KR20150002595A

KR20150002595A - 터보 기계를 위한 분할된 내부 링을 갖는 스테터 부품

Info

Publication number: KR20150002595A
Application number: KR1020147023793A
Authority: KR
Inventors: 헤르베르트 브란들; 한스-페테르 보스만
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2015-01-07
Also published as: CN104066934A; JP5920856B2; CA2860928A1; JP2015505588A; EP2807344A1; EP2807344B1; CA2860928C; RU2615292C2; US9702262B2; RU2014134721A; US20140328672A1; WO2013110792A1; CN104066934B

Abstract

터보 기계의 스테터 부품은 실질적으로, 부분적 세그먼트(20)들로 구성된 내부 링의 프레임으로서 역할을 하는 적어도 하나의 축 방향으로 연장하는 외부 링(10)으로 구성된다. 부분적 세그먼트들은 로터 측부에서, 이것들이 로터 블레이드(30)의 회전 움직임에 대하여 응집성 원형 원주면을 형성하도록 서로 위에 배열된다. 개별 부분적 세그먼트(20)는 균일한 구조의 물질로 구성되거나, 또는 적어도 반경 방향으로, 예를 들어 세라믹과 같은 다른 물질로 구성되는 다수의 부분체로 구성되며, 그러므로, 형성된 부분적 세그먼트는 터보 기계의 부하 범위의 함수로서 사전 결정된 응력 및/또는 팽창 거동을 보인다.

Description

터보 기계를 위한 분할된 내부 링을 갖는 스테터 부품{STATOR COMPONENT WITH SEGMENTED INNER RING FOR A TURBOMACHINE}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 터보 기계의 스테터 부품에 관한 것이다.

고온 작업 가스가 유동하는 고온 가스 덕트로 실질적으로 형성된 연소 기계를 위한 터빈 하우징은 종래에 공지되어 있다. 이러한 작동 때문에, 내열성 물질로 만들어진 피복재는 하우징의 나머지 금속 표면이 고온 작업 가스와 직접 접촉하는 것을 방지하기 위하여 이러한 고온 가스 덕트의 내벽 표면 상에 바람직하게 제공된다. 이러한 열 보호 피복재는 종래에 다수의 부분적 세그먼트들로 이루어지고, 세그먼트들은 이것들이 이것들 자체로 링을 형성하도록 터빈 하우징의 내부면 상에서 원주 방향으로 배열된다. 고온에서의 열팽창의 문제를 피하도록, 각각의 부분적 세그먼트들은 원주 방향으로 서로로부터 이격된다.

EP 1 225 308 B1으로부터 공지된 터빈 하우징은 다수의 분할된 부분적 세그먼트(split partial segment)들로 이루어지고, 분할된 부분적 세그먼트들은 부분적 세그먼트들이 작동시에 로터 블레이드들과 연결되는 링을 형성하도록 원주 방향으로 사전 결정된 간격으로 가스 터빈 하우징의 내벽 상에 배열된다. 각각의 부분적 세그먼트는 원주 방향으로, 인접한 부분적 세그먼트들의 단부를 향하는 2개의 단부면을 갖는다. 이러한 맥락에서, 부분적 세그먼트의 단부면들 중 적어도 하나는 원통형 또는 구형 표면의 형태를 하는 천이면을 갖는다. 그러므로, 이 공보의 목적은 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 서로에 대하여 개별 부분적 세그먼트의 공간을 침범하지 않고, 로터 블레이드들에 대하여 갭 유동의 효과를 가지는 목적과 함께, 원주 방향으로 부분적 세그먼트들의 개별 단부면의 천이를 위한 상이한 디자인을 제공하는 것이다.

본 발명은 이러한 것을 개선하도록 의도된다. 본 발명은, 청구항에서 특징으로 하는 바와 같이, 원주 방향으로 서로에 대하여 및 로터 블레이드 팁들에 대하여 개별의 부분적 세그먼트의, 특정 실시예에서 부분적 세그먼트의 로터 측부 표면의 특별한 공간이 생략되는 스테터 부품을 제안하는 목적에 기초한다. 본 발명의 목적은 또한, 열팽창 및 압축 응력의 문제가 간단한 방식으로 해결될 수 있는 부분적 세그먼트의 구성 및 배열을 제안하는 것이다.

이러한 맥락에서, 터보 기계를 위한 스테터 부품은, 실질적으로 외부 링과 내부 링으로 이루어지도록 구현되고, 외부 링은 개별적인 부분적 세그먼트들로 형성된 내부 링을 위한 홀더로서 역할을 한다. 부분적 세그먼트들은 이것들이 외부 링에 의해 포용된 로터 측부 상의 응집성(cohesive) 원형 원주면을 형성하도록 서로에 관계하여 배열된다. 내부 링의 이러한 부분적 세그먼트는, 즉 터보 기계의 회전축에 대해 직각인 섹션에서 터보 기계에 설치된 상태에서 반경 방향으로, 사다리꼴 또는 유사 사다리꼴(quasitrapezoidal) 단면을 갖고, 사다리꼴의 평행 또는 유사 평행 측부들은 링의 반경 방향 내측부 및 반경 방향 외측부를 각각 형성한다. 서로 연결될 때, 부분적 세그먼트들은 터보 기계가 설계 지점에서 작동될 때 대략 균일한 원주 방향 및 반경 방향 압력 하에서 자체 지지 내부 링을 형성한다.

임의의 하나의 부분적 세그먼트의 한계 표면(delimiting surface)은 외부 링의 내주면을 향하는, 실질적으로 평면, 오목, 볼록 또는 결절성 프로파일(nodular profile)을 갖는 표면을 가지며, 부분적 세그먼트 자체는 모놀리식 구조의 단일 물질로 또는 상이한 치수 또는 조성을 갖는 다수의 복합 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 부분적 세그먼트를 형성하기 위해 이를 위해 사용되는 물질 또는 복합 물질은 균일 및/또는 비균일한 미세 구조를 갖는다.

이러한 방식으로 형성된 부분적 세그먼트는 터보 기계의 부하 범위에 의존하여 사전 결정된 응력 및/또는 팽창 거동(behavior)을 갖는다. 부분적 세그먼트의 이러한 팽창 거동은 부분적 세그먼트의 반경 방향 및 축 방향으로 만연하는 상이한 온도와 상관하여, 차등화된 구조의 수단에 의해 반경 방향 및/또는 축 방향으로 상이하게 구성될 수 있다.

한 실시예에 따라서, 터보 기계를 위한 스테터 부품은 실질적으로 적어도 하나의 축 외부 링과 하나의 내부 링으로 이루어지고, 외부 링은 부분적 세그먼트들로 이루어진 내부 링을 위한 홀더로서 역할을 하고, 부분적 세그먼트들은 설치된 상태에서 이것들이 로터 블레이드의 회전 움직임을 향하는 로터 측부 상에 원형의 내부 링을 형성하도록 서로에 대해 배열된다. 이러한 맥락에서, 부분적 세그먼트들은 균일한 구조의 물질, 또는 적어도 점차적으로 반경 방향으로 또는 적어도 반경 방향으로 상이한 물질로 구성된 다수의 부분체(partial body)들로 구성된 물질로 이루어진다. 이러한 방식으로 형성된 상기 부분적 세그먼트들은 상기 터보 기계가 작동중일 때 상기 터보 기계의 부하 범위에 의존하여 가열되어서, 반경 방향 내향으로부터 외향으로 온도 구배를 유발하고, 부분적 세그먼트에서 층을 이루는 물질은, 내부 물질이 외부 물질보다 작은 팽창 계수를 가지도록 선택되어서, 내부 링에 있는 부분적 세그먼트들 사이에서 원주 방향으로 부분적 세그먼트들의 팽창으로부터 초래되는 압축 응력은 사전 결정된 응력 프로파일을 채택한다.

추가의 실시예에서, 부분적 세그먼트들은 원주 방향으로 서로 접합하여 테이퍼진 갭을 형성하고, 갭에 있는 공간은, 작동 시에 인접한 부분적 세그먼트들 사이의 온도 구배가 압력 끼워맞춤을 만들도록 유지되고, 압력 끼워맞춤은 전체 반경방향 팽창에 걸쳐서, 그렇지 않으면 단지 부분적 세그먼트들의 반경 방향 섹션에 걸쳐서 부분적 세그먼트들 사이의 압력 응력의 사전 결정된 프로파일로 지금 이어진다.

여전히 또 다른 실시예에서, 상호 잠금부가 형성되고, 부분적 세그먼트들은 원주 방향으로 서로 결합하며, 상호 잠금부는, 작동 시에 인접한 부분적 세그먼트 사이의 온도 구배가 압력 끼워맞춤을 만들도록 반경 방향으로 이격되며, 압력 끼워맞춤은 전체 반경방향 팽창에 걸쳐서, 그렇지 않으면 단지 부분적 세그먼트들의 반경 방향 섹션에 걸쳐서 부분적 세그먼트들 사이의 압축 응력의 사전 결정된 프로파일로 이어진다.

추가 실시예에서, 부분적 세그먼트에서 층을 이루는 물질은 내부 물질이 외부 물질보다 작은 팽창 계수를 갖도록 선택되어서, 서로에 대하여 접합하여 있는 부분적 세그먼트들 사이에서 원주 방향으로 테이퍼 갭과 조합하여 원주 방향으로, 또는 서로에 대하여 결합하는 부분적 세그먼트들 사이의 이격된 상호 잠금부와 조합하여 이와 함께 반경 방향으로의 부분적 세그먼트의 팽창은, 부분적 세그먼트들 사이의 압축 응력의 사전 결정된 프로파일을 만든다.

압축 응력의 사전 결정된 프로파일은 균일한 반경 방향 압력 또는 실질적으로 일정한 압력 프로파일일 수 있다. 이러한 것은 예를 들어 부분적 세그먼트들이 서로에 대해 접합하는 표면의 적어도 80% 이상 응력의 평균값의 고작 20%만큼 벗어나는 압력 프로파일이다.

본 발명의 주요 장점은 요소로서 형성된 부분적 세그먼트가 특히 완전 작동까지 터보 기계의 천이 부하 범위 동안 그 작업 용도에 의존하여, 응력값과 팽창값에 대하여 정성적 및 정량적으로 상이한 거동을 채택하는 세라믹 물질로 실질적으로 이루어진다는 사실에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 세라믹의 부분적 세그먼트는 작동에 의존하여 상이한 팽창 거동 및 응력 거동을 허용하는 균일하거나 또는 점차적으로 구성된 물질 구조를 갖도록 만들어진다.

더욱이, 상기 부분적 세그먼트의 각각의 물질 구조 또는 부분 구조의 물질은 예를 들어 작동 중일 때 요소의 요구된 강도 및 부하능(loadability)을 보장하기 위해 작동을 위해 요구되는 화학적 및 물리적 특성을 가진다.

부분적 세그먼트는 각각의 경우에 서로 다른 화학적 및 물리적 특성을 갖는 세라믹 물질로 구성된 서로 통합되는 다양한 부분체로 또한 이루어질 수 있다.

부분적 세그먼트를 형성하기 위한 부분적인 통합된 부분체들은, 서로 다르고 특정 동작 상태에서 특정 물리적 효과를 만드는 물질 구조를 또한 가질 수 있다.

이러한 부분적 세그먼트의 특히 중요한 거동은, 자기 설정 갭 크기에 대하여 터보 기계의 로터 블레이드 작동과 연계되어 작동하는, 터보 기계의 다양한 작동 상태에서의 팽창 거동에 관한 것이다.

그러므로, 세라믹 부분적 세그먼트가 작동 의존 팽창 거동 및 강도 변동성 또는 열 부하에 대한 안전 거동을 가질 때, 전체 터보 기계의 작동 안전성이 최대화된다.

또한, 세라믹 요소의 작동 의존 팽창 거동은 예를 들어 스테터/로터 블레이드 영역에서의 블레이드 팁 손실이 최소화될 수 있다는 점에서 터보 기계의 효율에 긍정적인 효과를 또한 갖는다.

원칙적으로, 특히 세라믹 물질이 일반적으로 매우 내열성 물질임으로써, 터보 기계가 가스 터빈일 때, 세라믹 물질로 만들어진 요소(부분적 세그먼트)는 바람직하게 열 차폐물로서 사용된다.

이러한 조인트 방향의 경우에, 세라믹 요소는 단순히 세라믹 부분으로 이루어질 수 있는 한편, 나머지 부분은 보다 적은 내열 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 부분적 세그먼트가 준수해야 하는 팽창 거동 또는 응력 거동에 의존하여, 허용 가능한 범위 내에서, 다른 거동을 보강하거나 또는 대응하도록 하나의 거동을 설계하는 것이 가능하다.

작동 비율(operational ratio)이 허용하는 범위까지, 팽창 거동은 그 화학적 및 물리적 특성을 고려하여, 최상의 결과를 제공하는 사용된 요소의 그 물질 부분을 통해서만 발생될 수 있다.

요소로서, 즉 부분적 세그먼트로서 준비된 부분체들은 압축 세라믹 분말로부타 소결하는 것에 의해 제조될 수 있으며, 이는 물질의 선택에서 높은 가변성을 허용한다. 이러한 방식으로, 요소의 조성은 최종 물질의 다양한 화학적 및 물리적 특성, 즉 그 중에서도 기공률, 경도, 열전도율, 또는 다른 기계적, 전기적, 열적 및/또는 자기 특성에서 작업하도록 변화될 수 있다.

덧붙여, 거시적으로 고려된 세라믹 요소는 또한 고체 구조의 것일 수 있거나, 또는 또한 거시 구조의 다양한 부분체로 이루어질 수 있고, 그 합류와 함께 안전 연결을 만든다.

또한, 요소는 다양한 업무를 이행할 수 있는 목표화된 캐비티 구조를 포함할 수 있다. 한편, 이러한 캐비티들은 세라믹 또는 유사 세라믹(quasi-ceramic) 요소의 냉각을 위해 사용될 수 있으며, 이러한 냉각은 적어도 그 팽창 거동이 역학적으로 영향을 받도록 또한 구동될 수 있다. 다른 한편으로, 이러한 캐비티들은 이것들 자체가 일정 정도의 적절한 팽창 거동을 만들도록 또한 배열될 수 있다. 신규의 최종 목적을 위하여 이러한 두 구조의 조합이 또한 가능하다.

그 로터 측부 상의 세라믹 또는 유사 세라믹 요소는 일반적으로 밀봉 및 마모층으로서 로터 블레이드에 직면하여 형성되는 마모-호환성(abrasion-compatible) 층을 갖는다. 양호한 밀봉은 바람직하게 이러한 마모 층이 문지름 층(rubbing layer)에 대응하는 그 특성을 가질 때 달성된다. 이러한 것은, 팽창 때문에 로터 블레이드 팁 문지름을 고려하여 노치 또는 캐비티를 허용하고, 이러한 것은 적어도 터보 기계의 정상적인 작동에서, 블레이드 팁과 요소 사이의 최대 밀봉을 달성한다.

요소의 단부 측 상에 제공되는 이러한 마모-호환 가능한 층들의 가능성과 관계없이, 본 발명은, 요소의 팽창 거동이 마모-호환 가능한 층의 기술된 효과를 부가하여 지지하는 내부 물질 피착에 의해 로터 또는 로터 블레이드의 팽창에 의존하여 지지된다는 점에서, 이러한 것이 문제일 때, 최대화된 밀봉을 보장하는 것을 목적으로 한다.

세라믹 또는 유사 세라믹 요소의 형태 관련 설계가 관련되는 한, 그 유형의 팽창은 이것이 전체 링의 좁게 범위가 정해진 섹터를 형성하도록 바람직하게 구성된다. 로터 측부의 내부 링은 바람직하게 동일한 형상 및 크기의 것이며, 반경 방향으로 3~8㎝의 두께를 갖는 다수의 요소에 의해 형성된다. 원주 방향으로, 요소들은 예를 들어 10-15°의 원호 각도를 가지며, 이에 의해, 전체 링은 24 내지 36개 개별 부분적 세그먼트들로 이루어진다.

각각의 세라믹 또는 유사 세라믹 요소는 그런 다음 바람직하게 반경 방향으로 사다리꼴 또는 유사 사다리꼴 형상을 가지며(터보 기계의 회전축에 직각인 섹션에 설치된 상태에서), 이것은 그런 다음 외부 링과 연계하여 자체 지지 구조에 대한 요건에서 긍정적인 효과를 가진다. 부분적 세그먼트의 하부 기하학적 형상에 상관없이, 부분적 세그먼트에 의해 형성된 로터 측부의 원주면은 이를 지나서 회전하는 터보 기계의 로터 블레이드를 위한 응집성 원형 표면을 형성한다.

이미 위에서 밝힌 바와 같이, 요소들에 의해 형성된 로터 측부의 내부 링은, 원칙적으로 완전히 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 일부의 경우에, 조성물은 또한 70 이상의 중량 또는 체적 %의 세라믹 물질로 이루어질 수 있으며, 사전 결정된 압축 거동 또는 응력 거동에 의존하여 100%까지 나머지가 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 그 호환성은 이러한 요소의 최종 특성에 관계하여 결정되어야만 한다. 그러므로, 요소가 세라믹 물질로 이루어지지 않으면, 본 설명은 빈번하게 유사 세라믹 요소를 언급한다.

기술된 스테터 부품은 원칙적으로 로터 블레이드의 모든 스테이지들에 걸쳐서 작동적으로 터보 기계의 축 방향으로, 링으로서 연장할 수 있다. 단지 작동하는 로터 블레이드의 영역에서만 축 방향으로 부분적 세그먼트로 이루어지는 내부 링을 제공하는 것이 또한 가능하다.

또한, 이것은 상이한 스테이지들에서, 부분적 세그먼트의 물질 관련 조성물은 결정된 팽창 및 강도 거동에 의존하여 대응하는 방식으로 매칭되는 것으로 배열될 수 있다.

일반적으로, 세라믹 또는 유사 세라믹 요소는 복합 유닛에서 개별 요소들의 안정성을 보장하는 외부 금속 링에 의해 반경 방향 범위에서 포용된다. 이러한 안정성은 작동 시에 개별 요소가 응집성 고형체가 되는데 가장 중요하다.

이러한 요소들은 금속 링의 내주면에 대향하는 오목 또는 볼록 매칭 형상을 가질 수 있으며, 이러한 것은 금속 링에 대하여 이러한 요소들의 위치 선정이 특히 조립 동안 형태 끼워맞춤(form fit)을 만드는 것을 보장한다.

이미 간략하게 상기된 바와 같이, 세라믹 또는 유사 세라믹 요소는 또한 중간 구덩이(intermediate excavation)들을 가질 수 있으며, 냉각 매체는 필요에 따라 중간 구덩이를 통해 흐르도록 만들어질 수 있다. 이를 위해, 그루브들은 서로 이웃하여 위치된 개별 요소의 측부까지 반경 방향으로 진행하는 경계면의 영역에서 제공될 수 있으며, 그루브들은 한편으로 2개의 인접한 요소들 사이의 활성 접합면을 감소시키지만, 다른 한편으로 서로에 대하여 요소들 사이에서 한정된 보다 완전한 폼 끼워맞춤 접합면을 확립하는데 기여한다. 이러한 반경 방향 그루브들은 또한 냉각 채널로서 사용될 수 있으며, 냉각 채널의 냉각은 적어도 서로 접하는 요소들의 영역에서 작용한다. 이러한 선택권은, 목표화된 방식으로, 터보 기계의 특정 동작 상태에서 요소의 팽창 거동에 또한 영향을 미치는 역할을 할 수 있다. 개별적인 요소는 특히 터보 기계가 작동 중일 때, 모든 경우에 인접한 요소의 접합면이 기밀한 또는 거의 기밀한 연결을 형성하는 링을 형성하도록 합쳐진다.

부분적 세그먼트들로 형성된 외부 링과 내부 링 사이의 스테터 부품에서의 끼워맞춤은 초기에 최소화된 압력 끼워맞춤으로 구성될지라도 조립 동안 대체로 적어도 형태 끼워맞춤을 목적으로 하게 되며, 초기 압력 끼워맞춤은 작동 시에 증가하게 되고, 개별 요소들 사이의 최대 허용 가능한 압력 응력이 초과되지 않도록 구성되어야 한다.

그러나, 특정 구성 형태에 대하여, 작동 시에, 요소들이 물질 결합 또는 유사 물질 결합 끼워맞춤(quasi-material-bonded fit)으로 될 수 있도록 요소들을 제공하는 것이 용이하게 가능하고, 안전상의 이유 때문에, 이러한 경우이면, 유사 물질 결합 끼워맞춤은 사용을 위해 적합하다.

부분적 세그먼트를 위해 사용된 세라믹이 관련되는 한, 이러한 것은 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물로 이루어질 수 있으며, 부분적 세그먼트 또는 그 섹션들은 다양한 세라믹의 상이한 부분들로 구성될 수 있다.

부분적 세그먼트의 응력 및 팽창 거동에 관하여, 로터 측부 표면은 두께 비때문에 모든 물질의 열팽창 계수 및 강성의 온도 의존성, 및 모든 작동 온도에 대해 500 ㎫까지 0 ㎫보다 큰 압축 응력을 가지며, 이에 의해, 부분적 세그먼트는 터보 기계의 전체 작동 부하 범위를 커버할 수 있다. 처음 설치될 때 서로에 대한 부분적 세그먼트의 압축 응력은 바람직하게 50 ㎫까지 제한되고, 이러한 것은 한편으로 형태 끼워맞춤으로 이어지고, 다른 한편으로 전체 작동을 위하여 충분한 응력 비축을 제공한다.

물질은 내부 링의 반경 방향 내측에 있는 물질이 최소 열팽창 계수가 최소를 갖고 외측으로 증가하도록 층을 이룬다. 내측으로부터 외측으로의 팽창 계수의 비는, 차가운 설치 및 고온 작동으로부터 팽창 계수 및 온도 증가의 산물(product)이 모든 반경 방향 위치에 대해 일정하거나 또는 사실상 일정하게 있도록 선택된다. 예를 들어 형태 끼워맞춤에서 평균 압축 응력에 대하여 원주 방향으로의 국부적 압축 응력 사이의 20% 이상의 차이로 이어지지 않는 상수로부터 편차는 사실상 일정한 것으로 이해되어야 한다. 그러므로, 가장자리 영역 또는 형태 끼워맞춤에서의 국부적 결함은 자연적으로 보다 높은 편차로 이어질 수 있다. 추가의 실시예에서, 특히 링 지름에 대한 링 높이의 큰 비를 가지는 링에 대하여(예를 들어, 0.1보다, 특히 0.2보다 큰 링 지름에 대한 링 높이의 비), 팽창 계수의 비는, 내측으로부터 외측으로, 차가운 설치 및 고온 작동으로부터 팽창 계수, 원주 및 온도 증가의 산물이 모든 반경 방향 위치에 대해 일정하거나 또는 사실상 일정하게 있도록 선택된다.

인접한 부분적 세그먼트는, 설치된 상태에서, 반경 방향 프로파일에서 미로 밀봉(labyrinthine seal)으로 이어지는 상호 잠금 표면을 서로의 사이에 가질 수 있다. 이러한 구성의 경우에, 시동 시 및 작동 동안 반경 방향 및 원주 방향 모두에서 서로 인접한 부분적 세그먼트의 상이한 팽창 거동이 이러한 방식으로 형성된 미로를 따라서 갭 크기의 초기 성향에 대응하는 것에 의해 고려되는 것을 제공하는 것이 필요하다. 그러므로, 갭 크기는 부분적 세그먼트의 반경 방향으로 감소할 수 있으며, 이러한 맥락에서, 갭 크기, 즉 인접한 부분적 세그먼트들 사이의 공간은, 특히 세라믹 또는 유사 세라믹 요소가 예를 들어 기공율, 입도, 화학 성분 등에 대하여 상이한 물질 조성의 반경 방향의 다양한 층 또는 부분체로 이루어지면, 팽창 관련 중복(expansion-related overlayering)을 겪는다.

발명의 즉각적인 이해를 위해 필수적이지 않은 모든 요소들은 생략되었다. 동일한 구성 요소는 다양한 도면에서 동일한 도면 부호로 제공되었다.
도 1은 응집성 외부 링과 부분적 세그먼트로 이루어진 내부 링으로 이루어진 스테터 부품의 도면,
도 2는 반경 방향으로 스테터 부품을 통한 섹션을 도시한 도면,
도 3은 서로 이격된 부분적 세그먼트를 도시한 도면,
도 4는 인접한 부분적 세그먼트들 사이의 미로 공간을 도시한 도면,
도 5는 부분적 세그먼트의 냉각에 관한 구성을 도시한 도면,
도 5a는 부분적 세그먼트의 냉각에 관한 추가적인 구성을 도시한 도면, 및
도 6은 부분적 세그먼트로부터의 냉각제의 출구 구성을 도시한 도면.

도 1은 또한 부분적 세그먼트로서 지칭되는 개별 부분 요소(20)의 영역에서, 링으로서 스테터의 일부를 형성하는 금속 링(10)의 개략도를 도시한다. 이러한 맥락에서, 이러한 외부 링(10)은 링 형상으로 조립되는 부분적인 요소(20)를 더욱 양호하게 결합하기 위해 11번 이상 분할될 수 있다. 응집성 외부 링(10)은 또한 그 자체가 배제되지 않는다. 그러나, 이러한 것은 최종 부분적 세그먼트를 삽입할 때 부분적 세그먼트(20)들의 설치가 예방책의 수단에 의해 보장되는 것을 요구한다. 원칙적으로, 외부 링(10)은 금속 물질로 이루어지는 한편, 부분적 세그먼트(20)는 적어도 부분적으로 세라믹 물질로 이루어진다. 외부 링(10)은 외부 링들이 단지 작동시에 로터 블레이드 열과 연결되도록 스테이터의 축 방향으로 배치될 수 있다.

처음 설치될 때 서로에 대하여 부분적 세그먼트들의 압축 응력은 바람직하게 최대 50 ㎫까지 제한되고, 이러한 것은 한편으로 완전한 형태 끼워맞춤으로 이어지고, 다른 한편으로 전체 작동을 위하여 상향하는 충분한 응력 비축을 제공한다.

부분적 세그먼트의 응력 및 팽창 거동에 대하여, 로터 측부 표면은 두께 비(thicknss ratio) 때문에 모든 물질의 열팽창 계수 및 강성의 온도 의존성, 및 모든 작동 온도에 대해 500 ㎫까지 0 ㎫보다 큰 압축 응력을 가지며, 이에 의해, 부분적 세그먼트는 터보 기계의 전체 작동 부하 범위를 커버할 수 있다.

도 2는 부분적 세그먼트(20)의 영역에서 스테터 부품의 섹션의 개략도를 도시한다. 세라믹 또는 유사 세라믹 물질로 형성된 도 2에 도시된 요소는 도 1에서 특히 명백한 응집성 내부 링의 일부를 형성한다.

부분적 세그먼트(20)는 본 발명에서 균일한 구조의 보디(body)의 의미로 제공된다. 이러한 균일한 보디는 예를 들어 모놀리식 보디 내로 소결하는 것에 의해 융합될 수 있는 균일 물질 또는 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 그러므로, 소결된 보디는, 필요하고 사전 한정된 점차적으로 변하는 화학적 및 물리적 특성을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 것은 부분적 세그먼트가 또한 적어도 반경 방향으로 다수의 부분체로 이루어지기 때문에 그 자체가 의무적이 아니며, 부분체들은, 내부 링의 응력 및 팽창 거동이 작동 시에 사전 결정된 값을 이행하는 최종 목적에 의해, 그 자체 사이에서 상이한 물질 구조를 갖는 상이한 물질로 또한 이루어질 수 있다. 그 후, 이러한 변형은 축 방향으로 부분적 세그먼트에 또한 용이하게 관계할 수 있다. 또한, 전체 부분적 세그먼트(20)들이 완전히 세라믹 물질로 이루어지는 것도 의무적이 아니며; 금속 부분들이 응력 및 팽창 거동을 특히 사전 결정하기 위하여 편리할 수 있는 구성이 용이하게 제공될 수 있다. 부분적 세그먼트(20)의 기하학적 실시예는 모서리 측에서 직사각형 형상으로부터 벗어나는, 적어도 반경 방향으로 다각형 형상으로 가진다. 이러한 것은 가능한 부분적 세그먼트(20)의 응력 중요 가장자리(22, stress-critical edge)가 바람직하게 제공되고, 이에 의해 설치된 상태에서 상당한 부하 감소를 겪는다. 부분적 세그먼트의 반경 방향 팽창의 영역에서, 밀봉 요소들은 외부 링의 외경과 내부 링의 내경 사이에 제공되고, 주 유동 덕트로부터 스테터 내로 작동 매체의 반경 방향 유동을 함께 방지한다.

이러한 밀봉 요소들은, 부분적 세그먼트(20) 상에서 작용하고 팽창이 부분적 세그먼트들과 외부 링 사이에서 적어도 축 방향으로 계속될 수 있는 위치선정 요소(23)의 부품이다. 이러한 동적 위치선정 요소(23)의 부품인 밀봉 요소에 의해, 작동시에 밀봉 요소의 활성화 효과는 최대화된다.

이러한 밀봉 요소들은 각 부분적 세그먼트의 영역에서, 그 양측부에서 및 원주 방향으로 배열된다. 부분적 세그먼트의 로터 측부 표면은 마모성 층(21)을 가지며, 마모성 층은, 터보 기계의 특정 작동 구성에서, 이를 지나서 회전하는 로터 블레이드(30)의 팁에 의한 이러한 층의 능동적인 마모에 의해, 부분적 세그먼트와 블레이드 팁 사이의 갭이 최소화되고, 그러므로 블레이드 팁 손실이 최소화된다. 또한, 냉각제를 부분적 세그먼트(20)에 합치는 공급 덕트(24)는 외부 링(10)을 통과한다.

도 3 및 도 4는 본 명세서에서 설치의 경우에서와 같이, 즉각적인 형태 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤이 확립되지 않고, 오히려 테이퍼진 갭(29)을 형성하는, 원주 방향으로의 부분적 세그먼트들이 다소 느슨하게 서로에 대해 접합한다는 의미에서, 인접한 부분적 세그먼트들의 합침의 대안을 도시한다. 이러한 갭(25)은 반경 방향으로 진행하고, 각도(α)는 5°내지 30°이다. 이러한 형태 뒤의 기본 개념은, 팽창이 온도 프로파일의 결과로서 반경 방향으로 감소하여서, 공간이 외측부도 내측에서 더 크게 만들어져야만 한다는 사실이다. 형성된 갭은 도 3에서와 같이 부분적 세그먼트의 전체 반경 방향 범위에 걸쳐서 형성될 수 있다. 그러나, 갭이 단지 반경 방향의 부분에 걸쳐서 존재되는 것이 예상 가능하다. 갭은 바람직하게 부분적 세그먼트의 로터 측부 영역에 형성된다. 갭은 직선이거나 또는 곡선일 수 있다. 공간은 작동시에 인접한 부분적 세그먼트들 사이에서 압력 끼워맞춤이 초래되도록 유지되며, 압력 끼워맞춤은, 부분적 세그먼트의 전체 반경 방향 팽창에 걸쳐서 또는 단지 반경 방향 섹션에 걸쳐서, 압축 응력의 사전 한정된 프로파일로 이어진다. 한 실시예에서, 압축 응력은 균일 또는 거의 균일하게 발생하게 된다.

도 4는, 내부 링의 원형 표면의 도면으로서, 부분적 세그먼트들 사이에서 고온의 작업 가스의 관통 유동을 방지하는 미로 프로파일이 달성되는 것에서, 2개의 인접한 부분적 세그먼트(20)들의 상호 잠금부가 어떻게 초래될 수 있는지를 도시한다. 공간은, 작동시에 인접한 부분적 세그먼트 사이에서 압력 끼워맞춤을 유발하도록 유지되고, 압력 끼워맞춤은 지금, 화살표 X 및 Y를 특징으로 하는 바와 같이, 특히 초기에 상이한 갭 크기가 제공되는 것으로, 부분적 세그먼트의 전체 반경 방향 팽창에 걸쳐서 또는 단지 반경 방향 섹션에 걸쳐서 거의 균일하다. 미로 실시예에서, 미로 자체의 형태 끼워맞춤이 밀봉을 제공함으로써, 압력 끼워맞춤이 어디에도 존재할 필요가 없다. 부품들이 냉각 상태에 있을 때, 예를 들어, 가스 터빈의 설치 동안, 형태 끼워맞춤은 전형적으로 단지 국부적으로 유발된다. 부품들이 작동시에 가열되고 그러므로 팽창될 때, 부품들은 원주 방향으로 서로 가압된다. 그러므로, 형태 끼워맞춤은 개선되고, 압력 끼워맞춤이 전개된다.

지금 반경 방향으로 부분적 세그먼트(20)가 상이한 팽창 계수를 갖는 다양한 물질로 구성되면, 이러한 것은 인접한 부분적 세그먼트를 따라서 작동 시에 필요한 압력 끼워맞춤이 달성되기 위하여, 갭의 크기(28)를 구성할 때 부응하여 고려되어야만 한다. 요약하여, 그러므로, 이러한 것은 반경 방향으로 부분적 세그먼트의 이러한 팽창 거동이 차별화된 구성의 수단에 의해 중요하게 영향을 받을 수 있고, 이는 부분적 세그먼트의 반경 방향으로 자연스럽게 만연되는 상이한 온도와 관련있다고 할 수 있다. 이는 또한 작동시에 압축 응력이 500 ㎫보다 크지 않아야 하는 그러한 설치의 경우이다.

도 5, 도 5a 및 도 6은, 원주 방향으로, 냉각제 공급 덕트(24)에서 비롯되는 부분적 세그먼트의 가능한 냉각 구성을 도시한다. 부분적 세그먼트(20)는 그런 다음 원주 방향으로 내부 응집성 챔버(25)를 가지며, 내부 응집성 챔버는 작동시에 공급 덕트(24)와 연결되고 모든 부분적 세그먼트(20)에 위에 있으며, 각이진 유동 덕트(26)들이 이로부터 분기되고, 이 덕트들은 부분적 세그먼트의 통합적인 냉각을 보장한다. 냉각 매체는 유동 덕트(26)에 제공되는 팽창부(27)를 통해 외부로 안내된다. 도 5a는 챔버(25a)가 각 경우에 단지 하나의 부분적 세그먼트(20)를 위해 배치되어서, 대응하는 수의 공급 덕트(24)가 제공되어야만 하는 것을 도시한다.

도 5 및 도 6에 보다 상세하게 도시되지 않은 그루브는 반경 방향으로 진행하는 경계면의 영역에서 서로 이웃하여 위치된 개별 부분적 세그먼트(20)의 측부에 또한 제공될 수 있으며, 부분적 세그먼트들은 한편으로 2개의 인접한 요소들 사이에서 활성 접합면을 감소시킬 수 있지만, 다른 한편으로 서로에 대해 요소들 사이에 한정된, 더욱 완전한 형태 끼워맞춤 접합면을 확립하는데 기여한다. 도면에 보다 상세하게 도시되지 않은 이러한 반경 방향 그루브들은 냉각 채널로서 또한 사용될 수 있으며, 그 냉각은 적어도 서로 경계를 정하는 부분적 세그먼트의 영역에서 작업한다. 이러한 선택권은, 목표화된 방식으로, 터보 기계의 특정 동작 상태에서 요소의 팽창 거동에 또한 영향을 미치도록 역할을 할 수 있다.

개별적인 부분적 세그먼트는 모든 경우에 특히 터보 기계가 작동 중이고 500 ㎫보다 크지 않은 압축 응력으로 이어질 때, 인접한 요소의 접합면이 기밀한 연결을 형성하도록, 링을 형성하기 위해 합쳐질수 있다.

Claims

실질적으로 적어도 하나의 축 외부 링과 하나의 내부 링으로 이루어지고, 상기 외부 링은 부분적 세그먼트들로 이루어진 상기 내부 링을 위한 홀더로서 역할을 하고, 상기 부분적 세그먼트들은 설치된 상태에서 이것들이 로터 블레이드의 회전 움직임을 향하는 로터 측부 상에 원형의 내부 링을 형성하도록 서로에 대해 배열되는 터보 기계를 위한 스테터 부품에 있어서,
상기 부분적 세그먼트들은 균일한 구조의 물질, 또는 적어도 점차적으로 반경 방향으로 또는 적어도 반경 방향으로 상이한 물질로 구성된 다수의 부분체들로 구성된 물질로 이루어지며, 이러한 방식으로 형성된 상기 부분적 세그먼트들은 상기 터보 기계가 작동중일 때 상기 터보 기계의 부하 범위에 의존하여 가열되어서, 반경 방향 내향으로부터 외향으로 온도 구배를 유발하고, 상기 부분적 세그먼트에서 층을 이루는 물질은 내부 물질이 외부 물질보다 작은 팽창 계수를 가지도록 선택되어서, 상기 내부 링에 있는 상기 부분적 세그먼트들 사이에서 원주 방향으로 부분적 세그먼트들의 팽창으로부터 초래되는 압축 응력은 사전 결정된 응력 프로파일을 채택하거나, 또는 상기 부분적 세그먼트들은 원주 방향으로 서로 접합하여, 테이퍼진 갭을 형성하거나, 상기 갭에 있는 공간은, 작동 시에 인접한 부분적 세그먼트들 사이의 온도 구배가 압력 끼워맞춤을 만들도록 유지되고, 압력 끼워맞춤은 전체 반경방향 팽창에 걸쳐서, 그렇지 않으면 단지 부분적 세그먼트들의 반경 방향 섹션에 걸쳐서 상기 부분적 세그먼트들 사이의 압력 응력의 사전 결정된 프로파일로 이어지거나, 또는 상호 잠금부가 형성되고, 상기 부분적 세그먼트들은 원주 방향으로 서로 결합하거나, 상기 상호 잠금부는, 작동 시에 인접한 부분적 세그먼트 사이의 온도 구배가 압력 끼워맞춤을 만들도록 반경 방향으로 이격되며, 압력 끼워맞춤은 전체 반경방향 팽창에 걸쳐서, 그렇지 않으면 단지 부분적 세그먼트들의 반경 방향 섹션에 걸쳐서 부분적 세그먼트들 사이의 압축 응력의 사전 결정된 프로파일로 이어지거나, 또는 상기 부분적 세그먼트에서 층을 이루는 물질은, 내부 물질이 외부 물질보다 작은 팽창 계수를 갖도록 선택되어서, 서로에 대하여 접합하여 있는 상기 부분적 세그먼트들 사이에서 원주 방향으로 테이퍼 갭과 조합하여 원주 방향으로, 또는 서로에 대하여 결합하는 상기 부분적 세그먼트들 사이의 이격된 상기 상호 잠금부와 조합하여 이와 함께 반경 방향으로의 상기 부분적 세그먼트의 팽창은 상기 부분적 세그먼트들 사이의 압축 응력의 사전 결정된 프로파일을 만드는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항에 있어서, 압축 응력의 상기 사전 결정된 프로파일은 동일한 형상 또는 실제로 일정하거나, 또는 상기 부분적 세그먼트들이 서로에 대해 접합하는 표면의 적어도 80% 이상 응력의 평균값의 고작 20%만큼 벗어나는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 부분적 세그먼트는 완전히 또는 부분적으로 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 3 항에 있어서, 상기 부분적 세그먼트는 적어도 세라믹의 70 중량 또는 체적%로 이루어진 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 4 항에 있어서, 상기 세라믹 물질은 실질적으로 지르코늄 산화물 및/또는 알루미늄 산화물 및/또는 마그네슘 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 5 항에 있어서, 상기 산화물은 50-100 중량 또는 체적%로 이루어진 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항에 있어서, 상기 부분적 세그먼트는 축 방향 또는 원주 방향으로 상기 내부 링 또는 상이한 물질로 구성된 다수의 부분체들로 이루어진 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항에 있어서, 상기 외부 링은 완전히 또는 부분적으로 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항에 있어서, 상기 스테터 부품의 상기 외부 링은 단편 또는 다수의 편으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항에 있어서, 상기 부분적 세그먼트는 적어도 반경 방향으로 각기둥 또는 유사 각기둥 형상이며, 상기 외부 링의 내주면을 향한, 실질적으로 평면, 오목, 볼록 또는 결절성 프로파일을 갖는 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 유닛을 형성하도록 서로 슬롯팅된 상기 부분적 세그먼트들은 원주 방향으로 및/또는 반경 방향으로 형태 끼워맞춤, 마찰 연결 또는 물질 결합 끼워맞춤을 형성하는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 11 항에 있어서, 압력 끼워맞춤의 수단에 의해 상기 내부 링을 형성하는 상기 부분적 세그먼트들의 설치는 인접한 부분적 세그먼트들 사이의 압력 끼워맞춤이 0보다 크고 50 ㎫보다 작은 압축 응력이 제공되도록 하는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 12 항에 있어서, 작동 시에, 개별 부분적 세그먼트들 사이의 압력 끼워맞춤은 500 ㎫까지의 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 11 항에 있어서, 형태 끼워맞춤의 수단에 의해 상기 내부 링을 형성하는 상기 부분적 세그먼트들의 설치는 작동 시에 형태 끼워맞춤이 압력 끼워맞춤으로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 11 항에 있어서, 형태 끼워맞춤의 수단에 의해 상기 내부 링을 형성하는 상기 부분적 세그먼트들의 설치는 형태 끼워맞춤이 축 방향으로 또는 유사 축 방향으로(quasi-axially) 배향되는 미로 끼워맞춤(labyrinth fit)을 갖는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 15 항에 있어서, 인접한 부분적 세그먼트들 사이의 미로 끼워맞춤은 적어도 반경 방향으로 감소하는 공간을 갖는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 밀봉 요소는 상기 외부 링의 외경과 상기 내부 링의 내경 사이에서 반경 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 17 항에 있어서, 상기 밀봉 요소는 어느 한 측부에서 상기 스테터 부품의 원주 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분적 세그먼트는 로터 측에 마모성 층을 갖는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분적 세그먼트는 냉각제가 유동하는 내부 관통 유동 덕트들을 갖는 것을 특징으로 하는 스테터 부품.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 축 방향으로 상기 외부 링의 치수들은 상기 외부 링이 작동시에 로터 블레이드 열과 연결하는 정도인 것을 특징으로 하는 스테터 부품.