KR20070100647A - 슈라우드 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 가스 터빈용의 폐쇄 루프 내부 슈라우드 조립체(100)가 제공된다. 슈라우드 조립체(100)는 슈라우드 본체(110), 커버 플레이트(120), 커버 플레이트(120)를 통해 슈라우드 본체(110)로 통하는 입구(130), 슈라우드 본체(110)를 통하는 사행(蛇行)형 통로(180), 및 슈라우드 본체(110)로부터 커버 플레이트(120)로 통하는 출구(140)를 포함한다.

Description

슈라우드 조립체{CLOSED LOOP, STEAM COOLED TURBINE SHROUD}
도 1은 이하에 설명되는 슈라우드 조립체의 사시도,
도 2는 도 1의 슈라우드 조립체에 사용되는 내부 슈라우드 주물의 사시도,
도 3은 도 2의 내부 슈라우드 주물의 통로를 형성하는데 사용되는 내부 코어의 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 내부 코어의 하면을 나타내는 사시도,
도 5는 도 1의 슈라우드 조립체의 절단 사시도로서, 도 3 및 도 4의 세라믹 코어에 의해 형성된 통로를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 슈라우드 조립체 110 : 슈라우드 본체
120 : 커버 플레이트 130 : 증기 입구
140 : 증기 출구 150 : 증기 입구 캐비티
160 : 증기 출구 캐비티 170 : 내부 코어
180 : 유동 경로 185 : 선회 베인
190 : 난류 발생기 200 : 내부 코팅
본 발명은 일반적으로 터빈 슈라우드의 냉각에 관한 것으로, 특히 가스 터빈의 폐쇄 루프(closed loop) 증기 냉각 내부 슈라우드에 관한 것이다.
가스 터빈에 있어서 고온 가스는 종종 금속 구성요소의 융점(melting point)보다 더 높은 온도에 있을 수 있다. 고온 가스를 회전 터빈 버킷(bucket) 위쪽에 수용하기 위해, 분할된 냉각 고정 슈라우드가 일반적으로 필요하다. 따라서, 작동동안 이들 구성요소를 보호하기 위해 냉각 설계를 수립하는 것이 필요하다.
터빈 슈라우드는 종종 전도, 충돌 냉각, 필름 냉각(film cooling), 또는 이들 조합에 의해 냉각된다. 하나의 냉각 설계가 통상적으로 인정된 미국 특허 제 6,390,769 호에 도시된다. 도시된 바와 같이, 이 슈라우드는 일련의 4개의 충돌 냉각 챔버를 사용한다. 각 챔버는 내부 슈라우드 주물에 용접되는 충돌 배플(baffle)을 구비한다. 이러한 구성은 증기 냉각제가 가스 통로 벽의 후방측 상으로 분사되고, 수집된 후, 각 챔버에서 반복되도록 제어된 경로 및 분배를 제공한다. 비록 이 방법은 냉각에 효과적이기는 하지만, 슈라우드는 수많은 부품 및 수반하는 제조 공정 단계를 갖는다. 미국 특허 제 6,390,769 호는 참조를 위해 본 명세서에 합체된다.
따라서, 단순화된 제조 방법 및 기술로 효과적인 냉각을 제공하는 개선된 내부 슈라우드에 대한 요구가 있다. 슈라우드는 전체적으로 터빈의 전체 효율을 감 소시키지 않아야 한다.
따라서 본 발명은 가스 터빈용 폐쇄 루프 내부 슈라우드 조립체를 기술한다. 슈라우드 조립체는 슈라우드 본체, 커버 플레이트(cover plate), 커버 플레이트를 통해 슈라우드 본체로 통하는 입구, 슈라우드 본체를 통하는 사행(蛇行)형 통로, 및 슈라우드 본체로부터 커버 플레이트로 통하는 출구를 포함한다.
슈라우드 조립체는 슈라우드 본체에 도포된 내부 코팅을 포함한다. 내부 코팅은 다수의 세라믹 및 금속 층을 포함한다. 내부 코팅은 고온 가스로의 직접적 노출로부터 슈라우드 본체를 보호하기 위한 열 차폐 코팅을 포함한다.
슈라우드 본체는 단결정 합금 금속 또는 등축 니켈계 합금 금속을 포함한다. 슈라우드 본체는 내부 코어 주물을 통해 제조된다. 슈라우드 본체는 증기 입구 캐비티 및 출구 캐비티를 포함한다. 커버 플레이트는 코발트계 합금을 포함한다.
사행형 통로는 약 90°의 턴(turn)을 다수 포함한다. 사행형 통로는 내부에서의 원활하고 양호하게 분배된 증기 유동을 위한 소정의 크기를 가지고, 또한 복수의 평행한 통로를 포함한다. 사행형 통로는 내부에 다수의 난류 발생기(turbulator)를 포함한다.
본 발명은 가스 터빈용의 폐쇄 루프 내부 슈라우드 조립체를 더 기술한다. 슈라우드 조립체는 슈라우드 본체, 커버 플레이트, 커버 플레이트를 통해 슈라우드 본체로 통하는 입구, 및 슈라우드 본체를 통하는 사행형 통로를 포함한다. 사행형 통로는 약 90°의 턴을 다수 포함한다.
사행형 통로는 내부에서의 원활하고 잘 분배된 증기 유동을 위한 소정의 크기를 가지고, 또한 다수의 평행한 통로를 포함한다. 사행형 통로는 내부에 다수의 난류 발생기를 포함한다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징들이 도면 및 첨부된 특허청구범위와 함께 다음의 상세한 설명을 참조하여 당업자에게 명백해질 것이다.
도면을 참조하면, 도면 전체에 걸쳐 유사한 도면부호는 유사한 구성 요소를 나타내고, 도 1은 이하에 설명되는 슈라우드 조립체(shroud assembly)(100)를 도시한다. 슈라우드 조립체(100)는 종래의 스테이지-원 버킷(stage-one bucket) 또는 유사한 형식의 전방 터빈 스테이지의 둘레에 위치 설정된다. 슈라우드 조립체(100)는 터빈 쉘 계면(turbine shell interface) 및 후크 노즐 계면 또는 외부 슈라우드 하우징(도시되지 않음)과 결합한다. 비록 여기에서 사용되는 냉각 매체로서 증기가 설명될 것이지만, 슈라우드 조립체(100)는 여하한 형태의 냉각 매체와 함께 사용될 수 있다.
슈라우드 조립체(100)는 내부 슈라우드 본체(110), 내부 코팅(120) 및 커버 플레이트(cover plate)(200)를 포함한다. 슈라우드 본체(110)는 단결정 초합금 금속, 등축 니켈계 초합금 금속, 또는 우수한 고온의 야금학적 특성을 갖는 유사한 형태의 재료로부터 제조된다. 슈라우드 본체(110)는 내부 유동 경로(180)를 형성 하는 세라믹 내부 코어(170)를 이용하는 주조법에 의해 제조된다. 내부 코팅(120)은 세라믹층과 금속층, 또는 초고온 환경에서 오랫동안 견딜 수 있는 유사한 형태의 재료로 제조되고, 슈라우드 본체(110)와 고온 가스 사이에 열 차폐(thermal barrier)를 제공한다. 커버 플레이트(200)는 코발트계 합금과 같이 우수한 내마모성을 갖는 초합금 금속으로부터 제조되고, 주조법을 통해 제조되거나 또는 그 형상으로 완전히 기계가공된다. 슈라우드 본체(110)와 커버 플레이트(200)는 전자 비임 용접(electron beam welding), 납땜을 통해 또는 유사한 기술에 의해 접합된다. 내부 코팅(120)은 고온 플라즈마 스프레이로서 도포될 수 있다. 내부 코팅(120)의 사용은 선택사항이다.
커버 플레이트(200)는 증기 입구 포트(130) 및 증기 출구 포트(140)을 포함한다. 유사하게, 슈라우드 본체(110)는 커버 플레이트(200)의 증기 입구 포트(130)와 연통하는 증기 입구 캐비티(cavity)(150), 및 커버 플레이트(200)의 증기 출구 포트(140)와 연통하는 증기 출구 캐비티(160)를 포함한다. 슈라우드 본체(110)의 증기 입구 캐비티 및 증기 출구 캐비티(150, 160)는, 세라믹 내부 코어(170)를 이용하여 슈라우드 본체(110) 내에 일체적으로 주조된 내부 유동 경로(180)에 차례로 이어진다. 상술된 바와 같이, 유동 경로(180)는 인베스트먼트 주조 공정(investment casting process)의 일부로서 세라믹 내부 코어(170)를 제거한 후에 그 안에 형성된다.
도시된 바와 같이, 유동 경로(180)는 크게 사행(蛇行) 형상이고, 냉각제가 동시에 유동하는 복수의 평행한 경로를 포함한다. 유동 경로(180)는, 냉각제가 거 의 전체적으로 전방 에지 및 후방 에지로 유동하도록 허용하기 위해, 슈라우드 본체(110)의 전방 단부 및 후방 단부에 위치한 약 90°의 턴(turn)을 다수 구비한다. 이들 턴은 다수의 선회 베인(185)를 합체하고 있고, 이들 선회 베인(185)은 선회 베인(185)을 통과하는 원활하고 잘 분배된 증기 유동을 촉진한다. 유동 경로(180)는 또한, 유동 경로(180)를 통과하여 유동하는 증기에 대해 높은 대류 계수를 생성하고, 동시에 컴팩트(compact)한 통로 높이를 생성하도록, 크기가 설정된다. 더욱이, 이 컴팩트한 유동 경로(180)는 간섭 없이 후크(hook) 아래에서 전방 및 후방으로의 유동 경로의 라우팅(routing)을 용이하게 촉진한다.
유동 경로(180)는 내부에 위치된 다수의 난류 발생기(190)를 구비한다. 임의의 수의 난류 발생기(190)가 사용될 수 있다. 난류 발생기(190)는 증기 냉각제의 열전달 특성을 증대시킨다. 난류 발생기(190)의 사용은 선택사항이다.
사용시, 커버 플레이트(200)의 증기 입구(130) 및 증기 출구(140)는 전방 및 후방 후크와의 간섭을 피하기 위해 슈라우드 조립체(100)내에 중앙에 위치설정된다. 유동 경로(180)의 사행형 특성은, 슈라우드 조립체(100)의 중앙 영역에 걸쳐 냉각제의 동시적인 전방 및 후방 유동을 허용함과 동시에, 또한 증기가 이 동일한 중앙 영역내로 공급되고 그리고 동일한 중앙 영역으로부터 공급되도록 허용한다. 따라서 증기는, 대류 냉각을 제공하고 증기의 손실이 없도록, 커버 플레이트(200)의 증기 입구 포트(130)를 통해, 슈라우드 조립체(110)의 증기 입구 포트(150), 유동 경로(180)를 통해, 다시 증기 출구 캐비티(160) 및 증기 출구 포트(140)를 경유하여 빠져나와 유동한다. 실험결과, 슈라우드 조립체(100)는 유효한 대류 냉각을 제공하면서도 사용중 심각한 압력 손실을 발생시키지 않는 것으로 나타났다.
슈라우드 조립체(100)는 가스 터빈의 전방 스테이지와 함께 사용될 수 있고, 슈라우드의 냉각동안 증기에 부여된 열에너지로부터 일을 얻는 (증기 터빈과 같은) 수단과 조합하여 사용된다. 결과적으로, 이 증기는 폐쇄 루프 방식에서 슈라우드에 다시 라우팅되어 냉각제로서 재사용될 수 있다. 예를 들어, 슈라우드 조립체(100)는 미국 뉴욕주 스케넥타디 소재의 제너럴 일렉트릭 코포레이션에 의해 판매되는 조합 사이클 9에이치(combined cycle 9H) 증기 냉각 터빈이나 또는 유사한 형식의 장치와 함께 사용될 수 있다.
이상의 설명은 오직 본 발명의 바람직한 실시예와 관련한 것이고, 이하의 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 일반 사상 및 범위와 그 균등범위를 벗어남이 없이, 당업자에 의해 수많은 변경 및 변형이 있을 수 있음은 명백하다.
본 발명에 따르면, 전체적으로 터빈의 전체 효율을 감소시키지 않으면서, 단순화된 제조 방법 및 기술로 효과적인 냉각을 제공하는 개선된 내부 슈라우드 조립체가 제공된다.

Claims (9)

  1. 가스 터빈용 폐쇄 루프 내부 슈라우드 조립체(100)에 있어서,
    슈라우드 본체(110)와,
    커버 플레이트(120)와,
    상기 커버 플레이트(120)를 통해 상기 슈라우드 본체(110)로 통하는 입구(130)와,
    상기 슈라우드 본체(110)를 통하는 사행(蛇行)형 통로(180)와,
    상기 슈라우드 본체(110)로부터 상기 커버 플레이트(120)로 통하는 출구(140)를 포함하는
    슈라우드 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈라우드 본체(110)에 도포된 내부 코팅(200)을 더 포함하는
    슈라우드 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈라우드 본체(110)는 단결정 초합금 금속 또는 등축 니켈계 초합금 금속을 포함하는
    슈라우드 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 슈라우드 본체(110)는 내부 코어 주물을 통해 제조되는
    슈라우드 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트(120)는 코발트계 합금을 포함하는
    슈라우드 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈라우드 본체(110)는 증기 입구 캐비티(cavity)(150) 및 증기 출구 캐비티(160)를 포함하는
    슈라우드 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 사행형 통로(180)는 약 90°의 턴(turn)을 다수 포함하는
    슈라우드 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 사행형 통로(180)는 다수의 평행한 통로를 포함하는
    슈라우드 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 사행형 통로(180)는 내부에 다수의 난류 발생기(190)를 포함하는
    슈라우드 조립체.
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