KR20010112049A

KR20010112049A - 커버와 노즐 밴드를 연결하는 지지 구성요소를 포함하는가스 터빈 노즐 세그먼트

Info

Publication number: KR20010112049A
Application number: KR1020010006461A
Authority: KR
Inventors: 유유펭필립; 이트젤게리마이클; 웹본웨일론윌라드; 바게팔리라드하크리쉬나; 버드긱스티븐세바스찬; 켈록크이아인로버트슨
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2001-12-20
Also published as: EP1164252A3; EP1164252A2; EP1164252B1; JP4579431B2; CZ2001192A3; DE60123875T2; DE60123875D1; JP2002021505A; US6413040B1

Abstract

가스 터빈 노즐 세그먼트는 외측 및 내측 밴드부(12, 14)를 갖는다. 각 밴드부는 노즐 벽(18), 커버(20) 및, 커버와 노즐 벽 사이에서 두 개의 공동(24, 26)을 규정하는 충돌 플레이트(22)를 구비한다. 냉각증기는 노즐 벽을 냉각하기 위해 충돌 플레이트의 개구(29)를 통하여 유동하도록 일 공동(24)에 공급된다. 구조적 주춧대(44)는 커버와 노즐 벽을 연결시키고 충돌 플레이트의 구멍(45)을 관통하여 노즐 벽을 둘러싸는 노즐 세그먼트의 챔버와 고온 가스 통로와 노즐 스테이지를 둘러싸는 고정 터빈 케이싱 내의 압력 차이로부터 초래될 수 있는 국부적 응력을 감소시킨다. 주춧대는 커버와 노즐 벽에 주조되거나 용접될 수 있다.

Description

커버와 노즐 밴드를 연결하는 지지 구성요소를 포함하는 가스 터빈 노즐 세그먼트{SUPPORT PEDESTALS FOR INTERCONNECTING A COVER AND NOZZLE BAND WALL IN A GAS TURBINE NOZZLE SEGMENT}

본 발명은 가스 터빈용 노즐 세그먼트에 관한 것이며 특히 고온 가스 통로를 규정하는 노즐 벽으로부터 이격된 노즐 커버와 압력으로 인한 응력을 감소시키기 위해 노즐 벽과 커버를 연결시키기 위한 노즐 세그먼트내의 주춧대(pedestal)를 갖는 증기 냉각 가스 터빈에 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 밴드부와 내측 밴드부 및 외측과 내측 밴드부 사이로 연장된 하나 또는 다수의 노즐 베인으로 이루어진다. 현재의 가스 터빈 형태에서는, 냉각 매체(예를들면, 증기)가 각 노즐 세그먼트에 공급된다. 증기 냉각을 수용하기 위해, 각 밴드부는 터빈을 통과하는 고온 가스 통로를 부분적으로 규정하는 노즐 벽과 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격되어 노즐 벽과 함께 챔버를 규정하는 커버와 챔버 내에 배치된 충돌 플레이트(impingement plate)를 포함한다. 각 충돌 플레이트는 그 일측면이 커버와 함께 냉각 증기 입구로부터 냉각 증기를 수용하는 제 1 공동을 규정하며 또한 반대 측면을 따라 노즐 벽과 함께 제 2 공동을 규정한다. 각 충돌 플레이트는 연관된 노즐 벽을 충돌 냉각(impingement cooling)하기 위해 제 1 공동으로부터 제 2 공동으로 냉각 증기를 유동시키기 위한 다수의 개구를 갖는다. 외측 밴드부의 제 2 공동으로부터의 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 밴드부의 반경방향의 가장 내측에 있는 제 1 공동으로 유입되어 유동 방향이 반대로 되고 연관된 제 2 공동내의 충돌 플레이트를 통과하여 반경방향 외측으로 유동하여 내측 밴드의 노즐 벽을 충돌 냉각시킨다. 사용된 냉각 매체는 베인 내의 공동을 통하여 외측 밴드부의 반경방향 외측의 노즐 세그먼트의 배기 포트로 복귀한다.

각각의 외측 및 내측 밴드부에 제공된 커버는 노즐 세그먼트의 측면 가장자리(margin) 주위의 상응하는 노즐 세그먼트 벽(즉, 세그먼트의 선단 및 후단 에지와 측면 에지)에 용접되는 것이 바람직하다. 따라서, 냉각 매체(즉, 증기)가 압력 하에서 밴드부와 베인을 통하여 유동되는 노즐 세그먼트를 통해 폐쇄 냉각 시스템이 제공된다. 그러나, 고온 가스 통로와 외측 밴드부를 둘러싸는 고정된 터빈 케이싱의 부품내로의 압축기 방출 유동의 압력과 비교할 때 증기는 상이한 압력 수준에서 챔버내에 수용된다. 이러한 압력 차이는 노즐 세그먼트, 특히 커버와 노즐 벽 사이의 용접 연결부에 높은 응력을 발생시킬 수 있다. 응력은 커버와 노즐벽을 서로 분리되게 팽창시키는 경향이 있으며, 커버와 노즐 벽의 가장자리를 따른 용접 연결부를 구부린다.

이러한 압력으로 인한 응력 수준은 노즐 벽과 베인을 연결하는 연결부와 필릿(fillet)에 국부적으로 높은 응력을 발생시킨다. 이러한 국부적으로 높은 응력은 그 부분의 저주기 피로 수명(low cycle fatigue life)을 감소시킬 수 있다. 보다 두꺼운 벽 또는 향상된 냉각 구조가 이러한 문제를 해결하도록 사용될 수 있지만, 이러한 방법은 중대한 결점을 갖는다. 예를 들면, 보다 두꺼운 벽은 그 부분의 저주기 피로 수명에 악영향을 주는 높은 열구배를 발생시킬 것이다. 향상된 냉각 구조가 항상 유용할 수 없으며 터빈 성능의 관점에서는 고가일 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 노즐 부품을 구조적으로 지지하고 터빈의 폐쇄 루프 냉각 시스템내의 압력 차이로 인한 응력을 감소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 구조적 구성요소(예컨대, 주춧대)가 커버와 노즐 벽 사이로 연결된다. 이러한 응력을 감소시킴으로써, 상기 국부적으로 높은 응력이 가해지는 부품에서의 저주기 피로가 향상된다. 전술한 바를 달성하기 위해, 커버와 노즐 벽 사이에 규정된 챔버내의 적소에 커버와 노즐 벽을 연결시키는 하나 또는 그 이상의구조적 주춧대가 제공된다. 주춧대는 노즐 벽의 측면 가장자리와 이격되며 내부와 외부의 압력 차이에 응답하여 노즐 세그먼트 벽과 커버가 서로 분리되게 팽창되는 것을 실질적으로 배제하도록 하나 또는 그 이상의 영역에 위치된다. 주춧대는 원형, 또는 다각형과 같은 적절한 단면을 가질 수 있는 핀의 형태인 것이 바람직하다. 핀은 단결정 주조(single crystal casting)로서 노즐 벽 및 베인과 함께 주조되는 것이 바람직하며, 주춧대의 말단 단부는 충돌 플레이트의 개구를 통하여 또한 커버의 개구내에 수용된다. 말단 단부는 세그먼트의 외부에서 티그 용접(TIG welding) 또는 전자빔 용접(E-beam welding) 공정에 의해 커버에 용접된다. 변형예로서, 주춧대는 커버상에 주조되어 노즐 밴드에 용접될 수 있거나 노즐 벽과 커버에 양단부가 용접된 별개의 주춧대로 구성될 수 있다. 주춧대는 노즐 벽을 통하여 베인의 개구의 각 반대쪽 측면상(즉, 노즐 베인 개구와 세그먼트의 측면 가장자리의 사이)에 위치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 가스 터빈용 노즐 세그먼트는 외측 및 내측 밴드부와 밴드부들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 베인을 가지며, 적어도 하나의 밴드부는 터빈을 통과하는 고온 가스 통로를 부분적으로 규정하는 노즐 벽을 포함하며, 커버가 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격되며, 커버와 노즐 벽은 가장자리 주위에서 서로 고정되어 그들 사이에 챔버를 규정하며, 적어도 하나의 구조적 구성요소가 커버와 노즐 벽이 대체로 반경방향으로 서로에 대해 이동하는 것을 실질적으로 방지하기 위해 가장자리의 내부로 커버와 노즐 벽을 연결시키는 노즐 세그먼트가 제공된다.

본 발명에 따른 보다 바람직한 실시예에 있어서 가스 터빈용 노즐 세그먼트는, 외측 및 내측 밴드부와 밴드부들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 베인을 가지며, 밴드부의 적어도 하나는 부분적으로 터빈을 관통하는 고온 가스 통로를 규정하는 노즐 벽(16)을 구비하며, 커버(20)가 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격되며, 커버와 노즐 벽은 그 가장자리(48) 주위에서 서로 고정되어 그들 사이에 챔버를 규정하며, 충돌 플레이트가 세그먼트내에 고정되고 그 일 측에 커버와 함께 냉각 매체를 수용하는 제 1 공동을 규정하도록 챔버내에 배치되며, 충돌 플레이트는 제 1 공동과 반대측의 노즐 벽과 함께 제 2 공동을 규정하며, 충돌 플레이트는 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해 제 1 공동으로부터 제 2 공동으로 냉각 매체를 유동시키는 다수의 관통 개구를 가지며, 적어도 하나의 구조적 구성요소가 커버와 노즐 벽이 대체로 반경방향으로 서로에 대해 이동하는 것을 실질적으로 방지하도록 가장자리의 내측에서 상기 커버와 노즐 벽을 연결하며, 충돌 플레이트는 구조적 구성요소를 수용하는 관통 구멍을 구비하며, 구성요소와 상기 구멍은 베인과 노즐 벽 사이의 연결부의 측방향 외측에 놓이는 노즐 세그먼트가 제공된다.

도 1은 구조적 주춧대를 도시하는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 노즐 세그먼트의 개략적인 분해 사시도,

도 2는 커버와 충돌 플레이트가 제거된 상태로 외측 밴드부와 그로부터 돌출된 주춧대를 주로 도시하는 사시도,

도 3은 커버와 노즐 벽을 연결시키는 주춧대를 도시하는 도 2의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 노즐 세그먼트 12 : 외측 밴드부

14 : 내측 밴드부 16 : 베인

17 : 선단 에지 19 : 후단 에지

20 : 회측 커버 21 : 챔버

22 : 충돌 플레이트 23 : 출구 포트

24 : 제 1 공동 26 : 제 2 공동

27 : 입구 포트 29 : 개구

42 : 베인 연장부 44 : 주춧대 또는 핀

45 : 구멍 46 : 용접 연결부

47 , 49 : 단부 벽 48 : 측 여백

50 : 필릿 영역

30, 32, 34, 36, 38, 40 : 공동

도면을 참조하면, 가스 터빈 축 주위에 배치된 환형 배열의 세그먼트 일부를 형성하는 노즐 세그먼트(10)가 도시되어 있다. 각 노즐 세그먼트는 외측 밴드부(12), 내측 밴드부(14) 및 그 사이에서 연장되고 선단 에지(17)와 후단 에지(18)를 갖는 하나 또는 그 이상의 베인(16)을 구비한다. 노즐 세그먼트가 환형 배열로 배치될 때, 외측 및 내측 밴드부(12, 14)와 베인(16)은 종래의 구성에서와 같이 가스 터빈을 통하는 환형 고온 가스 통로를 규정하고 터빈 단의 부분을 형성한다.

냉각 매체(예컨대, 증기)를 외측 밴드부(12)의 챔버를 통과하고 베인 내의 공동을 통해 반경방향 내측으로 흘러, 내측 밴드부(14)의 챔버를 통과하고 외측 밴드부를 따른 출구 포트(23)로 냉각 매체를 복귀시키기 위해 베인을 통해 반경방향 외측으로 유동시킴으로써 외측 및 내측 밴드부와 베인이 냉각된다. 특히 도 1 및 도 3에 도시된 예를 참조로 보아 상세히 설명하면, 외측 밴드부(12)는 외측 노즐 벽(18)과 외측 벽(18) 위에 배치되고 그에 용접되어 그들 사이에 챔버(21)(도 3에 도시됨)를 규정하는 외측 커버(20)를 구비한다. 충돌 플레이트(22)는 챔버(21)내에 배치된다. 충돌 플레이트(22)는 노즐 세그먼트 커버(20)와 함께 제 1 공동(24)(도 3에 도시됨)을 규정하고, 그 반대측에서, 노즐 벽(18)과 함께 제 2 공동(26)을 규정한다. 냉각 매체 입구 포트(27)(도 1에 도시됨)는 외측 커버(20)를 통해 노즐 베인 세그먼트에 냉각 매체(예컨대, 증기)를 공급하며, 사용된 냉각 증기는 출구 포트(23)를 통해 세그먼트로부터 배출된다.

냉각 증기는 입구(27)를 통하여 제 1 공동(24)에 공급되어 충돌 플레이트(22)내의 다수의 개구(29)를 통과하여 측벽(18)을 충돌 냉각한다. 베인(16)은 외측 및 내측 밴드부 사이에서 연장되는 공동(30, 32, 34, 36, 38)을 구비하며, 공동은 베인(16)의 선단 에지로부터 후단 에지까지 연속적으로 배치된다. 베인 공동(30)은 세그먼트 공동(26)내로 개방되고 나머지 베인 공동은 출구포트(16)와 연통하는 엔드리스 베인 연장부(42)(도 1에 도시됨)로 개방된다. 충돌 냉각 증기는 베인 측벽의 충돌 냉각을 위해 제 2 세그먼트 공동으로부터 제 1 베인 공동(30)내로 또한 베인 공동 삽입체(도시되지 않음)내로 유동한다. 그 후 냉각 증기는 내측 밴드부(14)의 챔버내로 특히 반경방향의 가장 안쪽의 공동 내로 유동하고 충돌 플레이트의 개구를 통하여 유동하여 내측 밴드부의 측벽을 충돌 냉각한다. 그 후 사용된 증기는 베인(16)의 측벽을 충돌 냉각하기 위해 베인의 공동(32, 34, 36, 38, 40)을 통하여 또한 그러한 공동의 삽입체(도시되지 않음)내의 개구를 통하여 유동한다. 사용된 냉각 증기는 외측 밴드부(12)의 배출 포트내로 유동한다. 전술한 냉각 회로의 실시예에 대한 상세한 설명에 대해서는 미국 특허 제 5,634,766 호를 참조하기 바라며, 상기 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용 합체된다.

상기 언급된 바와 같이, 한편으로는 노즐 밴드부의 챔버내의 압력과 고온 가스 통로의 유체 압력간에, 다른 한편으로는 노즐 밴드부의 챔버내의 압력과 노즐 세그먼트를 둘러싸는 터빈 케이싱의 고정된 부분내의 공기 압력과의 사이에 실질적인 차이가 있다. 그러한 압력 차이는 특히 세그먼트의 가장자리(커버와 노즐 밴드부 사이의 용접 연결부가 이 가장자리를 따라 제공됨)를 따라 국부적인 응력을 발생시킨다. 또한, 국부적인 응력은 노즐 벽과 베인 사이의 필릿(fillet)(42)(도 3에 도시됨)에서 발생한다. 이러한 압력 차이로 인한 국부적인 응력을 실질적으로 최소화하거나 제거하는 향상된 구조적 지지부를 노즐 세그먼트에 제공하기 위해, 노즐 벽과 외측 밴드부(12)를 연결시키는 하나 또는 그 이상의 구조적 구성요소[예컨대, 주춧대 또는 핀(44)]가 내측 및 외측 밴드부의 챔버[예컨대, 도 3에 도시된 챔버(21)]내에 제공된다. 구조적 구성요소(44)는 노즐 세그먼트의 밴드부의 둘러싸거나 에워싸는 측면 벽으로부터 이격된 핀의 형태인 것이 바람직하다. 핀(44)은 노즐 벽 또는 커버와 함께 일체로 주조되는 것이 바람직하며 반대쪽 말단 단부 또는 핀의 자유 단부는 각각 반대쪽 커버 또는 노즐 벽에 용접된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 핀(44)은 노즐 벽(18)과 일체로된 주물을 형성할 수도 있다. 그 반대쪽 단부는, 예를 들면, 티그 용접(TIG weld) 또는 전자빔 용접(E-beam weld)에 의해 커버(20)에 용접된다. 또한 그 역으로, 핀(44)은 커버[즉, 커버(20)]와 일체로 주조될 수 있으며 그 말단 단부는 노즐 벽(18)에 용접될 수 있다. 다른 변형예로서, 분리된 핀을 제공하여 핀의 양 단부를 노즐 벽과 커버에 용접할 수 있다.

특히 도 2를 참조하면, 구성요소(44)는 노즐 세그먼트 밴드부의 측면 가장자리(48)의 측벽 및 단부 벽(47, 49) 각각으로부터 측방향 내측으로 또한 노즐 벽을 통하여 베인 공동의 개구의 측방향 외측으로 이격된다. 따라서 구성요소(44)는 베인과 노즐 벽의 연결부에서 측방향 외측으로, 즉, 베인과 노즐 벽 사이의 필릿의 측방향 외측으로 이격된다. 한 쌍의 구성요소(44)가 베인의 제 1 공동(30)의 양측에 인접하게, 즉 베인의 선단 에지에 인접하게 위치되는 것이 바람직하다. 제 3 구성요소(44)는 베인의 길이 중간에 또한 베인의 볼록면상에 위치되어 그 영역내에서 커버와 노즐 벽을 연결시키는 것이 바람직하다. 구성요소(44)를 수용하기 위해 충돌 플레이트(22)를 관통하여 구멍(45)이 제공되는 것이 인식될 것이다.

구조적 구성요소(44)가 커버와 노즐 벽을 연결하므로, 커버와 노즐 벽을 서로 분리되게 팽창하게 하는 압력 차이의 경향이 최소화되거나 제거된다. 따라서, 노즐 세그먼트의 측면 가장장리(48)를 따라 커버와 노즐 벽을 서로 연결시키는 용접 연결부(46)는 국부적 응력이 감소되고 굽힘 모멘트가 최소화한다. 또한, 노즐 벽과 베인 등의 사이의 필릿 영역도 국부적 응력이 감소된다. 따라서, 이러한 압력 차이에 응답하는 커버와 노즐 벽의 상대적 변위를 배제하도록 구조적 구성요소를 위치시킴으로써, 부품의 저주기 피로 수명이 상당히 증가된다.

본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로서 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 사상과 범위내의 다양한 변형과 균등한 구성을 포함하는 것으로 의도된다고 이해되어야한다.

본 발명에 따르면, 커버와 노즐 벽을 연결시키는 구조적 구성요소(주춧대 또는 핀)을 노즐 세그먼트에 설치하여, 노즐 벽을 둘러싸는 노즐 세그먼트의 챔버와 고온 가스 통로와 고정된 터빈 케이싱내의 압력 차이로 인한 국부적 응력을 감소시켜, 커버와 노즐 벽의 상대적인 변위를 배제시키고 부품의 저주기 피로 수명의 향상을 달성한다.

Claims

가스 터빈에 사용되는 노즐 세그먼트에 있어서,

외측 및 내측 밴드부와 상기 밴드부들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 베인을 가지며,

상기 밴드부의 적어도 하나는 부분적으로 터빈을 관통하는 고온 가스 통로를 규정하는 노즐 벽(16)을 구비하며,

커버(20)가 상기 노즐 벽으로부터 반경방향으로 이격되며, 상기 커버와 노즐 벽은 그 가장자리(48) 주위에서 서로 고정되어 그들 사이에 챔버를 규정하며,

충돌 플레이트가 상기 세그먼트내에 고정되고 그 일 측에 상기 커버와 함께 냉각 매체를 수용하는 제 1 공동을 규정하도록 상기 챔버내에 배치되며, 상기 충돌 플레이트는 상기 제 1 공동과 반대측의 상기 노즐 벽과 함께 제 2 공동을 규정하며, 상기 충돌 플레이트는 노즐 벽을 충돌 냉각하기 위해 상기 제 1 공동으로부터 상기 제 2 공동으로 냉각 매체를 유동시키는 다수의 관통 개구를 가지며,

적어도 하나의 구조적 구성요소가 상기 커버와 노즐 벽이 대체로 반경방향으로 서로에 대해 이동하는 것을 실질적으로 방지하도록 상기 가장자리의 내측에서 상기 커버와 노즐 벽을 연결하며,

상기 충돌 플레이트는 상기 구조적 구성요소를 수용하는 관통 구멍을 구비하며, 상기 구성요소와 상기 구멍은 베인과 노즐 벽 사이의 연결부의 측방향 외측에 놓이는

노즐 세그먼트.
제 1 항에 있어서,

상기 세그먼트의 측벽의 내측으로 또한 상기 연결부의 측방향 외측으로 상기 커버와 노즐 벽을 연결하는 제 2 구조적 구성요소를 더 구비하는

노즐 세그먼트.
제 2 항에 있어서,

상기 구조적 구성요소가 상기 노즐 벽과 상기 커버 사이에서 또한 상기 충돌 플레이트를 관통해 연장되는 핀을 포함하는

노즐 세그먼트.
제 2 항에 있어서,

상기 베인, 상기 노즐 벽 및 상기 구조적 구성요소가 상기 노즐 세그먼트용 주물의 일체적 부분을 형성하는

노즐 세그먼트.
제 2 항에 있어서,

상기 구조적 구성요소는 상기 커버에 용접되는

노즐 세그먼트.
제 2 항에 있어서,

상기 구조적 구성요소는 양 단부가 상기 노즐 벽과 커버에 용접되는

노즐 세그먼트.
제 2 항에 있어서,

상기 노즐 벽과 커버 사이에서 연장되는 베인 연장부를 더 구비하며, 상기 구성요소가 상기 세그먼트의 가장자리와 베인 연장부 사이에 위치되는

노즐 세그먼트.