KR100582607B1 - 가스 터어빈 팽창 조인트용 가요성 시일 - Google Patents

Abstract

가스 터어빈 배기 덕트와 축방향 인접 배기 덕트라인 사이의 팽창 조인트 시일은 가요성 시일 판의 다수의 축방향 인접 층을 포함하고, 상기 각각의 층은 360도 환형부를 함께 형성하는 다수의 아치형 세그먼트를 포함하고, 가요성 시일 판의 다수의 층은 일단부에서 가스 터어빈 배기 덕트에 고정되며, 상기 시일 판의 대향단은 배기 덕트라인의 적어도 하나의 표면에 활주식으로 결합된다.

가스 터어빈 배기 덕트, 가요성 시일, 인접 층, 팽창 조인트, 시일 판, 환형부, 덕트라인

Description

가스 터어빈 팽창 조인트용 가요성 시일 {FLEX SEAL FOR GAS TURBINE EXPANSION JOINTS}

본 발명은 가스 터어빈에 관한 것으로 특히, 가스 터어빈 배기 시스템 내의 팽창 조인트용 가요성 시일 장치에 관한 것이다.

고온 플랜지를 갖춘 가스 터어빈 배기 시스템에서의 현재 사용되는 팽창 조인트는 두 방식 중 하나로 설계된다. 가장 통상적인 설계는 세라믹 섬유 합성 벨트 및 받침대 백(bag)으로 구성된 평평한 벨트 장치이다. 벨트의 일단부는 가스 터어빈에 부착된 프레임에 볼트 결합되어 있고 타단부는 인접 배기 덕트라인 상의 프레임에 볼트 결합되어 있다. 상기 합성 벨트 내의 가스 시일은 테프론(등록 상표) 층, 금속 포일 또는 금속 함유 천을 구비한다. 벨트의 단면 형상에 의해 야기된 때때로 "D" 스타일이라 불리어지는 다른 가장 통상적인 설계는 합성 벨트와 일단부가 가스 터어빈 플랜지 상에 장착된 바아에 볼트 결합되고 타단부가 배기 덕트라인 상의 플랜지에 볼트 결합된 받침대이다. 상기 벨트는 다이아프램으로서 기능한다.

제일 먼저 설명한 평평한 벨트 장치는 과열에 의해 프레임이 균열되고, 프레임의 균열과 받침 백 파손에 의해 벨트가 타는 문제점을 갖고, 가스 터어빈 물 세 척 사이클 동안 누출됨으로써 지면에 오염된 물을 누출되게 할뿐만 아니라 벨트 및 받침 백에서 세라믹 섬유에 손상을 입힌다. 액체 연료 연소 가스 터어빈 내에서 점화의 실패 시 액체 연료 유입은 섬유 및 바인더를 손상시키고 가스 터어빈 배기 온도가 증가할 때 연소시킨다. 또한, 이러한 설계가 [7.62 cm (3 인치) 이상의 축방향으로의] 비교적 큰 운동을 취급할 때, 일단 늘어난 세라믹 섬유는 원래의 형태로 복귀되지 않아서 타게 되고, 고온 가스는 누출된다.

두 번째 설명한 "D" 스타일 합성 벨트와 받침대 백 장착은 덕트라인 상에 이러한 스타일의 벨트를 설치하기가 매우 어렵다는 점에서 만족스럽지 못하고, 시간이 경과하면서 상기 받침대 백은 저하되어 고온 가스가 벨트를 손상시키게 하기 때문에 결국 파손된다.

금속 벨로우즈 장착은 유사한 용도로 사용될 수 있지만, 횡방향 오프셋 및 상대적인 축방향 이동을 수용하도록 얼마의 피트로 분리된 2개의 벨로우즈가 필요하다. 몇몇의 경우에서, 금속 벨로우즈 개념은 고품질 용접을 필요로 한다. 전체적으로, 큰 가스 터어빈용 금속 벨로우즈 기술은 열피로에 의한 균열이 쉽게 발생하므로 이 역시 만족스럽지 못하다.

본 발명은 사실상 구형 단면 형상을 갖는 가스 터어빈 축방향 유동 배기 시스템의 구성 부분 내의 고온 또는 냉각 배기 덕트라인 플랜지에 고온 또는 냉각 터어빈 플랜지 중 하나를 가요적으로 연결시키는 데 있어서의 문제점을 해결한다. 또한, 본 발명은 오염된 물이 지면에 누출되는 것을 방지하는 방식으로 물 또는 액 체 연료의 처리에 있어서의 문제점을 해결한다.

본 발명의 예시적인 일실시예에서, 냉각 배기 덕트라인에 대한 고온 가스 터어빈 덕트의 상대적인 축 및 반경 방향 이동은 중첩된 얇은 금속판들의 층에 의해 수용되며, 상기 판의 제1 단부는 가스 터어빈 덕트 상에 장착된 플랜지에 볼트 결합되고, 상기 판의 타단부는 인접 배기 덕트라인에 의해 가이드 또는 축방향으로 지지된다. 상기 판의 두께 및 원호 길이는 모든 가스 터어빈 작동 모드 동안 판이 가스를 밀봉하도록 설계된다. 이 실시예에서, 판의 자유단은 배기 덕트라인 상에 지지된 배기 홈의 환형 에지에 가요성을 갖고 결합되어 자유롭게 활주한다. 또한, 이러한 설계의 고유한 기하학적 형상은 상기 홈이 배기 덕트라인 내에 합체되게 하여 아래에 상세하게 설명하는 것처럼 물 및 액체 연료의 제거를 용이하게 할 수 있다.

제2 실시예에서, 중첩 얇은 금속판은 고온 대 고온(hot-to-hot) 플랜지 장치에 사용되도록 적용된다. 이 실시예에서, 가요성판의 자유 에지는 배기 덕트라인에 의해 지지된 플랜지들 사이에서 반경방향 및 횡방향 이동으로 가이드된다.

단열 블랭킷은 시일 판에 결합되어 사용될 수 있지만 필요에 따라 축방향, 횡방향 또는 반경방향으로 판의 이동을 억제하지 못한다.

따라서, 보다 넓은 측면에서, 본 발명은 가스 터어빈 배기 덕트와 축방향 인접 배기 덕트라인 사이의 팽창 조인트용 가요성 시일에 관한 것으로, 상기 가요성 시일은 가요성 시일 판의 다수의 축방향 인접 층을 포함하고, 각각의 층은 시일 판들이 각각의 층에 있어서 360도 환형부를 서로 형성하도록 원호 길이를 각각 갖는 다수의 시일 판을 포함하고, 상기 가요성 시일 판의 다수의 층은 그의 제1 단부가 가스 터어빈 배기 덕트에 고정되며, 시일 판의 대향 제2 단부는 배기 덕트라인의 적어도 하나의 표면에 활주식으로 결합된다.

다른 측면에서, 본 발명은 가스 터어빈 배기 시스템 내의 팽창 조인트용 가요성 시일에 관한 것으로, 상기 조인트는 가스 터어빈 덕트 및 인접 배기 덕트라인을 구비하고, 상기 가요성 시일은 제1 단부에서 가스 터어빈 덕트 상의 환형 장착 플랜지에 고정된 환형 장착 가요성 시일의 다수의 축방향 인접 층을 포함하고, 상기 가요성 시일 판의 제2 자유 단부는 배기 덕트라인에 활주식으로 결합되어 가스 터어빈 덕트와 배기 덕트라인 사이에서 상대적인 축방향 및 반경방향 이동을 수용한다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 다음의 상세한 설명으로부터 명백해진다.

도1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따라 가스 터어빈 덕트와 인접 배기 덕트라인 사이의 팽창 조인트 시일을 도시한 부분 측면도이다.

도1a 및 도1b는 도1로부터 취한 확대 상세도이다.

도2는 도1a에 전체적으로 도시된 것처럼 지향된 가요성 시일 판의 부분 단부도이다.

도2a 내지 도2c는 본 발명에 따른 가요성 시일 판의 인접층의 단부도이다.

도2d는 본 발명에 따라 가요성 시일 판을 가스 터어빈에 고정시키는데 사용되는 주연(周緣) 방향으로 분할된 유지 바아의 단부도이다.

도3은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따라 가스 터어빈 덕트와 인접 배기 덕트라인 사이에서의 팽창 조인트를 도시한 부분 측면도이다.

도3a는 도3으로부터 취한 확대 상세도이다.

도4는 팽창 및 수축 위치에서 가요성 시일 판을 도시한 도3a의 확대도이다.

도1, 도1a 및 도1b에는 본 발명의 제1 예시적인 실시예가 도시되고, 상기 실시예의 구조는 2개의 터어빈 배기 덕트(10, 12) 사이에서의 팽창 조인트용 가요성 시일을 포함한다. 도1에 도시된 것처럼, 덕트(10)는 가스 터어빈 덕트인 반면, 덕트(12)는 상기 터어빈으로부터 멀리 연장된 인접 배기 덕트라인이다. 상기 덕트들(10, 12) 사이의 팽창 조인트 부근의 영역은 종래의 실시에서와 일관되게 외부 단열 블랭킷(blanket; 14)(일점쇄선으로 도시됨)에 의해 덮일 수 있다.

특히 도1a 및 도1b에서, 이러한 고온 대 고온 플랜지 용도를 위한 가요성 시일은 전체적으로 도면부호 16으로 도시되고 도면부호 18로 도시된 비교적 얇은 다수의 가요성 판의 중첩층을 포함한다. 사실, 판(18)은 (도2에서 잘 도시된 것처럼) 판18A, 18B 및 18C의 3개의 축방향으로 정렬된 층이다. 각각의 층은 이러한 다수의 판을 주연 방향 정렬식으로 포함하고, 소정의 층 내에의 각각의 층은 도2에 가장 잘 도시되고 아래에서 상세하게 설명하는 것처럼 주연 방향 인접 세그먼트와 에지 인접 관계인 아치형 세그먼트로 구성된다. 각각의 아치형 판(18)은 터어빈 덕트(10)의 전방 에지 상에 형성된 플랜지(22)를 결합시킬 수 있게 구성된 장착 플랜지(20)를 갖고, 상기 시일 판(18)은 나사 체결편 (너트 볼트 및 와셔 조립체 또는 이와 유사한 것)에 의해 플랜지(22)에 고정되어 있다. 하나 이상의 단열 보유 플랜지(26)는 필요에 따라 플랜지(22)의 대향측에 고정될 수 있다. 다수의 억제 세그먼트(28)는 플랜지(20)를 터어빈 플랜지(22)에 클램핑하는 기능을 하고, 세그먼트(28)는 도2 및 도2d에서 가장 잘 도시된 것처럼 360도 링을 형성하도록 결합되어 있다. 상기 가요성 시일 판(18)은 아래에서 설명된 것처럼 스프링 편향 방식으로 후자에 결합하도록 배기 덕트라인(12)을 향해 절곡된다.

배기 덕트라인(12)은 최후방 단부에서 환형 홈 브래킷(32)이 고정된 반경방향 장착 플랜지(30)로 형성된다. 후자는 터어빈 덕트(10)를 향해 연장된 뒤 홈 브래킷의 자유 에지(36)가 도1a 및 도1b에 가장 잘 도시된 것처럼 가요성 시일 판(18)에 의해 결합되도록 180도 회전부(34)에서 종결된다. 홈 브래킷(32)은 터어빈 덕트(10)의 내측부를 따라 연장하는 임의의 물 또는 연료를 포획하는 환형 배기 홈을 형성하도록 홈 브래킷(32)과 협동하는 환형 반경방향으로 정렬된 홈판(40)을 덕트라인(12)의 플랜지(30)와 결합 상태로 끼우는 반경방향 플랜지(38)가 형성된다. 홈 브래킷(32)의 최하부 지점에는 수집된 물 및/또는 액체 연료를 적절한 위치까지 전달하는 배출 파이프(42)가 있다.

도1a 및 도1b에 도시된 것처럼, 덕트들(10, 12) 사이에서 소정의 상대적인 축방향 또는 반경방향으로 이동되는 방식으로 가요성 시일 판(18)이 홈 브래킷(32)의 자유 에지(36)에 결합되는 것은 명백해지고, 가요성 판(18)이 모든 작동 상태에서 이들의 접촉이 유지되도록 에지(36)에 스프링 편향 결합되는 것을 알 수 있다.

이미 상기 설명한 것처럼, 가요성 시일 판(18)은 덕트 조인트의 주연부 근처에서 다중 중첩층으로 배열된다. 상기 판(18)의 두께 및 원호 길이는 모든 가스 터어빈 작동 모드 상태에서 상기 판이 가스를 밀봉하도록 설계되어 있다. 이러한 구성은 비교적 큰 축방향 및 반경방향 이동이 가능한 콤팩트 금속 "다이아프램"을 형성하여 결국 효율적인 공간 사용이 가능해 진다.

판(18)의 층배열은 도2에 가장 잘 도시되어 있다. 특히, 판(18)은 약 0.1016 cm (0.040 인치) 두께를 갖는 인코넬(inconel; 등록 상표) 판(18A)의 제1 층을 갖춘 터어빈 덕트 플랜지(22)에 고정된다. 상기 제1 층은 본 예시적인 실시예에서 3개의 구멍을 갖는 28개의 판과 2개의 구멍을 갖는 1개의 판(18')을 포함한다. 다시 말해서, 더 상세히 설명하자면, 각 판의 주연 방향의 범위는 터어빈 덕트 플랜지(22) 내의 균등하게 이격된 구멍과 정합하는 상기 판 내의 다수의 구멍에 의해 적어도 일부가 결정된다.

두께가 약 0.0508 cm (0.020 인치)인 인코넬(등록 상표) 판(18B)의 제2 층은 3개의 구멍을 갖는 28개의 판(28)과 2개의 구멍을 갖는 1개의 판을 포함하지만, 상기 제2 층의 판은 각 층 내의 판의 반경방향 시임(seam)에서 제1 및 제2 층 사이에 중첩되도록 주연 방향으로 이동된다. 두께가 약 0.1016 cm (0.040 인치)의 인코넬(등록 상표) 판(18C)의 제3 층은 3개의 구멍을 갖는 28개의 판(28)과 2개의 구멍을 갖는 1개의 판을 포함하고, 이 제3 층은 제2 층과 제3 층 사이의 반경방향 시임들 사이에서 중첩되도록 제1 층과 사실상 주연 방향으로 정렬된다. 그러나, 제1 및 제3 층은 정확하게 정렬될 필요는 없고 예로써, 1개의 장착 구멍에 의해 오프셋될 수 있다. 제4 층은 억제 바아 조립체(28)로 구성되고, 가요성 판의 제3 층이 억제 바아(28)와 터어빈 덕트 플랜지(22) 사이에 개재되도록 터어빈 덕트 반경방향 플랜지와 유사한 구성을 갖는다. 상기 억제 바아는 주연 방향 세그먼트의 형태로 구비되고 예시적인 실시예에서 10개의 구멍을 갖는 8개의 바아와 6개의 구멍을 갖는 1개의 바아를 포함한다. 각각의 억제 바아 세그먼트는 개별적인 판(18)의 원호 길이의 적어도 세 배정도의 원호 길이를 갖는 것이 바람직하다. 탭은 세그먼트들 사이의 상기 시임을 덮도록 각각의 세그먼트의 일단부에 용접될 수 있다.

터어빈 덕트 플랜지(22) 상의 장착 구멍(44)의 개수 및 이들의 간격은 각각의 층에 대한 판(18) (및 억제 세그먼트)의 원호 길이 및 개수에 따라 결정된다는 것을 알 수 있다. 만일 예로써, 구멍의 개수가 3개(예로써, 75개의 구멍)로 나뉘어 질 수 있다면 동일한 원호 길이를 갖는 3개의 구멍을 갖는 25개의 판이 사용될 수 있다. 그러나, 도시된 실시예에서, 터어빈 덕트와 배기 덕트라인 플랜지 내에서는 86개의 구멍이 있으므로 1개의 판은 3개의 구멍일 때보다 2개가 더 필요하고 상기 층내에서 잔여판보다 작은 원호 길이를 필요로 한다.

도3, 도3a 및 도4에는 본 발명의 제2 실시예가 도시되고 특히, 이 실시예는 열냉(hot-cold) 플랜지 용도에 특히 적용 가능하다. 이 장치에서, (종래에 설명한 것처럼 층으로 배열된) 가요성 판(118)은 터어빈 덕트(110) 상에서 반경방향 플랜지에 장착되어 배기 덕트라인(112) 상에 구비된 안내 수단에 결합되도록 반경방향으로 외향 연장된다. 특히, 판(118)의 반경방향 외부 단부(120)는 도1 및 도2에 도시된 실시예와 관련지어 설명된 장착 장치와 유사한 체결편(124)과 억제 바아 조립체(128)에 의해 가스 터어빈 덕트(110)의 반경방향 플랜지(122) 상에 장착된다. 동시에, 가요성 판(118)의 반경방향 내부 자유단부는 내향 및 외향 모든 방향으로 반경방향 이동될 수 있고 반경방향 연장 플랜지를 안내할 수 있다. 특히, 상기 판(118)의 단부는 가요성 시일 판이 반경방향으로 안내되는 방식이 아닌 자유스럽게 이동되는 반경방향 슬롯을 형성한다. 플랜지(130, 132)는 체결편(136)에 의해 배기 홈(134) 부분에 고정된다. 결국, 도4에서의 특정 예에서처럼, 가요성 판(118)은 축방향과 반경방향 모두의 방향으로의 이동을 수용할 수 있고, 판(118)이 냉각될 때 도4에 도시된 것처럼 최좌측 위치로, 그리고 열처리될 때 최우측 위치로 된다는 것을 알 수 있다. 상기 축이동은 반경방향 이동과 동반되고, 플랜지(130, 132)와 판(118)의 자유단부 사이에서의 활주 관계에 의해 수용된다.

제2 실시예에서, 배기 홈(134)은 축방향으로 이격된 환형 벽(138, 140)과 판(118) 자체에 의해 형성되어 터어빈 덕트(10)의 내측을 따라 안내되는 물 및/또는 연료를 포획한다. 또한, 배기 파이프(142)도 파이프(42)와 유사하게 구비된다. 단열 블랭킷은 배기 파이프(142)를 둘러싸는 영역을 포함하는 배기 덕트라인의 벽들 사이의 공간에 포함될 수 있다.

상기 설명한 것처럼 본 발명은 신뢰성 및 긴 수명을 제공한다. 이에 대해, 금속 시일 판의 수명은 전형적인 안내서 계산법을 사용하여 용이하게 계산될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시일은 종래 기술보다 인접 덕트들 사이에서 보다 많은 상대 이동 즉, 7.62 cm(3 인치) 이상의 이동을 수용한다.

본 발명은 보다 실제적이고 바람직한 실시예에 관련지어 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 기술 사상 및 범위 내에 서 다양한 변경 및 대응하는 장치가 포함된 것을 알 수 있다.

Claims (11)

1. 가스 터어빈 배기 덕트와 축방향 인접 배기 덕트라인 사이의 팽창 조인트용 가요성 시일이며,

   상기 가요성 시일은 가요성 시일 판의 다수의 축방향 인접 층을 포함하고, 각각의 상기 층은 상기 시일 판들이 각각의 층에 있어서 360도 환형부를 서로 형성하도록 원호 길이를 각각 갖는 다수의 상기 시일 판을 포함하고, 상기 가요성 시일 판의 다수의 층은 그의 제1 단부가 가스 터어빈 배기 덕트에 고정되며, 상기 시일 판의 대향 제2 단부는 배기 덕트라인의 자유 에지를 가로질러 활주식으로 결합되는 팽창 조인트용 가요성 시일.
2. 제1항에 있어서, 상기 배기 덕트라인의 자유 에지는 상기 가스 터어빈 배기 덕트 내에서 그를 따라 이동하는 물 또는 연료를 포획하는 환형 배기 홈의 자유 에지인 팽창 조인트용 가요성 시일.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 층은 3개의 층인 팽창 조인트용 가요성 시일.
5. 제2항에 있어서, 상기 배기 홈은 그의 하부에 배기 파이프를 갖는 환형이면서 부분적으로 도넛형 부재(annular, partially toroid-shaped member)인 팽창 조인트용 가요성 시일.
6. 제1항에 있어서, 각 층의 가요성 시일 판은 인접층의 가요성 시일 판으로부터 주연 방향으로 오프셋되는 팽창 조인트용 가요성 시일.
7. 제1항에 있어서, 상기 가스 터어빈 배기 덕트 상의 반경방향 플랜지에 대해 가요성 시일 판을 클램핑하는 다수의 억제 바아 세그먼트를 갖는 억제 바아 조립체를 구비하는 팽창 조인트용 가요성 시일.
8. 제7항에 있어서, 상기 배기 덕트라인의 적어도 하나의 표면은 상기 가스 터어빈 배기 덕트 내에서 그를 따라 이동하는 물 또는 연료를 포획하는 환형 배기 홈의 에지인 팽창 조인트용 가요성 시일.
9. 가스 터어빈 배기 덕트와 축방향 인접 배기 덕트라인 사이의 팽창 조인트용 가요성 시일이며,

   상기 가요성 시일은 가요성 시일 판의 다수의 축방향 인접 층을 포함하고, 각각의 상기 층은 상기 시일 판들이 각각의 층에 있어서 360도 환형부를 서로 형성하도록 원호 길이를 각각 갖는 다수의 상기 시일 판을 포함하고, 상기 가요성 시일 판의 다수의 층은 그의 제1 단부가 가스 터어빈 배기 덕트에 고정되며, 상기 시일 판의 대향 제2 단부는 상기 배기 덕트라인의 적어도 하나의 표면과 활주식으로 결합되고,

   상기 배기 덕트라인의 적어도 하나의 표면은 시일 판의 대향 단부가 활주식으로 수납되는 환형 반경방향 홈을 그 사이에 형성하는 다수의 축방향으로 이격되고 주연방향으로 배열된 플랜지인 팽창 조인트용 가요성 시일.
10. 제1항에 있어서, 상기 터어빈 배기 덕트 및 배기 덕트라인은 단면이 원형이고, 상기 터어빈 배기 덕트는 배기 덕트라인보다 작은 직경을 갖는 팽창 조인트용 가요성 시일.
11. 가스 터어빈 배기 시스템 내의 팽창 조인트용 가요성 시일이며,

    상기 조인트는 가스 터어빈 덕트 및 인접 배기 덕트라인을 구비하고, 상기 가요성 시일은 환형으로 배열된 가요성 시일 판의 다수의 축방향 인접 층을 구비하며, 상기 가요성 시일 판의 제1 단부는 상기 가스 터어빈 덕트 상의 환형 장착 플랜지에 고정되고, 상기 가요성 시일 판의 제2 자유 단부는 상기 배기 덕트라인 내의 환형 반경방향 홈 내에 활주식으로 결합되어 상기 가스 터어빈 덕트와 상기 배기 덕트라인 사이에서 상대적인 축방향 및 반경방향 이동을 수용하는 팽창 조인트용 가요성 시일.

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