KR20070120040A - 파이프용 관통 시스템 - Google Patents

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KR20070120040A
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니콜라스 필립 포시아
레로이 오마르 톰린슨
로렌스 암브로즈 3세 케니
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Abstract

본 발명에 따르면, 파이프 스터브(pipe stub)(130)에서 덕트 벽(110) 내로 들어가는 파이프(120)용의 관통 시스템(100)이 제공된다. 관통 시스템(100)은 파이프 스터브(130)를 감싸는 열전달 완충판(thermal sleeve)(140), 및 열전달 완충판(140) 아래에 그리고 파이프(130) 주위에 위치되는 벨로즈(160)를 포함한다.

Description

파이프용 관통 시스템{PIPE PENETRATION SYSTEM}
도 1은 본 발명에서 설명되는 파이프 관통 시스템의 사시도,
도 2는 도 1의 파이프 관통 시스템의 측단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 관통 시스템 110 : 덕트 벽
120 : 파이프 130 : 파이프 스터브
140 : 열전달 완충판(thermal sleeve) 160 : 벨로즈
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 파이프를 터빈 덕트 벽에 접속하기 위한 파이프 관통 시스템에 관한 것이다.
가스 터빈 설계 상의 주요 고려사항은 덕트 벽과 덕트를 관통하는 파이프 사이의 접속에 기인하는 열응력 및 기계적 응력이다. 구체적으로, 상대적으로 저온의 입구 및 배기 외부의 덕트 벽을 통한 고온의 파이프의 삽입을 수용하여야 할 필 요성이 있다. 만약 배관 시스템이 모든 상대 이동을 충분히 수용하지 못한다면, 파이프 관통 시스템은 종국적으로 고장날 것이다. 가스 터빈 덕트는 종종, 냉각용 스팀을 공급하거나, 윤활을 위한 오일을 제공하거나 또는 다른 많은 목적을 위해 파이프에 의해 관통되는 것이 필요하다. 파이프 관통은 아주 높은 온도, 높은 속도 및 유독한 배기 가스를 포함하도록 설계되어야 한다. 만약 덕트에 누출 지점이 발생하면, 누출은 설비 인원 및 주위의 터빈 설비에 유해한 환경으로 이어질 수 있다. 덕트 재료의 구조적 특성에 기인한 덕트의 고장은 또한 중대한 관심사이다.
덕트와 비교했을 때 (3차원에서의) 파이프의 상대 이동은 약 2인치 내지 약 4인치(약 5.1cm 내지 약 10.2cm) 정도이다. 이러한 설계 조건은 일반적으로, 관통 파이프의 내부 가열 및 외부 쉘(shell)의 절연 보호에 기인하여 파이프가 덕트에 대해 급속하게 팽창하는 열적 과도 현상 중에 더 가혹하게 발생한다. 추가하여, 파이프는 덕트에의 그 접속 지점보다 더 고온이어서, 접속은 또한 열적으로 순응하여야 할 필요성이 있다.
관통 파이프는 일반적으로 덕트 벽으로부터 돌출하는 약간 큰 파이프 스터브에 용접된다. 이러한 유형의 접속은, 관통 파이프와 파이프 스터브 사이의 상당한 열 차이가 없거나 또는 관통의 상류측에서의 관통 파이프의 상당한 이동/신장이 없는 한 잘 기능한다. 열응력의 문제를 다루기 위해, 설계자들은 일반적으로, 덕트에 그리고 파이프에 절연 및 용접되는 큰 원통형 또는 원추형 슈라우드(shroud) 내에 관통 파이프를 넣음으로써 가장 높은 기계적 응력 지점을 최대 열응력 지점으로부터 멀리 위치시킨다. 이러한 설계는 어느 정도의 열적 불일치를 수용할 수 있지 만, 파이프 관통에 있어서의 상대 이동을 최소화하기 위해 파이프 루프(pipe loop) 및 팽창 조인트를 요구함으로써 전체적으로 터빈 시스템을 복잡하게 한다.
따라서, 가스 터빈의 작동 동안 축방향, 수직 방향 그리고 반경 방향의 큰 변위를 수용할 수 있는 파이프 관통 시스템에 대한 요구가 있다. 파이프 관통 시스템은 내부의 공기 또는 가스 유동을 포함하지만 열응력 및 기계적 응력을 수용하기에 충분할 정도로 가요성이 있어야 한다. 그러한 시스템은 경제적이어야 하고, 배관 시스템을 단순화하도록 특별한 기계 가공 또는 툴링(tooling)없이 설치될 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명은 파이프 스터브(pipe stub)에서 덕트 벽 내로 들어가는 파이프용의 관통 시스템을 설명한다. 관통 시스템은, 상기 파이프 스터브를 감싸는 열전달 완충판(thermal sleeve)과, 상기 열전달 완충판 아래에 그리고 상기 파이프 주위에 위치된 벨로즈를 포함한다. 관통 시스템은, 상기 파이프에 부착된 파이프 플랜지와, 상기 파이프 스터브에 부착된 파이프 스터브 플랜지를 더 포함한다. 벨로즈는 상기 파이프 플랜지와의 접속을 위한 제 1 플랜지, 및 상기 파이프 스터브 플랜지로의 접속을 위한 제 2 플랜지를 포함한다. 열전달 완충판은 덕트 벽 주위에 위치된다. 열전달 완충판은 절두 원추형 종결부(closeout)를 포함한다. 열전달 완충판은 탄소강 또는 유사한 유형의 재료를 포함한다. 벨로즈는 탄소강, 스테인레스 스틸, 니켈-크롬-철 합금 또는 유사한 유형의 재료를 포함한다. 벨로즈는 관통 파이프의 열적 이동을 수용하도록 규정된 복수의 주름부(fold)를 포함한다. 벨로즈는 파이프가 편향됨에 따라 팽창한다. 벨로즈는 관통 파이프의 열적 신장 또는 편향으로 인해 측방향으로, 수직방향으로 그리고 축방향으로 편향한다.
본 발명은 파이프 스터브에서 덕트 벽 내로 들어가는 파이프용의 관통 시스템을 더 설명한다. 관통 시스템은 파이프 스터브를 감싸고 덕트 벽에 인접한 열전달 완충판, 및 열전달 완충판의 아래에 그리고 파이프 주위에 위치된 금속 벨로즈를 포함하여, 파이프가 팽창함에 따라 금속 벨로즈가 팽창한다.
관통 시스템은 파이프에 부착된 파이프 플랜지, 및 파이프 스터브에 부착된 파이프 스터브 플랜지를 더 포함한다. 벨로즈는 파이프 플랜지와의 접속을 위한 제 1 플랜지, 및 파이프 스터브에의 접속을 위한 제 2 플랜지를 포함한다. 열전달 완충판은 절두 원추형 종결부를 포함한다. 금속 벨로즈는 파이프가 편향함에 따라 측방향으로, 수직방향으로 그리고 반경방향으로 편향한다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징들이 도면 및 첨부된 특허청구범위와 관련하여 후술되는 실시예의 상세한 설명을 통해 당업자에게 명백해질 것이다.
도면을 참조하면, 도면 전체에 걸쳐 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지시하고, 도 1 및 도 2는 본 발명에서 설명되는 파이프 관통 시스템(100)을 도시한다. 파이프 관통 시스템(100)은 종래의 가스 터빈 엔진의 절연된 덕트 벽(110)과 함께 사용된다. 유사하게, 파이프 관통 시스템(100)은 관통 파이프(120)와 함께 사용된 다. 상술된 바와 같이, 관통 파이프(120)는 냉각용 스팀을 제공하거나 윤활을 공급하거나 배기 가스를 제거하거나 또는 다른 필요한 목적을 위해 사용된다. 덕트 벽(110)은 탄소강 또는 유사한 유형의 고온 저항 재료로부터 제조된다. 유사하게, 관통 파이프(120)는 일반적으로 스테인레스 스틸, 인코넬(Inconel)(고강도 오스테나이트계 니켈-크롬-철 합금) 또는 유사한 유형의 고온 저항 재료로부터 제조된다. 관통 파이프(120)는 관통 파이프(120) 상에 용접된 플랜지(125)를 구비하거나, 또는 관통 파이프(120)는 다른 접속 수단에 의해 부착된다.
관통 파이프(120)는 종래의 파이프 스터브(pipe stub)(130)를 거쳐 덕트 벽(110)을 관통하여 삽입된다. 파이프 스터브(130)는 일반적으로 관통 파이프(120)보다 약간 크고, 덕트 벽(110)으로부터 돌출한다. 파이프 스터브(130)는 스테인레스 스틸 또는 유사한 유형의 고온 저항 재료로부터 제조된다. 파이프 스터브(130)는 하부 단부에 파이프 스터브 팽창 조인트 플랜지(joint flange)(135)를 포함한다.
파이프 관통 시스템(100)은 덕트 벽(110)에의 접속부에서 파이프 스터브(130)를 감싸는 열전달 완충판(thermal sleeve)(140)를 포함한다. 열전달 완충판(140)은 파이프 스터브(130)의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는다. 열전달 완충판(140)은 열응력을 감소시키기 위해 관통 파이프(130) 주위에서 절두 원추형 종결부(closeout)(150)로 종결된다. 열전달 완충판(140)은 탄소강 또는 덕트 벽(110)의 재료와 일치하는 유사한 유형의 재료로부터 제조된다. 열전달 완충판(140)은 용접 또는 유사한 유형의 접속 수단에 의해 덕트 벽(110)에 부착된다.
파이프 관통 시스템(100)은 금속 벨로즈(160)를 더 포함한다. 벨로즈(160)는 열전달 완충판(140) 아래에 위치된다. 벨로즈(160)는 필요한 만큼 팽창 및 편향되도록 복수의 만곡된 주름부(fold)(170)를 포함한다. 주름부의 개수는 예상되는 측방향 및 축방향 변위량에 의해 정해진다. 벨로즈(160)는 탄소강, 스테인레스 스틸, 인코넬, 또는 우수한 유연성을 갖는 유사한 유형의 재료로부터 제조된다. 벨로즈(160)의 일 단부는 제 1 플랜지(180)를 거쳐 파이프 스터브 플랜지(135)에 볼트결합된다. 벨로즈의 타 단부는 제 2 플랜지(190)에서 관통 파이프 플랜지(125)에 볼트결합된다. 다른 유형의 접속 수단이 본 발명에 사용될 수 있다.
열전달 완충판(140)의 사용은 덕트 벽(110)에서의 온도를 대폭 감소시킨다. 유사하게, 벨로즈(160)의 사용은 관통 파이프(120)가 모든 방향으로 이동하는 것을 허용한다. 따라서, 파이프 관통 시스템(100)은 대체로 열적으로 유발된 변형을 수용하게 할 뿐만 아니라 (축방향으로, 수직방향으로 그리고 반경방향으로) 큰 변위를 허용한다. 구체적으로, 파이프 관통 시스템(100)은 덕트 벽(110)과 관통 파이프(120) 사이에 큰 상대 변위를 수용한다. 파이프 관통 시스템(100)은, 계면 온도를 낮추도록, 관통 파이프(120)를 열적으로 절연함으로써 덕트 벽(110)에서의 잠재적인 큰 응력을 관통 파이프(120)에 전한다. 파이프 관통 시스템(100)은 따라서 여전히 누출을 방지하면서 큰 열적 이동을 수용한다. 파이프 관통 시스템(100)은 완전한 조정을 가능하게 하고 특별한 설치 공구나 방법을 필요로 하지 않는다. 파이프 관통 시스템(100)은 일반적으로 통상의 그리고 저렴한 제조 공정을 이용한다.
파이프 관통 시스템(100)은, 예를 들어 미국 뉴욕주 쉐넥테디 소재의 제너럴 일렉트릭 캄파니(General Electric Company)에 의해 판매되는 7H 및 9H 모델의 가스 터빈의 배기 확산기와 함께 사용될 수 있다. 구체적으로, 파이프 관통 시스템(100)은 큰 상대 이동 및 작은 열응력을 요구하는 용도에 이용될 수 있다.
파이프 관통 시스템(100)의 변형물이 또한 다른 용도에 이용될 수 있다. 예를 들어, 파이프 관통 시스템(100)은 가스 터빈 입구 블리드 열 시스템(inlet bleed heat system)에 사용될 수 있다. 그러한 시스템에 있어서, 고압 압축기 공기를 운반하는 큰 고온 공급 파이프(120)는 덕트 벽(110)을 관통하여야 한다. 파이프(120)는 열적으로 그리고 기계적으로 덕트(110)로부터 분리되어야 한다. 본 발명에 있어서 다른 많은 용도로 사용될 수 있다.
전술한 내용은 오직 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이고, 첨부된 특허청구범위 및 균등물에 의해 규정되는 본 발명의 일반적 사상 및 범위를 일탈하지 않는 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형 및 변경이 행해질 수 있다.
본 발명의 관통 시스템에 따르면, 가스 터빈의 작동 동안 축방향, 수직 방향 그리고 반경 방향의 큰 변위를 수용할 수 있고, 내부의 공기 또는 가스 유동을 포함하지만 열응력 및 기계적 응력을 수용하기에 충분할 정도로 가요성이 있으며, 특별한 기계 가공 또는 툴링(tooling)없이 설치될 수 있어 배관 시스템을 단순화한다.

Claims (9)

  1. 파이프 스터브(pipe stub)(130)에서 덕트 벽(110) 내로 들어가는 파이프(120)용의 관통 시스템(100)에 있어서,
    상기 파이프 스터브(130)를 감싸는 열전달 완충판(thermal sleeve)(140)과,
    상기 열전달 완충판(140) 아래에 그리고 상기 파이프(120) 주위에 위치된 벨로즈(160)를 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프(120)에 부착된 파이프 플랜지(125)를 더 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파이프 스터브(130)에 부착된 파이프 스터브 플랜지(135)를 더 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 벨로즈(160)는 상기 파이프 플랜지(125)와의 접속을 위한 제 1 플랜 지(180), 및 상기 파이프 스터브 플랜지(135)로의 접속을 위한 제 2 플랜지(190)를 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 완충판(140)은 상기 덕트 벽(110) 주위에 위치된
    파이프용 관통 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 완충판(140)은 절두 원추형 종결부(closeout)(150)를 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 완충판(140)은 탄소강을 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 벨로즈(160)는 복수의 주름부(fold)(170)를 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 벨로즈(160)는 탄소강, 스테인레스 스틸 또는 니켈-크롬-철 합금을 포함하는
    파이프용 관통 시스템.
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