JP2024059591A

JP2024059591A - 振動及び３ｄプリンティングを用いたラビリンスシーリング装置の製造方法

Info

Publication number: JP2024059591A
Application number: JP2023178547A
Authority: JP
Inventors: キカン，ヒョン; ホチョン，テク
Original assignee: ターボパワーテクカンパニーリミテッド
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2023-10-17
Publication date: 2024-05-01
Also published as: KR102517073B1

Abstract

【課題】組織の微細化と共に融着不良の減少及び接合力の向上を期待できるタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法を提供する。【解決手段】ラビリンスシーリング装置３００の製造方法は、タービンのダイヤフラムとタービンローターとの間に装着されるラビリンスシーリング装置３００を製造する方法である。ラビリンスシーリング装置３００は、リング状の胴体３１０と、リング状の胴体３１０の一面に突出するラビリンス部３２０とを含む。リング状の胴体３１０は遠心鋳造又はリングミルで製造し、ラビリンス部３２０は、３Ｄプリンティングによって製造することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明はタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法に関し、より詳細には、タービンのダイヤフラムとタービンローターとの間に装着されるラビリンスシーリング装置を製造することにおいて、胴体は、リングミル又は遠心鋳造で製造し、突出部であるラビリンス部は、３Ｄプリンティングを用いて積層時に超音波振動によって胴体にラビリンス部を積層して製造することを特徴とする振動及び３Ｄプリンティングを用いたラビリンスシーリング装置の製造方法に関する。

タービンは、流体の流れからエネルギーを抽出して運動エネルギーに切り替える回転式機械装置である。水蒸気を使用する蒸気タービン（ｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅ）、可燃性ガスを使用するガスタービン（ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ）などの作動原理、構造に応じて様々な種類がある。

一般に、発電用タービンを用いて電力を生産することにおいて、ボイラから生成された高温高圧の蒸気がタービンストップ弁（ｓｔｏｐｖａｌｖｅ）及びコントロール弁（ｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅ）を経由してタービンケーシング内に流入され、ケーシング内に流入した蒸気は、ダイヤフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）を経てタービンローターに組み立てられた回転翼（ＭｏｖｉｎｇＢｌａｄｅ）を回転させることで、タービンローターによって発電機が回転しながら電力が取得される。

ここで、ダイヤフラムは、流入した蒸気又はガスが最適な蒸気方向を有する蒸気の流れ（ＳｔｅａｍＦｌｏｗ）になるように誘導し、タービンローター（ＴｕｒｂｉｎｅＲｏｔｏｒ）に組み立てられた回転翼を回転させる役割を果たす。

このようなタービンでタービンローターのような回転体及びタービンローターを外部で取り囲んでいるダイヤフラムのような固定体間のシーリング部で発生する蒸気の漏れはタービンの効率を低下させ、燃料コストを増加させるという主な要因であるため、蒸気の漏れを減らすためのシーリング装置の設計技術は極めて重要である。

ここで、蒸気又はガスタービンのような高温及び高圧タービンに使用されるステンレス素材のシーリング装置は、蒸気やガスの漏れを防止して発電機のエネルギー生産効率を上昇させ、流体による回転体の振動防止に重要な役割を果たす。

ここで、タービンローターのような回転体がダイヤフラムのような固定体内で回転するとき、相互間の摩擦を最小化してタービンローターの回転を円滑に誘導しながらもガスの漏れを防止するために、非接触式シーリング装置をタービンローターとダイヤフラムとの間に装着して使用している。

代表的な非接触式シーリング装置として、ラビリンスシーリング装置が挙げられる。

ラビリンスシーリング装置は、リング状の胴体と前記胴体の一面に突出したトゥース（Ｔｏｏｔｈ）が形成されているもので、ラビリンスとタービンローターとの間に渦流を形成させることにより気密が保持されると同時に、複雑に突出している形態のトゥースとタービンローターとの間に接触されないことから、タービンローターの回転も容易にするものである。

ラビリンスシーリング装置の従来技術について、本出願が２０１４年０４月０８日付で出願し、第１０－１４４２７３９号（登録日付２０１４年０９月１５日）に登録された韓国の登録特許公報において、タービンのケーシングとケーシングの内側で回転する回転体との間に漏れる流体の流れを密封するよう前記ケーシングに備えられたシーリング部と、前記シーリング部に備えられ、前記回転体の外周を取り囲むように配置されている複数のブリストルを含むブラシ部と、前記回転体の外周に沿って流動される前記流体の流れを遮断するように前記ブラシ部の前方側に予め設定されている間隔に離隔配置されるショック防止部と、前記ブラシ部の後方側を支持するように備えられ、前記流体の流入方向から流出方向に行くほど前記ケーシング側に上向き傾斜するように備えられた複数のガイドホールが貫通形成されるブリストルプレートを含み、前記ショック防止部は、前記ブラシ部に対向する後方面に沿って上向きの流体が絞られるよう後方側に突設された複数の絞り突起と、前記ショック防止部の上下方向に多段配置された前記各絞り突起との間を連結する絞り溝部を含み、前記各ガイドホールは、前記ブリストルプレートの上下方向及び円周方向に沿って配置され、前記ブリストルプレートの最上部側に形成された前記ガイドホールの流体流入口は、前記ショック防止部の最上部側に形成された前記絞り突起の配置の高さ以上の高さに配置されることを特徴とするブラシシーリング装置が登録公開されている。

更なる従来技術として、本出願人が２０１４年０５月２９日付で出願して第１０－１４４９４７３号（登録日付２０１４年１０月０２日）に登録された韓国登録特許公報において、タービンのケーシングと前記ケーシングの内側で回転する回転体との間で流出される流体の流れをシーリングするように、前記ケーシングの内周に備えられたシーリング部に備えられるタービン用ブラシシーリング装置であって、前記回転体の外周に沿って流動される前記流体の一部をシーリングするように、前記シーリング部の下側に延びるショック防止部と、前記ショック防止部の後面に配置される深部材と、前記深部材の後面によって前方面が加圧されるように配置され、前記回転体の外周を取り囲むように配置された複数のブリストルを含むブラシ部と、前記ブラシ部の後方側を支持するように備えられるブリストルプレートと、前記ショック防止部に結合され、前記深部材を加圧する加圧調整手段を含み、前記深部材は、前記加圧調整手段によって加圧される高硬度の金属材質で備えられた加圧層と、前記加圧層によって加圧されて前記ブラシ部と接触する低硬度の金属材質で備えられた弾性層を含むことを特徴とするタービン用ブラシシーリング装置が登録公開されている。

しかし、従来におけるラビリンスシーリング装置は、遠心鋳造又はリングミルによってリング状の胴体を形成した後、ラビリンスのトゥースを加工ツールで削って作る過程において、素材の無駄使いが発生することで生産原価が高まるという短所があり、また、トゥースの形態を製造することが容易ではなく、製造期間が長くなるというなど、生産性が良くないという短所があった。

韓国登録特許公報第１０－０８７６６０３号（登録日２００８年１２月２３日）韓国登録特許公報第１０－１４４２７３９号（登録日２０１４年０９月１５日）韓国登録特許公報第１０－１４４９４７３号（登録日２０１４年１０月０２日）韓国登録特許公報第１０－１５４６３８５号（登録日２０１５年０８月１７日）韓国登録特許公報第１０－１９５０９２４号（登録日２０１９年０２月１５日）韓国登録特許公報第１０－２２９３１８６号（登録日２０２１年０８月１８日）

本発明は、上述した問題を解決するために案出されたもので、リング状の胴体を製造した後、前記リング状の胴体に突出するラビリンス部は３Ｄプリンティングにより製造することで、素材及び加工コストを削減して生産性を向上させることができ、また、胴体にラビリンス部の積層時に振動及び遠赤外線加熱を介して接合することで、組織の微細化と共に融着不良の減少及び接合力の向上を期待できるタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法を提供することにその目的がある。

本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法は、タービンローターのような回転体がダイヤフラムのような固定体内で回転するとき、相互間の摩擦を最小化してタービンローターの回転を円滑に誘導しながらもガスの漏れを防止するために、タービンのダイヤフラムとタービンローターとの間に装着されているラビリンスシーリング装置の製造方法において、前記ラビリンスシーリング装置は、リング状の胴体と、前記リング状の胴体の一面に突出するラビリンス部で形成され、前記リング状の胴体は、遠心鋳造又はリングミルで製造し、前記ラビリンス部は３Ｄプリンティングによって製造することを特徴とする。

上述したように本発明における３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法は、遠心鋳造又はリングミルによってリング状の胴体を製造した後、前記リング状の胴体に突出するラビリンス部（又は、トゥース）は３Ｄプリンティングで製造することによって、素材及び加工コストを削減して生産性を向上させることができ、また、ラビリンス部を３Ｄプリンティングで製造するために使用環境に応じてラビリンス部の形態を様々に製造できるなどの著しい効果があり、特に、胴体にラビリンス部を積層するとき振動及び遠赤外線加熱を介して積層することで、組織の微細化と共に融着不良の減少と接合力の向上などの著しい効果がある。

タービンにシーリング装置が装着された状態を示す断面図である。図１に示す一部分の拡大詳細概要図である。本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法によるラビリンスシーリング装置の断面概要図である。本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法によるラビリンスシーリング装置がタービンに装着された状態を示す一部分の拡大詳細断面図である。本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法の更なる実施に係るラビリンスシーリング装置の断面概要図である。

本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法は、タービンローター１００のような回転体がダイヤフラム２００のような固定体内で回転するとき、相互間の摩擦を最小化してタービンローター１００の回転を円滑に誘導しながらもガスの漏れを防止するために、タービンのダイヤフラム２００とタービンローター１００との間に装着されるラビリンスシーリング装置の製造方法において、前記ラビリンスシーリング装置３００は、リング状の胴体３１０と、前記リング状の胴体３１０の一面に突出するラビリンス部３２０からなり、前記リング状の胴体３１０は遠心鋳造又はリングミルで製造し、前記ラビリンス部３２０は、３Ｄプリンティングによって製造することを特徴とする。

前記リング状の胴体３１０及びラビリンス部３２０は、レーザクラッディングを通した積層時にリング状の胴体３１０又は積層粉末に超音波振動を加えて積層することを特徴とする。

そして、前記超音波振動は、２ＫＨｚ～１００ＭＨｚの間にすることを特徴とする。

また、前記リング状の胴体３１０及びラビリンス部３２０は、レーザクラッディングを通した積層時にリング状の胴体３１０又は積層粉末に遠赤外線を加えることができることを特徴とする。

また、前記遠赤外線の波長は、１０～１０００μｍの間で行って母材であるリング状の胴体３１０の温度を２５～９００℃内に保持しながらレーザクラッディングを通した積層を行うことを特徴とする。

以下、本発明の３Ｄプリンティングを用いたラビリンスシーリング装置の製造方法を添付した図面を参照して詳細に説明すれば、次の通りである。

図１は、タービンにシーリング装置が装着された状態を示す断面図であり図２は、図１に示す一部分の拡大詳細概要図である。

図１～図２に示すように、従来におけるラビリンス型シーリング装置５は、ケーシングに装着されているダイアフラム３の外部リングと内部リングに設けられている。ここで、前記ラビリンス型シーリング装置５は、タービンの非接触式の環状密封装置で幅広く使われており、鋭いトゥース６でタービン内で流れる流体に絞り作用（ＴｈｒｏｔｔｌｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ）を発生させて漏れ流量を低減させる。即ち、前記トゥース６を流体の流れ方向に沿って順に配列し、前記流体が絞りと拡大を繰り返す過程で発生する圧力降下の効果を介して前記流体の漏れ流量を低減させる。

より詳細内容については、従来技術に記述されている本出願が２０１４年０４月０８日付で出願し、第１０－１４４２７３９号（登録日２０１４年０９月１５日）で登録された韓国登録特許公報を参照する。

しかし、従来におけるトゥース６が形成されているラビリンス形態のシーリング装置は、遠心鋳造によってリング状の胴体を形成した後、ラビリンスを切削ツールで削って作る過程で素材の無駄遣いが激しく、また、ラビリンスの形態を製造することが容易ではなく製造期間が長くなるなど、生産性が良くないという短所があった。

図３は、本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法によるラビリンスシーリング装置の断面概要図、図４は、本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法によるラビリンスシーリング装置がタービンに装着された状態を示す一部分の拡大詳細断面図である。

図３～図４に示すように、本発明のラビリンスシーリング装置３００は、タービンローター１００のような回転体がダイヤフラム２００のような固定体内で回転するとき、相互間の摩擦を最小化してタービンローター１００の回転を円滑に誘導しながらもガスの漏れを防止するために、タービンのダイヤフラム２００とタービンローター１００との間に装着されるラビリンスシーリング装置３００を３Ｄプリンティングを用いて製造する方法に関する。

一般に、ラビリンスシーリング装置３００は、リング状の胴体３１０と、前記リング状の胴体３１０の一面に突出するラビリンス部３２０からなっている。本発明のラビリンスシーリング装置３００は、リング状の胴体３１０は遠心鋳造又はリングミルで製造し、ラビリンス部３２０は３Ｄプリンティングによって製造する。

ここで、リング状の胴体３１０とラビリンス部３２０は一体に製造されず、それぞれ別途の方法で製造されるもので、レーザクラッディングのような積層方式により相互間の巧みな締結又は接合は必須的に行わなければならない。ここで、本出願人は、前記リング状の胴体３１０及びラビリンス部３２０は、レーザクラッディングを通した積層時にリング状の胴体３１０又は積層粉末に超音波振動を加えて接合した。超音波振動は２ＫＨｚ～１００ＭＨｚの間で行う。

より詳細に、最適な超音波を積層部に伝達するために、積層部から０．５～２０００ｍｍ以内に離隔した箇所に振動子（図示せず）を取り付けて母材であるリング状の胴体３１０に振動を与えながらレーザクラッディングを通した積層を行う。即ち、振動子は、溶接される地点から０．５～２０００ｍｍ以内に離隔したリング状の胴体３１０の表面に接触させるようにする。

上述したように、超音波振動と同時にレーザクラッディングを介して積層する場合の長所は、積層部に気孔率を０．０１％以下に減少させると同時に、結晶粒の大きさを既存のレーザクラッディングよりも５０％以下に小さくするために、機械的な特性（硬度、強度、摩耗、疲労、クリープ）が増加する長所がある。

そして、前記リング状の胴体３１０とラビリンス部３２０のより巧みな接合関係をなすために、リング状の胴体３１０又は積層粉末に遠赤外線を加えてもよい。溶融温度が高いインコネル超耐熱素材の場合、凝固速度を調整するために遠赤外線ヒーター波長は１０～１０００ミクロン（μｍ）を用いて母材の温度を２５～９００℃内に保持しながらレーザクラッディング積層を行うようにする。

一方、本発明におけるリング状の胴体３１０はステンレス材で製造され、ラビリンス部３２０はステンレス材質とは異なる異種の材質で製造されてもよい。

本発明において、ラビリンス部３２０を次のような方法で製造することで、ラビリンス部３２０を３Ｄプリンティングによって更に便利に製造すると共に、製造されたラビリンス部３２０をリング状の胴体３１０に巧みに接合してもよい。

リング状の胴体３１０の形状は図３に示された形状に限定されず、胴体３１０に対応するダイヤフラム２００の形状に応じて様々な形状に製造され得る。

図５は、本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法の更なる実施に係るラビリンスシーリング装置の断面概要図である。図５に示すように、更なる実施に係る本発明のラビリンス部３２０は、板材形状のベース３２１と、前記ベース３２１の一面に突出するトゥース部３２２で製造する。前記トゥース部３２２の形状もブラス形態に製造したり、複数の薄い板材の形状など様々な形状に変形して製造してもよい。

このように製造されたラビリンス部３２０は、リング状の胴体３１０にラビリンス部３２０のベース３２１が接触した後、レーザクラッディングのような積層又は接合方式で積層又は接合することで、ラビリンス部３２０とリング状の胴体３１０は巧みな結合関係を有することができる。

特に、本発明のラビリンス部３２０のベース３２１をリング状の胴体３１０と同じ材質で製造することで、本発明のラビリンス部３２０とリング状の胴体３１０は巧みな結合関係を有することができる。

前記トゥース部３２２は、タービンローター１００の材質や形状又はタービンローター１００の性能による仕様に合わせて、ベース３２１とは異なる異種材質のうちの１つを選択して製造してもよい。

一方、前記ラビリンス部３２０と胴体３１０のより巧みな結合関係を有するために、前記ベース３２１と胴体３１０の互いに接触している一面のいずれか１つの面には突出部（図示せず）を形成し、他方の一面には、前記突出部に対応する溝部（図示せず）を形成して組立ブロックのように組み立て、レーザクラッディングの方式で積層又は接合して結合することもできる。

本発明のラビリンス部３２０の胴体３１０及びラビリンス部３２０の詳細な構成としてのベース３２１及びトゥース部３２２は本明細書発明の権利範囲に属する範囲内で様々な形状に変形又は製造可能である。

即ち、本発明において、ラビリンスシーリング装置３００は、リング状の胴体３１０を遠心鋳造又はリングミルによって製造し、前記リング状の胴体３１０の表面に３Ｄプリンティングによりラビリンス部３２０を積層したり、ラビリンス部３２０を別途に３Ｄプリンティングにより製造した後、前記リング状の胴体３１０に接合できる。ここで、積層又は接合の方式でレーザクラッディングを使用するようにする。

上述したように本発明の３Ｄプリンティングを利用したタービンのラビリンスシーリング装置の製造方法は、遠心鋳造又はリングミルによってリング状の胴体を製造した後、前記リング状の胴体に突出するラビリンス部（又は、トゥース）は３Ｄプリンティングで製造することで素材及び加工コストを削減し、生産性を向上させることができ、また、ラビリンス部を３Ｄプリンティングで製造することに使用環境に応じてラビリンス部の形態を様々に製造できるなどの著しい効果があり、特に、胴体にラビリンス部を積層時に振動及び遠赤外線加熱を介して積層することで、組織の微細化と共に融着不良の減少及び接合力の向上などという著しい効果がある。

１００：タービンローター
２００：ダイヤフラム
３００：ラビリンスシーリング装置
３１０：ラビリンス胴体
３２０：ラビリンス部
３２１：ベース
３２２：トゥース部
１：ローター部
２、２０：ケーシング
３：ダイヤフラム
５：ラビリンス型シーリング装置
６：トゥース

Claims

タービンのダイヤフラム２００とタービンローター１００との間に装着されるラビリンスシーリング装置３００の製造方法であって、
前記ラビリンスシーリング装置３００は、リング状の胴体３１０と、前記胴体３１０の一面に突出するラビリンス部３２０とを含み、前記胴体３１０は遠心鋳造又はリングミルで製造し、前記ラビリンス部３２０は、３Ｄプリンティングによって製造することを特徴とする、ラビリンスシーリング装置の製造方法。
前記胴体３１０と前記ラビリンス部３２０は、レーザクラッディングを通した積層時に、前記胴体３１０又は積層粉末に超音波振動を加えて積層することを特徴とする、請求項１に記載のラビリンスシーリング装置の製造方法。
前記超音波振動の周波数は、２ＫＨｚ～１００ＭＨｚの間であることを特徴とする、請求項２に記載のラビリンスシーリング装置の製造方法。
前記胴体３１０と前記ラビリンス部３２０は、レーザクラッディングを通した積層時に、前記胴体３１０又は積層粉末に遠赤外線を加えることができることを特徴とする、請求項３に記載のラビリンスシーリング装置の製造方法。
前記遠赤外線の波長は、１０～１０００μｍの間であり、母材である前記胴体３１０の温度を２５～９００℃内に保持しながらレーザクラッディングを通した積層を行うことを特徴とする、請求項４に記載のラビリンスシーリング装置の製造方法。