KR100685181B1 - 다중방향성 터빈 심 시일 - Google Patents

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KR100685181B1 KR1020057000248A KR20057000248A KR100685181B1 KR 100685181 B1 KR100685181 B1 KR 100685181B1 KR 1020057000248 A KR1020057000248 A KR 1020057000248A KR 20057000248 A KR20057000248 A KR 20057000248A KR 100685181 B1 KR100685181 B1 KR 100685181B1
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Abstract

터빈 구성요소(12)의 개구 또는 하나 이상의 터빈 구성요소(12) 사이의 개구를 밀봉하기 위한 터빈 시일 폐쇄 기구. 터빈 시일(10) 터빈의 축선방향 축선을 횡단하여 위치된 길이방향 축선(26)을 가지고 있고 터빈 구성요소(12)의 표면(16)에 메인 보디(14)를 밀봉하기 위한 하나 이상의 암(22, 24, 36, 42, 44, 46)을 가지고 있으며 터빈 구성요소(12)의 오목부(20)내에 끼워맞춤하도록 구성된 상기 메인 보디(14)를 포함하고 있다. 또한 터빈 시일(10)은 다른 터빈 표면(16)에 터빈 시일(10)을 밀봉하기 위해 부착된 암(42, 44, 46)을 갖고 있는 제1 측면에 대향하는 메인 보디(14)의 한 측면에 결합된 하나 이상의 암(42, 44, 46)을 가질 수 있다.
Figure 112005000713538-pct00001
터빈, 시일, 메인 보디, 암, 돌출부, 오목부

Description

다중방향성 터빈 심 시일{MULTIDIRECTIONAL TURBINE SHIM SEAL}
본 발명은 밀봉 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 단일 터빈 구성요소 내의 갭 또는 둘 이상의 터빈 구성요소 사이의 갭을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템에 관한 것이다.
터빈 설계 기술에 있어서, 유체를 분리하고 터빈 효율을 유지하기 위하여 터빈 블레이드와 같은 인접한 터빈 구성요소 사이의 연결부를 밀봉하기 위한 필요성이 있다. 예를 들면, 터빈 조립체의 특정 위치에서 고온 가스로부터 가압 공기를 분리하는 것이 요구된다. 이들 가스를 분리하기 위한 위치는 터빈 블레이드가 연결되는 터빈 하우징 부근의 인접한 터빈 블레이드 사이의 교차점에 존재한다.
일반적으로 배플 또는 키 시일은 도 1에 도시된 바와 같이 터빈 조립체의 터빈 블레이드 주위에 위치된 고온 가스로부터 로터 조립체의 내부에 위치된 냉각 공기를 분리하기 위하여 실시된다. 대부분 배플은 터빈 조립체의 돌출부에 배치된 오목부 또는 그루브에 위치된다. 일반적으로 배플은 터빈 블레이드 사이의 개구의 상당 부분을 차단하는 단단한 재료로 만들어진다. 배플은 비가요성이며 따라서 바인딩, 가울링 또는 다른 형태의 간섭을 방지하기 위하여 작은 클리어런스를 가지도록 구성된다. 따라서, 도 1의 공기 유동을 나타내는 화살표로 도시된 바와 같이 공기가 배플 주위로 누출될 수 있다. 이러한 누출은 터빈의 효율을 감소시키고 해로운 결과로 이어질 수 있다.
대안적인 배플이 개발되었으며 모리에게 허여된 미국 특허 제5,865,600호에 개시되어 있다. 모리에게 허여된 특허에 개시된 배플 시스템은, 각각의 단부가 서로로부터 멀어지게 편향되고 터빈 로터 조립체의 길이방향 축선 주위에 원주방향으로 감싸여진 두개의 시일 부재를 포함하는, 두개의 단부가 있는 단면을 가진 금속제 벨트 형상의 부재로 형성된 배플을 포함하고 있다. 이러한 구성은 시일 부재가 압착될 때 배플에 스프링과 같은 효과를 부여한다. 이 벨트의 단면은 축선 방향과 직각으로 배향된다. 모리에게 허여된 특허에는 향상된 밀봉 품질을 갖는 벨트로 형성된 배플을 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 반경 방향에서만 개구를 밀봉하는 것을 개시하고 있다.
발전소에 사용할 수 있는 일반적인 터빈 엔진은 약 1/8 인치와 1/10 인치 사이의 직경을 갖는 다수의 개구를 가지고 있다. 항공기에 사용할 수 있는 터빈의 개구는 더욱 작다. 이와 같이 작은 개구를 모리에게 허여된 상기 특허에 개시된 시일과 같은 상대적으로 비가요성 시일로 밀봉하는 것은 어렵다. 게다가, 적어도 이러한 시일의 복잡한 형상을 제조하면서 마주치게 되는 어려움이 증가되기 때문에 이와 같이 작은 개구에 상응하는 치수로 복잡한 시일을 제조하는 것은 어렵다. 예를 들면 이와 같이 작은 치수를 갖는 시일에서, 모리에게 허여된 상기 특허의 도 2 및 3(a)에 도시되고 요소(13)로 식별된 스폿 용접 및 도 3(b)에 도시되고 요소(16)로 식별된 작은 슬릿을 생성하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다.
따라서, 반경 방향, 축선 방향 및 축선 방향에 수직인 둘레 방향에서 터빈 구성요소 사이의 개구를 확실하게 밀봉할 수 있는 비교적 간단한 터빈 시일에 대한 요구가 존재한다.
이하에서 설명하는 내용은 상술한 문제를 해결하고 본 발명의 목적에 따라 여기에서 상세하게 설명되고 실시된 바와 같은 장점과 유리함을 제공하는 본 발명의 간략한 구성이다. 본 발명은 반경 방향, 축선 방향 및 축선 방향에 수직인 원주방향에서 터빈 구성요소 내의 또는 터빈 구성요소 사이의 개구를 밀봉하기 위한 터빈 시일에 관한 것이다. 본 발명의 터빈 시일의 한 실시예는 오목부에 터빈 시일을 밀봉하기 위하여 터빈 구성요소의 오목부에 끼워맞춤되도록 구성된 메인 보디를 포함하고 있다. 메인 보디는 축선 방향에 평행하게 위치될 수 있는 길이방향 축선을 가지고 있다. 또한 터빈 시일은 터빈 구성요소의 표면과 맞물리기 위한 두개의 암을 가지고 있으면, 각각의 암은 동일한 방향으로 메인 보디로부터 뻗어 있고 서로 평행하다. 터빈 시일은 축선 방향으로의 유체 이동으로부터 개구를 밀봉하기 위해 상술한 두개의 암 사이에 위치된 제3 암이라고도 칭하는 중앙 시일 부재를 더 포함하고 있다.
터빈 시일은 암의 단부상에 터빈 구성요소의 표면과 접촉하도록 구성된 시일 기구를 더 포함할 수 있다. 시일 기구는 그것으로 제한되는 것을 의미하지 않는, 하나 이상의 돌출부와 같은 여러가지 설계로 구성될 수 있다. 게다가, 시일 기구는 암을 제조하는데 사용된 것과 동일한 재료로 구성되거나 또는 다른 적합한 재료 로 제조될 수 있다.
터빈 시일의 다른 실시예에서, 메인 보디는 터빈 구성요소의 오목부에 끼워맞춤되도록 구성되지 않는다. 오히려, 제1 및 제2 암과 중앙 시일 부재가 연결되는 측면과 대향하는 메인 보디의 측면에 제4 및 제5 암이라고 칭하는 두개의 시일 암을 포함하고 있고, 메인 보디에 부착되고 제4 및 제5 암 사이에 위치된 중앙 시일 부재를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 이 터빈 시일은 개구의 한쪽에 제1 및 제2 암을 그리고 개구의 다른쪽에 제4 및 제5 암을 사용하여 개구를 밀봉하는 것에 의해서 작동한다.
본 발명의 목적은 제한되는 것은 아니지만 터빈 구성의 개구를 반경 방향, 축선 방향 및 축선 방향에 수직 또는 대체로 수직인 원주 방향에 밀봉하는 것을 포함한다.
본 발명의 장점은 터빈 시일의 길이방향 축선이 터빈 블레이드 조립체의 축선 방향과 횡단하여 터빈 시일이 터빈 조립체에 위치될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또 다른 장점은 터빈 작동중에 일반적으로 마주치게 되는 진동을 흡수할 수 있으며 가요성인 터빈 시일을 제공하는 것이다.
도 1 은 종래 기술의 가스 터빈 로터 구성요소 밀봉 시스템의 단면도이다.
도 2 는 전체적으로 직선형의 중앙 시일 부재를 가진 터빈 시일을 도시한 본 발명의 실시예의 축선 방향의 단면도이다.
도 3 은 도 2에 도시된 실시예와 유사하지만 테이퍼진 중앙 시일 부재를 포 함하고 있는 본 발명의 다른 실시예의 축선 방향의 단면도이다.
도 4 는 도 2에 도시된 터빈 시일의 축선 방향의 분해도이다.
도 5 는 터빈 시일의 메인 보디의 대향하는 단부상에 복수의 시일 암을 갖고 있는 터빈 시일을 도시한 본 발명의 다른 실시예의 축선 방향의 단면도이다.
본 발명의 터빈 시일(10)은 터빈 조립체 전체의 여러 위치에서 터빈 구성요소(12)를 밀봉하기 위하여 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 터빈 시일(10)은 터빈의 표면(16)과 맞물리는 메인 보디(14)로부터 뻗은 복수의 암을 가진 메인 보디(14)를 포함하고 있다. 터빈 시일(10)은 터빈의 유체를 밀봉하기 적합한 임의의 재료로 구성될 수 있다. 당업자에게 자명한 바와 같이 이들 재료는 터빈의 적용에 따라 다를 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 터빈 구성요소는 인접한 터빈 블레이드에 결합된 돌출부(18)이다. 돌출부는 오목부(20)를 포함하고 있는데, 오목부는 그루브라고도 칭할 수 있다.
본 발명은 특정 구성을 가진 터빈 구성요소와 접촉하여 위치된 것으로 도시되어 있지만, 본 발명이 이러한 터빈 구성과 함께 사용되는 것으로 제한되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명은 터빈 조립체의 특정 지점을 유체가 통과하는 것을 방지하거나 또는 현저하게 제한하기 위해 시일이 필요한 상황에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 단일 터빈 구성요소의 개구 또는 둘 이상의 터빈 구성요소 사이의 개구를 폐쇄하기 위하여 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 터빈 시일의 특정 실시예는 메인 보디(14)에 결합된 제1 암 (22)과 제2 암(24)을 포함하고 있다. 제1 암(22)은 메인 보디(14)로부터 측방향으로 그리고 터빈 시일의 길이방향 축선(26)에 평행하게 뻗어 있다. 또한 메인 보디(14)의 길이방향 축선(26)은 터빈의 회전 축선을 횡단한다. 제2 암(24)은 제1 암(22)과 평행하고 터빈 시일의 길이방향 축선(26)에 평행하게 메인 보디(14)로부터 뻗어 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 암(22, 24)은 터빈 시일의 길이방향 축선(26)을 기준으로 영 이외의 각도로 메인 보디(14)로부터 뻗을 수 있다.
실시예에서, 제1 암(22) 또는 제2 암, 또는 이들 모두가 터빈 구성요소의 표면(16)에 터빈 시일을 결합하기 위한 적어도 하나의 시일 요소(28)를 포함하고 있다. 시일 요소(28)은 다양한 구성으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 실시예에서, 시일 요소는 적어도 하나의 돌출부로 구성될 수 있으며, 보다 상세하게는 도 2 - 5에 도시된 바와 같이 제1 돌출부(30)와 제2 돌출부(32)로 구성될 수 있다. 두개의 돌출부는 적용에 따라 서로 근접되어 또는 이격되어 위치될 수 있다.
도 2 - 5에 도시된 시일 요소(28)의 구성은 제1 및 제2 돌출부(30, 32) 사이에 스텝 시일(34)을 형성한다. 스텝 시일(34)은 터빈 구성요소의 표면(16)과 제1 돌출부(30) 사이를 통과할 수 있는 유체를 수용한다. 스텝 시일(34)은 유체의 속도 및 스텝 시일(34)을 통과하는 유체의 전체 유동을 감소시키고, 이에 의해 유체가 터빈 구성요소의 표면(16)과 제2 돌출부(32) 사이를 통과할 가능성을 감소시킨다. 시일 요소(28)는 부착된 암과 동일한 재료 또는 상이한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 시일 요소(28)는 별개의 재료로 형성될 수 있고 제1 암에 인서트로 설치될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서의 메인 보디(14)는 터빈 구성요소의 오목부(20)에 수용되도록 구성된다. 특히, 메인 보디(14)는 터빈 구성요소의 표면(16)과 메인 보디(14)를 밀봉하도록 구성된다. 실시예에서, 메인 보디(14)는 오목부(20)에 메인 보디(14)를 밀봉하기 위하여 오목부(20)에 단단히 끼워맞춤되는 크기로 되어 있다. 메인 보디(14)는 접착제, 수지, 용접, 스탬핑 또는 다른 결합 방법을 사용하여 오목부(20)에 고정될 수 있다. 바람직하게, 메인 보디(14)는 용접 또는 브레이징 기술로 터빈 구성요소에 부착된다. 실시예에서, 메인 보디는 터빈 구성요소의 오목부(20)와 억지 끼워맞춤을 제공하도록 오목부(20)보다 약간 크게 될 수 있다.
마찬가지로, 제1 및 제2 암(22, 24)은 터빈 구성요소의 표면(16)에 암을 결합시킬 수 있는 특성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 암(22) 또는 제2 암(24), 또는 이들 양자는 터빈 시일의 메인 보디(14)의 길이방향 축선(26)에 직각으로 편향될 수 있다. 따라서, 하나 또는 두개의 암이 길이방향 축선(26) 쪽으로 편향될 때, 암은 휴지 위치로 복귀하려고 한다. 이러한 구성은 심한 진동에도 불구하고 터빈이 작동하는 동안 암을 터빈 구성요소의 표면(16)과 접촉 상태로 유지할 수 있다.
또한 터빈 시일(10)은 제3 암이라고도 칭하는 중앙 시일 부재(36)를 포함하고 있다. 실시예에서, 중앙 시일 부재(36)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 암(22, 24) 사이에 위치된다. 중앙 시일 부재는 도 2의 평면과 수직인 방향으로 유체가 제1 및 제2 암(22, 24) 사이에서 유동하는 것을 방지한다. 중앙 시일 부재(36)는 도 2에 도시된 바와 같이 대체로 일정한 두께를 가지거나, 또는 두께가 길 이에 걸쳐서 변할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 시일 부재(36)의 두께는 중앙 시일 부재의 제1 단부(38)로부터 중앙 시일 부재의 제2 단부(40)로 점차적으로 테이퍼져 있다. 도 3에 도시된 테이퍼는 점진적인 테이퍼로 되어 있지만, 급격한 천이와 같은 다른 형태의 테이퍼 또는 천이가 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 터빈 시일의 다른 실시예에서, 터빈 시일(10)은 전체적으로 상술한 것처럼 구성되지만, 메인 보디(14)는 터빈 구성요소의 표면(16)과 접촉하는 시일 기구로 설계되어 있지 않다. 메인 보디가 터빈 구성요소의 표면과 접촉하지 않는 것은 아니다. 대신에, 터빈 시일(10)은 제4 암과 제5 암(42, 44), 그리고 중앙 시일 부재(36)가 부착되고 제1 및 제2 암(22, 24)의 제1 측면과 대향하는 메인 보디(14)의 제2 측면(48)에 부착된 제6 암이라고 칭하는 제2 중앙 시일 부재(46)를 포함하고 있다. 제4 및 제5 암(42, 44)과 제2 시일 부재(46)는 앞에서 상세하게 설명되고 도 2에 도시된 제1, 제2 및 제 3 암과 같은 형상이거나 또는 다를 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 중앙 시일 부재(36, 46)는 각각 제1 및 제2 암(22, 24) 사이와 제4 및 제5 암(42, 44) 사이에서 메인 보디(14)에 결합된다. 다른 실시예에서, 터빈 시일은 도 5에 도시된 바와 같이 두개의 중앙 시일 부재가 아니라 오직 하나의 중앙 시일 부재를 갖는다. 하나 이상의 중앙 시일 부재는 전술한 바와 같이 테이퍼지거나 또는 변화되는 두께를 가질 수 있다.
제1 및 제 2 암(22, 24)과 마찬가지로, 제4 또는 제5 암 또는 이들 양자(42, 44)는 도 5에 도시된 바와 같이 터빈 로터 조립체의 오목부(20)의 내측 표면이 될 수 있는 터빈 구성요소의 표면(16)에 각각의 암을 결합하기 위한 하나 이상의 시일 요소(28)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 시일 기구는 다양한 방식으로 구성될 수 있으며, 제 4 및 제 5 암(42, 44)에 결합된 시일 요소(28)에 적용될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서, 터빈 시일은 오목부내에 위치된 인접부(50)를 사용하여 위치될 수 있다. 특히, 인접부(50)는 터빈 표면과 접촉된 상태에서 암(22, 24, 42, 44)이 빠지는 것을 방지하도록 위치될 수 있다. 게다가, 인접부(50)는 터빈 시일(10)의 과도한 이동을 방지함으로써 터빈 시일(10)의 마모를 감소시킬 수 있다. 마지막으로, 인접부(50)는 다양한 형태를 가질 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 실시예를 예시적으로 설명하기 위한 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상 및 청구범위의 범주에서 벗어나지 않고 이들 실시예에 대한 개량 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하고 있는 제2 측면을 갖는 메인 보디(14);
    메인 보디(14)로부터 측방향으로 뻗어 있고 터빈 구성요소(12)의 표면(16)과 맞물리도록 구성된 제1 암(22);
    메인 보디(14)로부터 측방향으로 뻗어 있고 제1 암(22)과 평행하게 위치되며 터빈 구성요소(12)의 표면(16)과 맞물리도록 구성된 제2 암(24); 및
    메인 보디(14)로부터 측방향으로 뻗어 있고 제1 및 제2 암(22, 24) 사이에 위치된 제3 암을 포함하고,
    제3 암(36)은, 두께를 갖고 메인 보디(14)에 결합된 제1 단부(38) 및 두께를 갖고 제1 단부(38)와 대향하는 제3 암(36)에 위치된 제2 단부(40)를 포함하고 있고, 제2 단부(40)의 두께는 제1 단부(38)의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  2. 제 1 항에 있어서, 제1 암(22)은 메인 보디(14)의 길이방향 축선(26)으로부터 멀어지도록 편향되는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  3. 제 2 항에 있어서, 제2 암(24)은 메인 보디(14)의 길이방향 축선(26) 및 제1 암(22)으로부터 멀어지도록 편향되는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 제3 암(36)의 두께는 제1 단부(38)와 제2 단부(40) 사이에서 점차적으로 테이퍼져 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  6. 제 1 항에 있어서, 제1 암(22)은 밀봉 표면(16)과 접촉하기 위한 하나 이상의 시일 요소(28)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 하나 이상의 시일 요소(28)는 밀봉 표면(16)과 접촉하며 스텝 시일(34)을 형성하기 위한 적어도 2개의 돌출부(30, 32)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  8. 제 6 항에 있어서, 제2 암은(24)은 밀봉 표면(16)과 접촉하기 위한 하나 이상의 시일 요소(28)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 시일 요소(28)는 밀봉 표면(16)과 접촉하며 스텝 시일(34)을 형성하기 위한 적어도 2개의 돌출부(30, 32)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  10. 제 1 항에 있어서, 메인 보디(14)는 터빈 구성요소(12)에 메인 보디(14)를 밀봉하기 위하여 터빈 구성요소(12)의 오목부(20)내에 적어도 부분적으로 끼워맞춰지고 오목부(20)와 맞물리도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  11. 제 1 항에 있어서, 메인 보디(14)의 제2 측면으로부터 측방향으로 뻗어 있고 터빈 구성요소(12)의 표면(16)과 맞물리도록 구성된 제4 암(42), 메인 보디(14)의 제2 측면으로부터 측방향으로 뻗어 있고 제4 암(42)과 평행하게 위치되어 있으며 터빈 구성요소(12)의 표면(16)과 맞물리도록 구성된 제5 암(44)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
  12. 제 10 항에 있어서, 메인 보디(14)의 제2 측면으로부터 측방향으로 뻗어 있고 제4 및 제5 암(42, 44) 사이에 위치되어 있는 제6 암(46)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시일.
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