KR102465616B1 - 회전 기계용 가이드 베인 조립체 및 이를 조립하는 방법 - Google Patents

회전 기계용 가이드 베인 조립체 및 이를 조립하는 방법 Download PDF

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Abstract

회전 기계(10)용 고정 블레이드(26)는 에어포일(44), 이 에어포일(44)의 반경방향 내측 단부에 결합된 고정 부분(42), 및 이 고정 부분(42)에 결합된 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200, 300, 400)를 포함한다. 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200, 300, 400)는 그 내에 획정된 복수의 통로(203, 205, 403)를 포함한다. 이들 통로(203, 305, 403)는 통로(203, 305, 403)를 통해 흐르는 작동 유체(40)에 스윌 속도(swirl velocity)를 야기하도록 배향된다.

Description

회전 기계용 가이드 베인 조립체 및 이를 조립하는 방법{GUIDE VANE ASSEMBLY FOR A ROTARY MACHINE AND METHODS OF ASSEMBLING THE SAME}
본 개시의 분야는 일반적으로는 회전 기계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 회전 기계에 이용되는 누설 흐름 가이드 베인 조립체에 관한 것이다.
몇몇 공지의 증기 터빈을 비롯하여 이에 한정되지 않는 적어도 몇몇 공지의 회전 기계는 작동 유체를 유체 소스로부터 하우징 입구를 통해 환형 증기 경로를 따라 안내한다. 통상적으로, 주 유체 경로(primary fluid path) 내에는 작동 유체가 후속한 터빈 스테이지들의 고정 블레이드 및 회전 베인을 통해 흐르도록 터빈 스테이지들이 배치되어 있다. 고정 요소와 회전 요소 사이에 획정된 축방향 간극이 회전 요소의 회전을 용이하게 한다.
적어도 몇몇 공지의 회전 기계에서, 주 유체 경로 내의 고압의 작동 유체는 축방향 간극 내로 누설되어 하류측으로 흘러, 다시 주 유체 경로 내로 방출될 수 있다. 하지만, 주 유체 경로 내의 작동 유체는 고정 및 회전 요소들에 의해 편향되기 때문에, 작동 유체의 누설 흐름은 주 유체 경로 내에서 흐르는 작동 유체와는 상이한 각도로 또는 접선 속도를 갖고 주 유체 경로 내에 유입된다. 따라서, 그 누설 흐름은 주 유체 경로 내의 작동 유체보다 큰 입사 각도로 하류측 회전 요소들에 충돌하며, 이에 의해 회전 기계에서 효율 손실을 야기한다. 시간이 경과함에 따라, 그러한 손실은 작동 비용과 연료 비용을 증가시킬 수 있다.
특허문헌 1: 미국 특허출원공개공보 US2008/0056895호
하나의 양태에서, 블레이드를 제공한다. 이 블레이드는 에어포일, 이 에어포일의 반경방향 내측 단부에 결합된 고정 부분, 및 이 고정 부분에 결합된 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함한다. 누설 흐름 가이드 베인 조립체는 그 내에 획정된 복수의 통로를 포함한다. 복수의 통로는 그 통로를 통해 흐르는 작동 유체에 스윌 속도(swirl velocity)를 야기하도록 배향된다.
다른 양태에서, 회전 기계를 제공한다. 회전 기계는 로터, 및 이 로터를 중심으로 둘레방향으로 연장하는 블레이드를 포함한다. 이 블레이드는 에어포일, 이 에어포일의 반경방향 내측 단부에 결합되고 로터와의 사이에 누설 흐름 경로를 획정하는 고정 부분; 및 이 고정 부분에 결합되고 누설 흐름 경로 내에 위치하는 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함한다. 누설 흐름 가이드 베인 조립체는 그 내에 획정된 복수의 통로를 포함한다. 복수의 통로는 그 통로를 통해 흐르는 작동 유체에 스윌 속도를 야기하도록 배향된다.
또 다른 양태에서, 회전 기계를 조립하는 방법을 제공한다. 그 방법은, 회전 기계의 케이싱 내의 다이어프램에 블레이드를 결합하는 단계; 및 그 케이싱에 로터를 결합하는 단계를 포함한다. 로터는 블레이드의 하류에서 그에 인접하게 위치한 적어도 하나의 터빈 스테이지를 포함한다. 게다가, 그 방법은, 케이싱 내에서 케이싱의 입구와 유체 연통하는 주 흐름 경로(primary flow path)를 형성하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한, 적어도 하나의 터빈 스테이지에 인접한 블레이드에 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 결합하는 단계를 더 포함한다. 누설 흐름 가이드 베인 조립체는 로터와 블레이드 사이에 획정된 누설 흐름 경로 내에 배치되어, 누설 흐름 경로를 통과하는 작동 유체에 스윌 속도를 야기한다.
본 개시의 상기한 것은 물론 기타 특징, 양태 및 이점은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 읽을 때에 보다 명백해 질 것이며, 도면에서 동일한 도면 부호는 도면에 걸쳐 동일한 부품을 나타낸다.
도 1은 예시적인 회전 기계의 개략도이며,
도 2는 도 1에 도시한 회전 기계의 고정 블레이드에 결합된 예시적인 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체의 개략적 단면도이며,
도 3은 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함하는 도 2에 도시한 고정 블레이드의 개략적 사시도이며,
도 4는 도 2에 도시한 고정 블레이드에 결합된 대안적인 누설 흐름 가이드 베인 조립체의 개략적 부분 사시도이며,
도 5는 도 1에 도시한 회전 기계의 고정 블레이드에 결합된 예시적인 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체의 개략적 단면도이며,
도 6은 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함하는 도 5에 도시한 고정 블레이드의 개략적 사시도이며,
도 7은 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함하는 도 5에 도시한 고정 블레이드의 반경방향 외측으로 본 개략적 저면도이며,
도 8은 도 1의 회전 기계를 조립하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
달리 지시하지 않는다면, 본 명세서에서 제공하는 도면은 본 개시의 실시예들의 특징을 예시하고자 한 것이다. 그 특징들은 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 각종 다양한 시스템에 적용 가능한 것으로 여겨진다. 따라서, 도면은 본 명세서에서 개시하는 실시예들의 실시를 위해 요구되는 당업자들에게 공지된 모든 종래의 특징들을 포함하진 않는다.
본 명세서에서 기술하는 실시예는 회전 기계의 케이싱에 결합된 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함하는 회전 기계의 고정 블레이드 또는 노즐을 포함한다. 보다 구체적으로, 고정 블레이드 또는 노즐은 복수의 가이드 베인 또는 슬롯을 포함하며, 이들은 가이드 베인 또는 슬롯은 주 흐름 경로 내의 증기의 흐름의 접선 속도 또는 스윌 속도와 실질적으로 유사한 접선 속도 또는 스윌 속도를 증기 누설 흐름에 야기한다. 가이드 베인 또는 슬롯은 고정 블레이드 또는 노즐의 하류측 부분에 결합되어, 접선 속도 또는 스윌 속도를 야기하도록 누설 흐름에 대해 미리 정해진 각도로 배향된다. 가이드 베인 또는 슬롯은 고정 블레이드에 결합될 수 있거나 그와 일체적으로 형성될 수 있다. 그 결과, 증기 누설 흐름이 주 흐름 경로 내로 다시 보내질 때에, 그 누설 흐름의 입사 각도가 로터 블레이드의 선단 에지에서의 주 증기 흐름의 각도와 실질적으로 유사하게 된다.
달리 지시하지 않는다면, 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "대체로", "실질적으로" 및 "약" 등의 근사 관련 표현들은 수식되는 용어가 절대적 또는 완전한 정도보다는 당업자에 의해 인식될 수 있는 대략적인 정도로만 적용될 수 있음을 나타낸다. 근사 관련 표현은 관련된 기본적인 기능에 변화를 초래하는 일 없이 허용 가능하게 변할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하는 데에 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 표현들에 의해 수식되는 값은 명시한 그 정확한 값에 제한되지 않는다. 적어도 몇몇 예에서, 그러한 근사 관련 표현은 그 값을 측정하는 장비의 정밀도에 상응할 수 있다. 본 명세서 및 청구 범위에 걸쳐, 범위의 한계들은 동일시될 수 있다. 그러한 범위는 조합되거나 및/또는 교체될 수 있으며, 문맥 또는 표현이 달리 지시하지 않는다면 그에 속하는 모든 하위 범위를 포함할 것이다.
게다가, 달리 지시하지 않는다면, "제1", "제2" 등의 용어는 본 명세서에서 단지 라벨(label)로서 이용된 것으로, 그 용어가 지칭하는 대상물에 대한 순서, 위치 또는 계층적 요건을 부여하고자 하는 것은 아니다. 게다가, 예를 들면, "제2" 물품이라고 언급하는 것은 "제1" 혹은 그보다 낮은 번호의 물품 또는 "제3" 혹은 그보다 높은 번호의 물품을 요구하거나 배제하거나 하지 않는다.
도 1은 예시적인 회전 기계(10)의 개략도이다. 본 명세서에서 기술하는 장치, 시스템 및 방법은 회전 기계의 임의의 한 가지 특정 형태에 제한되지 않는다는 점을 유념해야 할 것이다. 당업자라면, 본 명세서에서 기술하는 장치, 시스템 및 방법은, 그러한 장치, 시스템 및 방법이 본 명세서에서 더 설명하는 바와 같이 작동할 수 있게 하는 적절한 구성을 갖는 예를 들면 증기 터빈 또는 가스 터빈 엔진을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 회전 기계에 이용될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
예시적인 실시예에서, 회전 기계(10)는 단일 흐름 증기 터빈이다. 대안적으로, 회전 기계(10)는, 예를 들면 저압 증기 터빈, 대향류(opposed flow)의 고압 및 중압 증기 터빈 조합 또는 이중 흐름 증기 터빈을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 형태의 증기 터빈일 수 있다. 게다가, 전술한 바와 같이, 본 개시는 증기 터빈에 이용하는 것에만 한정되는 것이 아니라, 가스 터빈 엔진 등의 기타 터빈 시스템에 이용될 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 회전 기계(10)는 복수의 터빈 스테이지(12)를 포함한다. 각 터빈 스테이지(12)는 로터(16)에 결합되고 둘레방향으로 서로 이격된 복수의 로터 블레이드(14)를 포함한다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "결합"이란 용어는 구성 요소들 간의 직접적인 기계적, 전기적 및/또는 통신 연결에 한정되는 것이 아니라, 복수의 구성 요소들 간의 간접적인 기계적, 전기적 및/또는 통신 연결도 포함한다. 로터 블레이드(14)는 로터(16)로부터 반경방향 외측으로 연장한다. 복수의 로터 블레이드(14)는 회전 기계(10)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 작동할 수 있게 하는 임의의 적절한 개수의 로터 블레이드(14)를 포함할 수 있다. 로터(16)는 로터(16)의 양 단부(18, 20)에서 베어링(도시 생략)에 의해 지지된다.
케이싱(22)이 복수의 터빈 스테이지(12)를 둘러싼다. 복수의 다이어프램(24)이 케이싱(22)에, 각 해당 다이어프램(24)이 각 해당 터빈 스테이지(12)의 상류에 있도록 결합된다. 각 다이어프램(24)은 둘레방향으로 서로 이격된 복수의 고정 블레이드(26)(즉, 노즐)를 포함한다. 고정 블레이드(26)는 대체로 에어포일 형상을 하며, 케이싱(22)으로부터 반경방향 내측으로 연장한다. 회전 기계(10)는 또한 고압(HP) 증기 입구(28) 및 저압(LP) 증기 배기구(30)를 포함한다. 로터(16)는 중심축선(32)을 중심으로 회전 가능하다.
작동 중에, 고압 및 고온 증기(40)가 보일러(도시 생략) 등의 증기 소스로부터 고압 입구(28)를 통해 유입부(34) 내로 안내된다. 입구(28)로부터, 증기(40)는 케이싱(22)을 통해 하류측으로 안내되며, 여기서 터빈 스테이지(12)들과 만난다. 증기(40)가 블레이드(14)에 충돌함에 따라, 중심축선(32)을 중심으로 한 로터(16)의 회전을 야기한다. 따라서, 증기(40)의 열 에너지가 터빈 스테이지(12)에 의해 기계적 회전 에너지로 전환된다. 증기(40)는 LP 증기 배기구(30)에서 케이싱(22)을 빠져나간다. 이어서, 증기(40)는 보일러로 안내되어 여기서 재가열되거나, 및/또는 예를 들면 저압 터빈 섹션 또는 응축기(도시 생략) 등의 시스템의 다른 구성 요소로 안내된다.
도 2는 고정 블레이드(26)에 결합된 예시적인 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 개략적 단면도이다. 도 3은 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)를 포함하는 고정 블레이드(26)의 개략적 사시도이다. 예시적인 실시예에서, 각 로터 블레이드(14)는 에어포일(36) 및 루트부(root)(38)를 포함한다. 각 루트부(38)는 회전 블레이드(14)가 로터(16)와 함께 회전하도록 임의의 적절한 방식으로 로터(16)에 결합된다. 게다가, 회전 기계(10)는 로터(16)를 중심으로 둘레방향으로 연장하는 고정 부분(42)을 포함한다. 한정하고자 하는 것이 아니라 예를 들면, 예시적인 실시예에서, 고정 부분(42)은, 고정 부분(42)이 로터(16)에 대해 정지 상태로 유지되도록 임의의 적절한 방식으로 각 고정 블레이드(26)의 에어포일(44)의 반경방향 내측 단부에 결합된 다이어프램(24)의 내측 링이다.
로터 블레이드 에어포일(36)과 고정 블레이드 에어포일(44)은 증기(40)의 주 흐름 경로 내에 배치된다. 게다가, 대체로 고정 부분(42)과 로터(16) 사이에는 누설 흐름 경로(48)가 획정된다. 예시적인 실시예에서, 시일 조립체(50)가 고정 부분(42)과 로터(16) 사이에 배치되거나, 및/또는 그 사이에서 로터(16)에 결합된다. 예시적인 실시예에서, 시일 조립체(50)는 레비린스 시일이다. 대안적으로, 시일 조립체(50)는, 회전 기계(10)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 작동할 수 있게 하는 예를 들면 마멸성 시일 조립체(abradable seal assembly) 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 타입의 시일 조립체일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)는 회전 기계(10)의 중심축선(32)을 따라 실질적으로 축방향으로 연장하고 그 사이에 복수의 통로(203)를 획정하는 복수의 가이드 베인(202)을 포함한다. 특히, 각 가이드 베인(202)은 제1 단부(204)에서부터 그 반대쪽의 제2의 자유 단부(206; 제2 단부)까지 연장한다. 제1 단부(204)는 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)에 결합된다. 가이드 베인(202)은, 고정 부분(42)에 대한 가이드 베인(202)의 결합을 용이하게 하는, 예를 들면 용접, 브레이징, 본딩 및/또는 임의의 기타 기계적 결합 프로세스를 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 적절한 방식으로 고정 부분(42)에 결합된다. 대안적으로, 가이드 베인(202)은 예를 들면 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process) 또는 기계 가공 프로세스를 통해 고정 부분(42)과 일체로 형성된다. 예시적인 실시예에서, 복수의 가이드 베인(202)은 로터(16)를 중심으로 둘레방향으로 서로 이격된다. 예시적인 실시예에서, 복수의 고정 블레이드(26)는, 고정 부분(42)들이 로터(26)를 중심으로 한 실질적으로 연속한 링을 형성하게 협동하도록 둘레방향으로 서로 인접하게 배치된다. 예시적인 실시예에서, 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 제1 단부(204)는 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)의 제1 면에 결합되고, 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)는 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 제1 단부(204)가 결합되지 않는 제2 면을 더 포함할 수 있다. 제1 면은 상기 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 반경방향 외측으로 일정 거리에 걸쳐 형성되고, 상기 제2 면은 상기 고정 부분(42)의 상부면으로부터 반경방향 내측으로 일정 거리에 걸쳐 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 각 가이드 베인(202)은 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖는다. 가이드 베인(202)은 얇은 플레이트로서 형성되며, 대체로 직사각형의 단면 형상을 갖는다. 대안적으로, 가이드 베인(202)은, 가이드 베인(202)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 작동할 수 있게 하는, 예를 들면 에어포일 단면 형상 또는 임의의 다른 단면 형상 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 비직사각형 단면 형상을 가질 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 가이드 베인(202)은 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 대체로 반경방향 외측으로 미리 정해진 거리만큼 연장하는 제1 부분(208)을 포함한다. 가이드 베인(202)은 또한 제1 부분(208)에 대해 둘레방향으로 연장하는 제2 부분(210)을 포함한다. 특히, 제2 부분(210)은 제1 부분(208)에 대해 각도 α로 대체로 둘레방향으로 연장한다. 예시적인 실시예에서, 각도 α는 누설 흐름 경로(48)를 통해 흐르는 증기(40)가 고정 블레이드(26)를 통과하는 증기(40)와 실질적으로 유사한 접선 방향 유동 속도로 누설 흐름 경로(48)를 빠져나가 주 흐름 경로(46)로 되돌아가게 보장하도록 미리 정해진 값을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 가이드 베인(202)들은, 각 가이드 베인(202)의 제1 부분(208)이 인접한 가이드 베인(202)의 제2 부분(210)과 반경방향으로 겹쳐지거나 그에 의해 덮이도록 둘레방향으로 겹쳐진다. 대안적인 실시예에서, 가이드 베인(202)들은 인접한 가이드 베인(202)들이 겹쳐지지 않도록 둘레방향으로 서로 이격된다. 예시적인 실시예에서, 가이드 베인(202)의 개수 및 제2 부분(210)이 연장하는 각도 α는 회전 기계(10)의 특정 작동 파라미터에 기초하여 미리 정해진다.
작동시에, 공압 증기(40)가 주 흐름 경로(46) 내로 안내된다. 증기(40)는 주 흐름 경로(46)를 가압하여 로터(46)의 회전을 야기한다. 특히, 증기(40)는 증기(40)가 로터 블레이드(14)에 충돌하여 로터(16)의 회전을 야기하게 할 수 있는 실질적으로 축방향 속도를 갖는다. 게다가, 증기(40)가 고정 블레이드(26)를 통해 안내됨에 따라, 고정 블레이드(26)는 증기(40)의 흐름에 스윌 속도를 부여한다. 예시적인 실시예에서, 로터 블레이드 에어포일(36)과 고정 블레이드 에어포일(44)의 각도는 회전 기계(10)의 효율의 증가를 촉진시키도록 미리 정해진다.
증기(40)의 일부분이 주 흐름 경로(46)로부터 누설 흐름 경로(48)로 흐른다. 누설 흐름 경로(48)로의 증기(40)의 누설 후에, 증기(40)는 가이드 베인 조립체(200)를 향해 안내된다. 증기(40)는 가이드 베인 조립체(200)를 통과하며, 여기서 그 증기는 각 고정 블레이드 에어포일(44)을 빠져나가는 주 흐름 경로(46) 내의 증기(40)와 실질적으로 유사한 스윌 속도를 갖고 주 흐름 경로(46) 내로 안내된다. 특히, 누설 흐름 경로(48) 내의 증기(40)는 제1 부분(208)에서 대체로 반경방향으로 가이드 베인(202)들 사이에 획정된 통로(203)로 들어간다. 증기(40)가 가이드 베인 조립체(200)를 통해 흐름에 따라, 그 증기는 가이드 베인(202)의 제2 부분(210)에 의해 대체로 둘레방향으로 방향 전환된다. 이어서, 누설 흐름 경로(48) 내의 증기는 인접한 고정 블레이드(26)와 로터 블레이드(14) 각각의 고정 부분(42)과 루트부(38) 사이에 획정된 간극(56)을 통해 주 흐름 경로(46)로 다시 보내진다. 이는 누설 흐름 경로(48)를 빠져나가는 증기(40)에 대한 접선 속도 또는 스윌 속도의 야기를 촉진시키고, 하류측 로터 블레이드(14)에 대한 증기 누설 흐름의 입사 손실을 감소시킴으로써 회전 기계(10)의 전체 효율을 증가시키며, 이에 의해 관련 연료 비용을 감소시킨다.
도 4는 고정 블레이드(26)에 결합된 예시적인 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(300)의 개략적 부분 사이도이다. 예시적인 실시예에서, 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(300)는 그 일부분을 파단하여 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(300)는 통로(305)를 획정하는 복수의 개구 또는 가이드 슬롯(304)이 관통 형성된 바디(302)를 포함한다. 바디(302)는 회전 기계(10)의 중심축선(302)을 따라 대체로 축방향으로 연장하는 대체로 직사각형 프리즘이다. 특히, 바디(302)는 제1 단부(306)에서부터 그 반대쪽의 제2의 자유 단부(308)까지 연장한다. 제1 단부(306)는 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)에 결합된다. 바디(302)는, 고정 부분(42)에 대한 바디(302)의 결합을 용이하게 하는, 예를 들면 용접, 브레이징, 본딩 및/또는 임의의 기타 기계적 결합 프로세스를 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 적절한 방식으로 고정 부분(42)에 결합된다. 대안적으로, 바디(302)는 예를 들면 적층 제조 프로세스 또는 기계 가공 프로세스 등을 통해 고정 부분(42)과 일체로 형성될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 복수의 가이드 슬롯(304)은 로터(16)를 중심으로 둘레방향으로 서로 이격된다. 복수의 고정 블레이드(26)는, 고정 부분(42)들이 로터(26)를 중심으로 한 실질적으로 연속한 링을 형성하게 협동하도록 둘레방향으로 서로 인접하게 배치된다.
예시적인 실시예에서, 각 가이드 슬롯(304)은 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖는다. 각 가이드 슬롯(304)은 바디(302)를 통과해 그 외면(310)에서부터 내면(312)까지 실질적으로 반경방향으로 연장하는 개구로서 형성된다. 예시적인 실시예에서, 가이드 슬롯(304)은 직사각형 형상을 갖는다. 대안적으로, 가이드 슬롯(304)은 반경방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(300)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 작동할 수 있게 하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 한정하고자 하는 것이 아니라 예를 들자면, 하나의 실시예에서, 가이드 슬롯(304)은 대체로 원형의 단면 형상을 가질 수 있거나, 다른 실시예에서, 가이드 슬롯(304)은 다각형의 단면 형상을 갖고 가이드 슬롯(304)의 대체로 허니콤 형상의 어레이를 형성한다.
예시적인 실시예에서, 각 가이드 슬롯(304)은 반경방향(314)에 대해 각도 β로 대체로 둘레방향으로 연장한다. 각도 β는 누설 흐름 경로(48)를 통해 흐르는 증기(40)가 고정 블레이드(26)를 통과하는 증기(40)와 실질적으로 유사한 접선 방향 유동 속도로 누설 흐름 경로(48)를 빠져나가 주 흐름 경로(46)로 되돌아가게 보장하도록 미리 정해진 값을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 가이드 슬롯(304)들은, 각 가이드 슬롯(304)의 제1 부분(316)이 인접한 가이드 슬롯(304)의 제2 부분(318)과 반경방향으로 겹쳐지거나 그에 의해 덮이도록 둘레방향으로 겹쳐진다. 대안적인 실시예에서, 가이드 슬롯(304)들은 인접한 가이드 슬롯(304)들이 겹쳐지지 않도록 둘레방향으로 서로 이격될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 가이드 슬롯(202)의 개수 및 가이드 슬롯(304)이 연장하는 각도 β는 회전 기계(10)의 특정 작동 파라미터에 기초하여 미리 정해진다.
도 5는 고정 블레이드(26)에 결합된 예시적인 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(400)의 개략적 단면도이다. 도 6은 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(400)를 포함하는 고정 블레이드(26)의 개략적 사시도이다. 도 7은 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(400)를 포함하는 고정 블레이드(26)의 반경방향 외측으로 본 개략적 저면도이다. 예시적인 실시예에서, 축방향 누설 흐름 가이드 베인 조립체(400)는 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 실질적으로 반경방향으로 연장하고 고정 부분(42)의 후방부(58)를 따라 배치된 복수의 가이드 베인(403)을 포함한다. 복수의 가이드 베인(402)은 그 사이에 복수의 통로(403)를 획정한다. 특히, 가이드 베인(402)은 제1 단부(404)에서부터 그 반대쪽의 제2의 자유 단부(406)까지 연장한다. 제1 단부(404)는 고정 부분(42)의 저부면(54)에 결합된다. 가이드 베인(402)은, 고정 부분(42)에 대한 가이드 베인(402)의 결합을 가능하게 하는, 예를 들면 용접, 브레이징, 본딩 및/또는 임의의 기타 기계적 결합 프로세스를 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 적절한 방식으로 고정 부분(42)에 결합된다. 대안적으로, 가이드 베인(402)은 예를 들면 적층 제조 프로세스 또는 기계 가공 프로세스 등을 통해 고정 부분(42)과 일체로 형성될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 복수의 가이드 베인(402)은 로터(16)를 중심으로 둘레방향으로 서로 이격되어, 고정 부분(42)들이 로터(26)를 중심으로 한 실질적으로 연속한 링을 형성하게 협동하도록 복수의 고정 블레이드(26)가 둘레방향으로 서로 인접하게 배치되도록 된다.
예시적인 실시예에서, 각 가이드 베인(402)은 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖는다. 각 가이드 베인(402)은 얇은 플레이트로서 형성되며, 대체로 직사각형의 단면 형상을 갖는다. 대안적으로, 가이드 베인(402)은, 가이드 베인(402)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 작동할 수 있게 하는, 예를 들면 에어포일 단면 형상 또는 임의의 다른 단면 형상을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 비직사각형 단면 형상을 가질 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 가이드 베인(402)은 도 7에 가장 잘 도시한 바와 같이 회전 기계(10)의 중심축선(32)에 대해 각도 θ로 배치된다. 예시적인 실시예에서, 각도 θ는 누설 흐름 경로(48)를 통해 흐르는 증기(40)가 고정 블레이드(26)를 통과하는 증기(40)와 실질적으로 유사한 접선 방향 유동 속도로 누설 흐름 경로(48)를 빠져나가 주 흐름 경로(46)로 되돌아가게 보장하도록 미리 정해진 값을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 가이드 베인(402)들은, 누설 흐름 경로(48)를 통한 증기(40)의 흐름에 대해 각 가이드 베인(402)의 상류측 또는 제1 부분(408)이 인접한 가이드 베인(402)의 하류측 또는 제2 부분(210)과 축방향으로 겹쳐지거나 그를 덮도록, 축방향으로 서로 겹쳐진다. 대안적인 실시예에서, 가이드 베인(402)들은 인접한 가이드 베인(402)들이 겹쳐지지 않도록 둘레방향으로 서로 이격될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 가이드 베인(402)의 개수 및 가이드 베인(402)이 배치되는 각도 θ는 회전 기계(10)의 특정 작동 파라미터에 기초하여 미리 정해진다.
작동시에, 고압 증기(40)가 주 흐름 경로(46) 내로 안내된다. 증기(40)는 주 흐름 경로(46)를 가압하여 로터(46)의 회전을 야기한다. 특히, 증기(40)는 실질적으로 축방향 속도를 갖고 로터 블레이드(14)와 충돌하여 로터(16)의 회전을 야기한다. 게다가, 증기(40)는, 증기(40)의 흐름에 접선 속도 또는 스윌 속도를 부여하는 것을 촉진시키는 고정 블레이드(26)를 통해 안내된다. 예시적인 실시예에서, 로터 블레이드(14)의 에어포일(36)과 고정 블레이드(26)의 에어포일(44)의 각도는 회전 기계(10)의 효율의 증가를 촉진시키도록 미리 정해진다.
증기(40)의 일부분이 주 흐름 경로(46)로부터 누설 흐름 경로(48)로 흐른다. 누설 흐름 경로(48)로의 증기(40)의 누설 후에, 증기(40)는 가이드 베인 조립체(400)를 향해 안내된다. 증기(40)는 가이드 베인 조립체(400)를 통과하며, 여기서 그 증기는 고정 블레이드(26)의 에어포일(44)을 빠져나가는 주 흐름 경로(46) 내의 증기(40)와 실질적으로 유사한 스윌 속도를 갖고 간극(56) 및 주 흐름 경로(46) 내로 안내된다. 특히, 누설 흐름 경로(48) 내의 증기(40)는 제1 부분(408)에서 실질적으로 축방향으로 가이드 베인(402)들 사이에 획정된 통로(403)로 들어간다. 가이드 베인 조립체(400)를 통해 흐르는 증기(40)는 중심축선(32)에 대해 각도 θ로 배향된 가이드 베인(402)에 의해 대체로 둘레방향으로 방향 전환된다. 누설 흐름 경로(48) 내의 증기(40)는 간극(56)을 통해 주 흐름 경로(46)로 다시 안내된다. 이는 누설 흐름 경로(48)를 빠져나가는 증기(40)에 대한 스윌 속도를 야기하는 것을 촉진시키는 한편, 하류측 로터 블레이드(14)에 대한 증기 누설 흐름의 입사 손실을 감소시킴으로써 회전 기계(10)의 전체 효율을 증가시키는 것을 촉진시키며, 이에 의해 관련 연료 비용을 감소시킨다.
회전 기계(10) 등의 회전 기계를 조립하는 예시적인 방법(500)이 도 8의 흐름도에 도시되어 있다. 또한, 도 1 내지 도 7을 참조하면, 예시적인 실시예에서, 방법(500)은 케이싱(22) 내의 다이어프램(24) 등의 다이어프램에 고정 블레이드(26)를 결합하는 것(502)을 포함한다. 로터(16)는 케이싱(22)에 결합되며(504), 그 로터는 고정 블레이드(26)의 하류측에서 그에 인접한 적어도 하나의 터빈 스테이지(12)를 포함한다. 적어도 하나의 터빈 스테이지(12)는 로터(16)에 이와 함께 회전하도록 결합된 적어도 하나의 로터 블레이드(14)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 간극(56)은 고정 블레이드(26)와 로터 블레이드(14) 사이에 획정된다. 증기 입구, 예를 들면 증기 입구(28)가 케이싱(22)과 유체 연통하게 결합된다(506). 방법(500)은 또한 케이싱(22) 내에서 증기 입구(28)와 유체 연통하는 증기(40)를 위한 주 흐름 경로(46)를 형성하는 것(508)을 포함한다. 방법(500)은 또한 케이싱(22) 내에서 주 흐름 경로(46)와 유체 연통하는 증기(40)를 위한 누설 흐름 경로(48)를 형성하는 것을 포함한다. 특히, 누설 흐름 경로(48)는 고정 블레이드(26)의 고정 부분(42)과 로터(16) 사이에 형성된다.
예시적인 실시예에서, 방법(500)은 또한 하류측 로터 블레이드(14)에 인접하여 고정 블레이드(26)에 가이드 베인 조립체(200, 300, 400) 등의 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 결합하는 것(510)을 포함한다. 각 가이드 베인 조립체는 예를 들면 주 흐름 경로(46) 내의 증기(40)와 실질적으로 유사한 접선 속도 또는 스윌 속도를 야기하도록 배향된 복수의 가이드 베인(202, 402) 또는 가이드 슬롯(302)을 포함한다.
본 명세서에서 회전 기계를 위한 누설 흐름 가이드 베인 조립체를 포함하는 고정 블레이드 및 회전 기계를 조립하는 방법의 예시적인 실시예들을 상세하게 설명하였다. 이들 실시예는, 회전 기계가 작동할 때, 본 개시의 기계가 주 흐름 경로 내의 증기의 흐름의 접선 속도 또는 스윌 속도와 실질적으로 유사한 접선 속도 또는 스윌 속도를 증기 누설 흐름에 야기한다는 점에서 공지의 회전 기계에 비해 이점을 갖는다. 그 회전 기계의 고정 블레이드 또는 노즐은, 복수의 가이드 베인 또는 가이드 슬롯을 포함하며, 이들 가이드 베인 또는 슬롯은, 누설 흐름이 주 흐름 경로 내로 다시 보내질 때에 누설 흐름의 입사 각도가 로터 블레이드의 선단 에지에서의 주 흐름 경로와 실질적으로 유사하도록 누설 흐름에 접선 속도 또는 스윌 속도를 야기하도록 배향된다. 그 실시예들은 또한, 누설 흐름 경로를 빠져나가는 증기에 대한 스윌 속도가 하류측 로터 블레이드에 대한 증기 누설 흐름의 입사 손실을 감소시킴으로써 회전 기계의 전체 효율을 증가시키며, 이에 의해 관련 연료 비용의 감소를 촉진시킨다는 점에서 추가적인 이점을 포함한다.
전술한 누설 흐름 가이드 베인 조립체 및 방법은 본 명세서에서 설명한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 장치의 구성 요소 및/또는 방법의 단계들은 본 명세서에서 설명하는 기타 구성 요소 및/또는 단계들과 독립적으로 개별적으로 이용될 수도 있다. 예를 들면, 예시적인 실시예들은 수많은 기타 회전 기계와 관련하여 실시 및 이용될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예의 특정한 특징들을 일부 도면에는 도시하고 다른 도면에서는 도시하진 않았지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 개시의 원리에 따라, 도면의 임의의 특징들이 임의의 다른 도면들의 특징과 함께 참조되거나, 및/또는 청구될 수 있다.
본 명세서에서 기술한 설명은 최상의 모드를 비롯한 실시예들을 개시함과 아울러, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 어떠한 당업자라도 그 실시예들을 실시할 수 있도록 하기 위해 일례들을 이용하고 있다. 본 개시의 특허 가능한 범위는 청구 범위에 의해서 정해지고, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 그러한 다른 예들은 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적인 요소를 갖는 경우, 또는 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 별 차이가 없는 등가의 구조적인 요소를 포함하는 경우 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
10: 회전 기계 12: 터빈 스테이지
14: 로터 블레이드 16: 로터
18: 단부 20: 단부
22: 케이싱 24: 다이어프램
26: 고정 블레이드 28: 증기 입구
30: 증기 배기구 32: 중심축선
34: 유입부 36: 에어포일
38: 루트부 40: 증기
42: 고정 부분 44: 에어포일
46: 주 흐름 경로 50: 시일 조립체
52: 하류측 단부 54: 저부면
56: 간극 58: 후방 부분
200: 누설 흐름 가이드 베인 조립체
202: 가이드 베인 203: 통로
204: 제1 단부 206: 제2 단부
208: 제1 부분 210: 제2 부분
300: 누설 흐름 가이드 베인 조립체
302: 바디 304: 가이드 슬롯
305: 통로 306: 제1 단부
308: 제2 단부 310: 외면
312: 내면 314: 반경방향
316: 제1 부분 318: 제2 부분
400: 누설 흐름 가이드 베인 조립체
402: 가이드 베인 403: 통로
404: 제1 단부 406: 제2 단부
408: 제1 부분

Claims (10)

  1. 회전 기계(10)용 고정 블레이드(26)로서:
    에어포일(44);
    상기 에어포일(44)의 반경방향 내측 단부에 결합된 고정 부분(42); 및
    상기 고정 부분(42)에 결합된 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)
    를 포함하며, 상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)는 그 내에 획정된 복수의 통로(203)를 포함하며, 상기 복수의 통로(203)는 상기 통로(203)를 통해 흐르는 작동 유체(40)에 스윌 속도(swirl velocity)를 야기하도록 배향되고,
    상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)는 제1 단부(204)에서부터 그 반대쪽의 제2 단부(206)까지 축방향으로 연장하는 복수의 가이드 베인(202)을 포함하며,
    상기 가이드 베인(202) 각각은, 상기 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 반경방향 외측으로 연장하는 제1 부분(208), 및 상기 제1 부분(208)에 대해 둘레방향으로 연장하는 제2 부분(210)을 포함하고,
    상기 가이드 베인(202) 중 적어도 하나의 상기 제2 부분(210)은, 상기 가이드 베인(202)의 적어도 하나의 상기 제1 부분(208)에 대해 미리 정해진 각도(α)로 둘레방향으로 연장하며,
    상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 제1 단부(204)는 상기 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)의 제1 면에 결합되고, 상기 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)는 상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 제1 단부(204)가 결합되지 않는 제2 면을 더 포함하며,
    상기 제1 면은 상기 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 반경방향 외측으로 일정 거리에 걸쳐 형성되고, 상기 제2 면은 상기 고정 부분(42)의 상부면으로부터 반경방향 내측으로 일정 거리에 걸쳐 형성되는 것인 회전 기계용 고정 블레이드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 가이드 베인(202) 중 적어도 하나의 상기 제2 부분(210)은, 인접한 가이드 베인(202)의 제1 부분(208)과 반경방향으로 겹쳐지는 것인 회전 기계용 고정 블레이드.
  5. 삭제
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  9. 회전 기계(10)를 조립하는 방법(500)으로서:
    회전 기계(10)의 케이싱(22) 내의 다이어프램(24)에 고정 블레이드(26)를 결합하는 단계(502); 및
    상기 케이싱(22)에 로터(16)를 결합하는 단계(504)로서, 상기 로터(16)는 상기 고정 블레이드(26)의 하류에서 그에 인접하게 위치한 적어도 하나의 터빈 스테이지(12)를 포함하는 것인 단계(504);
    상기 케이싱(22) 내에서 상기 케이싱(22)의 입구(28)와 유체 연통하는 주 흐름 경로(primary flow path)(46)를 형성하는 단계(508); 및
    상기 적어도 하나의 터빈 스테이지(12)에 인접한 상기 고정 블레이드(26)에 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)를 결합하는 단계(510)
    를 포함하며, 상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)는 상기 로터(16)와 상기 고정 블레이드(26) 사이에 획정된 누설 흐름 경로(48) 내에 배치되어, 상기 누설 흐름 경로(48)를 통과하는 작동 유체(40)에 스윌 속도를 야기하고,
    상기 적어도 하나의 터빈 스테이지(12)에 인접한 상기 고정 블레이드(26)에 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)를 결합하는 단계(510)는, 상기 고정 블레이드(26)의 고정 부분(42)에 복수의 가이드 베인(202)을 결합하는 것을 포함하고,
    상기 가이드 베인(202) 각각은, 상기 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 반경방향 외측으로 연장하는 제1 부분(208), 및 상기 제1 부분(208)에 대해 둘레방향으로 연장하는 제2 부분(210)을 포함하고,
    상기 가이드 베인(202) 중 적어도 하나의 상기 제2 부분(210)은, 상기 가이드 베인(202)의 적어도 하나의 상기 제1 부분(208)에 대해 미리 정해진 각도(α)로 둘레방향으로 연장하며,
    상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 제1 단부(204)는 상기 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)의 제1 면에 결합되고, 상기 고정 부분(42)의 하류측 단부(52)는 상기 누설 흐름 가이드 베인 조립체(200)의 제1 단부(204)가 결합되지 않는 제2 면을 더 포함하며,
    상기 제1 면은 상기 고정 부분(42)의 저부면(54)으로부터 반경방향 외측으로 일정 거리에 걸쳐 형성되고, 상기 제2 면은 상기 고정 부분(42)의 상부면으로부터 반경방향 내측으로 일정 거리에 걸쳐 형성되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 가이드 베인(202)은 상기 누설 흐름 경로(48) 내로 연장하는 것인 방법.
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