KR100261003B1 - 증기 터빈 - Google Patents

증기 터빈

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롤프 슈파르만
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칼 하인쯔 호르닝어
지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

증기 터빈은 샤프트(3), 및 하우징(4)내로 유입되는 증기 흐름을 조절하기 위한 콘트롤 밸브(30)를 포함하며, 상기 샤프트(3)는 적어도 그 길이의 일부가 하우징(4)내에 배치되며 상기 하우징(4)을 통해 뻗어있고, 상기 하우징(4)은 고압 측(17) 및 이것에 마주놓인 증기 배출측(12)을 갖는다. 매우 양호한 효율과 더불어 증기 터빈(1)의 장애없는 작동을 위해, 본 발명에 따라 하우징(4) 내부에서 고압 측(70) 및 증기 배출 측(12)에 배치된 자기 베어링(6,8,14)에 의한 샤프트(3)의 건식 베어링, 및 전자 액추에이터(28)에 의한 콘트롤 밸브(30)의 오일없는 작동이 제공된다.

Description

증기 터빈
본 발명은 미국특허 제 4,393,658호와 마찬가지로, 하우징 내로 유입되는 증기 흐름을 조절하기 위한 하나 이상의 제어 밸브, 및 적어도 일부가 하우징 내에 배치되고 하우징의 고압측 또는 대향의 증기배출측(폐증기측)에서 상기 하우징을 관통 연장하는 샤프트를 갖춘 증기 터빈에 관한 것이다.
통상적으로, 증기 터빈의 작동 시에는 유압 장치, 예컨대 오일로 윤활되는 레이디얼 베어링(radial bearing) 및 스러스트 베어링(thrust bearing)과, 그리고 유압으로 작동되는 제어 밸브 및 이에 속한 제어장치가 사용된다. 또한, 신속하게 작동하는 메인 차단장치인 소위 급속 차단 밸브 및 터빈 로우터(rotor)의 회전을 위해 제공되는 회전장치는 유압으로 작동된다. 그러나, 증기 터빈에서 오일을 사용하는 것은 근본적으로 화재의 위험을 수반한다. 연소가 불가능하거나 잘 연소되지 않는 유체와 관련한 현재까지의 연구는 만족할 만한 결과를 가져오지 못했다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 단점을 피하면서 장애 없는 작동이 가능한 증기 터빈을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따라, 하우징 내의 고압측 및 증기배출측에 배치되는 자석 베어링(magnet bearing)에 의하여 샤프트를 오일 없이 지지하고, 그리고 적어도 하나의 전자기적 액츄에이터(electromagnetic actuator)에 의하여 제어 밸브를 오일 없이 작동시킴으로써 달성된다.
하우징 내부에서 고압측에 배치되는 자석 베어링은 바람직하게는 레이디얼 베어링 및 스러스트 베어링을 포함한다. 또한, 고압측에는 고정 베어링이 제공되며, 이 고정 베어링은 바람직하게는 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링 사이에 배치된다. 자석 베어링 및 고정 베어링은 바람직하게는 터빈 하우징에 플랜지에 의해 결합되고 덮개에 의해 증기 밀봉방식으로 밀폐됨으로써, 고압측에서 하우징 내부에 놓인 증기 챔버와 외부가 연통되지 않는다. 압축기 또는 제너레이터와 같은 기계를 구동시키기 위해 샤프트가 고압측에서 하우징을 통해 연장되어 있는 경우에는 덮개가 증기배출측에 제공된다. 그러나, 샤프트는 증기배출측에서 하우징을 통해 연장되는 것이 바람직하다.
기밀 구조의 증기 터빈에서 고압측에는, 종종 추력 보상을 위한 보상 피스톤이 밀봉부로서 소위 래비린드 시일(labyrinth seal)을 갖추고 있다. 자석 베어링 및 고정 베어링은 바람직하게는 증기 챔버와 상기 밀봉부 사이에, 즉 증기배출측에서 볼 때 밀봉부의 앞에 배치된다. 이러한 배치에 의해, 고압측에 있는 자석 베어링과 증기배출측에 있는 자석 베어링 사이에 매우 작은 베어링 간격이 얻어지며, 이에 의하여 샤프트의 진동상태가 ″강성 샤프트″의 이상적인 상태에 가까워진다는 장점을 갖는다. 다른 한편으로는 하우징 내부에서, 즉 터빈의 증기 챔버에서 통상적인 베어링 간격이 유지된다면, 부가적으로 블레이드를 배열하기 위한 공간이 생기게 된다. 따라서, 매우 높은 증기 터빈 효율이 얻어진다.
샤프트가 증기배출측에서 터빈 하우징을 통해 뻗어있는 경우에는, 이곳에 제공된 로우터와 터빈 하우징 사이에 밀봉이 필요하다. 증기배출측에서 샤프트를 지지하기 위해, 레이디얼 자석 베어링 및 마찬가지로 하우징 내부에 놓이는 또 다른 고정 베어링이 제공되는 것이 바람직하다. 상기 밀봉부는 증기의 흐름방향에서 볼 때 상기 2개의 베어링의 앞, 사이 또는 (베어링 간격의 단축을 위해서는) 뒤에 배치될 수 있다. 또한, 스러스트 자석 베어링이 하우징의 증기배출측에 제공되고 그 앞에 고정 베어링 및 레이디얼 자석 베어링이 배치될 수 있다.
하우징 내로 유입되는 생증기를 조절하기 위한 제어 밸브를 가동 가로대(moving crosspiece)를 통해 공동으로 작동시킬 수 있는 전자기적 액츄 에이터는 통상적으로 이전에 사용되었던 유압 실린더를 대체한다. 따라서, 액츄에이터가 바람직하게는 하우징 내부에 배치될 수 있다. 또한, 유압 전달율 전자적인 출력으로 대체할 수 있으며, 이 경우에는 다만 전선만이 하우징을 통해 연장된다. 물론, 제어 밸브의 수에 상응하는 수의 전자기적 액츄 에이터가 제공될 수 있다.
액츄에이터로서 바람직하게는 전자기적 선형 구동부가 사용된다. 이 경우, 각각의 제어 밸브에는 철 요우크 및 코일을 갖춘 전자석과 커넥팅 로드에 연결되어 선형으로 이동 가능한 자기적 전기자(magnetic armature)가 설치된다. 그렇게 되면, 모든 조절 부재를 동시에 작동시킬 수 있는 가동 가로대가 필요 없어진다.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 자석 베어링 및 전자기적 액츄에이터를 갖춘 오일 없는 증기 터빈의 횡단면도이고, 제2도 및 제3도는 전자기적 액츄에이터의 또 다른 실시예이다.
모든 도면에서 서로 대응하는 부품은 동일한 도면부호를 갖는다.
제1도에 도시된 증기 터빈(1)은 샤프트(3)상에 회전 가능하게 지지되는 터빈 로우터(2) 및 고정된 터빈 하우징(4)을 포함한다. 샤프트(3)는 2개의 레이디얼 자석 베어링(6 및 8)에 지지되며, 자석 베어링(6)은 증기 터빈(1)의 고압측(10)에 배치되고 자석 베어링(8)은 증기배출측(12)에 배치된다. 제1도에 따른 증기 터빈(1)에서, 샤프트(3)는 증기배출측(12)상에서 터빈 하우징(4)을 통해 안내된다. 그러나, 샤프트(3)가 고압측(10)상에서 터빈 하우징(4)을 통해 안내될 수도 있다.
실시예에서 고압측(10)상에 배치되는 스러스트 자석 베어링(14)은 샤프트(3) 위에서 터빈 로우터(2)를 축방향으로 고정시키며, 또한 증기에 의해 발생되는 추력을 수용한다. 그러나, 스러스트 자석 베어링(74)이 증기배출측(12)에 배치될 수도 있다.
또한, 고압측(10)에는 제 1 고정 베어링(10)이 제공된다. 본 실시예에서, 제 1 고정 베어링(16)은 레이디얼 자석 베어링(5)과 스러스트 자석 베어링(14) 사이에 배치된다. 제 2 고정 베어링(18)은 증기배출측(12)에서 증기의 흐름방향으로 볼 때 레이디얼 자석 베어링(8)의 뒤에 배치된다. 자석 베어링(6 및 8)의 고장시 샤프트(3)는 고정 베어링(16 및 18) 내에서 회전할 수 있다.
현재 이용 가능한 자석 베어링용 코일 재료는 약 400℃ 이하의 온도에 대해 설계된다. 그러나, 증기 터빈(1)의 증기 챔버에서는 540℃ 이하의 온도가 발생할 수 있다. 따라서, 자석 베어링(6,8 및 14)과 고정 베어링(16 및 18)을 냉각시킬 필요가 있다. 이를 위해서, 증기 터빈(1)의 물-증기 순환계로부터 물이 빼내어질 수 있다. 이러한 경우에는 펌프 또는 냉각기와 같은 부가의 장치가 필수적이지 않게 된다. 고온용으로 설계된 코일 재료가 사용되는 경우에는, 냉각이 생략될 수 있다. 고온에 대한 내열성은 예컨대, 코일 와이어를 세라믹 절연시킴으로써 얻어질 수 있다.
고압측(10), 즉 전방 베어링 하우징은 하우징(4)에 설치된 덮개(23)에 의해 증기 밀봉방식으로 밀폐되므로, 이곳에서는 외부와의 연통이 이루어지지 않는다. 본 실시예에서 고압측(10)상에 배치된, 래비린드 시일(22)을 갖춘 보상 피스톤(20)은 반동 터빈(berdruckturbine; reaction turbine)에서만 필요하다.
증기배출측(12)에 제공된 무접촉 샤프트 시일 또는 밀봉부(24)는 증기의 흐름 방향으로 볼 때 레이디얼 자석 베어링(8) 및 제 2 고정 베어링(18)의 전후 또는 그들 사이에 배치될 수 있다. 상기 샤프트 시일 또는 밀봉부(24)는 어떠한 경우에도 필요한데, 그 이유는 상기 배출측에서 샤프트(3)가 하우징(4)을 통해 안내되기 때문이다.
하우징(4)은 터빈 로우터(2)를 완전히 둘러싸며 샤프트(3)의 일부를 둘러싼다. 또한, 하우징(4)은 자석 베어링(6,8,14), 고정 베어링(16,18) 및 밀봉부(22,24)을 둘러싼다. 생증기용 유입박스(20)는 하우징(4)의 일부로 구성된다. 다수의 제어 밸브(30)(이중 단 하나만 도시되어 있음)를 위한 적어도 하나의 전자기적 액츄에이터(28)도 마찬가지로 하우징(4)의 내부에 배치된다.
전자기적 액츄에이터(28)는 철 요우크(32), 코일(34), 커넥팅 로드(36)에 접속된 가동(moving) 자기적 전기자(38), 및 고정 철심(40)을 포함한다. 커넥팅 로드(36)는 가동 가로대(42)에 작용한다. 가로대(42)에 의하여, 투영면에 대해 수직으로 차례로 배치되는 다수의 제어 밸브(30)가 동시에 작동될 수 있다. 고정된 철 요우크(32) 하부에 제공된 코일 스프링(44)은 제어 밸브(30)를 폐쇄시키며, 증기 터빈(1)의 작동 동안 제어 밸브(30)에 작용하는 증기압도 마찬가지로 폐쇄방향으로 작용한다. 따라서, 전자기적 액츄에이터(28)에 의해 제공되는, 제어 밸브(30)를 개방하기 위한 힘은 적어도 기계적 스프링(44)의 탄성력과 제어 밸브(30)에 작용하는 증기압의 합에 상응하여야 한다.
제어 밸브(30)는 가로대(42)에 작용하는 단 하나의 전자기적 액츄에이터(28)에 의해 작동될 수 있다. 대체안으로서, 상기 제어 밸브(30)는 다수의 액츄에이터(28)에 의해 작동될 수도 있고, 이 경우 각각의 제어 밸브(30)에 하나의 전자기적 액츄에이터(28)가 할당된다. 또 다른 가능한 실시예는 제2도 및 제3도에 도시되어 있다.
제2도에 따르면, 액츄에이터(28)가 유입박스(20) 옆에 배치된다. 여기에서는 가동 자기적 전기자(38)가 커넥팅 로드(36)에 직접 연결되는 것이 아니라 레버(50)를 통해 연결된다. 마찬가지로, 커넥팅 로드(36)가 제어 밸브(30)를 갖는다. 또한, 레버(50)는 하우징에 고정된 지지부(52)에 이동 가능하게 고정된다.
제1도 및 제2도에 도시된 장치에서 제어 밸브(30)는 액츄에이터(28)의 전자기력에 의해 개방된다. 액츄에이터(28)는 제어 밸브(30)에 대한 반대의 힘방향으로도 배치될 수 있으므로, 액츄에이터(28)의 전자기력은 제어 밸브(30)를 폐쇄시킨다. 이것은 예컨대 급속 차단의 경우에 바람직하다. 스프링(44)은 앞선 실시예보다 작은 힘을 제어 밸브(37)의 폐쇄 방향으로 가한다.
제어 밸브(30)를 폐쇄하기 위해 자기적 전기자(38)의 운동을 커넥팅 로드(36)로 직접 전달하는 것은, 커넥팅 로드(36)가 철심(40) 내의 보어를 관통하여 자기적 전기자(38)에 의해 제어 밸브(30)의 폐쇄방향으로 이동되도록 구성된 장치에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 장치에서는 자기적 전기자(38)의 위치와 보어가 형성되어 있는 철심(40)의 위치가 바뀐다.
제3도에 도시된 액츄에이터(28)는 마찬가지로 유입 박스(20)의 옆에 배치되며 코일(60)을 포함한다. 상기 코일(60)은 시간적으로 일정한 자기장내에서 선형으로 이동될 수 있다. 코일(60)의 운동은 레버(50)에 의해 제어 밸브(30)로 전달된다. 상기 자기장은 영구자석(62)에 의해, 코일(68)을 갖춘 전자석(64)에 의해, 또는 영구자석(62) 및 코일(68)을 갖춘 전자석(64)으로 구성된 조합체에 의해 형성되는 두 자기장의 중첩에 의해 만들어진다. 철심(66)에 접속된 영구자석(62)(그것의 자기극이 N 및 S로 표시되어 있음)은 철 요우크(67) 내에서 코일(68)에 의해 둘러싸여 있다. 코일(60)에 작용하는 전자기 로오렌쯔 힘은 코일(60)을 통해 흐르는 전류에 비례하고, 자기장 내에서 그것의 위치와는 무관하다.
영구자석(62)은 낮은 보자성(retentivity) 철심으로 대체될 수 있다. 코일(60 및 68)을 직렬로 동일한 전류로 작동시키면, 가동 코일(60)에 가해지는 힘은 상기 전류의 제곱에 비례한다.
제1도에 따른 증기 터빈(1)의 작동시 신선한 증기는 유입 박스(20) 및 제어 밸브(30)를 통해 하우징(4)에 의해 둘러싸인 증기 챔버 내로 흐르며 노즐(69)을 통해 회전 휠(70)상에 부딪친다. 거기서부터 증기는, 다수의 고정된 안내 블레이드(72), 및 로우터(2)에 고정되어 안내 블레이드(72)와 함께 회전하는 회전 블레이드(74)로 구성된 개별단계를 통해 흐른다. 블레이드(72 및 74)는 단계마다 더 커지고 더 길어지도록 구성되는데, 그 이유는 작동 증기가 팽창됨으로써 그 부피가 커지기 때문이다. 팽창된 증기는 증기 배출관(76)을 통해 흐르며 먼저 프로세스 증기로 사용되거나 또는 증기 터빈 다음에 연결된 응축기(도시 안함)로 직접 공급된다.
제어 밸브(30)는 하우징(4) 내로 유입되는 신선한 증기 흐름의 세기를 조절하기 위해 사용되며, 상기 밸브(30)의 행정은 각각의 제어 밸브(30)에 할당된 액츄에이터(28) 내의 코일 전류에 의해 제어된다. 상기 코일 전류는 바람직하게는 전자 제어장치에 의해 변동된다. 이에 필요한 라인(도시 안함)은 하우징(4)을 통해 액츄에이터(28)에 연결된다. 제어 밸브(30)의 작동을 위해, 바람직하게는 PID 제어장치가 제공되며, 상기 제어장치에서 밸브행정 및 그것의 변동속도는 제어장치에 의해 영향을 받는 값을 나타낸다.
통상적으로 신속하게 작용하는 메인 차단장치로 사용되는 급속 차단 밸브의 사용시, 상기 밸브는 급속 차단 스프링의 압축을 위한 유압장치 대신에 전자석 또는 전동기에 의해 작동된다. 시동(triggering)은 전기 기계적으로 이루어지며, 스프링은 밸브 시트 앞에서 밸브를 밀봉시키면서 지지하기 위해 사용된다. 물론, 전동기는 전술한 유압 회전장치의 기능을 수행한다.
이러한 오일 없는 증기 터빈, 및 상기 터빈에 의해 구동되는, 마찬가지로 자석 베어링을 갖춘 압축기는 완전한 작업세트 또는 일련의 기계로서 오일 없이 작동될 수 있다. 마찰 손실이 적으며 자석 베어링의 에너지 소모가 적기 때문에, 일련의 기계의 효율은 매우 높다. 자석 베어링(6,8,14)을 사용함으로써 샤프트(3)의 진동이 특히 바람직하게 보상될 수 있다. 이러한 장점은, 특히 터보세트의 제너레이터가 추가로 자석 베어링을 가지며 오일없는 증기 터빈에 의해 직접 구동될 때 나타난다. 따라서, 실질적으로 화재의 위험이 배제된다.

Claims (9)

  1. 적어도 길이의 일부가 하우징(4) 내에 배치되며 하우징의 고압측(10) 또는 대향의 증기배출측(12)에서 상기 하우징(4)을 관통 연장하는 샤프트(3), 및 하우징(4) 내로 유입되는 증기흐름을 조절하기 위한 하나 이상의 제어 밸브(30)를 구비하는 증기 터빈에 있어서, 상기 샤프트(3)가 상기 하우징(4) 내부에서 상기 고압측(10) 및 증기 배출측(12)에 배치되는 자석 베어링들에 의하여 오일 없이 지지되고, 그리고 상기 제어 밸브(30)가 하나 이상의 전자기적 액츄에이터(28)에 의하여 오일 없이 작동되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고압측(10)에 있는 자석 베어링이 레이디얼 베어링(6) 및 스러스트 베어링(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이디얼 베어링(6)과 스러스트 베어링(14) 외에도, 상기 두 베어링(6,14) 사이에 배치되는 고정 베어링(16)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압측(10) 또는 증기배출측(12)이 덮개(23)에 의해 증기 밀봉방식으로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(4)의 고압측(10)에 시일(22)이 제공되고, 상기 레이디얼 베어링(6) 및 스러스트 베어링(14)이 상기 증기배출측(12)에서 볼 때 상기 시일(22)의 앞쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(4)의 내부에서 상기 증기배출측(12)에 제 2 고정 베어링(18)이 제공되고, 상기 증기배출측(12)에 제공되는 제 2 시일(24)이 증기의 흐름 방향으로 볼 때 상기 자석 베어링(8)과 상기 고정 베어링(18)의 앞쪽 또는 그들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자기적 액츄에이터(28)가 상기 하우징(4)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전자기적 액츄에이터(28)가 철 요우크(32), 코일(34), 및 커넥팅 로드(36)에 연결된 자기적 전기자(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(4)의 내부에서 상기 증기배출측(12)에 제 2 고정 베어링(18)이 제공되고, 상기 증기배출측(12)에 제공되는 제 2 시일(24)이 증기의 흐름 방향으로 볼 때 상기 자석 베어링(8)과 상기 고정 베어링(18)의 뒤쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
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