KR20090014447A - 터빈용 허니콤 씰 제조방법 및 그 제조된 허니콤 씰 - Google Patents

Abstract

터빈장치에 장착되는 터빈용 허니콤 씰 제조방법 및 그 제조된 허니콤 씰을 제공한다. 상기 허니콤 씰 제조방법은 a) 규칙적이면서 연속된 요철패턴을 가지도록 얇은 판재를 소성 가공하는 단계; b) 상기 소성 가공된 판재를 동일한 폭으로 길이방향으로 절단하여 동일한 폭과 길이의 요철패턴을 갖는 복수의 허니콤 부재를 형성하는 단계; c) 대면하는 편형한 면이 서로 맞닿도록 여러 개의 허니콤 부재를 인접 배치시키고, 상기 허니콤 부재들에 (+)(-)전류를 흘려 이웃하는 허니콤 부재 간 서로 맞닿은 면을 접합시켜 복수의 허니콤 셀을 내부에 갖는 하나의 단위 허니콤 코어를 형성하는 용접단계; e) 상기 단위 허니콤 코어를 곡선상의 단위 씰바디 내면에 브레이징 접합시켜 하나의 곡선상의 단위 허니콤 씰을 완성하는 단계;를 포함한다.

터빈, 로터(회전체), 스테이터(고정체), 기체 누설, 허니콤 씰

Description

터빈용 허니콤 씰 제조방법 및 그 제조된 허니콤 씰{Meathod of manufacturing honeycomb seal and manufactured honeycomb seal}

본 발명은 발전 터빈용 허니콤 씰의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 기체 누설을 방지하고 보다 안정된 로터의 회전을 유지시킬 목적으로 회전익을 외연에 갖는 가스 터빈의 로터축과 이 로터축과 근접배치되는 스테이터 사이에 설치되는 터빈용 허니콤 씰의 제조방법 및 그 제조된 허니콤 씰에 관한 것이다.

가스 터빈 가동 시 터빈 내부에는 가스(gas)가 흐르고 이러한 가스의 흐름에 의해 회전익을 외연에 갖는 로터 즉, 터빈 샤프트(turbine shaft)가 회전하여 전기를 생성시키는 데, 상기 가스가 올바른 경로를 벗어 나면 터빈 샤프트의 진동 및 그로 인한 에너지 효율 저하 등이 발생될 수 있다. 따라서 가스 터빈내에 조립되어 가스 누설을 막아주는 역할 즉, 가스터빈의 고정체(stator)와 회전체(rotor)와의 밀봉(sealing) 역할을 수행하기 위해 씰(seal)이 설치된다.

이와 같은 씰(seal)로는 종래로부터 비접촉식 래버린스 씰(labyrinth seal) 이 알려져 있다. 도 1의(a),(b),(c)는 종래의 래버린스 씰(labyrinth seal)의 대표 예를 보여주는 도면으로, 도면 중 부호 9는 도시하지 않은 터빈 케이싱(turbine casing)에 장착되는 고정익이며, 고정익 내면에는 판 스프링 등의 탄성체(11)를 이용해 패킹 링(packing ring; 2)가 탄성 설치된다. 상기 패킹 링(packing ring; 2)으로부터는 이러한 패킹 링(packing ring)과 일체형 또는 구별되는 씰 핀(seal fin; 4)이 터빈 샤프트(5) 외경을 향해 뻗어 있으며, 경우에 따라 상기 터빈 샤프트(turbine shaft; 5)의 외면에는 도 1의(b),(c)에 나타나 있듯이 요철형 단차(6)가 형성될 수도 있다.

위와 같은 기본 구조를 가지는 비접촉형의 씰(seal)의 구조를 일반적으로 래버린스 씰(labyrinth seal; 15)이라 칭하고 있으며, 전반적인 터빈의 구동 효율을 높이기 위해서는 씰 핀(seal fin; 4) 선단과 터빈 샤프트(5) 간 틈세(7)를 미소하게 설정하여 이 틈세(7)를 통과하여 새어 나오는 증기(3)의 누설량을 적게 해야한다.

그런데 상기한 구조의 래버린스 씰의 경우에는, 씰 핀(seal fin) 선단의 틈세(7)가 너무 작으면 기체의 불규칙한 유동 특성에 때문에 오히려 씰 핀과 터빈 샤프트 사이의 틈새에 기체의 흐름이 안정된 흐름을 유지하지 못하고, 이에 따라 회전체인 터빈 샤프트(5)와 고정체에 설치된 래버린스 씰(15)이 접촉하여 소위 러빙(rubbing) 현상이 발생될 수 있다. 이러한 러빙 현상은 터빈(turbine) 운전이 곤란할 정도의 과대한 축 진동을 유발한다.

따라서 씰 내부의 난류가 댐퍼(damper)역할을 수행하여 러빙 발생을 최소화 하고, 그에 따라 장치의 안정된 구동을 유도할 수 있도록 복수의 허니콤 셀을 내부에 갖는 벌집형 구조의 허니콤 씰(honeycomb seal)이 제안된 바 있다. 상기 허니콤 씰은 미국특허등록 제2,963,307호를 비롯하여 미국특허등록 제3,046,648호, 일본특허공개 2001-123803호 등을 통해 이미 다양한 구조로 제안되었으며 증기/가스 터빈기에 실장착 되어 밀봉 역할을 수행하고 있다.

예로서, 미국특허등록 제4,477,089호에는 "터빈 발전용 허니콤 씰(Honeycomb seal for turbine engines)"이라는 제목으로 규칙적인 요철패턴으로 소성가공된 복수의 링을 벌집형태로 정의되는 단위 셀을 내부에 가지도록 접합시킨 구성의 허니콤 씰이 개시되어 있다. 상기 미국특허등록 제4,477,089호는 동일한 형상의 가진 복수의 링을 포함하고, 각각의 링은 반경방향으로 확장되는 파형의 요철패턴을 가지면서 반경방향으로 확장되는 허니콤 쎌을 갖도록 인접배치되어 상호 접합된 것을 특징으로 한다.

상기 미국특허등록 제4,477,089호에 따르면, 상술한 바와 같이 반경방향으로 확장되는 곡선상 파형의 요철패턴을 가지는 복수의 링을 상호 접합시키는 방법으로 접합된 하나의 링과 다른 링 사이에 상기 파형의 요철패턴에 의하여 복수의 허니콤 셀이 형성되도록 씰을 제작한다. 이 경우 비교적 소형사이즈의 허니콤 씰 제조에는 적합할 수 있으나, 대형의 터빈장치에 요구되는 대형사이즈의 허니콤 씰을 제조함에 있어서는 허니콤 씰을 이루는 기본요소인 상기 링의 크기 및 중량이 그 사이즈 변화에 비례하여 증가될 수 밖에 없는 점등을 전반적으로 고려했을 때 적합하지 않다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비교적 대형의 터빈장치에 요구되는 대형사이즈의 허니콤 씰 제작에 적합한 터빈용 허니콤 씰 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 터빈용 씰을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기체 유출을 최소화시킬 목적으로 가스 터빈의 로터와 스테이터 사이에 설치되는 씰의 제조방법으로서, a) 규칙적이면서 연속된 요철패턴을 가지도록 얇은 판재를 소성 가공하는 단계; b) 상기 소성 가공된 판재를 동일한 폭으로 길이방향으로 절단하여 동일한 폭과 요철패턴을 갖는 복수의 허니콤 부재를 형성하는 단계; c) 대면하는 편형한 면이 서로 맞닿도록 여러 개의 허니콤 부재를 인접 배치시키고, 상기 허니콤 부재들에 (+)(-)전류를 흘려 이웃하는 허니콤 부재 간 서로 맞닿은 면을 접합시켜 복수의 허니콤 셀을 내부에 갖는 하나의 단위 허니콤 코어를 형성하는 용접단계; e) 상기 단위 허니콤 코어를 곡선상의 단위 씰바디 내면에 브레이징 접합시켜 하나의 곡선상의 단위 허니콤 씰을 완성하는 단계;를 포함하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법을 제공한다.

상기 판재는 스테인레스(stainless steel), 하스텔로이(hatelloy), 인코 넬(inconel) 중 선택된 어느 한 재질로 된 판상형 소재를 이용함이 바람직하다.

상기 소성 가공단계에서는 일정 피치의 사다리꼴 형태의 요철패턴을 외면에 갖는 2개의 회전하는 롤 사이에 판재를 통과시켜 판재에 규칙적인 요철패턴을 형성하는 냉간 롤 압연 성형법을 이용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 용접단계에서는 고정전극을 중앙에 갖는 전극베드와, 상기 전극베드의 고정전극과 이격되는 가동전극 및, 상기 가동전극과 가동전극에 각각 (+)(-) 전류를 인가하는 캐패시터를 포함하는 전기 저항 용접기를 이용하여 용접을 수행한다.

위와 같은 상기 용접단계에서는 완만한 곡선상의 상면을 가지는 전극베드를 적용하고, 가동전극과 고정전극 사이의 상기 전극베드의 상에 허니콤 부재를 올려 놓은 상태에서 상기 가동전극을 고정전극 측으로 가압함과 동시에 용접을 수행하여, 용접단계를 거쳐 제작되는 단위 허니콤 코어가 상기 전극베드의 곡률에 맞게 소성변형 되어 곡선상의 형태를 가지도록 함이 바람직하다.

경우에 따라서는, 상기 완성단계에서 제작된 단위 허니콤 씰 복수개를 상호 용접하여 하나의 원형 허니콤 씰을 이루도록 최종 용접단계를 더 포함할 수도 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양태로서, 위와 같은 제조방법에 의해 제조된 터빈 발전용 허니콤 씰을 제공한다.

상기한 본 발명에 의하면, 허니콤 씰을 일정 곡률을 갖는 단위 요소별로 제작함으로써, 그 제작 과정에서 단위 허니콤 씰의 곡률 반경을 적절히 조절하면 소형뿐만 아니라 비교적 대형의 터빈장치에 요구되는 대형사이즈의 허니콤 씰을 제작함에 있어서도 매우 적합하다는 장점을 가진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈용 허니콤 씰 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 허니콤 씰의 제조과정을 개략적으로 보여주는 공정도로서, 본 발명에 따른 허니콤 씰의 제조방법은, 규칙적이면서 연속된 요철패턴을 갖는 판재(10)를 동일한 폭을 가지도록 절단하고 용접하여 복수의 허니콤 셀(140)을 내부에 가지면서 전반에 걸쳐 곡선상으로 구현된 하나의 단위 허니콤 코어(14)를 형성하고, 상기 곡선상의 단위 허니콤 코어(14)를 동일한 곡률반경을 가지는 곡선상의 단위 씰바디(20) 내면에 브레이징 접합시켜 하나의 곡선상의 단위 허니콤 씰(40)을 완성한다.

본 발명의 실시예에 따른 허니콤 씰 제조를 위한 일련의 과정을 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.

<소성 가공단계>

먼저, 얇은 판재(10)를 선정하여 규칙적이면서 연속된 요철패턴을 가지도록 그 선정된 얇은 판재(10)를 소성 가공한다. 상기 판재(10)로는 내식성, 내마모성, 가공성, 용접성이 좋은 스테인레스(stainless steel) 또는 내식성이 매우 우수한 하스텔로이(hatelloy) 내지는 내열, 내산성 및 고온가동가 우수한 인코넬(inconel) 재질의 판상형 소재가 이용될 수 있다.

연속된 요철패턴을 가지도록 판재(10)를 위와 같이 소성가공함에 있어서는 상호 형합되는 요철면을 위아래로 갖는 프레스를 이용한 프레싱 공법을 통해 판재에 요철패턴을 형성할 수도 있으나, 판재의 연속적인 가공성을 고려하면 도 2의 (a)와 같이 일정 피치의 사다리꼴 형태의 요철패턴을 외면에 갖는 2개의 회전하는 롤 사이에 판재(10)를 통과시켜 판재에 규칙적인 요철패턴을 형성하는 냉간 롤 압연 성형법을 이용하는 것이 바람직하다.

위와 같이 판재에 규칙적인 요철패턴을 형성함에 있어서는 씰링 및 터빈 샤프트에 대한 댐퍼기능을 원활히 수행하기에 적합한 크기의 허니콤 셀이 형성되도록 하는 것이 중요하므로, 그에 적합한 요철 피치를 가지는 롤을 선정하고 이를 이용하여 판재에 형성되는 요철패턴이 적절한 피치(pitch)를 가지도록 하는 것이 바람직하다.

<판재 절단단계>

상기한 소성가공 단계를 거치면서 소성 가공된 요철형태의 판재(10)를 동일한 폭으로 길이방향으로 절단하여 도 2의 (b)에서와 같이 동일한 폭과 길이의 요철패턴을 갖는 복수의 허니콤 부재(12)를 형성한다. 판재(10)를 절단함에 있어서는 유압식 커팅날을 장착한 공구대가 베드 상에 놓여진 판재 상을 이동하면서 동일한 규격으로 정밀 절단이 가능한 유압식 커팅기가 이용될 수 있으며, 이외에도 커터날 회전에 의해 대상물을 절단하는 회전식 커터가 이용될 수도 있다.

<용접단계>

다음으로, 상기 과정을 거쳐 절단된 여러 개의 허니콤 부재(12)의 대면하는 편형한 면을 서로 맞닿게 한 상태에서 맞닿은 면이 접합되도록 용접시켜, 도 2의 (d)와 같이 복수의 허니콤 셀(140)을 내부에 갖는 하나의 단위 허니콤 코어(14)를 제작한다. 이러한 용접과정에서는 상호 접합될 용접 대상물이 요철패턴으로 형성되어 있는 점을 전반적으로 고려하여, 가동전극과 고정전극 사이에 대상물을 끼워넣고 (+)(-)전류를 흘리면서 대상물을 가압하면 서로 맞닿은 면에 대한 용접이 동시에 수행될 수 있는 전기저항 용접이 가장 바람직한 형태일 수 있다.

용접기의 보다 바람직한 실시형태로는 도 3에서와 같이, 고정전극(52)을 중앙에 갖는 전극베드(54)와, 상기 전극베드(54)의 고정전극(52)과 이격되는 간격을 가진 가동전극(56) 및, 상기 가동전극(56)과 고정전극(52)에 각각 (+)(-) 전류를 각가 인가하는 캐패시터(58)를 포함하는 전기 저항 용접기(50)를 이용하여 용접을 수행하며, 이때 상기 전극베드(54)로는 완만한 곡선상의 상면(540)을 가지는 전극베드를 적용하는 것이 바람직하다.

이처럼 완만한 곡선상의 상면(540)을 가지는 전극베드(54)를 적용하는 경우에는, 가동전극(56)과 고정전극(52) 사이의 상기 전극베드(54)의 상에 복수의 허니콤 부재(12)가 서로 맞닿도록 도면과 같이 올려 놓은 상태에서, 상기 가동전극(56)을 고정전극(52) 측으로 가압함과 동시에 전류를 흘려 용접을 수행하면, 용접단계 를 거쳐 제작되는 단위 허니콤 코어(14)가 추가 소성가공 없이도 도 2의 (d)와 같이 상기 전극베드(54)의 곡률에 맞게 소성변형 되어 곡선상의 형태를 가질 수 있다.

<브레이징 접합단계>

다음, 상기한 용접 과정을 거쳐 일정한 곡률을 가지도록 곡선상으로 제작된 상기 단위 허니콤 코어(14)를 곡선상의 단위 씰바디(20) 내면에 브레이징 접합(도 2의 (e)참조)시켜 도 2의 (f)와 같은 하나의 곡선상의 단위 허니콤 씰(40)을 완성한다. 브레이징을 위해 모재와 모재 즉, 본 실시예에서의 상기 씰바디와 단위 허니콤 코어 사이에는 브레이징용 합금(BFM; Brazing Filler Metal, 30)이 개입되며, 상기 브레이징용 합금(30)은 모재들의 전반적인 용융점을 고려하여 모재보다 용융점이 다소 낮은 합금을 적용함이 바람직하다.

상기 씰바디(20)는 터빈장치의 고온환경 특수성을 감안하여 고온강도 및 융점이 높은 티타늄(Titanium) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel)이 소재로 이용될 수 있으며, 상기 브레이징용 합금(30)은 상기 씰바디 및 하니콤 코어를 형성하는 전술한 판재들의 융점 감안했을 때 1000℃ ~ 1200℃ 사이에 용융점을 갖는 니켈 합금(Ni-Alloy)이 소재로 이용될 수 있다.

한편, 본 발명에 적용된 허니콤 씰을 완성함에 있어서 경우에 따라서는, 위와 같은 브레이징 단계를 거쳐 제작된 단위 허니콤 씰(40) 복수개를 상호 용접하여 전체적으로 하나의 정원 형상의 허니콤 씰을 이루도록 용접하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

상기한 제조과정을 통해 완성된 단위 허니콤 씰(40)은 도 4의 바람직한 실시 형태에서와 같이 씰바디(20) 내면에 허니콤 코어(14)가 브레이징 접착되어 한 몸체를 이루며, 이러한 형태의 단위 허니콤 씰(40)은 측면부가 서로 접하면서 전반적으로 정원(正圓)을 이루도록 터빈장치의 고정익(도 1참조) 내연에 장착되고, 도 5의 단면도에서와 같이 터빈 샤프트(5) 내지는 회전익와는 근사히 인접하여 그들 틈세(C)에 대한 씰링 기능을 수행한다.

씰링 기능을 수행함에 있어서는 상기 허니콤 씰(40)에 형성된 무수히 많은 허니콤 셀(cell;140) 내부에 증기가 유입되어 정체됨에 따른 난류에 의해 댐핑기능이 발현되며, 이에 따라 회전체인 로터 즉, 터빈 샤프트(5)의 러빙 발생 시 진동이 보다 줄어듬과 동시에 단시간에 억제하는 것이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 허니콤 씰을 적용하는 경우에, 씰(40)과 터빈 샤프트(5) 간의 접촉되는 상황이 연출되어도 터빈 운전에 지장을 초래할 만큼의 과도한 진동 발생이 없기 때문에, 씰(40)과 터빈 샤프트(5) 사이의 틈세(C)를 보다 미세하게 확보하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 종래 터빈장치에 장착되는 씰의 다양한 실시예를 나타내는 단면도들.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 허니콤 씰의 제조과정을 개략적으로 보여주는 공정도.

도 3은 본 발명인 허니콤 씰 제조방법에 적용된 전기저항용접기의 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 단위 허니콤 씰의 바람직한 실시형태를 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 허니콤 씰의 장착 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10...판재 12...허니콤 부재

14...단위 허니콤 코어 20...단위 씰바디

40...단위 허니콤 씰 50...전기 용접기

52...고정전극 54...전극베드

56...가동전극 58...캐패시터

Claims (7)

1. 기체 유출을 최소화시킬 목적으로 가스 터빈의 로터와 스테이터 사이에 설치되는 씰의 제조방법으로서,

   a) 규칙적이면서 연속된 요철패턴을 가지도록 얇은 판재를 소성 가공하는 단계;

   b) 상기 소성 가공된 판재를 동일한 폭으로 길이방향으로 절단하여 동일한 폭과 길이의 요철패턴을 갖는 복수의 허니콤 부재를 형성하는 단계;

   c) 대면하는 편형한 면이 서로 맞닿도록 여러 개의 허니콤 부재를 인접 배치시키고, 상기 허니콤 부재들에 (+)(-)전류를 흘려 이웃하는 허니콤 부재 간 서로 맞닿은 면을 접합시켜 복수의 허니콤 셀을 내부에 갖는 하나의 단위 허니콤 코어를 형성하는 용접단계;

   e) 상기 단위 허니콤 코어를 곡선상의 단위 씰바디 내면에 브레이징 접합시켜 하나의 곡선상의 단위 허니콤 씰을 완성하는 단계;를 포함하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 판재는, 스테인레스(stainless steel), 하스텔로이(hatelloy), 인코넬(inconel) 중 선택된 어느 한 재질로 된 판상형 소재를 이용하는 것을 특징으로 하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 소성 가공단계에서는, 일정 피치의 사다리꼴 형태의 요철패턴을 외면에 갖는 2개의 회전하는 롤 사이에 판재를 통과시켜 판재에 규칙적인 요철패턴이 형성되도록 함을 특징으로 하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접단계에서는,

   고정전극을 중앙에 갖는 전극베드와,

   상기 전극베드의 고정전극과 이격되는 가동전극 및,

   상기 가동전극과 가동전극에 각각 (+)(-) 전류를 인가하는 캐패시터를 포함하는 전기 저항 용접기를 이용하여 용접이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 용접단계에서는, 완만한 곡선상의 상면을 가지는 전극베드를 적용하고, 가동전극과 고정전극 사이의 상기 전극베드의 상에 허니콤 부재를 올려 놓은 상태에서 상기 가동전극을 고정전극 측으로 가압함과 동시에 용접을 수행하여, 용접단계를 거쳐 제작되는 단위 허니콤 코어가 상기 전극베드의 곡률에 맞게 소성변형 되어 곡선상의 형태를 가지도록 함을 특징으로 하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 완성단계에서 제작된 단위 허니콤 씰 복수개를 상호 용접하여 하나의 원형 허니콤 씰을 이루도록 최종 용접단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈용 허니콤 씰 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 터빈 발전용 허니콤 씰.

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