KR100628590B1 - 터빈용 고정자 베인 조립체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

내외측 밴드와 이들 사이에서 연장되는 베인을 갖는 터빈 베인 세그먼트는 밴드의 외측부로부터 그리고 이들의 인접한 가장자리를 따라 E-비임 용접에 의해서 서로 용접된다. 내외측 밴드의 고온 가스 경로 측의 인접한 가장자리는 모따기되고, TIG-용접되고 기계가공되어 평활하고 연속된 가스 경로 표면을 제공한다. 각각의 세그먼트의 후방 후크는 반경방향으로 돌출된 플랜지와 반경방향 플랜지로부터 축방향으로 연장되는 플랜지에 삽입면을 제공하도록 안으로 절단된다. 반경방향 플랜지의 삽입면 사이의 공간 형상에 대응하도록 형성된 몸체를 갖는 필러 재료는 반경방향 플랜지에 E-비임 용접된다. 필러 재료상의 텅과 축방향으로 연장된 플랜지의 삽입면 사이의 간극은 용접 필러 재료로 채워지며 TIG-용접되어 후방 후크의 용접을 완성한다.

Description

터빈용 고정자 베인 조립체 및 그 제조 방법{A STATOR VANE ASSEMBLY FOR A TURBINE AND METHODS FOR FORMING THE ASSEMBLY}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상호 용접되는 한쌍의 단일물의 외측 밴드부의 반경방향 내측 평면도,
도 2는 도 1의 베인 조립체의 축방향 단면도,
도 3은 세그먼트중 하나의 베인과 외측 밴드를 도시하는 원주방향으로 절단한 단면도,
도 4는 외측 밴드의 후방 후크를 도시하는 부분 확대 단면도,
도 5는 용접 필러 재료의 확대 사시도,
도 6은 필러 재료의 확대 사시도,
도 7은 TIG-용접전에 삽입된 필러 재료와 서로 인접한 베인 세그먼트를 도시하는 도 1과 유사한 도면,
도 8은 정합전에 후방 후크에서 필러 재료의 TIG-용접을 도시하는 도 7과 유사한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 간단한 설명*
10, 12 : 고정자 베인 세그먼트 14 : 외측 밴드
16 : 내측 밴드 18 : 베인
28 : 후방 후크 30, 32 : 제 1 가장자리
46 : 후방 돌출 플랜지 47, 48, 50, 52 : 삽입면
56 : 필러 재료
본 발명은 터빈, 예컨대 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈 스테이지를 형성하는 세그먼트의 환상 어레이를 형성하도록 터빈 베인 세그먼트를 서로 용접하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
터빈 특히 가스 터빈의 구성에 있어서, 터빈 세그먼트의 환상 어레이가 터빈 스테이지를 형성하도록 제공된다. 일반적으로, 터빈 스테이지는 서로 반경방향으로 이격된 내외측 환상 밴드를 가지며 복수개의 베인들이 원주방향으로 서로 이격된 위치에서 내외측 밴드 사이로 연장된다. 내외측 밴드 및 베인은 작동 유체가 터빈을 통과하여 유동하기 위한 경로, 예컨대 가스 터빈에 있어서는 고온 가스 경로를 규정한다. 최근에 개발된 가스 터빈 설계에 있어서, 고온 가스 경로는 내외측 밴드의 벽을 따라 베인을 통해 증기가 유동함으로써 냉각된다. 가스 터빈을 증기로 냉각함에 있어서의 복잡성을 포함한 여러 가지 이유로, 노즐 스테이지는 별개의 세그먼트 또는 단일물(singlet)로 형성된다. 베인의 에어포일 형상으로 인해, 각각의 단일물 또는 베인 세그먼트는 대체로 축방향으로 연장되는 전방 내외측 밴드부와, 축방향과 원주방향 모두로 연장되는, 즉 로터의 축에 대해서 그리고 세그먼트의 전방부에 대해서 후방으로 구부러진 후방 내외측 밴드부를 갖는다.
단일물은 내외측 밴드의 인접 가장자리를 따라 상호 용접되는 것이 바람직하다. 그러나, 내외측 밴드를 형성하는 재료는 고온 가스 경로의 고온에 대한 저항성과 고 강도를 갖도록 설계되는 것이 필수적이다. 따라서 내외측 밴드는 그들의 필요한 화학적 성질, 컨디셔닝 및 구조 때문에 서로 쉽게 용접되지 않을 것이다. 텅스텐 불활성 가스(tungsten inert gas: TIG) 용접 기술이 일반적이지만, 이 기술은 용접부에 불균일한 열이 입력되는 특징이 있기 때문에, 상호 용접되는 부품에 뒤틀림과 변형을 초래한다. 필러(filler)는 또한 내외측 밴드의 재료와 특성적으로 조화되어야 한다. 따라서, 용접부의 변형을 제거 또는 최소화시키고 고 강도의 결합부를 제공하는 고정자 베인 조립체 및 이 조립체를 형성하는 방법이 요구된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 인접한 고정자 베인 세그먼트의 내외측 밴드의 인접 가장자리에 각기 반경방향 외측 및 내측으로 지향된 플랜지가 제공되어 있다. 또한, 고온 가스 경로 측부상에 그들의 인접 가장자리를 따라 챔퍼가 형성되어 있다. E-비임 용접을 채용함으로써, 가장자리 물질, 즉 플랜지는 모재료를 사용하여 TIG 용접과 같은 다른 용접 기술의 고온 입력 특성을 부가하지 않고 서로 용융된다. 결과적으로 형성된 용접부는 큰 변형이나 또는 뒤틀림이 없으며 TIG 용접부보다 훨씬 적은 결함을 가진다. E-비임 용접은 예컨대 진공에서 수행되어야 하므로, 가장 비용이 저렴한 유형의 용접은 아니지만, 열 입력이 감소되기 때문에 변형 또는 뒤틀림을 상당히 제거 또는 감소시킬 수 있는 장점을 가진다. 내외측 밴드의 외측부로부터 지향되는 E-비임에 의한 E-비임 용접에 의해서 내외측 밴드 가장자리를 용융함으로써, 모재료가 가스 경로측상에 용접 재료를 튀겨서 불규칙한 표면을 형성할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 그 결과, E-비임 용접을 사용하여 내외측 가장자리를 용접한 후, 내부 챔버는 TIG 용접되도록 고온 가스 경로 측부를 따라 내외측 가장자리의 가장자리상에 챔퍼가 형성된다. 정합 챔퍼에 부가되는 용접 재료와 E-비임 용접에 비해 열 입력이 높은 것은, 용접 면적이 전체의 가장자리를 서로 용접하는 것보다 훨씬 작기 때문에 결합부에 영향을 주지 않는다. TIG-용접에 의해서 내외측 밴드의 챔퍼면을 따라 부가된 용접 재료는 내외측 밴드의 고온 가스 경로 측을 따라 평활하고, 연속적인 가스 경로 표면을 형성하도록 기계가공될 수 있다.
각각의 세그먼트의 외측 밴드의 후단부에 있어서, 노즐 스테이지를 터빈의 고정된 케이싱에 고정하기 위한 후방 후크를 구비하고 있다. 후방 후크는 반경방향 외측으로 지향된 플랜지와, 반경방향 플랜지로부터 후방으로 돌출된 플랜지를 포함한다. 이들 플랜지는 후방 후크에서의 외측 밴드 가장자리를 형성하는 재료의 두께를 변경시킨다. E-비임 용접은 일정한 에너지 입력을 필요로 하며 용접될 재료는 균일한 용접을 달성하도록 일정한 단면적 형상을 가져야 한다. 후방 후크는 그 기하학적 형상을 변화시키므로 인접 세그먼트의 후방 후크는 E-비임만을 사용하는 용접에는 적합하지 않다. 재료 두께의 변화를 허용하고, 변형 또는 뒤틀림이 없이 고 강도 용접을 제공하기 위해서, 베인 세그먼트의 결합부에서 후방 후크의 인접 단부는 절단되어 서로 원주방향으로 이격되고 세그먼트 가장자리로부터 원주방향으로 삽입된 각이진 면을 제공한다. 필러 재료가 베인 세그먼트의 후방 후크부의 삽입면 사이에 형성된 슬롯내에 배치된다. 필러 재료는 후방 돌출 플랜지와 같은 방향으로 돌출되는 두께가 감소되는 텅을 가진다. 인접한 후방 후크 세그먼트의 절결부 또는 슬롯은 반경방향 돌출 플랜지의 삽입면 사이보다 후방 돌출 플랜지의 삽입면 사이에 더 큰 공간을 가진다. 따라서, 감소된 필러 재료의 텅은 그것과 인접 세그먼트의 후방 돌출 플랜지의 삽입면 사이에 간극을 제공한다. 필러 재료의 본체는 반경방향 돌출 플랜지면에 대해 E-비임 용접되고 후방 돌출 플랜지면에 대해 TIG-용접되는 것이 바람직하다. 따라서 용접 재료는 텅과 후방 돌출 플랜지의 삽입면 사이의 간극에 공급된다. 인접 세그먼트의 다양한 위치에 이들 용접 기술을 채용함으로써, 개별적인 베인 세그먼트는 거의 비틀림이나 변형 없이 서로 결합된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 각각의 세그먼트가 외측 밴드(14), 내측 밴드(16) 및 이들 사이에서 연장되는 베인(18)을 포함하는 제 1 및 제 2 고정자 베인 세그먼트(10, 12)를 서로 용접하는 방법으로서, 상기 제 1 및 제 2 세그먼트의 내외측 밴드의 인접 가장자리(30, 32)를 상기 밴드 외측으로부터 그리고 상기 밴드의 내측면을 따라 서로에 대해 용접하는 단계를 포함하는, 상기 고정자 베인 세그먼트를 용접하는 방법은, 대향 삽입면(47, 48, 50, 52)을 형성하는 상기 외측 밴드의 후방 후크(28)를 따라 개구를 제공하는 단계와, 상기 삽입면으로부터 이격되게 개구내에 필러 재료(56)를 삽입하는 단계와, 상기 필러 재료를 상기 후방 후크에 용접하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 외측 밴드(14), 내측 밴드(16), 및 상기 외측 밴드와 내측 밴드 사이에서 연장되는 베인(18)을 각각 갖는 제 1 및 제 2 고정자 베인 세그먼트(10, 12)를 포함하는 터빈용 고정자 베인 조립체로서, 상기 제 1 세그먼트의 내외측 밴드가 상기 제 2 세그먼트의 내외측 밴드의 제 2 가장자리에 각각 용접되는 제 1 가장자리(30, 32)를 각각 가져서, 상기 제 1 및 제 2 세그먼트는 상기 세그먼트의 인접하는 베인 및 내외측 밴드 사이에 유동 경로를 한정하도록 서로 고정되어 있고, 상기 세그먼트 각각은 상기 외측 밴드의 후방부를 따라 대체로 반경방향으로 연장된 플랜지 및 후방 돌출 플랜지(46)를 갖는 후방 후크(28)를 구비하는, 상기 터빈용 고정자 베인 조립체는, 상기 후방 후크의 플랜지는 상기 세그먼트의 각각의 제 1 및 제 2 가장자리로부터 내측으로 절단되어서, 상기 플랜지 사이의 개구를 규정하는 삽입면(47, 48, 50, 52)을 형성하고, 상기 개구내의 필러 재료(56)는 상기 후방 돌출 플랜지의 삽입면과 함께 그 양측에 간극을 형성하며, 상기 간극내의 용접 재료는 상기 필러 재료 및 상기 후방 돌출 플랜지를 서로 고정한다.
삭제
도면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 터빈, 예컨대 가스 터빈의 노즐 스테이지를 형성하는 고정자 베인 세그먼트의 환상 어레이 부품을 형성하는 한쌍의 고정자 베인 세그먼트(10, 12)를 도시한다. 특히, 각각의 세그먼트(10, 12)는 외측 밴드(14), 내측 밴드(16) 및 내외측 밴드(14, 16)를 각각 상호결합하는 베인(18)을 포함한다. 각각의 내외측 밴드는 축방향으로 연장되는 전방부(20)와 축방향에 대해 소정 각도로 연장되는 후방부(22)를 포함한다. 내외측 밴드(14, 16) 사이에서 각각 연장되는 베인(18)은 또한 외측 밴드(14)의 반경방향 외측으로 돌출되는 베인 연장부(24)를 포함한다. 베인 연장부는 터빈 케이싱(도시안함)의 고정부로부터의 세그먼트에 대한 구조적 지지를 용이하게 하고, 또한 내외측 밴드 및 베인의 냉각을 용이하게 하며, 이들은 모두 본 발명과 관련되지 않는 방식으로 행해진다. 베인 연장부(24)는 세그먼트의 각이진 후방부(22)를 필요로 하는 베인의 단면을 상당한 정도로 도시한다. 도 3을 참조하면, 각각의 베인 세그먼트의 외측 밴드의 전방부(20)는 전방 후크(26)를 가지며, 외측 밴드(14)의 후방부(22)는 후방 후크(28)를 가진다. 전방 및 후방 후크(26, 28)는 베인 세그먼트 및 세그먼트에 의해서 형성된 스테이지를 터빈의 고정형 케이싱(도시안함)에 고정한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 외부 및 내측 밴드(14, 16)는 각기 반경방향 내측 및 외측으로 지향된 플랜지(34, 36)를 갖는 가장자리(30, 32)를 가진다. 또한, 이러한 가장자리(30, 32)는 내외측 밴드(14, 16)의 내측부를 따라 즉, 밴드의 가스 경로 측부를 따라 챔퍼(38, 40)를 형성하고 있다.
도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 베인 세그먼트상의 후방 후크(28)는 대체로 반경방향 외측으로 돌출된 플랜지(44)와 반경방향 플랜지(44)의 말단부에서 축방향으로 연장된 플랜지(46)를 가진다. 각각의 세그먼트(10, 12)는 인접한 후방 후크를 따라 절결부를 가지며 각각의 세그먼트의 후방 후크가 원주방향으로 서로 이격되어 있다. 보다 상세하게는, 직립한 반경방향 플랜지(44)는 외측 밴드(14)의 가장자리로부터 내측으로 절단되어 삽입면(47)을 형성한다. 인접한 세그먼트(12)는 유사한 삽입면(48)을 가진다. 삽입면(47, 48)은 반경방향 플랜지(44)의 영역에서 인접한 외측 밴드(14)를 따라 시트(seat)(49)를 형성한다. 세그먼트(10)의 축방향 연장 플랜지(46)는 또한 삽입면(50)을 가지며, 세그먼트(12)의 플랜지(46)는 마찬가지로 삽입면(52)을 가진다. 삽입면(50, 52)은 삽입면(46, 48)이 서로 이격되어 있는 것보다 큰 거리로 원주방향으로 서로 이격되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 주본체(58)와 텅(60)을 갖는 필러 재료(56)가 도시되어 있다. 주본체(58)는 인접 세그먼트의 직립 플랜지(44)에 대한 주본체(58)의 E-비임 용접을 가능하게 하는 공차가 거의 없는 끼워맞춤으로, 삽입면(47, 48)에 의해서 규정되고 외부벽의 가장자리에 의해서 형성되는 시트(49)내에 수납된다. 즉, 필러 재료(56)의 주본체(58)의 측면은 인접 세그먼트의 반경방향 플랜지(44)의 삽입면(47, 48)에 대해 E-비임 용접된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 필러 재료(56)의 텅(60)의 측면은 삽입면(50, 52)에 평행하게 돌출됨으로써 축방향 플랜지(46)의 삽입면(50, 52)과 간극을 형성한다. 삽입면(50, 52)은 세그먼트의 후방 플랜지의 말단부와 각각 예각 및 둔각을 형성한다.
베인 세그먼트를 서로 고정하기 위해서, 인접 세그먼트의 내외측 밴드(14, 16)의 가장자리는 E-비임(70, 72)을 사용하여 서로 용접된다. 따라서, 필러 재료를 요구하지 않는 E-비임은 세그먼트의 모재료를 사용하여 서로 인접한 세그먼트의 플랜지(34, 36)를 용융한다.
그 다음, 플랜지는 인접한 외측 밴드의 전후방 섹션(20, 22)을 따라 또한 인접한 외측 밴드의 유사한 섹션을 따라 서로 용융된다. 인접한 모따기된(chamfered) 표면(38, 40)은 그 후 내외측 밴드의 고온 가스 경로 측에서 서로 TIG-용접된다. 즉, 필러 재료는 도 2에 도시된 바와 같이 인접한 챔퍼(chamfer)(38, 40)를 따라 제공된다. 물론, 용접은 고온 가스 경로 측에서 내외측 밴드를 따라 평활한 연속면을 제공하도록 차후에 기계가공된다.
필러 재료(56)의 본체(58)측은 마찬가지로 직립 플랜지(44)의 표면(47, 48)에 E-비임 용접된다. 그러나, 인접한 세그먼트의 축방향 지향 플랜지(46)의 삽입면(50, 52)과 필러 재료(56)의 텅(60)은 서로 TIG 용접된다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 필러 재료(76)는 텅(60)의 일치하는 측면과 후방 플랜지(46)의 각각의 삽입면(50, 52) 사이의 간극에 제공된다. 필러 재료는 물론 연속된 평활면을 형성하도록 차후에 기계가공된다.
본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예라 현재 간주되는 것과 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 기술된 실시예에 제한되지 않고 청구범위의 정신 및 보호범위내에 포함된 다양한 변형 및 균등물을 커버하는 것으로 의도됨을 이해하여야 한다.
E-비임 용접을 채용함으로써, 가장자리 물질 즉, 플랜지는 모재료를 사용하여 TIG 용접과 같은 다른 용접 기술의 고온 입력 특성을 부가하지 않고 서로 용융되어, 결과적으로 고정자 베인 조립체와, 이를 형성하는 방법은 용접부의 변형을 제거 또는 최소화시키고 고 강도의 결합부를 형성할 수 있다.

Claims (12)

  1. 각각의 세그먼트가 외측 밴드(14), 내측 밴드(16), 및 이들 사이에서 연장되는 베인(18)을 포함하는 제 1 및 제 2 고정자 베인 세그먼트(10, 12)를 서로 용접하는 방법으로서,
    상기 제 1 및 제 2 세그먼트의 내외측 밴드의 인접 가장자리(30, 32)를 상기 밴드 외측으로부터 그리고 상기 밴드의 내측면을 따라 서로에 대해 용접하는 단계를 포함하는, 상기 고정자 베인 세그먼트를 용접하는 방법에 있어서,
    대향 삽입면(47, 48, 50, 52)을 형성하는 상기 외측 밴드의 후방 후크(28)를 따라 개구를 제공하는 단계와,
    상기 삽입면으로부터 이격되도록 개구내에 필러 재료(56)를 삽입하는 단계와,
    상기 필러 재료를 상기 후방 후크에 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    고정자 베인 세그먼트의 용접 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밴드의 모재료만을 서로 용융함으로써 상기 밴드의 외측으로부터 상기 인접 가장자리를 서로 용접하는 단계와,
    상기 가장자리를 규정하는 상기 내외측 밴드의 내측면을 따라 챔퍼(38, 40)를 형성하는 단계와,
    상기 챔퍼를 충전하는 용접 필러 재료를 사용하여 상기 밴드의 내측면을 따라 인접 가장자리를 TIG 용접하는 단계를 포함하는
    고정자 베인 세그먼트의 용접 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 후방 후크(28)는 반경방향 플랜지(44)와, 상기 반경방향 플랜지로부터 연장된 축방향 플랜지(46)를 구비하며,
    상기 반경방향 및 축방향 플랜지를 따라 대향 삽입면(47, 48, 50, 52)을 형성하도록 상기 반경방향 및 축방향 플랜지를 구비하는 인접 후방 후크를 따라 개구를 제공하는 단계와,
    상기 필러 재료(56)를 상기 개구내에 삽입하는 단계와,
    필러 재료를 사용하지 않고 상기 필러 재료의 모재료와 플랜지를 용융함으로써, 상기 반경방향 플랜지의 삽입면(47, 48)에 상기 필러 재료를 용접하는 단계를 포함하는
    고정자 베인 세그먼트의 용접 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 외측 밴드(14), 내측 밴드(16), 및 상기 외측 밴드와 내측 밴드 사이에서 연장되는 베인(18)을 각각 갖는 제 1 및 제 2 고정자 베인 세그먼트(10, 12)를 포함하는 터빈용 고정자 베인 조립체로서,
    상기 제 1 세그먼트의 내외측 밴드가 상기 제 2 세그먼트의 내외측 밴드의 제 2 가장자리에 각각 용접되는 제 1 가장자리(30, 32)를 각각 구비하여, 상기 제 1 및 제 2 세그먼트는 상기 세그먼트의 인접하는 베인 및 내외측 밴드 사이에 유동 경로를 한정하도록 서로 고정되어 있고,
    상기 세그먼트 각각이 상기 외측 밴드의 후방부를 따라 대체로 반경방향으로 연장된 플랜지 및 후방 돌출 플랜지(46)를 갖는 후방 후크(28)를 구비하는, 상기 터빈용 고정자 베인 조립체에 있어서,
    상기 후방 후크의 플랜지가 상기 세그먼트의 각각의 제 1 및 제 2 가장자리로부터 내측으로 절단되어서, 상기 플랜지 사이의 개구를 규정하는 삽입면(47, 48, 50, 52)을 형성하고,
    상기 개구내의 필러 재료(56)가 상기 후방 돌출 플랜지의 삽입면과 함께 그 양측에 간극을 형성하며,
    상기 간극내의 용접 재료가 상기 필러 재료 및 상기 후방 돌출 플랜지를 서로 고정하는 것을 특징으로 하는
    고정자 베인 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 간극이 필러 용접 재료로 충전되는
    고정자 베인 조립체.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 간극을 형성하는 상기 삽입면이 상기 후방 플랜지의 말단부와 각각 예각 및 둔각을 형성하는
    고정자 베인 조립체.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 필러 재료와 상기 반경방향 플랜지의 삽입면(47, 48) 사이의 정합면이 용접 필러 재료를 사용하지 않고 서로 용접되는
    고정자 베인 조립체.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 필러 재료와 상기 반경방향 플랜지의 삽입면(47, 48) 사이의 정합면이 필러 재료와 상기 외측 밴드의 모재료만을 사용하여 서로 용융되는
    고정자 베인 조립체.
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