KR100672107B1 - 조정 가능한 입구 안내 베인 조립체 및 그것의 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

입구 안내 베인(10)을 압축기의 하부 입구 케이싱(12)으로부터 제거하기 위한 방법으로서, 상기 하부 입구 케이싱은 수평방향 접합부에서 상부 입구 케이싱에 고정되기에 적합하며, 상기 입구 케이싱의 상부 반부의 제거 후에도 압축기의 로터(20)는 제 위치에 유지되며, 상기 입구 안내 베인(10)은 하부 입구 케이싱의 반경방향 내벽 및 외벽 사이에 지지되며, 또한 상기 입구 안내 베인(10)은 외벽(16)을 통해 반경방향으로 연장되어 환형 기어 래크(40)와 결합하는 그 외부 단부 상의 구동 기어를 지지하는 일체형 스템이 형성되는, 입구 안내 베인 제거 방법에 있어서, ① 상기 입구 안내 베인의 일체형 스템(22)의 반경방향 외부 단부상의 기어(56)를 제거하는 단계와, ② 상기 입구 안내 베인(10)을 2개의 절단부로 절단하는 단계와, ③ 상기 하부 입구 케이싱(12)의 내측면으로부터 절단부를 제거하는 단계를 포함한다. 새로운 입구 안내 베인 조립체는 베인용을 교체하기 위해 제공된다. 조정 가능한 입구 안내 베인 조립체에 있어서, 그 반경방향 내부 단부에 원통형 마찰 단부(22)를 그리고 그 반경방향 외부 단부에 비교적 짧은 일체형 스템(44)을 구비하는 베인(40)과, 그 반경방향 내부 단부에서 상기 일체형 스템(44)의 반경방향 외부 단부에 결합되어 잭 샤프트(50)에 가해진 토크가 상기 베인(40)에 전달되게 하는 잭 샤프트(50)를 포함하며, 상기 잭 샤프트(50)의 반경방향 외부 단부는 구동 기어(56)를 수납하기에 적합하다. 외부 스템 편(58)는 잭 샤프트상에 설치되고, 구동 기어에 용접되어 구동 기어로부터 베인으로의 토크 전달 경로를 완성한다.

Description

조정 가능한 입구 안내 베인 조립체 및 그것의 제거 방법{REPLACEABLE VARIABLE STATOR VANE FOR GAS TURBINES}
도 1은 대략 수평 접합부에서 절단하고 입구 안내 베인이 입구 케이싱의 내측면에 조립되는 방식을 도시하는 것으로 축방향 압축기의 입구 케이싱의 하부 반부의 부분 단면 평면도,
도 2는 도 1로부터 취한 베인의 반경방향 외부 단부의 확대 세부도,
도 3은 도 1로부터 취한 베인의 반경방향 내부 단부의 확대 세부도,
도 4는 본 발명에 따라 새로운 입구 안내 베인의 반경방향 외부 단부의 부분 단면도,
도 5는 잭 샤프트와 도 4의 입구 안내 베인내에 합체된 잭 샤프트 및 외부 스템 편의 분해 사시도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 입구 안내 베인 12 : 하부 입구 케이싱
22 : 마찰 샤프트 24 : 부싱
28 : 마찰 링 30 : 지지 세그먼트
38, 56 : 구동 기어 40 : 베인
44 : 일체형 스템 50 : 잭 샤프트
60 : 나사 62 : 구동 링
64 : 래크
본 발명은 터보기계에 관한 것이며, 특히 터빈 압축기용의 신규한 가변 스테이터 베인 구조와, 터빈 로터를 제거하지 않고 기존의 가변 스테이터 베인을 제거하고 새로운 베인으로 교체하는 방법에 관한 것이다.
본 출원인의 생산라인의 가스 터빈에 사용되는 축류 압축기는 각기 블레이드형 디스크를 포함하는 18개나 되는 다수의 스테이지를 포함할 수 있다. 또한, 압축기 입구에는 가변 안내 베인의 원주형 열이 제공된다. 안내 베인은 시동시에 기류를 조정하는 기능을 하며, 재생 사이클 및 복합 사이클 적용에서 감소된 부하에서 보다 높은 점화 온도를 제공한다. 이들 입구 안내 베인은, 환형 구동 기어, 기어 래크 및 구동 기어를 사용하여, 작동 중에 베인을 일체로 회전시키기 위해서 입구 케이싱의 외측으로부터 기어로 작동된다.
특히, 입구 안내 베인은 본원에 상부 및 하부 입구 케이싱이라고 하는 2개의 반 환형 반부내에 지지되어 있다. 도시적인 예에 있어서, 4개의 입구 안내 베인이 하부 입구 케이싱에 볼트 체결된 8개의 지지 세그먼트 각각에 지지되어 있다. 상부 입구 케이싱이 제거된 동안에 상부 입구 케이싱내의 입구 안내 베인의 제거 및 교체가 상대적으로 쉽게 실행될 수 있는 반면에, 로터를 제거하지 않고 하부 입구 케이싱내의 입구 안내 베인을 제거 및 교체하는 것은 우선적으로 베인의 연장된 축방향 길이 때문에 문제가 있다. 후자는 베인 조정 드라이브가 케이싱의 외측면에 위치되는 요구조건이 필요해진다. 따라서, 각 베인은 환형 구동 링에 고정된 환형 기어 래크와 결합시키기 위한 구동 기어가 설치된 케이싱을 통해 연장된 일체형 연장된 구동 스템을 구비한다. 이들 연장된 베인을 제거하기 위한 필요 공간을 형성하기 위해 로터의 제거가 요구된다. 그러나, 그 과정은 복잡하고 시간이 소비되며 비용이 많이 든다.
본 발명은 종래의 입구 안내 베인 제거 기술과, 입구 케이싱의 하부 반부내의 입구 안내 베인을 재설치 가능하게 하고, 로터를 제거하지 않고 제거 및 재설치가 모두 실행 가능한 신규한 교체용 입구 안내 베인 조립체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 종래의 입구 안내 베인의 제거는, 하부 입구 케이싱 내의 안내 베인으로부터 외부 구동 기어를 제거한 다음에 베인을 절단하여, 각 안내 베인의 양 절단 편을 하부 입구 케이싱의 내측으로부터 제거하는 것을 포함한다. 상기 제거 과정은 하부 입구 케이싱내의 각각 지지 세그먼트내에 장착된 입구 안내 베인에 대해 세그먼트마다 이어진다. 로터의 제거 없이 교체용 입구 안내 베인을 설치하는 것은 후술하는 바와 같이 기존의 입구 안내 베인 설계의 수정을 필요로 한다.
현재 각 안내 베인의 반경방향 외부 또는 구동 단부는 다 부품 구동 스템(stem) 조립체를 포함할 것이다. 안내 베인 스템의 짧아진 반경방향 길이에 의해서, 각 안내 베인이 케이싱내에 손으로 설치 가능한 한편, 중간 잭 샤프트, 구동 기어 및 외부 스템 편을 포함하는 추가의 금속 설비를 입구 케이싱의 외측으로부터 조립할 수 있다. 베인과 일체인 구동 스템의 부분은 반경방향으로 짧게 되고, 중간 잭 샤프트내의 상보적인 리세스와 맞물리는 스플라인 및 평탄부를 구비한다. 잭 샤프트의 다른 단부는 구동 기어를 활주 가능하게 수납한다. 외부 스템 편은 구동 기어보다 더 돌출되고 토크 전달 평탄부(또는 육각형 헤드 또는 유사한)를 구비하는 잭 샤프트의 자유 단부상에 설치되기 위해 조정된다. 반경방향 나사는 외부 스템 편로부터 잭 샤프트를 통해 연장되어, 구성 부분을 함께 느슨하게 유지시키기 위해 베인 스템내에 나사 체결 가능하게 수납 가능하다. 모든 베인이 적당한 베인 각으로 조정된 후에, 반경방향 나사가 조여지고 외부 스템 편은 구동 기어에 용접되며, 그에 따라 구동 링, 기어 래크, 구동 기어 및 안내 베인 사이의 토크 전달 경로를 형성한다.
따라서, 하나의 형태에 있어서, 본 발명은, 입구 안내 베인을 압축기의 하부 입구 케이싱으로부터 제거하기 위한 방법으로서, 하부 입구 케이싱은 수평방향 접합부에서 상부 입구 케이싱에 고정되기에 적합하며, 입구 케이싱의 상부 반부의 제거 후에도 압축기의 로터는 제 위치에 유지되며, 입구 안내 베인은 하부 입구 케이싱의 반경방향 내부 및 외벽 사이에 지지되며, 또한 입구 안내 베인은 외벽을 통해 반경방향으로 연장되어 환형 기어 래크와 결합하는 그 외부 단부 상의 구동 기어를 지지하는 일체형 스템이 형성되는, 입구 안내 베인 제거 방법에 있어서,
① 입구 안내 베인의 일체형 스템의 반경방향 외부 단부상의 기어를 제거하는 단계와,
② 입구 안내 베인을 2개의 절단부로 절단하는 단계와,
③ 하부 입구 케이싱의 내측면으로부터 절단부를 제거하는 단계를 포함한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 조정 가능한 입구 안내 베인 조립체에 있어서, 그 반경방향 내부 단부에 원통형 마찰 단부를 그리고 그 반경방향 외부 단부에 비교적 짧은 일체형 스템을 구비하는 베인과, 그 반경방향 내부 단부에서 일체형 스템의 반경방향 외부 단부에 결합되어 잭 샤프트에 가해진 토크가 베인에 전달되게 하는 잭 샤프트를 포함하며, 잭 샤프트의 반경방향 외부 단부는 구동 기어를 수납하기에 적합하다.
도 1을 참조하면, 공지된 구조의 입구 안내 베인(10)은 하부 입구 케이싱(12)내의 반경방향 내벽 및 외벽(14, 16) 사이에 각각 지지되어 있다. 입구 안내 베인의 환상 열은 로터(20)(부분적으로 도시됨)를 둘러싸는 제로 또는 제 1 압축기 스테이지(18)의 전방에 위치되어 있다. 입구 케이싱은 각각 실질적으로 180°로 연장되는 상부 및 하부 케이싱으로 분할되어, 입구 안내 베인의 반부를 각각 지지한다. 상부 및 하부 케이싱은 수평방향 접합부에 함께 접합되어 있다. 모든 도면에서 도시된 것은, 수평방향 접합부에 인접한 하부 입구 케이싱(12)을 통해 절단한 것이라는 것이 이해될 것이다.
입구 안내 베인(10)의 각각의 반경방향 내부 단부는 세그먼트(30)내에 형성된 구멍(26)내에 설치된 부싱(24)내의 지지된 원통형 스템 또는 마찰 샤프트(22)로 구성되어 있다. 이 방식으로 구멍(26)내의 부싱(24)내에 베인을 지지함으로써, 상기 베인이 마찰 샤프트(22)를 중심으로 조정 가능하게 회전 가능하게 되는 것을 이해할 것이다. 하부 입구 케이싱내에 실질적으로 180°에 걸쳐 연장되는 8개의 지지 세그먼트(30)가 있다. 이 세그먼트는 반 환형 마찰 링(28)에 축방향으로 대향해 위치된다. 예시적인 실시예에 있어서, 각 지지 세그먼트(30)는 4개의 베인(10)을 조정한다. 지지 세그먼트(30)는 볼트(15)에 의해서 내부 케이싱 벽(14)에 개별적으로 볼트 체결된다. 마찰 링(28)은 하부 입구 케이싱내에 지지되지 않으며, 그에따라 간단히 링을 하부 케이싱내로 그리고 이를 벗어나게 회전시킴으로써 설치 또는 제거 가능해진다.
각 안내 베인의 반경방향 내부 단부는 외부 케이싱 벽(16)내의 보어를 통해서 연장되는 일체형 스템(34)으로 형성되며, 감소된 직경부(36)는 구동 기어 (38)를 장착한다. 구동 기어(38)는 유압 실린더(도시되지 않음)에 의해 동력을 공급받는 구동 링(43)에 고정된[예를 들면 볼트(45)에 의해] 환형 기어 래크(40)와 맞물린다. 구동 기어(38)는 키(또는 절단 핀) 및 세트 스크류(또는 다른 적합한 수단)에 의해 샤프트부(36)에 고정된다.
안내 베인이 교체될 때, 이 안내 베인은 하기의 방법으로 하부 입구 케이싱으로부터 분리될 수 있다. 입구 케이싱의 상부 반부가 제거되면, 개별 구동 기어(38)는 제거되며, 다음에 입구 안내 베인이 2개로 절단됨으로써 편가 하부 케이싱 반부의 내측으로부터 제거될 수 있다. 기어(38)가 제거되면, 스템(34)을 포함하는 상부 또는 반경방향 외부 편는 케이싱내로 당겨져 제거될 수 있으며, 반면에 하부 또는 반경방향 내부 편는 각각의 부싱(24) 밖으로 당겨질 수 있다.
로터를 제거하지 않고 새로운 안내 베인 조립체를 설치하기 위해서 상술한 바와 같이 입구 안내 베인 조립체가 수정되어야 하는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 새로운 교체용 입구 안내 베인(40)의 반경방향 외부 단부는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 안내 베인의 반경방향 내부 단부와, 이 단부가 케이싱 벽(14)에 의해 지지되는 방법은 상술한 종래의 구조, 즉 부싱(24)내에 수납된 마찰 샤프트(22)가 각각의 지지 세그먼트(30)내의 구멍(26)내에 설치되는 구조에서는 문제가 여전히 남아 있다. 베인(40)의 반경방향 외부 단부(42)는 평탄부(48)를 구비하는 원뿔형 스플라인부(46)를 구비하는 일체형 반경방향 베인 스템(44)을 포함한다. 중간 잭 샤프트(50)는 맞물림 스플라인 및 평탄부를 구비한 반경방향 내부 단부를 구비함으로써, 중간 잭 샤프트(50)와 베인(40) 사이에 토크 전달 능력을 제공한다. 잭 샤프트(50)의 외부 단부에는 구동 기어(56)를 수납하는 매끈한 샤프트부(52)가 형성된다. 도 5에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 구동 기어 보다 더 연장된 잭 샤프트(50)의 최외측 단부(54)는 육각형이어서 외부 스템 편(58)의 유사하게 육각형인 리세스(57)를 수납할 수 있으며, 그에 따라 모든 3개의 구성요소(44, 50, 58) 사이에 토크 전달 능력을 제공한다. 외부 스템 편(58), 구동 기어(56) 및 잭 샤프트(50)는 베인 스템(44)내에 나사식으로 수납된 볼트 및 나사(60)를 통해 베인 스템(44)에 고정된다.
새로운 베인(40)을 설치하기 위해서, 마찰 링(28)이 제거되어, 지지 세그먼트(30)로의 접근이 가능해진다. 세그먼트(30)는 수평방향 접합부의 각 측면으로부터 수평방향 접합부에서부터 하사점 중앙 위치까지 점진적으로 제거된다. 수정된 입구 안내 베인(40)은 하사점 중앙 위치에서 시작해서 한번에 하나의 베인이 외부 케이싱 벽(16)의 보어내로 장전된다. 일단 4개의 입구 안내 베인(40)이 케이싱(16)내로 장전되면, 하나의 지지 세그먼트(30)는 구멍(26)내의 부싱(24)내로 삽입되어 있는 마찰 샤프트(22)와 함께 설치된다. 이러한 방법에서, 조립은 모든 지지 세그먼트(30)가 설치될 때까지 하사점 중앙으로부터 수평방향 접합부를 향해 작동하여 진행된다. 모든 세그먼트(30)가 케이싱 내벽(16)에 다시 볼트 체결된 후에, 마찰 링(28)이 재설치된다. 다음에, 중간 잭 샤프트(50), 구동 기어(56) 및 외부 스템 편(58)는 케이싱의 외측면으로부터 각 안내 베인상에 조립된다. 다음에, 나사 또는 볼트(60)는 다양한 베인 스템(44)내로 나사 체결되어 조립체를 함께 느슨하게 유지시킨다. 다음에, 상부 입구 케이싱(도시되지 않음)이 재설치되며, 모든 입구 안내 베인은 소망하는 베인 각도로 회전 방향으로 정렬된다. 다음에, 나사(60)는 조여지고, 외부 스템 편(58)는 각 구동 기어(56)에 용접되며, 그에 따라 구동 링(62), 래크(64), 구동 기어(56) 및 베인(40) 사이에 토크 전달 경로를 완성한다.
다중 편 베인 조립체를 구비함으로써 하부 입구 케이싱과 로터 사이의 제한된 공간내에 설치가 가능해진다는 것은 이해될 것이다. 동시에, 모든 베인 각도를 동시에 균일하게 조정하도록 필요한 토크 전달 경로가 설정된다.
통상적으로 모든 입구 안내 베인이 교체되는 동안에 설명한 제거 및 설치 기술은 단일의 낡거나 손상된 블레이드의 교체에도 이용될 수 있다는 것은 이해될 것이다.
본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시예로써 현재 인식되고 있는 것과 관련해 기술되었으나 본 발명은 상술한 실시예에 국한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허 청구 범위의 사상 및 범위내에 포함되는 여러 수정 및 동등한 배열을 포함하고자 한다는 것은 이해될 것이다.
통상적으로 모든 입구 안내 베인이 교체되는 동안 설명한 제거 및 설치 기술은 단일의 낡거나 손상된 블레이드의 교체에도 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 입구 안내 베인(10)을 압축기의 하부 입구 케이싱(12)으로부터 제거하기 위한 방법으로서, 상기 하부 입구 케이싱은 수평방향 접합부에서 상부 입구 케이싱에 고정되도록 되어 있고, 상기 입구 케이싱의 상부 반부의 제거 후에도 압축기의 로터(20)는 제 위치에 유지되며, 상기 입구 안내 베인(10)은 하부 입구 케이싱의 반경방향 내벽 및 외벽(14, 16) 사이에 지지되며, 또한 상기 입구 안내 베인(10)에는, 일체형 스템이 형성되고, 이 스템은 외벽(16)을 통해 반경방향으로 연장되고, 그 외부 단부에서 환형 기어 래크(41)와 결합하는 구동 기어(38)를 지지하는, 입구 안내 베인 제거 방법에 있어서,
    ① 상기 입구 안내 베인의 일체형 스템(34)의 반경방향 외부 단부상의 기어(56)를 제거하는 단계와,
    ② 상기 입구 안내 베인(10)을 2개의 절단부로 절단하는 단계와,
    ③ 상기 하부 입구 케이싱(12)의 내측면으로부터 절단부를 제거하는 단계를 포함하는
    입구 안내 베인 제거 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 ①, ② 및 ③은 수평방향 접합부의 한 측면 또는 양측면으로부터 시작하여 하부 입구 안내 케이싱(12) 내의 각각의 입구 안내 베인(10)에 대해서 반복되는
    입구 안내 베인 제거 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구 안내 베인(10)의 반경방향 내부 단부(22)는 하부 입구 케이싱의 반경방향 내벽에 고정된 다수의 제거 가능한 세그먼트(30) 중 하나에 제공된 부싱(24)내에 지지되는
    입구 안내 베인 제거 방법.
  4. 입구 안내 베인(10)을 압축기의 하부 입구 케이싱(12)으로부터 교체하기 위한 방법으로서, 상기 하부 입구 케이싱은 수평방향 접합부에서 상부 입구 케이싱에 고정되도록 되어 있고, 상기 입구 케이싱의 상부 반부의 제거 후에도 압축기의 로터(20)는 제 위치에 유지되며, 상기 입구 안내 베인(10)은 하부 입구 케이싱의 반경방향 내벽 및 외벽(14, 16) 사이에 지지되며, 또한 상기 입구 안내 베인(10)에는, 일체형 스템이 형성되고, 이 스템은 외벽(16)을 통해 반경방향으로 연장되고, 그 외부 단부에서 환형 기어 래크(41)와 결합하는 구동 기어(38)를 지지하는, 입구 안내 베인 제거 방법에 있어서,
    ① 상기 입구 안내 베인의 일체형 스템(34)의 반경방향 외부 단부상의 기어(56)를 제거하는 단계와,
    ② 상기 입구 안내 베인(10)을 2개의 절단부로 절단하는 단계와,
    ③ 상기 하부 입구 케이싱(12)의 내측면으로부터 절단부를 제거하는 단계와,
    ④ 하부 입구 케이싱(12)으로부터 제거된 전체의 입구 안내 베인(10)을, 로터(20)를 제거하지 않고 설치를 가능하게 하는 2부품 스템 조립체(two-piece stem assembly)(44, 50)를 각각 구비하는 수정된 입구 안내 베인(40)으로 교체하는 단계를 포함하는
    입구 안내 베인 제거 방법.
  5. 조정 가능한 입구 안내 베인 조립체에 있어서,
    반경방향 내부 단부에 원통형 마찰 단부(22)를 그리고 반경방향 외부 단부에 비교적 짧은 일체형 스템(44)을 구비하는 베인(40)과,
    잭 샤프트(50)로서, 반경방향 내부 단부가 상기 일체형 스템(44)의 반경방향 외부 단부에 결합되어 잭 샤프트(50)에 가해진 토크가 상기 베인(40)에 전달되게 하는 잭 샤프트(50)를 포함하며, 상기 잭 샤프트(50)의 반경방향 외부 단부는 구동 기어(56)를 수납하도록 되어 있는
    조정 가능한 입구 안내 베인 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동 기어(56)와 그리고 상기 잭 샤프트(50)와 결합한 외부 스템 편(58)을 더 포함하여 상기 잭 샤프트(50)에 가해진 토크가 상기 베인(40)으로 전달되는
    조정 가능한 입구 안내 베인 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 잭 샤프트의 일부분(52)은 구동 기어(56)를 활주가능하게 수납하도록 매끈하게 되어 있는
    조정 가능한 입구 안내 베인 조립체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    압축기의 하부 입구 케이싱(12)과 조합되며, 상기 다수의 베인의 반경방향 내부 단부(22)는 하부 입구 케이싱의 내벽(14)에 고정된 하나 이상의 세그먼트(30)내에 설치되는
    조정 가능한 입구 안내 베인 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 잭 샤프트(50)는 외부 케이싱 벽(16)을 통해 연장되고, 구동 기어(56)가 상기 잭 샤프트 상에 설치되며, 외부 스템 편(58)이 상기 잭 샤프트상에 설치되어 상기 구동 기어에 용접되는
    조정 가능한 입구 안내 베인 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 외부 스템 편(58)과 일체형 스템(44) 사이에 반경방향으로 연장되는 볼트(60)를 포함하는
    조정 가능한 입구 안내 베인 조립체.
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