KR20140024825A - 터빈 시스템용 시일 조립체 - Google Patents

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KR20140024825A
KR20140024825A KR1020130098570A KR20130098570A KR20140024825A KR 20140024825 A KR20140024825 A KR 20140024825A KR 1020130098570 A KR1020130098570 A KR 1020130098570A KR 20130098570 A KR20130098570 A KR 20130098570A KR 20140024825 A KR20140024825 A KR 20140024825A
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센딜쿠마란 사운디르아무르티
라비 샨카 벤카타 카시보틀라
비그네쉬 라다크리쉬난
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

터빈 시스템용 시일 조립체는 전방면 및 후방면을 구비한 실링 스트립을 포함하고, 상기 실링 스트립은 제 1 구성요소에 작동 가능하게 결합되고, 제 2 구성요소를 향해 반경 방향 외측으로 연장되어 제 1 구성요소 및 제 2 구성요소에 의해 규정된 유체 통로를 통과하는 유체의 흐름을 억제한다. 또한, 상기 시일 조립체는 상기 실링 스트립의 전방면 및 후방면중 적어도 하나 내에 배치된 적어도 하나의 홈을 더 구비한다.

Description

터빈 시스템용 시일 조립체{SEAL ASSEMBLY FOR A TURBINE SYSTEM}
본원에 개시된 내용은 터빈 시스템에 관한 것이고, 특히 이러한 터빈 시스템용 시일 조립체에 관한 것이다.
가스 터빈과 같은 터빈 시스템은 전형적으로 압축기 부분으로부터의 가압 공기 공급, 및 연료 공급을 수용한다. 가압 공기 및 연료는 혼합되어 가연성 공기/연료 혼합물을 형성한다. 그리고나서, 이 공기/연료 혼합물은 점화 및 연소되어 터빈 부분으로 향하는 고온 가스를 형성한다. 이 고온 가스로부터의 열에너지는 터빈 시스템의 터빈 부분에서 역학, 회전 에너지로 변환된다.
고온 가스는 연소기로부터 전이 덕트(transition duct) 또는 부재를 통해 터빈 부분으로 통과된다. 일반적으로, 압축기로부터 냉각 공기를 이송하는 공기 덕트(air duct)는 전이 부재를 둘러싼다. 내표면이 적절히 밀봉되지 않으면, 고온 가스는 터빈 부분을 우회하여 공기 덕트로 들어갈 수도 있다. 이러한 우회 또는 누출 흐름은 어떤 일도 생성할 수 없고, 그에 따라 터빈 시스템의 내부 손실에 해당한다. 누출 흐름은 일반적으로 가변 속도로 이동 또는 회전하는 인접한 표면 사이를 통과한다. 시간 경과에 따라, 가변 속도 표면 사이의 간격은 내부 마찰, 고체 입자 침식, 이물질 손상(FOD; foreign object damage) 등으로 인해 증대될 수 있다. 현재, 누출 흐름을 제한하기 위해 많은 터빈 시스템이 가변 속도 표면 사이에 레버린스 시일(labyrinth seal)을 사용한다. 레버린스 시일은 고온 가스가 공기 덕트의 냉각 흐름 내로 들어가는 것을 실질적으로 제한하는 다중 배리어를 생성한다.
본 발명은 터빈 시스템용 시일 조립체를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 터빈 시스템용 시일 조립체는 전방면 및 후방면을 구비한 실링 스트립을 포함하고, 실링 스트립은 제 1 구성요소 및 제 2 구성요소에 의해 규정된 유체 통로를 통과하는 유체의 흐름을 억제하기 위해 제 1 구성요소에 작동 가능하게 결합되고, 제 2 구성요소를 향해 반경 방향 외측으로 연장된다. 또한, 시일 조립체는 실링 스트립의 전방면 및 후방면중 적어도 하나 내에 배치된 적어도 하나의 홈을 더 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 터빈 시스템용 시일 조립체는 터빈 시스템의 로터 근처에 배치된 제 1 구성요소, 및 터빈 케이싱 근처에 배치된 제 2 구성요소에 의해 규정된 유체 통로 내에 배치되고, 축방향으로 서로 이격되어 있는 복수의 실링 스트립을 포함하고, 복수의 실링 스트립 각각은 전방면을 포함한다. 또한, 시일 조립체는 유체 통로를 통과하는 유체의 흐름을 억제하기 위해 복수의 실링 스트립 각각의 전방면 내에 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 홈을 더 포함한다.
이러한 장점 및 특징과, 다른 장점 및 특징은 도면과 함께 설명되는 이하의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명으로 간주되는 내용은 본 명세서의 마지막 부분의 특허 청구범위에서 특별히 지시되고, 명백하게 청구된다. 본 발명의 상술한 특징 및 장점과, 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 설명되는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
도 1은 시일 조립체를 구비한 터빈 시스템의 부분 단면도,
도 2는 제 1 구성요소와 제 2 구성요소 사이에 배치된 실링 스트립을 구비한 시일 조립체의 부분 사시도,
도 3은 복수의 실링 스트립의 사시도,
도 4는 실링 스트립의 사시도.
상세한 설명은 도면을 참조하여 예시로서, 장점 및 특징과 함께 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 명세서에 사용된 용어 "축방향" 및 "축방향으로"는 터빈 시스템의 길이 방향 중심축에 대해 실질적으로 평행하게 연장하는 방향 및 배향을 나타낸다. 본 명세서에 사용된 용어 "반경 방향" 및 "반경 방향으로"는 터빈 시스템의 길이 방향 중심축에 대해 실질적으로 직교하여 연장하는 방향 및 배향을 나타낸다. 본 명세서에 사용된 용어 "상류측" 및 "하류측"은 터빈 시스템의 길이 방향 중심축에 대해 축류 방향(axial flow direction)에 대한 방향 및 배향을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 터빈 시스템은 포괄적으로 도면부호(2)로 도시되어 있다. 터빈 시스템(2)은 연소기의 환형 어레이(도시하지 않음)로부터 고온 연소 가스를 수용하는 터빈 부분(10)을 구비한다. 연소 가스는 전이 부재(12)를 통과하여 고온 가스 통로(14)를 따라 다수의 터빈 단(turbine stage)(개별적으로 지칭되지 않음)을 향해 흐른다. 각 터빈 단은 노즐의 환형 어레이를 형성하는 복수의 원주 방향으로 이격된 블레이드 및 복수의 원주 방향으로 이격된 스테이터 베인을 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 터빈 부분(10)의 제 1 단은 제 1 단 터빈 로터(18)에 장착되는 복수의 원주 방향으로 이격된 블레이드[그 중 하나가 도면부호(16)로 지시됨] 및 복수의 원주 방향으로 이격된 스테이터 베인[그 중 하나가 도면부호(20)로 지시됨]을 포함한다. 유사하게, 터빈 부분(10)의 제 2 단은 제 2 단 터빈 로터(24)에 장착되는 복수의 블레이드[그 중 하나가 도면부호(22)로 지시됨] 및 복수의 원주 방향으로 이격된 스테이터 베인[그 중 하나가 도면부호(26)로 지시됨]을 포함한다. 또한, 터빈 부분(10)은 제 3 단 터빈 로터(30)에 장착되는 복수의 원주 방향으로 이격된 블레이드[그 중 하나가 도면부호(28)로 지시됨] 및 복수의 원주 방향으로 이격된 스테이터 베인[그 중 하나가 도면부호(32)로 지시됨]을 갖는 제 3 단을 포함하는 것으로 도시된다.
이 시점에서, 터빈 부분(10) 내에 존재하는 터빈 단의 개수는 달라질 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 터빈 부분(10)은 제 1 단, 제 2 단 및 제 3 단 터빈 로터(18, 24, 30) 사이에 회전 가능하게 장착되는 복수의 스페이서[그 중 2개가 도면부호(34, 36)로 지시됨]를 또한 포함한다. 스페이서(34, 36)는 터빈 케이싱 부재(27, 33)에 대한 이격 관계로 배열되어 채널(38, 40)을 각각 규정한다. 마지막으로, 압축기 배출 공기와 같은 냉각 흐름은 영역(44)에 위치되고 그 후 영역(A 및 C) 내로 도입된 후, 낮은 압력의 영역(B 및 D)으로 각각 흐르는 것을 이해해야 한다. 영역(A 및 B)은 각각 고온 가스 통로(14)를 따라 흐르는 고온 가스의 압력보다 높은 압력이다. 이 시점에서, 상술한 구조가 명확화를 위해 제공된 것임을 이해해야 한다. 예시적인 실시예는 채널(38, 40) 내에 각각 배열된 시일 조립체(60, 62)에 관한 것이다. 시일 조립체(60, 62)는 시일 조립체(60, 62)의 일측부로부터 타측부로 통과하는 유체 흐름을 억제하는 레버린스 시일을 구성하면서, 또한 고온 가스 통로(14)로부터 영역(A 및 B) 내로의 고온 가스의 도입을 저감하기 위해 영역(A 및 B)을 가압한다. 터빈 단을 우회하여 고온 가스 통로(14)로부터 통과하는 유체 흐름은 터빈 시스템(2)의 전체 효율에 악영향을 미칠 것이다.
이제, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 각각의 시일 조립체(60, 62)는 유사하게 형성된다. 시일 조립체(60)를 설명함에 있어서, 시일 조립체(62)는 상응하는 구조를 가지므로, 이하의 설명에 있어서 시일 조립체(60)만이 언급된다는 것이 이해될 것이다. 예시적인 실시예에 따르면, 시일 조립체(60)는 실링 스트립(64)을 포함하지만, 전형적으로 복수의 실링 스트립은 다양한 축방향으로 이격된 위치에 구비된다. 각 실링 스트립은 유사한 구조를 갖는다. 실링 스트립(64)은 도 1을 참조하여 상술한 스페이서(34)와 같은 회전 가능한 제 1 구성요소(68)의 표면에 직접 장착되거나 작동 가능하게 결합된다. 실링 스트립(64)은 실링 스트립(64)을 수용하도록 구성된 스페이서(34)에 형성된 노치 내에 장착 및/또는 고정될 수도 있다. 제 1 구성요소(68)는 터빈 부분(10)의 반경 방향의 중앙 위치에 배치된 메인 로터(도시하지 않음)의 회전 운동에 상응하는 회전 방법으로 운동 가능하다.
실링 스트립(64)은 제 1 구성요소(68) 주위에 원주 방향으로 또한 제 1 구성요소로부터 반경 방향 외측으로 연장한다. 도 4에 단일 구성요소로서 도시되어 있지만, 실링 스트립(64)이 원주 방향으로 서로 인접하게 배열된 복수의 세그먼트(segment)로 형성되는 것이 고려된다. 정확한 구성에 상관없이, 실링 스트립(64)은 전방면(70), 후방면(72), 반경 방향 내측 에지(74) 및 반경 방향 외측 에지(76)를 포함한다. 전방면(70)이 후방면(72)의 상류측에 배치됨에 유의해야 한다. 실링 스트립(64)은 적어도 하나의 홈을 갖지만, 전방면(70) 및/또는 후방면(72) 내에 배치된 적어도 하나의 홈, 그렇지만 전형적으로는 복수의 홈(78)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 실링 스트립(64) 내에 하나의 홈이 사용될 수도 있지만, 전형적으로 복수의 홈(78)이 원주 방향으로 배열되고, 그 개수는 대략 30개 내지 대략 180개의 범위인 것이 고려된다. 복수의 홈(78)은 실링 스트립(64) 내에서 반경 방향으로 연장되고, 다양한 치수 및 형상을 가질 수도 있다.
상술한 바와 같이, 실링 스트립(64)은 제 1 구성요소(68)로부터 반경 방향 외측으로 연장된다. 실링 스트립(64)은, 터빈 케이싱(27)과 같은 고정 구성요소, 또는 터빈 케이싱(27)으로부터 반경 방향 내측으로 연장하는 고정 구성요소에 직접 장착되거나 또는 작동 가능하게 결합된 제 2 구성요소(80)를 향해 연장한다. 제 2 구성요소(80)는 메인 표면(82), 및 메인 표면(82)으로부터 반경 방향 내측으로 연장하고, 축방향으로 서로 이격되어 있는 적어도 하나의 평면 돌출 부재, 그렇지만, 전형적으로는 복수의 평면 돌출 부재(84)를 포함한다. 복수의 평면 돌출 부재(84) 각각은 이하에 상세히 설명하는 바와 같이, 제 1 단부(86)로부터 제 2 단부(88)에서의 다양한 반경 방향 깊이로 연장한다. 평면 돌출 부재(84)의 제 2 단부(88)는 일반적인 형상을 각각 형성한다. 복수의 평면 돌출 부재(84) 각각은 제 1 구성요소(68) 및 실링 스트립(64)을 향해 가변하는 길이로 연장한다.
상술한 바와 같이, 시일 조립체(60)는 제 1 실링 스트립(90), 및 제 1 실링 스트립(90)으로부터 축방향으로 이격되어 인접하게 배치된 제 2 실링 스트립(92)과 같은 복수의 실링 스트립을 포함할 수도 있다. 제 1 실링 스트립(90)과 제 2 실링 스트립(92) 사이의 축방향 거리는 축방향 영역(94)을 규정한다. 제 1 평면 돌출 부재(96)는 축방향 영역(94) 내로 연장하고, 제 2 평면 돌출 부재(98)는 제 1 실링 스트립(90) 또는 제 2 실링 스트립(92)과 축방향으로 정렬되고 이들을 향해 반경 방향으로 연장된다. 시일 조립체(60)에 많은 평면 돌출 부재 및 실링 스트립이 사용되는 것이 이해될 것이다.
제 1 구성요소(68) 및 제 2 구성요소(80)는, 스페이서(34) 및 터빈 케이싱(27)을 포함하는 실시예에 대해 상술한 채널(38)에 상응하는 유체 통로(100)를 규정한다. 유체 통로(100)를 규정하는 구성요소에 상관없이, 시일 조립체(60)가 터빈 시스템(2)의 유체 흐름을 억제하도록 구성된다는 것이 이해될 것이다. 시일 조립체(60)는 유체 흐름을 제 2 구성요소를 향해 반경 방향 외측으로 유도하고 유체 통로(100)에 대한 제한부를 형성함으로써, 유체 흐름을 억제하고, 이것에 의해 유체 통로(100) 전체에 걸쳐 축방향의 압력 강하를 증대시킨다. 고정 부재 및 이동 부재 사이에 배치된 것으로서 도시 및 설명되었지만, 시일 조립체(60)는 가변 속도 표면 사이의 위치에 설치될 수도 있다. 또한, 패킹 시일(packing seal)로서 기능하는 것으로 도시되어 있지만, 시일 조립체(60)는 병진 이동 가능한 표면, 고정 부재에 대해 이동 가능한 표면, 또는 실질적으로 유사한 속도로 회전하는 표면을 포함한 다양한 다른 이동 가능한 표면 사이에서 흐름을 억제하도록 이용될 수도 있다. 즉, 시일 조립체(60)는 블레이드 시일 및 단 사이의 시일(inter-stage seal)로서 사용된 것을 포함한 다양한 위치에 설치될 수도 있다. 시일 조립체(60)는 가스 터빈 시스템 및 증기 터빈 시스템을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는 광범위한 터빈 시스템에 설치될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
본 발명은 한정된 수의 실시예에만 관련하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 개시된 실시예에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 지금까지 설명하지 않았지만, 본 발명의 정신 및 범위에 적합한 변형, 변경, 치환, 또는 동등의 구성을 포함하도록 수정될 수도 있다. 게다가, 본 발명의 다양한 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 관점은 설명한 실시예의 일부만을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 설명에 의해 한정되는 것으로 간주되어서는 안되며, 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.
24 : 터빈 로터 27 : 터빈 케이싱 부재
60 : 시일 조립체 64 : 실링 스트립
68 : 제 1 구성요소 70 : 전방면
72 : 후방면 78 : 홈
80 : 제 2 구성요소 96 : 제 1 평면 돌출 부재
98 : 제 2 평면 돌출 부재 100 : 유체 통로

Claims (20)

  1. 터빈 시스템용 시일 조립체에 있어서,
    전방면 및 후방면을 갖는 실링 스트립으로서, 제 1 구성요소에 작동 가능하게 결합되고, 제 2 구성요소를 향해 반경 방향 외측으로 연장되어 상기 제 1 구성요소 및 상기 제 2 구성요소에 의해 규정된 유체 통로를 통과하는 유체의 흐름을 억제하는, 상기 실링 스트립과,
    상기 실링 스트립의 전방면 및 후방면중 적어도 하나 내에 배치되는 적어도 하나의 홈을 포함하는
    시일 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구성요소는 이동 가능한 구성요소인
    시일 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 구성요소는 회전 구성요소인
    시일 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 구성요소는 고정 구성요소인
    시일 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일 조립체는 유체 통로 내에서 축방향으로 서로 이격된 복수의 실링 스트립을 더 포함하는
    시일 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 스트립은 원주 방향으로 서로 이격된 복수의 홈을 포함하는
    시일 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 실링 스트립의 전방면 및 후방면중 적어도 하나 내에 원주 방향으로 서로 이격된 대략 30개 내지 대략 180개의 홈을 더 포함하는
    시일 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 스트립은 상기 터빈 시스템의 로터 근처에 배치되어 상기 로터를 둘러싸는
    시일 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 구성요소는 상기 터빈 시스템의 터빈 부분의 터빈 케이싱 근처에 배치되는
    시일 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 구성요소는 상기 제 1 구성요소를 향해 반경 방향 내측으로 연장하는 적어도 하나의 평면 돌출부를 더 포함하는
    시일 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 구성요소는,
    상기 실링 스트립과, 인접한 실링 스트립 사이의 유체 통로의 영역 내로 연장하는 제 1 평면 돌출부와,
    상기 실링 스트립 및 상기 인접한 실링 스트립중 적어도 하나에 대응하는 축방향 위치에서 상기 유체 통로 내로 연장하는 제 2 평면 돌출부를 포함하는
    시일 조립체.
  12. 터빈 시스템용 시일 조립체에 있어서,
    축방향으로 서로 이격되고, 상기 터빈 시스템의 로터 근처에 배치된 제 1 구성요소 및 터빈 케이싱 근처에 배치된 제 2 구성요소에 의해 규정된 유체 통로 내에 배치되며, 또한 전방면을 각각 포함하는 복수의 실링 스트립과,
    상기 복수의 실링 스트립 각각의 전방면 내에서 반경 방향으로 연장되어 상기 유체 통로를 통과하는 유체의 흐름을 억제하는 적어도 하나의 홈을 포함하는
    시일 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 구성요소는 이동 가능한 구성요소인
    시일 조립체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 구성요소는 회전 구성요소인
    시일 조립체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 구성요소는 고정 구성요소인
    시일 조립체.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 실링 스트립 각각은 반경 방향으로 정렬된 복수의 홈을 구비한 후방면을 더 포함하는
    시일 조립체.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 실링 스트립 각각은 원주 방향으로 서로 이격된 복수의 홈을 포함하는
    시일 조립체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전방면 내에서 원주 방향으로 서로 이격된 대략 30개 내지 대략 180개의 홈을 더 포함하는
    시일 조립체.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 구성요소는,
    제 1 실링 스트립과, 인접한 실링 스트립 사이의 유체 통로의 영역 내로 연장하는 제 1 평면 돌출부와,
    상기 제 1 실링 스트립과, 상기 인접한 실링 스트립중 적어도 하나의 스트립에 대응하는 축방향 위치에서 상기 유체 통로 내로 연장하는 제 2 평면 돌출부를 포함하는
    시일 조립체.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 실링 스트립 각각의 전방면 및 후방면 내에 복수의 홈을 더 포함하는
    시일 조립체.
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