KR102616606B1 - 3d프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베인의 커버플레이트를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인의 내부에 내장된 코어플러그를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그는 폐기하고 새 코어플러그를 제조하고, 베인의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그의 베인의 홀에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트를 베인에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
Description
본 발명은 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것이다.
가스터빈은 천연가스 연료와 고압의 압축된 공기를 혼합해서 연소기를 통해 점화 팽창된 고온고압가스를 가스터빈 내부의 블레이드, 베인 등 고온부품을 통해 터빈로터를 고속으로 회전시키면서 발전기로부터 전력을 생산한다.
도 1은 일반적인 가스터빈의 단면 개요도, 도 2는 일반적인 가스터빈의 베인을 나타낸 사시도, 도 3은 일반적인 가스터빈의 베인과 코어플러그의 관계를 나타낸 사시 개요도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 가스터빈(1)은 크게 압축기(10)와 연소기(20)와 터빈(30)으로 구성되는 것으로, 압축기(10)는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
그리고 연소기(20)는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소가스가 생성되며, 터빈(30)은 터빈 케이싱 내에 연소가스를 안내하는 복수의 터빈 베인(100)과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되고. 압축기(10)와 연소기(20)와 터빈(30) 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있는 구성을 지닌다.
더욱 상세하게는 터빈(30)은 연소기에서 나온 고온·고압의 가스의 열에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 주는 부분이다.
이들 고온부품은 운전 중에 높은 온도 및 압력의 부하를 지속적으로 받게 되어 초내열합금 소재 및 열차폐 코팅 보호막이 피로, 산화, 마모 등 열화되어 손상되는 것은 피할 수 없다.
따라서, 근본적으로 고온 부품의 손상을 최소화 할 수 있는 방법은 1) 고온에서 열화가 되지 않는 소재를 개발하거나, 2) 이들 고온부품의 냉각효율을 최대한 높여 소재의 손상을 피하는 것이 유일한 방법이라고 할 수 있다.
본 발명에서는 냉각효율을 최대한 높여 소재의 손상을 최소화하는 방법으로 접근하고자 한다.
특히, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 베인(100)의 내부에 있는 코어플러그(110)는 베인(100)에 있는 쿨링홀(Cooling hole)(130)에 차가운 공기를 골고루 분배하여 어느 한 부분이 과열되어 손상되지 않도록 하는 중요한 기능을 하고 있다.
따라서 손상된 베인 수리 시 베인(100)의 코어플러그(110)는 필수적으로 교체해야하는 부품이다.
일반적으로 가스터빈 베인의 코어플러그 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이 Hastelloy박판을 성형하여 만나는 끝단에 스폿용접으로 가접한 후 TIG 용접하여 접합하여 제조하고 있다.
그러나 TIG 용접시 판재의 두께가 0.5mm이하로 얇아 구멍이 발생하거나 작업자의 높은 숙련도가 필요하여 생산단가가 높은 단점이 있었다.
최근에는 도 5에 도시된 바와 같이 스폿용접으로 가접한 후 브레이징 용가제를 사용하여 브레이징 접합하는 공법이 적용되고 있으나 이 방법 또한 성형 --> 스폿용접 --> 브레이징 클리닝 --> 슬러리 브레이징 용가제 부착 --> 건조 --> 진공 열처리 --> 블렌딩 등 복잡한 제작공정과 비싼 브레이징 용가제를 사용하기 때문에 생산 단가가 높은 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용함으로써 생산단가가 저렴하면서 작업효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 3D프린팅 레이저 클래딩에 의한 가스터빈 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 손상된 베인의 커버플레이트를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인의 내부에 내장된 코어플러그를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그는 폐기하고 새 코어플러그를 제조하고, 베인의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그의 베인의 홀에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트를 베인에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 것이 특징이다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 가스터빈의 단면 개요도.
도 2는 일반적인 가스터빈의 베인을 나타낸 사시도.
도 3은 일반적인 가스터빈의 베인과 코어플러그의 관계를 나타낸 사시 개요도.
도 4는 종래의 용접에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조 공정도.
도 5는 종래의 브레이징에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조 공정도.
도 6은 본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 나타낸 공정도.
도 2는 일반적인 가스터빈의 베인을 나타낸 사시도.
도 3은 일반적인 가스터빈의 베인과 코어플러그의 관계를 나타낸 사시 개요도.
도 4는 종래의 용접에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조 공정도.
도 5는 종래의 브레이징에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조 공정도.
도 6은 본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 나타낸 공정도.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 손상된 베인(100)의 커버플레이트(120)를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코플러그(110)는 폐기하고 새 코어플러그(110)를 제조하고, 베인(100)의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그(110)의 베인(100)의 홀(130)에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 것이 특징이다.
상기 3단계 공정에서 새 코어플러그(110)는 박판의 초내열합금을 사용하여 성형 또는 레이저 클래딩으로 3D프린팅하여 제조하는 것이 특징이다.
그리고 상기 3단계 공정에서 베인(100)에 미세한 크랙만이 형성되어 있는 경우, 크랙에 형성된 금속산화물을 제거한 후, 레이저 클래딩에 의해 크랙을 충진 및 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 접합하는 것이 특징이다.
상기 크랙에 충진하는 혼합물은 중량비로 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어진 것이 특징이다.
또한, 상기 3단계 공정에서 베인(100)의 파손 부분이 큰 경우, 파손 부분을 절삭가공한 후 3D프린팅에 의해 파손된 부분을 생성하는 것이 특징이다.
또한, 상기 5단계 공정에서 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합은 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 접합하는 것이 특징이다.
또한, 상기 5단계 공정에서 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합할 때에는 초음파진동과 원적외선 가열을 함께 하는 것이 특징이다.
이하, 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 수리방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 본원 발명은 손상된 베인(100)의 커버플레이트(120)를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그(110)는 폐기하고 새 코어플러그(110)를 제조하고, 베인(100)의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그(110)의 베인(100)의 홀에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합하는 5단계 공정;을 포함하여 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 특징으로 하고 있다.
더욱 상세하게는, 먼저 1단계 공정으로 손상된 베인(100)에서 커버플레이트(120)를 제거하는 것이다.
베인(100)으로부터 커버프레이트(120)를 제거하는 작업은 널리 공지된 수단이기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.
2단계 공정으로는 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하도록 한다.
인출된 코어플러그(110)는 앞서 설명한 바와 같이 재생 또는 수리를 하여 사용할 수 없기에 폐기하도록 한다.
그리고 3단계 공정으로 폐기된 코어플러그(110)를 대체하기 위하여 새 코어플러그(110)를 제조하도록 한다.
새 코어플러그(110)는 성형 또는 3D프린팅 중 택일하여 제조하도록 한다.
코어플러그(110)를 제거한 베인(100)은 수리를 하도록 한다.
상기 베인(100)의 수리는 베인(100)에 미세한 크랙만이 형성되어 있는 경우, 크랙에 형성된 금속산화물을 제거한 후, 레이저 클래딩에 의해 크랙을 충진 및 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 접합하도록 한다.
이때, 금속산화물을 제거한 후에는 히트틴트(Heat Tint) 또는 형광침투탐상에 의한 크랙의 깊이 및 크기 등을 검사하는 공정이 포함된다.
상기 크랙에 충진하는 혼합물로는 중량비로 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어진 것을 사용하도록 한다.
또한, 상기 3단계 공정에서 베인(100)의 파손 부분이 큰 경우에는 파손 부분을 절삭가공한 후 3D프린팅에 의해 파손된 부분을 생성하도록 한다.
3D프린팅은 베인(100)에 직접 적층할 수도 있으며, 별도로 절삭가공에 의해 없어진 만큼의 베인(100)을 3D프린팅으로 생성한 후 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 별도로 생성한 베인(100)을 원 베인(100)에 접합할 수도 있다.
이때, 접합력을 향상시키기 위해 상술한 혼합물을 사용하도록 한다.
이어, 4단계 공정으로는 상기 제조된 코어플러그(110)를 베인(100)의 홀에 삽입하는 것이다.
코어플러그(110)를 베인(100)의 내부에 고정 및 접합하는 것은 널리 공지된 수단이기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.
끝으로 5단계 공정으로 제거한 커버플레이트(120)를 베인(100)에 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로서 접합하는 것이다.
레이저 클래딩시 접합력을 향상시키기 위하여 베인(100)의 금속 조성과 동일한 분말가루 또는 금속와이어를 사용하도록 하며, 커버플레이트(120)의 파손이 있는 경우에는 3D프린팅에 의해 새로이 제조한 것을 사용하도록 한다.
한편, 상기 5단계 공정에서 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합할 때에는 초음파진동과 원적외선 가열을 함께 하도록 한다.
바람직하게는 초음파 진동은 1KHz∼100MHz의 범위로 하고, 원적외선 가열은 원적외선 파장을 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 베인(100)의 온도를 400∼1000℃ 내로 유지하면서 레이저 클래딩하도록 한다.
더욱 상세하게는 진동자(도면 미도시)를 모재인 베인(100)의 표면에 접촉시키고 초음파 진동과 원적외선을 가열하는 것이다.
최적의 초음파를 레이저 클래딩 되는 부분에 전달하기 위해서 레이저 클래딩 되는 크랙부분으로부터 0.5∼500mm 이내 떨어진 곳에 진동자를 부착하여 모재인 베인(100)에 진동을 주면서 레이저 클래딩을 하는 것이다.
즉, 진동자는 모재인 베인(100)의 표면에 접촉되도록 하되, 크랙으로부터는 0.5∼500mm 이내 떨어진 베인(100)의 표면에 접촉시키도록 한다.
상술한 바와 같이 초음파 진동과 동시에 레이저 클래딩할 경우 장점은 용접부에 기공율을 0.01% 이하로 감소시킴과 동시에 결정립의 크기를 기존 레이저 클래딩 보다 50% 이하로 작게 하기 때문에 기계적 특성(경도, 강도, 마모, 피로)이 증가하는 장점이 있다
본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.
1. 가스터빈
10. 압축기
20. 연소기
30. 터빈
100. 베인 110. 코어플러그 120. 커버플레이트
130. 홀 140. 쿨링홀(Cooling Hole)
10. 압축기
20. 연소기
30. 터빈
100. 베인 110. 코어플러그 120. 커버플레이트
130. 홀 140. 쿨링홀(Cooling Hole)
Claims (7)
- 손상된 베인(100)의 커버플레이트(120)를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그(110)는 폐기하고 새 코어플러그(110)를 제조하고, 베인(100)의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그(110)의 베인(100)의 홀(130)에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 있어서,
상기 3단계 공정에서 새 코어플러그(110)는 박판의 초내열합금을 사용하여 성형 또는 레이저 클래딩으로 3D프린팅하여 제조하고,
상기 3단계 공정에서 베인(100)에 미세한 크랙만이 형성되어 있는 경우 크랙에 형성된 금속산화물을 제거한 후, 레이저 클래딩에 의해 크랙을 충진 및 접합하되, 베인(100)의 파손 부분이 큰 경우 파손 부분을 절삭가공한 후 3D프린팅에 의해 파손된 부분을 생성하며,
상기 크랙에 충진하는 혼합물은 중량비로 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어지며,
상기 5단계 공정에서 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합할 때에는 초음파진동과 원적외선 가열을 함께 하도록 하되, 초음파 진동은 1KHz∼100MHz의 범위로 하고, 원적외선 가열은 원적외선 파장을 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 베인(100)의 온도를 400∼1000℃ 내로 유지하면서 레이저 클래딩하도록 하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법.
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