KR100577546B1 - 터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일 - Google Patents

Abstract

버킷 커버(12)의 인접하는 에지는 서로 밀봉된다. 고정된 슈라우드(14)로부터 돌출하는 브러시 시일(18)은 버킷 커버 위에 배치된다. 인접한 커버가 서로 밀봉 결합되는 조인트가 고압 유체의 브러시 시일의 강모(22)로의 반경방향 유출을 억제하여, 강모의 축방향 및 반경방향의 변형과 그에 따른 강모의 파단을 방지한다. 커버 사이의 조인트는 겹침 조인트(41) 또는 홈 조인트(74)를 포함할 수 있다.

Description

터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일{TURBINE BUCKET COVER AND BRUSH SEAL}

본 발명은 터빈 버킷의 팁에 의해 지지되는 커버와 버킷 커버를 둘러싸며 결합하는 브러시 시일에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈을 통과해 둘러싸고 있는 브러시 시일의 강모로 유동하는 유체 매체의 반경방향 유출을 최소화하거나 또는 제거하는 버킷 커버의 인접한 에지 사이의 시일(seal)에 관한 것이다.

미국 특허 제 6,036,437 호에 개시된 바와 같이, 터빈 버킷 커버와 터빈 스테이지의 상류부와 하류부 사이의 밀봉을 위해 버킷 커버를 둘러싸는 브러시 시일이 공지되어 있다. 터빈 버킷 커버는 통상 2개의 형태로 제공된다. 버킷과 별개의 버킷 커버는 종종 서로 일체로 주조되어 터빈 휠에 부착된다. 인접한 커버의 접하는 에지는 통상 반경방향에서 볼 때 대체로 Z자 형상의 조인트(joint)를 형성한다. 다른 버킷 커버는 2개 또는 그 이상의 버킷에 걸치는 커버 밴드의 형태로 제공된다. 버킷 커버 밴드는 통상 버킷의 팁상에 형성된 테넌(tenon)을 수용하는 개구를 가지며, 테넌은 커버 밴드를 버킷에 고정하도록 피닝(peening)된다. 일체로 주조된 버킷 및 커버와 마찬가지로, 커버 밴드의 인접한 에지는 서로 결합하여, 반경방향에서 볼 때 대체로 Z자 형상의 조인트를 형성한다.

공지된 바와 같이, 터빈을 통하는 유로 내부의 유체 매체, 예컨대 증기 터빈의 증기 경로내에 흐르는 증기의 압력은 커버의 반경방향 외부의 증기 압력보다 상당히 높은 압력이다. 이 압력 차이가 인접한 커버의 에지 사이의 간극을 통한 유체 매체의 반경방향 유출을 일으킨다. 이들 간극이 유체 매체의 반경방향 및 축방향의 유출을 허용하여 터빈 성능이 저하된다. 래버린스 시일(labyrinth seal) 및/또는 브러시 시일이 통상 버킷과 커버를 둘러싸는 슈라우드내에 채용되며 이들 시일은 간극 주위에서의 축방향 유동으로 인한 성능 손실을 제한할 수 있다. 브러시 시일은 또한 래버린스 시일을 사용하는 것에 비해 추가적인 성능 이점을 제공한다. 그러나, 터빈 버킷 팁의 브러시 시일은 강모팩의 영역에서 반경방향 유동에 의해 영향을 받는다. 버킷 커버 사이의 반경방향 간극을 통한 강모팩으로의 반경방향 유동이 강모의 피로와 파단을 일으킨다. 즉, 인접한 버킷 커버 사이의 간극을 통한 반경방향 외측으로의 유체 매체의 별개의 유동이 강모를 축방향으로 벌어지게 할 뿐만 아니라 외측 방향으로 강모를 휘게한다. 따라서, 소정의 강모 위치에 대한 간극의 모든 경로에 있어서, 강모는 반경방향 유동에 의해 축방향 및 반경방향으로 휘게된다. 더욱이, 다음 반경방향 외측으로의 유동이 이러한 변형을 반복하기 전에 강모는 원상태로 돌아가려고 한다. 이러한 변형 주기가 강모의 피로와 파단을 일으킨다. 한 스테이지에 80개의 커버와 간극을 갖는 60㎐ 기계에 대하여, 40000㎐ 자극이 터빈 휠을 중심으로 한 여러 원주방향 여러 위치에서 강모팩에 제공된다.

발명의 요약

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 커버의 인접한 에지 사이의 간극은 반경방향 유동의 누설이 최소화되거나 제거되는 정도로 밀봉된다. 인접한 커버의 에지의 이러한 부분들은 서로 맞물리게 되어 유로로부터의 반경방향 누설, 예컨대 증기가 최소화되거나 제거되며, 그 결과 터빈 성능이 향상된다. 강모의 팁과 외부 커버 표면 사이의 접촉 영역을 따라 커버 부분을 서로 밀봉 결합시킴으로써, 반경방향 유출에 의한 시일 강모팩에 대한 잠재적 손상 영향이 제거된다. 특히, 커버의 인접한 에지는 서로 겹쳐져 있다. 예컨대, 인접한 에지 사이에 겹침 조인트(lap joint)가 형성된다. 다른 형태에 있어서, 홈 조인트(tongue-and-groove joint)가 제공될 수도 있다. 또 다른 형태에 있어서, 추가 커버 세그먼트가 밑에 놓이는 커버에 원주방향으로 엇갈린 관계로 커버 위에 놓이게 되어 밑에 놓인 인접한 커버 사이의 간극은 위에 놓인 커버에 의해 밀봉된다.

다른 바람직한 실시예에 있어서, 다수의 회전 가능한 버킷과, 회전 가능한 버킷을 둘러싸는 고정 슈라우드와, 터빈을 통하는 유체 매체 유로를 갖는 터빈에서, 버킷과 고정 슈라우드 사이의 밀봉은, 소정의 원주 방향으로 터빈의 축을 중심으로 버킷과 함께 회전하도록 버킷의 반경방향 외부 단부에 의해 지지되며 버킷의 회전 방향으로 선단부 및 후단부를 갖는 다수의 아치형 커버와, 슈라우드로부터 돌출하고 커버의 반경방향 외부 표면과 밀봉 결합하는 다수의 강모를 포함하는 브러시 시일과, 원주방향으로 인접한 커버의 접하는 선단부와 후단부를 서로 밀봉하는 원주방향으로 인접한 커버 사이의 조인트에 의해 달성되며, 이에 의해 버킷과 커버가 브러시 시일에 대하여 회전할 때 유체 매체의 강모로의 반경방향 유출이 실질적으로 억제된다.

또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 다수의 회전 가능한 버킷과, 회전 가능한 버킷을 둘러싸는 고정 슈라우드와, 터빈을 통하는 유체 매체 유로를 갖는 터빈에서, 버킷과 고정 슈라우드 사이의 밀봉은, 소정의 원주 방향으로 터빈의 축을 중심으로 버킷과 함께 회전하도록 버킷의 반경방향 외부 단부에 의해 지지되며 접속된 에지를 갖는 다수의 아치형 커버와, 슈라우드로부터 돌출하고 커버의 반경방향 외부 표면과 밀봉 결합하는 다수의 강모를 포함하는 브러시 시일과, 적어도 서로 겹쳐지는 인접한 에지의 부분을 구비하고 강모에 의해 결합된 커버 표면의 축방향 위치에 상응하는 축방향 위치에서 인접한 커버를 서로 밀봉 결합하는 원주방향으로 인접한 커버 사이의 조인트에 의해 달성되며, 이에 의해 유체 매체의 겹쳐진 부분을 지나는 유체 매체의 강모로의 반경방향 유출이 실질적으로 억제된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개선된 실을 형성하는 버킷, 버킷 커버 및 강모를 도시하는, 터빈 축을 따라서 반경방향 평면에서 취한 부분 정단면도,

도 2는 종래기술에 따른 버킷, 버킷 커버 및 브러시 시일을 도시하는 축방향의 개략적인 도면,

도 3 내지 도 6은 본 발명의 여러 바람직한 실시예를 도시하는 축방향의 개략적인 도면,

도 7은 터빈 버킷의 회전축에 수직한 평면 아래쪽으로 반경방향 내측 방향으로 바라본 브러시 시일과 다수의 버킷 커버의 도면,

도 8은 강모와 버킷 커버의 결합을 도시하는 단면도.

도 1은, 터빈과 같은 터보기계장치의 회전 요소의 일부를 형성하고 그들의 내측 단부가 축(13)을 중심으로 회전 가능한 터빈 휠(11)에 고정된 다수의 버킷(10)을 도시하고 있다. 버킷(10)의 반경방향 외측 단부에는 버킷과 함께 회전하는 버킷 커버(12)가 제공되어 있다. 커버(12)는 인접한 버킷이 공통의 커버 또는 밴드(12)에 결합될 수 있도록 각 버킷의 반경방향 외측 단부상에 또는 2개 이상의 버킷의 외측 단부상에 밴드의 형태로 제공될 수도 있다. 인접한 버킷 커버 또는 밴드(12) 사이의 조인트는 반경방향에서 볼 때 대체로 Z자 형상의 형태이다(도 7 참조).

도 1에 도시된 바와 같이, 밀봉 슈라우드(14)는 회전 평면에서 버킷에 반경방향으로 대향되게 터보기계장치의 고정 요소(16)에 고착되어 있다. 통상, 밀봉 슈라우드는 버킷 커버(12) 둘레에 환대를 형성하는 다수의 원주방향으로 이격된 밀봉 세그먼트를 구비한다. 슈라우드 또는 슈라우드 세그먼트는 고정 요소와 회전 가능한 버킷 커버 사이에 밀봉을 실현하기 위해 축방향으로 이격된 래버린스 톱니(17)를 구비한다. 래버린스 시일 대신, 또는 도시된 바와 같은 래버린스 시일과 조합하여, 브러시 시일(18)이 제공된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 브러시 시일(18)은 브라켓(20)으로부터 돌출하고 그들의 팁 또는 말단에서 버킷 커버(12)의 외부 표면에 대하여 결합하는 다수의 강모(22)를 수용하는 브러시 시일 브라켓(20)을 포함할 수 있다. 브라켓(20)은 강모를 브라켓(20)에 고정하는 기능도 하는 용접부(25)에 의해 기단에서 서로 연결된 한 쌍의 평행 플레이트(21, 23)를 포함할 수 있다. 브라켓(20)은 원주방향으로 분할되어 있어서 이러한 다수의 브라켓이 버킷 커버(12) 둘레에 환상의 브러시 시일을 형성하게 된다.

도 2는 2개 이상의 버킷(27) 사이에서 원주방향으로 연장되는 종래기술의 버킷 커버(26)를 도시한다. 원주방향으로 연장되는 버킷 커버(26)의 인접한 에지(28, 29)는 고압의 유체 매체, 예컨대 증기 터빈내의 증기가 버킷 커버(26) 사이에서 반경방향 외부로 흘러 브러시 시일(23)의 강모(22)와 반경방향으로 충돌하게 하는 간극(30)을 형성한다. 버킷 커버(26) 사이의 간극(30)이 고정된 강모를 지나 회전할 때 반경방향 외측으로의 유동이 강모(22)를 반경방향 및 축방향으로 높은 빈도로 휘게 하여, 터빈 성능을 저하시키고 강모 피로와 파단을 일으키는 경향이 있다.

도 3은 버킷 커버(40)와 결합하는 강모(22)를 갖는 브러시 시일(18)을 도시한다. 인접하는 버킷 커버 세그먼트 사이의 간극 대신에, 인접하는 커버 세그먼트의 인접 에지가 겹침 조인트(41)를 형성한다. 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이, 화살표(42)로 표시된 회전 방향에 있어서 각각의 선행하는 버킷 커버(45)의 후단부(44)는 후속의 버킷 커버(48)의 반경방향 내측 선단부(46)의 반경방향 외측에 놓이고, 이 부분과 밀봉 결합관계로 겹쳐진다. 겹쳐진 선단부 및 후단부(44, 46)는 버킷 커버(45, 48) 사이에 시일을 형성한다. 겹침 조인트는 원주방향으로 인접한 버킷 커버 또는 커버 밴드의 인접하는 에지의 각각에 제공된다.

버킷 커버 밴드 또는 세그먼트는 브러시 시일(18)의 강모 다발을 형성하는 강모(22)의 축방향 치수보다 큰 축방향 치수를 갖는다. 바람직하게는, 강모(22)의 팁은 커버의 상류측과 구별되는 커버의 하류측을 따르는 축방향 위치에서 버킷 커버 외부 표면과 결합한다. 도 7에서, 유체 매체의 흐름은 화살표(50)로 표시되어 있고 버킷 커버의 회전 방향은 화살표(51)로 표시되어 있다. 브러시 시일 강모(22)는 버킷 커버의 하류측과 결합한다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 커버(45, 48)와 같은 인접한 버킷 커버 사이의 조인트는 대체로 Z자 형상의 형태이며, 따라서 커버(45, 48)의 겹쳐진 인접하는 후단부 및 선단부(44, 46)는 도 7에 평행한 실선과 점선의 Z자 형상의 선으로 도시된 바와 같은 유사한 대체로 Z자 형상인 형태를 갖는다. 이 형태에 있어서, 브러시 시일 강모는 Z자 형상의 조인트의 중간의 축방향으로 경사진 가장자리(margin)(52)의 축방향 위치에 대응하는 축방향 위치에서 커버(40)의 외부 표면과 결합한다. 겹침 조인트가 인접하는 에지의 최대 범위까지 축방향으로 연장될 수 있지만, 강모의 팁은 겹침 조인트의 소정 축방향 위치에서 버킷 커버와 결합하는 것이 중요하다. 경사진 가장자리(52)가 시일을 형성하도록 겹쳐지고 강모의 팁이 이렇게 형성된 시일, 즉 겹침 조인트의 축방향 위치에서 커버의 외부 표면과 결합하여, 고압 유체 매체의 강모 다발로의 반경방향 유출이 억제된다면, 접속된 커버(40)의 상류측과 하류측 각각을 따라 선형으로 연장되는 가장자리(53, 55)는 겹쳐질 필요는 없다.

도 4는 개별 버킷의 인접한 버킷 커버(60) 사이의 겹침 조인트를 도시한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같은 2개 이상의 버킷에 걸치는 버킷 커버 밴드 또는 세그먼트 대신, 별개의 버킷 커버(60)가 각 버킷에 각각 제공된다. 겹침 조인트(60)가 인접하는 에지(66, 68)의 각 쌍 사이에 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 버킷(70)의 각각에는 개별 버킷 커버(72)가 각각 제공되어 있다. 버킷 커버(72)의 접하는 에지에는 홈조인트(74)가 제공된다. 예를 들면, 선단 버킷 커버는 후단 버킷 커버의 선단부를 따라 형성된 텅(78)을 수용하기 위한 대체로 축방향으로 연장되는 슬롯(76)을 갖는다. 이러한 방식으로, 텅과 홈은 겹쳐진 시일을 형성하여, 축방향 유동 스트림의 고압 유체 매체의 브러시 시일(18) 강모로의 반경방향 유출을 방지하게 된다. 전술한 실시예서와 같이, 강모팩은 접하는 버킷 커버 사이의 시일의 반경방향 위에 놓이는 축방향 위치에 위치된다. 텅과 홈이 겹치는 시일은 또한, 개별 버킷상의 별개의 커버에 대하여 도 5에 도시된 방식으로, 2개 이상의 버킷에 걸치는 버킷 커버 세그먼트와 함께 사용될 수도 있다.

도 6은 원주방향으로 다수의 버킷(82)에 걸치는 다수의 버킷 커버 또는 밴드(80)를 도시한다. 그러나, 본 실시예에 있어서, 제 2 또는 외부 커버(84)는 내부 커버에 대하여 원주방향으로 엇갈린 위치에서 내부 커버(80) 위에 놓인다. 따라서, 도시된 바와 같이, 외부 커버(84)는 별개의 길이로 밴드 또는 세그먼트로서 제공된다. 이들 외부 커버(84)는 또한 인접한 내부 커버(80) 사이의 원주방향 간극(86)에 걸치며 따라서 인접한 커버(80)와 함께 이들 사이에 밀봉된 조인트(88)를 형성한다. 따라서 위에 놓인 커버(84)는 간극(86)을 밀봉하며 또한 커버(84)를 따르는 강모의 팁의 축방향 결합 위치에 상응하는 축방향 위치에서 밀봉한다. 결과적으로, 강모는 강모를 변형하고 피로를 일으키는 경향이 있는 고압의 유체 매체의 반경방향 유출을 전혀 갖지 않는 표면을 따라 외부 커버(84)와 결합한다.

단지 본 발명의 특정한 바람직한 형태로 도시되고 기술되었지만, 많은 변형과 변경이 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 행해 질 수 있다. 그러므로, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 정신내에 속하는 모든 변형과 수정을 포함하는 것으로 의도됨이 이해되어야 한다.

Claims (21)

1. 다수의 회전 가능한 버킷(10)과, 상기 회전 가능한 버킷을 둘러싸는 고정 슈라우드(14)와, 터빈을 통하는 유체 매체 유로를 갖는 터빈에서의 상기 버킷과 상기 고정 슈라우드 사이의 시일(seal)에 있어서,

   소정의 원주 방향으로 상기 터빈의 축을 중심으로 상기 버킷과 함께 회전하도록 상기 버킷의 반경방향 외측 단부에 의해 지지되며 상기 버킷의 회전 방향으로 선단부(46) 및 후단부(44)를 갖는 다수의 아치형 커버(12)와,

   상기 슈라우드로부터 돌출하며 상기 커버의 반경방향 외측 표면과 밀봉 결합하는 다수의 강모(22)를 포함하는 브러시 시일(18)과,

   인접하는 선단부 및 후단부가 서로 밀봉 결합하여, 상기 버킷과 커버가 상기 브러시 시일에 대하여 회전할 때, 유체 매체가 상기 강모상으로 반경방향으로 유출하는 것을 억제하는, 원주방향으로 인접한 커버 사이의 조인트(41, 74)를 포함하고,

   상기 조인트가 겹침 조인트(lap joint)(41) 또는 홈 조인트(tongue-and-groove joint)(74)로 이루어져 있는

   터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일.
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4. 제 1 항에 있어서,

   상기 버킷의 각각은 별개의 커버(60)를 구비하며, 상기 버킷과 상기 커버는 일체로 주조되는

   터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 커버는 원주방향으로 연장되는 별개의 밴드(80)를 형성하며, 상기 밴드는 적어도 2개의 인접한 버킷에 연결되는

   터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일.
8. 삭제
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10. 제 1 항에 있어서,

    상기 인접하는 에지는 서로 축방향 및 원주방향으로 이격되어 있고 선형이며 축방향으로 연장되는 단부 가장자리(margin)(53, 55)와 상기 단부 가장자리의 중간에서 상기 단부 가장자리를 서로 연결하는 경사진 가장자리(52)를 가지며, 상기 브러시 시일 강모는 상기 중간의 경사진 가장자리의 축방향 위치에 상응하는 축방향 위치에서 상기 커버 표면과 결합하는

    터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 조인트는 상기 커버 위에 놓이고 상기 인접한 커버 사이에 걸치는 외부 커버(84)를 구비하며, 상기 외부 커버는 상기 인접한 커버 사이의 임의의 간극을 밀봉하는

    터빈에서의 버킷과 고정 슈라우드 사이의 시일.
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