KR20210150562A - 가스 터빈의 날개의 보수 방법 및 가스 터빈의 날개 - Google Patents

가스 터빈의 날개의 보수 방법 및 가스 터빈의 날개 Download PDF

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Abstract

가스 터빈의 날개의 보수 방법은, 가스 터빈의 날개의 적어도 일부의 모재가 노출되도록 차열 코팅을 제거하는 단계와, 노출된 모재를 에칭하는 제 1 에칭 단계와, 에칭된 모재로부터, 모재보다 단단한 모재 열화층을 특정하는 제 1 특정 단계와, 특정된 모재 열화층을 제거하는 제 1 제거 단계와, 제 1 특정 단계에서 모재 열화층이 없다고 판정된 후, 또는 제 1 제거 단계에서 모재 열화층을 제거한 후에, 노출된 모재에 차열 코팅을 시공하는 단계를 포함한다.

Description

가스 터빈의 날개의 보수 방법 및 가스 터빈의 날개
본 개시는 가스 터빈의 날개의 보수 방법 및 가스 터빈의 날개에 관한 것이다.
가스 터빈의 동익 및 정익은 고온화로 장시간 사용되므로, 부식 등에 의해 차열 코팅이 소실되면, 날개의 모재가 노출되어, 모재 금속 중의 크롬이나 알루미늄, 티탄이 질화되어, 모재 표면에 질화층이 형성된다. 질화층은 모재보다 단단하기 때문에, 연성이 저하되어, 균열이 생길 위험이 있다. 이 때문에, 질화층을 제거하는 보수 방법이 필요하다.
질화층을 제거하는 보수 방법으로서, 종래는 모재를 도려내는 것 등을 하고 있었지만, 형성된 질화층을 적절히 특정할 수 없으면, 질화층이 잔존할 우려가 있다. 특허문헌 1에는, 니켈기 합금 등으로 구성된 구조 부재에 대해서 전해 에칭을 실행하는 것에 의해, 해당 구조 부재의 매크로 조직을 현출시키는 방법이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제 2013-160619 호 공보
특허문헌 1에 기재된 방법을 이용하면, 가스 터빈의 날개의 모재 표면에 형성된 질화층 또는 변질층과 같은 모재 열화층을 특정할 수 있지만, 특허문헌 1에는, 가스 터빈의 날개의 모재 표면에 형성된 모재 열화층을 특정하기 위해서 전해 에칭을 실행하는 것은 물론이거니와, 모재 열화층의 제거를 실행하는 것은 기재도 시사도 되어 있지 않다.
상술한 사정을 감안하여, 본 개시의 적어도 하나의 실시형태는, 모재에 형성된 모재 열화층을 적절히 제거할 수 있는 가스 터빈의 날개의 보수 방법, 및 모재에 형성된 모재 열화층을 적절히 제거한 가스 터빈의 날개를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법은, 가스 터빈의 날개의 적어도 일부의 모재가 노출되도록 차열 코팅을 제거하는 단계와, 노출된 모재를 에칭하는 제 1 에칭 단계와, 에칭된 모재로부터, 모재보다 단단한 모재 열화층을 특정하는 제 1 특정 단계와, 상기 제 1 특정 단계에서 상기 모재 열화층이 특정된 경우에, 특정된 모재 열화층을 제거하는 제 1 제거 단계와, 제 1 특정 단계에서 모재 열화층이 없다고 판정된 후, 또는 제 1 제거 단계에서 모재 열화층을 제거한 후에, 노출된 모재에 차열 코팅을 시공하는 단계를 포함한다. 이 구성에 의하면, 차열 코팅을 제거해서 노출한 모재를 에칭함으로써, 질화층이나 변질층과 같은 모재 열화층을 확실하게 특정할 수 있으므로, 모재에 형성된 모재 열화층을 적절히 제거할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태에서는, 차열 코팅을 제거하는 단계 후에, 노출된 모재의 잔존 두께를 계측하는 제 1 계측 단계를 추가로 포함하고, 제 1 계측 단계에서 계측된 잔존 두께가 미리 설정된 허용치 이상인 경우에, 제 1 에칭 단계를 실행해도 좋다. 잔존 두께가 허용치를 하회하는 경우에는, 모재 열화층을 제거하고 있는 동안에, 그 이후의 단계를 실행할 수 없게 되는 사태가 생길 가능성이 있다. 이에 대하여, 이 구성에 의하면, 잔존 두께를 측정함으로써, 미리 각 단계를 실행할 수 있는지 여부를 판단할 수가 있으므로, 보수의 두 번 수고가 생기는 것을 억제할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태에서는, 제 1 제거 단계 후에, 모재 열화층을 제거한 모재를 에칭하는 제 2 에칭 단계와, 에칭된 모재로부터, 모재 열화층을 특정하는 제 2 특정 단계와, 상기 제 2 특정 단계에서 상기 모재 열화층이 특정된 경우에, 특정된 모재 열화층을 제거하는 제 2 제거 단계를 적어도 1회 반복해도 좋다. 이 구성에 의하면, 모재 열화층을 확실하게 제거할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태에서는, 제 2 에칭 단계 전에, 모재 열화층을 제거한 모재의 잔존 두께를 계측하는 제 2 계측 단계를 추가로 포함하고, 제 2 계측 단계에서 계측된 잔존 두께가 미리 설정된 허용치 이상인 경우에, 제 2 에칭 단계를 실행해도 좋다. 이 구성에 의하면, 잔존 두께를 측정함으로써, 미리 각 단계를 실행할 수 있는지 여부를 판단할 수가 있으므로, 보수의 두 번 수고가 생기는 것을 억제할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태에서는, 차열 코팅을 제거하는 단계 후에, 형광 X선에 의해 모재 중의 모재 열화층을 조사하는 단계를 추가로 포함해도 좋다. 이 구성에 의하면, 에칭을 실행하기 전에 모재 열화층의 유무를 확인할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개는, 모재와, 모재의 표면에 시공된 차열 코팅을 구비하고, 모재에는, 표면에 대해서 패인 적어도 하나의 오목부가 형성되고, 오목부의 가장 깊은 부분의 심도는 20㎛ 이상이다. 상기 가스 터빈의 날개의 보수 방법에 의해 모재 열화층을 제거한 가스 터빈의 날개는 이러한 구성을 가지고 있다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태에서는, 모재의 표면을 마주 대하도록 적어도 하나의 오목부를 바라본 경우에, 적어도 하나의 오목부는, 직경이 10㎜인 가상원을 포함할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 오목부의 표면에는, 모재보다 단단한 모재 열화층이 형성되어 있지 않다.
본 개시의 적어도 하나의 실시형태에 의하면, 차열 코팅을 제거해서 노출한 모재를 에칭함으로써, 질화층이나 변질층과 같은 모재 열화층을 확실하게 특정할 수 있으므로, 모재에 형성된 모재 열화층을 적절히 제거할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법으로 보수되는 날개 표면 근방의 단면의 모식도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법에서 에칭된 모재의 표면의 일 예를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법에 의해 모재 열화층을 제거한 가스 터빈의 날개의 일부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법의 흐름도이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 몇몇 실시형태에 대해 설명한다. 다만, 본 발명의 범위는 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시형태에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 본 발명의 범위를 거기에만 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 불과하다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 가스 터빈의 날개(1)는, 모재(2)의 표면(2a) 상에 차열 코팅(3)이 시공되어 있다. 차열 코팅(3)은, 모재(2)의 표면(2a) 상에 용사 시공된 금속 결합층인 본드 코트층(4)과, 본드 코트층(4) 상에 용사 시공된 세라믹스층인 오버코트층(5)을 포함하고 있다. 또한, 본 개시에서는, 날개(1)는 동익이어도 좋고, 정익이어도 좋다. 또한, 가스 터빈의 형식 및 단수도 특별히 한정되지 않는다. 또한, 날개(1)의 재질은, 예컨대 Ni기 합금이나 Co기 합금이어도 좋으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
날개(1)의 사용 중에 부식 등에 의해 차열 코팅(3)이 소실되면, 질화층이나 변질층과 같은 모재보다 단단한 모재 열화층이 표면(2a)에 형성된다. 모재 열화층으로부터 균열이 발생할 우려가 있으므로, 모재 열화층을 제거하는 보수가 필요해진다. 다음에, 모재 열화층을 제거하기 위한 본 개시의 일 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법을, 도 1 및 도 2의 흐름도에 기초하여 설명한다.
단계 S1에서, 모재(2)의 표면(2a)으로부터 차열 코팅(3)을 제거한다. 단계 S1에서는, 우선 상층의 오버코트층(5)을, 예컨대 블라스트에 의해 제거한다. 오버코트층(5)의 제거가 종료되면, 예컨대 산세 박리(酸洗剝離)에 의해 본드 코트층(4)을 제거한다.
단계 S1에서 모재(2)의 표면(2a)의 적어도 일부로부터 차열 코팅(3)을 제거하면, 표면(2a)을 에칭한다(단계 S2: 제 1 에칭 단계). 표면(2a)을 에칭하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 모재(2)를 양극으로 하는 동시에 모재(2)와는 다른 금속을 음극으로 하여 양 극을 대향 배치시키고, 양 극 사이에 에칭액을 개재시키고 전압을 인가하는 전해 에칭이어도 좋다. 전해 에칭의 조건은 예컨대, 에칭액으로서 40~70%의 질산수를 이용해도 좋고, 전압을 1.0~3.0V, 전류를 0.05~1.0A, 인가 시간을 60~90초로 해도 좋다.
다음에, 에칭된 모재(2)로부터 모재 열화층을 특정한다(단계 S3: 제 1 특정 단계). 도 3에 도시되는 바와 같이, 모재(2)의 표면(2a)에 모재 열화층이 형성되어 있으면, 모재 열화층이 형성되지 않은 부분과 다른 색의 범위(망점 부분(A))가 표면(2a)에 나타난다. 즉, 망점 부분(A)은, 모재 열화층이 형성되어 있는 부분에 해당한다. 단계 S3에서 모재 열화층이 형성되어 있지 않다고 판정한 경우는, 후술하는 단계 S5로 이행한다. 한편, 단계 S3에서 모재 열화층이 형성되어 있다고 판정되고 그 위치가 특정되면, 예컨대 그라인더로 연마함으로써 그 부분을 제거한다(단계 S4: 제 1 제거 단계).
단계 S3에서 모재 열화층이 제거되면, 모재(2)의 표면(2a)에 차열 코팅(3)을 시공한다(단계 S5). 구체적으로는, 모재(2)의 표면(2a)을 블라스트 시공하여 극히 미세한 요철을 형성한 후, 본드 코트층(4)을 표면(2a) 상에 시공하고, 본드 코트층(4) 위에 오버코트층(5)을 시공한다. 이어서, 날개(1)를 열처리로를 이용하여 850℃로 소정의 시간 확산 열처리를 실행하고(단계 S6), 본 개시의 보수 방법을 종료한다.
도 4에서 단면도에 도시되는 바와 같이, 상기 보수 방법에 의해 모재 열화층이 제거된 날개(1)에는, 그 모재(2)의 표면(2a)에 대해서 패인 오목부(10)가 형성되어 있다. 모재(2)로부터 모재 열화층을 제거한 부분이 오목부(10)에 해당한다. 오목부(10)의 가장 깊은 부분(11)의 심도(D)는 20㎛ 이상이다. 통상, 모재(2)의 표면(2a)은 완전히 평탄하게는 되지 않고, 극히 미세한 요철이 존재한다. 그러나, 모재 열화층을 제거하는 것에 의해 형성된 오목부(10)는, 이러한 극히 미세한 요철 중의 패인 부분보다 명확하게 깊게 패인 부분을 가지고 있다. 이 때문에, 상기 보수 방법에 의해 모재 열화층이 제거된 날개(1)가 아니면, 통상은, 가장 깊은 부분(11)의 심도(D)가 20㎛ 이상인 오목부(10)가 모재(2)에 형성되는 경우는 없다.
또한, 도 4에서 모재(2)의 표면(2a)을 마주 대하도록 오목부(10)를 바라본 평면도에서는, 오목부(10)는, 직경이 10㎜인 가상원(C)을 포함할 수 있도록 구성되어 있다. 모재 열화층은 통상은 불규칙한 형상을 가지고 있지만, 모재 열화층의 형상에 따라 제거하는 것은 아니고, 모재 열화층을 모두 포함하는 원형 또는 타원형 혹은 그에 근사한 형상의 영역을 제거한다. 이 때문에, 오목부(10)는, 표면(2a)에 대해서, 직경이 10㎜인 가상원(C)를 포함할 수 있는 사이즈로 구성된다. 또한, 당연하기는 하지만, 오목부(10)의 표면(12)에는, 모재 열화층이 형성되어 있지 않다. 도 4에는, 모재(2)에 1개의 오목부(10)만이 형성되어 있지만, 모재 열화층의 제거 작업에 따라서, 2개 이상의 오목부(10)가 형성되는 경우도 있다.
이와 같이, 차열 코팅(3)을 제거해서 노출한 모재(2)를 에칭함으로써, 질화층이나 변질층과 같은 모재 열화층을 확실하게 특정할 수 있으므로, 모재(2)에 형성된 모재 열화층을 적절히 제거할 수 있다.
도 5에, 본 개시의 다른 실시형태와 관련되는 가스 터빈의 날개의 보수 방법의 흐름도를 도시한다. 또한, 이 실시형태에서, 도 2의 흐름도에 도시되는 단계와 같은 단계에 대해서는 동일한 단계 번호를 부여하는 동시에, 이하의 설명에서 그 단계의 상세한 설명은 생략한다.
도 5의 흐름도에 도시되는 다른 실시형태에서는, 단계 S1 후에, 저온의 열처리에 의해, 모재(2)의 표면(2a) 상에 본드 코트층(4)이 잔존하고 있는지 여부를 확인해도 좋다(단계 S11). 이 공정에서는 예컨대, 가열 착색(히트틴트)을 실시하여 확인한다. 본드 코트층(4)의 잔존을 확인한 경우에는, 예컨대 그라인더로 연마함으로써 잔존부를 제거할 수 있다(단계 S12).
단계 S11에서 본드 코트층(4)의 잔존을 확인할 수 없었던 경우, 또는 단계 S12의 종료 후, 형광 X선에 의해 모재(2) 중의 모재 열화층을 조사해도 좋다(단계 S13). 이 단계에 의해, 모재 열화층의 유무를 확인할 수 있다. 또한, 형광 X선에 의한 모재 열화층의 유무의 확인은 일 예에 지나지 않고, 모재 열화층의 유무를 확인할 수 있으면, 다른 방법을 이용해도 좋다.
단계 S13의 종료 후, 초음파에 의해 모재(2)의 잔존 두께를 계측해도 좋다(단계 S14: 제 1 계측 단계). 또한, 모재(2)의 잔존 두께의 계측은 초음파에 의하는 것에 한정하는 것은 아니며, 그 외의 공지의 방법으로 계측해도 좋다. 단계 S14에서는, 계측한 잔존 두께와 미리 설정된 허용치를 비교한다. 계측한 잔존 두께가 허용치 이상인 경우에는, 단계 S2로 이행한다.
한편, 계측한 잔존 두께가 허용치를 하회하는 경우에는, 날개(1)를 폐각할지, 도려내기 등의 종래의 보수 방법을 실행할지를 검토한다(단계 S15). 잔존 두께가 허용치를 하회하는 경우에는, 모재 열화층을 제거하고 있는 동안에, 그 이후의 단계를 실행할 수 없게 되는 사태가 생길 가능성이 있다. 이에 대해서, 잔존 두께를 측정함으로써, 미리 각 단계를 실행할 수 있는지 여부를 판단할 수가 있으므로, 보수의 두 번 수고가 생기는 것을 억제할 수 있다.
단계 S2의 다음에 단계 S3으로 이행하고, 단계 S3에 있어서의 판정 결과에 따라 단계 S4로 이행하는 동작, 또는 단계 S4를 스킵하고 단계 S5 및 S6를 실행하는 동작은, 도 2의 흐름도에 도시되는 실시형태와 동일하다. 한편, 이 실시형태에서는, 단계 S4의 종료 후, 초음파에 의해 모재(2)의 잔존 두께를 계측해도 좋다(단계 S16: 제 2 계측 단계). 단계 S16에 있어서의 잔존 두께의 측정도 단계 S14와 마찬가지로, 초음파에 의하는 것에 한정하는 것은 아니며, 그 외의 공지의 방법으로 계측해도 좋다.
단계 S16에서는, 계측한 잔존 두께와 미리 설정된 허용치를 비교한다. 계측한 잔존 두께가 허용치 이상인 경우에는, 표면(2a)을 에칭한다(단계 S17: 제 2 에칭 단계). 제 2 에칭 단계에서 표면(2a)을 에칭하는 방법도 특별히 한정하는 것은 아니며, 제 1 에칭 단계와 동일한 방법을 이용해도 좋고, 공지의 다른 방법을 이용해도 좋다. 한편, 계측한 잔존 두께가 허용치를 하회하는 경우에는, 단계 S15로 이행한다. 이 경우도, 단계 S14와 마찬가지로, 보수의 두 번 수고가 생기는 것을 억제할 수 있다.
다음에, 단계 S17에서 에칭된 모재(2)로부터 모재 열화층을 특정한다(단계 S18: 제 2 특정 단계). 단계 S17에서 모재 열화층이 형성되어 있지 않다고 판정한 경우는 단계 S5로 이행한다. 단계 S5 이후의 동작은, 도 2의 흐름도에 도시되는 실시형태와 동일하다. 한편, 단계 S17에서 모재 열화층이 형성되어 있다고 판정된 경우는, 단계 S4로 되돌아온다. 이와 같이 모재 열화층이 완전하게 제거될 때까지, 단계 S4 및 S16 내지 S18의 동작을 2회 이상 반복해도 좋다. 이에 의해, 모재 열화층을 확실하게 제거할 수 있다.
또한, 도 6의 흐름도에 도시되는 다른 실시형태에서, 도 2의 흐름도에 도시되는 실시형태에 대해서 추가된 단계 S11 내지 S18을 모두 실행해야만 하는 것은 아니다. 단계 S11 내지 S18의 일부의 단계만을 실행하도록 해도 좋다.
1: 날개
2: 모재
2a: (모재의) 표면
3: 차열 코팅
4: 본드 코트층
5: 오버코트층
10: 오목부
11: (오목부의) 가장 깊은 부분
12: (오목부의) 표면
A: 망점 부분(모재 열화층이 형성되어 있는 부분)
C: 가상원
D: (오목부의 가장 깊은 부분의) 심도

Claims (8)

  1. 가스 터빈의 날개의 적어도 일부의 모재가 노출되도록 차열 코팅을 제거하는 단계와,
    노출된 상기 모재를 에칭하는 제 1 에칭 단계와,
    에칭된 상기 모재로부터, 상기 모재보다 단단한 모재 열화층을 특정하는 제 1 특정 단계와,
    상기 제 1 특정 단계에서 상기 모재 열화층이 특정된 경우에, 특정된 상기 모재 열화층을 제거하는 제 1 제거 단계와,
    상기 제 1 특정 단계에서 상기 모재 열화층이 없다고 판정된 후, 또는 상기 제 1 제거 단계에서 상기 모재 열화층을 제거한 후에, 노출된 상기 모재에 차열 코팅을 시공하는 단계를 포함하는
    가스 터빈의 날개의 보수 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차열 코팅을 제거하는 단계 후에, 노출된 상기 모재의 잔존 두께를 계측하는 제 1 계측 단계를 추가로 포함하고,
    상기 제 1 계측 단계에서 계측된 상기 잔존 두께가 미리 설정된 허용치 이상인 경우에, 상기 제 1 에칭 단계를 실행하는
    가스 터빈의 날개의 보수 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 제거 단계 후에,
    상기 모재 열화층을 제거한 상기 모재를 에칭하는 제 2 에칭 단계와,
    에칭된 상기 모재로부터, 상기 모재 열화층을 특정하는 제 2 특정 단계와,
    상기 제 2 특정 단계에서 상기 모재 열화층이 특정된 경우에, 특정된 상기 모재 열화층을 제거하는 제 2 제거 단계를 적어도 1회 반복하는
    가스 터빈의 날개의 보수 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 에칭 단계 전에, 상기 모재 열화층을 제거한 상기 모재의 잔존 두께를 계측하는 제 2 계측 단계를 추가로 포함하고,
    상기 제 2 계측 단계에서 계측된 상기 잔존 두께가 미리 설정된 허용치 이상인 경우에, 상기 제 2 에칭 단계를 실행하는
    가스 터빈의 날개의 보수 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차열 코팅을 제거하는 단계 후에, 형광 X선에 의해 상기 모재 중의 모재 열화층을 조사하는 단계를 추가로 포함하는
    가스 터빈의 날개의 보수 방법.
  6. 모재와,
    상기 모재의 표면에 시공된 차열 코팅을 구비하고,
    상기 모재에는, 상기 표면에 대해서 패인 적어도 하나의 오목부가 형성되고, 해당 오목부의 가장 깊은 부분의 심도는 20㎛ 이상인
    가스 터빈의 날개.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모재의 상기 표면을 마주 대하도록 상기 적어도 하나의 오목부를 바라본 경우에, 상기 적어도 하나의 오목부는, 직경이 10㎜인 가상원을 포함할 수 있도록 구성되어 있는
    가스 터빈의 날개.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부의 표면에는 상기 모재보다 단단한 모재 열화층이 형성되어 있지 않은
    가스 터빈의 날개.
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