KR20090089966A - 가스 터빈용 다이아프램 - Google Patents

Abstract

가스터빈의 링 바디와 고정익을 연결하는 아이솔레이션 링과 이웃하는 다른 아이솔레이션 링의 슬롯에 조립되어 고온가스의 누출을 막아주는 역할을 수행하는 가스터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트에 관한 것으로, 상기 씰 플레이트는 일정 두께를 갖는 장방형의 금속재질의 판상체로서, 일면 및 상기 일면에 대향하는 다른면에 규칙이면서 연속된 패턴으로 함몰 가공된 다수의 요홈들로 인하여 씰링면이 형성됨을 구성의 요지로 하며, 상기 씰링면의 형성으로 인하여 밀봉효과를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 발현된다.

발전 터빈, 고정익, 블레이드 링, 씰 플레이트, 벌집모양, 씰링면

Description

가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트{Seal plate of isolation ring for gas turbine}

본 발명은 가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트에 관한 것으로, 상세하게는 가스터빈의 링 바디와 고정익을 연결하는 아이솔레이션 링과 이웃하는 다른 아이솔레이션 링의 슬롯에 조립되어 고온가스의 누출을 막아주는 역할을 수행하는 가스터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 가스터빈은 압축기(壓縮機)·연소기·터빈을 기본요소로 포함하고 있다. 이와 같은 가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이끌어, 여기서 연료를 분산해서 연소시키며, 이때 생긴 고온 고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈 샤프트를 회전시킨다.

고온 고압의 가스가 터빈 케이싱 내부로 유입되어 터빈 샤프트를 회전시킴에 있어서는 일반적으로, 유입된 가스가 케이싱 내벽에 장착된 다이아프램(diaphragm)을 거쳐 터빈 샤프트 외연에 조립된 회전익(Moving Blade)을 회전시킴으로써 터빈 샤프트가 회전하고, 이에 따라 발전기가 회전하면서 전력이 얻어진다.

다이아프램은 유입된 고온 고압의 가스가 터빈 샤프트(Turbine shaft)에 조립된 회전익을 회전시키기에 적합한 최적의 흐름경로를 가지도록 유도하는 역할을 하며, 링 바디(Ring body), 내부링(Inner web) 및 상기 링 바디과 내부링 사이의 고정익(Turbine vane)으로 구성된다. 상기 링 바디는 터빈 케이싱에 조립되어 고정되며, 내부링은 로터 축을 둘러싸게 되고, 고정익은 이 고정익을 상기 링 바디와 내부링과 연결시키는 매개인 아이솔레이션 링을 통해 상기 링 바디과 내부링 사이로 배치된다.

여기서 상기 링 바디는 가스경로(gas Path)의 측벽 역할을 하는 부분으로 상기 고정익을 지지하면서 가스경로 형성에 필수적인 가스 가이드(gas guide) 및 부속기관 역할을 하며, 내부링은 가스터빈 내의 압력 분리 기능 및 터빈 샤프트 팩킹 및 가스 가이드 지지 및 부속기관을 지지하고 내부 가스경로의 측벽과 한 부분을 이룬다.

상기 링 바디, 고정익, 내부링을 상호 조립하여 하나의 다이아프램을 형성함에 있어서는, 링 바디 포함, 상기 고정익 및 내부링 그리고 아이솔레이션 링을 다수의 단편들로 제작하여 그 단편들을 상호 조립하여 하나의 다이아프램 블록을 형성하고, 이처럼 조립된 다이아프램 블록들을 이웃하게 연결 조립함으로써, 전체적으로 원형의 링 형상을 가진 하나의 다이아프램을 완성하게 된다.

이처럼 조립된 다이아프램은 그 기능적인 특성상 고온 고압의 등 기타 환경에 크게 영향을 받으며, 따라서 수축과 팽창을 계속적으로 반복한다. 이러한 수축, 팽창은 구조물전체에 파괴적 영향을 미치게 되므로 이를 완충하기 위하여 하나의 다이아프램 단편과 이웃하는 다른 다이아프램 단편이 상호 조립되는 연결부위에는 신축유동 이음부(MOVEMENT JOINT or EXPANSION JOINT)를 두고 있다. 이로 인해 구조물의 파괴적 영향은 완화되나, 상기 이음부를 통한 가스누출의 발생은 필연적이다.

따라서, 다이아프램 단편과 이웃하는 다른 다이아프램 단편 사이에는 고온 고압가스의 누출을 방지하기 위하여 씰 플레이트를 기반으로하는 가스차단구조를 널리 채택하고 있다. 종래 가스차단구조는 가스누출에 대한 씰 기능을 실질적으로 수행하는 씰 플레이트 및 씰 플레이트 장착을 위해 링 바디와 고정익을 연결시켜주는 아이솔레이션 링과 이웃하는 다른 아이솔레이션 링의 측면에 형성되는 슬롯(slot)을 포함한다.

도 1은 종래 아이솔레이션 링 사이에 결합되는 씰 플레이트에 의한 다이아프램의 가스차단구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 씰 플레이트(2)가 하나의 아이솔레이션 링(1a)과 이와 이웃하는 다른 아이솔레이션 링(1b) 사이에 장착됨에 있어 종래에는, 아이솔레이션 링(1a) 일측에 형성된 슬롯(10a)에 씰 플레이트(2) 절반정도가 압압되어 고정되고, 나머지 절반은 이웃하는 다른 아이솔레이션 링(1b)의 슬롯(10b)에 허용된 범위 내에서 자유롭게 움직일 수 있도록 조립된다.

종래 가스차단구조 형성을 위해 적용되는 상기 씰 플레이트(2)로는, 도면에서와 같이 평평한 표면을 갖는 단순한 판상체 구조를 가진 씰 플레이트를 사용하고 있다. 하지만 단순 판상체 형상의 씰 플레이트의 경우 신축 이음부(3)를 통해 새어 나가는 가스를 효과적으로 차단하지 못하는 구조적 단점을 지니고 있는 관계로, 밀봉효과가 떨어져 가스터빈의 전체적인 효율에 영향을 끼치게 된다.

한국특허등록 제685,181호는 "다중방향서 터빈 심 시일"이라는 제목으로 밀봉효과를 향상시킬 수 있는 구조적 형상을 갖는 씰 플레이트를 개시하고 있다. 상기 한국특허등록 제685,181호는 메인보디 일면 및 상기 일면과 대향하는 다른 일면에 메인보디 측방향으로 뻗은 제1 암과 제2 암을 포함하며, 상기 제1 암과 제2 함 사이에는 제3 암이 메인보디로부터 일체로 뻗어나간 구성으로 이루어진 것을 기술의 핵심으로 한다.

상기 한국특허등록 제685,181호는 제3 암을 가진 메일보디를 중심으로 그 위, 아래에 제1 암과 제2 암이 접합된 다층 구조로서, 상기 제1 암 및 제2 암 자유단측 탄성에 의한 슬롯과의 접촉력 확보에 의해 기존 단순 평판 형태의 씰 플레이트에 비해 보다 나은 밀봉효과를 기대할 수 있다. 하지만, 조립이 곤란할 정도로 그 구성이 복잡하여 씰 플레이트를 조립함에 있어 조립이 전반적으로 용이하지 못한 구조적 단점이 있으며, 복잡한 구성 만큼 정비성 역시 떨어져 장치 유지, 보수가 용이하지 못하다는 단점 또한 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 간단한 구성이면서도 보다 효과적인 가스차단 기능을 발휘할 수 있는 구조를 가진 가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결 하기 위한 수단으로서 본 발명은, 가스터빈의 링 바디와 고정익을 연결하는 아이솔레이션 링과 다른 링 바디와 다른 고정익을 연결하는 다른 아이솔레이션 링의 슬롯에 조립되어 고온가스의 누출을 막는 가스터빈용 아이솔레이션 링 씰 플레이트에 있어서, 상기 씰 플레이트는, 일정 두께를 갖는 장방형의 금속재질의 판상체로서, 일면 및 상기 일면에 대향하는 다른면에 규칙적이면서 연속된 패턴으로 함몰 가공된 다수의 요홈들로 인하여 씰링면이 형성됨을 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 아이솔레이션 링 씰 플레이트를 제공한다.

여기서, 씰링면 형성을 위한 상기 요홈은, 상기 씰 플레이트의 전체 두께 대비 1/6 ~ 1/5의 함몰 깊이를 가지도록 프레싱과 같은 기계적인 가공을 통해 형성함이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 적용된 상기 씰링면은, 원형 구획을 갖는 단일 요홈이 규칙적인 패턴으로 상호 연접되어 형성된 구조를 취하거나 육각형 구획을 갖는 단일 요홈이 밀집되어 형성된 벌집형상을 취하도록 구성하여, 가스누출 시 상기 씰링면 에 의해서 가스유동에 따른 난류가 형성되어 틈새를 통해 누출되는 가스를 보다 최소화할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

상기한 본 발명에 의하면, 금속재질의 판상체 일면과 다른 일면에 기계적 가공을 통해 씰링면을 형성시킨 간단한 구조로서, 설치, 교쳬가 용이하고, 따라서 장비 유지, 보수를 위한 정비시간을 단축시킬 수 있으며, 전체적으로는 터빈의 가동율을 보다 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

또한, 씰 플레이트 일면과 다른 일면에 원형 또는 다각형 구획을 갖는 다수의 단일 요홈들 내부에 가스누출 시 누출가스가 정체됨으로써 난류 형성이 유도되고 따라서 가스의 원활한 흐름이 방해된다. 결과적으로는 에너지를 가진 가스의 손실을 최대한 억제하는 것이 가능해져 장치 전반에 걸쳐 열효율 증대를 기대할 수 있다.

또, 씰링면을 구현하는 다수의 단일 요홈들 내부에 위와 같이 가스가 유입되고 정체됨에 따른 난류에 의하여 댐핑기능이 발현됨으로써, 터빈기 작동에 따른 외력 예컨대, 고압 가스 흐름에 의한 영향으로 다이아프램의 신축이음부 구간에 발생되는 진동을 또한 저감가능한 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 씰 플레이트를 채택하고 있는 가스터빈용 다이아프램 구현을 위한 구성요소들의 조립과정을 보여주는 분해사시도이다.

도 2를 참조하여 터빈 발전기에 적용되는 다이아프램의 구성을 먼저 개략적으로 살펴보면, 상기 다이아프램은 크게, 링 바디(Ring body, 50)와, 내부링(Inner web)과, 상기 링 바디(50)와 내부링(미도시) 사이의 고정익(Turbine vane, 60)을 포함한다. 상기 링 바디(50)는 터빈 케이싱에 조립되어 고정되며, 내부링은 터빈 샤프트를 둘러싸게 되고, 고정익(60)은 이 고정익(60)을 상기 링 바디(50)와 내부링과 연결시키는 매개인 아이솔레이션 링(30)을 통해 상기 링 바디(50)와 내부링 사이로 배치된다.

여기서, 상기 링 바디(50)는 가스경로(gas Path)의 측벽 역할을 하는 부분으로 상기 고정익(60)을 지지하면서 가스경로 형성에 필수적인 가스 가이드(gas guide) 및 부속기관 역할을 하며, 내부링은 가스터빈 내의 압력 분리 기능, 터빈 샤프트 팩킹, 가스 가이드 지지 및 부속기관을 지지하고 내부 가스경로의 측벽과 한 부분을 이룬다.

상기 링 바디(50), 고정익(60), 내부링을 상호 조립하여 하나의 다이아프램을 형성함에 있어서는, 링 바디(50) 포함, 상기 고정익(60) 및 내부링 그리고 아이솔레이션 링(30)을 다수의 단편들로 제작하여 그 단편들을 상호 조립하여 하나의 다이아프램 블록을 형성하고, 이처럼 조립된 다이아프램 블록들을 이웃하게 연결 조립함으로써, 전체적으로 원형 링 형태의 하나의 다이아프램을 완성하게 된다.

이때, 상기 아이솔레이션 링(30)은 다이아프램 구현을 위한 링 바디(50)와 고정익(60)을 연결시켜주는 매개로서, 기계 가공을 통해 함몰 형성된 슬롯(300a)(300b)을 그 양측면에 가지며, 이러한 슬롯(300a)(300b)에는 다이아프램 제작 시 하나의 아이솔레이션 링(30a)과 다른 아이솔레이션 링(30b) 사이의 신축유동 이음부(E/J)를 통한 가스누출을 차단할 목적으로 본 발명에 따른 씰 플레이트(40)가 장착된다(도 6 참조).

씰 플레이트(40)를 이용하여 가스차단구조를 구현함에 있어 상기 씰 플레이트(40)는, 아이솔레이션 링 일측에 형성된 슬롯에 그 절반정도가 압압되어 고정되고, 나머지 절반은 이웃하는 다른 아이솔레이션 링의 슬롯에 유동가능하게 끼워지는 형태로 설치되어, 아이솔레이션 링 및 이와 이웃하는 다른 아이솔레이션 링의 신축유동 이음부를 통한 가스누출을 방지하는 역할을 주요하게 수행한다(종래기술 및 도 1 참조).

도 2에서 미설명 부호 70은 상기 아이솔레이션 링을 링 바디에 고정시키기 위한 링 세그먼트이다.

본 발명에 따른 상기 씰 플레이트의 구성을 첨부도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 씰 플레이트의 사시도이며, 도 4는 도 3에 따른 씰 플레이트의 A-A선 단면도이다. 그리고 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 씰 플레이트의 사시도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 씰 플레이트(40)는 일정 두께를 갖는 장방형 금속재질의 판상체 일면 및 상기 일면에 대향하는 다른면에 가스가 정체될 수 있을 정도의 공간크기를 가진 요홈(420)들이 규칙적이면서 연속된 패턴으로 함몰 형성됨에 따라 구현되는 씰링면(42)을 가진다.

상기 씰링면(42) 구현을 위해 규칙적이면서 연속되는 형태로 상기 요홈들을 형성함에 있어서는, 상기 요홈에 대응되는 형상 및 갯수의 돌출부를 위, 아래로 갖는 프레스를 이용하여 상기 금속재질의 판상체를 강한 압력으로 누름으로써 형성하는 프레싱 공법을 이용하거나, 상기 요홈에 대응되는 형상의 요철패턴을 외면에 갖는 2개의 회전하는 롤 사이에 상기 판상체를 통과시켜 판상체에 규칙적인 패턴의 요홈을 형성하는 냉간 롤 압연 성형법이 이용될 수 있다.

씰 플레이트(40) 구현을 위한 상기 금속재질의 판상체로는, 내식, 내열성이 우수한 니켈(Ni)과 크롬(Cr)을 주성분으로, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)이 소량 첨가된 니켈-크롬 합금강을 소재로 함이 바람직하며, 씰링면 형성을 위한 상기 요홈은, 고온의 영향을 받는 씰 플레이트의 전반적인 강성을 고려했을 때, 상기 씰 플레이트의 전체 두께(T) 대비 1/6 ~ 1/5 이내의 함몰 깊이를 가지도록 성형함이 바람직하다.

상기한 씰링면(42)은 도 3에서와 같이, 원형의 구획을 갖는 단일 요홈이 규칙적인 패턴으로 상호 연접되어 형성된 구조이거나, 도 5에서와 같이 육각형의 구획을 갖는 단일 요홈이 밀집되어 전체적으로 벌집형상을 취하도록 구성됨이 바람직하지만, 이외에도 도면에는 도시되지 않았으나 삼각 이상의 다각형 구획을 갖는 단일 요홈이 금속 판상체의 길이방향 또는 사선방향으로 규칙적인 패턴으로 상호 연 접되어 형성된 구조로도 변형 가능하므로, 이러한 변형예 역시 본 발명의 범주안에 포함된다고 보아야 할 것이다.

위와 같이 금속재질의 판상체 일면과 다른 일면에 다수의 요홈(420)들로 인하여 씰링면(42)이 형성되면, 가스누출 시 누출가스가 요홈에 의해 구획된 공간으로 유입되어 정체됨으로써 불규칙적인 기체흐름을 갖는 난류가 형성되고, 이처럼 형성된 난류에 의하여 계속해서 누출되려고 하는 가스의 원활한 흐름이 방해됨으로써, 에너지를 가진 고온 고압 가스의 손실을 최대한 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 작용, 효과를 도 6을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 다이아프램이 신축될 수 있는 공간 확보를 위한 신축유동 이음부(EXPANSION JOINT, E/J)를 통하여 도면의 화살표 방향과 같이 고온 고압의 가스가 누출되면, 씰 플레이트(40)의 일면과 다른 일면에 원형 또는 다각형 구획을 갖는 각각의 단일 요홈(420)들 내부로 누출가스가 유입되어 정체된다.

각각의 요홈으로 유입된 가스는 구획된 요홈(420)의 공간 내에서 도면의 부분 확대도에서와 같은 와류형 난류를 형성하게 되고, 형성된 난류는 가스가 틈새를 통해 누출됨에 있어 가스흐름을 방해한다. 또한, 누출가스가 씰 플레이트 표면부와 슬롯 사이의 미세한 틈세를 통해 외부로 빠져나감에 있어, 상기 구획된 요홈(420)공간으로 인하여 그 이동거리가 늘어나 외부로 누출되기 까지의 시간이 지연된다.

종래 평평한 표면을 갖는 단순한 판상체 구조를 가진 씰 플레이트를 적용하는 경우, 신축유동 이음부를 통해 새어 나가는 가스를 효과적으로 차단하지 못하는 구조적 단점 때문에 밀봉효과가 떨어져 가스터빈의 전체적인 효율이 떨어지는 단점 이 있으나, 본 발명은 씰 플레이트 표면에 형성되는 씰링면에 의한 난류형성 및 누출시간 지연에 의하여 에너지를 가진 가스의 손실을 종래에 비해 현저히 줄일 수 있으므로, 결과적으로는 장치 전반에 걸친 열효율 증대를 기대할 수 있다.

또한 본 발명은, 씰링면(42)을 구현하는 다수의 단일 요홈(420)들 내부에 위와 같이 가스가 유입되고 정체됨에 따라 댐핑기능이 발현될 수 있다. 이에 따라, 터빈기 작동에 따른 외력 예컨대, 고압 가스 흐름에 의한 영향으로 다이아프램의 신축유동 이음부 구간에 발생되는 반경방향 진동 또한 저감가능한 이점이 있다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따르면, 금속재질의 판상체 일면과 다른 일면에 누출가스 정체를 위한 공간부를 형성한 씰링면을 기계적 가공을 통해 간단히 구현시킨 구조로서, 설치, 교쳬가 매우 용이하여 장비 유지, 보수를 위한 정비시간 단축을 기대할 수 있다.

또한, 가스누출 시 씰 플레이트 일면과 다른 일면에 원형 또는 다각형 구획을 갖는 다수의 단일 요홈들 내부로 누출가스가 정체됨에 따른 난류 형성에 의하여 가스의 원활한 흐름이 방해되고, 따라서 에너지를 가진 가스의 손실을 최대한 억제할 수 있으며, 씰링면을 구현하는 다수의 단일 요홈들 내부에 위와 같이 가스가 유입되고 정체됨에 의한 댐핑기능으로 인하여 신축유동 이음부에서 발생하는 진동 역시 저감 가능한 효과가 있다.

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 아이솔레이션 링 사이에 결합되는 씰 플레이트에 의한 다이아프램의 가스차단구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 씰 플레이트를 채택하고 있는 가스터빈용 다이아프램 구현을 위한 구성요소들의 조립과정을 보여주는 분해사시도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 씰 플레이트의 사시도.

도 4는 도 3에 따른 씰 플레이트의 A-A선 단면도.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 씰 플레이트의 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 씰 플레이트에 의해 구현된 가스차단구조를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

30...아이솔레이션 링

40...씰 플레이트

42...씰링면

50...링 바디

60...고정익

420...요홈

E/J...신축유동 이음부

Claims (4)

1. 가스터빈의 링 바디와 고정익을 연결하는 아이솔레이션 링과 다른 링 바디와 다른 고정익을 연결하는 다른 아이솔레이션 링의 슬롯에 조립되어 고온가스의 누출을 막는 가스터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트에 있어서, 상기 씰 플레이트는,

   일정 두께를 갖는 장방형의 금속재질의 판상체로서, 일면 및 상기 일면에 대향하는 다른면에 규칙적이면서 연속된 패턴으로 함몰 가공된 다수의 요홈들로 인하여 씰링면이 형성됨을 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트.
2. 제 1 항에 있어서,

   씰링면 형성을 위한 상기 요홈은,

   상기 씰 플레이트의 전체 두께 대비 1/6 ~ 1/5의 함몰 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 씰링면은, 원형 구획을 갖는 단일 요홈이 규칙적인 패턴으로 상호 연접 되어 형성된 구조로 된 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 씰링면은, 육각형 구획을 갖는 단일 요홈이 밀집되어 형성된 벌집형상을 취하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 아이솔레이션 링의 씰 플레이트.

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