KR20150017609A - 유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법 - Google Patents

유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

임펠러 조립체의 제조 방법은 회전축과 베이스부와 회전축으로부터 방사 방향으로 연장하며 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되어 베이스부에 배치되는 복수 개의 블레이드들을 구비하는 임펠러를 준비하는 단계와, 블레이드들의 사이에 몰드를 배치하는 단계와, 용융된 금속을 블레이드들의 상부면과 몰드의 상부면에 도포하여 블레이드들의 상부면과 몰드의 상부면을 덮는 슈라우드를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법{Impeller assembly of fluid rotary machine and manufacturing method thereof}
실시예들은 유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조가 용이하며 안정적인 구조를 갖는 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법에 관한 것이다.
유체를 압축하는 압축기 또는 펌프는 회전 기계의 구조의 하나로서 임펠러(impeller)를 구비한다. 임펠러는 회전 운동에너지를 유체에 전달시켜 유체의 압력을 상승시키는 기능을 한다. 임펠러는 유체의 이동을 돕고 에너지를 유체에 전달하는 다수 개의 블레이드(blade)를 구비한다. 또한 임펠러의 외부에 배치되는 슈라우드(shroud) 는 블레이드와 함께 유체의 이동 통로를 이루는 기능을 수행한다.
통상적으로 블레이드와 슈라우드 사이의 간격이 좁을수록 압축기의 효율이 상승하므로, 최근에는 임펠러에 슈라우드를 결합하여 일체형으로 제조함으로써 압축기의 효율을 극대화하는 구조가 사용되기도 한다.
임펠러와 슈라우드를 결합하여 임펠러 조립체를 제조하는 기술에서는 임펠러의 블레이드와 슈라우드를 상호 고정하는 공정이 요구되는데, 이를 위해 주조 공정, 브레이징 공정, 전자 빔 용접 등의 공정 등이 사용된다.
일본 공개특허공보 제2004-353608호에는 임펠러에 슈라우드를 용접하여 보강하는 기술이 개시되는데, 임펠러와 슈라우드를 서로 접촉하여 단순히 용접하는 방법을 이용함으로써 임펠러와 슈라우드가 서로 고정된다.
이러한 방법에 의하여 임펠러 조립체를 제조할 때에는 임펠러 조립체의 전체적인 크기가 증가할 때에 제조 공정이 어려워지는 단점이 있다. 즉 임펠러 조립체의 전체적인 크기가 증가하면 슈라우드의 크기와 두께도 함께 증가하여야 하지만, 두꺼운 슈라우드와 임펠러를 용접하기 위해서는 용접 입열량의 과도하게 발생하므로 임펠러와 슈라우드의 형상이 심하게 변형될 수 있다.
용접 공정에서의 변형을 최소화하기 위해 얇은 두께의 슈라우드의 적용을 고려할 수 있지만, 슈라우드를 얇은 두께로 설계하면 슈라우드가 임펠러 조립체의 블레이드를 안정적으로 지지할 수 없으므로, 구조적인 안정성과 유체기계로서의 성능이 나빠질 수 있다.
종래에는 주조 공정을 이용하여 임펠러 조립체를 제조하기도 하지만, 용융금속이 응고되면서 부분별 부피 차이로 인해 수축이 발생한다. 특히, 필렛부(fillet)에서 심한 변형이 발생하므로 3차원 형상의 블레이드의 윤곽을 정밀하게 형성할 수 없다.
또한 낮은 융점을 갖는 용가재를 녹여서 모재를 상하지 않게 하며 모재를 접합하는 진공 브레이징(brazing) 공정을 이용하여 임펠러 조립체를 제조하기도 한다. 그러나 진공 브레이징 공정에서는 반응 온도 영역으로 상승한 이후 냉각 시, 두께 편차에 의한 냉각속도의 차이가 발생하여 필렛부(fillet)에 심한 변형이 발생한다. 이러한 변형이 설계적으로 허용되는 수준을 벗어나는 경우에는 제품을 사용할 수 없게 되기도 하며, 브레이징 공정에 의해 접합된 부위는 접합 강도가 용접 공정에 의한 것보다 낮아서 높은 RPM(분당 회전 속도)에서 사용되는 제품에는 사용될 수 없다.
용접 공정과 브레이징(brazing) 공정을 모두 적용하여 임펠러와 슈라우드를 결합하는 경우에도 슈라우드와 임펠러가 서로 접합되는 필렛부(fillet)를 브레이징 필러로 제작하기도 한다. 보통은 필렛부의 반경이 0.8 mm 정도의 작은 크기로 형성되어 필렛부에 응력 집중이 발생하기 때문에 상술한 공정에 의해 제조되는 임펠러 조립체는 대형의 제품에 적용하기가 어렵다.
또한 절삭, 천공 등의 기계적 가공 방법을 이용하여 폐쇄형 임펠러 조립체(closed type impeller assembly)를 제조하기도 하지만, 임펠러 조립체의 크기가 작거나 블레이드의 높이가 낮은 경우에는 가공 장비가 들어갈 수 있는 작업 공간을 확보하기가 어렵다.
일본 공개특허공보 제2004-353608호 (2004.12.16)
실시예들의 목적은 임펠러 조립체의 전체적인 크기가 증가하는 경우에도 안정적인 구조를 유지하는 유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 편리하게 제조될 수 있는 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 금속을 용융하여 도포하는 방식으로 슈라우드를 형성함으로써 슈라우드와 블레이드의 안정적인 결합 구조를 구현한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 임펠러 조립체는, 회전축과, 회전축의 외측에 결합되어 원주 방향으로 연장하는 베이스부와, 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되며 베이스부에 배치되는 복수 개의 블레이드들과, 금속을 용융하여 블레이드의 위에 도포함으로써 형성되며 회전축을 중심으로 원주 방향으로 연장하여 블레이드들의 상측을 덮는 슈라우드를 구비한다.
일 실시예에 관한 임펠러 조립체의 제조 방법은, 회전축과 회전축의 외측에 결합되어 원주 방향으로 연장하는 베이스부와 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되어 베이스부에 배치되는 복수 개의 블레이드들을 구비하는 임펠러를 준비하는 단계와, 블레이드들의 사이에 몰드를 배치하는 단계와, 용융된 금속을 블레이드들의 상부면과 몰드의 상부면에 도포하여 블레이드들의 상부면과 몰드의 상부면을 덮는 슈라우드를 형성하는 단계를 포함한다.
슈라우드를 형성하는 단계에서 슈라우드는 블레이드들의 상부면과 몰드의 상부면에 금속 분말을 공급하며 금속 분말에 레이저를 조사하여 금속 분말을 용융시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 공법에 의해 형성될 수 있다.
슈라우드를 형성하는 단계에서는 금속을 용융하여 도포한 이후에 도포된 금속을 경화할 슈라우드는 하나 이상의 층을 구비할 수 있다.
임펠러를 준비하는 단계는 베이스부의 위에 복수 개의 층을 반복하여 도포함으로써 블레이드들을 형성하는 3차원 인쇄단계를 포함할 수 있다.
블레이드들의 폭은 베이스부로부터 멀어질수록 증가하도록 형성될 수 있다.
몰드는 인접하는 블레이드들의 사이에 배치될 수 있으며, 몰드의 폭은 베이스로부터 멀어질수록 감소하도록 형성될 수 있다.
몰드를 배치하는 단계에서는 인접하는 블레이드들의 사이의 공간에 세라믹 소재의 페이스트를 충전함으로써 몰드를 배치할 수 있다.
몰드를 배치하는 단계는 몰드를 배치한 이후에 몰드를 경화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
몰드를 배치하는 단계에서는 인접하는 블레이들의 사이의 공간에 대응하는 형상을 갖도록 제작된 몰드를 인접하는 블레이들의 사이에 삽입함으로써 몰드를 배치할 수 있다.
임펠러 조립체의 제조 방법은 몰드를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
몰드를 제거하는 단계는 초음파 진동을 몰드에 전달하거나, 고압의 물을 몰드에 분사하거나, 레이저빔을 몰드에 조사함으로써 몰드를 분쇄할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체의 제조 방법에 의하면, 임펠러의 블레이드의 상측에 슈라우드를 용접에 의해 접합할 필요가 없으며 용융된 금속을 도포하는 방법에 의해 슈라우드가 형성되므로 임펠러 조립체를 제조하는 공정이 편리해진다.
또한 대형의 임펠러 조립체를 제작하는 경우에도 슈라우드가 블레이드의 상측에 견고히 결합된 구조를 얻을 수 있으므로, 용접 등의 방식을 이용하던 종래의 방식에 비교하여 임펠러 조립체의 전체적인 구조가 견고하며 안정적이다.
또한 임펠러 조립체의 규모에 따라 슈라우드를 형성하는 층의 개수나 두께를 자유롭게 변형할 수 있으므로, 임펠러 조립체의 제조 및 설계가 편리해진다.
도 1은 일 실시예에 관한 임펠러 조립체의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 임펠러 조립체를 제조하기 위해 임펠러를 가공하는 단계를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 임펠러에 몰드를 충전하는 단계를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 임펠러에 슈라우드를 형성하는 단계를 나타낸 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 관한 임펠러 조립체의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5의 임펠러 조립체의 제조 방법에서 임펠러를 준비하는 단계를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 7은 도 6의 단계에 의해 완성된 임펠러를 나타낸 측면도이다.
도 8은 도 7의 임펠러에 몰드를 충전하는 단계를 나타낸 측면도이다.
도 9는 도 8의 임펠러에 슈라우드를 형성하는 단계를 나타낸 측면도이다.
도 10은 도 9의 임펠러에 슈라우드가 형성된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 11은 도 10의 임펠러에서 금속을 경화하는 단계를 나타낸 측면도이다.
도 12는 도 10의 임펠러에 형성된 슈라우드의 조직 단면을 촬영한 사진이다.
도 13은 도 12의 슈라우드의 조직 단면의 일부분을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 14는 일반적인 금속의 조직 단면의 일부분을 확대하여 촬영한 사진이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 임펠러 조립체 및 임펠러 조립체 제조 방법의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 관한 임펠러 조립체의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타난 실시예에 관한 임펠러 조립체(100)는 임펠러(110)와 슈라우드(120)를 포함한다.
도시된 일 실시예의 임펠러 조립체(100)는 압축기에 사용될 수 있지만, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 실시예에 관한 임펠러 조립체(100)는 임펠러 조립체의 회전 운동에 의해 유체의 압력과 속도를 변화시킬 수 있는 다양한 종류의 회전 기계에 사용될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 관한 임펠러 조립체(100)가 적용될 수 있는 회전 기계는 펌프, 송풍기 등도 포함하는 포괄적인 개념이다.
도 2는 도 1의 임펠러 조립체를 제조하기 위해 임펠러를 가공하는 단계를 나타낸 사시도이다.
임펠러 조립체(100)는 도 2에 도시된 것과 같은 임펠러(110)를 먼저 가공한 이후에, 임펠러(110)에 슈라우드(120)를 형성하는 방법으로 제조된다.
임펠러(110)는 회전축(111)과, 회전축(111)의 외측에 형성되고 상하방향을 따라 방사상으로 외경이 증가하며 원주 방향으로 연장하는 베이스부(112)와, 베이스부(112)에 원주 방향을 따라 소정의 간격으로 이격되며 배치되며 회전축(111)으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하는 복수 개의 블레이드들(113)을 포함한다.
베이스부(112)는 회전축(111)의 외측에 결합하며, 상하방향을 따라 방사상으로 외경이 증가하도록 형성될 수 있다. 베이스부(112)의 표면은 경사진 곡면을 이루도록 형성되고, 유체 통로의 바닥면을 형성하여 유체 유동을 부드럽게 함과 아울러 유체에 최대의 에너지를 전달하도록 설계된다.
블레이드들(113)은 베이스부(112)의 위에 배치되어, 유체의 이동을 안내하는 기능을 수행하면서 임펠러(110)의 운동 에너지를 유체에 전달하는 기능을 수행한다.
블레이드들(113)은 회전축(111)을 중심으로 소정의 간격을 두고 서로 이격되며 복수 개가 배치될 수 있으며, 베이스부(112) 상에서 대략 방사상 형태로 배열될 수 있다. 블레이드들(113)의 회전에 의해 유입구(100a)로부터 유입된 유체가 원심력에 따라 압축되고 유출구(100b)를 통하여 외부로 배출된다.
슈라우드(120)는 유체의 유입구(100a)를 형성하도록 상단부가 개방되고, 개방된 상단부로부터 하방으로 가면서 다수의 블레이드들(113)의 외주연을 따라 방사상으로 확장되는 중공의 원추 형상으로 형성될 수 있다. 슈라우드(120)는 유체 통로의 천장 면을 형성하며, 베이스부(112) 및 블레이드들(113)과 함께 유체의 이동 통로를 형성한다.
슈라우드(120)는 회전축(111)을 중심으로 원주 방향으로 연장하며 블레이드들(113)의 상측을 덮도록 배치된다. 따라서 슈라우드(120)와 임펠러(110)가 서로 조립되면, 블레이드들(113)의 상측 부분이 슈라우드(120)에 의해 폐쇄되므로 블레이드들(113)의 사이의 공간을 통해 유체가 통과할 수 있도록 전체적으로 폐쇄된 형상을 이루는 임펠러 조립체(100)가 완성된다.
슈라우드(120)는 금속을 용융하여 블레이드들(113)의 위에 도포하는 방법으로 형성되며, 예를 들어 레이저 클래딩(laser cladding) 공법에 의해 형성된다. 슈라우드(120)를 형성하는 구체적인 공정에 대해서는 이하에서 설명하였다.
슈라우드(120)는 블레이드들(113)의 상측을 덮는 복수 개의 층(121, 122)을 구비할 수 있다. 슈라우드(120)를 형성하는 층(121, 122)의 개수는 도시된 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 슈라우드(120)가 1개의 층이나 3개 이상의 층을 갖도록 변형될 수 있다.
레이저 클래딩 공법은 파우더(분말), 호일(foil), 와이어(wire) 등의 이종 재료를 레이저 에너지를 이용하여 금속 표면에 합금화시키거나 금속층을 육성시켜 적층하는 공법을 말한다. 레이저 클래딩 공법은 제품의 수명을 높일 수 있고, 육성되는 금속층의 두께를 제어할 수 있으므로 큰 부품과 소형 부품의 모두에 적용할 수 있다. 또한 레이저 클래딩 공법에 의하면 열 영향으로 인한 변형이 작고 용재와 금속 표면의 결합력이 우수하며 클래딩 층(육성층)의 형태를 자유롭게 조절할 수 있다.
상술한 구성의 임펠러 조립체(100)는 슈라우드(120)와 임펠러(110)를 용접에 의해 결합시키는 것이 아니라 용융된 금속을 임펠러(110)의 블레이드들(113)의 위에 도포하는 방식으로 슈라우드(120)가 형성되므로, 임펠러 조립체(100)의 조립 공정이 단순화되며 견고하며 안정적인 구조를 갖는 임펠러 조립체(100)를 구현할 수 있다.
도 1을 참조하여 임펠러 조립체(100)의 회전 운동에 의하여 유체가 압축되는 과정을 살펴보면 이하와 같다. 회전축(111)이 회전하면, 임펠러(110) 및 슈라우드(120)도 회전축(111)과 함께 회전한다.
임펠러 조립체(100)의 유입구(100a)를 통하여 유입된 유체는 임펠러 조립체(100)의 회전 운동 에너지에 따른 원심력의 작용으로 고압의 상태로 압축되며 유출구(100b)를 통해 빠져나간다. 유출구(100b)를 통하여 임펠러 조립체(100)를 빠져 나온 유체는, 예를 들어, 미도시된 디퓨저(diffuser)를 통과하면서 속도가 줄어들고, 동시에 요구되는 수준까지 압력이 상승한다.
도 3은 도 2의 임펠러에 몰드를 충전하는 단계를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 임펠러에 슈라우드를 형성하는 단계를 나타낸 사시도이며, 도 5는 일 실시예에 관한 임펠러 조립체의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6에 나타난 실시예에 관한 임펠러 조립체의 제조 방법은, 블레이드를 구비하는 임펠러를 준비하는 단계(S110)와, 블레이드들의 사이에 몰드를 배치하는 단계(S120)와, 용융 금속을 도포하여 슈라우드를 형성하는 단계(S130)와, 몰드를 제거하는 단계(S150)를 포함한다.
임펠러를 준비하는 단계(S110)는 도 2에 도시된 것과 같은 구성을 갖는 임펠러(110)를 준비하는 단계에 해당한다. 즉 임펠러를 준비하는 단계(S110)에서는 베이스부(112)의 위에 복수 개의 블레이드들(113)을 배치하여 임펠러(110)를 준비한다.
도 6은 도 5의 임펠러 조립체의 제조 방법에서 임펠러를 준비하는 단계를 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 7은 도 6의 단계에 의해 완성된 임펠러를 나타낸 측면도이다.
도 6 및 도 7은 임펠러(110)를 준비하는 단계의 일 예로서, 베이스부(112)의 위에 층(113a)을 반복적으로 도포함으로써 블레이드들(113)을 형성하는 3차원 인쇄단계가 도시된다. 3차원 인쇄단계는 분사 노즐(3)을 이용하여 베이스부(112)에 예를 들어 금속 물질이나 수지를 도포하는 방법으로 3차원 형상의 구조물을 형성하는 방법이다.
베이스부(112)에 블레이드들(113)을 배치하는 방법은 상술한 인쇄단계에만 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 원판 형상의 베이스부(112)를 가공한 이후에, 베이스부(112)의 위에 블레이드들(113)을 용접 공정 등의 방법으로 배치할 수도 있다. 또한 임펠러(110)의 제조 단계에서는 금속의 모재를 절삭 가공(예를 들어 머시닝(machining) 공정)함으로써 표면에 블레이드들(113)이 형성된 베이스부(112)를 제조하는 금속 가공 방법을 이용할 수도 있다. 또한 정밀 주조법을 이용하여 임펠러(110)를 제조할 수도 있다.
블레이드들(113)과 베이스부(112)의 소재로는 경량의 탄소강이 사용될 수도 있고, 알루미늄과 같은 비철금속이나, 고강성의 플라스틱이 사용될 수도 있다.
도 8은 도 7의 임펠러에 몰드를 충전하는 단계를 나타낸 측면도이다.
도 8에는 블레이드들(113)의 사이에 몰드(130)가 배치된 상태가 개략적으로 도시된다. 도 8의 몰드(130)는 도 3에서와 같이 충전 노즐(5)을 이용하여 블레이드들(113)의 사이의 공간에 세라믹 소재의 페이스트인 충전재(130b)를 충전함으로써 형성될 수 있다. 충전재(130b)에는 페이스트(paste)의 형태의 물질이 사용될 수 있으나, 여기에서 '페이스트'는 액체가 혼합되지 않은 건조한 상태의 분말뿐만 아니라 액체가 혼합된 겔(gel) 형태의 물질을 포함할 수 있다.
세라믹 소재에는, 예를 들어 석고(plaster, gypsum)와 같이 임시적으로 경화되었다가 충격에 의해 파쇄될 수 있는 성질을 갖는 소재가 사용될 수 있다.
충전재(130b)를 충전한 이후에, 충전재(130b)를 경화시키는 단계가 실행될 수 있다. 충전재(130b)가 경화됨으로써 도 8에 도시된 것과 같은 형상을 갖는 몰드(130)가 완성된다. 몰드(130)는 블레이드들(113)이 연장하는 방향을 따라 회전축(111)으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며, 인접하는 블레이드들(113)의 사이의 공간에 대응하는 형상을 갖는다. 따라서 몰드(130)는 블레이드들(113)의 사이의 간격을 견고히 유지함으로써, 이하의 공정에서 블레이드들(113)의 형상이나 위치가 변형되는 것을 최소화할 수 있다.
블레이드들(113)의 폭은 베이스부(112)로부터 멀어질수록 증가하도록 형성될 수 있다. 또한 블레이드들(113)의 사이의 공간에 충전되는 몰드(130)의 폭은 베이스부(112)로부터 멀어질수록 감소하도록 형성될 수 있다.
이와 같이 블레이드들(113)의 폭과 몰드(130)의 폭을 베이스부(112)로부터 멀어짐에 따라 변경함으로써, 인접한 블레이드들(113)의 사이에 몰드(130)가 배치된 조립 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 이로 인하여 블레이드들(113)의 위치가 견고히 유지되므로 이하에서 설명될 슈라우드(120)를 형성하는 단계에서, 슈라우드(120)와 블레이드들(113)의 결합이 정밀하며 안정적으로 이루어질 수 있다.
몰드를 배치하는 단계는 도 3에 도시된 세라믹 소재의 충전재(130b)를 충전하는 방법으로만 한정되는 것은 아니다. 즉 몰드를 배치하는 단계는, 예를 들어 인접하는 블레이드들(113)의 사이의 공간에 대응하는 형상을 갖는 몰드를 제작한 후에, 몰드를 블레이드들(113)의 사이의 공간에 삽입하는 방식으로 실행될 수 있다.
도 9는 도 8의 임펠러에 슈라우드를 형성하는 단계를 나타낸 측면도이고, 도 10은 도 9의 임펠러에 슈라우드가 형성된 상태를 나타낸 측면도이다.
몰드를 배치하는 단계의 이후에 도 4, 도 9 및 도 10에 도시된 것과 같이 슈라우드(120)를 형성하는 단계가 실행될 수 있다. 슈라우드(120)는 블레이드들(113)과 몰드(130)의 상부면에 금속 분말(120b)을 공급하며 금속 분말(120b)을 레이저를 조사하여 금속 분말(120b)을 용융시키는 레이저 클래딩 공법에 의해 형성될 수 있다.
레이저 클래딩 공법은 파우더(분말), 호일(foil), 와이어(wire) 등의 이종 재료를 레이저 에너지를 이용하여 금속 표면에 합금화시키거나 금속층을 육성시켜 적층하는 공법을 말한다. 레이저 클레이딩 공법에서는 고출력 레이저 빔을 금속표면에 조사하여 순간적으로 용융 풀(melt pool)을 생성시키고, 동시에 외부로부터 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹 등)을 공급하여, 금속 표면에 완전히 다른 화학 조성과 미세조직을 갖는 새로운 클래딩 층을 형성시키는 레이저 표면개질기술(laser surface modification)의 하나이다.
레이저 클래딩 공법에 의하면 제품의 수명을 높일 수 있고, 육성되는 금속층의 두께를 제어할 수 있으므로 큰 부품과 소형 부품의 모두에 적용할 수 있다. 또한 레이저 클래딩 공법에 의하면 열 영향으로 인한 변형이 작고 용재와 금속 표면의 결합력이 우수하며 클래딩 층(육성층)의 형태를 자유롭게 조절할 수 있다.
슈라우드(120)를 형성하는 단계는 상술한 레이저 클래딩 공법에만 한정되는 것은 아니며, 별도의 공정에서 금속을 용융한 이후에 용융된 금속을 블레이드들(113)의 상부면과 몰드(130)의 상부면에 도포하는 방법으로 슈라우드(120)를 형성할 수도 있다.
슈라우드(120)는 도 10에 도시된 것과 같이 복수 개의 층(121, 122)을 포함할 수 있다. 도시된 예에서 슈라우드(120)는 두 개의 층(121, 122)을 포함하지만, 이러한 구조에 의해 한정되는 것은 아니며 슈라우드(120)는 단 하나의 층으로 이루어지거나 3 개 이상의 층을 포함할 수도 있다.
도 11은 도 10의 임펠러에서 금속을 경화하는 단계를 나타낸 측면도이다.
슈라우드(120)를 형성하기 위해 용융 금속을 도포한 이후에는 가열기(9)를 이용하여 열을 가함으로써 도포된 금속을 경화시키는 경화 단계가 실행될 수 있다. 도포된 금속이 경화된 이후에는 슈라우드(120)의 표면을 정밀하게 절삭하는 가공을 실행하는 정삭 가공을 더 실시할 수 있다.
상술한 바와 같은 단계들을 포함하는 임펠러 조립체의 제조 방법에 의하면, 슈라우드(120)를 임펠러(110)의 블레이드들(113)의 상측에 용접에 의해 접합할 필요가 없으므로 슈라우드(120)를 구비하는 임펠러 조립체(100)를 제조하는 공정이 단순해진다.
또한 대형의 임펠러 조립체(100)를 제작하는 경우에도 슈라우드(120)가 블레이드들(113)의 상측에 견고히 결합된 구조를 얻을 수 있으므로, 용접 등의 방식을 이용하던 종래의 방식에 비교할 때 임펠러 조립체(100)의 전체적인 구조가 견고하며 안정적이다. 또한 임펠러 조립체(100)의 규모에 따라 슈라우드(120)를 형성하는 층(121, 122)의 개수나 두께를 자유롭게 변형하여 실시할 수 있으므로, 제조 및 설계가 편리해지는 장점이 있다.
슈라우드(120)를 경화한 이후에는 블레이드들(113)의 사이에 배치되어 있는 몰드(130)를 제거하는 단계가 실행될 수 있으나, 실시예는 이러한 방식에 의해 한정되는 것은 아니다. 즉 몰드(130)를 제거하는 단계는 슈라우드(120)를 경화하는 단계의 이전에 실행될 수도 있다.
몰드(130)를 제거하는 단계는 예를 들어 초음파 진동을 임펠러 조립체(100)의 전체에 가함으로써 몰드(130)에 초음파 진동을 전달하여 몰드(130)를 분쇄하는 단계와, 분쇄된 몰드(130)를 세정하는 단계를 포함할 수 있다. 분쇄된 몰드(130)를 세정하는 단계에서는 고압의 물을 분사하거나 고압의 공기를 분사하는 등의 방법을 이용할 수 있다.
몰드(130)를 제거하는 단계는 예를 들어 고압의 물을 몰드(130)에 분사하거나 레이저빔을 몰드(130)에 조사하여 몰드(130)를 분쇄하는 단계와, 분쇄된 몰드(130)를 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
임펠러 조립체(100)의 제조 공정 중에서 몰드(130)를 제거하는 단계가 필수적인 것은 아니며, 제조가 완료되어 임펠러 조립체(100)에 몰드(130)가 배치되어 있는 상태로 제품을 포장하여 제품을 출하할 수 있다.
이와 같은 방법에 의하면 임펠러 조립체(100)의 블레이드들(113)의 사이에 몰드(130)를 배치한 상태로 제품이 운반될 수 있으므로, 제품의 운반 과정 중의 충격에 의해 블레이드들(113)이 손상되는 것을 최소화할 수 있다. 임펠러 조립체(100)의 블레이드들(113)의 사이에 몰드(130)를 배치한 상태로 제품이 출하된 경우에는 임펠러 조립체(100)를 유체 회전기계에 장착할 때에 몰드(130)를 제거한 후에 임펠러 조립체(100)를 유체 회전기계에 설치하면 된다.
도 12는 도 10의 임펠러에 형성된 슈라우드의 조직 단면을 촬영한 사진이고, 도 13은 도 12의 슈라우드의 조직 단면의 일부분을 확대하여 촬영한 사진이며, 도 14는 일반적인 금속의 조직 단면의 일부분을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 12 및 도 13의 조직 단면은 레이저 클래딩 공법을 이용하여 슈라우드를 형성하였을 때의 예를 나타낸다. 레이저 클래딩 공법에 의하면 서로 상이한 재질의 금속을 용이하며 견고하게 접합할 수 있다. 도 14의 일반적인 금속의 조직 단면과 비교하면, 도 13에 나타나는 바와 같이 레이저에 의해 용융된 금속 분말이 모재와 강하게 접합되고, 접합된 부위에서 상이한 금속들이 결합된 상태가 더욱 견고하므로 내식성과 같은 기계적 성능이 향상된다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
5: 충전 노즐 112: 베이스부
9: 가열기 113: 블레이드들
3: 분사 노즐 113a: 층
100a: 유입구 120b: 금속 분말
100b: 유출구 120: 슈라우드
100: 임펠러 조립체 130: 몰드
110: 임펠러 130b: 충전재
111: 회전축 121, 122: 층

Claims (15)

  1. 회전축;
    상기 회전축의 외측에 결합되어 원주 방향으로 연장하는 베이스부;
    상기 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며, 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되며 상기 베이스부에 배치되는 복수 개의 블레이드들; 및
    금속을 용융하여 상기 블레이드의 위에 도포함으로써 형성되며, 상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 연장하여 상기 블레이드들의 상측을 덮는 슈라우드;를 구비하는, 유체 회전 기계의 임펠러 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슈라우드는 레이저 클래딩(laser cladding) 공법에 의해 형성되는, 유체 회전 기계의 임펠러 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슈라우드는 하나 이상의 층을 구비하는, 유체 회전 기계의 임펠러 조립체.
  4. 회전축과 상기 회전축의 외측에 결합되어 원주 방향으로 연장하는 베이스부와 상기 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되어 상기 베이스부에 배치되는 복수 개의 블레이드들을 구비하는 임펠러를 준비하는 단계;
    상기 블레이드들의 사이에 몰드를 배치하는 단계; 및
    용융된 금속을 상기 블레이드들의 상부면과 상기 몰드의 상부면에 도포하여 상기 블레이드들의 상부면과 상기 몰드의 상부면을 덮는 슈라우드를 형성하는 단계;를 포함하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슈라우드를 형성하는 단계에서 상기 슈라우드는 상기 블레이드들의 상부면과 상기 몰드의 상부면에 금속 분말을 공급하며 상기 금속 분말에 레이저를 조사하여 상기 금속 분말을 용융시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 공법에 의해 형성되는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 슈라우드를 형성하는 단계에서는 금속을 용융하여 도포한 이후에 도포된 금속을 경화하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 슈라우드는 하나 이상의 층을 구비하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 임펠러를 준비하는 단계는 상기 베이스부의 위에 복수 개의 층을 반복하여 도포함으로써 상기 블레이드들을 형성하는 3차원 인쇄단계를 포함하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 블레이드들의 폭은 상기 베이스부로부터 멀어질수록 증가하도록 형성되는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 몰드는 인접하는 상기 블레이드들의 사이에 배치되며, 상기 몰드의 폭은 상기 베이스로부터 멀어질수록 감소하도록 형성되는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 몰드를 배치하는 단계에서는 인접하는 상기 블레이드들의 사이의 공간에 세라믹 소재의 페이스트를 충전함으로써 상기 몰드를 배치하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 몰드를 배치하는 단계는 상기 몰드를 배치한 이후에 상기 몰드를 경화하는 단계를 더 포함하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 몰드를 배치하는 단계에서는 인접하는 상기 블레이들의 사이의 공간에 대응하는 형상을 갖도록 제작된 상기 몰드를 인접하는 상기 블레이들의 사이에 삽입함으로써 상기 몰드를 배치하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 몰드를 제거하는 단계를 더 포함하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 몰드를 제거하는 단계는 초음파 진동을 상기 몰드에 전달하거나, 고압의 물을 상기 몰드에 분사하거나, 레이저빔을 상기 몰드에 조사함으로써 상기 몰드를 분쇄하는, 임펠러 조립체의 제조 방법.
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