KR100330520B1 - 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터 - Google Patents

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Abstract

상이한 재료로 이루어지는 로터를 용접에 의해 접합한 상이한 재료의 용접 로터에 관한 것으로, 용접부에서의 강도를 높여서, 접합부의 검사를 용이하게 한다. 증기 터빈 로터는, 베어링부 로터(1)와 고온부 로터(2)가 용접부(A)에서, 고온부 로터(2)와 저온부 로터(3)가 용접부(B)에서, 저온부 로터(3)와 베어링부 로터(4)가 용접부(C)에서 각각 용접에 의해 접합되고, 용접부(B, C)에는 공간부(5, 6)가 각각 형성된다. 공간부(5, 6)에는 검사 구멍(7, 8)이 각각 형성되어 있다. 로터(1)는 2·(1/4)CrMoV강, 로터(2)는 12Cr강, 로터(3, 4)는 NiCrMoV강으로 이루어지고, 고온부 로터(2)는 고내열강, 그 밖의 것은 저합금강으로 이루어지며, 재료비가 염가로 되고, 또한 검사 구멍(7, 8)과 공간부(5, 6)에서 용접부의 검사가 용이해진다.

Description

증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터{STEAM TURBINE DIFFERENT MATERIAL WELDED ROTOR}
본 발명은 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터에 관한 것으로, 고온부와 저온부에서 상이한 재료를 이용한 로터를 용접에 의해 접합하여 접합 강도를 높이고, 또한 로터 내부의 결함의 검사도 용이하게 한 것이다.
최근의 증기 터빈의 로터는 증기의 고온화에 따라 고온에서의 강도 및 인성(靭性)이 우수한 12% 크롬강이 사용된다. 이러한 로터는 고온 증기에 노출되는 고온부와 저온 증기에 노출되는 저온부가 모두 동일한 12% 크롬강을 사용하고 있으며, 최근에는 로터도 대형으로 되어 동일한 재료로 고온부의 특성과 저온부의 특성을 만족시키도록 제작하는 것이 어려워졌다. 또한, 로터부는 12% 크롬강으로 제작되고, 로터 주위의 슬리브나 커플링 등에는 저합금강이 사용된다.
12% 크롬강은 비용이 고가인 재료이고, 고온 증기에 노출되는 부분에는 내열성, 크리프 특성 등은 충분히 충족되지만, 저온부에서는 이러한 고가의 재료를 사용하지 않아도 좋고, 오히려 인성이 요구되어 저온 재료로 충분히 대응할 수 있다. 이러한 문제에 대처하기 위해서, 예를 들면 도 7에 도시하는 바와 같이 상이한 재료를 이용한 로터를 용접에 의해 접합하여 1개의 로터로 하는 것이 시도된다.
도 7에 있어서, 참조부호(31)는 고온부에 적용되는 12% 크롬강의 터빈 로터이고, 참조부호(32)는 저온부에 적용되는 저합금강으로 이루어지는 터빈 로터로서, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 니켈 등의 합금강으로 이루어진다. 참조부호(33)는 덧땜부로서, 터빈 로터(31)의 단부(34)에 형성되고, 9Cr강으로 이루어진다. 참조부호(35)는 개구 선단으로, 접합되어야 하는 덧땜부(33)와 터빈 로터(32) 사이에 형성되고, 용접 금속(36)에 의해 용접되며, 1개의 로터를 구성한다.
전술한 바와 같이 종래의 증기 터빈 로터는 고온부로부터 저온부에 걸쳐 신장되어 있고, 고온 고압의 증기에 노출되는 부분과 저온 저압 증기에 노출되는 부분으로 이루어져 있다. 종래에는 이 증기 터빈 로터는 12% 크롬강으로만 일체로 성형되어 있었지만, 12% 크롬강은 비용이 고가이므로, 그로 인해 도 7에 나타내는 바와 같은 상이한 재료로 이루어지는 로터를 접합하여 하나의 로터로서 제작하는 것이 제안되고 있다. 그러나, 종래의 상이한 재료의 로터를 접합한 증기 터빈 로터에서는 그 분할 부분에 따라 용접 강도가 상이하고, 또한 용접 후 결함의 검사가 충분히 실행될 필요가 있지만, 구조상, 검사가 충분히 실시될 수 있는 점이 고려되어 있지 않다.
그러므로 본 발명은 상이한 재료를 접합하여 구성한 증기 터빈 로터에 있어서, 특히 접합부의 형상을 연구하여, 접합부의 강도를 높이는 용접 구조로 하고, 또한 접합부의 검사가 충분히 실시될 수 있는 구조로 한 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터를 제공하는 것을 과제로 하여 이루어진 것이다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해서, 다음 (1) 내지 (3)의 수단을 제공한다.
(1) 베어링부, 고온부, 저온부로 분할되고 상이한 재료로 이루어지는 각 로터를 용접에 의해 접합하여 이루어지는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터에 있어서, 상기 각 로터의 접합 단면은 중심부에 원형의 오목부를 가짐과 동시에 주변부에 인접하는 로터와 서로 접합하는 환상 면을 갖고 용접에 의해 접합되고 내부에 공간부를 형성하며, 로터 외부 표면으로부터 동일 공간부에 연통하는 검사 구멍을 형성한 것을 특징으로 하는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터.
(2) 고온부, 저온부로 분할되고 상이한 재료로 이루어지는 각 로터를 용접에 의해 접합하여 이루어지는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터에 있어서, 상기 각 로터의 접합 단면은 중심부에 원형의 오목부를 가짐과 동시에 주변부에 인접하는 로터와 서로 접합하는 환상 면을 갖고 용접에 의해 접합되고 내부에 공간부를 형성하며, 로터 외부 표면으로부터 동일 공간부에 연통하는 검사 구멍을 마련한 것을 특징으로 하는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 발명에 있어서, 상기 용접에 의해 접합된 환상 면의 내측 주위에는 상기 공간부내에서 중심을 향하여 양측면의 주위로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터.
본 발명의 (1)은 로터가 양단의 베어링부, 고온부, 저온부로 분할되어 구성되고, 용접되어 있으며, 또 본 발명의 (2)에서는 저온부와 고온부, 예를 들면 양단이 저온부, 중간이 고온부로 이루어지고, 용접되어 있다. 이러한 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터는 용접부의 내부에 공간부를 갖고, 공간부에는 로터 외부 표면으로부터 내부로 연통하는 검사 구멍이 형성되어 있기 때문에, 검사 구멍으로부터, 예를 들면 파이버스코프 등을 공간부에 삽입하여, 용접 접합부의 주위를 검사할 수 있다.
본 발명의 (3)에서는, 용접 접합부의 공간부내에서의 주위는 양측면으로부터 중심을 향하여 소정의 길이로 돌출되어 있기 때문에, 접합면에서의 인장 응력은 외주측보다도 내주측이 돌출부에 의해 분산되어 약해져서, 열 응력에 의한 접합면 내측 단부에서의 파손을 방지할 수 있다. 또, 돌출부를 형성하는 곡면의 반경을 R, 접합 후의 돌출부의 길이를 L로 하면, L/R이 2<L/R<3의 범위에 있어서 응력 감소 효과가 커진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터의 전체 단면도,
도 2는 도 1의 용접부를 도시한 것으로, 도 2a는 베어링부와 고온부, 도 2b는 고온부와 저온부, 도 2c는 저온부와 베어링부의 용접부 단면도,
도 3은 도 1의 확대도로서, 도 3a는 도 1의 X부 확대 단면도, 도 3b는 도 3a의 B부 확대 상세도,
도 4는 도 1의 용접부(B)의 인장 응력 분포도,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터의 전체 단면도,
도 6은 도 5의 확대도로서, 도 6a는 B부의 확대도, 도 6b는 도 6a의 상세도,
도 7은 종래의 상이한 재료를 접합한 증기 터빈 로터의 부분 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 4 : 베어링부 로터 2 : 고온부 로터
3, 41, 42 : 저온부 로터 5, 6 : 공간부
7, 8 : 검사 구멍 9 : 플러그
10 : 중공부 11, 16, 19 : 용접 금속
12, 14 : 덧땜부 13, 15, 18 : 개구 선단
22, 23, 24, 25 : 돌기부 26, 27 : 오목부
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 근거하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터의 단면도이다.
도면에 있어서, 참조부호(1)는 베어링부 로터, 참조부호(2)는 고온부 로터, 참조부호(3)는 저온부 로터, 참조부호(4)는 저온측의 베어링부 로터이다. 베어링부 로터(1)와 고온부 로터(2)는 용접부(A)에서, 고온부 로터(2)와 저온부 로터(3)는 용접부(B)에서, 저온부 로터(3)와 베어링부 로터(4)는 용접부(C)에서 각각 용접 접합되어 하나의 증기 터빈 로터를 구성한다.
베어링부 로터(1)는 저온부로서, 2·(1/4)CrMoV(크롬·몰리브덴·바나듐)강으로 이루어지고, 고온부 로터(2)는 고온의 증기에 노출되어, 열적으로 가장 다루기 어려운 부분이기 때문에, 내열성이 높고 강도가 우수한 12Cr강으로 이루어진다. 저온부 로터(3)는 마찬가지로 증기에 노출되는 부분이지만, 고온부 로터(2)보다는 비교적 저압, 저온의 증기에 노출되기 때문에, 3.5NiCrMoV(니켈·크롬·몰리브덴·바나듐)강을 이용하고, 또한 베어링부 로터(4)도 동일 재료를 이용한다.
용접부(B)와 용접부(C)는 각각 고온, 저온 증기에 노출되는 로터(2)와 로터(3)에 관계하는 부분이고, 터빈의 동익(動翼; rotor blade)이 장착되는 중요한 부분이기 때문에, 이들 B, C의 용접부에서는 후술하는 바와 같이, 공간부(5, 6)를 형성하여, 용접부(B, C)의 용접부 주위를 점검할 수 있는 구조로 한다. 또 용접부(A)는 저온부의 베어링부로서, 중공부(10)에 파이버스코프 등의 삽입이 가능하고 점검할 수 있기 때문에 특히 이 공간부와 같은 구조는 채용하지 않지만, 필요에 따라서 물론 이와 같은 구조를 형성하여도 좋다.
도 2는 도 1에 있어서의 각 용접부(A, B, C)의 용접 구조를 나타내는 단면도로서, 도 2a는 용접부(A), 도 2b는 용접부(B), 도 2c는 용접부(C)를 각각 나타낸다. 도 2a에 있어서, 고온부 로터(2)는 12Cr강의 고내열 재료로 이루어지고, 9Cr강의 덧땜부(12)에 의해 연화 방지된다. 베어링부 로터(1)는 2·(1/4)CrMoV강으로 이루어지고, 베어링부 로터(1)와 덧땜부(12) 사이에 개구 선단(13)을 가공하여, 용접 금속(11)에 의해 용접이 실행된다.
도 2b에서는, 고온부 로터(2)는 12Cr강으로 이루어지고, 공간부(5) 측의 중심부를 향하여 내측으로 돌출되는 돌기부(22)가 형성되어 있고, 도 2a와 마찬가지로 9Cr강으로 이루어지는 덧땜부(14)가 형성된다. 저온부 로터(3)는 3.5NiCrMoV강으로 이루어지고, 마찬가지로 돌기부(23)가 형성되어 있으며, 덧땜부(14)와의 사이에는 개구 선단(15)이 가공되어, 용접 금속(16)에 의해 용접이 이루어진다. 또, 저온부 로터(3)의 구석부는 2·(1/4)CrMo강에 의해 용접이 이루어지고, 재열에 의한 균열을 방지한다.
도 2c에서는, 저온부 로터(3)는 3.5NiCrMoV강으로 이루어지고 공간부(6) 측에 마찬가지로 돌기부(24)가 형성되어 있으며, 베어링부 로터(4)는 동일 재료로 이루어지고, 역시 돌기부(25)가 형성되어 있다. 양 돌기부(24, 25)의 접합부에는 개구 선단(18)이 가공되고, 용접 금속(19)에 의해 용접이 이루어지며, 또한 양 구석부에는 재열에 의한 균열 대책으로서 2·(1/4)CrMo강(20, 21)에 의해 용접이 이루어진다.
도 3은 도 1에 있어서의 부분 확대 단면도로서, 도 3a는 도 1의 X부 확대 단면도, 도 3b는 도 3a에 있어서의 B부의 확대 단면도이다. 도면에 있어서, 용접부(B, C) 각각에 있어서 접합해야 하는 각 로터 단면의 중앙부에는 원형의 오목부(26, 27)가 형성되어 있고, 접합부에 있어서의 좌우 한 쌍의 오목부(26, 27)에 의해 공간부(5, 6)가 형성되어 있다. 공간부(5, 6)에는 각각 로터 표면으로부터 연통하는 검사 구멍(7, 8)이 각각 형성되어 있다.
도 3b에 있어서, 고온부 로터(2)와 저온부 로터(3)를 비교하면, 12Cr강으로 이루어지는 고온부 로터(2) 쪽이 열팽창 계수가 작아, 저온부 로터(3) 쪽이 빨리 축소된다. 따라서 검사 구멍(7)은, 열팽창 계수가 작고 열에 의한 영향이 적은 고온부 로터(2) 측에 형성되며, 공간부(5)로 연통한다. 검사 구멍은 용접부에 인접한 위치에 형성됨과 동시에, 로터 외주에 1곳, 필요에 따라서 복수개 형성하여도 좋다.
또한, 검사 구멍(7)에 항상 플러그(9)가 설치되어 밀폐되고, 검사시에는 이것을 제거하며, 이 검사 구멍(7)으로부터 파이버스코프 등을 공간부(5)내에 삽입하여, 용접부(B) 주위를 점검할 수 있다. 이 플러그(9)는 나사 등에 의해 검사 구멍(7) 입구부에 나사 결합되면 고정 및 제거가 용이해진다. 또, 용접부(C)에 있어서도, 저온부 로터(3)와 베어링부 로터(4)는 동일 재료이지만, 검사 구멍(8)의 위치는 용접부(B)에 준하여 고온측에 형성되어 있다.
도 4는 용접부(B)에 있어서의 응력 분포도로서, 도면에 있어서 고온부 로터(2)와, 저온부 로터(3)의 접합부의 공간부(5) 측에는 돌기부(22, 23)가 각각 형성되어 있고, 접합부(B)에는 열팽창에 의해 인장 응력(F)을 받지만, 용접부(B1) 근방에서는 응력은 직선 형상으로 좌우에 인가되지만, 용접부(B2) 근방에서는 돌기부(22, 23)에 의해 인장 응력이 분산되어, B1부 보다는 작아지고, B0점에서의 인장 응력에 의한 균열을 방지할 수 있다. 또, 도면의 돌기부(22, 23)를 형성하는 곡면의 반경을 R, 양 돌기부(22, 23)의 길이를 L이라고 하면, 2<L/R<3으로 되는 범위에 있어서 응력 감소 효과가 가장 커진다.
이와 같이, 본 실시예 1에서의 상이한 재료의 용접 로터의 용접부에서는 특히 고온 증기에 노출되는 B, C 부분에 공간부(5, 6)를 형성함과 동시에, 공간부(5, 6) 측에 돌기부(22 및 23), 돌기부(24 및 25)를 형성하여 열팽창에 의한 인장 응력을 작게 하는 형상으로 하고, 또한 검사 구멍(7, 8)을 공간부(5, 6)에 연통하여 형성하도록 하였기 때문에, 상이한 재료로 이루어지는 로터를 접합한 상이한 재료의 용접 로터의 강도가 높아지고, 또한 접합부의 검사도 용이하게 할 수 있도록 된다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 상이한 재료의 용접 로터의 단면도이다. 본 실시예 2는 도 1에 도시된 실시예 1과 상이한 부분은 부호(41, 42)로 나타내는 저온부 로터의 부분에 있고, 고온부 로터(2)와, 그 내부 구조는 도 1과 동일하다.
도면에 있어서, 저온부 로터(41)와 고온부 로터(2)는 용접부(A)에서, 고온부 로터(2)와 저온부 로터(42)는 용접부(B)에서 각각 접합되어 1개의 증기 터빈 로터를 구성한다. 저온부 로터(41)와 저온부 로터(42)는 저온부이고, CrMoV(크롬·몰리브덴·바나듐)강을 이용한다. 용접부(B)는 고온, 저온 증기에 노출되는 고온부 로터(2)와 저온부 로터(42)에 관계된 부분이고, 터빈의 동익이 장착되는 중요한 부분이기 때문에, 실시예 1과 동일한 구조로 되어 있다.
용접부(A, B)에 대해서는, 실시예 1의 도 2a, 도 2b에 도시된 용접 구조와 동일하다. 도시되어 있지 않지만, 도 2a에 있어서 고온부 로터(2)의 상대측이 베어링부 로터(1) 대신에 저온부 로터(41), 도 2b에 있어서 저온부 로터(3) 대신에 저온부 로터(42)로 되며, 또 도 2c에 도시된 용접부(C)는 존재하지 않는다. 그 밖의 구성은 동일하기 때문에 설명은 생략한다.
도 6은 도 5에 있어서의 부분 확대 단면도로서, 도 6a는 도 5의 용접부(B)의 확대도, 도 6b는 그 접합부가 상세하게 도시되어 있고, 기본적으로는 실시예 1의 도 3과 동일한 구성이며, 도 3의 용접부(C)가 존재하지 않는 구성이다. 도면에 있어서, 용접부(B)에는 오목부(26, 27)가 형성되어, 접합부에 있어서의 좌우 한 쌍의 오목부(26, 27)에 의해 공간부(5)가 형성되어 있다. 공간부(5)에는 로터(2)의 표면으로부터 연통하는 검사 구멍(7)이 형성되어 있다.
또한, 검사 구멍(7)은 실시예 1과 마찬가지로, 열 영향이 작은 고온부 로터 측에 형성되어 있고, 도 6b에 도시하는 바와 같이 항상 플러그(9)가 설치되어 밀봉되고, 검사시에는 이것을 제거하고, 이 검사 구멍(7)으로부터 파이버스코프 등을 공간부(5)내에 삽입하여, 용접부(B) 주위를 점검할 수 있다. 이 플러그(9)는 나사 등에 의해 검사 구멍(9) 입구부에 나사 결합하면 고정 및 제거가 용이해진다. 또, 실시예 1과 마찬가지로, 검사 구멍(7)은 용접부에 인접하는 위치에 형성됨과 동시에, 로터 외주에 적어도 하나, 필요에 따라서는 복수 개를 형성하여도 무방하다.
이러한 실시예 2의 상이한 재료의 용접 로터에 의하면, 실시예 1의 로터에 비해서 로터 접합부가 A, B의 2곳으로 되고, 도 1에 도시된 용접부(C)가 존재하지않고, 용접 로터의 가공성이 실시예 1의 것보다도 양호하게 됨과 동시에, 용접부(B)의 검사 구멍(7)으로부터 파이버스코프 등의 삽입을 할 수 있어, 실시예 1과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 상이한 재료의 용접 로터는 접합부의 강도를 향상시킨 구조이며, 접합부의 검사를 용이하게 할 수 있다.

Claims (3)

  1. 베어링부, 고온부, 저온부로 분할되고 상이한 재료로 이루어지는 각 로터를 용접에 의해 접합하여 이루어지는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터에 있어서,
    상기 각 로터의 접합 단면(端面)은 중심부에 원형의 오목부를 가짐과 동시에 주변부에 인접하는 로터와 서로 접합하는 환상 면을 가져서 용접에 의해 접합되어 내부에 공간부를 형성하며, 로터 외부 표면으로부터 상기 공간부로 연통하는 검사 구멍을 형성하고,
    상기 용접에 의해 접합된 환상 면의 내측 주위에는 상기 공간부내에서 중심을 향하여 양측면의 주위로부터 돌출된 돌기부가 형성되어 있고, 상기 돌기부를 형성하는 곡면의 반경을 R, 양 돌기부의 길이를 L이라고 하면, 상기 돌기부는 2<L/R<3의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는
    증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터.
  2. 고온부, 저온부로 분할되고 상이한 재료로 이루어지는 각 로터를 용접에 의해 접합하여 이루어지는 증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터에 있어서,
    상기 각 로터의 접합 단면은 중심부에 원형의 오목부를 가짐과 동시에 주변부에 인접하는 로터와 서로 접합하는 환상 면을 가져서 용접에 의해 접합되어 내부에 공간부를 형성하며, 로터 외부 표면으로부터 상기 공간부로 연통하는 검사 구멍을 형성하고,
    상기 용접에 의해 접합된 환상 면의 내측 주위에는 상기 공간부내에서 중심을 향하여 양측면의 주위로부터 돌출된 돌기부가 형성되어 있고, 상기 돌기부를 형성하는 곡면의 반경을 R, 양 돌기부의 길이를 L이라고 하면, 상기 돌기부는 2<L/R<3의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는
    증기 터빈의 상이한 재료의 용접 로터.
  3. 삭제
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