KR20010112382A - 증기 터빈용 브러시 시일 - Google Patents

Abstract

다수의 밀봉 세그먼트(20)가 회전자 둘레에 브러시 시일을 장착시킨다. 브러시 시일(46)의 팁은 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 회전자의 표면과 접촉하지 않도록 유지된다. 따라서, 터보기계의 진동을 효과적으로 증가시키는, 브리슬의 팁과 회전자(12) 사이가 비벼져서 온도가 상승하는 것이 제거된다. 따라서, 브러시 시일이 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 회전자와 접촉하지 않도록 유지되어 회전자의 동적 거동에 영향을 주지 않는다.

Description

증기 터빈용 브러시 시일 {BRUSH SEALS FOR STEAM TURBINE APPLICATIONS}

항공기 및 공업용 가스 터빈의 용례에서, 브러시 시일은 일반적으로 회전 성분과 고정 성분 사이를 밀봉하기 위해 사용된다. 일반적으로, 브러시 시일은 브리슬(bristle)이 회전자와 마주하는 라인-온-라인(line-on-line) 상태에서 내구성을 갖게 하기 위해 회전자에 억지끼워맞춤으로 조립된다. 항공기 엔진의 용례에서, 회전자는 탄화 크롬과 같은 경질 피막으로 피복되는 것이 전형적이다. 항공기 및 공업용 가스 터빈에서의 회전 성분은 일반적으로 강성 재료이다. 또한, 회전 성분의 동적 거동은 회전 성분과 브러시 시일 간의 접촉, 즉 브러시 시일의 자유 단부 또는 팁과 회전 성분 사이의 밀봉 접촉의 영향을 받지 않는 것이 일반적이다.

그러나, 증기 터빈은 항공기 및 공업용 가스 터빈과는 달리 회전자의 제1 굽힘 임계 주파수를 초과하도록 설계되어 운전되며, 종종 제2 굽힘 임계 주파수 부근에서 운전되기도 한다. 종래의 시일 설계 이론에 따라, 즉 브리슬의 팁과 회전 성분 사이가 접촉하도록 브러시 시일을 증기 터빈에 적용하면, 브러시 시일이 회전자를 진동시키게 된다는 것이 발견되었다. 이는 브러시 시일과 회전자[특히, 회전자에 보우(bow)가 있는 경우] 사이가 계속 비벼지기 때문이라고 생각된다. 그렇게 비벼지는 과정에서 발생하는 마찰로 인해서 회전자 원주 둘레의 온도 분포가 불균일하게 되고, 회전자 상의 고온 부위의 온도가 계속 상승하게 된다. 다시 말하면, 회전자에 보우가 있는 경우에는, 마찰로 인해 발생하는 열이 증가함으로써 회전자의 프라우드부(proud part)가 우선적으로 가열되며, 또한 회전자의 보우잉(bowing)이 증가해서 진동이 증가하게 된다.

그리고, 브러시 시일은 증기 회전자 터빈의 시동 시에 열응력을 제거하지 않는다는 것도 발견되었다. 시동 시에, 터빈을 통해 흐르는 증기는 매우 적으며, 브러시 시일을 지나는 증기의 흐름은 거의 없다. 증기가 흐르지 않으면, 브러시 시일과 회전자 사이가 비벼지는 과정에서 발생하는 열이 발산되지 않으므로, 시일에서 회전자로, 그리고 특히 프라우드부로 전달되는 열이 증가하는 악영향이 생긴다. 임계 굽힘 주파수 부근에서, 또는 그를 초과해서 동작하는 증기 터빈 회전자와 브러시 시일이 접촉함으로써, 매우 해로운 회전자의 진동을 초래하게 되는 회전자의 동적 거동에 대한 영향이 나타나기에 충분한 열이 발생한다는 것으로 판명되었다.

브러시 시일과의 접촉으로 인해 회전자의 동적 거동에 영향을 주는 것으로 생각되는 또 다른 현상으로 블로우 다운(blow-down) 효과가 있다. 블로우 다운이란 브러시 시일을 통과하는 상류 유체가 반경 방향 안쪽으로 흐르는 것으로, 브리슬이 회전자를 향해 안쪽으로 이동하게 한다. 블로우 다운 효과는 브리슬과 회전자 간에 초기 접촉이 있는 경우 브리슬 접촉 압력과 회전자 가열을 증가시킨다.블로우 다운 효과는 초기 클리어런스(마련된 경우)를 감소시키거나 제거해서 가열을 증가시키는 경향이 있다. 브러시 시일과 회전 성분 사이가 접촉해서 비벼짐으로 인한 마찰로 열이 발생하는 것을 피하려는 모든 시도에서 블로우 다운 현상을 고려해야만 한다.

본 발명은 회전자의 동적 거동에 영향을 주지 않으면서 고정자와 회전자 사이에 브러시 시일을 사용할 수 있게 하는 증기 터빈용 브러시 시일 조립체에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 패킹 조립체 내의 브러시 시일을 예시한, 터보기계의 고정자와 회전자를 통한 횡단면도.

도 2는 전체적으로 도 1의 2-2선 둘레를 따라 취한 횡단면도.

본 발명에 따르면, 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 브리슬의 팁과 회전 성분 사이에 클리어런스를 제공하고, 특히 온도 변화로 인한 치수 변화와 블로우 다운 효과를 고려한 크기와 위치를 갖는 브러시 시일이 제공된다. 따라서, 본 발명에 따른 터보기계의 모든 작동 조건에서, 브러시 시일은 브리슬의 팁과 회전 성분 사이에 최소 클리어런스를 제공하도록 설계된다. 예를 들면, 회전자와 고정자의 열로 인한 치수 변화와 블로우 다운 현상을 고려하고, 시일을 가로질러 발생하는 압력 강하와 증기 흐름이 최고가 되더라도, 본 발명은 브리슬의 팁과 회전자 사이에 항상 최소의 운전 클리어런스를 제공한다. 이렇게 해서, 전술한 진동 문제가 최소화되거나 제거된다. 예를 들면, 브러시 시일을 가로질러 발생하는 압력 차이와 증기 흐름이 최대인 경우, 회전자의 직경이 x이고, 상기 압력 및 흐름 상태에서 브러시 시일의 반경 방향 최대 블로우 다운이 10 mil이며, 샤프트의 최대 반경 방향 편위가 5 mil이면, 작동 범위 전체에 걸쳐 브리슬 팁과 회전자 사이에 어느 정도의 클리어런스를 유지하기 위해서는 시동 시에 브리슬 팁의 내측 반경이 (x/2 + 15) mil을 초과하도록 설계되어야 한다. 전술한 바와 같은 브러시 시일의 클리어런스로 인한 밀봉 성능의 감소는 미미한 반면, 진동의 차단 또는 최소화의 잇점은상당하다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 의하면, 축선 둘레로 회전할 수 있는 회전 성분과, 이 회전 성분과 축선 둘레에 위치하는 고정 성분과, 이 고정 성분에 의해 상기 축선 둘레에 지지되며 복수 개의 브리슬이 있는 브러시 시일을 포함하는 터보기계가 제공되며, 상기 회전 성분은 상기 터보기계의 시동 상태를 포함한 상기 터보 기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 축선에 대해 최대 반경 방향 편위를 갖고, 상기 복수 개의 브리슬은 상기 축선에 대한 상기 회전 성분의 최대 반경 방향 편위를 초과하는 상기 축선에 대한 반경 방향 거리만큼 상기 회전 성분으로부터 반경 방향 외측으로 간격을 두고 있는 자유 단부에서 종결되어, 상기 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 회전 성분과 상기 브리슬의 자유 단부 사이에 반경 방향 클리어런스를 유지함으로써, 상기 회전 성분의 동적 거동이 상기 브리슬과 회전 성분 사이의 접촉에 의해 영향 받지 않게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 축선 둘레로 회전할 수 있는 회전 성분과, 이 회전 성분과 축선 둘레에 위치하는 고정 성분과, 이 고정 성분에 의해 지지되는 브러시 시일을 포함한 터보기계에 시일을 설치하는 방법이 제공되며, 이 방법은 브러시 시일 내에 브리슬을 마련해서, 이 브리슬의 블로우 다운과 온도 변화에 반응하는 상기 터보기계의 편위를 포함한 상기 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 브리슬의 팁과 회전 성분 사이에 클리어런스를 제공하도록 상기 브리슬을 배치함으로써, 상기 회전 성분의 동적 거동이 상기 브리슬과 회전 성분 사이의 접촉에 의해 영향 받는 것을 방지하는 공정을 포함한다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예에 의하면, 축선 둘레로 회전할 수 있는 회전 성분과, 이 회전 성분과 축선 둘레에 위치하는 고정 성분과, 이 고정 성분에 의해 지지되는 브러시 시일을 포함한 터보기계를 조작하는 방법이 제공되며, 이 방법은 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 브리슬의 팁과 회전 성분 사이에 클리어런스가 있는 상태에서 터보기계를 조작해서, 회전 성분의 동적 거동이 브리슬과 회전 성분 사이의 접촉에 의해 영향 받는 것을 방지하는 공정을 포함한다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 터빈의 회전자 성분의 동적 거동에 영향을 주지 않으면서 회전자 성분 상에 브러시 시일을 사용할 수 있게 함으로써, 회전자 성분의 열로 인한 보우잉과, 그로 따른 진동의 위험을 증가시키지 않으면서 회전자 성분이 임계 굽힘 주파수 부근에서 작동할 수 있게 하는 것이다.

도 1을 참조하면, 터보기계의 일부를 형성하는 고정 성분(10)과 회전 성분(12)이 도시되어 있으며, 이들 고정 성분(10)과 회전 성분(12)은 공통 축선 둘레에 각각 위치한다. 고정 성분(10)은 전체적으로 도면 부호 16으로 지시된 패킹 링 조립체를 수용하기 위한 더브테일 그루브(14)와, 다단 래버린스 시일을 마련하기 위한 장착용 래버린스 밀봉 이빨(18)을 포함한다. 도 2를 참조하면, 패킹 링조립체는 회전자(12) 둘레에 원주형 배열로 배치된 복수 개의 아치형 시일 세그먼트(20)를 포함한다. 도 1을 전체적으로 참조하면, 래버린스 시일은 그 한쪽 측부 상의 고압 구역(24)으로부터 반대쪽 측부 상의 저압 구역(22)으로 흐르는 증기에 대해 비교적 많은 수의 부분적인 장애물을 위치시키는 기능을 한다. 각각의 장애물, 즉 이빨(18)은 증기가 터빈 샤프트(12)의 축선과 평행하게 흘러 굴곡진 경로를 따르게 함으로써 압력 강하를 발생시킨다. 따라서, 각각의 시일 세그먼트(20)는 돌출하는 반경 방향 이빨(18)이 있는 밀봉면(26)을 갖는다. 이 밀봉면(26)은 축방향으로 서로로부터 떨어져 위치하는 한 쌍의 플랜지(28)에 의해 형성되는데, 어떤 용례에서는 그러한 플랜지 중 하나만이 필요할 수 있다. 시일 세그먼트(20)의 반경 방향 외측부는 시일 세그먼트(20)로부터 축방향으로 서로로부터 멀어지는 반대 방향으로 유사하게 연장되는 위치 결정용 후크 또는 플랜지(30)를 포함한다. 더브테일 그루브(14)는 축방향으로 서로를 향해 연장되어 그 사이에 슬롯(34)을 형성하는 한 쌍의 위치 결정용 플랜지(32)를 포함한다. 각 시일 세그먼트(20)의 네크부(36)는 플랜지(30)와 플랜지(28)를 서로 연결시키면서 슬롯(34) 내에서 연장된다.

도 2의 시일 세그먼트(20)는 클리어런스가 큰 개방된 최외측 위치와, 클리어런스가 작은 폐쇄된 최내측 위치 사이에서 샤프트(12) 둘레로 이동할 수 있는 정(正)의 압력의 가변 패킹 링 세그먼트를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 시일 세그먼트(20)는 플랜지(30)와 위치 결정용 플랜지(32) 사이에 배치된 스프링(도시하지 않았음)에 의해 최외측 위치로, 그리고 증기 압력에 의해 안쪽을 향해 이동한다. 이 형태의 가변 클리어런스 패킹 링 세그먼트는 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들면 본 출원인 명의의 미국 특허 제5,503,405호를 참조하기 바란다.

패킹 링 세그먼트 내에 브러시 시일이 마련됨으로써 결합된 래버린스-브러시 시일이 제공된다. 브러시 시일은 복수 개의 브리슬(44)을 수용하고 있는 브러시 시일 팩의 대향 측부 상에 한 쌍의 판(40 및 42)을 포함한다. 브리슬(44)은 바람직하게는 그 반경 방향 최외측 단부에서 서로 용접되고, 판(40 및 42)의 반경 방향 최내측 연부를 지나 내측으로 경사각을 이루며 반경 방향으로 돌출해서 자유 단부(46)에서 종결되는 것이 바람직하다.

브러시 시일의 종래의 실시에 따르면, 밀봉 작용이 발휘되기 위해서는 브리슬 팩의 자유 단부(46)가 회전자의 표면과 보통 맞물려야 한다는 것을 이해할 것이다. 브리슬은 샤프트의 반경 방향 편위를 수용하기에 충분한 가요성이 있는 것으로 생각된다. 그러나, 회전자의 동적 거동은 회전자와 브러시 시일 사이의 접촉에 의해 상당한 영향을 받는다는 것이 본 발명의 일부로서 발견되었다. 브러시 시일이 계속 회전자와 비벼지면, 발생하는 마찰로 인해서 회전자의 원주 둘레의 온도가 상승한다는 것을 이해할 것이다. 회전자에 보우가 있으면(증기 터빈의 경우 전형적임), 회전자와 브러시 시일의 팁 사이의 접촉에 의해 회전자의 프라우드부가 우선적으로 가열되어 프라우드부에서 회전자의 온도가 점점 상승한다. 이러한 열 발생의 증가는 냉각 증기의 흐름이 없는 시동 시에 특히 악화된다. 따라서, 브러시 시일이 회전자를 간섭하도록 조립되면, 계속 비벼지는 과정에서 온도가 상승하고, 따라서 추가적인 열 변형과 보우잉이 발생하며, 그 결과 터보기계에 대한 진동이점점 악화된다.

또한, 블로우 다운 효과가 상기 문제를 더욱 악화시킨다. 블로우 다운은 압력이 더 높은 상류 유체가 반경 방향 내측으로 흐르는 것으로, 브리슬이 샤프트를 향해 편향되도록 해서 브리슬과 샤프트 사이의 접촉력을 증가시켜, 마찰 접촉으로 인해 온도를 더욱 상승시킨다.

본 발명에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 브리슬의 팁은 시동으로부터 정지를 비롯해 블로우 다운 효과가 나타나는 상태를 포함한 터보기계의 모든 작동 조건 하에서, 회전자 샤트프에 클리어런스를 제공하도록 의도적으로 설계된다. 다시 말하면, 브러시 시일의 팁은 회전자의 축선에 대한 최대 반경 방향 편위를 초과하는 반경 방향 거리만큼 회전자로부터 간격을 두고 있어, 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 회전자와 브러시 시일의 팁 사이에 반경 방향 클리어런스를 유지시키며, 따라서 회전자의 동적 거동이 브리슬과 회전자 사이의 접촉에 의해 영향 받지 않게 된다. 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 브리슬 팁과 회전자 사이가 비벼지면서 접촉하는 것을 제거함으로써, 마찰로 인해 발생하는 열을 피하게 되고, 그러지 못한 경우라면 마찰 접촉에 의해 발생하는 열이 계속 증가함으로 인해 야기되는 터보기계의 진동을 제거하게 된다. 따라서, 회전자의 동적 거동이 브러시 시일의 사용에 의해 영향을 받지 않는다. 비록, 브리슬 팁과 회전자 사이의 클리어런스로 인해, 특히 저온 시동 시에 밀봉 성능이 감소하지만, 브러시 시일을 가로질러 작동 압력이 강하되면, 브러시 시일을 회전자를 향해 편향시켜 클리어런스를 감소시키는 브리슬의 블로우 다운 효과에 의해 그러한 밀봉 성능의 저하가 완화되며 클리어런스도 어느 정도 감소하게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 설계에 의하면, 모든 작동 조건에 대해 블로우 다운 효과에도 불구하고 브리슬 팁과 회전자 사이가 비벼지는 접촉을 피하기에 충분한 클리어런스가 유지된다. 회전자와 접촉하는 브러시 시일의 가열 효과로 인한 진동을 제거하는 유리한 효과는, 브러시 시일의 브리슬 팁과 회전자 사이의 클리어런스로 인한 밀봉의 어떠한 감소도 크게 압도한다.

비록, 현재 가장 실현 가능하고 바람직하다고 생각되는 실시예와 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않으며, 오히려 후술하는 청구 범위의 정신 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형례와 균등한 구성을 포함한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (3)

1. 축선 둘레로 회전할 수 있는 회전 성분과, 이 회전 성분과 상기 축선 둘레에 위치하는 고정 성분과, 이 고정 성분에 의해 상기 축선 둘레에 지지되며 복수 개의 브리슬이 있는 브러시 시일을 포함하는 터보기계로서, 상기 회전 성분은 상기 터보기계의 시동 상태를 포함한 상기 터보 기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 축선에 대해 최대 반경 방향 편위를 갖고, 상기 복수 개의 브리슬은 상기 축선에 대한 상기 회전 성분의 최대 반경 방향 편위를 초과하는 상기 축선에 대한 반경 방향 거리만큼 상기 회전 성분으로부터 반경 방향 외측으로 간격을 두고 자유 단부에서 종결되어, 상기 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 회전 성분과 상기 브리슬의 자유 단부 사이에 반경 방향 클리어런스를 유지함으로써, 상기 회전 성분의 동적 거동이 상기 브리슬과 회전 성분 사이의 접촉에 의해 영향 받지 않는 것인 터보기계.
2. 축선 둘레로 회전할 수 있는 회전 성분과, 이 회전 성분과 상기 축선 둘레에 위치하는 고정 성분과, 이 고정 성분에 의해 지지되는 브러시 시일을 포함한 터보기계에 시일을 설치하는 방법으로서, 상기 브러시 시일 내에 브리슬을 마련해서, 상기 브리슬의 블로우 다운과, 온도 변화에 반응하는 상기 터보기계의 편위를 포함한 상기 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 브리슬의 팁과 상기 회전 성분 사이에 클리어런스를 제공하도록 배치함으로써, 상기 회전 성분의 동적 거동이 상기 브리슬과 회전 성분 사이의 접촉에 의해 영향 받는 것을 방지하는 공정을 포함하는것인 터보기계에 시일을 설치하는 방법.
3. 축선 둘레로 회전할 수 있는 회전 성분과, 이 회전 성분과 상기 축선 둘레에 위치하는 고정 성분과, 이 고정 성분에 의해 지지되는 브러시 시일을 포함하는 터보기계를 조작하는 방법으로서, 상기 터보기계의 작동 범위 전체에 걸쳐 상기 브리슬의 팁과 회전 성분 사이에 클리어런스가 있는 상태에서 상기 터보기계를 조작해서 상기 회전 성분의 동적 거동이 상기 브리슬과 회전 성분 사이의 접촉에 의해 영향 받는 것을 방지하는 공정을 포함하는 것인 터보기계 조작 방법.