KR100534815B1 - 폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체 - Google Patents

폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체 Download PDF

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Abstract

증기 냉각식 제 2 단(stage) 노즐 세그먼트는 그들 사이에 플리넘을 규정하는 외측 밴드 및 외측 커버를 갖는데, 이 플리넘은 노즐을 통해 내측 밴드 및 커버로 유동하고 노즐을 통해 복귀 유동하는 냉각 증기를 수납한다. 노즐 단(nozzle stage)의 전방의 단의 버킷의 온도를 측정하기 위해, 고온계(pyrometer) 보스가 외측 밴드를 통한 개구에 전자 빔 용접되고 외측 커버판에 TIG 용접된다. 보스를 관통하는 구멍을 기계가공하고 보스내에 선형 연장 튜브를 안착시킴으로써, 터빈 프레임에 장착된 고온계와 버킷 사이의 시야 선(a line of sight)이 제공되고 그로 인해 버킷의 온도가 확인될 수 있다. 외측 밴드 및 외측 커버에의 보스의 용접은 증기가 누출없이 플리넘을 통과해 유동할 수 있도록 하면서, 버킷 온도를 측정하기 위한 외측 커버 및 외측 밴드를 관통하는 시야 선을 제공한다.

Description

폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체{A PYROMETER MOUNT FOR A CLOSED-CIRCUIT THERMAL MEDIUM COOLED GAS TURBINE}
본 발명은 노즐 단(nozzle stage)을 냉각시키기 위한 폐회로 열 매체 냉각 시스템(closed-circuit thermal medium cooling system)을 갖는 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 고온 가스 경로내의 가스 터빈 구성요소의 표면 온도를 측정하기 위한 폐회로의 증기 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부에 관한 것이다.
진보된 다중 단(multi-stage) 가스 터빈에 있어서, 노즐 단은 열 매체, 바람직하게는 냉각 증기에 의해 냉각된다. 증기는 외측 밴드의 충돌 냉각을 위해 노즐 단의 외측 밴드내의 플리넘내로 유동한다. 그런 후 증기는 베인을 충돌 냉각시키기 위해 노즐 단의 베인을 통과해 유동하며 또한 내측 밴드를 냉각시키기 위해 내측 밴드내의 플리넘내로 유동한다. 사용된 냉각 증기는 내측 밴드로부터 베인내의 공동 및 외측 밴드를 통해 복귀한다. 노즐 단은 터빈의 고온 가스 경로에 놓임을 알 수 있다. 작동중에 가스 터빈 구성요소의 표면 온도를 모니터하는 것이 필요하며, 특히 고온 가스 경로내에서 회전하는 제 1 단 버킷의 작동 온도를 모니터하는 것이 필요하다.
이를 위해, 고온계(pyrometer)가 사용되며, 이 고온계는 노즐 단 예를 들면 작동 온도가 계측되는 버킷(예를 들면, 제 1 단 버킷)의 하류의 제 2 단의 증기 냉각식 외측 밴드를 통한 시야 선(a line of sight)을 갖는다. 알 수 있는 바와 같이, 외측 밴드 및 커버는 통상적으로 노즐 단을 통한 시야 선을 차단하는 냉각 증기를 수납한다. 즉, 고온계는 증기를 가스 터빈의 구성요소내로 또는 고온 가스 경로내로 누출시키는 일없이 시야 선을 따라 커버 및 노즐 밴드를 통해 볼 수 있어야 한다. 결과적으로, 본 발명은 증기 누출없이 증기 냉각식 노즐을 관통하는 고온계의 시야 선에 대한 요구조건을 다룬다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 고온계의 시야 선이 노즐의 외측 커버 및 외측 밴드를 관통하도록 고온계 장착부가 제공되는 반면 증기 누출없이 장착부와 노즐 단 사이에 조인트가 제공된다. 노즐 단은 로터 축을 중심으로 원주방향으로 배열된 노즐 세그먼트의 어레이로 형성됨을 알 수 있다. 본 발명에 있어서, 선택된 노즐 세그먼트의 외측 커버 및 밴드는, 서로 일치하며 전방 및 원주방향으로 각진 한쌍의 개구를 구비한다. 고온계 보스는 개구내에 위치되며 외측 커버와 외측 밴드 사이에서 연장하여, 외측 밴드의 반경방향 내면을 따라서 고온 가스 유동 경로에서 종단된다. 고온계 보스의 반경방향 내부는 외측 밴드에 전자 빔 용접된다. 특히, 구멍 및 구멍을 통해 수납되는 보스의 축의 원주방향 각도는 노즐 세그먼트의 일 측면으로부터 보스 및 다른 밴드의 가장자리 주위로 전자 빔 용접을 허용한다. 전자 빔 용접 기술을 사용함으로써, 상기 위치에서 비틀림이 감소되고 양호한 용접 품질이 제공된다. 고온계 보스의 반경방향 외측 단부는 외측 커버에 TIG 용접되는 것이 바람직하다. 보스의 반경방향 내측 단부 및 외측 단부 각각의 둘레를 용접함으로써, 보스와 외측 밴드 및 커버 사이에 누출없는 조인트가 제공된다.
노즐 단 세그먼트에 보스를 설치할 때에, 보스는 외측 밴드 및 외측 커버를 통해 일치하는 구멍의 축에 대체로 대응하는 축을 갖는 관통 구멍이 제공되도록 가공된다. 또한, 시트가 보스의 구멍에 제공되어 보스를 터빈 프레임에 장착된 고온계에 연결시키는 튜브를 수납한다. 따라서 제 1 단 버킷의 온도 판정을 용이하게 하는 시야 선이 증기 냉각식 노즐 단의 외측 밴드 및 외측 커버를 통해 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체가 제공되며, 상기 조립체는 내측 및 외측 밴드와 내측 및 외측 밴드 사이에서 연장하는 적어도 하나의 노즐 베인을 갖는 노즐 단 세그먼트로서, 상기 밴드 및 상기 베인은 상기 터빈의 고온 가스 경로내에 놓이는, 노즐 단 세그먼트와; 상기 외측 밴드로부터 이격되고 상기 베인으로부터 멀리 떨어진 일 측에 놓이는 커버로서, 상기 커버 및 상기 외측 밴드는 상기 열 매체를 수납하기 위한 플리넘을 형성하며, 상기 외측 밴드와 커버는 서로 일치하는 관통 개구를 갖는, 커버와; 상기 일치하는 개구(registering openings)내에 위치된 관통 구멍을 갖는 고온계 보스로서, 상기 보스는 상기 외측 밴드 및 상기 커버 모두에 용접되어 상기 보스 주위에서 냉각 매체의 누출없이 상기 플리넘내에 상기 냉각 매체를 밀봉시키는, 고온계 보스를 포함한다.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 포괄적으로 참조부호(10)로 지시된 노즐 베인 세그먼트가 도시되어 있다. 세그먼트(10)는 고온 가스 경로[포괄적으로 참조부호(12)로 지시됨]내에서 터빈의 축 주위로 배치하기 위해 서로 연결된 세그먼트의 원주방향 어레이의 일부를 형성한다. 도시된 노즐 세그먼트는 다수의 원주방향의 제 1 단 버킷(15)의 후방에 배치된 다수의 제 2 단 노즐 세그먼트중 하나를 포함한다. 도시된 노즐 세그먼트(10)에 있어서, 세그먼트는 각기 반경방향 내측 및 외측 밴드(16, 18) 사이에서 연장하는 한쌍의 베인(14)을 갖는 더블릿(doublet)을 포함한다. 노즐 세그먼트(10)는 내측 및 외측 밴드 사이에 단일 베인을 포함할 수 있음을 알 수 있다.
도 1을 참조하면, 외측 밴드(18)는 노즐 세그먼트를 터빈의 외측 프레임에 고정시키기 위한 한쌍의 반경방향 외측으로 돌출하는 전방 후크(20)를 포함한다. 또한, 도 1은 외측 밴드를 도시하고 있는데, 전방 외측 커버(22)가 외측 밴드 위에 놓이며 그것과 함께 플리넘(24)을 규정한다. 후방 커버(도시되지 않음)는 외측 밴드(18)의 후방부 위에 놓이며, 외측 밴드(18)와 함께 플리넘(24)을 규정한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 베인(14)은 외측 밴드를 통해 연장하는 베인 연장부(26)를 갖는다. 연장부(26)는 베인(14)을 대체로 반경방향으로 통과하는 다수의 공동[예를 들면, 공동(28, 30, 32, 34)]의 연장부분을 형성한다. 공동은 열 냉각 매체(예를 들면, 증기)가 베인(14)을 통과해 내측 밴드(16)로 유동하고, 사용된 냉각 증기가 내측 밴드(16) 및 베인(14)으로부터 반송되는 통로를 제공한다. 또한, 전방 커버(22)는 열 매체(예를 들면, 증기)를 플리넘(24)으로 공급하기 위한 열 냉각 매체 입구(36)를 포함한다. 플리넘(24)내에는 외측 밴드(18)의 충돌 냉각을 위해 수납된 냉각 증기를 지향시키기 위한 충돌 플레이트(40)(도 2)가 존재한다. 개구(도시되지 않음)가 베인 연장부(26)에 제공되어, 베인을 통해 외측 밴드상에 충돌 후의 냉각 증기를 내측 밴드(16)와 내측 커버(도시되지 않음) 사이의 내측 플리넘으로 공급한다. 냉각 증기는 내측 밴드의 충돌 냉각을 위해서 또한 베인의 공동중 하나를 통해 복귀 유동하여 냉각 시스템을 빠져나가도록 방향 전환된다. 전술한 상세한 설명으로부터 증기는 고온 가스 경로 또는 다른 터빈 구성요소에 대해 누출없이 제 2 단 노즐 베인 세그먼트(10)의 외측 커버(22) 및 외측 밴드(18)에 의해 형성된 플리넘(24)을 통해 베인 및 내측 플리넘내로 유동하고 복귀됨을 알 수 있다.
이러한 단의 전방의 버킷, 예를 들면 제 1 단 버킷(15)의 표면 온도를 모니터하기 위해, 고온계(P)는 터빈 프레임의 외측 둘레에 장착되고 버킷의 표면 온도를 계측하기 위해 고온 가스 경로내로 직접 또한 전방으로 제 1 단의 버킷을 보는 시야 선(56)을 사용한다. 제 1 단 버킷이 관찰될 경우, 시야 선(56)은 다음 단(즉, 제 2 단)의 외측 커버 및 외측 밴드를 통과하여야 한다. 따라서 고온계는 증기가 플리넘(24)으로부터 고온 가스 경로 또는 다른 터빈 구성요소내로 누출되는 일없이 외측 커버 및 외측 밴드를 관통해 볼 수 있어야 한다. 이를 위하여, 서로 일치하게 놓이는 개구는 외측 밴드(18) 및 외측 전방 커버(22)를 관통해 형성된다. 예를 들어 도 2를 참조하면, 개구(42)는 외측 밴드(18)를 관통해 위치되어 있는 반면, 개구(44)는 전방 커버(22)를 관통해 형성된다. 개구(42, 44)는 서로 일치되고, 도 5에 도시된 바와 같이 대체로 타원형 또는 레이스트랙(racetrack) 형상이다. 또한, 도 2 및 도 6을 참조하면, 일치하는 개구(registering openings)(42, 44)를 통과하는 중심축은 전방으로 또한 경사진 원주방향으로 연장됨을 알 수 있으며, 그에 대한 이유는 후에 명백해질 것이다. 또한, 개구(45)는 각각의 일치하는 개구(42, 44)와 일치하도록 충돌 플레이트(40)를 관통하여 형성된다.
고온계 장착부[예를 들면, 보스(46)]는 일치하는 개구(42, 44, 45)에 위치된다. 보스(46)는 길다란 형상으로, 각각의 개구(42, 44, 45)와의 접합부에서 유사한 타원 또는 레이스트랙 형상을 갖는다. 보스는 단차진 몸체(50)를 가지며 설치시 외측 밴드(18)의 반경방향 내면과 동일 평면상에 놓인 표면의 반경방향 내측 단부에서 종단된다. 도 3은 선형 연장 구멍(52)을 갖는 보스(46)를 도시하는 반면, 하기의 상세한 설명으로부터 보스(46)는 구멍(52) 없이 외측 밴드에 설치되고, 구멍(52)은 이후에 보스를 관통해 기계가공됨을 알 수 있다. 또한, 보스(46)는 외측 밴드(18) 및 외측 커버(22)를 관통하는 개구(42, 44)에 대해 타이트한 공차로 설치된다. 타이트한 공차는 충돌 플레이트(40)를 관통하는 개구(45)와 보스(46) 사이에서는 필요하지 않다.
플리넘(24)으로부터의 열 냉각 매체 누출을 배제하는 방식으로 보스를 외측 밴드 및 외측 커버에 설치하기 위해서, 보스는 외측 커버를 통해 외측 밴드내로 삽입된다. 보스와 외측 밴드(18) 사이의 조인트는 참조부호(43)에서 전자 빔 용접된다. 도 6에 도시된 바와 같이 원주방향으로 개구(42, 44)를 기울임으로써 또한 개구를 세그먼트의 일 측면을 따라 위치시킴으로써, 용접 장치의 전자 빔은 외측 밴드의 내측으로 위치될 수 있으며 보스를 외측 밴드(18)에 용접시키기 위해 세그먼트의 일 측면에 위치될 수 있다. 전자 빔 용접 기술을 사용함으로써 비틀림을 감소시키고 고온 가스 경로의 고온에 노출되는 보스와 외측 커버의 연결부에 고품질의 용접부(43)를 제공한다. 그런 후 충돌 플레이트는 보스 둘레에 위치되지만 보스에 고정 또는 용접될 필요는 없다.
그후에, 구멍(52)은 보스(46)를 관통해 기계가공된다. 구멍(52)의 축은 일치하는 개구(42, 44)의 축과 대체로 동축이다. 구멍(52)이 보스를 관통해 형성된 후, 외측 커버(22)는 반경방향으로 세그먼트상에 위치되며 그런 후 보스를 수용하기 위해 후방으로 변위된다. 이에 의해 전방 외측 커버 개구(44)와 보스(46) 사이에 그로스 끼워맞춤(gross fit)이 제공된다. 그런 후 보스를 외측 커버에 고정시키기 위해서 뿐만 아니라 개구(44)와 보스(46) 사이의 갭을 충전시키기 위해서 TIG-용접부(51)가 제공되어 외측 커버를 통해 증기의 누출을 방지한다. 또한 보스를 관통하는 구멍(52)은 고온계 튜브(58)의 반경방향 내측 단부를 수납하기 위한 시트(57)가 제공되며, 이 고온계 튜브(58)는 보스를 관통하는 구멍(52)의 축과 동축이다. 이렇게 함으로써, 터빈 프레임 둘레에 장착된 고온계는 보스를 수납하는 노즐 단의 전방 단의 버킷(예를 들면, 제 1 단 버킷)에 대해 명확하고 선형으로 연장하는 시야 선(56)을 갖는다. 결과적으로, 제 1 단 버킷의 표면 온도는 고온계에 의해 쉽게 계측될 수 있다.
커버 및 외측 밴드를 통한 개구는 전방 및 원주방향으로 경사진다. 보스를 관통하는 구멍(52)은 유사한 각도로 배향된다. 특히, 시야 선(56)(도 6)은 로터 축에 수직한 평면에 대해 예각으로 전방으로 연장하고 구멍의 축과 교차하는 축방향 평면에 대해 예각으로 연장한다. 시야 선의 각도는 외측 밴드에 대한 보스의 전자 빔 용접을 용이하게 한다.
본 발명이 가장 실제적이고 바람직한 실시예와 관련하여 상술되었지만, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되지 않고 오히려 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에 포함되는 각종 변형 및 동등한 구성을 포함함을 알 수 있다.
본 발명은 고온계의 시야 선이 노즐의 외측 커버 및 외측 밴드를 관통하도록 고온계 장착부가 제공되는 반면 증기 누출없이 장착부와 노즐 단 사이에 조인트가 제공되며, 전자 빔 용접 기술을 사용하여, 구조물의 비틀림이 감소되고 양호한 용접 품질이 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온계 장착부의 일부를 단면으로 도시하는 노즐 단 세그먼트의 부분 사시도,
도 2는 고온계 장착부와 노즐 단 사이의 용접부를 부분 절개하고 단면으로 도시하는 부분 확대 사시도,
도 3은 고온계 장착부의 평면도,
도 4는 고온계 장착부의 측면도,
도 5는 고온계 장착부를 수납하기 위한 개구를 도시하는 도면으로서 노즐 세그먼트용 외측 커버의 평면도,
도 6은 고온계 장착부의 위치 및 각도를 도시하는 도면으로서 노즐 세그먼트의 정면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
18 : 외측 밴드 22 : 외측 전방 커버
24 : 플리넘 28, 30, 32, 34 : 공동
36 : 열 냉각 매체 입구 46 : 보스
56 : 시야 선 58 : 고온계 튜브

Claims (9)

  1. 폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체에 있어서,
    내측 및 외측 밴드와, 상기 내측 및 외측 밴드 사이에서 연장하는 적어도 하나의 노즐 베인을 갖는 노즐 단 세그먼트로서, 상기 밴드 및 상기 베인은 상기 터빈의 고온 가스 경로내에 놓이는, 상기 노즐 단 세그먼트와,
    상기 외측 밴드로부터 이격되고 상기 베인으로부터 멀리 떨어진 일 측에 놓이는 커버로서, 상기 커버 및 상기 외측 밴드는 상기 열 매체를 수납하기 위한 플리넘을 형성하며, 상기 외측 밴드와 커버는 서로 일치하는 관통 개구를 갖는, 상기 커버와,
    상기 일치하는 개구내에 위치된 관통 구멍을 갖는 고온계 보스로서, 상기 보스는 상기 외측 밴드 및 상기 커버 모두에 용접되어 상기 보스 주위에서 냉각 매체의 누출없이 상기 플리넘내에 상기 냉각 매체를 밀봉시키는, 고온계 보스를 포함하는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보스는 상기 외측 밴드에 전자 빔 용접되는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보스는 상기 커버에 TIG 용접되는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보스는 상기 외측 밴드에 전자 빔 용접되고 상기 커버에 TIG 용접되는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보스를 관통하는 구멍은 상기 보스의 양단부 사이에서 및 상기 터빈의 회전 축으로부터 경사진 축을 따라 선형으로 연장하는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍은 상기 구멍내에 및 상기 보스내로 동축으로 배치된 선형 튜브의 단부를 수납하는 시트와 선형 연장 축을 갖는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플리넘 내에 있으며 상기 외측 밴드와 상기 커버 사이에서 이격된 충돌 플레이트와, 상기 보스를 수납하기 위해 상기 외측 밴드와 상기 커버내의 개구와 일치하는 상기 충돌 플레이트내의 개구를 포함하는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 단은 다중 단 터빈의 제 2 단이며, 상기 구멍은 선형 연장 축을 가지며, 상기 보스는 상기 구멍의 선형 연장 축이 상기 다중 단 터빈의 제 1 단에 의해 형성된 가스 경로내로 연장하도록 위치되는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍은 선형 축을 가지며, 상기 선형 축은 (ⅰ) 전방으로 연장하고 상기 터빈의 회전 축에 수직한 평면과 예각을 이루며, (ⅱ) 원주방향으로 연장하고 상기 구멍의 축과 교차하는 축방향 평면과 예각을 이루는
    폐회로의 열 매체 냉각식 가스 터빈용 고온계 장착부 및 노즐 단 조립체.
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