KR20150088641A

KR20150088641A - 임펠러 어셈블리 및 임펠러 어셈블리 제작방법

Info

Publication number: KR20150088641A
Application number: KR1020140009172A
Authority: KR
Inventors: 김종국
Original assignee: 한화테크윈 주식회사
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-08-03
Also published as: WO2015111855A1

Abstract

본 발명은 임펠러 어셈블리 및 임펠러 어셈블리의 제작방법 를 개시한다. 본 발명은, 베이스부와, 상기 베이스부 상에 설치되는 블레이드와, 상기 베이스부로부터 이격되어 배치되며, 상기 블레이드의 일부가 삽입되어 결합하는 쉬라우드를 포함하고, 상기 블레이드는 상기 쉬라우드에 삽입되도록 형성되는 돌출부를 구비하며, 상기 쉬라우드는 상기 돌출부가 삽입되어 마찰 교반 용접으로 접합하는 그루브를 구비한다.

Description

임펠러 어셈블리 및 임펠러 어셈블리 제작방법{Impeller and manufacturing method the same}

본 발명은 어셈블리 및 제작방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 임펠러 어셈블리 및 임펠러 어셈블리 제작방법에 관한 것이다.

임펠러는 유체에 회전 운동에너지를 전달하여 유체의 압력을 상승시키는 기능을 수행한다. 이를 위해 베이스부의 일면에 유체의 이동을 돕고 상기 회전 운동 에너지를 유체에 전달하기 위한 다수개의 블레이드(blade)가 마련되어 있다. 또한 임펠러의 외부에는 쉬라우드(shroud)가 배치된다. 상기 쉬라우드는 상기 블레이드와 함께 유체의 이동통로를 형성한다.

통상적으로 블레이드와 쉬라우드 사이의 간격이 좁을수록 압축기의 효율이 상승하는 특성을 가지고 있으며, 최근에는 임펠러에 쉬라우드를 결합하여 일체형으로 제조함으로써, 압축기의 효율을 극대화하는 기술이 제안되고 있다.

임펠러에 쉬라우드를 결합하여 제조하는 기술의 경우에는, 임펠러의 블레이드와 쉬라우드를 상호 접합하는 공정이 요구된다. 이를 위해, 리벳공정이나 용접공정 등이 사용된다.

일본 공개특허공보 제2004-353608호 또는 미국 공개특허공보 제2010-0037458호에는 임펠러에 쉬라우드를 용접하여 보강하는 기술이 개시되는데, 임펠러와 쉬라우드를 서로 접촉하여 단순히 용접하는 방법을 이용함으로써 임펠러와 쉬라우드가 서로 고정된다. 이러한 용접공정에 의하여 임펠러와 쉬라우드가 접합할 때에는 용접 입열량의 과도하게 발생하므로 임펠러와 쉬라우드의 형상이 심하게 변형될 수 있다.

또한, 리벳을 이용한 접합은 블레이드의 형상이 복잡해지고, 임펠러 회전에 의한 회전 운동에너지가 유체로 전달되는 것이 어려워질 수 있다.

따라서, 이러한 단점을 해소할 수 있는 새로운 임펠러 어셈블리의 제조방식이 요구되고 있다.

일본 공개특허공보 제2004-353608호 미국 공개특허공보 제2010-0037458호

본 발명의 실시예들은 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)을 이용하여 제작된 임펠러 어셈블리 및 마찰 교반 용접을 이용한 임펠러 어셈블리 제작방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은, 베이스부와, 상기 베이스부 상에 설치되는 블레이드와, 상기 베이스부로부터 이격되어 배치되며, 상기 블레이드의 일부가 삽입되어 결합하는 쉬라우드를 포함하고, 상기 블레이드는 상기 쉬라우드에 삽입되도록 형성되는 돌출부를 구비하며, 상기 쉬라우드는 상기 돌출부가 삽입되어 마찰 교반 용접으로 접합하는 그루브를 구비하는, 임펠러 어셈블리를 제공한다.

또한, 상기 돌출부는 상기 블레이드의 끝단에 다각 형상으로 형성되고, 상기 그루브는 상기 돌출부와 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 끝단에 다각 형상으로 형성되는 돌출부를 가지는 블레이드와 상기 돌출부의 형상에 대응하는 그루브를 가지는 쉬라우드을 가지는 임펠러 어셈블리 제조방법에 있어서, 상기 돌출부를 상기 그루브에 삽입하여 상기 블레이드와 상기 쉬라우드를 결합하는 단계와, 상기 돌출부와 상기 그루브를 마찰 교반 용접으로 접합하는 단계 및 상기 쉬라우드의 외주면을 상기 베이스부의 외주면과 대응하도록 절단하여 마찰 교반 용접시에 발생한 홀을 제거하는 단계를 포함하는 임펠러 어셈블리 제조방법을 제공한다..

본 발명의 실시예들은 마찰 교반 용접을 이용시에 발생할 수 있는 열변형을 최소화하여 임펠러 어셈블리를 제작할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 쉬라우드와 블레이드의 접합면적을 넓게 하여 접합강도를 증가시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 어셈블리의 제조방법을 나타내는 단면도이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 어셈블리(100)를 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 어셈블리의 제조방법을 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 임펠러 어셈블리(100)는 회전축(110), 베이스부(120), 블레이드(130) 및 쉬라우드(140)를 포함 할 수 있다.

베이스부(120)는 회전축(110)의 외측에 형성된다. 상세하게 회전축(110)을 중심으로 상하방향을 따라 방사형으로 외경이 증가하며 원주방향으로 연장되는 형태이다. 베이스부(120)의 표면은 경사진 곡면을 이루도록 형성되어 유체 유동을 부드럽게 함과 아울러 유체의 유동에 따른 에너지 손실을 최소화 시킬 수 있다.

블레이드(130)는 베이스부(120) 표면에 형성되어, 유체의 이동을 안내하는 기능을 수행하며 임펠러 어셈블리(100)의 회전 운동 에너지를 유체에 전달하는 기능을 수행한다.

블레이드(130)와 베이스부(120)는 각각 제작되어 블레이드(130)가 베이스부(120)에 결합할 수 있다. 또한, 블레이드(130)는 베이스부(120)와 일체로 제작될 수 있다. 예를 들어 금형을 통한 주조, 사출, 절삭가공 등의 다양한 방법에 의하여 블레이드(130)는 베이스부(120)와 일체로 형성될 수 있다. 또한, 블레이드(130)와 베이스부(120)의 결합강도를 강하게 하기 위해서 블레이드(130)와 베이스부(120)의 결합부분을 라운드지도록 형성할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 블레이드(130)와 베이스부(120)가 일체로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.

블레이드(130)는 회전축을 중심으로 소정의 간격을 두고 서로 이격되어 복수개가 배치될 수 있다. 또한, 블레이드(130)는 베이스부(120)상에서 대략 방사상 형태로 배열될 수 있다. 블레이드(130)의 형상은 임펠러 어셈블리(100)에 의해 발생된 최대 회전 운동 에너지를 유체에 전달하기 위해서 회전방향에 따라 굴곡진 형태로 형성될 수 있다.

쉬라우드(140)는 회전축(110)을 중심으로 원주 방향으로 연장하며 블레이드(130) 상측을 덮도록 배치된다. 따라서 쉬라우드(140)는 베이스부(120)와 블레이드(130)와 함께 유체통로를 형성할 수 있다.

상기 유체통로의 입구부를 통해 회전축(110)의 축방향으로 유입된 유체는 상기 유체통로를 따라 흐른다. 이때 상기 유체는 임펠러 어셈블리(100)의 회전 운동 에너지를 전달받은 후 상기 유체통로의 출구부를 통해 회전축의 반경방향으로 유출된다.

블레이드(130)와 쉬라우드(140)는 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)으로 접합 할 수 있다. 블레이드(130)는 쉬라우드(140)에 삽입되도록 형성되는 돌출부(131)를 구비하고, 쉬라우드(140)는 돌출부(131)가 삽입되어 마찰 교반 용접으로 접합하는 그루브(141)를 구비한다. 그루브(141)은 쉬라우드(140) 표면에 쉬라우드(140)의 두께보다 작은 홈으로 블레이드(130)를 따라 형성되고, 돌출부(130)의 높이는 그루브(141)에 삽입되도록 쉬라우드(140) 두께보다 작게 형성될 수 있다.

돌출부(131)는 쉬라우드(140) 끝단에 다각 형상으로 형성되고, 그루브(141)는 돌출부(131)에 대응하는 다각 형상으로 형성될 수 있다. 돌출부(131)의 형상은 특정한 다각형에 국한되지 않으나, 이하 설명의 편의를 위해서 삼각 형상의 돌출부(131)를 중심으로 설명하기로 한다.

돌출부(131)는 2개의 슬로프(Slope)를 형성하여 돌출부(131)와 그루브(141)의 접촉 면적을 넓게 할 수 있다. 돌출부(131)와 그루브(141)의 접촉 면적이 넓게 형성되면, 돌출부(131)의 재료와 그루브(141)의 재료가 넓은 영역에서 교반되고 용접되므로 블레이드(130)와 쉬라우드(140)의 접합강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 돌출부(131)가 그루브(141)에 삽입되면 돌출부(131)의 첨단이 그루브(141)에 고정된다. 따라서 마찰 교반 용접시에 돌출부(131) 및 그루브(141)의 이격과 이탈을 방지하여 용접을 용이하게 할 수 있다.

블레이드(130)를 쉬라우드에 관통하여 마찰 교반 용접시에는, 공정을 마친 후에 쉬라우드(140) 표면에 복수의 용접선이 형성될 수 있다. 또한, 블레이드(130)와 쉬라우드(140)가 접촉하는 2개의 면에 각각 용접을 실시해야 하는바, 마찰 교반 용접을 수행해야 하는 영역이 넓어져서 용접공정이 길어질 수 있다. 이에 반해, 상기 서술함 바에 따른 마찰 교반 용접시, 마찰 교반 용접 공구(미도시)는 돌출부(131)의 첨단을 따라 1회의 마찰 교반 용접 공정을 통해 접합 할 수 있는바 형성되는 용접선이 적어서 용접공정 시간이 줄어들 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 어셈블리(100)의 제작방법을 설명하면 다음과 같다. 다만, 임펠러 어셈블리(100) 제작방법은 상기 서술한 임펠러 어셈블리(100)에 대한 제작 방법인바, 상기 설명과 중복된 부분은 생략 및 약술 하기로 한다.

우선, 블레이드(130)와 쉬라우드(140)를 결합하는 단계를 수행한다. 블레이드(130)는 상단에 형성되며 다각 형상을 구비하는 돌출부를 구비하고, 쉬라우드(140)는 돌출부(131)의 형상에 대응하는 그루브(141)를 구비한다. 돌출부(131)를 그루브(141)에 삽입 끼움 결합하여 블레이드(130)와 쉬라우드(140)를 결합할 수 있다. 이때, 삽입된 블레이드(130)와 쉬라우드(140)를 일시적으로 고정시키기 위해 태크용접(Tack welding)과정을 더 추가할 수 있다.

이후 돌출부(131)와 그루브(141)를 마찰 교반 용접으로 접합하는 단계를 수행한다. 돌출부(131)의 첨단을 따라 마찰 교반 용접 공구(미도시)가 마찰 교반 용접을 수행시에 돌출부(131)의 주변의 재료와 그루브(141) 주변의 재료가 마찰에 의해 용융 및 교반되어 접합된다. 마찰 교반 용접 공정의 방법 및 사용되는 마찰 교반 용접 공구는 임펠러 제작 공정에 사용되는 주지/ 관용의 마찰 교반 용접 공정 및 마찰 교방 용접 공구가 상용될 수 있으므로, 그 상세한 작동원리 및 구조에 대한 설명은 여기서 생략한다.

이후, 쉬라우드(140)의 외주면을 베이스부(120)의 외주면과 대응하도록 절단하여 마찰 교반 용접시에 발생한 홀을 제거하는 단계를 수행한다.

마찰 교반 용접은 마찰 교반 용접 공구의 회전에 의해 발행하는 마찰열에 의해서 교반 및 접합된다. 따라서 마찰 교반 용접을 완료한 후, 상기 마찰 교반 용접 공구를 제거하면, 상기 마찰 교반 용접 공구가 빠진 홀(210)이 쉬라우드(140)에 생성된다. 따라서 쉬라우드(140)에 생성된 홀(210)을 제거하기 위해서, 쉬라우드(140)의 외주면을 베이스부(120)의 외주면과 대응하도록 A방향으로 절단한다. (도 3 참고)

이를 위해, 쉬라우드(140)의 외경이 베이스부(120)의 외경보다 크게 형성하여 쉬라우드(140)의 절단부(142)를 확보할 수 있다. 마찰 교반 용접이 완료되면, 홀(210)은 절단부(142)에 형성되고, 절단부(142)를 제거할 수 있다.

임펠러 어셈블리(100) 및 임펠러 어셈블리(100) 제작방법은 마찰 교반 용접시에 돌출부(131)가 그루브(141)에 고정되고, 용접을 수행하는 위치를 쉽게 인지하여, 마찰 교반 용접을 용이하게 실시할 수 있다.

임펠러 어셈블리(100) 및 임펠러 어셈블리(100) 제작방법은 블레이드(130)와 쉬라우드(140)이 접합하는 접촉면적을 넓게 하여 접합강도를 증가시킬 수 있다.

임펠러 어셈블리(100) 및 임펠러 어셈블리(100) 제작방법은 마찰 교반 용접시에 돌출부(131)를 따라 1회의 용접 공정을 통해 블레이드(130)와 쉬라우드(140)를 접합 할 수 있는바 용접공정 시간을 줄일 수 있으며, 용접공정시 발생하는 열변형을 최소화할 수 있다.

임펠러 어셈블리(100) 제작방법은 마찰 교반 용접후 발생하는 마찰 교반 기구가 빠진 홀(210)을 용이하게 제거하여 임펠러 어셈블리(100) 제작 시간을 단축 할 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

100: 임펠러 어셈블리
110: 회전축
120: 베이스부
130: 블레이드
131: 돌출부
140: 쉬라우드
141: 그루브

Claims

베이스부;
상기 베이스부 상에 설치되는 블레이드;
상기 베이스부로부터 이격되어 배치되며, 상기 블레이드의 일부가 삽입되어 결합하는 쉬라우드;를 포함하고,
상기 블레이드는 상기 쉬라우드에 삽입되도록 형성되는 돌출부를 구비하며,
상기 쉬라우드는 상기 돌출부가 삽입되어 마찰 교반 용접으로 접합하는 그루브를 구비하는, 임펠러 어셈블리.
제1 항에 있어서,
상기 돌출부는 상기 블레이드의 끝단에 다각 형상으로 형성되고, 상기 그루브는 상기 돌출부와 대응하는 형상으로 형성되는, 임펠러 어셈블리.
끝단에 다각 형상으로 형성되는 돌출부를 가지는 블레이드와 상기 돌출부의 형상에 대응하는 그루브를 가지는 쉬라우드을 가지는 임펠러 어셈블리 제조 방법에 있어서,
상기 돌출부를 상기 그루브에 삽입하여 상기 블레이드와 상기 쉬라우드를 결합하는 단계;
상기 돌출부와 상기 그루브를 마찰 교반 용접으로 접합하는 단계; 및
상기 쉬라우드의 외주면을 상기 베이스부의 외주면과 대응하도록 절단하여 마찰 교반 용접시에 발생한 홀을 제거하는 단계;를 포함하는 임펠러 어셈블리 제조방법.