KR100868391B1 - 터빈 버킷 더브테일 및 그 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 터빈 버킷 더브테일(turbine bucket dovetail)(12)은 터빈 로터내의 버킷을 고정한다. 터빈 버킷 더브테일은 터빈 로터의 휠 포스트(wheel post)와 맞물릴 수 있는 다수의 후크(hook)(26)를 구비하며, 이 후크는 터빈 로터에 대해 축방향으로 연장된다. 포켓(24)은 더브테일의 접선방향면에 기계가공되며, 그 결과 게이트 개방부(gate opening)(14)에서 휠 포스트 더브테일 에지에서의 피크 응력이 감소된다.

Description

터빈 버킷 더브테일 및 그 성형 방법{BUCKET DOVETAIL DESIGN FOR TURBINE ROTORS}
도 1은 게이트 개방부상으로 삽입되어 제 위치로 활주되는 표준 버킷 더브테일을 도시한 버킷 및 휠 장치의 도면,
도 2는 게이트 개방부에 위치된 폐쇄 버킷의 절반 모델을 도시한 도면,
도 3은 버킷의 조립된 열을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 보조 버킷의 정면도,
도 5는 도 4의 보조 버킷의 측면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
12 : 표준 버킷 더브테일 14 : 휠 포스트 게이트 개방부
16 : 휠 포스트 더브테일 18 : 폐쇄 버킷
20 : 크로스 키이 22 : 보조 버킷
24 : 포켓 25 : 접촉면
26 : 버킷 후크
본 발명은 증기 터빈 로터상의 버킷 조립체용 터빈 버킷 더브테일에 관한 것으로, 보다 상세하게는 더브테일의 형상이 휠 후크 필릿(wheel hook fillet)내에 집중된 응력(버킷의 원심력에 의해 발생됨)을 최소화시키는 한편, 기존의 증기 경로에 적용가능한 전체 크기를 유지하기 위한 설계상의 특징을 도입한 버킷 더브테일에 관한 것이다.
많은 기존의 터빈에서 알려진 오염된 증기의 결과로서, 저압 로터의 마지막 스테이지상의 접선방향의 입구 더브테일은 응력 부식 균열(stress corrosion cracking: SCC)을 야기하는 환경에서 작동한다. SCC는 전형적인 더브테일 구성체의 후크 필릿 영역내에 존재하는 응력 레벨에 의해 촉진된다. 통상적으로, 이러한 응력이 수용가능하지만, 오염된 증기내에서 균열이 시작되어, 감지되지 않은 채 남아 휠 후크의 파손을 야기하는 깊이로 성장할 수 있다. 극단적인 경우, 모든 후크는 파손될 것이며, 버킷은 로터로부터 느슨하게 될 것이다.
접선방향의 입구 더브테일의 설계에서는 휠 주변부내에 개방부를 필요로 하는데, 이 개구부는 우선 버킷이 반경 방향으로 휠내에 삽입된 다음 접선방향으로 제 위치내로 활주되는 곳이다. 이 휠 개방부는 "게이트"로 규정된다. 게이트는 모든 버킷이 폐쇄 버킷(closure bucket)으로 불리는 특수 버킷으로 휠상에 조립된 후에 채워진다. 폐쇄 버킷은 크로스 키이(cross-key)로 제 위치에 고정된다. 열로 버킷에 사용하는 유지 후크(retaining hook)가 없으므로 크로스 키이를 필요로 한다. 크로스 키이는 폐쇄 피스의 "중실(solid)"부와, 휠 림(wheel rim)상의 인접한 버킷(보조체)으로 관통된다. 작동 속도로, 폐쇄 피스는 추가적인 부하를 키이 장치(keying arrangement)의 특성에 의해 보조 버킷에 부과한다. 크로스 키이 디자인은 각 보조 버킷에 폐쇄 피스 원심력의 50%를 전달한다. 더브테일 기하학에 있어서 갑작스런 변화에 의해 발생된 응력 집중 요인과 함께 폐쇄/보조 버킷으로부터의 원심 부하는 게이트에서 피크 휠 후크 필릿 응력(peak wheel hook fillet stress)을 발생시킨다.
후크가 균열되고, 버킷이 균열되지 않는 것은 경험으로 나타나 있다. 이것은 저압 로터용으로 사용된 NiCrMoV 및 유사한 저합금강이 버킷용으로 사용된 12 크롬강에 비해 SCC에 대한 저항성이 훨씬 낮기 때문이다. NiCrMoV강은 전체적인 저압 로터 설계상의 고려 사항을 위해 유용한 특징들의 최적 조합을 제공한다. 이에 따라, 전형적인 저압 증기 환경에 있어서 SCC를 회피하는 효과적인 수단은 휠 더브테일에서의 응력을 수용가능한 레벨로 감소시키는 것이다. 부식 환경에서 작동하는 구성요소의 피크 응력이 재료의 항복 강도미만인 경우, SCC에 대한 저항성이 매우 개선되는 것으로 터빈 산업에서 인식되고 있다. 따라서, 휠 더브테일은 적어도 이러한 기준을 만족시키도록 설계되고, 응력을 훨씬 더 감소시킴으로써 보다 큰 안전 여유를 제공하도록 할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 있어서, 터빈 버킷 더브테일은 터빈 로터내에 버킷을 고정하기 위해 제공된다. 터빈 버킷 더브테일은 터빈 로터의 휠 포스트와 맞물릴 수 있는 다수의 후크를 구비하며, 이 후크는 터빈 로터 및 더브테일의 접선방향면에 기계가공된 포켓에 대해 축방향으로 연장된다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 터빈 로터는 게이트 개방부와 함께 휠 포스트 더브테일을 갖는 회전가능한 휠 포스트와, 터빈 버킷 더브테일을 거쳐 휠 포스트 더브테일에 각각 고정된 다수의 터빈 버킷을 구비한다. 다수의 터빈 버킷은 게이트 개방부에 폐쇄 버킷과, 크로스 키이를 거쳐 폐쇄 버킷을 개재하여 고정하는 한 쌍의 보조 버킷을 구비한다. 보조 버킷 각각은 휠 포스트와 맞물릴 수 있는 다수의 후크를 포함하며, 이 후크는 터빈 로터에 대해 축방향으로 연장되고, 포켓이 더브테일의 접선방향면에 기계가공된다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 터빈 로터내에 버킷을 고정하기 위한 터빈 버킷 더브테일을 구성하는 방법이 제공된다. 본 방법은 터빈 로터의 휠 포스트와 맞물릴 수 있고, 터빈 로터에 대해 축방향으로 연장되는 다수의 후크를 형성하는 단계와, 더브테일의 접선방향면에 포켓을 기계가공하는 단계를 구비한다.
도 1 내지 도 3에는 버킷 및 휠 구성체가 조립된 상태로 도시되어 있다. 표준 버킷 더브테일(12)은 휠 포스트 더브테일(16)내의 휠 포스트 게이트 개방부(14)상에 배치되어 소정 위치로 활주된다. 게이트 개방부(14)는, 모든 버킷이 휠상에 조립된 후에, 폐쇄 버킷(18)으로 불리는 특수 버킷으로 채워진다. 폐쇄 버킷(18)은 크로스 키이(20)로 제 위치에 고정된다. 열 내에 버킷에 의해 사용되는 유지 후크가 없으므로 크로스 키이(20)를 필요로 한다. 크로스 키이(20)는 휠 림 위에서 인접한 버킷(보조 버킷)(22)과 폐쇄 피스(18)의 "중실부(solid)"를 통해 관통된다. 보조 버킷(22)은 그 자신의 원심 부하를 지지할 뿐 아니라, 크로스 키이(20)를 통한 폐쇄 버킷(18)의 원심 부하의 50%를 지지하고 있다. 이러한 힘은 휠 포스트 더브테일(16)내에 응력을 야기하며, 피크 응력은 게이트 개방부(14) 근방에 후크의 필릿 영역내에 존재한다. 로터 재료의 항복 강도보다 훨씬 낮은 값으로 게이트 개방부(14) 근방의 피크 응력을 제한하기 위해, 포켓(24)은 더브테일의 접선방향 면에 기계가공된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 포켓(24)은 크로스 키이가 위치된 더브테일의 접선방향 면에 기계가공된다. 이 포켓(24)은 각각의 버킷 후크(26)의 접촉면(25)을 포위하여 휠 접촉면상에 비접촉 영역을 형성한다. 작동 속도에서의 버킷 원심력은 최고의 응력 집중 요인이 존재하는 게이트 개방부(14)로부터 소정 거리(포켓 깊이)만큼 이격되는 휠 접촉면(25)에 부과되어, 휠 후크 필릿 피크 응력을 감소시킨다. 게다가, 더브테일 원심력 및 피크 응력을 감소하게 하는 포켓(24) 때문에 더브테일 중량이 감소된다.
바람직하게는, 3-후크 더브테일용 포켓(24)의 깊이는 4.572mm(0.180인치) 내지 5.334mm(0.210인치)이고, 보다 바람직하게는 4.572mm(0.180인치)이며, 4-후크 더브테일용으로는 5.588mm(0.220인치) 내지 6.350mm(0.250인치)이고, 보다 바람직하게는 5.588mm(0.220인치)이다. 보다 좁은 포켓은 과잉의 피크 응력을 초래할 수 있는 반면, 보다 깊은 포켓은 분쇄 응력 파손(crush stress failure) 및 재료 마모 부식(material fretting)을 초래할 수 있다.
유한 요소법(finite element analysis)에 의하면, 휠 더브테일내의 피크 집중 응력이 애리조나 공익법인(Arizona Public Service), 팔로 베르데 유닛(Palo Verde Unit) 1, 2 및 3, 터빈 #1LR0296, 1LR0297 및 1LR0298에 대한 교체 저압 로터의 스테이지 12상에서 본 발명의 더브테일을 분석하기 위해 이용된 동일한 로딩 조건에 대해서 52100 PSI인 것으로 판명되었다. 이것은 이들 조건에 대해서 집중 응력의 21% 감소가 있는 것을 나타낸다.
원심 부하를 더브테일의 고 응력 집중 요인 영역으로부터 멀리 이동시키는 것에 의하여, 피크 응력 레벨이 낮춰질 것이다. 설계상의 특징부는 특정 깊이까지 기계가공된 접촉면을 구비하여 보조 버킷의 일 측부상에 포켓을 형성하는 더브테일의 영역이다. 이것은 버킷 원심 부하를 휠 포스트상의 게이트 개방부에서 더브테일 에지로부터 멀리 이동시킨다. 결과로서, 버킷에 대한 휠 더브테일 구성체는 휠 포스트 게이트 개방부에서 충분히 낮은 피크 응력을 가져 휠 후크의 응력 부식 균열을 회피한다.
본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예이도록 고려된 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에 포함된 여러 가지 변경 및 동등한 구성을 커버하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 버킷 더브테일을 이용하면, 더브테일의 형상이 휠 후크 필릿 내에 집중된 응력을 최소화시키는 한편, 기존의 증기 경로에 적용가능한 전체 크기를 유지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 터빈 로터내에 폐쇄 버킷(18)을 고정하기 위한 터빈 버킷 더브테일에 있어서,
    상기 터빈 로터의 휠 포스트(16)와 맞물릴 수 있고, 상기 터빈 로터에 대해 축방향으로 연장되는 복수의 후크(26)와,
    상기 더브테일의 접선방향 면에 기계가공된 포켓(24)을 포함하고,
    상기 포켓(24)은 상기 각각의 복수의 후크를 포위하는 포켓 영역에 의해 형성되는
    터빈 버킷 더브테일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 로터 내에 폐쇄 버킷(18)을 고정하기 위한 크로스 키이(2)를 구비하고, 상기 접선방향 면은 상기 크로스 키이가 위치하는 터브테일의 측부 상에 있는
    터빈 버킷 더브테일.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 후크는 상기 휠 포스트(16)의 각 측부와 맞물릴 수 있는 3개의 후크(26)를 포함하며, 상기 포켓(24)의 깊이는 4.572mm(0.180인치) 내지 5.334mm(0.210인치)인
    터빈 버킷 더브테일.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 포켓(24)의 깊이는 4.572mm(0.180인치)인
    터빈 버킷 더브테일.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 후크는 상기 휠 포스트(16)의 각 측부와 맞물릴 수 있는 4개의 후크(26)를 포함하며, 상기 포켓(24)의 깊이는 5.588mm(0.220인치) 내지 6.350mm(0.250인치)인
    터빈 버킷 더브테일.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포켓(24)의 깊이는 5.588mm(0.220인치)인
    터빈 버킷 더브테일.
  7. 터빈 로터내에 폐쇄 버킷(18)을 고정하기 위한 터빈 버킷 더브테일을 성형하는 방법에 있어서,
    상기 터빈 로터의 휠 포스트(16)와 맞물릴 수 있고, 상기 터빈 로터에 대해 축방향으로 연장되는 복수의 후크(26)를 형성하는 단계와,
    상기 더브테일의 접선방향 면에 포켓(24)을 기계가공하는 단계를 포함하고,
    상기 포켓(24)은 상기 각각의 복수의 후크를 포위하는 포켓 영역에 의해 형성되는
    터빈 버킷 더브테일 성형 방법.
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