KR100865191B1

KR100865191B1 - 환상 시일 링 조립체용 패킹 부품 및 터빈 노즐다이어프램용 환상 시일 링 조립체

Info

Publication number: KR100865191B1
Application number: KR1020020066068A
Authority: KR
Inventors: 키르비조지호너삼세; 체브레트리차드존; 보에스프플러그매튜패트릭
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2008-10-23
Also published as: JP4179848B2; RU2303732C2; KR20030035993A; US20030080513A1; CN100335750C; US6715766B2; CN1417453A; JP2003184508A

Abstract

터보기계의 고온 가스 경로에 사용하기 위한 환상 시일 링 조립체(114)용 패킹 부품은, 다수의 축방향 이격 밀봉 이(122)를 설치한 밀봉면(120)과, 상기 밀봉면의 방사상 외측에 있는 목 중앙부(124)와, 상기 중앙부의 방사상 외측에 있는 장착부(127)를 포함한다. 적어도 하나의 증기 공급 구멍(142)이 패킹 부품의 방사상방향 최외측면(138)으로부터 상기 중앙부(124)의 일 측면을 따른 위치까지 소정 각도로 연장되어, 사용시에 공급 구멍(142) 중 적어도 일부분이 고온 가스 경로 중의 가스에 노출되어 가스가 공급 구멍을 통해 패킹 부품 뒤의 공동(130)으로 흐르도록 한다.

Description

환상 시일 링 조립체용 패킹 부품 및 터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체{STEAM FEED HOLE FOR RETRACTABLE PACKING SEGMENTS IN ROTARY MACHINES}

도 1은 공지된 증기 공급 구멍의 배열을 포함하는 종래의 패킹 링 부품의 개략도,

도 2는 도 1과 유사하지만 본 발명에 따른 신규한 증기 공급 구멍의 배열을 갖는 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 110 : 회전자 또는 샤프트 12, 112 : 터빈 노즐 다이어프램

14, 114 : 환상 시일 링 조립체 18, 118 : 패킹 부품

20, 120 : 밀봉면 22, 122 : 밀봉 이

24, 124 : 중앙부 27, 127 : 장착부

28, 128 : 플랜지 30, 130 : 공동

38, 138 : 반경방향 최외측면 42, 142 : 증기 공급 구멍

본 발명은 증기 및 가스 터빈과 같은 회전 기계용의 신축 자재의 패킹 부품에 관한 것이다.

증기 및 가스 터빈과 같은 회전 기계는 발전용으로 사용되며, 그 기계적 구동 용도는 다수의 터빈 단으로 구성된 대체로 대형 기계이다. 그러한 기계에서, 터빈 단을 통해 흐르는 고압 유체는 일련의 고정 부품 및 회전 부품을 통과해야 한다. 고정 부품상에 장착된 환상의 분할된 시일은 고정 부품과 회전 부품 사이의 경로를 따라 유체의 누출을 제어하도록 사용된다. 터빈의 효율은 분할된 시일(패킹 부품이라 칭하기도 함)이 예컨대, 회전자와 고정자 사이의 누출을 방지하는 능력에 직접적으로 좌우된다. 어떤 설계 구조에서는, 예컨대 시동 및 작동 중지 과정에서 스프링이 패킹 부품을 회전자의 반경방향 외측에 유지한다. 회전자가 소정 속도에 이른 후에, 패킹 부품과 이 패킹 부품 뒤의 회전자 하우징 내의 공동 사이에 유체 압력이 공급되어 패킹 부품을 반경방향 내측으로 이동시킴으로써 회전자와의 사이에 작은 틈새를 형성한다.

예시적 실시예에서, 환상 시일 링 부분 또는 패킹 부품은 장부(dovetail) 유형의 장치에 의해 고정 노즐 다이어프램에 고정되는 바, 이 고정 노즐 다이어프램은 터빈 회전자와 함께 회전하는 휠상의 버킷의 인접 열들 사이에 축방향으로 배치되어 있다. 유닛의 시동 및 정지 중에, 신축 자재의 패킹 부품과 고정 다이어프램 사이에 배치된 하나 이상의 압축 스프링은 패킹 부품상에 힘을 가하여 패킹 부품과 회전자 사이의 반경방향 틈새를 증가시킨다. 시동과 정지 사이에 충분한 압력 강하가 발생하면, 압축력이 스프링의 저항력을 초과하고, 그것에 의해 반경방향 틈새를 감소시킨다. 이러한 압축력은 패킹 부품 내의 증기 공급 구멍을 통해 증기를 도입하는 것에 의해 가능하게 된다. 이들 구멍은 통상적으로 패킹 부품내에 천공되고, 패킹 부품의 고압측상에서 개방되어, 증기 압력이 패킹 부품 뒤의 공동내에 형성되도록 한다. 통상적으로, 이들 공급 구멍은 증기 유동측에서 축방향으로 천공되고 또 각 패킹 부품의 뒷면에서 반경방향으로 천공되며 패킹 부품의 내부에서 만남으로써, 90°의 L자 형상 관통 구멍을 형성한다. 그러나, 이러한 배열은 다수의 제조 단계를 필요로 하고, 그리고 통로 내의 예리한 만곡부가 고형 입자의 침식 및 축적 장소가 된다. 이러한 고형 입자의 축적은 시간이 지남에 따라 터빈의 성능을 방해한다.

본 발명은 신축 자재의 정압(positive pressure) 패킹 부품 내의 증기 공급 구멍의 신규한 배열에 관한 것이다. 이 설계 구조에서, 각 패킹 부품의 통로 내에는 패킹 본체에 대해 경사진 중심선을 갖는 하나 이상의 구멍(필요한 경우)이 존재한다. 하나의 경사진 증기 공급 관통 구멍을 뚫는 것에 의해 L자 형상의 구멍의 다단계의 제조 과정이 배제되어, 고체 입자의 축적 뿐만아니라 제조 시간이 감소된다. 이러한 신규한 공급 구멍의 설계구조에 의하면, 종래의 증기 공급 구멍의 설계 구조에 비해서 보다 강력한 패킹 부품이 달성되는 결과가 발생한다.

따라서, 일 측면에서, 본 발명은 터보기계의 고온 가스 경로에 사용하기 위한 환상 시일 링 조립체용 패킹 부품에 있어서, 다수의 축방향으로 이격된 밀봉 이(sealing teeth)를 설치한 밀봉면과, 상기 밀봉면의 반경방향 외측의 중앙부와, 상기 중앙부의 반경방향 외측에 있고 반경방향 최외측면을 갖는 장착부와, 적어도 하나의 증기 공급 구멍을 포함하며, 상기 증기 공급 구멍은 반경방향 최외측면상의 입구 위치로부터 중앙부의 일 측면을 따라 출구 위치까지 소정 각도로 연장되어, 사용시에 공급 구멍의 적어도 일부분이 가스 경로내의 가스에 노출됨으로써 가스가 증기 공급 구멍을 통해 패킹 부품 뒤의 공동 영역으로 흐르도록 하는, 환상 시일 링 조립체용의 패킹 부품에 관한 것이다.

다른 측면에 있어서, 본 발명은 환상 패킹 부품의 뒷면과 다이어프램 사이에 반경방향의 공동을 둔 상태로 다이어프램내의 도브테일 홈에 안착되기에 적합한 다수의 부분적 환상 패킹 부품을 포함하는 터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체에 있어서, 상기 각각의 패킹 부품이, 다수의 축방향으로 이격된 밀봉 이를 설치한 밀봉면과, 상기 밀봉면의 반경방향 외측의 중앙부와, 상기 중앙부의 반경방향 외측에 있고 반경방향 최 외측의 뒷면을 갖는 장착부와, 적어도 하나의 증기 공급 구멍을 포함하며, 상기 증기 공급 구멍은 반경방향 최외측면상의 출구 위치로부터 중앙부의 일 측면을 따라 입구 위치까지 소정 각도로 연장되어, 사용시에, 공급 구멍의 적어도 일부분이 고온 가스 경로 내의 가스에 노출되어, 가스가 공급 구멍을 통해 패킹 부품 뒤의 공동으로 흐르도록 함으로써, 패킹 부품을 반경방향 내향으로 이동시키도록 하는, 터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 예컨대 증기 터빈 또는 가스 터빈과 같은 회전 기계의 일부분이 도시되어 있다. 이 회전 기계는 터빈 다이어프램(12) 내에 배치된 샤프트 또는 회전자(10)를 포함하며, 이 샤프트(10)는 터빈 하우징 내에 통상적인 방식으로 베어링으로 지지되어 있다. 환상 시일 링(14)이 터빈 하우징의 고정 다이어프램 부품 내에서 인접한 터빈 휠(도시 안됨) 사이에 축방향으로 배치되고, 링의 축방향 대향 측면상의 고압 영역 및 저압 영역을 분리한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고압 영역은 우측이고, 저압 영역은 좌측이며, 고온 가스 경로내의 증기 또는 가스 흐름은 화살표(16)로 표시되어 있다. 시일 링(14)은 밀봉 면(20)을 갖는 다수의 아치형 시일 링 또는 패킹 부품(18)과, 점선(22)으로 표시된 다수의 반경방향으로 돌출하고 축방향으로 이격된 래버린스 시일 치형부(labyrinth seal teeth)로 형성되어 있다. 전형적으로, 이러한 유형의 패킹 부품은, 비교적 다수의 방벽, 예컨대 치형부(teeth)를 고압 영역으로부터 저압 영역으로의 유체의 흐름쪽으로 향하게 하고, 각 방벽 또는 이가 유체를 구불구불한 경로를 따르도록 가압하여 압력 강하가 발생되도록 함으로써 기능한다. 시일을 횡단하는 전체의 압력 강하는 시일 링의 축방향 대향 측면상의 고압 영역과 저압 영역 사이의 압력차에 의해 규정된다.

전형적으로, 패킹 부품(18)은 반경방향의 내측 밀봉부(26)와 장부 플랜지(28)를 포함하는 반경방향의 외측 장착부(27) 사이의 목 중앙부(24)를 갖는다. 공동(30)은 목부(24) 내에 위치한 내향 후크(32)에 의해 부분적으로 한정되고, 그리고 플랜지(28)와의 상호작용에 의해 패킹 부품의 내향 운동을 제한함으로써, 패킹 부품(18)을 다이어프램(12)에 고정시키지만, 상술한 반경방향 내향 및 외향 운동은 허용한다.

전형적으로는, 스프링(34)을 이용하여, 예컨대 시동 및 정지 중에 패킹 부품(18)을 회전자로부터 반경방향 외향으로 멀리 유지한다. 그러나, 회전자가 작동 속도에 이르면, 시일 링 부분과 회전자 하우징 내의 공동(30) 사이에 공급된 유체 압력은 스프링의 힘을 극복하고, 그리고 패킹 부품(18)을 반경방향 내향으로 이동시켜 회전자(10)와의 사이에 작은 틈새를 형성한다.

종래의 설계구조는 2개의 공급 구멍을 각 부분에 천공할 것을 필요로 한다. 특히, 패킹 부품의 반경방향 외측 또는 뒷면(38)으로부터 패킹 부품의 측면을 따라 개방된, 즉 좌측으로부터 우측으로의 고압 증기 흐름에 대해 개방된 축방향 천공 구멍(40)과 교차하는 장소까지 반경방향 내측으로 반경방향 구멍(36)이 천공된다. 2개의 구멍(36, 40)은 패킹 부품의 내부에서 90°각도로 만남으로써, L자 형상의 구멍을 형성한다.

도 2를 참조하면, 패킹 부품(118)은 본 발명에 따른 신규한 증기 공급 구멍의 설계구조를 포함하고 있다. 편의상, 대응하는 부품을 나타내기 위해 유사한 참조 부호를 사용하지만, 첨자 "1"을 부가한다. 여기서, 패킹 링 부분(118)은 패킹 부품의 뒷면(138)으로부터 패킹 부품(118)의 고압 증기 측면까지 사전설정된 각도로 하나의 연속 배치로 천공된 단일 구멍(142)을 포함한다. 이 구멍(142)은 패킹 부품의 필요한 강도 특성과 조화되는 각도로, 증기 체적의 요건에 의해 결정되는 직경으로 천공된다. 도시된 바와 같이, 이 구멍(142)은 목부(124)를 횡단하여 절 단함으로써, 구멍의 출구가 고압 증기 흐름에 노출되는 것을 확실하게 한다. 중앙선의 각도와, 구멍의 크기, 및 구멍의 수는 고객의 단위 요건에 맞게 설정될 것이다. 구멍의 제조 방법은 단일의 천공 과정을 포함할 것이지만, 필요한 경우에는 별도의 확공 단계(reaming step)를 포함할 수 있다.

단일의 경사진 증기 공급 관통 구멍(142)을 천공하는 것에 의해, 종래의 효과가 적은 L자 형상의 구멍의 다단계 제조과정이 배제된다.

가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시한 실시예에 한정되지 않고, 오히려 첨부된 청구범위의 개념 및 범위 내에 포함되는 각동 수정 및 동등한 배열을 포함하도록 의도하는 바이다.

본 발명은 종래의 L자 형상의 구멍의 다단계의 제조 과정을 배제하고, 고체 입자의 축적 뿐만아니라 제조 시간이 감소되며, 결과적으로 종래의 증기 공급 구멍의 설계 구조에 비해서 보다 강력한 패킹 부품이 달성된다.

Claims

터보기계의 고온 가스 경로에 사용하기 위한 환상 시일 링 조립체(114)용 패킹 부품(118)에 있어서,

다수의 축방향 이격 밀봉 치형부(122)를 장착한 밀봉면(120)과, 상기 밀봉면(120)의 반경방향 외측에 위치하는 중앙부(124)와, 상기 중앙부의 반경방향 외측에 위치하고 반경방향 최외측면(138)을 갖는 장착부(127)와, 적어도 하나의 증기 공급 구멍(142)을 포함하며, 상기 증기 공급 구멍(142)은 상기 반경방향 최외측면(138)상의 입구 위치로부터 상기 중앙부(124)의 일측면을 따라 출구 위치까지 비스듬하게 연장되어, 사용시에, 상기 증기 공급 구멍(142) 중 적어도 일부분이 가스 경로 내의 가스에 노출되어서 상기 가스가 상기 증기 공급 구멍을 통해 상기 패킹 부품(118) 후방의 공동(130)까지 유동하도록 하는

환상 시일 링 조립체용 패킹 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 증기 공급 구멍(142)은 상기 패킹 부품을 지나는 반경방향 중심선에 대해 예각으로 연장되는

환상 시일 링 조립체용 패킹 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 증기 공급 구멍(142)은 증기의 체적에 의해 결정되는 직경을 갖는

환상 시일 링 조립체용 패킹 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 장착부(127)는 노즐 다이어프램 내의 한 쌍의 도브테일 후크(132)의 반경방향 후방에 안착하도록 구성된 한 쌍의 횡방향 연장 플랜지(128)를 구비하는

환상 시일 링 조립체용 패킹 부품.
터빈 노즐 다이어프램(112) 내의 도브테일 홈에 안착하도록 구성된 다수의 부분적 환상 패킹 부품(118)을 포함하며, 상기 패킹 부품의 뒷면(138)과 상기 다이어프램 반경방향 사이에 공동이 있는, 상기 터빈 노즐 다이어프램(112)용 환상 시일 링 조립체에 있어서,

각 패킹 부품(118)은, 다수의 축방향 이격 밀봉 치형부(122)를 설치한 밀봉면(120)과, 상기 밀봉면의 반경방향 외측에 있는 중앙부(124)와, 상기 중앙부의 반경방향방향 외측에 있고 반경방향 최외측면(138)을 갖는 장착부(127)와, 적어도 하나의 증기 공급 구멍(142)을 포함하며, 상기 증기 공급 구멍(142)은 상기 반경방향 최외측면(138)상의 출구 위치로부터 상기 중앙부(124)의 측면을 따라 입구 위치까지 비스듬하게 연장되어, 사용시에, 상기 증기 공급 구멍(142) 중의 적어도 일부분이 고온 가스 경로내의 가스에 노출되어서 가스가 상기 증기 공급 구멍(142)을 통해 상기 패킹 부품 후방의 공동(130)까지 유동시킴으로써 상기 패킹 부품을 반경방향 내측으로 이동시키는

터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체.
제 5 항에 있어서,

상기 증기 공급 구멍(142)은 상기 패킹 부품을 지나는 반경방향 중심선에 대해 예각으로 연장되는

터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체.
제 5 항에 있어서,

상기 증기 공급 구멍(142)은 증기 체적에 의해 결정되는 직경을 갖는

터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체.
제 5 항에 있어서,

상기 장착부는 상기 노즐 다이어프램내의 한 쌍의 도브테일 후크(132)의 반경방향 후방에 안착되도록 구성된 한 쌍의 횡방향 연장 플랜지(128)를 포함하는

터빈 노즐 다이어프램용 환상 시일 링 조립체.