KR101105402B1 - 용접비드 방식을 적용한 가스터빈 디스크 밀봉밴드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 로터(rotor) 디스크(disc) 사이에 설치되어 냉각 공기와 고온의 가스를 서로 차단시켜 주는 밀봉밴드(sealing band, air baffle)의 손상과 로킹피스(locking piece)의 손상을 방지하기 위한 고정 방식과 이 방식을 적용한 밀봉밴드에 관한 것이다.

가스터빈 디스크의 밀봉슬롯(seal slot)에 3개로 분할되어 삽입되는 각각의 밀봉밴드는 일정한 기준 위치에서 원주방향으로 열팽창 수축되도록 중앙 부위가 고정되어야 하며, 이를 기점으로 수축 팽창이 이루어져 밀봉밴드가 어느 한쪽으로 치우치지 않고 가스터빈 로터 냉각용 공기를 밀봉할 수 있어야 한다.

기존에는 밀봉밴드의 중앙부위에 홈을 만들어 로킹피스를 밀봉밴드와 디스크 사이에 고정시켜, 밀봉밴드의 열팽창 고정점으로 이용하였으나, 로킹피스가 손상 탈락되고 밀봉밴드의 손상을 발생시키는 단점이 있었다.

이러한 단점을 해소하기 위해서 본 발명에서는 밀봉밴드의 중앙에 홈을 파서 설치하는 로킹피스를 제거하고, 밀봉밴드 중앙 부위에 용접형 돌기를 설치하여 각각의 밀봉밴드의 열팽창 고정점 역할을 하도록 하는 구조로 되어 있다.

Description

용접비드 방식을 적용한 가스터빈 디스크 밀봉밴드 {Sealing band with welding bead for gas turbine rotor disc}

본 발명은 가스터빈 로터의 냉각 공기를 밀봉하기 위하여 터빈 디스크 사이에 삽입되는 밀봉밴드 고정용 로킹피스의 탈락 손상과 이로 인한 파급 손상을 방지하기 위한 밀봉밴드의 고정 방식과 이를 적용한 밀봉밴드에 관한 것이다.

내연기관의 일종인 가스터빈은 연소기에서 연소된 고온의 가스가 터빈을 통과하기 때문에 필수적으로 로터와 회전날개 등의 고온 부품을 냉각 매체로 냉각시켜야 한다. 이 냉각 매체는 보통 공기가 사용되며 고온부품 냉각 공기는 별도의 통로를 통하여 고온의 연소 가스와 분리되어 고온 부품으로 공급된다.

냉각공기의 통로와 고온의 연소가스를 서로 분리하기 위해서 터빈 디스크 사이의 밀봉슬롯에 밀봉밴드가 설치되는데, 터빈을 공장조립시에는 2개의 밀봉밴드가 설치되나, 현장에서 밀봉밴드를 교체할 때에는 3개의 조각으로 이루어진 밴드를 끝 부위가 서로 오버랩(overlap)되도록 하여 전 원주 상에 걸쳐 120°의 간격으로 조립된다. 이렇게 설치되면 밀봉밴드 내면은 냉각 공기의 통로가 되고, 외면에는 고온의 연소가스의 통로가 된다.

가스터빈 기동 정지시에는 터빈 디스크의 온도가 상온에서 600℃ 까지 변화되기 때문에 터빈 디스크 사이에 원주방향으로 3개의 부품으로 조립되는 밀봉밴드에 열팽창 수축이 발생된다. 터빈 디스크보다 밀봉밴드의 열용량이 작아, 밀봉밴드가 빨리 팽창하고 빨리 수축되기 때문에 밀봉밴드 끝 부위는 서로 오버랩(도 1 참조)되어야 하며, 중앙부위는 열팽창 기준점이 될 수 있는 고정장치가 필요하다. 도 2는 W501D5 기종의 가스터빈에 설치되는 종래 밀봉밴드의 상세한 도면이다.

터빈 디스크 사이에 설치되는 밀봉밴드는 운전시간의 경과와 함께 마모가 발생하는데, 이는 터빈 로터의 처짐 때문에 어느 일정 부위의 터빈디스크 사이의 간극이 상부에 있을 때와 하부에 있을 때가 서로 다르기 때문이며, 터빈디스크의 밀봉슬롯의 상부측과 밀봉밴드의 바깥면 사이에서 상대적인 움직임이 발생하여 터빈 로터 회전시에 필연적으로 마찰이 발생하기 때문이다.

또한, 가스터빈 기동 정지시에 온도가 급격히 변화될 때 밀봉밴드 팽창 수축을 흡수하기 위해 설치된 오버랩 부위도, 부등 팽창으로 인한 오버랩 부위의 이탈이나 마모 손상이 발생하기도 한다. 이러한 손상을 방지하기 위해 오버랩 부위를 개선하기도 했으나, 운전시간의 경과와 함께 밀봉밴드가 마모되면 오버랩 부위의 이탈 손상이 발생하기도 한다.

가스터빈의 운전시간이 경과하면 이러한 밀봉밴드의 마모와 손상이 발생하기 때문에 밀봉밴드의 교체가 필요하다. 밀봉밴드의 교체는 터빈 디스크를 완전 해체하여 교체하는 것이 근본적인 방법이지만, 이러한 작업은 수리 기간이 약 5개월 정도 소요되고, 수리 비용도 막대하게 소요되므로 보통 터빈 디스크를 분해하지 않고 현장에서 밀봉밴드만을 교체하게 된다.

밀봉밴드를 현장에서 교체할 때는 3개의 밀봉밴드(도 2 참조)를 터빈 디스크 사이의 밀봉슬롯(320)에 끼워 넣게 되며, 로킹피스(200)는 각각의 밀봉밴드(100) 중앙 부위를 고정하여 열팽창 수축에 대한 고정점 역할을 하도록 한다. 구체적으로, 터빈 디스크의 밀봉슬롯 아암(300,310')에 홈을 파서 로킹피스(200)를 끼우고, 밀봉밴드(100) 중앙부위에도 홈을 만들어 이 부위가 로킹피스(200)에 고정되도록 하는 방식이다(도 3a 내지 도 3c 참조). 이렇게 설치된 로킹피스(200)는 전술된 바와 같이 밀봉슬롯 아암(300,310')의 홈에 안착되는 한편 밀봉밴드(100) 중앙부위의 홈과 이 홈을 관통하여 돌출된 로킹피스의 일부, 예컨대 돌기부는 서로 tack 용접되며, 로킹피스의 돌기부는 밀봉슬롯 아암(310)의 홈(311) 내에 삽입(도 3c에 도시됨)되면서 터빈 디스크 내에서 밀봉밴드가 회전하거나, 원주 방향으로 제 위치에서 이탈하는 것을 막아주는 역할을 하게 되나, 설계 구조적인 문제점 때문에 로킹피스의 탈락이나 터빈 디스크의 손상, 밀봉밴드의 균열 탈락 등을 종종 발생시키고, 심할 경우 회전 날개까지 파급손상을 발생시키기도 한다.

현재 사용되고 있는 로킹피스의 설계 구조적인 문제점은 다음과 같다.

첫째, 로킹피스는 원심력에 의해 반경방향으로만 구속되고 로터 중심방향으로는 구속하는 곳이 없기 때문에, 가스터빈이 저속회전이나 정지중에는 로킹피스가 로터 내부 공간으로 탈락될 우려가 있다. 이를 방지하기 위하여 밀봉밴드와 맞닿는 로킹피스 부위를 tack 용접을 하게 되는데 이 부위에 균열이 자주 발생하여 로킹피스가 정위치에서 이탈하게 되고, 일부만 이탈되었을 경우 로킹피스의 안착상태가 불량해지면서 파손의 원인이 되고 있다.

둘째, 로킹피스가 터빈 디스크에 가공된 홈에 의해 원주 방향 움직임에 제한되는데, 터빈디스크의 변형이나 진동, 밀봉밴드의 열팽창 반력 등에 의해 터빈 디 스크 및 로킹피스에 마모를 유발하며, 밀봉밴드 및 로킹피스의 원심력과 비대칭 열팽창에 의한 반력 등이 작용하면서 밀봉밴드와 로킹피스의 손상이 발생한다.

셋째, 로킹피스가 끼워질 수 있도록 밀봉밴드 중앙부위 양쪽에 9×3mm의 홈을 가공하여 밀봉밴드의 원주 방향 이동을 제한하는데, 가스터빈 기동정지시 밀봉밴드의 열팽창 수축에 의한 응력이 이 부위에 집중되게 되어, 이 부위에 균열이 자주 발생한다. 밀봉밴드에 균열이 발생하면 로터 내부의 냉각공기가 외부로 누출되어 고온부품의 과열을 초래하게 되고 로터 변형에 의한 고진동을 유발하기도 한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 밀봉밴드의 열팽창 수축의 고정점 역할을 하는 로킹피스가 설계 구조적인 문제로 인해 탈락되어, 고속 회전되는 가스터빈 디스크와 회전날개에 파급 손상을 발생시키는 것을 방지하고, 로킹피스와의 조립을 위해 밀봉밴드에 가공한 홈에서 노치 현상에 의해 균열이 발생 진전되어 밀봉밴드가 손상되는 것을 방지하고, 냉각 공기의 누설로 인한 가스터빈 고온부품의 과열 손상을 근본적으로 해결하기 위한 것이다.

이를 위하여 설계 구조적인 문제점을 안고 있는 로킹피스를 제거하고, 로킹피스의 역할을 대신할 수 있도록 하기 위하여, 로킹피스가 위치하는 밀봉밴드 부위에 용접비드(welding bead)를 부착하여 밀봉밴드의 열팽창 수축의 고정점 역할을 하도록 함에 따라, 종래와 같은 로킹피스 고정방식의 취약점 때문에 발생하는 제반 손상을 방지할 수 있는 밀봉밴드의 고정하는 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 3개의 밀봉밴드가 120°간격으로 조립되어 각각의 밀봉밴드 끝 부위가 서로 오버랩되어 냉각공기를 밀봉하는 구조에 있어서, 각각의 밀봉밴드의 열팽창 수축 고정점으로 이용되던 로킹피스를 제거하고, 밀봉밴드의 중앙부위에 용접비드를 부착하여 밀봉밴드의 열팽창수축의 고정점으로 이용하는 구조로 되어 있다.

밀봉밴드 중앙 부위에 하스텔로이(hastelloy) 용접봉으로 용접비드를 생성할 경우 용접 열영향부가 생성될 수는 있으나, 로킹피스 고정시에도 이 부위를 용접하기 때문에 용접 열영향부가 발생하는 것은 똑같은 조건이며, 밀봉밴드에 노치를 가공하지 않기 때문에 로킹피스 고정방식보다 허용 강도가 훨씬 높으므로 전혀 문제가 되지 않는다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명에 따른 용접비드방식으로 밀봉밴드의 열팽창 수축의 고정점을 만들어 밀봉밴드를 조립하면, 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 밀봉밴드에 tack 용접만으로 부착되어 있던 로킹피스를 제거하므로, 로킹피스의 탈락 위험이 근본적으로 제거된다. 또한, 터빈디스크의 변형이나 진동, 밀봉밴드의 열팽창 반력 등에 의한 마모와 원심력과 비대칭 열팽창에 의한 반력 등에 의한 로킹피스와 밀봉밴드의 손상을 근본적으로 방지할 수 있다.

둘째, 로킹피스가 끼워질 수 있도록 밀봉밴드 중앙부위 양쪽에 9×3mm의 홈 부위에 자주 발생되던 응력 집중에 의한 균열을 근본적으로 방지할 수 있다. 로킹피스로 밀봉밴드를 고정하지 않고 용접비드로 스토퍼 역할을 하도록 하면, 노치 현상을 유발하는 홈을 가공할 필요도 없기 때문이다.

따라서 가스터빈 디스크의 밀봉밴드를 로킹피스 고정 구조에서 발생되는 문제점을 모두 해결할 수 있다.

터빈 디스크 사이에 설치되어 있는 밀봉밴드를 교체할 때에는 도 2와 같은 형태의 밀봉밴드 3개를 도 1과 같은 형태로 밀봉밴드의 양단부를 오버랩시켜 터빈 디스크 사이의 슬롯에 끼워 넣고, 밀봉밴드가 원주방향으로 이동되지 않도록 종래에는 로킹피스를 조립하였다. 그러나 이러한 고정방식은 설계 구조적인 문제가 있어 밀봉밴드에 손상을 발생시키게 되므로 도 4에 도시된 바와 같은 새롭고 향상된 밀봉밴드를 발명하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 밀봉밴드(1)의 오버랩 부위(10,10')를 도 1에 도시된 종래의 밀봉밴드의 오버랩 부위보다 1mm 정도 더 길게 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 밀봉밴드(1)는 길이연장된 띠 형상으로 되어 양단부에 다른 밀봉밴드와 겹쳐질 수 있게 서로 대응하는 형상의 오버랩 부위(10,10')를 구비한다. 이 오버랩(10,10')은 도 1에 도시된 밀봉밴드처럼 서로 겹쳐지게 배열되어서, 3개의 밀봉밴드가 고리형상을 이루게 한다.

이러한 형상의 밀봉밴드(1)는 그 중앙 부위를 표시하고 터빈 디스크 사이의 밀봉슬롯(320;도 3b에 도시됨) 부위에 우선 가조립된다.

이렇게 원형의 터빈 디스크 사이에 본 발명에 따른 3개의 밀봉밴드(1)를 120°의 간격으로 균등하게 배치하도록 하는데, 각 밀봉밴드(1)에 표시된 중앙 부위와 오버랩 부위 사이에 간격, 구체적으로 120°간격으로 배치되도록 한다.

본 발명에 따른 밀봉밴드(1)는 그 중앙 부위에 용접봉을 이용하여 용접비드(20)를 구비한다. 선택가능하기로, 용접비드(20)는 하스텔로이 용접봉을 이용하여 생성할 수 있다.

바람직하기로, 본 발명에 따른 밀봉밴드(1)에 용접비드(20)는 밀봉밴드의 볼록한 표면 상에서 3~4mm 정도로 돌출되어 터빈 디스크의 밀봉슬롯(320)에 구비된 홈(311) 속으로 배치된다(도 3b 및 도 3c 참조). 이 홈(311) 속으로 용접비드(20)가 수용되어 터빈 디스크의 밀봉슬롯에서 밀봉밴드의 고정을 돕는다.

이 용접비드(20)는 전술된 바와 같이 밀봉밴드(1)의 중앙 부위를 열팽창 기준점으로 하여 터빈 디스크에 고정시키는 역할을 수행하는바, 밀봉밴드의 고정은 터빈 디스크의 밀봉슬롯을 따라 원주방향으로의 이동을 방지하여 이탈을 방지한다.

또한, 본 발명은 전술된 상세한 설명과 첨부도면에 국한되지 않고 다음의 청구범위의 범주와 범위 내에서 변경가능함을 미리 밝혀둔다.

도 1은 서로 오버랩된 2개의 밀봉밴드를 도시한 도면이다.

도 2는 종래기술에 따른 밀봉밴드의 사시도이다.

도 3a은 종래기술에 따른 밀봉밴드와 이에 맞물릴 로킹피스의 사시도이다.
도 3b는 일렬로 배열된 2개의 터빈 디스크의 밀봉슬롯 사이에서 종래기술에 따른 밀봉밴드와 로킹피스를 장착한 상태의 단면도이다.
도 3c는 일렬로 배열된 2개의 터빈 디스크의 밀봉슬롯 사이에 도 3a에 도시된 밀봉밴드와 로킹피스를 장착한 상태의 정면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 밀봉밴드의 사시도이다.

Claims (3)

1. 가스터빈 디스크 사이에서 120°간격으로 배치될 길이연장된 띠 형상의 밀봉밴드에 있어서,

   양단부에 서로 대응하는 형상의 오버랩 부위(10,10')와;

   그 중앙 부위에 하나 이상의 용접비드(20);를 구비하여,

   상기 용접비드(20)가 상기 가스터빈 디스크와 밀봉밴드(1) 사이의 열팽창 기준점으로 작용하는 것을 특징으로 하는 용접비드 방식을 적용한 가스터빈 디스크 밀봉밴드.
2. 제1항에 있어서, 상기 용접비드(20)는 상기 밀봉밴드의 표면 상에서 3~4mm 의 높이로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 용접비드 방식을 적용한 가스터빈 디스크 밀봉밴드.
3. 제2항에 있어서, 상기 용접비드(20)는 하스텔로이(hastelloy) 용접봉으로 제작되는 것을 특징으로 하는 용접비드 방식을 적용한 가스터빈 디스크 밀봉밴드.

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