KR20010096516A - 가스 터빈용 노즐 세그먼트와 그 밴드의 냉각 방법 - Google Patents

가스 터빈용 노즐 세그먼트와 그 밴드의 냉각 방법 Download PDF

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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
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Abstract

가스 터빈 노즐 세그먼트(10)는 외부 및 내부 밴드부(12, 14)를 가진다. 각각의 밴드는 측벽(40), 덮개(20) 및 충돌판의 대향 측부상에 2개의 캐비티를 형성하는 덮개와 노즐 벽(18) 사이의 충돌판(26)을 가진다. 냉각 증기가 충돌판(22)의 개구(30)을 통해 유동하여 노즐 벽(18)을 냉각시키는 일 캐비티(24)에 공급된다. 밴드의 측벽(40)과 선회 플랜지(42)는 노즐 벽과 함께 하부 절단부(44)를 형성한다. 선회 플랜지는 냉각 증기를 지향시키는 복수개의 개구(56)를 가져서 인접한 노즐 세그먼트 사이에 측벽을 냉각한다.

Description

가스 터빈용 노즐 세그먼트와 그 밴드의 냉각 방법{APPARATUS AND METHODS FOR IMPINGEMENT COOLING OF AN UNDERCUT REGION ADJACENT A SIDE WALL OF A TURBINE NOZZLE SEGMENT}
본 발명은 가스 터빈 노즐 밴드 하부 절단부의 충돌 냉각에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐 세그먼트 덮개와 노즐 벽 사이의 용접 결합부가 고온 가스 경로에 노출되는 노즐 벽으로부터 멀리 떨어지는 디자인의 노즐 밴드 에지의 충돌 냉각에 관한 것이다.
종래의 가스 터빈 설계에 있어서, 노즐 세그먼트는 보통 터빈의 회전축을 중심으로 환상 어레이로 배열된다. 세그먼트 어레이는 내외부의 환상 밴드와 이들 사이에 연장되는 복수개의 베인을 형성한다. 밴드와 베인은 부분적으로 가스 터빈을 관통하는 고온 가스 경로의 일부분을 형성한다. 각각의 노즐 세그먼트는 내외부 밴드부와 이들 사이에 연장된 하나 또는 그 이상의 노즐 베인을 포함한다. 종래의 가스 터빈 장치에 있어서, 냉각 매체 예컨대 증기가 노즐 세그먼트 각각에 공급된다. 증기 냉각을 달성하기 위해서, 각각의 밴드부는 터빈을 관통하는 고온 가스 경로를 부분적으로 형성하는 노즐 벽과, 노즐 벽과 함께 챔버를 형성하는 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격된 덮개와, 챔버안에 배치된 충돌판을 갖는다. 충돌판의 일단부는 커버와 함께 제 1 캐비티를 형성하여 냉각 증기 유입구로부터 냉각 증기를 수납한다. 충돌판의 대향 측부는 대향 측부를 따라 노즐 벽과 함께 제 2 캐비티를 형성한다. 충돌판은 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해서 냉각 증기를 유동시키기 위한 복수개의 개구을 가진다. 냉각 증기는 베인의 캐비티로부터 반경방향 내측으로 유동하며, 베인중 하나는 베인의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 개구을 갖는 인서트를 갖는다. 냉각 증기는 내부 밴드부의 챔버에 도입되며 충돌판의 반경방향 외측으로 유동하도록 그 흐름 방향을 역전시켜서 내부 밴드의 노즐 벽을 충돌 냉각한다.
내외부 밴드 각각에 제공된 덮개는 바람직하게는 대응 노즐 벽에 용접 결합된다. 이러한 종래의 디자인에 있어서, 덮개와 노즐 벽 사이의 용접 결합부는 노즐 벽과, 인접한 노즐 세그먼트의 측벽 사이의 스플라인 밀봉 사이에 반경방향으로 배치되어 있다. 이 위치에 있어서, 용접부는 고온 가스 유동 경로의 고온 가스에 노출되어 냉각하기가 매우 어렵다. 따라서, 용접 결합부의 피로 수명은 고온 가스 경로에 인접함으로써 상당히 감소되었다. 게다가, 이 용접부의 위치는 제조 반복성이 적어서 최적이 아니며 제조 공차가 너무 작았다. 이 용접 결합부는 벽 두께가 변하는 것을 특징으로 하며 결합부의 응력이 증가하면, 부품의 저 싸이클 피로가 감소하며 수명이 제한된다. 기계가공후 용접부의 벽 두께는 제조 공정에서 견딜 수 있을 만큼 가변적여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉각 시스템은 덮개와 노즐 벽 사이의 용접 결합부가 고온 가스 경로에 노출되는 노즐 벽으로부터 떨어진 스플라인 밀봉 측부상에 있는 노즐 세그먼트 디자인으로 제공된다. 즉, 덮개부와 외부 밴드의 노즐 벽 사이의 용접 결합부는 인접한 외부 밴드 사이에서 스플라인 밀봉부의 반경방향 외측으로 배치되며, 덮개와 내부 밴드의 노즐 벽 사이의 용접 결합부는 인접한 내부 밴드 사이에서 스플라인 밀봉부의 반경방향 내측에 배치된다. 이것은 터빈작동중 용접 결합부의 온도를 감소시키며, 결합부를 가로질러 열적 및 기계적 응력을 감소시키며, 용접후 기계 가공의 필요성을 제거하여 일정한 두께와 피로 수명이 증가한 결합부를 가져온다. 이 위치는 또한 기계가공성을 향상시키며 용접에 대해서 공차를 허용한다.
이러한 용접 위치를 제공하기 위해서, 노즐 세그먼트 밴드의 측벽에 인접한 하부 절단부가 형성된다. 특히, 이러한 하부 절단부는 노즐 세그먼트의 측벽 또는 에지와, 노즐 벽에 거의 평행하고 이로부터 내측으로 연장되며 노즐 벽으로부터 이격된 선회 플랜지를 가진다. 노즐 밴드 측벽 또는 에지를 냉각하는 것은, 측벽 또는 에지를 충돌판으로부터 상당한 거리만큼 떨어진 하부 절단부보다 꽤 어려우며 노즐 세그먼트의 측벽을 충돌 냉각하는 효과도 감소한다.
본 발명에 따르면, 측벽 제조 및 냉각이 개선된다. 특히, 터빈으로부터의 고온 가스 경로에서 멀리 이격된 덮개와 노즐 벽 사이에 용접 결합부를 가지면, 냉각 증기 흐름의 횡단 거리를 감소시키기 위해서, 밴드 측벽의 선회 플랜지를 통해서 예컨대 밴드를 형성하는 캐스팅을 통해서 직접 개구를 충돌 냉각하기 때문에 측벽 냉각이 개선된다. 따라서, 충돌판의 고정용 인터페이스가 노즐 측벽에 기계가공된 후, 충돌 개구이 선회 플랜지로부터 형성될 수도 있다. 결과적으로, 충돌판은 선회 플랜지에 용접되어 그 대향 측부에 캐비티 또는 플레넘을 형성한다. 노즐 측벽 및 하부 절단부의 충돌 냉각은 충돌판과 선회 플랜지 양자의 개구으로 냉각 매체를 통과시킴으로써 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예는 가스 터빈용으로, 외부 및 내부 밴드부와, 이들 사이에 연장된 적어도 하나의 베인을 갖는 노즐 세그먼트로서, 적어도 하나의 밴드부는 터빈을 관통하는 고온 가스 경로를 부분적으로 이루는 노즐 벽과, 노즐 벽과 함께 챔버를 형성하도록 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격된 덮개와, 충돌판의 일측부가 상기 덮개와 함께 냉각 매체를 수납하는 제 1 캐비티를 형성하고, 대향 측부가 노즐 벽과 함께 제 2 캐비티를 형성하며, 챔버내에 배치되는 충돌판을 포함하는 노즐 세그먼트에 있어서, 상기 충돌판은 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해서 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수개의 개구을 가지며, 상기 노즐 세그먼트는 노즐 벽과 덮개 사이에서 거의 반경방향으로 연장되는 측벽과, 측벽을 따라 연장되는 하부 절단부를 형성하며 제 2 캐비티의 일부를 형성하는 선회 플랜지와, 제 1 캐비티로부터 하부 절단부의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수개의 개구를 갖는 노즐 세그먼트가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 가스 터빈용으로, 외부 및 내부 밴드부와, 이들 사이에 연장된 적어도 하나의 베인을 갖는 노즐 세그먼트로서, 적어도 하나의 밴드부는 터빈을 관통하는 고온 가스 경로를 부분적으로 이루는 노즐 벽과, 노즐 벽과 함께 챔버를 형성하도록 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격된 덮개와, 충돌판의 일측부가 상기 덮개와 함께 냉각 매체를 수납하는 제 1 캐비티를 형성하며, 대향 측부가 노즐 벽과 함께 제 2 캐비티를 형성하며, 챔버내에 배치되는 충돌판을 포함하며, 상기 충돌판은 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해서 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수개의 개구을 가지며, 상기 노즐 세그먼트는 노즐 벽과 덮개 사이에서 거의 반경방향으로 연장되는 측벽과, 측벽에 인접하여 연장되는 하부 절단부를 형성하는 노즐 세그먼트의 일 밴드의 측벽을 냉각하는 방법은 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 선회 플랜지와, 복수개의 개구을 통해 냉각매체를 유동시키고 제 1 캐비티로부터 하부 절단부의 측벽을 충돌 냉각하기 위해서 냉각 매체를 지향시키는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 노즐 세그먼트의 개략적인 확대 사시도,
도 2는 인접한 노즐 세그먼트의 측벽 사이의 결합을 확대 도시한 단면도로서, 덮개/노즐 캐스팅 용접 결합부와 충돌 냉각 개구이 부가 도시된 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *
10 : 노즐 세그먼트 12, 14 : 외부 및 내부 밴드부
16 : 베인 22 : 충돌판
24, 26 : 제 1 및 제 2 캐비티 40 : 노즐의 측벽
44 : 하부 절단부 46 : 선회 플랜지
56 : 개구
이제 도면 특히, 도 1을 참조하면, 가스 터빈의 회전축을 중심으로 환상 어레이 세그먼트의 일부를 형성하는 노즐 스테이지 세그먼트(10)가 도시되어 있다. 각각의 노즐 세그먼트(10)는 외부 밴드부(12), 내부 밴드부(14), 이들 사이에서 각각 연장되는 하나 또는 그 이상의 베인(16)을 포함한다. 노즐 세그먼트의 환상 어레이에 있어서, 내외부 밴브부(14, 12)와 베인(16)은 종래와 마찬가지로 환상 고온 가스 통로를 규정한다.
내외부 밴드와 베인은 냉각 매체 예컨대 증기를 외부 밴드(12)의 챔버와, 베인의 캐비티를 통해서 반경방향 내측으로, 내부 밴드(14)의 챔버를 통해서 베인의 반경방향 외측으로 냉각 매체를 복귀시켜서 외부 밴드의 유출구까지 유동시킴으로써 냉각된다. 특히 도 1을 참조하면, 외부 밴드부(12)는 노즐 벽(18)과, 이와 용접되어 그 위에 배치되는 외부 덮개(20)를 가져서 챔버(21)를 형성하며(도 2) 챔버(21)안에 충돌판(22)이 배치된다. 충돌판(22)은 노즐 세그먼트와 함께 제 1 캐비티(20)를 형성하며, 그 대향 측부에서 노즐 벽(12)과 함께 제 2 캐비티(26)를형성한다. 냉각 매체 유입구와 유출구(25, 27)는 각기 덮개를 통해 냉각 매체 예컨대 증기를 노즐 베인 세그먼트로 공급하여 세그먼트로부터 폐 냉각 증기를 배출하게 한다. 냉각 증기는 충돌판(22)의 복수개의 개구(30)를 관통하여 제 1 캐비티(24)에 공급되어 측벽(18)을 충돌 냉각한다. 충돌 냉각 증기는 제 2 캐비티(26)로부터 내외부 밴드 사이의 베인을 통해 연장되는 캐비티내의 하나 또는 그 이상의 인서트(도시안함)로 유동한다. 베인 인서트는 베인의 측벽을 충돌 냉각하기 위해서 복수개의 개구를 가진다. 냉각 증기는 내부 밴드(14)의 챔버로 유동하여 특히 캐비티의 반경방향 최내측으로 유동하여 내부 밴드의 충돌판의 개구를 통해서 내부 밴드의 측벽을 충돌 냉각한다. 폐 냉각 증기는 베인의 캐비티를 통해서 외부 밴드의 배기부로 유동한다. 전술한 냉각 회로의 실시예에 대한 상세한 설명에 관해서 본 명세서에 참고로 인용된 미국 특허 제 5,634,766을 참조한다.
도 2를 참조하면, 인접한 노즐 세그먼트 사이에 결합부가 있다. 이하의 설명이 외부 밴드(12)를 참조로 설명되었지만, 이것은 내부 밴드(14)와 동일하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 각각의 노즐 밴드(내외부 배드 모두)는 노즐 벽(18)과 덮개(20) 사이에 거의 반경방향으로 연장되는 노즐 측벽 또는 에지(40)를 가진다. 밴드는 또한 노즐 벽(18)으로부터 이격된 선회 플랜지(42)를 가지며, 벽(18)과 측벽 또는 에지(40)로 하부 절단부(44)를 형성한다. 선회 플랜지(42)는 원주방향으로 개방된 슬롯(46)을 가져서 인접한 노즐 세그먼트 사이에 밀봉부를 형성하는 스플라인(48)의 일 에지를 수납한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 덮개(20)는 노즐 밴드의 대향 에지를 따라 선회플랜지(42)에 용접된다. 또한, 용접 결합부(50)는 노즐 측벽(18)으로부터 이격된 스플라인 밀봉부(48)의 측부상에 배치된다. 노즐 벽(18)에 의해서 부분적으로 형성된 고온 가스 경로로부터 멀리 용접 결합부(50)를 배치함으로써, 용접 결합부(50)는 고온 가스 경로에 근접 위치된 경우보다 훨씬 저온을 받는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 선회 플랜지(42)의 내측면에 브레이징 또는 용접되도록 대향 가장자리를 따라 선회 플랜지(52)를 가진다. 개구(30)이 충돌판의 각각의 선회 플랜지(52)에 배치되며, 최근접 개구(30)과 하부 절단부(44)의 측벽 또는 에지(40) 사이에 상당한 거리가 있다는 것을 알 수 있다. 이 거리가 크면, 충돌 냉각 효과가 감소된다.
하부 절단부 영역을 따라 측벽 또는 에지(40)를 효과적으로 충돌 냉각하기 위해서, 복수개의 개구(56)이 제 1 및 제 2 캐비티 사이에서 연통하도록 선회 플랜지(42)를 통해서 이들을 따라 형성된다. 그러나, 개구(56)이 지향되어 개구(56)을 통해서 유동하는 충돌 냉각 증기에 의해서 측벽 또는 에지(40)가 타겟 냉각하는 길이대 직경비를 갖는다. 전술한 바와 같이, 노즐 밴드(12, 14)의 대향 측부를 따른 개구(56)과 측벽 또는 에지(40) 사이의 유동 거리는 선회 플랜지(42)에 개구(56)을 배치함으로써 상당히 감소된다. 측벽 또는 에지(40)에 냉각 증기를 직접 유동시키는 길이 대 폭 비가 큰 타켓 개구(56)에 의해서 냉각이 향상된다.
본 발명이 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예에 제한되는 것이 아니라, 청구범위의 정신 및 보호 범위내에 포함되는 다양한 변형예 또는 수정예를 포함하도록 의도된다..
본 발명은 기계적 응력을 감소시키며, 용접후 기계 가공의 필요성을 제거하여 일정한 두께와 피로 수명이 증가한 결합부를 가져온다. 이 위치는 또한 기계가공성을 향상시키며 용접에 대해서 공차를 허용한다.

Claims (13)

  1. 가스 터빈용으로, 외부 및 내부 밴드부(12, 14)와, 이들 사이에 연장된 적어도 하나의 베인(16)을 갖는 노즐 세그먼트(10)로서, 적어도 하나의 밴드부는 터빈을 관통하는 고온 가스 경로를 부분적으로 이루는 노즐 벽(18)과, 노즐 벽과 함께 챔버(21)를 형성하도록 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격된 덮개(20)와, 충돌판(22)의 일측부가 상기 덮개와 함께 냉각 매체를 수납하는 제 1 캐비티(24)를 형성하며, 대향 측부가 노즐 벽과 함께 제 2 캐비티(26)를 형성하며, 챔버내에 형성된 충돌판을 포함하는 노즐 세그먼트에 있어서,
    상기 충돌판은 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해서 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수개의 개구(30)을 가지며, 상기 노즐 세그먼트는 노즐 벽과 덮개 사이에서 거의 반경방향으로 연장되는 측벽(40)과, 측벽을 따라 연장되는 하부 절단부(44)와, 제 2 캐비티의 일부를 형성하는 선회 플랜지(42)와, 제 1 캐비티로부터 하부 절단부의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수개의 개구(56)를 갖는 노즐 세그먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌판은 상기 측벽의 선회 플랜지에 고정된 선회 에지(52)를 가지며, 상기 충돌판은 통한 개구은 상기 선회 에지를 통해 연장되는 노즐 세그먼트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 충돌판의 선회 에지는 반경방향으로 거의 연장되는 노즐 세그먼트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 측벽과 상기 덮개는 상기 노즐 벽으로부터 떨어진 충돌판의 측부상의 용접 결합부(50)에서 서로 용접되는 노즐 세그먼트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽은 스플라인 밀봉부(48)를 수납하기 위해서 상기 세그머트의 외측으로 개방된 슬롯(46)을 가지며, 상기 측벽과 상기 덮개는 상기 슬롯의 외측의 용접 결합부에서 서로 용접되는 노즐 세그먼트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌판은 상기 측벽의 선회 플랜지(42)에 고정된 선회 에지(52)를 가지며, 상기 개구(30)은 상기 충돌판을 통해서 그 선회 에지(52)로 연장되며, 상기 노즐 측벽(40)과 상기 덮개(20)는 상기 노즐 벽으로부터 이격된 상기 충돌판의 측부상의 용접 결합부에서 서로 용접되는 노즐 세그먼트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 충돌판의 선회 에지는 거의 반경방향으로 연장되는 노즐 세그먼트.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 측벽은 스플라인 밀봉부(48)를 수납하기 위해서 상기 세그먼트의 외측으로 개방된 슬롯(46)을 가지며, 상기 측벽과 덮개는 상기 슬롯 외측의 용접 결합부에서 서로 용접되는 노즐 세그먼트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 일 밴드는 상기 노즐 세그먼트의 외부 밴드(12)를 포함하는 노즐 세그먼트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 일 밴드는 상기 노즐 세그먼트의 내부 밴드(14)를 포함하는 노즐 세그먼트.
  11. 가스 터빈용으로, 외부 및 내부 밴드부(14, 12)와, 이들 사이에 연장된 적어도 하나의 베인(16)을 갖는 노즐 세그먼트로서, 적어도 하나의 밴드부는 터빈을 관통하는 고온 가스 경로를 부분적으로 이루는 노즐 벽(18)과, 노즐 벽과 함께 챔버(21)를 형성하도록 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격된 덮개(22)와, 충돌판의 일측부가 상기 덮개와 함께 냉각 매체를 수납하는 제 1 캐비티(24)를 형성하며, 대향 측부가 노즐 벽과 함께 제 2 캐비티(26)를 형성하고, 챔버내에 배치되는 충돌판(22)을 포함하는 노즐 세그먼트로서, 상기 충돌판(22)은 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해서 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수개의 개구(30)을 가지며, 상기 노즐 세그먼트는 노즐 벽(18)과 덮개(20) 사이에 거의 반경방향으로 연장되는 측벽(40)과, 측벽을 따라 연장되는 하부 절단부(44)와, 제 2 캐비티의 일부를 형성하는 선회 플랜지(42)를 갖는 노즐 세그먼트의 일 밴드를 냉각하는 방법에 있어서,
    상기 제 1 캐비티로부터 제 2 캐비티로 상기 선회 플랜지를 통해서 복수개의 개구(56)을 통해 냉각 매체를 유동시키는 단계와,
    상기 제 1 캐비티로부터 냉각 매체를 지향시켜서 하부 절단부의 측벽을 충돌 냉각하는 단계를 포함하는 일 밴드의 측벽 냉각 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 충돌판은 상기 측벽의 선회 플랜지에 고정된 선회 에지(52)를 가지며 냉각 매체를 상기 제 1 캐비티로부터 상기 충돌판의 선회 에지를 통해 유동시키는 단계를 포함하는 일 밴드의 측벽 냉각 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 선회 플랜지의 개구과, 일 밴드의 측벽을 직접 충돌 냉각시키기 위해서 거의 횡방향으로 연장되는 선회 에지를 통해 냉각 매체의 흐름을 지향시키는 단계를 포함하는 일 밴드의 측벽 냉각 방법.
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