KR20160145180A - 에어포일 수리 방법 및 냉각 칼라 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용착 용접을 이용하여 재료가 에어포일(9) 상에 적용되는, 축류 터보 기계의 에어포일(9)의 수리 방법에 관한 것이며, 에어포일(9)이 용착 용접 중에 냉각된다. 또한, 본 발명은 냉각 칼라(1)에 관한 것이며, 냉각 칼라는 냉각제 유입부(6) 및 냉각제 유출부(7)를 포함하며 의도된 상태에서 냉각제에 의해 관류되는 하나 이상의 냉각 채널(5)과, 냉각 칼라(1)의 내부 원주를 따라 그리고 하나 이상의 냉각 채널(5)에 인접하여 배열되고 의도된 상태에서, 냉각될 대상, 특히 냉각될 에어포일(9)에 지지되는 복수의 냉각 요소(8)를 갖는다.

Description

에어포일 수리 방법 및 냉각 칼라{METHOD FOR REPAIRING AN AIRFOIL, AND COOLING COLLAR}

본 발명은, 용착 용접(deposition welding)을 이용하여 에어포일에 재료가 적용되는 축류 터보 기계의 에어포일 수리 방법에 관한 것이다.

예를 들어 가스 터빈의 로터 블레이드와 같은 축류 터보 기계의 에어포일은 작동 중에 통상 매우 높은 온도 및 강한 열 부하에 노출된다. 그러한 이유에서, 에어포일은 예를 들어 니켈 기반 초합금과 같은 고강도 재료로 제조된다. 그러나 이러한 고강도 재료에도 불구하고, 산화, 열피로 균열 형성, 금속 부식 등으로 인해 에어포일의 마모가 방지될 수는 없다. 따라서, 에어포일은 정기적인 간격으로 보수되어, 마모의 발생 시에 교체 또는 수리되어야 한다.

에어포일의 수리를 위해, 마모되었거나 또는 사전에 기계 가공으로 제거된 에어포일의 영역에 용착 용접을 이용하여 재료가 적용되는 매우 다양한 수리 방법이 존재한다. 여기서, 몇몇 예를 언급하기 위해, 예를 들어 레이저 용착 용접 및 플라즈마 분말 용착 용접이 사용된다. 용착 재료는 원재료와 일치할 수 있다. 그러나 대안적으로, 다른 고강도 재료도 적용될 수 있다.

공지된 수리 방법의 문제점은, 용착 용접에 의해 열이 수리되는 에어포일 상으로 도입됨으로써, 특히 균열을 야기할 수 있는 용접 잔류 응력이 부품 내에 초래되는 것이다. 이러한 용접 잔류 응력에 대응하는 하나의 가능성은, 예를 들어 부품을 용접 이전에 예열함으로써, 이완에 의해 용접 잔류 응력이 용접 과정 중에 감소되는 것이다. 대안적으로, 일 예를 언급하기 위해, 예를 들어 레이저 용착 용접과 같이, 기판에 열이 비교적 적게 도입되는 용접 방법이 선택될 수 있다. 공지된 수리 방법에서, 복수의 재료층이 포개져서 적용되어야 하는 경우, 공정 조건을 일정하게 유지시키기 위해, 이전에 생성된 재료층을 우선적으로 냉각시켜야 하는데, 이는 오랜 대기 시간을 동반한다는 문제가 형성된다.

이러한 종래 기술을 기초로 하여, 본 발명의 과제는, 서두에 언급한 유형의 축류 터보 기계의 에어포일의 대안적인 수리 방법을 제공하는 것이다.

이러한 과제의 해결을 위해, 본 발명은 에어포일이 용착 용접 중에 냉각되는 것을 특징으로 하는 서두에 언급한 유형의 방법을 제공한다. 용착 용접 중에 이러한 냉각의 본질적인 장점은, 용접 공정 중에 부품 내로 도입되는 열이 빠르게 방출되는 것으로서, 이는 매우 일정한 공정 조건을 유도한다. 또한, 포개져서 배열된 용접층들의 용접들 간 대기 시간이 방지될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 용착 용접 중에, 에어포일의 측벽 영역이 냉각된다. 따라서, 넓은 영역의 효율적인 냉각이 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 변형예에 따르면, 적어도 블레이드 팁 상에 재료가 적용된다. 이러한 방식으로, 예를 들어 정적 밀봉부 또는 정적 하우징과, 블레이드 팁 사이에서 작동에 의해 발생하는 접촉으로 인한 블레이드 팁의 손상이 제거될 수 있다.

바람직하게는, 용착 용접 중에, 블레이드 팁에 인접하여 배열된 에어포일의 측벽 영역이 냉각된다. 따라서, 블레이드 팁 상에 재료 적용 중에 매우 효율적인 냉각이 달성된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 재료는 마이크로 클래딩(micro-cladding)으로도 불리는 미세 분말 용착 용접에 의해 적용된다. 이러한 방법에서, 연속적인 분말 유동은 집속된 레이저, 특히 광섬유 레이저를 사용하여 기판 상에 용융됨으로써, 층 방식으로 평면 코팅 또는 원하는 구조가 생성될 수 있다. 미세 분말 용착 용접의 본질적인 장점은, 단지 적은 열만이 부품 내로 도입되기 때문에, 응력이 거의 발생하지 않는다는 것이다. 또한, 구현 가능한 재료 적용이 매우 정확하기 때문에, 재료 적용에 단지 적은 후속 작업만이 이어진다.

또한, 본 발명은, 특히 본 발명에 따른 방법의 실행을 위해 적합한 냉각 칼라를 제공한다. 냉각 칼라는, 냉각제 유입부 및 냉각제 유출부를 포함하며 의도된 상태에서 냉각제에 의해 관류되는 하나 이상의 냉각 채널과, 냉각 칼라의 내벽을 따라 그리고 하나 이상의 냉각 채널에 인접하여 배열되고 의도된 상태에서, 냉각될 대상에 지지되는 복수의 냉각 요소를 포함한다. 이러한 유형의 냉각 칼라는, 냉각될 대상의 원주 상에 문제없이 배열될 수 있고, 하나 이상의 냉각 채널을 관류하는 냉각제에 의해 냉각된 냉각 요소를 통한 효과적인 냉각을 구현할 수 있다.

본 발명의 구성에 따르면, 냉각 요소는 냉각 칼라에 운동 가능하게 보유된다. 이러한 방식으로, 냉각될 대상에 대해 상대적으로 냉각 요소의 정렬이 가능함으로써, 냉각 요소와 냉각될 대상 간의 양호한 접촉 및 이에 상응하여, 양호한 열 전달이 보장될 수 있다.

본 발명에 따른 변형예에 따르면, 냉각 요소의 운동을 가능케 하는 가요성 밀봉 요소가 각각의 냉각 요소들 사이에 배열된다. 동시에, 밀봉 요소는, 냉각 채널을 통해 유동하는 냉각제가 냉각 요소들 사이에서 유출되는 것을 방지한다.

바람직하게는, 냉각 요소는 금속 재료, 특히 알루미늄으로 제조된다. 금속 재료, 및 특히 알루미늄은 양호한 열 전도성을 특징으로 한다.

바람직하게는, 냉각 요소의 배열, 개수 및 형태는 냉각될 에어포일의 외형에 적응되는데, 특히 블레이드 팁에 인접하여 배열된 에어포일의 측벽 영역의 외형에 적응된다. 다시 말하자면, 바람직하게는 냉각 칼라는 터보 기계의 에어포일의 측벽 영역의 냉각을 위해, 특히 가스 터빈의 가이드 베인의 냉각을 위해 구성된다.

본 발명의 구성에 따르면, 하나 이상의 냉각 채널을 규정하고 냉각 요소를 수용하는 하우징이 제공된다.

바람직하게는, 하우징은, 의도된 상태에서, 냉각될 대상에 대해 냉각 요소를 가압하도록 구성된 클램핑 장치를 구비한다. 한편으로, 이러한 방식으로, 냉각 요소와 냉각될 대상 간의 양호한 열 전달이 보장된다. 다른 한편으로, 냉각 칼라가 냉각될 대상으로 변위되며, 이어서 클램핑 장치의 작동 하에 이에 고정될 수 있다.

본 발명의 변형예에 따르면, 하우징은 원주 방향으로 냉각 채널을 분할하는 두 개의 하우징 섹션으로 분할되며, 이 하우징 섹션들은 냉각제 통로를 규정하는 탄성 연결 요소를 통해 서로 연결되며, 클램핑 장치는 하우징 섹션의 자유 단부를 서로 연결시킨다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 냉각 칼라의 이하의 설명에서 명확해진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 칼라의 개략적인 평면 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 화살표(II) 방향으로, 도 1에 도시된 냉각 칼라의 부분도를 도시한다.
도 3은 냉각될 에어포일에 배열되고 도 1에 도시된 냉각 칼라의 개략적인 사시도를 도시한다.

도면들은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 칼라(1)를 도시한다. 냉각 칼라(1)는 서로 대향하는 자유 하우징 단부(3, 4)를 갖고 콩팥 형태로 연장되는 긴 하우징(2)을 포함한다. 하나의 자유 하우징 단부(3)에 냉각제 유입부(6)를 구비하며, 다른 자유 하우징 단부(4)에 냉각제 유출부(7)를 구비하는 냉각 채널(5)이 하우징(2) 내에서 연장된다. 또한, 냉각 칼라(1)는 냉각 칼라(1)의 내벽을 따르며 냉각 채널(5)에 인접하여 배열된 복수의 냉각 요소(8)를 포함하며, 냉각 요소들은 의도된 상태에서, 이하 상세히 설명되는 바와 같이 터보 기계의 에어포일(9)에 지지된다. 냉각 요소(8)는 양호한 열 전도성을 특징으로 하는 금속 재료, 특히 알루미늄으로 제조된다. 각각의 냉각 요소(8)들 사이에는 유연하게, 한편으로 냉각 요소(8)들 사이에서 중간 챔버를 밀봉하는 밀봉 요소(10)가 배열되는데, 이는 냉각 채널(5)을 통해 안내되는 냉각제가 상기 중간 챔버를 통해 유출되는 것을 방지하기 위함이다. 다른 한편으로, 냉각 요소(8)를 원주 상에서 둘러싸는 밀봉 요소(10)는 냉각 요소(8)에 소정의 운동 가능성을 제공한다. 냉각 요소(8)의 배열, 개수 및 형태는 냉각될 에어포일(9)의 외형에 적응되는데, 더 정확히 말하자면, 블레이드 팁(11)에 인접하여 배열된 에어포일(9)의 측벽 영역(12)의 외형에 적응된다. 하우징(2)은 원주 방향으로 대략 중간에서, 냉각 채널(5)을 분할하는 두 개의 하우징 섹션(2a, 2b)으로 분할되고, 이 하우징 섹션들은 냉각제 통로(13)를 규정하는 탄성 연결 요소(14)를 통해 서로 연결된다. 연결 요소(14)의 탄성에 의해, 하우징 섹션(2a, 2b)이 소정의 한계 내에서, 화살표(A, B) 방향으로 서로에 대해 상대적으로 움직일 수 있다. 자유 하우징 단부(3, 4)는 클램핑 장치(15)를 통해 서로 연결된다. 클램핑 장치(15)는 클램핑 레버(16), 그리고 하우징 단부(3, 4)들 사이에서 연장되는 스프링(17)을 포함하며, 클램핑 장치는, 하우징 단부(3, 4)가 클램핑 레버(16)의 작동 시에 스프링(17)의 힘에 대항하여 서로 움직일 수 있고, 스프링(17)의 힘에 의해 지원되어 서로로부터 멀리 움직일 수 있도록 구성된다.

냉각 칼라(1)는 에어포일(9)의 측벽 영역(12)을 냉각시키는데 사용되는 반면, 수리 방법의 범주 내에서, 용착 용접을 이용하여 에어포일(9)의 블레이드 팁(11) 상에 재료가 적용된다.

방법의 실행을 위해, 냉각 칼라(1)는 제1 단계에서 에어포일(9)에 조립된다. 이를 위해, 클램핑 장치(15)의 클램핑 레버(16)가 해제됨으로써, 냉각 칼라(1)가 상부로부터 에어포일(9) 상으로 변위될 수 있다. 이 경우에, 냉각 칼라(1)는, 냉각 요소(8)가 블레이드 팁(11)에 인접하여 배열된 에어포일(9)의 측벽 영역(12)과 결합되도록 위치 설정된다. 냉각 칼라(1)가 의도된 위치에 배열되는 즉시, 클램핑 장치(15)는 클램핑 레버(16)의 작동 하에, 도 3에 도시된 바와 같이 스프링(17)의 힘에 대항하여 인장됨으로써, 각각의 냉각 요소(8)들이 에어포일(9)의 측벽 영역(12)의 대향하는 섹션에 대해 가압된다. 냉각 요소(8)를 둘러싸는 밀봉 요소의 가요성으로 인해, 냉각 요소(8)는 클램핑 과정의 범주 내에서, 측벽 영역(12)의 외형에 대해 최적으로 자동 정렬됨으로써, 에어포일(9)과 냉각 요소(8) 사이의 양호한 열전달이 보장된다.

추가의 단계에서, 냉각 채널(5)을 관류하고 냉각제 유출부(7)를 통해 냉각 칼라(1)로부터 다시 유출되는 냉각제가 냉각제 유입부(6)를 통해 냉각 채널(5)에 공급된다.

이제, 에어포일 수리 방법이 실행된다. 이 경우에, 미세 분말 용착 용접에 의해, 재료가 에어포일(9)의 블레이드 팁(11)에 적용된다. 용접 공정 중에 에어포일(9)에 공급되는 열은, 에어포일(9)의 측벽 영역(12)으로부터 냉각 요소(8)를 통해, 냉각 채널(5)을 통해 유동하는 냉각제에 전달되어 방출된다.

용착 용접 중에 이러한 냉각의 본질적인 장점은, 용접 공정을 통해 부품 내로 도입되는 열이 더 빠르게 방출된다는 것인데, 이는 일정한 공정 조건을 유도한다.

또한, 포개져서 배열된 용접층의 용접 사이의 대기 시간이 방지될 수 있다.

본 발명에 따른 냉각 칼라(1)는 특히, 단순하고 저렴하고 적은 구성 공간을 갖는 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 냉각 칼라(1)는 문제없이 운송되고 유연하게 사용될 수 있다. 또한, 아직 조립되어 있는 에어포일(9)의 수리 과정의 현장에서의 실행도 본 발명에 따른 냉각 칼라(1)의 사용 하에 가능하다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 수리 방법은 미세 분말 용착 용접을 이용하여 실행된다. 미세 분말 용착 용접의 본질적인 장점은, 냉각 칼라를 통해 문제없이 방출될 수 있는 열이 단지 적게 부품 내로 도입됨으로써 응력이 거의 발생하지 않는다는 것이다. 또한, 구현 가능한 재료 적용이 매우 정확하기 때문에, 단지 일부 후속 작업만이 재료 적용에 이어진다.

재료 적용을 위해 상이한 재료가 선택될 수 있다. 적용된 재료는 예를 들어 에어포일의 기본 재료, 보호 코팅 등일 수 있다. 적절한 재료는 통상의 기술자에게 오래전부터 공지되어 있기 때문에, 여기서는 상세히 설명되지 않는다.

본 발명이 바람직한 실시예에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 도출될 수 있다.

Claims (13)

1. 용착 용접을 이용하여 재료가 에어포일(9) 상에 적용되는, 축류 터보 기계의 에어포일(9)의 수리 방법에 있어서,
   에어포일(9)은 용착 용접 중에 냉각되는 것을 특징으로 하는 에어포일 수리 방법.
2. 제1항에 있어서, 용착 용접 중에 에어포일(9)의 측벽 영역(12)이 냉각되는 것을 특징으로 하는 에어포일 수리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재료가 적어도 블레이드 팁(11) 상에 적용되는 것을 특징으로 하는 에어포일 수리 방법.
4. 제3항에 있어서, 용착 용접 중에, 블레이드 팁(11)에 인접하여 배열된 에어포일의 측벽 영역(12)이 냉각되는 것을 특징으로 하는 에어포일 수리 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재료는 미세 분말 용착 용접에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 에어포일 수리 방법.
6. 냉각 칼라(1)이며,
   냉각제 유입부(6) 및 냉각제 유출부(7)를 포함하며 의도된 상태에서 냉각제에 의해 관류되는 하나 이상의 냉각 채널(5)과,
   냉각 칼라(1)의 내벽을 따라 그리고 하나 이상의 냉각 채널(5)에 인접하여 배열되고 의도된 상태에서, 냉각될 대상에 지지되는 복수의 냉각 요소(8)를 포함하는 냉각 칼라(1).
7. 제6항에 있어서, 냉각 요소(8)는 운동 가능하게 보유되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).
8. 제7항에 있어서, 냉각 요소의 운동을 가능케 하는 가요성 밀봉 요소가 각각의 냉각 요소(8)들 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 요소(8)는 금속 재료, 특히 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 요소(8)의 배열, 개수 및 형태는 냉각될 에어포일(9)의 외형에, 특히, 블레이드 팁(11)에 인접하여 배열된 측벽 영역(12)의 외형에 적응되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).
11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 냉각 채널(5)을 규정하고 냉각 요소(8)를 수용하는 하우징(2)이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).
12. 제11항에 있어서, 하우징(2)은 클램핑 장치(15)를 구비하며, 클램핑 장치는, 냉각 요소(8)가 의도된 상태에서, 냉각될 대상에 대해 가압되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).
13. 제12항에 있어서, 하우징(2)은 원주 방향으로 냉각 채널(5)을 분할하는 두 개의 하우징 섹션(2a, 2b)으로 분할되고, 하우징 섹션들은 냉각제 통로(13)를 규정하는 탄성 연결 요소(14)를 통해 서로 연결되며,
    클램핑 장치(15)는 하우징 섹션(2a, 2b)의 자유 단부에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 칼라(1).

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