KR20010096526A - 터빈 노즐 세그먼트의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 장치 및방법 - Google Patents

터빈 노즐 세그먼트의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 장치 및방법 Download PDF

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KR20010096526A
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버드긱스티븐세바스찬
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

가스 터빈 노즐 세그먼트(10)는 외측 및 내측 밴드(12, 14)와 그 사이의 베인(16)을 갖는다. 각 밴드는 측벽(40), 덮개(20) 및 충돌 플레이트를 포함하며 충돌 플레이트의 양측에 두 개의 공동(24, 26)을 규정한다. 냉각 증기가 하나의 공동(26)에 공급되어 노즐 벽을 냉각하기 위해 충돌 플레이트의 개구(30)를 통하여 유동한다. 밴드의 측벽과 내곡 플랜지는 노즐 벽과 함께 언더컷 영역(44)을 규정한다. 충돌 플레이트는 내곡 플랜지(42)에 용접된 구부러진 플랜지(52)를 갖는다. 지지 플레이트(60)가 구부러진 플랜지에 중첩되며 지지 플레이트와 구부러진 플랜지를 관통하는 정렬된 개구(62)가 형성되어 노즐 세그먼트의 측벽으로 냉각 유동을 지향시켜 집중되도록 한다.

Description

터빈 노즐 세그먼트의 측벽을 충돌 냉각하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR IMPINGEMENT COOLING OF A SIDE WALL OF A TURBINE NOZZLE SEGMENT}
본 발명은 노즐 세그먼트(segment)의 가스 터빈 노즐 밴드 측벽의 충돌(impingement) 냉각에 관한 것으로, 특히 노즐 세그먼트 덮개와 노즐 측벽 사이의 용접 이음매가 고온 가스 통로에 노출된 노즐 벽에서 떨어진 노즐 세그먼트의 언더컷 영역 내의 노즐 밴드 측벽의 충돌 냉각에 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, 고온 가스 통로에 노출된 부분을 냉각하기 위해 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.
각 외측 및 내측 밴드 부분에 제공된 덮개는 대응하는 노즐 측벽에 용접되는 것이 바람직하다. 종래의 형태에서는, 덮개와 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 노즐 벽 및 인접한 노즐 세그먼트의 측벽 사이의 스플라인 실 사이에 반경방향의 위치에 배치되었다. 그 위치에서는, 용접부는 고온 가스 유동 통로 내의 고온 가스에 노출되었고 냉각시키기가 매우 어려웠다. 그러므로, 용접 이음매의 피로 수명은 고온 가스 통로의 인접성 때문에 현저히 감소되었다. 더욱이, 용접부의 위치는 제조 반복성에 최적이지 않았으며 제조 공차에 매우 민감했다. 그러한 용접 이음매는 이음매에서의 응력을 증가시키고, 저주기 피로를 감소시키며 부품의 수명을 제한하는 다양한 벽두께로 특징 지워졌다. 가공후 용접에서의 벽두께는 또한 제조 공정에서 용인될 수 없는 변수였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 덮개와 노즐 벽 사이의 용접 이음매가 고온 가스 통로에 노출된 노즐 벽으로부터 떨어진 스플라인 실의 측면상에 있는 노즐 세그먼트 내에 냉각 시스템이 제공된다. 즉, 덮개와 외측 밴드의 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 인접한 외측 밴드 사이의 스플라인 실에 반경방향의 밖으로 위치되는 반면에 덮개와 내측 밴드의 노즐 측벽 사이의 용접 이음매는 인접한 내측 밴드 사이의 스플라인 실에 반경방향의 안으로 위치된다. 이것이 터빈 작동중에 용접 이음매의 온도를 감소시키고 이음매를 가로지르는 열 및 기계적 응력을 감소시키며 용접후 기계가공에 대한 필요성을 제거시키고 불변의 두께와 좋은 피로 수명의 이음매로 나타난다. 위치 또한 용접 결점에 향상된 절삭성과 공차를 제공한다.
그러한 용접 이음매를 제공하기 위하여, 노즐 세그먼트 밴드의 측벽에 인접한 언더컷 영역이 형성된다. 특히, 각 언더컷 영역은 노즐 세그먼트의 측벽 또는 에지 및 노즐 벽으로부터 안으로 일반적으로는 평행하게 연장되고 이격된 내곡 플랜지를 포함한다. 그러나 충돌 플레이트으로부터 측벽 또는 에지를 이격시키는 언더컷 영역의 관점에서는 노즐 밴드 측벽 또는 에지를 냉각하는 것은 매우 어렵다. 이러한 큰 거리는 충돌 플레이트 내의 개구를 통하는 충돌 냉각 유동에 의한 노즐 측벽 냉각의 효율을 감소시킨다.
본 발명에 따르면, 향상된 측벽 제작과 냉각이 제공된다. 특히, 덮개와 노즐 측벽사이의 용접 이음매를 터빈을 통과하는 고온 가스 통로로부터 떨어져 위치시켜, 측벽 위로 직접적인 충돌 냉각 유동을 위한 충돌 플레이트를 통하는 개구와 정렬된 지지(backing) 플레이트를 통하는 개구를 갖는 층돌플레이트에 대하여 지지 플레이트에 제공함으로써 측벽 냉각은 향상된다. 특히, 충돌 플레이트에 구부러진 에지가 제공된다. 충돌 플레이트의 구부러진 에지의 일 부분을 노즐 세그먼트 측벽에 일반적으로 평행하게 두면서 에지의 가장자리는, 예를 들면, 노즐 세그먼트 측벽의 내곡 플랜지의 준비된 표면에 용접함으로서 제공된다. 구부러진 에지의 개구를 통하여 충돌 냉각 매체 유동을 보다 직접적으로 겨냥하거나 집중시키도록, 충돌 플레이트의 구부러진 에지를 통하는 개구와 정렬된 개구를 갖는 지지 플레이트는 구부러진 에지를 따라서 고정된다. 따라서, 정렬된 개구의 길이 대 직경 비율은 향상되고, 그것에 의해 노즐 세그먼트의 측벽 위로 냉각 유동을 직접적으로 겨냥하거나 집중시킬 수 있다. 지지 플레이트는 또한 충돌 플레이트의 주면에 대하여 추가적인 강도를 부여한다.
전술한 냉각 시스템은 즉시로 용이하게 제조된다. 예를 들면, 지지 플레이트는 충돌 플레이트의 구부러진 플랜지에 부가되고 그 후 개구는 지지 플레이트 및 구부러진 에지를 통하여 동시에 제공된다. 그 후 충돌 플레이트는 노즐 세그먼트 내로 위치되고 그 위치에 고정되며 후에 노즐 세그먼트에 용접 또는 납땜된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서는, 외측 및 내측 밴드 부분과 밴드 부분 사이로 연장된 적어도 하나의 베인을 갖는 노즐 세그먼트, 터빈을 통과하는 고온 가스 통로를 부분적으로 규정하는 노즐 벽을 갖는 적어도 하나의 밴드 부분, 챔버를 규정하는 노즐 벽에서 반경방향으로 이격된 덮개 및 세그먼트 내에 고정되고냉각 매체를 수용하는 하나의 측면상에 덮개로 제 1 공동을 규정하는 챔버 내에 배치된 충돌 플레이트, 노즐 벽으로 제 2 공동을 규정하는 반대쪽 측면 상의 충돌 플레이트, 노즐 벽의 충돌 냉각을 위해 제 1 공동에서 제 2 공동으로 냉각 매체를 유동시키는 다수의 개구를 갖는 충돌 플레이트, 노즐 벽과 덮개 사이에 일반적으로 반경방향으로 연장되고 내곡 플랜지를 갖는 측벽을 포함하는 노즐 세그먼트, 측벽에 인접한 언더컷 영역을 규정하는 내곡 플랜지 및 충돌 플레이트의 일 부분에 놓여있는 지지 플레이트가 가스 터빈 내에 사용되기 위해 제공되며, 지지 플레이트 및 충돌 플레이트 부분은 충돌 냉각을 위해 냉각 매체의 유동을 측벽 위로 인도시키는 정렬된 개구를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따라 구축된 노즐 세그먼트의 개략적인 분해 사시도,
도 2는 측벽 냉각을 위한 노즐 세그먼트의 측벽과 지지 플레이트와 충돌 플레이트를 도시하는 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 25 및 27 : 입구 및 출구 포트
26 : 제 2 공동 30 : 개구
40 : 노즐 측벽 또는 에지 42 : 내곡 플랜지
44 : 언더컷 영역 46 : 개구된 슬롯
48 : 스플라인 50 : 용접 이음매
52 : 구부러진 플랜지 60 : 지지 플레이트
62 : 개구
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 베인을 통하여 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 동등하게적용될 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, 각 덮개(20)는 노즐 밴드의 대향 에지를 따라서 내곡 플랜지(42)(inturned flange)에 용접된다. 용접 이음매(50)는 노즐 벽(18)으로부터 떨어진 스플라인 실(48)의 측에 위치한다. 용접 이음매(50)를 노즐 벽(18)에 의하여 부분적으로 규정된 고온 가스 통로로부터 떨어뜨려 위치시킴으로써, 용접 이음매(50)는 고온 가스 통로에 보다 근접하게 위치되는 것보다 훨씬 낮은 온도에 노출된다. 또한 각 가장자리를 따라서 플랜지 또는 구부러진 에지(52)를 갖는 충돌 플레이트(22)가 도 2에 도시된다. 구부러진 에지(52)는 내곡 플랜지(42)의 내부 표면에 납땜 또는 용접된다. 개구(30)가 충돌 플레이트(22)의 각 구부러진 에지(52) 내에 위치되지만, 언더컷 영역(44) 내에서 가장 가까운 개구(30)와 측벽 또는 에지(40) 사이에 상당한 거리가 존재한다는 것이 인식될 것이다. 이러한 큰 거리는 구부러진 플랜지(52)의 개구를 통해 흐르는 냉각 매체의 냉각 효율을 감소시킨다.
언더컷 영역을 따른 측벽(40)의 효율적인 충돌 냉각을 제공하도록, 지지 플레이트(60)가 충돌 플레이트(22)의 구부러진 에지(52)의 한 측면을 따라서 제공된다. 지지 플레이트(60)는 노즐 세그먼트(10)에 충돌 플레이트(22)를 고정하기 전에 충돌 플레이트의 구부러진 플랜지(52)에 고정되는 것이 바람직하다. 적소에 있는 지지 플레이트(60)에 의해, 개구(62)가 결합된 지지 플레이트(60)와 구부러진 에지(52)를 관통하도록 형성되며 정렬된 개구는 측벽(40)을 향하게 되거나 측벽위로 집중된다. 지지 플레이트(60)를 설치하여 제 1 공동(24)으로부터 제 2 공동(26)으로 냉각 매체(즉, 증기)를 유동시키기 위한 개구(62)의 길이 대 직경 비율을 증가시킴으로써, 이러한 보다 긴 개구(62)를 통과하는 유동은 노즐 세그먼트의 측벽(40)으로 지향되거나 겨냥된다. 퍼지는 냉각 매체 패턴(pattern)(예를 들면, 원뿔형 스프레이 패턴) 대신, 냉각 매체는 집중된 채로 남아 있고 구부러진 에지(52)와 측벽(40) 사이의 거리를 가로질러 냉각 매체를 측벽으로 지향시켜 효율적으로 냉각시킨다. 도 2에 지시된 바와 같이, 정렬된 개구(62)의 길이 대 직경 비율은 개구(30)의 길이 대 직경 비율을 초과한다.
지지 플레이트(60)는, 노즐 세그먼트에 충돌 플레이트를 부착하기 전에, 충돌 플레이트(22)의 구부러진 에지(52)에 설치(예를 들면, 용접)되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 지지 플레이트(60)와 충돌 플레이트의 구부러진 에지(52)를 관통하는 정렬된 개구(62)는 동시에 성형될 수 있다. 그 후 충돌 플레이트(22)는 노즐 세그먼트 내로 위치되어 노즐 측벽(40)의 내곡 플랜지(42)에 용접 또는 납땜될 수 있다. 이러한 배치가 노즐 세그먼트의 내측 및 외측 밴드 모두에 적용가능 하다는 것이 인식될 것이다.
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, 터빈 노즐 세그먼트의 측벽을 충돌 냉각 하기 위해 충돌 플레이트의 구부러진 에지에 지지 플레이트를 부착하고 개구를 정렬시킴으로써 개구를 통하는 냉각 매체를 집중된 채로 측벽에 지향시켜 측벽 냉각에 대한 향상된 효율을 달성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 가스 터빈에 사용되는 노즐 세그먼트에 있어서,
    외측 및 내측 밴드 부분(12, 14)과 상기 밴드 부분 사이로 연장된 적어도 하나의 베인을 가지며,
    상기 밴드 부분의 적어도 하나는 터빈을 통과하는 고온 가스 통로를 부분적으로 규정하는 노즐 벽(18)을 구비하며,
    덮개(20)가 상기 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격되어 그 들 사이에 챔버(21)를 규정하며,
    충돌 플레이트(22)가 상기 세그먼트 내에 고정되고 상기 챔버 내에 배치되어 상기 덮개와 함께 그 일 측에 냉각 매체를 수용하기 위한 제 1 공동을 규정하고, 그 반대 측에 상기 노즐 벽과 함께 제 2 공동(26)을 규정하며, 상기 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위하여 상기 제 1 공동으로부터 상기 제 2 공동으로 냉각 매체를 유동시키기 위한 다수의 개구(30)를 가지며,
    상기 노즐 세그먼트는 상기 노즐 벽과 상기 덮개 사이에서 대체로 반경방향으로 연장된 측벽(40)과 내곡 플랜지(42)를 가지며,
    상기 내곡 플랜지는 상기 측벽에 인접한 언더컷 영역(44)을 규정하며,
    지지 플레이트(60)가 상기 충돌 플레이트의 일 부분에 중첩되며,
    상기 지지 플레이트와 상기 충돌 플레이트 부분은 상기 측벽을 충돌 냉각하기 위해 상기 측벽으로 냉각 매체의 유동을 지향시키도록 정렬된 관통 개구(62)를갖는
    노즐 세그먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정렬된 개구(62)는 상기 지지 플레이트에 의해 중첩되지 않는 상기 충돌 플레이트의 부분을 관통하는 개구의 길이 대 폭의 비율을 초과하는 길이 대 폭의 비율을 갖는
    노즐 세그먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트는 상기 측벽의 상기 내곡 플랜지에 고정된 구부러진 에지(52)를 가지며, 상기 지지 플레이트는 상기 충돌 플레이트의 구부러진 에지를 따라서 연장되는
    노즐 세그먼트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지 플레이트는 상기 제 1 공동 내에 놓이는
    노즐 세그먼트.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 충돌 플레이트의 상기 구부러진 에지와 상기 지지 플레이트는 대체로 반경 방향으로 연장되는
    노즐 세그먼트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 측벽과 상기 덮개는 상기 측벽으로부터 떨어진 상기 지지 플레이트의 측의 용접 이음매에서 서로 용접되는
    노즐 세그먼트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽은 스플라인 시일(48)을 수용하기 위해 상기 세그먼트의 외측으로 개방된 슬롯(46)을 가지며, 상기 측벽과 덮개는 상기 슬롯의 외측에 있는 용접 이음매에서 서로 용접되는
    노즐 세그먼트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 밴드 부분은 상기 노즐 세그먼트의 외측 밴드(12)로 이루어지는
    노즐 세그먼트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 밴드 부분은 상기 노즐 세그먼트의 내측 밴드(14)로 이루어지는
    노즐 세그먼트.
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