KR20010049364A - 시일 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 축방향 시일 조립체(S)는 가스 터빈 로터(R)의 인접 휠(14, 16, 18, 20)과 스페이서(30, 32, 34) 사이의 계면에 제공되고, 상기 로터 테두리에 인접한 로터의 개구를 관통하고 열 매체를 운반하는 관(58) 주위에 배치된다. 각 시일 조립체는 열 매체 운반 관(58)의 랜드(70)를 지지하기 위한 지지 부싱(80)과, 대향 개구에 배치된 축방향으로 정렬된 시트 부싱과, 상기 시일 부싱 및 시트 사이의 절두원추형 시일(84)을 구비한다. 상기 시일 부싱은 시일의 외경 연부(93)를 보유하기 위한 환상 요부(90)를 갖는 방사방향 플랜지(88)를 구비하는 반면, 시트 부싱은 시일의 내경 연부(98)에 의해 체결하기 위한 시트를 형성하는 축방향 환상면(96)을 갖는다.

Description

시일 조립체{AXIAL SEAL SYSTEM FOR A GAS TURBINE STEAM-COOLED ROTOR}

본 발명은 로터의 테두리를 따라 그것에 인접하게 대체로 축방향으로 공급되고 복귀되는 열 매체로 냉각되는 버킷을 갖는 로터를 구비한 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 축방향으로 적층된 휠 및 스페이서 사이의 결합부에서 열 매체를 운반하는 관을 축방향으로 밀봉하여, 휠 및 스페이서로부터 관을 단열시키는 공동과 휠 및 스페이서 사이의 결합부를 둘러싸는 공동 사이를 밀봉하는 시일 조립체에 관한 것이다.

가스 터빈에 있어서, 로터는 서로 교차 관계로 함께 볼트 결합된 축방향으로 적층된 휠 및 스페이서로 형성되는 것이 통상적이다. 휠은 원주방향 이격 버킷을 그 원주 둘레에 설치하고 있는 반면, 스페이서는 노즐과 방사방향의 반대편에 위치되고, 버킷 및 노즐은 고온 가스 경로에 존재하며 그것의 일부를 형성한다. 상기 고온 가스 경로에서 연소 생성물의 흐름에 의해 로터가 그의 축을 중심으로 회전한다.

보다 진보된 가스 터빈의 구조에 있어서, 제 1 단, 바람직하게는 제 1 및 제 2 단의 버킷은 열 매체에 의해 냉각되는 바, 이 열 매체는 보어 관 조립체를 축방향으로 통과하고, 로터의 후미 디스크에서 방사방향 공급 관의 외측으로 흐르며, 적층된 휠 및 스페이서내의 정렬된 개구를 통과하는 축방향으로 연장되고 원주방향으로 이격된 다수의 관을 통해 전방으로 흐른다. 소모된 열 유체는, 열 매체를 보어 관 조립체로 복귀시키기 위해 방사방향 복귀 관과 연통하는 다수의 원주방향 이격 복귀 관에 의해 제 1 및 제 2 단으로부터 로터의 테두리를 따라 후미 디스크쪽으로 복귀된다. 로터 구조체가 터빈의 운전 개시중에 가열됨에 따라, 휠 및 스페이서의 테두리 영역은 온도 변화로 인하여 서로 가깝게 이동한다. 다시말하면, 휠 및 스페이서의 테두리가 서로를 향하여 이동하도록 타이 볼트가 배치된 경우, 로터의 테두리는 로터의 내부보다 신속히 가열된다. 이러한 현상은 로터 클랩(rotor clap)으로서 공지되어 있다. 로터 구조체가 정상 상태의 작동 온도에 접근함에 따라, 이러한 로터 클랩은 감소되고 결국 사라진다. 그러나, 운전 개시 및 정상 상태의 운전중에, 휠 및 스페이서의 개구 내부의 관을 둘러싼 공동과 시일을 둘러싼 공동 사이의 시일을 유지하는 것이 필수적이다. 이러한 요건에 따라, 운전 개시중에 로터의 열 성장에 의해 야기되는 상당한 압축 이동력을 흡수하기에 충분할 정도로 유순하면서도, 정상 작동 운전중에 상당한 횡방향 원심력에 저항할 수 있을 정도로 충분히 견고한 시일이 필요하다. 또한, 압축 이동력이 제거되고 터빈이 정상 상태의 운전에 접근함에 따라, 시일은 그것의 최초의 조립 위치로 복귀하여야 한다. 다라서, 시일은 고 원심력 하중하에서 지탱하기에 충분한 정도로 방사방향으로 강하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 터빈 로터 조립체의 휠 및 스페이서의 축방향 대향면 사이에 또 열 매체 운반 관의 주위에 시일 조립체의 장소가 제공된다. 시일 조립체는 관 주위의 휠 및 스페이서 개구내의 공동과 휠 및 스페이서의 정합면 사이의 시일의 외부에 있는 공동 사이를 효과적으로 밀봉함과 아울러, 터빈 운전개시 및 고 원심력 하중의 작용중에 그리고 정상 상태의 운전중에 높은 압축 응력을 조정한다. 터빈을 둘러싼 공동과 시일을 둘러싼 공동 사이에 본 발명의 시일을 배치하면, 시일을 둘러싼 공동내의 매체, 바람직하게는 보어 냉각 공기인 매체가 관을 둘러싼 공동에 진입하거나 공동으로부터 빠져나오는 것이 방지된다. 공동 사이의 공기 전달은 관을 둘러싼 공동을 통해 흐름을 유발하며, 그에 따라 관으로부터 휠 및 스페이서로의 열전달을 상당히 증가시킨다. 관으로부터 휠 및 스페이서로의 열 전달의 증가는 로터 파손의 원인이 된다. 이것을 달성하기 위해, 본 발명은 지지 부싱, 시일 요소 및 시트 부싱을 포함하는 시일 조립체를 제공한다. 각 지지 부싱은 그의 말단면에 인접한 스페이서에 달려 있고, 열 매체 운반 관을 배치하기 위한 지지부를 제공한다. 지지 부싱은 휠과 스페이서 사이의 계면의 영역에 방사방향 외향의 플랜지를 구비한다. 시트 부싱은 대향 휠의 말단면을 통해 축방향 정렬 개구에 배치되고, 환상의 축방향 지지면상에 장착된 방사방향 플랜지를 구비한다. 절두원추형 시일 요소는 지지 부싱과 시트 부싱 사이에서 연장된다. 바람직하게는, 시일 요소의 큰 직경은 시일 부싱의 요부에 지탱하며, 내부의 작은 직경은 시트 베어링의 환상 지지면에 지탱한다. 지지 부싱의 플랜지의 외부 가장자리를 따라 보유 플랜지 또는 멈춤부를 제공하여, 휠 및 스페이서가 서로를 향해 축방향으로 이동할 때 시일 요소를 지지함으로써 고 압축력을 흡수할 수 있다. 터빈이 정상 상태의 운전을 향해 이동함에 따라, 로터 클랩은 감소되고 시일은 그것의 최초의 조립 상태로 복귀한다. 그러한 상태에서, 시일 요소는 방사방향으로 강하게 되어 로터의 회전에 의해 야기되는 고 원심력 장(centrifugal field)을 흡수한다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 축방향으로 적층된 로터 휠과, 로터의 회전축으로부터 이격된 정렬 개구로 이루어진 로터를 구비하며, 상기 정렬 휠 및 스페이서는 축방향으로 연장된 관을 수납하는 가스 터빈에서, 상기 휠중 하나와 스페이서중 하나의 계면에서 관 주위에 시일 조립체가 제공되고, 상기 시일 조립체는, 휠 및 스페이서중 하나에 있는 제 1 개구에 부분적으로 수납된 것으로 상기 휠 및 스페이서중 다른 하나의 대향면과 축방향으로 정렬된 환상 요부를 갖는 대체로 방사방향 연장 플랜지를 구비한 대체로 환상 시일 지지부와; 상기 제 1 개구와 축방향으로 대향된 다른 휠 및 스페이서의 제 2 개구에 부분적으로 수납된 것으로 시일 지지부와 부싱 사이에 시트 및 시일을 구비한 시트 부싱을 포함하며, 상기 시일은 그의 요부에서 시일 지지부를 체결하는 방사방향 외측 연부와, 시일 지지부와 시트 사이를 밀봉하기 위해 시트를 체결하는 방사방향 내측 연부를 갖는 환상 절두원추형 요소를 구비한다.

도 1은 터빈 부분과 냉각 열 매체를 버킷에 공급하기 위한 열 매체 운반 관을 도시한 가스 터빈의 일부분의 단면도,

도 2는 도 1의 터빈 단의 일부분을 확대 도시한 것으로, 본 발명에 따른 시일 조립체의 위치를 도시한 도면,

도 3은 스페이서 및 휠의 대향면 사이의 시일 조립체를 도시한, 열 이동 매체 운반 관의 일부분의 확대 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 시일 조립체의 바람직한 실시예의 확대 부분 단면도,

도 5a는 도 4의 시일 조립체의 지지 부싱 형성 부분의 사시도,

도 5b는 지지 부싱의 축방향 단부도,

도 5c는 도 5b의 5C-5C 선을 따라 절단한 단면도,

도 6a는 시일 조립체를 구비한 밀봉 요소의 축방향 단부도,

도 6b는 도 6a의 6B-6B 선을 따라 절단한 단면도,

도 6c는 도 6a의 시일 요소의 사시도,

도 7a는 시일 조립체의 일부분을 형성하는 시트 부싱의 축방향 단부도,

도 7b는 도 7a의 7B-7B 선을 따라 절단한 단면도,

도 7c는 시트 부싱의 사시도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

14, 16, 18, 20 : 로터 휠 30, 32, 34 : 스페이서

58 : 관 62, 64 : 개구

80 : 시일 지지부 82 : 시트 부싱

84 : 시일 88, 92 : 플랜지

도 1을 참조하면, 본 발명을 구체화한 터빈 부분이 도시되어 있다. 이 터빈 부분(10)은 터빈 로터(R)를 포위한 터빈 하우징(12)을 구비한다. 본 실시예에서, 로터(R)는 다수의 원주방향 이격 버킷 또는 블레이드(22, 24, 26, 28)를 각각 구비한 휠(14, 16, 18, 20)로 표시된 4개의 연속 단을 구비한다. 휠은 스페이서(30, 32, 34) 사이에 교대로 배열된다. 스페이서(30, 32, 34)의 외부 테두리는 다수의 스테이터 블레이드 또는 노즐(36, 38, 40)과 방사방향으로 정렬된 상태로 배치되며, 제 1 세트의 노즐(42)은 제 1 단 버킷(22)의 전방에 배치된다. 따라서, 제 1 단은 노즐(42) 및 버킷(22)을 포함하며, 제 2 단은 노즐(36) 및 버킷(24)을 포함하고, 제 3 단은 노즐(38) 및 버킷(26)을 포함하며, 제 4 단은 노즐(40) 및 버킷(28)을 포함하는 4단 터빈을 도시하였다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 로터 휠 및 스페이서는 휠 및 스페이서내의 정렬 개구를 통과하는 다수의 원주방향 이격 볼트(44)로 서로 고정된다. 다수의 연소기[하나가 참조번호(45)로 도시됨]를 터빈 부분의 주위에 배열하여 로터의 회전을 위해 노즐 및 버킷이 배치된 터빈 부분의 고온 가스 경로를 통해 고온 연소 가스를 공급한다. 또한, 로터는 보터 관 조립체(48)와 일체로 형성된 후방 디스크(46)를 구비한다.

2개의 제 1 단의 버킷(22, 24)중 적어도 하나, 바람직하게는 양자에 냉각용 열 매체, 바람직하게는 냉각 증기를 공급한다. 냉각 증기를 공급하여 보어 관 조립체(48)를 통해 복귀시킨다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 바람직한 실시예에 있어서, 보어 관 조립체는 증기 플리넘(52)으로부터 후방 디스크(46)에 제공된 다수의 방사방향 연장 공급 관(54)쪽으로 흐르도록 냉각 증기를 공급하는 환상 통로(50)를 구비한다. 상기 공급 관(54)은 제 1 및 제 2 단 버킷에 있는 냉각 통로(도시 안됨)와 연통하는 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장된 열 매체 공급 관(56)과 연통한다. 상승된 온도에서 소비되거나 복귀된 냉각 증기는 제 1 및 제 2 단의 버킷으로부터 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장된 다수의 열 매체 복귀 관(58)을 통해 흐른다. 복귀 관(58)은 그것의 후방 말단에서 방사방향 내측으로 연장된 복귀 관(60)과 연통한다. 상기 복귀 관(60)은 복합 사이클 시스템에 사용하도록 공급 관 또는 증기 터빈쪽으로 냉각 매체를 복귀시키기 위해 보어 관 조립체(48)의 중앙 보어로 통한다.

전술한 설명으로부터 축방향 연장 공급 관(56) 및 복귀 관(58)이 각각 로터의 테두리에 인접하게 배치된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 각각의 공급 관 및 복귀 관은 축방향으로 적층된 휠 및 스페이서를 통해 축방향으로 정렬된 개구(62, 64)를 통하여 각각 연장된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 복귀 관(58)이 도시되어 있다. 공급 관 및 복귀관은, 달리 언급하지 않는 한 유사하므로, 하나의 설명이 시일 조립체를 설명하기 위한 목적으로서 다른 하나의 설명으로서 충분할 것이다. 각각의 관은 관의 길이를 따라 축방향으로 이격된 장소에 다수의 상승된 랜드(70)를 구비한 얇은 벽 구조체를 포함한다. 랜드(70)의 축방향 위치는 휠 및 스페이서를 통해 개구에 부분적으로 배치된 시일 조립체의 지지 부싱의 위치와 일치한다. 랜드 사이에 관의 얇은 벽 부분(72)이 위치한다. 도 3으로부터, 랜드(70)의 외부면이 얇은 벽 부분(72)의 외부면의 방사방향 외측에 위치한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 활모양 외부면을 갖는 변형 부분(74)이 각 랜드(70)와 인접한 얇은 벽 부분(72) 사이에 제공된다. 관이 휠 및 스페이서를 통해 개구의 원통형 표면으로부터 방사방향 내측으로 이격됨으로써 단열 공동(76)을 규정한다는 것을 주목하기 바란다. 시일 조립체(S)를 축방향 인접 휠 및 스페이서의 계면에 제공하여 공동(76)과 관을 포위한 휠 및 스페이서 사이의 공동(78) 사이를 밀봉한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 시일 조립체가 복귀 관에 제공되고, 이것은 휠(16)과 스페이서(32), 스페이서(32)와 휠(18), 휠(18)과 스페이서(34) 및 스페이서(34)와 휠(20) 사이의 계면에 배치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 그리고 도 4를 참조하면, 각 시일 조립체(S)는 시일 지지부, 바람직하게는 지지 부싱(80), 시트 부싱(82) 및 시일(84)을 구비한다. 각 지지 부싱(80)은 개구(64)에 형성된 그의 관련 스페이서(32)의 카운터보어에 수납된 슬리브(86)를 구비한다. 또한, 각 지지 부싱(80)은 관의 랜드(70)와 일치하는 축방향 장소에 배치되며, 축방향 위치에서 관을 지지한다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 부싱(80)은 개구(64)의 카운터보어를 지나 축방향으로 배치된 슬리브(86)의 말단에 인접한 방사방향의 축방향 배향 플랜지(88)를 구비한다. 또한, 플랜지(88)의 축방향 말단면은 시일(84)의 외부 직경방향 연부를 수납하기 위한 환상 요부(90)를 구비한다. 플랜지(88)의 외부 가장자리(92)는 후술하는 바와 같이 시일(84)의 멈춤부로서 기능한다.

도 7a 내지 도 7c에 도시된 시트 부싱(82)은 지지 부싱(80)의 슬리브(86)의 내경보다 큰 내경을 갖는 슬리브(94)를 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 랜드(70)는 얇은 벽 부분(72)이 시트 부싱(82) 내부에 배치되고 그것으로부터 이격되도록 얇은 벽 부분(72)으로 변환된다. 시트 부싱(82)은 부싱(80)의 플랜지(88)의 축방향 반대편에 축방향 지지면(96)을 설치한 확대된 방사방향 플랜지를 구비한다. 이 지지면(96)은 시일(84)의 내경 연부(98)의 시트로서 기능한다.

도 6a 내지 6c를 참조하면, 시일(84)은 그의 내경(98)과 외경(93) 사이에 연장된 얕은 절두원추형 부분을 포함한다. 시일 요소(84)의 내부면과 로터 축에 직교하는 평면을 따라 형성된 각도(α)는 약 13°이고, 그 범위는 12 내지 15°이다. 따라서, 그 각도는 얕다.

도 4로부터 지지 부싱(80) 및 시트 부싱(82)은 최초의 조립시에 서로 축방향으로 이격된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 시일(84)은 환상 요부(90) 내부에 배치되고, 그것의 외경 연부는 요부내에 놓이며 외부 멈춤부 또는 플랜지(92)에 기댄다. 내경 연부(98)는 압축력에 의해 환상 시트(96)에 지탱한다. 터빈의 운전 개시중에, 휠 및 스페이서는 가열될 경우 로터의 열 성장에 반응하여 서로를 향하여 이동하는 경향이 있다. 부싱을 서로를 향해 이동시키는 경향이 있는 상당한 압축력은 시일 요소에 의해 흡수된다. 운전 개시 후에 터빈이 정상 상태의 작동에 접근함에 따라, 시일 조립체는 그의 최초의 조립 상태로 복귀한다. 그러나, 정상 상태의 작동중에, 상당한 원심 하중이 터빈 로터의 테두리 및 시일에 가해진다. 그러나, 시일 조립체의 절두원추형 환상의 형상은 이러한 고 원심 하중에 견디기에 충분한 강도를 제공함과 동시에 시일로서의 기능을 수행한다.

지지 부싱 및 시트 부싱은 각각 스페이서 및 휠의 카운터보어에 반드시 장착할 필요가 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 휠 및 스페이서는 지지 부싱 및 시트 부싱을 각각 설치한다. 또한, 시일 조립체가 제 2 단의 휠(16)과 스페이서(32) 사이에, 스페이서(32)와 제 3 단의 휠(18) 사이에, 제 3 단의 휠(18)과 스페이서(34) 사이에 그리고 스페이서(34)와 제 4 단의 휠(20) 사이에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 시일 조립체는 다른 장소에 배치될 수도 있다.

가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시한 실시예에 제한되지 않으며, 그 반대로 첨부된 청구범위의 정신 및 범위내에 포함되는 각종 수정 및 동일 구조를 포함하고자 의도한다.

본 발명의 시일 조립체는 관 주위의 휠 및 스페이서 개구내의 공동과 휠 및 스페이서의 정합면 사이의 시일의 외부에 있는 공동 사이를 효과적으로 밀봉함과 아울러, 터빈 운전개시 및 고 원심력 하중의 작용중에 그리고 정상 상태의 운전중에 높은 압축 응력을 조정하고, 냉각 매체가 관을 둘러싼 공동에 진입하거나 공동으로부터 나오는 것을 방지한다.

Claims (7)

1. 축방향으로 적층된 로터 휠(14, 16, 18, 20) 및 스페이서(30, 32, 34)와 상기 로터의 회전축으로부터 이격된 정렬 개구(62, 64)로 이루어진 로터(R)를 구비하며, 상기 정렬된 휠 및 스페이서는 축방향으로 연장된 관(58)을 수납하고 있는, 가스 터빈 로터에서, 상기 휠중 하나(18)와 상기 스페이서중 하나의 계면에서 상기 관의 주위에 있는 시일 조립체에 있어서,

   상기 휠중 하나의 제 1 개구 안에 부분적으로 수납된 것으로 상기 휠 및 스페이서중 다른 하나의 대향 면과 축방향으로 정렬된 환상 요부를 갖는 대체로 방사상 연장 플랜지를 구비한 대체로 환상 시일 지지부(80)와,

   상기 제 1 개구의 축방향 반대편의 상기 다른 휠 및 스페이서의 제 2 개구 안에 부분적으로 수납되고 시트를 구비한 시트 부싱과,

   상기 시일 지지부와 상기 부싱 사이의 시일(84)로서, 상기 시일 지지부의 요부에 체결되는 방사방향 외측 연부와 상기 시일 지지부와 상기 시트 사이를 밀봉하기 위해 상기 시트에 체결되는 방사방향 내측 연부(98)를 갖는 환상의 절두원추형 요소를 구비한, 상기 시일을 포함하는

   시일 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지부는 상기 시일의 외부 제한 멈춤부를 형성하는 상기 다른 휠 및 스페이서를 향해 돌출된 상기 요부 주위의 방사방향 외부 플랜지(92)를 구비하는

   시일 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 시일 지지부 및 상기 시일 부싱 지지부중 하나는 상기 관을 지지하는

   시일 조립체.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 시일 지지부 및 상기 부싱중 다른 하나는 상기 관으로부터 이격되어 있는

   시일 조립체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 시일 지지부 및 상기 시일 부싱 지지부중 하나는 상기 관을 지지하고 있고, 상기 시일 지지부 및 상기 시일 부싱중 다른 하나는 상기 관으로부터 이격되어 있으며, 상기 시일 지지부의 축방향 반대편의 상기 시트 부싱의 환상 지지면에 지탱하는 상기 시일의 방사방향 내측 연부(98)는 상기 시일을 축방향으로 순응 및 압축 가능하게 하는

   시일 조립체.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 절두원추형 시일은 상기 로터의 축에 직교하고 상기 시일을 통과하는 평면과 얕은 협각을 형성하는

   시일 조립체.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 관은 상기 휠 및 상기 스페이서중 하나의 개구로부터 이격되어 그 사이에 공기 틈새를 형성하고, 상기 시일은 상기 공기 틈새 사이와 상기 시일 조립체 주위의 상기 휠 및 스페이서 사이의 공동을 밀봉하는

   시일 조립체.