KR20200126902A - 발생기 필드 완충기 및 스프링 로킹 기구 - Google Patents

발생기 필드 완충기 및 스프링 로킹 기구 Download PDF

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에이. 만쿠소 벤자민
엠. 허버트 커티스
에릭 벨크냅 스콧
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 출원은 발생기(64)의 웨지(104) 및 보유 링(102) 중 적어도 하나에 대해 사용하기 위한 완충기-스프링 조립체(120)를 제공한다. 완충기-스프링 조립체(120)는 완충기(110), 스프링(112), 크리피지 블록(114), 및 완충기(110), 스프링(112), 및 크리피지 블록(114)을 통해 연장되는 로킹 기구(130)를 포함할 수 있다.

Description

발생기 필드 완충기 및 스프링 로킹 기구{GENERATOR FIELD AMORTISSEUR AND SPRING LOCKING MECHANISM}
본 출원 및 결과적인 특허는 대체적으로 전기 발생기(electrical generator)에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 구성요소 이동을 방지하기 위해 완충기-스프링 조립체(amortisseur-spring assembly)를 위한 로킹 기구를 갖는 복합 사이클 시스템 등에 사용되는 전기 발생기에 관한 것이다.
발생기 필드(generator field)는 의도하지 않은 로터 표면 전류를 전도하도록 설계된 완충기 시스템을 가질 수 있다. 그러한 로터 표면 전류는 모터형 시동(motored startup), 정상 동작, 및 비정상 동작 동안 생성될 수 있다. 완충기 시스템은 로터 웨지 도브테일(rotor wedge dovetail) 내에 위치된 얇은 금속 전도성 부품들의 조립체일 수 있다. 정적 시작(즉, 모터형 시작(motored start))을 위해 설계된 완충기 시스템은, 또한, 저속 동작 동안 긍정적인 접촉(positive contact)을 제공하기 위한 스프링을 가질 수 있다. 이들 구성요소는 장기간의 주기적 (시작 및 열) 동작에 걸쳐 축방향으로 이동할 수 있다. 그러한 이동은 서비스 시에 차단된 환기 및/또는 전기 접지 결함을 초래할 수 있는데, 즉 대전된 권선에 대한 전기 절연이 손상될 수 있다. 그러한 것을 고려하면, 완충기 시스템의 구성요소의 축방향 보유는 장기간 신뢰성 및 성능을 촉진할 수 있다.
따라서, 본 출원 및 결과적인 특허는 발생기의 웨지 및 보유 링(retaining ring) 중 적어도 하나에 대해 사용하기 위한 완충기-스프링 조립체를 제공한다. 완충기-스프링 조립체는 완충기, 스프링, 크리피지 블록(creepage block), 및 상기 완충기, 스프링, 및 크리피지 블록을 통하여 연장되는 로킹 기구(locking mechanism)를 포함할 수 있다.
본 출원 및 결과적인 특허는, 추가로, 발생기 내에 완충기-스프링 조립체를 설치하는 방법을 제공한다. 본 방법은, 완충기-스프링 조립체의 완충기, 스프링, 및 크리피지 블록을 통해 개구부를 생성하는 단계, 개구부 내에 로킹 기구를 삽입하는 단계, 및 완충기-스프링 조립체를 발생기의 웨지 및 보유 링 중 적어도 하나에 인접하게 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원 및 결과적인 특허는, 추가로, 발생기의 웨지 및 보유 링 중 적어도 하나에 대해 사용하기 위한 완충기-스프링 조립체를 제공한다. 완충기-스프링 조립체는 완충기, 스프링, 크리피지 블록, 및 상기 완충기, 스프링 및 크리피지 블록을 통해 연장되는 핀을 포함할 수 있다. 핀은 웨지 또는 보유 링에 인접하게 위치될 수 있다.
본 출원 및 결과적인 특허의 이들 및 다른 특징 및 개선은 몇몇 도면 및 첨부된 청구범위와 함께 취해질 때 하기의 상세한 설명의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 명세서에 기술될 수 있는 바와 같은 예시적인 가스 터빈 복합 사이클 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 가스 터빈 복합 사이클 시스템에 사용하기 위한 예시적인 발생기의 단면도이다.
도 3은 도 2의 발생기의 예시적인 발생기 로터의 평면도이다.
도 4는 도 3의 발생기 로터와 함께 사용하기 위한 완충기 시스템의 부분 평면도이다.
도 5는 도 4의 완충기 시스템의 측면도이다.
도 6은 도 4의 완충기 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 명세서에 기술될 수 있는 바와 같은 완충기 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 명세서에 기술될 수 있는 바와 같은 완충기 시스템의 대안적인 실시예의 개략도이다.
도 9는 도 7 및 도 8의 완충기 시스템과 함께 사용하기 위한 핀의 사시도이다.
도 10은 도 7 및 도 8의 완충기 시스템과 함께 사용하기 위한 핀의 대안적인 실시예의 사시도이다.
도 11은 도 7 및 도 8의 완충기 시스템과 함께 사용하기 위한 핀의 대안적인 실시예의 사시도이다.
이제, 여러 도면 전반에 걸쳐 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 지칭하는 도면을 참조하면, 도 1은 복합 사이클 발전 시스템(10)의 예시적인 실시예의 개략도이다. 복합 사이클 발전 시스템(10)은 가스 터빈, 증기 터빈, 및 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 복합 사이클 시스템(10)은 전력을 생성하기 위해 제1 발생기(14)를 구동하기 위한 가스 터빈(12)을 포함할 수 있다. 가스 터빈(12)은 터빈(16), 연소기(18), 및 압축기(20)를 포함할 수 있다. 복합 사이클 시스템(10)은, 또한, 제2 발생기(24)를 구동하기 위한 증기 터빈(22)을 포함할 수 있다. 증기 터빈(22)은 저압 섹션(26)(low-pressure section, LP ST), 중간압 섹션(28)(intermediate-pressure section, IP ST), 및 고압 섹션(30)(high-pressure section, HP ST)을 포함할 수 있다. 가스 터빈(12) 및 증기 터빈(22)이 본 명세서에 도시된 바와 같이 별개의 발생기들(14, 24)을 구동시킬 수 있지만, 가스 터빈(12) 및 증기 터빈(22)은, 또한, 단일 샤프트를 통해 단일 부하를 구동시키기 위해 직렬로(in tandem) 이용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 발생기 및 구성요소 등은 다른 유형의 발전 시스템에 통합될 수 있다.
복합 사이클 시스템(10)은, 또한, 다단식 열 회수 증기 발생기(32)를 포함할 수 있다. 가스 터빈(12)으로부터의 가열된 배기 가스(34)는 증기 터빈(22)에 전력을 공급하는 데 사용되는 증기를 가열하기 위해 열 회수 증기 발생기(32) 내로 지향될 수 있다. 증기 터빈(22)의 저압 섹션(26)으로부터의 배기는 응축기(36) 내로 지향될 수 있다. 이어서, 응축기(36)로부터의 응축물은 응축물 펌프(38)의 도움으로 열 회수 증기 발생기(32)의 저압 섹션 내로 지향될 수 있다.
도 2는 도 1의 복합 사이클 발전 시스템(10) 또는 다양한 다른 유형의 발전 시스템 내의 발생기(14) 및/또는 발생기(24)로서 역할을 할 수 있는 발생기(64)의 일례의 단면도이다. 발생기(64)는 환형 프레임(66), 로터(68), 스테이터(70), 및 샤프트(72)를 포함할 수 있다. 샤프트(72)는 가스 터빈, 증기 터빈, 풍력 터빈, 수력 터빈, 내연 기관, 또는 회전 출력을 제공하도록 구성된 임의의 다른 적합한 장치에 의해 회전하도록 구동될 수 있다. 샤프트(72)는 자기 코어 주위에 와이어 권선을 포함할 수 있는 실질적으로 원통형인 로터(68)에 결합될 수 있다. 로터(68)는 스테이터(70) 내에 배치될 수 있으며, 이는 고정식 자기장을 제공하도록 구성된다. 스테이터(70) 내에서의 로터(68)의 회전은 와이어 권선 내에 전류를 발생시켜서, 그에 의해 발생기(64)로부터 전기 출력을 생성한다. 전술된 바와 같이, 발생기(64)의 높은 주기적 듀티(cyclic duty)는 시간 경과에 따라 발생기(64) 및 그 내부의 구성요소의 성능 열화로 이어질 수 있다.
도 3은 도 2의 발생기(64)의 발생기 로터(68)의 실시예의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 로터(68)는, 일 단부에서, 기계적 모드 또는 전력 터빈 커플링과 같은 커플링(90)을 갖는 샤프트(72)를 포함할 수 있다. 샤프트는 축방향(86)으로 연장되고, 로터(68)를 원주 방향(88)으로 회전시킨다. 또한, 로터(68)는 샤프트(72)로부터 외부로 반경방향(90)으로 연장된다. 샤프트(72)의 다른 단부 상에는, 로터 필드 권선을 위한 전기 접합부를 제공하기 위해 콜렉터 링(collector ring)(92)이 있을 수 있다. 콜렉터 팬(94)이 콜렉터 링(92)에 인접하게 위치될 수 있다. 로터(68)는 코일 권선(98)을 보유하는 큰 직경의 몸체(96)를 가질 수 있다. 코일 권선(98)은 로터(68)의 중간으로부터 로터 몸체(96)의 축방향(86) 단부로 반경방향(90) 외향으로 연장되는 축방향으로(86) 배향된 슬롯 내에 배치될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 로터(68) 등과 함께 사용하기 위한 완충기-스프링 조립체(100)를 도시한다. 완충기-스프링 조립체(100)는 로터(68)의 권선(98) 위에서 보유 링(102)과 웨지(104) 사이에 그리고 유리 충전재(106)와 링 절연체(108) 사이에 위치될 수 있다. 완충기-스프링 조립체(100)는 완충기(110), 스프링(112), 및 크리피지 블록(114)을 포함할 수 있다. 발생기(64)의 터닝 속도/저속에서, 크리피지 블록(114) 및 권선(98)은 크리피지 블록(114)이 축방향으로 시프트할 수 있도록 다소 느슨해질 수 있다. 발생기(64)의 정격 속도에서, 구성요소들 모두는 발생하는 원심력에 의하여 반경방향 외향으로 압축될 수 있다. 전기장이 여기되고 전류가 정격 출력까지 상승됨에 따라, 권선(98)은 가열되고 축방향으로 팽창될 수 있다. 따라서, 본 명세서의 구성요소는 축방향 정지에 도달될 때까지 상대 마찰 계수에 따라 축방향으로 활주할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 명세서에 기술될 수 있는 바와 같은 완충기-스프링 조립체(120)의 예들을 도시한다. 완충기-스프링 조립체(120)는 전술된 바와 같이 완충기(110), 스프링(112), 및 크리피지 블록(114)을 포함할 수 있다. 완충기-스프링 조립체(120)는, 또한, 로킹 기구(130)를 포함할 수 있다. 로킹 기구(130)는 핀(140) 또는 다른 유형의 기계식 폐쇄구의 형태를 취할 수 있다. 핀(140)은 강철과 같은 금속 또는 유리 에폭시 등과 같은 비금속으로 제조될 수 있다. 핀(140)은 샤프트(150) 및 헤드(160)를 갖는 단차형 구성을 가질 수 있다. 헤드(160)의 직경은 샤프트(160)의 직경보다 클 수 있다. 핀(140)은 완충기-스프링 조립체(100)의 구성요소들 각각을 통해 드릴링되거나 달리 생성된 개구부(170)를 통해 연장될 수 있다. 구체적으로, 완충기 개구부(180), 스프링 개구부(190), 및 크리프 블록 개구부(200)가 생성될 수 있다. 완충기 개구부(180)는 핀(140)의 샤프트(150) 및 헤드(160)의 상대적인 크기를 고려하여 스프링 개구부(190) 및 크리프 블록 개구부(200)보다 직경이 더 클 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본 명세서에서 사용될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 핀(140) 및 개구부(170)는 웨지(104) 아래에 위치될 수 있다. 대안적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 핀(140) 및 개구부(170)는 보유 링(102) 아래에 위치될 수 있으며, 여기서 그것은 로터 단조품(forging)을 덮는다. 핀(140)은 구성요소 내의 반경방향 환기 구멍들 중 임의의 것 위에 또는 그에 인접하게 위치되어서는 안된다. 오히려, 핀(140) 및 개구부(170)는 구성요소들의 이전의 중실 섹션 내에 위치된다. 또한, 본 명세서에 도시된 웨지(104) 및 보유 링(102) 구성 대신에, 핀(140) 및 개구부(170)는 웨지/웨지(wedge/wedge) 구성으로 어느 하나의 웨지(104) 아래에 사용될 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본 명세서에서 사용될 수 있다.
핀(140)은 구성요소들 사이의 상대 운동을 방지하기 위해 완충기(110), 스프링(112), 및 크리피지 블록(114)을 함께 축방향으로 로킹시킨다. 전술된 바와 같이, 완충기 개구부(180) 및 완충기(110) 내의 핀(140)의 직경은 스프링(112) 및 크리피지 블록(114) 내의 것보다 크다. 핀(140) 내의 이러한 단차형 직경은, 완충기(110) 위에 위치되는 웨지(104)와 함께, 핀(140)을 제위치에 반경방향으로 로킹시키도록 작용한다. 이는 중요한데, 그 이유는 슬롯에서의 간극 및 그에 따른 크리피지 블록(114)의 반경방향 이동이 종종 완충기(110)의 두께(그리고 그에 따라 핀(140)의 완충기(110) 내로의 결합)를 초과하기 때문이다. 이러한 반경방향 보유 없이, 핀(140)은 유닛이 터닝 기어 상에 있는 동안 구성요소로부터 결합해제될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 핀(140)의 대안적인 실시예를 도시한다. 헤드(160), 및/또는 샤프트(150), 및/또는 완충기 개구부(180)는 그 위에 나사산들(threads)(210)을 가질 수 있어서, 핀(140)이 나사산들(210)을 통한 토크에 의하여 반경방향으로 로킹되고 제거되게 할 수 있다. 마찬가지로, 핀(140)은 유지보수를 위한 용이한 제거/분해를 위해, 도 10에 도시된 바와 같은 내부 나사산(220)과 같은 내부 구조물, 또는 도 11에 도시된 바와 같은 육각 드라이브(hex drive) 또는 슬롯형 드라이브와 같은 드라이브(230)를 가질 수 있다. 핀(140)은, 또한, 도 10에도 또한 도시된 바와 같은 리브형, 널링된(knurled), 또는 융기된 표면(240)을 가질 수 있는데, 이는 구성요소들을 함께 로킹시키는 억지 끼워맞춤을 생성하기 위해 완충기(110)와 간섭하도록 작용한다. 마찬가지로, 개구부(170)는 그 내부에 동반 로킹 특징부를 가질 수 있다. 또한, 핀(140)은 접착제 또는 에폭시 등을 통해 완충기(110) 또는 크리피지 블록(114) 내로 로킹될 수 있다. 더욱이, 핀(140)은 브레이징 또는 용접 공정을 통해 완충기(110)에 위치될 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 본 명세서에서 사용될 수 있다.
완충기(110)와 스프링(112)을 크리피지 블록(114)에 기계적으로 연결함으로써, 서비스 시에 보여지는 막대한 열적 힘(thermal force)을 억제하는 능력을 요구하지 않으면서 부분 이동이 완화될 수 있다. 구체적으로, 구성요소들을 크리피지 블록(114)에 부착함으로써, 이동을 이끄는 힘의 근원, 즉 크리피지 블록(114)과 스프링(112) 및/또는 완충기(110) 사이의 상대 마찰 및 상대 운동이 제거된다.
추가적으로, 핀(140)을 환기 구멍들로부터 멀리 위치시킴으로써, 다음과 같은 여러 가지 이점이 존재한다: (1) 핀 재료가 더 높은 강도 및 더 용이하게 이용가능한 부품들을 허용하는 비전도성 재료로 제조될 필요가 없고; (2) 핀(140)은 조립/분해에 대해 더 접근가능한 위치(예컨대, 보유 링 수축 끼워맞춤 위치)에 위치될 수 있으며, 이는 기술자에게 훨씬 더 용이한 조립 및 분해를 가능하게 하고; 그리고 (3) 외부 나사산(210) 또는 내부 나사산(220) 및 전술된 다른 구조체가 긍정적인 로킹 및 용이한 제거를 가능하게 하기 위해 통합될 수 있다. 또한, 이러한 해결책은 (대부분의 경우에) 거의 모든 부품의 재사용을 허용하고, 완충기(110), 스프링(112), 및 크리피지 블록(114)을 변경(드릴링)함으로써, 그리고 신속하게 이용가능하고 저비용인 핀(140)을 조달(procure)함으로써 구현될 수 있다. 그러한 것을 고려하면, 이는 짧은 사이클 시간 및 비교적 낮은 비용으로 작업에 구현될 수 있다. 이러한 해결책은, 또한, 최소 재설계 노력을 갖는 상이한 모델 유형들에 적용될 수 있다.
완충기-스프링 조립체(120)가 복합 사이클 발전 시스템(20)과 관련하여 기술되었지만, 조립체는 간단한 사이클 가스 터빈 발생기 등에 동일하게 적용가능하다. 다른 유형의 발생기가 또한 본 명세서에 사용될 수 있다.
상기 내용은, 단지 본 출원 및 결과적인 특허의 소정 실시예에 관한 것임이 명백할 것이다. 하기의 청구범위 및 그의 등가물에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 대체적인 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 당업자에 의해 다수의 변형 및 변경이 본 명세서에서 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 발생기(64)의 웨지(wedge)(104) 및 보유 링(102) 중 적어도 하나에 대해 사용하기 위한 완충기(amortisseur)-스프링 조립체(120)로서,
    완충기(110);
    스프링(112);
    크리피지 블록(creepage block)(114); 및
    상기 완충기(110), 상기 스프링(112) 및 상기 크리피지 블록(114)을 통해 연장되는 로킹 기구(130)를 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  2. 제1항에 있어서, 상기 로킹 기구(130)는 상기 웨지(104)에 인접하게 위치되는, 완충기-스프링 조립체(120).
  3. 제1항에 있어서, 상기 로킹 기구(130)는 상기 보유 링(102)에 인접하게 위치되는, 완충기-스프링 조립체(120).
  4. 제1항에 있어서, 상기 로킹 기구(130)는 핀(140)을 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  5. 제4항에 있어서, 상기 핀(140)은 샤프트(150) 및 헤드(160)를 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  6. 제5항에 있어서, 상기 샤프트(150)는 제1 직경을 포함하고, 상기 헤드(160)는 제2 직경을 포함하고, 상기 제2 직경은 상기 제1 직경보다 큰, 완충기-스프링 조립체(120).
  7. 제4항에 있어서, 상기 핀(140)은 외부 나사산들(210)을 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  8. 제4항에 있어서, 상기 핀(140)은 내부 나사산들(220)을 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  9. 제4항에 있어서, 상기 핀(140)은 그 상에 드라이브(drive)(230)를 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  10. 제4항에 있어서, 상기 핀(140)은 널링된(knurled) 표면(240)을 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  11. 제1항에 있어서, 상기 완충기(110)는 그를 통과하는 완충기 개구부(180)를 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  12. 제11항에 있어서, 상기 스프링(112)은 그를 통과하는 스프링 개구부(190)를 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  13. 제12항에 있어서, 상기 크리피지 블록(114)은 그를 통과하는 크리피지 블록 개구부(200)를 포함하는, 완충기-스프링 조립체(120).
  14. 제13항에 있어서, 상기 완충기 개구부(180)는 상기 스프링 개구부(190) 및 상기 크리피지 블록 개구부(200)보다 큰, 완충기-스프링 조립체(120).
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