KR20010096524A - 공동 내의 삽입체 고정 방법 - Google Patents

Abstract

가스 터빈에서 노즐 세그먼트의 노즐 베인을 충돌 냉각하기 위한 개구를 포함하는 삽입체(70)는 베인의 일 단부 내로 삽입된다. 삽입체의 선단부는 삽입체가 삽입되는 베인의 반대쪽 단부에 인접한 리브를 약간 지나 위치된다. 삽입체의 단부는 리브의 내측 가장자리에 일치하도록 성형 또는 스웨이징 된다. 그 후 삽입체는 리브에 납땜 또는 용접된다.

Description

공동 내의 삽입체 고정 방법{A METHOD OF JOINING A VANE CAVITY INSERT TO A NOZZLE SEGMENT OF A GAS TURBINE}

본 발명은 노즐 세그먼트(segment)의 베인(vane) 공동내에 사용되는 삽입체에 관한 것으로 특히 노즐 베인 공동과 노즐을 서로 연결시키는 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 일측면이 덮개와 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.

종래의 형태에서는, 노즐의 즉시적이고 용이한 고정성을 제공하기에 (즉, 삽입체 및 노즐 주물에 부품을 서로 용이하게 납땜 또는 용접하게하는 계면을 실행하는데 필요한 공차를 제공하기에) 충분한 노즐과의 계면을 확립시키는 방식으로 노즐 공동 내에 삽입체를 삽입하는데 지대한 어려움이 있었다. 예를 들면, 현재의 노즐 형태에서는, 삽입체는 노즐에 연결되도록 사용되는 일 단부에 추가된 밴드를 갖는다. 그러한 형태의 하나는 에어포일(airfoil) 공동 주변의 보스의 윗부분상에 노즐 측벽 밴드에 부착된 칼라(collar)를 갖는다. 제 2의 전형적인 노즐 형태는 에어포일 공동 내로 주조된, 삽입 칼라에 대한 연결지점으로서 작용하는 플래시 리브(flash rib)를 갖는다. 삽입체가 에어포일 공동으로 먼저 들어가는 단부 상에 칼라를 가지면, 삽입체를 삽입할 때 클리어런스(clearance)가 현저하게 되는 문제가 야기된다. 부차적 문제는 복합 삼차원 형상의 삽입체의 단부 상에 칼라를 성형하는 것이다. 또한, 삽입체가 노즐에 납땜 또는 용접될 수 있도록 삽입체의 칼라 단부에 대해 매우 엄격한 공차를 갖는 것이 매우 바람직하다. 모두 유연한 박판 금속으로 형성되는 삽입체의 단부 상에 칼라를 부착하는 것은 매우 어렵다. 후자의 형태를 조립하는 도중, 삽입체는 또한 불가피하게 노즐 내에 끼워 맞춰지도록 수작업으로 변형되는 칼라를 구비해야만 한다. 칼라-노즐의 연결에 대한 공차가 불량한 것에 의해, 이음매도 마찬가지로 매우 불량하다. 또한, 칼라는 노즐 플래쉬 리브의 형상으로 성형하기에 너무 견고해서, 매우 큰 갭이 발생할 수 있다. 칼라-노즐 연결의 불량한 공차의 일 예로서, 칼라와 노즐 사이의 갭은 납땜 이음매를 제공하기 위하여 약 5mil이 되어야 한다고 인식할 것이다. 그러나, 제조 관점에서는, 칼라와 노즐의 계면 공차는 ±15mil이 될 수 있다. 그러므로, 칼라와 노즐 사이의 갭은 대략 5mil 갭을 달성하기 위하여 수작업 없이 납땜하기가 실제적으로 불가능하므로 문제가 되며, 제조 관점에서는, 반복적으로 재생산할 수 없다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 삽입체의 삽입성과 삽입체와 노즐 사이의 이음매의 강성은 형저히 향상된다. 또한, 삽입체의 반복 제조성도 마찬가지로 향상된다. 전술한 바를 달성하기 위하여, 노즐은 삽입체와 내측 노즐 벽 사이의 소정의 충돌 냉각 유동 갭에 상응하는 크기의 주조물에 부착된 리브(rib)를 갖는다. 박판 금속 삽입체는 노즐에 부착될 삽입체의 단부 주변의 보조 칼라없이 성형된다. 제 1 개방 단부를 갖는 공동 내로 공동의 반대쪽 단부로부터 삽입체를 삽입함으로써, 삽입체는 노즐 리브에 대하여 수용된다. 삽입체 단부가 노즐 리브를 약간 지나 놓이도록 삽입체가 공동내로 연장되는 것이 바람직하다. 리브와 접촉되는 삽입체 단부는 계면과 긴밀하게 맞춰지도록 성형될 수 있다. 이것은 수작업에 의해 또는 맨드릴(mandrel)을 사용하여 리브 가장자리 주위로 삽입체 단부를 효율적으로 스웨이징(swaging)함으로써 수행된다. 그 후 삽입체를 약간 수축시킴으로써, 갭은 감소되고 삽입체는 노즐 리브의 에지에 대하여 납땜 또는 심용접(seam-weld)될 수 있다. 전술한 공정은, 칼라를 제조하고 조립체 내로 삽입체를 삽입하며 그 후 칼라를 노즐에 용접하는 것을 시도하는데 상당한 시간, 수고 및 노력이 소모된 종래의 방법과 비교하면 삽입체의 비용을 상당히 절감시킨다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에서는, 노즐 세그먼트가 외측 및 내측 밴드를 가지며, 적어도 하나의 밴드가 터빈을 통과하는 고온 가스 통로의 일부를 규정하는 노즐 벽을 포함하며, 적어도 하나의 베인이 고온 가스 통로 내에서 밴드 사이로 연장되며 적어도 하나의 베인, 베인을 통하여 연장된 적어도 하나의 공동을 규정하는 베인 벽 및 공동 내의 삽입체가 베인 벽으로부터 이격되고 공동을 규정하는 벽 위로 냉각 매체를 유동시키는 개구를 갖는 가스 터빈에서, 공동 내의 삽입체를 고정시키는 방법에 있어서, 내측 및 외측 밴드의 하나에 인접한 공동 벽 주위에 리브 관통 개구를 갖는 리브를 형성하는 단계와, 삽입체를 공동 내로 삽입하는 단계와, 단계(b) 다음에 리브 관통 개구와 실질적으로 일치하게 삽입체의 단부를 성형하는 단계와 삽입체의 성형 단부와 리브를 서로 납땜하는 단계를 포함하는 것이 제공된다.

도 1은 삽입체가 삽입을 위해 떠있는 노즐 세그먼트의 개략적 사시도,

도 2는 종래 기술에 따른 전형적인 삽입 노즐 벽을 도시하는 노즐 세그먼트와 베인의 부분 단면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 노즐 세그먼트의 벽에 최종적으로 고정된 삽입체를 도시하는 도 2의 유사도,

도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 삽입체와 노즐을 서로 고정시키는 공정을 개략적으로 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 노즐 세그먼트 12 : 외측 밴드

14 : 내측 밴드 16 : 베인

17 : 공동 18 : 벽

30 : 공동 32 : 삽입체

34 : 칼라 36 : 화살표

38 : 리브 40, 78 : 계량 플레이트

42 : 화살표 70 : 삽입체

72 : 화살표 74 : 주조된 리브

76 : 삽입 단부

특히 도 1을 참조하면, 가스 터빈 축에 대하여 배치된 세그먼트의 환형 배열(도시되지 않음)의 일부를 형성하는 노즐 세그먼트(10)가 도시된다. 각 노즐 세그먼트는 외측 밴드(12)와 내측 밴드(14) 및 밴드사이로 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 종래에서와 같이 가스 터빈을 통과하는 환형의 고온 가스 통로를 부분적으로 규정한다. 외측 및 내측 밴드와 베인은 냉각 매체(예를 들면, 증기)를, 외측 밴드(12)의 챔버를 통하여, 베인(16) 내의 공동을 통하여 반경방향 내측으로, 내측 밴드(14) 내의 챔버를 통하여, 베인을 통하여 반경방향 외측으로 외측 밴드를 따라 있는 출구 포트로 유동시킴으로써 냉각된다. 그러므로, 고온 가스에 노출된 베인(16)의 벽뿐만 아니라 밴드(12, 14)의 벽(18) 또한 냉각 증기에 의하여 냉각된다. 외측 밴드, 베인 및 내측 밴드를 통하여 냉각 매체를 유동시키고 외측 밴드 상의 출구 포트로 냉각 매체를 복귀시키는 특별한 구조 및 기구는 도시되지 않았다. 내측 및 외측 밴드 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위한 내측 및 외측 밴드내의 충돌 플레이트 및 베인 벽의 충돌 냉각을 위한 베인(16) 내의 삽입체를 사용하는 전형적인 냉각 구조에 대해서는 미국 특허 제 5,634,766 호를 참조하기 바라며, 상기 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 베인(16)은 다수의 공동(17)을 가지며, 특정한공동에 삽입체[예를 들면, 삽입체(18)]가 삽입된다. 삽입체(18)는 베인의 내부 벽 표면을 충돌 냉각하기 위한 관통 개구를 갖는다. 본 발명은 베인(16) 및 베인의 공동 내에 삽입체를 고정시키는 공정에 관한 것이다.

도 2의 종래 기술을 참조하면, 노즐 벽의 일 부분[예를 들면, 외측 밴드의 노즐 벽(12)] 내의 베인(16)이 도시되어 있으며, 삽입체(32)를 수용하는 공동(30)이 베인 내에 있다. 이러한 형태에서는, 칼라(34)는 삽입체(32)를 공동(30) 내로 삽입하기 전에 삽입체(32)의 단부에 부착(예컨대, 납땜)된다. 칼라(34)가 그에 고정된 삽입체는 화살표(36)에 의해 지시된 바와 같이 전형적으로 공동의 반대쪽 단부로부터 공동 내로 삽입된다. 전술한 바와 같이, 납땜된 이음매가 형성되도록 충분히 베인 주위로 칼라(34)의 가장자리를 리브(38)의 가장자리에 일치시키는데는 지대한 어려움이 있다. 납땜이 가능하도록 칼라(34)를 리브(38)에 적합시키는데는 실질적은 노동이 필요하다. 또한, 이음매의 강도 및 재생산성은 보증되지 않는다. 도시된 바와 같이, 냉각 증기를 삽입체 내로 충돌 개구를 통하여 유동시키는 것을 촉진시키도록 삽입체 및 칼라의 설치 후에 중앙 관통 개구를 갖는 계량 플레이트(40)가 삽입체 및 칼라의 단부 위에 부착되는데, 충돌 개구를 통한 냉각 증기의 유동은 베인 벽의 냉각에 대한 화살표(42)에 의해 지시된다.

도시되지 않는 종래의 다른 형태는 삽입체 단부에 납땜 또는 용접된 계량 플레이트를 갖는 삽입체를 베인 공동 내로 삽입하는 것을 포함한다. 계량 플레이트가 공동을 통과할 수 없으므로, 삽입체는 계량 플레이트가 장착되는 단부의 반대쪽 단부에서 공동 내로 삽입된다. 그 후 계량 플레이트는 공동 개구 주위로 노즐 측벽의 가장자리에 납땜 또는 티그용접(TIG-weld)된다. 그러나, 이러한 형태의 연결은 증기와 같은 냉각 매체가 사용되는 노즐 세그먼트에서는 사용될 수 없다. 계량 플레이트와 노즐 사이의 이음매에 인접한 증가된 금속의 필릿(fillet) 영역이 있기 때문에, 증기에 의한 그 영역의 냉각은 불충분하다.

도 2 및 도 4a 내지 도 4b에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 삽입체(70)는 삽입체가 고정될 단부의 반대쪽 공동 개구의 단부 내로 삽입된다. 이것은 도 4a의 화살표(72)로 지시된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 삽입체(70)의 초기 삽입 단부(76)는 칼라를 가지지 않고, 일반적으로 내측 또는 외측 밴드 부분중 하나[본 실시예에서는, 외측 밴드 부분(12)]에 인접한 주조된 리브(74)의 주변 외형에 일치하도록 형성된다. 도 4b에 도시된 바와 같이 단부(76)가 리브(74)를 지나 약간 연장되도록 삽입체(70)가 공동 내로 연장된다. 충돌 플레이트 및 노즐 세그먼트의 상응 밴드에 대한 덮개를 설치하기 전에 삽입체가 설치되므로, 삽입체(70) 및 리브(74)의 단부(76)로의 접근이 허용된다.

삽입체(70)의 단부(76)가 리브(74)를 약간 지나므로, 삽입체 단부(76)는 일반적으로 리브(74)의 내측 가장자리에 일치하도록 성형 또는 스웨이징된다. 삽입체는 매우 얇은 금속(예를 들면, 대략 30mil의 두께를 갖는 금속)으로 성형된다고 인식된다. 결론적으로, 삽입체 단부의 성형 후에, 삽입체는, 도 4c에 도시된 바와같이, 단부가 리브(74)의 내측 가장자리에 실제로 일치하도록 수축된다. 도 4c에 도시된 형태에서, 삽입체는 그 위치로 납땜되거나 주변에 대하여 심용접된다. 납땜에 연속하여, 계량 플레이트(78)는 삽입체 단부(76) 및 리브(74)에 납땜된다.삽입체 단부(76)의 성형 또는 스웨이징은 수작업으로 또는 리브(74)의 내측 가장자리에 일치하도록 삽입체 단부를 확장하기 위한 삽입체의 개방 단부 내에 수용될 수 있는 맨드릴을 사용함으로써 수행될 수 있다고 인식된다. 리브(74) 주위로 삽입체 단부를 형성하도록 삽입체(70)의 단부(76) 내로 삽입되기 위한 맨드릴(75)이 도 4b에 도시되어 있다.

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, 가스 터빈에서 노즐 세그먼트의 노즐 베인을 충돌 냉각하기 위한 개구를 포함한 삽입체를 베인의 일 단부 내로 베인의 반대쪽 단부에 인접한 리브를 지나 삽입시키고, 삽입체 단부를 리브의 가장자리에 형상이 맞춰지도록 성형 또는 스웨이징 한 후, 납땜 또는 용접에 의해 부착시킴으로써 충돌 냉각에 대한 향상된 밀폐성을 달성할 수 있다.

Claims (7)

1. 노즐 세그먼트(10)는 외측 및 내측 밴드(12, 14)를 가지며, 상기 밴드의 적어도 하나는 상기 터빈을 통과하는 고온 가스 통로의 일 부분을 규정하는 노즐 벽(18)을 포함하며, 상기 고온 가스 통로 내의 상기 밴드 사이에 적어도 하나의 베인이 연장되며, 상기 베인의 벽은 상기 베인을 통하여 연장되는 적어도 하나의 공동(17)을 규정하며, 상기 공동 내의 삽입체(70)은 상기 베인 벽과 이격되고 상기 공동을 규정하는 벽으로 냉각 매체를 유동시키는 개구를 구비하는 가스 터빈에서, 상기 공동 내의 삽입체를 고정시키는 방법에 있어서,

   (a) 상기 내측 및 외측 밴드의 하나에 인접한 상기 공동 벽 주위에 관통 개구를 갖는 리브를 성형하는 단계와,

   (b) 상기 삽입체를 상기 공동 내로 삽입하는 단계와,

   (c) 상기 단계(b) 다음에, 상기 삽입체의 단부가 상기 리브 관통 개구와 실질적으로 일치하도록 성형하는 단계와,

   (d) 상기 성형된 삽입체의 단부와 상기 리브를 서로 납땜하는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입 단계는 상기 리브와 반대쪽에 있는 공동의 단부에서 상기 삽입체를 삽입하는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입 단계는 상기 리브를 지나 연장하도록 상기 삽입체를 삽입한 후, 상기 삽입체의 단부를 성형하고, 그 다음에 상기 리브와 형태가 맞춰지도록 상기 삽입체를 수축시키는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입체를 상기 리브에 심용접하는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입체를 상기 리브에 납땜하는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입체와 리브중 하나에 계량 플레이트를 고정시키는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 성형 단계는 상기 삽입체의 단부를 상기 리브 개구와 실질적으로 일치하도록 스웨이징하는 단계를 포함하는

   공동 내의 삽입체 고정 방법.