KR20160077105A - 고속 산소 연료 분무 공정을 위한 장치 - Google Patents

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스펜 올리게스
예톤 니포카지
벤야민-티모 졸러
우베 하르나겔
바이쿤 겡
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

본 발명은 구성요소, 특히 가스 터빈 구성요소를 코팅하기 위한 고속 산소 연료(HVOF) 열적 분무 공정을 위한 장치(1)에 관한 것이다. 상기 장치(1)는 액체 연료 발화 연소 챔버(2), 데-라벌 섹션(4), 분말 주입기(8)를 갖는 분말 주입기 블록(9) 및 배럴(7)을 포함하고 이들은 모두 모두 축(A) 주위에 배열되고 축을 따라 배열된다. 상기 분말 주입기 블록(9)은 상기 축(A) 주위에서 동일 원주방향 거리로 배열된 적어도 4개의 분말 주입기(8)들 및 적어도 4개의 개방부(11)들을 갖는 원통형 부시로서 설계되고 상기 분말 주입기 블록(9) 내에 있는 교환가능한 고온 가스 섹션 인서트(10)를 포함하고, 상기 개방부(11)들은 원통에서 상기 축(A) 주위에 동일 원주방향 거리로 배열되며 상기 부시(10)는 상기 개방부(11)들을 통해서 연장되는 상기 적어도 4개의 분말 주입기(8)들에 의해서 고정된다.

Description

고속 산소 연료 분무 공정을 위한 장치{DEVICE FOR HVOF SPRAYING PROCESS}
본 발명은 구성요소들, 특히 가스 터빈에서 고온 가스 부품들로서 사용된 금속 구성요소들의 코팅 기술에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 고속 산소 연료(HVOF) 열적 분무 공정을 위한 장치에 관한 것이다.
전력 발생을 위한 가스 터빈(GTs)의 사용은 작업 방식에서 매우 상이할 수 있다. 가스 터빈(GTs)은 소위 "베이스 로더(base loaders)"로서 장기간에 걸쳐 일정한 전기량을 생산하기 위하여 사용되거나 또는 비일정한 재생 에너지의 양의 증가 및 비일정한 전기 수요량으로 인하여 변수가 추가된 상태에서 상당히 일정한 소스들(핵, 가스 터빈 베이스 로더 등)의 전기 생산량 사이의 차이를 평준화하기 위하여 사용될 수 있다. 제 2 유형의 가스 터빈은 소위 "주기적/픽커(cyclic/peaker)"로 칭한다.
가스 터빈(GT)의 수명 내에서, "로더"는 "픽커"가 될 수 있다. 작업 조건에서의 이러한 변화는 터빈에서 구성요소들 특히 극도의 온도 조건에 있는 구성요소들에 대한 유도 및 응력 모드(즉, 경계 조건)에서의 차이를 유발한다. "로더"의 경우에, 이들은 큰 내변형성 및 내산화성을 필요로 하고 "픽커"의 경우에 이들 구성요소는 우수한 주기 저항성(cycling resistance)을 필요로 할 것이다.
더우기, 각각의 구성요소에 대해서 그리고 지역적으로 구성요소에서, 경계 조건들은 상이하다. 임의의 영역은 더욱 쉽게 피로하고 임의의 다른 영역은 더욱 쉽게 변형, 산화/부식, 침식 등을 겪을 수 있다. 모든 이러한 특성들은 구성요소를 실제 작동 경계 조건에 적응시키기 위해 일반적으로 사용되는 코팅에 따라서 크게 의존한다. 따라서, 필요한 특성 변화에 대처하기 위하여, 가요성이 있고 개별적으로 맞추어진 특성을 갖는 코팅을 제조하는 것에 큰 관심이 있다.
본원의 출원인은 아직 공개되지 않은 유럽 특허 출원(출원번호:13160051)을 출원하였다. 상기 특허 출원은 각각의 분말 비율이 공급 속도를 변화시킴으로써 온라인으로 변화될 수 있는 경우에 동시에 분무되고, 균질한 조성물 또는 가요성 복합 분말일 수 있는 각각의 개별 분말들에 대해서 적어도 2개의 개별 분말 공급기를 사용하여 터보기계의 구성요소에 코팅 시스템을 적용하기 위한 방법을 기술하고 있다.
예를 들어, MCrAlY 유형 (M = Fe, Ni, Co 또는 그 조합물)의 가스 터빈 구성요소들에 대한 보호성 금속 코팅부는 열적 분무에 의해서 도포되고, 고속 산소 연료(HVOF) 분무 공정은 이 목적을 위하여 가장 빈번하게 사용된 기술들중 하나이다.
종래 기술에서, 고속 산소 연료(HVOF) 시스템은 가스 또는 액체 연료에서 운영되는 것이 공지되어 있다. 액체 연료 고속 산소 연료(HVOF) 시스템들은 이들이 가스 연료의 대응 시스템과 비교되는 조밀한 코팅을 제조한다는 장점을 가진다. 따라서, 액체 연료 고속 산소 연료(HVOF) 시스템은 더욱 기술적으로 관심의 대상이다.
통상적인 고속 산소 연료(HVOF) 시스템은 개략적으로 도 1에 도시된다. 시스템(1)은 연소 챔버(2)를 포함하고, 여기서 연료(3) 및 산소(4)가 공급되고 복잡한 가스 혼합물(5)로 연소된다. 그 다음 상기 혼합물(5)은 상기 가스 혼합물(5)을 배럴(7) 내에서 초음속으로 가속시키는 노즐(6)(데-라벌 섹션;de-Laval section)을 통해서 압송된다. 코팅을 위한 분말(8)은 분말 주입기 블록을 통해서 운반 가스에 의해서 연소 챔버(2)로 공급되거나 또는 노즐(6) 뒤의 하류에서 배럴(7) 안으로 공급된다.
상업적으로 구매가능한 공지된 액체 발화 고속 산소 연료(HVOF) 버너들은 단지 2개의 분말 주입기와 함께 작동한다. 이는 증착 속도의 제한, (단지 C2 대칭 등급으로 인한) 분무 스폿 기하학적 형태의 비대칭에 대한 민감성, 예를 들어 이중 층 코팅 등의 도포의 경우에 시간 소모적 재가공을 의미한다.
가스 연료를 사용하는 고속 산소 연료(HVOF) 버너들은 일반적으로 단일 분말 라인들과 함께 작동하고 연소 챔버 안으로 축방향으로 분사한다. 사실, 이들 고속 산소 연료(HVOF) 버너들은 예를 들어, 더욱 안정한 분무 스폿 기하학적 형태를 갖지만, 코팅층에서 강력한 산화물의 형성으로 인하여 MCrAlY 유형의 금속 분말의 도포에 적합하지 않다.
상업적으로 구매가능한 고속 산소 연료(HVOF) 버너의 분말 주입기 블록의 현재 디자인은 벌크 디자인을 포함하고 한 부재로 제조된다. (초음속 가스로의 분말의 방사상 주입 중에 발생된) 주입기 블록의 고온 가스 섹션에서 마모되는 불가피한 연마제의 임의의 수준에서, 부품은 교체되거나 또는 수고롭게 재가공되어야 한다. 후자는 단지 1회 가능하고 최초 분말 주입기 블록의 제조에 의해서 행해져야 한다. 이는 비용이 고가이다.
주입기의 블록의 열화 섹션을 교체할 수 있는 상업적으로 공지된 디자인이 없다. 또한, 비록 현재 디자인은 예를 들어 단면이 임의의 급작스런 변이(페이즈 및 에지)에서 최적화되지 않은 디자인에 의해서 유발된 가스 유동의 쇼크로 인한 상당한 손실을 나타내어도, 상업적으로 구매가능한 디자인 개선은 없다.
EP 1 816 229 A1에서, 고속 산소 연료(HVOF)를 위한 분무 장치가 개시되며, 이는 단지 하나의 분말 분사 라인, 축(A) 주위로 회전가능한 추가의 워크피스 홀더, 분무 방향(S)으로 분무하는 분무 노즐 및 회전축(A)을 선회하기 위한 선회 장치를 포함하며, 여기서 (A) 및 (S) 사이에는 각도가 형성된다. 회전축(A)을 둘러싸는 원주방향 표면의 모든 영역은 일단 분무 방향(S)으로 향한다. 이 장치에 의해서, 우수한 분무 품질에 도달하지만, 한편으로 코팅 공정에 많은 시간이 필요하고 다른 한편으로 가요성으로 그리고 개별적으로 맞추어진 특성을 갖는 코팅을 제조하는 것이 가능하지 않다.
따라서, 종래 기술의 시스템과 비교할 때 분무 공정의 시간을 감소시킬 뿐 아니라 유지관리를 개선하며 공정 견고성 및 가요성/용량성을 개선할 수 있는, 개선된 고속 산소 연료(HVOF) 시스템/장치를 갖는 것이 크게 유리하다. 추가 장점은 기존의 분무 설비에 대한 호환성을 동시에 유지하는 것이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 시스템과 비교할 때 분무 공정의 시간을 감소시킬 뿐 아니라 유지관리를 개선하며 공정 견고성 및 가요성/용량성을 개선할 수 있는, 터보 기계의 구성요소를 코팅하기 위한 고속 산소 연료(HVOF) 장치를 제공하는 것이다. 동시에 기존의 분무 설비에 대한 호환성을 유지하는 것이다.
상기 목적 및 기타 목적은 독립 청구항 1에 따른 고속 산소 연료(HVOF) 장치에 의해서 달성된다.
본 발명의 핵심은 청구항 1의 서두에 따른 고속 산소 연료(HVOF) 장치의 분말 주입기 블록이 한편으로 축(A) 주위에서 동일 원주방향 거리로 배열된 적어도 4개의 분말 주입기들 및 다른 한편으로 실린더에서 상기 축(A) 주위에 동일 원주방향 거리로 배열된 적어도 4개의 개방부들을 갖는 원통형 부시로서 설계되고 상기 분말 주입기 블록 내에 있는 교환가능한 고온 가스 섹션 인서트를 포함하고, 상기 부시는 상기 개방부들을 통해서 연장되는 상기 적어도 4개의 분말 주입기들에 의해서 고정되는 것이다.
장점으로서, 고온 가스 섹션 인서트는 큰 비용없이 그리고 수고로운 재작업없이 신속한 방식으로 불가피한 마모 후에 교환될 수 있다.
공지된 당분야에 따라서, 일반적으로 액체 연료 발화 고속 산소 연료(HVOF) 열적 분무 시스템을 위한 2개의 분말 분사 라인이 사용된다. 그러나, 코팅 공정 중에 최대 증착 비율은 분말 라인들의 용량에 의해서 제한되는 것이 식별된다. 최대 분말 유동 비율에 도달할 때 분말이 유동하고 이 상태에서 또한 화염이 타오르기 시작하고 코팅 공정은 불안정하게 된다. 본 발명에 따라서 서로의 사이에 동일 거리를 두고 대칭 방식으로 배열되는 추가 분말 주입기들(최소 4개의 분말 주입기들)을 사용함으로써, 안정한 코팅 조건 하에서 더욱 높은 증착 비율에 도달할 수 있다. 분무 스폿 기하학적 형태는 더욱 안정해질 것이다.
본 발명의 추가 중요한 장점은 청구된 하드웨어 개선(교환가능한 가스 섹션 인서트, 적어도 4개의 분말 주입기들)은 제한된 시간 내에서 이미 기존의 장치/시스템들로 역전될 수 있다는 것이다. 분말 라인들의 제어 및 반복들의 기계 속도/수에 대한 단지 정렬/변형이 필요하다. 모든 다른 추가 공정 파라미터, 예를 들어, 연소 챔버, 압력, 등유 유동, 산소 유동, 분무 거리, 로봇 프로그램 등은 분무 스폿 기하학적 형태의 관리/유지로 인하여 변경되지 않아야 한다.
본 장치의 실시예에 따라서, 원통형 부시는 축(A) 주위에서 상기 부시의 규정된 방위를 위한 안내 홈을 포함하고 상기 부시는 상기 분말 주입기 블록의 외부로부터 삽입된다.
본 발명의 다른 실시예는 상술한 분말 주입기 블록의 형태들에 추가하여, 상기 데-라벌 섹션이 종형상의 디자인 또는 적어도 둥근 에지를 갖는 디자인을 갖는 것을 특징으로 한다. 이들 후자의 개선들없이, 현재 상업적으로 구매가능한 디자인은 가스 유동에서 쇼크로 인하여 상당한 손실을 나타낸다. 쇼크 및 그에 따른 표준 셋업을 위한 열동적 손실은 단면(페이즈 및 에지)에서 임의의 돌발 변이부에서 CFD(Computational Fluid Dynamic) 모의실험에 의해서 명확하게 제시될 수 있다.
상기 종형상의 데-라벌 섹션은 원통형 배럴과 조합될 수 있다. 이러한 선택사항에서, 가스는 분말 주입기 블록에 진입하기 전에 이미 최종 속도에 도달한다. 추가 팽창은 필요하지 않다.
상기 종형상의 데-라벌 섹션이 전체 원추형 디자인의 분말 주입기 블록/배럴 섹션과 조합되는 것도 추가로 가능하다.
청구된 장치의 장점은 특히 MCrAlY 유형의 보호성 금속 코팅부를 도포하기 위한, 가스 터빈 구성요소들의 고속 산소 연료(HVOF) 코팅에 대해서 사용된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상이한 실시예들에 의해서 더욱 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 고속 산소 연료(HVOF) 분무 장치를 위한 구성을 도시하는 도면.
도 2는 2개의 분말 주입기들을 갖는 종래 기술에 따른 분말 주입기 블록의 사진을 도시한 도면.
도 3은 4개의 분말 주입기들을 갖는 본 발명에 따른 분말 주입기 블록의 사진을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주입기 블록을 따른 개략 절취도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 교환가능한 고온 가스 섹션 장치(원통형 부시)의 사진을 도시한 도면.
도 6 내지 도 8은 장치의 배럴 및 데-라벌 섹션의 3개의 실시예들의 단순화된 도면.
본 발명은 종래 기술이면서 기초로서 상업적으로 구매가능한 액체 연료 발화 고속 산소 연료(HVOF) 설비를 사용하고 공정 안정성/용량성/유지관리성에 관한 여러 개선들을 실행한다. 동시에, 기존의 분무 설비에 대한 호환성을 유지한다.
제 1 형태는 높은 분말 공급 비율의 신뢰성있는 처리를 가능하게 하는 주입기 블록에 대한 추가 분말 주입기들의 적용이며, 이는 시간 감소를 유도하고 대칭 증가로 인한 분무 스폿 기하학적 형태를 안정시키고 시간 소모성의 재가공에 의해서 또는 시간 소모성의 재가공없이 상이한 분말 유형들의 동시 처리를 가능하게 한다.
이러한 형태는 도 2와 비교되는 도 3에 도시된다. 도 2는 종래 기술에 따른 표준 분말 주입기 블록(9)의 사진이다. 2개의 분말 주입기(8)는 명확하게 볼 수 있다. 도 3은 4개의 분말 주입기(8)를 갖는 본 발명에 따른 분말 주입기 블록(9)의 사진이다. 분말 주입기(8)는 축(A) 주위에서 동일 원주방향 거리로 이격되어 원주방향으로 대칭으로 배열된다(A는 도 3에서 미도시).
본 발명에 따른 장치의 제 2 특징은 유지 비용을 감소시키고 고속 산소 연료(HVOF) 버너의 주입기 블록(9)의 유지능력을 개선하기 위해 주입기 블록(9)의 유동 섹션 안으로 교환가능한 인서트(10)의 배열에 있다. 도 5는 개방부(11) 및 안내 홈(12)을 갖는 원통형 부시(10) 형태의 인서트의 사진이고, 도 4는 주입기 블록(9)을 따른 개략적인 절취도이다. 개방부들(11)(여기서는 4개)은 실린더에서 축(A)(도 4 참조) 주위에서 동일 원주방향 거리로 배열된다. 4개의 분말 주입기(8)는 개방부(11)를 통해서 연장되고 분말 주입기 블록(9)에서 부시(10)를 고정한다. 안내 홈(12)은 축(A) 주위의 상기 부시(10)의 규정된 방위에 대한 보증 요소이다. 부시(10)는 분말 주입기 블록(9)의 외부로부터 삽입되고 마모로 인하여 필요할 때 용이하게 교환될 수 있다.
교환가능한 고온 가스 섹션 인서트(10) 및 4개의 분말 주입기(8)를 갖는 변형된 고속 산소 연료(HVOF) 주입기 블록(9)의 이러한 프로토타입은 출원인의 기존의 분무 부스에서 시험되었다. 출원인의 가스 터빈을 위한 가스 터빈 블레이드를 코팅하기 위해, 증착 비율은 잔여 코팅 품질(접합, 코팅 두께 분포, 다공성)에서 두배로 되어서 결과적으로 상업적으로 구매가능한 고속 산소 연료(HVOF) 주입기 블록에 의해서 블레이드를 코팅하는 것에 대해서 약 40%의 유도 시간 감소가 얻어진다. 변형된 고속 산소 연료(HVOF) 장치의 분무 스폿은 대체로 표준 셋업에 대해서 필요한 운반 가스 유동의 특수한 조정없이도 크게 대칭(둥근)되는 것으로 확인되었다.
다음 장점들이 얻어질 수 있다:
변형된 주입기 블록은 수분 내에 기존의 설비로 이행되고, 표준 파라미터 세팅 뿐 아니라 표준 로봇 프로그램(유일한 반복량이 조정을 필요로 한다)을 사용하고 표준 셋업과 비교할 때 동일한 증착 효율을 얻는다. 화염(즉, 다이아몬드 쇼크의 양/거리)은 표준 뿐 아니라 변형된 주입기 블록에 대해서 동일한 것으로 확인되었다.
증가된 증착 비율로 인하여 구성요소들의 임계 위치에서 코팅에 있는 잔류 응력 유발 크랙 형성에 대한 위험성은 단지 작아진다. 이형 형태는 복잡하지 않다. 가능한 추가 분말 공급기 이외에도, 제공된 하드웨어 변형은 기존의 분무 설비/셋업의 적응, 즉 동일 제어기/로봇 프로그램/연료/가스 등의 사용을 필요로 하지 않는다.
물론, 본 발명은 기술된 실시예에 국한되지 않으며, 예를 들어 4개 초과의 분말 주입기들이 사용될 수 있다.
또한, CFD 조사는 열동력 쇼크에 의한 손실에 대해서 상업적으로 구매가능한 베이스라인 설비의 디자인 개선을 위한 잠재성을 나타내었다. 장치(1)의 데-라벌 섹션(4)은 다음 실시예들로서 기술되는 여러 선택사항들에 의해서 개선될 수 있다:
1. 에지를 라운딩 함으로써 현재 베이스라인 디자인에서 단계 및 페이즈의 제거. 이러한 선택사항은 시간 소모적 CFD 조사를 필요로 하지 않고 쇼크에 의한 열동력 손실을 감소시켜서 결과적으로 입자 속도를 약간 증가시키고 코팅 다공성을 약간 낮춘다(도 6 참조)
2. 원통형 배럴(7)과 조합되는 데-라벌 섹션(4)의 종형상 디자인. 이러한 선택사항에서, 가스는 이미 분말 주입기 블록(9)에 진입하기 전에 이미 최종 속도에 도달한다. 추가 팽창이 필요하지 않고 분말 주입기(8)/배럴 섹션(7)은 에지 및 페이즈없이 원통형으로 설계된다. 개선된 레이아웃은 또한 베이스라인의 배럴(7) 출구에서 상당한 과팽창을 제거한다. 쇼크 및 열동력 손실이 적으면, 큰 입자 속도 및 낮은 코팅 다공성이 얻어진다(도 7 참조).
3. 전체 원추형 디자인의 분말 주입기 블록(9)/배럴 섹션(7)과 조합된 데-라벌 섹션(4)의 종형상 디자인. 개선된 레이아웃도 역시 베이스라인의 배럴(7) 출구에서 상당한 과팽창을 제거한다.
본 발명에 따른 장치는 양호하게는 MCrAlY 유형의 보호성 금속 코팅으로 가스 터빈 구성요소들을 코팅하기 위해 사용된다.
1: HVOF 장치
2: 연소 챔버
3: 연료
4: 산소
5: 가스 혼합물, 연소 가스
6: 노즐, 데-라벌 섹션
7: 배럴
8: 분말 주입기
9: 분말 주입기 블록
10: 고온 가스 섹션 인서트, 원통형 부시
11: 개방부
12: 안내 홈

Claims (8)

  1. 구성요소를 코팅하기 위한 고속 산소 연료(HVOF) 열적 분무 공정을 위한 장치(1)로서, 액체 연료 발화 연소 챔버(2), 데-라벌 섹션(de-Laval section;4), 분말 주입기들(8)을 갖는 분말 주입기 블록(9) 및 배럴(7)을 포함하고 이들은 모두 축(A) 주위에 축을 따라 배열되는, 상기 장치(1)에 있어서,
    상기 분말 주입기 블록(9)은 상기 축(A) 주위에서 동일 원주방향 거리로 배열된 적어도 4개의 분말 주입기(8)들 및 적어도 4개의 개방부(11)들을 갖는 원통형 부시로서 설계되고 상기 분말 주입기 블록(9) 내에 있는 교환가능한 고온 가스 섹션 인서트(10)를 포함하고, 상기 개방부(11)들은 원통에서 상기 축(A) 주위에 동일 원주방향 거리로 배열되며 상기 부시(10)는 상기 개방부(11)들을 통해서 연장되는 상기 적어도 4개의 분말 주입기(8)들에 의해서 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 부시(10)는 상기 축(A) 주위에서 상기 부시(10)의 규정된 방위를 위한 안내 홈(12)을 포함하고 상기 부시(10)는 상기 분말 주입기 블록(9)의 외부로부터 삽입되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 데-라벌 섹션(4)은 종형상의 디자인을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 종형상의 데-라벌 섹션(4)은 원통형 배럴(7)과 조합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 종형상의 데-라벌 섹션(4)은 원추형 배럴(7)과 조합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 종형상의 데-라벌 섹션(4)은 상기 분말 주입기 블록(9)의 전체 원추형 디자인과 조합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    가스 터빈 구성요소들을 코팅하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    MCrAlY 유형의 보호성 금속 코팅부를 도포하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
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