KR20010096523A - 노즐 세그먼트 제조 방법 - Google Patents

노즐 세그먼트 제조 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 노즐 세그먼트(10)는 외측 및 내측 밴드(12, 14)와 그 사이에서 연장된 베인(16)를 갖는다. 각 밴드는 측벽(40), 덮개(20) 및 덮개와 노즐 벽 사이의 충돌 플레이트를 가지며, 충돌 플레이트의 양측에 두 개의 공동(24, 26)을 형성한다. 냉각 증기가 일 공동에 공급되어 노즐 벽을 냉각시키도록 충돌 플레이트의 개구(30)를 통해 유동한다. 밴드의 측벽은 노즐 벽(18)과 함께 언더컷 영역(44)을 형성하는 내곡 플랜지(40)를 갖는다. 측벽의 외측 표면에는 덮개를 측벽에 용접하기 전에 스텝(60)이 제공된다. 열 방벽 코팅(64)이 스텝 내에 도포되고, 덮개가 측벽에 용접된 후, 측벽은 코팅을 전부 또는 일부 제거하거나 또는 전혀 제거하지 않음으로써 조절된 두께로 최종 가공된다.

Description

노즐 세그먼트 제조 방법{A METHOD OF CONTROLLING THE SIDE WALL THICKNESS OF A TURBINE NOZZLE SEGMENT FOR IMPROVED COOLING}
본 발명은 노즐 세그먼트(segment) 덮개와 노즐 측벽 사이의 용접 이음매가 고온 가스 통로에 노출된 노즐 벽과 이격된 형태에서 가스 터빈 노즐 밴드(band) 측벽의 충돌(impingement) 냉각에 관한 것으로, 특히 냉각을 촉진하기 위해 노즐 밴드의 측벽 두께를 조절하는 방법에 관한 것이다.
현재의 가스 터빈 형태에 있어서, 노즐 세그먼트는 전형적으로 터빈의 회전축에 대하여 환형 배열로 배치된다. 세그먼트 배열은 외측 및 내측의 환형(annular) 밴드를 형성하며 다수의 베인이 밴드사이로 연장된다. 밴드와 베인은 부분적으로 가스 터빈을 통과하는 고온 가스 통로를 규정한다. 각 노즐 세그먼트는 외측 밴드 부분과 내측 밴드 부분 및 외측과 내측 밴드 부분 사이로 연장된 하나 또는 다수의 노즐 베인으로 이루어진다. 현재의 가스 터빈 형태에서는, 냉각 매체(예를 들면, 증기)가 각 노즐 세그먼트에 공급된다. 증기 냉각을 수용하기 위해, 각 밴드 부분은 터빈을 통과하는 고온 가스 통로를 부분적으로 규정하는 노즐 벽과 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격되어 노즐 벽과 함께 챔버를 규정하는 덮개와 챔버 내에 배치된 충돌 플레이트를 포함한다. 충돌 플레이트는 그 일측면이덮개와 함께 냉각 증기 입구로부터 냉각 증기를 수용하는 제 1 공동을 규정한다. 충돌 플레이트는 또한 반대 측면을 따라 노즐 벽과 함께 제 2 공동을 규정한다. 충돌 플레이트는 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해 제 1 공동으로부터 제 2 공동으로 냉각 증기를 유동시키기 위한 다수의 개구를 갖는다. 그 때 냉각 증기는 베인 내의 공동을 통하여 반경방향 내측으로 유동하며, 일부 베인은 베인 측벽을 충돌 냉각시키기 위한 개구를 구비한 삽입체를 포함한다. 그 후 냉각 증기는 내측 밴드 부분 내의 챔버로 유입되어 유동 방향이 반대로 되고 충돌 플레이트를 통과하여 반경방향 외측으로 유동하여 내측 밴드의 노즐 벽을 충돌 냉각시킨다. 사용된 냉각 매체는 베인 내의 공동을 통하여 노즐 세그먼트의 배기구로 유동한다.
각 외측 및 내측 밴드 부분에 제공된 덮개는 상응하는 노즐 측벽에 용접되는 것이 바람직하다. 종래의 형태에서는, 덮개와 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 노즐 벽과 인접한 노즐 세그먼트의 측벽 사이의 스플라인 시일(spline seal) 사이의 반경방향 위치에 배치된다. 그러한 위치에서는, 용접부는 고온 가스 통로 내의 고온 가스에 노출되어 냉각시키기가 매우 어렵다. 그러므로, 용접 이음매의 피로 수명은 고온 가스 통로와의 근접성으로 인해 현저하게 감소한다. 또한, 용접부의 위치는 반복적으로 제조하기에 적합하지 않고 제조 공차에 매우 민감하다. 용접 이음매는 이음매에서의 응력을 증가시키고 저주기 피로(low cycle fatigue)를 감소시키고 부품의 수명을 제한하는 가변 벽 두께를 특징으로 한다. 가공후 용접부에서의 벽 두께는 또한 제조 공정중에 용인될 수 없는 변수이다.
현재의 노즐 세그먼트 형태에 있어서, 덮개와 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 고온 가스 통로에 노출된 노즐 벽으로부터 떨어진 스플라인 시일의 일 측에 있다. 즉, 덮개와 외측 밴드 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 인접한 외측 밴드 사이의 스플라인 시일의 반경방향 외측에 위치되는 반면에 덮개와 내측 밴드 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 인접한 내측 밴드 사이의 스플라인 시일의 반경방향 내측에 위치된다. 이에 의해 터빈 작동 중에 용접 이음매의 온도가 감소되고 이음매에 걸친 열 및 기계적 응력이 감소되며 용접후 기계가공에 대한 필요성이 제거되고 일정한 두께와 보다 긴 피로 수명을 갖는 이음매가 생성된다. 위치가 또한 향상된 기계가공성 및 용접 결점에 대한 허용 공차를 제공한다.
그러한 용접 위치를 제공하기 위하여, 노즐 세그먼트 밴드의 측벽에 인접한 언더컷(undercut) 영역이 형성된다. 특히 각 언더컷 영역은 노즐 세그먼트의 측벽 또는 에지와, 노즐 벽으로부터 내측으로 대체로 노즐 벽에 평행하게 연장되고 노즐 벽으로부터 이격된 내곡(inturned) 플랜지를 포함한다. 그러나 충돌 플레이트로부터 측벽 또는 에지를 상당한 거리만큼 이격시켜 세그먼트 측벽에 대한 충돌 냉각 효율을 감소시키는 언더컷 영역 때문에, 노즐 밴드 측면 또는 가장자리를 냉각하는 것은 매우 어렵다.
본 발명에 따르면, 향상된 측벽 제조와 냉각이 제공된다. 특히, 터빈을 통과하는 고온 가스 통로로부터 이격된, 덮개와 노즐 측벽 사이의 용접 이음매에 의해, 측벽 두께를 매우 엄격한 공차로 제어함으로써 측벽 냉각이 촉진된다. 위의기술내용으로부터 인식된 바와 같이, 각 노즐 세그먼트의 측벽은, 언더컷 영역 내의 큰 충돌 갭(gap)(즉, 측벽에 가장 가까운 충돌 플레이트의 개구와 측벽 사이의 상당한 거리)으로 인해 냉각하기가 어렵다. 측벽 또한 제조 공정에 강하지 않다. 이 형태는 노즐 세그먼트에 대한 주조 공정과 용접 또는 세그먼트 공정 도중 발생할 수 있는 다른 비틀림에 매우 의존한다. 측벽 두께가 너무 두껍다면, 세그먼트 상의 증가된 열변형으로 인해 감소된 저주기 피로가 나타난다. 노즐 세그먼트의 이 영역 또는 다른 영역에 증가된 응력이 또한 나타날 것이다. 후-주조(post-cast) 가공 작업이 벽을 너무 두껍게 혹은 얇게 하거나 심지어 벽 부분을 제거하기 때문에 다양한 측벽 두께 또한 문제가 된다. 벽이 너무 두꺼우면, 세그먼트 재가공은 통상적으로 허용되지 않으며 세그먼트는 상당히 감소된 부품 수명을 갖게 된다. 또한, 벽 두께가 너무 두꺼워진다면 그 부품은 사용될 수 없다. 두꺼운 벽과 유사하게, 얇은 벽은 응력을 측벽의 위치에서 증가시키거나 다른 세그먼트의 다른 영역에서 증가시킨다. 결론적으로, 측벽 두께는 설계 매개변수 내에서 적절한 냉각을 유지하도록 매우 엄격한 공차 내에서 유지되어야 함이 밝혀졌다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 노즐 세그먼트의 측벽 두께는 덮개를 노즐 세그먼트에 용접하기 전에 그 외측 표면을 따라서 각 노즐 측벽 내에 스텝(step)을 바람직하게 사전가공 함으로써 조절된다. 측벽 내의 스텝은 측벽의 내부 표면 위치를 기초로 한다. 즉, 가공에 대한 데이터는 내벽 표면이다. 열 방벽 코팅(thermal barrier coating:TBC)은 사전 가공된 표면을 지나 마스킹(masking) 함으로써 스텝 내에서 상대적으로 두꺼운 층으로 도포된다. 덮개를 노즐 세그먼트에 용접한 다음에 측벽이 최종 가공된다. 즉, 열 방벽 코팅이 가공되어 최종 가공후 사전 결정된 측벽 두께를 제공하는 제조 공차에 대한 버퍼(buffer) 및 수용부로서 작용된다. 그러므로, 노즐 세그먼트의 주조된 측벽이 공차의 범위를 벗어나고 가공 후 열 방벽 코팅이 두껍다면, 열 방벽 코팅이 금속을 통과하는 열 구배를 감소시키므로, 열 방벽 코팅은 측벽에 추가된 보호를 제공한다. 공차를 벗어난 측벽 성형으로 인해 최종 가공후 열 방벽 코팅이 사전가공된 스텝을 따라서 상대적으로 매우 얇거나 존재하지 않는다면, 공동의 정화(즉, 충돌 냉각)와 벽 두께를 알고 있다는 사실로 인해 이점 또한 수용된다. 따라서, 제조 공정은 세그먼트의 저주기 피로를 크게 향상시키고 공차 범위 밖의 부품 때문에 세그먼트를 스크랩(scrap)할 필요성을 감소시키는 매우 제어된 벽 두께를 제공하기 위하여 제조 공차를 흡수하거나 수용하는 수단으로서 열 방벽 코팅을 제공한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 노즐 밴드와 그 사이로 연장된 베인을 갖는 노즐 세그먼트를 제조하는 방법으로서, 노즐 밴드는 노즐 세그먼트가 가스 터빈 내에서의 사용을 목적으로 조립될 때 서로 인접한 측벽을 갖는 방법에 있어서, 각 노즐 밴드의 적어도 하나의 측벽에 열 방벽 코팅을 도포하는 단계와, 열 방벽 코팅이 세그먼트의 제조 공차를 수용하는 버퍼로서 작용하도록 하나의 측벽을 가공하여 노즐 세그먼트 측벽 두께를 조절하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따라 조립된 노즐 세그먼트의 개략적인 분해 사시도,
도 2는 인접한 노즐 세그먼트의 측벽을 따른 열 방벽 코팅의 위치를 도시하고 인접한 노즐 세그먼트의 측벽 사이의 이음매를 보여주는 확대된 부분 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 노즐 세그먼트 12 : 외측 밴드
14 : 내측 밴드 16 : 베인
18 : 외측 노즐 벽 20 : 외측 덮개
21 : 챔버 22 : 충돌 플레이트
24 : 제 1 공동 26 : 제 2 공동
25 : 입구 포트 27 : 출구 포트
30 : 개구 40 : 노즐 측벽 또는 에지
42 : 내곡 플랜지 44 : 언더컷 영역
46 : 개방 슬롯 48 : 스플라인
50 : 용접 이음매 52 : 구부러진 에지
54 : 냉각 천공 64 : 열 방벽 코팅
도 1을 참조하면, 가스 터빈 축 주위에 배치된 환형 배열의 세그먼트 일부를 형성하는 노즐 세그먼트(10)가 도시되어 있다. 각 노즐 세그먼트는 외측 밴드(12), 내측 밴드(14) 및 밴드 사이에서 연장된 하나 또는 그 이상의 베인(16)을 포함한다. 노즐 세그먼트가 환형 배열로 배치될 때, 외측 및 내측 밴드(12, 14) 와 베인(16)은 종래의 구성에서와 같이 가스 터빈을 통과하는 환형 고온 가스 통로를 부분적으로 규정한다.
외측 및 내측 밴드와 베인은, 냉각 매체(예컨대, 증기)를 외측 밴드(12)의 챔버를 통과하고, 베인 내의 공동을 통해 반경방향 내측으로 내측 밴드(14)의 챔버를 통과하고, 외측 밴드를 따른 배출구로 냉각 매체를 복귀시키기 위해 베인을 통해 반경방향 외측으로 유동시킴으로써 냉각된다. 특히 도 1을 참조한 예로서, 외측 밴드(12)는 외측 노즐 벽(18)과 외측 벽(18) 위에 배치되고 그에 용접되어 그들 사이에 챔버(21)(도 2에 도시됨)를 규정하는 외측 덮개(20)와 챔버(21)에 배치된 충돌 플레이트(22)를 포함한다. 충돌 플레이트(22)는 노즐 세그먼트 덮개(20)와 함께 제 1 공동(24)을 규정하고 그 반대측에서, 노즐 벽(18)과 함께 제 2 공동(26)을 규정한다. 냉각 매체 입구 포트(25) 및 출구 포트(27)는 각각 덮개를 통해 노즐 베인 세그먼트에 냉각 매체(예컨대, 증기)를 공급하고 세그먼트로부터 사용된 냉각 매체를 배출시키기 위해 제공된다. 냉각 증기는 노즐 벽(18)의 충돌 냉각을 위해 충돌 플레이트(22) 내의 다수의 개구를 통과하도록 제 1 공동(24)에 공급된다. 충돌 냉각 증기는 제 2 공동(26)으로부터 외측 및 내측 밴드 사이에서 베인을통하여 연장된 공동 내의 하나 또는 그 이상의 삽입체(도시되지 않음) 내로 유동한다. 베인 삽입체는 베인 측벽의 충돌 냉각을 위한 다수의 개구를 포함한다. 그 후 냉각 증기는 내측 밴드(14)의 챔버 내로 특히 반경방향의 최내측 공동 내로 유동하며 내측 밴드의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 내측 밴드 내의 충돌 플레이트의 개구를 통해 유동한다. 그 후 사용된 냉각 증기는 베인 내의 공동과 외측 밴드의 배출구를 통하여 유동한다. 전술한 냉각 회로(circuit)의 실시예에 대한 상세한 설명에 대해서는 미국 특허 제 5,634,766 호를 참조하기 바라며, 상기 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다.
도 2를 참조하면 인접한 노즐 세그먼트 사이의 연결부가 도시되어 있다. 하기 설명이 외측 밴드(12)에 관하여 특정되지만, 이것은 내측 밴드(14)에 동등하게 적용될 수 있음을 인식할 것이다. 그러므로, 각 노즐 밴드(내측 및 외측 밴드)는 노즐 벽(18)과 덮개(20) 사이에서 대체로 반경방향으로 연장된 노즐 측벽 또는 에지(40)를 포함한다. 밴드는 또한 노즐 벽(18)으로부터 이격된 내곡 플랜지를 포함하고 벽(18) 및 측벽 또는 에지(40)와 함께 언더컷 영역(44)을 규정한다. 내곡 플랜지(42)는 또한 인접한 노즐 세그먼트 사이의 시일을 형성하는 스플라인(48)의 일 에지를 수용하기 위한 원주방향으로 개방된 슬롯(46)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 덮개(20)는 노즐 밴드의 대향 에지를 따라서 내곡 플랜지(42)에 용접된다. 또한, 용접 이음매(50)는 노즐 벽(18)으로부터 떨어진 스플라인 시일(48)의 측에 놓인다. 노즐 벽(18)에 의해 부분적으로 규정된 고온 가스 통로로부터 용접 이음매(50)를 떨어뜨려 위치시킴으로써, 용접 이음매(50)는 고온 가스 통로에 보다 근접하게 위치되는 경우 보다 훨씬 더 낮은 온도를 받는다. 또한 내곡 플랜지(42)의 내부 표면에 납땜 또는 용접하기 위해 대향 가장자리를 따라서 구부러진 에지(52)를 갖는 충돌 플레이트(22)가 도 2에 도시된다. 개구(30)가 충돌 플레이트의 각 구부러진 에지(52)에 위치되지만, 가장 가까운 개구(30)와 언더컷 영역(44) 내의 측벽 또는 에지(40) 사이에 상당한 거리가 있음이 인식될 것이다. 이 큰 거리가 충돌 냉각의 효율을 감소시킨다. 계류중인 출원 제 호(출원 부호가 부여된 후 보정할 것임)에 기재된 바와 같이, 충돌 냉각 천공(54)이 내곡 플랜지(42)를 관통하도록 형성되어 측벽(40)의 직접 충돌 냉각을 위해 언더컷 영역(44) 내의 냉각 증기를 공급한다.
전술한 바와 같이, 측벽(40)의 두께는 엄격한 공차로 조절되는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 측벽 두께는 제조 공차(즉, 주조 공차) 및 용접 및 가공 비틀림에 매우 민감하다. 덮개(20)가 노즐 주물에 용접된 후 제조 공차에 대한 버퍼로서 열 방벽 코팅을 도포함으로써, 최종 가공시 공지된 금속 벽 두께가 제공될 수 있다. 측벽(40)의 두께를 조절하기 위해, 스텝(60)이 벽의 내부 위치에 기초하여 측벽 안으로 사전가공되는 것이 바람직하다. 즉, 측벽(40)의 내부 표면은 가공에 대한 데이터로서 작용한다. 용접에 의해 발생된 비틀림이 이음매 내로 발생되도록 노즐 덮개(20)가 세그먼트의 주 노즐 주물 위로 용접된 후 스텝이 측벽에 제공되는 것이 바람직하다. 사전가공 후, 측벽은 사전가공된 표면을 지나 마스킹되고 열 방벽 코팅(64)으로 코팅된다. 도시된 바와 같이, 코팅은 또한 고온 가스 통로를 따라 유동하는 고온 가스와 접촉하는 노즐 벽(18)의 벽 표면에 도포된다. 그 후, 노즐 세그먼트의 측벽(40)은 열 방벽 코팅 과 금속을 가공하는데 적합한 방법[예를 들면, 크리프 피드 연삭(creep-feed grind)]을 사용하여 최종 가공된다. 최종 가공 단계는 용접 또는 주조 공차에 영향을 받지 않는 매우 엄격한 공차로 측벽의 벽 두께를 조절할 수 있다. 공정은 제조 공차에 대한 민감성을 감소시키는 버퍼 즉, 수용부를 제공한다. 예를 들어, 측벽이 공차의 범위를 벗어나고 열 방벽 코팅이 두꺼울 때는, 측벽에 냉각 요구조건에 부합하는 코팅이 더해진 조합된 두께로 코팅은 최종가공 된다. 즉, 충돌 냉각은 측벽을 소정의 온도 범위 내에 유지하기에 충분하며, 잔류된 열 방벽 코팅이 추가적인 열 보호를 제공한다. 최종 가공 단계가 측벽을 따라서 열 방벽 코팅을 거의 또는 전혀 발생시키지 않는 다면, 열 방벽 코팅은 필요하지 않다. 측벽이 엄격한 공차를 갖는 소망 두께 내에 있기 때문에 측벽의 충돌 냉각은 효율적이다. 그러므로, 측벽은 적절하게 냉각된다. 버퍼로서 열 방벽 코팅을 사용함으로써 제조 공차를 흡수하거나 수용하는 능력은 노즐 세그먼트의 저주기 피로를 향상시킨다.
가장 실용적이고 바람직한 실시예로 현재 고려되어지는 것과 관련하여 본 발명이 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 반대로 첨부된 청구범위의 사상과 범위 내에 포함된 다양한 변형 및 균등한 구성을 포함하도록 의도된다고 이해되어져야 한다.
본 발명에 따르면, 노즐 밴드 및 그 사이로 연장된 베인을 갖는 노즐 세그먼트 제조 방법에 있어서, 각 노즐 밴드의 적어도 하나의 측벽에 열 방벽 코팅을 도포하고 열 방벽 코팅으로 제조 공차를 수용하게 함으로써, 측벽에 대한 충돌 냉각의 효율과 노즐 세그먼트의 저주기 피로의 향상을 달성할 수 있다.

Claims (7)

  1. 노즐 밴드(12, 14) 및 그 사이로 연장된 베인(16)을 갖는 노즐 세그먼트를 제조하는 방법으로서, 상기 노즐 밴드는 노즐 세그먼트가 가스 터빈 내에 사용되기 위하여 조립될 때 서로 인접한 측벽(40)을 갖는 방법에 있어서,
    각 노즐 밴드의 적어도 하나의 측벽에 열 방벽 코팅(64)을 도포하는 단계와,
    상기 열 방벽 코팅이 상기 세그먼트의 제조 공차를 수용하는 버퍼로서 작용하도록 상기 일 측벽을 가공하여 상기 노즐 세그먼트의 측벽 두께를 조절하는 단계를 포함하는
    노즐 세그먼트 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세그먼트의 적어도 하나의 상기 측벽 내에 스텝(60)을 형성하는 단계와,
    상기 스텝 내에 상기 열 방벽 코팅을 도포하는 단계를 포함하는,
    노즐 세그먼트 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    인접한 노즐 밴드의 상기 각 측벽 내에 스텝을 형성하는 단계와,
    각 스텝에 열 방벽 코팅을 도포하는 단계와,
    상기 열 방벽 코팅이 주조된 노즐 세그먼트 내의 제조 공차를 수용하는 버퍼로서 작용하도록 각 측벽을 가공하여 상기 노즐 세그먼트의 상기 측벽의 두께를 제어하는 단계를 포함하는
    노즐 세그먼트 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 단계는 상기 노즐 세그먼트의 상기 측벽에 도포된 상기 열 방벽 코팅의 전부를 제거하는 단계를 포함하는
    노즐 세그먼트 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 단계는 상기 열 방벽 코팅을 일부를 제거하고 상기 열 방벽 코팅의 일부를 상기 측벽 상에 잔류시키는 단계를 포함하는
    노즐 세그먼트 제조 방법
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측벽을 따라서 형성된 상기 스텝의 전체를 따라서 상기 코팅의 일부를 잔류시키는 단계를 포함하는
    노즐 세그먼트 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    덮개와 상기 노즐 밴드를 서로 용접하여 그들 사이에 냉각 매체를 수용하기 위한 챔버를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 가공 단계는 상기 덮개와 노즐 밴드를 서로 용접하는 단계 다음에 수행되는
    노즐 세그먼트 제조 방법.
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