KR20150093784A - 터보기계 블레이드, 대응하는 터보기계 및 터빈 블레이드의 제조 방법 - Google Patents

터보기계 블레이드, 대응하는 터보기계 및 터빈 블레이드의 제조 방법 Download PDF

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KR20150093784A
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

터보기계의 블레이드(20)는 에어포일 부분(21)을 포함하고; 에어포일 부분(21)은 종방향으로 연장되며; 에어포일 부분은 외표면에 의해 측방향으로 한정되고; 에어포일 부분은 3D이고 트위스팅된 형상을 가지며, 내부 공동(24)을 갖고; 상기 블레이드는 단일 피스(single piece)이다. 더욱이, 블레이드는 로터 또는 스테이터 어레이를 위해 구성되고; 상기 로터 또는 스테이터는 반경방향 및 축방향을 형성하며; 에어포일의 외표면은 선단 에지와 후미 에지를 갖고; 선단 에지 및/또는 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 후방 또는 전방으로 변위되며; 내부 공동은 에어포일 부분의 거의 전체 종방향 길이를 따라 연장된다. 적층 가공(Additive manufacturing)은 그러한 블레이드에 대해 매우 효율적이고 유익하다.

Description

터보기계 블레이드, 대응하는 터보기계 및 터빈 블레이드의 제조 방법{TURBOMACHINE BLADE, CORRESPONDING TURBOMACHINE AND METHOD OF MANUFACTURING A TURBINE BLADE}
본 명세서에 개시된 보호 대상에 관한 실시예는 일반적으로 터보기계 블레이드의 제조 방법, 이에 의해 제조된 터보기계 단일 피스(single piece) 중공형 블레이드 및 그러한 블레이드를 사용하는 터보기계에 관한 것이다.
"오일 & 가스" 분야에서는, 항시 터보기계 블레이드에 대한 개선된 해결책을 모색한다.
개선점은 기능적 양태, 예컨대 블레이드의 에어포일의 형상 및 크기뿐만 아니라, 블레이드의 장착, 보수 관리 및 특히 제조에 관한 것일 수 있다.
제조에 관한 한, "오일 & 가스" 분야에서는, 또한 특정 클라이언트를 위한 해결책들이 때때로 연구(또는 적어도 맞춤화)되기 때문에 소량 생산(small-lot production)이 통상적이라는 점을 고려해야만 한다.
따라서, 적어도 제조 면에서 터보기계의 블레이드를 개선하기 위한 일반적인 필요성이 존재한다.
이상적인 것은 성능을 높이고 생산비를 낮추는 것이다,
본 발명에 있어서 중요한 고려사항은, 터보기계 블레이드의 제조 방법이 제조되는 블레이드의 고유한 형상에 의해 적극적으로 영향을 받을 수 있다는 점이다.
본 발명의 제1 양태는 터보기계의 블레이드이다.
그 실시예에 따르면, 터보기계의 블레이드는 에어포일 부분을 포함하고; 에어포일 부분은 종방향으로 연장되며; 에어포일 부분은 외표면에 의해 측방향으로 한정되고; 에어포일 부분은 3D이고 트위스팅된 형상을 갖고, 내부 공동을 가지며; 블레이드는 단일 피스이다. 더욱이, 블레이드는 로터 또는 스테이터 어레이를 위해 구성되며; 로터 또는 스테이터는 반경방향 및 축방향을 형성하고; 에어포일 부분의 외표면은 선단 에지 및 후미 에지를 가지며; 선단 에지 및/또는 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 후방 또는 전방으로 변위되고; 내부 공동은 에어포일의 거의 전체 종방향 길이를 따라 연장된다.
이 경우, 적층 가공(additive manufacturing)이 특히 효율적이고 유익하다.
본 발명의 제2 양태는 터보기계이다.
그 실시예에 따르면, 터보기계는 터보기계 단의 로터 또는 스테이터 어레이로서 구성되는 복수 개의 블레이드를 포함하고; 블레이드는 전술한 피쳐(feature)를 갖는다.
본 발명의 제3 양태는 터보기계 블레이드의 제조 방법이다.
그 실시예에 따르면, 터보기계 블레이드를 단일 피스로 제조하는 방법은 적층 가공을 사용하며; 터보기계 블레이드는 전술한 피쳐를 갖는다.
블레이드, 터보기계 및 터보기계 블레이드의 제조 방법의 유익한 기술적 피쳐는 상세한 설명에서 기술한다.
여기에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 설명과 함께 실시예를 설명한다.
도 1은 터보기계의 직선 중공형 블레이드의 매우 개략적인 측면도이고,
도 2는 터보기계 블레이드의 직선 트위스팅 중공형 블레이드의 매우 개략적인 측면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 터보기계의 블레이드의 제1의 3D 형상화 중공형 블레이드의 매우 개략적인 측면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 터보기계의 제2의 3D 형상화 중공형 블레이드의 개략적인 측면도이며,
도 5a는 본 발명에 따른 터보기계의 트위스팅 중공형 블레이드의 측방 시점으로부터의 입체도이고,
도 5b는 동일한 도면에 따른 그리고 동일한 시점으로부터의 도 5a의 블레이드를 보여주는 도면으로, 상이한 레벨에서의 단면들의 세트와 선단 에지 및 후미 에지를 고려한 도면이며,
도 5c는 도 5a의 블레이드의 평면도이고,
도 5a 내지 도 5c에는 도면의 가독성을 위해 내부 공동이 도시되어 있지 않은 점에 유념해야 한다.
예시적인 실시예에 관한 아래의 설명은 첨부도면을 참고한다. 상이한 도면에 있는 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일실시예" 또는 "실시예"라는 언급은, 실시예와 연계하여 설명되는 특정 피쳐(feature), 구조 또는 특징이 개시된 보호 대상에 관한 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서의 "일실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 구문의 출현이 반드시 동일한 실시예를 일컫는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
도 1에는, 에어포일 부분(11), 에어포일 부분(11)의 제1 단부에 인접한 (소형) 슈라우드 부분(12) 및 에어포일 부분(11)의 제2 단부에 인접한 (소형) 기저 부분(13)을 포함하는 터보기계 블레이드(10)가 도시되어 있고; 에어포일 부분(11) 내부에 공동(14)이 있으며, 공동은 에어포일 부분(11)의 거의 전체 길이를 따라 연장되고; 공동(14)은 완전히 폐쇄된다.
도 2에는, 터보기계 블레이드(20)가 도시되어 있고; 그러한 블레이드는 합리적인 비용으로 제조하기가 매우 어려우며; 이 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 아래에서 이용될 것이다.
일반적으로, 본 발명에 따른 터보기계의 블레이드(20)는 에어포일 부분(21)을 포함하고; 에어포일 부분(21)은 종방향으로[예컨대, 기저 부분(23)에 인접한 제1 단부에서부터 슈라우드 부분(22)에 인접한 제2 단부로] 연장되며; 에어포일 부분(21)은 외표면("에어포일 표면"이라고도 함)에 의해 측방향으로 한정되고; 에어포일 부분(21)은 3D 형상화되며 내부 공동(24)을 갖고; 블레이드는 단일 피스이다.
일반적으로, "3D 형상화"는 원통 대칭을 갖지 않는 형상을 의미한다. 보다 구체적으로, 본 경우에 "3D 형상화"는 하부 평면 형상에서 상부 평면 형상으로 연장되는 입체 형상(solid shape)을 의미하며, 하부 평면 형상에서 상부 평면 형상으로의 입체 형상의 전개는 비선형이다.
도 2의 실시예에서, "3D 형상화"는 에어포일 부분(21)이 "트위스팅"된다는 사실로 인한 것이다.
도 2의 실시예에서, 공동(24)은 에어포일 부분(21)의 내부에 있고, 에어포일 부분(21)의 거의 전체 길이를 따라 연장되며; 공동(24)은 완전히 폐쇄된다. 보다 일반적으로는 본 발명에 따르면, 에어포일의 내부 공동은 에어포일 부분의 전체 길이의 적어도 40 % 내지 100 %를 따라 종방향으로 연장되는 것이 바람직하다.
내부 공동(24)은 에어포일 부분(21)의 입체 형상과 (매우) 유사한 입체 형상을 갖고; 이에 따라 이 실시예에서 공동(24)도 또한 "트위스팅"된다.
에어포일 부분과 내부 공동의 "트위스팅" 특징은 도 2에 단지 개략적으로만 도시되어 있다.
도 2의 실시예에서, 블레이드(20)는 기저 부분(23) 및/또는 슈라우드 부분(22)을 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 에어포일 및/또는 에어포일 내부 공동은 도 2의 실시예의 경우와 같이 트위스팅될 수 있다.
가장 일반적인 경우에, 3D 형상화 트위스팅 에어포일은, 통상적으로 결과적인 선단 에지와 후미 에지를 형성하는 2개의 안내 곡선을 따라 에어포일 섹션을 이동시키고 조정하는 것에 의해 생성되는 곡선면(swept surface)이다. 안내 곡선에 작용함으로써, 생성되고 있는 에어포일 섹션은 스팬와이즈(span-wise) 방향을 따라 회전되고 스케일링(scaling)될 수 있지만, 매끄러운 항공역학적 표면의 연속성 및 접촉 상태(tangency)를 유지한다.
본 발명에 따르면, 터보기계 블레이드는 통상적으로 로터 또는 스테이터 어레이를 위해 구성되고; 로터 또는 스테이터는 반경방향 및 축방향을 형성하며, 에어포일 부분의 외표면은 선단 에지와 후미 에지 양자 모두를 갖는다.
본 발명에 따르면, 선단 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 후방으로 변위될 수 있다(도 4 참고).
본 발명에 따르면, 선단 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 전방으로 변위될 수 있다(도 3 참고).
본 발명에 따르면, 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 후방으로 변위될 수 있다(도 4 참고).
본 발명에 따르면, 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 전방으로 변위될 수 있다(도 3 참고).
이에 따라, 선단 에지나 후미 에지가 변위되지 않는 것을 포함하는 여러 가능성이 존재한다.
"전방" 및 "후방"이라는 단어는, 터보기계가 작동 상태일 때에 에어포일 부분 주위에서의 유체의 흐름 방향을 일컬으며; 도 3 및 도 4에서, 흐름 방향은 "F"를 붙인 화살표로 나타낸다.
도 3 및 도 4에서는, 도 1 및 도 2의 도면부호와 유사한 도면부호가 사용되고; 추가로, 도면부호 35 및 45는 선단 에지이고, 도면부호 36 및 46은 후미 에지이다.
도 3 및 도 4의 실시예에서, 에어포일 내부 공동은 에어포일 부분의 입체 형상과 (매우) 유사한 입체 형상을 갖고; 이에 따라 "전방 및/또는 후방 변위" 속성이 에어포일 부분의 입체 형상뿐만 아니라 에어포일 내부 공동의 입체 형상에도 적용된다.
도 2 내지 도 4의 실시예에서, 내부 공동은, 기저부와 슈라우드에 인접하고 에어포일 부분의 단부에서 내부 공동을 폐쇄하는 매우 짧은 부분, 예컨대 재료층을 제외하고 에어포일 부분의 거의 전체 종방향 길이를 따라 연장된다.
본 발명에 따르면, "전방 및/또는 후방 변위" 속성과 "트위스팅" 속성 중 하나 이상이 결합될 수도 있는 점에 유념해야 한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 에어포일 부분은 외표면으로부터 적어도 하나의 내부 에어포일 공동으로 연장되는 하나 이상의 채널을 가질 수 있고; 이들 채널은 통상적으로 구멍 또는 슬롯이다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 에어포일 부분 중 적어도 하나의 내부 공동은 블레이드의 기저 부분 및/또는 슈라우드 부분 내로 연장될 수 있으며, 즉 다른 내부 공동과 연통될 수 있다.
아래에서 보다 명확해지겠지만, 본 발명에 따른 실제적인 블레이드의 제조 방법은 적층 가공에 기초한다는 사실로 인해, 에어포일 내부 공동이 완전히 폐쇄된 경우에 적층 가공이 완료된 후에 공동에 남아 있는 분말을 배출하기 위해 적어도 2개의 구멍(심지어는 매우 작음)이 각각의 내부 공동과 연관될 수 있다.
도 5의 실시예의 블레이드(50)는 단지 에어포일 부분(51)으로만 이루어지고; 도면부호 52는 슈라우드 부분에 인접할 에어포일 부분(51)의 제1 단부에 대응하며; 도면부호 53은 기저 부분에 인접할 에어포일 부분(51)의 제2 단부에 대응하고; 에어포일 부분(51)의 입체 형상은 [단부(53)에 있는] 하부 평면 형상(5713)에서부터 [단부(52)에 있는] 상부 평면 형상(571)으로 연장된다.
도 5a 및 도 5b에는, 상이한 레벨의 에어포일 부분(51)의 단면에 대응하는 복수 개의 중간 평면 형상(572, 573, 574, 575, 576, 577, 579, 579, 5710, 5711, 5712)이 도시되어 있고; 도 5b 및 도 5c에는, 선단 에지(58)와 후미 에지(59)도 도시되어 있다.
이들 도면으로부터 평면 형상의 변위 및 회전 양자 모두를 볼 수 있고; 추가로, 평면 형상은 에어포일 부분의 하단부에서 에어포일 부분의 상단부로 이동할 때에 그 형상이 변한다.
도 5에는, 에어포일 내부 공동은 도시되어 있지 않지만, 도 2의 내부 공동과 개념적으로 유사하며, 에어포일 내부 공동은 에어포일 부분의 입체 형상과 기하학적으로 유사한 입체 형상을 갖는다.
적층 가공의 사용으로 인해, 두께는 매우 작을 수 있고; 예컨대, 블레이드의 최대 두께는 10 mm 미만일 수 있고(예컨대, 도 5c 참고), 후미 에지의 두께는 2 mm 미만일 수 있으며(예컨대, 도 5c 참고), 내부 공동에 인접한 벽의 두께는 2 mm 미만 그리고 심지어는 1 mm 미만일 수 있다.
이미 말한 것처럼, 앞서 설명한 바와 같은 블레이드는 "오일 & 가스" 어플리케이션을 위한 터보기계에서, 특히 터보기계 단의 로터 또는 스테이터 어레이에서 사용하도록 구성되고 제조된다. 가장 전형적인 어플리케이션은 스팀 터빈을 위한 것으로, 보다 구체적으로는 스테이터 블레이드이다. 스팀 터빈의 스테이터 블레이드의 경우, 내부 공동 또는 내부 공동들은 응결 유체를 빨아들이기 위해 또는 고온 유체를 배출하기 위해 통상적으로 사용되며, 스팀 터빈의 로터 블레이드의 경우, 내부 공동 또는 내부 공동들은 블레이드를 경량화하기 위해 통상적으로 사용되고; 가스 터빈 조립체의 스테이터 블레이드(터빈 조립체의 터빈 섹션)의 경우, 내부 공동 또는 내부 공동들은 블레이드를 냉각하기 위해 통상적으로 사용되며; 가스 터빈 조립체의 로터 블레이드(터빈 조립체의 터빈 섹션)의 경우, 내부 공동 또는 내부 공동들은 블레이드를 냉각 및 경량화하기 위해 통상적으로 사용된다. 상이한 내부 공동을 통해 단일 블레이드에 상이한 기능들이 조합될 수 있는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 블레이드 구성은, 다상(multiphase fluid) 유체, 통상적으로 액체와 가스의 조합물과 접촉하게 되는 터보기계(예컨대, 스팀 터빈, 가스 터빈, 압축기, 펌프)를 위한 (정적 또는 이동) 상 분리기 디바이스로서 사용될 수 있다.
구멍 또는 슬롯은 응결물을 빨아들이기 위해 그리고 대안으로서 유체, 통상적으로 고온 유체를 배출하기 위해 사용될 수 있다는 점에 유념해야 한다.
(1개보다 많이 존재하는 경우) 블레이드의 내부 공동은 1개보다 많을 수 있고 동일한 기능 또는 상이한 기능(블레이드 경량화, 블레이드 냉각, 블레이드 가열, 유체 빨아들임, 유체 배출)을 가질 수 있다는 점에 유념해야 한다.
앞서 설명한 블레이드(즉, 특히 종방향 내부 공동을 지닌 중공형, 3D 형상화, 특히 "트위스팅형" 및/또는 "변위형")는 표준 제조 방법을 사용하여, 적어도 합리적인 비용으로 그리고 합리적인 품질을 갖도록 제조하는 것이 (불가능하지 않다면) 매우 어렵다.
본 발명에 따른 단일 피스의 중공형 3D 형상화 터보기계 블레이드의 제조 방법은 적층 가공을 사용한다. 특히, 단일의 적층 가공 프로세스는, 내부 공동이 완전히 폐쇄되거나 거의 완전히 폐쇄된 경우에도 적어도 그 중공형 3D 형상화 에어포일 부분을 위해 사용된다.
바람직하게는, 블레이드가 에어포일 부분과 일체형인(즉, 단일 피스인) 기저 부분 및/또는 슈라우드 부분을 포함하는 경우, 전체 블레이드를 위해 단일의 적층 가공 프로세스가 이용된다.
블레이드의 외표면에 대한 약간의 피니싱을 제외하고 다른 가공 프로세스는 불필요하다.
이미 말한 것처럼, 본 발명에 따르면 터보기계 블레이드는 통상적으로 로터 또는 스테이터 어레이를 위해 구성되고; 로터 또는 스테이터는 반경방향 및 축방향을 형성한다.
적층 가공은 적어도 부분적으로 반경방향을 따라 진행될 수 있다.
적층 가공은 적어도 부분적으로 반경방향에 대해 경사지게 진행될 수 있다.
임의의 경우에, 적층 가공은 통상적으로 반경방향에 대해 고정된 각도를 따라 진행된다.
적층 가공은 입자상 재료 또는 입자상 재료들을 결합시키는 것을 사용할 수 있고; 특히 입자상 재료 또는 입자상 재료들 중 하나 또는 입자상 재료 각각은 통상적으로 금속제이다.
그러한 제조 방법은 본 발명에 따른 블레이드, 특히 도 1 내지 도 5의 블레이드와 동일하거나 유사한 공동 및/또는 돌출부를 갖는 블레이드를 제조하는 데 매우 유익하다.
적층 가공은 터보기계 블레이드, 특히 스팀 터빈의 스테이터 블레이드를 위해 사용되는 종래의 기술에 대하여 다수의 이점을 갖는데, 그 이유는 적층 가공이 블레이드의 외부 형상뿐만 아니라 블레이드의 내부 형상(특히 그 내부 공동 또는 내부 공동들)에 대한 큰 설계 유연성을 허용하고, 형상에 있어서 심지어는 작은 세부사항까지도 실현하도록 하며(이것은 소형 블레이드의 제작을 포함함), 블레이드에서 경사 재료(graded material)를 실현하도록 하고(예컨대, 경사 재료는 블레이드의 다양한 특정 포인트의 기계적 및/또는 화학적 요건에 따라 블레이드의 길이 또는 높이에 따라 변할 수 있음), 보다 간단한 가공 프로세스와 보다 낮은 제조비를 허용하기 때문이다.
제조에 관한 한, 특정 클라이언트를 위한 해결책들이 연구되기 때문에(또는 적어도 맞춤화되기 때문에), "오일 & 가스" 분야에서 소량 생산도 또한 통상적이라는 점을 고려해야만 한다. 일반적으로, 정밀도가 높고 제조비가 낮은 것이 통상 바람직하다.

Claims (13)

  1. 에어포일 부분을 포함하는 터보기계의 블레이드로서,
    상기 에어포일 부분은 종방향으로 연장되고, 상기 에어포일 부분은 외표면에 의해 측방향으로 한정되며, 상기 에어포일 부분은 3D이고 트위스팅된 형상과 내부 공동을 가지며, 상기 블레이드는 단일 피스(single piece)이고,
    상기 블레이드는 로터 또는 스테이터 어레이를 위해 구성되고, 상기 로터 또는 스테이터는 반경방향 및 축방향을 형성하며, 상기 에어포일 부분의 외표면은 선단 에지와 후미 에지를 갖고, 상기 선단 에지 및/또는 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 후방 또는 전방으로 변위되며, 상기 내부 공동은 에어포일 부분의 거의 전체 종방향 길이를 따라 연장되는 것인 터보기계의 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 공동은 3D이고 트위스팅 및/또는 변위된 형상을 갖는 것인 터보기계의 블레이드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선단 에지와 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 후방으로 변위되는 것인 터보기계의 블레이드.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선단 에지와 후미 에지는 반경방향으로 이동하면서 축방향으로 전방으로 변위되는 것인 터보기계의 블레이드.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 에어포일에 인접한 기저 부분 및/또는 슈라우드 부분을 포함하고, 상기 내부 공동은 완전히 폐쇄되는 것인 터보기계의 블레이드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 10 mm 미만의 두께를 갖는 것인 터보기계의 블레이드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2 mm 미만의 후미 에지 두께를 갖는 것인 터보기계의 블레이드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 2 mm 미만, 바람직하게는 1 mm 미만의 벽 두께를 갖는 것인 터보기계의 블레이드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 복수 개의 블레이드가 터보기계 단의 로터 또는 스테이터 어레이로서 구성되는 터보기계.
  10. 적층 가공(additive manuracturing)을 사용하여 단일 피스로 터보기계 블레이드를 제조하는 터보기계 블레이드의 제조 방법으로서.
    상기 터보기계 블레이드는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 것인 터보기계 블레이드의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 블레이드는 로터 또는 스테이터를 위해 구성되고, 상기 로터 또는 스테이터는 반경방향 및 축방향을 형성하며, 상기 적층 가공은 적어도 부분적으로 반경방향을 따라 진행되는 것인 터보기계 블레이드의 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 적층 가공은 입자상 금속재 또는 입자상 금속재들을 결합시키는 것을 포함하는 것인 터보기계 블레이드의 제조 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 에어포일 부분에 대해서 단일 적층 가공 프로세스가 적용되고, 임의의 다른 가공 프로세스는 배제하는 것인 터보기계 블레이드의 제조 방법.
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