KR20020065382A - 밀봉 장치 및 회전 장치 - Google Patents
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Abstract
브러시 시일(30)은 제 1 정지형 구성요소(32)와 제 2 회전형 구성요소(34) 사이에 제공된다. 냉매는 브러시 시일 강모(40)의 상류 표면부 및 상기 강모의 팁에 인접한 표면을 따라 유동하도록 다수의 제트 노즐(46)을 통해 제공된다. 냉매는 브러시 시일 강모를 터빈을 통과하는 작동유 매체의 온도보다 낮은 온도로 냉각시킨다. 제트 노즐은 슈라우드에 또는 브러시 시일의 상류 백킹 플레이트(backing plate)에 배열되어 냉매를 브러시 시일의 연결부 및 밀봉면쪽으로 배향시킨다.
Description
본 발명은 인접한 구성요소 사이를 밀봉하기 위한 브러시 시일에 관한 것으로, 특히 가스 또는 증기 터빈내의 슈라우드 및 버킷 팁 또는 커버와 같은 고온 환경하에서 사용되고 냉매에 의한 냉각을 필요로 하는 브러시 시일에 관한 것이다.
브러시 시일은 가스 및 증기 터빈 응용분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 많은 경우에, 브러시 시일은 래버린스형 시일(labyrinth-type seals) 대신에, 또는 상기 래버린스형 시일과 결합하여 장치의 각종 위치에 설치된다. 또한 브러시 시일은 온도 및 압력이 증가되는 위치에 사용된다. 일반적인 브러시 시일은 하나 또는 그 이상의 백킹 플레이트(backing plates) 사이에 배치되는 세라믹재 또는 금속재로 형성된 다수의 기다란 강모를 포함한다. 종래 기술에 있어서, 브러시 시일은 하나의 구성요소(예를 들면, 고정 구성요소)에 고정되며, 강모 팁은 상기 시일로부터 돌출하여 다른 구성요소(예를 들면, 회전형 샤프트)와 결합하여 그와 함께 시일을 형성한다.
그러나 현존하는 브러시 시일은 온도가 1200℉ 이상인 작업 환경에서는 견딜 수 없다. 따라서 보다 높은 온도를 가지는 터빈 영역에 대해 브러시 시일의 적용은 이러한 온도 제한에 의해 억제되었다. 예를 들면, 버킷 팁 밀봉부와 같은 가스 터빈내의 고온 가스 경로 적용분야에 있어서, 작동 온도는 1800℉ 또는 그 이상일 수 있다. 결과적으로, 고온의 적용분야에서 사용하기 위해서는 향상된 브러시 시일이 요구된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 필름 냉각식 고온 브러시 시일은 브러시 시일의 상류측에 인접해 분출되는 냉매의 제트에 의해 냉각된다. 즉, 바람직한 일 실시예에 있어서, 박막의 냉매는 강모의 상류 표면을 따라서 강모 팩(pack)을 지나 유동하는 열 절연체로서 작용하여, 강모의 온도를 소정의 온도, 예를 들면 1200℉ 이하로 유지시킨다. 냉각 유동은 강모를 고온 작동유 매체로부터 보호한다. 본 바람직한 실시예의 일반적인 적용은 브러시 시일이 가스 터빈의 버킷 팁 커버를 둘러싸는 슈라우드내에 형성되는 것을 포함한다. 버킷은 고온 가스 경로내에 놓이며, 강모는 회전 구성요소(예를 들면, 버킷 팁 커버)와 결합하도록 슈라우드로부터 돌출한다. 노즐은 냉매의 제트를 대체로 반경방향으로 유동시키기 위해 슈라우드에 대해 서로 원주방향으로 이격되어 브러시 시일 강모의 상류 표면 및 회전 구성요소(즉, 버킷 팁 커버)를 따라서 냉매의 열 절연 필름을 제공한다. 일반적인 브러시 시일 구성, 즉 강모 팩의 대향 측면상에 한쌍의 백킹 플레이트를 구비하는 브러시 시일, 및 강모 팩과 이격된 상류측 백킹 플레이트와 관련하여, 상류측 백킹 플레이트와 강모 팩 사이에 스페이서(spacer) 또는 플랜지가 제공된다. 스페이서 또는 플랜지는 다수의 원주방향으로 이격된 노즐을 구비하여 상류측 백킹 플레이트와 강모 팩의 상류측 표면 사이에 냉매를 유동시킴으로써 강모의 온도를 고온 가스 증기의 온도 이하로 낮출 수 있다. 즉, 상기 노즐은 강모와 고온 가스 경로 사이에 냉매의 얇은 열적 절연 필름을 제공한다. 또한, 냉매는 버킷 팁 커버를따라서 유동하여, 커버 및 버킷을 냉각시킨다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 노즐은 브러시 시일의 상류측에 배열되고 정지 구성요소를 통해 개방된다. 예를 들면, 노즐은 상류측 백킹 플레이트의 상류측에 배열될 수 있으며 슈라우드를 통해 개방된다. 노즐은 냉매(예를 들면, 공기)를 수용하는 플리넘(plenum)과 연통하는 것이 바람직하다. 따라서 공기의 제트는 백킹 플레이트의 전방 표면을 따라서 상류측 백킹 플레이트와 회전 구성요소 사이의 갭내로 유동하고, 강모의 팁에 인접한 강모의 상류측 표면을 따라서 박막 층을 형성한다. 그런 후 공기의 박막은 강모 팁과 버킷 커버의 연결부를 통과하여 유동한다. 다른 형태에 있어서, 노즐은 슈라우드로부터 굽어져 냉매의 제트를 강모 팁과 회전 구성요소의 연결부에 직접적으로 배향시킬 수 있다. 또한, 노즐은 냉매의 제트가 강모 팁과 회전 구성요소의 연결부상으로 굽어지거나 또는 배향되도록 상류측 백킹 플레이트를 관통해 형성될 수 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 있어서, 밀봉 장치는 서로에 대해 이동가능하며 고온의 유체 매체를 유동시키기 위해 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 구성요소와, 상기 제 1 구성요소와 상기 제 2 구성요소 사이에 배치되고 시일의 개별 대향 측면상의 고압 영역과 저압 영역 사이의 갭을 밀봉시키기 위해 상기 제 1 구성요소에 의해 지지되는 브러시 시일을 포함한다. 브러시 시일은 고압 영역에서 갭을 통해 저압 영역으로의 유체 유동을 최소화하기 위해 구성요소들 사이에 시일을 형성하도록 제 2 구성요소와 결합하는 강모 팁에서 종단하는 자유 단부를 갖는 다수의 돌출 강모와, 강모를 고온 유체 매체와 열적으로 절연시키기 위해강모의 표면부를 따라 박막의 냉매를 형성하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 있어서, 회전 장치는 회전가능한 구성요소와, 회전되지 않게 고정된 또는 정지형 구성요소를 포함한다. 상기 구성요소들은 축을 중심으로 배치되고, 상기 구성요소들중 하나에 의해 지지되는 브러시 시일은 하나의 구성요소로부터 돌출하며 브러시 시일의 일 측면상의 고압 영역에서 상기 시일의 대향 측면상의 저압 영역까지 고온 유체의 유동을 최소화하기 위해 상기 구성요소들중 다른 하나와 결합하는 강모 팁에서 종단하는 자유 단부를 갖는 다수의 강모를 포함한다. 다수의 노즐은 강모 팁의 연결부쪽으로 냉매를 배향시키기 위한 하나의 구성요소와, 그의 상류측상의 강모의 표면에 인접해 일 층의 냉매를 형성하여 강모가 상기 유체로부터 열적으로 절연되도록 하는 다른 구성요소에 의해 지지된다.
도 1은 종래 기술의 브러시 시일의 부분 단면도로서, 버킷 팁 커버와 밀봉 관계에 있는 터빈의 슈라우드를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 필름 냉각식 고온 브러시 시일(film-cooled high temperature brush seal)의 확대된 부분 단면도,
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면으로서 도 2와 유사한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 브러시 시일32 : 슈라우드
34 : 버킷36 : 상류측 백킹 플레이트
38 : 하류측 백킹 플레이트40 : 강모
46 : 노즐48 : 플리넘
50 : 강모 팁52 : 밀봉 표면
도 1은 종래 기술에 따라 구성된 환형 브러시 시일(10)을 도시한다. 종래의 브러시 시일(10)은 기다란 강모(16)의 대향 측면상에 한쌍의 백킹 플레이트(12, 14)를 포함한다. 백킹 플레이트(12, 14) 및 강모(16)의 기단부는 예를 들면, 용접부(18)에 의해 대체로 서로 용접된다. 도시된 바와 같이 브러시 시일(10)은 슈라우드(20)에 장착되고, 강모 팁(22)은 버킷(24)의 커버에 지지되어 그와 함께 시일을 형성한다. 버킷 및 브러시 시일은 점진적으로 보다 고온이며 그러한 고온 적용에서 브러시 시일의 사용을 억제 또는 방해할 수 있는 환형 가스 유동경로에 놓인다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 환형 브러시 시일(30)을 도시한다. 브러시 시일(30)은 제 2 회전 구성요소[예를 들면, 버킷(34)]를 둘러싸고 상기 제 2 회전 구성요소의 축을 중심으로 하는 제 1 정지 구성요소를 구성하는 환형 슈라우드(32)내에 형성된 홈(31)내에 장착될 수 있다. 브러시 시일은 다수의 아치형 세그먼트(예를 들면, 6개의 세그먼트이고 각각 약 60°로 연장함)에 제공된다. 또한 브러시 시일은 그의 상류측 상의 고압 영역과 그의 하류측상의 저압 영역 사이를 밀봉한다. 도시된 바와 같이, 브러시 시일(30)은 상류측 백킹 플레이트(36)와, 하류측 백킹 플레이트(38)와, 상기 백킹 플레이트들 사이에 배치된 다수의 강모(40)와, 상류측 백킹 플레이트(36)와 강모(40)의 기단부 사이에 배치된 스페이서 또는 플랜지(42)를 포함한다. 강모는 기다랗고, 금속 또는 세라믹재로 형성되며, 강모 팩(43)에 배치된다. 강모(40)는 일반적으로 버킷(34)의 회전축의 반경에 대해 경사진 각도, 예를 들면 회전방향으로 약 30°내지 40°의 경사 각도로 연장한다. 스페이서(42)는 상류측 백킹 플레이트(36)와 일체형인 플랜지를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 용접부(44)는 브러시 시일(30)의 반경방향 최외측 가장자리부를 따라서 백킹 플레이트, 스페이서 및 강모가 서로 연결되도록 한다.
도 2의 장치에 있어서, 박막의 냉매(예를 들면, 공기)는 강모 팩(43)의 전방 표면부 또는 표면을 따라서 유동하도록 공급된다. 상기 유동은 스페이서(42)를 관통해서 또는 스페이서와 다른 상류측 플레이트(36) 또는 강모(40) 사이의 개구를관통해 형성되는 다수의 원주방향으로 이격된 노즐(46)에 의해 제공된다. 노즐(46)은 냉매를 수용하는 서플라이 또는 플리넘(48)과 연통한다. 냉매는 가압되며 따라서 노즐(46)을 통해 강모 팩과 상류측 백킹 플레이트(36)의 하류측 표면 사이의 강모 팩(43)의 전방 표면을 따라서 유동한다. 냉매는 강모 팁(50)과 회전 구성요소(34)의 밀봉 표면(52)의 연결부에 인접해 존재한다. 냉매의 유동은 고온 가스 유동경로내의 고온 가스[화살표(54)로 표시됨]와 강모 팩 사이에서 단열체로서 작용하는 박막의 냉매를 형성한다. 따라서 강모는 고온 가스 증기의 온도보다 낮으며 강모재의 고온 한계보다 낮은 온도로 냉각된다. 또한, 버킷 밀봉 표면(52)의 부분은 고온 가스로부터 열적으로 절연되며 따라서 냉각된다.
도 3에 있어서, 숫자 100이 더해진 유사한 참조부호는 유사한 부품을 나타내며, 브러시 시일(130)은 슈라우드(132)내의 홈(131)내에 장착되어 있다. 상류측 백킹 플레이트(136)는 강모(140)를 수납하는 강모 팩(143)의 전방 표면과 이격되어 있으며, 하류측 백킹 플레이트(138)는 강모(140)가 축선 하방으로 변형되는 것을 방지한다. 본 실시예에 있어서, 노즐(146)은 슈라우드(132)내에 제공되고 냉매를 노즐에 공급하기 위해 플리넘(148)과 연통한다. 이러한 형태에 있어서, 노즐로부터의 냉매의 제트는 상류측 백킹 플레이트(136)의 상류측 표면을 따라서 및 버킷(134)의 표면(152)과 결합하는 브러시 시일(130)의 팁(150)을 따라서 및 이를 통해서 유동한다. 따라서 박막의 냉매는 팁(150)에 인접한 강모 부분(153)을 따라서 제공되며, 그에 따라 상기 강모 부분을 고온 가스 경로의 고온 가스로부터 효과적으로 열적으로 절연시킨다. 또한 회전 구성요소(134)의 표면(152)은 냉매의 유동에 의해 냉각된다.
도 4에 있어서, 이전 실시예에 대해 숫자 100이 더해진 유사한 참조부호는 유사한 부품에 적용되며, 브러시 시일(230)은 슈라우드(232)의 홈(231)내에 유사하게 배치된다. 그러나 상기 형태에 있어서, 다수의 원주방향으로 이격된 노즐(246)은 슈라우드(232)내에 형성되며 회전축에 대해 각도를 가지고 가스 경로내로 개방되어 서플라이 또는 플리넘(248)으로부터 유동하는 냉매의 제트가 강모 팁(250)과 밀봉 표면(252)의 연결부로 배향된다. 도시된 바와 같이, 노즐(246)은 브러시 시일(230)의 축방향 상류측에 위치된다. 따라서 박막의 냉매는 팁(250)에 인접한 부분(253)을 따라서 유동하며, 그에 따라 강모 부분(253)을 유동경로내의 고온 가스로부터 열적으로 절연시킨다. 또한 냉매는 표면(252)을 따라서 유동하여, 냉각 유동에 인접한 버킷 부분을 냉각시킨다.
도 5에 있어서, 숫자 100이 더해진 유사한 참조부호는 유사한 부품에 적용되며, 브러시 시일(330)은 상류측 백킹 플레이트(336)와, 하류측 백킹 플레이트(338)와, 상기 플레이트들 사이에 배치된 강모 팩(343)을 형성하는 다수의 강모(340)를 포함하며, 상기 상류측 플레이트(336)는 강모 팩(343)의 전방 표면과 이격된다. 이러한 형태에 있어서, 원주방향으로 이격된 노즐(346)은 상류측 백킹 플레이트(336)를 관통해 경사져서 냉매의 제트가 냉매 서플라이 또는 플리넘(348)으로부터 노즐(346)을 통해 강모 팁(350)과 밀봉 표면(352)의 연결부상으로 직접 유동한다. 상술된 실시예에서와 같이, 열적인 절연 냉매의 박막이 강모 팁(350)에 인접한 강모 부분(353)과 회전 구성요소의 밀봉 표면(352)을 따라서 제공된다.
도 6에 있어서, 숫자 100이 더해진 유사한 참조부호는 전술한 실시예에서와 같이 유사한 부품에 적용되며, 브러시 시일(430)은 상류측 백킹 플레이트(436)와, 하류측 백킹 플레이트(438)와, 상기 플레이트들 사이에서 강모 팩(443)을 형성하는 다수의 강모(440)를 포함한다. 상기 형태에 있어서, 슈라우드(432)는 노즐을 통해 냉매를 공급하기 위한 플리넘(448)과 연통하는 다수의 원주방향으로 이격된 노즐(446)이 설치된다. 도 6의 브러시 시일(430)은 상기 브러시 시일(430)이 버킷의 상류측 부분에 인접해 위치되는 것을 제외하고는 도 3에 도시된 브러시 시일과 유사하다. 본 실시예에 있어서, 브러시 시일은 실질적으로 전체 버킷 팁 또는 커버 표면(452)을 따라서 버킷 온도를 낮추며, 그에 따라 버킷 수명을 향상시킨다.
브러시 시일은 다른 및 다양한 적용분야에 사용될 수 있으며, 본원에서 특별히 상술된 바와 같이 정지형 구성요소와 회전형 구성요소 사이에서만 필요한 것은 아님을 알 수 있다. 따라서 브러시 시일은 상기 브러시 시일이 앞서 사용되지 않은 장소, 예를 들면 연소 전이 피스와 터빈의 제 1 스테이지 입구 노즐의 사이와 같은 고온 환경에 있는 불규칙적인 형상의 구성요소 사이를 밀봉하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 특정한 바람직한 실시예가 도시되고 상술되었지만, 다양한 수정 및 변형이 본 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 이루어질 수 있다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 범위내에서 그러한 수정 및 변형을 포함함을 알 수 있다.
본 발명은 높은 온도를 가지는 터빈 영역에 대해 브러시 시일의 적용이 가능하며, 본 발명의 브러시 시일은 연소 전이 피스와 터빈의 제 1 스테이지 입구 노즐의 사이와 같은 고온 환경에 있는 불규칙적인 형상의 구성요소 사이를 밀봉하는데 사용될 수 있다.
Claims (10)
- 밀봉 장치에 있어서,서로에 대해 이동가능하며, 고온의 유체 매체를 유동시키기 위해 그들 사이에 갭을 형성하는 제 1 및 제 2 구성요소(32, 34)와,상기 제 1 구성요소와 상기 제 2 구성요소 사이에 배치되고 시일의 개별 대향 측면상의 고압 영역과 저압 영역 사이의 갭을 밀봉시키기 위해 상기 제 1 구성요소에 의해 지지되는 브러시 시일(30)로서, 상기 브러시 시일은 상기 브러시 시일로부터 돌출하고 고압 영역에서 상기 갭을 통해 저압 영역으로의 유체 매체의 유동을 최소화하기 위해 상기 구성요소들 사이에 시일을 형성하는 제 2 구성요소와 결합하는 강모 팁(50)에서 종단하는 자유 단부를 갖는 다수의 강모(40)를 포함하는, 상기 브러시 시일(30)과,상기 강모를 고온 유체 매체로부터 열적으로 절연시키기 위해 상기 강모의 표면부를 따라 박막의 냉매를 형성하기 위한 형성 수단(46, 146, 246, 346, 446)을 포함하는밀봉 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 형성 수단은 상기 냉매를 고압 영역내로 및 상기 강모의 상류측 표면부를 따라서 유동시키기 위한 다수의 노즐(46)을 포함하는밀봉 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 브러시 시일은 상기 강모의 대향 측면상의 제 1 및 제 2 백킹 플레이트(36, 38)를 포함하며, 상기 제 1 백킹 플레이트(36)는 상기 강모의 상류측 측면을 따라서 배치되고 상기 강모의 상류측 표면부로부터 상류측으로 이격되며, 상기 형성 수단(46)은 상기 제 1 백킹 플레이트와 상기 상류측 표면부 사이에서 상기 제 2 구성요소쪽 방향으로 냉매를 유동시키기 위한 다수의 노즐을 포함하는밀봉 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 강모는 기다랗고, 상기 노즐은 상기 제 1 백킹 플레이트와 상기 강모의 단부에 인접한 상기 기다란 강모 사이의 공간내로 개방되며, 상기 강모의 단부는 상기 강모 팁과 이격되어 있어 강모의 대부분의 길이부를 따라서 열적인 절연 층을 형성하는 냉매가 그의 상류측 표면부를 따라서 유동하도록 하는밀봉 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 형성 수단(146, 246, 346)은 상기 냉매를 고압 영역내로 및 상기 강모의 상류측 표면부를 따라서 유동시키기 위해 상기 브러시 시일의 상류측 위치의 상기 구성요소내에 형성된 다수의 노즐을 포함하는밀봉 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 형성 수단은 상기 냉매가 상기 강모 팁과 상기 제 2 구성요소의 연결부쪽으로 직접 유동하도록 경사진 다수의 노즐(246, 346)을 포함하는밀봉 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 노즐(146, 246, 346)은 상기 브러시 시일의 상류측의 제 1 구성요소에 의해 지지되는밀봉 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 브러시 시일은 상기 강모의 대향 측면상에 제 1 및 제 2 백킹 플레이트를 포함하며, 상기 제 1 백킹 플레이트는 상기 강모의 상류측 측면을 따라서 배치되고 상기 강모의 상류측 표면부로부터 상류측으로 이격되어 있으며, 상기 노즐(346)은 상기 냉매를 상기 강모 팁에 인접한 상기 강모의 상류측 부분을 따라서 유동시키기 위해 상기 제 1 백킹 플레이트(336)를 통해 개방되는밀봉 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 구성요소는 각기 정지 및 회전 구성요소를 포함하는밀봉 장치.
- 회전 장치에 있어서,회전가능한 구성요소(34) 및 회전되지 않게 고정된 구성요소(32)로서, 상기 구성요소들은 축을 중심으로 배치되는, 상기 회전가능한 구성요소(34) 및 고정 구성요소(32)와,상기 하나의 구성요소로부터 돌출하고 브러시 시일의 일 측면상의 고압 영역에서 상기 시일의 대향 측면상의 저압 영역으로 고온 유체 매체의 유동을 최소화하기 위해 상기 구성요소들중 다른 하나와 결합하는 강모 팁(50)에서 종단하는 자유 단부를 갖는 다수의 강모(40)를 포함하는 상기 구성요소들중 하나에 의해 지지되는 브러시 시일(30)과,상기 강모를 상기 유체 매체로부터 열적으로 절연시키기 위해 그의 상류측 측면상의 강모의 표면에 인접해 냉매의 층을 형성하기 위해 상기 강모 팁과 상기 다른 구성요소의 연결부를 향한 방향으로 냉매를 배향시키기 위해 상기 하나의 구성요소에 의해 지지되는 다수의 노즐(46, 146, 246, 346, 446)을 포함하는회전 장치.
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