KR100636439B1 - 관형 커넥터 및 육상용 터빈 - Google Patents

관형 커넥터 및 육상용 터빈 Download PDF

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Abstract

2개의 관형 구성요소 사이에서 연장되는 관형 커넥터는 내경부를 갖는 관형 본체와, 2개의 관형 구성요소중 제 1 구성요소상의 상보형 안착면과 결합하는 테이퍼형 표면을 갖는 환형의 반경방향 플랜지를 포함하는 제 1 자유 단부와, 2개의 관형 구성요소중 제 2 구성요소의 원통형 단부내에 안착되는 환형의 볼록한 형상을 갖는 제 2 자유 단부를 포함하며, 내경부는 제 1 자유 단부에 걸쳐 일정하게 유지된다.

Description

관형 커넥터 및 육상용 터빈{CONNECTOR TUBE FOR A TURBINE ROTOR COOLING CIRCUIT}
도 1은 본 발명의 커넥터 튜브를 사용하는 가스 터빈 로터 조립체의 부분 측면도,
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 커넥터 튜브의 측면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12, 14, 16, 18 : 휠 20, 22, 24 : 스페이서
30, 32, 34, 36 : 노즐 60 : B-너트
66 : 테이퍼형 표면 70 : 엘보
본 발명은 일반적으로 육상용 가스 터빈 동력 플랜트에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 로터 냉각 회로내에서 축방향으로 연장하는 냉각 튜브를 반경방향으로 연결하기 위해 사용되는 관형 커넥터에 관한 것이다.
가스 터빈 로터용 증기 냉각 회로는 미국 특허 제 5,593,274 호에 개시되어 있다. 간단히, 냉각 증기는 로터와 동심형인 튜브 및 그 후 반경방향 통로를 통해 축방향 연장 튜브(로터 축에 평행하지만 로터 축에 대해 반경방향 외측에 위치함)로 공급되며, 축방향 연장 튜브는 냉각 증기를 하나 또는 그 이상의 터빈 스테이지의 버킷에 공급한다. 증기를 제거하는데는 유사한 복귀 경로가 사용된다. 터빈 로터 조립체의 회전 환경 및 그에 따라 발생되는 원심력때문에, 그리고 각종 구성요소의 열 팽창때문에, 반경방향으로 배향된 냉각제 튜브는, 반경방향 튜브의 양쪽 단부가 축방향 튜브 체결구와 접속되는 곳에서의 상대적인 축방향 및 반경방향 시프팅 이동(shifting movement)을 흡수하도록 설계되어야 한다.
본 발명은 대향 단부에 커플링 프로파일을 갖는 튜브에 관한 것으로, 이 커플링 프로파일은 회전 환경내의 반경방향 연결 튜브에 있어서 특히 유리하다. 특히, 연결될 튜브는 로터 축에 대해 실질적으로 평행하지만 로터 축에 대해 반경방향으로 오프셋되어 있다. 그러나 본 발명의 튜브와 정합하는 결합구는 반경방향 튜브와 축방향으로 정렬되어 있다. 이러한 논의를 위해, 달리 설명되어 있지 않다면, 반경방향 대 축방향 또는 반경방향 "외측" 또는 반경방향 "내측"에 대한 기준은 튜브가 터빈 로터 조립체내에 설치될 때 튜브의 배향을 고려한 것이다. 튜브의 "상부" 단부 또는 "하부" 단부에 대한 기준은 로터 축에 대한 튜브의 반경방향 외측 단부 및 반경방향 내측 단부에 각각 해당한다. 그러나 튜브상의 "반경방향 플랜지"는 튜브 자체의 종방향 중심축을 기준으로 한 것이다.
예시적인 일 실시예에 있어서, 튜브의 반경방향 외측 또는 상부 단부는 테이퍼형 에지가 형성된 확대된 반경방향 플랜지(그러나 일정한 튜브 내경을 가짐)를 가지며, 테이퍼는 상방 또는 반경방향 외측 방향으로 튜브의 종방향 중심축을 향해 내측으로 연장한다. 이러한 테이퍼는 부분 구형상이며, 그리하여 반경방향 외측 축방향 냉각 튜브에 부착된 엘보 구성요소의 축방향 정렬 단부에 형성된 평평한 원추형 시트와의 결합은 실질적으로 접선방향이다. 결과적으로, 반경방향 외측 또는 상부 튜브 단부는 시트내에서 실질적으로 임의의 방향으로 "롤링(rolling)"할 수 있으며, 따라서 반경방향으로 배향된 튜브와 그에 연결된 축방향 튜브 사이의 상대적인 시프팅 이동을 흡수하는 동시에, 로터의 회전에 의해 발생된 원심력에 기인해 발생할 수 있는 임의의 반경방향 외측 이동에 견딜 수 있다.
튜브의 반경방향 내측 또는 하부 단부는 "반부 스풀리(half spoolie)"로 형성되는데, 즉 튜브의 하부 자유 단부는 부분 구형 표면으로 형성된 부분 토로이드(toroid)를 형성하도록 확대된다. 다시 말해, 환형 홈은 튜브 단부를 중심으로 형성되는 한편, 튜브 벽의 두께는 실질적으로 일정하게 유지된다. 튜브의 단부는 반경방향 내측의 축방향 연장 튜브에 형성된 반경방향 연장 원통형 부싱에 미끄럼운동이 가능하게 수납된다. 이러한 구성은 튜브와 부싱의 원통형 내경의 계면에서 접선방향 선 접촉을 유발한다. 그러나 이러한 단부에서 튜브의 반경방향 이동을 억제하지 않아(즉, 마찰 이외임), 비록 튜브가 반경방향 외측 단부에서 열 성장(thermal growth)이 억제되더라도 튜브는 로터 축에 대해 반경방향 내측 방향으로 열팽창할 수 있다.
따라서, 넓은 관점에서, 본 발명은 2개의 관형 구성요소 사이에서 연장되는 관형 커넥터에 관한 것으로, 내경부를 갖는 관형 본체와, 2개의 관형 구성요소중 제 1 구성요소상의 상보형 안착면과 결합하는 테이퍼형 표면을 갖는 환형의 반경방향 플랜지를 포함하는 제 1 자유 단부와, 2개의 관형 구성요소중 제 2 구성요소의 원통형 단부내에 안착되는 환형의 볼록한 형상을 갖는 제 2 자유 단부를 포함하며, 내경부는 제 1 자유 단부에 걸쳐 일정하게 유지된다.
도면을 참조하면, 일반적으로 참조부호(10)로 표시된 터빈 로터 조립체를 포함하는 터빈의 일부가 도시되어 있으며, 터빈 로터 조립체(10)는 예를 들어 4-스테이지의 예시적인 터빈 로터의 일부를 형성하는 로터 휠(12, 14, 16, 18)과 이들 휠 사이에 교대로 배치되는 스페이서(20, 22, 24) 등의, 축방향으로 적층된 구성요소를 포함한다. 휠 및 스페이서 요소는 다수의 길다란 원주방향 연장 볼트에 의해 로터상에 서로 고정되며, 이 볼트중 하나만이 참조부호(26)로 표시되어 있다. 휠(12, 14, 16, 18)에는 각기 다수의 원주방향으로 이격된 터빈 버킷(12a, 14a, 16a, 18a)이 각각 장착된다. 노즐(30, 32, 34, 36)과 각각의 휠(12, 14, 16, 18)의 조합은 터빈의 스테이지를 구성한다. 후방 샤프트 휠(42)은 로터(10)의 일부를 형성하며 적층된 휠 및 스페이서에 볼트 체결된다.
본 출원인에 의해 설계된 향상된 가스 터빈에 있어서, 후방 샤프트(44)는 미국 특허 출원번호 제 09/216363 호에 기술 및 도시된 보어 튜브 조립체를 둘러싸고 있다. 간단하게 설명하면, 보어 튜브 조립체는 환형의 냉각 증기 공급 통로(52) 및 사용된 냉각 증기 복귀 통로(54)를 각기 형성하는 축방향 연장 외측 및 내측 튜브(48, 50)를 포함한다. 통로(52, 54)는 증기를 각기 반경방향 연장 도관 또는 튜브(56, 58)의 세트를 통해 로터의 외측 림과 연통시키고, 로터의 림 주위로 원주방향으로 이격된 대응하는 축방향 연장 튜브의 세트와 연통한다. 증기는 증기 공급 통로(52)를 통해 공급되며 반경방향 튜브(56)는 냉각 증기를 축방향 연장 튜브(도시되지 않음)를 통해 각기 제 1 및 제 2 스테이지의 버킷(12a, 14a)으로 공급하는 한편, 고정 또는 정지 상태의 파이프(도시되지 않음)로의 복귀를 위해 축방향 튜브[한개가 참조부호(57)로 표시됨] 및 반경방향 튜브(58) 그리고 복귀 통로(54)는 버킷으로부터 사용된 냉각 증기를 수용한다. 축방향 튜브(57)뿐만 아니라 보어 튜브(48, 50)도 로터 조립체(10)의 일부이며, 로터 조립체(10)와 함께 회전함을 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 반경방향 커넥터 튜브(56, 58)는 동일하므로, 하나의 튜브(58)만이 상세히 설명될 것이다. 커넥터 튜브(58)는 그 반경방향 외측 단부(제 1 자유 단부)에 통상의 "B-너트"(60)를 가지며 대향된 반경방향 내측 단부(제 2 자유 단부)에 "반부 스풀리(half-spoolie)" 커넥터(62)를 갖는 관형 본체를 포함한다. 반경방향 외측 단부의 "B-너트"(60)는 반경방향 플랜지(64) 및 구형 또는 테이퍼형 표면(66)을 포함한다. 본 경우에 있어서, 테이퍼형 표면(66)은 엘보(70)의 축방향 정렬 단부의 평평한 환형의 테이퍼형 표면(68)과 결합하도록 설계되며, 이 엘보(70)의 반대쪽 단부는 반경방향 외측 축방향 튜브(57)에 연결된다. 이는 인접한 관형 부재 사이의 통상적인 밀봉 연결이지만, 커넥터 튜브(56)를 반경방향 외측 방향으로 이동시키는 경향의 원심력이 커넥터에 작용하는 본원에서는 특히 유용하다. 다시 말해, 튜브(58)의 구형상 단부는 부품 사이의 상대 이동에 대해 필요한 만큼 조정됨으로써 엘보(70)의 정합 표면(68)과의 밀봉 접촉을 유지한다. B-너트(60)는 관형 부재(56)에 있어서 스풀리에 대향하는 단부에 그 자체가 용접되거나 또는 일체로 성형될 수 있다.
반경방향 내측 단부, 즉 스풀리 단부에서, 튜브(56)는 반경의 확대에 의한 확대된 단부를 구비하여 환형의 부분 구형상 단부(72)(부분 또는 반부 스풀리로도 지칭됨)를 형성하며, 부분 구형상 단부(72)는 직선 또는 원통형 단부, 또는 반경방향 내측의 축방향 튜브(54)로부터 반경방향으로 연장하는 관형 부싱(74)의 내측에 끼워진다. 이러한 방법으로, 튜브(58)의 열 성장은 튜브의 반경방향 내측 단부에서 흡수되는 한편, 반경방향 내측 및 외측 튜브 사이의 상대적인 축방향 시프팅 이동은 튜브의 반경방향 외측 단부의 "B-너트" 연결부에서 흡수된다.
예시적인 실시예에 있어서, 스풀리 표면은 그의 외부가 내마모성 피복재, 예를 들면 트라이발로이(Tribaloy)로 공지된 시판용 코발트계 피복 합금으로 피복된다.
본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예에 대해 설명되었지만, 본 발명은 설명된 실시예에 한정되지 않으며 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에서 각종 변형 및 동등한 구성을 포함함을 알 수 있다.
본 발명은 반경방향 외측 또는 상부 튜브 단부가 시트에서 실질적으로 "롤링(rolling)"할 수 있도록 하여, 반경방향으로 배향된 튜브와 그에 연결된 축방향 튜브 사이에서 상대적인 시프팅 이동을 조절하는 한편, 그와 동시에 로터의 회전에 의해 발생된 원심력에 기인해 발생할 수 있는 반경방향 외측 이동에 견딜 수 있도록 하며, 튜브가 반경방향 외측 단부에서 열 성장이 억제되더라도 튜브는 로터 축에 대해 반경방향 내측 방향으로 열팽창할 수 있도록 한다.

Claims (10)

  1. 2개의 관형 구성요소 사이에서 연장되는 관형 커넥터에 있어서,
    내경부를 갖는 관형 본체와, 상기 2개의 관형 구성요소중 제 1 구성요소상의 상보형 안착면과 결합하는 테이퍼형 표면을 갖는 환형의 반경방향 플랜지를 구비하는 제 1 자유 단부와, 상기 2개의 관형 구성요소중 제 2 구성요소의 원통형 단부내에 안착되는 환형의 부분 구형상을 갖는 제 2 자유 단부를 포함하며, 상기 관형 본체의 내경부는 상기 제 1 자유 단부를 통해 일정하게 유지되고, 상기 제 2 자유 단부는 그의 외부 표면이 내마모성 재료로 피복되는
    관형 커넥터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내마모성 재료는 코발트계 합금을 포함하는
    관형 커넥터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이퍼형 표면은 부분 구형상인
    관형 커넥터.
  6. 로터 조립체 및 다수의 스테이지를 갖는 육상용 터빈에 있어서,
    각각의 스테이지는 다수의 버킷을 지지하는 휠과, 서로에 대해 반경방향으로 오프셋된 적어도 제 1 및 제 2 축방향 연장 튜브를 포함하는 냉각 회로와, 상기 제 1 및 제 2 축방향 연장 튜브를 연결하는 반경방향으로 배향된 튜브를 구비하며, 상기 반경방향으로 배향된 튜브는, 내경부와, 상기 2개의 축방향 연장 튜브중 제 1 축방향 연장 튜브상의 상보형 안착면과 결합하는 테이퍼형 표면을 갖는 환형의 반경방향 플랜지를 포함하는 제 1 자유 단부와, 상기 2개의 축방향 연장 튜브중 제 2 축방향 연장 튜브의 원통형 단부내에 안착되는 환형의 볼록한 형상을 갖는 제 2 자유 단부를 가지며, 상기 관형 본체의 내경부는 상기 제 1 자유 단부를 통해 일정하게 유지되는
    육상용 터빈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 볼록한 형상부는 부분 토로이드(toroid) 형태로 제공되는
    육상용 터빈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 자유 단부는 그의 외부 표면이 내마모성 재료로 피복되는
    육상용 터빈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 내마모성 재료는 코발트계 합금을 포함하는
    육상용 터빈.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 테이퍼형 표면은 부분 구형상인
    육상용 터빈.
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