KR102488574B1 - 임펠러 및 이의 제조방법 - Google Patents

임펠러 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임펠러 및 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명은, 내부에 제1 중공이 형성된 허브와, 상기 허브와 일체로 형성된 블레이드와, 상기 허브 및 상기 블레이드에 결합하는 디스크를 포함한다.

Description

임펠러 및 이의 제조방법{Impeller and manufacturing method for the same}
본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 임펠러 및 이의 제조방법에 관한 것입니다.
일반적으로 임펠러는 압축기 및 펌프 등에 설치되어 기체 또는 유체를 이송시키는 역할을 수행한다. 이러한 임펠러는 하부를 형성하는 디스크, 디스크 상에 설치되는 허브, 허브와 디스크에 연결되는 블레이드를 포함할 수 있다. 이때, 허브는 외부의 회전축과 결합하여 회전할 수 있다. 상기와 같이 허브가 회전하는 경우 블레이드가 회전하고, 블레이드의 회전으로 인하여 기체의 흐름이 발생할 수 있다.
상기와 같은 임펠러 중 고속회전하는 제품의 경우 무게를 줄여 축하중을 낮추어 동특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 임펠러를 알루미늄 등과 같이 가벼운 물질로 제작하여 사용할 수 있다.
종래에는 주조 공정을 이용하여 임펠러 조립체를 제조하기도 하지만, 용융금속이 응고되면서 부분별 부피 차이로 인해 수축이 발생한다. 특히, 필렛부(fillet)에서 심한 변형이 발생하므로 3차원 형상의 블레이드의 윤곽을 정밀하게 형성할 수 없다.
또한 낮은 융점을 갖는 용가재를 녹여서 모재를 상하지 않게 하며 모재를 접합하는 진공 브레이징(brazing) 공정을 이용하여 임펠러 조립체를 제조하기도 한다. 그러나 진공 브레이징 공정에서는 반응 온도 영역으로 상승한 이후 냉각 시, 두께 편차에 의한 냉각속도의 차이가 발생하여 필렛부(fillet)에 심한 변형이 발생한다. 이러한 변형이 설계적으로 허용되는 수준을 벗어나는 경우에는 제품을 사용할 수 없게 되기도 하며, 브레이징 공정에 의해 접합된 부위는 접합 강도가 용접 공정에 의한 것보다 낮아서 높은 RPM(분당 회전 속도)에서 사용되는 제품에는 사용될 수 없다.
용접 공정과 브레이징(brazing) 공정을 모두 적용하여 임펠러와 슈라우드를 결합하는 경우에도 슈라우드와 임펠러가 서로 접합되는 필렛부(fillet)를 브레이징 필러로 제작하기도 한다. 보통은 필렛부의 반경이 0.8 mm 정도의 작은 크기로 형성되어 필렛부에 응력 집중이 발생하기 때문에 상술한 공정에 의해 제조되는 임펠러 조립체는 대형의 제품에 적용하기가 어렵다.
또한 절삭, 천공 등의 기계적 가공 방법을 이용하여 폐쇄형 임펠러 조립체(closed type impeller assembly)를 제조하기도 하지만, 임펠러 조립체의 크기가 작거나 블레이드의 높이가 낮은 경우에는 가공 장비가 들어갈 수 있는 작업 공간을 확보하기가 어렵다
상기와 같은 임펠러는 일본 공개특허공보 제2004-353608호(발명의 명칭 : 원심 압축기, 출원인: 三菱重工業株式社)에 구체적으로 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 제2004-353608호
본 발명의 실시예들은 임펠러 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 내부에 제1 중공이 형성된 허브와, 상기 허브와 일체로 형성된 블레이드와, 상기 허브 및 상기 블레이드에 결합하는 디스크를 포함하는 임펠러를 제공할 수 있다.
또한, 상기 디스크의 내부에 제2 중공이 형성될 수 있다.
또한, 상기 허브는, 외부의 회전축이 결합하는 결합부와, 상기 결합부와 연결되며, 상기 제1 중공이 형성된 연장부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디스크는 상기 제1 중공을 폐쇄하도록 상기 허브와 결합할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 내부에 제1 중공이 형성된 허브와 블레이드를 일체로 형성하는 단계와, 디스크를 상기 허브 및 상기 블레이드에 마찰용접으로 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 허브 및 상기 블레이드는 주조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 디스크는 주조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 디스크의 내부에는 제2 중공이 형성될 수 있다.
또한, 상기 디스크는 상기 제1 장공을 폐쇄하도록 상기 허브에 결합할 수 있다.
또한, 상기 허브, 상기 블레이드 및 상기 디스크는 동일한 재질일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 무게 절감을 통한 동특성이 안정화된 임펠러를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 임펠라의 제조과정을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 임펠라의 제조과정을 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 임펠러(100)는 허브(110), 블레이드(120) 및 디스크(130)를 포함할 수 있다.
허브(110)는 외부의 회전축(미도시)과 연결될 수 있다. 이때, 상기 회전축은 허브(110)를 관통하도록 설치됨으로써 상기 회전축의 회전에 따라 같이 회전할 수 있다.
허브(110)는 상기 회전축이 삽입되는 결합부(111)와, 결합부(111)와 연결되며, 제1 중공(112a)이 형성된 연장부(112)를 포함할 수 있다. 이때, 연장부(112)는 결합부(111)로부터 방사형으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 중공(112a)은 일측이 개구되도록 형성될 수 있다.
블레이드(120)는 허브(110)의 외면에 설치될 수 있다. 이때, 블레이드(120)는 연장부(112)의 외면에 설치될 수 있다. 또한, 블레이드(120)는 허브(110)와 일체로 형성될 수 있다.
디스크(130)는 허브(110) 및 블레이드(120)와 연결될 수 있다. 이때, 디스크(130)는 제2 중공(130a)이 형성될 수 있다. 특히 제2 중공(130a)은 일측이 개구되도록 형성될 수 있다. 디스크(130)는 원형의 플레이트 형태로 형성될 수 있으며, 제1 중공(112a)을 차폐하도록 허브(110)와 연결될 수 있다. 이때, 제2 중공(130a)은 제1 중공(112a)과 연결될 수 있다.
임펠러(100)는 상기의 구성 이외에도 블레이드(120)와 결합하여 쉬라우드(140)를 더 포함할 수 있다. 이때, 임펠러(100)는 쉬라우드(140)의 포함여부에 따라 오픈형 임펠러(Open type impeller, 도 1의 (a)참고) 또는 클로즈드형 임펠러(Closed type impeller, 도 1의 (b)참고)로 구분될 수 있다. 예를 들면, 상기 오픈형 임펠러의 경우 쉬라우드(140)를 포함하지 않는다. 반면, 상기 클로즈드형 임펠러의 경우 쉬라우드(140)를 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 오픈형 임펠러를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
상기와 같은 임펠러(100)의 제조 방법을 살펴보면, 우선 허브(110) 및 블레이드(120)를 일체로 형성할 수 있다. 이때, 허브(110)와 블레이드(120)는 동일한 재질로 형성될 수 있다. 또한, 허브(110)와 블레이드(120)는 다양한 공정을 통하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 허브(110)와 블레이드(120)는 주조 공정을 통하여 제조될 수 있다. 다른 실시예로써 허브(110)와 블레이드(120)는 3D 프린팅 공정을 통하여 제조될 수 있다. 이때, 허브(110)와 블레이드(120)의 제조 공정은 상기에 한정되는 것은 아니며 허브(110)와 블레이드(120)를 일체로 형성할 수 있는 모든 공정을 포함할 수 있다.
상기와 같이 허브(110)와 블레이드(120)를 제조하는 경우 허브(110)에는 제1 중공(112a)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 중공(112a)은 일부가 개구되도록 형성될 수 있다.
상기와 같이 허브(110)와 블레이드(120)를 제조하여 준비하는 동안 디스크(130)도 제조하여 준비할 수 있다. 이때, 디스크(130)는 상기에서 설명한 허브(110)와 블레이드(120)를 제조하는 공정과 유사한 주조, 3D 프린팅 공정 등을 통하여 제조할 수 있다.
상기와 같이 디스크(130)를 제조하는 동안 제2 중공(130a)이 디스크(130) 내부에 형성될 수 있다. 이때, 제2 중공(130a)은 일측이 개구되도록 형성될 수 있다.
상기와 같이 허브(110), 블레이드(120) 및 디스크(130)의 준비가 완료되면, 허브(110)와 디스크(130)를 서로 결합시킬 수 있다. 이때, 허브(110)와 디스크(130)는 마찰 용접을 통하여 서로 결합할 수 있다. 구체적으로 허브(110) 또는 디스크(130) 중 하나를 회전체(S)에 고정시켜 회전시키면서 허브(110) 또는 디스크(130) 중 다른 하나를 가압체(P)에 연결하여 허브(110) 또는 디스크(130) 중 하나측으로 가압할 수 있다. 이러한 경우 허브(110) 및 디스크(130) 중 적어도 일부의 온도가 상승하여 용융되고, 용융된 물질로 인하여 허브(110)와 디스크(130)는 서로 결합할 수 있다. 이때, 허브(110)와 디스크(130)는 서로 동일한 재질로 형성될 수 있다.
상기와 같이 허브(110)와 디스크(130)가 결합하는 경우 블레이드(120)는 허브(110)와 함께 디스크(130)에 결합할 수 있다. 이때, 블레이드(120)의 일부가 상기에서 설명한 허브(110)와 디스크(130)의 결합과 동일 또는 유사하게 디스크(130)에 결합되는 것도 가능하다.
허브(110), 블레이드(120) 및 디스크(130)가 서로 결합하는 경우 제1 중공(112a)과 제2 중공(130a)은 완전히 차폐될 수 있다. 구체적으로 제1 중공(112a)은 디스크(130)에 의해 차폐될 수 있으며, 제2 중공(130a)은 허브(110) 및 블레이드(120)에 의해 차폐될 수 있다.
상기와 같이 제조된 임펠러(100)의 경우 허브(110) 및 디스크(130) 부분에 제1 중공(112a)과 제2 중공(130a)이 형성됨으로써 내부의 질량이 제거된 상태일 수 있다. 특히 임펠러(100)는 허브(110) 중 가장 질량을 많이 차지하는 연장부(112) 부분에 제1 중공(112a)이 형성됨으로써 고속회전하는 임펠러(100) 자체의 질량을 줄임으로써 축하중을 낮추어 동특성을 향상시킬 수 있다. 특히 임펠러(100)를 압축기 또는 펌프 등에 설치하는 경우 동특성이 향상됨으로써 압축기 또는 펌프 등과 같은 최종 제품의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 임펠러(100)는 허브(110)와 디스크(130) 사이, 블레이드(120)와 디스크(130) 사이를 허브(110), 디스크(130) 및 블레이드(120) 중 적어도 하나와 동일한 재질의 물질을 사용하여 접합시킴으로써 결합율이 향상되며, 결합력을 증대시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 임펠러
110: 허브
120: 블레이드
130: 디스크

Claims (10)

  1. 내부에 제1 중공이 형성된 허브;
    상기 허브와 일체로 형성된 블레이드; 및
    상기 허브의 하부에 배치되며, 상기 허브의 하면 및 상기 블레이드의 하면에 결합하고, 회전체에 연결되는 디스크;를 포함하는 임펠러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크의 내부에 제2 중공이 형성된 임펠러.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 허브는,
    외부의 회전축이 결합하는 결합부; 및
    상기 결합부와 연결되며, 상기 제1 중공이 형성된 연장부;를 포함하는 임펠러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크는 상기 제1 중공을 폐쇄하도록 상기 허브와 결합하는 임펠러.
  5. 내부에 제1 중공이 형성된 허브와 블레이드를 일체로 형성하는 단계;
    상기 허브의 하면에 디스크를 배치하는 단계; 및
    상기 디스크를 상기 허브의 하면 및 상기 블레이드의 하면에 마찰용접으로 결합하는 단계;를 포함하는 임펠러 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 허브 및 상기 블레이드는 주조로 형성되는 임펠러 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 디스크는 주조로 형성되는 임펠러 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 디스크의 내부에는 제2 중공이 형성되는 임펠러 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 디스크는 상기 제1 중공을 폐쇄하도록 상기 허브에 결합하는 임펠러 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 허브, 상기 블레이드 및 상기 디스크는 동일한 재질인 임펠러 제조방법.
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