KR20070028256A - 일체형 버킷 휠 및 터빈 버킷 휠의 제조 방법 - Google Patents

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클레멘트 가찔로
존 토마스 머피
스테판 스완
로버트 제임스 브랙큰
제프리 로버트 심킨스
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

터빈 스테이터 및 터빈 로터 부품용 일체형 노즐 및 버킷 휠(10,44)은 각각, 단일체의 스톡 재료로 제조되는 360°휠을 포함한다. 상기 노즐 휠(10)은 복수의 에어포일(16)을 포함하도록 형성되는 내측 반경방향부를 포함하는 반면에, 버킷 휠은 복수의 버킷(54)을 포함하도록 각각 형성된다. 노즐 및 버킷 휠은 복수의 활꼴 세그먼트로 분할될 수 있다.

Description

일체형 버킷 휠 및 터빈 버킷 휠의 제조 방법{INTEGRATED NOZZLE AND BUCKET WHEELS FOR REACTION STEAM TURBINE STATIONARY COMPONENTS AND RELATED METHOD}
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 일체형 노즐 휠의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 다른 형태의 일체형 노즐 휠의 사시도,
도 3은 하부 터빈 케이싱 부품 내에 조립되는 도 1의 노즐 휠의 사시도,
도 4는 도 3과 유사하지만, 상부 노즐 휠 세그먼트 위에 위치되는 상부 터빈 케이싱 부품을 갖는 노즐 휠의 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 터빈 로터 버킷 휠의 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 24 : 노즐 휠 16 : 에어포일
22 : 타이-로드 구멍 30 : 노즐
44 : 버킷 휠 48 : 내측 반경부
50 : 외측 반경부 52 : 볼트 구멍
54 : 버킷
본 발명은 일반적으로 스팀 터빈의 구성에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 반동 스팀 터빈(reaction steam turbine)용 일체형 노즐 및 버킷 휠의 구성에 관한 것이다.
현재의 일체형-커버 반동 노즐 스테이지는 기계식 스테이터 케이싱 또는 노즐 캐리어의 내측에 조립되는 대형 개별 반동 노즐로 구성된다. 더욱 구체적으로, 개별 노즐은 도브테일 홈(dovetail groove)의 내측에 장전되고 개별 방사상 장전 핀을 사용하여 캐리어 내측에 고정된다. 각각의 노즐 선단부는 고온 가스통로에 따른 누출을 최소화하도록 터빈 로터와의 상호작용을 위한 특정 선단부 시일 구조물로 기계 가공된다.
유사하게, 현재의 일체형-커버 반동 버킷 스테이지도 개별 방사상 장전 핀을 사용하여 기계식 로터 단조품의 내측에 조립되는 대형 개별 반동 버킷으로 구성된다. 조립 후에, 버킷은 유지 하드웨어에 고정되며, 버킷 선단부는 특정 선단부 시일 구조물로 기계 가공된다.
스테이터 케이싱의 제작, 스테이터 기계 가공, 노즐 스톡 재료와 노즐의 기계 가공, 및 스테이터의 조립뿐만 아니라, 로터의 단조, 로터의 기계 가공, 버킷 스톡 재료, 버킷의 기계 가공 및 조립과 관련된 시간과 비용은 반동 스팀 통 로(path) 전체에 상당한 비용을 추가시킨다. 이에 따라, 본 발명은 이러한 단점들을 해소하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 노즐 및 버킷의 제작/조립 공정은 단순화되며, 반동 스팀 통로의 총 비용도 전체 반동 스팀 터빈의 설계 상의 흠결없이 감소될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 모든 반동 노즐은 평탄한 스톡 재료로 된 360°의 단일체로 기계 가공된다. 스톡 재료는 단조, 압연된 링 또는 판형 스톡일 수 있다고 이해해야 한다. 360°링은 ID, OD, 입구 브렌드, 에어포일, 에어포일 반경부, 커버 슈라우드 시일링 구조물, 유지 특징부(retention feature) 및 표준 노즐 특징부의 나머지 부분들이 기계 가공되는 기계 가공 센터에 놓여진다. 그후, 일체형 노즐 휠은 최종 스팀 통로 조립 공정의 준비를 위해서 두 개 이상의 활꼴 세그먼트로 분할되거나 분할되지 않을 수 있다.
유사하게, 단일 스테이지의 반동 에어포일이 단조되고 압연된 링 또는 판형 스톡일 수 있는 평탄 스톡 재료로 된 360°의 단일체로 기계 가공될 수 있다. 버킷 시일 선단부의 형상, 축방향면 결합 래빗 고정구(mating axial face rabbet fits) 및 유지 특징부도 일체형 버킷 휠로 기계 가공될 수 있다.
노즐 및/또는 버킷 에어포일의 각각의 전방 및/또는 후방에 있으며 각각의 버킷 휠과 교대하는 형상으로 복수의 노즐 휠을 축방향으로 적층시키는데 용이하게 사용될 수 있는, 스테이터와 로터 표면에 인접한 일체형 노즐과 버킷 휠로 결합시키는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 스톡 재료의 단일체로 제조되는 360°휠을 포함하는 터빈 로터 부품용 일체형 버킷 휠에 관한 것으로서, 상기 버킷 휠은 에어포일부와 외측 반경방향 선단 슈라우드부를 각각 갖는 복수의 버킷을 포함하도록 제작되는 휠의 외측 반경방향부와, 하나 이상의 조립 특징부를 포함하도록 제작되는 버킷 휠의 내측 반경방향부를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명은 스톡 재료로 제조되는 360°단일체를 포함하는 반동 터빈의 로터 부품용 일체형 버킷 휠에 관한 것으로서, 상기 버킷 휠은 에어포일부와 외측 반경방향 선단 슈라우드부를 각각 갖는 복수의 버킷을 포함하도록 기계 가공되는 외측 반경방향부와, 원주위에 이격된 복수의 타이-로드 또는 볼트 구멍을 포함하도록 기계 가공되는 내측 반경방향부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명은 터빈 버킷 휠의 제조 방법에 관한 것으로서, 평탄한 스톡 재료를 환형 링으로 형성하는 단계와, 에어 포일부를 각각 갖는 복수의 버킷을 포함하도록 상기 환형 링의 외측 반경부를 기계 가공하는 단계와, 조립 특징부를 포함하도록 상기 환형 링의 내측 반경부를 기계 가공하는 단계를 포함한다.
본 발명은 이후, 첨부 도면과 관련하여 상세히 설명될 것이다.
먼저 도 1을 참조하면, 일체형 노즐 휠(10)이 도시되어 있으며, 상기 노즐 휠은 상부 및 하부의 180°세그먼트 또는 하프(12,14)로 분할된다. 상기 노즐 휠 을 분할하는 것은 상부 및 하부 터빈 케이싱 부품 또는 섹션내에서, 로터를 에워싸고 있는 노즐 휠 세그먼트와의 조립을 용이하게 하기 위한 것임을 이해할 수 있을 것이다.
예시적인 실시예에서, 상기 노즐 휠(10)은 단조되고 압연된 링 또는 평판 스톡일 수 있는 평탄한 스톡 재료로 이루어지는 360°단일체로 제조된다. 그 후, 환형 링은 노즐 휠의 내측 반경방향부에 환형으로 배열된 복수의 에어포일(16)을 포함하도록 기계 가공된다. 또한 상기 에어포일(16)의 내측 반경방향 단부도 노즐 휠의 ID를 결정하는 일체형 커버 슈라우드 밀봉 구조물(18)을 포함하도록 기계 가공된다. 상기 노즐 휠의 나머지 부분, 특히 외측 반경방향부(20)는 유사한 휠, 또는 로터 상의 회전 스테이지를 수용하는 분리형 스페이서 링으로의 축방향 적층을 용이하게 할 수 있는 조립 볼트 또는 타이-로드 구멍(22) 및 임의의 다른 림 또는 래빗(rabbet) 구조물을 포함하도록 형성된다.
도 2는 휠의 한 측면(26)이 일체형 노즐(30)의 축방향 상류로 연장하는 혼합된 환형 입구(28)를 포함하도록 기계 가공된 다른 형태의 일체형 노즐 휠(24)을 도시한다. 본 실시예에서도, 볼트 또는 타이-로드 구멍(32)이 축방향으로의 적층을 용이하게 하도록 외측 반경방향 영역(34)에 제공되어 있다.
도 3은 다중 노즐 휠의 축방향 적층을 용이하게 하도록 너트(40)에 의해 고정되고 상기 구멍(22)을 통해 연장하는 복수의 타이 로드 또는 볼트(38)와 함께 하부 터빈 케이싱 부품(36) 내에 위치되어 있는 도 1의 노즐 휠(10)을 도시한다.
도 4는 도 3과 유사하지만, 하부 케이싱 부품(36) 위에 조립되는 상부 케이 싱 부품(42)을 갖는 노즐 휠을 도시한다. 상부 및 하부 노즐 휠 세그먼트(12,14), 그리고 상부 및 하부 케이싱 부품(36,42)은 종래의 유지/고정 하드웨어 구조물(도시 않음)을 사용하여 각각 서로에 고정될 수 있다고 이해해야 한다. 노즐 휠 세그먼트의 경우에, 유지/고정 특징부는 본 명세서에 설명된 본 발명과 일치하는 세그먼트로 기계 가공될 것이다.
도 5를 참조하면, 반동 터빈 로터 버킷 휠(44)은 스톡 재료로 이루어진 단일 원형 평판(단조, 압연된 링 또는 판형 스톡)으로 제조된다. 상기 휠(44)은 중앙 보어(46), 내측 반경부(48) 및 외측 반경부(50)로 형성된다. 상기 보어(46)는 관련 로터의 크기, 구조 등에 따라 소정의 형상으로 기계 가공될 수 있다고 이해해야 한다.
내측 반경부(48)에는 내측 반경부의 원주위에 이격된, 예시적인 복수의 볼트 또는 타이-로드 구멍(52)을 포함하는 체결 특징부(fastening feature)가 제공된다. 외측 반경부(50)는 복수의 버킷(54)을 포함하도록 기계 가공되며, 상기 각각의 버킷은 에어포일(56) 및 상기 에어포일(56)의 모든 외측 반경방향 선단부의 위로 360°연장하는 일체형 슈라우드 또는 선단부 커버(58)를 포함한다.
도 1에 도시된 터빈 노즐 휠의 경우에서와 같이, 버킷 휠(44)은 조립, 특히 단일 휠의 현장 교체를 용이하게 하도록 한 쌍의 180°활꼴 세그먼트로 분할될 수 있다. 다른 예에서, 버킷 휠(44)은 분할되지 않고 그대로 유지될 수 있으며, 단일의 일체형 360°버킷 휠로 조립될 수도 있다.
에어포일부(56) 및 슈라우드 또는 선단부 커버(58) 이외에도, 기계 가공 작 업에는 휠 OD, ID, 입구 브렌드, 에어포일 반경부 및 임의의 다른 표준 버킷 특징부의 마무리 가공도 포함될 수 있다.
버킷 에어포일부의 전후방에 있는 인접 로터 표면들은 버킷 휠 내측에 통합될 수 있다. 예를 들어, 단일 인접 로터 표면(전방 또는 후방)은 버킷 휠 내측에 결합될 수 있으며 에어포일이 기계 가공된 후에 통합 또는 추가될 수 있다. 이와는 달리, 이중의 인접 로터 표면들(전방 및 후방)이 버킷 휠 내측에 결합될 수 있으며 에어포일이 기계 가공된 후에 통합 또는 추가될 수 있다. 몇몇 적용예에서는 어떤 추가의 인접 로터 표면들은 필요하지 않을 수 있다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 양호한 실시예로 고려될 수 있는 예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 설명된 이러한 예들에 한정되는 것이 아니라, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상과 범주 내에 포함될 수 있는 다수의 변형 및 동등한 예들을 포함하는 것이라고 이해해야 한다.
전술한 방식으로 에어포일을 기계 가공함으로써, 현재의 반동 버킷 설계와 관련된 다음과 같은 문제점들이 제거될 수 있다.
커버 슈라우드의 상호간섭; 작업 중의 커버 슈라우드의 풀림; 및 각각의 스테이지를 위한 다중 개별 버킷/핀을 조립하기 위한 풀림과 관련된 축방향 틈새 문제점.
꼬임, 슁글링(shingling) 및 좁은 영역의 측정과 같은 공정에 따른 조립시 체크사항의 수행 필요성; 조립된 모달 테스트(modal test)의 지속 필요성 및 각각의 테스트에 대한 관련 비용; 및 개별 버킷을 위한 개별 로딩 핀의 조립과 관련된 인간 환경 공학적 관심.
전술한 항목들의 제거 이외에도, 일체형 버킷 휠은 다음 사항을 달성할 수 있다.
버킷 열들의 서비스/보수 유지 능력의 증가; 공지/재현가능한 경계 조건의 형성; 스테이지 당 부품 수의 감소; 조립된 스테이지 내의 편차량 감소; 버킷 및 로터 제작 공정으로부터 미사용(폐기) 재료량의 감소; 로터 단조품의 크기, 무게 및 비용의 감소; 조립시 오 위치선정 및/또는 오 방향설정의 방지; 감소된 제작 공정, 고정 기구, 작동자, 검사, 프로그램 및 에러 가능성을 지원하는데 필요한 자원 수의 감소; 및 개별 부품에 대한 소요 재료량의 현저한 감소.

Claims (10)

  1. 스톡 재료의 단일체로 제조되는 360°휠을 포함하는 터빈 로터 부품용 일체형 버킷 휠(44)에 있어서,
    에어포일부(56)와 외측 반경방향 선단 슈라우드부(58)를 각각 갖는 복수의 버킷(54)을 포함하도록 제작되는 상기 휠의 외측 반경방향부(50)와,
    하나 이상의 조립체 특징부(52)를 포함하도록 제작되는 버킷 휠의 내측 반경방향부(48)를 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조립체 특징부는 상기 에어포일부의 내측 방향 방향에 있는 복수의 타이-로드 또는 볼트 구멍(52)을 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 타이-로드 또는 볼트 구멍(52)은 상기 내측 반경방향부(48)의 둘레에 원주방향으로 이격되어 있는
    일체형 버킷 휠.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 버킷 휠(44)은 2개 이상의 활꼴 세그먼트로 분할되는
    일체형 버킷 휠.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스톡 재료는 단조된 스톡을 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스톡 재료는 압연된 링 스톡을 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스톡 재료는 일반적으로 평판형 스톡을 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  8. 제 1 항에 있어서,
    터빈 로터를 수납하도록 구성되는 중앙 개구(46)를 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  9. 스톡 재료로 제조되는 360°단일체를 포함하는 반동 터빈의 로터 부품용 일체형 버킷 휠(44)에 있어서,
    에어포일부(56)와 외측 반경방향 선단 슈라우드부(58)를 각각 갖는 복수의 버킷(54)을 포함하도록 기계 가공되는 외측 반경방향부(50)와,
    복수의 타이-로드 또는 볼트 구멍(52)을 포함하도록 기계 가공되는 내측 반경방향부(48)로서, 상기 복수의 타이-로드 또는 볼트 구멍(52)이 상기 내측 반경방향부(48) 둘레에 원주방향으로 이격되는, 상기 내측 반경방향부(48)를 포함하는
    일체형 버킷 휠.
  10. 터빈 버킷 휠(44)의 제조 방법에 있어서,
    평탄한 스톡 재료를 환형 링으로 형성하는 단계와,
    에어 포일부(56)를 각각 갖는 복수의 버킷(54)을 포함하도록 상기 환형 링의 외측 반경부를 기계 가공하는 단계와,
    조립 특징부(52)를 포함하도록 상기 환형 링의 내측 반경부(48)를 기계 가공하는 단계를 포함하는
    터빈 버킷 휠의 제조 방법.
KR1020060085816A 2005-09-07 2006-09-06 일체형 버킷 휠 및 터빈 버킷 휠의 제조 방법 KR20070028256A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100988582B1 (ko) * 2008-01-07 2010-10-18 더블유비엠과학기술 주식회사 스팀 터빈

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