KR101378206B1 - 회전기용 시일 조립체 및 회전기 - Google Patents

회전기용 시일 조립체 및 회전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전기용 시일 조립체(16)에 관한 것으로서, 복수 개의 아치형 세그먼트(22) 및 적어도 하나의 시일을 구비하며, 복수 개의 아치형 세그먼트(22)는 환형으로 배치되어 있으며, 맞댐 접합부를 구비하고 있으며, 각각의 아치형 세그먼트(22)는 반경방향 최외곽 표면(48)과 하류면(58)을 구비하고 있다. 적어도 하나의 시일은 상기 맞댐 접합부를 통한 누출을 최소화하도록 배치되어 있다. 적어도 하나의 상기 시일은 반경방향 최외곽 표면(48)상에서의 누출을 최소화하도록 배치된 제 1 부분(44) 및 하류면(58)상에서의 누출을 최소화하도록 배치된 제 2 부분(46)을 구비하고 있다.
회전기, 터빈, 밀봉, 누출, 시일

Description

회전기용 시일 조립체 및 회전기{L BUTT GAP SEAL BETWEEN SEGMENTS IN SEAL ASSEMBLIES}
도 1은 회전기의 일부의 단면도,
도 2는 전형적 시일 조립체의 개략도,
도 3은 도 2의 시일 조립체의 부분 개략도,
도 4는 전형적인 시일의 개략 사시도,
도 5는 도 2의 시일 조립체를 정면에서의 확대 개략도,
도 6은 폭이 최대인 맞댐 간극에서의 도 2의 시일 조립체의 개략도,
도 7은 폭이 최소인 맞댐 간극에서의 도 2의 시일 조립체의 개략도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 증기 터빈 12 : 제 1 고정 부품
14 : 제 2 고정 부품 16 : 시일 조립체
18 : 고압 영역 20 : 저압 영역
22 : 아치형 세그먼트 24 : 밀봉 면
26 : 반경방향 치형부 28 : 세그먼트 배치 플랜지
32 : 축방향으로 감소된 목부 32 : 환형 홈
34 : 부품 배치 플랜지 38 : L자형 시일
40 : 맞댐 간극 42 : 반경방향 슬롯
44 : 축방향 부분 46 : 반경방향 부분
48 : 반경방향 최외곽 표면 50 : 상보적 표면
52 : 반경방향 내곽 표면 54 : 내경
56 : 화살표 58 : 제 1 하류면
본 발명은 회전기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 회전기의 부품들 사이의 시일 조립체에 관한 것이다.
회전기, 예컨대 증기 터빈에서는, 통상적으로는, 2개의 고정 부품 사이와 고정 부품과 회전 부품 사이에 시일을 형성하도록 복수 개의 아치형 세그먼트를 구비하는 시일 조립체를 사용하는 것이 통상적이다. 일반적으로, 아치형 세그먼트는 부품들 중 하나의 환형 홈 내에 배치된다. 각각의 아치형 세그먼트는 다른 부품에 대한 밀봉 표면을 추가로 더 구비하고 있다. 이 밀봉 기능은 아치형 세그먼트의 밀봉 표면과 대향 부품 사이의 간극(clearance)을 비교적 조밀하게 형성하도록 함에 의해 달성된다.
회전기의 작동 중에, 특히, 시동, 정지 또는 전이 작동 중에, 부품들은 상이한 열 팽창 속도를 겪게 되며, 이러한 상이한 열 팽창 속도는 부품들이 팽창 및 수축함에 따라 아치형 세그먼트 사이의 공간을 조정하게 된다. 아치형 세그먼트 사이의 누출을 최소화할 수 있는 능력은 부품들 사이의 시일을 효과적으로 형성하도록 하는 데 있다.
이에 따라, 회전기를 조작함에 있어서, 모든 위상에 걸쳐 밀봉 성능이 개선된 시일 조립체를 제공하여야 할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명에는 복수 개의 아치형 세그먼트 및 적어도 하나의 시일을 구비한 회전기용 시일 조립체가 개시되어 있다. 복수 개의 아치형 세그먼트는 환형으로 정렬되어 있으며 맞댐 접합부(butt joint)를 구비하고 있으며, 각각의 아치형 세그먼트는 반경방향 최외곽 표면 및 하류 표면을 구비하고 있다. 적어도 하나의 시일이 맞댐 접합부를 통한 누출을 최소화하도록 정렬되어 있다. 적어도 하나의 시일은 반경방향 최외곽 표면에서의 누출을 최소화하도록 된 제 1 부분 및 하류표면에서의 누출을 최소화하도록 배치된 제 2 부분을 구비하고 있다.
또한, 제 1 부품, 시일 조립체, 제 2 부품, 및 적어도 하나의 시일을 구비한 회전기가 더 개시되어 있다. 상기 제 1 부품은 환형 홈을 구비하고 있다. 시일 조립체는 복수 개의 아치형 세그먼트를 구비하고 있으며, 상기 환형 홈 내에 배치된다. 제 2 부품은 아치형 시일 세그먼트에 인접하게 배치되어 있다. 적어도 하 나의 시일이 세그먼트 사이에 배치되어 적어도 하나의 시일의 제 1 부분이 세그먼트에 대한 반경방향 최외곽 표면을 보완하는 표면을 구비한다.
첨부된 도면에서 유사 부품에 대해서는, 여러 도면에서 동일한 부호로 병기하였다.
도 1을 참조하면, 제 1 고정 부품(12) 및 회전 부품(14)을 구비하고 있으며, 일반적으로 도면부호(10)로 표시된 회전기의 일부, 예를 들어 증기 터빈을 단면도로 예시한 것이다. 제 1 고정 부품(12)과 제 2 고정 부품(14) 사이에서의 누출을 최소화하도록 하기 위해서, 시일 조립체(16)에는 고압 영역(18) 및 저압 영역(20)을 분리하는 부품 대 부품[예컨대, 제 1 고정 부품(12)과 제 2 고정 부품(14)] 인터페이스가 구비되어 있다. 상기 시일 조립체(16)는 아치형 세그먼트(22)의 환형 배열로 형성되어 있다(추가로, 도 2에 추가로 예시됨). 또한, 각각의 시일 세그먼트(22)는 시일 표면(24)을 구비하고 있으며, 반경방향 치형부(26)가 돌출되어 고압에서부터 저압 영역(18 및 20)으로 유동되는 유체 매질, 예컨대 증기에 대한 부분적 방벽으로서 작용한다. 도 2는 8개의 아치형 세그먼트(22)를 예시한 것이지만, 시일 조립체(16) 내의 아치형 세그먼트(22)의 수는 고려된 조작에 따라, 보다 크거나 또는 더 작은 수로 변경될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
세그먼트(22)의 반경방향 외측 부분은 서로 다르게 벗어나서 축 상의 대응 방향으로 세그먼트(22)로부터 연장되어 있는 세그먼트 배치 플랜지(28)를 구비하고 있다. 축방향으로 감소된 목부(30)는 세그먼트 밀봉 면(24)과 세그먼트 배치 플랜지(28) 사이에서 연장되어 있다. 상기 세그먼트(22)는 제 1 고정 부품 내에서, "T"자형 단면 영역을 구비한 환형 홈(32) 내에 배치된다. 환형 홈(32)은 고정 부품(12)의 반경방향 내곽 부분을 따라 한 쌍의 고정 부품 배치 플랜지(34)에 의해 형성되며, 이것은 그들 사이에서 슬롯(36)을 형성하게 서로를 향해 축방향으로 연장되어 있다. 세그먼트(22)는 세그먼트(22)의 축방향으로 감소된 목부(30)가 고정 부품 슬롯(36) 내에 맞추어지도록 위치된다.
본 발명에 따라 배치된 시일 조립체(16)는 회전기(10) 내에 배치된 다양한 부분 및 부품에 유용하다. 다음 설명에서는 2개의 고정 부품 사이에서, 예컨대 2개의 터빈 쉘 사이에 배치된 시일 조립체를 참조로 할 것이지만, 기술된 시일 조립체(16)는 또한 고정 부품과 회전 부품 사이에, 예컨대 터빈 다이어프램(diaphram) 및 샤프트 사이에 배치될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하 "L"자형 시일(38)이라 칭하는 "L"자형을 갖는 복수 개의 시일(도 3 및 도 4에 최적으로 예시됨)은 아치형 세그먼트(22)의 단부들 사이에 복수 개의 맞댐 간극(butt gap)(40)(도 2 내지 도 3 및 도 5 내지 도 7에 가장 잘 도시됨)에 배치된다. 세그먼트(22)의 각 단부는 "L"자형 시일의 반을 수용할 수 있게 배치된 반경방향 슬롯(42)을 구비한다. "L"자형 시일(38)은 시일 조립체(16)의 중심 축에 실질적으로 평행하게 위치된 축방향 부분(44) 및 시일 조립체(16)의 중앙 축에 실질적으로 수직한 반경방향 부분(46)을 구비하고 있다. 설치될 때, "L"자형 시일(38)은 축방향 부분(44)이 세그먼트(22)의 반경방향 최외곽 표면(48)에 인접하도록 배치되고, 반경방향 부분(46)은 세그먼트(22)의 2개의 인접한 단부들 사이에 형성된 슬롯 내에 배치된다. 도면은 반경방향 부분(46)보다 더 짧게 축방향 부 분(44)을 예시하였지만, 이들 길이는 세그먼트(22)의 기하학적 형태 및 고려되는 특정한 적용예에 따라 변경될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 도면 및 다음 설명은 "L"자 형태의 "L"자형 시일(38)로서, 일부분은 실질적으로 시일 조립체의 중심 축에 평행하고, 다른 부분은 실질적으로 시일 조립체의 중심 축에 수직인 것으로 기술하였지만, 주변 세그먼트의 프로파일을 보완하는 부분을 갖는 다른 부분이 고려될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 나아가, "L"자형 시일(38)이 세그먼트(22) 사이의 반경방향 슬롯(42)내에 자유롭게 배치되는 것으로 예시되고 기술하였지만, 각각의 "L"자형 시일(38)은 "L"자형 시일의 일 단부에 인접해 있는 세그먼트에 교대로 부착되고, 그리고 "L"자형 시일의 다른 단부에 다른 인접한 세그먼트의 반경방향 슬롯 내에서 자유롭게 이동되도록 되어 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한, "L"자형 시일(38)은 맞댐 간극 영역에서 밀봉 능력을 개선시키기 위한 특징을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서는, "L"자형 시일의 세그먼트상 치형부는 "L"자형 시일(38)의 반경방향 부분(46)에 평행한 일측면을 갖도록 배치될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, "L"자형 시일(38)에 인접해 있지 않은 세그먼트상 치형부(26)는 세그먼트 시일에 평행하지 않은 측면을 구비하고 있다. 일측면이 "L"자형 시일에 평행하게 있는 세그먼트상 치형부는 "L"자형 시일(38)의 반경방향 부분(46)과 세그먼트(22) 사이의 인터페이스의 전체 반경방향 길이를 따라 밀봉을 촉진시킨다. 특히, 일측면이 "L"자형 시일(38)에 평행한 세그먼트상 치형부를 구비하여 "L"자형 시일(38)과 세그먼트상 치형부(26) 사이의 갭을 최소화함으로써, "L"자형 시일 대 치형부 사이의 인터페이스(도 1에 최적으로 예시됨)에서 시일 둘레에서의 누출을 최소화할 수 있다. 또한, 도 1은 3개의 치형부(26)를 갖는 세그먼트(22)를 예시하고 있지만, 치형부(26)의 수는 임의적으로 고려될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 다른 실시예에 있어서는, "L"자형 시일의 축방향 부분(44)이 세그먼트(22)의 반경방향 최외곽 표면(48)에 대한 상보적 표면(50)을 갖도록 배치될 수 있다. 상보적 표면(50)의 바람직한 형태는 예를 들어, 기계가공, 성형 또는 주형 작업과 같은 제조 방법에 의해 달성될 수 있다. 상보적 표면(50)은 세그먼트(22)의 외곽 표면(48)과 "L"자형 시일(38)의 상보적 표면(50) 사이의 갭을 최소화함에 의해 맞댐 간극(40)(도 5에 최적으로 예시됨)의 영역 내에 추가의 밀봉 능력을 더할 수 있는 "L"자형 시일(38)과 세그먼트(22)사이의 교합 표면을 생성한다. 추가로, "L"자형 시일(38)은 인접한 세그먼트(22)와 동일한 재료로 제조될 수 있다. 세그먼트(22)와 "L"자형 시일(38) 사이의 재료를 공통적인 재료로 구성함에 의해 교합 파트 사이의 열 팽창 차이를 최소화함에 의해 맞댐 간극 영역내의 밀봉 능력을 최대화할 수 있도록 한다. 재료를 공통화하거나 열 팽창 속도가 유사한 재료를 사용함에 의해, "L"자형 시일(38)이 세그먼트(22)가 팽창하는 것과 동일한 속도에서 열적으로 팽창하도록 하여, "L"자형 시일(38)의 적절한 배치를 개선시킬 수 있도록 한다. 세그먼트(22)와 "L"자형 시일(38)에 대해 공통적으로 사용되는 재료는 예를 들어, 탄소강, 저탄소강, 1-1/4 Cr-1/2 Mo 합금강 및 2-1/4 Cr-1 Mo 합금강과 같은 금속 합금이 될 수 있다.
그리고, 예를 들어, 또 다른 실시예에 있어서는, 반경방향 부분(46)의 반경방향 내곽 표면(52)은 세그먼트(22)의 내경(54)과 교합되는 외형의 에지를 구비할 수 있다. 이러한 배치의 반경방향 내곽 표면(52)은 "L"자형 시일(38)을 적절하게 배치하도록 하며, 시일 조립체에서 제 2 고정 부품 인터페이스(도 5에 최적으로 예시됨)에 대한 누출을 제한한다. 특히, 인접한 세그먼트(22)의 치형부(26) 사이에 갭이 제공되면서, 시일 조립체(16)에서 맞댐 간극 영역 내의 제 2 고정 부품(14)의 인터페이스에 대한 누출을 최소화한다.
그리고, 개개의 "L"자형 시일(38)의 크기는 기준 치수로 이루어질 수 있지만, 상보적 표면(50)의 직경 및 전체 폭과 같은 크기를 특정 유닛 배치에 따라 적절하게 맞추어지도록 하여, "L"자형 시일(38)을 적절하게 배치하도록 하여 밀봉 효과를 높일 수 있다.
회전기(10)를 조작하는 동안, 고압 영역으로부터의 증기와 같은 유체 매질은 도 1에서 화살표(56)로 예시된 바와 같이, "L"자형 시일(38)의 축방향 및 반경방향 부분에 대해 압력을 강화하게 된다. 이와 같이 강화된 압력은 "L"자형 시일에 힘을 가해서 세그먼트(22)에 접촉되게 하며, 축방향 부분(44)은 세그먼트(22)의 반경방향 최외곽 표면(48)과 접촉되고, 반경방향 부분(46)은 세그먼트(22)의 (반경방향 슬롯(46)내의) 제 1 하류면(58)과 접촉되어, 맞댐 간극 영역에서 시일을 형성한다. 조작의 극단에서, 예컨대 시동/정지 동안 또는 예를 들어 과도 상태로 조작하는 동안, 세그먼트(22) 사이의 맞댐 간극(40)은 부품들 사이의, 도 6에 예시된 바와 같은, 최대의 맞댐 간극 폭 사이에서의 열 팽창이 다르기 때문에, 최소의 맞댐 간극 폭으로 변경될 수 있으며, 세그먼트(22)는 도 7에 예시된 바와 같이, 서로 근접하여 접촉한다. "L"자형 시일(38) 및 반경방향 슬롯(42)은 회전기(10)의 전체 조작 범위에 걸쳐서 "L"자형 시일(38)의 배치를 적절하게 유지할 수 있는 크기를 갖는다.
이와 같이 기술된 시일 조립체(16)의 배치에 의해, 회전기(10)의 성능에 있어서, 상당한 장점을 달성할 수 있다. "L"자형 시일은 개선된 누출 방지 성능을 제공하여, 회전기(10)의 전체 효율을 증가시킨다.
본 발명은 바람직한 실시예 또는 구현예에 따라 기술한 것이지만, 본 발명의 해당 범위내에서, 당해 기술분야의 숙련자에 의해, 다양한 변경 및 변형예가 이루어질 수 있으며, 동등한 예가 이들 부품을 대신하여 대체될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그 밖에도, 본 발명의 본질적인 범위에서 벗어 나지 않고서, 본 발명의 가르침에 따라, 당해업자에 의해 특정한 사항 및 재료를 채용하는 다수의 변형이 이루어질 수 있음이 자명하다. 이에 따라, 본 발명은 이 발명을 수행함에 있어서, 최적으로 구현하는 것으로 기재된 특정한 실시예에 제한되는 것이 아니지만, 본 발명은 청구범위에 해당되는 모든 실시예를 망라하는 것은 자명한 사실이다.
본 발명에 의하면, 아치형 세그먼트 사이의 누출을 최소화하여 부품들 사이의 시일을 효과적으로 형성하고, 이에 따라, 회전기를 조작함에 있어서, 모든 위상에 걸쳐 밀봉 성능이 개선된 시일 조립체를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 회전기(10)용 시일 조립체(16)에 있어서,
    환형으로 정렬되고 맞댐 간극(40)을 구비하며, 각각 반경방향 최외곽 표면(48), 내경(54) 및 하류면(58)을 구비한 복수의 아치형 세그먼트(22)와,
    상기 맞댐 간극을 통한 누출을 감소시키도록 배열된 적어도 하나의 L자형 시일(38)을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 시일은, 상기 반경방향 최외곽 표면(48)에서의 누출을 감소시키도록 구성된 제 1 부분(44)과, 상기 하류면(58)에서의 상기 맞댐 간극(40)을 통한 축방향의 누출을 감소시키도록 구성된 제 2 부분(46)을 구비하고,
    상기 제 1 부분은 상기 시일 조립체의 축에 대해 평행하고,
    상기 제 2 부분은 상기 시일 조립체의 축에 대해 수직이고,
    상기 아치형 세그먼트의 각 단부가 반경방향 슬롯(42)을 구비하고,
    상기 적어도 하나의 L자형 시일의 제 2 부분(46)은 상기 아치형 세그먼트의 반경방향 슬롯(42)내에 배치되고,
    상기 제 1 부분은 상기 반경방향 슬롯으로부터 상기 아치형 세그먼트의 상기 반경방향 최외곽 표면까지 연장되어, 상기 맞댐 간극을 통한 누출을 감소시키고,
    상기 제 2 부분은 상기 반경방향 최외곽 표면으로부터 상기 내경(54)까지 연장되어, 상기 맞댐 간극을 통한 누출을 감소시키는
    회전기용 시일 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 아치형 세그먼트(22)는 하나 또는 그 이상의 반경방향 치형부(26)를 더 포함하는
    회전기용 시일 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 반경방향 치형부는 상기 적어도 하나의 시일의 상기 제 1 부분(44)과 평행인 표면(50)을 갖는
    회전기용 시일 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 시일의 상기 제 1 부분(44)은 상기 아치형 세그먼트의 상기 반경방향 최외곽 표면(48)에 대해 상보적인 표면(50)을 갖는
    회전기용 시일 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 시일의 상기 제 2 부분의 내경(54)은 상기 아치형 세그먼트의 반경방향 내곽표면(52)과 교합되는 외형의 에지를 구비하는
    회전기용 시일 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분(44)은 상기 시일 조립체의 중심축에 대해 평행하고, 상기 제 2 부분(46)은 상기 시일 조립체의 중심축에 대해 수직인
    회전기용 시일 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분(44)은 상기 제 2 부분(46)에 대해 수직인
    회전기용 시일 조립체.
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