KR102342464B1 - 터보기계 정렬 키 및 관련 터보기계 - Google Patents

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헤수스 멘도자
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Abstract

다양한 양태는, 정렬 키(26)를 포함하는 터보기계(20) 및 관련 저장 매체와 함께 터보 기계(20)용 정렬 키(26)를 포함한다. 일부 경우에 있어서, 상기 정렬 키(26)는, 주축을 가지며 터보기계(20) 내의 다이어프램 슬롯(28)과 결합되도록 크기 설정되는 본체(32)로서, 상기 주축을 따라 연장되는 측벽(34)을 갖는 것인 본체(32); 상기 본체(32)와 연속되는 모따기된 선단부 섹션(36)으로서, 터보기계(20) 내의 케이싱 슬롯(30)과 결합되도록 크기 설정되는 것인 모따기된 선단부 섹션(36); 상기 본체(32) 및 모따기된 선단부 섹션(36)을 관통하여 연장되는 슬롯(40)으로서, 상기 본체(32)의 단부 가까이에 있는 제1 개구(42) 및 상기 모따기된 선단부 섹션(36) 가까이에 있는 제2 개구(45)를 갖는 것인 슬롯을 포함하며, 상기 본체(32)의 측벽(34)은 본체(32)의 상기 단부로부터 모따기된 선단부 섹션(36)을 향해 테이퍼지게 된다.

Description

터보기계 정렬 키 및 관련 터보기계{TURBOMACHINE ALIGNMENT KEY AND RELATED TURBOMACHINE}
본원에 개시되는 주제 대상은 증기 터빈에 관한 것이다. 구체적으로, 본원에 개시되는 주제 대상은 증기 터빈의 정렬에 관한 것이다.
증기 터빈은, 회전하는 로터에 연결되는 터빈 버킷(turbine bucket) 내로 작동 유체의 유동을 지향시키는 고정식 노즐 조립체를 포함한다. 이러한 노즐 구성[복수 개의 노즐 또는 “에어포일(airfoil)”을 포함]은 때때로 “다이어프램(diaphragm)” 혹은 “노즐 조립체 스테이지(nozzle assembly stage)”라고 불린다. 증기 터빈 다이어프램은 2개의 절반체를 포함하며, 이들 절반체는 로터 주위에 조립되어 전술한 2개의 절반체 사이에 수평방향 조인트(joint)를 형성한다. 각각의 터빈 다이어프램 스테이지(turbine diaphragm stage)는, 각각의 수평방향 조인트에서 다이어프램의 각 측 상에 있는 지지 바아(support bar), 지지 러그(support lug), 또는 지지 스크류(support screw)에 의해 수직방향으로 지지된다. 다이어프램의 수평방향 조인트는 또한, 증기 터빈 다이어프램을 둘러싸는 터빈 케이싱의 수평방향 조인트에 대응한다. 다이어프램 센터링 핀(centering pin)(또는 센터링 키, 또는 정렬 핀 혹은 정렬 키)은 설치 중에 횡방향으로 다이어프램을 위치 설정하기 위해 사용된다. 이러한 센터링 핀은 또한 다이어프램에 의해 발생되는 토크 부하를 취하도록 구성된다.
센터링 핀은 통상적으로 적은 간섭(interference)을 나타내는 다이어프램 조립체의 영역에 설치된다. 센터링 핀은 통상적으로, 작은 간극을 나타내는 이러한 영역에 맞추어 수축하게 되는 지점까지 냉각된다(예컨대, 결빙됨). 이는 종종 설치 중에, 예컨대 설치 장소에서 드라이 아이스 또는 다른 중형 냉각 메커니즘(severe cooling mechanism)을 필요로 한다. 그러나, 이러한 중형 냉각 메커니즘의 이용 불가능성 및 상대적으로 높은 비용은 바람직하지 않을 수 있다. 추가적으로, 센터링 핀의 결빙 및 해동은 터빈 다이어프램의 오정렬을 초래할 수 있다. 다른 핀이 소정 위치에 볼트 결합되는데, 이는 다른 문제를 유발한다. 볼트 결합은 또한 일 방향으로의 부하 인가 하에서 핀의 이동을 허용한다. 또한, 터빈 케이싱에 작은 볼트 구멍을 갖는 것은 이 볼트 구멍 가까이에서의 응력 집중으로 인해 바람직하지 않다.
본 발명의 과제는, 증기 터빈, 구체적으로, 증기 터빈의 정렬을 개선시키는 것이다.
다양한 양태는, 정렬 키를 포함하는 터보기계 및 관련 저장 매체와 함께 터보 기계를 위한 정렬 키를 포함한다. 일부 경우에 있어서, 상기 정렬 키는, 주축을 가지며 터보기계 내의 다이어프램 슬롯(diaphragm slot)과 결합되도록 크기 설정되는 본체로서, 상기 주축을 따라 연장되는 측벽을 갖는 것인 본체; 상기 본체와 연속되는 모따기된 선단부 섹션으로서, 터보기계 내의 케이싱 슬롯(casing slot)과 결합되도록 크기 설정되는 것인 모따기된 선단부 섹션; 상기 본체 및 모따기된 선단부 섹션을 관통하여 연장되는 슬롯으로서, 상기 본체의 단부 가까이에 있는 제1 개구 및 상기 모따기된 선단부 섹션 가까이에 있는 제2 개구를 갖는 것인 슬롯을 포함하며, 상기 본체의 측벽은 본체의 상기 단부로부터 모따기된 선단부 섹션을 향해 테이퍼지게 된다.
본 개시내용의 제1 양태는, 주축을 가지며 터보기계 내의 다이어프램 슬롯과 결합되도록 크기 설정되는 본체로서, 상기 주축을 따라 연장되는 측벽을 갖는 것인 본체; 상기 본체와 연속되는 모따기된 선단부 섹션으로서, 터보기계 내의 케이싱 슬롯과 결합되도록 크기 설정되는 것인 모따기된 선단부 섹션; 상기 본체 및 모따기된 선단부 섹션을 관통하여 연장되는 슬롯으로서, 상기 본체의 단부 가까이에 있는 제1 개구 및 상기 모따기된 선단부 섹션 가까이에 있는 제2 개구를 갖는 것인 슬롯을 갖는 정렬 키로서, 상기 본체의 측벽은 본체의 상기 단부로부터 모따기된 선단부 섹션을 향해 테이퍼지게 되는 것인 정렬 키를 포함한다.
본 개시내용의 제2 양태는, 터빈 다이어프램 세그먼트; 터빈 다이어프램 세그먼트를 적어도 부분적으로 수용하는 터빈 케이싱 세그먼트; 터빈 다이어프램 세그먼트를 터빈 케이싱 세그먼트와 정렬하기 위한 정렬 키를 갖는 터보기계를 포함하며, 상기 정렬 키는, 주축을 가지며 터보기계 내의 다이어프램 슬롯과 결합되도록 크기 설정되는 본체로서, 상기 주축을 따라 연장되는 측벽을 갖는 것인 본체; 상기 본체와 연속되는 모따기된 선단부 섹션으로서, 터보기계 내의 케이싱 슬롯과 결합되도록 크기 설정되는 것인 모따기된 선단부 섹션; 상기 본체 및 모따기된 선단부 섹션을 관통하여 연장되는 슬롯으로서, 상기 본체의 단부 가까이에 있는 제1 개구 및 상기 모따기된 선단부 섹션 가까이에 있는 제2 개구를 갖는 것인 슬롯을 가지며, 상기 본체의 측벽은 본체의 상기 단부로부터 모따기된 선단부 섹션을 향해 테이퍼지게 된다.
본 개시내용의 제3 양태는, 터보기계를 위한 정렬 키를 나타내는 코드를 저장하는, 비휘발성의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 정렬 키는 전산화된 적층 제조 시스템(additive manufacturing system)에 의한 코드의 실행 시에 물리적으로 생성되며 상기 코드는 정렬 키 노즐을 나타내는 코드를 갖고, 상기 정렬 키는, 주축을 가지며 터보기계 내의 다이어프램 슬롯과 결합되도록 크기 설정되는 본체로서, 상기 주축을 따라 연장되는 측벽을 갖는 것인 본체; 상기 본체와 연속되는 모따기된 선단부 섹션으로서, 터보기계 내의 케이싱 슬롯과 결합되도록 크기 설정되는 것인 모따기된 선단부 섹션; 상기 본체 및 모따기된 선단부 섹션을 관통하여 연장되는 슬롯으로서, 상기 본체의 단부 가까이에 있는 제1 개구 및 상기 모따기된 선단부 섹션 가까이에 있는 제2 개구를 갖는 것인 슬롯을 가지며, 상기 본체의 측벽은 본체의 상기 단부로부터 모따기된 선단부 섹션을 향해 테이퍼지게 된다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은, 본 개시내용의 다양한 실시예를 도시하는 첨부 도면과 함께 본 발명의 다양한 양태에 대한 후술하는 상세한 설명을 취하면 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 다양한 실시예에 따른 터보기계의 개략적인 부분 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 터보기계의 일부에 대한 3차원 부분 투시 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 터보기계의 상기 부분에 대한 측면 확대 단면도를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 터보기계의 상기 부분에 대한 상부 단면도를 도시한 것이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 터보기계의 일부에 대한 측부 단면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 터보기계 정렬 키의 3차원 개략도를 도시한 것이다.
도 7은 별개의 각도에서 본, 도 6의 터보기계 정렬 키의 3차원 개략도를 도시한 것이다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 템플릿을 나타내는 코드를 저장하고 있는, 비휘발성의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 포함하는 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)의 블록선도를 도시한 것이다.
본 발명에 대한 도면은 반드시 축척대로 도시된 것이 아니라는 것에 주의해야 한다. 이상의 도면은 단지 본 발명의 전형적인 양태를 도시하려는 의도일 뿐이며, 따라서 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면에서, 동일한 도면부호는 도면에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다.
본원에 개시되는 주제 대상은 터보기계에 관한 것이다. 구체적으로, 본원에 개시되는 주제 대상은 터보기계, 예컨대 증기 터빈의 정렬에 관한 것이다.
종래의 시나리오에 있어서, 센터링 핀은 적은 정도(예컨대, 0.0005 내지 0.002 인치, 즉 0.0127 내지 0.0508 밀리미터)의 억지 끼워 맞춤(interference fit)을 이용하여 케이싱 슬롯 내에 설치된다. 이러한 작은 수준의 간섭(interference)을 충족하기 위해, 센터링 핀은 화씨 0 도 미만의 온도로 냉각되거나(예컨대, 결빙될 때까지 냉각됨), 예컨대 화씨 영하 140 도(대략 섭씨 영하 95 도)만큼 냉각되거나, 또는 액체 질소 냉각의 경우에는, 최대 화씨 영하 320 도(대략 섭씨 영하 195 도)만큼 냉각된다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 특히 센터링 핀이 소정 위치에 설치되어 있을 때는 센터링 핀을 이러한 온도까지 냉각시키는 것이 곤란할 수 있다. 추가적으로, 센터링 핀의 결빙 및 해동은 터빈 다이어프램(turbine diaphragm)의 오정렬을 초래할 수 있다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 통상적인 접근방법과는 대조적으로, 터보기계 정렬 키가 테이퍼진 본체를 포함하며, 여기서 정렬 키는, 터보기계의 다이어프램을 그 케이싱과 정렬시키기 위해 다이어프램 슬롯(diaphragm slot) 및 대응하는 케이싱 슬롯을 결합시키도록 크기 결정된다. 다양한 실시예에 있어서, 상기 정렬 키는, 본체와 연속되는 모따기된 선단부 섹션을 포함하며, 여기서 모따기된 선단부 섹션의 외측 표면은, 기준선과 관련하여, 테이퍼진 본체와는 다른 별개의 각도로 각을 형성한다. 개시된 터보기계 정렬 키의 실시예는, 종래의 접근방법에서 사용되는 냉각[예컨대, 결빙 맞춤(freeze-fit)]을 필요로 하지 않으면서 다이어프램 및 케이싱을 정렬시키도록 구성된다. 개시된 정렬 키의 다양한 특징은, 터보기계의 보다 효과적이고 효율적인 정렬을 가능하게 한다.
도면에 표시된 바와 같이 “A” 축선은 축선 방향(터빈 로터의 축선을 따름. 때‹š로 터빈 중심선이라고 불림)을 나타낸다. 본원에서 사용될 때, 용어 “축방향의” 및/또는 “축방향으로”는, 축선 A를 따르는, 대상의 상대적인 위치/방향을 지칭하며, 상기 축선 A는 (특히, 로터 섹션에서) 터보기계의 회전 축선과 평행하다. 또한 본원에서 사용될 때, 용어 “반경방향의” 및/또는 “반경방향으로”는, 축선 (r)을 따르는, 대상의 상대적인 위치/방향을 지칭하며, 상기 축선 (r)은 축선 A에 실질적으로 수직이고 단지 하나의 위치에서만 축선 A와 교차한다. 추가적으로, 용어 “둘레방향의” 및/또는 “둘레방향으로”는, 축선 A를 둘러싸지만 어떠한 위치에서도 축선 A와 교차하지 않는 둘레방향 (c)을 따르는, 대상의 상대적인 위치/방향을 지칭한다. 도면에서 동일한 부호가 부여되는 요소는 실질적으로 유사한(예컨대, 동일한) 구성요소를 나타낸다.
도 1로 돌아가면, 증기 터빈(2)(예컨대, 고압/중간압 증기 터빈)의 부분 단면 개략도가 도시되어 있다. 증기 터빈(2)은, 예컨대 저압(LP) 섹션(4) 및 고압(HP) 섹션(6)을 포함할 수 있다[LP 섹션(4) 또는 HP 섹션(6)은 당업계에 알려져 있는 바와 같이 중압(IP; intermediate pressure) 섹션을 포함할 수 있음을 이해해야 함]. LP 섹션(4) 및 HP 섹션(6)은 적어도 부분적으로 케이싱(7) 내에 인케이싱(encasing)된다. 증기는 케이싱(7)에 있는 하나 이상의 유입구(8)를 통해 HP 섹션(6) 및 LP 섹션(4)에 유입될 수 있으며, 상기 유입구(들)(8)로부터 축방향 하류로 유동할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, HP 섹션(6) 및 LP 섹션(4)은 공통 샤프트(10)에 의해 연결되며, 이 공통 샤프트는, 작동 유체(증기)에 의해 LP 섹션(4) 및 HP 섹션(6) 각각에서 블레이드의 회전이 강제될 때 공통 샤프트(10)의 회전을 허용하는 베어링(12)과 접촉할 수 있다. LP 섹션(4) 및 HP 섹션(6) 내에서의 블레이드 상에서 기계적 일(mechanical work)을 수행한 이후에, 작동 유체(예컨대, 증기)는 케이싱(7)에 있는 유출구(14)를 통해 빠져나갈 수 있다. HP 섹션(6) 및 LP 섹션(4)의 중심선(CL)(16)은 기준점으로서 도시되어 있다. LP 섹션(4) 및 HP 섹션(6) 양자 모두는 다이어프램 조립체를 포함할 수 있으며, 상기 다이어프램 조립체는 케이싱(7)의 세그먼트 내에 수용된다.
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 터보기계(20)[예컨대, 증기 터빈(2)]의 일부에 대한 3차원 부분 투시 개략도를 도시한 것이다. 도 3은 터보기계(20)[예컨대, 증기 터빈(2)]의 상기 부분에 대한 측면 확대 단면도를 도시한 것이다. 구체적으로, 다이어프램 세그먼트(24)가 적어도 부분적으로 수납되는 케이싱(7)의 섹션[케이싱 세그먼트(22)]이 도시되어 있으며, 상기 다이어프램 세그먼트는 LP 섹션(4), HP 섹션(6) 또는 터보기계(20)의 다른 섹션 중 하나로부터의 다이어프램 세그먼트를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 다이어프램 세그먼트(24)를 케이싱 세그먼트(22)와 정렬시키기 위한 정렬 키(26)가 도시되어 있다. 일부 경우에 있어서, 정렬 키(26)는 다이어프램 세그먼트(24) 내의 다이어프램 슬롯(28) 내로 삽입되며, 후속하여 케이싱 세그먼트(22) 내의 케이싱 슬롯(30) 내로 위치 설정된다(즉, 케이싱 슬롯 내로 삽입됨). 도 3에 도시된 바와 같이, 정렬 키(26)는 주축(ap)을 갖는 본체(32)를 포함할 수 있으며, 여기서 본체(32)는 터보기계(20)에서의 다이어프램 슬롯(28)와 결합하도록 크기 결정된다. 본체(32)는, 주축(ap)을 따라(예컨대, 주축의 대략적인 방향으로) 연장되는 측벽(34)을 가질 수 있다. 정렬 키(26)는 본체(32)와 연속되는, 예컨대 주축(ap)을 따라 본체(32)의 제1 단부(38) 가까이에 있는 모따기된 선단부 섹션(36)을 더 포함할 수 있다. 모따기된 선단부 섹션(36)은 터보기계(20) 내에서 케이싱 슬롯(30)과 결합되도록 크기 결정된다. 다양한 실시예에 있어서, 정렬 키(26)는 본체(32) 및 모따기된 선단부 섹션(36)을 통해 연장되는 슬롯(40)을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 슬롯(40)은 본체(32)의 제2 단부(44)[주축(ap)을 따라 제1 단부(38)에 대향하는 단부] 가까이에 있는 제1 개구(42) 및 모따기된 선단부 섹션(36) 가까이에 있는 제2 개구(45)를 갖는다. 다양한 실시예에 있어서, 상기 본체(32)의 측벽(34)은 본체(32)의 제2 단부(44)로부터 모따기된 선단부 섹션(36)을 향해 테이퍼지게 된다(예컨대, 외측을 향해 테이퍼지게 됨). 즉, 측벽(34)은 반경방향으로 외측 위치로부터 내측을 향하여 반경방향 내측 위치를 향해 [축선 (r)을 따라 또는 주축(ap)을 따라] 테이퍼지게 된다. 테이퍼진 측벽(34)은, 종래의 정렬 키의 경우에 그러한 바와 같은 정렬 키(26)의 냉각(예컨대, 결빙 온도 미만의 온도에 노출시킴)을 필요로 하지 않으면서, 다이어프램 슬롯(28) 내로의 정렬 키(26)의 삽입을 허용하도록 구성된다. 다양한 실시예에 있어서, 측벽(34) 상의 테이퍼는 대략적으로 측벽(34)의 길이[측벽 라인(1S)을 따라 측정된 측벽의 길이]를 따라 측정된 지점(35)으로부터 본체(32)의 제2 단부(44)까지 걸쳐져 있다. 다양한 실시예에 있어서, 상기 지점(35)은 중간점에 근접하게[예컨대, 제1 단부(38)와 제2 단부(44) 사이에서 측벽(34)을 따라 측정되는 증간에] 위치하게 된다. 일부 경우에 있어서, 상기 지점(35)은 측벽 라인(1S)을 따라 측정될 때 제2 단부(44)보다 제1 단부(38)에 더 근접하게 된다. 임의의 경우에 있어서, 테이퍼진 측벽(34)은 주축(ap)을 따라 충분한 거리만큼 걸쳐져 있으며, 이에 따라 본체(32)는 케이싱 세그먼트(22) 및 다이어프램 세그먼트(24) 양자 모두와 결합하여 고부하에서의 굽힘 모멘트를 견디게 된다.
도 4는 도 3의 터보기계(20)의 일부에 대한 상부 단면도를 도시한 것으로서, 다이어프램 슬롯(28)이 축방향 연장부(47)를 포함할 수 있다는 것을 예시하고 있으며, 이에 따라 다이어프램 슬롯(28) 내로의 정렬 키(26)의 축방향 및 반경방향의 로딩(loading)/언로딩(unloading)이 허용된다. 도 5는, 본원에서 이하에 설명되는, 정렬 키(26)의 축방향 면을 따라 다이어프램 슬롯(28) 및 케이싱 슬롯(30)을 예시하는 측면 단면도를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 5를 계속 참고하면, 다양한 실시예에 있어서, 정렬 키(26)는, 측벽(34)에 대해 대략 10 내지 15 도의 각도를 나타내는 모따기된 선단부 섹션(36)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 본체(32)의 측벽(34)은, 주축에 대해 수직한 라인[예컨대, 기준선(1R)]에 대해 대략 1 내지 2 도의 각도(αT)로 테이퍼지게 되며, 이는 측벽 라인(1S)을 이용하여 예시된다. 다양한 실시예에 있어서, 측벽(34)은 (대체로) 주축(ap)을 따라 연장되는 제1 쌍의 대향 측벽(테이퍼 각도만큼 주축으로부터 벗어남)을 포함한다. 다양한 실시예에 있어서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본체(32)는 측벽(34)(예컨대, 제1 쌍의 대향 측벽)으로부터 구분되는 제2 쌍의 대향 측벽(46)을 더 포함할 수 있다. 제2 쌍의 대향 측벽(46)은, 다양한 실시예에 있어서, 주축(ap)을 따라 연장될 수 있으며, 테이퍼지지는 않는다[예컨대, 주축(ap)과 실질적으로 평행함].
일부 경우에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본체(32)는 이웃하는 측벽들 사이에[예컨대, 측벽(34)과 제2 쌍의 대향 측벽(46) 중 이웃한 하나의 측벽 사이에] 적어도 하나의 모따기된 에지(48)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 주축(ap)에 대해 수직하게 제1 방향(w1)으로 측정되는 제1 쌍의 대향 측벽(34)의 폭은, 주축(ap)에 대해 수직하게 제2 방향(w2)으로 측정된 제2 쌍의 대향 측벽(46)의 폭보다 더 크고, 제2 방향(w2)은 제1 방향(w1)에 대해 수직이다.
도 3 및 도 5는 정렬 키(26)의 다양한 추가적 양태, 예컨대 슬롯(40)의 구체적인 특징을 제시한 것이다. 일부 경우에 있어서, 슬롯(40)은 본체(32)의 (제2) 단부(44)로부터 모따기된 선단부 섹션(36)까지 연장되는 1차 슬롯(50)을 포함한다. 1차 슬롯(50)은 제1 내부 치수(ID1)를 가질 수 있으며, 일부 실시예에 있어서, 예컨대 슬롯(50)이 실질적으로 둥글게 된 개구(aperture)를 포함하는 경우에 있어서, 상기 제1 내부 치수는 내경이다. 슬롯(40)은, 1차 슬롯(50)에 유체 연결되고 모따기된 선단부 섹션(36) 내에서 연장되는 2차 슬롯(52)을 더 포함할 수 있다. 2차 슬롯(52)은 제2 내부 치수(ID2)를 가질 수 있으며[제2 슬롯(52)이 실질적으로 둥글게 된 개구를 포함하는 경우 상기 제2 내부 치수는 내경일 수 있음], 상기 제2 내부 치수는 제1 내부 치수(ID1)보다 크다. 다양한 실시예에 있어서, 슬롯(40)은 유지 부재(54), 예컨대 스크류, 볼트, 핀, 또는 다이어프램 슬롯(28) 내에 정렬 키(26)를 유지시킬 수 있는 다른 디바이스를 수용하도록 크기 결정된다. 다양한 실시예에 있어서, 2차 슬롯(52)은 유지 부재(54)의 헤드(head), 예컨대 볼트, 스크류, 핀 또는 다른 유지 디바이스[예컨대, 카운터싱크(countersink)]의 헤드를 수용하도록 크기 결정된다.
도 6은 다양한 실시예에 따른 정렬 키(26)의 3차원 개략도를 도시한 것인 반면, 도 7은 다른 각도에서 본, 도 6의 정렬 키(26)의 3차원 개략도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 다양한 실시예에 따르면, 측벽(34)은, 테이퍼진 섹션과 모따기된 선단부 섹션(36) 사이에 걸쳐 있으며 실질적으로 평평한 섹션(37)[예컨대, 주축(ap)과 평행함]을 포함할 수 있다.
임의의 경우에 있어서, 본원에서 설명되고 도시되는 정렬 키(및 관련 정렬 장치)는, 종래의 핀(및 장치)의 다양한 단점을 극복하면서 터보기계 케이싱 및 다이어프램의 정렬을 가능하게 한다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 정렬 키(및 관련 정렬 장치)는, 제어되고 개량된 방식으로 터보기계 장치를 정렬하는 기술적 효과를 나타낸다.
정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)는 다수의 방식으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)는 주조, 단조, 용접 및/또는 기계가공에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 일 실시예에 있어서, 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)의 제조에는 적층 제조(additive manufacturing)가 특히 적합하다. 본원에서 사용될 때, 적층 제조(AM)는, 종래의 프로세스의 경우에서와 같은 재료의 제거보다는 재료의 연속적인 적층을 통해 대상을 생산하는 임의의 프로세스를 포함할 수 있다. 적층 제조는, 어떠한 종류의 도구, 몰드(mold), 또는 설비를 사용하지 않으면서 그리고 폐기 재료 없이 또는 거의 폐기 재료 없이 복잡한 기하학적 형상을 생성할 수 있다. 대부분이 절단되어 버려지는, 플라스틱의 중실 강편(solid billet)으로부터 구성요소를 기계가공하는 대신, 부품을 성형하기 위해서는 오직 적층 제조에서 사용되는 재료만이 요구된다. 적층 제조 프로세스는 3D 프린팅, RP(rapid prototyping), DDM(direct digital manufacturing), SLM(selective laser melting), 및 DMLM(direct metal laser melting)을 포함할 수 있지만, 이들로 한정되지는 않는다. 현재의 설정에 있어서는, DMLM이 유리한 것으로 확인된 바 있다.
적층 제조 프로세스의 예를 제시하기 위해, 도 8은 대상(902)을 생성하기 위한 예시적이고 전산화된 적층 제조 시스템(900)에 대한 개략도/블록선도를 도시한 것이다. 이러한 예에 있어서, 시스템(900)은 DMLM을 위해 구성된 것이다. 본 개시내용의 대체적인 교시는 다른 형태의 적층 제조에도 동등하게 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다. 대상(902)은 이중벽 터빈 요소로서 제시되어 있지만, 적층 제조 프로세스는 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)를 제조하기에 용이하게 적응될 수 있다는 것을 이해해야 한다. AM 시스템(900)은 일반적으로 전산화된 적층 제조(AM) 제어 시스템(904) 및 AM 프린터(906)를 포함한다. AM 시스템(900)은, 이하에 설명되는 바와 같이, 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)를 형성하는 컴퓨터 실행 가능한 명령의 세트를 포함하는 코드(920)를 실행시킴으로써 AM 프린터(906)를 이용하여 대상을 물리적으로 생성한다. 각각의 AM 프로세스는, 예컨대 미세 입자 분말, 액체(예컨대, 폴리머), 시트(sheet) 등의 형태인 다양한 원 재료를 이용할 수 있으며, 이들의 저장소는 AM 프린터(906)의 챔버(910) 내에 유지될 수 있다. 본 경우에 있어서, 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)는 플라스틱/폴리머 또는 유사한 재료로 제조될 수 있다. 제시된 바와 같이, 어플리케이터(912)는, 최종 대상의 각각의 연속적인 슬라이드(slice)를 생성하기 위한 블랭크 캔버스(blank canvas)로서 전개되는 원 재료(914)의 얇은 층을 생성할 수 있다. 다른 경우에 있어서, 어플리케이터(912)는, 예컨대 상기 재료가 폴리머인 경우, 코드(920)에 의해 형성된 바와 같은 이전 층 상에 다음 층을 직접 적용 또는 프린트할 수 있다. 도시된 예에 있어서, 레이저 또는 전자 비임(916)은 코드(920)에 의해 형성되는 바와 같은 각각의 슬라이드를 위한 입자를 용융시키지만, 이는 액체 플라스틱/폴리머의 신속한 세팅(setting)이 채용되는 경우에는 필요하지 않을 수도 있다. AM 프린터(906)의 다양한 부분은 각각의 신규 층의 부가를 허용하도록 이동할 수 있으며, 예컨대 빌드 플랫폼(build platform; 918)은 하강할 수 있고 및/또는 챔버(910) 및/또는 어플리케이터(912)는 각각의 층 이후에 상승할 수 있다.
AM 제어 시스템(904)은 컴퓨터 프로그램 코드로서 컴퓨터(930) 상에서 구현되는 것으로 도시되어 있다. 이를 위해, 컴퓨터(930)는, 메모리(932), 프로세서(934), 입력/출력(I/O) 인터페이스(936) 및 버스(bus; 938)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 또한, 컴퓨터(930)는 외부 I/O 디바이스/리소스(resource)(940) 및 저장 시스템(942)과 통신하는 것으로 도시되어 있다. 일반적으로, 프로세서(934)는, 본원에서 설명되는 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)를 나타내는 코드(920)로부터의 명령 하에서 메모리(932) 및/또는 저장 시스템(942)에 저장되는 컴퓨터 프로그램 코드, 예컨대 AM 제어 시스템(904)을 실행시킨다. 컴퓨터 프로그램 코드를 실행시키는 동안, 프로세서(934)는 메모리(932), 저장 시스템(942), I/O 디바이스(940) 및/또는 AM 프린터(906)로부터 데이터를 판독할 수 있고/있거나, 메모리(932), 저장 시스템(942), I/O 디바이스(940) 및/또는 AM 프린터(906)에 데이터를 기록할 수 있다. 버스(938)는 컴퓨터(930) 내의 각각의 구성요소들 사이의 통신 연결을 제공하며, I/O 디바이스(940)는 사용자가 컴퓨터(930)와 상호작용할 수 있도록 하는 임의의 디바이스[예컨대, 키보드, 포인팅 디바이스(pointing device), 디스플레이 등]를 포함할 수 있다. 컴퓨터(930)는 단지 하드웨어 및 소프트웨어의 다양한 가능한 조합을 나타낸 것이다. 예를 들면, 프로세서(934)는 단일 처리 유닛일 수도 있고, 하나 이상의 위치에서, 예컨대 클라이언트 및 서버에서, 하나 이상의 처리 유닛에 걸쳐 분산되어 있을 수도 있다. 마찬가지로, 메모리(932) 및/또는 저장 시스템(942)이 하나 이상의 물리적 위치에 존재할 수 있다. 메모리(932) 및/또는 저장 시스템(942)은, 자기 매체, 광학 매체, RAM(random access memory), ROM(read only memory) 등을 비롯한 다양한 유형의 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 컴퓨터(930)는, 네트워크 서버, 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 핸드 헬드 디바이스, 휴대폰, 무선 호출 수신기, PDA 등과 같은 임의의 유형의 연산 디바이스를 포함할 수 있다.
적층 제조 프로세스는, 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)를 나타내는 코드(920)를 저장한 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 저장 매체[예컨대, 메모리(932), 저장 시스템(942) 등]로 시작된다. 언급한 바와 같이, 코드(920)는, 시스템(900)에 의한 코드의 실행 시에, 선단부를 물리적으로 생성하는 데 사용될 수 있는 외측 전극을 형성하는 컴퓨터 실행 가능한 명령의 세트를 포함한다. 예를 들면, 코드(920)는 외측 전극의 정밀하게 형성된 3D 모델을 포함할 수 있으며, AutoCAD®, TurboCAD®, DesignCAD 3D Max 등과 같이 매우 다양하고 널리 알려진 CAD 소프트웨어 시스템 중 임의의 CAD 소프트웨어 시스템으로부터 생성될 수 있다. 이와 관련하여, 코드(920)는 현재 알려진 임의의 파일 포맷(file format)을 취할 수도 있고, 이후에 개발될 파일 포맷을 취할 수도 있다. 예를 들면, 코드(920)는, 3D 시스템의 스테레오리소그래피 CAD(stereolithography CAD)를 위해 생성되는 STL(Standard Tessellation Language), 또는 부가적인 제조 파일(AMF)일 수 있으며, AMF는, 임의의 AM 프린터 상에서 제조될 임의의 3차원 대상에 대한 형상 및 조성을 임의의 CAD 소프트웨어가 묘사하는 것을 가능하게 하도록 구성된 XML 기반의 포맷인 ASME 표준 포맷이다. 코드(920)는 필요에 따라 다양한 포맷들 간에 번역될 수도 있으며, 데이터 신호의 세트로 변환될 수도 있고, 데이터 신호의 세트로 전송 및 수신될 수도 있으며, 코드로 변환될 수도 있고, 저장될 수도 있으며, 기타 등등으로 처리될 수도 있다. 코드(920)는 시스템(900)에 대한 입력일 수 있으며, 부품 설계자, 지적 재산권 제공자, 설계 회사, 시스템(900)의 소유자 또는 조작자로부터 혹은 다른 소스(source)로부터 제공될 수 있다. 임의의 경우에 있어서, AM 제어 시스템(904)은 코드(920)를 실행시켜 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)를 일련의 얇은 슬라이스로 분할하는데, AM 제어 시스템은 AM 프린터(906)를 이용하여 액체, 분말, 시트 또는 다른 재료의 연속적인 층으로 상기 일련의 얇은 슬라이스를 조립시킨다. DMLM의 예에 있어서, 각각의 층은 코드(920)에 의해 형성되는 정확한 기하학적 형상으로 용융되며, 이전의 층에 대해 융합된다. 후속하여, 정렬 키(26)(도 2 내지 도 7)는 임의의 다양한 마무리 프로세스, 예컨대 부수적인 기계가공, 밀봉, 연마, 점화기 선단부의 다른 부분에 대한 조립 등을 거칠 수 있다.
다양한 실시예에 있어서, 서로 “결합되는” 것으로 설명된 구성요소들은 하나 이상의 경계면을 따라 연결될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 경계면은 구별되는 구성요소들 사이의 합체부를 포함할 수 있으며, 다른 경우에 이들 경계면은, 일치되게 및/또는 일체로 형성되는 상호연결부를 포함할 수 있다. 즉, 일부 경우에 있어서, 서로 “연결되는” 구성요소들은 단일 연속 부재를 형성하도록 동시에 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 이렇게 결합되는 구성요소들은 별도의 부재로 형성될 수 있으며, 알려진 프로세스(예컨대, 납땜, 체결, 초음파 용접, 접합)를 통해 후속하여 결합될 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, “결합”되는 것으로 설명되는 전자적 구성요소들은, 이들 구성요소가 서로 데이터 통신할 수 있도록 하기 위해 통상적인 배선 수단 및/또는 무선 수단을 통해 링크(link)될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어는 단지 구체적인 예시적 실시예를 설명하려는 목적이며, 한정하려는 의도가 아니다. 본원에서 사용될 때, 단수 표면 및 표현 “상기”는, 문맥상 명확하게 달리 지적되지 않는 한, 복수의 형태를 또한 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 “포함하다”, “포함하는”, “비롯한”, 및 “구비하는”은 포함을 나타내는 것이며, 이에 따라 언급된 특징, 정수, 단계, 작업, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작업, 요소, 구성요소 및/또는 이들로 이루어진 군에 대한 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니다. 본원에 설명되는 방법 단계, 프로세스, 또는 작업은, 실시의 순서를 구체적으로 특정하지 않는 한, 반드시 언급되거나 제시된 구체적인 순서대로 이들 방법 단계, 프로세스, 또는 작업을 실시할 것을 요구하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 또한, 추가적인 단계 또는 대안적인 단계가 채용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
일 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 “위에 있거나”, 다른 요소 또는 층에 “결합되거나” 또는 “연결되거나”하는 것으로 언급될 때, 상기 요소 또는 층은 다른 요소 또는 층 바로 위에 있을 수도 있고, 상기 다른 요소 또는 층에 바로 결합 또는 연결될 수도 있으며, 개재 요소 또는 개재 층이 존재할 수도 있다. 대조적으로, 일 요소가 다른 요소 또는 층 “바로 위에 있거나”, 다른 요소 또는 층에 “바로 결합되거나” 또는 “바로 연결되는” 것으로 언급될 때에는, 개재 요소 또는 개재 층이 존재하지 않을 수도 있다. 요소들 사이의 관계를 설명하기 위해 사용되는 다른 표현(예컨대, “사이에” 대 “사이에 바로”, “이웃한” 대 “바로 이웃한” 등)은 마찬가지 방식으로 해석되어야 한다. 본원에서 사용될 때, 용어 “및/또는”은 관련하여 나열된 물품들 중 하나 이상의 물품의 임의의 모든 조합을 포함한다.
도면에 제시된 바와 같은 일 요소 또는 특징의 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 대한 관계를 용이하게 설명하기 위해 공간적으로 상대적인 용어, 예컨대 “내측”, “외측”, “아래”, “밑”, “하위”, “위”, “상위” 등이 본원에서 사용될 수 있다. 이들 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향 이외에도 사용 중 또는 작동 중일 때의 디바이스의 다른 배향을 포괄하도록 의도될 수 있다. 예를 들면, 도면에서의 디바이스가 뒤집히게 되면, 다른 요소 또는 특징 “밑에” 또는 “아래에” 있는 것으로 설명되는 요소는 상기 다른 요소 또는 특징 “위에” 또는 “상부에” 배향될 수 있다. 따라서, 예시적인 용어 “아래”는 "위”와 “아래”의 배향 양자 모두를 포괄할 수 있다. 상기 디바이스는 달리 배향될 수 있으며(90 도 회전되거나 또는 다른 배향으로 존재함), 본원에서 사용되는, 공간적으로 상대적인 설명어는 이에 따라 해석된다.
기술된 설명은 최적의 양태를 비롯한 예를 사용하여 본원을 개시하고 있으며, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템의 제조 및 이용 그리고 임의의 통합된 방법의 실시를 비롯하여 당업자가 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 청구범위의 문어적 어구와 상이하지 않은 구조적 요소를 포함하는 한, 그리고 청구범위의 문어적 어구와 미미하게 상이한 등가의 구조적 요소를 포함하는 한, 청구범위의 범위에 속하도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 터보기계(20)를 위한 정렬 키(alignment key; 26)에 있어서,
    주축을 갖는 본체(32)로서, 상기 본체는 터보기계(20) 내의 다이어프램 슬롯(diaphragm slot; 28)에 결합되도록 크기 결정되고, 상기 본체는,
    제1 단부(38);
    상기 주축을 따라 상기 제1 단부(38)에 대향하도록 위치된 제2 단부(44);
    상기 제1 단부(38) 및 상기 제2 단부(44)의 사이에서 상기 주축을 따라 연장되는 제1 쌍의 대향 측벽(34)으로서, 상기 제2 단부(44)로부터 상기 제1 단부(38)를 향해 테이퍼지는 제1 쌍의 대향 측벽(34); 및
    상기 제1 쌍의 대향 측벽(34)과 별개인 제2 쌍의 대향 측벽(46)으로서, 상기 제1 단부(38)로부터 상기 제2 단부(44)로 연장되고, 상기 주축에 평행한 제2 쌍의 대향 측벽(46)
    을 포함하는 것인, 본체(32);
    상기 본체(32)와 연속되고 상기 제1 단부(38)에 인접하게 형성되는 모따기된 선단부 섹션(36)으로서, 터보기계(20) 내의 케이싱 슬롯(casing slot; 30)에 결합되도록 크기 결정되는 모따기된 선단부 섹션(36); 및
    상기 본체(32) 및 상기 모따기된 선단부 섹션(36)을 관통하여 연장되는 슬롯(40)으로서, 상기 본체(32)의 제2 단부(44) 가까이에 있는 제1 개구(42) 및 상기 모따기된 선단부 섹션(36) 가까이에 있는 제2 개구(45)를 갖는 슬롯(40)
    을 포함하는 정렬 키.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모따기된 선단부 섹션(36)은, 상기 제1 쌍의 대향 측벽(34)에 대해 10 내지 15 도의 각도를 갖는 적어도 하나의 모따기된 에지(48)를 포함하는 것인 정렬 키.
  3. 제1항에 있어서, 상기 본체(32)의 제1 쌍의 대향 측벽(34)은 상기 주축에 수직한 라인에 대해 1 내지 2 도의 각도로 테이퍼지는 것인 정렬 키.
  4. 제1항에 있어서, 상기 본체(32)는 제1 쌍의 대향 측벽(34) 및 제2 쌍의 대향 측벽(46)에서의 이웃한 측벽들 사이에 적어도 하나의 모따기된 에지(48)를 더 포함하는 것인 정렬 키.
  5. 제1항에 있어서, 주축에 대해 수직하게 제1 방향으로 측정되는 제1 쌍의 대향 측벽(34)의 폭은, 주축에 대해 수직하게 제2 방향으로 측정된 제2 쌍의 대향 측벽(46)의 폭보다 더 크고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 대해 수직인 것인 정렬 키.
  6. 제1항에 있어서, 상기 슬롯(40)은,
    본체(32)의 상기 제2 단부(44)로부터 상기 모따기된 선단부 섹션(36)으로 연장되는 1차 슬롯(50)으로서, 제1 내경을 갖는 1차 슬롯;
    상기 1차 슬롯과 유체 연결되는 2차 슬롯(52)으로서, 모따기된 선단부 섹션(36) 내에서 연장되고, 상기 제1 내경보다 큰 제2 내경을 갖는 2차 슬롯
    을 포함하는 것인 정렬 키.
  7. 터보기계(20)에 있어서,
    터빈 다이어프램 세그먼트(turbine diaphragm segment; 24);
    상기 터빈 다이어프램 세그먼트(24)를 적어도 부분적으로 수용하는 터빈 케이싱 세그먼트(turbine casing segment; 22); 및
    상기 터빈 다이어프램 세그먼트(24)를 터빈 케이싱 세그먼트(22)와 정렬시키기 위한 정렬 키(26)
    를 포함하고, 상기 정렬 키(26)는,
    주축을 갖는 본체(32)로서, 상기 본체는 터보기계(20) 내의 다이어프램 슬롯(28)에 결합되도록 크기 결정되고, 상기 본체는,
    제1 단부(38);
    상기 주축을 따라 상기 제1 단부(38)에 대향하도록 위치된 제2 단부(44);
    상기 제1 단부(38) 및 상기 제2 단부(44)의 사이에서 상기 주축을 따라 연장되는 제1 쌍의 대향 측벽(34)으로서, 상기 제2 단부(44)로부터 상기 제1 단부(38)를 향해 테이퍼지는 제1 쌍의 대향 측벽(34); 및
    상기 제1 쌍의 대향 측벽(34)과 별개인 제2 쌍의 대향 측벽(46)으로서, 상기 제1 단부(38)로부터 상기 제2 단부(44)로 연장되고, 상기 주축에 평행한 제2 쌍의 대향 측벽(46)
    을 포함하는 것인, 본체(32);
    상기 본체(32)와 연속되고 상기 제1 단부(38)에 인접하게 형성되는 모따기된 선단부 섹션(36)으로서, 터보기계(20) 내의 케이싱 슬롯(30)에 결합되도록 크기 결정되는 모따기된 선단부 섹션(36); 및
    상기 본체(32) 및 상기 모따기된 선단부 섹션(36)을 관통하여 연장되는 슬롯(40)으로서, 상기 본체(32)의 제2 단부(44) 가까이에 있는 제1 개구(42) 및 상기 모따기된 선단부 섹션(36) 가까이에 있는 제2 개구(45)를 갖는 슬롯(40)
    을 포함하는 것인 터보기계.
  8. 제7항에 있어서, 상기 모따기된 선단부 섹션(36)은, 상기 제1 쌍의 대향 측벽(34)에 대해 10 내지 15 도의 각도를 갖는 적어도 하나의 모따기된 에지(48)를 포함하는 것인 터보기계.
  9. 삭제
  10. 삭제
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