명에서 많은 상세한 정보가 청구된 발명의 포괄적 이해를 제공하기 위해 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 숙련자는 다양한 실시예들이 이와 같은 상세한 정보가 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 본 예시적 실시예의 특징 및 요소가 특정의 조합으로 실시예 내에 설명되었으나, 각 특징 또는 요소는 본 실시예의 다른 특징 및 요소가 배제된 상태로 단독으로 사용되거나 본 명세서에 개시된 다른 특징 및 요소를 포함하거나 포함하지 않은 상태에서 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
본 명세서는 최적의 실시형태를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해 그리고 본 기술분야의 임의의 숙련자가 임의의 장치 또는 시스템의 제작 및 임의의 관련된 방법의 수행을 포함하는 본 발명의 실시할 수 있도록 예시들을 사용한다. 본 발명의 청구범위는 청구항에 의해 정의되고, 본 기술분야의 숙련자들에게 떠오르는 기타의 예시를 포함할 수 있다. 이와 같은 다른 예시는 이들 예시가 청구항의 문언과 다르지 않은 구조적 요소를 가지거나 이들 예시가 청구항의 문언과 실질적인 차이가 없는 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우에 본 청구항의 범위 내에 속하는 것으로 하고자 한다.

Claims (10)

  1. 터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드에 있어서,
    완성된 임펠러의 공기역학적 베인(13)를 복제하는 복수의 공기역학적 베인 인서트(200)를 포함하는 환상 인서트(110)를 포함하는
    터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 몰드는 상기 공기역학적 베인 인서트(200) 각각의 외면 상에 결합될 수 있는 복수의 성형 부품(19; 20)을 포함하고, 상기 성형 부품(19; 20)은 상기 완성된 임펠러의 작동 중에 작동 유체의 침식에 저항하도록 구성되는
    터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환상 인서트(110)는 단일체로 제작되거나 복수의 부재를 상호 결합하여 제작되는
    터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 완성된 임펠러의 배면(rear-surface)을 복제하도록 구성된 내면(113A) 및 상기 내면(113A)에 실질적으로 대향하는 외면(113B)을 갖는 베이스 플레이트(113)와,
    상기 완성된 임펠러의 정면(front-surface)을 복제하도록 구성된 내면(115A) 및 상기 내면(115A)에 실질적으로 대향하는 외면(115B)을 갖는 상측 링(115)과,
    상기 환상 인서트(110)의 하측 및 상기 베이스 플레이트(113)의 상측에 결합된 내부 코어 요소(21) 중의 적어도 하나를 포함하는
    터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 몰드.
  5. 공기역학적 베인 인서트(200)에 있어서,
    완성된 원심 임펠러의 적어도 하나의 공기역학적 베인(13)을 복제하도록 구성되는
    공기역학적 베인 인서트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기역학적 베인(13)을 실질적으로 복제하도록 구성된 중심 영역(200A)과,
    환상 인서트(110)을 형성하기 위해 인접한 베인 인서트(200)의 단부 영역(200B; 200C)과 결합되도록 구성된 대향하는 성형 단부 영역(200B; 200C)과,
    상기 공기역학적 베인 인서트의 외면 상에 결합될 수 있고, 상기 완성된 임펠러의 작동 중에 상기 작동 유체의 침식에 저항하도록 구성된 성형 부품(19; 20) 중의 적어도 하나를 포함하는
    공기역학적 베인 인서트.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 공기역학적 베인 인서트는 단일체로 제작되거나 2 개 이상의 부품으로 제작되는
    공기역학적 베인 인서트.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기역학적 베인 인서트는 용해성 물질, 파괴성 물질, 재성형 가능 물질, 또는 복수의 편(pieces)으로 추출될 수 있는 고형 물질에 의해 제작될 수 있는
    공기역학적 베인 인서트.
  9. 터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법에 있어서,
    완성된 임펠러의 공기역학적 베인(13)을 복제하는 복수의 공기역학적 베인 인서트(200)를 포함하는 환상 인서트(110)를 제작하는 단계를 포함하는
    터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    각 공기역학적 베인 인서트(200)의 외면 상에 적어도 하나의 직물 요소(1A; 1B; 1C)를 결합하기 전에 적어도 하나의 성형 부품(19; 20)을 결합하는 단계와,
    각 공기역학적 베인 인서트(200)의 주위에 결합될 수 있는 제 1 직물 요소(1A)를 제작하는 단계와,
    각 공기역학적 베인 인서트(200) 각각의 상벽 및 인접하는 공기역학적 베인 인서트(200)의 하벽 상에 결합될 수 있는 제 2 직물 요소(1B)를 제작하는 단계와,
    상기 공기역학적 베인 인서트(200)들의 사이에 복수의 블레이드(15)를 연속적으로 형성할 수 있는 제 3 직물 요소(1C)를 제작하는 단계를 포함하는
    터보기계용 원심 임펠러를 제작하기 위한 방법.
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