KR20190042051A - 터보기계 임펠러의 제조 방법 - Google Patents

터보기계 임펠러의 제조 방법 Download PDF

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사샤 쇼브
마티아스 돔머무스
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

반경방향 내측 허브 본체(14a), 반경방향 외측 슈라우드 본체(14b) 및 허브 본체(14a)와 슈라우드 본체(14b) 사이에서 연장되는 가동 블레이드(14c)를 포함하고, 가동 블레이드(14c), 허브 본체(14a) 및 슈라우드 본체(14b)가 일체형의 모놀리식 조립체(integral, monolithic assembly)로 구현되는 것인 터보기계 임펠러의 제조 방법(14)은 적어도, 블랭크(10)를 마련하는 단계; 허브 본체, 슈라우드 본체 및 하동 불레이드의 기본적인 윤곽(11a, 11b, 11c)을 형성하도록 블랭크(10)를 밀링 가공하는 단계; 및 형성된 기본적인 윤곽에 대해 적어도 1회의 적층 용접 또는 적층 가공을 행하고, 후속하여 적층 용접에 의해 형성된 부분(15n)에 대해 적어도 1회의 밀링 가공을 행하는 단계를 포함한다.

Description

터보기계 임펠러의 제조 방법
본 발명은 반경방향 내측 허브 본체, 반경방향 외측 슈라우드 본체 및 허브 본체와 슈라우드 본체 사이에서 연장되는 가동 블레이드를 포함하고, 가동 블레이드, 허브 본체 및 슈라우드 본체가 일체형의 모놀리식 조립체(integral, monolithic assembly)로 구현되는 것인 터보기계 임펠러의 제조 방법에 관한 것이다. 슈라우드 본체를 지닌 터보기계 임펠러는 폐쇄형 터보기계 로터라고도 한다.
일체형의 모놀리식 조립체로 구현되는 상기한 폐쇄형 터보기계 로터를 제조하기 위해, 현장으로부터 블랭크를 마련하여, 밀링 머신(milling machine)에서 이 블랭크로부터 터보기계 로터를 밀링하는 것이 알려져 있다. 통상적으로, 여기에서는 그 허브 본체, 그 슈라우드 본체 및 그 가동 블레이드 영역에서 터보기계 임펠러의 소망하는 3차원 윤곽을 제공하기 위해 5축 밀링 머신이 채용된다. 그러나. 그러한 밀링 중에는, 기계 가공 대상인 블랭크에 대한 접근성이 제한되며, 이에 따라 터보기계 임펠러에 대해서 임의의 소망하는 3차원 윤곽이 달성 불가할 수 있다. 이러한 이유로, 지금까지 일체형의 모놀리식 조립체로서 구현되는 상기한 폐쇄형 터보기계 로터에 대하여 상당한 설계 제약이 있었다. 그 3차원 윤곽에 관하여 설계 가능성이 보다 높은, 즉 제조비와 제조 시간을 최소로 유지하기 위해 단시간 내에 간단하게, 일체형의 모놀리식 조립체로서 구현되는, 반경방향 내측 허브 본체, 반경방향 외측 슈라우드 본체 및 가동 블레이드를 지닌 폐쇄형 터보기계 로터를 제조할 것이 요구된다.
이로부터 시작하여, 본 발명은 신규한 타입의 터보기계 임펠러의 제조 방법을 제공하려는 목적에 기초한다. 이 목적은 청구항 1에 따른 방법을 통해 해결된다. 본 발명에 따른 방법은 적어도 다음의 단계를 포함한다: 블랭크를 마련하는 단계; 블랭크를 허브 본체, 슈라우드 본체 및 가동 블레이드의 기본적인 윤곽을 형성도록 밀링 가공하는 단계; 및 형성된 기본적인 윤곽에 적어도 1회의 적층 용접(deposition welding)을 실시하고, 적층 용접에 의해 형성된 부분에 적어도 1회의 후속 밀링 가공을 실시하는 단계. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 적어도 1회의 적층 용접과 후속하는 적어도 1회의 새로운 밀링 가공은 블랭크의 밀링 가공에 후속하여 실시된다. 적층 용접은 또한 적층 가공법, 예컨대 선택적 레이저 소결로 대체될 수도 있다. 이에 의해, 3차원 윤곽이 마련될 수 있고, 이 3차원 윤곽은 블랭크의 밀링 동안에는 제한된 접근성으로 인해 형성될 수 없다. 상기 제조 방법은 간단하고 비용 효율적이다. 이에, 따라 터보기계 로터는 낮은 제조비와 짧은 제조 시간으로, 지금까지는 제조할 수 없었던 3차원 형상을 갖는 일체형의 모놀리식 조립체로서 마련될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 적층 용접과 후속 밀링 가공은 초기에는, 적층 용접에 의해 형성되는 부분에 대해 다수 회로 교호하여 실시된다. 바람직하게는, n회째 적층 용접 중에 기본적인 윤곽에 재료가 적층되고, 이 n회째 적층 공정에 후속하여 이 프로세스에서 형성된 부분이 n회째 밀링 가공을 겪고, 이 n회째 밀링 가공에 후속하여 (n+1)회째 적층 용접 중에, 상기 밀링 가공에 의해 형성된 부분에서 기본적인 윤곽에 재료가 적층되고, 이 (n+1)회째 적층 용접에 후속하여, 이 프로세스에서 형성된 부분은 (n+1)회째 밀링 가공을 겪으며, 여기에서 n > 1이 적용된다. 이러한 방식으로, 특히 유리한 3차원 윤곽이 낮은 제조비로 짧은 제조 시간 내에 터보기계 로터에 마련될 수 있다.
본 발명의 유리한 다른 양태에 따르면, 블랭크의 밀링 가공, 적어도 1회의 적층 용접 및 적어도 1회의 후속 밀링 가공은 하나의 동일한 공작기계 - 밀링 가공을 위한 적어도 하나의 툴과 적층 용접을 위한 적어도 하나의 툴 모두를 포함함 - 에서 실시된다. 이것은 제조 시간을 단축하는 데 특히 바람직하다. 공작기계 상에서 툴 또는 블랭크를 다시 클램핑할 것이 요구되지 않는다.
본 발명의 유리한 다른 양태에 따르면, 적어도 1회의 적층 용접 중에, 블랭크의 금속 합금 재료와 다른 금속 합금 재료가 블랭크 상에 적층된다. 이러한 방식에 의해, 적층 용접에 의해 형성된 부분에서 특히 유리한 재료 특성을 갖는 터보기계 임펠러가 제조될 수 있다. 블랭크는 또한 특정 코어/쉘 구조, 예컨대 중실 코어 및 내부식성 쉘을 가질 수 있다.
본 발명의 유리한 다른 양태에 따르면, 다수의 적층 용접 중에 블랭크에 금속 합금 재료가 적층되고, 이 금속 합금 재료는 적어도 한번은 블랭크의 금속 합금 재료와 다르고, 다수의 적층 용접 중에 블랭크에 상이한 합금 재료가 적층되는 것이 바람직하다. 본 발명의 이 추가의 양태는 적층 용접에 의해 형성되는 부분에 대해 정해진 방식으로 조정된 재료 특성을 지닌 터보기계 임펠러를 제공하려는 목적에 알맞다.
본 발명의 바람직한 다른 양태는 종속항 및 아래의 설명에서 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도면에 의해 보다 상세히 설명되지만, 도면으로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 터보기계 임펠러를 제조하는 방법을 설명하는 매우 개략적인 흐름도이다.
본 발명은 반경방향 내측 허브 본체, 반경방향 외측 슈라우드 본체 및 허브 본체와 슈라우드 본체 사이에서 연장되는 가동 블레이드를 포함하는 터보기계 임펠러의 제조 방법에 관한 것이다. 내측 허브 본체와 외측 슈라우드 본체 모두를 포함하는 터보기계 임펠러는 폐쇄형 터보기계 로터라고도 한다. 본 발명에 따라 제조되는 폐쇄형 터보기계 로터의 경우, 가동 블레이드, 허브 본체 및 슈라우드 본체는 일체형의 모놀리식 조립체로서 구현된다. 허브 본체는 허브 디스크라고도 칭하고, 슈라우드 본체는 슈라우드 디스크라고도 칭한다.
터보기계 임펠러의 제조 방법이 도 1을 참고하여 아래에서 설명되고, 상태 Ⅰ, Ⅱ 및 Ⅲ의 개략적인 흐름도는 본 발명에 따른 방법의 기본적인 방법 단계를 시각화한다. 방법 단계 Ⅲ은 도 1에 따르면 다수의 방법 단계 Ⅲ.1, Ⅲ.2n, Ⅲ.3n뿐만 아니라 Ⅲ.4로 분할된다. 단계 Ⅳ에 따른 완성된 터보기계 로터는 본 발명에 따른 방법의 종료 시에 제공된다.
도 1은 레이디얼 압축기 임펠러, 즉 축방향 유입류 및 반경방향 유출류가 흐르는 압축기 임펠러의 제조를 시각화한다. 상기한 레이디얼 압축기 임펠러의 제조가 바람직하지만, 예컨대 터빈 로터와 같은 다른 터보기계 로터도 또한 본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
방법 단계 Ⅰ에서, 먼저 블랭크(10)가 마련된다. 도 1의 이 블랭크(10)는 금속 재료, 특히 금속 합금 재료로 이루어진 링 또는 디스크이다. 이론적으로, 디스크는 또한 밀링 가공되는 플라스틱으로 이루어질 수도 있다.
후속하는 방법 단계 Ⅱ에서, 블랭크(10)는 밀링 가공을 겪는데, 즉 반경방향 내측 허브 본체(11a), 반경방향 외측 슈라우드 본체(11b) 및 반경방향 내측 허브 본체(11a)와 반경방향 외측 슈라우드 본체(11b) 사이에서 연장되는 가동 블레이드(11c)의 기본적인 윤곽이 형성된다. 여기에서, 밀링 가공된 블랭크(11)는 이러한 기본적인 윤곽(11a, 11b, 11c)을 갖도록 형성된다.
블랭크(10)의 이 밀링 가공에 후속하여, 형성되는 그 허브 본체(11a), 형성되는 그 슈라우드 본체(11b) 및 형성되는 그 가동 블레이드(11c)의 영역에서 각각의 기본적인 윤곽을 갖는 밀링 가공된 블랭크(11)가 제공되며, 상기 각각의 기본적인 윤곽은 블랭크(10)의 제한된 공간 접근성의 존재 하에 블랭크(10)를 밀링하는 것에 의해 기계 또는 밀링 머신에서 형성될 수 있다.
방법 단계 Ⅲ은 방법 단계 Ⅱ에 후속한다. 방법 단계 Ⅲ 동안, 적어도 1회 또는 단일 적층 용접이 형성된 기본적인 윤곽(11a, 11b, 11c)에 대해서 터보기계 임펠러의 반경방향으로 일어나고, 적층 용접에 의해 형성된 부분에 대해 적어도 1회 또는 적어도 단일의 후속 밀링 가공이 일어난다.
적층 용접과, 적층 용접에 의해 형성된 부분에 대한 후속 밀링 가공은 바람직하게는 방법 단계 Ⅲ에서 다수 회 교호하여 연속 실시된다.
여기에서, n회째 적층 용접 중에 밀링 가공된 블랭크(11)의 기본적인 윤곽에 재료가 적층되고, 이 n회째 적층 용접에 후속하여, 이 프로세스에서 형성된 부분(15n)이 n회째 밀링 가공을 겪고, 이 n회째 밀링 가공에 후속하여, 이 밀링 가공에 의해 형성된 부분(16n)에 대한 (n+1)회째 적층 용접 중에 이전에 밀링 가공된 부분(16n)에 재료가 다시 적층되고, 이 (n+1)회째 적층 용접에 후속하여, 이 프로세스에서 형성된 부분(15n+1)은 부분(16n+1)을 형성하는 (n+1)회째 밀링 가공을 겪으며, 여기에서 n은 1보다 큰 자연수이다.
도 1에서, 방법 단계 Ⅲ은 방법 단계 Ⅲ.1, Ⅲ.2n, Ⅲ.3n 및 Ⅲ.4로 세분된다. 방법 단계 Ⅲ.1에서, 블랭크(10)의 밀링 가공에 의해 형성된, 방법 단계 Ⅱ에서 마련된 블랭크(11)가 그 기본적인 윤곽(11a, 11b, 11c)으로 존재한다. 방법 단계 Ⅲ.2n에서, 적층 용접은 도 1에서 기계 가공된 블랭크(11)의 기본적인 윤곽(11b, 11c) 상에 재료가 적층되도록, 즉 도 1에 따르면 적층 용접된 부분(15n)을 형성하도록 반경방형 내측에서 반경방향 외측으로 실시된다. 단계 Ⅲ.2n에 후속하여, 적층 용접에 의해 형성된 부분(15n)의 후속 밀링 가공이 부분(16n)을 형성하는 것을 목적으로 하는 단계 Ⅲ.3n에서 일어난다. 도 1에는 도시하지 않은 후속 단계 Ⅲ.2.n+1에서는, 이들 부분(16n)의 영역에서 적층 용접이 다시 일어나고, 후속하는 단계 Ⅲ.3n+1에서는, 방법 단계 Ⅲ.4에 도시한 부분(16n+1)을 형성하는 목적으로, 적층 용접에 의해 형성된 이들 부분(15n+1)의 밀링 가공이 일어난다. 이미 설명한 바와 같이, n은 1보다 큰 자연수이다. 도 1에서 적층 용접 및 밀링 가공 부분(16n, 16n+1)은 슈라우드 본체(14b)와 가동 블레이드(14c) 모두로 반경방향으로 연장된다. 단계 Ⅲ.4에서, 터보기계 임펠러(14)는 허브 본체(14a)의 영역, 슈라우드 본체(14b)의 영역 및 가동 블레이드(14c)의 영역에서 그 소망하는 3차원 윤곽으로 제공된다.
도 1에서, 반경방향으로의 다수의 적층 용접은 반경방향 내측부에서 반경방향 외측부로 일어난다. 이러한 다수의 적층 용접이 반경방향 외측부에서 반경방향 내측부로 실시되는 것도 또한 가능하다. 더욱이, 밀링 가공과 교호하는 적층 용접은 반경방향 외측부에서 반경방향 내측부뿐만 아니라 반경방향 내측부에서 반경방향 외측부로 실시되는 것이 조합되어 실시될 수 있다.
방법 단계 Ⅱ 및 Ⅲ, 즉 방법 단계 Ⅱ에서의 블랭크의 밀링 가공과 방법 단계 Ⅲ에서의 적어도 1회의 적층 용접 및 적어도 1회의 후속 밀링 가공은, 하나의 동일한 공작기계 - 밀링 가공을 위한 적어도 하나의 툴과 적층 용접을 위한 적어도 하나의 툴 모두를 포함함 - 에서 실시될 수 있다. 공작기계는 바람직하게는, 블랭크(10)가 클램핑되는 제로 포인트 클램핑 시스템을 지닌 5축 공작기계이고, 블랭크는 클램핑된 상대 위치에서는 후속하여 단계 Ⅱ에서 밀링 가공되고, 후속하여 단계 Ⅲ에서는 적층 용접을 받으며, 후속하여 그 3차원 윤곽으로 최종 터보기계 임펠러(14)를 형성하는 밀링 가공을 받는다. 적층 용접은 바람직하게는 레이저 적층 용접이다.
적어도 1회의 적층 용접 중에, 블랭크(10)의 금속 합금 재료와 다른 금속 합금 재료가 밀링 가공된 블랭크(11) 상에 적층될 수 있다. 특히 적층 용접이 다수 회로 실시될 때, 블랭크(10)의 금속 합금 재료와 다른 금속 합금 재료가 적어도 1회 밀링 가공된 블랭크(11) 상에 적층될 수 있고, 다수의 적층 용접 중에 상이한 금속 합금 재료가 밀링 가공된 블랭크(11) 상에 각각 적층될 수 있다. 이러한 방식에 의해, 적층 용접에 의해 형성되는 부분(16n, 16n+1)의 영역에서 정해진 방식으로 조정된 재료 특성을 갖는 터보기계 임펠러(14)가 형성될 수 있다.
레이저 적층 용접이 추가로 또는 교호하여 축방향으로 일어날 수 있다는 점도 지적된다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 슈라우드 본체, 허브 본체 및 가동 블레이드가 단일 부재 또는 일체형으로 구현되는, 모놀리식 조립체로 구현된 폐쇄형 터보기계 로터가 낮은 제조비 및 짧은 제조 시간으로, 지금까지 달성 불가했던 3차원 윤곽을 갖도록 제조될 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 터보기계 임펠러(14)는 후속하여, 예컨대 코팅 등과 같은 표면 처리를 받는다. 열처리 프로세스 또는 다른 후속 프로세스도 또한 이에 적합하다.
10 : 블랭크
11 : 밀링 가공된 블랭크
11a : 기본적인 윤곽의 허브 본체
11b : 기본적인 윤곽의 슈라우드 본체
11c : 기본적인 윤곽의 가동 블레이드
12n : 밀링 가공 및 적층 용접된 블랭크
13n : 다수 회 밀링 가공 및 적층 용접된 블랭크
14 : 터보기계 임펠러
14a : 허브 본체
14b : 슈라우드 본체
14c : 가동 블레이드
15n : 적층 용접된 부분
16n : 적층 용접 및 밀링 가공된 부분
16n+1 : 적층 용접 및 밀링 가공된 부분

Claims (9)

  1. 반경방향 내측 허브 본체(14a), 반경방향 외측 슈라우드 본체(14b) 및 허브 본체(14a)와 슈라우드 본체(14b) 사이에서 연장되는 가동 블레이드(14c)를 포함하고, 가동 블레이드(14c), 허브 본체(14a) 및 슈라우드 본체(14b)가 일체형의 모놀리식 조립체(integral, monolithic assembly)로 구현되는 것인 터보기계 임펠러의 제조 방법으로서, 적어도
    블랭크(10)를 마련하는 단계;
    허브 본체, 슈라우드 본체 및 가동 블레이드의 기본적인 윤곽(11a, 11b, 11c)을 형성하도록 블랭크(10)를 밀링 가공하는 단계; 및
    형성된 기본적인 윤곽에 대해 적어도 1회의 적층 용접(deposition welding) 또는 적층 가공(additive manufacturing), 특히 레이저 소결을 행하고, 적층 용접에 의해 형성된 부분(15n)에 대해 적어도 1회의 후속 밀링 가공을 행하는 단계
    를 포함하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적층 용접에 의해 형성된 부분(15n)에, 초기에 적층 용접 또는 적층 가공과 후속 밀링 가공이 다수 회 교호하여 실시되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, n회째 적층 용접 또는 적층 가공 중에 기본적인 윤곽에 재료가 적층되고, 이 n회째 적층 용접 또는 적층 가공에 후속하여, 이 프로세스에서 형성된 부분(15n)이 n회째 밀링 가공을 겪고, 이 n회째 밀링 가공에 후속하여, 이 밀링 가공에 의해 형성된 부분(16n)에 대해 (n+1)회째 적층 용접 또는 적층 가공 중에 기본적인 윤곽에 재료가 다시 적층되고, 이 (n+1)회째 적층 용접 또는 적층 가공에 후속하여, 이 프로세스에서 형성된 부분(15n+1)은 (n+1)회째 밀링 가공을 겪으며, 여기에서 n > 1이 적용되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 다수 회 교호하는, 터보기계 임펠러의 반경방향으로의 적층 용접 또는 적층 가공과 후속 밀링 가공은 반경방향 내측부에서 반경방향 외측부로, 반경방향 외측부에서 반경방향 내측부로, 또는 반경방향 내측부에서 반경방향 외측부로 그리고 반경방향 외측부에서 반경방향 내측부로 실시되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 블랭크(10)의 밀링 가공, 적어도 1회의 적층 용접 또는 적층 가공 및 적어도 1회의 후속 밀링 가공은, 밀링 가공을 위한 적어도 하나의 툴과 적층 용접을 위한 적어도 하나의 툴 모두를 포함하는 하나의 동일한 공작기계에서 실시되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적층 용접은 레이저 적층 용접 또는 레이저 소결로서 실시되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 1회의 적층 용접 또는 적층 가공 중에, 블랭크(10)의 금속 합금 재료와 다른 금속 합금 재료가 밀링 가공된 블랭크(11, 12n) 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 적층 용접 또는 적층 가공 중에, 적어도 한번은 블랭크(10)의 금속 합금 재료와 다른 금속 합금 재료가 밀링 가공된 블랭크(11, 12n) 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 적층 용접 또는 적층 가공 중에, 상이한 금속 합금 재료가 밀링 가공된 블랭크(11, 12n) 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 터보기계 임펠러의 제조 방법.
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