KR100758725B1 - 유니버설 쉬라우드를 구비한 증기/가스 터빈 압력 단 - Google Patents

Abstract

인접하는 씨일을 포함하는 증기/가스 터빈의 블레이드(7)의 쉬라우드(8) 또는 블레이드(7)의 동일한 부품의 불완전한 설계는, 신뢰성 및 효율성의 감소로 이어진다. 이러한 결점들은, 상기 블레이드(7)의 쉬라우드에 드릴된 반경방향의 구멍(12)의 사용에 의해 해결된다.

상기 쉬라우드 구멍(12)을 통한 증기의 이동은, 상기 쉬라우드(8)의 표면에서의 압력변화를 제거시키고, 상기 쉬라우드(8)의 내부 표면에서의 금속 산화물, 염 및 기타 퇴적물의 형성을 방지하게 된다.

상기 구멍의 수 및 직경 뿐만 아니라, 그에 대응하는 배열 및 쉬라우드 크라우닝 씨일(Crowning Seals)의 반경 간극이 그들의 효율을 조절한다.

증기/가스 터빈, 블레이드, 쉬라우드, 반경 간극

Description

유니버설 쉬라우드를 구비한 증기/가스 터빈 압력 단{STEAM/GAS TURBINE PRESSURE STAGE WITH UNIVERSAL SHROUD}

본 발명은 터빈(Turbine) 및 공기 압축기 구조 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 터빈 회전자 블레이드(Blade)에 씰링된 쉬라우드(Shroud)를 포함하고, 상기 씨일(Seal)들이 쉬라우드에 위치하고 있거나 또는 터빈 고정자에 결합되어 있는, 가스 터빈, 공기 압축기 및 증기 터빈의 압력 단(Stage)에 관한 것이다.

본 발명은, 터빈 제조공장에서의 증기 터빈의 개량에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 열 발전소에서의 증기 및 가스 터빈의 개선, 그리고 가스 터빈 및 압축기를 구비한 항공기 엔진의 개량에도 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2에, 방향성 노즐 블레이드(2) 및 실드(Shield, 3)를 구비한 방향성 노즐 블록(Nozzle Block, 1)과, 디스크(Disc, 6), 로터 블레이드(Rotor Blade, 7), 쉬라우드(8), 쉬라우드 씨일(4, 5)로 이루어진 로터 휘일(Rotor Wheel)과 함께 증기 터빈의 압력 단(段)구조가 개시되어 있는데, 이는 도 1 또는 도 2의 노즐 블록의 실드(3)에 결합되어 있거나, 도 2의 로터 블레이드의 쉬라우드에 위치하고 있다.

터빈 단의 쉬라우드 씨일은 일반적으로, 상기 씨일에서의 증기 유동 방향을 따르는 제1융기부(4) 및 제2융기부(5)의 두개의 융기부로 이루어져 있고, 상기 융기부들은, 쉬라우드 위에 위치하는 쉬라우드 채임버(Shroud Chamber, 11)를 형성하고, 반경방향 간극 h1 및 h2를 포함하며, 증기 유동 흐름을 결정하고, 씨일을 통과한다.

간극 h1 및 h2는, 각 단(Stage) 또는 단의 그룹에 대해 절대값으로 동일하게 설정되고, 상기 값은, 터보 유닛(Turbo-unit) 임계동력, 즉, 저주파 진동을 발생시키는 동력의 상태에 의존할 뿐만 아니라, 터빈 부품들의 열팽창 조건에 의존한다.

도 3 및 도 4에 그 배치구조가 도시된 회전자 블레이드 쉬라우드(8)는, 회전자 블레이드 핀(Blade Pin,9)을 위한 개구부(15)를 구비한 스트립(Strip)의 형태인데, 상기 블레이드 핀은 회전자 블레이드에 장착된 후 리벳조립되어, 6개 또는 그 이상의 블레이드 묶음을 형성한다. 이러한 쉬라우드의 부품(13)들은, 단일의 흐름 채널(Channel)을 커버하고 어떠한 개구부도 구비하지 않는다.

도 1 및 도 2에 도시된 증기 또는 가스 터빈의 단(Stage)은, 아래의 명백한 결점을 지니고 있고, 이러한 결점은 터빈 작동시에 나타난다.

a) 상기 단 주위의 쉬라우드 씨일에 있어서의 불균일한 간극 배치 때문에, 쉬라우드 및 융기부에 공기 다이나믹(Dynamic) 토마스 힘(Tomas Forces)이 생성되어, 터빈 회전자 및 그 지지부품들의 불안정한 작동을 야기시킨다.

b) 회전자 블레이드 쉬라우드의 내부표면(8)은, 금속 및 염 산화물(10)이 형성되기 쉽고, 상기 금속 및 염 산화물의 존재는 회전자 블레이드의 개방 흐름 면적을 막게 되어, 터빈 동력의 감소와 함께 규정된 효율인자를 감소시킨다.

c) 상대적인 터빈 하중의 변동과 함께 상기 b)항의 요인에 의한 과도한 연료 연소로 인하여 연료 자원이 과도하게 소비된다.

본 발명의 목적은 증기 및 가스 터빈 작동의 신뢰성을 증진시키고, 현행의 변수들과 비교하여 실질적인 효율인자 및 동력을 증가시키는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적은, 쉬라우드 씨일의 융기부(Ridge)에 간극 h1 및 h2를 형성함으로써 달성되는데, 상기 제2융기부(5)의 반경 간극 h2는 제1융기부(4)의 반경 간극 h1 보다 작기 때문에, 증기의 유동 흐름 조정을 가능하게 하고, 정해진 한도내에서 쉬라우드 채임버(11)를 통과한다. 배출 개구부(12) 시스템이 회전자 블레이드 쉬라우드 부품(13)에 제공되어, 도 5 및 도 6의 쉬라우드에 드릴링하는 것에 의해 단일의 내부-블레이드 채널을 커버한다. 상기 개구부들은, 상기 쉬라우드(8)의 부품(13,14) 표면을 따라 균일하게 배치되어 있고, 도 4의 내부 블레이드 채널(14)의 증기 유동(18)의 방향을 따르게 된다. 상기 개구부들은, 씨일 구조 뿐만 아니라 퇴적물의 양 및 그 체적에 따라서, 엇갈린 순서(16)로 형성될 수도 있다.

상기 개구부의 수 n과 그 직경 d 사이의 비율은 다음과 같다:

여기서 Sk는, 회전자 휘일(Wheel)에서 각기 단일의 내부 블레이드 채널을 커버하는 외부 쉬라우드의 표면적이다.

회전자 블레이드(7)의 쉬라우드(8)에 형성된 개구부(12)들 때문에 터빈 작동 의 과정에서, 상기 쉬라우드 및 인클로져(17)의 상부에 위치하고 또한 도 5의 쉬라우드의 상부에 위치한 상기 채임버(Chamber, 11)로부터, 상기 쉬라우드의 아래에 위치한 유동 채널의 부분으로, 증기의 오버플로우(Overflow)가 발생하여, 장애효과를 발생시키고, 상기 쉬라우드의 내부 표면상에 금속 및 염 산화물이 형성되는 것을 방지한다.

상기 쉬라우드 및 상기 쉬라우드 상부의 인클로져(17)의 상부에 위치한 채임버(11)로부터의 압력의 방출은, 증기의 오버플로우와 유사한 과정에 의해 이루어지는데, 이러한 과정은, 쉬라우드 및 융기부위의 공기 다이나믹(Dynamic) 토마스 힘의 발생을 방지하고, 터빈 회전자 및 그 지지부재의 불안정한 작동을 유도하는 것을 방지한다. 이는 차례로, 상기 제2융기부(5)의 반경간극 h2의 감소를 용이하게 하고, 터보-유닛 임계 동력을 조절하여, 씨일에 대한 증기의 오버플로우 감소로 인하여 결과적으로 상기 효율인자를 부가적으로 증가시키게 된다.

따라서, 본 발명은 다음의 목적으로 사용될 수 있다:

a) 회전자 블레이드 쉬라우드 내부표면상에 금속 및 염 산화물이 형성되는 것을 방지하는 수단;

b) 터보-유닛 진동상태를 향상시키기 위한 수단 및

c) 상기 a) 및 b)항에 기인한 보수와 터빈 서비스 수명 사이의 기간을 연장시키기 위한 목적.

본 발명은, 증기 및 가스 터빈, 압축공기 공장 및 가스동력 펌프의 제조 및 작동에 관한 것이다.

인접하는 씨일을 포함하는 상기한 기계들에 있어서, 벨트 쉬라우드(Belt Shroud) 및 블레이드의 동일한 부품의 불완전한 설계는, 신뢰성 및 효율성의 감소로 이어진다.

1. 상기 쉬라우드의 원주를 따르는 반경 간극의 불균일한 분포는, 공기-다이나믹 토마스 효과(Air-dynamic Thomas Force)를 야기시켜 진동작용을 감소시킨다.

2. 쉬라우드의 내부 표면은, 금속 산화물 및 염 퇴적물이 형성되기 쉽다.

이러한 결점들은, 상기 블레이드의 쉬라우드에 반경방향으로 구멍을 드릴링(Drilling)함으로써 해결된다.

상기 쉬라우드 구멍을 통한 증기의 이동은, 상기 쉬라우드의 표면에서의 압력 변화를 제거하고, 상기 쉬라우드의 내부 표면에서의 금속 산화물, 염 및 기타 퇴적물의 형성을 방지하게 된다.

상기 구멍의 수 및 직경, 그에 대응하는 배열 및 쉬라우드 크라우닝 씨일(Crowning Seals)에 있어서의 반경 간극의 값은, 그들의 효율을 조절한다.

도 1은, 노즐 블록 실드에 쉬라우드 씨일을 구비한 터빈 압력 단의 종단면도.

도 2는, 회전자 블레이드 쉬라우드에 위치하는 쉬라우드 씨일을 구비한 터빈 압력 단의 종단면도.

도 3은, 도 1의 쉬라우드 단면도.

도 4는, 도 2의 쉬라우드 단면도.

도 5는, 단면 D-D에 따른 도 2의 상세도.

도 6은, 단면 C-C에 따른 도 1의 상세도.

도 1 및 도 2의 증기(가스) 터빈(압축기)은, 방향성 노즐 블레이드(2) 및 실드(Shield,3)를 구비한 방향성 노즐 블록(1), 도 2의 쉬라우드(8)에 위치한 쉬라우드 융기부(4,5) 또는 융기부(4,5), 및 상기 회전자 블레이드(7)에 위치하는 쉬라우드(8)를 구비한 회전자 휘일을 포함하는데, 터빈의 효율인자 및 작동 신뢰성을 향상시키기 위한 목적으로, 상기 증기/가스 유동을 따라 위치한 쉬라우드 씨일의 상기 제2융기부(5)의 반경간극 h2가, 상기 쉬라우드 씨일의 상기 제1융기부(4)의 반경간극 h1보다 작게 형성되는 점에 있어서 다르고, 단일의 내부 블레이드 채널을 막는 상기 쉬라우드(8)의 부품(13,14,15)에, 쉬라우드(8)의 부품(13,14,16) 표면에 관하여 균일하게 분포된, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6의 반경 배출 개구부(12) 시스템이 형성된다. 상기 반경 배출 개구부는, 불규칙적인 순서(16)로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 중간의 증기 유동 라인(14,18)을 따라서, 또는 상기 내부 블레이드 채널에서의 도 4의 증기 유동 라인(18)에 대해 대칭적으로 형성될 수 있는데, 이는 증기(가스)가, 상기 도 5의 쉬라우드 및 상기 쉬라우드 상부의 채임버 위의 인클로져(17)로부터 상기 쉬라우드 압력의 유동채널 및 배출구까지 오버플로우(Overflow)되도록 하기 위한 것으로서, 이는 상기 압력이, 쉬라우드 및 융기부 위의 공기 다이나믹 "토마스 힘"의 근원이 되어, 터빈 회전자 및 그 지지부재들의 불완전한 작동을 야기하기 때문이고, 한편, 쉬라우드(8)의 상기 배출 개구부(12)를 통과하여 상기 유동 채널의 쉬라우드 인클로져(Inclosure) 위로 들어가는 증기(가스)는, 아래의 비율로 단일의 내부-블레이드 채널 스탠드(Channel Stand)를 커버하는 쉬라우드 부품(13,14,16)의 각 유동 채널의 외부 쉬라우드의 표면적(Sk)상의 상기 개구부(12) 직경 d 및 그 수 n에 의해, 쉬라우드(8)의 내부 표면상에 금속 및 염 산화물(10)이 형성되는 것을 방지한다.

Claims (5)

1. 증기 또는 가스와 함께 작동되는 축류(Axial Flow) 유체기계로서, 고정 하우징(Housing), 내부 디스크(Disc), 외부 쉬라우드(Shroud) 및 상기 디스크와 쉬라우드 사이에 장착된 복수의 블레이드(Blade)를 갖는 로터(Rotor)부재를 포함하고, 상기 쉬라우드의 적어도 일부분에 걸쳐 복수의 배출 개구부가 구비되어, 상기 개구부를 통해 외부 반경방향으로 흐르는 증기 또는 가스가, 상기 외부 쉬라우드의 내부표면에 금속 및 염 산화물이 형성되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 축류 유체기계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 개구부는, 상기 외부 쉬라우드의 일부분에 걸쳐 균일하게 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 유체기계.
3. 제1항에 있어서,

   상기 개구부는, 상기 외부 쉬라우드의 일부분에 걸쳐 엇갈린 방식으로 위치하는 것을 특징으로 하는 축류 유체기계.
4. 제1항에 있어서,

   상기 개구부는, 개구부의 직경이 다음의 식을 만족하도록 선정되는 것을 특징으로 하는 축류 유체기계.

   

   ( n:상기 개구부의 수, Sk:상기 외부 쉬라우드의 표면적)
5. 제1항에 있어서,

   상기 외부 쉬라우드의 외부 표면에 위치하거나, 또는 상기 외부 쉬라우드를 마주보는 고정 하우징의 내부 표면에 위치하는 두개의 씰링(Sealing)부재를 포함하는 쉬라우드 씨일(seal)을 더 포함하고, 상기 씰링부재는 유체흐름 방향에서 볼때 상기 로터 부재와 상기 하우징사이에 두개의 반경 간극 h1 및 h2를 제공하며, 상기 간극 h2는 상기 간극 h1보다 작은 것을 특징으로 하는 축류 유체기계.

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