KR102587379B1 - 로터 블레이드 주위에 슈라우드 링을 갖는 터빈 및 터빈에서의 작동 유체의 누출을 제한하는 방법 - Google Patents

로터 블레이드 주위에 슈라우드 링을 갖는 터빈 및 터빈에서의 작동 유체의 누출을 제한하는 방법 Download PDF

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레오나르도 토그나렐리
시몬 마체티
데이비드 젠틸
엔리코 페데릭히
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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Abstract

로터 블레이드(213-1)들의 적어도 하나의 어레이를 갖는 로터, 케이싱(261)을 갖는 스테이터, 및 슈라우드 링(250)을 포함하는 가스(또는 증기) 터빈(200)이 개시되며; 슈라우드 링(250)은 로터 블레이드(213-1)들의 어레이 주위로 연장되고, 케이싱(261)은 슈라우드 링(250) 주위로 연장된다. 슈라우드 링(250)은 그의 재료 때문에 온도와는 독립적인 반경방향 크기를 갖고, 케이싱(261)과 이동 가능하게 결합되어서, 슈라우드 링 반경방향 크기를 유지하면서 스테이터의 케이싱(261)이 터빈의 동작 동안 열적으로 팽창 및 수축할 수 있게 한다. 또한 로터는 터빈의 동작 동안 열적으로 팽창 및 수축하고, 작동 온도에서, 로터 블레이드(213-1)의 팁 영역은 작동 조건에서 틈새가 작거나 심지어 0이 되도록 슈라우드 링(250)의 내측 영역에 밀접하게 근접한다.

Description

로터 블레이드 주위에 슈라우드 링을 갖는 터빈 및 터빈에서의 작동 유체의 누출을 제한하는 방법
본 명세서에 개시된 주제는 일반적으로 터빈, 그리고 보다 구체적으로는 그의 로터 블레이드(rotor blade) 주위에 새로운 슈라우드 링(shroud ring)의 실시예를 갖는 가스 터빈 및 증기 터빈, 및 터빈에서의, 특히 터빈 내의 로터 블레이드의 팁(tip) 주위에서의 작동 유체(working fluid)의 누출을 제한하는 새로운 방법에 관한 것이다.
가스 터빈은 기계의 동작 동안 유동 통로 내부에서 유동하는, 공기와 같은, 작동 유체를 처리하도록 설계된 기계이며; 특히, 가스 터빈은 유동하는 작동 유체로부터의 운동 에너지를 기계의 로터(rotor)로 전달하여서 그의 로터를 회전시킨다.
터빈 효율은 입력 기계적 작동 유체 동력에 대한 출력 기계식 로터 동력의 비(ratio)로서 정의될 수 있다. 터빈 효율은 터빈의 작동 동작 동안 로터 블레이드의 팁에서 발생하는 작동 유체의 누출에 의해 악영향을 받는다.
도 1은 공지의 (고온-가스) 터빈(100)의 매우 개략적인 단면도를 예시한다. 터빈(100)은 로터(110) 및 스테이터(stator)(160)를 포함한다. 로터(110)는 샤프트(111) 및 예를 들어 샤프트(111)에 고정된 3개의 휠(wheel)(112)을 포함하고; 제1 휠(112-1)은 (제1 팽창 스테이지에 대응하는) 블레이드(113-1)들의 제1 어레이(array)를 갖고; 제2 휠(112-2)은 (제2 팽창 스테이지에 대응하는) 블레이드(113-2)들의 제2 어레이를 갖고; 제3 휠(112-3)은 (제3 또는 마지막 팽창 스테이지에 대응하는) 블레이드(113-3)들의 제3 어레이를 갖는다. 스테이터(160)는 쉘(shell)(161)을 갖는 케이싱(casing), 및 작동 유체를 입구(IL)로부터 출구(OL)로 지향시키는 내부 환형 유동 통로를 포함한다. 환형 유동 통로는 스테이터 외측 벽(165) 및 스테이터 내측 벽(169)에 의해 한정되고, 그 내부에는 로터 블레이드들의 어레이(도 1에서, 예를 들어 로터 블레이드(113-1, 113-2, 113-3)들의 3개의 어레이가 있음) 및 스테이터 베인(stator vane)들의 어레이(도 1에서, 예를 들어 스테이터 베인(167-1, 167-2, 167-3, 167-4)들의 4개의 어레이가 있음)가 제공된다. 스테이터 외측 벽(165)(직접적으로 여러 개의 링으로 제조되고/되거나 간접적으로 함께 결합될 수 있음)은 예컨대 환형 부재를 통해 쉘(161)에 고정되고; 도 1에서, 예컨대 2개의 환형 요소(163-1, 163-2)가 있다. 스테이터 내측 벽(169)(여러 개의 링으로 제조됨)은 예컨대 베인들의 어레이들을 통해 외측 벽(165)에 고정되고; 도 1에서, 예컨대 베인(167-1, 167-2, 167-3, 167-4)들의 4개의 어레이를 통해 외측 벽(165)에 각각 고정된 4개의 내측 벽 링이 있다. 로터(160)는 스테이터(110)에 회전 가능하게 결합되고; 이러한 목적을 위해, 도 1에서, 내측 벽 링과 샤프트 사이에 각각 위치된 2개의 베어링(190 -1, 190 -2)이 있다.
그러나, 도 1의 고온-가스 터빈에서, 로터 블레이드(113-1, 113-2, 113-3)의 팁과 스테이터 외측 벽(165) 사이의 틈새(clearance)에서 작동 유체의 누출이 발생할 수 있지만; 틈새는 접촉을 회피하고 이에 따라 터빈의 동작 동안 (고정적인) 외측 벽 및 (회전하는) 블레이드 둘 모두에 대한 손상을 회피한다. 틈새의 크기를 적절히 선택함으로써, 접촉(및 이에 따라 손상)이 임의의 동작 조건에서 회피될 수 있다.
미국 특허 제4,784,569호는 (고온-가스) 터빈에서의 누출을 제한하기 위한 해법을 제공한다. 이 해법에 따르면, 로터 블레이드의 팁 주위의 적절히 형상화된 슈라우드 링은 만족스러운 가스 시일(gas seal)을 제공하여, 작업 유체의 대부분이 효율적인 에너지 추출을 위해 블레이드들 사이를 통과하고, 블레이드의 주변부(periphery) 위를 통과함으로써 손실되는 것이 거의 없다. 그러나, 작동 온도에 있는 (고온-가스) 터빈에서, 임의의 슈라우드 링은 변형되고(예를 들어, 그것은 반경방향으로 내향으로 또는 외향으로 만곡됨), 그러한 변형은 슈라우드 링과 블레이드 사이의 손상을 주는 접촉을 야기할 수 있다. '569호 특허에서의 슈라우드 링은 그것이 열적으로 변형되지만 블레이드로부터의 작동 틈새를 유지하도록 형상화된다. 이에 따라, 작동 유체의 누출이 이러한 유형의 슈라우드 링에서 여전히 발생할 수 있다.
이에 따라, 터빈의 작동 동작 동안 로터 블레이드의 주변부 위에서의 누출이 낮거나 심지어 없는(이에 따라 로터 블레이드의 팁과 슈라우드 링의 표면 사이의 종래 기술 및 설계에 의해 가능했거나 고려되었던 것보다 더 작은 틈새(0 틈새를 포함함)를 갖는), 그리고 접촉 손상의 위험이 거의 없거나 전혀 없는 새로운 터빈을 생성하는 것이 바람직할 것이고; 특히 A) 블레이드가 최대 속도로 회전하고 로터 및 스테이터 둘 모두가 고온인 때의 작동 동작 조건에서뿐만 아니라, B) 블레이드가 천천히 회전하고 로터 및 스테이터 둘 모두가 저온인 때의 시동(start-up) 및 셧다운(shut-down)에서, 그리고 C) 블레이드가 그의 속도를 증가시키고, 로터가 고온이고, 스테이터가 저온인 때의 램프 업(ramp-up) 동안, 그리고 D) 블레이드가 그의 속도를 감소시키고, 로터가 저온이고, 스테이터가 고온인 때의 램프 다운(ramp-down) 동안, 스테이터와의 접촉으로 인한 로터 블레이드의 손상을 회피하는 것이 바람직할 것이다.
일 태양에 따르면, 본 명세서에 개시된 주제는 로터, 스테이터 및 슈라우드 링을 포함하는 터빈에 관한 것이며; 로터는 로터 블레이드들의 적어도 하나의 어레이를 포함하고, 슈라우드 링은 로터 블레이드들의 어레이 주위로 연장되고, 스테이터는 슈라우드 링 주위로 연장되는 케이싱을 포함하고; 슈라우드 링은 케이싱과 이동 가능하게 결합되어서 케이싱이 터빈의 동작 동안 열적으로 팽창 및 수축할 수 있게 함으로써 케이싱과 슈라우드 링 사이의 반경방향 거리를 변경한다.
본 발명이 가스 터빈(특히 그의 제1 팽창 스테이지들, 더 특히 그의 제1 팽창 스테이지)에 적용되는 것에 대해 구상되었지만, 그것은 또한 증기 터빈에도 잘 적용될 수 있다.
다른 태양에 따르면, 본 명세서에 개시된 주제는 터빈의 작동 동작 동안 터빈 내의 로터와 스테이터 사이의 작동 유체의 누출을 제한하는 방법에 관한 것이며; 터빈은 로터 블레이드들의 어레이를 갖는 적어도 하나의 로터 휠 및 로터 블레이드들의 어레이 주위로 연장되는 스테이터 케이싱을 포함하고; 스테이터 케이싱은 그의 온도에 의존하는 반경방향 크기를 갖고; 로터 휠은 그의 온도에 의존하는 반경방향 크기를 가지며; 방법은 그의 온도와는 실질적으로 독립적인 반경방향 크기를 갖는 슈라우드 링을 배열하는 단계, 로터 블레이드들의 어레이와 스테이터 케이싱 사이에, 로터 휠을 중심으로 동심으로 슈라우드 링을 위치시키는 단계, 및 슈라우드 링의 온도 및 케이싱의 온도와는 독립적으로 결합이 유지되도록 슈라우드 링을 케이싱과 기계적으로 결합시키는 단계를 포함하며, 터빈의 작동 온도에서, 상기 어레이의 로터 블레이드들의 팁 영역들은 슈라우드 링의 내측 영역에 밀접하게 근접하거나 그와 접촉한다.
하기에서 더 잘 설명될 바와 같이, 스테이터 케이싱은 가열될 때 팽창하고 냉각될 때 수축하는 하나 이상의 재료, 전형적으로는 금속 재료로 제조되며; 이에 따라 그러한 스테이터 케이싱은 가열될 때 그의 반경방향 크기를 포함한 그의 크기들을 증가시키고, 냉각될 때 그의 반경방향 크기를 포함한 그의 크기들을 감소시킨다. 대조적으로, 새로운 슈라우드 링은 가열될 때 거의 팽창하지 않고 냉각될 때 거의 수축하지 않는 - 이것은 예를 들어 10 μm/m/℃보다 낮은 열팽창 계수로부터 유래함 - 재료(또는 더 많은 재료들)로 제조되며; 이에 따라 그러한 슈라우드 링은 가열될 때 그의 반경방향 크기를 포함한 그의 크기들을 거의 증가시키지 않고, 냉각될 때 그의 반경방향 크기를 포함한 그의 크기들을 거의 감소시키지 않는다.
하기에서 더 잘 설명될 바와 같이, 상기 어레이의 로터 블레이드들의 팁 영역들이 슈라우드 링의 내측 영역과 접촉할 때, 어떠한 접촉 손상도 없이 단지 가벼운 마모만이 발생한다는 점에 유의하여야 한다.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되므로, 본 발명의 개시된 실시예 및 그의 수반되는 이점들 중 많은 것의 더 완전한 인식이 용이하게 얻어질 것이다.
도 1은 종래 기술의 터빈의 개략 종단면도를 예시한다.
도 2는 터빈의 제1 실시예의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 3은 도 2의 터빈의 스테이터의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 4는 도 2의 터빈의 로터의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 5는 도 2의 터빈의 슈라우드 링의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 6은 도 1의 터빈의 스테이터 쉘, 슈라우드 링 및 몇몇 키이(key)의 A-A 단면도를 예시한다.
도 7은 제1 위치/조건에 있는 도 1의 터빈의 키이의 부분 확대 A-A 단면도를 예시한다.
도 8은 제2 위치/조건에 있는 도 1의 터빈의 키이의 부분 확대 A-A 단면도를 예시한다.
도 9는 제1 동작 조건에 있는 도 1의 터빈의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 10은 제2 동작 조건에 있는 도 1의 터빈의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 11은 제3 동작 조건에 있는 도 1의 터빈의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 12는 터빈의 제2 실시예의 부분 개략 종단면도를 예시한다.
도 13은 터빈에서의 누출을 제한하는 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다.
(고온-가스) 터빈이 작동하고 있을 때, 그의 구성요소는 실질적으로 일정한 작동 온도를 갖고 유지한다. 이러한 조건을 고려하여, 본 발명자들은 터빈의 동작 동안 로터 블레이드의 주변부 위에서의 작동 유체의 누출이 없도록 터빈 구성요소의 형상 및 크기를 이상적으로 선택하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 실제로, 종래의 터빈 설계와는 달리, 터빈 로터 블레이드(예컨대, 도 1의 블레이드(113-1, 113-2, 113-3) 참조)의 팁과 스테이터 부재, 예를 들어 로터 블레이드 주위로 연장되는 고정 슈라우드 링(예컨대, 도 1의 외측 벽(165) 참조) 사이의 틈새가 0이다는 것이 발견되었다. 이러한 방식으로, 터빈 효율은 작동 조건에서 최대일 것이며, 이는 바람직하다.
터빈의 램프 업 동안, 터빈 구성요소의 온도는 크게 변하며, 예를 들어, 정확히 말하면, 100 내지 400℃의 온도 증가가 있을 수 있다. 각각의 터빈 구성요소는 상이한 온도 증가를 겪고, 그 온도 증가는 동시에 모든 곳에서 발생하지 않으며; 일반적으로, 먼저 터빈 로터가 뜨거워지고 이어서 터빈 스테이터가 뜨거워진다는 점에 유의해야 한다.
터빈의 램프 다운 동안, 대응하는 온도 감소가 발생하지만, 이 경우에, 먼저 터빈 로터가 냉각되고 이어서 터빈 스테이터가 냉각된다.
터빈 구성요소의 온도가 변할 때, 그의 크기는 다르며; 특히, 온도 증가는 크기 증가에 대응하고 온도 감소는 크기 감소에 대응한다.
터빈의 시동 및 셧다운에서 전술된 이상적인 선택이 이루어지면, 로터 블레이드의 팁과 주위의 스테이터 부재 사이의 틈새는 0이거나 작으며, 이는 긍정적이다.
그러나, 전술된 이상적인 선택이 이루어지면, 터빈의 램프 업 동안 터빈 블레이드는 그 주위로 연장되는 스테이터 부재와 접촉할 것인데, 왜냐하면 적어도 하나의 터빈 휠이 그의 블레이드와 함께 주위의 스테이터 부재보다 전에 열적으로 팽창할 것이기 때문이며; 그 결과 블레이드 및 부재에 손상이 발생할 것이다.
시동, 셧다운, 램프 업 및 램프 다운에서 터빈 로터 블레이드의 주변부 위에서의 작동 유체의 누출은 전체 터빈 효율에 무시해도 될 정도의 영향을 미치는데, 왜냐하면 이들 동작 단계가 작동 동작 단계와 비교해 상대적으로 짧은 시간 동안 지속되기 때문이다는 것이 인식되었다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 새로운 터빈은 로터가 고온일 때 낮은 누출을 갖거나 누출을 갖지 않도록 배열되며, 이에 따라 특히 작동 조건에서, 즉 터빈의 작동 동안 높은 효율이 달성된다. 이러한 목적을 위해, 슈라우드 링이 터빈 로터 블레이드들의 적어도 하나의 어레이 주위에 위치되어, 로터가 고온일 때 만족스러운 작동 유체 시일을 제공한다. 그러한 슈라우드 링은 터빈 스테이터와 엄격하게 결합되지 않으며; 스테이터와의, 특히 터빈 케이싱과의 슈라우드 링의 기계적 결합은 터빈의 임의의 동작 조건에서 슈라우드 링의 위치 및 이에 따라 누출에 영향을 미치지 않고서 케이싱이 열적으로 팽창(및 접촉)할 수 있게 할 정도이다. 슈라우드 링(예컨대, 도 7의 부재(250) 참조)과 터빈 케이싱(예컨대, 도 7의 부재(261) 참조)은 키이(예컨대, 도 7의 부재(280-1, 280-2, 280-3, 280-4) 참조)들의 세트를 통해 반경방향으로 활주 가능하게 결합될 수 있다.
바람직하게는, 새로운 터빈의 슈라우드 링은 그의 온도와는 실질적으로 독립적인 크기를 갖는다. 처음에, 로터가 저온일 때, 로터와 링 사이의 틈새에서 얼마간의 누출이 있고; 이 스테이지에서, 스테이터는 저온이고 로터와 결합된다; 예를 들어, 도 9 참조. 그 후에, 로터가 뜨거워질 때, 로터는 팽창하고, 틈새는 0으로 또는 거의 0으로 감소하고, 그 결과 또한 누출이 0으로 또는 거의 0으로 감소하며; 이 스테이지에서, 스테이터는 여전히 저온이고 로터와 결합된다; 예컨대, 도 10 참조. 마지막으로, 로터는 고온이고 팽창되며, 틈새뿐만 아니라 누출이 0 또는 거의 0으로 유지되고; 이 스테이지에서, 스테이터는 뜨거워지고 팽창하지만 로터와 결합되어 유지된다; 예컨대, 도 11 참조.
본 발명이 가스 터빈(특히 그의 제1 팽창 스테이지들, 더 특히 그의 제1 팽창 스테이지)에 적용되는 것에 대해 구상되었지만, 그것은 또한 증기 터빈에도 잘 적용될 수 있다.
이제 본 개시의 실시예에 대한 언급이 상세히 이루어질 것이며, 그 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 예시되어 있다. 각각의 예는 본 개시의 제한이 아닌, 본 개시의 설명으로서 제공된다. 실제로, 본 개시의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 본 개시에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 전체에 걸친 "하나의 실시예" 또는 "실시예" 또는 "몇몇 실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 문구 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "몇몇 실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예(들)를 언급하고 있는 것은 아니다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
다양한 실시예들의 요소들을 소개할 때, 관사("a", "an", "the")들 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하도록 의도된다. 용어들 "포함하는", "포괄하는" 및 "갖는"은 포괄적인 것으로 의도되며, 열거된 요소들 외에 추가적인 요소들이 있을 수 있음을 의미한다.
이제 도면을 참조하면, 도 2부터 도 8까지의 도면들은 새로운 유형의 슈라우드 링으로 구성된 (고온-가스) 터빈의 동일한 제1 실시예의 상이한 도면들이다. 특히, 이들 도면은 터빈의 제1 팽창 스테이지에서의 도면들이다. 그러나, 동일한 해법 또는 유사한 해법이 터빈의 임의의 팽창 스테이지에서 사용될 수 있다. 또한, 동일한 해법 또는 유사한 해법이 터빈의 여러 개의 팽창 스테이지들에서 사용될 수 있다.
이러한 제1 실시예와 종래의 터빈 사이의 차이는 도 1의 터빈(100)의 (블레이드(113-1)에 대응하는) 제1 팽창 스테이지에서의 구조를 도 2의 터빈(200)의 (블레이드(213-1)에 대응하는) 제1 팽창 스테이지에서의 구조와 비교함으로써 더 용이하게 이해될 수 있으며; 도 1 및 도 2에서의 대응하는 부재들의 도면 부호들은 100만큼 상이하여서, 예를 들어 도 2에서의 부재(212-1)는 도 1에서의 부재(112-1)에 대응한다는 점에 유의하여야 한다.
제1 실시예의 개선되고 독창적인 터빈(200)은 로터(210), 스테이터(260) 및 슈라우드 링(250)을 포함하며; 종래의 교시 내용과는 달리, 새로운 슈라우드 링(250)은 스테이터(260)와 결합되지만 소정의 이동 가능성을 가지며, 이에 따라, 엄밀히 말하면, 그것은 터빈 스테이터의 구성요소로 간주될 수 없다.
로터(210)는 샤프트(211)에 고정된 휠(212-1)의 구성요소들인 블레이드(213-1)들의 적어도 하나의 어레이를 포함하며; 전형적으로, 로터는 동일한 샤프트에 고정된 (블레이드들을 갖는) 여러 개의 휠을 포함한다. 슈라우드 링(250)은 블레이드(213-1)들의 어레이 주위로 연장되며; 제2 실시예를 참조하여 더 잘 설명될 바와 같이, 슈라우드 링은 블레이드들의 하나의 또는 2개의 또는 3개의 또는 그 초과의 어레이들 주위로 연장될 수 있다. 스테이터(260)는 슈라우드 링(250) 주위로 연장되는 케이싱을 포함하며; 제1 실시예에 따르면, 케이싱의 쉘(261)은 슈라우드 링(250) 주위로 연장된다.
도 2를 참조하면, 로터 블레이드(213-1)들의 어레이에 스테이터 베인(267-1)들의 제1 어레이가 선행할 수 있고/있거나 스테이터 베인(267-2)들의 제2 어레이가 뒤따를 수 있다. 유동 통로가 스테이터 외측 벽(265) 및 스테이터 내측 벽(269)에 의해 한정되고, 그 내부에 적어도 로터 블레이드(213-1)들의 어레이 및, 아마도, 스테이터 베인(267-1, 267-2)들의 어레이가 제공된다. 도 2의 실시예에 따르면, 베인(267-1)은 외측 벽(265)의 제1 링 및 내측 벽(269)의 제1 링에 고정되고, 베인(267-2)은 외측 벽(265)의 제2 링 및 내측 벽(269)의 제2 링에 고정되며; 또한, 외측 벽(265)의 제1 링은 쉘(261)과 결합되고, 내측 벽(269)의 제1 링은 베어링(290-1)과 결합된다. 도 2의 실시예에 따르면, 슈라우드 링(250)은 외측 벽(265)의 제1 링과 외측 벽(265)의 제2 링 사이에 축방향으로 위치된다.
제1 실시예에 따른 슈라우드 링(250)의 기하학적 형상은 도 5로부터 더 잘 이해될 수 있으며; 대안적인 형상들 및 기하학적 구조들이 가능하다 - 그들이 로터 팁들 주위로부터의 작동 유체의 0 또는 거의 0 누출을 제공하도록 구성된다면 -. 슈라우드 링(250)은 슬리브(sleeve)(예를 들어, 원통형 또는 원추형 슬리브)의 형태의 제1 환형 내측 부분(251) 및 플랜지의 형태의 제2 환형 외측 부분(254)을 포함하고; 제1 환형 내측 부분(251)은 블레이드(213-1)의 팁(도 4에서 214)에서 작동 유체 시일을 제공하는 역할을 하고; 제2 환형 외측 부분(254)은, 특히 나중에 설명될 쉘(261)의 배열(270)(예컨대 도 3 참조)에서, 쉘(261)과 결합하는 역할을 한다.
슈라우드 링(250)(예컨대 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 환형 형상을 가짐)은 케이싱과, 특히 쉘(261)(예컨대 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 환형 형상을 가짐)과 이동 가능하게 결합되어서, 케이싱이 터빈의 동작 동안(즉, 시동부터 셧다운까지의 시간 간격 동안) 열적으로 팽창 및 수축될 수 있게 하며, 그에 의해 그들 사이의 반경방향 거리를 변경한다. 예를 들어 도 6을 고려하면, 쉘(261)과 슈라우드 링(250)은 동심이고 반경방향으로 이격되며; 전술된 결합은 동심성을 유지하면서 쉘과 링 사이의 반경방향 거리에 있어서의 (예컨대, 약 0.5 내지 약 5.0 mm의) 변화들을 수용할 수 있다.
슈라우드 링(250)과 케이싱, 특히 쉘(261) 사이의 결합은 케이싱에 대한 슈라우드 링(250)의 회전을 실질적으로 허용하지 않는다. 실제로, 케이싱은 터빈의 동작 동안(즉, 시동부터 셧다운까지의 시간 간격 동안) 슈라우드 링과 케이싱 사이의 상대적 각도 위치를 실질적으로 고정시키도록 구성되며; 이에 관하여, 쉘(261)의 배열(270)의 상세한 설명이 이어진다.
슈라우드 링(250)과 케이싱, 특히 쉘(261) 사이의 결합은 케이싱에 대한 슈라우드 링(250)의 축방향 병진을 실질적으로 허용하지 않는다. 실제로, 케이싱은 터빈의 동작 동안(즉, 시동부터 셧다운까지의 시간 간격 동안) 슈라우드 링과 케이싱 사이의 상대적 축방향 위치를 실질적으로 고정시키도록 구성되며; 이에 관하여, 쉘(261)의 배열(270)의 상세한 설명이 이어진다.
슈라우드 링(250) 및 케이싱, 특히 쉘(261)은, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 부분들로 분할되는 것으로 간주될 수 있으며; 그러한 분할은 함께 결합된 부재들, 또는 간단히 그리고 보다 전형적으로는, 단일 피스(piece)의 상이한 구역들에 대응할 수 있다. 슈라우드 링(250)의 부분(250-1, 250-2, 250-3, 250-4)은 케이싱의 쉘(261)의 대응하는 부분(261-1, 261-2, 261-3, 261-4)과 활주 가능하게 결합되어서, 상대적 반경방향 위치에 있어서의 변화를 허용한다.
그러한 반경방향 활주는 반경방향으로 배향된 돌출부를 갖는 슈라우드 링의 부분 및 대응하는 반경방향으로 배향된 리세스(recess)를 갖는 케이싱의 부분으로부터 유래할 수 있으며, 돌출부는 리세스 내에서 활주하도록 배열된다.
대안적으로, 그러한 반경방향 활주는 반경방향으로 배향된 돌출부를 갖는 케이싱의 부분 및 대응하는 반경방향으로 배향된 리세스를 갖는 슈라우드 링의 부분으로부터 유래할 수 있으며, 돌출부는 리세스 내에서 활주하도록 배열된다.
또 대안적으로 그리고 바람직하게는 그리고 도면에 도시된 바와 같이(특히 도 7 및 도 8 참조), 그러한 반경방향 활주는 적어도 하나의 반경방향으로 배향된 장치, 특히 키이(280)로부터 유래할 수 있다. 장치, 특히 키이(280)는 슈라우드 링(250), 특히 제2 환형 외측 부분(254)의 리세스(255)(도 7 및 도 8 참조) 내에서, 그리고/또는 케이싱, 특히 쉘(261)의 리세스(262)(도 7 및 도 8 참조) 내에서 반경방향으로 활주하도록 배열된다.
이러한 마지막 가능한 대안에 따르면, 장치, 특히 키이(280)는 케이싱, 특히 쉘(261)에 고정되는 것이 바람직하며; 도 7 및 도 8의 실시예에서, 키이(280)가 나사(282)를 통해 쉘(261)에 고정된다. 이 경우에, 장치, 특히 키이(280)는 슈라우드 링(250)의 대응하는 리세스(255) 내에서 (예를 들어, 약 1.0 내지 약 5.0 mm의) 반경방향 활주를 하도록 배열되고; 또한 키이(280)와 리세스(255) 사이의 (예를 들어, 약 0.1 내지 약 0.2 mm의) (제한된) 원주방향 이동의 소정 가능성이 있고; 도 7 및 도 8을 참조하면, "반경방향"은 수직을 의미하고 "원주방향"은 수평을 의미한다.
장치를 통한 결합이 선택되는 경우, 전형적으로, 여러 개의 장치들이 사용된다. 이 경우에, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈은 복수의 반경방향으로 배향된 장치, 특히 복수의 키이를 포함하며; 제1 실시예에 따르면, 4개의 키이(280-1, 280-2, 280-3, 280-4)가 사용되지만, 예컨대 3개 내지 예컨대 16개의 상이한 개수가 가능하다. 이러한 복수의 각각의 장치는 슈라우드 링의 대응하는 리세스 내에서 그리고/또는 케이싱의 대응하는 리세스 내에서 반경방향으로 활주하도록 배열된다.
도 2부터 도 8까지의 도면들에 도시된 제1 실시예에 따르면, 슈라우드 링(250)의 플랜지(254)는 터빈의 케이싱의 쉘(261)의 배열(270)과 결합하도록 배열된다. 배열(270)은 제1 환형 플랜지(272), 환형 리브(rib)(274), (배열이 장착될 때) 환형 와셔(277)를 수용하기 위한 환형 시트(seat)(276), 제2 환형 플랜지(278)를 포함하며; 반경방향 리세스(262)가 환형 리브(274) 내에 형성된다. 플랜지(254)는 (예컨대 약 0.2 내지 약 0.5 mm의) (제한된) 축방향 이동의 소정 가능성을 갖고서 제1 플랜지(272)와 와셔(277) 사이에 위치되도록 배열되며; 슈라우드 링(250)의 플랜지(254)가 포지션 와셔(position washer)(277) 내에 배치하기 전에 제 위치에 배치된다는 점에 유의하여야 한다.
슈라우드 링(250)은 바람직하게는 낮은 CTE(= 열팽창 계수), 특히 약 10 μm/m/℃보다 낮은, 바람직하게는 약 8 μm/m/℃보다 낮은, 더 바람직하게는 약 6 μm/m/℃보다 낮은 CTE를 갖는 재료로 제조되거나 이를 포함하며; 이러한 방식으로, 그의 크기, 특히 그의 반경방향 크기는 그의 온도와는 실질적으로 독립적이다. 슈라우드 링(250)은 금속-합금 재료 또는 세라믹 재료로 제조되거나 이를 포함할 수 있다.
대조적으로, 로터(210) 및/또는 스테이터(260)는 그들의 온도에 의존하는 크기, 특히 반경방향 크기를 갖는다. 실제로, 로터(210) 및/또는 스테이터(260)는 전형적으로 높은 CTE, 특히 약 10 μm/m/℃보다 높은, 특히 약 12 μm/m/℃보다 높은, 훨씬 더 특히 약 14 μm/m/℃보다 높은 CTE를 갖는 하나 이상의 재료로 제조된다. 로터(210) 및 스테이터(260)는 하나 이상의 금속 재료로 제조될 수 있다.
도 9 및 도 10 및 도 11을 고려하면, 터빈 구성요소들이 터빈(200)의 동작 동안 어떻게 그들의 반경방향 크기를 변경할 수 있는지를 이해하는 것이 가능하며; 도 9는 로터(210)가 저온이고 스테이터(260)가 저온인 때의 가능한 시동 조건에 대응하고, 도 10은 로터(210)가 고온이고(그리고 팽창되고) 스테이터(260)가 저온인 때의 가능한 램프 업 조건에 대응하고, 도 11은 로터(210)가 고온이고(그리고 팽창되고) 스테이터(260)가 고온인(그리고 팽창되는) 때의 가능한 작동 조건에 대응하며; 이들 3개의 도면에서의 슈라우드 링(250)의 형상, 크기 및 위치는 동일하다는 점에 유의하여야 한다. 도 9에서, 블레이드(213-1)와 슈라우드 링(250) 사이에 넓은 간극(G1-1)이 있고; 도 10에서, 블레이드(213-1)와 슈라우드 링(250) 사이에 좁은 간극(G1-2)이 있고; 도 11에서, 블레이드(213-1)와 슈라우드 링(250) 사이에 좁은 간극(G1-2)이 있으며(또는 심지어 간극이 전혀 없음); 간극(G1)은 로터(210)의, 특히 휠(212-1)의 팽창으로 인해 감소하였다. 상응하여, 도 9에서, 슈라우드 링(250), 특히 플랜지(254)와 쉘(261), 특히 리브(274) 사이에 좁은 간극(G2-1)이 있고(또한 도 7 참조); 도 10에서, 슈라우드 링(250), 특히 플랜지(254)와 쉘(261), 특히 리브(274) 사이에 좁은 간극(G2-1)이 있고(또한 도 7 참조); 도 11에서, 슈라우드 링(250), 특히 플랜지(254)와 쉘(261), 특히 리브(274) 사이에 넓은 간극(G2-2)이 있으며(또한 도 8 참조); 간극(G2)은 스테이터(260)의, 특히 쉘(261)의 팽창으로 인해 증가하였다.
방금 설명된 바와 같이, 블레이드(213-1)의 팁 영역(214)은 적어도 터빈(200)의 작동 동작 조건에서 슈라우드 링(250)의 내측 영역(252)에 밀접하게 근접할 수 있다.
대안적으로 그리고 유리하게는, 블레이드(213-1)의 팁 영역(214)은 적어도 터빈(200)의 작동 동작 조건에서 슈라우드 링(250)의 내측 영역(252)과 접촉할 수 있다. 그러나, 이 경우에, 슈라우드 링(250)이 내측 영역(252)에서 마모성 재료(abradable material)의 층(253)을 포함하고, 블레이드(213)가 그의 팁 영역(214)에서 마모의 층(215)(또는 마모 재료(abrading material)의 적어도 하나의 장치)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 층(215)이 층(253)과 접촉할 때, 블레이드 및/또는 슈라우드 링에 대한 손상 없이 가벼운 마모가 발생한다. 또한, 이 경우에, 적어도 터빈(200)의 작동 동작 조건에서, 블레이드(213-1)의 팁 영역(214)은 슈라우드 링(250)의 내측 영역(252) 내로 부분적으로 침투되고, 유리하게는, 적어도 터빈의 작동 동작 동안 특히 블레이드의 주변부 위에서의 작동 유체의 누출은 없다.
도 12는 제1 실시예와 유사한 터빈(900)의 제2 실시예에 관한 것이다. 이 실시예에 따르면, (하나 이상의 피스로 제조될 수 있는) 슈라우드 링(950)이 로터 블레이드(913-1(제1 휠(912-1)의 부분), 913-2(제2 휠(912-2)의 부분))들의 2개의 어레이들 주위로 연장되며; 대안적으로, 슈라우드 링은 로터 블레이드들의 3개 이상의 어레이들 주위로 연장될 수 있다. 슈라우드 링(950)은, 예컨대, 플랜지(954)를 통해 터빈(900)의 스테이터 케이싱의 쉘(961)의 배열(970)과 결합된다. 슈라우드 링(950)의 (원통형 또는 원추형 슬리브의 형태의) 제1 부분(951-1)은 로터 블레이드(913-1)들의 제1 어레이 주위로 연장되는 반면, 슈라우드 링(950)의 (원통형 또는 원추형 슬리브의 형태의) 제2 부분(951-2)은 로터 블레이드(913-2)들의 제2 어레이 주위로 연장된다.
유리하게는, 베인(967-2)들의 어레이가 슈라우드 링(950) 내에, 특히 슈라우드 링(950)의 (원통형 또는 원추형 슬리브의 형태의) 제3 부분(953) 내에 끼워맞춤된다. 베인(967-2)은 스테이터 베인으로 간주될 수 있다.
본 발명이 가스 터빈(특히 그의 제1 팽창 스테이지들, 더 특히 그의 제1 팽창 스테이지)에 적용되는 것에 대해 구상되었지만, 그것은 또한 증기 터빈에도 잘 적용될 수 있다.
상기의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 제1 실시예, 제2 실시예 및 다른 유사한 터빈은 적어도 그의 작동 동작 동안 터빈 내의 로터와 스테이터 사이의 누출을 제한하는 방법을 구현한다.
도 13은, 적어도 터빈의 동작 동안, 로터 블레이드 팁 주위로부터의 작동 유체의 누출을 제한하기 위한 방법의 실시예의 흐름도(1300)를 예시한다. 방법은 시작 단계(1310) 및 종료 단계(1390)로 시작한다. 이 실시예는 터빈이 로터 블레이드들의 어레이를 갖는 적어도 하나의 로터 휠 및 로터 블레이드들의 어레이 주위로 연장되는 스테이터 케이싱을 포함하며; 더욱이, 스테이터 케이싱은 그의 온도에 의존하는 반경방향 크기를 갖고, 로터 휠은 그의 온도에 의존하는 반경방향 크기를 갖는다고 가정한다.
이 실시예에 따르면, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- (단계 1320) 그의 온도와는 실질적으로 독립적인 반경방향 크기를 갖는 슈라우드 링을 배열하는 단계,
- (단계 1350) 로터 블레이드들의 어레이와 스테이터 케이싱 사이에, 로터 휠을 중심으로 동심으로 슈라우드 링을 위치시키는 단계, 및
- (단계 1360) 특히 슈라우드 링 및/또는 케이싱에 대한 손상 없이, 슈라우드 링의 온도 및 케이싱의 온도와는 독립적으로 결합이 유지되도록 슈라우드 링을 케이싱과 기계적으로 결합시키는 단계;
이 방법에 따르면, 적어도 터빈의 작동 온도에서, 블레이드의 팁 영역은 슈라우드 링의 내측 영역에 밀접하게 근접하거나(예컨대, 약 0.1 내지 약 1.0 mm) 그와 접촉한다.
전형적으로, 전술된 기계적 결합은 슈라우드 링과 케이싱 사이의 반경방향 이동을 허용한다.
슈라우드 링과 케이싱 사이의 기계적 결합은 유리하게는 복수의 키이를 통해 이루어진다.
이 실시예에 따르면, 방법은 다음의 단계들을 추가로 포함할 수 있다:
- (단계 1330) 슈라우드 링의 내측 영역에 마모성 재료의 층을 배열하는 단계, 및
- (단계 1340) 블레이드의 팁 영역에 마모 재료의 층, 또는 마모 재료의 적어도 하나의 장치를 배열하는 단계;
이 경우에, 여기서 적어도 터빈의 작동 온도에서 팁 영역 또는 마모 장치는 마모 재료에 의한 마모성 층의 마모를 통해 슈라우드 링의 내측 영역 내로 부분적으로 침투된다.

Claims (20)

  1. 로터(rotor)(210), 스테이터(stator)(260) 및 슈라우드 링(shroud ring)(250)을 포함하는 터빈(200)으로서,
    상기 로터(210)는 로터 블레이드(rotor blade)(213-1)들의 적어도 하나의 어레이(array)를 포함하고,
    상기 슈라우드 링(250)은 상기 로터 블레이드(213-1)들의 어레이 주위로 연장되고,
    상기 스테이터(260)는 상기 슈라우드 링(250) 주위로 연장되는 케이싱(casing)(261)을 포함하고, 상기 슈라우드 링(250)은 10 μm/m/℃보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되거나 상기 재료를 포함하며,
    상기 터빈(200)은 복수의 반경방향으로 배향된 장치(280-1, 280-2, 280-3, 280-4)들을 더 포함하고,
    상기 로터(210) 및/또는 상기 스테이터(260)는 상기 슈라우드 링(250)의 CTE보다 높은 CTE를 갖는 하나 이상의 재료들로 제조되며,
    상기 슈라우드 링(250)은 슬리브 형태의 제1 환형 내측 부분(251)과 플랜지 형태의 제2 환형 외측 부분(254)을 포함하고, 상기 제2 환형 외측 부분(254)은 복수의 리세스(255)를 구비하고,
    상기 케이싱(261)은 복수의 리세스(262)를 구비하고, 상기 케이싱(261)의 각각의 리세스(262)는 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 대응하는 리세스(255)에 대향하여 마련되고,
    상기 터빈(200)의 동작 동안 상기 케이싱(261)이 열적으로 팽창 및 수축할 때, 상기 케이싱(261)과 상기 슈라우드 링(250) 사이의 반경방향 거리가 변경되도록 그리고 상기 슈라우드 링(250)과 상기 케이싱(261) 사이의 상대적 각도 위치가 고정되도록 상기 복수의 반경방향으로 배향된 장치(280-1, 280-2, 280-3, 280-4) 각각은 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 대응하는 리세스(255) 내에서 그리고/또는 상기 케이싱(261)의 대응하는 리세스(262) 내에서 반경방향으로 활주하도록 배열되고,
    상기 터빈(200)의 동작 동안 상기 슈라우드 링(250)과 상기 케이싱(261) 사이의 상대적 축방향 위치가 고정되도록 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 축방향 양단부가 상기 케이싱(261) 상에 위치되는 것인, 터빈(200).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 축방향 일단부는 상기 케이싱(261)에 마련된 제1 환형 플랜지(272)에 의해 위치되는 것인, 터빈(200).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 축방향 타단부는 상기 케이싱(261)에 지지되는 와셔(277)에 의해 위치되는 것인, 터빈(200).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 반경방향으로 배향된 장치(280-1, 280-2, 280-3, 280-4)들은 키이(key)인 것인, 터빈(200).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 반경방향으로 배향된 장치(280-1, 280-2, 280-3, 280-4) 각각은 상기 케이싱(261)에 고정되고(282), 상기 복수의 반경방향으로 배향된 장치(280-1, 280-2, 280-3, 280-4) 각각은 상기 슈라우드 링(250)의 대응하는 리세스(255) 내에서 반경방향으로 활주하도록 배열되는, 터빈(200).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슈라우드 링(250)은 내측 영역(252)에서 마모성 재료(abradable material)의 층(253)을 포함하는, 터빈(200).
  7. 제6항에 있어서, 상기 어레이의 상기 로터 블레이드(213-1)들 중 하나 이상은 팁 영역(tip region)(214)에서 마모 재료(abrading material)의 층(215) 또는 부분을 포함하는 것인, 터빈(200).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슈라우드 링(250)은 8 μm/m/℃보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되거나 상기 재료를 포함하는 것인, 터빈(200).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슈라우드 링(250)은 6 μm/m/℃보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되거나 상기 재료를 포함하는 것인, 터빈(200).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슈라우드 링(250)은 금속-합금 재료 또는 세라믹 재료로 제조되거나 상기 재료를 포함하는, 터빈(200).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 로터(210) 및 상기 스테이터(260)는 하나 이상의 금속 재료들로 제조되는, 터빈(200).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슈라우드 링(950)은 로터 블레이드(913-1, 913-2)들의 하나의 또는 2개의 또는 3개의 또는 그 초과의 어레이들 주위로 연장되는, 터빈(900).
  13. 제12항에 있어서, 상기 스테이터는 베인(vane)(967-2)들의 적어도 하나의 어레이를 포함하고, 상기 베인(967-2)들은 상기 슈라우드 링(950) 내에 끼워맞춤되는, 터빈(900).
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 터빈 또는 증기 터빈인, 터빈(200).
  15. 터빈(200)의 작동 동작 동안 상기 터빈(200) 내의 로터(210)와 스테이터(260) 사이의 작동 유체(working fluid)의 누출을 제한하는 방법으로서, 상기 터빈은 로터 블레이드(213-1)들의 어레이를 갖는 적어도 하나의 로터 휠(rotor wheel)(212-1) 및 상기 로터 블레이드(213-1)들의 어레이 주위로 연장되는 스테이터 케이싱(261)을 포함하고, 상기 스테이터 케이싱(261)은 자신의 온도에 의존하는 반경방향 크기를 갖고, 상기 로터 휠(212-1)은 자신의 온도에 의존하는 반경방향 크기를 가지며, 상기 방법은,
    - 자신의 온도와는 독립적인 반경방향 크기를 갖는 슈라우드 링(250)을 배열하는 단계(1320),
    - 상기 로터 블레이드(213-1)들의 어레이와 상기 스테이터 케이싱(261) 사이에, 상기 로터 휠(212-1)을 중심으로 동심으로 상기 슈라우드 링(250)을 위치시키는 단계(1350), 및
    - 상기 슈라우드 링의 온도 및 상기 케이싱의 온도와는 독립적으로 결합이 유지되도록 복수의 키이(280)를 통해 상기 슈라우드 링(250)을 상기 케이싱(261)과 기계적으로 결합시키는 단계(1360)로서, 상기 기계적 결합은 상기 슈라우드 링(250)과 상기 케이싱(261) 사이의 반경방향 이동을 허용하는 단계(1360)
    를 포함하며,
    상기 슈라우드 링(250)은 슬리브 형태의 제1 환형 내측 부분(251)과 플랜지 형태의 제2 환형 외측 부분(254)을 포함하고, 상기 제2 환형 외측 부분(254)은 복수의 리세스(255)를 구비하고,
    상기 케이싱(261)은 복수의 리세스(262)를 구비하고, 상기 케이싱(261)의 각각의 리세스(262)는 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 대응하는 리세스(255)에 대향하여 마련되고,
    상기 터빈(200)의 동작 동안 상기 케이싱(261)이 열적으로 팽창 및 수축할 때, 상기 케이싱(261)과 상기 슈라우드 링(250) 사이의 반경방향 거리가 변경되도록 그리고 상기 슈라우드 링(250)과 상기 케이싱(261) 사이의 상대적 각도 위치가 고정되도록 상기 복수의 키이(280) 각각은 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 대응하는 리세스(255) 내에서 그리고/또는 상기 케이싱(261)의 대응하는 리세스(262) 내에서 반경방향으로 활주하도록 배열되고,
    상기 터빈(200)의 동작 동안 상기 슈라우드 링(250)과 상기 케이싱(261) 사이의 상대적 축방향 위치가 고정되도록 상기 제2 환형 외측 부분(254)의 축방향 양단부가 상기 케이싱(261) 상에 위치되고,
    터빈의 작동 온도에서, 상기 어레이의 상기 블레이드(213-1)들의 팁 영역(214)들은 상기 슈라우드 링(250)의 내측 영역(252)에 밀접하게 근접하거나 상기 내측 영역과 접촉하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    - 상기 슈라우드 링(250)의 내측 영역(252)에 마모성 재료의 층(253)을 배열하는 단계(1330), 및
    - 상기 어레이의 상기 로터 블레이드(213-1)들의 팁 영역(214)들에 마모 재료의 층(215)들 또는 마모 재료의 장치를 배열하는 단계(1340)를 추가로 포함하며,
    상기 터빈의 작동 온도에서, 상기 팁 영역(214)들 또는 상기 장치들은 상기 내측 영역(252) 내로 부분적으로 침투되는, 방법.
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