가스터빈 터빈 디스크 개발에서 타이로드 구멍은 인접한 임펠러를 연결하는 핵심 요소이며 위치 정확도는 가스터빈 로터의 조립 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 가스터빈 휠 디스크의 타이로드 홀 가공 기술을 탐구하고, 고정밀 위치결정과 어려운 보링 가공을 통해 가스터빈 휠 디스크의 타이로드 홀 가공에 대한 기술적인 참고자료를 제공할 것으로 기대됩니다.
#01
가스터빈의 핵심 부품인 터빈 임펠러는 구조가 복잡하고 높은 가공 정밀도를 요구합니다. 공정개발과 완제품 제조가 핵심이다. 그 중 타이로드홀은 인접한 임펠러 사이의 연결구조물 역할을 하며 그 중요성은 자명하다[1-3].
그림 1에 도시된 바와 같이, 터빈 임펠러는 단간 아크 엔드 톱니 맞물림으로 연결되며, 디스크 표면에 원주 방향으로 분포된 12개의 타이로드 구멍을 통해 타이로드를 삽입하여 로터로 조립됩니다. 아크 엔드 톱니에는 자체 센터링 기능이 있으므로 인접한 2단 임펠러가 맞물린 후에는 타이로드 구멍의 위치를 조정할 수 없습니다. 따라서 타이 로드 구멍의 위치에 대한 요구 사항이 매우 높습니다.
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그림 1 터빈 샤프트 시스템 연결 다이어그램
타이로드 구멍의 직경은 42mm로 일반적으로 드릴링과 보링 가공으로 가공됩니다. 최대 종횡비는 직경의 5배를 초과하며, 표면 거칠기 값은 Ra=1.6μm를 요구하므로 보링 공정에 큰 어려움을 줍니다.
위에서 언급한 고난이도 가공 요구 사항을 고려하여 우리는 주로 고정밀 포지셔닝과 고난이도 보링이라는 두 가지 측면에 중점을 둡니다.
2.1 타이로드 홀 위치 가공 기술
타이로드 구멍의 도면 요구사항은 Φ42.58mm, 위치 Φ0.12mm, 원통도 0.012mm입니다. 원활한 조립을 보장하기 위해 프로세스 요구 사항이 Φ42.58mm, 위치 지정 Φ 0.05mm, 원통도 0.012mm로 증가되었습니다. 따라서 프로세스 테스트 검증이 필요합니다. 본 시험은 임펠러 타이로드 구멍의 가공을 시뮬레이션하며 시편 구조는 그림 2와 같다. 보링 및 밀링 머신을 사용하고 클램핑 방법은 앵글철 클램핑 플레이트이며 시편을 수직으로 클램핑한다.
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그림 2: 타이로드 구멍 시험편
(1) 전통적인 축 분포 구멍 처리 방법은 레버 다이얼 표시기의 "중심을 회전"하고 하늘과 땅의 왼쪽과 오른쪽 4시 위치를 찾아 원의 중심을 결정하고 사용하는 것입니다. ø420mm 피치 원에 따라 바닥 구멍을 뚫는 T 드릴과 타이로드 구멍을 정밀 보링합니다.
1) 3좌표 검출 결과. 최대 위치 값은 0.0756mm이고 외부 원 D600mm 진원도는 0.0056mm입니다(표 1 참조).
표 1: 첫 번째 3좌표 검출 데이터 사진
2) 데이터 정렬. 그림 3에서 볼 수 있듯이 구멍의 위치는 전체적으로 양의 Y 방향으로 이동됩니다.
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그림 3: 3좌표 감지 데이터 다이어그램
3) 데이터 분석. 그림 3의 I 위치를 예로 들면 X 방향 편차는 작고 오프셋은 약 0입니다.01mm; Y 방향 편차가 크고 오프셋이 약 0.035mm입니다. Y 방향은 위치 편차의 주요 영향 요소입니다. 0.03mm의 Y 방향 오프셋을 제외하면 위치 결정 상황이 크게 개선되고 측정 지점의 전체 윤곽이 더 좋아집니다. 이는 공작 기계 자체의 반복 위치 결정 정확도가 더 좋아진다는 것을 보여줍니다. 3좌표 검출 데이터를 변환한 후의 각도 데이터는 Table 2와 같다. 주 오프셋이 Y 방향임을 명확히 알 수 있다.
표 2: 첫 번째 3좌표 검출 변환 데이터 [단위:(도)] 그림
4) 가능한 원인 분석. X 방향 정렬 방법은 다음과 같습니다. 레버 다이얼 표시기가 왼쪽 및 오른쪽 방향으로 시편 외부 원의 두 지점에 닿아 수평 방향을 결정합니다. Y 방향 정렬 방법은 레버 다이얼 표시기가 위쪽 및 아래쪽 방향으로 시편 외부 원의 두 지점에 닿아 수직 방향을 결정하는 것입니다. 시편의 중심 위치를 결정하는 방향. 여기서, Y방향 다이얼 인디케이터가 상부 및 하부 바깥쪽 원의 두 지점에 닿을 때 다이얼 인디케이터 스타일러스의 중력으로 인해 지연되거나 수축되어 실제 위치와 표시된 위치 사이에 편차가 발생할 수 있습니다. 홀 가공이 완료된 후 Y 방향 편차를 일으키는 주요 요인입니다. 또한 다이얼 표시기의 정확도는 0.01mm이며 그 오류는 Y 방향 편차에도 영향을 미치며 이는 작은 영향을 미치는 2차 영향 요소입니다. X방향은 수평방향으로 중력에 의한 상대적인 위치편차가 없습니다. 영향을 미치는 요인은 다이얼 표시기 자체의 정확도 오류로, 영향이 적고 성능이 더 좋습니다.
(2) 개선 방법: 위에서 언급한 레버 다이얼 표시기를 사용하여 "중심을 뒤집어서" 중심을 찾고 초기에 대칭 위치에 두 개의 구멍을 뚫습니다. 다이얼 표시기는 공작 기계의 이동을 통해 각 방향의 외부 원점부터 구멍의 가장 먼 끝까지의 크기를 측정한 다음 각각 X 및 Y 방향의 두 데이터 세트를 빼서 편차 값을 얻습니다. X, Y 방향을 보정하고 최종적으로 12개 홀을 정밀 보링합니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이 X 방향 보정은 이 방법으로 측정된 데이터는 상대 값이므로 다이얼 표시기의 후퇴에 대한 중력의 영향을 제거할 수 있습니다. 동시에 측정이 동일한 다이얼 표시기이기 때문에 측정 도구의 정확도 오류의 영향도 제거될 수 있습니다. 정삭 가공 후 3개의 좌표를 이용하여 위치 데이터를 다시 확인합니다. 위의 방법을 바탕으로 2차 위치처리 테스트를 진행하였다. 처리 상태는 그림 5에 표시됩니다.
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그림 4: 좌표 보상 다이어그램
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a) 상태 1 b) 상태 2
그림 5 처리 상태
1) 3좌표 검출 결과. 최대 위치 각도는 0.0501mm입니다(표 3 참조).
표 3: 두 번째 3좌표 검출 데이터 사진
2) 데이터 정렬. 두 번째 3좌표 검출의 변환 데이터는 표 4와 같다.
표 4: 두 번째 3좌표 검출 변환 데이터 [단위:(도)] 그림
3) 데이터 분석. 구멍의 주요 오프셋 방향은 음의 X 방향과 양의 Y 방향이며 피치 원의 원형도가 좋습니다. 이 처리 방법을 기반으로 위치 결정 정도가 어느 정도 향상되었습니다.
(3) 2차 개선 방법 위의 방법을 바탕으로 3차 위치 가공 테스트를 진행하였고, 이송 방식을 테이블 이송으로 변경하였다.
1) 3좌표 검출 결과. 최대 위치 값은 0.0269mm이고, 12개 홀의 피치 진원도는 0.0106mm입니다(표 5 참조).
표 5: 세 번째 3좌표 검출 데이터 사진
2) 데이터 정렬. 세 번째 3좌표 검출의 변환 데이터는 표 6과 같다.
표 6: 세 번째 3좌표 검출 변환 데이터 [단위:(도)] 그림
3) 데이터 분석. 구멍의 피치 진원도가 더 좋습니다. 이 가공 방법은 타이로드 구멍의 위치를 크게 향상시킵니다.
2.2 난공 가공에 관한 연구
터빈 4단 임펠러 재질은 21501-5(공장급)으로 Cr, Ni 함량이 높고 소재 절삭 성능이 좋지 않으며 타이로드 구멍의 길이 대 직경비가 5배를 초과합니다. 직경이 작아 보링 가공이 어렵습니다.
이 테스트는 임펠러의 균일한 재료 테스트 블록을 기반으로 하며 장비와 동일한 보링 및 밀링 머신이 사용됩니다.
1) Walter 모듈식 보링 툴바. 종횡비가 큰 구멍을 가공하기 위해 기존 보링 공구를 사용할 경우 표면 진동 패턴이 뚜렷하고 가공이 이상적이지 않습니다. 절단 매개변수는 표 7에 나와 있습니다.
표 7 절단 매개변수 1
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2) 진동 방지 보링 툴바를 선택하십시오. 절삭 매개변수는 표 8에 나와 있습니다. 교세라 인서트는 사용 중에 빨리 마모되므로 진동 방지 댐핑 보링 툴바 + Taguk TCMT 110204 FG CT3000(또는 샌드빅 코로만트 TCGT 110204L-K1125)을 조합하여 이러한 깊은 홀을 가공합니다. 가공 품질 비교가 좋습니다. 표면 품질 비교는 그림 6과 7에 나와 있습니다.
표 8 절단 매개변수 2
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그림 6: 표면 품질이 좋지 않음
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그림 7: 표면 품질 향상
#03
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터빈 임펠러에 고정밀 타이로드 홀 가공 기술 적용
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3.1 클램핑 계획
임펠러는 앵글철 장착판 방식을 채택하고 수직으로 고정됩니다. 클램핑하기 전에 앵글 아이언의 수직 표면이 공작 기계의 Z축과 수직인지 확인하십시오. V형 블록의 높이와 임펠러의 전체 치수를 기준으로 패드 블록의 위치를 계산하고 결정합니다. 공작물과 접촉하는 모든 위치는 구리 도금 철로 보호됩니다(그림 8 참조).
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그림 8 터빈 임펠러 클램핑 방법
체결 후 임펠러 압력판 위치를 단면 좌우 4개소에 오차 0.01mm 이하로 정렬합니다.
3.2 처리 경로
터빈 임펠러 타이로드 구멍의 가공 경로는 바닥 구멍 드릴링 → 황삭 보링 → 정밀 보링입니다. 첫째, 타이로드 구멍의 가공 및 준정삭을 완료하기 위해 전통적인 정렬 방법이 사용됩니다. 둘째, 레버 다이얼 표시기와 공작 기계의 X축, Y축을 사용하여 각각 A, B, C, D의 길이 데이터를 측정합니다(그림 9 참조). 내경 마이크로미터를 사용하여 두 개의 구멍 직경 D1(Ø42.3mm)과 D2(Ø42.3mm)를 측정합니다. 4mm).
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그림 9 좌표 보상 데이터
X축 오프셋은 [(A-D1/2)-(B-D2/2)]/2이고, Y축 오프셋은 [(C-D1/2)-(D-D2/2)]입니다. / 2.
그림 9의 데이터는 실제 가공 시 측정된 데이터이다. /2= 0.025(mm), 즉 공작기계 X축 영점 위치가 양의 방향으로 0.025mm만큼 조정됩니다. Y축: 321.25 ‐ (42.4/2)=300.05 (mm), 321.33 ‐ (42.3/2)=300.18 (mm), Y축 오프셋 (300.18 ‐ 300.05) / {{ 24}}.065(mm), 즉 공작기계 Y 축 영점 위치는 음의 방향으로 0.065mm 조정됩니다.
마지막으로 위의 계산을 통해 공작물 원 중심 X는 양의 방향으로 {{0}}.025mm, 음의 방향으로 Y가 0.065mm 조정된 것으로 결론지었습니다. 새로운 원 중심을 얻어 12홀 정삭 가공을 실시합니다.
3.3 적용 효과
이러한 공정을 통해 가공된 타이로드 구멍이 있는 임펠러의 경우 단면 치형 셀프 센터링 메쉬 후 인접한 2단 임펠러의 타이로드 구멍의 동축성이 높아 타이로드의 삽입이 자유롭게 가능하며 가스터빈의 로터가 성공적으로 조립되었습니다.
#04
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결론
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가스 터빈 임펠러의 고정밀 타이로드 홀 가공 기술에 대한 연구는 가스 터빈 로터 조립을 보장합니다. 동시에 이 공정은 다양한 유형의 축 배열 구멍 가공에 널리 사용될 수 있어 부품 가공 품질을 효과적으로 향상시키고 제품 조립 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
