KR100603077B1 - 터빈 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

터빈의 표준 점화상태 정지동안, 베어링 송풍기(48)가 "on" 상태일 때 래빗 조인트에 열적 불일치로 인해, 기계 장치의 제 4 스테이지 휠(18)과 후방 샤프트(44) 사이의 하중이 인가된 래빗 조인트(40)에 하중이 제거되어 간극이 형성될 수 있다. 개방 또는 하중 제거된 래빗은 부품들을 상대적으로 이동시킬 수 있기 때문에 로터의 밸런스를 손상시킨다. 베어링 송풍기가 터빈 정지동안 "off" 상태이면, 전방 공기/오일 밀봉부(50) 온도는 "소크-백"으로 인한 최대 설계 실제 기준을 초과할 수 있다. 설정된 최대 설계 한계 이상의 공기/오일 밀봉부 온도는 기계에 치명적인 결과를 야기할 수 있다. 최적의 송풍기 프로파일에 따라 베어링 송풍기를 제어함으로써, 래빗 하중이 유지될 수 있으며, 공기/오일 밀봉부 온도가 설정 한계 이하로 유지될 수 있다. 송풍기 프로파일은 시스템의 열역학적 모델에 따라 결정된다.

Description

터빈 작동 방법{CONTROLLING A RABBET LOAD AND AIR/OIL SEAL TEMPERATURES IN A TURBINE}
도 1은 터빈의 일부분의 절단 단면도,
도 2는 열역학적 모델의 결정치를 도시하는 터빈의 바람직한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명*
12, 14, 16, 18 : 로터 휠 20, 22, 24 : 스페이서
12a, 14a, 16a, 18a : 터빈 버켓 40 : 래빗형 조인트
42 : 후방 샤프트 휠 46 : 후방 베어링
48 : 배기 송풍기 50 : 공기/오일 밀봉부
본 발명은 지상에 설치된 발전용 가스 터빈과 같은 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 공기/오일 밀봉부 온도로 인한 베어링 파이어(bearing fire)를 방지하면서, 래빗 하중을 유지하도록 배기 송풍기 유량(exhaust blower mass flow)을 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적인 가스 터빈에 있어서, 터빈 로터는 로터 휠과 스페이서를 적층하여 형성되며, 적층된 복수개의 휠 및 스페이서는 서로 볼트 결합된다. 래빗형 조인트는 일반적으로 스페이서와 휠 사이에 제공된다.
표준 점화상태 정지동안, 제 4 스테이지 휠과 후방 샤프트 사이의 래빗 조인트는 지속적으로 운전하는 베어링 배기 송풍기로부터의 높은 냉각율 때문에 하중이 제거되어, 간극을 형성할 수도 있다. 개방된 또는 하중이 제거된 래빗 조인트는 부품들이 상대 이동하여 로터의 밸런스가 손상되므로 큰 진동이 발생하며, 밸런스를 다시 맞추거나 또는 로터를 교체하는데 비용과 시간이 많이 소요된다. 로터 불균형은 작동상 허용될 수 없으며, 일반적으로 설계 엔지니어들은 이러한 불균형이 나타나지 않도록 하기 위해서 많은 노력을 기울일 것이다. 이와 대조적으로, 정지동안 베어링 배기 송풍기는 "off" 상태이며, 전방의 공기/오일 밀봉부 온도는 "소크-백(soak-back)" 현상으로 인하여 최대 설계 실제 기준을 초과할 것이다. 설정된 최대 설계 한계 이상의 공기/오일 밀봉부 온도는 기계 장치에 치명적인 결과를 가져오는 베어링 파이어를 야기할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 터빈 작동 방법은 터빈의 열적 파라미터를 기존의 터빈 구성요소에 의해 제어함으로써 공기/오일 밀봉부 온도를 허용가능한 한 낮게 유지하면서 래빗 조인트 하중을 유지하는 단계를 포함한다. 이 단계는 터빈 배기 프레임을 가로질러 공기 유량을 제어함으로써 달성될 수도 있다. 여기에서, 터빈 구성요소는 바람직하게는 배기 송풍기이며, 공기 유량은 배기 송풍기의 속도를 제어함으로써 제어된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 터빈은 서로 축방향으로 일치하게 고정되는 터빈 휠과 후방 샤프트를 구비하며 이들 사이에는 래빗형 조인트를 갖는다. 상기 터빈 휠과 후방 샤프트는 순간적인 열적 불일치를 발생시키는 인가 온도에 상이하게 응답한다. 터빈 작동 방법은 구성요소의 특성에 따라 터빈 구성요소의 열역학적 모델을 결정하는 단계와, 열역학적 모델에 따라 터빈 배기 프레임을 가로지르는 공기 유량을 제어하는 단계를 포함한다. 구성요소의 특징은 작동 온도, 질량, 밀도, 상대적인 위치 및 속도 등을 들 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 후방 샤프트에 인접 배치된 제 4 스테이지 휠을 갖는 터빈의 작동 방법은 제 4 스테이지 휠과 후방 샤프트 사이의 래빗 조인트 근방에서 터빈 송풍기 속도를 제어함으로써 래빗 조인트의 냉각율을 제어하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 터빈 로터(10)를 포함한 터빈의 일부가 도시되며, 터빈 로터(10)는 예시적인 4-스테이지 터빈 로터의 일부를 형성하는 로터 휠(12, 14, 16, 18)과 같은 적층형 구성요소를 포함하며, 이들 휠 사이에 교대로 스페이서(20, 22, 24)가 존재한다. 휠 및 스페이서 요소는 복수개의 기다란 원주방향 연장 볼트에 의해서 로터에 단단히 고정되며, 이들중 하나(26)만이 도시되어 있다. 휠(12, 14, 16, 18)은 복수개의 원주방향으로 이격된 터빈 버켓(12a, 14a, 16a, 18a)을 각각 장착한다. 노즐(30, 32, 34, 36)은 각각 버켓(12a, 14a, 16a, 18a)과 스테이지를 형성한다. 휠 및 스페이서는 축방향으로 서로 일치하게 배치되며, 래빗형 조인트가 이들 사이에 배치되어 있다. 예시적인 래빗형 조인트(40)는 최종 스테이지 휠(18)과 후방 샤프트(44)의 일부를 형성하는 후방 샤프트 휠(42) 사이에 배치된다. 이 래빗형 조인트는 터빈 작동의 전 범위에 걸쳐서 서로 잠금결합되어 있다. 도시된 바와 같이, 후방 샤프트(44)는 후방 베어링(46) 내부의 로터(10)와 함께 회전가능하다.
로터의 여러 구성요소 사이의 열적 불일치는 터빈의 작동중, 특히 터빈 차단 및 시동중에 일어난다. 기계 장치는 일반적으로 지속적으로 운전되는 베어링 배기 송풍기(48)를 포함한다. 정상 상태의 터빈 작동동안, 터빈의 여러 요소 사이의 온도 분포는 터빈 작동에 악영향을 주지 않는 소정 열적 불일치 범위에 있다. 그러나 순간적인 작동(에컨데, 정지 및 시동)중에는, 배기 송풍기(48)에 의한 냉각율이 크기 때문에 열적 불일치가 훨씬 더 크며, 이것이 수용되어야 한다. 예컨데, 후방 샤프트 휠(42)과, 최종 스테이지, 예컨대 제 4 스테이지 사이의 래빗형 조인트(40)는 허용가능한 열적 불일치를 넘어서 상당한 열적 불일치를 갖는다. 이러한 큰 열적 불일치는 상이한 열팽창률 및 열수축률 때문에 래빗의 개방 또는 해제를 야기할 수도 있으며, 이런 상태는 구성요소들을 상대적으로 이동하게 하고, 따라서 로터의 불균형을 발생시키므로, 고진동을 야기하며 다시 밸런스를 맞추거나 또는 로터 교체하는데 많은 비용이 요구된다.
보다 상세하게는, 정지동안, 여러 터빈 스테이지의 고온 가스 경로를 통한 고온 가스 유동과, 보어 튜브 냉각 회로 조립체를 통한 증기 스트림은 종료된다. 휠(18)은 매우 큰 질량을 가지며 터빈의 정상 작동중 고온으로 가열되기 때문에, 휠(18)은 후방 샤프트 휠(42)의 열 손실과 비교하여 매우 서서히 열을 손실할 것이며, 이는 래빗형 조인트(40)에 큰 열적 불일치를 초래한다.
이 문제를 바로잡기 위한 시도로서, 래빗형 조인트(40)의 열적 불일치를 제거하기 위해서 터빈 정지동안 배기 송풍기(48)를 정지시킬 수 있다. 그러나, 본 명세서에 있어서 배기 송풍기(48)가 터빈 정지동안 off 상태이면, 전방의 공기/오일 밀봉부(50) 온도가 "소크-백"으로 인하여 최대 설계 실제 기준을 쉽게 초과할 수도 있다. 최대 설계 한계 이상인 공기/오일 밀봉부(50) 온도는 베어링 파이어를 초래할 수도 있으며, 이에 의해서 기계 장치에 치명적인 결과를 초래한다.
따라서, 트랜지언트 상태동안 베어링 송풍기에 의해 배기 출력의 유량을 제어함으로써, 허용가능한 한계내에 래빗 하중이 유지될 수 있으며, 공기/오일 밀봉부 온도는 설정된 한계 이하로 유지될 수 있다. 배기 송풍기(48)의 속도를 제어함으로써 터빈 배기 프레임을 가로질러 공기의 유량을 제어한다. 이 송풍기 속도는 기계 장치의 구성요소의 물리적 및 기계적 특성이 되는 기계 장치의 열역학적 특성에 기초하여 결정된 프로파일에 따라 시간 경과에 의해 변화된다. 도 2에 도시된 바와 같은 세부적인 총 물리적 유동 모델(full flow physics model)을 사용하면, 베이스라인 점화상태 정지 트랜지언트가 열적 및 기계적으로 분석되어, 베어링 송풍기(48)가 소망 결과를 달성하기 위한 스케줄이 결정될 수 있다. 도 2는 제너럴 일렉트릭 모델 7H 가스 터빈 장치의 예시적인 열역학적 모델을 도시한다. 이 모델은 세부 부품별 열역학적 구조 분석에 관한 것이며, 예를 들어 100초마다 반복되는 총 650개의 물리적 유체 요소(고정 부품 및 회전 부품), 25,000개의 2차원 열적 솔리드 요소, 40,000개의 노드, 1,200개의 경계 조건을 갖는 7,000개의 표면 요소, 1000개의 전도 열 전달 링크, 및 3,000개의 복사열 전도 링크를 들 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같은 열역학적 모델은 당연히 기계 장치에 따라 달라지며, 주지된 바와 같이, 도 2에 도시된 모델은 단지 예시에 불과하다.
도 2에 도시된 예시적인 열적 모델과 같은 열역학적 모델을 사용하면, 공기/오일 밀봉부(50)을 허용가능한 저온으로 유지하면서 래빗 하중 및 폐쇄된 래빗 조인트를 유지하는 설계 기준을 만족시키도록, 배기 송풍기 제어를 위해 허용가능한 프로파일 범위가 결정되고 최적화될 수 있다. 여기에서, 프로파일은 모델 전체에 이용될 수 있으며, 허용가능한 한계(즉, 래빗 하중 및 공기/오일 밀봉부 온도) 사이의 최대 마진을 제공하는 견고한 구조를 갖도록 통계학적 처리를 이용하여 최적화된다.
본 발명의 방법에 의하면, 최적화된 송풍기 프로파일에 따라 정밀하게 베어링 송풍기를 제어함으로써, 래빗 하중이 터빈의 트랜지언트 단계동안(정지 또는 시동 등) 허용가능한 한계에서 유지될 수 있다. 후방 샤프트 냉각 회로에 공급되는 송풍기 유량을 정확히 제어하면, 래빗 하중과 밀봉부 온도 모두에 대해서 처리 용량이 쉽게 6 시그마(sigma)를 초과할 수 있다.
본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예에 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않고, 이와 대조적으로 첨부된 청구범위의 정신 및 보호 범위 내에서의 다양한 변형예 및 수정예를 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명의 방법에 의하면, 최적화된 송풍기 프로파일에 따라 정밀하게 베어링 송풍기를 제어함으로써, 래빗 하중이 터빈의 트랜지언트 단계동안(정지 또는 시동 등) 허용가능한 한계에서 유지될 수 있다. 후방 샤프트 냉각 회로에 공급되는 송풍기 유량을 정확히 제어하면, 래빗 하중과 밀봉부 온도 모두에 대해서 처리 용량이 쉽게 6 시그마(sigma)를 초과할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기존 터빈 구성요소로 터빈의 열적 파라미터를 제어함으로써 공기/오일 밀봉부 온도를 허용가능한 한 낮게 유지하면서 래빗 조인트 하중을 유지하는 단계를 포함하는 터빈 작동 방법에 있어서,
    상기 제어 단계는 터빈 배기 프레임을 가로질러 공기 유량을 제어하는 단계를 포함하며, 상기 기존 터빈 구성요소는 배기 송풍기를 포함하며, 상기 공기 유량을 제어하는 단계는 배기 송풍기의 속도를 제어하는 단계를 포함하는
    터빈 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 서로 축방향으로 일치하게 고정되고 그들 사이에 래빗 조인트를 갖는 터빈 휠과 후방 샤프트를 포함하는 터빈의 작동 방법에 있어서,
    상기 터빈 휠과 상기 후방 샤프트는 일시적인 열적 불일치를 발생시키는 부가 온도에 대해 상이하게 응답하며, 구성요소의 특성에 따라 터빈 구성요소의 열역학적 모델을 결정하는 단계와, 상기 열역학적 모델에 따라 터빈 배기 프레임을 가로질러 공기 유량을 제어하는 단계를 포함하는
    터빈 작동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 구성요소의 특성은 작동 온도, 질량, 밀도, 상대 위치 및 속도를 포함하는
    터빈 작동 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 터빈의 열적 파라미터를 제어하는 단계가 터빈 배기 프레임을 가로질러 공기 유량을 제어하는 단계를 포함하는
    터빈 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기 유량 제어 단계는 열역학적 모델에 따라 터빈 배기 송풍기의 속도를 제어하는 단계를 포함하는
    터빈 작동 방법.
  8. 후방 샤프트 근방에 배치된 제 4 스테이지 휠을 갖는 터빈 작동 방법에 있어서,
    상기 제 4 스테이지 휠과 상기 후방 샤프트 사이의 래빗 조인트 근방에서 터빈 배기 송풍기의 속도를 제어하여, 래빗 조인트의 냉각률을 제어하는 단계를 포함하는
    터빈 작동 방법.
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