KR0152441B1 - 압축기 다이아프램 조립체 - Google Patents

Abstract

연소 터어빈용 압축기 다이어프램 조립체는 복수의 베인(48)을 포함하며, 각각의 베인은 일체형의 내측보호판(68) 및 일체형의 외측보호판(70)으로 형성되고, 베인(48) 사이의 부하 전달을 제공하도록 베인(48)의 보호판(68,70)내의 홈(72)내에 결합된 연결봉(74)에 의해 함께 결합된다.

Description

압축기 다이아프램 조립체.

제1도는 연소터어빈을 이용하는 일반적인 발전설비의 배치도.

제2도는 제1도에 도시된 연소터어빈의 일부절결사시도.

제3도는 종래의 방법으로 제조된 보호베인에 작용하는 힘의 분포를 설명하는 도면.

제4도는 제2의 종래방법으로 제조된 다른 형태의 보호베인을 도시하는 도면.

제5도는 본 발명에 의한 일체형 보호베인의 사시도.

제6도는 본 발명의 일 실시예에 따른 제5도의 일체형 보호베인에 대한 접속홈의 상세도.

제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제5도의 일체형 보호베인에 대한 접속홈의 상세도.

제8도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 조립된 제5도의 내측보호베인을 도시하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 발전설비 12 : 연소터어빈

14 : 발전기 16 : 시동장치부

18 : 전기장치부 22 : 기계장치부

32 : 유입부 34 : 압축부

36 : 연소부 38 : 배기부

본 발명은 연소 터어빈 또는 가스터어빈에 관한것으로, 특히 이러한 터어빈에 사용되는 압축기 다이아프램 조립체에 관한 것이다.

통상적으로 연소터어빈은 4개의 기본적인 부분, 즉, (1)유입부, (2)압축부, (3)연소부, (4)배기부로 구성된다. 유입부를 통해 연소터어빈으로 진입된 공기는 압축부에서 단열압축되고, 연료와 혼합되고, 연소부에서 등압하에 가열된후, 배기부를 통해 배출되며, 이에 따른 가스의 단열팽창으로 연소터어빈의 기본적인 사이클이 완료된다. 이러한 사이클을 일반적으로 브레이튼(Brayton)사이클 또는 주울(Joule)사이클이라 부른다.

잘 알려져 있는 바와같이, 통상의 터어빈에 있어서 정미출력이라 함은 터어빈이 발생하는 출력과 압축부에서 흡수된 출력간의 차이를 말한다.

일반적으로 연소터어빈 출력의 약 2/3 는 압축부를 구동하는데에 이용된다. 따라서, 연소터어빈의 전반적인 성능은 압축부의 효율에 극히 민감하다. 매우 효율적이고 높은 압력비를 유지하기 위하여, 대부분의 압축부는 로터를 가지는 축류구조를 취하고 있으며, 이 로터에는 복수개의 회전블레이드가 축방향으로 배치되고 이들 회전 블레이드 사이에는 복수개의 내측보호 고정베인이 분산배치되어있다. 상기 내측보호 고정베인은 계단형의 래비린스인터스테이지 시일을 가진 다이아프램 조립체를 제공한다.

그러나, 종래의 고정베인 제조방법에 의하면, 내측보호 고정베인의 에어포일부가 피로로 인하여 균열을 일으키게 되는 심각한 문제점이 발생한다. 예를들면, 대부분의 압축기 다이아프램 조립체르르 제조하는데에 이용되는 압연방법 또는 단조방법에 있어서는, 베인의 에어포일부를 내측 및 외측 보호판에 각각 고정시키기 위해서 용접을 행하게 되는데, 이 과정에서 각각의 용접이음부에는 열영향부가 발생한다. 피로에 따른 균열은 대개의 경우 이러한 열영향부에서 부터 시작되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 피로균열에 견딜수있는 개량된 압축기 다이아프램 조립체를 제공함과 아울러 열영향부의 발생원인이 되는 공정을 최소화할 수 있는 상기 조립체의 제조방법을 제공할 필요가 있는 것이다.

그러나, 피로균열과 관련된 문제는 열영향부의 발생원인이 되는 제조공정을 없애는 것 만으로 해결되는 성질의 것은 아니다. 즉, 단조가공된 베인의 에어포일중에는 열영향부의 악영향을 감소시키기 위해서 철저한 응력제거작업을 행하더라도 피로균열의 문제가 여전히 발생하는 것이 있다는 점은 공지된 사실이다. 따라서, 피로균열의 문제는 연소터어빈내에서의 정적인 자극 뿐만 아니라 동적인 자극에 의해서도 발생한다는 점을 알수 있다.

압축기 다이아프램 조립체의 내측 보호판 및 시일에 작용하는 힘은 주로 시일의 압력강하게 그 원인이 있다. 이러한 힘은, 베인의 에어포일 표면에 법선방향 또는 접선 방향으로 작용하며 그 표면에 분포하는 공기역학적인 힘과 함께 다른 힘 또는 모멘트를 발생시키게 되고, 이와같은 힘 또는 모멘트는 외측 보호판으로 전달된 후, 베인의 에어포일과 외측보호판을 연결하고 있는 용접이음부를 거쳐서 연소터어빈의 케이싱으로 전달된다.

상술한 바와같은 피로균열의 2가지 원인은, 베인의 에어포일을 일체형의 내측보호판 및 외측 보호판을 가진것으로 교체하기만 하면 간단해 해결 될것 처럼 보일지도 모른다. 다시 말해서, 열영향부의 문제도 완전히 해소되고, 연소터어빈내에서의 정적인 자극 및 동적인 자극으로 인한 불안정성의 문제도 최소화 될 것으로 생각할 수 있다. 그러나, 사실은 그렇당가 않다.

예를 들면, 상술한 바와같은 정적인 힘과 모멘트가 작용하는 상태하에서는, 외측 보호판 세그먼트의 선단이 당해 세그먼트를 수용하도록 케이싱에 형성된 슬롯의 벽과 접촉하여 제한 모멘트가 발생할때까지는, 이러한 가상적 베인 에어포일의 외측 보호판세그먼트는 연소터어빈의 케이싱과 안정적으로 계합하지 못하게 된다. 그러므로, 외측 보호판 세그먼트는 열팽창을 고려해서 케이싱 슬롯에 형성시킨 여유간극내에서 회전운동하게 될 것이고, 이결과, 상술한 가상적 베인 에어포일을 연소터어빈에 사용하면, 외측 보호판 세그먼트의 근방에서 큰 응력이 발생하고 과도한 병진운동 및 회전운동이 유발된다. 이와같은 응력 및 운동은 동적인 자극을 받으면 더욱 심해진다. 따라서, 위에서 언급한 계합의 불안정성을 피할수 있는 개량된 압축기 다이아프램 조립체의 출현이 요망되고 있는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 피로균열의 문제를 최소화할수 있고 열영향부를 거의 제거할 수 있는 개량된 압축기 다이아프램 조립체의 제조방법을 이요하여 연소터어빈을 제공하는데에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이싱과, 복수개의 디스크를 갖는 샤프트를 따라서 축방향으로 배치된 복수개의 회전블레이드를 포함하는 로터와, 터어빈의 압축부의 케이싱내에 제1의 소정단면을 가지도록 원주방향으로 형성된 하나 또는 그 이상의 슬롯으로 구성된 연소터어빈에 사용되는 것으로서, 일체로 형성된 내측보호판 및 외측보호판을 갖는 복수개의 베인 에어포일을 포함하고, 상기 외측 보호판은 상기 터어빈 케이싱의 상기 슬롯내에 미끄럼 조립될 수 있도록 상기 제1의 소정 단면에 대응하는 단면으로된 상측부를 포함하는 압축기 다이아프램 조립에 있어서, 상기 복수개의 에어포일중 인접한 것들을 가로질러 연장되어 각각의 일체형 내측 보호판 및 일체형 외측보호판 부분에서 상기 인접 에어포일들을 상호연결하도록 된 부하전달수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 첨부된 도면에 예시적으로 나타낸 바람직한 실시예에 관한 다음의 설명을 참조하면 더욱 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

제1도에 도시한 바와같이, 통상의 발전설비(10)는 연소터어빈(12), 예를들면 웨스팅 하우스 일렉트릭 코포레이션의 연소터어빈 시스템 사업부에서 제작한 모델명 W-501 D의 단축 강력연소터어빈을 사용하고 있다. 이러한 발전설비(10)는 터어빈(12)에 의해 구동되는 발전기(14)와, 시동장치부(16)와, 글리콜 냉각기(20)를 갖는 전기장치부(18)와, 오일냉각기(24)를 갖는 기계장치부(22)와, 공기냉각기(26)을 포함하고 있으며, 이들은 모두 작동터어빈(12)을 보조한다. 발전설비(10)의 유입덕트와 베기스택에는 작동터어빈(12)에서 발생하는 유동소음을 감소시키기위한 통상의 수단(28)이 설치되는 한편, 발전기(14)에는 그것으로 부터 발생된 전기를 전달하기 위한 통상의 터미널 수단(30)이 설치된다.

제2도에 보다 상세히 도시한 바와같이, 터어빈(12)은 유입부(32)와, 압축부(34)와, 연소부(36)와, 배기부(38)로 구성된다. 유입부(32)를 통해서 터어빈(12)으로 들어간 공기는 압축부(34)에서 단열 압축되고, 연료와 혼합된 다음, 연소부(36)에서 등압하게 가열된다. 그후, 가열된 연료/공기 혼합가스는 배기부(38)를 통해서 연소부(36)로 부터 배출되며, 이에 따른 혼합가스의 단열 팽창으로 연소터어빈의 기본사이클은 종료된다. 이러한 열역학적 사이클을 브레이튼 사이클 또는 주울 사이클이라고도 부른다. 터어빈(12)에 있어서 소망하는 고효율의 높은 압축비를 유지하기 위해서, 종래 연소터어빈의 압축부는 대부분 로터(40)를 가지는 축류구조를 취하고 있다. 로터(40)는 샤프트(44)를 따라 축방향으로 배치된 복수개의 회전블레이드(42)와 복수개의 디스크(46)를 포함한다. 상기 복수개의 회전 블레이드(42)중 인접한 각쌍의 블레이드사이에는 복수개의 보호고정베인(48)이 하나씩 배치된다. 상기 고정베인은 제3도 및 제4도를 참조하여 후에 상세히 설명하는 바와같이 터어빈의 케이싱(50)에 부착되어서, 디스크(46)와 함께 계단형 래비린스 인버터스테이지 시일(52)을 갖는 다이아프램 조립체를 제공한다.

종래부터 사용되어 온 보호베인(48)의 제조방법은 심각한 피로 균열의 문제를 안고 있다. 예를 들면(특히 제3도 및 제4도를 참조하면), 압축기 다이아프램 조립체의 제조업자들이 사용해온 방법에 있어서는, 보호베인(48)의 에어포일부(54)를 그것의 내측보호판(56) 및 외측보호판(58)에 고정시키기 위해서 용접공정을 이용하게 되는바, 이러한 용접공정은, 공지되어 있는 바와 같이, 용접이음부(62)에 열영향부(60)를 발생시킨다.

미합중국, 오하이오주, 메탈파크에 주소를 둔 미국금속협회에서 발간한 Metals Handbook, 제9판, 제6권의 Welding, Brazing, and Soldering에서 정의하고 있는 바와같이, 열영향부라함은 용융은 되지 않았으나 용접, 경납땜, 연납땜 또는 절단작업시에 발생하는 열에 의해서 기계적 성질 또는 현미경조직이 변화된 모재의 일부를 말한다. 에어포일(54), 내측보호판(56) 및 외측보호판(58)용으로 사용되는 스테인레스강 합금에 있어서, 피로로 인한 균열은 대개의 경우 이러한 열영향부(60)에서 시작된다.

그러나, 위에서도 설명한 것과 같이, 피로균열과 관련된 문제점은 열영향부(60)의 발생원인이 되는 제조공정을 없애는 것만으로는 해결되지 않는다. 예를들면, 제3도는 일정단면적의 압연방법에 의해 제조된 내측 보호베인(48)을 도시하는 것이고, 제4도는 가변적인 두께 대 현 비율의 단조방법에 의해 제조된 내측보호베인(48)을 도시하는 도면이다.

제3도 및 제4도에 도시한 것과 같은 종래의 압축기 다이아프램조립체에 있어서, 일반적으로 내측보호판(56) 및 그것의 시일(52)에 작용하는 힘은 주로 시일압력강하(Fs)에서 비롯된다. 이러한 힘은, 에어포일부(54)에 법선방향(F_A)및 접선방향(Fr)으로 작용하는 공기역학적인 힘과 함께, 또다른 힘과 모멘트를 발생시키게 되고, 이와같은 힘과 모멘트는 외측보호판(58)으로 전달된후, 베인에어포일(54)과 외측보호판(58)을 연결하고 있는 용접이음부(62)를 거쳐서 연소터어빈(12)의 케이싱(50)으로 전달된다.

그럼에도 불구하고, 피로균열의 문제는 일체형 내측 및 외측 보호판을 갖는 가상적 에어포일을 사용하여 열영향부(60)를 제거하는 것만으로는 여전히 해소되지 않는다. 상술한 바와 같은 정적인 힘과 모멘트가 작용하는 상태하에선, 외측보호판 세그먼트의 선단이 당해 세그먼트를 수용하도록 케이싱에 형성된 슬롯의 벽과 접촉하여 제한 모멘트가 발생할때까지는, 이러한 가성적 베인에어포일의 외측 보호판 세그먼트는 연소터어빈의 케이싱과 안정적으로 계합하지 못하게 된다. 그러므로, 외측보호판(58)은 열팽창을 고려해서 케이싱 슬롯에 형성시킨 여유간극에서 회전운동하게 될 것이고, 이 결과, 상술한 가상적 베인 에어포일을 연소터어빈에 사용하면, 외측보호판 세그먼트의 근방에서 큰 응력이 발생하고 과도한 병진운동 및 회전운동이 유발된다. 이와같은 응력 및 운동은 동적인 자극을 받으면 더욱 심해진다.

1988년 8월 1일자 미합중국 특허출원 제 226705호에 기술되어 있는 바와같은 접근방법에 의하면 피로균열의 문제를 거의 해결 할수 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 본 발명에서는 구조면에서 더욱 간단한 다른 하나의 접근방법에 관하여 개시한다.

제5도 내지 제8도에 도시한 바와같이, 본 발명에 따른 압축기 다이아프램조립체(64)는 복수개의 베인 에어포일(66)을 포함하며, 이들 각각의 에어포일(66)은 일체형의 내측보호판(68) 및 일체형의 외측 보호판(70)을 가진다. 각 에어포일(66)의 내측보호판(68) 및 외측보호판(70)은 부하전달수단(76)을 구성하는 연결봉(74)을 수용하도록 된 홈(72)을 포함한다. 상기 복수개의 에어포일(66)중 인접한 2개의 또는 그 이상의 에어포일은 부하전달수다(76)에 의해서 상호연결되어 조립체(64)를 형성한다.

내측보호판(68)에는 복수개의 세그먼트(80)를 포함하는 시일 캐리어(78)가 현가되어 있으며, 이들 각각의 시일 캐리어 세그먼트(80)는 적어도 한쌍의 디스크 계합시일(82)을 포함하는 것으로, 하나 또는 그 이상의 에어포일(66)의 내측보호판(68)과 계합할 수 있도록 형성된다.

본 발명의 중요한 일측면에 따르면, 복수개의 베인 에어포일(66)에 일체형의 내측보호판(68)및 일체형의 외측보호판(70)을 형성시킴과 아울러 특정한 에어포일/보호판 연결부에서 열을 거의 발생시키지 않는 방법으로 이들 보호판을 연결하게 되므로 열영향부를 제거할 수 있다. 또한, 부하전달수단(76)이 설치되어 있기 때문에, 정적인 자극 또는 동적인 자극으로 인하여 베인 에어포일(66)과 케이싱 슬롯(75)간의 계합이 불안정하게 되는 일은 거의 없다.

각각의 일체형 외측보호판(70)은 연결봉(74)에 의해 결합되어서 외측링(84)을 구성한다. 또한, 각각의 일체형 외측보호판(70)에는 대략 T자형의 단면부가 형성되어 있으며, 이러한 T자형 단면부는 터어빈(12)의 케이싱(50)에 형셩된 슬롯(75)과 계합하는 것으로, 통상의 고정 스크류(90)에 의해서 계합상태를 유지한다.

본 발명에 의한 압축기 다이아프램 조립체의 조립 및 분해를 용이하게 함과 동시에 이러한 조립체의 제작 비용을 최소화하기 위해서는, 다양한 크기의 스페이서(92)를 사용해서 베인 에어포일(66)간의 간격을 적절하게 유지시킨다. 그러나, 제6도 및 제7도를 참조하면 알수 있는 바와 같이, 일체형의 내측보호판(68) 및 외측 보호판(70)은, 터어빈(12)의 케이싱 슬롯(75)내에서 압축기 다이아프램 조립체(64)가 과도하게 병진운동하거나 회전운동하는 것을 방지하기 위해서, 인접한 일체형 내측 보호판(68) 및 외측보호판(70)에 각각 결합되어 있다.

각각의 베인 에어포일(66)은 일체형 내측보호판(68)과 일체형 외측보호판(70)의 부근에서 연결봉(74)을 포함하는 부하전달수단(76)에 의해서 인접한 베인 에어포일(66)에 연결된다. 일체형 내측보호판(68) 및 일체형 외측보호판(70)에 형성된 슬롯(72)은 제6도에 도시된 바와같이 사각형의 연결봉(74)을 사용할 수 있도록 대략 평행한 양츨벽을 가진다. 그러나, 상기 슬롯(72)은 제7도에 도시한 것과 같이 90도 미만의 각도(

)로 테이퍼진 다른 형태의 구조를 취할수도 있다.

이와같이 일체형 내측보호판(68) 및 일체형 외측보호판(70)에 다른 형태의 슬롯(72)을 형성시케게 되면, 경납땜, 전자비임용접, 레이저용접(제6도에 있어서 A방향 및 B방향), 또는 수축조립을 이용하거나, 단순히 블레이드 타입의 간극(약 0.025㎜)을 제공하여 복수개의 베인 에어포일(66)을 결합시키므로써, 본 발명의 압축기 다이아프램 조립체(64)를 용이하게 제작할 수 있다.

연결봉(74)의 측벽은 각도(

)로 정의된다. 이 각도는, 제6도의 A 방향 및 B 방향으로 전자비임 용접을 해서 결합시키기에 적합한, 즉, 평행한 측벽을 가지는 슬롯(72)에 적합한 0 도에서부터, 수축 조립에 적합한 90 도 미만의 테이퍼에 이르기까지 다양하게 선택할수 있다. 예를들면, 제7도에 도시한 테이퍼 슬롯(72)의 경우에는, 액화질소 또는 기타 적절한 수단을 이용해서 연결봉(74)을 수축시킨다음, 이것을 슬롯(72)내에 조립한후 팽창시켜서 결합을 행할수 있는 것이댜.한편, 베인 에어포일(64)과 그것에 조립된 연결봉(74)을 약 260

F까지 가열하면, 압축응력 및 인장응력이 작은 록크업 시스템을 제공할수 있다. 또한, 테이퍼슬롯(72)의 양측벽과 연결봉(74)사이에는 블레이드 타입의 여유간극을 두고, 슬롯의 길이방향으로 조립되는 복수개의 핀(96)을 이용해서 연결봉(74)을 슬롯(72)에 결합시킬 수도 있다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명의 압축기 다이아프램 조립체(64)에 의하면, 열영향부로 인한 피로 균열의 문제가 해소될 뿐만 아니라, 일반적으로 내측 보호판 및 외측보호판에서 발생하는 응력집중현상이 상당히 경감된다. 일체형의 베인 에어포일을 사용할 경우에는, 과거부터 로터블레이드의 제조에 이용되어 온 통상의 제조방법, 예를들면 주조, 단조, 형삭 가공등을 적용할수 있으므로, 에어포일의 제조에 소요되는 비용이 최소화되고, 제품의 품질을 최대로 높일수 있다. 또한, 이상으로 부터 명백하게 이해할수 있는 바와같이, 손상된 베인에어포일(66)을 하나씩 용이하게 교환할수 있고, 베인에어포일(66)과, 단편화된 시일캐리어(80)와, 외측보호판(70)과, 슬롯(75)간에 다수의 접면부가 존재하므로, 기계적인 완충효과를 높일수 있으며, 이 결과 동적 반응이 최소화된다.

Claims (4)

1. 케이싱(50)과, 복수개의 디스크(46)를 갖는 샤프트(44)를 따라서 축방향으로 배치된 복수개의 회전블레이드(42)를 포함하는 로터(40)과, 터어빈(12)의 압축부(34)에서 상기 케이싱(50)의 내부에 제1의 소정단면을 가지도록 원주방향으로 형성된 하나 또는 그 이상의 슬롯(75)을 가지는 연소터어빈(12)에 사용되는 것으로서, 일체로 형성된 내측보호판(68) 및 외측보호판(70)을 갖는 복수개의 베인에어포일(66)을 포함하고, 상기 외측보호판(70)은 상기 터어빈 케이싱(12)의 상기 슬롯(75)내에 미끄럼조립될 수 있도록 상기 제1의 소정단면에 대응하는 단면으로 된 상측부를 포함하는 압축기 다이아프램 조립체(64)에 있어서, 상기 복수개의 에어포일(66)중 인접한 것들을 가로질러 연장되어 각각의 일체형 내측보호판(68)및 일체형 외측보호판(70)부분에서 상기 인접한 에어포일들을 상호연결하도록 된 부하전달수단(76)을 구비한 것을 특징으로 하는 압축기 다이아프램 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 베인에어포일(66)용의 상기 부하전달수단(76)이, 상기 내측보호판(68)및 외측보호판(70)중 인접한것들을 결합시키기 위하여 상기 내측 및 외측보호판(68),(70)에 형성된 홈(72)속에 배치되는 연결봉(74)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
3. 제2항에 있어서, 상기 외측보호판(70)및 상기 내측보호판(68)에 형성된 상기 각각의 홈(72)이 평행한 측벽을 가지는 것을 특징으로 하는 조립체.
4. 제2항에 있어서, 상기 외측보호판(70)및 상기 내측보호판(68)에 형성된 상기 각각의 홈(72)이 테이퍼형 측벽을 가지며, 상기 연결봉이 상기 테이퍼형 홈에 조립될 수 있도록 그에 대응하는 테이퍼형 단면으로 된 것을 특징으로 하는 조립체.

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