KR20140141470A - 가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법 - Google Patents

가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 가스 터빈의 블레이드는 상면 및 저면을 갖는 팁 단부를 포함하고, 상기 개구는 상기 블레이드의 팁 단부 상에 형성되며, 그리고 상기 개구는 주변 에지를 포함하고, 상기 방법은 상기 개구 내에 배치된 인서트 없이, 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 공정에 의해서 형성된 용접부에 의해서 상기 개구를 폐쇄하는 단계를 포함한다. 본 발명의 기술적 해결 방안에 의해서, 본 발명은 종래 활용된 "레터-박스", 인서트, 팁 캡 등으로 분배하는, 블레이드의 팁 단부 상의 개구를 폐쇄하는 단순하고 비용 효과적인 해결방안을 제공한다. 이러한 관점에서, 상기 개구를 폐쇄하는 공정은 단순화될 수 있고, 부가된 비용은 감소될 수 있다. 또한, 블레이드의 조기 파손이 방지된다.

Description

가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법{METHOD FOR CLOSING AN APERTURE ON A BLADE OF A GAS TURBINE}
본 발명은 가스 터빈, 특히 가스 터빈의 블레이드, 더욱 구체적으로 가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법에 관한 것이다.
가스 터빈의 블레이드는 루트(root), 플랫폼 및 에어포일(airfoil)을 포함한다. 일반적으로, 가스 터빈의 블레이드는 고속 및 고온에서 작동한다. 따라서, 블레이드의 측벽들을 냉각시키기 위한 다수의 내부 냉각 통로들을 갖는 비교적 얇은, 볼록 및 오목 측벽들을 갖는 블레이드를 형성하는 것이 바람직하다. 냉각 효율들을 개선하기 위하여, 내부 냉각 통로는 복잡한 구조로 디자인된다.
블레이드 및 복잡한 내부 냉각 통로들의 중요한 유체동력학적 형상을 고려할 때, 일반적으로 주조 공정(cast process)이 블레이드를 제조하기 위하여 채택되고, 여기서 세라믹 또는 유리 코어는 내부 냉각 통로를 형성하기 위하여 몰드 내에 배치된다. 따라서, 코어는 취급 및 위치설정을 위하여 블레이드의 팁 단부로부터 연장되어야 하기 때문에, 주조 공정이 마무리될 때 하나 이상의 개구들이 남겨진다. 그때, 블레이드의 동작 중에 냉각 유체의 누설을 방지하기 위하여 블레이드의 팁 단부 상의 개구를 밀봉하는 것이 필요하다. 종래에는, 개구는 놋쇠 플레이트, 소위 "레터-박스(letter-box)"에 의해서 밀봉된다.
가스 터빈 블레이드의 팁 상의 구멍을 플러그(plug)하기 위한 방법이 US 6984801호에 개시되어 있고, 이 방법은 터빈 블레이드의 팁 상에 형성된 구멍 내에 팁 플러그를 끼우는 단계; 레이저 빔을 사용함으로써 터빈 블레이드의 팁과 팁 플러그 사이의 접촉 섹션에서 버트-용접(butt-weld)을 실행하는 단계를 포함한다.
터빈 블레이드 폐쇄 시스템은 US20040060964A1호에 개시되어 있고, 상기 터빈 블레이드 폐쇄 시스템은 터빈 블레이드 내의 내부 캐비티로부터 냉각 유체의 이탈을 방지하기 위하여 중공 주조 터빈 블레이드 내의 개구 내에 마찰 용접될 수 있는 폐쇄 부재를 포함한다. 또한 상기 문헌에는 다른 형상의 폐쇄 부재와 상기 개구에 대한 대응 처리가 개시되어 있다.
터빈 블레이드의 제조 방법은 US20070258825A1호 개시되어 있고, 이 방법은 (a) 터빈 블레이드의 반경방향의 내부 단부 및 외부 단부가 주조 중에 개방 상태로 잔류하도록 대향 단부들에서 터빈 블레이드 내부 코어 지지체를 지지하는 단계;(b) 에어포일 부분을 포함하는 블레이드를 주조하는 단계로서, 상기 에어포일 부분의 반경방향의 외부 에지가 수평에 대해서 경사지는, 상기 주조 단계; (c) 에어포일 부분 내의 반경방향의 외부 개방부 주위에 주변 숄더(shoulder)를 형성하기 위하여 에어포일 부분의 반경방향의 외부 에지를 가공하는 단계; 그리고 (d) 주변 숄더 상에 팁 캡(tip cap)을 안착시키고 상기 팁 캡을 블레이드의 에어포일 부분에 용접과 같이 고정하는 단계를 포함한다.
상술한 설명으로부터 팁 캡 또는 유사 부재는 주조 공정으로부터 남겨진 블레이드의 팁 단부 상의 개구를 폐쇄할 때 모든 그 해결방안에서 채택될 수 있다는 것을 알 수 있다. 팁 캡은 프로세스 사이클을 연장하기 위하여 블레이드의 팁 단부 상의 개구를 밀봉하는 전체 공정을 복잡하게 할 수 있다. 또한, 블레이드의 팁 단부 상에 용접된 팁 캡은 가스 터빈의 작동 중에 고장을 유발할 수 있고, 이는 결과적으로 유지관리 및 수리를 위한 시간을 연장시키므로, 따라서 상당한 비용이 부과된다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 제거하거나 또는 적어도 경감하는, 블레이드의 팁 단부 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법에 의해서 달성되고, 여기서 상기 가스 터빈의 블레이드는 상면 및 저면을 갖는 팁 단부를 포함하고, 상기 개구는 상기 블레이드의 팁 단부 상에 형성되며, 그리고 상기 개구는 주변 에지를 포함하고, 상기 방법은 상기 개구 내에 배치된 인서트 없이, 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 공정에 의해서 형성된 용접부에 의해서 상기 개구를 폐쇄하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 TIG 공정은 상기 개구의 주변 에지를 따라 실행된다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 TIG 공정은 오버레이 용접(overlaying welding)을 통하여 실행된다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 TIG 공정에 의해서 형성된 상기 용접부는 상기 블레이드의 팁 단부의 상면 및 저면 위로 각각 연장된다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이전에, 상기 개구의 주변 에지와 상기 TIG 공정에 의해서 영향을 받는 상기 개구의 주변 에지 근위의 일부분을 세정하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이전에, 상기 블레이드의 팁 단부의 저면에 대한 소정 각도로 동일 형태를 만들기 위하여 상기 개구의 주변 에지를 기울이는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이후에, 상기 용접부의 상면을 상기 블레이드의 팁 단부의 상면과 합치시키도록 상기 TIG 공정에 의해서 형성된 상기 용접부를 마무리하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, 상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이전에, 상기 블레이드의 팁 단부를 열처리하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 기술적 해결 방안에 의해서, 본 발명은 종래 활용된 "레터-박스", 인서트, 팁 캡 등으로 분배하는, 블레이드의 팁 단부 상의 개구를 폐쇄하는 단순하고 비용 효과적인 해결방안을 제공한다. 이러한 관점에서, 상기 개구를 폐쇄하는 공정은 단순화될 수 있고, 부가된 비용은 감소될 수 있다. 또한, 블레이드의 조기 파손이 방지된다.
본 발명의 상기 목적, 장점 및 다른 형태는 유사 요소들에 대해서 유사 도면부호를 지정한 첨부된 도면을 참조할 때, 단지 예시적인 목적으로 제공된 양호한 실시예의 하기 비제한성 설명을 읽을 때 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 가스 터빈의 블레이드의 팁 단부의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2는 용접 전의 블레이드의 팁 단부의 측단면도를 도시한다.
도 3은 용접 후의 블레이드의 팁 단부의 측단면도를 도시한다.
도 1은 가스 터빈의 블레이드(100)의 팁 단부의 개략적인 평면도를 도시한다. 가스 터빈의 블레이드(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 상면(120) 및 저면(130)을 갖는 팁 단부(110)를 포함한다. 개구(140)는 주조 공정과 같은 것에 의해서 블레이드(100)의 팁 단부(110) 상에 형성되고, 상기 개구(140)는 도 2에 도시된 주변 에지(142)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 개구를 폐쇄하기 위한 방법은 개구(140) 내에 배치된 인서트 없이, 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 공정에 의해서 형성된 용접부(150;도 3에 도시됨)에 의해서 상기 개구(140)를 폐쇄하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따라서, TIG 공정은 개구(140)의 주변 에지(142)를 따라서 실행된다. 특히, TIG 공정은 개구(140)의 주변 에지(142)로부터 시작되고, 개구(140)의 중심을 향하여 나선 방식으로 진행되며, TIG 공정은 마무리되고 개구(140)는 용접부(150)에 의해서 폐쇄된다.
본 발명의 하나의 양호한 실시예에서, 블레이드(100), 특히 그 팁 단부(110)는 블레이드(100)의 팁 단부(110)를 더욱 용접가능하게 하기 위하여 그리고 추후 용접부(150)에서의 크랙들을 피하기 위하여 용접 전에 열 처리를 행할 수 있다. 따라서, 본 방법은 블레이드(100)의 팁 단부(110)를 열 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
당업자는 두께 즉, 블레이드(100)의 팁 단부(110)의 상면(120) 및 저면(130) 사이의 거리는 임의의 블레이드보다 많이 크기 때문에, 용접부(150)는 팁 단부(110)의 전체 두께를 채울 수 없다. 이 경우에, TIG 공정은 팁 단부(110)의 두께를 충분히 채우고 그에 따라서 용접부(150)의 충분한 강도를 보장하기 위하여, 본 발명의 하나의 양호한 실시예에 따라서 오버레이 용접을 통해서 실행될 수 있다.
실제 적용에서, 상면(120) 및 저면(130)은 변화 및 제조 에러를 처리하는 것으로 인하여 평탄한 상태로 잔류할 수 없다. 이 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, TIG 공정에 의해서 형성된 용접부(150)는 비록 저면(130)의 외형은 중요성이 적을지라도 상면(120) 및 저면(130)에서의 불균일을 제거하고 그에 따라서 용접부(150) 및 상면(120)의 강도 및 외형을 보장하기 위하여, 블레이드(100)의 상면(120) 및 저면(130) 위로 각각 연장될 수 있다.
본 발명의 하나의 양호한 실시예에 따라서, 본 방법은 폐쇄 단계 이전에 개구(140)의 주변 에지(142)와 TIG 공정에 의해서 영향을 받는 개구(140)의 주변 에지(142) 근위에 있는 일 부분을 세정하는 단계를 추가로 포함한다. 세정 단계는 개구(140)의 주변 에지(142)와 TIG 공정에 의해서 영향을 받는 개구(140)의 주변 에지(142) 근위에 있는 상기 부분을 덮는 임의의 산화 금속을 제거하는데 사용될 수 있고, 이는 산화 금속이 용접부(150)의 품질을 악화시키는 것을 방지한다.
추가로, 도 2에서의 파선에 의해서 도시된 본 발명의 하나의 가능한 실시예에서, 개구(140)의 주변 에지(142)는 경사질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 폐쇄 단계 이전에 블레이드(100)의 팁 단부(110)의 저면(130)에 대한 소정 각도로 동일 형태를 만들기 위하여 개구(140)의 주변 에지(142)를 기울이는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 그에 따라 형성된 경사부(144)는 용접 공정 및 용접 강도를 용이하게 할 수 있다. 경사부(144) 및 저면(130) 사이의 각도에 대해서, 당업자는 특정 적용예에 따라서 30°,45°등과 같은 적당한 각도를 선택할 수 있다.
추가로, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 용접부(150)의 상면을 블레이드(100)의 팁 단부(110)의 상면(120)과 합치시키도록 TIG 공정에 의해서 형성된 용접부(150)를 마무리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 마무리 단계는 기계 공구에 의해서 실행되거나 또는 수동으로 실행될 수 있다. 용접부의 마무리된 상면은 추가 처리공정 및 조립을 위하여 매끄럽고 마무리된 표면을 제공하기 위하여 블레이드(100)의 팁 단부(110)의 상면(120)과 동일 높이가 된다.
당업자는 상술한 단계 및 연속공정 실행은 특정 실시예에 따라 선택되고 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 상술한 단계의 임의의 조합은 상기 조합이 현장 실무 중에 직면하는 임의의 기술적 문제들을 처리할 때 하나의 가능한 해결방안을 구성한다면, 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시예들과 연계하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들에 국한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 본원에 기술되지 않았지만, 본 발명의 정신 및 범주 내에 있는, 임의의 변형, 변경, 대체 또는 동등 장치들을 합체하도록 변형될 수 있다. 추가로, 본 발명의 여러 실시예들이 기술되었지만, 본 발명의 형태들은 기술된 실시예들의 단지 일부만을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해서 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범주에 의해서 제한되어야 한다.
100. 블레이드
110. 팁 단부
120. 상면
130. 저면
140. 개구
142. 주변 에지
144. 경사부 150. 용접부

Claims (8)

  1. 가스 터빈의 블레이드 상의 개구를 폐쇄하기 위한 방법으로서,
    상기 가스 터빈의 블레이드는 상면 및 저면을 갖는 팁 단부를 포함하고, 상기 개구는 상기 블레이드의 팁 단부 상에 형성되며, 그리고 상기 개구는 주변 에지를 포함하는, 상기 방법에 있어서,
    상기 개구 내에 배치된 인서트 없이, 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 공정에 의해서 형성된 용접부에 의해서 상기 개구를 폐쇄하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 TIG 공정은 상기 개구의 주변 에지를 따라 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 TIG 공정은 오버레이 용접(overlaying welding)을 통하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 TIG 공정에 의해서 형성된 상기 용접부는 상기 블레이드의 팁 단부의 상면 및 저면 위로 각각 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이전에, 상기 개구의 주변 에지와 상기 TIG 공정에 의해서 영향을 받는 상기 개구의 주변 에지 근위의 일부분을 세정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이전에, 상기 블레이드의 팁 단부의 저면에 대한 소정 각도로 동일 형태를 만들기 위하여 상기 개구의 주변 에지를 기울이는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이후에, 상기 용접부의 상면을 상기 블레이드의 팁 단부의 상면과 합치시키도록 상기 TIG 공정에 의해서 형성된 상기 용접부를 마무리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 폐쇄 단계 이전에, 상기 블레이드의 팁 단부를 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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