KR100854193B1 - 시일 및 증기 글랜드 - Google Patents

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KR100854193B1
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리치데이비드
사샤해미드레자
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

증기 글랜드(10)는 서로 축방향으로 이격되고 고압 및 저압 영역을 규정하는 증기 입구 스크롤(18) 및 추출 스크롤(20)을 포함한다. 상기 영역 사이에 시일 본체(35)가 배치되고, 이 시일 본체는 서로 축방향으로 이격된 한쌍의 브러시 시일(42)을 포함한다. 브러시 시일의 사이에는 허니콤 시일(64)이 배치된다. 혼성 브러시 시일/허니콤 시일 조합체는 고압 영역과 저압 영역 사이의 증기 누출을 최소화하고 그리고 시일 누출 성능을 최적화 하는 동시에 열에 의한 회전자의 손상 가능성을 제거한다.

Description

시일 및 증기 글랜드{HYBRID HONEYCOMB AND BRUSH SEAL FOR STEAM GLAND}
도 1은 터빈에 사용하기 위한 증기 글랜드를 도시하는 부분 단면도,
도 2a는 증기 글랜드의 시일 세그먼트의 일 측면의 확대 부분 단면도,
도 2b는 시일 세그먼트의 반대 측면을 도시하는 도 2a와 유사한 도면,
도 3은 하측 케이싱 반부에 혼성 브러시 시일/허니콤 시일을 갖는 하측 터빈 케이싱을 도시하는 사시도,
도 4는 그의 혼성 시일을 포함하는 시일 세그먼트의 확대 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 증기 글랜드 12 : 보어 관
11 : 환상 고정 케이싱 14, 16 : 상측 및 하측 덮개
18 : 증기 입구 스크롤 20 : 추출 스크롤
22 : 내부 통로 30 : 혼성 시일
35 : 시일 본체 36 : 시일 세그먼트
40 : 요부 42 :브러시 시일
44, 46, 56, 58 : 지지판 48, 60 : 강모
64 : 허니콤 시일 74 : 스플라인 시일
본 발명은 일반적으로 터빈의 고정 부품과 회전 부품 사이를 밀봉하기 위한 터빈의 시일에 관한 것으로서, 특히 증기 터빈 글랜드(gland) 주위의 고압 영역과 저압 영역 사이를 밀봉하기 위한 혼성 브러시/허니콤 시일 조합체에 관한 것이다.
터빈의 회전 부품과 고정 부품 사이 또는 고정 부품들 사이에 다양한 종류의 시일이 사용되고 있다. 예컨대, 고정 부품과 회전 부품 사이에 브러시 시일이 개재된다. 공지된 바와 같이, 브러시 시일은 지지부 내에 배치된 다수의 강모를 포함하며, 강모의 선단은 지지부로부터 돌출하여 회전 부품에 접촉한다. 브러시 시일 자체는 이러한 배경에서 매우 유용하지만, 브러시 시일은, 예컨대 터빈의 증기 글랜드의 양측에 있는 고압 영역과 저압 영역 사이에서 발견되는 고압차에는 견딜 수 없다.
고정 부품과 회전 부품 사이를 밀봉하기 위해 래버린스형 시일(labyrinth-type seal)이 터빈에 종종 사용된다. 래버린스의 치형부를 회전 부품으로부터 이격시키는 것이 필요하기 때문에, 래버린스형 시일이 회전자에 문질러지는 경우 래버린스형 시일은 열에 의해 회전자를 손상시킬 우려가 있을 뿐만 아니라 최적의 누출 성능을 발휘하지 못하게 된다. 터빈의 고정 부품과 회전 부품 사이를 밀봉하기 위해 허니콤 시일도 종종 이용된다. 통상적으로, 허니콤 시일은 래버린스형 시일 에 비해서 열에 의한 회전자의 손상의 문제점을 제거하지만, 허니콤형 시일은 래버린스형 시일에 비해서 누출 성능의 최소한의 개선만을 제공한다. 게다가, 터빈의 고압 영역과 저압 영역 사이에 상당한 압력차가 존재하는 경우, 축방향으로 이격된 브러시 시일은 고압 영역과 저압 영역 사이에서 압력차를 분배하는 기능을 하지 못하며, 또한 밀봉 요건을 충족시키지 않는다. 따라서, 누출 성능이 개선되고 그리고 고압 영역과 저압 영역 사이를 상당한 압력차로 밀봉하는 동시에 열에 의한 회전자의 손상 가능성을 최소화하는 능력을 지닌 시일이 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 고정 부품과 회전 부품 사이를 밀봉하기 위한 혼성 시일이 제공되는 바, 이 혼성 시일은 회전 부품 둘레에 축방향으로 이격된 아치형의 제 1 및 제 2 브러시 시일을 지지하는 시일 본체를 포함한다. 이 시일은 축방향으로 이격된 브러시 시일 사이에 아치형의 허니콤 시일 구조체도 포함한다. 이 허니콤 시일은 대체로 반경방향으로 연장되고 또 회전 부품을 향하여 개방된 다수의 채널을 포함한다. 단일의 시일 본체에 의해 지지된 브러시 시일/허니컴 시일의 조합체를 포함하는 혼성 시일은 열에 의한 회전자의 손상 가능성을 최소화하고, 상당한 압력차를 갖는 고압 영역과 저압 영역 사이에서 공기 및 증기의 누출을 최소화함으로써 누출 성능을 개선시킨다.
혼성 시일의 특정 용도에서, 시일은 터빈의 증기 글랜드 내에 형성된다. 증기 글랜드는, 예컨대 터빈 버킷에 고압으로 전달하여 버킷을 냉각시키도록 증기를 공급하는 고압 입구 스크롤과 저압 증기 추출 스크롤 사이를 밀봉한다. 증기 글랜드는 증기 입구 및 추출 스크롤을 한정하는 외측 덮개를 포함하며, 스크롤은 기다란 도브테일형 홈에 의해 서로 축방향으로 이격된다. 혼성 시일은 홈에 배치된 아치형의 시일 세그먼트로 형성되는 대체로 환상 시일 본체를 포함한다. 각 시일 세그먼트는 한쌍의 축방향으로 이격된 브러시 시일과 브러시 시일 사이의 허니콤 시일을 탑재하고 있다. 브러시 시일과 허니콤 시일의 이러한 순차적 배치는, 고압 증기 입구 스크롤과 저압 증기 추출 스크롤 사이에서 압력차의 균형 있는 분배를 달성한다. 터빈 케이싱 및 증기 글랜드를 형성하는 상측 덮개 및 하측 덮개의 각각의 도브테일형 홈에 다수의 세그먼트가 제공되고, 이 세그먼트의 정합하는 인접한 단부는 이들 세그먼트를 밀봉하는 스플라인 시일을 구비한다. 따라서, 분할된 시일은 세그먼트간 스플라인 시일을 이용하여 단부의 누출을 최소화한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 회전 부품과 고정 부품 사이를 밀봉하며, 고정 부품에 의해 지지되고 제 1 및 제 2 아치형 브러시 시일을 지지하는 시일이 제공된다. 각 브러시 시일은 지지부 및 이 지지부에 의해 지지된 다수의 강모를 포함한다. 강모의 선단은 회전 부품에 접촉하도록 상기 지지부를 지나 연장된다. 시일 본체는 제 1 및 제 2 브러시 시일 사이에서 원주방향으로 그리고 축방향으로 연장되는 아치형 허니콤 시일을 지지하고 있고, 이 허니콤 시일은 회전 부품을 향해 개방된 다수의 대체로 반경방향 채널을 포함하며, 그것에 의해서 브러시 및 허니콤 시일이 시일의 축방향 대향 측면상에서 축방향으로 이격된 고압 영역과 저압 영역 사이를 밀봉한다.
다른 바람직한 실시예에 있어서, 서로 축방향으로 이격된 대체로 환상의 증기 입구 스크롤 및 대체로 환상의 증기 추출 스크롤을 구비하는 고정 케이싱과, 고정 부품 내의 회전 부품과, 고정 및 회전 부품과 그리고 시일의 대향 측면상의 고압 및 저압 영역 사이를 밀봉하는 입구 스크롤과 추출 스크롤 사이의 시일과, 고정 부품에 의해 지지되고 그리고 제 1 및 제 2 아치형 브러시 시일을 지지하는 시일 본체를 포함하는 증기 글랜드가 터빈에 제공되고, 각 브러시 시일은 지지부 및 이 지지부에 의해 지지된 다수의 강모를 포함하고, 강모의 선단은 지지부를 지나 연장하여 회전 부품에 접촉하며, 브러시 시일은 서로 축방향으로 이격되고, 시일 본체는 제 1 및 제 2 브러시 시일 사이에서 축방향으로 연장하는 아치형 허니콤 시일을 포함하며, 허니콤 시일은 회전 부품을 향하여 개방된 다수의 대체로 반경방향 채널을 포함하며, 그것에 의해서 상기 브러시 및 허니콤 시일이 시일의 축방향 대향 측면에서 축방향으로 이격된 고압 영역과 저압 영역 사이를 밀봉한다.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 보어 관(12) 주위에 배치된 증기 글랜드(10)의 일부분이 도시되어 있다. 증기 글랜드(10)는 수평방향 중심선 접합부(17)를 따라 서로 접합되는 외측의 상측 및 하측 덮개(14, 16)를 구비하는 환상 고정 케이싱(11)을 포함한다. 또한, 증기 글랜드(10)는 그 주위에 환상 통로를 형성하는 증기 입구 스크롤(18)(고압 영역) 및 추출 스크롤(20)(저압 영역)을 포함한다. 증기 글랜드(10)는 고정되고 그리고 보어 관(12)은 회전자 축의 축을 중심으로 회 전한다. 적절한 공급원(도시 안함)으로부터의 증기 공급부에 접속된 증기 플리넘이 입구 스크롤(18)과 연통하도록 배치되어 보어 관 조립체의 관(12) 내의 내부 통로(22)에 냉각 증기를 공급한다. 추출 스크롤(20)은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성되는 혼성 시일(30)을 통과하는 증기 누출물을 수용하기 위한 증기 귀환부(도시 안됨)에 접속된다. 따라서, 입구 스크롤(18)로부터 혼성 시일(30)을 통과하는 어떠한 증기 누출물도 터빈의 후미 주 베어링(도시 안됨)으로 더 전방으로 흐르지 않는다. 오히려, 증기 누출물은 추출 스크롤(20)에 의해 수집되어 재 사용된다. 증기 글랜드(10)가 이용되는 환경의 추가의 세부 사항은, 본원에 참고로 인용되는 공통 출원인의 2000년 5월 9일자 출원된 미국 특허 출원 제 09/566,085 호를 참조하기 바란다.
바람직한 실시예에 따르면, 증기 글랜드(10)는 혼성 시일(30)을 수용하기 위해 관(12) 둘레에 환상으로 연장되는 대체로 도브테일형의 내부 홈(32)을 포함하며, 이 도브테일형 홈(32)은 축방향 연장 플랜지(34)를 갖는다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 시일 본체(35)가 증기 글랜드(10)의 환상 홈(32) 내에 배치된다. 이 시일 본체(35)는 환상 링을 포함하며, 이 환상 링은 상측 또는 하측 터빈 덮개에 각각 배치하도록 180°분할되어 형성될 수도 있거나 또는 상측 및 하측 터빈 덮개의 각각에 있는 아치형의 시일 세그먼트(36)에 제공될 수도 있다. 다수의 아치형의 시일 세그먼트(36)가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 각 시일 세그먼트(36)는 축방향 대향 단부에 인접한 아치형의 축방향 연장 플랜지(38)(도 2b) 및 마찬가지로 축방향 대향 단부에 인접한 요부(40)에서 종단하는 축방향 크기를 갖는다. 따라서, 각 시일 세그먼트(36)는 홈(32) 내에 수용되고, 홈(32)의 플랜지(34)는 시일 본체(35)를 고정 부품, 예컨대 증기 글랜드에 보유하는 시일 본체(35)의 요부(40)에 수용된다.
브러시 시일(42)은 대향 단부, 즉 환상 시일의 축방향 이격 단부에 인접하여, 특히 각 시일 세그먼트의 대향 단부에 인접하여 제공된다. 브러시 시일(42)은 한쌍의 지지판을 포함하는 지지부(43)로 각각 형성된다. 예컨대, 증기 입구 스크롤(18)의 상류 고압 영역에 인접한 브러시 시일(42)은 부시 강모(48)의 대향 단부상에 지지판(44, 46)을 포함한다. 이 지지판(46)은, 시일 본체(35)의 아치형 내측면을 따라 형성된 상보 형상의 슬롯의 요부 내에 수용되는 축방향 플랜지(50)를 포함한다. 지지판(44, 46)은 그 사이에 강모(48)를 끼우고, 강모 및 지지판은 용접 비드(52)에 의해서 서로 용접된다. 따라서, 대체로 L자 형상의 브러시 시일이 각 아치형의 시일 세그먼트(36)의 상류측을 따라 아치형으로 그리고 연속적으로 연장된다는 것을 알 수 있을 것이다.
저압 영역 및 추출 스크롤(20)에 인접한 시일 본체(35)의 하류측에 있는 브러시 시일(42)은, 마찬가지로 강모(60)의 대향 측면상에 한쌍의 지지판(56, 58)을 포함한다. 그러나, 이러한 구성에서, 각 지지판(56, 58)은, 시일 본체(35)의 내측면을 따라 형성된 대응하는 형상의 홈의 요부에 각각 수용되는 축방향의 대향 방향으로 연장되는 플랜지(57, 59)를 구비한다. 강모 및 지지판은 용접 비드(62)에 의해서 서로 고정된다. 이러한 배치에 의해서, 각 브러시 시일(42)의 강모(48, 60)의 선단이 관(12)을 따라 축방향 이격 위치에서 관(12)에 접촉한다.
각 시일 세그먼트(36)에 있는 브러시 시일(42)의 사이에 허니콤 시일(64)이 제공된다. 이 허니콤 시일(64)은 대응하는 시일 세그먼트(36)와 원주방향으로 동일하게 연장되고, 그리고 브러시 시일 사이에서 시일 세그먼트(36)의 길이의 대부분에 걸쳐 축방향으로 그리고 시일 세그먼트의 이격 단부 사이에서 원주방향으로 뻗어 있다. 허니콤 시일은 금속 또는 세라믹으로 형성될 수도 있고 그리고 6각형 형상 및 단면을 갖는 반경방향 내향 개방 채널로 형성될 수도 있다. 브러시 시일(42)은 C자형 클립 및 회전 방지 핀(72)(도 4)에 의해 각 홈 내에 유지된다.
시일 본체(35)가 다수의 원주방향 연장 시일 세그먼트(36)를 포함하는 경우, 인접하는 단부면(68)과 시일 세그먼트(36) 사이에 누출 경로가 형성될 가능성이 있다. 도 4를 참조하면, 시일 세그먼트의 단부면(68)은 스플라인 시일(74)을 구비한다. 이 스플라인 시일(74)은 인접한 시일 세그먼트의 정렬 단부면의 원주방향 정렬 홈 내에 배치되는 평탄한 대체로 직선형의 판금 요소를 포함한다.
혼성 브러시 시일/허니콤 시일이 입구 스크롤과 추출 스크롤의 고압 영역과 저압 영역 사이의 고압차에 견딜 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 유사하게, 혼성 시일(30)은 래버린스형 시일을 제거함으로써 열에 의한 회전자의 손상 가능성을 최소화한다. 따라서, 단일의 시일 하우징에 브러시 시일/허니콤 시일 조합체를 사용함으로써 터빈 작동 중에 공기 및 증기의 누출을 감소시키는 것에 의해 증기 글랜드의 성능이 최적화된다.
본 발명을 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 개시한 실시예에 한정되지 않고 첨부된 청구범위 내에 포함되는 각종 수정 및 동등한 배치를 포함하고자 의도하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 고압 영역과 저압 영역 사이의 증기 누출을 최소화하고 그리고 시일 누출 성능을 최적화하는 동시에 열에 의한 회전자의 손상 가능성을 제거하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 고정 부품 및 회전 부품 사이를 밀봉하기 위한 시일(30)에 있어서,
    상기 고정 부품에 의해 지지되고 그리고 제 1 및 제 2 아치형 브러시 시일(42)을 지지하는 시일 본체(35)를 포함하고, 각 브러시 시일은 지지부(43) 및 상기 지지부에 의해 지지된 다수의 강모(48, 60)를 포함하며, 상기 강모의 선단이 상기 지지부를 지나 연장되어 회전 부품에 접촉하며,
    상기 브러시 시일들은 서로 축방향으로 이격되고,
    상기 시일 본체는 상기 제 1 및 제 2 브러시 시일 사이에서 축방향으로 연장되는 아치형의 허니콤 시일(64)을 지지하고 있고, 상기 허니콤 시일은 상기 회전 부품을 향하여 개방된 다수의 반경방향 채널(66)을 포함하며, 그것에 의해서 상기 브러시 시일들 및 허니콤 시일이 시일의 축방향 대향 측면상의 축방향으로 이격된 고압 영역 및 저압 영역 사이를 밀봉하는
    시일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 브러시 시일의 지지부는 상기 강모의 대향 측면상에 한쌍의 지지판(44, 46, 56, 58)을 포함하며, 상기 지지판중 적어도 하나가 축방향 연장 플랜지(50)를 포함하는
    시일.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 브러시 시일의 지지부는 상기 강모의 대향 측면상에 한쌍의 지지판(44, 46, 56, 58)을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 브러시 시일중 적어도 하나(42)는 각 지지판상의 축방향 연장 플랜지(57, 59)를 포함하는
    시일.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일 본체는 그의 대향 측면을 따라 한쌍의 축방향 연장 플랜지(38)를 포함하는
    시일.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일 본체(35)는 다수의 아치형의 시일 세그먼트(36)를 포함하며, 상기 브러시 시일(42)들 및 상기 아치형의 시일 세그먼트는 회전 부품의 둘레에서 서로 대체로 동일하게 연장되는
    시일.
  6. 터빈의 증기 글랜드(a steam gland)에 있어서,
    축방향으로 서로 이격된 환상의 증기 입구 스크롤(18) 및 환상의 증기 추출 스크롤(20)을 구비하는 고정 부품(11)과,
    상기 고정 부품 내의 회전 부품(12)으로서, 상기 입구 스크롤과 상기 출구 스크롤 사이의 시일(30)이 상기 고정 부품과 회전 부품의 사이와, 상기 시일의 대향 측면상의 고압 및 저압 영역 사이를 밀봉하는, 상기 회전 부품(12)과,
    고정 부품에 의해 지지되고 제 1 및 제 2 아치형 브러시 시일(42)을 지지하는 시일 본체(35)로서, 각 브러시 시일(42)이 지지부(43)와 상기 지지부에 의해 지지된 다수의 강모(48, 60)를 포함하며, 상기 강모의 선단이 상기 지지부를 지나 연장되어 상기 회전 부품에 접촉되는, 상기 시일 본체(35)를 포함하고,
    상기 브러시 시일들은 서로 축방향으로 이격되고,
    상기 시일 본체는 상기 제 1 및 제 2 브러시 시일 사이에서 축방향으로 연장되는 아치형 허니콤 시일(64)을 포함하고, 상기 허니콤 시일은 상기 회전 부품을 향해서 개방된 다수의 반경방향 채널(66)을 포함하며, 그것에 의해 상기 브러시 시일들 및 허니콤 시일이 시일의 축방향 대향 측면상의 축방향으로 이격된 고압 영역 및 저압 영역 사이를 밀봉하는
    증기 글랜드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 브러시 시일의 지지부는 상기 강모의 대향 측면상에 한쌍의 지지판(44, 46, 56, 58)을 포함하고, 상기 지지판 중 적어도 하나가 축방향 연장 플랜지(50)를 포함하는
    증기 글랜드.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 브러시 시일의 지지부는 상기 강모의 대향 측면상에 한쌍의 지지판(44, 46, 56, 58)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 브러시 시일중 적어도 하나는 각 지지판상에 축방향 연장 플랜지(57, 59)를 포함하는
    증기 글랜드.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 고정 부품은 한쌍의 축방향 연장 플랜지(34)를 포함하는 아치형의 도브테일형 홈(32)을 포함하고, 시일 본체는 그의 대향 측면을 따라 한쌍의 축방향 연장 플랜지(38)를 포함하며, 상기 축방향 연장 플랜지(38)는 상기 도브테일형 홈 내에 수용되는
    증기 글랜드.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 시일 본체는 원주 방향으로 연장되는 적어도 한쌍의 아치형의 시일 세그먼트(36)를 포함하고, 상기 아치형의 시일 세그먼트는 원주방향으로 정렬되는 단부면(68)을 가지며, 상기 단부면 사이에 스플라인 시일(74)이 배치되는
    증기 글랜드.
KR1020030075936A 2002-10-30 2003-10-29 시일 및 증기 글랜드 KR100854193B1 (ko)

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US10/283,293 2002-10-30

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