KR100359554B1 - 증기터빈용노즐,스테이지및버킷 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표 I 및 표 II 또는 상기 챠트의 다중 좌표(X, Y, R)에 따라서 윤곽을 형성하는 증기 터빈의 노즐 블레이드와 버킷에 관한 것이다. 상기 노즐 블레이드의 윤곽은 스로트부분에서 포물선의 흐름 분포를 부여하고, 상기 버킷은 유입되는 흐름을 조절한다. 상기 노즐 블레이드와 버킷은 상기 루트와 팁부분으로부터 블레이드와 버킷의 중간 부분까지 흐름을 압축시키기 위해서 루트와 팁부분에서 오버 캠버링된다. 개선된 공기역학적인 효율은 상기 흐름이 상기 블레이드와 버킷의 말단벽으로부터 떨어져서 상기 블레이드와 버킷의 효율적인 중간부분을 향하게 함으로써 획득되며, 흐름 속도 및 통과 각도(leaving angle)에 의해서 상기 노즐은 비선형 분포를 가지며 또한 상기 버킷의 흐름 속도와 통과 각도도 비선형이다.

Description

증기 터빈용 노즐, 스테이지 및 버킷

본 발명은 터빈, 명확하게는 증기 터빈에 관한 것으로서, 특히 공기 역학적인 효율을 개선시킨 증기 터빈 노즐과 버킷의 구조에 관한 것이다.

증기 터빈용 노즐과 버킷 스테이지는 주요한 개발 대상이 되어 왔는데, 그 이유는 발전소 싸이클의 효율이 터빈 내부의 에너지 전환 효율에 따라 크게 달라지기 때문이다. 그러므로, 특히 공기 역학적 손실 및 증기 누출 손실을 최소화시킴으로써 증기 터빈용 노즐과 버킷의 성능을 최적화시켜서 공기역학적인 효율을 개선하는 것이 대단히 바람직하다. 전형적인 노즐 구조에 있어서는, 노즐 출구를 통과하는 유속의 분포가 대체로 선형이다. 노즐 통과 각도(nozzle leaving angle)라 함은 흐름 각도와, 기계 또는 터빈의 축에 대해 수직인 평면 사이의 각도를 의미한다. 전형적으로 이 각도는 루트에서 팁까지 예를 들면 대략 12° 내지 15° 로 선형적으로 변화한다. 종래의 버킷 구조에 있어서, 버킷 출구에서의 전체 속도는 대체로 일정하다. 즉, 루트로부터 팁으로의 또는 그와 역방향으로의 흐름 이동이 없다. 게다가, 자유 와동 구조를 가진 전형적인 스테이지에 있어서, 버킷 통과 각도(△ ), 즉, 흐름이 상기 장치 또는 터빈의 축에 대해서 버킷을 나가는 각도는 팁으로부터 루트까지 대체로 일정하다.

전형적으로 최근의 노즐 구조는 버킷 공진 모드의 여기(excitation)를 피하기 위해서 다수개의 노즐을 포함한다. 노즐 수가 많기 때문에, 구조적 강도 목적의 연장된 노즈(noses)를 가진 노즐 블레이드가 종종 제공된다. 이것은 결과적으로 높은 표면 마찰력을 초래하여 효율을 저하시킨다. 그러므로, 터빈 스테이지의 성능을 향상시키기 위해서는 견고함(solidity)을 더 낮춘 노즐이 바람직하다.

상술된 바와 같은 노즐 및 버킷 구조의 특성은 공기 역학적으로 상당히 효율적이지만, 본 발명은 더욱 향상된 공기 역학적인 효율을 제공하여, 터빈의 전체 성능을 개선한다.

본 발명에 따르면, 노즐상에 포물선 모양의 스로트를 배치함으로써 말단벽 또는 노즐의 2차적 손실이 대폭 감소된다. 그런 후, 버킷은 유입되는 흐름의 특성을 조절하거나 조화시키도록 구조설계된다. 특히, 본 발명은 팁과 루트의 말단벽 근방에서 노즐 영역을 통한 증기의 흐름을 최소화시키고, 그 흐름을 상기 노즐 블레이드의 공기 역학적으로 보다 효율적인 중간섹션을 향해 편향시킨다. 공기 역학적으로 보다 효율적인 노즐 영역을 통과하는 증기 흐름을 증가시키고 노즐의 상대적으로 덜 효율적인 영역, 즉 루트와 팁 말단벽을 통과하는 증기 흐름을 감소시킴으로써, 노즐과 버킷의 양자에 개선된 공기역학적인 효율을 제공한다. 다르게 말해서, 노즐 블레이드와 버킷 블레이드는 그 블레이드의 루트와 팁에서 오버캠버링 (over-cambered)되어, 블레이드의 팁과 루트에서는 더 좁혀지고 블레이드의 중간영역에서는 더 많이 개방되는 유로(flow passage)를 형성한다. 이것은, 증기의 흐름이 말단벽으로부터 멀어져서, 공기역학적으로 보다 효율적인 영역에 있는 노즐의 중심을 향하여 나아가게 하는 경향이 있다. 게다가, 결과적으로 더욱 현저한 소용돌이가 발생하며, 이러한 소용돌이는 다음의 스테이지(stage)에서 활용될 수 있다.

전술한 것은 노즐 블레이드와 버킷 블레이드의 특정 프로파일에 의해서 달성된다. 이들 블레이드는 대체로 포물선 모양의 노즐 스로트를 제공하도록 형성되어, 상기 흐름이 루트와 팁의 보다 덜 효율적인 부분으로부터 멀어져서 노즐 및 버킷의공기역학적으로 효율적인 중심부를 향하게 한다. 이러한 포물선 구조는 비선형인 노즐 흐름의 통과 각도 분포를 발생시킨다. 예를 들면, 이 각도는 노즐의 중간 부분 근방에서 10° 로부터 약 16° 또는 17° 로 변화하고, 팁에서는 다시 약 11 또는 12° 로 복귀하며, 이들은 모두 곡선 형태로서, 흐름을 노즐의 중간영역으로 이동시킨다. 또한, 상기 버킷 출구에서의 상대적인 각속도 및 분포는 마찬가지로 버킷의 반경방향으로 비선형이다.

스테이지 효율을 보다 향상시키기 위해서, 견고함이 낮은 노즐 구조가 제공된다. 표면 마찰은 상기 버킷의 공진 고유 진동수 사이에 여기를 제공함과 아울러 충분한 강도를 제공하도록 설계된 적은 수의 블레이드에 의해 감소된다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 표 I에 따른 블레이드 프로파일을 가진 증기 터빈용 노즐이 제공된다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 노즐의 X, Y, R 좌표에 소정 수를 곱하는 것에 의해 스케일된(scaled) 표 I에 따른 노즐 블레이드 프로파일을 갖는 증기 터빈용 노즐이 제공된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 표 II에 따른 버킷 프로파일을 가진 증기 터빈용 버킷이 제공된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 소정의 방법으로 X, Y, R 좌표를 곱하는 것에 의해서 스케일된 표 II에 따른 버킷 프로파일을 각는 증기 터빈이 제공된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 전연과 후연, 이들 사이의 블레이드 몸체, 및 사이에 중간 영역이 형성된 루트 부분과 팁 부분을 갖는 한쌍의 인접한 블레이드를 구비하는 증기 터빈용 노즐이 제공되며, 이들 인접한 블레이드는 일 블레이드의 후연으로부터 인접 블레이드의 몸체를 따라서 가장 인접한 표면까지 연장된 일련의 직선에 의해서 측정된 스로트를 그들 사이에 형성하며, 블레이드들 사이의 원주방향 간격을 피치로 규정하며, 상기 블레이드를 따른 연속적인 프로파일에서 피치에 대한 스로트의 비율은 루트부분에서 중간 블레이드 영역까지 증가하고, 상기 중간 블레이드 영역에서 팁부분까지는 감소하며, 이 블레이드는 노즐 또는 버킷 블레이드 중 하나이다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 증기 터빈의 노즐 및 버킷에 대해 신규하고 개선된 형태의 오버캠버링되고 견고성이 감소된 스테이지 설계를 제공하여 향상된 공기역학적 효율을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 설명하고자 한다.

도면, 특히 제 1 도를 참조하면, 유체, 예를 들면 증기를 축방향으로 흐르게 하여 회전가능한 터빈 버킷(20)을 구동시키기 위해서, 내부 말단벽과 외부 말단벽 (16, 18) 사이에 각기 고정된 복수개의 노즐 블레이드(14)로 구성된 고정 노즐(12)을 포함하는 증기 터빈의 일 스테이지가 도시되어 있다. 알고 있는 바와 같이, 터빈 버킷(20)이 터빈의 로터(도시되지 않음)와 연결되어 로터를 구동시킨다. 버킷 (20)은 노즐 블레이드(14)와 유사하게 내벽(22)과 외벽(24) 사이에서 연장된다.

또한, 제 1 도에는 본 발명의 오버캠버링된 스테이지 구조가 터빈에 사용될때 노즐을 통과하는 유체의 흐름 방향을 화살표로 표시한 흐름 패턴도 도시되어 있다. 본 발명의 특정 블레이드 프로파일에 의하면, 유체의 흐름이 블레이드 루트로 부터 반경방향 외향으로 노즐의 중간부분을 향하고 있으며, 블레이드 팁으로부터 반경방향 내향으로 더 효율적인 노즐의 중간부분을 향한다. 노즐 블레이드(14)의 프로파일에 의해서 얻어진 흐름 패턴의 결과로서, 노즐 통과 각도가 비선형으로 되는 포물선형의 스로트 분포가 제공되는데, 예를 들면 루트부분에서는 약 10° 이고 노즐의 중간부분에서는 약 16° 또는 17° 이며 팁부분에서는 다시 11° 또는 12° 로 된다. 버킷은 노즐의 중간부분을 향해서 좁혀지는 흐름과 조화 및 조절하도록 설계되어서, 버킷 출구부분에서의 각도와 속도 분포도 마찬가지로 비선형이 된다.

본 발명에 따른 한 쌍의 인접 노즐 블레이드가 제 2 도에 도시되어 있다. 제 2 도를 살펴보면, 팁과 루트에 인접한 노즐의 스로트 영역이 축소되는 반면, 중간 스로트 영역은 확장된다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 노즐 스로트를 통과하는 흐름이 블레이드의 중간 부분을 향하도록 가압된다.

인접한 노즐 블레이드 사이의 스로트 간격(S)은 하나의 블레이드 후연으로부터 인접 블레이드의 가장 가까운 인접 표면까지의 거리로 한정된다. 노즐 블레이드의 후연으로부터의 스로트 영역을 살펴 보면, 스로트 영역은 루트로부터 블레이드 길이의 40% 내지 60% 부분에서 최대의 폭을 가진다는 것을 알 수 있을 것이다. 스로트 영역이 최소가 되는 곳은 인접한 블레이드들의 루트와 팁에 위치한다.

스로트 영역의 구조를 더욱 명확하게 설명하기 위해서 피치(T)와 스로트 영역(S)의 관계를 도시하는 제 4A 도, 제 4B 도 및 제 4C 도를 참조하기로 한다. 피치(T)라 함은 블레이드 루트부분으로부터의 특정한 반경방향 거리에서 인접한 블레이드들의 후연간의 원주방향 거리를 의미한다. 제 4B 도에 있어서, 세로 좌표는 평균 노즐 S/T분포에 대한 노즐 S/T 분포의 비율을, 가로 좌표는 블레이드의 반경방향 높이를 일반화시킨 것이다. 제 4C 도는 버킷 블레이드의 반경방향의 높이 대 버킷 S/T 분포에 대해서 동일하게 일반화시킨 것이다. 그러므로, 노즐 S/T 분포는 다음과 같은 대표적인 특징을 가진다:

(1) 최대 S/T는 반경방향 높이의 약 30% 내지 60% 부분에서 발생한다.

(2) 최대 S/T는 평균 S/T의 110% 내지 125% 이다.

(3) 루트 S/T는 평균 S/T의 70% 내지 100% 이다.

(4) 팁 S/T는 평균 S/T의 55% 내지 85% 이다.

버킷 S/T분포는 다음과 같은 대표적인 특성을 가진다:

(1) 최대 S/T는 반경방향 높이의 약 30% 내지 50%에서 발생한다.

(2) 최대 S/T는 평균 S/T의 110% 내지 120% 이다.

(3) 루트 S/T는 평균 S/T의 85% 내지 95% 이다.

(4) 팁 S/T는 평균 S/T의 70% 내지 80% 이다.

제 3 도를 참조하면, 루트 부분으로부터 소정의 반경방향 거리에서의 대표적인 노즐 블레이드 프로파일이 도시되어 있다. 이 반경방향의 거리는 블레이드 루트 부분과 내부 말단벽(16)간의 교차점이 되는 기준선으로부터 취해진 것이며, 루트에서부터 팁까지의 블레이드 전체 길이의 부분으로서 주어진다. 그 반경방향 거리에서 각각의 프로파일 섹션은 반경(R)을 가진 원호를 따라서 하나의 접선이 다른 접선과 연결되는 인접점에 의해서 X, Y 좌표로 정의된다. 인접한 X, Y 성분에 의해서 정의된 점들을 연결하는 원호는 중심으로부터 연장된 반경(R)을 가진 원의 일부를 구성한다. 블레이드의 루트 부분으로부터 블레이드 길이의 특정 부분에서 취해진 각각의 블레이드 부분 프로파일에 대한 X, Y 좌표와 반경(R)의 값은 아래의 표 I과 표 II로 도표화된다. 이 표는 루트 부분으로부터 주어진 반경방향 거리에서의 프로파일 부분을 따라 여러 점을 X, Y 좌표로 나타낸 것이며, 루트로부터의 프로파일 섹션 높이에 따라 달라지는 대표적인 X, Y 좌표점의 범위를 가진다는 것을 알 수 있다. 이들 값은 인치 단위의 것으로서, 대기중 작동하지 않는 상태에서의 실제 블레이드 프로파일을 나타낸 것이다. 각 반경(R)의 값은 X, Y 좌표에 의해서 나타낸 두개의 인접한 점 사이의 원호를 형성하는 반경의 길이를 제공한다. 두개의 인접한 점이 시계방향으로 연결되었을 때에는 반경(R)의 값을 양의 값으로 표시하고, 인접한 두개의 점이 반시계방향으로 연결되었을 경우에는 반경(R)의 값을 음의 값으로 표시한다. 루트 부분으로부터의 선택된 높이 또는 반경방향 위치에서 블레이드 프로파일 주변에 이격된 점에 대한 좌표(X, Y)를 제공하고 인접한 점을 접선 연결하는 원의 반경을 설정함으로써, 각각의 반경방향 위치에서 블레이드 프로파일은 설정되며, 그로 인해 전체 길이에 걸쳐 블레이드 프로파일이 설정된다.

표 1은 상기 루트로부터 노즐 블레이드의 반경방향 외향으로 루트에서 팁까지의 블레이드 길이의 지적된 부분들에서 노즐 프로파일을 형성하는 한 세트의 챠트를 포함한다. 표 II는 버킷 프로파일에 대한 또 다른 유사한 세트의 챠트를 포함한다. 이렇게 해서, 상기 루트로부터의 선택된 반경방향 위치 또는 높이에서 표 I및 표 II의 차트에 주어진 X, Y, R 좌표가 각각의 반경방향 위치에서 노즐 및 버킷 프로파일을 각기 형성하며, 이것에 의해서 전체 길이에 걸쳐 프로파일이 형성된다.

상기 각각의 루트로부터 다양하게 선택된 높이에서 노즐 블레이드 및 버킷의 프로파일을 설정하는 것에 의해서, 오버캠버링된 스테이지(stage) 구조가 설정된다는 것을 이해할 것이다. 이 구조는 루트 및 팁 노즐로부터 노즐의 더욱 효율적인 중간 부분을 향한 흐름 이동을 제공한다. 게다가, 버킷은 흐름이동을 조절하여, 노즐 구조에 부합시킨다.

표 I 및 표 II는 각기 특정 노즐 블레이드와 특정 버킷 블레이드를 설정한다. 이러한 노즐과 버킷 블레이드에 대한 피치와 스로트가 제 4B 도와 제 4C 도에 도시되어 있다. 각각 표 I과 표 II에 설정된 프로파일을 가진 노즐 블레이드와 버킷을 확대 또는 축소 스케일링함으로써, 그 챠트에 특정된 것과는 치수적으로 상이하지만 프로파일 형상이 유사한 노즐 블레이드 및 버킷을 제공하는 것에 의해서, 본 발명의 개선된 공기역학적인 효율을 얻을 수 있다. 확대 또는 축소 스케일링은 본 발명의 결과를 얻을 수 있도록 X, Y, R 좌표에 소정의 수를 곱하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 피치도 또한 그것에 동일한 수를 곱하는 것에 의해시 확대 또는 축소 스케일링할 수 있다.

오버캠버링된 노즐 스테이지 구조를 추가로 설정하기 위해서, 예를 들면 24인치의 베인 루트 직경과 예를 들면 46개의 원주 둘레의 블레이드 수로부터 피치(인접한 블레이드 사이의 간격)를 유도할 수 있다. 예를 들면, 중간 부분(표 I의 0.5 섹션)에서의 접선 간격은 식 T=(루트 직경 + 2 × 반경방향 높이) × (sinPi/NS)의 근사값일 수도 있다. 이 식에서, T는 접선 간격이고 Pi는 3.14159 이며 NS는 46이다. 그러므로, 중간 스팬(2.4815인치의 반경방향 높이)에서 T=1.9765 이다. 주어진 노즐 섹션 모두는 견고성이 감소된 노즐 베이스 섹션으로부터 유도되었지만, 어떤 주어진 반경방향 높이에서 정확한 간격 대 크기 관계를 유지하도록 크기면에서 선형으로 스케일링되며, 그 반경방향 높이에서 소망하는 블레이드 통로 스로트 개구를 얻도록 회전된다. 그러므로, 견고성이 감소된 전형적인 노즐을 위한 통로 구조를 얻기 위해서, 중간 스팬 부분(0.5 섹션)을 일예와 같이 선택할 수도 있을 것이다. 위에서 설명한 바와 같이, 적당한 접선 간격은 1.765인치로 산출될 수 있을 것이다.

표 I (노즐 프로파일)

0.40 섹션 5

표 II (버킷 프로파일)

본 발명은 가장 실용적인 실시예에 대해서 설명하였지만, 이분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 아래의 청구범위로 한정되는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 여러가지 변형 및 수정이 가능하다는 것이 이해될 것이다.

제 1 도는 증기 터빈 노즐과 버킷 조립체의 개략도.

제 2 도는 블레이드의 프로파일을 도시하는 한 쌍의 인접한 노즐 블레이드를 도시하는 도면.

제 3 도는 하기의 명세서 차트에서 한정된 바와 같은 노즐 프로파일의 대표적인 에어포일 섹션을 도시하는 그래프.

제 4A 도는 블레이드 프로파일과 스로트(throat)와 피치(pitch)의 거리를 도시하는 증기 터빈의 인접한 블레이드의 개략적인 횡단면도.

제 4B 도 및 제 4C 도는 노즐과 버킷에 있어서 루트로부터의 블레이드 높이 대 스로트/피치 비율을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

12 : 노즐 14 : 노즐 블레이드

16, 18 : 내부 및 외부 말단벽 20 : 버킷

22 : 내벽 24 : 외벽

Claims (7)

1. 전연 및 후연과, 그 사이의 블레이드 몸체와, 루트 부분 및 팁 부분과, 그 사이의 중간 영역을 구비하는 증기 터빈용 노즐에 있어서,

   상기 한쌍의 인접 블레이드는 하나의 블레이드의 후연으로부터 인접 블레이드의 몸체를 따라서 가장 인접한 표면까지 연장된 일련의 직선에 의해서 측정된 스로트를 한정하며, 상기 한쌍의 인접 블레이드 사이의 원주방향 간격으로 피치를 한정하며, 상기 블레이드를 따른 연속적인 프로파일에서 피치에 대한 스로트의 비율이 루트 부분에서부터 중간 블레이드 영역까지 증가하고 상기 중간 블레이드 영역에서부터 팁부분까지는 감소하며, 이 블레이드는 노즐 또는 버킷 블레이드중 하나인 증기 터빈용 노즐.
2. 표 I에 따른 블레이드 프로파일을 가진 증기 터빈용 노즐.
3. 제2항에 따른 블라이드 프로파일을 각각 갖는 다수의 노즐과 표 II에 따른 버킷 프로파일을 각각 갖는 다수의 버킷을 구비하는 증기 터빈용 스테이지(stage).
4. X, Y, R 좌표에 소정의 수를 곱하는 것에 의해 결정된 표 I에 따른 노즐 블레이드 프로파일을 갖는 증기 터빈용 노즐.
5. 제4항에 따른 블레이드 프로파일을 각각 갖는 다수의 노즐과 X, Y, R 좌표에 상기 소정의 수를 곱하는 것에 의해서 결정된 표 II에 따른 버킷 프로파일을 각각 갖는 다수의 버킷을 구비하는 증기 터빈용 스테이지.
6. 표 II에 따른 버킷 프로파일을 갖는 증기 터빈용 버킷.
7. X, Y, R 좌표에 소정의 수를 곱하는 것에 의해서 결정된 표 II에 따른 버킷 프로파일을 가지며, 블레이드는 노즐 블레이드 또는 버킷 블레이드중 하나인 증기 터빈용 버킷.