KR100911765B1 - 증기 터빈용 노즐판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 시스템에 의한 고압증기 또는 유압 장치 등의 압력발생장치에서 발생되는 작동유체를 작동 에너지로 사용할 수 있는 고압증기 터빈에 적용되어 회전력을 발생시키는 회전체에 동력 발생매체인 고압증기를 공급시켜주기 위한 노즐판에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 노즐공의 개수를 설정함에 있어, 노즐판의 규격 내에서 온전한 구조의 노즐공을 최대로 가공 배치할 수 있는 범위의 수로 설정하여 회전체의 회전유도날개에 가해지는 압력이 평형 분산될 수 있도록 함으로써 충격과 진동의 완화를 통한 회전유도날개의 손상방지와 소음을 감소할 수 있도록 하며, 또한 각 노즐구멍의 입구에 마개를 체결할 수 있도록 마개 체결공을 구비시켜 필요에 따라 전체 노즐 중 일부를 막아줄 수 있도록 하여 터빈을 고압용과 저압용의 겸용으로 사용할 수 있도록 하며, 또한 노즐공의 각도를 소정 각도로 한정하여 회전체의 회전유도날개 면과 최적의 각도로 접촉되도록 하여 압력 분사 시 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 한 것이다.

고압터빈, 노즐판, 회전체, 회전유도날개.

Description

증기 터빈용 노즐판{Nozzle for steam turbine}

본 발명은 보일러 시스템에 의한 고압증기 또는 유압 장치 등의 압력발생장치에서 발생되는 작동유체를 작동 에너지로 사용할 수 있는 고압증기 터빈에 적용되어 회전력을 발생시키는 회전체에 동력 발생매체인 고압증기를 공급시켜주기 위한 노즐판에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 노즐공의 개수를 설정함에 있어, 노즐판의 규격 내에서 온전한 구조의 노즐공을 최대로 가공 배치할 수 있는 범위의 수로 설정하여 회전체의 회전유도날개에 가해지는 압력이 평형 분산될 수 있도록 함으로써, 충격과 진동의 완화를 통한 회전유도날개의 손상방지와 소음을 감소할 수 있도록 하며, 또한 각 노즐구멍의 입구에 마개를 체결할 수 있도록 마개 체결공을 구비하여 필요에 따라 전체 노즐 중 일부를 폐쇄시켜 고압용과 저압용 터빈에 겸용으로 사용할 수 있도록 하며, 또한 노즐공의 각도를 소정 각도로 한정하여 회전체의 회전유도날개 면과 최적의 각도로 접촉되도록 하여 압력 분사 시 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 증기터빈은 고압증기가 가진 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 원동기관으로서, 보일러에서 만들어진 고온, 고압의 증기를 별도의 노즐이나 노즐 공을 가진 고정날개에서 분출·팽창시켜 나온 증기 흐름을 회전체의 회전유도날개에 부딪히면 그 반동으로 회전체가 회전되면서 회전축을 회전시키게 된다.

이러한 터빈의 대략적인 구조는 터빈 케이싱 내에 설치된 터빈 회전축의 길이방향으로 식설(植設)된 회전체를 두고 이 회전체와 쌍을 이루도록 케이싱 내면의 설치 홈 내에 회전축의 길이방향을 따라 고정되게 배설되는 노즐판으로 이루어지는 터빈 단락(段落)을 다단으로 구비하도록 되어 있다.

상기에서 노즐판의 주 기능은 케이싱내로 공급된 증기의 속도를 증가시켜 증기의 열에너지를 운동에너지로 변환하는 것이며, 부수적 기능으로서, 회전체의 회전유도날개에 고압의 증기를 안내하여 주는 것이다.

이와 같은 증기 터빈용 노즐판의 기존 구조는 회전체의 회전유도날개로 증기를 분사시키기 위한 노즐공의 각도가 노즐판의 표면에서 직각으로 천공되고 노즐공이 1개 또는 2개로 구성되는 것이어서 터빈의 출력에 적합하도록 회전유도날개에 충분한 압력과 유속이 부여되도록 노즐공의 직경을 크게 구성할 수밖에 없었다.

또한 스팀터빈은 사용목적상 고압용과 저압용이 확연히 다른 구조를 갖도록 되어 있으며 따라서 이에 적용되는 터빈용 노즐판 또한 노즐공의 형태와 개수가 고압용과 저압용이 서로 다르게 구성되는 것이어서 고압용 스팀터빈과 저압용 스팀터빈은 각각 독립적인 노즐판을 구비해야 하는 실정이었다.

상기와 같은 기존의 노즐판은 노즐공이 1 내지 2개의 적은 수로 한정 구성되 는 것이므로 고압 스팀이 노즐공을 통해 회전체의 회전유도날개에 분사될 때 그 분사 압력을 1내지 2개의 회전유도날개가 감당해야 하는 것이므로 해당 회전유도날개의 충격 증가에 따른 변형의 우려 및 진동과 소음이 크게 되어 내구성을 저하시키고, 소음공해에 대한 문제가 있었다.

또한 고압용 스팀터빈과 저압용 스팀터빈은 각각의 노즐공의 형태와 구성 개수가 다른 독립적인 전용의 터빈용 노즐판을 구비해야 하는 문제가 있으며, 상기 고압 및 저압 터빈용 노즐판들은 타 용도로의 겸용이 불가능하여 사용목적이 단일 목적으로 한정되어 사용효과가 저하되는 문제가 있었다.

또한 상기 노즐판의 노즐공은 단순히 표면과 직각으로 천공되거나 압력이 통과되는 회전유도날개 면의 구성각도와 일치되지 못하는 구조이어서 회전체의 회전유도날개 면에 스팀압력을 분사하는 경우 회전유도날개 면과 최적의 각도로 접촉되기 어려워 압력 분사 시 충격과 진동의 발생 요인이 되고 압력이 회전력으로 변환되는 비율이 적어 스팀압력의 손실요인이 되어 발전 효율성이 저하되는 문제가 노출되는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회전체의 회전유도날개에 가해지는 압력이 평형 분산될 수 있도록 하여 충격과 진동의 완화를 통한 회전유도날개의 손상방지와 소음을 감소시키며, 필요에 따라 전체 노즐 중 일부를 막아줄 수 있도록 하여 터빈을 고압용과 저압용의 겸용으로 사용할 수 있도록 하며, 또한 압력 분사 시 최대의 회전력을 얻을 수 있는 증기 터빈용 노즐판을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증기 터빈용 노즐판은 각 노즐판에 구성되는 노즐공의 개수를 설정함에 있어, 노즐판의 규격 내에서 온전한 구조의 노즐공을 최대로 가공 배치할 수 있는 갯수로 설정함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 각 노즐판에 구성되는 노즐공의 형성각도를 구성함에 있어, 분사되는 고압스팀이 유도되는 회전유도날개 사이의 스팀통로의 접선에 대해 최적의 각도로 안내되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 노즐판을 고압용과 저압용의 겸용으로 사용할 수 있도록 각 노즐구멍의 입구에 볼트 형태의 마개를 체결할 수 있도록 암나사부가 구비된 마개 체결공을 구비시켜 일부의 노즐공을 선택적으로 폐쇄시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 노즐판은 중앙에 실링 설치홈을 갖는 판상의 본체와, 이 본체의 외주연에 요입 구성되는 설치홈을 통해 고정되며 케이싱에의 고정 시 고압에 대한 지지강도를 보강시켜 내구성과 형태 안정성을 강화시키기 위한 이종의 합금으로 구성되고 다수의 노즐공이 천공되는 연부 고정편을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명은 노즐판의 원호 전체에 걸쳐 구성되는 다수의 노즐공을 통해 회전체의 회전유도날개에 가해지는 압력이 평형 분산될 수 있어 작동 시 충격과 진동의 완화를 통한 회전유도날개의 손상방지와 소음을 감소시킬 수 있다.

또한 마개 체결공에 체결되는 볼트 형태의 마개를 통해 필요에 따라 전체 노즐 중 일부를 막아줌으로써 고압용의 터빈을 저압용으로도 겸하여 사용할 수 있다.

또한 노즐공을 회전체의 회전유도날개와 최적의 각도로 안내되도록 구성함으로써, 고압스팀의 분사 시 최대의 회전력을 얻을 수 있는 효과를 갖는 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명 노즐판을 터빈의 케이싱 내에 적용한 상태를 보이는 요부 단면도이고, 도 2는 반원형의 한 쌍으로 구성되어 원형으로 조립 구성되는 본 발명 노즐판의 일 실시예를 보이는 정면 및 단면 예시도이며, 도 6은 본 발명의 작동상태를 보이는 요부 단면 예시도이다.

도 1 내지 도 6에 있어서, 본 발명의 증기 터빈용 노즐판(1)은 한 쌍으로 구성되어 원형으로 조립 구성되며 중앙에 설치공(3)을 구비하는 반원형의 판체(2)를 마련한 상태에서 각 판체(2)의 중간부에 반원 호를 따라 노즐공(4)을 등 간격으로 가공하되 각 노즐공(4)의 구성 개수는 판체(2)의 규격에서 후술하는 마개 체결공(5)과 노즐공(4)을 온전한 규격으로 가공 가능한 최대의 수로 구성된다.

상기의 노즐공(4)의 구성 개수에서 마개 체결공(5)과 노즐공(4)이 온전히 가공될 수 있는 조건이 요구되는 이유는 아래와 같다.

상기 노즐공(4)과 마개 체결공(5)이 도 6에서와 같이 소정 각도로 경사지게 구성되는 것이므로 판체(2)가 만일 단일체의 원판 형이라면 원호 전체를 따라 온전한 형상의 등 간격을 갖는 노즐공과 마개 체결공을 가공 배치할 수 있지만, 분해 조립의 간편성을 통해 유지 보수 등 취급의 편의성을 도모할 수 있도록 반원형으로 구성되는 본 발명의 판체(2)에서 경사진 형태의 노즐공(4)과 마개 체결공(5)을 가공하는 경우에는, 노즐공(4)과 마개 체결공(5)이 차지하는 폭이 커지게 된다.

따라서 판체(2)의 두께 내에서 노즐공(4)의 하단이 잘리지 않고 온전한 전 길이로 가공될 수 있도록 하기 위해서는 노즐공 배치라인의 끝 부분에서 증가되는 점유 폭만큼의 비 가공 여백이 필요하게 되는 것이다.

이로 인해 자연히 반원형으로 구성되는 본 발명 노즐판(1)에서 실시 가능한 노즐공(4)의 개수는 위에서 예로든 온전한 원형의 판체일 경우에 비해 필연적으로 적게 구성될 수밖에 없는 것이어서 상기 조건이 필요하게 되는 것이다.

한편 각 노즐판(1)에 천공되는 노즐공(4)은 소정의 경사각도로 구성되는 것으로, 상기 경사각도(X1)는 도 6에서와 같이 회전체(10)의 회전유도날개(11)에 형성된 상부 외곡면(11')의 접선 각도(X2)와 같거나 작도록 구성하여 고압 스팀의 분사 시 최소의 저항으로 회전유도날개(11)사이의 스팀 통로로 진입될 수 있도록 설정하게 되며, 상기 노즐공(4)의 경사각도(X1)는 회전유도날개(11)에 형성된 상부 외곡면(11')의 접선각도(X2)에 따라 변경됨이 당연하나 도면에서는 30°로 설정되어 있다.

또한 상기 각 노즐공(4)의 상부에는 도 6에서와 같이 상대적으로 큰 직경의 규격을 가지며 암나사부(6)가 구비된 마개 체결공(5)을 구비하게 되는 것으로, 저압용으로 사용하는 경우에는 전 노즐공(4)을 개방하여 사용하고, 고압용으로 사용하고자 하는 경우에는 일부의 노즐공(4)에 볼트형의 마개(12)를 체결하여 해당 노 즐공(4)을 폐쇄시키고 스팀이 분사될 수 없도록 함으로써 동력매체인 고압증기의 공급 감소를 통해 회전력을 높여 고압용으로 사용할 수 있게 된다.

한편 도 4는 본 발명 노즐판의 다른 실시예를 보이는 분리 단면 예시도로서,

중앙에 실링 설치홈(21)을 갖는 판상의 본체(20)를 구비하되, 이 본체(20)의 외주연에 요입 구성되는 설치홈(22)을 통해 내측단이 고정되며 외측단은 케이싱(C)내면의 설치홈에 고정되며 반원 호를 따라 상기한 다수의 노즐공(4)과 마개 체결공(5)이 구비되는 연부 고정편(23)을 포함하도록 되어 있다.

본 발명에서는 상기 판상의 본체(20)와 연부 고정편(23)은 각기 다른 소재를 사용하게 되는 바, 판상의 본체(20)는 저합금 고장력강(HSLA)소재(Q345)로 구성하고 연부 고정편(23)은 스테인레스 강(2CR13)으로 구성하였다.

상기 저합금 고장력강(HSLA : High Strength Low Alloysteel)은 일반 탄소강에 바나듐이나 니오븀 등 미세한 탄화물을 형성하는 합금원소를 0.1%정도 소량 첨가하여 강의 충격인성과 강도를 크게 높인 고강도 저합금강 재료이며, 특히 자동차 기계부품소재로 사용되고 있으며, 고온에서 단조한 후 급냉하여 강도가 높은 치밀한 마르텐 사이트라고 하는 조직을 갖게 한 재료로서, 특히 심하게 가해지는 주기적인 부하상태에서 일어나는 재료의 피로현상에 대한 저항이 뛰어나다.

한편 연부 고정편(23)을 구성하는 스테인레스 강은 표 1에서와 같이 다량의 크롬을 함유하여 내식성이 뛰어나는 것으로서, 내식성이 월등하여 사용 환경의 제약이 적고, 위생적이고, 가동성이 우수하여 변형이 용이하며 강도가 높아 외부 충격에 강하며, 내화(耐火), 내열(耐熱)성이 큰 특성을 갖는다.

이와 같은 스테인레스 강은 철에 크롬을 합금시키면 부식은 적어지고, 크롬을 약 12％ 이상 사용하여 합금시키면 내식성이 크게 향상된다. 내식성이 향상되는 원인은 강 표면에 형성되는 산화크롬이 주가 되는 치밀한 피막(不動態皮幕)이 강 전체를 환경으로부터 보호하는 역할을 하기 때문이다.

강 종	조 성	특 성 주	용 도
410	13Cr	MartensiterPdml 대표적인 강종으로 가격은 유리하나 일반 내식강으로 부식 환경에는 견디기 어렵다. 가공성은 우수하고 열처리에 의해 경화된다.	● 일반칼날 ● 기계부품 ● 석유 정제장치.
420J	13Cr-0.2C	소입상태에서 경도가 높고 410보다 내식성이 높은 재종	● 터빈 블레이드
420J2	13Cr-0.3C	420J보다 소입후 경도가 높은 재종	●칼날,노즐,밸브. ●막대자

한편 연부 고정편(23)의 본체(20) 및 케이싱(C)과의 결합은 별도의 체결 고정부재의 사용없이 연부 고정편(23)은 냉각하여 수축시키고, 본체(20) 및 케이싱(C)은 가열하여 팽창시킴으로써, 연부 고정편(23)의 내, 외측단을 본체(20)의 설치홈()과 케이싱(C)의 홈에 간편하게 결합시킨 상태에서 상호 결합된 연부 고정편(23)과 본체(20) 및 케이싱(C)의 온도가 상온으로 복귀되도록 충분한 시간동안 방치시켜 두면 냉각되었던 연부 고정편(23)은 상온으로 복귀되면서 팽창되고, 가열되었던 본체(20) 및 케이싱(C)은 상온으로 복귀되면서 수축되면서 연부 고정편(23)은 본체(20)와 케이싱(C)에 견고하게 결합되는 것이다.

상기에서 고온의 스팀과 주로 접하는 연부 고정편(23)은 열 변형 억제와 설치의 안정성, 기체 누설방지 등 제반 필요에 의해 본체(20)에 비해 온도에 대한 열팽창계수가 작은 소재로 구성함이 적당하며 아래의 표 2에서와 같이 연부 고정편(23)을 구성하는 밑에서 두 번째의 소재인 스테인레스 강은 밑에서 세 번째인 본체(20)를 구성하는 저합금 고장력강에 비해 상온을 제외한 고온의 각 온도범위에서 열팽창계수가 작음을 알 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 증기 터빈용 노즐판(1)은 도 1에서와 같이 터빈의 케이싱(C)내에 적정 간격으로 이격되게 다단으로 설치하되 회전이 불가능하게 고정되는 상태로 설치되는 것으로, 각 노즐판(1)의 일측면에는 동력 전달용 회전축에 일체로 결합되는 회전체(10)를 미세 간격으로 이격되게 근접 설치한다.

케이싱(C)의 외부로부터 공급되는 스팀을 각 노즐판(1)의 노즐공(4)에서 대응하는 회전체(10)의 회전유도날개(11)에 순차적으로 분사함으로써 각 단의 회전유도날개(11)에 반동을 부여하여 회전체(10)와 이에 결합된 회전축이 회전될 수 있도록 한 것이다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

도 1은 본 발명 노즐판을 터빈의 케이싱 내에 적용한 상태를 보이는 요부 단면도.

도 2는 반원형의 한 쌍으로 구성되어 원형으로 조립 구성되는 본 발명 노즐판의 일 실시예를 보이는 정면 및 단면 예시도.

도 3은 본 발명 노즐판의 배면 예시도

도 4는 본 발명 노즐판의 다른 실시예를 보이는 분리 단면 예시도.

도 5는 도 4의 조립된 단면 예시도와 정면 예시도.

도 6은 본 발명의 작동상태를 보이는 요부 단면 예시도.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

1 : 노즐판 2 : 반원형 판체

3 : 설치공 4 : 노즐공

5 : 마개체결공 6 : 암나사부

20 : 본체 21 : 실링 설치홈

22 : 설치홈 23 : 연부 고정편

24 : 노즐공

Claims (6)

1. 한 쌍으로 구성되어 원형으로 조립 구성되며 중앙에 설치공을 구비하는 반원형의 판체와,

   상기 각 판체의 중간부에 반 원호를 따라 일정각도로 경사지게 천공되는 다수의 노즐공과,

   상기 각 노즐공의 상부에 상대적으로 큰 직경을 갖도록 구성되며 선택된 임의의 노즐공을 폐쇄시키기 위한 볼트형의 마개를 나사 체결시킬 수 있도록 암나사부가 구비되는 마개 체결공을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈용 노즐판.
2. 제 1항에 있어서,

   각 노즐판에 구성되는 노즐공의 개수는 노즐판의 규격 내에서 온전한 구조의 노즐공을 최대로 가공 배치할 수 있는 갯수로 설정하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈용 노즐판.
3. 제 1항에 있어서,

   각 노즐판에 구성되는 노즐공의 형성각도(X1)는 30°인 것을 특징으로 하는 증기 터빈용 노즐판.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 노즐판은 중앙에 실링 설치홈을 갖는 판상의 본체와,

   상기 본체의 외주연에 요입 구성되는 설치홈을 통해 내측단이 고정되고 외측단은 케이싱 내면의 설치홈에 고정되며 반원 호를 따라 다수의 노즐공과 마개체결공이 마련되는 연부 고정편을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈용 노즐판.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 본체는 저합금 고장력강인 것을 특징으로 하는 증기 터빈용 노즐판.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 연부 고정편은 스테인레스 강인 것을을 특징으로 하는 증기 터빈용 노즐판.

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