KR0179349B1

KR0179349B1 - 증기 터빈

Info

Publication number: KR0179349B1
Application number: KR1019890006439A
Authority: KR
Inventors: 콤비 그로에넨다알 존
Original assignee: 젯트.엘.데머; 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1989-05-13
Publication date: 1999-03-20
Also published as: CN1038494A; JPH01318703A; IT1233365B; ES2014093A6; IT8941598A0; KR900018498A; US4863341A; JP2888300B2; CA1304001C

Abstract

내용없음.

Description

증기 터빈

제1도는 종래에 이용되고 있는 구성 요소를 구비하는 저압 증기 터빈의 부분 단면도이고, 제2도는 본 발명에 따라 구성된 저압 증기 터빈의 부분 단면도이며,

제3도는 회전자와 회전자 조립체를 제거한 상태의 제2도의 일부 확대도이고,

제4도는 고정자 조립체를 제거한 상태의 제2도의 Ⅳ-Ⅳ선에서 취한 단면도이며,

제5도는 제4도의 선Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 도면으로서, 내부 케이싱의 수평 죠인트 플랜지와 블레이드 링 사이의 관계를 보여주는 도면이고,

제6도는 내부 케이싱과 증기 도관과의 사이에 위치한 전이 구조체의 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

40 : 증기 터빈 46 : 내부 케이싱

48 : 입구 챔버 50 : 회전자

54 : 회전 블레이드 58 : 고정 블레이드

60a,60b,60c : 블레이드 링 62a : 측벽

70 : 리브 80 : 고정 바아

본 발명은 터빈 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세히 말하면 열의 작용에 의한 비틀림 또는 변형을 최소한으로 억제하는 증기 입구(이하, 단지 「입구」라 한다)영역의 증기 터빈 구조체에 관한 것이다.

증기를 터빈에 제공하면, 통상은 그것에 수반해서 증기와 그 증기에 접촉하는 터빈 구성 요소와의 사이에서 열전달이 이루어진다. 이 열전달이 이루어지면, 그 결과로 생기는 주로 열팽창 또는 열수축, 또는 이들 두 현상 모두에 기인하여 터빈의 여러 가지 구성 요소가 열의 작용 때문에 변형되는 경향이 강하다. 이러한 터빈의 구성 요소의 열변형에는 응력을 제거하면 원상으로 복귀하는 탄성 변형과, 응력을 제거하더라도 원상으로 복귀하지 않는 소성 변형의 2가지 형태가 있다. 용도에 따라서는, 소성 변형 정도가 입구 챔버 내에 설치된 고정 바아 또는 터빈의 내부 케이싱의 수평 죠인트 플랜지를 손상시켜서, 결국 원상 복귀시킬 수 없게 할 만큼 현저히 큰 경우가 있는데, 이러한 경우에는 비용을 들여서 손상된 구성 요소를 수리하거나 교환해야 한다.

또한, 열변형은 터빈의 내부 케이싱의 단부를 타원형으로 변형시킬 만큼 증대되는 경향이 있다. 이와 같이, 내부 케이싱의 단부가 타원형으로 변형되면(이하,「타원형 변형」이라 한다), 회전자의 회전 브레이드에 밀접하게 위치하는 내부 케이싱의 여러 부분이 회전자의 회전 블레이드로부터 떨어지게 되고, 그 결과 간극이 커지게 되어 증기 누설이 발생하게 된다. 타원형 변형이 발생한 경우의 보다 큰 문제는 내부 케이싱의 여러 부분이 회전자의 회전 블레이드에 접한다는 데에 있다.

접근 정도가 심하면, 회전자의 회전 블레이드가 내부 케이싱의 표면과 마찰되어 손상이 발생함과 아울러 효율이 저하한다.

따라서, 터빈의 정렬 관계를 정확하게 유지하기 위해서 뿐만 아니라, 효율의 유지를 위해서도 열변형을 최소한으로 억제하는 것이 바람직하다.

터빈 구성 요소의 열변형은 저압 증기 터빈에서 특히 중요한 문제이다. 저압 증기 터빈에 있어서는 터빈의 입구와 증기 배출부 또는 환상체(環狀體)에서 특히 증기 온도에 현저한 차이가 있다. 예를 들면, 저압 증기 터빈의 입구에 유입하는 증기의 온도는 약 700°F(약 371℃)이며, 최후의 블레이드 열(列)을 통과한 때의 증기의 온도는 약 100°F(약 38℃)인 것으로 판명되고 있다. 이러한 온도 저하에 기인한 열부하에 의해 전술한 문제가 발생하는 경우가 있다.

이제, 제1도에 도시한 바와 같은 현재 이용할 수 있는 저압 증기 터빈을 간단히 고찰한다. 증기 공급원(도시되지 않음)으로부터의 증기는 외부 케이싱(14)의 외면에 장착된 도관(12)을 통해서 터빈(10)에 공급된다. 증기는 외부 케이싱에 마련된 개구를 통해서 내부 케이싱내에 형성되어 있는 입구 챔버(18)로 유입한다. 회전자(20)가 회전 축선 A를 중심으로 해서 회전하도록 베어링(22)에 장착되어 있다.

고정 블레이드(26)으로 구성되는 복수 개의 환상열(環狀列)이 증기를 회전 블레이드(24)로 향하도록 회전자의 회전 블레이드(24)에 대하여 작동적으로 위치하고 있다.

고정 블레이드(26)는 여러가지 블레이드 링에 장착된 상태로 위치해 있고, 이들 블레이드 링은 내부 케이싱(16)의 벽(30)에 장착되어 있다. 입구 블레이드(29a,29b)는 이들 사이에 증기의 흐름 통로가 되는 개구(31)가 형성되도록 위치하고 있다. 내부 케이싱(16)은 끼워맞춰진 상태로 있는 다우엘 조립체(dowel assembly)(32)에 의해 외부 케이싱(14)과 정렬되어 있다.

입구 챔버(18)는 회전 축선 A에 대하여 어떤 각도로 배향(配向)된 측벽(34)을 가지는 것으로 도시되어 있다. 측벽(34)은 일단이 벽(30)에서, 타단이 입구 블레이드 링(29a,29b)에 장착되어 있다. 복수 개의 고정 바아(36)(하나만이 도시됨)가 입구 블레이드 링(29a,29b)사이에 설치되어 있다. 많은 리브(38a,38b)가 내부 케이싱(16)내에서 회전자 둘레에 위치함과 아울러, 각 리브의 단부는 벽(30)및 입구 블레이드 링(29a,29b)에 접촉하고 있다.

작동 관계를 설명하면, 증기의 흐름이 도관(12)을 통해서 터빈(10)에 공급된다. 증기는 외부 케이싱(14)및 내부 케이싱(16)을 통해서 입구 챔버(18)로 유입한다. 입구 챔버(18)는 증기 흐름을 회전자의 중간 위치로 안내하며, 여기에서 증기는 팽창하면서 서로 번갈아 배치된 환상의 고정 블레이드 열과 회전 블레이드 열을 축방향으로 통과하면서 회전자를 회전시킨다(이하에서는 고정 블레이드및 회전 블레이드로 이루어진 열을 「환상열(環狀列)」이라고도 부름).최종 블레이드 열을 통과한 후, 증기 흐름은 배기부(39)속으로 안내되며, 그 후 증기의 재순환이 행해진다.

본 발명의 목적은 저압 증기 터빈에 있어서, 열부하에 의해 터빈 내부에 위치한 회전자의 회전 축선과 평행한 방향으로 발생하는 열응력을 감소시키는 구조로서, 환상의 회전 블레이드 열이 회전자의 주위에 배치되고, 고정자 조립체가 케이싱 내부에 위치하여 회전자 둘레에 배치되며, 케이싱은 측벽에의해 구획되어 있는 증기의 흐름 방향을 정하는 입구를 구비하며, 고정자 조립체는 측벽에 연결된 제1의 블레이드 링을 구비하고, 환상의 고정 블레이드 열이 젭 블레이드 링 각각에 장착됨과 아울러 증기 흐름을 회전자의 회전 블레이드로 안내하도록 그 회전 블레이드에 대하여 작동적으로 배치되고, 복수 개의 리브가 고정자 조립체 내에서 회전자 둘레에 위치하며, 리브의 단부가 측벽 및 제1블레이드 링으로부터 간격을 두고 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 증기 터빈을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 첨부 도면에 예시적으로 보여주는 데에 불과한 바람직한 실시예에 대한 후술되는 설명을 읽으면 한층 용이하게 이해될 수 있다.

본 발명의 원리에 따라 구성된 저압 터빈용의 신규한 내부 케이싱이 제2도에 도시되어 있다. 저압 증기 터빈은 전체가 참조 부호 40으로 도시되어 있다. 증기 공급원(도시되지 않음)로부터의 증기는 외부 케이싱(44)에 마련된 개구를 관통하고 있는 도관(42)을 통해서 터빈(40)에 공급된다. 이후, 증기는 내부 케이싱(46)에 마련된 개구(이 개구에 대해서는 제4도를 참조하여 설명한다)를 통해서 입구 챔버(48)로 유입한다. 외부 케이싱(44)과 내부 케이싱(46)은 상반부와 하반부로 분할되어 있지만, 이들 절반부들은 수평 중심면인 이른바 수평 죠인트(제5도에 참조)에 의해 공지의 방법으로 상호 접합되어 있다.

회전자(50)가 회전 축선 A를 중심으로 회전하도록 베어링(52)에 장착되어 있다. 반경 방향으로 뻗은 회전 블레이드(54)로 구성되는 복수 개의 환상열(環狀列)이 회전자(50)의 주위에 마련되어 있다. 회전 블레이드(54)의 환상열은 회전자의 중간지점(56)의 각 측부에서 축방향으로 일정 간격을 두고 배치되어 있다. 각 열의 블레이드의 길이는 어떤 열이든 동일하다. 블레이드 길이는 회전자의 중간 지점(56)으로부터 축방향으로 멀어짐에 따라 증대되고 있다.

정지부인 고정자 조립체가 회전자(50)의 둘레에 배치되어 있는데, 이 고정자 조립체는 회전자의 회전 블레이드(54)에 대해서 작동적으로 위치하여 증기 흐름을 회전자의 회전 블레이드(54)로 안내하는 고정 블레이드(58)의 복수 개의 환상열을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 고정 블레이드(58)는 복수 개의 링(60a,60b,60c)에 장착된 상태로 위치되어 있고, 이들 링은 중간 지점(56)의 각 측부에서 내부 케이싱(46)의 각각의 벽(62a,62b,62c)에 장착되어 있다. 제3도에 도시된 실시예에서,블레이드 링(60a,60b)은 각각 임의의 적절한 수단에 의해 벽(62a,62b)에 장착됨과 아울러 다우엘(64a,64b)에 의해 정렬되어 있다.

도시되어 있지는 않지만, 고정자 조립체는 거의 동일한 상반부와 하반부로 분할되어 있고, 이들 상·하반부는 내부 케이싱의 상·하반부에 장착되어 있다. 회전자의 중간 지점(56)의 각 측부의 블레이드 링(60a)은 증기 흐름을 안내하는 개구 또는 유체 입구(65)(제3도 참조)를 형성하도록 장착되어 있다. 블레이드 링(60b,60c)은 회전 축선 A와 평행하게 회전자 중간 지점(56)으로부터 떨어져 있는 선을 따라, 또는 이러한 방향으로 블레이드 링(60a)으로부터 축방향으로 일정 간격을 두고 있는 상태로 도시되어 있다. 임의의 적당한 형태의 시일 또는 밀봉 부재(68)가 블레이드 링(60a,60b)사이에 배치되어 있다.

증기 흐름이 제1의 고정 블레이드 열과 회전자와의 사이를 통과하지 않도록 하기 위하여, 밀봉 기구(69)가 이들 제1고정 블레이드 열과 회전자와의 사이에 설치되어 있다. 밀봉 기구는 어떤 구성을 가져도 좋지만, 열부하에 의해 발생하는 축방향 힘이 제1고정 블레이드 열 사이로 전달되지 않도록 하는 구성을 가져야 한다.

벽(62b)과 블레이드 링(60c)과의 사이에 리브(70)가 위치한 상태에서 임의의 적당한 방법에 의해 정위치에 유지되어 있다. 리브(70)는 블레이드 링(60a) 또는 벽(62a)에 접촉할 정도까지는 뻗지 않는데, 보다 적절하게 말하면, 이러한 구성 요소로 부터 일정 간격을 두고 위치하고 있는 것에 주목하여야 한다. 벽(62b)에는 보강 거싯(stiffening gusset)(72)이 설치되어 있다. 입구 챔버(48)는 제1도에 도시된 리브(38a,38b)의 경우와는 대조적으로 리브(70)에 접촉하지 않으며 여전히 내부 케이싱(46)에는 연결되어 있으므로, 반격리(半隔離)상태에 있다고 할 수 있다.

내부 케이싱(46)은 여러 지점에서 외부 케이싱(44)에 결합되어 있지만 외측 방향 및 내측 방향으로 연장됨과 아울러 다우엘((78)이 삽입된 둘레의 보스(peripheral boss)(74,76)에 의해서, 또는 외부 케이싱(44)과 동심으로 격리된 관계로 유지되어 있다.

입구 챔버(48)는 회전 축선 A와 실질적으로 수직으로, 또는 회전 축선으로부터 반경 방향으로 배치된 측벽(62a)을 구비하는 것으로 도시되어 있으며, 증기 흐름으로부터 이 측벽으로 전달되는 열에 의해서 야기되는 열팽창이 주로 회전 축선에 대하여 수직 방향으로 향하게 되어 있다. 따라서, 그러한 열팽창 또는 열수축에 의해서 발생하는 힘의 방향은 실질적으로 반경 방향으로 된다. 제3도및 제4도를 참조하면, 복수 개의 고정 바아(80)가 링(60a) 사이에 설치되어 있다.

제4도및 제6도에 도시되어 있는 전이 부재(82)의 제1단부(42)가 도관(42)에 연결되어 있고, 이 반대측의 단부, 즉 제2의 단부는 내부 케이싱의 개구(88)의 치수·형상에 맞는 장방형 개구를 갖는다. 제4도에 도시된 바와 같이, 유밀(流密) 상태의 연결 관계를 유지하기에 적절한 임의의 수단에 의해 내부 케이싱(46)에 장착되어 있는 벽(90,92,94)이 개구(84)를 형성하고 있다. 벽(90,92,94)은 전이 부재(82)와 입구(48)의 상호 연결 수단으로서의 기능을 한다.

제6도에 도시된 바와 같이, 전이 부재(82)는 복수 개의 전체적으로 편평하거나 또는 평판형인 소편(小片)(96,98,100,102,104,106,108,110)으로 구성되어 있으며, 이들 소편은 도관(42)과 개구(88)와의 사이에 밀봉된 유로(流路)를 형성한다.

이제, 제2도에 도시된 바와 같은 터빈(40)의 운전중의 상태를 고려하면, 증기의 흐름은 도관(42)을 통해서 터빈(46)으로 공급된다. 증기는 외부 케이싱(44)및 전이 부재(82)를 통과하여 내부 케이싱(46)의 반격리(半隔離) 상태의 입구 챔버(48)로 유입한다. 입구 챔버(48)는 증기 흐름을 회전자 중간 지점(56)으로 향하여, 그리고 고정자 조립체의 입구(69)로 안내하는데, 그 후 증기는 팽창하면서 번갈아 배치된 환상의 고정 블레이드 열과 환상의 회전 블레이드 열을 축방향으로 통과하여 회전자를 회전시킨다. 증기는 마지막 블레이드 열을 통과한 후 배기부역할을 하는 개구(88)로 안내되며, 그 후 재순환된다.

증기 흐름이 터빈(40)의 여러 가지 구성 요소에 접촉하고 있는 사이에 상당한 열전달이 일어난다. 이 열전달에 의해 여러 가지 구성 요소에 작용하는 열부하가 발생한다. 그러한 열부하의 작용의 결과로 발생하는 축방향 힘이 주원인으로 되어 타원형 변형뿐만 아니라 고정 바아의 손상이 야기되는 것으로 판명되고 있다.

제1도에 도시된 벽(34)과 종래의 벽의 내부 케이싱 측벽 구조는 회전 축선에 대해서 일정 각도로 배향되어 있었다. 그러한 벽은 열부하를 받으면 회전 축선에 대하여 반경 방향과 축방향의 양방향의 분력(分力)을 갖는 힘이 발생했었다. 입구(48)에 대해서 제2도에 도시한 바와 같이 회전 축선과 수직인 측벽을 설치하면, 상기 축방향력이 없게 된다. 더욱이, 제1도에 도시된 리브(38a,38b)와 같은 종래의 설계의 리브에 열이 전달됨에 의해서 발생하는 축방향 힘은, 본 발명에서는 벽(62a)에 접촉하고 있지 않은 리브(70)에 작용한다. 따라서, 리브(70)에서 발생하는 열부하에 의해 발생된 힘의 축방향 분력은 벽(62a) 또는 고정 바아(80)에 아무런 영향을 미치지 않게 된다.

입구 챔버(48)를 리브(70)로부터 반격리(半隔離)상태로 배치함과 아울러 내부 케이싱의 측벽을 회전 축선과 수직으로 배향시킴으로써 얻어지는 또 한가지 이점은 내부 케이싱의 수평 죠인트 플랜지에 가요성이 추가로 부여된다는 데에 있다.

제1도에 도시된 터빈의 수평 죠인트 플랜지는 주로 리브(29a,29b)때문에 비교적 비가요성(非可撓性)이므로, 내부 케이싱(16)으로의 열전달에 의해 발생하는 힘에 의해 소성 변형되는 경향이 많게 된다. 제5도에 도시된 수평 죠인트 플랜지(112)는 리브(70)가 측벽(62a)및 블레이드 링(60a)으로부터 떨어져 있으므로, 가요성이 한층 증대된다. 이와 같은 수평 죠인트 플랜지(112)의 가요성이 증대됨에 의해 타원형 변형의 정도가 현저히 경감된다.

벽(62b,62c)이 리브에 의해 입구 챔버로 연결되어 있지 않기 때문에, 만일 수평 죠인트 플랜지의 가요성이 너무 크게되면, 보강 거싯(114)을 제3도에 도시한 바와같이 벽(62b,62c)사이에 배치하는 것이 바랍직하다. 거싯(114)은 하나 밖에 도시되어 있지 않지만, 그러한 거싯을 벽(62b,62c) 양방에 모두 설치하여도 좋다는 것을 이해해야 한다.

Claims

열부하에 의해 터빈(40)내부에 위치한 회전자(50)의 회전 축선과 평향한 방향으로 발생하는 힘을 감소시키는 구조의 저압 증기 터빈으로서, 회전 블레이드(54)로 이루어진 환상열이 회전자의 주위에 배치되고, 고정자 조립체(58,60,68,69,70,72)가 케이싱(46)내부에 위치하여 회전자(50)둘레에 배치되고, 상기 케이싱(46)은 측벽(62a)에 의해서 형성되어 증기의 흐름 방향을 정하는 입구(48)를 구비하는 증기 터빈에 있어서, 상기 고정자 조립체(58,60,68,69,70,72)는 상기 측벽(62a)에 연결된 제1블레이드 링(60a)을 구비하며, 고정 블레이드(58)로 이루어진 환상열이 제1 블레이드 링(60a) 각각에 장착됨과 아울러 증기 흐름을 회전자의 회전 브레이드(54)로 안내하도록 이 회전 블레이드(54)에 대하여 작동적으로 배치되며, 복수 개의 리브(70)가 고정자 조립체 내에서 회전자(50)의 둘레에 위치하고, 리브(70)의 단부가 상기 측벽(62a)및 제1블레이드 링(60a)으로부터 간격을 두고 위치하고 있으며, 상기 측벽(62a)은 터빈의 회전축에 대하여 수직으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
제1항에 있어서, 상기 케이싱(46)에 제2블레이드 링(60b,60c)이 연결되고, 고정 블레이드(58)로 이루어진 추가의 환상열이 상기 제2의 블레이드 링(60b,60c)에 장착되며, 상기 고정 블레이드(58)의 추가의 환상열이 축방향 변형을 방지하는 보강 부재(114)가 고정자 조립체(58,60,68,69,70,72)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
제2항에 있어서, 상기 케이싱(46)은 제1벽(62b)과 제2벽(62c)을 구비하며, 제2블레이드 링(60b,60c)은 상기 제1벽(62b)과 제2벽(62c)에 연결되어 있고, 상기 보강 부재는 상기 제1벽과 제2벽과의 사이에 결합된 거싯(114)인 것을 특징으로 하는 증기터빈.
제2항에 있어서, 상기 제1블레이드 링(60a)과 제2블레이드 링(60b)과의 사이에는 간극이 존재하며, 제1블레이드 링(60a)과 제2블레이드 링(60b)과의 사이에는 증기를 통과시키지 않도록 하는 밀봉 부재(68)가 배치되고 있는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 케이싱(46)과 회전자(50) 둘레에 상·하반부로 분할된 외부 케이싱(44)이 위치하고, 이 외부 케이싱(44)은 증기 흐름이 도입되는 입구(48)와 증기 흐름이 배출되는 출구를 유체 연통시키는 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.