KR102479925B1 - 부분 칼라들을 사용하는 터빈 배기 균열 완화 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈(1)용 배기 장치(10)는, 적어도 환상형 덕트(12)의 외부 덕트-벽(14)으로부터 내부 덕트-벽(16)으로 연장되는 복수의 스트럿들(18)과 함께 환상형 덕트(12)를 포함한다. 각각의 스트럿(18)은 개개의 스트럿 쉴드(20)에 캡슐화된다. 개개의 덕트-벽(14, 16)과 스트럿 쉴드(20)의 계면(22, 24)은, 개개의 계면(22, 24)에서 스트럿 쉴드(20)의 주변부의 부분 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 칼라(26)를 포함한다. 칼라(26)는, 방사상으로 연장되고 스트럿 쉴드(26)와 정렬되는 제1 섹션(32), 및 제1 섹션(32)에 대해 일정 각도로 배향되고 개개의 덕트-벽(14, 16)과 정렬되는 제2 섹션(34)을 포함한다. 제1 섹션(32)은 제1 결합부(42)를 따라 스트럿 쉴드(20)에 부착되고, 제2 섹션(34)은 제2 결합부(44)를 따라 개개의 덕트-벽(14, 16)에 부착된다. 제1 섹션(32)과 제2 섹션(34)의 교차부(40)는 개개의 계면(22, 24)에서 응력들을 분산시키도록 구성된 반경에 의해 정의되는 매끄러운 곡선에 의해 형성된다.

Description

부분 칼라들을 사용하는 터빈 배기 균열 완화
[0001] 본 발명은 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)들에 관한 것으로 특히 가스 터빈 엔진의 배기 장치에 관한 것이다.
[0002] 가스 터빈 엔진과 같은 축류 터보기계(turbomachine)는 통상적으로, 공기를 압축하기 위한 압축기 섹션(section), 압축된 공기를 연료와 혼합하고 혼합물을 점화시켜 뜨거운 작동 매체 유체를 형성하기 위한 연소기 섹션, 작동 매체 유체로부터 전력을 추출하기 위한 터빈 섹션, 및 터빈 배기 유동을 채널화(channel)하기 위한, 마지막 터빈 스테이지(stage)의 하류에 위치된 배기 장치를 포함한다. 터빈 배기 장치는 통상적으로 환상형 유동경로에서 원주방향으로 분포된 지지 구조들, 이를테면 스트럿(strut)들을 포함한다. 각각의 스트럿은 외부 유동경로 경계 및 내부 유동경로 경계를 통해 연장되며, 보호 스트럿 쉴드(shield)에 의해 캡슐화(encapsulate)된다. 스트럿 쉴드는, 예컨대 용접에 의해 외부 및 내부 유동경로 경계에 결합될 수 있다.
본원 발명의 배경기술로 WO2014/197037(2014.12.11.공개)이 있다.
[0003] 간략하게, 본 발명의 양상들은 가스 터빈 엔진 배기부에서 균열을 완화시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
[0004] 본 발명의 제1 양상에 따르면, 가스 터빈용 배기 장치가 제공된다. 배기 장치는 가스 터빈의 기계 축을 따라 축방향으로 연장되는 환상형 덕트(duct)를 포함한다. 환상형 덕트는 외부 덕트-벽 및 내부 덕트-벽에 의해 방사상으로 경계가 지어진다. 배기 장치는 또한, 환상형 덕트 내에 원주방향으로 분포된 복수의 스트럿들을 포함한다. 각각의 스트럿은 적어도 외부 덕트-벽으로부터 내부 덕트-벽으로 연장되며, 개개의 스트럿 쉴드 내에 캡슐화된다. 각각의 스트럿 쉴드는 제1 계면을 따라 외부 덕트-벽과 맞물리고, 제2 계면을 따라 내부 덕트-벽과 맞물린다. 제1 계면 및 제2 계면 중 적어도 하나는 개개의 개면에서 스트럿 쉴드의 주변부의 부분 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 칼라(collar)를 포함한다. 칼라는 방사상으로 연장되고 스트럿 쉴드와 정렬되는 제1 섹션, 및 제1 섹션에 대해 일정 각도로 배향되고 개개의 덕트-벽과 정렬되는 제2 섹션을 포함한다. 제1 섹션은 제1 결합부를 따라 스트럿 쉴드에 부착되고, 제2 섹션은 제2 결합부를 따라 개개의 덕트-벽에 부착된다. 제1 섹션과 제2 섹션의 교차부는 개개의 계면에서 응력들을 분산시키도록 구성된 반경에 의해 정의되는 매끄러운 곡선에 의해 형성된다.
[0005] 본 발명의 제2 양상에 따르면, 가스 터빈의 배기 장치에서 균열을 완화시키기 위해 가스 터빈을 서비싱(service)하기 위한 방법이 제공된다. 배기 장치는 가스 터빈의 기계 축을 따라 축방향으로 연장되는 환상형 덕트를 포함한다. 환상형 덕트는 외부 덕트-벽 및 내부 덕트-벽에 의해 방사상으로 경계가 지어진다. 배기 장치는 또한, 환상형 덕트 내에 원주방향으로 분포된 복수의 스트럿들을 포함한다. 각각의 스트럿은 적어도 외부 덕트-벽으로부터 내부 덕트-벽으로 연장되며, 개개의 스트럿 쉴드 내에 캡슐화된다. 각각의 스트럿 쉴드는 제1 계면을 따라 외부 덕트-벽과 맞물리고, 제2 계면을 따라 내부 덕트-벽과 맞물린다. 방법은 제1 계면 및/또는 제2 계면에 적어도 하나의 칼라를 부착하는 단계를 포함한다. 칼라는, 부착 이후, 칼라가 개개의 계면에서 스트럿 쉴드의 주변부의 부분 길이를 따라 연장되도록 부착된다. 칼라는 제1 섹션, 및 제1 섹션에 대해 일정 각도로 배향된 제2 섹션을 포함한다. 칼라를 부착하는 단계는, 제1 섹션을 스트럿 쉴드와 정렬시키고 제2 섹션을 개개의 덕트-벽과 정렬시키는 단계, 및 후속하여, 제1 결합부를 따라 제1 섹션을 스트럿 쉴드에 결합시키고, 제2 결합부를 따라 제2 섹션을 개개의 덕트-벽에 결합시키는 단계를 포함한다. 제1 섹션과 제2 섹션의 교차부는 개개의 계면에서 응력들을 분산시키도록 구성된 반경에 의해 정의되는 매끄러운 곡선에 의해 형성된다.
[0006] 본 발명은 도면들의 도움으로 더 상세히 도시된다. 도면들은 바람직한 구성들을 도시하며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
[0007] 도 1은 본 발명의 실시예들이 통합될 수 있는 가스 터빈 엔진의 개략적인 도면이다.
[0008] 도 2는 알려진 유형의 배기 장치의 축방향 정면도이다.
[0009] 도 3은 도 2의 섹션 III-III을 따른 단면도이다.
[0010] 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 칼라들을 포함하는 배기 장치의 사시도이다.
[0011] 도 5는 외부 덕트-벽을 갖는 스트럿 쉴드의 계면에서 한 쌍의 부분 칼라들을 묘사하는, 방사상 외향 방향에서 본 단면 평면도이다.
[0012] 도 6은 내부 덕트-벽을 갖는 스트럿 쉴드의 계면에서 한 쌍의 부분 칼라들을 묘사하는, 방사상 내향 방향에서 본 단면 평면도이다.
[0013] 도 7은 부분 칼라들의 부착 이전에, 기계가공된 절취부들을 갖는 배기 장치의 사시도이다.
[0014] 도 8 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 부분 칼라들의 사시도들이다.
[0015] 바람직한 실시예들의 다음의 상세한 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예가 제한이 아니라 예시로 도시된, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면들을 참조한다. 다른 실시예들이 이용될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변화들이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
[0016] 도 1을 참조하면, 가스 터빈 엔진(1)은 일반적으로, 압축기 섹션(2), 연소기 섹션(4), 터빈 섹션(8) 및 배기 장치(10)를 포함한다. 동작 시에, 압축기 섹션(2)은 주변 공기(3)를 인도(induct)하고 이를 압축한다. 압축기 섹션(2)으로부터의 압축된 공기는 연소기 섹션(4)의 하나 이상의 연소기들로 진입한다. 압축된 공기는 연료(5)와 혼합되고, 공기-연료 혼합물은 연소기들에서 연소되어, 뜨거운 작동 매체 유체(6)를 형성한다. 뜨거운 작동 매체 유체(6)는 터빈 섹션(8)으로 라우팅(route)되며, 여기서 그 유체는 정적 에어포일(airfoil)들 및 회전 에어포일들의 교번 행들을 통해 팽창되고, 회전자(7)를 구동시킬 수 있는 전력을 생성하는 데 사용된다. 터빈 섹션(8)을 빠져나가는 팽창된 가스는 마지막 터빈 스테이지의 하류에 위치된 배기 장치(10)를 통해 엔진(1)으로부터 배기된다.
[0017] 일 예에서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 배기 장치(10)는, 배기 가스에 대한 유동경로를 정의하고 가스 터빈 엔진(1)의 기계 축(9)을 따라 축방향으로 연장되는 발산(divergent) 환상형 덕트(12)를 포함할 수 있는 확산기로서 구성될 수 있다. 환상형 덕트(12)는 외부 유동경로 경계를 형성하는 외부 덕트-벽(14) 및 내부 유동경로 경계를 형성하는 내부 덕트-벽(16)에 의해 방사상으로 경계가 지어진다. 발산 환상형 덕트(12)는, 배기 유동의 속도를 감소시키고 그에 따라 터빈 섹션(8)의 마지막 스테이지에 걸쳐 팽창되는 배기 가스의 압력 차이를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 배기 장치(10)는, 환상형 덕트(12) 내에 원주방향으로 분포된 지지 구조들, 이를테면 스트럿들(18)을 더 포함한다. 각각의 스트럿(18)은 적어도 외부 덕트-벽(14)으로부터 내부 덕트-벽(16)으로 연장된다. 도시된 예에서, 스트럿들(18)은 외부 덕트-벽(14) 및 내부 덕트-벽(16)을 통해 추가로 연장된다. 높은 배기 유동경로 온도들로부터 스트럿들(18)을 보호하기 위해, 각각의 스트럿(18)은 통상적으로 스트럿 쉴드(20)에 의해 둘러싸여 있다. 스트럿 쉴드(20)는 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 공기역학적으로 형상화되어, 선단 에지(edge)(28) 및 후단 에지(30)를 가질 수 있다. 도 2를 참조하면, 스트럿 쉴드(20)는 외부 덕트-벽(14)과 내부 덕트-벽(16) 사이에서 스트럿(18)의 방사상 범위를 캡슐화한다. 각각의 스트럿 쉴드(20)는 외부 계면(22)을 따라 외부 덕트-벽(14)과 맞물리고, 내부 계면(24)을 따라 내부 덕트-벽(16)과 맞물린다. 계면들(22, 24)은 통상적으로 용접 결합부들에 의해 형성된다.
[0018] 터빈 배기부 내의 스트럿 쉴드들이 현장에서의 연장된 동작 이후 빈번하게 균열을 나타낸다는 것이 관측되었다. 이들 균열들은 크게 응력을 받는 구역들, 특히 외부 및 내부 계면들(22 및 24)의 각각의 용접 결합부들에서 형성되는 경향이 있다. 특히, 본 발명자들은, 균열들이 주로, 계면들(22, 24)에서의 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28) 및 후단 에지(30)에서 개시된다는 것을 인식했다. 균열은 이들 영역들에서의 높은 열 구배들, 불량한 용접 품질, 및 높은 진동들 때문일 수 있다. 위의 인자들은 독립적으로 또는 조합해서 작용하여, 배기 균열에 대한 조건들을 생성할 수 있다. 현장에서의 배기 균열은 통상적으로 현장에서 용접 수리에 의해 해결되었다. 그러나, 이러한 프로세스(process)는 시간 소모적이고 값비쌀 수 있으며, 일단 엔진 동작이 재개되면, 수리된 영역들은 때때로 재균열된다.
[0019] 도 4 내지 도 10에 예시된 본 발명의 실시예들은, 이들 구역들에서 균열을 완화시키기 위해 계면들(22, 24) 중 임의의 계면에 부착가능한 하중 분배 칼라(26)에 관한 것이다. 칼라(26)는, 크게 응력을 받는 위치들로부터 멀리 결합부들(통상적으로는, 용접된 결합부들)을 이동시키고 넓고 매끄러운 반경을 제공하여 이들 영역들에서 응력들을 더 양호하게 분산시키도록 설계된다. 제안된 설계의 뚜렷한 특징은, 칼라(26)가 개개의 계면(22, 24)에서 스트럿 쉴드(20)의 전체 주변부를 따라 연장되는 것이 아니라 그의 주변부의 부분 길이를 따라서만 제공된다는 것이다. 부분 칼라 설계는, 전체 하중 칼라 설계(즉, 칼라가 스트럿 쉴드의 전체 주변부를 따라 연장되는 설계)와 비교할 때, 재료 제거, 용접 수축 및 잔류 응력들로부터의 배기 왜곡의 잠재성을 감소시키는 것을 보장할 수 있다. 부분 칼라 설계는 또한, 전체 하중 칼라 설계와 비교할 때 인접한 하드웨어(hardware)와의 표면 공차 편차들로 인한 용접 결합부 미스매치(mismatch)의 위험성을 낮추는 것을 보장할 수 있다. 적어도 위의 이유들 때문에, 본 명세서에 예시된 바와 같이, 부분 칼라(26)는 현장 서비스(field service) 동안 현지에 쉽게 설치될 수 있다.
[0020] 일 실시예에서, 부분 칼라(26)는 가장 높은 응력들을 갖는 위치들, 예컨대, 계면들(22, 24) 중 어느 하나 또는 둘 모두에서의 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28) 및/또는 후단 에지(30)에 제공될 수 있다. 그에 의해, 선단 에지(28) 및/또는 후단 에지(30)에서의 응력들은 스트럿 쉴드(20) 및 개개의 덕트-벽(14, 16)의 다른 위치들로 재분산되며, 그에 의해, 이들 영역들에서 현재 목격되는 균열 위험성을 직접 해결하고 제거할 수 있다. 더욱이, 선단 에지(28) 및 후단 에지(30)에서의 유동경로 단면의 등가 강도는 이들 위치들에서의 용접 재료 비율의 감소로 인해 증가될 수 있다. 유동경로 단면의 등가 강도는, 예컨대, 용접 이음매 열 영향 구역들, 다공성, 또는 다른 결함들로 인한 비-균질성(강도 약화 요소들)을 고려한 유동경로 단면의 순 강도를 지칭한다. 본 발명의 실시예들은, 종래의 설계 접근법에 비해 더 작은 비율의 용접 영역들로 인해, 특히 결합부들에서의 스트럿 쉴드의 선단 에지 및/또는 후단 에지에서 비-균질성의 범위를 제한하려고 시도하며, 여기서 스트럿 쉴드는 선단 에지 및 후단 에지에서 용접에 의해 직접 덕트-벽에 결합된다.
[0021] 도 4 내지 도 6은 제안된 부분 칼라 설계를 이용하는 예시적인 실시예를 예시한다. 예시된 실시예에서, 각각의 스트럿 쉴드(20)는, 개개의 덕트-벽(14, 16)을 갖는 각각의 계면(22, 24)에서 한 쌍의 칼라들(26)을 포함하는 4개의 칼라들(26)과 연관된다. 특히, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 스트럿 쉴드(20)의 외부 계면(22) 및 외부 덕트-벽(14)은, 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28) 주위로 연장되는 선단 에지 칼라(26AOD), 및 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30) 주위로 연장되는 후단 에지 칼라(26BOD)를 포함한다. 부가적으로, 스트럿 쉴드(20)의 내부 계면(24) 및 내부 덕트-벽(16)은, 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28) 주위로 연장되는 선단 에지 칼라(26AID), 및 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30) 주위로 연장되는 후단 에지 칼라(26BID)를 포함한다. 다른 실시예들(도시되지 않음)에서, 칼라(26)는 위에서-언급된 위치들 중 임의의 하나 이상의 위치들에 또는 균열에 취약한, 응력이 높은 임의의 다른 위치에 제공될 수 있다.
[0022] 도 8 및 도 9는 본 발명의 양상들에 따른 부분 칼라(26)의 예시적인 실시예들을 묘사한다. 특히, 도 8은 외부 계면(22)에서 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30)에 부착가능한 후단 에지 칼라(26BOD)를 묘사하는 반면, 도 9는 내부 계면(24)에서 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30)에 부착가능한 후단 에지 칼라(26BID)를 묘사한다. 칼라들(26BOD 및 26BID)은 각각, 계면들(22 및 24)에서 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30)의 윤곽과 매칭(match)하도록 형상화될 수 있다. 도면들에 상세히 예시되지 않았지만, 도 4 내지 도 6에 도시된 선단 에지 칼라들(26AOD 및 26AID)은 원칙적으로 유사하게 구성되며, 계면들(22 및 24)에서 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28)의 윤곽과 매칭하도록 각각 구성될 수 있다.
[0023] 도 8 및 도 9를 참조하면, 각각의 칼라(26)는, 방사상으로 연장되고, 스트럿 쉴드(20)와 정렬되도록 구성된 제1 섹션(32), 및 제1 섹션(32)에 대해 일정 각도로 배향되고, 개개의 덕트-벽(14, 16)과 정렬되도록 구성된 제2 섹션(34)을 포함한다. 제1 섹션(32)과 제2 섹션(34) 사이의 각도는 개개의 계면(22, 24)에서 스트럿 쉴드(20)와 덕트-벽(14, 16) 사이의 각도에 대응할 수 있다. 예컨대, 제1 섹션(32)과 섹션(34) 사이의 각도는 덕트-벽들(14, 16)의 원뿔형 기하학적 구조로 인해 약 90도일 수 있지만, 반드시 90도와 동일할 필요는 없다. 외부 계면(22)에 부착된 칼라(26)의 경우, 제1 섹션(32)은 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 섹션(34)으로부터 방사상 내향으로 연장된다. 내부 계면(24)에 부착된 칼라(26)의 경우, 제1 섹션(32)은 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 섹션(34)으로부터 방사상 외향으로 연장된다. 각각의 칼라(26)의 제1 섹션(32)은, 제1 결합부(42)를 따라 스트럿 쉴드(20)에 결합될 수 있는 제1 에지(62)를 갖는다(도 4 참조). 각각의 칼라(26)의 제2 섹션(34)은, 제2 결합부(44)를 따라 개개의 덕트-벽(14, 16)에 결합될 수 있는 제2 에지(64)를 갖는다(도 4 참조). 일 실시예에서, 결합부들(42 및 44)은 용접 결합부들을 포함한다.
[0024] 각각의 칼라(26)의 제1 섹션(32) 및 제2 섹션(34)은 교차부(40)에서 만난다. 교차부(40)는 개개의 계면(22, 24)에서 응력들을 분산시키도록 구성된 반경에 의해 정의되는 매끄러운 곡선에 의해 형성된다. 예시적인 실시예에서, (에지(62)를 따른) 제1 결합부(42)는 제1 방향을 따라 교차부(40)로부터 이격되고, (에지(64)를 따른) 제2 결합부(44)는 제1 방향에 평행하지 않은 제2 방향을 따라 교차부(40)로부터 이격된다. 따라서, 예시된 칼라 설계는 이전에 응력들이 높았던 영역들로부터 멀리 응력들이 더 낮은 영역들로 용접 결합부들을 이동시키고, 넓고 매끄러운 반경을 제공하여, 이들 영역들에서 응력들을 더 양호하게 분산시킨다. 위에서 언급된 바와 같이, 각각의 칼라(26)는 개개의 계면(22, 24)에서, 스트럿 쉴드(20)의 주변부의 부분 길이를 따라서만 연장된다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 스트럿 쉴드(20)는, 예컨대 용접에 의해, 개개의 계면(22, 24)에서 스트럿 쉴드(20)의 주변부의 나머지 길이에 대해 개개의 덕트-벽(14, 16)에 직접 부착될 수 있다.
[0025] 각각의 칼라(26)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 칼라(26)의 제1 단부(52)로부터 제2 단부(54)로 스트럿 쉴드(20)의 주변부를 따라 부분적으로 연장된다. 일 실시예에서, 본 명세서에 예시된 바와 같이, 교차부(40)의 반경은 제1 단부(52)와 제2 단부(54) 사이에서 계속 변한다. 특히, 교차부(40)의 최대 반경은 제1 단부(52)와 제2 단부(54) 사이의 위치에 위치될 수 있다. 후단 에지 칼라들(26BOD 및 26BID)(각각 도 8 및 도 9 참조)의 경우, 최대 반경은 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30)의 위치에 위치될 수 있다. 마찬가지로, 선단 에지 칼라들(26AOD 및 26AID)(구체적으로 도시되지 않음)의 경우, 최대 반경은 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28)의 위치에 위치될 수 있다.
[0026] 각각의 칼라(26)의 반경의 변동 및 최대 반경은 가장 높은 응력 구역들로부터 응력들을 분산시키도록 개별적으로 구성될 수 있다. 예컨대, 개별 칼라(26)의 최대 반경은, 다른 인자들 중에서, 칼라(26)의 위치(예컨대, 선단 에지 또는 후단 에지, 내부 또는 외부 계면), 스트럿 쉴드(20)의 범위-별(span-wise) 높이, 및 스트럿 쉴드(20)의 재료 두께에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 칼라(26)의 최대 반경은, 최대 반경의 위치에서의 스트럿 쉴드(20)의 범위-별 높이 대 최대 반경의 비가 7 내지 16의 범위에 있도록 구성될 수 있다. 독립적으로 또는 부가적으로, 칼라(26)의 최대 반경은, 스트럿 쉴드의 최대 반경 대 재료 두께의 비가 4 내지 10의 범위에 있도록 구성될 수 있다. 발산 덕트 기하학적 구조에서, 스트럿 쉴드의 범위-별 높이는 통상적으로 선단 에지로부터 후단 에지로 증가한다는 것을 유의할 수 있다. 대부분의 경우들에서, 스트럿 쉴드의 재료 두께는 실질적으로 일정하다고 가정될 수 있다. 게다가, 각각의 칼라(26)의 반경은 바람직하게, 특정 영역들에서 응력들을 추가로 감소시키는 것을 돕기 위해 기존의 인접한 하드웨어에 대해 맞춤화될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 칼라(26)의 제1 단부(52)의 반경 및 제2 단부(54)의 반경은, 제1 단부(52)에 인접한 개개의 덕트-벽(14, 16)과 스트럿 쉴드(20) 사이의 결합부의 반경 및 칼라(26)의 제2 단부(54)에 인접한 개개의 덕트-벽(14, 16)과 스트럿 쉴드(20) 사이의 결합부의 반경과 각각 매칭하도록 구성된다.
[0027] 본 실시예에서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 교차부(40)를 형성하는 매끄러운 곡선은 유동경로를 향하는 제1 표면(46) 상의 내부 반경 및 제1 표면(46)에 대향하는 제2 표면(48) 상의 외부 반경에 의해 정의된다. 이러한 경우, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "반경의 변동", "최대 반경" 등과 같은 어구들에서 용어 "반경"은 내부 반경, 또는 외부 반경, 또는 둘 모두를 지칭할 수 있다.
[0028] 추가적인 실시예에서, 후단 에지 칼라들, 특히 외부 계면(24)에 위치된 후단 에지 칼라들(26BOD)의 선미(aft) 단부는 도 10에 도시된 바와 같이, 방사상으로 연장되는 플랜지(flange)(56)로서 구성될 수 있다. 플랜지(56)에는, 하류 터빈 배기 매니폴드(manifold)의 케이싱(casing)에 덕트(12)를 부착하기 위한 볼트-구멍(bolt-hole)들(58)이 제공될 수 있다.
[0029] 본 발명의 추가적인 양상은 터빈 배기 장치에서 균열을 완화시키기 위한 방법에 관한 것일 수 있다. 제안된 방법은, 예컨대 가스 터빈 엔진의 현지 현장 서비싱의 일부로서 이용될 수 있다.
[0030] 제1 단계에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 절취부들(36)은, 예컨대 스트럿 쉴드(20) 및 개개의 덕트 벽(14, 16)을 기계가공함으로써 형성될 수 있다. 절취부들(36)은, 칼라들(26)이 후속하여 부착되도록 의도된 위치들에 형성될 수 있다. 스트럿 쉴드(20) 및 개개의 덕트-벽(14, 16)의 기계가공은, 절취부(36)의 주변 윤곽이 절취부(36)의 위치에 부착될 개개의 칼라(26)의 주변 윤곽에 전체적으로 대응하도록 수행될 수 있다. 예시된 실시예에서, 절취부들(36)은 각각의 스트럿 쉴드(20)의 내부 계면(24) 뿐만 아니라 외부 계면(22)의 선단 에지(28) 및 후단 에지(30)에 형성된다. 이러한 경우, 각각의 스트럿 쉴드(20)는 4개의 절취부들(36)과 연관된다. 후속 단계는, 각각의 칼라(26)의 제1 섹션(32)을 스트럿 쉴드(20)와 정렬시키고 칼라(26)의 제2 섹션(34)을 개개의 덕트-벽(14, 16)과 정렬시킴으로써 절취부들(36) 내에서 칼라들(26)을 위치설정시키는 단계를 포함한다. 이어서, 칼라(26)의 제1 섹션(32)은 제1 결합부(42)를 따라 스트럿 쉴드(20)에 결합되고, 칼라(26)의 제2 섹션(34)은 제2 결합부(44)를 따라 개개의 덕트-벽(14, 16)에 결합된다. 예시된 실시예에서, 상기 결합은 용접에 의해 수행될 수 있다. 배기 장치(10)의 결과적인 구성이 도 4에 도시된다.
[0031] 위에서-설명된 실시예들은 마지막 터빈 스테이지의 바로 하류에 위치설정된 터빈 배기 실린더에 관한 것이다. 본 발명의 양상들은, 지지 스트럿들을 수반하는 터빈 배기 장치, 이를테면 터빈 배기 실린더의 하류에 위치설정된 터빈 배기 매니폴드 내의 다른 영역들에 적용될 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
[0032] 특정 실시예들이 상세히 설명되었지만, 당업자들은 이들 세부사항들에 대한 다양한 수정들 및 대안이 본 개시내용의 전체 교시들을 고려하여 개발될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정한 어레인지먼트(arrangement)들은 단지 예시일 뿐이며, 첨부된 청구항들의 전체 범위 및 그의 임의의 및 모든 등가물들이 제공되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (17)

  1. 가스 터빈(gas turbine)(1)용 배기 장치(10)로서,
    상기 가스 터빈(1)의 기계 축(9)을 따라 축방향으로 연장되는 환상형 덕트(annular duct)(12) － 상기 환상형 덕트(12)는 외부 덕트-벽(14) 및 내부 덕트-벽(16)에 의해 방사상으로 경계가 지어짐 －,
    상기 환상형 덕트(12) 내에서 원주방향으로 분포된 복수의 스트럿(strut)들(18) － 각각의 스트럿(18)은 적어도 상기 외부 덕트-벽(14)으로부터 상기 내부 덕트-벽(16)으로 연장되고, 개개의 스트럿 쉴드(shield)(20) 내에 캡슐화(encapsulate)됨 － 을 포함하며,
    각각의 스트럿 쉴드(20)는 제1 계면(22)을 따라 상기 외부 덕트-벽(14)과 맞물리고, 제2 계면(24)을 따라 상기 내부 덕트-벽(16)과 맞물리고,
    상기 제1 계면(22) 및 상기 제2 계면(24) 중 적어도 하나는, 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 주변부(perimeter)의 부분 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 칼라(collar)(26)를 포함하고,
    상기 칼라(26)는, 방사상으로 연장되고 상기 스트럿 쉴드(20)와 정렬되는 제1 섹션(section)(32), 및 상기 제1 섹션(32)에 대해 각을 이루도록 배향되고 개개의 덕트-벽(14, 16)과 정렬되는 제2 섹션(34)을 포함하고, 상기 제1 섹션(32)은 제1 결합부(joint; 42)를 따라 상기 스트럿 쉴드(20)에 부착되고, 상기 제2 섹션(34)은 제2 결합부(joint; 44)를 따라 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)에 부착되고,
    상기 제1 섹션(32)과 상기 제2 섹션(34)의 교차부(40)는 상기 개개의 계면(22, 24)에서 응력들을 분산시키도록 구성된 반경에 의해 정의되는 매끄러운 곡선에 의해 형성되며, 그리고
    상기 스트럿 쉴드(20)는 상기 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 상기 주변부의 나머지 길이에 대해 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)에 직접 부착되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합부(42)는 제1 방향을 따라 상기 교차부(40)로부터 이격되고, 상기 제2 결합부(44)는 상기 제1 방향에 평행하지 않은 제2 방향을 따라 상기 교차부(40)로부터 이격되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 칼라(26)는,
    상기 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(edge)(28) 주위로 연장되는 선단 에지 칼라(26AOD, 26AID), 및
    상기 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30) 주위로 연장되는 후단 에지 칼라(26BOD, 26BID)
    중 하나 또는 둘 모두를 포함하는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 계면(22) 및 상기 제2 계면(24) 둘 모두는 개개의 선단 에지 칼라(26AOD, 26AID) 및 개개의 후단 에지 칼라(26BOD, 26BID)를 포함하는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 결합부(42) 및 상기 제2 결합부(44)는 각각 용접 결합부(weld joint)를 포함하는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼라(26)는 상기 칼라(26)의 제1 단부(52)로부터 제2 단부(54)로, 상기 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 주변부를 따라 부분적으로 연장되며,
    상기 교차부(40)의 반경은 상기 제1 단부(52)와 상기 제2 단부(54) 사이에서 계속 변하는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교차부(40)의 최대 반경은 상기 제1 단부(52)와 상기 제2 단부(54) 사이의 위치에 위치되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최대 반경은 상기 스트럿 쉴드(20)의 선단 에지(28)에 또는 후단 에지(30)에 위치되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  9. 제7항에 있어서,
    상기 교차부(40)의 최대 반경은,
    상기 최대 반경에 대한, 상기 최대 반경의 위치에서의 상기 스트럿 쉴드(20)의 범위에 따른(span-wise) 높이의 비가 7 내지 16의 범위에 있거나, 그리고/또는
    상기 스트럿 쉴드의 재료 두께에 대한 최대 반경의 비가 4 내지 10의 범위에 있도록
    구성되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  10. 제6항에 있어서,
    상기 칼라(26)의 상기 제1 단부(52)에서의 상기 교차부(40)의 반경 및 상기 제2 단부(54)에서의 상기 교차부(40)의 반경은, 상기 제1 단부(52)에 인접한 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)과 상기 스트럿 쉴드(20) 사이의 결합부의 반경 및 상기 제2 단부(54)에 인접한 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)과 상기 스트럿 쉴드(20) 사이의 결합부의 반경과 각각 매칭(match)하도록 구성되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 교차부(40)를 형성하는 상기 매끄러운 곡선은 유동경로를 향하는 제1 표면(46) 상의 내부 반경 및 상기 제1 표면(46)에 대향하는 제2 표면(48) 상의 외부 반경에 의해 정의되는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 칼라(26)는 상기 제1 계면(22)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 후단 에지(30) 주위로 연장되고,
    상기 칼라(26)의 선미(aft) 단부는, 하류 배기 매니폴드(manifold)로의 부착을 위한 볼트(bolt) 구멍들(58)이 제공된 방사상으로 연장되는 플랜지(flange)(56)를 포함하는,
    가스 터빈(1)용 배기 장치(10).
  13. 가스 터빈 엔진(engine)(1)의 배기 장치(10)에서 균열을 완화시키기 위해 가스 터빈(1)을 서비싱(service)하기 위한 방법으로서,
    상기 배기 장치(10)는,
    상기 가스 터빈(1)의 기계 축(9)을 따라 축방향으로 연장되는 환상형 덕트(12) － 상기 환상형 덕트(12)는 외부 덕트-벽(14) 및 내부 덕트-벽(16)에 의해 방사상으로 경계가 지어짐 －,
    상기 환상형 덕트(12) 내에서 원주방향으로 분포된 복수의 스트럿들(18) － 각각의 스트럿(18)은 적어도 상기 외부 덕트-벽(14)으로부터 상기 내부 덕트-벽(16)으로 연장되고, 개개의 스트럿 쉴드(20) 내에 캡슐화됨 － 을 포함하며,
    각각의 스트럿 쉴드(20)는 제1 계면(22)을 따라 상기 외부 덕트-벽(14)과 맞물리고, 제2 계면(24)을 따라 상기 내부 덕트-벽(16)과 맞물리고,
    상기 방법은, 상기 제1 계면(22) 및/또는 상기 제2 계면(24)에 적어도 하나의 칼라(26)를 부착하는 단계를 포함하고,
    상기 부착 이후, 상기 칼라(26)는 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 주변부의 부분 길이를 따라 연장되고, 상기 칼라(26)는, 제1 섹션(32) 및 상기 제1 섹션(32)에 대해 각을 이루도록 배향된 제2 섹션(34)을 포함하고,
    상기 칼라(26)를 부착하는 단계는,
    상기 제1 섹션(32)을 상기 스트럿 쉴드(20)와 정렬시키고, 상기 제2 섹션(34)을 개개의 덕트-벽(14, 16)과 정렬시키는 단계, 및
    제1 결합부(joint; 42)를 따라 상기 제1 섹션(32)을 상기 스트럿 쉴드(20)에 결합시키고, 제2 결합부(joint; 44)를 따라 상기 제2 섹션(34)을 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)에 결합시키는 단계를 포함하며,
    상기 제1 섹션(32)과 상기 제2 섹션(34)의 교차부(40)는 상기 개개의 계면(22, 24)에서 응력들을 분산시키도록 구성된 반경에 의해 정의되는 매끄러운 곡선에 의해 형성되고, 그리고
    상기 스트럿 쉴드(20)는 상기 개개의 계면(22, 24)에서 상기 스트럿 쉴드(20)의 상기 주변부의 나머지 길이에 대해 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)에 직접 부착되는,
    가스 터빈 엔진(1)의 배기 장치(10)에서 균열을 완화시키기 위해 가스 터빈(1)을 서비싱하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 섹션(32)을 상기 스트럿 쉴드(20)에 결합시키고 상기 제2 섹션(34)을 상기 개개의 덕트-벽(14, 16)에 결합시키는 단계는 용접하는 단계를 포함하는,
    가스 터빈 엔진(1)의 배기 장치(10)에서 균열을 완화시키기 위해 가스 터빈(1)을 서비싱하기 위한 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 칼라(26)를 부착하는 단계 전에, 절취부(cutout)(36)의 주변 윤곽이 상기 칼라(26)의 주변 윤곽에 전체적으로 대응하도록, 상기 스트럿 쉴드(20) 상에서 부분적으로 그리고 상기 개개의 덕트-벽(14, 16) 상에서 부분적으로 상기 절취부(36)를 형성하는 단계를 포함하는,
    가스 터빈 엔진(1)의 배기 장치(10)에서 균열을 완화시키기 위해 가스 터빈(1)을 서비싱하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절취부(36)는 기계가공 동작에 의해 형성되는,
    가스 터빈 엔진(1)의 배기 장치(10)에서 균열을 완화시키기 위해 가스 터빈(1)을 서비싱하기 위한 방법.
  17. 삭제
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