KR20070100133A - 압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링 및 고정자 케이싱의고정 방법 - Google Patents

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Abstract

유동 경로 링(26)이 가스터빈 압축기의 고정자 케이싱(12)의 기계가공된 홈(24) 내에 고정 가능하다. 링은 기계가공된 홈에 대응하는 형상으로 형성되고 이 홈에 접촉할 수 있는 연결 구역(28)을 포함한다. 유동 경로 구역(30)은 연결 구역에 대하여 반경방향 내측으로 배치되고 터빈 회전자 블레이드(20)를 향하도록 배치되는 간극의 표면(32)을 포함한다. 유동 경로 구역은 압축기 고정자 케이싱의 기계가공된 홈 내에 고정될 때 블레이드 유동 경로를 규정한다. 유동 경로 링의 사용으로 회전자 블레이드 팁의 마찰이 발생할 때 유동 경로 수리를 촉진한다. 추가적으로, 링은 압축기 회전자 및 압축기 케이싱 간의 열적 과도 응답의 개선된 맞춤을 가능케 한다.

Description

압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링 및 고정자 케이싱의 고정 방법{GAS TURBINE COMPRESSOR CASING FLOWPATH RINGS}
도 1은 종래의 가스터빈 압축기의 단면도,
도 2는 고정자 홈 사이에 링 홈을 포함하는 기계가공된 고정자 케이싱을 도시하는 도면,
도 3은 고정자 링 홈 안에 고정된 유동 경로 링을 도시하는 도면,
도 4는 에어갭 단열재를 포함하는 유동 경로 링을 도시하는 도면,
도 5는 후면 누출을 최소화하기 위한 밀봉재를 포함하는 유동 경로 링을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
12 : 고정자 케이싱 14 : 에어포일 홈
16 : 에어포일 18 : 회전자
20 : 회전자 블레이드 22 : 간극
26 : 유동 경로 링 30 : 유동 경로 링
38 : 에어갭 단열재
본 발명은 압축기 회전자 및 고정자 케이싱에 관한 것으로 더 구체적으로는 외부 유동 경로를 규정하고 회전자 에어포일 팁(tip)의 마찰시에 쉽게 교체될 수 있는 고정자 케이싱 내의 전용 홈(dedicated grooves)에 마련된 링에 관한 것이다.
종래의 가스터빈의 단면도를 도시하는 도 1을 참조하면, 가스터빈은 회전형 블레이드(20)와 케이싱(12) 사이의 간극(22)이 최적의 거리[일반적으로는 매우 짧으며 정상상태의 온도에서는 예를 들어 40 내지 80 밀(mil)임]로 유지될 때 최적의 성능을 달성한다. 그러나 상기 간극은 케이싱(12)과 회전형 에어포일(20) 간의 기계적 및 열적 성장 차이에 대한 부분 누적 공차를 고려하여 충분히 크게 해야 한다.
가스터빈 압축기 내에서는 다양한 이유로 회전자 블레이드가 압축기 케이싱에 마찰하는 일이 자주 일어난다. 마찰은 회전자(18)와 케이싱 간의 부적절한 정렬, 수평형 및 수직형 플랜지에서의 케이싱 조인트 미끄러짐, 또는 케이싱(12)과 회전형 부재 사이의 일시적인 열 반응 차이와 같은 다수의 조건에 의해 발생될 수 있다. 에어포일(20) 팁의 손실 및/또는 케이싱 유동 경로의 마모가 최종적 결과로 나타난다. 이러한 조건들은 압축기 성능 및 서지마진(surge margin)의 손실을 가져온다. 마찰이 상당히 극심해지면, 케이싱 및 회전형 에어포일을 교체하여야 한 다. 전형적으로, 이러한 것은 장기간에 걸쳐 가스터빈의 사용을 정지케 하는 결과를 가져온다.
도 1을 계속 참조하면, 현재의 산업용 가스터빈 압축기 케이싱은 고정형 에어포일(16)의 케이싱 내로 기계 가공된 원주방향 슬롯(14)으로 조립된다. 슬롯 사이에서 케이싱(12)은 원통형 또는 원추형으로 기계가공되어서 회전형 블레이드를 위한 외부 유동 경로를 형성한다. 종래의 디자인에 있어서는, 케이싱의 두께가 케이싱(12) 및 회전자(18)의 변위를 열적으로 교정하기 위해 변경할 수 있는 주요 디자인 변수이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 있어서, 유동 경로 링은 압축기 고정자 케이싱의 기계가공된 홈에 고정될 수 있다. 유동 경로 링은 기계가공된 홈에 대응하는 형상으로 형성되고 이 기계가공된 홈에 접촉할 수 있는 연결 구역(connector section)을 포함한다. 유동 경로 구역은 연결 구역에 대하여 반경방향 내측으로 배치되며, 압축기 고정자 케이싱의 기계가공된 홈 내에 고정될 때 블레이드 유동 경로를 규정하고 압축기 회전자 블레이드를 향하도록 배치되는 간극의 표면을 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 의하면, 가스터빈 압축기는 복수의 고정자 에어포일을 각각 지지하는 에어포일 홈을 구비하는 고정자 케이싱을 포함한다. 회전자는 복수의 회전자 블레이드를 고정자 케이싱에 대하여 회전가능하게 지지한 다. 상기 복수의 유동 경로 링은 고정자 케이싱의 대응하는 링 홈 내에 고정된다.
회전자 에어포일 팁의 마찰로 회전자 유동 경로의 수리를 용이하게 하는 것이 바람직하다. 이러한 방식에 있어서는 성능 및 서지마진을 복구하는 동안에 최적의 간극이 복구될 수 있다. 또한, 성능 및 서지마진을 개선하기 위해 간극을 더 작게 만들 수 있다.
회전자 블레이드와 마찰될 수도 있는 케이싱 내에 설치된 용이하게 교환가능한 링을 이용함으로써, 유동 경로 수리를 신속하고 효율적으로 수행할 수 있다. 추가적으로, 교환가능한 링(또는 유동 경로 링)은 케이싱 내로의 열전달 속도를 감소시킴으로써, 회전자 및 케이싱의 열팽창의 과도상태 및 정상상태에서의 정합을 변화시킬 수 있다. 이것을 총체적인 엔진 성능 및 서지마진에 더하여 회전자 블레이드와 케이싱 간의 보다 긴밀한 간극을 허용하는 수동적인 간극 제어 디자인 기능을 허용한다.
도 1 내지 도 3에 의하면, 가스터빈은 종래와 같이 기계가공된 복수의 에어포일 홈(14)을 구비하는 고정자 케이싱(12)을 포함한다. 에어포일 홈(14)은 일반적으로 고정자 케이싱(12)의 내주면에 연속적으로 형성된다. 에어포일 홈(14)은 종래와같이 또한 복수의 고정자 에어포일(16)을 각각 지지한다.
회전자(18)는 복수의 회전자 블레이드(20)를 고정자 케이싱(12)에 대하여 회전가능하게 지지한다. 상술한 바와 같이, 가스터빈은 회전형 에어포일과 고정자 케이싱(12) 사이의 간극(22)이 최적의 거리[일반적으로 매우 짧고 예를 들어, 정상상태에서는 40밀 내지 80밀임]로 유지될 때 최적의 성능을 얻는다. 가스터빈 압축기의 작동 중에는 회전자 블레이드(20)의 팁과 고정자 케이싱(12) 사이의 마찰 또는 접촉이 자주 일어난다. 최종적 결과는 압축기 성능 및 서지마진의 저하를 야기할 수 있는 회전자 팁의 손실 및/또는 케이싱 유동 경로 마모이다. 더욱이 마찰이 상당히 심해지면, 고정자 케이싱(12) 및 회전자 블레이드(20)의 교환이 필요할 수도 있으며, 이 경우에는 장기간동안 터빈을 사용할 수 없게 된다.
도 2를 참조하면, 고정자 케이싱(12)에는 인접하는 에어포일 홈(14) 사이에 바람직하게 개재된 추가적인 홈(24)이 기계가공된다. 링 홈(24)을 형성하기 위한 기계가공 공정은 고정자 에어포일 홈(14)에 행해진 종래의 기계가공 공정과 매우 유사하며, 제조/기계가공 공정의 세부사항은 설명하지 않을 것이다.
고정자 케이싱(12)의 링 홈(24) 내에는 복수의 유동 경로 링(26)(도 3)이 고정된다. 유동 경로 링(26)은 기계가공된 홈(24)에 대응하는 형상으로 형성된 연결 구역(28)과, 케이싱(12)에 대하여 반경방향 내부를 향해 (예를 들어 회전자(18)를 향해) 배치된 유동 경로 구역(30)을 포함한다. 유동 경로 구역(30)은, 터빈 회전자 블레이드(20)에 향하여 배치되어서 그리고 유동 경로 링(26)이 고정자 케이싱(12) 내에 고정될 때 블레이드의 유동 경로를 규정하는 간극 표면(32)을 포함한다. 바람직하게는, 유동 경로 링(26)이 복수의 링 단편들로 각각 형성되어서 홈(24)의 구속을 최소화한다.
유동 경로 링(26)을 사용함으로써, 유동 경로 링(26)의 간극 표면(32)에 형 성된 마모가능한 코팅(34)을 이용하여 팁의 간극을 최적화할 수 있다. 간극 표면(32)은 마모가능한 코팅(34)이 내부에 배치될 수 있는 홈(36) 등을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 응용예에 사용될 수 있는 마모가능한 코팅의 예는, 알루미늄 실리콘 합금/폴리머(polymer) 복합물, 니켈/흑연 복합물, 알루미늄 청동/폴리머(polymer) 복합물이다. 마모가능한 코팅(34)을 이용함으로써, 회전자 블레이드(20)는 틈의 접촉 동안 (during the clearance pinch-point) 코팅을 절단하는 역할을 하여 최적화된 정상상태 작동 간극을 얻을 수 있다.
도 4를 참조하면, 유동 경로 링(26)은 도시한 바와 같은 케이싱측 표면에 형성된 적어도 하나의 에어갭 단열재(38)를 추가적으로 포함할 수도 있다. 에어갭 단열재(38)는 바람직하게는 케이싱측 표면에 홈으로 기계가공된다. 유동 경로 링(26)의 케이싱측 표면의 최적화된 에어갭은 유동 경로 온도의 급격한 과도 응답으로부터 케이싱(12)을 단열하기 위해 사용될 수 있다. 에어갭 단열재(38)는 유동 경로 링(26)과 케이싱(12) 사이의 열전달을 제어하여 유동 경로의 온도 변화에 따른 케이싱(12)의 가열 및 냉각 속도를 제어할 수 있다. 에어갭 단열재(38) 두께의 증가 및 접촉지점의 표면적의 감소는 열전달 속도를 저하시켜서 케이싱의 열적 반응도를 저하시킬 것이다. 이들은 케이싱의 반응을 회전자(18)의 반응에 맞추기 위해 사용될 수 있는 주요 디자인 변수이다.
더욱이 링(26)의 뒤에 추가적인 유동 경로 가스 누출을 최소화하기 위해서, 링(26)의 케이싱측 표면과 고정자 케이싱(12) 사이에 밀봉재(40)(도 5)가 삽입될 수도 있다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 추가적인 홈 또는 노치(42)가 밀봉재(40) 를 수용하기 위해 링 유동 경로 구역(30)의 케이싱측 표면 내에 형성될 수 있다. 바람직하게는, 밀봉재(40)가 금속성 와이어/로프 또는 다른 접합한 물질로 형성된다.
유동 경로 링이 교환가능하기 때문에, 회전자 블레이드 팁의 마찰로 인한 유동 경로 수리를 신뢰가능한 저비용의 방식으로 신속하게 수행할 수 있다. 그러므로 극심한 마찰을 받는 장치에서도, 원래의 성능 및 압축기 서지마진이 복구될 수 있다. 더욱이 유동 경로 링을 교체하기 위한 순환시간 및 관련 비용은 케이싱을 교체하는 것에 비해 상당히 적다. 추가적으로, 유동 경로 링(26)은 회전자와 압축기 케이싱 간의 더 나은 열적 맞춤을 허용하는바, 설계자로 하여금 열적 반응에 더 잘 맞출 수 있게 하므로, 보다 긴밀한 간극으로 작동할 수 있다. 상술한 바와 같이 압축기 케이싱 유동 경로 링이 더 좁은 간극 및 압축기 성능의 개선을 위해 마모가능한 재료로 코팅될 수 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 유동 경로 링은 특히 마모가능한 코팅과 결합되는 경우에, 성능 향상의 특징부로서 새로운 장치 내에 설치될 수 있다. 유동 경로 링 홈이 고정자 슬롯과 같은 방식으로 유사한 공차 제어로 고정자 케이싱에 기계가공될 수 있기 때문에, 유동 경로 링은 최소 비용 및 케이싱에 대한 최소의 순환적인 충격으로 수용될 수 있다.
본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 현재 생각되는 것으로 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 하며, 반대로, 첨부된 청구항의 취지 및 범위에 내포된 다양한 변형례 및 균등한 실시예를 포함하도록 의도된다.
회전자 블레이드 팁 마찰시에 쉽게 교체되는 유동 경로 링의 사용으로 회전자 블레이드 팁의 마찰이 발생할 때 유동 경로 수리를 촉진한다. 또한, 링은 압축기 회전자 및 압축기 케이싱 간의 열적 과도 응답의 개선된 맞춤을 가능케 한다.

Claims (10)

  1. 압축기 고정자 케이싱의 기계가공된 홈에 고정가능한 유동 경로 링에 있어서,
    상기 기계가공된 홈에 대응하는 형상으로 형성되고 이 홈에 접촉할 수 있는 연결 구역(28)과,
    상기 연결 구역에 대하여 반경방향 내측으로 배치되며, 압축기 회전자 블레이드(20)를 향하도록 배치되어, 상기 압축기 고정자 케이싱의 기계가공된 홈(24) 내에 고정될 때 블레이드 유동 경로를 규정하는 간극 표면(32)을 포함하는 유동 경로 구역(30)을 포함하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 경로 링(26)이 복수의 단편(segments)을 포함하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 경로 링(26)이 인접하는 고정자 에어포일(16) 사이에서 상기 압축기 고정자 케이싱의 상기 기계가공된 홈(24)에 부착가능한
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 간극 표면(32)에 마모가능한 코팅(34)을 더 포함하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 간극 표면(32)에 홈(36)을 더 포함하고,
    상기 홈내에 상기 마모가능한 코팅(34)이 배치되는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 경로 링(26)의 케이싱측 표면에 배치된 적어도 하나의 에어갭 단열재(38)를 더 포함하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 에어갭 단열재(38)가 상기 케이싱측 표면에 형성된 홈(42)을 포함하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 에어갭 단열재(38)가 상기 유동 경로 링의 케이싱측 표면과 상기 케이싱의 사이에 삽입가능한 밀봉재(40)를 더 포함하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 경로 링은 실질적으로 T자형의 단면을 가지며, 상기 연결 구역(28)이 이 T자형의 줄기부(stem)를 규정하고 상기 유동 경로 구역(30)이 T자형의 횡단부를 규정하는
    압축기 고정자 케이싱의 유동 경로 링.
  10. 고정자 케이싱을 조립하는 방법에 있어서,
    복수의 고정자 에어포일(16)을 각각 지지하기 위해 복수의 에어포일 홈(14)을 기계가공하는 단계와,
    인접해 있는 에어포일 홈 사이에 개재된 복수의 링 홈(24)을 기계가공하는 단계와,
    상기 링 홈 내에 제 1 항에 따른 복수의 유동 경로 링(26)을 각기 고정하는 단계를 포함하는
    고정자 케이싱의 조립 방법.
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