KR100587175B1 - 내부 하우징 및 외부 하우징을 구비한 터보 머신 - Google Patents

내부 하우징 및 외부 하우징을 구비한 터보 머신 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터보 머신(1), 특히 증기 터빈에 관한 것으로, 주 축선(2), 내부 하우징(3), 외부 하우징(4), 상부 영역(5) 및 하부 영역(6)을 가진다. 외부 하우징(4)과 내부 하우징(3) 사이에, 반경방향 갭(7)이 형성되며 상기 하부 영역(6)에는 협소부(8)가 형성된다.

Description

내부 하우징 및 외부 하우징을 구비한 터보 머신{TURBO MACHINE WITH AN INNER HOUSING AND AN OUTER HOUSING}
본 발명은 터보 머신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 하우징과 외부 하우징 사이에 갭이 형성되도록 이격되는 내부 하우징 및 외부 하우징을 가지는 증기 터빈에 관한 것이다.
독일 특허 출원 제 35 22 916호에 공개된 바와 같이, 터보 머신, 특히 증기 터빈의 작동동안, 특히 터보 머신의 내부 하우징, 외부 하우징 뿐만 아니라 터빈 회전자에 작용하는 상이한 온도때문에 내부 하우징, 외부 하우징 뿐만 아니라 터빈 회전자는 상이한 양으로 연장된다. 그러므로, 통상적으로 이동 수단에 의한 하우징과 터빈 회전자 사이의 축방향 연장에서의 차이를 보상하고자 하였다. 내부 하우징 및 외부 하우징에 작용하는 온도가 상이할 때, 터보 머신의 작동 뿐만 아니라 터보 머신의 냉각 동안 상이한 변형을 초래할 수 있는 내부 하우징과 외부 하우징에서의 온도 구배가 발생할 수 있게 된다.
영국 특허 제 740 944호는 갭에 의하여 외부 하우징으로부터 분리되는 내부 하우징을 포함하는 열 터빈, 더욱 상세하게는 증기 터빈에 관한 것이다. 터빈은 구동 매체에 의하여 피동되며, 구동 매체의 일 부분이 분기되어 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 갭을 통과한다. 터빈의 작동 동안, 구동 매체의 이러한 부분은 외부 하우징용 냉각 매체로서 작용하여, 뜨거운 내부 하우징은 차가운 외부 하우징으로부터 열적으로 분리된다. 핀은 외부 하우징상의 열 전달을 개선시키기 위하여 외부 하우징상의 내부면에 고정된다.
미국 특허 제 5,388,960호는 증기 터빈의 작동 정지 직후의 고온 상태에서 증기 터빈의 강제 공기 냉각 장치에 관한 것이다.
미국 특허 제 3,746,463호는 내부 및 외부 케이싱을 가지는 다단 축방향 유동에 관한 것이다. 내부 케이싱은 상대적인 축방향 이동을 제한하며 온도를 변화시키는 내부 케이싱과 외부 케이싱 사이의 상대적인 반경방향 이동을 허용하는 것과 같은 방식으로 외부 케이싱 내에 설치된다. 그러므로, 내부 케이싱은 다수의 키 및 키홈, 조립된 핀 및 축방향 정렬 조립부에 의하여 외부 케이싱 내에 설치되며, 외부 케이싱에 대하여 내부 케이싱을 축방향으로 이동시키는 통크(tonk) 및 홈부분에 의하여 외부 케이싱에 대하여 내부 케이싱의 자유로운 반지름 방향 이동을 허용한다.
본 발명의 목적은 외부 하우징의 열적 변형이 임계치보다 작은 터보 머신을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따라 전술된 목적 및 다른 목적을 위해, 터보 머신, 특히 증기 터빈으로서, 주 축선, 내부 하우징, 외부 하우징, 상부 영역 및 하부 영역, 상기 외부 하우징상에 상기 내부 하우징을 설치하기 위한 설치 영역, 상기 주 축선을 따라 연장되는 블레이딩 영역을 포함하며, 반경방향 갭이 형성되도록 상기 외부 하우징이 상기 내부 하우징을 둘러싸며, 상기 반경방향 갭은 상기 하부 영역에서 협소부를 가지며, 상기 협소부는 상기 주 축선을 따라 외측으로 연장하여 상기 설치 영역이 상기 주 축선의 방향으로 상기 블레이딩 영역과 적어도 부분적으로 중복되도록 하는, 터보 머신이 제공된다.
본 발명은 터보 머신이 정지되는 동안 내부 하우징 및 외부 하우징이 상이한 온도가 되는 물리적 효과에 관한 것이다. 이와 같은 온도의 차이 때문에 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 갭(공간)내의 증기와 같은 기상 매체는 터보 머신의 하부 영역으로부터 상부 영역으로 향하는 열적 대류 운동(온도-구배 피동 유동)으로 설정된다. 이것은 하부 영역에서와 같이 상부 영역의 더 높은 온도를 가진 외부 하우징에서의 온도 차이를 초래할 수 있다. 외부 하우징의 높이를 가로지르는 외부 하우징의 이 같은 온도 구배는 터빈 트립후 상부 영역으로부터 하부 영역으로의 외부 하우징(외측 케이싱)의 버클링(buckling)을 초래할 수 있다. 임의의 임계적 상태하에서 이것은 내부 하우징의 반경방향 변위 및 내부 하우징(내측 케이싱)의 회전자의 가동 블레이드의 마찰(rubbing)을 초래할 수 있다.
하부 영역의 내부 하우징과 외부 하우징의 갭이 좁아짐으로써 상부 영역에서 내부 하우징으로부터 외부 하우징으로의 향상된 열 전달 뿐만 아니라 더 높은 대류율, 특히 난류성 대류를 초래할 수 있다. 이것은 외부 하우징의 높이를 가로지르는 초선형 온도 프로파일(super linear temperautre profile)을 초래한다. 이것은 외부 하우징의 온도 프로파일이 하부 영역에서 1보다 더 큰 온도 구배(단위 길이당 온도의 변화(△T/△H))를 가지는 것을 의미한다. 그러므로 외부 하우징의 열 스트레스가 감소함으로써, 주 축선을 따르는 외부 하우징의 버클링이 감소된다. 본 발명의 또 다른 특징에 따라, 내부 하우징이 상기 갭에서 상기 외부 하우징을 향하여 연장됨으로써, 상기 갭, 즉 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 공간은 주 축선을 따라 감소된다. 본 발명은 내부 하우징 대신 또는 내부 하우징에 부가하여 가이드 블레이드(베인)를 위한 블레이드 캐리어를 가지는 터빈, 특히 증기 터빈에 적용가능하다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 열 접촉 여분 매스(extra mass)가 상기 내부 하우징과 열적으로 결합되어 하부 영역에 위치한다. 여분 매스는 내부 하우징과 동일한 재료로서 구성될 수 있다. 이 여분 매스는 내부 하우징의 일 부분일 수 있으며, 특히 내부 하우징과 일체로 주조될 수 있으며, 내부 하우징에 용접될 수 있거나 적절한 방식으로 내부 하우징에 고정될 수 있다.
본 발명의 다시 부가된 특징에 따라, 내부 하우징의 여분 매스 또는 여분 부분은 내부 하우징 및 외부 하우징의 특별한 지오메트리(geometry) 뿐만 아니라 터보 머신의 동작을 위한 물리적 변수에 따라 거의 삼각형 단면, 장방형 단면 또는 적절한 또 다른 단면을 가질 수 있다.
내부 하우징의 여분 매스 또는 여분 부분은 주 축선을 따라 형성되는 것이 바람직하며 내부 하우징에 리브 또는 핀을 제공한다.
본 발명의 부가적인 특징에 따라, 보충 매스(compensating mass)는 상부 영역에 위치하며, 특히 내부 하우징으로 연결된다. 이 보충 매스는 내부 하우징의 매스에 부가하여 매스의 중앙 라인이 터보 머신의 주 축선과 일치한다. 보충 매스는 여분 매스와 동일한 형상을 가질 수 있어 내부 하우징이 대칭되게 한다. 보충 매스는 주 축선을 따라 형성되는 것이 바람직하다.
원칙적으로 하부 영역에서 외부 하우징이 내부 하우징을 향하여 연장되어 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 갭이 좁아지는 것이 가능하다.
터보 머신은 고압 증기 터빈 또는 중간 압력 증기 터빈인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 내부 하우징은 수평면을 따라 서로 분리가능한 두 개의 하우징 부품을 포함한다. 각각의 하우징 부품은 수평 반경방향 외측으로 향하는 플랜지를 가지는 것이 바람직하다. 하우징 부품들은 상기 플랜지를 통하여 서로 기계적으로 고정되는 것이 바람직하다. 플랜지들을 서로 고정하기 위하여, 일반적인 너트 및 볼트 또는 이와 유사한 것이 이용될 수 있다. 이 플랜지는 상부 영역과 하부 영역 사이의 수평면에서 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 갭을 감소시킨다. 이경우 하부 영역으로부터 상부 영역으로의 증기의 대류 유동이 제한된다. 이러한 상황하에서 상기 협소부에 의해 하부 영역의 갭이 좁아지는 것이 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 열전달을 개선하여 하부 영역의 외부 하우징의 온도가 상승된다는 의미에서 매우 효과적이다.
비록 본 발명은 실시예로서 증기 터빈을 설명하고 도시하였지만, 본 발명의 사상 및 청구범위와 동등한 범주내에서 이탈함이 없이 다양하게 변경되며 구조적으로 변화될 수 있으므로 상세히 도시된 것으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 증기 터빈 및 가스 터빈 그리고 이와 유사한 것들과 같이 내부 및 외부 하우징을 가지는 모든 종류의 터보 머신에 대해 이용될 수 있다.
그러나 부가적인 목적 및 장점과 함께 본 발명의 구성은 첨부된 도면을 참조하여 읽었을 때 특정한 실시예의 후술되는 상세한 설명으로부터 가장 용이하게 이해될 것이다.
도면에서 본 발명을 유용하게 이해시키는 터보 머신의 부품은 상세하게 설명되며 터보 머신에 일반적으로 이용되는 부품은 상세하게 설명되지 않는다.
도면은 부분적인 개략도이며 부분적으로는 스케일대로 도시된 것은 아니다.
도 1은 중간 중기 터빈의 주 축선을 따라 도시한 단면도이며,
도 2는 외부 하우징의 높이를 가로지르는 상이한 온도 프로파일이며,
도 3은 도 2의 온도 구배에 기인한 주 축선을 따른 열 변형이며,
도 4 및 도 5는 도 1의 증기 터빈의 단면도이다.
도면을 상세하게 참조하면, 도 1은 증기 터빈(1)의 주 축선(2)을 따르는 고압 증기 터빈(1)의 단면도이다. 상기 증기 터빈(1)은 가동 블레이드(17)를 지지하는 터빈 회전자(15)를 포함한다. 터빈 회전자(15)는 가이드 블레이드(18)를 지지하는 내부 하우징(13)에 의하여 축방향으로 주변이 둘러 싸인다. 가동 블레이드(17) 및 가이드 블레이드(18)(베인)는 주 축선(2)을 따라 연장되는 블레이딩 영역(24)에 배치된다. 상기 내부 하우징(3)은 외부 하우징(4)에 의하여 둘러 싸진다. 증기 터빈(1)의 동작 동안 중간 압력화된 증기는 가이드 블레이드(18)와 가동 블레이드(17) 사이에 위치하는 유입 영역(13)으로부터 유출 영역(14)으로 유동된다. 외부 하우징(4)은 유입 영역 근처에 위치하는 설치 영역(20)과 유출 영역(14) 근처에 위치하는 설치 영역(20)에 있는 내부 하우징(3)에 설치된다. 내부 하우징(3)은 두개의 하우징 부분(3A, 3B)을 포함한다. 하우징 부분(3B)은 증기 터빈(1)의 하부 영역(6)에 위치하며 하우징 부분(3A)은 증기 터빈(1)의 상부 영역(5)에 위치한다. 내부 하우징(3)과 외부 하우징(4) 사이에는 반경방향 갭(7)이 형성되며 반경방향 갭(7)은 원형 링 형상의 단면을 가지며 주 축선(2)을 따라 연장된다. 반경방향 갭(7)은 주 축선(2)을 따라 하부 영역(6)에서 좁아져(협소부(8), 도 4, 5 참조) 블레이딩 영역(24) 외부의 설치 영역(20), 특히 블레이딩 영역(24)과 설치 영역(20) 사이에서, 적어도 부분적으로 중복된다.
도 2에는 외부 하우징(3)의 높이를 가로질러 3개의 상이한 온도 프로파일(21, 22, 23)을 보여준다. 외부 하우징(3)의 높이는 외부 하우징(3)의 하부로부터 외부 하우징(3)의 상부로 계산된다. 상부에서 외부 하우징(3)의 높이는 Htop로 지칭되며 주 축선(2)에서 외부 하우징(3)의 높이는 H2로 지칭된다. 외부 하우징(3)의 하부와 상부 사이의 온도 차이는 △T로 지칭된다. 온도 프로파일(22)은 선형 온도 프로파일이다. 온도 프로파일(23)은 하부와 주 축선(2) 사이의 온도 차이가 주 축선과 상부 사이의 온도 차이보다 더 큰 것을 의미하는 초선형 온도 프로파일(super linear temperature profile)이다. 온도 프로파일(21)은 하부와 주 축선(2) 사이의 온도 차이가 외부 하우징(3)의 상부와 주 축선(2) 사이의 온도 차이보다 작은 것을 의미하는 부선형 온도 프로파일(sub linear temperature profile)이다.
상기 온도 프로파일(21, 22, 23)은 주 축선(2)을 따라 외부 하우징(3)의 상이한 버클링을 초래한다. 도 3에는 도 2에 도시된 온도 프로파일을 위한 외부 하우징(4)의 버클링의 수치 계산의 결과를 보여준다.
도 4 및 도 5에는 증기 터빈(1)의 단면도가 도시된다. 내부 하우징(3)은 수평면(11)상에서 서로 조립되는 두개의 하우징 부분(3A, 3B)을 포함한다. 각각의 하우징 부품(3A, 3B)은 서로 대응되게 위치하는 두 개의 플랜지(12A, 12B)를 가진다. 외부 하우징(4)(외부 케이싱)은 원형 링 형상의 단면을 가진다. 내부 하우징(3)(내부 케이싱)은 반경방향 외측으로 향하는 핀을 구비한 원형 단면을 가진다. 상기 두개의 핀은 수평 플랜지(12A, 12B)에 의하여 형성된다. 수직으로 향하는 핀은 증기 터빈(1)의 하부 영역(6)에 위치하는 여분 매스(9)에 의하여 형성된다. 부가적인 수직 핀은 증기 터빈(1)의 상부 영역(5)에 위치하는 보충 매스(10)에 의하여 형성된다. 외부 하우징(4)과 내부 하우징(3) 사이에 링 형상의 반경방향 갭(7)이 형성된다. 이 반경방향 갭(7)은 플랜지(12A, 12B)에 의하여 수평면(11)의 영역에서 좁아진다. 외부 하우징(4) 및 플랜지(12A, 12B) 사이의 반경방향 갭(7)에 수평 협소부(19)가 제공된다. 갭(7)의 추가적인 협소부(8)는 반경방향 갭(7)에서 외부 하우징(4)을 향하여 연장되는 여분 매스(9)에 의하여 형성된다. 도 4에 따른 실시예에서, 모든 핀(여분 매스(9), 보충 매스(10) 및 플랜지(12A, 12B))은 거의 장방향 단면을 가진다. 보충 매스(10) 및 여분 매스(9)는 주 축선을 따라 적어도 부분적으로 상기 설치 영역(20)(설치 장치) 외부로 연장되어 (적어도 부분적으로) 상기 블레이드 영역(24)과 축방향으로 중복된다.
도 5에는 여분 매스(9)가 거의 삼각형 단면을 가진다. 거의 삼각형 단면을 가지는 보충 매스(10)를 제공하는 것도 가능하다.
터보 머신(1)의 정지 및 냉각 동안, 갭(7)에서 가스 매체, 증기의 자연적 대류가 시작된다. 여분 매스(9) 때문에 내부 하우징(3)으로부터의 열은 협소부(8)와 수평 협소부(19) 사이의 갭에서 자연적 대류가 발생할 수 있도록 하는 양으로 외부 하우징(4)으로 전달된다. 이러한 대류에 의하여, 열은 외부 하우징(4)으로 전달되어 협소부(8)와 수평면(11) 사이의 영역에서 외부 하우징(4)의 내측 표면(25)상의 온도(T)가 증가된다. 외측 표면(24)상의 내부 하우징(3)의 온도는 외측 표면(24)에서 매우 많이 변화되지 않는다.
도면부호 리스트
1 터보 머신, 증기 터빈
2 주 축선
3 내부 하우징
3A, 3B 하우징 부분
4 외부 하우징
5 상부 영역
6 하부 영역
7 반경방향 갭
8 협소부
9 여분 매스
10 보충 매스
11 수평면
12A, 12B 플랜지
13 유입 영역
14 유출 여역
15 터빈 회전자
16 증기
17 가동 블레이드
18 가이드 블레이드
19 수평 협소부
20 설치 영역
21 부선형 온도 프로파일
22 선형 온도 프로파일
23 초선형 온도 프로파일
24 블레이딩 영역

Claims (10)

  1. 터보 머신(1), 특히 증기 터빈으로서,
    주 축선(2), 내부 하우징(3), 외부 하우징(4), 상부 영역(5) 및 하부 영역(6), 상기 외부 하우징(4)상에 상기 내부 하우징(3)을 설치하기 위한 설치 영역(20), 상기 주 축선(2)을 따라 연장되는 블레이딩 영역(24)을 포함하며,
    반경방향 갭(7)이 형성되도록 상기 외부 하우징(4)이 상기 내부 하우징(3)을 둘러싸며, 상기 반경방향 갭(7)은 상기 하부 영역(6)에서 협소부(8)를 가지며, 상기 협소부(8)는 상기 주 축선(2)을 따라 외측으로 연장하여 상기 설치 영역(20)이 상기 주 축선(2)의 방향으로 상기 블레이딩 영역(24)과 적어도 부분적으로 중복되도록 하는,
    터보 머신.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 하우징(3)이 상기 협소부(8)를 형성하도록 상기 외부 하우징(4)을 향하여 상기 반경방향 갭(7)으로 연장되는,
    터보 머신.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 하우징(3)과 열적 결합되며 상기 하부 영역(6)에 위치하는 열 전도성의 여분 매스(9)를 가지는,
    터보 머신.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 여분 매스(9)는 거의 삼각형상, 장방형상 또는 이와 유사한 형상의 단면을 가지는,
    터보 머신.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 여분 매스(9)가 상기 주 축선(2)을 따라 배열되는,
    터보 머신.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 영역(5)에 보충 매스(10)가 위치하며, 상기 보충 매스는 특히 상기 내부 하우징(3)에 연결되는,
    터보 머신.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 영역(6)에서 상기 외부 하우징(4)이 상기 내부 하우징(3)을 향하여 연장하는,
    터보 머신.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 증기 터빈은 고압 증기 터빈 또는 중간 압력 증기 터빈인,
    터보 머신.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 하우징(3)은 두 개의 하우징 부분(3A, 3B)을 포함하며, 상기 하우징 부분(3A, 3B)은 수평면(11)을 따라 서로 분리될 수 있는,
    터보 머신.
  10. 제 9 항에 있어서,
    각각의 하우징 부분(3A, 3B)은 외측 반경방향으로 배열되는 수평 플랜지(12A, 12B)를 가지는,
    터보 머신.
KR1020007011131A 1998-04-06 1999-04-06 내부 하우징 및 외부 하우징을 구비한 터보 머신 KR100587175B1 (ko)

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